WO2018037655A1 - アンテナモジュール - Google Patents

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仁章 有海
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株式会社村田製作所
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    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04—Resonant antennas

Definitions

  • the present invention relates to an antenna module including a high-frequency element and an antenna element, and more specifically to a technique for improving the isolation characteristics between an input signal to the high-frequency element and an output signal from the antenna element.
  • Patent Document 1 International Publication No. 2016/063759 (Patent Document 1) and International Publication No. 2016/066799 (Patent Document 2)
  • An antenna module formed as a module in which an element is integrated is known.
  • a plurality of ground conductor columns and a plurality of signals are provided between the antenna module and the external substrate.
  • Conductor pillars are provided.
  • a ground layer is provided in the dielectric substrate on which the high-frequency element and the antenna element are mounted, and a plurality of ground conductor columns are arranged along the outer periphery of the dielectric substrate so as to surround the periphery of the high-frequency element.
  • the frequency band of the input signal transmitted from the device outside the module to the antenna module may be set to overlap the frequency band of the output signal radiated from the antenna element.
  • the signal conductor column provided as the input terminal of the antenna module is generally designed to have a size and shape that allows an input signal to pass through. Therefore, when the frequency band of the output signal radiated from the antenna element is the same as the frequency band of the input signal input to the antenna module, the output signal radiated from the antenna element is also received by the signal conductor column that is the input terminal. It becomes easy. As a result, a part of the output signal is input as an input signal to the antenna module to form a signal feedback loop, which may cause noise in the output signal or oscillation of the output signal.
  • the antenna output Even if the frequency bands of the input signal and the output signal do not overlap, if the output signal and the signal conductor column are coupled by electric field, and the antenna output unexpectedly has a gain, the antenna output The output signal may oscillate in the frequency band.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to improve isolation characteristics between an antenna element and an input terminal in an antenna module including a high-frequency element and an antenna element. It is to let you.
  • the antenna module includes a dielectric substrate including a first surface and a second surface, at least one antenna formed on the first surface, a high-frequency element, and at least one signal terminal.
  • the high frequency element is configured to supply a high frequency signal to at least one antenna.
  • At least one signal terminal is formed in a column shape using a conductive material, and is connected to the high-frequency element through a wiring pattern provided on the dielectric substrate. The at least one signal terminal is arranged outside the range of the excitation region generated in the excitation direction of the output signal radiated from the at least one antenna.
  • the frequency band of the input signal applied to at least one signal terminal and the frequency band of the output signal are at least partially overlapped.
  • the high frequency device includes an amplifier configured to amplify an input signal applied to at least one signal terminal and supply the amplified signal to the antenna.
  • the high-frequency element is mounted on the second surface, and at least one signal terminal protrudes from the second surface.
  • the antenna module further includes a plurality of ground terminals protruding from the second surface and formed in a column shape using a conductive material. The plurality of ground terminals are arranged so as to surround the high-frequency element along at least a part of the outer periphery of the dielectric substrate when the dielectric substrate is viewed in plan.
  • the plurality of ground terminals are arranged in a plurality of rows along at least a part of the outer periphery of the dielectric substrate when the dielectric substrate is viewed in plan. At least one signal terminal is disposed inside the outermost ground terminal row.
  • At least one signal terminal is arranged so as to be surrounded by a plurality of ground terminals when the dielectric substrate is viewed in plan.
  • the antenna module further includes a sealing resin layer disposed on the second surface and embedding the high-frequency element and at least one signal terminal.
  • the frequency band of the output signal is a 60 GHz band.
  • the height of at least one signal terminal is set within a range of 1/8 to 1 times the wavelength of the output signal.
  • the frequency band of the output signal is a 60 GHz band.
  • At least one signal terminal is formed in a cylindrical shape, and the diameter of the bottom surface is set within a range of 1/8 to 1 times the wavelength of the output signal.
  • the excitation area is an area in which at least one antenna is projected in the excitation direction.
  • a signal terminal for receiving an input signal to the module is disposed outside the range of the excitation region generated in the excitation direction of the antenna element.
  • FIG. 3 It is a block diagram of the antenna module according to this Embodiment. It is a top view of the antenna module according to the present embodiment. It is sectional drawing of the antenna module of FIG. FIG. 3 is a bottom view of the antenna module of FIG. 2. It is a figure for demonstrating the positional relationship of an antenna element and a signal terminal. It is a figure for demonstrating arrangement
  • FIG. 1 is a functional block diagram for explaining the function of antenna module 100 according to the present embodiment.
  • the antenna module 100 includes a plurality of antenna elements (hereinafter also simply referred to as “antennas”) 110 and a high-frequency element (hereinafter also referred to as “RFIC (Radio Frequency Integrated Circuit)”) connected to the plurality of antennas 110. 120 and a power supply unit 130 that supplies power to the RFIC 120.
  • the antenna module 100 receives a signal transmitted from the main device 200 provided outside, radiates from the antenna 110, and transmits a signal received by the antenna 110 to the main device 200.
  • RFIC Radio Frequency Integrated Circuit
  • Each of the plurality of antennas 110 operates as a radiating element that radiates radio waves and a receiving element that receives radio waves.
  • the plurality of antennas 110 are arranged in a matrix form to constitute a phased array.
  • the RFIC 120 includes a switch 121, a low noise amplifier 122 for reception, and a power amplifier 123 for transmission provided for each of the plurality of antennas 110.
  • the RFIC 120 is connected to the main device 200, switches 124 for switching between the reception path RX and the transmission path TX, a signal synthesizer (combiner) 125 for aggregating received signals received by the antenna 110, A signal demultiplexer (splitter) 126 for distributing the transmission signal from the switch 124 to each antenna 110 is further included.
  • the RFIC 120 is formed, for example, as a one-chip integrated circuit component including the above-described device.
  • Each of the antennas 110 is selectively connected to one of the reception low noise amplifier 122 and the transmission power amplifier 123 via the corresponding switch 121.
