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WO2023090139A1 - アンテナモジュールおよびそれを搭載した通信装置 - Google Patents

アンテナモジュールおよびそれを搭載した通信装置 Download PDF

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WO2023090139A1
WO2023090139A1 PCT/JP2022/040733 JP2022040733W WO2023090139A1 WO 2023090139 A1 WO2023090139 A1 WO 2023090139A1 JP 2022040733 W JP2022040733 W JP 2022040733W WO 2023090139 A1 WO2023090139 A1 WO 2023090139A1
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WO
WIPO (PCT)
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dielectric
radiating element
antenna module
radiating
dielectric substrate
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/JP2022/040733
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English (en)
French (fr)
Inventor
洋介 佐藤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Murata Manufacturing Co Ltd
Original Assignee
Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Murata Manufacturing Co Ltd filed Critical Murata Manufacturing Co Ltd
Publication of WO2023090139A1 publication Critical patent/WO2023090139A1/ja
Priority to US18/656,624 priority Critical patent/US20240291166A1/en
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Ceased legal-status Critical Current

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    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q13/00—Waveguide horns or mouths; Slot antennas; Leaky-waveguide antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave
    • H01Q13/08—Radiating ends of two-conductor microwave transmission lines, e.g. of coaxial lines, of microstrip lines
    • H—ELECTRICITY
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    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/12—Supports; Mounting means
    • H01Q1/22—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles
    • H01Q1/2283—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles mounted in or on the surface of a semiconductor substrate as a chip-type antenna or integrated with other components into an IC package
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    • H01Q1/36—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith
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    • H01Q21/06—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart
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    • 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
    • H—ELECTRICITY
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    • 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
    • H01Q9/0414—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna in a stacked or folded configuration

Definitions

  • the present disclosure relates to an antenna module and a communication device equipped with the same, and more specifically to technology for improving the antenna characteristics of an antenna module capable of radiating radio waves in multiple frequency bands.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Publication No. 6-80975 (Patent Document 1), regarding patch antennas arranged in an array, a reflector is provided on the surface of the dielectric plate on which the patch antennas are arranged, opposite to the patch antenna. , discloses a dielectric-loaded antenna in which a cylindrical dielectric is loaded so as to face a reflector with a patch antenna interposed therebetween.
  • Patent Document 1 discloses a structure of a dielectric-loaded antenna, which improves antenna gain while suppressing a decrease in aperture efficiency.
  • Patent Document 2 in an antenna device for receiving circularly polarized waves, on each element in a specific direction in each of microstrip radiation elements arranged in an array, A configuration in which a dielectric is arranged is disclosed.
  • Patent Document 2 the reception gain of radio waves from the direction in which the dielectric is arranged is improved.
  • antenna modules that support multiple frequency bands
  • antenna characteristics such as broadband and high gain
  • parameters suitable for antenna characteristics differ for each target frequency band. It may not be possible to optimize the parameters for
  • the present disclosure has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to provide an antenna module in which radiating elements corresponding to different frequency bands are arranged on a common dielectric substrate. It is to improve the antenna characteristics.
  • An antenna module includes a dielectric substrate, a first radiating element and a second radiating element arranged on the dielectric substrate, and a first dielectric and a second dielectric.
  • the second radiating element is arranged adjacent to the first radiating element when viewed from above in the normal direction of the dielectric substrate.
  • a first dielectric is disposed over the first radiating element and a second dielectric is disposed over the second radiating element.
  • the second dielectric is spaced apart from the first dielectric.
  • the frequency band of radio waves radiated from the second radiating element is higher than the frequency band of radio waves radiated from the first radiating element.
  • the first dielectric and the second dielectric have higher dielectric constants than the dielectric substrate.
  • An antenna module includes a dielectric substrate, a plurality of first radiating elements and a plurality of second radiating elements, and a first dielectric and a second dielectric.
  • a plurality of first radiating elements and a plurality of second radiating elements are arranged in a first direction on the dielectric substrate.
  • the plurality of second radiating elements are arranged adjacent to the plurality of first radiating elements when viewed in plan from the normal direction of the dielectric substrate.
  • Each of the plurality of first radiating elements is individually covered by a first dielectric and each of the plurality of second radiating elements is individually covered by a second dielectric.
  • the second dielectric is spaced apart from the first dielectric.
  • the frequency band of radio waves radiated from each of the plurality of second radiating elements is higher than the frequency band of radio waves radiated from each of the plurality of first radiating elements.
  • the first dielectric and the second dielectric have higher dielectric constants than the dielectric substrate.
  • two types of frequency band radiating elements (first radiating element, second radiating element) arranged on a common dielectric substrate have a dielectric constant higher than that of the dielectric substrate. It has a configuration in which it is individually covered with bodies (first dielectric and second dielectric). The first dielectric and the second dielectric are arranged apart from each other. With such a configuration, in an antenna module in which radiating elements corresponding to different frequency bands are arranged on a common dielectric substrate, the antenna characteristics of each radiating element can be improved.
  • FIG. 1 is a block diagram of a communication device to which an antenna module according to Embodiment 1 is applied;
  • FIG. 2A and 2B are a plan view and a perspective side view of the antenna module of FIG. 1;
  • FIG. FIG. 4 is a diagram for explaining antenna gains in the antenna module of FIG. 1 and an antenna module of a modified example;
  • FIG. 8 is a side perspective view of the antenna module according to Embodiment 2;
  • FIG. 10 is a plan view of an antenna module according to Embodiment 3; It is a top view of the antenna module of a modification.
  • FIG. 11 is a plan view of an antenna module according to Embodiment 4;
  • FIG. 1 is an example of a block diagram of a communication device 10 to which an antenna module 100 according to the first embodiment is applied.
  • the communication device 10 is, for example, a mobile terminal such as a mobile phone, a smart phone, or a tablet, or a personal computer having a communication function.
  • An example of the frequency band of the radio waves used in the antenna module 100 according to the present embodiment is, for example, millimeter-wave radio waves with center frequencies of 28 GHz, 39 GHz, and 60 GHz. Applicable.
  • the communication device 10 includes an antenna module 100 and a BBIC 200 forming a baseband signal processing circuit.
  • the antenna module 100 includes an RFIC 110 that is an example of a feeding circuit, and an antenna device 120 .
  • the communication device 10 up-converts a signal transmitted from the BBIC 200 to the antenna module 100 into a high-frequency signal at the RFIC 110 and radiates it from the antenna device 120 . Further, the communication device 10 transmits a high-frequency signal received by the antenna device 120 to the RFIC 110 , down-converts the signal, and processes the signal in the BBIC 200 .
  • the antenna module 100 is a so-called dual-band antenna module capable of emitting radio waves in two different frequency bands.
  • Antenna device 120 includes a plurality of radiating elements 121 that radiate relatively low-frequency radio waves and a plurality of radiating elements 122 that relatively radiate high-frequency radio waves.
  • the frequency band of radiating element 121 is 28 GHz band
  • the frequency band of radiating element 122 is 39 GHz band.
  • FIG. 1 shows the configuration of the RFIC 110 corresponding to four radiation elements, respectively, for the plurality of radiation elements (feeding elements) 121 and 122 forming the antenna device 120 .
  • FIG. 1 shows an example of a configuration in which the plurality of radiating elements 121 and 122 in the antenna device 120 are arranged in a one-dimensional array arranged in a row. may be arranged in a two-dimensional array.
  • antenna device 120 may be configured such that each of radiating elements 121 and 122 is provided one by one.
  • both radiating elements 121 and 122 are patch antennas having a flat plate shape.
  • the RFIC 110 includes switches 111A to 111H, 113A to 113H, 117A and 117B, power amplifiers 112AT to 112HT, low noise amplifiers 112AR to 112HR, attenuators 114A to 114H, phase shifters 115A to 115H, and signal synthesis/dividing. It includes wave generators 116A and 116B, mixers 118A and 118B, and amplifier circuits 119A and 119B.
  • switches 111A to 111D, 113A to 113D, 117A, power amplifiers 112AT to 112DT, low noise amplifiers 112AR to 112DR, attenuators 114A to 114D, phase shifters 115A to 115D, signal combiner/demultiplexer 116A, mixer 118A, and the amplifier circuit 119A is a circuit for the radiating element 121 on the low frequency side.
  • the configuration of the amplifier circuit 119B is a circuit for the radiating element 122 on the high frequency side.
  • the switches 111A to 111H and 113A to 113H are switched to the power amplifiers 112AT to 112HT, and the switches 117A and 117B are connected to the transmission side amplifiers of the amplifier circuits 119A and 119B.
  • the switches 111A to 111H and 113A to 113H are switched to the low noise amplifiers 112AR to 112HR, and the switches 117A and 117B are connected to the receiving amplifiers of the amplifier circuits 119A and 119B.
  • Signals transmitted from the BBIC 200 are amplified by amplifier circuits 119A and 119B and up-converted by mixers 118A and 118B.
  • a transmission signal which is an up-converted high-frequency signal, is divided into four by signal combiners/dividers 116A and 116B, passes through corresponding signal paths, and is fed to radiating elements 121 and 122.
