WO2018021316A1 - 平面アレイアンテナおよび準ミリ波・ミリ波無線通信モジュール - Google Patents

平面アレイアンテナおよび準ミリ波・ミリ波無線通信モジュール Download PDF

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conductor layer
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planar array
radiation
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林　健児
高木　保規
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日立金属株式会社
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    • H01Q1/40—Radiating elements coated with or embedded in protective material

Definitions

  • This disclosure relates to planar array antennas and quasi-millimeter / millimeter-wave wireless communication modules.
  • a planar antenna may be used for high-frequency wireless communication.
  • Patent Documents 1 to 3 disclose a planar antenna that forms slots in a conductor layer and feeds power to a radiation conductor.
  • Patent Document 2 discloses a planar array antenna including a plurality of planar antennas.
  • a planar array antenna including a plurality of strip conductors, a conductor layer provided with a plurality of slots, and a plurality of radiating conductors disposed so as to cover the respective slots is disclosed.
  • a planar array antenna can enhance radiation characteristics by synthesizing electromagnetic waves emitted from a plurality of planar antennas.
  • An object of the present application is to provide a planar array antenna and a quasi-millimeter-wave / millimeter-wave wireless communication module capable of obtaining excellent radiation characteristics.
  • a planar array antenna of the present disclosure includes a radiation portion having a plurality of radiation conductors, a first ground conductor layer, and a power feeding portion having a plurality of strip conductors and a second ground conductor layer, and the plurality of strip conductors. Is disposed between the first ground conductor layer and the second ground conductor layer so as to correspond to the plurality of radiation conductors, and the first ground conductor layer includes a strip conductor corresponding to each radiation conductor. And a plurality of slots extending in a direction intersecting with an extending direction of the strip conductor, and a groove or at least one hole positioned between two adjacent slots among the plurality of slots.
  • the plurality of radiation conductors and the strip conductors may be two-dimensionally arranged along a first direction and a second direction orthogonal to the first direction, respectively.
  • the first ground conductor layer may have a plurality of holes, and the plurality of holes may be arranged along the first direction and the second direction.
  • the first ground conductor layer may have a plurality of holes, and the plurality of holes may be arranged along only one of the first direction and the second direction.
  • the first ground conductor layer may have a plurality of grooves, and the plurality of grooves may be arranged along the first direction and the second direction.
  • the first ground conductor layer may have a plurality of grooves, and the plurality of grooves may be arranged along only one of the first direction and the second direction.
  • Dielectric layers positioned between the plurality of radiation conductors and the first ground conductor layer, between the first ground conductor layer and the strip conductor, and between the strip conductor and the second ground conductor layer, respectively. May be further provided.
  • the planar array antenna further includes a plurality of ceramic layers, and the plurality of radiation conductors, the first ground conductor layer, the plurality of strip conductors, and the second ground conductor layer are located between the plurality of ceramic layers. It may be.
  • the planar array antenna may further include a dielectric layer that covers the plurality of radiation conductors.
  • the groove or at least one hole of the first ground conductor layer may be a cavity.
  • the groove or at least one hole of the first ground conductor layer may be filled with the same ceramic as the ceramic constituting the plurality of ceramic layers.
  • the quasi-millimeter wave / millimeter wave wireless communication module of the present disclosure includes the planar array antenna and an active component electrically connected to the planar array antenna.
  • FIG. 1 It is a top view which shows the outline of the planar array antenna of 1st Embodiment.
  • (A) is a cross-sectional view of the planar array antenna taken along line 2A-2A in FIG. 1, and (b) to (d) are plan views schematically showing elements of the planar array antenna taken along line 2A-2A in FIG. It is.
  • FIG. 1 shows the other example of the opening provided in the 1st ground conductor layer of a planar array antenna.
  • (A) is a typical bottom view which shows embodiment of a radio
  • (b) is typical sectional drawing which shows the radio
  • FIG. 7 is a diagram showing another form of the planar array antenna, wherein (a) is a cross-sectional view of the planar array antenna at a position corresponding to the line 2A-2A in FIG. 1, and (b) to (e) are diagrams.
  • FIG. 2 is a plan view showing an outline of elements of a planar array antenna at a position corresponding to line 2A-2A of FIG. 1;
  • FIG. 7 is a diagram showing another form of the planar array antenna, wherein (a) is a cross-sectional view of the planar array antenna at a position corresponding to line 2A-2A in FIG. 1, and (b) to (d) are diagrams.
  • FIG. 2 is a plan view showing an outline of elements of a planar array antenna at a position corresponding to line 2A-2A of FIG. 1;
  • the inventor of the present application diligently studied to improve the radiation characteristics of a planar antenna array including a plurality of planar antennas that feed power from a strip conductor to a planar antenna through a slot.
  • a planar antenna is provided with a plurality of slots and power is supplied to the radiation conductor of the planar antenna, it is found that electromagnetic interference occurs, radiation characteristics deteriorate, and a planar surface with a novel structure that can suppress electromagnetic interference I came up with an array antenna.
  • the planar array antenna of the present disclosure can be used for, for example, quasi-millimeter wave / millimeter wave band wireless communication.
  • the millimeter-wave band wireless communication uses a radio wave having a wavelength of 1 mm to 10 mm and a frequency of 30 GHz to 300 GHz as a carrier wave.
  • the quasi-millimeter wave band wireless communication uses a radio wave having a wavelength of 10 mm to 30 mm and a frequency of 10 GHz to 30 GHz as a carrier wave.
  • the size of a planar antenna is on the order of several centimeters or millimeters.
  • the planar array antenna of the present disclosure may be mounted on the multilayer ceramic sintered substrate. It becomes possible.
  • FIG. 1 is a plan view illustrating an embodiment of a planar array antenna 101 of the present disclosure.
  • a plurality of radiation conductors 30 are arranged in an array on the upper surface 40 u of the multilayer ceramic body 40.
  • the radiation conductors 30 are two-dimensionally arranged in the x direction (first direction) and the y direction (second direction) orthogonal to the x direction, as shown in FIG. ing.
  • FIG. 2A is a sectional view of the planar array antenna 101 taken along line 2A-2A in FIG.
  • the planar array antenna 101 includes a radiating unit 51 and a power feeding unit 52.
  • the feeding unit 52 and the radiating unit 51 are electromagnetically coupled.
  • the radiating unit 51 receives the signal power supplied from the feeding unit 52, and the electromagnetic wave is emitted from the radiating conductor 30.
  • the radiating portion 51 has a plurality of radiating conductors 30 and a first ground conductor layer 20.
  • the power feeding unit 52 includes a plurality of strip conductors 10 and a second ground conductor layer 60. Each of the plurality of strip conductors 10 is located between the first ground conductor layer 20 and the second ground conductor layer 60 and is disposed corresponding to one of the radiation conductors 30.
  • each strip conductor 10 overlaps the corresponding radiation conductor 30 when viewed from the z direction, which is the stacking direction of these components.
  • 2B, 2C, and 2D are plan views of the radiation conductor 30, the first ground conductor layer 20, and the strip conductor 10 shown in the 2A-2A cross section.
  • a dielectric layer is located between the radiation conductor 30, the first ground conductor layer 20, the strip conductor 10, and the second ground conductor layer 60.
  • the dielectric layer may be a resin layer, a glass layer, a ceramic layer, a cavity, or the like.
