JP3556832B2 - フェーズドアレーアンテナ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、主としてマイクロ波帯、およびミリ波帯におけフェーズドアレーアンテナに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の装置として図１３に示すようなものがあった。この図は、Ｂ．Ｊ．Ｅｄｗａｒｄ， Ｄ．Ｒ．Ｈｅｌｍｓ， Ｒ．Ｓ．Ｗｅｂｂ， ａｎｄ Ｓ．ｗｅｉｎｒｅｂ，“Ｗ‐Ｂａｎｄ Ａｃｔｉｖｅ Ｔｒａｎｓｍｉｔ ａｎｄ Ｒｅｃｉｅｖｅ Ｐｈａｓｅｄ Ａｒｒａｙ Ａｎｔｅｎｎａｓ，”１９９５ ＩＥＥＥ ＭＴＴ‐Ｓ Ｉｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ＭｉｃｒｏｗａｖｅＳｙｍｐｏｓｉｕｍ Ｄｉｇｅｓｔ ｐｐ．１０９５‐１０９８， Ｊｕｎｅ， １９９５ に示されたもので、送信用アクティブフェーズドアレーアンテナを構成する高周波モジュール４００の回路構成を示したブロックダイアグラムである。
【０００３】
図において、６はアンテナ素子である放射素子、７は電力増幅器、１４は電源端子、６０は可変移相器、６１は電力分配器、６２は段間増幅器、６３は制御信号接続線路、６４は制御回路、６５は高周波信号入力端子、６６は制御信号入力端子である。
【０００４】
高周波入力端子６５から入力された信号は、段間増幅器６２によって増幅され、電力分配回路６１によって放射素子６の数に分配される。分配された高周波信号は、それぞれ可変移相器６０にて位相を制御され、そして電力増幅器７に加えられて電力増幅されて各放射素子６から空間に放射される。段間増幅器６２は、電力分配回路６１および可変移相器６０における損失を補うために挿入されている。
【０００５】
一方、制御信号入力端子６６から入力されたデジタルの制御信号は、制御回路６４で可変移相器６０を制御するためのアナログまたはデジタルの制御信号に変換され、複数の制御信号接続線路６３を通して各可変移相器６０に加えられる。そして、電力増幅器７および段間増幅器６２には電源端子１４から動作用の電源が加えられている。
【０００６】
このような構成の高周波モジュール４００を複数個並べて配置し、各放射素子６から放射される放射信号の位相を制御することによって、所望の方向に電波ビームを形成することのできる大規模なフェーズドアレーアンテナを構成することができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来のフェーズドアレーアンテナを構成する高周波モジュール４００は以上のように構成されているので、高周波モジュール４００内に、高周波信号を分配して各放射素子６まで導く高周波用の回路と、可変移相器６０を制御するための複数の制御信号用の回路と、各機器に電源を供給する電源供給用の回路を互いに交差するように配線する必要があるため、高周波モジュール４００内部の回路パターンが非常に複雑になっていた。このため、高周波モジュール４００の小形化が困難であるとともに、１つの高周波モジュール４００に設けることのできる放射素子６の数に限界があり、放射素子６の多い大規模なフェーズドアレーアンテナを実現するためには、多くの高周波モジュール４００が必要となり、アンテナのコストが高くなるという問題があった。
【０００８】
また、高周波モジュール４００の入出力として、高周波信号、複数の制御用デジタル信号および電源の接続が必要であり、使用する高周波信号の周波数が高くなると接続部における特性劣化を抑えるため精密な高周波コネクタなどを用いた接続が必要になり、また、制御用のデジタル信号の接続端子数も多いため、外部回路との接続構造が複雑になり、モジュール４００の小形化や低価格化が困難になるという問題もあった。
【０００９】
また、このような構成の高周波モジュール４００では、周波数が高くなると可変移相器６０や電力分配器６１の挿入損失が非常に大きくなるため、それらの損失分を補うために、利得が高くかつ出力電力が大きな段間増幅器６２が必要となってくる。このため、高周波モジュール４００の小形化がさらに困難になるとともに、消費電力の増大およびそれに伴う発熱量の増大が生じるという問題もあった。さらにまた、周波数が高くなると、複雑な回路配線を必要とするこのような構成では、回路間の不要な結合などによる特性劣化も大きくなるという問題もあった。
【００１０】
この発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、ミリ波帯などの高い周波数においても、小形で低価格なフェーズドアレーアンテナを実現することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るフェーズドアレーアンテナは、複数のアンテナ素子と、複数のアンテナ素子にそれぞれ接続された複数の周波数変換器と、複数の周波数変換器にローカル信号を供給する分配回路とを有する複数の高周波モジュールと、複数の高周波モジュールに周波数変換用のローカル信号をそれぞれ供給するローカル信号供給手段と、複数の高周波モジュールにそれぞれ複数入出力される中間周波信号を分配合成する中間周波信号分配合成手段と、中間周波信号のそれぞれの振幅と位相のいずれか一方または両方を同時に制御する制御手段とを有する制御モジュールと、複数の高周波モジュールと制御モジュールの間でローカル信号および中間周波信号を接続する接続手段とを有し、制御モジュールは、多層積層基板で構成され、一方、複数の高周波モジュールは、セラミック多層基板パッケージを用いて構成され、複数の高周波モジュールは、制御モジュール上に載置されており、高周波モジュールは、セラミック多層基板パッケージの制御モジュールと反対側である第１の面に導体パターンで形成された複数のアンテナ素子を有すると共に、制御モジュール側である第２の面に複数のキャビティおよび平面実装用の接続電極を有し、さらに複数のキャビティ内部には、半導体チップが配設されており、高周波モジュールには、第１の面のアンテナ素子がない部分に熱伝導性の高い放熱板が設けられ、半導体チップと放熱板は、セラミック多層基板パッケージを貫通して設けられたサーマルバイアホールで接続されている。
【００１２】
また、複数のアンテナ素子と、複数のアンテナ素子にそれぞれに接続された複数の変復調器と、複数の変復調器にローカル信号を供給する分配回路とを備えた複数の高周波モジュールと、複数の高周波モジュールに周波数変換用のローカル信号をそれぞれ供給するローカル信号供給手段と、複数の高周波モジュールにそれぞれ複数入出力される変復調波信号を分配合成するとともに、変復調波信号のそれぞれに対して、複数のアンテナ素子の励振振幅と励振位相のいずれか一方または両方を同時に可変するための信号処理を行なう信号処理手段とを有する制御モジュールと、複数の高周波モジュールと制御モジュールの間でローカル信号および変復調波信号を接続する接続手段とを有し、制御モジュールは、多層積層基板で構成され、一方、複数の高周波モジュールは、セラミック多層基板パッケージを用いて構成され、複数の高周波モジュールは、制御モジュール上に載置されており、高周波モジュールは、セラミック多層基板パッケージの制御モジュールと反対側である第１の面に導体パターンで形成された複数のアンテナ素子を有すると共に、制御モジュール側である第２の面に複数のキャビティおよび平面実装用の接続電極を有し、さらに複数のキャビティ内部には、半導体チップが配設されており、高周波モジュールには、第１の面のアンテナ素子がない部分に熱伝導性の高い放熱板が設けられ、半導体チップと放熱板は、セラミック多層基板パッケージを貫通して設けられたサーマルバイアホールで接続されている。
【００１３】
また、複数のアンテナ素子と、複数のアンテナ素子にそれぞれ接続された複数の周波数変換器と、複数の周波数変換器にローカル信号を供給する分配回路とを有する複数の高周波モジュールと、複数の高周波モジュールに周波数変換用のローカル信号をそれぞれ供給するローカル信号供給手段と、複数の高周波モジュールにそれぞれ複数入出力される中間周波信号を分配合成する中間周波信号分配合成手段と、中間周波信号のそれぞれの振幅と位相のいずれか一方または両方を同時に制御する制御手段とを有する制御モジュールと、複数の高周波モジュールと制御モジュールの間でローカル信号および中間周波信号を接続する接続手段とを有し、制御モジュールは、多層積層基板で構成され、一方、複数の高周波モジュールは、セラミック多層基板パッケージを用いて構成され、複数の高周波モジュールは、制御モジュール上に載置されており、高周波モジュールは、セラミック多層基板パッケージの制御モジュールと反対側である第１の面に導体パターンで形成された複数のアンテナ素子を有すると共に、制御モジュール側である第２の面に複数のキャビティおよび平面実装用の接続電極を有し、さらに複数のキャビティ内部には、半導体チップが配設されており、第１の面に導体パターンで形成された複数のアンテナ素子には、それぞれ導電性のホーンが設けられ、半導体チップとホーンは、セラミック多層基板パッケージを貫通して設けられたサーマルバイアホールで接続されている。
【００１４】
また、複数のアンテナ素子と、複数のアンテナ素子にそれぞれに接続された複数の変復調器と、複数の変復調器にローカル信号を供給する分配回路とを備えた複数の高周波モジュールと、複数の高周波モジュールに周波数変換用のローカル信号をそれぞれ供給するローカル信号供給手段と、複数の高周波モジュールにそれぞれ複数入出力される変復調波信号を分配合成するとともに、変復調波信号のそれぞれに対して、複数のアンテナ素子の励振振幅と励振位相のいずれか一方または両方を同時に可変するための信号処理を行なう信号処理手段とを有する制御モジュールと、複数の高周波モジュールと制御モジュールの間でローカル信号および変復調波信号を接続する接続手段とを有し、制御モジュールは、多層積層基板で構成され、一方、複数の高周波モジュールは、セラミック多層基板パッケージを用いて構成され、複数の高周波モジュールは、制御モジュール上に載置されており、高周波モジュールは、セラミック多層基板パッケージの制御モジュールと反対側である第１の面に導体パターンで形成された複数のアンテナ素子を有すると共に、制御モジュール側である第２の面に複数のキャビティおよび平面実装用の接続電極を有し、さらに複数のキャビティ内部には、半導体チップが配設されており、第１の面に導体パターンで形成された複数のアンテナ素子には、それぞれ導電性のホーンが設けられ、半導体チップとホーンは、セラミック多層基板パッケージを貫通して設けられたサーマルバイアホールで接続されている。
【００１５】
また、複数のホーンは、一体に形成されている。
【００１６】
また、複数のアンテナ素子と、複数のアンテナ素子にそれぞれ接続された複数の周波数変換器と、複数の周波数変換器にローカル信号を供給する分配回路とを有する複数の高周波モジュールと、複数の高周波モジュールに周波数変換用のローカル信号をそれぞれ供給するローカル信号供給手段と、複数の高周波モジュールにそれぞれ複数入出力される中間周波信号を分配合成する中間周波信号分配合成手段と、中間周波信号のそれぞれの振幅と位相のいずれか一方または両方を同時に制御する制御手段とを有する制御モジュールと、
複数の高周波モジュールと制御モジュールの間でローカル信号および中間周波信号を接続する接続手段とを有し、制御モジュールは、多層積層基板で構成され、一方、複数の高周波モジュールは、セラミック多層基板パッケージを用いて構成され、複数の高周波モジュールは、制御モジュール上に載置されており、高周波モジュールは、セラミック多層基板パッケージの制御モジュールと反対側である第１の面に、導体パターンで形成された複数のアンテナ素子を有し、一方、制御モジュール側である第２の面に第１のキャビティを設け、第１のキャビティの底面にさらに第１キャビティより小さな第２のキャビティを設け、第２のキャビティ内部に発熱量の大きな第１の半導体チップを取り付け、第１のキャビティの底面に複数の第２のキャビティを覆うように多層回路基板を取り付け、多層回路基板に第２の半導体チップを取り付け、セラミック多層基板パッケージと多層回路基板の間を、第１のキャビティの底面と多層回路基板の接する面において接続されている。
