JP2013247495A

JP2013247495A - ホーンアンテナ一体型ｍｍｉｃパッケージ

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Publication number: JP2013247495A
Application number: JP2012119526A
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: JP5619814B2

Abstract

【課題】アンテナカプラから大気中への電磁波の放射効率を向上させること。
【解決手段】アンテナカプラを集積したＭＭＩＣ４０の裏面に接触配置され、ＭＭＩＣ４０の半導体基板４２を成す半導体の比誘電率よりも小さく大気の比誘電率よりも大きい比誘電率を有するインピーダンス整合層３０をホーンアンテナとキャビティ２００との間に配置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、通信に用いる電磁波を大気中に放射するアンテナ機構を備えたＭＭＩＣ（Monolithic Microwave Integrated Circuit）パッケージの構造に関する。

近年、ミリ波やテラヘルツ波といった高周波の電磁波を通信に利用する研究が盛んである。その高周波信号は装置内部で生成され、最終的にはアンテナから装置外部に放射される。

これまで、様々な種類や形態のアンテナが検討されている。例えば、特許文献１の図１５によれば、外空間に向かって徐々に広がるようなホーン状のアンテナ部を複数の誘電体シートの積層構造からなる積層基板により形成し、その積層基板によるＭＭＩＣパッケージのキャビティ内に収容された高周波回路から当該アンテナ部に高周波信号を伝達して、外空間に電磁波を放射するアンテナ機構が開示されている。

特開平１１−４６１１４号公報

そのような高周波回路として、例えば、半導体基板上に放射電磁波の波源となるアンテナカプラを集積させたモノリシックマイクロ波集積回路（以下、ＭＭＩＣ）が用いられる。アンテナカプラから放射された電磁波は、半導体基板を透過してホーンアンテナから外空間（大気中）に放射される。

しかしながら、半導体基板を成す半導体と大気との比誘電率が大きく相違するため、半導体チップと大気の界面における反射損失が大きくなり、効率良く大気中に電磁波が放射されないという課題があった。

例えば、シリコン（Ｓｉ）やリン化インジウム（ＩｎＰ）により成る半導体の比誘電率は約１２、一方で大気の比誘電率は約１であり、両者の隔たりが大きいため、アンテナカプラをＭＭＩＣに集積しても効率的な放射を実現することができない。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、その課題とするところは、アンテナカプラから大気中への電磁波の放射効率を向上させることにある。

請求項１記載のホーンアンテナ一体型ＭＭＩＣパッケージは、誘電体シートを積層した積層基板を用いてホーンアンテナとＭＭＩＣを収容するキャビティとが一体成形されたホーンアンテナ一体型ＭＭＩＣパッケージであって、ミリ波帯又はテラヘルツ波帯の電磁波の波源となるアンテナカプラを集積した前記ＭＭＩＣの半導体基板の表面に対向する面に接触配置され、前記半導体基板を成す半導体の比誘電率よりも小さく大気の比誘電率よりも大きい比誘電率を有するインピーダンス整合層を、前記ホーンアンテナと前記キャビティとの間に配置したことを特徴とする。ここでインピーダンスとは、媒質中の電磁波の波動インピーダンスのことである。

本発明は、ミリ波帯又はテラヘルツ波帯の電磁波の波源となるアンテナカプラを集積したＭＭＩＣの半導体基板の表面に対向する面に接触配置され、半導体基板を成す半導体の比誘電率よりも小さく大気の比誘電率よりも大きい比誘電率を有するインピーダンス整合層を、ホーンアンテナとキャビティとの間に配置したため、アンテナカプラから大気中への電磁波の放射効率を向上させることができる。

請求項２記載のホーンアンテナ一体型ＭＭＩＣパッケージは、請求項１記載のホーンアンテナ一体型ＭＭＩＣパッケージにおいて、前記インピーダンス整合層の比誘電率は、前記半導体の比誘電率と前記大気の比誘電率との積の平方根（以下、「相乗平均」と記す）であることを特徴とする。

