DE19813767A1

DE19813767A1 - Mikrowellen-Sender /Empfängermodul

Info

Publication number: DE19813767A1
Application number: DE19813767A
Authority: DE
Inventors: Yuji Iseki; Keiichi Yamaguchi; Mitsuo Konno
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1997-03-28
Filing date: 1998-03-27
Publication date: 1998-10-08
Anticipated expiration: 2018-03-28
Also published as: JPH10276113A; JP3373753B2; US6263193B1; DE19813767C2

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Mikrowellen-Sender/Empfänger modul, das in Mikrowellenfrequenzbändern arbeitet, die Zen timeter- und Millimeterwellen umfassen.

Beschreibung des Standes der Technik

Fig. 1A und 1B zeigen eine perspektivische Ansicht und ein Blockdiagramm, die ein Mikrowellen-Sendermodul nach dem Stand der Technik zeigen, das in Mikrowellenbändern um 10 GHz oder darüber arbeitet, die Sub-Millimeterbänder und Mil limeterbänder umfassen.

Das Modul hat einen Halbleiterchip 71a, der als ein Oszil lator (OSC) dient, einen Halbleiterchip 71b, der als ein Mo dulator (MOD) dient, und einen Halbleiterchip 71c, der als ein Leistungsverstärker (PA) dient. Jeder der Chips hat eine quadratische Form von ungefähr 2 mm × 2 mm. Die Chips 71a bis 71c sind in getrennten Kammern untergebracht und durch eine Gehäusebaugruppe 75 gegen äußere Magnetfelder abgeschirmt. Die Chips 71a bis 71c sind untereinander durch Mikrowellen-Über tragungsleiter wie Koaxialleitungen und Mikrostriplei tungen verbunden.

Diese Art des Aufbaus wird nicht nur für Sendermodule, son dern auch für Empfängermodule verwendet, die rauscharme HF-Verstärker (LNAs) und Demodulatoren haben.

Die Unterbringung der Chips 71a bis 71c in drei getrennten Kammern wie in Fig. IA gezeigt kompliziert die Struktur der Gehäusebaugruppe. Vorzugsweise werden daher alle Chips 71a bis 71b in einer einzigen Kammer zusammengefaßt und gegen äußere Magnetfelder abgeschirmt. Die Gehäusebaugruppe mit einer einzigen Kammer zur Aufnahme und Abschirmung aller Chips weist jedoch unvermeidlich einen großen Innenraum auf, der leicht eine Hohlraumresonanz verursachen kann.

Um das Problem der Hohlraumresonanz zu lösen, hat der Anmel der der Erfindung in der japanischen Patentanmeldung Nr. 8-180 846 ein Mikrowellen-Sender/Empfängermodul (T/R) vorge schlagen. Dieses Modul ist in Fig. 2A und 2B gezeigt. Das Modul hat einen einzigen abgeschlossenen Raum, der Sende- und Empfangsantennenstrukturen etc. enthält, um für Mikro wellenverbindungen erforderliche Funktionen bereitzustellen. Der abgeschlossene Raum hat einen verengten Raum 90.

Ein Halbleiterchip 85 ist auf einer Leiterplatte 82 ange bracht, die in einem Gehäuse 84 aus einem leitenden Material eingeschlossen ist. I/O-Anschlüsse 88, die den Chip 85 elek trisch mit der Außenseite verbinden, sind an den Seitenwän den am Mittelteil des Gehäuses 84 angeordnet, in dem sich der verengte Raum 90 befindet. Das Gehäuse 84 ist mit einem Deckel 81 abgeschlossen. Eine Leiterschicht 86 ist auf dem Mittelteil der Unterseite des Deckels 81 aufgebracht. Der verengte Raum 90 ist ein elektromagnetisch verengter Raum, der durch drei Leiterebenen bestehend aus dem Boden und zwei Seitenflächen des verengten Raumes 90 und eine Ebene beste hend aus der Leiterschicht 86 an der Unterseite des Deckels 81 definiert ist. Die Leiterplatte bzw. Platine 82 hat des weiteren Empfangsantennenstrukturen 83, Sendeantennenstruk turen 87 und Zuführungen 89b und 89a zur Verbindung der An tennenstrukturen 83 und 87 mit dem Chip 85.

Fig. 2B ist eine Schnittdarstellung entlang einer Linie III-III in Fig. 2A, die einen Teil der Platine 82 zeigt. Die Platine 82 besteht aus einer ersten Isolierschicht oder ei nem Substrat 94, einer Erdleiterschicht 93, die auf der Iso lierschicht 94 gebildet ist, und einer zweiten Isolier schicht 92, die auf der Erdleiterschicht 93 gebildet ist. Die Zuführung 89a ist auf der zweiten Isolierschicht 92 aus gebildet und mit dem Chip 85 über einen Kontakthöcker 91 verbunden.

Der elektromagnetisch verengte Raum 90 bildet einen Wellen leiter. Der Wellenleiter hat eine Grenzfrequenz, die so festgelegt ist, daß sie höher ist als eine Trägerfrequenz für Mikrowellenverbindungen, um das Problem der Hohlraumre sonanz zu vermeiden und um ein kompaktes Modul zu realisie ren.

Dieses Modul weist die folgenden Probleme auf:

(a) Das Gehäuse 84 beeinflußt die Antennenstrukturen 83 und 87, so daß die Antennenstrukturen 83 und 87 hinreichend weit von dem Gehäuse 84 entfernt sein müssen. Dies er höht die Größe des Moduls und verlängert die Zuführun gen 89b und 89a zwischen den Antennenstrukturen 83 und 87 und dem Chip 85, wodurch die Zuführungsverluste grö ßer werden.
(b) Der Deckel 81 beeinflußt die Antennenstrukturen 83 und 87 ebenfalls. Der Deckel 81 muß dick sein, um eine aus reichende mechanische Festigkeit für den Schutz des In neren des Moduls zu gewährleisten. Dies erhöht jedoch die elektromagnetischen Abstrahlungsverluste.

Dadurch hat das Mikrowellen-Sender/Empfängermodul der Fig. 2A und 2B das Problem großer Abmessungen, um die Leistungs fähigkeit der Antennenstrukturen sicherzustellen, und das Problem elektromagnetischer Abstrahlungsverluste und von Zu führungsverlusten.

