WO2019008913A1 - アンテナモジュール - Google Patents

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WO2019008913A1
WO2019008913A1 PCT/JP2018/018898 JP2018018898W WO2019008913A1 WO 2019008913 A1 WO2019008913 A1 WO 2019008913A1 JP 2018018898 W JP2018018898 W JP 2018018898W WO 2019008913 A1 WO2019008913 A1 WO 2019008913A1
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WO
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substrate
ground
antenna module
electrode
signal processing
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PCT/JP2018/018898
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French (fr)
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尾仲　健吾
良樹 山田
敬生 高山
弘嗣 森
Original Assignee
株式会社村田製作所
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Publication date
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/0407—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna
    • H01Q9/0478—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna with means for suppressing spurious modes, e.g. cross polarisation
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B1/00—Details of transmission systems, not covered by a single one of groups H04B3/00 - H04B13/00; Details of transmission systems not characterised by the medium used for transmission
    • H04B1/38—Transceivers, i.e. devices in which transmitter and receiver form a structural unit and in which at least one part is used for functions of transmitting and receiving
    • H04B1/40—Circuits
    • H—ELECTRICITY
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    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/48—Earthing means; Earth screens; Counterpoises
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    • H01Q9/0407—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
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    • H03F3/00—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/189—High-frequency amplifiers, e.g. radio frequency amplifiers
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    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F3/00—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/20—Power amplifiers, e.g. Class B amplifiers, Class C amplifiers
    • H03F3/24—Power amplifiers, e.g. Class B amplifiers, Class C amplifiers of transmitter output stages
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    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F2200/00—Indexing scheme relating to amplifiers
    • H03F2200/451—Indexing scheme relating to amplifiers the amplifier being a radio frequency amplifier

Definitions

  • the present invention relates to an antenna module.
  • an antenna module in which a radiation electrode (antenna) and an RF signal processing circuit for feeding a high frequency signal to the radiation electrode through a feed line are integrated (for example, Patent Document 1).
  • a radiation electrode is provided in the one main surface side of a board
  • the above-mentioned conventional antenna module it is required to shorten the feed line from the RF signal processing circuit to the radiation electrode. This is to suppress transmission line loss as much as possible.
  • the deterioration of the cross polarization discrimination (XPD) due to the influence of polarization in the substrate thickness direction generated from the feed line is suppressed.
  • the feed line is shortened by reducing the thickness of the substrate in the antenna module, the radiation electrode and the ground electrode provided on the substrate can be easily approached. As a result, the distance between the end of the radiation electrode and the ground electrode becomes short, and the antenna characteristics (in particular, the bandwidth) deteriorate.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and provides an antenna module capable of suppressing the influence of polarization in the substrate thickness direction generated by a feed line while maintaining antenna characteristics.
  • An antenna module includes a substrate, an RF signal processing circuit provided on the substrate, a ground electrode provided on the substrate above the RF signal processing circuit, and an upper surface of the ground electrode.
  • the radiation electrode provided on the substrate such that at least a portion thereof overlaps the RF signal processing circuit in a plan view of the substrate, and the radiation electrode and the RF signal processing circuit are provided in an overlapping region where A feed line connecting the radiation electrode and the RF signal processing circuit, wherein the ground electrode has a first ground pattern, the upper side of the first ground pattern, and the first ground pattern in the plan view
  • a second ground pattern provided on the inner side, and at least one group connecting the first ground pattern and the second ground pattern Includes a command conductor, wherein the one or more ground conductors surrounds a portion of the feed line, the second ground pattern has a through hole through which the feed line passes.
  • the ground electrode in the present embodiment Since the distance between the first ground pattern of the ground electrode and the radiation electrode can be increased, the density of the electric lines of force is reduced and the antenna characteristic (bandwidth) is improved. Therefore, since the thickness of the substrate can be reduced (that is, the feed line can be shortened) by the amount that the antenna characteristic is improved, the bias in the substrate thickness direction generated by the feed line can be maintained while maintaining the antenna characteristic in the conventional antenna module. It can suppress the influence of waves.
  • the ground electrode in the conventional antenna module flush with the height of the first ground pattern instead of the height of the second ground pattern of the ground electrode in this aspect.
  • the feed line present on the radiation electrode side is longer than the ground electrode.
  • the polarization in the substrate thickness direction generated by the feed line present on the RF signal processing circuit side rather than the ground electrode is shielded by the ground electrode and has less influence on the radiation electrode, but exists on the radiation electrode side than the ground electrode.
  • the feed line present on the radiation electrode side is shorter than the ground electrode, which is generated by the feed line. It is possible to suppress the influence of polarization in the substrate thickness direction.
  • the fact that the influence of polarization in the substrate thickness direction generated by the feed line can be suppressed while maintaining the antenna characteristics means, in other words, the influence of polarization in the substrate thickness direction generated by the feed line is maintained. It can be said that the effect that the antenna characteristics can be improved can also be achieved.
  • the second ground pattern may be provided only inside the radiation electrode in the plan view.
  • the distance between the ground electrode and the end of the radiation electrode becomes short.
  • the antenna characteristics are difficult to improve. Therefore, the distance between the ground electrode and the end of the radiation electrode can be secured by providing the second ground pattern only on the inner side of the radiation electrode in plan view of the substrate, and antenna characteristics are improved. Therefore, the feed line can be further shortened, and the influence of polarization in the substrate thickness direction generated by the feed line can be further suppressed.
  • the size of the second ground pattern can be extended to the vicinity of the end of the radiation electrode to the extent that the antenna characteristics do not deteriorate in plan view of the substrate. Also, one or more ground conductors are connected to the outer edge of the second ground pattern that has spread to the vicinity of the end of the radiation electrode.
  • the substrate needs a wiring area for providing a wiring for an RF signal processing circuit, but the second ground pattern and one or more of the second ground patterns can be obtained by extending the size of the second ground pattern to the vicinity of the end of the radiation electrode. The area covered with the ground conductor is increased, and the wiring area can be secured in the area while improving the antenna characteristics.
  • the antenna module may include a plurality of the radiation electrodes, and the plurality of radiation electrodes may be arranged in an array on the substrate.
  • an antenna module having an array antenna capable of easily controlling the directivity of the antenna.
  • produced by a feed line can be suppressed, deterioration of XPD can be suppressed.
  • the RF signal processing circuit may be provided in the substrate.
  • the antenna module can be miniaturized (reduced in height).
  • the radiation electrode may be configured of a feed element connected to the feed line and a non-feed element provided above the feed element.
  • the material of the substrate between the feed element and the parasitic element may be different from the material of the substrate between the feed element and the ground electrode.
  • the RF signal processing circuit includes a phase shift circuit that shifts a high frequency signal, an amplifier circuit that amplifies the phase shifted high frequency signal, and the amplified high frequency signal. And a switch element for switching whether or not to feed a signal to the radiation electrode.
  • a multiband / multimode antenna module can be realized.
  • the influence of polarization in the substrate thickness direction generated by the feed line can be suppressed while maintaining the antenna characteristics.
  • FIG. 1A is an external perspective view of an antenna module according to Embodiment 1.
  • FIG. 1B is an external perspective view in which a part of the antenna module according to Embodiment 1 is made transparent.
  • 1C is a cross-sectional view of the antenna module according to Embodiment 1.
  • FIG. FIG. 2 is a cross-sectional view of an antenna module according to a comparative example.
  • FIG. 3 is a diagram showing the antenna characteristic in the first embodiment and the antenna characteristic in the comparative example.
  • FIG. 4 is an external perspective view of the antenna module according to the second embodiment.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of the antenna module according to the second embodiment.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of an antenna module according to a modification of the second embodiment.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of the antenna module according to the third embodiment.
  • FIG. 8 is a circuit diagram of the communication apparatus according to the fourth embodiment.
  • FIG. 9A is an external perspective view of an antenna module according to another embodiment.
  • FIG. 9B is a cross-sectional view of an antenna module according to another embodiment.
  • FIG. 1A is an external perspective view of the antenna module 1 according to the first embodiment.
  • region 60 is made transparent and the edge part is made into the broken line.
  • FIG. 1B is an external perspective view in which a part of the antenna module 1 according to the first embodiment is made transparent. Similarly in FIG. 1B, the antenna area 60 is transparent and the end is broken. Furthermore, in FIG.
  • FIG. 1C is a cross-sectional view of the antenna module 1 according to the first embodiment.
