JP2007507984A - 低損失無線周波数ｍｅｍベース移相器 - Google Patents

Abstract

無線周波数ＭＥＭスイッチ・モジュールと受動位相遅延シフタ回路とのハイブリッド回路移相器アセンブリは、低損失で好ましくはフリップチップの相互接続技術を用いる。このハイブリッド回路アセンブリ・アプローチでは、ＭＥＭスイッチ・モジュールの製造と受動位相遅延回路の製造とを分離することにより、プロセスの非互換性や歩留りの低さを回避し、実質的な製造コストの低減を可能にする。本発明の別の側面では、複数の放射要素のそれぞれの背後においてＭＥＭベースのハイブリッド回路移相器アセンブリの共通基板を統合することにより、コンパクトで低コストの電子走査式アンテナ・アレイが提供される。

Description

本発明は、広くは、電子的に走査される位相アレイ・アンテナに関し、更に詳しくは、低損失で無線周波数（ＲＦ）電子機械式（ＭＥＭ）スイッチを組み入れた移相器回路に関する。

複数要素すなわちアレイ式のアンテナのビームは、アレイのそれぞれの要素において放射された信号に適切な位相シフトを挿入することによって、所定の角度で伝播されうる。
図１は、電子ビーム・ステアリングを用いた従来型のフェーズド・アレイ・アンテナ１０の１つのローの簡略化された図であり、完全な平面フェーズド・アレイ・アンテナは、このようなローを多数有する。アンテナ１０は、複数の放射要素１２を含み、これら放射要素は、それぞれが、それ自身の移相器（位相調整器、位相シフタ）１４を有する。送信信号を運ぶ入力線１６は、それぞれの移相器１４に結合され、それぞれの移相シフタは、送信信号がその移相器を通過する際に送信信号に位相シフトを与える。位相シフトされた送信信号は、次に、ビームの伝播のために放射要素１２に結合される。様々なタイプの移相器１４が開発されてきており、線路切替型（switched-line）移相器、反射線路型移相器（reflection-line）、負荷線路型（loaded-line）移相器などが含まれる。

切替線路型移相器の例には、トゥルー・タイム・ディレイ（ＴＴＤ）移相器回路があり、この回路では、高速電子スイッチを用いて離散的な長さの伝送線を選択的に挿入及び除去することによって、ビームを電子的に走査する高速の位相変化が得られる。例えば、カスケード型のスイッチ配列により、相対的に少数の予め選択された伝送線の長さが、様々な組合せで直接接続され、相当な数の離散的な遅延が提供される。このようにして、カスケード型の４ビット切替型移相器は、１６の異なった位相シフトのレベルを、伝播される信号に挿入することができる。

分離及び挿入損失特性が優れていることにより、無線周波数ＭＥＭスイッチは、高性能の電子走査式アンテナを実現するのに有用である。しかし、従来型のＭＥＭベースのＴＴＤ移相器は、処理互換性、コスト及びパッケージングに関する問題を有するモノリシックなアーキテクチャを用いている。例えば、モノリシックなダイ面積のほとんどは容易に製造される受動金属遅延線で単純に構成されているが、モノリシックなアーキテクチャは、移相器回路の全体が、一連の複雑で複数レベルのＭＥＭスイッチ製造ステップを通じて処理されることを必要とする。この結果、低い歩留りと高い製品コストが生じるだけでなく、遅延線とＭＥＭスイッチとの製造プロセスにおける互換性欠如の結果として、用いることができる材料が制限される。

広くは、本発明は、低損失の好ましくはフリップチップ相互接続技術を用いて、無線周波数ＭＥＭスイッチ・モジュールと受動位相遅延シフタ回路とのハイブリッド回路アセンブリを提供する。このハイブリッド回路アセンブリ・アプローチは、ＭＥＭスイッチ・モジュールの製造を、受動位相遅延回路の製造から切り離すことにより、プロセスの非互換性及び歩留りの低さを回避して、相当な製造コストの低減を実現する。