  • the reception low noise amplifier 122 amplifies the reception signal received by the antenna 110 with low noise.
  • the outputs of the reception low noise amplifier 122 are collected by the combiner 125 and output to the main device 200 via the switch 124.
  • the transmission power amplifier 123 amplifies the input signal from the main device 200 distributed by the splitter 126.
  • the output of the transmission power amplifier 123 is transmitted to the antenna 110 via the switch 121 and radiated from the antenna 110.
  • amplifiers such as the reception low noise amplifier 122 and the transmission power amplifier 123 are formed in the RFIC 120, but these amplifiers may be formed as circuits outside the RFIC 120. Good. Further, a configuration in which at least one of these amplifiers is not provided may be employed.
  • the power supply unit 130 generates a power supply voltage for driving the RFIC 120 from the power supply and signal supplied from the main device 200.
  • FIG. 2 is a plan view (top view) of the antenna module 100
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along one-dot chain line III-III in FIGS.
  • FIG. 4 shows a bottom view of the antenna module 100.
  • antenna module 100 has a matrix of m antennas 110 in the X direction and n antennas (m and n are integers of 2 or more) in the Y direction on the top surface of dielectric substrate 102.
  • the plurality of antennas 110 constitute a phased array.
  • As the antenna 110 a planar patch antenna having directivity in the normal direction of the substrate can be used.
  • the dielectric substrate 102 is a multilayer substrate in which a plurality of conductor patterns are formed in layers inside the dielectric.
  • a low temperature co-fired ceramics (LTCC) substrate, a printed circuit board, or the like can be used as the dielectric substrate 102.
  • a plurality of antennas 110 are arranged on the upper surface (first surface) 116 of the dielectric substrate 102.
  • An RFIC 120 and a power supply unit 130 are mounted on the lower surface (second surface) 118 of the dielectric substrate 102.
  • the antenna 110 is connected to the RFIC 120 via the conductor layer 112.
  • a capacitor or a coil is formed on the conductor layer 112, and the resonance frequency of the antenna 110 is adjusted and impedance matching is performed.
  • the antenna 110 includes the function of the conductor layer 112, the antenna 110 and the RFIC 120 may be directly connected by a wiring pattern.
  • the dielectric substrate 102 includes a ground layer 114.
  • a plurality of ground terminals 141 and at least one signal terminal 142 are provided on the lower surface 118 of the dielectric substrate 102.
  • the ground terminal 141 and the signal terminal 142 are formed of a conductive material in a columnar shape, and are disposed so as to protrude from the lower surface 118 of the dielectric substrate 102.
  • the dielectric substrate 102 is electrically connected to the mounting substrate 210 on which the external main device 200 (FIG. 1) is mounted by the ground terminal 141 and the signal terminal 142.
  • the external main device 200 is, for example, a CPU, a baseband integrated circuit element, or the like (both not shown), and is connected to the antenna module 100 by a conductor pattern formed on the surface and inside of the mounting substrate 210.
  • the signal terminal 142 is connected to the RFIC 120 via a wiring pattern in the dielectric substrate 102.
  • the signal terminal 142 is connected to a signal conductor pattern SIG formed on the surface of the mounting substrate 210.
  • the ground terminal 141 is connected to the ground layer 114 through a wiring pattern in the dielectric substrate 102.
  • the ground terminal 141 is connected to the ground pattern GND inside the mounting substrate 210 via a wiring pattern in the mounting substrate 210.
  • the sealing resin layer 104 may be formed by molding the RFIC 120, the power supply unit 130, the ground terminal 141, and the signal terminal 142 with a sealing resin.
  • a sealing resin for example, a thermosetting resin such as an epoxy resin or a cyanate resin is used.
  • the lower ends of the ground terminal 141 and the signal terminal 142 are exposed from the bottom surface of the sealing resin layer 104.
  • the ground terminal 141 and the signal terminal 142 are disposed slightly inside the outer periphery of the dielectric substrate 102 along at least a part of the outer periphery of the dielectric substrate 102 when the dielectric substrate 102 is viewed in plan.
  • the RFIC 120 and the power supply unit 130 are disposed inside the ground terminal 141 and the signal terminal 142, that is, at a position in the center direction of the dielectric substrate 102. In other words, the ground terminal 141 and the signal terminal 142 are disposed so as to surround the RFIC 120 and the power supply unit 130.
  • a signal transmitted from the external main device 200 is transmitted to the RFIC 120 via the signal terminal 142, and is radiated when the antenna 110 is driven by the RFIC 120.
  • the signal terminal 142 is generally designed to have a size through which a frequency band of a signal transmitted from the main device 200 can easily pass in order to suppress attenuation of a signal passing therethrough.
  • the effective wavelength of the input signal from the main device 200 is ⁇
  • the diameter and height of the signal terminal 142 (the length in the Z direction in FIG. 3) is not less than 1/8 times and not more than 1 time ( ⁇ / 8 to ⁇ ), preferably 1/4 times ( ⁇ / 4) or 1/8 times ( ⁇ / 8).
  • “effective wavelength” means an actual wavelength in consideration of the dielectric constant of the region of interest.
  • the frequency band of the output signal radiated from the antenna is different from the frequency band of the input signal from the main device, and the antenna
  • the frequency band of the output signal radiated from and the frequency band of the input signal received from the external device by the antenna module are the same or at least partially overlapped.
  • the signal terminal that transmits the signal between the antenna module and the main device easily allows an input / output signal from the main device to pass therethrough.
  • the output signal radiated from the antenna is likely to pass through.
  • a signal terminal will act also as a receiving antenna, a part of output signal radiated from an antenna may be received by a signal terminal, and a feedback loop may arise between an antenna and a signal terminal.
  • the output signal received by the signal terminal becomes noise relative to the signal to be output from the antenna, or the output signal oscillates when a transmission power amplifier is mounted on the RFIC as shown in FIG. There is a possibility.
  • the output signal may oscillate.
  • a planar patch antenna is employed as the antenna element.