  • FIG. 1C is a cross-sectional view of the antenna module 1 as viewed from the negative direction side of the y-axis when being cut along an xz plane passing through a feed line 50 described later. The same applies to the sectional views to be described later.
  • the positive direction of the z-axis (the direction of the arrow) is also referred to as the top.
  • the antenna module 1 is, for example, a module mounted on a portable terminal or the like, and a high frequency circuit, an antenna, and the like are integrated for the purpose of downsizing. As shown in FIGS. 1A to 1C, the antenna module 1 includes a substrate 10, and a ground electrode 20, a radiation electrode 30, a feed line 50, and an RF signal processing circuit (RFIC) 80 provided on the substrate 10, respectively. Prepare.
  • RFIC RF signal processing circuit
  • the substrate 10 is, for example, a dielectric substrate, and the radiation electrode 30 is provided on one main surface of the substrate 10, and the RF signal processing circuit 80 is provided on the other main surface to integrate them.
  • the substrate 10 has a structure in which a dielectric material is filled between the radiation electrode 30 and the ground electrode 20.
  • the region is also referred to as an antenna region 60.
  • antenna field 60 is made transparent and shown.
  • the region between the ground electrode 20 and the RF signal processing circuit 80 is also referred to as a wiring region 70 because it is a region in which a wiring for the RF signal processing circuit is provided.
  • the substrate 10 may be, for example, a low temperature co-fired ceramic (LTCC) substrate, a printed circuit board, or the like.
  • LTCC low temperature co-fired ceramic
  • the RF signal processing circuit 80 is a circuit that processes a high frequency signal transmitted and received by the radiation electrode 30.
  • the RF signal processing circuit 80 is connected to the radiation electrode 30 via the feed line 50.
  • the RF signal processing circuit 80 is configured, for example, in one package.
  • the ground electrode 20 is provided on the substrate 10 above the RF signal processing circuit 80.
  • the ground electrode 20 is provided on the substrate 10 so as to face the radiation electrode 30 in the direction perpendicular to the main surface of the substrate 10, and is set to a ground potential.
  • the radiation electrode 30 is, for example, a patch antenna, and is provided on the substrate 10 so that at least a part thereof overlaps the RF signal processing circuit 80 in plan view of the substrate 10 above the ground electrode 20.
  • a region where the radiation electrode 30 and the RF signal processing circuit 80 overlap is shown as an overlapping region 40 in plan view of the substrate 10 which is a viewpoint from which the substrate 10 is viewed from the plus direction of z axis (from above).
  • the radiation electrode 30 is a conductor pattern formed on the substrate 10 so as to be substantially parallel to the main surface of the substrate 10, and a high frequency signal is fed from the RF signal processing circuit 80 via the feed line 50.
  • the radiation electrode 30 is also a radiation element that radiates a radio wave (a high frequency signal propagating in space) corresponding to a high frequency signal transmitted to and from the RF signal processing circuit 80, and is also a reception element that receives the radio wave.
  • the radiation electrode 30 has, for example, a rectangular shape in a plan view of the substrate 10, but may have a circular shape, a polygonal shape, or the like.
  • the radiation electrode 30 and the ground electrode 20 are made of, for example, a metal film containing Al, Cu, Au, Ag, or an alloy thereof as a main component.
  • the ground electrode 20 includes a first ground pattern 23, a second ground pattern 21 provided above the first ground pattern 23 and inside the first ground pattern 23 in a plan view of the substrate 10, and a first ground pattern. And one or more ground conductors connecting the second ground pattern 21 to the second ground pattern 21.
  • the first ground pattern 23 and the second ground pattern 21 are conductor patterns formed on the substrate 10 so as to be substantially parallel to the main surface of the substrate 10.
  • the one or more ground conductors are, for example, the peripheral wall 22 (one ground conductor).
  • the circumferential wall 22 connects the first ground pattern 23 and the outer edge of the second ground pattern 21.
  • the peripheral wall 22 is provided to surround a part of the feed line 50 and extends in a direction substantially parallel to the direction in which the feed line 50 extends.
  • the second ground pattern 21 has a through hole 24 through which the feed line 50 passes, and is substantially orthogonal to the direction in which the feed line 50 extends.
  • the second ground pattern 21 is provided at least inside the radiation electrode 30 in a plan view of the substrate 10. In the present embodiment, the second ground pattern 21 is provided only inside the radiation electrode 30 in the plan view. Since the peripheral wall 22 is connected to the outer edge of the second ground pattern 21, the peripheral wall 22 is also provided only inside the radiation electrode 30 in the plan view.
  • the first ground pattern 23 has substantially the same size as the main surface of the substrate 10, and includes the radiation electrode 30 inside in the plan view. That is, the first ground pattern 23 is provided so as to protrude from the radiation electrode 30 in the plan view.
  • the first ground pattern 23 has a through hole 25 through which the feed line 50 passes, and is substantially orthogonal to the direction in which the feed line 50 extends.
  • the distance h1 between the radiation electrode 30 and the first ground pattern 23 outside the radiation electrode 30 in the plan view of the substrate 10 is the inside of the radiation electrode 30 in the plan view.
  • the feed line 50 is a conductor via provided in the overlapping region 40 and electrically connecting the radiation electrode 30 and the RF signal processing circuit 80. Feeding line 50 penetrates through holes 24 and 25 so as not to contact ground electrode 20 provided between radiation electrode 30 and RF signal processing circuit 80, and radiation electrode 30 and RF signal processing circuit 80 Connected.
  • the feed line 50 is provided in the overlapping region 40 where the radiation electrode 30 and the RF signal processing circuit 80 overlap, so that the feed line 50 can be formed in the vertical direction of the first ground pattern of the substrate 10. It can be shortened. As a result, the transmission line loss generated by the feed line 50 is reduced, and the antenna gain can be improved.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of an antenna module 1a according to a comparative example.
  • the ground electrode 20a does not have the second ground pattern 21 and the peripheral wall 22 and is flush with the height of the second ground pattern 21 in the antenna module 1, It differs from the antenna module 1.
  • the height of the antenna region 60a on the substrate 10a is constant, and the distance between the end of the radiation electrode 30 and the ground electrode 20a Is the distance h2.
  • the wiring area 70 a is larger than the wiring area 70 because the ground electrode 20 a is flush with the height of the second ground pattern 21 in the antenna module 1.
  • the other points are the same as those of the antenna module 1 and thus the description thereof is omitted.
  • FIG. 3 is a diagram showing the antenna characteristic in the first embodiment and the antenna characteristic in the comparative example.
  • the distance h1 between the end of radiation electrode 30 and ground electrode 20 in the first embodiment is longer than the distance h2 between the end of radiation electrode 30 and ground electrode 20a in the comparative example.
  • the antenna characteristic is improved in the first embodiment than in the comparative example.
  • the bandwidth in which the voltage standing wave ratio (VSWR) is 2 or less is broadened as the antenna characteristic.
  • the bandwidth at a VSWR of 2 (return loss is 9.542 dB) is 1.622 GHz in the comparative example, it is 2.121 GHz in the first embodiment, and the bandwidth is 0. It spreads at .499 GHz.
  • the thickness of the substrate 10 can be reduced (that is, the feed line 50 can be shortened) by the amount that the antenna characteristic is improved. Therefore, the occurrence of the feed line 50 occurs while maintaining the antenna characteristic of the antenna module 1a according to the comparative example. It is possible to suppress the influence of polarization in the substrate thickness direction.
  • the whole area of the wiring area 70a in the comparative example is not necessary as the size of the area where the wiring for the RF signal processing circuit 80 is provided, a part of the wiring area 70a is The antenna area 60 is allocated.
  • the ground electrode 20 a in the comparative example flush with the height of the first ground pattern 23 instead of the height of the second ground pattern 21 of the ground electrode 20 in the first embodiment.
  • the feed line 51 present closer to the radiation electrode 30 than the ground electrode 20 a is become longer.
  • the polarization in the substrate thickness direction generated by the feed line 52 present on the RF signal processing circuit 80 side of the ground electrode 20a is shielded by the ground electrode 20a and has less influence on the radiation electrode 30, but the polarization is smaller than the ground electrode 20a.
  • the influence of polarization in the substrate thickness direction generated by the feed line 50 on the radiation electrode 30 also increases. Therefore, by increasing the portion of the feed line 50 covered by the ground electrode 20 by the peripheral wall 22 and the second ground pattern 21, the feed line 51 present closer to the radiation electrode 30 than the ground electrode 20 becomes shorter. The influence of the polarization in the substrate thickness direction generated by the line 50 can be suppressed.