【００１７】
また、複数のアンテナ素子と、複数のアンテナ素子にそれぞれに接続された複数の変復調器と、複数の変復調器にローカル信号を供給する分配回路とを備えた複数の高周波モジュールと、複数の高周波モジュールに周波数変換用のローカル信号をそれぞれ供給するローカル信号供給手段と、複数の高周波モジュールにそれぞれ複数入出力される変復調波信号を分配合成するとともに、変復調波信号のそれぞれに対して、複数のアンテナ素子の励振振幅と励振位相のいずれか一方または両方を同時に可変するための信号処理を行なう信号処理手段とを有する制御モジュールと、複数の高周波モジュールと制御モジュールの間でローカル信号および変復調波信号を接続する接続手段とを有し、制御モジュールは、多層積層基板で構成され、一方、複数の高周波モジュールは、セラミック多層基板パッケージを用いて構成され、複数の高周波モジュールは、制御モジュール上に載置されており、高周波モジュールは、高周波モジュールは、セラミック多層基板パッケージの制御モジュールと反対側である第１の面に、導体パターンで形成された複数のアンテナ素子を有し、一方、制御モジュール側である第２の面に第１のキャビティを設け、第１のキャビティの底面にさらに第１キャビティより小さな第２のキャビティを設け、第２のキャビティ内部に発熱量の大きな第１の半導体チップを取り付け、第１のキャビティの底面に複数の第２のキャビティを覆うように多層回路基板を取り付け、多層回路基板に第２の半導体チップを取り付け、セラミック多層基板パッケージと多層回路基板の間を、第１のキャビティの底面と多層回路基板の接する面において接続されている。
【００２０】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１はこの発明のフェーズドアレーアンテナである送信用のアクティブフェーズドアレーアンテナの回路構成を示したブロックダイアグラムである。図１において、５００は高周波モジュール、５１０は制御モジュールである。
【００２１】
３は高周波モジュール５００と制御モジュール５１０を接続する中間周波接続部、４は同じくローカル信号接続部、５は同じく電源接続部である。中間周波接続部３とローカル信号接続部４は、各々ローカル信号および中間周波信号を接続する接続手段を構成している。そして、高周波モジュール５００には、また、アンテナ素子である放射素子６、電力増幅器７、周波数変換器８、ローカル信号分配回路９ａおよび電源供給回路１０ａが設けられている。
【００２２】
一方、制御モジュール５１０には、ビーム制御回路１１、入力端子１２、ローカル信号入力端子１３、電源端子１４、制御信号入力端子１５、可変移相器１６、制御信号接続線路１７、中間周波信号分配回路１８、ローカル信号分配回路９ｂおよび電源供給回路１０ｂが設けられている。
【００２３】
中間周波信号分配回路１８は、中間周波信号分配合成手段を構成し、入力端子１２から加えられた中間周波数の信号を各可変移相器１６に分配する。一方、ローカル信号分配回路９ｂは、ローカル信号入力端子１３から入力されたローカル信号を各高周波モジュール５００に供給するローカル信号供給手段を構成している。そして、ビーム制御回路１１、可変移相器１６および制御信号接続線路１７は、中間周波信号のそれぞれの位相ないし振幅を個別に制御する制御手段を構成している。
【００２４】
各高周波モジュール５００には、複数の放射素子６が設けられており、各々の放射素子６には、それぞれ電力増幅器７及び周波数変換器８が接続されている。各電力増幅器７には、電源供給回路１０ａによって動作電源が供給され、各周波数変換器８にはローカル信号分配回路９ａによって、周波数変換のために必要なローカル信号が供給されている。
【００２５】
一方、制御モジュール５１０には、各々の高周波モジュール５００に設けられた放射素子６の数分の中間周波数で動作する可変移相器１６が設けられている。各可変移相器１６の移相量は、制御信号入力端子１５から加えられたデジタル信号がビーム制御回路１１で各移相器１６ごとの制御信号に変換され、複数の制御信号接続線路１７を介して各可変移相器１６に加えられることにより設定される。制御信号接続線路１７は、図１には、太い配線のように記載されているが、実際には、従来例の図１３の制御信号接続線路６３のような構成とされている。各々の可変移相器１６は、中間周波接続部３によって各制御モジュール５１０の周波数変換器８に電気的に接続されている。
【００２６】
制御モジュール５１０には、さらに各高周波モジュール５００にローカル信号を供給するローカル信号分配回路９ｂと、各高周波モジュール５００に動作電源を供給する電源供給回路１０ｂが設けられている。ローカル信号分配回路９ｂは、ローカル信号分配回路９ａとローカル信号接続部４にて電気的に接続されている。また、電源供給回路１０ｂは、電源供給回路１０ａと電源接続部５にて電気的に接続されている。
【００２７】
次に動作を説明する。制御モジュール５１０の入力端子１２から加えられた中間周波数の信号は、中間周波信号分配回路１８によって分配され、中間周波数で動作するそれぞれの可変移相器１６に加えられる。可変移相器１６によって所定の位相分布を与えられた各中間周波信号は、中間周波接続部３を介してそれぞれの周波数変換器８に加えられ、周波数変換器８によって送信される高周波信号の周波数に変換され、さらに電力増幅器７で増幅され放射素子６から空間に放射される。このとき、可変移相器１６でそれぞれ設定された中間周波数の位相の情報は周波数変換器８にて周波数変換が行なわれても保持されるため、各可変移相器１６の移相量を所定の値に設定することにより、所定の方向に高周波信号の放射ビームを形成することができる。
【００２８】
このような構成において、周波数変換器８として高調波ミクサなどを用いると、ローカル信号および中間周波信号の周波数は、それぞれ送信する高周波信号に比べて十分に低く設定できる。このため、ローカル信号分配回路９ａ、９ｂおよび中間周波信号分配回路１８は比較的簡単に構成することができ、また、これらの回路の挿入損失を小さくすることができる。
【００２９】
一方、高周波信号の配線は、高周波モジュール５００内部の放射素子６から周波数変換器８までの間のみになるため、配線が単純になるとともに、高周波信号の損失を補う段間増幅器が必要なくなる。さらに、高周波モジュール５００の入出力としては、放射素子６の数分の中間周波信号と１つのローカル信号と１つ電源となり、複雑な接続構造を有する必要がなくなる。
【００３０】
一方、制御モジュール５１０については、複数の可変移相器１６とその制御回路を構成する必要があるが、中間周波信号の回路は動作周波数が低いため、通常の多層プリント基板などを用いて高密度に実装することが可能となる。
【００３１】
以上のように、この実施の形態によれば、高周波モジュール５００の構造が簡単になるとともに、高周波モジュール５００と制御モジュール５１０の間の接続のために複雑な構造を用いる必要がなくなり、フェーズドアレーアンテナの小形軽量化および低価格化がはかれるという効果がある。
【００３２】
尚、この例では送信用のアクティブフェーズドアレーアンテナの場合について説明したが、電力増幅器７を低雑音増幅器におきかえれば、受信用アクテイブフェーズドアレーアンテナとして同様の効果が得られることは言うまでもない。また、増幅器を設けないフェーズドアレーアンテナを構成する場合でも同様の効果がある。
【００３３】
実施の形態２．
図２はこの発明のフェーズドアレーアンテナである送信用のアクティブフェーズドアレーアンテナの他の例を示す回路構成を示したブロックダイアグラムである。図２において、６００は高周波モジュール、６１０は制御モジュールである。尚、図２中、符号１から１５は実施の形態１と同一であり同様の動作をする。
【００３４】
図２において、各高周波モジュール６００に設けられた複数の放射素子６には、それぞれ電力増幅器７及び変調器１９が接続されている。各変調器１９にはローカル信号分配回路９ａによって搬送波となるローカル信号が供給されている。
【００３５】
一方、制御モジュール６１０には信号処理回路１０１が設けられている。信号処理回路１０１は、入力端子１２から入力された変調波信号を各高周波モジュール６００に設けられた放射素子６の全数分に分配するとともに、分配したそれぞれの変調波信号に対して、励振位相ないし励振振幅を個別に可変するための信号処理を行なう。すなわち、信号処理回路１０１は、複数の放射素子６の励振位相ないし励振振幅を個別に可変するための信号処理を行なう信号処理手段を構成している。その他の構成は、実施の形態１と同様である。
【００３６】
次に動作を説明する。制御モジュール６１０の入力端子１２から加えられた変調波信号は、信号処理回路１０１によって放射素子６の全数分に分配され、それぞれ、デジタル信号処理などにより遅延時間や位相などの制御を受け、各高周波モジュール５１０の変調器１９の信号入力端子に加えられる。
【００３７】
そして、各変調器１９においては、ローカル信号分配回路９ａ、９ｂによって分配されたローカル信号に対して変調波信号による直接変調がかけられ送信する高周波信号が発生される。この高周波信号は電力増幅器７によって増幅されて放射素子６から空間に放射される。このとき、信号処理回路１０１でそれぞれ制御された変調波の遅延時間や位相などの情報は変調された高周波信号においても保持されるため、信号処理回路１０１において各変調波信号の遅延時間や位相などの制御量を所定の値に設定することにより、所定の方向に高周波信号の放射ビームを形成することができる。
【００３８】
このような構成のフェーズドアレーアンテナにおいては、高周波モジュール６００の入出力信号としては、放射素子６の数分の変調波信号と１つのローカル信号および１つの電源となる。そして、ローカル信号以外は通常のデジタル回路と同等の接続方法で接続できるようになる。一方、制御モジュール６１０における配線は、ローカル信号の分配回路以外は高周波信号を扱う必要がなく、大半がデジタル回路技術によって構成できるため、制御モジュール６１０の大部分をデジタル回路の実装技術によって実現できる。
【００３９】
以上のように、この実施の形態によれば、高周波モジュール６００と制御モジュール６１０の間の接続構造をより簡単化できるとともに、制御モジュール６１０をデジタル回路の技術で実現できるため、フェーズドアレーアンテナの小形軽量化および低価格化がはかれるという効果がある。
【００４０】
尚、本実施の形態においては、送信用のアクティブフェーズドアレーアンテナの場合について説明したが、電力増幅器を低雑音増幅器におきかえ、変調器を復調器におきかえれば、受信用アクテイブフェーズドアレーアンテナとして同様の効果が得られることは言うまでもない。また、増幅器を設けないフェーズドアレーアンテナを構成する場合でも同様の効果がある。
【００４１】
実施の形態３．
図３はこの発明のフェーズドアレーアンテナの構造を示す斜視図、図４は図３に示したフェーズドアレーアンテナの接続構造を示す断面図である。図３および図４において、符号１、２、６、１３、１４は図１に示した実施の形態１と同様なものである。２１はセラミック多層基板パッケージ、２４および１０２は接続電極、１０３は半田、１０４は多層積層基板、１０５は制御回路用ＬＳＩである。
【００４２】
高周波モジュール５００は、セラミック多層基板パッケージ２１の内部に半導体チップ等を実装され、上面にパッチアンテナを用いた複数の放射素子６を導体パターンで形成され、下面の周囲に複数の接続電極２４が導体パターンで形成されて構成されている。
【００４３】
一方、制御モジュール５１０は、多層積層基板１０４を用いて構成され、下面に信号処理用の複数のＬＳＩ１０５が実装され、上面に高周波モジュール５００を取り付けるための接続電極１０２が設けられている。高周波モジュール５００と制御モジュール５１０とは、両者の表面に設けられた接続電極２４、１０２間が半田付けされて接続されている。
