JP3759876B2 - アンテナ一体化ミリ波回路 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ミリ波帯の無線通信装置等に用いられるアンテナ一体化ミリ波回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の第１のアンテナ一体化ミリ波回路としては、図１２,図１３に示すものがある(特開平９-１６７８２５号公報)。図１２は上記アンテナ一体化ミリ波回路の断面図であり、図１３は上記アンテナ一体化ミリ波回路の平面図である。
【０００３】
このアンテナ一体化ミリ波回路は、図１２,図１３に示すように、誘電体積層基板４０１の内層に電圧制御発振器４０４,周波数逓倍器４０５および増幅器４０６からなるマイクロ波集積回路を搭載し、電圧制御発振器４０４,周波数逓倍器４０５および増幅器４０６をキャップ４１０により気密封止している。上記誘電体積層基板４０１にグランド用導体層を最上層と最下層に形成し、その２つのグランド導体層用導体をビアホール４２４で接続している。上記誘電体積層基板４０１の最上層に平面アンテナ素子用基板４０７を装着し、さらに、誘電体積層基板４０１の最下層に放熱板４０２を取り付けている。また、上記平面アンテナ素子用基板４０７の下側にて誘電体積層基板４０１の最上層にスロット４０８を設け、上記スロット４０８とストリップ−スロット結合するマイクロストリップ線路４２２を誘電体積層基板４０１の内層に設け、マイクロストリップ線路４２２と平面アンテナ素子用基板４０７を電磁的に結合させている。
【０００４】
また、従来の第２のアンテナ一体化ミリ波回路としては、図１４に示すアンテナ一体化ＭＭＩＣ(Monolithic Microwave Integrated Circuit:モノリシック・マイクロ波集積回路)パッケージがある(特開平８-２５０９１３号公報)。
【０００５】
図１４に示すように、上記アンテナ一体化ミリ波回路は、基体５３４と蓋体５３５とがハーメチックシールされている。上記基体５３４は、ベース部５４１とフレーム部５４２からなる。上記ベース部５４１は、２層の誘電体基板５４１aと５４１bとの間にグランド導体層５４１cが形成され、誘電体基板５４１aの上面にはＭＭＩＣ５９２が搭載されている。上記誘電体基板５４１aの上面に給電用のマイクロストリップ線路５９１を設けている。一方、上記誘電体基板５４１bの下面に、平面アンテナ素子５４１eを形成している。また、グランド導体層５４１c層の一部に、金属を設けない矩形状のスロット５４１dを設けている。上記ＭＭＩＣ５９２が、ボンディングワイヤ５９４によりマイクロストリップ線路５９１に接続され、マイクロストリップ線路５９１は、グランド導体層５４１c中に形成されたスロット５４１dを介して、平面アンテナ素子５４１eに電磁的に結合される。
【０００６】
また、図１５は上記第２のアンテナ一体化ミリ波回路のモジュールのブロック図を示しており、このアンテナ一体化ミリ波回路は、ＭＭＩＣパッケージを車載用レーダのモジュールに搭載したものである。
【０００７】
図１５に示すように、上記パッケージ５６０の上面５６０aに平面アンテナ素子５６３を形成し、上記ＭＭＩＣパッケージの内面側にマイクロストリップ線路５６４を形成し、マイクロストリップ線路５６４と送受切換手段５７１との間をボンディングワイヤ５６４aで接続している。上記平面アンテナ素子５６３からの信号は、スロット結合５６０bを介してマイクロストリップ線路５６４に導かれ、さらにボンディングワイヤ５６４aを介して送受切換手段５７１に導かれて、上記受信信号は送受切換手段５７１により受信回路側の方向に信号が導かれる。上記受信信号５７１aは、低雑音増幅器５７２で増幅され、帯域通過フィルタ(ＢＰＦ)５７３を介して、所望の周波数帯域の信号成分を抽出し、周波数ミキサ５７４において局部発振周波数端子５６０fを介して外部から供給される局部発振周波数信号５７４aと混合して周波数変換する。そうして、上記周波数ミキサ５７４により得た中間周波信号５７４bをアナログ／デジタル信号処理ＩＣ５８０内の中間周波増幅回路(ＩＦ増幅回路)５８１に供給する。上記中間周波信号５７４bをＩＦ増幅回路５８１で増幅した後、Ａ／Ｄ変換器５８２でデジタル中間周波信号に変換し、マイクロプロセッサによる処理手段５８３で、デジタル信号処理を施すことで受信信号を外部にシリアルデータ５８３aとして出力する。
【０００８】
また、従来の第３のアンテナ一体化ミリ波回路としては、図１６, 図１７に示すものがある(特開平９-２３７８６７号公報)。図１６は上記アンテナ一体化ミリ波回路の断面図を示し、図１７は上記アンテナ一体化ミリ波回路のブロック図を示している。
【０００９】
図１６に示すように、高周波パッケージ６０１は、アンテナ素子回路基板６０２と高周波デバイス回路基板６０７により形成されている。上記アンテナ素子回路基板６０２には、第１の誘電体基板６０２の表面に平面アンテナ素子６０３を形成しており、誘電体基板６０２の平面アンテナ素子６０３形成面と反対側の面に平面アンテナ素子６０３に給電するための給電線路６０４を形成している。また、誘電体基板６０２の内部には、ほぼ基板内全面にグランド導体層６０５を形成し、このグランド導体層６０５の平面アンテナ素子６０３と対向する位置にスロット６０６を形成している。このようなアンテナ素子回路基板６０２では、平面アンテナ素子６０３で受信した電磁波は、スロット６０６を介して平面アンテナ素子６０３と電磁的に結合された給電線路６０４に伝達される。
【００１０】
一方、高周波デバイス回路基板６０７の一部にキャビティ６０８を形成し、キャビティ６０８内に高周波デバイス６０９を収納して、蓋体６１０により気密封止している。また、高周波デバイス６０９は、高周波デバイス回路基板６０７に形成された伝送線路６１１と電気的に結合されており、高周波デバイス６０９に伝送線路６１１を通じて信号を伝達する。また、上記アンテナ素子回路基板６０２の給電線路６０４形成面と、高周波デバイス回路基板６０７の高周波デバイス６０９形成面の背面とが対向するように積層されて一体化されている。そして、上記アンテナ素子回路基板６０２の給電線路６０４と高周波デバイス回路基板６０７の伝送線路６１１との間には、全面にグランド導体層６１２を形成し、給電線路６０４と伝送線路６１１とが対向する位置において、グランド導体層６１２にスロット６１３を形成し、このスロット６１３を介して給電線路６０４と伝送線路６１１とは電磁結合されている。
【００１１】
さらに、図１７のブロック図に示すように、少なくとも１つの周波数変換器６１９や、高周波発振器６２０を含み、望ましくは低雑音増幅器６２１や増幅器６２２を備え、パッケージの外部接続端子６１７から出力される信号は、平面アンテナ素子６０３で受信または放射される信号周波数よりも低周波数に落として、伝送損失を小さくすることが望ましい。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記第１および第３のアンテナ一体化ミリ波回路においては、誘電体積層基板上にマイクロ波発振器とアンテナ素子が搭載された構成をしている。誘電体積層基板上に、マイクロ波送受信回路の構成要素である増幅器や周波変換器のミリ波・マイクロ波回路と、ミリ波・マイクロ波発振回路が一緒に搭載された場合、積層基板中に形成されたミリ波・マイクロ波発振回路は、所望の周波数からの周波数ズレの調整が難しく、必要とされる中心周波数や必要とされる雑音範囲に入らなかった場合、送受信装置の歩留まり低下の要因となる。加えて、発振周波数を変更するときも、積層基板全体で再設計する必要があり、設計コストや開発時間に多大な時間を要するという問題がある。
【００１３】
また、上記第２のアンテナ一体化ミリ波回路では、図１５に示すように、ＭＭＩＣパッケージ５６０内部の周波数ミキサ５７４に、局部発振周波数端子５６０fを経由して外部から直接入力される構成としている。６０ＧＨz帯のＭＭＩＣパッケージであれば、周波数ミキサ５７４に入力される局部発振周波数は、通常で５０ＧＨz以上となり、局部発振周波数端子５６０fはかなり高い周波数の信号を通過させる必要があり、３０ＧＨz以上の周波数帯域で低損失接続し、かつ、気密封止することは著しく困難である。この第２のアンテナ一体化ミリ波回路では、さらに局部発振周波数端子５６０fの部分もスロット結合で接続されることも述べられているが、スロット結合では、外部の局部発振器の入力部との位置合わせ精度が非常に厳しくなるという問題がある。さらに、上記ＭＭＩＣパッケージ５６０は、ＭＭＩＣ５７０のみならず信号処理ＩＣ５８０まで一体化しているため、ディジタル回路からの雑音がＭＭＩＣ５７０中のアナログ回路に入り所望の動作が困難になるという問題がある。
【００１４】
さらに、上記第１,第２,第３のアンテナ一体化ミリ波回路では、送信用のアンプ直後にアンテナ素子が一体化されるために、送信出力の制御が難しく、発振回路の出力の偏差に送信出力が依存してしまい、発振器の出力のばらつきにより、量産時において、送信出力を一定に保つことが困難という問題がある。
【００１５】
さらに、上記第１,第２,第３のアンテナ一体化ミリ波回路では、単素子アンテナの構成は可能であるが、４素子以上のアレイアンテナを形成することは著しく困難な構造である。以下にその困難な理由について説明する。
【００１６】
上記第１のアンテナ一体化ミリ波回路では、誘電体積層基板の回路上にアンテナ素子基板を搭載する構成であり、アレイアンテナを搭載しょうとすると誘電体積層基板とアンテナ素子基板は、マイクロ波帯・ミリ波帯での高周波実装が必要となり、精密な位置合わせをして接続する工程が必要である。上記平面アンテナ素子用基板４０７の位置合わせズレや誘電体積層基板の面積がかなり大きくなることから、コストアップの原因となり、かつ、誘電体積層基板とアンテナ素子基板のそりの影響により歩留まり低下や不要放射が生じ、アンテナ素子の放射効率が低下するためにアンテナ素子のアレイ化は困難である。
【００１７】
また、上記第２のアンテナ一体化ミリ波回路では、グランド導体層５４１cが積層の中間層にあり、上記中間層にスロット５４１dを形成し、直接放射素子５４１eに給電する構成となっている。上記アンテナ素子５４１eを直接スロット５４１dで給電しており、スロット５４１dの大きさは、信号波長の１/２波長〜１/４波長の大きさを有するため、上記スロット線路５４１を用いて複数のアンテナ素子５４１eに給電する給電回路を形成しようとすると、グランド導体層５４１cが分断されるため、グランド導体層として作用せず、不要放射の原因となる。一方、回路側の面で、アレイ化のための給電回路をマイクロストリップ線路５９１を用いて形成しようとすると、パッケージ内部のアレイ化のための給電回路が大きくなり、基体５３４,蓋体５３５が大きくなり、導波管モードの伝送モードが発生し、不要信号波のために正常動作ができなくなる。そのため、複数のアンテナ素子の配列から形成されるアレイアンテナを形成することは著しく困難である。
【００１８】
また、上記第３のアンテナ一体化ミリ波回路の高周波パッケージ６０１では、給電回路６０４中にアレイアンテナの給電回路を形成することは可能であるが、アンテナ素子のグランド導体層６０５と高周波デバイス６０９のグランド導体層６１２は、個々独立して形成され、ビアホール６１４,６１５で接続されているために、アレイアンテナのアレイ数が４素子以上になると誘電体積層基板の面積が大きくなり、回路部の接地電位とアンテナ素子部の接地電位を等しくするためには、多くのビアホールが必要となる。ところが、上記給電回路６０４が形成されている層中には多くのビアホールを構成することができず、その結果、両グランド導体層６０５,６１２が同一の接地電位とならず、接地電位が不完全となる。この場合、グランド導体層６０５,６１２や給電線路６０４からの不要放射が発生しやすくなり、アンテナ素子の放射効率が低下してしまうため、アンテナ素子のアレイ化は実際上不可能である。
【００１９】
そこで、この発明の目的は、周波数ズレを低減でき、送信出力を一定に保つことができると共に、歩留まりを向上でき、設計変更が容易にでき、雑音を低減できるアレイアンテナ化が容易なアンテナ一体化ミリ波回路を提供することにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明のアンテナ一体化ミリ波回路は、アンテナ素子と、中間周波数信号を上記アンテナ素子への送信信号に周波数変換するかまたは上記アンテナ素子からの受信信号を中間周波数信号に周波数変換する周波数変換器と、低周波局部発振周波数信号の周波数をＭ倍(Ｍは整数)に逓倍してミリ波局部発振周波数信号を上記周波数変換器に供給する周波数逓倍器とが形成され、上記周波数逓倍器に上記低周波局部発振周波数信号を供給するための低周波局部発振周波数端子と上記周波数変換器に接続された中間周波数端子とを有する第１の誘電体基板と、上記第１の誘電体基板に固定されると共に、上記第１の誘電体基板の上記中間周波数端子に電気的に接続された回路と、上記第１の誘電体基板の上記低周波局部発振周波数端子と電気的に接続された低周波局部発振器とが形成された第２の誘電体基板とを備え、上記第２の誘電体基板の上記低周波局部発振器からの上記低周波局部発振周波数信号により、上記第１の誘電体基板の上記周波数変換器により変換される上記送信信号または上記受信信号の周波数を制御することを特徴としている。
【００２１】
ここで、低周波局部発振周波数信号とは、ミリ波局部発振周波数信号よりも周波数が低くかつミリ波帯(３０〜３００ＧＨz)でない信号であり、したがって、上記構成のアンテナ一体化ミリ波回路によれば、上記第１の誘電体基板でミリ波帯の信号を扱い、上記第２の誘電体基板でミリ波帯よりも低い周波数帯の信号を扱うことによって、上記第２の誘電体基板の低周波局部発振器により上記第１の誘電体基板の周波数制御と送信出力を制御可能となり、第１の誘電体基板の高周波発振器(周波数逓倍器,周波数変換器)による周波数ズレを低減することができる。
【００２２】
