JP2000022428A

JP2000022428A - 無線通信装置

Info

Publication number: JP2000022428A
Application number: JP10182715A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Konno; 舜夫昆野
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1998-06-29
Filing date: 1998-06-29
Publication date: 2000-01-21

Abstract

(57)【要約】【課題】安価なマイクロ波帯、ミリ波帯自動追尾アン
テナシステムを提供する。【解決手段】基板１上に薄膜ポリシリコン（ｐ−Ｓ
ｉ）もしくは薄膜アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）を
用いて作られた単位ＴＦＴを複数個並列接続して、低オ
ン抵抗の高周波信号切替素子を構成した。そして、この
高周波信号切替素子を用いた位相器５１１〜５１５，・・
・・・，５５１〜５５５と、この位相器のそれぞれと対に
なるアンテナ３１１〜３１５，・・・・・，３５１〜３５５
とで、アンテナ単位素子を構成し、各アンテナ単位素子
を同一基板１上にマトリクス状に配置したアンテナシス
テムを持つ無線通信装置である。さらにこの基板１上に
はＭＭＩＣ電力増幅器７などの機能素子がハイブリット
的に組み込まれている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、マイクロ波、ミリ
波などの高周波において使用される無線通信装置に係
り、特に、指向性制御可能なアンテナシステムをもつ高
送受電力密度の無線通信装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】現在準マイクロ波帯の２ＧＨｚで運用さ
れているＰＨＳや８００ＭＨｚ帯や１．５ＧＨｚで運用
されている携帯無線端末では、移動や携帯に伴う親局と
の相対的位置関係の変動などを、送受アンテナに指向性
が無いいわゆる「無指向性アンテナ」を用いる事で補っ
ている。この「無指向性アンテナ」を用いる方式では、
送信時には電波をあらゆる方向にまんべんなく放射し、
受信時にも同様にあらゆる方向からくる電波を均等に受
信する。この方式が可能な送信電力や受信性能に余裕の
ある準マイクロ波帯以下の周波数では各種携帯無線端末
に割り振る事の出来る周波数帯域は既に枯渇状態にあ
る。しかし、マルチメディア無線伝送による携帯移動端
末の高機能化には広い周波数帯域が必要であり、現在使
用中の準マイクロ波帯以下では実現不可能な状況になっ
ている。

【０００３】この要求を実現するためには充分な周波数
資源が残されているより高い周波数帯が必要となる。即
ち、マイクロ波帯もしくはミリ波帯における携帯移動無
線技術の開発が要請される。しかし、この様な高い周波
数では能動素子の性能が相対的に低下し、送信電力に対
する電力消費量も大きい。また受信雑音指数も増加して
しまう。したがって、少ない送信電力と高い雑音指数で
も通信可能な指向性アンテナを用いた携帯無線装置の開
発が必要になる。指向性アンテナを用いた携帯無線端末
の最大の課題は、移動や取り扱いに伴い指向性アンテナ
のビーム方向が振れてしまい相手となる基地局との通信
が寸断してしまう事である。この欠陥を解決する技術と
しては常に基地局の方向にアンテナビームの方向を向け
ておく自動追尾アンテナシステムが知られている。自動
追尾アンテナシステムの技術はすでにミサイルの目標追
尾用シーカなどで実現されている。この自動追尾アンテ
ナシステムとしては、電子的にはフェーズドアレイアン
テナ方式、機械的にはパラポラアンテナに首振り装置を
つける方式などが実現されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】準マイクロ波帯などで
使われている携帯無線端末は小型化軽量が著しく進み、
現在は容積１００ｃｃ以下、重さ１００ｇｒ程度と成っ
ており今後も小型化軽量化は更に進むと考えられる。こ
のような容積および重量や更なる小型軽量化に対する適
用性を考慮すると、首振り装置による機械的自動追尾ア
ンテナをもつ携帯無線装置は小型化の面から実現不可能
と考えられる。

【０００５】一方フェーズドアレイ方式は、個々のアン
テナ素子への給電位相量を電子的に制御してアンテナビ
ーム方向やビーム形状、すなわちアンテナ指向性を制御
する。このフェーズドアレイアンテナ方式では、アンテ
ナ素子そのものはエッチングプロセスにより製作可能な
薄膜パッチアンテナを用いる事ができるので比較的容易
且つ低価格で形成できる。一方、給電位相を制御する位
相器には、薄層化と軽量化の要請を考慮すると、ＭＭＩ
ＣもしくはＭＩＣ技術を用いる事で可能と思われる。マ
イクロ波帯ではｐｉｎダイオードを用いたハイブリッド
回路型の位相器が、知られている。ミリ波帯では能動素
子にＨＥＭＴを用いたＭＭＩＣ型の位相器が知られてい
る。

【０００６】しかし、価格の面から見ると、アンテナ素
子に比して、これらの位相器は低価格化が見込めない。
さらに、マイクロ波帯やミリ波帯では位相器自身が高価
なだけでなく、これら位相器をアンテナと組み合わせて
実装しアンテナシステムを実現しなければならない。し
たがって、実装レベルではさらに高価となる。この様な
現状技術ではパーソナルユースを可能とする低価格化に
は不向きである。

