JP2008061158A - Antenna device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は半導体集積回路基板上に形成されるアンテナ装置に関する。 The present invention relates to an antenna device formed on a semiconductor integrated circuit substrate.
近年、半導体製造技術の進歩は目覚しく、システムオンチップとして集積度はますます
上り、1チップ内に入る半導体回路は全て搭載しようとする傾向がある。そのために半導
体チップと外部回路との接続のピン数が膨大となり、数百本を超えることも珍しくない。
また、半導体回路の動作周波数も高くなり、従来のワイヤボンディングを介して外部と接
続する方法では、高周波特性が問題となり、正しく外部との信号やり取りが困難となって
きている。このような問題に対し、非特許文献1および2や特許文献1乃至4では、半導
体チップ間の接続あるいは回路ブロック間の接続を無線化する研究が報告されており、そ
れに際してアンテナも集積回路上に形成する試みが報告されている。
In recent years, the progress of semiconductor manufacturing technology has been remarkable, and the degree of integration has been increasing as a system-on-chip, and there is a tendency to mount all semiconductor circuits within one chip. Therefore, the number of pins for connecting the semiconductor chip and the external circuit is enormous, and it is not uncommon to exceed several hundreds.
In addition, the operating frequency of the semiconductor circuit is increased, and in the conventional method of connecting to the outside through wire bonding, high frequency characteristics become a problem, and it is difficult to correctly exchange signals with the outside. In order to deal with such a problem,
しかしながら、半導体チップ上にアンテナを形成することは非常に困難な課題となり、
特許文献1乃至4には、どれも有効な解決策が示されていない。たとえば特許文献2では
、1.5GHzの電波を使用する四分の一波長のアンテナを集積回路上に集積するとある
が、1.5GHzの電波の波長は20cmであり、四分の一波長すなわち5cmのアンテ
ナを集積回路上に集積するのは明らかに不可能である。また特許文献3、4では、半導体
チップ上に絶縁膜を形成し、その上に平面状のアンテナ放射器を配設する構造が示されて
いるが、半導体チップ上における絶縁膜程度の厚さでは、該絶縁膜上に置かれた放射器か
らは効率よく電磁波を放射しないことは当該技術者であれば容易に分かることである。
However, forming an antenna on a semiconductor chip is a very difficult task,
また、非特許文献2では周波数20GHzにおいて距離5mのアンテナ間での損失が9
9dBであることが報告されている。これは20GHzにおける自由空間でのパスロス7
2dBに比較し27dBも多く、アンテナの指向性利得を考慮するとエネルギーの1/1
000程度しか利用されていないことを示している。さらに低い周波数でこのようなアン
テナを使用しようとするとアンテナの持つ基本的な限界(Fundamental limit)によって
さらに効率が悪くなり、通常数GHzの周波数においては従来の技術によって形成された
半導体チップ上のアンテナではその効率が0.01%程度である。
In Non-Patent
It is reported to be 9 dB. This is a
27 dB compared to 2 dB, and 1/1 of the energy considering the antenna directivity gain
It shows that only about 000 is used. Attempting to use such an antenna at a lower frequency results in a further inefficiency due to the fundamental limit of the antenna, and an antenna on a semiconductor chip formed by conventional techniques usually at a frequency of several GHz. Then, the efficiency is about 0.01%.
図10に従来の半導体チップ上にアンテナを形成した場合の典型的な例を示す。同図(
a)は半導体チップ上のアンテナを示す斜視図である。アンテナ素子1001は半導体集
積回路の配線等に用いる金属層などの導電層によって半導体基板1003上に形成される
。同図では受給電点1002とする折り曲げダイポール型のアンテナを例示している。金
属層によって線状のパターンによりミアンダ形のダイポールや逆F型のモノポールアンテ
ナがよく使われる。
FIG. 10 shows a typical example when an antenna is formed on a conventional semiconductor chip. Figure (
a) is a perspective view showing an antenna on a semiconductor chip. The
同図(b)はその実装状態も同時に示す断面図である。説明の重複を避けるために同図
(a)と同じものは同図(a)と同じ番号を付し説明は省略する。半導体基板1003は
単位ごとにチップ状に切り離されパッケージ等に封入され実装される。同図ではチップを
直接プリント基板1005に実装する場合を示し、保護のための封止などは省略している
。半導体基板1003は電位固定のためにプリント基板1005上の配線パターン100
4に接着される。
FIG. 2B is a sectional view showing the mounting state at the same time. In order to avoid duplication of description, the same reference numerals as those in FIG. The
4 is bonded.
半導体基板の材料としてはシリコンが多用されるがシリコンゲルマニウムその他の半導
体であってもよい。導電率10Ωcm程度の導電性を持った材料がよく使われる。またア
ンテナ素子1001を形成する金属層はアルミニウムが多用されるが銅などのほかの材料
が使われることもある。アンテナ素子1001と半導体基板1003の間には両者を絶縁
するために厚さ1μm程度の絶縁層1006が置かれる。絶縁層の材料としては二酸化シ
リコンが一般的である。通常の半導体集積回路プロセスでは配線のための金属層は複数層
形成されるがアンテナの放射効率を考えると最上位層を用いるのが最もよい。
Silicon is often used as a material for the semiconductor substrate, but silicon germanium or other semiconductors may be used. A material having conductivity of about 10 Ωcm is often used. In addition, aluminum is often used for the metal layer forming the
一般的にこのようなアンテナの場合アンテナ素子近傍に導電性の物体が存在すると著し
くその特性に影響を与える。好ましくはアンテナ素子より数波長以上の範囲内に導電性の
物体を置いてはならないが、半導体集積回路の構造からアンテナ素子から導電物を離して
おくことは著しく困難であり、どうしてもアンテナ素子近傍に導電性の物体が入り込んで
しまう。特にアンテナ素子1001と半導体基板1003の間は薄い絶縁層1006が存
在するのみであり、半導体基板1003の導電性による損失が非常に大きい。
In general, in the case of such an antenna, the presence of a conductive object in the vicinity of the antenna element significantly affects its characteristics. Preferably, conductive objects should not be placed within a range of several wavelengths or more from the antenna element, but it is extremely difficult to keep the conductive material away from the antenna element from the structure of the semiconductor integrated circuit, and it must be placed near the antenna element. Conductive objects get in. In particular, only a
半導体基板1003の導電性による損失を排除するために導電性の低い基板、すなわち
高抵抗基板を用いることが可能な集積回路の構造を採用することによってアンテナの効率
を改善することが考えられる。トリプルウェル構造の集積回路やSOI(Silocon On Ins
ulator)構造の集積回路では高抵抗基板を用いることが可能でありこれらの集積回路プロ
セスによってオンチップアンテナの効率改善が可能である。
In order to eliminate the loss due to the conductivity of the
In an integrated circuit having a (ulator) structure, a high-resistance substrate can be used, and the efficiency of the on-chip antenna can be improved by these integrated circuit processes.
図9に上記に述べた2つの従来例の放射効率を有限積分法によってシミュレーションし
た例を示す。同図には本発明による実施例における改善効果の比較ができるように本発明
によるアンテナ装置の特性も同時に掲げられているがこれらの説明については後述する。
FIG. 9 shows an example in which the radiation efficiency of the two conventional examples described above is simulated by a finite integration method. The figure also shows the characteristics of the antenna device according to the present invention so that the improvement effects in the embodiments according to the present invention can be compared. The explanation will be given later.
