JP3802405B2 - アクティブスロットアンテナ及びアクティブスロットアレーアンテナ及びそれを用いた送信装置と受信装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アクティブスロットアンテナ及びアクティブスロットアレーアンテナ及びそれを用いた送信装置と受信装置に関し、アンテナ素子と半導体デバイスを一体化して構成したアクティブスロットアンテナ及びアクティブスロットアレーアンテナ及びそれを用いた送信装置と受信装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電子追尾機能を持ち移動体から情報を伝送する移動体ＳＮＧ（ニュース素材伝送）装置のアンテナ、マルチビームや空間的にビーム走査可能な衛星放送受信用アンテナ、または衛星搭載用の送受信アンテナとしてアクティブアンテナが開発されている。
【０００３】
図５（Ａ），（Ｂ）は、従来のアクティブアンテナの一例の斜視図、断面図を示す。また、図６はそのブロック構成図を示す。両図中、１０はセラミック多層基板パッケージ、１２は接続電極、１４は多層積層基板である。高周波モジュール１６は、セラミック多層基板パッケージ１０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２０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１２が導体パターンで形成されて構成されている。
【０００４】
一方、制御モジュール２２は、多層積層基板１４を用いて構成され、下面に信号処理用の複数のＬＳＩが実装され、上面に高周波モジュール１６を取り付けるための接続電極が設けられている。高周波モジュール１６と制御モジュール２２とは、両者の表面に設けられた接続電極１２の部分で半田付けされて接続されている。
【０００５】
また、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。セラミック多層基板パッケージ１０の放射素子２０を設けた面に、放射素子２０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１０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。
【０００６】
このような構成においては、高周波モジュール１６と制御モジュール２２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。また、高周波モジュール１６と制御モジュール２２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。
【０００７】
さらに、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１６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。
【０００８】
図７（Ａ），（Ｂ）は、従来のアクティブスロットアンテナの他の一例の断面図、平面図を示す。この例は、マイクロストリップ給電によるスロットアンテナにＭＭＩＣ（Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）増幅器が実装されている例である（参考文献１：電子情報通信学会’９９ソサイエティ大会Ｃ−０２−１４）。
【０００９】
図７（Ａ），（Ｂ）において、ＭＭＩＣ増幅器３１の入出力側に接続されているストリップ導体３２と誘電体基板３３とグランド導体面３４から構成されるマイクロストリップ線路から電磁結合によりスロットアンテナ３５に給電している。またアンテナの放射効率を上げるために誘電体基板３６を積層してある。この構造ではマイクロストリップ線路のグランド導体面３４にスロットアンテナ３５を形成しているため、ＭＭＩＣ増幅器３１とスロットアンテナ３５の面が一体化されて非常に薄型にアクティブアンテナを構成できる。
【００１０】
図８（Ａ），（Ｂ）は、従来のアクティブスロットアンテナの更に他の一例の断面図、平面図を示す。この例は、トリプレート線路を用いた電磁結合型マイクロストリップアンテナにＭＭＩＣ増幅器が実装されている例である（参考文献２：電子情報通信学会’９９ソサイエティ大会Ｂ−１−１０９）。
【００１１】
