JP3420474B2 - 積層型開口面アンテナ及びそれを具備する多層配線基板 - Google Patents
積層型開口面アンテナ及びそれを具備する多層配線基板Info
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Description
びミリ波等の高周波用に適した積層型開口面アンテナ
と、かかるアンテナを具備する多層配線基板に関するも
のである。
ミリ波などの高周波を用いた移動体通信及び車間レーダ
等の研究が盛んに進められている。通常、通信における
信号の入出力は、最終的にはアンテナによって行われ
る。このような高周波用に用いられるアンテナとして
は、従来から種々のものが検討されており、代表的なも
のとしては、導波管スロットアンテナ、マイクロストリ
ップアンテナ、開口面アンテナ等が知られている。
気回路と接続されて用いられるが、これらを接続するア
ンテナへの給電路としては、例えば開口面アンテナや導
波管スロットアンテナに対しては導波管が、マイクロス
トリップアンテナに対してはトリプレート線路が主とし
て用いられている。
内面がメタライズされた穴により形成された放射素子を
複数配設して、それらを空洞部からなる導波管により接
続した平面アレイアンテナも提案されている。
ステムの小型化を図る上で、アンテナを高周波回路や高
周波素子を搭載したパッケージと一体化することも望ま
れている。
アンテナを移動体通信や車間レーダに用いるためには、
アンテナが広帯域に適用できるとともに、アンテナ自体
が軽く、薄く、且つ小型であることが必要である。
く形成できるという長所があるが、広帯域には適用でき
ず、しかも金属板を加工して作製されるために重く、ま
たコスト高である。これに対してマイクロストリップア
ンテナは、誘電体シートに金属膜を被着、成形した作製
されるために、軽く、また薄く形成でき、製造上も容易
に作製できるために安価であるものの、効率が低く、ま
た、広帯域には適用できないという問題がある。
ナは、広帯域に適用でき、アンテナ特性としては非常に
優れた性能を持っている。しかしながら、金属部材を用
いて立体的に加工して作製されるために、それ自体大型
となり通信端末には搭載しにくく、しかも軽量化の点で
も問題点がある。
されたような平面アレイアンテナによれば、プラスチッ
クを基材として用いているために、軽く、しかも広帯域
に適用することができるが、給電部に導波管を用いてい
るために、給電部が厚くなると言う問題点がある。
ステム全体の特性が重要になる。つまり、アンテナ、給
電回路、高周波回路等、個々の特性が非常に優れていて
も、最終的にはこれらが全て接続されてシステム全体が
構成されるので、これらの接続部の特性、大きさ及びコ
スト等もシステム全体に影響される。例えば、これらの
接続を導波管で接続したとすると、アンテナ、給電回
路、高周波回路等の性能をほとんど損なうことなくシス
テムを構成することができる。しかし、導波管で接続す
ると立体的な構造となることが多く、またネジ止め等に
よる機械的な接続によるため、信頼性の低下とコストア
ップにつながる。
示されたような平面アレイアンテナは、アンテナ部と給
電回路とを一体成形し広帯域のアンテナを実現する優れ
たものでありアンテナ単体としては優れるものの、高周
波回路等の他の要素との接続性が悪く、また一体化する
ことも難しい。
り、しかも小型化が可能であり、一般的な積層技術をも
って容易に作製可能な積層型開口面アンテナを提供する
ことを目的とするものである。また、本発明は、高周波
回路を形成できるとともに、給電路およびアンテナを一
体的に形成した多層配線基板を提供することを目的とす
るものである。
点に対して検討を重ねた結果、誘電体層を積層した誘電
体基板内において、アンテナを構成する導体壁の一部ま
たは全部を所定間隔をもって配設された複数のビアホー
ル導体と、この複数のビアホール導体間を電気的に接続
するように誘電体基板の誘電体層間に配設された複数の
導体層によって形成することにより、従来の積層技術を
もって容易に作製できると同時に、給電路や高周波回路
との一体化も容易にできることを見いだし、本発明に至
った。
複数の誘電体層を積層してなる誘電体基板表面に所定の