  • FIG. At this time, the directivity of antenna device 120 can be adjusted by individually adjusting the degree of phase shift of phase shifters 115A to 115H arranged in each signal path.
  • the received signals which are high-frequency signals received by the radiating elements 121 and 122, are transmitted to the RFIC 110 and are multiplexed in the signal combiner/demultiplexers 116A and 116B via four different signal paths.
  • the multiplexed reception signals are down-converted by mixers 118A and 118B, amplified by amplifier circuits 119A and 119B, and transmitted to BBIC 200.
  • FIG. 2 shows the antenna module 100 according to the first embodiment.
  • a plan view (FIG. 2(A)) of the antenna module 100 is shown in the upper stage, and a side see-through view (FIG. 2(B)) is shown in the lower stage.
  • FIG. 2 for ease of explanation, the case where each of the radiating elements 121 and 122 is one will be explained as an example.
  • the antenna module 100 includes, in addition to the radiating elements 121 and 122 and the RFIC 110, a dielectric substrate 130, feeding wirings 141 and 142, dielectrics 151 and 152, and a ground electrode GND.
  • the normal direction of the dielectric substrate 130 (radio wave radiation direction) is the Z-axis direction.
  • the arrangement direction of the radiation elements 121 and 122 is defined as the X-axis
  • the direction orthogonal to the X-axis is defined as the Y-axis.
  • the positive direction of the Z-axis in each drawing is sometimes referred to as the upper side, and the negative direction as the lower side.
  • Dielectric substrate 130 is, for example, a low temperature co-fired ceramics (LTCC) multilayer substrate, a multilayer resin substrate formed by laminating a plurality of resin layers made of resin such as epoxy or polyimide, or more.
  • LCP liquid crystal polymer
  • the dielectric substrate 130 does not necessarily have a multi-layer structure, and may be a single-layer substrate.
  • the dielectric substrate 130 has a rectangular shape when viewed from the normal direction (Z-axis direction). Radiating elements 121 and 122 are arranged adjacent to each other in the X-axis direction in a layer (upper layer) near the top surface 131 (the surface in the positive direction of the Z-axis) of the dielectric substrate 130 . Radiating elements 121 and 122 may be arranged so as to be exposed on the surface of dielectric substrate 130 or may be arranged inside dielectric substrate 130 . Further, a ground electrode GND is arranged over the entire surface of dielectric substrate 130 at a position near lower surface 132 of dielectric substrate 130 .
  • Each of the radiating elements 121 and 122 is a plate-like electrode having a substantially square shape.
  • the size of the radiating element 122 is smaller than the size of the radiating element 121 and the resonant frequency of the radiating element 122 is higher than the resonant frequency of the radiating element 121 . Therefore, the frequency band of radio waves radiated from radiating element 122 is higher than the frequency band of radio waves radiated from radiating element 121 .
  • High-frequency signals are supplied from the RFIC 110 to the radiating elements 121 and 122 through power supply wirings 141 and 142, respectively.
  • the power supply wiring 141 is connected to the power supply point SP1 of the radiating element 121 through the ground electrode GND from the RFIC 110 . Further, the power supply wiring 142 is connected to the power supply point SP2 of the radiating element 122 through the ground electrode GND from the RFIC 110 . Feed point SP1 is offset from the center of radiating element 121 in the positive X-axis direction, and feed point SP2 is offset from the center of radiating element 122 in the positive X-axis direction. As a result, each of the radiating elements 121 and 122 radiates radio waves whose polarization direction is the X-axis direction.
  • each of the power supply wirings is configured to extend linearly in the Z-axis direction within the dielectric substrate and to be connected to the corresponding radiating element. may be arranged to form a meandering path from below to the radiating element. Further, the radiation element and the feeding wiring may not be directly connected, and a high-frequency signal may be supplied to the radiation element by capacitive coupling using a flat plate electrode provided at the end of the feeding wiring. Furthermore, a stub may be provided on the power supply wiring for impedance matching and/or unwanted wave filtering.
  • the RFIC 110 is mounted on the bottom surface 132 of the dielectric substrate 130 via solder bumps 160 . Note that the RFIC 110 may be connected to the dielectric substrate 130 using a multipolar connector instead of solder connection.
  • a dielectric 151 is arranged in a region covering the radiating element 121 and a dielectric 152 is arranged in a region covering the radiating element 122 .
  • the dielectric constants of dielectrics 151 and 152 are both larger than the dielectric constant of dielectric substrate 130, and the dielectric constant ⁇ 1 of dielectric 151 is larger than the dielectric constant ⁇ 2 of dielectric 152 ( ⁇ 1> ⁇ 2). Dielectrics 151 and 152 are spaced apart from each other.
  • the effective permittivity of dielectric 151 may be made higher than that of dielectric 152 by varying the size of .
  • the dielectric 151 When the dielectric substrate 130 is viewed from the normal direction, the dielectric 151 has a substantially square shape slightly larger than the radiating element 121 .
  • the distance DX1 between the edge of the radiating element 121 and the edge of the dielectric 151 in the X-axis direction is set to 1/2 or less of the length LP1 of one side of the radiating element 121 (DX1 ⁇ LP1/2).
  • the distance DY1 between the end of the radiating element 121 and the end of the dielectric 151 in the Y-axis direction is set to 1/2 or less of the length LP1 of one side of the radiating element 121 (DY1 ⁇ LP1/2).
  • the length LP1 of one side of the radiating element 121 is set to ⁇ g1 /2, where ⁇ g1 is the wavelength in the dielectric substrate 130 of the radio waves radiated from the radiating element 121 .
  • the thickness (that is, the dimension in the Z-axis direction) DZ1 of the dielectric 151 is set to 1/5 or less of the length LP1 of one side of the radiating element 121 (DZ1 ⁇ LP1/5).
  • the dielectric 152 has a substantially square shape slightly larger than the radiating element 122 .
  • the distance DX2 between the end of the radiating element 122 and the end of the dielectric 152 in the X-axis direction is set to be less than or equal to half the length LP2 of one side of the radiating element 122 (DX2 ⁇ LP2/2). be.
  • the distance DY2 between the end of the radiating element 122 and the end of the dielectric 152 in the Y-axis direction is set to 1/2 or less of the length LP2 of one side of the radiating element 122 (DY2 ⁇ LP2/2).
  • the length LP2 of one side of the radiating element 122 is set to ⁇ g2 /2, where ⁇ g2 is the wavelength in the dielectric substrate 130 of the radio waves radiated from the radiating element 122 .
  • the thickness (that is, the dimension in the Z-axis direction) DZ2 of the dielectric 152 is set to 1/5 or less of the length LP2 of one side of the radiating element 122 (DZ2 ⁇ LP2/5).
  • the frequency bandwidth tends to expand as the Q value, which is determined by the ratio of the radiated power and the stored power from the radiating element and the ground electrode, decreases. For example, increasing the distance between the radiating element and the ground electrode or decreasing the dielectric constant between the radiating element and the ground electrode lowers the Q value and expands the frequency bandwidth.
  • the material and dimensions of the dielectric substrate must be adapted to both radiating elements due to dimensional or manufacturing restrictions. may not be possible.
  • radiating elements 121 and 122 are arranged on common dielectric substrate 130, but dielectrics having dielectric constants corresponding to the respective radiating elements are individually placed on dielectric substrate 130. are placed in As a result, the intensity of the surface wave can be adjusted individually for each of the radiating elements 121 and 122, so that the frequency bandwidth for both radiating elements 121 and 122 can be adjusted appropriately even though they are arranged on the common dielectric substrate 130. can be expanded to
  • the dielectric substrate when the dielectric substrate is viewed from above, at least the distance between the end of the radiating element and the end of the dielectric in the polarization direction is half the size of the radiating element. It is restricted as follows. Also, the thickness of the dielectric is limited to 1/5 of the thickness of the radiating element. As a result, the influence of the surface waves is suppressed from being excessive, so that it is possible to appropriately expand the frequency bandwidth while suppressing the decrease in the antenna gain of both the radiating elements 121 and 122 .
  • antenna characteristics of the antenna module 100 of Embodiment 1 will be described in comparison with the antenna module of the comparative example.
  • the antenna gains of the radiation elements on the high frequency side will be described for the antenna module 100 of the first embodiment, the antenna module 100X of the first comparative example, and the antenna module 100Y of the second comparative example.
  • the antenna device 120X of the antenna module 100X of Comparative Example 1 has a configuration in which a dielectric 152X covering both the radiating elements 121 and 122 is arranged on the dielectric substrate .
  • the dielectric constant of dielectric 152X is the same as the dielectric constant of dielectric 152 applied to high frequency side radiation element 122 in antenna module 100 of the first embodiment.
  • the antenna device 120Y of the antenna module 100Y of Comparative Example 2 has a configuration in which the size of the dielectric 152 corresponding to the radiation element 122 on the high frequency side in the antenna module 100 of Embodiment 1 is increased.
  • the distances DX1 and DY1 between the ends of radiating element 122 and dielectric 152Y in the X-axis direction and the Y-axis direction when viewed from the normal direction of dielectric substrate 130 are the distances DX1 and DY1 of radiating element 122.
