JP6766959B2 - 平面アレイアンテナおよび無線通信モジュール - Google Patents

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Description

本開示は平面アレイアンテナおよび無線通信モジュールに関する。
高周波の無線通信には、平面アンテナが用いられる場合がある。たとえば特許文献1〜3は、導体層にスロットを形成し、放射導体に給電する平面アンテナを開示している。特に、特許文献2は、複数の平面アンテナを備える平面アレイアンテナを開示している。具体的には、複数のストリップ導体と、複数のスロットが設けられた導体層と、それぞれのスロットを覆うように配置された複数の放射導体を備えた平面アレイアンテナを開示している。
特開2013−201712号公報 特開平6−291536号公報 特開平7−046033号公報
無線通信の用途が拡大しており、種々の周波数帯域で無線通信が利用されている。このため、より広い帯域に対応することが求められている。本願は、広帯域化が可能な平面アレイアンテナおよびこれを備えた無線通信モジュールを提供することを目的とする。
本開示の平面アレイアンテナは、複数の単位セルが1次元または2次元に配置された平面アレイアンテナであって、各単位セルは、放射導体、前記放射導体と離間して配置され、第1スロットを有する第1地導体層、および、前記放射導体と前記第1地導体層との間であって、前記放射導体と前記第1地導体層とからそれぞれ離間して配置されており、第2スロットを有する平面導体層を含む放射部と、ストリップ導体、および、前記ストリップ導体と離間して配置された第2地導体層を含み、前記ストリップ導体が前記第1地導体層と前記第2地導体層との間に位置する給電部とを備える。
各単位セルにおいて、前記放射導体、前記第2スロット、前記第1スロットは積層方向に位置合わせされていてもよい。
前記ストリップ導体の伸びる方向と前記第1スロットおよび前記第2スロットの伸びる方向とは交差していてもよい。
前記各単位セルにおいて前記放射部は、複数の前記平面導体層を含んでいてもよい。
前記第2スロットは前記第1スロットと同じ形状を有していてもよい。
前記第2スロットは前記第1スロットと異なる形状を有していてもよい。
前記第1地導体層と前記平面導体層との間隔は50μm以下であってもよい。
前記平面導体層は前記第1地導体層または前記第2地導体層と電気的に接続されていてもよい。
前記平面導体層は、フローティング導体層であってもよい。
前記各単位セルの前記給電部は、前記第1地導体層と前記第2地導体層とに接続され、前記ストリップ導体を囲む複数のビア導体を更に含んでいてもよい。
前記各単位セルは、多層セラミック体を備え、少なくとも前記平面導体層、前記第1地導体層、前記第2地導体層および前記ストリップ導体は、前記多層セラミック体内に埋設されていてもよい。
本開示の無線通信モジュールは、上記いずれかの平面アレイアンテナと、前記平面アレイアンテナと電気的に接続された能動部品とを備える。
本開示によれば、広帯域化が可能な平面アレイアンテナを得ることができる。
第1の実施形態の平面アレイアンテナの概略を示す平面図である。 平面アレイアンテナの単位セルの構造を示す分解斜視図である。 平面アレイアンテナの単位セルの構造を示す断面図である。 平面アレイアンテナの単位セルの他の構造を示す断面図である。 平面アレイアンテナの単位セルにおける各構成要素の位置関係を示す上面図である。 多層セラミック基板によって平面アレイアンテナを構成する例を示す断面図である。 多層セラミック基板によって平面アレイアンテナを構成する他の例を示す断面図である。 配線回路および平面アレイアンテナを含む多層セラミック基板の構成例を示す断面図である。 (a)は、無線通信モジュールの実施形態を示す模式的下面図であり、(b)は、基板に実装された無線通信モジュールを示す模式的断面図である。 実施例の平面アレイアンテナの特性をシミュレーションするために用いた構造の寸法を示す図である。 計算によって求めた実施例の平面アレイアンテナのVSWR特性を示す図である。 計算によって求めた実施例の平面アレイアンテナのスミスチャートを示す図である。 計算によって求めた実施例の平面アレイアンテナの放射特性を示す図である。 計算によって求めた実施例の平面アレイアンテナの放射特性を示す図である。