  • the patch antenna differs in the excitation direction of the radiated electromagnetic field according to the feeding position from the RFIC. In the excitation direction, the fluctuation of the radiated electromagnetic field is larger than in other directions. Therefore, if a signal terminal is provided in this excitation direction, electric field coupling between the output signal and the signal terminal is likely to occur.
  • the signal terminal 142 by arranging the signal terminal 142 so as not to overlap the excitation direction of the antenna 110, the electric field coupling between the output signal from the antenna 110 and the signal terminal 142 that receives the input signal is suppressed, Use a configuration that ensures isolation characteristics.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining the positional relationship between the excitation direction of the output signal from the antenna 110 and the signal terminal 142.
  • one of the plurality of antennas 110 will be representatively described.
  • a square patch antenna is shown as an example in FIG.
  • an output signal having directivity is radiated in the normal direction of the antenna 110 (Z direction in FIG. 5).
  • the excitation direction (polarization direction) of the output signal differs depending on the position of the feeding point to the antenna 110.
  • a polarization signal is radiated such that the amplitude direction is the direction of the solid arrow AR1 (X-axis direction) in FIG.
  • a polarization signal is radiated so that the amplitude direction is the direction of the broken line arrow AR2 (Y-axis direction).
  • the excitation direction is an arrow AR1
  • the electric field strength increases in a region (excitation region) RGN1 where the antenna 110 is projected in the arrow direction (X-axis direction). Therefore, when the signal terminal 142 is arranged in the excitation region RGN1, electric field coupling with the output signal radiated from the antenna 110 is likely to occur, and the isolation characteristic between the output signal and the signal terminal 142 may be deteriorated. There is. Accordingly, by disposing the signal terminal 142 outside the range of the excitation region RNG1, it is possible to suppress a decrease in the isolation characteristic between the output signal and the signal terminal 142.
  • the excitation region is the region RNG2 in FIG. 5, and thus the signal terminal 142 is arranged so as to be outside the range of the region RNG2.
  • the excitation direction of the output signal may be, for example, the diagonal direction of the antenna 110 in FIG. 5 depending on the position and number of feeding points. Further, the excitation direction may vary depending on the shape of the patch antenna. Therefore, it is preferable to design so that the signal terminal 142 is disposed outside the excitation region in consideration of the shape of the patch antenna and the excitation direction determined from the position of the feeding point.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining the arrangement of the signal terminals 142 in each simulation of the isolation characteristics.
  • antennas 110 for one column are shown, and the feeding point of the antenna 110 is set to the position PS1 in FIG. Accordingly, in any of FIGS. 6A to 6E, the excitation direction is the direction of the arrow in FIG.
  • FIGS. 6A to 6D are diagrams in which the arrangement of the ground terminal 141 is changed when the signal terminal 142 is within the excitation region of the antenna 110.
  • the inner ground terminal row is arranged to block electromagnetic field radiation (spurious) from devices arranged inside the RFIC 120 or the like.
  • FIG. 6 (B) and 6 (C) show that the signal terminal 142 is provided on the inner ground terminal row of the two ground terminal rows.
  • FIG. 6B shows a case where the ground terminal 141 is not provided on the outer peripheral side of the signal terminal 142.
  • FIG. 6C shows a case where the ground terminal 141 is provided on the outer peripheral side of the signal terminal 142 in order to reduce the influence from the outside of the antenna module 100.
  • the ground terminal 141 is arranged on the inner side of the outermost ground terminal row and on the outer peripheral side of the signal terminal 142.
  • the ground terminal 141 is arranged, as shown in the mounting substrate 210A of FIG. 7, the ground pattern GND is formed on the substrate surface, and the signal conductor pattern SIG is formed inside the substrate.
  • FIG. 6 (D) shows a case where a further inner ground terminal row is provided in order to reduce the influence of spurious from devices inside the module such as the RFIC 120 with respect to the arrangement of FIG. 6 (C).
  • the ground terminal 141 is disposed so as to surround the signal terminal 142.
  • FIG. 6E illustrates a case where the signal terminal 142 is arranged outside the range of the excitation region of the antenna 110 with respect to the arrangement of FIG.
  • FIG. 8 shows the antenna 110 and the signal when the frequency of the input signal to the antenna module 100 and the frequency of the output signal from the antenna 110 is 60 GHz with respect to the arrangement of the signal terminals in FIGS. 6 (A) to 6 (E). It is a figure which shows the result of having simulated the isolation characteristic between the terminals 142.
  • FIG. 8 the horizontal axis indicates the frequency (55 to 70 GHz) near the 60 GHz band, and the vertical axis indicates the S value (dB) indicating the isolation characteristic.
  • curves LNA to LNE correspond to the simulation results in the cases of FIGS. 6 (A) to 6 (E), respectively.
  • curves LNA to LNC are compared.
  • LNB, LNC has improved isolation characteristics by about 15 to 20 dB.
  • the isolation characteristic is further improved by about 5 to 20 dB as compared with the curve LNB.
  • the isolation characteristic is almost the same as that of the curve LNC as a whole, but an improvement of about 5 dB is achieved around 60 GHz. ing. From this, it can be seen that the influence of the signal radiated from the antenna 110 is larger than the influence of the signal radiated from the RFIC 120. It can also be seen that the influence from the RFIC 120 can be reduced by arranging the ground terminal 141 so as to surround the signal terminal 142.
  • the signal terminal 142 is compared with the antenna 110. It can be seen that the isolation characteristics of about 10 to 15 dB are further improved by disposing them outside the excitation region.
  • the ground terminal 141 is arranged around the signal terminal 142, so that it depends on the signal radiated from the antenna 110 and the RFIC 120.
  • the influence on the signal terminal 142 can be suppressed.
  • the isolation characteristic can be improved by arranging the signal terminal 142 so as to be out of the range of the excitation region of the antenna 110.
  • the RFIC 120 may be mounted on the upper surface 116 on which the antenna 110 is mounted.
