JP5495335B2 - アンテナユニット - Google Patents

Description

本発明は、アンテナユニットに関し、特に、改善された分離度及びビーム幅を有するアンテナユニットに関するものである。本発明のアンテナユニットは、フェーズドアレイアンテナに用いるのに適する。

図１は、アンテナ基板１０、給電基板２０、マイクロストリップパッチ３０、グランドプレーン４０、及びマイクロストリップ給電線５０を含む従来のアンテナ１を表している。アンテナ基板１０は、第１面１１及び第２面１２を含む。給電基板２０は、第３面２１及び第４面２２を含む。マイクロストリップパッチ３０は、第１面１１上に配置される。グランドプレーン４０は、第３面２１上に配置される。第２面１２は、グランドプレーン４０に接続される。結合開口４１は、グランドプレーン４０上に形成される。マイクロストリップ給電線５０は、第４面２２上に配置される。マイクロストリップ給電線５０は、結合開口４１を介して無線信号をマイクロストリップパッチ３０に伝送する。従来のアンテナは、一般的に小さい帯域幅、大量の背面放射、及び不要な表面波放射の問題を有する。また、従来のアンテナがアレイ状に配列された時、アンテナ間の分離性は、低い。

改善された分離度及びビーム幅を有するアンテナユニットを提供する。

アンテナユニットが提供される。アンテナユニットは、第１基板、第１導電層、第２導電層、第１平面導電性リング（必要に応じて形成される）、及び給電導体を含む。第１基板は、第１面及び第２面を含み、第１面は、第２面に対向する。第１導電層は、第１面上に配置される。第２導電層は、第２面上に配置され、主開孔は、第１面と第２面とを電気的に接続するビアによって囲まれた第２導電層上に形成され、主開孔及び囲んでいるビアは、放射空洞を規定する。第１平面導電性リングは、放射空洞を囲む。給電導体は、無線信号をアンテナユニットに伝送する。第１平面導電性リング及び給電導体の両方は、第１基板に組み込まれる。

本発明の実施形態のアンテナユニットは、改善された分離度及び安定したアクティブインピーダンスを提供し、広いスキャン角度を得る。また、１つの実施形態では、給電導体は、第１導電層と第２導電層の間に延伸し、無線信号をアンテナユニットに伝送する（より低い位置に位置する給電構造）。よって、第１実施形態の提案されている、より低い位置に位置する給電ユニットは、φ=0度とφ=90度の両方向で、改善された対称利得パターンを提供する。

詳細な説明は、添付の図面と併せて以下の実施形態に説明される。

本発明は、添付の図面と併せて後に続く詳細な説明と実施例を解釈することによって、より完全に理解されることができる。
従来のアンテナを表している。 本発明の実施例１のアンテナユニットを表している。 本発明の実施例１のアンテナユニットのE及びHプレーンアンテナパターンを表している。 図２の方向IV-IVに沿った断面図である。 本発明の第２実施形態のアンテナユニットを表している。 第２実施形態のもう１つの変化例のアンテナユニットを表している。 本発明の第３実施形態のアンテナユニットを表している。 図８（Ａ）〜（Ｆ）は、本発明の変化例を表している。 本発明の第４実施形態のアンテナユニットを表している。 アンテナユニットがパッケージ設計に組み込まれ、複数の第２導電ビア及び異なるパッケージ層間の垂直同軸ケーブルの直接信号を更に含む、本発明の２×２のアンテナアレイを表している。 アンテナユニットが給電導体の給電線の側に形成された複数の第３導電ビアを更に含む、もう１つの変化例を表している。

以下の説明は、本発明を実施するベストモードが開示されている。この説明は、本発明の一般原理を例示する目的のためのもので本発明を限定するものではない。本発明の範囲は、添付の請求の範囲を参考にして決定される。

