JP6572924B2

JP6572924B2 - アンテナ装置

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Publication number: JP6572924B2
Application number: JP2017038909A
Authority: JP
Inventors: 尚記外間; 柴田　哲也; 哲也柴田; 康之原
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2017-03-02
Filing date: 2017-03-02
Publication date: 2019-09-11
Anticipated expiration: 2037-03-02
Also published as: CN108539439B; JP2018148290A; CN108539439A; US10854950B2; US20180254555A1

Description

本発明はアンテナ装置に関し、特に、通信可能な角度範囲の広いアンテナ装置に関する。

近年、スマートフォンなどの携帯型電子機器の無線通信において使用される周波数帯域はますます高周波帯に移行しており、これに伴って、アンテナの放射導体とこれに給電を行うＩＣチップとを接続する配線距離による損失が問題となっている。特許文献１に記載されたアンテナ装置は、放射導体とＩＣチップを同一の基板に重ねて搭載することによって、両者を接続する配線の配線長を短縮し、損失を減少させている。

特開２０１１−０９７５２６号公報

しかしながら、特許文献１に記載されたアンテナ装置は、１又は複数のパッチアンテナが基板上に形成されているだけであることから、ビームの放射方向が基板に対して垂直な方向を中心とした範囲に限定されるという問題があった。このため、例えばミリ波のように指向性を必要とする周波数帯域を利用する場合には、通信可能な角度が狭いという問題があった。

したがって、本発明は、指向性を必要とする周波数帯域を用いる場合であっても、より広い角度で通信可能なアンテナ装置を提供することを目的とする。

本発明によるアンテナ装置は、基板と、前記基板に搭載されたＩＣチップと、前記ＩＣチップから給電され、前記基板と垂直な方向に放射する複数のパッチアンテナ導体を含む第１のアンテナ素子と、前記ＩＣチップから給電され、前記基板と水平な第１の水平方向に放射する第２のアンテナ素子とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、基板と垂直な方向に放射する第１のアンテナ素子だけでなく、基板と水平な方向に放射する第２のアンテナ素子を備えていることから、ミリ波のように指向性を必要とする周波数帯域を利用する場合であっても、より広い角度で通信を行うことが可能となる。

本発明において、前記複数のパッチアンテナ導体は、一方向に配列されていることが好ましい。これによれば、位相制御によってビームの放射方向を制御することが可能となる。

本発明において、前記基板は、第１及び第２の配線層を含む複数の配線層を有し、前記ＩＣチップは、前記第１の配線層に搭載され、前記第１のアンテナ素子の少なくとも一部は、前記ＩＣチップと重なるよう、前記第２の配線層に形成されることが好ましい。これによれば、基板の面積を縮小することが可能となる。

本発明において、前記複数の配線層は、グランドパターンを有する第３の配線層をさらに有し、前記第２のアンテナ素子は、前記グランドパターンを切り欠いた複数のグランドクリアランス領域内にそれぞれ設けられた複数のスロットアンテナによって構成されることが好ましい。これによれば、基板の厚みを拡大することなく、基板と平行な方向にビームを放射することが可能となる。

本発明において、前記グランドパターンは、前記グランドクリアランス領域を囲む第１のグランドパターンと、スリットを介して前記第１のグランドパターンを囲む第２のグランドパターンとを含むことが好ましい。これによれば、第２のアンテナ素子の利得を向上させることが可能となる。

本発明において、前記複数のスロットアンテナは、前記一方向に配列されていることが好ましい。これによれば、第２のアンテナ素子についても、位相制御によってビームの放射方向を制御することが可能となる。

本発明によるアンテナ装置は、フレキシブル基板を介して前記基板に接続された別の基板をさらに備え、前記第２のアンテナ素子は、前記フレキシブル基板を介して前記ＩＣチップから給電され、前記別の基板と垂直な方向に放射する複数の別のパッチアンテナ導体を含んでいても構わない。このように、フレキシブル基板を介して２つの基板を接続すれば、２つの基板が成す角度を自由に設定することが可能となる。

