JP2004040597A - フィルタ内蔵アンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】回路基板に直接搭載しても回路基板上の電子回路とアンテナの給電端子電極との間で相互干渉しないで、アイソレーション特性を向上させると共に、送受信特性を向上させることができる構造のフィルタ内蔵アンテナを提供する。
【解決手段】一面に導電体膜が形成される誘電体シート３１が、少なくとも１個のフィルタ２を構成するように積層されて、積層誘電体ブロック３が形成され、その積層誘電体ブロック３に固定して放射素子１が設けられ、フィルタ２の一方の電極が放射素子１に電気的に接続されている。フィルタ２の他方の電極は、側面には露出しないように、ビアコンタクト３３および配線３４を介して、積層誘電体ブロック３の搭載面Ｂ（搭載される回路基板と対向する面）に導出され、その搭載面に設けられる給電端子電極４と接続されている。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、携帯電話機や携帯端末機などに搭載するのに適した小型でマッチングを採りやすいと共に、回路基板などに搭載する場合に回路基板上の電子回路と相互干渉をしないような構造のフィルタ内蔵アンテナに関する。さらに詳しくは、たとえばセルラ用とＧＰＳやブルートゥース用など複数の周波数帯で使用するような場合でも、相手方の信号が給電端子電極を介して受信回路側などに廻り込み、相互に干渉するということが生じないような構造のフィルタ内蔵アンテナに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、アンテナにより送受信する信号は、帯域通過フィルタなどのフィルタを介して、所望の周波数帯の信号のみを送受信することができるようにされている。このフィルタは、従来別個に製造されたものをアンテナに外部接続して使用されていたが、近年ではアンテナとフィルタとのマッチングの煩わしさの解消や電子機器の小型化要請などに基づいて、アンテナとフィルタとを一体化したフィルタ内蔵アンテナが開発されている。
【０００３】
このようなフィルタ内蔵アンテナ８５は、たとえば図７に回路基板８６に搭載した状態の一例の一部斜視説明図およびその断面説明図が示されるように、フィルタを構成するキャパシタやインダクタを形成するように、導電体パターンが形成された誘電体シートが積層されて焼成された積層誘電体ブロック８３の表面側に放射素子８１が形成されることにより構成されている。このフィルタの一方の電極は放射素子８１と電気的に接続され、他方の電極は外部回路の送受信回路などと接続し得るように積層誘電体ブロック８３の外面に設けられる給電端子電極８４と接続されている。従来のこの種のフィルタ内蔵アンテナでは、図７（ｂ）に図７（ａ）の断面説明図が示されるように、インダクタやキャパシタを形成した導電体パターンからなるフィルタ８２の他方の電極から配線膜８３４をそのまま端部まで延ばして導出し、積層された誘電体ブロック８３を形成した後に、その側面に露出した配線膜８３４と連結して給電端子電極８４をその側面から裏面（回路基板８６への搭載面）まで廻り込むように形成されている。この給電端子電極８４は、回路基板８６の給電線８６２に直接ハンダ付けなどにより接続される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように、従来のフィルタ内蔵アンテナは、フィルタの他方の電極が誘電体ブロック８３の側面に導出され、その導出された配線膜８３４と接続されるように誘電体ブロック８３の側面から搭載面（アンテナが取り付けられる回路基板と対向する面、裏面）にかけて給電端子電極８４が設けられている。そのため、放射素子８１などで送受信する電波を誘電体ブロック側面の給電端子電極８４で直接拾う場合が生じやすい。また、近年では、たとえば携帯電話機でセルラー用の送受信をすると共に、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ　Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ；衛星測位システム）の信号も受信したり、無線ＬＡＮのためのブルートゥース用アンテナなど、２以上の周波数帯の信号を送受信できるようにアンテナが構成されており、給電端子電極８４には、２以上の周波数帯の信号が給電されやすい。
