JP2008258670A - Antenna device and mobile terminal - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、広帯域化と高放射効率を実現するアンテナ装置に関し、特に、低駆動電圧が求められる携帯端末に搭載することができるアンテナ装置に関する。 The present invention relates to an antenna device that realizes a wide band and high radiation efficiency, and more particularly to an antenna device that can be mounted on a portable terminal that requires a low driving voltage.
携帯電話に代表される携帯端末には、無線通信に利用する電波の周波数が異なる様々な無線システムが搭載されるようになってきている。従来、複数の無線システムが携帯端末に搭載される場合、各無線システムを構成するアンテナ素子及び増幅器が、それらの無線システムの個数分、携帯端末に搭載される必要があったため、携帯端末に搭載することができる無線システムの個数には制限があった。 Mobile terminals represented by mobile phones have come to be equipped with various wireless systems having different frequencies of radio waves used for wireless communication. Conventionally, when a plurality of wireless systems are mounted on a mobile terminal, the antenna elements and amplifiers constituting each wireless system have to be mounted on the mobile terminal by the number of those wireless systems. There was a limit to the number of radio systems that could be done.
近年では、無線システムの個数よりも少ないアンテナ素子及び増幅器によって、複数の無線システム毎の周波数帯域における送受信を実現するチューナブルデバイスに関する研究開発が進められている。そのチューナブルデバイスのなかには、機械要素部品、各種センサ、アクチュエータ、電子回路などをシリコン基板上に集積化するＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）プロセスを利用した、ＭＥＭＳデバイスとして製造されるものがある。このチューナブルデバイスは、シリコン基板上にキャパシタ、スイッチ、及びフィルタが形成されており（以下、チューナブルデバイスが備えるキャパシタ、スイッチ、及びフィルタのことを、ＭＥＭＳキャパシタ、ＭＥＭＳスイッチ、及びＭＥＭＳフィルタと称することがある。）、ＭＥＭＳキャパシタに接続されたＭＥＭＳスイッチの開閉によって、またはＭＥＭＳキャパシタが容量可変キャパシタである場合にはその容量値を制御することによって、チューナブルデバイスのインダクタンス値や容量値を調整し、そのチューナブルデバイスに接続されているアンテナ素子のアンテナ特性を制御する。この結果、チューナブルデバイスとアンテナ素子により構成されるアンテナ装置は、帯域の異なる複数の周波数帯域または帯域幅の広い周波数帯域における送受信を実現することができる。 In recent years, research and development on tunable devices that realize transmission and reception in a frequency band for each of a plurality of wireless systems by using fewer antenna elements and amplifiers than the number of wireless systems has been advanced. Some of the tunable devices are manufactured as MEMS devices using a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) process in which mechanical element parts, various sensors, actuators, electronic circuits and the like are integrated on a silicon substrate. In this tunable device, a capacitor, a switch, and a filter are formed on a silicon substrate (hereinafter, the capacitor, the switch, and the filter included in the tunable device are referred to as a MEMS capacitor, a MEMS switch, and a MEMS filter). ) Adjust the inductance value and capacitance value of the tunable device by opening and closing the MEMS switch connected to the MEMS capacitor or by controlling the capacitance value if the MEMS capacitor is a variable capacitance capacitor. The antenna characteristic of the antenna element connected to the tunable device is controlled. As a result, the antenna device configured by the tunable device and the antenna element can realize transmission / reception in a plurality of frequency bands having different bands or in a wide frequency band.
上述のチューナブルデバイスの具体例としては、例えば、特許文献１に、ＭＥＭＳ可変容量コンデンサＣ０と、ＭＥＭＳスイッチＳ１に直列に接続されたＭＥＭＳ固定容量コンデンサＣ１と、ＭＥＭＳスイッチＳ２に直列に接続されたＭＥＭＳ固定容量コンデンサＣ２と、・・・ＭＥＭＳスイッチＳｎに直列に接続されたＭＥＭＳ固定容量コンデンサＣｎと、を並列に接続した可変容量コンデンサシステムが開示されている。
しかしながら、特許文献１に開示されている可変容量コンデンサシステムに用いられるＭＥＭＳ可変容量コンデンサは、バイアス電圧が印加された固定電極と可動電極との間に発生する静電気力によって、それらの電極間の距離を変化させ所望の容量値を得る構造である。この構造のＭＥＭＳ可変容量コンデンサは、可動電極が変位するための空間を必要とし、また繰り返し使用において可動電極が劣化し、性能低下の原因となり易い。また、その静電気力を発生させるために数十〔Ｖ〕の駆動電圧を必要とする。このため、数〔Ｖ〕の駆動電圧によって駆動し、また低消費電力化が求められる携帯端末に、特許文献１に開示されている可変容量コンデンサシステムを搭載することは、困難である。また、静電気力によって電極間の距離を変化させる記構造のＭＥＭＳ可変容量コンデンサは、容量値を高速に調整することに不向きである。このため、アンテナ素子の周波数帯域の切り替えに時間がかかってしまう。 However, the MEMS variable capacitor used in the variable capacitor system disclosed in Patent Document 1 has a distance between the electrodes due to the electrostatic force generated between the fixed electrode to which the bias voltage is applied and the movable electrode. This is a structure in which a desired capacitance value is obtained by changing. The MEMS variable capacitor having this structure requires a space for the movable electrode to be displaced, and the movable electrode is likely to deteriorate during repeated use, which is likely to cause a decrease in performance. In addition, a driving voltage of several tens [V] is required to generate the electrostatic force. For this reason, it is difficult to mount the variable capacitor system disclosed in Patent Document 1 on a portable terminal that is driven by a drive voltage of several [V] and is required to have low power consumption. In addition, the MEMS variable capacitor having the structure in which the distance between the electrodes is changed by electrostatic force is not suitable for adjusting the capacitance value at high speed. For this reason, it takes time to switch the frequency band of the antenna element.
また、特許文献１に開示されている可変容量コンデンサシステムに備わるＭＥＭＳ可変容量コンデンサＣ０は、印加電界の増加とともに連続的に容量が大きくなる区間（連続容量可変幅と称する）における、容量の最小値と最大値との比（以下、連続容量可変比と称する）が小さい、すなわち、ＭＥＭＳ可変容量コンデンサによって調整することができるアンテナ素子の周波数帯域の幅が狭い。このため、アンテナ素子にもたせる周波数帯域の帯域幅が広くなる程、同システムのＭＥＭＳ固定容量コンデンサＣｎ（ｎ＝１、２、…）の個数を増やす必要がある。この結果、ますますの小型化が求められる携帯端末に、アンテナ素子に要求される周波数帯域の帯域幅が広くなる程回路規模が拡大してしまう可変容量コンデンサシステムを搭載することは、好ましくない。 Further, the MEMS variable capacitor C0 provided in the variable capacitor system disclosed in Patent Document 1 has a minimum capacitance value in a section (referred to as a continuous capacitor variable width) in which the capacitance continuously increases as the applied electric field increases. And the maximum value (hereinafter referred to as a continuous capacitance variable ratio) are small, that is, the width of the frequency band of the antenna element that can be adjusted by the MEMS variable capacitance capacitor is narrow. For this reason, it is necessary to increase the number of MEMS fixed capacitors Cn (n = 1, 2,...) Of the system as the bandwidth of the frequency band provided to the antenna element becomes wider. As a result, it is not preferable to mount a variable capacitor system in which the circuit scale increases as the bandwidth of the frequency band required for the antenna element increases in a portable terminal that is required to be further downsized.
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、帯域幅の広い周波数帯域における送受信を実現することができるアンテナ装置、及びそのアンテナ装置を搭載した携帯端末を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide an antenna device capable of realizing transmission and reception in a wide frequency band and a mobile terminal equipped with the antenna device.
本発明のアンテナ装置は、強誘電体材料を用いた容量可変キャパシタと、前記容量可変キャパシタと直列に接続されたキャパシタと、前記キャパシタと並列に接続されたスイッチと、前記容量可変キャパシタと前記キャパシタとに接続されたアンテナ素子と、を備えたものである。 An antenna device according to the present invention includes a variable capacitance capacitor using a ferroelectric material, a capacitor connected in series with the variable capacitance capacitor, a switch connected in parallel with the capacitor, the variable capacitance capacitor, and the capacitor. And an antenna element connected to each other.
この構成により、本発明のアンテナ装置は、帯域幅の広い周波数帯域における送受信を行うことができると共に、携帯端末に搭載するために適したアンテナ装置を実現することができる。 With this configuration, the antenna device of the present invention can perform transmission and reception in a wide frequency band, and can realize an antenna device suitable for mounting on a mobile terminal.
また、本発明のアンテナ装置は、前記キャパシタが、強誘電体材料を用いた容量可変キャパシタであることを特徴とするものを含む。 The antenna device according to the present invention includes the antenna device characterized in that the capacitor is a variable capacitance capacitor using a ferroelectric material.
また、本発明のアンテナ装置は、前記キャパシタが、固定キャパシタであることを特徴とするものを含む。 The antenna device according to the present invention includes the antenna device, wherein the capacitor is a fixed capacitor.
この構成により、強誘電体材料を用いた一つの容量可変キャパシタを、強誘電体材料を用いた別の容量可変キャパシタまたは固定キャパシタに直列に接続することにより、容量可変キャパシタに要求される連続容量可変比を小さくすることができる。 With this configuration, one capacitor variable capacitor using a ferroelectric material is connected in series with another capacitor variable capacitor or a fixed capacitor using a ferroelectric material, so that a continuous capacitor required for the capacitor variable capacitor is obtained. The variable ratio can be reduced.
また、本発明のアンテナ装置は、前記容量可変キャパシタの連続容量可変比が、２．７未満であることを特徴とするものを含む。 In addition, the antenna device of the present invention includes a device in which a continuous capacitance variable ratio of the capacitance variable capacitor is less than 2.7.
また、本発明のアンテナ装置は、前記容量可変キャパシタの連続容量可変比が、１．６以上であることを特徴とするものを含む。 In addition, the antenna device of the present invention includes an antenna device in which a continuous capacitance variable ratio of the capacitance variable capacitor is 1.6 or more.
容量可変キャパシタに用いる強誘電体材料として、連続容量可変比が２．７未満または１．６以上を満たすものが好ましい。 As the ferroelectric material used for the variable capacitance capacitor, it is preferable that the continuous capacitance variable ratio satisfies less than 2.7 or 1.6 or more.
また、本発明のアンテナ装置は、前記容量可変キャパシタ及び前記スイッチが、ＭＥＭＳプロセスによって形成されることを特徴とするものを含む。 Also, the antenna device of the present invention includes the antenna device in which the variable capacitor and the switch are formed by a MEMS process.
この構成により、アンテナ装置に生じる等価直列抵抗を小さくすることができる結果、アンテナ装置の放射効率を高い水準で維持することができる。 With this configuration, the equivalent series resistance generated in the antenna device can be reduced. As a result, the radiation efficiency of the antenna device can be maintained at a high level.
また、本発明のアンテナ装置は、前記容量可変キャパシタの強誘電材料が、ＢＳＴ（チタン酸バリウムストロンチウム）であることを特徴とするものを含む。 The antenna device according to the present invention includes an antenna device in which the ferroelectric material of the variable capacitance capacitor is BST (barium strontium titanate).
容量可変キャパシタに用いる強誘電体材料として、ＢＳＴ（チタン酸バリウムストロンチウム）が好ましい。 BST (barium strontium titanate) is preferable as the ferroelectric material used for the variable capacitance capacitor.
また、本発明のアンテナ装置は、前記容量可変キャパシタの強誘電材料が、ＰＺＴ（チタン酸鉛ジルコン）であることを特徴とするものを含む。 The antenna device according to the present invention includes an antenna device in which the ferroelectric material of the capacitance variable capacitor is PZT (lead zirconate titanate).
容量可変キャパシタに用いる強誘電体材料として、ＰＺＴ（チタン酸鉛ジルコン）が好ましい。 PZT (lead zirconate titanate) is preferable as the ferroelectric material used for the variable capacitance capacitor.
