JP2003168918A - アクティブスロットアンテナ及びアクティブスロットアレーアンテナ及びそれを用いた送信装置と受信装置 - Google Patents

アクティブスロットアンテナ及びアクティブスロットアレーアンテナ及びそれを用いた送信装置と受信装置

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JP2003168918A
JP2003168918A JP2001367509A JP2001367509A JP2003168918A JP 2003168918 A JP2003168918 A JP 2003168918A JP 2001367509 A JP2001367509 A JP 2001367509A JP 2001367509 A JP2001367509 A JP 2001367509A JP 2003168918 A JP2003168918 A JP 2003168918A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、放熱機構を含めたアンテナとアク
ティブデバイスの一体化構造を薄型・単純・軽量化でき
るアクティブスロットアンテナ及びアクティブスロット
アレーアンテナ及びそれを用いた送信装置と受信装置を
提供することを目的とする。 【解決手段】 アクティブデバイス54−5の出力線路
側のグランド導体面と共有化され、出力線路54−6と
電磁結合する励振用スロット54−1が形成された励振
用スロット板54−2と、励振用スロット板のアクティ
ブデバイス配置面の裏側に励振用スロット及びその近傍
を除く部分に配置された放熱機構53と、放熱機構を介
して励振用スロット板と対向し励振用スロットと電磁結
合する放射用スロット51が形成された放射用スロット
板52を有し、励振用スロットと前記放射用スロットと
の電磁結合により放射用スロットに給電することによ
り、放熱機構を含めたアンテナとアクティブデバイスの
一体化構造を薄型・単純・軽量化できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、アクティブスロッ
トアンテナ及びアクティブスロットアレーアンテナ及び
それを用いた送信装置と受信装置に関し、アンテナ素子
と半導体デバイスを一体化して構成したアクティブスロ
ットアンテナ及びアクティブスロットアレーアンテナ及
びそれを用いた送信装置と受信装置に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、電子追尾機能を持ち移動体から情
報を伝送する移動体SNG(ニュース素材伝送)装置の
アンテナ、マルチビームや空間的にビーム走査可能な衛
星放送受信用アンテナ、または衛星搭載用の送受信アン
テナとしてアクティブアンテナが開発されている。
【0003】図5(A),(B)は、従来のアクティブ
アンテナの一例の斜視図、断面図を示す。また、図6は
そのブロック構成図を示す。両図中、10はセラミック
多層基板パッケージ、12は接続電極、14は多層積層
基板である。高周波モジュール16は、セラミック多層
基板パッケージ10の内部に半導体チップ等を実装さ
れ、上面にパッチアンテナを用いた複数の放射素子20
を導体パターンで形成され、下面の周囲に複数の接続電
極12が導体パターンで形成されて構成されている。
【0004】一方、制御モジュール22は、多層積層基
板14を用いて構成され、下面に信号処理用の複数のL
SIが実装され、上面に高周波モジュール16を取り付
けるための接続電極が設けられている。高周波モジュー
ル16と制御モジュール22とは、両者の表面に設けら
れた接続電極12の部分で半田付けされて接続されてい
る。
【0005】また、28はサーマルバイアホール、29
は放熱板であるヒートシンク、30は放射窓である。セ
ラミック多層基板パッケージ10の放射素子20を設け
た面に、放射素子20を避けるように複数の放射窓30
を設けた金属などの熱伝導性の高い板からなるヒートシ
ンク29を取り付け、このヒートシンク29と半導体チ
ップ27は、セラミック多層基板パッケージ10の内部
に貫通するように設けられた複数のサーマルバイアホー
ル28で接続されている。サーマルバイアホール28
は、熱伝導率向上のために設けられている。
【0006】このような構成においては、高周波モジュ