  • the distance between the RF signal processing circuit 80 and the ground electrode 20 is shorter than that of the comparative example, the heat radiation effect of the heat generated by the RF signal processing circuit 80 is improved.
  • the ground electrode 20 has the peripheral wall 22 provided substantially in parallel with the feed line 50, the radiation loss can be reduced and the antenna gain can be improved.
  • the substrate 10 is unlikely to warp, and the coplanarity of the substrate 10 can be improved.
  • the second ground pattern 21 is provided only inside the radiation electrode 30 in a plan view of the substrate 10.
  • the second ground pattern 21 having a short distance to the radiation electrode 30 extends to the outside of the radiation electrode 30 in plan view of the substrate 10, the distance between the ground electrode 20 and the end of the radiation electrode 30 becomes short, which makes it difficult to improve the antenna characteristics. Therefore, by providing the second ground pattern 21 only inside the radiation electrode 30 in plan view of the substrate 10, the distance h2 between the ground electrode 20 and the end of the radiation electrode 30 can be secured, and antenna characteristics are improved. . Therefore, the feed line 50 can be further shortened, and the influence of polarization in the substrate thickness direction generated by the feed line 50 can be further suppressed.
  • the size of the second ground pattern 21 can be extended to the vicinity of the end of the radiation electrode 30 to the extent that the antenna characteristics do not deteriorate in plan view of the substrate 10.
  • the substrate 10 needs the wiring area 70 for providing the wiring for the RF signal processing circuit 80, but the size of the second ground pattern 21 is in the vicinity of the end of the radiation electrode 30 in the plan view.
  • the wiring area 70 can be secured in the area while improving the antenna characteristics.
  • the antenna module 1 according to the first embodiment includes one radiation electrode 30.
  • the present invention includes an array in which a plurality of radiation electrodes 30 are provided and the plurality of radiation electrodes 30 are arrayed on a substrate. It may be applied to an antenna module having an antenna.
  • the antenna module having an array antenna capable of easily controlling the directivity of the antenna, the deterioration of the XPD can be suppressed by suppressing the influence of polarization in the substrate thickness direction generated by the feed line 50.
  • the antenna module according to the second embodiment will be described below with reference to FIGS. 4 and 5.
  • FIG. 4 is an external perspective view of the antenna module 2 according to the second embodiment.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of the antenna module 2 according to the second embodiment.
  • FIG. 5 is a VV sectional view of the antenna module 2 in FIG.
  • the antenna module 2 includes a plurality of radiation electrodes 30, and the plurality of radiation electrodes 30 are arranged in an array on the substrate 100.
  • 16 radiation electrodes 30 arranged in a two-dimensional form of 4 ⁇ 4 constitute an array antenna.
  • the number and the arrangement of the radiation electrodes 30 constituting the array antenna are not limited to this.
  • a plurality of radiation electrodes 30 may be arranged in a one-dimensional manner.
  • the plurality of radiation electrodes 30 may not be arranged linearly in the row direction or the column direction, and may be arranged, for example, in a zigzag manner.
  • the ground electrode 200 has a second ground pattern 21 and a peripheral wall 22 corresponding to each of a plurality of radiation electrodes 30, and is generated by a feed line 50 connected to each of the radiation electrodes 30.
  • the influence of polarization in the thickness direction of the substrate is suppressed. Thereby, it is possible to suppress polarization in a direction parallel to the first ground pattern of the substrate 100 generated by polarization in the thickness direction of the substrate (horizontal direction in the plane of FIG. 5, front depth direction). Can be suppressed.
  • one radiation electrode 30 may be fed from two feeding points provided at mutually different positions in the radiation electrode 30. Thus, radio waves in two different polarization directions can be emitted.
  • one RF signal processing circuit 80 feeds a high frequency signal to four radiation electrodes 30 (for example, four radiation electrodes 30 arranged in a two-dimensional 2 ⁇ 2 manner). Therefore, for example, eight feed lines 50 for feeding four radiation electrodes 30 are connected to one RF signal processing circuit 80.
  • the antenna module 2 having the array antenna capable of easily controlling the directivity of the antenna can be provided, and the polarization in the substrate thickness direction generated by the feed line 50 can be suppressed in the array antenna. Therefore, the deterioration of the XPD can be suppressed.
  • the RF signal processing circuit 80 is provided on the other main surface of the substrate 100, but may be provided inside the substrate 100. This will be described with reference to FIG.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of an antenna module 3 according to a modification of the second embodiment.
  • the RF signal processing circuit 80 is provided in the substrate 100.
  • the wiring area for providing the wiring for the RF signal processing circuit 80 can be secured in the area covered by the second ground pattern 21 and the peripheral wall 22, the RF signal processing circuit 80 is provided inside the substrate 100. be able to. Thereby, the antenna module 3 can be miniaturized (reduced in height).
  • the radiation electrode 30 is shown by one pattern conductor, but the radiation electrode 30 feeds the feed element 31 connected to the feed line 50 and the feed element 31 above.
  • the element 31 may be separated from the element 31 and may be configured of a non-feed element 32 not connected to the feed line 50.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of the antenna module 3 according to the third embodiment.
  • the non-feed element 32 is provided above the feed element 31 so as to be separated from the feed element 31, so that the non-feed element 32 functions as a waveguide to enhance the directivity of the antenna. Can.
  • the directivity of the antenna can be controlled.
  • the material of the substrate 100 between the feeding element 31 and the non-feeding element 32 and the material of the substrate 100 between the feeding element 31 and the ground electrode 200 are different.
  • the thermal expansion coefficients of the feed element 31 and the parasitic element 32 can be made different from those of the feed element 31 and the ground electrode 200. Therefore, the warpage of the substrate 100 is alleviated, and the coplanarity of the substrate 100 can be improved.
  • Embodiment 4 The antenna module described in the above embodiment can be applied to a communication device.
  • the communication apparatus 6 to which the antenna module 2 is applied to the second embodiment will be described below.
  • FIG. 8 is a circuit diagram of the communication device 6 according to the fourth embodiment.
  • the communication device 6 shown in FIG. 8 includes an antenna module 2 and a baseband signal processing circuit (BBIC) 5.
  • BBIC baseband signal processing circuit
  • the communication device 6 up-converts the signal transmitted from the baseband signal processing circuit 5 to the antenna module 2 into a high frequency signal and radiates it from the plurality of radiation electrodes 30 (array antenna) and also receives the high frequency signal received by the array antenna.
  • the signal is down-converted and processed by the baseband signal processing circuit 5.
  • the RF signal processing circuit 80 includes switches 81A to 81D, 83A to 83D and 87, power amplifiers 82AT to 82DT, low noise amplifiers 82AR to 82DR, attenuators 84A to 84D, phase shifters 85A to 85D, and signal synthesis. And a demultiplexer 88, a mixer 88, and an amplification circuit 89.
  • the switches 81A to 81D and 83A to 83D are switch circuits that switch transmission and reception in each signal path.
  • the signal transmitted from the baseband signal processing circuit 5 is amplified by the amplification circuit 89 and up-converted by the mixer 88.
  • the up-converted high-frequency signal is split into four by the signal combining / splitting device 86, passes through the four transmission paths, and is fed to the different radiation electrodes 30, respectively. At this time, it is possible to adjust the directivity of the array antenna by individually adjusting the phase shift of the phase shifters 85A to 85D arranged in each signal path.
  • the high frequency signals received by the radiation electrodes 30 are respectively multiplexed by the signal synthesis / demultiplexer 86 via four different reception paths, downconverted by the mixer 88, and amplified by the amplifier circuit 89.
  • the signal is transmitted to the baseband signal processing circuit 5.
  • the RF signal processing circuit 80 is formed, for example, as an integrated circuit component of one chip including the above circuit configuration.
  • the RF signal processing circuit 80 includes the switches 81A to 81D, 83A to 83D and 87, power amplifiers 82AT to 82DT, low noise amplifiers 82AR to 82DR, attenuators 84A to 84D, phase shifters 85A to 85D, and signal combining described above. It is not necessary to provide any of the demultiplexer / splitter 86, the mixer 88, and the amplification circuit 89. Also, the RF signal processing circuit 80 may have only one of the transmission path and the reception path.
