JP5212871B2

JP5212871B2 - 低損失基板スタックアップを使用したマルチバンドアプリケーション用小型多層埋め込みアンテナ

Info

Publication number: JP5212871B2
Application number: JP2010530039A
Authority: JP
Inventors: チョウドリ、デババニ; スー、ソン−ヨプ
Original assignee: Intel Corp
Current assignee: Intel Corp
Priority date: 2007-10-18
Filing date: 2008-10-10
Publication date: 2013-06-19
Anticipated expiration: 2028-10-10
Also published as: JP2011501570A; WO2009052029A1; CN101828301A; EP2201642A1

Description

技術の発展により、大量の音声、動画、画像およびデータの情報の圧縮やデジタル化が可能となった。無線移動体通信におけるデバイス間のデータ転送においては、高速のデータ速度で、正確にデータストリームを受信することが要求される。異なる規格及び周波数帯に応じた動作を可能とする品質を提供するとともに、無線で大容量データのやりとりを可能とするようなアンテナが望まれている。また、集積され、コンパクトで優れた性能のアンテナを収容する、より小型の所謂スモールフォームファクター（ＳＦＦ）のモバイルインターネット機器を提供することも望まれている。

本発明に関する主題は、本明細書の結論部分で明確に指摘され請求される。しかしながら、本発明は、動作の構成および方法は、その目的、特徴及び利点とともに、次の詳細な説明を添付の図面とともに参照することにより、よく理解されるであろう。

本発明による無線通信を可能とする一つ又は複数のアンテナを備える無線通信機器を示す。

マルチバンドアプリケーション用の低損失、低コストのプラスチック基板スタックアップを使用した小型多層モノポール型アンテナ構造を示す。マルチバンドアプリケーション用の低損失、低コストのプラスチック基板スタックアップを使用した小型多層モノポール型アンテナ構造を示す。デシベル（ｄＢ）単位で表した反射損失のデータと、デュアルバンドアプリケーションに本発明のアンテナが好適であることを示した図である。

良好な利得及び放射効率を有するモノポールアンテナ構造の２．４５ＧＨｚにおける遠方界をプロットした図である。

三つの金属層を有するアンテナ構造と、そのＳパラメーター及び三次元利得（ｄＢｉ）のプロットを示す。

低損失、低コストプラスチック基板スタックアップに金属パターンの多層構造と貫通金属ビアを使用した超小型埋め込みアンテナの構造を概略的に示す。

図示の単純化および明瞭化のために、図示された要素は必ずしも実寸法で描かれていない。例えば、いくつかの要素の寸法は、明瞭化のために他の要素に比べて拡大して描かれていることがある。さらに、適切であると考えられる場合、対応する又は類似する要素を示すのに参照番号が図面間で繰り返し使用されている。

以下の詳細な説明では、本発明を理解するために多くの詳細事項が記される。しかしながら、これら詳細事項がなくとも、本発明を実施可能であることは、当業者にとって明らかである。また、本発明を不明瞭にしない目的から、他の例においては、周知の方法、手順、部品及び回路等の詳細な説明を省略している。

以下に説明する本発明は、無線アプリケーションにおける多層プラスチック基板技術を取り入れたマルチバンド・フロントエンドモジュール（ＦＥＭ）に関する。ＦＥＭは、ＰＡ（電力増幅器）、ブロードバンド及び双方向アプリケーションに所要の整合、フィルタリング及び送受信（Ｔ／Ｒ）モジュールを備える。プラスチック基板スタックアップは、モジュール全体の大きさ、コスト及び機能性にプラスの影響をもたらす。