アンテナの受給電回路の入出力インピーダンスと放射インピーダンスとの間にミスマッ
チがあるとリターンロスが存在するが、同図ではこの分を取り除いて、純粋にアンテナに
受給電されるエネルギーと空中に放射あるいは空中から送り込まれるエネルギーの比、す
なわち放射効率を示す。リターンロス分については従来の方法によってマッチング特性を
改善することができる。
If there is a mismatch between the input / output impedance and the radiation impedance of the antenna's power supply / reception circuit, there will be a return loss, but in this figure, this part is removed and the energy received / powered to the antenna is radiated in the air or It shows the ratio of energy sent from the air, that is, radiation efficiency. For the return loss, matching characteristics can be improved by a conventional method.
各例における共通する仕様を以下に列記する。
アンテナ導電層の材質;アルミニウム、厚さ1μm
アンテナ素子;全長8.4mm、線幅10μmの折り曲げダイポール
絶縁膜;SiO2厚さ7μm、誘電率=3.8
集積回路基板;材料=Si、誘電率=11、サイズ=3mm×3mm
導電率=6.6シーメンス/mまたは導電率=0(高抵抗基板)
アンテナ搭載の集積回路チップの実装形式;従来例図10(b)に示す実装形式
The specifications common to each example are listed below.
Antenna conductive layer material: Aluminum, thickness 1μm
Antenna element: Bending dipole with a total length of 8.4 mm and a line width of 10 μm Insulating film; SiO 2 thickness of 7 μm, dielectric constant = 3.8
Integrated circuit board; material = Si, dielectric constant = 11, size = 3 mm × 3 mm
Conductivity = 6.6 Siemens / m or conductivity = 0 (high resistance substrate)
Mounting format of integrated circuit chip with antenna; conventional mounting format shown in FIG.
図9の特性901は図10(a)に示す折り曲げダイポールアンテナを従来の導電性基
板(導電率=6.6シーメンス/m)上に形成した場合の放射効率を示す。図10(c)
からわかるようにこのアンテナの共振点は7GHz付近にある。これを見ると10GHz
まで全域にわたって放射効率が0.001以下(すなわち0.1%以下)と非常に悪い。
なお、図では10GHzまでしかプロットしてないが、どのアンテナも周波数が高くなる
と放射効率は高くなる傾向があるが、この周波数帯においても劇的に放射効率が改善され
ることはない。
A
As can be seen, the resonance point of this antenna is in the vicinity of 7 GHz. Looking at this, 10GHz
The radiation efficiency is very bad at 0.001 or less (that is, 0.1% or less) over the entire area.
Although only up to 10 GHz is plotted in the figure, the radiation efficiency tends to increase as the frequency of any antenna increases, but the radiation efficiency is not dramatically improved even in this frequency band.
同図に示した特性902,903は上述した高抵抗基板を用いる従来例の場合で、上記
と同じ寸法の折り曲げダイポールアンテナを同じ形状の高抵抗基板(導電率=0)による
SOI上に形成した時の放射効率を示す。アンテナ素子近傍にSOI層がある場合の影響
も見るためにアンテナ素子からSOIまでの長さgを20μmおよび150μmの2値に
ついて計算した。すなわち特性902はg=20μm、特性903はg=150μmを示
す。アンテナの共振点は上記同様に7GHz付近にある。これらを見ると、高抵抗基板に
よるSOI上にアンテナを形成すると放射効率は上記より1桁以上改善されていることが
わかる。また、大きな改善の効果を得るには長さgの値を大きくとらなければならず、そ
のために集積回路のチップコストも高くなってしまうことが確認できる。
The
このように高抵抗基板を使った集積回路上に形成したアンテナの効率は著しく改善可能
なことがわかる。しかしながら上記のような構造によって集積回路基板上にアンテナを作
りこむ従来技術の欠点は、アンテナ素子近傍の比較的広い面積にわたってノンドープエリ
アを設定しなければならず、この場所が半導体集積回路を構成するトランジスタ等の素子
を作りこむエリアとして使えないことである。このことは、必然的に集積回路チップの面
積を大きくししたがってコストアップの要因となる。
Thus, it can be seen that the efficiency of the antenna formed on the integrated circuit using the high resistance substrate can be remarkably improved. However, the disadvantage of the prior art in which the antenna is formed on the integrated circuit board with the above-described structure is that a non-doped area must be set over a relatively large area in the vicinity of the antenna element, and this place constitutes a semiconductor integrated circuit. It cannot be used as an area for building elements such as transistors. This inevitably increases the area of the integrated circuit chip and thus increases the cost.
そこで本発明ではアンテナ素子も集積回路基板に作りこむ際のコストアップの要因を取
り除き安価にアンテナの集積化を可能にすることを目的とし、アンテナ素子の直近まで導
電物をおくことができる新しいアンテナ構造を提案する。アンテナ素子の直近まで導電物
を配設することを可能にすることによって集積回路素子を作りこむことのできる集積回路
基板上の面積を増やし集積回路のコストダウンを可能とすることを目的とする。
Therefore, in the present invention, a new antenna capable of placing a conductive material as close as possible to the antenna element is intended to eliminate the cost increase factor when the antenna element is also formed on the integrated circuit board and to enable the antenna to be integrated at low cost. Propose structure. An object of the present invention is to increase the area on an integrated circuit substrate on which an integrated circuit element can be formed by making it possible to dispose a conductor as close as possible to the antenna element, thereby reducing the cost of the integrated circuit.
本発明のアンテナ装置は集積回路基板上の導電層に形成された非導電性のスリットによ
り構成され、前記スリット上の対向する両端に受給電することを特徴とする。
The antenna device according to the present invention includes a non-conductive slit formed in a conductive layer on an integrated circuit board, and receives and feeds power to both opposing ends of the slit.
本発明の上記構成によれば、スリット上の対向する両端に受給電するのでスリットの長
手方向に磁流が流れ、磁流アンテナを形成する。スリットがアンテナ素子となり、スリッ
トは導体で取り囲まれている。すなわちアンテナ素子(スリット)に接して導体を配設す
ることができる。磁流アンテナは近傍導体の影響が少なく効率よくアンテナ近傍を利用す
ることができる。
According to the above-described configuration of the present invention, power is supplied to and fed to both opposing ends on the slit, so that a magnetic current flows in the longitudinal direction of the slit to form a magnetic current antenna. The slit becomes an antenna element, and the slit is surrounded by a conductor. That is, a conductor can be disposed in contact with the antenna element (slit). Magnetic current antennas are less affected by nearby conductors and can be used efficiently near the antenna.
本発明のアンテナ装置の前記集積回路基板の前記スリットの直下には不純物のドープが
されていないことを特徴とする。
The antenna device of the present invention is characterized in that an impurity is not doped immediately below the slit of the integrated circuit board.
本発明の上記構成によれば、スリット直下は不純物のドープがされていないのでアンテ
ナ素子としてのスリット直下での損失が小さくアンテナの効率を上げることが可能となる
。
According to the above configuration of the present invention, since impurities are not doped immediately below the slit, the loss directly below the slit as the antenna element is small, and the efficiency of the antenna can be increased.
本発明のアンテナ装置は前記スリットは線状または折れ線状であることを特徴とする。 The antenna device according to the present invention is characterized in that the slit is linear or polygonal.
本発明の上記構成によればスリットは線状であるために集積回路上に占めるその占有面
積は小さく集積回路基板上の広い範囲がアンテナに受給電する回路やその他の集積回路の
素子を搭載するエリアとして使用することができアンテナを搭載したためにコストアップ
となる要因を取り除くことができる。
According to the above configuration of the present invention, since the slit is linear, the area occupied on the integrated circuit is small, and a wide area on the integrated circuit board is mounted with a circuit for receiving and supplying power to the antenna and other integrated circuit elements. It can be used as an area, and the factor of cost increase due to the mounting of the antenna can be eliminated.
本発明のアンテナ装置は前記スリットは導体を取り囲む線状または折れ線状の閉曲線に
沿って形成されることを特徴とする。
The antenna device of the present invention is characterized in that the slit is formed along a linear or broken line-shaped closed curve surrounding the conductor.