Eine Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines kom pakten Mikrowellen-Sender/Empfängermoduls.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Mikrowellen-Sender/Empfängermoduls, das in der Lage ist, Zuführungsverluste zu vermeiden und die Hochfrequenz-Leistungs fähigkeit sicherzustellen.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Mikrowellen-Sender/Empfängermoduls, das in der Lage ist, elektromagnetische Abstrahlungsverluste zu beseitigen und die Leistungsfähigkeit der Antennenstrukturen sicherzu stellen.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Mikrowellen-Sender/Empfängermoduls, das einfach herzu stellen ist und eine hohe Fertigungsausbeute sicherstellt.

Um die Aufgaben zu erfüllen, stellt ein erster Gesichtspunkt der Erfindung ein Mikrowellen-Sender/Empfängermodul bereit, das mindestens eine Baugruppe, eine Empfangsantennenstruktur und eine Sendeantennenstruktur hat. Die Baugruppe hat minde stens eine Leiterplatte und ein Gehäuse. Die Leiterplatte hat einen Halbleiterchip auf ihrer Unterseite angebracht und dient als Deckel zum Abschließen des Gehäuses, wobei der Halbleiterchip in dem Gehäuse eingeschlossen wird. Die Emp fangsantennenstruktur ist auf der Oberseite der Leiterplatte ausgebildet. Die Sendeantennenstruktur ist auf der Oberseite der Leiterplatte an einer von der Empfangsantennenstruktur verschiedenen Position ausgebildet. Wenn es mit der Leiter platte abgedeckt ist, definiert das Gehäuse einen elektroma gnetisch verengten ersten Raum um den Halbleiterchip. Der erste Raum dient als ein Wellenleiter, dessen Grenzfrequenz höher ist als eine Trägerfrequenz für Mikrowellenverbindun gen. Die Empfangs- und Sendeantennenstrukturen sind beide elektromagnetisch mit dem Halbleiterchip gekoppelt. Genauer gesagt, die Antennenstrukturen und der Halbleiterchip sind miteinander durch elektromagnetische Energiekopplung der elektromagnetischen Wellen gekoppelt, die durch Schlitze hindurchtreten, die in einer Leiterschicht mit Abschirmfunk tion angebracht sind. Diese elektromagnetische Verbindung oder Kopplung muß von der durch das Fließen elektrischer Ströme hergestellten elektrischen Verbindung unterschieden werden. In der vorliegenden Beschreibung deckt der Begriff "Mikrowellen" einen weiten Bereich von Mikrowellen ein schließlich Millimeterwellen ab. Erfindungsgemäße Mikro wellen-Sender/Empfängermodule sind vorzugsweise für Mikro wellen von z. B. 10 GHz oder darüber, und noch besser für 60 GHz oder darüber verwendbar. In der vorliegenden Beschrei bung ist die "Platine" oder "Leiterplatte" eine Hochfre quenzleiterplatte mit Mikrostrip-Streifenleitern etc., die für Mikrowellen von 10 GHz oder darüber verwendet werden kann.

Das Mikrowellen-Sender/Empfängermodul des ersten Gesichts punkts kann zweite und dritte Räume haben. Der zweite Raum ist genau unter der Empfangsantennenstruktur angeordnet und so bemessen, daß er eine Hohlraumresonanz bezüglich der Trä gerfrequenz für Mikrowellenverbindungen bewirkt. Der dritte Raum ist genau unter der Sendeantennenstruktur angebracht und so bemessen, daß er eine Hohlraumresonanz bezüglich der Trägerfrequenz für Mikrowellenverbindungen bewirkt. Der er ste, zweite und dritte Raum bilden einen einzigen zusammen hängenden Raum zur Vereinfachung des Aufbaus des Moduls.

Demzufolge ist das Mikrowellen-Sender/Empfängermodul des er sten Gesichtspunkts kompakt und in der Lage, die Leistungs fähigkeit der Antennenstrukturen sicherzustellen.

Ein zweiter Gesichtspunkt der Erfindung stellt ein Mikrowel len-Sender/Empfängermodul bereit, das mindestens eine Bau gruppe, eine Empfangsantennenstruktur und eine Sendeanten nenstruktur hat. Die Baugruppe hat mindestens ein Gehäuse zur Aufnahme eines Halbleiterchips. Die Empfangsantennen struktur ist auf der Unterseite des Gehäuses ausgebildet. Die Sendeantennenstruktur ist auf der Unterseite des Gehäu ses an einer von der Empfangsantennenstruktur verschiedenen Position ausgebildet. Das Gehäuse hat einen elektromagne tisch verengten ersten Raum, um den Halbleiterchip auf zuneh men. Der erste Raum dient als ein Wellenleiter, dessen Grenzfrequenz höher ist als eine Trägerfrequenz für Mikro wellenverbindungen. Die Empfangsantennenstruktur ist durch einen ersten Schlitz elektromagnetisch mit dem Halbleiter chip gekoppelt, und die Sendeantennenstruktur ist durch ei nen zweiten Schlitz elektromagnetisch mit dem Halbleiterchip gekoppelt.

Das Mikrowellen-Sender/Empfängermodul des zweiten Gesichts punkts kann zweite und dritte Räume haben. Der zweite Raum ist genau über der Empfangsantennenstruktur angeordnet und so bemessen, daß er eine Hohlraumresonanz bezüglich der Trä gerfrequenz für Mikrowellenverbindungen bewirkt. Der dritte Raum ist genau über der Sendeantennenstruktur angebracht und so bemessen, daß er eine Hohlraumresonanz bezüglich der Trä gerfrequenz für Mikrowellenverbindungen bewirkt. Der erste, zweite und dritte Raum bilden einen einzigen zusammenhängen den Raum zur Vereinfachung des Aufbaus des Moduls.

Demzufolge ist das Mikrowellen-Sender/Empfängermodul des zweiten Gesichtspunkts kompakt und in der Lage, die Lei stungsfähigkeit der Antennenstrukturen sicherzustellen.

Andere und weiterführende Aufgaben und Merkmale der Erfin dung werden anhand der beispielhaften Ausführungsformen ver ständlich, die in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen beschrieben werden oder in den anschließenden Ansprüchen an gegeben sind, wobei dem Fachmann viele hierin nicht be schriebene Vorteile bei der praktischen Anwendung der Erfin dung deutlich werden.

