JP7129369B2

JP7129369B2 - アンテナ装置および通信端末装置

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Publication number: JP7129369B2
Application number: JP2019058999A
Authority: JP
Inventors: 尚記外間
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2019-03-26
Filing date: 2019-03-26
Publication date: 2022-09-01
Anticipated expiration: 2039-03-26
Also published as: CN111755802A; US11189903B2; US20200313272A1; JP2020161968A; CN111755802B

Description

本発明は、アンテナ装置および通信端末装置に関する。

近年、携帯電話等の無線通信システムに用いられるミリ波アンテナモジュールの需要が高まっている。また、ミリ波アンテナモジュールに備えられる集積回路（ＩＣ）から発生する熱を放熱させることも要求されている。

例えば、特許文献１には、第１のヒートパイプの作動液溜まり部となる下部に第１のモジュールが配置され、第２の平板型ヒートパイプの作動液溜まり部となる下部に第２のモジュールが配置されている、アレイモジュールが開示されている。

また、特許文献２には、ヒートシンクを使用してミリ波通信ＩＣの放熱を行い、ヒートシンクの一部を使用してアンテナが形成されることによって、ミリ波通信エリアの拡大と、ミリ波通信ＩＣの放熱とを両立する、ミリ波送受信機が開示されている。

また、特許文献３には、アンテナ部と放熱部とを備えた、小型のアンテナ装置が開示されている。

特開２０１６－１０９３４７号公報（２０１６年６月２０日公開）特開２０１１－２１１４２４号公報（２０１１年１０月２０日公開）特開２０１７－４６１２１号公報（２０１７年３月２日公開）

しかしながら、特許文献１～３に開示されているアンテナ装置は、不要放射による利得低下等のアンテナ性能の劣化抑制については考慮されていない。本発明の一態様は、放熱性の向上とアンテナ性能の劣化抑制とを同時に満たすアンテナ装置を実現することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係るアンテナ装置は、
少なくとも片面に熱源を有するアンテナ基板と、
前記熱源において生じた熱を放熱する放熱部材と、を備え、
前記放熱部材は、
前記熱源の少なくとも一部に接しており、
前記アンテナ基板との接触面から当該接触面の法線方向の所定の距離未満においては、前記アンテナ基板と平行な断面積が前記アンテナ基板との接触面の面積以下であり、前記所定の距離以上の少なくとも一部においては、前記アンテナ基板と平行な断面積が前記接触面の面積よりも大きい、
ことを特徴とするアンテナ装置である。

本発明の一態様によれば、放熱性の向上とアンテナ性能の劣化抑制とを同時に満たすアンテナ装置を実現することができる。

実施形態１に係るアンテナ装置の要部構成を示す斜視図（ａ）およびＸ方向から見た図（ｂ）である。実施形態２に係るアンテナ装置の要部構成を示す斜視図（ａ）およびＸ方向から見た図（ｂ）である。実施形態３に係るアンテナ装置の要部構成を示す斜視図（ａ）および上面図（ｂ）である。実施形態３に係るアンテナ装置の要部構成を示す斜視図（ａ）および上面図（ｂ）である。製造例３のアンテナ装置の要部構成を示す斜視図（ａ）およびＸ方向から見た図（ｂ）である。製造例１および３のアンテナ装置におけるゲインの測定結果を示すグラフである。製造例１～３のアンテナ装置におけるゲインの測定結果を示すグラフである。製造例２（ａ）および製造例３（ｂ）のアンテナ装置における、２８ＧＨｚでの電流分布を示す図である。スリットの深さの変化させたときのゲインの測定結果を示すグラフである。スリットの幅を変化させたときのゲインの測定結果を示すグラフである。

〔実施形態１〕
図１に基づいて、本発明の実施形態１に係るアンテナ装置を説明する。図１の（ａ）は、実施形態１のアンテナ装置１の要部構成を示す斜視図である。図１の（ｂ）は実施形態１のアンテナ装置１をＸ方向から見た図である。

図１に示すように、垂直（重力）方向をＺ方向、水平方向をＸ方向およびＹ方向とする。Ｘ方向、Ｙ方向およびＺ方向は、互いに直交している。

（アンテナ装置１）
アンテナ装置１は、アンテナ基板２と、放熱部材３とを備える。アンテナ基板２は、放熱部材３の上面に設置されている。アンテナ装置１は、例えば、携帯電話端末、携帯情報端末、スマートフォン、タブレット端末、モバイルＰＣ端末等の通信端末装置が備えるアンテナ装置であり得るが、これらに限定されない。

