JP6329942B2 - 多層基板にスロット線路を作成する方法、および、この方法によって実現され、分離スロットまたはアンテナとして使用される少なくとも１つのスロット線路を含む多層プリント回路 - Google Patents

Description

本発明は、概ね、無線システムで使用されるプリント回路基板に関する。さらに詳細には、本発明は、多層基板上にスロット線路を実現する方法、および、この方法によって実現された、特に分離スロット（ｉｓｏｌａｔｉｎｇ ｓｌｏｔ）またはスロット・アンテナとして使用することができる少なくとも１つのスロット線路を含む多層プリント回路に関する。

無線通信の分野では、伝送チャネルの容量を増大させ、システム全体の動作を改善するために、ＭＩＭＯ（多入力多出力）回路がますます使用されるようになっている。ＭＩＭＯ回路を使用すると、一般に、同じ基板で実現されるアンテナの数が増加することになる。一方、回路の集積を容易にするために、現在、アンテナはＰＣＢ（プリント回路基板）に直接プリントされる。しかし、物理法則を適用すると、アンテナの長さおよび分離要素の長さは、波長によって決まる。従って、短絡スロットを使用して２つのＰＩＦＡ型アンテナの間の相互結合を低減するときには、λｇを動作周波数における誘導波長としたときにλｇ／４に実質的に等しくなければならないスロットの波長は、２．４ＧＨｚ周波数帯域のＷｉＦｉ動作で約２３ｍｍの物理長となる。この長さは、大量生産で使用されるプリント回路基板のコストおよびサイズの制約に関して無視することができない。ただし、プリント回路基板は、多層構造を有する基板で構成されることが最も多い。

従って、本発明は、プリント回路基板の多層構造を利用して、プリント回路基板のサイズを制限しながら、分離線路またはスロット・アンテナとして使用することができる短絡スロット線路を実現することを提案する。

従って、本発明は、少なくとも第１の導電性層、誘電体層および第２の導電性層を含むプリント回路の多層基板に短絡スロット線路を実現する方法であって、第１の導電性層に、電気長Ｌを有するスロット線路をエッチングするステップと、第１の導電性層に、スロット線路の第１の側に沿って、電気長Ｌ１≦Ｌを有する第１の導電性バンドの第１の部分をエッチングするステップと、第１の導電性層に、スロット線路の第２の側に沿って、電気長Ｌ２≦Ｌを有する第１の導電性バンドの第２の部分をエッチングするステップと、第２の導電性層に、電気長Ｌ３を有するループ形状の第２の導電性バンドをエッチングするステップと、第２の導電性バンドの一端を第１の導電性バンドの第１の部分に接続し、第２の導電性バンドの他端を第１の導電性バンドの第２の部分に接続して、導電性ループを形成するステップと、を含む方法に関する。

本発明の他の特徴によれば、第１の導電性バンドの第１の部分の電気長Ｌ１と第２の部分の電気長Ｌ２とが同じである。

本発明の他の特徴によれば、電気長Ｌ３は、電気長Ｌ１とＬ２との和に実質的に等しい。

特定の態様によれば、スロット線路は、電気長Ｌ＜９０°の線路であり、好ましくは、スロット線路の電気長Ｌ＝４５°である。

他の態様によれば、第１の導電性バンドの第１の部分の電気長Ｌ１および第２の部分の電気長Ｌ２は４５°に等しい。

好ましくは、第１および第２の導電性バンドの総電気長は１８０°に実質的に等しい。

本発明は、また、上述のように実現したスロット線路を少なくとも１つ含むことを特徴とする多層プリント回路に関する。

一態様によれば、スロット線路は分離スロットである。

他の態様によれば、スロット線路はスロット・アンテナである。この場合には、スロット・アンテナの動作を改善するために、第１のバンドの第１の部分および第２の部分を画定するスロットが開路スロットによって延長されている。

