JP2004282752A - 能動型スマートアンテナシステム及びその製造方法 - Google Patents

能動型スマートアンテナシステム及びその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】一つの高抵抗基板上に、移相器、アンテナ及び低雑音増幅器を同時に構成することで、製品のサイズを減少し、製造費用を低減し、品質を向上し得る能動型スマートアンテナシステム及びその製造方法を提供する。
【解決手段】信号を受信するアンテナ１００と、該アンテナ１００を通して受信された信号の雑音が最小化されるように該信号を増幅する低雑音増幅器２００と、該低雑音増幅器２００により増幅された信号の位相を制御する移相器３００と、を一つの高抵抗基板１０上に設けることにより、能動型スマートアンテナシステムを構成する。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、アンテナシステムに係るもので、詳しくは、能動型スマートアンテナシステム(Smart Antenna System)及びその製造方法に関するものである。
一般に、スマートアンテナシステムは、次世代通信システムに必要な核心部品であって、移動車両用衛星放送/通信及び軍事用通信のような高周波帯域に使用され、アンテナ配列の大きさによって基地局又は端末機に位置されることもできる。このようなスマートアンテナシステムは、相対的に多くの使用者を受容することができるため、システムの容量を増加し得るという利点がある。
このような利点を有するスマートアンテナシステムの最も核心的な部品は、移相器(Phase Shifter)であり、この移相器は、信号の位相制御を通して使用周波数を正確に追跡することができるし、移相器を構成するインダクタ及びキャパシタなどに接続されたスイッチを調節して、入力される信号の位相を遅延させることで、所望の位相を有する信号に変換することができる。現在、車両用衛星受信器に最も広く適用されている移相方法は、機械的モータを利用して位相を遅延する受動型スマートアンテナシステム(Passive Smart Antenna System)であるが、このような受動型スマートアンテナシステムは、サイズが大きくて製造費用が高価であるため普及率が低い。よって、相対的にサイズが小さくて製造費用が廉価な能動型スマートアンテナシステム(Active Smart Antenna System)の開発が要求されている。
以下、このような能動型スマートアンテナシステムの構成について、図２に基づいて説明する。
図２は、一般の能動型スマートアンテナシステムの構成を示したブロック図で、図示されるように、一般の能動型スマートアンテナシステムは、信号を送受信するアンテナ１００と、該アンテナを通して受信された信号を雑音発生が最小化されるように増幅する低雑音増幅器(Low Noise Amplifier；LNA)２００と、増幅された信号の位相を制御する移相器３００と、から構成されている。
このように構成された一般の能動型スマートアンテナシステム中、最も大きな空間及び費用を占める部品は、移相器３００である。該移相器３００は、主として、１ビット(１１.２５°位相変移器から構成)、２ビット(１１.２５°及び２２.５°の位相変移器から構成)、３ビット(１１.２５°、２２.５°及び４５°の位相変移器から構成)、４ビット(１１.２５°、２２.５°、４５°及び９０°の位相変移器から構成)、及び５ビット(１１.２５°、２２.５°、４５°、９０°及び１８０°の位相変移器から構成)移相器に区分することができる。衛星放送受信機に使用し得る能動型スマートアンテナシステムを実現するためには、５ビット移相器がほぼ１００個程度必要である。
最近、MMIC(Microwave Monolithic Integrated Circuit)技術の発達に伴い、HEMT(High Electron Mobility Transistor)及びFETのような電子スイッチング素子を利用した移相器が開発され、これを利用した能動型スマートアンテナシステムの開発が活発に行われている。即ち、一つのシリコン基板(例えば、GaAs基板)上に電子スイッチ、インダクタ及びキャパシタなどを構成し、それら構成された電子スイッチ、インダクタ及びキャパシタなどをパッケージングすることで移相器３００を製造し、該製造された移相器３００を適用して能動型スマートアンテナシステムを設計する技術が提案されている。