大きさの開口部を有する主導体層が被着形成され、その
主導体層の前記開口部周囲に所定間隔をもって積層方向
に形成された複数のビアホール導体群と、前記複数のビ
アホール導体群を電気的に接続するように前記誘電体層
間に形成された複数の副導体層とによりアンテナ導体壁
を形成してなるとともに、給電を行うための給電路と、
を具備することを特徴とするものである。
アンテナ導体壁の少なくとも一部を外空間に向かって徐
々に広がるように形成したこと、前記開口部内に凹部を
有すること、前記凹部を、外空間に向かって徐々に広が
るように形成したこと、前記複数のビアホール導体が、
信号波長の1/2以下の間隔をもって配列されてなるこ
と、前記給電路が、一対の給電路用主導体層と、該主導
体層間を電気的に接続するように、伝送方向に伝送信号
波長の1/2以下の間隔をもって2列に配列された給電
路用ビアホール導体とから構成された積層型導波管から
なること、前記主導体層の一部が、空洞導波管アンテナ
の導体壁を形成していること、さらにはアレー状に複数
のアンテナを配設したことを特徴とするものである。
電体層を積層してなる誘電体基板表面に形成された所定
の大きさの開口部を有する主導体層と、前記主導体層の
前記開口部周囲に所定間隔をもって積層方向に形成され
た複数のビアホール導体群と、前記複数のビアホール導
体群を電気的に接続するように前記誘電体層間に形成さ
れた複数の副導体層とからなる導体壁と、給電を行うた
めに給電路とからなる積層型開口面アンテナと、前記給
電路と接続された高周波回路と、を具備することを特徴
とするものである。また、前記誘電体基板の一部に半導
体素子を収納して気密封止するためのキャビティ部を形
成してなることを特徴とする。
層技術に基づいて形成されるビアホール導体と、誘電体
層間に配設された導体層との組み合わせによってアンテ
ナ導体壁を形成するために、容易に且つ安価にして、広
帯域に適用可能な開口面アンテナを作製することができ
る。つまり、このことは作製したアンテナのサイズが多
少ずれても、設計周波数で利用することが可能となりる
ため、設計が容易となり、また製作精度も緩和されるの
で、結果的に低コストで作製できる。
形成可能であるために、通常の多層配線基板内に一体的
に形成することができ、それと同時にアンテナへの給電
路や高周波回路も同時に形成できる。また給電路を一対
の主導体層と、該主導体層間を電気的に接続するよう
に、伝送方向に伝送信号波長の1/2以下の間隔をもっ
て2列に配列されたビアホール導体により形成すること
により、給電路におけるエネルギーの損失を低く抑える
ことができるのと同時に、誘電体導波管となるために通
常の導波管に比べ小型化できるので基板自体を薄く且つ
小型に形成できる。
形成したり、基板の一部にキャビティを形成し、そのキ
ャビティ内に高周波素子を収納することにより、高周波
回路との接続が容易となり、また接続部でのエネルギー
損失も低減できる。しかも、アンテナ、給電路、高周波
回路、高周波素子を一体的に構成できるために、システ
ム全体を小型化でき、しかも従来の多層化技術をもって
一連の工程で作製できるので、信頼性の高い低コストの
多層配線基板を作製できる。
す図1乃至図15をもとに説明する。図1は、本発明の
積層型開口面アンテナの平面図(a)とそのX−X断面
図(b)である。ここで、1は誘電体層、2は誘電体基
板、3は主導体層、4は開口部、5はビアホール導体、
6は副導体層である。
テナは、所定厚みaの誘電体層1を複数層積層した誘電
体基板2を基材とするものである。そして、この誘電体
基板2の表面には、主導体層3が被着形成され、その主
導体層3には、アンテナにおける放射部となる直径bの
開口部4が形成されている。そして、誘電体基板2に
は、主導体層3の開口部4周囲に、所定間隔cをもって
誘電体基板2の積層方向に複数のビアホール導体5が形
成されており、また、複数のビアホール導体5群は誘電
体層1間に形成された内径bのリング状の副導体層6が
複数層形成され、この副導体層6と複数のビアホール導
体5群は電気的に接続され、その結果、a×cの大きさ
の格子状の導体壁7が形成されている。その結果、複数
のビアホール導体5群と複数の副導体層6群によって構