本発明の上記構成によれば線状または折れ線状のスリットが導体を取り囲んでいるので
該スリットによって取り囲まれた導体はDC的に外側導体から絶縁される。受給電は該ス
リットによって取り囲まれた内側導体とその外側導体間で行われるので別途DCをカット
する回路が不要となり効率の良い受給電が可能となる。
According to the above configuration of the present invention, since the linear or broken slit surrounds the conductor, the conductor surrounded by the slit is insulated from the outer conductor in a DC manner. Since power supply / reception is performed between the inner conductor surrounded by the slit and the outer conductor, a circuit for cutting DC is not required and efficient power supply / reception is possible.
本発明のアンテナ装置の前記スリットのスリット幅は少なくとも1箇所において受給電
点におけるスリット幅と異なることを特徴とする。
In the antenna device of the present invention, the slit width of the slit is different from the slit width at the power supply / reception point in at least one place.
本発明の上記構成によれば、スリット幅を調整することによりアンテナの放射インピー
ダンスを自由に設定することが可能となりアンテナのマッチングが容易となりアンテナを
効率よく使用することが可能となる。
According to the above-described configuration of the present invention, it is possible to freely set the radiation impedance of the antenna by adjusting the slit width, and antenna matching becomes easy and the antenna can be used efficiently.
本発明によるアンテナ装置は集積回路基板と該集積回路基板を取り囲む導体と、前記集
積回路基板上の導電層に形成された非導電性のスリットと、前記集積回路基板上の導電層
と前記集積回路基板を取り囲む導体によって形成されるスリットから構成されることを特
徴とする。
An antenna device according to the present invention includes an integrated circuit board, a conductor surrounding the integrated circuit board, a nonconductive slit formed in a conductive layer on the integrated circuit board, a conductive layer on the integrated circuit board, and the integrated circuit. It is comprised from the slit formed of the conductor surrounding a board | substrate.
本発明の上記構成によれば、アンテナは集積回路基板上に形成されたスリットと集積回
路基板と該集積回路基板外部の導体とによって構成されるスリットによって構成されるた
め、アンテナの形状を集積回路基板のサイズよりも大きくすることが可能であり、アンテ
ナ設計の自由度が増す。そのため低い周波数で使用できるアンテナを実現したり効率のよ
いアンテナを実現することが可能となる。
According to the above configuration of the present invention, the antenna is configured by the slit formed by the slit formed on the integrated circuit board, the integrated circuit board, and the conductor outside the integrated circuit board. It is possible to make it larger than the size of the substrate, increasing the degree of freedom in antenna design. Therefore, it is possible to realize an antenna that can be used at a low frequency or an efficient antenna.
本発明のアンテナ装置は集積回路基板と、該集積回路基板を取り囲む導体と、前記集積
回路基板上の導電層と前記集積回路基板を取り囲む導体によって形成されるスリットから
構成されることを特徴とする。
An antenna device according to the present invention includes an integrated circuit board, a conductor surrounding the integrated circuit board, a conductive layer on the integrated circuit board, and a slit formed by the conductor surrounding the integrated circuit board. .
本発明の上記構成によれば、アンテナ素子は集積回路チップを取り囲む導体と該集積回
路基板上に形成された導体との間で形成されるスリットを利用するため集積回路基板上に
アンテナ素子を搭載する必要がなく集積回路基板は他の回路に有効に利用できる。しかも
アンテナ素子は集積回路チップサイズの最大の大きさになるので低い周波数での利用や広
帯域で効率のよいアンテナ形成が可能となる。
According to the above configuration of the present invention, the antenna element is mounted on the integrated circuit board in order to use the slit formed between the conductor surrounding the integrated circuit chip and the conductor formed on the integrated circuit board. The integrated circuit board can be effectively used for other circuits. In addition, since the antenna element has the maximum integrated circuit chip size, it is possible to use the antenna at a low frequency and to form an efficient antenna in a wide band.
本発明のアンテナ装置の前記半導体基板上には前記スリットをアンテナとして該アンテ
ナに受給電するための半導体集積回路を含むことを特徴とする。
The antenna device according to the present invention includes a semiconductor integrated circuit on the semiconductor substrate for receiving and feeding power to the antenna using the slit as an antenna.
本発明の上記構成によれば、アンテナとそれを利用する回路や受給電回路を半導体基板
上に一体化して形成でき、SoC(System on Chip)として高集積が可能となり利用価値
が高い。
According to the above configuration of the present invention, an antenna, a circuit using the antenna, and a power supply / reception circuit can be integrally formed on a semiconductor substrate, and can be highly integrated as a SoC (System on Chip), which has high utility value.
以上述べたように、本発明の上記構成によれば、集積回路基板上にアンテナとともに前
記アンテナに受給電する回路やアンテナを通して送受される信号を利用する回路を組み込
むことができるので、半導体集積回路間の配線が容易となる。その際に、集積回路基板上
に搭載される導電性の素子をアンテナ素子の直近においても特性を劣化させることがなく
、組み込まれるアンテナは集積回路のコストを上昇させることなく高効率が実現できる。
このため通信の品質確保やリンクマージンの設計が容易となる。
As described above, according to the above configuration of the present invention, a circuit for receiving and feeding power to the antenna and a circuit for using a signal transmitted and received through the antenna can be incorporated on the integrated circuit board. Wiring between them becomes easy. At that time, the characteristics of the conductive element mounted on the integrated circuit substrate are not deteriorated even in the immediate vicinity of the antenna element, and the incorporated antenna can realize high efficiency without increasing the cost of the integrated circuit.
This makes it easy to ensure communication quality and design link margins.
以下本発明の実施形態を図面を使って説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1(a)は本発明による実施例を示す斜視図、同図(b)は図1(a)に示す円E内
を拡大した部分拡大図であり、また同図(c)は断面図であり同図(a)に示す直線H−
H'を含む面で切った断面図、同図(d)は円F内の受給電部付近の拡大図である。
1A is a perspective view showing an embodiment according to the present invention, FIG. 1B is a partially enlarged view enlarging a circle E shown in FIG. 1A, and FIG. The straight line H- shown in FIG.
A cross-sectional view taken along a plane including H ′, FIG. 4D is an enlarged view of the vicinity of the power supply / reception unit in the circle F.
本発明によるアンテナ装置1は集積回路を形成する集積回路基板101上の導体として
の導電層102に、導電層102が配設されていない部分を設け、この導電層102が配
設されていない部分をスリット103という。該スリット103の任意の個所で、スリッ
ト103を挟んで対向する導電層102上の2点によって受給電部としての受給電点A,
A'を構成している。導電層102は集積回路の配線を行うための金属層などが利用でき
る。通常の集積回路プロセスでは配線のための金属層は複数層あり、このうちの1層を導
電層102に当てることになる。集積回路の配線には他の金属層を使うことで集積回路を
構成することができる。
In the
A 'is configured. As the
図1(c)は同図(a)にB−B'で示す直線を含む集積回路基板101に垂直な平面
で切った断面図である。以下この図を使って、本発明によるアンテナ装置1をSOI(Si
licon On Insulator)を用いる半導体集積回路上に形成する場合を例により詳しく説明す
る。同図(a)、(b)と同じ番号を用いているものは同じ物をあらわし重複する説明は
省略する。
FIG. 1C is a cross-sectional view taken along a plane perpendicular to the
A case of forming on a semiconductor integrated circuit using a licon on insulator) will be described in detail by way of example. Elements using the same numbers as those in FIGS. 4A and 4B represent the same items, and redundant descriptions are omitted.