  • the antenna module 2 according to the present embodiment is applied not only to transmitting and receiving high frequency signals in a single frequency band, but also to a system transmitting and receiving high frequency signals in a plurality of frequency bands (multi band). . Therefore, as shown in FIG. 5, in the antenna module 2 according to the present embodiment, two or more systems of the circuit configuration of the RF signal processing circuit 80 are arranged, and the circuit configuration thereof can be switched by a switch It has become.
  • one or more ground conductors in the ground electrodes 20 and 200 are the peripheral wall 22, but the configuration is not limited to one wall as the peripheral wall 22. This will be described with reference to FIGS. 9A and 9B.
  • FIG. 9A is an external perspective view of an antenna module 5 according to another embodiment.
  • the antenna region 60 is transparent and its end is a broken line.
  • FIG. 9A shows an enlarged view of the periphery of a ground electrode 201 described later (a portion surrounded by a broken line thicker than a broken line indicating the end portion).
  • FIG. 9B is a cross-sectional view of an antenna module 5 according to another embodiment.
  • the configuration of the antenna module 5 is the same as the configuration of the antenna module 1 except that the ground electrode 20 in the antenna module 1 is replaced with the ground electrode 201 and the like, and therefore the description of the same points as the antenna module 1 is omitted.
  • one or more ground conductors in the ground electrode 201 may be a plurality of via conductors (ground conductors) 22a arranged so as to surround the feed line 50.
  • the plurality of via conductors 22 a are provided so as to surround a part of the feed line 50 (feed line 52), and extend in a direction substantially parallel to the direction in which the feed line 50 extends.
  • the ground electrode 201 can shield the polarization in the substrate thickness direction generated by the feed line 50.
  • the pitch when each of the plurality of via conductors 22a is arranged is, for example, equal to or less than 1 ⁇ 4 of the in-substrate wavelength ⁇ g of the high frequency signal fed by the feed line 50.
  • the wiring region 70 may also be covered by the via conductor 71 as shown in FIGS. 9A and 9B.
  • the RF signal processing circuit 80 is provided on the other main surface of the substrate 10, but may be provided inside the substrate 10.
  • the second ground pattern 21 is provided only on the inner side of the radiation electrode 30 in plan view of the substrate 10 (100), but is also provided on the outer side of the radiation electrode 30 It is also good. That is, the second ground pattern 21 may be provided so as to protrude from the radiation electrode 30 in the plan view. As a result, it is possible to secure more areas in which wiring for the RF signal processing circuit 80 can be provided.
  • the antenna module according to the above embodiment can be applied to a Massive MIMO system.
  • One of the promising wireless transmission technologies in 5G (5th generation mobile communication system) is the combination of a phantom cell and a Massive MIMO system.
  • a phantom cell is a network configuration that separates a control signal for ensuring communication stability between a macrocell in a low frequency band and a small cell in a high frequency band, and a data signal to be subjected to high-speed data communication.
  • An antenna apparatus of Massive MIMO is provided in each phantom cell.
  • the Massive MIMO system is a technique for improving transmission quality in a millimeter wave band or the like, and controls the directivity of the antenna by controlling the signal transmitted from each radiation electrode 30.
  • Massive MIMO systems use multiple radiation electrodes 30, sharp directional beams can be generated.
  • radio waves can be blown to a certain distance even in a high frequency band, and interference between cells can be reduced to improve frequency utilization efficiency.
  • the present invention can be widely used in communication devices such as millimeter wave band mobile communication systems and Massive MIMO systems as antenna modules capable of suppressing the influence of polarization in the substrate thickness direction generated by feed lines.