本開示の平面アレイアンテナおよび無線通信モジュールは、例えば、準マイクロ波・センチメートル波・準ミリ波・ミリ波帯域の無線通信に利用可能である。準マイクロ波帯域の無線通信は、波長が10cm〜30cmであり、1GHzから3GHzの周波数の電波を搬送波として用いる。センチメートル波帯域の無線通信は、波長が1cm〜10cmであり、3GHzから30GHzの周波数の電波を搬送波として用いる。ミリ波帯域の無線通信は、波長が1mm〜10mmであり、30GHzから300GHzの周波数の電波を搬送波として用いる。準ミリ波帯域の無線通信は、波長が10mm〜30mmであり、10GHzから30GHzの周波数の電波を搬送波として用いる。これらの帯域の無線通信では、平面アンテナのサイズは数センチからサブミリメートルのオーダーになる。例えば、準マイクロ波・センチメートル波・準ミリ波・ミリ波無線通信回路を、多層セラミック焼結基板によって構成する場合、多層セラミック焼結基板に本開示の多軸アンテナを実装することが可能となる。以下、本実施形態では、特に他の説明をしない限り、準マイクロ波・センチメートル波・準ミリ波・ミリ波の搬送波の一例として、搬送波の周波数が30GHzであり、搬送波の波長λが10mmである場合を例に挙げて、平面アレイアンテナを説明する。
(第1の実施形態)
図1は本開示の平面アレイアンテナ101の実施形態を示す平面図である。平面アレイアンテナ101は破線で示す複数の単位セル50を含む。各単位セル50は放射導体11を含み、放射導体11から電磁波を放射する平面アンテナを構成している。各単位セル50は、誘電体41に形成されており、複数の単位セル50は1次元または2次元に配列されている。本実施形態では、図1に示すように、複数の単位セル50は、x方向およびy方向に2次元に配列されている。各単位セル50の放射導体11は、本実施形態では誘電体41内に配置されている。つまり、誘電体41の上面40uから所定の深さにおいて、放射導体11がx方向およびy方向に2次元にアレイ状に配列されている。各単位セル50の放射導体11は、同一平面上に位置していてもよいし、z軸方向において異なる高さに位置してもよい。
図2は、単位セル50の構成を示す分解斜視図であり、図3Aは単位セル50の断面図である。各単位セル50は、放射部51と給電部52とを含む。給電部52と放射部51とは電磁結合しており、給電部52から供給される信号電力を放射部51が受け取り、電磁波が放射導体11から放射される。
放射部51は、放射導体11と、第1地導体層13と、平面導体層12とを含む。平面導体層12は放射導体11と第1地導体層13との間に位置し、積層方向において放射導体11および第1地導体層13からそれぞれ離間している。第1地導体層13および平面導体層12にはそれぞれ開口である第1スロット13cおよび第2スロット12cが設けられている。
平面導体層12は本実施形態では、フローティング導体層である。つまり、平面導体層12は、第1地導体層13、第2地導体層15または他の基準電位が供給される導体層と電気的に接続されていない。しかし、平面導体層12は接地されていてもよい。具体的には、平面導体層12は、第1地導体層13、第2地導体層15または他の基準電位が供給される導体層と電気的に接続されていてもよい。また、放射部51は平面導体層12を複数備えていてもよい。
給電部52は、ストリップ導体14と、第2地導体層15とを含む。ストリップ導体14と第2地導体層15とは離間して配置されている。また、ストリップ導体14は、第1地導体層13と第2地導体層15との間に位置し、第1地導体層13とストリップ導体14も積層方向において離間している。
ストリップ導体14に給電するため、給電部52は、ビア導体17を含んでいてもよい。この場合、第2地導体層15は開口15dを有し、ビア導体17は、開口15dを貫通して一端がストリップ導体14と接続される。ビア導体17の他端は、第2地導体層15の下面側において、結合器、分配器、受信回路、送信回路などに接続される。
本実施形態では、給電部52は、複数のビア導体16をさらに含む。ビア導体16は柱形状を有し、ストリップ導体14を囲むように配置されている。各ビア導体16の一端は、第1地導体層13と接続され、他端は第2地導体層15と接続されている。前述したように、平面導体層12を接地する場合、例えば、図3Bに示すように、平面導体層12と第1地導体層13とを1または複数のビア導体18によって接続してもよい。