本発明において、前記複数の別のパッチアンテナ導体は、前記一方向に配列されていることが好ましい。これによれば、第２のアンテナ素子についても、位相制御によってビームの放射方向を制御することが可能となる。

本発明において、前記一方向は、前記基板と水平であって前記第１の水平方向と略直交する第２の水平方向であることが好ましい。これによれば、前記一方向を長手方向とする基板を用いることによって、ビームを２方向に放射することが可能となる。

本発明によるアンテナ装置は、前記ＩＣチップから給電され、前記第２の水平方向に放射する第３のアンテナ素子をさらに備えていても構わない。これによれば、電磁波が３方向に放射されるため、よりいっそう広い角度で通信を行うことが可能となる。

このように、本発明によれば、ミリ波のように指向性を必要とする周波数帯域を用いる場合であっても、より広い角度で通信を行うことが可能となる。

図１は、本発明の第１の実施形態によるアンテナ装置１００を上面側から見た略斜視図である。図２は、アンテナ装置１００を下面側から見た略斜視図である。図３は、配線層１１３の構成を示す略平面図である。図４は、マザーボードＭにアンテナ装置１００を接続した状態を示す略斜視図である。図５は、配線層１１３の第１の変形例を示す略平面図である。図６は、スリットＳＬの効果を説明するためのシミュレーション結果を示すグラフである。図７は、配線層１１３の第２の変形例を示す略平面図である。図８は、本発明の第２の実施形態によるアンテナ装置２００を上面側から見た略斜視図である。図９は、アンテナ装置２００を下面側から見た略斜視図である。図１０は、マザーボードＭにアンテナ装置２００を接続した状態を示す略斜視図である。図１１は、本発明の第３の実施形態によるアンテナ装置３００の構成を示す略斜視図である。

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。

＜第１の実施形態＞
図１及び図２は、本発明の第１の実施形態によるアンテナ装置１００の構成を示す略斜視図であり、図１は上面側から見た図、図２は下面側から見た図である。

図１及び図２に示すように、本実施形態によるアンテナ装置１００は、基板１１０と、基板１１０に搭載されたＩＣチップ１２０と、基板１１０に接続されたフレキシブル基板１３１，１３２とを備えている。基板１１０は、ｘ方向を長手方向、ｙ方向を短手方向、ｚ方向を厚み方向とする多層基板であり、上面に位置する配線層１１１及び下面に位置する配線層１１２の他、内部に１又は２以上の配線層を備えている。フレキシブル基板１３１，１３２には、それぞれコネクタ１３３，１３４が搭載されている。

基板１１０の上面に位置する配線層１１１には、ｘ方向に配列された４つのパッチアンテナ導体１４１〜１４４が形成されている。パッチアンテナ導体１４１〜１４４はＩＣチップ１２０により給電されて、ｚ方向にビームを放射する第１のアンテナ素子として機能する。また、ＩＣチップ１２０による給電信号の位相制御によって、ｚ軸を中心としてビームの放射方向をｘ方向に傾けることが可能である。尚、パッチアンテナ導体の数は４つに限定されるものではないが、ビームの放射方向をｘ方向に傾けるためには、少なくとも２個以上のパッチアンテナ導体を用いる必要がある。

基板１１０の下面に位置する配線層１１２には、ＩＣチップ１２０が搭載されている。本実施形態においては、基板１１０の形状に合わせ、ＩＣチップ１２０もｘ方向を長手方向とする形状を有している。ＩＣチップ１２０は、パッチアンテナ導体１４１〜１４４の一部と重なる位置に搭載されている。これにより、ＩＣチップ１２０とパッチアンテナ導体１４１〜１４４を異なる平面に配置する場合と比べて、基板１１０の平面サイズを縮小することが可能となる。

さらに、基板１１０の内部には、図３に示す配線層１１３が設けられている。配線層１１３には、大面積のグランドパターンＧが形成されており、ｘ方向に延在する長辺Ｌ１に沿ってグランドパターンＧの一部が切り欠かれた３つのグランドクリアランス領域１５１〜１５３が定義されている。特に限定されるものではないが、グランドクリアランス領域１５１はｙ方向から見てパッチアンテナ導体１４１，１４２間に配置され、グランドクリアランス領域１５２はｙ方向から見てパッチアンテナ導体１４２，１４３間に配置され、グランドクリアランス領域１５３はｙ方向から見てパッチアンテナ導体１４３，１４４間に配置される。