本発明は、また、少なくとも上述のプリント回路を含む端末に関する。

本発明のその他の特徴および利点は、添付の図面を参照して理解される様々な実施形態の説明を読むことにより明らかになるであろう。

本発明の実現方法に従って分離スロットを実現する第１のステップを示す図である。 スロットの入力における戻り反射位相を周波数の関数として示す曲線を示す図である。 本発明の方法に従って分離スロットを実現する第２のステップを示す図である。 図２Ａの分離スロットの入力における戻り反射位相を周波数の関数として示す曲線を示す図である。 本発明の方法に従って実現した分離スロットおよび第１の導電性バンドを示す上面図である。 本発明の方法に従って実現した分離スロットを示す上面図である。 本発明の方法に従って実現した分離スロットの斜視図である。 図４に示すような分離スロットをシミュレートすることによって得られる、入力における戻り反射位相を周波数の関数として示す曲線を示す図である。 従来技術による分離スロットを特徴とするプリント回路基板を示す概略上面図である。 プリント回路基板、および本発明の方法に従って実現した分離スロットとともに拡大したアンテナ部分を示す概略上面図である。 図６の従来技術による分離スロットをシミュレートすることによって得られる分離および適応を周波数の関数として示す曲線である。 図７の本発明による分離スロットをシミュレートすることによって得られる分離および適応を周波数の関数として示す曲線である。 図６の分離スロットの場合および図７の分離スロットの場合の２つのアンテナの間の分離曲線を示す図である。 本発明の方法に従って実現したスロット・アンテナを示す概略斜視図である。 図１０に示すアンテナの適応を周波数の関数として示す曲線である。 図１０に示すアンテナのイールドを周波数の関数として示す曲線である。 図１０に示すアンテナの利得（単位ｄＢ）を周波数の関数として示す曲線である。

まず、図１から図５を参照して、本発明の方法による多層プリント回路基板上における分離スロットの実現について説明する。

この例では、プリント回路は、厚さ１ｍｍのＦＲ４と呼ばれる基板を用いて実現される。

図１Ａに示すように、基板１の縁部に、励起点３を含む短絡スロット線路２をエッチングした。

本発明によれば、スロット線路２は、９０°未満の電気長、好ましくは４５°に等しくなるように選択された電気長を有する。この特定の実施形態では、以下にさらに詳細に説明するように、スロットを２つ折りに折り畳むことにより、スロット線路の長さを２分の１にする。ただし、達成しようとする結果、または基板を実現する際の制約によっては、その他の電気長を選択してもよい。

図１Ａに示すようなスロット線路を、ＨＦＳＳ ３Ｄ ＥＭシミュレータを用いてシミュレートした。シミュレーションでは、上述のように、基板はＦＲ４基板であり、スロット線路２は、幅１ｍｍ、長さ１０ｍｍである。

上述のパラメータを用いて、図１Ｂに示すように入力３における戻り反射位相（度）を周波数の関数として示す曲線を得た。この例では、約４５°の電気長を有するスロットでは、点ｍ１で表すように、２．４５ＧＨｚの周波数で得られる位相が９０°に近いことが分かる。

図２Ａにより詳細に示す第２のステップでは、スロット線路の周りに第１の導電性バンドの第１の部分および第２の部分を実現するために、スロット線路２の周りに、スロット線路２を取り囲む薄いスロット４をエッチングする。シミュレートした実施形態では、このスロット４は、幅が０．１５ｍｍであり、スロット線路２の縁部から０．５ｍｍの距離のところに位置している。このスロット４は、導電性層、または基板１の上側接地面にエッチングする。この例では、図２Ｂに示すように、曲線上の点ｍ１の位相の値は、図１Ｂに示す値と同様であり、このことは、スロット線路２の周りにエッチングされたスロット４が、メイン・スロットの挙動を変化させないことを示している。

次のステップで、図２Ａに示す短絡部分２ａを開き、図３Ａに示すように、電気長Ｌ１を有する第１の導電性バンドの第１の部分および電気長Ｌ２を有する第１の導電性バンドの第２の部分をそれぞれ形成する２つの導電性部分５ａおよび５ｂを実現する。

その後のステップで、図３Ｂに示すように、プリント回路の導電性層１に対向する第２の導電性層に、ループ状の第２の導電性バンド７を実現する。導電性層７の２つの端部８ａおよび８ｂは、金属化孔などによって、第１の導電性層上に実現された第１のバンドの第１の部分５ａおよび第２の部分５ｂの２つの端部６ａおよび６ｂに接続される。

