WO2021106377A1 - アンテナモジュール - Google Patents

Abstract

本開示に係るアンテナモジュールは、制御回路を有する制御基板と、制御基板上に搭載され、シールドスルーホールおよび平面視した場合に並んで配置された複数の第１のアンテナ用パッチ導体を有するアンテナ基板と、制御基板およびアンテナ基板に位置する信号用導体と、アンテナ基板上に、第１のアンテナ用パッチ導体それぞれを分離するように取り囲む枠体と、枠体の少なくとも外側面および内側面を被覆している金属膜と、シールドスルーホールと電気的に接続されたフィルターとを備える。制御基板またはアンテナ基板が、第１のアンテナ用パッチ導体と対向する位置に配置された内部アンテナを有している。平面視した場合に、互いに隣接する前記第１のアンテナ用パッチ導体の間に、シールドスルーホールが位置している。第１のアンテナ用パッチ導体を被覆するように、空気よりも高い誘電率を有する樹脂が枠体で囲まれた領域に位置している。

Description

アンテナモジュール

　本発明は、アンテナモジュールに関する。

　ワイヤレスネットワークを利用した通信機器には、電気信号の送受信のため、例えば特許文献１に記載されるようなアンテナモジュールが搭載されている。

特開２００３－３０９４８３号公報

　本開示に係るアンテナモジュールは、制御回路を有する制御基板と、制御基板上に搭載され、シールドスルーホールおよび平面視した場合に並んで配置された複数の第１のアンテナ用パッチ導体を有するアンテナ基板と、制御基板およびアンテナ基板に位置する信号用導体と、アンテナ基板上に、第１のアンテナ用パッチ導体それぞれを分離するように取り囲む枠体と、枠体の少なくとも外側面および内側面を被覆している金属膜と、シールドスルーホールと電気的に接続されたフィルターとを備える。制御基板またはアンテナ基板が、第１のアンテナ用パッチ導体と対向する位置に配置された内部アンテナを有している。平面視した場合に、互いに隣接する前記第１のアンテナ用パッチ導体の間に、シールドスルーホールが位置している。第１のアンテナ用パッチ導体を被覆するように、空気よりも高い誘電率を有する樹脂が枠体で囲まれた領域に位置している。

（Ａ）は、本開示の一実施形態に係るアンテナモジュールを示す概略断面図であり（Ｂ）は、本開示の一実施形態に係るアンテナモジュールに備えられるアンテナ基板を示す模式図である。 は、本開示の別の実施形態に係るアンテナモジュールを示す概略断面図である。 は、本開示のさらに別の実施形態に係るアンテナモジュールを示す概略断面図である。

　特許文献１に記載されるように、アンテナモジュールには、必要な周波数帯の電気信号と不要な周波数帯の電気信号とを分離するためのフィルタリング基板が備えられている。しかし、従来のアンテナモジュールは、帯域外電磁波の除去が不十分でノイズが発生しやすかったり、多重反射を起こしやすく伝送性能が低下したりするなどの問題がある。

　本開示に係るアンテナモジュールは、上記のように、少なくとも外側面および内側面が金属膜で被覆された枠体を備える。さらに、第１のアンテナ用パッチ導体を被覆するように、空気の誘電率よりも高い誘電率を有する樹脂が枠体で囲まれた領域に位置している。そのため、金属膜で被覆された枠体が導波管としての機能を発揮する。そして、空気よりも高い誘電率の樹脂が位置していることによって、導波管を通過する電磁波の波長を短くして導波管高さを小さくできる。これにより、帯域外電磁波を減衰し易くノイズの発生が低減できる小型のアンテナモジュールを提供することができる。

　本開示の一実施形態に係るアンテナモジュールを、図１に基づいて説明する。一実施形態に係るアンテナモジュール１は、制御基板１１、アンテナ基板１２および枠体１６を含んでいる。

　制御基板１１は制御回路を備えており、電磁波の強弱を制御したり、送受信のタイミングを制御したりする機能を有している。図１では簡略化して記載しているが、制御基板１１は、例えば、絶縁層と配線導体層とが交互に積層されたビルドアップ構造を有している。