ール16と制御モジュール22の間の接続部には高い周
波数の高周波信号が通らないため、半田リフロー等の表
面実装技術により、それぞれのモジュールに設けられた
電極間を簡単な製造行程によって接続することができ
る。また、高周波モジュール16と制御モジュール22
の間の接続を簡単な製造行程で実現することができ、製
造コストを低減できるという効果がある。
【0007】さらに、半導体チップ27で発生する熱を
ヒートシンク29から高周波モジュール16の外部に排
出することができ、パッケージ内に熱の発生が多い高出
力の電力増幅器を実装することが可能となる。
【0008】図7(A),(B)は、従来のアクティブ
スロットアンテナの他の一例の断面図、平面図を示す。
この例は、マイクロストリップ給電によるスロットアン
テナにMMIC(Microwave Monolit
hic Integrated Circuit)増幅
器が実装されている例である(参考文献1:電子情報通
信学会’99ソサイエティ大会C−02−14)。
【0009】図7(A),(B)において、MMIC増
幅器31の入出力側に接続されているストリップ導体3
2と誘電体基板33とグランド導体面34から構成され
るマイクロストリップ線路から電磁結合によりスロット
アンテナ35に給電している。またアンテナの放射効率
を上げるために誘電体基板36を積層してある。この構
造ではマイクロストリップ線路のグランド導体面34に
スロットアンテナ35を形成しているため、MMIC増
幅器31とスロットアンテナ35の面が一体化されて非
常に薄型にアクティブアンテナを構成できる。
【0010】図8(A),(B)は、従来のアクティブ
スロットアンテナの更に他の一例の断面図、平面図を示
す。この例は、トリプレート線路を用いた電磁結合型マ
イクロストリップアンテナにMMIC増幅器が実装され
ている例である(参考文献2:電子情報通信学会’99
ソサイエティ大会B−1−109)。
【0011】図8(A),(B)において、アンテナへ
給電するトリプレート線路はストリップ導体42と誘電
体基板43とグランド導体面44で構成されており、ス
ロット45を経由して金属パッチ46と誘電体基板47
とグランド導体面44から構成されるマイクロストリッ
プパッチアンテナに電磁結合させることにより、アンテ
ナへ給電している。またスロット45付近で発生するパ
ラレルプレートモードを抑圧するためにビアホール48
を用いて2つのグランド導体面44間を接続している。
この構造においてもMMIC増幅器41を一体化するこ
とで、非常に薄型のアクティブアンテナが構成できる。
またこのアクティブアンテナを送信装置に用いた場合グ
ランド面に放熱機構をも配置することができる。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】図5の従来例では、複
数個のアレーアンテナ素子と一体化された高周波モジュ
ール16と制御モジュール22の間の接続を簡単な製造
行程で実現することができ、製造コストを低減できる。
さらにサーマルバイアホール28をアンテナ面側に取り
付けたヒートシンク29に接続することにより放熱処理
を行うことができる。
【0013】しかし、この構造で、熱の発生が多い高出
力の電力増幅器を使用すると、放熱のためのヒートシン
ク29を大きくして、アンテナの表面および側面に取り
付ける必要があるので、アンテナの特性に影響を及ぼす
可能性があり、ヒートシンク29の大きさに限界があ
る。また、ヒートパイプなどの放熱機構を構成すること
も非常に困難となる。
【0014】また、アンテナが大型化されると全体の重
量が増加して複雑になる。さらに、高周波モジュールの
給電線路はバイアホールなどで直接増幅素子とアンテナ
素子を接続する構造のため、周波数が高くなるとアンテ
ナの特性が低下する恐れがあるという問題があった。
【0015】図7の従来例では、アクティブデバイスと
アンテナが非常に簡単に一体化された構造であるが、こ
の構造に放熱機構を設置する場合、MMIC増幅器31
の上側面、あるいはマイクロストリップ線路のストリッ
プ導体32面上に取り付ける必要があり構造が複雑とな
る。さらにMMIC増幅器31の出力が大きい場合は、
通常、MMIC増幅器31をグランド導体面34上に配
置し、放熱機構をMMIC増幅器31と接するグランド
導体面34の裏側(アンテナの放射面側)に配置する必