しかし、このような一般の能動型スマートアンテナシステムは、半導体工程のMMIC技術により、前記一つのシリコン基板上に複数の素子を組み合わせて移相器３００を構成するので、製造費用が高価で前記インダクタのＱ(Quality Factor；例えば、８〜１３)が低いため、高度の品質を期待しにくい。
また、一般の能動型スマートアンテナシステムは、移相器３００の他にも、アンテナ１００及び低雑音増幅器(LNA)２００又は送受信モジュールと一緒に構成すべきであるため、これらを別途の印刷回路基板上に搭載して組み立てるようになる。よって、一般のスマートアンテナシステムにおいては、製造された移相器３００を印刷回路基板に接合するためのリード部分が要求されるため、サイズが大きくなるだけでなく、インダクタのＱが悪化する。
従って、現在、一般の能動型スマートアンテナシステムには、高度のＱを有するインダクタを適用しながらも製品の製造原価を低減し、前記移相器３００、アンテナ１００及び低雑音増幅器(LNA)２００を容易にパッケージングし得る能動型スマートアンテナシステム及びその製造方法が要求される。
このような一般の能動型スマートアンテナシステムにおいては、半導体工程のMMIC技術により移相器を製造するため、製品の製造費用が高価であるという不都合な点があった。
また、一般の能動型スマートアンテナシステムにおいては、半導体工程のMMIC技術により移相器を製造するため、製品の品質が低下するという不都合な点があった。
また、一般の能動型スマートアンテナシステムにおいては、半導体工程のMMIC技術により移相器を製造するため、アンテナ及び低雑音増幅器(LNA)、若しくは送受信モジュールを結合するための個別パッケージングにより製品のサイズが大きくなるという不都合な点があった。
本発明は、このような従来の課題に鑑みてなされたもので、一つの高抵抗基板上に、移相器、アンテナ及び低雑音増幅器を同時に構成することで、製品の製造費用を低減し得る能動型スマートアンテナシステム及びその製造方法を提供することを目的とする。
また、本発明の他の目的は、一つの高抵抗基板上に、移相器、アンテナ及び低雑音増幅器を同時に構成することで、製品の品質を向上し得る能動型スマートアンテナシステム及びその製造方法を提供することにある。
また、本発明のその他の目的は、一つの高抵抗基板上に、移相器、アンテナ及び低雑音増幅器を同時に構成することで、製品のサイズを減少し得る能動型スマートアンテナシステム及びその製造方法を提供することにある。
このような目的を達成するため、本発明に係る能動型スマートアンテナシステムは、信号を受信するアンテナと、該アンテナを通して受信された信号の雑音が最小化されるように該信号を増幅する低雑音増幅器と、該低雑音増幅器により増幅された信号の位相を制御する移相器と、が一つの高抵抗基板上に形成されることを特徴とする。
また、本発明に係る能動型スマートアンテナシステムの製造方法においては、信号を受信するアンテナと、該アンテナを通して受信された信号の雑音が最小化されるように該信号を増幅する低雑音増幅器と、該低雑音増幅器により増幅された信号の位相を制御する移相器と、を一つの高抵抗基板上に構成することを特徴とする。
本発明に係る能動型スマートアンテナシステムは、一つの高抵抗基板上に、移相器、アンテナ及び低雑音増幅器を同時に構成することで、製品の製造費用を低減し得るという効果がある。
また、一つの高抵抗基板上に、移相器、アンテナ及び低雑音増幅器を同時に構成することで、製品のサイズを減少し得るという効果がある。
また、一つの高抵抗基板上に、移相器、アンテナ及び低雑音増幅器を同時に構成することで、製品の品質を向上し得るという効果がある。
以下、本発明に係る能動型スマートアンテナシステム及びその製造方法の最良の実施形態について、図面に基づいて説明する。
