WO2000039893A1 - Phased array antenna and its manufacturing method - Google Patents

Phased array antenna and its manufacturing method Download PDF

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WO2000039893A1
WO2000039893A1 PCT/JP1999/006516 JP9906516W WO0039893A1 WO 2000039893 A1 WO2000039893 A1 WO 2000039893A1 JP 9906516 W JP9906516 W JP 9906516W WO 0039893 A1 WO0039893 A1 WO 0039893A1
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WO
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array antenna
phased array
layer
phase
phase control
Prior art date
Application number
PCT/JP1999/006516
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French (fr)
Japanese (ja)
Inventor
Tsunehisa Marumoto
Ryuichi Iwata
Youichi Ara
Hideki Kusamitu
Kenichiro Suzuki
Original Assignee
Nec Corporation
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Publication date
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00Antenna arrays or systems
    • H01Q21/0006Particular feeding systems
    • H01Q21/0025Modular arrays
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00Antenna arrays or systems
    • H01Q21/0087Apparatus or processes specially adapted for manufacturing antenna arrays
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00Antenna arrays or systems
    • H01Q21/06Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart
    • H01Q21/061Two dimensional planar arrays
    • H01Q21/065Patch antenna array
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q23/00Antennas with active circuits or circuit elements integrated within them or attached to them
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/26Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture

Definitions

  • the present invention relates to a phased array antenna used for transmitting and receiving high-frequency signals such as microwaves and millimeter waves, and adjusting a beam radiation direction by controlling a phase supplied to each radiating element.
  • phased array antenna consisting of a large number of radiating elements arranged in an array has been proposed as an on-board satellite tracking antenna or a satellite-mounted antenna.
  • This type of phased array antenna has the function of arbitrarily changing the beam direction by electronically changing the phase fed to each radiating element.
  • phase shifter is used as a means for changing the feeding phase of each radiating element.
  • a phase shifter a digital phase shifter composed of a plurality of phase shift circuits each having a fixed different phase shift amount (hereinafter, the digital phase shifter is simply referred to as a phase shifter) is used. You.
  • Each phase shift circuit is on / off controlled by a 1-bit digital control signal, and the phase shift amount of each phase shift circuit is combined to provide a power supply phase of 0 ° to 360 ° for the entire phase shifter. Is obtained.
  • phased array antennas use a large number of semiconductor devices such as PIN diodes and GaAs FETs as switching elements in each phase shift circuit, and many drive circuit components for driving these devices. .
  • the Ka band (approximately 20 GHz or higher) It is necessary to realize an antenna applicable in a high frequency band.
  • an antenna for a low-Earth orbit satellite tracking terminal (ground station) for example, frequency: 30 GHz,
  • Beam scanning range 50 ° beam tilt angle from the front
  • Opening area about 0.13 m 2 (36 O mm X 36 O mm)
  • the phase shift circuit used for each phase shifter must be 4 bits (minimum bit).
  • the phase shifter is preferably 22.5 °) or more.
  • the total number of radiating elements and the number of phase shift circuit bits used for the phased array antenna satisfying the above conditions are:
  • the spacing between the radiating elements must be around 5 mm, but in the conventional technology, the width of the wiring bundle is large. Too physical to be physically located.
  • the present invention has been made to solve such a problem, and an object of the present invention is to provide a phased array antenna having a high gain and applicable to a high frequency band. Disclosure of the invention
  • a phased array antenna comprises a radiating element and a phase control means formed in separate radiating element layers and a phase control layer, respectively, to form a multilayer structure.
  • a micro machine switch is used as a switching element used in the phase shift circuit.
  • the area occupied by the switching element Can be reduced as compared with the conventional case.
  • one phase shift unit can be configured with a relatively small area, a large number of radiating elements can be arranged in units of thousands in optimal intervals (about 5 mm) for high-frequency signals of about 30 GHz, resulting in high gain.
  • a fused array antenna applicable to a high frequency band can be realized.
  • each phase shift means which is repeatedly formed is mounted on a first substrate, and this is mounted on a second substrate on which a phase control layer is formed.
  • FIG. 1 is a block diagram of a phased array antenna according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an explanatory diagram showing a configuration example of a multilayer substrate.
  • FIG. 3 is a block diagram showing a phase shift unit.
  • FIG. 4 is a timing chart showing the operation of the phase control unit.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a configuration example of the present invention using a radial waveguide.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a configuration example of the present invention using a reflection-type space-fed phased array antenna.
  • FIG. 7 is a timing chart showing another operation of the phase control unit.
  • FIG. 8 is a perspective view showing a configuration example of the switch.
  • FIG. 9 is an explanatory diagram showing a bare chip mounting example.
  • FIG. 10 is an explanatory diagram showing an example of chip formation.
  • FIG. 11 is a circuit layout diagram showing the first embodiment.
  • FIG. 12 is a circuit layout diagram showing a configuration example inside the chip.
  • FIG. 13 is an explanatory diagram showing a configuration example of a pseudo coaxial line.
  • FIG. 14 is a circuit layout diagram showing the second embodiment.
  • FIG. 15 is a circuit layout diagram showing the third embodiment.
  • FIG. 16 is an explanatory diagram showing a configuration example of a pseudo slot.
  • FIG. 17 is a circuit layout diagram showing the fourth embodiment.
  • FIG. 18 is a diagram for explaining a configuration example of a conventional fused array antenna. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  • FIG. 1 is a block diagram of a phased array antenna 1 according to one embodiment of the present invention.
  • phased array antenna is used as a transmitting antenna for a high-frequency signal
  • the present invention is not limited to this. It is also possible to use. Further, when the entire antenna is composed of a plurality of subarrays, the present invention may be applied to the phased array antenna of each subarray.
  • FIG. 1 is a diagram for explaining the configuration of the phased array antenna 1.
  • a phased array antenna 1 is composed of a multilayer substrate 2 on which a radiating element and a phase control circuit are mounted on a multilayer substrate, a power supply 13 for supplying high-frequency power to the multilayer substrate 2, and a multilayer substrate 2 comprises a control device 11 for controlling the phase of each radiating element.
  • m X n (m and n are integers equal to or greater than 2) radiating elements 15 are arranged in an array, and the feed section 13 to the splitting / combining section 14 and the strip line 16 A ( The high-frequency signal is supplied via the (bold line in the figure).
  • the arrangement of the radiating elements 15 may be arranged in a rectangular lattice array or in another array such as a triangular array.
  • Each radiating element 15 is provided with a phase shifter 17.
  • phase shifter 17 provided for each radiating element 15 and a part of the strip line connected to the phase shifter 17 are collectively referred to as a phase shift unit 16.
  • a phase shift unit 16 a circuit portion repeatedly formed between the phase shift units 16 or within the same phase shift unit 16 is integrated and formed on another substrate to form a chip. And implemented in a phase control layer 35 described later.
  • FIG. 1 shows a case where the entire phase shift unit 16 is formed into chips.
  • a small piece (first substrate) that is formed by forming a large number of identical or similar unit circuits on a substrate by a semiconductor process or the like and then cutting out each unit is referred to as a base.
  • Devices that have been processed on the base for mounting and mounting on the second substrate) are called chips.
  • a chip is formed by cutting out a large number of circuits formed in a single unit or processing it for mounting and mounting it on another substrate (second substrate). Call.
  • the control device 11 is a device that calculates a feed phase shift amount of each radiation element 15 based on a desired beam radiation direction.
  • control signals 11 1 to 11 p one of these signals may be referred to as a control signal 11 i). It is distributed to drive units 1 and 2.
  • phase shift amount of q radiating elements is serially input to one drive unit 12.
  • pXq is basically the same as the total number of radiating elements mXn, but is a slightly larger number depending on the number of output terminals of the drive unit 12.
  • FIG. 2 is a block diagram of the drive unit 12.
  • Each drive unit 12 is composed of a data distribution unit 53 and q phase control units 54 provided for each phase shifter 17.
  • phase shift amount of q radiating elements is serially input to one driving unit 12.
  • the data distribution unit 53 distributes the phase shift amount of the q radiating elements 15 included in the control signal 11 i to the q phase control units 54 connected to the phase shifters 17 respectively. . Thereby, the phase shift amount of the corresponding radiating element 15 is set for each phase control unit 54.
  • the control device 11 outputs a trigger signal Trg, to each drive unit 12.
  • This trigger signal Trg is input to the phase control unit 54 of each drive unit 12 as shown in FIG.
  • the trigger signal T rg ′ is a signal that determines the timing for instructing and outputting the phase shift amount set in each phase control unit 54 to each phase shifter 17.
  • the controller 11 After setting the amount of phase shift for each phase control unit 54, the controller 11 outputs a pulse-like trigger signal T rg 'from the output of the controller 11 so that the amount of phase shift for power supply to each radiating element 15 Can be updated all at once, and the beam emission direction can be changed instantaneously.
  • phase shifter 17 provided for each radiating element 15 and the phase control unit 54 of the drive unit 12 will be described with reference to FIG.
  • FIG. 3 is a block diagram of the phase shifter 17 and the phase control unit 54.
  • phase shifter 17 is composed of four phase shift circuits 17A17D each having a different phase shift amount of 22.5 ° 45 ° 90 ° 180 °.
  • Each of the phase shift circuits 17A and 17D is connected to a strip line 16A for transmitting a radiating element 15 high-frequency signal from the distribution / combination unit 14.
  • each of the phase shift circuits 17A and 17D is provided with a switch 17S.
  • the phase control unit 54 for individually controlling the switches 17S of the phase shift circuits 17A 17D is composed of latches 55A 55D provided for each phase shift circuit 17A17D. .
  • the data distribution unit 53 of the drive unit 12 outputs a control signal 53A 53D to each of the latches 55A 55D constituting the phase control unit 54, thereby transferring the radiating element 15 to the phase control unit 54. Give phase amount.
  • control signal 53 A 53 D is input to the input D of each latch 55 A 55 D.
  • each latch 55A 55D is output from the controller 11 Trigger signal T rg ′ is input.
  • Each of the latches 55A to 55D latches the control signal 53A to 53D at the rising (or falling) edge of the pulse-like trigger signal Trg ', and the latches and the respective phase shifts.
  • the output Q (C nt) is output to the corresponding switch 17S of each of the phase shift circuits 17A to 17D via a drive line 19 for individually connecting the circuits.
  • phase shift amount of each of the phase shift circuits 17 A to 17 D is set, thereby setting the phase shift amount of the entire phase shifter 17, so that the high frequency signal propagating through the strip line 16 A is set. Is given a predetermined amount of phase shift.
  • the switch 17S may be sequentially switched by always outputting the trigger signal Trg ', that is, by always maintaining the H level (or the L level). In this case, since the phase shifters 17 are partially switched without being switched at the same time, instantaneous interruption of the radiation beam can be avoided.
  • a voltage amplifier or current amplifier should be provided on the output side of the latches 55A to 55D. You may.
  • FIG. 4 is an explanatory diagram showing the multilayer substrate unit 2, which shows a perspective view and a schematic cross-sectional view of each layer.
  • each of these layers is patterned by photolithography, etching, and printing techniques, and then laminated and integrated into multiple layers (first multilayer structure). Note that the stacking order of each layer is not necessarily limited to the form shown in Fig. 4.If the layers are deleted or added or the stacking order is partially changed according to the conditions of electrical and mechanical requirements The present invention is also effective.
