JP6766959B2 - 平面アレイアンテナおよび無線通信モジュール - Google Patents
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Description
本開示は平面アレイアンテナおよび無線通信モジュールに関する。
高周波の無線通信には、平面アンテナが用いられる場合がある。たとえば特許文献１〜３は、導体層にスロットを形成し、放射導体に給電する平面アンテナを開示している。特に、特許文献２は、複数の平面アンテナを備える平面アレイアンテナを開示している。具体的には、複数のストリップ導体と、複数のスロットが設けられた導体層と、それぞれのスロットを覆うように配置された複数の放射導体を備えた平面アレイアンテナを開示している。
無線通信の用途が拡大しており、種々の周波数帯域で無線通信が利用されている。このため、より広い帯域に対応することが求められている。本願は、広帯域化が可能な平面アレイアンテナおよびこれを備えた無線通信モジュールを提供することを目的とする。
本開示の平面アレイアンテナは、複数の単位セルが１次元または２次元に配置された平面アレイアンテナであって、各単位セルは、放射導体、前記放射導体と離間して配置され、第１スロットを有する第１地導体層、および、前記放射導体と前記第１地導体層との間であって、前記放射導体と前記第１地導体層とからそれぞれ離間して配置されており、第２スロットを有する平面導体層を含む放射部と、ストリップ導体、および、前記ストリップ導体と離間して配置された第２地導体層を含み、前記ストリップ導体が前記第１地導体層と前記第２地導体層との間に位置する給電部とを備える。
各単位セルにおいて、前記放射導体、前記第２スロット、前記第１スロットは積層方向に位置合わせされていてもよい。
前記ストリップ導体の伸びる方向と前記第１スロットおよび前記第２スロットの伸びる方向とは交差していてもよい。
前記各単位セルにおいて前記放射部は、複数の前記平面導体層を含んでいてもよい。
前記第２スロットは前記第１スロットと同じ形状を有していてもよい。
前記第２スロットは前記第１スロットと異なる形状を有していてもよい。
前記第１地導体層と前記平面導体層との間隔は５０μｍ以下であってもよい。
前記平面導体層は前記第１地導体層または前記第２地導体層と電気的に接続されていてもよい。
前記平面導体層は、フローティング導体層であってもよい。
前記各単位セルの前記給電部は、前記第１地導体層と前記第２地導体層とに接続され、前記ストリップ導体を囲む複数のビア導体を更に含んでいてもよい。
前記各単位セルは、多層セラミック体を備え、少なくとも前記平面導体層、前記第１地導体層、前記第２地導体層および前記ストリップ導体は、前記多層セラミック体内に埋設されていてもよい。
本開示の無線通信モジュールは、上記いずれかの平面アレイアンテナと、前記平面アレイアンテナと電気的に接続された能動部品とを備える。
本開示によれば、広帯域化が可能な平面アレイアンテナを得ることができる。
本開示の平面アレイアンテナおよび無線通信モジュールは、例えば、準マイクロ波・センチメートル波・準ミリ波・ミリ波帯域の無線通信に利用可能である。準マイクロ波帯域の無線通信は、波長が１０ｃｍ〜３０ｃｍであり、１ＧＨｚから３ＧＨｚの周波数の電波を搬送波として用いる。センチメートル波帯域の無線通信は、波長が１ｃｍ〜１０ｃｍであり、３ＧＨｚから３０ＧＨｚの周波数の電波を搬送波として用いる。ミリ波帯域の無線通信は、波長が１ｍｍ〜１０ｍｍであり、３０ＧＨｚから３００ＧＨｚの周波数の電波を搬送波として用いる。準ミリ波帯域の無線通信は、波長が１０ｍｍ〜３０ｍｍであり、１０ＧＨｚから３０ＧＨｚの周波数の電波を搬送波として用いる。これらの帯域の無線通信では、平面アンテナのサイズは数センチからサブミリメートルのオーダーになる。例えば、準マイクロ波・センチメートル波・準ミリ波・ミリ波無線通信回路を、多層セラミック焼結基板によって構成する場合、多層セラミック焼結基板に本開示の多軸アンテナを実装することが可能となる。以下、本実施形態では、特に他の説明をしない限り、準マイクロ波・センチメートル波・準ミリ波・ミリ波の搬送波の一例として、搬送波の周波数が３０ＧＨｚであり、搬送波の波長λが１０ｍｍである場合を例に挙げて、平面アレイアンテナを説明する。
（第１の実施形態）
