JP5639114B2

JP5639114B2 - ホーンアンテナ一体型ｍｍｉｃパッケージ

Info

Publication number: JP5639114B2
Application number: JP2012119525A
Authority: JP
Inventors: ホジンソン; 克裕味戸; 信矢板; 久々津　直哉; 直哉久々津
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2012-05-25
Filing date: 2012-05-25
Publication date: 2014-12-10
Anticipated expiration: 2032-05-25
Also published as: JP2013247494A

Description

本発明は、通信に用いる電磁波を外空間に放射するアンテナ機構を備えたＭＭＩＣ（Monolithic Microwave Integrated Circuit）パッケージの構造に関する。

近年、ミリ波やテラヘルツ波といった高周波の電磁波を通信に利用する研究が盛んである。その高周波信号は装置内部で生成され、最終的にはアンテナから装置外部に放射される。

これまで、様々な種類や形態のアンテナが検討されている。例えば、特許文献１の図８によれば、金属覆部で覆われた空隙を導波路に用いて、ダイポール型のアンテナカプラから高周波信号を外空間に放射するアンテナ機構が開示されている。

特開平１０−２２４１４１号公報

しかしながら、導波路とされる空隙空間を金属材で構成しているため、そのような構造を半導体製造プロセス（後工程）で実現するには多くの工数を必要とし、歩留まりの向上や製造コストの低廉化が困難という課題があった。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、その課題とするところは、アンテナ機構の製造コストを低コスト化することにある。

請求項１記載のホーンアンテナ一体型ＭＭＩＣパッケージは、誘電体シートとメタル層を交互に積層した積層基板を用いてホーンアンテナと素子を収容するキャビティとが一体成型されたホーンアンテナ一体型ＭＭＩＣパッケージであって、ミリ波帯又はテラヘルツ波帯の電磁波を空間に放射するホーンアンテナと、前記ホーンアンテナと結合され、放射電磁波の波源となるアンテナカプラと、前記アンテナカプラを収容する第１のキャビティと、前記アンテナカプラに給電するＭＭＩＣを収容する第２のキャビティと、前記アンテナカプラに対向配置された導電板と、前記第１のキャビティの側壁を構成する前記積層基板内に配置された複数の金属ビアと、を備え、前記複数の金属ビアは、前記誘電体シート中の電磁波の波長の１／４以下の間隔で配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、ホーンアンテナと第１および第２のキャビティとを積層基板で一体成形するため、ホーンアンテナ一体型ＭＭＩＣパッケージの製造コストを低コスト化できる。
また、本発明によれば、上記第１のキャビティの側壁を構成する積層部の内部に配置された複数の金属ビアを更に有するため、積層基板の面内方向への電磁波の漏洩を防止可能となることから、ホーンアンテナの放射効率を更に向上できる。
また、本発明によれば、複数の金属ビアが誘電体シート中の電磁波の波長の１／４以下の間隔で配置されているため、積層基板の面内方向への電磁波の漏洩をより確実に防止可能となることから、ホーンアンテナの放射効率をより更に向上できる。

請求項２記載のホーンアンテナ一体型ＭＭＩＣパッケージは、請求項１記載のホーンアンテナ一体型ＭＭＩＣパッケージにおいて、前記アンテナカプラと前記導電板間の距離は、前記放射電磁波の波長（図１中のキャビティ２００ａを導波管に見立てた時の「管内波長」に相当）の１／４であることを特徴とする。

本発明によれば、アンテナカプラと導電板間の距離が放射電磁波の波長（管内波長）の１／４であるため、ホーンアンテナの外空間側に放射される電磁波を強め合うように導電板側に放射された電磁波を反射させる構造となることから、ホーンアンテナの放射効率を向上できる。

本発明によれば、ＭＭＩＣパッケージとの一体成形により、アンテナ機構の製造コストを低コスト化できる。

ホーンアンテナ一体型ＭＭＩＣパッケージの断面構造を示す断面図である。ホーンアンテナ一体型ＭＭＩＣパッケージの外観を斜視方向から見た外観図である。第１のキャビティ及びその周辺領域をホーンアンテナの外空間側から見た上面図である。Ｈ面フレアホーン一体型ＭＭＩＣパッケージを上方向から見た上面図である。Ｅ面フレアホーン一体型ＭＭＩＣパッケージを上方向から見た上面図である。

以下、本発明を実施する一実施の形態について図面を用いて説明する。但し、本発明は多くの異なる様態で実施することが可能であり、本実施の形態の記載内容に限定して解釈すべきではない。

図１は、本実施の形態に係るホーンアンテナ一体型ＭＭＩＣパッケージの断面構造を示す断面図である。図２は、そのホーンアンテナ一体型ＭＭＩＣパッケージの外観を斜視方向から見た外観図である。