【０００７】一方、アンテナ素子と位相器を同一の基板
上に同時に作り込む方法も提案されている。たとえば、
高価なガリウム砒素（ＧａＡｓ）を基板としこの基板上
にアンテナ素子と位相器をモノリシック的に作り込むア
ンテナシステムの開発例が発表されている。しかし、こ
の開発例では、複数のアンテナを組み込むことでの基板
面積が増大するという問題がある。さらにＧａＡｓ基板
の比誘電率が約１３と高いためアンテナ放射効率が低い
と言う問題をかかえている。

【０００８】例えばアンテナ素子を１／２波長ダイポー
ルとしたときの基板面積Ｓは、基板面積＝アンテナ開口
面積とし、波長をλ、縦方向にｎ素子、横方向にｍ素子
のマトリクスからなるアンテナアレイを仮定するとＳ＞ｎ・（λ／２）・ｍ（λ／２） …（１）となる。例えば周波数６０ＧＨｚのミリ波帯でＧａＡｓ
基板を用いた場合には、６０ＧＨｚの波長＝５ｍｍであ
るので、λ／２＝２．５ｍｍである。ＧａＡｓ基板中の
波長短縮率＝約０．４とすれば、ＧａＡｓ基板中ではλ
／２＝１ｍｍである。したがって、５素子×５素子のフ
ェーズドアレイアンテナを実現しようとした場合の基板
面積Ｓは、Ｓ＝２５ｍｍ²＞（５×１ｍｍ）・（５×１ｍｍ） …（２）となり、基板面積Ｓが大きくなる。このため、高価なＧ
ａＡｓ基板を大面積で使用することになり、極めて高価
となる。基板のクラスにもよるが、ＧａＡｓ基板だけの
価格（市販価格）で、数千円乃至１万円のオーダーとな
る。

【０００９】しかもＧａＡｓ基板のような誘電率（比誘
電率＝約１３）が高い場合には、アンテナの放射効率が
低下しアンテナ効率の劣悪なアンテナになることも課題
である。

【００１０】上記問題点を鑑み、本発明は、低誘電率、
且つ低価格の基板上に、低価格なプロセスを用いてモノ
リシック的にアンテナと位相器を同時に作り込むことを
目的とする。

【００１１】本発明の他の目的は、指向性制御可能なア
ンテナシステムを持つ安価なマイクロ波帯、ミリ波帯の
無線通信装置を提供することである。

【００１２】本発明のさらに他の目的は、基板の誘電率
が高いことによるアンテナの放射効率の低下がない高効
率低消費電力の無線通信装置を提供することである。

【００１３】本発明のさらに他の目的は低価格な自動追
尾アンテナシステムを提供することである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は、基板と、この基板上にマトリクス状に配
置された複数のアンテナ単位素子と、このアンテナ単位
素子のそれぞれに分配側端部を接続された分配合成器と
から少なくとも構成されるアンテナシステムを具備する
無線通信装置であることを特徴とする。ここで、本発明
のアンテナ単位素子は、基板上にモノリシックに形成さ
れた薄膜ポリシリコン（ｐ−Ｓｉ）または薄膜アモルフ
ァスシリコン（ａ−Ｓｉ）からなる高周波信号切替素子
により構成された位相器と、基板上にモノリシックに形
成されたアンテナとから少なくともなる。

【００１５】本発明の「基板」は、安価な非半導体基
板、例えばＬＣＤ（液晶表示装置）に用いられているよ
うなガラス基板でよい。ＬＣＤのトランジスタアレイ技
術を用いれば、耐熱温度５００℃以下の安価なガラスを
基板使用して、この上にアモルファスＳｉもしくはポリ
Ｓｉを主材料とする薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を簡単
に作成できる。ただし、アモルファスＳｉもしくはポリ
Ｓｉを主材料とするＴＦＴ）は、１個のＴＦＴのオン抵
抗がキロΩ程度ある。ＬＣＤに用いるＴＦＴは、オン／
オフ抵抗比が十分に大きい事が必要であるからである。
このような高いオン抵抗のままでは、ＴＦＴ技術は本発
明のアンテナシステムの高周波信号切替素子には使用で
きない。従って、本発明の高周波信号切替素子は複数の
薄膜能動素子の並列接続により構成され、オン抵抗が所
定の値、例えば５Ω以下に設定されている。ここで、
「薄膜能動素子」とは、ＴＦＴ等の薄膜を用いた能動素
子を意味する。オン抵抗を５Ω以下程度まで低下させる
ためには、薄膜能動素子（ＴＦＴ）を１００個程度並列
接続すればよい。

【００１６】ＬＣＤでは、ＴＦＴをアレイ状に作り込
み、同時に電源供給用の配線網を作り込み、ＴＦＴは画
素毎の液晶に印加する電圧制御用のスイッチとして使わ
れている。画素の大きさは約３００μｍ×１００μｍの
面積で、ここに組み込まれるＴＦＴは画素面積の約１／
１０の大きさの２０μｍ×２０μｍ程度である。周知の
ように、ＴＦＴ−ＬＣＤの画面の大きさは対角約１０イ
ンチと通常の半導体基板に比べると非常に大きい。

