JP5690845B2 - パッケージ内の改良されたアンテナ構造 - Google Patents

Description

本発明は一般的に、アンテナの分野に関連しており、より具体的には、数ギガヘルツ範囲の信号を受信及び送信するために、携帯用及びコンパクトな電子デバイス内で利用される種類の小型アンテナに関連している。

本発明は、さらに具体的には、パッケージ内の小型化された通信モジュールまたはアンテナといった電子デバイスに関連している。

電気通信産業は常に、電子回路及び電子部品の小型化に重点を置いてきた。携帯用及びコンパクトな通信デバイスについて言えば、この努力は特に、無線システムの一般的により扱いにくい部品の一つであるアンテナに注目している。これらのデバイスのフォームファクターは減少の傾向にあるので、主な困難性は、ますます小さく及びスリムになるパッケージ内に適合するべきであると同時に、アンテナの性能を維持することである。さらに、全てのこれらの通信デバイスは、支持されている様々な無線技術に適合された多重アンテナを埋め込むためにしばしば結合されており、これはそれらの埋め込みを達成することをさらに困難にさせることに寄与している。

実際、携帯電話、例えばＧＳＭ（登録商標）携帯電話（グローバル・システム・フォー・モバイル・コミュニケーションズ）は、電話機から別のデバイス、一般的にはパソコンまたはヘッドセットに接続するためのＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）短距離無線機を組み込んでいる。同様に、最近のハイエンド携帯電話は、しばしばＧＰＳ（グローバル・ポジショニング・システム）受信器を含んでいる。モバイルコンピュータ及び携帯端末（パーソナル・デジタル・アシスタント）の殆どは、建物内、及び適切な無線アクセスポイントを提供している公共区域内でインターネットへのアクセスを与えるように、無線ＬＡＮ（ローカル・エリア・ネットワーク）、例えば、Ｗｉ−Ｆｉ（登録商標）ＬＡＮに接続できるように装備されている。ここで、これらの通信デバイスは、特定の波長、一般的にＧＳＭ（登録商標）のためにできる限り低い８５０ＭＨｚ（１０^６ヘルツ）から５ＧＨｚ（１０^９ヘルツ）の周波数、すなわち、それぞれλ＝３５ｃｍ（センチメートルは１０^−２メートル）からλ＝６ｃｍの波長範囲で効果的に操作するように考案された一つ以上のアンテナを備えるべきである。

そのようなアンテナを実装する標準的な方法は、任意の通信デバイスの部品を保持及びリンクさせる同一の印刷回路基板（ＰＣＢ）上に金属配線の形でそれを描画することである。その目的のために一般的に利用するアンテナ構造は、図１で示されるような、その全体の形状１１０を参照して、「逆Ｆアンテナ」ＩＦＡと呼ばれており、そこには中間の供給脚と共に開口端及び接地端がある。ＩＦＡは有名となったが、それは四分の一波長（λ／４）アンテナであり（それ故、結果的に占有される大きさを減少させることに寄与している）、及びＰＣＢの一平面上に都合よく描画されることができるからである。それ故、しばしば「平面逆Ｆアンテナ」を意味するＰＩＦＡの名前が利用される。２．４５ＧＨｚ、上で述べた周波数範囲の中央であり、すなわち、約１２ｃｍの波長で操作するために考案されたアンテナのこの例において、アンテナによって占められる全体の大きさは、ちょうど８ｍｍ×６ｍｍ（ミリメートルは１０^−３メートル）の長方形である。実際、全体の寸法の大きな減少が、１１５で示されるように、アンテナを折り返すことによって得られている。標準技術である折り返しは、図示されたようにほぼ十分の一波長（λ／１０）程度の減少を可能にする。