【０００５】
一方、このフィルタ内蔵アンテナ８５を搭載する回路基板８６には、給電線８６２と接続して図示しない受信側のローノイズアンプなどを含む受信回路や送信回路などの電子回路が形成されており、２以上の周波数帯で送受信する場合には、それぞれの周波数帯でこれらの電子回路が形成されており、給電端子電極とこれらの電子回路とが電磁界結合をして、給電端子電極で拾ったノイズまたは他の周波数帯の信号が直接回路基板上の回路と相互干渉してアイソレーション特性（相互間の結合が小さいこと）の悪化（ノイズの増大）となったり、送受信特性の低下につながるという問題がある。
【０００６】
本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、誘電体シートの積層体によるフィルタと放射素子とを一体化して小型化を図りながら、回路基板に直接搭載しても回路基板上の電子回路とアンテナの給電端子電極との間で相互干渉しないで、アイソレーション特性を向上させると共に、送受信特性を向上させることができる構造のフィルタ内蔵アンテナを提供することを目的とする。
【０００７】
本発明の他の目的は、このフィルタ内蔵アンテナを回路基板に搭載する場合に、電子回路との間で相互干渉を防止するのにとくに適するように、回路基板に搭載するフィルタ内蔵アンテナの搭載構造を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明によるフィルタ内蔵アンテナは、一面に導電体膜が形成される誘電体シートが、少なくとも１個のフィルタを構成するように積層されて形成される積層誘電体ブロックと、該積層誘電体ブロックに固定して設けられると共に前記フィルタの一方の電極に電気的に接続される放射素子と、前記フィルタの他方の電極と電気的に接続され、前記積層誘電体ブロックの外面に設けられる給電端子電極とを有し、該給電端子電極が、前記積層誘電体ブロックが外部の回路基板に搭載される際に対向する面である搭載面に設けられ、前記フィルタの他方の電極と前記給電端子電極とを接続する接続配線が前記積層誘電体ブロックの搭載面以外の外面に露出しないように形成されている。
【０００９】
ここに「放射素子」とは、誘電帯ブロックの一面に導電体膜で放射パターンが形成された放射電極や平面状放射電極パターンなどの電波を放射し得るものを意味する。また、「電気的に接続」とは、導体により直接接続される場合の他、他の電子部品を介して接続される場合や、導体により直接には接続されなくても電磁界により結合される場合も含む意味である。さらに、「外面」とは積層された誘電体ブロックの外部に露出する面を意味し、「搭載面」とは、搭載される回路基板と対向する面を意味する。
【００１０】
この構造にすることにより、給電端子電極はフィルタ内蔵アンテナが搭載される回路基板のみに面しており、回路基板には、シールド板が埋め込まれた多層積層体などを用いることができるため、給電端子電極を完全にシールドしながら回路基板の給電線と接続することができる。その結果、給電端子電極に外部ノイズが直接乗ることはなく、また、他の周波数帯の信号が給電端子電極に現れても、異なる周波数帯の受信回路などと結合することがない。その結果、給電端子電極と回路基板上の電子回路とのアイソレーション特性は非常に向上し、また、所望の送受信信号などの特性を低下させる虞れは全くなく、非常に高性能なフィルタ付きアンテナとして機能する。
【００１１】
