JP6915745B2 - アンテナモジュールおよびそれを搭載した通信装置 - Google Patents

Description

本開示は、アンテナモジュールおよびそれを搭載した通信装置に関し、より特定的には、アンテナ領域内に整合回路を有するアンテナモジュールに関する。

国際公開第２０１６／０６７９６９号（特許文献１）には、誘電体基板にアンテナ素子と高周波半導体素子とが一体化して実装されたアンテナモジュールが開示されている。特許文献１に開示されたアンテナモジュールにおいては、高周波半導体素子からアンテナ素子へ高周波信号を供給するための伝送線路は、高周波半導体素子から、当該高周波半導体素子が実装される誘電体基板の実装面と、誘電体基板の内部に配置された接地層との間を通って、アンテナ素子へと立上っている。

国際公開第２０１６／０６７９６９号パンフレット

このようなアンテナモジュールにおいて、アンテナの効率を確保するためには、アンテナ素子と伝送線路との間のインピーダンスを整合させることが重要となる。このインピーダンス整合のための手法の１つとして、伝送線路にスタブを配置することが知られている。

スタブを用いてインピーダンスを整合させる場合、スタブおよび伝送線路から放射される信号がアンテナ素子に影響することを抑制するために、アンテナの基準電位を規定する接地層（接地電極）よりも下方（アンテナ素子とは反対側）の接地電極と実装面との間の伝送線路が通る層（以下、「伝送線路層」とも称する。）にスタブを配置することが好ましい。

このようなアンテナモジュールは、スマートフォンなどの携帯端末でも使用されるが、このような機器では、さらなる小型化および薄型化が求められており、それに伴ってアンテナモジュール自体を小型化および薄型化することが必要とされている。

しかしながら、伝送線路に整合回路であるスタブを設けて所望のインピーダンスを達成するためには、伝送線路層において整合回路を形成するために必要となる面積を増加させることが必要となる。そうすると、かえってアンテナモジュールの小型化が困難となり得る。

本開示は、このような課題を解決するためになされたものであって、その目的は、アンテナ素子と伝送線路との間のインピーダンスを適切に整合させながら、アンテナモジュールの小型化を図ることである。

本開示のある局面に従うアンテナモジュールは、多層構造を有する誘電体基板と、誘電体基板に配置されたアンテナ素子および接地電極と、アンテナ素子と接地電極との間の領域に形成された整合回路とを備える。アンテナ素子には、整合回路を経由して高周波信号が供給される。

本開示の他の局面に従うアンテナモジュールは、多層構造を有する誘電体基板と、誘電体基板に配置されたアンテナ素子および接地電極と、アンテナ素子と接地電極との間の領域に形成された、第１整合回路および第２整合回路とを備える。第１整合回路を経由して、アンテナ素子の第１給電点に高周波信号が供給される。第２整合回路を経由して、アンテナ素子の第２給電点に高周波信号が供給される。アンテナ素子の法線方向から平面視すると、第１給電点および第２給電点は、アンテナ素子の中心を通る対称線に対して線対称の位置に配置される。

本開示によるアンテナモジュールによれば、誘電体基板のアンテナ素子と接地電極との間の領域に整合回路が形成される。これにより、伝送線路層にスタブを設ける必要がなくなるため、伝送線路層においてスタブの形成に必要とされる面積を低減することができる。したがって、アンテナ素子と伝送線路との間のインピーダンスを適切に整合させながら、アンテナモジュールの小型化を図ることができる。

実施の形態１に係るアンテナモジュールが適用される通信装置のブロック図である。 実施の形態１に係るアンテナモジュールの断面図である。 配線パターンにおけるインダクタンスの調整手法を説明するための図である。 比較例のアンテナモジュールの断面図である。 比較例のアンテナモジュールの平面図である。 変形例１に係るアンテナモジュールの断面図である。 変形例２に係るアンテナモジュールの断面図である。 変形例３に係るアンテナモジュールの断面図である。 変形例４に係るアンテナモジュールの第１の例の断面図である。 変形例４に係るアンテナモジュールの第２の例の断面図である。 変形例４に係るアンテナモジュールの第３の例の断面図である。 変形例５に係るアンテナモジュールの断面図である。 変形例６に係るアンテナモジュールの断面図である。 変形例７に係るアンテナモジュールにおけるアンテナ素子および整合回路の部分を示す斜視図である。 変形例８に係るアンテナモジュールの断面図である。 変形例９に係るアンテナモジュールの断面図である。 変形例１０に係るアンテナモジュールの断面図である。 図２のアンテナモジュールの場合と図１７のアンテナモジュールの場合における、伝送効率およびピークゲインのシミュレーション結果を示す図である。 実施の形態２に係るアンテナモジュールにおける給電点の配置を説明するための図である。 実施の形態２に係るアンテナモジュールの断面図である。 実施の形態２に係るアンテナモジュールにおけるアンテナ素子および整合回路の一部分を示す斜視図である。 変形例１１に係るアンテナモジュールの断面図である。 変形例１１に係るアンテナモジュールにおけるアンテナ素子および整合回路の一部分を示す斜視図である。 アンテナアレイの第１の配置を示す図である。 アンテナアレイの第２の配置を示す図である。 アンテナアレイの第３の配置を示す図である。

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

［実施の形態１］
（通信装置の基本構成）
図１は、本実施の形態１に係るアンテナモジュール１００が適用される通信装置１０の一例のブロック図である。通信装置１０は、たとえば、携帯電話、スマートフォンあるいはタブレットなどの携帯端末や、通信機能を備えたパーソナルコンピュータなどである。