　絶縁層は、絶縁性を有する素材であれば特に限定されない。絶縁性を有する素材としては、例えば、エポキシ樹脂、ビスマレイミド－トリアジン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂などの樹脂が挙げられる。これらの樹脂は２種以上を混合して用いてもよい。

　絶縁層には、補強材が含まれていてもよい。補強材としては、例えば、ガラス繊維、ガラス不織布、アラミド不織布、アラミド繊維、ポリエステル繊維などの絶縁性布材が挙げられる。補強材は２種以上を併用してもよい。さらに、絶縁層には、シリカ、硫酸バリウム、タルク、クレー、ガラス、炭酸カルシウム、酸化チタンなどの無機絶縁性フィラーが分散されていてもよい。

　配線導体層は、導電性を有する素材であれば特に限定されない。導電性を有する素材としては、例えば、銅などの金属が挙げられる。配線導体層は、具体的には、銅箔などの金属箔や銅めっきなどの金属めっきによって形成される。さらに、制御基板１１には、内部アンテナ１０が備えられている。制御基板１１に内部アンテナ１０が備えられることによって、使用する電磁波の帯域幅を広げることができる。

　アンテナ基板１２は、制御基板１１の表面に位置しており、制御基板１１と電気的に接続されている。アンテナ基板１２は、絶縁板１３、アンテナ用パッチ導体１４、シールドスルーホール１５、フィルター１６’および信号用導体１８を含む。

　絶縁板１３は、絶縁性を有する素材であれば特に限定されない。絶縁性を有する素材としては、例えば、フッ素樹脂や液晶ポリマー、上述の樹脂などが挙げられる。絶縁板１３にも、必要に応じて、上述の補強材が含まれていてもよく、無機絶縁性フィラーが分散されていてもよい。

　アンテナ用パッチ導体１４は、電磁波を受発信するために備えられている。アンテナ基板１２を平面視した場合に、複数のアンテナ用パッチ導体１４が縦横に複数備えられている。複数のアンテナ用パッチ導体１４は、通常、等間隔で整列するように備えられている。

　アンテナ基板１２では、アンテナ用パッチ導体１４は、絶縁板１３の上下面にそれぞれ対向する位置に備えられている。本明細書において、便宜上、絶縁板１３の上面に備えられたアンテナ用パッチ導体１４を「第１のアンテナ用パッチ導体」とし、絶縁板１３の下面に備えられたアンテナ用パッチ導体１４を「第２のアンテナ用パッチ導体」とする。アンテナ用パッチ導体１４は、導電性を有する素材であれば特に限定されない。このような素材としては、上述の配線導体層と同様に、銅などの金属が挙げられる。

　アンテナ基板１２を平面視した場合に、互いに隣接するアンテナ用パッチ導体１４の間には、シールドスルーホール１５が位置している。シールドスルーホール１５は、グランド用スルーホールであり、フィルター回路への電磁波による影響およびフィルター回路からの電磁波による受発信の電磁波への影響を避けるための機能を有している。

　シールドスルーホール１５は、アンテナ用パッチ導体１４の周囲に沿うように位置している。図１において、シールドスルーホール１５は、アンテナ用パッチ導体１４の２辺のみに沿うように記載されている。しかし実際には、シールドスルーホール１５は、残りの２辺にも沿うように位置している。シールドスルーホール１５は、例えば銅などの金属で形成されている。

　図１に示すように、信号用導体１８は、制御基板１１の配線導体層と内部アンテナ１０とを電気的につないでいる。制御基板１１の配線導体層と内部アンテナ１０との間において、信号用導体１８はフィルター１６’を経由している。

　アンテナ基板１２において、フィルター１６’は、アンテナ基板１２（絶縁板１３）に埋設され、シールドスルーホール１５（アンテナ用パッチ導体１４）に挟まれるように位置している。フィルター１６’は、アンテナ用パッチ導体１４で受信された電磁波、あるいはアンテナ用パッチ導体１４から発信される電磁波のうち、必要な周波数帯の電磁波と不要な周波数帯の電磁波とを分離する機能を有している。

