JP7355229B2

JP7355229B2 - 回路一体型アンテナ

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Publication number: JP7355229B2
Application number: JP2022516471A
Authority: JP
Inventors: 豪伊丹; 裕史濱田; 秀之野坂
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Priority date: 2020-04-20
Filing date: 2020-04-20
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Description

本発明は、モノリシックマイクロ波集積回路などの集積回路に実装される回路一体型アンテナに関する。

携帯端末等の無線通信用デバイスにおいては、大容量・小型で持ち運びしやすいといった性質が強く求められる。これらを実現するためには、端末に内蔵される無線通信用デバイスの高周波（ＲＦ）フロントエンド部を担う高周波電子回路（以下、ＲＦ回路という）、および、アンテナの広帯域化（これは高データレート化につながる）や小型化が重要である。
一般に、ＲＦフロントエンドの帯域幅は、その構成要素である増幅器や周波数変換器等のアナログ回路およびアンテナ等の高周波部品の動作帯域幅で決定される。これら高周波部品の動作帯域幅は、その動作帯域の中心周波数に対する比率（比帯域と呼称される）が一定であると仮定（この過程は通常成り立つ：非特許文献１）すれば、搬送波周波数の高周波化することで、帯域幅を搬送波周波数に比例させて大きくすることができる。また、搬送波周波数を高くすると、無線信号の波長が短くなることから、アナログ回路やアンテナの波長で決まるインピーダンス素子（四分の一波長線路など）を含む構成部品を小型化することもできる。したがって、無線通信用デバイスの高データレート化、小型化といったニーズに応える手段として、搬送波周波数の高周波化は有効な手法である。

このような観点から、近年、ミリ波・ＴＨｚ波といった超高周波を用いた高速・小型無線通信デバイスの研究が活発に行われている。ミリ波・ＴＨｚ波を用いる際に問題となるのが、高周波回路とアンテナとの接続部である。３００ＧＨｚを超えるような超高周波帯においては、接続部に、ワイヤボンディングやフリップチップといった低周波帯で用いられる手法を適用すると、接続部の物理長に起因するインダクタンスによって大きな接続損失が発生してしまう。高周波回路と一体集積されるアンテナ（オンチップアンテナ：非特許文献２）の使用は、高周波回路とアンテナとの接続部を排除できるため、超高周波帯において低損失化に有効である。また、半導体集積プロセスで製作されるため、一般には小型であり、無線通信デバイスの小型化にも寄与する。

オンチップアンテナの代表的な構成としてパッチアンテナ（Patch Antenna）、スロットアンテナ（Slot Antenna）などが挙げられる。これらの動作原理は、基本的にはダイポールアンテナと同様であり、アンテナ導体パターン上に電圧・電流の定在波分布を形成することで電界を放射するものである。構造がシンプルなため製作が容易である反面、定在波形成による共振現象を利用しているため、一般には、共振のＱ値で決まる狭帯域な特性を示す。一方で広帯域かつ指向性の比較的大きいアンテナとしてヴィヴァルディアンテナなどが挙げられるが、構造が波長程度と大きくビームフォーミングを行う際に多層化等の工夫が必要であり、１チップ実装の観点では向かない。

G. Hau、T. B. Nishimura、and N. Iwata、"High Efficiency、Wide Dynamic Range Variable Gain and Power Amplifier MMICs for Wide-Band CDMA Handsets"、IEEE Microwave and Wireless Components Letters、Vol. 11、pp. 13-15、Jan. 2001 X. D. Deng、Y. Li、C. Liu、W. Wu、and Y. Z. Xiong、"340 GHz On-Chip 3-D Antenna With 10 dBi Gain and 80% Radiation Efficiency"、IEEE Trans. Terahertz Sci. Technol、Vol. 5、pp. 619-627、July 2015 C. kai and S. J. Chung、"A Compact Edge-Fed Filtering Microstrip Antenna with 0、2 dB Equal-Ripple Response"、in Proc. 39th Eur. Microw. Conf. (EuMC 2009)、Rome、Italy、pp. 378-380、Oct. 2009