【００１７】さて、仮にこのＴＦＴ−ＬＣＤ液晶パネル
の価格を５０，０００円としよう。本発明のアンテナシ
ステムでは、ＬＣＤのカラーフィルタ、液晶、対抗電極
基板などは、必要でない。したがって、本発明のアンテ
ナシステムでは、いわゆるＴＦＴアレイ基板だけの価格
となるため、この液晶パネルの数分の１の価格でよいは
ずである。つまり、ＴＦＴアレイの価格を液晶パネル価
格の１／３とすれば、対角１０インチの大きさでＴＦＴ
アレイ基板の価格は１７，０００円弱となる。対角１０
インチの基板の大きさを、仮に６インチ×８インチとす
れば全面積は４８平方インチである。本発明のアンテナ
システムは、例えば、１インチ×１インチの大きさに作
り込むことが可能である。１インチ×１インチの大きさ
にアンテナシステムを作り込むとすれば、本発明の１シ
ステム当たりの価格は約３５０円と極めて低価格であ
る。

【００１８】本発明においては、分配合成器の分配側端
部に対向した合成側端部に、分配合成器に接続するよう
に、さらにマイクロ波モノリシックＩＣ（ＭＭＩＣ）が
ハイブリッド的に実装されていることが好ましい。送信
系アンテナシステムでは、電力増幅器及び変調器などの
ＭＭＩＣを半田バンプ等を用いて、ハイブリッド的に実
装すればよい。また、受信系アンテナシステムでは、低
雑音増幅器、周波数混合器等のＭＭＩＣを実装すればよ
い。

【００１９】あるいは、アンテナ単位素子のそれぞれ
に、さらにハイブリッド的に実装されたＭＭＩＣを具備
するようにしてもよい。このような、各アンテナ単位素
子がＭＭＩＣを具備する構成にすれば、より実質的な位
相器や信号分配合成器での損失を補う事ができるため、
大幅な性能向上が可能である。この場合、受信／送信系
共にアンテナの数だけ、ＭＭＩＣ電力増幅器やＭＭＩＣ
低雑音増幅器等の機能素子が必要になるため、集中して
１個のＭＭＩＣで処理する場合に比して高価である。し
かし、元々安価なＴＦＴアレイ基板を基礎としているた
め、ＧａＡｓ基板を用いた無線通信装置に比して安価と
なる。また、ＧａＡｓ基板のような誘電率（比誘電率＝
約１３）が高いことによるアンテナの放射効率の低下も
ない。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を説明する。

【００２１】（第１の実施の形態）図１は本発明の第１
の実施の形態に係る無線通信装置の送信系アンテナシス
テムの模式的な鳥瞰図を示す。この第１の実施の形態に
係る送信系アンテナシステムは、１インチ×１インチの
ガラス基板１と、このガラス基板１上にマトリクス状に
配置された５×５＝２５個のアンテナ単位素子（３１
１，５１１；３１２，５１２；・・・・・・；３５５，５５
５）と、このアンテナ単位素子のそれぞれに分配側端部
を接続された分配合成器４０〜４５とから少なくとも構
成されている。ここで、アンテナ単位素子（３１１，５
１１；３１２，５１２；・・・・・・；３５５，５５５）は、
ガラス基板１上にモノリシックに形成された薄膜ポリシ
リコンからなる位相器５１１，５１２・・・・・・，５５５
と、ガラス基板１上にモノリシックに形成されたアンテ
ナ（送信アンテナ）３１１，３１２，・・・・・・３５５とか
ら少なくとも構成されている。分配合成器は、合成側端
部を有する分配合成器４０と，この分配合成器４０から
更に分岐した５つの分配合成器４１，４２，４３，４
４，４５から構成されている。５つの分配合成器４１，
４２，４３，４４，４５のそれぞれは、５つの分配側端
部をそれぞれの分岐の先端に有する。ガラス基板１上に
は、さらに、ＭＭＩＣ電力増幅器７が半田バンプ等を用
いてハイブリッド的に実装されている。このＭＭＩＣ電
力増幅器７は、分配合成器４０の合成側端部に接続して
いる。そして、各分配合成器４１，４２，４３，４４，
４５のそれぞれの分配側端部に位相器５１１〜５１５，
５２１〜５２５，５３１〜５３５，５４１〜５４５，５
５１〜５５５が接続され、各位相器に送信アンテナ３１
１〜３１５，３２１〜３２５，３３１〜３３５，３４１
〜３４５，３５１〜３５５が、それぞれ接続されてい
る。なお、図示を省略しているが、ガラス基板１上には
更に変調器などのＭＭＩＣがハイブリッド実装されてい
る。また、ガラス基板１上には、位相器電源端子２，位
相器制御端子３、ＲＦ入力端子４、ＭＭＩＣ電源端子５
等が配置されている。

【００２２】図２は、図１の位相器５１１〜５１５，５
２１〜５２５，５３１〜５３５，５４１〜５４５，５５
１〜５５５の内から、代表として、位相器５１１の詳細
を図示した等価回路図である。他の位相器５１２〜５１
５，５２１〜５２５，５３１〜５３５，５４１〜５４
５，５５１〜５５５も全く同一な構成である。この位相
器５１１は、７つの高周波信号切替素子Ｑ１，Ｑ２，・・
・・・・・，Ｑ７、ストリップライン構造の抵抗体２１，２
２，・・・・・・・，３０及び３ｄＢハイブリット結合器２０
から構成されている。即ち、１／４λスタブの先端にそ
れぞれ設けた高周波信号切替素子Ｑ１と抵抗体２６から
なる位相変化量π／１６の位相変化回路、高周波信号切
替素子Ｑ１，Ｑ２と抵抗体２７，２８からなる位相変化
量π／８の位相変化回路、高周波信号切替素子Ｑ４，Ｑ
５と抵抗体２９，３０からなる位相変化量π／４の位相
変化回路、及び３ｄＢハイブリット結合器２０の２つの
分配端子に設けた高周波信号切替素子Ｑ４，Ｑ５からな
る位相変化量π／２の位相変化回路とから、駆動回路付
きの４ビット位相器を構成している。

