天线模块和搭载该天线模块的通信装置

技术领域

本公开涉及天线模块和搭载该天线模块的通信装置，更特定而言，涉及提高具有短截线的天线模块的特性的技术。

背景技术

以往，已知通过在向辐射元件(供电元件)供给高频信号的传输线路设置短截线来实现该天线的宽频化的技术。

在日本特开2002-271131号公报(专利文献1)中公开了如下结构：通过在贴片天线的传输线路的大致相同的部位设置形状不同的短截线，从而使利用贴片天线能够辐射的高频信号的带宽宽频化。

专利文献1：日本特开2002-271131号公报

发明内容

在包含日本特开2002-271131号公报(专利文献1)所记载的结构的天线模块中，要求天线特性的进一步的改善。

本公开是为了解决这样的问题而完成的，其目的在于，提高具有短截线的天线模块的天线特性。

本公开的天线模块包括：介电体基板，其具有多层构造；接地电极，其配置于介电体基板；平板状的供电元件，其与接地电极相对，并且配置于与接地电极不同的层；第1供电布线，其向供电元件的第1供电点传递高频信号；以及第1短截线，其在第1供电布线的第1分支点处从第1供电布线分支。第1短截线具有第1开放端。第1短截线配置于供电元件与接地电极之间。在俯视介电体基板的情况下，第1开放端与供电元件重叠。

本公开的另一技术方案的天线模块包括：介电体基板，其具有多层构造；接地电极，其配置于介电体基板；平板状的供电元件，其与接地电极相对，并且配置于与接地电极不同的层；无源元件，其与供电元件相对，并且配置于与接地电极和供电元件不同的层；第1供电布线，其向供电元件的第1供电点传递高频信号；以及第1短截线，其在第1供电布线的第1分支点处从第1供电布线分支。第1短截线具有第1开放端。第1短截线配置于供电元件及无源元件与接地电极之间。在俯视介电体基板的情况下，第1开放端与供电元件和无源元件中的至少一者重叠。

根据本公开的天线模块，配置为从用于向平板状的供电元件传递高频信号的供电布线分支的短截线的开放端在俯视天线模块的情况下与供电元件(或无源元件)重叠。由此，能够提高天线增益等天线特性。

附图说明

图1是应用实施方式1的天线模块的通信装置的框图。

图2是实施方式1的天线模块的俯视图和剖视图。

图3是图2的天线模块的立体图。

图4是比较例的天线模块的俯视图。

图5是表示实施方式1和比较例的天线增益的图。

图6是放大图5的局部而得到的图。

图7是表示实施方式1的天线模块的接地电极的电流分布的一例的图。

图8是表示比较例的天线模块的接地电极的电流分布的一例的图。

图9是表示实施方式1和比较例的电波的辐射方向的图。

图10是表示实施方式1和比较例的回波损耗的图。

图11是变形例1的天线模块的俯视图。

图12是实施方式2的天线模块的俯视图和剖视图。

图13是实施方式3的天线模块的俯视图和剖视图。

图14是实施方式4的天线模块的俯视图和剖视图。

图15是实施方式5的天线模块的第1例的俯视图。

图16是实施方式5的天线模块的第2例的俯视图。

图17是实施方式6的天线模块的俯视图。

图18是变形例2的天线模块的俯视图。

图19是变形例3的天线模块的俯视图。

图20是表示介电体基板内的要素的配置的第1例的剖视图。

图21是表示介电体基板内的要素的配置的第2例的剖视图。

具体实施方式

以下，参照附图，详细地说明本公开的实施方式。此外，对图中相同或相当的部分标注相同的附图标记而不重复其说明。

[实施方式1]

(通信装置的基本结构)

图1是应用本实施方式1的天线模块100的通信装置10的框图的一例。通信装置10例如是手机、智能手机或平板电脑等便携终端、具备通信功能的个人计算机等。本实施方式的天线模块100所使用的电波的频段的一例是例如以28GHz、39GHz和60GHz等为中心频率的毫米波段的电波，但也能够适用上述以外的频段的电波。此外，在以下的说明中，以适用于该天线模块100的电波的中心频率是28GHz的情况为例来进行说明。