【００４４】
このような構成においては、高周波モジュール５００と制御モジュール５１０の間の接続部には高い周波数の高周波信号が通らないため、半田リフロー等の表面実装技術により、それぞれのモジュールに設けられた電極間を簡単な製造行程によって接続することができる。
【００４５】
このような構成のフェーズドアレーアンテナにおいては、高周波モジュール５００と制御モジュール５１０の間の接続を簡単な製造行程で実現することができ、製造コストを低減できるという効果がある。
【００４６】
尚、本実施の形態においては、放射素子６としてパッチアンテナを用いた場合について説明したが、スロットアンテナなど導体パターンを用いて形成できる他の放射素子を用いた場合でも同様の効果を得ることができる。また、本実施の形態においては、電極間の接続方法として半田リフローを用いたが、導電性接着剤などを用いた接続方法を用いても良い。
【００４７】
実施の形態４．
図５はこの発明のフェーズドアレーアンテナ用高周波モジュールの断面図である。図５において符号６、２１、２４は図４と同様なものである。図５において、２０はセラミック基板層、２２はシールリング、２３はシールド壁、２５はキャビティ、２６は蓋、２７は半導体チップである。
【００４８】
セラミック多層基板パッケージ２１は複数のセラミック基板層２０が積み重ねて構成されている。図５の上面には、導体パターンによって複数の放射素子６が形成され、一方、図５の下面には一部のセラミック基板層を取り除いて複数のキャビティ２５が形成されている。
【００４９】
キャビティ２５の内部には、ＭＭＩＣ（Ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）などの半導体チップ２７が実装されている。また、キャビティ２５の周囲には、セラミックを積層して形成したシールド壁２３が立設され、パッケージ下面を複数の空間に仕切っている。さらに、セラミック多層基板パッケージ２１の下面の最外周部にはセラミックを積層して形成したシールリング２２が全周に渡って立設され、さらに蓋２６がシールリング２２に掛け渡されて覆われ半導体チップの気密封止が行われている。
【００５０】
また、シールリング２２の頂部は、蓋２６の位置決めのため、内側が低い段部が形成されており、この段部において蓋２６を取り付けた面より高さが高くなっている部分には、複数の接続電極２４が設けられている。電源供給回路、ローカル信号分配回路および高周波回路の一部は、積層したセラミック基板層の内層に設けられ、バイアホールなどを用いて層間接続されている。
【００５１】
このようなセラミック多層基板パッケージは、各層の導体パターンをスクリーン印刷した焼成前のセラミック・グリーンシートを複数積層した後、同時焼成することによって製造できるため、同じ特性のものを低コストで大量に製造することが可能である。また、図５に示したような構成では、セラミック多層基板パッケージ２１に半導体チップ２７を実装して蓋２６を取り付けるだけで放射素子６まで含めて高周波モジュール５００を実現できるため、組立コストも低く抑えることが可能である。
【００５２】
このような構成のフェーズドアレーアンテナ用高周波モジュールにおいては、高周波モジュール５００を低価格で製造することができるという効果がある。
【００５３】
尚、本実施の形態においては、半導体チップ２７をシールリング２２と蓋２６によって気密封止しているが、半導体チップ２７の上を樹脂でモールドしても良い。また、接続電極２４としてシールリング２２上に設けた導体パターンを用いているが、この導体パターンに金属などの接続端子を取り付けてもよい。
【００５４】
実施の形態５．
図６はこの発明のフェーズドアレーアンテナ用高周波モジュールの他の例を示す断面図である。また、図７はこの高周波モジュールを放射素子側から見た平面図である。図６および図７において符号６、２１乃至２７は図５と同様である。２８はサーマルバイアホール、２９は放熱板であるヒートシンク、３０は放射窓である。
【００５５】
セラミック多層基板パッケージ２１の放射素子６を設けた面に、放射素子６を避けるように複数の放射窓３０を設けた金属などの熱伝導性の高い板からなるヒートシンク２９を取り付け、このヒートシンク２９と半導体チップ２７は、セラミック多層基板パッケージ２１の内部に貫通するように設けられた複数のサーマルバイアホール２８で接続されている。サーマルバイアホール２８は、熱伝導率向上のために設けられている。これにより、半導体チップ２７で発生する熱をヒートシンク２９から高周波モジュール５００の外部に排出することができ、パッケージ内に熱の発生が多い高出力の電力増幅器を実装することが可能となる。なお、放射素子６に加えられた高周波信号は、放射窓３０を通して空間に放射される。
【００５６】
このような構成のフェーズドアレーアンテナ用高周波モジュールにおいては、簡単な構造で半導体チップ２７の放熱を効率良く行なうことができ、より高出力の高周波モジュールを実現できるという効果がある。
【００５７】
実施の形態６．
図８はこの発明のフェーズドアレーアンテナ用高周波モジュールの他の例を示す断面図である。図８において符号２１乃至２８は図６と同様である。図８において、３１は放射スロット、３２はホーン、３３地導体パターンである。
【００５８】
セラミック多層基板パッケージ２１の図８の上面には、地導体パターン３３が設けられ、この地導体パターン３３には、所定の位置に穴が形成され放射スロット３１が構成されている。各々の放射スロット３１の上方には、放射スロット３１の部分に開口を有する熱伝導性の高い素材で作製されたホーン３２が、地導体パターン３３の上面に接するように取り付けられている。そして、本実施の形態の放射素子は、地導体パターン３３、放射スロット３１およびホーン３２から構成されている。
【００５９】
半導体チップ２７とホーン３２との間は、地導体パターン３３を介して、熱伝導率向上のために設けられた複数のサーマルバイアホール２８にて接続されている。これにより、実施の形態５のヒートシンク２９の代りにホーン３２を用いて、半導体チップ２７で発生する熱を高周波モジュール５００の外部に排出することができ、パッケージ内に熱の発生が多い高出力の電力増幅器を実装することが可能となる。さらにまた、実施の形態５のヒートシンク２９を設けた場合とは異なり、ホーン３２を取り付けた状態で最良の特性が得られるように放射素子の設計を行なえるので、特性の良い放射素子を実現することが可能となる。さらに、ホーン３２の表面全体が放熱面となるためより効率の良い放熱が行なえる。
【００７０】
このような構成のフェーズドアレーアンテナ用高周波モジュールにおいては、良好な特性を有する放射素子を実現できるとともに、より効率の高い放熱が可能になるという効果がある。
【００７１】
実施の形態７．
図９はこの発明のフェーズドアレーアンテナ用高周波モジュールの他の例を示す断面図である。また図１０は高周波モジュールの斜視図である。図９および図１０において符号２１乃至２８および符号３１乃至３３は図８と同様である。本実施の形態においては、セラミック多層基板パッケージ２１の上面に、全ての放射素子のホーンが一体に形成された断面格子状のホーン３２が取り付けられている。このような構成とすることにより、１個の高周波モジュール５００用のホーンをプレスなどの加工技術によって一体に形成できるため、製造コストが安くなる。また、セラミック多層基板パッケージ２１とホーン３２の取り付けが容易に行なえるため組立コストも安くなる。
【００７２】
このような構成のフェーズドアレーアンテナ用高周波モジュールにおいては、低価格な高周波モジュールを実現できるという効果がある。
【００７３】
実施の形態８．
図１１はこの発明のフェーズドアレーアンテナ用高周波モジュールの他の例を示す制御モジュールの方向から見た部品配置図である。図１１において、符号２２乃至２４は図５と同様である。図１１において、４０は電力増幅器用ＭＭＩＣ、４１はチップ部品、４２はダイオードアレイである。本実施の形態においては、１６個の放射素子を有する送信用高周波モジュールの例を示している。セラミック多層基板パッケージの内部にシールド壁２３で囲まれた４つのキャビティが設けられ、それぞれのキャビティに４個の電力増幅器用ＭＭＩＣ４０と４組の電力増幅器バイアス回路用チップ部品４１と１つのダイオードアレイ４２が配置され、４素子分の高周波回路が構成されている。電力増幅器４０については、発熱量が大きいことなどから各放射素子ごとに分散して配置している。
【００７４】
一方、周波数変換器や変調器については、回路構成によっては半導体素子として必要なものはダイオードのみにできるため、４素子分のダイオードを１枚の半導体基板にまとめたダイオードアレイ４２をキャビティ中央に実装して４つの素子で分割して使用し、ダイオード以外の付属回路は４素子分それぞれをセラミック多層基板パッケージ側に導体パターンで形成して回路を構成している。このような構成とすることにより、面積の大きなＭＭＩＣを用いることなく、単価の安い小さな半導体チップによって周波数変換器や変調器を構成することができるため、高周波モジュール５００の部品コストを下げることができる。
【００７５】
このような構成のフェーズドアレーアンテナ用高周波モジュールにおいては、安価な高周波モジュールを実現できるという効果がある。
【００７６】
なお、本実施の形態においては、４素子分を１つのキャビテイィの中に構成した例を示したが、この数は４以外でも同様の効果が得られる。また、低出力の電力増幅器や低雑音増幅器についても、ＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）部分のみをまとめて半導体チップ上に配置し、その他の回路をセラミック多層基板パッケージ上にパターン形成して回路を構成しても良い。
【００７７】
実施の形態９．
図１２はこの発明のフェーズドアレーアンテナ用高周波モジュールの他の例を示す断面図である。図において符号２１、２２、２４、２６乃至２８、３１乃至３３は図９と同様である。５０は多層回路基板、５１は基板間接続部、５２は半導体チップ、５３は基板間接続用バイアホールである。本実施の形態においては、セラミック多層基板パッケージ２１の一側の面に２段階のキャビティ構造が設けられている。まず、セラミック多層基板パッケージ２１の全面に大きさの第１の第１のキャビティ５４が設けられている。そして、その底面にさらに、小さな複数の第２のキャビティ２５が設けられている。
【００７８】
第２のキャビティ２５の底部には、発熱量の大きな第１の半導体チップ２７等が配置されている。そして、第１のキャビティ５４の底部に、第２のキャビティ２５を覆うように多層回路基板５０が取り付けられ、この多層回路基板５０上にその他の半導体チップである第２の半導体チップ５２が実装されている。
【００７９】
多層回路基板５０は多層セラミック基板などを用いて作製され、多層回路基板５０とセラミック多層基板パッケージ２１の間は、セラミック多層基板パッケージ２１に同時焼成で形成された基板間接続部５１の内部に設けられた基板間接続用バイアホールによって接続されている。このような構成とすることにより、限られた高周波モジュールの底面積の中により多くの半導体チップを実装することができる。
【００８０】
このような構成のフェーズドアレーアンテナ用高周波モジュールにおいては、小さな高周波モジュールの専有面積でより多くの半導体チップを実装できるという効果がある。低損失な高周波回路を実現できるという効果がある。
【００８１】
【発明の効果】