要がある。しかし、この構造ではアンテナの放射面側に
放熱機構が設置されるため、アンテナの特性に重大な影
響を及ぼす恐れがあるという問題があった。
【0016】図8の従来例では、下側のグランド導体面
44に放熱機構を配置することができる。しかし、図5
の例と同様にアンテナが多層基板で構成されているた
め、MMIC増幅器41とアンテナの一体化構造が複雑
であるという問題点がある。また、パラレルプレートモ
ードを抑圧するために多層基板にビアホール48を製作
しなければならないという問題点もあり、平面上にアレ
ーとして配列する場合、製作上複雑な工程が必要となり
コストが高くなるという問題があった。
【0017】本発明は、上記の点に鑑みなされたもの
で、放熱機構を含めたアンテナとアクティブデバイスの
一体化構造を薄型・単純・軽量化できるアクティブスロ
ットアンテナ及びアクティブスロットアレーアンテナ及
びそれを用いた送信装置と受信装置を提供することを目
的とする。
【0018】
【課題を解決するための手段】請求項1に記載の発明
は、アクティブデバイスの出力線路側のグランド導体面
と共有化され、前記出力線路と電磁結合する励振用スロ
ットが形成された励振用スロット板と、前記励振用スロ
ット板の前記アクティブデバイス配置面の裏側に、前記
励振用スロット及びその近傍を除く部分に配置された放
熱機構と、前記放熱機構を介して前記励振用スロット板
と離間対向し前記励振用スロットと電磁結合する放射用
スロットが形成された放射用スロット板を有し、前記励
振用スロットと前記放射用スロットとの電磁結合により
前記放射用スロットに給電することにより、出力線路側
のグランド導体面と励振用スロット板とが共通化された
構造であっても励振用スロット板から離間して設置され
た放射用スロット板の放射用スロットに給電すること
で、励振用スロット板と放射用スロット板の間に放熱機
構を配置でき、放熱機構を含めたアンテナとアクティブ
デバイスの一体化構造を薄型・単純・軽量化できる。
【0019】請求項2に記載の発明は、励振用スロット
板と前記放射用スロット板の間に、結合用スロットを形
成した一または複数の結合用スロット板を所定間隔で積
層し、前記励振用スロット板の裏側に配置された前記放
熱機構の厚みを可変設定することにより、発熱量が大き
い高出力のアクティブデバイスを使用し放熱機構が大き
くなる場合にも、放熱機構の大きさを任意に設定して配
置することができる。
【0020】請求項3に記載の発明は、前記励振用スロ
ット板と前記放射用スロット板の間に、結合用スロット
を形成した一または複数の結合用スロット板を所定間隔
で積層し、前記放射用スロット板に複数のスロットを設
け、前記結合用スロット板の結合用スロットと前記放射
用スロットアレー板の複数のスロットとの電磁結合によ
り前記放射用スロットアレー板の複数のスロットに給電
することにより、放射用スロットアレー板の複数のスロ
ットを精度良く給電できると共に、高い周波数において
も効率よく高精度なアンテナ特性が期待でき、低価格か
つ高精度のアンテナを得ることが可能となる。
【0021】
【発明の実施の形態】図1(A),(B)は、本発明の
アクティブスロットアンテナの第1実施例の分解斜視
図、断面図を示す。同図中、アクティブスロットアンテ
ナ50は、放射用スロット板52と放熱機構53と励振
用スロット金属箱54から大略構成されている。
【0022】金属製の放射用スロット板52には放射用
スロット51が形成されており、この放射用スロット板
52の一面に、励振用スロット及びその近傍を除く部分
に放熱処理を行うためのヒートパイプなどの放熱機構5
3を介在させて励振用スロット金属箱54が固定され
る。
【0023】励振用スロット金属箱54は、金属ケース
54−3内に入力用のストリップ導体54−4と、入力
信号を増幅するための電力増幅器54−5と、電力増幅
器54−5の出力線路で励振用スロット54−1を給電
するためのストリップ導体54−6とを収納し、励振用
スロット54−1が形成された励振用スロット板54−
2で金属ケース54−3の開口部分を覆って構成されて
いる。
【0024】上記ストリップ導体54−4とスロット板
54−2と金属ケース54−3により入力用トリプレー
ト線路54−7が構成され、ストリップ導体54−6と
スロット板54−2と金属ケース54−3により出力用
トリプレート線路54−8が構成されている。入力用ト
