KR102432311B1 - 안테나 모듈 및 그것을 탑재한 통신 장치, 그리고 회로 기판 - Google Patents

안테나 모듈 및 그것을 탑재한 통신 장치, 그리고 회로 기판 Download PDF

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가부시키가이샤 무라타 세이사쿠쇼
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Abstract

안테나 모듈(100)은 복수의 유전체층이 적층된 유전체 기판(130)과, 당해 유전체 기판(130)에 형성되는 방사 소자(121), 접지 전극(GND) 및 주변 전극(150)을 구비한다. 방사 소자(121)는 제1 편파 방향으로 전파를 방사한다. 접지 전극(GND)은 방사 소자(121)에 대향해서 배치된다. 주변 전극(150)은 방사 소자(121)와 접지 전극(GND) 사이의 복수의 층에 형성되고, 접지 전극(GND)과 전기적으로 접속되어 있다. 주변 전극(150)은 제1 편파 방향에 평행한 제1 방향 및 제1 편파 방향에 직교하는 제2 방향의 적어도 한쪽에 대하여 대칭인 위치에 배치된다.

Description

안테나 모듈 및 그것을 탑재한 통신 장치, 그리고 회로 기판
본 개시는 안테나 모듈 및 그것을 탑재한 통신 장치에 관한 것으로, 보다 특정적으로는, 안테나 특성을 향상시키는 안테나 모듈의 구조에 관한 것이다.
일본특허공개 제2018-148290호 공보(특허문헌 1)에는, 직사각 형상의 기판에 평판상의 복수의 방사 소자(패치 안테나)가 형성된 안테나 장치가 개시되어 있다. 특허문헌 1과 같은 패치 안테나에 있어서는, 방사 소자에 대향해서 평판상의 접지 전극이 배치되어 있고, 방사 소자와 접지 전극 사이의 전자계 결합에 의해 전파가 방사된다.
일본특허공개 제2018-148290호 공보
일본특허공개 제2018-148290호 공보(특허문헌 1)에 개시된 것과 같은 안테나 장치는, 예를 들어 휴대 전화 혹은 스마트폰 등의 휴대 단말기에 사용된다. 이러한 휴대 단말기에 있어서는, 소형화 및 박형화에 대한 요구가 여전히 높고, 그에 수반하여 내장되는 안테나 장치의 더 한층의 소형화가 필요해지고 있다. 특히 근년에는, 스마트폰의 대화면화에 의해, 하우징 내에 있어서의 안테나 장치의 배치 가능한 영역이 제한되는 경향이 있고, 예를 들어 하우징 측면의 좁은 영역에 안테나 장치가 배치되는 경우가 있다.
패치 안테나에 있어서, 원하는 안테나 특성을 실현하기 위해서는, 이상적으로는 방사 소자에 대하여 충분히 넓은 면적을 갖는 접지 전극을 배치하는 것이 필요하다. 그러나, 상술한 바와 같이 제한된 좁은 영역에 안테나 장치가 배치되는 경우에는, 방사 소자에 대하여 접지 전극을 충분히 넓게 할 수 없는 경우가 발생할 수 있다. 또한, 안테나 장치의 설치 장소 혹은 주변 기기와의 위치 관계에 의해, 접지 전극을 대칭의 형상으로 할 수 없는 경우도 발생할 수 있다. 이와 같이 접지 전극의 사이즈 및 형상이 제한되면, 방사 소자와 접지 전극 사이의 전기력선이 흐트러져버려, 게인, 주파수 대역, 혹은 지향성 등의 안테나 특성에 영향이 발생할 우려가 있다.
본 개시는 이와 같은 과제를 해결하기 위해서 이루어진 것으로서, 그 목적은 패치 안테나가 형성된 안테나 모듈에 있어서, 접지 전극의 사이즈 및/또는 형상이 제한되는 경우의 안테나 특성의 저하를 억제하는 것이다.
본 개시의 제1 국면에 관한 안테나 모듈은, 복수의 유전체층이 적층된 유전체 기판과, 당해 유전체 기판에 형성되는 방사 소자, 접지 전극 및 주변 전극을 구비한다. 방사 소자는 제1 편파 방향으로 전파를 방사한다. 접지 전극은 방사 소자에 대향해서 배치된다. 주변 전극은 방사 소자와 접지 전극 사이의 복수의 층에 형성되고, 접지 전극과 전기적으로 접속되어 있다. 주변 전극은 제1 편파 방향에 평행한 제1 방향 및 제1 편파 방향에 직교하는 제2 방향의 적어도 한쪽에 대하여 대칭인 위치에 배치된다.
본 개시의 제2 국면에 관한 안테나 모듈은, 복수의 유전체층이 적층된 유전체 기판과, 당해 유전체 기판에 형성되는 제1 방사 소자, 제2 방사 소자, 접지 전극 및 주변 전극을 구비한다. 제1 방사 소자 및 제2 방사 소자는, 서로 인접해서 배치된다. 접지 전극은 제1 방사 소자 및 제2 방사 소자에 대향해서 배치된다. 주변 전극은 제1 방사 소자와 접지 전극 사이의 복수의 층 및 제2 방사 소자와 접지 전극 사이의 복수의 층에 형성되고, 접지 전극과 전기적으로 접속된다. 주변 전극은 제1 방사 소자 및 제2 방사 소자의 각각에 있어서, 방사되는 전파의 편파 방향에 평행한 제1 방향 및 편파 방향에 직교하는 제2 방향의 적어도 한쪽에 대하여 대칭인 위치에 배치된다.
본 개시의 제3 국면에 관한 회로 기판은, 방사 소자에 고주파 신호를 공급하기 위한 장치이며, 복수의 유전체층이 적층된 유전체 기판과, 접지 전극과, 주변 전극을 구비한다. 방사 소자는 제1 편파 방향으로 전파를 방사한다. 접지 전극은 방사 소자에 대향해서 배치된다. 주변 전극은 방사 소자와 접지 전극 사이의 복수의 층에 형성되고, 접지 전극과 전기적으로 접속되어 있다. 주변 전극은 제1 편파 방향에 평행한 제1 방향 및 제1 편파 방향에 직교하는 제2 방향의 적어도 한쪽에 대하여 대칭인 위치에 배치된다.
본 개시에 의한 안테나 모듈 및 회로 기판에 의하면, 방사 소자와 접지 전극 사이의 유전체 기판의 복수의 층에, 접지 전극과 전기적으로 접속된 주변 전극이 배치되어 있다. 또한, 당해 주변 전극은 방사 소자의 편파 방향에 평행한 제1 방향 및 제1 방향에 직교하는 제2 방향의 적어도 한쪽에 대칭인 위치에 배치되어 있다. 이와 같이, 주변 전극을 방사 소자에 대하여 대칭인 위치에 배치함으로써, 방사 소자에 있어서 발생하는 전기력선을 균일화할 수 있으므로, 접지 전극의 사이즈 및/또는 형상이 제한되는 경우의 안테나 특성의 저하를 억제할 수 있다.
도 1은 실시 형태 1에 따르는 안테나 모듈이 적용되는 통신 장치의 블록도이다.
도 2는 실시 형태 1에 따르는 안테나 모듈의 제1 예의 평면도이다.
도 3은 도 2의 안테나 모듈의 측면 투시도이다.
도 4는 주변 전극이 없는 경우에 있어서의 방사 소자와 접지 전극 사이의 전기력선의 상태를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 주변 전극이 있을 경우에 있어서의 방사 소자와 접지 전극 사이의 전기력선의 상태를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 실시 형태 1에 따르는 안테나 모듈의 제2 예의 평면도이다.
도 7은 도 6의 안테나 모듈의 사시도이다.
도 8은 주변 전극의 유무에 의한 안테나 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 주변 전극의 배치 제1 변형예를 도시하는 도면이다.
도 10은 주변 전극의 배치 제2 변형예를 도시하는 도면이다.
도 11은 실시 형태 2에 따르는 안테나 모듈의 사시도이다.
도 12는 도 11의 안테나 모듈을 X축 방향으로부터 보았을 때의 제2 기판의 평면도이다.
도 13은 실시 형태 2에 있어서, 주변 전극의 유무에 의한 안테나 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 변형예 1의 안테나 모듈의 평면도이다.
도 15는 변형예 2의 안테나 모듈의 평면도이다.
도 16은 실시 형태 3에 따르는 안테나 모듈의 평면도이다.
도 17은 실시 형태 3에 있어서, 주변 전극의 유무에 의한 2개의 편파의 아이솔레이션을 설명하기 위한 도면이다.
도 18은 실시 형태 4에 따르는 안테나 모듈의 평면도이다.