また、本発明のアンテナ装置は、前記アンテナ素子が、ループアンテナであることを特徴とするものを含む。 The antenna device according to the present invention includes the antenna device characterized in that the antenna element is a loop antenna.
この構成により、単独では狭い周波数帯域においてのみ高い放射効率を実現するループアンテナであっても、本発明に適用することにより、帯域幅の広い周波数帯域において高い放射効率を実現することができる。 With this configuration, even if the loop antenna alone achieves high radiation efficiency only in a narrow frequency band, high radiation efficiency can be achieved in a wide frequency band by applying the present invention.
また、本発明のアンテナ装置は、前記容量可変キャパシタと前記アンテナ素子とが同一基板上に形成されていることを特徴とするものを含む。 The antenna device according to the present invention includes the antenna device in which the variable capacitor and the antenna element are formed on the same substrate.
この構成により、アンテナ装置の小型化を図ることができる。 With this configuration, the antenna device can be downsized.
また、本発明のアンテナ装置は、前記容量可変キャパシタに印加する電圧または前記スイッチの開閉の制御を行う制御回路を備えたものを含む。 The antenna device according to the present invention includes an antenna device provided with a control circuit for controlling the voltage applied to the capacitance variable capacitor or the opening / closing of the switch.
この構成により、アンテナ素子のアンテナ特性を調整して、所望の周波数帯域の送受信を行うよう制御することができる。 With this configuration, the antenna characteristics of the antenna element can be adjusted to control transmission / reception in a desired frequency band.
本発明の携帯端末は、本発明のアンテナ装置を備えたものである。 The portable terminal of the present invention includes the antenna device of the present invention.
この構成により、携帯端末は、低駆動電圧により無線通信を行うことができ、また、小型のアンテナ装置を搭載することができる。 With this configuration, the mobile terminal can perform wireless communication with a low driving voltage, and can be equipped with a small antenna device.
本発明のアンテナ装置、及びそのアンテナ装置を搭載した携帯端末によれば、帯域幅の広い周波数帯域における送受信を実現することができる。 According to the antenna device of the present invention and a mobile terminal equipped with the antenna device, transmission / reception in a wide frequency band can be realized.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照し、詳細に説明する。
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１のアンテナ装置の等価回路を図１に示す。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(Embodiment 1)
FIG. 1 shows an equivalent circuit of the antenna device according to the first embodiment of the present invention.
このアンテナ装置は、図１に示すように、互いに直列接続された第１及び第２の容量可変キャパシタＣ１、Ｃ２と第１の容量可変キャパシタＣ１に並列接続されたスイッチＳＷとを備えたチューナブルデバイスＴＤと、チューナブルデバイスＴＤに両端が接続されたアンテナ素子ＡＮＴとを具備し、アンテナ素子ＡＮＴの一方の端子は接地され、もう一方の端子は高周波集積処理回路ＲＦＩＣに接続されている。なお、ここでアンテナ素子ＡＮＴの一方の端子は、キャパシタＣ（容量固定）を介して高周波集積処理回路ＲＦＩＣに接
続するようにしてもよい。
As shown in FIG. 1, this antenna device includes first and second capacitance variable capacitors C1, C2 connected in series with each other and a switch SW connected in parallel to the first capacitance variable capacitor C1. The device includes a device TD and an antenna element ANT having both ends connected to the tunable device TD. One terminal of the antenna element ANT is grounded, and the other terminal is connected to the high-frequency integrated processing circuit RFIC. Here, one terminal of the antenna element ANT may be connected to the high-frequency integrated processing circuit RFIC via a capacitor C (capacitance fixed).
このチューナブルデバイスＴＤにおいて、スイッチＳＷの一端は、容量可変キャパシタＣ１の一端に接続され、スイッチＳＷの他端は、容量可変キャパシタＣ１の他端に接続される。また、容量可変キャパシタＣ１、Ｃ２の他端は、アンテナ素子としてのループアンテナＡＮＴの一端にそれぞれ接続される。また、ループアンテナの両端はそれぞれ、高周波信号を処理する高周波集積回路ＲＦＩＣ及びＧＮＤに接続されている。なお、本発明の実施の形態１では、アンテナ素子をループアンテナとしているが、本発明のアンテナ装置に適用可能なアンテナ素子は、ループアンテナに限るものではなく、他種類のアンテナ素子、例えば、スロットアンテナ、ヘリカルアンテナ、モノポールアンテナ、ダイポールアンテナ、パッチアンテナ、マイクロストリップアンテナ、逆Ｆ型アンテナ、逆Ｌ型アンテナであっても、帯域幅の広い周波数帯域における送受信を実現することができる。 In this tunable device TD, one end of the switch SW is connected to one end of the capacitance variable capacitor C1, and the other end of the switch SW is connected to the other end of the capacitance variable capacitor C1. The other ends of the variable capacitance capacitors C1 and C2 are respectively connected to one end of a loop antenna ANT as an antenna element. Further, both ends of the loop antenna are connected to high frequency integrated circuits RFIC and GND for processing high frequency signals, respectively. In the first embodiment of the present invention, the antenna element is a loop antenna. However, the antenna element applicable to the antenna device of the present invention is not limited to the loop antenna, and other types of antenna elements such as slots Even with an antenna, a helical antenna, a monopole antenna, a dipole antenna, a patch antenna, a microstrip antenna, an inverted F antenna, and an inverted L antenna, transmission / reception in a wide frequency band can be realized.
４７０〔ＭＨｚ〕〜７７０〔ＭＨｚ〕程度の周波数帯域を確保するために、チューナブルデバイスＴＤの容量は、１．２６〜３．３９〔ｐＦ〕の範囲で変化する必要がある。このために、印加電圧Ｖｔを１〔Ｖ〕から２〔Ｖ〕へ変化させたときに、容量が次のように変化する容量可変キャパシタＣ１、Ｃ２を利用する。
［容量可変キャパシタＣ１］
３．２〜５．３５〔ｐＦ〕に容量が変化する。なお、印加電圧Ｖｔが１〔Ｖ〕のときに容量可変キャパシタＣ１の容量が５．３５〔ｐＦ〕、印加電圧Ｖｔが２〔Ｖ〕のときに容量可変キャパシタＣ１の容量が３．２〔ｐＦ〕になる。このとき、連続容量可変比は、５．３５／３．２≒１．６７になる。
［容量可変キャパシタＣ２：スイッチＳＷ短絡時］
２．０８〜３．３９〔ｐＦ〕に容量が変化する。なお、印加電圧Ｖｔが１〔Ｖ〕のときに容量可変キャパシタＣ２の容量が３．３９〔ｐＦ〕、印加電圧Ｖｔが２〔Ｖ〕のときに容量可変キャパシタＣ２の容量が２．０８〔ｐＦ〕になる。このとき、連続容量可変比は、３．３９／２．０８≒１．６３になる。
［容量可変キャパシタＣ１、Ｃ２の合成容量：スイッチＳＷ開放時］
１．２６〜２．０８〔ｐＦ〕に容量が変化する。なお、印加電圧Ｖｔが１〔Ｖ〕のときに合成容量が２．０８〔ｐＦ〕、印加電圧Ｖｔが２〔Ｖ〕のときに合成容量が１．２６〔ｐＦ〕になる。
In order to secure a frequency band of about 470 [MHz] to 770 [MHz], the capacity of the tunable device TD needs to change in the range of 1.26 to 3.39 [pF]. For this purpose, the variable capacitance capacitors C1 and C2 whose capacitance changes as follows when the applied voltage Vt is changed from 1 [V] to 2 [V] are used.
[Capacitance variable capacitor C1]
The capacitance changes from 3.2 to 5.35 [pF]. The capacitance of the variable capacitance capacitor C1 is 5.35 [pF] when the applied voltage Vt is 1 [V], and the capacitance of the variable capacitance capacitor C1 is 3.2 [pF] when the applied voltage Vt is 2 [V]. 〕become. At this time, the continuous capacity variable ratio is 5.35 / 3.2≈1.67.
[Capacitance variable capacitor C2: When switch SW is short-circuited]
The capacitance changes from 2.08 to 3.39 [pF]. The capacitance of the variable capacitance capacitor C2 is 3.39 [pF] when the applied voltage Vt is 1 [V], and the capacitance of the variable capacitance capacitor C2 is 2.08 [pF] when the applied voltage Vt is 2 [V]. 〕become. At this time, the continuous capacity variable ratio is 3.39 / 2.08≈1.63.
[Combined capacitance of capacitance variable capacitors C1 and C2: When switch SW is opened]
The capacitance changes from 1.26 to 2.08 [pF]. When the applied voltage Vt is 1 [V], the combined capacity is 2.08 [pF], and when the applied voltage Vt is 2 [V], the combined capacity is 1.26 [pF].
このため、容量可変キャパシタＣ１、Ｃ２の連続容量可変比が１．６以上、望ましくは１．７以上であれば、スイッチＳＷを短絡、または開放して、容量可変キャパシタＣ１及び容量可変キャパシタＣ２、または容量可変キャパシタＣ２のみ、をループアンテナＡＮＴに接続することにより、容量可変キャパシタＣ２のみを接続したときは４７０〜６００の周波数帯域幅を、容量可変キャパシタＣ１及び容量可変キャパシタＣ２を接続したときは６００〜７７０の周波数帯域幅を、それぞれ確保することができる。このようにして、広帯域のアンテナ装置を提供することができる。 Therefore, if the continuous capacitance variable ratio of the capacitance variable capacitors C1 and C2 is 1.6 or more, preferably 1.7 or more, the switch SW is short-circuited or opened, and the capacitance variable capacitors C1 and C2, Alternatively, by connecting only the variable capacitance capacitor C2 to the loop antenna ANT, when only the variable capacitance capacitor C2 is connected, a frequency bandwidth of 470 to 600 is obtained, and when the variable capacitance capacitor C1 and the variable capacitance capacitor C2 are connected. A frequency bandwidth of 600 to 770 can be ensured. In this way, a broadband antenna device can be provided.
ところで、近年の携帯電話に代表される携帯端末装置のなかには、１つのチャンネルに割り当てられた周波数を１３のセグメント（帯域）に分割したうちの、１つのセグメントによって放送される地上デジタル放送（このような地上デジタル放送は、「ワンセグ」と称される。）を受信可能なものがある。複数のチャンネルで放送される地上デジタル放送を受信するために、携帯端末装置に搭載されるアンテナ装置には４７０〔ＭＨｚ〕〜７７０〔ＭＨｚ〕程度の周波数帯域を確保することが要求される。本発明の実施の形態１のアンテナ装置が確保することができる４７０〔ＭＨｚ〕〜７７０〔ＭＨｚ〕程度の周波数帯域は、地上デジタル放送の伝送に利用される周波数帯域に相当する。本発明の実施の形態１のアンテナ装置は、確保することができる周波数帯域が１０〔ＭＨｚ〕程度と狭いループアンテナＡＮＴにチューナブルデバイスＴＤを接続し、そのループアンテナＡＮＴのア
ンテナ特性を制御することによって、地上デジタル放送を受信するために必要な３００〔ＭＨｚ〕程度の帯域幅を確保することができる。なお、ループアンテナと同様、確保することができる周波数帯域が狭いが、その周波数帯域の放射効率が比較的良好な他の種類のアンテナ素子、例えば、スロットアンテナ、ヘリカルアンテナ、モノポールアンテナ、ダイポールアンテナ、パッチアンテナ、マイクロストリップアンテナ、逆Ｆ型アンテナ、逆Ｌ型アンテナであっても、帯域幅の広い周波数帯域における送受信を実現することができる。
By the way, in a mobile terminal device represented by a recent mobile phone, a terrestrial digital broadcast (such as this) that is broadcast by one segment out of 13 segments (bands) divided into frequencies allocated to one channel. Some terrestrial digital broadcasts are referred to as “One Seg.”). In order to receive terrestrial digital broadcasting broadcast on a plurality of channels, an antenna device mounted on a mobile terminal device is required to secure a frequency band of about 470 [MHz] to 770 [MHz]. The frequency band of about 470 [MHz] to 770 [MHz] that can be secured by the antenna device according to the first embodiment of the present invention corresponds to a frequency band used for transmission of terrestrial digital broadcasting. In the antenna device according to the first embodiment of the present invention, a tunable device TD is connected to a loop antenna ANT having a narrow frequency band that can be secured of about 10 [MHz], and the antenna characteristics of the loop antenna ANT are controlled. Thus, a bandwidth of about 300 [MHz] necessary for receiving terrestrial digital broadcasting can be secured. As with the loop antenna, other types of antenna elements that have a narrow frequency band that can be secured but have relatively good radiation efficiency in the frequency band, such as slot antennas, helical antennas, monopole antennas, dipole antennas, etc. Even a patch antenna, a microstrip antenna, an inverted F antenna, or an inverted L antenna can realize transmission and reception in a wide frequency band.