SOIはシリコンなどの集積回路基板101の上に二酸化シリコン(SiO2)等の絶
縁膜104をおきその上に、ドープを行うシリコン単結晶層としてのシリコン単結晶層(
SOI層)105またはドープを行わないシリコン単結晶層としてのシリコン単結晶層(
SOI層)108を配設する。集積回路基板101としては導電性のある半導体基板を用
いることが多いが高抵抗基板あるいは絶縁体を用いることが望ましい。SOIでは、集積
回路基板101は集積回路素子がこの集積回路基板101内には形成されずシリコン単結
晶層(SOI層)105内に形成されるため、集積回路基板101の導電率に関係なく集
積回路素子を作りこむことが可能である。シリコン単結晶層(SOI層)105はエリア
毎に選択的に3価または5価の不純物をドープし、P型またはN型の半導体層(ボディ)
を形成し、この中にトランジスタなどの集積回路素子を形成する。シリコン単結晶層(S
OI層)108はアンテナ素子としてのスリット103の直下にあり、この部分には不純
物のドープを行わずに低導電率に保つ。シリコン単結晶層(SOI層)108の幅がスリ
ット103の幅より大きくなるように配設することが望ましい。シリコン単結晶層(SO
I層)105またはシリコン単結晶層(SOI層)108に積層されて絶縁膜106が配
設されている。この絶縁膜106に積層されて設けられている導電層102は、集積回路
素子を繋ぐための金属配線層である。通常は複数層形成されるが図では1層のみ示す。導
電層102にはスリット103が形成され、このスリット103がアンテナ素子の役割を
果たす。スリット103をアンテナとして使用する場合は、導電層102は無限大の広が
りを持つことが望ましいが、集積回路形成時ではそれは不可能であるので、可能なかぎり
広くなるように配置する。保護膜107は、アンテナ装置1及び集積回路基板101全体
の耐湿性向上及び外乱に対し保護をしている。
In the SOI, a silicon single crystal layer (a silicon single crystal layer to be doped) is formed on an insulating
SOI layer) 105 or a silicon single crystal layer as an undoped silicon single crystal layer (
An
And an integrated circuit element such as a transistor is formed therein. Silicon single crystal layer (S
The (OI layer) 108 is directly below the
An insulating
図1(d)に受給電点A,A'付近を詳述する。受給電点A,A'はスリット103の任
意の個所でスリット103を挟んで対向する導電層102の2点に配設され、ポート11
0に接続される。ポート110は該アンテナ装置1が受信アンテナとして使用されるとき
は受信回路の入力ポートであり、送信アンテナとして使用されるときは送信回路の出力ポ
ートを表す。
FIG. 1 (d) describes in detail the vicinity of the power supply / reception points A and A ′. The power supply / reception points A and A ′ are arranged at two points on the
Connected to 0. The
上記のように構成したアンテナ素子としてのスリット103は、図10に示す従来のア
ンテナ素子と比較すると導電部と非導電部が相補の関係となっていて、すなわち従来例で
はアンテナ素子が導電性のある金属等で構成されその周囲は空隙であるが、本発明ではア
ンテナ素子が従来のアンテナ素子を構成する導電物と同じ形状をした空隙でその周囲が導
電体で構成される。従来例ではアンテナ素子が導電部で構成されておりアンテナ素子以外
の部分ではなるべく導電性のあるものが排除されることが望ましいのに対し、本発明では
アンテナ素子は空隙(スリット103)で構成されており、その他の部分が導電性の高い
もので敷き詰められている構成になっている。
Compared with the conventional antenna element shown in FIG. 10, the
よく知られているようにマックスウェルの方程式の電界、磁界の対称性から、このよう
に導電部と非導電部が相補の関係にある場合、電界、磁界が入れ替わった特性のアンテナ
が得られる。線状の導電体によって構成されるアンテナと相補の関係にあるアンテナは導
電体板に線上のスリットを切って構成される。線状の導電体によるアンテナ特性は該線状
導電体に流れる電流によってアンテナの特性を求めることができるが、それと相補の関係
にあるスリットによるアンテナは、スリットに沿って磁流が流れると仮定することによっ
て電界、磁界を入れ替えることにより容易にその特性を求めることができることが知られ
ている。
As is well known, from the symmetry of the electric field and magnetic field in Maxwell's equations, when the conductive part and the non-conductive part are in a complementary relationship, an antenna having a characteristic in which the electric field and the magnetic field are interchanged can be obtained. An antenna having a complementary relationship with an antenna constituted by a linear conductor is configured by cutting a slit on a conductor plate. The antenna characteristics of a linear conductor can be determined by the current flowing through the linear conductor, but it is assumed that a magnetic current flows along the slit of an antenna with a complementary slit. Thus, it is known that the characteristics can be easily obtained by switching the electric and magnetic fields.
本実施例では、図10に示した従来例と相補の関係になるようにスリット103を配設
する場合を示した。このようにした場合、従来例では導電性のアンテナ素子から構成され
ているため、その素子近傍に導電性の物体があると大きくその特性が乱れたが、本実施例
では、アンテナ素子としてのスリット103は非導電性である。その近傍は導電性の板(
導電層102)で取り囲まれており、スリット103近傍に導電性の物体が存在してもア
ンテナ特性や放射効率に大きな影響を与えない。したがってこのような構造のアンテナ素
子としてのスリット103を集積回路基板101上に構成した場合は、アンテナ素子とし
てのスリット103の極近傍まで集積回路素子を配設することが可能となり、集積回路基
板101上の面積が有効に利用でき集積回路のコストダウンが可能となる。
In the present embodiment, the case where the
Even if a conductive object is present in the vicinity of the
また本実施例のような、スリット103を挟んで対向する受給電点A,A'で受給電す
るアンテナ装置1では、線状素子によるアンテナと電界、磁界が入れ替わった特性である
ので、その規格化放射インピーダンス(真空の特性インピーダンスで規格化したインピー
ダンス)は互いに逆数の関係になる。線状導体素子による小型のアンテナの放射インピー
ダンスは小さくなる傾向にあるのに対し、本実施例のようなスリット103によるアンテ
ナ装置1は反対に放射インピーダンス値が上昇する。これは回路側からはむしろ好ましい
特性であり回路とのインピーダンスマッチングの設計が容易となる。
Further, in the
図2に有限積分法により本実施例のアンテナ特性のシミュレーション結果を示す。シミ
ュレーションの諸元は以下のとおりである。上記に示した従来例と相補の関係になるよう
にアンテナ素子寸法や使用する材料の材質はそろえてある。
導電層102の材質;アルミニウム、厚さ1μm
アンテナ素子(スリット103):全長8.4mm、幅10μmのスリット103によ
る折り曲げ磁流ダイポール
絶縁膜106;SiO2厚さ7μm、誘電率=3.8
集積回路基板101;材料=Si、誘電率=11、サイズ=3.35mm×3.35m
m、導電率=0(SOI)
FIG. 2 shows a simulation result of the antenna characteristics of this example by the finite integration method. The specifications of the simulation are as follows. The antenna element dimensions and the materials used are aligned so as to be complementary to the conventional example shown above.
Material of the conductive layer 102: aluminum,
Antenna element (slit 103): Bending magnetic current dipole with
Integrated
m, conductivity = 0 (SOI)
なお、SOI構造の絶縁膜104の厚さ、シリコン単結晶層(SOI層)105または
シリコン単結晶層(SOI層)108の厚さは計算時間短縮のためそれぞれ1μmとした
。実際はさらに薄いので効率向上などの効果は大きく出ると思われる。また、集積回路基
板101のサイズはなるべく相補な形状を得るために図1(a)に示すスリット103の
中心線から導電層102の端までの距離Xを450μmとした。
Note that the thickness of the insulating
図2(a)は反射率S11を示す。特性201は特性インピーダンス50Ωで給電したと
きのアンテナの受給電点での反射率であり、特性202は特性インピーダンスを1000
Ωとしたときの反射率である。また同図(b)、(c)は同図(a)から計算したアンテ
ナの放射インピーダンスを示し、同図(c)は同図(b)の周波数13GHz付近を拡大
した図である。同図においてr、x、zはそれぞれ放射インピーダンスの実部r、虚部x
、絶対値zである。
2 (a) shows the reflectance S 11. A characteristic 201 is a reflectance at a power receiving / feeding point of the antenna when power is fed with a characteristic impedance of 50Ω, and a characteristic 202 is a characteristic impedance of 1000.