図８（Ａ），（Ｂ）において、アンテナへ給電するトリプレート線路はストリップ導体４２と誘電体基板４３とグランド導体面４４で構成されており、スロット４５を経由して金属パッチ４６と誘電体基板４７とグランド導体面４４から構成されるマイクロストリップパッチアンテナに電磁結合させることにより、アンテナへ給電している。またスロット４５付近で発生するパラレルプレートモードを抑圧するためにビアホール４８を用いて２つのグランド導体面４４間を接続している。この構造においてもＭＭＩＣ増幅器４１を一体化することで、非常に薄型のアクティブアンテナが構成できる。またこのアクティブアンテナを送信装置に用いた場合グランド面に放熱機構をも配置することができる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
図５の従来例では、複数個のアレーアンテナ素子と一体化された高周波モジュール１６と制御モジュール２２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。さらにサーマルバイアホール２８をアンテナ面側に取り付けたヒートシンク２９に接続することにより放熱処理を行うことができる。
【００１３】
しかし、この構造で、熱の発生が多い高出力の電力増幅器を使用すると、放熱のためのヒートシンク２９を大きくして、アンテナの表面および側面に取り付ける必要があるので、アンテナの特性に影響を及ぼす可能性があり、ヒートシンク２９の大きさに限界がある。また、ヒートパイプなどの放熱機構を構成することも非常に困難となる。
【００１４】
また、アンテナが大型化されると全体の重量が増加して複雑になる。さらに、高周波モジュールの給電線路はバイアホールなどで直接増幅素子とアンテナ素子を接続する構造のため、周波数が高くなるとアンテナの特性が低下する恐れがあるという問題があった。
【００１５】
図７の従来例では、アクティブデバイスとアンテナが非常に簡単に一体化された構造であるが、この構造に放熱機構を設置する場合、ＭＭＩＣ増幅器３１の上側面、あるいはマイクロストリップ線路のストリップ導体３２面上に取り付ける必要があり構造が複雑となる。さらにＭＭＩＣ増幅器３１の出力が大きい場合は、通常、ＭＭＩＣ増幅器３１をグランド導体面３４上に配置し、放熱機構をＭＭＩＣ増幅器３１と接するグランド導体面３４の裏側（アンテナの放射面側）に配置する必要がある。しかし、この構造ではアンテナの放射面側に放熱機構が設置されるため、アンテナの特性に重大な影響を及ぼす恐れがあるという問題があった。
【００１６】
図８の従来例では、下側のグランド導体面４４に放熱機構を配置することができる。しかし、図５の例と同様にアンテナが多層基板で構成されているため、ＭＭＩＣ増幅器４１とアンテナの一体化構造が複雑であるという問題点がある。また、パラレルプレートモードを抑圧するために多層基板にビアホール４８を製作しなければならないという問題点もあり、平面上にアレーとして配列する場合、製作上複雑な工程が必要となりコストが高くなるという問題があった。
【００１７】
本発明は、上記の点に鑑みなされたもので、放熱機構を含めたアンテナとアクティブデバイスの一体化構造を薄型・単純・軽量化できるアクティブスロットアンテナ及びアクティブスロットアレーアンテナ及びそれを用いた送信装置と受信装置を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、アクティブデバイスの出力線路側のグランド導体面と共有化され、前記出力線路と電磁結合する励振用スロットが形成された励振用スロット板と、
前記励振用スロット板の前記アクティブデバイス配置面の裏側に、前記励振用スロット及びその近傍を除く部分に配置された放熱機構と、
前記放熱機構を介して前記励振用スロット板と離間対向し前記励振用スロットと電磁結合する放射用スロットが形成された放射用スロット板を有し、
前記励振用スロットと前記放射用スロットとの電磁結合により前記放射用スロットに給電することにより、
出力線路側のグランド導体面と励振用スロット板とが共通化された構造であっても励振用スロット板から離間して設置された放射用スロット板の放射用スロットに給電することで、励振用スロット板と放射用スロット板の間に放熱機構を配置でき、放熱機構を含めたアンテナとアクティブデバイスの一体化構造を薄型・単純・軽量化できる。
【００１９】
請求項２に記載の発明は、励振用スロット板と前記放射用スロット板の間に、結合用スロットを形成した一または複数の結合用スロット板を所定間隔で積層し、
前記励振用スロット板の裏側に配置された前記放熱機構の厚みを可変設定することにより、
発熱量が大きい高出力のアクティブデバイスを使用し放熱機構が大きくなる場合にも、放熱機構の大きさを任意に設定して配置することができる。
【００２０】
請求項３に記載の発明は、前記励振用スロット板と前記放射用スロット板の間に、結合用スロットを形成した一または複数の結合用スロット板を所定間隔で積層し、