図１を参照して、通信装置１０は、アンテナモジュール１００と、ベースバンド信号処理回路を構成するＢＢＩＣ２００とを備える。アンテナモジュール１００は、給電回路の一例であるＲＦＩＣ１１０と、アンテナアレイ１２０とを備える。通信装置１０は、ＢＢＩＣ２００からアンテナモジュール１００へ伝達された信号を高周波信号にアップコンバートしてアンテナアレイ１２０から放射するとともに、アンテナアレイ１２０で受信した高周波信号をダウンコンバートしてＢＢＩＣ２００にて信号を処理する。

なお、図１では、説明を容易にするために、アンテナアレイ１２０を構成する複数のアンテナ素子１２１のうち、４つのアンテナ素子１２１に対応する構成のみ示され、同様の構成を有する他のアンテナ素子１２１に対応する構成については省略されている。また、本実施の形態においては、アンテナ素子１２１が、矩形の平板形状を有するパッチアンテナである場合を例として説明する。

ＲＦＩＣ１１０は、スイッチ１１１Ａ〜１１１Ｄ，１１３Ａ〜１１３Ｄ，１１７と、パワーアンプ１１２ＡＴ〜１１２ＤＴと、ローノイズアンプ１１２ＡＲ〜１１２ＤＲと、減衰器１１４Ａ〜１１４Ｄと、移相器１１５Ａ〜１１５Ｄと、信号合成／分波器１１６と、ミキサ１１８と、増幅回路１１９とを備える。

高周波信号を送信する場合には、スイッチ１１１Ａ〜１１１Ｄ，１１３Ａ〜１１３Ｄがパワーアンプ１１２ＡＴ〜１１２ＤＴ側へ切換えられるとともに、スイッチ１１７が増幅回路１１９の送信側アンプに接続される。高周波信号を受信する場合には、スイッチ１１１Ａ〜１１１Ｄ，１１３Ａ〜１１３Ｄがローノイズアンプ１１２ＡＲ〜１１２ＤＲ側へ切換えられるとともに、スイッチ１１７が増幅回路１１９の受信側アンプに接続される。

ＢＢＩＣ２００から伝達された信号は、増幅回路１１９で増幅され、ミキサ１１８でアップコンバートされる。アップコンバートされた高周波信号である送信信号は、信号合成／分波器１１６で４分波され、４つの信号経路を通過して、それぞれ異なるアンテナ素子１２１に給電される。このとき、各信号経路に配置された移相器１１５Ａ〜１１５Ｄの移相度が個別に調整されることにより、アンテナアレイ１２０の指向性を調整することができる。

各アンテナ素子１２１で受信された高周波信号である受信信号は、それぞれ、異なる４つの信号経路を経由し、信号合成／分波器１１６で合波される。合波された受信信号は、ミキサ１１８でダウンコンバートされ、増幅回路１１９で増幅されてＢＢＩＣ２００へ伝達される。

ＲＦＩＣ１１０は、例えば、上記回路構成を含む１チップの集積回路部品として形成される。あるいは、ＲＦＩＣ１１０における各アンテナ素子１２１に対応する機器（スイッチ、パワーアンプ、ローノイズアンプ、減衰器、移相器）については、対応するアンテナ素子１２１毎に１チップの集積回路部品として形成されてもよい。

（アンテナモジュールの構造）
図２は、実施の形態１に従うアンテナモジュール１００の断面図である。図２を参照して、アンテナモジュール１００は、アンテナ素子１２１およびＲＦＩＣ１１０に加えて、誘電体基板１３０と、伝送線路１４０と、整合回路３００と、接地電極ＧＮＤとを備える。なお、図２においては、説明を容易にするために、アンテナ素子１２１が１つだけ配置される場合について説明するが、複数のアンテナ素子１２１が配置される構成であってもよい。

誘電体基板１３０は、たとえば、エポキシ、ポリイミドなどの樹脂が多層構造に形成された基板である。また、誘電体基板１３０は、より低い誘電率を有する液晶ポリマー（Liquid Crystal Polymer：ＬＣＰ）あるいはフッ素系樹脂を用いて形成されてもよい。

アンテナ素子１２１は、誘電体基板１３０の第１面１３２あるいは誘電体基板１３０の内部の層に配置される。ＲＦＩＣ１１０は、誘電体基板１３０における、上記の第１面１３２とは反対側の第２面（実装面）１３４に、はんだバンプなどの接続用電極（図示せず）を介して実装される。接地電極ＧＮＤは、誘電体基板１３０において、アンテナ素子１２１が配置される層と第２面１３４との間に配置される。

伝送線路１４０は、接地電極ＧＮＤとＲＦＩＣ１１０が実装される実装面１３４との間の層に形成される配線パターンである。伝送線路１４０は、ＲＦＩＣ１１０からの高周波信号を、整合回路３００を介してアンテナ素子１２１へと供給する。

整合回路３００は、アンテナ素子１２１と接地電極ＧＮＤとの間の領域（アンテナ領域４００）に配置される。整合回路３００は、ＲＦＩＣ１１０および伝送線路１４０とアンテナ素子１２１との間のインピーダンスを整合させるための回路である。整合回路３００は、誘電体基板１３０の層内に形成された複数の配線パターン３２０，３４０，３６０，３８０と、層を貫通する複数のビア導体（以下、単に「ビア」とも称する。）３１０，３３０，３５０，３７０，３９０との組み合せにより形成される。図２の例では、伝送線路１４０からアンテナ素子１２１へ至る経路において、２つの層のビアがオフセットした態様の例を示している。

ビア３１０，３５０，３９０は、アンテナモジュール１００を法線方向から平面視した場合に重なるように形成されている。ビア３３０，３７０は、ビア３１０，３５０，３９０からオフセットした位置に形成されている。アンテナ素子１２１に接続されるビア３１０とビア３３０とは配線パターン３２０で接続され、ビア３３０とビア３５０とは配線パターン３４０で接続される。また、ビア３５０とビア３７０とは配線パターン３６０で接続され、ビア３７０とビア３９０とは配線パターン３８０で接続される。ビア３９０は、接地電極ＧＮＤを貫通して、伝送線路１４０に接続される。

