WO2023090182A1 - アンテナモジュールおよびそれを搭載した通信装置 - Google Patents

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WO2023090182A1
WO2023090182A1 PCT/JP2022/041332 JP2022041332W WO2023090182A1 WO 2023090182 A1 WO2023090182 A1 WO 2023090182A1 JP 2022041332 W JP2022041332 W JP 2022041332W WO 2023090182 A1 WO2023090182 A1 WO 2023090182A1
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WO
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substrate
input terminal
radiating element
antenna module
radiating
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PCT/JP2022/041332
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English (en)
French (fr)
Inventor
良樹 山田
友理 山川
Original Assignee
株式会社村田製作所
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q13/00—Waveguide horns or mouths; Slot antennas; Leaky-waveguide antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave
    • H01Q13/08—Radiating ends of two-conductor microwave transmission lines, e.g. of coaxial lines, of microstrip lines
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/24—Combinations of antenna units polarised in different directions for transmitting or receiving circularly and elliptically polarised waves or waves linearly polarised in any direction
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/30—Combinations of separate antenna units operating in different wavebands and connected to a common feeder system
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K3/00—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits
    • H05K3/46—Manufacturing multilayer circuits

Definitions

  • the present disclosure relates to an antenna module and a communication device equipped with the same, and more specifically to technology for expanding the radiation range of an antenna module that can radiate radio waves in two directions.
  • Patent Document 1 describes an antenna in which radiating elements are arranged on two surfaces with different normal directions in a flat plate-shaped dielectric substrate that is bent into a substantially L shape. A module is disclosed. In the antenna module disclosed in International Publication No. 2020/170722 (Patent Document 1), radio waves can be radiated in different directions from the radiating elements on each surface of the dielectric substrate.
  • 5G 5th generation mobile communication system
  • advanced beamforming and spatial multiplexing are performed using multiple radiating elements, and in addition to the conventionally used 6 GHz band frequency signal, a higher frequency (several tens of GHz) millimeter wave band By using this signal, we aim to increase communication speed and improve communication quality.
  • High-frequency radio waves such as those in the millimeter wave band have high directivity, and the strength of radio waves in specific directions increases.
  • Patent Document 1 For example, in the antenna module disclosed in International Publication No. 2020/170722 (Patent Document 1), basically, radio waves are radiated in the normal directions of the two flat surfaces of the dielectric substrate. . Therefore, the antenna characteristics tend to be low in an intermediate direction between the two normal directions. Therefore, in an antenna module that radiates radio waves having directivity, it is desired to realize high antenna characteristics over as wide a range as possible.
  • An antenna module includes a first substrate and a second substrate arranged adjacent to each other, a first radiating element arranged on the first substrate, a second radiating element arranged on the second substrate, A hybrid coupler and a feeder circuit are provided.
  • the first substrate and the second substrate have different normal directions.
  • the hybrid coupler has first and second input terminals and first and second output terminals.
  • a feeding circuit is connected to the first input terminal and the second input terminal and supplies a high frequency signal to the first radiating element and the second radiating element.
  • the first radiating element and the second radiating element can radiate radio waves in the first frequency band.
  • the first radiating element is connected to the first output terminal and the second radiating element is connected to the second output terminal.
  • the phase difference between the high-frequency signals supplied to the first input terminal and the second input terminal is adjusted to a range larger than -90° and smaller than 90°.
  • two output terminals of the hybrid coupler are connected to two radiating elements (first radiating element, second radiating element) respectively arranged on two substrates having different normal directions
  • a high frequency signal is supplied from the power supply circuit via the hybrid coupler.
  • a high-frequency signal having a phase difference ⁇ in the range of ⁇ 90° ⁇ 90° is supplied to the two input terminals of the hybrid coupler.
  • the first radiating element and the second radiating element apparently function as an array antenna, and radiate radio waves not only in the normal direction of the two substrates but also in the intermediate direction between the two normal directions. can be made Therefore, in an antenna module in which radiating elements are arranged on two substrates having different normal directions, the radio wave radiation range can be expanded.
  • FIG. 1 is a block diagram of a communication device to which an antenna module according to Embodiment 1 is applied;
  • FIG. 1 is a perspective view of an antenna module according to Embodiment 1;
  • FIG. 2 is a side perspective view of the antenna module of Embodiment 1.
  • FIG. FIG. 4 is a diagram for explaining a hybrid coupler;
  • FIG. FIG. 4 is a diagram for explaining the directivity when changing the phase difference of the input signal to the hybrid coupler in the antenna module of Embodiment 1;
  • FIG. 11 is a block diagram of a communication device to which an antenna module of a comparative example is applied;
  • FIG. 4 is a diagram showing gain distributions in the global direction in the antenna modules of the first embodiment and the comparative example;
  • FIG. 8 is a perspective view of an antenna module according to Embodiment 2;
  • FIG. 11 is a perspective view of an antenna module according to Embodiment 3;
  • FIG. 1 is a block diagram of a communication device 10 to which an antenna module 100 according to this embodiment is applied.
  • the communication device 10 is, for example, a mobile terminal such as a mobile phone, a smart phone, or a tablet, or a personal computer having a communication function.
  • An example of the frequency band of the radio waves used in the antenna module 100 according to the present embodiment is, for example, millimeter-wave radio waves with center frequencies of 28 GHz, 39 GHz, and 60 GHz. Applicable.
  • the communication device 10 includes an antenna module 100 and a BBIC 200 forming a baseband signal processing circuit.
  • the antenna module 100 includes an RFIC 110, which is an example of a feeding circuit, an antenna device 120, a phase adjustment circuit 140, and hybrid couplers 150A to 150D.
  • hybrid couplers 150A to 150D may also be collectively referred to as "hybrid coupler 150".
  • the communication device 10 up-converts a signal transmitted from the BBIC 200 to the antenna module 100 into a high-frequency signal and radiates it from the antenna device 120, and down-converts the high-frequency signal received by the antenna device 120, and processes the signal in the BBIC 200. do.
  • the antenna device 120 includes a dielectric substrate 105 having two substrates 130A and 130B. At least one radiating element is arranged on each substrate of the dielectric substrates 105 . More specifically, FIG. 1 shows as an example a configuration in which four radiating elements 121A to 121D are arranged on the substrate 130A and four radiating elements 122A to 122D are arranged on the substrate 130B. The number of radiating elements arranged on the substrate is not limited to this. Further, FIG. 1 shows an example in which the radiating elements are arranged in a one-dimensional array on each substrate of the dielectric substrate. They may be arranged in an array. Alternatively, it may be the case that one radiating element is arranged on each substrate.
  • radiating elements 121A to 121D may be collectively referred to as “radiating elements 121", and the radiating elements 122A to 122D may be generically referred to as “radiating elements 122".
  • radiating elements 121 and 122 are microstrip antennas having a substantially square flat plate shape.
  • the RFIC 110 includes switches 111A to 111H, 113A to 113H, 117A and 117B, power amplifiers 112AT to 112HT, low noise amplifiers 112AR to 112HR, attenuators 114A to 114H, phase shifters 115A to 115H, and signal synthesis/distribution. 116A and 116B, mixers 118A and 118B, and amplifier circuits 119A and 119B.
  • a configuration of the amplifier circuit 119A is a circuit for high-frequency signals radiated from the radiating element 121 of the substrate 130A.
  • circuit 119B is the circuit for high frequency signals radiated from radiating element 122 of substrate 130B.
  • the switches 111A to 111H and 113A to 113H are switched to the power amplifiers 112AT to 112HT, and the switches 117A and 117B are connected to the transmission side amplifiers of the amplifier circuits 119A and 119B.
  • the switches 111A to 111H and 113A to 113H are switched to the low noise amplifiers 112AR to 112HR, and the switches 117A and 117B are connected to the receiving amplifiers of the amplifier circuits 119A and 119B.
  • Signals transmitted from the BBIC 200 are amplified by amplifier circuits 119A and 119B and up-converted by mixers 118A and 118B.
  • a transmission signal which is an up-converted high-frequency signal, is divided into four waves by signal combiners/dividers 116A and 116B.
  • the demultiplexed transmission signal is supplied to the corresponding hybrid coupler 150 via the phase adjustment circuit 140 .
  • the hybrid coupler 150 is a so-called "90° hybrid circuit" and has two input terminals and two output terminals as described later with reference to FIG.
  • the transmission signals from the switches 111A and 111E are supplied to two input terminals of the hybrid coupler 150A through the phase adjustment circuit 140, respectively.
  • Two output terminals of hybrid coupler 150A are connected to radiating elements 121A and 122A, respectively.
  • the transmission signals from switch 111B and switch 111F are supplied to two input terminals of hybrid coupler 150B via phase adjustment circuit 140, respectively.
  • Two output terminals of hybrid coupler 150B are connected to radiating elements 121B and 122B, respectively.
  • the transmission signals from the switches 111C and 111G are supplied to two input terminals of the hybrid coupler 150C through the phase adjustment circuit 140, respectively.