しかしながら、このような従来構造では、指向性が乏しく、入力から特定受信方向に対する放射電力の実質的な放射効率が悪いため、伝送距離が短くなってしまう問題点がある。また、単一周波数の共振系であることから、放射の周波数特性が単一周波数でピークを持つ特性であり、帯域幅を稼ぎにくく伝送速度を上げにくいという問題点がある。この解決法として、広帯域化されたオンチップアンテナを設計した場合でも、共振構造が複数個含まれる必要があるため、素子サイズが大きくなりアレー化が難しいという問題点がある。

本発明はこのような課題を解決するためのものであり、アンテナの小型化と指向性・利得の向上および放射特性の広帯域化とを両立できる回路一体型アンテナを提供することを目的としている。

このような目的を達成するために、本発明にかかる回路一体型アンテナは、集積回路を構成する基板上に実装される回路一体型アンテナであって、前記基板の表面に形成され、給電された電磁界を放射するパッチ導体と、前記基板の表面に形成され、入力された電磁界を前記パッチ導体に給電する給電線路と、前記パッチ導体と前記給電線路の接続部の両側に、前記パッチ導体の内側に向かうように形成された、前記給電線路に平行な２つのスリットと、前記基板の表面に形成され、前記給電線路の両側から突出して設けられた一対のスタブ導体とを備え、前記一対のスタブ導体のそれぞれは、前記パッチ導体の外周を取り囲むように、第１のギャップを挟んで前記パッチ導体と離間するよう、前記給電線路を挟んで対称配置されているものである。

本発明によれば、アンテナの小型化と指向性・利得の向上および放射特性の広帯域化とを両立することができる。

図１は、第１の実施の形態にかかる回路一体型アンテナの構成を示す平面図である。図２は、第１の実施の形態にかかる回路一体型アンテナの積層構造を示す断面図である。図３は、第１の実施の形態にかかる回路一体型アンテナの解析条件を示す説明図である。図４は、第１の実施の形態にかかる回路一体型アンテナのアンテナサイズを示す説明図である。図５は、従来のパッチアンテナの構成を示す平面図である。図６は、従来のパッチアンテナの解析条件を示す説明図である。図７は、従来のパッチアンテナのアンテナサイズを示す説明図である。図８は、動作解析に用いたＣＰＷとＶｉａのサイズを示す説明図である。図９は、第１の実施の形態にかかる回路一体型アンテナに関する反射係数の周波数特性を示すグラフである。図１０は、第１の実施の形態にかかる回路一体型アンテナの解析結果を示す説明図である。図１１は、従来のパッチアンテナの解析結果を示す説明図である。図１２は、第１の実施の形態にかかる回路一体型アンテナの電界分布を示す説明図である。図１３は、従来のパッチアンテナの電界分布を示す説明図である。図１４は、第２の実施の形態にかかる回路一体型アンテナの積層構造を示す断面図である。図１５は、第２の実施の形態にかかる回路一体型アンテナに関する反射係数の周波数特性を示すグラフである。図１６は、第２の実施の形態にかかる回路一体型アンテナの利得周波数特性を示すグラフである。図１７は、第２の実施の形態にかかる回路一体型アンテナの放射効率周波数特性を示すグラフである。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
［第１の実施の形態］
まず、図１および図２を参照して、本発明の第１の実施の形態にかかる回路一体型アンテナ１０について説明する。図１は、第１の実施の形態にかかる回路一体型アンテナの構成を示す平面図である。図２は、第１の実施の形態にかかる回路一体型アンテナの積層構造を示す断面図である。

本発明にかかる回路一体型アンテナ１０は、モノリシックマイクロ波集積回路（以下、ＭＭＩＣという）などの集積回路を構成する誘電体の基板Ｂ上に、一般的な半導体プロセス技術により形成されたアンテナである。以下では、回路一体型アンテナ１０をオンチップアンテナ（On Chip Antenna）と云うこともある。

図１および図２に示すように、回路一体型アンテナ１０は、主に、基板Ｂの表面Ｐに形成された、給電線路１１、パッチ導体１２、スタブ導体１３Ａ，１３Ｂ、およびギャップ１４（第１のギャップ）から構成されている。以下では、本発明にかかるスタブ導体１３Ａ，１３Ｂ付きのパッチアンテナを、スタブパッチアンテナと云うこともある。