また、この発明のアンテナ一体化ミリ波回路は、アンテナ素子と、中間周波数信号を上記アンテナ素子への送信信号に周波数変換するかまたは上記アンテナ素子からの受信信号を中間周波数信号に周波数変換する周波数変換器と、低周波局部発振周波数信号の周波数をＭ倍(Ｍは整数)に逓倍してミリ波局部発振周波数信号を上記周波数変換器に供給する周波数逓倍器とが形成され、上記周波数逓倍器に上記低周波局部発振周波数信号を供給するための低周波局部発振周波数端子と上記周波数変換器に接続された中間周波数端子とを有する第１の誘電体基板と、低周波局部発振器が形成された第２の誘電体基板と、両端に接続端子を有する伝送線路が形成された第３の誘電体基板とを備え、上記第３の誘電体基板の上記伝送線路を介して上記第１の誘電体基板の上記中間周波数端子を上記第２の誘電体基板に形成された回路に電気的に接続し、上記第３の誘電体基板の上記伝送線路を介して上記第１の誘電体基板の上記低周波局部発振周波数端子を上記第２の誘電体基板の上記低周波局部発振器に電気的に接続すると共に、上記第２の誘電体基板の上記低周波局部発振器からの上記低周波局部発振周波数信号により、上記第１の誘電体基板の上記周波数変換器により変換される上記送信信号または上記受信信号の周波数を制御することを特徴としている。
【００２３】
上記構成のアンテナ一体化ミリ波回路によれば、上記第１の誘電体基板でミリ波帯の信号を扱い、上記第２の誘電体基板でミリ波帯よりも低い周波数帯の信号を扱うことによって、上記第２の誘電体基板上の低周波局部発振器により上記第１の誘電体基板の周波数制御を制御可能となり、第１の誘電体基板の高周波発振器による周波数ズレを低減することができる。さらに、上記第１の誘電体基板(例えばセラミック基板)と第２の誘電体基板(例えば有機基板)の熱膨張張率が異なるために半田等による接続が困難な場合、応力に対して緩衝的な役目を有する上記第３の誘電体基板(例えばフレキシブルプリント回路基板)で第１,第２の誘電体基板を接続することによって、両者の熱膨張に対して応力を緩和できる。
また、一実施形態のアンテナ一体化ミリ波回路は、上記伝送線路が、マイクロストリック線路またはコプレーナ線路から成ることを特徴としている。
【００２４】
また、一実施形態のアンテナ一体化ミリ波回路は、上記第２の誘電体基板が、上記中間周波数信号のパワーレベルを制御する利得制御アンプまたはリミタアンプを有することを特徴としている。
【００２５】
上記実施形態のアンテナ一体化ミリ波回路によれば、上記第２の誘電体基板が有する利得制御アンプまたはリミタアンプにより中間周波数信号のパワーレベルを制御することによって、上記第１の誘電体基板からの送信出力を一定に保つことができる。
【００２６】
また、一実施形態のアンテナ一体化ミリ波回路は、上記周波数変換器は、周波数ミキサであることを特徴としている。
【００２７】
上記実施形態のアンテナ一体化ミリ波回路によれば、例えば、低周波局部発振周波数１.８１２５ＧＨz,ミリ波局部発振周波数５８ＧＨzにおいて、２次の周波数ミキサ(Ｎ＝２)とした場合、Ｍ＝１６となり、Ｎ＝１の場合よりもＭの次数を小さく設定することができる。これによりＭ逓倍次数が小さくなり、周波数逓倍器のもつ不要スプリアス信号を減少させることが可能となり、良好なミリ波局部発振周波数信号を得ることができる。
【００２８】
また、一実施形態のアンテナ一体化ミリ波回路は、上記Ｍ倍に逓倍する周波数逓倍器と上記Ｎ次の周波数ミキサでは、上記低周波局部発振周波数をｆLOとし、中間周波数をｆIFとし、無線周波数をｆRFとするとき、
ｆRF＝Ｍ×Ｎ×ｆLO＋ｆIF (ただし、Ｍ≧Ｎ)
の条件を満足することを特徴としている。
【００２９】
上記実施形態のアンテナ一体化ミリ波回路によれば、Ｎ≧Ｍなる関係の場合は、周波数ミキサの変換損失が大きくなって周波数変換利得が低下するが、Ｍ≧Ｎなる関係で上記条件を満足することによって、周波数変換利得の低下を防ぐことができる。
【００３０】
また、一実施形態のアンテナ一体化ミリ波回路は、上記周波数ミキサがアンチパラレルダイオードペアを有する周波数ミキサであることを特徴としている。
【００３１】
上記実施形態のアンテナ一体化ミリ波回路によれば、上記アンチパラレルダイオードペアを有する周波数ミキサの２逓倍作用により周波数ミキサの次数をＮ＝２に設定でき、かつ、変換利得を大きくとることができる。さらに、アンチパラレルダイオードペアを有する周波数ミキサの逓倍波の逆位相合成作用により、周波数ミキサから出力されるミリ波局部発振周波数信号波(不要波)を小さくすることができる。
【００３２】
また、一実施形態のアンテナ一体化ミリ波回路は、上記第１の誘電体基板が、一方の第１表層面から順に第１内層面,第２内層面および第３内層面を有する誘電体積層基板であって、上記第１表層面に上記アンテナ素子を形成し、上記第１内層面に上記アンテナ素子に給電するためのアンテナ給電回路を形成し、上記第２内層面にグランド導体層を形成し、上記第３内層面に上記周波数変換器を形成したことを特徴としている。
【００３３】
上記実施形態のアンテナ一体化ミリ波回路によれば、上記誘電体積層基板の構成とすることによって、上記第１表層面に形成されたアンテナ素子と上記第１内層面に形成されたアンテナ給電回路および上記第３内層面に形成された上記周波数変換器(ミリ波・マイクロ波回路部)の全てに対して上記第２内層面に形成された同一のグランド導体層を接地電位とすることが可能となる。これにより、アンテナ給電回路およびミリ波・マイクロ波回路部に対して良好な接地電位をとることができると共に、独立した第１表層面と第１内層面にアンテナ素子とアンテナ給電回路とを夫々設けているため、アレイアンテナ化が容易にできる。
【００３４】
また、一実施形態のアンテナ一体化ミリ波回路は、上記アンテナ給電回路から結合線路またはビアホールを介して上記アンテナ素子に給電するか、または、スタックドパッチアンテナ素子を形成することにより上記アンテナ給電回路から上記アンテナ素子に給電することを特徴としている。
【００３５】
上記実施形態のアンテナ一体化ミリ波回路によれば、上記アンテナ給電回路から結合線路またはビアホールを介して上記アンテナ素子に給電するか、または、スタックドパッチアンテナ素子を形成することにより上記アンテナ給電回路から上記アンテナ素子に給電することによって、上記グランド導体層を一定の層に保持したままアンテナ給電回路からアンテナ素子に給電することができる。
【００３６】
また、一実施形態のアンテナ一体化ミリ波回路は、上記誘電体積層基板の第１表層面または第２表層面に上記中間周波数端子と上記低周波局部発振周波数端子を有し、上記誘電体積層基板の側面に、上記中間周波数端子と上記低周波局部発振周波数端子が接続されたキャスタレーション端子を形成したことを特徴としている。
【００３７】
上記実施形態のアンテナ一体化ミリ波回路によれば、上記誘電体積層基板の側面に形成されたキャスタレーション端子によって、良好な周波数特性を維持したままで、上記第１の誘電体基板の回路と第２の誘電体基板の回路との電気的な接続が容易にできる。
【００３８】
また、一実施形態のアンテナ一体化ミリ波回路は、上記誘電体積層基板の第２表層面にグランド導体層が形成され、上記第２内層面のグランド導体層と上記第２表層面のグランド導体層とがビアホールを介して接続されていることを特徴としている。
【００３９】
上記実施形態のアンテナ一体化ミリ波回路によれば、上記誘電体積層基板の第２内層面にグランド導体層をビアホールを介して上記誘電体積層基板の第２表層面にグランド導体層に接続することによって、上記第２表層面のグランド導体層を第２の誘電体基板のグランド導体層との接続が容易になる。また、上記第２表層面のグランド導体層で上記第３内層面の上記周波数変換器(ミリ波・マイクロ波回路部)の不要発振を防止することができる。
【００４０】
また、一実施形態のアンテナ一体化ミリ波回路は、上記第１表層面にグランド導体層が形成され、上記第２内層面のグランド導体層が上記第１表層面のグランド導体層にビアホールを介して接続されていることを特徴としている。
【００４１】
上記実施形態のアンテナ一体化ミリ波回路によれば、上記誘電体積層基板の第２内層面にグランド導体層をビアホールを介して上記誘電体積層基板の第１表層面にグランド導体層に接続して、そのグランド導体層で上記アンテナ素子を囲むことによって、上記誘電体積層基板の側面側からの不要放射を防止できる。
【００４２】
また、一実施形態のアンテナ一体化ミリ波回路は、上記第２の誘電体基板上に、局部発振器と、上記局部発振器によって駆動される第２の周波数変換器を形成したことを特徴としている。
【００４３】
上記実施形態のアンテナ一体化ミリ波回路によれば、上記第２の誘電体基板上で位相同期発振器の出力を２分配して、その分配した出力の一方を上記第２の誘電体基板上に設けた第２の周波数変換部(周波数ミキサ)の局部発振周波数信号源として共用できる。
【００４４】
また、一実施形態のアンテナ一体化ミリ波回路は、上記中間周波数信号が地上放送波,衛星放送波またはケーブルテレビジョン信号波のいずれか１つであることを特徴としている。
【００４５】
上記実施形態のアンテナ一体化ミリ波回路によれば、周波数ズレを低減できると共に、送信出力を一定に保つことができるアンテナ一体化ミリ波回路を、地上放送波,衛星放送波またはケーブルテレビジョン信号波に適用することによって、高性能な送受信特性が得られる。
【００４６】
また、一実施形態のアンテナ一体化ミリ波回路は、上記第２の誘電体基板の上記低周波局部発振器が、水晶発振器と上記水晶発振器の発振周波数を逓倍する周波数逓倍器を基準信号源とする位相同期発振器であることを特徴としている。
【００４７】
上記実施形態のアンテナ一体化ミリ波回路によれば、上記周波数逓倍器により水晶発振器からの基準信号を逓倍増幅することにより位相同期発振器の分周比を低下させることができるため、位相同期発振器の信号の純度を示す位相雑音を低減することができる。
【００４８】
また、一実施形態のアンテナ一体化ミリ波回路は、上記第２の誘電体基板上の低周波局部発振器が、水晶発振器を有するオーバトーン発振器を基準信号源とする位相同期発振器であることを特徴としている。
【００４９】
上記実施形態のアンテナ一体化ミリ波回路によれば、上記オーバトーン発振器により水晶発振器からの基準信号を逓倍増幅することにより位相同期発振器の分周比を低下させることができるため、位相同期発振器の信号の純度を示す位相雑音を低減することができる。
【００５０】
【発明の実施の形態】
以下、この発明のアンテナ一体化ミリ波回路を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００５１】
（第１実施形態）
図１はこの発明の第１実施形態のアンテナ一体化ミリ波回路の断面図を示している。このアンテナ一体化ミリ波回路は、図１に示すように、誘電体(多層)基板である第１の誘電体基板１と第２の誘電体基板２０とを備えている。
【００５２】
上記第１の誘電体基板１は、第１表層面２,第１内層面３,第２内層面４,第３内層面５および第２表層面６とを有し、第１表層面２にアンテナ素子１１とグランド導体層９１を形成し、第１内層面３にアンテナ給電回路１２を形成している。上記第１の誘電体基板１の第３内層面５から第２表層面６の部分に形成された４つのキャビティ８０,８１,８２,８３(図１では８０,８３のみを示し、８１,８２は図２に示す)に、マイクロ波モノリシックＩＣ(ＭＭＩＣ)１５およびマイクロ波トランジスタの能動素子やキャパシタ,インダクタ,レジスタからなる受動素子で構成されたマイクロ波ＩＣ１６を搭載している。上記マイクロ波モノリシックＩＣ１５,マイクロ波ＩＣ１６が搭載された後、キャビティ８０,８１,８２,８３を導電性の蓋体９０により気密封止している。また、上記マイクロ波モノリシックＩＣ１５の端子が接続された伝送線路３１に対向するグランド導体層９３にスロット３２を形成し、そのスロット３２により伝送線路３１とアンテナ給電回路１２とを電磁的に結合している。さらに、上記第２内層面４にグランド導体層９３を形成し、そのグランド導体層９３を第１表層面２,第１内層面３,第３内層面５および第２表層面６のグランド導体層９１にビアホール９２を介して接続している。
【００５３】
また、上記第２の誘電体基板は、内層面にグランド導体層９４を有する２層の積層基板からなり、一方の表層面に電源回路２５を形成し、他方の表層面に低周波回路部２６を形成している。上記電源回路２５は、低周波回路部２６および第１の誘電体基板１上の回路に電源を配分する。
【００５４】
上記第１の誘電体基板１の第１表層面２側の端部と第２の誘電体基板２０の低周波回路部２６側の端部とを物理的に接続している。
【００５５】
また、図２は上記アンテナ一体化ミリ波回路の平面図を示している。なお、図１は図２のＩ−Ｉ線から見た断面である。また、図２では、図１に示すマイクロ波モノリシックＩＣ１５, マイクロ波ＩＣ１６を構成する個別の素子を示している。
【００５６】
図２に示すように、第１の誘電体基板１のキャビティ８０には、周波数変換器としての周波数ミキサ１４,ミリ波バンドパスフィルタ１５a,ミリ波増幅器１５bを有し(図２の左上側の点線で囲まれた拡大図参照)、キャビティ８３には、Ｍ次(Ｍ：整数)周波数逓倍器１６aを有している。さらに、キャビティ８２には、Ｍ次(Ｍ：整数)周波数逓倍器１６bを有し、キャビティ８１には、バンドパスフィルタ１３a,バッファアンプ１３bを有している(図２の左下側の点線で囲まれた拡大図参照)。上記第２表層面６にキャビティ８０〜８３を除いてグランド導体層９５を設けている。
【００５７】