  • Two output terminals of hybrid coupler 150C are connected to radiating elements 121C and 122C, respectively.
  • the transmission signals from switch 111D and switch 111G are supplied to two input terminals of hybrid coupler 150D via phase adjustment circuit 140, respectively.
  • Two output terminals of hybrid coupler 150D are connected to radiating elements 121D and 122D, respectively.
  • the phase adjustment circuit 140 is provided on at least one of the paths connected to the input terminals of each hybrid circuit. By adjusting the phase adjustment circuit 140, the phase difference of the transmission signal input to each hybrid circuit is adjusted. Thereby, the ratio of radio waves radiated from the radiation elements 121 and 122 is adjusted.
  • phase adjustment circuit 140 is not necessarily an essential component. By adjusting the phase shift degree of the phase shifters 115A to 115H arranged in each signal path, the phase difference of the transmission signal input to each hybrid circuit is adjusted. may be adjusted. Further, by adjusting the phase difference of the transmission signal supplied to the radiation element of each substrate by the phase shifters 115A to 115H, it is possible to beamform the radio waves output from each substrate.
  • the received signals which are high-frequency signals received by the radiating elements 121 and 122, are transmitted to the RFIC 110 and combined in the signal combiners/dividers 116A and 116B via four different signal paths.
  • the multiplexed reception signals are down-converted by mixers 118A and 118B, amplified by amplifier circuits 119A and 119B, and transmitted to BBIC 200.
  • the RFIC 110 is formed, for example, as a one-chip integrated circuit component including the above circuit configuration.
  • devices switching, power amplifiers, low-noise amplifiers, attenuators, phase shifters
  • corresponding to the radiation elements 121A and 121B in the RFIC 110 may be formed as one-chip integrated circuit components for each corresponding radiation element. good.
  • FIG. 2 is a perspective view of the antenna module 100.
  • FIG. 3 is a perspective side view of the antenna module 100 mounted on the mounting board 20.
  • antenna module 100 includes dielectric substrate 105, radiating elements 121 and 122, phase adjustment circuit 140, hybrid coupler 150 and RFIC 110, as well as connector 180 and feeder wirings 171 and 172. , and a ground electrode GND.
  • the Z-axis direction is the normal direction of the substrate 130A
  • the X-axis direction is the normal direction of the substrate 130B
  • the Y-axis direction is the arrangement direction of the radiation elements on each substrate.
  • the positive direction of the Z-axis may be referred to as the upper surface side, and the negative direction thereof as the lower surface side.
  • Dielectric substrate 105 is, for example, a low temperature co-fired ceramics (LTCC) multilayer substrate, a multilayer resin substrate formed by laminating a plurality of resin layers made of resin such as epoxy or polyimide, or more. Multilayer resin substrates formed by laminating multiple resin layers composed of liquid crystal polymer (LCP) with a low dielectric constant, multilayer resin substrates formed by laminating multiple resin layers composed of fluorine resin It is a resin substrate or a ceramic multilayer substrate other than LTCC. Note that the dielectric substrate 105 does not necessarily have a multi-layer structure, and may be a single-layer substrate.
  • LCP liquid crystal polymer
  • the dielectric substrate 105 does not necessarily have a multi-layer structure, and may be a single-layer substrate.
  • the dielectric substrate 105 has a substantially L-shaped cross section. 2 and the X-axis direction of FIGS. 3A and 3B, and a bent portion 135 connecting the two substrates 130A and 130B.
  • the substrate 130A corresponds to the "first substrate” of the present disclosure
  • the substrate 130B corresponds to the "second substrate” of the present disclosure.
  • the substrate 130A has a substantially rectangular shape, and four radiation elements 121A to 121D are arranged in a line in the Y-axis direction on its surface.
  • a SiP (System In Package) module with built-in RFIC 110, phase adjustment circuit 140, hybrid coupler 150, power module IC (not shown), etc. 125 and connector 180 are connected.
  • the board 130A is mounted on the mounting board 20 by connecting the connector 180 to the connector 185 arranged on the surface 21 of the mounting board 20 .
  • the substrate 130A may be mounted on the mounting substrate 20 by solder connection.
  • the board 130B is connected to a bent portion 135 bent from the board 130A, and arranged so that its inner surface (surface in the negative direction of the X axis) faces the side surface 22 of the mounting substrate 20.
  • the substrate 130B has a configuration in which a plurality of notches 136 are formed in a substantially rectangular dielectric substrate, and the bent portions 135 are connected to the notches 136 .
  • a portion of the substrate 130B where the notch 136 is not formed extends from the boundary portion 134 where the bent portion 135 and the substrate 130B are connected toward the substrate 130A along the substrate 130B (that is, the Z-axis
  • a protruding portion 133 protruding in the positive direction of ) is formed.
  • the position of the protruding end of the protruding portion 133 is located in the positive direction of the Z-axis with respect to the lower surface side (the side facing the mounting substrate 20) of the substrate 130A.
  • Radiating elements 122A to 122D are arranged on the projecting portion 133 of the substrate 130B in the antenna module 100 corresponding to the radiating elements 121A to 121D arranged on the substrate 130A.
  • Each of the radiating elements 122A to 122D on the substrate 130B is arranged so that at least a portion thereof overlaps the protrusion 133.
  • the radiating elements 122A to 122D are arranged side by side in the X-axis direction with respect to the radiating elements 121A to 121D.
  • a ground electrode GND is arranged on the inner layer of the surface facing the mounting substrate 20.
  • a high-frequency signal is transmitted from the RFIC 110 in the SiP module 125 to the radiating element 121 of the substrate 130A through the feed wiring 171 . Further, a high-frequency signal is transmitted from the RFIC 110 to the radiation element 122 of the substrate 130B through the feeder wiring 172 .
  • Feed wiring 172 is connected from RFIC 110 to radiating element 122 arranged on substrate 130B through the interior of each dielectric substrate of substrates 130A and 130B and the interior of the dielectric substrate of bending portion 135 .
  • FIG. 4 is a diagram for explaining the details of the hybrid coupler 150.
  • the hybrid coupler 150 has two input terminals IN1 and IN2, two output terminals OUT1 and OUT2, two first lines 151 having a characteristic impedance Zo, and two second lines 152 having an impedance Zo/ ⁇ 2. has a combined configuration.
  • one second line 152 is connected between the input terminal IN1 and the output terminal OUT1, and the other second line 152 is connected between the input terminal IN2 and the output terminal OUT2.
  • the input terminal IN1 and the input terminal IN2 are connected by the first line 151 on one side, and the output terminal OUT1 and the output terminal OUT2 are connected by the first line 151 on the other side.
  • the lengths of the first line 151 and the second line 152 are both set to ⁇ /4, where ⁇ is the wavelength of the radio wave radiated from each radiating element.
  • a radiating element 121 is connected to the output terminal OUT1 via a power supply wiring 171 .
  • a radiation element 122 is connected to the output terminal OUT2 via a power supply wiring 172 .
  • the difference between the wiring length L1 of the power supply wiring 171 and the wiring length L2 of the power supply wiring 172 is set to be n ⁇ (n is an integer equal to or greater than zero).
  • the hybrid coupler 150 when a high-frequency signal having a phase difference of +90° with respect to the input terminal IN1 is supplied to the input terminal IN2, a high-frequency signal having twice the power is output from the output terminal OUT1. A high frequency signal is not output from OUT2. Conversely, when a high-frequency signal having a phase difference of ⁇ 90° with respect to the input terminal IN1 is supplied to the input terminal IN2, a high-frequency signal having twice the power is output from the output terminal OUT2. does not output high-frequency signals.
  • hybrid coupler 150 functions as a combiner and a demultiplexer.
  • one output terminal OUT1 of the two output terminals of the hybrid coupler 150 is connected to the radiation element 121 of the substrate 130A, and the other output terminal OUT2 is connected to the radiation element of the substrate 130B. 122. Therefore, by adjusting the phase difference ⁇ of the high-frequency signals input to the two input terminals IN1 and IN2 of the hybrid coupler 150 within the range of -90° ⁇ 90° A radio wave is radiated with an intensity ratio corresponding to the phase difference ⁇ .
  • the normal direction (Z-axis direction) of the substrate 130A and the substrate It is possible to radiate radio waves in a direction between the normal direction (X-axis direction) of 130B.
  • hybrid coupler 150 is preferably arranged on the same substrate as RFIC 110 .
  • 2 and 3 show a configuration in which SiP module 125 including RFIC 110 and hybrid coupler 150 is arranged on substrate 130A, SiP module 125 may be arranged on substrate 130B.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining the directivity when changing the phase difference of the input signal to the hybrid coupler in the antenna module of the first embodiment.
  • the left diagram shows a case (Case 1) in which a high-frequency signal having a +90° phase difference with respect to the high-frequency signal input to the input terminal IN1 is input to the input terminal IN2.
  • a case (case 2) is shown in which a high-frequency signal having a phase difference of ⁇ 90° with respect to the high-frequency signal input to the input terminal IN1 is input to the input terminal IN2.
