JP2007124328A - アンテナおよび配線基板 - Google Patents

Abstract

【課題】小型で高性能であり、製造容易なアンテナおよびこのアンテナを内蔵する多層配線基板を実現する。
【解決手段】多層の配線基板２に内蔵されるアンテナ１は、配線基板２の各層Ａ、ＢおよびＣの面上にそれぞれ布設される放射素子１１−１、１１−２、１１−３および１１−４と、各放射素子１１−１、１１−２、１１−３および１１−４に給電するために、当該層の面上にそれぞれ布設される給電部１２−１、１２−２、１２−３および１２−４と、各放射素子１１−１、１１−２、１１−３および１１−４を接地するために、当該層の面上にそれぞれ布設される短絡部１３−１、１３−２、１３−３および１３−４と、配線基板２の各層Ａ、ＢおよびＣを貫通して設けられ、各給電部１２−１、１２−２、１２−３および１２−４を電気的に接続する接続部１４と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、多層の配線基板に内蔵されるアンテナおよびこの配線基板に関する。

無線技術の進歩に伴い、アンテナの周波数帯域や利得などについての特性の向上、アンテナ構造の小型化がより一層求められている。図８は一般的なλ／４波長アンテナを示す図であり、（ａ）はモノポールアンテナを示し、（ｂ）は逆Ｌ型アンテナを示し、（ｃ）は逆Ｆ型アンテナを示す。

図８（ａ）に示すモノポールアンテナの小型化を目的として、放射素子を途中で折り曲げて低姿勢化したアンテナが、図８（ｂ）に示す逆Ｌ型アンテナである。逆Ｌ型アンテナは、図中の放射素子のＹ部分をそれほど小さくすることができないという欠点を有する。この理由は、放射素子のＹ部分を小さくするほど、放射素子のＸ部分とＧＮＤ（グラウンド）との間において、キャパシタンス成分が増加することになり、この結果、アンテナのリアクタンス成分が変化し、給電部とアンテナとの間のインピーダンスマッチングが崩れてしまうからである。したがって、逆Ｌ型アンテナの小型化には限界がある。

逆Ｌ型アンテナのインピーダンスマッチングをとりやすくするために、給電部付近に短絡部を設けた構造のアンテナが、図８（ｃ）に示す逆Ｆ型アンテナである。逆Ｆ型アンテナは、垂直偏波および水平偏波の両偏波を放射するという特徴を有しており、小型の無指向性アンテナとして、携帯電話をはじめ種々の無線小型機器に適用されている。図９は、一般的な逆Ｆ型アンテナの基本原理図である。図中のＬ部は逆Ｆ型アンテナ５０の周波数を決定する。Ｌ部をＧＮＤへ近づけることで形成される領域β付近のキャパシタンス成分に対し、給電部５１付近で放射素子５２をＧＮＤに短絡することで領域α付近においてリアクタンス成分を形成し、アンテナと給電部との間のインピーダンスマッチングを図っている。逆Ｆ型アンテナには、図９に示す平面タイプのものの他に、図１０に示すような立体タイプのものがある。図１０は一般的な立体逆Ｆ型アンテナを例示する斜視図である。立体逆Ｆ型アンテナ５０も、平面タイプのものと同じく、給電部５１付近で放射素子５２がＧＮＤに短絡される。

さらなる小型化を目指したアンテナとして、逆Ｌ型アンテナと逆Ｆ型アンテナとを組み合わせたアンテナがある（例えば、特許文献１参照）。

このほかにも、アンテナ特性の維持、向上等を図りつつ、アンテナ構成の小型化を図ったアンテナがいくつか提案されている（例えば、特許文献２および３参照）。

特開２００３−１２４７４２号公報 特開２００５−１１０１０９号公報 特開２００５−１１０１１０号公報

上述した従来の技術では、アンテナ本体をある程度小型化することは可能であるが、より一層の小型化は難しい。例えば、特開２００３−１２４７４２号公報（上記特許文献１）に記載されたアンテナでは、逆Ｌ型アンテナに相当する構造を有することから、小型化には限界がある。