なお、伝送線路１４０は必ずしも必要ではなく、ビア３９０がそのままＲＦＩＣ１１０へ接続されており、伝送線路層４５０が設けられない構成であってもよい。

また、整合回路３００は、アンテナモジュール１００を法線方向から平面視した場合に、アンテナ素子１２１と重なるように（内側に）配置することが好ましい。アンテナ素子１２１の端部から接地電極ＧＮＤに向かって電界の強い領域が生じるため、整合回路３００をアンテナ素子１２１の内側に配置することで、整合回路３００がこの電界の強い領域に入ることが抑制される。これにより、アンテナ特性の低下を抑制することができる。

整合回路３００におけるインピーダンスの調整は、ビア同士を接続する配線パターンの寸法を変更することによって行なわれる。図３は、配線パターンにおけるインダクタンスの調整手法を説明するための図である。図３においては、ビア３１０とビア３３０とを接続する配線パターン３２０を例として説明する。

図３（ａ）を参照して配線パターン３２０は、ビア３１０に接続されるパッド３２１と、ビア３３０に接続されるパッド３２３と、２つのパッド間を接続する接続配線３２２とを含む。配線パターン３２０のインダクタンスは、この接続配線３２２の長さ（すなわち、ビア３３０のオフセット距離）および／または幅を変更することによって調整することができる。

図３（ｂ）の配線パターン３２０Ｚは、接続配線３２２Ｚの幅Ｗ２が、配線パターン３２０の接続配線３２２の幅Ｗ１よりも狭められた例（Ｗ１＞Ｗ２）を示したものである。接続配線の幅が狭められると、配線パターンのインダクタンス成分は大きくなる。つまり、幅が狭められた接続配線は、整合回路３００において、ＲＦＩＣ１１０からアンテナ素子１２１に高周波信号が供給される主経路上に直列に設けられたインダクタである直列インダクタとして機能する。なお、接続配線をメアンダラインとすることによって、さらにインダクタンスを増加させることもできる。

なお、配線パターンは、上述のようにインダクタとして機能するだけでなく、接地電極ＧＮＤとの間においてキャパシタとしても機能し得る。特に、接地電極ＧＮＤに接続配線が近くなるほど、または、接続配線の幅が広くされるほど、キャパシタンス成分が大きくなる。すなわち、接続配線の線路幅を狭くすると、配線パターンのキャパシタンス成分は小さくなり、インダクタンス成分は大きくなる。また、接続配線の線路幅を広くすると、配線パターンのキャパシタンス成分は大きくなり、インダクタンス成分は小さくなる。したがって、接続配線の線路幅を調整することによって整合回路３００のインピーダンスを調整することができる。

より具体的には、図３（ｂ）のように、ビア３１０およびビア３３０の少なくとも一方のビア直径よりも接続配線の線路幅を狭くすることによって、整合回路３００のインダクタンス成分を調整する。また、図３（ａ）のように、ビア３１０およびビア３３０の双方のビア直径よりも接続配線の線路幅を広くすることによって、整合回路３００のキャパシタンス成分を調整することができる。

なお、図３（ｃ）に示されるように配線パターン３２０Ｙのように、パッド３２１，３２３の直径（幅）と接続配線３２２Ｙのの線路幅とを同じ寸法としてもよい。この場合、製造上のバラツキを低減することができるので、インピーダンスを整合させやすくすることができる。

図４は、比較例のアンテナモジュール１００＃の断面図である。また、図５は、比較例のアンテナモジュール１００＃の平面図である。なお、図５においては、説明を容易にするために、接地電極ＧＮＤおよび誘電体基板１３０は記載されていない。

アンテナモジュール１００＃においては、図２の整合回路３００の部分が、アンテナ素子１２１から伝送線路１４０に至る、１つのビア３００＃で形成されている。さらに、伝送線路１４０には、ＲＦＩＣ１１０からアンテナ素子１２１まで至る信号経路のインピーダンスを調整するためのスタブ１５０，１５２が設けられている。

このようなアンテナモジュールは、たとえばスマートフォンのような携帯通信端末に用いられている。このような機器では、さらなる小型化および薄型化が求められており、それに伴ってアンテナモジュール自体を小型化および薄型化することが必要とされている。

しかしながら、図４の比較例のようにスタブ１５０，１５２でインピーダンス整合を行なう構成では新たな問題が生じ得る。すなわち、所望のインピーダンスを達成しようとすると、スタブ１５０，１５２を形成するための面積を増加させることが必要となり、かえってアンテナモジュールの小型化が困難となり得る。

図２で示した実施の形態１のアンテナモジュール１００においては、上述のように、アンテナ性能を確保するために必要とされるアンテナ領域４００に整合回路３００を配置してインピーダンスを整合させているため、比較例のような伝送線路層４５０にスタブ１５０，１５２を形成する場合に比べて、小さい面積で所望のインピーダンスを達成することが可能となる。したがって、アンテナ素子１２１と伝送線路１４０との間のインピーダンスを適切に整合させながら、アンテナモジュールの小型化を図ることができる。

なお、図２で示した実施の形態１に係るアンテナモジュール１００においては、アンテナ素子として、ＲＦＩＣ１１０から高周波信号が供給される給電素子が用いられる場合について説明したが、当該給電素子と接地電極ＧＮＤとの間に無給電素子がさらに配置されていてもよい。

なお、アンテナ領域４００に形成される整合回路の構成については、図２の場合に限られず、他の構成とすることも可能である。以下、図６〜図１７を用いて、整合回路の他の構成のバリエーションについて説明する。