  • Baseband Signal Processing Circuit 6 Communication device 10, 10a, 100 Substrate 20, 20a, 200, 201 Ground electrode 21 Second ground pattern 22 Peripheral wall (ground conductor) 22a Via conductor (ground conductor) 23 first ground pattern 24, 25 through hole 30 radiation electrode 31 feeding element 32 parasitic element 40 overlapping area 50, 51, 52 feeding line 60, 60a antenna area 70, 70a wiring area 71 via conductor 80 RF signal processing circuit (RFIC ) 81A, 81B, 81C, 81D, 83A, 83B, 83D, 87 switches 82AR, 82BR, 82CR, 82DR low noise amplifiers 82AT, 82BT, 82CT, 82DT power amplifiers 84A, 84B, 84C, 84D attenuators 85A, 85B, 85C , 85D phase shifter 86 signal combiner / splitter 88 mixer 89 amplifier circuit

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Abstract

アンテナモジュール（１）は、基板（１０）と、基板（１０）に設けられたＲＦ信号処理回路（８０）と、ＲＦ信号処理回路（８０）の上方において、基板（１０）に設けられたグランド電極（２０）と、グランド電極（２０）の上方において、基板（１０）に設けられた放射電極（３０）と、放射電極（３０）とＲＦ信号処理回路（８０）とが重なる重複領域（４０）に設けられ、放射電極（３０）とＲＦ信号処理回路（８０）とを接続する給電ライン（５０）と、を備え、グランド電極（２０）は、第１グランドパターン（２３）と、第２グランドパターン（２１）と、第１グランドパターン（２３）と第２グランドパターン（２１）とを接続する周壁（２２）と、を有し、周壁（２２）は、給電ライン（５０）の一部を囲み、第２グランドパターン（２１）は、給電ライン（５０）が貫通する貫通孔（２４）を有する。

Description

アンテナモジュール
　本発明は、アンテナモジュールに関する。
　近年、携帯端末等の小型化が要求されている。これに対応すべく、放射電極（アンテナ）と、放射電極に給電ラインを介して高周波信号を給電するＲＦ信号処理回路とを一体化したアンテナモジュールが開示されている（例えば、特許文献１）。当該アンテナモジュールでは、放射電極が基板の一方主面側に設けられ、ＲＦ信号処理回路が基板の他方主面側に設けられることで、これらが一体化されている。
国際公開第２０１６／０６３７５９号
　ところで、上記従来のアンテナモジュールにおいて、ＲＦ信号処理回路から放射電極への給電ラインを短くすることが要求されている。これは、伝送線路ロスをできるだけ抑えるためである。また、放射電極をアレイ状に配列したアレイアンテナにおいて、給電ラインから発生する基板厚み方向の偏波の影響による交差偏波認識度（ＸＰＤ：Ｃｒｏｓｓ　Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ　Ｄｉｓｃｒｉｍｉｎａｔｉｏｎ）の劣化を抑制するためである。一方で、アンテナモジュールにおける基板の厚みを薄くすることで給電ラインを短くした場合、放射電極と基板に設けられたグランド電極とが接近しやすくなる。これにより、放射電極の端部とグランド電極との距離が短くなり、アンテナ特性（特に帯域幅）が劣化してしまう。
　本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、アンテナ特性を維持したまま、給電ラインにより発生する基板厚み方向の偏波の影響を抑制できるアンテナモジュールを提供する。
　本発明の一態様に係るアンテナモジュールは、基板と、前記基板に設けられたＲＦ信号処理回路と、前記ＲＦ信号処理回路の上方において、前記基板に設けられたグランド電極と、前記グランド電極の上方において、前記基板の平面視で少なくとも一部が前記ＲＦ信号処理回路と重なるように前記基板に設けられた放射電極と、前記放射電極と前記ＲＦ信号処理回路とが重なる重複領域に設けられ、前記放射電極と前記ＲＦ信号処理回路とを接続する給電ラインと、を備え、前記グランド電極は、第１グランドパターンと、前記第１グランドパターンの上方、かつ、前記平面視において前記第１グランドパターンの内側に設けられた第２グランドパターンと、前記第１グランドパターンと前記第２グランドパターンとを接続する１以上のグランド導体と、を有し、前記１以上のグランド導体は、前記給電ラインの一部を囲み、前記第２グランドパターンは、前記給電ラインが貫通する貫通孔を有する。
　これによれば、本態様におけるグランド電極と、本態様のグランド電極の第２グランドパターンの高さで面一となっているような従来のグランド電極とを比較すると、本態様におけるグランド電極では、グランド電極の第１グランドパターンと放射電極との距離が長くなり得るため、電気力線の密度が減少しアンテナ特性（帯域幅）が向上する。よって、アンテナ特性が向上する分、基板の厚みを薄くすることができる（つまり給電ラインを短くできる）ため、従来のアンテナモジュールにおけるアンテナ特性を維持したまま、給電ラインにより発生する基板厚み方向の偏波の影響を抑制できる。
　このとき、従来のアンテナモジュールにおけるグランド電極を、本態様におけるグランド電極の第２グランドパターンの高さではなく、第１グランドパターンの高さで面一とすることが考えられる。しかし、この場合には、給電ラインの一部を１以上のグランド導体と第２グランドパターンとで覆っているグランド電極と比較すると、グランド電極よりも放射電極側に存在する給電ラインが長くなる。グランド電極よりもＲＦ信号処理回路側に存在する給電ラインにより発生する基板厚み方向の偏波は、グランド電極によって遮蔽され、放射電極への影響が少ないが、グランド電極よりも放射電極側に存在する給電ラインが長くなった場合には、給電ラインにより発生する基板厚み方向の偏波による放射電極への影響も大きくなってしまう。したがって、給電ラインのうち、１以上のグランド導体と第２グランドパターンとによってグランド電極に覆われる部分が増えることで、グランド電極よりも放射電極側に存在する給電ラインが短くなり、給電ラインにより発生する基板厚み方向の偏波の影響を抑制できる。
　なお、アンテナ特性を維持したまま、給電ラインにより発生する基板厚み方向の偏波の影響を抑制できるということは、言い換えると、給電ラインにより発生する基板厚み方向の偏波の影響を維持したまま、アンテナ特性を向上できるという効果も奏することができると言える。
　また、前記第２グランドパターンは、前記平面視において前記放射電極よりも内側にのみ設けられてもよい。
　これによれば、放射電極との距離が短い第２グランドパターンが、基板の平面視において放射電極の外側まで広がっている場合には、グランド電極と放射電極の端部との距離が短くなるため、アンテナ特性が向上しにくくなる。したがって、第２グランドパターンが基板の平面視において放射電極よりも内側にのみ設けられることで、グランド電極と放射電極の端部との距離を確保でき、アンテナ特性が向上する。よって、給電ラインをより短くすることができ、給電ラインにより発生する基板厚み方向の偏波の影響をより抑制できる。
　なお、基板の平面視において、アンテナ特性が劣化しない程度に第２グランドパターンの大きさを放射電極の端部近傍まで広げることができる。また、放射電極の端部近傍まで広がった第２グランドパターンの外縁に１以上のグランド導体を接続する。当該基板には、ＲＦ信号処理回路のための配線を設ける配線領域が必要であるが、第２グランドパターンの大きさを放射電極の端部近傍まで広げることで、第２グランドパターンと１以上のグランド導体とで覆われる領域が大きくなり、アンテナ特性を向上しつつ、当該領域において当該配線領域を確保できる。
　また、アンテナモジュールは、前記放射電極を複数備え、前記複数の放射電極は、前記基板にアレイ状に配列されていてもよい。
　これにより、アンテナの指向性の制御を容易に行うことができるアレイアンテナを有するアンテナモジュールを提供できる。なお、当該アレイアンテナにおいて、給電ラインにより発生する基板厚み方向の偏波を抑制できるため、ＸＰＤの劣化を抑制できる。
　また、前記ＲＦ信号処理回路は、前記基板内に設けられてもよい。
　これにより、アンテナモジュールを小型化（低背化）できる。
　また、前記放射電極は、前記給電ラインに接続された給電素子と、前記給電素子の上方に設けられた無給電素子とから構成されてもよい。
　これにより、アンテナの指向性を高めることができる。
　また、前記給電素子と前記無給電素子との間における前記基板の材料と、前記給電素子と前記グランド電極との間における前記基板の材料とは異なっていてもよい。
　これによれば、給電素子および無給電素子の間と、給電素子およびグランド電極の間との熱膨張係数を異ならせることができる。したがって、基板の反りが緩和され、基板のコプラナリティを改善できる。
　また、本発明の一態様に係るアンテナモジュールは、前記ＲＦ信号処理回路は、高周波信号を移相する移相回路と、前記移相された高周波信号を増幅する増幅回路と、前記増幅された高周波信号を前記放射電極に給電するか否かを切り替えるスイッチ素子と、を備える。