Reflectance when Ω is used. 2B and 2C show the radiation impedance of the antenna calculated from FIG. 1A, and FIG. 2C is an enlarged view of the vicinity of the frequency of 13 GHz in FIG. In the figure, r, x, and z are the real part r and the imaginary part x of the radiation impedance, respectively.
, The absolute value z.
これらの図からわかるように図10に示した従来の線状のアンテナ素子を持つアンテナ
と、該アンテナと相補の関係のスリット103による本実施例のアンテナ装置1は、ほぼ
同じ7.5GHz付近に共振点を有し、その共振点での放射インピーダンスは約1000
Ωと高い値を示す。このことは上記に述べた真空の特性インピーダンスで規格化した放射
インピーダンスが互いに逆数の関係になることと一致する。また、本実施例では約2倍の
周波数の13GHz付近にも共振点が現れておりこの周波数においてもアンテナとして利
用することができる。
As can be seen from these drawings, the
High value with Ω. This coincides with the fact that the radiation impedances normalized by the vacuum characteristic impedance described above have a reciprocal relationship. In this embodiment, a resonance point also appears in the vicinity of 13 GHz, which is about twice the frequency, and can be used as an antenna even at this frequency.
本実施例では正確には図10に示したアンテナと相補の関係になっていない。相補の関
係になるためには無限大の導体としての導電層102が必要である。無限大の導電層10
2は実際上不可能なため有限の導電層102内にスリット103を配設することになる。
本実施例のようにアンテナ装置1を集積回路に搭載する場合はそのサイズは極端に小さい
ため本実施例のような形状をとらざるを得ない。図2(d)はスリット103から導電層
102の端までの距離、すなわち図1(a)においてXで示すスリット103の中心線か
ら導電層102の端までの距離によってアンテナの反射率特性がどのように変わるかをシ
ミュレーションした結果を示す。スリットの大きさ、形状は一定としXの値を変えている
。それぞれのXの値は、特性203が200μm、特性204が900μm、特性205
が1600μm、特性206が2300μmである。図から読み取れるように、この値に
よってアンテナ特性は大きく変化する。また集積回路のサイズ程度の導電層102では相
補の関係のアンテナは作ることができないことも読み取れる。しかしながら、上記に述べ
たように本実施例のようなスリット103によって構成するアンテナ装置1では導電物を
アンテナ素子としてのスリット103の直近においてもその特性にほとんど影響を与えな
い。アンテナ装置1の効率も高く維持することが可能である。
In this embodiment, it is not exactly complementary to the antenna shown in FIG. In order to achieve a complementary relationship, the
Since 2 is practically impossible, the
When the
Is 1600 μm and the characteristic 206 is 2300 μm. As can be seen from the figure, the antenna characteristics vary greatly depending on this value. It can also be seen that a complementary antenna cannot be formed with the
図9に従来例と本発明による実施例のアンテナ装置1の放射効率を有限積分法によって
シミュレーションした比較結果を示す。特性904が本実施例の放射効率を示す。アンテ
ナの受給電回路の入出力インピーダンスと放射インピーダンスとの間にミスマッチがある
とリターンロスが存在するが、同図ではこの分を取り除いて、純粋にアンテナに受給電さ
れるエネルギーと空中に放射あるいは空中から送り込まれるエネルギーの比すなわち放射
効率を示す。
FIG. 9 shows a comparison result in which the radiation efficiency of the
同図からわかるように従来例の特性903と同等以上の非常に良好な特性が得られるこ
とがわかる。図2(a)では第2の共振点が13GHz付近にあるが、この周波数帯では
数十%以上の放射効率が得られ非常に良好な特性となっている。しかも、スリット103
の直近まで半導体素子や導電物をおくことができるので集積回路のコストアップの要因と
ならない。
As can be seen from the figure, a very good characteristic equivalent to or better than the characteristic 903 of the conventional example can be obtained. In FIG. 2A, the second resonance point is in the vicinity of 13 GHz. In this frequency band, radiation efficiency of several tens of percent or more is obtained, and the characteristics are very good. Moreover, the
Since a semiconductor element or a conductive material can be placed as close as possible, it does not increase the cost of the integrated circuit.
ただし、このようなスリット103によるアンテナ装置1は無限に広い導体としての導
電層102を想定しており、上記図2(d)に述べたように、図1(a)に示したXの値
が特性を大きく変化させる。本実施例ではX=450μmとしている。上記に示した従来
例の3つのシミュレーション結果はアンテナ素子から半導体基板の縁までの距離、すなわ
ち本実施例のXに相当する寸法を100μmに設定して得た結果である。
However, the
同じ寸法の半導体基板上に本実施例のようなアンテナ装置1を作りこもうとすると、同
程度のXが必要となり、アンテナの素子の長さが短くなってしまう。そのため共振点が高
いほうにシフトする。同じ周波数に共振点を持たせるためにはさらに折り曲げてスリット
の全長を確保すればよい。ミアンダライン形に折り曲げる、またはコの字形の先端をさら
に内側に折り曲げC字形にしてもよい。
If the
上記は公平な比較とするように、なるべく同じ材料を用いかつ素子サイズも同一となる
ように設定している。したがって目的周波数にあわせたチューニング等は行っていない。
そのため、本実施例では具体的な設計仕様にあわせチューニングが可能であり、それを行
うことによってさらに良好な特性を得ることができると考えられる。
In order to make a fair comparison, the same material is used as much as possible and the element sizes are set to be the same. Therefore, tuning or the like according to the target frequency is not performed.
Therefore, in this embodiment, tuning can be performed according to specific design specifications, and it is considered that better characteristics can be obtained by performing the tuning.
本発明のように集積回路のような限られた面積にアンテナ素子とその他の回路素子を集
積化するには最適の構成である。
As in the present invention, this is an optimum configuration for integrating antenna elements and other circuit elements in a limited area such as an integrated circuit.
図3(a)は本発明によるアンテナ装置1の他の実施例の概念を示す図であり、同図(
b)は同図(a)に一点鎖線G−G'を含む平面で切った断面図である。図1と同じ番号
の振られている部分は実施例1の説明と同じため省略する。
FIG. 3A is a diagram showing the concept of another embodiment of the
b) is a cross-sectional view taken along the plane including the alternate long and short dash line GG ′ in FIG. Since the same numbered parts as those in FIG. 1 are the same as those in the first embodiment, their description is omitted.