給電線路１１は、全体としてＣＰＷ（Coplanar Waveguide：コプレーナ導波路）などのマイクロストリップラインからなり、外部から入力された高周波の電磁界をパッチ導体１２およびスタブ導体１３Ａ，１３Ｂへ給電するための伝送線路である。以下では、説明を容易とするため、表面Ｐ上において、給電線路１１が伸延する方向（紙面に向かって左右方向）を方向Ｙと呼び、方向Ｙと直行する方向（紙面に向かって上下方向）を方向Ｘという。

パッチ導体１２は、外形形状が全体として平面視略正方形状をなす導体からなり、給電線路１１から給電された電磁界を放射するアンテナエレメント（放射素子）である。パッチ導体１２には、その一辺１２Ａの中央に位置する接続部１２Ｂに給電線路１１が接続されている。

パッチ導体１２のうち接続部１２Ｂの近傍には、方向Ｙに沿って、互いに平行する２つのスリット１５Ａ，１５Ｂを、ギャップ１４の両端のそれぞれからパッチ導体１２の内側の領域に向かうように形成してもよい。ギャップ１４の２つの端部のそれぞれは、スリット１５Ａ，１５Ｂのそれぞれの一端部と連接するよう形成されている。スリット１５Ａ，１５Ｂは、方向Ｙにおけるパッチ導体１２の幅より短い長さを有している。

スタブ導体１３Ａ，１３Ｂは、給電線路１１がパッチ導体１２と接続される接続部１２Ｂの近傍に、給電線路１１から両側に突出して設けられた２つのスタブである。これらスタブ導体１３Ａ，１３Ｂは、パッチ導体１２の外周を取り囲むように、ギャップ１４を挟んでパッチ導体１２と離間して、一定幅で帯状に形成されている。一対のスタブ導体１３Ａ，１３Ｂは、パッチ導体１２の中心を通過する方向Ｙに沿った中心線を挟んで、互いに対称的な形状をなし、互いに対称的な位置に対称配置されている。一対のスタブ導体１３Ａ，１３Ｂの一端は、接続部１２Ｂの近傍で給電線路１１と接続されており、それぞれの他端は、パッチ導体１２の一辺１２Ａと反対側の一辺１２Ｃ側で、ギャップ１３Ｃ（第２のギャップ）を挟んで互いに対向するように配置されている。

以下では、給電線路１１が直線状に形成されている場合を例として説明するが、これに限定されるものではなく、途中に屈曲部や湾曲部、さらにはスタブが設けられていてもよい。また、パッチ導体１２やスタブ導体１３Ａ，１３Ｂの外側形状が、略正方形をなす場合を例として説明するがこれに限定されるものではなく、略矩形形状や略円形形状など、他の形状であってもよい。また、スタブ導体１３Ａ，１３Ｂの内側形状は、略正方形状をなす場合を例として説明するがこれに限定されるものではなく、ギャップ１４の幅が一定となるようパッチ導体１２の外形形状に合わせた形状としてもよい。なお、ギャップ１４の幅は、全周（全長）にわたって一定でなくてもよく、各部の幅を変更することにより、パッチ導体１２の電界強度分布を調整してもよい。

また、基板ＢとしてＩｎＰ（Indium Phosphide：リン化インジウム）などの化合物半導体からなる基板を用いる場合を例として説明するが、これに限定されるものではなく、高周波回路に用いられる一般的な誘電体基板を用いてもよい。また、給電線路１１、パッチ導体１２、スタブ導体１３Ａ，１３Ｂなどの薄膜導体として金（Ａｕ）の薄膜を用いる場合を例として説明するが、これに限定されるものではなく、高周波回路に用いられる一般的な金属の薄膜導体を用いてもよい。

図２の積層構造例では、基板Ｂの表面Ｐに、例えばＳｉＮ（Silicon Nitride：窒化ケイ素）を用いたＭＩＭ（Metal-Insulator-Metal）構造などの回路実装層ＭＩＭが積層されており、給電線路１１、パッチ導体１２、スタブ導体１３Ａ，１３Ｂ、およびギャップ１４は、このＳｉＮで覆われた状態で回路実装層ＭＩＭ内に形成されている。また、回路実装層ＭＩＭの上部には、例えばＢＣＢ（Benzo Cyclo Butene：ベンゾシクロブテン）などの有機絶縁膜を用いた上部絶縁層ＢＣＢが積層されている。