図１は本開示の平面アレイアンテナ１０１の実施形態を示す平面図である。平面アレイアンテナ１０１は破線で示す複数の単位セル５０を含む。各単位セル５０は放射導体１１を含み、放射導体１１から電磁波を放射する平面アンテナを構成している。各単位セル５０は、誘電体４１に形成されており、複数の単位セル５０は１次元または２次元に配列されている。本実施形態では、図１に示すように、複数の単位セル５０は、ｘ方向およびｙ方向に２次元に配列されている。各単位セル５０の放射導体１１は、本実施形態では誘電体４１内に配置されている。つまり、誘電体４１の上面４０ｕから所定の深さにおいて、放射導体１１がｘ方向およびｙ方向に２次元にアレイ状に配列されている。各単位セル５０の放射導体１１は、同一平面上に位置していてもよいし、z軸方向において異なる高さに位置してもよい。
図１は本開示の平面アレイアンテナ１０１の実施形態を示す平面図である。平面アレイアンテナ１０１は破線で示す複数の単位セル５０を含む。各単位セル５０は放射導体１１を含み、放射導体１１から電磁波を放射する平面アンテナを構成している。各単位セル５０は、誘電体４１に形成されており、複数の単位セル５０は１次元または２次元に配列されている。本実施形態では、図１に示すように、複数の単位セル５０は、ｘ方向およびｙ方向に２次元に配列されている。各単位セル５０の放射導体１１は、本実施形態では誘電体４１内に配置されている。つまり、誘電体４１の上面４０ｕから所定の深さにおいて、放射導体１１がｘ方向およびｙ方向に２次元にアレイ状に配列されている。各単位セル５０の放射導体１１は、同一平面上に位置していてもよいし、z軸方向において異なる高さに位置してもよい。
図２は、単位セル５０の構成を示す分解斜視図であり、図３Ａは単位セル５０の断面図である。各単位セル５０は、放射部５１と給電部５２とを含む。給電部５２と放射部５１とは電磁結合しており、給電部５２から供給される信号電力を放射部５１が受け取り、電磁波が放射導体１１から放射される。
放射部５１は、放射導体１１と、第１地導体層１３と、平面導体層１２とを含む。平面導体層１２は放射導体１１と第１地導体層１３との間に位置し、積層方向において放射導体１１および第１地導体層１３からそれぞれ離間している。第１地導体層１３および平面導体層１２にはそれぞれ開口である第１スロット１３ｃおよび第２スロット１２ｃが設けられている。
平面導体層１２は本実施形態では、フローティング導体層である。つまり、平面導体層１２は、第１地導体層１３、第２地導体層１５または他の基準電位が供給される導体層と電気的に接続されていない。しかし、平面導体層１２は接地されていてもよい。具体的には、平面導体層１２は、第１地導体層１３、第２地導体層１５または他の基準電位が供給される導体層と電気的に接続されていてもよい。また、放射部５１は平面導体層１２を複数備えていてもよい。
給電部５２は、ストリップ導体１４と、第２地導体層１５とを含む。ストリップ導体１４と第２地導体層１５とは離間して配置されている。また、ストリップ導体１４は、第１地導体層１３と第２地導体層１５との間に位置し、第１地導体層１３とストリップ導体１４も積層方向において離間している。
ストリップ導体１４に給電するため、給電部５２は、ビア導体１７を含んでいてもよい。この場合、第２地導体層１５は開口１５ｄを有し、ビア導体１７は、開口１５ｄを貫通して一端がストリップ導体１４と接続される。ビア導体１７の他端は、第２地導体層１５の下面側において、結合器、分配器、受信回路、送信回路などに接続される。
本実施形態では、給電部５２は、複数のビア導体１６をさらに含む。ビア導体１６は柱形状を有し、ストリップ導体１４を囲むように配置されている。各ビア導体１６の一端は、第１地導体層１３と接続され、他端は第２地導体層１５と接続されている。前述したように、平面導体層１２を接地する場合、例えば、図３Ｂに示すように、平面導体層１２と第１地導体層１３とを１または複数のビア導体１８によって接続してもよい。
放射導体１１、平面導体層１２、第１地導体層１３、ストリップ導体１４、第２地導体層１５、ビア導体１６、ビア導体１７およびビア導体１８は導電性の材料によって形成されている。
図３Ａに示すように、放射導体１１、平面導体層１２、第１地導体層１３、ストリップ導体１４および第２地導体層１５の間には、誘電体４１を構成する複数の誘電体層が位置している。誘電体層は、樹脂層、ガラス層、セラミック層、空洞等であってよい。誘電体４１に平面導体層１２、第１地導体層１３、ストリップ導体１４および第２地導体層１５が埋設されている。前述したように、放射導体１１は誘電体４１の上面４０ｕから所定の深さで誘電体４１の内部に位置している。つまり放射導体１１は、誘電体４１の一部によって覆われている。平面アレイアンテナ１０１を多層セラミック基板によって構成する例は後述する。
次に各構成要素の形状、配置等を詳述する。図４は、単位セル５０の各構造を多層セラミック体４０の上面４０ｕに垂直な方向、つまり、上面４０ｕの法線方向から見た模式図である。