リプレート線路54−7と出力用トリプレート線路54
−8と電力増幅器54−5と金属ケース54−3と励振
用スロット54−1が形成されている励振用スロット板
54−2により励振用1素子アクティブスロットアンテ
ナが構成されている。
【0025】高周波信号の流れについて説明する。図1
(B)に示すように、高周波信号は入力用トリプレート
線路54−7を伝送されて電力増幅器54−5に入力さ
れ、電力増幅器54−5で増幅された後、出力用トリプ
レート線路54−8を伝送されて励振用スロット54−
1に電磁結合され、さらに放射用スロット51に電磁結
合されて空間に放射される。
【0026】この構造は、1素子の励振用スロットを上
部の1素子の放射用スロットに電磁的に結合させる実施
例である。電力増幅器54−5の出力線路についてはト
リプレート線路54−8の代わりに誘電体線路で構成さ
れたマイクロストリップ線路を利用することもできる。
また、電力増幅器54−5出力側の出力用トリプレート
線路54−8のグランド導体面を励振用スロット板54
−2と共用化しているので構造が簡単になり、電磁波の
エネルギーが効率よく励振用スロット54−1から放射
され、励振用スロット板54−2から離間して設置され
た放射用スロット板52の放射用スロット51に給電す
ることで、励振用スロット板54−2と放射用スロット
板52の間に放熱機構を配置できる。
【0027】放熱機構53については、例えば、中空の
パイプを井形状に結合した構造になっているので、ヒー
トパイプや水冷冷却用のパイプとして利用することが可
能である。
【0028】図2(A),(B)は、本発明のアクティ
ブスロットアンテナの第2実施例の分解斜視図、断面図
を示す。同図中、アクティブスロットアンテナ60は、
放射用スロット金属板66と放熱機構67と励振用スロ
ット金属箱68から大略構成されている。
【0029】放射用スロット金属板66は、放射用スロ
ットアレー板62と結合用スロット板64と金属フレー
ム65から構成されている。金属製の放射用スロットア
レー板62には複数の放射用スロット61が1列に並べ
て形成され、結合用スロット板64には複数の放射用ス
ロット61を励振するための結合用スロット63が形成
されており、この放射用スロットアレー板62と結合用
スロット板64とは金属フレーム65を介在させること
によって一定間隔で離間対向した状態で固定されてい
る。放射用スロット金属板66の下面に、放熱処理を行
うためのヒートパイプなどの放熱機構67を介在させて
励振用スロット金属箱68が固定される。
【0030】励振用スロット金属箱68は、金属ケース
68−3内に入力用のストリップ導体68−4と、入力
信号を増幅するための電力増幅器68−5と、電力増幅
器68−5の出力線路で励振用スロット68−1を給電
するためのストリップ導体68−6とを収納し、励振用
スロット68−1が形成されたスロット板68−2で金
属ケース68−3の開口部分を覆って構成されている。
【0031】上記ストリップ導体68−4とスロット板
68−2と金属ケース68−3により入力用トリプレー
ト線路68−7が構成され、ストリップ導体68−6と
スロット板68−2と金属ケース68−3により出力用
トリプレート線路68−8が構成されている。入力用ト
リプレート線路68−7と出力用トリプレート線路68
−8と電力増幅器68−5と金属ケース68−3と励振
用スロット68−1が形成されている励振用スロット板
68−2により励振用1素子アクティブスロットアンテ
ナが構成されている。
【0032】高周波信号の流れについて説明する。図2
(B)に示すように、高周波信号は入力用トリプレート
線路68−7を伝送されて電力増幅器68−5に入力さ
れ、電力増幅器68−5で増幅された後、出力用トリプ
レート線路68−8を伝送されて励振用スロット68−
1に電磁結合され、結合用スロット63を介して複数の
放射用スロット61に電磁結合されて空間に放射され
る。この構造は、1素子の励振用スロットを上部の放射
用スロットアレーに電磁的に結合させた実施例であり、
放射用スロットアレー板62の複数のスロット61を精
度良く給電できると共に、高い周波数においても効率よ
く高精度なアンテナ特性が期待でき、低価格かつ高精度
のアンテナを得ることが可能となる。
【0033】図3は、本発明のアクティブスロットアン
テナの第3実施例の断面図を示す。同図中、アクティブ
