JP6705435B2

JP6705435B2 - パッチアンテナ及びこれを備えるアンテナモジュール

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Publication number: JP6705435B2
Application number: JP2017207900A
Authority: JP
Inventors: 尚記外間
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2017-10-27
Filing date: 2017-10-27
Publication date: 2020-06-03
Anticipated expiration: 2037-10-27
Also published as: CN109728423B; JP2019080277A; US11228110B2; US20190131711A1; CN109728423A

Description

本発明はパッチアンテナ及びこれを備えるアンテナモジュールに関し、特に、インピーダンスなどの特性の調整が容易なパッチアンテナ及びこれを備えるアンテナモジュールに関する。

パッチアンテナのインピーダンスを調整する方法としては、パッチ導体に給電する給電点の位置をシフトさせる方法が知られている。しかしながら、給電点の位置をシフトさせると、下層に位置する導体パターンなどの形状もこれに合わせて変更する必要があることから、設計変更が大規模になるという問題があった。特に、パッチアンテナを含むアンテナ層とフィルタ回路を含む回路層が積層されてなるアンテナモジュールにおいては、給電点の位置をシフトさせると給電導体とフィルタ回路との接続位置もシフトするため、フィルタ特性が変化してしまうという問題があった。

給電点の位置を固定しつつパッチアンテナのインピーダンスを調整する方法としては、特許文献１，２に記載された方法が知られている。特許文献１には、パッチ導体と重なるグランドパターンにスリットを設け、これによってインピーダンスなどの特性を調整する方法が開示されている。また、特許文献２には、パッチ導体の外周端から中心点方向に延在するスリットを設け、これによってインピーダンスなどの特性を調整する方法が開示されている。

特開２００５−３４８３４５号公報特開２０１３−１５０１１２号公報

しかしながら、特許文献１に記載された方法では、インピーダンスの調整量が小さいだけでなく、パッチ導体と重なるグランドパターンの形状を変化させる必要があることから、パッチアンテナの下層にフィルタ回路などを配置する場合は、フィルタ特性が変化するという問題があった。一方、特許文献２に記載された方法では、スリットによってパッチ導体の外周形状が変化するため、偏波面に曲がりが生じるという問題があった。

したがって、本発明の目的は、パッチ導体以外の他の導体層の形状を変化させることなく、且つ、偏波面に曲がりが生じることなく、インピーダンスなどの特性の調整を容易に行うことが可能なパッチアンテナを提供することである。

本発明によるパッチアンテナは、パッチ導体と、パッチ導体の面内に位置する給電点に給電する給電導体とを備え、給電点の周囲には、パッチ導体の外周端から独立したスリットが設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、パッチ導体の外周端から独立したスリットが設けられていることから、給電点の位置を固定しつつ、スリットの形状及び位置によって、インピーダンスなどの特性の調整を行うことができる。このため、インピーダンスなどの特性を調整するに当たり、パッチ導体以外の他の導体層の形状を変化させる必要がなくなる。しかも、本発明においては、スリットがパッチ導体の外周端から独立していることから、偏波面に曲がりが生じることもない。

本発明において、スリットの少なくとも一部は、パッチ導体の中心点と給電点との間に設けられていても構わない。これによれば、給電点をパッチ導体の中心点から遠ざけた場合と同様の効果を得ることができる。

本発明において、スリットは、給電点を１８０°取り囲む第１の領域を含んでいても構わない。これによれば、インピーダンスの調整効果を高めることが可能となる。

本発明において、スリットは、第１の領域の一端から中心点とは反対方向に延在する第２の領域と、第１の領域の他端から中心点とは反対方向に延在する第３の領域とをさらに含んでいても構わない。これによれば、第２及び第３の領域の長さを調節することによって、インピーダンスを調整することが可能となる。

本発明において、スリットの少なくとも一部は、給電点から見てパッチ導体の中心点とは反対側に設けられていても構わない。これによれば、スリットが無い場合に比べてインピーダンスを低下させることが可能となる。