【００２３】図３は、図２の３ｄＢハイブリット結合器
２０の詳細を示す図である。この３ｄＢハイブリット結
合器２０は、４つのストリップ線路３１，３２，３３，
３４を互いに相互作用するように配置して構成されてい
る。

【００２４】図２に示した高周波信号切替素子Ｑ１，Ｑ
２，・・・・・・・，Ｑ７は、それぞれ、単位薄膜トランジス
タ（ＴＦＴ）を１００個並列接続して構成している。図
４は、この内の高周波信号切替素子Ｑ１の平面図の一部
を示す模式図である。他の高周波信号切替素子Ｑ２，・・
・・・・・，Ｑ７も全く同一な構成である。図４に示すよう
に、高周波信号切替素子Ｑ１は中央部のソース配線１６
の両側にドレイン配線１７Ｌ及び１７Ｒを配置し、左側
に５０個、右側に５０個の単位ＴＦＴを配置している。
１個の単位ＴＦＴは、ガラス基板上に形成された薄膜ポ
リシリコン（ポリＳｉ）を用い、その平面寸法は大きさ
２０μｍ×２０μｍである。この１個の単位ＴＦＴのオ
ン抵抗は、３００乃至５００Ω程度あるので、単位ＴＦ
Ｔを１００個並列接続することにより、高周波信号切替
素子Ｑ１のオン抵抗を５Ω以下に低下させている。他の
高周波信号切替素子Ｑ２，・・・・・・・，Ｑ７も同様にオン
抵抗を５Ω以下に低下させている。

【００２５】図５は、図４のＡ−Ａ方向に沿った断面図
で、１個の単位ＴＦＴの構造を示す。即ち、本発明の第
１の実施の形態に係る単位ＴＦＴは、ガラス基板１の上
に、ゲート電極１２としてのアルミニウム（Ａｌ）、タ
ンタル（Ｔａ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン・タンタ
ル（ＭｏＴａ）合金等の金属が配置され、このゲート電
極１２の上に薄膜ポリシリコン（ポリＳｉ）層１３が形
成されたボトムゲート型ＴＦＴ（チャネル保護型）であ
る。ポリＳｉ層１３は、溶融温度５００℃のガラス基板
１の上に、ＣＶＤでポリＳｉ層を堆積し、更にレーザア
ニール処理をしたものである。レーザアニール処理によ
り、ポリＳｉ層１３の移動度μは、バルクＳｉの１／１
０程度まで改善されている。図５に示すように、ポリＳ
ｉ層１３の両側の上部に、Ａｌ、チタン（Ｔｉ）、Ｃｒ
等の金属からなるソース電極１４，及びドレイン電極１
５が形成されている。このソース電極１４，及びドレイ
ン電極１５の上部には、シリコン酸化膜（ＳｉＯ₂）、
ＰＳＧ、シリコン窒化膜（Ｓｉ₃Ｎ₄）等の層間絶縁膜１
８が堆積されている。そして、この層間絶縁膜１８に形
成されたコンタクトホールを介して、ソース配線１６及
びドレイン配線１７Ｌが形成されている。ソース配線１
６及びドレイン配線１７Ｌ、更に図５では図示を省略し
たドレイン配線１７Ｒにより、１００個の同様なＦＥＴ
が互いに並列接続されている。薄膜ポリシリコンの代わ
りに、薄膜アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）を用いて
も良いことは勿論である。

【００２６】ところで、ＬＣＤ（液晶表示装置）におい
ては、最近ガラスなどの低耐熱性の基板にポリＳｉ薄膜
が形成出来るようになり、画素電圧制御用ＴＦＴを含む
駆動用ＩＣを同一基板上に形成出来るまでＴＦＴ製造技
術が向上してきている。この技術的背景を鑑み、本発明
の第１の実施の形態においては、レーザアニール処理に
より、移動度を向上させたポリＳｉ層１３を用い、単一
のＴＦＴのオン抵抗を低下させている。そして、さら
に、この単位ＴＦＴを１００個並列接続することによ
り、高周波信号切替素子として用いる所要のトランジス
タの特性を達成している。したがって、本発明の第１の
実施の形態に係る高周波信号切替素子の製造工程、これ
に必要な製造装置、ガラス基板等は、既にＴＦＴ−ＬＣ
Ｄの技術で用いられているものと基本的に同じでよい。
このため、特別な工程や製造装置を用意しなくても、大
幅に低価格なアンテナシステムを実現する事ができる。