前記フィルタの他方の電極と前記給電端子電極との電気的接続は、たとえば前記誘電体シートに設けられるコンタクト孔内に埋め込まれる導体からなるビアコンタクトを介して行われる。
【００１２】
本発明によるフィルタ内蔵アンテナの搭載構造は、請求項１記載のフィルタ内蔵アンテナが、シールド層および配線層を少なくとも有する積層構造の回路基板に搭載され、前記給電端子電極が該回路基板内に設けられる内部配線に電気的に接続され、該内部配線を介して前記回路基板表面に設けられる電子部品と前記給電端子電極とが電気的に接続されている。この構成にすることにより、給電端子電極と接続される給電線に内部配線を用いることができ、全く外部に露出させることなく、シールド板によりシールドされた状態で電子回路を構成する部品に接続することができるため、非常に高特性の送受信機を得ることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
つぎに、図面を参照しながら本発明のフィルタ内蔵アンテナについて説明をする。本発明によるフィルタ内蔵アンテナは、図１にその一実施形態の構造説明図が示されるように、一面に導電体膜が形成される誘電体シート３１が、少なくとも１個のフィルタ２を構成するように積層されて、積層誘電体ブロック３が形成されている。そして、その積層誘電体ブロック３に固定して放射素子１が設けられ、フィルタ２の図示しない一方の電極が放射素子１に電気的に接続されている。また、フィルタ２の他方の電極２２は、ビアコンタクト３３および配線３４を介して、積層誘電体ブロック３の外面に設けられる給電端子電極４と接続されている。本発明では、この給電端子電極４が、図１（ｃ）に背面図で示されるように、この積層誘電体ブロック２が図示しない回路基板に搭載される際に回路基板と対向する面である搭載面Ｂのみに設けられ、積層誘電体ブロック３の外部に露出する側面には露出しないように形成されていることに特徴がある。
【００１４】
図１に示される例では、１個の放射素子１と１個の周波数帯の信号に対応するフィルタ２のみが図示されているが、たとえばセルラ用のＡＭＰＳ／ＰＣＳ、衛星測位システム（ＧＰＳ）、またはブルートゥース（ＢＴ）など、複数の周波数帯の信号を送受信し得るように複数の放射素子１（１個の放射素子により複数の周波数帯に用いる場合もある）や複数の周波数帯信号用のフィルタ２が１個の積層誘電体ブロック３に取り付けられたり、作り込まれてもよい。なお、１個の積層誘電帯ブロック３に２以上の周波数帯用のフィルタを作り込む場合、それぞれの周波数帯用フィルタ２のブロック毎に、縦方向のシールド壁を積層誘電体ブロック３内に形成し、相互干渉しないようにすることが好ましい。このシールド壁は、後述する帯状ビアコンタクトと同様の方法で形成することができる。
【００１５】
放射素子１は、図１に示される例では、接地導体３５上に誘電体層を介して設けられたパッチ状の放射電極により形成された例であるが、帯状導体または帯状の導体によりパターン化された放射電極などを給電電極と容量結合させるセラミックアンテナなど、他の構成でもよいし、誘電体ブロック３の側面に設けられる構造でもよい。
【００１６】
フィルタ２は、後述するように積層誘電体ブロック３内にインダクタＬ、キャパシタＣおよび共振器を形成し、たとえば図２（ａ）に示されるように接続して形成することにより、低域通過フィルタＬＰＦや高域通過フィルタＨＰＦ、また共振器と共にバンドパスフィルタＢＰＦを形成することにより、所望の周波数帯域のみを通過させ得るように構成することができる。このフィルタ２の一方の電極２１は放射素子１に電気的に接続され、他方の電極２２は給電端子電極４に電気的に接続される。また、２以上の周波数帯用の放射素子およびフィルタを組み込む場合、たとえばＡＭＰＳ（０．８ＧＨｚ）／ＰＣＳ（１．８ＧＨｚ）のセルラ用とＧＰＳ（１．５ＧＨｚ）用とを設ける場合に、ＧＰＳ用のアンテナに接続するフィルタには、図２（ｂ）に示されるように、１．４ＧＨｚより低い周波数帯をカットする高域通過フィルタＨＰＦ、および１．６ＧＨｚより高い周波数帯をカットする低域通過フィルタＬＰＦを接続し、さらに１．５ＧＨｚに近い１．８ＧＨｚ帯を確実にカットするため、１．８ＧＨｚ帯の帯域除去フィルタＢＥＦを挿入することにより、確実に相手方の信号が混信するのを防止するように構成することもできる。他の周波数帯でも、そのＬ、Ｃの大きさや接続を変えるだけで形成することができる。