放射導体11、平面導体層12、第1地導体層13、ストリップ導体14、第2地導体層15、ビア導体16、ビア導体17およびビア導体18は導電性の材料によって形成されている。
図3Aに示すように、放射導体11、平面導体層12、第1地導体層13、ストリップ導体14および第2地導体層15の間には、誘電体41を構成する複数の誘電体層が位置している。誘電体層は、樹脂層、ガラス層、セラミック層、空洞等であってよい。誘電体41に平面導体層12、第1地導体層13、ストリップ導体14および第2地導体層15が埋設されている。前述したように、放射導体11は誘電体41の上面40uから所定の深さで誘電体41の内部に位置している。つまり放射導体11は、誘電体41の一部によって覆われている。平面アレイアンテナ101を多層セラミック基板によって構成する例は後述する。
次に各構成要素の形状、配置等を詳述する。図4は、単位セル50の各構造を多層セラミック体40の上面40uに垂直な方向、つまり、上面40uの法線方向から見た模式図である。
放射導体11、平面導体層12および第1地導体層13を含む放射部51は電波を放射する放射素子であり、求められる放射特性およびインピーダンス整合を得るための形状を有している。本実施形態では、放射導体11は、x方向に伸びる(長手を有する)長方形形状を有している。放射導体は、正方形、円形等他の形状を有していてもよい。例えば、放射導体11は、x方向およびy方向に1.5mmおよび0.5mmの長さを有する。
図1に示すように、単位セル50の放射導体11のピッチpは、x方向およびy方向において、例えば、波長λ0の1/2である。ここで、λ0は、搬送波の真空中における波長である。
第1地導体層13の第1スロット13cおよび平面導体層12の第2スロット12cの形状は同じであってもよいし異なっていてもよい。ここで形状が同じとは、相似関係にある場合を含まず、形および大きさが同じ(合同)であることをいう。放射導体11、第1スロット13cおよび第2スロット12cは、上面視において、少なくとも一部が互いに重なっていることが好ましい。より好ましくは、放射導体11、第1スロット13cおよび第2スロット12cは積層方向に互いに位置合わせされている。ここで位置合わせされているとは、積層方向において、第1地導体層13の中心、第1スロット13cの中心および第2スロット12cの中心が、x方向およびy方向において製造誤差の範囲にあることをいう。
第1スロット13cおよび第2スロット12cがそれぞれ長方形形状を有する場合には、長方形の伸びる方向(長手方向)は一致していることが好ましい。例えば、第1スロット13cは、x方向およびy方向に0.9mmおよび0.4mmの長さを有する。
図4に示すようにストリップ導体14は、例えば長方形形状を有する。ストリップ導体14の伸びる方向と第1スロット13cおよび第2スロット12cの伸びる方向とは交差していることが好ましい。
各単位セル50の第1地導体層13および第2地導体層15は隣接する単位セル50の第1地導体層13および第2地導体層15とそれぞれ接続しており、一体的な導電層を構成していることが好ましい。平面導体層12は、フローティング層である場合には、隣接する単位セル50の平面導体層12と接続されておらず、独立していてもよい。この場合、上面視において、平面導体層12がストリップ導体14を囲むビア導体16が設けられている領域を覆うことが好ましい。
平面導体層12が接地される場合には、隣接する単位セル50の平面導体層12と図示しないビア導体および/または配線層を介して接続されていてもよい。あるいは、平面導体層12は、隣接する単位セル50の平面導体層12と、一体的な導電層を構成しており、ビア導体および/または配線層を介して接地電位に接続されていてもよい。各単位セルにおいて、電磁波をより強く共振させ、効率を高めるという観点では、図3Bに示すように、平面導体層12は、隣接する平面導体層12から分離しており、ビア導体18で第1地導体層13と接続されていることが好ましい。
積層方向における第1地導体層13と第2地導体層15との間隔は、例えば、0.25mmである。ストリップ導体14は、例えば、積層方向において、第1地導体層13と第2地導体層15との中間の位置に設けられている。