放射導体１１、平面導体層１２および第１地導体層１３を含む放射部５１は電波を放射する放射素子であり、求められる放射特性およびインピーダンス整合を得るための形状を有している。本実施形態では、放射導体１１は、ｘ方向に伸びる（長手を有する）長方形形状を有している。放射導体は、正方形、円形等他の形状を有していてもよい。例えば、放射導体１１は、ｘ方向およびｙ方向に１．５ｍｍおよび０．５ｍｍの長さを有する。
図１に示すように、単位セル５０の放射導体１１のピッチｐは、ｘ方向およびｙ方向において、例えば、波長λ０の１／２である。ここで、λ０は、搬送波の真空中における波長である。
第１地導体層１３の第１スロット１３ｃおよび平面導体層１２の第２スロット１２ｃの形状は同じであってもよいし異なっていてもよい。ここで形状が同じとは、相似関係にある場合を含まず、形および大きさが同じ（合同）であることをいう。放射導体１１、第１スロット１３ｃおよび第２スロット１２ｃは、上面視において、少なくとも一部が互いに重なっていることが好ましい。より好ましくは、放射導体１１、第１スロット１３ｃおよび第２スロット１２ｃは積層方向に互いに位置合わせされている。ここで位置合わせされているとは、積層方向において、第１地導体層１３の中心、第１スロット１３ｃの中心および第２スロット１２ｃの中心が、ｘ方向およびｙ方向において製造誤差の範囲にあることをいう。
第１スロット１３ｃおよび第２スロット１２ｃがそれぞれ長方形形状を有する場合には、長方形の伸びる方向（長手方向）は一致していることが好ましい。例えば、第１スロット１３ｃは、ｘ方向およびｙ方向に０．９ｍｍおよび０．４ｍｍの長さを有する。
図４に示すようにストリップ導体１４は、例えば長方形形状を有する。ストリップ導体１４の伸びる方向と第１スロット１３ｃおよび第２スロット１２ｃの伸びる方向とは交差していることが好ましい。
各単位セル５０の第１地導体層１３および第２地導体層１５は隣接する単位セル５０の第１地導体層１３および第２地導体層１５とそれぞれ接続しており、一体的な導電層を構成していることが好ましい。平面導体層１２は、フローティング層である場合には、隣接する単位セル５０の平面導体層１２と接続されておらず、独立していてもよい。この場合、上面視において、平面導体層１２がストリップ導体１４を囲むビア導体１６が設けられている領域を覆うことが好ましい。
平面導体層１２が接地される場合には、隣接する単位セル５０の平面導体層１２と図示しないビア導体および／または配線層を介して接続されていてもよい。あるいは、平面導体層１２は、隣接する単位セル５０の平面導体層１２と、一体的な導電層を構成しており、ビア導体および／または配線層を介して接地電位に接続されていてもよい。各単位セルにおいて、電磁波をより強く共振させ、効率を高めるという観点では、図３Ｂに示すように、平面導体層１２は、隣接する平面導体層１２から分離しており、ビア導体１８で第１地導体層１３と接続されていることが好ましい。
積層方向における第１地導体層１３と第２地導体層１５との間隔は、例えば、０．２５ｍｍである。ストリップ導体１４は、例えば、積層方向において、第１地導体層１３と第２地導体層１５との中間の位置に設けられている。
放射導体１１と第１地導体層１３との間隔は、例えば、０．４ｍｍである。また、平面導体層１２と第１地導体層１３との間隔は小さいほうが好ましい。具体的には、平面導体層１２と第１地導体層１３との間隔は５０μｍ以下であることが好ましく、２５μｍ以下であることがより好ましい。
平面アレイアンテナ１０１において、ストリップ導体１４と第２地導体層１５とで構成されるマイクロストリップラインに印加される信号電力は、第１地導体層１３の第１スロット１３ｃを介して放射導体１１と電磁結合する。このとき、平面導体層１２が存在することによって、放射導体１１と第１スロット１３ｃを有する第１地導体層１３および第２スロット１２ｃを有する平面導体層１２とで複共振が生じ、放射する電磁波が広帯域化される。このため、平面アレイアンテナ１０１の放射特性および受信特性が広帯域化する。特に、平面導体層１２と第１地導体層１３との間隔を短くすることによって、ストリップ導体１４から平面導体層１２および第１地導体層１３に同等の電磁界が通過するため、帯域幅の拡大効果を得やすくなる。
また、ストリップ導体１４の周囲をビア導体１６が囲むことによって、ｙ方向の電磁界分布が最適化され、ｘ方向の幅が最適化されることでインピーダンス整合を取りやすくなり、広帯域化できる。誘電率が１以上の誘電体を用いることにより、単位セルの配列ピッチよりも各アンテナの最適化された構造のサイズを小さくすることができ、上述の構成を採用することによって広帯域で放射効率の高い平面アンテナが実現する。