  • a branch strip line 23 that distributes a high-frequency signal from the power supply unit 13 (not shown in FIG. 4) is formed.
  • the strip line 23 may be a tournament system that repeats two branches or a comb-shaped A series distribution method that gradually branches from the main line can be used.
  • a dielectric layer 38 A and a grounding layer 39 A made of a conductor are further provided outside the distribution / combination layer 39. Is added.
  • a bonding layer 37 (second bonding layer) is provided via a dielectric layer 38.
  • the coupling layer 37 is formed of a conductor pattern in which a hole, that is, a coupling slot 22 is formed in the ground plane.
  • phase control layer 35 is provided via a dielectric layer 36.
  • the phase control layer 35 is used to connect each phase shifter 17, a drive unit 12 for individually controlling the phase shifters 17, and each phase shifter 17 to the drive unit 12.
  • Drive lines 19 are provided.
  • the phase control layer 35 is connected to a plurality of wires.
  • a large number of drive lines 19 are provided in a layer different from the layer on which the phase shift unit 16 is mounted, that is, a wiring layer (internal wiring layer) inside the phase control layer 35. (Second multilayer structure).
  • phase control layer 35 a coupling layer 33 (first coupling layer) having a coupling slot 21 similar to the coupling layer 37 is provided via a dielectric layer 34. ing. Above it, a radiating element layer 31 on which a radiating element 15 is formed via a dielectric layer 32 is provided.
  • a parasitic element layer 31A on which a parasitic element 15A is formed via a dielectric layer 31B is provided.
  • the parasitic element 15 A is added for widening the band, and may be configured as necessary.
  • the dielectric layers 31 B, 32, 38, 38 A are made of a low dielectric constant substrate having a relative dielectric constant of about 1 to 4, such as a printed circuit board, a glass substrate, or a foam material. Can be Further, these dielectric layers may be spaces (air layers).
  • a substrate having a relative dielectric constant of about 1 to 11 such as a printed board, a ceramic substrate, a glass substrate, or a foam material is used.
  • a space may be formed as the dielectric layer 34.
  • the layers constituting the multilayer substrate 2 are separately disassembled for the sake of simplicity, but the layers are adjacent to the dielectric layers 31B, 32, 34, 36, 38, 38A.
  • the layers to be formed, for example, the radiating element layer 31 and the coupling layer 33 can be realized by forming a pattern on one or both surfaces of the dielectric layer.
  • the dielectric layer does not necessarily need to be formed of a single material, and may have a configuration in which a plurality of materials are stacked.
  • the high-frequency signal from the power feeding section 13 (not shown in FIG. 2) , And propagates to the strip line of the phase control layer 35.
  • a predetermined feed phase shift amount is given by the phase shifter 17, and propagates to the radiating element 15 of the radiating element layer 31 via the coupling slot 21 of the coupling layer 33, and It is radiated from 15 to a predetermined beam direction.
  • each phase shift unit 16 that is, the phase shifter 17 provided for each radiation element 15, and the strip line connected to the phase shifter 17
  • the circuit section that is repeated between each phase shift unit 16 or within the same phase shift unit 16 is integrated and formed into a chip on another substrate, and then phased as chip 67. Implemented in control layer 35.
  • the phase control layer 35 is composed of a plurality of wiring layers (second multilayer structure), and the phase shift unit 16 is formed therein.
  • a drive line 19 for individually connecting the drive unit 12 and each phase shift controller 18 is arranged on a wiring layer different from the wiring layer.
  • the number of drive lines 19 for controlling each phase shifter 17 can be reduced from the layer on which the phase shift unit 16 is formed, and the area required for these wirings can be greatly reduced.
  • the radiating element 15 and the phase shift unit 16 are formed on separate radiating element layers 31 and phase control layers 35, respectively.
  • a multilayer structure (first multilayer structure) was adopted.
  • the distributing / combining unit 14 is formed in a separate distributing / combining layer 39, and the phase control layer 35 and the distributing / combining layer 39 are connected by a connecting layer 37, so that the whole has a multilayer structure.
  • the area occupied by the radiating element 15 and the distributing / combining section 14 on the phase control layer 35 can be reduced, and the occupied area per radiating element can be reduced.
  • one phase shift unit 16 can be configured with a relatively small area in this manner, for example, for a high-frequency signal of about 3 OGHz, each radiating element In this case, a phased array antenna having a high gain and applicable to a high frequency band can be realized.
  • the beam scanning angle at which the grating lobe occurs is widened, so that the beam can be scanned over a wide range centering on the front of the antenna.
  • a distributed constant line such as a triplate type, a coplanar waveguide type, or a slot type can be used in addition to the microstrip type.
  • a printed dipole antenna, a slot antenna, an aperture element, and the like can be used as the radiating element 15. Particularly, by increasing the opening of the slot 21 in the coupling layer 33, the slot antenna can be used.
  • the radiating element layer 31 is also used as the coupling layer 33, and the radiating element layer 31 and the parasitic element layer 31A become unnecessary.
  • the strip line 16 A of the phase control layer 35 is used instead of the coupling slot 21, the strip line 16 A of the phase control layer 35 is used.
  • a high-frequency signal may be coupled using a conductive feed pin connecting the radiating element 15 and the radiating element 15.
  • a conductive feed pin provided to project from the strip line of the phase control layer 35 into the dielectric layer 38 via a hole provided in the coupling layer 37 is used. High frequency signals may be combined.
  • the same function as that of the distribution / combination layer 39 can also be realized by using a radial waveguide.
  • FIG. 5 is an explanatory diagram showing a configuration example of the present invention when a radial waveguide is used.
  • the distribution / synthesis function is realized by the dielectric layer 38, the ground layer 39A, and the probe 25 of the multilayer substrate unit 2 shown in FIG. Layer 39 is not required.
  • the dielectric layer 38 is composed of a printed circuit board, a foaming agent, or a space (air layer).
  • ground layer 39A a copper foil on a printed circuit board may be used as it is, or a metal plate or a metal housing surrounding the entire side surface of the dielectric 38 may be separately provided.
  • the present invention is applicable to a space-fed phased array antenna.
  • Fig. 6 shows a configuration example of a reflection-type space-fed phased array antenna.
  • the phased array antenna 1 shown in FIG. 6 is composed of a radiation feed section 27 composed of a feed section 13 and a primary radiating section 26, a multilayer board section 2, and a control device 11 (not shown).
  • the multilayer substrate 2 is different from the embodiment shown in FIG. 4, and is composed of a radiating element layer 31, a dielectric layer 32, a coupling layer 33, a dielectric layer 34, and a phase control layer 35. ing. Further, since the function of the distribution / combination unit 14 shown in FIG. 1 is realized by the primary radiation unit 26, the distribution / combination layer 39 is excluded from the multilayer substrate unit 2.
  • phased array antenna 1 the high-frequency signal radiated from the radiation feeder 27 is received once by each radiating element 15 on the radiating element layer 31, and Each is coupled to a phase shift unit 16 on a phase control layer 35 via 3.
  • the high-frequency signal is phase-controlled by each phase shift unit 16, propagates again to each radiating element 15 via the coupling layer 33, and has a predetermined beam direction from each radiating element 15. Is radiated.
  • the present invention is also effective in a form in which the multilayer distribution board 39 does not include the combined distribution layer 39 as in the space-fed phased array antenna described above.
  • phase control layer 35 Next, a configuration example of the phase control layer 35 will be described with reference to FIG.
  • FIG. 7 is an explanatory diagram schematically showing the arrangement of the phase control layer 35. As shown in FIG.
  • phase control layer 35 In the multilayer structure region of the phase control layer 35, a number of phase shifters 17 are arranged in an array, and further, a wiring pattern of the drive line 19 is formed.
  • a plurality of drive units 12 each composed of a flip chip 51 are arranged outside the multilayer structure region of the phase control layer 35.
  • the flip chip 51 is a chip that is bonded (that is, face-down bonded) using connection terminals provided on a chip or a substrate without using a lead wire such as a wire lead or a beam lead.
  • bumps 52 are formed as connection terminals on each of the chip electrodes, and the bumps 52 and the wiring of the phase control layer 35 are directly or differently connected.
  • the connection is made via an isotropic conductive sheet or the like.
  • the drive unit 12 is composed of the flip chip 51, the input electrode of the control signal 1 1 i to be input to the data distribution unit 53, and each latch constituting each phase control unit 54
  • the bumps 52 serving as the outputs Q of the latches 55 are connected to the phase shift circuits 17 A to 170 forming the phase shifter 17 by the drive lines 19 formed on the phase control layer 35. Connected individually to one.
  • the bumps 52 are formed not only on the periphery of the chip but also on the entire surface of the chip, the size of the chip does not necessarily increase even if the number of electrodes increases, and the mounting density of IC can be increased.
  • the number of radiating elements 15 must be increased in order to improve antenna gain. Therefore, even if the total number of bits of the phase shifter 17 to be controlled increases, the drive unit 12 for driving the phase shifter 17 is constituted by the flip chip 51, so that the phased array antenna can be formed. Can be prevented from becoming larger.
  • the number of chips mounted on the phase control layer 35 can be reduced, the time required for disposing the chips at predetermined positions can be reduced, and the production lead time can be suppressed from being lengthened.
  • the number of radiating elements 15 was set to 50,000 to obtain a gain of 36 dBi, and each phase shift was performed to increase the beam scanning step. Assuming that four bits are provided for the phase shift circuit used in the shifter 17, the total number of phase shift circuit bits is 20000 bits.
  • each flip chip 51 is arranged on both sides of the phase control layer 35 in the column direction.
  • the flip chip 51 arranged on the left side controls the left half of each of the phase shifters 17 arranged in the row direction, and the flip chip 51 arranged on the right side The right half of each phase shifter 17 arranged in the direction is controlled.
  • the phase control layer 35 has a multilayer structure composed of a plurality of internal wiring layers, and each bump 52 of the flip chip 51 and each phase shift circuit 17 A to 1 A Each of the drive lines 19 for connecting to 7D is separately wired to each layer of the phase control layer 35.
  • the drive wire 19 formed on a different layer from the flip chip 51 or the phase shift circuit 17 A to 17 D is connected to the flip chip 51 or the phase shift circuit 17 A via a via hole formed in the substrate. Needless to say, it is connected to ⁇ 17D.
  • the maximum width of the bundle of the drive lines 19 is reduced, so that the area prepared for the drive lines 19 in the phase control layer 35 can be reduced.
  • the size of the phased array antenna can be reduced, and the spacing between the radiating elements 15 can be reduced, so that the range of the radiated beam can be expanded.
  • the number of the drive lines 19 is small or when the width of the drive lines 19 is reduced, all the drive lines 19 are formed into one layer without having to multiply the phase control layer 35. It can also be wired.
  • the bump type flip chip 51 has been described. Instead of forming the bump 52 on the chip, a bump is formed on the substrate (here, the phase control layer 35) on which the flip chip 51 is mounted.
  • the flip chip 51 is mounted in the same manner as described above.
  • a multi-layered board build-up is formed by laminating a plurality of sheet-shaped boards on which a predetermined wiring pattern is formed. You can apply the method of making the substrate).
  • FIG. 8 is a perspective view showing a configuration example of the switch.