도 19는 변형예 3의 안테나 모듈의 평면도이다.
도 20은 변형예 4의 안테나 모듈의 평면도이다.
도 21은 실시 형태 5에 따르는 안테나 모듈의 평면도이다.
도 22는 도 21의 안테나 모듈의 사시도이다.
도 23은 실시 형태 5의 안테나 모듈의 게인 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 24는 실시 형태 5의 안테나 모듈의 지향성을 설명하기 위한 도면이다.
도 25는 실시 형태 6에 따르는 안테나 모듈의 측면 투시도이다.
이하, 본 개시의 실시 형태에 대해서, 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 또한, 도면 중 동일 또는 상당 부분에는 동일 부호를 붙이고 그 설명은 반복하지 않는다.
[실시 형태 1]
(통신 장치의 기본 구성)
도 1은 본 실시 형태 1에 관한 안테나 모듈(100)이 적용되는 통신 장치(10)의 블록도의 일례이다. 통신 장치(10)는, 예를 들어 휴대 전화, 스마트폰 혹은 타블렛 등의 휴대 단말기나, 통신 기능을 구비한 퍼스널 컴퓨터 등이다. 본 실시 형태에 따른 안테나 모듈(100)에 사용되는 전파의 주파수 대역의 일례는, 예를 들어 28㎓, 39㎓ 및 60㎓ 등을 중심 주파수로 하는 밀리미터파대의 전파이지만, 상기 이외의 주파수 대역의 전파에 대해서도 적용 가능하다.
도 1을 참조하여, 통신 장치(10)는 안테나 모듈(100)과, 기저 대역 신호 처리 회로를 구성하는 BBIC(200)를 구비한다. 안테나 모듈(100)은 급전 회로의 일례인 RFIC(110)와, 안테나 장치(120)를 구비한다. 통신 장치(10)는 BBIC(200)로부터 안테나 모듈(100)에 전달된 신호를, RFIC(110)에서 고주파 신호로 업 컨버트하고, 안테나 장치(120)로부터 방사한다. 또한, 통신 장치(10)는 안테나 장치(120)에서 수신한 고주파 신호를 RFIC(110)로 송신하고, 다운 컨버트해서 BBIC(200)에서 신호를 처리한다.
도 1에서는, 설명을 용이하게 하기 위해서, 안테나 장치(120)를 구성하는 복수의 급전 소자(방사 소자)(121) 중, 4개의 급전 소자(121)에 대응하는 구성만 나타내고, 마찬가지 구성을 갖는 다른 급전 소자(121)에 대응하는 구성에 대해서는 생략되어 있다. 또한, 도 1에 있어서는 안테나 장치(120)가 2차원의 어레이상으로 배치된 복수의 급전 소자(121)로 형성되는 예를 나타내고 있지만, 복수의 급전 소자(121)가 일렬로 배치된 1차원 어레이여도 된다. 또한, 안테나 장치(120)는 급전 소자(121)가 단독으로 마련되는 구성이어도 된다. 본 실시 형태에 있어서는, 급전 소자(121)는 평판 형상을 갖는 패치 안테나이다.
RFIC(110)는 스위치(111A 내지 111D, 113A 내지 113D, 117)와, 파워 증폭기(112AT 내지 112DT)와, 로우 노이즈 앰프(112AR 내지 112DR)와, 감쇠기(114A 내지 114D)와, 이상기(115A 내지 115D)와, 신호 합성/분파기(116)와, 믹서(118)와, 증폭 회로(119)를 구비한다.
고주파 신호를 송신하는 경우에는, 스위치(111A 내지 111D, 113A 내지 113D)가 파워 증폭기(112AT 내지 112DT)측으로 전환됨과 함께, 스위치(117)가 증폭 회로(119)의 송신측 앰프에 접속된다. 고주파 신호를 수신하는 경우에는, 스위치(111A 내지 111D, 113A 내지 113D)가 로우 노이즈 앰프(112AR 내지 112DR)측으로 전환됨과 함께, 스위치(117)가 증폭 회로(119)의 수신측 앰프에 접속된다.
BBIC(200)로부터 전달된 신호는, 증폭 회로(119)에서 증폭되고, 믹서(118)에서 업 컨버트된다. 업 컨버트된 고주파 신호인 송신 신호는, 신호 합성/분파기(116)에서 4분파되고, 4개의 신호 경로를 통과하여, 각각 다른 급전 소자(121)로 급전된다. 이때, 각 신호 경로에 배치된 이상기(115A 내지 115D)의 이상도가 개별로 조정됨으로써, 안테나 장치(120)의 지향성을 조정할 수 있다.
각 급전 소자(121)에서 수신된 고주파 신호인 수신 신호는, 각각 다른 4개의 신호 경로를 경유하고, 신호 합성/분파기(116)에서 합파된다. 합파된 수신 신호는, 믹서(118)에서 다운 컨버트되고, 증폭 회로(119)에서 증폭되어 BBIC(200)로 전달된다.
RFIC(110)는, 예를 들어 상기 회로 구성을 포함하는 1칩의 집적 회로 부품으로서 형성된다. 혹은, RFIC(110)에 있어서의 각 급전 소자(121)에 대응하는 기기(스위치, 파워 증폭기, 로우 노이즈 앰프, 감쇠기, 이상기)에 대해서는, 대응하는 급전 소자(121)마다 1칩의 집적 회로 부품으로서 형성되어도 된다.
(제1 예)
이어서, 도 2 및 도 3을 사용하여, 실시 형태 1에 있어서의 안테나 모듈의 구성의 상세를 설명한다. 도 2는 실시 형태 1의 제1 예의 안테나 모듈(100)의 평면도이다. 또한, 도 3은 안테나 모듈(100)의 측면 투시도이다. 또한, 도 2의 평면도에 있어서는, 내부의 전극이 보이도록 유전체층이 생략되어 있다.
도 2 및 도 3을 참조하여, 안테나 모듈(100)은 급전 소자(121) 및 RFIC(110)에 더하여, 유전체 기판(130)과, 급전 배선(140)과, 주변 전극(150)과, 접지 전극(GND1, GND2)을 포함한다. 또한, 이후의 설명에 있어서, 유전체 기판(130)의 법선 방향(전파의 방사 방향)을 Z축 방향으로 하고, Z축 방향에 수직인 면을 X축 및 Y축으로 규정한다. 또한, 각 도면에 있어서의 Z축의 정방향을 상방측, 부방향을 하방측이라 칭하는 경우가 있다.
유전체 기판(130)은, 예를 들어 저온 동시 소성 세라믹스(LTCC: Low Temperature Co-fired Ceramics) 다층 기판, 에폭시, 폴리이미드 등의 수지로 구성되는 수지층을 복수 적층해서 형성된 다층 수지 기판, 더 낮은 유전율을 갖는 액정 폴리머(Liquid Crystal Polymer:LCP)로 구성되는 수지층을 복수 적층해서 형성된 다층 수지 기판, 불소계 수지로 구성되는 수지층을 복수 적층해서 형성된 다층 수지 기판, 혹은 LTCC 이외의 세라믹스 다층 기판이다.
유전체 기판(130)은 대략 직사각 형상을 갖고 있고, 그 상면(131)(Z축의 정방향의 면)에 가까운 층(상방측의 층)에 급전 소자(121)가 배치되어 있다. 급전 소자(121)는 유전체 기판(130) 표면에 노출하는 양태여도 되고, 도 3의 예와 같이 유전체 기판(130)의 내부의 층에 배치되어도 된다. 또한, 본 실시 형태 1에 있어서는, 설명을 용이하게 하기 위해서, 방사 소자로서 급전 소자만이 사용되는 경우를 예로서 설명하지만, 급전 소자에 더하여, 무급전 소자 및/또는 기생 소자가 배치되는 구성이어도 된다.
유전체 기판(130)에 있어서 급전 소자(121)보다 하면(132)(Z축의 부방향의 면)에 가까운 층(하방측의 층)에는, 급전 소자(121)에 대향하여, 평판 형상의 접지 전극(GND2)이 배치된다. 또한, 급전 소자(121)와 접지 전극(GND2) 사이의 층에는, 접지 전극(GND1)이 배치된다.
접지 전극(GND1)과 접지 전극(GND2) 사이의 층은, 배선 영역으로서 사용된다. 배선 영역에는, 방사 소자에 고주파 신호를 공급하기 위한 급전 배선, 급전 배선에 접속되는 스터브 및 필터, 그리고 다른 전자 부품과 접속하기 위한 접속 배선 등을 형성하는 배선 패턴(170)이 배치되어 있다. 이와 같이, 접지 전극(GND1)의 급전 소자(121)와 반대측의 유전체층에 배선 영역을 형성함으로써, 급전 소자(121)와 각 배선 패턴(170)과의 불필요한 결합을 억제할 수 있다.