本発明によるパッチアンテナは、パッチ導体と重なる無給電パッチ導体をさらに備えていても構わない。これによれば、より広帯域化することが可能となる。

本発明によるアンテナモジュールは、上記のパッチアンテナが形成されたアンテナ層と、アンテナ層に積層され、給電導体に接続されたフィルタ回路を有する回路層とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、スリットの位置及び形状によってパッチアンテナのインピーダンスを調整しても、フィルタ回路を設計変更する必要がなく、且つ、フィルタ回路の特性も変化しないことから、設計が容易となる。

本発明において、フィルタ回路がバンドパスフィルタを含んでいても構わない。これによれば、特定の帯域のアンテナ信号のみを通過させることが可能となる。

本発明において、パッチ導体がアレイ状に複数設けられていても構わない。これによれば、いわゆるフェーズドアレイを構成することができる。

このように、本発明によれば、パッチ導体以外の他の導体層の形状を変化させることなく、且つ、偏波面に曲がりが生じることなく、インピーダンスなどの特性の調整を容易に行うことが可能となる。このため、特に、パッチアンテナが形成されたアンテナ層とフィルタ回路を有する回路層が積層されてなるアンテナモジュールへの適用が好適である。

図１は、本発明の好ましい実施形態によるアンテナモジュール１００の構成を説明するための断面図である。図２は、パッチ導体ＰＡ１の形状を説明するための平面図である。図３は、スリットＳＬの形状を説明するための斜視図である。図４は、スリットＳＬの形状をより詳細に説明するための平面図である。図５は、実施形態によるパッチアンテナの周波数特性を示すグラフである。図６（ａ）〜図６（ｄ）は、図５に示す特性（ａ）〜（ｄ）に対応する形状を示す平面図である。図７は、変形例によるスリットＳＬの形状を説明するための平面図である。図８は、変形例によるパッチアンテナの周波数特性を示すグラフである。図９は、スリットＳＬのいくつかのバリエーションを示す平面図である。図１０は、複数のアンテナモジュール１００をアレイ状にレイアウトしてなるアンテナモジュール１００Ａの構成を説明するための略斜視図である。

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。

図１は、本発明の好ましい実施形態によるアンテナモジュール１００の構成を説明するための断面図である。

図１に示すように、本実施形態によるアンテナモジュール１００は、アンテナ層ＡＬと回路層ＣＬが積層された構成を有しており、回路層ＣＬの表面には半導体チップ１１０が搭載されている。一例として、半導体チップ１１０には、アンプ回路、位相制御回路、スイッチ回路などが集積されている。アンテナ層ＡＬ及び回路層ＣＬは、絶縁層１０１の内部に形成された複数の導体層を有しており、異なる層に位置する導体層はスルーホール導体１０２を介して互いに接続されている。アンテナ層ＡＬと回路層ＣＬは、グランドパターン１０３によって分離されている。

アンテナ層ＡＬは、積層方向であるｚ方向に互いに重なるパッチ導体ＰＡ１及び無給電パッチ導体ＰＡ２を有しており、パッチ導体ＰＡ１の所定の平面位置には、裏面側から給電導体ＦＥが接続されている。これにより、アンテナ層ＡＬにはパッチアンテナが構成される。給電導体ＦＥは、パッチ導体ＰＡ１にアンテナ信号を供給するためのピラー状の導体であり、その下端は回路層ＣＬに含まれるバンドパスフィルタＢＰＦに接続されている。本発明において無給電パッチ導体ＰＡ２を設けることは必須でないが、無給電パッチ導体ＰＡ２を設けることにより、アンテナ帯域をより広帯域化することが可能となる。

回路層ＣＬには、バンドパスフィルタＢＰＦの他、バンドパスフィルタＢＰＦとランドパターン１０４を接続するための再配線が設けられている。アンテナモジュール１００の底面のうち、ランドパターン１０４が露出する部分以外の領域は、ソルダーレジスト１０５で覆われている。ランドパターン１０４は、ハンダボール１０６を介して半導体チップ１１０に接続されている。

図２は、パッチ導体ＰＡ１の形状を説明するための平面図である。

図２に示すように、パッチ導体ＰＡ１の平面形状は略正方形であり、中心点Ｃからオフセットした位置に給電点ＦＰが設けられる。給電点ＦＰは、給電導体ＦＥが接続される平面位置を指す。さらに、本実施形態においては、パッチ導体ＰＡ１にスリットＳＬが設けられている。スリットＳＬは、パッチ導体ＰＡ１の一部が除去された部分であり、図２に示す例では略Ｕ字形状を有している。図３には、スリットＳＬが設けられた領域を斜め方向から見た状態が示されている。図２及び図３に示すように、スリットＳＬはパッチ導体ＰＡ１の外周端とつながっておらず、外周端から独立して設けられている。つまり、スリットＳＬのエッジは閉じている。

