JP2006279493A

JP2006279493A - Antenna system

Info

Publication number: JP2006279493A
Application number: JP2005095133A
Authority: JP
Inventors: Yoshiki Ono; 新樹大野
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-03-29
Filing date: 2005-03-29
Publication date: 2006-10-12

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain an antenna system with a MEMS device which suppresses the degradation of the antenna characteristics due to the bias line for driving the MEMS device. <P>SOLUTION: The antenna system is provided with an element antenna conductor formed on a dielectric board, the MEMS device, a bias line conductor for driving the MEMS device, and a sealing cover for protecting the MEMS device. Further, the antenna system is constituted such that the element antenna conductor is grounded and the bias line conductor for driving the MEMS device of the element antenna with sealing structure is connected to a bias power supply out of the sealing region. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

この発明は、半導体微細加工技術を用いて製造される電気的或いは機械的なデバイスを製造する技術であるMicro-Electro Mechanical Systems（以下ＭＥＭＳと記す。）技術を適用したスイッチを具備するマイクロ波やミリ波等のアンテナ装置に関するものである。 The present invention relates to a microwave including a switch to which a micro-electro mechanical systems (hereinafter referred to as MEMS) technology, which is a technology for manufacturing an electrical or mechanical device manufactured using a semiconductor microfabrication technology, is applied. The present invention relates to an antenna device such as a millimeter wave.

ＭＥＭＳ技術を適用したアンテナ装置は、例えば米国特許US 6198438 fig.1.のようにＭＥＭＳ技術により製造されたスイッチ（以下ＭＥＭＳスイッチと記す）を微小パッチ導体間に配置した構成が示されており、ＭＥＭＳスイッチのＯＮ／ＯＦＦによりアンテナの動作周波数を可変することが可能である。具体的な適用ＭＥＭＳスイッチとしては、非特許文献１に示される構造の小型なＭＥＭＳスイッチがある。 The antenna device to which the MEMS technology is applied has a configuration in which a switch (hereinafter referred to as a MEMS switch) manufactured by the MEMS technology, for example, as shown in US Patent US 6198438 fig.1. The operating frequency of the antenna can be varied by turning on / off the MEMS switch. As a specific applied MEMS switch, there is a small MEMS switch having a structure shown in Non-Patent Document 1.

上記ＭＥＭＳスイッチは、スイッチをＯＮ／ＯＦＦ駆動するためのバイアス電極をスイッチの下部に有し、前記電極とスイッチ間に外部より適当な電位差を与えることにより発生する静電力により、スイッチ端子のＯＮ／ＯＦＦ駆動を制御する。多くの場合においては、バイアス電極を地導体へ接続し、スイッチと地導体との間に生じる電位差を付与する手法がとられている。 The MEMS switch has a bias electrode for driving the switch ON / OFF at a lower part of the switch, and the switch terminal is turned ON / OFF by an electrostatic force generated by applying an appropriate potential difference from the outside between the electrode and the switch. Controls OFF driving. In many cases, a technique is used in which a bias electrode is connected to a ground conductor to provide a potential difference generated between the switch and the ground conductor.

また、上記ＭＥＭＳスイッチは、非特許文献２によれば湿気や埃等による誤動作や故障を防止することを目的として、防湿用及び防塵用に気密封止を行う必要があり、シリコンやガラスパッケージ等による封止の手法が示されている。 Further, according to Non-Patent Document 2, the MEMS switch needs to be hermetically sealed for moisture and dust for the purpose of preventing malfunction and failure due to moisture, dust, etc., such as silicon or glass package The sealing method by is shown.

US 6198438（Fig.1）US 6198438 (Fig.1) GABRIEL M.REBEIZ “RF−MEMS, THEORY,DESIGN AND TECHNOLOGY”, Wiley−interscience. P 109 Fig.4.12GABRIEL M.REBEIZ “RF-MEMS, THEORY, DESIGN AND TECHNOLOGY”, Wiley-interscience. P 109 Fig.4.12 GABRIEL M.REBEIZ “RF−MEMS, THEORY,DESIGN AND TECHNOLOGY”, Wiley−interscience. PP 157 184.GABRIEL M. REBEIZ “RF-MEMS, THEORY, DESIGN AND TECHNOLOGY”, Wiley-interscience. PP 157 184.