図２は、本発明の第１実施形態のアンテナユニット１００を表している。アンテナユニット１００は、第１基板１１０、第２基板１２０、第１導電層１３０、第２導電層１４０、ゼロ以上の平面導電性リング（平面導電性リング１５１及び１５２）、給電導体１６０、パッチ１７０、及び複数の第１導電ビア１８１を含む。第１基板１１０は、第１面１１１及び第２面１１２を含み、第１面１１１は、第２面１１２に対向する。第２基板１２０は、第３面１２１及び第４面１２２を含み、第３面１２１は、第４面１２２に対向する。第１導電層１３０は、第１面１１１上に配置される。第２導電層１４０は、第２面１１２上に配置され、主開孔１４１は、第１導電層１３０と第２導電層１４０に電気的接続する第１導電ビア１８１によって囲まれた第２導電層上に形成され、主開孔１４１及び囲んでいる（surrounding）ビアは、放射空洞（radiation cavity）を規定する。第１平面導電性リング１５１は、第１導電層１３０と第２導電層１４０の間に位置される（第１基板１１０に組み込まれている）。第２平面導電性リング１５２は、第１平面導電性リング１５１上にあり、第２基板１２０に組み込まれている。なお、第２平面導電性リング１５２は、第１平面導電性リング１５１上にあり、第２基板に配置されても良い。第１平面導電性リング１５１及び第２平面導電性リング１５２は、放射空洞を囲む。第１導電ビア１８１は、第１導電層１３０、第２導電層１４０、第１平面導電性リング１５１、及び第２平面導電性リング１５２を接続する。放射空洞を囲んでいる第１導電ビア１８１は、第１の所定のルールを満たしている。この実施形態では、第１導電層１３０及び第２導電層１４０は、接地層であるため、囲んでいるビア１８１、第１平面導電性リング１５１、及び第２平面導電性リング１５２も接地される。給電導体１６０は、第１導電層１３０と第２導電層１４０の間で放射空洞に延伸され、無線信号をアンテナユニットに１００に伝送（feed）する。パッチ１７０は、主開孔１４１の上方の第４面１２２上に配置され、給電導体１６０から分離される。

第１実施形態では、主開孔１４１を有する第２導電層１４０、第１平面導電性リング１５１、第２平面導電性リング１５２、第１導電ビア１８１、及び第１導電層１３０は、空洞を形成する。第１基板１１０及び第２基板１２０の表面波電流は、平面形成の空洞によって妨げられる。よって、第１実施形態のアンテナユニット１００は、改善された分離度及び安定したアクティブインピーダンスを提供し、広いスキャン角度を得る。また、給電導体１６０は、第１導電層１３０と第２導電層１４０の間に延伸し、無線信号をアンテナユニット１００に伝送する（より低い位置に位置する給電構造）。よって、図３に示されるように、第１実施形態のアンテナユニット１００は、φ=0度とφ=90度の両方向で、広く、且つ改善された対称利得パターン（symmetrical gain patterns）を提供する。なお、アンテナユニット１００の利得パターン（指向性）は、図２に示すアンテナユニット１００の形状（特に、主開孔１４１、第１平面導電性リング１５１、第２平面導電性リング１５２、給電導体１６０、第１導電ビア１８１およびパッチ１７０）等に基づくものであり、本実施形態はこれに限定されない。

図４は、図２の方向IV-IVに沿った断面図である。ゼロ以上の第２平面導電性リング１５２は、第２基板１２０に組み込まれている。ゼロ以上の第２平面導電性リング１５２は、互いに分離されているが、それらは第１導電ビア１８１に接続されている。図４に示されるように、第１導電ビア１８１は、第１基板１１０及び第２基板１２０を通過して延伸する。第１平面導電性リング１５１は、給電導体１６０から分離される。第１平面導電性リング１５１は、給電導体１６０の上方または下方に位置するか、または給電導体１６０と同じ面に位置されてもよい。第１平面導電性リング１５１が給電導体１６０と同じ面に位置された時、第１平面導電性リング１５１は、給電導体１６０をそこに通過させるノッチ（notch）を含む。図４の実施形態では、第１導電層１３０と第２平面導電性リング１５２間の高さhは、約０.２５λである。第１の所定ルールの実施形態では、各２つの隣接する導電ビア間の間隙gは、λ／８より小さくなるように設計され得る。高さh及び間隙gは、変更されることもできる。

図５は、第２平面導電性リング１５２が省略された本発明の第２実施形態のアンテナユニット１０２’を表している。従来技術に比べ、本発明の第２実施形態も改善された分離度を提供する。

