JP4479606B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明はアンテナ装置に関し、特に、送受信回路を内蔵した小型で高性能なアンテナ装置に関するものである。

従来の無線送受信機では、プリント基板上にチップアンテナを搭載するとともに、半導体ＩＣチップその他のチップ部品を搭載することにより送受信回路を構成していた。チップアンテナとしては、誘電体基板の上面に矩形状の導体パターンからなる放射電極を形成し、底面のほぼ全面にグランド電極を形成したパッチアンテナが好ましく用いられている（特許文献１参照）。

このような従来の無線送受信機では、パッチアンテナを含めプリント基板上に多くのチップ部品を実装する必要があるため、無線送受信機の小型化、薄型化及び軽量化を図るには限界があり、製造プロセスも非常に複雑になるという問題がある。したがって、実装されるチップ部品についても、無線送受信機の小型化に寄与する小型で高機能な複合部品として提供されることが望まれている。

そのような事情から、最近ではアンテナ一体型高周波回路モジュールが考えられている（特許文献１参照）。このモジュールは、誘電体基体の表面に放射電極を形成し、放射電極の形成領域を避けた誘電体基体の部分に貫通部を形成し、貫通部の表面側開口部を塞ぐ回路基板を設け、回路基板上に高周波回路を形成したものである。

また、従来の他のアンテナ装置としては、放射電極を形成する誘電体基板と電子回路を形成する実装回路基板とを別々に形成し、誘電体基板と実装回路基板との間に空間を形成するように支持部材を介在させて、これらの基板を層状に組み立てるものが知られている（特許文献２参照）。
特開２００３−３４７８３４号公報 特開２００１−３０８６２０号公報

しかしながら、上述した従来のアンテナ一体型高周波回路モジュールでは、プリント基板上の当該モジュールの実装面積が大きくなるという問題がある。また、従来の他のアンテナ装置では、誘電体基板と実装回路基板との間に空間を形成するように支持部材を介在させて、これらの基板を層状に組み立てていることから、アンテナ装置の厚みが増し、小型化の要求に応えることができないという問題がある。

したがって、本発明の目的は、送受信回路を内蔵した小型で高機能なアンテナ装置を提供することにある。

本発明の上記目的は、誘電体基板と、前記誘電体基板の表面に形成された放射電極と、前記誘電体基板の内部に埋め込まれた第１のグランド電極及び送受信回路を備え、前記第１のグランド電極は、前記誘電体基板を構成する誘電体層を介して前記放射電極と対面しており、前記送受信回路は、前記誘電体基板の内部のうち、前記放射電極と前記第１のグランド電極に挟まれた領域とは異なる領域に配置されているアンテナ装置によって達成される。これによれば、パッチアンテナと高周波回路とを一体化することができ、特に、パッチアンテナの放射電極とグランド電極との間には誘電体層のみが介在しているので、アンテナ特性の良好な送受信回路一体型アンテナを実現することができる。

本発明において、前記誘電体基板は積層構造を有し、前記誘電体基板の内部導体層には前記第１のグランド電極が設けられるとともに、前記第１のグランド電極と同じ層に前記送受信回路を構成する配線パターンが設けられ、前記配線パターン上には前記送受信回路を構成する電子部品が搭載されていることが好ましい。これによれば、第１のグランド電極とパターンとが同一平面上に設けられているため、一回のパターンエッチングでその両方を形成することができ、製造工程の効率化を図ることができる。

本発明においては、前記誘電体基板の底面に設けられた底面端子をさらに備え、前記第１のグランド電極はビアホールを介して前記底面端子に接続されていることが好ましい。これによれば、アンテナ装置をプリント基板上に実装した場合に、第１のグランド電極とプリント基板上のグランドラインとの接続を確実に取ることができる。

本発明においては、前記送受信回路の上方に設けられ、前記送受信回路の少なくとも一部を覆う第２のグランド電極をさらに備えていることが好ましい。具体的には、前記電子部品が半導体ＩＣチップを含み、前記アンテナの電磁界との結合が、前記第２のグランド電極は、前記送受信回路を構成する前記半導体ＩＣチップ周辺の上方を選択的に覆っていることが好ましい。これによれば、送受信回路からの不要輻射を遮蔽することができ、アンテナ特性の低下を防止することができる。