ＭＥＭＳ技術を適用したＭＥＭＳスイッチを複数具備するアンテナ装置において、ＭＥＭＳスイッチを駆動する為の電力を供給するためのバイアス電極を有するバイアス線はスイッチの下部を通るように配線される。また、アンテナ方式にマイクロストリップアンテナ等の地導体を有するアンテナを用いた場合においては、バイアス電極をアンテナの地導体へ接地する構成とする。このような構成とした場合、アンテナ上を流れるマイクロ波の電流経路と地導体との間隔がＭＥＭＳスイッチ部分において急激に近くなる為、アンテナの特性を劣化させる原因となる。 In an antenna apparatus including a plurality of MEMS switches to which MEMS technology is applied, a bias line having a bias electrode for supplying power for driving the MEMS switch is wired so as to pass through the lower part of the switch. When an antenna having a ground conductor such as a microstrip antenna is used for the antenna system, the bias electrode is grounded to the ground conductor of the antenna. In such a configuration, the distance between the current path of the microwave flowing on the antenna and the ground conductor is abruptly close in the MEMS switch portion, which causes the antenna characteristics to deteriorate.

また、ＭＥＭＳスイッチを複数具備するアンテナ装置を複数配置するアレーアンテナにおいては、各素子アンテナ毎にスイッチを制御するバイアス線が必要となり、配線が複雑となるという問題点もある。 Further, in an array antenna in which a plurality of antenna devices having a plurality of MEMS switches are arranged, a bias line for controlling the switch is required for each element antenna, and there is a problem that wiring is complicated.

この発明は上記のような問題点を解決するためになされたもので、スイッチを駆動するバイアス線によるアンテナの特性劣化を抑圧しつつ、可変特性を有するアンテナを得ることを目的とする。また、複数の素子アンテナへのバイアス線の接続構成を明確にすることも目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to obtain an antenna having variable characteristics while suppressing deterioration of the characteristics of the antenna due to a bias line for driving a switch. Another object is to clarify the connection configuration of bias lines to a plurality of element antennas.

この発明のアンテナ装置は、誘電体基板上に形成される素子アンテナ導体と、上記素子アンテナ導体に接続された１つ以上のＭＥＭＳデバイスと、上記ＭＥＭＳデバイスの駆動により上記素子アンテナ導体と接続される１つ以上の延伸用素子アンテナ導体と、上記素子アンテナ導体の中心を接地面に接続するセンターショートピンと、上記素子アンテナに給電する給電点とを有する素子アンテナと、
上記ＭＥＭＳデバイスを収容する封止カバーと、
上記ＭＥＭＳデバイスを駆動するバイアス電圧またはバイアス電流を供給し、上記誘電体基板上に形成されたバイアス線導体と、
上記ＭＥＭＳデバイスを駆動するバイアス電源と、
上記バイアス電源と上記バイアス線導体とを接続する配線とを備え、
上記バイアス線導体を封止カバーによって封止される領域外へ延伸し、上記バイアス線導体を封止領域外にて上記配線に接続したものである。 The antenna device according to the present invention is connected to the element antenna conductor formed on a dielectric substrate, one or more MEMS devices connected to the element antenna conductor, and the element antenna conductor by driving the MEMS device. An element antenna having one or more extending element antenna conductors, a center short pin that connects the center of the element antenna conductor to a ground plane, and a feeding point that feeds the element antenna;
A sealing cover for accommodating the MEMS device;
Supplying a bias voltage or a bias current for driving the MEMS device, and a bias line conductor formed on the dielectric substrate;
A bias power source for driving the MEMS device;
A wiring for connecting the bias power source and the bias line conductor;
The bias line conductor is extended outside a region sealed by a sealing cover, and the bias line conductor is connected to the wiring outside the sealing region.