図６は、第２実施形態のもう１つの変化例のアンテナユニット１０２”を表している。図６に示されるように、第１平面導電性リング１５１は、更に省略されてもよい。より低い位置に位置する給電構造を有するアンテナユニット（第１導電層１３０と第２導電層１４０との間に延伸する給電導体１６０）は、φ=0度とφ=90度の両方向で、改善された対称利得パターンを提供する。

図７は、本発明の第３実施形態のアンテナユニット１０３を表しており、給電導体１６０は、より高い、第２導電層１４０上に配置されている。アンテナユニット１０３の平面導電性リングによって、アンテナユニット１０３は、なお改善された分離度と安定したアクティブインピーダンスを提供し、広いスキャン角度を得ることができる。

上述の実施形態では、第１及び第２平面導電性リングは、プリント（printing）によって形成された平面金属リングでもよい。第１及び第２基板は、複数の基板層からなることもできる。

図８Aに示されるように、パッチは、省略されてもよい。図８B〜８Fは、本発明の変化例を表しており、パッチ１７０は、異なる方向で配置された、またはアレイに配置された、異なる形状を有することができる。

図９は、本発明の第４実施形態のアンテナユニット１０４を表している。給電導体１６０’、 第１平面導電性リング１５１’、及び第２平面導電性リング１５２’は、円形である。第４実施形態に示されるように、給電導体及び平面導電性リングは、変化されてもよい。

図１０Aは、２×２のアンテナユニット１００、１０２、１０２’、１０２”、１０３、または１０４を有する多層パッケージ基板に組み込まれるアンテナアレイからなる本発明の変化例を表しており、複数の第２導電ビア１８２及び中心導体１６１によって形成された垂直同軸ケーブルを更に含み、パッケージ基板の異なる層間の信号相互接続（signal interconnection）を提供する。第２導電ビア１８２は、第１導電層１３０と第２導電層１４０とを接続し、同軸ケーブルの中心導体１６１の少なくとも一部を囲む。アンテナアレイでは、給電導体１６０と同軸ケーブル間の接続は、短縮され、接地されたビアによって囲まれて、伝送線路の損失を最小化し、不要な結合をなくす。不要な結合は、隣接のアンテナ構成要素だけでなく、パッケージの電源面と他の相互接続線にも由来する。図１０Bに示されるように、他の変化例では、複数の第３導電ビア１８３は、給電導体１６０の側に形成され得る。第２導電ビア１８２及び第３導電ビア１８３は、より低い給電線の損失を提供し、隣接のアンテナ構成要素の給電導体１６０、またはパッケージレイアウトの他の信号線に由来する不要な結合をなくすことができる。本発明の図１０Aと１０Bの実施形態の両方は、標準の低コストPCBまたはLTCCプロセスによって容易に大量生産され得る。

明細書における「第１の」、「第２の」、「第３の」等の序数詞の使用は、それ自体が優先度、序列、又は順序を示唆するものではなく、むしろ、単に２つ以上の特徴、要素、項目等を区別するためのラベルとして使用している。クレーム要素を変えるための、請求項における「第１の」、「第２の」、「第３の」等の序数詞の使用は、それ自体が、１つのクレーム要素を他のクレーム要素と比較して優先度、序列、又は順序、もしくは方法を実施する行為の時間的順序を示唆するものではなく、むしろ、単にクレーム要素を区別するために、特定の名前を有する１つのクレーム要素を同じ名前を有する他の要素から区別するためのラベルとして（だが、序数詞を）使用している。

この発明は、実施例の方法及び望ましい実施の形態によって記述されているが、本発明は、これらを限定するものではないことは理解される。逆に、種々の変更及び同様の配置をカバーするものである（当業者には明白なように）。よって、添付の請求の範囲は、最も広義な解釈が与えられ、全てのこのような変更及び同様の配置を含むべきである。

