WO2020066604A1

WO2020066604A1 - アンテナモジュール、通信装置およびアレイアンテナ

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Publication number: WO2020066604A1
Application number: PCT/JP2019/035606
Authority: WO
Inventors: 知重古樋; 仁章有海; 久夫早藤; 知樹加藤; 安隆杉本
Original assignee: 株式会社村田製作所
Priority date: 2018-09-27
Filing date: 2019-09-11
Publication date: 2020-04-02
Also published as: CN112771725B; CN112771725A; US20210184344A1

Abstract

アンテナモジュール（１００）は、多層構造を有する誘電体基板（１６０）と、第１放射電極（１２２）と、第２放射電極（１２１）と、接地電極（ＧＮＤ）とを備える。第２放射電極（１２１）は、誘電体基板（１６０）の積層方向において、第１放射電極（１２２）と接地電極（ＧＮＤ）との間に配置される。誘電体基板（１６０）において、第１放射電極（１２２）と第２放射電極（１２１）との間の少なくとも一部には空洞部（１５０）が形成される。

Description

アンテナモジュール、通信装置およびアレイアンテナ

　本開示は、アンテナモジュール、通信装置およびアレイアンテナに関し、より特定的には、アンテナモジュールを広帯域化するための技術に関する。

　国際公開第２０１６／０６３７５９号（特許文献１）には、平面形状の複数の放射電極（給電素子，無給電素子）がスタックされたパッチアンテナが開示されている。

国際公開第２０１６／０６３７５９号パンフレット

　このようなアンテナにおいて、送信可能な高周波信号の周波数帯域幅、ピークゲイン、損失などのアンテナ特性は、アンテナ素子（放射電極）が実装される誘電体基板の誘電率によって影響される。このうち、周波数帯域幅については、一般的には誘電体基板の厚み（すなわち、放射電極と接地電極との間の距離および放射電極間の距離）が厚いほど周波数帯域幅は広くなる。

　近年、特にスマートフォンなどの携帯端末においては、さらなる薄型化が要求されており、それに伴ってアンテナモジュール自体の小型化および薄型化も必要となっている。しかしながら、誘電体基板を薄型化するとアンテナの周波数帯域幅が狭くなってしまうという問題が生じ得る。

　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り、その目的は、アンテナモジュールのサイズを大きくすることなく広帯域化を実現することである。

　アンテナモジュールは、多層構造を有する誘電体基板と、第１放射電極と、第２放射電極と、接地電極とを備える。第２放射電極は、誘電体基板の積層方向において、第１放射電極と接地電極との間に配置される。誘電体基板において、第１放射電極と第２放射電極との間の少なくとも一部には空洞部が形成される。

　本開示によるアンテナモジュールにおいては、スタックされた２つの放射電極の間の少なくとも一部に空洞部が形成されている。このような構成とすることによって、誘電体基板に空洞部を有しないアンテナモジュールの場合に比べて、２つの放射電極の間における実効誘電率が低減される。したがって、アンテナモジュールのサイズを大きくすることなく、広帯域化を実現することができる。

実施の形態１に係るアンテナモジュールが搭載された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平面図および断面図である。実施の形態１および比較例のアンテナモジュールにおけるアンテナ特性の比較を説明するための図である。変形例１のアンテナモジュールの平面図および断面図である。変形例２のアンテナモジュールの平面図および断面図である。変形例３のアンテナモジュールの平面図および断面図である。変形例４のアンテナモジュールの平面図および断面図である。変形例５のアンテナモジュールの平面図および断面図である。変形例６のアンテナモジュールの平面図および断面図である。変形例７のアンテナモジュールの平面図および断面図である。Ｙ軸方向の空洞部の位置と周波数帯域幅との関係を説明するための第１の図である。Ｙ軸方向の空洞部の位置と周波数帯域幅との関係を説明するための第２の図である。Ｘ軸方向の空洞部の位置と周波数帯域幅との関係を説明するための第１の図である。Ｘ軸方向の空洞部の位置と周波数帯域幅との関係を説明するための第２の図である。変形例８のアンテナモジュールの断面図である。変形例９のアンテナモジュールの断面図である。変形例１０の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の平面図および断面図である。変形例１１のアンテナモジュールの平面図および断面図である。変形例１２のアンテナモジュールの平面図および断面図である。変形例１３のアンテナモジュールの平面図および断面図である。実施の形態３に係るアンテナモジュールの平面図および断面図である。変形例１４のアンテナモジュールの平面図および断面図である。変形例１５のアンテナモジュールの平面図および断面図である。実施の形態４に係るアンテナモジュールの平面図および断面図である。実施の形態５に係るアンテナアレイの平面図である。変形例１６のアンテナアレイの平面図である。実施の形態６に係るアンテナモジュールの平面図および断面図である。参考例のアンテナモジュールの断面図である。

　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。

　［実施の形態１］
　（通信装置の基本構成）
　図１は、本実施の形態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ＢＢＩＣ（Base　Band　Integrated　Circuit）２００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ＲＦＩＣ（Radio　Frequency　Integrated　Circuit）１１０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を構成する複数の放射電極（アンテナ素子）１２１のうち、４つの放射電極１２１に対応する構成のみ示され、同様の構成を有する他の放射電極１２１に対応する構成については省略されている。