４７０〔ＭＨｚ〕〜７７０〔ＭＨｚ〕程度の周波数帯域を確保するために、チューナブルデバイスＴＤの容量は、１．２６〜３．３９〔ｐＦ〕の範囲で変化する必要があることを述べた。ここで、チューナブルデバイスＴＤが、この範囲での容量の変化を一つの容量可変キャパシタＣ０で実現した場合に、その容量可変キャパシタＣ０に要求される連続容量可変比について考察する。 It has been described that the capacity of the tunable device TD needs to change in the range of 1.26 to 3.39 [pF] in order to secure a frequency band of about 470 [MHz] to 770 [MHz]. Here, when the tunable device TD realizes the change in capacitance within this range with one capacitance variable capacitor C0, the continuous capacitance variable ratio required for the capacitance variable capacitor C0 will be considered.
図２に、一つの容量可変キャパシタにより構成されるチューナブルデバイスの等価回路を示す。図２では、チューナブルデバイスＴＤは、一つの容量可変キャパシタＣ０によって形成されており、ループアンテナＡＮＴの２つの端部は、容量可変キャパシタＣ０の両端に接続されている。また、ループアンテナＡＮＴの２つの端部はそれぞれ、高周波信号を処理する高周波集積回路ＲＦＩＣ及びＧＮＤに接続されている。 FIG. 2 shows an equivalent circuit of a tunable device configured by one capacitance variable capacitor. In FIG. 2, the tunable device TD is formed by one capacitance variable capacitor C0, and two ends of the loop antenna ANT are connected to both ends of the capacitance variable capacitor C0. Further, the two end portions of the loop antenna ANT are connected to high frequency integrated circuits RFIC and GND that process high frequency signals, respectively.
４７０〔ＭＨｚ〕〜７７０〔ＭＨｚ〕程度の周波数帯域を確保するために、容量可変キャパシタＣ０は、印加電圧Ｖｔに応じて、１．２６〜３．３９〔ｐＦ〕の値で容量が連続的に変化する必要がある（容量可変キャパシタＣ０は、その容量が３．３９〔ｐＦ〕のとき４７０〔ＭＨｚ〕、その容量が１．２６〔ｐＦ〕のとき７７０〔ＭＨｚ〕）。このとき、容量可変キャパシタＣ０の連続容量可変比、３．３９／１．２６≒２．７でなければならない。しかしながら、２．７という高い連続容量可変比を実現する容量可変キャパシタを製造することは困難であるため、図２に示した、一つの容量可変キャパシタにより構成されるチューナブルデバイスを実現することもまた、困難である。このため、本発明の実施の形態１のアンテナ装置のように、連続容量可変比が１．６以上（望ましくは１．７以上）の二つの容量可変キャパシタＣ１、Ｃ２で構成されるチューナブルデバイスを想定するに至った。本発明の実施の形態１のアンテナ装置によれば、チューナブルデバイスが少なくとも二つの容量可変キャパシタによって構成されるため、アンテナ素子に要求される周波数帯域の帯域幅が広くなる程回路規模が拡大する従来のシステムと比べて、回路規模をより縮小することができる。 In order to secure a frequency band of about 470 [MHz] to 770 [MHz], the capacitance variable capacitor C0 has a capacitance of 1.26 to 3.39 [pF] continuously according to the applied voltage Vt. It is necessary to change (capacitance variable capacitor C0 is 470 [MHz] when its capacity is 3.39 [pF], and 770 [MHz] when its capacity is 1.26 [pF]). At this time, the continuous capacitance variable ratio of the capacitance variable capacitor C0 must be 3.39 / 1.26≈2.7. However, since it is difficult to manufacture a variable capacitance capacitor that realizes a high continuous capacitance variable ratio of 2.7, it is possible to realize the tunable device including one capacitance variable capacitor shown in FIG. It is also difficult. Therefore, like the antenna device according to the first embodiment of the present invention, a tunable device including two capacitance variable capacitors C1 and C2 having a continuous capacitance variable ratio of 1.6 or more (preferably 1.7 or more). It came to assume. According to the antenna device of the first embodiment of the present invention, the tunable device is configured by at least two capacitance variable capacitors, so that the circuit scale increases as the bandwidth of the frequency band required for the antenna element increases. The circuit scale can be further reduced as compared with the conventional system.
なお、容量可変キャパシタの数を３、４個と増やせば、その分、容量可変キャパシタに要求される連続容量可変比が小さくなる。このため、容量可変キャパシタの連続容量可変比に応じて、直列に接続される容量可変キャパシタの数を増減してもよい。 If the number of capacitance variable capacitors is increased to three or four, the continuous capacitance variable ratio required for the capacitance variable capacitor is reduced accordingly. For this reason, the number of capacitance variable capacitors connected in series may be increased or decreased according to the continuous capacitance variable ratio of the capacitance variable capacitors.
また、本発明の実施の形態１のアンテナ装置における二つの容量可変キャパシタＣ１、Ｃ２に用いられる誘電体としては、１．６以上（望ましくは１．７以上）程度の連続容量可変比を実現するＢＳＴ（チタン酸バリウムストロンチウム）やＰＺＴ（チタン酸鉛ジルコン）がある。ＢＳＴ及びＰＺＴは、印加電界に応じて誘電率εが変化する強誘電体である。特開２００４−３２７８７７号公報（特許文献１）に開示されている、静電気力によって電極間の距離を変化させ所望の容量を得る方式（静電方式）の容量可変キャパシタは、その静電気を発生させるために数十〔Ｖ〕の駆動電圧を必要とするのに比べ、ＢＳＴを誘電体材料としたＢＳＴキャパシタまたはＰＺＴを誘電体材料としたＰＺＴキャパシタは、３〔Ｖ〕未満の駆動電圧で誘電率εを変化させ所望の容量を得ることができる。このため、３〔Ｖ〕程度の低い駆動電圧で作動することが求められる携帯端末装置にとって、ＢＳＴキャパシタまたはＰＺＴキャパシタを備える構成のチューナブルデバイスは実装に適
したデバイスであると言える。本発明の実施の形態１のアンテナ装置のチューナブルデバイスは、ＢＳＴキャパシタまたはＰＺＴキャパシタを容量可変キャパシタとして備えているものとする。なお、連続容量可変比が１．６以上の強誘電体材料であれば、その強誘電体材料を用いた容量可変キャパシタにより、本発明のアンテナ装置のチューナブルデバイスを構成することができる。
In addition, the dielectric used in the two capacitance variable capacitors C1 and C2 in the antenna device according to the first embodiment of the present invention realizes a continuous capacitance variable ratio of about 1.6 or more (preferably 1.7 or more). There are BST (barium strontium titanate) and PZT (lead zirconate titanate). BST and PZT are ferroelectrics whose permittivity ε changes according to the applied electric field. A capacitance variable capacitor disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-327877 (Patent Document 1) that obtains a desired capacitance by changing the distance between electrodes by electrostatic force (electrostatic method) generates the static electricity. Therefore, a BST capacitor using BST as a dielectric material or a PZT capacitor using PZT as a dielectric material requires a dielectric constant at a driving voltage of less than 3 [V], compared to a drive voltage of several tens [V]. A desired capacity can be obtained by changing ε. For this reason, it can be said that a tunable device having a configuration including a BST capacitor or a PZT capacitor is a device suitable for mounting for a portable terminal device that is required to operate with a driving voltage as low as about 3 [V]. The antenna device tunable device according to the first embodiment of the present invention includes a BST capacitor or a PZT capacitor as a variable capacitance capacitor. If the continuous capacitance variable ratio is a ferroelectric material of 1.6 or more, the tunable device of the antenna apparatus of the present invention can be configured by a capacitance variable capacitor using the ferroelectric material.
また、本発明の実施の形態１のアンテナ装置のチューナブルデバイスＴＤは、二つの容量可変キャパシタが直列に接続された構成である。互いに直列に接続された二つのキャパシタを積層構造とすることが容易であるため、チューナブルデバイスの実装面積を抑えることができる。 The tunable device TD of the antenna device according to the first embodiment of the present invention has a configuration in which two variable capacitance capacitors are connected in series. Since it is easy to make two capacitors connected in series with each other in a laminated structure, the mounting area of the tunable device can be suppressed.
また、チューナブルデバイスＴＤをＢＳＴキャパシタＣ１、Ｃ２及びスイッチＳＷによって形成するにあたって、ＢＳＴキャパシタＣ１、Ｃ２及びスイッチＳＷの等価直列抵抗Ｒｓを考慮する必要がある。図３に、放射効率と等価直列抵抗との関係を示す。図３では、板状ループアンテナ（外周４０〔ｍｍ〕×６〔ｍｍ〕、板形状の幅８〔ｍｍ〕）に接続されるチューナブルデバイス全体の等価直列抵抗Ｒｓが０から８００〔ｍΩ〕に変わる場合の、板状ループアンテナによる放射効率ηを表している。なお、板状ループアンテナの形状は、携帯端末装置に搭載されることを想定した大きさであり、このような形状の板状ループアンテナは、例えば、携帯端末装置の筐体の端部、携帯端末装置が二つの筐体で構成される場合にはその二つの筐体を接合した端部とは異なる端部、に配設される。 Further, when the tunable device TD is formed by the BST capacitors C1 and C2 and the switch SW, it is necessary to consider the equivalent series resistance Rs of the BST capacitors C1 and C2 and the switch SW. FIG. 3 shows the relationship between radiation efficiency and equivalent series resistance. In FIG. 3, the equivalent series resistance Rs of the entire tunable device connected to the plate-shaped loop antenna (outer circumference 40 [mm] × 6 [mm], plate-shaped width 8 [mm]) is changed from 0 to 800 [mΩ]. The radiation efficiency η by the plate loop antenna in the case of changing is shown. Note that the shape of the plate-like loop antenna is assumed to be mounted on a portable terminal device, and the plate-like loop antenna having such a shape is, for example, an end of a casing of a portable terminal device, When the terminal device is composed of two housings, the terminal device is disposed at an end portion different from an end portion where the two housings are joined.
チューナブルデバイスＴＤに接続された板状ループアンテナは、地上デジタル放送に用いられる周波数帯域４７０〔ＭＨｚ〕〜７７０〔ＭＨｚ〕を確保した上で、放射効率ηの低下が１〔ｄＢ〕程度に抑えられることが好ましい。図３によると、等価直列抵抗Ｒｓが２００〔ｍΩ〕未満であれば、放射効率ηの低下を１〔ｄＢ〕未満に抑えられることがわかる。このため、チューナブルデバイス全体の等価直列抵抗Ｒｓが２００〔ｍΩ〕未満になるように、チューナブルデバイスに利用するＢＳＴキャパシタＣ１、Ｃ２及びスイッチＳＷを選択する必要がある。 The plate-like loop antenna connected to the tunable device TD secures a frequency band 470 [MHz] to 770 [MHz] used for digital terrestrial broadcasting, and suppresses a decrease in radiation efficiency η to about 1 [dB]. It is preferred that According to FIG. 3, it can be seen that if the equivalent series resistance Rs is less than 200 [mΩ], the decrease in the radiation efficiency η can be suppressed to less than 1 [dB]. For this reason, it is necessary to select the BST capacitors C1 and C2 and the switch SW used for the tunable device so that the equivalent series resistance Rs of the entire tunable device is less than 200 [mΩ].