本発明によれば、インピーダンス整合層の比誘電率は、半導体の比誘電率と大気の比誘電率との相乗平均であるため、放射電磁波の媒質界面での反射損失が減り、アンテナカプラから大気中への電磁波の放射効率を更に向上させることができる。

請求項３記載のホーンアンテナ一体型ＭＭＩＣパッケージは、請求項１又は２記載のホーンアンテナ一体型ＭＭＩＣパッケージにおいて、前記インピーダンス整合層の厚さは、インピーダンス整合層中の電磁波の波長の１／４であることを特徴とする。

本発明によれば、インピーダンス整合層の厚さは、インピーダンス整合層中の電磁波の波長の１／４であるため、放射電磁波の媒質界面での反射損失が更に減り、アンテナカプラから大気中への電磁波の放射効率を更に向上させることができる。

本発明によれば、ＭＭＩＣに集積されたアンテナカプラから大気中への電磁波の放射効率を向上させることができる。

ホーンアンテナ一体型ＭＭＩＣパッケージの断面構造を示す断面図である。ホーンアンテナ一体型ＭＭＩＣパッケージの外観を斜視方向から見た外観図である。他のホーンアンテナ一体型ＭＭＩＣパッケージの断面構造を示す断面図である。Ｈ面フレアホーン一体型ＭＭＩＣパッケージを上方向から見た上面図である。Ｅ面フレアホーン一体型ＭＭＩＣパッケージを上方向から見た上面図である。

以下、本発明を実施する一実施の形態について図面を用いて説明する。但し、本発明は多くの異なる様態で実施することが可能であり、本実施の形態の記載内容に限定して解釈すべきではない。

図１は、本実施の形態に係るホーンアンテナ一体型ＭＭＩＣパッケージの断面構造を示す断面図である。図２は、そのホーンアンテナ一体型ＭＭＩＣパッケージの外観を斜視方向から見た外観図である。

本実施の形態に係るホーンアンテナ一体型ＭＭＩＣパッケージは、ミリ波帯又はテラヘルツ波帯の電磁波を大気中に放射するホーン型のアンテナ機構を備えるＭＭＩＣパッケージであって、第１の積層部１０と、第２の積層部２０と、インピーダンス整合層３０と、ＭＭＩＣ４０と、電極５０と、金属ワイヤ６０と、導電性カバー７０と、で主に構成される。

第１の積層部１０は、複数の誘電体シート１ａ〜１ｈの積層構造によって構成され、電磁波の放射方向（図１の上方向で外空間側）に向かって開口面積が徐々に広がるような開口部１００を各誘電体シートに設けた開口を用いて形成する。

第２の積層部２０は、開口部１００の開口狭端側において、第１の積層部１０の各誘電体シート１ａ〜１ｈと同種・同質である複数の誘電体シート２ａ〜２ｃの積層構造によって構成され、その開口狭端側に空洞をキャビティ２００として当該第２の積層部２０にて形成する。

なお、第１の積層部１０及び第２の積層部２０を構成している各誘電体シートの表面には、図示しないメタル層がそれぞれ積層されており、誘電体シートとメタル層とが交互に張り合わされた積層構造を具備している。さらに、第１の積層部１０及び第２の積層部２０の内部には、必要に応じて、メタル層間を接続する金属ビア９０が設けられている。この金属ビア９０には積層基板の面内方向への放射電磁波の漏洩を防止する働きがある。

インピーダンス整合層３０は、第１の積層部１０と第２の積層部２０との間に設けられ、キャビティ２００のシーリング材（一方）として利用される。インピーダンス整合層３０の厚みと自身の比誘電率を調整することにより、開口部１００側の大気と半導体基板４２（ＭＭＩＣ４０）との間のインピーダンス不整合による放射電磁波の反射損失を抑える。