それにもかかわらず、通信部品及びデバイスの発展の傾向は、その大きさの一定の減少であると同時に、アンテナは物理の規則に従うべきであり、これは、それらの寸法が、パッケージングの制限と独立して信号を送信及び受信すべきである波長の有限分数（ＩＦＡのようなアンテナ）にとどまることを要求している。より狭いパッケージ内に適合するためのアンテナ寸法のシンプルな縮小は、実際にそれらの性能を大きく減じてしまう。これは、通信デバイスの質や伝送範囲能力に非常に有害となる。

より具体的には、本発明は、従来のアンテナ・オン・ＰＣＢソリューションとは別の最新技術であるパッケージ内アンテナシステムを最小化することを目的としている。

このように、いかなる電気的性能及び伝送性能を犠牲にすることなくアンテナにより占有された全ての空間のさらなる減少を可能にする技術を説明することが本発明の目的である。

本発明のさらなる目的、特徴、及び利点は、添付の図面を参照して以下に説明する実施例に基づき、当業者に明らかとなる。任意の追加の利点がここで組み込まれることが目的とされる。

本発明は、電子デバイスであって、
第１の層と、接地面を備えた層とを備えている多層配線構造を有する基板と、
無線送受信機を備えている電子回路と、
印刷されたアンテナと、
を備えており、前記アンテナは、前記第１の層に提供される放射素子と、前記第１の層とは異なる多層配線構造の層に提供される適合素子とを備えており、前記適合素子は、アンテナのインピーダンスを前記電子回路のインピーダンスに一致させるように構成されていることを特徴とする電子デバイスに関連している。

このデバイスの選択肢は、以下で導入され、それらは組み合わせられるか、あるいは選択的に用いられることができる。
−前記放射素子は、開口端及び供給端を備えている。
−前記適合素子は、前記開口端及び前記供給端の間の中間点で前記放射素子に接続されている。
−前記デバイスは、前記適合素子を前記放射素子へ接続する少なくとも一つの中間層ビアを備えている。
−前記適合素子は、内部層に位置されており、及び少なくとも一つのビアを通して接地面に接続されている。
−前記適合素子は、前記接地面に位置されており、及び前記接地面に直接接続されている。
−前記適合素子は、前記放射素子に面している。
−前記放射素子は、複数の平行な部分及び継ぎ目の部分を備えている折り返し配線セクションである。
−前記部分の幅は、前記供給端から前記開口端に向かって増加している。
−前記適合素子は、前記部分に平行な縦の方向を有している。
−前記適合素子は、折り返し配線セクションである。
−前記多層配線構造は、積層基板である。
−前記多層配線構造は、ＬＴＣＣ（低温同時焼成セラミックス）のようなセラミック基板である。
−前記アンテナは、パッケージ内アンテナタイプである。
−前記アンテナは、修正された逆Ｆアンテナ（ＩＦＡ）形状を有している。
−前記第１の層は、多層配線構造の外部層である。

本発明は同様に、放射素子が提供される上部面を備えている、パッケージ内アンテナ（ＡＩＰ）タイプのアンテナを説明している。前記放射素子は、開口端と供給端を有している。前記アンテナは同様に、適合素子を備えている。前記アンテナは、前記放射素子を保持している前記アンテナの上部面とは異なる領域に前記適合素子が提供されたことを特徴としている。前記放射素子は、一端が前記放射素子の中間点に接続され、他端が接地されている。

本発明は同様に、以下の任意の特徴を含んでいる。
−前記適合素子を備えている領域は、前記上部面を備えている面と異なる平面にある。
−前記適合素子を備えている領域は、多層配線構造内の内部層に属している。
−前記適合素子は、アンテナのインピーダンスを多層配線構造のインピーダンス及び前記アンテナを利用する無線送受信機のインピーダンスと適合させるために前記放射素子に取り付けられている。
−前記適合素子を前記上部面と異なる領域に提供することは、アンテナの性能を損なうことなく前記アンテナの大きさを減少させることを可能にしている。
−前記適合素子を前記上部面と異なる領域に提供することは、同一の利用可能領域におけるアンテナ性能を改善することを可能にしている。