例えば、これまでチューナブルデバイスに用いられることがあったバラクタダイオードやＰｉｎダイオードをスイッチＳＷとして選択する場合、これらのダイオードは、等価直列抵抗Ｒｓが５００〔ｍΩ〕以上と大きく、放射効率ηは、１〔ｄＢ〕以上低下してしまう。また、本発明の実施の形態１では、チューナブルデバイスを直列に接続したＢＳＴキャパシタによって形成するため、ＢＳＴキャパシタの等価直列抵抗が加算され、チューナブルデバイス全体の等価直列抵抗Ｒｓが大きくなり易い。また、従来利用されている抵抗値の小さいスイッチとして、電磁的な駆動手段と機械的接点を有するリレーがある。このリレーは、物理的に小型なアンテナ素子に比較して物理的な体積が大きいためアンテナの性能に影響を及ぼすと共に、配線部が長くなるためにインダクタンスが増加しアンテナ効率が劣化するという課題があり、小型アンテナ素子のスイッチとしては不適切である。 For example, when a varactor diode or a Pin diode that has been used in a tunable device so far is selected as the switch SW, these diodes have a large equivalent series resistance Rs of 500 [mΩ] or more, and the radiation efficiency η is It decreases by 1 [dB] or more. In the first embodiment of the present invention, the tunable device is formed by the BST capacitor connected in series. Therefore, the equivalent series resistance of the BST capacitor is added, and the equivalent series resistance Rs of the entire tunable device tends to increase. In addition, as a conventionally used switch having a small resistance value, there is a relay having an electromagnetic driving means and a mechanical contact. This relay has a problem in that the physical volume is larger than that of a physically small antenna element, so that the performance of the antenna is affected, and the wiring portion becomes longer, so that the inductance increases and the antenna efficiency deteriorates. Yes, it is inappropriate as a switch for small antenna elements.
そこで、本発明の実施の形態１では、チューナブルデバイス全体の等価直列抵抗Ｒｓを２００〔ｍΩ〕未満にするために、低い等価直列抵抗のデバイスを製造することができるＭＥＭＳプロセスを利用して、ＭＥＭＳデバイスとしてＢＳＴキャパシタＣ１、Ｃ２及びスイッチＳＷを形成することとする。以下、容量可変キャパシタ１１０ａ、１１０ｂ（Ｃ１、Ｃ２）と電気機械（ＭＥＭＳ）スイッチ１２０（ＳＷ）とで構成されたチューナブルデバイスの具体的構成について説明する。図４はこのアンテナ装置のチューナブルデバイスの上面図、下面図、図５は、図４のＡ−Ａ断面図、図６は、このスイッチの要部拡大平面図および断面図である。 Therefore, in the first embodiment of the present invention, in order to make the equivalent series resistance Rs of the entire tunable device less than 200 [mΩ], a MEMS process that can manufacture a device with a low equivalent series resistance is used. BST capacitors C1 and C2 and a switch SW are formed as a MEMS device. Hereinafter, a specific configuration of the tunable device including the variable capacitance capacitors 110a and 110b (C1 and C2) and the electromechanical (MEMS) switch 120 (SW) will be described. 4 is a top view and bottom view of the tunable device of the antenna device, FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the line AA of FIG. 4, and FIG. 6 is an enlarged plan view and a cross-sectional view of the main part of the switch.
このチューナブルデバイスは同一のシリコン基板１００上に形成されており、第１層配
線で形成された第１の容量電極１１１ａ、１１１ｂとこの上層に形成されたＢＳＴ（ＢａＳｒＴｉＯ３：バリウムストロンチウムタイタネート）からなる強誘電体層１１２ａ、１１２ｂと、この上層に形成された第２層配線で構成された第２の容量電極１１３ａ、１１３ｂとで構成され、第１および第２の容量電極１１１ａ、１１１ｂで強誘電体層１１２ａ、１１２ｂが挟まれた領域が第１及び第２の容量可変キャパシタ１１０ａ、１１０ｂを構成している。これら第２層配線において第１および第２の容量可変キャパシタの第２の容量電極１１３ａ、１１３ｂは配線１１３で相互接続されており、この接続部にスイッチＳＷを構成するＭＥＭＳスイッチ１２０の固定電極１２３が接続されている。なおこの強誘電体層１１２ａおよび１１２ｂは一体的に形成されているが、個別に分離形成されていてもよい。
This tunable device is formed on the same silicon substrate 100. The first capacitance electrodes 111a and 111b formed by the first layer wiring and the BST (BaSrTiO 3 : barium strontium titanate) formed in the upper layer are formed. And ferroelectric capacitor layers 112a and 112b, and second capacitor electrodes 113a and 113b composed of a second-layer wiring formed on the upper layer, and the first and second capacitor electrodes 111a and 111b. A region between the ferroelectric layers 112a and 112b constitutes the first and second capacitance variable capacitors 110a and 110b. In these second layer wirings, the second capacitance electrodes 113a and 113b of the first and second variable capacitance capacitors are interconnected by the wiring 113, and the fixed electrode 123 of the MEMS switch 120 constituting the switch SW is connected to this connection portion. Is connected. The ferroelectric layers 112a and 112b are integrally formed, but may be separately formed.
また、ＭＥＭＳスイッチＳＷは、図６に示すように、上記シリコン基板１００上に形成された２酸化シリコン層などの絶縁体層で形成された片もち梁で構成されたＭＥＭＳスイッチ本体１２２と、前記ＭＥＭＳスイッチ本体１２２上に形成され、前記ＭＥＭＳスイッチ本体１２２を駆動電界に応じて変位させる圧電素子からなる駆動部１３０とを具備し、駆動電界に応じて、ＭＥＭＳスイッチ本体１２２の変位が生じ、回路の開閉（ＯＮ／ＯＦ）が実現されるものである。このＭＥＭＳスイッチでは、前記容量可変キャパシタのＭＥＭＳスイッチ本体１２２の下面には可動電極１２１が形成されており、この可動電極１２１に対向して固定電極１２３が配設されている。この固定電極１２３は第１及び第２の容量可変キャパシタＣ１、Ｃ２の第２の容量電極１１３ａ、１１３ｂの接続部の配線１１３に接続されている。また、この可動電極１２１は、ＭＥＭＳスイッチ本体１２２の下面に形成され、シリコン基板１００の表面に前記固定電極１２３と同一層で形成された導電体層からなる信号電極１２３ｂに接続され、この信号電極１２３ｂは第１の容量可変キャパシタ１１０の第２の容量電極１１３ａに接続されている。このＭＥＭＳスイッチのＯＮ／ＯＦＦにより、第１の容量可変キャパシタのＯＮ／ＯＦＦが制御される。 In addition, as shown in FIG. 6, the MEMS switch SW includes a MEMS switch main body 122 formed of a single rod beam formed of an insulating layer such as a silicon dioxide layer formed on the silicon substrate 100, and A drive unit 130 formed of a piezoelectric element that is formed on the MEMS switch body 122 and displaces the MEMS switch body 122 according to the drive electric field, and the MEMS switch body 122 is displaced according to the drive electric field, Opening / closing (ON / OF) is realized. In this MEMS switch, a movable electrode 121 is formed on the lower surface of the MEMS switch main body 122 of the capacitance variable capacitor, and a fixed electrode 123 is disposed opposite to the movable electrode 121. The fixed electrode 123 is connected to the wiring 113 at the connection portion of the second capacitance electrodes 113a and 113b of the first and second capacitance variable capacitors C1 and C2. The movable electrode 121 is formed on the lower surface of the MEMS switch body 122, and is connected to a signal electrode 123b made of a conductive layer formed on the surface of the silicon substrate 100 as the same layer as the fixed electrode 123. 123 b is connected to the second capacitance electrode 113 a of the first variable capacitance capacitor 110. ON / OFF of the first capacitance variable capacitor is controlled by ON / OFF of the MEMS switch.
また駆動部１３０は、梁状のＭＥＭＳスイッチ本体１２２の上面に形成された下層電極１３１と、上層電極１３３とで、ＰＺＴなどからなる圧電薄膜１３２を挟んだもので、下層電極１３１と上層電極１３３との間の印加電界（駆動電界）によって形成された圧電素子で構成されており、下層電極１３１側と上層電極１３３間に電圧が印加されると、圧電薄膜が長さ方向に伸張し、この力がＭＥＭＳスイッチ本体１２２を変位させ、可動電極１２１の先端部に形成された突起部１２１Ｓが固定電極１２３に接触し、スイッチがＯＮ状態となるように形成されている。なお圧電薄膜１３２は、駆動効率を上げ、信頼性を向上するためにＭＥＭＳスイッチ本体１２２を構成する梁の先端と根元部１２２ｎとを避けて形成している。なおここで根元部ｎとは固定部と可動部であるＭＥＭＳスイッチ本体１２２との境界をさすものとする。 The driving unit 130 includes a lower layer electrode 131 formed on the upper surface of the beam-shaped MEMS switch body 122 and an upper layer electrode 133 with a piezoelectric thin film 132 made of PZT or the like sandwiched between the lower layer electrode 131 and the upper layer electrode 133. The piezoelectric thin film is stretched in the length direction when a voltage is applied between the lower layer electrode 131 side and the upper layer electrode 133. The force displaces the MEMS switch body 122, and the protrusion 121 </ b> S formed at the tip of the movable electrode 121 is in contact with the fixed electrode 123, so that the switch is turned on. The piezoelectric thin film 132 is formed so as to avoid the tip and the root portion 122n of the beam constituting the MEMS switch body 122 in order to increase driving efficiency and improve reliability. Here, the root portion n refers to the boundary between the fixed portion and the MEMS switch body 122 that is a movable portion.
またこのシリコン基板表面には、図４（ａ）および（ｂ）に示すように、このチューナブルデバイスへの入力信号が入力される入力端子１００Ｔと、ＭＥＭＳスイッチの、圧電素子からなる駆動部１３０の駆動信号を入力するスイッチ駆動端子１３０Ｔと、このチューナブルデバイスの出力端子１１３Ｔと、第１及び第２の容量可変キャパシタの下層側の電極である第１の容量電極１１１ａおよび１１１ｂにそれぞれ接続される第１及び第２の容量制御端子１１１Ｔａおよび１１１Ｔｂが形成されている。 Also, on the surface of the silicon substrate, as shown in FIGS. 4A and 4B, an input terminal 100T to which an input signal to the tunable device is input and a drive unit 130 made of a piezoelectric element of a MEMS switch. Are connected to the switch drive terminal 130T for inputting the drive signal, the output terminal 113T of the tunable device, and the first capacitance electrodes 111a and 111b, which are the lower layer electrodes of the first and second capacitance variable capacitors, respectively. First and second capacitance control terminals 111Ta and 111Tb are formed.
ここで入力端子１００Ｔから入力される入力信号は、出力端子１１３Ｔから出力される。ただし本実施の形態では、第１及び第２の容量制御端子１１１Ｔａおよび１１１Ｔｂへの印加電圧を共通にしているが、それぞれ個別にしてもよい。個別にすることにより、容量可変キャパシタＣ１、Ｃ２の個別容量値制御が可能である。 Here, the input signal input from the input terminal 100T is output from the output terminal 113T. However, in the present embodiment, the voltages applied to the first and second capacitance control terminals 111Ta and 111Tb are made common, but they may be individually provided. By making them separate, it is possible to control the individual capacitance values of the variable capacitance capacitors C1 and C2.
そしてこの入力端子１００Ｔと出力端子１１３Ｔとを介して、このチューナブルデバイ
スをアンテナ素子ＡＮＴの両端に接続する（図１）
The tunable device is connected to both ends of the antenna element ANT via the input terminal 100T and the output terminal 113T (FIG. 1).