一方、基板Ｂの底面Ｒのうち、少なくとも給電線路１１、パッチ導体１２、スタブ導体１３Ａ，１３Ｂと対向する領域には、グランドプレーンＧＮＤが形成されている。以下では、パッチ導体１２とスタブ導体１３Ａ，１３Ｂを合わせてアンテナ部ＡＮＴと云うこともある。

本実施の形態にかかる回路一体型アンテナ１０は、図１に示すように、パッチ導体１２の外周を取り囲むように、給電線路１１から両側に突出したスタブ導体１３Ａ，１３Ｂを配置したものである。これにより、パッチ導体１２とスタブ導体１３Ａ，１３Ｂとの間、すなわちギャップ１４に電気容量を形成でき、回路一体型アンテナ１０の放射特性を広帯域化・高利得化することができる。また、給電線路１１とのインピーダンス整合をとる際に、スリット１５Ａ，１５Ｂのサイズに加えて、スタブ導体１３Ａ，１３Ｂやギャップ１４のサイズを用いて調整することができる。したがって、回路一体型アンテナ１０の設計過程において、中心周波数、帯域幅、指向性・利得など、高い制御自由度を得ることが可能となる。

［第１の実施の形態にかかる動作解析］
次に、図３～図１３を参照して、本実施の形態にかかる回路一体型アンテナ１０の動作として、シミュレーションによる解析結果について説明する。以下では、比較のため、従来のパッチアンテナに関する解析結果についても合わせて説明する。

図３は、第１の実施の形態にかかる回路一体型アンテナの解析条件の説明図である。図４は、第１の実施の形態にかかる回路一体型アンテナのアンテナサイズの説明図である。図５は、従来のパッチアンテナの構成を示す平面図である。図６は、従来のパッチアンテナの解析条件の説明図である。図７は、従来のパッチアンテナのアンテナサイズの説明図である。図８は、動作解析に用いたＣＰＷとＶｉａのサイズの説明図である。

また、図９は、第１の実施の形態にかかる回路一体型アンテナに関する反射係数の周波数特性を示すグラフである。図１０は、第１の実施の形態にかかる回路一体型アンテナの解析結果の説明図である。図１１は、従来のパッチアンテナの解析結果の説明図である。図１２は、第１の実施の形態にかかる回路一体型アンテナの電界分布の説明図である。図１３は、従来のパッチアンテナの電界分布の説明図である。

図３において、本実施の形態にかかる回路一体型アンテナ１０に関する解析条件については、周波数帯域を２５０－３４０ＧＨｚとし、解析空間を１０００μｍ×１０００μｍ×１０００μｍとした。また、アンテナ部ＡＮＴ（パッチ導体１２、スタブ導体１３Ａ，１３Ｂ）の薄膜導体として膜厚が０．６μｍの金（Ａｕ）を用いた。また、基板Ｂとして厚さが５０μｍのＩｎＰ基板を用い、グランドプレーンＧＮＤとして厚さが４μｍの金（Ａｕ）を用いた。回路実装層ＭＩＭの厚さを１．８μｍとし、回路実装層ＭＩＭ内のＳｉＮの厚さを０．７７μｍとし、上部絶縁層ＢＣＢの厚さを１．８μｍとした。また、給電線路１１の一端に設けられたポートＰＴのサイズを２００μｍ（Ｗ）×１５０μｍ（Ｈ）とし、ポートＰＴから１Ｗの電磁界を入力した。

また、図３および図４に示すように、本実施の形態にかかる回路一体型アンテナ１０に関するアンテナサイズについては、パッチ導体１２の縦横の幅すなわちパッチサイズＰａｔを１８０μｍとし、給電線路１１の幅ＭＳＬ＿ｘを３４μｍとし、長さＭＳＬ＿ｙを３５０μｍとし、スタブ導体１３Ａ，１３Ｂの縦横の幅Ｓｔｕｂを３００μｍとし、スタブ導体１３Ａ，１３Ｂの帯幅Ｓｔｕｂ＿ｗを４０μｍとした。また、ギャップ１４の幅Ｉｎｔ＿１を２０μｍとし、ギャップ１３Ｃの幅Ｉｎｔ＿２を３０μｍとし、スリット１５Ａ，１５Ｂの幅Ｓｌｉｔ＿ｘを１０μｍとし、スリット１５Ａ，１５Ｂの長さＳｌｉｔ＿ｙを６０μｍとした。