この発明に係るフェーズドアレーアンテナは、複数のアンテナ素子と、複数のアンテナ素子にそれぞれ接続された複数の周波数変換器と、複数の周波数変換器にローカル信号を供給する分配回路とを有する複数の高周波モジュールと、複数の高周波モジュールに周波数変換用のローカル信号をそれぞれ供給するローカル信号供給手段と、複数の高周波モジュールにそれぞれ複数入出力される中間周波信号を分配合成する中間周波信号分配合成手段と、中間周波信号のそれぞれの振幅と位相のいずれか一方または両方を同時に制御する制御手段とを有する制御モジュールと、複数の高周波モジュールと制御モジュールの間でローカル信号および中間周波信号を接続する接続手段とを有する。そのため、高周波モジュールの構造が簡単になるとともに、高周波モジュールと制御モジュールの間の接続のために複雑な構造を用いる必要がなくなり、フェーズドアレーアンテナの小形軽量化および低価格化がはかれるという効果がある。
【００８２】
また、複数のアンテナ素子と、複数のアンテナ素子にそれぞれに接続された複数の変復調器と、複数の変復調器にローカル信号を供給する分配回路とを備えた複数の高周波モジュールと、複数の高周波モジュールに周波数変換用のローカル信号をそれぞれ供給するローカル信号供給手段と、複数の高周波モジュールにそれぞれ複数入出力される変復調波信号を分配合成するとともに、変復調波信号のそれぞれに対して、複数のアンテナ素子の励振振幅と励振位相のいずれか一方または両方を同時に可変するための信号処理を行なう信号処理手段とを有する制御モジュールと、複数の高周波モジュールと制御モジュールの間でローカル信号および変復調波信号を接続する接続手段とを有する。そのため、高周波モジュールと制御モジュールの間の接続構造をより簡単化できるとともに、制御モジュールをデジタル回路の技術で実現できるため、フェーズドアレーアンテナの小形軽量化および低価格化がはかれるという効果がある。
【００８３】
また、制御モジュールは、多層積層基板で構成され、一方、複数の高周波モジュールは、セラミック多層基板パッケージを用いて構成され、複数の高周波モジュールは、制御モジュール上に載置されている。そのため、高周波モジュールと制御モジュールの間の接続を簡単な製造行程で実現することができ、製造コストを低減できるという効果がある。
【００８４】
また、高周波モジュールは、セラミック多層基板パッケージの制御モジュールと反対側である第１の面に導体パターンで形成された複数のアンテナ素子を有すると共に、制御モジュール側である第２の面に複数のキャビティおよび平面実装用の接続電極を有し、さらに複数のキャビティ内部には、半導体チップが配設されている。そのため、高周波モジュールを低価格で製造することができるという効果がある。
【００８５】
また、高周波モジュールには、第１の面のアンテナ素子がない部分に熱伝導性の高い放熱板が設けられ、半導体チップと放熱板は、セラミック多層基板パッケージを貫通して設けられたサーマルバイアホールで接続されている。そのため、簡単な構造で半導体チップの放熱を効率良く行なうことができ、より高出力の高周波モジュールを実現できるという効果がある。
【００８６】
また、第１の面に導体パターンで形成された複数のアンテナ素子には、それぞれ導電性のホーンが設けられ、半導体チップとホーンは、セラミック多層基板パッケージを貫通して設けられたサーマルバイアホールで接続されている。そのため、良好な特性を有する放射素子を実現できるとともに、より効率の高い放熱が可能になるという効果がある。
【００８７】
また、複数のホーンは、一体に形成されている。そのため、低価格な高周波モジュールを実現できるという効果がある。
【００８８】
また、高周波モジュールは、セラミック多層基板パッケージのキャビティ内に、複数の半導体素子が一体に形成された半導体チップが搭載され、複数のアンテナ素子に接続される複数の周波数変換器は、セラミック多層基板パッケージの表面および内層に形成された回路パターンと半導体チップ上の複数の半導体素子の一部を分割使用して構成されている。そのため、安価な高周波モジュールを実現できるという効果がある。
【００８９】
さらに、高周波モジュールは、セラミック多層基板パッケージの制御モジュールと反対側である第１の面に、導体パターンで形成された複数のアンテナ素子を有し、一方、制御モジュール側である第２の面に第１のキャビティを設け、第１のキャビティの底面にさらに第１キャビティより小さな第２のキャビティを設け、第２のキャビティ内部に発熱量の大きな第１の半導体チップを取り付け、第１のキャビティの底面に複数の第２のキャビティを覆うように多層回路基板を取り付け、多層回路基板に第２の半導体チップを取り付け、セラミック多層基板パッケージと多層回路基板の間を、第１のキャビティの底面と多層回路基板の接する面において接続されている。そのため、所定の高周波モジュールの専有面積でより多くの半導体チップを実装できるという効果がある。また、低損失な高周波回路を実現できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明のフェーズドアレーアンテナである送信用のアクティブフェーズドアレーアンテナの回路構成を示したブロックダイアグラムである。
【図２】この発明のフェーズドアレーアンテナである送信用のアクティブフェーズドアレーアンテナの他の例を示す回路構成を示したブロックダイアグラムである。
【図３】この発明のフェーズドアレーアンテナの構造を示す斜視図である。
【図４】図３に示したフェーズドアレーアンテナの接続構造を示す断面図である。
【図５】この発明のフェーズドアレーアンテナ用高周波モジュールの断面図である。
【図６】この発明のフェーズドアレーアンテナ用高周波モジュールの他の例を示す断面図である。
【図７】この高周波モジュールを放射素子側から見た平面図である。
【図８】この発明のフェーズドアレーアンテナ用高周波モジュールの他の例を示す断面図である。
【図９】この発明のフェーズドアレーアンテナ用高周波モジュールの他の例を示す断面図である。
【図１０】高周波モジュールの斜視図である。
【図１１】この発明のフェーズドアレーアンテナ用高周波モジュールの他の例を示す制御モジュールの方向から見た部品配置図である。
【図１２】この発明のフェーズドアレーアンテナ用高周波モジュールの他の例を示す断面図である。
【図１３】従来のフェーズドアレーアンテナの回路構成を示したブロックダイアグラムである。
【符号の説明】
３ 中間周波接続部（接続手段）、４ ローカル信号接続部（接続手段）、６放射素子（アンテナ素子）、８ 周波数変換器、９ａ ローカル信号分配回路（分配回路）、９ｂ ローカル信号分配回路（ローカル信号供給手段）、１１ ビーム制御回路（制御手段）、１６ 可変移相器（制御手段）、１７ 制御信号接続線路（制御手段）、１８ 中間周波信号分配回路（中間周波信号分配合成手段）、１９ 変調器（変復調器）、２１ セラミック多層基板パッケージ、２４ 接続電極、２５ キャビティ（第２のキャビティ）、２７ 半導体チップ（第１の半導体チップ）、２９ ヒートシンク（放熱板）、２８ サーマルバイアホール、３２ ホーン、４２ ダイオードアレイ（半導体チップ）、５０ 多層回路基板、５２ 半導体チップ（第２の半導体チップ）、５４ 第１のキャビティ、１０１ 信号処理回路（信号処理手段）、１０４ 多層積層基板、５００，６００ 高周波モジュール、６００，６１０ 制御モジュール。
【発明の属する技術分野】
この発明は、主としてマイクロ波帯、およびミリ波帯におけフェーズドアレーアンテナに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の装置として図１３に示すようなものがあった。この図は、Ｂ．Ｊ．Ｅｄｗａｒｄ， Ｄ．Ｒ．Ｈｅｌｍｓ， Ｒ．Ｓ．Ｗｅｂｂ， ａｎｄ Ｓ．ｗｅｉｎｒｅｂ，“Ｗ‐Ｂａｎｄ Ａｃｔｉｖｅ Ｔｒａｎｓｍｉｔ ａｎｄ Ｒｅｃｉｅｖｅ Ｐｈａｓｅｄ Ａｒｒａｙ Ａｎｔｅｎｎａｓ，”１９９５ ＩＥＥＥ ＭＴＴ‐Ｓ Ｉｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ＭｉｃｒｏｗａｖｅＳｙｍｐｏｓｉｕｍ Ｄｉｇｅｓｔ ｐｐ．１０９５‐１０９８， Ｊｕｎｅ， １９９５ に示されたもので、送信用アクティブフェーズドアレーアンテナを構成する高周波モジュール４００の回路構成を示したブロックダイアグラムである。
【０００３】
図において、６はアンテナ素子である放射素子、７は電力増幅器、１４は電源端子、６０は可変移相器、６１は電力分配器、６２は段間増幅器、６３は制御信号接続線路、６４は制御回路、６５は高周波信号入力端子、６６は制御信号入力端子である。
【０００４】
高周波入力端子６５から入力された信号は、段間増幅器６２によって増幅され、電力分配回路６１によって放射素子６の数に分配される。分配された高周波信号は、それぞれ可変移相器６０にて位相を制御され、そして電力増幅器７に加えられて電力増幅されて各放射素子６から空間に放射される。段間増幅器６２は、電力分配回路６１および可変移相器６０における損失を補うために挿入されている。
【０００５】
一方、制御信号入力端子６６から入力されたデジタルの制御信号は、制御回路６４で可変移相器６０を制御するためのアナログまたはデジタルの制御信号に変換され、複数の制御信号接続線路６３を通して各可変移相器６０に加えられる。そして、電力増幅器７および段間増幅器６２には電源端子１４から動作用の電源が加えられている。
【０００６】
このような構成の高周波モジュール４００を複数個並べて配置し、各放射素子６から放射される放射信号の位相を制御することによって、所望の方向に電波ビームを形成することのできる大規模なフェーズドアレーアンテナを構成することができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来のフェーズドアレーアンテナを構成する高周波モジュール４００は以上のように構成されているので、高周波モジュール４００内に、高周波信号を分配して各放射素子６まで導く高周波用の回路と、可変移相器６０を制御するための複数の制御信号用の回路と、各機器に電源を供給する電源供給用の回路を互いに交差するように配線する必要があるため、高周波モジュール４００内部の回路パターンが非常に複雑になっていた。このため、高周波モジュール４００の小形化が困難であるとともに、１つの高周波モジュール４００に設けることのできる放射素子６の数に限界があり、放射素子６の多い大規模なフェーズドアレーアンテナを実現するためには、多くの高周波モジュール４００が必要となり、アンテナのコストが高くなるという問題があった。
【０００８】
また、高周波モジュール４００の入出力として、高周波信号、複数の制御用デジタル信号および電源の接続が必要であり、使用する高周波信号の周波数が高くなると接続部における特性劣化を抑えるため精密な高周波コネクタなどを用いた接続が必要になり、また、制御用のデジタル信号の接続端子数も多いため、外部回路との接続構造が複雑になり、モジュール４００の小形化や低価格化が困難になるという問題もあった。
【０００９】
また、このような構成の高周波モジュール４００では、周波数が高くなると可変移相器６０や電力分配器６１の挿入損失が非常に大きくなるため、それらの損失分を補うために、利得が高くかつ出力電力が大きな段間増幅器６２が必要となってくる。このため、高周波モジュール４００の小形化がさらに困難になるとともに、消費電力の増大およびそれに伴う発熱量の増大が生じるという問題もあった。さらにまた、周波数が高くなると、複雑な回路配線を必要とするこのような構成では、回路間の不要な結合などによる特性劣化も大きくなるという問題もあった。
【００１０】