  • This switch is composed of a micromachine switch that short-circuits and opens the strip lines 62 and 63 with a contact (small contact portion) 64.
  • the micromachine switch mentioned here is a microswitch suitable for being integrated by a semiconductor device manufacturing process.
  • Strip lines 6 2 and 6 3 (having a height of about 1 ⁇ ) are formed on substrate 61 with a small gap, and contact 64 (height of about 2 ⁇ ) is formed above the gap. ) Are supported by a support member 65 so as to be able to freely contact and separate from the strip lines 62 and 63.
  • the distance between the lower surface of the contact 64 and the upper surfaces of the strip lines 62 and 63 is about 4 / m, and the height of the upper surface of the contact 64 with respect to the upper surface of the substrate 61, that is, The height of the entire micromachine switch is about 7 ⁇ .
  • a conductor electrode 66 (having a height of about 0.2 ⁇ ) is formed in the gap between the strip lines 62 and 63 on the substrate 61, and the height of the electrode 66 is It is lower than the height of the tracks 62, 63.
  • the electrode 66 has an output voltage of the drive circuit 19 ⁇ to 19 D (for example, 10 to 100 V Are supplied separately.
  • the contact 64 contacts both the strip lines 62 and 63 and the strip line 62 and 63 become conductive at a high frequency via the contact 64.
  • the output voltage of the drive circuit may be applied to the contact 64 via the support member 65 made of a conductor without applying a voltage to the electrode 66. can get.
  • the contact 64 has at least a lower surface formed of a conductor and makes ohmic contact with the strip lines 62 and 63, an insulator thin film is formed on the lower surface of the conductor member and the strip lines 62 and 63 are formed. 3, which may be capacitively coupled to 3.
  • the micromachine switch can freely move the contact 64 when the phase control layer 35 is provided in the multilayer substrate as in this phased array antenna. Space must be provided.
  • the micromachine switch is used as the switching element for controlling the power supply phase, so that power consumption at the semiconductor junction surface is reduced compared to when a semiconductor device such as a PIN diode is used, and power consumption is reduced. Can be reduced to about 1 / 10th.
  • FIGS. 9A and 9B are explanatory diagrams showing a configuration example in which the base chip 68 is flip-chip mounted.
  • FIG. 9A is a cross-sectional view of the chip 67 A
  • FIG. 9B is a top view of the chip 67 A
  • a cross-sectional view of a 7A face-down mounting example (adhesion method) is shown.
  • the range of the circuit included in the chip 67A can be various as described later with reference to FIG. 11, but in the following, the circuit portion shown in FIG. 11 (b), that is, the drive circuit and the switch The case of chip formation will be described as an example.
  • the bare chip 68 has a glass substrate 81 on which a switch 82A composed of a micromachine switch and a drive circuit 82B composed of a thin film transistor (TFT) are formed.
  • a switch 82A composed of a micromachine switch
  • a drive circuit 82B composed of a thin film transistor (TFT) are formed.
  • bumps 83 made of solder, gold, or the like are formed on signal connection pads to obtain a chip 67A.
  • FIG. 9 (c) shows a case where chip 67A is mounted face down on another substrate 84 by a soldering method or the like, and the signal connection whose periphery is covered with an insulating protective film 85A on the substrate 84 is shown. Pads 85 are formed.
  • the pad 85 and the bump 83 are fixed by solder or the like via the bump 85B and are electrically connected.
  • the height after the formation of the pad 85, the bump 85B, and the bump 83 is set to, for example, 10 // m, 20 ⁇ m, and 20 ⁇ m, the vicinity of the switch 82A where the movable portion exists is provided. After the final mounting, a space 87 with a height of 40 ⁇ is formed, and the micromachine switch operates stably.
  • the entire periphery or a part of the substrate 81 is fixed to the substrate 84 by the resin 86.
  • FIG. 9 (d) shows a case where the chip 67A is mounted face down on another substrate 84 by the bonding method, and the signal whose periphery is covered with the insulating protective film 85A on the substrate 84 is shown. A connection pad 85 is formed.
  • the glass substrate 81 and the substrate 84 are bonded via the adhesive 88, and the pad
  • the adhesive 88 is placed outside the mounting area of the switch 82A, The substrate 81 and the substrate 84 are bonded to each other.
  • the glass substrate 81 and the substrate 84 are bonded to each other over a relatively wide area by the adhesive 88, even if mechanical stress occurs on the substrate 84, the bonding portion of the bump 83 is protected. Is done.
  • the predetermined circuit portion including the switching element in the phase shift unit 16 is chipped and mounted on the phase control layer 35, so that the switching element can be mounted with a relatively simple configuration. it can.
  • a defect inspection can be performed on a single chip, and the yield of the entire device can be improved.
  • the bare chip is flip-chip mounted, the height required for the phase control layer 35 can be suppressed, and the coupling efficiency with the radiating element 15 coupled via the slot 21 can be improved.
  • an SMD Surface Mount Device
  • the number of assembly steps can be greatly reduced.
  • the phase shift unit 16 provided for each radiating element 15 includes a circuit portion that is used repeatedly. Exists.
  • the drive circuits 19A to 19D have the same circuit configuration.
  • the phase shift circuit 17A has a common circuit configuration for the phase shifters 17 provided for the respective radiating elements 15, and the same applies to the other phase shift circuits 17B to 17D.
  • FIG. 10 (a) shows an example in which two switches 17S used in each phase shift circuit are chipped.
  • two switches 73 constituting the switch 17S, a strip line 74 for supplying a high-frequency signal to the switch 73, and a pad 72 are provided.
  • FIG. 10 (b) shows an example in which chip shifting is performed in units of the phase shift circuits 17A to 17D.
  • the portion surrounded by the broken line in the figure corresponds to FIG. 10 (a).
  • the strip line 75 for connecting the switch 17S to the strip line 16A, and the strip line 75 A distributed constant line 76 and a main line 70 which are connected to the opposite side of the line and have lengths corresponding to the respective phase shift amounts are provided.
  • phase shift circuits 17 A to 17 D of each phase shift unit 16 can be shared by the individual phase shift circuits 17 A to 17 D of each phase shift unit 16.
  • FIG. 10 (c) shows an example in which all the phase shift circuits 17A to 17D in each phase shift unit 16 are chipped.
  • FIG. 10 (d) shows an example in which each phase shift unit 16 is formed into a chip.
  • each chip can be shared by each phase shift unit 16.
  • the predetermined circuit portion including the switching element in the phase shift unit 16 is formed into a chip and mounted on the phase control layer 35, so that a relatively simple configuration is used.
  • a switching element can be mounted.
  • a predetermined distributed constant line is branched and connected to the strip line 16A via a switch 17S, so that a rotated line type phase shift circuit for controlling the feed phase is provided.
  • the present invention is not limited to this, and other phase shift circuits such as a line switching type and a reflection type may be used.
  • each of the 22.5 °, 45 °, and 90 ° phase shift circuits 17 A to 17 C is configured as a loaded line type
  • the 180 ° phase shift circuit 1 7D is configured as a line switching type.
  • the micromachine switch is formed on the glass substrate as the switch 17S has been described above as an example with reference to FIGS. 9 and 10, but the substrate is not necessarily a glass substrate. Printed circuit boards and ceramic substrates are also acceptable.
  • a transistor circuit or a diode on a semiconductor substrate may be used instead of a micromachine switch.
  • first to fourth embodiments (configuration examples per radiating element) when the present invention is applied to a 3 OGHz phased array antenna. Will be described.
  • the phase shifter 17 is composed of four phase shift circuits 17 A to 17 D having different phase shift amounts of 22.5 °, 45 °, 90 °, and 180 °, respectively.
  • An example is described below.
  • phase shift circuit a micromachine switch is used as a switching element of the phase shift circuit.
  • FIG. 11 is a circuit layout diagram showing the first embodiment, (a) is a circuit layout diagram of a phase control layer showing the entire phase shift unit, and (b) is a schematic diagram showing a multilayer structure.
  • the phase shift unit 16 is provided corresponding to each of the radiation elements 15 arranged in an array, and has a substantially square (5 mm X 5 mm) area. (See the dashed square in the figure).
  • phase shift circuits of 22.5 °, 45 °, 90 °, and 180 ° are arranged, respectively.
  • phase shift circuits A part of these phase shift circuits is mounted on a chip 67 as a chip.
  • a circular radiating element 15 (2.5 mm to 4 mm in diameter) (thin broken line in the figure) is arranged.
  • FIGS. 12A and 12B are circuit layout diagrams showing respective chips used in the first and second embodiments.
  • FIG. 12A shows a chip used in a 22.5 °, 45 °, and 90 ° phase shift circuit
  • FIG. Indicates a chip used in a 180 ° phase shift circuit.
  • Fig. 12 (a) can be shared for a rotated line type phase shift circuit
  • Fig. 12 (b) can be shared for a line switching type phase shift circuit
  • FIG. 11 (b) shows a multilayer structure according to the first embodiment, and the same parts as those in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals.
  • FIG. 11 This figure schematically shows the multilayer structure, and does not show the specific cross section of FIG. 11 (a).
  • the multilayer structure in this embodiment is composed of a ground layer 39A, a dielectric layer 38 (thickness l mm) forming a radial waveguide, a coupling layer 37, and a dielectric layer in order from the bottom to the top in FIG. 36 (0.2 mm thickness), phase control layer 35 (1 mm thickness), dielectric layer 34 (0.2 mm thickness), coupling layer 3 3 with coupling slot 21 formed,
  • the dielectric layer 32 (thickness 0.3 mm), the radiating element layer 31, the dielectric layer 31B (thickness lmm), and the parasitic element layer 31A are laminated.
  • the phase control layer 35 is a multilayer wiring including a plurality of wiring layers and dielectric layers, that is, a wiring layer 45 and a plurality of internal wiring layers 44 A in order from bottom to top. It consists of layer 44, wiring layer 43, dielectric layer 42, and chip mounting layer 41 on which chip 67 is mounted.
  • the wiring layer 43 is formed with a ground conductor for electrically separating the high-frequency circuit on the chip mounting layer 41 from the drive line 19 in the internal wiring layer 44A. ing.
  • the drive line 19 from the drive unit 12 is formed in the internal wiring layer 44A in the multilayer wiring layer 44, and the chip 67 on the chip mounting layer 41 via the via hole 36B, namely The phase shift circuit is connected to 17 A to 17 D.
  • the multilayer wiring layer 44 for example, a build-up substrate in which a sheet-like thin substrate on which a wiring layer is formed may be used.
  • the dielectric layer 34 between the phase control layer 35 and the coupling layer 33 is composed of a space secured by a spacer 34 A having a thickness (height) of 0.2 mm.
  • a chip 67 is mounted on the chip mounting layer 44 on the surface of the phase control layer 35.
  • the spacer 34 A may be arranged at the lower part of the slot 21, so that the lower part of the slot 21, which is usually an empty area, is arranged at the area where the spacer 34 A is arranged.
  • the area occupied by the spacer 34 A can be reduced.
  • the spacer 34 A if a material having a high dielectric constant, such as alumina, having a relative dielectric constant of about 5 to 30 is used as the spacer 34 A, the slot 21 and the strip line 16 A on the phase control layer 35 are formed. Combined efficiently.