　これによれば、マルチバンド／マルチモードのアンテナモジュールを実現できる。
　本発明に係るアンテナモジュールによれば、アンテナ特性を維持したまま、給電ラインにより発生する基板厚み方向の偏波の影響を抑制できる。
図１Ａは、実施の形態１に係るアンテナモジュールの外観斜視図である。 図１Ｂは、実施の形態１に係るアンテナモジュールの一部を透明にした外観斜視図である。 図１Ｃは、実施の形態１に係るアンテナモジュールの断面図である。 図２は、比較例に係るアンテナモジュールの断面図である。 図３は、実施の形態１におけるアンテナ特性と比較例におけるアンテナ特性とを示す図である。 図４は、実施の形態２に係るアンテナモジュールの外観斜視図である。 図５は、実施の形態２に係るアンテナモジュールの断面図である。 図６は、実施の形態２の変形例に係るアンテナモジュールの断面図である。 図７は、実施の形態３に係るアンテナモジュールの断面図である。 図８は、実施の形態４に係る通信装置の回路図である。 図９Ａは、その他の実施の形態に係るアンテナモジュールの外観斜視図である。 図９Ｂは、その他の実施の形態に係るアンテナモジュールの断面図である。
　以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的又は具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置及び接続形態などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。以下の実施の形態における構成要素のうち、独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。また、図面に示される構成要素の大きさ、又は大きさの比は、必ずしも厳密ではない。また、各図において、実質的に同一の構成に対しては同一の符号を付しており、重複する説明は省略又は簡略化する場合がある。また、以下の実施の形態において、「接続される」とは、直接接続される場合だけでなく、他の素子等を介して電気的に接続される場合も含まれる。
　（実施の形態１）
　［１．アンテナモジュールの構成］
　図１Ａは、実施の形態１に係るアンテナモジュール１の外観斜視図である。図１Ａでは、後述する基板１０におけるアンテナ領域６０の内部をわかりやすくするために、アンテナ領域６０を透明にし、端部を破線にしている。図１Ｂは、実施の形態１に係るアンテナモジュール１の一部を透明にした外観斜視図である。図１Ｂでも同様に、アンテナ領域６０を透明にし、端部を破線にしている。さらに、図１Ｂでは、後述するグランド電極２０の周壁２２のｙ軸のマイナス方向（矢印と反対の方向）側を透明にし、後述する基板１０の配線領域７０のｙ軸のマイナス方向側を透明にしている。図１Ｃは、実施の形態１に係るアンテナモジュール１の断面図である。図１Ｃは、アンテナモジュール１を、後述する給電ライン５０を通るｘｚ平面で切断した際のｙ軸のマイナス方向側から見た断面図である。なお、以降説明する断面図についても同様である。また、以下では、ｚ軸のプラス方向（矢印の方向）を上とも呼ぶ。
　アンテナモジュール１は、例えば携帯端末等に搭載されるモジュールであり、小型化のために高周波回路およびアンテナ等が一体化されている。図１Ａ～図１Ｃに示されるように、アンテナモジュール１は、基板１０と、それぞれ基板１０に設けられた、グランド電極２０、放射電極３０、給電ライン５０およびＲＦ信号処理回路（ＲＦＩＣ）８０とを備える。
　基板１０は、例えば誘電体基板であり、基板１０の一方主面には放射電極３０が設けられ、他方主面にはＲＦ信号処理回路８０が設けられることで、これらが一体化されている。基板１０は、放射電極３０とグランド電極２０との間に誘電体材料が充填された構造を有する。なお、アンテナ特性は、放射電極３０とグランド電極２０との間の誘電体材料が充填された領域の体積によって変化し得るため、当該領域をアンテナ領域６０とも呼ぶ。図１Ａおよび図１Ｂでは、アンテナ領域６０の内部をわかりやすくするために、アンテナ領域６０を透明にして示している。また、グランド電極２０とＲＦ信号処理回路８０との間の領域は、ＲＦ信号処理回路のための配線が設けられる領域であるため、配線領域７０とも呼ぶ。なお基板１０は、例えば、低温同時焼成セラミックス（Ｌｏｗ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　Ｃｏ－ｆｉｒｅｄ　Ｃｅｒａｍｉｃｓ：ＬＴＣＣ）基板、または、プリント基板などであってもよい。
　ＲＦ信号処理回路８０は、放射電極３０で送受信される高周波信号を処理する回路である。ＲＦ信号処理回路８０は、給電ライン５０を介して放射電極３０と接続される。ＲＦ信号処理回路８０は、例えば、１つのパッケージで構成されている。
　グランド電極２０は、ＲＦ信号処理回路８０の上方において、基板１０に設けられる。グランド電極２０は、放射電極３０と、基板１０の主面の垂直方向で対向するように基板１０に設けられ、グランド電位に設定される。
　放射電極３０は、例えばパッチアンテナであり、グランド電極２０の上方において、基板１０の平面視で少なくとも一部がＲＦ信号処理回路８０と重なるように基板１０に設けられる。図１Ｃには、基板１０をｚ軸のプラス方向（上から）から見る視点である基板１０の平面視において、放射電極３０とＲＦ信号処理回路８０とが重なる領域を重複領域４０として示している。放射電極３０は、基板１０の主面に略平行となるように基板１０に形成された導体パターンであり、ＲＦ信号処理回路８０から給電ライン５０を経由して高周波信号が給電される。放射電極３０は、ＲＦ信号処理回路８０との間で伝達される高周波信号に相当する電波（空間伝搬する高周波信号）を放射する放射素子でもあり、当該電波を受信する受信素子でもある。放射電極３０は、基板１０の平面視において、例えば矩形形状を有するが、円形または多角形形状等であってもよい。
　また、放射電極３０およびグランド電極２０は、例えば、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、またはそれらの合金を主成分とする金属膜で構成される。
　グランド電極２０は、第１グランドパターン２３と、第１グランドパターン２３の上方、かつ、基板１０の平面視において第１グランドパターン２３の内側に設けられた第２グランドパターン２１と、第１グランドパターン２３と第２グランドパターン２１とを接続する１以上のグランド導体と、を有する。第１グランドパターン２３および第２グランドパターン２１は、基板１０の主面に略平行となるように基板１０に形成された導体パターンである。
　１以上のグランド導体は、例えば、周壁２２（１つのグランド導体）である。周壁２２は、具体的には、第１グランドパターン２３と第２グランドパターン２１の外縁とを接続している。周壁２２は、給電ライン５０の一部を囲うように設けられ、給電ライン５０が延びる方向と略平行な方向に延びている。
　第２グランドパターン２１は、給電ライン５０が貫通する貫通孔２４を有し、給電ライン５０が延びる方向と略直交している。第２グランドパターン２１は、基板１０の平面視において少なくとも放射電極３０よりも内側に設けられる。本実施の形態では、第２グランドパターン２１は、当該平面視において放射電極３０よりも内側にのみ設けられる。周壁２２は、第２グランドパターン２１の外縁に接続されているため、周壁２２も当該平面視において放射電極３０よりも内側にのみ設けられる。
　第１グランドパターン２３は、基板１０の主面と略同じ大きさであり、当該平面視において放射電極３０を内側に含んでいる。つまり、第１グランドパターン２３は、当該平面視において、放射電極３０からはみ出すように設けられている。第１グランドパターン２３は、給電ライン５０が貫通する貫通孔２５を有し、給電ライン５０が延びる方向と略直交している。
　このように、グランド電極２０が構成されることで、基板１０の平面視で放射電極３０の外側における放射電極３０と第１グランドパターン２３との距離ｈ１が、当該平面視で放射電極３０の内側における放射電極３０と第２グランドパターン２１との距離ｈ２よりも長くなる。詳細は後述するが、これにより、アンテナ特性を向上させることができる。
　給電ライン５０は、重複領域４０に設けられ、放射電極３０とＲＦ信号処理回路８０とを電気的に接続する導体ビアである。給電ライン５０は、放射電極３０とＲＦ信号処理回路８０との間に設けられたグランド電極２０と接触しないように、貫通孔２４および２５を貫通して、放射電極３０とＲＦ信号処理回路８０とを接続している。給電ライン５０が放射電極３０とＲＦ信号処理回路８０とが重なる重複領域４０に設けられることで、給電ライン５０を基板１０の第１グランドパターンの垂直方向に形成することができ、給電ライン５０を短くすることができる。これにより、給電ライン５０により発生する伝送線路ロスが減り、アンテナゲインを改善できる。
　［２．比較例］
　次に、実施の形態１に係るアンテナモジュール１の比較例を、図２を用いて説明する。
　図２は、比較例に係るアンテナモジュール１ａの断面図である。比較例に係るアンテナモジュール１ａは、グランド電極２０ａが第２グランドパターン２１および周壁２２を有しておらず、アンテナモジュール１における第２グランドパターン２１の高さで面一となっている点が、アンテナモジュール１と異なる。また、グランド電極２０ａが第２グランドパターン２１および周壁２２を有していないため、基板１０ａにおけるアンテナ領域６０ａの高さは一定となっており、放射電極３０の端部とグランド電極２０ａとの距離は、距離ｈ２となっている。一方、配線領域７０ａは、グランド電極２０ａがアンテナモジュール１における第２グランドパターン２１の高さで面一となっていることで、配線領域７０よりも大きくなっている。その他の点は、アンテナモジュール１と同様であるため、説明を省略する。