一つの実施形態に係るアンテナは、パッケージ内アンテナタイプであり、及びＩＦＡ、ＰＩＦＡ、モノポール及びダイポールアンテナを含むリストから選択される。

一つの実施形態に係るアンテナは、前記適合素子が、電子回路内に集積されており、及び前記ＡＩＰアンテナに電気的に接続されている。

図１は、それぞれ品質曲線及び効率曲線と共に、印刷回路基板に実装された標準の折り返し逆Ｆアンテナ（ＩＦＡ）の例を描いている。 図２は、それぞれ品質曲線及び効率曲線と共に、例としてのＩＦＡアンテナの大きさをさらに減少するための方法発明を図示している。 図３は、それぞれ品質曲線及び効率曲線と共に、本発明の改善されたアンテナ構造で、どのようにして良好なインピーダンス適合が回復されることができるかを図示している。 図４は、それぞれ品質曲線及び効率曲線と共に示された、伝送効率に関してより良い結果を得るために利用可能領域を用いる別の方法を図示している。 図５は、それぞれ品質曲線及び効率曲線と共に示された、本発明によるアンテナを実装するために利用可能領域のさらに別の利用を図示している。 図６は、適合素子に関する別の実施形態を描いている。 図７は、電気デバイスにおけるアンテナの集積の実施形態を示している。

以下の本発明の詳細な説明は、添付の図面を参照している。説明は例としての実施形態を含んでいると同時に、他の実施形態が可能であり、本発明の範囲及び主旨から逸脱することなく説明された実施形態に変更がなされうる。

図１は、ＰＣＢ上に実装された標準の折り返し逆Ｆアンテナを図示しており、アンテナは、あらゆる種類のコンパクトで携帯可能な通信デバイスで広く利用されている。

送信及び受信する信号波長の最良な適応を可能にするアンテナ形状の主なパラメータが示されている。伝送波長信号の四分の一、すなわち、２．４５ＧＨｚアンテナのこの例においては約１２ｃｍ、で操作するように考案されたこの種類のアンテナにおいて、折り返された脚１２０の長さは３ｃｍに近い。電気特性の適応を共有する他のパラメータは、配線の幅１２２、折り返されたモチーフの繰返しステップ１２４、折り返されたモチーフの高さ１２６、ＰＣＢ接地板までの距離１２８、である。実際、アンテナが適切に放射することができるように、全体のアンテナ構造１３０は、ＰＣＢ１５０の接地版１４０から離れて位置されている。アンテナは、その中間脚１５５を通して、ＰＣＢ上に収納された無線送受信機から一般的に、直接供給されると同時に、アンテナの接地端は、ＰＣＢ接地板１４５に直接またはビアを通して接続される。この種の構造は、通信デバイスの全ての構成要素を保持している同一のＰＣＢまたは基板上に印刷されるので、しばしば「パッケージ内アンテナ」（ＡＩＰ）として参照される。このように、通信ボックス内に組み込まれるとき、いかなるチューニングや熟練の人材を必要としない。

あらゆる電気特性の正確な計算を可能にしている少数の商用特殊電磁シミュレーションソフトウェア製品のいずれかでの実際の実装に先立って、アンテナの全体的なふるまいが予測されることができる。アンテナを特徴付けるために広く利用される一つのパラメータは、Ｓ１１として参照されている。Ｓ１１は、無線周波数で操作する線形の受動回路または能動回路の振る舞いを測定及び制限するために一般的に利用される、いわゆる散乱パラメータ（Ｓパラメータ）の一つである。Ｓパラメータは、ゲイン、リターンロス、電圧定在波比（ＶＳＷＲ）といったこれらの回路の電気特性を評価するために利用される。２ポート回路において、２×２マトリクス内の四つの予定されるＳパラメータの一つであるＳ１１は、入力ポートの電圧反射係数を測定している。それは一般的にデシベル（ｄＢ）で表現され、及び参照インピーダンスに関連するリターンロスを特徴付けている。Ｓ１１の値が低いほど、アンテナとトランシーバのインピーダンスがよく一致する。図１で示された例としての標準の逆Ｆアンテナに対して、このパラメータは、周波数に対する図表１６０内でプロットされている。−６ｄＢでの測定されたバンド幅１６２は、ここでは１５４ＭＨｚである。