  • the dielectric layer is a ceramic layer
  • the planar array antenna 101 includes a radiating conductor 30, a first ground conductor layer 20, a strip conductor 10, and a second ground conductor layer in a multilayer ceramic body 40 including a plurality of ceramic layers.
  • 60 is configured as a multilayer ceramic substrate. An example of configuring the planar array antenna 101 with a multilayer ceramic substrate will be described later.
  • the radiating conductor 30 is a radiating element that radiates radio waves, and is formed of a conductive layer.
  • the radiation conductor 30 has a rectangular (square) shape.
  • the radiating conductor may have a circular shape or other shapes.
  • the plurality of radiating conductors 30 constitute an array antenna, and thereby the directivity of radio waves to be radiated or received is improved.
  • the pitch p of the radiating conductor 30 is 1 ⁇ 2 of the wavelength ⁇ 0.
  • ⁇ d is the wavelength of the carrier wave in the multilayer ceramic body 40 which is a dielectric as will be described later
  • ⁇ 0 is the wavelength of the carrier wave in vacuum.
  • the first ground conductor layer 20 is also formed of a conductive layer.
  • the first ground conductor layer 20 has a size including the region 30r of the array of radiation conductors 30 and is disposed with respect to the radiation conductor 30 so as to include the region 30r when viewed from the z direction. Is preferable (see FIGS. 1 and 2).
  • the first ground conductor layer 20 includes a plurality of slots 21. Each slot 21 is located between one of the radiating conductors 30 and the corresponding strip conductor 10, and extends in the y direction that intersects the x direction that is the direction in which the strip conductor 10 extends.
  • the signal power applied to the microstrip line composed of the strip conductor 10 and the second ground conductor layer 60 which will be described later, is electromagnetically transmitted to the radiation portion 51 through the slot 21. When coupled, it functions as a radiation conductor. Double resonance is generated by the radiation conductor 30 and the first ground conductor layer 20 having the slot 21, and the radiated electromagnetic wave is broadened.
  • the first ground conductor layer 20 has at least one opening located between two adjacent slots 21 among the plurality of slots 21.
  • the opening is a groove or a hole.
  • the first ground conductor layer 20 has a plurality of holes 22.
  • the slot 21 and the hole 22 are through openings provided in the first ground conductor layer 20, and the conductive layer is missing in these regions.
  • a dielectric may be embedded in the slot 21 and the hole 22 or may be a cavity.
  • the length L of the inner circumference of the slot 21 (corresponding to the total length of the four sides of the inner circumference) is ⁇ d.
  • the diameter wh of the hole 22 is ⁇ d / 4 or less.
  • the arrangement of the plurality of holes 22 will be described in detail below.
  • the plurality of strip conductors 10 are formed by a conductive layer.
  • the plurality of strip conductors 10 are arranged so as to intersect with the plurality of slots 21 of the first ground conductor layer 20 when viewed from the z direction.
  • the width wm of the strip conductor 10 is, for example, 140 ⁇ m.
  • the second ground conductor layer 60 is also formed of a conductive layer.
  • the second ground conductor layer 60 has a size including the area 30r of the array of the radiation conductors 30 and also includes the area 30r when viewed from the z direction (stacking direction of the multilayer ceramic body 40). 30 is preferably arranged (see FIGS. 1 and 2).
  • FIG. 3 is a plan view of the entire first ground conductor layer 20.
  • the position of the radiation conductor 30 and the position of the strip conductor 10 are indicated by broken lines.
  • the plurality of holes 22 are disposed between two adjacent slots 21 along the x direction and the y direction.
  • a row 22p of holes 22 and a row of holes 22 arranged on a straight line parallel to the y direction and the x direction passing through the positions of the middle point in the x direction and the middle point in the y direction of two adjacent slots 21, respectively. 22q is arranged.
  • the number, diameter, position, and interval of the holes 22 affect electromagnetic wave interference suppression. These optimum values depend on characteristics required for the planar array antenna 101.
  • a region 20r of the first ground conductor layer 20 including each slot 21 is partitioned by the column 22p and the column 22q.
  • the radiation conductor 30, the first ground conductor layer 20, the strip conductor 10, and the second ground conductor layer 60 located in the z direction constitute one planar antenna.
  • the signal power applied to the microstrip line formed by each strip conductor 10 and the second ground conductor layer 60 of the power feeding unit 52 is electromagnetically coupled to the radiating unit 51 via the slot 21.
  • mutual electromagnetic interference between the planar antennas is suppressed by the holes 22 provided in the first ground conductor layer 20.
  • the interference of the radio wave radiated from the radiation conductor 30 is optimized, and the deterioration of the radiation characteristic is also suppressed.
  • the gain difference between the main lobe and the side lobe in the radiation characteristic can be increased, and the radiation characteristic with excellent directivity can be realized.
  • the ground conductor In an element structure that transmits a high-frequency signal or emits a high-frequency electromagnetic wave, such as a planar antenna or a microstrip line, the ground conductor generally functions as an electromagnetic wave shielding structure. From this point of view, it is not common to provide the holes 22 in the ground conductor layer.
  • a laminated antenna disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-78337 includes a metal film provided with a slot and a plurality of perforations. This perforation of the metal film forms a photonic band gap, and is a structure that prevents the metal film from propagating electromagnetic waves in areas other than the slot, and optimizes electromagnetic wave interference between multiple planar antennas. It is not a structure to do.
  • the planar array antenna 101 of the above embodiment includes a slot 21 extending in the y direction and a strip conductor 10 extending in the x direction as shown in FIGS. 2C and 2D for one radiation conductor 30. It was.
  • the planar array antenna may include other forms of slots and strip conductors.
  • a planar array antenna 101 'shown in FIGS. 17A to 17E includes a cross-shaped opening 21b provided in the first ground conductor layer 20 and intersecting with slots extending in the x direction and the y direction. Further, a strip conductor 10 extending in the x direction and a strip conductor 10b extending in the y direction are provided corresponding to the cross-shaped opening 21b of the planar array antenna 101 '.
  • the strip conductor 10 and the strip conductor 10b are arranged via a dielectric layer so as to intersect when viewed from the z direction.
  • the planar array antenna 101 '' shown in FIGS. 18 (a) to 18 (d) has a cross-shaped opening 21b as in the planar array antenna 101 ′, but the strip conductor is different from the planar array antenna 101 ′.
  • the planar array antenna 101 ′′ includes a strip conductor 10 d extending in the x direction and a strip conductor 10 c extending in the y direction. These strip conductors correspond to the cross-shaped opening 21b, but the lengths in the x direction and the y direction are shorter than 1 ⁇ 2 of the two intersecting strips forming the cross shape.
  • the strip conductor 10c and the strip conductor 10d can be disposed in the dielectric layer at the same distance from the first ground conductor layer 20.
  • the first ground conductor layer 20 includes both the row 22q of the holes 22 arranged in the x direction and the row 22p of the holes 22 arranged in the y direction.
  • the row 22p of the plurality of holes 22 arranged in the y direction may be provided in the first ground conductor layer 20, or a plurality of the plurality of holes arranged in the x direction may be provided. Only the row 22q of the holes 22 may be provided.
  • the shape of the hole 22 is not limited to a circle, and may be a polygon such as a triangle or a quadrangle, and may be any hole 22 having an isolated through-opening having an arbitrary shape.