一般に、大きいアンテナの方が、アンテナ特性が良く、アンテナを小型化すればするほど、アンテナ特性は低下する。アンテナ特性の向上のための一解決策としてアレイ化も考えられるが、アンテナの占有面積が増えてしまい、小型化が困難であるという問題がある。

また、アンテナを内蔵する無線小型機器の小型化は、今後もさらに進んでいくものと思われ、当該機器の製造プロセスにおいて、アンテナを組み込む作業もより困難になるものと思われる。

従って本発明の目的は、上記問題に鑑み、小型で高性能であり、製造容易なアンテナおよびこのアンテナを内蔵する配線基板を提供することにある。

上記目的を実現するために、本発明においては、多層の配線基板において、配線基板の各層に、アンテナの放射素子を布設する。すなわち、本発明の第１の態様においては、多層の配線基板に内蔵されるアンテナは、配線基板の各層の面上にそれぞれ布設される放射素子と、各放射素子に給電するために、当該層の面上にそれぞれ布設される給電部と、各放射素子を接地するために、当該層の面上にそれぞれ布設される短絡部と、配線基板の各層を貫通して設けられ、各給電部を電気的に接続する接続部と、を備える。

配線基板の各層において、放射素子と給電部と短絡部とからなる逆Ｆ型アンテナが形成される。配線基板の各層に形成される逆Ｆ型アンテナの各給電部は、配線基板の各層を貫通して設けられる接続部により、互いに接続される。接続部は、例えばスルーホールからなるが、その他の構成、形状による導電部材であってもよい。

なお、各放射素子は、互いに長さが異なるのが好ましい。これにより、広い周波数帯域を確保することができる。

また、これら放射素子、給電部および短絡部は、配線基板の層ごとにパターニングされるのが好ましい。例えば、アンテナを内蔵する配線基板の製造プロセスにおいて、配線基板の各層の配線パターンを形成するのと同時に、逆Ｆ型アンテナを構成する放射素子、給電部および短絡部を形成する。

以上説明したように、本発明の第１の態様のアンテナを内蔵する多層配線基板は、放射素子と、この放射素子に給電するための給電部と、この放射素子を接地するための短絡部と、からなる逆Ｆ型アンテナであって、配線基板の各層の面上にそれぞれ布設される逆Ｆ型アンテナと、配線基板の各層を貫通して設けられ、各給電部を電気的に接続する接続部と、を備えるものである。

本発明の第２の態様によるアンテナは、複数の放射素子と、各放射素子へ給電する給電部と、各放射素子と地板とを接続する短絡部と、を備え、複数の放射素子と給電部と短絡部とからなる逆Ｆ型アンテナが形成される。ここで、各放射素子は、互いに長さが異なるのが好ましい。

本発明によれば、小型で高性能であり、製造容易なアンテナおよびこのアンテナを内蔵する多層配線基板を実現することができる。モジュール機能を有する配線基板内にアンテナを含めて実現するので、無線小型機器のさらなる小型化および高機能化にも貢献する。

また、アンテナを内蔵する配線基板の製造プロセスにおいて、配線基板の各層の配線パターンを形成するのと同時に、逆Ｆ型アンテナを構成する放射素子、給電部および短絡部を形成することができるので、逆Ｆ型アンテナ、ひいては逆Ｆ型アンテナを含む無線小型機器の製造時間の短縮、製造コストの削減を実現することができる。

また、本発明によれば、各放射素子を、互いに長さが異なるものとすることにより、広い周波数帯域を確保することができる。なお、各放射素子の長さを同一なものにすれば、利得が向上することになる。本発明によるアンテナは、複数の逆Ｆ型アンテナがいわば積層されたような構造を有しており、従来の単独の逆Ｆ型アンテナと比べて、アンテナの占有面積を変えずにアンテナ特性を向上させることができる。

