JP2013247491A

JP2013247491A - ホーンアンテナ一体型ｍｍｉｃパッケージ及びアレーアンテナ

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Publication number: JP2013247491A
Application number: JP2012119471A
Authority: JP
Inventors: Ho-Jin Song; ホジンソン; Katsuhiro Ajito; 克裕味戸; Makoto Yaita; 信矢板; Naoya Kukutsu; 直哉久々津
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2012-05-25
Filing date: 2012-05-25
Publication date: 2013-12-09
Anticipated expiration: 2032-05-25
Also published as: JP5616927B2

Abstract

【課題】積層基板を用いたホーンアンテナ一体型ＭＭＩＣの製造コストを低廉化する。
【解決手段】複数の誘電体シート１１ｂを積層した積層基板１１の内部に、放射電磁波のＨ面内方向あるいはＥ面内方向のみに扇形にフレアしたホーンアンテナ１２と、ＭＭＩＣを収容するキャビティ１６をホーンアンテナの開口端１２ａが積層基板１１の面内となる向きに設ける。これにより、ホーンアンテナを実現する際に切削加工が必要な誘電体シート１１ｂの枚数が減るので、ホーンアンテナの製造コストを低廉化することができる。また、ホーンアンテナ１２の長さを長くしても、切削加工が必要な誘電体シート１１ｂの枚数が増加することはない。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＬＴＣＣ（ＬｏｗＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＣｏ−ｆｉｒｅｄＣｅｒａｍｉｃｓ）等の積層基板を用いて、ホーンアンテナとＭＭＩＣ（ＭｏｎｏｌｉｔｈｉｃＭｉｃｒｏｗａｖｅＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ：モノリシックマイクロ波集積回路）パッケージを一体成形する技術に関する。

マイクロ波帯やテラヘルツ波帯の代表的なアンテナとしてホーンアンテナが知られている。ホーンアンテナは、電磁波が伝搬する導波管の断面を徐々に広くして自由空間に整合させたものである。積層基板を用いて、ホーンアンテナとＭＭＩＣパッケージを一体成形した構成も知られている。例えば、特許文献１のホーンアンテナは、直径が異なる穴の空いた誘電体シートを垂直方向に複数枚積層して円錐形のホーンアンテナを実現している。

特開平１１−４６１１４号公報

しかしながら、開口端が積層基板の垂直方向を向くようにホーンアンテナを設けるためには、多くの誘電体シートに開口を形成する必要がある。アンテナの長さを長くする場合は、アンテナの長さに応じて、開口加工が必要な誘電体シートの枚数が増大する。開口加工は製造コストが増大する要因のひとつであるので、従来技術には製造コストの低廉化が難しいという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、積層基板を用いてホーンアンテナとＭＭＩＣパッケージを一体成形する際の製造コストを低廉化することを目的とする。

第１の本発明に係るホーンアンテナ一体型ＭＭＩＣパッケージは、放射電磁波のＨ面内方向あるいはＥ面内方向にのみに扇形にフレアするホーンアンテナと、ＭＭＩＣを収容するキャビティと、を備え、誘電体シートとメタル層を交互に積層した積層基板を用いて、開口端を積層基板の面内方向に向けた前記ホーンアンテナと、前記キャビティと、を一体成形することを特徴とする。

第２の本発明に係るアレーアンテナは、上記ホーンアンテナ一体型ＭＭＩＣパッケージを前記誘電体シートの積層方向に複数個重ね、各ホーンアンテナ一体型ＭＭＩＣパッケージから放射される電磁波の位相を個別に制御する位相制御手段（遅延回路等で構成）を有することを特徴とする。

