JP2018148268A - アンテナ装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】アンテナ利得を増加させることができるアンテナ装置を提供することである。
【解決手段】アンテナ装置は、第１面及び第２面を有する誘電体基板と、誘電体基板の第１面上に配置され、第３面及び誘電体基板に対向する第４面を有する半導体基板と、半導体基板の第４面に配置される集積回路と、半導体基板の第４面に配置される放射器と、放射器から放射される電磁波の放射方向に沿って放射器を半導体基板の第３面上に投影した位置に配置される反射器と、放射方向に沿って放射器を誘電体基板に投影した位置に配置される導波器と、を備える。
【選択図】図２Ｂ

Description

本開示は、アンテナ装置に関する。
ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）などの半導体集積回路とアンテナとを同一の基板上に集積したアンテナ装置が知られている。半導体集積回路と同一の基板上に集積されるアンテナは、オンチップアンテナと呼ばれる。オンチップアンテナは、例えば、通信、レーダー用モジュールの小型化、低価格化に有効である。
例えば、非特許文献１では、ＣＭＯＳ技術で作製された６０ＧＨｚ帯で動作するオンチップパッチアンテナが開示される。
Y. Yao, T. Hirano, K. Okada, J. Hirokawa, M. Ando, "60GHz On-Chip Patch Antenna Integrated in a 0.18-um CMOS Technology", Proceedings of the International Symposium on Antennas & Propagation (ISAP) 2012, pp.62-65
しかしながら、オンチップアンテナは、小型化の利点がある一方、オンチップアンテナから放射される電磁波が、伝搬損失の大きい半導体基板を伝搬するため、アンテナ利得が低い。
本開示の非限定的な実施例は、アンテナ利得を増加させることができるアンテナ装置の提供に資する。
本開示の一態様に係るアンテナ装置は、第１面及び第２面を有する誘電体基板と、前記誘電体基板の前記第１面上に配置され、第３面及び前記誘電体基板に対向する第４面を有する半導体基板と、前記半導体基板の前記第４面に配置される集積回路と、前記半導体基板の前記第４面に配置される放射器と、前記放射器から放射される電磁波の放射方向に沿って前記放射器を前記半導体基板の前記第３面上に投影した位置に配置される反射器と、前記放射方向に沿って前記放射器を前記誘電体基板に投影した位置に配置される導波器と、を備える。
なお、これらの包括的または具体的な態様は、システム、方法、集積回路、コンピュータプログラム、または、記録媒体で実現されてもよく、システム、装置、方法、集積回路、コンピュータプログラムおよび記録媒体の任意な組み合わせで実現されてもよい。
本開示の一態様によれば、アンテナ利得を増加させることができる。
本開示の一態様における更なる利点および効果は、明細書および図面から明らかにされる。かかる利点および／または効果は、いくつかの実施形態並びに明細書および図面に記載された特徴によってそれぞれ提供されるが、１つまたはそれ以上の同一の特徴を得るために必ずしも全てが提供される必要はない。
従来のオンチップアンテナの一例を示す平面図 図１Ａにおける線Ａ１−Ａ２の断面図 本開示の実施の形態１に係るアンテナ装置の構成を示す平面図 図２Ａの線Ａ１−Ａ２におけるアンテナ装置の切断面図 図２Ｂの線Ａ３−Ａ４におけるアンテナ装置の切断面であって、半導体基板を示す図 図２Ｂの線Ａ３−Ａ４におけるアンテナ装置の切断面であって、誘電体基板を示す図 アンテナ装置の放射器の周辺の拡大図 比較構成のアンテナ装置の一例を示す図 比較構成のアンテナ装置の一例を示す図 本開示の実施の形態１に係るアンテナ装置のアンテナ利得の特性を示す図 本開示の実施の形態１に係るアンテナ装置の構成を示す図 本開示の実施の形態１に係るアンテナ装置の構成を示す図 比較構成のアンテナ装置の一例を示す図 比較構成のアンテナ装置の一例を示す図 配線の延在する方向の違いを比較するアンテナ利得の特性を示す図 本開示の実施の形態１に係るアンテナ装置の構成を示す図 本開示の実施の形態１に係るアンテナ装置の構成を示す図 最短距離ｄｍｉｎとアンテナ最大利得との関係を示す図 本開示の実施の形態２に係るアンテナ装置の構成を示す図 本開示の実施の形態３に係るアンテナ装置の構成を示す図 本開示の実施の形態４に係るアンテナ装置の構成を示す図 本開示の実施の形態４に係るアンテナ装置の変形例を示す図 本開示の実施の形態４に係るアンテナ装置の変形例を示す図 本開示の実施の形態５に係るアンテナ装置の構成を示す図 本開示の実施の形態５に係るアンテナ装置の変形例を示す図
