JP7412644B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

本開示は、複数のマイクロ波モジュールを備えるアンテナ装置に関する。

アンテナ装置であるフェーズドアレイアンテナでは、グレーティングローブの抑圧のため、マイクロ波の波長に応じてアンテナ素子の配列ピッチが選択される。アンテナ素子の配列ピッチは、概ねマイクロ波の波長の２分の１以下であって、１０ＧＨｚでは約１５ｍｍ、２０ＧＨｚでは約７．５ｍｍとされる。フェーズドアレイアンテナには、マイクロ波の送受信のためのマイクロ波デバイスがアンテナ素子ごとに設けられる。アンテナ装置を構成するマイクロ波モジュールは、複数のマイクロ波デバイスを有する。

アンテナ装置は、マイクロ波の周波数が高くなるに従い、アンテナ素子の配列ピッチと同等またはそれ以下のピッチでマイクロ波モジュールを配列することが困難となる。このため、例えばＫｕ帯以上の周波数帯にて送受信を行うアンテナ装置では、アンテナ素子の位置に対してマイクロ波モジュールの位置をオフセットさせて、アンテナ素子とマイクロ波モジュールとを配線により接続するのが一般的である。ただし、この場合、マイクロ波モジュールとアンテナ素子との間の配線が長くなることによって、配線での電力の損失による送信電力の低下と、受信される信号に含まれる雑音の増加とが問題であった。また、アンテナ素子のアレイサイズを変更する場合に、アンテナ素子に対するマイクロ波モジュールのオフセット量がアレイサイズに応じて変わる。このため、アンテナ装置をスケーラブルな設計に対応させることが難しく、アレイサイズが変更されるごとにアンテナ装置の大規模な設計変更が必要であるという問題もあった。マイクロ波モジュールは、アンテナ素子が配列される面であるアンテナ面の方向におけるサイズがアンテナ面よりも大きくなることによって、アンテナ装置への搭載性が低下するという問題もあった。これらの問題を解決するために、マイクロ波モジュールは、アンテナ面の方向におけるサイズを小さくすることが望まれていた。

特許文献１には、マイクロ波モジュールの主要なマイクロ波部品を１つのパッケージに集積させたマイクロ波デバイスを有するアンテナ装置が開示されている。特許文献１のアンテナ装置において、マイクロ波デバイスは、アンテナ面に平行に配置された基板に実装される。

国際公開第２０１８／１６８３９１号

特許文献１に開示されている従来技術によると、マイクロ波デバイス内における半導体チップの実装面がアンテナ面に平行であることから、アンテナ面の方向におけるマイクロ波デバイスのサイズは、半導体チップの平面サイズよりも小さくすることはできない。マイクロ波の周波数が高くなっても、マイクロ波デバイスの出力電力が変わらなければ半導体チップの平面サイズを小さくすることは難しい。このため、従来技術によると、マイクロ波の周波数が高くなるにつれて、アンテナ素子の配列ピッチが小さくなる一方、アンテナ素子が配列される面の方向におけるマイクロ波モジュールのサイズを小さくすることが困難になるという問題があった。

本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、アンテナ素子が配列される面の方向におけるサイズを小さくすることができるアンテナ装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示にかかるアンテナ装置は、複数のマイクロ波モジュールと、複数のアンテナ素子と、複数のマイクロ波モジュールのうち互いに向かい合うマイクロ波モジュールである第１のマイクロ波モジュールと第２のマイクロ波モジュールとの間に挟まれた冷却板と、を備える。複数のマイクロ波モジュールの各々は、複数のアンテナ素子のうち対応するアンテナ素子との信号の受け渡しを各々が行う複数のマイクロ波デバイスと、複数のマイクロ波デバイスが実装された実装面を有し、かつ複数のアンテナ素子の各々と電気的に接続されているマイクロ波モジュール基板と、を有する。複数のマイクロ波モジュールの複数のアンテナ素子は、共通の平面に配列されている。複数のマイクロ波モジュールの各々の実装面は、平面に垂直である。複数のマイクロ波デバイスの各々は、多層基板と、多層基板に実装された半導体素子と、半導体素子のうち多層基板とは逆側の面に接するヒートシンクと、半導体素子およびヒートシンクの周囲を覆う樹脂と、ヒートシンクに接し、かつ多層基板の側面と樹脂とを覆う電磁シールド膜と、電磁シールド膜に電気的に接続されているグラウンド端子と、を有する。冷却板は、第１のマイクロ波モジュールの複数のマイクロ波デバイスと第２のマイクロ波モジュールの複数のマイクロ波デバイスとの間に設けられている。