上述の方法によって実現される分離スロット線路の完成斜視図を、図４に示す。この図では、図３Ａおよび図３Ｂを参照して上述した要素と同じ参照符号は、同じ要素を表す。

図４に示す分離スロットにより、約半分の電気線路長で、短絡４分の１波長線路の場合と同様に０°に近い、入力ポート３における戻り位相を得ることができる。この結果を、図４に示すような分離スロット線路に関する図５の適応曲線Ｓ１１上に示す。この例では、点ｍ１は、シミュレーションによって得られる戻り位相が、２．４ＧＨｚのＷｉＦｉ帯域の中心周波数において０°に近いことを示している。これは、部分５ａ，７および５ｂによって形成されるループ内で、スロット線路の周りの表面電流が、入力ポートに戻る前に２つのＳ回路の役割を果たすことにより、実質的に１８０°に等しい電気長に沿って流れるという事実によって説明される。

この実施形態では、４５°に等しい電気長を有するスロット線路を実現した。一方、第１のバンドの第１の部分５ａおよび第２の部分５ｂの電気長Ｌ１およびＬ２は、実質的に同じであり、かつ４５°に等しく、第２のバンド７の電気長Ｌ３は、電気長Ｌ１およびＬ２の和に実質的に等しい。ただし、９０度未満の他の電気長を考慮してもよい。

図６から図９に示すように、発明者等は、標準的な分離スロット線路または本発明の方法によって実現した分離スロット線路でそれぞれ分離した、ＭＩＭＯ回路で実現した２つのアンテナ（ＡＮＴ１，ＡＮＴ２）の分離で得られた結果を比較した。

図６では、２つのアンテナＡＮＴ１とＡＮＴ２は、２つのアンテナの間の単層基板の上側層にエッチングした短絡スロット線路１０で分離されている。この例では、スロット線路１０の長さはλ/４に等しい（λは動作周波数における波長）。

図７には、図７の拡大部分に示すように、本発明の方法によって実現した分離スロット線路２０が示してある。このスロット２０は、図６に示すスロット線路１０と比較して、サイズが小さい。

図８Ａ、図８Ｂおよび図９に示す曲線により、図７のアンテナの性能を図６の回路と比較することができる。図８Ａは、図６に示す回路の適応曲線Ｓ１１およびＳ２２ならびに伝送曲線Ｓ２１を示し、図８Ｂは、図７に示す回路の応答Ｓ１１，Ｓ２２およびＳ２１を示す。これらの曲線は、アンテナの応答Ｓ１１およびＳ２２が、使用する分離スロット線路のタイプにかかわらず同じレベルであること、ならびに、得られる分離レベルがこれら２つのタイプのスロット線路で約１７ｄＢであることを示している。一方、図９に示す曲線は、図６の回路および図７の回路のそれぞれについて周波数の関数として伝送応答Ｓ２１を示し、これら２つのタイプのスロット線路で同様の分離レベルであることを実証している。

次に、図１０から図１３を参照して、本発明による方法を用いたスロット・アンテナの実現について述べる。

図１０には、上述の本発明の方法によって得られたスロット・アンテナを斜視図で示してある。このスロット・アンテナは、プリント回路基板の一部を構成する多層基板上に実現されている。基板１００の第１の導電性層上に、電磁結合によるアンテナの給電を得るために部分１０１ａだけ延長したスロット線路１０１を実現した。この例では、図１０に示すように、マイクロストリップ線路１０２の一部分を、基板の反対側に実現し、金属化孔１０２ａを介して導電性層と相互接続する。部分１０２および部分１０１ａの長さは、スロット・アンテナ１０１の給電が得られるように既知の方法で決定する。

図１０に示すように、本発明の方法によれば、第１の導電性バンドの２つの部分１０３ａおよび１０３ｂは、スロット線路１０１の周りに幅の狭いスロット１０４をエッチングし、スロット線路１０１の給電線路１０２とは反対側の端部においてスロット１０４とスロット線路１０１との間の短絡を解消することによって、スロット線路１０１のそれぞれの側に実現した。一方、導電性層の反対側の層１００には、図１０に示すようにループを形成する第２の導電性バンド１０６を実現した。その結果として、導電性バンド１０６の２つの端部は、それぞれ導電性バイア１０８ａおよび１０８ｂによって導電性バンド１０３ａおよび１０３ｂの端部に接続されて、総電気長Ｌ’の電流導通ループを形成している。一方、図１０に示すアンテナの動作を改善するために、第１の層１００に、スロット１０４の端部と層１００の縁部との間に開路スロット１０５を実現する。スロット１０５は、スロット・アンテナの動作帯域の拡大、およびその放射効率の向上に寄与する。