図３に示すように、各グランドクリアランス領域１５１〜１５３には導体パターン１６１，１６２が形成されている。導体パターン１６１はｙ方向に延在する細長いパターンであり、ｘ方向にオフセットして配置されている。導体パターン１６１のｙ方向における一方の端部は、ＩＣチップ１２０から給電信号が供給される給電点Ｐを構成する。導体パターン１６１のｙ方向における他方の端部は、長辺Ｌ１にて開放されている。また、導体パターン１６２はｘ方向に延在する細長いパターンであり、ｙ方向にオフセットして長辺Ｌ１の近傍に配置されている。導体パターン１６２のｘ方向における一方の端部はグランドパターンＧに接続され、導体パターン１６２のｘ方向における他方の端部は、開放されている。

そして、導体パターン１６１，１６２は所定のインダクタンス成分を持つとともに、両者間には所定のキャパシタンス成分が生じることから、導体パターン１６１，１６２の長さ、幅、位置などを調整することにより、所定の周波数で共振するスロットアンテナを構成する。このようにして構成される複数のスロットアンテナは、ｙ方向にビームを放射する第２のアンテナ素子として機能する。また、ＩＣチップ１２０による給電信号の位相制御によって、ｙ軸を中心としてビームの放射方向をｘ方向に傾けることが可能である。尚、スロットアンテナの数は３つに限定されるものではないが、ビームの放射方向をｘ方向に傾けるためには、少なくとも２個以上のスロットアンテナを用いる必要がある。

このように、本実施形態によるアンテナ装置１００は、ｚ軸を中心としてビームを放射する第１のアンテナ素子（パッチアンテナ）と、ｙ軸を中心としてビームを放射する第２のアンテナ素子（スロットアンテナ）を備えている。したがって、第１のアンテナ素子と第２のアンテナ素子によって同じ信号を出力すれば、同じ信号を伝搬するビームがｚ方向及びｙ方向の両方に放射されることから、ミリ波のように指向性を必要とする周波数帯域を用いる場合であっても、より広い角度で通信を行うことが可能となる。

また、本実施形態においては、基板１１０の内層に位置する配線層１１３に第２のアンテナ素子が形成されていることから、第２のアンテナ素子を設けることによって基板１１０の平面サイズが拡大することもない。

図４は、マザーボードＭにアンテナ装置１００を接続した状態を示す略斜視図である。図４に示すマザーボードＭは、ｘ方向に延在する第１の部分Ｍ１と、ｙ方向に延在する第２及び第３の部分Ｍ２，Ｍ３を有しており、フレキシブル基板１３１，１３２に搭載されたコネクタ１３３，１３４が第２の部分Ｍ２の端部に接続されている。このようなコネクタ１３３，１３４を用いてマザーボードＭへの接続を行えば、アンテナ装置１００の本体である基板１１０がマザーボードＭと重ならないことから、マザーボードＭの表面を有効に活用することが可能となる。

図５は、配線層１１３の第１の変形例を示す略平面図である。

図５に示す例では、グランドパターンＧにスリットＳＬが設けられており、これによってグランドクリアランス領域１５１〜１５３を囲む第１のグランドパターンＧ１と、スリットＳＬを介して第１のグランドパターンＧ１を囲む第２のグランドパターンＧ２が定義されている点において、図３に示した例とは相違している。スリットＳＬは、第１のグランドパターンＧ１と第２のグランドパターンＧ２を完全に分断するものではなく、両者は部分的に接続されているため、直流（ＤＣ）的にはいずれのパターンＧ１，Ｇ２にもグランド電位が与えられる。

そして、このようなスリットＳＬによって第１のグランドパターンＧ１と第２のグランドパターンＧ２に分離すれば、図５に示すＹ２方向への放射が低減される代わりに、図５に示すＹ１方向への放射が増大する。これにより、図３に示す構成に比べてアンテナ装置のゲインが高められる。