　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、それぞれ異なる放射電極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。

　また、各放射電極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における各放射電極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、対応する放射電極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に係るアンテナモジュール１００の平面図（上段）および断面図（下段）である。図２を参照して、アンテナモジュール１００は、放射電極１２１，１２２と、誘電体基板１６０と、接地電極ＧＮＤと、ＲＦＩＣ１１０とを備える。下段の断面図は、平面図における、給電素子である放射電極１２１の給電点ＳＰ１を通ＩＩ－ＩＩ面での断面図である。なお、以下の説明においては、図２中のＺ軸の正方向を上面側、負方向を下面側と称する場合がある。

　以下の説明において、放射電極１２１が給電素子であり、放射電極１２２が無給電素子である例について説明するが、放射電極１２１および放射電極１２２の双方が給電素子であってもよい。あるいは、逆に、放射電極１２１が無給電素子であり、放射電極１２２が給電素子であってもよい。

　誘電体基板１６０は、誘電体基板１６０の法線方向（図のＺ軸方向）からアンテナモジュール１００を平面視した場合に略矩形形状を有しており、第１辺１６１～第４辺１６４を有する。図２の誘電体基板１６０の例では、短辺側が第１辺１６１および第３辺１６３であり、長辺側が第２辺１６２および第４辺１６４となっている。第２辺１６２および第４辺１６４は、第１辺１６１と隣り合っている。第３辺１６３は、第１辺１６１と対向している。

　誘電体基板１６０は、複数の誘電体層が積層された多層構造を有する。誘電体基板１６０の各誘電体層は、たとえば、エポキシ、ポリイミドなどの樹脂で形成される。また、誘電体層は、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）などを用いて形成されてもよい。誘電体基板１６０の一方の主面（下面）には、はんだバンプ１３０を介してＲＦＩＣ１１０が実装されている。

　誘電体基板１６０の周囲には、各辺に沿って所定の間隔で複数の柱状導体１４５が配置されている。この複数の柱状導体１４５は、誘電体基板１６０の内部で接地電極ＧＮＤに接続されている。複数の柱状導体１４５は、誘電体基板１６０の側面側のシールドとして機能する。なお、図３以降で後述するアンテナモジュールにおいては、当該柱状導体１４５の記載を省略している。

　誘電体基板１６０の下面に近い層に、接地電極ＧＮＤが配置される。誘電体基板１６０の他方の主面（上面）に近い層には、矩形形状の放射電極１２２（第１放射電極）が配置される。また、放射電極１２２と接地電極ＧＮＤとの間の層には、矩形形状の放射電極１２１（第２放射電極）が配置される。放射電極１２１と放射電極１２２とは、アンテナモジュール１００を平面視した場合に、それぞれの対角線の交点（すなわち中心）が一致するように重なっている。なお、図２の例においては、放射電極１２２が放射電極１２１よりも大きくなっているが、２つの放射電極のサイズが同じ場合であってもよいし、放射電極１２１の方が大きい場合であってもよい。

　放射電極１２１は、給電線１４０を介してＲＦＩＣ１１０と電気的に接続されている。給電線１４０は、接地電極ＧＮＤを貫通して放射電極１２１における給電点ＳＰ１に接続される。給電点ＳＰ１は、放射電極１２１において、放射電極１２１の中心から、Ｘ軸に沿った第２辺１６２側にオフセットした位置に配置される。これにより、放射電極１２１からは、Ｙ軸方向を偏波方向とする電波が放射される。

　なお、放射電極１２２が給電素子とされる場合には、給電線１４０は、たとえば、放射電極１２１を貫通し、空洞部１５０を通るビアによって放射電極１２２の給電点に接続されてもよい。あるいは、給電線１４０は、空洞部１５０を迂回して誘電体基板１６０の内部を経由して放射電極１２２に接続されてもよい。

　誘電体基板１６０において、放射電極１２１と放射電極１２２との間の層には空洞部１５０が形成されている。誘電体基板１６０は、空洞部１５０よりも上面側に、第１辺１６１で支持された層（以下、「梁部」とも称する。）１６５を含み、この梁部１６５に放射電極１２２が配置されている。梁部１６５の周囲には、第２辺１６２～第４辺１６４に沿って開口部１５２が形成されており、当該開口部１５２は空洞部１５０まで貫通している。

　上述のような複数の放射電極がスタックされたスタック型のアンテナモジュールにおいては、放射電極から放射することができる電波の周波数帯域幅は、放射電極と接地電極との間の電磁界結合の強さ、および放射電極間の電磁界結合の強さによって定まることが知られている。電磁界結合の強さが強くなるにつれて周波数帯域幅は狭くなり、電磁界結合の強さが弱くなるにつれて周波数帯域幅は広くなる。

　一般的に、放射電極から放射される電波の周波数帯域幅を拡大するためには、誘電体基板の厚みを厚くすることが必要となる。一方で、スマートフォンなどのアンテナモジュールが適用される通信装置においては、小型化および薄型化が要求されるため、誘電体基板の厚みを厚くすると、装置の小型化および薄型化を阻害する要因になり得る。