参照图1，通信装置10包括天线模块100和构成基带信号处理电路的BBIC 200。天线模块100包括天线装置120和作为供电电路的一例的RFIC 110。通信装置10将从BBIC 200向天线模块100传递的信号上变频为高频信号而从天线装置120辐射，并且将利用天线装置120接收的高频信号下变频而利用BBIC 200处理信号。

在图1中，为了容易说明，仅示出与构成天线装置120的多个供电元件121中的4个供电元件121对应的结构，省略与具有同样的结构的其他供电元件121对应的结构。此外，在图1中，示出天线装置120由配置为二维的阵列状的多个供电元件121形成的例子，但供电元件121不必一定是多个，也可以是由1个供电元件121形成天线装置120的情况。另外，也可以是多个供电元件121配置为一列的一维阵列。在本实施方式中，供电元件121是具有大致正方形的平板形状的贴片天线。

RFIC 110包括开关111A～111D、113A～113D、117、功率放大器112AT～112DT、低噪声放大器112AR～112DR、衰减器114A～114D、移相器115A～115D、信号合成/分波器116、混频器118以及放大电路119。

在发送高频信号的情况下，开关111A～111D、113A～113D向功率放大器112AT～112DT侧切换，并且开关117连接于放大电路119的发送侧放大器。在接收高频信号的情况下，开关111A～111D、113A～113D向低噪声放大器112AR～112DR侧切换，并且开关117连接于放大电路119的接收侧放大器。

从BBIC 200传递的信号被放大电路119放大并被混频器118上变频。上变频而得到的高频信号即发送信号被信号合成/分波器116分波成4个信号，通过4个信号路径而向彼此不同的供电元件121供给。此时，通过单独地调整在各信号路径配置的移相器115A～115D的移相度，能够调整天线装置120的方向性。

利用各供电元件121接收的高频信号即接收信号分别经由不同的4个信号路径，被信号合成/分波器116合波。合波而得到的接收信号被混频器118下变频，被放大电路119放大而向BBIC 200传递。

RFIC 110例如形成为包含上述电路结构的单芯片的集成电路部件。或者，关于RFIC 110的与各供电元件121对应的设备(开关、功率放大器、低噪声放大器、衰减器、移相器)，也可以针对每个对应的供电元件121都形成单芯片的集成电路部件。

(天线模块的结构)

接着，使用图2和图3，说明本实施方式1的天线模块的结构的细节。在图2中，上部表示天线模块100的俯视图，下部表示通过供电点SP1的剖视图。此外，在图2的上部的俯视图和图3中，为了容易观察内部的结构，省略介电体基板130的局部。另外，图3是天线模块100的立体图。

参照图2，天线模块100除了包含供电元件121和RFIC 110以外，还包含介电体基板130、供电布线140、短截线150以及接地电极GND。此外，在以后的说明中，存在将各图中的Z轴的正方向称为上表面侧，将负方向称为下表面侧的情况。

介电体基板130例如是低温共烧陶瓷(LTCC：Low Temperature Co-firedCeramics)多层基板、通过层叠多个由环氧、聚酰亚胺等树脂构成的树脂层而形成的多层树脂基板、通过层叠多个由具有更低的介电常数的液晶聚合物(Liquid Crystal Polymer：LCP)构成的树脂层而形成的多层树脂基板、通过层叠多个由氟系树脂构成的树脂层而形成的多层树脂基板、或者LTCC以外的陶瓷多层基板。

介电体基板130具有矩形的平面形状，在介电体基板130的内部的层或上表面侧的表面131配置有大致正方形的供电元件121。在介电体基板130中，在比供电元件121靠下表面侧的层配置有接地电极GND。另外，RFIC 110借助钎焊凸块160而配置于介电体基板130的下表面侧的背面132。

从RFIC 110供给的高频信号经由贯穿接地电极GND的供电布线140而向供电元件121的供电点SP1传递。供电点SP1配置于从供电元件121的中心(对角线的交点)向图2的X轴的正方向偏移的位置。通过向供电点SP1供给高频信号，从供电元件121辐射以X轴方向为极化方向的电波。

如图3所示，供电布线140利用导通孔(日文：ビア)141从RFIC 110立起到接地电极GND与供电元件121之间的层，在该层中经由布线图案142偏移到供电元件121的下方，从此经由导通孔143进一步立起到供电元件121的供电点SP1。