放射導体11と第1地導体層13との間隔は、例えば、0.4mmである。また、平面導体層12と第1地導体層13との間隔は小さいほうが好ましい。具体的には、平面導体層12と第1地導体層13との間隔は50μm以下であることが好ましく、25μm以下であることがより好ましい。
平面アレイアンテナ101において、ストリップ導体14と第2地導体層15とで構成されるマイクロストリップラインに印加される信号電力は、第1地導体層13の第1スロット13cを介して放射導体11と電磁結合する。このとき、平面導体層12が存在することによって、放射導体11と第1スロット13cを有する第1地導体層13および第2スロット12cを有する平面導体層12とで複共振が生じ、放射する電磁波が広帯域化される。このため、平面アレイアンテナ101の放射特性および受信特性が広帯域化する。特に、平面導体層12と第1地導体層13との間隔を短くすることによって、ストリップ導体14から平面導体層12および第1地導体層13に同等の電磁界が通過するため、帯域幅の拡大効果を得やすくなる。
また、ストリップ導体14の周囲をビア導体16が囲むことによって、y方向の電磁界分布が最適化され、x方向の幅が最適化されることでインピーダンス整合を取りやすくなり、広帯域化できる。誘電率が1以上の誘電体を用いることにより、単位セルの配列ピッチよりも各アンテナの最適化された構造のサイズを小さくすることができ、上述の構成を採用することによって広帯域で放射効率の高い平面アンテナが実現する。
また、本開示の平面アレイアンテナ101は、各単位セルが、電磁波を放射する放射導体11を備えているため、平面導体層12と第1地導体層13との距離、平面導体層12の第2スロット12cおよび第1地導体層1の第1スロット13c形状および/または大きさ等を調整することによって、複共振による広帯域化およびインピーダンス整合の両立を図りやすい。さらに、誘電体41にこれらを埋め込むことによって、平面アレイアンテナ101の小型化を図ることも可能となる。これらの点で、本開示の平面アレイアンテナ101は、導波管あるいは導体箱にスロットを有するスロットアンテナとは、全く異なる発想に基づいている。
また、本実施形態の平面アレイアンテナ101では、放射導体11は誘電体41内に配置される。このため、放射導体11を外部環境による酸化、あるいは、外力による損傷や変形から保護することができる。
放射導体11を保護するという観点では、放射導体11を誘電体41の上面40uに配置し、放射導体11に酸化防止のためのメッキを施すことも考えられる。しかし、この場合、メッキによって放射導体11の導電率が低下する場合があり、放射特性が低下し得る。これに対し、誘電体41で放射導体11を覆う場合には、放射導体11の導電率は低下しないため、メッキを設ける場合と同等以上の放射特性を維持しつつ、外力からの保護等、メッキよりも高い保護効果を得ることができる。
放射導体11を覆う誘電体41の層41cの厚さは、例えば、誘電体41の比誘電率が、3〜15程度である場合、70μm以下であることが好ましく、誘電体41の比誘電率が、5〜10程度である場合、20μm以下であることが好ましい。これにより、平面アレイアンテナに一般的に使用される、Au/Niメッキした放射導体11の場合と同等以上の放射効率を実現することができる。層41cの厚さは小さいほど損失が少ないため、アンテナ特性の観点では、特に下限に制限はない。後述するように誘電体41が多層セラミック体である場合には、層41cの厚さが小さくなりすぎると、厚さを均一にすることが困難になる場合がある。このため、層41cの厚さは、例えば、均一なセラミック層を形成し得る5μmであることが好ましい。つまり、誘電体41が多層セラミック体である場合には層41cの厚さは5μm以上70μm以下であることがより好ましく、5μm以上、20μm未満であることがより好ましい。
(第2の実施形態)
以下、平面アレイアンテナを多層セラミック基板によって構成する例、つまり、第1の実施形態の平面アレイアンテナ101の誘電体41を多層セラミック体で構成する例を説明する。図5は、多層セラミック基板102の断面を模式的に示している。多層セラミック基板102は、多層セラミック体40と、多層セラミック体40内に埋設された放射導体11、平面導体層12、第1地導体層13、ストリップ導体14、第2地導体層15、ビア導体16およびビア導体17とを備える。