図１は、本発明の第１の実施例によるアンテナおよび配線基板の斜視図である。一例として３層の配線基板にアンテナ１を内蔵する場合を示すが、本発明の適用は、この３層に限定されるものではなく、配線基板の積層構造が何層であっても適用可能である。図２は、図１に示す３層の配線基板のうちの最上位層の上面に形成される逆Ｆ型アンテナを示す斜視図である。図３は、図１に示す３層の配線基板のうちの中位層の上面に形成される逆Ｆ型アンテナを示す斜視図である。図４は、図１に示す３層の配線基板のうちの最下位層の上面に形成される逆Ｆ型アンテナを示す斜視図である。図５は、図１に示す３層の配線基板のうちの最下位層の下面に形成される逆Ｆ型アンテナを示す斜視図である。以下、便宜上、３層の配線基板２のうち、最上位層をＡ層、中位層をＢ層、最下位層をＣ層と称する。

３層の配線基板２の最上位層であるＡ層の上面には、放射素子１１−１、放射素子１１−１に給電するための給電部１２−１、および放射素子１１−１を接地するための短絡部１３−１が、逆Ｆ型アンテナを形成するように布設される。また、配線基板２の中位層であるＢ層の上面には、放射素子１１−２、放射素子１１−２に給電するための給電部１２−２、および放射素子１１−２を接地するための短絡部１３−２が、逆Ｆ型アンテナを形成するように布設される。また、配線基板２の最下位層であるＣ層の上面には、放射素子１１−３、放射素子１１−３に給電するための給電部１２−３、および放射素子１１−３を接地するための短絡部１３−３が、逆Ｆ型アンテナを形成するように布設される。また、配線基板２のＣ層の下面には、放射素子１１−４、放射素子１１−４に給電するための給電部１２−４、および放射素子１１−４を接地するための短絡部１３−４が、逆Ｆ型アンテナを形成するように布設される。配線基板２の各層Ａ，ＢおよびＣにおける逆Ｆ型アンテナの形成は、配線基板の製造プロセスにおいて層ごとに配線パターンを形成する際に、同時に、層ごとに導電部材を用いてパターニングすることで実現するのが好ましい。

接続部１４は、配線基板２の層Ａ、ＢおよびＣを貫通して設けられ、各給電部１２−１、１２−２、１２−３および１２−４を電気的に接続するものである。接続部１４は、例えばスルーホール技術を用いて形成すればよい。またあるいは、接続部１４をビアによる接続で実現してもよい。またあるいは、接続部１４を、その他の構成、形状による導電部材で実現してもよい。なお、ＲＦモジュールと各給電部１２−１、１２−２、１２−３および１２−４との電気的接続は、ＲＦモジュールが実装されている層における給電部を、ＲＦモジュールが接続される給電線を接続することで実現するのが好ましい。図示の例では、ＲＦモジュール（図示せず）が配線基板２のＡ層の上面に実装されている場合を想定しており、したがってこの場合は、配線基板２のＡ層の上面に布設された給電部１２−１が、給電線１６を介してＲＦモジュール（図示せず）に接続される。給電線１６は例えばマイクロストリップ線である。

各短絡部１３−１、１３−２、１３−３および１３−４は、配線基板２の各層Ａ、ＢおよびＣにおけるグラウンドライン１５に接続される。

各放射素子１１−１、１１−２、１１−３および１１−４は、本実施例では、互いに長さが異なる。これにより、広い周波数帯域を確保することができる。図６は、アンテナの放射素子の長さと共振周波数との関係を例示する図である。図示の例では、２つの放射素子の場合を示している。２つの放射素子の長さがわずかに異なるように設定すると、周波数特性はわずかに異なる。したがって、アンテナに給電すべき電力に近い周波数で２つの共振が発生するよう、各放射素子の長さを設計しておけば、アンテナの周波数帯域を広げることができる。また、アンテナ特性の向上のために、配線基板２の各層に設けられるアンテナの放射素子１１−１、１１−２、１１−３および１１−４、給電部１２−１、１２−２、１２−３および１２−４、ならびに短絡部１３−１、１３−２、１３−３および１３−４を、配線基板２を上面側（もしくは下面側）から平面的に見たときにそれぞれが重なり合うような位置に形成するのが好ましい。なお、この場合、周波数帯域の向上を目的として各放射素子１１−１、１１−２、１１−３および１１−４の長さを異ならせるので、放射素子の長さが異なる分、平面的に見て、各層で重なり合わない部分が生じる。