【００１７】
積層誘電体ブロック３は、その断面説明図が図１（ｂ）に示されるように、たとえばセラミックシート（グリーンシート）３１の一面に導電体膜が印刷などにより所望の形状に形成され、前述のフィルタ２を形成するための、インダクタなどを構成するストリップラインＬや、誘電体シート３１を挟んで導電体膜を形成することによりキャパシタＣなどが形成されるように、また、インダクタＬとキャパシタＣとを接続するビアコンタクト３２や、後述するフィルタ２の他方の電極２２を給電端子電極４と接続するためのビアコンタクト３３や配線３４が形成されるように、各誘電体シート３１に所望のパターンで導電体膜が形成されたり、シールド用にほぼ全面に導電体膜３５が形成されたものなど、セラミックシート３１を重ね合せてプレスした状態で切断して、焼結することにより、外形的には、たとえば（２〜３０ｍｍ）×（２〜３０ｍｍ）程度の大きさで、０．５〜７ｍｍ程度の厚さに形成される。
【００１８】
フィルタ２の他方の電極２２を給電端子電極４と接続するためのビアコンタクト３３および配線３４は、電極２２を積層誘電体ブロック３の側面を介して底面側に導出しないで、積層誘電体ブロック３の内部を経由して直接誘電体ブロック３の底面（搭載面Ｂ）に導出するために形成されている。図１に示される例では、２個のビアコンタクト３３が配線３４を介して接続されているが、これはフィルタの電極２２と給電端子電極４とが平面的にずれている場合とか、電極２２と誘電体ブロック２の底面との距離が大きいときに、何枚もの誘電体シートに同じ場所でビアコンタクトを形成すると、その部分だけが厚くなるため、平面的に異なる位置にずらせてビアコンタクト３３を形成する必要がある場合などに、ビアコンタクト３３の位置をずらせるために形成されている。しかし、そのような必要のない場合には、１個のビアコンタクト３３で直接フィルタの他方の電極２２と給電端子電極４とを接続することもできる。
【００１９】
セラミックシート３１を挟んで上下の導電体膜を接続する場合には、セラミックシート３１に形成されるコンタクト孔（スルーホール）内に導電体を埋め込んで接続するビアコンタクト３２、３３により接続されるが、このビアコンタクト３２、３３を図３に、図１（ｂ）に示されるビアコンタクト部３２の直角方向の断面説明図が示されるように、帯状に形成することにより、接続の断面積を大きくして高周波抵抗やインダクタンスの増加を防ぐことができ、積層構造でフィルタを形成しながら、高特性のフィルタを形成することができる。この帯状のビアコンタクト３２、３３にするには、セラミックシート３１に設けるコンタクト孔を細長い溝状に形成することにより形成できる。
【００２０】
このような積層誘電体ブロック３を製造するには、たとえば１００μｍ程度の厚さのセラミックシート３１にビアコンタクト用のコンタクト孔や細長い溝を成形金型により形成し、その溝内および必要なストリップラインを導電体ペーストの印刷などにより形成する。その後、前述のようにフィルタ回路やビアコンタクト３２、３３などが形成されるように数十枚重ねてプレスして固め、個々の積層誘電体ブロックの大きさに切断し、または切断用溝を形成した後、焼結することにより形成される。なお、この積層誘電体ブロック３の表面や側面、底面などに放射素子１や接地導体３６を形成する場合には、その側面に銀ペーストなどの導電体を印刷などにより設けることにより形成することができる。
【００２１】