また、本開示の平面アレイアンテナ１０１は、各単位セルが、電磁波を放射する放射導体１１を備えているため、平面導体層１２と第１地導体層１３との距離、平面導体層１２の第２スロット１２ｃおよび第１地導体層１の第１スロット１３ｃ形状および／または大きさ等を調整することによって、複共振による広帯域化およびインピーダンス整合の両立を図りやすい。さらに、誘電体４１にこれらを埋め込むことによって、平面アレイアンテナ１０１の小型化を図ることも可能となる。これらの点で、本開示の平面アレイアンテナ１０１は、導波管あるいは導体箱にスロットを有するスロットアンテナとは、全く異なる発想に基づいている。
また、本実施形態の平面アレイアンテナ１０１では、放射導体１１は誘電体４１内に配置される。このため、放射導体１１を外部環境による酸化、あるいは、外力による損傷や変形から保護することができる。
放射導体１１を保護するという観点では、放射導体１１を誘電体４１の上面４０ｕに配置し、放射導体１１に酸化防止のためのメッキを施すことも考えられる。しかし、この場合、メッキによって放射導体１１の導電率が低下する場合があり、放射特性が低下し得る。これに対し、誘電体４１で放射導体１１を覆う場合には、放射導体１１の導電率は低下しないため、メッキを設ける場合と同等以上の放射特性を維持しつつ、外力からの保護等、メッキよりも高い保護効果を得ることができる。
放射導体１１を覆う誘電体４１の層４１ｃの厚さは、例えば、誘電体４１の比誘電率が、３〜１５程度である場合、７０μｍ以下であることが好ましく、誘電体４１の比誘電率が、５〜１０程度である場合、２０μｍ以下であることが好ましい。これにより、平面アレイアンテナに一般的に使用される、Ａｕ/Ｎｉメッキした放射導体１１の場合と同等以上の放射効率を実現することができる。層４１ｃの厚さは小さいほど損失が少ないため、アンテナ特性の観点では、特に下限に制限はない。後述するように誘電体４１が多層セラミック体である場合には、層４１ｃの厚さが小さくなりすぎると、厚さを均一にすることが困難になる場合がある。このため、層４１ｃの厚さは、例えば、均一なセラミック層を形成し得る５μｍであることが好ましい。つまり、誘電体４１が多層セラミック体である場合には層４１ｃの厚さは５μｍ以上７０μｍ以下であることがより好ましく、５μｍ以上、２０μｍ未満であることがより好ましい。
（第２の実施形態）
以下、平面アレイアンテナを多層セラミック基板によって構成する例、つまり、第１の実施形態の平面アレイアンテナ１０１の誘電体４１を多層セラミック体で構成する例を説明する。図５は、多層セラミック基板１０２の断面を模式的に示している。多層セラミック基板１０２は、多層セラミック体４０と、多層セラミック体４０内に埋設された放射導体１１、平面導体層１２、第１地導体層１３、ストリップ導体１４、第２地導体層１５、ビア導体１６およびビア導体１７とを備える。
以下、平面アレイアンテナを多層セラミック基板によって構成する例、つまり、第１の実施形態の平面アレイアンテナ１０１の誘電体４１を多層セラミック体で構成する例を説明する。図５は、多層セラミック基板１０２の断面を模式的に示している。多層セラミック基板１０２は、多層セラミック体４０と、多層セラミック体４０内に埋設された放射導体１１、平面導体層１２、第１地導体層１３、ストリップ導体１４、第２地導体層１５、ビア導体１６およびビア導体１７とを備える。
多層セラミック体４０は、破線で示すように複数のセラミック層４０ａを含み、１または２以上のセラミック層４０ａを隔ててこれらの構成要素が配置されている。破線の位置は模式的に示されており、多層セラミック基板に含まれるセラミック層４０ａの数を正確に示しているわけではない。ビア導体１６およびビア導体１７はセラミック層４０ａに設けられた貫通孔内に位置している。
第１スロット１３ｃおよび第２スロット１２ｃ（図２、図４参照）は、空洞であってもよいし、セラミック層４０ａの一部が充填されていてもよい。第１スロット１３ｃおよび第２スロット１２ｃにセラミック層４０ａの一部が充填されていれば、セラミック層４０ａ間の密着性が向上し、多層セラミック体４０の強度を高めることができる。
多層セラミック体４０においてセラミック層４０ａの境界は明確には存在しない場合がある。この場合、例えば、第１地導体層１３等のセラミック以外の構成要素が２つのセラミック層の間に存在する場合には、第１地導体層１３の位置を２つのセラミック層の境界と対応づけることができる。セラミック層４０ａは、セラミックの焼結前のセラミックグリーンシートに対応していてもよいし、２層以上のセラミックグリーンシートに対応していてもよい。