図１Ａは、従来のオンチップアンテナの一例を示す平面図である。図１Ｂは、オンチップアンテナ２２を含むＸ−Ｚ平面における図１Ａにおける線Ａ１−Ａ２の断面図である。
図１Ａ、図１Ｂでは、半導体基板２１上の同一面内にオンチップアンテナ２２と集積回路２３とが集積化される。そして、導体を用いて構成した反射器２４は、半導体基板２１のオンチップアンテナ２２が形成された面と反対の面に配置される。
オンチップアンテナ２２から半導体基板２１に放射された電磁波は、反射器２４によって反射され、上方（Ｚ軸の正方向）に放射される。
オンチップアンテナは、単位面積当りのコストが高い半導体基板上の集積回路内に配置されることが多く、アンテナサイズが大きくなることによって占有面積が広くなることによって、コスト増加の原因となる。このため、オンチップアンテナは、波長の比較的長い信号、例えば、マイクロ波帯域（低周波信号）に対して利用されることは少ない。一方で、例えば、ミリ波／テラヘルツ波帯域の信号（高周波信号）ではアンテナサイズを小さくすることができるため、オンチップアンテナは、高周波信号に対して利用されることが多い。
また、高周波信号のアンテナを備えるアンテナ基板と、集積回路を備える半導体基板とを含む無線モジュールでは、例えば、ワイヤ、バンプが、アンテナ基板と半導体基板との間に、接続部として挿入される。このような無線モジュールでは、接続部における信号の伝搬損失に起因してアンテナ利得が低下してしまう。
半導体集積回路とアンテナとを同一の半導体基板上に集積したアンテナ装置では、接続部が省略できるため、接続部における信号の伝搬損失に起因したアンテナ利得の低下を抑制できる。
しかしながら、オンチップアンテナは、集積回路と一体となって半導体基板に設けられるため、オンチップアンテナから放射される電磁波の多くは、半導体基板内を伝搬する。そのため、オンチップアンテナを用いたアンテナ装置は、半導体基板における伝搬損失に起因したアンテナ利得の低下が生じる。
本開示は掛る点を鑑みて為されたものであり、電磁波を所望の放射方向に誘導する素子を配置し、半導体基板における伝搬損失を抑制することによって、アンテナ利得を増加させることに着目し、本開示に至った。
次に、本開示の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下に説明する各実施の形態は一例であり、本開示はこれらの実施の形態により限定されるものではない。
（実施の形態１）
図２Ａは、本開示の実施の形態１に係るアンテナ装置１００の構成を示す平面図である。図２Ｂは、図２Ａの線Ａ１−Ａ２におけるアンテナ装置１００の切断面（Ｙ軸の正方向）図である。図２Ｃは、図２Ｂの線Ａ３−Ａ４におけるアンテナ装置１００の切断面であって、半導体基板１を示す図であり、図２Ｂの矢印ｂの方向（Ｚ軸の正方向）から見た図である。図２Ｄは、図２Ｂの線Ａ３−Ａ４におけるアンテナ装置１００の切断面であって、誘電体基板５を示す図であり、図２Ｂの矢印ｃの方向（Ｚ軸の負方向）から見た図である。
図２Ｂに示すように、アンテナ装置１００は、半導体基板１、反射器２、放射器３、バンプ４、誘電体基板５、および、導波器６を有する。
半導体基板１の面１ａには、例えばＣＭＯＳの集積回路（図示せず）が配置される。集積回路の少なくとも一部は、ミリ波／テラヘルツ波帯域を含む高周波帯（例えば、５０ＧＨｚ以上１０ＴＨｚ以下）の周波数の信号処理を行う。集積回路は、例えば、ベースバンド（基底帯域）の信号処理を行っても良い。
放射器３は、半導体基板１の集積回路が配置された面１ａと同じ面１ａに配置される。放射器３は、集積回路において処理された信号の電磁波を放射方向Ｔｚ（Ｚ軸の正方向）に向けて放射する。放射器３は、例えば、電界型のアンテナであるダイポールアンテナの形状を有する。放射器３の長さは、例えば、実効波長の１／２程度の長さである。なお、図２Ａ〜図２Ｃでは、図示の簡略化のため、放射器３は、矩形の形状で表現している。また、図２Ａ〜図２Ｃでは、図示の簡略化のため、放射器３に接続する給電線等を省略している。なお、上述の半導体基板１の集積回路は、放射特性の影響が少ない場所に設けられている。
反射器２は、半導体基板１の面１ａと反対の面１ｂに一様に配置される。そして、反射器２は、放射器３から放射方向Ｔｚに沿って面１ｂ（Ｚ軸の負方向）に放射される電磁波を反射する。
放射方向Ｔｚにおける電磁波の放射強度は、反射器２と放射器３との間隔、つまり、半導体基板１の厚さを考慮することで、増加することができる。
なお、図２Ｂでは、反射器２が面１ｂに一様に配置される例を示すが、反射器２は、面１ｂにおける、放射器３から放射される電磁波の放射方向Ｔｚに沿った位置を含む領域に配置されれば良い。放射方向Ｔｚに沿った位置とは、例えば、放射器３を放射方向Ｔｚに沿って（Ｚ軸の負方向）面１ｂに投影した範囲を含む位置である。放射方向Ｔｚに沿った位置とは、例えば、放射器３の端部を通り、放射方向Ｔｚに沿って延長した直線Ｌ１、Ｌ２と面１ｂとが交わる範囲を含む位置である。なお、反射器２のＹ軸方向の幅は、例えば、放射器３のＹ軸方向の幅よりも大きくなっている。