  • the right figure shows a case (Case 3) in which high-frequency signals of the same phase are input to the input terminal IN1 and the input terminal IN2.
  • the higher the antenna gain the darker the hatching density.
  • the radio waves of the same power are radiated from the output terminals OUT1 and OUT2, so the radio waves are radiated in a direction of approximately 45° between the X axis and the Z axis. That is, in Case 3, the antenna module 100 operates as an array antenna with the radiating elements 121 and 122 .
  • FIG. 6 is a block diagram of a communication device 10X to which an antenna module 100X of a comparative example is applied.
  • phase adjustment circuit 140 and hybrid coupler 150 are not provided, and high-frequency signals from RFIC 110 are individually supplied to each radiation element.
  • the transmission signals from the switches 111A-111D are supplied to the radiating elements 121A-121D of the substrate 130A, respectively.
  • Transmission signals from the switches 111E to 111H are supplied to the radiating elements 122A to 122D of the substrate 130B, respectively.
  • FIG. 7 is a diagram showing gain distributions in the global direction in the antenna modules of the first embodiment and the comparative example.
  • the horizontal axis indicates the angle ⁇ about the Y-axis from the X-axis direction
  • the vertical axis indicates the angle ⁇ about the X-axis from the Z-axis direction.
  • the higher the gain the darker the hatching color.
  • the radiating elements 121, 122 can be made to function as an apparent array antenna.
  • radio waves can be radiated not only in the normal directions of the substrates 130A and 130B on which the radiating elements 121 and 122 are arranged, but also in directions at intermediate angles between the normal directions. Therefore, in an antenna module in which radiating elements are arranged on two substrates having different normal directions, the radio wave radiation range can be expanded.
  • One of the “radiating elements 121” in Embodiment 1 corresponds to the “first radiating element” of the present disclosure
  • the corresponding radiating element of the “radiating elements 122” corresponds to the “second radiating element” of the present disclosure.
  • the radiation element adjacent to the “first radiation element” corresponds to the "third radiation element” in the present disclosure
  • the radiation element adjacent to the "second radiation element” corresponds to the "fourth radiation element” in the present disclosure. do.
  • “radiating element 121A” and “radiating element 122A” correspond to "first radiation element” and “second radiation element”
  • “radiating element 121B” and “radiating element 122B” correspond to "second radiation element”.
  • hybrid coupler 150A and “hybrid coupler 150B” respectively correspond to “first hybrid coupler” and “second hybrid coupler” in the present disclosure.
  • Y-axis direction and “X-axis direction” in Embodiment 1 respectively correspond to “first direction” and “second direction” in the present disclosure.
  • Embodiment 2 In Embodiment 1, a so-called single-band, single-polarization type antenna module, in which each substrate radiates radio waves in a single frequency band and in a single polarization direction, has been described.
  • each substrate can radiate radio waves in two different frequency bands, and each radiating element can radiate polarized waves in two different directions.
  • FIG. 8 is a perspective view of the antenna module 100A according to Embodiment 2.
  • antenna device 120A of antenna module 100A two types of radiating elements are arranged on each of substrate 130A and substrate 130B.
  • the substrate 130A includes radiating elements 123A to 123A capable of radiating radio waves of a second frequency band different from the first frequency band. 123D is arranged.
  • radiating elements 124A to 124D capable of radiating radio waves of the second frequency band are arranged on the substrate 130B.
  • the element size of the radiating elements 123 and 124 is smaller than the element size of the radiating elements 121 and 122. That is, the frequency band (second frequency band) of radio waves radiated from radiating elements 123 and 124 is higher than the frequency band (first frequency band) of radio waves radiated from radiating elements 121 and 122 .
  • the first frequency band is the 28 GHz band and the second frequency band is the 39 GHz band.
  • the antenna module 100A is a dual band type antenna module capable of radiating radio waves in two different frequency bands.
  • the radiating element 121 and the radiating element 123 have a substantially square flat plate shape, and are arranged so as to overlap each other when viewed in plan from the normal direction of the substrate 130A.
  • the radiating elements 122 and 122 have a substantially square flat plate shape, and are arranged so as to overlap each other when viewed in plan from the normal direction of the substrate 130B.
  • the high-frequency side radiation elements 123 and 124 are arranged on the surfaces of the substrates 130A and 130B, respectively, and the low-frequency side radiation elements 121 and 122 are arranged inside the substrates 130A and 130B, respectively.
  • the radiating elements 123 and 124 may also be arranged inside the substrates 130A and 130B, respectively.
  • each radiation element is arranged so that the sides of each radiation element are inclined at 45° with respect to the sides of substrates 130A and 130B.
  • the sides of the radiation elements and the sides of the substrates 130A and 130B may be arranged substantially parallel to each other.
  • each of the radiating elements 121 to 124 high frequency signals are supplied to two feeding points. This allows each of the radiation elements 121 to 124 to radiate radio waves in two different polarization directions. That is, the antenna module 100A is a dual polarized antenna module capable of emitting radio waves in two different polarization directions.
  • a high-frequency signal is supplied to the feeding points of the radiating element 121 and the corresponding radiating element 122 via a hybrid coupler.
  • the feed points of radiating element 123 and corresponding radiating element 124 are fed with high frequency signals via hybrid couplers.
  • a high frequency signal is supplied from one hybrid coupler to the feeding points SP11 and SP21, and a high frequency signal is supplied from one hybrid coupler to the feeding points SP12 and SP22. be done.
  • a high frequency signal is supplied from one hybrid coupler to feeding points SP31 and SP41, and a high frequency signal is supplied from one hybrid coupler to feeding points SP32 and SP42. supplied. Feeding points having the same polarization direction are connected to one hybrid coupler.
  • a high-frequency signal is supplied to the corresponding radiation element via a hybrid coupler, and ⁇ 90° ⁇ is supplied to the hybrid coupler.
  • radio waves can be radiated not only in the normal directions of the substrates 130A and 130B, but also in the directions of intermediate angles between the normal directions, It can expand the radiation range of radio waves.
  • each radiating element has a substantially square shape, and two dielectric substrates are integrally formed.
  • each radiating element has a substantially circular shape and each substrate is composed of individual substrates independent of each other.
  • FIG. 9 is a perspective view of an antenna module 100B according to Embodiment 3.
  • the connection member 190 includes a bendable strip-shaped flexible board 191 and connectors 192 and 193 arranged at both ends of the flexible board 191 .
  • Connector 192 is connected to a connector (not shown) arranged on substrate 130A1.
  • connector 193 is connected to a connector (not shown) arranged on board 130B1.
  • Radiating elements 121A1 to 121D1 and radiating elements 123A1 to 123D1 having a substantially circular plate shape are arranged side by side in the Y-axis direction on the substrate 130A1.
  • Radiating elements 122A1 to 122D1 and radiating elements 124A1 to 124D1 having a substantially circular plate shape are arranged side by side in the Y-axis direction on the substrate 130B1.
  • the diameter of radiating elements 121A1-121D1 and radiating elements 122A1-122D1 is larger than the diameter of radiating elements 123A1-123D1 and radiating elements 124A1-124D1.
  • the frequency band of radio waves emitted from radiation elements 121A1-121D1 and radiation elements 122A1-122D1 is lower than the frequency band of radio waves emitted from radiation elements 123A1-123D1 and radiation elements 124A1-124D1.
  • Each of the radiation elements 121A1 to 121D1 and radiation elements 123A1 to 123D1 has two feeding points for radiating radio waves with the polarization direction of the X axis and radio waves with the polarization direction of the Y axis. are placed.
  • each of the radiating elements 122A1 to 122D1 and the radiating elements 124A1 to 124D1 has two feeders for radiating radio waves polarized in the Y-axis direction and radio waves polarized in the Z-axis direction. points are placed.
  • a high-frequency signal is supplied from one hybrid coupler to each feed point in the polarization direction of the Y-axis between the corresponding radiation elements in the radiation elements 121A1 to 121D1 and the radiation elements 122A1 to 122D1, and the polarization of the X-axis is supplied.
  • a high-frequency signal is supplied from one hybrid coupler to the directional feed point and the Z-axis polarization feed point.
  • a high frequency signal is supplied from one hybrid coupler to each feeding point in the Y-axis polarization direction
  • a high-frequency signal is supplied from one hybrid coupler to the feed point in the wave direction and the feed point in the Z-axis polarization direction.
  • the radiation range of radio waves can be expanded.