各セラミック層４０ａの厚さは、例えば１μｍ以上１５ｍｍ以下であり、好ましくは、１５μｍ以上１ｍｍ以下である。これにより、準マイクロ波・センチメートル波・準ミリ波・ミリ波帯の平面アレイアンテナを構成することができる。
放射導体１１は、多層セラミック体の上面に位置していてもよい。図６に示す多層セラミック基板１０２’は、放射導体１１が多層セラミック体４０’の上面４０’ｕ上に位置している点で、多層セラミック基板１０２と異なる。放射導体１１が外部環境に露出していることにより、より高い放射効率を実現することが可能となる。この構成の多層セラミック基板を用いて作製する製品は、例えば、温度湿度などの環境、物理的接触などによる損傷、変形が起こりにくい条件で使用される場合に適している。より具体的には、たとえば、真空封止あるいは不活性ガス封止されて使用されるような条件、または、酸化、硫化などで腐食しづらい金属を用いて放射導体を構成する条件が満たされる場合にこの構成の製品は、好適に使用される。
多層セラミック基板は、平面アレイアンテナ１０１の他に、他の構成要素をそなえていてもよい。例えば、図７に示すように、多層セラミック基板１０３は、第２地導体層１５よりも下方に複数のセラミック層４０ａをさらに備え、受動部品パターン７１および配線パターン７２と、複数のセラミック層４０ａに設けられた導電性ビア７３をさらに備えている。受動部品パターン７１は、例えば、導電性層あるいは、所定の抵抗値を有するセラミックであり、インダクタ、コンデンサ、抵抗、結合器、分配器、フィルタ、電源等を構成している。また、導電性ビア７３および配線パターン７２は、受動部品パターン、地導体等と接続され、所定の回路を構成している。
また、多層セラミック体４０の下面４０ｖには、例えば、外部の基板と接続するための、電極７４、受動部品を接続するための電極７５および集積回路等の能動部品を接続するための電極７６が位置している。ストリップ導体１４は、図示しない位置に配置された導電性ビアによって、電極７４、７５、７６のいずれかと電気的に接続されていてもよい。
第２地導体層１５よりも下面側に位置する複数のセラミック層４０ａ間に設けられたこれらの構成要素により、受動部品を含む配線回路が構成される。配線回路の上述した、複数の電極に受動部品および集積回路等が接続されることによって、無線通信回路が構成される。
多層セラミック基板によって平面アレイアンテナ１０１を構成する場合、各セラミック層と放射導体１１、平面導体層１２などの導電層とを同時に焼成することが可能である。つまり多層セラミック基板１０３は同時焼成セラミック基板であってもよい。同時焼成セラミック基板は、低温焼成セラミック（ＬＴＣＣ、Ｌｏｗ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏ−ｆｉｒｅｄ Ｃｅｒａｍｉｃｓ）基板であってもよいし、高温焼成セラミック（ＨＴＣＣ、Ｈｉｇｈ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏ−ｆｉｒｅｄ Ｃｅｒａｍｉｃｓ）基板であってもよい。高周波特性の観点では、低温焼成セラミック基板を用いた方が好ましい場合がある。多層セラミック構造のセラミック層、放射導体、地導体、ストリップ導体、受動部品パターン、配線パターン、導電性ビアには、焼成温度、用途等および無線通信の周波数等に応じたセラミック材料および導電性材料が用いられる。放射導体、地導体（具体的には地導体層）、ストリップ導体、受動部品パターン、配線パターン、導電性ビアを形成するための導電性ペーストと、多層セラミック構造のセラミック層を形成するためのグリーンシートが同時に焼成（Ｃｏ−ｆｉｒｅｄ）される。同時焼成セラミック基板が低温焼成セラミック基板である場合、８００℃から１０００℃程度の温度範囲で焼結することができるセラミック材料および導電性材料を用いる。例えばＡｌ、Ｓｉ、Ｓｒを主成分とし、Ｔｉ、Ｂｉ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｎａ、Ｋの少なくとも１種を副成分とするセラミック材料、Ａｌ、Ｓｉ、Ｓｒを主成分とし、Ｃａ、Ｐｂ、Ｎａ、Ｋの少なくとも１種を副成分とするセラミック材料、Ａｌ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｇｄを含むセラミック材料、Ａｌ、Ｓｉ、Ｚｒ、Ｍｇを含むセラミック材料が用いられる。また、ＡｇまたはＣｕを含む導電性材料が用いられる。セラミック材料の誘電率は３〜１５程度である。同時焼成セラミック基板が高温焼成多層セラミック基板である場合、Ａｌを主成分とするセラミック材料および、Ｗ（タングステン）またはＭｏ（モリブデン）を含む導電性材料を用いることができる。