In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1A eine perspektivische Darstellung eines Mikrowel len-Sendermoduls nach dem Stand der Technik;

Fig. 1B ein Blockdiagramm des Mikrowellen-Sendermoduls nach dem Stand der Technik;

Fig. 2A eine Explosionsdarstellung eines Mikrowellen- Sender/Empfängermoduls, das einen elektromagne tisch verengten Raum entsprechend dem Stand der Technik aufweist;

Fig. 2B eine teilweise Schnittdarstellung einer Hochfre quenzleiterplatte des Moduls der Fig. 2A;

Fig. 3A eine Explosionsdarstellung eines Mikrowellen- Sender/Empfängermoduls gemäß einer ersten Ausfüh rungsform der Erfindung;

Fig. 3B eine perspektivische Darstellung der Unterseite einer Hochfrequenzleiterplatte, die zur Abdeckung des Moduls der Fig. 3A dient;

Fig. 3C einen vergrößerten Schnitt eines Teils der Hoch frequenzleiterplatte entlang einer Linie I-I in Fig. 3A;

Fig. 3D eine Schnittdarstellung entlang einer Linie II-II in Fig. 3C;

Fig. 4 eine Explosionsdarstellung eines vergleichbaren Mikrowellen-Sender/Empfängermoduls zur Bewertung der Leistungsmerkmale des Mikrowellen-Sender/Emp fängermoduls der ersten Ausführungsform;

Fig. 5A und 5B jeweils ein Blockdiagramm mit Beispielen des Halbleiterchip, der in dem Mikrowellen-Sender/Emp fängermodul der ersten Ausführungsform einzusetzen ist;

Fig. 6 eine Explosionsdarstellung eines Mikrowellen-Sen der/Empfängermoduls entsprechend einer Modifikati on der ersten Ausführungsform;

Fig. 7 eine teilweise Schnittdarstellung eines Mikrowel len-Sender/Empfängermoduls entsprechend einer wei teren Modifikation der ersten Ausführungsform;

Fig. 8 eine Explosionsdarstellung eines Mikrowellen-Sen der/Empfängermoduls entsprechend einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 9 eine Explosionsdarstellung eines Mikrowellen-Sen der/Empfängermoduls entsprechend einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; und

Fig. 10 eine Explosionsdarstellung eines Mikrowellen-Sen der/Empfängermoduls entsprechend einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung werden unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Es ist anzu merken, daß die gleichen oder einander entsprechende Bezugs zeichen für die gleichen oder einander entsprechende Teile und Elemente der Zeichnungen verwendet werden, und daß die Beschreibung gleicher oder einander entsprechender Teile und Elemente weggelassen oder vereinfacht wird. Allgemein und wie bei der Beschreibung von Mikrowelleneinrichtungen üb lich, ist ersichtlich, daß die verschiedenen Darstellungen in den verschiedenen Figuren nicht maßstabgetreu von Figur zu Figur und ebensowenig innerhalb einer bestimmten Figur wiedergegeben sind, und daß insbesondere die Schichtdicken willkürlich wiedergegeben sind, um die Verständlichkeit der Zeichnungen zu erleichtern.

(ERSTE AUSFÜHRUNGSFORM)

Fig. 3A bis 3D zeigen ein Mikrowellen-Sender/Empfängermodul gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung. Das Modul arbeitet mit Millimeterwellen in einem 60 GHz-Frequenzband.

Das Modul hat eine Hochfrequenzleiterplatte 2, die als Deckel eines Gehäuses 6 dient. Eine Empfangsantennenstruktur 1 und eine Sendeantennenstruktur 3 sind auf der Platine 2 aus gebildet. Die Antennenstrukturen 1 und 3 sind von einer Er dungsstruktur 12 umgeben. Das Gehäuse 6 und die Platine 2 definieren einen abgeschlossenen Raum 7, der keine physi schen Unterteilungen hat. Im Mittelteil des abgeschlossenen Raumes 7 umschließt ein elektromagnetisch verengter erster Raum 8c einen Halbleiterchip 5, der auf der Unterseite der Platine 2 angebracht ist.

Fig. 3B zeigt die Unterseite der Platine 2. Die Unterseite hat mikrowellenübertragende Kupferzuführungen 9a und 9b und Leitungsstrukturen 22 für die Übertragung von Gleichströmen oder niederfrequenten Signalen. Der Chip 5 hat Sende- und Empfangsfunktionen und ist mit den Zuführungen 9a und 9b und den Leitungsstrukturen 22 über Kontakthöckerelektroden 4 verbunden. Der Chip 5 ist z. B. mit einem Kleber an der Un terseite der Platine 2 befestigt.

Fig. 3C ist ein vergrößerter Teilschnitt entlang einer Linie I-I in Fig. 3A, der die Verbindung des Chip 5 mit der Zufüh rung 9b auf der Platine 2 mittels der Kontakthöckerelektrode 4 zeigt. Fig. 3D ist eine Schnittdarstellung entlang einer Linie II-II in Fig. 3C. Die Platine 2 besteht aus einem er sten Isolationssubstrat 13, einer Leiterzwischenschicht 14, die an der Unterseite des Substrats 13 angebracht ist, und einem zweiten Isolationssubstrat 15, das an der Unterseite der Schicht 14 angebracht ist. Das erste Isolationssubstrat 13 ist aus BT-Harz (Bismaleimidtriazin-Harz) mit einer Dicke von 500 µm gebildet. Auf der Oberseite des Substrats 13 sind die Empfangsantennenstruktur 1, die Sendeantennenstruktur 3 und die Erdungsstruktur 12 aus einem Kupferdünnfilm mit ei ner Dicke von 17 µm ausgebildet. Die Leiterschicht 14 be steht aus einem Kupferdünnfilm mit einer Dicke von 17 µm und hat einen ersten Schlitz 10a und einen zweiten Schlitz 10b. Die Schlitze 10a und 10b haben jeweils eine Größe von unge fähr 0,2 mm × 0,6 mm und dienen zum Abstrahlen elektromagne tischer Wellen. Die Leiterschicht 14 ist geerdet und mit der Erdungsstruktur 12 verbunden. Die Leiterschicht 14 ist au ßerdem mit dem Gehäuse 6 verbunden, das aus leitendem Mate rial hergestellt ist, um eine Abschirmfunktion zu bewirken. Das zweite Isolationssubstrat 15 besteht aus BCB-Harz (Ben zocyclobuten-Harz) mit einer Dicke von 10 µm. Auf der Unter seite des Substrats 15 sind Kupferleiter mit einer Dicke von 3 µm angeordnet, die als die erste Zuführung 9a für die An tennenstruktur 1 und die zweite Zuführung 9b für die Anten nenstruktur 3 dienen. Das BT-Harz des ersten Isolationssub strats 13 hat eine Dielektrizitätskonstante von 4,5, und das BCB-Harz des zweiten Isolationssubstrats 15 hat eine Dielek trizitätskonstante von 2,7.