次にこのチューナブルデバイスの動作について説明する。
動作の説明に先立ち、この容量可変キャパシタを構成する誘電体の特性について説明する。
ＢＳＴは図７に電圧Ｖと比誘電率εとの関係を示すように、電界の印加によって比誘電率が約２００から約４００まで変化する。そこで、この比誘電率の変化によって、各容量可変キャパシタの比誘電率ε１、ε２も同様に約２００から４００まで変化させることができる。
Next, the operation of this tunable device will be described.
Prior to the description of the operation, the characteristics of the dielectric constituting the variable capacitance capacitor will be described.
In BST, as shown in FIG. 7 showing the relationship between the voltage V and the relative permittivity ε, the relative permittivity changes from about 200 to about 400 by applying an electric field. Therefore, by changing the relative dielectric constant, the relative dielectric constants ε1 and ε2 of each capacitance variable capacitor can be similarly changed from about 200 to 400.
このチューナブルデバイスの動作について詳細に説明する。
ＭＥＭＳスイッチ１２０の駆動部１３０を構成する圧電素子の下層電極１３１と、上層電極１３３との間に電界を印加すると、圧電薄膜１３２が変位し、基台としてのシリコン基板１００上に形成された片持ち梁であるＭＥＭＳスイッチ本体１２２の先端は矢印ａの方向に変位し、可動電極１２１の突起部１２１Ｓは固定電極１２３に接触し、可動電極１２１と固定電極１２３は短絡される。
一方、圧電素子の駆動電極である下層電極１３１と、上層電極１３３との間への電圧印加を停止すれば、片持ち梁を構成するＭＥＭＳスイッチの先端は矢印Ａの反対方向に移動し、初期状態に戻り、突起部１２１Ｓは固定電極１２３から離れ、固定電極と可動電極との接触は開放される。
The operation of this tunable device will be described in detail.
When an electric field is applied between the lower layer electrode 131 of the piezoelectric element constituting the driving unit 130 of the MEMS switch 120 and the upper layer electrode 133, the piezoelectric thin film 132 is displaced, and a piece formed on the silicon substrate 100 as a base. The tip of the MEMS switch main body 122 which is a cantilever is displaced in the direction of arrow a, the protrusion 121S of the movable electrode 121 contacts the fixed electrode 123, and the movable electrode 121 and the fixed electrode 123 are short-circuited.
On the other hand, if the voltage application between the lower layer electrode 131 that is the drive electrode of the piezoelectric element and the upper layer electrode 133 is stopped, the tip of the MEMS switch constituting the cantilever moves in the direction opposite to the arrow A, Returning to the state, the protrusion 121S is separated from the fixed electrode 123, and the contact between the fixed electrode and the movable electrode is released.
このようにして、２つの容量可変キャパシタのキャパシタンスの和はＣ１・Ｃ２／（Ｃ１＋Ｃ２）であるから、Ｃ１・Ｃ２／（Ｃ１＋Ｃ２）からＣ２まで変化させることができることになる。このことから上述したように４７０〔ＭＨｚ〕〜７７０〔ＭＨｚ〕の周波数帯域幅を得ることができる。またＯＦＦ時の消費電力も極めて小さく、信頼性の高いチューナブルデバイスを形成することができる。従って小型で広帯域で高感度のアンテナ装置を得ることができる。 In this way, since the sum of the capacitances of the two capacitance variable capacitors is C1 · C2 / (C1 + C2), it can be changed from C1 · C2 / (C1 + C2) to C2. From this, as described above, a frequency bandwidth of 470 [MHz] to 770 [MHz] can be obtained. In addition, power consumption at the time of OFF is extremely small, and a highly reliable tunable device can be formed. Therefore, it is possible to obtain a small antenna with a wide band and high sensitivity.
なお、前記実施の形態では、図６（ｂ）に示すように、圧電薄膜１３２を、ＭＥＭＳスイッチ本体１２２を構成する梁の先端と根元部１２２ｎとを避けて形成しており、これにより、高信頼性を向上でき、しかも小さな力で変位させることができる。 In the above embodiment, as shown in FIG. 6B, the piezoelectric thin film 132 is formed avoiding the tip of the beam and the root portion 122n constituting the MEMS switch main body 122. Reliability can be improved and displacement can be performed with a small force.
また、このチューナブルデバイスは、１枚のシリコン基板１００上に容量可変キャパシタ及びＭＥＭＳスイッチを集積化して形成することができ、製造が容易でかつ信頼性の高いものとなっている。また２つの容量可変キャパシタ及びＭＥＭＳスイッチを集積化して形成しているため、伝送損失が少なくかつ極めて微細で実装作業性が高いものとなっている。
このチューナブルデバイスを構成するシリコン基板（半導体チップ）アンテナ回路の形成された基板上に実装し、ハイブリッドアンテナ装置を形成することができる。
In addition, this tunable device can be formed by integrating a variable capacitance capacitor and a MEMS switch on a single silicon substrate 100, and is easy to manufacture and highly reliable. Further, since the two capacitance variable capacitors and the MEMS switch are integrated, the transmission loss is small, the size is extremely fine, and the mounting workability is high.
A hybrid antenna device can be formed by mounting the tunable device on a substrate on which a silicon substrate (semiconductor chip) antenna circuit is formed.
なお、前記実施の形態ではハイブリッドアンテナ装置を形成したが、シリコン基板上にループアンテナ素子を形成し、モノリシック構造のアンテナ装置を形成することも可能である。さらにまた、スイッチのみをＭＥＭＳで構成し、アンテナ素子を形成した基板上に容量可変キャパシタチップを実装するとともにＭＥＭＳで実装するようにしてもよい。 Although the hybrid antenna device is formed in the above embodiment, it is possible to form a monolithic structure antenna device by forming a loop antenna element on a silicon substrate. Furthermore, only the switch may be configured by MEMS, and the capacitance variable capacitor chip may be mounted on the substrate on which the antenna element is formed, and may be mounted by MEMS.
なお、前記実施の形態では、圧電薄膜１３２を、ＭＥＭＳスイッチ本体１２２を構成する梁の先端と根元部１２２ｎとを避けて形成したが、ＭＥＭＳスイッチ本体１２２の全体に形成するようにしてもよく、材料によってはＭＥＭＳスイッチ本体１２２の変位を妨げないように形成することもでき、この場合はより大きな駆動力を生起することができる。 In the above-described embodiment, the piezoelectric thin film 132 is formed so as to avoid the tip and the root portion 122n of the beam constituting the MEMS switch body 122. However, the piezoelectric thin film 132 may be formed on the entire MEMS switch body 122. Depending on the material, the MEMS switch main body 122 can be formed so as not to disturb the displacement, and in this case, a larger driving force can be generated.
上記のように、ＭＥＭＳプロセスを用いて製造するＢＳＴキャパシタＣ１、Ｃ２及びスイッチＳＷによってチューナブルデバイスを形成した結果、板状ループアンテナによる放射効率ηは、周波数帯域４７０〔ＭＨｚ〕〜７７０〔ＭＨｚ〕において、図８に示す関係になる。図８に、放射効率と地上デジタル方法に用いる周波数帯域との関係を示す。板状ループアンテナによる放射効率ηは、６００〔ＭＨｚ〕において低下しているが、これは、チューナブルデバイスにおけるスイッチＳＷを開放し、ＢＳＴキャパシタＣ１、Ｃ２を直列に接続したことによって、チューナブルデバイス全体の等価直列抵抗Ｒｓが増加するためである。しかし、この放射効率ηの低下は、１〔ｄＢ〕未満と極めて小さいため、本発明の実施の形態のアンテナ装置による地上デジタル放送波の送受信に与える影響はない。 As described above, as a result of forming the tunable device by the BST capacitors C1 and C2 and the switch SW manufactured by using the MEMS process, the radiation efficiency η by the plate loop antenna has a frequency band of 470 [MHz] to 770 [MHz]. The relationship shown in FIG. FIG. 8 shows the relationship between the radiation efficiency and the frequency band used for the terrestrial digital method. The radiation efficiency η by the plate loop antenna decreases at 600 [MHz]. This is because the switch SW in the tunable device is opened and the BST capacitors C1 and C2 are connected in series. This is because the entire equivalent series resistance Rs increases. However, since the reduction of the radiation efficiency η is extremely small, less than 1 [dB], there is no influence on the transmission / reception of digital terrestrial broadcast waves by the antenna device according to the embodiment of the present invention.
以上、本発明の実施の形態のアンテナ装置によれば、ＢＳＴキャパシタを直列に接続した構成のチューナブルデバイスによって、帯域幅の広い周波数帯域における送受信を実現することができる。低い駆動電圧で周波数の整合を実現し、また、実装面積を抑えることができる本発明の実施の形態のアンテナ装置は、携帯端末装置に搭載されるアンテナ装置として要求される条件を満たしており、極めて有用である。 As described above, according to the antenna device of the embodiment of the present invention, transmission / reception in a wide frequency band can be realized by a tunable device having a configuration in which BST capacitors are connected in series. The antenna device according to the embodiment of the present invention that achieves frequency matching with a low drive voltage and can reduce the mounting area satisfies the requirements for an antenna device mounted on a mobile terminal device, Very useful.
（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２として、アンテナ装置に用いられるＭＥＭＳスイッチの変形例について説明する。
本発明の実施の形態２のアンテナ装置用のチューナブルデバイスを構成するＭＥＭＳスイッチ１２０は、図９（ａ）乃至（ｃ）に示すように、両持ち梁構造のＭＥＭＳスイッチ本体１２２Ｄを配設し、これに可動電極１２１を配設したものである。ここで図９（ａ）は本実施の形態２で用いられるＭＥＭＳスイッチの上面図、図９（ｂ）は図９（ａ）のＡ−Ａ断面図、図９（ｃ）は図９（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。
(Embodiment 2)
Next, as a second embodiment of the present invention, a modification of the MEMS switch used in the antenna device will be described.
As shown in FIGS. 9A to 9C, the MEMS switch 120 constituting the tunable device for an antenna device according to the second embodiment of the present invention includes a MEMS switch body 122D having a double-supported beam structure. The movable electrode 121 is disposed on this. Here, FIG. 9A is a top view of the MEMS switch used in the second embodiment, FIG. 9B is a cross-sectional view taken along line AA of FIG. 9A, and FIG. 9C is FIG. It is BB sectional drawing of).
構成要素としては前記実施の形態１で示したチューナブルデバイスと同様であるが、ＭＥＭＳスイッチ本体１２２Ｄが円形の枠体１３０で両端を支持され、直径方向に沿って張架された両持ち梁を構成する点で前記実施の形態のＭＥＭＳスイッチと異なるものである。 The constituent elements are the same as those of the tunable device shown in the first embodiment, except that the MEMS switch main body 122D is supported at both ends by the circular frame body 130, and has a doubly supported beam stretched along the diameter direction. It differs from the MEMS switch of the said embodiment by the point which comprises.
そして可動電極１２１は枠部からこの梁に沿って中心位置まで、ＭＥＭＳスイッチ本体１２２Ｄの裏面側に半径分だけ形成され、先端に突起部１２１Ｓを具備している。また、固定電極は前記突起部１２１Ｓに対向する位置から前記可動電極１２１と逆の方向に半径分だけ伸長している。 The movable electrode 121 is formed on the back side of the MEMS switch main body 122D by a radius from the frame portion to the center position along the beam, and has a protrusion 121S at the tip. The fixed electrode extends from the position facing the protrusion 121S by a radius in the direction opposite to the movable electrode 121.
また駆動部１３０もＭＥＭＳスイッチ本体１２２Ｄ上に形成され、同様に同様に詳細記載を省略するが、下層電極１３１、上層電極１３３とで圧電薄膜１３２を挟んだ構成となっている。 The drive unit 130 is also formed on the MEMS switch main body 122D, and similarly the detailed description is omitted, but the piezoelectric thin film 132 is sandwiched between the lower layer electrode 131 and the upper layer electrode 133.
このＭＥＭＳスイッチにおいても、前記実施の形態１で用いたＭＥＭＳスイッチと同様、ＯＦＦ電流も小さく、従って小型で広帯域のアンテナ装置を得ることができる。 Also in this MEMS switch, the OFF current is small as in the MEMS switch used in the first embodiment, so that a small and wideband antenna device can be obtained.