  • 10, 10X communication device 20 mounting board, 21 front surface, 22 side surface, 100, 100A, 100B, 100X antenna module, 105 dielectric substrate, 110 RFIC, 111A to 111H, 113A to 113H, 117A, 117B switch, 112AR, ⁇ 112HR low noise amplifier, 112AT ⁇ 112HT power amplifier, 114A ⁇ 114H attenuator, 115A ⁇ 115H phase shifter, 116A, 116B signal combiner/divider, 118A, 118B mixer, 119A, 119B amplifier circuit, 120, 120A, 120B antenna device , 121, 121A to 121D, 121A1 to 121D1, 122, 122A to 122D, 122A1 to 122D1, 123, 123A to 123D, 123A1 to 123A1, 124, 124A to 124D, 124A1 to 124D1 radiation element, 125 SiP module, 130A, 130A1 , 130B, 130

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Abstract

アンテナモジュール（１００）は、互いに法線方向が異なる基板（１３０Ａ、１３０Ｂ）と、基板（１３０Ａ）に配置された放射素子（１２１）と、基板（１３０Ｂ）に配置された放射素子（１２２）と、ハイブリッドカプラ（１５０）と、ＲＦＩＣ（１１０）とを備える。ハイブリッドカプラ（１５０）は、入力端子（ＩＮ１，ＩＮ２）および出力端子（ＯＵＴ１，ＯＵＴ２）を有する。ＲＦＩＣ（１１０）は、入力端子（ＩＮ１，ＩＮ２）に接続され、放射素子（１２１，１２２）に高周波信号を供給する。放射素子（１２１，１２２）は、第１周波数帯域の電波を放射可能である。放射素子（１２１）は出力端子（ＯＵＴ１）に接続され、放射素子（１２２）は出力端子（ＯＵＴ２）に接続される。入力端子（ＩＮ１，ＩＮ２）に供給される高周波信号の位相差は、－９０°より大きく、かつ、９０°より小さい範囲に調整される。

Description

アンテナモジュールおよびそれを搭載した通信装置
　本開示は、アンテナモジュールおよびそれを搭載した通信装置に関し、より特定的には、２方向に電波を放射可能なアンテナモジュールにおける放射範囲を拡大するための技術に関する。
　国際公開第２０２０／１７０７２２号明細書（特許文献１）には、略Ｌ字形状に折り曲げられた平板形状からなる誘電体基板において、法線方向の異なる２つの面に放射素子が配置されたアンテナモジュールが開示されている。国際公開第２０２０／１７０７２２号明細書（特許文献１）に開示されたアンテナモジュールにおいては、誘電体基板の各面の放射素子から、異なる方向に電波を放射することができる。
国際公開第２０２０／１７０７２２号明細書
　近年、スマートフォンなどの携帯端末が普及し、さらにはＩｏＴなどの技術革新により無線通信機能を有する家電製品や電子機器が増加している。これにより、無線ネットワークの通信トラフィックが増大し、通信速度および通信品質が低下することが懸念されている。
　このような課題を解決するための１つの対策として、第５世代移動通信システム（５Ｇ）の開発が進められている。５Ｇにおいては、複数の放射素子を用いて高度なビームフォーミングおよび空間多重を行なうとともに、従来から使用されている６ＧＨｚ帯の周波数の信号に加えて、より高い周波数（数十ＧＨｚ）のミリ波帯の信号を使用することによって、通信速度の高速化および通信品質の向上を図ることを目指している。
　ミリ波帯のような高い周波数の電波は高い指向性を有しており、特定の方向に対する電波の強度が強くなる。一般的に、通信装置においては、あらゆる方向（全球方向）に対して高いアンテナ特性を有することが望ましいが、上記のように指向性を有する電波の場合、放射素子の配置によっては部分的に十分なアンテナ特性が得られない領域が生じ得る。
　たとえば、上記の国際公開第２０２０／１７０７２２号明細書（特許文献１）に開示されたアンテナモジュールにおいては、基本的には、誘電体基板の２つの平坦面の法線方向に電波が放射される。そのため、２つの法線方向の間の中間的な方向においてはアンテナ特性が低くなる傾向にある。したがって、指向性を有する電波を放射するアンテナモジュールにおいては、できるだけ広範囲にわたって高いアンテナ特性を実現することが望まれている。
　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、異なる法線方向を有する２つの基板に放射素子が配置されたアンテナモジュールにおいて、電波の放射範囲を拡大することである。
　本開示に係るアンテナモジュールは、互いに隣接して配置された第１基板および第２基板と、第１基板に配置された第１放射素子と、第２基板に配置された第２放射素子と、ハイブリッドカプラと、給電回路とを備える。第１基板および第２基板は、法線方向が異なる。ハイブリッドカプラは、第１入力端子および第２入力端子、ならびに、第１出力端子および第２出力端子を有する。給電回路は、第１入力端子および第２入力端子に接続され、第１放射素子および第２放射素子に高周波信号を供給する。第１放射素子および第２放射素子は、第１周波数帯域の電波を放射可能である。第１放射素子は第１出力端子に接続され、第２放射素子は第２出力端子に接続される。第１入力端子および第２入力端子に供給される高周波信号の位相差は、－９０°より大きく、かつ、９０°より小さい範囲に調整される。
　本開示に係るアンテナモジュールにおいては、互いに法線方向が異なる２つの基板にそれぞれ配置された２つの放射素子（第１放射素子，第２放射素子）にハイブリッドカプラの２つの出力端子が接続され、ハイブリッドカプラを介して給電回路から高周波信号が供給される。そして、当該ハイブリッドカプラの２つの入力端子に対して、位相差αが－９０°＜α＜９０°の範囲となるような高周波信号が供給される。これにより、第１放射素子および第２放射素子が、見かけ上アレイアンテナとして機能し、２つの基板の法線方向に加えて、２つの法線方向の間の中間的な方向にも電波を放射させることができる。したがって、異なる法線方向を有する２つの基板に放射素子が配置されたアンテナモジュールにおいて、電波の放射範囲を拡大することができる。
実施の形態１に係るアンテナモジュールが適用される通信装置のブロック図である。 実施の形態１のアンテナモジュールの斜視図である。 実施の形態１のアンテナモジュールの側面透視図である。 ハイブリッドカプラを説明するための図である。 実施の形態１のアンテナモジュールにおいて、ハイブリッドカプラへの入力信号の位相差を変化させたときの指向性を説明するための図である。 比較例のアンテナモジュールが適用される通信装置のブロック図である。 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全球方向のゲイン分布を示す図である。 実施の形態２に係るアンテナモジュールの斜視図である。 実施の形態３に係るアンテナモジュールの斜視図である。
　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。本実施の形態に係るアンテナモジュール１００に用いられる電波の周波数帯域の一例は、たとえば２８ＧＨｚ、３９ＧＨｚおよび６０ＧＨｚなどを中心周波数とするミリ波帯の電波であるが、上記以外の周波数帯域の電波についても適用可能である。
　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、位相調整回路１４０と、ハイブリッドカプラ１５０Ａ～１５０Ｄとを備える。なお、以降の説明において、ハイブリッドカプラ１５０Ａ～１５０Ｄを包括的に「ハイブリッドカプラ１５０」とも称する場合がある。
　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。
　アンテナ装置１２０は、２つの基板１３０Ａ，１３０Ｂを有する誘電体基板１０５を含む。誘電体基板１０５の各基板には、少なくとも１つの放射素子が配置される。より具体的には、図１には、基板１３０Ａに４つの放射素子１２１Ａ～１２１Ｄが配置され、基板１３０Ｂに４つの放射素子１２２Ａ～１２２Ｄが配置された構成が一例として示されているが、各基板に配置される放射素子の数はこれに限らない。また、図１においては、誘電体基板の各基板において、放射素子が一列に配置された一次元のアレイ状に配置された例が示されているが、各基板において、放射素子が二次元のアレイ状に配置されていてもよい。あるいは、各基板に１つの放射素子が配置される場合であってもよい。