  • the signal terminal 142 may be formed so as to protrude from the upper surface 116 or may be formed from the side surface of the dielectric substrate 102. Even in such a case, by arranging the signal terminal 142 so that it is outside the range of the excitation region of the antenna 110, the isolation characteristic between the output signal and the input terminal is improved as in the above simulation. be able to.
  • antenna module 100 antenna module, 102 dielectric substrate, 104 sealing resin layer, 110 antenna, 112 conductor layer, 114 ground layer, 116 upper surface, 118 lower surface, 120 RFIC, 121, 124 switch, 122 low noise amplifier for reception, 123 transmission power Amplifier, 125 combiner, 126 splitter, 130 power supply unit, 141 ground terminal, 142 signal terminal, 145 outer periphery, 200 main equipment, 210, 210A mounting board, GND ground pattern, PS1, PS2 feeding point, RGN1, RNG1 excitation area, RX Reception path, SIG conductor pattern, TX transmission path.

Abstract

アンテナモジュールにおいて、アンテナからの出力信号と入力信号とのアイソレーション特性を向上させる。アンテナモジュール（１００）は、第１の面（１１６）および第２の面（１１８）を含む誘電体基板（１０２）と、第１の面に形成されたアンテナ（１１０）と、アンテナに高周波信号を供給する高周波素子（１２０）と、導電材料を用いて柱状に形成された信号端子（１４２）とを備える。信号端子は、誘電体基板に設けられた配線パターンを介して高周波素子に接続される。信号端子は、出力信号の励振方向に生じる励振領域の範囲外となるように配置される。

Description

アンテナモジュール
　本発明は、高周波素子とアンテナ素子とを備えたアンテナモジュールに関し、より特定的には、高周波素子への入力信号とアンテナ素子からの出力信号とのアイソレーション特性を向上させるための技術に関する。
　たとえば国際公開２０１６／０６３７５９号明細書（特許文献１）および国際公開２０１６／０６７９６９号明細書（特許文献２）に開示されているように、アンテナ素子と、当該アンテナ素子へ高周波信号を供給する高周波素子とを一体化したモジュールとして形成したアンテナモジュールが知られている。
　特許文献１および特許文献２に開示されたアンテナモジュールにおいては、外部機器が実装される外部基板と接続するために、当該アンテナモジュールと外部基板との間に、複数の接地導体柱および複数の信号用導体柱が設けられる。そして、高周波素子およびアンテナ素子が実装される誘電体基板内に接地層が設けられるとともに、高周波素子の周囲を取り囲むように、誘電体基板の外周に沿って複数の接地導体柱が配置される。このような接地層および接地導体柱の配置によって、高周波素子から生じる不要輻射をシールドすることが可能とされている。
国際公開２０１６／０６３７５９号明細書 国際公開２０１６／０６７９６９号明細書
　上記のようなアンテナモジュールにおいて、モジュール外部の機器から当該アンテナモジュールに伝達される入力信号の周波数帯と、アンテナ素子から放射される出力信号の周波数帯とが重複するように設定される場合がある。
　アンテナモジュールの入力端子として設けられる信号用導体柱は、一般的には入力信号を通過させやすい寸法・形状に設計される。そのため、アンテナ素子から放射される出力信号の周波数帯がアンテナモジュールに入力される入力信号の周波数帯と同じ場合、アンテナ素子から放射される出力信号も、入力端子である信号用導体柱によって受信されやすくなってしまう。そうすると、出力信号の一部が入力信号としてアンテナモジュールに入力されて信号の帰還ループが形成されるため、出力信号においてノイズが発生したり、出力信号の発振が生じたりするおそれがある。
　また、入力信号と出力信号の周波数帯が重複していない場合であっても、出力信号と信号用導体柱が電界結合すると、予期せずにアンテナ出力にゲインがあった場合には、アンテナ出力の周波数帯において出力信号が発振する可能性がある。
　本発明は、上記の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、高周波素子とアンテナ素子とを備えたアンテナモジュールにおいて、アンテナ素子と入力端子との間のアイソレーション特性を向上させることである。
　本発明に従うアンテナモジュールは、第１の面および第２の面を含む誘電体基板と、第１の面に形成された少なくとも１つのアンテナと、高周波素子と、少なくとも１つの信号端子とを備える。高周波素子は、少なくとも１つのアンテナに高周波信号を供給するように構成される。少なくとも１つの信号端子は、導電材料を用いて柱状に形成されており、誘電体基板に設けられた配線パターンを介して高周波素子に接続されている。少なくとも１つの信号端子は、少なくとも１つのアンテナから放射される出力信号の励振方向に生じる励振領域の範囲外に配置される。