より具体的には、ＬＴＣＣ材料として、例えば、低誘電率（比誘電率５〜１０）のＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ−Ｇｄ−Ｏ系誘電体材料、Ｍｇ２ＳｉＯ４からなる結晶相とＳｉ−Ｂａ−Ｌａ−Ｂ−Ｏ系からなるガラス等からなる誘電体材料、Ａｌ−Ｓｉ−Ｓｒ−Ｏ系誘電体材料、Ａｌ−Ｓｉ−Ｂａ−Ｏ系誘電体材料、高誘電率（比誘電率５０以上）のＢｉ−Ｃａ−Ｎｂ−Ｏ系誘電体材料等様々な材料を用いることができる。
例えば、Ａｌ−Ｓｉ−Ｓｒ−Ｏ系誘電体材料は、主成分としてＡｌ、Ｓｉ、Ｓｒ、Ｔｉの酸化物を含む場合は、主成分であるＡｌ、Ｓｉ、Ｓｒ、ＴｉをそれぞれＡｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、ＳｒＯ、ＴｉＯ2に換算したとき、Ａｌ2Ｏ3：１０〜６０質量％、ＳｉＯ2：２５〜６０質量％、ＳｒＯ：７．５〜５０質量％、ＴｉＯ2：２０質量％以下（０を含む）を含有することが好ましい。また、その主成分１００質量部に対して、副成分として、Ｂｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｃｏの群のうちの少なくとも１種をＢｉ２Ｏ３換算で０．１〜１０質量部、Ｎａ２Ｏ換算で０．１〜５質量部、Ｋ２Ｏ換算で０．１〜５質量部、ＣｏＯ換算で０．１〜５質量部含有することが好ましく、更に、Ｃｕ、Ｍｎ、Ａｇの群のうちの少なくとも１種をＣｕＯ換算で０．０１〜５質量部、Ｍｎ３Ｏ４換算で０．０１〜５質量部、Ａｇを０．０１〜５質量部含有することが好ましい。その他不可避不純物を含有することもできる。
多層セラミック体４０における複数のセラミック層４０ａは、それぞれ同じ組成を有し、同じ材料によって形成されていてもよい。あるいは、平面アンテナの放射効率を高めるために、多層セラミック体４０の放射導体１１近傍のセラミック層は、それよりも下方のセラミック層と異なる組成を有し、異なる材料によって形成されていてもよい。異なる組成を有することにより、異なる誘電率を有することが可能となり、放射効率を向上させることが可能となる。
また、放射導体１１をセラミック層以外の樹脂あるいはガラスなどからなる層で覆ってもよいし、多層セラミック体４０と、樹脂あるいはガラスなどからなる回路基板とを組み合わせ、複合基板を構成してもよい。
同時焼成セラミック基板は、ＬＴＣＣ基板またはＨＴＣＣ基板と同様の製造方法を用いて製造することができる。
例えば、まず、上述した元素を含むセラミック材料を用意し、必要に応じて、例えば７００℃〜８５０℃で仮焼し、粉砕することにより造粒する。セラミック材料にガラス成分の粉末、有機バインダ、可塑剤、溶剤を添加し、これらの混合物のスラリーを得る。誘電率を異ならせるため等により、セラミック層を異なる材料によって形成する場合には、異なる材料を含む２種類のスラリーを用意する。また、上述した導電性材料の粉末を有機バインダおよび溶剤等と混合し、導電ペーストを得る。
ドクターブレード法、圧延（押し出し）法、印刷法、インクジェット式塗布法、転写法等を用いて、スラリーから所定の厚さの層をキャリアフィルム上に形成し、乾燥させる。スラリーの層を切断することによって、セラミックグリーンシートを得る。
次に、同時焼成セラミック基板内で構成する回路に従い、レーザ、メカ式パンチャ等を用いて複数のセラミックグリーンシートにビアホールを形成し、スクリーン印刷法を用いて各ビアホールに導電ペーストを充填する。このとき、ビア導体１６およびビア導体１７のパターンも形成される。また、スクリーン印刷等によって、導電ペーストをセラミックグリーンシートに印刷し、配線パターン、受動部品パターン、放射導体１１、平面導体層１２、第１地導体層１３、ストリップ導体１４および第２地導体層１５のパターンをセラミックグリーンシートに形成する。
上述した導電ペーストが配置されたセラミックグリーンシートを、仮圧着を行いながら順次積層し、グリーンシート積層体を形成する。その後、グリーンシート積層体からバインダを除去し、脱バインダ後のグリーンシート積層体を焼成する。これにより、同時焼成セラミック基板が完成する。
このようにして作製される同時焼成セラミック基板は、無線通信用の配線回路、受動部品および平面アレイアンテナを備える。このため、同時焼成セラミック基板に無線通信用のチップセット等を実装することによって、アンテナも備えた無線通信モジュールが実現する。