実施例1ではスリット103をなるべく広い導電層102で囲う構造であったが、この
ような構造は集積回路を構成する際に配線に使う導電層102の1層をまるまる使ってし
まうため集積回路の配線の自由度が減り設計が困難になる。この困難を避けるために本実
施例では図3(a)に示すように導電層102は少なくともスリット103の周辺を囲む
こととし、それ以外の任意の領域では同じ層の導電層を他の配線に用いることができる。
スリット103を取り囲む導電層102は広くなければならないが、本実施例では図に示
すように狭くなっている。この影響を取り除くために導電層102を少なくともアンテナ
装置1が使用する周波数において低インピーダンスで集積回路基板101上の広い範囲に
わたって分布している導電層に接続する。
In the first embodiment, the
The
例えば図3(b)に示すようにビア301を使って集積回路基板101上の広い範囲に
わたって導電性のあるシリコン単結晶層(SOI層)105とコンタクトを取る。シリコ
ン単結晶層(SOI層)105は集積回路基板101上の広い範囲にわたって分布し、し
かも電源電位に固定されている。電源電位は高周波的にも低いインピーダンスで電源線に
固定されていて、結果的に電源線が導電層102の面積を拡張する働きをすることになる
。電源線は導電層102と同じ層の配線層を用いてもよいし、他の配線層(図示せず)を
用いてもよい。また、電源はプラス側の電源線、接地側の電源線のどちらを用いてもよい
し、その両方に接続してもよい。両方の電源線に接続する場合は直流的にショートしない
ような対策が必要なことは言うまでもない。その方法は容量結合などの従来の方法を使っ
て容易に実現できる。
For example, as shown in FIG. 3B, contact is made with a conductive silicon single crystal layer (SOI layer) 105 over a wide range on the
上記のような方法をとることによりアンテナ装置1の性能を落とさずに配線層の有効活
用を図ることができる。
By adopting the method as described above, the wiring layer can be effectively utilized without degrading the performance of the
図4に第3の実施例を示す。同図(a)は本実施例の斜視図であり、同図(b)は本実
施例のアンテナ装置1と相補の関係にあるアンテナを示す図である。図1と同じ番号の振
られている部分は実施例1の説明と同じため省略する。
FIG. 4 shows a third embodiment. FIG. 4A is a perspective view of the present embodiment, and FIG. 4B is a diagram showing an antenna that is complementary to the
本実施例ではスリット103を図に示すようにH字形に刻んだものである。このように
スリット103を配設すると、磁流の多く流れるスリットの中央部分の両サイドが広い導
電層102で囲まれ能率のよいアンテナ装置1を構成することができる。
In this embodiment, the
図4(b)に示すように本実施例のアンテナ装置1と相補のアンテナはT字形の素子4
01を2つ、受給電点402を挟んで置いたダイポールである。
As shown in FIG. 4B, the antenna complementary to the
This is a dipole in which two 01s are placed across a power supply /
スリット103をこのように中央に配設すると、集積回路が2つに分断され集積回路設
計がしにくくなると思われるかもしれない。しかしながら実際にシミュレーションしてみ
ると、スリット103をまたぐ配線や、スリット直下に集積回路素子が多少あっても極端
にアンテナ性能が低下することがないことがわかる。本発明の目的は0.01〜0.1%
程度と極端に悪いアンテナの放射効率を如何に改善するかということであった。この目的
から言えば効率は数%まで上げるのは容易で十分な効果が得られる。
If the
It was about how to improve the radiation efficiency of the antenna, which is extremely bad. For this purpose, it is easy to increase the efficiency to several percent, and a sufficient effect can be obtained.
図9の特性905に本実施例の放射効率を示す。磁流の多く流れる受給電点付近を中央
に置いたため放射効率が実施例1よりもさらによくなっていることがわかる。アンテナ素
子から集積回路基板101の縁までの距離(実施例1のXに相当)は実施例1と同じ45
0μmである。またアンテナ素子のサイズは従来例や実施例1と同じ占有面積となるよう
に、すなわちアンテナ素子を内包する最小の正方形の一辺の長さが2.8mmに設定し、
またその他の諸元は上記実施例1のシミュレーション諸元に準じた。そのためこのアンテ
ナ装置1はダイポール素子の等価的な長さが実施例1に比較して短くなっているが低い周
波数でも良好な特性が得られている。シミュレーション結果でも共振周波数は上記従来例
や本発明に基づく実施例1よりもわずかながら上昇したもののほとんど変化しなかった。
A radiation efficiency of the present embodiment is shown in a characteristic 905 in FIG. It can be seen that the radiation efficiency is further improved as compared with the first embodiment because the vicinity of the power receiving and feeding point where a large amount of magnetic current flows is placed in the center. The distance from the antenna element to the edge of the integrated circuit board 101 (corresponding to X in the first embodiment) is the same as in the first embodiment.
0 μm. Further, the size of the antenna element is set to the same occupied area as the conventional example and the first embodiment, that is, the length of one side of the minimum square including the antenna element is set to 2.8 mm,
Other specifications were in accordance with the simulation specifications of Example 1 above. Therefore, in this
図5に第4の実施例を示す。同図(a)は本実施例の斜視図であり、同図(b)は本実
施例のアンテナ装置1と相補の関係にあるアンテナを示す図である。図1または図4と同
じ番号の振られている部分は実施例1と同じため省略する。
FIG. 5 shows a fourth embodiment. FIG. 4A is a perspective view of the present embodiment, and FIG. 4B is a diagram showing an antenna that is complementary to the
本実施例のアンテナ装置1は集積回路基板101上の導電層102にループ上のスリッ
ト103を形成してこれをアンテナ素子として使用するものである。受給電部を受給電点
A,A'とすると、これと相補の関係にあるアンテナは同図(b)に示すようなループア
ンテナとなる。このようにスリット103をループ状に切った場合、導電層102はスリ
ットによって分離されるため、受給電点A,A'から見たアンテナ素子側のインピーダン
スは直流で無限大となる。これは実施例1〜3のアンテナ装置1のように受給電点A,A
'が直流的に短絡されている場合に対して以下のような利点を有する。すなわち、上記例
では接続される受給電回路のバイアスを短絡してしまうため直流をカットするコンデンサ
などを必要とする場合があったが、本実施例ではその必要がなくなり受給電回路の設計が
容易になる。
In the
It has the following advantages over the case where 'is short-circuited in a DC manner. That is, in the above example, the bias of the connected power supply / reception circuit may be short-circuited, and thus a capacitor for cutting direct current may be required. However, in this embodiment, this is not necessary and the design of the power supply / reception circuit is easy. become.
図9の特性906は本実施例の放射特性を示す。アンテナ素子から集積回路基板101
のふちまでの距離(上記Xに相当)は上記と同じ450μmである。またアンテナ素子の
サイズは実施例1、実施例3と同じ占有面積となるように、すなわちアンテナ素子を内包
する最小の正方形の一辺の長さが2.8mmとなるように設定した。ダイポールアンテナ
がアンテナ素子全長が1/2波長で共振するのに対し、一般にループ状のアンテナではル
ープ全長が一波長となる周波数で共振する。このため本実施例では共振点が12GHz付
近に上昇している。その付近の周波数では顕著な放射効率の改善が見られる。
A characteristic 906 in FIG. 9 shows the radiation characteristic of this embodiment. Integrated
The distance to the edge (corresponding to X above) is 450 μm, the same as above. The size of the antenna element was set so as to have the same occupied area as in Example 1 and Example 3, that is, the length of one side of the smallest square containing the antenna element was 2.8 mm. A dipole antenna resonates at a half wavelength of the entire antenna element, whereas a loop antenna generally resonates at a frequency at which the entire loop length becomes one wavelength. For this reason, in this embodiment, the resonance point rises to around 12 GHz. There is a significant improvement in radiation efficiency at frequencies around that.
図6に第5の実施例を示す。同図(a)は本実施例の斜視図であり、同図(b)は本実
施例のアンテナ装置1と相補の関係にあるアンテナを示す図である。図6(c)、(d)
は断面図を示す。同じ番号の振られている部分は実施例1の説明と同じため省略する。
FIG. 6 shows a fifth embodiment. FIG. 4A is a perspective view of the present embodiment, and FIG. 4B is a diagram showing an antenna that is complementary to the
Shows a cross-sectional view. Since the same numbered parts are the same as in the description of the first embodiment, they are omitted.