　好ましくは、少なくとも１つの信号端子に印加される入力信号の周波数帯と、出力信号の周波数帯とは、少なくとも一部が重なっている。
　好ましくは、高周波素子は、少なくとも１つの信号端子に印加される入力信号を増幅してアンテナに供給するように構成された増幅器を含む。
　好ましくは、高周波素子は前記第２の面に実装されており、少なくとも１つの信号端子は前記第２の面から突出している。アンテナモジュールは、第２の面から突出し、導電材料を用いて柱状に形成された複数の接地端子をさらに備える。複数の接地端子は、誘電体基板を平面視した場合に、誘電体基板の外周の少なくとも一部に沿って、高周波素子を取り囲むように配置される。
　好ましくは、複数の接地端子は、誘電体基板を平面視した場合に、誘電体基板の外周の少なくとも一部に沿って複数列配置される。少なくとも１つの信号端子は、最外周の接地端子列よりも内側に配置される。
　好ましくは、少なくとも１つの信号端子は、誘電体基板を平面視した場合に、複数の接地端子によって取り囲まれるように配置される。
　好ましくは、アンテナモジュールは、第２の面に配置され、高周波素子および少なくとも１つの信号端子を埋め込む封止樹脂層をさらに備える。
　好ましくは、出力信号の周波数帯は６０ＧＨｚ帯である。少なくとも１つの信号端子の高さは、出力信号の波長の１／８倍以上１倍以下の範囲内に設定される。
　好ましくは、出力信号の周波数帯は６０ＧＨｚ帯である。少なくとも１つの信号端子は円柱状に形成されており、その底面の直径は、出力信号の波長の１／８倍以上１倍以下の範囲内に設定される。
　好ましくは、励振領域は、少なくとも１つのアンテナを励振方向に投影した領域である。
　本発明によれば、高周波素子とアンテナ素子とを備えたアンテナモジュールにおいて、アンテナ素子の励振方向に生じる励振領域の範囲外に、モジュールへの入力信号を受ける信号端子が配置される。これによって、アンテナ素子から放射された出力信号と信号端子との電界結合が抑制される。したがって、アンテナ素子と入力端子との間のアイソレーション特性の低減を抑制することができる。
本実施の形態に従うアンテナモジュールのブロック図である。 本実施の形態に従うアンテナモジュールの上面図である。 図２の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底面図である。 アンテナ素子と信号端子との位置関係を説明するための図である。 アイソレーション特性についての各シミュレーションにおける信号端子の配置を説明するための図である。 図６（Ｃ）の場合の、外部基板との接続例を説明するための図である。 図６の信号端子の配置におけるアイソレーション特性のシミュレーション結果を示す図である。
　以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰り返さない。
　図１は、本実施の形態に従うアンテナモジュール１００の機能を説明するための機能ブロック図である。アンテナモジュール１００は、複数のアンテナ素子（以下、単に「アンテナ」とも称する。）１１０と、当該複数のアンテナ１１０に接続される高周波素子（以下、「ＲＦＩＣ（Radio　Frequency　Integrated　Circuit）」とも称する。）１２０と、ＲＦＩＣ１２０に電源を供給する電源部１３０とを含む。アンテナモジュール１００は、外部に設けられた主機器２００から伝達される信号を受けて、アンテナ１１０から放射するとともに、アンテナ１１０で受信した信号を主機器２００に伝達する。
　複数のアンテナ１１０の各々は、電波を放射する放射素子、および電波を受信する受信素子として動作する。本実施の形態においては、図２で後述するように、複数のアンテナ１１０はマトリクス状に配置され、フェーズドアレイを構成する。
　ＲＦＩＣ１２０は、複数のアンテナ１１０に対してそれぞれ設けられるスイッチ１２１と、受信用ローノイズアンプ１２２と、送信用パワーアンプ１２３とを含む。また、ＲＦＩＣ１２０は、主機器２００に接続され、受信経路ＲＸと送信経路ＴＸとを切換えるためのスイッチ１２４と、アンテナ１１０において受信された受信信号を集約するための信号合成器（コンバイナ）１２５と、スイッチ１２４からの送信信号を各アンテナ１１０に分配するための信号分波器（スプリッタ）１２６とをさらに含む。ＲＦＩＣ１２０、たとえば、上記の機器を含む１チップの集積回路部品として形成される。
　アンテナ１１０の各々は、対応するスイッチ１２１を介して、受信用ローノイズアンプ１２２および送信用パワーアンプ１２３の一方に選択的に接続される。受信用ローノイズアンプ１２２は、アンテナ１１０で受信した受信信号を低雑音で増幅する。受信用ローノイズアンプ１２２の出力は、コンバイナ１２５で集約されて、スイッチ１２４を介して主機器２００に出力される。送信用パワーアンプ１２３は、スプリッタ１２６で分配された主機器２００からの入力信号を増幅する。送信用パワーアンプ１２３の出力は、スイッチ１２１を介してアンテナ１１０へ伝達され、アンテナ１１０から放射される。なお、図１においては、受信用ローノイズアンプ１２２および送信用パワーアンプ１２３などの増幅器がＲＦＩＣ１２０内に形成される例を示しているが、これらの増幅器はＲＦＩＣ１２０の外部の回路として形成されていてもよい。また、これらの増幅器の少なくとも一方が設けられない構成であってもよい。
　電源部１３０は、主機器２００から供給された電源および信号から、ＲＦＩＣ１２０を駆動するための電源電圧を生成する。
　次に、図２～図４を用いて、アンテナモジュール１００の構成について説明する。図２は、アンテナモジュール１００の平面図（上面図）であり、また、図３は、図２および図４における一点鎖線ＩＩＩ－ＩＩＩにおける断面図を示す。図４はアンテナモジュール１００の底面図を示す。
　図２を参照して、アンテナモジュール１００は、誘電体基板１０２の上面において、図２のＸ方向にｍ個、Ｙ方向にｎ個（ｍ，ｎは２以上の整数）のアンテナ１１０がマトリクス状に配置されており、これらの複数のアンテナ１１０によってフェーズドアレイが構成される。図２においては、３×３個（ｍ＝３，ｎ＝３）のアンテナ１１０が配置された構成を例として説明するが、アンテナ１１０の数はこれに限定されない。また、本実施の形態は、アンテナ１１０が１つの場合にも適用可能である。アンテナ１１０として、基板の法線方向に指向性を持つ平面形状のパッチアンテナを用いることができる。