유전체 기판(130)의 하면(132)에는, 땜납 범프(160)를 개재해서 RFIC(110)가 실장되어 있다. 또한, RFIC(110)는 땜납 접속 대신에, 다극 커넥터를 사용해서 유전체 기판(130)에 접속되어도 된다.
RFIC(110)로부터, 급전 배선(140)을 개재하여, 급전 소자(121)의 급전점(SP1)에 고주파 신호가 공급된다. 급전 배선(140)은 RFIC(110)로부터 접지 전극(GND2)을 관통해서 상승되고, 배선 영역을 연신한다. 그리고, 급전 배선(140)은 급전 소자(121)의 바로 아래로부터, 접지 전극(GND1)을 관통해서 상승되고, 급전 소자(121)의 급전점(SP1)에 접속된다.
도 2 및 도 3의 예에 있어서는, 급전 소자(121)의 급전점(SP1)은, 급전 소자(121)의 중심으로부터 Y축의 정방향으로 오프셋한 위치에 배치되어 있다. 급전점(SP1)을 이러한 위치로 함으로써, 급전 소자(121)로부터는 Y축 방향을 편파 방향으로 하는 전파가 방사된다.
주변 전극(150)은 유전체 기판(130)의 단부에 있어서, 급전 소자(121)와 접지 전극(GND1) 사이의 복수의 유전체층에 형성된다. 안테나 모듈(100)에 있어서는, 유전체 기판(130)의 법선 방향(Z축의 정방향)으로부터 평면에서 본 경우에, 직사각 형상의 급전 소자(121)의 각 변을 따라 주변 전극(150)이 배치되어 있다. 각 변을 따라 배치된 주변 전극(150)은, 급전 소자(121)의 편파 방향(Y축 방향) 및 당해 편파 방향에 직교하는 방향(X축 방향)에 대하여 대칭인 위치에 배치되어 있다.
유전체 기판(130)을 평면에서 본 경우에, 각 주변 전극(150)은 적층 방향으로 겹치도록 배치되어 있다. 즉, 주변 전극(150)은 유전체 기판(130)의 각 변을 따른 가상적인 도체벽을 형성한다. 그리고, 적층 방향에 인접하는 주변 전극(150)끼리는 비아(155)에 의해 전기적으로 접속되어 있다. 또한, 최하단의 주변 전극(150)은 비아(155)에 의해 접지 전극(GND1)에 전기적으로 접속되어 있다. 즉, 주변 전극(150)은, 실질적으로는 접지 전극(GND1)의 단부가 적층 방향으로 연장된 구성과 등가인 구성으로 되어 있다. 또한, 주변 전극(150)은 동일 형상이 아니어도 되고, 예를 들어 유전체 기판(130)의 적층 방향으로, 접지 전극 GND1에 가까워짐에 따라 전극 사이즈가 크게 되어도 된다.
안테나 모듈(100)에 있어서는, 적층 방향으로 서로 인접하는 유전체층에 형성된 비아(155)는, 유전체 기판(130)의 법선 방향으로부터 평면에서 본 경우에 서로 겹치지 않도록 배치하는 것이 바람직하다. 비아(155)를 형성하는 도전 재료(대표적으로는 구리)는, 유전체 재료에 비하여 가압된 경우의 압축률이 작다. 그 때문에, 유전체 기판(130)의 법선 방향으로부터 평면에서 본 경우에 각 층의 비아(155)가 모두 동일 위치에 배치되어 있으면, 유전체층의 압착을 위해서 유전체 기판(130)을 가압 프레스했을 때에, 다른 유전체 부분에 비하여 비아(155)의 부분의 두께의 감소율이 작아져버려, 유전체 기판(130) 전체의 두께의 변동의 요인이 될 수 있다. 따라서, 상기한 바와 같이 적층 방향으로 서로 인접하는 유전체층의 비아(155)를 다른 위치로 함으로써, 성형 후의 유전체 기판(130)의 두께 정밀도를 향상시킬 수 있다.
또한, 주변 전극(150)끼리, 및 주변 전극(150)과 접지 전극(GND1) 사이의 전기적 접속에 대해서는, 비아(155)에 의한 직접적인 접속에 한정되지 않고, 그 일부 또는 전부가 용량 결합으로 된 구성도 포함한다.
이러한 평판 형상의 방사 소자를 갖는 패치 안테나에 있어서는, 방사 소자와 접지 전극 사이의 전자계 결합에 의해 전파가 방사된다. 그리고, 원하는 안테나 특성을 실현하기 위해서는, 방사 소자에 대하여 충분히 넓은 면적을 갖는 접지 전극을 배치하는 것이 필요하다.
한편으로, 패치 안테나가 채용되는 휴대 전화 혹은 스마트폰 등의 휴대 단말기에 있어서는, 소형화 및 박형화에 대한 요구가 여전히 높고, 그에 수반하여 내장되는 안테나 장치의 가일층의 소형화가 필요해지고 있다.
그러나, 하우징 내의 한정된 공간에 안테나 장치가 배치되는 경우에는, 방사 소자에 대하여 접지 전극을 충분히 넓게 할 수 없는 경우가 발생할 수 있다. 또한, 안테나 장치의 설치 장소 혹은 주변 기기와의 위치 관계에 따라, 접지 전극을 대칭인 형상으로 할 수 없는 경우도 발생할 수 있다. 이와 같이 접지 전극의 사이즈 및 형상이 제한되면, 방사 소자와 접지 전극 사이의 전기력선이 흐트러져버려, 게인, 주파수 대역, 혹은 지향성 등의 안테나 특성에 영향이 발생할 우려가 있다.
도 4는 방사 소자에 대하여 접지 전극의 면적을 충분히 확보할 수 없는 경우의, 방사 소자와 접지 전극 사이의 전기력선의 상태를 설명하기 위한 도면이다. 급전 소자(121)(방사 소자)에 고주파 신호가 공급되면, 급전 소자(121)의 단부와 접지 전극(GND1) 사이에서 전자계 결합이 발생한다. 이때, 급전 소자(121)의 한쪽 단부로부터 접지 전극(GND1)에 대하여 전기력선이 방출되고, 다른 쪽 단부에 있어서는, 접지 전극(GND1)으로부터의 전기력선을 받는다.
접지 전극(GND1)의 면적이 급전 소자(121)에 대하여 충분히 넓은 경우에는, 접지 전극(GND1)에 있어서의 급전 소자(121)와 대향하는 면에 있어서 전기력선이 수수된다. 그러나, 접지 전극(GND1)의 면적을 충분히 확보할 수 없는 경우에는, 도 4에 도시된 바와 같이, 전기력선의 일부가 접지 전극(GND1)의 이면으로 돌아서 들어가는 상태가 발생할 수 있다. 그렇게 하면, 안테나 장치의 이면측으로 방사되는 전파의 비율이 증가하고, 지향성이 흐트러져서 원하는 방향의 안테나 게인이 열화되거나, 주파수 대역폭이 좁아지거나, 원편파와 같이 편파 방향이 변동하거나 할 가능성이 있다.
실시 형태 1의 안테나 모듈(100)에 있어서는, 도 5와 같이, 접지 전극(GND1)에 전기적으로 접속된 주변 전극(150)이, 급전 소자(121)와 접지 전극(GND1) 사이의 층에 배치되어 있다. 주변 전극(150)과 급전 소자(121) 사이의 거리는, 접지 전극(GND1)과 급전 소자(121) 사이의 거리보다 짧기 때문에, 급전 소자(121)와 전자계 결합의 결합도는, 접지 전극(GND1)보다 주변 전극(150) 쪽이 강해진다. 그 때문에, 도 4에 있어서, 접지 전극 GND1의 이면측으로 돌아서 들어간 전기력선은, 도 5에 있어서는 주변 전극(150) 사이에서 발생하게 된다. 이에 의해, 안테나 장치의 이면측으로 전파가 방사되는 것이 억제되므로, 게인 등의 안테나 특성의 저하를 억제할 수 있다.
또한, 주변 전극(150)은 전파의 편파 방향 및/또는 당해 편파 방향에 직교하는 방향에 대칭인 위치에 배치되어 있다. 이에 의해, 급전 소자(121)와 접지 전극(GND1) 사이에서 발생하는 전기력선의 대칭성을 향상시킬 수 있으므로, 편파 방향의 변동을 억제할 수 있다.