バンプ４は、半導体基板１と誘電体基板５とを接続し、例えば、略球状の半田によって構成される。図２Ｃでは、バンプ４は、例えば、放射器３を取り囲む位置に設けられる。
誘電体基板５は、半導体基板１を実装する基板である。誘電体基板５は、半導体基板１の面１ａと対向する面５ａ（表面）と、面５ａと反対の面５ｂ（裏面）を有する。誘電体基板５には、例えば、半導体基板１の集積回路を駆動する電源回路（図示省略）、制御回路（図示省略）が配置される。誘電体基板５と半導体基板１とは、バンプ４を介して接続する。
また、誘電体基板５は、放射器３が配置される半導体基板１の面１ａを覆うレドームとしての機能を有する。
導波器６は、誘電体基板５の半導体基板１に対向する面５ａにおける、放射方向Ｔｚに沿った位置に配置される。放射方向Ｔｚに沿った位置とは、例えば、放射器３を放射方向Ｔｚに沿って（Ｚ軸方向に沿って）面５ａに投影した範囲を含む位置である。例えば、放射方向Ｔｚに沿った位置は、図２Ｂの直線Ｌ１、Ｌ２と面５ａとが交わる範囲を含む位置である。導波器６は、無給電素子であり、誘電体基板５に配置される回路（例えば、電源回路、制御回路）とは接続しない。また、導波器６の長手方向は、放射器３の長手方向と平行である。
放射方向Ｔｚにおける電磁波の放射強度は、導波器６の長さ、および、放射器３と導波器６との間隔を考慮することで、増加することができる。
ここで、放射器、反射器および導波器を有する八木・宇田アンテナから、本開示の導波器６と放射器３とを類推した場合、導波器６の長さは、放射器３の長さ（つまり、実効波長の１／２程度の長さ）を５％〜１５％程度短くした長さである。また、導波器６と放射器３の間隔は、おおよそ実効波長の１／８から１／４程度である。
このような長さと間隔を有する導波器６と放射器３を、アンテナ装置１００において形成するためには、アンテナ装置１００の動作周波数、つまり、放射する電磁波の周波数は、波長が比較的短いミリ波またはテラヘルツ帯程度とする。例えば、真空中の波長λｏが６ｍｍである５０ＧＨｚ以上、真空中の波長λｏが０．０３ｍｍである１０ＴＨｚ以下程度とする。
アンテナ装置１００では、放射器３から放射方向Ｔｚに向かって放射される電磁波と反射器２によって反射される電磁波は、合成され、導波器６に到達する。そして、合成された電磁波は、導波器６から再放射される。導波器６は、合成された電磁波を放射方向Ｔｚへ誘導する素子である。つまり、アンテナ装置１００において、放射器３、反射器２および導波器６は、１つのアンテナとして機能する。
アンテナ装置１００では、導波器６が、放射器３から放射される電磁波を放射方向Ｔｚへ誘導することができるため、放射器３から放射方向Ｔｚと反対の方向（Ｚ軸の負方向）へ放射される成分が減り、半導体基板１での伝搬損失が抑制される。
以上説明したアンテナ装置１００のアンテナ利得と、比較構成のアンテナ装置Ｃ１、アンテナ装置Ｃ２とのアンテナ利得を比較して説明する。
図３Ａは、アンテナ装置１００の放射器３の周辺の拡大図であり、放射器３及び導波器６を含むＸ−Ｚ平面における断面図である。図３Ｂは、放射器３を含むＸ−Ｚ平面における断面図であり、比較構成のアンテナ装置Ｃ１の一例を示す図である。図３Ｃは、放射器３を含むＸ−Ｚ平面における断面図であり、比較構成のアンテナ装置Ｃ２の一例を示す図である。なお、図３Ａ〜図３Ｃにおいて、図２Ｂと同様の構成については同一の符番を付し説明を省略する。また、図３Ａ〜図３Ｃには、放射方向Ｔｚを０°の基準とし、放射角度θの正方向と負方向が合わせて示されている。放射角度θの正方向とは、放射方向Ｔｚを基準としてＸ軸の正方向を指し、放射角度θの負方向とは、放射方向Ｔｚを基準としてＸ軸の負方向を指している。
図３Ｂに示す比較構成のアンテナ装置Ｃ１は、図３Ａに示すアンテナ装置１００とは異なり、誘電体基板５および導波器６を省略した構成である。また、図３Ｃに示す比較構成のアンテナ装置Ｃ２は、図３Ａに示すアンテナ装置１００とは異なり、誘電体基板５、導波器６および反射器２を省略した構成である。
つまり、図３Ａに示すアンテナ装置１００では、放射器３、反射器２および導波器６が１つのアンテナとして機能し、図３Ｂに示す比較構成のアンテナ装置Ｃ１では、放射器３および反射器２が１つのアンテナとして機能し、図３Ｃに示す比較構成のアンテナ装置Ｃ２では、放射器３が１つのアンテナとして機能する。
図４は、本実施の形態に係るアンテナ装置１００のアンテナ利得の特性を示す図である。図４の横軸は、放射方向Ｔｚを０°の基準とした放射角度を示し、縦軸は、アンテナ利得（単位は、ｄＢｉ）を示す。図４は、放射する電磁波の周波数ｆを３００ＧＨｚとした場合のアンテナ装置１００、比較構成のアンテナ装置Ｃ１および比較構成のアンテナ装置Ｃ２の放射角度に対するアンテナ利得を示す。