  • the number of holes formed in the first ground conductor layer may be one, or two or more.
  • One column along the x direction and the y direction may be crossed and arranged in a cross shape, or two columns may be crossed and arranged in a double cross shape.
  • the pitch of the holes in the row of holes may be equal, or the distance between the holes may be changed or the distance between the holes may be set randomly if interference through the first ground conductor layer can be suppressed.
  • a hole or a groove may be formed in the first ground conductor layer so as to surround each antenna.
  • a groove may be provided instead of the hole 22.
  • a groove 23q extending in the x direction may be provided between two slots 21 adjacent to each other in the y direction of the first ground conductor layer 20.
  • a groove 23p extending in the y direction may be provided between two slots 21 adjacent in the x direction.
  • a groove 23p extending in the y direction and a groove 23q extending in the x direction may be provided between two slots 21 adjacent to each other in the x direction and the y direction of the first ground conductor layer 20.
  • the groove 23p preferably has a depth of 1 ⁇ 2 or more of the thickness of the first ground conductor layer 20, and more preferably does not have a bottom. That is, it is preferable that the groove 23p penetrates the first ground conductor layer 20 and divides the first ground conductor layer 20 in a direction intersecting with the direction in which the groove 23p extends.
  • the groove 23p may reach two opposing sides that define the outer shape of the first ground conductor layer 20, or a strip-shaped through opening to which the first ground conductor layer 20 is connected in the vicinity of the two opposing sides. It may be.
  • the planar array antenna having the first ground conductor layer 20 shown in FIGS. 4 to 8 is similarly applied to the microstrip line composed of the strip conductors 10 and the second ground conductor layer 60.
  • electromagnetic interference between the planar antennas is suppressed. For this reason, the interference of the radio wave radiated from the radiation conductor 30 is optimized, and the deterioration of the radiation characteristic is also suppressed.
  • planar array antenna 101 is constituted by a multilayer ceramic substrate, as shown in FIGS. 1 and 2, the radiation conductor 30, the first ground conductor layer 20, the strip conductor 10 and the second ground are formed inside or on the surface of the multilayer ceramic body 40.
  • a conductor layer 60 is provided.
  • the multilayer ceramic body 40 includes ceramic layers 40a to 40d, and the second ground conductor layer 60 is located between the ceramic layers 40a and 40b.
  • the plurality of strip conductors 10 are located between the ceramic layer 40b and the ceramic layer 40c, and the first ground conductor layer 20 is located between the ceramic layer 40c and the ceramic layer 40d.
  • the slot 21 and the hole 22 of the first ground conductor layer 20 may be hollow, or may be filled with part of the ceramic layer 40c and the ceramic layer 40d. If the slots 21 and the holes 22 are partially filled with the ceramic layer 40c and the ceramic layer 40d, the adhesion between the ceramic layer 40c and the ceramic layer 40d is improved, and the strength of the multilayer ceramic body 40 can be increased.
  • the plurality of radiation conductors 30 are located on the ceramic layer 40 d, that is, on the upper surface 40 u of the multilayer ceramic body 40.
  • each of the ceramic layers 40a to 40d may correspond to a ceramic green sheet before ceramic sintering, or may correspond to two or more ceramic green sheets. Further, another ceramic layer may be provided below the ceramic layer 40a, or a conductive via and a wiring pattern may be provided.
  • the thickness of each ceramic layer 40a to 40d is, for example, 1 ⁇ m or more and 15 mm or less, and preferably 25 ⁇ m or more and 1 mm or less.
  • the radiation conductor 30 is preferably located on the upper surface 40u of the multilayer ceramic body 40 and exposed to the outside from the viewpoint of radiation efficiency.
  • the radiation conductor 30 may be covered with a ceramic layer 40 e in order to protect the radiation conductor 30 from oxidation due to the external environment or damage or deformation due to external force.
  • the radiation conductor 30 is plated.
  • the conductivity of the radiating conductor 30 is lowered by plating, and the radiation characteristics can be lowered.
  • the conductivity of the radiating conductor 30 does not decrease, so that higher protection than plating, such as protection from external force, is maintained while maintaining radiation characteristics equal to or higher than when plating is provided. An effect can be obtained.
  • the thickness of the ceramic layer 40e covering the radiation conductor 30 is preferably 70 ⁇ m or less.
  • the radiation efficiency equivalent to or higher than that of the Au / Ni-plated radiation conductor 30 generally used for the planar array antenna can be realized.
  • the thickness of the ceramic layer 40e becomes too small, it may be difficult to make the thickness uniform.
  • the thickness of the ceramic layer 40e is preferably 5 ⁇ m, for example. That is, the thickness of the ceramic layer 40e is more preferably 5 ⁇ m or more and 70 ⁇ m or less.
  • the multilayer ceramic substrate may include other components in addition to the planar array antenna 101.
  • the multilayer ceramic substrate 102 further includes a plurality of ceramic layers below the second ground conductor layer 60, and is provided on the passive component pattern 71, the wiring pattern 72, and the plurality of ceramic layers.
  • the conductive via 73 may be further provided.
  • the passive component pattern 71 is, for example, a conductive layer or a ceramic having a predetermined resistance value, and constitutes an inductor, a capacitor, a resistor, a coupler, a distributor, a filter, a power source, and the like.
  • the conductive via 73 and the wiring pattern 72 are connected to a passive component pattern, a ground conductor, and the like to constitute a predetermined circuit.
  • the multilayer ceramic substrate 102 is a co-fired ceramic substrate in which a ceramic layer and a conductor such as the radiation conductor 30 of the planar array antenna 101, a passive component pattern 71, a wiring pattern 72, and a conductive via 73 are fired simultaneously.
  • an electrode 74 for connecting to an external substrate for example, an electrode 74 for connecting to an external substrate, an electrode 75 for connecting a passive component, and an electrode 76 for connecting an active component such as an integrated circuit are provided. May be located.
  • the strip conductor 10 may be electrically connected to any one of the electrodes 74, 75, and 76 by a conductive via disposed at a position not shown.
  • a wiring circuit including passive components is configured by these components provided on the plurality of ceramic layers located on the lower surface side of the second ground conductor layer 60.
  • a wireless communication circuit is configured by connecting passive components, integrated circuits, and the like to the above-described plurality of electrodes of the wiring circuit.
  • each ceramic layer and a conductive layer such as the radiation conductor 30 can be fired simultaneously. That is, the planar array antenna 101 can be constituted by the co-fired ceramic substrate.
  • the co-fired ceramic substrate may be a low temperature fired ceramic (LTCC, Low Temperature Co-fired Ceramics) substrate or a high temperature fired ceramic (HTCC, High Temperature Co-fired Ceramics) substrate. From the viewpoint of high frequency characteristics, it may be preferable to use a low-temperature fired ceramic substrate.
  • radiation conductors, ground conductors, strip conductors, passive component patterns, wiring patterns, and conductive vias with multilayer ceramic structures, ceramic materials and conductive materials corresponding to the firing temperature, application, etc., and frequency of wireless communication, etc. Used. Radiant conductor, ground conductor (specifically, ground conductor layer), strip conductor, passive component pattern, wiring pattern, conductive paste for forming conductive vias, and green for forming ceramic layers of multilayer ceramic structures
  • the sheet is simultaneously fired (Co-fired).
  • a ceramic material and a conductive material that can be sintered in a temperature range of about 800 ° C. to 1000 ° C. are used.