또한, 급전 소자(121)로부터 방사되는 전파의 자유 공간 파장을 λ0으로 하면, 주변 전극(150)은, 편파 방향을 따라서 급전 소자(121)의 면 중심 CP로부터 접지 전극(GND1)의 단부까지의 길이(도 2의 거리 LG)가 λ0/2 미만인 경우에 배치하는 것이 바람직하다.
(제2 예)
도 6 및 도 7은 실시 형태 1에 따르는 안테나 모듈의 제2 예를 도시하는 도면이다. 도 6은 안테나 모듈(100A)의 평면도이고, 도 7은 안테나 모듈(100A)의 사시도이다. 도 6 및 도 7에 있어서도, 설명을 용이하게 하기 위해서, 유전체층에 대해서는 생략되어 있다.
도 6의 안테나 모듈(100A)은, 도 2의 안테나 모듈(100)에 대하여 접지 전극의 사이즈가 더욱 제한된 경우의 예이며, 급전 소자(121)를 안테나 모듈(100)과 마찬가지로 배치한 경우에는, 평면에서 보았을 때의 급전 소자(121)의 단부와 접지 전극(GND1)의 단부와의 간격이 더욱 좁아진다.
그 때문에, 안테나 모듈(100A)에 있어서는, 편파 방향에 있어서의 급전 소자(121)의 면 중심 CP로부터 접지 전극(GND1)의 단부까지의 거리를 가능한 한 확보하기 위해서, 급전 소자(121)는 급전 소자(121)의 면 중심 CP를 중심으로 해서 Z축 둘레에 45° 기울여져서 배치된 구성으로 되어 있다. 즉, 급전점(SP1)은, 급전 소자(121)의 면 중심 CP로부터 X축의 부방향 및 Y축의 정방향으로 등거리만큼 오프셋한 위치에 배치되어 있다. 그 때문에, 안테나 모듈(100A)에 있어서는, 편파 방향은 Y축의 정방향으로부터 X축의 부방향으로 45° 기운 방향(도 6의 일점쇄선 CL1의 방향)이 된다. 급전 소자(121)를 이러한 배치로 함으로써, 평면에서 보았을 때의 급전 소자(121)의 단부와 접지 전극(GND1)의 단부와의 간격을 확보하고, 주파수 대역폭의 저하를 억제할 수 있다.
또한, 안테나 모듈(100A)에 있어서는, 급전 소자(121)를 기울인 결과, 급전 소자(121)가 접지 전극(GND1)의 범위(즉, 유전체 기판(130)의 범위)로부터 비어져 나와버리기 때문에, 정사각형의 급전 소자(121)의 네 코너 부분이 절제되어 있어, 급전 소자(121)는 전체적으로 팔각형의 형상으로 되어 있다.
그리고, 안테나 모듈(100A)에 있어서는, 급전 소자(121)의 편파 방향을 따른 변, 및 편파 방향에 직교하는 변을 따라서, 대략 직각삼각형의 주변 전극(150A)이 급전 소자(121)와 접지 전극(GND1) 사이의 층에 배치되어 있다. 주변 전극(150A)은 편파 방향에 평행한 제1 방향, 또는 편파 방향에 직교하는 제2 방향으로 빗변이 대향하도록 배치되어 있다. 이와 같이, 전파의 편파 방향 및/또는 당해 편파 방향에 직교하는 방향에 대칭인 위치에 주변 전극(150A)을 배치함으로써, 급전 소자(121)와 접지 전극(GND1) 사이의 결합도를 높이고, 또한 급전 소자(121)와 접지 전극(GND1) 사이에서 발생하는 전기력선의 대칭성을 개선함으로써, 안테나 특성의 저하를 억제할 수 있다.
또한, 도 6 및 도 7에 있어서는, 주변 전극(150A)이 대략 직각삼각형인 경우에 대해서 도시되어 있지만, 주변 전극의 형상은 직각삼각형 이외의 삼각형이어도 되고, 도 2와 같은 직사각 형상이어도 된다. 또한, 주변 전극(150A)의 사이즈는, 대향하는 급전 소자(121)의 변의 길이 이상인 것이 바람직하다. 또한, 급전 소자(121)로부터 방사되는 전파의 자유 공간 파장을 λ0으로 하면, 주변 전극(150A)은 편파 방향(도 6의 일점쇄선 CL1의 방향)을 따라 급전 소자(121)의 면 중심 CP로부터 접지 전극(GND1)의 단부까지의 길이(도 6의 거리 LGA)가 λ0/2 미만인 경우에 배치하는 것이 바람직하다.
(안테나 특성의 비교)
도 8을 사용하여, 주변 전극의 유무에 의한 안테나 특성에 대해서 설명한다. 도 8에 있어서는, 도 6에서 도시한 제2 예의 안테나 모듈(100A)의 구성에 대해서, 주변 전극을 갖지 않는 비교예 1과의 시뮬레이션 결과를 나타내고 있다. 도 8에 있어서는, 상단으로부터, 안테나 모듈의 사시도, 평면도, 접지 전극의 전류 분포도, 및 안테나 게인이 나타나 있다. 또한, 전류 분포도에 있어서는, 동일한 강도의 전류를 나타내는 등고선이 파선으로 그려져 있다. 또한, 안테나 게인은 급전 소자(121)의 면 중심을 원점으로 한 X-Y 평면에 있어서, 방사 방향(Z축 방향)으로부터의 각 각도의 피크 게인이 나타나 있다.
도 8을 참조하여, 비교예 1의 안테나 모듈(100#1)에 있어서는, 급전 소자(121) 및 접지 전극(GND1)의 배치에 대해서는 안테나 모듈(100A)과 마찬가지이지만, 주변 전극(150A)이 배치되어 있지 않다. 그 때문에, 비교예 1의 안테나 모듈(100#1)에 있어서는, 전기력선의 일부가 접지 전극(GND1)의 이면으로 돌아서 들어가게 된다. 이에 의해, 비교예 1의 안테나 모듈(100#1)에 있어서는, 이면측(특히 120° 내지 180°)의 게인이 커지고 있고, 토탈의 피크 게인은 4.8[dBi]로 되어 있다. 이에 비하여, 주변 전극(150A)을 갖는 안테나 모듈(100A)에 있어서는, 이면측의 게인이 작아지고 있고, 토탈의 피크 게인이 5.3[dBi]으로 개선되고 있다. 즉, 주변 전극(150A)에 의해 이면측으로의 전기력선의 돌아들어감이 억제되고 있는 것을 알 수 있다.
안테나 모듈(100A) 및 비교예 1의 안테나 모듈(100#1) 모두, 접지 전극(GND1)의 Y축 방향의 치수가 X축 방향의 치수에 비해서 짧고, 급전 소자(121)의 면 중심 CP를 통과하는 편파 방향에 대하여 접지 전극의 형상이 비대칭으로 되어 있다. 그 때문에, 안테나 모듈(100#1)의 접지 전극에 있어서의 전류 분포는, Y축 방향을 단축으로 하는 변형된 타원형으로 되어 있다. 한편, 실시 형태 1의 안테나 모듈(100A)에 있어서는, 편파 방향 및 편파 방향에 직교하는 방향으로 대하여 대칭으로 되는 위치에 주변 전극(150A)이 배치되어 있다. 그 때문에, 접지 전극에 있어서의 전류 분포는, 비교예 1과 비교하면 진원에 가깝게 되어 있어, 전류의 대칭성이 향상되고 있는 것을 알 수 있다.
이와 같이, 방사 소자에 대하여 접지 전극을 충분히 넓게 할 수 없는 경우, 및/또는 급전 소자의 면 중심을 통과하는 편파 방향에 대하여 접지 전극이 비대칭이 되어버리는 경우에도, 접지 전극에 전기적으로 접속된 주변 전극을 대칭적으로 배치함으로써, 방사 소자와 접지 전극 사이에 발생하는 전기력선의 이면으로의 돌아들어감을 억제함과 함께, 전기력선의 대칭성을 향상시킬 수 있다. 이에 의해, 접지 전극의 사이즈 및/또는 형상이 제한되는 경우의 안테나 특성의 저하를 억제할 수 있다.
(변형예)
도 9는 주변 전극의 배치의 제1 변형예를 도시하는 도면(측면 투시도)이다. 도 9의 안테나 모듈(100B)에 있어서는, 도 3에서 나타낸 안테나 모듈(100)과 비교하면, 주변 전극의 적층 방향의 배치가 다르다. 보다 상세하게는, 안테나 모듈(100B)에 있어서는, 접지 전극(GND1)에 가까운 유전체층에 형성되어 있는 주변 전극(150B)일수록, 유전체 기판(130)의 내측에 배치되어 있다. 바꿔 말하면, 주변 전극(150B)은 유전체 기판(130)의 법선 방향으로부터 평면에서 본 경우에, 접지 전극(GND1)에 가까워질수록 급전 소자(121)에 가까워지도록 배치되어 있다.