上記でスリット103を配設する導体としての導電層102はなるべく大きくする必要
があること、また集積回路基板101上にそれを実現することは困難であることを説明し
た。本実施例ではこの問題を解決するために集積回路チップ602の外側に取り囲む導体
としての第2の導電板601を配設するものである。すなわち図6(a)に示すように、
スリット103をアンテナ素子として集積された集積回路チップ602を取り囲むように
、取り囲む導体としての第2の導電板601を置き、集積回路チップ602と第2の導電
板601との間にできる第2のスリット603もアンテナ装置1の無給電素子として利用
する。すなわち、図6(b)に示すような、受給電ポート605によって受給電される折
り曲げダイポール604と4角形のループ状の無給電素子606より少なくともなるアン
テナと相補の関係にあるアンテナ装置1が構成される。
As described above, it has been explained that the
A second
第2の導電板601は集積回路基板101の外に形成するため十分な大きさをとること
が可能となり、アンテナ装置1の設計を容易にする。またアンテナ装置1の電気的なサイ
ズも大きくすることが可能となりアンテナ特性を広帯域にし、また低い周波数での使用を
可能にする効果もある。
Since the second
図6(c)は集積回路チップ602と第2の導電板601とをプリント基板607に実
装して第2のスリット603を形成する方法を例示する断面図である。集積回路基板10
1上のスリット103によるアンテナ素子と、導電層102と第2の導電板601上のプ
リントパターン610との間で第2のスリット603を構成し、この第2のスリット60
3を無給電素子とする。
FIG. 6C is a cross-sectional view illustrating a method of forming the
A
3 is a parasitic element.
同図はまた一緒に集積化される回路への入出力信号の取り出し方法も例示している。こ
れらの信号はボンディングワイヤ612により取り出して、第2の導電板601上のプリ
ントパターン608へビア611を通じて接続される。本実施例では第2の導電板601
を広く取るためにボンディングワイヤ612がボンディングされるパッドはなるべく小さ
くし、すぐにビア611を通して第2の導電板601の裏面に設けられたもう一層のプリ
ントパターン608に接続している。なお絶縁層609は2層のプリントパターン610
,608を分離するための絶縁層609である。
This figure also illustrates a method of extracting input / output signals to a circuit integrated together. These signals are taken out by the
In order to secure a large area, the pad to which the
, 608 is an
集積回路基板101側のボンディングワイヤ612がボンディングされるパッドは、ス
リット103によるアンテナ素子を構成する集積回路基板101上の導電層102によっ
て構成することが可能である。図はこのように同じ導電層102を用いてワイヤボンディ
ング用のパッドを形成した場合を例示している(導電層102が2箇所に振られている)
。
The pad to which the
.
このように導電層102または第2の導電板601上にボンディングパッド等の余計な
パターンが存在したり、また第2のスリット603をまたいで導電性の物体すなわちボン
ディングワイヤ612が存在する場合、アンテナ特性は影響を受けるが、これらの影響は
大きくなくアンテナ装置1の放射効率を上げるという当初の目的からは無視できる。
As described above, when there is an unnecessary pattern such as a bonding pad on the
図6(d)に上記とは異なる他の実装方法をもう一つ例示する。本実施例ではワイヤボ
ンディングではなくバンプ616によって集積回路への信号入出力を取り出し、プリント
パターン608に接続している。第2のスリット603は同図(c)と同様に、第2の導
電板601に配設されたプリントパターン610と、集積回路基板101上の導電層10
2によって構成される。この場合も第2のスリット603を横切る形で導電性のプリント
パターン608が存在するがアンテナ特性への影響を緩和するためになるべく細い線を使
用することが望ましい。アンテナ特性への影響はアンテナ装置1の放射効率を上げるとい
う当初の目的からは無視できる程度に抑制することは容易である。
FIG. 6D illustrates another mounting method different from the above. In this embodiment, signal input / output to the integrated circuit is taken out by
2 is constituted. Also in this case, the
図9の特性907に本発明による実施例5の放射特性を示す。実施例1に対し取り囲む
導体としての第2の導電板601を配設しただけでこのように周波数全域にわたり2桁程
度の顕著な放射効率の改善が見られる。
A radiation characteristic of the fifth embodiment according to the present invention is shown as a characteristic 907 in FIG. In this way, a significant improvement in the radiation efficiency of about two orders of magnitude can be seen over the entire frequency range only by disposing the second
なお、第2の導電板601と、集積回路基板101上の導電層102によって作られる
第2のスリット603を無給電のアンテナ素子とする場合の説明を行ったが、この第2の
スリット603に給電してもよい。その場合は上記実施例4と同じ形のループアンテナが
第2のスリット603で形成されることになり、よりサイズの大きな、また広い外側導体
が使用でき、より低い周波数でも動作するより特性の良いアンテナ装置1を構成すること
ができる。第2のスリット603に給電するには図6(c)または図6(d)に示すよう
なボンディングワイヤ612またはバンプ616によって信号を第2の導電板601に接
続することによって容易に実現できる。
The case where the
図7に本発明によるアンテナ装置1の実施形態をさらに2例示す。これらのアンテナ装
置1は、アンテナの放射インピーダンスの調整が可能であり回路のインピーダンスマッチ
ングを容易にする。
FIG. 7 shows two more embodiments of the
図7(a)に示すアンテナ装置1は同図(b)に示すような折り返しダイポールアンテ
ナを折り曲げたアンテナと相補のアンテナを集積回路基板101上に形成するものである
。折り返しダイポールアンテナはよく知られているように両端を短絡した平行伝送線路の
中央から給電するダイポールアンテナである。図7(b)において、受給電部は受給電点
B,B'となる。この折り返しダイポールアンテナを集積回路基板101上に収納できる
ように図に示すように折り曲げ、相補の関係となるように集積回路基板101上に形成す
る。すなわちコの字型にスリット701を平行に2本配設し、さらに先端をスリット70
1でつなぎ、同図(a)に示すような形のスリット701によるアンテナ素子を形成し、
受給電部を受給電点A,A'とする。このようにした場合、アンテナ装置1の放射インピ
ーダンスは内側と外側のスリット701の幅、すなわち図に示す幅w1と幅w2との比に
よって変更することが可能である。幅w1は内側のスリット幅であり、この場合給電点の
スリット幅に等しい。これらの幅w1,w2は容易に変更が可能であるので放射インピー
ダンスを自由に設定することが可能となり回路とのマッチング設計を容易にする。
The
1 to form an antenna element by a
The power supply / reception unit is defined as power supply / reception points A and A ′. In this case, the radiation impedance of the
また導電層は内側導電層703と外側導電層702に分離され、直流的には絶縁される
ため回路へのバイアス設定などが容易になる。
In addition, the conductive layer is separated into an inner
図7(c)はアンテナの放射インピーダンス調整が可能な本発明によるアンテナ装置1
の他の例を説明する図であり、同図(d)はそのアンテナと相補の関係にあるアンテナを
示す。本実施例のアンテナ装置1は、集積回路チップ720と、集積回路チップ720を
取り囲む導体としての第2の導電板707とによって構成されている。集積回路チップ7
20は、集積回路基板101上の導電層706,708によって形成されるスリット70
5を備えている。実施例5と同様の方法、すなわち集積回路チップ720の集積回路基板
101上の導電層706,708と集積回路チップ720を取り囲む導体としての第2の
導電板707とによってループ状のスリット711が形成されている。受給電部は受給電
点C,C'である。
FIG. 7C shows an
It is a figure explaining other examples, The figure (d) shows the antenna which has a complementary relationship with the antenna. The
20 denotes a slit 70 formed by
5 is provided. A loop-
このアンテナ装置1と相補の関係にあるアンテナは同図(d)に示すようなループ状の
導体709とスタブ710によって構成され、受給電部は受給電点D,D'となる。この
スタブ710の接続点の位置すなわち図中長さdで示す寸法を変えることによってアンテ
ナの放射インピーダンスを絵変更することが可能である。
The antenna having a complementary relationship with the
同様に同図(d)のアンテナと相補の関係にある本実施例のアンテナ装置1においてス
リット705とスリット711との接続点の位置すなわち図中長さdで示す寸法を変える
ことによってアンテナの放射インピーダンスを変更することができる。この寸法は容易に
変更が可能であるので放射インピーダンスをある程度自由に設定することが可能となり回
路とのマッチング設計が容易になる。また同図(a)と同様に、導電層は2つの導電層7
06と導電層708とに分かれているため、直流的には絶縁されている。このためバイア
ス設定などの自由度が増し受給電回路の設計が容易になる。
Similarly, in the
06 and the
上記の実施例1〜6では高抵抗基板を用いたSOI構造の集積回路を用いる場合を例に
説明した。本実施例ではSOI構造でない通常のCMOSプロセスで本発明によるアンテ
ナ装置1を実施する例を示す。
In the first to sixth embodiments described above, the case where an SOI integrated circuit using a high-resistance substrate is used has been described as an example. In the present embodiment, an example is shown in which the
図8にその断面図を示す。上記実施例1〜6で述べたのと同様に集積回路基板802上
の配線を行うための導電層801によってスリット806を形成しアンテナ素子とする。
集積回路基板802としてはシリコンなどの高抵抗基板を使用し、不純物を打ち込みなど
によってPウェル803、Nウェル804を集積回路基板802上に選択的に作りこみ、
その中に集積回路を構成するトランジスタなどの素子を構成する。打ち込む不純物の種類
によってPウェル803、Nウェル804が構成され、それぞれその中にNチャネル、P
チャネルのトランジスタを作る。高抵抗基板を使用する場合はN、P、2種類のウェルを
作るダブルウェル構造とすることによってCMOS構造の集積回路を作りこむことが可能
である。
FIG. 8 shows a cross-sectional view thereof. As described in the first to sixth embodiments, the
A high resistance substrate such as silicon is used as the
Among them, an element such as a transistor constituting an integrated circuit is formed. A P well 803 and an N well 804 are formed depending on the type of impurities to be implanted.