（アンテナ基板２）
アンテナ基板２は、アンテナ部２１と、熱源２２とを有する。アンテナ部２１は、複数のアンテナ（放射素子）を備える。放射素子の種類、形状等は特に限定されず、公知の放射素子を適宜用いることができる。また、アンテナ部２１は、放射素子に給電を行う給電部を備えていてもよい。熱源２２はアンテナ基板２の少なくとも片面に備えられる。図１においては、アンテナ部２１の下面と放熱部材３の上面との間に熱源２２が備えられる。図１のアンテナ部２１および熱源２２はそれぞれ直方体形状である。熱源２２の例として、集積回路（ＩＣ）が挙げられる。

（放熱部材３）
放熱部材３は、熱源２２において生じた熱を放熱する。図１においては、熱源２２の下面全体が、放熱部材３の上面と接触しているが、熱源２２の一部と放熱部材３が接触していればよい。放熱部材３の例として、金属から構成される金属部材等が挙げられる。放熱部材３の表面は平坦面であっても、平坦面でなくてもよい。

また、アンテナ基板２と放熱部材３との接触面から当該接触面の法線方向の所定の距離未満においては、アンテナ基板２と平行な断面積がアンテナ基板２との接触面の面積以下である。

本明細書において、接触面の法線方向とは、図１の（ａ）におけるＺ軸下方向である。また、アンテナ基板２と平行な断面積とは、図１の（ａ）におけるＺ方向から見たときの後述する放熱部材部分３１或いは放熱部材部分３２の面積である。

図１に示すように、放熱部材３は、放熱部材部分３１と放熱部材部分３２が一体となって構成されている。図１のアンテナ装置１の放熱部材３は、上段の放熱部材部分３１と下段の放熱部材部分３２から成る２段構造であるが、３段以上の複数段構造であってもよい。

図１において、放熱部材部分３１において、アンテナ基板２と平行な断面積は、アンテナ基板２との接触面の面積と同じである。また、図１の（ｂ）に示すように、放熱部材部分３１は、アンテナ基板２との接触面の法線方向長さＺ_１を有する。アンテナ基板２と放熱部材３との接触面から、当該接触面の法線方向の所定の距離とは、Ｚ_１である。Ｚ_１は、周波数の共振抑制、アンテナ装置の薄型化等の点で、後述する実施例に示すように１／６波長～１／３波長が好ましく、特に１／４波長程度が好ましい。

また、アンテナ基板２との接触面から当該接触面の法線方向の所定の距離以上の少なくとも一部においては、アンテナ基板２と平行な断面積が接触面の面積よりも大きい。

図１において、放熱部材部分３２は、アンテナ基板２と平行な断面積が、アンテナ基板２と放熱部材部分３１との接触面の面積よりも大きい。

放熱部材３により、熱源２２において生じた熱を放熱することができる。また、放熱部材３が段差を備え（上段の放熱部材部分３１と下段の放熱部材部分３２を備える）、放熱部材部分３１の断面積が所定の面積であることにより、不要放射による利得低下等のアンテナ性能の劣化を抑制することができる。特に、放熱部材３がアンテナ基板２よりも大きいときに、上記構成により、アンテナ基板２のグランド（ＧＮＤ）面から流れる電流の発生による、不要放射による利得低下を抑制することができる。

また、無線通信端末は、アンテナ装置１を備えることによって、放熱性が向上し、不要放射による利得低下等のアンテナ性能の劣化が抑制される。

〔実施形態２〕
次に、図２に基づいて、本発明の実施形態２に係る、アンテナ装置１について説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。図２の（ａ）は、実施形態２のアンテナ装置１の要部構成を示す斜視図である。図２の（ｂ）は実施形態２のアンテナ装置１をＸ方向から見た図である。

実施形態２において、放熱部材部分３２の上面に、アンテナ基板２と接触している放熱部材部分３１とは別に、放熱部材部分３３を備える点が、実施形態１と相違する。放熱部材部分３３を備えることによって、放熱部材３の上面に、アンテナ基板２と放熱部材３との接触面の周縁に沿ってスリット４が設けられる。すなわち、図２の（ａ）に示すように、放熱部材部分３１の下面に沿ってＸ方向にスリット４が設けられる。スリット４が設けられることによって、表面積が増え、放熱性が向上すると共に、不要放射による利得低下等のアンテナ性能の劣化を抑制することができる。

スリット４の幅（図２の（ｂ）のＹ_３）は、アンテナ性能の劣化抑制等の点で、１／４波長～２／３波長が好ましい。スリット４の高さ（図２の（ｂ）のＺ_１）は、周波数の共振抑制、アンテナ装置の薄型化等の点で、後述する実施例に示すように１／６波長～１／３波長が好ましく、特に１／４波長程度が好ましい。

〔実施形態３〕
次に、図３に基づいて、本発明の実施形態３に係る、アンテナ装置１について説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。図３の（ａ）は、実施形態３のアンテナ装置１の要部構成を示す斜視図であり、（ｂ）は実施形態３のアンテナ装置１の要部構成を示す上面図である。