在供电布线140设有用于调整供电元件121的谐振频率下的阻抗的短截线150。短截线150是一端连接于供电布线140的分支点BP1而另一端设为开放端OE1的开路短截线。在图2的例子中，短截线150成为从供电布线140的布线图案142的分支点BP1向Y轴的正方向延伸且在分支点BP1与开放端OE1之间向X轴的负方向弯曲而成的大致L字形状。通过弯曲成这样的L字形状，在从分支点BP1到开放端OE1之间，能够尽量确保供电元件121与短截线150的距离，因此能够抑制短截线150与供电元件121的不必要的耦合。在从天线模块100的法线方向(即，Z轴方向)俯视的情况下，短截线150的开放端OE1与供电元件121重叠。此外，在图2的例子中，在俯视天线模块100的情况下，分支点BP1与供电元件121不重叠。通过以不重叠分支点BP1和供电元件121的方式配置分支点BP1和供电元件121，能够减小供电元件121与接地电极GND之间的电场(电力线)被短截线影响的区域，因此能够发挥天线原本的特性。

短截线150的线路长度根据从供电元件121辐射的电波的波长来决定。另外，供电布线140的短截线150的分支点BP1的位置根据从供电元件121辐射的电波的频率来决定。

图4是比较例的天线模块100#的俯视图。在天线模块100#中，从供电布线140的分支点BP1分支的短截线150#是向Y轴的正方向延伸的直线形状的短截线。在俯视天线模块100的情况下，短截线150#的开放端OE1#与供电元件121不重叠。

图5是表示实施方式1和比较例的天线增益的图。在图5中，横轴表示频率，纵轴表示增益。图5中的实线LN10表示实施方式1的天线模块100的增益，虚线LN11表示比较例的天线模块100的增益。如图5所示，通过比较能够达到同一增益(例如3dB)的带宽可知，实施方式1的带宽BW1比比较例的带宽BW2宽。

图6是放大在图5中表示峰值增益的区域AR1的部分而得到的图。如图6所示，可知在27GHz～29GHz中，实施方式1的峰值增益与比较例相比改善约0.1dB。

图7和图8分别表示实施方式1和比较例的天线模块的在接地电极GND流动的电流分布。在图7和图8中，电流分布表示为等高线。

通过比较图7和图8可知，实施方式1的天线模块100与比较例的天线模块100#相比相对于通过供电点SP1而沿着X轴的线LNA的对称性被改善。由此，如图9所示，在比较例中电波的辐射方向从天线模块的法线方向(Z轴方向)倾斜约2°(线LN21)，但在实施方式1中大致与Z轴方向一致(线LN20)。可以认为，通过改变短截线的配置来改善接地电极GND的电流分布的对称性是天线增益提高的原因。

对于天线特性而言，图7所示那样的接地电极GND的电流分布越是相对于线LNA关于Y轴方向线对称，特性越好。因而，更优选的是，如图7那样，供电布线140和短截线150配置于供电元件121的Y轴方向的宽度的范围内。

此外，图10是表示实施方式1和比较例的回波损耗的图。如图10所示，关于回波损耗小于10dB的带宽也是，实施方式1(实线LN30)的带宽比比较例(虚线LN31)的带宽宽。

如上所述，在具有贴片天线作为供电元件的天线模块中，通过以在俯视天线模块的情况下配置于供电布线的开路短截线的开放端与供电元件重叠的方式配置，能够提高天线增益和回波损耗等天线特性。

(变形例1)

在实施方式1的天线模块100中，说明了如下结构：在俯视天线模块100的情况下，从供电布线140的与供电元件121不重叠的位置分支。

图11是变形例1的天线模块100A的俯视图。在天线模块100A中，短截线150A是与实施方式1相同的L字形状的开路短截线，在俯视天线模块100A的情况下，从供电布线140的与供电元件121重叠的位置分支，而且开放端OE1与供电元件121重叠。换言之，L字形状的短截线150A整体与供电元件121重叠。

供电布线上的短截线的分支点的位置(即，从供电元件的供电点到分支点的距离)通常由从供电元件辐射的电波的频率决定。因此，在使用的有些频率的情况下，能成为如图11那样短截线整体与供电元件重叠的状态。在该情况下也是，以开路短截线的开放端与供电元件重叠的方式配置，因此与图8所示的比较例那样的一直线状的短截线的结构相比接地电极GND的电流分布的对称性被改善。因而，能够与实施方式1同样地提高天线特性。