成されたa×cの大きさの格子状の導体壁7からなる円
形誘電体導波管アンテナ部Aが形成されている。
ように形成する必要があることから、副導体層6間の間
隔a及びビアホール導体5間の間隔cは、信号波長の1
/2以下の間隔をもって配列されることが必要である。
アンテナ部Aに給電するための給電路Kと接続されてい
る。給電路Kは、給電路Kからアンテナ部Aへの伝送損
失が小さく、且つ誘電体層1を多層に積層した誘電体基
板2にアンテナ部Aと同様にして誘電体基板2内に内設
しやすくことを考慮すれば、特願平8−229925号
にて提案したような誘電体導波管、または特願平9−1
07862号にて提案したような誘電体線路によって形
成することが望ましい。
構成したものであり、この誘電体導波管は、信号伝達方
向に形成された一対の給電路用主導体層8、9と、その
主導体層8,9間に所定間隔dをもって誘電体層1の積
層方向に形成された給電路用ビアホール導体10群と、
給電路用ビアホール導体10群を電気的に接続するよう
に誘電体層1間に形成された複数の給電路用副導体層1
1群によって形成され、E面を上にした矩形誘電体導波
管から形成されている。
電路Kは、誘電体基板2の積層方向に形成した誘電体導
波管からなるアンテナ部Aに対して、側面から接続さ
れ、給電路Kの誘電体導波管内の誘電体と、アンテナ部
Aの誘電体導波管内の誘電体とが連続的に繋がるように
形成することにより、給電路Kとアンテナ部Aとを電磁
気的に接続することができる。この場合、給電路用主導
体層8は、円筒誘電体導波管アンテナ部Aの副導体層6
と一部が共有されている。
によれば、誘電体導波管からなる給電路Kを伝播してき
た電磁波が、TE10矩形導波管モードの場合、アンテ
ナ部AにおいてTE11円形導波管モードと結合し、円
形導波管の開口部から電磁波が放射される。
波管においては、給電路Kにおける信号の伝送損失を小
さくするために、特願平9−104907号に示すよう
に、導波管の中央部に位置する誘電体層のみを高誘電率
の誘電体層に形成することもできる。
導体層3は、フランジとして作用し、正面方向に放射さ
れる電波を強くするために形成されるものであり、この
主導体層3がないと、電磁波は開口部4で回折して後方
にも伝播する。
他の実施例を示す平面図(a)及びそのX−X断面図
(b)であり、この実施例では、図1に示したアンテナ
において、円筒誘電体導波管アンテナ部Aの上半分の直
径を広げ、直径の大きい円筒誘電体導波管アンテナ部
A’を具備するものである。このように、開口面側の導
体壁7の直径を広げることにより、開口部4での反射を
低減することができる。
図(a)及びそのX−X断面図(b)に示すように、円
筒誘電体導波管アンテナ部Aの上半分の導体壁7の直径
を段階的に広げホーンタイプアンテナ部Bを具備するこ
とにより、開口部4での信号の反射をさらに低減するこ
とができる。
面図(a)及びそのX−X断面図(b)に示すように、
図3のホーンアンテナ部Bにおいて、ホーン内に外空間
に向けて徐々に、拡がるような凹部12を設けたホーン
アンテナ部B’を形成する。
いて、残存する誘電体13の占める割合が下半分の円形
誘電体導波管アンテナAから外空間に向かって徐々に減
少するように凹部12の形状を形成することが望まし
い。具体的には、凹部12内の各誘電体層における導体
壁7を形成するビアホール導体5との距離dが外空間に
向かって徐々に小さくなるように形成する。このような
構成においては、円形誘電体導波管アンテナ部Aから凹
部12を有するホーンアンテナ部B’を経由して外空間
に向けて滑らかに電磁波を伝播することができる。
さらに他の実施例を示す平面図(a)とそのX−X断面
図(b)であり、この実施例によれば、図1に示した円
形誘電体導波管アンテナ部Aの上半分を直径fの円形空
洞導波管アンテナ部Cによって形成し主導体層3の一部
を円形空洞導波管Cからなる導体壁14として機能させ
たものである。この円形空洞導波管アンテナ部Cは、直
径fの穴を有する誘電体層を積層して誘電体基板2に直
径fの凹部を形成し、円形誘電体導波管アンテナ部Aと
の接続部に存在する開口部4以外の表面に導体を被着形
成したものである。このように円形誘電体導波管アンテ
