JP2013187731A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 複数の素子アンテナの配列を非周期もしくはランダムとしたフェイズドアレイアンテナにおいて、素子アンテナに接続されるモジュールは、一般的に素子アンテナよりも大きくなるため、素子アンテナと同一間隔で非周期やランダムに並べるのが難しいため、モジュールと素子アンテナをＲＦケーブルによって接続する必要があり、組立コストの増大や、アンテナ装置の大型化につながるという問題があった。
【解決手段】 モジュールと素子アンテナの接続構造に、トリプレート線路とボール・グリッド・アレイを用いることで、異なる間隔で配列されたモジュールと素子アンテナの簡易な接続構造を得ることができるとともに、製造工程の簡易化、及び自動化が可能となる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、例えばマイクロ波帯及びミリ波帯で動作するフェイズドアレイアンテナを構成するアンテナ装置に関するものである。

フェイズドアレイアンテナは、複数の素子アンテナと、各々の素子アンテナに接続される増幅器及び移相器を有したモジュールを備えて、移相器の設定位相を適宜可変することにより、所望の指向性を得ることができる。近年、複数の素子アンテナの配列を非周期化またはランダム化することで、周期性を持たないサブアレーアンテナ配列を構成し、グレーティングローブを抑圧することのできる高機能なフェイズドアレイアンテナが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−６６９３６号公報

しかしながら、特許文献１に示されている非周期もしくはランダムな間隔で配列された素子アンテナを用いてフェーズドアレイアンテナを構成する場合、素子アンテナに接続されるモジュールは、マイクロ波帯やミリ波帯において、一般的に素子アンテナよりも外形が大きくなる。このため、素子アンテナと同じ配列間隔で、モジュールを非周期配列に並べることが難しいという問題があった。

本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、素子アンテナとは異なる間隔で配列されたモジュールとの接続が可能な、簡易な構造のアンテナ装置を得ることを目的とする。

本発明によるアンテナ装置は、裏面に給電用導体を有した素子アンテナと、表面に配置された接続用導体と、裏面に配置されて上記接続用導体とは面内方向で異なる位置に配置された接続端子と、当該接続用導体と接続端子の間を接続する導体線路と、を有した伝送線路と、上記素子アンテナの給電用導体と上記伝送線路の接続用導体の間を接続する導電性接続部材、及び上記素子アンテナと上記伝送線路の間を接続する他の複数の導電性接続部材から形成されたボール・グリッド・アレイと、上記伝送線路の接続端子に接続されるモジュール側接続端子を有したモジュールと、を備えたものである。また、フェイズドアレイアンテナを構成しても良い。

本発明によれば、異なる位置に配置された素子アンテナとモジュールを、伝送線路及びボール・グリッド・アレイ（以下、ＢＧＡ）を介して接続することで、非周期またはランダムな間隔で配列された複数の素子アンテナを、簡易な構造で異なる間隔で配置されたモジュールに接続することができる。また、製造工程の簡易化や、薄型化が可能なアンテナ装置を得ることができる。

本実施の形態１によるアンテナユニットの構成を示す斜視図である。 図１によるアンテナユニットのＡ−Ａ線に沿った断面図である。 図１に示すアンテナユニットを複数並べて構成される、アンテナ装置の概略構成を示す図である。

実施の形態１．
図１は、本発明に係る実施の形態１によるアンテナユニットの構成を示す斜視図である。図１は、トリプレート線路３及びＢＧＡを用いた素子アンテナ１の実装構造を示している。図２は、図１によるアンテナユニットのＡ−Ａ線に沿った断面図である。図１及び図２において、アンテナユニット５０は、素子アンテナ１と、モジュール２と、ストリップ導体３ｂを有したトリプレート線路３から構成される。素子アンテナ１は、ＢＧＡ４によりトリプレート線路３の表面上に接続されている。モジュール２は、モジュール側接続端子としての上部のコネクタ２ａを介して、トリプレート線路３の裏面に接続されている。アンテナユニット５０は、複数個配列されて、例えばマイクロ波帯及びミリ波帯で動作するフェイズドアレイアンテナを構成する。