一方、比較対象として用いた従来のパッチアンテナ５０は、図５および図６に示すように、基板Ｂの表面Ｐに形成された、給電線路５１とパッチ導体５２から構成されている。
給電線路５１は、全体としてＣＰＷなどのマイクロストリップラインからなり、外部から入力された高周波の電磁界をパッチ導体５２へ給電するための伝送線路である。
パッチ導体５２は、外形形状が全体として平面視略正方形状をなす導体からなり、給電線路１１から給電された電磁界を放射するアンテナエレメント（放射素子）である。パッチ導体５２には、給電線路５１の接続部近傍に、方向Ｙに沿って互いに平行する２つのスリット５５Ａ，５５Ｂが、パッチ導体１２の内側の領域に向けて形成されている。パッチアンテナの積層構造は、図２と同様であり、基板Ｂの底面Ｒには、グランドプレーンＧＮＤが形成されている。

図６において、従来のパッチアンテナ５０に関する解析条件については、周波数帯域を２５０－３４０ＧＨｚとし、解析空間を１０００μｍ×１０００μｍ×１０００μｍとした。また、給電線路５１およびパッチ導体５２からなるアンテナ部ＡＮＴの薄膜導体として膜厚が０．６μｍの金（Ａｕ）を用いた。また、基板Ｂとして厚さが５０μｍのＩｎＰ基板を用い、グランドプレーンＧＮＤとして厚さが４μｍの金（Ａｕ）を用いた。また、給電線路１１の一端に設けられたポートＰＴのサイズを２００μｍ（Ｗ）×１５０μｍ（Ｈ）とし、ポートＰＴから１Ｗの電磁界を入力した。

また、図７および図８に示すように、従来のパッチアンテナ５０に関するアンテナサイズについては、パッチ導体５２の縦横の幅すなわちパッチサイズＰａｔを１８０μｍとし、給電線路１１の幅ＭＳＬ＿ｘを３４μｍとし、長さＭＳＬ＿ｙを３５０μｍとし、スリット５５Ａ，５５Ｂの幅Ｓｌｉｔ＿ｘを１０μｍとし、スリット５５Ａ，５５Ｂの長さＳｌｉｔ＿ｙを６０μｍとした。

また、図８に示すように、ＣＰＷの幅ＣＰＷ＿wを１３μｍとし、ＣＰＷと他の導体とのギャップＣＰＷ＿ｇａｐを１１μｍとした。また、Ｖｉａの半径Ｖｉａ＿ｒを２５μｍとし、Ｖｉａの配置ピッチ間隔Ｖｉａ＿ｐを６０μｍとした。これらサイズは、本実施の形態にかかる回路一体型アンテナ１０および従来のパッチアンテナ５０の両方で共通とした。

図９には、本実施の形態にかかる回路一体型アンテナ１０の解析結果として、給電線路１１の入力端（ポート）における入力反射係数Ｓ１１の周波数特性が示されている。本実施の形態にかかる回路一体型アンテナ１０（スタブパッチアンテナ）によれば、図１１に示すように、入力反射係数Ｓ１１の－１０．０ｄＢにおける帯域幅は２５ＧＨｚであり、従来のパッチアンテナ５０の帯域幅１０ＧＨｚと比較して、２．５倍程度まで広がっていることが分かる。

図１０には、本実施の形態にかかる回路一体型アンテナ１０の解析結果として、指向性および放射効率が示されている。また、図１１には、従来のパッチアンテナ５０の解析結果として、指向性および放射効率が示されている。図１１に示すように、従来のパッチアンテナ５０は、最大利得が３．８０ｄＢｉ程度であるが、図１０に示すように、本実施の形態にかかる回路一体型アンテナ１０によれば、最大利得が４．７５ｄＢｉもあり、パッチアンテナ５０に比べて約１ｄＢｉ程度向上していることが分かる。

これらのことから、本実施の形態にかかる回路一体型アンテナ１０は、従来のパッチアンテナ５０と比べて放射特性が広帯域化・高利得化されていることが分かる。本実施の形態にかかる回路一体型アンテナ１０は、半波長よりも小さいサイズで実現できるため、アレー化することによって、従来のパッチアンテナ５０を用いた場合に比べて利得が大幅に向上する。