この発明は素子アンテナ導体を接地し、封止構造を有する素子アンテナのＭＥＭＳデバイス駆動用バイアス線導体を封止領域外にてバイアス電源と接続することによって、スイッチを駆動するバイアス線によるアンテナの特性劣化を抑圧しつつ、可変特性を有するアンテナを得ることができ、複数の素子アンテナへのバイアス線の接続構成を明確にすることが可能になる。 The present invention grounds the element antenna conductor, and connects the bias line conductor for driving the MEMS device of the element antenna having the sealing structure to the bias power source outside the sealing region, so that the characteristics of the antenna by the bias line for driving the switch are obtained. An antenna having variable characteristics can be obtained while suppressing deterioration, and the connection configuration of bias lines to a plurality of element antennas can be clarified.

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１を示すアンテナ装置の構成図、図２は図１におけるアンテナ装置のＡ−Ａ’断面構成図である。説明の都合上、図１のカバーは開口させている。
図において、１は誘電体基板、２は誘電体基板１上に形成された素子アンテナ導体、３はＭＥＭＳスイッチにより上記素子アンテナ導体２に接続される延長用素子アンテナ導体、４はＭＥＭＳスイッチ、５は誘電体基板上に形成されたＭＥＭＳスイッチを駆動する為のバイアス電極を一方の端末に有するバイアス線導体、６はアンテナ給電点、７はセンターショートピン、８は気密用アンテナ封止用カバー、９はＭＥＭＳスイッチを駆動するバイアス用電源、１０はバイアス用電源９とバイアス線導体５とを接続する配線、１１は地導体である。ＭＥＭＳスイッチ４の一端縁は素子アンテナ導体２に接続されている。バイアス線導体５のバイアス電極がＭＥＭＳスイッチ４の下部に配置される。 Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a configuration diagram of an antenna device showing Embodiment 1 of the present invention, and FIG. For convenience of explanation, the cover of FIG. 1 is opened.
In the figure, 1 is a dielectric substrate, 2 is an element antenna conductor formed on the dielectric substrate 1, 3 is an extension element antenna conductor connected to the element antenna conductor 2 by a MEMS switch, 4 is a MEMS switch, 5 Is a bias line conductor having a bias electrode on one end for driving a MEMS switch formed on a dielectric substrate, 6 is an antenna feeding point, 7 is a center short pin, 8 is an airtight antenna sealing cover, Reference numeral 9 is a bias power source for driving the MEMS switch, 10 is a wiring connecting the bias power source 9 and the bias line conductor 5, and 11 is a ground conductor. One end edge of the MEMS switch 4 is connected to the element antenna conductor 2. A bias electrode of the bias line conductor 5 is disposed below the MEMS switch 4.

図１のように構成されたアンテナ装置において、バイアス用電源９から上記バイアス電源と誘電体基板上に形成されたバイアス線導体５とを接続する配線１０と、アンテナ上に構成されたＭＥＭＳスイッチ４ａ乃至４ｆに封止用カバーの外まで接続されているバイアス線導体５ａ乃至５ｂとを介して駆動に必要な静電力を発生させる電圧を封止領域外から印加することにより、上記ＭＥＭＳスイッチはＯＮ／ＯＦＦ状態を変移する。 In the antenna device configured as shown in FIG. 1, a wiring 10 that connects the bias power source 9 to the bias power source and the bias line conductor 5 formed on the dielectric substrate, and a MEMS switch 4a configured on the antenna. The MEMS switch is turned on by applying a voltage that generates an electrostatic force necessary for driving from the outside of the sealing region through the bias line conductors 5a to 5b connected to the outside of the sealing cover to 4f. Change the / OFF state.