スロットアンテナ70は、第2実施例の構造において使
用した結合用スロットを形成する結合用スロット板をヒ
ートパイプ等の放熱機構77を介在させて2枚積層した
ものである。図3において、励振用スロット68−1か
ら放射された電磁波は積層した結合用スロット板74
a,74b及び結合用スロット板64それぞれに設けら
れた結合用スロット73a,73b及び結合用スロット
63を介して放射用スロット61に電磁結合され、空間
に放射される。
【0034】このように、2枚の結合用スロット板74
a,74bをヒートパイプ等の放熱機構77を介在させ
て積層することにより、電力増幅器68−5の高出力化
のため、大規模な放熱機構が必要となった場合でも、結
合用スロット板の積層数及び結合用スロット板64,7
4a,74bの間隔を調整することによって、アンテナ
の放射特性に影響を与えることなく必要な大きさの放熱
機構77を設置することが可能となる。なお、結合用ス
ロット板の積層数は1以上の何層であっても良い。
【0035】図4は、本発明のアクティブスロットアレ
ーアンテナの第1実施例の斜視図を示す。この実施例
は、第2実施例(または第3実施例)で説明したアクテ
ィブスロットアンテナ60(または70)を複数集合し
て構成されている。このように、アクティブスロットア
ンテナ60を複数、平面状に隣接させて配設し1つのア
クティブスロットアレーアンテナ80を構成し、1つの
アンテナとして動作させることができる。
【0036】なお、上記図1〜図4に示す実施例では、
送信用のアクティブアンテナについて説明したが、電力
増幅器54−5,68−5を低雑音増幅器とすることに
より受信用のアクティブアンテナとして使用することも
できる。
【0037】このように、電力増幅器54−5,68−
5の出力用トリプレート線路54−8,68−8のグラ
ンド導体面を励振用スロット板54−2,68−2と共
用化した簡単な構造においても励振用スロット板54−
2,68−2から更に所定間隔を隔てて放射用スロット
板52,放射用スロットアレー板62を設置して電磁結
合により給電することにより、グランド導体面と放射用
スロット板52,放射用スロットアレー板62の間に放
熱機構53,67を設置することができるので、放熱機
構53,67を含めたアンテナと電力増幅器54−5,
68−5の一体化の構造を薄型・単純・軽量化できる。
【0038】また、熱の発生の多い高出力の電力増幅器
68−5を使用するために放熱機構67が大規模になっ
た場合でも、結合用スロット板74a,74bを多層化
することにより、放熱機構77の大きさを任意に設定し
て設置することが可能となる。
【0039】また、電力増幅器の出力線路68−8と複
数の放射用スロット61を電磁結合させることで給電が
可能となるため、放射用スロットアレーを精度良く給電
することができるとともに、高い周波数においても効率
よく高精度なアンテナの特性が期待でき、低価格・高精
度のアクティブスロットアンテナを実現できる。更に、
多層化された各結合用スロット63,73a,73bの
共振長をそれぞれ変えることにより、アンテナの送受信
帯域を広げることが可能となる。
【0040】なお、電力増幅器54−5,68−5が請
求項記載のアクティブデバイスに対応し、ストリップ導
体54−6,68−6が出力線路に対応する。
【0041】
【発明の効果】上述の如く、請求項1に記載の発明は、
出力線路側のグランド導体面と励振用スロット板とが共
通化された構造であっても励振用スロット板から離間し
て設置された放射用スロット板の放射用スロットに給電
することで、励振用スロット板と放射用スロット板の間
に放熱機構を配置でき、放熱機構を含めたアンテナとア
クティブデバイスの一体化構造を薄型・単純・軽量化で
きる。
【0042】請求項2に記載の発明は、発熱量が大きい
高出力のアクティブデバイスを使用し放熱機構が大きく
なる場合にも、放熱機構の大きさを任意に設定して配置
することができる。
【0043】請求項3に記載の発明は、放射用スロット
アレー板の複数のスロットを精度良く給電できると共
に、高い周波数においても効率よく高精度なアンテナ特
性が期待でき、低価格かつ高精度のアンテナを得ること
が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のアクティブスロットアンテナの第1実
施例の分解斜視図、断面図である。