アンテナのもう一つの重要なパラメータは、その伝送効率である。放射効率は、アンテナによって実際に放射された出力対供給脚１５５を通してトランシーバにより投入された出力の割合である。その差は、アンテナ抵抗によって消散されたはずである熱の産出に寄与している。明らかに、１００％に近いほど、この値はより良好であるといえる。このパラメータは、垂直軸からの角度で測定された、λ１７２として参照される垂直（Ｚ）面内の放射角度の関数として図表１７０内にプロットされている。この種類のアンテナに予測される通り、効率１７４はＺ面内で一定であり、ここでは５５．３％である。

図２は、図１に示されたような例としての標準のアンテナの大きさをさらに減少する方法を図示している。

着想は、そのようなアンテナ構造（ＰＩＦＡのような）において全ての部品が実際に放射しているわけではないという見解に基づいている。これは、接地脚２４５が除去された、前のアンテナ構造のシミュレーションを実施することによってシンプルに証明されることができる。前回考慮した電気パラメータ、いわゆるＳ１１及び伝送効率は、２６０と２７０でそれぞれ示されるようになる。アンテナのインピーダンスとトランシーバのインピーダンスの間の適合であるＳ１１は、図１の標準アンテナに対して著しく低下することは当然である。実際、接地脚と供給脚との間の距離、及び一般的にＰＩＦＡアンテナのこの部分のレイアウトパラメータはインピーダンス適合に影響を与えることは知られている。しかしながら、注目すべきは伝送効率２７０が接地脚の除去により影響されておらず、全てのものが同一であることである。それは２７４が（５５．３％に代わって）５４．６％とわずかに低いことがわかる。

この観察の明らかな結果とは、ＰＩＦＡアンテナの接地脚が、伝送効率が低下していないので、わずかでさえ、アンテナの放射を共有しないことである。このように、非放射部、すなわち、接地脚２４５と、折り返されたモチーフ２２０及び供給脚２５５を供えた放射部との間を区別することが可能である。

図３は、単一面またはラミネート基板の層（ＰＣＢ）上に印刷された、改善された放射アンテナ構造で、良好なインピーダンスがどのように回復されることができるかを図示しており、これは上記の見解をうまく利用している。この構造において、供給脚３５５上に位置された折り返された放射配線の点３３２は、アンテナの放射部と同一の面にある必要のない金属配線３４５で接地されている。このように、除去された接地脚によりかつて占有されていた対応する領域３３５を節約している。それ故、本発明のアンテナは、ＰＣＢの同一面上に、供給端３５５、開口端３４４、及びＰＣＢの別の面上に位置された非放射配線または要素３４５を通して接地されている中間接続点３３２を有する放射配線からなっている。

非放射素子または整合素子３４５は、アンテナのインピーダンスと、デバイスの他の部分、すなわち、デバイス内に組み込まれた電子回路の入力インピーダンスとを適合させるための適合素子として作用する。電子回路は一般的に、無線送受信機及び電気的なリンクとして作用する印刷ワイヤ配線といった構成要素を含んでいる。一つの実施形態において、デバイスは、放射素子が位置されるところの第１の層３３０、及び（接地面にある、または接地面を組み込んでいる）少なくとも一つの層３２０を備えている。第１の層３１０及び接地面の層３２０の少なくとも一つは、多層配線構造の外層であってもよい。

得られた結果は、図表３６０、３７０、及び３７５で示されている。それらは、図１の参照の例としてのアンテナの電気特性と、新たな構造に対して見出されたものとを比較している。