ナ部Aの外空間側に円形空洞導波管アンテナ部Cを設け
ることにより、アレー化する場合に、他のアンテナ素子
との相互作用を低減するというメリットがある。なお、
円形空洞導波管アンテナ部Cの直径fは下半分の円形誘
電体導波管の特性インピーダンスと同じになるように設
定される。
の平面図(a)とそのX−X断面図(b)であり、図5
の円形空洞導波管アンテナ部Cの直径fを外空間に向か
って徐々に広げて、ホーンタイプとしたアンテナ部C’
を具備するものであり、これにより信号の反射を低減
し、真空の特性インピーダンスに段階的に近づけること
ができる。
配列したアンテナの例について説明する。まず、図7
は、図1に示した円筒誘電体導波管アンテナ部Aからな
る開口面アンテナをアレイ状に配列したアレイアンテナ
の平面図である。この図7のアレイアンテナによれば、
給電路Kに設けられた信号入力部15が給電された信号
は、3回のT分岐を繰り返して16個の開口面アンテナ
16に到達して放射される。
ンテナ部Aと凹部12を有するホーンアンテナ部B’を
有する開口面アンテナをアレイ状に配列したアレイアン
テナの平面図であり、図7と同様に、信号入力部15か
らの信号は、3回のT分岐を繰り返して16個の開口面
アンテナ17に到達して放射される。
アンテナ部Aと円筒導波管アンテナCとを有する開口面
アンテナをアレイ状に配列したアレイアンテナの平面図
であり、図7と同様に、信号入力部15からの信号は、
3回のT分岐を繰り返して16個の開口面アンテナ18
に到達して放射される。
においては、いずれも円筒誘電体導波管アンテナ部Aを
少なくとも具備するものであり、そのアンテナ部Aと給
電路Kとの接続は、いずれも給電路Kが、TE10モー
ドでE面が誘電体層の積層面と平行した矩形誘電体導波
管からなる場合の構造について示したものであるが、接
続構造は、これに限定されるものではない。
成分が誘電体層の積層方向である場合であってもよい。
例えば、誘電体導波路を伝播する電磁波のモードが、T
E10モードでH面が誘電体層の積層面と平行である場
合、開口面アンテナには電界成分が積層面内に存在する
必要があるため、図1で説明した接続構造では誘電体導
波路からなる給電路Kから円筒誘電体導波管アンテナ部
Aにそのまま給電することができない。
に、円筒誘電体導波管アンテナ部Aの給電路Kとの接続
部のスルーホール導体5’と副導体層6’とからなる導
体壁7’を階段状に斜めにして、誘電体導波管のH面を
曲げることにより、電界の向きを積層面内に曲げること
ができ、アンテナ部Aへの給電が可能となる。その他、
図11に示すように、誘電体導波管からなる給電路Kを
円筒誘電体導波管アンテナ部Aの下部に配設して、誘電
体導波管の給電路用主導体層8の一部にスロット19を
形成して、このスロット19を介して電磁的に結合させ
ることにより、アンテナ部Aへの給電が可能となる。
質として、偏波特性も重要である。
射する場合の構造を示すものであったが、給電路Kの配
置を変えることにより、容易に円偏波を発生させること
も可能となる。
面アンテナ17に対して、2本の給電路K1、K2を直
交した2方向からアンテナ17に接続して給電で行い、
さらに各給電路から給電する電磁波の位相を90゜ずら
すことにより円偏波を発生させることができる。位相を
90゜ずらすには、給電路K1,K2のT分岐点からア
ンテナ17までの長さの差を導波管内の波長の1/4と
することにより実現できる。
(四角形)の場合の実施例である。
発生させる原理と同様にして矩形の2辺の長さを調整す
ることにより円偏波を発生させることができる。即ち、
矩形の一辺の長さを動作周波数foに対応する波長λの
1/2よりやや長くし、foの時の電流の位相が−45
°となるようにし、他方の一辺の長さをλ/2よりやや
短くして、foの時の電流の位相が+45°になるよう
にする。これにより、90°の位相差ができ、円偏波を
発生させることができる。また、開口面が楕円の場合に
は、長径と短径との長さを調整することにより円偏波を
発生させることができる。
ロット19を介して給電する場合には、給電路用主導体
層8に直行する2つ以上のスロットを形成することによ
り、円偏波を発生させることができる。