Die Leiterschicht 14 deckt die Platine 2 mit Ausnahme der Schlitze 10a und 10b vollständig ab. Infolgedessen sind vier Seitenflächen des verengten Raumes 8c von Leitern umgeben, um einen Wellenleiter zu bilden. Der verengte Raum 8c ist so bemessen, daß die Grenzfrequenz des Wellenleiters höher als die höchste der Trägerfrequenzen wird, die für Mikrowellen verbindungen verwendet und durch die Antennenstrukturen 1 und 3 empfangen und gesendet werden. Der durch den verengten Raum 8c gebildete Wellenleiter ist nicht dazu bestimmt, Mi krowellensignale für das Modul weiterzuleiten, sondern ist dazu bestimmt, das Eindringen elektromagnetischer Wellen für Mikrowellenverbindungen in den Chip 5 und dessen Peripherie zu verhindern.

I/O-Anschlüsse 11 führen Basisbandsignale, Stromversorgung und Steuersignale für den Chip 5. Die I/O-Anschlüsse 11 wer den nicht benutzt, um 60 GHz-Hochfrequenzsignale für Mikro wellenverbindungen zu übertragen. Statt dessen übertragen sie niederfrequente Signale unterhalb der Trägerfrequenzen für Mikrowellenverbindungen. Die I/O-Anschlüsse 11 sind mit Leitungsstrukturen 21 auf der Oberseite des Gehäuses 6 über Leitungen (nicht dargestellt) verbunden, die in das Gehäuse 6 einbezogen sind. Das Modul der Fig. 3A hat sechs I/O-An schlüsse 11, von denen drei auf der rückwärtigen Seite durch das Gehäuse 6 verdeckt sind. Die sechs I/O-Anschlüsse 11 ge hören zu den jeweiligen Leitungsstrukturen 21. Die I/O-An schlüsse 11 sind individuell dazu bestimmt, ein Basisbandsi gnal an den Chip 5, ein Basisbandsignal von dem Chip 5, Stromversorgung für den Chip 5 und Steuersignale zum Steuern des Chip 5 entsprechend den Spezifikationen des Chip 5 zu übertragen. Die Leitungsstrukturen 21 auf der Oberseite des Gehäuses 6 und die Leitungsstrukturen 22 auf der Unterseite der Platine 2 sind über Kontakthöckerelektroden 44 miteinan der verbunden.

Jede der Zuführungen 9a und 9b hat einen Wellenwiderstand von 50 Ω und eine Breite von 25 µm. Für die Einhaltung des Wellenwiderstands der Zuführungen 9a und 9b werden bekannte Mikrostreifenleiter-Entwurfsverfahren verwendet. Die Zufüh rung 9b strahlt elektromagnetische Millimeterwellen durch den in der Leiterschicht 14 vorgesehenen Schlitz 10b ab, um die Sendeantennenstruktur 3 zu erregen. Die Empfangsanten nenstruktur 1 strahlt elektromagnetische Millimeterwellen durch den in der Leiterschicht 14 vorgesehenen Schlitz 10a ab, um die Zuführung 9a zu erregen.

Fig. 4 zeigt ein Vergleichs-Mikrowellen-Sender/Empfänger modul zur Untersuchung der Leistungsfähigkeit des Mikrowel len-Sender/Empfängermoduls der ersten Ausführungsform. Das Vergleichsmodul gleicht dem Modul der Fig. 2A mit der Aus nahme, daß das Vergleichsmodul nur eine Empfangsantennen struktur 83 und eine Sendeantennenstruktur 87 hat, so daß diese denjenigen der ersten Ausführungsform entsprechen. Um die Einflüsse der Wand eines Gehäuses 84 zu vermeiden, sind in dem Vergleichsmodul die Antennenstrukturen 83 und 87 un gefähr 10 mm von den Wänden entfernt angeordnet. Die Anten nenstrukturen 83 und 87 haben jeweils Abmessungen von unge fähr 1,5 mm × 1,5 mm, so daß deshalb die Zuführungen 89a und 89b jeweils über 10 mm erstreckt sind und somit einen Ver lust von ungefähr 1,5 dB verursachen. Das Vergleichsmodul weist Außenabmessungen von 20 mm × 50 mm auf.

Andererseits sind bei der ersten Ausführungsform die Anten nenstrukturen 1 und 3 an den Außenflächen des Moduls, d. h. an der Oberseite der Platine 2 angeordnet, so daß die Wände des Gehäuses 6 keine Einflüsse ausüben und die Antennen strukturen 1 und 3 hinsichtlich ihrer Positionen keinen Ein schränkungen unterliegen. Die Zuführungen 9a und 9b der er sten Ausführungsform sind jeweils über ungefähr 1,5 mm er streckt, um den Zuführungsverlust auf ungefähr ein Sechstel des Standes der Technik zu drücken. Das Modul der ersten Ausführungsform ist kompakt und mißt nur ungefähr 10 mm × 25 mm in den Außenabmessungen.

Das Gehäuse 6 der ersten Ausführungsform hat einen zweiten Raum 8a genau unter der Antennenstruktur 1 und einen dritten Raum 8b genau unter der Antennenstruktur 3. Der zweite und der dritte Raum 8a und 8b sind von einer Größe, die eine Hohlraumresonanz bei einer Trägerfrequenz für Mikrowellen verbindungen bewirkt. Dies verbessert die Effizienz der An tennenstrukturen 1 und 3. Der erste verengte Raum 8c und der zweite und der dritte Raum 8a und 8b bilden einen einzigen zusammenhängenden H-förmigen Raum, um den Aufbau des Gehäu ses 6 zu vereinfachen.