ＭＭＩＣ４０は、キャビティ２００に収容され、放射電磁波の波源となるアンテナカプラ４１と、そのアンテナカプラ４１を駆動する高周波回路（不図示）とを半導体基板４２の同一表面に配置した集積回路である。アンテナカプラ４１は、開口部１００における開口狭端側の開口下（開口部１００の真下）に位置するように半導体基板４２の表面に配置され、半導体基板４２は、その裏面がインピーダンス整合層３０に接触するように配置される。

電極５０は、第１の積層部１０とインピーダンス整合層３０と第２の積層部２０の一部を貫いてキャビティ２００まで延出され、金属ワイヤ６０を通じてＭＭＩＣ４０に電気的に接続され、電源や信号線を接続する端子となる。

導電性カバー７０は、第２の積層部２０の最下に位置する誘電体シート２ｃに接触配置され、キャビティ２００のシーリング材（他方）として利用される。導電性カバー７０に接触配置された導電板７１は、アンテナカプラ４１の表面から導電性カバー側に放射された電磁波の面内方向（紙面の右方向）への伝搬を阻止するためのものである。導電板７１とＭＭＩＣ４０との間のギャップを放射電磁波の波長の１／４以下に設定することにより、導電性カバー側に放射された電磁波がＭＭＩＣ４０に雑音として侵入するのを防止できる。

次に、ホーンアンテナの動作を説明する。アンテナカプラ４１の上側（ホーンアンテナの外空間側）表面から放射された電磁波は、半導体基板４２及びインピーダンス整合層３０を透過して開口部１００から外空間に放射される。

また、アンテナカプラ４１の下側（導電性カバー側）表面から放射された電磁波は、キャビティ２００としての空洞内を直進し、導電性カバー７０で反射された後に、半導体基板４２及びインピーダンス整合層３０を透過して開口部１００から外空間に放射される。

ここで、いずれの経路の電磁波も半導体基板４２及びインピーダンス整合層３０を介して大気中に放射されるが、そのインピーダンス整合層３０の厚さがλ／４（λ：誘電体中の電磁波の波長）に調整され、その比誘電率が（ε_ｓｕｂ×ε_ａｉｒ）^１／２（ε_ｓｕｂ：半導体の比誘電率、ε_ａｉｒ：大気の比誘電率）に設定されているので、アンテナカプラ４１から大気中への放射効率を改善することができる。

すなわち、比誘電率が１２の半導体と比誘電率が１の大気との間に、約３．４６（＝（１２×１）^１／２）の比誘電率を有するインピーダンス整合層３０を設けているので、半導体基板４２と大気との間のインピーダンス不整合による界面からの反射がなくなることから、ホーンアンテナの放射効率を向上することができる。

また、そのインピーダンス整合層３０の厚さが、インピーダンス整合層中の電磁波の波長に比べて十分小さく（ここでは波長の１／４）に設定されているので、インピーダンス整合層３０の面内方向への電磁波の漏洩が防止されることから、ホーンアンテナの放射効率を更に向上することができる。

インピーダンス整合層３０としては、例えば、比誘電率が約５〜７である低温焼成セラミックス（ＬＴＣＣ：Low Temperature Co-fired Ceramics）や高温焼成セラミックス（ＨＴＣＣ：High Temperature Co-fired Ceramics）を材料に用いて実現できる。広くは、比誘電率が半導体よりも小さく大気よりも大きい誘電体シートであればよい。例えば、セラミックスを用いる場合、材料の混合組成比率を変えることにより、そのような誘電体シートを実現できる。

また、アンテナカプラ４１には、パッチ型、ダイポール型、ループ型、スロット型等、様々のアンテナカプラを利用できる。

従来のアンテナ機構の場合、半導体基板４２と大気の界面における反射損失は３１％であったが、半導体基板４２と大気との間に比誘電率３．４６のインピーダンス整合層３０を設けることにより、損失を１７％（ＩｎＰ半導体基板、かつ３００ＧＨｚ電磁波の場合）に低減できる。また、そのインピーダンス整合層３０に比誘電率５のＬＴＣＣを用いる場合には、上記の反射損失を１８％に低減できる。

