JPH0555826A - 受信装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 平面アンテナおよびこれに接続される受信回
路を備えた受信装置において、小型化および高性能化を
図ることを目的とする。 【構成】 基板として表面の一部に半絶縁性化合物半導
体層５を結晶成長により形成したシリコン基板１を用
い、このシリコン基板１の半絶縁性化合物半導体層５が
形成された領域以外の表面に１または２以上のアンテナ
素子４からなる平面アンテナ２を形成し、半絶縁性化合
物半導体層５上に平面アンテナ２に接続される受信回路
３を形成したものである。平面アンテナ２と受信回路３
を同一の基板上に搭載しているので受信装置全体の小型
軽量化を図ることができ、しかも、平面アンテナ２は比
誘電率εが比較的小さいシリコン基板１上に形成されて
いるので、帯域幅を大きくとることができる。また、高
周波用の受信回路をシリコン基板上にモノリシックに形
成することは一般的に困難なことであるが、この発明で
は、受信回路３を半絶縁性化合物半導体層５上に形成し
ているので、かかる困難性はない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は通信衛星や放送衛星等か
らのマイクロ波信号を地上で受信するための受信装置で
あって、平面アンテナとこれに接続される低雑音増幅回
路等の受信回路とを備えた受信装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】情報ネットワークシステムの急速な展開
が図られる中で、衛星通信システムの需要も急増し、周
波数帯も高周波化されつつある。高周波電界効果トラン
ジスタとしてはＧａＡｓ等の化合物半導体を用いたショ
ットキバリア型電界効果トランジスタ（ＭＥＳＦＥＴ）
が実用化されており、さらに最近ではシステムの小型
化、低価格化、高性能化のために高周波信号を低周波に
変換するダウンコンバータ初段増幅部の集積化（ＭＭＩ
Ｃ化：Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ＭｏｎｏｌｏｔｈｉｃＩｎ
ｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）が進められてい
る。

【０００３】一方、通信衛星や放送衛星からのマイクロ
波信号を地上で受信するためのアンテナとして平面アン
テナが実用化されはじめている。平面アンテナというの
は、多数のアンテナ素子を平面状に配列し、各素子で受
けた信号電力を導線で一つにまとめたものである。マイ
クロ波受信用の平面アンテナは、初めのうちは性能およ
びコストの両面でパラボラアンテナに遠く及ばなかっ
た。しかし、１９７０年代の後半からのマイクロストリ
ップアンテナの研究の高まりと、マイクロ波用プリント
基板の性能向上とによって、現在では実用レベルに達し
ている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、ＭＭＩＣ化
された受信システムと、平面アンテナとを接続する方法
に関しては必ずしも充分な研究がなされていない。例え
ば、両者を接続する手段としてマイクロ波の一般的な伝
達手段である導波管を用いたのでは、全体としての小型
軽量化を達成することが困難となり、受信システムの小
型化およびアンテナの平面化が十分に生かされない。こ
のような課題を解決する一つの方法として、１または２
以上のアンテナ素子からなる平面アンテナと、この平面
アンテナに接続される受信回路とを同一の半絶縁性化合
物半導体基板上に形成することが考えられる。ところ
が、半絶縁性化合物半導体は比誘電率εが大きいことが
多く、たとえばＧａＡｓの場合その比誘電率εは１２．
９であり、アンテナの帯域幅をあまり大きく取れないと
いう問題点があった。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明はこのような問題
点に鑑みて為されたものであり、基板として表面の一部
に半絶縁性化合物半導体層を結晶成長により形成したシ
リコン基板を用い、このシリコン基板の半絶縁性化合物
半導体層が形成された領域以外の表面に１または２以上
のアンテナ素子からなる平面アンテナを形成し、半絶縁
性化合物半導体層上に平面アンテナに接続される受信回
路を形成したものである。