図６は、スリットＳＬの効果を説明するためのシミュレーション結果を示すグラフである。図６に示すように、スリットＳＬを設けることによって、ミリ波帯におけるゲインが向上することが分かる。

図７は、配線層１１３の第２の変形例を示す略平面図である。

図７に示す例では、グランドパターンＧにグランドクリアランス領域１５４，１５５がさらに設けられている点において、図５に示した例とは相違している。グランドクリアランス領域１５４，１５５は、基板１１０のｘ方向における両端部に設けられている。つまり、グランドクリアランス領域１５４はｙ方向に延在する一方の短辺Ｌ２に沿って設けられ、グランドクリアランス領域１５５はｙ方向に延在する他方の短辺Ｌ３に沿って設けられている。また、グランドクリアランス領域１５４，１５５の内部にも、グランドクリアランス領域１５１〜１５３と同様の導体パターン１６１，１６２が形成されるとともに、その周囲にスリットＳＬが形成されている。

グランドクリアランス領域１５４，１５５に形成されたスロットアンテナは、ＩＣチップ１２０によって給電されてｘ方向にビームを放射する第３のアンテナ素子として機能する。これにより、ｙ方向およびｚ方向のみならず、ｘ方向にもビームが放射されることから、３方向（ｘ方向、ｙ方向およびｚ方向）にビームを放射することが可能となる。

＜第２の実施形態＞
図８及び図９は、本発明の第２の実施形態によるアンテナ装置２００の構成を示す略斜視図であり、図８は上面側から見た図、図９は下面側から見た図である。

図８及び図９に示すように、本実施形態によるアンテナ装置２００は、基板２１０及びフレキシブル基板２２０を備えているとともに、基板１１０の内層に位置する配線層１１３が省略されている点において、第１の実施形態によるアンテナ装置１００と相違する。その他の構成は、第１の実施形態によるアンテナ装置１００と同一であることから同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

基板２１０は、フレキシブル基板２２０を介して基板１１０に接続されている。フレキシブル基板２２０は、ｘ方向に延在する長辺に沿って基板１１０と基板２１０を接続していることから、基板２１０は、基板１１０に対してｘ軸を中心に角度を任意に設定することが可能である。尚、図８及び図９においては、基板１１０と基板２１０の成す角度が９０°である状態を示している。

基板２１０の上面に位置する配線層２１１には、ｘ方向に配列された４つのパッチアンテナ導体２２１〜２２４が形成されている。パッチアンテナ導体２２１〜２２４はＩＣチップ１２０によって給電されて、ｙ方向にビームを放射する第２のアンテナ素子として機能する。また、ＩＣチップ１２０による給電信号の位相制御によって、ｙ軸を中心としてビームの放射方向をｘ方向に傾けることが可能である。尚、パッチアンテナ導体の数は４つに限定されるものではないが、ビームの放射方向をｘ方向に傾けるためには、少なくとも２個以上のパッチアンテナ導体を用いる必要がある。

第１の実施形態と異なり、本実施形態においてはフレキシブル基板１３１，１３２が用いられておらず、その代わりに、基板１１０の下面側に位置する配線層１１２には、ＩＣチップ１２０の周囲を取り囲むように複数の外部端子１７０がアレイ状に配置されている。外部端子１７０は例えば半田ボールからなり、ＩＣチップ１２０よりもｚ方向における高さが高くなるよう設計される。

このように、本実施形態によるアンテナ装置２００は、ｚ軸を中心としてビームを放射する第１のアンテナ素子（パッチアンテナ）と、ｙ軸を中心としてビームを放射する第２のアンテナ素子（パッチアンテナ）を備えている。したがって、第１の実施形態と同様、ビームがｚ方向及びｙ方向の両方に放射されることから、ミリ波のように指向性を必要とする周波数帯域を用いる場合であっても、より広い角度で通信を行うことが可能となる。