Fig. 5A ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel des in dem Modul der ersten Ausführungsform installierten Chip 5 zeigt. Der Chip 5 hat einen rauscharmen Verstärker 32, der über die erste Zuführung 9a und den ersten Schlitz 10a mit der Emp fangsantennenstruktur 1 verbunden ist. Der rauscharme Ver stärker 32 ist mit einem Mischer 34 verbunden, der mit einem Zwischenfrequenzverstärker (ZF-Verstärker) 35 verbunden ist, der mit einem Demodulator 65 verbunden ist. Der Demodulator 65 stellt ein Basisbandsignal über den I/O-Anschluß 11 be reit. Der Mischer 34 erhält ein Signal von einem Oszillator (nicht dargestellt) und ein Signal von dem rauscharmen Ver stärker 32. Der Chip 5 hat des weiteren einen Modulator 38 für den Empfang eines Basisbandsignals von dem I/O-Anschluß 11. Der Modulator 38 ist mit einem Mischer 66 verbunden, der mit einem Leistungsverstärker 67 verbunden ist. Der Mischer 66 erhält ein Signal von dem Oszillator (nicht dargestellt) und ein Signal von dem Modulator 38. Der Leistungsverstärker 67 ist mit der Sendeantennenstruktur 3 über die zweite Zu führung 9b und den zweiten Schlitz 10b verbunden.

Fig. 5B zeigt ein weiteres Beispiel des in dem Modul der er sten Ausführungsform installierten Chip 5. Der Chip 5 hat einen rauscharmen Verstärker 32, der mit der Empfangsanten nenstruktur 1 über die erste Zuführung 9a und den ersten Schlitz 10a verbunden ist. Der rauscharme Verstärker 32 ist mit einem Filter 33 verbunden, der mit einem Mischer 34 ver bunden ist. Der Mischer 34 ist mit einem Zwischenfrequenz verstärker (ZF-Verstärker) 35 verbunden, der mit einem A/D-Wandler 36 verbunden ist. Der A/D-Wandler 36 ist mit einem Prozessor 37 verbunden, der mit einem Modulator 38 verbunden ist. Der Modulator 38 ist mit einem Treiberverstärker 39 verbunden, der mit einer Phaseneinheit 40 verbunden ist, die mit einem Sendeverstärker 41 verbunden ist. Der Sendever stärker 41 ist mit der Sendeantennenstruktur 3 über die zweite Zuführung 9b und den zweiten Schlitz 10b verbunden.

Die Baugruppe, die das Gehäuse 6 der ersten Ausführungsform umfaßt, ist aus leitfähigem Material gefertigt und von dem Halbleiterchip 5 und den Sende- und Empfangsantennenstruktu ren 1 und 3 isoliert. Das Gehäuse 6 und der Halbleiterchip 5 können voneinander isoliert werden, indem der Raum zwischen diesen mit getrockneter Luft oder einem Inertgas gefüllt wird, oder indem der Halbleiterchip 5 mit Isolierfett oder -harz von hoher Wärmeleitfähigkeit vergossen wird.

Fig. 6 ist eine Explosionsdarstellung, die ein Mikrowellen- Sender/Empfängermodul gemäß einer Modifikation der ersten Ausführungsform zeigt. Eine Hochfrequenzleiterplatte 2 dient als Deckel eines Gehäuses 46 des Moduls. Eine Empfangsanten nenstruktur 1 und eine Sendeantennenstruktur 3 sind auf der Platine 2 ausgebildet. Eine Erdungsstruktur 12 ist um die Antennenstrukturen 1 und 3 angeordnet. Schlitze 10a und 10b für die Abstrahlung elektromagnetischer Wellen sind in der Platine 2 angebracht. Das Modul hat eine Vertiefung 48 von gleichbleibender Breite. Die Vertiefung 48 ist eine integra le Zusammenfassung eines elektromagnetisch verengten ersten Raums und eines zweiten Raums genau unter der Empfangsanten nenstruktur 1 und eines dritten Raums genau unter der Sende antennenstruktur 3. Ein Halbleiterchip 5 ist am Mittelteil in der Vertiefung 48 angeordnet. Die Platine 2 besteht aus einem ersten Isolationssubstrat, einer Leiterzwischen schicht, die mit der Unterseite des ersten Isolationssub strats verbunden ist, und einem zweiten Isolationssubstrat, das mit der Unterseite der Leiterzwischenschicht verbunden ist. Die ersten und zweiten Schlitze 10a und 10b sind an vorbestimmten Positionen auf der Leiterzwischenschicht ange ordnet. Erste und zweite Zuführungen 9a und 9b sind auf der Unterseite des zweiten Isolationssubstrats ausgebildet. Vier Seitenflächen des ersten Raumes am mittleren Teil der Ver tiefung 48 sind mit Leitern umgeben, um einen Wellenleiter zu bilden. Die Vertiefung 48 ist so bemessen, daß sie die Grenzfrequenz des Wellenleiters höher als die höchste der Trägerfrequenzen für Mikrowellenverbindungen macht. I/O-An schlüsse 11 übertragen Basisbandsignale, Stromversorgung und Steuersignale. Die I/O-Anschlüsse 11 sind mit Leitungs strukturen 21 auf der Oberseite des Gehäuses 46 durch Lei tungen verbunden (nicht dargestellt), die in das Gehäuse 46 einbezogen sind.

Die zweiten und dritten Räume unter den Antennenstrukturen 1 und 3 und dem elektromagnetisch verengten ersten Raum sind durch die Platine 2 abgeschlossen, um einen zusammenhängen den geschlossenen Raum 47 bereitzustellen. Die Integration des ersten bis dritten Raumes in die Vertiefung 48 mit einer gleichmäßigen Breite vereinfacht die Verarbeitbarkeit des Moduls.