  • the thickness DZ1 of the dielectric 152Y is greater than 1/2 of the length of one side and greater than 1/5 of the length of one side of the radiating element 122.
  • the dielectric substrate has a dielectric constant of 3
  • the dielectrics 152, 152X, and 152Y have a dielectric constant of 18, and the radiation element 122 has a side length of 0.7 mm.
  • DX1 and DY1 are set to 0.3 mm
  • the thickness DZ1 is set to 0.1 mm.
  • the thickness DZ1 in Comparative Example 1 is 0.1 mm as in the first embodiment.
  • DX1 and DY1 are set to 0.5 mm
  • the thickness DZ1 is set to 0.2 mm.
  • the frequency band WB covered by the radiation element 122 is 37 GHz to 48 GHz.
  • the antenna module of Embodiment 1 achieves an antenna gain of 5.0 dBi or more over the entire frequency band WB.
  • the antenna gain in the range of 39 GHz to 47 GHz in the frequency band WB is less than 5.0 dBi.
  • the antenna gain in the range of 43.5 GHz to 47 GHz in the frequency band WB is less than 5.0 dBi. That is, when the size of the dielectric is excessively large with respect to the size of the radiating element, the antenna gain of the radiating element is reduced particularly in the high frequency region of the frequency band.
  • the antenna module 100 of Embodiment 1 has a configuration in which individual dielectrics are arranged separately from each other for each radiating element arranged on a common dielectric substrate. , the dimensions of each dielectric are appropriately set according to the size of the corresponding radiating element. With such a configuration, it is possible to strengthen the influence of the surface wave due to the dielectric to an appropriate degree. The antenna characteristics of the radiating element can be improved.
  • Random element 121 and “radiation element 122" in Embodiment 1 respectively correspond to “first radiation element” and “second radiation element” in the present disclosure.
  • Dielectric 151" and “dielectric 152" in Embodiment 1 respectively correspond to “first dielectric” and “second dielectric” in the present disclosure.
  • Embodiment 2 In Embodiment 2, a configuration in which dielectrics on radiating elements spaced apart from each other are filled with a dielectric having a lower dielectric constant than that of the dielectrics will be described.
  • FIG. 4 is a side see-through view of the antenna module 100A according to the second embodiment.
  • Antenna device 120A of antenna module 100A has a configuration in which dielectric 155 is added to the configuration of antenna module 100 in FIG.
  • the configuration other than the dielectric 155 is the same as that of the antenna module 100 of FIG.
  • descriptions of elements overlapping those of FIG. 2 will not be repeated.
  • dielectric 155 is arranged on top surface 131 of dielectric substrate 130 in a region where dielectrics 151 and 152 are not arranged.
  • the dielectric constant of dielectric 155 is lower than that of dielectrics 151 and 152 .
  • the dielectric constant of the dielectric 155 may be higher or lower than the dielectric constant of the dielectric substrate 130 .
  • the thickness (dimension in the Z-axis direction) of the dielectric 155 is preferably the same as that of the dielectrics 151 and 152 .
  • the top surface of the antenna device 120A becomes flat, which facilitates handling in the manufacturing process or mounting on another substrate.
  • dielectrics having sizes suitable for each radiating element are individually arranged apart from each other, the antenna characteristics of each radiating element can be improved. .
  • the “dielectric 155" in Embodiment 2 corresponds to the "fourth dielectric” in the present disclosure.
  • Embodiment 3 In Embodiments 1 and 2, the configuration of the antenna module in which radiating elements for two different frequency bands are arranged on the dielectric substrate has been described.
  • Embodiment 3 the configuration of an antenna module formed as an array antenna in which a plurality of radiating elements are arranged for each frequency band will be described.
  • FIG. 5 is a plan view of antenna module 100B according to the third embodiment.
  • antenna device 120B of antenna module 100B four radiating elements 121 and four radiating elements 122 are arranged on dielectric substrate .
  • the dielectric substrate 130 has a rectangular shape with long sides along the X-axis when viewed from the normal direction.
  • Four radiating elements 121 are arranged in a row along the long side of the dielectric substrate 130 with a space therebetween.
  • the four radiating elements 122 are also spaced apart from each other and arranged in a row along the long side of the dielectric substrate 130 .
  • Adjacent radiating elements 121 and 122 are spaced apart in the Y-axis direction.
  • each radiating element 122 may be positioned between two adjacent radiating elements 121 .
  • the radiating elements 121 are arranged such that the element pitch between adjacent radiating elements 121 is 0.4 ⁇ 1 or more and 0.8 ⁇ 1 or less. placed.
  • the radiating elements 122 are radiated so that the element pitch between adjacent radiating elements 122 is 0.4 ⁇ 2 or more and 0.8 ⁇ 2 or less.
  • An element 122 is placed.
  • the element pitch between the radiating elements 122 may be the same as or different from the element pitch between the radiating elements 121 as long as it is within the above range.
  • the feeding point SP1 of the radiating element 121 is arranged at a position offset from the center of the radiating element 121 in the X-axis direction.
  • the feeding point SP2 of the radiating element 122 is also arranged at a position offset from the center of the radiating element 122 in the X-axis direction. That is, each of the radiating elements 121 and 122 radiates radio waves whose polarization direction is the X-axis direction.
  • dielectrics 151 are individually arranged separately from each other so as to cover the radiating elements 121, respectively. 2
  • the distance between the edge of the radiation element 121 and the edge of the dielectric 151 in the X-axis direction and the Y-axis direction is 1/2 or less of the length of one side of the radiation element 121.
  • a dielectric 152 is separately arranged so as to cover the radiating element.
  • the distance between the end of the radiating element 122 and the end of the dielectric 152 in the X-axis direction and the Y-axis direction is set to 1/2 or less of the length of one side of the radiating element 121 .
  • dielectrics of suitable sizes are individually arranged separately from each other for each radiating element. Therefore, the antenna characteristics of each radiating element and the array antenna as a whole can be improved.
  • the "X-axis direction" in Embodiment 3 corresponds to the "first direction” in the present disclosure.
  • FIG. 6 is a plan view of a modified antenna module 100C.
  • Antenna device 120C of antenna module 100C is an array antenna in which four radiation elements 121 and four radiation elements 122 are arranged on dielectric substrate 130, similar to antenna module 100B in FIG. However, in antenna module 100C, each of radiating elements 121 and 122 is arranged such that each side is inclined at 45° with respect to the side of dielectric substrate 130 .
  • the radiating element 121 is arranged so that the polarization direction is 45° counterclockwise (CCW) with respect to the X-axis.
  • the radiation element 122 is arranged so that the polarization direction is 45 degrees clockwise (CW) with respect to the X-axis. That is, in the antenna module 100C, the polarization direction of radio waves radiated from the radiation element 121 and the polarization direction of radio waves radiated from the radiation element 122 are orthogonal to each other.
  • the center position of the radiation element 122 is offset from the center position of the radiation element 121 in the X-axis direction so that the radiation elements 121 and 122 do not overlap.
  • the dielectric 151 is individually arranged so as to cover each of the radiating elements 121, and for each of the radiating elements 122, the dielectric 151 A dielectric 152 is individually arranged to cover the .
  • the antenna module 100C of the modified example in an array antenna capable of radiating radio waves in two different frequency bands, dielectrics of suitable sizes are arranged separately from each other for each radiating element. Therefore, the antenna characteristics of each radiating element and the array antenna as a whole can be improved.
  • Embodiment 4 In Embodiment 4, the configuration of an array antenna in which radiating elements for three different frequency bands are arranged will be described.
  • FIG. 7 is a plan view of antenna module 100D according to the fourth embodiment.
  • the antenna device 120D of the antenna module 100D in addition to the configuration of the antenna module 100C of FIG. 6, four radiating elements 123 capable of radiating radio waves in a higher frequency band and a dielectric 153 corresponding thereto are arranged. have a configuration.
  • the description of the elements overlapping those in FIG. 6 will not be repeated.
  • the dimension of the dielectric substrate 130 in the antenna module 100D in the Y-axis direction is longer than the dimension in the Y-axis direction of the dielectric substrate 130 of the antenna module 100C.
  • four radiating elements 123 are spaced apart in a row.
  • the size of the radiating element 123 is smaller than the size of the radiating element 122. Therefore, the frequency band of radio waves radiated from radiating element 123 is higher than the frequency band of radio waves radiated from radiating elements 121 and 122 .
  • the frequency band of radiating element 123 is 60 GHz.
  • Each of the radiating elements 123 is arranged so that each side is inclined with respect to each side of the dielectric substrate 130 .
  • the center position of the radiating element 123 is offset from the center position of the radiating element 122 in the X-axis direction.
  • the position of the center of the radiation element 123 in the X-axis direction is the same as the position of the center of the radiation element 121 in the X-axis direction.
  • dielectrics 153 are individually arranged for each of the radiating elements 123 so as to cover the radiating elements 123 .
  • the size of the dielectric 153 is larger than the size of the radiating element 123, and the ends of the radiating element 123 and the dielectric in the direction of polarization and in the direction perpendicular to the direction of polarization.
  • the distance between the ends of body 153 is less than half the length of one side of radiating element 123 .