  • a material having a high dielectric constant such as alumina, having a relative dielectric constant of about 5 to 30 is used as the spacer 34 A, the slot 21 and the strip line 16 A on the phase control layer 35 are formed. Combined efficiently.
  • a coupling means having the same function as a coaxial line (hereinafter referred to as a coupling means).
  • a pseudo-coaxial line 46 is used as a coupling means.
  • the quasi-coaxial line 46 has a via hole 16 B through which a high-frequency signal flows, and a via hole 1 A plurality of via holes 16D of the ground potential are arranged around them to shield the high-frequency signal flowing through 6B.
  • the via hole 16 D is connected to the ground plane of the coupling layer 37 and the wiring layer 43, respectively.
  • the wiring layer 45, the strip line 1 6 C power s connected to the via hole 1 6 B, are routed to above the coupling slot 22 of the coupling layer 37.
  • FIG. 13 is an explanatory diagram showing a configuration example of a pseudo coaxial line.
  • Fig. 13 (a) shows the wiring pattern on the chip mounting layer 41 on the surface of the phase control layer 35 and the wiring layer 45.
  • the strip line 16A or 16C is connected to the via hole 16B. I have.
  • FIG. 13 (b) schematically showing a cross section A—A ′, six shielding via holes 16D are arranged at approximately equal intervals around a via hole 16B through which a high-frequency signal flows.
  • FIG. 13C shows a pattern on the wiring layer 43.
  • the wiring layer 43 is used as a ground conductor, and the ground plane 43A is formed in this layer.
  • each via hole 16D is connected to the ground plane 43A and also to the ground plane 37A on the coupling layer 37, and The potential is maintained.
  • a pattern 16E may be provided in the internal wiring layer 44A, and the via holes 16D may be connected by the pattern 16E. By doing so, the shielding effect of the via hole 16D is improved.
  • FIGS. 14A and 14B are circuit layout diagrams showing a second embodiment.
  • FIG. 14A is a circuit layout diagram of a phase control layer showing the entire phase shift unit
  • FIG. 14B is a schematic diagram showing a multilayer structure.
  • the dielectric layer 34, the phase control layer 35, and the dielectric layer 36 are configured to be upside down from the first embodiment shown in FIG. 11, and the phase control layer 35
  • the wiring layers 45, the multilayer wiring layer 44, the wiring layer 43, the dielectric layer 42, and the chip mounting layer 41 are also arranged upside down.
  • the chip 67 is mounted from the chip mounting layer 41 on the surface of the phase control layer 35 to the dielectric layer 34 below it.
  • a spacer 34B made of a conductor is used as the spacer for forming the dielectric layer 34, instead of the spacer 34A having a high dielectric constant.
  • the spacer 34B may be disposed below the via hole 42A so as to be electrically connected to a ground pattern, for example, the ground plane 43A of the wiring layer 43.
  • FIG. 15 is a circuit layout diagram showing the third embodiment, (a) is a circuit layout diagram of a phase control layer showing the entire phase shift unit, and (b) is a schematic diagram showing a multilayer structure.
  • the dielectric layer 34 is constituted by a dielectric substrate 34C.
  • a cavity (space) 34 S having a height of 0.2 mm is formed at the position of the chip 67 mounted on the phase control layer 35, and the substrate density is increased.
  • the chip 6 7 during wearing is housed in Kiyabiti 3 4 in S
  • machining by cutting the surface of the substrate 34C with a router or machining by providing a through hole by die cutting may be used.
  • the resin in the cavity 34S portion may be peeled off by exposure and development treatment, and various forming methods can be used.
  • the wiring layers 45 on the surface of the multilayer wiring layer 44 are used as the coupling layers 37 to integrate these layers formed separately in the first embodiment.
  • the necessary dielectric layer 36 and strip line 16 C are deleted.
  • coupling means having the same function as the coupling slot (hereinafter, simply referred to as pseudo slot) 4 7 is used.
  • the pseudo slot 47 is constituted by a plurality of via holes 16F of the ground potential arranged around the coupling slot 22.
  • via holes 16F are stacked one layer below the ground plane 37A of the coupling layer 37 provided with the coupling slot 22 and the chip mounting layer 41 on which the stripline 16A is formed. Connected to the ground plane 43 A of the wiring layer 43.
  • the conductor pattern is excluded from the area surrounded by the via hole 16F.
  • the region surrounded by 6F is formed of the dielectric in the multilayer wiring layer 44.
  • FIG. 16 is an explanatory diagram showing a configuration example of a pseudo-slot.
  • FIG. 16 (a) shows a wiring pattern on the chip mounting layer 41, and a strip line 16 A is arranged above a via hole 16 F terminated by the wiring layer 43.
  • FIG. 16 (b) which schematically shows a cross section ⁇ ⁇ ⁇ ', 12 shield via holes 16 F are almost equal around the coupling slot 22 of the coupling layer 37 (wiring layer 45). They are arranged at intervals.
  • Fig. 16 (c) shows the wiring patterns on the wiring layer 43 and the bonding layer 37 (wiring layer 45) .Each via hole 16F has a ground plane 43A or a ground plane 37A. It is connected.
  • a pattern 16 G may be provided in the internal wiring layer 44 A, and the via holes 16 F may be connected by the pattern 16 G. By doing so, the shielding effect of the via hole 16F is improved.
  • FIG. 17 is a circuit layout diagram showing the fourth embodiment, (a) is a circuit layout diagram of a phase shift control layer showing the entire phase shift unit, and (b) is a schematic diagram showing a multilayer structure.
  • phase shift control layer 35 and the dielectric layer 36 are arranged upside down, and as in the third embodiment, the pseudo-coaxial line Instead, a pseudo slot 47 is used.
  • the present invention can be applied to a different stacking order from the embodiment shown in FIGS. 11 to 17.
  • the order of lamination is from top to bottom, and the phase control layer 35, the dielectric layer 36, the coupling layer 37, the dielectric layer 38, the distribution composite layer 39, the dielectric layer 38A, the coupling layer 33, the dielectric layer 32, and the radiating element layer 31, it is also possible to arrange the distribution / combination layer 39 on the inner layer and the phase control layer 35 on the outer layer.
  • a feed pin or a pseudo coaxial line between the distribution / combination layer 39 and the phase control layer 35 through a hole provided on the coupling layer 37 is used as a means for interlayer coupling of the high-frequency signal.
  • the connection may be made at a high frequency, and the phase control layer 35 and the radiating element 15 may be connected at a high frequency by a feed pin or a pseudo coaxial line penetrating the coupling layer 37 and the coupling layer 33.
  • phase control layer 35 By arranging the phase control layer 35 on the outside in this way, a multilayer structure can be realized regardless of the height of the chip 67.
  • the layer functioning as the distribution combining unit 14 can be omitted from the multilayer substrate portion 2.
  • the phased array antenna according to the present invention is an antenna having a high gain and applicable to a high frequency band, and is particularly useful for a satellite tracking vehicle antenna used for satellite communication, an antenna mounted on a satellite, and the like.

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Abstract

A relatively small and inexpensive phased-array antenna provided even if the number of radiators is increased to enhance the gain. Spacings between the elements are small because of a multilayer structure including layers where a large number of radiators (15), phase-shifting units (16) each for shifting the phase of a high-frequency signal transmitted/received by the corresponding radiator, and a distributing/synthesizing unit (14) are provided respectively. The phase control layer (35) is constituted of as many internal wiring layers as the number of required drive lines (19), and a signal wiring to control each phase-shifting unit (16) is provided on the internal wiring layer. Therefore the areas for the wirings are small and the spacings between the elements are also small. The circuits repetitively provided in the phase-shifting units are constituted of chips integrally mounted on another board.

Description

明 細 書 フェーズドアレイアンテナおよびその製造方法 技術分野  Description Phased array antenna and method of manufacturing the same
本発明は、 マイクロ波やミリ波などの高周波信号の送受信に用いられ、 各放射 素子に給電する位相を制御することによりビーム放射方向を調整するフェーズド アレイアンテナに関するものである。 背景技術  The present invention relates to a phased array antenna used for transmitting and receiving high-frequency signals such as microwaves and millimeter waves, and adjusting a beam radiation direction by controlling a phase supplied to each radiating element. Background art
従来より、 衛星追尾車載アンテナや衛星搭載用アンテナとして、 アレイ状に配 置された多数の放射素子からなるフェーズドアレイアンテナが提案されている Conventionally, a phased array antenna consisting of a large number of radiating elements arranged in an array has been proposed as an on-board satellite tracking antenna or a satellite-mounted antenna.
(例えば、 電子情報通信学会技術報告 A P 9 0 - 7 5ゃ特開平 1 一 2 9 0 3 0 1 号公報など参照) 。 (See, for example, IEICE Technical Report, AP 90-75, Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 12-1990, etc.).
この種のフェーズドアレイアンテナは、 各放射素子に給電する位相を電子的に 変えることによって、 ビームの方向を任意に変更する機能を有している。  This type of phased array antenna has the function of arbitrarily changing the beam direction by electronically changing the phase fed to each radiating element.
通常、 各放射素子の給電位相を変化させる手段として移相器が用いられる。 この移相器としては、 それぞれが固定的な異なる移相量を有する複数の移相回 路から構成されたディジタル移相器 (以下、 ディジタル移相器を単に移相器とい う) が使用される。  Usually, a phase shifter is used as a means for changing the feeding phase of each radiating element. As this phase shifter, a digital phase shifter composed of a plurality of phase shift circuits each having a fixed different phase shift amount (hereinafter, the digital phase shifter is simply referred to as a phase shifter) is used. You.
各移相回路は、 各々 1ビットのディジタルの制御信号によりオンノオフ制御さ れ、 それぞれの移相回路が有する移相量を組み合わせることにより、 移相器全体 で 0 ° 〜3 6 0 ° の給電位相が得られる。  Each phase shift circuit is on / off controlled by a 1-bit digital control signal, and the phase shift amount of each phase shift circuit is combined to provide a power supply phase of 0 ° to 360 ° for the entire phase shifter. Is obtained.
特に、 従来のフェーズドアレイアンテナでは、 各移相回路におけるスィッチン グ素子として、 P I Nダイオード、 G a A s F E Tなどの半導体デバイスや、 こ れらを駆動するための駆動回路部品が多数使用されている。  In particular, conventional phased array antennas use a large number of semiconductor devices such as PIN diodes and GaAs FETs as switching elements in each phase shift circuit, and many drive circuit components for driving these devices. .
そして、 これらスィツチング素子に直流電流または直流電圧を印加してオン/ オフし、 伝送路長、 サセプタンス、 反射係数などを変化させることにより、 所定 の移相量を発生させる構成となっている。 Then, a DC current or DC voltage is applied to these switching elements to turn them on / off, thereby changing a transmission line length, a susceptance, a reflection coefficient, etc. Is generated.
一方、 近年は、 低軌道衛星通信の分野などにおいて、 インターネットの利用拡 大さらにはマルチメディア通信の普及などにより、 高データレートでの通信が要 求されており、 アンテナの高利得化が必要となっている。  On the other hand, in recent years, in the field of low-Earth-orbit satellite communications, expansion of the use of the Internet and the spread of multimedia communications have demanded communications at high data rates. Has become.
