JP3373753B2 - 超高周波帯無線通信装置 - Google Patents

超高周波帯無線通信装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はミリ波、マイクロ波
等の超高周波の周波数を利用する超高周波帯無線通信装
置に関する。
【０００２】
【従来の技術】準ミリ波帯／ミリ波帯と呼ばれる、周波
数が１０ＧＨｚ以上の超高周波帯を利用する、従来の送
信モジュールの概略を図７に、その回路ブロック図を図
８に示す。図８においてＯＳＣは発振回路、ＰＡは電力
増幅回路である。
【０００３】図７よりわかるように、従来の送信モジュ
ールは、ＯＳＣが半導体チップ７１ａ、変調回路が半導
体チップ７１ｂ、電力増幅回路が半導体チップ７１ｃと
いうように、それぞれ２ｍｍ角程度の１つの半導体チッ
プで構成されている。即ち、１つ１つの回路ブロックが
それぞれ半導体チップ７１ａ、７１ｂ、７１ｃより構成
され、これらが各々シールドされた形で１つのパッケー
ジ７５に収まっている。そして、これらの半導体チップ
７１ａ、７１ｂ、７１ｃ間を同軸部品やマイクロ波伝送
線路で接続することにより、送信モジュールが構成され
る。
【０００４】このような構成は送信モジュールに限った
ことではなく、低雑音高周波増幅回路（ＬＮＡ）や復調
回路から構成される受信モジュールでも同様である。１
つ１つの半導体チップ７１ａ、７１ｂ、７１ｃを各々シ
ールドするのは、半導体チップ間の相互干渉を防いだ
り、１つのシールドする空間が大きくなることで空洞共
振が発生する危険を防止するためである。すなわち、図
７における３つの半導体チップ７１ａ、７１ｂ、７１ｃ
の各々をシールドするのではなく、パッケージ７５によ
ってのみシールドしたとすると、シールドする空間が大
きくなってしまい、空洞共振が発生しやすくなる。
【０００５】これらの問題を解決するために、本出願人
により超高周波無線通信装置が提案されている（特願平
８−１８０８４６）。これは、図９に示すように、ひと
つの閉空間内に、送信・受信アンテナまでをも含む無線
通信に必要な機能を持たせ、かつ、閉空間は電気的な狭
窄部９０を有しているモジュールである。電気的な狭窄
部９０においては、カットオフ周波数が無線通信のキャ
リア周波数より高い空間が形成される。このような構成
をとることにより、空洞共振の問題を回避し、モジュー
ルの小型化が可能となる。
【０００６】しかしながら、まだ以下に述べるような問
題点があった。まず、アンテナの放射パターンがモジュ
ール筐体８４の影響を大きく受ける。この問題を回避す
るためには、アンテナ素子８３、８７から筐体８４の壁
までの距離を大きく取れば良いが、そうするとモジュー
ル全体のサイズが大きくなるとともに、半導体チップ８
５からアンテナ素子８３、８７までの給電線路８９ｂ、
８９ａが長くなり、その線路で生じる損失も増大する。
【０００７】更に、閉空間を作るために使用する蓋８１
の影響が生じる。蓋８１は、モジュール内部を保護する
目的でも使用されるため、機械的強度を保持するため
に、ある程度以上の厚みが必要であり、そのために損失
も生じる。
【０００８】なお、図９において、８２は半導体チップ
が実装される基板、８８は半導体チップと外部との間の
入出力端子、８６は電気的な狭窄部９０を形成するため
の導体層である。
【０００９】また、図１０は、図９のＣ−Ｃ´における
モジュールの断面構成を表す図である。この図におい
て、９１はバンプ、９２は絶縁層、９３は接地導体層、
９４は絶縁層（絶縁基板）である。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】このように、従来の超
高周波無線通信装置は、アンテナの特性を確保するため
に、モジュール自体がある程度大きくなってしまうとい
う問題点があった。本発明は、上記実情に対処してなさ
れたもので、アンテナの特性を確保しつつ、小型化が可
能な超高周波無線通信装置を提供することを目的とす
る。
【００１１】
【課題を解決するための手段】前述した問題を解決する
ために本発明は、 半導体チップが実装される基板と、
該半導体チップの周囲にカットオフ周波数が無線通信の
キャリア周波数より高い空間を形成する電気的狭窄部と
を有するパッケージと、前記半導体チップと電気的に接
続され、前記パッケージの表面に設けられた受信アンテ
ナ及び送信アンテナとを具備したことを特徴とする超高
周波帯無線通信装置を提供する。
【００１２】かかる本発明において、以下の態様が望ま
しい。 （１）前記受信アンテナ及び送信アンテナに対応する前
記パッケージ内の位置には、前記無線通信のキャリア周
波数に対して空洞共振を起こす空間が設けられているこ
と。
【００１３】（２）前記電気的狭窄部が形成する空間と
前記空洞共振を起こす空間とは連続した１つの空間を構