多層セラミック体40は、破線で示すように複数のセラミック層40aを含み、1または2以上のセラミック層40aを隔ててこれらの構成要素が配置されている。破線の位置は模式的に示されており、多層セラミック基板に含まれるセラミック層40aの数を正確に示しているわけではない。ビア導体16およびビア導体17はセラミック層40aに設けられた貫通孔内に位置している。
第1スロット13cおよび第2スロット12c(図2、図4参照)は、空洞であってもよいし、セラミック層40aの一部が充填されていてもよい。第1スロット13cおよび第2スロット12cにセラミック層40aの一部が充填されていれば、セラミック層40a間の密着性が向上し、多層セラミック体40の強度を高めることができる。
多層セラミック体40においてセラミック層40aの境界は明確には存在しない場合がある。この場合、例えば、第1地導体層13等のセラミック以外の構成要素が2つのセラミック層の間に存在する場合には、第1地導体層13の位置を2つのセラミック層の境界と対応づけることができる。セラミック層40aは、セラミックの焼結前のセラミックグリーンシートに対応していてもよいし、2層以上のセラミックグリーンシートに対応していてもよい。
各セラミック層40aの厚さは、例えば1μm以上15mm以下であり、好ましくは、15μm以上1mm以下である。これにより、準マイクロ波・センチメートル波・準ミリ波・ミリ波帯の平面アレイアンテナを構成することができる。
放射導体11は、多層セラミック体の上面に位置していてもよい。図6に示す多層セラミック基板102’は、放射導体11が多層セラミック体40’の上面40’u上に位置している点で、多層セラミック基板102と異なる。放射導体11が外部環境に露出していることにより、より高い放射効率を実現することが可能となる。この構成の多層セラミック基板を用いて作製する製品は、例えば、温度湿度などの環境、物理的接触などによる損傷、変形が起こりにくい条件で使用される場合に適している。より具体的には、たとえば、真空封止あるいは不活性ガス封止されて使用されるような条件、または、酸化、硫化などで腐食しづらい金属を用いて放射導体を構成する条件が満たされる場合にこの構成の製品は、好適に使用される。
多層セラミック基板は、平面アレイアンテナ101の他に、他の構成要素をそなえていてもよい。例えば、図7に示すように、多層セラミック基板103は、第2地導体層15よりも下方に複数のセラミック層40aをさらに備え、受動部品パターン71および配線パターン72と、複数のセラミック層40aに設けられた導電性ビア73をさらに備えている。受動部品パターン71は、例えば、導電性層あるいは、所定の抵抗値を有するセラミックであり、インダクタ、コンデンサ、抵抗、結合器、分配器、フィルタ、電源等を構成している。また、導電性ビア73および配線パターン72は、受動部品パターン、地導体等と接続され、所定の回路を構成している。
また、多層セラミック体40の下面40vには、例えば、外部の基板と接続するための、電極74、受動部品を接続するための電極75および集積回路等の能動部品を接続するための電極76が位置している。ストリップ導体14は、図示しない位置に配置された導電性ビアによって、電極74、75、76のいずれかと電気的に接続されていてもよい。
第2地導体層15よりも下面側に位置する複数のセラミック層40a間に設けられたこれらの構成要素により、受動部品を含む配線回路が構成される。配線回路の上述した、複数の電極に受動部品および集積回路等が接続されることによって、無線通信回路が構成される。
多層セラミック基板によって平面アレイアンテナ101を構成する場合、各セラミック層と放射導体11、平面導体層12などの導電層とを同時に焼成することが可能である。つまり多層セラミック基板103は同時焼成セラミック基板であってもよい。同時焼成セラミック基板は、低温焼成セラミック(LTCC、Low Temperature Co−fired Ceramics)基板であってもよいし、高温焼成セラミック(HTCC、High Temperature Co−fired Ceramics)基板であってもよい。高周波特性の観点では、低温焼成セラミック基板を用いた方が好ましい場合がある。