この発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、ミリ波帯などの高い周波数においても、小形で低価格なフェーズドアレーアンテナを実現することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るフェーズドアレーアンテナは、複数のアンテナ素子と、複数のアンテナ素子にそれぞれ接続された複数の周波数変換器と、複数の周波数変換器にローカル信号を供給する分配回路とを有する複数の高周波モジュールと、複数の高周波モジュールに周波数変換用のローカル信号をそれぞれ供給するローカル信号供給手段と、複数の高周波モジュールにそれぞれ複数入出力される中間周波信号を分配合成する中間周波信号分配合成手段と、中間周波信号のそれぞれの振幅と位相のいずれか一方または両方を同時に制御する制御手段とを有する制御モジュールと、複数の高周波モジュールと制御モジュールの間でローカル信号および中間周波信号を接続する接続手段とを有し、制御モジュールは、多層積層基板で構成され、一方、複数の高周波モジュールは、セラミック多層基板パッケージを用いて構成され、複数の高周波モジュールは、制御モジュール上に載置されており、高周波モジュールは、セラミック多層基板パッケージの制御モジュールと反対側である第１の面に導体パターンで形成された複数のアンテナ素子を有すると共に、制御モジュール側である第２の面に複数のキャビティおよび平面実装用の接続電極を有し、さらに複数のキャビティ内部には、半導体チップが配設されており、高周波モジュールには、第１の面のアンテナ素子がない部分に熱伝導性の高い放熱板が設けられ、半導体チップと放熱板は、セラミック多層基板パッケージを貫通して設けられたサーマルバイアホールで接続されている。
【００１２】
また、複数のアンテナ素子と、複数のアンテナ素子にそれぞれに接続された複数の変復調器と、複数の変復調器にローカル信号を供給する分配回路とを備えた複数の高周波モジュールと、複数の高周波モジュールに周波数変換用のローカル信号をそれぞれ供給するローカル信号供給手段と、複数の高周波モジュールにそれぞれ複数入出力される変復調波信号を分配合成するとともに、変復調波信号のそれぞれに対して、複数のアンテナ素子の励振振幅と励振位相のいずれか一方または両方を同時に可変するための信号処理を行なう信号処理手段とを有する制御モジュールと、複数の高周波モジュールと制御モジュールの間でローカル信号および変復調波信号を接続する接続手段とを有し、制御モジュールは、多層積層基板で構成され、一方、複数の高周波モジュールは、セラミック多層基板パッケージを用いて構成され、複数の高周波モジュールは、制御モジュール上に載置されており、高周波モジュールは、セラミック多層基板パッケージの制御モジュールと反対側である第１の面に導体パターンで形成された複数のアンテナ素子を有すると共に、制御モジュール側である第２の面に複数のキャビティおよび平面実装用の接続電極を有し、さらに複数のキャビティ内部には、半導体チップが配設されており、高周波モジュールには、第１の面のアンテナ素子がない部分に熱伝導性の高い放熱板が設けられ、半導体チップと放熱板は、セラミック多層基板パッケージを貫通して設けられたサーマルバイアホールで接続されている。
【００１３】
また、複数のアンテナ素子と、複数のアンテナ素子にそれぞれ接続された複数の周波数変換器と、複数の周波数変換器にローカル信号を供給する分配回路とを有する複数の高周波モジュールと、複数の高周波モジュールに周波数変換用のローカル信号をそれぞれ供給するローカル信号供給手段と、複数の高周波モジュールにそれぞれ複数入出力される中間周波信号を分配合成する中間周波信号分配合成手段と、中間周波信号のそれぞれの振幅と位相のいずれか一方または両方を同時に制御する制御手段とを有する制御モジュールと、複数の高周波モジュールと制御モジュールの間でローカル信号および中間周波信号を接続する接続手段とを有し、制御モジュールは、多層積層基板で構成され、一方、複数の高周波モジュールは、セラミック多層基板パッケージを用いて構成され、複数の高周波モジュールは、制御モジュール上に載置されており、高周波モジュールは、セラミック多層基板パッケージの制御モジュールと反対側である第１の面に導体パターンで形成された複数のアンテナ素子を有すると共に、制御モジュール側である第２の面に複数のキャビティおよび平面実装用の接続電極を有し、さらに複数のキャビティ内部には、半導体チップが配設されており、第１の面に導体パターンで形成された複数のアンテナ素子には、それぞれ導電性のホーンが設けられ、半導体チップとホーンは、セラミック多層基板パッケージを貫通して設けられたサーマルバイアホールで接続されている。
【００１４】
また、複数のアンテナ素子と、複数のアンテナ素子にそれぞれに接続された複数の変復調器と、複数の変復調器にローカル信号を供給する分配回路とを備えた複数の高周波モジュールと、複数の高周波モジュールに周波数変換用のローカル信号をそれぞれ供給するローカル信号供給手段と、複数の高周波モジュールにそれぞれ複数入出力される変復調波信号を分配合成するとともに、変復調波信号のそれぞれに対して、複数のアンテナ素子の励振振幅と励振位相のいずれか一方または両方を同時に可変するための信号処理を行なう信号処理手段とを有する制御モジュールと、複数の高周波モジュールと制御モジュールの間でローカル信号および変復調波信号を接続する接続手段とを有し、制御モジュールは、多層積層基板で構成され、一方、複数の高周波モジュールは、セラミック多層基板パッケージを用いて構成され、複数の高周波モジュールは、制御モジュール上に載置されており、高周波モジュールは、セラミック多層基板パッケージの制御モジュールと反対側である第１の面に導体パターンで形成された複数のアンテナ素子を有すると共に、制御モジュール側である第２の面に複数のキャビティおよび平面実装用の接続電極を有し、さらに複数のキャビティ内部には、半導体チップが配設されており、第１の面に導体パターンで形成された複数のアンテナ素子には、それぞれ導電性のホーンが設けられ、半導体チップとホーンは、セラミック多層基板パッケージを貫通して設けられたサーマルバイアホールで接続されている。
【００１５】
また、複数のホーンは、一体に形成されている。
【００１６】
また、複数のアンテナ素子と、複数のアンテナ素子にそれぞれ接続された複数の周波数変換器と、複数の周波数変換器にローカル信号を供給する分配回路とを有する複数の高周波モジュールと、複数の高周波モジュールに周波数変換用のローカル信号をそれぞれ供給するローカル信号供給手段と、複数の高周波モジュールにそれぞれ複数入出力される中間周波信号を分配合成する中間周波信号分配合成手段と、中間周波信号のそれぞれの振幅と位相のいずれか一方または両方を同時に制御する制御手段とを有する制御モジュールと、
複数の高周波モジュールと制御モジュールの間でローカル信号および中間周波信号を接続する接続手段とを有し、制御モジュールは、多層積層基板で構成され、一方、複数の高周波モジュールは、セラミック多層基板パッケージを用いて構成され、複数の高周波モジュールは、制御モジュール上に載置されており、高周波モジュールは、セラミック多層基板パッケージの制御モジュールと反対側である第１の面に、導体パターンで形成された複数のアンテナ素子を有し、一方、制御モジュール側である第２の面に第１のキャビティを設け、第１のキャビティの底面にさらに第１キャビティより小さな第２のキャビティを設け、第２のキャビティ内部に発熱量の大きな第１の半導体チップを取り付け、第１のキャビティの底面に複数の第２のキャビティを覆うように多層回路基板を取り付け、多層回路基板に第２の半導体チップを取り付け、セラミック多層基板パッケージと多層回路基板の間を、第１のキャビティの底面と多層回路基板の接する面において接続されている。
【００１７】
また、複数のアンテナ素子と、複数のアンテナ素子にそれぞれに接続された複数の変復調器と、複数の変復調器にローカル信号を供給する分配回路とを備えた複数の高周波モジュールと、複数の高周波モジュールに周波数変換用のローカル信号をそれぞれ供給するローカル信号供給手段と、複数の高周波モジュールにそれぞれ複数入出力される変復調波信号を分配合成するとともに、変復調波信号のそれぞれに対して、複数のアンテナ素子の励振振幅と励振位相のいずれか一方または両方を同時に可変するための信号処理を行なう信号処理手段とを有する制御モジュールと、複数の高周波モジュールと制御モジュールの間でローカル信号および変復調波信号を接続する接続手段とを有し、制御モジュールは、多層積層基板で構成され、一方、複数の高周波モジュールは、セラミック多層基板パッケージを用いて構成され、複数の高周波モジュールは、制御モジュール上に載置されており、高周波モジュールは、高周波モジュールは、セラミック多層基板パッケージの制御モジュールと反対側である第１の面に、導体パターンで形成された複数のアンテナ素子を有し、一方、制御モジュール側である第２の面に第１のキャビティを設け、第１のキャビティの底面にさらに第１キャビティより小さな第２のキャビティを設け、第２のキャビティ内部に発熱量の大きな第１の半導体チップを取り付け、第１のキャビティの底面に複数の第２のキャビティを覆うように多層回路基板を取り付け、多層回路基板に第２の半導体チップを取り付け、セラミック多層基板パッケージと多層回路基板の間を、第１のキャビティの底面と多層回路基板の接する面において接続されている。
【００２０】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１はこの発明のフェーズドアレーアンテナである送信用のアクティブフェーズドアレーアンテナの回路構成を示したブロックダイアグラムである。図１において、５００は高周波モジュール、５１０は制御モジュールである。
【００２１】
３は高周波モジュール５００と制御モジュール５１０を接続する中間周波接続部、４は同じくローカル信号接続部、５は同じく電源接続部である。中間周波接続部３とローカル信号接続部４は、各々ローカル信号および中間周波信号を接続する接続手段を構成している。そして、高周波モジュール５００には、また、アンテナ素子である放射素子６、電力増幅器７、周波数変換器８、ローカル信号分配回路９ａおよび電源供給回路１０ａが設けられている。
【００２２】
一方、制御モジュール５１０には、ビーム制御回路１１、入力端子１２、ローカル信号入力端子１３、電源端子１４、制御信号入力端子１５、可変移相器１６、制御信号接続線路１７、中間周波信号分配回路１８、ローカル信号分配回路９ｂおよび電源供給回路１０ｂが設けられている。
【００２３】
中間周波信号分配回路１８は、中間周波信号分配合成手段を構成し、入力端子１２から加えられた中間周波数の信号を各可変移相器１６に分配する。一方、ローカル信号分配回路９ｂは、ローカル信号入力端子１３から入力されたローカル信号を各高周波モジュール５００に供給するローカル信号供給手段を構成している。そして、ビーム制御回路１１、可変移相器１６および制御信号接続線路１７は、中間周波信号のそれぞれの位相ないし振幅を個別に制御する制御手段を構成している。
【００２４】
各高周波モジュール５００には、複数の放射素子６が設けられており、各々の放射素子６には、それぞれ電力増幅器７及び周波数変換器８が接続されている。各電力増幅器７には、電源供給回路１０ａによって動作電源が供給され、各周波数変換器８にはローカル信号分配回路９ａによって、周波数変換のために必要なローカル信号が供給されている。
【００２５】
一方、制御モジュール５１０には、各々の高周波モジュール５００に設けられた放射素子６の数分の中間周波数で動作する可変移相器１６が設けられている。各可変移相器１６の移相量は、制御信号入力端子１５から加えられたデジタル信号がビーム制御回路１１で各移相器１６ごとの制御信号に変換され、複数の制御信号接続線路１７を介して各可変移相器１６に加えられることにより設定される。制御信号接続線路１７は、図１には、太い配線のように記載されているが、実際には、従来例の図１３の制御信号接続線路６３のような構成とされている。各々の可変移相器１６は、中間周波接続部３によって各制御モジュール５１０の周波数変換器８に電気的に接続されている。
【００２６】
制御モジュール５１０には、さらに各高周波モジュール５００にローカル信号を供給するローカル信号分配回路９ｂと、各高周波モジュール５００に動作電源を供給する電源供給回路１０ｂが設けられている。ローカル信号分配回路９ｂは、ローカル信号分配回路９ａとローカル信号接続部４にて電気的に接続されている。また、電源供給回路１０ｂは、電源供給回路１０ａと電源接続部５にて電気的に接続されている。
【００２７】