（変形例１）
図６は、変形例１に係るアンテナモジュール１００Ａの断面図である。アンテナモジュール１００Ａに含まれる整合回路３００Ａは、図２のアンテナモジュール１００の整合回路３００と同様に、配線パターンによってビアがオフセットされた構成となっている。図２の整合回路３００においては、２つの層のビアがオフセットされた構成となっていたが、整合回路３００Ａにおいては、配線パターン３２０Ａ１，３２０Ａ２によって、１つの層のビアがオフセットされた構成となっている。

すなわち、オフセットさせるビアの数、および配線パターンの線路幅を調整することによってインダクタンス成分を増加させて、インピーダンスを調整することができる。

（変形例２）
図７は、変形例２に係るアンテナモジュール１００Ｂの断面図である。アンテナモジュール１００Ｂに含まれる整合回路３００Ｂにおいては、アンテナ素子１２１に接続されたビアの端部にパッド３２０Ｂ１が設けられ、伝送線路１４０に接続されたビアの端部にパッド３２０Ｂ２が設けられており、これらのパッド３２０Ｂ１，３２０Ｂ２が誘電体を挟んで対向して配置されている。このようなパッド３２０Ｂ１，３２０Ｂ２は、整合回路３００Ｂにおいて、主経路上に直列に設けられたキャパシタである直列キャパシタとして機能する。

このように、誘電体基板１３０のある層において、２つのパッド（電極対）を対向させて直列キャパシタを形成することによってインピーダンスを調整することができる。

なお、図７においては、１つの層においてキャパシタが形成された例となっているが、複数の層においてキャパシタが形成されてもよい。また、キャパシタを形成するパッドの面積を調整してキャパシタの容量を調整してもよい。

（変形例３）
図８は、変形例３に係るアンテナモジュール１００Ｃの断面図である。アンテナモジュール１００Ｃに含まれる整合回路３００Ｃは、上記の変形例１，２を組み合わせた構成となっており、配線パターン３２０Ｃ２，３２０Ｃ３によってビアがオフセットされ、さらに、パッド３２０Ｃ１と配線パターン３２０Ｃ２とによってキャパシタが形成されている。すなわち、整合回路３００Ｃは、インダクタとキャパシタとを含むＬＣ整合回路となっている。

このように、整合回路においてインダクタンス成分とキャパシタンス成分とを併せ持たせることによって、インピーダンスの調整を行ないやすくすることができる。

（変形例４）
図９は、変形例４に係るアンテナモジュール１００Ｄの断面図である。アンテナモジュール１００Ｄに含まれる整合回路３００Ｄは、配線パターンの一部を接地電極ＧＮＤに対向させることによって、整合回路３００Ｄにおいて、主経路と接地電極ＧＮＤとを接続するキャパシタであるシャントキャパシタが形成された構成を有している。

図９を参照して、整合回路３００Ｄにおいては、図６の変形例１と同様に、配線パターン３２０Ｄ１，３２０Ｄ２によって、１つの層のビアがオフセットされている。そして、配線パターン３２０Ｄ２の端部にさらにパッド（電極）３２１Ｄがさらに設けられており、このパッド３２１Ｄが接地電極ＧＮＤと対向している。

整合回路内にシャントキャパシタを形成することによって、インピーダンスを調整することができる。

なお、シャントキャパシタのキャパシタンス値は、パッドと接地電極ＧＮＤとの間の距離を変化させることによって調整できる。たとえば、図１０に記載されたアンテナモジュール１００Ｅの整合回路３００Ｅのように、配線パターン３２０Ｅ２の端部に設けられたパッド３２１Ｅ１から、ビアを介してさらにパッド３２１Ｅ２を設けることによって、接地電極ＧＮＤとの距離を短くしている。逆に、図１１のアンテナモジュール１００Ｆのように、接地電極ＧＮＤから立上るビアにパッドＧＮＤ２を形成することによって、整合回路３００Ｆのパッド３２１Ｆとの距離を短くしてもよい。

（変形例５）
図１２は、変形例５に係るアンテナモジュール１００Ｇの断面図である。アンテナモジュール１００Ｇに含まれる整合回路３００Ｇにおいては、整合回路３００Ｇを構成する要素の一部が接地電極ＧＮＤに接続された構成を有している。接地電極ＧＮＤに接続された部分は、整合回路３００Ｇにおいて、主経路と接地電極ＧＮＤとを接続するインダクタであるシャントインダクタとして機能する。

図１２の例においては、配線パターン３２０Ｇ２の端部に形成されたパッド３２１Ｇが、ビア３１０Ｇによって接地電極ＧＮＤと接続されている。

整合回路内にシャントインダクタを形成することによって、インピーダンスを調整することができる。また、アンテナ素子と接地電極ＧＮＤとを接続するインダクタを設けることによって、アンテナ素子から静電気放電が行なわれた場合に生じる電流を接地電極ＧＮＤへ導くことができる。そのため、ＲＦＩＣ１１０などの電子デバイスを静電放電（Electrostatic Discharge：ＥＳＤ）から保護することができる。

（変形例６）
図１３は、変形例６に係るアンテナモジュール１００Ｈの断面図である。アンテナモジュール１００Ｈに含まれる整合回路３００Ｈは、配線パターン３２０Ｈ１，３２０Ｈ２によって、複数の連続した層のビアがオフセットされた構成を有している。すなわち、配線パターン３２０Ｈ１，３２０Ｈ２とその間に接続されるビアによって、アンテナモジュール１００Ｈの法線方向と直交する方向（図１３ではＹ軸方向）を巻回軸とするコイルが形成される。

たとえば、この整合回路３００Ｈに図１３中の矢印ＡＲ１の方向に電流が流れると、Ｙ軸の負方向に向かう磁界が生じる。これによって、配線パターン３２０Ｈ１，３２０Ｈ２の経路長によるインダクタンス成分に加えて、形成されるコイルによるインダクタンス成分をさらに追加することができるので、インピーダンスの調整幅をより拡大することができる。