也就是说，在使用的电波的有些频段的情况下，会产生必须在供电元件附近配置短截线的情况，但在该情况下也是，能够使短截线弯曲且以短截线的开放端与供电元件重叠的方式配置而改善接地电极的电流分布的对称性。通过设为这样的结构，即使当在供电元件的附近配置短截线的情况下，也能够提高天线特性。

[实施方式2]

在实施方式1中，说明了在设有被RFIC供给高频信号的1个供电元件作为供电元件的天线模块应用本公开的短截线的结构。在以下说明的实施方式2～4中，说明如下结构：在作为供电元件除了包括供电元件以外还包括不被RFIC供给高频信号的无源元件的天线模块应用本公开的短截线。

图12是实施方式2的天线模块100B的俯视图(图12的(a))和剖视图(图12的(b))。在天线模块100B中，在介电体基板130的比供电元件121靠上表面侧的位置与供电元件121相对地配置有无源元件125。此外，在图12中，不重复关于与实施方式1的图2重复的要素的说明。

无源元件125通常是为了扩大从天线模块100B辐射的电波的带宽而设置，基本上具有与供电元件121大致相同的尺寸的平面形状。因此，在从天线模块100B的法线方向俯视天线模块100B的情况下，短截线150的开放端OE1与供电元件121和无源元件125这两者重叠。

此外，在供电元件121和无源元件125的尺寸不同的情况下，短截线150的开放端OE1与供电元件121和无源元件125中的至少一者重叠即可。即，在供电元件121的尺寸比无源元件125的尺寸大的情况下，短截线150也可以仅与供电元件121重叠。另外，在供电元件121的尺寸比无源元件125的尺寸小的情况下，短截线150也可以仅与无源元件125重叠。

在如实施方式2那样在供电元件的上表面侧配置有无源元件的结构中也是，通过以在俯视天线模块的情况下配置于供电布线的开路短截线的开放端与供电元件和/或辐射元件(以下也统称为“辐射元件”。)重叠的方式配置短截线，能够提高天线特性。

[实施方式3]

图13是实施方式3的天线模块100C的俯视图(图13的(a))和剖视图(图13的(b))。参照图13，在天线模块100C中，在供电元件121与接地电极GND之间的层以与供电元件121相对的方式配置有无源元件125A。此外，在图13中，不重复关于与实施方式1的图2重复的要素的说明。

供电布线140的导通孔143贯通无源元件125A而连接于供电元件121的供电点SP1。无源元件125A具有与供电元件121大致相同的尺寸的平面形状。此外，实施方式3那样的无源元件125A也是为了扩大从天线模块100C辐射的电波的带宽而设置的。

并且，在俯视天线模块100C的情况下，短截线150的开放端OE1与供电元件121和无源元件125这两者重叠。由此，能够提高天线特性。

[实施方式4]

在实施方式1～3中，说明了辐射的电波的频段为1个的单频段型的天线模块。在实施方式4中，说明在辐射的电波的频段为两个的双频段型的天线模块应用本公开的短截线的结构。

图14是实施方式4的天线模块100D的俯视图(图14的(a))和剖视图(图14的(b))。参照图14，在天线模块100D中，与实施方式3同样，在供电元件121与接地电极GND之间的层配置有无源元件125B，但无源元件125B具有比供电元件121大的尺寸。供电布线140未连接于无源元件125B，但供电布线140贯穿无源元件125B，因此供电布线140和无源元件125B耦合，从无源元件125B也辐射电波。在此，通常，若辐射元件的尺寸变大，则辐射元件的谐振频率变低，从该辐射元件辐射的电波的频率变低。因此，从无源元件125B辐射比供电元件121低的频率的电波。

在图14的天线模块100D中，包括配置于供电元件121的周围的寄生元件127。寄生元件127与供电元件121的4个边相对地配置于与配置有供电元件121的层相同的层。该寄生元件127是为了使从供电元件121辐射的电波的频段宽频化而设置的。此外，寄生元件127的配置不是必需的，在利用供电元件121单体能够实现期望的频段的情况下，也可以省略寄生元件127。