本発明によれば、積層基板を用いて、ホーンアンテナとＭＭＩＣパッケージを一体成形する際の製造コストを低廉化することができる。

本実施の第１の形態におけるホーンアンテナ一体型ＭＭＩＣパッケージの外観を示す斜視図である。上記ホーンアンテナ一体型ＭＭＩＣパッケージの正面図（ホーンアンテナの開口端側）、平面図、および断面図である。導波管および、これに接続された、放射電磁波のＨ面内方向のみをフレアしたホーンアンテナの模式図である。本実施の形態における別のホーンアンテナ一体型ＭＭＩＣパッケージの外観を示す正面図（ホーンアンテナの開口端側）である。導波管および、これに接続された、放射電磁波のＥ面内方向のみをフレアしたホーンアンテナの模式図である。ホーンアンテナ一体型ＭＭＩＣパッケージの第１の形態における第１の変形例の正面図（ホーンアンテナの開口端側）、平面図、および断面図である。ホーンアンテナ一体型ＭＭＩＣパッケージの第１の形態における第２の変形例の正面図（ホーンアンテナの開口端側）、平面図、および断面図である。ホーンアンテナ一体型ＭＭＩＣパッケージの第１の形態における第３の変形例の正面図（ホーンアンテナの開口端側）、平面図、および断面図である。本実施の第１の形態におけるホーンアンテナ一体型ＭＭＩＣパッケージを複数個重ねて構成したアレーアンテナの外観を示す斜視図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。

図１は、本実施の第１の形態におけるホーンアンテナ一体型ＭＭＩＣパッケージの外観を示す斜視図であり、図２（ａ）は、ホーンアンテナ一体型ＭＭＩＣパッケージ１をホーンアンテナの開口端１２ａ側からみた正面図、図２（ｂ）は、ホーンアンテナ一体型ＭＭＩＣパッケージ１のホーンアンテナ部の平面図、図２（ｃ）は、図２（ｂ）のＸ−Ｘ断面図である。

本実施の形態におけるホーンアンテナ一体型ＭＭＩＣパッケージ１は、誘電体シート１１ａ，１１ｂ，１１ｃを積層した積層基板１１と、開口端を積層基板１１の面内方向に向けたホーンアンテナ１２と、ホーンアンテナ１２の開口狭端側に配置したＭＭＩＣのキャビティ１６とを備える。

ホーンアンテナ１２は、積層基板１１を構成する誘電体シート１１ｂの一部分を切り取って加工したものであり、積層基板１１の面内方向に扇形にフレアした形状である。ホーンアンテナ１２は、積層基板１１の側面に形成された開口端１２ａに向かって扇形に広がるホーンアンテナ部１２ｂとホーンアンテナ部１２ｂにつながる矩形断面の導波管部１２ｃからなる。導波管部１２ｃの断面のサイズは伝搬させる電磁波の周波数と電磁界の向きから決まる。図３に示すＨ面内方向のみにフレアした、３００ＧＨｚ帯のホーンアンテナに接続する場合、導波管部ａのサイズは０．８ｍｍ、ｂのサイズは０．４ｍｍである。

ホーンアンテナ１２の側壁部には図２（ｂ）に示すように、側壁に沿って、金属ビア１４を積層基板１１内に設ける。金属ビア１４の間隔は、ホーンアンテナ１２の側壁から積層基板の内部に向かって電磁波が漏れないように、誘電体中の電磁波の波長の１／４以下の間隔にする。なお、金属ビア１４を用いる代わりにホーンアンテナ１２の側面をメタル材料でメッキしてもよい。

さらに図２（ｃ）に示すように、ホーンアンテナ１２の上の誘電体シート１１ａの下面およびホーンアンテナ１２の下の誘電体シート１１ｃの上面それぞれにメタル層１１ｄを設け、ホーンアンテナ１２をメタル層１１ｄで挟む。代替手段として、誘電体シート１１ａの代わりにメタル製のカバー板を用いてもよいし、誘電体シート１１ｃの代わりにメタル板を用いてもよい。

ＭＭＩＣ１３は、放射電磁波の波源となるアンテナカプラ部１３ａとこれを駆動する高周波回路部１３ｂを備える。ＭＭＩＣ１３は、ホーンアンテナ１２の導波管部１２ｃの端に、アンテナカプラ部１３ａがホーンアンテナ部１２ｂに向くように配置する。アンテナカプラには、放射電界の向きが積層基板と垂直になるものであればあらゆる形態が適用可能であり、この要件を満たすものに先端を解放したマイクロストリップ線路がある。アンテナカプラ部１３ａから放射された電磁波は導波管部１２ｃ、これに続くホーンアンテナ部１２ｂを伝搬し、開口端１２ａから大気中に放射される。