　なお、以降の説明において、放射素子１２１Ａ～１２１Ｄを包括的に「放射素子１２１」と称し、放射素子１２２Ａ～１２２Ｄを包括的に「放射素子１２２」と称する場合がある。実施の形態１においては、放射素子１２１，１２２は、略正方形の平板形状を有するマイクロストリップアンテナである。
　ＲＦＩＣ１１０は、スイッチ１１１Ａ～１１１Ｈ，１１３Ａ～１１３Ｈ，１１７Ａ，１１７Ｂと、パワーアンプ１１２ＡＴ～１１２ＨＴと、ローノイズアンプ１１２ＡＲ～１１２ＨＲと、減衰器１１４Ａ～１１４Ｈと、移相器１１５Ａ～１１５Ｈと、信号合成／分配器１１６Ａ，１１６Ｂと、ミキサ１１８Ａ，１１８Ｂと、増幅回路１１９Ａ、１１９Ｂとを備える。このうち、スイッチ１１１Ａ～１１１Ｄ，１１３Ａ～１１３Ｄ，１１７Ａ、パワーアンプ１１２ＡＴ～１１２ＤＴ、ローノイズアンプ１１２ＡＲ～１１２ＤＲ、減衰器１１４Ａ～１１４Ｄ、移相器１１５Ａ～１１５Ｄ、信号合成／分配器１１６Ａ、ミキサ１１８Ａ、および増幅回路１１９Ａの構成が、基板１３０Ａの放射素子１２１から放射される高周波信号のための回路である。また、スイッチ１１１Ｅ～１１１Ｈ，１１３Ｅ～１１３Ｈ，１１７Ｂ、パワーアンプ１１２ＥＴ～１１２ＨＴ、ローノイズアンプ１１２ＥＲ～１１２ＨＲ、減衰器１１４Ｅ～１１４Ｈ、移相器１１５Ｅ～１１５Ｈ、信号合成／分配器１１６Ｂ、ミキサ１１８Ｂ、および増幅回路１１９Ｂの構成が、基板１３０Ｂの放射素子１２２から放射される高周波信号のための回路である。
　高周波信号を送信する場合には、スイッチ１１１Ａ～１１１Ｈ，１１３Ａ～１１３Ｈがパワーアンプ１１２ＡＴ～１１２ＨＴ側へ切換えられるとともに、スイッチ１１７Ａ，１１７Ｂが増幅回路１１９Ａ，１１９Ｂ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～１１１Ｈ，１１３Ａ～１１３Ｈがローノイズアンプ１１２ＡＲ～１１２ＨＲ側へ切換えられるとともに、スイッチ１１７Ａ，１１７Ｂが増幅回路１１９Ａ，１１９Ｂ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１１９Ａ，１１９Ｂで増幅され、ミキサ１１８Ａ，１１８Ｂ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／分配器１１６Ａ，１１６Ｂで４分波される。分波された送信信号は、位相調整回路１４０を介して、対応するハイブリッドカプラ１５０に供給される。ハイブリッドカプラ１５０は、いわゆる「９０°ハイブリッド回路」であり、図４を用いて後述するように、２つの入力端子および２つの出力端子を有する。
　スイッチ１１１Ａおよびスイッチ１１１Ｅからの送信信号は、位相調整回路１４０を介してハイブリッドカプラ１５０Ａの２つの入力端子にそれぞれ供給される。ハイブリッドカプラ１５０Ａの２つの出力端子は、放射素子１２１Ａ，１２２Ａにそれぞれ接続される。スイッチ１１１Ｂおよびスイッチ１１１Ｆからの送信信号は、位相調整回路１４０を介してハイブリッドカプラ１５０Ｂの２つの入力端子にそれぞれ供給される。ハイブリッドカプラ１５０Ｂの２つの出力端子は、放射素子１２１Ｂ，１２２Ｂにそれぞれ接続される。
　スイッチ１１１Ｃおよびスイッチ１１１Ｇからの送信信号は、位相調整回路１４０を介してハイブリッドカプラ１５０Ｃの２つの入力端子にそれぞれ供給される。ハイブリッドカプラ１５０Ｃの２つの出力端子は、放射素子１２１Ｃ，１２２Ｃにそれぞれ接続される。スイッチ１１１Ｄおよびスイッチ１１１Ｇからの送信信号は、位相調整回路１４０を介してハイブリッドカプラ１５０Ｄの２つの入力端子にそれぞれ供給される。ハイブリッドカプラ１５０Ｄの２つの出力端子は、放射素子１２１Ｄ，１２２Ｄにそれぞれ接続される。
　位相調整回路１４０は、各ハイブリッド回路における入力端子に接続される経路の少なくとも一方に設けられる。位相調整回路１４０を調整することによって、各ハイブリッド回路に入力される送信信号の位相差が調整される。これによって、放射素子１２１，１２２から放射される電波の割合が調整される。
　なお、位相調整回路１４０は、必ずしも必須の構成ではなく、各信号経路に配置された移相器１１５Ａ～１１５Ｈの移相度を調整することによって、各ハイブリッド回路に入力される送信信号の位相差を調整してもよい。また、移相器１１５Ａ～１１５Ｈによって、各基板の放射素子に供給する送信信号の位相差を調整することによって、各基板から出力される電波をビームフォーミングさせることも可能である。
　各放射素子１２１，１２２で受信された高周波信号である受信信号はＲＦＩＣ１１０に伝達され、それぞれ異なる４つの信号経路を経由して信号合成／分配器１１６Ａ，１１６Ｂにおいて合波される。合波された受信信号は、ミキサ１１８Ａ，１１８Ｂでダウンコンバートされ、さらに増幅回路１１９Ａ，１１９Ｂ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における各放射素子１２１Ａ，１２１Ｂ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、対応する放射素子毎に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成）
　次に、図２および図３を用いて、本実施の形態におけるアンテナモジュール１００の構成の詳細を説明する。図２は、アンテナモジュール１００の斜視図である。また、図３は、当該アンテナモジュール１００が実装基板２０に実装された状態の側面透視図である。
　図２および図３を参照して、アンテナモジュール１００は、誘電体基板１０５、放射素子１２１，１２２、位相調整回路１４０、ハイブリッドカプラ１５０およびＲＦＩＣ１１０に加えて、コネクタ１８０と、給電配線１７１，１７２と、接地電極ＧＮＤとを含む。なお、以降の説明において、基板１３０Ａの法線方向をＺ軸方向、基板１３０Ｂの法線方向をＸ軸方向とし、各基板における放射素子の配列方向をＹ軸方向とする。各図における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。
　誘電体基板１０５は、たとえば、低温同時焼成セラミックス（ＬＴＣＣ：Low　Temperature　Co-fired　Ceramics）多層基板、エポキシ、ポリイミドなどの樹脂から構成される樹脂層を複数積層して形成された多層樹脂基板、より低い誘電率を有する液晶ポリマー（Liquid　Crystal　Polymer：ＬＣＰ）から構成される樹脂層を複数積層して形成された多層樹脂基板、フッ素系樹脂から構成される樹脂層を複数積層して形成された多層樹脂基板、あるいは、ＬＴＣＣ以外のセラミックス多層基板である。なお、誘電体基板１０５は必ずしも多層構造でなくてもよく、単層の基板であってもよい。
　アンテナモジュール１００のアンテナ装置１２０において、誘電体基板１０５は、断面形状が略Ｌ字形状となっており、図２および図３のＺ軸方向を法線方向とする平板状の基板１３０Ａと、図２および図３のＸ軸方向を法線方向とする平板状の基板１３０Ｂと、当該２つの基板１３０Ａ，１３０Ｂを接続する屈曲部１３５とを含む。なお、実施の形態１においては、基板１３０Ａが本開示の「第１基板」に対応し、基板１３０Ｂが本開示の「第２基板」に対応する。
　アンテナモジュール１００においては、２つの基板１３０Ａ，１３０Ｂの各々に、４つの放射素子がＹ軸方向に一列に配置されている。以下の説明において、理解を容易にするために、放射素子１２１，１２２が基板１３０Ａ，１３０Ｂの表面に露出するように配置された例について説明するが、放射素子１２１，１２２は、基板１３０Ａ，１３０Ｂの内部に配置されてもよい。
　基板１３０Ａは略矩形形状を有しており、その表面に４つの放射素子１２１Ａ～１２１ＤがＹ軸方向に一列に配置されている。また、基板１３０Ａの下面側（Ｚ軸の負方向の面）には、ＲＦＩＣ１１０、位相調整回路１４０、ハイブリッドカプラ１５０およびパワーモジュールＩＣ（図示せず）などが内蔵されたＳｉＰ（System　In　Package）モジュール１２５、ならびに、コネクタ１８０が接続されている。基板１３０Ａは、実装基板２０の表面２１に配置されたコネクタ１８５に、コネクタ１８０を接続することによって、実装基板２０に実装されている。なお、基板１３０Ａは、はんだ接続により実装基板２０に実装されてもよい。
　基板１３０Ｂは、基板１３０Ａから屈曲した屈曲部１３５に接続されており、その内側の面（Ｘ軸の負方向の面）が実装基板２０の側面２２に面するように配置される。基板１３０Ｂは、略矩形形状の誘電体基板に複数の切欠部１３６が形成された構成となっており、この切欠部１３６に屈曲部１３５が接続されている。言い換えると、基板１３０Ｂにおいて切欠部１３６が形成されていない部分には、屈曲部１３５と基板１３０Ｂとが接続される境界部１３４から、当該基板１３０Ｂに沿って基板１３０Ａに向かう方向（すなわち、Ｚ軸の正方向）に突出した突出部１３３が形成されている。この突出部１３３の突出端の位置は、基板１３０Ａの下面側（実装基板２０に面する側）の面よりもＺ軸の正方向に位置している。