Fig. 7 ist eine teilweise Schnittdarstellung, die ein Mikro wellen-Sender/Empfängermodul gemäß einer weiteren Abwandlung der ersten Ausführungsform zeigt. Die Figur zeigt insbeson dere einen Teil eines Gehäuses um eine Sendeantennenstruktur 3. Anders als bei der Struktur der Fig. 3A bis 3D, die die Platine 2 als einen Deckel für das Gehäuse 6 verwendet, ist bei der Abwandlung nach Fig. 7 ein Halbleiterchip 5 in dem Gehäuse angebracht, wobei eine Hochfrequenzleiterplatte als Deckel für das Gehäuse dient. In diesem Fall sind die Sende antennenstruktur 3 etc. auf der Unterseite des Gehäuses aus gebildet. Das Gehäuse besteht aus einem Isolationssubstrat 25, auf dem die Sendeantennenstruktur 3 ausgebildet ist, ei ner Leiterzwischenschicht 24, die auf der Oberseite des Sub strats 25 angebracht ist und einen zweiten Schlitz 10b hat, und einem Isolationssubstrat 23, das auf der Oberseite der Leiterschicht 24 angebracht ist. Das Isolationssubstrat 25 kann aus BCB- oder BT-Harz bestehen. Die Sendeantennenstruk tur 3 und eine Erdungsstruktur 12, die auf der Unterseite des Isolationssubstrats 25 ausgebildet sind, bestehen aus Kupferdünnfilm mit einer Dicke von 17 µm. Die Oberseite des Isolationssubstrats 25 ist im wesentlichen vollständig durch die Leiterzwischenschicht 24 aus einem Kupferfilm mit einer Dicke von 17 µm bedeckt. Der zweite Schlitz 10b ist an einer vorbestimmten Position in der Leiterschicht 24 angebracht. Die Leiterschicht 24 ist geerdet und mit der Erdungsstruktur 12 verbunden.

Eine zweite Zuführung 9b aus einem Kupferdraht mit einer Dicke von 3 µm ist auf der Oberseite des Isolationssubstrats 23 angeordnet. Die zweite Zuführung 9b ist mit dem Chip 5 durch eine Kontakthöckerelektrode 4 verbunden. Das Isola tionssubstrat 23 kann aus keramischen Werkstoffen wie z. B. Aluminiumoxid und Aluminiumnitrid oder aus BCB- oder BT-Harz bestehen.

Obwohl Fig. 7 nur die Seite der Sendeantennenstruktur 3 zeigt, hat das Modul eine Seite mit einer Empfangsantennen struktur, die einen ersten Schlitz, eine erste Zuführung etc. hat, um eine gleichartige Struktur zu bilden. Die Ab wandlung in Fig. 7 ersetzt nämlich die Seite der Platine 2 der Struktur der Fig. 3A bis 3D durch die Gehäuseseite 6 derselben.

(ZWEITE AUSFÜHRUNGSFORM)

Fig. 8 ist eine Explosionsdarstellung, die ein Mikrowellen- Sender/Empfängermodul gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt. Eine Hochfrequenzleiterplatte 2 dient als ein Deckel für ein Gehäuse 56. Eine Empfangsantennen struktur 1 und eine Sendeantennenstruktur 3 sind auf der Platine 2 ausgebildet. Eine Erdungsstruktur 12 ist um die Antennenstrukturen 1 und 3 angeordnet. Schlitze 10a und 10b zur Abstrahlung elektromagnetischer Wellen sind in der Pla tine 2 angebracht. Das Gehäuse 56 aus einem Isolierstoff wie z. B. Keramik hat eine Vertiefung 58 mit einer gleichmäßigen Breite. Ein Halbleiterchip 5 ist in einem mittleren ersten Raum in der Vertiefung 58 angeordnet. Die Wände des ersten Raums sind beispielsweise durch elektrolytisches oder nicht elektrolytisches Metallisieren behandelt, um einen Leiter 56a zu bilden, der bewirkt, daß der erste Raum zu einem elektromagnetisch verengten Raum wird. An den beiden Seiten des ersten Raums in der Vertiefung 58 schließen sich ein zweiter und ein dritter Raum an. Der erste Raum dient als ein Wellenleiter. Die Vertiefung 58 ist so bemessen, daß sie die Grenzfrequenz des Wellenleiters höher als die höchste Trägerfrequenz für Mikrowellenverbindungen macht.

Ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform besteht die Pla tine 2 aus einem ersten Isolationssubstrat, einer Leiter zwischenschicht, die an der Unterseite des ersten Isolati onssubstrats angebracht ist, und einem zweiten Isolations substrat, das an der Unterseite der Leiterzwischenschicht angebracht ist. Der erste und der zweite Schlitz 10a und 10b sind an vorbestimmten Positionen in der Leiterzwischen schicht gebildet. Auf der Unterseite des zweiten Isola tionssubstrats sind erste und zweite Zuführungen 9a und 9b ausgebildet. I/O-Anschlüsse 11 übertragen Basisbandsignale, Stromversorgung und Steuersignale für den Chip 5. Die I/O-An schlüsse 11 sind mit Leitungsstrukturen 21 auf dem Gehäuse 56 durch Leitungen verbunden (nicht dargestellt), die in das Gehäuse 56 einbezogen sind. Die Leitungsstrukturen 21 und auf der Unterseite der Platine 2 ausgebildete Leitungsstruk turen sind miteinander durch Kontakthöckerelektroden 44 ver bunden. Die Leitungsstrukturen auf der Unterseite der Plati ne 2 sind ebenfalls durch Kontakthöckerelektroden 4 mit Kon taktierungsflächen des Chip 5 verbunden, so daß Gleichstrom-Vor spannungen und Niederfrequenzsignale über die I/O-An schlüsse 11 mit dem Chip 5 ausgetauscht werden. Der zweite und der dritte Raum unter den den Antennenstrukturen 1 und 3 und der elektromagnetisch verengte erste Raum bilden einen abgeschlossenen Raum 57.

Die Anordnung des elektromagnetisch verengten ersten Raums in der Mitte der Vertiefung 58 verbessert die Verarbeitbar keit des Moduls. Die zweite Ausführungsform hat somit die gleiche Wirkung wie die erste Ausführungsform, ohne daß die Struktur derselben verkompliziert wird.

