JPH10261917A

JPH10261917A - ミリ波送受信装置

Info

Publication number: JPH10261917A
Application number: JP9066798A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Aoki; 芳雄青木
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1997-03-19
Filing date: 1997-03-19
Publication date: 1998-09-29

Abstract

(57)【要約】【課題】小型化が容易なミリ波送受信装置に関し、小
型化の容易なミリ波送受信装置を提供する。【解決手段】接地金属層とその上に配置された第１誘
電体層とを有する基板と、前記第１誘電体層上に形成さ
れた複数の金属パターンと前記複数の金属パターンを接
続する配線とを有する平面アンテナと、前記第１誘電体
層上に配置され、前記配線に接続されたミリ波半導体回
路とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ミリ波送受信装置
に関し、特に小型化が容易なミリ波送受信装置に関す
る。なお、本明細書において送受信装置とは、送信およ
び受信を行なえる装置、送信を行なう装置、受信を行な
う装置のいずれをも指すものとする。

【０００２】

【従来の技術】近年、自動車レーダやローカルエリアネ
ットワーク（ＬＡＮ）へのミリ波の利用が研究されてい
る。以下、主に自動車レーダを例にとって説明するが、
制限的な意味はない。

【０００３】電波を用いた自動車レーダとして２４ＧＨ
ｚ帯を用いたものが既に実用化されている。しかし、波
長を基準としたアンテナの開口径を小さくせざるを得
ず、車両の周辺監視にしか用いることができない。指向
性を高めるためにより高周波の電波を利用することが望
まれている。

【０００４】赤外線レーザを用いた自動車レーダも実用
化されているが、降雨、雪、霧等の気象条件によってそ
の検知距離が制限される。自動車レーダは天候に左右さ
れない性能を持つことが望まれる。

【０００５】自動車レーダの方式としては、パルス、Ｆ
ＭＣＷ（周波数変調連続波）、二周波ＣＷ（連続波）、
スペクトラム拡散等が検討されている。これらの方式は
それぞれその特徴を有する。

【０００６】レーダセンサにおいて、送信素子としては
ガンダイオードが用いられ、受信素子としてはショット
キバリアダイオードが用いられてきた。これらの能動素
子は、典型的にはアンテナに接続された導波管中にマウ
ントされる。しかし、この構成では小型化と低価格化が
難しい。

【０００７】レンズやカセグレイン型反射鏡を用い、焦
点位置に能動素子を配置する構成も提案されている。能
動素子から電波を取り出したり、能動素子に電波を供給
するための導波管が不要となり、低価格化が可能であ
る。しかし、能動素子とアンテナの機能を果すレンズや
カセグレン型反射鏡の前面との間に距離が必要であり、
小型化の点で問題が残る。自動車レーダは厚さもなるべ
く薄いことが望まれる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ミリ波送受信装置に対
する要求が高まっているが、現在の技術はこれらの要求
を未だ満たしていない。小型で低価格で高性能なミリ波
送受信装置が望まれている。

【０００９】本発明の目的は、小型化の容易なミリ波送
受信装置を提供することである。本発明の他の目的は、
低価格化が容易なミリ波送受信装置を提供することであ
る。

【００１０】本発明のさらに他の目的は、高性能のミリ
波送受信装置を提供することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の一観点によれ
ば、接地金属層とその上に配置された第１誘電体層とを
有する基板と、前記第１誘電体層上に形成された複数の
金属パターンと前記複数の金属パターンを接続する配線
とを有する平面アンテナと、前記第１誘電体層上に配置
され、前記配線に接続されたミリ波半導体回路とを有す
るミリ波送受信装置が提供される。