また、この構造のＭＥＭＳスイッチは、スイッチングデバイスチップとして、実装が容易である。接続に際しても方向を選ぶことなく形成することができるため、ハイブリッド構造でアンテナ装置を構成する際にもレイアウトが容易である。 Moreover, the MEMS switch having this structure can be easily mounted as a switching device chip. Since the connection can be made without selecting the direction, the layout is easy even when the antenna device is configured with a hybrid structure.
なおここでは図示しないが、チューナブルデバイスを構成する他の要素については前記実施の形態１と同様である。 Although not shown here, other elements constituting the tunable device are the same as those in the first embodiment.
（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３として、アンテナ装置に用いられるＭＥＭＳスイッチの変形例について説明する。
本発明の実施の形態３のアンテナ装置用のチューナブルデバイスを構成するＭＥＭＳスイッチ１２０は、図１０（ａ）乃至（ｃ）に示すように両持ち梁を中心で固定して両持ち梁構造のＭＥＭＳスイッチ本体１２２Ｑを配設し、これに可動電極１２１を配設したものである。ここで図１０（ａ）は本実施の形態３で用いられるＭＥＭＳスイッチの上面図、図１０（ｂ）は図１０（ａ）のＡ−Ａ断面図、図１０（ｃ）は図１０（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。
(Embodiment 3)
Next, as a third embodiment of the present invention, a modification of the MEMS switch used in the antenna device will be described.
The MEMS switch 120 constituting the tunable device for an antenna device according to the third embodiment of the present invention has a double-supported beam structure in which the double-supported beam is fixed at the center as shown in FIGS. 10 (a) to 10 (c). A MEMS switch main body 122Q is disposed, and a movable electrode 121 is disposed thereon. Here, FIG. 10A is a top view of the MEMS switch used in the third embodiment, FIG. 10B is a cross-sectional view taken along line AA of FIG. 10A, and FIG. 10C is FIG. It is BB sectional drawing of).
構成要素としては前記実施の形態１および２で示したチューナブルデバイスと同様であるが、ＭＥＭＳスイッチ本体１２２Ｑが円形の枠体１３０で両端を支持され、直径方向に沿って張架された両持ち梁を構成する点で前記実施の形態のＭＥＭＳスイッチと異なるものである。 The constituent elements are the same as those of the tunable device shown in the first and second embodiments, but the MEMS switch main body 122Q is supported at both ends by the circular frame body 130, and is supported in a stretched manner along the diametrical direction. This is different from the MEMS switch of the above embodiment in that a beam is formed.
そして可動電極１２１は枠部からこの梁に沿って中心位置まで、ＭＥＭＳスイッチ本体１２２Ｑの裏面側に２本、半径分だけ形成され、先端に突起部１２１Ｓを具備している。また、固定電極は前記突起部１２１Ｓに対向する位置から前記可動電極１２１と逆の方向に、２本半径分だけ伸長している。 Two movable electrodes 121 are formed on the back surface side of the MEMS switch main body 122Q from the frame portion to the center position along the beam by a radius, and a protrusion 121S is provided at the tip. In addition, the fixed electrode extends by two radii from the position facing the protrusion 121S in the direction opposite to the movable electrode 121.
また駆動部１３０もＭＥＭＳスイッチ本体１２２Ｑ上に形成され、同様に詳細記載を省略するが、下層電極１３１、上層電極１３３とで圧電薄膜１３２を挟んだ構成となっている。 The drive unit 130 is also formed on the MEMS switch main body 122Q, and detailed description is omitted in the same manner, but the piezoelectric thin film 132 is sandwiched between the lower layer electrode 131 and the upper layer electrode 133.
このＭＥＭＳスイッチにおいても、前記実施の形態１で用いたＭＥＭＳスイッチと同様、ＯＦＦ電流も小さく、従って小型で広帯域のアンテナ装置を得ることができる。 Also in this MEMS switch, the OFF current is small as in the MEMS switch used in the first embodiment, so that a small and wideband antenna device can be obtained.
また、この構造のＭＥＭＳスイッチは、スイッチングデバイスチップとして、実装が容易である。接続に際しても方向を選ぶことなく形成することができるため、ハイブリッド構造でアンテナ装置を構成する際にもレイアウトが容易である。 Moreover, the MEMS switch having this structure can be easily mounted as a switching device chip. Since the connection can be made without selecting the direction, the layout is easy even when the antenna device is configured with a hybrid structure.
なおここでは図示しないが、チューナブルデバイスを構成する他の要素については前記実施の形態１と同様である。 Although not shown here, other elements constituting the tunable device are the same as those in the first embodiment.
（実施の形態４）
次に、本発明の実施の形態４として、アンテナ装置に用いられるＭＥＭＳスイッチの変形例について説明する。
本発明の実施の形態４のアンテナ装置用のチューナブルデバイスを構成するＭＥＭＳスイッチ１２０は、図１１（ａ）および（ｂ）に示すように、実施の形態２と同様、両持ち梁構造のＭＥＭＳスイッチ本体１２２Ｄを配設し、これに可動電極１２１を配設したものであるが、本実施の形態では、梁の根元部１２２ｎにそれぞれ１つの孔１２５を形成し、固定部である枠部の弾性を高め、変位し易い構造を形成したことを特徴とするものである。ここで図１１（ａ）は本実施の形態４で用いられるＭＥＭＳスイッチの上面図、図１１（ｂ）は図１１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
(Embodiment 4)
Next, as a fourth embodiment of the present invention, a modification of the MEMS switch used in the antenna device will be described.
As shown in FIGS. 11A and 11B, the MEMS switch 120 constituting the tunable device for an antenna device according to the fourth embodiment of the present invention is a MEMS having a doubly-supported beam structure as in the second embodiment. The switch body 122D is disposed, and the movable electrode 121 is disposed on the switch body 122D. However, in the present embodiment, one hole 125 is formed in each of the root portions 122n of the beam, and the frame portion which is a fixed portion is formed. It is characterized by forming a structure that increases elasticity and is easily displaced. Here, FIG. 11A is a top view of the MEMS switch used in the fourth embodiment, and FIG. 11B is a cross-sectional view taken along line AA of FIG.
構成要素としては前記実施の形態２で示したチューナブルデバイスと同様である。
この構成によれば、上記実施の形態２の効果に加えて、ＭＥＭＳスイッチ本体１２２Ｄを構成する梁の根元部１２２ｎにそれぞれ１つの孔１２５を形成しているため、固定部である枠部の弾性を高め、変位し易い状態にすることができる。
The constituent elements are the same as those of the tunable device shown in the second embodiment.
According to this configuration, in addition to the effect of the second embodiment, each hole 125 is formed in the root portion 122n of the beam that constitutes the MEMS switch main body 122D. And can be easily displaced.
（実施の形態５）
次に、本発明の実施の形態５として、アンテナ装置に用いられるＭＥＭＳスイッチの変形例について説明する。
本発明の実施の形態５のアンテナ装置用のチューナブルデバイスを構成するＭＥＭＳスイッチ１２０は、図１２（ａ）および（ｂ）に示すように、上記実施の形態１乃至４とは異なり、本実施の形態ではＭＥＭＳスイッチ本体１２６を、枠部１３０に連接された円盤状の板状体で構成したものである。そして、この板状体からなるＭＥＭＳスイッチ本体１２６を配設し、これに可動電極１２１を配設したものであるが、本実施の形態では、梁の根元部１２２ｎに円周方向に沿って複数個の孔１２５を形成し、固定部である枠部の弾性を高め、変位し易い構造を形成したことを特徴とするものである。ここで図１２（ａ）は本実施の形態５で用いられるＭＥＭＳスイッチの上面図、図１２（ｂ）は図１２（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
(Embodiment 5)
Next, as a fifth embodiment of the present invention, a modification of the MEMS switch used in the antenna device will be described.
As shown in FIGS. 12A and 12B, the MEMS switch 120 constituting the tunable device for an antenna device according to the fifth embodiment of the present invention differs from the first to fourth embodiments described above. In this embodiment, the MEMS switch body 126 is configured by a disk-shaped plate connected to the frame portion 130. Then, the MEMS switch body 126 made of this plate-like body is disposed, and the movable electrode 121 is disposed on the MEMS switch body 126. In the present embodiment, a plurality of members are provided along the circumferential direction at the root portion 122n of the beam. Each of the holes 125 is formed to increase the elasticity of the frame portion, which is a fixed portion, and to form a structure that is easily displaced. Here, FIG. 12A is a top view of the MEMS switch used in the fifth embodiment, and FIG. 12B is a cross-sectional view taken along line AA of FIG.
構成要素としては前記実施の形態１で示したチューナブルデバイスと同様である。
この構成によれば、上記実施の形態１の効果に加えて、ＭＥＭＳスイッチ本体１２６が根元部１２２ｎにそれぞれ１つの孔１２５を形成しているため、固定部である枠部の弾性を高め、変位し易い状態にすることができる。
The constituent elements are the same as those of the tunable device shown in the first embodiment.
According to this configuration, in addition to the effects of the first embodiment, the MEMS switch main body 126 has one hole 125 in the root portion 122n, so that the elasticity of the frame portion that is the fixing portion is increased and the displacement is increased. It is possible to make it easy to do.
なお可動電極及び固定電極は前記実施の形態２と同様に半径方向に１つずつ相対向して配置されている。
この構成によれば、安定した変位を得ることができ、高精度で信頼性の高いＭＥＭＳスイッチを提供することが可能である。
Note that the movable electrode and the fixed electrode are arranged to face each other in the radial direction, as in the second embodiment.
According to this configuration, a stable displacement can be obtained, and a highly accurate and reliable MEMS switch can be provided.
（実施の形態６）
次に、本発明の実施の形態６として、アンテナ装置に用いられるＭＥＭＳスイッチの変形例について説明する。
本発明の実施の形態６のアンテナ装置用のチューナブルデバイスを構成するＭＥＭＳスイッチ１２０は、図１３（ａ）および（ｂ）に示すように、上記実施の形態５と同様、本実施の形態ではＭＥＭＳスイッチ本体１２６を、枠部１３０に連接された円盤状の板状体で構成したものである。そして、この板状体からなるＭＥＭＳスイッチ本体１２６を配設し、これに可動電極１２１を配設したものであるが、本実施の形態では、梁の１２２ｎに円周方向に沿って帯状の溝１２７を形成し、固定部である枠部の弾性を高め、変位し易い構造を形成したことを特徴とするものである。ここで図１３（ａ）は本実施の形態６で用いられるＭＥＭＳスイッチの上面図、図１３（ｂ）は図１３（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
(Embodiment 6)
Next, as a sixth embodiment of the present invention, a modification of the MEMS switch used in the antenna device will be described.
As shown in FIGS. 13A and 13B, the MEMS switch 120 constituting the tunable device for an antenna device according to the sixth embodiment of the present invention is similar to the fifth embodiment in the present embodiment. The MEMS switch body 126 is constituted by a disk-shaped plate connected to the frame portion 130. Then, the MEMS switch main body 126 made of this plate-like body is provided, and the movable electrode 121 is provided thereon. In this embodiment, a belt-like groove is formed along the circumferential direction on the beam 122n. 127 to form a structure that is easy to displace by increasing the elasticity of the frame portion, which is a fixed portion. Here, FIG. 13A is a top view of the MEMS switch used in the sixth embodiment, and FIG. 13B is a cross-sectional view taken along line AA of FIG.
構成要素としては前記実施の形態５で示したチューナブルデバイスと同様である。
この構成によれば、上記実施の形態１の効果に加えて、ＭＥＭＳスイッチ本体１２６が根元部１２２ｎに、円周方向に沿って帯状の溝１２７を形成しているため、固定部である枠部の弾性を高め、より変位し易い構造を提供することができる。
The constituent elements are the same as those of the tunable device shown in the fifth embodiment.