이와 같은 구성에 있어서도, 급전 소자(121)와 접지 전극(GND1) 사이의 결합 정도를 높일 수 있으므로, 안테나 특성을 향상시킬 수 있다. 또한, 급전 소자(121)와, 접지 전극(GND1)과, 주변 전극(150B)의 도체벽에 의해 둘러싸인 유전체가 도 2에서 도시한 안테나 모듈(100)의 구성에 비해서 적어져서, 급전 소자(121)와 접지 전극(GND1)의 정전 용량이 감소한다. 이에 의해, 방사되는 전파의 주파수 대역폭을 확대하는 것이 가능하게 된다.
도 10은 주변 전극의 배치의 제2 변형예를 도시하는 도면(평면도)이다. 도 2에서 나타낸 안테나 모듈(100)과 비교하면, 도 10의 안테나 모듈(100C)에 있어서는, 주변 전극(150C)이 급전 소자(121)의 주위에 환상으로 배치되어 있다. 이러한 주변 전극의 형상에 있어서도, 편파 방향 및 편파 방향에 직교하는 방향에 대칭이 되는 위치에 주변 전극이 배치되어 있기 때문에, 이면측으로의 전기력선의 돌아들어감이 억제됨과 함께, 전기력선의 대칭성을 향상할 수 있다. 따라서, 안테나 특성을 향상시킬 수 있다.
[실시 형태 2]
실시 형태 1에 있어서는, 방사 소자가 단독으로 배치되는 구성에 대해서 설명했다. 실시 형태 2에 있어서는, 복수의 방사 소자가 배치된 어레이 안테나에 있어서 주변 전극을 사용하는 구성에 대해서 설명한다.
도 11은 실시 형태 2에 따르는 안테나 모듈(100D)의 사시도이다. 도 11을 참조하여, 안테나 모듈(100D)의 안테나 장치(120A)는 대략 L자 형상을 갖는 유전체 기판(130A)에 복수의 급전 소자(121)가 배치된 어레이 안테나이다.
유전체 기판(130A)은 서로 법선 방향이 다른 평판 형상의 제1 기판(1301) 및 제2 기판(1302)과, 제1 기판(1301) 및 제2 기판(1302)을 접속하는 굴곡부(135)를 포함한다.
제1 기판(1301)은 Z축 방향을 법선 방향으로 하는 직사각 형상의 평판이고, Y축 방향을 따라서 4개의 급전 소자(121)가 배열되어 있다. 제1 기판(1301)의 이면측에는 RFIC(110)가 배치되어 있다.
제2 기판(1302)은 X축 방향을 법선 방향으로 하는 평판이고, Y축 방향을 따라서 4개의 급전 소자(121)가 배열되어 있다. 제2 기판(1302)은 굴곡부(135)가 접속되는 부분에 절결부(136)가 형성되어 있고, 당해 절결부(136)로부터 Z축의 정방향에 돌출된 돌출부(133)가 형성되어 있다. 제2 기판(1302)에 배치되는 급전 소자(121)의 각각은, 적어도 일부가 이 돌출부(133)에 형성되어 있다.
이와 같은 구성은, 예를 들어 스마트폰과 같은 얇은 판상의 기기에 있어서, 주면측 및 측면측의 두 방향으로 전파를 방사하는 경우에 사용된다. 안테나 모듈(100D)의 경우, 제1 기판(1301)이 주면측에 대응하고, 제2 기판(1302)이 측면측에 대응한다. 이 경우, 측면측에 배치되는 제2 기판(1302)에 대해서는, 기기의 두께 방향, 즉 Z축 방향의 치수가 제한되어, 충분한 넓이의 접지 전극(GND1)을 확보 할 수 없는 경우가 발생할 수 있다. 또한, 굴곡부(135)와의 접속을 위한 절결부(136)에 의해 접지 전극(GND1)의 형상이 각 급전 소자(121)의 면 중심을 통과하는 편파 방향에 대하여 비대칭이 되고, 또한 접지 전극(GND1)의 형상이 급전 소자(121)마다 달라버린다. 그렇게 하면, 어레이 안테나의 각 급전 소자(121)의 안테나 특성이 불균일해지기 때문에, 어레이 안테나 전체로서의 특성도 악화될 가능성이 있다.
그 때문에, 실시 형태 2에 있어서는, 어레이 안테나에 있어서 실시 형태 1에서 설명한 바와 같은 주변 전극을 적용함으로써, 어레이 안테나를 구성하는 복수의 급전 소자의 안테나 특성을 균일화하고, 어레이 안테나 전체의 안테나 특성을 개선한다.
도 12는 도 11의 안테나 모듈(100D)을 X축 방향에서 보았을 때의, 제2 기판(1302)의 평면도이다. 또한, 도 12에 있어서는, 유전체층이 생략되어 있다. 제2 기판(1302)에 배치된 급전 소자(121)는 실시 형태 1의 제2 예에서 설명한 안테나 모듈(100A)과 유사한 구성을 갖고 있다.
보다 상세하게는, 급전 소자(121)의 각각은, 급전점(SP1)(즉 편파 방향)이 Z축에 대하여 45° 기울어서 배치되고, 또한 네 코너가 삭제된 팔각형의 형상으로 되어 있다. 그리고, 급전 소자(121)의 편파 방향을 따른 변 및 편파 방향에 직교하는 방향을 따른 변에 대향한 위치에 있어서, 급전 소자(121)와 접지 전극(GND1) 사이의 층에 주변 전극(150A)이 배치된다. 이러한 구성으로 함으로써, 접지 전극의 사이즈 및/또는 형상의 제한에 의해, 각 급전 소자에 대응하는 접지 전극에 변형이 발생하는 경우에도, 주변 전극에 의해 안테나 특성을 균일화할 수 있다.
도 13은 도 11 및 도 12에 나타낸 바와 같은 어레이 안테나에 있어서, 주변 전극의 유무에 의한 안테나 특성의 차이를 설명하기 위한 도면이다. 도 13에 있어서는, 실시 형태 2의 안테나 모듈(100D)의 제2 기판(1302)의 부분, 및 주변 전극(150A)이 배치되지 않는 비교예 2의 안테나 모듈(100#2)에 관한 시뮬레이션 결과가 나타나 있다. 도 13에 있어서는, 중단에 인접하는 2개의 급전 소자(121-1, 121-2)의 반사 손실이 나타나 있고, 하단에는 4개의 급전 소자(121-1 내지 121-4)로부터 전파를 방사한 경우의 안테나 게인이 나타나 있다.
또한, 반사 손실에 대해서는, 실선 LN20, LN20#이 급전 소자(121-1)를 나타내고 있고, 파선 LN21, LN21#이 급전 소자(121-2)를 나타내고 있다. 또한, 안테나 게인에 대해서는, X축 방향에 방사되는 전파의 메인 로브 ML1 및 사이드 로브 SL1, SL2 중 메인 로브 ML1의 피크 게인이 나타나 있다. 안테나 게인에 대해서는, 실선 LN25가 실시 형태 2의 안테나 모듈(100D)을 나타내고 있고, 파선 LN26이 비교예 2의 안테나 모듈(100#2)을 나타내고 있다.
도 13을 참조하여, 비교예 2의 안테나 모듈(100#2)에 있어서는, 반사 손실이 저하되는 주파수, 및 소정의 반사 손실이 실현되는 주파수 대역폭이 2개의 급전 소자에서 약간 어긋나 있다. 즉, 인접하는 2개의 급전 소자에 있어서, 다른 안테나 특성이 되고 있다. 한편, 실시 형태 2의 안테나 모듈(100D)에 있어서는, 인접하는 2개의 급전 소자에 있어서, 반사 손실이 저하되는 주파수, 및 주파수 대역폭이 거의 동일해지고 있고, 안테나 특성의 변동이 저감되어 있다.
이에 의해, 통과 대역에 있어서의 안테나 게인에 대해서도, 비교예 2의 안테나 모듈(100#2)(파선 LN26)에 비하여, 실시 형태 2의 안테나 모듈(100D)(실선 LN25)쪽이 커지고 있고, 안테나 특성이 개선되고 있는 것을 알 수 있다.
이상과 같이, 어레이 안테나가 형성되는 안테나 모듈에 있어서, 방사 소자에 대하여 접지 전극의 사이즈 및/또는 형상이 제한되는 경우에도, 각 방사 소자에 대하여, 편파 방향 및/또는 편파 방향에 직교하는 방향에 대칭인 위치에 주변 전극을 배치함으로써, 방사 소자간의 안테나 특성의 변동을 저감할 수 있고, 안테나 모듈 전체로서의 안테나 특성을 향상시킬 수 있다.