【００１２】平面アンテナを用いることにより、アンテ
ナ部の厚さを低減することができる。接地金属層と第１
誘電体層とを有する基板を共用して平面アンテナとミリ
波半導体回路とを配置することにより、構造の簡素化、
小型化を可能とし、さらに電送線路の損失を抑えること
が可能となる。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の実施例によるミ
リ波送受信装置を概略的に示す平面図および断面図であ
る。図１（Ａ）は、レドームを外した状態のミリ波送受
信装置の平面図を示す。基板１０の表面上に、パッチと
呼ばれる金属パターンがアレー状に配列されている。各
パッチ１１は、配線１２によって中央給電点１３に接続
されている。この構成において、中央給電点１３から各
パッチ１１までの距離は等しい。これらのパッチ１１お
よび配線１２により、平面アンテナＰＡが形成されてい
る。

【００１４】図中、平面アンテナＰＡの下方に、ミリ波
回路ＭＣが形成されている。中央給電点１３から下方に
延在する配線１４により、平面アンテナＰＡとミリ波回
路ＭＣが接続されている。図示の構成において、ミリ波
回路ＭＣは、発振器２１、送信半導体装置２２、受信半
導体装置２４、送受スイッチ装置２３およびミリ波結合
部２６を含む。

【００１５】発振器２１、送信半導体装置２２、送受ス
イッチ装置２３、受信半導体装置２４は、それぞれマイ
クロウェーブモノリシックＩＣの形態を有するミリ波Ｉ
Ｃによって形成されている。また、これらのミリ波ＩＣ
は、配線２５によって接続されている。発振器２１、送
信半導体装置２２、送受スイッチ２３によってミリ波送
信回路が形成される。また、送受スイッチ２３、受信半
導体装置２４、ミリ波結合部２６によって受信回路が形
成される。

【００１６】図１（Ｂ）は、基板１０の構成を概略的に
示す。基板１０は、接地金属層４１の表面上に誘電体層
４２を備え、その上に図１（Ａ）に示す各素子が搭載さ
れている。誘電体層４２を挟んだ接地金属層４１と配線
１２とは、マイクロストリップ線路を構成することがで
きる。接地金属層４１の裏面上には、他の誘電体層４３
が形成されている。

【００１７】図１（Ｃ）は、ミリ波送受信装置の断面構
成を概略的に示す。レドーム４５内に、上述の基板１０
が取り付けられている。基板１０の上面には、ミリ波回
路を構成するミリ波ＩＣ２１、２２、…が配置され、裏
面上には、ミリ波回路ＭＣを制御するための低周波ＩＣ
３１〜３３が取り付けられている。また、レドーム４５
を貫通して、コネクタ４６が配置されている。この断面
図は、基板１０に対するＩＣの配置を概念的に示すもの
であり、図１（Ａ）の配置と厳密に対応するものではな
い。

【００１８】すなわち、基板１０の上面上にミリ波送受
信装置の高周波部分（平面アンテナおよびミリ波回路）
が配置され、裏面上に低周波部分（ミリ波回路用の制御
回路）が配置されている。

【００１９】図１（Ｄ）は、基板１０の表面側と裏面側
との電気的接続の構成例を示す。基板１０を貫通してス
ルーホール４７が形成され、ガラス層４８で被覆された
芯線４９が配置されている。基板１０裏面上の低周波回
路の端子を芯線４９に接続し、基板１０表面上で芯線４
９をミリ波回路ＭＣの端子に接続することにより、基板
１０裏面と表面との間の電気的接続が形成される。

【００２０】図１（Ａ）に示すように、１つの基板１０
の表面上にミリ波回路ＭＣと平面アンテナＰＡとが隣接
して配置されるため、ミリ波回路ＭＣから平面アンテナ
ＰＡにミリ波を低損失で効率的に供給することができ
る。また、ミリ波回路ＭＣを制御する低周波回路は、基
板１０の裏面上に配置することにより、基板１０の大き
さを節約することができる。

【００２１】図１（Ａ）に示す平面アンテナＰＡは、中
央給電点１３から各パッチ１１までの距離が等しく、各
パッチが同位相で電波を授受する。なお、平面アンテナ
ＰＡのパッチ１１の数は、図示のものに限らないことは
当業者に自明であろう。目的に合わせ、パッチ１１の数
を適宜変更することができる。１６×１６等のように、
パッチ数を増大させれば、平面アンテナから出射または
平面アンテナに入射する電波の指向性を高めることがで
きる。なお、平面アンテナの構成は、図１（Ａ）に示す
ものに限らない。