  • the thickness of the radiating element 123 is smaller than 1 ⁇ 5 of the length of one side of the radiating element 123 .
  • the dielectric constant ⁇ 3 of the dielectric 153 is smaller than the dielectric constant ⁇ 1 of the dielectric 151 and the dielectric constant ⁇ 2 of the dielectric 152 ( ⁇ 1> ⁇ 2> ⁇ 3). Further, when the spatial wavelength of radio waves radiated from each of the radiation elements 123 is ⁇ 3 , the element pitch between adjacent radiation elements 123 is 0.4 ⁇ 3 or more and 0.8 ⁇ 3 or less. 123 are arranged. Note that the dielectric constant ⁇ 3 of the dielectric 153 may be the same as the dielectric constant ⁇ 1 of the dielectric 151 and/or the dielectric constant ⁇ 2 of the dielectric 152 .
  • each radiating element and the array antenna can be arranged by separately arranging dielectrics of suitable sizes for each radiating element at a distance from each other. Antenna characteristics can be improved as a whole.
  • each radiating element has a substantially square shape when viewed from the normal direction of the dielectric substrate. It may be polygonal, circular, or elliptical other than.
  • the distance between the end of the radiating element and the end of the dielectric in the polarization direction is the dimension of the radiating element in the polarization direction. , it is possible to widen the band while suppressing a decrease in antenna gain.
  • radio waves in two different polarization directions can be radiated from each radiating element.
  • the features of the present disclosure may also be applied to so-called dual polarization type configurations. In this case, by setting the distance between the end of the radiating element and the end of the dielectric in each polarization direction to be 1/2 or less of the dimension of the radiating element in the polarization direction, the antenna gain can be increased. It is possible to widen the band while suppressing the decrease.
  • 10 communication device 100, 100A to 100D, 100X, 100Y antenna module, 110 RFIC, 111A to 111H, 113A to 113H, 117A, 117B switch, 112AR to 112HR low noise amplifier, 112AT to 112HT power amplifier, 114A to 114H attenuator, 115A to 115H phase shifter, 116A, 116B signal combiner/demultiplexer, 118A, 118B mixer, 119A, 119B amplifier circuit, 120, 120A to 120D, 120X, 120Y antenna device, 121 to 123 radiation element, 130 dielectric substrate , 131 upper surface, 132 lower surface, 141, 142 power supply wiring, 151 to 153, 152X, 152Y, 155 dielectric, 160 solder bump, BBIC 200, GND ground electrode, SP1, SP2 power supply point.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Abstract

アンテナモジュール（１００）は、誘電体基板（１３０）と、誘電体基板（１３０）に配置された放射素子（１２１，１２２）と、誘電体（１５１，１５２）とを備える。放射素子（１２２）は、誘電体基板（１３０）の法線方向から平面視した場合に、放射素子（１２１）に隣接して配置されている。誘電体（１５１）は放射素子（１２１）を覆うように配置されており、誘電体（１５２）は放射素子（１２２）を覆うように配置されている。誘電体（１５２）は、誘電体（１５１）から離間して配置されている。放射素子（１２２）から放射される電波の周波数帯域は、放射素子（１２１）から放射される電波の周波数帯域よりも高い。誘電体（１５１，１５２）は、誘電体基板（１３０）よりも高い誘電率を有する。

Description

アンテナモジュールおよびそれを搭載した通信装置
　本開示は、アンテナモジュールおよびそれを搭載した通信装置に関し、より特定的には、複数の周波数帯域の電波を放射可能なアンテナモジュールのアンテナ特性を向上させるための技術に関する。
　従来より、平板形状の放射素子を有するアンテナにおいて、放射素子上に誘電体を配置した構成が知られている。たとえば、特公平６－８０９７５号公報（特許文献１）には、アレイ状に配置されたパッチアンテナについて、パッチアンテナが配置された誘電体板におけるパッチアンテナとは反対側の面に反射板を設け、パッチアンテナを挟んで反射板と対向するように円柱状の誘電体を装荷した、誘電体装荷アンテナが開示されている。特公平６－８０９７５号公報（特許文献１）の誘電体装荷アンテナの構成においては、開口効率の低下を抑制しつつ、アンテナゲイン（利得）を向上させている。
　また、特開平９－１９９９３８号公報（特許文献２）には、円偏波受信用のアンテナ装置において、アレイ状に配列されたマイクロストリップ放射素子の各々における特定方向の素子上に、部分的に誘電体を配置した構成が開示されている。特開平９－１９９９３８号公報（特許文献２）に開示された構成においては、誘電体が配置された方向からの電波の受信利得を向上させている。
特公平６－８０９７５号公報 特開平９－１９９９３８号公報
　近年では、複数の通信規格に対応した通信装置の開発が進められている。このような通信装置においては、通信規格ごとに定められた異なる周波数帯域の電波を送受信することが必要であり、それに伴って、同一基板上に各周波数帯域に対応したアンテナが配置される場合がある。
　このような複数の周波数帯域に対応したアンテナモジュールにおいては、各周波数帯域の電波について、広帯域化および高ゲイン化などのアンテナ特性のさらなる向上が求められている。しかしながら、アンテナ特性に適したパラメータ（誘電率等）は、対象とする周波数帯域ごとに異なっているため、異なる周波数帯域のアンテナが同一基板上に配置される構成の場合には、必ずしも全てのアンテナについてのパラメータを最適化できない場合がある。
　本開示は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、共通の誘電体基板に異なる周波数帯域に対応した放射素子が配置されたアンテナモジュールにおいて、各放射素子のアンテナ特性を向上させることである。