１ 従来のアンテナ
１０ アンテナ基板
１１ 第１面
１２ 第２面
２０ 給電基板
２１ 第３面
２２ 第４面
３０ マイクロストリップパッチ
４０ グランドプレーン
４１ 結合開口
５０ マイクロストリップ給電線
１００ アンテナユニット
１１０ 第１基板
１１１ 第１面
１１２ 第２面
１２０ 第２基板
１２１ 第３面
１２２ 第４面
１３０ 第１導電層
１４０ 第２導電層
１４１ 主開孔
１５１ 平面導電性リング
１５２ 平面導電性リング
１６０ 給電導体
１７０ パッチ
１８１ 第１導電ビア
g 導電ビア間の間隙
h 高さ
１０２’ アンテナユニット
１０２” アンテナユニット
１０３ アンテナユニット
１０４ アンテナユニット
１５１’ 第１平面導電性リング
１５２’ 第２平面導電性リング
１６０’ 給電導体
１６１ 中心導体
１８２ 第２導電ビア
１８３ 第３導電ビア

Claims (11)

1. アンテナユニットであって、
   第１面及び第２面を含み、前記第１面は、前記第２面に対向する第１基板と、
   前記第１面上に配置された第１導電層と、
   前記第２面上に配置され、前記第１面と前記第２面とを電気的に接続する複数の第１導電ビアによって囲まれた主開孔と前記主開孔及び囲んでいるビアにより規定される放射空洞とを有する第２導電層と、
   前記第１導電層と前記第２導電層との間で前記第１基板に組み込んであり、前記放射空洞を囲む第１平面導電性リングと、
   前記第１導電層と前記第２導電層との間に位置して、無線信号を前記アンテナユニットに伝送する給電導体とを含むアンテナユニット。
2. １つ以上の前記第１平面導電性リングは、前記第１導電層と前記第２導電層との間に位置される請求項１に記載のアンテナユニット。
3. 前記第１平面導電性リングは、前記第１導電ビアに電気的に接続される請求項１または２に記載のアンテナユニット。
4. 第２基板及びパッチを更に含み、
   前記第２基板は、第３面及び第４面を含み、
   前記第３面は、前記第４面に対向し、
   前記パッチは、前記主開孔の上方の前記第４面上に配置され、前記給電導体から分離され、
   前記第３面は、前記第２導電層と接触する請求項１〜３の何れかに記載のアンテナユニット。
5. 前記放射空洞を囲む、１つ以上の第２平面導電性リングを更に含み、
   前記第２平面導電性リングは、前記第２基板に組み込まれ又は配置され、且つ前記第１平面導電性リングの上方に位置される請求項４に記載のアンテナユニット。
6. 前記第２平面導電性リング及び前記第１平面導電性リングは、前記第１及び第２導電層に電気的に接続される請求項５に記載のアンテナユニット。
7. 複数の第２導電ビア及び中心導体により形成する垂直同軸ケーブルを更に含み、前記給電導体を不要な結合から分離し、信号をパッケージ設計の他の層に送信する請求項１〜６の何れかに記載のアンテナユニット。
8. 前記給電導体の給電線を囲んで形成された複数の第３導電ビアを更に含む請求項１〜７の何れかに記載のアンテナユニット。
9. アンテナユニットであって、
   第１面及び第２面を含み、前記第１面は、前記第２面に対向する第１基板と、
   前記第１面上に配置された第１導電層と、
   前記第２面上に配置され、前記第１面と前記第２面とを電気的に接続する複数の第１導電ビアによって囲まれた主開孔と前記主開孔及び囲んでいるビアにより規定される放射空洞とを有する第２導電層と、
   第３面及び第４面を含み、前記第３面は、前記第４面に対向し、前記第３面は、前記第２導電層に接触する第２基板と、
   前記第１導電層と前記第２導電層との間で前記第１基板に組み込んであり、前記放射空洞を囲む第１平面導電性リングと、
   前記第２基板に組み込まれ、前記放射空洞を囲む、第２平面導電性リングと、
   無線信号を前記アンテナユニットに伝送する給電導体とを含むアンテナユニット。
10. パッチをさらに有し、
    前記パッチは、前記主開孔の上方の前記第４面上に配置され、前記給電導体から分離される請求項９に記載のアンテナユニット。
11. 各２つの隣接する前記第１導電ビア間の間隙は、λ／８より小さい請求項１〜１０の何れかに記載のアンテナユニット。

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