　図３の断面図を参照して、誘電体基板１０２は、誘電体の内部に複数の導体パターンが層状に形成された多層基板である。なお、誘電体基板１０２として、たとえば、低温同時焼成セラミックス（Low　Temperature　Co-fired　Ceramics：ＬＴＣＣ）基板、プリント基板等を用いることができる。誘電体基板１０２の上面（第１の面）１１６には、複数のアンテナ１１０が配置される。誘電体基板１０２の下面（第２の面）１１８には、ＲＦＩＣ１２０および電源部１３０が実装されている。
　アンテナ１１０は、導体層１１２を介してＲＦＩＣ１２０に接続される。導体層１１２には、たとえばコンデンサやコイルが形成されており、アンテナ１１０の共振周波数の調整やインピーダンスマッチングが行なわれる。なお、アンテナ１１０に導体層１１２の機能が含まれている場合には、アンテナ１１０とＲＦＩＣ１２０とを配線パターンにより直接接続してもよい。また、誘電体基板１０２は、接地層１１４を含む。
　誘電体基板１０２の下面１１８には、複数の接地端子１４１および少なくとも１つの信号端子１４２が設けられる。接地端子１４１および信号端子１４２は、導電材料で柱状に形成されており、誘電体基板１０２の下面１１８から突出するように配置されている。誘電体基板１０２は、これらの接地端子１４１および信号端子１４２により、外部の主機器２００（図１）が実装される実装基板２１０に電気的に接続される。外部の主機器２００は、たとえば、ＣＰＵやベースバンド集積回路素子等（いずれも図示せず）であり、実装基板２１０の表面および内部に形成された導体パターンによってアンテナモジュール１００と接続される。
　信号端子１４２は、誘電体基板１０２内の配線パターンを介して、ＲＦＩＣ１２０と接続される。また、信号端子１４２は、実装基板２１０の表面に形成された信号用の導体パターンＳＩＧに接続される。
　接地端子１４１は、誘電体基板１０２内の配線パターンを介して接地層１１４と接続される。また、接地端子１４１は、実装基板２１０内の配線パターンを介して、実装基板２１０内部の接地パターンＧＮＤに接続される。
　ＲＦＩＣ１２０、電源部１３０、接地端子１４１、および信号端子１４２は、封止樹脂によりモールドすることによって、封止樹脂層１０４を形成するようにしてもよい。封止樹脂としては、たとえば、エポキシ樹脂、シアネート樹脂等の熱硬化性樹脂が用いられる。封止樹脂層１０４を形成することによって、誘電体基板１０２に実装される機器（ＲＦＩＣ１２０，電源部１３０等）を保護するができるとともに、ＲＦＩＣ１２０等の放熱性を高めることができる。
　図４の底面図を参照して、封止樹脂層１０４の底面から、接地端子１４１および信号端子１４２の下端が露出している。接地端子１４１および信号端子１４２は、誘電体基板１０２を平面視した場合に、誘電体基板１０２の外周の少なくとも一部に沿って、誘電体基板１０２の外周よりやや内側に配置される。ＲＦＩＣ１２０および電源部１３０は、接地端子１４１および信号端子１４２よりも内側、すなわち誘電体基板１０２の中央方向の位置に配置される。言い換えれば、接地端子１４１および信号端子１４２は、ＲＦＩＣ１２０および電源部１３０を取り囲むように配置される。
　外部の主機器２００（図１）から送信された信号は、信号端子１４２を経由してＲＦＩＣ１２０に伝達され、ＲＦＩＣ１２０によってアンテナ１１０が駆動されることによって放射される。
　信号端子１４２は、通過する信号の減衰を抑制するために、一般的には主機器２００から送信される信号の周波数帯が通過しやすい寸法に設計される。主機器２００からの入力信号の実効波長をλとした場合、信号端子１４２の直径および高さ（図３中のＺ方向の長さ）は、実効波長の１／８倍以上１倍以下（λ／８～λ）の範囲に設定され、好ましくは１／４倍（λ／４）あるいは１／８倍（λ／８）とされる。ここで、「実効波長」とは、着目している領域の誘電率を考慮した実際の波長を意味する。
　上記のようなアンテナモジュールにおいては、従来、アンテナから放射される出力信号の周波数帯を、主機器からの入力信号の周波数帯とは異なった周波数帯とする手法が採用される場合、および、アンテナから放射される出力信号の周波数帯と、アンテナモジュールが外部機器から受ける入力信号の周波数帯とを同じあるいは少なくとも一部が重なった周波数帯とする場合がある。
　たとえば、携帯端末用の無線基地局間通信においては、高伝送レートを実現するために、多数のスモールセル基地局を敷設することが必要とされている。これらのスモールセル基地局の敷設コストを削減するために、基地局間の通信について、従来の光ファイバーによる有線通信に代えて６０ＧＨｚ帯のミリ波無線通信を用いて行なうことが検討されている。この場合、各基地局においては、受信信号の周波数帯と送信信号の周波数帯とがともに６０ＧＨｚ帯の信号であるため、機器の簡素化および信号処理時間の短縮化の観点から、アンテナモジュールと主機器間の信号についても、６０ＧＨｚ帯の信号をそのまま使用することが考えられる。
　そして、アンテナモジュールと主機器間の信号について、６０ＧＨｚ帯の信号をそのまま使用する場合、アンテナモジュールと主機器との間で信号を伝達する信号端子は、主機器からの入出力信号を通過させやすい寸法とする必要があるため、結果として、アンテナから放射された出力信号も通過しやすくなってしまう。そうすると、信号端子が受信アンテナとしても作用することとなり、アンテナから放射された出力信号の一部が信号端子によって受信されて、アンテナと信号端子との間で帰還ループが生じる場合がある。信号端子によって受信された出力信号は、アンテナから出力すべき信号に対してノイズとなったり、図１のようにＲＦＩＣに送信用パワーアンプが搭載されている場合には、出力信号が発振してしまう可能性がある。
　そのため、アンテナからの出力信号の周波数帯とアンテナモジュールへの入力信号の周波数帯とが重複する場合には、アンテナからの出力信号と信号端子とのアイソレーションを確保することが必要とされる。