本開示にかかるアンテナ装置は、アンテナ素子が配列される面の方向におけるサイズを小さくすることができるという効果を奏する。

実施の形態１にかかるアンテナ装置の構成を示す図 実施の形態１にかかるアンテナ装置におけるマイクロ波モジュール基板および冷却板のセットを示す断面図 実施の形態１にかかるアンテナ装置を構成するマイクロ波デバイスを示す断面図

以下に、実施の形態にかかるアンテナ装置を図面に基づいて詳細に説明する。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１にかかるアンテナ装置１の構成を示す図である。図１に示すアンテナ装置１は、アクティブフェーズドアレイアンテナである。図１には、３軸直交座標系のＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸を示す。

アンテナ装置１は、複数のアンテナ素子４と複数のマイクロ波モジュール２とを有する。各マイクロ波モジュール２は、マイクロ波モジュール基板３を有する。複数のアンテナ素子４は、共通の平面であるアンテナ面６に配列されている。アンテナ面６は、アンテナ装置１の外郭を構成する平面である。アンテナ面６は、Ｘ軸とＺ軸とを含むＸＺ面である。また、アンテナ装置１は、マイクロ波モジュール２を冷却するための冷却板５を有する。

各マイクロ波モジュール２のマイクロ波モジュール基板３は、アンテナ面６に垂直に配置されている。Ｚ軸方向において互いに向かい合う２個のマイクロ波モジュール基板３の間に、冷却板５が設けられている。図１において、２個のマイクロ波モジュール基板３および冷却板５のセットが、Ｘ軸方向に２個、および、Ｚ軸方向に２個配列されている。すなわち、図１には、８個のマイクロ波モジュール基板３が示されている。

アンテナ装置１は、アンテナ面６の方向に配列された複数のマイクロ波モジュール２を有する。図１では、アンテナ装置１に備えられた複数のマイクロ波モジュール２のうちの一部である８個のマイクロ波モジュール２を示す。図１には、アンテナ装置１の外郭と、アンテナ素子４と、アンテナ装置１の内部のマイクロ波モジュール基板３および冷却板５とを示す。

図１において、各マイクロ波モジュール２には、Ｘ軸方向に配列された８個のアンテナ素子４が接続されている。各アンテナ素子４は、等間隔で配置されている。なお、各マイクロ波モジュール２に接続されているアンテナ素子４の数は８個に限られず、任意であるものとする。

各アンテナ素子４は、マイクロ波モジュール基板３と電気的に接続されている。アンテナ素子４は、マイクロ波モジュール基板３のうちＹ軸方向における端に設けられたコネクタに接続されている。コネクタの図示は省略する。なお、各アンテナ素子４は、マイクロ波モジュール基板３と一体に設けられても良い。この場合、アンテナ素子４とマイクロ波モジュール基板３とは、アンテナ面６の付近にて接続される。

図２は、実施の形態１にかかるアンテナ装置１におけるマイクロ波モジュール基板３および冷却板５のセットを示す断面図である。図２に示す断面は、Ｘ軸とＺ軸とを含むＸＺ断面である。アンテナ装置１に設けられているマイクロ波モジュール基板３および冷却板５の各セットは、いずれも同様の構成を有する。

図２には、冷却板５と、冷却板５を介して互いに向かい合う２個のマイクロ波モジュール２と、２個の放熱シート８とを示す。以下の説明にて、当該２個のマイクロ波モジュール２の各々を区別する場合は、当該２個のマイクロ波モジュール２のうち図２における左側に示す一方のマイクロ波モジュール２を第１のマイクロ波モジュール、当該２個のマイクロ波モジュール２のうち他方のマイクロ波モジュール２を第２のマイクロ波モジュールと称する。