　フィルター１６’には、例えば高周波フィルター（ＨＰＦ）および低周波フィルター（ＬＰＦ）が含まれている。ＨＰＦおよびＬＰＦが含まれていれば、高周波数帯の電磁波と低周波数帯の電磁波とを除去することができる。図１に示すフィルター１６’には、ＨＰＦおよびＬＰＦ以外にも、帯域フィルター（バンドパスフィルター：ＢＰＦ）が含まれている。

　一実施形態に係るアンテナモジュール１において、例えば、アンテナ用パッチ導体１４（第１のアンテナ用パッチ導体）で受信された電磁波は、第１のアンテナ用パッチ導体と対向する位置に備えられたアンテナ用パッチ導体１４（第２のアンテナ用パッチ導体）を介して、制御基板１１に備えられた内部アンテナ１０に伝送される。次いで、内部アンテナ１０に伝達された電磁波は、信号用導体１８を通ってフィルター１６’まで伝送される。フィルター１６’に伝送された電磁波は、必要な周波数帯の電磁波と不要な周波数帯の電磁波とに分離される。必要な周波数帯の電磁波は、制御基板１１に備えられた信号用導体１８を通って制御回路に伝送される。一方、不要な周波数帯の電磁波は、例えば、制御基板１１に形成されたグランド層に伝送され、アンテナモジュール１の外部に放出される。

　制御基板１１から送信された電磁波は、信号用導体１８を通ってフィルター１６’まで伝送される。フィルター１６’に伝送された電磁波は、必要な周波数帯の電磁波と不要な周波数帯の電磁波とに分離される。必要な周波数帯の電磁波は、信号用導体１８を通って制御基板１１に備えられた内部アンテナ１０に伝送される。一方、不要な周波数帯の電磁波は、例えば、制御基板１１に形成されたグランド層に伝送され、アンテナモジュール１の外部に放出される。次いで、内部アンテナ１０に伝達された電磁波は、アンテナ用パッチ導体１４（第２のアンテナ用パッチ導体）を介して、アンテナ用パッチ導体１４（第１のアンテナ用パッチ導体）に伝送される。次いで、後述する導波管としての枠体１６を介して外部に発信される。

　一実施形態に係るアンテナモジュール１においてフィルター１６’は、アンテナ基板１２内に埋設されている。そのため、アンテナモジュール１は、フィルター１６’を含むさらなる基板を有していない。したがって、一実施形態に係るアンテナモジュール１は、多層化を避けることができるため、シンプルな構造を有しており、通信機器の小型化にも寄与することができる。

　図１に示すように、アンテナ基板１２上に、アンテナ用パッチ導体１４（第１のアンテナ用パッチ導体）をそれぞれ分離するように取り囲む枠体１６が位置している。枠体１６の少なくとも外側面および内側面は、金属膜１６１で被覆されている。これによって、枠体１６に導波管としての機能を付与することができる。これにより、不要な周波数帯の電磁波は減衰されやすくなる。

　さらに、一実施形態に係るアンテナモジュール１では、第１のアンテナ用パッチ導体１４を被覆するように、空気よりも高い誘電率を有する樹脂１７が枠体１６で囲まれた領域に位置している。つまり、枠体１６で囲まれているアンテナ基板１２上および第１のアンテナ用パッチ導体１４上に接するように樹脂１７が位置している。

　金属膜１６１で被覆された枠体１６を導波管として機能させるためには、通常、枠体１６の高さを、モジュールに適用する電磁波が空気中において有する１波長分の長さに設定する。つまり、信号用導体１８が伝送する電磁波の周波数の空気中での１波長分の長さに設定する。このとき、空気よりも高い誘電率を有する樹脂１７を使用することによって、下記の式によって導波管を通過する電磁波の波長が短くなる。そのため、枠体１６の高さを、空気中における電磁波の１波長分の長さよりも短くすることができる。その結果、枠体１６（導波管）の高さを小さくすることが可能になり、アンテナモジュール１の小型化にも寄与することができる。枠体１６の高さ、金属膜１６１の高さおよび樹脂１７の高さを同じにしておくと、枠体１６（導波管）の高さを小さくし易くなる点で有利である。
　　樹脂中の電磁波の波長（λ）＝空気中の波長（λ０）／√（樹脂の誘電率）

