JP6105496B2 - 一括積層基板 - Google Patents

Description

本発明は、一括積層基板に形成された疑似導波管を用いて信号を伝送する技術に関する。

従来、基板の一方の面から他方の面への信号の伝送に、損失の少ない中空管路を用いる技術が知られている。このような基板は、例えば、中空管路が設けられた第１の基板と、アンテナが設けられた第２の基板を接合することによって製造される（例えば、特許文献１参照）。

国際公開第２０１０／１２５８３５号

しかし、従来技術は、二つの基板を貼り合わせるため、製造に手間を要するだけでなく、製造時の組み付け誤差によって特性がバラツキ易いという問題があった。
また、構造を簡略化する技術として、特許文献１には、一括積層基板を使用し、中空管路の代わりにビアで囲った疑似導波管を利用することも開示されている。しかし、疑似導波管は、導波管内が誘電体で満たされているため、中空管路と比較して、損失が増大し伝送効率が低下するという問題があった。

本発明は、こうした問題に鑑みてなされたものであり、一括積層基板に形成された疑似導波管を用いる信号の伝送において損失を低減する技術を提供することを目的とする。

本発明の一括積層基板は、それぞれが誘電体層を挟んで設けられたＮ（Ｎは４以上の整数）層のパターン層を有し、該パターン層の積層方向に貫通する疑似導波管が形成されている。パターン層のうち最も外側に位置する第１層および第Ｎ層には、伝送線路および該伝送線路を流れる電気信号と疑似導波管を介して送受信される電波との間の相互変換を行う変換部が形成されている。パターン層の第２層から第Ｎ−１層には、疑似導波管を形成するための電気的な開口を導波路形成部位として、この導波路形成部位の周囲を少なくとも覆うグランドパターンが形成されている。パターン層の第２層および第Ｎ−１層の導波路形成部位にはアンテナが形成されている。

そして、導波路形成部位の周囲には、パターン層の第１層および第２層に形成されたグランドパターンを相互に導通させる複数のビアと、パターン層の第Ｎ−１層および第Ｎ層に形成されたグランドパターンを相互に導通させる複数のビアとからなる第１ビア群が設けられている。また、導波路形成部位の周囲かつ第１ビアより外周側には、パターン層の第２層から第Ｎ−１層に形成されたグランドパターンを相互に導通させる複数のビアからなる第２ビア群が設けられている。

つまり、疑似導波管を形成するビアは、一括積層基板の積層方向（基板面の垂直方向）からみた場合、疑似導波管を形成するビアは、導波路形成部位の周囲に、２重の環状構造を形成する。

このような構成によれば、疑似導波管での伝送損失を抑制することができる。
なお、特許請求の範囲に記載した括弧内の符号は、一つの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

また、本発明は、前述した一括積層基板の他、当該一括積層基板を構成要素とする各種装置などの種々の形態で実現することができる。

アンテナ装置を構成する一括積層基板の構造を示す断面図である。 外層の変換部周辺の構造を示す説明図である。 外層に隣接する内層の導波路形成部周辺の構造を示す説明図である。 外層に隣接しない内層の導波路形成部周辺の構造を示す説明図である。 外層の全体構造を示す説明図である。 反射損失および挿入損失をシミュレーションによって求めた結果を示すグラフであり（ａ）が本実施形態、（ｂ）が比較例である。 外層の他の構成例を示す説明図である。 外層に隣接する内層の導波路形成部周辺の他の構造を示す説明図である。

以下に本発明が適用された実施形態のアンテナ装置について、図面を用いて説明する。
＜全体構成＞
アンテナ装置１は、図１に示すように、７層の誘電体層を挟むように形成された８層のパターン層Ｌ１〜Ｌ８を有する一括積層基板３を用いて構成されている。以下では、パターン層Ｌ１〜Ｌ８のうち、最も外側に位置するパターン層Ｌ１，Ｌ８を外層、それ以外のパターン層Ｌ２〜Ｌ７を内層ともいう。

一括積層基板３は、例えば、ＰＡＬＵＰ基板が用いられる。ＰＡＬＵＰ基板は、熱可塑性樹脂からなる基材の表面に銅箔からなる配線パターンをエッチングで形成すると共に、そのパターン形成後の基材を所定枚数積層して熱プレスすることで多層化される周知のものである。一括積層基板３には、外層Ｌ１，Ｌ８間で信号を伝送するための疑似導波管４が形成されている。また、外層Ｌ１，Ｌ８と、外層Ｌ１，Ｌ８に隣接する内層Ｌ２，Ｌ７とは、第１ビア群７によって電気的に接続され、内層Ｌ２〜Ｌ７は、第２ビア群８によって電気的に接続されている。なお、第１ビア群７に属する孔径φ１のビアは、疑似導波管４の周囲を囲むように環状に配置され、第２ビア群８に属する孔径φ２（＞φ１）のビアは、第１ビア群７よりも外側にて疑似導波管４の周囲を囲むように環状に配置されている。つまり、第１ビア群７および第２ビア群８は２重の環状構造を形成する。