Wie bei der ersten Ausführungsform können der zweite und der dritte Raum der zweiten Ausführungsform breiter als der er ste Raum ausgeführt werden, um einen H-förmigen Raum bereit zustellen. In diesem Fall sind der zweite und der dritte Raum so bemessen, daß eine Hohlraumresonanz bei einer für Mikrowellenverbindungen verwendeten Trägerfrequenz bewirkt wird. Dies resultiert in einer Effizienzverbesserung der An tennenstrukturen 1 und 3.

(WEITERE AUSFÜHRUNGSFORMEN)

Die Erfindung ist nicht auf die erste und die zweite Ausfüh rungsform beschränkt. Entsprechend der ersten und der zwei ten Ausführungsform sind die Sende- und Empfangsantennen strukturen 1 und 3 in Form von Inseln auf der Oberseite der Platine 2 ausgebildet, die als ein Deckel der Baugruppe dient, und die Erd- bzw. Masseleiterschicht 12 ist auf der Oberseite der Platine 2 um die Antennenstrukturen 1 und 3 herum angeordnet. Eine Ausführungsform der Erfindung nach Fig. 9 hat anstelle dessen eine Erdleiterschicht 62 zwischen einer Empfangsantennenstruktur 61 und einer Sendeantennen struktur 63 auf der Oberseite einer Leiterplatte 2. Die An tennenstrukturen 61 und 63 haben die gleiche Breite wie die Platine 2. Diese Anordnung vergrößert die Flächen der Anten nenstrukturen 61 und 63 in wirksamer Weise, ohne daß eine gegenseitige Beeinflussung zwischen diesen auftritt. Das Ge häuse der Fig. 9 hat einen ersten Raum mit einer Grenzfre quenz höher als eine Trägerfrequenz für Mikrowellenverbin dungen, einen zweiten Raum 8a genau unter der Empfangsanten nenstruktur 61 und einen dritten Raum genau unter der Sende antennenstruktur 63. Der zweite und der dritte Raum 8a und 8b sind so dimensioniert, daß eine Hohlraumresonanz bei ei ner Trägerfrequenz für Mikrowellenverbindungen bewirkt wird.

Fig. 10 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der zwei oder mehr Halbleiterchips in einem elektroma gnetisch verengten Raum eines Mikrowellen-Sender/Empfänger moduls angeordnet sind. In Fig. 10 hat der elektromagnetisch verengte Raum 8c Platz für drei Halbleiterchips 51, 52 und 53. Diese Chips können den Schaltungsblöcken 51 bis 53 von Fig. 5B entsprechen. Auf dem Halbleiterchip 51 sind acht Kontakthöckerelektroden 4a ausgebildet. Eine der Kontakt höckerelektroden 4a ist mit der Zuführung 9b verbunden, und ei ne andere ist mit der Leitungsstruktur 22b auf der Untersei te der Platine 2 verbunden. Die anderen Kontakthöckerelek troden 4a sind mit Leitungsstrukturen auf der Unterseite der Platine 2 (in Fig. 10 nicht dargestellt) verbunden, die je weils durch Kontakthöckerelektroden 44 mit Leitungsstruktu ren 21 auf dem Gehäuse 6 verbunden sind. Auf den Halbleiter chips 52, 53 sind jeweils Kontakthöckerelektroden 4b, 4c ausgebildet. Eine der Kontakthöckerelektroden ist mit der Leitungsstruktur 22b verbunden, wodurch zwei Halbleiterchips 51, 52 gegenseitig verbunden sind. Eine weitere Kontakt höckerelektrode 4b und eine der Kontakthöckerelektroden 4c sind mit der Leitungsstruktur 22a auf der Unterseite der Platine 2 verbunden, um zwei Halbleiterchips 52, 53 gegenseitig zu verbinden. Eine weitere Kontakthöckerelektrode 4c ist mit der Zuführung 9a auf der Unterseite der Platine 2 verbunden. Die Zuführungen 9a und 9b sind durch die Schlitze 10a bzw. 10b elektromagnetisch mit den Antennenstrukturen 1 und 3 ge koppelt. Weitere Kontakthöckerelektroden 4b, 4c sind mit Leitungsstrukturen auf der Unterseite der Platine 2 (in Fig. 10 nicht dargestellt) verbunden, die jeweils über Kontakt höckerelektroden 44 mit Leitungsstrukturen 21 verbunden sind.

Die Schaltungsblöcke 51 und 53 können Verbindungshalbleiter chips sein, die z. B. aus Galliumarsenid (GaAs) hergestellt sind, und der Schaltungsblock 52 kann ein LSI-Chip aus Sili zium (Si) sein. Wenn der Schaltungsblock 51 ein Verbindungs halbleiterchip ist, ist der Sendeverstärker 41 der Fig. 5B z. B. ein HEMT. Das Modul kann zwei Halbleiterchips enthal ten, einen für Senden und den anderen für Empfangen. Die An zahl der I/O-Anschlüsse 11 der Fig. 10 wird entsprechend den Spezifikationen der Chips 51 bis 53 geeignet festgesetzt. Das Gehäuse 6 der Fig. 10 hat einen zweiten Raum 8a genau unter der Antennenstruktur 1 und einen dritten Raum 8b genau unter der Antennenstruktur 3. Der zweite und der dritte Raum 8a und 8b sind so bemessen, daß sie eine Hohlraumresonanz bei einer Trägerfrequenz für Mikrowellenverbindungen bewir ken. Dies verbessert die Effizienz der Antennenstrukturen 1 und 3.

Obwohl die Substrate der ersten und zweiten Ausführungsform aus BCB-Harz und BT-Harz bestehen, können sie auch aus Po lyimidharz und Teflonharz hergestellt werden. Die für die Erfindung verwendeten Leiter sind nicht auf solche aus Kup fer beschränkt.

Die erste, die zweite und weitere Ausführungsformen der Er findung können in verschiedener Weise miteinander kombiniert werden.

Verschiedene Modifikationen sind für den Fachmann aufgrund der Lehre der vorliegenden Beschreibung möglich, ohne daß dadurch deren Geltungsbereich verlassen wird.