  • a ceramic material containing at least one kind of K as a subcomponent, a ceramic material containing Al, Mg, Si, or Gd, or a ceramic material containing Al, Si, Zr, or Mg is used.
  • a conductive material containing Ag or Cu is used.
  • the dielectric constant of the ceramic material is about 3 to 15.
  • the LTCC material for example, an Al—Mg—Si—Gd—O-based dielectric material having a low dielectric constant (relative dielectric constant 5 to 10), a crystal phase composed of Mg 2 SiO 4, and Si—Ba are used.
  • -La-BO-based dielectric materials such as glass, Al-Si-Sr-O-based dielectric materials, Al-Si-Ba-O-based dielectric materials, high dielectric constant (relative permittivity of 50 or more)
  • Various materials such as Bi—Ca—Nb—O-based dielectric material can be used.
  • an Al—Si—Sr—O-based dielectric material contains oxides of Al, Si, Sr, and Ti as main components
  • the main components Al, Si, Sr, and Ti are changed to Al 2 O 3 , respectively.
  • SiO 2 , SrO, TiO 2 , Al 2 O 3 10-60 mass%
  • TiO 2 : 20 mass% or less (Including 0) is preferably contained.
  • at least one of the group of Bi, Na, K, and Co as subcomponents is 0.1 to 10 parts by mass in terms of Bi 2 O 3 and in terms of Na 2 O.
  • 0.1 to 5 parts by mass 0.1 to 5 parts by mass, 0.1 to 5 parts by mass in terms of K 2 O, 0.1 to 5 parts by mass in terms of CoO, and more preferably in the group of Cu, Mn, and Ag. It is preferable to contain at least one of 0.01 to 5 parts by mass in terms of CuO, 0.01 to 5 parts by mass in terms of Mn 3 O 4 , and 0.01 to 5 parts by mass of Ag. In addition, inevitable impurities can also be contained.
  • the plurality of ceramic layers in the multilayer ceramic body 40 may have the same composition and be formed of the same material.
  • the ceramic layer in the vicinity of the radiation conductor of the multilayer ceramic body 40 may have a different composition from the ceramic layer below it, and may be formed of a different material. By having different compositions, it is possible to have different dielectric constants and improve radiation efficiency.
  • the radiation conductor 30 may be covered with a layer made of resin or glass other than the ceramic layer, or a composite substrate may be configured by combining the multilayer ceramic body 40 and a circuit board made of resin or glass. .
  • the co-fired ceramic substrate can be manufactured using the same manufacturing method as the LTCC substrate or the HTCC substrate.
  • a ceramic material containing the above-mentioned elements is prepared, and if necessary, granulated by calcining, for example, at 700 ° C. to 850 ° C. and pulverizing.
  • a glass component powder, an organic binder, a plasticizer, and a solvent are added to the ceramic material to obtain a slurry of the mixture.
  • the ceramic layer is formed of different materials, for example, to make the dielectric constants different, two types of slurries containing different materials are prepared.
  • the conductive material powder described above is mixed with an organic binder and a solvent to obtain a conductive paste.
  • a layer having a predetermined thickness is formed on a carrier film and dried.
  • a ceramic green sheet is obtained by cutting the slurry layer.
  • via holes are formed in a plurality of ceramic green sheets using a laser, a mechanical puncher or the like according to a circuit configured in the co-fired ceramic substrate, and each via hole is filled with a conductive paste using a screen printing method.
  • conductive paste is printed on ceramic green sheets by screen printing, etc., and wiring patterns, passive component patterns, radiation conductor patterns, first and second ground conductor layer patterns, and strip conductor patterns are formed on ceramic green sheets. To do.
  • the ceramic green sheets on which the above-described conductive paste is disposed are sequentially laminated while performing temporary pressure bonding to form a green sheet laminate. Thereafter, the binder is removed from the green sheet laminate, and the green sheet laminate after debinding is fired. Thereby, a co-fired ceramic substrate is completed.
  • the co-fired ceramic substrate manufactured in this way includes a wiring circuit for millimeter-wave wireless communication, a passive component, and a planar array antenna. For this reason, a wireless communication module including an antenna is realized by mounting a chip set for millimeter-wave wireless communication on the co-fired ceramic substrate.
  • the ceramic layer on the surface of the multilayer ceramic body completely covers the entire radiation conductor, the radiation conductor can be protected from the external environment and external force, the radiation efficiency is reduced, and the antenna characteristics are reduced. It can suppress changing.
  • planar array antenna further includes a conductor that is not supplied with power in addition to the radiating conductor, and may be stacked via the radiating conductor and a ceramic layer.
  • FIG. 11A is a schematic bottom view illustrating an embodiment of a wireless communication module of the present disclosure
  • FIG. 11B is a schematic cross-sectional view illustrating the wireless communication module mounted on a substrate.
  • the wireless communication module 103 includes the multilayer ceramic substrate 102 of the first embodiment, a solder bump 81, a passive component 82, and an active component 83.
  • the solder bump 81 is provided on the electrode 74 located on the lower surface 40 v of the multilayer ceramic substrate 102.
  • the passive component 82 is, for example, a chip capacitor, a chip inductor, a chip resistor, or the like, and is joined to the electrode 75 by solder or the like.
  • the active component 83 is, for example, a chip set for wireless communication, and includes a receiving circuit, a transmitting circuit, an A / D converter, a D / A converter, a baseband processor, a media access controller, and the like, and is joined to the electrode 76 by soldering or the like. Has been.
  • the wireless communication module 103 is bonded to the circuit board 91 provided with the electrodes 92 by flip-chip bonding, for example, face down, that is, the passive component 82 and the active component 83 are opposed to the circuit board 91.
  • the electrode 92 of the circuit board 91 and the electrode 74 of the multilayer ceramic substrate 102 are electrically connected by the solder bump 81, whereby the multilayer ceramic substrate 102 is electrically connected to an external power supply circuit and other modules.
  • the upper surface 40 u of the multilayer ceramic substrate 102 is located on the side opposite to the circuit board 91. For this reason, radio waves of the quasi-millimeter wave and millimeter-wave band are radiated from the radiation part 51 (as shown in FIG. 1) without being influenced by the passive component 82 and the active component 83 or the circuit board 91,
  • the radiating unit 51 can receive the quasi-millimeter wave and millimeter-wave band radio waves arriving from. Therefore, a wireless communication module that includes an antenna, is small, and can be surface-mounted can be realized.
  • 12 to 16 show the radiation characteristics of the planar array antenna calculated.
  • Table 1 shows the correspondence between the types and arrangement directions of the openings provided in the first ground conductor layer and the drawing showing the radiation characteristics.
  • the horizontal axis represents the case where the ⁇ z-axis direction is ⁇ 180 ° and + 180 ° and the + z-axis direction is 0 ° in the xz plane when coordinates are taken as shown in FIG.
  • the vertical axis represents the gain.
  • FIG. 12 shows the radiation pattern of the gain in the xz plane of the electromagnetic wave radiated from the planar array antenna of the first embodiment.
  • the gain becomes the largest in the vicinity of 60 °. This peak near 60 ° is called a main lobe.
  • an array antenna is required to have high directivity of electromagnetic waves to be radiated or received. For this reason, the radiation of the electromagnetic wave seen at the angle of the side lobe is an unnecessary wave. From the viewpoint of high directivity, it is preferable that the gain difference between the peak of the main lobe and the side lobe is large. In the calculation example shown in FIG.
