JP2000201009A - 高周波素子 - Google Patents

高周波素子

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JP2000201009A
JP2000201009A JP11000434A JP43499A JP2000201009A JP 2000201009 A JP2000201009 A JP 2000201009A JP 11000434 A JP11000434 A JP 11000434A JP 43499 A JP43499 A JP 43499A JP 2000201009 A JP2000201009 A JP 2000201009A
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antenna
substrate
frequency
antennas
high frequency
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JP11000434A
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English (en)
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Setsuya Iwashita
節也 岩下
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 アンテナ、フィルタ、ミクサすべて超伝導か
らなる高周波素子、あるいは能動素子が化合物半導体か
らなる高周波素子は、性能を上げるためアンテナと高周
波回路を同一基板上に形成しようとすると、サイズが大
きくなり高価になってしまう。さらに、化合物半導体か
らなる高周波素子においては、アンテナと高周波回路を
配線でつなぐと高周波になるほど損失が大きくなってし
まう。 【解決手段】 アンテナ1をシリコン基板2上に形成
し、該アンテナと高周波回路を積層する。さらにアンテ
ナ1で受けた信号をスロットアンテナ3で下の高周波回
路に落とす。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、移動体通信や無線
LANなどの通信分野に応用される高周波素子に関する
ものである。
【0002】
【従来の技術】近年、携帯電話などの移動体通信の急激
な立ち上がりにより、MMIC(Millimeter
−wave Monolithic Integrate
d Circuit)をはじめとする化合物半導体等を
用いた高周波素子の開発が精力的に行われている。数十
GHz帯の高周波素子が実用レベルにあり、実験的には
100GHzを超える値が得られている。MMICに
は、FETなどの能動素子と整合回路、インダクタン
ス、容量、抵抗、ストリップラインなどの受動素子が同
一基板上に形成されている。ただし、例えば電子情報通
信学会誌、Vol.80,No.5、1997、pp5
03〜509に記載されているように、アンテナはこの
中に含まれていない。
【0003】一方、酸化物超伝導体も高周波デバイスと
して高いポテンシャルを有している。超伝導体は常伝導
金属に比べ、高周波領域において2桁ほど表面抵抗が小
さいことから、超伝導体を用いた高利得、小型のアンテ
ナ、フィルタ、雑音指数が低いミクサ等の高周波素子の
実現が期待されている。例えば、信学技報SCE97ー
10(1997年4月)、PP55〜60に記載されて
いるように、YBaCuO系超伝導パッチアンテナの方
がAuのパッチアンテナよりも実際高い利得が得られて
いる。また、超伝導平面アレーアンテナの検討もなされ
ており、シミュレーションによればアンテナ数が多くな
るにしたがい常伝導金属を用いた場合よりも利得の差が
顕著になる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の化合物
半導体あるいは酸化物超伝導体を用いた高周波素子には
以下のような問題点がある。
【0005】まず、化合物半導体を用いた高周波素子で
あるが、先に述べたように、アンテナはMMICの回路
の中には含まれていない。すなわち外付け部品である。
周波数が高くなればなるほど、配線等における損失が大
きくなるため、アンテナとMMIC等の高周波回路間の
距離が長いと特性が劣化してしまう。そこで、アンテナ
も高周波回路と同一基板上に集積する方法も考えられる
が、その分基板サイズが大きくなってしまう。化合物半
導体はGaAs基板を用いるが、GaAs基板はSi基
板に比べ高価であるため、基板サイズがコストに効いて
くる。
【0006】一方、酸化物超伝導体を用いた高周波素子
にも次のような問題点が有る。アンテナは常伝導金属を
用いたアンテナよりも確かに高い利得が得られるが、そ
の値は超伝導アンテナ1個だけでは実用には充分とは言