ＭＥＭＳスイッチ４ａ乃至４ｆがＯＦＦの状態の時においては、素子アンテナ導体２の開口面積で共振する周波数にて、アンテナは動作する。また、ＭＥＭＳスイッチ４ａ乃至４ｆがＯＮの状態の時においては、ＭＥＭＳスイッチ４がバイアス線導体５のバイアス電極に吸引されて、ＭＥＭＳスイッチ４の他端縁が延長用素子アンテナ導体３ａ乃至３ｂに接触し、素子アンテナ導体２と延長用素子アンテナ導体３ａ乃至３ｂとが電気的に接続される。したがって、素子アンテナ導体２と延長用素子アンテナ導体３ａ乃至３ｂを合わせた開口面積で共振する周波数にて、アンテナは励振動作する。以上のようにバイアス線導体５ａ乃至５ｂに駆動電圧を印加することにより、複数のＭＥＭＳスイッチのＯＮ／ＯＦＦに合わせてアンテナ上を流れるマイクロ波の電流経路が変化し、アンテナの動作周波数が変化する。なお、ＯＮ状態のときでも、ＭＥＭＳスイッチ４とバイアス線導体５のバイアス電極とは接触しない。ＭＥＭＳスイッチのＯＮ状態とＯＦＦ状態の切替えは、バイアス用電源９からバイアス線導体５への、通電のＯＮ／ＯＦＦを切替えることによって行う。 When the MEMS switches 4a to 4f are in the OFF state, the antenna operates at a frequency that resonates in the opening area of the element antenna conductor 2. When the MEMS switches 4a to 4f are in the ON state, the MEMS switch 4 is attracted to the bias electrode of the bias line conductor 5, and the other end edge of the MEMS switch 4 contacts the extension element antenna conductors 3a to 3b. The element antenna conductor 2 and the extension element antenna conductors 3a to 3b are electrically connected. Therefore, the antenna performs an excitation operation at a frequency at which the element antenna conductor 2 and the extending element antenna conductors 3a to 3b are resonated in the opening area. As described above, by applying the drive voltage to the bias line conductors 5a to 5b, the current path of the microwave flowing on the antenna changes in accordance with ON / OFF of the plurality of MEMS switches, and the operating frequency of the antenna changes. . Even in the ON state, the MEMS switch 4 and the bias electrode of the bias line conductor 5 are not in contact with each other. The MEMS switch is switched between the ON state and the OFF state by switching ON / OFF of energization from the bias power source 9 to the bias line conductor 5.

前述の様に動作する素子アンテナは、マイクロストリップアンテナとして動作するため、素子アンテナ導体２の中央における電位は０ボルトである。このため誘電体基板１を貫通する穴を有するセンターショートピン７を素子アンテナ導体２の中央に構成しても素子アンテナの諸特性への影響はなく、良好なアンテナ特性を有する。また、ＭＥＭＳスイッチ４ａ乃至４ｆのＯＮ／ＯＦＦに係らず素子アンテナ導体２の直流成分は地導体１１と同電位となる。 Since the element antenna operating as described above operates as a microstrip antenna, the potential at the center of the element antenna conductor 2 is 0 volts. For this reason, even if the center short pin 7 having a hole penetrating the dielectric substrate 1 is formed in the center of the element antenna conductor 2, the characteristics of the element antenna are not affected, and the antenna characteristic is good. Further, the DC component of the element antenna conductor 2 has the same potential as that of the ground conductor 11 regardless of whether the MEMS switches 4a to 4f are turned on or off.

スイッチ４を駆動するバイアス電極に地導体１１に対して駆動電圧分高い電圧、或いは低い電圧を印加した場合、ＭＥＭＳスイッチ４は駆動しＯＮ状態に変移する。この時バイアス電極によるマイクロ波への影響は、バイアス電極が浮遊導体と等価となり、スイッチ下部のバイアス電極が地導体と分離されるため、ＭＥＭＳスイッチ部において地導体の近接による特性劣化が解消され、アンテナ特性の劣化を抑制することが可能となる。 When a high voltage or a low voltage corresponding to the drive voltage is applied to the ground electrode 11 to the bias electrode that drives the switch 4, the MEMS switch 4 is driven and changes to the ON state. At this time, the influence of the bias electrode on the microwave is equivalent to the floating conductor, and the bias electrode under the switch is separated from the ground conductor, so the characteristic deterioration due to the proximity of the ground conductor is eliminated in the MEMS switch part, It becomes possible to suppress degradation of the antenna characteristics.

また、封止領域外において、バイアス線導体５と、バイアス電源９に接続される配線１０とを接続する構成とすることにより、素子アンテナから接続部位までの距離が遠くなる為、アンテナ特性への影響が軽微となり、アンテナ特性の劣化を抑圧することができる。 In addition, since the bias line conductor 5 and the wiring 10 connected to the bias power source 9 are connected outside the sealing region, the distance from the element antenna to the connection site is increased. The influence becomes minor and the deterioration of the antenna characteristics can be suppressed.