図４は、スリットＳＬの形状をより詳細に説明するための平面図である。

図４に示すように、スリットＳＬは、中心点Ｃと給電点ＦＰとの間に位置し、給電点ＦＰを１８０°取り囲む略Ｃ字形状の第１の領域ＳＬ１と、第１の領域ＳＬ１の一端から中心点Ｃとは反対側にｘ方向に延在する第２の領域ＳＬ２と、第１の領域ＳＬ１の他端から中心点Ｃとは反対側にｘ方向に延在する第３の領域ＳＬ３とを有している。かかる構成により、給電点ＦＰから中心点Ｃへ向かう電流がスリットＳＬを迂回することから、給電点ＦＰの位置を固定しているにもかかわらず、スリットＳＬを設けない場合と比べ、中心点Ｃと給電点ＦＰの距離を拡大したのとほぼ同じ効果が得られる。これにより、スリットＳＬを設けない場合と比べてインピーダンスなどの諸特性が変化する。

インピーダンスの変化量は、第２の領域ＳＬ２，ＳＬ３のｘ方向における長さによって調整することができる。具体的には、第２の領域ＳＬ２，ＳＬ３のｘ方向における長さを長くするほど、給電点ＦＰから中心点Ｃへ向かう電流が大きく迂回することから、等価的に中心点Ｃと給電点ＦＰの距離が拡大される。

図５は、本実施形態によるパッチアンテナの周波数特性を示すグラフである。

図５において、符号（ａ）〜（ｄ）で示す特性は、スリットＳＬの形状をそれぞれ図６（ａ）〜図６（ｄ）に示す形状とした場合に得られる特性である。ここで、図６（ａ）はスリットＳＬを設けない例であり、図６（ｂ）はスリットＳＬを第１の領域ＳＬ１のみによって構成した例であり、図６（ｃ）及び（ｄ）はスリットＳＬを第１〜第３の領域ＳＬ１〜ＳＬ３によって構成した例である。図６（ｂ）におけるスリットＳＬは、第１の領域ＳＬ１の両端部のｘ方向位置が給電点ＦＰの中心と一致しており、スリットＳＬによって給電点ＦＰが１８０°取り囲まれている。また、図６（ｃ）におけるスリットＳＬは、第２及び第３の領域ＳＬ２，ＳＬ３のｘ方向における端部が給電点ＦＰのｘ方向における端部（つまり平面視における給電導体ＦＥの端部）と一致している。さらに、図６（ｄ）におけるスリットＳＬは、第２及び第３の領域ＳＬ２，ＳＬ３のｘ方向における端部が給電点ＦＰのｘ方向における端部（つまり平面視における給電導体ＦＥの端部）を超えて伸張されている。

図５に示すように、スリットＳＬの有無及び形状によって、パッチアンテナの周波数特性が大きく変化することが分かる。通常、このような周波数特性の変化は、給電点ＦＰの位置をシフトさせることによって実現されるが、本実施形態によるパッチアンテナにおいては、給電点ＦＰの位置を固定しつつ、スリットＳＬの形状を変えることによって、周波数特性を変化させることが可能となる。これにより、パッチアンテナの周波数特性の調整に伴う回路層ＣＬの設計変更が不要となるばかりでなく、回路層ＣＬに含まれるバンドパスフィルタＢＰＦの特性が変化することもない。

図７は、変形例によるスリットＳＬの形状を説明するための平面図である。

図７に示す例では、図２に示した例に対し、スリットＳＬの向きが１８０°回転している点において相違する。具体的には、中心点Ｃと給電点ＦＰとの間にはスリットＳＬが設けられておらず、その代わりに、給電点ＦＰとこれに隣接する外周端Ｌｏとの間、つまり、給電点ＦＰから見て中心点Ｃとは反対側にスリットＳＬ形成されている。図７に示すスリットＳＬをパッチ導体ＰＡ１に形成すれば、スリットが無い場合に比べてインピーダンスが低下する。これにより、図８の符号（ｅ）で示す周波数特性を得ることが可能となる。図８における特性（ａ），（ｄ）は、図５に示した特性（ａ），（ｄ）と同様、それぞれ図６（ａ），（ｄ）に示したスリットＳＬを形成した場合に得られる特性である。

