WO2020017116A1

WO2020017116A1 - アンテナ装置、アンテナモジュール、およびそれに用いられる回路基板

Info

Publication number: WO2020017116A1
Application number: PCT/JP2019/016088
Authority: WO
Inventors: 尾仲　健吾; 薫須藤; 弘嗣森
Original assignee: 株式会社村田製作所
Priority date: 2018-07-20
Filing date: 2019-04-15
Publication date: 2020-01-23
Also published as: CN110933957B; CN110933957A

Abstract

アンテナ装置（１２０）は、筐体（３００）内に収納されている。アンテナ装置（１２０）は、接地層（ＧＮＤ）を含む複数の層が積層された誘電体基板（１３０）と、給電素子（１２１）と、無給電素子（１２２）と、給電線（１４０）と、誘電体基板（１３０）に配置された導電部材（１６０）とを備える。給電素子（１２１）は筐体（３００）の内部または表面に配置され、無給電素子（１２２）は誘電体基板（１３０）に配置される。給電線（１４０）は、誘電体基板（１３０）において無給電素子（１２２）が配置される層と接地層（ＧＮＤ）との間の層に配置され、高周波信号を伝達する。導電部材（１６０）は、誘電体基板（１３０）を筐体（３００）に取付けたときに、給電線（１４０）と給電素子（１２１）とを電気的に接続して、高周波信号を給電素子（１２１）に供給をする。

Description

アンテナ装置、アンテナモジュール、およびそれに用いられる回路基板

　本開示はアンテナ装置、アンテナモジュールおよびそれに用いられる回路基板に関し、より特定的には、アンテナ装置が収納される筐体の影響を低減するためのアンテナ装置の構造に関する。

　アンテナ装置の広帯域化を実現するために、給電素子から離れた位置に無給電素子を配置する構成が知られている。

　特開２０１２－２３５３５１号公報（特許文献１）には、パッチアンテナが配置された多層基板をハウジングに固定したアンテナ装置が開示されている。特許文献１のアンテナ装置においては、ハウジングの開口部を覆うカバー上のパッチアンテナに対向する位置に、当該パッチアンテナから離間して無給電素子が形成されている。

特開２０１２－２３５３５１号公報

　特開２０１２－２３５３５１号公報（特許文献１）に開示されたアンテナ装置においては、パッチアンテナが配置された多層基板とカバーとの間には空間が形成されている。そのため、パッチアンテナから放射された電波は、無給電素子を励振する一方で、一部の電波はカバーによって反射される。反射された電波はパッチアンテナから放射された電波と干渉する場合があり、それによって所望のアンテナ特性が得られない場合が生じ得る。

　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、筐体内部に配置されたアンテナ装置において、給電素子から放射された電波の筐体による反射を低減することによって、アンテナ特性の悪化を抑制することである。

　本開示にかかるアンテナ装置は、筐体内に収納されている。アンテナ装置は、接地層を含む複数の層が積層された誘電体基板と、第１および第２放射素子と、高周波信号を伝達する給電線と、誘電体基板に配置された導電部材とを備える。第１放射素子は、筐体の内部または表面に配置される。第２放射素子は誘電体基板に配置される。給電線は、誘電体基板において第２放射素子が配置される層と接地層との間の層に配置される。導電部材は、誘電体基板を筐体に取付けたときに、給電線と第１放射素子とを電気的に接続して、高周波信号を第１放射素子に供給をするように構成される。

　本開示に係るアンテナ装置によれば、第１放射素子（給電素子）が筐体に設けられ、当該給電素子に対して給電線からの高周波信号が導電部材を介して供給される。そのため、給電素子から放射される電波が筐体によって反射されることが抑制される。したがって、反射した電波によってアンテナ特性が悪化することを抑制できる。

実施の形態に係るアンテナ装置が適用される通信装置のブロック図である。図１のアンテナモジュールの断面図である。アンテナアレイとして形成されたアンテナ装置の断面図である。図３のアンテナ装置の実装例の斜視図である。変形例１に係るアンテナ装置の断面図である。変形例２に係るアンテナ装置の第１の例の断面図である。変形例２に係るアンテナ装置の第２の例の断面図である。