【００２２】図２は、平面アンテナの他の構成例を示
す。図２（Ａ）においては、図中縦方向に配列されたパ
ッチ１１を、縦方向の配線１２が直列に接続し、鎖状パ
ッチ列が形成されている。図中、下方において各配線は
結合されている。パッチは、図中縦方向の位置によって
送受信する電波の位相が変化する。

【００２３】図２（Ｂ）は、放射状に配列された直列接
続パッチ列の構成例を示す。複数のパッチを直列に接続
したパッチ列が、放射状にかつインターデジタルに配置
されている。

【００２４】なお、これらの構成の他にも種々の平面ア
ンテナ構成が可能なことは当業者に自明であろう。

【００２５】図３は、図１（Ａ）に示したミリ波回路Ｍ
Ｃに用いるミリ波半導体ＩＣ装置の構成例を示す。

【００２６】図３（Ａ）は、メタルパッケージとマイク
ロストリップ線路により入出力端子を有する構成例を示
す。接地金属層５１の上に、半導体チップ５３が取り付
けられ、ボンディングワイヤ５７によりアルミナセラミ
ックスの誘電体層５４上に形成されたタングステン線路
５５に接続されている。タングステン線路５５は接地金
属層５１と共にマイクロストリップ線路を構成する。タ
ングステン線路５５上には、他のアルミナセラミックス
層５６が形成され、タングステン線路５６をアイソレー
トしている。メタルキャップ５２は、接地金属層５１と
結合され、メタルパッケージを構成する。

【００２７】図３（Ｂ）は、ガラス同軸端子を有するメ
タルパッケージの構成例を示す。接地金属層５１とメタ
ルキャップ５２がメタルパッケージを構成している。接
地金属層５１を貫通してスルーホールが形成され、この
スルーホールにガラス層５８で被覆された芯線５９が貫
通している。すなわち、芯線５９とガラス層５８は、ガ
ラス同軸端子を形成している。

【００２８】接地金属層５１上には、誘電体層６１が形
成され、その上に配線６３が形成される。半導体チップ
５３の下面には、Ａｕ等によって形成されたマイクロバ
ンプ６２が配置され、このマイクロバンプ６２を介して
半導体チップ５３の端子が緯線と接続される。図示の構
成においては、線路６３は、さらにボンディングワイヤ
５７によってガラス同軸端子の芯線５９に接続されてい
る。

【００２９】なお、ボンディングワイヤ５７の代わり
に、フレキシブルプリント基板等を用いることも可能で
ある。半導体チップ５３は、接着剤層６４によって誘電
体層６１上に固定されている。

【００３０】図３（Ｃ）は、アルミナセラミックスパッ
ケージを備えた半導体装置の構成例を示す。アルミナセ
ラミックス基板６６は、スルーホールを有し、スルーホ
ール内を埋めるタングステンビア６７によりパッケージ
内外を電気的に接続している。タングステンビア６７の
端部には、Ａｕ等のマイクロバンプ６２、６８が配置さ
れている。半導体チップ５３の端子は、マイクロバンプ
６２によりタングステンビア６７に接続される。メタル
キャップ５２は、半導体チップ５３外側でアルミナセラ
ミックス基板６６に結合され、内部を封止している。

【００３１】図３（Ｄ）は、パッケージ内外を電磁界結
合によって接続するセラミックスパッケージの構成例を
示す。アルミナセラミックス基板６６とメタルキャップ
５２がパッケージを構成している点は、図３（Ｃ）の場
合と同様である。本構成においては、パッケージ内部に
おいてアルミナセラミックス基板６６上に線路７１が形
成され、パッケージ外部において、線路７１と交差する
ように線路７４が形成されている。半導体チップ５３と
線路７１との結合は、マイクロバンプ６２によって行な
われる。

【００３２】図３（Ｅ）は、パッケージ内部の線路７１
の構成例を示す。セラミック基板６６上に、線路７１お
よびそれを取り囲む接地金属層７２が形成され、コプレ
ーナ配線を形成している。