　本開示の第１の局面に係るアンテナモジュールは、誘電体基板と、誘電体基板に配置された第１放射素子および第２放射素子と、第１誘電体および第２誘電体とを備える。第２放射素子は、誘電体基板の法線方向から平面視した場合に、第１放射素子に隣接して配置されている。第１誘電体は第１放射素子を覆うように配置されており、第２誘電体は第２放射素子を覆うように配置されている。第２誘電体は、第１誘電体から離間して配置されている。第２放射素子から放射される電波の周波数帯域は、第１放射素子から放射される電波の周波数帯域よりも高い。第１誘電体および第２誘電体は、誘電体基板よりも高い誘電率を有する。
　本開示の第２の局面に係るアンテナモジュールは、誘電体基板と、複数の第１放射素子および複数の第２放射素子と、第１誘電体および第２誘電体とを備える。複数の第１放射素子および複数の第２放射素子は、誘電体基板において第１方向に配置されている。誘電体基板の法線方向から平面視した場合に、複数の第２放射素子は、複数の第１放射素子に隣接して配置されている。複数の第１放射素子の各々は第１誘電体によって個別に覆われており、複数の第２放射素子の各々は第２誘電体によって個別に覆われている。第２誘電体は、第１誘電体から離間して配置されている。複数の第２放射素子の各々から放射される電波の周波数帯域は、複数の第１放射素子の各々から放射される電波の周波数帯域よりも高い。第１誘電体および第２誘電体は、誘電体基板よりも高い誘電率を有する。
　本開示に係るアンテナモジュールにおいては、共通の誘電体基板上に配置された２種類の周波数帯域の放射素子（第１放射素子，第２放射素子）が、誘電体基板よりも高い誘電率の誘電体（第１誘電体，第２誘電体）で個別に覆われた構成を有している。そして、第１誘電体および第２誘電体が互いに離間して配置されている。このような構成とすることによって、共通の誘電体基板に異なる周波数帯域に対応した放射素子が配置されたアンテナモジュールにおいて、各放射素子のアンテナ特性を向上させることができる。
実施の形態１に従うアンテナモジュールが適用される通信装置のブロック図である。 図１のアンテナモジュールの平面図および側面透視図である。 図１のアンテナモジュールおよび変形例のアンテナモジュールにおけるアンテナゲインを説明するための図である。 実施の形態２に従うアンテナモジュールの側面透視図である。 実施の形態３に従うアンテナモジュールの平面図である。 変形例のアンテナモジュールの平面図である。 実施の形態４に従うアンテナモジュールの平面図である。
　以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
　［実施の形態１］
　（通信装置の基本構成）
　図１は、本実施の形態１に係るアンテナモジュール１００が適用される通信装置１０のブロック図の一例である。通信装置１０は、たとえば、携帯電話、スマートフォンあるいはタブレットなどの携帯端末や、通信機能を備えたパーソナルコンピュータなどである。本実施の形態に係るアンテナモジュール１００に用いられる電波の周波数帯域の一例は、たとえば２８ＧＨｚ、３９ＧＨｚおよび６０ＧＨｚなどを中心周波数とするミリ波帯の電波であるが、上記以外の周波数帯域の電波についても適用可能である。
　図１を参照して、通信装置１０は、アンテナモジュール１００と、ベースバンド信号処理回路を構成するＢＢＩＣ２００とを備える。アンテナモジュール１００は、給電回路の一例であるＲＦＩＣ１１０と、アンテナ装置１２０とを備える。通信装置１０は、ＢＢＩＣ２００からアンテナモジュール１００へ伝達された信号を、ＲＦＩＣ１１０にて高周波信号にアップコンバートし、アンテナ装置１２０から放射する。また、通信装置１０は、アンテナ装置１２０で受信した高周波信号をＲＦＩＣ１１０へ送信し、ダウンコンバートしてＢＢＩＣ２００にて信号を処理する。
　アンテナモジュール１００は、異なる２つの周波数帯域の電波が放射可能な、いわゆるデュアルバンドタイプのアンテナモジュールである。アンテナ装置１２０は、相対的に低周波数側の電波を放射する複数の放射素子１２１、および、相対的に高周波数側の電波を放射する複数の放射素子１２２を含む。なお、実施の形態１の例においては、放射素子１２１の周波数帯域は２８ＧＨｚ帯であり、放射素子１２２の周波数帯域は３９ＧＨｚ帯である。
　図１では、説明を容易にするために、アンテナ装置１２０を構成する複数の放射素子（給電素子）１２１，１２２に対して、それぞれ４つの放射素子に対応するＲＦＩＣ１１０の構成が示されている。なお、図１においては、アンテナ装置１２０における複数の放射素子１２１，１２２が、一列に配置された一次元のアレイ状に配置された構成の例を示しているが、複数の放射素子１２１，１２２は二次元アレイに構成されていてもよい。また、アンテナ装置１２０は、放射素子１２１，１２２の各々が１つずつ設けられる構成であってもよい。本実施の形態においては、放射素子１２１，１２２はいずれも、平板形状を有するパッチアンテナである。
　ＲＦＩＣ１１０は、スイッチ１１１Ａ～１１１Ｈ，１１３Ａ～１１３Ｈ，１１７Ａ，１１７Ｂと、パワーアンプ１１２ＡＴ～１１２ＨＴと、ローノイズアンプ１１２ＡＲ～１１２ＨＲと、減衰器１１４Ａ～１１４Ｈと、移相器１１５Ａ～１１５Ｈと、信号合成／分波器１１６Ａ，１１６Ｂと、ミキサ１１８Ａ，１１８Ｂと、増幅回路１１９Ａ、１１９Ｂとを備える。このうち、スイッチ１１１Ａ～１１１Ｄ，１１３Ａ～１１３Ｄ，１１７Ａ、パワーアンプ１１２ＡＴ～１１２ＤＴ、ローノイズアンプ１１２ＡＲ～１１２ＤＲ、減衰器１１４Ａ～１１４Ｄ、移相器１１５Ａ～１１５Ｄ、信号合成／分波器１１６Ａ、ミキサ１１８Ａ、および増幅回路１１９Ａの構成が、低周波数側の放射素子１２１のための回路である。また、スイッチ１１１Ｅ～１１１Ｈ，１１３Ｅ～１１３Ｈ，１１７Ｂ、パワーアンプ１１２ＥＴ～１１２ＨＴ、ローノイズアンプ１１２ＥＲ～１１２ＨＲ、減衰器１１４Ｅ～１１４Ｈ、移相器１１５Ｅ～１１５Ｈ、信号合成／分波器１１６Ｂ、ミキサ１１８Ｂ、および増幅回路１１９Ｂの構成が、高周波数側の放射素子１２２のための回路である。
　高周波信号を送信する場合には、スイッチ１１１Ａ～１１１Ｈ，１１３Ａ～１１３Ｈがパワーアンプ１１２ＡＴ～１１２ＨＴ側へ切換えられるとともに、スイッチ１１７Ａ，１１７Ｂが増幅回路１１９Ａ，１１９Ｂの送信側アンプに接続される。高周波信号を受信する場合には、スイッチ１１１Ａ～１１１Ｈ，１１３Ａ～１１３Ｈがローノイズアンプ１１２ＡＲ～１１２ＨＲ側へ切換えられるとともに、スイッチ１１７Ａ，１１７Ｂが増幅回路１１９Ａ，１１９Ｂの受信側アンプに接続される。
　ＢＢＩＣ２００から伝達された信号は、増幅回路１１９Ａ，１１９Ｂで増幅され、ミキサ１１８Ａ，１１８Ｂ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である送信信号は、信号合成／分波器１１６Ａ，１１６Ｂで４分波され、対応する信号経路を通過して、放射素子１２１，１２２に給電される。このとき、各信号経路に配置された移相器１１５Ａ～１１５Ｈの移相度が個別に調整されることにより、アンテナ装置１２０の指向性を調整することができる。
　各放射素子１２１，１２２で受信された高周波信号である受信信号は、ＲＦＩＣ１１０に伝達され、それぞれ異なる４つの信号経路を経由して信号合成／分波器１１６Ａ，１１６Ｂにおいて合波される。合波された受信信号は、ミキサ１１８Ａ，１１８Ｂでダウンコンバートされ、増幅回路１１９Ａ，１１９Ｂで増幅されてＢＢＩＣ２００へ伝達される。
　（アンテナモジュールの構造）
　次に、図２を用いて、実施の形態１におけるアンテナモジュール１００の構成の詳細を説明する。図２は、実施の形態１の係るアンテナモジュール１００を示す図である。図２においては、上段にアンテナモジュール１００の平面図（図２（Ａ））が示されており、下段に側面透視図（図２（Ｂ））が示されている。なお、図２においては、説明を容易にするために、放射素子１２１，１２２がそれぞれ１つである場合を例として説明する。
　アンテナモジュール１００は、放射素子１２１，１２２およびＲＦＩＣ１１０に加えて、誘電体基板１３０と、給電配線１４１，１４２と、誘電体１５１，１５２と、接地電極ＧＮＤとを含む。なお、以降の説明において、誘電体基板１３０の法線方向（電波の放射方向）をＺ軸方向とする。また、Ｚ軸方向に垂直な面において、放射素子１２１，１２２の配列方向をＸ軸とし、Ｘ軸に直交する方向をＹ軸として規定する。また、各図におけるＺ軸の正方向を上方側、負方向を下方側と称する場合がある。
　誘電体基板１３０は、たとえば、低温同時焼成セラミックス（ＬＴＣＣ：Low　Temperature　Co-fired　Ceramics）多層基板、エポキシ、ポリイミドなどの樹脂から構成される樹脂層を複数積層して形成された多層樹脂基板、より低い誘電率を有する液晶ポリマー（Liquid　Crystal　Polymer：ＬＣＰ）から構成される樹脂層を複数積層して形成された多層樹脂基板、フッ素系樹脂から構成される樹脂層を複数積層して形成された多層樹脂基板、ＰＥＴ（Polyethylene　Terephthalate）材から構成される樹脂層を複数積層して形成された多層樹脂基板、あるいは、ＬＴＣＣ以外のセラミックス多層基板である。なお、誘電体基板１３０は必ずしも多層構造でなくてもよく、単層の基板であってもよい。
　誘電体基板１３０は、法線方向（Ｚ軸方向）から平面視すると矩形形状を有している。誘電体基板１３０の上面１３１（Ｚ軸の正方向の面）に近い層（上方側の層）に、放射素子１２１，１２２がＸ軸方向に隣接して配置されている。放射素子１２１，１２２は、誘電体基板１３０の表面に露出する態様で配置されてもよいし、誘電体基板１３０の内部に配置されてもよい。また、誘電体基板１３０の下面１３２に近い位置において、誘電体基板１３０の全面にわたって接地電極ＧＮＤが配置されている。