Make a channel transistor. When a high-resistance substrate is used, an integrated circuit having a CMOS structure can be formed by adopting a double well structure in which N, P, and two types of wells are formed.
アンテナ素子としてのスリット806の直下にウェルを作らなければアンテナ素子近傍
は導電性の物体がなく能率のよいアンテナ装置1を構成することが可能となる。なお絶縁
層805はPウェル803、Nウェル804やその中に形成された集積回路素子等と配線
するための電源線811,812を分離する絶縁層805である。
Unless a well is formed immediately below the
スリット806を構成する導電層801はできる限り広く取ることが望ましい。配線の
ための導電層が複数作りこまれる場合は、そのうちの1層を使って集積回路基板802の
全面積を覆うのも一法であるが、このような方法が取れない場合は基板上の広い範囲にわ
たって等価的に等電位になる部分を利用する。例えば電源線などであり、プラス側の電源
線811は、Nウェル804に高濃度のN型半導体809およびビア810を通じて接続
されている。またマイナス側の電源線812はPウェル803に高濃度のP型半導体80
8およびビア807を通じて接続されている。図ではウェル、ビアおよび高濃度のN型半
導体またはP型半導体はそれぞれひとつしか図示していないが、実際は集積回路基板80
2上の広い範囲にわたって分布し、インピーダンスはできる限り低くして等電位を保つよ
う設計される。またプラス側およびマイナス側の2つの電源線811,812も高周波的
には同電位になるように設計されるため、電源線811,812のどちらか一方にスリッ
ト806を形成する導電層801を接続すれば広い範囲の等電位面を確保できる。本実施
例では導電層801はマイナス側の電源線812に接続した場合を例示した。
The
8 and via 807. Although only one well, via, and high-concentration N-type semiconductor or P-type semiconductor are shown in the figure, the integrated circuit substrate 80 is actually shown.
2 is distributed over a wide range, and the impedance is designed to be as low as possible to keep the equipotential. Further, since the two
本発明の上記構成によれは低濃度基板を使用してSOIによらなくてもCMOS型の集
積回路基板101,802上に高効率のアンテナ装置1を実現できる。
According to the above configuration of the present invention, a highly
本発明はSOIまたはCMOSによる集積回路プロセスを例に説明したがこれに限定さ
れるものではなく、例えばBiCMOSやバイポーラ集積回路プロセスを用いても同様の
実施が可能である。本発明の上記構成によれば集積回路基板上に無線通信のための送受信
回路とともにアンテナ装置1も低コストで組み込みが可能となりスペースの節約や機器の
部品コストの削減、信頼性の向上に大きな効果がある。
Although the present invention has been described by taking an integrated circuit process using SOI or CMOS as an example, the present invention is not limited to this. For example, the same implementation is possible using a BiCMOS or bipolar integrated circuit process. According to the above configuration of the present invention, the
1…アンテナ装置、101,802…集積回路基板、102,706,708,801
…導体としての導電層、103,701,806…アンテナ素子としてのスリット、60
2…集積回路チップ、603…アンテナ素子としての第2のスリット、601,707…
集積回路基板を取り囲む導体としての第2の導電板、803…Pウェル、804…Nウェ
ル、105…ドープを行うシリコン単結晶層としてのシリコン単結晶層(SOI層)、1
08…ドープを行わないシリコン単結晶層としてのシリコン単結晶層(SOI層)。
DESCRIPTION OF
... conductive layer as conductor, 103, 701, 806 ... slit as antenna element, 60
2... Integrated
Second conductive plate as a conductor surrounding the integrated circuit substrate, 803... P well, 804... N well, 105... Silicon single crystal layer (SOI layer) as a silicon single crystal layer to be doped, 1
08: A silicon single crystal layer (SOI layer) as a silicon single crystal layer that is not doped.
Claims (8)
ト上の対向する両端に受給電することを特徴とするアンテナ装置。 An antenna device comprising a non-conductive slit formed in a conductive layer on an integrated circuit substrate, wherein power is supplied to and received from opposite ends of the slit.
とする請求項1に記載のアンテナ装置。 The antenna device according to claim 1, wherein an impurity is not doped immediately below the slit of the integrated circuit substrate.
アンテナ装置。 The antenna device according to claim 1, wherein the slit is linear or polygonal.
特徴とする請求項1または2に記載のアンテナ装置。 The antenna device according to claim 1, wherein the slit is formed along a linear or broken line-shaped closed curve surrounding the conductor.
異なることを特徴とする請求項4に記載のアンテナ装置。 The antenna device according to claim 4, wherein the slit width of the slit is different from the slit width at the power supply / reception point in at least one place.
成された非導電性のスリットと、前記集積回路基板上の導電層と前記集積回路基板を取り
囲む導体によって形成されるスリットから構成されることを特徴とするアンテナ装置。 An integrated circuit board, a conductor surrounding the integrated circuit board, a non-conductive slit formed in a conductive layer on the integrated circuit board, and a conductor surrounding the integrated circuit board and the conductive layer on the integrated circuit board. An antenna device comprising a formed slit.
記集積回路基板を取り囲む導体によって形成されるスリットから構成されることを特徴と
するアンテナ装置。 An antenna device comprising: an integrated circuit board; a conductor surrounding the integrated circuit board; a conductive layer on the integrated circuit board; and a slit formed by a conductor surrounding the integrated circuit board.
導体集積回路を含むことを特徴とする請求項1乃至7のいずれか一項に記載のアンテナ装
置。 The antenna device according to claim 1, further comprising a semiconductor integrated circuit on the semiconductor substrate for receiving and supplying power to the antenna with the slit as an antenna.
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