マイクロ波モジュール２は、複数のマイクロ波デバイス７を有する。複数のマイクロ波デバイス７は、Ｘ軸方向に配列されている。マイクロ波モジュール２において、複数のマイクロ波デバイス７の各々は、マイクロ波モジュール基板３に実装されている。マイクロ波デバイス７は、マイクロ波モジュール２の主要なマイクロ波部品を１つのパッケージに集積させたものである。マイクロ波モジュール２は、当該マイクロ波モジュール２に接続されているアンテナ素子４と同数のマイクロ波デバイス７を有する。マイクロ波モジュール２の複数のマイクロ波デバイス７の各々は、複数のアンテナ素子４のうち対応するアンテナ素子４との信号の受け渡しを行う。

第１のマイクロ波モジュールと第２のマイクロ波モジュールとの各々は、Ｘ軸方向に配列された８個のマイクロ波デバイス７を有する。図２には、第１のマイクロ波モジュールのうち３個のマイクロ波デバイス７が設けられている部分と第２のマイクロ波モジュールのうち３個のマイクロ波デバイス７が設けられている部分とを示す。

各マイクロ波モジュール２のマイクロ波モジュール基板３は、マイクロ波デバイス７が実装されている実装面３ａを有する。実装面３ａは、Ｘ軸とＹ軸とを含むＸＹ面である。すなわち、実装面３ａは、アンテナ面６に垂直である。

第１のマイクロ波モジュールは、第１のマイクロ波モジュールの複数のマイクロ波デバイス７を第２のマイクロ波モジュールへ向けて配置される。第２のマイクロ波モジュールは、第２のマイクロ波モジュールの複数のマイクロ波デバイス７を第１のマイクロ波モジュールへ向けて配置される。このように、第１のマイクロ波モジュールと第２のマイクロ波モジュールとは、互いに向かい合う。冷却板５は、第１のマイクロ波モジュールの複数のマイクロ波デバイス７と第２のマイクロ波モジュールの複数のマイクロ波デバイス７との間に挟まれている。マイクロ波モジュール２にて発生した熱が冷却板５へ伝播することによって、マイクロ波モジュール２は冷却される。第１のマイクロ波モジュールと第２のマイクロ波モジュールとは、共通の冷却板５によって冷却される。

図２に示す２個の放熱シート８のうちの一方は、第１のマイクロ波モジュールと冷却板５との間に挟まれている。２個の放熱シート８のうちの他方は、第２のマイクロ波モジュールと冷却板５との間に挟まれている。放熱シート８は、熱抵抗が低く、かつ高い弾力性を有するシートである。放熱シート８の材料としては、カーボンまたは銀といった高熱伝導材が埋め込まれたシリコンゴム等を例示できる。放熱シート８は、液体またはゲル状の放熱媒体が封止されたシートであっても良い。

放熱シート８は、マイクロ波デバイス７のうちマイクロ波モジュール基板３とは逆側の面である接触面７ａに接触する。マイクロ波モジュール基板３に実装されている各マイクロ波デバイス７は、放熱シート８に押し当てられている。放熱シート８は、各マイクロ波デバイス７の接触面７ａの、Ｚ軸方向における高さばらつきを吸収する。また、放熱シート８は、マイクロ波デバイス７の熱を効率良く冷却板５へ伝播させる。第１のマイクロ波モジュールのマイクロ波デバイス７と、第２のマイクロ波モジュールのマイクロ波デバイス７とは、放熱シート８を介して冷却板５に熱的に接続されている。これにより、アンテナ装置１は、第１のマイクロ波モジュールと第２のマイクロ波モジュールとを効率的に冷却することができる。

マイクロ波モジュール基板３とマイクロ波デバイス７との電気的な接続は、マイクロ信号端子、制御端子およびグラウンド端子が配されたＬＧＡ（Land Grid Array）またはＢＧＡ（Ball Grid Array）におけるはんだ接合による。マイクロ波デバイス７のグラウンド端子７ｂは、マイクロ波モジュール基板３のグラウンドビアホール３ｂに電気的に接続されている。

マイクロ波デバイス７のグラウンド端子７ｂは、マイクロ波デバイス７を覆う電磁シールド膜に電気的に接続されている。電磁シールド膜の詳細については後述する。マイクロ波デバイス７のグラウンド端子７ｂがマイクロ波モジュール基板３のグラウンドビアホール３ｂに接続されることによって、マイクロ波デバイス７からのマイクロ波信号の放射が抑圧される。これにより、マイクロ波モジュール２は、マイクロ波デバイス７同士の電磁干渉を防ぐための筐体または仕切りといった構造物が不要となり、簡易な構成によってマイクロ波デバイス７同士の電磁干渉を低減できる。