　放射素子１２１，１２２の各々は、略正方形の形状を有する平板状の電極である。放射素子１２２のサイズは放射素子１２１のサイズよりも小さく、放射素子１２２の共振周波数は放射素子１２１の共振周波数よりも高い。そのため、放射素子１２２から放射される電波の周波数帯域は、放射素子１２１から放射される電波の周波数帯域よりも高い。放射素子１２１，１２２には、それぞれ給電配線１４１，１４２を介して、ＲＦＩＣ１１０から高周波信号が供給される。
　給電配線１４１は、ＲＦＩＣ１１０から接地電極ＧＮＤを貫通して、放射素子１２１の給電点ＳＰ１に接続される。また、給電配線１４２は、ＲＦＩＣ１１０から接地電極ＧＮＤを貫通して、放射素子１２２の給電点ＳＰ２に接続される。給電点ＳＰ１は放射素子１２１の中心からＸ軸の正方向にオフセットしており、給電点ＳＰ２は放射素子１２２の中心からＸ軸の正方向にオフセットしている。これにより、放射素子１２１，１２２の各々からは、Ｘ軸方向を偏波方向とする電波が放射される。
　なお、図２においては、給電配線の各々は、誘電体基板内においてＺ軸方向に直線的に延伸して対応する放射素子に接続される構成となっているが、各給電配線は、放射素子の下方から放射素子までメアンダ状の経路となるように配置されていてもよい。また、放射素子と給電配線は直接接続されていなくてもよく、給電配線の端部に設けられた平板電極を用いた容量結合によって放射素子に高周波信号を供給する構成であってもよい。さらに、インピーダンスマッチングおよび／または不要波のフィルタリングのために、給電配線にスタブが設けられていてもよい。
　誘電体基板１３０の下面１３２には、はんだバンプ１６０を介してＲＦＩＣ１１０が実装されている。なお、ＲＦＩＣ１１０は、はんだ接続に代えて、多極コネクタを用いて誘電体基板１３０に接続されてもよい。
　誘電体基板１３０の上面１３１において、放射素子１２１を覆う領域には誘電体１５１が配置されており、放射素子１２２を覆う領域には誘電体１５２が配置されている。誘電体１５１，１５２の誘電率は、いずれも誘電体基板１３０の誘電率よりも大きく、さらに、誘電体１５１の誘電率ε１は誘電体１５２の誘電率ε２よりも大きい（ε１＞ε２）。誘電体１５１，１５２は、互いに離間して配置されている。なお、誘電体１５１，１５２が同じ誘電率の場合（ε１＝ε２）、あるいは、誘電体１５１の誘電率が誘電体１５２の誘電率よりも小さい場合（ε１＜ε２）でも、誘電体１５１，１５２のサイズを異ならせることによって、誘電体１５１の実質的な誘電率を誘電体１５２よりも大きくするようにしてもよい。
　誘電体基板１３０を法線方向から平面視した場合に、誘電体１５１のサイズは、放射素子１２１よりもやや大きな略正方形の形状を有している。Ｘ軸方向における放射素子１２１の端部と誘電体１５１の端部との距離ＤＸ１は、放射素子１２１の一辺の長さＬＰ１の１／２以下（ＤＸ１≦ＬＰ１／２）となるように設定される。また、Ｙ軸方向における放射素子１２１の端部と誘電体１５１の端部との距離ＤＹ１についても、放射素子１２１の一辺の長さＬＰ１の１／２以下（ＤＹ１≦ＬＰ１／２）となるように設定される。なお、放射素子１２１の一辺の長さＬＰ１は、放射素子１２１から放射される電波の誘電体基板１３０内における波長をλｇ１とすると、λｇ１／２となるように設定される。また、誘電体１５１の厚み（すなわち、Ｚ軸方向の寸法）ＤＺ１は、放射素子１２１の一辺の長さＬＰ１の１／５以下（ＤＺ１≦ＬＰ１／５）となるように設定される。
　同様に、誘電体基板１３０を法線方向から平面視した場合に、誘電体１５２のサイズは、放射素子１２２よりもやや大きな略正方形の形状を有している。Ｘ軸方向における放射素子１２２の端部と誘電体１５２の端部との距離ＤＸ２は、放射素子１２２の一辺の長さＬＰ２の１／２以下（ＤＸ２≦ＬＰ２／２）となるように設定される。また、Ｙ軸方向における放射素子１２２の端部と誘電体１５２の端部との距離ＤＹ２についても、放射素子１２２の一辺の長さＬＰ２の１／２以下（ＤＹ２≦ＬＰ２／２）となるように設定される。なお、放射素子１２２の一辺の長さＬＰ２は、放射素子１２２から放射される電波の誘電体基板１３０内における波長をλｇ２とすると、λｇ２／２となるように設定される。また、誘電体１５２の厚み（すなわち、Ｚ軸方向の寸法）ＤＺ２は、放射素子１２２の一辺の長さＬＰ２の１／５以下（ＤＺ２≦ＬＰ２／５）となるように設定される。
　平板形状のパッチアンテナにおいては、一般的に、放射素子と接地電極とによる放射電力および蓄積電力の割合で決まるＱ値が低下すると周波数帯域幅が拡大する傾向にある。たとえば、放射素子と接地電極との間の距離を長くしたり、放射素子と接地電極との間の誘電率を低くしたりすると、Ｑ値が低下して周波数帯域幅が拡大する。
　誘電体基板よりも高い誘電率の誘電体で放射素子の上部を覆った場合、放射素子に生じる表面波が強くなる傾向にあり、高誘電率の誘電体がない場合に比べて、放射素子の端部から電極面に沿った方向に発生する電気力線がより遠くまで飛ぶようになる。そうすると、放射素子から接地電極に至るまでの電気力線の経路長が長くなるため、結果的に放射素子と接地電極との間の距離が長くなったことと等価な状態となる。そのため、高誘電率の誘電体で放射電極の上部を覆うことによって、パッチアンテナのＱ値が低下し、結果として周波数帯域幅が拡大する。
　ここで、共通の誘電体基板上に異なる周波数帯域の放射素子を配置する場合、寸法上あるいは製造上の制約から、誘電体基板の材質および寸法を、双方の放射素子に適合した状態とすることができない場合がある。
　実施の形態１のアンテナモジュール１００においては、放射素子１２１，１２２は共通の誘電体基板１３０に配置されているが、各放射素子に応じた誘電率を有する誘電体が誘電体基板１３０上に個別に配置されている。これによって、放射素子１２１，１２２の各々について表面波の強さを個別に調整できるので、共通の誘電体基板１３０に配置されていても、双方の放射素子１２１，１２２についての周波数帯域幅を適切に拡大することができる。
　一方で、放射素子上に配置された誘電体のサイズが大きくなり過ぎると、表面波による影響が大きくなって電気力線の周囲への広がりが大きくなるため、電波の放射方向のアンテナゲインが低下する要因になり得る。すなわち、高誘電率の誘電体の配置による周波数帯域幅の拡大とアンテナゲインの確保とは、トレードオフの関係となる。
　実施の形態１のアンテナモジュール１００においては、誘電体基板を平面視した場合に、少なくとも偏波方向における放射素子の端部と誘電体の端部との距離が、放射素子のサイズの１／２以下となるように制限されている。また、誘電体の厚みについても、放射素子の厚みの１／５に制限されている。これによって、表面波による影響が過度になることが抑制されるので、双方の放射素子１２１，１２２についてアンテナゲインの低下を抑制しつつ、周波数帯域幅を適切に拡大することが可能となる。
　（アンテナ特性）
　次に、図３を用いて、実施の形態１のアンテナモジュール１００におけるアンテナ特性を、比較例のアンテナモジュールと比較しながら説明する。図３においては、実施の形態１のアンテナモジュール１００、比較例１のアンテナモジュール１００Ｘおよび比較例２のアンテナモジュール１００Ｙについても高周波数側の放射素子についてのアンテナゲインについて説明する。
　比較例１のアンテナモジュール１００Ｘのアンテナ装置１２０Ｘは、誘電体基板１３０上に放射素子１２１，１２２の双方を覆う誘電体１５２Ｘが配置された構成を有している。誘電体１５２Ｘの誘電率は、実施の形態１のアンテナモジュール１００における高周波数側の放射素子１２２に適用される誘電体１５２の誘電率と同じである。
　また、比較例２のアンテナモジュール１００Ｙのアンテナ装置１２０Ｙは、実施の形態１のアンテナモジュール１００における、高周波数側の放射素子１２２に対応する誘電体１５２のサイズを大きくした構成を有している。比較例２においては、誘電体基板１３０の法線方向から平面視した場合の、Ｘ軸方向およびＹ軸方向における放射素子１２２の端部と誘電体１５２Ｙとの距離ＤＸ１，ＤＹ１が放射素子１２２の一辺の長さの１／２よりも大きく、かつ、誘電体１５２Ｙの厚みＤＺ１が放射素子１２２の一辺の長さの１／５よりも大きくされている。
　具体的には、誘電体基板の誘電率は３であり、誘電体１５２，１５２Ｘ，１５２Ｙの誘電率は１８であり、放射素子１２２の一辺の長さは０．７ｍｍである。実施の形態１において、ＤＸ１，ＤＹ１は０．３ｍｍとし、厚みＤＺ１は０．１ｍｍとしている。比較例１における厚みＤＺ１は、実施の形態１と同じく０．１ｍｍとしている。また、比較例２において、ＤＸ１，ＤＹ１は０．５ｍｍとし、厚みＤＺ１は０．２ｍｍとしている。
　放射素子１２２がカバーする周波数帯域ＷＢは３７ＧＨｚ～４８ＧＨｚである。図３に示されるように、実施の形態１のアンテナモジュールにおいては、周波数帯域ＷＢの全体にわたって、５．０ｄＢｉ以上のアンテナゲインが実現されている。一方、比較例１のアンテナモジュール１００Ｘにおいては、周波数帯域ＷＢにおける３９ＧＨｚ～４７ＧＨｚの範囲のアンテナゲインが５．０ｄＢｉ未満となっている。また、比較例２のアンテナモジュール１００Ｙにおいては、周波数帯域ＷＢにおける４３．５ＧＨｚ～４７ＧＨｚの範囲のアンテナゲインが５．０ｄＢｉ未満となっている。すなわち、放射素子のサイズに対して誘電体のサイズが過度に大きくなる場合には、特に周波数帯域の高周波数領域における放射素子のアンテナゲインが低下してしまうことがわかる。