誘電体シート１１ｂの間にはメタル層が設けられており、パッケージ外への放熱のためのメタル１１ｅや内部端子１１ｆの実現手段として利用できる。ＭＭＩＣ１３に設けられた給電や信号入出力のためのメタルパッド（図示せず）は、ボンディングワイヤなどで内部端子１１ｆに接続される。積層基板１１を貫く太い金属ビア１５は、入出力信号や電源の外部接続端子として利用される。その他、大気中に含まれる水蒸気等によるＭＭＩＣの劣化については、モールディング材を用いてＭＭＩＣをモールディングすることで防止できる。

図４は、本実施の第１の形態における別のホーンアンテナ一体型ＭＭＩＣパッケージを開口端１２ａ側からみた正面図である。

図４に示すホーンアンテナ一体型ＭＭＩＣパッケージ１は、図５に示す放射電磁波のＥ面内方向のみにフレアした、３００ＧＨｚ帯のホーンアンテナを実現するものである。図４のホーンアンテナは、図５のホーンアンテナを開口端側から望み、時計周りに９０度回転させた状態に相当する。ＭＭＩＣ１３のアンテナカプラ部１３ａには、放射電界の向きが積層基板と平行になるものであればあらゆる形態が適用可能であり、この要件を満たすものにダイポール型やループ型がある。

ホーンアンテナ一体型ＭＭＩＣパッケージの第１の形態における第１の変形例を図６に示す。図６（ａ）は、上記変形例におけるホーンアンテナ一体型ＭＭＩＣパッケージをホーンアンテナの開口端１２ａ側からみた正面図、図６（ｂ）は、ホーンアンテナ一体型ＭＭＩＣパッケージ１のホーンアンテナ部の平面図、図６（ｃ）は、図６（ｂ）のＸ−Ｘ断面図である。図２の構成とはＭＭＩＣを収容するキャビティ部分１６と導波管部１２ｃの間に誘電体シートによる隔壁（ＭＭＩＣのシーリング材）１７を設けたことが異なる。隔壁部分には金属ビア１４を設けないので、アンテナカプラ部１３ａから放射された電磁波は隔壁１７を透過して導波管部１２ｃへ伝搬し、ホーンアンテナの開口端１２ａから大気中に放射される。隔壁１７を設けたことにより、ＭＭＩＣが外気から遮断されるので、大気中に含まれる水蒸気等によるＭＭＩＣの劣化防止を目的としたモールディングを不要にできる。

ホーンアンテナ一体型ＭＭＩＣパッケージの第１の形態における第２の変形例を図７に示す。図７（ａ）は、上記変形例におけるホーンアンテナ一体型ＭＭＩＣパッケージをホーンアンテナの開口端１２ａ側からみた正面図、図７（ｂ）は、ホーンアンテナ一体型ＭＭＩＣパッケージ１のホーンアンテナ部の平面図、図７（ｃ）は、図７（ｂ）のＸ−Ｘ断面図である。図２の構成とはＭＭＩＣを収めるキャビティ部分１６と導波管部１２ｃの中間にアンテナカプラ１８を設けたことが異なる。アンテナカプラ１８とＭＭＩＣ１３はワイヤボンディング等にて接続する。アンテナカプラ１８を導波管部１２ｃの端に設けたので、ＭＭＩＣにアンテナカプラ部１３ａは不要である。さらに、アンテナカプラ付ＭＭＩＣをパッケージに収容する際に必要とした高精度な位置合わせも不要である。

ホーンアンテナ一体型ＭＭＩＣパッケージの第１の形態における第３の変形例を図８に示す。図８（ａ）は、上記変形例におけるホーンアンテナ一体型ＭＭＩＣパッケージをホーンアンテナの開口端１２ａ側からみた正面図、図８（ｂ）は、ホーンアンテナ一体型ＭＭＩＣパッケージ１のホーンアンテナ部の平面図、図８（ｃ）は、図８（ｂ）のＸ−Ｘ断面図である。図７の構成とはアンテナカプラ１８と導波管部１２ｃとの中間に誘電体シートによる隔壁（ＭＭＩＣのシーリング材）１７を設けたことが異なる。隔壁部分には金属ビア１４を設けないので、アンテナカプラ部１３ａから放射された電磁波は隔壁１７を透過して導波管部１２ｃへ伝搬し、ホーンアンテナの開口端１２ａから大気中に放射される。