本発明においては、前記誘電体基板が積層構造を有し、前記誘電体基板の内部導体層に前記第１のグランド電極が設けられるとともに、前記第１のグランド電極とは別の層に前記送受信回路が設けられていることもまた好ましい。これによれば、第１のグランド電極がパッチアンテナのグランド面として機能すると共に、送受信回路からの不要輻射を遮蔽することができ、アンテナ特性の低下を防止することができる。しかも、誘電体基板の平面方向のサイズを縮小することができるので、アンテナ装置の小型化を図ることができる。

本発明において、前記放射電極が形成されている領域と前記送受信回路が設けられている領域とは、前記誘電体基板の表面とほぼ直角な方向に形成された当該誘電体基板中のスリットによって隔離されていることが好ましい。これによれば、アンテナと送受信回路とが干渉してアンテナ特性に影響が出るような場合であっても、そのような干渉を防止することができる。

本発明においては、前記放射電極の一辺に近接して同一平面に設けられた給電電極と、前記誘電体基板内に設けられ、前記給電電極と前記送受信回路とを接続するビアホール電極とをさらに備えることが好ましい。これによれば、放射電極と送受信回路とを電気的に接続することができる。

本発明によれば、パッチアンテナと高周波回路とを一体化することができ、特に、パッチアンテナの放射電極とグランド電極との間に高周波回路は存在せず、誘電体層のみが介在しているので、アンテナ特性に影響を与えることなく、小型で高性能な送受信回路一体型アンテナ装置を実現することができる。また、パッチアンテナの一部を構成するグランド電極と同じ層に送受信回路の配線パターンを形成することにより、小型化、積層工程の削減等による工程の合理化が可能となる。このようなパッチアンテナを無線送受信機に用いた場合には、無線送受信機の小型化に寄与することが可能となる。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の第１の好ましい実施形態にかかるアンテナ装置の構成を示す斜視図であり、図２はその上面図である。

図１及び図２に示すように、このアンテナ装置１００は、ＲＦ送受信回路を内蔵する略ブロック状の誘電体基板１０１と、誘電体基板１０１の上面に形成されたパッチアンテナの放射電極１０２と、放射電極１０２の一辺に近接した位置に設けられた給電電極１０３と、誘電体基板１０１の側面に設けられた側面端子１０４を備えている。

誘電体基板１０１は、放射電極１０２の形成面を提供するものであり、その材料としては特に限定されるものではないが、例えばＬＴＣＣ（低温焼成セラミック）、エポキシ系の熱硬化性樹脂、可撓性の有機フィルム等で高周波特性の良いものを用いることができる。放射電極１０２は略正方形状の導体パターンからなり、一辺の長さＬ１は、使用波長λに対して概ねλ／２に設定されている。給電電極１０３は、グランド面に対して概ね５０Ωのインピーダンスをもつ伝送線路であり、放射電極１０２と電磁界結合するように配置されている。

図３は、図２のＡ−Ａ線に沿ったアンテナ装置の側面断面図であり、図４は図２のＢ−Ｂ線に沿ったアンテナ装置の側面断面図であり、図５は図４のＣ−Ｃ線に沿った平面断面図である。

図３及び図４に示すように、誘電体基板１０１は積層構造を有しており、本実施形態においては、第１の誘電体層１０１ａ及び第２の誘電体層１０１ｂが積層された二層構造となっており、これらの層間には電極層（内部導体層）が設けられている。また、誘電体基板１０１の底面には底面端子１０５が設けられている。図５に示すように、誘電体基板１０１の内部導体層の平面領域は、グランド面形成領域Ｓ１と回路形成領域Ｓ２とに大きく分けられ、グランド面形成領域Ｓ１には第１のグランド電極１０６が設けられ、回路形成領域Ｓ２にはＲＦ送受信回路用の配線パターン１０７が設けられている。これらの導体パターンは、例えば誘電体シートの表面に張り付けられた銅箔のパターンエッチングにより、同時に形成することができる。