在供电布线140配置有供电元件121用的短截线150和无源元件125B用的短截线155。短截线150的线路长度根据从供电元件121辐射的电波的波长来决定。另外，供电布线140中的短截线150的分支点BP1的位置根据从供电元件121辐射的电波的频率来决定。

短截线155的线路长度根据从无源元件125B辐射的电波的波长来决定。另外，供电布线140中的短截线155的分支点BP2的位置根据从无源元件125B辐射的电波的频率来决定。

短截线150的开放端OE1和短截线155的开放端OE2在俯视天线模块100D的情况下与供电元件121和无源元件125B中的至少一者重叠。

这样，在具有供电元件和比供电元件大的尺寸的无源元件的双频段型的天线模块中也是，设置与供电元件和无源元件分别对应的短截线，在俯视天线模块时，各短截线的开放端与供电元件和无源元件重叠，从而能够提高天线特性。

此外，在图14的天线模块100D中，说明了配置有与供电元件121对应的短截线150和与无源元件125B对应的短截线155的例子，但也可以是不配置短截线150和短截线155中的任一者的结构。或者，也可以是，不使短截线150和短截线155中的任一者弯曲，且其开放端与辐射元件(供电元件、无源元件)不重叠。例如，在短截线的长度较短而即使弯曲其开放端也与辐射元件不重叠那样的情况下，从设计的容易性和制造偏差的降低的观点来看，优选不使短截线弯曲。

[实施方式5]

实施方式1～4说明了从1个供电元件辐射的电波的极化波为1个的结构。在实施方式5中，说明从供电元件辐射具有彼此不同的极化波的两个电波的结构。

图15是实施方式5的天线模块100E的俯视图。在天线模块100E中，除了实施方式1的天线模块100的结构以外，从RFIC 110还向另一供电点SP2供给高频信号。

供电点SP2配置于从供电元件121的中心(对角线的交点)向图15的Y轴的负方向偏移的位置。从RFIC 110经由供电布线147而向供电点SP2供给高频信号。由此，从供电元件121辐射以Y轴方向为极化方向的电波。

短截线157具有与短截线150相同的L字形状，短截线157的一端连接于供电布线147的分支点BP3。并且，作为开放端OE3的另一端在俯视天线模块100E的情况下与供电元件121重叠。

即，在实施方式5的天线模块100E中，通过向供电点SP1和供电点SP2供给高频信号，辐射以X轴方向为极化方向的电波和以Y轴方向为极化方向的电波。并且，在俯视天线模块100E的情况下，从向各供电点供给高频信号的供电布线分支的短截线的开放端与供电元件121重叠。

通过设为这样的结构，在接地电极GND流动的电流的对称性被改善，因此能够提高天线特性。

此外，若如图16所示的天线模块100F那样将与连接于供电点SP2的供电布线147连接的短截线157配置为从分支点BP3向X轴的负方向分支，则两个短截线150、157相对于供电元件121的对角线(图16的线LNB)线对称。因而，通过设为这样的结构，在接地电极GND流动的电流的对称性被进一步改善，因此能够更进一步提高天线特性。

[实施方式6]

在实施方式6中，说明将实施方式4和实施方式5组合而成的双频段且双极化型的天线模块的例子。

图17是实施方式6的天线模块100G的俯视图。在天线模块100G中，如图14的天线模块100D那样，供电元件121和无源元件125B在Z轴方向上相对地配置，供电布线140、147分别连接于供电元件121的供电点SP1、SP2。供电布线140、147分别贯穿无源元件125B而连接于供电元件121。

并且，在供电布线140配置有短截线150和短截线155，在供电布线147配置有短截线157和短截线158。短截线150、155、157、158分别具有在从供电布线的分支点到开放端之间弯曲的L字形状。在俯视天线模块100G的情况下，各短截线的开放端与供电元件121和无源元件125B重叠。

在双频段且双极化型的天线模块100G中也是，以在俯视的情况下各短截线的开放端与辐射元件(供电元件、无源元件)重叠的方式配置短截线，从而在接地电极流动的电流的对称性被改善，因此能够提高天线特性。此外，在该情况下也是，如图17那样以相对于辐射元件的对角线LNB线对称的方式配置短截线，从而能够进一步提高天线特性。

(变形例2)