【００３３】図３（Ｆ）は、パッケージ外部の線路７４
の構成を示す。線路７４は、アルミナセラミックス基板
６６を介してパッケージ内部の接地金属層７２と対向
し、マイクロストリップ線路を構成している。

【００３４】図３（Ｄ）の構成において、パッケージ内
外の線路７１、７４は、電磁界により結合し、信号の授
受を行なう。なお、電源の供給は、他の構成によって行
なわれる。

【００３５】図４は、図１に示すようなミリ波送受信装
置によって実現される自動車レーダの例を示す。自動車
レーダは、アンテナ部１０１、ミリ波部１０２、信号処
理部１０４を含んで構成されている。アンテナ部１０１
は、図１（Ａ）に示したような平面アンテナＰＡによっ
て形成される。ミリ波部１０２は、送信回路と受信回路
とを含む。送信回路は、図中上方に示した、６０ＧＨｚ
電圧制御発振器（ＶＣＯ）１１５、増幅器１１７を含む
送信マイクロ波モノリシックＩＣ（ＭＭＩＣ）１１８に
よって形成される。受信回路は、増幅器１２１、ミキサ
１２２を含む受信ＭＭＩＣ１２３によって形成されてい
る。なお、ミキサ１２２は、送信回路との結合部１２９
と配線１１９によって結合されている。

【００３６】図１（Ａ）の構成と比較した時、ＶＣＯ１
１５が発振器２１に相当し、送信ＭＭＩＣ１１８が送信
半導体装置２２に相当し、受信ＭＭＩＣ１２３が受信半
導体装置２４に相当する。

【００３７】信号処理部１０４は、電波法上定められた
呼出名称符号を発生するための呼出名称符号発生回路１
１１、三角波発生回路１１２、スイッチ１１３を含む。
スイッチ１１３は、呼出名称符号発生回路１１１、三角
波発生回路１１２を選択的にＶＣＯ１１５に接続する。
スイッチ１１３の動作は、デジタル信号プロセッサ（Ｄ
ＳＰ）１３０により制御される。

【００３８】三角波発生回路１１２は、ＶＣＯ１１５に
三角波を供給し、発振周波数を三角波形状に変調する。
信号処理部１０４は、さらにベースバンド増幅器１２
６、アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器１２７の直列
接続を含む。

【００３９】図４（Ａ）に示す回路構成により、アンテ
ナ部１０１から三角波形状に周波数を変調された６０Ｇ
Ｈｚの電波が発せられ、受信された電波はミキサ１２２
でサイドバンドを生じさせ、中間周波数として検出され
る。図４（Ａ）の回路は、ＦＭＣＷレーダを構成する。

【００４０】図４（Ｂ）は、ＦＭＣＷレーダの動作を概
略的に示す。ミリ波部１０２から供給される三角波形状
に変調されたミリ波は、送信波ｆｓで示すようにその周
波数を変調幅Δｆ内で変化させる。送信された電波が、
先行車等によって反射され、受信されると、電波伝搬に
必要な時間遅れと共に、先行車との速度差に基づく周波
数変調を受ける。図４（Ｃ）は、ビート周波数の時間的
変化を概略的に示す。

【００４１】電波の伝搬速度（＝光速）をｃ、三角波の
変調幅をΔｆ、三角波の変調周波数をｆｍ、変調中心周
波数をｆ₀、変調周波数が増加する区画に得られるビー
ト信号の周波数（アップビート周波数）をｆ_BU、変調周
波数が減少する区間に得られるビート信号の周波数（ダ
ウンビート周波数）をＦ_BDとすると、先行車までの距離
Ｒは、Ｒ＝〔（ｆ_BD＋ｆ_BU）ｃ〕／８Δｆｆｍ …（１）で表すことができる。また、レーダを搭載した自車と先行車との速度差Ｖは、Ｖ＝〔（ｆ_BD−ｆ_BU）ｃ〕／４ｆ₀ …（２）で表される。