本実施の形態に係るホーンアンテナ一体型ＭＭＩＣパッケージは、ミリ波帯又はテラヘルツ波帯の電磁波をアンテナカプラを波源として外空間に放射するホーン型のアンテナ機構であって、第１の積層部１０と、第２の積層部２０と、第３の積層部３０と、導電板を兼ねた導電性カバー５０と、パッチ型アンテナカプラ６０と、ＭＭＩＣ７０と、電極８０と、金属ビア９０と、で主に構成される。

第１の積層部１０は、複数の誘電体シート１ａ〜１ｈと銀等の導電材料を含むペーストを印刷塗布して形成したメタル層４０との積層構造によって構成され、外空間への電磁波の放射方向（図１の上方向で外空間側）に向かって開口面積が徐々に広がるような開口部１００を各誘電体シートに設けた開口を用いて形成する。

第２の積層部２０は、開口部１００の開口狭端側において、第１の積層部１０の各誘電体シート１ａ〜１ｈと同種・同質である複数の誘電体シート２ａ〜２ｂと銀等の導電材料を含むペーストを印刷塗布して形成したメタル層４０との積層構造によって構成される。開口部１００の開口狭端を覆うように第１の積層部１０の最下に位置する誘電体シート１ｈ又はメタル層４０に接触配置され、後述する２つのキャビティのシーリング材（一方）として利用される。

第３の積層部３０は、第２の積層部２０に更に積層され、第１の積層部１０の各誘電体シート１ａ〜１ｈと同種・同質である複数の誘電体シート３ａ〜３ｂと銀等の導電材料を含むペーストを印刷塗布して形成したメタル層４０との積層構造によって構成される。開口部１００の開口狭端側に空洞を第１のキャビティ２００ａとして各誘電体シート３ａ〜３ｂに設けた開口を用いて形成し、その第１のキャビティ２００ａに隣接する第２のキャビティ２００ｂを更に形成する。

上述のように、第１の積層部１０〜第３の積層部３０を構成している各誘電体シートの表面にはメタル層４０がそれぞれ積層されており、誘電体シートとメタル層からなる積層構造を具備している。但し、そのメタル層４０は、電磁波の波源となるアンテナカプラから外空間に至る電磁波の伝搬経路を避けて配置される。

導電性カバー５０は、第３の積層部３０の最下に位置する誘電体シート３ｂ又はメタル層４０に接触配置され、第１のキャビティ２００ａ及び第２のキャビティ２００ｂのシーリング材（他方）として利用される。

パッチ型アンテナカプラ６０は、第１のキャビティ２００ａに収容され、開口部１００における開口狭端側の開口下（開口部１００の真下）に位置するように第２の積層部２０の最下に位置する誘電体シート２ｂの表面に接触配置され、マイクロストリップ線路６１を介したＭＭＩＣ７０からの電気信号により電磁波をホーンアンテナの外空間及び第１のキャビティ２００ａ内に放射する。パッチ型アンテナカプラ６０とそれに対向する上記導電性カバー５０との間の距離Ａは、放射電磁波の波長（管内波長）の１／４に設定されている。

ＭＭＩＣ７０は、第２のキャビティ２００ｂに収容され、パッチ型アンテナカプラ６０を駆動する高周波回路（不図示）を半導体基板上に配置したモノリシックマイクロ波集積回路である。金属ワイヤ７１を通じてマイクロストリップ線路６１及びその先のパッチ型アンテナカプラ６０に電気的に接続され、そのパッチ型アンテナカプラ６０に給電する。

電極８０は、第１の積層部１０〜第２の積層部２０を貫いて第２のキャビティ２００ｂまで延出され、金属ワイヤ８１を通じてＭＭＩＣ７０に電気的に接続されており、電源や信号線の接続端子として用いられる。

ここで、第１のキャビティ２００ａ及びその周辺領域をホーンアンテナの外空間側から見た状態（上面図）を図３に示す。第１のキャビティ２００ａは直方体状の空洞から成り、第１のキャビティ２００ａの側壁を構成している第３の積層部３０の内部には所定の間隔Ｂで複数の金属ビア９０が形成・配置される。その所定の間隔Ｂは、誘電体中の電磁波の波長の１／４以下とされる。

次に、ホーンアンテナの動作を説明する。パッチ型アンテナカプラ６０の上側（ホーンアンテナの外空間側）表面から放射された電磁波は、第２の積層部２０を透過して開口部１００から外空間に直接放射される。

また、パッチ型アンテナカプラ６０の下側（導電性カバー側）表面から放射された電磁波は、第１のキャビティ２００ａとしての空洞内を直進し、導電性カバー５０で反射された後に、第２の積層部２０を透過して開口部１００から外空間に放射される。

ここで、パッチ型アンテナカプラ６０と導電性カバー５０との間の距離Ａが放射電磁波の波長（管内波長）の１／４に設定されているので、パッチ型アンテナカプラ６０の上面から外空間に直接放射される電磁波と強め合うように導電性カバー５０側に放射された電磁波を反射させる構造となることから、ホーンアンテナの放射効率を向上することができる。