えない。利得をかせぐ方法として超伝導アンテナを同一
基板上に複数個ならべた平面アレーアンテナが考えられ
るが、アンテナ数が多くなるに従い基板サイズが大きく
なってしまう。また、超伝導体を用いたフィルタ、ミキ
サも高性能な素子であり、これらと超伝導アンテナを組
み合わせればモノリシックで高性能な高周波素子が実現
できるが、基板サイズはさらに大きくなってしまう。酸
化物超伝導体は高価なセラミックス基板上に形成される
ため、基板サイズが大きくなれば、化合物半導体と同様
にコストに効いてくる。また、基板サイズが大きくなる
と、面内で均一な薄膜の作製が難しくなる。さらに、同
一基板上にアレーアンテナ、フィルタ、ミキサを形成す
るには素子間の干渉等によって設計が難しくなる。さら
に、一番問題なのは、小型冷凍機が使用できなくなって
しまうことである。ミクサやストリップラインの高周波
回路とアンテナを積層して小型化する方法も考えられる
が、スロットアンテナを形成する場合、セラミックス基
板の穴あけ加工が難しく、コストの低減にもあまり効か
ない等の問題を有する。
【0007】本発明は以上述べた問題点を解決するもの
であり、Si基板にアンテナを形成し、これを高周波回
路と積層することによって、安価で小型かつ高性能な化
合物半導体あるいは酸化物超伝導体を用いた高周波素子
を提供するものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明の高周波素子は上
記課題を解決するものであり、高周波回路とアンテナを
積層して集積化した高周波素子であって、アンテナをシ
リコン基板に形成したことを特徴とする。さらに、アン
テナは少なくともスロットアンテナを含むこと、高周波
回路とアンテナはすべて酸化物超伝導体からなること、
あるいは高周波回路は化合物半導体からなる能動素子を
含む集積回路であることを特徴とする。
【0009】
【発明の実施の形態】以下、本発明を実施例にしたがっ
て詳細に説明する。
【0010】(実施例1)図1は本発明の実施例1にお
ける高周波素子の構成を示す図である。シリコン(S
i)基板2に形成された超伝導薄膜からなるパッチアン
テナ1とスロットアンテナ3を4個平面アレー化したア
ンテナ部とセラミックス基板4上に形成された超伝導薄
膜からなるストリップライン5、ミクサ6、LOフィル
タ8、IFフィルタ7を集積した高周波回路で構成さ
れ、これらを積層することにより高周波素子になる。
【0011】上記高周波素子の作製方法を以下に示す。
小型冷凍機搭載のため、Si基板およびセラミックス基
板とも20mm角基板を用いる。また、ここでは高周波
素子の周波数帯を12GHzとする。まず、アンテナ部
の作製方法を示す。最初にスロットアンテナ3となる開
口部をSi基板2に加工する。加工はFIBにより行
う。FIBのほかに、フッ酸と硝酸の混酸、あるいは水
酸化カリウム溶液等を用いたウェットエッチングにより
加工してもよい。いずれの方法でも再現性および精度よ
く加工でき、セラミックス基板の加工のように割れ等は
生じない。Si基板はセラミックス基板より安価である
ことのほかに、このような加工の歩留まりが向上し、コ
スト低減の効果が大きい。次に該基板上に超伝導薄膜を
形成する。超伝導としてはYBaCuを用い
る。ここで、成膜中SiとYBaCuが相互拡
散しないよう、バッファー層としてまずYSZを成膜し
た後さらにCeOを形成する。YSZ,CeO、Y
Ba2Cu3Oyの成膜はレーザーアブレーション法を
用い、同一チャンバー中で連続的に行う。最後に所望の
形状にパターニングし、超伝導薄膜からなるパッチアン
テナ1を形成する。以上によりアンテナ部を得る。ここ
で、設計したパッチアンテナ1個の利得は約5dBであ
ったが、4個の平面アレーにすることにより利得は12
dBになった。また、Si基板は、受信周波数によっ
て、適当な厚さのものを用いるとよい。
【0012】次に高周波回路の作製方法を示す。ここで
はセラミックス基板4としてYSZを用いる。超伝導体
からなるストリップライン5、ミクサ6、LOフィルタ
8、IFフィルタ7はYSZ基板上に超伝導薄膜を成膜
した後、通常のフォトリソ工程を一回行なうだけで高周
波回路が得られる。ジョセフソンジャンクションからな
るミクサの形成方法としては、バイクリスタル基板や段
差型基板等を用いる方法があるが、ここでは、基板に予
めFIB照射によってダメージ部を形成し、その上に超
伝導薄膜を成膜することにより生じる弱結合を利用す
る。Si基板ではこのようなジョセフソンジャンクショ
ンを超伝導薄膜の特性を落とさずに再現性よく得ること
は難しい。従って、高周波回路も作製にはセラミックス
基板を用いる。ここではRFフィルタを省いたが、超伝
導平面アレーアンテナがRFフィルタの役割を果たす。
【0013】最後に、スロットアンテナ3とストリップ
ライン5の端が重なるようにSi基板2とセラミックス