　ここで、電磁界結合の強さは、２つの電極間の実効誘電率によっても影響される。より具体的には、実効誘電率が高いと電磁界結合は強くなり、実効誘電率が低いと電磁界結合は弱くなる。すなわち、２つの電極間の実効誘電率を低減することにより、周波数帯域幅を拡大することができる。

　本実施の形態１のアンテナモジュール１００においては、上述のように、放射電極１２１と放射電極１２２との間に空洞部１５０が形成されている。一般的に、空気の誘電率は、誘電体基板１６０を形成する誘電体の誘電率よりも低い。そのため、当該空洞部１５０を形成することによって、放射電極１２１と放射電極１２２との間の実効誘電率を低減することができる。その結果、放射電極１２１と放射電極１２２との間の電磁界結合を弱めることができる。したがって、本実施の形態１のアンテナモジュール１００においては、モジュール全体のサイズを大きくすることなく、周波数帯域幅を拡大することができる。

　また、空洞部１５０を形成することによって、誘電体内での電気エネルギの損失が低減できるため、アンテナモジュールにおける効率を向上することができる。

　（シミュレーション結果）
　図３は、実施の形態１に係るアンテナモジュール１００と、誘電体基板に空洞部１５０を有しないアンテナモジュール（比較例）におけるアンテナ特性を比較したシミュレーション結果である。図３においては、反射特性（上段）、利得（中段）、および特定の周波数（６０．４８ＧＨｚ）における効率（下段）が示されている。

　なお、以下のシミュレーションにおいては、使用する周波数帯域がミリ波の周波数帯域（ＧＨｚ帯域）である例について説明するが、本開示の構成は、ミリ波以外の周波数帯域についても適用可能である。

　図３を参照して、比較例の反射損失（図３の線ＬＮ１Ａ）において、反射損失が１０ｄＢを下回る周波数帯域は５５．４～６９．７ＧＨｚの範囲（ＲＮＧ１Ａ）となっており、周波数帯域幅は１４．３ＧＨｚである。一方、実施の形態１における反射損失（図３の線ＬＮ１）において、反射損失が１０ｄＢを下回る周波数帯域は５５．２～７７．１ＧＨｚの範囲（ＲＮＧ１）となっており、周波数帯域幅は２１．９ＧＨｚである。このように、実施の形態１のアンテナモジュール１００のほうが、比較例よりも広い周波数帯域幅となっている。

　中段の利得のグラフにおいては、線ＬＮ２，ＬＮ２Ａが利得指向性を示しており、線ＬＮ３，ＬＮ３Ａが動作利得を示している。そして、この利得指向性と動作利得との差分が、アンテナモジュールにおける損失となる。利得のグラフにおいても、利得指向性と動作利得とが接近している範囲は、比較例では上述の範囲ＲＮＧ１Ａ、実施の形態１においては範囲ＲＮＧ１となっており、実施の形態１のアンテナモジュール１００の方が広範囲にわたって低損失となっていることがわかる。そして、６０．４８ＧＨｚにおける効率（投入電力に対する放射電力の比）についても、比較例では９１．４％であったものが、実施の形態１においては９４．０％に向上している。

　このように、スタック型のアンテナモジュールにおいて、２つの放射電極間に空洞部を形成することによって、周波数帯域幅を拡大するとともに、効率を向上させることができる。

　（変形例）
　次に、図４～図１０を用いて、変形例のアンテナモジュール１００Ａ～１００Ｇについて説明する。

　図４は、変形例１に係るアンテナモジュール１００Ａの平面図および断面図である。アンテナモジュール１００Ａは、ＲＦＩＣ１１０からの給電線１４０が接続される給電点がアンテナモジュール１００と異なっている例である。具体的には、アンテナモジュール１００Ａにおける放射電極１２１の給電点ＳＰ１Ａは、放射電極１２１の中心から第１辺１６１側にオフセットした位置となっている。アンテナモジュール１００Ａにおいては、放射電極１２１から放射される電波の偏波方向は、図４のＸ軸方向となる。

　図５～図８の変形例２～５は、誘電体基板１６０の上面における開口部１５２がアンテナモジュール１００と異なっている例である。具体的には、図５の変形例２に係るアンテナモジュール１００Ｂにおいては、開口部１５２は第３辺１６３に沿った部分のみに形成されており、梁部１６５は第１辺１６１、第２辺１６２、および第４辺１６４によって支持されている。

　図６の変形例３に係るアンテナモジュール１００Ｃにおいては、開口部１５２は第２辺１６２および第４辺１６４に沿った部分に形成されており、梁部１６５は第１辺１６１および第２辺１６２で支持されている。図７の変形例４に係るアンテナモジュール１００Ｄにおいては、開口部１５２は隣り合う２辺（第２辺１６２および第３辺１６３）に沿った部分に形成されており、梁部１６５は第１辺１６１および第４辺１６４によって支持されている。

　図８は、変形例５に係るアンテナモジュール１００Ｅの平面図および断面図である。図８において、下段の断面図は、給電点ＳＰ１および開口部１５２を通る面ＶＩＩＩ－ＶＩＩＩに沿った断面図である。アンテナモジュール１００Ｅにおける開口部１５２は、図５～図７のようなスリット状ではなく、比較的小さな円形であり、第３辺１６３の近傍に形成されている。なお、図８のような開口部１５２の個数は複数でもよく、また形成される場所についても異なっていてもよい。