図９は、スリットＳＬのいくつかのバリエーションを示す平面図である。

図９（ａ）に示すスリットＳＬは、ｘ方向に延在する部分とｙ方向に延在する部分が直線的であり、これにより給電点ＦＰを３方向から直線的に取り囲む形状を有している。図９（ａ）が例示するように、給電点ＦＰの周囲におけるスリットＳＬの形状が曲線的である必要はなく、直線的であっても構わない。図９（ｂ）に示すスリットＳＬは、給電点ＦＰと中心点Ｃとの間に位置し、ｙ方向に延在する部分のみからなる。図９（ｂ）が例示するように、スリットＳＬが給電点ＦＰの周囲を囲むことは必須ではない。図９（ｃ）に示すスリットＳＬは、ｘ方向に延在する部分の幅が中心点Ｃから離れるにしたがって細くなる形状を有している。これにより、給電点ＦＰからパッチ導体ＰＡ１の外周端に向かう導体幅が徐々に広くなる。スリットＳＬをこのような形状とすれば、パッチ導体ＰＡ１上における電流の流れがよりスムーズとなる。

図１０は、複数のアンテナモジュール１００をアレイ状にレイアウトしてなるアンテナモジュール１００Ａの構成を説明するための略斜視図である。図１０に示す例では、９個のアンテナモジュール１００がｘｙ平面にアレイ状にレイアウトされている。このように、複数のアンテナモジュール１００をアレイ状にレイアウトすれば、いわゆるフェーズドアレイを構成することができる。これによれば、ビームの方向を任意に変化させ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。

１００，１００Ａアンテナモジュール
１０１絶縁層
１０２スルーホール導体
１０３グランドパターン
１０４ランドパターン
１０５ソルダーレジスト
１０６ハンダボール
１１０半導体チップ
ＡＬアンテナ層
ＢＰＦバンドパスフィルタ
Ｃ中心点
ＣＬ回路層
ＦＥ給電導体
ＦＰ給電点
Ｌｏ外周端
ＰＡ１パッチ導体
ＰＡ２無給電パッチ導体
ＳＬスリット
ＳＬ１第１の領域
ＳＬ２第２の領域
ＳＬ３第３の領域

Claims

パッチ導体と、
前記パッチ導体の面内に位置し、前記パッチ導体の中心点よりも前記パッチ導体の外周端に近い給電点に接続され給電する給電導体と、を備え、
前記給電点の周囲には、前記パッチ導体の前記外周端から独立したスリットが設けられ、
前記スリットの少なくとも一部は、前記パッチ導体の前記中心点と前記給電点との間に設けられているとともに、前記給電点と前記パッチ導体の前記外周端の間が前記スリットから開放されており、これにより前記給電点から前記パッチ導体の前記中心点へ向かう電流は、前記スリットを迂回することを特徴とするパッチアンテナ。
前記スリットは、前記給電点を１８０°取り囲む第１の領域を含むことを特徴とする請求項１に記載のパッチアンテナ。
前記スリットは、前記第１の領域の一端から前記中心点とは反対方向に延在する第２の領域と、前記第１の領域の他端から前記中心点とは反対方向に延在する第３の領域とをさらに含むことを特徴とする請求項２に記載のパッチアンテナ。
前記パッチ導体と重なる無給電パッチ導体をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のパッチアンテナ。
請求項１乃至４のいずれか一項に記載のパッチアンテナが形成されたアンテナ層と、
前記アンテナ層に積層され、前記給電導体に接続されたフィルタ回路を有する回路層と、を備えることを特徴とするアンテナモジュール。
前記フィルタ回路がバンドパスフィルタを含むことを特徴とする請求項５に記載のアンテナモジュール。
前記パッチ導体がアレイ状に複数設けられていることを特徴とする請求項５又は６に記載のアンテナモジュール。