　アンテナモジュール１００における基板１３０Ｂの突出部１３３には、基板１３０Ａに配置された放射素子１２１Ａ～１２１Ｄに対応して、放射素子１２２Ａ～１２２Ｄが配置されている。基板１３０Ｂにおける放射素子１２２Ａ～１２２Ｄの各々は、少なくともその一部が突出部１３３に重なるように配置されている。基板１３０Ａの法線方向から平面視した場合に、放射素子１２２Ａ～１２２Ｄは、それぞれ、放射素子１２１Ａ～１２１Ｄに対してＸ軸方向に並んで配置されている。
　基板１３０Ａ，１３０Ｂおよび屈曲部１３５において、実装基板２０に面する面の内層には接地電極ＧＮＤが配置されている。基板１３０Ａの放射素子１２１には、給電配線１７１を介して、ＳｉＰモジュール１２５内のＲＦＩＣ１１０から高周波信号が伝達される。また、基板１３０Ｂの放射素子１２２には、給電配線１７２を介して、ＲＦＩＣ１１０から高周波信号が伝達される。給電配線１７２は、ＲＦＩＣ１１０から、基板１３０Ａ，１３０Ｂの各誘電体基板の内部、および、屈曲部１３５の誘電体基板の内部を通って、基板１３０Ｂに配置された放射素子１２２に接続される。
　図４は、ハイブリッドカプラ１５０の詳細を説明するための図である。ハイブリッドカプラ１５０は、２つの入力端子ＩＮ１，ＩＮ２と、２つの出力端子ＯＵＴ１，ＯＵＴ２と、特性インピーダンスＺｏを有する２つの第１線路１５１と、インピーダンスＺｏ／√２を有する２つの第２線路１５２とが組み合わせられた構成を有している。
　より具体的には、入力端子ＩＮ１と出力端子ＯＵＴ１との間に一方の第２線路１５２が接続されており、入力端子ＩＮ２と出力端子ＯＵＴ２との間に他方の第２線路１５２が接続されている。また、入力端子ＩＮ１と入力端子ＩＮ２とは、一方の第１線路１５１により接続されており、出力端子ＯＵＴ１と出力端子ＯＵＴ２とは、他方の第１線路１５１により接続されている。各放射素子から放射される電波の波長をλとすると、第１線路１５１および第２線路１５２の長さは、いずれもλ／４の長さに設定されている。
　出力端子ＯＵＴ１には、給電配線１７１を介して放射素子１２１が接続される。また、出力端子ＯＵＴ２には、給電配線１７２を介して放射素子１２２が接続される。給電配線１７１の配線長Ｌ１と、給電配線１７２の配線長Ｌ２との差はｎλ（ｎはゼロ以上の整数）となるように設定されている。これにより、出力端子ＯＵＴ１，ＯＵＴ２から同位相の高周波信号が出力された場合には、放射素子１２１，１２２から同位相の電波が放射されることになる。
　ハイブリッドカプラ１５０において、入力端子ＩＮ１に対して＋９０°の位相差を有する高周波信号が入力端子ＩＮ２に供給されると、出力端子ＯＵＴ１から２倍の電力を有する高周波信号が出力されるが、出力端子ＯＵＴ２からは高周波信号は出力されない。逆に、入力端子ＩＮ１に対して－９０°の位相差を有する高周波信号が入力端子ＩＮ２に供給されると、出力端子ＯＵＴ２から２倍の電力を有する高周波信号が出力されるが、出力端子ＯＵＴ１からは高周波信号は出力されない。
　また、入力端子ＩＮ１に供給される高周波信号対する入力端子ＩＮ２に供給される高周波信号の位相差αを－９０°＜α＜９０°の範囲に調整すると当該位相差に応じた比率の電力が、出力端子ＯＵＴ１，ＯＵＴ２から出力される。たとえば、位相差α＝０°に調整すると、出力端子ＯＵＴ１，ＯＵＴ２から同じ大きさの電力の高周波信号が出力される。すなわち、ハイブリッドカプラ１５０は合成器および分波器として機能する。
　本実施の形態１のアンテナモジュール１００においては、ハイブリッドカプラ１５０の２つの出力端子のうちの一方の出力端子ＯＵＴ１が基板１３０Ａの放射素子１２１に接続され、他方の出力端子ＯＵＴ２が基板１３０Ｂの放射素子１２２に接続されている。そのため、ハイブリッドカプラ１５０の２つの入力端子ＩＮ１，ＩＮ２に入力される高周波信号の位相差αを－９０°＜α＜９０°の範囲内で調整することによって、放射素子１２１，１２２の双方から位相差αに応じた比率の強度で電波が放射される。放射素子１２１から放射される電極の偏波方向と、放射素子１２２から放射される電波の偏波方向が一致するようにしておくことによって、基板１３０Ａの法線方向（Ｚ軸方向）と、基板１３０Ｂの法線方向（Ｘ軸方向）との間の方向へ電波を放射することが可能となる。
　なお、ハイブリッドカプラ１５０とＲＦＩＣ１１０とが異なる基板上に配置される場合、ハイブリッドカプラ１５０とＲＦＩＣ１１０との間の伝達経路が長くなることに起因して、ＲＦＩＣ１１０からハイブリッドカプラ１５０までの２つの入力伝達経路の線路長、および／または、当該２つの経路のインピーダンスマッチング状態の相違が生じやすくなる。その結果、周波数に対する位相の変動量が大きくなってしまうため、２つの入力端子間の位相差の周波数特性が不安定となり、位相制御が困難となり得る。そのため、ハイブリッドカプラ１５０は、ＲＦＩＣ１１０と同一基板上に配置されることが好ましい。図２および図３においては、ＲＦＩＣ１１０およびハイブリッドカプラ１５０を含むＳｉＰモジュール１２５が基板１３０Ａに配置される構成が示されているが、ＳｉＰモジュール１２５は、基板１３０Ｂに配置されていてもよい。
　（アンテナゲインの分布）
　図５は、実施の形態１のアンテナモジュールにおいて、ハイブリッドカプラへの入力信号の位相差を変化させたときの指向性を説明するための図である。図５においては、左図に入力端子ＩＮ１に入力する高周波信号に対して＋９０°の位相差を有する高周波信号を入力端子ＩＮ２に入力した場合（ケース１）が示されており、中図には入力端子ＩＮ１に入力する高周波信号に対して－９０°の位相差を有する高周波信号を入力端子ＩＮ２に入力した場合（ケース２）が示されている。そして、右図には、入力端子ＩＮ１および入力端子ＩＮ２に同位相の高周波信号を入力した場合（ケース３）が示されている。なお、図５においては、アンテナゲインが高くなるほど、ハッチングの濃度が濃く示されている。
　ケース１においては、出力端子ＯＵＴ１のみから高周波信号が出力されるため、基板１３０Ａの放射素子１２１からＺ軸方向に電波が放射されている。ケース２においては、出力端子ＯＵＴ２のみから高周波信号が出力されるため、基板１３０Ｂの放射素子１２２からＸ軸方向に電波が放射されている。
　ケース３の場合には、出力端子ＯＵＴ１および出力端子ＯＵＴ２から同じ電力の電波が放射されるため、Ｘ軸とＺ軸との間のほぼ４５°方向に向かって電波が放射されている。すなわち、ケース３の場合には、アンテナモジュール１００は、放射素子１２１および放射素子１２２によるアレイアンテナとして動作する。
　したがって、入力端子ＩＮ１に入力する高周波信号に対して０°～＋９０°の間の位相差を有する高周波信号を入力端子ＩＮ２に入力すると、Ｘ軸からＺ軸に向かって４５°～９０°の方向に電波が放射される。また、入力端子ＩＮ１に入力する高周波信号に対して－９０°～０°の間の位相差を有する高周波信号を入力端子ＩＮ２に入力すると、Ｘ軸からＺ軸に向かって０°～４５°の方向に電波が放射される。
　次に、図６および図７を用いて、本実施の形態１のアンテナモジュール１００におけるアンテナゲインの分布について、比較例におけるアンテナゲインの分布と比較しながら説明する。
　図６は、比較例のアンテナモジュール１００Ｘが適用される通信装置１０Ｘのブロック図である。アンテナモジュール１００Ｘにおいては、位相調整回路１４０およびハイブリッドカプラ１５０が設けられておらず、ＲＦＩＣ１１０からの高周波信号が各放射素子に対して個別に供給されている。具体的には、スイッチ１１１Ａ～１１１Ｄからの送信信号は、基板１３０Ａの放射素子１２１Ａ～１２１Ｄにそれぞれ供給されている。また、スイッチ１１１Ｅ～１１１Ｈからの送信信号は、基板１３０Ｂの放射素子１２２Ａ～１２２Ｄにそれぞれ供給されている。
　図７は、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全球方向のゲイン分布を示す図である。図７のゲイン分布において、横軸はＹ軸回りのＸ軸方向からの角度φを示しており、縦軸はＸ軸回りのＺ軸方向からの角度θを示している。また、図７において、ゲインが高くなるほどハッチングの色が濃く示されている。なお、図７の実施の形態１のアンテナモジュール１００においては、ハイブリッドカプラ１５０の入力端子ＩＮ１，ＩＮ２に同位相の高周波信号が供給されている。
　図７に示されるように、比較例においては、φ＝－９０°，０°の付近の位置、すなわち、基板１３０Ａ，１３０Ｂの法線方向にゲインのピークが生じており、φ＝－４５°付近はゲインが低く谷の状態になっている。一方、実施の形態１の場合には、φ＝－９０°，０°の付近の位置に加えて、φ＝－４５°の付近の位置にもピークが生じており、３方向における電波の強度が強くなっている。
