JP4479606B2 - Antenna device - Google Patents
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Description
本発明はアンテナ装置に関し、特に、送受信回路を内蔵した小型で高性能なアンテナ装置に関するものである。 The present invention relates to an antenna device, and more particularly to a small and high-performance antenna device with a built-in transmission / reception circuit.
従来の無線送受信機では、プリント基板上にチップアンテナを搭載するとともに、半導体ICチップその他のチップ部品を搭載することにより送受信回路を構成していた。チップアンテナとしては、誘電体基板の上面に矩形状の導体パターンからなる放射電極を形成し、底面のほぼ全面にグランド電極を形成したパッチアンテナが好ましく用いられている(特許文献1参照)。 In a conventional wireless transceiver, a chip antenna is mounted on a printed circuit board, and a transmitter / receiver circuit is configured by mounting a semiconductor IC chip and other chip components. As the chip antenna, a patch antenna is preferably used in which a radiation electrode made of a rectangular conductor pattern is formed on the top surface of a dielectric substrate, and a ground electrode is formed on almost the entire bottom surface (see Patent Document 1).
このような従来の無線送受信機では、パッチアンテナを含めプリント基板上に多くのチップ部品を実装する必要があるため、無線送受信機の小型化、薄型化及び軽量化を図るには限界があり、製造プロセスも非常に複雑になるという問題がある。したがって、実装されるチップ部品についても、無線送受信機の小型化に寄与する小型で高機能な複合部品として提供されることが望まれている。 In such a conventional wireless transceiver, since it is necessary to mount many chip parts on the printed circuit board including the patch antenna, there is a limit in reducing the size, thickness and weight of the wireless transceiver, There is a problem that the manufacturing process becomes very complicated. Therefore, it is desired that the mounted chip parts also be provided as small and highly functional composite parts that contribute to miniaturization of the radio transceiver.
そのような事情から、最近ではアンテナ一体型高周波回路モジュールが考えられている(特許文献1参照)。このモジュールは、誘電体基体の表面に放射電極を形成し、放射電極の形成領域を避けた誘電体基体の部分に貫通部を形成し、貫通部の表面側開口部を塞ぐ回路基板を設け、回路基板上に高周波回路を形成したものである。 Under such circumstances, recently, an antenna integrated high-frequency circuit module has been considered (see Patent Document 1). In this module, a radiation electrode is formed on the surface of the dielectric substrate, a penetration portion is formed in a portion of the dielectric substrate that avoids a region where the radiation electrode is formed, and a circuit board that closes the surface side opening of the penetration portion is provided. A high-frequency circuit is formed on a circuit board.
また、従来の他のアンテナ装置としては、放射電極を形成する誘電体基板と電子回路を形成する実装回路基板とを別々に形成し、誘電体基板と実装回路基板との間に空間を形成するように支持部材を介在させて、これらの基板を層状に組み立てるものが知られている(特許文献2参照)。
しかしながら、上述した従来のアンテナ一体型高周波回路モジュールでは、プリント基板上の当該モジュールの実装面積が大きくなるという問題がある。また、従来の他のアンテナ装置では、誘電体基板と実装回路基板との間に空間を形成するように支持部材を介在させて、これらの基板を層状に組み立てていることから、アンテナ装置の厚みが増し、小型化の要求に応えることができないという問題がある。 However, the above-described conventional antenna-integrated high-frequency circuit module has a problem that the mounting area of the module on the printed circuit board increases. In another conventional antenna device, since the support member is interposed so as to form a space between the dielectric substrate and the mounting circuit substrate and these substrates are assembled in layers, the thickness of the antenna device is reduced. There is a problem that the demand for miniaturization cannot be met.
したがって、本発明の目的は、送受信回路を内蔵した小型で高機能なアンテナ装置を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a small and high-performance antenna device with a built-in transmission / reception circuit.