給電端子電極４は、前述の放射素子１や接地導体３６を形成する場合と同様に、銀ペーストなどの導電材料を印刷などにより、ビアコンタクト３３と接続されるように設け、焼成することにより形成される。
【００２２】
このようなフィルタ内蔵アンテナは、通常、信号処理回路などが形成される回路基板に直接搭載されて携帯電話機などの筐体内に組み込まれる。本発明の給電端子電極４が積層誘電体ブロック３の側面に露出しない構造のフィルタ内蔵アンテナ５は、回路基板として、図４に示されるような絶縁シート６１にシールド層６３と給電線６２などの少なくとも１層の配線層などが形成された積層構造の回路基板６（図４に示される例では、シールド層６３が上下の外面に設けられているが、一方だけでもよいし、内部に設けられていてもよい）を用いることにより、給電端子電極４と、たとえば受信信号処理回路のローノイズアンプ６５とを完全なシールド状態で接続することができ、給電端子電極４と電子回路間での結合を殆ど完全に排除することができる。しかし、図７に示される従来の取付構造である回路基板表面の給電線に直接給電端子電極を接続しても、給電端子電極が完全に積層誘電体ブロックの裏側のみに位置しているため、給電端子電極と回路基板上の電子回路との相互結合が非常に抑制され、相互間のアイソレーション特性が向上する。
【００２３】
本発明によるフィルタ内蔵アンテナを回路基板表面に設けられる給電線と接続して周波数に対する利得の関係であるアンテナの周波数特性を、従来の積層誘電体ブロック側壁に亘って給電端子電極が設けられた構造のフィルタ内蔵アンテナと比較して調べた。この特性検査は、図５に示されるように、たとえば携帯電話機のような筐体７１に、テスト用のアンテナ７２を取り付け、筐体７１内にフィルタ内蔵アンテナ５を搭載した回路基板６を取り付けて、テスト用アンテナ７２から０．８〜４ＧＨｚの各周波数の信号を放射したときに、受信信号によるゲインの周波数特性を調べたものである。なお、フィルタ内蔵アンテナ５としては、ブルートゥース用の２．４ＧＨｚ帯用アンテナを用いた。図６（ａ）が本発明によるアンテナを回路基板表面に設けられた給電線に直接接続したもので、図６（ｂ）が図７に示されるような側面にも給電電極端子が設けられた構造のアンテナの特性である。
【００２４】
図６から明らかなように、本発明によれば、１．７６ＧＨｚ以下および３．０４ＧＨｚ以上の周波数帯で非常に減衰している（所望の２．４ＧＨｚ帯以外の周波数帯では減衰するのが好ましい）のに対して、従来構造の図６（ｂ）では、離れた周波数帯でもその減衰が小さくノイズとして混入しやすいことを示している。これは、フィルタ内蔵で、２．４ＧＨｚ帯以外の周波数帯の信号は減衰するようにフィルタが組み込まれており、本発明ではそのフィルタの作用により２．４ＧＨｚから離れた周波数帯では減衰しているが、従来構造では、給電端子電極で直接拾う電波があり、その電波はフィルタを通らないため、除去できていないためと考えられる。すなわち、給電端子電極が外部に露出していると、非常に外部ノイズの影響を受けやすく、また、この給電端子電極と受信回路との相互作用も生じやすいことを示している。この傾向は、ブルートゥース用アンテナに限らず、ＧＰＳ用アンテナやセルラー用アンテナでも同様の結果が得られた。
【００２５】
本発明によれば、フィルタ内蔵アンテナの給電端子電極が、搭載される回路基板と対向する搭載面のみに設けられ、外部に露出する側壁には設けられていない。一方、積層誘電体ブロック内には、適宜導電膜が広い範囲で設けられてシールド板機能を果たしており、給電端子電極の周囲にも接地導体を設けることができ、また、回路基板にもシールド板機能をもたせることができるため、外部との干渉を確実に抑制することができる。そのため、受信する信号がフィルタを通らないで直接給電端子電極に入ることはなく、また、給電端子電極と回路基板上の電子回路とが電磁界結合をして、相互作用をすることもない。その結果、非常にアイソレーション特性（給電端子電極と近隣の電子回路との間での結合度が小さいこと）が向上すると共に、外部ノイズの影響が非常に抑制され、アンテナ特性を向上させることができる。