第１のグランド電極１０６は、パッチアンテナのグランド面として放射電極１０２の下方に設けられており、少なくとも放射電極１０２の投影面全体をカバーする程度の面積を有している。放射電極１０２と第１のグランド電極１０６とは誘電体基板１０１を構成する誘電体層１０１ｂのみを介して直接対面している。第１のグランド電極１０６は多数のビアホール電極１０９を介して底面端子１０５に接続されている。また、第１のグランド電極１０６の一部は回路形成領域Ｓ２内に引き込まれ、ＲＦ送受信回路のグランドラインとして使用される。

配線パターン１０７上には半導体ＩＣチップ１０８ａやチップコンデンサ１０８ｂといった電子部品１０８がフェースボンディングにより実装され、これらによりＲＦ送受信回路が構成される。なお、図５において、半導体ＩＣチップ１０８ａやチップコンデンサ１０８ｂは配線パターン１０７上の破線で示す位置に実装される。また、特に限定されるものではないが、本実施形態においてはこれらの電子部品が配線パターンの上面側に実装されている。

給電電極１０３は、ビアホール電極１１０を介してＲＦ送受信回路の配線パターン１０７に接続されている。配線パターン１０７の一部は側面端子１０４に接続され、他の一部はビアホール電極１１１を介して底面端子１０５に接続されており、これらの端子を介してＲＦ送受信回路への電源供給及び信号の入出力が行われる。

以上説明したように、本実施形態のアンテナ装置１００によれば、ＲＦ送受信回路の配線パターン１０７が放射電極１０２のグランド面である第１のグランド電極１０６と同じ層に設けられており、ＲＦ送受信回路を内蔵する上で必要な内部導体層は一層あれば足りることから、何層にも重ねた積層構造にする必要がない。また、第１のグランド電極と導体パターンとが同じ層内に設けられていることから、例えば誘電体シートの表面に張り付けられた銅箔のパターンエッチングにより、第１のグランド電極と導体パターンとを同時に形成することができる。したがって、製造工程を簡素化することができ、製造コストの削減、製造効率の向上を図ることができる。さらに、第１のグランド電極１０６は、誘電体基板１０１を構成する誘電体層１０１ｂを介して放射電極と対面しており、送受信回路は、誘電体基板１０１の内部のうち、放射電極１０２と第１のグランド電極１０６に挟まれた領域とは異なる領域に配置されていることから、送受信回路を内蔵することによるアンテナ特性の劣化を十分に低減することができる。

上述した第１の実施形態において、例えば半導体ＩＣチップ１０８ａの実装領域周辺からの電磁界の漏れが大きく、アンテナ特性に悪影響があるような場合には、次のような構成をとることもできる。

図６は、本発明の第２の好ましい実施形態に係るアンテナ装置の構成を示す略側面断面図であり、図７は図６のＤ−Ｄ線に沿った平面断面図である。なお、第１の実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

図６及び図７に示すように、このアンテナ装置２００の特徴は、配線パターン１０７上に実装された半導体ＩＣチップ１０８ａの上方を覆う第２のグランド電極１１２を備えている点にある。なお、図７において、第２のグランド電極１１２は破線で示す位置に設けられる。そして、第２のグランド電極１１２はビアホール電極１１３を介して第１のグランド電極１０６と接続されている。このような構成であるため、本実施形態のアンテナ装置２００は、第１の誘電体層、第２の誘電体層及び第３の誘電体層からなる三層構造となり、これらの層間に形成される電極層（内部導体層）は二層となるが、半導体ＩＣチップの実装領域周辺からの不要輻射を遮蔽することができ、アンテナ特性の低下を防止することができる。また図示しないが、アンテナ装置２００の内部にインダクタ（チップまたはパターン）が存在している場合には、インダクタの周辺に生じている磁界と前記アンテナの電磁界との結合を防ぐため、半導体ＩＣチップ１０８ａの場合と同様に、インダクタの上方を第２のグランド電極１１２で選択的に覆うようにしてもよい。