一方、上記第２の誘電体基板２０は、低周波局部発振周波数信号１８を出力する位相同期発振器２１と、上記位相同期発振器２１に基準信号を出力する基準発振器２２と、中間周波数帯信号(以下、ＩＦ帯信号という)を増幅する利得制御アンプとしてのオートゲインコントロールアンプ(またはリミタアンプ)２３とを有している(以下、オートゲインコントロールアンプをＡＧＣアンプという)。また、上記第２の誘電体基板２０は、入出力端子４０から入力されたＩＦ帯信号の不要波を除去するフィルタ６２と、上記フィルタ６２からのＩＦ帯信号を増幅してＡＧＣアンプ２３に出力するドライバアンプ６１とを有している。上記基準発振器２２は、水晶発振器２２aとｋ次(ｋ：整数)逓倍アンプ２２bで形成されている。この逓倍アンプ２２bは、逓倍器とアンプを組み合わせた機能を有している。
【００５８】
また、図３は上記アンテナ一体化ミリ波回路の第１の誘電体基板１の裏面図を示し、第１表層面２に複数のアンテナ素子１１を格子状に配列し、その複数のアンテナ素子１１の周囲かつ第１表層面２縁部にグランド導体層９１を設けて、ビアホール９２によりグランド導体層９３(図１に示す)と接続している。上記第１表層面２の短辺側の一方に、グランド導体層９１と接続されたグランド端子４１aと、入力端子１８aと、電源入力端子１９aと、ＩＦ入出力端子１７aとを設けている。上記第１の誘電体基板１のグランド端子４１a,入力端子１８a,電源入力端子１９aおよびＩＦ入出力端子１７aに、第２の誘電体基板２０側の端子(図示せず)を電気的に接続している。
【００５９】
また、図４はこの発明のアンテナ一体化ミリ波回路を用いた送信器７１と受信器７２のブロック図を示している。なお、送信器７１,受信器７２では、基本回路構成は略同等である。
【００６０】
図４に示すように、送信器７１では、周波数ミキサ１４が周波数アップコンバータとなり、ミリ波増幅器１５bが高出力アンプとなる一方、受信器７２では、周波数ミキサ１４が周波数ダウンコンバータとなり、ミリ波増幅器１５bが低雑音アンプとなる。すなわち、主にミリ波増幅器１５bの入出力方向(ＲＦ信号２８a,２８b)が反対となり、送信側の周波数ミキサ１４の動作がアップコンバージョン動作となり、受信側の周波数ミキサ１４の動作がダウンコンバージョン動作となる。
【００６１】
次に、上記送信器７１,受信器７２の動作について説明する。まず、送信器７１において、第２の誘電体基板２０の入出力端子４０から入力されたＩＦ帯信号は、中間周波数帯のフィルタ６２で不要波が除去され、ドライバアンプ６１で一旦増幅される。その後、ＩＦ帯信号は、一定のパワーレベルまでＡＧＣアンプ(またはリミタアンプ)２３で増幅されて、ＩＦ入出力端子１７aを介して第１の誘電体基板１のＮ次(Ｎ：整数)周波数ミキサ１４に入力される。一方、上記第２の誘電体基板２０の１０ＭＨz〜２００ＭＨz(この第１実施形態では２５ＭＨz)で動作する温度補償型の水晶発振器２２aからの出力は、逓倍アンプ２２bにより逓倍・増幅された後、位相同期発振器(図２ではＰＬＯという)２１に入力され、位相同期発振器２１から１ＧＨz〜６ＧＨz付近(この第１実施形態では１.８ＧＨz帯)のマイクロ波正弦波信号である低周波局部発振周波数信号１８が出力される。その低周波局部発振周波数信号１８は、入力端子１８aを介して第１の誘電体基板１のＭ次(Ｍ≧２以上の整数)周波数逓倍器１６aに入力される。
【００６２】
なお、この第１実施形態では、Ｎ＝２、Ｍ＝１６としており、低周波局部発振周波数信号１８は、周波数逓倍器１６aで１６逓倍され、第１のバンドパスフィルタ１３aで２９ＧＨz帯の局部発振周波数信号２７のみを濾波し、バッファアンプ１３bで増幅された後、２次の周波数ミキサ１４に入力される。
【００６３】
上記周波数ミキサ１４では、図２に示すように、ＩＦ帯信号１７と局部発振周波数信号２７を周波数混合する。そうして周波数混合されたＲＦ信号２８aのミリ波無線周波数ｆRFは、入力周波数をｆL0とし、ＩＦ帯信号１７の中間周波数をｆIFとすると、
ｆRF＝ｆL±ｆIF …………………… (１)
(ただし、ｆL＝ｆL0×Ｎ×Ｍ)
で表される。
【００６４】
次に、上記ミリ波バンドパスフィルタ１５aでＲＦ信号２８aの上側帯のみを通過させ、ミリ波増幅器１５bで増幅する。そして、所定レベルまで増幅された信号は、ミリ波増幅器１５bの出力に接続された伝送線路３１(図１に示す)とアンテナ給電回路１２(図１に示す)とを電磁結合するスロット３２を介して、アンテナ給電回路１２に信号が供給されて、アンテナ素子１１により放射される。
【００６５】
この第１実施形態では、アンテナ給電回路１２と伝送線路３１は、スロット３２により電磁結合しているが、ビアホールで接続しても構わない。
【００６６】
一方、上記受信器７２について、送信器７１とは逆の動作を行い、ミリ波増幅器１５b,ＩＦ帯アンプ６３は、入出力の方向が送信器７１とは反対方向になる。
つまり、送信器７１から放射されたミリ波無線信号７３は、アンテナ素子１１により受信され、受信信号はアンテナ給電回路１２(図１に示す)に導かれ、ミリ波増幅器１５bで増幅された後、所望信号をミリ波バンドパスフィルタ１５aにより濾波する。そうして濾波されたＲＦ信号２８bは、周波数ミキサ１４に入力され、周波数逓倍器１６aからの局部発振周波数信号２７と周波数混合され、中間周波数ｆIFのＩＦ帯信号１７が生成される。このときのＩＦ帯信号１７の中間周波数ｆIFは、ミリ波無線周波数をｆRFとし、入力周波数をｆL0とすると、
ｆIF＝ｆRF−ｆL ………………… (２)
(ただし、ｆL＝ｆLo×Ｎ×Ｍ)
となる。上記受信器７２で生成されたＩＦ帯信号１７は、第１の誘電体基板１側のＩＦ入出力端子１７aを介して、第２の誘電体基板２０のＩＦ帯アンプ６３に入力される。そして、ＩＦ帯信号１７は、ＩＦ帯アンプ６３で所定の出力レベルまで増幅されて、入出力端子４０より出力される。
【００６７】
ここで、図５〜図７は上記アンテナ素子１１とアンテナ給電回路１２との結合方法を３通り示している。図５では、アンテナ素子１１と給電線路１２aが、第１表層面２(図１に示す)と第１内層面３(図１に示す)との間の誘電体層を挟んで結合線路を形成することによって、アンテナ素子１１と給電線路１２aを電磁結合している。また、図６では、第１内層面３(図１に示す)に、給電線路部にスタックドパッチ１２b形成し、第１表層面２(図１に示す)のパッチとを電磁結合させても構わない。さらに、図７のように、給電線路１２とアンテナ素子１１をビアホール１２cにより接続しても構わない。
【００６８】
このように、上記第１の誘電体基板１でミリ波帯の信号を扱い、第２の誘電体基板２０でミリ波帯よりも低い周波数帯の信号を扱うことによって、第２の誘電体基板２０の位相同期発振器２１により第１の誘電体基板１の周波数制御が制御可能となり、第１の誘電体基板１の高周波発振器(周波数逓倍器１６a,周波数ミキサ１４)による周波数ズレを低減することができる。
【００６９】
また、上記第２の誘電体基板２０のＡＧＣアンプ２３により中間周波数信号のパワーレベルを制御することによって、第１の誘電体基板１からの送信出力を一定に保つことができる。
【００７０】
また、上記周波数変換器として周波数ミキサ１４を用いることによって、周波数逓倍器１６aの逓倍次数Ｍを小さく設定でき、周波数逓倍器１６aのもつ不要スプリアス信号を減少させて、良好なミリ波局部発振周波数信号を得ることができる。
【００７１】
また、Ｍ≧Ｎなる関係で上記式(１)の条件を満足することによって、周波数変換利得の低下を防ぐことができる。
【００７２】
また、上記第１の誘電体基板１に誘電体積層基板を使用した場合、図１に示すように、ビアホール９２を介して、第１表層面２および第２表層面６にグランド導体層９１を取り出すことができ、その第１の誘電体基板１のグランド導体層９１と第２の誘電体基板２０のグランド導体層９４とが接続可能となり、良好な接地電位をとることができる。
【００７３】
さらに、図２,図３に示すように、グランド導体層９１によりキャビティ８０,８１,８２,８３を取り囲むことができるため、各ＩＣ(例えば１５,１６)の回路の不要発振を防ぐと共に、グランド導体層９５によりアンテナ素子１１を取り囲むことができるため、アンテナ素子１１の基板側面側からの不要放射を防ぐことができる。
【００７４】
なお、この第１実施形態では、Ｍ逓倍型の周波数逓倍器としての周波数ミキサ１６aが搭載されたアンテナ一体化ミリ波回路について説明したが、周波数ミキサだけでなくＭ逓倍する効果を有するマイクロ波回路であれば、どのような回路を用いても良く、例えば注入同期発振器を用いても構わない。
【００７５】
ここで、図２に示すように、第２の誘電体基板２０の基準発振器２２は、水晶発振器２２aとｋ次(ｋ：整数)逓倍アンプ２２bで構成したが、水晶発振器を用いたk次(k：整数)のオバートーン発振回路であっても構わない。上記k次逓倍アンプ２２bで水晶発振器２２aからの基準信号を逓倍増幅することにより位相同期発振器２１の分周比を低下させることができるため、位相同期発振器２１の信号の純度を示す位相雑音を低減することができる。これにより、第１の誘電体基板１で低周波局部発振周波数信号１８はＭ逓倍され、Ｍ逓倍することにより局部発振周波数信号２７の信号純度は、周波数に対して２０×ｌｏｇＭ(６dＢオクターブ)に従い劣化するが、上記劣化分を位相同期発振器２１の分周比を低下させることにより改善することが可能となる。このことは、上記第２の誘電体基板２０側の低周波発振器２３により信号の位相雑音特性も制御可能となることを意味する。
【００７６】
ここで、上記第２の誘電体基板２０の位相同期発振器２１は、１ＧＨz〜６ＧＨz付近の低周波信号源であるため、第１の誘電体基板１の周波数ミキサ１４の低周波局部発振周波数信号源として動作するのみならず、第２の誘電体基板２０上で位相同期発振器２１の出力を２分配して、その分配した出力の一方を上記第２の誘電体基板２０に設ける第２の周波数変換部(周波数ミキサ)の局部発振周波数信号源として共用することができる。
【００７７】
（第２実施形態）
図８はこの発明の第２実施形態のアンテナ一体化ミリ波回路の断面図であり、図９は上記アンテナ一体化ミリ波回路の平面図である。なお、図８は、図９のVIII−VIII線から見た断面を示している。なお、図９では、図を見やすくするために、第３の誘電体基板１３０はＡ面からの透視図を示している。以下、第１実施形態のアンテナ一体化ミリ波回路と異なるところについて説明する。
【００７８】
このアンテナ一体化ミリ波回路は、図８に示すように、誘電体積層基板である第１の誘電体基板１０１のアンテナ素子１１１が設けられたＢ面(第１表層面)の端部と、第２の誘電体基板１２０の低周波回路部１２６が形成されたＢ面の端部とを第３の誘電体基板１３０を介して物理的に接続している。なお、上記第１の誘電体基板１０１のＢ面側のアンテナ素子１１１の周囲にグランド導体層１９１を形成し、第２の誘電体基板１２０のＡ面側に電源回路部１２５を形成している。
【００７９】
また、図９に示すように、上記第３の誘電体基板１３０にＩＦ信号線路１１７c,局部発振周波数信号線路１１８c,電源線路１１９cおよびグランド導体層１４１cを形成している。そして、上記第１実施形態の第１の誘電体基板１上のＩＦ入出力端子１７a,入力端子１８a,電源端子１９aおよびグランド端子４１aに対応する第１の誘電体基板１０１の各端子を、第３の誘電体基板１３０のＩＦ信号線路１１７c,局部発振周波数信号線路１１８c,電源線路１１９cおよびグランド導体層１４１cを介して第２の誘電体基板１２０の回路に電気的に接続している。上記第３の誘電体基板１３０のグランド線路１４１cは、第３の誘電体基板１３０のＡ面(裏面)にグランド導体層１４１cとしても形成され、第１の誘電体基板１０１のグランド端子１４１aと第２の誘電体基板１２０との間のグランド導体層１９４も、第３の誘電体基板１３０のグランド導体層１４１cを介して接続される。
【００８０】
この第２実施形態のアンテナ一体化ミリ波回路は、第１実施形態のアンテナ一体化ミリ波回路と同様の効果を有すると共に、第１の誘電体基板１０１と第２の誘電体基板１２０の熱膨張張率が異なるために半田等による接続が困難な場合、応力に対して緩衝的な役目を有する第３の誘電体基板１３０で接続するので、両者の熱膨張に対して応力を緩和することができる。
【００８１】
上記第２実施形態では、第３の誘電体基板１３０の伝送線路は、Ｂ面(基板裏面)にグランド導体層１４１cが存在するマイクロストリップ線路で構成したが、第３の誘電体基板の伝送線路は、グランド導体層が信号線路１１７c,１１８c側と同じ面上にくるコプレーナ線路で構成してもよい。
【００８２】
（第３実施形態）
図１０はこの発明の第３実施形態のアンテナ一体化ミリ波回路の断面図であり、第３の誘電体基板２３０にフレキシブルプリント回路基板を用いた構成について示している。
【００８３】
図１０に示すように、第２の誘電体基板２２０の両面に形成した電源回路部２２５または低周波回路部２２６の小さい方である低周波回路部２２６側に、第１の誘電体基板２０１を接続した場合について示している。グランド導体層となっている第１の誘電体基板２０１の蓋体２９０と第２の誘電体基板２２０のグランド導体層２９４とを導電ペースト等で電気的に接続すると共に、樹脂等の接着材２７０で物理的に接続している。
【００８４】
この第２実施形態のアンテナ一体化ミリ波回路は、第１実施形態のアンテナ一体化ミリ波回路と同様の効果を有すると共に、第１の誘電体基板２０１と第２の誘電体基板２２０の熱膨張張率が異なるために半田等による接続が困難な場合、応力に対して緩衝的な役目を有する第３の誘電体基板２３０であるフレキシブルプリント回路基板で接続するので、両者の熱膨張に対して応力を緩和することができる。
【００８５】
この場合は、第１の誘電体基板２０１のグランド導体層２９１と第２の誘電体基板２２０のグランド導体部２９４が、第３の誘電体基板２３０のグランド導体部を介して接続されるだけでなく、第１の誘電体基板２０１の蓋体２９０と第２の誘電体基板２２０のグランド導体層２９４が、直接かつ平面的に接続される。それによって、上記第１の誘電体基板２０１と第２の誘電体基板２２０との良好な接地電位を得ることが可能となり、個々の回路において安定した動作ができ、電源雑音を低減できると共に、アンテナ素子２１１からの不要放射を少なくできる。さらに、上記第１の誘電体基板２０１の蓋体２９０により放熱も可能となり、総合的に回路の安定動作が可能となる。