According to this configuration, in addition to the effects of the first embodiment, since the MEMS switch body 126 forms the band-shaped groove 127 along the circumferential direction in the root portion 122n, the frame portion which is a fixed portion Therefore, it is possible to provide a structure that is more easily displaced.
なおここでも可動電極及び固定電極は前記実施の形態２と同様に半径方向に１つずつ相対向して配置されている。 In this case as well, the movable electrode and the fixed electrode are arranged so as to face each other in the radial direction as in the second embodiment.
（実施の形態７）
次に、本発明の実施の形態７として、アンテナ装置に用いられるチューナブルデバイスの容量可変キャパシタの変形例について説明する。
本発明の実施の形態７のアンテナ装置用のチューナブルデバイスは、図１４（ａ）および（ｂ）に概念説明図を示すように、図１４（ａ）に示した従来例のチューナブルデバイスの容量可変キャパシタＣ１を図１４（ｂ）に示すように５個の容量可変キャパシタＣ１
１、Ｃ１２、Ｃ１３、Ｃ１４、Ｃ１５の直列接続体で構成し、連続容量可変比の大きい微細容量の容量可変キャパシタを提供することを特徴とするものである。
(Embodiment 7)
Next, as a seventh embodiment of the present invention, a modification of the variable capacitance capacitor of the tunable device used in the antenna device will be described.
The tunable device for an antenna device according to the seventh embodiment of the present invention is the same as the conventional tunable device shown in FIG. 14A, as shown in FIGS. 14A and 14B. As shown in FIG. 14B, the variable capacitance capacitor C1 includes five variable capacitance capacitors C1.
1, C12, C13, C14, and C15 are connected in series, and a capacitance variable capacitor having a fine capacitance with a large continuous capacitance variable ratio is provided.
すなわち、ＢＳＴ、ＰＺＴ等の強誘電体は印加直流電圧により誘電率が変化する。従って、印加直流電圧で容量値を制御する容量可変キャパシタを構成することができるが、これらの強誘電体は誘電率が大きく、しかも容量値を制御する電圧値を小さくするために誘電体層の厚さを薄くしなければならないので、微細面積化が困難な場合には小さな容量値を得るのが困難となることがある。このような場合には、複数個の容量可変キャパシタを直列接続することで、小さな容量値を得ることができる。 That is, the dielectric constant of a ferroelectric such as BST or PZT changes depending on the applied DC voltage. Accordingly, it is possible to configure a variable capacitance capacitor that controls the capacitance value with the applied DC voltage. However, these ferroelectrics have a large dielectric constant, and in order to reduce the voltage value that controls the capacitance value, Since the thickness must be reduced, it may be difficult to obtain a small capacitance value when it is difficult to reduce the area. In such a case, a small capacitance value can be obtained by connecting a plurality of capacitance variable capacitors in series.
例えば、ＢＳＴを誘電体層として用いた容量可変キャパシタＣ１が、５から１０ｐＦの範囲で可変であるとすると、例えば５分の１の容量値を得たいとすると電極面積を５分の１にする必要がある。しかしながら、フォトリソグラフィでそれ以上小さなパターン形成を行うのが困難な場合には、図１４（ｂ）に示すように、５個の容量可変キャパシタＣ１１、Ｃ１２、Ｃ１３、Ｃ１４、Ｃ１５の直列接続体で構成する。これにより、１から２ｐＦの微細容量で連続容量可変比２を得ることができる。 For example, if the capacitance variable capacitor C1 using BST as a dielectric layer is variable in the range of 5 to 10 pF, for example, if it is desired to obtain a capacitance value of 1/5, the electrode area is reduced to 1/5. There is a need. However, when it is difficult to form a smaller pattern by photolithography, as shown in FIG. 14B, a series connection body of five capacitance variable capacitors C11, C12, C13, C14, and C15 is used. Constitute. Thereby, the continuous capacitance variable ratio 2 can be obtained with a fine capacitance of 1 to 2 pF.
（実施の形態８）
次に、本発明の実施の形態８として、前記実施の形態７のアンテナ装置を構成する容量可変キャパシタの構造について説明する。
本発明の実施の形態８のアンテナ装置用のチューナブルデバイスを構成する第１の容量可変キャパシタは、図１５に概念断面説明図を示すように、所定の間隔を隔てて形成された３つの第１の容量電極１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃと、この第１の容量電極１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ上に一体的に形成されたＢＳＴからなる誘電体層１１２と、前記第１の容量電極１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃと、所定幅ａづつ重なるようにずらして形成された第２の容量電極１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃとで構成され、第１の容量電極と第２の容量電極との重なる領域Ｒ１からＲ５で互いに直列接続された容量可変キャパシタＣ１１、Ｃ１２、Ｃ１３、Ｃ１４、Ｃ１５を構成するものである。
この構成によれば、容易に効率よく、微細容量の容量可変キャパシタを形成することができる。
製造に際しても、ＢＳＴの形成工程が１回ですむため極めて容易に信頼性の高いデバイスを形成することができる。
有効なデバイス
の直列接続体で構成し、連続容量可変比の大きい微細容量の容量可変キャパシタを提供することを特徴とするものである。
(Embodiment 8)
Next, as an eighth embodiment of the present invention, the structure of a variable capacitance capacitor constituting the antenna device of the seventh embodiment will be described.
The first variable capacitance capacitor constituting the tunable device for an antenna device according to the eighth embodiment of the present invention has three first capacitors formed at predetermined intervals as shown in the conceptual cross-sectional explanatory view of FIG. One capacitive electrode 111a, 111b, 111c, a dielectric layer 112 made of BST integrally formed on the first capacitive electrode 111a, 111b, 111c, and the first capacitive electrode 111a, 111b, 111c. And second capacitive electrodes 113a, 113b, 113c formed so as to overlap each other by a predetermined width a, and are connected in series in regions R1 to R5 where the first capacitive electrode and the second capacitive electrode overlap. The connected variable capacitance capacitors C11, C12, C13, C14, and C15 are configured.
According to this configuration, it is possible to easily and efficiently form a variable capacitance capacitor having a fine capacity.
In manufacturing, since the BST formation process is only required once, a highly reliable device can be formed very easily.
The present invention is characterized by providing a variable capacitance capacitor having a fine capacity and comprising a series connection body of effective devices and having a large continuous capacitance variable ratio.
すなわち、ＢＳＴ、ＰＺＴ等の強誘電体は印加直流電圧により誘電率が変化する。従って、印加直流電圧で容量値を制御する容量可変キャパシタを構成することができるが、これらの強誘電体は誘電率が大きく、微細面積化が困難な場合には小さな容量値を得るのが困難となることがある。このような場合には、複数個の容量可変キャパシタを直列接続することで、微細容量を得ることができる。 That is, the dielectric constant of a ferroelectric such as BST or PZT changes depending on the applied DC voltage. Therefore, it is possible to construct a variable capacitance capacitor that controls the capacitance value with the applied DC voltage. However, it is difficult to obtain a small capacitance value when these ferroelectrics have a large dielectric constant and it is difficult to reduce the area. It may become. In such a case, a fine capacitance can be obtained by connecting a plurality of variable capacitance capacitors in series.
例えば、ＢＳＴを誘電体層として用いた容量可変キャパシタＣ１が、５から１０ｐＦの範囲で可変であるとすると、例えば５分の１の容量値を得たいとすると電極面積を５分の１にする必要がある。しかしながら、フォトリソグラフィでそれ以上小さなパターン形成を行うのが困難な場合には、図１４（ｂ）に示すように、５個の容量可変キャパシタＣ１１、Ｃ１２、Ｃ１３、Ｃ１４、Ｃ１５の直列接続体で構成する。これにより、１から２ｐＦの微細容量で連続容量可変比２を得ることができる。 For example, if the capacitance variable capacitor C1 using BST as a dielectric layer is variable in the range of 5 to 10 pF, for example, if it is desired to obtain a capacitance value of 1/5, the electrode area is reduced to 1/5. There is a need. However, when it is difficult to form a smaller pattern by photolithography, as shown in FIG. 14B, a series connection body of five capacitance variable capacitors C11, C12, C13, C14, and C15 is used. Constitute. Thereby, the continuous capacitance variable ratio 2 can be obtained with a fine capacitance of 1 to 2 pF.
（実施の形態９）
次に、本発明の実施の形態９として、前記実施の形態７のアンテナ装置を構成する容量可変キャパシタの構造について説明する。
本発明の実施の形態９のアンテナ装置用のチューナブルデバイスを構成する第１の容量可変キャパシタは、図１５に概念断面説明図を示すように、積層構造で５個の容量可変キャパシタを形成したものである。
すなわち、前記実施の形態８では、５個の容量可変キャパシタを並べて配列し直列接続体を形成したがこの構造では、５個の容量可変キャパシタを積層配列し直列接続体を形成したものである。
この構成によれば、占有面積を低減することができる。また隣接電極は共通化することができるため、コンパクトな構造を得ることができる。
(Embodiment 9)
Next, as a ninth embodiment of the present invention, a structure of a variable capacitance capacitor constituting the antenna device of the seventh embodiment will be described.
The first variable capacitance capacitor constituting the tunable device for an antenna device according to the ninth embodiment of the present invention has five capacitance variable capacitors formed in a laminated structure as shown in the conceptual cross-sectional explanatory diagram of FIG. Is.
That is, in the eighth embodiment, five capacitance variable capacitors are arranged side by side to form a series connection body, but in this structure, five capacitance variable capacitors are stacked to form a series connection body.
According to this configuration, the occupied area can be reduced. Further, since the adjacent electrodes can be shared, a compact structure can be obtained.
前記実施の形態のすべてにおいて、誘電体層を構成する材料としては、ＢＳＴ、ＰＺＴなどが適用可能である。
また、駆動部を構成する圧電薄膜としては、ＰＺＴ、ＰＬＺＴ、ＡｌＮ、ＺｎＯなどが適用可能である。
また、基板表面を被覆する絶縁膜材料としてはＳｉＯ２、ＳｉＮなどが適用可能であり、ＭＥＭＳ工程でエッチング除去する犠牲層として用いる場合にはエッチング選択比を考慮して材料を選択する必要がある。
さらにまた基板としてはシリコン（Ｓｉ）を用いるのが望ましいがＧａＡＳなどの化合物半導体基板を用いてもよい。
In all of the above-described embodiments, BST, PZT, or the like can be applied as a material constituting the dielectric layer.
In addition, PZT, PLZT, AlN, ZnO, or the like can be applied as the piezoelectric thin film constituting the driving unit.
In addition, SiO 2 , SiN, or the like can be used as an insulating film material that covers the substrate surface. When used as a sacrificial layer that is removed by etching in the MEMS process, it is necessary to select the material in consideration of the etching selectivity. .
Furthermore, it is desirable to use silicon (Si) as the substrate, but a compound semiconductor substrate such as GaAS may be used.
また、前記実施の形態では、ＭＥＭＳスイッチにおける可動電極１２１と固定電極１２３との接続部は金属同士で行ったが、可動電極１２１と固定電極１２３のうちいずれかの表面に酸化シリコン膜あるいは窒化シリコン膜などの薄い絶縁膜を形成してもよい。 Moreover, in the said embodiment, although the connection part of the movable electrode 121 and fixed electrode 123 in a MEMS switch was performed with metal, either a silicon oxide film or silicon nitride on the surface of the movable electrode 121 and the fixed electrode 123 is carried out. A thin insulating film such as a film may be formed.
また、前記実施の形態では、ＭＥＭＳスイッチの駆動部は圧電素子で構成したが、静電力をもちいてもよい。 Moreover, in the said embodiment, although the drive part of the MEMS switch was comprised by the piezoelectric element, you may use an electrostatic force.
（実施の形態１０）
次に、本発明の実施の形態１０として、前記実施の形態１のアンテナ装置の変形例について説明する。前記実施の形態１では、第１および第２の容量可変キャパシタに接続する制御部を同一電位で制御したが、別途電圧生成回路を設け、第１及び第２の制御部で独立して制御するようにしてもよい。
(Embodiment 10)
Next, as a tenth embodiment of the present invention, a modification of the antenna device of the first embodiment will be described. In the first embodiment, the control unit connected to the first and second capacitance variable capacitors is controlled with the same potential, but a separate voltage generation circuit is provided and controlled independently by the first and second control units. You may do it.