効率は、同一のままであり、効率が５５．３％であるところの図１のもの３７０に対して新たな構造３７５は５４．３％で僅かに低いことがわかった。

パラメータＳ１１に関して言えば、−６ｄＢでのバンド幅は同一のままであると同時に、適合は、このパラメータ３６４の顕著に低い値でさらによく、その値は−１２．２ｄＢであったのに対して、その値は−２０．４ｄＢである。

図４は、利用可能な領域４３１（６×８ｍｍ）が伝送効率４７０の点でよりよい結果を得るために利用される発明を用いる別の方法を図示している。この場合において、同一の折り返された構造４３０は、全体の利用可能な領域を占有するために拡大される。図１で示されたデバイスの効率５５．３％と比較して、ここで得られた効率は６０．５％である。供給脚４５５は、前の図３で図示されたものと同様に、設置されている。

このアンテナのパラメータＳ１１及びバンド幅は図表４６０で示されている。バンド幅４６４は、図１の参照アンテナのバンド幅４６２と比較して、わずかに広いことがわかった。適合は同様に、参照番号４６６にあるように、わずかに良好であり、２．４７ＧＨｚで−１３．８ｄＢであることがわかった。参照アンテナに対する２．４５ＧＨｚからの、中心周波数の観測されたわずかな推移は、アンテナの形状をさらに調整することによって容易に補正されることができる。

図５は、参照番号５３０で示しており、本発明によるアンテナを実装するための利用可能な領域のさらに別の利用を示している。伝送効率５７０は、約５５．３％の効率を有する図１で示されたような従来のデバイスの効率より非常に上の６５．０％までさらに増大した。パラメータＳ１１のふるまいは、５６０で示されるように、図４で観察されたものと似ており、すなわち、バンド幅の増大、及び−１６．８ｄＢの低値との良好な適合、及び中心周波数の２．４７ＧＨｚへのわずかな推移である。

この実施形態に従って、印刷配線素子である放射素子は、接地面３４０の上に位置された供給端３５５から、前記接地面に面する領域と反対の層の領域に位置された開口端に向かって延在している折り返された構造を有している。折り返された構造は、前の図面の状態と比較して、横方向に配向された複数の平行なセクションを備えている。そして、適合素子は、折り返された放射素子のセクションに平行する縦の主方向を有している。

適合素子と放射素子は互いに向き合っていることは有利であるが、それは全体のアンテナ構造に対して必要とされる空間の減少を最適化するからである。

たとえ放射素子が有利的に折り返し形状を示しても、この場合は発明を制限していない。しかしながら、この場合においては折り返されており、主な方向は保存されており、縦方向と呼ばれている。これに関連して、図６は、適合素子３４５に対する洗練された形状を有するさらなる実施形態を示している。前記素子はここでは、接地面３４０を境界付けている、縦方向に直角で織られた印刷配線セクションを有して形成されている。

図６は、適合素子３４５が第１の層３１０の下に位置している層３２０内に含まれうることを示している。この実施形態において、基板の層３２０は接地面３４０を組み込んでいるが、接地は前記層３２０の全表面を被覆していない。実際、層３２０の一部は、導電接地表面で被覆されておらず、単に絶縁部分である。適合素子３４５は、３４０で参照される接地表面と、層３２０の自由表面との間の境界に位置されており、このようにして、アンテナの放射素子のできれば小面積と面している。接地面３４０及び適合素子３４５は直接３４２に接続される。

別の実施形態によると、放射素子は、いくつかの平行な部分から作られる折り返し配線のセクションを備えており、その部分の幅は、供給端３５５から開口端３３４へ増加している。これは、アンテナの効率を最適化している。幅は、放射素子に沿って連続的であってもよい。例として、アンテナの終端部の幅は、第１の部分（供給脚４５５の一つ）の幅より１．５から３倍ほど幅広い。