　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。

　［通信装置の基本構成］
　図１は、本実施の形態１に係るアンテナ装置１２０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、アンテナ装置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装置１２０から放射するとともに、アンテナ装置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、アンテナ装置１２０を構成する複数の給電素子１２１のうち、４つの給電素子１２１に対応する構成のみ示され、同様の構成を有する他の給電素子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、給電素子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、それぞれ異なる給電素子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、アンテナ装置１２０の指向性を調整することができる。

　各給電素子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における各給電素子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、対応する給電素子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を用いて、アンテナモジュール１００のより詳細な構造について説明する。図２を参照して、アンテナ装置１２０は、給電素子１２１に加えて、回路基板１２５を含む。回路基板１２５は、無給電素子１２２と、誘電体基板１３０と、給電線１４０と、導電部材１６０と、電極パッド１６５と、コネクタ１７０と、接地電極ＧＮＤとを含む。給電素子１２１は通信装置１０の筐体３００に配置されており、回路基板１２５を筐体３００に取付けることによって、アンテナ装置１２０が形成される。

　なお、図２および後述する図５～図７においては、説明を容易にするために、アンテナ装置１２０に給電素子１２１が１つだけ配置される場合について説明するが、図１および図３のアンテナ装置１２０Ａに示されるように、複数の給電素子１２１が配置される構成であってもよい。また、給電素子１２１および無給電素子１２２を包括して「放射素子」とも称する場合がある。

　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）、フッ素系樹脂、あるいは低温同時焼成セラミックス（ＬＴＣＣ：Low　Temperature　Co-fired　Ceramics）などで形成されてもよい。さらに、誘電体基板１３０は可撓性を有するフレキシブル基板であってもよい。

　誘電体基板１３０は、通信装置１０の筐体３００に、両面テープあるいはボルトなどの締結部材によって取付けられる。筐体３００は、たとえばＡＢＳ（Acrylonitrile　Butadiene　Styrene），ポリカーボネートのような樹脂またはガラスなどの絶縁材料で形成されている。誘電体基板１３０の筐体３００とは反対側の面に、接地電極（接地層）ＧＮＤが形成される。なお、接地電極ＧＮＤは、誘電体基板１３０の内部に形成されてもよい。

　給電素子１２１は、通信装置１０の筐体３００に形成された凹部に配置される。筐体３００に形成された凹部に対向する誘電体基板１３０の部分にも凹部が形成されている。誘電体基板１３０の凹部には、電極パッド１６５が形成される。電極パッド１６５には、誘電体基板１３０内に形成された給電線１４０が電気的に接続されている。給電線１４０は、ＲＦＩＣ１１０から供給された高周波信号を電極パッド１６５へと伝達する。

　電極パッド１６５と給電素子１２１との間には導電部材１６０が配置されている。導電部材１６０は、たとえば、ばね端子あるいは導電性エラストマーのような弾性力を生じる部材であり、回路基板１２５を筐体３００に取付けた場合に、給電素子１２１を所定の弾性力により押圧するように構成される。導電部材１６０が給電素子１２１に押し付けられて電気的に接続されることによって、ＲＦＩＣ１１０からの高周波信号が給電素子１２１に供給される。

　無給電素子１２２は、誘電体基板１３０の内部において、アンテナ装置１２０を平面視した場合に、給電素子１２１と少なくとも一部が重なる位置に形成される。給電線１４０は、誘電体基板１３０において、無給電素子１２２と接地電極ＧＮＤとの間の層を経由し、無給電素子１２２に形成された貫通孔を通って電極パッド１６５へと至る。

　なお、給電線１４０でなく、導電部材１６０が無給電素子１２２を貫通するように構成することも可能である。ただし、給電線１４０によって無給電素子１２２を貫通させる場合の方が、無給電素子１２２に形成される貫通孔の径がより小さくすることができるので、無給電素子１２２の放射特性への影響をより小さくできるという利点がある。