また、 高データレートでの通信を実現するためには伝送帯域幅の拡大が必要と なり、 さらには低周波数帯における周波数資源の欠乏などから、 K a帯 (約 2 0 G H z〜) 以上の高周波数帯で適用できるアンテナを実現する必要がある。 具体的には、 低軌道衛星追尾端末 (地上局) のアンテナとして、 例えば、 周波数: 3 0 G H z、  In addition, transmission bandwidth must be increased in order to realize communication at a high data rate. Furthermore, due to the lack of frequency resources in the low frequency band, the Ka band (approximately 20 GHz or higher) It is necessary to realize an antenna applicable in a high frequency band. Specifically, as an antenna for a low-Earth orbit satellite tracking terminal (ground station), for example, frequency: 30 GHz,
アンテナ利得: 3 6 d B i、  Antenna gain: 3 6 dBi,
ビーム走査範囲 :正面方向よりビームチルト角 5 0 °  Beam scanning range: 50 ° beam tilt angle from the front
という技術性能の要求がある。 There is a demand for technical performance.
これをフェーズドアレイアンテナで実現するためには、 まず、  To achieve this with a phased array antenna, first,
開口面積:約 0 . 1 3 m 2 ( 3 6 O mm X 3 6 O mm) Opening area: about 0.13 m 2 (36 O mm X 36 O mm)
を必要とする。 Need.
さらに、 サイ ドローブを抑制するためには、 放射素子を約 1 Z 2波長 (3 0 G H zで 5 mm前後) 間隔で配置してグレーティングローブの発生を回避する必要 力 sある。 Furthermore, in order to suppress the sidelobe, it must force s to avoid the generation of grating lobes in spaced radiating elements (5 mm back and forth 3 0 GH z) about 1 Z 2 wavelength.
また、 ビーム走査ステップを細かく し、 かつディジタル移相器量子化誤差にと もなうサイ ドローブ劣化を低く抑えるためには、 各移相器に使用される移相回路 は 4ビット (最小ビッ ト移相器 2 2 . 5 ° ) 以上であることが望ましい。  In order to make the beam scanning step finer and to suppress the side lobe degradation due to the quantization error of the digital phase shifter, the phase shift circuit used for each phase shifter must be 4 bits (minimum bit). The phase shifter is preferably 22.5 °) or more.
上記条件を満たすフェーズドアレイアンテナに用いられる合計の放射素子数お よび移相回路ビット数は、  The total number of radiating elements and the number of phase shift circuit bits used for the phased array antenna satisfying the above conditions are:
移相回路素子数: 7 2 X 7 2 =約 5 0 0 0個、  Number of phase shift circuit elements: 7 2 X 7 2 = about 500
移相回路ビット数: 7 2 X 7 2 X 4 =約 2 0 0 0 0ビッ ト  Number of phase shift circuit bits: 7 2 X 7 2 X 4 = approx.
となる。  Becomes
ここで、 このような高利得で高周波数帯に適用可能なフェーズドアレイアンテ ナを、 前述した従来技術、 例えば図 1 8に示す特開平 1一 2 9 0 3 0 1号公報記 載のフェーズドアレイアンテナで実現しようとした場合、 次のような問題点があ つた。 Here, such a high-gain phased array antenna applicable to a high frequency band is described in the related art described above, for example, the phased array described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 1-1290301 shown in FIG. When trying to achieve this with an antenna, there are the following problems: I got it.
すなわち、 このような従来のフェーズドアレイアンテナでは、 図 1 8に示すよ うに 1つのドライバ回路で各移相器内の個々の移相回路を制御する構成となって いるため、 このドライバ回路とすべての移相回路とを個々に接続する必要がある。 したがって、 その接続のための配線は、 放射素子数 X移相回路ビット数の本数 だけ必要となり、 前述した数値を適用すれば、 放射素子 7 2個 X 7 2個のアレイ 配置において、 1列分 (放射素子 7 2個分) の各移相回路 (4ビット) への配線 数は、 7 2 X 4 = 2 8 8本となる。  In other words, in such a conventional phased array antenna, as shown in Fig. 18, a single driver circuit controls each phase shift circuit in each phase shifter. Need to be individually connected to the phase shift circuits. Therefore, the number of wires required for the connection is equal to the number of radiating elements X the number of bits of the phase shift circuit. (2 radiating elements) The number of wirings to each phase shift circuit (4 bits) is 72 x 4 = 288.
このような配線を同一平面上に形成した場合、 配線幅/配線間隔 (L / S ) = 5 0 / 5 0 μ πιとしても、 1列分 (放射素子 7 2個分) の配線束の幅は 0 . l m m X 2 8 8 = 2 8 . 8 mmとなる。  When such wiring is formed on the same plane, even if the wiring width / interval (L / S) = 50/50 μπι, the width of the wiring bundle for one row (for seven radiating elements) Is 0. Lmm X 2 8 8 = 28.8 mm.
これに対して、 前述したように、 周波数 3 O G H zに適用できるフェーズドア レイアンテナでは、 その放射素子の間隔を 5 mm前後で配置する必要があるが、 従来技術では、 配線束の幅が太すぎて物理的に配置できなくなる。  On the other hand, as described above, in a phased array antenna applicable to a frequency of 3 GHz, the spacing between the radiating elements must be around 5 mm, but in the conventional technology, the width of the wiring bundle is large. Too physical to be physically located.
したがって、 このような従来技術では、 高利得で高周波数帯に適用可能なフ ーズドアレイアンテナを実現できないという問題点があった。  Therefore, such a conventional technique has a problem in that it is not possible to realize a high-gain and applicable array antenna that can be applied to a high frequency band.
本発明はこのような課題を解決するためのものであり、 高利得で高周波数帯に 適用可能なフェーズドアレイァンテナを提供することを目的としている。 発明の開示  The present invention has been made to solve such a problem, and an object of the present invention is to provide a phased array antenna having a high gain and applicable to a high frequency band. Disclosure of the invention
このような目的を達成するために、 本発明によるフェーズドアレイアンテナは、 放射素子および位相制御手段をそれぞれ個別の放射素子層および位相制御層に形 成して全体を多層構造とし、 各位相制御手段を前記各放射素子毎に所定の移相量 を与えるよう制御信号を出力する複数の駆動手段と、 前記制御信号を受けて前記 各放射素子の位相を制御する複数の移相手段とから構成するようにしたものであ る。 これにより、 位相制御層から少なくとも放射素子が取り除かれて、 位相制御 層上でこれらに占有される面積が削減される。  In order to achieve such an object, a phased array antenna according to the present invention comprises a radiating element and a phase control means formed in separate radiating element layers and a phase control layer, respectively, to form a multilayer structure. Comprises a plurality of driving means for outputting a control signal so as to give a predetermined amount of phase shift for each of the radiating elements, and a plurality of phase shifting means for receiving the control signal and controlling the phase of each of the radiating elements. That is how it was done. This removes at least the radiating elements from the phase control layer and reduces the area occupied by them on the phase control layer.
また、 移相回路にて使用するスイッチング素子として、 マイクロマシンスイツ チを用いるようにしたものである。 これにより、 スイッチング素子が占める面積 を従来と比べて削減できる。 In addition, a micro machine switch is used as a switching element used in the phase shift circuit. As a result, the area occupied by the switching element Can be reduced as compared with the conventional case.
したがって、 1つの移相ュニットを比較的小さな面積で構成できることから、 3 0 G H z程度の高周波信号に最適な間隔 ( 5 mm前後) で各放射素子を数千個 単位で多数配置でき、 高利得で高周波数帯に適用可能なフューズドアレイアンテ ナを実現できる。  Therefore, since one phase shift unit can be configured with a relatively small area, a large number of radiating elements can be arranged in units of thousands in optimal intervals (about 5 mm) for high-frequency signals of about 30 GHz, resulting in high gain. Thus, a fused array antenna applicable to a high frequency band can be realized.
さらに、 各移相手段のうち繰り返し構成される回路部を第 1の基板に搭載し、 これを位相制御層が形成された第 2の基板に実装するようにしたものである。 こ れにより、 従来のように個々の回路部品を個別に実装する場合と比較して、 部品 点数および接続点数が削減される。  Further, a circuit portion of each phase shift means which is repeatedly formed is mounted on a first substrate, and this is mounted on a second substrate on which a phase control layer is formed. As a result, the number of components and the number of connection points are reduced as compared with the conventional case where individual circuit components are individually mounted.
したがって、 組立工数が削減されるとともに、 チップ単体での不良検査が実施 でき、 フューズドアレイアンテナ全体の歩留まりを改善でき、 特に数千個単位の 移相ュニットで構成される高利得のフェーズドアレイアンテナでは、 その製造コ ストを大幅に削減できる。 図面の簡単な説明  Therefore, the number of assembling steps can be reduced, defect inspection can be performed on a single chip, and the yield of the entire fused array antenna can be improved. In particular, a high-gain phased array antenna composed of thousands of phase shift units Can greatly reduce the manufacturing costs. BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
図 1は、 本発明の一実施の形態によるフェーズドアレイアンテナのプロック図 である。  FIG. 1 is a block diagram of a phased array antenna according to one embodiment of the present invention.
図 2は、 多層基板構成例を示す説明図である。  FIG. 2 is an explanatory diagram showing a configuration example of a multilayer substrate.
図 3は、 移相ユニットを示すブロック図である。  FIG. 3 is a block diagram showing a phase shift unit.
図 4は、 位相制御部の動作を示すタイミングチヤ一トである。  FIG. 4 is a timing chart showing the operation of the phase control unit.
図 5は、 ラジアル導波路を用いた本発明の構成例を説明する図である。  FIG. 5 is a diagram illustrating a configuration example of the present invention using a radial waveguide.
図 6は、 反射型空間給電フェーズドアレイァンテナによる本発明の構成例を説 明する図である。  FIG. 6 is a diagram illustrating a configuration example of the present invention using a reflection-type space-fed phased array antenna.
図 7は、 位相制御部の他の動作を示すタイミングチヤ一トである。  FIG. 7 is a timing chart showing another operation of the phase control unit.
図 8は、 スィッチの構成例を示す斜視図である。  FIG. 8 is a perspective view showing a configuration example of the switch.
図 9は、 ベアチップ実装例を示す説明図である。  FIG. 9 is an explanatory diagram showing a bare chip mounting example.
図 1 0は、 チップ化例を示す説明図である。  FIG. 10 is an explanatory diagram showing an example of chip formation.
図 1 1は、 第 1の実施例を示す回路配置図である。  FIG. 11 is a circuit layout diagram showing the first embodiment.
図 1 2は、 チップ内部の構成例を示す回路配置図である。 図 1 3は、 擬似同軸線路の構成例を示す説明図である。 FIG. 12 is a circuit layout diagram showing a configuration example inside the chip. FIG. 13 is an explanatory diagram showing a configuration example of a pseudo coaxial line.
図 1 4は、 第 2の実施例を示す回路配置図である。  FIG. 14 is a circuit layout diagram showing the second embodiment.
図 1 5は、 第 3の実施例を示す回路配置図である。  FIG. 15 is a circuit layout diagram showing the third embodiment.
図 1 6は、 擬似スロットの構成例を示す説明図である。  FIG. 16 is an explanatory diagram showing a configuration example of a pseudo slot.
図 1 7は、 第 4の実施例を示す回路配置図である。  FIG. 17 is a circuit layout diagram showing the fourth embodiment.