基板4をポロイミドを用いて精度良く貼り合わせる。以
上の工程により高周波素子を得る。アンテナ部のパッチ
アンテナ1で受けた信号をスロットアンテナ3で下の高
周波回路に落とすことにより、アンテナと回路を配線で
結ぶより損失を抑えることができる。
【0014】この高周波回路をパッケージして冷凍機で
60Kに冷却し、BS放送の12GHzの信号をLO1
1GHzとしてダウンコンバートしたところ、IF信号
を取り出すことができた。以上のように、Si基板を用
いることにより、小型で安価な高周波素子を得ることが
できる。なお、ここではアンテナとしてパッチアンテナ
を用いたが、ダイポールアンテナやスロットアンテナ単
独でもよい。さらに、平面アレーアンテナの数を4個と
したが、この限りではない。また、平面アレーアンテナ
を2層以上積層することも問題無い。
【0015】(実施例2)従来の化合物半導体を用いた
MMICは、アンテナが外付け部品になっているが、本
発明の高周波素子はMMICにアンテナを積層して集積
化する。以下にその具体的な構成を示す。
【0016】まず、GaAs基板上にGaAs系FET
からなるアンテナスイッチ、低雑音アンプ、ミクサ、パ
ワーアンプ等の能動素子を形成する。その上に、インダ
クタンス、容量、ストリップライン等の受動素子を形成
する。ここで、能動素子と受動素子はマスタスライス化
により別々に作製した後合わせてもよい。このとき、ア
ンテナを積層する側の表面にストリップラインを形成し
ておく。この上に実施例1と同様に、別に作製したスロ
ットアンテナ用の開口部を設けたSi基板にパッチアン
テナを形成したアンテナ部を、スロットアンテナの開口
部がストリップラインの端部に重なるように合わせて積
層する。ここで、パッチアンテナは超伝導薄膜でもよい
が、冷却を必要とするため、通常の金属で良い。このよ
うな簡単な方法でアンテナまで集積した小型の高周波素
子を得ることができる。パッチアンテナで受けた信号を
スロットアンテナで高周波回路に落とすことにより、ア
ンテナとMMICを配線でつないだ場合より、損失が抑
えられた。今回、100MHzから100GHzの範囲
で測定したが、その差は1GHz以上で現われ、周波数
が高くなるほどその差は顕著になった。また、周波数が
高くなるほどアンテナサイズは小さくなるので、集積化
しやすくなる。このように、Si基板にアンテナを形成
しMMICと積層して集積化することにより、アンテナ
とMMICを配線でつなぐ場合よりも損失を抑えること
ができ、またGaAsの同一基板上にアンテナを集積す
る場合より安価で小型化できる。なお、ここではパッチ
アンテナとしたが、ダイポールアンテナ、スロットアン
テナ単体でもよい。
【0017】MMICとアンテナを積層した上記構造
で、MMICとスロットアンテナではなく配線で結合さ
せた場合、スロットアンテナの場合より特性は劣るが、
従来よりは高性能、小型で安価な高周波素子ができる。
【0018】
【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、高周
波回路とアンテナを積層して集積化した高周波素子であ
って、アンテナをシリコン基板に形成すること、さら
に、アンテナは少なくともスロットアンテナを含むこと
により、高周波回路とアンテナはすべて酸化物超伝導体
からなる高周波素子、あるいは高周波回路は化合物半導
体からなる能動素子を含む集積回路からなる高周波素子
において、それぞれ安価で小型、高性能な高周波素子を
提供できるという効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例1における高周波素子の構成を
示す図である。
【符号の説明】
1 パッチアンテナ 2 シリコン基板 3 スロットアンテナ 4 セラミックス基板 5 ストリップライン 6 ミクサ 7 IFフィルタ 8 LOフィルタ

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 高周波回路とアンテナを積層して集積化
    した高周波素子であって、アンテナをシリコン基板に形
    成したことを特徴とする高周波素子。
  2. 【請求項2】 アンテナは少なくともスロットアンテナ
    を含むことを特徴とする請求項1記載の高周波素子。
  3. 【請求項3】 高周波回路とアンテナはすべて酸化物超
    伝導体からなることを特徴とする請求項1記載の高周波
    素子。
  4. 【請求項4】 高周波回路は化合物半導体からなる能動
    素子を含む集積回路であることを特徴とする請求項1記
    載の高周波素子。
JP11000434A 1999-01-05 1999-01-05 高周波素子 Withdrawn JP2000201009A (ja)

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