【０００６】

【作用】平面アンテナを比誘電率εが１１．９と比較的
小さいシリコン基板上に形成しているので、ＧａＡｓの
ような半絶縁性化合物半導体基板上に形成した場合に比
べて、アンテナの帯域幅を大きくとることができる。一
方、基板の抵抗値が低いことや電子移動度が低いことな
どの理由から、シリコン基板上にマイクロ波帯の高周波
信号に適する受信回路（低雑音増幅回路など）をモノリ
シックに形成することが困難であることが知られている
が、この発明では、シリコン基板の表面の一部に半絶縁
性化合物半導体層を結晶成長により形成しているのでこ
の層上に受信回路を形成することができる。その結果、
帯域幅の大きい平面アンテナとその受信回路を同一基板
上に搭載することができる。

【０００７】

【実施例】図１は本発明の実施例を示す平面図である。
シリコン基板１の表面にはＧａＡｓの半絶縁性化合物半
導体層５が一部に形成されている。このＧａＡｓ層５は
必要な部分のみ選択的にエピタキシャル成長させて形成
してもよいし、シリコン基板１全面にＧａＡｓ層をエピ
タキシャル成長させた後、不要な部分をエッチングによ
り除去することにより形成してもよい。

【０００８】シリコン基板１の表面のＧａＡｓ層５が形
成されていない領域には、平面アンテナ２が形成されて
いる。平面アンテナ２は４つのアンテナ素子４で構成さ
れている。各アンテナ素子４は、マイクロストリップパ
ッチアンテナとしてよく知られている２点給電型のもの
である。基板１の材料であるシリコン（Ｓｉ）は、その
比誘電率εが１１．９でありＧａＡｓのそれよりも小さ
いので、この平面アンテナ２は、ＧａＡｓ基板に同様の
平面アンテナを形成した場合に比べて帯域を広くするこ
とができる。

【０００９】各アンテナ素子４の給電線は１つにまとめ
られて、受信回路である低雑音アンプ３に接続されてい
る。この低雑音アンプは、ＧａＡｓ層５上において、Ｍ
ＥＳＦＥＴ等が集積化されて構成されている。ＧａＡｓ
は、電子移動度が高く、バルク抵抗値も高いので高周波
用の受信回路をモノリシックに形成するのに適してい
る。

【００１０】このように、本実施例の受信装置によれ
ば、平面アンテナ２と受信回路である低雑音アンプ３が
一つのシリコン基板１上に形成されているので、小型軽
量で取扱いの容易な受信装置となっている。

【００１１】なお、この実施例では受信回路が低雑音ア
ンプ３であるが、低雑音アンプ３以外にその出力信号の
周波数をダウンコンバートするための周波数変換回路や
この周波数変換回路の出力信号を増幅する回路等も併せ
てＧａＡｓ層５上に集積化することができる。

【００１２】また、この受信装置を自動車等の移動体に
適用する場合には、通信衛星や放送衛星からのマイクロ
波信号を受信するために電子的に衛星の方向を追尾する
手段、すなわち、受信したマイクロ波信号の位相をシフ
トさせるフェイズシフタ回路を受信回路中に組み込むこ
とが望ましい。

【００１３】さらに、本実施例では、アンテナ素子４と
してパッチアンテナを用いているが、ライン型やスパイ
ラル型等のその他のプリントアンテナに置き換えること
も可能である。

【００１４】図２は本発明の他の実施例を示す平面図で
あり、平面アンテナをさらに集積化したものである。本
実施例では、第１実施例で平面アンテナ２として用いた
ものをアンテナエレメント２０とし、これをシリコン基
板１の表面に複数個（ここでは、９個）アレイ状に配列
している。各アンテナエレメント２０はマイクロストリ
ップ線路２１でＧａＡｓ層５上の低雑音アンプ３に接続
されている。このようにアンテナエレメント２０の数
は、スペースの許すかぎり増やすことが可能であり、受
信能力および精度はアンテナエレメント２０の増加分だ
け向上する。なお、アンテナエレメント２０を構成する
アンテナ素子の数は、第１実施例と同様に４個である
が、これに限定されるものではない。