  • FIG. 13 shows a radiation pattern of gain in the xz plane of the electromagnetic wave radiated from the planar array antenna of the second embodiment.
  • FIG. 13 and the subsequent figures show gain radiation patterns in the range of 50 ° to 150 ° including the main lobe and the side lobe with the next highest gain.
  • the radiation characteristics when no opening is provided in the first ground conductor layer 20 are also shown for comparison.
  • the gain of the main lobe hardly changes between the case where no opening is provided (hereinafter referred to as a reference example) and the second embodiment.
  • the gain of the side lobe is smaller by about 1 dB in the second embodiment. That is, in Example 2, the gain difference between the main lobe and the side lobe is larger than in the reference example, and the directivity in the radiation characteristic is increased.
  • FIGS. 15 and 16 show radiation characteristics when grooves are provided in the first ground conductor layer 20 as openings.
  • the radiation characteristic is improved by providing the opening.
  • the opening also contributes to suppression of interference between adjacent slots.
  • FIGS. 15 and 16 when the groove is provided at least in the y direction, the groove in the y direction intersects the resonance direction (x direction) of the antenna to block resonance, so that an opening is provided.
  • the difference between the gain of the side lobe and the gain of the main lobe can be increased.
  • the decrease in the gain of the main lobe is about 1 dB, while the decrease in the gain of the side lobe is about 4 dB.
  • the main lobe gain is reduced by about 1.5 dB, while the side lobe gain is reduced by about 2 dB. Therefore, in Examples 4 and 5 in particular, the directivity in the radiation characteristics is higher than in the reference example.

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Abstract

平面アレイアンテナは、複数の放射導体３０と、第１地導体層２０とを有する放射部５１と、複数のストリップ導体１０と第２地導体層６０とを有する給電部５２とを備え、複数のストリップ導体１０は、第１地導体層２０と第２地導体層６０との間において、複数の放射導体３０に対応して配置され、第１地導体層２０は、各放射導体３０に対応するストリップ導体１０との間に位置し、ストリップ導体１０の延びる方向と交差する方向に延びる複数のスロット２１と、複数のスロット２１のうち、隣接する２つのスロット２１の間に位置する溝または少なくとも１つの孔２２とを有する。

Description

平面アレイアンテナおよび準ミリ波・ミリ波無線通信モジュール
　本開示は平面アレイアンテナおよび準ミリ波・ミリ波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
　平面アレイアンテナは、複数の平面アンテナから出射する電磁波を合成することによって、放射特性を高めることが可能である。本願は、優れた放射特性を得ることが可能な平面アレイアンテナおよび準ミリ波・ミリ波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、複数の放射導体と、第１地導体層とを有する放射部と、複数のストリップ導体と第２地導体層とを有する給電部とを備え、前記複数のストリップ導体は、前記第１地導体層と前記第２地導体層との間において、前記複数の放射導体に対応して配置され、前記第１地導体層は、各放射導体と対応するストリップ導体との間に位置し、前記ストリップ導体の延びる方向と交差する方向に延びる複数のスロットと、前記複数のスロットのうち、隣接する２つのスロットの間に位置する溝または少なくとも１つの孔とを有する。
　前記複数の放射導体および前記ストリップ導体は、それぞれ、第１方向および前記第１方向に直交する第２方向にそって２次元に配置されていてもよい。
　前記第１地導体層は、複数の孔を有し、前記複数の孔は、前記第１方向および前記第２方向に沿って配列されていてもよい。
　前記第１地導体層は、複数の孔を有し、前記複数の孔は、前記第１方向および前記第２方向のいずれか一方にのみに沿って配列されていてもよい。
　前記第１地導体層は、複数の溝を有し、前記複数の溝は、前記第１方向および前記第２方向に沿って配列されていてもよい。
　前記第１地導体層は、複数の溝を有し、前記複数の溝は、前記第１方向および前記第２方向のいずれか一方にのみに沿って配列されていてもよい。
　前記複数の放射導体と前記第１地導体層との間、前記第１地導体層と前記ストリップ導体との間および前記ストリップ導体と前記第２地導体層との間にそれぞれ位置する誘電体層をさらに備えていてもよい。
　前記平面アレイアンテナは、複数のセラミック層をさらに備え、前記複数の放射導体、前記第１地導体層、前記複数のストリップ導体および前記第２地導体層は前記複数のセラミック層の間に位置していてもよい。
　前記平面アレイアンテナは、前記複数の放射導体を覆う誘電体層をさらに備えていてもよい。
　前記第１地導体層の前記溝または少なくとも１つの孔は空洞であってもよい。
　前記第１地導体層の前記溝または少なくとも１つの孔は、前記複数のセラミック層を構成しているセラミックと同じセラミックで充填されていてもよい。
　本開示の準ミリ波・ミリ波無線通信モジュールは、上記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、アレイアンテナの各放射導体から放射される電磁波の干渉が抑制され、優れた放射特性を備えた平面アレイアンテナおよび準ミリ波・ミリ波無線通信モジュール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。 （ａ）は、図１の２Ａ－２Ａ線における平面アレイアンテナの断面図であり、（ｂ）から（ｄ）は、図１の２Ａ－２Ａ線における平面アレイアンテナの要素の概略を示す平面図である。 図１に示す平面アレイアンテナの第１地導体層の概略を示す平面図である。 平面アレイアンテナの第１地導体層に設ける開孔の他の例を示す平面図である。 平面アレイアンテナの第１地導体層に設ける開孔の他の例を示す平面図である。 平面アレイアンテナの第１地導体層に設ける開孔の他の例を示す平面図である。 平面アレイアンテナの第１地導体層に設ける開孔の他の例を示す平面図である。 平面アレイアンテナの第１地導体層に設ける開孔の他の例を示す平面図である。 第１の実施形態の他の例による平面アレイアンテナの概略を示す断面図である。 第１の実施形態の平面アレイアンテナと配線回路とを形成した多層セラミック基板の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。 計算によって求めた実施例１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２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３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４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５の平面アレイアンテナの放射特性を示す図である。 平面アレイアンテナの他の形態を示す図であって、（ａ）は、図１の２Ａ－２Ａ線に対応する位置における平面アレイアンテナの断面図であり、（ｂ）から（ｅ）は、図１の２Ａ－２Ａ線に対応する位置における平面アレイアンテナの要素の概略を示す平面図である。 平面アレイアンテナの他の形態を示す図であって、（ａ）は、図１の２Ａ－２Ａ線に対応する位置における平面アレイアンテナの断面図であり、（ｂ）から（ｄ）は、図１の２Ａ－２Ａ線に対応する位置における平面アレイアンテナの要素の概略を示す平面図である。