　また、アンテナからの出力信号の周波数帯とアンテナモジュールへの入力信号の周波数帯とが重複しない場合であっても、出力信号と信号端子との電界結合が生じてしまうと、アンテナ出力の周波数帯において、予期せずにアンテナ出力にゲインがあった場合には、出力信号が発振する可能性がある。
　本実施の形態においては、上述したように、アンテナ素子として平面形状のパッチアンテナを採用している。パッチアンテナは、ＲＦＩＣからの給電位置に応じて、放射される電磁界の励振方向が異なる。励振方向においては、放射される電磁界の変動が他の方向に比べて大きくなるため、この励振方向に信号端子が設けられると、出力信号と信号端子との電界結合が生じやすくなる。
　そこで、本実施の形態においては、アンテナ１１０の励振方向に重ならないように信号端子１４２を配置することによって、アンテナ１１０からの出力信号と入力信号を受ける信号端子１４２との電界結合を抑制し、アイソレーション特性を確保する構成を採用する。
　図５は、アンテナ１１０からの出力信号の励振方向と信号端子１４２との位置関係を説明するための図である。図５においては、複数のアンテナ１１０のうちの１つについて代表的に説明する。
　図５を参照して、図５においては正方形のパッチアンテナが例として示されている。このようなアンテナに１１０おいては、アンテナ１１０の法線方向（図５中のＺ方向）に指向性を有する出力信号が放射される。このとき、アンテナ１１０への給電点の位置によって、出力信号の励振方向（偏波方向）が異なる。
　たとえば、図５中のＰＳ１の位置に給電点を設けた場合には、振幅方向が図５中の実線矢印ＡＲ１の方向（Ｘ軸方向）となるような偏波信号が放射される。また、給電点が図５中のＰＳ２の位置に設けられた場合には、振幅方向が破線矢印ＡＲ２の方向（Ｙ軸方向）となるような偏波信号が放射される。
　励振方向が矢印ＡＲ１の場合には、当該矢印方向（Ｘ軸方向）にアンテナ１１０を投影した領域（励振領域）ＲＧＮ１において電界強度が大きくなる。そのため、この励振領域ＲＧＮ１に信号端子１４２が配置されていると、アンテナ１１０から放射される出力信号との電界結合が生じやすくなり、出力信号と信号端子１４２とのアイソレーション特性が低下する可能性がある。したがって、当該励振領域ＲＮＧ１の範囲外に信号端子１４２を配置することによって、出力信号と信号端子１４２とのアイソレーション特性の低下を抑制することができる。
　励振方向が矢印ＡＲ２の場合には、励振領域は図５中の領域ＲＮＧ２となるため、当該領域ＲＮＧ２の範囲外となるように信号端子１４２を配置する。なお、出力信号の励振方向は、給電点の位置や数によっては、たとえば図５のアンテナ１１０の対角線方向になることもある。また、パッチアンテナの形状によっても励振方向は異なり得る。したがって、パッチアンテナの形状および給電点の位置から定まる励振方向を考慮して、励振領域の範囲外に信号端子１４２を配置するように設計することが好ましい。
　次に、図６および図８を用いて、アンテナ１１０に対する信号端子１４２の配置、および接地端子１４１の配置を変更した場合の、出力信号と信号端子とのアイソレーション特性をシミュレーションした結果について説明する。図６は、アイソレーション特性の各シミュレーションにおける信号端子１４２の配置を説明するための図である。図６においては、１列分のアンテナ１１０が記載されており、アンテナ１１０の給電点は図５におけるＰＳ１の位置としている。したがって、図６（Ａ）～図６（Ｅ）のいずれにおいても、励振方向は図６の矢印の方向となる。
　図６（Ａ）～図６（Ｄ）は、信号端子１４２がアンテナ１１０の励振領域内にある場合において、接地端子１４１の配置を変更したものである。より具体的には、図６（Ａ）は、接地端子１４１がアンテナモジュール１００の外周１４５に沿って２列に配置され、信号端子１４２が最外周の接地端子列に配置された構成となっている。なお、内側の接地端子列は、ＲＦＩＣ１２０等の内側に配置された機器からの電磁界放射（スプリアス）を遮断するために配置されている。
　図６（Ｂ），（Ｃ）は、２列の接地端子列のうちの内側の接地端子列に信号端子１４２を設けたものである。図６（Ｂ）は当該信号端子１４２の外周側には接地端子１４１が設けられていない場合である。図６（Ｃ）は、アンテナモジュール１００の外部からの影響を低減するために、信号端子１４２の外周側に接地端子１４１が設けられた場合である。
　なお、図６（Ｃ）（および以降の図６（Ｄ），（Ｅ））のように、接地端子１４１が最外周の接地端子列よりも内側に配置され、かつ信号端子１４２の外周側に接地端子１４１が配置される場合には、図７の実装基板２１０Ａに示されるように、接地パターンＧＮＤが基板表面に形成され、信号用の導体パターンＳＩＧが基板内部に形成される。
　図６（Ｄ）は、図６（Ｃ）の配置に対してＲＦＩＣ１２０等のモジュール内部の機器からのスプリアスの影響を低減するために、さらに内側の接地端子列を設けた場合である。この場合、信号端子１４２を取り囲むように接地端子１４１が配置されている。図６（Ｅ）は、図６（Ｄ）の配置に対して、信号端子１４２がアンテナ１１０の励振領域の範囲外となるように配置した場合である。
　図８は、図６（Ａ）～図６（Ｅ）の各信号端子の配置について、アンテナモジュール１００への入力信号およびアンテナ１１０からの出力信号の周波数を６０ＧＨｚとした場合の、アンテナ１１０と信号端子１４２との間のアイソレーション特性をシミュレーションした結果を示す図である。図８においては、横軸には６０ＧＨｚ帯付近の周波数（５５～７０ＧＨｚ）が示されており、縦軸にはアイソレーション特性を示すＳ値（ｄＢ）が示されている。なお、図８において、曲線ＬＮＡ～ＬＮＥは、それぞれ図６（Ａ）～図６（Ｅ）の場合のシミュレーション結果に対応している。
　図８を参照して、まず曲線ＬＮＡ～ＬＮＣを比較すると、信号端子１４２が最外周の接地端子列に配置される場合（曲線ＬＮＡ）よりも、内側の接地端子列に配置される場合（曲線ＬＮＢ，ＬＮＣ）の方が、約１５～２０ｄＢ程度アイソレーション特性が向上している。また、信号端子１４２の外周側にも接地端子１４１を配置した場合（曲線ＬＮＣ）には、曲線ＬＮＢに比べて、さらに約５～２０ｄＢ程度アイソレーション特性が向上している。