本発明の上記目的は、誘電体基板と、前記誘電体基板の表面に形成された放射電極と、前記誘電体基板の内部に埋め込まれた第1のグランド電極及び送受信回路を備え、前記第1のグランド電極は、前記誘電体基板を構成する誘電体層を介して前記放射電極と対面しており、前記送受信回路は、前記誘電体基板の内部のうち、前記放射電極と前記第1のグランド電極に挟まれた領域とは異なる領域に配置されているアンテナ装置によって達成される。これによれば、パッチアンテナと高周波回路とを一体化することができ、特に、パッチアンテナの放射電極とグランド電極との間には誘電体層のみが介在しているので、アンテナ特性の良好な送受信回路一体型アンテナを実現することができる。 The object of the present invention includes a dielectric substrate, a radiation electrode formed on the surface of the dielectric substrate, a first ground electrode embedded in the dielectric substrate, and a transmission / reception circuit. The ground electrode faces the radiation electrode via a dielectric layer constituting the dielectric substrate, and the transmission / reception circuit includes the radiation electrode and the first ground in the dielectric substrate. This is achieved by the antenna device arranged in a region different from the region sandwiched between the electrodes. According to this, the patch antenna and the high frequency circuit can be integrated, and in particular, since only the dielectric layer is interposed between the radiation electrode and the ground electrode of the patch antenna, the antenna characteristics are excellent. A transmission / reception circuit integrated antenna can be realized.
本発明において、前記誘電体基板は積層構造を有し、前記誘電体基板の内部導体層には前記第1のグランド電極が設けられるとともに、前記第1のグランド電極と同じ層に前記送受信回路を構成する配線パターンが設けられ、前記配線パターン上には前記送受信回路を構成する電子部品が搭載されていることが好ましい。これによれば、第1のグランド電極とパターンとが同一平面上に設けられているため、一回のパターンエッチングでその両方を形成することができ、製造工程の効率化を図ることができる。 In the present invention, the dielectric substrate has a laminated structure, the first ground electrode is provided on the inner conductor layer of the dielectric substrate, and the transmission / reception circuit is provided in the same layer as the first ground electrode. It is preferable that a wiring pattern to be configured is provided, and an electronic component configuring the transmission / reception circuit is mounted on the wiring pattern. According to this, since the first ground electrode and the pattern are provided on the same plane, both of them can be formed by a single pattern etching, and the manufacturing process can be made more efficient.
本発明においては、前記誘電体基板の底面に設けられた底面端子をさらに備え、前記第1のグランド電極はビアホールを介して前記底面端子に接続されていることが好ましい。これによれば、アンテナ装置をプリント基板上に実装した場合に、第1のグランド電極とプリント基板上のグランドラインとの接続を確実に取ることができる。 In the present invention, it is preferable that a bottom terminal provided on the bottom surface of the dielectric substrate is further provided, and the first ground electrode is connected to the bottom terminal through a via hole. According to this, when the antenna device is mounted on the printed board, the first ground electrode and the ground line on the printed board can be reliably connected.
本発明においては、前記送受信回路の上方に設けられ、前記送受信回路の少なくとも一部を覆う第2のグランド電極をさらに備えていることが好ましい。具体的には、前記電子部品が半導体ICチップを含み、前記アンテナの電磁界との結合が、前記第2のグランド電極は、前記送受信回路を構成する前記半導体ICチップ周辺の上方を選択的に覆っていることが好ましい。これによれば、送受信回路からの不要輻射を遮蔽することができ、アンテナ特性の低下を防止することができる。 In the present invention, it is preferable to further include a second ground electrode provided above the transmission / reception circuit and covering at least a part of the transmission / reception circuit. Specifically, the electronic component includes a semiconductor IC chip, and coupling with the electromagnetic field of the antenna is such that the second ground electrode is selectively above the periphery of the semiconductor IC chip constituting the transmission / reception circuit. It is preferable to cover. According to this, unnecessary radiation from the transmission / reception circuit can be shielded, and deterioration of the antenna characteristics can be prevented.