　以上のように、実施の形態１のアンテナモジュール１００においては、共通の誘電体基板に配置された各放射素子に対して、個別の誘電体が互いに離間して配置された構成を有しており、各誘電体の寸法が対応する放射素子のサイズに応じた適切な大きさに設定されている。このような構成により、誘電体による表面波の影響を適切な度合いで強くすることが可能となるので、異なる周波数帯域の放射素子が共通の誘電体基板に配置された構成であっても、各放射素子のアンテナ特性を向上させることができる。
　なお、実施の形態１における「放射素子１２１」および「放射素子１２２」は、本開示における「第１放射素子」および「第２放射素子」にそれぞれ対応する。実施の形態１における「誘電体１５１」および「誘電体１５２」は、本開示における「第１誘電体」および「第２誘電体」にそれぞれ対応する。
　［実施の形態２］
　実施の形態２においては、互いに離間して配置された放射素子上の誘電体間に、当該誘電体よりも低い誘電率を有する誘電体を充填した構成について説明する。
　図４は、実施の形態２に従うアンテナモジュール１００Ａの側面透視図である。アンテナモジュール１００Ａのアンテナ装置１２０Ａにおいては、図２のアンテナモジュール１００の構成に、誘電体１５５が追加された構成となっている。なお、図４のアンテナモジュール１００Ａにおいて、誘電体１５５以外の構成は図２のアンテナモジュール１００と同じである。図４の説明において、図２と重複する要素の説明は繰り返さない。
　図４を参照して、誘電体１５５は、誘電体基板１３０の上面１３１において、誘電体１５１，１５２が配置されていない領域に配置されている。誘電体１５５の誘電率は、誘電体１５１，１５２の誘電率よりも低い。なお、誘電体１５５の誘電率は、誘電体基板１３０の誘電率よりも大きくてもよいし、小さくてもよい。
　誘電体１５５の厚み（Ｚ軸方向の寸法）は、誘電体１５１，１５２と同じ厚みとすることが好ましい。誘電体１５１，１５２，１５５を同じ厚みで配置することによって、アンテナ装置１２０Ａの上面が平坦となるため、製造過程におけるハンドリング、あるいは、他の基板への実装が容易になる。また、実施の形態２のアンテナモジュール１００Ａにおいても、各放射素子に対して適したサイズの誘電体が互いに離間して個別に配置されているため、各放射素子のアンテナ特性を向上させることができる。
　なお、実施の形態２における「誘電体１５５」は、本開示における「第４誘電体」に対応する。
　［実施の形態３］
　実施の形態１，２においては、誘電体基板上に異なる２つの周波数帯域の放射素子が１つずつ配置されたアンテナモジュールの構成について説明した。
　実施の形態３においては、各周波数帯域について複数の放射素子が配置されたアレイアンテナとして形成されたアンテナモジュールの構成について説明する。
　図５は、実施の形態３に従うアンテナモジュール１００Ｂの平面図である。アンテナモジュール１００Ｂのアンテナ装置１２０Ｂにおいては、誘電体基板１３０上に、４つの放射素子１２１および４つの放射素子１２２が配置されている。
　より具体的には、誘電体基板１３０は、法線方向から平面視した場合に、Ｘ軸に沿った長辺を有する矩形形状を有している。そして、４つの放射素子１２１が、誘電体基板１３０の長辺に沿って互いに離間して一列に配置されている。また、４つの放射素子１２２についても、誘電体基板１３０の長辺に沿って互いに離間して一列に配置されている。隣接する放射素子１２１，１２２は、Ｙ軸方向に離間して配置されている。
　なお、誘電体基板１３０上の放射素子１２２の位置については、図５のように、隣接する放射素子１２１の中心位置と当該放射素子１２２の中心位置とがＹ軸方向に沿って配置される構成に限られない。たとえば、放射素子１２２の各々は、隣接する２つの放射素子１２１の間の位置となるように配置されてもよい。
　放射素子１２１の各々から放射される電波の空間波長をλ１とした場合、隣接する放射素子１２１間の素子間ピッチは０．４λ１以上０．８λ１以下となるように、放射素子１２１が配置される。同様に、放射素子１２２の各々から放射される電波の空間波長をλ２とした場合、隣接する放射素子１２２間の素子間ピッチは０．４λ２以上０．８λ２以下となるように、放射素子１２２が配置される。なお、放射素子１２２間の素子間ピッチは、上記の範囲内であれば、放射素子１２１間の素子間ピッチと同じであってもよいし、異なっていてもよい。
　放射素子１２１の給電点ＳＰ１は、放射素子１２１の中心からＸ軸方向にオフセットした位置に配置されている。また、放射素子１２２の給電点ＳＰ２も、放射素子１２２の中心からＸ軸方向にオフセットした位置に配置されている。すなわち、放射素子１２１，１２２の各々からは、Ｘ軸方向を偏波方向とする電波が放射される。
　そして、誘電体基板１３０の上面１３１上において、放射素子１２１の各々に対して、当該放射素子を覆うように誘電体１５１が、互いに離間して個別に配置される。なお、図２で説明したように、Ｘ軸方向およびＹ軸方向における、放射素子１２１の端部と誘電体１５１の端部との距離は、放射素子１２１の一辺の長さの１／２以下に設定される。
　また、放射素子１２２の各々に対して、当該放射素子を覆うように誘電体１５２が、互いに離間して個別に配置される。Ｘ軸方向およびＹ軸方向における、放射素子１２２の端部と誘電体１５２の端部との距離は、放射素子１２１の一辺の長さの１／２以下に設定される。
　アンテナモジュール１００Ｂのような、異なる２つの周波数帯域の電波を放射可能なアレイアンテナにおいても、各放射素子に対して適したサイズの誘電体が互いに離間して個別に配置されている。そのため、各放射素子およびアレイアンテナ全体としてアンテナ特性を向上させることができる。
　なお、実施の形態３における「Ｘ軸方向」は、本開示における「第１方向」に対応する。
　（変形例）
　変形例においては、誘電体基板の各辺に対して偏波方向が傾斜するように放射素子を配置したアレイアンテナについて説明する。
　図６は、変形例のアンテナモジュール１００Ｃの平面図である。アンテナモジュール１００Ｃのアンテナ装置１２０Ｃは、図５のアンテナモジュール１００Ｂと同様に、誘電体基板１３０上に４つの放射素子１２１および４つの放射素子１２２が配置されたアレイアンテナである。ただし、アンテナモジュール１００Ｃにおいては、放射素子１２１，１２２の各々は、各辺が誘電体基板１３０の辺に対して４５°傾斜するように配置されている。
　より具体的には、放射素子１２１は、Ｘ軸に対して反時計回り（ＣＣＷ）に４５°の方向が偏波方向となるように配置されている。一方、放射素子１２２は、Ｘ軸に対して時計回り（ＣＷ）に４５°の方向が偏波方向となるように配置されている。すなわち、アンテナモジュール１００Ｃにおいては、放射素子１２１から放射される電波の偏波方向と、放射素子１２２から放射される電波の偏波方向とは直交している。
　なお、アンテナモジュール１００Ｃにおいては、放射素子１２１と放射素子１２２とが重なりあわないように、放射素子１２２の中心位置は、放射素子１２１の中心位置に対してＸ軸方向にオフセットしている。
　そして、誘電体基板１３０の上面１３１において、放射素子１２１の各々に対して当該放射素子１２１を覆うように誘電体１５１が個別に配置されており、放射素子１２２の各々に対して当該放射素子１２２を覆うように誘電体１５２が個別に配置されている。
　変形例のアンテナモジュール１００Ｃの構成においても、異なる２つの周波数帯域の電波を放射可能なアレイアンテナにおいて、各放射素子に対して適したサイズの誘電体が互いに離間して個別に配置されている。そのため、各放射素子およびアレイアンテナ全体としてアンテナ特性を向上させることができる。
　［実施の形態４］
　実施の形態４においては、異なる３つの周波数帯域の放射素子が配置されたアレイアンテナの構成について説明する。
　図７は、実施の形態４に従うアンテナモジュール１００Ｄの平面図である。アンテナモジュール１００Ｄのアンテナ装置１２０Ｄにおいては、図６のアンテナモジュール１００Ｃの構成に加えて、さらに高い周波数帯域の電波を放射可能な４つの放射素子１２３、および、それに対応した誘電体１５３が配置された構成を有している。図７において、図６と重複する要素の説明は繰り返さない。
　図７を参照して、アンテナモジュール１００Ｄにおける誘電体基板１３０のＹ軸方向の寸法は、アンテナモジュール１００Ｃの誘電体基板１３０のＹ軸方向の寸法よりも長くなっている。そして、誘電体基板１３０のＹ軸の負方向の辺に沿って、４つの放射素子１２３が一列に離間して配置されている。
　放射素子１２３のサイズは、放射素子１２２のサイズよりも小さい。そのため、放射素子１２３から放射される電波の周波数帯域は、放射素子１２１，１２２から放射される電波の周波数帯域よりも高い。たとえば、放射素子１２３の周波数帯域は６０ＧＨｚである。
　放射素子１２３の各々は、各辺が誘電体基板１３０の各辺に対して傾斜するように配置されている。放射素子１２３の中心位置は、放射素子１２２の中心位置に対してＸ軸方向にオフセットしている。なお、図７の例においては、放射素子１２３の中心のＸ軸方向の位置は、放射素子１２１の中心のＸ軸方向の位置と同じ位置となっている。