なお、図６等のような１つの層のビアがオフセットされた構成においても、配線パターンとオフセットされたビアによって、実質的には、図１３と同様なコイルが形成されることになる。

（変形例７）
図１４は、変形例７に係るアンテナモジュール１００Ｉにおけるアンテナ素子１２１および整合回路３００Ｉの一部分を示す斜視図である。整合回路３００Ｉにおいては、誘電体基板１３０のある層に形成された配線パターン３２０Ｉが、アンテナモジュール１００Ｉの法線方向を巻回軸とするコイル状に形成されている。このような構成とすることによっても、変形例６と同様に、形成されるコイルによるインダクタンス成分を用いてインピーダンス調整を行なうことができる。

（変形例８）
図１５は、変形例８に係るアンテナモジュール１００Ｊの断面図である。アンテナモジュール１００Ｊに含まれる整合回路３００Ｊは、上下層を複数のビアで接続する構成を備える。図１５においては、配線パターン３２０Ｊ１と配線パターン３２０Ｊ２とが、２つの並列ビア３１０Ｊ１，３１０Ｊ２で接続されている。

このように、並列ビアによって上下層を接続することによって、１つのビアで接続するよりもインダクタンス成分を低減することができる。

（変形例９）
上述した変形例１〜変形例８の構成は、所望のインピーダンスに整合させるために適宜組み合わせることができる。図１６は、上述した構成の一部を組み合わせた変形例９のアンテナモジュール１００Ｋの断面図である。アンテナモジュール１００Ｋに含まれる整合回路３００Ｋにおいては、変形例１等で示されるオフセットされたビア、変形例２で示される直列キャパシタ、および、変形例４で示されるシャントキャパシタが形成されている。なお、図１６の組み合せは一例であり、他の構成を組み合わせてインピーダンスを整合させてもよい。

（変形例１０）
図１７は、変形例１０に係るアンテナモジュール１００Ｌの断面図である。アンテナモジュール１００Ｌに含まれる整合回路３００Ｌにおいては、伝送線路１４０Ｌからアンテナ素子１２１の給電点まで、階段状の経路が形成されるようにビアと配線パターンとが交互に配置されている。

伝送線路は、接地電極ＧＮＤと近接しているため、伝送線路に電流が流れると接地電極ＧＮＤに誘導電流が流れ、この誘導電流で生じる電磁界の影響により、伝送線路を通過する信号の伝送効率が低減される。そのため、アンテナモジュールの伝送効率を高めるには、伝送線路層における伝送線路の長さをできるだけ短くすることが好ましい。

変形例１０においては、階段状に形成された整合回路３００Ｌによって、上記の変形例１〜９で示したアンテナモジュールと比べて、伝送線路層内の伝送線路１４０Ｌの長さを短くすることができるので、アンテナモジュールの伝送効率を向上させることができる。

一例として、図２で示したアンテナモジュール１００の場合（構成Ａ）と図１７で示したアンテナモジュール１００Ｌの場合（構成Ｂ）における、伝送効率とピークゲインについてのシミュレーション結果を図１８に示す。図１８からわかるように、変形例１０の場合（構成Ｂ）のほうが、構成Ａに比べて、高い伝送効率およびピークゲインが達成できている。

以上説明したように、実施の形態１およびその変形例においては、伝送線路層にスタブを設ける構成に代えて、アンテナ領域に配置した整合回路を設ける構成としているため、アンテナ素子と伝送線路との間のインピーダンスを適切に整合させながら、アンテナモジュールの小型化を図ることができる。

［実施の形態２］
実施の形態１およびその変形例においては、アンテナ素子の１つの給電点に高周波信号が供給される１偏波タイプのアンテナモジュールについて説明した。実施の形態２においては、アンテナ素子の２つの給電点に高周波信号が供給される２偏波タイプのアンテナモジュールの場合について説明する。

図１９は、実施の形態２に係るアンテナモジュール１００Ｍにおける給電点の配置を説明するための図である。図１９はアンテナモジュール１００Ｍの法線方向からアンテナ素子１２１を平面視した図である。

図１９を参照して、実施の形態２のアンテナモジュール１００Ｍに含まれるアンテナ素子１２１には、２つの給電点ＳＰ１，ＳＰ２が設けられる。アンテナ素子１２１は、正方形の形状を有しており、給電点ＳＰ１は、アンテナ素子１２１のある辺の二等分線上に配置される。そして、給電点ＳＰ２は、アンテナ素子１２１の対角線ＬＮ１に対して給電点ＳＰ１と線対称となる位置に配置される。

言い換えれば、給電点ＳＰ２は、アンテナ素子１２１の対角線の交点Ｃ１（すなわち、アンテナ素子１２１の中央）に対して、給電点ＳＰ１を９０°回転させた位置となっている。このような位置に２つの給電点を配置することにより、励振方向が９０°ずれた２つの偏波を１つのアンテナ素子から放射することができる。

このアンテナモジュール１００Ｍにおいて、２つの給電点ＳＰ１，ＳＰ２を通る線ＸＸ−ＸＸにおける断面図を図２０に示す。また、アンテナモジュール１００Ｍにおけるアンテナ素子および整合回路の一部分を示す斜視図を図２１に示す。給電点ＳＰ１には、ＲＦＩＣ１１０から、伝送線路１４０Ｍ１および整合回路３００Ｍ１を介して高周波信号が供給される。また、給電点ＳＰ２には、ＲＦＩＣ１１０から、伝送線路１４０Ｍ２および整合回路３００Ｍ２を介して高周波信号が供給される。