【００１５】図３は、本発明のさらに別の実施例を示す
平面図である。この実施例の受信装置も、第２実施例と
同じく、４つのアンテナ素子４で１つのアンテナエレメ
ント３０が構成され、４つのアンテナエレメント３０が
シリコン基板１上にアレイ状に配列されている。各アン
テナエレメント３０にはそれぞれ受信回路である低雑音
アンプ３が１つずつ接続されており、各低雑音アンプ３
の出力端子はマイクロストリップ線路３１で共通に接続
されている。一般に、平面アンテナの効率が上がりにく
い原因として給電系の損失が大きいことが挙げられる。
しかし、この実施例のように各アンテナエレメント３０
毎に低雑音アンプ３を付加することにより雑音指数を大
幅に改善することができる。

【００１６】なお、この実施例では、アンテナエレメン
ト３０および低雑音アンプ３をすべて１つのシリコン基
板１上に配置してモノリシックに集積化したものである
が、第１実施例の受信装置を複数個用い、これらを混成
集積化することによってこの実施例と同等の構造の受信
装置を構成することも可能である。すなわち、１つのア
ンテナエレメントと１つの低雑音アンプを図１に示す実
施例のように１枚のシリコン基板上にモノリシックに形
成し、その基板を半絶縁性化合物半導体よりもさらに平
面アンテナに適した低誘電率でｔａｎδの小さな発砲ポ
リエチレンのような基板に搭載し、各シリコン基板中の
低雑音アンプを発砲ポリエチレン基板上に形成したマイ
クロストリップ線路で接続してもよい。この場合、誘電
率が低くなっているのでマイクロ波の伝播する速度は速
くなる。

【００１７】上記の各実施例は、いずれも通信衛星等か
らのマイクロ波を直接受信するための受信装置である
が、これらの受信装置をパラボラアンテナの１次放射器
として用いることも可能である。

【００１８】

【発明の効果】以上説明したように本発明の受信装置に
よれば、平面アンテナと受信回路を同一の基板上に搭載
しているので受信装置全体の小型軽量化を図ることがで
きる。しかも、基板として比誘電率εが比較的小さいシ
リコン基板を用いたので、平面アンテナの帯域幅を大き
くとることができる。また、シリコン基板上にエピタキ
シャル成長により選択的に半絶縁性化合物半導体層が形
成され、その上に受信回路が設けられているので、受信
回路を高周波に適したものとすることができる。さら
に、シリコン基板は、半絶縁性化合物半導体基板に比べ
て大口径のものを得やすいため、アンテナ素子が多数配
列された受信装置を作製することが可能である。また、
平面アンテナ、受信回路、この両者を接続するマイクロ
ストリップ線路などをすべて通常のＩＣプロセスで集積
化できるので、平面アンテナと受信回路とを導波管など
で接続したような従来装置に比べてトータルでの製造コ
ストを低くすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である受信装置を示す平面
図。

【図２】本発明の別の実施例を示す平面図。

【図３】本発明のさらに別の実施例を示す平面図。

【符号の説明】 １…シリコン基板 ２…平面アンテナ ３…受信回路 ４…アンテナ素子 ５…ＧａＡｓ層 ２０、３０…アンテナエレメント ２１、３１…マイクロストリップ線路

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シリコン基板上の一部に半絶縁性化合物
   半導体層が結晶成長により形成されており、 このシリコン基板の前記半絶縁性化合物半導体層が形成
   された領域以外の表面に１または２以上のアンテナ素子
   からなる平面アンテナが形成され、 前記半絶縁性化合物半導体層上に前記平面アンテナに接
   続される受信回路が形成されていることを特徴とする受
   信装置。
2. 【請求項２】 受信回路は、平面アンテナが受信した信
   号を増幅するための低雑音増幅回路を含むことを特徴と
   する請求項１に記載の受信装置。
3. 【請求項３】 半絶縁性化合物半導体層の材料がＧａＡ
   ｓであることを特徴とする請求項１に記載の受信装置。
4. 【請求項４】 請求項１に記載の受信装置が誘電体基板
   上に複数個配列され、各受信装置内の受信回路の出力端
   子が前記誘電体基板上に形成された伝送線路によって接
   続されていることを特徴とする受信装置。