図４に示すアンテナ装置１００のアンテナ利得は、比較構成のアンテナ装置Ｃ１および比較構成のアンテナ装置Ｃ２のアンテナ利得よりも改善している。例えば、アンテナ装置１００のアンテナ利得の最大値（アンテナ最大利得）は、比較構成のアンテナ装置Ｃ１のアンテナ最大利得よりも約２ｄＢ程度改善している。
次に、誘電体基板５の内層に設けられる導体パターンの配線とアンテナ利得との関係について説明する。
図５Ａ、図５Ｂは、本実施の形態１に係るアンテナ装置１０１の構成を示す図である。なお、図５Ａ、図５Ｂにおいて、図２Ｂと同様の構成については同一の符番を付し説明を省略する。また、図５Ａ、図５Ｂには、放射方向Ｔｚ（Ｚ軸の正方向）を０°の基準とし、放射角度θの正方向と負方向が合わせて示されている。
図５Ａは、図２Ｂと同様に、放射器３及び導波器６を含むＸ−Ｚ平面におけるアンテナ装置１０１の断面図である。図５Ｂは、図５Ａの線Ａ３−Ａ４におけるアンテナ装置１０１のＸ−Ｙ平面における断面図であって、誘電体基板５を示す図であり、図５Ａの矢印ｃの方向（Ｘ軸の負方向）から見た図である。
アンテナ装置１０１は、配線８を有する点で、アンテナ装置１００と異なる。
配線８は、導波器６の直下の誘電体基板５の内層の面５ｃに配置され、導波器６の長手方向に対して、垂直（Ｙ軸方向）に延びる。すなわち、配線８は、導波器６の短手方向に延びる。
図６Ａ、図６Ｂは、比較構成のアンテナ装置Ｃ３の一例を示す図である。なお、図６Ａ、図６Ｂにおいて、図２Ｂと同様の構成については同一の符番を付し説明を省略する。また、図６Ａには、放射方向Ｔｚを０°の基準とし、放射角度θの正方向と負方向が合わせて示されている。
図６Ａは、図２Ｂと同様に、放射器３及び導波器６を含むＸ−Ｚ平面における比較構成のアンテナ装置Ｃ３の断面図である。図６Ｂは、図６Ａの線Ａ３−Ａ４におけるアンテナ装置Ｃ３のＸ−Ｙ平面における断面図であって、誘電体基板５を示す図であり、図６Ａの矢印ｃの方向（Ｚ軸の負方向）から見た図である。
比較構成のアンテナ装置Ｃ３は、配線８を有する点で、アンテナ装置１００と相違する。
配線８は、導波器６の直下の誘電体基板５の内層の面５ｃに配置され、導波器６の長手方向に対して、平行（Ｘ軸方向）に延びる。
つまり、アンテナ装置１０１と比較構成のアンテナ装置Ｃ３とは、誘電体基板５の内層の面５ｃの配線８の延在する方向が異なる。配線８の延在する方向の違いによるアンテナ利得の違いについて図７に示す。
図７は、配線８の延在する方向の違いを比較するアンテナ利得の特性を示す図である。図７の横軸は、放射方向Ｔｚを０°の基準とした放射角度を示し、縦軸は、アンテナ利得（単位は、ｄＢｉ）を示す。図７は、放射する電磁波の周波数ｆを３００ＧＨｚとした場合のアンテナ装置１００、アンテナ装置１０１および比較構成のアンテナ装置Ｃ３の放射角度に対するアンテナ利得を示す。なお、図７に示すアンテナ装置１００のアンテナ利得は、図４に示したアンテナ装置１００のアンテナ利得と同様である。
図７に示すアンテナ装置１０１のアンテナ利得は、アンテナ装置１００のアンテナ利得と同様である。アンテナ装置１０１では、配線８の延在する方向が放射器３の長手方向に対して垂直（Ｙ軸方向）であることによって、放射器３から放射される電磁波の電界励振方向における配線８との重なりが小さく、放射される電磁波が、配線８とほとんど結合しない。そのため、アンテナ装置１０１のアンテナ利得は、アンテナ装置１００のアンテナ利得と同様となっている。
一方、図７に示す比較構成のアンテナ装置Ｃ３のアンテナ利得は、アンテナ装置１００のアンテナ利得よりも低い。比較構成のアンテナ装置Ｃ３では、配線８の延在する方向が放射器３の長手方向に対して平行（Ｘ軸方向）であることによって、放射器３から放射される電磁波の電界励振方向における配線８との重なりが大きく、放射される電磁波が、配線８と結合してしまう。その結果、比較構成のアンテナ装置Ｃ３からの電磁波の放射が、阻害されてしまい、アンテナ利得の低下が発生している。
つまり、放射される電磁波の電界励振方向を考慮することにより、アンテナ利得の低下を抑制することができるため、誘電体基板５に配線を配置することができる。
次に、誘電体基板５の面のうち導波器６が設けられる面と同一面に設けられる導体パターンの配線とアンテナ利得との関係について説明する。
図８Ａ、図８Ｂは、本実施の形態１に係るアンテナ装置１０２の構成を示す図である。なお、図８Ａ、図８Ｂにおいて、図２Ｂと同様の構成については同一の符番を付し説明を省略する。また、図８Ａには、放射方向Ｔｚが示されている。
図８Ａは、図２Ｂと同様に、放射器３及び導波器６を含むＸ−Ｚ平面におけるアンテナ装置１０２の断面図である。図８Ｂは、図８Ａの線Ａ３−Ａ４におけるアンテナ装置１０２のＸ−Ｙ平面における断面図であって、誘電体基板５を示す図であり、図８Ａの矢印ｃの方向（Ｚ軸の負方向）から見た図である。
アンテナ装置１０２は、配線８を有する点で、アンテナ装置１００と相違する。