次に動作を説明する。制御モジュール５１０の入力端子１２から加えられた中間周波数の信号は、中間周波信号分配回路１８によって分配され、中間周波数で動作するそれぞれの可変移相器１６に加えられる。可変移相器１６によって所定の位相分布を与えられた各中間周波信号は、中間周波接続部３を介してそれぞれの周波数変換器８に加えられ、周波数変換器８によって送信される高周波信号の周波数に変換され、さらに電力増幅器７で増幅され放射素子６から空間に放射される。このとき、可変移相器１６でそれぞれ設定された中間周波数の位相の情報は周波数変換器８にて周波数変換が行なわれても保持されるため、各可変移相器１６の移相量を所定の値に設定することにより、所定の方向に高周波信号の放射ビームを形成することができる。
【００２８】
このような構成において、周波数変換器８として高調波ミクサなどを用いると、ローカル信号および中間周波信号の周波数は、それぞれ送信する高周波信号に比べて十分に低く設定できる。このため、ローカル信号分配回路９ａ、９ｂおよび中間周波信号分配回路１８は比較的簡単に構成することができ、また、これらの回路の挿入損失を小さくすることができる。
【００２９】
一方、高周波信号の配線は、高周波モジュール５００内部の放射素子６から周波数変換器８までの間のみになるため、配線が単純になるとともに、高周波信号の損失を補う段間増幅器が必要なくなる。さらに、高周波モジュール５００の入出力としては、放射素子６の数分の中間周波信号と１つのローカル信号と１つ電源となり、複雑な接続構造を有する必要がなくなる。
【００３０】
一方、制御モジュール５１０については、複数の可変移相器１６とその制御回路を構成する必要があるが、中間周波信号の回路は動作周波数が低いため、通常の多層プリント基板などを用いて高密度に実装することが可能となる。
【００３１】
以上のように、この実施の形態によれば、高周波モジュール５００の構造が簡単になるとともに、高周波モジュール５００と制御モジュール５１０の間の接続のために複雑な構造を用いる必要がなくなり、フェーズドアレーアンテナの小形軽量化および低価格化がはかれるという効果がある。
【００３２】
尚、この例では送信用のアクティブフェーズドアレーアンテナの場合について説明したが、電力増幅器７を低雑音増幅器におきかえれば、受信用アクテイブフェーズドアレーアンテナとして同様の効果が得られることは言うまでもない。また、増幅器を設けないフェーズドアレーアンテナを構成する場合でも同様の効果がある。
【００３３】
実施の形態２．
図２はこの発明のフェーズドアレーアンテナである送信用のアクティブフェーズドアレーアンテナの他の例を示す回路構成を示したブロックダイアグラムである。図２において、６００は高周波モジュール、６１０は制御モジュールである。尚、図２中、符号１から１５は実施の形態１と同一であり同様の動作をする。
【００３４】
図２において、各高周波モジュール６００に設けられた複数の放射素子６には、それぞれ電力増幅器７及び変調器１９が接続されている。各変調器１９にはローカル信号分配回路９ａによって搬送波となるローカル信号が供給されている。
【００３５】
一方、制御モジュール６１０には信号処理回路１０１が設けられている。信号処理回路１０１は、入力端子１２から入力された変調波信号を各高周波モジュール６００に設けられた放射素子６の全数分に分配するとともに、分配したそれぞれの変調波信号に対して、励振位相ないし励振振幅を個別に可変するための信号処理を行なう。すなわち、信号処理回路１０１は、複数の放射素子６の励振位相ないし励振振幅を個別に可変するための信号処理を行なう信号処理手段を構成している。その他の構成は、実施の形態１と同様である。
【００３６】
次に動作を説明する。制御モジュール６１０の入力端子１２から加えられた変調波信号は、信号処理回路１０１によって放射素子６の全数分に分配され、それぞれ、デジタル信号処理などにより遅延時間や位相などの制御を受け、各高周波モジュール５１０の変調器１９の信号入力端子に加えられる。
【００３７】
そして、各変調器１９においては、ローカル信号分配回路９ａ、９ｂによって分配されたローカル信号に対して変調波信号による直接変調がかけられ送信する高周波信号が発生される。この高周波信号は電力増幅器７によって増幅されて放射素子６から空間に放射される。このとき、信号処理回路１０１でそれぞれ制御された変調波の遅延時間や位相などの情報は変調された高周波信号においても保持されるため、信号処理回路１０１において各変調波信号の遅延時間や位相などの制御量を所定の値に設定することにより、所定の方向に高周波信号の放射ビームを形成することができる。
【００３８】
このような構成のフェーズドアレーアンテナにおいては、高周波モジュール６００の入出力信号としては、放射素子６の数分の変調波信号と１つのローカル信号および１つの電源となる。そして、ローカル信号以外は通常のデジタル回路と同等の接続方法で接続できるようになる。一方、制御モジュール６１０における配線は、ローカル信号の分配回路以外は高周波信号を扱う必要がなく、大半がデジタル回路技術によって構成できるため、制御モジュール６１０の大部分をデジタル回路の実装技術によって実現できる。
【００３９】
以上のように、この実施の形態によれば、高周波モジュール６００と制御モジュール６１０の間の接続構造をより簡単化できるとともに、制御モジュール６１０をデジタル回路の技術で実現できるため、フェーズドアレーアンテナの小形軽量化および低価格化がはかれるという効果がある。
【００４０】
尚、本実施の形態においては、送信用のアクティブフェーズドアレーアンテナの場合について説明したが、電力増幅器を低雑音増幅器におきかえ、変調器を復調器におきかえれば、受信用アクテイブフェーズドアレーアンテナとして同様の効果が得られることは言うまでもない。また、増幅器を設けないフェーズドアレーアンテナを構成する場合でも同様の効果がある。
【００４１】
実施の形態３．
図３はこの発明のフェーズドアレーアンテナの構造を示す斜視図、図４は図３に示したフェーズドアレーアンテナの接続構造を示す断面図である。図３および図４において、符号１、２、６、１３、１４は図１に示した実施の形態１と同様なものである。２１はセラミック多層基板パッケージ、２４および１０２は接続電極、１０３は半田、１０４は多層積層基板、１０５は制御回路用ＬＳＩである。
【００４２】
高周波モジュール５００は、セラミック多層基板パッケージ２１の内部に半導体チップ等を実装され、上面にパッチアンテナを用いた複数の放射素子６を導体パターンで形成され、下面の周囲に複数の接続電極２４が導体パターンで形成されて構成されている。
【００４３】
一方、制御モジュール５１０は、多層積層基板１０４を用いて構成され、下面に信号処理用の複数のＬＳＩ１０５が実装され、上面に高周波モジュール５００を取り付けるための接続電極１０２が設けられている。高周波モジュール５００と制御モジュール５１０とは、両者の表面に設けられた接続電極２４、１０２間が半田付けされて接続されている。
【００４４】
このような構成においては、高周波モジュール５００と制御モジュール５１０の間の接続部には高い周波数の高周波信号が通らないため、半田リフロー等の表面実装技術により、それぞれのモジュールに設けられた電極間を簡単な製造行程によって接続することができる。
【００４５】
このような構成のフェーズドアレーアンテナにおいては、高周波モジュール５００と制御モジュール５１０の間の接続を簡単な製造行程で実現することができ、製造コストを低減できるという効果がある。
【００４６】
尚、本実施の形態においては、放射素子６としてパッチアンテナを用いた場合について説明したが、スロットアンテナなど導体パターンを用いて形成できる他の放射素子を用いた場合でも同様の効果を得ることができる。また、本実施の形態においては、電極間の接続方法として半田リフローを用いたが、導電性接着剤などを用いた接続方法を用いても良い。
【００４７】
実施の形態４．
図５はこの発明のフェーズドアレーアンテナ用高周波モジュールの断面図である。図５において符号６、２１、２４は図４と同様なものである。図５において、２０はセラミック基板層、２２はシールリング、２３はシールド壁、２５はキャビティ、２６は蓋、２７は半導体チップである。
【００４８】
セラミック多層基板パッケージ２１は複数のセラミック基板層２０が積み重ねて構成されている。図５の上面には、導体パターンによって複数の放射素子６が形成され、一方、図５の下面には一部のセラミック基板層を取り除いて複数のキャビティ２５が形成されている。
【００４９】
キャビティ２５の内部には、ＭＭＩＣ（Ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）などの半導体チップ２７が実装されている。また、キャビティ２５の周囲には、セラミックを積層して形成したシールド壁２３が立設され、パッケージ下面を複数の空間に仕切っている。さらに、セラミック多層基板パッケージ２１の下面の最外周部にはセラミックを積層して形成したシールリング２２が全周に渡って立設され、さらに蓋２６がシールリング２２に掛け渡されて覆われ半導体チップの気密封止が行われている。
【００５０】
また、シールリング２２の頂部は、蓋２６の位置決めのため、内側が低い段部が形成されており、この段部において蓋２６を取り付けた面より高さが高くなっている部分には、複数の接続電極２４が設けられている。電源供給回路、ローカル信号分配回路および高周波回路の一部は、積層したセラミック基板層の内層に設けられ、バイアホールなどを用いて層間接続されている。
【００５１】
このようなセラミック多層基板パッケージは、各層の導体パターンをスクリーン印刷した焼成前のセラミック・グリーンシートを複数積層した後、同時焼成することによって製造できるため、同じ特性のものを低コストで大量に製造することが可能である。また、図５に示したような構成では、セラミック多層基板パッケージ２１に半導体チップ２７を実装して蓋２６を取り付けるだけで放射素子６まで含めて高周波モジュール５００を実現できるため、組立コストも低く抑えることが可能である。
【００５２】
このような構成のフェーズドアレーアンテナ用高周波モジュールにおいては、高周波モジュール５００を低価格で製造することができるという効果がある。
【００５３】
尚、本実施の形態においては、半導体チップ２７をシールリング２２と蓋２６によって気密封止しているが、半導体チップ２７の上を樹脂でモールドしても良い。また、接続電極２４としてシールリング２２上に設けた導体パターンを用いているが、この導体パターンに金属などの接続端子を取り付けてもよい。
【００５４】
実施の形態５．
図６はこの発明のフェーズドアレーアンテナ用高周波モジュールの他の例を示す断面図である。また、図７はこの高周波モジュールを放射素子側から見た平面図である。図６および図７において符号６、２１乃至２７は図５と同様である。２８はサーマルバイアホール、２９は放熱板であるヒートシンク、３０は放射窓である。
【００５５】
セラミック多層基板パッケージ２１の放射素子６を設けた面に、放射素子６を避けるように複数の放射窓３０を設けた金属などの熱伝導性の高い板からなるヒートシンク２９を取り付け、このヒートシンク２９と半導体チップ２７は、セラミック多層基板パッケージ２１の内部に貫通するように設けられた複数のサーマルバイアホール２８で接続されている。サーマルバイアホール２８は、熱伝導率向上のために設けられている。これにより、半導体チップ２７で発生する熱をヒートシンク２９から高周波モジュール５００の外部に排出することができ、パッケージ内に熱の発生が多い高出力の電力増幅器を実装することが可能となる。なお、放射素子６に加えられた高周波信号は、放射窓３０を通して空間に放射される。
【００５６】
このような構成のフェーズドアレーアンテナ用高周波モジュールにおいては、簡単な構造で半導体チップ２７の放熱を効率良く行なうことができ、より高出力の高周波モジュールを実現できるという効果がある。
【００５７】
実施の形態６．
図８はこの発明のフェーズドアレーアンテナ用高周波モジュールの他の例を示す断面図である。図８において符号２１乃至２８は図６と同様である。図８において、３１は放射スロット、３２はホーン、３３地導体パターンである。