なお、本実施形態においては、半導体ＩＣチップ１０８ａの上方にのみ第２のグランド電極を形成しているが、例えば図８に示すように、ＲＦ送受信回路全体をカバーするような広めのグランドパターンを第２のグランド電極１１４として形成してもよい。

図９は、本発明の第３の好ましい実施形態に係るアンテナ装置の上面図、図１０は、図９のＥ−Ｅ線に沿ったアンテナ装置の側面断面図、図１１は、図１０のＦ−Ｆ線に沿ったアンテナ装置の平面断面図である。

図９乃至図１１に示すように、このアンテナ装置５００の特徴は、第１のグランド電極１０６を形成すべき領域（Ｓ１）を回路形成領域Ｓ２に割り当てて配線パターン１０７を設けた点にある。アンテナ装置５００の誘電体基板１０１は、第１の誘電体層１０１ａ、第２の誘電体層１０１ｂ及び第３の誘電体層１０１ｃが積層された三層構造となっておりこれらの層間には電極層（内部導体層）が設けられている。そして、上側の内部導体層のほぼ全面にはグランド電極１１５が設けられており、下側の内部導体層のほぼ全面には前記グランド電極１１５をグランドとしたマイクロストリップ線路または集中定数素子からなる送受信回路用の配線パターン１０７が設けられている。前記配線パターン１０７の下方にはＩＣチップ等のチップ部品が搭載されている。また、給電電極１０３は、図示のように、ビアホール電極ではなく側面端子１０４を介して配線パターン１０７に接続されている。以上のように、本実施形態によれば、アンテナ面積はそのままで、誘電体基板１０１の平面方向のサイズを縮小することができるので、アンテナ装置の小型化を図ることができる。

次に、本発明の第４の好ましい実施形態について詳細に説明する。

図１２は、本発明の第４の好ましい実施形態に係るアンテナ装置の構成を示す略平面図であり、図１３は図１３のＧ−Ｇ線に沿った側面断面図である。なお、第１の実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

図１２及び図１３に示すように、このアンテナ装置６００の特徴は、放射電極１０２とＲＦ送受信回路とが誘電体基板１０１の基板面とほぼ直角な方向に形成された当該誘電体基板１０１中のスリット１１７によって電磁気的に隔離されている点にある。スリット１１７内は空洞状態であることが好ましい。また、スリット１１７は誘電体基板の底面へ貫通していてもよい。このように、本実施形態によれば、誘電体基板１０１中にスリット１１７が設けられているので、パッチアンテナとＲＦ送受信回路とが干渉してアンテナ特性に影響が出るような場合であっても、そのような干渉を防止することができる。

本発明は、以上の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を加えることが可能であり、これらも本発明の範囲に包含されるものであることは言うまでもない。

例えば、上記各実施形態においては、回路形成領域Ｓ２に形成された配線パターン１０７の上面側に半導体ＩＣチップやチップコンデンサなどのチップ部品１０８がフェースボンディングにより実装されている場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば図１４に示すように、チップコンデンサ１０８ｂを配線パターン１０７の下面側（底面側）からフェースボンディングにより実装してもよい。また図示しないが、半導体ＩＣチップを配線パターンの下面側（底面側）からフェースボンディングにより実装してもよい。つまり、本発明においては、配線パターン上に電子部品が実装されている場合とは、配線の表面に実装されている場合及び裏面に実装されている場合の両方を意味する。

また、上記各実施形態においては、誘電体基板の上面に放射電極を形成しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、上面または誘電体の内層に構成された概１／２波長の線状アンテナ、スロットアンテナ等を形成する場合にも適用可能である。