図８Ａに示すように、配線８は、誘電体基板５の面のうち導波器６が設けられる面と同一面、つまり、面５ａに設けられる。図８Ｂに示すように、誘電体基板５の平面視において、配線８は、導波器６から所定の距離離れた場所に位置し、導波器６を囲むように設けられる。以下では、導波器６と配線８との最短距離を、ｄｍｉｎとして示す。
次に、導波器６と配線８との最短距離ｄｍｉｎとアンテナ利得との関係について図９に示す。
図９は、最短距離ｄｍｉｎとアンテナ最大利得との関係を示す図である。図９の横軸は、最短距離ｄｍｉｎを示し、図９の縦軸は、放射する電磁波の周波数ｆを３００ＧＨｚとした場合の最短距離ｄｍｉｎに対するアンテナ装置１０２のアンテナ最大利得を示す。また、アンテナ装置１００のアンテナ最大利得と、比較構成のアンテナ装置Ｃ１のアンテナ最大利得が、比較対象として合わせて示されている。
図９において、最短距離ｄｍｉｎがどのような値であっても、アンテナ装置１０２のアンテナ最大利得は、比較構成のアンテナ装置Ｃ１のアンテナ最大利得よりも大きくなる。つまり、配線８が、誘電体基板５の表面のうち導波器６と同一表面に設けられていても、導波器６を有するアンテナ装置１０２は、導波器を有さない比較構成のアンテナ装置Ｃ１よりも高いアンテナ利得を得ることができる。
また、図９において、アンテナ装置１０２のアンテナ最大利得は、最短距離ｄｍｉｎに応じて変化する。このアンテナ最大利得と最短距離ｄｍｉｎとの関係は、放射する電磁波の周波数に依存する。面５ａに配線８を設ける場合には、放射する電磁波の周波数と最短距離ｄｍｉｎ、および配線の形状を考慮することにより、アンテナ最大利得を向上させることができる。
以上説明したように、本実施の形態１に係るアンテナ装置１００は、面５ａ（第１面）及び面５ｂ（第２面）を有する誘電体基板５と、面５ａ上に配置され、面１ｂ（第３面）及び誘電体基板５に対向する面１ａ（第４面）を有する半導体基板１と、半導体基板１の面１ａに配置される集積回路（図示せず）と、半導体基板１の面１ａに配置される放射器３と、放射器３から放射される電磁波の放射方向Ｔｚに沿って放射器３を半導体基板１の面１ｂ上に投影した位置に配置される反射器２と、放射方向Ｔｚに沿って放射器３を誘電体基板５に投影した位置に配置される導波器６とを備える。
この構成により、放射器３、反射器２および導波器６が１つのアンテナとして機能し、導波器６が、放射器３から放射される電磁波を放射方向Ｔｚへ誘導することができる。そのため、放射器３から放射方向Ｔｚと反対の方向へ（つまり、放射器３から面１ｂへ）放射される成分が減り、半導体基板１での伝搬損失が抑制されるため、アンテナ利得を増加させることができる。
また、アンテナ装置１００は、導体パターンを用いて誘電体基板５に無給電素子である導波器を形成する簡易な構成であり、半導体基板１と半導体基板１を実装する誘電体基板５以外に導波器以外の部品を新たに設けず、製造コストを抑えることができる。
なお、本実施の形態１では、導波器６が、誘電体基板５の表面のうち半導体基板１に対向する表面（つまり、図２Ｂにおける面５ａ）に設けられる例について説明したが、本開示はこれに限定されない。導波器６は、誘電体基板５の表面のうち半導体基板１に対向する表面と反対の面５ｂ（裏面）の配線金属を用いても良い。また、誘電体基板５が、多層基板である場合、導波器６は、誘電体基板５の内層（例えば、図５Ａにおける内層の面５ｃ）に配置されても良い。導波器６の位置は、誘電体基板５の深さ方向（図２ＢにおけるＺ軸方向）に対して調節しても良い。
このように、導波器６を配置する位置を変えることで、放射器３と反射器６との間隔は、バンプ４の高さ（バンプ４のＺ軸方向の長さ）以外にも、誘電体基板５の深さ方向でも調節することができるため、アンテナ装置１００は、バンプ４の高さでは調節困難な周波数帯でも動作する。
（実施の形態２）
図１０は、本実施の形態２に係るアンテナ装置２００の構成を示す図である。なお、図１０において、図２Ｂと同様の構成については同一の符番を付し説明を省略する。
図１０は、図２Ｂと同様に、放射器３及び導波器６を含むＸ−Ｚ平面におけるアンテナ装置２００の断面図である。なお、図１０のＸ−Ｙ面については、図２Ｃ、図２ＤのＸ−Ｙ面と同様であるので、詳細な説明は省略する。
アンテナ装置２００は、導波器６を複数備える点でアンテナ装置１００と相違する。具体的には、例えば、アンテナ装置２００の導波器６は、誘電体基板５の半導体基板１に対向する面５ａにおける、放射方向Ｔｚに沿った位置に配置され、また、誘電体基板５の内層の面５ｃに、放射方向Ｔｚに沿って配置される。
誘電体基板５を多層基板とすることによって、内層の面５ｃの配線金属を用いて、導波器６を内層の面５ｃに配置することができる。