　図９の変形例６に係るアンテナモジュール１００Ｆ、および図１０の変形例７に係るアンテナモジュール１００Ｇにおいては、誘電体基板１６０の上面に開口部が形成されておらず、空洞部１５０が閉ざされた空間となっている例である。

　図９のアンテナモジュール１００Ｆにおいては、アンテナモジュール１００Ｆを平面視した場合に、放射電極１２１，１２２の全体と重なるように、誘電体基板１６０内に空洞部１５０が形成されている。一方、図１０のアンテナモジュール１００Ｇにおいては、誘電体基板１６０の第２辺１６２および第４辺１６４に沿った放射電極１２１，１２２の部分のみと重なるように空洞部１５０が形成されている。

　ここで、図１０のアンテナモジュール１００Ｇのように、空洞部１５０が放射電極の一部に部分的に重なる場合の、空洞部１５０の位置と周波数帯域幅との関係について図１１～図１４を用いて説明する。

　まず、図１１および図１２を用いて、Ｙ軸方向の空洞部の位置と周波数帯域幅との関係を説明する。図１１に示すように、２つの放射電極（放射電極１２１，１２２に対応）の１辺の長さを０．９ｍｍとし、給電点を放射電極の中心からＹ軸の負方向にオフセットさせたアンテナモジュールにおいて、Ｙ軸方向の寸法が０．３ｍｍのＸ軸方向に細長い矩形状の空洞部の位置を、Ｙ軸方向に変動させる。このときに得られる周波数帯域幅をシミュレーションした結果を図１２に示す。

　図１２において、横軸は、放射電極のＹ軸方向の中心位置（図１１のＸ軸）からの、空洞部のＹ軸方向の中心位置のオフセット量Ｙｏｆｆを示しており、縦軸は放射される電波の周波数帯域幅を示している。図１２中の線ＬＮ１０は、空洞部のない場合の比較例における周波数帯域幅のシミュレーション結果であり、その周波数帯域幅は６．９８ＧＨｚとなっている。

　図１２の線ＬＮ１１は、図１１の空洞部を変動させたときの周波数帯域幅のシミュレーション結果であり、空洞部が放射電極と重なる－０．６≦Ｙｏｆｆ≦０．６の間においては、空洞部の無い比較例の場合よりも広い周波数帯域幅が実現できていることがわかる。中でも、Ｙｏｆｆが±０．３の付近において、周波数帯域幅が大きくなっている。

　図１１のようにＹ軸方向を偏波方向とする電波を放射する場合、２つの放射電極の間に生じる電界強度は、一般的に放射電極のＹ軸方向の端部付近で最も大きくなることが知られている。したがって、この電界強度が大きくなる部分に空洞部を形成することによって、実効誘電率の低減効果が大きくなり、結果として周波数帯域幅の改善幅が大きくなっている。一方で、放射電極のＹ軸方向の中心付近（Ｙｏｆｆ＝０）においては、Ｙ軸方向の端部に比べて電界強度は小さくなるため、空洞部による周波数帯域幅の改善効果はやや小さくなっている。

　次に、図１３および図１４を用いて、Ｘ軸方向の空洞部の位置と周波数帯域幅との関係を説明する。図１１の場合と同様に、２つの放射電極の１辺の長さを０．９ｍｍとし、偏波方向をＹ軸方向としたアンテナモジュールにおいて、Ｘ軸方向の寸法が０．３ｍｍのＹ軸方向に細長い矩形状の空洞部の位置をＸ軸方向に変動させたときに得られる周波数帯域幅のシミュレーションの結果を図１４に示す。

　図１４の横軸は、図１３に示すように放射電極のＸ軸方向の中心位置（図１３のＹ軸）からの、空洞部のＸ軸方向の中心位置のオフセット量Ｘｏｆｆを示しており、縦軸は放射される電波の周波数帯域幅を示している。なお、図１４中の線ＬＮ１５は空洞部のない場合の比較例における周波数帯域幅のシミュレーション結果である。

　図１４の線ＬＮ１６は、図１３の空洞部１５０を変動させたときの周波数帯域幅のシミュレーション結果であり、この場合においても、空洞部が放射電極と重なる－０．６≦Ｘｏｆｆ≦０．６の間においては、比較例の場合よりも広い周波数帯域幅が実現できていることがわかる。ただし、Ｙ軸方向の位置を変動させた図１１，１２の場合と違い、放射電極のＸ軸方向の中心付近（Ｘｏｆｆ＝０）において周波数帯域幅の改善効果が大きくなり、Ｘ軸方向の端部においては中心付近に比べて改善効果がやや小さくなっている。これは、図１３に示されるように放射電極における給電点がＹ軸上となっていることから、２つの放射電極間に生じる電界が、放射電極のＸ軸方向の中心付近で最も大きくなっていることによるものである。