また、その第１のキャビティ２００ａの側壁を構成する第３の積層部３０の内部に誘電体中の電磁波の波長の１／４以下の間隔で複数の金属ビア９０が配列されているので、第３の積層部３０の面内方向への電磁波の漏洩を防止可能となることから、ホーンアンテナの放射効率を更に向上することができる。

また、導電性カバー側に放射された電磁波を有効利用するための第１のキャビティ２００ａが、第３の積層部３０でもって一体成形されるので、ホーンアンテナ一体型ＭＭＩＣパッケージの製造コストを低コスト化することができる。

なお、パッチ型アンテナカプラ６０と導電性カバー５０との間の距離Ａについては、電磁波がパッチ型アンテナカプラ６０から導電性カバー５０までを往復する際の位相差が波長の整数倍になっている限り、波長の１/４以外に設定しても同等の効果が得られる。具体的には、ｎを整数として、波長の（１／４＋ｎ／２）倍に設定してもよい。

また、パッチ型アンテナカプラ６０に代えて、ダイポール型、ループ型、スロット型等の他のアンテナカプラを用いてもよい。また、ＭＭＩＣ７０とパッチ型アンテナカプラ６０の接続には、マイクロストリップ線路６１に代えて、コプレーナ線路を用いてもよい。

また、各誘電体シート１ａ〜１ｈの開口寸法や形状を異にして開口部１００の形状を変化させることにより、様々な形状のホーンを実現可能である。例えば、角錐ホーンや円錐ホーン、更には、Ｈ面のみにフレアした扇形ホーン（Ｈ−ｐｌａｎｅｈｏｒｎ：図４参照）、Ｅ面のみにフレアした扇形ホーン（Ｅ−ｐｌａｎｅｈｏｒｎ：図５参照）を実現できる。３００ＧＨｚ帯の電磁波の場合、ホーンアンテナの導波管部４の断面サイズは、図４中および図５中に示すように、０．８ｍｍ×０．４ｍｍである。

また、導電性カバー５０に代えて、誘電体基板を利用して第１のキャビティ２００ａ及び第２のキャビティ２００ｂをカバーし、その誘電体基板の第１のキャビティ２００ａ内の表面に導電板を配置しても同様の効果が得られる。

以上より、本実施の形態によれば、パッチ型アンテナカプラ６０を収容する第１のキャビティ２００ａを、積層基板を用いてホーンアンテナ及びＭＭＩＣパッケージと一体成形するので、ホーンアンテナの製造コストを低コスト化できる。

また、本実施の形態によれば、パッチ型アンテナカプラ６０と導電性カバー５０との間の距離が放射電磁波の波長（管内波長）の１／４であるので、ホーンアンテナの外空間側に直接放射される電磁波と強め合うように導電性カバー５０側に放射された電磁波を反射させる構造となることから、ホーンアンテナの放射効率を向上できる。

また、本実施の形態によれば、第１のキャビティ２００ａの側壁を囲むように第３の積層部３０の内部に配置された複数の金属ビア９０を更に有するので、その第３の積層部３０の面内方向への電磁波の漏洩を防止可能となることから、ホーンアンテナの放射効率を更に向上できる。

また、本実施の形態によれば、複数の金属ビア９０が誘電体中の電磁波の波長の１／４以下の間隔で配置されているので、第３の積層部３０の面内方向への電磁波の漏洩をより確実に防止可能となることから、ホーンアンテナの放射効率をより更に向上できる。

１０…第１の積層部
１ａ〜１ｈ…誘電体シート
２０…第２の積層部
２ａ〜２ｂ…誘電体シート
３０…第３の積層部
３ａ〜３ｂ…誘電体シート
４…ホーンアンテナの導波管部
４０…メタル層
５０…導電性カバー
６０…パッチ型アンテナカプラ
６１…マイクロストリップ線路
７０…ＭＭＩＣ
７１…金属ワイヤ
８０…電極
８１…金属ワイヤ
９０…金属ビア
１００…開口部
２００ａ…第１のキャビティ
２００ｂ…第２のキャビティ

Claims

誘電体シートとメタル層を交互に積層した積層基板を用いてホーンアンテナと素子を収容するキャビティとが一体成型されたホーンアンテナ一体型ＭＭＩＣパッケージであって、
ミリ波帯又はテラヘルツ波帯の電磁波を空間に放射するホーンアンテナと、
前記ホーンアンテナと結合され、放射電磁波の波源となるアンテナカプラと、
前記アンテナカプラを収容する第１のキャビティと、
前記アンテナカプラに給電するＭＭＩＣを収容する第２のキャビティと、
前記アンテナカプラに対向配置された導電板と、
前記第１のキャビティの側壁を構成する前記積層基板内に配置された複数の金属ビアと、を備え、
前記複数の金属ビアは、
前記誘電体シート中の電磁波の波長の１／４以下の間隔で配置されていることを特徴とするホーンアンテナ一体型ＭＭＩＣパッケージ。
前記アンテナカプラと前記導電板間の距離は、
前記放射電磁波の波長（管内波長）の１／４であることを特徴とする請求項１記載のホーンアンテナ一体型ＭＭＩＣパッケージ。