図 1 8は、 従来のフヱーズドアレイアンテナ構成例を説明する図である。 発明を実施するための最良の形態  FIG. 18 is a diagram for explaining a configuration example of a conventional fused array antenna. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
次に、 本発明について図面を参照して説明する。  Next, the present invention will be described with reference to the drawings.
図 1は本発明の一実施の形態であるフェーズドアレイアンテナ 1のブロック図 である。  FIG. 1 is a block diagram of a phased array antenna 1 according to one embodiment of the present invention.
以下では、 フェーズドアレイアンテナを高周波信号の送信アンテナとして用い た場合を例にして説明するが、 これに限定されるものではなく、 可逆の理より同 様の動作原理から、 高周波信号の受信アンテナとして用いることも可能である。 また、 アンテナ全体が複数のサブアレイで構成されている場合、 各サブアレイ のフェーズドアレイアンテナに本発明を適用してもよい。  In the following, a case where a phased array antenna is used as a transmitting antenna for a high-frequency signal will be described as an example. However, the present invention is not limited to this. It is also possible to use. Further, when the entire antenna is composed of a plurality of subarrays, the present invention may be applied to the phased array antenna of each subarray.
図 1は、 フェーズドアレイアンテナ 1の構成を説明する図である。  FIG. 1 is a diagram for explaining the configuration of the phased array antenna 1.
同図において、 フェーズドアレイアンテナ 1は、 放射素子や位相制御回路等が 多層基板に実装された多層基板部 2と、 多層基板部 2に高周波電力を給電する給 電部 1 3と、 多層基板部 2の各放射素子の位相を制御する制御装置 1 1から構成 されている。  In the figure, a phased array antenna 1 is composed of a multilayer substrate 2 on which a radiating element and a phase control circuit are mounted on a multilayer substrate, a power supply 13 for supplying high-frequency power to the multilayer substrate 2, and a multilayer substrate 2 comprises a control device 11 for controlling the phase of each radiating element.
図 1では、 m X n (m, nは 2以上の整数) 個の放射素子 1 5がアレイ状に配 置されており、 給電部 1 3から分配合成部 1 4およびストリツプ線路 1 6 A (図 中太線部分) を介して高周波信号が給電されている。  In FIG. 1, m X n (m and n are integers equal to or greater than 2) radiating elements 15 are arranged in an array, and the feed section 13 to the splitting / combining section 14 and the strip line 16 A ( The high-frequency signal is supplied via the (bold line in the figure).
なお、 放射素子 1 5の配置形状については、 方形格子配列で並べてもよく、 ま た三角配列等のその他の配列で並べてもよい。  The arrangement of the radiating elements 15 may be arranged in a rectangular lattice array or in another array such as a triangular array.
各放射素子 1 5には、 それぞれ移相器 1 7が設けられている。  Each radiating element 15 is provided with a phase shifter 17.
以下では、 各放射素子 1 5ごとに設けられた移相器 1 7、 およびこの移相器 1 7に接続されるストリップ線路の一部をまとめて移相ュニット 1 6という。 ここで、 各移相ュニット 1 6を構成する回路において、 各移相ュニット 1 6間 または同一移相ュニット 1 6内で繰り返し構成される回路部が、 他の基板上にて 集積形成されてチップ化され、 後述の位相制御層 3 5に実装されている。 Hereinafter, a phase shifter 17 provided for each radiating element 15 and a part of the strip line connected to the phase shifter 17 are collectively referred to as a phase shift unit 16. Here, in the circuit constituting each phase shift unit 16, a circuit portion repeatedly formed between the phase shift units 16 or within the same phase shift unit 16 is integrated and formed on another substrate to form a chip. And implemented in a phase control layer 35 described later.
また、 後述するように、 チップ化する回路の領域は多種考えられるが、 図 1で は移相ュニット 1 6全体をチップ化した場合について示している。  Further, as will be described later, there are various types of circuit regions to be formed into chips, but FIG. 1 shows a case where the entire phase shift unit 16 is formed into chips.
なお、 本明細書では、 同一または類似の単位回路を半導体プロセス等により基 板上に多数一括形成したのち単位毎に切り出した小片 (第 1の基板) をべァチッ プと呼び、 さらに別基板 (第 2の基板) に搭載 ·実装するための加工をべァチッ プに施したデバィスをチップと呼ぶ。  In the present specification, a small piece (first substrate) that is formed by forming a large number of identical or similar unit circuits on a substrate by a semiconductor process or the like and then cutting out each unit is referred to as a base. Devices that have been processed on the base for mounting and mounting on the second substrate) are called chips.
また、 最終的なチップを得るために、 多数一括形成された回路を単位毎に切り 出したり、 あるいは別基板 (第 2の基板) に搭載 ·実装するための加工施したり することをチップ化と呼ぶ。  Also, in order to obtain the final chip, a chip is formed by cutting out a large number of circuits formed in a single unit or processing it for mounting and mounting it on another substrate (second substrate). Call.
制御装置 1 1は、 所望のビーム放射方向に基づき各放射素子 1 5の給電移相量 を算出する装置である。  The control device 11 is a device that calculates a feed phase shift amount of each radiation element 15 based on a desired beam radiation direction.
算出された各放射素子 1 5の移相量は、 制御信号 1 1 1〜1 1 p (この内の 1 信号を制御信号 1 1 i ということがある) として、 制御装置 1 1から p個の駆動 ュニット 1 2に分配される。  The calculated amount of phase shift of each radiating element 15 is defined as control signals 11 1 to 11 p (one of these signals may be referred to as a control signal 11 i). It is distributed to drive units 1 and 2.
また、 1個の駆動ユニット 1 2には、 q個分の放射素子の移相量がシリアルに 入力される。 ここで、 p X qは、 基本的には総放射素子数 m X nと同数となるが、 駆動ュニット 1 2の出力端子数によってはやや大きい数字となる。  The phase shift amount of q radiating elements is serially input to one drive unit 12. Here, pXq is basically the same as the total number of radiating elements mXn, but is a slightly larger number depending on the number of output terminals of the drive unit 12.
図 2は駆動ュニット 1 2のブロック図である。  FIG. 2 is a block diagram of the drive unit 12.
各駆動ュニット 1 2はそれぞれ、 データ分配部 5 3と、 各移相器 1 7ごとに設 けられた q個の位相制御部 5 4とにより構成されている。  Each drive unit 12 is composed of a data distribution unit 53 and q phase control units 54 provided for each phase shifter 17.
また、 1個の駆動ュニット 1 2には、 q個分の放射素子の移相量がシリアルに 入力される。  The phase shift amount of q radiating elements is serially input to one driving unit 12.
データ分配部 5 3は、 制御信号 1 1 iに含まれる q個の放射素子 1 5の移相量 を、 その移相器 1 7にそれぞれ接続された q個の位相制御部 5 4に分配する。 これにより、 各位相制御部 5 4に対して、 対応する放射素子 1 5の移相量が設 定される。 一方、 図 1に示すように、 制御装置 1 1は各駆動ュニット 1 2にトリガ信号 T r g, を出力する。 The data distribution unit 53 distributes the phase shift amount of the q radiating elements 15 included in the control signal 11 i to the q phase control units 54 connected to the phase shifters 17 respectively. . Thereby, the phase shift amount of the corresponding radiating element 15 is set for each phase control unit 54. On the other hand, as shown in FIG. 1, the control device 11 outputs a trigger signal Trg, to each drive unit 12.
このトリガ信号 T r g, は、 図 2に示すように、 各駆動ュニット 1 2の位相制 御部 54に入力される。  This trigger signal Trg, is input to the phase control unit 54 of each drive unit 12 as shown in FIG.
トリガ信号 T r g ' は、 各位相制御部 54に設定された移相量を、 それぞれの 移相器 1 7に指示出力するタイミングを決定する信号である。  The trigger signal T rg ′ is a signal that determines the timing for instructing and outputting the phase shift amount set in each phase control unit 54 to each phase shifter 17.
したがって、 各位相制御部 54に対して移相量を設定した後、 制御装置 1 1力 らパルス状のトリガ信号 T r g' を出力することにより、 各放射素子 1 5への給 電移相量を一斉に更新でき、 ビーム放射方向を瞬時に変更できる。  Therefore, after setting the amount of phase shift for each phase control unit 54, the controller 11 outputs a pulse-like trigger signal T rg 'from the output of the controller 11 so that the amount of phase shift for power supply to each radiating element 15 Can be updated all at once, and the beam emission direction can be changed instantaneously.
次に、 図 3を参照して、 各放射素子 1 5ごとに設けられる移相器 1 7と、 駆動 ユニット 1 2の位相制御部 54について説明する。  Next, the phase shifter 17 provided for each radiating element 15 and the phase control unit 54 of the drive unit 12 will be described with reference to FIG.
図 3は移相器 1 7と位相制御部 54のブロック図である。  FIG. 3 is a block diagram of the phase shifter 17 and the phase control unit 54.
ここでは、 それぞれ異なる移相量 22. 5° 45° 90° 1 80° を有 する 4個の移相回路 1 7A 1 7 Dから移相器 1 7が構成されている。  Here, the phase shifter 17 is composed of four phase shift circuits 17A17D each having a different phase shift amount of 22.5 ° 45 ° 90 ° 180 °.
各移相回路 1 7A 1 7Dは、 分配合成部 14から放射素子 1 5 高周波信号 を伝搬させるストリップ線路 1 6 Aに接続されている。  Each of the phase shift circuits 17A and 17D is connected to a strip line 16A for transmitting a radiating element 15 high-frequency signal from the distribution / combination unit 14.
特に、 各移相回路 1 7A 1 7Dには、 スィッチ 1 7 Sがそれぞれ設けられて レヽる。  In particular, each of the phase shift circuits 17A and 17D is provided with a switch 17S.
このスィッチ 1 7 Sを切り換えることにより、 後述するように、 それぞれ所定 の給電移相量を与えるものとなっている。  By switching this switch 17S, a predetermined power supply phase shift amount is given as described later.
これら各移相回路 1 7A 1 7Dのスィッチ 1 7 Sを個別に制御する位相制御 部 54は、 各移相回路 1 7 A l 7 Dごとに設けられたラッチ 55 A 55Dか ら構成されている。  The phase control unit 54 for individually controlling the switches 17S of the phase shift circuits 17A 17D is composed of latches 55A 55D provided for each phase shift circuit 17A17D. .
駆動ュニット 1 2のデータ分配部 53は、 位相制御部 54を構成する各ラツチ 55 A 55 Dに対してそれぞれ制御信号 53A 53 Dを出力することにより、 位相制御部 54に放射素子 1 5の移相量を与える。  The data distribution unit 53 of the drive unit 12 outputs a control signal 53A 53D to each of the latches 55A 55D constituting the phase control unit 54, thereby transferring the radiating element 15 to the phase control unit 54. Give phase amount.
したがって、 各ラッチ 55 A 55 Dの入力 Dには、 それぞれ制御信号 53 A 53 Dが入力される。  Therefore, the control signal 53 A 53 D is input to the input D of each latch 55 A 55 D.
また、 各ラッチ 55 A 55Dの入力 CLKには、 制御装置 1 1から出力され るトリガ信号 T r g ' が入力される。 The input CLK of each latch 55A 55D is output from the controller 11 Trigger signal T rg ′ is input.