　空気よりも高い誘電率を有する樹脂１７は、空気よりも高い誘電率を有していれば限定されず、例えば、エポキシ樹脂、フッ素樹脂、ポリイミド樹脂などが挙げられる。

　枠体１６の材質は特に限定されない。枠体１６の材質としては、例えばエポキシ樹脂、ビスマレイミド－トリアジン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂、フッ素樹脂、液晶ポリマーなどの樹脂が挙げられる。これらの樹脂は２種以上を混合して用いてもよい。

　金属膜１６１としては、例えば銅、金、アルミなどの膜が挙げられる。金属膜１６１の形成方法は限定されず、例えば、金属膜１６１はめっきによって形成されてもよく、金属箔の貼り付けによって形成されてもよい。さらに、枠体１６の上端面が金属膜１６１で被覆されていても構わない。金属膜１６１が金の場合には、酸化膜の形成を低減でき電磁波の透過に有利である。枠体１６の外側面とは、取り囲んでいるアンテナ用パッチ導体１４と対向していない面、すなわち枠体１６の外周面を意味する。枠体１６の内側面とは、取り囲んでいるアンテナ用パッチ導体１４と対向している面を意味する。すなわち、アンテナ用パッチ導体１４を取り囲む４つの面を意味する。

　本開示に係るアンテナモジュールは、上記のように、少なくとも外側面および内側面が金属膜１６１で被覆された枠体１６を備える。さらに、第１のアンテナ用パッチ導体１４を被覆するように、空気よりも高い誘電率を有する樹脂１７が枠体１６で囲まれた領域に位置している。これにより、金属膜１６１で被覆された枠体１６が導波管としての機能を発揮して、帯域外電磁波は減衰されやすくなりノイズの発生が低減される。その結果、特定の電磁波を優先的に送受信することが可能になる。枠体１６（導波管）の高さを小さくすることが可能になるためアンテナモジュール１を小型化することができる。さらに、枠体１６を設けることによって、制御基板１１とアンテナ基板１２との熱膨張率の違いによるアンテナモジュール１の反りや変形を低減することができる。

　本開示は、上述の一実施形態に係るアンテナモジュール１に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲であれば種々の変更は可能である。図１においては、フィルター１６’がアンテナ基板１２に内蔵されている。しかし、図２に示す別の実施形態に係るアンテナモジュール２のように、フィルター１６’が枠体１６に内蔵されていても構わない。上述の一実施形態に係るアンテナモジュール１において説明した部材については、図２においても同じ符号を付しており、各部材の詳細な説明については省略する。

　このような場合、枠体１６の方が、配線を多く有するアンテナ基板１２に比べて、フィルター１６’の収納領域を確保し易い。したがって、設計の自由度の向上およびアンテナ基板１２の小型化に有利である。

　空気よりも高い誘電率を有する樹脂１７は単独で使用してもよく、誘電率の異なる２種以上の樹脂１７を併用してもよい。誘電率の異なる２種以上の樹脂１７を併用する場合、例えば図３に示すさらに別の実施形態に係るアンテナモジュール３のように、それぞれの樹脂が層状になるように充填すればよい。具体的には、アンテナ用パッチ導体１４（第１のアンテナ用パッチ導体）に近づくにつれて、高い誘電率を有する樹脂１７が配置されるように、それぞれの樹脂が層状に充填されるのがよい。上述の一実施形態に係るアンテナモジュール１において説明した部材については、図３においても同じ符号を付しており、各部材の詳細な説明については省略する。

　樹脂を層状にする方法としては、まず、枠体１６で囲まれた領域に、使用する樹脂１７の中で最も高い誘電率を有する樹脂の層を形成する。次いで、最も高い誘電率を有する樹脂の層の表面に、２番目に高い誘電率を有する樹脂の層を形成する。このように所望の層数となるように樹脂の層を形成し、最表層に位置する樹脂の層が、最も低い誘電率を有する樹脂で形成されている。