アンテナ装置２００は、放射器３、反射器２および２つの導波器６が１つのアンテナとして機能する。アンテナ装置２００は、２つの導波器６を設けることで、１つの導波器６を設ける場合よりも、放射器３から放射される電磁波を放射方向Ｔｚへより多く誘導することができる。そのため、放射器３から放射方向Ｔｚと反対の方向へ放射される成分が減り、半導体基板１での伝搬損失が抑制されるため、指向性を高めることができ、アンテナ利得を増加させることができる。
本実施の形態２では、２つの導波器６が、誘電体基板５の面のうち半導体基板１に対向する面５ａと、誘電体基板５の内層である面５ｃと、に配置される例について説明したが、本開示はこれに限定されない。例えば、２つの導波器６は、いずれも誘電体基板５の内層に配置されても良い。また、例えば、１つの導波器６が、誘電体基板５の面のうち半導体基板１に対向する面５ａと反対の面５ｂ（裏面）に配置され、もう１つの導波器６が、誘電体基板５の面のうち半導体基板１に対向する面５ａまたは内層である面５ｃに配置されても良い。また、導波器６の数は、３つ以上であっても良い。
（実施の形態３）
図１１は、本実施の形態３に係るアンテナ装置３００の構成を示す図である。なお、図１１において、図２Ｂと同様の構成については同一の符番を付し説明を省略する。
図１１は、図２Ｂと同様に、放射器３及び導波器６を含むＸ−Ｚ平面におけるアンテナ装置３００の断面図である。なお、図１１のＸ−Ｙ面については、後述するアンダーフィル９が放射器３と導波器６の周辺に充填されている点を除き、図２Ｃ、図２ＤのＸ−Ｙ面と同様であるので、詳細な説明は省略する。
アンテナ装置３００は、半導体基板１と誘電体基板５の間にアンダーフィル９が充填される点でアンテナ装置１００と相違する。バンプ４が、図２Ｄに示すように４つ設けられる場合には、アンダーフィル９は、例えば、図２Ｄの点線枠内においてバンプ４が位置しない領域に充填される。
アンダーフィル９は、比誘電率εｒ（εｒは１以上）を有する媒質である。アンダーフィル９は、一部に空隙が生じていても良い。
真空中の波長λｏに対するアンダーフィル９内部における実効波長λｅｆｆは、比誘電率εｒを用いて、次式（１）に示される。
Figure 2018148268
つまり、比誘電率εｒが１以上のアンダーフィル９を充填することにより、アンダーフィル９内部における実効波長λｅｆｆが短くなるため、導波器６と放射器３との間隔を短くすることができる。
図１１の構成により、比較的波長が長い電磁波を放射する場合でも、アンテナ装置３００のサイズを小型にすることができる。また、図１１の構成により、アンテナ装置３００は、比較的低い周波数であっても、動作する。
なお、本実施の形態３は、他の実施の形態の少なくとも１つと組み合わせても良い。例えば、実施の形態２に係るアンテナ装置２００において、半導体基板１と誘電体基板５の間にアンダーフィル９を充填しても良い。
（実施の形態４）
図１２は、本実施の形態４に係るアンテナ装置４００の構成を示す図である。なお、図１２において、図２Ｂと同様の構成については同一の符番を付し説明を省略する。
図１２は、図２Ｂと同様に、放射器３及び導波器６を含むＸ−Ｚ平面におけるアンテナ装置４００の断面図である。なお、図１２のＸ−Ｙ面については、図２Ｃ、図２ＤのＸ−Ｙ面と同様であるので、詳細な説明は省略する。
アンテナ装置４００は、誘電体基板５にキャビティ１０が設けられる点でアンテナ装置１００と相違する。
キャビティ１０は、誘電体基板５における凹み部分である。キャビティ１０は、例えば、面５ｂからＺ軸の負方向に向かって誘電体基板５の厚さ未満の長さを切り欠いて形成される凹部である。キャビティ１０は、例えば、誘電体基板５を平面視した状態（Ｘ−Ｙ平面）において、導波器６の全領域を覆うような領域である。
このような構成により、アンテナ装置４００では、誘電体基板５における電磁波の伝搬損失を削減することができるため、アンテナ利得を増加させることができる。
なお、アンテナ装置４００では、キャビティ１０が導波器６の直下の配置される例について説明したが、本開示はこれに限定されない。例えば、キャビティ１０の内部に導波器６が配置されても良いし、誘電体基板５の内部に導波器６を配置してもよい。以下、本実施の形態４に係るアンテナ装置４００の変形例について、図１３Ａ及び図１３Ｂを用いて説明する。
図１３Ａは、本実施の形態４に係るアンテナ装置４００の変形例図である。図１３Ｂは、本開示の実施の形態４に係るアンテナ装置４００の変形例を示す図である。なお、図１３Ａ、図１３Ｂにおいて、図１２と同様の構成については同一の符番を付し説明を省略する。
図１３Ａは、図２Ｂと同様に、放射器３及び導波器６を含むＸ−Ｚ平面におけるアンテナ装置４０１の断面図である。なお、図１３ＡのＸ−Ｙ面については、導波器６が誘電体基板５の表面に配置されていない点を除き、図２Ｃ、図２ＤのＸ−Ｙ面と同様であるので、詳細な説明は省略する。
アンテナ装置４０１は、アンテナ装置４００に対して、導波器６が、誘電体基板５の表面（面５ａ）では無く、キャビティ１０の内部に配置されている。