【００５８】
セラミック多層基板パッケージ２１の図８の上面には、地導体パターン３３が設けられ、この地導体パターン３３には、所定の位置に穴が形成され放射スロット３１が構成されている。各々の放射スロット３１の上方には、放射スロット３１の部分に開口を有する熱伝導性の高い素材で作製されたホーン３２が、地導体パターン３３の上面に接するように取り付けられている。そして、本実施の形態の放射素子は、地導体パターン３３、放射スロット３１およびホーン３２から構成されている。
【００５９】
半導体チップ２７とホーン３２との間は、地導体パターン３３を介して、熱伝導率向上のために設けられた複数のサーマルバイアホール２８にて接続されている。これにより、実施の形態５のヒートシンク２９の代りにホーン３２を用いて、半導体チップ２７で発生する熱を高周波モジュール５００の外部に排出することができ、パッケージ内に熱の発生が多い高出力の電力増幅器を実装することが可能となる。さらにまた、実施の形態５のヒートシンク２９を設けた場合とは異なり、ホーン３２を取り付けた状態で最良の特性が得られるように放射素子の設計を行なえるので、特性の良い放射素子を実現することが可能となる。さらに、ホーン３２の表面全体が放熱面となるためより効率の良い放熱が行なえる。
【００７０】
このような構成のフェーズドアレーアンテナ用高周波モジュールにおいては、良好な特性を有する放射素子を実現できるとともに、より効率の高い放熱が可能になるという効果がある。
【００７１】
実施の形態７．
図９はこの発明のフェーズドアレーアンテナ用高周波モジュールの他の例を示す断面図である。また図１０は高周波モジュールの斜視図である。図９および図１０において符号２１乃至２８および符号３１乃至３３は図８と同様である。本実施の形態においては、セラミック多層基板パッケージ２１の上面に、全ての放射素子のホーンが一体に形成された断面格子状のホーン３２が取り付けられている。このような構成とすることにより、１個の高周波モジュール５００用のホーンをプレスなどの加工技術によって一体に形成できるため、製造コストが安くなる。また、セラミック多層基板パッケージ２１とホーン３２の取り付けが容易に行なえるため組立コストも安くなる。
【００７２】
このような構成のフェーズドアレーアンテナ用高周波モジュールにおいては、低価格な高周波モジュールを実現できるという効果がある。
【００７３】
実施の形態８．
図１１はこの発明のフェーズドアレーアンテナ用高周波モジュールの他の例を示す制御モジュールの方向から見た部品配置図である。図１１において、符号２２乃至２４は図５と同様である。図１１において、４０は電力増幅器用ＭＭＩＣ、４１はチップ部品、４２はダイオードアレイである。本実施の形態においては、１６個の放射素子を有する送信用高周波モジュールの例を示している。セラミック多層基板パッケージの内部にシールド壁２３で囲まれた４つのキャビティが設けられ、それぞれのキャビティに４個の電力増幅器用ＭＭＩＣ４０と４組の電力増幅器バイアス回路用チップ部品４１と１つのダイオードアレイ４２が配置され、４素子分の高周波回路が構成されている。電力増幅器４０については、発熱量が大きいことなどから各放射素子ごとに分散して配置している。
【００７４】
一方、周波数変換器や変調器については、回路構成によっては半導体素子として必要なものはダイオードのみにできるため、４素子分のダイオードを１枚の半導体基板にまとめたダイオードアレイ４２をキャビティ中央に実装して４つの素子で分割して使用し、ダイオード以外の付属回路は４素子分それぞれをセラミック多層基板パッケージ側に導体パターンで形成して回路を構成している。このような構成とすることにより、面積の大きなＭＭＩＣを用いることなく、単価の安い小さな半導体チップによって周波数変換器や変調器を構成することができるため、高周波モジュール５００の部品コストを下げることができる。
【００７５】
このような構成のフェーズドアレーアンテナ用高周波モジュールにおいては、安価な高周波モジュールを実現できるという効果がある。
【００７６】
なお、本実施の形態においては、４素子分を１つのキャビテイィの中に構成した例を示したが、この数は４以外でも同様の効果が得られる。また、低出力の電力増幅器や低雑音増幅器についても、ＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）部分のみをまとめて半導体チップ上に配置し、その他の回路をセラミック多層基板パッケージ上にパターン形成して回路を構成しても良い。
【００７７】
実施の形態９．
図１２はこの発明のフェーズドアレーアンテナ用高周波モジュールの他の例を示す断面図である。図において符号２１、２２、２４、２６乃至２８、３１乃至３３は図９と同様である。５０は多層回路基板、５１は基板間接続部、５２は半導体チップ、５３は基板間接続用バイアホールである。本実施の形態においては、セラミック多層基板パッケージ２１の一側の面に２段階のキャビティ構造が設けられている。まず、セラミック多層基板パッケージ２１の全面に大きさの第１の第１のキャビティ５４が設けられている。そして、その底面にさらに、小さな複数の第２のキャビティ２５が設けられている。
【００７８】
第２のキャビティ２５の底部には、発熱量の大きな第１の半導体チップ２７等が配置されている。そして、第１のキャビティ５４の底部に、第２のキャビティ２５を覆うように多層回路基板５０が取り付けられ、この多層回路基板５０上にその他の半導体チップである第２の半導体チップ５２が実装されている。
【００７９】
多層回路基板５０は多層セラミック基板などを用いて作製され、多層回路基板５０とセラミック多層基板パッケージ２１の間は、セラミック多層基板パッケージ２１に同時焼成で形成された基板間接続部５１の内部に設けられた基板間接続用バイアホールによって接続されている。このような構成とすることにより、限られた高周波モジュールの底面積の中により多くの半導体チップを実装することができる。
【００８０】
このような構成のフェーズドアレーアンテナ用高周波モジュールにおいては、小さな高周波モジュールの専有面積でより多くの半導体チップを実装できるという効果がある。低損失な高周波回路を実現できるという効果がある。
【００８１】
【発明の効果】
この発明に係るフェーズドアレーアンテナは、複数のアンテナ素子と、複数のアンテナ素子にそれぞれ接続された複数の周波数変換器と、複数の周波数変換器にローカル信号を供給する分配回路とを有する複数の高周波モジュールと、複数の高周波モジュールに周波数変換用のローカル信号をそれぞれ供給するローカル信号供給手段と、複数の高周波モジュールにそれぞれ複数入出力される中間周波信号を分配合成する中間周波信号分配合成手段と、中間周波信号のそれぞれの振幅と位相のいずれか一方または両方を同時に制御する制御手段とを有する制御モジュールと、複数の高周波モジュールと制御モジュールの間でローカル信号および中間周波信号を接続する接続手段とを有する。そのため、高周波モジュールの構造が簡単になるとともに、高周波モジュールと制御モジュールの間の接続のために複雑な構造を用いる必要がなくなり、フェーズドアレーアンテナの小形軽量化および低価格化がはかれるという効果がある。
【００８２】
また、複数のアンテナ素子と、複数のアンテナ素子にそれぞれに接続された複数の変復調器と、複数の変復調器にローカル信号を供給する分配回路とを備えた複数の高周波モジュールと、複数の高周波モジュールに周波数変換用のローカル信号をそれぞれ供給するローカル信号供給手段と、複数の高周波モジュールにそれぞれ複数入出力される変復調波信号を分配合成するとともに、変復調波信号のそれぞれに対して、複数のアンテナ素子の励振振幅と励振位相のいずれか一方または両方を同時に可変するための信号処理を行なう信号処理手段とを有する制御モジュールと、複数の高周波モジュールと制御モジュールの間でローカル信号および変復調波信号を接続する接続手段とを有する。そのため、高周波モジュールと制御モジュールの間の接続構造をより簡単化できるとともに、制御モジュールをデジタル回路の技術で実現できるため、フェーズドアレーアンテナの小形軽量化および低価格化がはかれるという効果がある。
【００８３】
また、制御モジュールは、多層積層基板で構成され、一方、複数の高周波モジュールは、セラミック多層基板パッケージを用いて構成され、複数の高周波モジュールは、制御モジュール上に載置されている。そのため、高周波モジュールと制御モジュールの間の接続を簡単な製造行程で実現することができ、製造コストを低減できるという効果がある。
【００８４】
また、高周波モジュールは、セラミック多層基板パッケージの制御モジュールと反対側である第１の面に導体パターンで形成された複数のアンテナ素子を有すると共に、制御モジュール側である第２の面に複数のキャビティおよび平面実装用の接続電極を有し、さらに複数のキャビティ内部には、半導体チップが配設されている。そのため、高周波モジュールを低価格で製造することができるという効果がある。
【００８５】
また、高周波モジュールには、第１の面のアンテナ素子がない部分に熱伝導性の高い放熱板が設けられ、半導体チップと放熱板は、セラミック多層基板パッケージを貫通して設けられたサーマルバイアホールで接続されている。そのため、簡単な構造で半導体チップの放熱を効率良く行なうことができ、より高出力の高周波モジュールを実現できるという効果がある。
【００８６】
また、第１の面に導体パターンで形成された複数のアンテナ素子には、それぞれ導電性のホーンが設けられ、半導体チップとホーンは、セラミック多層基板パッケージを貫通して設けられたサーマルバイアホールで接続されている。そのため、良好な特性を有する放射素子を実現できるとともに、より効率の高い放熱が可能になるという効果がある。
【００８７】
また、複数のホーンは、一体に形成されている。そのため、低価格な高周波モジュールを実現できるという効果がある。
【００８８】
また、高周波モジュールは、セラミック多層基板パッケージのキャビティ内に、複数の半導体素子が一体に形成された半導体チップが搭載され、複数のアンテナ素子に接続される複数の周波数変換器は、セラミック多層基板パッケージの表面および内層に形成された回路パターンと半導体チップ上の複数の半導体素子の一部を分割使用して構成されている。そのため、安価な高周波モジュールを実現できるという効果がある。
【００８９】
さらに、高周波モジュールは、セラミック多層基板パッケージの制御モジュールと反対側である第１の面に、導体パターンで形成された複数のアンテナ素子を有し、一方、制御モジュール側である第２の面に第１のキャビティを設け、第１のキャビティの底面にさらに第１キャビティより小さな第２のキャビティを設け、第２のキャビティ内部に発熱量の大きな第１の半導体チップを取り付け、第１のキャビティの底面に複数の第２のキャビティを覆うように多層回路基板を取り付け、多層回路基板に第２の半導体チップを取り付け、セラミック多層基板パッケージと多層回路基板の間を、第１のキャビティの底面と多層回路基板の接する面において接続されている。そのため、所定の高周波モジュールの専有面積でより多くの半導体チップを実装できるという効果がある。また、低損失な高周波回路を実現できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明のフェーズドアレーアンテナである送信用のアクティブフェーズドアレーアンテナの回路構成を示したブロックダイアグラムである。
【図２】この発明のフェーズドアレーアンテナである送信用のアクティブフェーズドアレーアンテナの他の例を示す回路構成を示したブロックダイアグラムである。
【図３】この発明のフェーズドアレーアンテナの構造を示す斜視図である。
【図４】図３に示したフェーズドアレーアンテナの接続構造を示す断面図である。
【図５】この発明のフェーズドアレーアンテナ用高周波モジュールの断面図である。