図２０における整合回路３００Ｍ１，３００Ｍ２は、アンテナ領域４００に形成され、実施の形態１の図２で示した整合回路３００と同じ構成を有している。整合回路３００Ｍ１，３００Ｍ２は、対角線ＬＮ１を通り、アンテナ素子１２１に垂直な面（図２０中のＣＬ１）に対して鏡像となるように配置されている。なお、整合回路３００Ｍ１，３００Ｍ２として他の構成を用いてもよい。

２偏波タイプのアンテナモジュールにおいて、伝送線路層４５０に配置したスタブを用いてインピーダンスを整合させる場合には、１偏波タイプのアンテナモジュールに比べて、スタブを形成するために必要となる面積がさらに多くなるため、アンテナモジュールを小型化することがより困難となり得る。

図１９〜図２１で示したように、整合回路３００Ｍ１，３００Ｍ２をアンテナ領域４００に設けることで、アンテナモジュール全体の省スペース化を図ることができ、小型化を実現することが可能となる。また、ＲＦＩＣ１１０から２つの給電点ＳＰ１，ＳＰ２に至る経路を図２０に示すように鏡像の位置に配置することによって、放射される２つの偏波の対称性を確保するとともに、２つの信号経路のアイソレーションを確保することができる。

なお、上記においては、アンテナ素子が正方形の場合の例について説明したが、アンテナ素子が円形あるいは正多角形に形成される場合には、２つの給電点ＳＰ１，ＳＰ２は、アンテナ素子の中心を通る対称線に対して線対称となる位置に配置される。

（変形例１１）
なお、２つの偏波の対称性が必要とされないような場合には、必ずしも２つの整合回路は鏡像となるように配置されなくてもよい。たとえば、図２２および図２３に示される変形例１１のアンテナモジュール１００Ｎのように、２つの整合回路３００Ｎ１，３００Ｎ２を異なる構成としてもよい。アンテナモジュール１００Ｎにおいては、整合回路３００Ｎ１は実施の形態１の図２で示した構成の整合回路の構成となっており、整合回路３００Ｎ２は変形例１０の図１７で示した整合回路の構成となっている例が示されている。整合回路３００Ｎ１，３００Ｎ２として、他の構成の整合回路を用いてもよい。

（アンテナアレイの配置例）
図２４〜図２６を用いて、２偏波タイプのアンテナモジュールを配列したアンテナアレイの配置例について説明する。図２４〜図２６においては、たとえば図２０で示したような４個のアンテナモジュールを１列に配置した構成を例として説明する。

（配置例１）
第１の配置例である図２４のアンテナアレイ１２０Ａにおいては、４つのアンテナモジュールのアンテナ素子１２１Ａ１，１２１Ａ２，１２１Ａ３，１２１Ａ４は、すべて同じ方向に配置されている。具体的には、各アンテナ素子において、アンテナ素子の対角線の交点に対して、給電点ＳＰ１はＹ軸の負方向にオフセットしており、給電点ＳＰ２はＸ軸の負方向にオフセットしている。

スタブを用いてインピーダンスを整合する場合、アンテナ素子間にスタブを形成するための面積が必要となるが、隣り合うアンテナモジュールのスタブの干渉を抑制するために、アンテナモジュールの配置（向き）が制限されたり、アンテナ素子同士の間隔を大きくすることが必要となったりする場合がある。

実施の形態２のように、アンテナ領域に配置した整合回路を用いてインピーダンスを整合させるアンテナモジュールを用いてアンテナアレイを形成することによって、スタブを用いる場合と比べて、アンテナアレイの面積効率を改善することができ、アンテナアレイを小型化することができる。

なお、上記の説明においては、１つのアンテナ素子に対して１つのＲＦＩＣが設けられるアンテナモジュールを用いる例について説明したが、１つのＲＦＩＣから２つあるいは４つ等の複数のアンテナ素子に高周波信号が供給される構成のアンテナモジュールにも適用可能である。

（配置例２）
図２５に示される第２の配置例のアンテナアレイ１２０Ｂにおいては、アンテナ素子１２１Ｂ１とアンテナ素子１２１Ｂ２とがＸ軸に対して反転した態様で配置されており、同様に、アンテナ素子１２１Ｂ３とアンテナ素子１２１Ｂ４とがＸ軸に対して反転した態様で配置されている。さらに、中心線ＣＬ２に対して、アンテナ素子１２１Ｂ１，１２１Ｂ２の組と、アンテナ素子１２１Ｂ３，１２１Ｂ４の組とが、線対称となる態様で配置されている。

より詳細には、アンテナ素子１２１Ｂ１においては、給電点ＳＰ１はＹ軸の負方向にオフセットしており、給電点ＳＰ２はＸ軸の負方向にオフセットしている。アンテナ素子１２１Ｂ２においては、給電点ＳＰ１はＹ軸の正方向にオフセットしており、給電点ＳＰ２はＸ軸の負方向にオフセットしている。また、アンテナ素子１２１Ｂ３においては、給電点ＳＰ１はＹ軸の正方向にオフセットしており、給電点ＳＰ２はＸ軸の正方向にオフセットしている。アンテナ素子１２１Ｂ４においては、給電点ＳＰ１はＹ軸の負方向にオフセットしており、給電点ＳＰ２はＸ軸の正方向にオフセットしている。

このように、隣り合うアンテナ素子１２１Ｂ１，１２１Ｂ２の組およびアンテナ素子１２１Ｂ３，１２１Ｂ４の組の各々において、一方のアンテナ素子の給電点ＳＰ１から放射される電波と、他方のアンテナ素子の給電点ＳＰ１から放射される電波とが逆位相となる。したがって、給電点ＳＰ１から放射される電波における交差偏波成分が互いに相殺され、交差偏波識別度（Cross Polarization Discrimination：ＸＰＤ）を改善することができる。