前記放射用スロット板に複数のスロットを設け、
前記結合用スロット板の結合用スロットと前記放射用スロットアレー板の複数のスロットとの電磁結合により前記放射用スロットアレー板の複数のスロットに給電することにより、
放射用スロットアレー板の複数のスロットを精度良く給電できると共に、高い周波数においても効率よく高精度なアンテナ特性が期待でき、低価格かつ高精度のアンテナを得ることが可能となる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図１（Ａ），（Ｂ）は、本発明のアクティブスロットアンテナの第１実施例の分解斜視図、断面図を示す。同図中、アクティブスロットアンテナ５０は、放射用スロット板５２と放熱機構５３と励振用スロット金属箱５４から大略構成されている。
【００２２】
金属製の放射用スロット板５２には放射用スロット５１が形成されており、この放射用スロット板５２の一面に、励振用スロット及びその近傍を除く部分に放熱処理を行うためのヒートパイプなどの放熱機構５３を介在させて励振用スロット金属箱５４が固定される。
【００２３】
励振用スロット金属箱５４は、金属ケース５４−３内に入力用のストリップ導体５４−４と、入力信号を増幅するための電力増幅器５４−５と、電力増幅器５４−５の出力線路で励振用スロット５４−１を給電するためのストリップ導体５４−６とを収納し、励振用スロット５４−１が形成された励振用スロット板５４−２で金属ケース５４−３の開口部分を覆って構成されている。
【００２４】
上記ストリップ導体５４−４とスロット板５４−２と金属ケース５４−３により入力用トリプレート線路５４−７が構成され、ストリップ導体５４−６とスロット板５４−２と金属ケース５４−３により出力用トリプレート線路５４−８が構成されている。入力用トリプレート線路５４−７と出力用トリプレート線路５４−８と電力増幅器５４−５と金属ケース５４−３と励振用スロット５４−１が形成されている励振用スロット板５４−２により励振用１素子アクティブスロットアンテナが構成されている。
【００２５】
高周波信号の流れについて説明する。図１（Ｂ）に示すように、高周波信号は入力用トリプレート線路５４−７を伝送されて電力増幅器５４−５に入力され、電力増幅器５４−５で増幅された後、出力用トリプレート線路５４−８を伝送されて励振用スロット５４−１に電磁結合され、さらに放射用スロット５１に電磁結合されて空間に放射される。
【００２６】
この構造は、１素子の励振用スロットを上部の１素子の放射用スロットに電磁的に結合させる実施例である。電力増幅器５４−５の出力線路についてはトリプレート線路５４−８の代わりに誘電体線路で構成されたマイクロストリップ線路を利用することもできる。また、電力増幅器５４−５出力側の出力用トリプレート線路５４−８のグランド導体面を励振用スロット板５４−２と共用化しているので構造が簡単になり、電磁波のエネルギーが効率よく励振用スロット５４−１から放射され、励振用スロット板５４−２から離間して設置された放射用スロット板５２の放射用スロット５１に給電することで、励振用スロット板５４−２と放射用スロット板５２の間に放熱機構を配置できる。
【００２７】
放熱機構５３については、例えば、中空のパイプを井形状に結合した構造になっているので、ヒートパイプや水冷冷却用のパイプとして利用することが可能である。
【００２８】
図２（Ａ），（Ｂ）は、本発明のアクティブスロットアンテナの第２実施例の分解斜視図、断面図を示す。同図中、アクティブスロットアンテナ６０は、放射用スロット金属板６６と放熱機構６７と励振用スロット金属箱６８から大略構成されている。
【００２９】
放射用スロット金属板６６は、放射用スロットアレー板６２と結合用スロット板６４と金属フレーム６５から構成されている。金属製の放射用スロットアレー板６２には複数の放射用スロット６１が１列に並べて形成され、結合用スロット板６４には複数の放射用スロット６１を励振するための結合用スロット６３が形成されており、この放射用スロットアレー板６２と結合用スロット板６４とは金属フレーム６５を介在させることによって一定間隔で離間対向した状態で固定されている。放射用スロット金属板６６の下面に、放熱処理を行うためのヒートパイプなどの放熱機構６７を介在させて励振用スロット金属箱６８が固定される。
【００３０】
励振用スロット金属箱６８は、金属ケース６８−３内に入力用のストリップ導体６８−４と、入力信号を増幅するための電力増幅器６８−５と、電力増幅器６８−５の出力線路で励振用スロット６８−１を給電するためのストリップ導体６８−６とを収納し、励振用スロット６８−１が形成されたスロット板６８−２で金属ケース６８−３の開口部分を覆って構成されている。