本発明においては、前記誘電体基板が積層構造を有し、前記誘電体基板の内部導体層に前記第1のグランド電極が設けられるとともに、前記第1のグランド電極とは別の層に前記送受信回路が設けられていることもまた好ましい。これによれば、第1のグランド電極がパッチアンテナのグランド面として機能すると共に、送受信回路からの不要輻射を遮蔽することができ、アンテナ特性の低下を防止することができる。しかも、誘電体基板の平面方向のサイズを縮小することができるので、アンテナ装置の小型化を図ることができる。 In the present invention, the dielectric substrate has a laminated structure, the first ground electrode is provided on an inner conductor layer of the dielectric substrate, and the transmission / reception is performed on a layer different from the first ground electrode. It is also preferred that a circuit is provided. According to this, the first ground electrode functions as a ground plane of the patch antenna, can shield unwanted radiation from the transmission / reception circuit, and can prevent deterioration of the antenna characteristics. Moreover, since the size of the dielectric substrate in the planar direction can be reduced, the antenna device can be downsized.
本発明において、前記放射電極が形成されている領域と前記送受信回路が設けられている領域とは、前記誘電体基板の表面とほぼ直角な方向に形成された当該誘電体基板中のスリットによって隔離されていることが好ましい。これによれば、アンテナと送受信回路とが干渉してアンテナ特性に影響が出るような場合であっても、そのような干渉を防止することができる。 In the present invention, the region where the radiation electrode is formed and the region where the transmission / reception circuit is provided are separated by a slit in the dielectric substrate formed in a direction substantially perpendicular to the surface of the dielectric substrate. It is preferable that According to this, even when the antenna and the transmission / reception circuit interfere with each other and the antenna characteristics are affected, such interference can be prevented.
本発明においては、前記放射電極の一辺に近接して同一平面に設けられた給電電極と、前記誘電体基板内に設けられ、前記給電電極と前記送受信回路とを接続するビアホール電極とをさらに備えることが好ましい。これによれば、放射電極と送受信回路とを電気的に接続することができる。 The present invention further includes a power supply electrode provided on the same plane in proximity to one side of the radiation electrode, and a via-hole electrode provided in the dielectric substrate and connecting the power supply electrode and the transmission / reception circuit. It is preferable. According to this, a radiation electrode and a transmission / reception circuit can be electrically connected.
本発明によれば、パッチアンテナと高周波回路とを一体化することができ、特に、パッチアンテナの放射電極とグランド電極との間に高周波回路は存在せず、誘電体層のみが介在しているので、アンテナ特性に影響を与えることなく、小型で高性能な送受信回路一体型アンテナ装置を実現することができる。また、パッチアンテナの一部を構成するグランド電極と同じ層に送受信回路の配線パターンを形成することにより、小型化、積層工程の削減等による工程の合理化が可能となる。このようなパッチアンテナを無線送受信機に用いた場合には、無線送受信機の小型化に寄与することが可能となる。 According to the present invention, the patch antenna and the high-frequency circuit can be integrated, and in particular, there is no high-frequency circuit between the radiation electrode and the ground electrode of the patch antenna, and only the dielectric layer is interposed. Therefore, it is possible to realize a small and high performance transmitting / receiving circuit integrated antenna device without affecting the antenna characteristics. Further, by forming the wiring pattern of the transmission / reception circuit in the same layer as the ground electrode constituting a part of the patch antenna, it is possible to rationalize the process by downsizing and the reduction of the lamination process. When such a patch antenna is used for a wireless transceiver, it is possible to contribute to miniaturization of the wireless transceiver.
以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
図1は、本発明の第1の好ましい実施形態にかかるアンテナ装置の構成を示す斜視図であり、図2はその上面図である。 FIG. 1 is a perspective view showing a configuration of an antenna device according to a first preferred embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a top view thereof.