　上述のシミュレーション結果から、図１０のアンテナモジュール１００Ｇのように、２つの放射電極間において部分的に空洞部を形成する場合には、偏波方向（Ｙ軸方向）については放射電極の端部と重なる位置に空洞部を形成することが好ましく、偏波方向に直交する方向（Ｘ軸方向）については給電点に近くなる放射電極の中心付近に空洞部を形成することが好ましい。

　以上のように、２つの放射電極を有するスタック型のアンテナモジュールにおいて、２つの放射電極間の少なくとも一部に空洞部を形成することによって、放射される電波の周波数帯域幅を拡大することができる。

　なお、空洞部１５０の大きさおよび位置、ならびに、開口部１５２の配置については、要求される周波数帯域幅およびアンテナモジュールの剛性（耐久性）に応じて決定することができる。

　誘電体基板１６０内に形成される空洞部１５０は、図１５の変形例８のアンテナモジュール１００Ｘのように、誘電体の壁部１６７によって複数の部分に分割されていてもよい。また、図１６の変形例９のアンテナモジュール１００Ｙのように、給電素子である放射電極１２１の周囲の領域において、接地電極ＧＮＤの付近まで空洞部１５０が形成されていてもよい。さらに、図１７の変形例１０のアンテナモジュール１００Ｚのように、空洞部１５０が誘電体基板１６０の積層方向（厚み方向）に分割されていてもよい。

　［実施の形態２］
　実施の形態１においては、誘電体基板１６０の内部に形成される空洞部１５０は基本的には空気層であった。

　実施の形態２においては、２つの放射電極１２１，１２２の間に形成される空洞部１５０内の少なくとも一部に、誘電体基板１６０よりも低い誘電率を有する他の誘電体を充填する例について説明する。

　図１８は、実施の形態２に係るアンテナモジュール１００Ｈの平面図および断面図である。アンテナモジュール１００Ｈは、実施の形態１のアンテナモジュール１００の空洞部１５０および開口部１５２の部分に、誘電体基板１６０を構成する誘電体よりも低い誘電率を有する誘電材料１７０が充填されたものとなっている。

　このように、空洞部１５０に低誘電率の異なる誘電材料を充填することによって、基板全体を同じ誘電材料で形成した場合よりも実効誘電率を低減でき、周波数帯域幅を拡大することができる。このような構成は、空洞部１５０が空気層である場合よりも周波数帯域幅の拡大量は小さくなるものの、アンテナモジュールの剛性を高めることができる。なお、アンテナモジュール１００Ｈにおいては、空洞部１５０の全体が他の誘電材料で充填されているが、空洞部１５０の一部のみが他の誘電材料で充填される構成であってもよい。

　なお、図１９の変形例１１に係るアンテナモジュール１００Ｉのように、空洞部１５０を充填する誘電材料１７０とは異なる誘電材料１７１で、開口部１５２を充填するようにしてもよい。

　また、実施の形態１の各変形例においても、同様に空洞部１５０を低誘電率の誘電材料で充填してもよい。たとえば、図２０の変形例１２に係るアンテナモジュール１００Ｊは、実施の形態１の変形例６のアンテナモジュール１００Ｆの空洞部１５０を他の誘電材料１７０で充填したものである。また、図２１の変形例１３に係るアンテナモジュール１００Ｋは、実施の形態１の変形例５のアンテナモジュール１００Ｅの空洞部１５０を他の誘電材料１７０で充填したものである。

　［実施の形態３］
　実施の形態１におけるアンテナモジュールは、２つの放射電極がスタックされた構成であったが、放射電極のスタック数は３つ以上であってもよい。

　実施の形態３およびその変形例においては、３つの放射電極がスタックされたアンテナモジュールに対して、実施の形態１と同様の構成を適用した例について説明する。

　図２２は、実施の形態３に係るアンテナモジュール１００Ｌの平面図および断面図である。図２２のアンテナモジュール１００Ｌにおいては、給電素子の放射電極１２１と無給電素子の放射電極１２２に加えて、無給電素子の放射電極１２３（第３放射電極）がさらに追加されている。

　放射電極１２３は、放射電極１２１と放射電極１２２との間の層に形成されている。アンテナモジュール１００Ｌの例においては、放射電極１２２および放射電極１２３は同じ寸法および同じ形状の電極であり、アンテナモジュール１００Ｌを平面視した場合に、放射電極１２２と放射電極１２３とが重なっている。

　そして、放射電極１２１と放射電極１２３との間に空洞部１５０がされており、誘電体基板１６０の上面から空洞部１５０まで開口部１５２が貫通している。アンテナモジュール１００Ｌにおける開口部１５２は、実施の形態１のアンテナモジュール１００と同様に、平面視において矩形形状を有するアンテナモジュール１００Ｌの第２辺１６２、第３辺１６３および第４辺１６４に沿って形成されている。そして、第１辺１６１で支持された梁部１６５に、無給電素子の放射電極１２２，１２３が配置される。

　なお、空洞部１５０が形成される層は、放射電極１２１と放射電極１２３との間には限られない。図２３の変形例１４に係るアンテナモジュール１００Ｍのように、放射電極１２２と放射電極１２３との間に空洞部１５０が形成される構成であってもよい。