　このように、実施の形態１のアンテナモジュール１００において、ハイブリッドカプラ１５０の入力端子ＩＮ１，ＩＮ２に－９０°＜α＜９０°の位相差で高周波信号を入力して、放射素子１２１，１２２に高周波信号を供給することによって、放射素子１２１，１２２を見かけ上のアレイアンテナとして機能させることができる。これにより、放射素子１２１，１２２が配置される基板１３０Ａ、１３０Ｂの法線方向に加えて、当該法線方向の間の中間的な角度の方向にも電波を放射することが可能となる。したがって、異なる法線方向を有する２つの基板に放射素子が配置されたアンテナモジュールにおいて、電波の放射範囲を拡大することができる。
　なお、実施の形態１における「放射素子１２１」のうちの１つが本開示の「第１放射素子」に対応し、「放射素子１２２」のうちの対応する放射素子が本開示の「第２放射素子」に対応する。そして、「第１放射素子」に隣接する放射素子が本開示における「第３放射素子」に対応し、「第２放射素子」に隣接する放射素子が本開示における「第４放射素子」に対応する。具体的には、たとえば、「放射素子１２１Ａ」および「放射素子１２２Ａ」が「第１放射素子」および「第２放射素子」に対応し、「放射素子１２１Ｂ」および「放射素子１２２Ｂ」が「第３放射素子」および「第４放射素子」に対応する。そして、この場合には、「ハイブリッドカプラ１５０Ａ」および「ハイブリッドカプラ１５０Ｂ」が、本開示における「第１ハイブリッドカプラ」および「第２ハイブリッドカプラ」にそれぞれ対応する。実施の形態１における「Ｙ軸方向」および「Ｘ軸方向」は、本開示における「第１方向」および「第２方向」にそれぞれ対応する。
　実施の形態１における「基板１３０Ａ」および「基板１３０Ｂ」は、本開示における「第１基板」および「第２基板」にそれぞれ対応する。実施の形態１における「移相器１１５Ａ～１１５Ｈ」の各々は、本開示における「位相調整部」に対応する。実施の形態１における「位相調整回路１４０」は、本開示における「位相調整回路」に対応する。
　［実施の形態２］
　実施の形態１においては、各基板から単一の周波数帯域で、かつ、単一の偏波方向の電波が放射される、いわゆるシングルバンド、シングル偏波タイプのアンテナモジュールについて説明した。
　実施の形態２においては、各基板から異なる２つの周波数帯域の電波が放射可能であり、かつ、各放射素子から異なる２方向の偏波を放射することが可能な、デュアルバンド、デュアル偏波タイプのアンテナモジュールの場合について説明する。
　図８は、実施の形態２に係るアンテナモジュール１００Ａの斜視図である。アンテナモジュール１００Ａのアンテナ装置１２０Ａにおいては、基板１３０Ａおよび基板１３０Ｂの各々に、２種類の放射素子が配置されている。具体的には、基板１３０Ａには、第１周波数帯域の電波を放射可能な放射素子１２１Ａ～１２１Ｄに加えて、第１周波数帯域とは異なる第２周波数帯域の電波を放射可能な放射素子１２３Ａ～１２３Ｄが配置されている。また、基板１３０Ｂには、第１周波数帯域の電波を放射可能な放射素子１２２Ａ～１２２Ｄに加えて、第２周波数帯域の電波を放射可能な放射素子１２４Ａ～１２４Ｄが配置されている。
　なお、以降の説明において、放射素子１２１Ａ～１２１Ｄを包括的に「放射素子１２１」と称し、放射素子１２２Ａ～１２２Ｄを包括的に「放射素子１２２」と称し、放射素子１２３Ａ～１２３Ｄを包括的に「放射素子１２３」と称し、放射素子１２４Ａ～１２４Ｄを包括的に「放射素子１２４」と称する場合がある。
　放射素子１２３，１２４の素子サイズは、放射素子１２１，１２２の素子サイズよりも小さい。すなわち、放射素子１２３，１２４から放射される電波の周波数帯域（第２周波数帯域）は、放射素子１２１，１２２から放射される電波の周波数帯域（第１周波数帯域）よりも高い。一例として、第１周波数帯域は２８ＧＨｚ帯であり、第２周波数帯域は３９ＧＨｚ帯である。すなわち、アンテナモジュール１００Ａは、２つの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である。
　放射素子１２１および放射素子１２３は、略正方形の平板形状を有しており、基板１３０Ａの法線方向から平面視した場合に、互いに重なるように配置されている。同様に、放射素子１２２および放射素子１２２は、略正方形の平板形状を有しており、基板１３０Ｂの法線方向から平面視した場合に、互いに重なるように配置されている。
　なお、図８の例においては、高周波数側の放射素子１２３，１２４が基板１３０Ａ，１３０Ｂの表面にそれぞれ配置され、低周波数側の放射素子１２１，１２２が基板１３０Ａ，１３０Ｂの内部にそれぞれ配置される構成が示されているが、放射素子１２３，１２４についても基板１３０Ａ，１３０Ｂの内部にそれぞれ配置される構成であってもよい。また、図８においては、各放射素子の辺が基板１３０Ａ，１３０Ｂの辺に対して４５°傾斜するように、各放射素子が配置されているが、図２に示した実施の形態１のアンテナモジュール１００のように、各放射素子の辺と基板１３０Ａ，１３０Ｂの辺とが略平行となるように配置されていてもよい。
　放射素子１２１～１２４の各々においては、２つの給電点に高周波信号が供給されている。これにより、放射素子１２１～１２４の各々からは、異なる２つの偏波方向の電波を放射することができる。すなわち、アンテナモジュール１００Ａは、２つの異なる偏波方向の電波を放射可能な、デュアル偏波タイプのアンテナモジュールである。
　そして、放射素子１２１およびそれに対応する放射素子１２２の給電点に、ハイブリッドカプラを介して高周波信号が供給される。同様に、放射素子１２３およびそれに対応する放射素子１２４の給電点に、ハイブリッドカプラを介して高周波信号が供給される。たとえば、放射素子１２１Ａおよび放射素子１２２Ａの場合には、給電点ＳＰ１１，ＳＰ２１に対して１つのハイブリッドカプラから高周波信号が供給され、給電点ＳＰ１２，ＳＰ２２に対して１つのハイブリッドカプラから高周波信号が供給される。同様に、放射素子１２３Ａおよび放射素子１２４Ａの場合には、給電点ＳＰ３１，ＳＰ４１に対して１つのハイブリッドカプラから高周波信号が供給され、給電点ＳＰ３２，ＳＰ４２に対して１つのハイブリッドカプラから高周波信号が供給される。なお、１つのハイブリッドカプラには、偏波方向が同じとなる給電点が接続される。
　このように、アンテナモジュール１００Ａのようなデュアルバンド、デュアル偏波タイプのアンテナモジュールにおいても、対応する放射素子に対してハイブリッドカプラを介して高周波信号を供給し、当該ハイブリッドカプラに－９０°＜α＜９０°の位相差で高周波信号を入力することによって、基板１３０Ａ、１３０Ｂの法線方向に加えて、当該法線方向の間の中間的な角度の方向にも電波を放射することができ、電波の放射範囲を拡大することができる。
　なお、実施の形態２における「放射素子１２３」および「放射素子１２４」が、本開示における「第５放射素子」および「第６放射素子」にそれぞれ対応する。
　［実施の形態３］
　実施の形態１，２においては、各放射素子が略正方形の形状であり、誘電体基板の２つの基板が一体的に形成された場合について説明した。実施の形態３においては、各放射素子が略円形の形状であり、さらに、各基板が互いに独立した個別の基板で構成される場合について説明する。
　図９は、実施の形態３に係るアンテナモジュール１００Ｂの斜視図である。アンテナモジュール１００Ｂのアンテナ装置１２０Ｂにおいては、独立した平板形状の２つの基板１３０Ａ１，１３０Ｂ１が、接続部材１９０によって接続された構成を有している。接続部材１９０は、屈曲可能な帯状のフレキシブル基板１９１と、当該フレキシブル基板１９１の両端に配置されたコネクタ１９２，１９３とを含む。コネクタ１９２は、基板１３０Ａ１に配置された図示されないコネクタと接続される。同様に、コネクタ１９３は、基板１３０Ｂ１に配置された図示されないコネクタと接続される。
　基板１３０Ａ１には、略円形の平板形状を有する放射素子１２１Ａ１～１２１Ｄ１および放射素子１２３Ａ１～１２３Ｄ１がＹ軸方向に並んで配置されている。また、基板１３０Ｂ１には、略円形の平板形状を有する放射素子１２２Ａ１～１２２Ｄ１および放射素子１２４Ａ１～１２４Ｄ１がＹ軸方向に並んで配置されている。放射素子１２１Ａ１～１２１Ｄ１および放射素子１２２Ａ１～１２２Ｄ１の直径は、放射素子１２３Ａ１～１２３Ｄ１および放射素子１２４Ａ１～１２４Ｄ１の直径よりも大きい。すなわち、放射素子１２１Ａ１～１２１Ｄ１および放射素子１２２Ａ１～１２２Ｄ１から放射される電波の周波数帯域は、放射素子１２３Ａ１～１２３Ｄ１および放射素子１２４Ａ１～１２４Ｄ１から放射される電波の周波数帯域よりも低い。
　また、放射素子１２１Ａ１～１２１Ｄ１および放射素子１２３Ａ１～１２３Ｄ１における各放射素子には、Ｘ軸方向を偏波方向とする電波およびＹ軸方向を偏波方向とする電波を放射するための２つの給電点が配置されている。同様に、放射素子１２２Ａ１～１２２Ｄ１および放射素子１２４Ａ１～１２４Ｄ１における各放射素子には、Ｙ軸方向を偏波方向とする電波およびＺ軸方向を偏波方向とする電波を放射するための２つの給電点が配置されている。