【００２７】図１に示す通り、本発明の第１の実施の形
態に係る無線通信装置の送信系アンテナシステムでは、
各送信アンテナ３１１〜３１５，３２１〜３２５，３３
１〜３３５，３４１〜３４５，３５１〜３５５から放射
される準ミリ波の信号（約３０ＧＨｚ）は、一旦別途Ｇ
ａＡｓＭＭＩＣ電力増幅器７を用いて信号増幅を行って
いる。このＭＭＩＣ電力増幅器の単独性能は、３０ＧＨ
ｚにおいて利得２０ｄＢ、出力電力１５ｄＢｍである。
この後、分配合成器により２５分配し、その後先に述べ
た各アンテナ３１１〜３１５，３２１〜３２５，３３１
〜３３５，３４１〜３４５，３５１〜３５５に信号を送
る構成である。図１に示すアンテナシステムで用いた位
相器５１１〜５１５，５２１〜５２５，５３１〜５３
５，５４１〜５４５，５５１〜５５５の通過損は平均８
ｄＢ、分配合成器部４０〜４５の損失は２ｄＢで綜合損
失は合計１０ｄＢと大きかった。しかし２５素子からな
る送信アンテナ系は全体で利得１４ｄＢが得られた。

【００２８】図６は本発明の第１の実施の形態に係る無
線通信装置の受信系アンテナシステムの模式的な鳥瞰図
を示す。この第１の実施の形態に係る受信系は、１イン
チ×１インチのガラス基板１と、このガラス基板１上に
（送信系アンテナシステムと同様に）マトリクス状に配
置された複数（５×５＝２５個）のアンテナ単位素子
（４１１，６１１；・・・・・・・；４５５，６５５）と、こ
のアンテナ単位素子のそれぞれに分配側端部を接続され
た分配合成器５０〜５５とから少なくとも構成されたア
ンテナシステムを具備している。ここで、アンテナ単位
素子（４１１，６１１；・・・・・・・；４５５，６５５）
は、ガラス基板１上にモノリシックに形成された薄膜ポ
リシリコンからなる位相器６１１，６１２，・・・・・・・，
６５５と、ガラス基板１上にモノリシックに形成された
アンテナ（受信アンテナ）４１１，４１２，・・・・・・，４
５５とから少なくとも構成されている。分配合成器は、
合成側端部を有する分配合成器５０と，この分配合成器
５０から更に分岐した５つの分配合成器５１，５２，５
３，５４，５５から構成されている。５つの分配合成器
５１，５２，５３，５４，５５のそれぞれは、５つの分
配側端部をそれぞれの分岐の先端に有する。ガラス基板
１上には、さらに、ＭＭＩＣ低雑音増幅器８が半田バン
プ等を用いてハイブリッド的に実装されている。このＭ
ＭＩＣ低雑音増幅器８は、分配合成器５０の合成側端部
に接続している。そして、各分配合成器５１〜５５のそ
れぞれの分配側端部には、位相器６１１〜６１５，６２
１〜６２５，６３１〜６３５，６４１〜６４５，６５１
〜６５５が接続され、そして各位相器には、それぞれ受
信アンテナ４１１〜４１５，４２１〜４２５，４３１〜
４３５，４４１〜４４５，４５１〜４５５が接続されて
いる。なお、図示を省略しているが、ガラス基板１上に
は更に周波数混合器などのＭＭＩＣが組み込まれてい
る。また、ガラス基板１上には、位相器電源端子２，位
相器制御端子３、ＲＦ出力端子９等が配置されている。

【００２９】図示を省略しているが、図６の位相器６１
１〜６１５，６２１〜６２５，６３１〜６３５，６４１
〜６４５，６５１〜６５５は、図２と全く同一な構成で
ある。すなわち、各位相器６１１〜６１５，６２１〜６
２５，６３１〜６３５，６４１〜６４５，６５１〜６５
５はそれぞれ、７つの高周波信号切替素子Ｑ１，Ｑ２，
・・・・・・・，Ｑ７、ストリップライン構造の抵抗体２１，
２２，・・・・・・・，３０及び３ｄＢハイブリット結合器２
０から構成されている。そして、各高周波信号切替素子
Ｑ１，Ｑ２，・・・・・・・，Ｑ７は、それぞれ、平面寸法２
０μｍ×２０μｍの単位ＴＦＴを１００個並列接続して
構成している。単位ＴＦＴを１００個並列接続すること
により、各高周波信号切替素子Ｑ１〜Ｑ７のオン抵抗
を、それぞれ５Ω以下に低下させている。

【００３０】図６に示す通り、本発明の第１の実施の形
態に係る無線通信装置の受信系アンテナシステムでは、
各受信アンテナ４１１〜４１５，４２１〜４２５，４３
１〜４３５，４４１〜４４５，４５１〜４５５で受信さ
れた準ミリ波の信号（約３０ＧＨｚ）は、分配合成器５
０〜５５により合成され、この合成信号に対しＭＭＩＣ
低雑音増幅器８を用いて信号増幅を行っている。図６に
示すアンテナシステムで用いた位相器６１１〜６１５，
６２１〜６２５，６３１〜６３５，６４１〜６４５，６
５１〜６５５の通過損は平均８ｄＢ、分配合成器部５０
〜５５の損失は２ｄＢで綜合損失は合計１０ｄＢと大き
かった。しかし２５アンテナ単位素子からなる受信アン
テナ系の全体では利得１４ｄＢが得られた。この結果、
図１に示した送信アンテナ系を含めて、送受で総合８ｄ
Ｂの利得が得られている。