【００８６】
（第４実施形態）
図１１にこの発明の第４実施形態のアンテナ一体化ミリ波回路の断面図を示している。
【００８７】
図１１に示すように、誘電体積層基板である第１の誘電体基板３０１は、各ＩＣ３１５,３１６等を搭載した後、導電性の蓋体３９０により気密封止されている。一方、第２の誘電体基板３２０の電源回路層３２０bの一部を除去してキャビティ３０４を形成している。上記第２の誘電体基板３２０のキャビティ３０４に、蓋体３９０を有する第１の誘電体基板３０１を組み込んでいる。上記第１の誘電体基板３０１は、第１の誘電体基板３０１の側壁部に、導電性のキャスタレーション(側壁)端子３１８aを形成している。上記キャスタレーション端子３１８aは、ＩＦ入出力端子,局部発振周波数信号端子,電源端子およびグランド端子で構成されている。一方、上記キャスタレーション端子３１８aを構成するＩＦ入出力端子,局部発振周波数信号端子,電源端子およびグランド端子と、第２の誘電体基板３２０の各端子３１８bとは、半田３０３等で接続している。また、上記第１の誘電体基板３０１のアンテナ素子３１１の周囲にグランド導体層３９１を形成すると共に、第２内層面３０４にグランド導体層３９３を形成している。そして、上記グランド導体層３９１,３９３をビアホール３９２を介して接続している。
【００８８】
上記誘電体積層基板である第１の誘電体基板３０１の第１表層面または第２表層面に中間周波数端子と低周波局部発振周波数端子が接続されたキャスタレーション端子３１８aによって、良好な周波数特性を維持したままで、第１の誘電体基板３０１の回路と第２の誘電体基板３２０の回路との電気的な接続が容易にできる。
【００８９】
なお、上記第２の誘電体基板３２０の電源回路層３２０bを一部除去してキャビティ３０４を形成することで説明したが、電源回路部に比較して、低周波回路部(図示せず)が小さければ、低周波回路層３２０aの一部を除去して、キャビティを形成してもよい。
【００９０】
上記第４実施形態のアンテナ一体化ミリ波回路では、第１の誘電体基板３０１と第２の誘電体基板３２０を直接接続し、かつ、グランド導体は、第１の誘電体基板３０１の蓋体３９０の部分と第２の誘電体基板３２０のグランド導体層３９４の広い面積で接続されているため、より安定した総合動作が可能となる。
【００９１】
上記第１〜第４実施形態において、周波数ミキサにアンチパラレルダイオードペアを有する周波数ミキサを用いることによって、周波数ミキサの次数をＮ＝２に設定でき、かつ、変換利得を大きくとることができると共に、アンチパラレルダイオードペアを有する周波数ミキサの逓倍波の逆位相合成作用により、周波数ミキサから出力されるミリ波局部発振周波数信号波(不要波)を小さくすることができる。
【００９２】
また、上記第１〜第４実施形態のアンテナ一体化ミリ波回路を、地上放送波,衛星放送波またはケーブルテレビジョン信号波に適用することによって、高性能な送受信特性を有する送受信装置を実現することができる。
【００９３】
【発明の効果】
以上より明らかなように、この発明のアンテナ一体化ミリ波回路によれば、ミリ波の高周波部(６０ＧＨz帯等)を扱う第１の誘電体基板と、低周波部(ＤＣ〜６ＧＨz)付近を扱う第２の誘電体基板に分け、かつ、第１の誘電体基板では誘電体積層基板を利用してアンテナ一体化すると共に、ミリ波無線周波数を決める局部発振器を第２の誘電体基板に搭載することにより、第２の誘電体基板で中心周波数の制御,周波数安定性の制御ができ、周波数ズレを低減することができる。
【００９４】
また、アンテナ一体化ミリ波回路では困難であった送信出力制御が、第２の誘電体基板中のＡＧＣアンプ(またはリミタアンプ)を搭載することにより、ミリ波の送信出力の制御も第２の誘電体基板上で行うことができ、送信出力を一定に保つことができる。
【００９５】
さらに、アンテナ一体化ミリ波回路のアンテナ素子とアンテナ給電回路を独立させ、結合線路,ビアホールまたはスタックドパッチでアンテナ給電回路とアンテナ素子を結合させる構造としているので、アンテナ給電回路でアレイアンテナの配線(各アンテナ素子への給電)が容易にできるという効果があり、アレイアンテナ一体化が可能となる。これによって、アンテナ一体化ミリ波回路のパッケージの小型化とミリ波帯の高周波部を扱う第１の誘電体基板の歩留まり向上と、コスト低減、設計変更が容易になる。さらに、アンテナ素子のグランド導体部と回路のグランド導体部が共通であるため、アンテナ一体化ミリ波回路の安定した動作が可能となる。
【００９６】
また、上記第１の誘電体基板に誘電体積層基板を用い、その誘電体積層基板の表面と裏面を利用して回路とアンテナ素子およびグランド導体層を一体化することが可能となると共に、ミリ波部のアンテナ素子を接続する工程が不要で、基板のそりによる不要放射の影響等を低減することができ、アンテナ素子の放射効率が向上し、かつ量産時の性能を一定にすることができる。
【００９７】
また、上記第２の誘電体基板上の位相同期発振器の基準信号源として、水晶発振器にk次(k：整数)逓倍増幅器を使用しているため、位相同期発振器の分周比を低減することができ、第１の誘電体基板上のＭ逓倍器の逓倍次数Ｍによる位相雑音増大の影響を小さくすることが可能となる。これにより、ミリ波局部発振周波数信号の低位相雑音化することが可能となる。このことは、第２の誘電体基板上において、発振器の周波数制御や信号出力レベルの制御のみならず、ミリ波局部発振周波数信号の雑音特性も制御可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１はこの発明の第１実施形態のアンテナ一体化ミリ波回路の断面図である。
【図２】 図２は上記アンテナ一体化ミリ波回路の平面図である。
【図３】 図３は上記アンテナ一体化ミリ波回路の裏面図である。
【図４】 図４は上記アンテナ一体化ミリ波回路のブロック構成図である。
【図５】 図５は上記アンテナ一体化ミリ波回路の結合線路を用いたアンテナ素子部と給電部の結合を示す図である。
【図６】 図６は上記アンテナ一体化ミリ波回路のスタックドパッチを用いたアンテナ素子部と給電部の結合を示す図である。
【図７】 図７は上記アンテナ一体化ミリ波回路のビアホールを用いたアンテナ素子部と給電部の結合を示す図である。
【図８】 図８はこの発明の第２実施形態のアンテナ一体化ミリ波回路の断面図である。
【図９】 図９は上記アンテナ一体化ミリ波回路の平面図である。
【図１０】 図１０はこの発明の第３実施形態のアンテナ一体化ミリ波回路の断面図である。
【図１１】 図１１はこの発明の第４実施形態のアンテナ一体化ミリ波回路の断面図と平面図である。
【図１２】 図１２は従来の第１のアンテナ一体化ミリ波回路を示す平面図である。
【図１３】 図１３は上記第１のアンテナ一体化ミリ波回路を示す断面図である。
【図１４】 図１４は従来の第２のアンテナ一体化ミリ波回路を示す断面図である。
【図１５】 図１５は上記第２のアンテナ一体化ミリ波回路のモジュールのブロック図である。
【図１６】 図１６は従来の第３のアンテナ一体化ミリ波回路を示す断面図である。
【図１７】 図１７は上記第３のアンテナ一体化ミリ波回路を示すブロック図である。
【符号の説明】
１,１０１,２０１,３０１…第１の誘電体基板、
２…第１表層面、
３…第１内層面、
４…第２内層面、
５…第３内層面、
６…第２表層面、
１１,１１１,２１１,３１１…アンテナ素子、
１２…アンテナ給電回路、
１２a…給電線路、
１２b…スタックドパッチ、
１３a…バンドパスフィルタ、
１３b…バッファアンプ、
１４…周波数ミキサ、
１５,３１５…マイクロ波モノリシックＩＣ、
１５a…ミリ波バンドパスフィルタ、
１５b…ミリ波増幅器、
１６,３１６…マイクロ波ＩＣ、
１６a,１６b…周波数逓倍器、
１７…ＩＦ帯信号、
１７a…ＩＦ入出力端子、
１８…低周波局部発振周波数信号、
１８a…入力端子、
１９a…電源入力端子、
２０,１２０,２２０,３２０…第２の誘電体基板、
２１,１２１…位相同期発振器、
２２,１２２…基準発振器、
２２a…水晶発振器、
２２b…ｋ次逓倍アンプ、
２３…ＡＧＣアンプ、
２５,１２５,２２５…電源回路部、
２６,１２６,２２６…低周波回路部、
２７…局部発振周波数信号、
２８a…ＲＦ信号(送信器側)、
２８b…ＲＦ信号(受信器側)、
３０,１３０,２３０…第３の誘電体基板、
３１…伝送線路、
３２…スロット、
４０…入出力端子、
４１a…グランド端子、
６１…ドライバアンプ、
６２…フィルタ、
６３…ＩＦ帯アンプ、、
７１…送信器、
７２…受信器、
７３…ミリ波無線信号、
８０,８１,８２,８３,３０４…キャビティ、
９０,２９０,３９０…蓋体、
９１,９３,９４,９５,１９１,１９４,２９１,２９４,３９１,３９２,３９３,３９４…グランド導体層、
９２,１９２,１９３,２９２,３９２…ビアホール、
１１７c…ＩＦ信号線路、
１１８c…局部発振周波数信号線路、
１１９c…電源線路、
１４１c…グランド導体層、
２７０…接着剤、
３０３…半田、
３１８a…キャスタレーション端子、
３２０a…低周波回路層、
３２０b…電源回路層、
４０１…誘電体積層基板、
４０２…放熱板、
４０４…電圧制御発振器、
４０５…周波数逓倍器、
４０６…増幅器、
４０７…平面アンテナ素子用基板、
４０８…スロット、
４１０…キャップ、
４２２…マイクロストリップ線路、
４２４…ビアホール、
５３４…基体、
５３５…蓋体、
５４１…ベース部、
５４１a…誘電体基板、
５４１b…誘電体基板、
５４１c…グランド導体層、
５４１e…平面アンテナ素子、
５４１d…スロット、
５４２…フレーム部、
５６０…パッケージ、
５６０a…上面、
５６０b…スロット結合、
５６０f…局部発振周波数端子、
５６３…平面アンテナ素子、
５６４…マイクロストリップ線路、
５６４a…ボンディングワイヤ、
５７１…送受切換手段、
５７１a…受信信号、
５７２…低雑音増幅器、
５７３…帯域通過フィルタ、
５７４…周波数ミキサ、
５７４a…局部発振周波数信号、
５７４b…中間周波信号、
５８０…アナログ／デジタル信号処理ＩＣ、
５８１…中間周波増幅回路、
５８２…Ａ／Ｄ変換器、
５８３…処理手段、
５８３a…シリアルデータ、
５９１…マイクロストリップ線路、
５９２…ＭＭＩＣ、
５９４…ボンディングワイヤ、
６０１…高周波パッケージ、
６０２…アンテナ素子回路基板、
６０３…平面アンテナ素子、
６０４…給電線路、
６０５…グランド導体層、
６０６…スロット、
６０７…高周波デバイス回路基板、
６０８…キャビティ、
６０９…高周波デバイス、
６１０…蓋体、
６１１…伝送線路、
６１２…グランド導体層、
６１３…スロット、
６１４,６１５…ビアホール、
６１９…周波数変換器、
６２０…高周波発振器、
６２１,６２２…増幅器。
【発明の属する技術分野】
この発明は、ミリ波帯の無線通信装置等に用いられるアンテナ一体化ミリ波回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の第１のアンテナ一体化ミリ波回路としては、図１２,図１３に示すものがある(特開平９-１６７８２５号公報)。図１２は上記アンテナ一体化ミリ波回路の断面図であり、図１３は上記アンテナ一体化ミリ波回路の平面図である。
【０００３】
このアンテナ一体化ミリ波回路は、図１２,図１３に示すように、誘電体積層基板４０１の内層に電圧制御発振器４０４,周波数逓倍器４０５および増幅器４０６からなるマイクロ波集積回路を搭載し、電圧制御発振器４０４,周波数逓倍器４０５および増幅器４０６をキャップ４１０により気密封止している。上記誘電体積層基板４０１にグランド用導体層を最上層と最下層に形成し、その２つのグランド導体層用導体をビアホール４２４で接続している。上記誘電体積層基板４０１の最上層に平面アンテナ素子用基板４０７を装着し、さらに、誘電体積層基板４０１の最下層に放熱板４０２を取り付けている。また、上記平面アンテナ素子用基板４０７の下側にて誘電体積層基板４０１の最上層にスロット４０８を設け、上記スロット４０８とストリップ−スロット結合するマイクロストリップ線路４２２を誘電体積層基板４０１の内層に設け、マイクロストリップ線路４２２と平面アンテナ素子用基板４０７を電磁的に結合させている。
【０００４】
また、従来の第２のアンテナ一体化ミリ波回路としては、図１４に示すアンテナ一体化ＭＭＩＣ(Monolithic Microwave Integrated Circuit:モノリシック・マイクロ波集積回路)パッケージがある(特開平８-２５０９１３号公報)。
【０００５】
図１４に示すように、上記アンテナ一体化ミリ波回路は、基体５３４と蓋体５３５とがハーメチックシールされている。上記基体５３４は、ベース部５４１とフレーム部５４２からなる。上記ベース部５４１は、２層の誘電体基板５４１aと５４１bとの間にグランド導体層５４１cが形成され、誘電体基板５４１aの上面にはＭＭＩＣ５９２が搭載されている。上記誘電体基板５４１aの上面に給電用のマイクロストリップ線路５９１を設けている。一方、上記誘電体基板５４１bの下面に、平面アンテナ素子５４１eを形成している。また、グランド導体層５４１c層の一部に、金属を設けない矩形状のスロット５４１dを設けている。上記ＭＭＩＣ５９２が、ボンディングワイヤ５９４によりマイクロストリップ線路５９１に接続され、マイクロストリップ線路５９１は、グランド導体層５４１c中に形成されたスロット５４１dを介して、平面アンテナ素子５４１eに電磁的に結合される。
【０００６】
また、図１５は上記第２のアンテナ一体化ミリ波回路のモジュールのブロック図を示しており、このアンテナ一体化ミリ波回路は、ＭＭＩＣパッケージを車載用レーダのモジュールに搭載したものである。
【０００７】