する。図14は、その一実施例を説明するための断面図
であり、この実施例においては、多層配線基板20内に
図4の開口面アンテナを内蔵したものである。この多層
配線基板20には、アンテナ部21と、このアンテナ部
21に図11の接続構造をもって給電する給電路22を
具備するアンテナが形成されるとともに、例えば、誘電
体基板2の開口面4が形成された表面とは反対側に、コ
プレーナ線路からなる高周波回路23が形成されてい
る。この高周波回路23としては、その他、マイクロス
トリップ線路、グランド付きコプレーナ線路、誘電体導
波管線路であってもよい。。
は、図9乃至図11に示したように、信号入力部(図示
せず)が設けられ、この信号入力部と高周波回路23を
接続することにより、高周波回路からアンテナへの信号
の伝達を行うことができる。高周波回路と誘電体導波管
からなる給電路22との信号入力部は、例えば、ビアホ
ール導体で形成された給電ピンまたは、誘電体導波管の
主導体層の一部に形成されたスロットにより構成され
る。
15に示すように、高周波回路23とともに、高周波素
子24を収納するためのキャビティ25を設け、このキ
ャビティ25内に収納された半導体素子24を高周波回
路23と接続するように搭載し、例えば金属からなる蓋
体26によって気密に封止することもできる。これによ
り、半導体素子と高周波回路およびアンテナとを一体的
に具備する高周波パッケージを提供できる。
誘電体導波管により構成すれば、キャビティの気密封止
性が損なわれることはない。また上述したようにアンテ
ナ部Aおよび給電路Kは誘電体層の積層技術により作製
できるので、同時に裏面の高周波回路及びキャビティ等
を作製することは容易である。
ける誘電体基板は、伝送損失の観点及び要求される作製
精度の観点から考慮すると、できるだけ誘電率の低い誘
電体材料により構成するのがよい。しかし、高周波回路
23が形成される誘電体層は、高周波回路23のサイズ
及びグランドとのギャップを考慮すると比誘電率は10
から15程度が望ましい。
厚みにシート化が可能で、あらゆる部分にメタライズが
可能で、ビアホール導体が形成でき、密着積層できる誘
電体材料であればよく、セラミック、ガラスセラミッ
ク、樹脂または樹脂とセラミック粉末との混合物でもよ
い。またできるだけ伝送損失を低減するために、誘電体
材料の誘電損失は小さい方がよく、使用する周波数で
0.001以下が望ましい。またメタライズは低抵抗導
体で構成されることが望ましく、具体的には少なくとも
金、銀、銅の何れか一つを主成分とするのがよい。
テナは、広帯域に適用可能であり、しかも従来の多層化
技術をもって容易に製造することから、小型で且つ安価
なアンテナを提供できる。しかも、高周波回路や半導体
素子を実装するキャビティを設けることができるため
に、半導体素子、高周波回路およびアンテナからなるシ
ステム全体としても高機能で安いアンテナ内蔵多層配線
基板を提供することができる。
す平面図(a)と、そのX−X断面図(b)である。
示す平面図(a)と、そのX−X断面図(b)である。
示す平面図(a)と、そのX−X断面図(b)である。
示す平面図(a)と、そのX−X断面図(b)である。
示す平面図(a)と、そのX−X断面図(b)である。
示す平面図(a)と、そのX−X断面図(b)である。
ンテナを示す平面図である。
ンテナを示す平面図である。
ンテナを示す平面図である。
Aと給電路Kとの接続構造の他の例を説明するための断
面図である。
Aと給電路Kとの接続構造の他の例を説明するための断
面図である。
口面アンテナの一例を説明するための図である。
口面アンテナの他の例をを説明するための図である。
基板の一例を説明するための断面図である。
納するためのキャビティを具備する多層配線基板の一例
を説明するための断面図である。
Claims (10)
- 【請求項1】複数の誘電体層を積層してなる誘電体基板
表面に被着形成され、所定の大きさの開口部を有する主
導体層と、 前記主導体層の前記開口部周囲に所定間隔をもって積層
方向に形成された複数のビアホール導体群と、前記複数
のビアホール導体群を電気的に接続するように前記誘電
体層間に形成された複数の副導体層とからなるアンテナ