【図2】本発明のアクティブスロットアンテナの第2実
施例の分解斜視図、断面図である。
【図3】本発明のアクティブスロットアンテナの第3実
施例の断面図である。
【図4】本発明のアクティブスロットアレーアンテナの
第1実施例の斜視図である。
【図5】従来のアクティブアンテナの一例の斜視図、断
面図である。
【図6】従来のアクティブアンテナの一例のブロック構
成図である。
【図7】従来のアクティブスロットアンテナの他の一例
の断面図、平面図である。
【図8】従来のアクティブスロットアンテナの更に他の
一例の断面図、平面図である。
【符号の説明】
50,60,70 アクティブスロットアンテナ 51,61 放射用スロット 52 放射用スロット板 53,67,77 放熱機構 54,68 励振用スロット金属箱 54−1,68−1 励振用スロット 54−2,68−2 スロット板 54−3,68−3 金属ケース 54−4,54−6,68−4,68−6 ストリップ
導体 54−5,68−5 電力増幅器 54−7,68−7 入力用トリプレート線路 54−8,68−8 出力用トリプレート線路 62 放射用スロットアレー板 63,73a,73b 結合用スロット 64,74a,74b 結合用スロット板 65 金属フレーム 66 放射用スロット金属板 80 アクティブスロットアレーアンテナ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 5J021 AA05 AA09 AA11 AB05 CA02 DB03 FA26 FA32 HA01 HA03 HA05 HA07 HA10 JA07 JA09 5J045 AA21 AB05 BA01 DA04 FA02 HA02 JA11 MA04 NA02 NA08

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 アクティブデバイスの出力線路側のグラ
    ンド導体面と共有化され、前記出力線路と電磁結合する
    励振用スロットが形成された励振用スロット板と、 前記励振用スロット板の前記アクティブデバイス配置面
    の裏側に、前記励振用スロット及びその近傍を除く部分
    に配置された放熱機構と、 前記放熱機構を介して前記励振用スロット板と離間対向
    し前記励振用スロットと電磁結合する放射用スロットが
    形成された放射用スロット板を有し、 前記励振用スロットと前記放射用スロットとの電磁結合
    により前記放射用スロットに給電することを特徴とする
    アクティブスロットアンテナ。
  2. 【請求項2】 請求項1記載のアクティブスロットアン
    テナにおいて、 前記励振用スロット板と前記放射用スロット板の間に、
    結合用スロットを形成した一または複数の結合用スロッ
    ト板を所定間隔で積層し、 前記励振用スロット板の裏側に配置された前記放熱機構
    の厚みを可変設定することを特徴とするアクティブスロ
    ットアンテナ。
  3. 【請求項3】 請求項1または2記載のアクティブスロ
    ットアンテナにおいて、 前記励振用スロット板と前記放射用スロット板の間に、
    結合用スロットを形成した一または複数の結合用スロッ
    ト板を所定間隔で積層し、 前記放射用スロット板に複数のスロットを設け、 前記結合用スロット板の結合用スロットと前記放射用ス
    ロットアレー板の複数のスロットとの電磁結合により前
    記放射用スロットアレー板の複数のスロットに給電する
    ことを特徴とするアクティブスロットアンテナ。
  4. 【請求項4】 請求項1乃至3のいずれか記載のアクテ
    ィブスロットアンテナを複数、平面状に隣接させて配設
    し構成したことを特徴とするアクティブスロットアレー
    アンテナ。
  5. 【請求項5】 請求項1乃至3のいずれかに記載のアク
    ティブスロットアンテナまたは請求項4記載のアクティ
    ブスロットアレーアンテナを使用したことを特徴とする
    送信装置。
  6. 【請求項6】 請求項1乃至3のいずれかに記載のアク
    ティブスロットアンテナまたは請求項4記載のアクティ
    ブスロットアレーアンテナを使用したことを特徴とする
    受信装置。
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