【００３１】
上記ストリップ導体６８−４とスロット板６８−２と金属ケース６８−３により入力用トリプレート線路６８−７が構成され、ストリップ導体６８−６とスロット板６８−２と金属ケース６８−３により出力用トリプレート線路６８−８が構成されている。入力用トリプレート線路６８−７と出力用トリプレート線路６８−８と電力増幅器６８−５と金属ケース６８−３と励振用スロット６８−１が形成されている励振用スロット板６８−２により励振用１素子アクティブスロットアンテナが構成されている。
【００３２】
高周波信号の流れについて説明する。図２（Ｂ）に示すように、高周波信号は入力用トリプレート線路６８−７を伝送されて電力増幅器６８−５に入力され、電力増幅器６８−５で増幅された後、出力用トリプレート線路６８−８を伝送されて励振用スロット６８−１に電磁結合され、結合用スロット６３を介して複数の放射用スロット６１に電磁結合されて空間に放射される。この構造は、１素子の励振用スロットを上部の放射用スロットアレーに電磁的に結合させた実施例であり、放射用スロットアレー板６２の複数のスロット６１を精度良く給電できると共に、高い周波数においても効率よく高精度なアンテナ特性が期待でき、低価格かつ高精度のアンテナを得ることが可能となる。
【００３３】
図３は、本発明のアクティブスロットアンテナの第３実施例の断面図を示す。同図中、アクティブスロットアンテナ７０は、第２実施例の構造において使用した結合用スロットを形成する結合用スロット板をヒートパイプ等の放熱機構７７を介在させて２枚積層したものである。図３において、励振用スロット６８−１から放射された電磁波は積層した結合用スロット板７４ａ，７４ｂ及び結合用スロット板６４それぞれに設けられた結合用スロット７３ａ，７３ｂ及び結合用スロット６３を介して放射用スロット６１に電磁結合され、空間に放射される。
【００３４】
このように、２枚の結合用スロット板７４ａ，７４ｂをヒートパイプ等の放熱機構７７を介在させて積層することにより、電力増幅器６８−５の高出力化のため、大規模な放熱機構が必要となった場合でも、結合用スロット板の積層数及び結合用スロット板６４，７４ａ，７４ｂの間隔を調整することによって、アンテナの放射特性に影響を与えることなく必要な大きさの放熱機構７７を設置することが可能となる。なお、結合用スロット板の積層数は１以上の何層であっても良い。
【００３５】
図４は、本発明のアクティブスロットアレーアンテナの第１実施例の斜視図を示す。この実施例は、第２実施例（または第３実施例）で説明したアクティブスロットアンテナ６０（または７０）を複数集合して構成されている。このように、アクティブスロットアンテナ６０を複数、平面状に隣接させて配設し１つのアクティブスロットアレーアンテナ８０を構成し、１つのアンテナとして動作させることができる。
【００３６】
なお、上記図１〜図４に示す実施例では、送信用のアクティブアンテナについて説明したが、電力増幅器５４−５，６８−５を低雑音増幅器とすることにより受信用のアクティブアンテナとして使用することもできる。
【００３７】
このように、電力増幅器５４−５，６８−５の出力用トリプレート線路５４−８，６８−８のグランド導体面を励振用スロット板５４−２，６８−２と共用化した簡単な構造においても励振用スロット板５４−２，６８−２から更に所定間隔を隔てて放射用スロット板５２，放射用スロットアレー板６２を設置して電磁結合により給電することにより、グランド導体面と放射用スロット板５２，放射用スロットアレー板６２の間に放熱機構５３，６７を設置することができるので、放熱機構５３，６７を含めたアンテナと電力増幅器５４−５，６８−５の一体化の構造を薄型・単純・軽量化できる。
【００３８】
また、熱の発生の多い高出力の電力増幅器６８−５を使用するために放熱機構６７が大規模になった場合でも、結合用スロット板７４ａ，７４ｂを多層化することにより、放熱機構７７の大きさを任意に設定して設置することが可能となる。
【００３９】
また、電力増幅器の出力線路６８−８と複数の放射用スロット６１を電磁結合させることで給電が可能となるため、放射用スロットアレーを精度良く給電することができるとともに、高い周波数においても効率よく高精度なアンテナの特性が期待でき、低価格・高精度のアクティブスロットアンテナを実現できる。更に、多層化された各結合用スロット６３，７３ａ，７３ｂの共振長をそれぞれ変えることにより、アンテナの送受信帯域を広げることが可能となる。
【００４０】