図３は、実施の形態１にかかるアンテナ装置１を構成するマイクロ波デバイス７を示す断面図である。図３に示す断面は、ＸＺ断面である。アンテナ装置１における各マイクロ波モジュール２の各マイクロ波デバイス７は、いずれも同様の構成を有する。

図３に示すマイクロ波デバイス７は、多層基板１１と、半導体素子である半導体チップ１２と、ヒートシンク１３と、電磁シールド膜１４と、モールド樹脂１５を有する。マイクロ波デバイス７には、２個の半導体チップ１２が設けられている。マイクロ波デバイス７に設けられる半導体チップ１２の数は２個に限られず、任意とする。各半導体チップ１２は、高周波回路であって、マイクロ波デバイス７における主な発熱源である。

半導体チップ１２は、多層基板１１にフリップチップ実装されている。半導体チップ１２は、はんだ１６を介して、多層基板１１に電気的に接続されている。各半導体チップ１２は、導電性接着剤等によりヒートシンク１３に接合されている。ヒートシンク１３は、各半導体チップ１２のうち多層基板１１とは逆側の面１２ａに接する。半導体チップ１２とヒートシンク１３とは熱的に接続されている。ヒートシンク１３のうち半導体チップ１２とは逆側の面１３ａは、電磁シールド膜１４に接する。接触面７ａは、電磁シールド膜１４のうちヒートシンク１３とは逆側の面である。

モールド樹脂１５は、多層基板１１上にて半導体チップ１２およびヒートシンク１３の周囲を覆う樹脂である。電磁シールド膜１４は、無電解メッキまたは導電性接着剤といった、導電性を有する被膜である。電磁シールド膜１４は、各ヒートシンク１３に接し、かつ多層基板１１の側面１１ａとモールド樹脂１５とを覆う。側面１１ａは、多層基板１１のうちＸ軸方向における端面およびＹ軸方向における端面である。側面１１ａから、多層基板１１上の半導体チップ１２、ヒートシンク１３およびモールド樹脂１５を電磁シールド膜１４が覆うことにより、半導体チップ１２を封止するパッケージが形成されている。半導体チップ１２で発生した熱は、ヒートシンク１３と、マイクロ波デバイス７の接触面７ａと、放熱シート８とを通って、冷却板５へ伝播する。

マイクロ波デバイス７が上記の構成であることによって、パッケージのうちＺ軸方向における一方の側が、マイクロ波デバイス７の電気的インタフェースとなる。また、パッケージのうちＺ軸方向における他方の側が、マイクロ波デバイス７の熱的インタフェースとなる。このように、マイクロ波デバイス７では、Ｚ軸方向において電気的インタフェースと熱的インタフェースとが互いに分離されている。

Ｚ軸方向において熱的インタフェースが電気的インタフェースとは分離されていることにより、マイクロ波デバイス７では、半導体チップ１２からの熱経路が短縮されている。このため、マイクロ波モジュール２は、マイクロ波デバイス７が上記の構成であることによって、効率的な放熱が可能となる。マイクロ波モジュール２は、効率的な放熱が可能であることによって、高出力を実現できる。

電磁シールド膜１４は、多層基板１１のグラウンドパターン１１ｃと電気的に接続されている。グラウンドパターン１１ｃは、多層基板１１のグラウンドビアホール１１ｂを介してグラウンド端子７ｂに接続されている。グラウンド端子７ｂは、マイクロ波モジュール２の各マイクロ波デバイス７に設けられている。このような構成により、マイクロ波デバイス７は、パッケージの内部からパッケージの外へのマイクロ波信号の放射を抑圧することができる。

マイクロ波モジュール２は、アンテナ面６に垂直に配置されたマイクロ波モジュール基板３を有し、マイクロ波モジュール基板３のうちアンテナ面６に垂直な実装面３ａに各マイクロ波デバイス７が実装されている。実装面３ａがアンテナ面６に垂直であることによって、実装面３ａに占める半導体チップ１２の面積にかかわらず、マイクロ波モジュール２は、アンテナ面６の方向におけるサイズを小さくすることができる。マイクロ波モジュール２は、実装面３ａがアンテナ面６に平行である場合に比べて容易に、アンテナ面６の方向におけるサイズを小さくすることができる。マイクロ波モジュール２は、アンテナ面６の方向におけるサイズを小さくできることによって、アンテナ装置１への搭載性を向上できる。