素子アンテナ１は、アンテナ導体１ａ、誘電体基板１ｂ、地導体１ｃ、スルーホール１ｄ、給電用導体１ｅにより構成される。アンテナ導体１ａは、誘電体基板１ｂの表面（図２の上側の面）に形成されている。地導体１ｃは、誘電体基板１ｂの裏面（図２の下側の面）に形成されている。給電用導体１ｅは、地導体１ｃから離間して誘電体基板１ｂの裏面上に形成されており、地導体１ｃと非接続に配置されている。誘電体基板１ｂの裏面上で、給電用導体１ｅは周囲が地導体１ｃに取り囲まれている。地導体１ｃ及び給電用導体１ｅは、誘電体基板１ｂの板厚によりアンテナ導体１ａと所定の距離を保って配置される。また、アンテナ導体１ａの給電点（或いは励振点）は、スルーホール１ｄにより給電用導体１ｅに接続されている。

モジュール２は、一端部（図２の上端部）に高周波コネクタ２ａが設けられている。モジュール２は、内部に図示しない増幅器及び移相器や、制御用ＩＣ等の電子部品が収容されており、金属や導電材で被覆された樹脂等を外殻に設けたケーシングで覆われている。

トリプレート線路３は、多層に積層されて形成された誘電体基板３ａ、ストリップ導体３ｂ、地導体３ｃ、高周波用コネクタ３ｄ、接続用導体としての給電用導体３ｅ、高周波コネクタ３ｄ、スルーホール３ｆ、スルーホール３ｇから構成される。誘電体基板３ａは、表面（図２の上面側）と裏面（図２の下面側）に地導体３ｃが形成され、内層にストリップ導体３ｂが形成されている。すなわち、ストリップ導体３ｂは、２つの地導体３ｃの間に挟まれ、導体線路としてトリプレート線路を形成している。また、給電用導体３ｅは、地導体３ｃから離間して誘電体基板３ｅの裏面上に形成されており、地導体３ｃと非接続に配置されている。給電用導体３ｅは、誘電体基板３ｅの裏面上で、周囲が地導体３ｃに取り囲まれている。

モジュール用接続端子としての高周波用コネクタ３ｄは、誘電体基板３ａの裏面に設けられ、例えば内側に内導体を有し、内導体を内包する絶縁体の外周に外導体が設けられている。給電用導体３ｅとストリップ導体３ｂの一端部は、誘電体基板３ａ内層に設けられたスルーホール３ｇにより接続されている。ストリップ導体３ｂの他端部と高周波用コネクタ３ｄは、誘電体基板３ａ内層に設けられたスルーホール３ｇにより接続されている。

かくして、給電用導体３ｅはストリップ導体３ｂを介して高周波用コネクタ３ｄに接続される。モジュール２の高周波コネクタ２ａは、高周波用コネクタ３ｄと嵌合して電気的に接続されて、ＲＦ信号を伝送する。なお、高周波コネクタ２ａと高周波用コネクタ３ｄの何れか一方が例えばピンからなる雄型、他方がレセプタクルからなる雌型のコネクタ構造となっている。

ＢＧＡ４は、１つもしくは複数の導体球４ａの配列と、複数の導体球４ｂの配列からなる。導体球４ａ、導体球４ｂは、半田ボールや金バンプなどからなる導電性接続部材で構成される。導体球４ａ、導体球４ｂは、球状または楕円球状以外にも、円筒形状、樽形状等の導電性接続部材で形成されていても良い。導電性接続部材である少なくとも１つの導体球４ａは、素子アンテナ１の給電用導体１ｅとトリプレート線路３の給電用導体３ｅの間を接続する。また、他の導電性接続部材である複数の導体球４ｂは、素子アンテナ１の地導体１ｃとトリプレート線路３の地導体３ｃの間を接続する。これによって、離れた位置にある素子アンテナ１とモジュール２が、トリプレート線路３とＢＧＡ４によって接続されて、アンテナユニット５０が構成される。

次に実施の形態１によるアンテナユニット５０の動作について説明する。
モジュール２から出力されたマイクロ波もしくはミリ波帯のＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）信号は、高周波コネクタ２ａ及び高周波用コネクタ３ｄを介在してトリプレート線路３に入力される。この入力されたＲＦ信号は、トリプレート線路３の給電用導体３ｆ、ストリップ導体３ｂ、スルーホール３ｇ、及び給電用導体３ｅを伝搬し、給電用導体３ｅから導体球４ａに出力される。リプレート線路３から出力されたＲＦ信号は、このトリプレート線路３の給電用導体３ｅと素子アンテナ１の給電用導体１ｅを接続する導体球４ａを介して、素子アンテナ１の給電用導体１ｅに入力される。この給電用導体１ｅに入力されたＲＦ信号は、スルーホール１ｄを介してアンテナ導体１ａに伝搬され、アンテナ導体１ａを励振する。