　さらに、図２４の変形例１５に係るアンテナモジュール１００Ｎのように、放射電極１２２と放射電極１２３との間、および、放射電極１２１と放射電極１２３との間の双方に空洞部１５０が形成される構成であってもよい。アンテナモジュール１００Ｎにおいては、放射電極１２３は、誘電体基板１６０の積層方向の中ほどに形成された梁部１６６内に配置される。

　また、図示していないが、実施の形態３においても、実施の形態２のように、誘電体基板１６０を構成する誘電材料よりも低い誘電率を有する異なる誘電材料で、空洞部１５０の少なくとも一部を充填してもよい。

　このように、３つ以上の放射電極がスタックされたアンテナモジュールにおいても、いずれかの放射電極間に空洞部を形成することによって、放射される電波の周波数帯域幅を拡大することができる。

　［実施の形態４］
　実施の形態１～３で説明した各アンテナモジュールにおいては、無給電素子の放射電極１２２が配置される梁部１６５が、誘電体基板１６０の上面を含む構成となっていた。

　しかしながら、空洞部が空気層であり、開口部が誘電体基板の上面まで貫通している構成においては、梁部を支持する部分が限定的であるため、アンテナモジュールのハンドリング時などに加わる力によって、梁部の支持部分が破損するおそれがある。

　そこで実施の形態４においては、放射電極が配置される梁部を、誘電体基板の最上面から積層方向にオフセットした位置で支持されるように形成する。このような構成とすることによって、ハンドリング時に梁部に外力が直接加えられる機会を少なくし、梁部の破損を抑制する。

　図２５は、実施の形態４に係るアンテナモジュール１００Ｐの平面図および断面図である。アンテナモジュール１００Ｐにおいては、断面図に示されるように、誘電体基板１６０の上面からＺ軸の負方向（すなわち、空洞部１５０側）にオフセットした位置に、梁部１６５Ａが形成されている。言い換えれば、誘電体基板１６０の周囲の部分のレベルが、梁部１６５Ａの上面のレベルよりも高くなっている。たとえばアンテナモジュールを重ねたような場合には、誘電体基板１６０の周囲の部分に他のアンテナモジュールが接触しやすくなるが、このような構成とすることで、梁部１６５Ａに外力が直接加えられる機会が少なくなる。これによって、梁部１６５Ａの破損を抑制することができる。

　なお、図２５のアンテナモジュール１００Ｐの例においては、誘電体基板１６０の周囲の部分の全体のレベルが、梁部１６５Ａの上面のレベルよりも高くなる構成について説明したが、必ずしも誘電体基板１６０の周囲の部分の全体のレベルが壁のように高くなくてもよい。たとえば、誘電体基板１６０の周囲において、部分的に柱状の誘電体が配置されることによって、梁部１６５Ａの上面のレベルよりも誘電体基板１６０の最上面を高くする構成であってもよい。

　［実施の形態５］
　実施の形態１～４においては、単体のアンテナ素子とＲＦＩＣとからなるアンテナモジュールの場合について説明した。実施の形態５においては、アンテナ素子がアレイ化されたアレイアンテナの場合について説明する。

　図２６は、実施の形態５に係るアレイアンテナ３００の平面図である。アレイアンテナ３００においては、実施の形態１で説明したアンテナモジュール１００と同じ構成の４つのアンテナモジュール１００－１～１００－４が、２×２のアレイ状に配置された構成となっている。なお、アレイを形成するアンテナモジュールの数は４つに限られず、２つあるいは３つでもよいし、５つ以上であってもよい。

　このようなアレイアンテナ３００においても、各アンテナモジュールにおいて放射電極間に空洞部を形成することによって、放射される電波の周波数帯域幅を拡大することができる。なお、図示していないが、アレイアンテナの場合には、ＲＦＩＣはアンテナモジュールごとに設けられてもよいし、複数のアンテナモジュールに対して１つのＲＦＩＣが設けられてもよい。

　また、アレイアンテナの場合には、隣接するアンテナモジュールとの間の誘電体の壁をなくし、空洞部同士を連通させるようにしてもよい。

　図２７は、変形例１６に係るアレイアンテナ３００Ａの平面図である。アレイアンテナ３００Ａにおいては、隣接するアンテナモジュール１００－１Ａとアンテナモジュール１００－３Ａとの間の壁が除去されており、２つのアンテナモジュールの空洞部が連通している。また、隣接するアンテナモジュール１００－２Ａの空洞部とアンテナモジュール１００－４Ａの空洞部も連通している。なお、図２７の例においては、各アンテナモジュールにおけるＹ軸方向の端部の壁も除去されている。

　このように、アレイアンテナにおいて隣接するアンテナモジュールの空洞部同士を連通させることで、誘電体の部分を少なくし、実効誘電率をさらに低減して周波数帯域幅をより一層拡大することができる。

　［実施の形態６］
　実施の形態６においては、２つの周波数帯域の電波を放射可能な、いわゆるデュアルバンドタイプのアンテナモジュールにおいて、誘電体基板に空洞を形成することによって、放射される電波の周波数帯域幅を拡大する構成について説明する。