なお、各放射素子の長さを同じにすると、得られる利得が大きくなる。したがって、同じ長さを有する放射素子の組を適宜組み合わせれることにより、周波数帯域だけではなく利得も調整することができる。

本発明のアンテナを内蔵する配線基板２は、例えば、ガラス・エポキシ基板を積層した配線基盤や、あるいは、ビルドアップ基板による配線基板を用いることができる。

ガラス・エポキシ基板を用いた配線基板の場合、例えば、サブトラクティブ法により、アンテナ等の各パターンを形成したり、ドリル加工によりガラス・エポキシ基板に貫通孔を形成し、この貫通孔内壁に設けためっき層により、スルーホール（接続部１４）を形成したりして、アンテナを内蔵した配線基板１を形成する。

ビルドアップ基板を用いた配線基板の場合、ビルドアップ法により、絶縁層とアンテナ等を有する配線層を積層し、各配線層間を、各絶縁層に形成されたビアにより接続する。

各配線層のパターンとビアは、例えば、セミアディティブ法により形成する。ビアは、セミアディティブ法を施す際に、レーザ加工により、絶縁層に下層の配線層が露出する開口を形成し、この開口内壁にめっき層を設けることにより設ける。

以上説明したように、本発明の第１の実施例によれば、多層配線基板において、放射素子と、この放射素子に給電するための給電部と、この放射素子を接地するための短絡部と、からなる逆Ｆ型アンテナが、配線基板の各層の面上にそれぞれ布設され、なおかつ、各層に位置する給電部は、配線基板の各層を貫通して設けられる接続部によって電気的に接続される。なお、図１〜５に示した第１の実施例による配線基板では、配線基板の全ての層に逆Ｆ型アンテナを形成するが、この代替例として、いくつかの層にしぼって逆Ｆ型アンテナを形成してもよい。またあるいは、放射素子と給電部と短絡部とを逆Ｆ型アンテナとして形成するのではなく、いくつかの層もしくは全ての層において、逆Ｌ型アンテナとして形成してもよい。

図７は、本発明の第２の実施例によるアンテナおよび配線基板の斜視図である。本実施例によるアンテナ１は、２つの放射素子１１−ａおよび１１−ｂと、各放射素子１１−ａおよび１１−ｂへ給電する給電部１２と、各放射素子１１−ａおよび１１−ｂと地板（ＧＮＤ）２０とを接続する短絡部１３と、を備える。図示のように、２つの放射素子１１−ａおよび１１−ｂと給電部１２と短絡部１３とからなる逆Ｆ型アンテナが立体的に形成される。ここで、各放射素子１１−ａおよび１１−ｂは、互いに長さが異なる。これにより、広い周波数帯域を確保することができる。また、第１の実施例で説明した場合と同様に、なお、各放射素子の長さを同一なものとすれば、利得が向上することになる。なお、本実施例では、放射素子の数を２つにしたが、本発明は、これに限定されるものではなく、複数であってもよい。

本発明は、無線小型機器内に含められるアンテナに適用することができる。本発明を適用できる無線小型機器としては、例えば、携帯電話、ＰＤＡ、ＩＣカードリーダライタ、音響機器、映像機器、ゲーム機器、バーコードリーダ、および時計などがある。

本発明によれば、小型で高性能であり、製造容易なアンテナおよびこのアンテナを内蔵する多層配線基板を実現するので、無線小型機器のさらなる小型化および高機能化にも貢献する。

また、本発明は、製造プロセスにおいて、無線小型機器にアンテナを組み込む工程も容易にする。配線基板の各層の配線パターンを形成する際に、アンテナを構成する放射素子、給電部および短絡部を同時に形成することにより、逆Ｆ型アンテナ、ひいては逆Ｆ型アンテナを含む無線小型機器の製造時間の短縮、製造コストの削減を実現することができる。