図1及び図2に示すように、このアンテナ装置100は、RF送受信回路を内蔵する略ブロック状の誘電体基板101と、誘電体基板101の上面に形成されたパッチアンテナの放射電極102と、放射電極102の一辺に近接した位置に設けられた給電電極103と、誘電体基板101の側面に設けられた側面端子104を備えている。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
誘電体基板101は、放射電極102の形成面を提供するものであり、その材料としては特に限定されるものではないが、例えばLTCC(低温焼成セラミック)、エポキシ系の熱硬化性樹脂、可撓性の有機フィルム等で高周波特性の良いものを用いることができる。放射電極102は略正方形状の導体パターンからなり、一辺の長さL1は、使用波長λに対して概ねλ/2に設定されている。給電電極103は、グランド面に対して概ね50Ωのインピーダンスをもつ伝送線路であり、放射電極102と電磁界結合するように配置されている。
The
図3は、図2のA−A線に沿ったアンテナ装置の側面断面図であり、図4は図2のB−B線に沿ったアンテナ装置の側面断面図であり、図5は図4のC−C線に沿った平面断面図である。 3 is a side sectional view of the antenna device along the line AA in FIG. 2, FIG. 4 is a side sectional view of the antenna device along the line BB in FIG. 2, and FIG. It is a plane sectional view along line CC.
図3及び図4に示すように、誘電体基板101は積層構造を有しており、本実施形態においては、第1の誘電体層101a及び第2の誘電体層101bが積層された二層構造となっており、これらの層間には電極層(内部導体層)が設けられている。また、誘電体基板101の底面には底面端子105が設けられている。図5に示すように、誘電体基板101の内部導体層の平面領域は、グランド面形成領域S1と回路形成領域S2とに大きく分けられ、グランド面形成領域S1には第1のグランド電極106が設けられ、回路形成領域S2にはRF送受信回路用の配線パターン107が設けられている。これらの導体パターンは、例えば誘電体シートの表面に張り付けられた銅箔のパターンエッチングにより、同時に形成することができる。
As shown in FIGS. 3 and 4, the
第1のグランド電極106は、パッチアンテナのグランド面として放射電極102の下方に設けられており、少なくとも放射電極102の投影面全体をカバーする程度の面積を有している。放射電極102と第1のグランド電極106とは誘電体基板101を構成する誘電体層101bのみを介して直接対面している。第1のグランド電極106は多数のビアホール電極109を介して底面端子105に接続されている。また、第1のグランド電極106の一部は回路形成領域S2内に引き込まれ、RF送受信回路のグランドラインとして使用される。
The
配線パターン107上には半導体ICチップ108aやチップコンデンサ108bといった電子部品108がフェースボンディングにより実装され、これらによりRF送受信回路が構成される。なお、図5において、半導体ICチップ108aやチップコンデンサ108bは配線パターン107上の破線で示す位置に実装される。また、特に限定されるものではないが、本実施形態においてはこれらの電子部品が配線パターンの上面側に実装されている。
On the
給電電極103は、ビアホール電極110を介してRF送受信回路の配線パターン107に接続されている。配線パターン107の一部は側面端子104に接続され、他の一部はビアホール電極111を介して底面端子105に接続されており、これらの端子を介してRF送受信回路への電源供給及び信号の入出力が行われる。
The
以上説明したように、本実施形態のアンテナ装置100によれば、RF送受信回路の配線パターン107が放射電極102のグランド面である第1のグランド電極106と同じ層に設けられており、RF送受信回路を内蔵する上で必要な内部導体層は一層あれば足りることから、何層にも重ねた積層構造にする必要がない。また、第1のグランド電極と導体パターンとが同じ層内に設けられていることから、例えば誘電体シートの表面に張り付けられた銅箔のパターンエッチングにより、第1のグランド電極と導体パターンとを同時に形成することができる。したがって、製造工程を簡素化することができ、製造コストの削減、製造効率の向上を図ることができる。さらに、第1のグランド電極106は、誘電体基板101を構成する誘電体層101bを介して放射電極と対面しており、送受信回路は、誘電体基板101の内部のうち、放射電極102と第1のグランド電極106に挟まれた領域とは異なる領域に配置されていることから、送受信回路を内蔵することによるアンテナ特性の劣化を十分に低減することができる。
As described above, according to the
上述した第1の実施形態において、例えば半導体ICチップ108aの実装領域周辺からの電磁界の漏れが大きく、アンテナ特性に悪影響があるような場合には、次のような構成をとることもできる。 In the first embodiment described above, for example, when the leakage of the electromagnetic field from the periphery of the mounting region of the semiconductor IC chip 108a is large and the antenna characteristics are adversely affected, the following configuration can be adopted.