また、本実施の形態では誘電体基板上に形成されたバイアス線導体５が２本引き出された構成となっているが、バイアス線導体５ａ及び５ｂを誘電体基板上に形成された導体にて接続され、バイアス電源９と接続する配線１０との接続を１点としたアンテナ構成であってもアンテナ特性の劣化を抑圧することができることは云うまでもない。 In the present embodiment, two bias line conductors 5 formed on the dielectric substrate are drawn, but the bias line conductors 5a and 5b are made of conductors formed on the dielectric substrate. It goes without saying that even if the antenna configuration is connected and connected to the wiring 10 connected to the bias power source 9, the deterioration of the antenna characteristics can be suppressed.

また、本実施の形態では、ＭＥＭＳスイッチ４のスイッチ数と上記ＭＥＭＳスイッチ４を駆動するバイアス線導体の本数とが不一致であるが、同一の数量のアンテナ構成であっても同様な効果が得られることは云うまでもない。 Further, in this embodiment, the number of switches of the MEMS switch 4 and the number of bias line conductors that drive the MEMS switch 4 are inconsistent, but the same effect can be obtained even with the same number of antenna configurations. Needless to say.

実施の形態２．
以上の実施の形態では、誘電体基板上に形成したＭＥＭＳスイッチを駆動するバイアス電極を有するバイアス線導体５を導体線とのみしているが、本バイアス線導体を窒化タンタル等の高抵抗導電性素材により形成したバイアス線導体５を有する構成としたものである。以上のような構成とすることにより、ＭＥＭＳスイッチ４においてマイクロ波電流が駆動用バイアス電極を介してバイアス線導体５へ結合した場合にバイアス線導体での共振による不要放射の抑圧が可能となり、アンテナ放射パターンへの影響を低減することが可能である。 Embodiment 2. FIG.
In the above embodiment, the bias line conductor 5 having the bias electrode for driving the MEMS switch formed on the dielectric substrate is only a conductor line. However, the bias line conductor is a high resistance conductive material such as tantalum nitride. The bias line conductor 5 is made of a material. With the above configuration, when the microwave current is coupled to the bias line conductor 5 via the drive bias electrode in the MEMS switch 4, it becomes possible to suppress unnecessary radiation due to resonance in the bias line conductor. It is possible to reduce the influence on the radiation pattern.

実施の形態３．
実施の形態１及び実施の形態２では、１つの素子アンテナに誘電体基板上に形成されたバイアス線導体５に対してバイアス電源９と接続する配線１０を接続する構成としているが、素子アンテナ導体と複数のＭＥＭＳスイッチと１つ以上の延長用素子アンテナ導体とを具備する素子アンテナを複数個配置したアレーアンテナにおいて、同時に駆動するＭＥＭＳスイッチに接続されるバイアス線導体を接続し、バイアス電源９と接続する配線１０との接続数を削減したアンテナ構成とする実施の形態を示す。 Embodiment 3 FIG.
In the first and second embodiments, the wiring 10 connected to the bias power source 9 is connected to the bias line conductor 5 formed on the dielectric substrate in one element antenna. A bias line conductor connected to a MEMS switch that is driven at the same time in an array antenna in which a plurality of element antennas including a plurality of MEMS switches and one or more extension element antenna conductors are arranged; An embodiment in which the number of connections with the wiring 10 to be connected is reduced is shown.

図３は実施の形態３の構成例であり、素子アンテナ導体と複数のＭＥＭＳスイッチと１つ以上の延長用素子アンテナ導体とを具備する素子アンテナ１２ａ、１２ｂ、及び１２ｃを１つの誘電体基板上に形成した場合であり、封止領域８ａ、８ｂ及び８ｃの外側にて各素子アンテナに接続されるバイアス線導体を１つに接続し、配線１０を介してバイアス電源９と接続した構成である。 FIG. 3 shows a configuration example of the third embodiment. Element antennas 12a, 12b, and 12c each including an element antenna conductor, a plurality of MEMS switches, and one or more extension element antenna conductors are arranged on one dielectric substrate. The bias line conductor connected to each element antenna is connected to one outside the sealing regions 8a, 8b and 8c, and is connected to the bias power source 9 via the wiring 10. .