成すること。 （３）前記連続した１つの空間はＨ型の形状をしている
こと。
【００１４】（４）前記パッケージは導体からなり、前
記半導体チップ、前記受信アンテナ及び送信アンテナと
絶縁されていること。 （５）前記パッケージは絶縁体からなり、前記電気的狭
窄部の内面には導体層が形成されていること。
【００１５】（６）接地導体層が前記パッケージの表面
に形成されていること。 （７）前記受信アンテナ及び送信アンテナは、それぞれ
前記パッケージの表面に島状に設けられ、該受信アンテ
ナ及び送信アンテナを取り囲むように接地導体層が前記
パッケージ表面に形成されていること。
【００１６】（８）前記受信アンテナ及び送信アンテナ
は、それぞれ前記パッケージの表面に島状に設けられ、
該受信アンテナ及び送信アンテナ間の前記パッケージ表
面に接地導体層が形成されていること。
【００１７】（９）前記半導体チップにベースバンド信
号を入力するための入力端子と、該半導体チップからベ
ースバンド信号を出力するための出力端子と、該半導体
チップを制御するための制御信号用端子とをさらに具備
したこと。
【００１８】（１０）前記入力端子、出力端子、制御信
号用端子には、前記無線通信のキャリア周波数よりも低
周波の中間周波信号、ベースバンド信号、電源信号、制
御信号から選ばれる信号のみが通過すること。 （１１）前記電気的狭窄部に少なくとも１個以上の半導
体チップが実装されていること。
【００１９】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照しつつ、本発明
の実施形態について説明する。 （第１の実施形態）図１は、本発明の第１の実施形態に
係わる超高周波帯無線通信装置を示す図である。この無
線通信装置は、周波数６０ＧＨｚ帯のミリ波での使用を
想定している。図１において、２は高周波回路基板、
１、３はそれぞれ受信、送信用のアンテナパターン、１
２はグランドのベタパターン、５は送受信機能を有する
半導体チップで、この半導体チップは突起状電極４で高
周波回路基板２と接続されている。高周波回路基板２上
には、アンテナへの給電線路９とスロット１０が設けら
れている。これらは、導電性材料からなるモジュール筐
体６に、回路基板２が蓋になるように装着される。
【００２０】モジュール筐体６と回路基板２で作られる
閉空間７は、物理的に仕切りの無い１つの閉空間である
が、この中央部には、狭窄部８が設けられている。半導
体チップ５はこの狭窄部８に位置するように実装されて
いる。
【００２１】狭窄部８に対向する高周波回路基板２の領
域は、配線以外の部位においてグランドのベタパターン
で覆われている。このような構成をとることにより、狭
窄部８は導波管状になる。このときの狭窄部８の寸法
は、狭窄部８を導波管と見立てた時の遮断周波数が、通
信で用いられる信号のキャリア周波数の、最も高い周波
数よりも高くなるように設定する。つまり、この狭窄部
８は導波管として用いるものではなく、通信に用いた周
波数の電磁波が、半導体チップ近辺に進入するのを防止
するために用いるものである。
【００２２】また、モジュールには、半導体チップ５か
らのベースバンド信号の入出力用、電源供給用、制御信
号用の入出力端子１１が備わっている。この入出力端子
１１は、通信で用いられる６０ＧＨｚの高周波信号のや
りとりに用いられず、無線通信のキャリア周波数よりも
低周波の信号のやりとりに用いられる。
【００２３】以上のような構成で、超高周波通信モジュ
ールを試作した。図１のＡ−Ａ´における断面構成を図
３に、図３のＢ−Ｂ´における断面構成を図２に示す。
これらの図に示すように、高周波回路基板２の層構成
は、５００ミクロン厚のＢＴ（ビスマレイミドトリアジ
ン）樹脂基板１３の両面に、それぞれ１７ミクロン厚の
銅パターン１２、１４を形成し、１２をグランドパター
ン、１４をスロット１９を形成するパターンとした。パ
ターン１４は接地されており、グランドパターン１２と
導通しており、さらに導電性材料からなるモジュール筐
体６とも導通している。
【００２４】さらに、パターン１４上に１０ミクロン厚
のＢＣＢ（ベンゾサイクロブテン）樹脂層１５及び３ミ
クロン厚の銅配線９を形成した。ＢＴ樹脂とＢＣＢ樹脂
は、比誘電率がそれぞれ、４．５、２．７のものを用い
た。
【００２５】上記の基板構成でアンテナ部を試作した。
アンテナの給電線路９は、５０Ωに特性インピーダンス
を制御しており、配線幅は２５ミクロンである。この給
電線路９は、その下方にあるパターン層１４に形成され
ているスロット１０を介してアンテナ素子３を励起させ
る。
【００２６】また、同様な基板構成で、従来の構成の超
高周波通信モジュールを試作した。モジュール筐体８４
の壁面の影響を回避するために、当該壁面からアンテナ
素子８３、８７までの距離を１０ｍｍ程度にとった。ア