　無給電素子１２２のサイズは、給電素子１２１のサイズよりも大きい。このようにすることで、給電素子１２１とは異なる周波数帯域の電波を無給電素子１２２から放射することができる。すなわち、アンテナ装置をデュアルバンド対応とすることができる。

　なお、一般的に、放射素子のサイズが小さいほど、放射素子の共振周波数は高くなる。すなわち、給電素子１２１の共振周波数は、無給電素子１２２の共振周波数よりも高くなる。したがって、給電素子１２１から放射される電波の周波数の方が、無給電素子１２２から放射される電波の周波数よりも高くなる。

　コネクタ１７０は、誘電体基板１３０の接地電極ＧＮＤ側の表面に配置される。コネクタ１７０は、実装基板１８０に搭載されたコネクタ１７５に接続可能に構成されている。

　ＲＦＩＣ１１０は、はんだバンプなどの接続部材によって、実装基板１８０の表面に実装されている。ＲＦＩＣ１１０からの高周波信号は、実装基板１８０の内部に形成された給電線１９０を介してコネクタ１７５に電気的に接続される。コネクタ１７０とコネクタ１７５とを接続することにより、アンテナ装置１２０の給電線１４０と実装基板１８０の給電線１９０との電気的接続が可能となり、ＲＦＩＣ１１０から給電素子１２１へ高周波信号が供給される。

　アンテナ装置においては、多くの場合、電波を放射する給電素子が誘電体基板に形成される。そして、たとえば特開２０１２－２３５３５１号公報（特許文献１）に開示されるように、給電素子と機器の筐体との間に空間が設けられるように配置される場合がある。このようなアンテナ装置においては、給電素子から放射された電波の一部は筐体によって反射される。そのため、給電素子から放射された電波と筐体によって反射された電波が干渉してしまい、それによって所望のアンテナ特性が得られない場合が生じる可能性がある。

　本実施の形態に係るアンテナ装置においては、通信装置の筐体に給電素子が配置され、誘電体基板に配置された導電部材を用いて、ＲＦＩＣからの高周波信号が給電素子に供給される。給電素子が筐体に直接配置されているため、給電素子と筐体との間に空間が形成される場合に比べて、給電素子から放射される電波の筐体による反射を低減することができる。これにより、筐体からの反射によってアンテナ特性が悪化してしまうことを抑制できる。

　（アレイ構造）
　図３は、アンテナアレイとして形成されたアンテナ装置１２０Ａの断面図である。アンテナ装置１２０Ａにおいては、筐体３００に複数の給電素子１２１Ａ～１２１Ｄが配置され、回路基板１２５Ａの誘電体基板１３０に、それに対応する複数の無給電素子１２２Ａ～１２２Ｄが形成されている。給電素子と無給電素子とのペアで形成される各アンテナは、図２で説明した給電素子１２１と無給電素子１２２とのペアで形成されるアンテナの構成と同じである。

　すなわち、給電素子１２１Ａには、給電線１４０Ａ、電極パッド１６５Ａ、および導電部材１６０Ａを介して、ＲＦＩＣ１１０からの高周波信号が供給される。同様に、給電素子１２１Ｂ～１２１Ｄには、対応する給電線１４０Ｂ～１４０Ｄ、電極パッド１６５Ｂ～１６５Ｄ、および導電部材１６０Ｂ～１６０Ｄを介して、ＲＦＩＣ１１０からの高周波信号が供給される。給電線１４０Ａ～１４０Ｄの各々は、対応する無給電素子１２２Ａ～１２２Ｄに形成された貫通孔を通って、対応する電極パッド１６５Ｂ～１６５Ｄに接続される。