(변형예 1)
도 11 및 도 12에서 나타낸 실시 형태 2의 안테나 모듈(100D)에 있어서는, 인접하는 급전 소자마다 개별로 주변 전극이 배치되는 구성에 대해서 설명했다. 변형예 1에 있어서는, 어레이 안테나에 있어서, 인접하는 급전 소자의 주변 전극을 공통화함으로써, 안테나 특성을 더욱 향상시키는 구성에 대해서 설명한다.
도 14는 변형예 1에 따르는 안테나 모듈(100D1)의 평면도이다. 안테나 모듈(100D1)에 있어서는, 급전 소자(121-1)와 급전 소자(121-2) 사이의 주변 전극(150A), 및 급전 소자(121-3)와 급전 소자(121-4) 사이의 주변 전극(150A)이, 접속 전극(151)에 의해 전기적으로 접속되어 일체화되어 있다. 또한, 주변 전극(150A) 및 접속 전극(151)은, 개별의 요소를 연결한 것이 아니고, 일체화해서 형성된 것이어도 된다.
이와 같이, 인접하는 주변 전극을 공통화함으로써, 급전 소자로부터 방출되는 전기력선을 받는 주변 전극의 면적이 커지므로, 접지 전극(GND1)의 이면으로 돌아서 들어가는 전기력선을 억제할 수 있다. 이에 의해, 안테나 게인의 열화, 주파수 대역폭의 협애화, 편파 방향의 변동 등의 안테나 특성의 저하를 한층 더 억제할 수 있다.
또한, 주변 전극의 일부가 공통화된 경우에는, 각 급전 소자에 있어서의 전기력선 분포의 대칭성이 악화되는 경우가 발생할 수 있지만, 그러한 경우에는, 공통화되어 있지 않은 주변 전극의 크기 및/또는 형상 등을 적절히 조정하도록 해도 된다.
(변형예 2)
변형예 1에 있어서는, 인접하는 급전 소자의 주변 전극을 다른 접속 전극에 의해 일체화하는 구성에 대해서 설명했다.
도 15에 나타나는 변형예 2의 안테나 모듈(100D2)에 있어서는, 도 14의 접속 전극(151)을 사용하지 않고, 주변 전극(150A) 자체가 서로 접하도록 급전 소자(121)가 배치되어 있고, 인접하는 주변 전극(150A)이 연결되어 공통화된 구성으로 되어 있다. 도 15의 안테나 모듈(100D2)에 있어서도, 급전 소자로부터 방출되는 전기력선을 받는 주변 전극의 면적이 커지므로, 안테나 게인의 열화, 주파수 대역폭의 협애화, 편파 방향의 변동 등의 안테나 특성의 저하를 한층 더 억제할 수 있다.
[실시 형태 3]
실시 형태 1 및 실시 형태 2에 있어서는, 1개의 방사 소자로부터 단독의 편파 방향의 전파가 방사되는 구성에 대해서 설명했다. 실시 형태 3에 있어서는, 1개의 방사 소자로부터 다른 2개의 편파 방향의 전파를 방사하는 것이 가능한, 소위 듀얼 편파 타입의 안테나 모듈에 주변 전극을 적용한 구성의 예에 대해서 설명한다.
도 16은 실시 형태 3에 따르는 안테나 모듈(100E)의 평면도이다. 안테나 모듈(100E)은 실시 형태 2의 안테나 모듈(100D)과 마찬가지인 어레이 안테나이지만, 각 급전 소자(121-1 내지 121-4)에 2개의 급전점(SP1, SP2)이 배치되어 있는 점이 다르다. 각 급전 소자(121-1 내지 121-4)에 있어서, 급전점(SP1)에 고주파 신호가 공급되면, Z축으로부터 Y축의 부방향으로 45° 기운 방향(일점쇄선 CL1의 연장 방향)을 편파 방향으로 하는 전파가 방사된다. 또한, 급전점 SP2에 고주파 신호가 공급되면, Z축으로부터 Y축의 정방향으로 45° 기운 방향(일점쇄선 CL2의 연장 방향)을 편파 방향으로 하는 전파가 방사된다.
또한, 급전 소자(121-2)는 인접하는 급전 소자(121-1)에 대하여 180° 회전한 양태로 배치되어 있다. 또한, 급전 소자(121-4)는 인접하는 급전 소자(121-3에 대하여 180° 회전한 양태로 배치되어 있다. 그리고, 서로 180° 회전한 양태로 배치된 급전 소자간에 있어서는, 동일한 급전점에는, 위상이 반전된 고주파 신호가 공급된다. 이러한 위상 조정에 의해, 각 급전 소자로부터 방사되는 각 편파 방향의 전파 위상을 일치시킬 수 있다. 또한, 인접 배치된 급전 소자를 180° 회전시켜서 배치함으로써, 교차 편파 식별도(Cross Polarization Discrimination: XPD)를 개선할 수 있다.
그리고, 안테나 모듈(100E)에 있어서도, 각 급전 소자(121-1 내지 121-4)에 대하여, 편파 방향 및 편파 방향에 직교하는 방향에 대칭인 위치에, 주변 전극(150A)이 배치된다. 이에 의해, 접지 전극(GND1)의 사이즈 및/또는 형상의 제한에 수반하는 급전 소자간의 안테나 특성의 변동을 저감하고, 안테나 모듈 전체로서의 안테나 특성을 개선할 수 있다.
도 17은 듀얼 편파 타입의 안테나 모듈에 있어서, 주변 전극의 유무에 의한 2개의 편파의 아이솔레이션을 설명하기 위한 도면이다. 도 17에 있어서는, 실시 형태 3의 안테나 모듈(100E), 및 주변 전극(150A)이 배치되지 않는 비교예 3의 안테나 모듈(100#3)에 있어서의, 2개의 급전 점간의 아이솔레이션의 시뮬레이션 결과가 나타나 있다. 도 17에서 알 수 있듯이, 원하는 통과 대역에 있어서, 실시 형태 3의 안테나 모듈(100E)의 아이솔레이션이, 비교예 3의 안테나 모듈(100#3)의 아이솔레이션보다 개선되어 있다. 2개의 편파 간의 아이솔레이션이 개선됨으로써, 반사 손실 및 게인이 개선되고, 또한 액티브 임피던스의 향상으로도 연결된다.
이상과 같이, 듀얼 편파 타입의 안테나 모듈에 있어서도, 각 방사 소자에 대하여, 편파 방향 및/또는 편파 방향에 직교하는 방향에 대칭인 위치에 주변 전극을 배치함으로써, 접지 전극에 제약이 있는 경우에도 안테나 특성을 향상시킬 수 있다.
상기의 설명에 있어서는, 듀얼 편파 타입의 어레이 안테나에 주변 전극을 적용한 예에 대하여 설명했지만, 실시 형태 1에서 나타낸 바와 같은, 방사 소자가 1개인 경우의 듀얼 편파 타입의 안테나 모듈에도 적용 가능하다.
[실시 형태 4]
상술한 실시 형태에 있어서는, 방사 소자로부터 방사되는 전파의 주파수 대역이 1개인 경우에 대해서 설명했다. 실시 형태 4에 있어서는, 각 방사 소자로부터 다른 2개의 주파수 대역의 전파를 방사하는 것이 가능한, 소위 듀얼 밴드 타입의 안테나 모듈에 대해서, 상기와 같은 주변 전극을 적용한 구성에 대해서 설명한다.
도 18은 실시 형태 4에 따르는 안테나 모듈(100F)의 평면도이다. 안테나 모듈(100F)은, 실시 형태 3과 마찬가지로 듀얼 편파 타입의 어레이 안테나이지만, 방사 소자로서, 급전 소자(121A)에 더하여 무급전 소자(122)를 갖고 있는 점이 다르다.
무급전 소자(122)는 급전 소자(121A)와 접지 전극(GND1) 사이의 층에 배치되어 있다. RFIC(110)로부터의 급전 배선은, 무급전 소자(122)를 관통해서 급전 소자(121A)의 급전점(SP1, SP2)에 접속된다. 무급전 소자(122)의 편파 방향의 치수는, 급전 소자(121A)의 편파 방향의 치수보다 크다. 그 때문에, 무급전 소자(122)의 공진 주파수는 급전 소자(121A)의 공진 주파수보다 낮다. 무급전 소자(122)의 공진 주파수에 대응한 고주파 신호가 공급됨으로써, 무급전 소자(122)로부터는, 급전 소자(121A)보다 낮은 주파수 대역의 전파가 방사된다. 즉, 안테나 모듈(100F)은, 다른 2개의 주파수 대역의 전파를 방사할 수 있는 듀얼 밴드 타입의 안테나 모듈이다.