このような構成により、アンテナ装置４０１では、アンテナ装置４００と同様に、誘電体基板５における電磁波の伝搬損失を削減することができるため、アンテナ利得を増加させることができる。
また、アンテナ装置４００では、キャビティ１０が、面５ｂからＺ軸の負方向に向かって誘電体基板５の厚さ未満の長さを切り欠いて形成される例について説明したが、本開示はこれに限定されない。例えば、キャビティ１０が、面５ａからＺ軸の正方向に向かって誘電体基板５の厚さ未満の長さを切り欠いて形成されていてもよい。このようにキャビティ１０を形成した場合には、導波器６は、例えば、キャビティ１０よりも下方で且つ誘電体基板５の内部に設けられる、又は、面５ｂに設けられる。
図１３Ｂは、図２Ｂと同様に、放射器３及び導波器６を含むＸ−Ｚ平面におけるアンテナ装置４０２の断面図である。なお、図１３Ｂのアンテナ装置４０２には、キャビティ１０が面５ａからＺ軸の正方向に向かって誘電体基板５の厚さ未満の長さを切り欠いて形成されており、導波器６が面５ｂに設けられる例が示されている。
なお、本実施の形態４は、他の実施の形態の少なくとも１つと組み合わせても良い。例えば、実施の形態３に係るアンテナ装置３００において、誘電帯基板５の放射方向Ｔｚに沿った導波器６の直下の位置にキャビティ１０が配置されても良い。
（実施の形態５）
図１４Ａは、本実施の形態５に係るアンテナ装置５００の構成を示す図である。なお、図１４Ａにおいて、図２Ｂと同様の構成については同一の符番を付し説明を省略する。
図１４Ａは、図２Ｂと同様に、放射器３及び導波器６を含むＸ−Ｚ平面におけるアンテナ装置５００の断面図である。なお、図１４ＡのＸ−Ｙ面については、後述するビア１１が配置される点を除き、図２Ｃ、図２ＤのＸ−Ｙ面と同様であるので、詳細な説明は省略する。
アンテナ装置５００は、導波器６の周辺にビア１１が配置される点でアンテナ装置１００と相違する。
ビア１１は、導波器６から第１距離離れた位置において導波器６の周辺を取り囲むように配置される。ビア１１は、誘電体基板５の面５ａと面５ｂとの間を貫通する貫通ビアである。
このような構成により、ビア１１が、誘電体基板５内に放射方向Ｔｚに沿った導波管の金属壁と同様な機能を有するため、導波器６から再放射される電磁波が放射方向Ｔｚに向かうように、指向性を変化させることができる。
また、半導体基板に複数の放射器が配置され、各放射器に対応する導波器が誘電体基板に配置される場合、隣り合う導波器との間にビア１１が配置されることによって、各導波器が再放射する電磁波を分離することができる。
なお、本実施の形態５は、他の実施の形態の少なくとも１つと組み合わせても良い。例えば、実施の形態４に係るアンテナ装置４００において、導波器６を取り囲むようにビア１１が配置されても良い。
また、本実施の形態５では、ビア１１が貫通ビアである例について説明したが、本開示はこれに限定されない。例えば、ビア１１は、貫通ビアの代わりに、図１４Ｂに示されるように、スタックビアと配線とを組み合わせて、階段状に形成されたビアであっても良い。なお、以下には、スタックビア１１の段数が２段である例について説明するが、これに限定されず、スタックビア１１の段数が３段以上であってもよい。
図１４Ｂは、本開示の実施の形態５に係るアンテナ装置５００の変形例を示す図である。図１４Ｂは、図２Ｂと同様に、放射器３及び導波器６を含むＸ−Ｚ平面におけるアンテナ装置５０１の断面図である。図１４Ｂにおいては、誘電体基板５の内部にビア１１が設けられている。以下に、ビア１１が、第１ビア１１ａと、第２ビア１１ｂと、第３ビア１１ｃと、によって構成される例について説明する。
第１ビア１１ａは、面５ａからＺ軸の正方向に向かって誘電体基板５の厚さ未満の長さによって形成される。第２ビア１１ｂは、面５ｂからＺ軸の負方向に向かって誘電体基板５の厚さ未満の長さによって形成される。第２ビア１１ｂのＸ軸上の位置は、第１ビア１１ａのＸ軸上の位置とは異なる。第３ビア１１ｃは、第１ビア１１ａと、第２ビア１１ｂと、を接続するビアであり、誘電体基板５の内層である面５ｃに配置される。
このような構成により、ビア１１が、誘電体基板５内において、放射方向Ｔｚに沿って導波器６から離れるに従って開口面積が広がる導波管の金属壁と同様な機能を有するため、導波器６から再放射される電磁波が放射方向Ｔｚに向かうように、図１４Ａの構成よりも、鋭く指向性を変化させることができる。なお、ビアの段数は図示した２段に限定されない。
以上説明した各実施の形態は、適宜組み合わせて用いても良い。
また、上記各実施の形態において、１つの放射器３を有するアンテナ装置について説明したが、アンテナ装置は、複数の放射器を有していても良い。
また、上記各実施の形態において、放射器３は、ダイポール型であるとして説明したが、本開示はこれに限定されない。放射器３は、他の平面アンテナの形状を有していても良い。