多層セラミック構造のセラミック層、放射導体、地導体、ストリップ導体、受動部品パターン、配線パターン、導電性ビアには、焼成温度、用途等および無線通信の周波数等に応じたセラミック材料および導電性材料が用いられる。放射導体、地導体(具体的には地導体層)、ストリップ導体、受動部品パターン、配線パターン、導電性ビアを形成するための導電性ペーストと、多層セラミック構造のセラミック層を形成するためのグリーンシートが同時に焼成(Co−fired)される。同時焼成セラミック基板が低温焼成セラミック基板である場合、800℃から1000℃程度の温度範囲で焼結することができるセラミック材料および導電性材料を用いる。例えばAl、Si、Srを主成分とし、Ti、Bi、Cu、Mn、Na、Kの少なくとも1種を副成分とするセラミック材料、Al、Si、Srを主成分とし、Ca、Pb、Na、Kの少なくとも1種を副成分とするセラミック材料、Al、Mg、Si、Gdを含むセラミック材料、Al、Si、Zr、Mgを含むセラミック材料が用いられる。また、AgまたはCuを含む導電性材料が用いられる。セラミック材料の誘電率は3〜15程度である。同時焼成セラミック基板が高温焼成多層セラミック基板である場合、Alを主成分とするセラミック材料および、W(タングステン)またはMo(モリブデン)を含む導電性材料を用いることができる。
より具体的には、LTCC材料として、例えば、低誘電率(比誘電率5〜10)のAl−Mg−Si−Gd−O系誘電体材料、Mg2SiO4からなる結晶相とSi−Ba−La−B−O系からなるガラス等からなる誘電体材料、Al−Si−Sr−O系誘電体材料、Al−Si−Ba−O系誘電体材料、高誘電率(比誘電率50以上)のBi−Ca−Nb−O系誘電体材料等様々な材料を用いることができる。
例えば、Al−Si−Sr−O系誘電体材料は、主成分としてAl、Si、Sr、Tiの酸化物を含む場合は、主成分であるAl、Si、Sr、TiをそれぞれAl23、SiO2、SrO、TiO2に換算したとき、Al23:10〜60質量%、SiO2:25〜60質量%、SrO:7.5〜50質量%、TiO2:20質量%以下(0を含む)を含有することが好ましい。また、その主成分100質量部に対して、副成分として、Bi、Na、K、Coの群のうちの少なくとも1種をBi2O3換算で0.1〜10質量部、Na2O換算で0.1〜5質量部、K2O換算で0.1〜5質量部、CoO換算で0.1〜5質量部含有することが好ましく、更に、Cu、Mn、Agの群のうちの少なくとも1種をCuO換算で0.01〜5質量部、Mn3O4換算で0.01〜5質量部、Agを0.01〜5質量部含有することが好ましい。その他不可避不純物を含有することもできる。
多層セラミック体40における複数のセラミック層40aは、それぞれ同じ組成を有し、同じ材料によって形成されていてもよい。あるいは、平面アンテナの放射効率を高めるために、多層セラミック体40の放射導体11近傍のセラミック層は、それよりも下方のセラミック層と異なる組成を有し、異なる材料によって形成されていてもよい。異なる組成を有することにより、異なる誘電率を有することが可能となり、放射効率を向上させることが可能となる。
また、放射導体11をセラミック層以外の樹脂あるいはガラスなどからなる層で覆ってもよいし、多層セラミック体40と、樹脂あるいはガラスなどからなる回路基板とを組み合わせ、複合基板を構成してもよい。
同時焼成セラミック基板は、LTCC基板またはHTCC基板と同様の製造方法を用いて製造することができる。
例えば、まず、上述した元素を含むセラミック材料を用意し、必要に応じて、例えば700℃〜850℃で仮焼し、粉砕することにより造粒する。セラミック材料にガラス成分の粉末、有機バインダ、可塑剤、溶剤を添加し、これらの混合物のスラリーを得る。誘電率を異ならせるため等により、セラミック層を異なる材料によって形成する場合には、異なる材料を含む2種類のスラリーを用意する。また、上述した導電性材料の粉末を有機バインダおよび溶剤等と混合し、導電ペーストを得る。
ドクターブレード法、圧延(押し出し)法、印刷法、インクジェット式塗布法、転写法等を用いて、スラリーから所定の厚さの層をキャリアフィルム上に形成し、乾燥させる。スラリーの層を切断することによって、セラミックグリーンシートを得る。