　本願発明者は、ストリップ導体からスロットを介して平面アンテナに給電する平面アンテナを複数備える平面アンテナアレイの放射特性を向上させることを鋭意検討した。その結果、平面アンテナに複数のスロットを設け、平面アンテナの放射導体に給電させる場合に、電磁波の干渉が生じ、放射特性が劣化することを見出し、電磁波の干渉を抑制し得る新規な構造の平面アレイアンテナを想到した。
　本開示の平面アレイアンテナは、例えば、準ミリ波・ミリ波帯域の無線通信に利用可能である。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。準ミリ波・ミリ波帯域の無線通信では、平面アンテナのサイズは数センチあるいはミリメートルのオーダーになる。このため、例えば、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（例えば多層セラミック基板１０２）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平面アレイアンテナを実装することが可能となる。
　（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。多層セラミック体４０の上面４０ｕに複数の放射導体３０がアレイ状に配置されている。本実施形態では、放射導体３０は、図１に示すように、ｘ方向（第１方向）およびｘ方向に直交するｙ方向（第２方向）に２次元に配列されており、アレイを構成している。図２（ａ）に図１の２Ａ－２Ａ線における平面アレイアンテナ１０１の断面図を示す。
　平面アレイアンテナ１０１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３０から放出される。放射部５１は複数の放射導体３０と、第１地導体層２０とを有する。また、給電部５２は、複数のストリップ導体１０と、第２地導体層６０とを有する。複数のストリップ導体１０のそれぞれは、第１地導体層２０と第２地導体層６０との間に位置し、放射導体３０の１つに対応して配置されている。つまり、これら構成要素の積層方向であるｚ方向からみて、各ストリップ導体１０の少なくとも一部が、対応する放射導体３０と重なっている。図２（ｂ）、図２（ｃ）および図２（ｄ）は、２Ａ－２Ａ断面に示される放射導体３０、第１地導体層２０およびストリップ導体１０の平面図である。
　放射導体３０、第１地導体層２０、ストリップ導体１０および第２地導体層６０の間には、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。本実施形態では、誘電体層はセラミック層であり、平面アレイアンテナ１０１は複数のセラミック層を含む多層セラミック体４０に放射導体３０、第１地導体層２０、ストリップ導体１０および第２地導体層６０が設けられた多層セラミック基板として構成されている。多層セラミック基板によって平面アレイアンテナ１０１を構成する例は後述する。
　放射導体３０は、電波を放射する放射素子であり、導電性層によって形成される。例えば本実施形態では、放射導体３０は、矩形（方形）形状を有している。しかし、放射導体は、円形状あるいは他の形状を有していてもよい。上述したように、複数の放射導体３０は、アレイアンテナを構成しており、これにより、放射または受信する電波の指向性が高められる。また、放射導体３０のピッチｐは波長λ０の１／２である。ここで、λｄは、後述するように誘電体である多層セラミック体４０中における搬送波の波長であり、λ０は、搬送波の真空中における波長である。
　第１地導体層２０も導電性層によって形成される。第１地導体層２０は、放射導体３０のアレイの領域３０ｒを含む大きさを有し、かつ、ｚ方向から見て、領域３０ｒを含むように、放射導体３０に対して配置されていることが好ましい（図１、図２参照）。
　第１地導体層２０は、複数のスロット２１を含む。各スロット２１は、放射導体３０の１つと対応するストリップ導体１０との間に位置し、ストリップ導体１０の延びる方向であるｘ方向と交差するｙ方向に延びる。スロット２１を有する第１地導体層２０は、後述するストリップ導体１０と第２地導体層６０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が、スロット２１を介して放射部５１へ電磁結合する際、放射導体として機能する。放射導体３０とスロット２１を有する第１地導体層２０とによって複共振が生じ、放射する電磁波が広帯域化される。
　また、第１地導体層２０は、複数のスロット２１のうち、隣接する２つのスロット２１の間に位置する少なくとも１つの開口を有する。開口は溝または孔である。本実施形態では、第１地導体層２０は、複数の孔２２を有する。スロット２１および孔２２は、第１地導体層２０に設けられた貫通開口であり、これらの領域において導電性層が欠落している。後述するように、スロット２１および孔２２内に誘電体が埋め込まれていてもよいし、空洞であってもよい。スロット２１の内周の長さＬ（内周の４辺を合計した長さに相当）はλｄである。孔２２の直径ｗｈは、λｄ／４以下である。複数の孔２２の配置について以下において詳述する。
　複数のストリップ導体１０は、導電性層によって形成される。複数のストリップ導体１０は、ｚ方向から見て、第１地導体層２０の複数のスロット２１と交差するように配置されている。本実施形態では、ストリップ導体１０の幅ｗｍは例えば１４０μｍである。
　第２地導体層６０も導電性層によって形成される。第２地導体層６０は、放射導体３０のアレイの領域３０ｒを含む大きさを有し、かつ、ｚ方向（多層セラミック体４０の積層方向）から見て、領域３０ｒを含むように、放射導体３０に対して配置されていることが好ましい（図１、図２参照）。
　図３は、第１地導体層２０全体の平面図である。図３において、放射導体３０の位置およびストリップ導体１０の位置を破線で示している。複数の孔２２は、本実施形態では、隣接する２つのスロット２１の間にｘ方向およびｙ方向に沿って配置されている。例えば、隣接する２つのスロット２１のｘ方向における中間点およびｙ方向の中間点の位置をそれぞれ通り、ｙ方向およびｘ方向に平行な直線上に配列された孔２２の列２２ｐおよび孔２２の列２２ｑが配置されている。孔２２の数、直径、位置および間隔は、電磁波の干渉抑制に影響する。これらの最適値は、平面アレイアンテナ１０１に求められる特性に依存する。列２２ｐおよび列２２ｑによって、各スロット２１を含む第１地導体層２０の領域２０ｒが区切られている。領域２０ｒにおいて、ｚ方向に位置する放射導体３０、第１地導体層２０、ストリップ導体１０および第２地導体層６０が１つの平面アンテナを構成している。
　平面アレイアンテナ１０１によれば、給電部５２の各ストリップ導体１０と第２地導体層６０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が、スロット２１を介して放射部５１へ電磁結合し、第１地導体層２０に設けられた孔２２によって、平面アンテナ間の相互の電磁気的干渉が抑制される。このため、放射導体３０から放射される電波の干渉が最適化され、放射特性の低下も抑制される。以下において説明するように、特に放射特性におけるメインローブとサイドローブとのゲイン差を大きくすることができ、指向性に優れた放射特性を実現することができる。
　平面アンテナ、マイクロストリップライン等、高周波信号を伝送したり、高周波の電磁波を放射する素子構造では、地導体は一般に電磁波のシールド構造として機能する。この観点から、地導体層に孔２２を設けることは一般的ではない。例えば、特開２００３－７８３３７号公報に開示された積層アンテナは、スロットと、複数の穿孔部とが設けられた金属皮膜を備えている。この金属皮膜の穿孔はフォトニックバンドギャップを構成しており、スロット以外の領域で金属皮膜が電磁波を伝播させないようにするための構造であって、複数の平面アンテナ間における電磁波の干渉を最適化する構造ではない。