図１に示す実施例は、無線通信機器１０を示したものであり、当該通信機器は、他の無線通信機器との無線通信を可能とする多層プラスチック基板に形成された一つ又は複数のアンテナ構造１４を備える。本発明によるアンテナ構造１４は、ＲＦフロントエンドモジュールパッケージ基板スタックアップによる多層金属層を使用した埋め込みアンテナであり、これによりウルトラスモールフォームサイズが実現される。このような無線通信機器１０は、携帯端末やワイヤレスネットワーク環境で動作するデバイスとして利用することができる。ワイヤレスネットワークの例としては、ＩＥＥＥ８０２．１１に準拠した無線ＬＡＮの基盤となる技術を提供するＷｉ−Ｆｉ：ＷｉｒｅｌｅｓｓＦｉｄｅｌｉｔｙ、ＷｉＭａｘ及びＩＥＥＥ８０２．１６−２００５に準拠したＭｏｂｉｌｅＷｉＭａｘ、ＷＣＤＭＡ：ＷｉｄｅｂａｎｄＣｏｄｅＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｌｔｉｐｌｅＡｃｃｅｓｓ、ＧＳＭ：ＧｌｏｂａｌＳｙｓｔｅｍｆｏｒＭｏｂｉｌｅＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ等のネットワークが挙げられるが、本発明はこれらネットワークでの利用に限定されるものではない。通信機器１０と同じプラットフォームに配置される無線サブシステムにより、無線通信空間において、ネットワーク内の他のデバイスと異なる周波数帯で通信する能力が提供される。

本発明の簡単な実施形態では、アンテナ構造１４はトランシーバー１２と接続し、変調・復調に対応する。通常、アナログフロントエンド・トランシーバー１２としては、個別のまたは集積化されたスタンドアローンのＲＦアナログ回路であってもよいし、あるいは、一つ又は複数のプロセッサコア１６、１８を有するプロセッサを埋め込んだものであってもよい。複数のプロセッサコアによれば、処理すべきワークロードを複数のコアに割り当てることができ、ベースバンド機能やアプリケーション機能に対応可能となる。データは、インターフェースを通じて、システム記憶装置２０内のプロセッサとメモリー間で転送されるようにしてもよい。
図２は、マルチバンドアプリケーションに有用な、低損失低コスト基板スタックアップを使用した小型多層モノポール型アンテナ構造１４を示している。多層基板スタックアップとしては、低損失プラスチック基板スタックアップ、ポリマー基板スタックアップ、又はＦＥＭに適した薄型材料で形成された有機基板のスタックアップ等を採用することができる。一方、従来から、高性能基板スタックアップによる多層金属層が、例えばインダクタやコンデンサ等の埋め込み集中定数素子に用いられてきた。本発明は、同様な金属構造を用いて、マルチバンドアンテナ特性を備え且つ小型で高性能なアンテナ構造を示す。本発明で述べられる超小型アンテナは、ウルトラモバイルデバイス型のＳＦＦ環境に望ましい、優れた利得及び入力整合をもつ。

図に示すように、基板スタックアップは、多数の基板２１２、２１４、・・・、２１６等を含み、これら基板の表面にはパターニングされた金属層の線が形成されている。金属層の間に介在する中間誘電体は、低損失特性を有し、高性能アンテナアプリケーションに適している。モノポール型アンテナ構造は、金属層パターンと、無線フロントエンドボードからの接地面、及びＳＦＦモバイル無線デバイス型の機械的構造の様々な部分からの接地を利用する。ＳＦＦプラットフォームもしくは無線構造からの接地表面を、これらのアンテナを埋め込むのに利用してもよい。これら非常に小型のアンテナの接地部には、絶縁された金属貫通ビア構造を使って接続することができる。
図３には、複数の層になった基板スタックアップが描かれており、異なる基板層の表面の金属線が示されている。これら金属線を貫通及びブラインドビア２２６によって互いに接続し、アンテナ構造を形成するように構成してもよい。なお、様々な実施形態において、マルチバンドで動作するように二層、三層、四層、五層又は六層の金属層を有する基板スタックアップを用いることが可能であるが、アンテナ構造を構築するのに使用しているスタックアップの基板の層数及び金属層の層数によって、本発明は限定されない。種々の基板にパターニングされた複数の金属層の組み合わせ構造を利用して、例えば、無線ＬＡＮ型アプリケーション用の０．５ｍｍ基板スタックアップに配置された３０平方ミリメートル未満の大きさのマルチバンド高利得性能アンテナを構成してもよい。
図に例示した構造では、二層の金属層が、多層プラスチックパッケージ基板スタックアップのアンテナ構造に使用されている。多層プラスチック基板スタックアップは、次世代の低コストマルチ無線フロントエンドモジュールに好適となる可能性を有している。第１の金属層線２２２が基板２１２にパターニングされ、第２の金属層線２２４が基板２１４にパターニングされている。ビア２２６は、基板２１２にエッチングにより又は直接形成され、当該ビアによって第１の金属層線２２２と第２の金属層線２２４との低インピーダンス電気接続が可能となっている。金属層線２２２と金属層線２２４間のような複数の金属層線間の相互インダクタンス及びキャパシタンスは、多層アンテナ構造１４における動作周波数及び最適な帯域幅を決定するのに利用することができる。
図４は、多層モノポールアンテナ構造の反射損失をデシベル（ｄＢ）単位で示しており、また、デュアルバンド無線ＬＡＮアプリケーションに本発明のアンテナが適合していることを示している。第１の金属層線２２２と第２の金属層線２２４（概略は図３参照）の線幅、及びこれら線間の距離は、ＳＦＦ環境の所望の周波数帯において好適な放射パターンを達成するように最適化することができる。図は、５０オーム［Ω］のインピーダンスの金属伝送線構造がアンテナ入力を励起した場合を示しており、その結果、アンテナサイズがおよそ６．５×６．６×０．５ｍｍ^３のアンテナで、マルチバンドでの動作が可能であり、２．４ＧＨｚ及び５．５ＧＨｚの両方の周波数帯で動作することが示された。複数の金属線の幅及びアンテナ構造の金属パターンを変更することにより、帯域幅を広げることができる。