各ラッチ 5 5 A〜5 5 Dはそれぞれ、 制御信号 5 3 A〜 5 3 Dをパルス状のト リガ信号 T r g ' の立ち上がり (または、 立ち下がり) でラッチし、 これらラッ チと各移相回路とを個別に接続する駆動線 1 9を介して、 出力 Q ( C n t ) をそ れぞれ対応する各移相回路 1 7 A〜l 7 Dのスィツチ 1 7 Sに出力する。  Each of the latches 55A to 55D latches the control signal 53A to 53D at the rising (or falling) edge of the pulse-like trigger signal Trg ', and the latches and the respective phase shifts. The output Q (C nt) is output to the corresponding switch 17S of each of the phase shift circuits 17A to 17D via a drive line 19 for individually connecting the circuits.
このときラッチされた制御信号 5 3 A〜5 3 Dの状態にしたがって、 各移相回 路 1 7 A〜 1 7 Dのスィッチ 1 7 Sのオン/オフが決定される。  At this time, on / off of the switches 17S of the phase shift circuits 17A to 17D is determined according to the state of the control signals 53A to 53D latched.
こうして移相回路 1 7 A〜1 7 Dそれぞれの移相量が設定され、 これにより移 相器 1 7全体の移相量が設定されるので、 ストリップ線路 1 6 Aを伝搬する高周 波信号に所定の給電移相量が与えられる。  In this way, the phase shift amount of each of the phase shift circuits 17 A to 17 D is set, thereby setting the phase shift amount of the entire phase shifter 17, so that the high frequency signal propagating through the strip line 16 A is set. Is given a predetermined amount of phase shift.
なお、 トリガ信号 T r g ' を常時出力することにより、 すなわち常に Hレベル (または、 Lレベル) に維持しておくことにより、 スィッチ 1 7 Sを順次切り換 えてもよレ、。 この場合は、 移相器 1 7が同時に切り替わることなく一部づっ切り 替えられるので、 放射ビームの瞬断を回避できる。  Note that the switch 17S may be sequentially switched by always outputting the trigger signal Trg ', that is, by always maintaining the H level (or the L level). In this case, since the phase shifters 17 are partially switched without being switched at the same time, instantaneous interruption of the radiation beam can be avoided.
また、 ラッチ 5 5 A〜 5 5 Dの出力電圧または電流がスィツチ 1 7 Sを駆動す るに十分でない場合は、 ラッチ 5 5 A〜5 5 Dの出力側に電圧増幅器あるいは電 流増幅器を設けてもよい。  If the output voltage or current of the latches 55A to 55D is not enough to drive the switch 17S, a voltage amplifier or current amplifier should be provided on the output side of the latches 55A to 55D. You may.
次に、 図 4を参照して、 本実施の形態によるフェーズドアレイアンテナの基板 構成について説明する。  Next, the substrate configuration of the phased array antenna according to the present embodiment will be described with reference to FIG.
図 4は多層基板部 2を示す説明図であり、 各層の斜視図と断面の模式図が示さ れている。  FIG. 4 is an explanatory diagram showing the multilayer substrate unit 2, which shows a perspective view and a schematic cross-sectional view of each layer.
これら各層は、 フォトリソグラフィ技術, エッチング技術, 印刷技術によって パターン形成された後、 積層され一体として多層化される (第 1の多層構造) 。 なお、 各層の積層順序は必ずしも図 4に示されている形態に限定されるもので はなく、 電気的 ·機械的要求の条件により、 削除あるいは追加されたり、 積層順 序が一部入れ替わった場合も本発明は有効である。  Each of these layers is patterned by photolithography, etching, and printing techniques, and then laminated and integrated into multiple layers (first multilayer structure). Note that the stacking order of each layer is not necessarily limited to the form shown in Fig. 4.If the layers are deleted or added or the stacking order is partially changed according to the conditions of electrical and mechanical requirements The present invention is also effective.
分配合成層 3 9には、 給電部 1 3 (図 4には図示せず) からの高周波信号を分 配する枝状のストリップ線路 2 3が形成されている。  In the distribution / combination layer 39, a branch strip line 23 that distributes a high-frequency signal from the power supply unit 13 (not shown in FIG. 4) is formed.
このス トリップ線路 2 3としては、 2分岐を繰り返すトーナメント方式や櫛状 に主線路から徐々に分岐させるシリーズ分配方式などが利用できる。 The strip line 23 may be a tournament system that repeats two branches or a comb-shaped A series distribution method that gradually branches from the main line can be used.
なお、 機械強度等の機械的設計条件、 あるいは不要放射抑圧等の電気的設計条 件に応じて、 分配合成層 3 9の外側にはさらに誘電体層 3 8 Aおよび導体による 接地層 3 9 Aが付加される。  Depending on mechanical design conditions such as mechanical strength or electrical design conditions such as suppression of unnecessary radiation, a dielectric layer 38 A and a grounding layer 39 A made of a conductor are further provided outside the distribution / combination layer 39. Is added.
この分配合成層 3 9の上方には、 誘電体層 3 8を介して結合層 3 7 (第 2の結 合層) が設けられている。  Above the distribution / combination layer 39, a bonding layer 37 (second bonding layer) is provided via a dielectric layer 38.
結合層 3 7は、 接地プレーンに穴すなわち結合スロット 2 2が形成された導体 パターンから構成されている。  The coupling layer 37 is formed of a conductor pattern in which a hole, that is, a coupling slot 22 is formed in the ground plane.
その上方には、 誘電体層 3 6を介して位相制御層 3 5が設けられている。  Above this, a phase control layer 35 is provided via a dielectric layer 36.
位相制御層 3 5には、 各移相器 1 7と、 これら移相器 1 7を個別に制御する駆 動ュニット 1 2と、 各移相器 1 7と駆動ュニット 1 2とを接続するための駆動線 1 9とが設けられている。  The phase control layer 35 is used to connect each phase shifter 17, a drive unit 12 for individually controlling the phase shifters 17, and each phase shifter 17 to the drive unit 12. Drive lines 19 are provided.
なお、 放射素子 1 5の数が多いために駆動線 1 9の本数が多くなり、 1つの層 で全ての駆動線 1 9を配線できない場合、 本発明では、 位相制御層 3 5を複数の 配線層から構成し、 そのうち移相ユニット 1 6が搭載 ·形成された層とは異なる 層、 すなわち位相制御層 3 5の内側の配線層 (内部配線層) に多数の駆動線 1 9 を設けている (第 2の多層構造) 。  When the number of drive lines 19 increases due to the large number of radiating elements 15 and all the drive lines 19 cannot be wired in one layer, in the present invention, the phase control layer 35 is connected to a plurality of wires. A large number of drive lines 19 are provided in a layer different from the layer on which the phase shift unit 16 is mounted, that is, a wiring layer (internal wiring layer) inside the phase control layer 35. (Second multilayer structure).
そして、 駆動ュニッ ト 1 2により、 これら駆動線 1 9が個別に駆動され、 対応 する位相制御部 5 4に所望の移相量が設定される。  Then, these drive lines 19 are individually driven by the drive unit 12, and a desired phase shift amount is set in the corresponding phase control unit 54.
この位相制御層 3 5の上方には、 誘電体層 3 4を介して結合層 3 7と同様の結 合スロッ ト 2 1が形成された結合層 3 3 (第 1の結合層) が設けられている。 その上方には、 誘電体層 3 2を介して放射素子 1 5が形成された放射素子層 3 1が設けられている。  Above the phase control layer 35, a coupling layer 33 (first coupling layer) having a coupling slot 21 similar to the coupling layer 37 is provided via a dielectric layer 34. ing. Above it, a radiating element layer 31 on which a radiating element 15 is formed via a dielectric layer 32 is provided.
さらにその上方には、 誘電体層 3 1 Bを介して無給電素子 1 5 Aが形成された 無給電素子層 3 1 Aが設けられている。  Above that, a parasitic element layer 31A on which a parasitic element 15A is formed via a dielectric layer 31B is provided.
ただし、 無給電素子 1 5 Aは、 広帯域化のために付加されるものであり、 必要 に応じて構成すればよい。  However, the parasitic element 15 A is added for widening the band, and may be configured as necessary.
なお、 誘電体層 3 1 B, 3 2, 3 8, 3 8 Aとしては、 比誘電率が 1〜4程度 の低誘電率の基板、 例えばプリント基板、 ガラス基板や発泡材などの材料が用い られる。 また、 これらの誘電体層は、 空間 (空気層) であってもよい。 The dielectric layers 31 B, 32, 38, 38 A are made of a low dielectric constant substrate having a relative dielectric constant of about 1 to 4, such as a printed circuit board, a glass substrate, or a foam material. Can be Further, these dielectric layers may be spaces (air layers).
誘電体層 3 6としては、 比誘電率が 5〜 3 0程度の高誘電率の基板、 例えばァ ルミナ等のセラミック基板やガラス基板、 高誘電率プリント基板などが用いられ る。  As the dielectric layer 36, a high-permittivity substrate having a relative dielectric constant of about 5 to 30, such as a ceramic substrate of aluminum, a glass substrate, or a high-permittivity printed board is used.
誘電体層 3 4としては、 比誘電率が 1〜 1 1程度の基板、 例えばプリント基板、 セラミック基板、 ガラス基板や発泡材などの材料が用いられる。  As the dielectric layer 34, a substrate having a relative dielectric constant of about 1 to 11 such as a printed board, a ceramic substrate, a glass substrate, or a foam material is used.
特に、 位相制御層 3 5にチップ化された回路部が実装されるため、 誘電体層 3 4として空間 (空気層) を形成してもよレ、。  In particular, since the chipped circuit portion is mounted on the phase control layer 35, a space (air layer) may be formed as the dielectric layer 34.
なお、 図 4では簡単のため多層基板部 2を構成する各層を個々に分解して説明 したが、 誘電体層 3 1 B, 3 2, 3 4 , 3 6, 3 8, 3 8 Aに隣接する層、 例え ば放射素子層 3 1, 結合層 3 3などは、 前記の誘電体層の片面もしくは両面にパ ターン形成することにより実現できる。  In FIG. 4, the layers constituting the multilayer substrate 2 are separately disassembled for the sake of simplicity, but the layers are adjacent to the dielectric layers 31B, 32, 34, 36, 38, 38A. The layers to be formed, for example, the radiating element layer 31 and the coupling layer 33 can be realized by forming a pattern on one or both surfaces of the dielectric layer.
また、 上記誘電体層は必ずしも単一材料で形成されている必要はなく、 複数の 材料が積層された構成であつてもよい。  Further, the dielectric layer does not necessarily need to be formed of a single material, and may have a configuration in which a plurality of materials are stacked.
以上説明した多層基板部 2において、 給電部 1 3 (図 2には図示せず) からの 高周波信号は、 分配合成層 3 9のストリップ線路 2 3から、 結合層 3 7の結合ス ロット 2 2を介して、 位相制御層 3 5のストリップ線路に伝搬する。  In the multilayer board 2 described above, the high-frequency signal from the power feeding section 13 (not shown in FIG. 2) , And propagates to the strip line of the phase control layer 35.