　なお、上記実施形態の平面アレイアンテナ１０１は、１つの放射導体３０に対して、図２(ｃ)および（ｄ）に示すようにｙ方向に延びるスロット２１およびｘ方向に延びるストリップ導体１０を備えていた。平面アレイアンテナは他の形態のスロットおよびストリップ導体を備えていてもよい。図１７（ａ）から（ｅ）に示す平面アレイアンテナ１０１’は、第１地導体層２０に設けられ、ｘ方向およびｙ方向に延びるスロットが交差した十字形状の開口２１ｂを備える。また、平面アレイアンテナ１０１’ の十字形状の開口２１ｂに対応して、ｘ方向に延びるストリップ導体１０とｙ方向に延びるストリップ導体１０ｂとを備える。ストリップ導体１０とストリップ導体１０ｂとはｚ方向から見て交差するように誘電体層を介して配置されている。
　図１８（ａ）から（ｄ）に示す平面アレイアンテナ１０１’’は、平面アレイアンテナ１０１’と同様、十字形状の開口２１ｂを有するが、ストリップ導体の形態が平面アレイアンテナ１０１’と異なっている。平面アレイアンテナ１０１’’はｘ方向に延びるストリップ導体１０ｄとｙ方向に延びるストリップ導体１０ｃとを備える。これらのストリップ導体は十字形状の開口２１ｂに対応しているが、ｘ方向およびｙ方向の長さは十字形状を構成する交差する２つのストリップの１／２の長さよりも短い。例えば、ストリップ導体１０ｃとストリップ導体１０ｄとは誘電体層中において、第１地導体層２０から同じ距離を隔てた位置に配置することができる。
　なお、上記実施形態において、第１地導体層２０は、ｘ方向に配列された孔２２の列２２ｑおよびｙ方向に配列された孔２２の列２２ｐの両方を備えていた。しかし、例えば、図４および図５に示すように、第１地導体層２０にｙ方向に配列された複数の孔２２の列２２ｐのみを設けてもよいし、ｘ方向に配列された複数の孔２２の列２２ｑのみを設けてもよい。また、孔２２の形状は円に限られず、三角形、四角形等の多角形であってもよく、孤立した任意の形状の貫通開口を有する孔２２であればよい。
　また、第１地導体層に形成する孔の列は１つであってもよいし、２以上であってもよい。ｘ方向およびｙ方向に沿った１列同士を交差させて十字状に配置してもよく、２列同士を交差させて二重の十字状に配置してもよい。孔の列における孔のピッチは等しくてもよいし、第１地導体層を介した干渉を抑制できていれば、孔の間隔を変化させたり、孔の間隔をランダムに設定してもよい。また、平面アレイアンテナにおいて、各アンテナを囲うように、孔や溝を第１地導体層に形成してもよい。
　また、孔２２の代わりに溝を設けてもよい。図６および図７に示すように、第１地導体層２０のｙ方向に隣接する２つのスロット２１の間に、ｘ方向に延びる溝２３ｑを設けてもよいし、第１地導体層２０のｘ方向に隣接する２つのスロット２１の間に、ｙ方向に延びる溝２３ｐを設けてもよい。さらに図８に示すように、第１地導体層２０のｘ方向およびｙ方向に隣接する２つのスロット２１の間に、ｙ方向に延びる溝２３ｐおよびｘ方向に延びる溝２３ｑを設けてもよい。
　溝２３ｐは、第１地導体層２０の厚さの１／２以上の深さを有することが好ましく、底を有しないことがより好ましい。つまり、溝２３ｐは第１地導体層２０を貫通し、溝２３ｐが伸びる方向と交差する方向に第１地導体層２０を分断していることが好ましい。溝２３ｐは、第１地導体層２０の外形を規定する対向する２辺に達していてもよいし、対向する２辺の近傍で第１地導体層２０が接続されているストリップ状の貫通開口であってもよい。
　図４から図８に示す形態の第１地導体層２０を備える平面アレイアンテナであっても、同様に、各ストリップ導体１０と第２地導体層６０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が、スロット２１を介して放射部５１へ電磁結合する際、平面アンテナ相互の電磁気的干渉が抑制される。このため、放射導体３０から放射される電波の干渉が最適化され、放射特性の低下も抑制される。
　（多層セラミック基板による平面アレイアンテナの形態）
　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形態を説明する。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、図１および図２に示すように、多層セラミック体４０の内部または表面に放射導体３０、第１地導体層２０、ストリップ導体１０および第２地導体層６０を設ける。例えば、多層セラミック体４０は、セラミック層４０ａ～４０ｄを含み、セラミック層４０ａとセラミック層４０ｂとの間に第２地導体層６０とが位置している。また、複数のストリップ導体１０は、セラミック層４０ｂとセラミック層４０ｃとの間に位置し、第１地導体層２０は、セラミック層４０ｃとセラミック層４０ｄとの間に位置している。第１地導体層２０のスロット２１および孔２２は、空洞であってもよし、セラミック層４０ｃおよびセラミック層４０ｄの一部が充填されていてもよい。スロット２１および孔２２にセラミック層４０ｃおよびセラミック層４０ｄの一部が充填されていれば、セラミック層４０ｃとセラミック層４０ｄとの密着性が向上し、多層セラミック体４０の強度を高めることができる。複数の放射導体３０は、セラミック層４０ｄ上、つまり、多層セラミック体４０の上面４０ｕに位置している。
　多層セラミック体４０においてセラミック層４０ａ～４０ｄ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２０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２０の位置が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～４０ｄはそれぞれ、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。また、セラミック層４０ａの下方に、更に他のセラミック層を有していてもよいし、導電性ビアおよび配線パターン等を有していてもよい。各セラミック層４０ａ～４０ｄの厚さは、例えば１μｍ以上１５ｍｍ以下であり、好ましくは、２５μｍ以上１ｍｍ以下である。これにより、ミリ波帯および準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３０は、放射効率の観点では、多層セラミック体４０の上面４０ｕに位置し、外部に露出していることが好ましい。しかし、放射導体３０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ため、図９（の平面アレイアンテナ１０１’）に示すように、セラミック層４０ｅで覆われていてもよい。酸化を防止するためには、放射導体３０に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３０の導電率が低下し、放射特性が低下し得る。これに対し、セラミック層４０ｅで覆う場合には、放射導体３０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。
　この場合、放射導体３０を覆うセラミック層４０ｅの厚さは、７０μｍ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３０の場合と同等以上の放射効率を実現することができる。セラミック層４０ｅ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。しかし、セラミック層４０ｅ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。セラミック層４０ｅの厚さを均一に形成するためには、セラミック層４０ｅの厚さは、例えば、５μｍであることが好ましい。つまり、セラミック層４０ｅの厚さは５μｍ以上７０μｍ以下であることがより好ましい。
　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１０に示すように、多層セラミック基板１０２は、第２地導体層６０よりも下方に複数のセラミック層をさらに備え、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に設けられた導電性ビア７３をさらに備えていてもよい。受動部品パターン７１は、例えば、導電性層あるは、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。多層セラミック基板１０２は、セラミック層と平面アレイアンテナ１０１の放射導体３０等の導電体、受動部品パターン７１、配線パターン７２および導電性ビア７３とが同時に焼成された同時焼成セラミック基板である。
　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が位置していてもよい。ストリップ導体１０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６０よりも下面側に位置する複数のセラミック層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３０などの導電層とを同時に焼成することが可能である。つまり同時焼成セラミック基板によって平面アレイアンテナ１０１を構成することができる。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Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、ＳｒＯ、ＴｉＯ2に換算したとき、Ａｌ2Ｏ3：１０～６０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３０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。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、放射導体のパターン、第１および第２地導体層のパターンおよびストリップ導体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、ミリ波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ミリ波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、地導体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２の実施形態）