　図４は、図３で示したアンテナ装置１２０Ａの実装例の斜視図である。図４を参照して、アンテナ装置１２０Ａの例においては、回路基板１２５Ａの誘電体基板１３０は、直線状の第１部分１３１と当該第１部分１３１の端部から突出した第２部分１３２とを有する略Ｌ字状に形成された平板について、第２部分１３２が第１部分１３１から折り曲げられた形状とされている。第１部分１３１の内部の層には、無給電素子１２２Ａ～１２２Ｄが形成されており、無給電素子１２２Ａ～１２２Ｄのそれぞれを貫通する給電線１４０Ａ～１４０Ｄに接続された導電部材１６０Ａ～１６０Ｄが、通信装置１０の筐体３００に向かう方向に突出している。

　誘電体基板１３０の第２部分１３２の一方の面にはコネクタ１７０が配置されている。コネクタ１７０は、実装基板１８０に搭載されたコネクタ１７５に接続される。これにより、実装基板１８０に搭載されたＲＦＩＣ１１０（図４では図示せず）と回路基板１２５Ａとが電気的に接続される。

　筐体３００には、導電部材１６０Ａ～１６０Ｄに対向する部分に凹部が形成されており、その凹部の底面に、対応する給電素子１２１Ａ～１２１Ｄがそれぞれ配置されている。実装基板１８０と接続された回路基板１２５Ａを、図４の状態から矢印ＡＲ１の方向に移動させて筐体３００に取付けることによって、導電部材１６０Ａ～１６０Ｄが、それぞれに対応する給電素子１２１Ａ～１２１Ｄに電気的に接続される。このようにして、アンテナ装置１２０Ａが形成される。

　（変形例１）
　上記の図２および図３で示したアンテナ装置においては、給電素子１２１が筐体３００に形成された凹部内に配置される構成について説明した。すなわち、図２および図３においては、給電素子１２１における導電部材１６０と接触する面が、筐体３００の表面よりも筐体の内側となるように給電素子１２１が配置されていた。

　しかしながら、給電素子１２１は、必ずしも筐体３００の内部に配置されなくてもよく、図５に示される変形例１に係るアンテナ装置１２０Ｂのように、給電素子１２１が筐体３００の表面に配置される構成であってもよい。この場合、回路基板１２５Ｂにおいては、誘電体基板１３０の表面と同じレベルで給電素子１２１と導電部材１６０とが接触するように、凹部および導電部材１６０の寸法が決定される。

　（変形例２）
　上記のアンテナ装置においては、２つの異なる周波数帯域の電波を放射するデュアルバンド対応のアンテナ装置の場合について説明したが、アンテナ装置から放射される電波の周波数帯域は３つ以上であってもよい。

　図６は、変形例２に係るアンテナ装置１２０Ｃの断面図である。アンテナ装置１２０Ｃにおいては、回路基板１２５Ｃの誘電体基板１３０内に無給電素子１２２に加えて無給電素子１２３がさらに形成されている。

　無給電素子１２３は、誘電体基板１３０内において、給電素子１２１と無給電素子１２２との間に位置するように形成される。また、アンテナ装置１２０Ｃを平面視した場合に、無給電素子１２３は、給電素子１２１および無給電素子１２２の各々に対して、少なくとも一部が重なっている。

　無給電素子１２３には貫通孔が形成されており、給電線１４０が当該貫通孔を通って電極パッド１６５に接続されている。無給電素子１２３のサイズは、無給電素子１２２よりも小さく、かつ、給電素子１２１よりも大きい。このような構成とすることによって、無給電素子１２３からは、給電素子１２１から放射される電波の周波数帯域と、無給電素子１２２から放射される電波の周波数帯域との間の周波数帯域の電波が放射される。

　なお、無給電素子は、必ずしもその全体が誘電体基板１３０に取り囲まれている必要はなく、図７に示されるアンテナ装置１２０Ｄの無給電素子１２３のように、その表面が回路基板１２５Ｄの誘電体基板１３０に形成された凹部の底面に露出するように配置されていてもよい。このような配置とする場合、レーザ加工等により誘電体基板１３０の凹部を形成する際に、誘電体を除去する深さの目安として無給電素子１２３を利用することができる。