アンテナ装置１は、アンテナ素子４の位置に対してマイクロ波モジュール２の位置をオフセットさせなくても、アンテナ素子４の配列ピッチと同等またはそれ以下のピッチでマイクロ波モジュール２を配列することが可能となる。アンテナ装置１は、マイクロ波の周波数が高い場合、例えば、周波数帯が例えばＫｕ帯以上である場合であっても、マイクロ波モジュール２の位置をオフセットさせずに配置することができる。

アンテナ装置１は、アンテナ素子４の位置に対するマイクロ波モジュール２の位置のオフセットが不要であることで、マイクロ波モジュール２とアンテナ素子４との間の配線における、電力損失または雑音の増加といった問題を回避することができる。アンテナ装置１は、電力損失を少なくでき、かつ雑音を低減できることによって、高い電気性能を得ることができる。

また、アンテナ装置１は、アンテナ素子４のアレイサイズの変更によってオフセット量が変わるという問題を回避することができる。アンテナ装置１は、スケーラブルな設計に容易に対応させることができ、アレイサイズの変更による設計変更を少なくすることができる。

実施の形態１によると、マイクロ波モジュール２は、マイクロ波モジュール基板３の実装面３ａがアンテナ面６に垂直であって、実装面３ａに複数のマイクロ波デバイス７が実装されている。これにより、マイクロ波モジュール２は、アンテナ面６の方向におけるサイズを小さくすることができるという効果を奏する。

以上の実施の形態に示した構成は、本開示の内容の一例を示すものである。実施の形態の構成は、別の公知の技術と組み合わせることが可能である。本開示の要旨を逸脱しない範囲で、実施の形態の構成の一部を省略または変更することが可能である。

１ アンテナ装置、２ マイクロ波モジュール、３ マイクロ波モジュール基板、３ａ 実装面、３ｂ，１１ｂ グラウンドビアホール、４ アンテナ素子、５ 冷却板、６ アンテナ面、７ マイクロ波デバイス、７ａ 接触面、７ｂ グラウンド端子、８ 放熱シート、１１ 多層基板、１１ａ 側面、１１ｃ グラウンドパターン、１２ 半導体チップ、１２ａ，１３ａ 面、１３ ヒートシンク、１４ 電磁シールド膜、１５ モールド樹脂。

Claims (1)

1. 複数のマイクロ波モジュールと、
   複数のアンテナ素子と、
   複数の前記マイクロ波モジュールのうち互いに向かい合う前記マイクロ波モジュールである第１のマイクロ波モジュールと第２のマイクロ波モジュールとの間に挟まれた冷却板と、を備え、
   複数の前記マイクロ波モジュールの各々は、
   複数の前記アンテナ素子のうち対応する前記アンテナ素子との信号の受け渡しを各々が行う複数のマイクロ波デバイスと、
   複数の前記マイクロ波デバイスが実装された実装面を有し、かつ複数の前記アンテナ素子の各々と電気的に接続されているマイクロ波モジュール基板と、
   を有し、
   複数の前記マイクロ波モジュールの複数の前記アンテナ素子は、共通の平面に配列されており、
   複数の前記マイクロ波モジュールの各々の前記実装面は、前記平面に垂直であって、
   複数の前記マイクロ波デバイスの各々は、
   多層基板と、
   前記多層基板に実装された半導体素子と、
   前記半導体素子のうち前記多層基板とは逆側の面に接するヒートシンクと、
   前記半導体素子および前記ヒートシンクの周囲を覆う樹脂と、
   前記ヒートシンクに接し、かつ前記多層基板の側面と前記樹脂とを覆う電磁シールド膜と、
   前記電磁シールド膜に電気的に接続されているグラウンド端子と、
   を有し、
   前記冷却板は、前記第１のマイクロ波モジュールの複数の前記マイクロ波デバイスと前記第２のマイクロ波モジュールの複数の前記マイクロ波デバイスとの間に設けられていることを特徴とするアンテナ装置。

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