　信号端子１４２のさらに内側に接地端子列を配置した場合（曲線ＬＮＤ）は、全体としては曲線ＬＮＣの場合とほぼ同等のアイソレーション特性となっているが、６０ＧＨｚ付近で５ｄＢ程度の改善が図られている。このことから、アンテナ１１０から放射される信号の影響が、ＲＦＩＣ１２０から放射される信号の影響に比べて大きいことがわかる。また、信号端子１４２を取り囲むように接地端子１４１を配置することで、ＲＦＩＣ１２０からの影響を低減できることがわかる。
　次に、信号端子１４２がアンテナ１１０の励振領域内に配置される場合（曲線ＬＮＤ）と、励振領域外に配置される場合（曲線ＬＮＥ）におけるアイソレーション特性を比較すると、信号端子１４２がアンテナ１１０の励振領域外に配置することによって、さらに約１０～１５ｄＢ程度のアイソレーション特性が向上していることがわかる。
　以上のシミュレーション結果からわかるように、入力信号および出力信号に同じ周波数の信号を用いた場合において、信号端子１４２の周囲に接地端子１４１を配置することによって、アンテナ１１０およびＲＦＩＣ１２０から放射される信号による信号端子１４２への影響を抑制することができる。さらに、信号端子１４２をアンテナ１１０の励振領域の範囲外となるように配置することによって、アイソレーション特性を向上することができる。
　なお、上述した実施の形態においては、ＲＦＩＣ１２０が誘電体基板１０２の下面１１８に実装される例について説明したが、ＲＦＩＣ１２０は、アンテナ１１０が実装される上面１１６に実装されてもよい。また、信号端子１４２についても、上面１１６から突出するように形成されてもよいし、誘電体基板１０２の側面から形成されてもよい。このような場合であっても、アンテナ１１０の励振領域の範囲外となるように信号端子１４２を配置することによって、上記のシミュレーションと同様に、出力信号と入力端子間のアイソレーション特性を向上することができる。
　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。本発明の範囲は上記した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。
　１００　アンテナモジュール、１０２　誘電体基板、１０４　封止樹脂層、１１０　アンテナ、１１２　導体層、１１４　接地層、１１６　上面、１１８　下面、１２０　ＲＦＩＣ、１２１，１２４　スイッチ、１２２　受信用ローノイズアンプ、１２３　送信用パワーアンプ、１２５　コンバイナ、１２６　スプリッタ、１３０　電源部、１４１　接地端子、１４２　信号端子、１４５　外周、２００　主機器、２１０，２１０Ａ　実装基板、ＧＮＤ　接地パターン、ＰＳ１，ＰＳ２　給電点、ＲＧＮ１，ＲＮＧ１　励振領域、ＲＸ　受信経路、ＳＩＧ　導体パターン、ＴＸ　送信経路。

Claims (10)

  1. 　第１の面および第２の面を含む誘電体基板と、
    　前記第１の面に形成された少なくとも１つのアンテナと、
    　前記少なくとも１つのアンテナに高周波信号を供給するように構成された高周波素子と、
    　導電材料を用いて柱状に形成された少なくとも１つの信号端子とを備え、
    　前記少なくとも１つの信号端子は、前記誘電体基板に設けられた配線パターンを介して前記高周波素子に接続されており、
    　前記少なくとも１つの信号端子は、前記少なくとも１つのアンテナから放射される出力信号の励振方向に生じる励振領域の範囲外に配置される、アンテナモジュール。
  2. 　前記少なくとも１つの信号端子に印加される入力信号の周波数帯と、前記出力信号の周波数帯とは、少なくとも一部が重なっている、請求項１に記載のアンテナモジュール。
  3. 　前記高周波素子は、前記少なくとも１つの信号端子に印加される入力信号を増幅して前記アンテナに供給するように構成された増幅器を含む、請求項１または２に記載のアンテナモジュール。
  4. 　前記高周波素子は、前記第２の面に実装されており、
    　前記少なくとも１つの信号端子は、前記第２の面から突出しており、
    　前記アンテナモジュールは、
    　前記第２の面から突出し、導電材料を用いて柱状に形成された複数の接地端子をさらに備え、
    　前記複数の接地端子は、前記誘電体基板を平面視した場合に、前記誘電体基板の外周の少なくとも一部に沿って、前記高周波素子を取り囲むように配置される、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. 　前記複数の接地端子は、前記誘電体基板を平面視した場合に、前記誘電体基板の外周の少なくとも一部に沿って複数列配置され、
    　前記少なくとも１つの信号端子は、最外周の接地端子列よりも内側に配置される、請求項４に記載のアンテナモジュール。
  6. 　前記少なくとも１つの信号端子は、前記誘電体基板を平面視した場合に、前記複数の接地端子によって取り囲まれるように配置される、請求項５に記載のアンテナモジュール。
  7. 　前記第２の面に配置され、前記高周波素子および前記少なくとも１つの信号端子を埋め込む封止樹脂層をさらに備える、請求項３～６のいずれか１項に記載のアンテナモジュール。
  8. 　前記出力信号の周波数帯は６０ＧＨｚ帯であり、
    　前記少なくとも１つの信号端子の高さは、前記出力信号の波長の１／８倍以上１倍以下の範囲内に設定される、請求項１～７のいずれか１項に記載のアンテナモジュール。
  9. 　前記出力信号の周波数帯は６０ＧＨｚ帯であり、
    　前記少なくとも１つの信号端子は円柱状に形成されており、
    　前記少なくとも１つの信号端子の底面の直径は、前記出力信号の波長の１／８倍以上１倍以下の範囲内に設定される、請求項１～７のいずれか１項に記載のアンテナモジュール。
  10. 　前記励振領域は、前記少なくとも１つのアンテナを前記励振方向に投影した領域である、請求項１に記載のアンテナモジュール。
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