また、アンテナ素子１２１Ｂ１，１２１Ｂ２の組とアンテナ素子１２１Ｂ３，１２１Ｂ４の組とが中心線ＣＬ２に対して線対称に配置されているため、アンテナ素子１２１Ｂ１，１２１Ｂ２の給電点ＳＰ２から放射される電波と、アンテナ素子１２１Ｂ３，１２１Ｂ４の給電点ＳＰ２から放射される電波とが逆位相となる。したがって、アンテナアレイ１２０Ｂ全体でみると、給電点ＳＰ２から放射される電波における交差偏波成分が互いに相殺されるため、ＸＰＤを改善することができる。

（配置例３）
図２６に示される第３の配置例のアンテナアレイ１２０Ｃにおいては、４つのアンテナ素子１２１Ｃ１〜１２１Ｃ４の隣り合うアンテナ素子が、互いに１８０°回転した態様で配置されている。

より詳細には、アンテナ素子１２１Ｃ１，１２１Ｃ３においては、給電点ＳＰ１はＹ軸の負方向にオフセットしており、給電点ＳＰ２はＸ軸の負方向にオフセットしている。アンテナ素子１２１Ｃ２，１２１Ｃ４においては、給電点ＳＰ１はＹ軸の正方向にオフセットしており、給電点ＳＰ２はＸ軸の正方向にオフセットしている。

すなわち、隣り合うアンテナ素子において給電点ＳＰ１から放射される電波が互いに逆位相になる。したがって、給電点ＳＰ１から放射される電波における交差偏波成分が互いに相殺されるため、ＸＰＤを改善することができる。なお、給電点ＳＰ２から放射される電波についても同様である。

なお、アンテナアレイにおいて、ＸＰＤを改善するアンテナモジュールの配置については、上記の図２５，図２６の態様に限定されるものではない。給電点ＳＰ１，ＳＰ２の各々について、アンテナアレイ全体として互いに逆位相となる電波が放射されるように、個々のアンテナモジュールを配置することによって、アンテナアレイのＸＰＤを改善することができる。

今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１０ 通信装置、１００，１００Ａ〜１００Ｎ アンテナモジュール、１１１Ａ〜１１１Ｄ，１１３Ａ〜１１３Ｄ，１１７ スイッチ、１１２ＡＲ〜１１２ＤＲ ローノイズアンプ、１１２ＡＴ〜１１２ＤＴ パワーアンプ、１１４Ａ〜１１４Ｄ 減衰器、１１５Ａ〜１１５Ｄ 移相器、１１６ 信号合成／分波器、１１８ ミキサ、１１９ 増幅回路、１２０，１２０Ａ〜１２０Ｃ アンテナアレイ、１２１，１２１Ａ１〜１２１Ａ４，１２１Ｂ１〜１２１Ｂ４，１２１Ｃ１〜１２１Ｃ４ アンテナ素子、１３０ 誘電体基板、１３２ 第１面、１３４ 第２面、１４０，１４０Ｌ，１４０Ｍ１，１４０Ｍ２，１４０Ｎ１，１４０Ｎ２ 伝送線路、１５０，１５２ スタブ、２４０，２６０，２８０，３２０，３２０Ａ１，３２０Ａ２，３２０Ｃ２，３２０Ｃ３，３２０Ｄ１，３２０Ｄ２，３２０Ｅ２，３２０Ｇ２，３２０Ｈ２，３２０Ｈ１，３２０Ｉ，３２０Ｊ１，３２０Ｊ２，３２０Ｙ，３２０Ｚ，３４０，３６０，３８０ 配線パターン、３００，３００Ａ〜３００Ｌ，３００Ｍ１，３００Ｍ２，３００Ｎ１，３００Ｎ２ 整合回路、３００＃，３１０，３１０Ｇ，３１０Ｊ１，３１０Ｊ２，３３０，３５０，３７０，３９０ ビア、３２０Ｂ１，３２０Ｂ２，３２０Ｃ１，３２１，３２１Ｄ，３２１Ｅ１，３２１Ｅ２，３２１Ｆ，３２１Ｇ，３２３，ＧＮＤ２ パッド、３２２，３２２Ｙ，３２２Ｚ 接続配線、４００ アンテナ領域、４５０ 伝送線路層、ＧＮＤ 接地電極、ＳＰ１，ＳＰ２ 給電点。

Claims (20)