　［３．効果］
　ここで、実施の形態１に係るアンテナモジュール１により奏される効果について比較例に係るアンテナモジュール１ａと比較しながら図３を用いて説明する。
　図３は、実施の形態１におけるアンテナ特性と比較例におけるアンテナ特性とを示す図である。
　実施の形態１における放射電極３０の端部とグランド電極２０との距離ｈ１は、比較例における放射電極３０の端部とグランド電極２０ａとの距離ｈ２よりも長いため、アンテナ領域６０における電気力線の密度が減少し、図３に示されるように、実施の形態１では、比較例よりもアンテナ特性が向上していることがわかる。具体的には、アンテナ特性として、電圧定在波比（ＶＳＷＲ：Ｖｏｌｔａｇｅ　Ｓｔａｎｄｉｎｇ　Ｗａｖｅ　Ｒａｔｉｏ）が２以下となる帯域幅が広がっていることがわかる。具体的には、ＶＳＷＲが２（リターンロスが９．５４２ｄＢ）における帯域幅が比較例では１．６２２ＧＨｚであるのに対して、実施の形態１では２．１２１ＧＨｚとなっており、帯域幅が０．４９９ＧＨｚ広がっている。
　したがって、アンテナ特性が向上する分、基板１０の厚みを薄くすることができる（つまり給電ライン５０を短くできる）ため、比較例に係るアンテナモジュール１ａにおけるアンテナ特性を維持したまま、給電ライン５０により発生する基板厚み方向の偏波の影響を抑制できる。なお、実施の形態１では、ＲＦ信号処理回路８０のための配線が設けられる領域の大きさとして、比較例における配線領域７０ａの全部の領域は必要ないため、配線領域７０ａの一部の領域をアンテナ領域６０に割り当てている。
　このとき、比較例におけるグランド電極２０ａを、実施の形態１におけるグランド電極２０の第２グランドパターン２１の高さではなく、第１グランドパターン２３の高さで面一とすることが考えられる。しかし、この場合には、給電ライン５０の一部を周壁２２と第２グランドパターン２１とで覆っているグランド電極２０と比較すると、グランド電極２０ａよりも放射電極３０側に存在する給電ライン５１が長くなる。グランド電極２０ａよりもＲＦ信号処理回路８０側に存在する給電ライン５２により発生する基板厚み方向の偏波は、グランド電極２０ａによって遮蔽され、放射電極３０への影響が少ないが、グランド電極２０ａよりも放射電極３０側に存在する給電ライン５１が長くなった場合には、給電ライン５０により発生する基板厚み方向の偏波による放射電極３０への影響も大きくなってしまう。したがって、給電ライン５０のうち、周壁２２と第２グランドパターン２１とによってグランド電極２０に覆われる部分が増えることで、グランド電極２０よりも放射電極３０側に存在する給電ライン５１が短くなり、給電ライン５０により発生する基板厚み方向の偏波の影響を抑制できる。
　なお、アンテナ特性を維持したまま、給電ライン５０により発生する基板厚み方向の偏波の影響を抑制できるということは、言い換えると、給電ライン５０により発生する基板厚み方向の偏波の影響を維持したまま、アンテナ特性を向上できるという効果も奏することができると言える。
　さらに、実施の形態１では、比較例よりも、ＲＦ信号処理回路８０とグランド電極２０との距離が短くなるため、ＲＦ信号処理回路８０により発生する熱の放熱効果が向上する。
　さらに、グランド電極２０は、給電ライン５０と略平行に設けられた周壁２２を有するため、放射ロスが減り、アンテナゲインを改善できる。
　さらに、基板１０の内部に階段状のグランド電極２０が埋め込まれているため、基板１０が反りにくくなり、基板１０のコプラナリティを向上できる。
　また、第２グランドパターン２１は、基板１０の平面視において放射電極３０よりも内側にのみ設けられている。
　これによれば、放射電極３０との距離が短い第２グランドパターン２１が、基板１０の平面視において放射電極３０の外側まで広がっている場合、グランド電極２０と放射電極３０の端部との距離が短くなるため、アンテナ特性が向上しにくくなる。したがって、第２グランドパターン２１が基板１０の平面視において放射電極３０よりも内側にのみ設けられることで、グランド電極２０と放射電極３０の端部との距離ｈ２を確保でき、アンテナ特性が向上する。よって、給電ライン５０をより短くすることができ、給電ライン５０により発生する基板厚み方向の偏波の影響をより抑制できる。
　なお、基板１０の平面視において、アンテナ特性が劣化しない程度に第２グランドパターン２１の大きさを放射電極３０の端部近傍まで広げることができる。これによれば、基板１０には、ＲＦ信号処理回路８０のための配線を設ける配線領域７０が必要であるが、第２グランドパターン２１の大きさを当該平面視において放射電極３０の端部近傍まで広げることで、第２グランドパターン２１と周壁２２とで覆われる領域が大きくなり、アンテナ特性を向上しつつ、当該領域において配線領域７０を確保できる。
　（実施の形態２）
　実施の形態１に係るアンテナモジュール１は、１つの放射電極３０を備えていたが、本発明は、放射電極３０を複数備え、複数の放射電極３０が基板にアレイ状に配列されていているアレイアンテナを有するアンテナモジュールに適用されてもよい。アンテナの指向性の制御を容易に行うことができるアレイアンテナを有するアンテナモジュールでは、給電ライン５０により発生する基板厚み方向の偏波の影響が抑制されることで、ＸＰＤの劣化を抑制できる。以下、実施の形態２に係るアンテナモジュールについて、図４および図５を用いて説明する。
　図４は、実施の形態２に係るアンテナモジュール２の外観斜視図である。図５は、実施の形態２に係るアンテナモジュール２の断面図である。図５は、図４におけるアンテナモジュール２のＶ－Ｖ断面図である。
　図４に示されるように、アンテナモジュール２は、放射電極３０を複数備え、複数の放射電極３０は、基板１００にアレイ状に配列されている。本実施の形態では、４×４の２次元状に配置された１６個の放射電極３０が、アレイアンテナを構成している。
　なお、アレイアンテナを構成する放射電極３０の個数および配置は、これに限らず、例えば、複数の放射電極３０が１次元状に並んで配置されていてもかまわない。また、複数の放射電極３０は、行方向または列方向において直線状に配置されていなくてもよく、例えば、千鳥状に配置されていてもよい。
　図５に示されるように、グランド電極２００は、複数の放射電極３０のそれぞれに対応する第２グランドパターン２１および周壁２２を有し、放射電極３０のそれぞれに接続された給電ライン５０により発生する基板厚み方向の偏波の影響が抑制されている。これにより、基板厚み方向の偏波により発生する基板１００の第１グランドパターンと平行な方向（図５の紙面の左右方向、手前奥行き方向）の偏波を抑制できるため、アレイアンテナのＸＰＤの劣化を抑制できる。
　なお、１つの放射電極３０は、当該放射電極３０における互いに異なる位置に設けられた２つの給電点より給電されてもよい。これにより、互いに異なる２つの偏波方向の電波を放射することができる。また、例えば、１つのＲＦ信号処理回路８０は、４つの放射電極３０（例えば、２×２の２次元状に配置された４つの放射電極３０）に高周波信号を給電する。したがって、１つのＲＦ信号処理回路８０には、例えば、４つの放射電極３０に給電するための８本の給電ライン５０が接続されている。
　以上説明したように、アンテナの指向性の制御を容易に行うことができるアレイアンテナを有するアンテナモジュール２を提供でき、当該アレイアンテナにおいて、給電ライン５０により発生する基板厚み方向の偏波を抑制できるため、ＸＰＤの劣化を抑制できる。
　なお、ＲＦ信号処理回路８０は、基板１００の他方主面に設けられているが、基板１００の内部に設けられてもよい。これについて図６を用いて説明する。
　図６は、実施の形態２の変形例に係るアンテナモジュール３の断面図である。
　図６に示されるように、アンテナモジュール３では、ＲＦ信号処理回路８０は、基板１００内に設けられる。例えば、第２グランドパターン２１と周壁２２とで覆われた領域においてＲＦ信号処理回路８０のための配線が設けられる配線領域を確保できているため、ＲＦ信号処理回路８０を基板１００の内部に設けることができる。これにより、アンテナモジュール３を小型化（低背化）できる。
　（実施の形態３）
　実施の形態１および２に係るアンテナモジュールでは、放射電極３０を１つのパターン導体で示していたが、放射電極３０は、給電ライン５０に接続された給電素子３１と、給電素子３１の上方に給電素子３１と離間して設けられ、給電ライン５０と接続されていない無給電素子３２とから構成されていてもよい。
　図７は、実施の形態３に係るアンテナモジュール３の断面図である。
　図７に示されるように、給電素子３１の上方に給電素子３１と離間して無給電素子３２が設けられることで、無給電素子３２が導波器として機能し、アンテナの指向性を高めることができる。また、給電素子３１と無給電素子３２との距離が調整されることで、アンテナの指向性を制御できる。
　また、給電素子３１と無給電素子３２との間における基板１００の材料と、給電素子３１とグランド電極２００との間における基板１００の材料とは異なる。これにより、給電素子３１および無給電素子３２の間と、給電素子３１およびグランド電極２００の間との熱膨張係数を異ならせることができる。したがって、基板１００の反りが緩和され、基板１００のコプラナリティを改善できる。
　（実施の形態４）
　上記実施の形態で説明したアンテナモジュールは、通信装置に適用できる。以下では、実施の形態２にアンテナモジュール２を適用した通信装置６について説明する。
　図８は、実施の形態４に係る通信装置６の回路図である。図８に示される通信装置６は、アンテナモジュール２と、ベースバンド信号処理回路（ＢＢＩＣ）５とを備える。通信装置６は、ベースバンド信号処理回路５からアンテナモジュール２へ伝達される信号を高周波信号にアップコンバートして複数の放射電極３０（アレイアンテナ）から放射するとともに、アレイアンテナで受信した高周波信号をダウンコンバートしてベースバンド信号処理回路５にて信号処理する。