既知のことであるが、ダイの周囲の外部にあるパターンへのボンディング・ワイヤやビーム・リードに依存するアセンブリ技術とは異なり、フリップチップ技術は、ダイ表面と基板表面との終端パッドの間に直接的な電気的接続を用いる。これらの相互接続導体の長さが短いことで、損失が低減し、回路性能が最適化され、基板面積のより効率的な使用が可能となる。

フリップチップ相互接続は、好ましくは、制御されたリフロー・ソルダリング操作によって同時に終端されるダイ・ボンディング・パッド位置のすべてにおけるソルダ・バンプによって構成される。あるいは、ソルダ・バンプの代わりに、この相互接続は、インジウム・カラム、メッキされたスルーホール、金属間の熱圧着、導電性ポリマなどで構成される。

本発明の別の側面では、複数の放射要素のそれぞれの背後で１つの共通の基板の上に上述のＭＥＭベースの移相器回路を集中させることで、コンパクトで低コストの電子走査式アンテナ・アレイが提供される。本発明の長所としては、挿入損失及び反射損失（リターン・ロス）が低いこと、電力消費が小さいこと、帯域幅が広いこと、より高度なアセンブリへの統合が容易であること、などがある。

本発明の更なる特徴及び効果は、当業者にとっては、以下の詳細な説明を添付の図面を参照して読むことにより明らかになるはずである。

本発明の好適実施例は、１又は複数の段を有するフェーズド・アレイ・アンテナ移相器を有し、それぞれの段は、２以上の受動位相遅延回路を有し、各段で遅延回路の切替式の選択を用いている。本発明による移相器は、それぞれの段仁尾カル所望の遅延回路を選択するのに低損失の無線周波数ＭＥＭスイッチを用いる。この出願において詳細に説明されている好適実施例ではＴＴＤ線路選択型移相器アーキテクチャが組み入れられているが、他の種類の受動素子（コンデンサやインダクタ）を組み入れた他の移相器アーキテクチャに本発明を応用できることは、この技術分野の当業者には明らかであろう。

図２及び図３に示された好適実施例は、１対のフリップチップＭＥＭスイッチ・モジュール２４、２６を有する２ビットのデジタル遅延線モジュール２２を含むハイブリッド移相器アセンブリ２０で構成されている。図２において最もよく見ることができるが、デジタル遅延線モジュール２２は、アルミナ、水晶又はマイクロ波セラミックなどの絶縁性材料か、あるいは、高抵抗性シリコン又はＧａＡｓなどの半絶縁性材料の上に構築されたベース基板２８を有する。基板２８の表面の上にパターニングされているのは、第１の遅延線段３２に結合された入力線３６に現れる送信信号（一般的に、アンテナのベース搬送波周波数）に累積的な時間遅延を挿入するための１対の直列接続された遅延線段３２及び３４である。より多くの段を用いて、ビーム・ステアリング分解能をより高くすることも可能である。

第１の時間遅延段３２は、ベース基板２８の上にパターニングされた２つの平面的なストリップ遅延線４０及び４２を含む。遅延線４０は１対の終端パッド４４及び４６を有し、同様に、遅延線４２は終端パッド４８及び５０を有する。これら２つの遅延線４０及び４２が異なる長さを有することにより、異なる時間遅延が送信信号に与えられる。遅延線４２は、例えばほとんどゼロである基準時間遅延を介在させることができる。時間遅延は、送信信号が２つの遅延線４０及び４２の一方を送信するのに要する時間に等しく、遅延線が長ければ長いほど、それだけ時間遅延が大きくなる。送信信号の位相は時間遅延に比例してシフトされる。

第１の時間遅延段３２と同様に、第２の時間遅延段３４波、ベース基板２８の上にパターニングされた２つの遅延線５２及び５４を有する。遅延線５２は１対の終端パッド５６及び５８を含み、同様に、遅延線５４は１対の終端パッド６０及び６２を有する。示されている例では、第２の段３４の遅延線５２は第１の段３２の遅延線４０よりも長く、他方で、第２の遅延線５４は遅延線４２と長さが同じであることにより同一の基準時間遅延が提供される。