ンテナ素子８３、８７は１．５ｍｍ2 程度のサイズであ
るため、給電線路８９ａ、８９ｂの長さが９ｍｍにもな
り、そこで生じる損失は１．５ｄＢ程度になった。ま
た、モジュールの外形寸法も２０ｍｍ×５０ｍｍと大き
なものになった。
【００２７】一方、本発明の第１の実施形態では、アン
テナ素子１、３は、モジュールの表面（高周波回路基板
２の裏面）に位置するため、筐体６の壁面の影響は受け
ない。そのため、その設置場所には特段の制約は無い。
第１の実施形態では、給電線路９の長さを１．５ｍｍ程
度にとることにより、給電線路での損失を従来のものと
比べて１／６にまで抑えることができた。また、モジュ
ールの外形寸法も、１０ｍｍ×２５ｍｍ程度と小さくす
ることができた。
【００２８】さらに、本発明の上記実施形態の構成で
は、アンテナパターン１、３下の筐体６内部の空間を、
無線通信で使用するキャリア周波数で空洞共振するよう
なサイズに設定することにより、アンテナの効率を高め
ることも可能である。
【００２９】ここで、電気的狭窄部８が形成する空間と
空洞共振を起こす空間とは連続した１つの空間を構成す
る（本実施形態ではＨ型。）ので、筐体６の構成が簡単
なものとなる。
【００３０】さらに、図４に示すように、電気的狭窄部
８は幅が一定の溝状に形成することも可能であり、加工
容易性が向上する。この図において、４６は筐体、４７
は閉空間、４８は電気的狭窄部である。
【００３１】なお、本実施形態では、モジュールを構成
するパッケージ（筐体６等）は導体からなるが、半導体
チップ５、受信、送信アンテナ１、３と絶縁されている
のは勿論のことである。また、高周波回路基板２に対し
て半導体チップ５を実装し、これらを蓋として筐体６に
取り付けているが、半導体チップ５を筐体６に装着し、
高周波回路基板２を蓋として筐体６に装着してもよい。
さらに、高周波回路基板２側と筐体６側とを入れ替え
て、受信、送信アンテナ等を筐体６に設けてもよい。
【００３２】（第２の実施形態）図５は、本発明の第２
の実施形態に係わる超高周波帯無線通信装置を示す。こ
の実施形態では、モジュール内に作られている閉空間に
は、物理的な意味での狭窄部は無い。しかしながら、第
１の実施形態とは異なり、モジュール筐体５６は非導電
性の部材で作られている。この筐体５６のうち、半導体
チップ５の位置する部位の内壁面を、例えば電解メッキ
や非電解メッキ等により導電処理化し、導電性部材５６
ａとする。この処理により、この部位は電気的には狭窄
構造を有していることになり、モジュール筐体５６を複
雑にすることなく、第１の実施形態と同様な効果が得ら
れる。この図において、５７は閉空間、５８は電気的狭
窄部である。
【００３３】なお、本実施形態においても、第１の実施
形態と同様にＨ型の空間を形成し、無線通信で使用する
キャリア周波数で空洞共振するようなサイズに設定する
ことにより、アンテナの効率を高めることも可能であ
る。以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上
述の実施形態に限定されるものではない。例えば、上述
の実施形態では、受信アンテナ及び送信アンテナは、そ
れぞれパッケージの表面に島状に設けられ、該受信アン
テナ及び送信アンテナを取り囲むように接地導体層が前
記パッケージ表面に形成されているが、図６に示すよう
に、受信アンテナ６１及び送信アンテナ６３間のパッケ
ージ表面に選択的に接地導体層６２が形成されていても
よい。このようにすれば、受信アンテナと送信アンテナ
間の干渉を防止しつつ、アンテナの面積を効率よく稼ぐ
ことができる。
【００３４】また、電気的狭窄部には１個のみならず、
２個以上の半導体チップが実装されている場合にも本発
明は適用可能である。さらに、上記実施形態では基板材
料にＢＣＢ樹脂とＢＴ樹脂を用いたが、ポリイミド樹脂
やテフロン樹脂を使用しても良い。また、導体材料も銅
に限るものではない。さらにまた、以上の実施形態の組
み合わせも当然可能である。その他、本発明の趣旨を逸
脱しない範囲で種々変形して実施可能である。
【００３５】
【発明の効果】以上述べたように、本発明の超高周波無
線通信装置によれば、アンテナの特性を確保しつつ、小
型化が可能な超高周波無線通信装置を提供することがで
きる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施形態に係わる超高周波通
信装置の概略図。
【図２】 図１に示した装置の高周波回路基板の断面
図。
【図３】 図１に示した装置の高周波回路基板の断面
図。
【図４】 本発明の第１の実施形態に係わる超高周波通
信装置の変形例を示す概略図。
【図５】 本発明の第２の実施形態に係わる超高周波通
信装置の概略図。
【図６】 本発明の他の実施形態に係わる超高周波通信
装置の概略図。