図１は、本発明の第１の好ましい実施形態にかかるアンテナ装置１００の構成を示す斜視図である。 図２は、図１に示したアンテナ装置１００の上面図である。 図３は、図２のＡ−Ａ線に沿ったアンテナ装置１００の側面断面図である。 図４は図２のＢ−Ｂ線に沿ったアンテナ装置１００の側面断面図である。 図５は図４のＣ−Ｃ線に沿ったアンテナ装置１００の平面断面図である。 図６は、本発明の第２の好ましい実施形態に係るアンテナ装置２００の構成を示す略側面断面図である。 図７は図６のＤ−Ｄ線に沿ったアンテナ装置２００の平面断面図である。 図８は、アンテナ装置２００の変形例を示す略平面断面図である。 図９は、本発明の第３の好ましい実施形態に係るアンテナ装置５００の上面図である。 図１０は、図１０のＥ−Ｅ線に沿ったアンテナ装置５００の略側面断面図である。 図１１は、図１０のＦ−Ｆ線に沿ったアンテナ装置５００の略平面断面図である。 図１２は、本発明の第４の好ましい実施形態に係るアンテナ装置６００の構成を示す略平面図である。 図１３は、図１２のＧ−Ｇ線に沿ったアンテナ装置の略側面断面図である。 図１４は、上記実施形態の変形例を示す略側面断面図である。

符号の説明

１００ アンテナ装置
１０１ 誘電体基板
１０１ａ 第１の誘電体層
１０１ｂ 第２の誘電体層
１０１ｃ 第３の誘電体層
１０２ 放射電極
１０３ 給電電極
１０４ 側面端子
１０５ 底面端子
１０６ グランド電極
１０７ 配線パターン
１０８ チップ部品（電子部品）
１０８ａ 半導体ＩＣチップ
１０８ｂ チップコンデンサ
１０９ ビアホール電極
１１０ ビアホール電極
１１１ ビアホール電極
１１２ グランド電極
１１３ ビアホール電極
１１４ グランド電極
１１５ グランド電極
１１７ スリット
２００ アンテナ装置
３００ アンテナ装置
４００ アンテナ装置
５００ アンテナ装置
６００ アンテナ装置
Ｓ１ グランド面形成領域
Ｓ２ 回路形成領域

Claims (8)

1. 誘電体基板と、前記誘電体基板の表面に形成された放射電極と、前記誘電体基板の内部に埋め込まれた第１のグランド電極及び送受信回路と、前記第１のグランド電極の直下であって前記誘電体基板の底面に設けられた底面端子と、前記第１のグランド電極と前記底面端子とを接続する第１のビアホール電極とを備え、前記第１のグランド電極は、前記誘電体基板を構成する誘電体層を介して前記放射電極と対面しており、前記送受信回路は、前記誘電体基板の内部のうち、前記放射電極と前記第１のグランド電極に挟まれた領域とは異なる領域に配置されていることを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記誘電体基板は積層構造を有し、前記誘電体基板の内部導体層には前記第１のグランド電極が設けられるとともに、前記第１のグランド電極と同じ層に前記送受信回路を構成する配線パターンが設けられ、前記配線パターン上には前記送受信回路を構成する電子部品が搭載されていることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記第１のビアホール電極を複数備え、前記複数の第１のビアホール電極は、前記誘電体基板の平面方向に所定の間隔で二次元配置されていることを特徴とする請求項２に記載のアンテナ装置。
4. 前記送受信回路の上方に設けられ、前記送受信回路の少なくとも一部を覆う第２のグランド電極をさらに備え、前記第２のグランド電極は、前記放射電極と前記第１のグランド電極との間の層に設けられていることを特徴とする請求項２又は３に記載のアンテナ装置。
5. 前記電子部品が半導体ＩＣチップを含み、前記第２のグランド電極は、前記送受信回路を構成する前記半導体ＩＣチップ周辺の上方を選択的に覆っていることを特徴とする請求項４に記載のアンテナ装置。
6. 前記第１のグランド電極の直下であって当該第１のグランド電極と前記底面端子の間に挟まれた領域は、電子部品が存在せず前記第１のビアホール電極のみが存在する領域であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
7. 前記放射電極が形成されている領域と前記送受信回路が設けられている領域とは、前記誘電体基板の基板面とほぼ直角な方向に形成された当該誘電体基板中のスリットによって隔離されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
8. 前記放射電極の一辺に近接して同一平面に設けられた給電電極と、前記誘電体基板内に設けられ、前記給電電極と前記送受信回路とを接続する第２のビアホール電極とをさらに備えることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のアンテナ装置。

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