図３を参照すると、第１の時間遅延段３２にある２つの遅延線４０、４２の一方が４つのＭＥＭ入力及び出力スイッチ７０−７３の２つを閉じることによって付勢され、選択された遅延線を全体の移相器の中へ接続する。入力スイッチ７０は、入力線終端パッド７６を遅延線４０の終端パッド４４と電気的に接続するように動作可能であり、入力スイッチ７１は、入力線端子７８を遅延線４２のパッド４８と電気的に接続する。同様に、出力スイッチ７２及び７３は、終端パッド４６及び５０を段の出力終端パッド８０及び８２とそれぞれ接続するように動作可能である。段の出力終端パッド８０及び８２は、遅延線段３２及び３４を相互接続する線８４に結合されている。

第２の時間遅延段３４では、第１の時間遅延段３２と同じように、追加的な位相シフトが、第２段のＭＥＭスイッチ・モジュール２６の中の入力及び出力スイッチをそれぞれ閉じることにより、送信信号に与えられる。第２の時間遅延段３４を通過した跡で、位相シフトされた信号は出力線８６に現れ、次に、追加的な時間遅延段（図示せず）を通過することもある。この追加的な時間遅延段では、より高い分解能のために、上述した２つの先行する時間遅延段と同じようにして、選択されたＭＥＭスイッチを閉じることにより、追加的な位相シフトを挿入することができる。

無線周波数ＭＥＭモジュール２４及び２６は、好ましくは、例えば、本発明の譲受人が有する米国特許第５，５７８，９７６号に開示されているタイプの金属接触スイッチで構成されている。この米国特許は、スイッチの構造及びその製造方法に関する開示事項について、この出願で援用する。しかし、代わりに他のＭＥＭスイッチを用いることができることも明らかである。

スイッチ７０を更に詳細に示しているＭＥＭモジュール２４の一部の簡略化された断面図が、図４に示されている。モジュール２４は、本発明において用いることが可能なＭＥＭモジュールの典型例を単に与えているだけであることを、理解すべきである。ＭＥＭモジュール２４に含まれているスイッチは、バルク・マイクロマシニング又は表面マイクロマシニングなど一般的に知られている微細製造技術を用いて、基板９０の上に形成される。図４にはＭＥＭモジュール２４が４つの別個のスイッチを含む例が図解されているが、この技術分野の当業者であれば、１又は複数のスイッチを含むＭＥＭモジュール構成を用いることが可能であることを理解するはずである。

ＭＥＭ基板９０の上側表面に形成されているのは、ベース基板の上にそれぞれ形成された終端パッド４４及び７６と垂直方向に整合した、１対の相互に離間した固定金属接点９２及び９４である。ＭＥＭモジュール２４とベース基板２８とは、フリップチップ・アセンブリを有する。更に詳しくは、接点９２及び９４は、ＭＥＭ基板９０を通過して延長するバイア９６及び９８と基板の反対側の電気的なフリップチップ相互接続１００及び１０２とによって、ベース基板の上の終端パッド４及び７６に電気的に接続されている。相互接続１００及び１０２は好ましくはソルダ・バンプによって構成されているが、それ以外の低損失フリップチップ相互接続技術を用いることができる。例えば、限定を意味しないが、インジウム・カラム、メッキされたスルーホール、金属間の熱圧着、導電性ポリマ結合などがある。固定された接点９２及び９４の上方に位置しその間のギャップをつないでいるのは、底面に金属製のブリッジ接点１０６を有する垂直方向に移動可能なアーム１０４である。アーム１０４は、ＭＥＭスイッチ技術において周知であり典型的には二酸化シリコン又は窒化シリコンなどの絶縁性材料で形成されたカンチレバー構造を有する。移動可能な接点１０６は、スイッチが付勢されるとき、固定された接点９２及び９４（従って、終端パッド４４及び７６）の間に電気的な連続性を提供する。図解されているＭＥＭスイッチ７０はオーミック接点型であり、閉じることにより導電性が提供されるのであるが、本発明は、閉じることにより信号を薄い絶縁層を通過させるように結合する容量型のスイッチを用いて実現することも可能である。簡単のために、移動可能な接点１０６が図４に示され、固定型の接点９２及び９４の間のギャップを直接にブリッジしている。実際の構造では、表面導体を用いて、バイア９６に対する接点９２の相対的な位置は任意でよい。更に、図４ではＭＥＭスイッチがＭＥＭ基板９０の上側表面にあり基板を通過するバイアを用いて相互接続される上向き構成が図解されているが、本発明は、スイッチ・モジュール２４と基板２８とが下向きのハイブリッド構成になっている場合も含む。下向きのハイブリッド構成の場合には、バイア９６及び９８のような基板を通過する導電性の経路は不要である。