また、多層セラミック体の表面のセラミック層が放射導体の全体を完全に覆っている場合には、放射導体を外部環境および外力から保護することができ、放射効率が低下したり、アンテナの特性が変化したりするのを抑制することができる。
なお、本実施形態おいて説明した平面アレイアンテナの放射導体、平面導体層、第１地導体層、第２地導体層およびストリップ導体の形状、数、配置は模式的な一例に過ぎない。例えば、複数の放射導体のうち、一部を地導体から異なる距離に位置するセラミック層の界面に配置してもよい。また、放射導体にスロットを設けてもよい。また、平面アレイアンテナは、放射導体の他に、給電されない導体をさらに含んでおり、放射導体と、セラミック層を介して積層されていてもよい。
（第３の実施形態）
無線通信モジュールの実施形態を説明する。図８（ａ）は、本開示の無線通信モジュールの実施形態を示す模式的下面図であり、図８（ｂ）は、基板に実装された無線通信モジュールを示す模式的断面図である。無線通信モジュール１０４は、第２の実施形態の多層セラミック基板１０３と、半田バンプ８１と、受動部品８２と能動部品８３とを備える。半田バンプ８１は、多層セラミック基板１０２の下面４０ｖに位置する電極７４に設けられている。受動部品８２は、例えば、チップコンデンサ、チップインダクタ、チップ抵抗等であり、電極７５に半田などによって接合されている。能動部品８３は、例えば、無線通信用のチップセットであり、受信回路、送信回路、Ａ／Ｄコンバータ、Ｄ／Ａコンバータ、ベースバンドプロセッサ、メディアアクセスコントローラ等であり、電極７６に半田などによって接合されている。
無線通信モジュールの実施形態を説明する。図８（ａ）は、本開示の無線通信モジュールの実施形態を示す模式的下面図であり、図８（ｂ）は、基板に実装された無線通信モジュールを示す模式的断面図である。無線通信モジュール１０４は、第２の実施形態の多層セラミック基板１０３と、半田バンプ８１と、受動部品８２と能動部品８３とを備える。半田バンプ８１は、多層セラミック基板１０２の下面４０ｖに位置する電極７４に設けられている。受動部品８２は、例えば、チップコンデンサ、チップインダクタ、チップ抵抗等であり、電極７５に半田などによって接合されている。能動部品８３は、例えば、無線通信用のチップセットであり、受信回路、送信回路、Ａ／Ｄコンバータ、Ｄ／Ａコンバータ、ベースバンドプロセッサ、メディアアクセスコントローラ等であり、電極７６に半田などによって接合されている。
無線通信モジュール１０４は、例えば、電極９２が設けられた回路基板９１にフリップチップボンディングによって、フェイスダウンで、つまり、受動部品８２および能動部品８３が回路基板９１と対向するように接合される。回路基板９１の電極９２と多層セラミック基板１０２の電極７４とが半田バンプ８１によって電気的に接続されることにより、多層セラミック基板１０２が外部の電源回路や他のモジュールと電気的に接続される。
回路基板９１に実装された無線通信モジュール１０４において、多層セラミック基板１０２の上面４０ｕ側に位置する放射導体１１は、回路基板９１が対向する下面４０ｖと反対側に位置している。このため、受動部品８２および能動部品８３、あるいは、回路基板９１の影響を受けることなく、準マイクロ波・センチメートル波・準ミリ波・ミリ波帯の電波を放射導体１１から放射し、また、外部から到達する準マイクロ波・センチメートル波・準ミリ波・ミリ波帯の電波を放射導体１１で受信することができる。したがって、広帯域のアンテナを備え、小型であり、かつ、表面実装が可能な無線通信モジュールが実現し得る。
（平面アレイアンテナの特性の計算例）
第１の実施形態の平面アレイアンテナの特性を計算によって求めた結果を説明する。図９および表１に示すサイズおよび物性でｓパラメータを測定した。ＶＳＷＲ特性およびスミスチャートを図１０および図１１に示す。また、平面アレイアンテナの放射特性を図１２および図１３に示す。比較のため平面導体層１２を有しない平面アレイアンテナの特性を求め、これらの図に示した。図１０から図１３において実線は実施例の特性を示し、破線は比較例の特性を示す。
第１の実施形態の平面アレイアンテナの特性を計算によって求めた結果を説明する。図９および表１に示すサイズおよび物性でｓパラメータを測定した。ＶＳＷＲ特性およびスミスチャートを図１０および図１１に示す。また、平面アレイアンテナの放射特性を図１２および図１３に示す。比較のため平面導体層１２を有しない平面アレイアンテナの特性を求め、これらの図に示した。図１０から図１３において実線は実施例の特性を示し、破線は比較例の特性を示す。
図１０に示すように、例えば、ＶＳＷＲが１．５以下の範囲は、比較例では、約５７ＧＨｚから６１ＧＨｚであるのに対し、実施例では、５６ＧＨｚから６６ＧＨｚである。実施形態１の平面アンテナによれば、広い帯域で反射波を抑制し、電磁波を送信し得ることが分かる。また図１１から、この計算例では、共振点が２つであることが分かる。