1. 多層構造を有する誘電体基板と、
   前記誘電体基板に配置されたアンテナ素子および接地電極と、
   前記アンテナ素子と前記接地電極との間の領域に形成された整合回路とを備え、
   前記アンテナ素子には、前記整合回路を経由して高周波信号が供給され、
   前記整合回路は、
   第１ビア導体、第２ビア導体および第３ビア導体と、
   前記第１ビア導体の上端と前記第２ビア導体の下端とを接続する第１配線パターンと、
   前記第２ビア導体の上端と前記第３ビア導体の下端とを接続する第２配線パターンとを含み、
   前記第１〜第３ビア導体および前記第１〜第２配線パターンは、前記誘電体基板の法線方向に直交する方向を巻回軸とするコイルを形成する、アンテナモジュール。
2. 多層構造を有する誘電体基板と、
   前記誘電体基板に配置されたアンテナ素子および接地電極と、
   前記アンテナ素子と前記接地電極との間の領域に形成された整合回路とを備え、
   前記アンテナ素子には、前記整合回路を経由して高周波信号が供給され、
   前記整合回路は、
   第１ビア導体および第２ビア導体と、
   前記第１ビア導体の一方端と前記第２ビア導体の一方端とを接続する第１配線パターンと、
   前記第１ビア導体の他方端と前記第２ビア導体の他方端とを接続する第２配線パターンとを含む、アンテナモジュール。
3. 前記整合回路は、インダクタおよびキャパシタの少なくとも１つの機能を有する、請求項１または２に記載のアンテナモジュール。
4. 前記第１配線パターンおよび前記第２配線パターンの線路幅は、当該配線パターンに接続されるビア導体のビア直径の少なくとも一方よりも狭い、請求項１〜３のいずれか１項に記載のアンテナモジュール。
5. 前記第１配線パターンおよび前記第２配線パターンの線路幅は、当該配線パターンに接続されるビア導体のビア直径よりも広い、請求項１〜３のいずれか１項に記載のアンテナモジュール。
6. 前記整合回路は、前記接地電極と対向して容量結合する第１電極をさらに含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載のアンテナモジュール。
7. 前記アンテナモジュールは、前記接地電極と前記アンテナ素子との間の層に形成され、前記接地電極に接続された第１電極をさらに備え、
   前記整合回路は、前記第１電極と対向して容量結合する第２電極をさらに含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載のアンテナモジュール。
8. 前記整合回路は、前記接地電極に接続された電極をさらに含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載のアンテナモジュール。
9. 多層構造を有する誘電体基板と、
   前記誘電体基板に配置されたアンテナ素子および接地電極と、
   前記アンテナ素子と前記接地電極との間の領域に形成された整合回路とを備え、
   前記アンテナ素子には、前記整合回路を経由して高周波信号が供給され、
   前記整合回路は、前記接地電極と対向して容量結合する第１電極を含む、アンテナモジュール。
10. 多層構造を有する誘電体基板と、
    前記誘電体基板に配置されたアンテナ素子および接地電極と、
    前記アンテナ素子と前記接地電極との間の領域に形成された整合回路と、
    前記接地電極と前記アンテナ素子との間の層に形成され、前記接地電極に接続された第１電極とを備え、
    前記アンテナ素子には、前記整合回路を経由して高周波信号が供給され、
    前記整合回路は、前記第１電極と対向して容量結合する第２電極を含む、アンテナモジュール。
11. 多層構造を有する誘電体基板と、
    前記誘電体基板に配置されたアンテナ素子および接地電極と、
    前記アンテナ素子と前記接地電極との間の領域に形成された整合回路とを備え、
    前記アンテナ素子には、前記整合回路を経由して高周波信号が供給され、
    前記整合回路は、前記接地電極に接続された電極を含む、アンテナモジュール。
12. 前記整合回路は、
    第１ビア導体および第２ビア導体と、
    前記第１ビア導体と前記第２ビア導体とを接続する配線パターンとを含み、
    前記アンテナモジュールの法線方向から前記アンテナモジュールを平面視すると、前記第１ビア導体と前記第２ビア導体とはオフセットしている、請求項９〜１１のいずれか１項に記載のアンテナモジュール。
13. 前記整合回路は、
    第１ビア導体および第２ビア導体と、
    前記第１ビア導体および前記第２ビア導体に電気的に接続された配線パターンとを含み、
    前記第１ビア導体、前記第２ビア導体および前記配線パターンは、前記アンテナモジュールの法線方向を巻回軸とするコイルの一部を形成する、請求項９〜１１のいずれか１項に記載のアンテナモジュール。
14. 前記整合回路は、互いに対向し、キャパシタとして機能する電極対を含む、請求項１〜１３のいずれか１項に記載のアンテナモジュール。
15. 前記誘電体基板の実装面に実装され、前記アンテナ素子に高周波信号を供給する給電回路をさらに備える、請求項１〜１３のいずれか１項に記載のアンテナモジュール。
16. 多層構造を有する誘電体基板と、
    前記誘電体基板に配置されたアンテナ素子および接地電極と、
    前記アンテナ素子と前記接地電極との間の領域に形成された整合回路と、
    前記誘電体基板の実装面に実装され、前記アンテナ素子に高周波信号を供給する給電回路と、
    前記接地電極と前記実装面との間の層に形成され、前記給電回路から前記整合回路へ高周波信号を伝送する伝送線路とをさらに備え、
    前記アンテナ素子には、前記整合回路を経由して高周波信号が供給され、
    前記整合回路は、前記伝送線路と前記アンテナ素子とを接続する、複数のビア導体および複数の配線パターンを含み、
    前記複数のビア導体および前記複数の配線パターンは、前記伝送線路から前記アンテナ素子に至る階段状の経路を形成するように交互に配置される、アンテナモジュール。
17. 多層構造を有する誘電体基板と、
    前記誘電体基板に配置されたアンテナ素子および接地電極と、
    前記アンテナ素子と前記接地電極との間の領域に形成された、第１整合回路および第２整合回路とを備え、
    前記第１整合回路を経由して、前記アンテナ素子の第１給電点に高周波信号が供給され、
    前記第２整合回路を経由して、前記アンテナ素子の第２給電点に高周波信号が供給され、
    前記アンテナ素子の法線方向から平面視すると、前記第１給電点および前記第２給電点は、前記アンテナ素子の中心を通る対称線に対して線対称の位置に配置され、
    前記第１整合回路および前記第２整合回路の各々は、
    第１ビア導体、第２ビア導体および第３ビア導体と、
    前記第１ビア導体の上端と前記第２ビア導体の下端とを接続する第１配線パターンと、
    前記第２ビア導体の上端と前記第３ビア導体の下端とを接続する第２配線パターンとを含み、
    前記第１〜第３ビア導体および前記第１〜第２配線パターンは、前記誘電体基板の法線方向に直交する方向を巻回軸とするコイルを形成する、アンテナモジュール。
18. 前記第１整合回路および前記第２整合回路は、前記対称線を通り前記アンテナ素子に垂直な面に対して鏡像となるように形成される、請求項１７に記載のアンテナモジュール。
19. 前記アンテナ素子は、正方形の平面形状を有しており、
    前記第１給電点および前記第２給電点は、前記アンテナ素子の対角線に対して線対称の位置に配置される、請求項１７または１８に記載のアンテナモジュール。
20. 請求項１〜１９のいずれか１項に記載のアンテナモジュールを搭載した通信装置。

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