＜外層＞
外層Ｌ１，Ｌ８には、それぞれ疑似導波管４を介して信号を送受信する変換部５，５が設けられている。変換部５は、マイクロストリップ線路ＳＬとバックショートＢＳとを備える。図２に示すように、マイクロストリップ線路ＳＬは、疑似導波管４の端部の開口に相当する部位（以下、単に疑似導波管開口部という）の中心付近に一端が位置するように配線されている。バックショートＢＳは、疑似導波管開口部の全体を塞ぐ大きさに形成された矩形状のパターンからなる。但し、バックショートＢＳは、マイクロストリップ線路に接触しないように、マイクロストリップ線路の周囲のパターンを除去した形状を有する。そして、第１ビア群７に属するビアの一端は、バックショートＢＳに接続されている。

また、外層Ｌ１には、図１および図５に示すように、パッチアンテナからなる複数のアンテナ素子１１が設けられている。これらアンテナ素子１１は、変換部５を構成するマイクロストリップ線路ＳＬを介して給電を受けるように配線されている。一方、外層Ｌ８には、送受信回路を構成する回路素子１２が実装されており、変換部５を構成するマイクロストリップ線路ＳＬを介して信号を送受信するように配線されている。つまり、送受信回路から出力された高周波信号は外層Ｌ８側の変換部５、疑似導波管４、外層Ｌ１側の変換部５を介してアンテナ素子１１に供給され、アンテナ素子１１が受信した信号は、外層Ｌ１側の変換部５、疑似導波管４、外層Ｌ８側の変換部５を介して送受信回路に供給される。

＜内層＞
内層Ｌ２〜Ｌ７には、図１に示すように、グランドパターンＧＰが形成され、特に、外層Ｌ１，Ｌ８と隣接する内層Ｌ２，Ｌ７には、共振パッチＰＴが形成されている。グランドパターンＧＰは、図３，図４に示すように、疑似導波管４を形成するための電気的な開口である矩形状の導波路形成部位ＮＰの周囲全体を覆うように形成されている。共振パッチＰＴは、図３に示すように、導波路形成部位ＮＰ内に、グランドパターンＧＰとは非接触となるように形成された導波路形成部位ＮＰの形状と相似形のパターンからなる。

全てのグランドパターンＧＰには、第２ビア群８に属するビアを形成する孔（パターンが形成されていない部位）が設けられ、内層Ｌ２，Ｌ７のグランドパターンＧＰには、更に、第１ビア群７に属するビアを形成する孔（パターンが形成されていない部位）が設けられている。

なお、第１ビア群７に属するビアは、疑似導波管４を伝搬する電波の波長（基板内波長）をλｇとして、孔径φ１＝０．０７５λｇのものが、導波路形成部位ＮＰの境界から０．１３５λｇ離れた位置に、マイクロストリップ線路ＳＬの配線箇所を除いて０．１７５λｇの間隔で配置されている。一方、第２ビア群８に属するビアは、孔径φ２＝０．１５λｇのものが、導波路形成部位ＮＰの境界から０．４λｇ離れた位置に、０．３５λｇの間隔で配置されている。つまり、第２ビア群８に属するビアは、第１ビア群に属するビアより、孔径が大きく、また、配置間隔が広くなるように設定されている。

また、第１ビア群７および第２ビア群８は、いずれも、導波路形成部位ＮＰの中心を通りかつ導波路形成部位ＮＰの辺に沿った中心線上にビアが位置するように配置されている（図３中のバツ印で示したビアを参照）。また、この条件に適合する位置にビアを配置することができない場合、導波路形成部位ＮＰの境界からの距離が他のビアよりは離れた位置で、この条件に適合する位置にもビアを配置する（図３の第２ビア群８中の二重丸で示したビアを参照）。更に、電波の漏洩が効果的に抑制されることが実験的に判明している位置にもビアを配置する（図３の第１ビア群７中の二重丸で示したビアを参照）。

＜実験＞
図６（ａ）に示すように、外層Ｌ８側の変換部５から外層Ｌ１側の変換部５までの通過損失Ｓ２１、反射損失Ｓ１１をシミュレーションによって求めた結果、８１ＧＨｚ以下において、通過損失を２．５ｄＢ以下、反射量を−１０ｄＢ以下に抑制できることが示された。なお、図６（ｂ）は、比較のため、第２ビア群８を省略し、一重の環状構造を有するようにビアが形成されたものについて、同様に通過損失Ｓ２１、反射損失Ｓ１１をシミュレーションによって求めた結果を示す。但し、共振パッチＰＴの形状は、共振周波数をできるだけ高くするために適宜調整が加えられている。この比較例では、通過損失Ｓ２１が著しく大きくなることが確認できる。