以上のような構成とすることにより、アンテナ特性の劣化を抑圧することができ、さらに各素子アンテナに接続されるバイアス線導体とバイアス電源とを接続する配線１０の数を３分の１に削減することにより、バイアス線導体の複雑な配線を回避することが可能となる。 By adopting the configuration as described above, it is possible to suppress the deterioration of the antenna characteristics, and further reduce the number of wirings 10 connecting the bias line conductor and the bias power source connected to each element antenna to one third. This makes it possible to avoid complicated wiring of the bias line conductor.

また、本実施の形態では、各素子アンテナに接続されるバイアス線導体を１本の導体線に纏めているが、同時に駆動するＭＥＭＳスイッチ毎に導体線を纏めて、バイアス電源と接続する構成としても、配線１０の本数を削減する同様な効果が得られることは云うまでもない。 In this embodiment, the bias line conductors connected to each element antenna are combined into one conductor line. However, the conductor lines are combined for each MEMS switch that is driven simultaneously and connected to the bias power source. However, it goes without saying that the same effect of reducing the number of wirings 10 can be obtained.

また、本実施の形態では、３個の素子アンテナを誘電体基板上に形成する構成としているが、３素子以外の複数の素子アンテナを１つの誘電体基板上に形成する構成としても同様な効果が得られることは云うまでもない。 In this embodiment, three element antennas are formed on the dielectric substrate. However, the same effect can be obtained when a plurality of element antennas other than the three elements are formed on one dielectric substrate. Needless to say, is obtained.

この発明の実施の形態１を示すアンテナ装置の構成図である。It is a block diagram of the antenna apparatus which shows Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態１における図１に示すアンテナ装置の構成断面図である。It is a structure sectional view of the antenna apparatus shown in FIG. 1 in Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態３を示すアンテナ装置の構成図である。It is a block diagram of the antenna apparatus which shows Embodiment 3 of this invention.

Explanation of symbols

１誘電体基板、２素子アンテナ導体、３延長用素子アンテナ導体、４ＭＥＭＳスイッチ、５バイアス線導体、６アンテナ給電点、７センターショートピン、８気密用アンテナ封止用カバー、９バイアス用電源、１０バイアス用電源とバイアス線とを接続する配線、１１地導体、１２素子アンテナ導体と延長用素子アンテナ導体とＭＥＭＳスイッチを有する素子アンテナ。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Dielectric substrate, 2 element antenna conductor, 3 Extension element antenna conductor, 4 MEMS switch, 5 Bias line conductor, 6 Antenna feed point, 7 Center short pin, 8 Airtight antenna sealing cover, 9 Bias power supply, 10 Wiring for connecting a bias power source and a bias line, 11 Ground conductor, 12 Element antenna conductor, extending element antenna conductor, and element antenna having MEMS switch.

Claims

An element antenna conductor formed on a dielectric substrate;
One or more MEMS devices connected to the element antenna conductor;
One or more extending element antenna conductors connected to the element antenna conductor by driving the MEMS device;
A center short pin connecting the center of the element antenna conductor to the ground plane;
An element antenna having a feeding point for feeding power to the element antenna;
A sealing cover for accommodating the MEMS device;
Supplying a bias voltage or a bias current for driving the MEMS device, and a bias line conductor formed on the dielectric substrate;
A bias power source for driving the MEMS device;
A wiring for connecting the bias power source and the bias line conductor;
An antenna device, wherein the bias line conductor is extended outside a region sealed by a sealing cover, and the bias line conductor is connected to the wiring outside the sealing region.

2. The antenna device according to claim 1, wherein the bias line conductor is formed of a high resistance conductor.

In a plurality of element antennas and bias line conductors formed on a dielectric substrate, a plurality of bias line conductors extending outside the sealing region are combined into one or more and connected to the wiring outside the sealing region. The antenna device according to claim 1 or 2, wherein