또한, 급전 소자(121A) 및 무급전 소자(122)는, 접지 전극(GND1)의 사이즈 제약에 의해, 편파 방향이 Z축 방향에 대하여 45° 기울도록 배치된다. 또한, 무급전 소자(122)에 대해서는, 접지 전극(GND1)으로부터 비어져 나오는 네 코너의 부분이 삭제되어 팔각형이 형상으로 되어 있다.
여기서, 고주파수측의 급전 소자(121A)에 대해서는, 무급전 소자(122)와의 사이의 전자계 결합에 의해 안테나로서 기능한다. 한편으로, 무급전 소자(122)에 대해서는, 접지 전극(GND1)과의 사이의 전자계 결합에 의해 안테나로서 기능한다. 접지 전극(GND1)에 대해서는, 실시 형태 2 및 실시 형태 3과 마찬가지로, 무급전 소자(122)에 대하여 충분한 넓이를 확보할 수 없고, 또한 무급전 소자(122)의 면 중심을 통과하는 편파 방향에 대하여 비대칭인 형상으로 되어 있다.
그 때문에, 안테나 모듈(100F)에 있어서는, 무급전 소자(122)의 편파 방향을 따른 변 및 편파 방향에 직교하는 방향을 따른 변에 대향한 위치에 있어서, 무급전 소자(122)와 접지 전극(GND1) 사이의 층에 주변 전극(150A)이 배치된다. 이에 의해, 무급전 소자(122) 사이에 있어서의 안테나 특성의 변동을 저감하고, 안테나 모듈 전체로서의 안테나 특성을 향상시킬 수 있다.
또한, 안테나 모듈(100F)에 있어서는, 방사 소자로서 급전 소자와 무급전 소자를 구비하는 구성의 예에 대해서 설명했지만, 2개의 방사 소자를 모두 급전 소자로 해도 된다.
(변형예 3)
도 19는 변형예 3에 따르는 안테나 모듈(100F1)의 평면도이다. 변형예 3의 안테나 모듈(100F1)에 있어서는, 도 14에서 설명한 변형예 1과 마찬가지로, 안테나 모듈(100F1)이 인접하는 방사 소자의 주변 전극(150A)이 접속 전극(151)에 의해 연결되어 공통화되어 있다. 이러한 구성으로 함으로써, 무급전 소자(122)로부터 방출되는 전기력선의 접지 전극(GND1)의 이면으로의 돌아들어감을 억제할 수 있으므로, 실시 형태 4의 안테나 모듈(100F)에 비하여 안테나 특성의 저하를 더 억제할 수 있다.
(변형예 4)
도 20은 변형예 4에 따르는 안테나 모듈(100F2)의 평면도이다. 변형예 4의 안테나 모듈(100F2)에 있어서는, 도 15에서 설명한 변형예 2와 마찬가지로, 인접하는 주변 전극(150A)끼리가 접하도록 급전 소자(121A)가 배치되고, 당해 주변 전극(150A)끼리가 공통화된 구성으로 되어 있다. 이와 같은 구성에 있어서도, 무급전 소자(122)로부터 방출되는 전기력선의 접지 전극(GND1)의 이면으로의 돌아들어감을 억제할 수 있으므로, 실시 형태 4의 안테나 모듈(100F)에 비하여 안테나 특성의 저하를 더 억제할 수 있다.
[실시 형태 5]
접지 전극의 이면으로 돌아서 들어가는 전기력선을 주변 전극을 사용해서 억제하기 위해서는, 주변 전극의 면적을 크게 하는 것이 바람직하다. 한편으로, 유전체 기판 내에 스터브 혹은 필터 등의 다른 요소를 형성하는 경우에는, 주변 전극을 크게 하면, 이들 요소의 레이아웃이 제약될 수 있다.
실시 형태 5에 있어서는, 유전체 기판 내의 레이아웃의 자유도의 확보, 및 기판 이면으로의 전기력선의 돌아들어감의 저감을 양립할 수 있는 구성에 대해서 설명한다.
도 21 및 도 22는, 실시 형태 5에 따르는 안테나 모듈(100G)을 도시하는 도면이다. 도 21은 안테나 모듈(100G)의 평면도이고, 도 22는 안테나 모듈(100G)의 사시도이다. 도 21 및 도 22에 있어서도, 설명을 용이하게 하기 위해서, 유전체층에 대해서는 생략되어 있다. 안테나 모듈(100G)에 있어서는, 실시 형태 1의 제2 예에서 나타낸 안테나 모듈(100A)에 있어서의 주변 전극(150A) 대신에, 주변 전극(150D)이 배치되어 있다. 또한, 도 21 및 도 22에 있어서, 도 6 및 도 7에서 나타낸 안테나 모듈(100A)과 공통된 요소의 설명은 반복하지 않는다.
도 21 및 도 22를 참조하여, 안테나 모듈(100G)에 있어서의 주변 전극(150D)은, 도 6 및 도 7에서 나타낸 주변 전극(150A)에 비하여 약간 작은 사이즈로 형성되어 있다. 보다 구체적으로는, 주변 전극(150A)은 유전체 기판을 평면에서 본 경우에 대략 직각삼각형의 형상을 갖고 있지만, 실시 형태 5의 주변 전극(150D)의 예에서는, 상기의 직각삼각형의 직각의 정점 부분의 일부(도 21의 파선 영역 RG1)가 제거된 대략 사다리꼴 형상으로 형성되어 있다. 이와 같이, 주변 전극의 형상을 변형해서 소형화함으로써, 유전체 기판에 있어서 다른 요소를 배치할 수 있는 스페이스를 확장할 수 있다.
이어서, 도 23 및 도 24를 사용하여, 실시 형태 5의 안테나 모듈(100G)에 있어서의 안테나 특성을, 안테나 모듈(100A)의 안테나 특성과 비교하면서 설명한다. 도 23은 안테나 게인의 주파수 특성을 나타내고 있고, 도 24는 지향성을 나타내고 있다.
도 23에 있어서는, 28㎓를 중심 주파수로 하는 통과 대역의 경우의 안테나 게인의 주파수 특성이다. 도 23 및 도 24에 있어서, 실선 LN40, LN50은 안테나 모듈(100A)의 경우를 나타내고 있고, 파선 LN41, LN51은 안테나 모듈(100G)의 경우를 나타내고 있다.
도 23에 나타나는 바와 같이, 실시 형태 5의 안테나 모듈(100G)에서는 안테나 모듈(100A)에 비하여 주변 전극이 소형화되어 있기 때문에, 안테나 게인에 대해서는, 안테나 모듈(100A)의 경우에 비하여 안테나 모듈(100G)쪽이 전체적으로 약간 낮게 되어 있다. 그러나, 대상이 되는 통과 대역(25㎓ 내지 29.5㎓)에 있어서는, 전역에 걸쳐서 7dBi 이상의 안테나 게인을 확보할 수 있다.
도 24의 그래프는, 중심 주파수 28㎓의 전파를 방사했을 때의 지향성을 나타내고 있고, 횡축에는 편파 방향을 따른 단면에 있어서의 급전 소자(121)의 법선 방향으로부터의 각도가 나타나 있다. 각도 0°에 있어서의 피크 게인을 비교하면, 안테나 모듈(100G)의 경우에는, 안테나 모듈(100A)의 경우에 비하여 약 0.2dBi 정도 낮게 되어 있기는 하지만, 8dBi의 피크 게인을 실현할 수 있는 것을 알 수 있다.
각도가 100°보다 큰 영역, 및 -100°보다 작은 영역에 대해서는, 안테나 모듈(100G)의 게인이 안테나 모듈(100A)보다 약간 크게 되어 있다. 이것은, 유전체 기판의 이면으로의 돌아들어감이 증가하고 있는 것을 나타내고 있다. 즉, 안테나 모듈(100G)의 경우에는, 지향성에 대해서도, 안테나 모듈(100A)보다 약간의 저하가 보이기는 하지만, 전체적으로는 목표로 하는 사양 범위 내를 실현할 수 있다.
이상과 같이, 실시 형태 5의 안테나 모듈(100G)에 있어서는, 안테나 특성에 대해서는, 도 6에서 나타낸 안테나 모듈(100A)에는 약간 미치지 못하지만, 주변 전극을 사용하지 않는 경우에 비하여 안테나 특성을 향상할 수 있다. 한편으로, 주변 전극의 소형화에 의해, 유전체 기판 내에 있어서의 레이아웃의 자유도를 향상 할 수 있다.