　ＲＦ信号処理回路８０は、スイッチ８１Ａ～８１Ｄ、８３Ａ～８３Ｄおよび８７と、パワーアンプ８２ＡＴ～８２ＤＴと、ローノイズアンプ８２ＡＲ～８２ＤＲと、減衰器８４Ａ～８４Ｄと、移相器８５Ａ～８５Ｄと、信号合成／分波器８６と、ミキサ８８と、増幅回路８９とを備える。
　スイッチ８１Ａ～８１Ｄおよび８３Ａ～８３Ｄは、各信号経路における送信および受信を切り替えるスイッチ回路である。
　ベースバンド信号処理回路５から伝達される信号は、増幅回路８９で増幅され、ミキサ８８でアップコンバートされる。アップコンバートされた高周波信号は、信号合成／分波器８６で４分波され、４つの送信経路を通過して、それぞれ異なる放射電極３０に給電される。このとき、各信号経路に配置された移相器８５Ａ～８５Ｄの移相度が個別に調整されることにより、アレイアンテナの指向性を調整することが可能となる。
　また、各放射電極３０で受信した高周波信号は、それぞれ、異なる４つの受信経路を経由し、信号合成／分波器８６で合波され、ミキサ８８でダウンコンバートされ、増幅回路８９で増幅されてベースバンド信号処理回路５へ伝達される。
　ＲＦ信号処理回路８０は、例えば、上記回路構成を含む１チップの集積回路部品として形成される。
　なお、ＲＦ信号処理回路８０は、上述した、スイッチ８１Ａ～８１Ｄ、８３Ａ～８３Ｄおよび８７、パワーアンプ８２ＡＴ～８２ＤＴ、ローノイズアンプ８２ＡＲ～８２ＤＲ、減衰器８４Ａ～８４Ｄ、移相器８５Ａ～８５Ｄ、信号合成／分波器８６、ミキサ８８、ならびに増幅回路８９のいずれかを備えていなくてもよい。また、ＲＦ信号処理回路８０は、送信経路および受信経路のいずれかのみを有していてもよい。また、本実施の形態に係るアンテナモジュール２は、単一の周波数帯域（バンド）の高周波信号を送受信するだけでなく、複数の周波数帯域（マルチバンド）の高周波信号を送受信するシステムに適用される。したがって、本実施の形態に係るアンテナモジュール２は、図５に示されるように、ＲＦ信号処理回路８０が有する回路構成が２系統以上配置されており、それらの回路構成がスイッチにより切り替えられる構成となっている。
　（その他の実施の形態）
　以上、本発明の実施の形態に係るアンテナモジュールについて、上記実施の形態を挙げて説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではない。上記実施の形態における任意の構成要素を組み合わせて実現される別の実施の形態や、上記実施の形態に対して本発明の主旨を逸脱しない範囲で当業者が思いつく各種変形を施して得られる変形例も本発明に含まれる。
　例えば、上記実施の形態では、グランド電極２０、２００における１以上のグランド導体は、周壁２２であったが、周壁２２のように１つの壁の構成に限らない。これについて、図９Ａおよび図９Ｂを用いて説明する。
　図９Ａは、その他の実施の形態に係るアンテナモジュール５の外観斜視図である。図９Ａでは、図１Ａと同じように、基板１０におけるアンテナ領域６０の内部をわかりやすくするために、アンテナ領域６０を透明にし、端部を破線にしている。また、図９Ａには、後述するグランド電極２０１周辺（上記端部を示す破線よりも太い破線で囲った箇所）の拡大図を示している。
　図９Ｂは、その他の実施の形態に係るアンテナモジュール５の断面図である。
　アンテナモジュール５の構成は、アンテナモジュール１におけるグランド電極２０をグランド電極２０１に置き換えた点等以外は、アンテナモジュール１の構成と同じであるため、アンテナモジュール１と同じ点については説明を省略する。
　例えば、グランド電極２０１における１以上のグランド導体は、図９Ａおよび図９Ｂに示すように、給電ライン５０を囲むように配置された複数のビア導体（グランド導体）２２ａであってもよい。複数のビア導体２２ａは、給電ライン５０の一部（給電ライン５２）を囲うように設けられ、給電ライン５０が延びる方向と略平行な方向に延びている。
　この構成であっても、給電ライン５０により発生する基板厚み方向の偏波をグランド電極２０１によって遮蔽することができる。また、この構成において、複数のビア導体２２ａのそれぞれが配置される際のピッチは、給電ライン５０で給電される高周波信号の基板内波長λｇの例えば１／４以下である。
　また、配線領域７０についても、図９Ａおよび図９Ｂに示されるように、周囲がビア導体７１で覆われていてもよい。
　また、例えば、実施の形態１では、ＲＦ信号処理回路８０は基板１０の他方主面に設けられたが、基板１０の内部に設けられていてもよい。
　また、例えば、上記実施の形態では、第２グランドパターン２１は、基板１０（１００）の平面視において放射電極３０よりも内側にのみ設けられたが、放射電極３０よりも外側にも設けられてもよい。つまり、第２グランドパターン２１は、当該平面視において放射電極３０からはみ出るように設けられてもよい。これにより、ＲＦ信号処理回路８０のための配線を設けられる領域をより多く確保できる。
　また、例えば、上記実施の形態に係るアンテナモジュールは、Ｍａｓｓｉｖｅ　ＭＩＭＯシステムにも適用できる。５Ｇ（第５世代移動通信システム）で有望な無線伝送技術の１つは、ファントムセルとＭａｓｓｉｖｅ　ＭＩＭＯシステムとの組み合わせである。ファントムセルは、低い周波数帯域のマクロセルと高い周波数帯域のスモールセルとの間で通信の安定性を確保するための制御信号と、高速データ通信の対象であるデータ信号とを分離するネットワーク構成である。各ファントムセルにＭａｓｓｉｖｅ　ＭＩＭＯのアンテナ装置が設けられる。Ｍａｓｓｉｖｅ　ＭＩＭＯシステムは、ミリ波帯等において伝送品質を向上させるための技術であり、各放射電極３０から送信される信号を制御することで、アンテナの指向性を制御する。また、Ｍａｓｓｉｖｅ　ＭＩＭＯシステムは、多数の放射電極３０を用いるため、鋭い指向性のビームを生成することができる。ビームの指向性を高めることで高い周波数帯でも電波をある程度遠くまで飛ばすことができるとともに、セル間の干渉を減らして周波数利用効率を高めることができる。
　本発明は、給電ラインにより発生する基板厚み方向の偏波の影響を抑制できるアンテナモジュールとしてとして、ミリ波帯移動体通信システムおよびＭａｓｓｉｖｅ　ＭＩＭＯシステムなどの通信機器に広く利用できる。
　１、１ａ、２、３、４　　アンテナモジュール
　５　　ベースバンド信号処理回路（ＢＢＩＣ）
　６　　通信装置
　１０、１０ａ、１００　　基板
　２０、２０ａ、２００、２０１　　グランド電極
　２１　　第２グランドパターン
　２２　　周壁（グランド導体）
　２２ａ　　ビア導体（グランド導体）
　２３　　第１グランドパターン
　２４、２５　　貫通孔
　３０　　放射電極
　３１　　給電素子
　３２　　無給電素子
　４０　　重複領域
　５０、５１、５２　　給電ライン
　６０、６０ａ　　アンテナ領域
　７０、７０ａ　　配線領域
　７１　　ビア導体
　８０　　ＲＦ信号処理回路（ＲＦＩＣ）
　８１Ａ、８１Ｂ、８１Ｃ、８１Ｄ、８３Ａ、８３Ｂ、８３Ｃ、８３Ｄ、８７　　スイッチ
　８２ＡＲ、８２ＢＲ、８２ＣＲ、８２ＤＲ　　ローノイズアンプ
　８２ＡＴ、８２ＢＴ、８２ＣＴ、８２ＤＴ　　パワーアンプ
　８４Ａ、８４Ｂ、８４Ｃ、８４Ｄ　　減衰器
　８５Ａ、８５Ｂ、８５Ｃ、８５Ｄ　　移相器
　８６　　信号合成／分波器
　８８　　ミキサ
　８９　　増幅回路

Claims (7)

  1. 　基板と、
    　前記基板に設けられたＲＦ信号処理回路と、
    　前記ＲＦ信号処理回路の上方において、前記基板に設けられたグランド電極と、
    　前記グランド電極の上方において、前記基板の平面視で少なくとも一部が前記ＲＦ信号処理回路と重なるように前記基板に設けられた放射電極と、
    　前記放射電極と前記ＲＦ信号処理回路とが重なる重複領域に設けられ、前記放射電極と前記ＲＦ信号処理回路とを接続する給電ラインと、を備え、
    　前記グランド電極は、第１グランドパターンと、前記第１グランドパターンの上方、かつ、前記平面視において前記第１グランドパターンの内側に設けられた第２グランドパターンと、前記第１グランドパターンと前記第２グランドパターンとを接続する１以上のグランド導体と、を有し、
    　前記１以上のグランド導体は、前記給電ラインの一部を囲み、
    　前記第２グランドパターンは、前記給電ラインが貫通する貫通孔を有する、
    　アンテナモジュール。
  2. 　前記第２グランドパターンは、前記平面視において前記放射電極よりも内側にのみ設けられる、
    　請求項１に記載のアンテナモジュール。
  3. 　前記放射電極を複数備え、
    　前記複数の放射電極は、前記基板にアレイ状に配列されている、
    　請求項１または２に記載のアンテナモジュール。
  4. 　前記ＲＦ信号処理回路は、前記基板内に設けられる、
    　請求項１～３のいずれか１項に記載のアンテナモジュール。
  5. 　前記放射電極は、前記給電ラインに接続された給電素子と、前記給電素子の上方に設けられた無給電素子とから構成される、
    　請求項１～４のいずれか１項に記載のアンテナモジュール。
  6. 　前記給電素子と前記無給電素子との間における前記基板の材料と、前記給電素子と前記グランド電極との間における前記基板の材料とは異なる、
    　請求項５に記載のアンテナモジュール。
  7. 　前記ＲＦ信号処理回路は、
    　高周波信号を移相する移相回路と、
    　前記移相された高周波信号を増幅する増幅回路と、
    　前記増幅された高周波信号を前記放射電極に給電するか否かを切り替えるスイッチ素子と、を備える、
    　請求項１～６のいずれか１項に記載のアンテナモジュール。
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