【００３１】（第２の実施の形態）図２は本発明の第２
の実施の形態を示す。本発明の第２の実施の形態に係る
無線通信装置の送信系アンテナシステムでは、１つのＧ
ａＡｓＭＭＩＣ電力増幅器７を用いて信号増幅を行い、
分配合成器により２５分配し、その後、合計２５組のア
ンテナ単位素子（位相器／送信アンテナ対）に信号を送
る構成である。また、第１の実施の形態に係る受信系ア
ンテナシステムでは合計２５組のアンテナアンテナ単位
素子で受信された準ミリ波の信号（約３０ＧＨｚ）は、
分配合成器５０〜５５により合成され、１つのＭＭＩＣ
低雑音増幅器８を用いて信号増幅を行っている。このよ
うに、第１の実施の形態では電力増幅器７、低雑音増幅
器８などのＭＭＩＣ機能素子の数を最小にして低価格化
を達成した。第２の実施の形態では価格面におけるメリ
ットを若干犠牲にしながら、より高性能な送信系アンテ
ナシステム及び受信系アンテナシステムを示す。

【００３２】図７は本発明の第２の実施の形態に係る無
線通信装置の送信系アンテナシステムの模式的な鳥瞰図
を示す。この第２の実施の形態に係る送信系は、１イン
チ×１インチのガラス基板１上と、このガラス基板１上
に、マトリクス状に配置された合計２５組のアンテナ単
位素子（３１１，７１１，５１１；・・・・・・・・；３５５，
７５５，５５５）と、このアンテナ単位素子のそれぞれ
に分配側端部を接続された分配合成器４０〜４５とから
少なくとも構成されるアンテナシステムを具備する。ア
ンテナ単位素子（３１１，７１１，５１１；・・・・・・・・；
３５５，７５５，５５５）は、ガラス基板１上にモノリ
シックに形成された位相器５１１，５１２，・・・・・，５
５５と、ガラス基板１上にモノリシックに形成されたア
ンテナ（送信アンテナ）３１１，３１２，・・・・・，３５
５と、ガラス基板１上にハイブリッド実装されたＭＭＩ
Ｃ電力増幅器７１１，７１２，・・・・・・・，７５５とから
少なくともなる。分配合成器は、合成側端部を有する分
配合成器４０と，この分配合成器４０から更に分岐した
５つの分配合成器４１，４２，４３，４４，４５から構
成されている。５つの分配合成器４１，４２，４３，４
４，４５のそれぞれは、５つの分配側端部をそれぞれの
分岐の先端に有する。ＲＦ入力端子４に入力されたＲＦ
入力は、分配合成器４０〜４５により２５分配され、分
配された各信号は、それぞれこの２５組のアンテナ単位
素子に送られるように構成されている。

【００３３】つまり、各分配合成器４１，４２，４３，
４４，４５のそれぞれの分岐には、２５個の位相器５１
１〜５１５，５２１〜５２５，５３１〜５３５，５４１
〜５４５，５５１〜５５５が接続され、各位相器には２
５個のＭＭＩＣ電力増幅器７１１〜７１５，７２１〜７
２５，７３１〜７３５，７４１〜７４５，７５１〜７５
５がそれぞれ接続され、このＭＭＩＣ電力増幅器は２５
個の送信アンテナ３１１〜３１５，３２１〜３２５，３
３１〜３３５，３４１〜３４５，３５１〜３５５がそれ
ぞれ接続されたいる。２５個のＭＭＩＣ電力増幅器７１
１〜７１５，７２１〜７２５，７３１〜７３５，７４１
〜７４５，７５１〜７５５は、ガラス基板１上に設けら
れたストリップライン上に半田バンプ等を用いて、ハイ
ブリッド実装されている。

【００３４】図７の２５個の位相器５１１〜５１５，５
２１〜５２５，５３１〜５３５，５４１〜５４５，５５
１〜５５５は、第１の実施例と同様に、ガラス基板１上
にモノリシックに集積化されている。そして、位相器５
１１〜５１５，５２１〜５２５，５３１〜５３５，５４
１〜５４５，５５１〜５５５は、図２と全く同一な構成
である。すなわち、各位相器５１１〜５１５，５２１〜
５２５，５３１〜５３５，５４１〜５４５，５５１〜５
５５はそれぞれ、７つの高周波信号切替素子Ｑ１，Ｑ
２，・・・・・・・，Ｑ７、ストリップライン構造の抵抗体２
１，２２，・・・・・・・，３０及び３ｄＢハイブリット結合
器２０から構成されている。そして、各高周波信号切替
素子Ｑ１，Ｑ２，・・・・・・・，Ｑ７は、それぞれ、モノリ
シックに集積化された平面寸法２０μｍ×２０μｍの単
位ＴＦＴを１００個並列接続して構成している。単位Ｔ
ＦＴを１００個並列接続することにより、各高周波信号
切替素子Ｑ１〜Ｑ７のオン抵抗を、それぞれ５Ω以下に
低下させている。なお、図示を省略しているが、ガラス
基板１上には更に変調器などのＭＭＩＣがハイブリッド
実装されている。また、ガラス基板１上には、位相器電
源端子２，位相器制御端子３、ＲＦ入力端子４等が配置
されている。図７に示すような構成により実質的な位相
器や信号分配合成器での損失を補う事ができるため、第
１の実施の形態の送信系アンテナシステムに比べ大幅な
性能向上が可能である。