図１５に示すように、上記パッケージ５６０の上面５６０aに平面アンテナ素子５６３を形成し、上記ＭＭＩＣパッケージの内面側にマイクロストリップ線路５６４を形成し、マイクロストリップ線路５６４と送受切換手段５７１との間をボンディングワイヤ５６４aで接続している。上記平面アンテナ素子５６３からの信号は、スロット結合５６０bを介してマイクロストリップ線路５６４に導かれ、さらにボンディングワイヤ５６４aを介して送受切換手段５７１に導かれて、上記受信信号は送受切換手段５７１により受信回路側の方向に信号が導かれる。上記受信信号５７１aは、低雑音増幅器５７２で増幅され、帯域通過フィルタ(ＢＰＦ)５７３を介して、所望の周波数帯域の信号成分を抽出し、周波数ミキサ５７４において局部発振周波数端子５６０fを介して外部から供給される局部発振周波数信号５７４aと混合して周波数変換する。そうして、上記周波数ミキサ５７４により得た中間周波信号５７４bをアナログ／デジタル信号処理ＩＣ５８０内の中間周波増幅回路(ＩＦ増幅回路)５８１に供給する。上記中間周波信号５７４bをＩＦ増幅回路５８１で増幅した後、Ａ／Ｄ変換器５８２でデジタル中間周波信号に変換し、マイクロプロセッサによる処理手段５８３で、デジタル信号処理を施すことで受信信号を外部にシリアルデータ５８３aとして出力する。
【０００８】
また、従来の第３のアンテナ一体化ミリ波回路としては、図１６, 図１７に示すものがある(特開平９-２３７８６７号公報)。図１６は上記アンテナ一体化ミリ波回路の断面図を示し、図１７は上記アンテナ一体化ミリ波回路のブロック図を示している。
【０００９】
図１６に示すように、高周波パッケージ６０１は、アンテナ素子回路基板６０２と高周波デバイス回路基板６０７により形成されている。上記アンテナ素子回路基板６０２には、第１の誘電体基板６０２の表面に平面アンテナ素子６０３を形成しており、誘電体基板６０２の平面アンテナ素子６０３形成面と反対側の面に平面アンテナ素子６０３に給電するための給電線路６０４を形成している。また、誘電体基板６０２の内部には、ほぼ基板内全面にグランド導体層６０５を形成し、このグランド導体層６０５の平面アンテナ素子６０３と対向する位置にスロット６０６を形成している。このようなアンテナ素子回路基板６０２では、平面アンテナ素子６０３で受信した電磁波は、スロット６０６を介して平面アンテナ素子６０３と電磁的に結合された給電線路６０４に伝達される。
【００１０】
一方、高周波デバイス回路基板６０７の一部にキャビティ６０８を形成し、キャビティ６０８内に高周波デバイス６０９を収納して、蓋体６１０により気密封止している。また、高周波デバイス６０９は、高周波デバイス回路基板６０７に形成された伝送線路６１１と電気的に結合されており、高周波デバイス６０９に伝送線路６１１を通じて信号を伝達する。また、上記アンテナ素子回路基板６０２の給電線路６０４形成面と、高周波デバイス回路基板６０７の高周波デバイス６０９形成面の背面とが対向するように積層されて一体化されている。そして、上記アンテナ素子回路基板６０２の給電線路６０４と高周波デバイス回路基板６０７の伝送線路６１１との間には、全面にグランド導体層６１２を形成し、給電線路６０４と伝送線路６１１とが対向する位置において、グランド導体層６１２にスロット６１３を形成し、このスロット６１３を介して給電線路６０４と伝送線路６１１とは電磁結合されている。
【００１１】
さらに、図１７のブロック図に示すように、少なくとも１つの周波数変換器６１９や、高周波発振器６２０を含み、望ましくは低雑音増幅器６２１や増幅器６２２を備え、パッケージの外部接続端子６１７から出力される信号は、平面アンテナ素子６０３で受信または放射される信号周波数よりも低周波数に落として、伝送損失を小さくすることが望ましい。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記第１および第３のアンテナ一体化ミリ波回路においては、誘電体積層基板上にマイクロ波発振器とアンテナ素子が搭載された構成をしている。誘電体積層基板上に、マイクロ波送受信回路の構成要素である増幅器や周波変換器のミリ波・マイクロ波回路と、ミリ波・マイクロ波発振回路が一緒に搭載された場合、積層基板中に形成されたミリ波・マイクロ波発振回路は、所望の周波数からの周波数ズレの調整が難しく、必要とされる中心周波数や必要とされる雑音範囲に入らなかった場合、送受信装置の歩留まり低下の要因となる。加えて、発振周波数を変更するときも、積層基板全体で再設計する必要があり、設計コストや開発時間に多大な時間を要するという問題がある。
【００１３】
また、上記第２のアンテナ一体化ミリ波回路では、図１５に示すように、ＭＭＩＣパッケージ５６０内部の周波数ミキサ５７４に、局部発振周波数端子５６０fを経由して外部から直接入力される構成としている。６０ＧＨz帯のＭＭＩＣパッケージであれば、周波数ミキサ５７４に入力される局部発振周波数は、通常で５０ＧＨz以上となり、局部発振周波数端子５６０fはかなり高い周波数の信号を通過させる必要があり、３０ＧＨz以上の周波数帯域で低損失接続し、かつ、気密封止することは著しく困難である。この第２のアンテナ一体化ミリ波回路では、さらに局部発振周波数端子５６０fの部分もスロット結合で接続されることも述べられているが、スロット結合では、外部の局部発振器の入力部との位置合わせ精度が非常に厳しくなるという問題がある。さらに、上記ＭＭＩＣパッケージ５６０は、ＭＭＩＣ５７０のみならず信号処理ＩＣ５８０まで一体化しているため、ディジタル回路からの雑音がＭＭＩＣ５７０中のアナログ回路に入り所望の動作が困難になるという問題がある。
【００１４】
さらに、上記第１,第２,第３のアンテナ一体化ミリ波回路では、送信用のアンプ直後にアンテナ素子が一体化されるために、送信出力の制御が難しく、発振回路の出力の偏差に送信出力が依存してしまい、発振器の出力のばらつきにより、量産時において、送信出力を一定に保つことが困難という問題がある。
【００１５】
さらに、上記第１,第２,第３のアンテナ一体化ミリ波回路では、単素子アンテナの構成は可能であるが、４素子以上のアレイアンテナを形成することは著しく困難な構造である。以下にその困難な理由について説明する。
【００１６】
上記第１のアンテナ一体化ミリ波回路では、誘電体積層基板の回路上にアンテナ素子基板を搭載する構成であり、アレイアンテナを搭載しょうとすると誘電体積層基板とアンテナ素子基板は、マイクロ波帯・ミリ波帯での高周波実装が必要となり、精密な位置合わせをして接続する工程が必要である。上記平面アンテナ素子用基板４０７の位置合わせズレや誘電体積層基板の面積がかなり大きくなることから、コストアップの原因となり、かつ、誘電体積層基板とアンテナ素子基板のそりの影響により歩留まり低下や不要放射が生じ、アンテナ素子の放射効率が低下するためにアンテナ素子のアレイ化は困難である。
【００１７】
また、上記第２のアンテナ一体化ミリ波回路では、グランド導体層５４１cが積層の中間層にあり、上記中間層にスロット５４１dを形成し、直接放射素子５４１eに給電する構成となっている。上記アンテナ素子５４１eを直接スロット５４１dで給電しており、スロット５４１dの大きさは、信号波長の１/２波長〜１/４波長の大きさを有するため、上記スロット線路５４１を用いて複数のアンテナ素子５４１eに給電する給電回路を形成しようとすると、グランド導体層５４１cが分断されるため、グランド導体層として作用せず、不要放射の原因となる。一方、回路側の面で、アレイ化のための給電回路をマイクロストリップ線路５９１を用いて形成しようとすると、パッケージ内部のアレイ化のための給電回路が大きくなり、基体５３４,蓋体５３５が大きくなり、導波管モードの伝送モードが発生し、不要信号波のために正常動作ができなくなる。そのため、複数のアンテナ素子の配列から形成されるアレイアンテナを形成することは著しく困難である。
【００１８】
また、上記第３のアンテナ一体化ミリ波回路の高周波パッケージ６０１では、給電回路６０４中にアレイアンテナの給電回路を形成することは可能であるが、アンテナ素子のグランド導体層６０５と高周波デバイス６０９のグランド導体層６１２は、個々独立して形成され、ビアホール６１４,６１５で接続されているために、アレイアンテナのアレイ数が４素子以上になると誘電体積層基板の面積が大きくなり、回路部の接地電位とアンテナ素子部の接地電位を等しくするためには、多くのビアホールが必要となる。ところが、上記給電回路６０４が形成されている層中には多くのビアホールを構成することができず、その結果、両グランド導体層６０５,６１２が同一の接地電位とならず、接地電位が不完全となる。この場合、グランド導体層６０５,６１２や給電線路６０４からの不要放射が発生しやすくなり、アンテナ素子の放射効率が低下してしまうため、アンテナ素子のアレイ化は実際上不可能である。
【００１９】
そこで、この発明の目的は、周波数ズレを低減でき、送信出力を一定に保つことができると共に、歩留まりを向上でき、設計変更が容易にでき、雑音を低減できるアレイアンテナ化が容易なアンテナ一体化ミリ波回路を提供することにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明のアンテナ一体化ミリ波回路は、アンテナ素子と、中間周波数信号を上記アンテナ素子への送信信号に周波数変換するかまたは上記アンテナ素子からの受信信号を中間周波数信号に周波数変換する周波数変換器と、低周波局部発振周波数信号の周波数をＭ倍(Ｍは整数)に逓倍してミリ波局部発振周波数信号を上記周波数変換器に供給する周波数逓倍器とが形成され、上記周波数逓倍器に上記低周波局部発振周波数信号を供給するための低周波局部発振周波数端子と上記周波数変換器に接続された中間周波数端子とを有する第１の誘電体基板と、上記第１の誘電体基板に固定されると共に、上記第１の誘電体基板の上記中間周波数端子に電気的に接続された回路と、上記第１の誘電体基板の上記低周波局部発振周波数端子と電気的に接続された低周波局部発振器とが形成された第２の誘電体基板とを備え、上記第２の誘電体基板の上記低周波局部発振器からの上記低周波局部発振周波数信号により、上記第１の誘電体基板の上記周波数変換器により変換される上記送信信号または上記受信信号の周波数を制御することを特徴としている。
【００２１】
ここで、低周波局部発振周波数信号とは、ミリ波局部発振周波数信号よりも周波数が低くかつミリ波帯(３０〜３００ＧＨz)でない信号であり、したがって、上記構成のアンテナ一体化ミリ波回路によれば、上記第１の誘電体基板でミリ波帯の信号を扱い、上記第２の誘電体基板でミリ波帯よりも低い周波数帯の信号を扱うことによって、上記第２の誘電体基板の低周波局部発振器により上記第１の誘電体基板の周波数制御と送信出力を制御可能となり、第１の誘電体基板の高周波発振器(周波数逓倍器,周波数変換器)による周波数ズレを低減することができる。
【００２２】
また、この発明のアンテナ一体化ミリ波回路は、アンテナ素子と、中間周波数信号を上記アンテナ素子への送信信号に周波数変換するかまたは上記アンテナ素子からの受信信号を中間周波数信号に周波数変換する周波数変換器と、低周波局部発振周波数信号の周波数をＭ倍(Ｍは整数)に逓倍してミリ波局部発振周波数信号を上記周波数変換器に供給する周波数逓倍器とが形成され、上記周波数逓倍器に上記低周波局部発振周波数信号を供給するための低周波局部発振周波数端子と上記周波数変換器に接続された中間周波数端子とを有する第１の誘電体基板と、低周波局部発振器が形成された第２の誘電体基板と、両端に接続端子を有する伝送線路が形成された第３の誘電体基板とを備え、上記第３の誘電体基板の上記伝送線路を介して上記第１の誘電体基板の上記中間周波数端子を上記第２の誘電体基板に形成された回路に電気的に接続し、上記第３の誘電体基板の上記伝送線路を介して上記第１の誘電体基板の上記低周波局部発振周波数端子を上記第２の誘電体基板の上記低周波局部発振器に電気的に接続すると共に、上記第２の誘電体基板の上記低周波局部発振器からの上記低周波局部発振周波数信号により、上記第１の誘電体基板の上記周波数変換器により変換される上記送信信号または上記受信信号の周波数を制御することを特徴としている。
【００２３】
上記構成のアンテナ一体化ミリ波回路によれば、上記第１の誘電体基板でミリ波帯の信号を扱い、上記第２の誘電体基板でミリ波帯よりも低い周波数帯の信号を扱うことによって、上記第２の誘電体基板上の低周波局部発振器により上記第１の誘電体基板の周波数制御を制御可能となり、第１の誘電体基板の高周波発振器による周波数ズレを低減することができる。さらに、上記第１の誘電体基板(例えばセラミック基板)と第２の誘電体基板(例えば有機基板)の熱膨張張率が異なるために半田等による接続が困難な場合、応力に対して緩衝的な役目を有する上記第３の誘電体基板(例えばフレキシブルプリント回路基板)で第１,第２の誘電体基板を接続することによって、両者の熱膨張に対して応力を緩和できる。
また、一実施形態のアンテナ一体化ミリ波回路は、上記伝送線路が、マイクロストリック線路またはコプレーナ線路から成ることを特徴としている。
【００２４】
また、一実施形態のアンテナ一体化ミリ波回路は、上記第２の誘電体基板が、上記中間周波数信号のパワーレベルを制御する利得制御アンプまたはリミタアンプを有することを特徴としている。
【００２５】
上記実施形態のアンテナ一体化ミリ波回路によれば、上記第２の誘電体基板が有する利得制御アンプまたはリミタアンプにより中間周波数信号のパワーレベルを制御することによって、上記第１の誘電体基板からの送信出力を一定に保つことができる。
【００２６】
また、一実施形態のアンテナ一体化ミリ波回路は、上記周波数変換器は、周波数ミキサであることを特徴としている。
【００２７】
上記実施形態のアンテナ一体化ミリ波回路によれば、例えば、低周波局部発振周波数１.８１２５ＧＨz,ミリ波局部発振周波数５８ＧＨzにおいて、２次の周波数ミキサ(Ｎ＝２)とした場合、Ｍ＝１６となり、Ｎ＝１の場合よりもＭの次数を小さく設定することができる。これによりＭ逓倍次数が小さくなり、周波数逓倍器のもつ不要スプリアス信号を減少させることが可能となり、良好なミリ波局部発振周波数信号を得ることができる。
【００２８】