　図２８は、実施の形態６に係るアンテナモジュール１００Ｑの平面図および断面図である。図２８を参照して、アンテナモジュール１００Ｑは、給電素子の放射電極１２１と無給電素子の放射電極１２４とを含む。放射電極１２１は、誘電体基板１６０の上面に近い内層に配置される。放射電極１２４は、放射電極１２１よりも下面側の層、すなわち放射電極１２１と接地電極ＧＮＤとの間の層に、放射電極１２１と対向して配置される。

　放射電極１２１には、２つの給電点ＳＰ１，ＳＰ２が配置されている。給電点ＳＰ１は、アンテナモジュール１００Ｑを平面視した場合に、放射電極１２１の中心からＹ軸の負方向にオフセットした位置に配置されている。給電点ＳＰ１には、給電線１４１により、ＲＦＩＣ１１０からの高周波信号が伝達される。給電点ＳＰ１に高周波信号が供給されることによって、Ｙ軸方向を偏波方向とする電波が放射される。

　また、給電点ＳＰ２は、アンテナモジュール１００Ｑを平面視した場合に、放射電極１２１の中心からＸ軸の正方向にオフセットした位置に配置されている。給電点ＳＰ２には、給電線１４２により、ＲＦＩＣ１１０からの高周波信号が伝達される。給電点ＳＰ２に高周波信号が供給されることによって、Ｘ軸方向を偏波方向とする電波が放射される。すなわち、アンテナモジュール１００Ｑは、異なる２つの偏波方向の電波を放射することができるデュアル偏波タイプのアンテナモジュールでもある。

　給電線１４１，１４２は、ＲＦＩＣ１１０から放射電極１２４を貫通して放射電極１２１に至る。そのため、無給電素子の放射電極１２４の共振周波数に対応した高周波信号を給電線１４１，１４２に供給することによって、放射電極１２４から電波が放射される。

　放射電極１２４のサイズは、放射電極１２１のサイズよりも大きく、放射電極１２４の共振周波数は、放射電極１２１の共振周波数よりも低い。そのため、放射電極１２４からは、放射電極１２１よりも低い周波数帯域の電波が放射される。

　アンテナモジュール１００Ｑにおいては、放射電極１２１と放射電極１２４との間の層に空洞部１５５が形成されている。アンテナモジュール１００Ｑを平面視した場合に、空洞部１５５は、放射電極１２１とほぼ同じ形状であり、放射電極１２１と重なる位置に形成されている。

　放射電極１２１は、放射電極１２４との間に電気力線が生じることによってアンテナとして機能する。そのため、放射電極１２１と放射電極１２４との間の実効誘電率によってアンテナ特性が影響を受ける。アンテナモジュール１００Ｑにおいては、上述のように放射電極１２１と放射電極１２４との間の層に空洞部１５５が形成されているため、当該空洞部１５５に誘電体が充填される場合に比べて、実効誘電率が低くなる。これにより、放射電極１２１と放射電極１２４との間の電磁界結合を弱めることができ、放射電極１２１から放射される電波の周波数帯域幅を拡大することができる。

　放射電極１２４から放射される電波の周波数帯域幅は、放射電極１２４と接地電極ＧＮＤとの間の実効誘電率によって影響を受ける。そのため、放射電極１２１と放射電極１２４との間に空洞部１５５が形成されたとしても、放射電極１２４から放射される電波の周波数帯域幅は基本的には変化しない。すなわち、放射電極１２１と放射電極１２４との間に空洞部１５６を形成することによって、放射電極１２４から放射される電波の周波数帯域幅を維持したまま、放射電極１２１から放射される電波の周波数帯域幅を拡大することができる。

　一方、放射電極１２４から放射される電波の周波数帯域幅を拡大する場合には、図２９の参考例に示されるアンテナモジュール１００Ｒのように、放射電極１２４と接地電極ＧＮＤとの間の層に空洞部１５６を形成することによって実現することができる。

　さらに、図には示していないが、放射電極１２１から放射される電波、および、放射電極１２４から放射される電波の双方の周波数帯域幅を拡大する場合には、放射電極１２１と放射電極１２４との間、ならびに、放射電極１２４と接地電極ＧＮＤとの間の層に空洞部を形成することによって実現することができる。

　なお、図２８および図２９のアンテナモジュールにおいては、給電線１４１，１４２の一部が空洞部内を縦断する構成となっているが、この空洞部内の給電線は、たとえば柱形状の導体を、誘電体層に形成されたビアまたは給電素子に、銀ペーストなどを用いて接続することによって形成してもよい。あるいは、空洞部内の給電線は、平板状の小型の電極を厚み方向に積層することによって形成してもよい。空洞部内の給電線と給電素子とを接続する際に、予め誘電体層に給電素子が形成されたものを、給電線と接続する手法を採用することで、給電素子を単体で給電素子に接続する場合と比べて、給電素子の平面度を確保することが可能となる。

　また、図２８のアンテナモジュール１００Ｑ、および、図２９のアンテナモジュール１００Ｒにおいて、図１７と同様に、空洞部１５５，１５６が誘電体基板１６０の積層方向に分割されている構成であってもよい。

　以上のように、２つの放射電極がスタックされ、異なる周波数帯域の電波を放射可能なデュアルバンドタイプのアンテナモジュールにおいて、２つの放射電極間の層、および／または、低周波数側の放射電極と接地電極との間の層に空洞部を形成することによって、各電波の周波数帯域幅を個別に調整することができる。