図6は、本発明の第2の好ましい実施形態に係るアンテナ装置の構成を示す略側面断面図であり、図7は図6のD−D線に沿った平面断面図である。なお、第1の実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明を省略する。 FIG. 6 is a schematic side cross-sectional view showing the configuration of the antenna device according to the second preferred embodiment of the present invention, and FIG. 7 is a cross-sectional plan view taken along the line DD in FIG. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the component same as 1st Embodiment, and detailed description is abbreviate | omitted.
図6及び図7に示すように、このアンテナ装置200の特徴は、配線パターン107上に実装された半導体ICチップ108aの上方を覆う第2のグランド電極112を備えている点にある。なお、図7において、第2のグランド電極112は破線で示す位置に設けられる。そして、第2のグランド電極112はビアホール電極113を介して第1のグランド電極106と接続されている。このような構成であるため、本実施形態のアンテナ装置200は、第1の誘電体層、第2の誘電体層及び第3の誘電体層からなる三層構造となり、これらの層間に形成される電極層(内部導体層)は二層となるが、半導体ICチップの実装領域周辺からの不要輻射を遮蔽することができ、アンテナ特性の低下を防止することができる。また図示しないが、アンテナ装置200の内部にインダクタ(チップまたはパターン)が存在している場合には、インダクタの周辺に生じている磁界と前記アンテナの電磁界との結合を防ぐため、半導体ICチップ108aの場合と同様に、インダクタの上方を第2のグランド電極112で選択的に覆うようにしてもよい。
As shown in FIGS. 6 and 7, the
なお、本実施形態においては、半導体ICチップ108aの上方にのみ第2のグランド電極を形成しているが、例えば図8に示すように、RF送受信回路全体をカバーするような広めのグランドパターンを第2のグランド電極114として形成してもよい。
In the present embodiment, the second ground electrode is formed only above the semiconductor IC chip 108a. However, as shown in FIG. 8, for example, a wide ground pattern that covers the entire RF transceiver circuit is formed. The
図9は、本発明の第3の好ましい実施形態に係るアンテナ装置の上面図、図10は、図9のE−E線に沿ったアンテナ装置の側面断面図、図11は、図10のF−F線に沿ったアンテナ装置の平面断面図である。 9 is a top view of the antenna device according to the third preferred embodiment of the present invention, FIG. 10 is a side sectional view of the antenna device along the line EE of FIG. 9, and FIG. 11 is F of FIG. It is a plane sectional view of the antenna device along the -F line.