　なお、上記においては、給電素子および無給電素子から１つの偏波の電波を放射する構成について説明したが、２つの偏波を放射するものであってもよい。

　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、１２１，１２１Ａ～１２１Ｄ　給電素子、１００　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～１２０Ｄ　アンテナ装置、１２２，１２２Ａ～１２２Ｄ，１２３　無給電素子、１２５，１２５Ａ～１２５Ｄ　回路基板、１３０　誘電体基板、４０，１４０Ａ～１４０Ｄ，１９０　給電線、１６０，１６０Ａ～１６０Ｄ　導電部材、１６５，１６５Ａ　電極パッド、１７０，１７５　コネクタ、１８０　実装基板、３００　筐体、ＧＮＤ　接地電極。

Claims

　筐体内に収納されたアンテナ装置であって、
　接地層を含む複数の層が積層された誘電体基板と、
　前記筐体の内部または表面に配置された第１放射素子と、
　前記誘電体基板に配置された第２放射素子と、
　前記誘電体基板において前記第２放射素子が配置される層と前記接地層との間の層に配置され、高周波信号を供給するための給電線と、
　前記誘電体基板に配置された導電部材とを備え、
　前記導電部材は、前記誘電体基板を前記筐体に取付けたときに、前記給電線と前記第１放射素子とを電気的に接続して、高周波信号を前記第１放射素子に供給をするように構成される、アンテナ装置。
　前記第２放射素子は、前記アンテナ装置を平面視したときに前記第１放射素子と少なくとも一部が重なっている、請求項１に記載のアンテナ装置。
　前記第２放射素子は、前記導電部材よりも前記接地層に近い層に配置された無給電素子である、請求項１または２に記載のアンテナ装置。
　前記第２放射素子は、前記誘電体基板の表面に露出している、請求項１～３のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
　前記アンテナ装置は、前記第１放射素子および前記第２放射素子を含む複数の放射素子を備えており、
　前記第１放射素子は、前記複数の放射素子の中で前記接地層から最も遠い位置に配置される、請求項１～４のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
　前記第１放射素子の共振周波数は、前記第２放射素子の共振周波数よりも高い、請求項１～５のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
　前記第２放射素子には、前記給電線が通過する貫通孔が形成されている、請求項１～６のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
　前記誘電体基板において前記第２放射素子が配置される層と前記接地層との間の層に配置された第３放射素子をさらに備え、
　前記第３放射素子は無給電素子であり、前記アンテナ装置を平面視したときに前記第１放射素子および前記第２放射素子の各々と少なくとも一部が重なっている、請求項１～７のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
　前記誘電体基板は、柔軟性を有するフレキシブル基板である、請求項１～８のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
　請求項１～９のいずれか１項に記載のアンテナ装置を有するアンテナモジュールであって、
　前記アンテナ装置は、前記誘電体基板に搭載され、前記給電線に電気的に接続される第１コネクタをさらに含み、
　前記アンテナモジュールは、
　前記誘電体基板が実装される実装基板と、
　前記実装基板に搭載された給電回路と、
　前記実装基板に搭載され、前記給電回路に電気的に接続される第２コネクタとを備え、
　前記第１コネクタと前記第２コネクタとを接続することによって、前記給電回路から前記給電線を通して前記第１放射素子に高周波信号が供給される、アンテナモジュール。
　筐体に配置された第１放射素子と組み合わされることによってアンテナ装置を形成するように構成された回路基板であって、
　接地層を含む複数の層が積層された誘電体基板と、
　前記誘電体基板に形成された第２放射素子と、
　前記誘電体基板において前記第２放射素子が形成される層と前記接地層との間の層に形成され、高周波信号を供給するための給電線と、
　前記誘電体基板に配置された導電部材とを備え、
　前記導電部材は、前記誘電体基板を前記筐体に取付けたときに、前記給電線と前記第１放射素子とを電気的に接続して、高周波信号を前記第１放射素子に供給をするように構成される、回路基板。