図５は、モノポールアンテナ構造１４の２．４５ＧＨｚにおける遠方界をプロットした図であり、６．１４ｄＢの利得と良好な放射効率が得られたことを示している。当図に示されている性能は、図３及び図４で示された二層アンテナ構造のものである。このアンテナ構造はフリンジングフィールドにおいて放射を呈し、その結果、特定の遠方界の放射パターンを示す。この放射パターンから、アンテナがある特定の方向において、他の方向に比べてより大きいパワーを放射することが分かる。アンテナは指向性をもつと言われており、通常デシベル［ｄＢ］で表される。

図６は、三層の金属層からなるＷｉ−Ｆｉ及びＷｉＭａｘアンテナ構造と、そのＳパラメーター及び三次元利得（ｄＢｉ）のプロットを示した図である。同図に示されるように、２．５ＧＨｚ及び５．５ＧＨｚのＷｉ−Ｆｉデュアルバンドのアンテナが、２．５ＧＨｚにおいて２．５８ｄＢｉの利得を達成している。また、同図に示されるように、三層アンテナが３．５ＧＨｚのＷｉＭａｘ帯域で３．７ｄＢｉの利得を達成している。またアンテナは、Ｗｉ−Ｆｉ及びＷｉＭａｘ帯域の全帯域をカバーしており、反射損失は−１０ｄＢ未満である。

図７は、低損失、低コストプラスチック基板スタックアップに、四層の金属パターンと貫通金属ビアを形成した超小型埋め込みアンテナ構造の電磁シミュレーションを示した図である。同図には、四層アンテナを構成する金属パターンと接続金属ビアが示されている。

多層有機プラスチック基板スタックアップに代わる実施形態として、低温同時焼成セラミックス（ＬｏｗＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＣｏ−ｆｉｒｅｄＣｅｒａｍｉｃ：ＬＴＣＣ）基板スタックアップを使用してもよい。しかしながら、ＬＴＣＣ材料は高い誘電率をもち、アンテナの放射効率及びインピーダンス帯域幅に影響を及ぼす。これは、高誘電率材料では、顕著な表面波が励起され、放射パターンを劣化させるからである。さらに、ＬＴＣＣ材料は、損失特性が、有機プラスチック基板材料に比べて高いもしくは同等レベルとなるが、これはスクリーン印刷されたＡｇの金属精細度による。