【図７】 従来の超高周波通信モジュールの概略図。
【図８】 従来の超高周波通信モジュールの回路ブロッ
ク図。
【図９】 電気的狭窄部を有する超高周波通信モジュー
ルの概略図。
【図１０】 図９に示した装置の高周波回路基板の断面
図。
【符号の説明】 １、６３、８３…受信アンテナ素子 ２、８２…高周波回路基板 ３、６３、８７…送信アンテナ素子 ４、９１…突起状電極 ５、８５…半導体チップ ６、４６、５６、８４…モジュール筐体 ７、４７、５７…閉空間 ８、４８、５８、９０…電気的狭窄部 ９、８９ａ、８９ｂ…給電線路 １０…スロット １１、８８…入出力端子 １２…グランドパターン １３…ＢＴ樹脂層 １４…グランドパターン １５…ＢＣＢ樹脂層 １７、８６…電気的な狭窄部を形成するための導電性部
材 ８１…蓋
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−287115（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−66746（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−69798（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H04B 1/38 - 1/58

Claims (11)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】半導体チップが実装される基板と、該半導
    体チップの周囲にカットオフ周波数が無線通信のキャリ
    ア周波数より高い空間を形成する電気的狭窄部とを有す
    るパッケージと、前記半導体チップと電気的に接続さ
    れ、前記パッケージ表面に設けられた受信アンテナ及び
    送信アンテナとを具備し、前記受信アンテナ及び送信ア
    ンテナに対応する前記パッケージ内の位置には、前記無
    線通信のキャリア周波数に対して空洞共振を起こす空間
    が設けられていることを特徴とする超高周波帯無線通信
    装置。
  2. 【請求項２】前記電気的狭窄部が形成する空間と前記空
    洞共振を起こす空間とは連続した１つの空間を構成する
    ことを特徴とする請求項１記載の超高周波帯無線通信装
    置。
  3. 【請求項３】前記連続した１つの空間はＨ型の形状をし
    ていることを特徴とする請求項２記載の超高周波帯無線
    通信装置。
  4. 【請求項４】前記パッケージは導体からなり、前記半導
    体チップ、前記受信アンテナ及び送信アンテナと絶縁さ
    れていることを特徴とする請求項１乃至３記載の超高周
    波帯無線通信装置。
  5. 【請求項５】前記パッケージは絶縁体からなり、前記電
    気的狭窄部の内面には導体層が形成されていることを特
    徴とする請求項１乃至３記載の超高周波帯無線通信装
    置。
  6. 【請求項６】接地導体層が前記パッケージの表面に形成
    されていることを特徴とする請求項１乃至５記載の超高
    周波帯無線通信装置。
  7. 【請求項７】前記受信アンテナ及び送信アンテナは、そ
    れぞれ前記パッケージの表面に島状に設けられ、該受信
    アンテナ及び送信アンテナを取り囲むように接地導体層
    が前記パッケージ表面に形成されていることを特徴とす
    る請求項６記載の超高周波帯無線通信装置。
  8. 【請求項８】前記受信アンテナ及び送信アンテナは、そ
    れぞれ前記パッケージの表面に島状に設けられ、該受信
    アンテナ及び送信アンテナ間の前記パッケージ表面に接
    地導体層が形成されていることを特徴とする請求項６記
    載の超高周波帯無線通信装置。
  9. 【請求項９】前記半導体チップにベースバンド信号を入
    力するための入力端子と、該半導体チップからベースバ
    ンド信号を出力するための出力端子と、該半導体チップ
    を制御するための制御信号用端子とをさらに具備したこ
    とを特徴とする請求項１乃至８記載の超高周波帯無線通
    信装置。
  10. 【請求項１０】前記入力端子、出力端子、制御信号用端
    子には、前記無線通信のキャリア周波数よりも低周波の
    中間周波信号、ベースバンド信号、電源信号及び制御信
    号から選ばれる信号のみが通過することを特徴とする請
    求項９記載の超高周波帯無線通信装置。
  11. 【請求項１１】前記電気的狭窄部に少なくとも１個以上
    の半導体チップが実装されていることを特徴とする請求
    項１乃至１０記載の超高周波帯無線通信装置。
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