次に、本実施の第１の形態におけるホーンアンテナ一体型ＭＭＩＣパッケージを複数個重ねて構成したアレーアンテナについて説明する。

図９は、本実施の第１の形態におけるホーンアンテナ一体型ＭＭＩＣパッケージ１Ａ〜１Ｄを開口端１２ａを形成した積層基板１１の面が揃うように、誘電体シートの積層方向に４個積み重ねて構成したアレーアンテナの斜視図である。

複数のホーンアンテナ一体型ＭＭＩＣパッケージ１Ａ〜１Ｄを重ねてアレーアンテナを構成することで、複数のホーンアンテナ一体型ＭＭＩＣパッケージ１Ａ〜１Ｄからの放射出力が合成されるので、結果として大出力のアンテナを得ることができる。

図９に示すアレーアンテナに関して、一番上のホーンアンテナ一体型ＭＭＩＣパッケージ１Ａ以外のホーンアンテナ一体型ＭＭＩＣパッケージ１Ｂ〜１Ｄについては、一番上の誘電体シート１１ａ（カバー）を、上に積み重ねるホーンアンテナ一体型ＭＭＩＣパッケージの底面、つまり一番下の誘電体シート１１ｃと共通化してもよい。その際、積み重ねる誘電体シート１１ｃの下面にメタル層を設ける。

位相制御手段（遅延回路等で構成）をＭＭＩＣ内の高周波回路部１３ｂに搭載するか、ホーンアンテナ一体型ＭＭＩＣパッケージに外付けすることにより、各ホーンアンテナ一体型ＭＭＩＣパッケージ１Ａ〜１Ｄが放射する電磁波の位相（遅延量）を個別に制御する。これにより、ホーンアンテナ一体型ＭＭＩＣパッケージ１Ａ〜１Ｄを重ねて構成したアレーアンテナが出力する電磁波の方向を制御できる。

以上説明したように、ホーンアンテナ一体型ＭＭＩＣパッケージにおいて、本実施の形態によれば、放射電磁波のＨ面内方向あるいはＥ面内方向のみに扇形にフレアするホーンアンテナを開口端が積層基板の面内方向に向くように設けることにより、切削加工が必要な誘電体シート１１ｂの枚数が減るので、ホーンアンテナ一体型ＭＭＩＣパッケージの製造コストを低廉化することができる。また、ホーンアンテナ１２の長さを長くしても、切削加工が必要な誘電体シート１１ｂの枚数が増加することはない。

本実施の形態によれば、ホーンアンテナ一体型ＭＭＩＣパッケージ１Ａ〜１Ｄを誘電体シートの積層方向に重ねて一体化し、各ホーンアンテナ一体型ＭＭＩＣパッケージ１Ａ〜１Ｄが放射する電磁波の位相（遅延量）を制御することで、大出力のアンテナを得ることができる。

１，１Ａ〜１Ｄ…ホーンアンテナ一体型ＭＭＩＣパッケージ
１１…積層基板
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ…誘電体シート
１１ｄ…ホーンアンテナの上下の内壁のメタル層
１１ｅ…ＭＭＩＣの放熱用のメタル層
１１ｆ…内部端子
１２…ホーンアンテナ
１２ａ…開口端
１２ｂ…ホーンアンテナ部
１２ｃ…導波管部
１３…ＭＭＩＣ
１３ａ…アンテナカプラ部
１３ｂ…高周波回路部
１４，１５…金属ビア
１６…キャビティ
１７…隔壁
１８…アンテナカプラ

Claims

放射電磁波のＨ面内方向あるいはＥ面内方向にのみに扇形にフレアするホーンアンテナと、ＭＭＩＣを収容するキャビティと、を備え、
誘電体シートとメタル層を交互に積層した積層基板を用いて、
開口端を積層基板の面内方向に向けた前記ホーンアンテナと、
前記キャビティと、を一体成形することを特徴とするホーンアンテナ一体型ＭＭＩＣパッケージ。
請求項１記載のホーンアンテナ一体型ＭＭＩＣパッケージを前記誘電体シートの積層方向に複数個重ね、各ホーンアンテナ一体型ＭＭＩＣパッケージから放射される電磁波の位相を個別に制御する位相制御手段を有することを特徴とするアレーアンテナ。