在图17的天线模块100G中，是使用供电元件121和无源元件125B作为辐射元件的结构，但也可以将两个辐射元件都设为供电元件而双频段化。在图18所示的变形例2的天线模块100H中，尺寸不同的供电元件121、121A在Z轴方向上相对地配置，供电布线以辐射以X轴方向和Y轴方向为极化方向的电波的方式连接于各供电元件。

更具体而言，供电布线140、147分别连接于供电元件121的供电点SP1、SP2。另外，供电布线171、172分别连接于供电元件121A的供电点SP11、SP12。在供电布线140、147分别配置有短截线150、157，在供电布线171、172分别配置有短截线181、182。短截线150、157、181、182分别具有在从供电布线的分支点到开放端之间弯曲的L字形状。并且，在俯视天线模块100H的情况下，短截线150、157的开放端与供电元件121重叠，短截线181、182的开放端与供电元件121A重叠。

这样，关于对两个供电元件单独供电的双频段且双极化型的天线模块也是，以在俯视的情况下配置于各供电线的短截线的开放端与对应的供电元件重叠的方式配置，从而能够提高天线特性。另外，在该情况下也是，相对于供电元件的对角线线对称地配置短截线，从而能够进一步提高天线特性。

(变形例3)

在变形例2的天线模块100H中，配置于各供电元件的短截线也可以作为滤波器的至少局部发挥功能。例如，在图19的变形例3的天线模块100I中，在向高频侧(例如，39GHz频段)的供电元件121供给高频信号的供电布线140、147，除了配置有短截线150、157以外，还分别配置有电容电极190、197。在供电布线140、147中，由电容电极与接地电极GND之间的电容和短截线形成滤波器。

通过调整短截线的长度来调整谐振点，从而能够使从供电元件121A辐射的低频侧的电波的频段(例如，28GHz频段)衰减，但关于应从供电元件121辐射的高频侧的电波，可能产生通过特性未必最佳的情况。通常，在比谐振点高的频段中，短截线作为电感发挥作用。因此，通过在供电布线配置电容电极，由该短截线和电容电极形成LC并联滤波器，能够在高频侧的频段形成反谐振点。由此，能够改善应辐射的高频侧的通过特性。

另一方面，当在低频侧的供电元件121A配置短截线的情况下也是，能够通过调整短截线的长度来使高频侧的频段衰减。通常，在比谐振点低的频段中，短截线作为电容发挥作用。因此，也可以是，代替图19的结构或在图19的结构的基础上，在低频侧的供电布线配置使高频侧的电波的频段衰减的短截线，例如进一步添加由短路短截线或图案形成的电感成分，从而与短截线的电容成分一起形成LC并联滤波器，从而在低频侧形成反谐振点，改善低频侧的通过特性。

在上述的各实施方式中，是在相同的介电体基板内配置有辐射元件、短截线和接地电极的结构，但也可以不必所有的要素配置于相同的基板内。例如，如图20的天线模块100J那样，也可以是供电元件121配置于另一介电体基板135的结构。或者，如图21的天线模块100K那样，也可以是供电元件121和短截线150配置于另一介电体基板136的结构。

此外，在图20和图21中的任一者中均是，配置有接地电极GND的介电体基板130和配置有供电元件121的介电体基板135、136通过钎焊安装或粘接来连接。另外，关于在中途被断开的供电布线140也是，使用钎焊或其他布线来连接。

应理解为本次公开的实施方式在所有的方面均为例示而不是限制。本公开的范围由权利要求书表示而不由上述的实施方式的说明表示，意图包含在与权利要求书均等的意思和范围内的所有的变更。

10、通信装置；100、100A～100K、天线模块；110、RFIC；111A～111D、113A～113D、117、开关；112AR～112DR、低噪声放大器；112AT～112DT、功率放大器；114A～114D、衰减器；115A～115D、移相器；116、信号合成/分波器；118、混频器；119、放大电路；120、天线装置；121、121A、供电元件；125、125A、125B、无源元件；127、寄生元件；130、135、136、介电体基板；140、147、171、172、供电布线；141、143、导通孔；142、布线图案；150、150A、155、157、158、181、182、短截线；160、钎焊凸块；190、197、电容电极；200、BBIC；BP1、BP1A、BP2、BP3、分支点；GND、接地电极；OE1、OE1A、OE1#、OE2、OE3、开放端；SP1、SP2、SP11、SP12、供电点。