ＭＥＭスイッチ７０は、適切な刺激が与えられるときに付勢される。例えば、静電的に付勢されるＭＥＭスイッチの場合には、移動可能接点と固定接点との間に駆動電圧が与えられる。この駆動電圧が移動可能接点１０６を固定接点９２及び９４と係合するように引き付ける静電気力を生じさせることにより、固定接点９２及び９４の間のギャップをブリッジし、これらの接点の間に導電性の経路を与え、従って、ベース基板の上の終端パッド４４及び７６の間に導電性の経路を与える。これ以外のスイッチ付勢技術を用いることもできる。限定を意味せずに例を挙げると、熱、圧電、電磁、気体バブル、ローレンツ力、表面張力、そして以上の組合せなどである。本発明は、これらの方法の任意のもの又はこの技術分野の当業者に既知のそれ以外の方法を用いて動作するスイッチを用いることができる。

図５及び６には、本発明による複数の移相器を組み入れた統合型の電子走査式アレイ・アンテナ１１０の実現例が示されている。図５及び６には、時間遅延された信号を対応するアンテナ要素又は放射器１１８−２１２に与える４つのハイブリッド移相器アセンブリ１１４−１１７を統合した１つのパッケージ１１２が示されている。このパッケージは、単一のリッド又はカバー１２２によって密封することができるが、その際に、密封の跡が、ベース基板の上にパターニングされたどの要素の邪魔をしないようにする。図５及び６では１つのパッケージの中に４つのハイブリッド・アセンブリ移相器が示されているが、１つのパッケージの中に任意の数の移相器を用いることができるのは明らかである。

図５及び６のパッケージは、アルミナ、水晶、マイクロ波セラミックなどの絶縁性材料か、あるいは、高抵抗性のシリコンやＧａＡｓなどの半絶縁性材料からなる共通のベース基板１２４を有している。この技術分野で知られているように、ベース基板１２４は、導体が埋め込まれた多層のマイクロ波材料であり得る。アンテナ要素又は放射器１１８−１２１は、基板１２４の表面の上に印刷されるか、又は、上述した種類のＴＴＤ移相器回路と共に多層基板に内部金属層を用いて形成される。放射要素や移相器をモノリシックに統合することで、回路構成がコンパクトになり、移相器と放射器との間での大きな物理的公差が許容される。示されている例では、４つの移相器１１４−１１７は、それぞれが、上述したように、好ましくはフリップチップ技術を用いた低損失の相互接続によって基板の上の移相器回路要素に結合された無線周波数ＭＥＭスイッチ・モジュールを含む。

以上で本発明の複数の実施例を開示したが、この技術分野の当業者であれば、それ以外の変更や別の実施例を想到することができる。そのような変更や別の実施例は、冒頭の特許請求の範囲によって画定される発明の精神及び範囲から逸脱することなく想到し実現することができる。

従来型のフェーズド・アレイ電子走査式アンテナの概略図である。 本発明において用いることができる受動移相器回路の特定の一例の概略である。 本発明によるハイブリッド回路アセンブリの特定の一実施例の概略である。 図３のハイブリッド・アセンブリの側面図であり、部分的に線４−４に沿って見た断面図となっている。 本発明の別の側面による統合型のフェーズド・アレイ電子走査式アンテナの概略である。 図５の統合型電子走査式アンテナのより詳細な表現である。

Claims (17)