　層数は少なくとも２層であればよく、４層以上であってもよい。多重反射の低減効果と製造工程における煩雑さを考慮すると、層数は多くても１０～２０層程度がよい。各層の厚みは限定されず、全ての層が同じ厚みを有していてもよく、少なくとも一部の層が異なる厚みを有していてもよい。例えば、最も高い誘電率を有する樹脂１７の層が最も厚く形成されていてもよい。この場合、最も高い誘電率を有する樹脂１７の層の厚みは、樹脂１７全体の厚みの５～７０％程度であるのがよい。このように誘電率の異なる２種以上の樹脂を層状に充填することによって、多重反射をより低減することができる。

　上述の一実施形態に係るアンテナモジュール１では、内部アンテナ１０は制御基板１１に備えられている。しかし、内部アンテナ１０は、アンテナ基板１２内に備えられていてもよい。この場合、アンテナ用パッチ導体１４は上述の第１のアンテナ用パッチ導体１４のみが備えられ、第２のアンテナ用パッチ導体１４の代わりに内部アンテナが１０備えられる。このような場合、制御基板１１の構造を簡素化できる点で有利である。

　さらに、本開示のアンテナモジュール１には、より反りを低減するために、制御基板の下面に金属の枠（スティフナー）を設けてもよい。金属の枠としては、例えば銅、４２合金、コバール、ステンレス、アルミなどの枠が挙げられる。

　１　　アンテナモジュール
　１０　内部アンテナ
　１１　制御基板
　１２　アンテナ基板
　１３　絶縁板
　１４　アンテナ用パッチ導体
　１５　シールドスルーホール
　１６　枠体
　１６’　フィルター
　１６１　金属膜
　１７　樹脂
　１８　信号用導体

Claims (8)

1. 　制御回路を有する制御基板と、
   　前記制御基板上に搭載され、シールドスルーホールおよび平面視した場合に並んで配置された複数の第１のアンテナ用パッチ導体を有するアンテナ基板と、
   　前記制御基板および前記アンテナ基板に位置する信号用導体と、
   　前記アンテナ基板上において、前記第１のアンテナ用パッチ導体それぞれを分離するように取り囲む枠体と、
   　前記枠体の少なくとも外側面および内側面を被覆している金属膜と、
   　前記信号用導体および前記シールドスルーホールと電気的に接続されたフィルターと、
   を備え、
   　前記制御基板または前記アンテナ基板が、前記第１のアンテナ用パッチ導体と対向する位置に配置された内部アンテナを有しており、
   　平面視した場合に、互いに隣接する前記第１のアンテナ用パッチ導体の間に、前記シールドスルーホールが位置しており、
   　前記第１のアンテナ用パッチ導体を被覆するように、空気よりも高い誘電率を有する樹脂が前記枠体で囲まれた領域に位置していることを特徴とするアンテナモジュール。
2. 　前記フィルターが前記アンテナ基板に内蔵されている請求項１に記載のアンテナモジュール。
3. 　前記フィルターが前記枠体に内蔵されている請求項１に記載のアンテナモジュール。
4. 　前記枠体の高さが、前記信号用導体が伝送する電磁波の周波数の空気中での１波長分の長さよりも短い請求項１～３のいずれかに記載のアンテナモジュール。
5. 　前記樹脂は、前記第１のアンテナ用パッチ導体側から順に配置された互いに誘電率の異なる複数の層を含み、
   　前記複数の層は、少なくとも第１層と、該第１層よりも前記第１のアンテナ用パッチ導体に近接して位置する第２層とを有しており、
   　前記第２層の誘電率は、前記第１層の誘電率よりも高い請求項１～４のいずれかに記載のアンテナモジュール。
6. 　前記枠体の高さと、前記金属膜の高さと、前記樹脂の高さとが同じである請求項１～５のいずれかに記載のアンテナモジュール。
7. 　前記金属膜が、金である請求項１～６のいずれかに記載のアンテナモジュール。
8. 　前記内部アンテナが前記制御基板内に位置しており、
   　前記アンテナ基板は、前記第１のアンテナ用パッチ導体と対向する位置にそれぞれ配置された複数の第２のアンテナ用パッチ導体を、さらに有している請求項１～７のいずれかに記載のアンテナモジュール。

Images