　そして、放射素子１２１Ａ１～１２１Ｄ１および放射素子１２２Ａ１～１２２Ｄ１における対応する放射素子間において、Ｙ軸の偏波方向の各給電点に対して１つのハイブリッドカプラから高周波信号が供給され、Ｘ軸の偏波方向の給電点とＺ軸の偏波方向の給電点に対して１つのハイブリッドカプラから高周波信号が供給される。同様に、放射素子１２３Ａ１～１２３Ｄ１および放射素子１２４Ａ１～１２４Ｄ１における対応する放射素子間において、Ｙ軸の偏波方向の各給電点に対して１つのハイブリッドカプラから高周波信号が供給され、Ｘ軸の偏波方向の給電点とＺ軸の偏波方向の給電点に対して１つのハイブリッドカプラから高周波信号が供給される。
　アンテナモジュール１００Ｂのように、個別の基板を接続部材で接続した場合、および、放射素子を円形の形状とした場合においても、異なる基板上に配置された対応する２つの放射素子に対して、ハイブリッドカプラを介して高周波信号を供給することによって、電波の放射範囲を拡大することができる。
　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。
　１０，１０Ｘ　通信装置、２０　実装基板、２１　表面、２２　側面、１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｘ　アンテナモジュール、１０５　誘電体基板、１１０　ＲＦＩＣ、１１１Ａ～１１１Ｈ，１１３Ａ～１１３Ｈ，１１７Ａ，１１７Ｂ　スイッチ、１１２ＡＲ，～１１２ＨＲ　ローノイズアンプ、１１２ＡＴ～１１２ＨＴ　パワーアンプ、１１４Ａ～１１４Ｈ　減衰器、１１５Ａ～１１５Ｈ　移相器、１１６Ａ，１１６Ｂ　信号合成／分配器、１１８Ａ，１１８Ｂ　ミキサ、１１９Ａ，１１９Ｂ　増幅回路、１２０，１２０Ａ，１２０Ｂ　アンテナ装置、１２１，１２１Ａ～１２１Ｄ，１２１Ａ１～１２１Ｄ１，１２２，１２２Ａ～１２２Ｄ，１２２Ａ１～１２２Ｄ１，１２３，１２３Ａ～１２３Ｄ，１２３Ａ１～１２３Ａ１，１２４，１２４Ａ～１２４Ｄ，１２４Ａ１～１２４Ｄ１　放射素子、１２５　ＳｉＰモジュール、１３０Ａ，１３０Ａ１，１３０Ｂ，１３０Ｂ１　基板、１３３　突出部、１３４　境界部、１３５　屈曲部、１３６　切欠部、１４０　位相調整回路、１５０，１５０Ａ～１５０Ｄ　ハイブリッドカプラ、１５１，１５２　線路、１７１，１７２　給電配線、１８０，１８５，１９２，１９３　コネクタ、１９０　接続部材、１９１　フレキシブル基板、２００　ＢＢＩＣ、ＧＮＤ　接地電極、ＩＮ１，ＩＮ２　入力端子、ＯＵＴ１，ＯＵＴ２　出力端子、ＳＰ１１，ＳＰ１２，ＳＰ２１，ＳＰ２２，ＳＰ３１，ＳＰ３２，ＳＰ４１，ＳＰ４２　給電点。

Claims (16)

  1. 　互いに隣接して配置され、法線方向が異なる第１基板および第２基板と、
    　前記第１基板に配置された第１放射素子と、
    　前記第２基板に配置された第２放射素子と、
    　第１入力端子および第２入力端子、ならびに、第１出力端子および第２出力端子を有する第１ハイブリッドカプラと、
    　前記第１入力端子および前記第２入力端子に接続され、前記第１放射素子および前記第２放射素子に高周波信号を供給する給電回路とを備え、
    　前記第１放射素子および前記第２放射素子は、第１周波数帯域の電波を放射可能であり、
    　前記第１放射素子は前記第１出力端子に接続され、
    　前記第２放射素子は前記第２出力端子に接続され、
    　前記第１入力端子および前記第２入力端子に供給される高周波信号の位相差は、－９０°より大きく、かつ、９０°より小さい範囲に調整される、アンテナモジュール。
  2. 　前記第１基板と前記第２基板とを接続する接続部をさらに備える、請求項１に記載のアンテナモジュール。
  3. 　前記第１基板および前記第２基板は、互いに分離して配置されている、請求項１に記載のアンテナモジュール。
  4. 　前記第１放射素子および前記第２放射素子から放射される電波の波長をλとし、ｎをゼロ以上の整数とした場合、前記第１出力端子から前記第１放射素子までの配線長と、前記第２出力端子から前記第２放射素子までの配線長との差はｎλである、請求項１または２に記載のアンテナモジュール。
  5. 　前記給電回路は、前記第１入力端子および前記第２入力端子に供給する高周波信号の位相を調整するための位相調整部を含む、請求項１～４のいずれか１項に記載のアンテナモジュール。
  6. 　前記給電回路から前記第１入力端子の間、および、前記給電回路から前記第２入力端子の間の少なくとも一方に配置された位相調整回路をさらに備える、請求項１～４のいずれか１項に記載のアンテナモジュール。
  7. 　前記第１入力端子および前記第２入力端子に供給される高周波信号の位相差は、－９０°あるいは９０°にも調整可能である、請求項１～６のいずれか１項に記載のアンテナモジュール。
  8. 　前記第１放射素子および前記第２放射素子の各々は、異なる２つの偏波方向に電波を放射可能に構成される、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. 　前記第１放射素子から放射される電波の偏波方向と、前記第２放射素子から放射される電波の偏波方向とが一致する、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。
  10. 　前記給電回路および前記第１ハイブリッドカプラは、前記第１基板および前記第２基板のうちの同一基板上に配置されている、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。
  11. 　前記第１基板において、前記第１放射素子に隣接して配置された第３放射素子と、
    　前記第２基板において、前記第２放射素子に隣接して配置された第４放射素子と、
    　第３入力端子および第４入力端子、ならびに、第３出力端子および第４出力端子を有する第２ハイブリッドカプラとをさらに備え、
    　前記第３放射素子および前記第４放射素子は、前記第１周波数帯域の電波を放射可能であり、
    　前記第３放射素子は前記第３出力端子に接続され、
    　前記第４放射素子は前記第３出力端子に接続され、
    　前記給電回路は、前記第３入力端子および前記第４入力端子に高周波信号を供給可能であり、
    　前記第３入力端子および前記第４入力端子に供給される高周波信号の位相差は、前記第１入力端子および前記第２入力端子に供給される高周波信号の位相差と同じである、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。
  12. 　前記給電回路は、前記第１放射素子および前記第２放射素子に供給する高周波信号に対して、前記第３放射素子および前記第４放射素子に供給する高周波信号に位相差をつけることによって、電波の放射方向を調整可能に構成される、請求項１１に記載のアンテナモジュール。
  13. 　前記第１基板において、前記第１放射素子および前記第３放射素子は、第１方向に並んで配置されており、
    　前記第２基板において、前記第２放射素子および前記第４放射素子は、前記第１方向に並んで配置されており、
    　前記第１放射素子および前記第２放射素子は、前記第１方向とは異なる第２方向に並んで配置されており、
    　前記第２放射素子および前記第４放射素子は、前記第２方向に並んで配置されている、請求項１１または１２に記載のアンテナモジュール。
  14. 　前記第１方向と前記第２方向とは直交している、請求項１３に記載のアンテナモジュール。
  15. 　前記第１基板に配置された第５放射素子と、
    　前記第２基板に配置された第６放射素子と、
    　第５入力端子および第６入力端子、ならびに、第５出力端子および第６出力端子を有する第３ハイブリッドカプラとをさらに備え、
    　前記第５放射素子および前記第６放射素子は、前記第１周波数帯域と異なる第２周波数帯域の高周波信号を放射可能であり、
    　前記給電回路は、前記第５入力端子および前記第６入力端子に高周波信号を供給可能であり、
    　前記第５放射素子は前記第５出力端子に接続され、
    　前記第６放射素子は前記第６出力端子に接続され、
    　前記第５入力端子および前記第６入力端子に供給される高周波信号の位相差は、－９０°より大きく、かつ、９０°より小さい範囲に調整される、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。
  16. 　請求項１～１５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。
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