図６に示すようなアンテナを、ＤＥＣＴ帯域で動作するように、すなわち１８８０〜１９３０ＭＨｚの間に含まれる周波数帯域で動作するように、シミュレートした。このシミュレーションでは、１．２ｍｍの厚さを有するＦＲ４と呼ばれる誘電材料に実現した２３０×３０６ｍｍ^２のサイズを有する基板を使用した。このアンテナを、基板の縁部の１つに配置した。このシミュレーションでは、スロットの物理長は、約２１ｍｍになるように選択した。

得られた結果は、図１１から図１３の曲線で示される。図１１は、ｄＢ単位の適応応答Ｓ１１を周波数の関数として示し、ＤＥＣＴ帯域では損失が−１２ｄＢ未満であることを示している。

図１２は、アンテナのイールド（ｙｉｅｌｄ）を周波数の関数として示し、ＤＥＣＴ帯域ではイールドが８０％より大きいことを示している。

図１３は、ｄＢ単位のピーク・ゲインを周波数の関数として示し、ＤＥＣＴ帯域ではゲインが６ｄＢｉより大きいことを示している。

このような構造は、スロット・アンテナと比較して、接地面上に占める表面を２分の１に減少させることができる。スロットを折り畳んだ結果として自由になる空間は、電子部品の位置決めに活用することができる。そのコンパクトさにより、機械的制約および実施上の制約を尊重しながら、さらにはＭＩＭＯシステムで必要となる放射パターンの多様性を実現できるようにしながら、より容易に電子基板に位置決めすることができる。

上述の実施形態は一例として与えたものに過ぎないことは、当業者には明らかである。
ここで例としていくつかの付記を記載する。
（付記１）
少なくとも第１の導電性層、誘電体層および第２の導電性層を含むプリント回路の多層基板に短絡スロット線路を実現する方法であって、
前記第１の導電性層に、電気長Ｌを有するスロット線路をエッチングすることと、
前記第１の導電性層に、前記スロット線路の１つの側に沿って、電気長Ｌ１≦Ｌを有する第１の導電性バンドの第１の部分をエッチングすることと、
前記第１の導電性層に、前記スロット線路の他の側に沿って、電気長Ｌ２≦Ｌを有する前記第１の導電性バンドの第２の部分をエッチングすることと、
前記第２の導電性層に、電気長Ｌ３を有するループ形状の第２の導電性バンドをエッチングすることと、
前記第２の導電性バンドの一端を前記第１の導電性バンドの前記第１の部分に接続し、前記第２の導電性バンドの他端を前記第１の導電性バンドの前記第２の部分に接続して、導電性ループを形成することと、
を含む、前記方法。
（付記２）
前記スロット線路が電気長Ｌ＜９０°の線路である、付記１に記載の方法。
（付記３）
前記スロット線路が電気長Ｌ＝４５°を有する、付記２に記載の方法。
（付記４）
前記第１の導電性バンドの前記第１の部分の前記電気長Ｌ１と前記第２の部分の前記電気長Ｌ２とが同じである、付記１から３のいずれか１項に記載の方法。
（付記５）
前記第１の導電性バンドの前記第１の部分および前記第２の部分の前記電気長が４５°に等しい、付記４に記載の方法。
（付記６）
前記第２の導電性バンドの前記電気長Ｌ３が、前記第１の導電性バンドの前記第１の部分の前記電気長Ｌ１と前記第２の部分の前記電気長Ｌ２との和に実質的に等しい、付記１から５のいずれか１項に記載の方法。
（付記７）
前記電気長Ｌ３、Ｌ１およびＬ２の和が１８０°に実質的に等しい、付記１から６のいずれか１項に記載の方法。
（付記８）
付記１から７のいずれか１項により実現した少なくとも１つのスロット線路を含む多層プリント回路。
（付記９）
少なくとも第１の導電性層、誘電体層および第２の導電性層を含む多層基板と、
前記第１の導電性層にエッチングされた、電気長Ｌを有するスロット線路と、
前記スロット線路の１つの側に沿って、前記第１の導電性層にエッチングされた、電気長Ｌ１≦Ｌを有する第１の導電性バンドの第１の部分と、
前記スロット線路の他の側に沿って、前記第１の導電性層にエッチングされた、電気長Ｌ２≦Ｌを有する前記第１の導電性バンドの第２の部分と、
前記第２の導電性層にエッチングされた、電気長Ｌ３を有するループ形状の第２の導電性バンドであって、導電性ループを形成するように、前記第２の導電性バンドの一端が前記第１の導電性バンドの前記第１の部分に接続されており、前記第２の導電性バンドの他端が前記第１の導電性バンドの前記第２の部分に接続されている、前記第２の導電性バンドと、
を有する多層プリント回路。
（付記１０）
前記スロット線路が分離スロットである、付記８または９に記載のプリント回路。
（付記１１）
前記スロット線路がスロット・アンテナを形成し、前記スロット線路は、給電側と反対の側で、開路で終端するスロット線路によって延長されている、付記８から１０のいずれか１項に記載のプリント回路。
（付記１２）
付記８から１１のいずれか１項に記載の多層プリント回路を少なくとも含む端末。