また、一実施形態のアンテナ一体化ミリ波回路は、上記Ｍ倍に逓倍する周波数逓倍器と上記Ｎ次の周波数ミキサでは、上記低周波局部発振周波数をｆLOとし、中間周波数をｆIFとし、無線周波数をｆRFとするとき、
ｆRF＝Ｍ×Ｎ×ｆLO＋ｆIF (ただし、Ｍ≧Ｎ)
の条件を満足することを特徴としている。
【００２９】
上記実施形態のアンテナ一体化ミリ波回路によれば、Ｎ≧Ｍなる関係の場合は、周波数ミキサの変換損失が大きくなって周波数変換利得が低下するが、Ｍ≧Ｎなる関係で上記条件を満足することによって、周波数変換利得の低下を防ぐことができる。
【００３０】
また、一実施形態のアンテナ一体化ミリ波回路は、上記周波数ミキサがアンチパラレルダイオードペアを有する周波数ミキサであることを特徴としている。
【００３１】
上記実施形態のアンテナ一体化ミリ波回路によれば、上記アンチパラレルダイオードペアを有する周波数ミキサの２逓倍作用により周波数ミキサの次数をＮ＝２に設定でき、かつ、変換利得を大きくとることができる。さらに、アンチパラレルダイオードペアを有する周波数ミキサの逓倍波の逆位相合成作用により、周波数ミキサから出力されるミリ波局部発振周波数信号波(不要波)を小さくすることができる。
【００３２】
また、一実施形態のアンテナ一体化ミリ波回路は、上記第１の誘電体基板が、一方の第１表層面から順に第１内層面,第２内層面および第３内層面を有する誘電体積層基板であって、上記第１表層面に上記アンテナ素子を形成し、上記第１内層面に上記アンテナ素子に給電するためのアンテナ給電回路を形成し、上記第２内層面にグランド導体層を形成し、上記第３内層面に上記周波数変換器を形成したことを特徴としている。
【００３３】
上記実施形態のアンテナ一体化ミリ波回路によれば、上記誘電体積層基板の構成とすることによって、上記第１表層面に形成されたアンテナ素子と上記第１内層面に形成されたアンテナ給電回路および上記第３内層面に形成された上記周波数変換器(ミリ波・マイクロ波回路部)の全てに対して上記第２内層面に形成された同一のグランド導体層を接地電位とすることが可能となる。これにより、アンテナ給電回路およびミリ波・マイクロ波回路部に対して良好な接地電位をとることができると共に、独立した第１表層面と第１内層面にアンテナ素子とアンテナ給電回路とを夫々設けているため、アレイアンテナ化が容易にできる。
【００３４】
また、一実施形態のアンテナ一体化ミリ波回路は、上記アンテナ給電回路から結合線路またはビアホールを介して上記アンテナ素子に給電するか、または、スタックドパッチアンテナ素子を形成することにより上記アンテナ給電回路から上記アンテナ素子に給電することを特徴としている。
【００３５】
上記実施形態のアンテナ一体化ミリ波回路によれば、上記アンテナ給電回路から結合線路またはビアホールを介して上記アンテナ素子に給電するか、または、スタックドパッチアンテナ素子を形成することにより上記アンテナ給電回路から上記アンテナ素子に給電することによって、上記グランド導体層を一定の層に保持したままアンテナ給電回路からアンテナ素子に給電することができる。
【００３６】
また、一実施形態のアンテナ一体化ミリ波回路は、上記誘電体積層基板の第１表層面または第２表層面に上記中間周波数端子と上記低周波局部発振周波数端子を有し、上記誘電体積層基板の側面に、上記中間周波数端子と上記低周波局部発振周波数端子が接続されたキャスタレーション端子を形成したことを特徴としている。
【００３７】
上記実施形態のアンテナ一体化ミリ波回路によれば、上記誘電体積層基板の側面に形成されたキャスタレーション端子によって、良好な周波数特性を維持したままで、上記第１の誘電体基板の回路と第２の誘電体基板の回路との電気的な接続が容易にできる。
【００３８】
また、一実施形態のアンテナ一体化ミリ波回路は、上記誘電体積層基板の第２表層面にグランド導体層が形成され、上記第２内層面のグランド導体層と上記第２表層面のグランド導体層とがビアホールを介して接続されていることを特徴としている。
【００３９】
上記実施形態のアンテナ一体化ミリ波回路によれば、上記誘電体積層基板の第２内層面にグランド導体層をビアホールを介して上記誘電体積層基板の第２表層面にグランド導体層に接続することによって、上記第２表層面のグランド導体層を第２の誘電体基板のグランド導体層との接続が容易になる。また、上記第２表層面のグランド導体層で上記第３内層面の上記周波数変換器(ミリ波・マイクロ波回路部)の不要発振を防止することができる。
【００４０】
また、一実施形態のアンテナ一体化ミリ波回路は、上記第１表層面にグランド導体層が形成され、上記第２内層面のグランド導体層が上記第１表層面のグランド導体層にビアホールを介して接続されていることを特徴としている。
【００４１】
上記実施形態のアンテナ一体化ミリ波回路によれば、上記誘電体積層基板の第２内層面にグランド導体層をビアホールを介して上記誘電体積層基板の第１表層面にグランド導体層に接続して、そのグランド導体層で上記アンテナ素子を囲むことによって、上記誘電体積層基板の側面側からの不要放射を防止できる。
【００４２】
また、一実施形態のアンテナ一体化ミリ波回路は、上記第２の誘電体基板上に、局部発振器と、上記局部発振器によって駆動される第２の周波数変換器を形成したことを特徴としている。
【００４３】
上記実施形態のアンテナ一体化ミリ波回路によれば、上記第２の誘電体基板上で位相同期発振器の出力を２分配して、その分配した出力の一方を上記第２の誘電体基板上に設けた第２の周波数変換部(周波数ミキサ)の局部発振周波数信号源として共用できる。
【００４４】
また、一実施形態のアンテナ一体化ミリ波回路は、上記中間周波数信号が地上放送波,衛星放送波またはケーブルテレビジョン信号波のいずれか１つであることを特徴としている。
【００４５】
上記実施形態のアンテナ一体化ミリ波回路によれば、周波数ズレを低減できると共に、送信出力を一定に保つことができるアンテナ一体化ミリ波回路を、地上放送波,衛星放送波またはケーブルテレビジョン信号波に適用することによって、高性能な送受信特性が得られる。
【００４６】
また、一実施形態のアンテナ一体化ミリ波回路は、上記第２の誘電体基板の上記低周波局部発振器が、水晶発振器と上記水晶発振器の発振周波数を逓倍する周波数逓倍器を基準信号源とする位相同期発振器であることを特徴としている。
【００４７】
上記実施形態のアンテナ一体化ミリ波回路によれば、上記周波数逓倍器により水晶発振器からの基準信号を逓倍増幅することにより位相同期発振器の分周比を低下させることができるため、位相同期発振器の信号の純度を示す位相雑音を低減することができる。
【００４８】
また、一実施形態のアンテナ一体化ミリ波回路は、上記第２の誘電体基板上の低周波局部発振器が、水晶発振器を有するオーバトーン発振器を基準信号源とする位相同期発振器であることを特徴としている。
【００４９】
上記実施形態のアンテナ一体化ミリ波回路によれば、上記オーバトーン発振器により水晶発振器からの基準信号を逓倍増幅することにより位相同期発振器の分周比を低下させることができるため、位相同期発振器の信号の純度を示す位相雑音を低減することができる。
【００５０】
【発明の実施の形態】
以下、この発明のアンテナ一体化ミリ波回路を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００５１】
（第１実施形態）
図１はこの発明の第１実施形態のアンテナ一体化ミリ波回路の断面図を示している。このアンテナ一体化ミリ波回路は、図１に示すように、誘電体(多層)基板である第１の誘電体基板１と第２の誘電体基板２０とを備えている。
【００５２】
上記第１の誘電体基板１は、第１表層面２,第１内層面３,第２内層面４,第３内層面５および第２表層面６とを有し、第１表層面２にアンテナ素子１１とグランド導体層９１を形成し、第１内層面３にアンテナ給電回路１２を形成している。上記第１の誘電体基板１の第３内層面５から第２表層面６の部分に形成された４つのキャビティ８０,８１,８２,８３(図１では８０,８３のみを示し、８１,８２は図２に示す)に、マイクロ波モノリシックＩＣ(ＭＭＩＣ)１５およびマイクロ波トランジスタの能動素子やキャパシタ,インダクタ,レジスタからなる受動素子で構成されたマイクロ波ＩＣ１６を搭載している。上記マイクロ波モノリシックＩＣ１５,マイクロ波ＩＣ１６が搭載された後、キャビティ８０,８１,８２,８３を導電性の蓋体９０により気密封止している。また、上記マイクロ波モノリシックＩＣ１５の端子が接続された伝送線路３１に対向するグランド導体層９３にスロット３２を形成し、そのスロット３２により伝送線路３１とアンテナ給電回路１２とを電磁的に結合している。さらに、上記第２内層面４にグランド導体層９３を形成し、そのグランド導体層９３を第１表層面２,第１内層面３,第３内層面５および第２表層面６のグランド導体層９１にビアホール９２を介して接続している。
【００５３】
また、上記第２の誘電体基板は、内層面にグランド導体層９４を有する２層の積層基板からなり、一方の表層面に電源回路２５を形成し、他方の表層面に低周波回路部２６を形成している。上記電源回路２５は、低周波回路部２６および第１の誘電体基板１上の回路に電源を配分する。
【００５４】
上記第１の誘電体基板１の第１表層面２側の端部と第２の誘電体基板２０の低周波回路部２６側の端部とを物理的に接続している。
【００５５】
また、図２は上記アンテナ一体化ミリ波回路の平面図を示している。なお、図１は図２のＩ−Ｉ線から見た断面である。また、図２では、図１に示すマイクロ波モノリシックＩＣ１５, マイクロ波ＩＣ１６を構成する個別の素子を示している。
【００５６】
図２に示すように、第１の誘電体基板１のキャビティ８０には、周波数変換器としての周波数ミキサ１４,ミリ波バンドパスフィルタ１５a,ミリ波増幅器１５bを有し(図２の左上側の点線で囲まれた拡大図参照)、キャビティ８３には、Ｍ次(Ｍ：整数)周波数逓倍器１６aを有している。さらに、キャビティ８２には、Ｍ次(Ｍ：整数)周波数逓倍器１６bを有し、キャビティ８１には、バンドパスフィルタ１３a,バッファアンプ１３bを有している(図２の左下側の点線で囲まれた拡大図参照)。上記第２表層面６にキャビティ８０〜８３を除いてグランド導体層９５を設けている。
【００５７】
一方、上記第２の誘電体基板２０は、低周波局部発振周波数信号１８を出力する位相同期発振器２１と、上記位相同期発振器２１に基準信号を出力する基準発振器２２と、中間周波数帯信号(以下、ＩＦ帯信号という)を増幅する利得制御アンプとしてのオートゲインコントロールアンプ(またはリミタアンプ)２３とを有している(以下、オートゲインコントロールアンプをＡＧＣアンプという)。また、上記第２の誘電体基板２０は、入出力端子４０から入力されたＩＦ帯信号の不要波を除去するフィルタ６２と、上記フィルタ６２からのＩＦ帯信号を増幅してＡＧＣアンプ２３に出力するドライバアンプ６１とを有している。上記基準発振器２２は、水晶発振器２２aとｋ次(ｋ：整数)逓倍アンプ２２bで形成されている。この逓倍アンプ２２bは、逓倍器とアンプを組み合わせた機能を有している。
【００５８】
また、図３は上記アンテナ一体化ミリ波回路の第１の誘電体基板１の裏面図を示し、第１表層面２に複数のアンテナ素子１１を格子状に配列し、その複数のアンテナ素子１１の周囲かつ第１表層面２縁部にグランド導体層９１を設けて、ビアホール９２によりグランド導体層９３(図１に示す)と接続している。上記第１表層面２の短辺側の一方に、グランド導体層９１と接続されたグランド端子４１aと、入力端子１８aと、電源入力端子１９aと、ＩＦ入出力端子１７aとを設けている。上記第１の誘電体基板１のグランド端子４１a,入力端子１８a,電源入力端子１９aおよびＩＦ入出力端子１７aに、第２の誘電体基板２０側の端子(図示せず)を電気的に接続している。
【００５９】
また、図４はこの発明のアンテナ一体化ミリ波回路を用いた送信器７１と受信器７２のブロック図を示している。なお、送信器７１,受信器７２では、基本回路構成は略同等である。
【００６０】
図４に示すように、送信器７１では、周波数ミキサ１４が周波数アップコンバータとなり、ミリ波増幅器１５bが高出力アンプとなる一方、受信器７２では、周波数ミキサ１４が周波数ダウンコンバータとなり、ミリ波増幅器１５bが低雑音アンプとなる。すなわち、主にミリ波増幅器１５bの入出力方向(ＲＦ信号２８a,２８b)が反対となり、送信側の周波数ミキサ１４の動作がアップコンバージョン動作となり、受信側の周波数ミキサ１４の動作がダウンコンバージョン動作となる。
【００６１】
次に、上記送信器７１,受信器７２の動作について説明する。まず、送信器７１において、第２の誘電体基板２０の入出力端子４０から入力されたＩＦ帯信号は、中間周波数帯のフィルタ６２で不要波が除去され、ドライバアンプ６１で一旦増幅される。その後、ＩＦ帯信号は、一定のパワーレベルまでＡＧＣアンプ(またはリミタアンプ)２３で増幅されて、ＩＦ入出力端子１７aを介して第１の誘電体基板１のＮ次(Ｎ：整数)周波数ミキサ１４に入力される。一方、上記第２の誘電体基板２０の１０ＭＨz〜２００ＭＨz(この第１実施形態では２５ＭＨz)で動作する温度補償型の水晶発振器２２aからの出力は、逓倍アンプ２２bにより逓倍・増幅された後、位相同期発振器(図２ではＰＬＯという)２１に入力され、位相同期発振器２１から１ＧＨz〜６ＧＨz付近(この第１実施形態では１.８ＧＨz帯)のマイクロ波正弦波信号である低周波局部発振周波数信号１８が出力される。その低周波局部発振周波数信号１８は、入力端子１８aを介して第１の誘電体基板１のＭ次(Ｍ≧２以上の整数)周波数逓倍器１６aに入力される。
【００６２】
なお、この第１実施形態では、Ｎ＝２、Ｍ＝１６としており、低周波局部発振周波数信号１８は、周波数逓倍器１６aで１６逓倍され、第１のバンドパスフィルタ１３aで２９ＧＨz帯の局部発振周波数信号２７のみを濾波し、バッファアンプ１３bで増幅された後、２次の周波数ミキサ１４に入力される。
【００６３】