図１(A)〜図１(I)は、本発明に係る能動型スマートアンテナシステムの第１乃至第９実施形態の構造をそれぞれ示した断面図である。
先ず、図１(A)に示したように、本発明に係る能動型スマートアンテナシステムの第１実施形態は、一つの高抵抗基板１０の上面に、信号を受信するアンテナ１００と、該アンテナを通して受信された信号を雑音が最小化されるように増幅する低雑音増幅器(LNA)２００と、該低雑音増幅器２００により増幅された信号の位相を制御する移相器３００と、を形成することで構成される。
以下、このように構成された本発明に係る能動型スマートアンテナシステムの製造方法について説明する。
まず、高抵抗基板１０の上面に銅のような導電体を用いて導電体層を形成するが、このとき、高抵抗基板１０は、高抵抗シリコン基板、高抵抗セラミック基板及び印刷回路基板中何れか一つが選択される。
次いで、高抵抗基板１０の上面に形成された導電体層をパターニングすることで、アンテナ１００を構成するためのアンテナ構造物２０を形成し、移相器３００及び低雑音増幅器２００を構成するための信号電極３０、接地電極５０及びインダクタ４０をそれぞれ形成する。ここで、アンテナ構造物２０から構成されたアンテナ１００は、パッチアンテナ又はスロットアンテナであることが好ましく、インダクタ４０は、ストリップラインインダクタ(Strip Line Inductor)又は螺旋型インダクタであることが好ましい。
また、インダクタ４０は、微細電子機械システム(Micro Electro Mechanical System；MEMS)を適用して精密に製造することができるが、このように形成されたインダクタ４０は、一般の能動型スマートアンテナシステムにおける集積化されたインダクタのＱよりも高いＱ(例えば、５０〜６０)を有するという利点がある。
次いで、信号電極３０及び接地電極５０の下面の高抵抗基板１０に貫通ホール(Via Hole)をそれぞれ穿孔形成し、それら貫通ホールをメッキすることで、貫通信号電極(Via Signal Electrode)３０A及び貫通接地電極(Via Ground Electrode)５０Aをそれぞれ形成する。よって、本発明に係る能動型スマートアンテナシステムは、貫通信号電極３０Aを通して、高抵抗基板１０の上面及び下面にそれぞれ形成された信号電極３０を電気的に接続することができる。
次いで、ピンダイオード、HEMT及びFETのような電子スイッチ６０を高抵抗基板１０の上面の信号電極３０に接続するため、電子スイッチ６０をベアチップ(Bare Chip)状に接地電極５０の上面に設置する。即ち、ワイヤボンディング技法を利用することで、上面に複数の信号電極３０が形成されたベアチップ状の電子スイッチ６０を、高抵抗基板１０上面の接地電極５０の上面に付着(導電性接着剤を利用した物理的接着)した後、アルミニウムや金から形成されたボンディングワイヤ６０Aを、ベアチップ状の電子スイッチ６０の上面に形成された各信号電極３０と高抵抗基板１０上面の信号電極３０とに熱又は超音波により接着する。ここで、ボンディングワイヤ６０Aを利用して、ベアチップ状の電子スイッチ６０を印刷回路基板(PCB)のような高抵抗基板１０上に直接接続することは、チップオンボード技法として、当業者には公知の技術である。
このとき、キャパシタ７０を高抵抗基板１０上面の複数の信号電極３０に接続するが、これは一般の表面実装技術を利用して行うことができる。ここで、キャパシタ７０は、薄膜キャパシタであることが好ましい。
また、移相器３００の電子スイッチ６０を高抵抗基板１０上面の信号電極３０に接続する方法と同様に、トランジスタ８０を高抵抗基板１０上面の信号電極３０に接続することで低雑音増幅器２００を形成する。
以下、このような一つの高抵抗基板１０にアンテナ１００、移相器３００及び低雑音増幅器２００を同時に構成する、本発明に係る能動型スマートアンテナシステムの第２〜第９実施形態について、図面に基づいて説明する。
即ち、図１(B)に示した本発明に係る能動型スマートアンテナシステムの第２実施形態は、図１(A)のベアチップ状の電子スイッチ６０を、ワイヤボンディング技法でないフリップチップボンディング技法により、高抵抗基板１０の上面に形成された複数の信号電極３０と接続されるように形成したものである。