このとき、素子アンテナ１の地導体１ｃとトリプレート線路３の地導体３ｃの間を接続する複数の導体球４ｂは、導体球４ａからの放射を抑制するために、自由空間波長の０．２５（１／４）倍以下の間隔で、並べる必要がある。

次に、図１、図２で説明した、１対のモジュール２と素子アンテナ１を接続したアンテナユニット５０を複数個配列したフェイズドアレイアンテナの構成例について説明する。図３は、図１に示すアンテナユニット５０を複数並べて構成される、アンテナ装置の概略構成を示す図である。

図３に示すように、アンテナユニット５０を１次元または２次元面内に複数個並べることによって、フェイズドアレイアンテナを形成するアンテナ装置を構成する。このアンテナ装置は、モジュール２の内部に、各素子アンテナ１に対応した増幅器及び移相器を設けて、アクティブフェイズドアレイアンテナを構成していても良い。各アンテナユニット５０を構成するトリプレート線路３は、一体的に成形されて１枚に集積された一体化基板を構成している。或いは、アンテナユニット５０をそれぞれ構成する複数個のトリプレート線路３が群をなして、一体的に成形されたユニット基板を構成し、各群単位に分割されたユニット基板が更に複数個配列されてアンテナ装置を構成するようにしても良い。

図３において、各素子アンテナ１は、その配列間隔が非周期もしくはランダムな不等間隔になっている。例えば、複数の素子アンテナ１は、特許文献１に示すようにサブアレーアンテナを構成して、複数のサブアレーアンテナを、平面形状がペンローズタイルとなるように配置しても良い。また、図３において、モジュール２は、素子アンテナ１の配置間隔に拠らずに、素子アンテナ１の配置間隔とは異なる一定の間隔もしくは周期的な間隔で配置されている。

実施の形態１によるアンテナ装置はこのように構成され、モジュール２と素子アンテナ１をアンテナ導体１ａ面の法線方向（アンテナ面に垂直な方向またはアンテナ軸方向）に積み上げて接続する際に、モジュール２の位置と素子アンテナ１の位置が、アンテナ導体１ａ面に平行な方向に異なって配置される場合であっても、トリプレート線路３を介してモジュール２と素子アンテナ１を接続することができる。このため、アンテナ導体１ａ面に平行な方向で、モジュール２と素子アンテナ１のそれぞれの配置位置に制約を与えることがない。かくして、素子アンテナの素子配列が非周期もしくはランダムな不等間隔で配列されたフェイズドアレイアンテナにおいて、素子アンテナ１とモジュール２を容易に接続する構造を提供することができる。また、このような素子アンテナが非周期もしくはランダムに配置されたアクティブフェイズドドアレイアンテナを容易に実現することが可能となる。

また、トリプレート線路３と素子アンテナ１の接続にＢＧＡ４を用いることにより、自動実装機を用いて素子アンテナ１の自動実装が可能となるため、製造工程の簡易化、自動化が可能となる。さらに、素子アンテナ１自体の実装に高周波コネクタを用いないため、アンテナ部の薄型化を図ることができる。

また、非周期もしくはランダムな素子配列を有するアンテナ装置の構造が簡素になり、製造工程の簡易化、自動化、アンテナ装置の薄型化を実現することができることから、非周期もしくはランダムな素子配列を有するアンテナ装置の低価格化に貢献することができる。