【００３５】図８は本発明の第２の実施の形態に係る無
線通信装置の受信系アンテナシステムの模式的な鳥瞰図
を示す。この第２の実施の形態に係る受信系では１イン
チ×１インチのガラス基板１上に、合計２５組のアンテ
ナ単位素子をマトリクス状に配置している。ここで、ア
ンテナ単位素子（４１１，６１１；・・・・・・・；４５５，
６５５）は、ガラス基板１上にモノリシックに形成され
た薄膜ポリシリコンからなる位相器６１１，６１２，・・
・・・・・，６５５と、ガラス基板１上にモノリシックに形
成されたアンテナ（受信アンテナ）４１１，４１２，・・
・・・・，４５５と、ガラス基板１上にハイブリッド実装さ
れたＭＭＩＣ低雑音増幅器８１１，８１２，・・・・・・・，
８５５から少なくとも構成されている。２５個の受信ア
ンテナ４１１〜４１５，４２１〜４２５，４３１〜４３
５，４４１〜４４５，４５１〜４５５で受信された準ミ
リ波の信号（約３０ＧＨｚ）は、それぞれ２５個のＭＭ
ＩＣ低雑音増幅器８１１〜８１５，８２１〜８２５，８
３１〜８３５，８４１〜８４５，８５１〜８５５で増幅
され、各増幅された信号は、それぞれ位相器６１１〜６
１５，６２１〜６２５，６３１〜６３５，６４１〜６４
５，６５１〜６５５を通過し、さらに、分配合成器５０
〜５５により合成され、合成された信号は、更に図示を
省略した周波数混合器などのＭＭＩＣに入力される。ま
た、ガラス基板１上には、位相器電源端子２，位相器制
御端子３、ＭＭＩＣ電源端子５、ＲＦ出力端子９等が配
置されている。２５個のＭＭＩＣ低雑音増幅器８１１〜
８１５，８２１〜８２５，８３１〜８３５，８４１〜８
４５，８５１〜８５５は、ガラス基板１上に設けられた
ストリップライン上に半田バンプ等を用いて、ハイブリ
ッド実装されている。２５個の位相器６１１〜６１５，
６２１〜６２５，６３１〜６３５，６４１〜６４５，６
５１〜６５５は、図２と全く同一な構成であり、第１の
実施例と同様に、ガラス基板１上にモノリシックに集積
化されている。つまり、図示を省略しているが、図８の
位相器６１１〜６１５，６２１〜６２５，６３１〜６３
５，６４１〜６４５，６５１〜６５５はそれぞれ、７つ
の高周波信号切替素子Ｑ１，Ｑ２，・・・・・・・，Ｑ７、ス
トリップライン構造の抵抗体２１，２２，・・・・・・・，３
０及び３ｄＢハイブリット結合器２０から構成されてい
る。そして、各高周波信号切替素子Ｑ１，Ｑ２，・・・・・・
・，Ｑ７は、それぞれ、モノリシックに集積化された平
面寸法２０μｍ×２０μｍので単位ＴＦＴを１００個並
列接続して構成している。図８に示すような構成により
実質的な位相器や信号分配合成器での損失を補う事がで
きるため、第１の実施の形態の受信系アンテナシステム
に比べ大幅な性能向上が可能である。

【００３６】本発明の第２の実施の形態に係る無線通信
装置の送／受信系アンテナシステムでは、受信、送信系
共にアンテナ単位素子の数だけ、ＭＭＩＣ電力増幅器や
ＭＭＩＣ低雑音増幅器等の機能素子が必要になるため、
第１の実施の形態に比して高価である。しかし、元々安
価なＴＦＴアレイ基板を基礎としているため、ＧａＡｓ
基板を用いた無線通信装置に比して安価となる。また、
ＧａＡｓ基板のような誘電率（比誘電率＝約１３）が高
いことによるアンテナの放射効率の低下もない。

【００３７】（その他の実施の形態）上記のように、本
発明は第１および第２の実施の形態によって記載した
が、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限
定するものであると理解すべきではない。この開示から
当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術
が明らかとなろう。

【００３８】図２には、ボトムゲート型ＴＦＴ（チャネ
ル保護型）を示したが、これは一例にすぎず、種々の構
造の単位ＴＦＴが使用可能である。例えば、図２と同様
なボトムゲート型ＴＦＴであっても、チャネルの一部の
薄膜ポリシリコンまたは薄膜アモルファスシリコンがエ
ッチングされた、チャネルエッチ型ＴＦＴも本発明の高
周波信号切替素子に使用可能である。また、ゲート電極
を上に、ソース電極及びドレイン電極を下に形成したト
ップゲート型ＴＦＴでもよい。さらに、ゲート電極、ソ
ース電極及びドレイン電極がすべて同一側に配置された
プレーナ型ＴＦＴでもよいことは勿論である。

【００３９】電力増幅器、低雑音増幅器、変調器、周波
数混合器等のＭＭＩＣを構成する半導体材料は、シリコ
ン（Ｓｉ）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、インジウム燐
（ＩｎＰ）等の、種々の材料が可能である。

【００４０】また、送信系アンテナシステムは第１の実
施の形態に示した構成を採用し、受信系アンテナシステ
ムは第２の実施の形態に示す構成を採用するという送受
信系の組み合わせでも良い。もしくはこの反対の組み合
わせを採用するような構成でもよい。