Claims (11)

1. 少なくとも第１の導電性層、誘電体層および第２の導電性層を含むプリント回路の多層基板に短絡スロット線路を実現する方法であって、
   前記第１の導電性層に、電気長Ｌを有するスロット線路をエッチングすることと、
   前記第１の導電性層に、前記スロット線路の１つの側に沿って、電気長Ｌ１≦Ｌを有する第１の導電性バンドの第１の部分をエッチングすることと、
   前記第１の導電性層に、前記スロット線路の他の側に沿って、電気長Ｌ２≦Ｌを有する前記第１の導電性バンドの第２の部分をエッチングすることと、
   前記第２の導電性層に、電気長Ｌ３を有するループ形状の第２の導電性バンドをエッチングすることと、
   前記第２の導電性バンドの一端を前記第１の導電性バンドの前記第１の部分に接続し、前記第２の導電性バンドの他端を前記第１の導電性バンドの前記第２の部分に接続して、導電性ループを形成することと、
   を含む、前記方法。
2. 前記スロット線路が電気長Ｌ＜９０°の線路である、請求項１に記載の方法。
3. 前記スロット線路が電気長Ｌ＝４５°を有する、請求項２に記載の方法。
4. 前記第１の導電性バンドの前記第１の部分の前記電気長Ｌ１と前記第２の部分の前記電気長Ｌ２とが同じである、請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記第１の導電性バンドの前記第１の部分および前記第２の部分の前記電気長が４５°に等しい、請求項４に記載の方法。
6. 前記第２の導電性バンドの前記電気長Ｌ３が、前記第１の導電性バンドの前記第１の部分の前記電気長Ｌ１と前記第２の部分の前記電気長Ｌ２との和に実質的に等しい、請求項１から５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記電気長Ｌ３、Ｌ１およびＬ２の和が１８０°に実質的に等しい、請求項１から６のいずれか１項に記載の方法。
8. 少なくとも第１の導電性層、誘電体層および第２の導電性層を含む多層基板と、
   前記第１の導電性層にエッチングされた、電気長Ｌを有するスロット線路と、
   前記スロット線路の１つの側に沿って、前記第１の導電性層にエッチングされた、電気長Ｌ１≦Ｌを有する第１の導電性バンドの第１の部分と、
   前記スロット線路の他の側に沿って、前記第１の導電性層にエッチングされた、電気長Ｌ２≦Ｌを有する前記第１の導電性バンドの第２の部分と、
   前記第２の導電性層にエッチングされた、電気長Ｌ３を有するループ形状の第２の導電性バンドであって、導電性ループを形成するように、前記第２の導電性バンドの一端が前記第１の導電性バンドの前記第１の部分に接続されており、前記第２の導電性バンドの他端が前記第１の導電性バンドの前記第２の部分に接続されている、前記第２の導電性バンドと、
   を有する多層プリント回路。
9. 前記スロット線路が分離スロットである、請求項８に記載のプリント回路。
10. 前記スロット線路がスロット・アンテナを形成し、前記スロット線路は、給電側と反対の側で、開路で終端するスロット線路によって延長されている、請求項８または９に記載のプリント回路。
11. 請求項８から１０のいずれか１項に記載の多層プリント回路を少なくとも含む端末。

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