以上説明した通り、実施の形態１によるアンテナ装置は、裏面に給電用導体（１ｅ）を有した素子アンテナ（１）と、表面に配置された接続用導体（３ｅ）と、裏面に配置されて上記接続用導体とは面内方向で異なる位置に配置された接続端子（３ｄ）と、当該接続用導体（３ｅ）と接続端子（３ｄ）の間を接続する導体線路（３ｂ、３ｃ、３ｃ）と、を有した伝送線路（３）と、上記素子アンテナ（１）の給電用導体（１ｅ）と上記伝送線路（３）の接続用導体（３ｅ）の間を接続する導電性接続部材（４ａ）、及び上記素子アンテナ（１）と上記伝送線路（３）の間を接続する他の複数の導電性接続部材（４ｂ）から形成されたボール・グリッド・アレイ（４）と、上記伝送線路（３）の接続端子（３ｄ）に接続されるモジュール側接続端子（２ａ）を有したモジュール（２）と、を備えたものである。また、上記導体線路（３ｂ、３ｃ、３ｃ）は、異なる面に配置された２つの地導体（３ｃ、３ｃ）の間にストリップ導体（３ｂ）が挟まれて配置されたトリプレート線路をなす。また、上記素子アンテナ（１）は、上記給電用導体（１ｅ）の周囲を囲む地導体（３ｃ）を有し、上記伝送線路（３）は、上記接続用導体（３ｅ）の周囲を囲む地導体（３ｃ）を有し、上記他の複数の導電性接続部材（４ｂ）は、上記素子アンテナ（１）の有する地導体（１ｃ）と上記伝送線路（３）の有する地導体（３ｃ）との間を接続し、上記素子アンテナ（１）の自由空間波長の４分の１以下の間隔で配列されている。また、上記素子アンテナ（１）は、非周期もしくはランダムな配置間隔で複数個配列されたアンテナ装置を構成し、上記モジュール（２）は素子アンテナ（１）とは異なる間隔で配列され、ェイズドアレイアンテナを構成する。

これによって、異なる位置に配置された素子アンテナとモジュールとを、トリプレート線路からなる伝送線路とボール・グリッド・アレイ（以下、ＢＧＡ）を介して接続することで、非周期またはランダムな間隔で配列された複数の素子アンテナを、素子アンテナとは異なる一定の間隔で配列されたモジュールに接続するための簡易な構造を得ることができるとともに、製造工程の簡易化や、薄型化が可能なアンテナ装置を得ることができる。

なお、以上の例では、素子アンテナ１とモジュール２を接続する平面回路を形成する伝送線路として、トリプレート線路３を例に用いて説明しているが、トリプレート線路以外の伝送線路で構成してもよい。

また、モジュール２の高周波コネクタ２ａとトリプレート線路３の高周波用コネクタ３ｄの接続構造の代わりに、モジュール２とトリプレート線路３にそれぞれ導波管端子を設けて、モジュール２とトリプレート線路３の間を導波管端子によって接続しても良い。

１ 素子アンテナ、１ａ アンテナ導体、１ｂ 誘電体基板、１ｃ 地導体、１ｄ スルーホール、１ｅ 給電用導体、２ モジュール、２ａ 高周波コネクタ（モジュール側接続端子）、３ トリプレート線路（伝送線路）、３ａ 誘電体基板、３ｂ ストリップ導体、３ｃ 地導体、３ｄ 高周波用コネクタ（モジュール用接続端子）、３ｅ 給電用導体（接続用導体）、３ｆ スルーホール、３ｇ スルーホール、４ ＢＧＡ、４ａ 導体球（導電性接続部材）、４ｂ 導体球（他の導電性接続部材）。

Claims (4)

1. 裏面に給電用導体を有した素子アンテナと、
   表面に配置された接続用導体と、裏面に配置されて上記接続用導体とは面内方向で異なる位置に配置された接続端子と、当該接続用導体と接続端子の間を接続する導体線路と、を有した伝送線路と、
   上記素子アンテナの給電用導体と上記伝送線路の接続用導体の間を接続する導電性接続部材、及び上記素子アンテナと上記伝送線路の間を接続する他の複数の導電性接続部材から形成されたボール・グリッド・アレイと、
   上記伝送線路の接続端子に接続されるモジュール側接続端子を有したモジュールと、
   を備えたアンテナ装置。
2. 上記導体線路は、地導体の間にストリップ導体が挟まれて配置されたトリプレート線路をなすことを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
3. 上記素子アンテナは、上記給電用導体の周囲を囲む地導体を有し、
   上記伝送線路は、上記接続用導体の周囲を囲む地導体を有し、
   上記他の複数の導電性接続部材は、上記素子アンテナの地導体と上記伝送線路の地導体との間を接続し、上記素子アンテナの自由空間波長の４分の１以下の間隔で配列されたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のアンテナ装置。
4. 上記素子アンテナは、非周期もしくはランダムな配置間隔で複数個配列され、フェイズドアレイアンテナを構成することを特徴とする請求項１から請求項３の何れか１項記載のアンテナ装置。

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