また、図１２には、本実施の形態にかかる回路一体型アンテナ１０の解析結果として、電界分布が示されている。また、図１３には、従来のパッチアンテナ５０の解析結果として、電界分布が示されている。図１３に示すように、従来のパッチアンテナ５０の場合では、構造の境界部分に電界が集中しているのに対して、本実施の形態にかかる回路一体型アンテナ１０の場合では、構造の境界部分だけでなくパッチ導体１２とスタブ導体１３Ａ，１３Ｂの間の領域にも電界が集中している違いがある。後者の構造では、構造外側に形成された電界分布と構造内側に形成された電界分布が互いに強め合うことで利得が向上していると考えられる。

［第１の実施の形態の効果］
このように、本実施の形態は、パッチ導体１２の外周を取り囲むように、ギャップ１４を挟んでパッチ導体１２と離間するようスタブ導体１３Ａ，１３Ｂを配置したものである。これにより、パッチ導体１２とスタブ導体１３Ａ，１３Ｂとの間、すなわちギャップ１４に電気容量を形成でき、回路一体型アンテナ１０の放射特性を広帯域化・高利得化することが可能となる。したがって、オンチップアンテナの指向性・利得を向上させることができるため、より長距離で無線通信を行うことが可能になる。また、広帯域な放射特性が得られるため、伝送可能な情報量が増加することでシステム全体を通じたミリ波帯／テラヘルツ帯の無線通信の大容量化が期待できる。チップ設計の観点では、パッチを装荷することで元のアンテナの構成を変更することなく、小型化し広帯域で利得・放射効率を改善することができる。

また、本実施の形態にかかる回路一体型アンテナ１０は、給電線路１１とのインピーダンス整合をとる際に、スリット１５Ａ，１５Ｂのサイズに加えて、スタブ導体１３Ａ，１３Ｂやギャップ１４のサイズを用いて調整することができる。したがって、回路一体型アンテナ１０の設計過程において、中心周波数、帯域幅、指向性・利得など、高い制御自由度を得ることができる。その際に、指向性のよいアンテナ素子の方が素子間における電磁界結合等の問題が軽減できるため、素子単体の利得改善効果を素子数に応じて倍増させることができる。また、従来のパッチアンテナよりも素子間隔を小さくすることができ、小型化およびビーム制御性の向上が期待できる。

これにより、半波長よりも小さいサイズで実現できるため、パッチ導体１２とスタブ導体１３Ａ，１３Ｂからなるアンテナ部ＡＮＴを、同一基板Ｂ上にアレー状に複数配置したアレーパッチアンテナを構成してもよい。このようなアレー化を行うことによって、単独のパッチアンテナを用いた場合に比べて利得を大幅に向上させることが可能となる。

また、アレー化によりヴィヴァルディアンテナ（Vivaldi Antenna）等の波長サイズで設計された従来の広帯域アンテナと同等以上の利得を有しながらビームフォーミングによって放射方向を自動的に制御できる。例えば、３００ＧＨｚ帯の超高速無線通信を想定した場合、送受信位置の僅かなずれがＳＮ比に大きく影響することから、ビーム角の微調整によってＳＮ比を常に最適化することで変調多値数の大きい状態で高ビットレートな無線伝送が可能となる。

さらに、本実施の形態のスタブパッチアンテナをアレー化した場合、スタブとパッチの間に形成される電気容量で電界を集中させて閉じ込めることにより素子間結合を低減することができ、アレーファクタから導出される利得の理論限界値に近い利得を出すことができる。

［第２の実施の形態］
次に、図１４を参照して、本発明の第２の実施の形態にかかる回路一体型アンテナ２０について説明する。図１４は、第２の実施の形態にかかる回路一体型アンテナの積層構造を示す断面図である。
本実施の形態にかかる回路一体型アンテナ２０は、前述した図１の回路一体型アンテナ１０において、アンテナ部ＡＮＴの上方に上部パッチ導体１６を装荷したものである。

すなわち、本実施の形態にかかる回路一体型アンテナ２０は、図１４に示すように、パッチ導体１２およびスタブ導体１３Ａ，１３Ｂからなるアンテナ部ＡＮＴの上方（上層）、具体的には、上部絶縁層ＢＣＢの表面に、スタブ導体１３Ａ，１３Ｂの外形とほぼ同一形状の上部パッチ導体１６を装荷したものである。上部パッチ導体１６は、例えば金（Ａｕ）などの導体薄膜からなる。