以上の説明により、本発明の実施形態によれば、低コストアンテナを、異なるプラットフォームで動作可能とし、また、マルチ無線システムオンパッケージ（ＳＯＰ）に集積することができることは、明らかである。将来的には、複数の無線機と、一体化された複数のマルチバンドアンテナとが無線システムに含まれ、特に、無線ＬＡＮ、ＷｉＭａｘ、ＢＴ、ＧＰＳ、ＤＶＢＨの通信で利用されるようになるだろう。これらの通信で使用される薄型且つ軽量の機械筐体には、超小型で無線機と一体化されたアンテナ構造が必要とされる。これらのアンテナを、Ｕｌｔｒａ‐ＳＦＦモバイルデバイス型アプリケーション用マルチ無線構造のフロントエンドモジュール（ＦＥＭ）とモノリシック的に集積することにより、コスト削減及び性能を向上させることが可能である。

本願明細書において、本発明の特定の特徴が例示されたが、多くの改良、置換、変更及び均等物についても、当業者であれば、構成できるであろう。従って、本発明の精神の範囲内において、特許請求の範囲はこれらのすべての改良及び変更を包括することを意図しているということは、理解されるべきである。
（項目１）
マルチバンドアプリケーション用フロントエンドモジュール（ＦＥＭ）であって、フロントエンドモジュール用の多層有機系プラスチック基板スタックアップに形成されるモノポール型アンテナを備え、上記アンテナは、上記スタックアップの第１の基板の表面にパターニングされた第１の金属層と、上記スタックアップの第２の基板の表面にパターニングされた第２の金属層とを有し、上記第１の金属層は、上記第１の基板に設けられたビアによって上記第２の金属層と接続されているフロントエンドモジュール。
（項目２）
上記モノポール型アンテナが、複数のプラスチックパッケージ基板の複数の金属層を用いて形成されている項目１に記載のフロントエンドモジュール。
（項目３）
上記基板スタックアップは低損失誘電特性を備える項目１に記載のフロントエンドモジュール。
（項目４）
上記多層有機系プラスチック基板スタックアップに形成された上記モノポール型アンテナが、複数の周波数帯をカバーする項目１に記載のフロントエンドモジュール。
（項目５）
上記第１の金属層と上記第２の金属層とが貫通ビア及びブラインドビアによって接続されアンテナ構造を形成する項目１に記載のフロントエンドモジュール。
（項目６）
上記第１の金属層と上記第２の金属層とが上記多層有機系プラスチック基板スタックアップに使用され、マルチバンドで動作可能となる項目１に記載のフロントエンドモジュール。
（項目７）
上記多層有機系プラスチック基板スタックアップにパターニング形成された金属層の組み合わせにより、スモールフォームファクター通信デバイスアプリケーション用のマルチバンドアンテナが形成されている項目１に記載のフロントエンドモジュール。
（項目８）
マルチバンドアプリケーション用多層アンテナ構造であって、
第１の金属層及び第２の金属層を多層基板スタックアップに備え上記多層アンテナ構造を構成する多層アンテナ構造。
（項目９）
上記多層基板スタックアップは、プラスチック基板スタックアップである項目８に記載の多層アンテナ構造。
（項目１０）