以上、図面を参照しながら各種の実施の形態について説明したが、本開示はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。また、開示の趣旨を逸脱しない範囲において、上記実施の形態における各構成要素を任意に組み合わせてもよい。
＜本開示のまとめ＞
本開示のアンテナ装置は、第１面及び第２面を有する誘電体基板と、前記誘電体基板の前記第１面上に配置され、第３面及び前記誘電体基板に対向する第４面を有する半導体基板と、前記半導体基板の前記第４面に配置される集積回路と、前記半導体基板の前記第４面に配置される放射器と、前記放射器から放射される電磁波の放射方向に沿って前記放射器を前記半導体基板の前記第３面上に投影した位置に配置される反射器と、前記放射方向に沿って前記放射器を前記誘電体基板に投影した位置に配置される導波器と、を備える。
また、本開示のアンテナ装置において、前記導波器は、前記誘電体基板に２つ以上配置される。
また、本開示のアンテナ装置において、前記誘電体基板と前記半導体基板との間の空間の少なくとも一部に、比誘電率が１以上の媒質が配置される。
また、本開示のアンテナ装置において、前記誘電体基板は、前記放射方向に沿って前記放射器を投影した位置にキャビティを有する。
また、本開示のアンテナ装置において、前記導波器は、前記キャビティの内部に配置される。
また、本開示のアンテナ装置において、前記誘電体基板は、前記導波器から第１距離離れた位置において前記導波器を取り囲むビアを有する。
また、本開示のアンテナ装置において、前記誘電体基板は、前記放射器の短手方向に延びる配線を有する。
また、本開示のアンテナ装置において、前記誘電体基板の前記第１面には、配線が配置され、前記配線と前記導波器との最小距離は、少なくとも前記電磁波の周波数に基づいて決定される。
また、本開示のアンテナ装置において、前記集積回路の少なくとも一部は、５０ＧＨｚ以上１０ＴＨｚ以下の周波数の信号の信号処理を行う。
また、本開示のアンテナ装置において、前記放射器と前記導波器との間隔は、前記電磁波の波長の１／８から１／４である。
本開示に係るアンテナ装置は、レーダーシステムや通信システムにおいて無線通信を行う送受信モジュール用途として有用である。
１、２１ 半導体基板
１ａ、１ｂ、５ａ、５ｂ、５ｃ 面
２、２４ 反射器
３ 放射器
４ バンプ
５ 誘電体基板
６ 導波器
９ アンダーフィル
１０ キャビティ
１１ ビア
１１ａ 第１ビア
１１ｂ 第２ビア
１１ｃ 第３ビア
２２ オンチップアンテナ
２３ 集積回路
１００、１０１、１０２、２００、３００、４００、４０１、４０２、５００、５０１、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３ アンテナ装置

Claims (10)

  1. 第１面及び第２面を有する誘電体基板と、
    前記誘電体基板の前記第１面上に配置され、第３面及び前記誘電体基板に対向する第４面を有する半導体基板と、
    前記半導体基板の前記第４面に配置される集積回路と、
    前記半導体基板の前記第４面に配置される放射器と、
    前記放射器から放射される電磁波の放射方向に沿って前記放射器を前記半導体基板の前記第３面上に投影した位置に配置される反射器と、
    前記放射方向に沿って前記放射器を前記誘電体基板に投影した位置に配置される導波器と、
    を備えるアンテナ装置。
  2. 前記導波器は、前記誘電体基板に２つ以上配置される、
    請求項１に記載のアンテナ装置。
  3. 前記誘電体基板と前記半導体基板との間の空間の少なくとも一部に、比誘電率が１以上の媒質が配置される、
    請求項１に記載のアンテナ装置。
  4. 前記誘電体基板は、前記放射方向に沿って前記放射器を投影した位置にキャビティを有する、
    請求項１に記載のアンテナ装置。
  5. 前記導波器は、前記キャビティの内部に配置される、
    請求項４に記載のアンテナ装置。
  6. 前記誘電体基板は、前記導波器から第１距離離れた位置において前記導波器を取り囲むビアを有する、
    請求項１に記載のアンテナ装置。
  7. 前記誘電体基板は、前記放射器の短手方向に延びる配線を有する、
    請求項１に記載のアンテナ装置。
  8. 前記誘電体基板の前記第１面には、配線が配置され、
    前記配線と前記導波器との最小距離は、少なくとも前記電磁波の周波数に基づいて決定される、
    請求項１に記載のアンテナ装置。
  9. 前記集積回路の少なくとも一部は、５０ＧＨｚ以上１０ＴＨｚ以下の周波数の信号の信号処理を行う、
    請求項１に記載のアンテナ装置。
  10. 前記放射器と前記導波器との間隔は、前記電磁波の波長の１／８から１／４である、
    請求項１に記載のアンテナ装置。
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