【図６】この発明のフェーズドアレーアンテナ用高周波モジュールの他の例を示す断面図である。
【図７】この高周波モジュールを放射素子側から見た平面図である。
【図８】この発明のフェーズドアレーアンテナ用高周波モジュールの他の例を示す断面図である。
【図９】この発明のフェーズドアレーアンテナ用高周波モジュールの他の例を示す断面図である。
【図１０】高周波モジュールの斜視図である。
【図１１】この発明のフェーズドアレーアンテナ用高周波モジュールの他の例を示す制御モジュールの方向から見た部品配置図である。
【図１２】この発明のフェーズドアレーアンテナ用高周波モジュールの他の例を示す断面図である。
【図１３】従来のフェーズドアレーアンテナの回路構成を示したブロックダイアグラムである。
【符号の説明】
３ 中間周波接続部（接続手段）、４ ローカル信号接続部（接続手段）、６放射素子（アンテナ素子）、８ 周波数変換器、９ａ ローカル信号分配回路（分配回路）、９ｂ ローカル信号分配回路（ローカル信号供給手段）、１１ ビーム制御回路（制御手段）、１６ 可変移相器（制御手段）、１７ 制御信号接続線路（制御手段）、１８ 中間周波信号分配回路（中間周波信号分配合成手段）、１９ 変調器（変復調器）、２１ セラミック多層基板パッケージ、２４ 接続電極、２５ キャビティ（第２のキャビティ）、２７ 半導体チップ（第１の半導体チップ）、２９ ヒートシンク（放熱板）、２８ サーマルバイアホール、３２ ホーン、４２ ダイオードアレイ（半導体チップ）、５０ 多層回路基板、５２ 半導体チップ（第２の半導体チップ）、５４ 第１のキャビティ、１０１ 信号処理回路（信号処理手段）、１０４ 多層積層基板、５００，６００ 高周波モジュール、６００，６１０ 制御モジュール。
Claims (7)
- 複数のアンテナ素子と、該複数のアンテナ素子にそれぞれ接続された複数の周波数変換器と、該複数の周波数変換器にローカル信号を供給する分配回路とを有する複数の高周波モジュールと、
上記複数の高周波モジュールに周波数変換用のローカル信号をそれぞれ供給するローカル信号供給手段と、上記複数の高周波モジュールにそれぞれ複数入出力される中間周波信号を分配合成する中間周波信号分配合成手段と、該中間周波信号のそれぞれの振幅と位相のいずれか一方または両方を同時に制御する制御手段とを有する制御モジュールと、
上記複数の高周波モジュールと上記制御モジュールの間でローカル信号および中間周波信号を接続する接続手段と
を有するフェーズドアレーアンテナにおいて、
上記制御モジュールは、多層積層基板で構成され、一方、上記複数の高周波モジュールは、セラミック多層基板パッケージを用いて構成され、該複数の高周波モジュールは、該制御モジュール上に載置されており、該高周波モジュールは、上記セラミック多層基板パッケージの上記制御モジュールと反対側である第１の面に導体パターンで形成された上記複数のアンテナ素子を有すると共に、上記制御モジュール側である第２の面に複数のキャビティおよび平面実装用の接続電極を有し、さらに該複数のキャビティ内部には、半導体チップが配設されており、該高周波モジュールには、上記第１の面の上記アンテナ素子がない部分に熱伝導性の高い放熱板が設けられ、上記半導体チップと該放熱板は、上記セラミック多層基板パッケージを貫通して設けられたサーマルバイアホールで接続されていることを特徴とするフェーズドアレーアンテナ。 - 複数のアンテナ素子と、該複数のアンテナ素子にそれぞれに接続された複数の変復調器と、該複数の変復調器にローカル信号を供給する分配回路とを備えた複数の高周波モジュールと、
上記複数の高周波モジュールに周波数変換用のローカル信号をそれぞれ供給するローカル信号供給手段と、上記複数の高周波モジュールにそれぞれ複数入出力される変復調波信号を分配合成するとともに、該変復調波信号のそれぞれに対して、上記複数のアンテナ素子の励振振幅と励振位相のいずれか一方または両方を同時に可変するための信号処理を行なう信号処理手段とを有する制御モジュールと、
上記複数の高周波モジュールと上記制御モジュールの間でローカル信号および変復調波信号を接続する接続手段と
を有するフェーズドアレーアンテナにおいて、
上記制御モジュールは、多層積層基板で構成され、一方、上記複数の高周波モジュールは、セラミック多層基板パッケージを用いて構成され、該複数の高周波モジュールは、該制御モジュール上に載置されており、該高周波モジュールは、上記セラミック多層基板パッケージの上記制御モジュールと反対側である第１の面に導体パターンで形成された上記複数のアンテナ素子を有すると共に、上記制御モジュール側である第２の面に複数のキャビティおよび平面実装用の接続電極を有し、さらに該複数のキャビティ内部には、半導体チップが配設されており、該高周波モジュールには、上記第１の面の上記アンテナ素子がない部分に熱伝導性の高い放熱板が設けられ、上記半導体チップと該放熱板は、上記セラミック多層基板パッケージを貫通して設けられたサーマルバイアホールで接続されていることを特徴とするフェーズドアレーアンテナ。 - 複数のアンテナ素子と、該複数のアンテナ素子にそれぞれ接続された複数の周波数変換器と、該複数の周波数変換器にローカル信号を供給する分配回路とを有する複数の高周波モジュールと、
上記複数の高周波モジュールに周波数変換用のローカル信号をそれぞれ供給するローカル信号供給手段と、上記複数の高周波モジュールにそれぞれ複数入出力される中間周波信号を分配合成する中間周波信号分配合成手段と、該中間周波信号のそれぞれの振幅と位相のいずれか一方または両方を同時に制御する制御手段とを有する制御モジュールと、
上記複数の高周波モジュールと上記制御モジュールの間でローカル信号および中間周波 信号を接続する接続手段と
を有するフェーズドアレーアンテナにおいて、
上記制御モジュールは、多層積層基板で構成され、一方、上記複数の高周波モジュールは、セラミック多層基板パッケージを用いて構成され、該複数の高周波モジュールは、該制御モジュール上に載置されており、該高周波モジュールは、上記セラミック多層基板パッケージの上記制御モジュールと反対側である第１の面に導体パターンで形成された上記複数のアンテナ素子を有すると共に、上記制御モジュール側である第２の面に複数のキャビティおよび平面実装用の接続電極を有し、さらに該複数のキャビティ内部には、半導体チップが配設されており、上記第１の面に導体パターンで形成された上記複数のアンテナ素子には、それぞれ導電性のホーンが設けられ、上記半導体チップと該ホーンは、上記セラミック多層基板パッケージを貫通して設けられたサーマルバイアホールで接続されていることを特徴とするフェーズドアレーアンテナ。 - 複数のアンテナ素子と、該複数のアンテナ素子にそれぞれに接続された複数の変復調器と、該複数の変復調器にローカル信号を供給する分配回路とを備えた複数の高周波モジュールと、
上記複数の高周波モジュールに周波数変換用のローカル信号をそれぞれ供給するローカル信号供給手段と、上記複数の高周波モジュールにそれぞれ複数入出力される変復調波信号を分配合成するとともに、該変復調波信号のそれぞれに対して、上記複数のアンテナ素子の励振振幅と励振位相のいずれか一方または両方を同時に可変するための信号処理を行なう信号処理手段とを有する制御モジュールと、
上記複数の高周波モジュールと上記制御モジュールの間でローカル信号および変復調波信号を接続する接続手段と
を有するフェーズドアレーアンテナにおいて、
上記制御モジュールは、多層積層基板で構成され、一方、上記複数の高周波モジュールは、セラミック多層基板パッケージを用いて構成され、該複数の高周波モジュールは、該制御モジュール上に載置されており、該高周波モジュールは、上記セラミック多層基板パッケージの上記制御モジュールと反対側である第１の面に導体パターンで形成された上記複数のアンテナ素子を有すると共に、上記制御モジュール側である第２の面に複数のキャビティおよび平面実装用の接続電極を有し、さらに該複数のキャビティ内部には、半導体チップが配設されており、上記第１の面に導体パターンで形成された上記複数のアンテナ素子には、それぞれ導電性のホーンが設けられ、上記半導体チップと該ホーンは、上記セラミック多層基板パッケージを貫通して設けられたサーマルバイアホールで接続されていることを特徴とするフェーズドアレーアンテナ。 - 上記複数のホーンは、一体に形成されていることを特徴とする請求項３または４に記載のフェーズドアレーアンテナ。
- 複数のアンテナ素子と、該複数のアンテナ素子にそれぞれ接続された複数の周波数変換器と、該複数の周波数変換器にローカル信号を供給する分配回路とを有する複数の高周波モジュールと、
上記複数の高周波モジュールに周波数変換用のローカル信号をそれぞれ供給するローカル信号供給手段と、上記複数の高周波モジュールにそれぞれ複数入出力される中間周波信号を分配合成する中間周波信号分配合成手段と、該中間周波信号のそれぞれの振幅と位相のいずれか一方または両方を同時に制御する制御手段とを有する制御モジュールと、
上記複数の高周波モジュールと上記制御モジュールの間でローカル信号および中間周波信号を接続する接続手段と
を有するフェーズドアレーアンテナにおいて、
上記制御モジュールは、多層積層基板で構成され、一方、上記複数の高周波モジュールは、セラミック多層基板パッケージを用いて構成され、該複数の高周波モジュールは、該制御モジュール上に載置されており、該高周波モジュールは、セラミック多層基板パッケージの上記制御モジュールと反対側である第１の面に、導体パターンで形成された複数のアンテナ素子を有し、一方、上記制御モジュール側である第２の面に第１のキャビティを 設け、上記第１のキャビティの底面にさらに第１キャビティより小さな第２のキャビティを設け、上記第２のキャビティ内部に発熱量の大きな第１の半導体チップを取り付け、上記第１のキャビティの底面に上記複数の第２のキャビティを覆うように多層回路基板を取り付け、該多層回路基板に第２の半導体チップを取り付け、上記セラミック多層基板パッケージと上記多層回路基板の間を、上記第１のキャビティの底面と上記多層回路基板の接する面において接続されていることを特徴とするフェーズドアレーアンテナ。 - 複数のアンテナ素子と、該複数のアンテナ素子にそれぞれに接続された複数の変復調器と、該複数の変復調器にローカル信号を供給する分配回路とを備えた複数の高周波モジュールと、
上記複数の高周波モジュールに周波数変換用のローカル信号をそれぞれ供給するローカル信号供給手段と、上記複数の高周波モジュールにそれぞれ複数入出力される変復調波信号を分配合成するとともに、該変復調波信号のそれぞれに対して、上記複数のアンテナ素子の励振振幅と励振位相のいずれか一方または両方を同時に可変するための信号処理を行なう信号処理手段とを有する制御モジュールと、
上記複数の高周波モジュールと上記制御モジュールの間でローカル信号および変復調波信号を接続する接続手段と
を有するフェーズドアレーアンテナにおいて、
上記制御モジュールは、多層積層基板で構成され、一方、上記複数の高周波モジュールは、セラミック多層基板パッケージを用いて構成され、該複数の高周波モジュールは、該制御モジュール上に載置されており、該高周波モジュールは、該高周波モジュールは、セラミック多層基板パッケージの上記制御モジュールと反対側である第１の面に、導体パターンで形成された複数のアンテナ素子を有し、一方、上記制御モジュール側である第２の面に第１のキャビティを設け、上記第１のキャビティの底面にさらに第１キャビティより小さな第２のキャビティを設け、上記第２のキャビティ内部に発熱量の大きな第１の半導体チップを取り付け、上記第１のキャビティの底面に上記複数の第２のキャビティを覆うように多層回路基板を取り付け、該多層回路基板に第２の半導体チップを取り付け、上記セラミック多層基板パッケージと上記多層回路基板の間を、上記第１のキャビティの底面と上記多層回路基板の接する面において接続されていることを特徴とするフェーズドアレーアンテナ。
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