上記多層基板スタックアップは、有機基板スタックアップである項目８に記載の多層アンテナ構造。
（項目１１）
上記多層基板スタックアップは、ポリマー基板スタックアップである項目８に記載の多層アンテナ構造。
（項目１２）
上記多層基板スタックアップは、上記多層基板スタックアップの第１の低損失基板の表面にパターニングされた上記第１の金属層と、上記多層基板スタックアップの第２の低損失基板の表面にパターニングされた上記第２の金属層とを有し、上記第１の金属層が、上記第１の低損失基板に設けられたビアによって上記第２の金属層と接続されている項目８に記載の多層アンテナ構造。
（項目１３）
上記第１の金属層と上記第２の金属層との間の相互インダクタンス及びキャパシタンスによって上記多層アンテナ構造の動作周波数及び帯域が決定される項目８に記載の多層アンテナ構造。
（項目１４）
携帯機器であって、
マルチバンドアプリケーション用フロントエンドモジュールと、
多層プラスチック基板スタックアップに形成され上記フロントエンドモジュールと接続される多層アンテナ構造と、を備え、上記多層プラスチック基板の上記多層アンテナ構造は、上記多層プラスチック基板スタックアップの第１の基板にパターニングされた第１の金属層と、上記多層プラスチック基板スタックアップの第２の基板にパターニングされた第２の金属層とを有し、上記第１の金属層がビアによって上記第２の金属層と接続されている携帯機器。
（項目１５）
上記第１の金属層及び上記第２の金属層が上記多層プラスチック基板スタックアップに含まれる項目１４に記載の携帯機器。
（項目１６）
上記多層アンテナ構造は、低損失プラスチックパッケージ基板の複数の金属層を使用して構成されている項目１４に記載の携帯機器。
（項目１７）
上記多層プラスチック基板スタックアップは、低損失誘電特性を備える項目１４に記載の携帯機器。
（項目１８）
上記多層プラスチック基板スタックアップに形成された上記多層アンテナ構造は、二つの周波数帯域をカバーする項目１４に記載の携帯機器。
（項目１９）
マルチバンド通信機能を有する無線デバイスであって、
フロントエンドモジュールに配置された複数の無線機器と、
上記フロントエンドモジュールに接続された複数のプロセッサコアと、
上記フロントエンドモジュールの多層プラスチック基板スタックアップに形成された第１のアンテナと第２のアンテナと、を備え、上記第１のアンテナ及び上記第２のアンテナは、上記スタックアップの第１の基板の表面にパターニングされた第１の金属層と、上記スタックアップの第２の基板の表面にパターニングされた第２の金属層とを有し、上記第１の金属層は、ビアによって上記第２の金属層と接続されている無線デバイス。
（項目２０）
上記第１のアンテナ及び上記第２のアンテナは、低損失基板特性を備える上記多層プラスチック基板スタックアップに形成されている項目１９に記載の無線デバイス。
（項目２１）
上記多層プラスチック基板スタックアップに形成された上記第１のアンテナ及び上記第２のアンテナは、二つの周波数帯域をカバーする項目１９に記載の無線デバイス。
（項目２２）
有機またはポリマーのプラスチック材をスタックして上記多層プラスチック基板スタックアップが形成されている項目１９に記載の無線デバイス。