【００２６】
さらに、本発明によれば、積層誘電体ブロック３の側面に給電端子電極が形成されていないため、回路基板上に形成される電子回路とフィルタ内蔵アンテナとを非常に近づけて配置することができ、回路基板の小型化にも寄与する。さらに、回路基板として、内部に配線を有する積層構造体の回路基板を用いるこにより、給電端子電極と電子回路の部品との電気的接続を完全なシールド状態で接続することができ、さらなるアイソレーション特性の向上を図ることができると共に、完全なシールド機能を有することにより、遠くの電子部品と接続する場合でも、何ら支障がなく、回路基板上での部品配置の自由度が増大するという効果も生じる。
【００２７】
【発明の効果】
本発明によれば、アンテナとフィルタとを一体化したフィルタ内蔵アンテナの給電端子電極が、外部と干渉し難い構造に形成されているため、フィルタ内蔵アンテナが搭載される回路基板との相互作用を大幅に抑制することができ、送受信特性を大幅に向上させたフィルタ内蔵アンテナが得られる。しかも、フィルタとアンテナとを一体化させていることに加えて、フィルタ内蔵アンテナと回路基板上の電子回路とを近づけて配置することができるため、携帯電話機など、携帯機器で小型化がとくに要求される場合にも、その小型化に寄与することができる。
【００２８】
さらに、本発明によるフィルタ内蔵アンテナを用いる場合、回路基板として積層構造基板を用い、シールドされた内部配線を介して電子回路と接続することにより、アイソレーション特性をより一層向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるフィルタ内蔵アンテナの一実施形態を示す説明図である。
【図２】図１に示される積層誘電体ブロック内のフィルタの構成例を示す図である。
【図３】図１に示されるビアコンタクトの一例の構成例を示す図である。
【図４】図１に示されるフィルタ内蔵アンテナを回路基板に搭載する例の断面説明図である。
【図５】図６の特性を調べる装置の概要を示す図である。
【図６】本発明によるアンテナゲインの周波数特性を従来構造の場合と対比して示した図である。
【図７】従来のフィルタ内蔵アンテナを回路基板に搭載した状態の説明図である。
【符号の説明】
１　　放射素子
２　　フィルタ
３　　積層誘電体ブロック
４　　給電端子電極
５　　フィルタ内蔵アンテナ
６　　回路基板

Claims (3)

1. 一面に導電体膜が形成される誘電体シートが、少なくとも１個のフィルタを構成するように積層されて形成される積層誘電体ブロックと、該積層誘電体ブロックに固定して設けられると共に前記フィルタの一方の電極に電気的に接続される放射素子と、前記フィルタの他方の電極と電気的に接続され、前記積層誘電体ブロックの外面に設けられる給電端子電極とを有し、該給電端子電極が、前記積層誘電体ブロックが外部の回路基板に搭載される際に対向する面である搭載面に設けられ、前記フィルタの他方の電極と前記給電端子電極とを接続する接続配線が前記積層誘電体ブロックの搭載面以外の外面に露出しないように形成されてなるフィルタ内蔵アンテナ。
2. 前記フィルタの他方の電極と前記給電端子電極との電気的接続が、前記誘電体シートに設けられるコンタクト孔内に埋め込まれる導体からなるビアコンタクトを介して行われる請求項１記載のフィルタ内蔵アンテナ。
3. 請求項１記載のフィルタ内蔵アンテナが、シールド層および配線層を少なくとも有する積層構造の回路基板に搭載され、前記給電端子電極が該回路基板内に設けられる内部配線に電気的に接続され、該内部配線を介して前記回路基板表面に設けられる電子部品と前記給電端子電極とが電気的に接続されてなるフィルタ内蔵アンテナの搭載構造。

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