この構造によれば、下層のアンテナ部ＡＮＴから放射された電波が上層の上部パッチ導体１６と結合することによって、指向性の優れない周波数帯の電波の方向が修正される。このため、上部パッチ導体１６が最大利得を保持した状態でその周辺周波数帯の利得を向上させ放射特性を平滑化させる働きを持つ。また、アンテナ部ＡＮＴと上部パッチ導体１６との層間に電界が集中することで、対応周波数帯・帯域幅を保持した状態で、図１のスタブパッチアンテナよりも構造が小型化することが可能となる。

［第２の実施の形態にかかる解析結果］
次に、図１５～図１７を参照して、本実施の形態にかかる回路一体型アンテナ２０と従来のパッチアンテナに関する、シミュレーションによる解析結果について説明する。図１５は、第２の実施の形態にかかる回路一体型アンテナに関する反射係数の周波数特性を示すグラフである。図１６は、第２の実施の形態にかかる回路一体型アンテナの利得周波数特性を示すグラフである。図１７は、第２の実施の形態にかかる回路一体型アンテナの放射効率周波数特性を示すグラフである。

本実施の形態にかかる回路一体型アンテナ２０に関する解析条件については、図３および図４で示した上部パッチ導体なしのものと同様であり、具体的には、周波数帯域を２５０－３４０ＧＨｚとし、解析空間を１０００μｍ×１０００μｍ×１０００μｍとした。また、アンテナ部ＡＮＴ（パッチ導体１２、スタブ導体１３Ａ，１３Ｂ）の薄膜導体として膜厚が０．６μｍの金（Ａｕ）を用いた。また、基板Ｂとして厚さが５０μｍのＩｎＰ基板を用い、グランドプレーンＧＮＤとして厚さが４μｍの金（Ａｕ）を用いた。回路実装層ＭＩＭの厚さを１．８μｍとし、回路実装層ＭＩＭ内のＳｉＮの厚さを０．７７μｍとし、上部絶縁層ＢＣＢの厚さを１．８μｍとした。また、給電線路１１の一端に設けられたポートＰＴのサイズを２００μｍ（Ｗ）×１５０μｍ（Ｈ）とし、ポートＰＴから１Ｗの電磁界を入力した。上部パッチ導体１６については、縦横の幅すなわちパッチサイズＰａｔをスタブ導体１３Ａ，１３Ｂと同じ３００μｍとし、膜厚を２．２μｍとした。

また、本実施の形態にかかる回路一体型アンテナ２０に関するアンテナサイズについては、図３および図４で示したものと比較して、アンテナ部ＡＮＴを全体的に１７％ほどサイズダウンしたものである。具体的には、パッチ導体１２の縦横の幅すなわちパッチサイズＰａｔを１５０μｍとし、給電線路１１の幅ＭＳＬ＿ｘを３４μｍとし、長さＭＳＬ＿ｙを３５０μｍとし、スタブ導体１３Ａ，１３Ｂの縦横の幅Ｓｔｕｂを２５０μｍとし、スタブ導体１３Ａ，１３Ｂの帯幅Ｓｔｕｂ＿ｗを３０μｍとした。また、ギャップ１４の幅Ｉｎｔ＿１を２０μｍとし、ギャップ１３Ｃの幅Ｉｎｔ＿２を３０μｍとし、スリット１５Ａ，１５Ｂの幅Ｓｌｉｔ＿ｘを１０μｍとし、スリット１５Ａ，１５Ｂの長さＳｌｉｔ＿ｙを６０μｍとした。

図１５には、本実施の形態にかかる回路一体型アンテナ２０の解析結果として、給電線路１１の入力端（ポート）における入力反射係数Ｓ１１の周波数特性が示されている。本実施の形態にかかる回路一体型アンテナ２０（上部パッチ導体あり）によれば、図１５に示すように、入力反射係数Ｓ１１の－１０．０ｄＢにおける帯域幅は３０ＧＨｚであり、前述した回路一体型アンテナ１０（上部パッチ導体なし）の帯域幅２５ＧＨｚと比較して、１６％程度広がっていることが分かる。