このように構成された本発明に係る能動型スマートアンテナシステムの第２実施形態においては、ベアチップ状の電子スイッチ６０のサイズは若干増加するが、前記ボンディングワイヤに比べて物理的に安定した接着剤により信号電極３０及び接地電極５０と接続されるため、構造的に安定で不良率が少なく製造費用が低減される。
このような本発明に係る能動型スマートアンテナシステムの第２実施形態においては、高抵抗基板１０として低価格の両面基板を使用したが、移相器３００のサイズを減少するためには、高抵抗基板１０として、低価格の両面基板に代えて多層基板を適用することができる。以下、多層基板が適用された本発明に係る能動型スマートアンテナシステムの構造について説明する。
図１(C)に示した本発明に係る能動型スマートアンテナシステムの第３実施形態は、図１(A)の複数のインダクタ４０を、高抵抗基板１０の内部に積層形成したものである。ここで、高抵抗基板１０は、インダクタ４０を積層できるように、エポキシPCB基板、テフロン(登録商標）PCB基板及びLTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic) PCB基板中の、何れか一つが選択される。
このように構成された本発明に係る能動型スマートアンテナシステムの第３実施形態においては、インダクタ４０を高抵抗基板１０の内部に積層することで、移相器３００の占める構造的な領域が縮小されるため、サイズを大幅に縮小し得るという効果がある。
また、図１(D)に示した本発明に係る能動型スマートアンテナシステムの第４実施形態は、図１(C)のベアチップ状の電子スイッチ６０を、ワイヤボンディング技法でないフリップチップボンディング技法により、高抵抗基板１０の上面に形成された複数の信号電極３０と接続されるように形成したものである。
このように構成された本発明に係る能動型スマートアンテナシステムの第４実施形態においては、複数のインダクタ４０を高抵抗基板１０の内部に積層し、ベアチップ状の電子スイッチ６０をフリップチップボンディング技法により高抵抗基板１０の上面に形成された複数の信号電極３０と接続することで、移相器３００の占める構造的な領域が縮小されるだけでなく、構造的に安定で不良率が少ないため、製造費用が低減される。
そして、図１(E)及び図１(F)に示した本発明に係る能動型スマートアンテナシステムの第５及び第６実施形態は、ベアチップ状の電子スイッチ６０を保護するため、該当の素子が位置された部分にエポキシのようなポリマー保護物質(Polymeric Protection Material)９０をコーティング又は硬化したものである。従って、構造的に安定した能動型スマートアンテナシステムを構成することができる。ここで、前記ポリマー保護物質９０は、ベアチップ状の電子スイッチ６０のように物理的に脆弱な部分を補強するために部分的に適用することができるし、高抵抗基板１０の全面に適用することもできる。
以下、製造費用を低減するため、信号電極３０及びインダクタ４０を高抵抗基板１０の上面にのみ形成した、本発明に係る能動型スマートアンテナシステムについて説明する。
即ち、図１(G)及び図１(H)に示した本発明に係る能動型スマートアンテナシステムの第７及び第８実施形態は、高抵抗基板１０に貫通ホールを穿孔形成するか、又はインダクタ４０を積層することなく、信号電極３０及びインダクタ４０を高抵抗基板１０の上面にのみ形成したものである。従って、高抵抗基板１０の製造費用及び製造時間を減らし得るという効果がある。
以下、ベアチップ状の電子スイッチ６０及びトランジスタ８０の高さにより発生するリードインダクタンスを減少し得る、本発明に係る能動型スマートアンテナシステムについて説明する。
図１(I)に示した本発明に係る能動型スマートアンテナシステム第９実施形態は、ベアチップ状の電子スイッチ６０及びトランジスタ８０を設置すべき部分の高抵抗基板１０を予め決定された深さだけエッチングした後、それらエッチングされた部分にベアチップ状の電子スイッチ６０及びトランジスタ８０をそれぞれ設けたものである。従って、ベアチップ状の電子スイッチ６０及びトランジスタ８０と信号電極３０間の間隔が狭くなるため、リードインダクタンスの減少による性能向上を期待することができる。