　準ミリ波・ミリ波無線通信モジュールの実施形態を説明する。図１１（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１１（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１０３は、第１の実施形態の多層セラミック基板１０２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１０３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１０３において、多層セラミック基板１０２の上面４０ｕは、回路基板９１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、準ミリ波およびミリ波帯の電波を（図１のような）放射部５１から放射し、また、外部から到達する準ミリ波およびミリ波帯の電波を放射部５１で受信することができる。したがって、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。
　第１地導体層に設ける開口の種類および配列方向を表１に示すように異ならせた実施例１から実施例５の平面アレイアンテナの放射特性を計算によって求めた。計算に用いた条件は以下の通りである。
放射導体の材料：銀
スロットのサイズ：１．６ｍｍ（ｙ方向）ｘ０．５ｍｍ（ｘ方向）
放射導体のサイズ：２ｍｍ（ｙ方向）ｘ０．５ｍｍ（ｘ方向）
孔の直径、または、溝の幅：１００μｍ
放射導体３０のピッチｐ：２．５ｍｍ（６０ＧＨｚ帯のλ／２）
多層セラミック体４０の誘電率：６
　図１２から図１６に計算した平面アレイアンテナの放射特性を示す。表１に、第１地導体層に設けた開口の種類および配列方向と、放射特性を示す図との対応を示す。図１２から図１６において、横軸は、図１に示すように座標をとった場合におけるｘｚ平面内において、－ｚ軸方向を－１８０°および＋１８０°とし、＋ｚ軸方向を０°とした場合の角度を示し、縦軸はゲインを示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　図１２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ｘｚ平面におけるゲインの放射パターンを示す。図１２に示すように、６０°付近においてもっともゲインが大きくなる。この６０°付近のピークをメインローブ（Ｍａｉｎ　Ｌｏｂｅ）という。このほか、－７５°および１２０°付近にもピークを有する、これらをサイドローブ（Ｓｉｄｅ　Ｌｏｂｅ）という。一般にアレイアンテナには、放射あるいは受信する電磁波の指向性が高いことが求められる。このため、サイドローブの角度でみられる電磁波の放射は不要波であり、指向性が高いという観点では、メインローブのピークとサイドローブのゲイン差は大きいほうが好ましい。図１２に示す計算例では、メインローブとサイドローブにおけるゲイン差は、約８ｄＢである。図１３は、実施例２の平面アレイアンテナから放射される電磁波のｘｚ平面におけるゲインの放射パターンを示す。図１３およびこれ以降の図では、メインローブおよび次にゲインが大きいサイドローブが含まれる５０°から１５０°の範囲でのゲインの放射パターンを示す。図１３において、比較のために第１地導体層２０に開口を設けない場合の放射特性を合わせて示す。
　図１３に示すように、メインローブのゲインは、開口を設けない場合（以下参考例と呼ぶ）と実施例２とで、ほとんど変化はない。しかし、サイドローブのゲインは、実施例２のほうが１ｄＢ程度小さい。つまり、実施例２は、参考例に比べて、メインローブとサイドローブにおけるゲイン差が大きくなっており、放射特性における指向性が高まっている。
　図１４から図１６は、開口として溝を第１地導体層２０に設けた場合の放射特性を示している。図１４に示すように、この計算例では、溝をｘ方向に設ける場合、開口を設けることで放射特性は改善される。なお、開口は隣り合うスロット同士の干渉の抑制にも寄与する。これに対して、図１５および図１６に示すように、溝を少なくともｙ方向に設ける場合、ｙ方向の溝がアンテナの共振方向（ｘ方向）と交差して共振を遮るので、開口を設けることによってサイドローブのゲインとメインローブのゲインとの差を大きくすることができる。具体的には、実施例４では、メインローブのゲインの低下が約１ｄＢであるのに対し、サイドローブのゲインの低下は、約４ｄＢである。また、実施例５では、メインローブのゲインの低下が約１．５ｄＢであるのに対し、サイドローブのゲインの低下は、約２ｄＢである。したがって、特に実施例４、５では、参考例に比べて、放射特性における指向性が高まっている。
１０　　ストリップ導体
２０　　第１地導体層
２０ｒ　領域
２１　　スロット
２２　　孔
２２ｐ、２２ｑ　列
２３ｐ、２３ｑ　溝
３０　　放射導体
３０ｒ　領域
４０　　多層セラミック体
４０ａ～４０ｅ　セラミック層
４０ｕ　上面
４０ｖ　下面
５１　　放射部
５２　　給電部
６０　　第２地導体層
７１　　受動部品パターン
７２　　配線パターン
７３　　導電性ビア
７４～７６　　電極
８１　　半田バンプ
８２　　受動部品
８３　　能動部品
９１　　回路基板
９２　　電極
９３　　封止樹脂
１０１、１０１’　平面アレイアンテナ
１０２　多層セラミック基板
１０３　無線通信モジュール

Claims (12)

  1. 　複数の放射導体と、第１地導体層とを有する放射部と、
    　複数のストリップ導体と第２地導体層とを有する給電部と、
    を備え、
    　前記複数のストリップ導体は、前記第１地導体層と前記第２地導体層との間において、前記複数の放射導体に対応して配置され、
    　前記第１地導体層は、各放射導体と対応するストリップ導体との間に位置し、前記ストリップ導体の延びる方向と交差する方向に延びる複数のスロットと、前記複数のスロットのうち、隣接する２つのスロットの間に位置する溝または少なくとも１つの孔とを有する、平面アレイアンテナ。
  2. 　前記複数の放射導体および前記ストリップ導体は、それぞれ、第１方向および前記第１方向に直交する第２方向に沿って２次元に配置されている請求項１に記載の平面アレイアンテナ。
  3. 　前記第１地導体層は、複数の孔を有し、前記複数の孔は、前記第１方向および前記第２方向に沿って配列されている、請求項２に記載の平面アレイアンテナ。
  4. 　前記第１地導体層は、複数の孔を有し、前記複数の孔は、前記第１方向および前記第２方向のいずれか一方にのみに沿って配列されている、請求項２に記載の平面アレイアンテナ。
  5. 　前記第１地導体層は、複数の溝を有し、前記複数の溝は、前記第１方向および前記第２方向に沿って配列されている、請求項２に記載の平面アレイアンテナ。
  6. 　前記第１地導体層は、複数の溝を有し、前記複数の溝は、前記第１方向および前記第２方向のいずれか一方にのみに沿って配列されている、請求項２に記載の平面アレイアンテナ。
  7. 　前記複数の放射導体と前記第１地導体層との間、前記第１地導体層と前記ストリップ導体との間および前記ストリップ導体と前記第２地導体層との間にそれぞれ位置する誘電体層をさらに備える請求項１から６のいずれかに記載の平面アレイアンテナ。
  8. 　複数のセラミック層をさらに備え、
    　前記複数の放射導体、前記第１地導体層、前記複数のストリップ導体および前記第２地導体層は前記複数のセラミック層の間に位置する請求項１から６のいずれかに記載の平面アレイアンテナ。
  9. 　前記複数の放射導体を覆う誘電体層をさらに備えた請求項１から８のいずれかに記載の平面アレイアンテナ。
  10. 　前記第１地導体層の前記溝または少なくとも１つの孔は空洞である、請求項１から９のいずれかに記載の平面アレイアンテナ。
  11. 　前記第１地導体層の前記溝または少なくとも１つの孔は、前記複数のセラミック層を構成しているセラミックと同じセラミックで充填されている、請求項１から９のいずれかに記載の平面アレイアンテナ。
  12. 　請求項１～１１いずれか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、
    を備えた準ミリ波・ミリ波無線通信モジュール。
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