また、図１６には、本実施の形態にかかる回路一体型アンテナ２０の解析結果として、利得の周波数特性が示されており、図１７には、本実施の形態にかかる回路一体型アンテナ２０の解析結果として、放射効率の周波数特性が示されている。図１６および図１７に示すように、本実施の形態にかかる回路一体型アンテナ２０（上部パッチ導体あり）によれば、前述した回路一体型アンテナ１０（上部パッチ導体なし）と比較して、利得および放射効率についても改善し、より安定化していることが分かる。したがって、上部パッチ導体１６を装荷することにより、小型化と対応周波数帯の利得・放射効率の改善を両立することができる。なお、図１６および図１７では、比較のため、それぞれの中心周波数を基準として対応周波数帯を規格化した規格化周波数が横軸として用いられている。

［第２の実施の形態の効果］
このように、本実施の形態は、パッチ導体１２およびスタブ導体１３Ａ，１３Ｂからなるアンテナ部ＡＮＴの上方に、スタブ導体１３Ａ，１３Ｂの外形とほぼ同一形状の上部パッチ導体１６を装荷したものである。
これにより、回路一体型アンテナ２０の入力反射係数Ｓ１１の－１０．０ｄＢにおける帯域幅を広げられるだけでなく、対応周波数帯の利得・放射効率を改善でき、小型化と対応周波数帯の利得・放射効率の改善を両立することができる。

［実施の形態の拡張］
以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解しうる様々な変更をすることができる。また、各実施形態については、矛盾しない範囲で任意に組み合わせて実施することができる。

１０，２０…回路一体型アンテナ、１１…給電線路、１２…パッチ導体、１２Ａ，１２Ｃ…一辺、１２Ｂ…接続部、１３Ａ，１３Ｂ…スタブ導体、１３Ｃ，１４…ギャップ、１５Ａ，１５Ｂ…スリット、１６…上部パッチ導体、ＭＩＭ…回路実装層、ＢＣＢ…上部絶縁層、ＡＮＴ…アンテナ部、Ｂ…基板、Ｐ…表面、Ｒ…底面、ＧＮＤ…グランドプレーン。

Claims

集積回路を構成する基板上に実装される回路一体型アンテナであって、
基板の表面に形成され、給電された電磁界を放射するパッチ導体と、
前記基板の表面に形成され、入力された電磁界を前記パッチ導体に給電する給電線路と、
前記パッチ導体と前記給電線路の接続部の両側に、前記パッチ導体の内側に向かうように形成された、前記給電線路に平行な２つのスリットと、
前記基板の表面に形成され、前記給電線路の両側から突出して設けられた一対のスタブ導体とを備え、
前記一対のスタブ導体のそれぞれは、前記パッチ導体の外周を取り囲むように、第１のギャップを挟んで前記パッチ導体と離間するよう、前記給電線路を挟んで対称配置されている
ことを特徴とする回路一体型アンテナ。
請求項１に記載の回路一体型アンテナにおいて、
前記一対のスタブ導体のそれぞれは、一端が前記給電線路と接続され、他端が前記パッチ導体を挟んで前記接続部とは反対側において、第２のギャップを挟んで互いに対向するように配置されていることを特徴とする回路一体型アンテナ。
請求項１に記載の回路一体型アンテナにおいて、
前記第１のギャップは、前記２つのスリットのそれぞれの一端部と連接するよう形成されていることを特徴とする回路一体型アンテナ。
請求項１から３の何れか１項に記載の回路一体型アンテナにおいて、
前記スタブ導体は、一定幅で帯状に形成されていることを特徴とする回路一体型アンテナ。
請求項１から４の何れか１項に記載の回路一体型アンテナにおいて、
前記第１のギャップは、一定幅で形成されていることを特徴とする回路一体型アンテナ。
請求項１から５の何れか１項に記載の回路一体型アンテナにおいて、
前記パッチ導体および前記一対のスタブ導体の上方に装荷された上部パッチ導体をさらに備えることを特徴とする回路一体型アンテナ。
請求項１から６の何れか１項に記載の回路一体型アンテナにおいて、
前記パッチ導体と前記一対のスタブ導体からなるアンテナ部が、同一基板上にアレー状に複数配置されていることを特徴とする回路一体型アンテナ。