図１０は、マザーボードＭにアンテナ装置２００を接続した状態を示す略斜視図である。図１０に示す例では、マザーボードＭの第２の部分Ｍ２の縁部にアンテナ装置２００が接続されている。アンテナ装置２００とマザーボードＭの接続は、マザーボードＭに設けられた図示しないランドパターンと外部端子１７０を接続することにより行う。ここで、ＩＣチップ１２０は外部端子１７０の高さよりも薄いことから、アンテナ装置２００をマザーボードＭに実装しても、ＩＣチップ１２０がマザーボードＭと干渉することはない。

＜第３の実施形態＞
図１１は、本発明の第３の実施形態によるアンテナ装置３００の構成を示す略斜視図である。

図１１に示すように、本実施形態によるアンテナ装置３００は、基板３１０及びフレキシブル基板３２０を備えている点において、第２の実施形態によるアンテナ装置２００と相違する。その他の構成は、第２の実施形態によるアンテナ装置２００と同一であることから同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

基板３１０は、フレキシブル基板３２０を介して基板１１０に接続されている。フレキシブル基板３２０は、ｙ方向に延在する短辺に設けられていることから、基板３１０は、基板１１０に対してｙ軸を中心に角度を任意に設定することが可能である。尚、図１１においては、基板１１０と基板３１０の成す角度が９０°である状態を示している。

基板３１０の上面に位置する配線層３１１には、パッチアンテナ導体３２１が形成されている。パッチアンテナ導体３２１はＩＣチップ１２０によって給電されて、ｘ方向にビームを放射する第３のアンテナ素子として機能する。図１１に示す例では、基板３１０にパッチアンテナ導体３２１が１個のみ形成されているが、２以上のパッチアンテナ導体を形成しても構わない。

かかる構成により、ｙ方向およびｚ方向のみならず、ｘ方向にもビームが放射されることから、３方向（ｘ方向、ｙ方向およびｚ方向）にビームを放射することが可能となる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

１００，２００，３００アンテナ装置
１１０，２１０，３１０基板
１１１〜１１３，２１１，３１１配線層
１２０ＩＣチップ
１３１，１３２，２２０，３２０フレキシブル基板
１３３，１３４コネクタ
１４１〜１４４，２２１〜２２４，３２１パッチアンテナ導体
１５１〜１５５グランドクリアランス領域
１６１，１６２導体パターン
１７０外部端子
Ｇグランドパターン
Ｇ１第１のグランドパターン
Ｇ２第２のグランドパターン
Ｌ１長辺
Ｌ２，Ｌ３短辺
Ｍマザーボード
Ｍ１第１の部分
Ｍ２第２の部分
Ｍ３第３の部分
Ｐ給電点
ＳＬスリット

Claims

第１及び第２の配線層とグランドパターンを有する第３の配線層とを含む複数の配線層を有する基板と、
前記基板の前記第１の配線層に搭載されたＩＣチップと、
前記ＩＣチップから給電され、前記基板と垂直な方向に放射する複数のパッチアンテナ導体を含む第１のアンテナ素子と、
前記ＩＣチップから給電され、前記基板と水平な第１の水平方向に放射する第２のアンテナ素子と、を備え、
前記第１のアンテナ素子の少なくとも一部は、前記ＩＣチップと重なるよう、前記第２の配線層に形成され、
前記第２のアンテナ素子は、前記グランドパターンを切り欠いた複数のグランドクリアランス領域内にそれぞれ設けられ、前記グランドパターンに接続された導体パターンを含む複数のスロットアンテナによって構成され、
前記グランドパターンは、前記グランドクリアランス領域を少なくとも三方から囲む第１のグランドパターンと、スリットを介して前記第１のグランドパターンを少なくとも三方から囲む第２のグランドパターンとを含むことを特徴とするアンテナ装置。
前記複数のパッチアンテナ導体は、一方向に配列されていることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
前記複数のスロットアンテナは、前記一方向に配列されていることを特徴とする請求項２に記載のアンテナ装置。
前記一方向は、前記基板と水平であって前記第１の水平方向と略直交する第２の水平方向であることを特徴とする請求項２又は３に記載のアンテナ装置。
前記ＩＣチップから給電され、前記第２の水平方向に放射する第３のアンテナ素子をさらに備えることを特徴とする請求項４に記載のアンテナ装置。