Claims

1. Mikrowellen-Sender/Empfängermodul umfassend:

(a) eine Baugruppe mit mindestens einer Leiterplatte und einem Gehäuse, wobei auf der Unterseite der Leiterplat te ein Halbleiterchip angebracht ist, die Leiterplatte als ein Deckel zum Abschließen des Gehäuses dient und einen elektromagnetisch verengten ersten Raum für die Aufnahme des Halbleiterchip definiert, wobei der erste Raum eine Grenzfrequenz höher als eine Trägerfrequenz für Mikrowellenverbindungen hat;
(b) eine Empfangsantennenstruktur, die auf der Oberseite der Leiterplatte ausgebildet ist; und
(c) eine Sendeantennenstruktur, die auf der Oberseite der Leiterplatte an einer anderen Position als die Emp fangsantennenstruktur ausgebildet ist.

2. Modul nach Anspruch 1, des weiteren umfassend:
einen zweiten Raum, der genau unter der Empfangsanten nenstruktur gebildet und so bemessen ist, daß eine Hohlraumresonanz bei der Trägerfrequenz für Mikrowel lenverbindungen bewirkt wird; und
einen dritten Raum, der genau unter der Sendeantennen struktur gebildet und so bemessen ist, daß eine Hohl raumresonanz bei der Trägerfrequenz für Mikrowellenver bindungen bewirkt wird.

3. Modul nach Anspruch 2, bei dem der erste, zweite und dritte Raum einen einzigen zusammenhängenden Raum bil den.

4. Modul nach Anspruch 3, bei dem der einzige zusammenhän gende Raum von der Leiterplatte her gesehen eine H-Form aufweist.

5. Modul nach Anspruch 1, bei dem das Gehäuse aus einem Leiter gefertigt und gegenüber dem Halbleiterchip iso liert ist.

6. Modul nach Anspruch 1, bei dem das Gehäuse aus einem Isolator gefertigt ist und eine Leiterschicht hat, um den ersten Raum zu definieren.

7. Modul nach Anspruch 1, bei dem eine Erdleiterschicht auf der Oberseite der Leiterplatte angebracht ist.

8. Modul nach Anspruch 7, bei dem die Empfangs- und Sende antennenstrukturen auf der Oberseite der Leiterplatte wie Inseln ausgebildet sind, die von der Erdleiter schicht umgeben sind.

9. Modul nach Anspruch 7, bei dem die Empfangs- und Sende antennenstrukturen auf der Oberseite der Leiterplatte wie Inseln ausgebildet sind, die an einander gegenüber liegenden Seiten der Erdleiterschicht isoliert sind.

10. Modul nach Anspruch 1, bei dem die Baugruppe des weite ren aufweist:
einen Eingangsanschluß zum Übertragen eines Basisband signals an den Halbleiterchip;
einen Ausgangsanschluß zum Übertragen eines Basisband signal von dem Halbleiterchip; und
einen Steuersignalanschluß zum Übertragen von Steuersi gnalen zum Steuern des Halbleiterchip.

11. Modul nach Anspruch 10, bei dem die Eingangs-, Aus gangs- und Steuersignalanschlüsse Signale übertragen, die aus Zwischenfrequenzsignalen, Basisbandsignalen, Stromversorgungssignalen und Steuersignalen mit niedri geren Frequenzen als die Trägerfrequenz für Mikrowel lenverbindungen gewählt sind.

12. Modul nach Anspruch 1, bei dem mindestens ein Halblei terchip in dem ersten Raum angebracht ist.

13. Modul nach Anspruch 1, bei dem die Leiterplatte zusam mengesetzt ist aus:
einem ersten Isolationssubstrat, das eine Oberseite hat, auf der die Empfangs- und Sendeantennenstrukturen ausgebildet sind;
einer Leiterzwischenschicht, die an der Unterseite des ersten Isolationssubstrats angebracht ist und erste und zweite Schlitze hat; und
einem zweiten Isolationssubstrat, das an der Unterseite der Leiterzwischenschicht angebracht ist.

14. Modul nach Anspruch 13, des weiteren umfassend:
erste und zweite Zuführungen, die auf der Unterseite des zweiten Isolationssubstrats ausgebildet sind und elektrisch mit dem Halbleiterchip verbunden sind.

15. Modul nach Anspruch 14, bei dem der erste Schlitz genau unter der Empfangsantennenstruktur angeordnet ist, und der zweite Schlitz genau unter der Sendeantennenstruk tur angeordnet ist.

16. Modul nach Anspruch 15, bei dem die erste Zuführung ge nau unter dem ersten Schlitz angeordnet ist, und die zweite Zuführung genau unter dem zweiten Schlitz ange ordnet ist.

17. Modul nach Anspruch 16, bei dem die erste Zuführung durch den ersten Schlitz elektromagnetisch mit der Emp fangsantennenstruktur gekoppelt ist, und die zweite Zu führung durch den zweiten Schlitz elektromagnetisch mit der Sendeantennenstruktur gekoppelt ist.

18. Modul nach Anspruch 14, bei dem die erste und die zwei te Zuführung durch Kontakthöckerelektroden elektrisch mit dem Halbleiterchip verbunden sind.

19. Mikrowellen-Sender/Empfängermodul, umfassend:

(a) eine Baugruppe, die mindestens ein Gehäuse hat, das ei nen Halbleiterchip und einen elektromagnetisch vereng ten ersten Raum enthält, wobei der erste Raum den Halb leiterchip umgibt und eine Grenzfrequenz höher als eine Trägerfrequenz für Mikrowellenverbindungen hat;
(b) eine Empfangsantennenstruktur, die auf der Unterseite des Gehäuses ausgebildet und durch einen ersten Schlitz elektromagnetisch mit dem Halbleiterchip verbunden ist; und
(c) eine Sendeantennenstruktur, die auf der Unterseite des Gehäuses an einer anderen Position als die Empfangsan tennenstruktur ausgebildet und durch einen zweiten Schlitz elektromagnetisch mit dem Halbleiterchip ver bunden ist.

20. Modul nach Anspruch 19, des weiteren umfassend:
einen zweiten Raum, der genau über der Empfangsanten nenstruktur gebildet und so bemessen ist, daß eine Hohlraumresonanz bei der Trägerfrequenz für Mikrowel lenverbindungen bewirkt wird; und
einen dritten Raum, der genau über der Sendeantennen struktur gebildet und so bemessen ist, daß eine Hohl raumresonanz bei der Trägerfrequenz für Mikrowellenver bindungen bewirkt wird.