1. ハイブリッド・アセンブリ移相器であって、
   複数の受動的で導電性の位相遅延要素を有する基板を含む位相遅延モジュールと、
   入力と出力との間で前記位相遅延要素の中の選択されたものを結合する複数のＭＥＭスイッチを含むＭＥＭモジュールと、
   前記位相遅延モジュールの位相遅延要素と前記ＭＥＭモジュールのＭＥＭスイッチと電気的に結合する低損失相互接続部と、
   を備えていることを特徴とするハイブリッド・アセンブリ移相器。
2. 請求項１記載の移相器において、
   前記低損失相互接続部はフリップチップ相互接続部を含むことを特徴とする移相器。
3. 請求項２記載の移相器において、
   前記フリップチップ相互接続は、ソルダ・バンプとインジウム・バンプとメッキされたスルーホールと金属間熱圧着と導電性ポリマ接着とからなるグループから選択される相互接続部を含むことを特徴とする移相器。
4. 請求項１記載の移相器において、
   前記基板は絶縁材料を含むことを特徴とする移相器。
5. 請求項４記載の移相器において、
   前記基板は、アルミナと水晶とマイクロ波セラミックからなるグループから選択された材料を含むことを特徴とする移相器。
6. 請求項１記載の移相器において、
   前記基板は、半絶縁材料を含むことを特徴とする移相器。
7. 請求項６記載の移相器において、
   前記基板は、高抵抗性のシリコン及びＧａＡｓからなるグループから選択された材料を含むことを特徴とする移相器。
8. 請求項１記載の移相器において、
   前記複数の受動的位相遅延要素は、それぞれが、前記基板の表面上にパターニングされた導電性で平坦な伝送線を含むことを特徴とする移相器。
9. フェーズド・アレイ・アンテナであって、
   基板と、
   前記基板の上に形成された複数の放射器と、
   前記基板の上に形成された複数の受動的移相器回路であって、前記移相器回路は、それぞれが、前記複数の放射器の１つに結合され、送信信号入力と送信信号出力との間に直列に接続され前記信号に位相シフトを与える複数の位相遅延段を備えており、前記位相遅延段は、それぞれが、送信信号に対して選択可能な信号出力を与えることができ、よって、前記信号は、前記個々の位相遅延段によって与えられた位相遅延の和によって決定された累積的な位相遅延を伴って前記放射器に運ばれる、複数の受動的移相器回路と、
   複数のＭＥＭスイッチ・モジュールであって、これらの複数のＭＥＭスイッチ・モジュールの中の１つはそれぞれの位相遅延段に結合され選択された遅延段を電気的に接続して前記累積的な位相遅延を提供するように動作し、低損失の相互接続によって前記位相遅延段に結合されている複数のＭＥＭスイッチ・モジュールと、
   を備えていることを特徴とするフェーズド・アレイ・アンテナ。
10. 請求項９記載のアセンブリにおいて、
    前記低損失相互接続部はフリップチップ相互接続部を含むことを特徴とするアセンブリ。
11. 請求項１０記載のアセンブリにおいて、
    前記フリップチップ相互接続は、ソルダ・バンプとインジウム・バンプとメッキされたスルーホールと金属間熱圧着と導電性ポリマ接着とからなるグループから選択される相互接続部を含むことを特徴とするアセンブリ。
12. 請求項９記載のアセンブリにおいて、
    前記位相遅延段は、それぞれが、長さが異なる真の時間遅延線を含む複数の位相遅延要素を含むことを特徴とするアセンブリ。
13. 請求項１２記載のアセンブリにおいて、
    前記真の時間遅延線は、前記基板の表面上にパターニングされた導電性で平坦な伝送線を含むことを特徴とするアセンブリ。
14. 請求項９記載のアセンブリにおいて、
    前記基板は絶縁材料を含むことを特徴とするアセンブリ。
15. 請求項１４記載のアセンブリにおいて、
    前記基板は、アルミナと水晶とマイクロ波セラミックからなるグループから選択された材料を含むことを特徴とするアセンブリ。
16. 請求項９記載のアセンブリにおいて、
    前記基板は、半絶縁材料を含むことを特徴とするアセンブリ。
17. 請求項１６記載のアセンブリにおいて、
    前記基板は、高抵抗性のシリコン及びＧａＡｓからなるグループから選択された材料を含むことを特徴とするアセンブリ。

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