なお、前記実施の形態では２個の容量可変キャパシタを用いた例について説明したが、例えばｎ個の容量可変キャパシタとｎ―１個のＭＥＭＳスイッチを用いるなど、３個以上の容量可変キャパシタを用いた場合にも適用可能である。 In the above embodiment, an example using two capacitance variable capacitors has been described. However, for example, three or more capacitance variable capacitors are used, such as using n capacitance variable capacitors and n−1 MEMS switches. It is also applicable when
上記のように、ＭＥＭＳ技術を用いて製造するＢＳＴキャパシタＣ１、Ｃ２及びスイッチＳＷによってチューナブルデバイスを形成した結果、板状ループアンテナによる放射効率ηは、周波数帯域４７０〔ＭＨｚ〕〜７７０〔ＭＨｚ〕において、図８に示す関係と同様である。板状ループアンテナによる放射効率ηは、６００〔ＭＨｚ〕において低下しているが、これは、チューナブルデバイスにおけるスイッチＳＷを開放し、ＢＳＴキャパシタＣ１、Ｃ２を直列に接続したことによって、チューナブルデバイス全体の等価直列抵抗Ｒｓが増加するためである。しかし、この放射効率ηの低下は、１〔ｄＢ〕未満と極めて小さいため、本発明の実施の形態のアンテナ装置による地上デジタル放送波の送受信に与える影響はない。 As described above, as a result of forming the tunable device by the BST capacitors C1 and C2 and the switch SW manufactured using the MEMS technology, the radiation efficiency η by the plate loop antenna has a frequency band of 470 [MHz] to 770 [MHz]. This is the same as the relationship shown in FIG. The radiation efficiency η by the plate loop antenna decreases at 600 [MHz]. This is because the switch SW in the tunable device is opened and the BST capacitors C1 and C2 are connected in series. This is because the entire equivalent series resistance Rs increases. However, since the reduction of the radiation efficiency η is extremely small, less than 1 [dB], there is no influence on the transmission / reception of digital terrestrial broadcast waves by the antenna device according to the embodiment of the present invention.
以上、本発明の実施の形態のアンテナ装置によれば、ＢＳＴキャパシタを直列に接続した構成のチューナブルデバイスによって、帯域幅の広い周波数帯域における送受信を実現
することができる。低い駆動電圧で周波数の整合を実現し、また、実装面積を抑えることができる本発明の実施の形態のアンテナ装置は、携帯端末装置に搭載されるアンテナ装置として要求される条件を満たしており、極めて有用である。
As described above, according to the antenna device of the embodiment of the present invention, transmission / reception in a wide frequency band can be realized by a tunable device having a configuration in which BST capacitors are connected in series. The antenna device according to the embodiment of the present invention that achieves frequency matching with a low drive voltage and can reduce the mounting area satisfies the requirements for an antenna device mounted on a mobile terminal device, Very useful.
（実施の形態１１）
次に、本発明の実施の形態１１のアンテナ装置の等価回路を図１７に示す。本実施の形態のチューナブルデバイスでは、実施の形態１の容量絶縁膜として強誘電体薄膜を用いた容量可変キャパシタＣ１に代えて、常誘電体薄膜を用いた容量固定キャパシタＣｓを用いるようにしたことを特徴とする。すなわち、この容量固定キャパシタＣｓは、前記基板上に形成され、第１の電極と、第２の電極とで、常誘電体材料からなる誘電体薄膜を挟んだ薄膜素子であるものを含む。
(Embodiment 11)
Next, FIG. 17 shows an equivalent circuit of the antenna device according to the eleventh embodiment of the present invention. In the tunable device according to the present embodiment, a fixed capacitance capacitor Cs using a paraelectric thin film is used instead of the variable capacitance capacitor C1 using a ferroelectric thin film as the capacitive insulating film of the first embodiment. It is characterized by that. That is, the fixed capacitor Cs includes a thin film element that is formed on the substrate and sandwiches a dielectric thin film made of a paraelectric material between a first electrode and a second electrode.
このアンテナ装置は、図１７に示すように、互いに直列接続された固定容量キャパシタＣｓ及び容量可変キャパシタＣ２と固定容量キャパシタＣｓに並列接続されたスイッチＳＷとを備えたチューナブルデバイスＴＤと、チューナブルデバイスＴＤに両端を接続されたアンテナ素子ＡＮＴとを具備し、アンテナ素子の一方の端子は接地され、もう一方の端子は高周波集積処理回路ＲＦＩＣに接続されている。 As shown in FIG. 17, the antenna device includes a tunable device TD including a fixed capacitor Cs and a variable capacitor C2 connected in series to each other, and a switch SW connected in parallel to the fixed capacitor Cs. The device TD includes an antenna element ANT connected at both ends, and one terminal of the antenna element is grounded, and the other terminal is connected to the high-frequency integrated processing circuit RFIC.
４７０〔ＭＨｚ〕〜７７０〔ＭＨｚ〕程度の周波数帯域を確保するために、チューナブルデバイスＴＤの容量は、１．２６〜３．３９〔ｐＦ〕の範囲で変化する必要がある。このために、印加電圧Ｖｔを１〔Ｖ〕から２〔Ｖ〕へ変化させたときに、次の容量に固定された固定容量キャパシタＣｓ、及び次のように容量が変化する容量可変キャパシタＣ２を利用する。
［固定容量キャパシタＣｓ］
固定容量キャパシタＣｓは、４．００〔ｐＦ〕に容量が固定されている。
［容量可変キャパシタＣ２：スイッチＳＷ短絡時］
１．８２〜３．３９〔ｐＦ〕に容量が変化する。なお、印加電圧Ｖｔが１〔Ｖ〕のときに容量可変キャパシタＣ２の容量が３．３９〔ｐＦ〕、印加電圧Ｖｔが２〔Ｖ〕のときに容量可変キャパシタＣ２の容量が１．８２〔ｐＦ〕になる。このとき、連続容量可変比は、３．３９／１．８２≒１．８６になる。
［固定容量キャパシタＣｓ、容量可変キャパシタＣ２の合成容量：スイッチＳＷ開放時］
１．２６〜１．８２〔ｐＦ〕に容量が変化する。なお、印加電圧Ｖｔが１〔Ｖ〕のときに合成容量が１．８２〔ｐＦ〕、印加電圧Ｖｔが２〔Ｖ〕のときに合成容量が１．２６〔ｐＦ〕になる。
In order to secure a frequency band of about 470 [MHz] to 770 [MHz], the capacity of the tunable device TD needs to change in the range of 1.26 to 3.39 [pF]. For this purpose, when the applied voltage Vt is changed from 1 [V] to 2 [V], the fixed capacitance capacitor Cs fixed to the next capacitance and the capacitance variable capacitor C2 whose capacitance changes as follows. Use.
[Fixed capacitance capacitor Cs]
The fixed capacitor Cs has a fixed capacitance of 4.00 [pF].
[Capacitance variable capacitor C2: When switch SW is short-circuited]
The capacitance changes from 1.82 to 3.39 [pF]. The capacitance of the variable capacitance capacitor C2 is 3.39 [pF] when the applied voltage Vt is 1 [V], and the capacitance of the variable capacitance capacitor C2 is 1.82 [pF] when the applied voltage Vt is 2 [V]. 〕become. At this time, the continuous capacity variable ratio becomes 3.39 / 1.82≈1.86.
[Combined capacity of fixed capacitor Cs and variable capacitor C2: When switch SW is opened]
The capacitance changes from 1.26 to 1.82 [pF]. When the applied voltage Vt is 1 [V], the combined capacity is 1.82 [pF], and when the applied voltage Vt is 2 [V], the combined capacity is 1.26 [pF].
このため、容量可変キャパシタＣ２の連続容量可変比が１．８以上であれば、スイッチＳＷを短絡、または開放して、固定容量キャパシタＣｓ及び容量可変キャパシタＣ２、または容量可変キャパシタＣ２のみをループアンテナＡＮＴに接続することにより、容量可変キャパシタＣ２のみを接続したときは４７０〜６５０の周波数帯域幅を、容量可変キャパシタＣ１及び容量可変キャパシタＣ２を接続したときは６５０〜７７０の周波数帯域幅を、それぞれ確保することができる。このようにして、広帯域のアンテナ装置を提供することができる。 For this reason, if the continuous capacitance variable ratio of the capacitance variable capacitor C2 is 1.8 or more, the switch SW is short-circuited or opened, and only the fixed capacitance capacitor Cs and the capacitance variable capacitor C2, or the capacitance variable capacitor C2 is a loop antenna. By connecting to the ANT, the frequency bandwidth of 470 to 650 is obtained when only the capacitance variable capacitor C2 is connected, and the frequency bandwidth of 650 to 770 is obtained when the capacitance variable capacitor C1 and the capacitance variable capacitor C2 are connected. Can be secured. In this way, a broadband antenna device can be provided.
この構成によれば、製造が容易で、かつ小型化が可能となる。また、第１及び第２の電極は容量可変キャパシタと同一工程で形成することができ、誘電体薄膜のみを変更すればよいため、製造が容易で、かつ小型化が可能である。さらにまた強誘電体薄膜に比べて低抵抗であるため、寄生抵抗の低減をはかることができる。 According to this structure, manufacture is easy and size reduction is attained. In addition, the first and second electrodes can be formed in the same process as the capacitance variable capacitor, and only the dielectric thin film needs to be changed. Therefore, manufacturing is easy and miniaturization is possible. Furthermore, since the resistance is lower than that of the ferroelectric thin film, the parasitic resistance can be reduced.
本発明のアンテナ装置によれば、連続容量可変比が高いキャパシタを備える構成のチュ
ーナブルデバイスによって、複数の周波数帯域または帯域幅の広い周波数帯域における送受信を実現することができ、広帯域化と高放射効率を実現することを目的とするアンテナ装置の分野において有用である。
According to the antenna device of the present invention, transmission and reception in a plurality of frequency bands or in a wide frequency band can be realized by a tunable device having a capacitor having a high continuous capacitance variable ratio, and widening and high radiation can be realized. This is useful in the field of antenna devices intended to achieve efficiency.
ＡＮＴ アンテナ素子、ループアンテナ
Ｃ０、Ｃ１、Ｃ２ 可変容量キャパシタ
ＲＦＩＣ 高周波集積処理回路
ＴＤ チューナブルデバイス
ＳＷ スイッチ
１００ シリコン基板
１１０ａ、１１０ｂ 容量可変キャパシタ
１１１ａ、１１１ｂ 第１の容量電極
１１２ａ、１１２ｂ 強誘電体層
１１３ａ、１１３ｂ 第２の容量電極
１２０ スイッチ
１２１ 可動電極
１２１Ｓ 突起部（バンプ）
１２２ ＭＥＭＳスイッチ本体
１２２ｎ 根元部
１２３ 固定電極
１３０ 駆動部
ANT antenna element, loop antenna C0, C1, C2 variable capacitance capacitor RFIC high frequency integrated processing circuit TD tunable device SW switch 100 silicon substrate 110a, 110b capacitance variable capacitor 111a, 111b first capacitance electrode 112a, 112b ferroelectric layer 113a 113b Second capacitor electrode 120 Switch 121 Movable electrode 121S Protrusion (bump)
122 MEMS switch body 122n Root part 123 Fixed electrode 130 Drive part
Claims (12)
前記容量可変キャパシタと直列に接続されたキャパシタと、
前記キャパシタと並列に接続されたスイッチと、
前記容量可変キャパシタと前記キャパシタとに接続されたアンテナ素子と、
を備えたアンテナ装置 A variable capacitance capacitor using a ferroelectric material;
A capacitor connected in series with the variable capacitance capacitor;
A switch connected in parallel with the capacitor;
An antenna element connected to the capacitance variable capacitor and the capacitor;
Antenna device with
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