図１２および図１３は、実施例１の平面アレイアンテナから放射される電磁波のゲイン特性を示す。図１２および図１３は、図１に示すように座標をとった場合におけるｘｚ平面およびｙｚ平面での特性を示している。ｚ軸つまり上面４０ｕの法線方向を０°とし、＋ｘ軸および−ｘ軸方向または＋ｙ軸および−ｙ軸方向がθの＋９０°および−９０°に対応している。
これらの図から、比較例に比べて、実施例の平面アンテナでは、ゲインが０．２ｄＢ程度改善していることが分かる。
したがって、これらの計算結果から、実施例の平面アンテナは、広帯域で電磁波の送受信が可能であり、かつゲインも向上し得ることが分かる。
１１ 放射導体
１２ 平面導体層
１２ｃ 第２スロット
１３ 第１地導体層
１３ｃ 第１スロット
１４ ストリップ導体
１５ 第２地導体層
１５ｄ 開口
１６、１７、１８ ビア導体
４０、４０’ 多層セラミック体
４０ａ セラミック層
４０ｕ、４０’ｕ 上面
４０ｖ 下面
４１ 誘電体
４１ｃ 誘電体の層
５０ 単位セル
５１ 放射部
５２ 給電部
７１ 受動部品パターン
７２ 配線パターン
７３ 導電性ビア
７４〜７６、９２ 電極
８１ 半田バンプ
８２ 受動部品
８３ 能動部品
９１ 回路基板
１０１ 平面アレイアンテナ
１０２、１０２’、１０３ 多層セラミック基板
１０４ 無線通信モジュール
１２ 平面導体層
１２ｃ 第２スロット
１３ 第１地導体層
１３ｃ 第１スロット
１４ ストリップ導体
１５ 第２地導体層
１５ｄ 開口
１６、１７、１８ ビア導体
４０、４０’ 多層セラミック体
４０ａ セラミック層
４０ｕ、４０’ｕ 上面
４０ｖ 下面
４１ 誘電体
４１ｃ 誘電体の層
５０ 単位セル
５１ 放射部
５２ 給電部
７１ 受動部品パターン
７２ 配線パターン
７３ 導電性ビア
７４〜７６、９２ 電極
８１ 半田バンプ
８２ 受動部品
８３ 能動部品
９１ 回路基板
１０１ 平面アレイアンテナ
１０２、１０２’、１０３ 多層セラミック基板
１０４ 無線通信モジュール
Claims (11)
- 複数の単位セルが１次元または２次元に配置された平面アレイアンテナであって、各単位セルは、
放射導体、前記放射導体と離間して配置され、第１スロットを有する第１地導体層、および、前記放射導体と前記第１地導体層との間であって、前記放射導体と前記第１地導体層とからそれぞれ離間して配置されており、第２スロットを有する平面導体層を含む放射部と、
ストリップ導体、および、前記ストリップ導体と離間して配置された第２地導体層を含み、前記ストリップ導体が前記第１地導体層と前記第２地導体層との間に位置する給電部と、
を備えており、
前記ストリップ導体の伸びる方向と前記第１スロットおよび前記第２スロットの伸びる方向とは交差している平面アレイアンテナ。 - 各単位セルにおいて、前記放射導体、前記第２スロット、前記第１スロットは積層方向に位置合わせされている請求項１に記載の平面アレイアンテナ。
- 前記各単位セルにおいて前記放射部は、複数の前記平面導体層を含む請求項１または２に記載の平面アレイアンテナ。
- 前記第２スロットは前記第１スロットと同じ形状を有する請求項１から３のいずれかに記載の平面アレイアンテナ。
- 前記第２スロットは前記第１スロットと異なる形状を有する請求項１から３のいずれかに記載の平面アレイアンテナ。
- 前記第１地導体層と前記平面導体層との間隔は、５０μｍ以下である、請求項１から５のいずれかに記載の平面アレイアンテナ。
- 前記平面導体層は前記第１地導体層または前記第２地導体層と電気的に接続されている請求項１から６のいずれかに記載の平面アレイアンテナ。
- 前記平面導体層は、フローティング導体層である請求項１から６のいずれかに記載の平面アレイアンテナ。
- 前記各単位セルの前記給電部は、
前記第１地導体層と前記第２地導体層とに接続され、前記ストリップ導体を囲む複数のビア導体を更に含む請求項１から８のいずれかに記載の平面アレイアンテナ。 - 前記各単位セルは、多層セラミック体を備え、少なくとも前記平面導体層、前記第１地導体層、前記第２地導体層および前記ストリップ導体は、前記多層セラミック体内に埋設されている、請求項１から９のいずれかに記載の平面アレイアンテナ。
- 請求項１０に記載の平面アレイアンテナと、
前記平面アレイアンテナと電気的に接続された能動部品と、
を備えた無線通信モジュール。
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