図１Ａは、本発明に係る能動型スマートアンテナシステムの第１実施形態の構造を示す断面図である。 図１Ｂは、本発明に係る能動型スマートアンテナシステムの第２実施形態の構造を示す断面図である。 図１Ｃは、本発明に係る能動型スマートアンテナシステムの第３実施形態の構造を示す断面図である。 図１Ｄは、本発明に係る能動型スマートアンテナシステムの第４実施形態の構造を示す断面図である。 図１Ｅは、本発明に係る能動型スマートアンテナシステムの第５実施形態の構造を示す断面図である。 図１Ｆは、本発明に係る能動型スマートアンテナシステムの第６実施形態の構造を示す断面図である。 図１Ｇは、本発明に係る能動型スマートアンテナシステムの第７実施形態の構造を示す断面図である。 図１Ｈは、本発明に係る能動型スマートアンテナシステムの第８実施形態の構造を示す断面図である。 図１Ｉは、本発明に係る能動型スマートアンテナシステムの第９実施形態の構造を示す断面図である。 一般の能動型スマートアンテナシステムの構造を示したブロック図である。
符号の説明
１００：アンテナ
２００：低雑音増幅器
３００：移相器
１０：高抵抗基板
２０：アンテナ構造物
３０：信号電極
３０A：貫通信号電極
４０：インダクタ
５０：接地電極
５０A：貫通接地電極
６０：電子スイッチ
６０A、８０A：ボンディングワイヤ
７０：キャパシタ
８０：トランジスタ
９０：ポリマー保護物質

Claims (29)

  1. 信号を受信するアンテナと、該アンテナを通して受信された信号の雑音が最小化されるように該信号を増幅する低雑音増幅器と、該低雑音増幅器により増幅された信号の位相を制御する移相器とが、一つの高抵抗基板上に構成されることを特徴とする能動型スマートアンテナシステム。
  2. 前記高抵抗基板は、
    高抵抗セラミック基板、高抵抗シリコン基板及び印刷回路基板中の、何れか一つであることを特徴とする請求項１記載の能動型スマートアンテナシステム。
  3. 前記高抵抗基板は、
    該高抵抗基板の上面と下面間を電気的に接続する信号電極を有する両面基板であることを特徴とする請求項２記載の能動型スマートアンテナシステム。
  4. 前記アンテナは、
    パッチアンテナ又はスロットアンテナであることを特徴とする請求項２記載の能動型スマートアンテナシステム。
  5. 前記移相器は、
    前記同様な導電体から形成された複数の信号電極、接地電極及びインダクタ、並びに、前記信号電極に接続される電子スイッチ及びキャパシタから構成されることを特徴とする請求項２記載の能動型スマートアンテナシステム。
  6. 前記インダクタは、
    微細電子機械システム技法により、ストリップライン構造又は螺旋型構造に形成されることを特徴とする請求項５記載の能動型スマートアンテナシステム。
  7. 前記電子スイッチは、
    前記信号電極とボンディングワイヤにより接続されるベアチップ状に形成されることを特徴とする請求項５記載の能動型スマートアンテナシステム。
  8. 前記電子スイッチを保護するポリマー保護物質が、更に包含されることを特徴とする請求項７記載の能動型スマートアンテナシステム。
  9. 前記電子スイッチは、
    前記高抵抗基板の一部分をエッチングした後、該エッチングされた部分に形成されることを特徴とする請求項５記載の能動型スマートアンテナシステム。
  10. 前記電子スイッチは、
    前記信号電極とフリップチップボンディング技法により接続され、ベアチップ状に形成されることを特徴とする請求項５記載の能動型スマートアンテナシステム。
  11. 前記電子スイッチを保護するポリマー保護物質が、更に包含されることを特徴とする請求項１０記載の能動型スマートアンテナシステム。
  12. 前記低雑音増幅器は、
    前記信号電極とボンディングワイヤにより接続され、ベアチップ状に形成されることを特徴とする請求項１又は２記載の能動型スマートアンテナシステム。