図9乃至図11に示すように、このアンテナ装置500の特徴は、第1のグランド電極106を形成すべき領域(S1)を回路形成領域S2に割り当てて配線パターン107を設けた点にある。アンテナ装置500の誘電体基板101は、第1の誘電体層101a、第2の誘電体層101b及び第3の誘電体層101cが積層された三層構造となっておりこれらの層間には電極層(内部導体層)が設けられている。そして、上側の内部導体層のほぼ全面にはグランド電極115が設けられており、下側の内部導体層のほぼ全面には前記グランド電極115をグランドとしたマイクロストリップ線路または集中定数素子からなる送受信回路用の配線パターン107が設けられている。前記配線パターン107の下方にはICチップ等のチップ部品が搭載されている。また、給電電極103は、図示のように、ビアホール電極ではなく側面端子104を介して配線パターン107に接続されている。以上のように、本実施形態によれば、アンテナ面積はそのままで、誘電体基板101の平面方向のサイズを縮小することができるので、アンテナ装置の小型化を図ることができる。
As shown in FIGS. 9 to 11, the
次に、本発明の第4の好ましい実施形態について詳細に説明する。 Next, a fourth preferred embodiment of the present invention will be described in detail.
図12は、本発明の第4の好ましい実施形態に係るアンテナ装置の構成を示す略平面図であり、図13は図13のG−G線に沿った側面断面図である。なお、第1の実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明を省略する。 FIG. 12 is a schematic plan view showing the configuration of the antenna device according to the fourth preferred embodiment of the present invention, and FIG. 13 is a side sectional view taken along the line GG of FIG. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the component same as 1st Embodiment, and detailed description is abbreviate | omitted.
図12及び図13に示すように、このアンテナ装置600の特徴は、放射電極102とRF送受信回路とが誘電体基板101の基板面とほぼ直角な方向に形成された当該誘電体基板101中のスリット117によって電磁気的に隔離されている点にある。スリット117内は空洞状態であることが好ましい。また、スリット117は誘電体基板の底面へ貫通していてもよい。このように、本実施形態によれば、誘電体基板101中にスリット117が設けられているので、パッチアンテナとRF送受信回路とが干渉してアンテナ特性に影響が出るような場合であっても、そのような干渉を防止することができる。
As shown in FIGS. 12 and 13, the
本発明は、以上の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を加えることが可能であり、これらも本発明の範囲に包含されるものであることは言うまでもない。 The present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention, and these are also included in the scope of the present invention. Needless to say.
例えば、上記各実施形態においては、回路形成領域S2に形成された配線パターン107の上面側に半導体ICチップやチップコンデンサなどのチップ部品108がフェースボンディングにより実装されている場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば図14に示すように、チップコンデンサ108bを配線パターン107の下面側(底面側)からフェースボンディングにより実装してもよい。また図示しないが、半導体ICチップを配線パターンの下面側(底面側)からフェースボンディングにより実装してもよい。つまり、本発明においては、配線パターン上に電子部品が実装されている場合とは、配線の表面に実装されている場合及び裏面に実装されている場合の両方を意味する。
For example, in each of the above embodiments, the case where the
また、上記各実施形態においては、誘電体基板の上面に放射電極を形成しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、上面または誘電体の内層に構成された概1/2波長の線状アンテナ、スロットアンテナ等を形成する場合にも適用可能である。 In each of the embodiments described above, the radiation electrode is formed on the upper surface of the dielectric substrate. However, the present invention is not limited to this, and is approximately 1/2 formed on the upper surface or the inner layer of the dielectric. The present invention can also be applied to the case of forming a wavelength linear antenna, a slot antenna, or the like.
100 アンテナ装置
101 誘電体基板
101a 第1の誘電体層
101b 第2の誘電体層
101c 第3の誘電体層
102 放射電極
103 給電電極
104 側面端子
105 底面端子
106 グランド電極
107 配線パターン
108 チップ部品(電子部品)
108a 半導体ICチップ
108b チップコンデンサ
109 ビアホール電極
110 ビアホール電極
111 ビアホール電極
112 グランド電極
113 ビアホール電極
114 グランド電極
115 グランド電極
117 スリット
200 アンテナ装置
300 アンテナ装置
400 アンテナ装置
500 アンテナ装置
600 アンテナ装置
S1 グランド面形成領域
S2 回路形成領域
100
108a
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