実施形態３において、図３の（ａ）に示すように、放熱部材部分３１の底面に沿って、Ｘ方向に加え、Ｙ方向にもスリット４が設けられている点が、実施形態２と相違する。すなわち、矩形である、アンテナ基板２と放熱部材３との接触面の４つの辺のうち２つの辺に沿って、スリットが設けられている。この構成により、放熱部材に流れる電流量をより抑制することができ、不要放射による利得低下等のアンテナ性能の劣化を抑制することができる。本明細書において、矩形とは、長方形、正方形、および、平行四辺形を含む。

〔実施形態４〕
次に、図４に基づいて、本発明の実施形態４に係る、アンテナ装置１について説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。図４の（ａ）は、実施形態４のアンテナ装置１の要部構成を示す斜視図であり、（ｂ）は実施形態４のアンテナ装置１の要部構成を示す上面図である。

実施形態４において、図４の（ｂ）に示すように、矩形である、アンテナ基板２と放熱部材３との接触面の４つの辺のうち３つの辺に沿って、スリットが設けられている点が、実施形態３と相違する。この構成により、放熱部材に流れる電流量をより抑制することができ、不要放射による利得低下等のアンテナ性能の劣化を抑制することができる。

〔まとめ〕
本発明の態様１に係るアンテナ装置（１）は、少なくとも片面に熱源（２２）を有するアンテナ基板（２）と、前記熱源（２２）において生じた熱を放熱する放熱部材（３）とを備え、前記放熱部材（３）は、前記熱源（２２）の少なくとも一部に接しており、前記アンテナ基板（２）との接触面から当該接触面の法線方向の所定の距離未満においては、前記アンテナ基板（２）と平行な断面積が前記アンテナ基板（２）との接触面の面積以下であり、前記所定の距離以上の少なくとも一部においては、前記アンテナ基板（２）と平行な断面積が前記接触面の面積よりも大きい、ことを特徴とする。

上記の構成によれば、放熱性が向上すると共に、不要放射による利得低下等のアンテナ性能の劣化を抑制することができる。

本発明の態様２に係るアンテナ装置（１）は、上記態様１において、前記放熱部材（３）の上面に、前記アンテナ基板（２）との接触面の周縁に沿ってスリット（４）が設けられている。

上記の構成によれば、表面積が増え、放熱性が向上すると共に、不要放射による利得低下等のアンテナ性能の劣化を抑制することができる。

本発明の態様３に係るアンテナ装置（１）は、上記態様１において、前記接触面は矩形であり、前記接触面の４つの辺のうちの少なくとも２つの辺に沿って、前記放熱部材（３）の上面にスリット（４）が設けられている。

上記の構成によれば、放熱部材に流れる電流量をより抑制することができ、不要放射による利得低下等のアンテナ性能の劣化を抑制することができる。

本発明の態様４に係る通信端末装置は、上記態様１～３のいずれかのアンテナ装置（１）を備える。

上記の構成によれば、通信端末装置の放熱性が向上し、不要放射による利得低下等のアンテナ性能の劣化が抑制される。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。

［製造例１］アンテナ装置の製造
図１の（ａ）に示す形状である放熱ブロック（放熱部材３）を用意した。次に、高さＺ_１＋Ｚ_２における放熱ブロック（放熱部材３）の上面に、アンテナ部２１と熱源２２とを有するアンテナ基板２を図１の（ａ）のように設置して、アンテナ装置１を製造した。アンテナ装置１をＸ方向から見た図を図１の（ｂ）に示す。アンテナ装置１のＹ_１は２０ｍｍ、Ｙ_２は５ｍｍ、Ｚ_１は３ｍｍ、Ｚ_２は１３．５ｍｍ、Ｚ_３は２０ｍｍだった。

［製造例２］アンテナ装置の製造
図２の（ａ）に示す形状である放熱ブロック（放熱部材３）を用意した。次に、高さＺ_１＋Ｚ_２における放熱ブロック（放熱部材３）の上面に、アンテナ部２１と熱源２２とを有するアンテナ基板２を図２の（ａ）のように設置して、アンテナ装置１を製造した。アンテナ装置１をＸ方向から見た図を図２の（ｂ）に示す。アンテナ装置１のＹ_１は２０ｍｍ、Ｙ_２は５ｍｍ、Ｙ_３は３ｍｍ、Ｚ_１は３ｍｍ、Ｚ_２は１０．５ｍｍ、Ｚ_３は２０ｍｍだった。