＜効果＞
以上説明したように、本実施形態によれば、一括積層基板３の各パターン層Ｌ１〜Ｌ８を互いに導通させるビアが二重環状構造をとるように配置されているため、一括積層基板３に形成される疑似導波管４での伝送損失を抑制することができる。

＜他の実施形態＞
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されることなく、種々の形態を採り得ることは言うまでもない。

（１）上記実施形態では、内層Ｌ２，Ｌ７に共振パッチＰＴを形成しているが、図８に示すように、共振パッチＰＴの代わりにスロットアンテナＳＡを形成してもよい。スロットアンテナＳＡは、共振パッチＰＴと比較して、損失が若干大きくなるものの、広帯域な特性を得ることができる。

（２）上記実施形態では、ビアの孔径、ビアの配置間隔、導波路形成部位ＮＰからの距離について、具体的な数値を示したが、これに限るものではなく、所望の特性が得られるように適宜最適化すればよい。

（３）上記実施形態では、変換部５は、一本のマイクロストリップ線路ＳＬによって信号を入出力するように構成されているが、例えば、図７に示すように、二本のマイクロストリップ線路ＳＬによって信号を入出力するように構成してもよい。この場合、アンテナ素子１１も含めてマイクロストリップ線路ＳＬの配置は、疑似導波管４の開口の中心に対して対称な形状とすることが望ましい。

（４）本発明の各構成要素は概念的なものであり、上記実施形態に限定されない。例えば、一つの構成要素が有する機能を複数の構成要素に分散させたり、複数の構成要素が有する機能を一つの構成要素に統合したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、同様の機能を有する公知の構成に置き換えてもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加、置換等してもよい。

１…アンテナ装置 ３…一括積層基板 ４…疑似導波管 ５…変換部 ７…第１ビア群８…第２ビア群 １１…アンテナ素子 １２…回路素子 ＢＳ…バックショート ＧＰ…グランドパターン Ｌ１〜Ｌ８…パターン層 ＮＰ…導波路形成部位 ＰＴ…共振パッチ ＳＬ…マイクロストリップ線路

Claims (7)

1. それぞれが誘電体層を挟んで設けられたＮ（Ｎは４以上の整数）層のパターン層（Ｌ１〜ＬＮ）を有し、該パターン層の積層方向に貫通する疑似導波管（４）が形成された一括積層基板（３）であって、
   前記パターン層のうち最も外側に位置する第１層および第Ｎ層には、伝送線路（ＳＬ）および該伝送線路を流れる電気信号と前記疑似導波管を介して送受信される電波との間の相互変換を行う変換部（５）が形成され、
   前記パターン層の第２層から第Ｎ−１層には、前記疑似導波管を形成するための電気的な開口である導波路形成部位（ＮＰ）の周囲を少なくとも覆うグランドパターン（ＧＰ）が形成され、
   前記パターン層の第２層および第Ｎ−１層の前記導波路形成部位にはアンテナ（ＰＴ）が形成され、
   前記導波路形成部位の周囲には、前記パターン層の第１層および第２層に形成されたグランドパターンを相互に導通させる複数のビアと、前記パターン層の第Ｎ−１層および第Ｎ層に形成されたグランドパターンを相互に導通させる複数のビアとからなる第１ビア群（７）を設け、
   前記導波路形成部位の周囲かつ前記第１ビアより外周側には、前記パターン層の第２層から前記第Ｎ−１層に形成されたグランドパターンを相互に導通させる複数のビアからなる第２ビア群（８）を設けたことを特徴とする一括積層基板。
2. 前記アンテナは、共振パッチもしくはスロットであることを特徴とする請求項１に記載の一括積層基板。
3. 前記第１ビア群を構成するビアは、前記第２ビア群を構成するビアよりビア経が小さいことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の一括積層基板。
4. 前記第１ビア群を構成するビアの配置間隔は、前記第２ビア群を構成するビアの配置間隔より狭いことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の一括積層基板。
5. 前記導波路形成部位は長方形状に形成され、
   前記第１ビア群を構成するビアおよび前記第２ビア群を構成するビアのうち少なくとも一つが、前記導波路形成部位の中心を通りかつ該導波路形成部位の辺に沿った中心線上に位置するように配置されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の一括積層基板。
6. 前記パターン層の第１層または第Ｎ層のうち一方には、アンテナ素子が形成され、
   前記伝送線路は、前記アンテナ素子への給電線として使用されることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の一括積層基板。
7. 前記給電線として使用される前記伝送線路を２つ備え、該２つの伝送線路は、前記導波路形成部と対向する部位の中心に対して対称な位置に配置されていることを特徴とする請求項６に記載の一括積層基板。