導体壁と、 給電を行うための給電路と、を具備することを特徴とす
る積層型開口面アンテナ。 - 【請求項2】前記アンテナ導体壁の少なくとも一部を外
空間に向かって徐々に広がるように形成したことを特徴
とする請求項1記載の積層型開口面アンテナ。 - 【請求項3】前記開口部内に凹部を有することを特徴と
する請求項1記載の積層型開口面アンテナ。 - 【請求項4】前記凹部を、外空間に向かって徐々に広が
るように形成したことを特徴とする請求項3記載の積層
型開口面アンテナ。 - 【請求項5】前記複数のビアホール導体が、信号波長の
1/2以下の間隔をもって配列されてなることを特徴と
する請求項1記載の積層型開口面アンテナ。 - 【請求項6】前記給電路が、一対の給電路用主導体層
と、該主導体層間を電気的に接続するように、伝送方向
に伝送信号波長の1/2以下の間隔をもって2列に配列
された給電路用ビアホール導体とから構成された積層型
導波管からなることを特徴とする請求項1記載の積層型
開口面アンテナ。 - 【請求項7】前記主導体層の一部が、空洞導波管アンテ
ナの導体壁を形成してなることを特徴とする請求項1記
載の積層型開口面アンテナ。 - 【請求項8】アレー状に複数のアンテナを配設したこと
を特徴とする請求項1記載の積層型開口面アンテナ。 - 【請求項9】複数の誘電体層を積層してなる誘電体基板
表面に形成された所定の大きさの開口部を有する主導体
層と、 前記主導体層の前記開口部周囲に所定間隔をもって積層
方向に形成された複数のビアホール導体群と、前記複数
のビアホール導体群を電気的に接続するように前記誘電
体層間に形成された複数の副導体層とからなる導体壁
と、 給電を行うために給電路と、を具備する積層型開口面ア
ンテナと、 前記給電路と接続された高周波回路と、を具備すること
を特徴とする多層配線基板。 - 【請求項10】前記誘電体基板の一部に半導体素子を収
納して気密封止するためのキャビティ部を形成してなる
請求項9記載の多層配線基板。
Priority Applications (5)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP20048497A JP3420474B2 (ja) | 1997-07-25 | 1997-07-25 | 積層型開口面アンテナ及びそれを具備する多層配線基板 |
EP98113888A EP0893842B1 (en) | 1997-07-25 | 1998-07-24 | Laminated aperture antenna and multilayered wiring board comprising the same |
US09/122,547 US6064350A (en) | 1997-07-25 | 1998-07-24 | Laminated aperture-faced antenna and multi-layered wiring board comprising the same |
DE69823591T DE69823591T2 (de) | 1997-07-25 | 1998-07-24 | Geschichtete Aperturantenne und mehrschichtige Leiterplatte damit |
EP03026894A EP1398848B1 (en) | 1997-07-25 | 1998-07-24 | Laminated aperture antenna and multi-layered wiring board comprising the same |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP20048497A JP3420474B2 (ja) | 1997-07-25 | 1997-07-25 | 積層型開口面アンテナ及びそれを具備する多層配線基板 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH1146114A JPH1146114A (ja) | 1999-02-16 |
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