なお、電力増幅器５４−５，６８−５が請求項記載のアクティブデバイスに対応し、ストリップ導体５４−６，６８−６が出力線路に対応する。
【００４１】
【発明の効果】
上述の如く、請求項１に記載の発明は、出力線路側のグランド導体面と励振用スロット板とが共通化された構造であっても励振用スロット板から離間して設置された放射用スロット板の放射用スロットに給電することで、励振用スロット板と放射用スロット板の間に放熱機構を配置でき、放熱機構を含めたアンテナとアクティブデバイスの一体化構造を薄型・単純・軽量化できる。
【００４２】
請求項２に記載の発明は、発熱量が大きい高出力のアクティブデバイスを使用し放熱機構が大きくなる場合にも、放熱機構の大きさを任意に設定して配置することができる。
【００４３】
請求項３に記載の発明は、放射用スロットアレー板の複数のスロットを精度良く給電できると共に、高い周波数においても効率よく高精度なアンテナ特性が期待でき、低価格かつ高精度のアンテナを得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のアクティブスロットアンテナの第１実施例の分解斜視図、断面図である。
【図２】本発明のアクティブスロットアンテナの第２実施例の分解斜視図、断面図である。
【図３】本発明のアクティブスロットアンテナの第３実施例の断面図である。
【図４】本発明のアクティブスロットアレーアンテナの第１実施例の斜視図である。
【図５】従来のアクティブアンテナの一例の斜視図、断面図である。
【図６】従来のアクティブアンテナの一例のブロック構成図である。
【図７】従来のアクティブスロットアンテナの他の一例の断面図、平面図である。
【図８】従来のアクティブスロットアンテナの更に他の一例の断面図、平面図である。
【符号の説明】
５０，６０，７０ アクティブスロットアンテナ
５１，６１ 放射用スロット
５２ 放射用スロット板
５３，６７，７７ 放熱機構
５４，６８ 励振用スロット金属箱
５４−１，６８−１ 励振用スロット
５４−２，６８−２ スロット板
５４−３，６８−３ 金属ケース
５４−４，５４−６，６８−４，６８−６ ストリップ導体
５４−５，６８−５ 電力増幅器
５４−７，６８−７ 入力用トリプレート線路
５４−８，６８−８ 出力用トリプレート線路
６２ 放射用スロットアレー板
６３，７３ａ，７３ｂ 結合用スロット
６４，７４ａ，７４ｂ 結合用スロット板
６５ 金属フレーム
６６ 放射用スロット金属板
８０ アクティブスロットアレーアンテナ

Claims (6)

1. アクティブデバイスの出力線路側のグランド導体面と共有化され、前記出力線路と電磁結合する励振用スロットが形成された励振用スロット板と、
   前記励振用スロット板の前記アクティブデバイス配置面の裏側に、前記励振用スロット及びその近傍を除く部分に配置された放熱機構と、
   前記放熱機構を介して前記励振用スロット板と離間対向し前記励振用スロットと電磁結合する放射用スロットが形成された放射用スロット板を有し、
   前記励振用スロットと前記放射用スロットとの電磁結合により前記放射用スロットに給電することを特徴とするアクティブスロットアンテナ。
2. 請求項１記載のアクティブスロットアンテナにおいて、
   前記励振用スロット板と前記放射用スロット板の間に、結合用スロットを形成した一または複数の結合用スロット板を所定間隔で積層し、
   前記励振用スロット板の裏側に配置された前記放熱機構の厚みを可変設定することを特徴とするアクティブスロットアンテナ。
3. 請求項１または２記載のアクティブスロットアンテナにおいて、
   前記励振用スロット板と前記放射用スロット板の間に、結合用スロットを形成した一または複数の結合用スロット板を所定間隔で積層し、
   前記放射用スロット板に複数のスロットを設け、
   前記結合用スロット板の結合用スロットと前記放射用スロットアレー板の複数のスロットとの電磁結合により前記放射用スロットアレー板の複数のスロットに給電することを特徴とするアクティブスロットアンテナ。
4. 請求項１乃至３のいずれか記載のアクティブスロットアンテナを複数、平面状に隣接させて配設し構成したことを特徴とするアクティブスロットアレーアンテナ。
5. 請求項１乃至３のいずれかに記載のアクティブスロットアンテナまたは請求項４記載のアクティブスロットアレーアンテナを使用したことを特徴とする送信装置。
6. 請求項１乃至３のいずれかに記載のアクティブスロットアンテナまたは請求項４記載のアクティブスロットアレーアンテナを使用したことを特徴とする受信装置。

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