　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，１００Ｐ～１００Ｒ，１００Ｘ～１００Ｚ　アンテナモジュール、１１０　ＲＦＩＣ、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　アンテナアレイ、１２１～１２４　放射電極、１３０　はんだバンプ、１４０～１４２　給電線、１４５　柱状導体、１５０，１５５，１５６　空洞部、１５２　開口部、１６０　誘電体基板、１６１～１６４　辺、１６５，１６５Ａ，１６６　梁部、１６７　壁部、１７０，１７１　誘電材料、３００，３００Ａ　アレイアンテナ、ＧＮＤ　接地電極、ＳＰ１，ＳＰ１Ａ，ＳＰ２　給電点。

Claims

　多層構造を有する誘電体基板と、
　第１放射電極と、
　接地電極と、
　前記誘電体基板の積層方向において、前記第１放射電極と前記接地電極との間に配置された第２放射電極とを備え、
　前記誘電体基板において、前記第１放射電極と前記第２放射電極との間の少なくとも一部には空洞部が形成される、アンテナモジュール。
　前記誘電体基板を平面視した場合に、前記第１放射電極および前記第２放射電極の全体が、前記空洞部と重なっている、請求項１に記載のアンテナモジュール。
　前記誘電体基板には、前記誘電体基板の上面から前記空洞部まで貫通した開口部が形成される、請求項１または２に記載のアンテナモジュール。
　前記誘電体基板は、第１辺～第４辺を有する略矩形形状に形成されており、
　前記誘電体基板は、前記誘電体基板の前記第１辺で支持され、前記第１放射電極が配置される梁部を含み、
　前記開口部は、前記梁部の周囲において、前記第２辺～第４辺に沿って形成される、請求項３に記載のアンテナモジュール。
　前記第２辺は、前記第１辺と隣り合う辺であり、
　前記第２放射電極は、給電素子であり、
　前記アンテナモジュールを平面視した場合に、前記第２放射電極の給電点は、前記第２放射電極の中心から前記第２辺側にオフセットした位置に配置される、請求項４に記載のアンテナモジュール。
　前記誘電体基板は、第１辺～第４辺を有する略矩形形状に形成されており、
　前記第１辺と前記第３辺とは対向しており、
　前記誘電体基板は、前記誘電体基板の前記第１辺と前記第３辺で支持され、前記第１放射電極が配置される梁部を含み、
　前記開口部は、前記梁部の周囲において、前記第２辺と前記第４辺に沿って形成される、請求項３に記載のアンテナモジュール。
　前記誘電体基板は、第１辺～第４辺を有する略矩形形状に形成されており、
　前記第２辺および前記第４辺は前記第１辺と隣り合う辺であり、前記第３辺は前記第１辺と対向する辺であり、
　前記誘電体基板は、前記誘電体基板の前記第１辺、前記第２辺および前記第４辺で支持され、前記第１放射電極が配置される梁部を含み、
　前記開口部は、前記梁部の周囲において、前記第３辺に沿って形成される、請求項３に記載のアンテナモジュール。
　前記梁部は、前記誘電体基板の上面から積層方向の前記空洞部側にオフセットした位置に形成される、請求項４～７のいずれか１項に記載のアンテナモジュール。
　前記アンテナモジュールを平面視した場合に、前記空洞部は、前記アンテナモジュールから放射される電波の偏波方向における前記第１放射電極の端部の少なくとも一部と重なっている、請求項１～８のいずれか１項に記載のアンテナモジュール。
　前記第１放射電極は無給電素子であり、前記第２放射電極は給電素子である、請求項１～９のいずれか１項に記載のアンテナモジュール。
　前記誘電体基板の積層方向において、前記第１放射電極と前記第２放射電極との間に配置された第３放射電極をさらに備え、
　前記空洞部は、前記第１放射電極と前記第３放射電極との間、および、前記第２放射電極と前記第３放射電極との間の少なくとも一方に形成される、請求項１～１０のいずれか１項に記載のアンテナモジュール。
　前記空洞部の少なくとも一部は、前記誘電体基板よりも低い誘電率を有する誘電材料で充填されている、請求項１～１１のいずれか１項に記載のアンテナモジュール。
　前記誘電体基板は、前記誘電体基板の周囲に沿って配置された複数の柱状導体を含む、請求項１～１２のいずれか１項に記載のアンテナモジュール。
　前記アンテナモジュールにおける給電素子に高周波電力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。
　請求項１～１４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。
　第１アンテナモジュールおよび第２アンテナモジュールが隣接して配置されたアレイアンテナであって、
　前記第１アンテナモジュールおよび前記第２アンテナモジュールの各々は、
　　多層構造を有する誘電体基板と、
　　第１放射電極と、
　　接地電極と、
　　前記誘電体基板の積層方向において、前記第１放射電極と前記接地電極との間に配置された第２放射電極とを備え、
　　前記誘電体基板において、前記第１放射電極と前記第２放射電極との間の少なくとも一部には空洞部が形成される、アレイアンテナ。
　前記第１アンテナモジュールの空洞部と、前記第２アンテナモジュールの空洞部とは連通している、請求項１６に記載のアレイアンテナ。