また、各放射素子を、互いに長さが異なるものとすることにより、広い周波数帯域を確保することができる。本発明によるアンテナは、複数の逆Ｆ型アンテナがいわば積層されたような構造を有していることから、従来の単独の逆Ｆ型アンテナと比べて、アンテナの占有面積を変えずにアンテナ特性を向上させることができる。

本発明の第１の実施例によるアンテナおよび配線基板の斜視図である。 図１に示す３層の配線基板のうちの最上位層の上面に形成される逆Ｆ型アンテナを示す斜視図である。 図１に示す３層の配線基板のうちの中位層の上面に形成される逆Ｆ型アンテナを示す斜視図である。 図１に示す３層の配線基板のうちの最下位層の上面に形成される逆Ｆ型アンテナを示す斜視図である。 図１に示す３層の配線基板のうちの最下位層の下面に形成される逆Ｆ型アンテナを示す斜視図である。 アンテナの放射素子の長さと共振周波数との関係を例示する図である。 本発明の第２の実施例によるアンテナおよび配線基板の斜視図である。 一般的なλ／４波長アンテナを示す図であり、（ａ）はモノポールアンテナを示し、（ｂ）は逆Ｌ型アンテナを示し、（ｃ）は逆Ｆ型アンテナを示す。 一般的な逆Ｆ型アンテナの基本原理図である。 一般的な立体逆Ｆ型アンテナを例示する斜視図である。

符号の説明

１ アンテナ
２ 配線基板
１１−１、１１−２、１１−３、１１−４、１１−ａ、１１−ｂ 放射素子
１２、１２−１、１２−２、１２−３、１２−４ 給電部
１３、１３−１、１３−２、１３−３、１３−４ 短絡部
１４ 接続部
１５ グラウンドライン
１６ 給電線

Claims (11)

1. 多層の配線基板に内蔵されるアンテナであって、
   前記配線基板の各層の面上にそれぞれ布設される放射素子と、
   各前記放射素子に給電するために、当該層の面上にそれぞれ布設される給電部と、
   各前記放射素子を接地するために、当該層の面上にそれぞれ布設される短絡部と、
   前記配線基板の各層を貫通して設けられ、各前記給電部を電気的に接続する接続部と、
   を備えることを特徴とするアンテナ。
2. 前記層ごとに、前記放射素子と前記給電部と前記短絡部とからなる逆Ｆ型アンテナが形成される請求項１に記載のアンテナ。
3. 各前記放射素子は、互いに長さが異なる請求項１に記載のアンテナ。
4. 前記放射素子、前記給電部、および前記短絡部は、前記層ごとにパターニングされる請求項１に記載のアンテナ。
5. 前記接続部は、スルーホールからなる請求項１に記載のアンテナ。
6. 多層の配線基板であって、
   放射素子と、該放射素子に給電するための給電部と、前記放射素子を接地するための短絡部と、からなる逆Ｆ型アンテナであって、前記配線基板の各層の面上にそれぞれ布設される逆Ｆ型アンテナと、
   前記配線基板の各層を貫通して設けられ、各前記給電部を電気的に接続する接続部と、
   を備えることを特徴とする配線基板。
7. 各前記放射素子は、互いに長さが異なる請求項６に記載の配線基板。
8. 前記接続部は、スルーホールからなる請求項６に記載の配線基板。
9. 前記放射素子、前記給電部、および前記短絡部は、前記層ごとにパターニングされる請求項６に記載の配線基板。
10. 複数の放射素子と、
    各前記放射素子へ給電する給電部と、
    各前記放射素子と地板とを接続する短絡部と、を備え、
    前記複数の放射素子と前記給電部と前記短絡部とからなる逆Ｆ型アンテナが形成されることを特徴とするアンテナ。
11. 各前記放射素子は、互いに長さが異なる請求項１０に記載のアンテナ。

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