　そして、誘電体基板１３０の上面１３１において、放射素子１２３の各々に対して当該放射素子１２３を覆うように誘電体１５３が個別に配置されている。誘電体基板１３０の法線方向から平面視した場合に、誘電体１５３のサイズは放射素子１２３のサイズよりも大きく、偏波方向および偏波方向に直交する方向における放射素子１２３の端部と誘電体１５３の端部との間の距離は、放射素子１２３の一辺の長さの１／２よりも小さい。また、放射素子１２３の厚さは、放射素子１２３の一辺の長さの１／５よりも小さい。
　なお、誘電体１５３の誘電率ε３は、誘電体１５１の誘電率ε１および誘電体１５２の誘電率ε２よりも小さい（ε１＞ε２＞ε３）。また、放射素子１２３の各々から放射される電波の空間波長をλ３とした場合、隣接する放射素子１２３間の素子間ピッチは０．４λ３以上０．８λ３以下となるように、放射素子１２３が配置される。なお、誘電体１５３の誘電率ε３は、誘電体１５１の誘電率ε１および／または誘電体１５２の誘電率ε２と同じであってもよい。
　このように、異なる３つの周波数帯域の電波を放射可能なアレイアンテナにおいても、各放射素子に対して適したサイズの誘電体を互いに離間して個別に配置することによって、各放射素子およびアレイアンテナ全体としてアンテナ特性を向上させることができる。
　なお、上記の各実施の形態および変形例においては、誘電体基板の法線方向から平面視した場合に、各放射素子が略正方形の形状を有する場合について説明したが、放射素子の形状は正方形以外の多角形、円形、あるいは、楕円形であってもよい。この場合、各放射素子に対応して配置される誘電体のサイズについては、偏波方向における放射素子の端部と誘電体の端部との間の距離が、偏波方向における放射素子の寸法の１／２以下となるようにすることで、アンテナゲインの低下を抑制しつつ広帯域化することができる。
　また、上記の各実施の形態および変形例においては、各放射素子から１つの偏波方向に電波が放射される構成について説明したが、各放射素子から２つの異なる偏波方向の電波が放射可能な、いわゆるデュアル偏波タイプの構成についても、本開示の特徴を適用してもよい。この場合、各偏波方向における放射素子の端部と誘電体の端部との間の距離が、偏波方向における放射素子の寸法の１／２以下となるようにすることで、アンテナゲインの低下を抑制しつつ広帯域化することができる。
　今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
　１０　通信装置、１００，１００Ａ～１００Ｄ，１００Ｘ，１００Ｙ　アンテナモジュール、１１０　ＲＦＩＣ、１１１Ａ～１１１Ｈ，１１３Ａ～１１３Ｈ，１１７Ａ，１１７Ｂ　スイッチ、１１２ＡＲ～１１２ＨＲ　ローノイズアンプ、１１２ＡＴ～１１２ＨＴ　パワーアンプ、１１４Ａ～１１４Ｈ　減衰器、１１５Ａ～１１５Ｈ　移相器、１１６Ａ，１１６Ｂ　信号合成／分波器、１１８Ａ，１１８Ｂ　ミキサ、１１９Ａ，１１９Ｂ　増幅回路、１２０，１２０Ａ～１２０Ｄ，１２０Ｘ，１２０Ｙ　アンテナ装置、１２１～１２３　放射素子、１３０　誘電体基板、１３１　上面、１３２　下面、１４１，１４２　給電配線、１５１～１５３，１５２Ｘ，１５２Ｙ，１５５　誘電体、１６０　はんだバンプ、ＢＢＩＣ　２００、ＧＮＤ　接地電極、ＳＰ１，ＳＰ２　給電点。

Claims (16)

  1. 　誘電体基板と、
    　前記誘電体基板に配置された第１放射素子と、
    　前記誘電体基板の法線方向から平面視した場合に、前記第１放射素子に隣接して配置された第２放射素子と、
    　前記第１放射素子を覆うように配置された第１誘電体と、
    　前記第２放射素子を覆うように、前記第１誘電体から離間して配置された第２誘電体とを備え、
    　前記第２放射素子から放射される電波の周波数帯域は、前記第１放射素子から放射される電波の周波数帯域よりも高く、
    　前記第１誘電体および前記第２誘電体は、前記誘電体基板よりも高い誘電率を有する、アンテナモジュール。
  2. 　前記第１誘電体は、前記第１放射素子に対応した形状を有しており、
    　前記第２誘電体は、前記第２放射素子に対応した形状を有している、請求項１に記載のアンテナモジュール。
  3. 　前記第２誘電体の誘電率は、前記第１誘電体の誘電率よりも低い、請求項１または２に記載のアンテナモジュール。
  4. 　前記誘電体基板の法線方向から平面視した場合に、前記第１放射素子および前記第２放射素子の各々は、略正方形の形状を有しており、
    　前記第１放射素子の各辺に沿った方向における、前記第１放射素子の端部と前記第１誘電体の端部との距離は、前記第１放射素子の辺の長さの１／２以下であり、
    　前記第２放射素子の各辺に沿った方向における、前記第２放射素子の端部と前記第２誘電体の端部との距離は、前記第２放射素子の辺の長さの１／２以下である、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. 　前記第１誘電体の法線方向の寸法は、前記第１放射素子の辺の長さの１／５以下であり、
    　前記第２誘電体の法線方向の寸法は、前記第２放射素子の辺の長さの１／５以下である、請求項４に記載のアンテナモジュール。
  6. 　前記誘電体基板の法線方向から平面視した場合に、前記第１放射素子および前記第２放射素子の各々は、略正方形の形状を有しており、
    　前記第１誘電体の法線方向の寸法は、前記第１放射素子の辺の長さの１／５以下であり、
    　前記第２誘電体の法線方向の寸法は、前記第２放射素子の辺の長さの１／５以下である、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。
  7. 　前記第１放射素子から放射される電波の偏波方向における前記第１放射素子の端部と前記第１誘電体の端部との距離は、当該偏波方向沿った前記第１放射素子の寸法の長さの１／２以下であり、
    　前記第２放射素子から放射される電波の偏波方向における前記第２放射素子の端部と前記第２誘電体の端部との距離は、当該偏波方向沿った前記第２放射素子の寸法の長さの１／２以下である、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。
  8. 　前記第１誘電体の法線方向の寸法は、前記第１放射素子から放射される電波の偏波方向に沿った前記第１放射素子の長さの１／５以下であり、
    　前記第２誘電体の法線方向の寸法は、前記第２放射素子から放射される電波の偏波方向に沿った前記第２放射素子の長さの１／５以下である、請求項７に記載のアンテナモジュール。
  9. 　前記第１放射素子から放射される電波の周波数帯域は２８ＧＨｚ帯であり、
    　前記第２放射素子から放射される電波の周波数帯域は３９ＧＨｚ帯である、請求項１～８のいずれか１項に記載のアンテナモジュール。
  10. 　前記誘電体基板の法線方向から平面視した場合に、前記第１放射素子および前記第２放射素子に隣接して配置された第３放射素子と、
    　前記第３放射素子を覆うように、前記第１誘電体および前記第２誘電体から離間して配置された第３誘電体とをさらに備え、
    　前記第３放射素子から放射される電波の周波数帯域は、前記第２放射素子から放射される電波の周波数帯域よりも高く、
    　前記第３誘電体は、前記誘電体基板よりも高い誘電率を有する、請求項１～９のいずれか１項に記載のアンテナモジュール。
  11. 　前記第３放射素子から放射される電波の周波数帯域は６０ＧＨｚ帯である、請求項１０に記載のアンテナモジュール。
  12. 　誘電体基板と、
    　前記誘電体基板において、第１方向に配列された複数の第１放射素子と、
    　前記誘電体基板の法線方向から平面視した場合に、前記複数の第１放射素子に隣接し、前記第１方向に配列された複数の第２放射素子と、
    　前記複数の第１放射素子の各々を個別に覆うように配置された第１誘電体と、
    　前記複数の第２放射素子の各々を個別に覆うように、前記第１誘電体から離間して配置された第２誘電体とを備え、
    　前記複数の第２放射素子の各々から放射される電波の周波数帯域は、前記複数の第１放射素子の各々から放射される電波の周波数帯域よりも高く、
    　前記第１誘電体および前記第２誘電体は、前記誘電体基板よりも高い誘電率を有する、アンテナモジュール。
  13. 　前記複数の第１放射素子の各々から放射される電波の空間波長をλ１とした場合、前記第１方向に沿った前記複数の第１放射素子の中心間ピッチは０．４λ１以上０．８λ１以下であり、
    　前記複数の第２放射素子の各々から放射される電波の空間波長をλ２とした場合、前記第１方向に沿った前記複数の第２放射素子の中心間ピッチは０．４λ２以上０．８λ２以下である、請求項１２に記載のアンテナモジュール。
  14. 　前記誘電体基板の法線方向から平面視した場合に、各誘電体間に配置され、各誘電体よりも低い誘電率を有する第４誘電体をさらに備える、請求項１～１３のいずれか１項に記載のアンテナモジュール。
  15. 　各放射素子に高周波信号を供給するように構成された給電回路をさらに備える、請求項１～１４のいずれか１項に記載のアンテナモジュール。
  16. 　請求項１～１５のいずれか１項に記載のアンテナモジュールを搭載した、通信装置。
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