안테나 모듈(100A) 및 안테나 모듈(100G)의 어느 구성을 채용할지에 대해서서는, 요구되는 안테나 특성, 및 안테나 모듈 내에 배치해야 할 요소의 유무에 따라서 적절히 선택된다.
[실시 형태 6]
상술한 실시 형태 및 각 변형예에 있어서는, 방사 소자와 접지 전극이 동일한 유전체 기판에 배치되는 구성에 대해서 설명했다. 그러나, 방사 소자는, 기타 요소가 형성되는 유전체 기판과는 다른 유전체 기판에 형성되는 구성이어도 된다.
도 25는 실시 형태 6에 따르는 안테나 모듈(100H)의 측면 투시도이다. 안테나 모듈(100H)에 있어서는, 실시 형태 1의 도 3에서 나타낸 안테나 모듈(100)에 있어서의 급전 소자(121)가 유전체 기판(130B)에 형성되어 있고, 급전 소자(121) 이외의 요소가 유전체 기판(130B)으로부터 독립된 회로 기판(300)에 형성된 구성으로 되어 있다. 회로 기판(300)에 있어서는, 유전체 기판(130C)에, 도 3의 안테나 모듈(100)에 있어서의 급전 소자(121) 이외의 요소가 배치되어 있고, 유전체 기판(130C)의 하면측에 RFIC(110)가 실장되어 있다.
유전체 기판(130B)의 하면은, 회로 기판(300)의 유전체 기판(130C)의 상면에 대향하도록 배치되어 있다. 급전 배선(140)은 유전체 기판(130B)과 유전체 기판(130C) 사이에 배치된 접속 단자(161)를 개재해서 급전 소자(121)에 접속되어 있다. 접속 단자(161)로서, 땜납 범프, 접속 커넥터 혹은 접속용 케이블이 사용된다.
이와 같이, RFIC가 배치되는 회로 기판과, 방사 소자가 형성되는 유전체 기판이 개별의 기판으로서 형성되는 구성으로 함으로써, 통신 장치 내의 기기 배치의 자유도를 높일 수 있다. 예를 들어, 회로 기판을 머더보드에 배치하고, 방사 소자를 하우징에 배치하는 구성으로 할 수 있다.
금회 개시된 실시 형태는, 모든 점에서 예시이며 제한적인 것은 아니라고 생각되어야 한다. 본 개시의 범위는, 상기한 실시 형태의 설명이 아니고 청구범위에 의해 나타나며, 청구범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.
10 : 통신 장치
100, 100A 내지 100H, 100D1, 100D2, 100F1, 100F2 : 안테나 모듈
110 : RFIC
111A 내지 111D, 113A 내지 113D, 117 : 스위치
112AR 내지 112DR : 로우 노이즈 앰프
112AT 내지 112DT : 파워 증폭기
114A 내지 114D : 감쇠기
115A 내지 115D : 이상기
116 : 신호 합성/분파기
118 : 믹서
119 : 증폭 회로
120, 120A : 안테나 장치
121, 121A : 급전 소자
122 : 무급전 소자
130, 130A 내지 130C : 유전체 기판
131 : 상면
132 : 하면
133 : 돌출부
135 : 굴곡부
136 : 절결부
140 : 급전 배선
150, 150A 내지 150D : 주변 전극
151 : 접속 전극
155 : 비아
160 : 땜납 범프
161 : 접속 단자
170 : 배선 패턴
200 : BBIC
300 : 회로 기판
1301: 제1 기판
1302: 제2 기판
CP : 면 중심
GND, GND1, GND2 : 접지 전극
ML1 : 메인 로브
SL1, SL2 : 사이드 로브
SP1, SP2 : 급전점

Claims (14)

  1. 복수의 유전체층이 적층된 유전체 기판과,
    상기 유전체 기판에 형성되고, 제1 편파 방향으로 전파를 방사하는 방사 소자와,
    상기 방사 소자에 대향해서 배치된 접지 전극과,
    상기 방사 소자와 상기 접지 전극 사이의 복수의 층에 형성되고, 상기 접지 전극과 전기적으로 접속된 주변 전극을 구비하고,
    상기 주변 전극은, 상기 제1 편파 방향에 평행한 제1 방향 및 상기 제1 편파 방향에 직교하는 제2 방향의 적어도 한쪽에 대하여 대칭인 위치에 배치되는, 안테나 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 방사 소자로부터 방사되는 전파의 자유 공간 파장을 λ0으로 하면,
    상기 유전체 기판의 법선 방향으로부터 평면에서 본 경우에, 상기 제1 편파 방향에 있어서의 상기 방사 소자의 면 중심으로부터 상기 접지 전극의 단부까지의 최단 거리는 λ0/2보다 작은, 안테나 모듈.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 유전체 기판의 법선 방향으로부터 평면에서 본 경우에, 상기 접지 전극은, 상기 방사 소자의 중심을 통과하는 편파 방향에 대하여 비대칭의 형상을 갖고 있는, 안테나 모듈.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 방사 소자는, 상기 제1 편파 방향과는 다른 제2 편파 방향에도 전파를 방사하는 것이 가능한, 안테나 모듈.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 방사 소자는, 상기 제1 편파 방향과는 다른 제2 편파 방향에도 전파를 방사하는 것이 가능한, 안테나 모듈.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 방사 소자는,
    상기 접지 전극에 대향하여, 제1 주파수 대역의 전파를 방사하는 제1 소자와,
    상기 제1 소자와 상기 접지 전극 사이의 층에 배치되고, 상기 제1 주파수 대역보다 낮은 제2 주파수 대역의 전파를 방사하는 제2 소자를 포함하는, 안테나 모듈.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 주변 전극은, 상기 유전체 기판의 법선 방향에서 평면에서 본 경우에, 상기 방사 소자의 주위를 둘러싸는 환상으로 형성되는, 안테나 모듈.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 주변 전극은, 상기 유전체 기판의 법선 방향에서 평면에서 본 경우에, 상기 방사 소자에 있어서의 상기 제1 방향을 따른 변, 또는 상기 제2 방향을 따른 변에 빗변이 대향하는 대략 직각삼각형의 형상을 갖는, 안테나 모듈.
  9. 복수의 유전체층이 적층된 유전체 기판과,
    상기 유전체 기판에 형성되고, 서로 인접해서 배치되는 제1 방사 소자 및 제2 방사 소자와,
    상기 제1 방사 소자 및 상기 제2 방사 소자에 대향해서 배치된 접지 전극과,
    상기 제1 방사 소자와 상기 접지 전극 사이의 복수의 층 및 상기 제2 방사 소자와 상기 접지 전극 사이의 복수의 층에 형성되고, 상기 접지 전극과 전기적으로 접속된 주변 전극을 구비하고,
    상기 주변 전극은, 상기 제1 방사 소자 및 상기 제2 방사 소자의 각각에 있어서, 방사되는 전파의 편파 방향에 평행한 제1 방향 및 상기 편파 방향에 직교하는 제2 방향의 적어도 한쪽에 대하여 대칭인 위치에 배치되는, 안테나 모듈.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 방사 소자에 대하여 배치되는 제1 주변 전극과, 상기 제2 방사 소자에 대하여 배치되어 상기 제1 주변 전극에 인접하는 제2 주변 전극은, 연결되어 공통화되어 있는, 안테나 모듈.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 주변 전극 및 상기 제2 주변 전극은, 상기 유전체 기판의 법선 방향으로부터 평면에서 본 경우에, 상기 제1 방사 소자 및 상기 제2 방사 소자의 각각에 있어서, 상기 제1 방향을 따른 변, 또는 상기 제2 방향을 따른 변에 빗변이 대향하는 대략 직각삼각형의 형상을 갖는, 안테나 모듈.
  12. 제1항, 제2항 및 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    각 방사 소자에 고주파 신호를 공급하도록 구성된 급전 회로를 더 구비하는, 안테나 모듈.
  13. 제1항, 제2항 및 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 기재된 안테나 모듈을 탑재한, 통신 장치.
  14. 제1 편파 방향으로 전파를 방사하는 방사 소자에 고주파 신호를 공급하도록 구성된 회로 기판이며,
    복수의 유전체층이 적층된 유전체 기판과,
    상기 방사 소자에 대향해서 배치된 접지 전극과,
    상기 방사 소자와 상기 접지 전극 사이의 복수의 층에 형성되고, 상기 접지 전극과 전기적으로 접속된 주변 전극을 구비하고,
    상기 주변 전극은, 상기 제1 편파 방향에 평행한 제1 방향 및 상기 제1 편파 방향에 직교하는 제2 방향의 적어도 한쪽에 대하여 대칭인 위치에 배치되는, 회로 기판.
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