その他、図３に示すように、開口部１００を形成している各誘電体シート１ａ〜１ｈの開口端を金属材料８０でメッキしてもよい。金属材料８０による表面被覆処理により、開口部１００を通過する電磁波が各誘電体シート１ａ〜１ｈの面内方向に伝搬（漏洩）するのを防止できるので、ホーンアンテナの側壁を構成する第１の積層部１０内に金属ビア９０を設けることと同等の効果を得られる。

また、各誘電体シート１ａ〜１ｈの開口寸法や形状を異にして開口部１００の形状を変化させることにより、様々な形状のホーンを実現可能である。例えば、角錐ホーンや円錐ホーン、更には、Ｈ面のみにフレアした扇形ホーン（Ｈ−ｐｌａｎｅｈｏｒｎ：図４参照）、Ｅ面のみにフレアした扇形ホーン（Ｅ−ｐｌａｎｅｈｏｒｎ：図５参照）を実現できる。３００ＧＨｚ帯の電磁波の場合、ホーンアンテナの導波管部４の断面サイズは、図４中および図５中に示すように、０．８ｍｍ×０．４ｍｍである。

以上より、本実施の形態によれば、半導体基板４２の表面に配置され、半導体基板４２を透過して裏面から放射される電磁波の波源となるアンテナカプラ４１を集積したＭＭＩＣの裏面に接触配置され、半導体基板４２を成す半導体の比誘電率よりも小さく大気の比誘電率よりも大きい比誘電率を有するインピーダンス整合層３０をホーンアンテナ（開口部１００）とキャビティ２００との間に配置したので、アンテナカプラ４１から大気中への電磁波の放射効率を向上させることができる。

また、本実施の形態によれば、インピーダンス整合層３０の比誘電率は、半導体の比誘電率と大気の比誘電率との相乗平均であるので、放射電磁波の媒質界面での反射損失が減り、アンテナカプラ４１から大気中への電磁波の放射効率を更に向上させることができる。

また、本実施の形態によれば、インピーダンス整合層３０の厚さは、インピーダンス整合層中の電磁波の波長の１／４であるので、放射電磁波の媒質界面での反射損失が更に減り、アンテナカプラ４１から大気中への電磁波の放射効率を更に向上させることができる。

１０…第１の積層部
１ａ〜１ｈ…誘電体シート
２０…第２の積層部
２ａ〜２ｃ…誘電体シート
４…ホーンアンテナの導波管部
３０…インピーダンス整合層
４０…ＭＭＩＣ
４１…アンテナカプラ
４２…半導体基板
５０…電極
６０…金属ワイヤ
７０…導電性カバー
７１…導電板
８０…金属材料
９０…金属ビア
１００…開口部
２００…キャビティ

Claims

誘電体シートを積層した積層基板を用いてホーンアンテナとＭＭＩＣを収容するキャビティとが一体成形されたホーンアンテナ一体型ＭＭＩＣパッケージであって、
ミリ波帯又はテラヘルツ波帯の電磁波の波源となるアンテナカプラを集積した前記ＭＭＩＣの半導体基板の表面に対向する面に接触配置され、前記半導体基板を成す半導体の比誘電率よりも小さく大気の比誘電率よりも大きい比誘電率を有するインピーダンス整合層を、前記ホーンアンテナと前記キャビティとの間に配置したことを特徴とするホーンアンテナ一体型ＭＭＩＣパッケージ。
前記インピーダンス整合層の比誘電率は、
前記半導体の比誘電率と前記大気の比誘電率との相乗平均であることを特徴とする請求項１記載のホーンアンテナ一体型ＭＭＩＣパッケージ。
前記インピーダンス整合層の厚さは、
インピーダンス整合層中の電磁波の波長の１／４であることを特徴とする請求項１又は２記載のホーンアンテナ一体型ＭＭＩＣパッケージ。