［製造例３］アンテナ装置の製造
図５（ａ）に示す形状である放熱ブロック（放熱部材１０３）を用意した。次に、高さＺ_２における放熱ブロック（放熱部材１０３）の上面に、アンテナ部１２１と熱源１２２とを有するアンテナ基板１０２を図６の（ａ）のように設置して、アンテナ装置１０１を製造した。アンテナ装置１０１をＸ方向から見た図を図５の（ｂ）に示す。アンテナ装置１０１のＹ_１は２０ｍｍ、Ｙ_２は５ｍｍ、Ｚ_２は１３．５ｍｍ、Ｚ_３は２０ｍｍだった。

［評価例１］ゲインの測定
製造例１と３のアンテナ装置、および放熱ブロック（放熱部材）を備えないアンテナ基板について、ゲインを測定した。結果を図６に示す。

図６中の縦軸の正面方向Ｇａｉｎは、図１及び５におけるＸ－Ｙ平面方向のゲインである。

図６に示すように、製造例３のアンテナ装置においては、ゲイン（利得）低下が抑制されなかった。一方、製造例１のアンテナ装置においては、利得低下を抑制することができた。

［評価例２］ゲインの測定
評価例１と同様に、製造例１～３のアンテナ装置、および放熱ブロック（放熱部材）を備えないアンテナ基板について、ゲインを測定した。結果を図７に示す。

図７に示すように、スリットが設けられた製造例２のアンテナ装置は、製造例１のアンテナ装置よりもさらに利得低下を抑制することができた。

［評価例３］電流分布の測定
製造例２と３のアンテナ装置に関し、２８ＧＨｚの電波を送受信した場合における電流分布を測定した。測定結果を図８に示す。図８の（ａ）は製造例２のアンテナ装置、（ｂ）は製造例３のアンテナ装置の電流分布を示す。図８中、白い（明るい）箇所は電流量が多いことを示し、暗い（黒い）箇所は電流量が少ないことを示す。

図８に示すように、製造例３のアンテナ装置は、特にアンテナ基板と放熱ブロック（放熱部材）との接触面付近で電流が多く流れていた。一方、製造例２のアンテナ装置は、製造例３のアンテナ装置と比べて、電流量が抑制されていた。

［評価例４］スリットの深さの変化による利得低下抑制への影響
次に、製造例２のアンテナ装置１のスリット４の深さ（図２の（ｂ）のＺ_１）を変化させたときの、利得低下抑制への影響を検証した。ゲインの測定は、評価例１と同様に行い、周波数を２８ＧＨｚとして評価した。結果を図９に示す。

図９に示すように、スリットの深さを２８ＧＨｚの電波のλ／４である３ｍｍ前後にすると、利得低下を抑制することができることが分かった。

［評価例５］スリットの幅の変化による利得低下抑制への影響
次に、製造例２のアンテナ装置１のスリット４の幅（図２の（ｂ）のＹ_３）を変化させたときの、利得低下抑制への影響を検証した。ゲインの測定は、評価例１と同様に行い、周波数を２８ＧＨｚとして評価した。結果を図１０に示す。

図１０に示すように、スリットの幅を２８ＧＨｚの電波のλ／２である６ｍｍ前後にすると、利得低下を特に抑制することができることが分かった。

［まとめ］
放熱ブロック（放熱部材）に段差を備える、製造例１のアンテナ装置は、不要放射による利得低下を抑制することができた。さらに、スリットを備える製造例２のアンテナ装置では、不要放射による利得低下が抑制され、放熱性も向上していることが分かった。評価例では、正面（Ｘ－Ｙ平面）方向のゲインを測定しているが、他の方向のゲインの劣化についても抑制されていると考えられる。

１、１０１アンテナ装置
２、１０２アンテナ基板
３、１０３放熱部材
４スリット
２１、１２１アンテナ部
２２、１２２熱源
３１、３２、３３放熱部材部分

Claims

少なくとも片面に熱源を有するアンテナ基板と、
前記熱源において生じた熱を放熱する放熱部材とを備え、
前記放熱部材は、
前記熱源の少なくとも一部に接しており、
前記アンテナ基板との接触面から当該接触面の法線方向の所定の距離未満においては、前記アンテナ基板と平行な断面積が前記アンテナ基板との接触面の面積以下であり、前記所定の距離以上の少なくとも一部においては、前記アンテナ基板と平行な断面積が前記接触面の面積よりも大きい、
ことを特徴とするアンテナ装置。
前記放熱部材の上面に、前記アンテナ基板との接触面の周縁に沿ってスリットが設けられている、請求項１に記載のアンテナ装置。
前記接触面は矩形であり、
前記接触面の４つの辺のうちの少なくとも２つの辺に沿って、前記放熱部材の上面にスリットが設けられている、請求項１に記載のアンテナ装置。
請求項１～３のいずれか１項に記載のアンテナ装置を備えた通信端末装置。