【００４１】さらに、第２の実施の形態では全てのアン
テナ単位素子に、それぞれ電力増幅器もしくは低雑音増
幅器を設けたが、必ずしも全てのアンテナ単位素子に均
等に電力増幅器や低雑音増幅器が配分される必要はな
い。つまり、システム的な考察を行ない、電力増幅器や
低雑音増幅器を一定のアンテナ単位素子については間引
くようなシステム構成を採用してもよい。

【００４２】また、１インチ×２インチのガラス基板等
所定の大きさの基板を用意して、この上に、送信系アン
テナシステムと受信系アンテナシステムとの両方を集積
化しても良い。

【００４３】このように、本発明はここでは記載してい
ない様々な実施の形態等包含するということを理解すべ
きである。したがって、本発明はこの開示から妥当な特
許請求の範囲の発明特定事項によってのみ限定されるも
のである。

【００４４】

【発明の効果】本発明によれば、低誘電率、且つ低価格
の基板上に、低価格なプロセスを用いてモノリシック的
にアンテナと位相器を同時に作り込むことができる。

【００４５】本発明によれば、指向性制御可能なアンテ
ナシステムを持つ安価なマイクロ波帯、ミリ波帯の無線
通信装置が提供できる。

【００４６】また、本発明によれば、ＧａＡｓのような
基板の誘電率が高いことによるアンテナ放射効率の低下
がなく、高効率低消費電力の無線通信装置が提供でき
る。

【００４７】また、本発明によれば、低価格な自動追尾
アンテナシステムを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係る無線通信装置
の送信系アンテナシステムの概略を示す鳥瞰図である。

【図２】図１の位相器の詳細を示す等価回路図である。

【図３】図２の３ｄＢハイブリット結合器の詳細を示す
図である。

【図４】図２に示した高周波信号切替素子うちの一つの
平面図の一部を示す模式図である。

【図５】図４のＡ−Ａ方向に沿った断面図で、１個の単
位ＴＦＴの構造を示す。

【図６】本発明の第１の実施の形態に係る無線通信装置
の受信系アンテナシステムの概略を示す鳥瞰図である。

【図７】本発明の第２の実施の形態に係る無線通信装置
の送信系アンテナシステムの概略を示す鳥瞰図である。

【図８】本発明の第２の実施の形態に係る無線通信装置
の受信系アンテナシステムの概略を示す鳥瞰図である。

【符号の説明】

１基板（ガラス基板）２位相器電源端子３位相器制御端子４ＲＦ入力端子５ＭＭＩＣ電源端子７、７１１〜７１５，７２１〜７２５，７３１〜７３
５，７４１〜７４５，７５１〜７５５ＭＭＩＣ電力増
幅器８，８１１〜８１５，８２１〜８２５，８３１〜８３
５，８４１〜８４５，８５１〜８５５ＭＭＩＣ低雑音
増幅器９ＲＦ出力端子１２ゲート電極１３ポリＳｉ層１４ソース電極１５ドレイン電極１６ソース配線１７Ｌ，１７Ｒドレイン配線１８層間絶縁膜２０３ｄＢハイブリット結合器２１〜３０抵抗体３１〜３４ストリップ線路４０〜４５，５０〜５５分配合成器３１１〜３１５，３２１〜３２５，３３１〜３３５，３
４１〜３４５，３５１〜３５５送信アンテナ４１１〜４１５，４２１〜４２５，４３１〜４３５，４
４１〜４４５，４５１〜４５５受信アンテナ５１１〜５１５，５２１〜５２５，５３１〜５３５，５
４１〜５４５，５５１〜５５５，６１１〜６１５，６２
１〜６２５，６３１〜６３５，６４１〜６４５，６５１
〜６５５位相器Ｑ１〜Ｑ７高周波信号切替素子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０４Ｂ 1/034 Ｆターム(参考） 5F038 DF01 DF02 EZ01 EZ02 EZ17 EZ20 5J012 HA03 HA05 5J021 AA05 AA09 AB06 DB04 EA02 FA01 FA05 FA17 FA26 FA31 FA32 FA34 HA03 HA05 5K060 AA10 AA12 CC04 CC12 EE05 HH01 HH03 HH14 HH35 HH37 HH39 JJ08 JJ17 JJ19 JJ21 KK03 MM01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板と、該基板上にマトリクス状に配置
された複数のアンテナ単位素子と、該アンテナ単位素子
のそれぞれに分配側端部を接続された分配合成器とから
少なくとも構成されるアンテナシステムを具備する無線
通信装置であって、前記アンテナ単位素子は、前記基板上にモノリシックに形成された薄膜ポリシリコ
ンまたは薄膜アモルファスシリコンからなる高周波信号
切替素子により構成された位相器と、前記基板上にモノリシックに形成されたアンテナとから
少なくともなることを特徴とする無線通信装置。
【請求項２】前記高周波信号切替素子は複数の薄膜能
動素子の並列接続により構成され、オン抵抗が所定の値
に設定されていることを特徴とする無線通信装置。
【請求項３】前記分配合成器の合成側端部に接続する
ように、さらにマイクロ波モノリシックＩＣがハイブリ
ッド的に実装されていることを特徴とする無線通信装
置。
【請求項４】前記アンテナ単位素子は、さらにハイブ
リッド的に実装されたマイクロ波モノリシックＩＣを具
備していることを特徴とする無線通信装置。
【請求項５】前記マイクロ波モノリシックＩＣは、電
力増幅器若しくは低雑音増幅器であることを特徴とする
無線通信装置。