【００４２】ＤＳＰ１３０は、式（１）、（２）に示す
ような演算を行い、その結果を表示器等に供給する。ま
た、ＤＳＰ１３０は、演算結果に基づき、ブレーキ制
御、アクセル制御等の信号を発生することもできる。

【００４３】なお、送信および受信を行なうミリ波送受
信装置を例にとって説明したが、送信のみ、または受信
のみを行なうミリ波送受信装置も、上述の構成から不要
部分を省略すること等により、同様に構成できることは
当業者に自明であろう。

【００４４】以上実施例に沿って本発明を説明したが、
本発明はこれらに制限されるものではない。たとえば、
種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者
に自明であろう。

【００４５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
小型のミリ波送受信装置を実現することが可能となる。
構造が簡単で厚さが薄く、回路中の信号損失が少ないミ
リ波送受信装置を提供することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例によるミリ波送受信装置の構成
を示す平面図および断面図である。

【図２】平面アンテナの構成例を示す平面図である。

【図３】ミリ波半導体装置の構成例を示す断面図および
平面図である。

【図４】自動車レーダの回路構成および動作を説明する
ためのブロック図およびグラフである。

【符号の説明】

１０基板１１パッチ１２、１４配線１３中央給電点２１〜２４ミリ波ＩＣ３１〜３３低周波ＩＣ４１接地金属層４２、４３誘電体層４５レドーム４７スルーホール４８ガラス層４９芯線５１接地金属層５２メタルキャップ５３半導体チップ５４アルミナセラミックス層５５タングステン線路５６アルミナセラミックス層６２マイクロバンプ６３線路６４接着剤層６６アルミナセラミックス基板６７タングステンビア６８マイクロバンプ７１、７４線路７２接地金属層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】接地金属層とその上に配置された第１誘
電体層とを有する基板と、前記第１誘電体層上に形成された複数の金属パターンと
前記複数の金属パターンを接続する配線とを有する平面
アンテナと、前記第１誘電体層上に配置され、前記配線に接続された
ミリ波半導体回路とを有するミリ波送受信装置。
【請求項２】前記複数の金属パターンがアレイ状に配
列されている請求項１記載のミリ波送受信装置。
【請求項３】前記複数の金属パターンが鎖状に配列さ
れている請求項１記載のミリ波送受信装置。
【請求項４】前記複数の金属パターンが放射状に配列
されている請求項１記載のミリ波送受信装置。
【請求項５】前記ミリ波半導体回路が、セラミックパ
ッケージを外囲器とするミリ波半導体ＩＣ装置を含む請
求項１記載のミリ波送受信装置。
【請求項６】前記ミリ波半導体ＩＣ装置が、マイクロ
ストリップ線路、またはコプレーナ線路のミリ波入出力
端を有する請求項５記載のミリ波送受信装置。
【請求項７】前記ミリ波半導体回路が、ガラス同軸端
子を持つ金属パッケージを外囲器とするミリ波半導体Ｉ
Ｃ装置を含む請求項１記載のミリ波送受信装置。
【請求項８】前記ミリ波半導体回路が、ミリ波の電磁
結合をする金属パターンを持つセラミックパッケージを
外囲器とするミリ波半導体ＩＣ装置を含む請求項１記載
のミリ波送受信装置。
【請求項９】前記ミリ波半導体回路が、送信半導体装
置と、受信半導体装置と、送信半導体装置および受信半
導体装置を選択的に前記平面アンテナに接続するスイッ
チ半導体装置とを含む請求項１記載のミリ波送受信装
置。
【請求項１０】前記第１誘電体層が、テフロン、アル
ミナ、石英、ガリウム砒素からなる群から選ばれた少な
くとも１つで形成されている請求項１記載のミリ波送受
信装置。
【請求項１１】前記基板が、さらに前記第１誘電体層
と逆の側で前記接地金属層上に配置された第２誘電体層
を有し、さらに、前記第２誘電体層上に配置され、前記ミリ波半
導体回路の動作を制御するための制御半導体回路を有す
る請求項１記載のミリ波送受信装置。