上記周波数ミキサ１４では、図２に示すように、ＩＦ帯信号１７と局部発振周波数信号２７を周波数混合する。そうして周波数混合されたＲＦ信号２８aのミリ波無線周波数ｆRFは、入力周波数をｆL0とし、ＩＦ帯信号１７の中間周波数をｆIFとすると、
ｆRF＝ｆL±ｆIF …………………… (１)
(ただし、ｆL＝ｆL0×Ｎ×Ｍ)
で表される。
【００６４】
次に、上記ミリ波バンドパスフィルタ１５aでＲＦ信号２８aの上側帯のみを通過させ、ミリ波増幅器１５bで増幅する。そして、所定レベルまで増幅された信号は、ミリ波増幅器１５bの出力に接続された伝送線路３１(図１に示す)とアンテナ給電回路１２(図１に示す)とを電磁結合するスロット３２を介して、アンテナ給電回路１２に信号が供給されて、アンテナ素子１１により放射される。
【００６５】
この第１実施形態では、アンテナ給電回路１２と伝送線路３１は、スロット３２により電磁結合しているが、ビアホールで接続しても構わない。
【００６６】
一方、上記受信器７２について、送信器７１とは逆の動作を行い、ミリ波増幅器１５b,ＩＦ帯アンプ６３は、入出力の方向が送信器７１とは反対方向になる。
つまり、送信器７１から放射されたミリ波無線信号７３は、アンテナ素子１１により受信され、受信信号はアンテナ給電回路１２(図１に示す)に導かれ、ミリ波増幅器１５bで増幅された後、所望信号をミリ波バンドパスフィルタ１５aにより濾波する。そうして濾波されたＲＦ信号２８bは、周波数ミキサ１４に入力され、周波数逓倍器１６aからの局部発振周波数信号２７と周波数混合され、中間周波数ｆIFのＩＦ帯信号１７が生成される。このときのＩＦ帯信号１７の中間周波数ｆIFは、ミリ波無線周波数をｆRFとし、入力周波数をｆL0とすると、
ｆIF＝ｆRF−ｆL ………………… (２)
(ただし、ｆL＝ｆLo×Ｎ×Ｍ)
となる。上記受信器７２で生成されたＩＦ帯信号１７は、第１の誘電体基板１側のＩＦ入出力端子１７aを介して、第２の誘電体基板２０のＩＦ帯アンプ６３に入力される。そして、ＩＦ帯信号１７は、ＩＦ帯アンプ６３で所定の出力レベルまで増幅されて、入出力端子４０より出力される。
【００６７】
ここで、図５〜図７は上記アンテナ素子１１とアンテナ給電回路１２との結合方法を３通り示している。図５では、アンテナ素子１１と給電線路１２aが、第１表層面２(図１に示す)と第１内層面３(図１に示す)との間の誘電体層を挟んで結合線路を形成することによって、アンテナ素子１１と給電線路１２aを電磁結合している。また、図６では、第１内層面３(図１に示す)に、給電線路部にスタックドパッチ１２b形成し、第１表層面２(図１に示す)のパッチとを電磁結合させても構わない。さらに、図７のように、給電線路１２とアンテナ素子１１をビアホール１２cにより接続しても構わない。
【００６８】
このように、上記第１の誘電体基板１でミリ波帯の信号を扱い、第２の誘電体基板２０でミリ波帯よりも低い周波数帯の信号を扱うことによって、第２の誘電体基板２０の位相同期発振器２１により第１の誘電体基板１の周波数制御が制御可能となり、第１の誘電体基板１の高周波発振器(周波数逓倍器１６a,周波数ミキサ１４)による周波数ズレを低減することができる。
【００６９】
また、上記第２の誘電体基板２０のＡＧＣアンプ２３により中間周波数信号のパワーレベルを制御することによって、第１の誘電体基板１からの送信出力を一定に保つことができる。
【００７０】
また、上記周波数変換器として周波数ミキサ１４を用いることによって、周波数逓倍器１６aの逓倍次数Ｍを小さく設定でき、周波数逓倍器１６aのもつ不要スプリアス信号を減少させて、良好なミリ波局部発振周波数信号を得ることができる。
【００７１】
また、Ｍ≧Ｎなる関係で上記式(１)の条件を満足することによって、周波数変換利得の低下を防ぐことができる。
【００７２】
また、上記第１の誘電体基板１に誘電体積層基板を使用した場合、図１に示すように、ビアホール９２を介して、第１表層面２および第２表層面６にグランド導体層９１を取り出すことができ、その第１の誘電体基板１のグランド導体層９１と第２の誘電体基板２０のグランド導体層９４とが接続可能となり、良好な接地電位をとることができる。
【００７３】
さらに、図２,図３に示すように、グランド導体層９１によりキャビティ８０,８１,８２,８３を取り囲むことができるため、各ＩＣ(例えば１５,１６)の回路の不要発振を防ぐと共に、グランド導体層９５によりアンテナ素子１１を取り囲むことができるため、アンテナ素子１１の基板側面側からの不要放射を防ぐことができる。
【００７４】
なお、この第１実施形態では、Ｍ逓倍型の周波数逓倍器としての周波数ミキサ１６aが搭載されたアンテナ一体化ミリ波回路について説明したが、周波数ミキサだけでなくＭ逓倍する効果を有するマイクロ波回路であれば、どのような回路を用いても良く、例えば注入同期発振器を用いても構わない。
【００７５】
ここで、図２に示すように、第２の誘電体基板２０の基準発振器２２は、水晶発振器２２aとｋ次(ｋ：整数)逓倍アンプ２２bで構成したが、水晶発振器を用いたk次(k：整数)のオバートーン発振回路であっても構わない。上記k次逓倍アンプ２２bで水晶発振器２２aからの基準信号を逓倍増幅することにより位相同期発振器２１の分周比を低下させることができるため、位相同期発振器２１の信号の純度を示す位相雑音を低減することができる。これにより、第１の誘電体基板１で低周波局部発振周波数信号１８はＭ逓倍され、Ｍ逓倍することにより局部発振周波数信号２７の信号純度は、周波数に対して２０×ｌｏｇＭ(６dＢオクターブ)に従い劣化するが、上記劣化分を位相同期発振器２１の分周比を低下させることにより改善することが可能となる。このことは、上記第２の誘電体基板２０側の低周波発振器２３により信号の位相雑音特性も制御可能となることを意味する。
【００７６】
ここで、上記第２の誘電体基板２０の位相同期発振器２１は、１ＧＨz〜６ＧＨz付近の低周波信号源であるため、第１の誘電体基板１の周波数ミキサ１４の低周波局部発振周波数信号源として動作するのみならず、第２の誘電体基板２０上で位相同期発振器２１の出力を２分配して、その分配した出力の一方を上記第２の誘電体基板２０に設ける第２の周波数変換部(周波数ミキサ)の局部発振周波数信号源として共用することができる。
【００７７】
（第２実施形態）
図８はこの発明の第２実施形態のアンテナ一体化ミリ波回路の断面図であり、図９は上記アンテナ一体化ミリ波回路の平面図である。なお、図８は、図９のVIII−VIII線から見た断面を示している。なお、図９では、図を見やすくするために、第３の誘電体基板１３０はＡ面からの透視図を示している。以下、第１実施形態のアンテナ一体化ミリ波回路と異なるところについて説明する。
【００７８】
このアンテナ一体化ミリ波回路は、図８に示すように、誘電体積層基板である第１の誘電体基板１０１のアンテナ素子１１１が設けられたＢ面(第１表層面)の端部と、第２の誘電体基板１２０の低周波回路部１２６が形成されたＢ面の端部とを第３の誘電体基板１３０を介して物理的に接続している。なお、上記第１の誘電体基板１０１のＢ面側のアンテナ素子１１１の周囲にグランド導体層１９１を形成し、第２の誘電体基板１２０のＡ面側に電源回路部１２５を形成している。
【００７９】
また、図９に示すように、上記第３の誘電体基板１３０にＩＦ信号線路１１７c,局部発振周波数信号線路１１８c,電源線路１１９cおよびグランド導体層１４１cを形成している。そして、上記第１実施形態の第１の誘電体基板１上のＩＦ入出力端子１７a,入力端子１８a,電源端子１９aおよびグランド端子４１aに対応する第１の誘電体基板１０１の各端子を、第３の誘電体基板１３０のＩＦ信号線路１１７c,局部発振周波数信号線路１１８c,電源線路１１９cおよびグランド導体層１４１cを介して第２の誘電体基板１２０の回路に電気的に接続している。上記第３の誘電体基板１３０のグランド線路１４１cは、第３の誘電体基板１３０のＡ面(裏面)にグランド導体層１４１cとしても形成され、第１の誘電体基板１０１のグランド端子１４１aと第２の誘電体基板１２０との間のグランド導体層１９４も、第３の誘電体基板１３０のグランド導体層１４１cを介して接続される。
【００８０】
この第２実施形態のアンテナ一体化ミリ波回路は、第１実施形態のアンテナ一体化ミリ波回路と同様の効果を有すると共に、第１の誘電体基板１０１と第２の誘電体基板１２０の熱膨張張率が異なるために半田等による接続が困難な場合、応力に対して緩衝的な役目を有する第３の誘電体基板１３０で接続するので、両者の熱膨張に対して応力を緩和することができる。
【００８１】
上記第２実施形態では、第３の誘電体基板１３０の伝送線路は、Ｂ面(基板裏面)にグランド導体層１４１cが存在するマイクロストリップ線路で構成したが、第３の誘電体基板の伝送線路は、グランド導体層が信号線路１１７c,１１８c側と同じ面上にくるコプレーナ線路で構成してもよい。
【００８２】
（第３実施形態）
図１０はこの発明の第３実施形態のアンテナ一体化ミリ波回路の断面図であり、第３の誘電体基板２３０にフレキシブルプリント回路基板を用いた構成について示している。
【００８３】
図１０に示すように、第２の誘電体基板２２０の両面に形成した電源回路部２２５または低周波回路部２２６の小さい方である低周波回路部２２６側に、第１の誘電体基板２０１を接続した場合について示している。グランド導体層となっている第１の誘電体基板２０１の蓋体２９０と第２の誘電体基板２２０のグランド導体層２９４とを導電ペースト等で電気的に接続すると共に、樹脂等の接着材２７０で物理的に接続している。
【００８４】
この第２実施形態のアンテナ一体化ミリ波回路は、第１実施形態のアンテナ一体化ミリ波回路と同様の効果を有すると共に、第１の誘電体基板２０１と第２の誘電体基板２２０の熱膨張張率が異なるために半田等による接続が困難な場合、応力に対して緩衝的な役目を有する第３の誘電体基板２３０であるフレキシブルプリント回路基板で接続するので、両者の熱膨張に対して応力を緩和することができる。
【００８５】
この場合は、第１の誘電体基板２０１のグランド導体層２９１と第２の誘電体基板２２０のグランド導体部２９４が、第３の誘電体基板２３０のグランド導体部を介して接続されるだけでなく、第１の誘電体基板２０１の蓋体２９０と第２の誘電体基板２２０のグランド導体層２９４が、直接かつ平面的に接続される。それによって、上記第１の誘電体基板２０１と第２の誘電体基板２２０との良好な接地電位を得ることが可能となり、個々の回路において安定した動作ができ、電源雑音を低減できると共に、アンテナ素子２１１からの不要放射を少なくできる。さらに、上記第１の誘電体基板２０１の蓋体２９０により放熱も可能となり、総合的に回路の安定動作が可能となる。
【００８６】
（第４実施形態）
図１１にこの発明の第４実施形態のアンテナ一体化ミリ波回路の断面図を示している。
【００８７】
図１１に示すように、誘電体積層基板である第１の誘電体基板３０１は、各ＩＣ３１５,３１６等を搭載した後、導電性の蓋体３９０により気密封止されている。一方、第２の誘電体基板３２０の電源回路層３２０bの一部を除去してキャビティ３０４を形成している。上記第２の誘電体基板３２０のキャビティ３０４に、蓋体３９０を有する第１の誘電体基板３０１を組み込んでいる。上記第１の誘電体基板３０１は、第１の誘電体基板３０１の側壁部に、導電性のキャスタレーション(側壁)端子３１８aを形成している。上記キャスタレーション端子３１８aは、ＩＦ入出力端子,局部発振周波数信号端子,電源端子およびグランド端子で構成されている。一方、上記キャスタレーション端子３１８aを構成するＩＦ入出力端子,局部発振周波数信号端子,電源端子およびグランド端子と、第２の誘電体基板３２０の各端子３１８bとは、半田３０３等で接続している。また、上記第１の誘電体基板３０１のアンテナ素子３１１の周囲にグランド導体層３９１を形成すると共に、第２内層面３０４にグランド導体層３９３を形成している。そして、上記グランド導体層３９１,３９３をビアホール３９２を介して接続している。
【００８８】
上記誘電体積層基板である第１の誘電体基板３０１の第１表層面または第２表層面に中間周波数端子と低周波局部発振周波数端子が接続されたキャスタレーション端子３１８aによって、良好な周波数特性を維持したままで、第１の誘電体基板３０１の回路と第２の誘電体基板３２０の回路との電気的な接続が容易にできる。
【００８９】
なお、上記第２の誘電体基板３２０の電源回路層３２０bを一部除去してキャビティ３０４を形成することで説明したが、電源回路部に比較して、低周波回路部(図示せず)が小さければ、低周波回路層３２０aの一部を除去して、キャビティを形成してもよい。
【００９０】
上記第４実施形態のアンテナ一体化ミリ波回路では、第１の誘電体基板３０１と第２の誘電体基板３２０を直接接続し、かつ、グランド導体は、第１の誘電体基板３０１の蓋体３９０の部分と第２の誘電体基板３２０のグランド導体層３９４の広い面積で接続されているため、より安定した総合動作が可能となる。
【００９１】
上記第１〜第４実施形態において、周波数ミキサにアンチパラレルダイオードペアを有する周波数ミキサを用いることによって、周波数ミキサの次数をＮ＝２に設定でき、かつ、変換利得を大きくとることができると共に、アンチパラレルダイオードペアを有する周波数ミキサの逓倍波の逆位相合成作用により、周波数ミキサから出力されるミリ波局部発振周波数信号波(不要波)を小さくすることができる。
【００９２】
また、上記第１〜第４実施形態のアンテナ一体化ミリ波回路を、地上放送波,衛星放送波またはケーブルテレビジョン信号波に適用することによって、高性能な送受信特性を有する送受信装置を実現することができる。
【００９３】
【発明の効果】
以上より明らかなように、この発明のアンテナ一体化ミリ波回路によれば、ミリ波の高周波部(６０ＧＨz帯等)を扱う第１の誘電体基板と、低周波部(ＤＣ〜６ＧＨz)付近を扱う第２の誘電体基板に分け、かつ、第１の誘電体基板では誘電体積層基板を利用してアンテナ一体化すると共に、ミリ波無線周波数を決める局部発振器を第２の誘電体基板に搭載することにより、第２の誘電体基板で中心周波数の制御,周波数安定性の制御ができ、周波数ズレを低減することができる。