次に、同時焼成セラミック基板内で構成する回路に従い、レーザ、メカ式パンチャ等を用いて複数のセラミックグリーンシートにビアホールを形成し、スクリーン印刷法を用いて各ビアホールに導電ペーストを充填する。このとき、ビア導体16およびビア導体17のパターンも形成される。また、スクリーン印刷等によって、導電ペーストをセラミックグリーンシートに印刷し、配線パターン、受動部品パターン、放射導体11、平面導体層12、第1地導体層13、ストリップ導体14および第2地導体層15のパターンをセラミックグリーンシートに形成する。
上述した導電ペーストが配置されたセラミックグリーンシートを、仮圧着を行いながら順次積層し、グリーンシート積層体を形成する。その後、グリーンシート積層体からバインダを除去し、脱バインダ後のグリーンシート積層体を焼成する。これにより、同時焼成セラミック基板が完成する。
このようにして作製される同時焼成セラミック基板は、無線通信用の配線回路、受動部品および平面アレイアンテナを備える。このため、同時焼成セラミック基板に無線通信用のチップセット等を実装することによって、アンテナも備えた無線通信モジュールが実現する。
また、多層セラミック体の表面のセラミック層が放射導体の全体を完全に覆っている場合には、放射導体を外部環境および外力から保護することができ、放射効率が低下したり、アンテナの特性が変化したりするのを抑制することができる。
なお、本実施形態おいて説明した平面アレイアンテナの放射導体、平面導体層、第1地導体層、第2地導体層およびストリップ導体の形状、数、配置は模式的な一例に過ぎない。例えば、複数の放射導体のうち、一部を地導体から異なる距離に位置するセラミック層の界面に配置してもよい。また、放射導体にスロットを設けてもよい。また、平面アレイアンテナは、放射導体の他に、給電されない導体をさらに含んでおり、放射導体と、セラミック層を介して積層されていてもよい。
(第3の実施形態)
無線通信モジュールの実施形態を説明する。図8(a)は、本開示の無線通信モジュールの実施形態を示す模式的下面図であり、図8(b)は、基板に実装された無線通信モジュールを示す模式的断面図である。無線通信モジュール104は、第2の実施形態の多層セラミック基板103と、半田バンプ81と、受動部品82と能動部品83とを備える。半田バンプ81は、多層セラミック基板102の下面40vに位置する電極74に設けられている。受動部品82は、例えば、チップコンデンサ、チップインダクタ、チップ抵抗等であり、電極75に半田などによって接合されている。能動部品83は、例えば、無線通信用のチップセットであり、受信回路、送信回路、A/Dコンバータ、D/Aコンバータ、ベースバンドプロセッサ、メディアアクセスコントローラ等であり、電極76に半田などによって接合されている。
無線通信モジュール104は、例えば、電極92が設けられた回路基板91にフリップチップボンディングによって、フェイスダウンで、つまり、受動部品82および能動部品83が回路基板91と対向するように接合される。回路基板91の電極92と多層セラミック基板102の電極74とが半田バンプ81によって電気的に接続されることにより、多層セラミック基板102が外部の電源回路や他のモジュールと電気的に接続される。
回路基板91に実装された無線通信モジュール104において、多層セラミック基板102の上面40u側に位置する放射導体11は、回路基板91が対向する下面40vと反対側に位置している。このため、受動部品82および能動部品83、あるいは、回路基板91の影響を受けることなく、準マイクロ波・センチメートル波・準ミリ波・ミリ波帯の電波を放射導体11から放射し、また、外部から到達する準マイクロ波・センチメートル波・準ミリ波・ミリ波帯の電波を放射導体11で受信することができる。したがって、広帯域のアンテナを備え、小型であり、かつ、表面実装が可能な無線通信モジュールが実現し得る。
(平面アレイアンテナの特性の計算例)
第1の実施形態の平面アレイアンテナの特性を計算によって求めた結果を説明する。図9および表1に示すサイズおよび物性でsパラメータを測定した。VSWR特性およびスミスチャートを図10および図11に示す。また、平面アレイアンテナの放射特性を図12および図13に示す。比較のため平面導体層12を有しない平面アレイアンテナの特性を求め、これらの図に示した。図10から図13において実線は実施例の特性を示し、破線は比較例の特性を示す。