図７は、アンテナの放射素子が積層基板７０２の第１の層上に位置されている本発明によるデバイスの実施形態を示している。この層は同様に、トランシーバ７０１、結晶のような及び場合によっては表面実装技術の電子部品のようなオシレータ７０４を受ける。下層は、接地面３４０及び外部接続のための接続パッド７０３を組み込んでいる層３２０を備えている。オーバー・モールド７０５は、回路基板の全体の回路をカプセル化するために利用され、このようにしてオーバー・モールドのパッケージングを形成している。

ここで、本発明の構造は、アンテナによって占められた面積の減少、または同一の利用可能な面積内部で、アンテナのバンド幅及び効率の改善を可能にし、他の全てのものが等しくなることを可能にする。

ここで説明された実施形態は、端に他の模範であり、様々な修正が本発明の範囲から逸脱することなくなされうることが理解されるべきである。

１３０ アンテナ構造
１４０ 接地版
１４５ ＰＣＢ接地板
１５０ ＰＣＢ
１５５ 中間脚
１６２ バンド幅
１７４ 効率
２４５ 接地脚
２５５ 供給脚
２７０ 伝送効率
３３２ 中間接続点
３３４ 開口端
３４０ 接地面
３４４ 開口端
３４５ 適合素子
３５５ 供給脚
７０１ トランシーバ
７０２ 積層基板
７０３ 接続パッド
７０４ オシレータ
７０５ オーバー・モールド

Claims (12)

1. 電子デバイスであって、
   第１の層（３３０）と、接地面（３４０）を備えた層（３２０）とを備えている多層配線構造を有する基板と、
   無線送受信機を備えている電子回路と、
   印刷されたアンテナと、
   を備えており、前記アンテナは、前記第１の層（３３０）に提供された放射素子と、前記放射素子から物理的に分離されており、前記第１の層（３３０）とは異なる多層配線構造の層に提供される非放射素子（３４５）とを備えており、前記非放射素子（３４５）は、アンテナのインピーダンスを前記電子回路のインピーダンスに一致させるように構成されており、
   前記放射素子は、開口端（３３４）と供給端（３５５）とを備えており、
   前記非放射素子（３４５）は、前記開口端（３３４）と前記供給端（３５５）との間の中間点（３３２）で前記放射素子に接続されており、前記中間点は接地され、及び前記放射素子は、互いに所定の方向に沿って平行であり且つ接合部分により互いに接続されている複数の直線部分を備えた折り返し配線セクションである電子デバイス。
2. 前記非放射素子（３４５）を前記放射素子へ接続する少なくとも一つの中間層ビアを備えている請求項１に記載の電子デバイス。
3. 前記非放射素子（３４５）は、前記層（３２０）上に位置されており、及び前記接地面（３４０）に直接接続されている請求項１または２に記載の電子デバイス。
4. 前記非放射素子（３４５）は、前記放射素子と対向している請求項１ないし３のいずれか一項に記載の電子デバイス。
5. 前記放射素子の前記複数の直線部分の幅寸法は、前記供給端（３５５）から前記開口端（３３４）に向かって増加しており、前記幅寸法は前記所定の方向に垂直である、請求項１ないし４のいずれか一項に記載の電子デバイス。
6. 前記非放射素子（３４５）は、前記複数の直線部分に平行な縦の方向を有している請求項１ないし５のいずれか一項に記載の電子デバイス。
7. 前記非放射素子（３４５）は、折り返し配線セクションである請求項１ないし６のいずれか一項に記載の電子デバイス。
8. 前記多層配線構造は、積層基板である請求項１ないし７のいずれか一項に記載の電子デバイス。
9. 前記多層配線構造は、セラミック基板である請求項１ないし８のいずれか一項に記載の電子デバイス。
10. 前記アンテナは、パッケージ内アンテナタイプである請求項１ないし９のいずれか一項に記載の電子デバイス。
11. 前記アンテナは、修正された逆Ｆアンテナ（ＩＦＡ）形状を有している請求項１ないし１０のいずれか一項に記載の電子デバイス。
12. 前記第１の層（３３０）は、多層配線構造の外部層である請求項１ないし１１のいずれか一項に記載の電子デバイス。