【００９４】
また、アンテナ一体化ミリ波回路では困難であった送信出力制御が、第２の誘電体基板中のＡＧＣアンプ(またはリミタアンプ)を搭載することにより、ミリ波の送信出力の制御も第２の誘電体基板上で行うことができ、送信出力を一定に保つことができる。
【００９５】
さらに、アンテナ一体化ミリ波回路のアンテナ素子とアンテナ給電回路を独立させ、結合線路,ビアホールまたはスタックドパッチでアンテナ給電回路とアンテナ素子を結合させる構造としているので、アンテナ給電回路でアレイアンテナの配線(各アンテナ素子への給電)が容易にできるという効果があり、アレイアンテナ一体化が可能となる。これによって、アンテナ一体化ミリ波回路のパッケージの小型化とミリ波帯の高周波部を扱う第１の誘電体基板の歩留まり向上と、コスト低減、設計変更が容易になる。さらに、アンテナ素子のグランド導体部と回路のグランド導体部が共通であるため、アンテナ一体化ミリ波回路の安定した動作が可能となる。
【００９６】
また、上記第１の誘電体基板に誘電体積層基板を用い、その誘電体積層基板の表面と裏面を利用して回路とアンテナ素子およびグランド導体層を一体化することが可能となると共に、ミリ波部のアンテナ素子を接続する工程が不要で、基板のそりによる不要放射の影響等を低減することができ、アンテナ素子の放射効率が向上し、かつ量産時の性能を一定にすることができる。
【００９７】
また、上記第２の誘電体基板上の位相同期発振器の基準信号源として、水晶発振器にk次(k：整数)逓倍増幅器を使用しているため、位相同期発振器の分周比を低減することができ、第１の誘電体基板上のＭ逓倍器の逓倍次数Ｍによる位相雑音増大の影響を小さくすることが可能となる。これにより、ミリ波局部発振周波数信号の低位相雑音化することが可能となる。このことは、第２の誘電体基板上において、発振器の周波数制御や信号出力レベルの制御のみならず、ミリ波局部発振周波数信号の雑音特性も制御可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１はこの発明の第１実施形態のアンテナ一体化ミリ波回路の断面図である。
【図２】 図２は上記アンテナ一体化ミリ波回路の平面図である。
【図３】 図３は上記アンテナ一体化ミリ波回路の裏面図である。
【図４】 図４は上記アンテナ一体化ミリ波回路のブロック構成図である。
【図５】 図５は上記アンテナ一体化ミリ波回路の結合線路を用いたアンテナ素子部と給電部の結合を示す図である。
【図６】 図６は上記アンテナ一体化ミリ波回路のスタックドパッチを用いたアンテナ素子部と給電部の結合を示す図である。
【図７】 図７は上記アンテナ一体化ミリ波回路のビアホールを用いたアンテナ素子部と給電部の結合を示す図である。
【図８】 図８はこの発明の第２実施形態のアンテナ一体化ミリ波回路の断面図である。
【図９】 図９は上記アンテナ一体化ミリ波回路の平面図である。
【図１０】 図１０はこの発明の第３実施形態のアンテナ一体化ミリ波回路の断面図である。
【図１１】 図１１はこの発明の第４実施形態のアンテナ一体化ミリ波回路の断面図と平面図である。
【図１２】 図１２は従来の第１のアンテナ一体化ミリ波回路を示す平面図である。
【図１３】 図１３は上記第１のアンテナ一体化ミリ波回路を示す断面図である。
【図１４】 図１４は従来の第２のアンテナ一体化ミリ波回路を示す断面図である。
【図１５】 図１５は上記第２のアンテナ一体化ミリ波回路のモジュールのブロック図である。
【図１６】 図１６は従来の第３のアンテナ一体化ミリ波回路を示す断面図である。
【図１７】 図１７は上記第３のアンテナ一体化ミリ波回路を示すブロック図である。
【符号の説明】
１,１０１,２０１,３０１…第１の誘電体基板、
２…第１表層面、
３…第１内層面、
４…第２内層面、
５…第３内層面、
６…第２表層面、
１１,１１１,２１１,３１１…アンテナ素子、
１２…アンテナ給電回路、
１２a…給電線路、
１２b…スタックドパッチ、
１３a…バンドパスフィルタ、
１３b…バッファアンプ、
１４…周波数ミキサ、
１５,３１５…マイクロ波モノリシックＩＣ、
１５a…ミリ波バンドパスフィルタ、
１５b…ミリ波増幅器、
１６,３１６…マイクロ波ＩＣ、
１６a,１６b…周波数逓倍器、
１７…ＩＦ帯信号、
１７a…ＩＦ入出力端子、
１８…低周波局部発振周波数信号、
１８a…入力端子、
１９a…電源入力端子、
２０,１２０,２２０,３２０…第２の誘電体基板、
２１,１２１…位相同期発振器、
２２,１２２…基準発振器、
２２a…水晶発振器、
２２b…ｋ次逓倍アンプ、
２３…ＡＧＣアンプ、
２５,１２５,２２５…電源回路部、
２６,１２６,２２６…低周波回路部、
２７…局部発振周波数信号、
２８a…ＲＦ信号(送信器側)、
２８b…ＲＦ信号(受信器側)、
３０,１３０,２３０…第３の誘電体基板、
３１…伝送線路、
３２…スロット、
４０…入出力端子、
４１a…グランド端子、
６１…ドライバアンプ、
６２…フィルタ、
６３…ＩＦ帯アンプ、、
７１…送信器、
７２…受信器、
７３…ミリ波無線信号、
８０,８１,８２,８３,３０４…キャビティ、
９０,２９０,３９０…蓋体、
９１,９３,９４,９５,１９１,１９４,２９１,２９４,３９１,３９２,３９３,３９４…グランド導体層、
９２,１９２,１９３,２９２,３９２…ビアホール、
１１７c…ＩＦ信号線路、
１１８c…局部発振周波数信号線路、
１１９c…電源線路、
１４１c…グランド導体層、
２７０…接着剤、
３０３…半田、
３１８a…キャスタレーション端子、
３２０a…低周波回路層、
３２０b…電源回路層、
４０１…誘電体積層基板、
４０２…放熱板、
４０４…電圧制御発振器、
４０５…周波数逓倍器、
４０６…増幅器、
４０７…平面アンテナ素子用基板、
４０８…スロット、
４１０…キャップ、
４２２…マイクロストリップ線路、
４２４…ビアホール、
５３４…基体、
５３５…蓋体、
５４１…ベース部、
５４１a…誘電体基板、
５４１b…誘電体基板、
５４１c…グランド導体層、
５４１e…平面アンテナ素子、
５４１d…スロット、
５４２…フレーム部、
５６０…パッケージ、
５６０a…上面、
５６０b…スロット結合、
５６０f…局部発振周波数端子、
５６３…平面アンテナ素子、
５６４…マイクロストリップ線路、
５６４a…ボンディングワイヤ、
５７１…送受切換手段、
５７１a…受信信号、
５７２…低雑音増幅器、
５７３…帯域通過フィルタ、
５７４…周波数ミキサ、
５７４a…局部発振周波数信号、
５７４b…中間周波信号、
５８０…アナログ／デジタル信号処理ＩＣ、
５８１…中間周波増幅回路、
５８２…Ａ／Ｄ変換器、
５８３…処理手段、
５８３a…シリアルデータ、
５９１…マイクロストリップ線路、
５９２…ＭＭＩＣ、
５９４…ボンディングワイヤ、
６０１…高周波パッケージ、
６０２…アンテナ素子回路基板、
６０３…平面アンテナ素子、
６０４…給電線路、
６０５…グランド導体層、
６０６…スロット、
６０７…高周波デバイス回路基板、
６０８…キャビティ、
６０９…高周波デバイス、
６１０…蓋体、
６１１…伝送線路、
６１２…グランド導体層、
６１３…スロット、
６１４,６１５…ビアホール、
６１９…周波数変換器、
６２０…高周波発振器、
６２１,６２２…増幅器。
Claims (16)
- アンテナ素子と、中間周波数信号を上記アンテナ素子への送信信号に周波数変換するかまたは上記アンテナ素子からの受信信号を中間周波数信号に周波数変換する周波数変換器と、低周波局部発振周波数信号の周波数をＭ倍(Ｍは整数)に逓倍してミリ波局部発振周波数信号を上記周波数変換器に供給する周波数逓倍器とが形成され、上記周波数逓倍器に上記低周波局部発振周波数信号を供給するための低周波局部発振周波数端子と上記周波数変換器に接続された中間周波数端子とを有する第１の誘電体基板と、
上記第１の誘電体基板に固定されると共に、上記第１の誘電体基板の上記中間周波数端子に電気的に接続された回路と、上記第１の誘電体基板の上記低周波局部発振周波数端子と電気的に接続された低周波局部発振器とが形成された第２の誘電体基板とを備え、
上記第２の誘電体基板の上記低周波局部発振器からの上記低周波局部発振周波数信号により、上記第１の誘電体基板の上記周波数変換器により変換される上記送信信号または上記受信信号の周波数を制御することを特徴とするアンテナ一体化ミリ波回路。 - アンテナ素子と、中間周波数信号を上記アンテナ素子への送信信号に周波数変換するかまたは上記アンテナ素子からの受信信号を中間周波数信号に周波数変換する周波数変換器と、低周波局部発振周波数信号の周波数をＭ倍(Ｍは整数)に逓倍してミリ波局部発振周波数信号を上記周波数変換器に供給する周波数逓倍器とが形成され、上記周波数逓倍器に上記低周波局部発振周波数信号を供給するための低周波局部発振周波数端子と上記周波数変換器に接続された中間周波数端子とを有する第１の誘電体基板と、
低周波局部発振器が形成された第２の誘電体基板と、
両端に接続端子を有する伝送線路が形成された第３の誘電体基板とを備え、
上記第３の誘電体基板の上記伝送線路を介して上記第１の誘電体基板の上記中間周波数端子を上記第２の誘電体基板に形成された回路に電気的に接続し、上記第３の誘電体基板の上記伝送線路を介して上記第１の誘電体基板の上記低周波局部発振周波数端子を上記第２の誘電体基板の上記低周波局部発振器に電気的に接続すると共に、
上記第２の誘電体基板の上記低周波局部発振器からの上記低周波局部発振周波数信号により、上記第１の誘電体基板の上記周波数変換器により変換される上記送信信号または上記受信信号の周波数を制御することを特徴とするアンテナ一体化ミリ波回路。 - 請求項２に記載のアンテナ一体化ミリ波回路において、
上記伝送線路は、マイクロストリック線路またはコプレーナ線路から成ることを特徴とするアンテナ一体化ミリ波回路。 - 請求項１乃至３のいずれか１つに記載のアンテナ一体化ミリ波回路において、
上記第２の誘電体基板は、上記中間周波数信号のパワーレベルを制御する利得制御アンプまたはリミタアンプを有することを特徴とするアンテナ一体化ミリ波回路。 - 請求項１乃至４のいずれか１つに記載のアンテナ一体化ミリ波回路において、
上記周波数変換器は、Ｎ次(Ｎは整数)の周波数ミキサであることを特徴とするアンテナ一体化ミリ波回路。 - 請求項５に記載のアンテナ一体化ミリ波回路において、
上記Ｍ倍に逓倍する周波数逓倍器と上記Ｎ次の周波数ミキサでは、上記低周波局部発振周波数をｆLOとし、中間周波数をｆIFとし、無線周波数をｆRFとするとき、
ｆRF＝Ｍ×Ｎ×ｆLO＋ｆIF (ただし、Ｍ≧Ｎ)
の条件を満足することを特徴とするアンテナ一体化ミリ波回路。 - 請求項５に記載のアンテナ一体化ミリ波回路において、
上記周波数ミキサがアンチパラレルダイオードペアを有する周波数ミキサであることを特徴とするアンテナ一体化ミリ波回路。 - 請求項１乃至７のいずれか１つに記載のアンテナ一体化ミリ波回路において、
上記第１の誘電体基板は、一方の第１表層面から順に第１内層面,第２内層面および第３内層面を有する誘電体積層基板であって、
上記第１表層面に上記アンテナ素子を形成し、
上記第１内層面に上記アンテナ素子に給電するためのアンテナ給電回路を形成し、
上記第２内層面にグランド導体層を形成し、
上記第３内層面に上記周波数変換器を形成したことを特徴とするアンテナ一体化ミリ波回路。 - 請求項８に記載のアンテナ一体化ミリ波回路において、
上記アンテナ給電回路から結合線路またはビアホールを介して上記アンテナ素子に給電するか、または、スタックドパッチアンテナ素子を形成することにより上記アンテナ給電回路から上記アンテナ素子に給電することを特徴とするアンテナ一体化ミリ波回路。 - 請求項８に記載のアンテナ一体化ミリ波回路において、
上記誘電体積層基板の第１表層面または第２表層面に上記中間周波数端子と上記低周波局部発振周波数端子を有し、
上記誘電体積層基板の側面に、上記中間周波数端子と上記低周波局部発振周波数端子が接続されたキャスタレーション端子を形成したことを特徴とするアンテナ一体化ミリ波回路。 - 請求項８に記載のアンテナ一体化ミリ波回路において、
上記誘電体積層基板の第２表層面にグランド導体層が形成され、
上記第２内層面のグランド導体層と上記第２表層面のグランド導体層とがビアホールを介して接続されていることを特徴とするアンテナ一体化ミリ波回路。 - 請求項８に記載のアンテナ一体化ミリ波回路において、
上記第１表層面にグランド導体層が形成され、
上記第２内層面のグランド導体層が上記第１表層面のグランド導体層にビアホールを介して接続されていることを特徴とするアンテナ一体化ミリ波回路。 - 請求項１乃至１２のいずれか１つに記載のアンテナ一体化ミリ波回路において、
上記第２の誘電体基板上に、局部発振器と、上記局部発振器によって駆動される第２の周波数変換器を形成したことを特徴とするアンテナ一体化ミリ波回路。 - 請求項１乃至１３のいずれか１つに記載のアンテナ一体化ミリ波回路において、
上記中間周波数信号が地上放送波,衛星放送波またはケーブルテレビジョン信号波のいずれか１つであることを特徴とするアンテナ一体化ミリ波回路。 - 請求項１乃至１４のいずれか１つに記載のアンテナ一体化ミリ波回路において、
上記第２の誘電体基板の上記低周波局部発振器が、水晶発振器と上記水晶発振器の発振周波数を逓倍する周波数逓倍器を基準信号源とする位相同期発振器であることを特徴とするアンテナ一体化ミリ波回路。 - 請求項１乃至１４のいずれか１つに記載のアンテナ一体化ミリ波回路において、
上記第２の誘電体基板上の低周波局部発振器が、水晶発振器を有するオーバトーン発振器を基準信号源とする位相同期発振器であることを特徴とするアンテナ一体化ミリ波回路。
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