Claims

マルチバンドアプリケーション用フロントエンドモジュール（ＦＥＭ）であって、
フロントエンドモジュール用の多層有機系プラスチック基板スタックアップに形成されるモノポール型アンテナを備え、
前記モノポール型アンテナは、
前記スタックアップの第１の基板の表面にパターニングされた第１の金属層と、
前記スタックアップの第２の基板の表面にパターニングされた第２の金属層と、
を有し、
前記第１の基板および前記第２の基板は、低損失誘電特性を有し、
前記第１の金属層は、前記第１の基板に設けられたビアによって前記第２の金属層と接続されており、
前記第２の金属層は、絶縁された金属貫通ビア構造を使って、前記モノポール型アンテナの接地部に接続され、
前記モノポール型アンテナは、渦巻き状の形状を有する、
フロントエンドモジュール。
前記モノポール型アンテナが、複数のプラスチックパッケージ基板の複数の金属層を用いて形成されている、
請求項１に記載のフロントエンドモジュール。
前記基板スタックアップは低損失誘電特性を備える、
請求項１または請求項２に記載のフロントエンドモジュール。
前記多層有機系プラスチック基板スタックアップに形成された前記モノポール型アンテナが、複数の周波数帯をカバーする、
請求項１から請求項３までの何れか一項に記載のフロントエンドモジュール。
前記第１の金属層と前記第２の金属層とが貫通ビア及びブラインドビアによって接続されアンテナ構造を形成する、
請求項１から請求項４までの何れか一項に記載のフロントエンドモジュール。
前記第１の金属層と前記第２の金属層とが前記多層有機系プラスチック基板スタックアップに使用され、マルチバンドで動作可能となる、
請求項１から請求項５までの何れか一項に記載のフロントエンドモジュール。
前記多層有機系プラスチック基板スタックアップにパターニング形成された金属層の組み合わせにより、スモールフォームファクター通信デバイスアプリケーション用のマルチバンドアンテナが形成されている、
請求項１から請求項６までの何れか一項に記載のフロントエンドモジュール。
マルチバンドアプリケーション用多層アンテナ構造であって、
第１の金属層及び第２の金属層を多層基板スタックアップに備えて前記多層アンテナ構造を構成し、
前記多層基板スタックアップは、
前記多層基板スタックアップの第１の低損失基板の表面にパターニングされた前記第１の金属層と、
前記多層基板スタックアップの第２の低損失基板の表面にパターニングされた前記第２の金属層と、
を有し、
前記第１の金属層は、前記第１の低損失基板に設けられたビアによって前記第２の金属層と接続されており、
前記第２の金属層は、絶縁された金属貫通ビア構造を使って、前記多層アンテナ構造の接地部に接続され、
前記多層アンテナ構造は、渦巻き状の形状を有する、
多層アンテナ構造。
前記多層基板スタックアップは、プラスチック基板スタックアップ、有機基板スタックアップまたはポリマー基板スタックアップである、
請求項８に記載の多層アンテナ構造。
前記第１の金属層と前記第２の金属層との間の相互インダクタンス及びキャパシタンスによって前記多層アンテナ構造の動作周波数及び帯域が決定される、
請求項８または請求項９に記載の多層アンテナ構造。
携帯機器であって、
マルチバンドアプリケーション用フロントエンドモジュールと、
多層プラスチック基板スタックアップに形成され前記フロントエンドモジュールと接続される多層アンテナ構造と、
を備え、
前記多層プラスチック基板の前記多層アンテナ構造は、
前記多層プラスチック基板スタックアップの第１の基板にパターニングされた第１の金属層と、
前記多層プラスチック基板スタックアップの第２の基板にパターニングされた第２の金属層と、
を有し、
前記第１の基板および前記第２の基板は、低損失誘電特性を有し、
前記第１の金属層がビアによって前記第２の金属層と接続されており、
前記第２の金属層は、絶縁された金属貫通ビア構造を使って、前記多層アンテナ構造の接地部に接続され、
前記多層アンテナ構造は、渦巻き状の形状を有する、
携帯機器。
前記第１の金属層及び前記第２の金属層が前記多層プラスチック基板スタックアップに含まれる、
請求項１１に記載の携帯機器。
前記多層アンテナ構造は、低損失プラスチックパッケージ基板の複数の金属層を使用して構成されている、
請求項１１または請求項１２に記載の携帯機器。
前記多層プラスチック基板スタックアップは、低損失誘電特性を備える、
請求項１１から請求項１３までの何れか一項に記載の携帯機器。
前記多層プラスチック基板スタックアップに形成された前記多層アンテナ構造は、二つの周波数帯域をカバーする、
請求項１１から請求項１４までの何れか一項に記載の携帯機器。
マルチバンド通信機能を有する無線デバイスであって、
フロントエンドモジュールに配置された複数の無線機器と、
前記フロントエンドモジュールに接続された複数のプロセッサコアと、
前記フロントエンドモジュールの多層プラスチック基板スタックアップに形成された第１のアンテナと第２のアンテナと、
を備え、
前記第１のアンテナ及び前記第２のアンテナは、
前記スタックアップの第１の基板の表面にパターニングされた第１の金属層と、
前記スタックアップの第２の基板の表面にパターニングされた第２の金属層と、
を有し、
前記第１の基板および前記第２の基板は、低損失誘電特性を有し、
前記第１の金属層は、ビアによって前記第２の金属層と接続されており、
前記第２の金属層は、絶縁された金属貫通ビア構造を使って、前記第１のアンテナおよび前記第２のアンテナの接地部に接続され、
前記第１のアンテナおよび前記第２のアンテナは、渦巻き状の構造を形成する、
無線デバイス。
前記多層プラスチック基板スタックアップに形成された前記第１のアンテナ及び前記第２のアンテナは、二つの周波数帯域をカバーする、
請求項１６に記載の無線デバイス。
有機またはポリマーのプラスチック材をスタックして前記多層プラスチック基板スタックアップが形成されている、
請求項１６または請求項１７に記載の無線デバイス。