  13. 前記低雑音増幅器は、
    前記信号電極とフリップチップボンディング技法により接続され、ベアチップ状に形成されることを特徴とする請求項１又は２記載の能動型スマートアンテナシステム。
  14. 前記高抵抗基板は、
    エポキシ印刷回路基板、テフロン（登録商標）印刷回路基板及びLTCC印刷回路基板中の、何れか一つであることを特徴とする請求項１記載の能動型スマートアンテナシステム。
  15. 前記移相器は、
    前記同様な導電体から形成された複数の信号電極、接地電極及びインダクタ、並びに、前記信号電極に接続される電子スイッチ及びキャパシタから形成されることを特徴とする請求項１１記載の能動型スマートアンテナシステム。
  16. 前記インダクタは、
    前記高抵抗基板の内部に積層して形成されることを特徴とする請求項１５記載の能動型スマートアンテナシステム。
  17. 信号を受信するアンテナと、該アンテナを通して受信された信号の雑音が最小化されるように該信号を増幅する低雑音増幅器と、該低雑音増幅器により増幅された信号の位相を制御する移相器と、を一つの高抵抗基板上に構成することを特徴とする能動型スマートアンテナシステムの製造方法。
  18. 前記高抵抗基板は、
    高抵抗セラミック基板、高抵抗シリコン基板及び印刷回路基板中の、何れか一つであることを特徴とする請求項１７記載の能動型スマートアンテナシステムの製造方法。
  19. 前記高抵抗基板は、
    該高抵抗基板の上面と下面間を電気的に接続する信号電極を有する両面基板であることを特徴とする請求項１８記載の能動型スマートアンテナシステムの製造方法。
  20. 前記一つの高抵抗基板の上面に導電体層を均一に形成する段階と、
    前記形成された導電体層をパターニングして複数の信号電極、接地電極及びインダクタを形成する段階と、
    前記形成された信号電極に接続される電子スイッチ及びキャパシタをそれぞれ前記接地電極及び信号電極の上面に形成する段階と、
    を包含することを特徴とする請求項１８記載の能動型スマートアンテナシステムの製造方法。
  21. 前記電子スイッチは、
    前記信号電極とボンディングワイヤにより接続され、ベアチップ状に形成されることを特徴とする請求項２０記載の能動型スマートアンテナシステムの製造方法。
  22. 前記電子スイッチを保護するポリマー保護物質を形成する段階を、更に包含することを特徴とする請求項２１記載の能動型スマートアンテナシステムの製造方法。
  23. 前記電子スイッチは、
    前記信号電極とフリップチップボンディング技法により接続され、ベアチップ状に形成されることを特徴とする請求項２０記載の能動型スマートアンテナシステムの製造方法。
  24. 前記電子スイッチを保護するポリマー保護物質を形成する段階を、更に包含することを特徴とする請求項２３記載の能動型スマートアンテナシステムの製造方法。
  25. 前記電子スイッチは、
    前記高抵抗基板の一部分をエッチングした後、該エッチングされた部分に形成されることを特徴とする請求項２０、２１及び２３の何れか一つに記載の能動型スマートアンテナシステムの製造方法。
  26. 前記形成された電子スイッチを保護するポリマー保護物質を形成する段階を、更に包含することを特徴とする請求項２５記載の能動型スマートアンテナシステムの製造方法。
  27. 前記形成された導電体層をパターニングしてアンテナを形成する段階を、更に包含することを特徴とする請求項２０記載の能動型スマートアンテナシステムの製造方法。
  28. 前記アンテナは、
    パッチアンテナ又はスロットアンテナであることを特徴とする請求項２７記載の能動型スマートアンテナシステムの製造方法。
  29. 前記形成された信号電極に接続される低雑音増幅器を形成する段階を、更に包含することを特徴とする請求項２０記載の能動型スマートアンテナシステムの製造方法。

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