Figure 0006766959
図10に示すように、例えば、VSWRが1.5以下の範囲は、比較例では、約57GHzから61GHzであるのに対し、実施例では、56GHzから66GHzである。実施形態1の平面アンテナによれば、広い帯域で反射波を抑制し、電磁波を送信し得ることが分かる。また図11から、この計算例では、共振点が2つであることが分かる。
図12および図13は、実施例1の平面アレイアンテナから放射される電磁波のゲイン特性を示す。図12および図13は、図1に示すように座標をとった場合におけるxz平面およびyz平面での特性を示している。z軸つまり上面40uの法線方向を0°とし、+x軸および−x軸方向または+y軸および−y軸方向がθの+90°および−90°に対応している。
これらの図から、比較例に比べて、実施例の平面アンテナでは、ゲインが0.2dB程度改善していることが分かる。
したがって、これらの計算結果から、実施例の平面アンテナは、広帯域で電磁波の送受信が可能であり、かつゲインも向上し得ることが分かる。
11 放射導体
12 平面導体層
12c 第2スロット
13 第1地導体層
13c 第1スロット
14 ストリップ導体
15 第2地導体層
15d 開口
16、17、18 ビア導体
40、40’ 多層セラミック体
40a セラミック層
40u、40’u 上面
40v 下面
41 誘電体
41c 誘電体の層
50 単位セル
51 放射部
52 給電部
71 受動部品パターン
72 配線パターン
73 導電性ビア
74〜76、92 電極
81 半田バンプ
82 受動部品
83 能動部品
91 回路基板
101 平面アレイアンテナ
102、102’、103 多層セラミック基板
104 無線通信モジュール

Claims (11)

  1. 複数の単位セルが1次元または2次元に配置された平面アレイアンテナであって、各単位セルは、
    放射導体、前記放射導体と離間して配置され、第1スロットを有する第1地導体層、および、前記放射導体と前記第1地導体層との間であって、前記放射導体と前記第1地導体層とからそれぞれ離間して配置されており、第2スロットを有する平面導体層を含む放射部と、
    ストリップ導体、および、前記ストリップ導体と離間して配置された第2地導体層を含み、前記ストリップ導体が前記第1地導体層と前記第2地導体層との間に位置する給電部と、
    を備えており、
    前記ストリップ導体の伸びる方向と前記第1スロットおよび前記第2スロットの伸びる方向とは交差している平面アレイアンテナ。
  2. 各単位セルにおいて、前記放射導体、前記第2スロット、前記第1スロットは積層方向に位置合わせされている請求項1に記載の平面アレイアンテナ。
  3. 前記各単位セルにおいて前記放射部は、複数の前記平面導体層を含む請求項1または2に記載の平面アレイアンテナ。
  4. 前記第2スロットは前記第1スロットと同じ形状を有する請求項1からのいずれかに記載の平面アレイアンテナ。
  5. 前記第2スロットは前記第1スロットと異なる形状を有する請求項1からのいずれかに記載の平面アレイアンテナ。
  6. 前記第1地導体層と前記平面導体層との間隔は、50μm以下である、請求項1からのいずれかに記載の平面アレイアンテナ。
  7. 前記平面導体層は前記第1地導体層または前記第2地導体層と電気的に接続されている請求項1からのいずれかに記載の平面アレイアンテナ。
  8. 前記平面導体層は、フローティング導体層である請求項1からのいずれかに記載の平面アレイアンテナ。
  9. 前記各単位セルの前記給電部は、
    前記第1地導体層と前記第2地導体層とに接続され、前記ストリップ導体を囲む複数のビア導体を更に含む請求項1からのいずれかに記載の平面アレイアンテナ。
  10. 前記各単位セルは、多層セラミック体を備え、少なくとも前記平面導体層、前記第1地導体層、前記第2地導体層および前記ストリップ導体は、前記多層セラミック体内に埋設されている、請求項1からのいずれかに記載の平面アレイアンテナ。
  11. 請求項10に記載の平面アレイアンテナと、
    前記平面アレイアンテナと電気的に接続された能動部品と、
    を備えた無線通信モジュール。
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