そして、 移相器 1 7で所定の給電移相量が与えられ、 結合層 3 3の結合スロッ ト 2 1を介して、 放射素子層 3 1の放射素子 1 5に伝搬し、 それぞれの放射素子 1 5から所定のビーム方向に放射される。  Then, a predetermined feed phase shift amount is given by the phase shifter 17, and propagates to the radiating element 15 of the radiating element layer 31 via the coupling slot 21 of the coupling layer 33, and It is radiated from 15 to a predetermined beam direction.
ここで、 前述したように、 各移相ユニット 1 6を構成する回路 (すなわち各放 射素子 1 5ごとに設けられる移相器 1 7、 および移相器 1 7に接続されるストリ ップ線路の一部) においては、 各移相ュニット 1 6間または同一移相ュニット 1 6内で繰り返し構成される回路部は、 他の基板上に集積形成してチップ化した後、 チップ 6 7として位相制御層 3 5に実装されている。  Here, as described above, the circuit constituting each phase shift unit 16 (that is, the phase shifter 17 provided for each radiation element 15, and the strip line connected to the phase shifter 17) ), The circuit section that is repeated between each phase shift unit 16 or within the same phase shift unit 16 is integrated and formed into a chip on another substrate, and then phased as chip 67. Implemented in control layer 35.
これにより、 本発明においては、 チップ単体での不良検査が実施でき、 フエ一 ズドアレイアンテナ全体の歩留まりを改善でき、 特に数千個単位の移相ュニット で構成される高利得のフェーズドアレイアンテナでは、 その製造コストを大幅に 削減できる。 また、 駆動線 1 9の本数が多い場合、 本発明においては、 位相制御層 3 5を複 数の配線層から構成し (第 2の多層構造) 、 そのうち移相ユニット 1 6が形成さ れた配線層とは異なる配線層に、 駆動ュニット 1 2と各移相制御部 1 8とを個別 に接続するための駆動線 1 9を配線するようにした。 As a result, in the present invention, a defect inspection can be performed on a single chip, and the yield of the entire phased array antenna can be improved. However, the manufacturing cost can be greatly reduced. When the number of the drive lines 19 is large, in the present invention, the phase control layer 35 is composed of a plurality of wiring layers (second multilayer structure), and the phase shift unit 16 is formed therein. A drive line 19 for individually connecting the drive unit 12 and each phase shift controller 18 is arranged on a wiring layer different from the wiring layer.
これにより、 各移相器 1 7を制御するための駆動線 1 9が、 移相ュニット 1 6 の形成層から削減でき、 これら配線に必要な面積を大幅に削減できる。  As a result, the number of drive lines 19 for controlling each phase shifter 17 can be reduced from the layer on which the phase shift unit 16 is formed, and the area required for these wirings can be greatly reduced.
また、 本発明は、 放射素子 1 5および移相ュニット 1 6をそれぞれ個別の放射 素子層 3 1および位相制御層 3 5に形成し、 これら両層を結合層 3 3により結合 して、 全体を多層構造 (第 1の多層構造) とした。  Further, according to the present invention, the radiating element 15 and the phase shift unit 16 are formed on separate radiating element layers 31 and phase control layers 35, respectively. A multilayer structure (first multilayer structure) was adopted.
さらには、 分配合成部 1 4を個別の分配合成層 3 9に形成し、 位相制御層 3 5 と分配合成層 3 9を結合層 3 7により結合して、 全体を多層構造とした。  Further, the distributing / combining unit 14 is formed in a separate distributing / combining layer 39, and the phase control layer 35 and the distributing / combining layer 39 are connected by a connecting layer 37, so that the whole has a multilayer structure.
これにより、 位相制御層 3 5上で放射素子 1 5および分配合成部 1 4により占 有される面積を削減し、 一放射素子あたりの専有面積を小さくすることができる。  As a result, the area occupied by the radiating element 15 and the distributing / combining section 14 on the phase control layer 35 can be reduced, and the occupied area per radiating element can be reduced.
したがって、 このようにして 1つの移相ュニッ ト 1 6を比較的小さな面積で構 成できることから、 例えば 3 O G H z程度の高周波信号に対し、 5 mm前後の最 適な間隔で各放射素子 1 5を配置でき、 高利得で高周波数帯に適用可能なフエ一 ズドアレイアンテナを実現できる。  Therefore, since one phase shift unit 16 can be configured with a relatively small area in this manner, for example, for a high-frequency signal of about 3 OGHz, each radiating element In this case, a phased array antenna having a high gain and applicable to a high frequency band can be realized.
また、 最適な素子間隔を実現できることにより、 グレーティングローブが発生 するビーム走査角度が拡がるので、 アンテナ正面方向を中心として広い範囲でビ ームを走査できる。  In addition, since the optimum element spacing can be realized, the beam scanning angle at which the grating lobe occurs is widened, so that the beam can be scanned over a wide range centering on the front of the antenna.
なお、 本発明で用いる各ストリップ線路としては、 マイクロストリップ形の他、 トリプレート形、 コプレーナ導波管形、 スロッ ト形などの分布定数線路を利用で さる。  As each strip line used in the present invention, a distributed constant line such as a triplate type, a coplanar waveguide type, or a slot type can be used in addition to the microstrip type.
また、 放射素子 1 5としては、 パッチアンテナの他、 プリンテッドダイポール アンテナ、 スロットアンテナ、 アパーチャ素子などを利用でき、 特に結合層 3 3 のスロッ ト 2 1の開口部を大きくすることによりスロットアンテナとして利用で き、 この場合は放射素子層 3 1が結合層 3 3で兼用され、 放射素子層 3 1や無給 電素子層 3 1 Aが不要となる。  In addition to the patch antenna, a printed dipole antenna, a slot antenna, an aperture element, and the like can be used as the radiating element 15. Particularly, by increasing the opening of the slot 21 in the coupling layer 33, the slot antenna can be used. In this case, the radiating element layer 31 is also used as the coupling layer 33, and the radiating element layer 31 and the parasitic element layer 31A become unnecessary.
なお、 結合スロット 2 1の代わりに、 位相制御層 3 5のストリツプ線路 1 6 A と放射素子 1 5とを接続する導電性の給電ピンを用いて高周波信号を結合しても よい。 Note that instead of the coupling slot 21, the strip line 16 A of the phase control layer 35 is used. A high-frequency signal may be coupled using a conductive feed pin connecting the radiating element 15 and the radiating element 15.
さらに、 結合スロット 2 2の代わりに、 位相制御層 3 5のストリップ線路から 結合層 3 7に設けられた穴を介して誘電体層 3 8内に突出して設けられた導電性 の給電ピンを用いて高周波信号を結合してもよい。  Further, instead of the coupling slot 22, a conductive feed pin provided to project from the strip line of the phase control layer 35 into the dielectric layer 38 via a hole provided in the coupling layer 37 is used. High frequency signals may be combined.
また、 分配合成層 3 9と同一の機能は、 ラジアル導波路を用いても実現可能で ある。  Further, the same function as that of the distribution / combination layer 39 can also be realized by using a radial waveguide.
図 5は、 ラジアル導波路を使用した場合の本発明の構成例を示す説明図である。 この場合、 分配合成機能は、 図 5に示す多層基板部 2のうち、 誘電体層 3 8, 接地層 3 9 A, プローブ 2 5により実現され、 図 4の形態においては必要であつ た合成分配層 3 9が不要となっている。  FIG. 5 is an explanatory diagram showing a configuration example of the present invention when a radial waveguide is used. In this case, the distribution / synthesis function is realized by the dielectric layer 38, the ground layer 39A, and the probe 25 of the multilayer substrate unit 2 shown in FIG. Layer 39 is not required.
なお、 この場合も誘電体層 3 8はプリント基板, 発泡剤, あるいは空間 (空気 層) により構成される。  Also in this case, the dielectric layer 38 is composed of a printed circuit board, a foaming agent, or a space (air layer).
また、 接地層 3 9 Aとしては、 プリント基板上の銅箔をそのまま利用してもよ いし、 金属板あるいは誘電体 3 8の側面全体を囲む金属筐体などを別途設けても よい。  Further, as the ground layer 39A, a copper foil on a printed circuit board may be used as it is, or a metal plate or a metal housing surrounding the entire side surface of the dielectric 38 may be separately provided.
さらに、 本発明は空間給電フェーズドアレイアンテナにおいても適用可能であ る。  Further, the present invention is applicable to a space-fed phased array antenna.
その一例として、 図 6に反射型空間給電フェーズドアレイアンテナの構成例を 示す。  As an example, Fig. 6 shows a configuration example of a reflection-type space-fed phased array antenna.
図 6に示されるフェーズドアレイアンテナ 1は、 給電部 1 3, 一次放射部 2 6 からなる放射給電部 2 7と多層基板部 2、 および制御装置 1 1 (図示せず) とか ら構成される。  The phased array antenna 1 shown in FIG. 6 is composed of a radiation feed section 27 composed of a feed section 13 and a primary radiating section 26, a multilayer board section 2, and a control device 11 (not shown).
ここで、 多層基板部 2は図 4に示される形態とは異なり、 放射素子層 3 1, 誘 電体層 3 2, 結合層 3 3, 誘電体層 3 4, 位相制御層 3 5から構成されている。 また、 図 1に示された分配合成部 1 4の機能は一次放射部 2 6により実現され ているため、 多層基板部 2から分配合成層 3 9が除外されている。  Here, the multilayer substrate 2 is different from the embodiment shown in FIG. 4, and is composed of a radiating element layer 31, a dielectric layer 32, a coupling layer 33, a dielectric layer 34, and a phase control layer 35. ing. Further, since the function of the distribution / combination unit 14 shown in FIG. 1 is realized by the primary radiation unit 26, the distribution / combination layer 39 is excluded from the multilayer substrate unit 2.
このフェーズドアレイアンテナ 1においては、 放射給電部 2 7から放射された 高周波信号は放射素子層 3 1上の各放射素子 1 5により一度受信され、 結合層 3 3を介して位相制御層 3 5上の移相ュニット 1 6へそれぞれ結合される。 In this phased array antenna 1, the high-frequency signal radiated from the radiation feeder 27 is received once by each radiating element 15 on the radiating element layer 31, and Each is coupled to a phase shift unit 16 on a phase control layer 35 via 3.
ここで、 高周波信号は各々の移相ュニット 1 6により位相制御されたのち、 結 合層 3 3を介して再び各放射素子 1 5へと伝搬し、 それぞれの放射素子 1 5から 所定のビーム方向に放射される。  Here, the high-frequency signal is phase-controlled by each phase shift unit 16, propagates again to each radiating element 15 via the coupling layer 33, and has a predetermined beam direction from each radiating element 15. Is radiated.
以上説明した空間給電型フェーズドアレイアンテナのように、 多層基板部 2に 合成分配層 3 9を含まない形態においても本発明は有効である。  The present invention is also effective in a form in which the multilayer distribution board 39 does not include the combined distribution layer 39 as in the space-fed phased array antenna described above.
次に、 図 7を参照して、 位相制御層 3 5の構成例について説明する。  Next, a configuration example of the phase control layer 35 will be described with reference to FIG.
図 7は位相制御層 3 5の配置を模式的に示した説明図である。  FIG. 7 is an explanatory diagram schematically showing the arrangement of the phase control layer 35. As shown in FIG.
位相制御層 3 5の多層構造領域には、 多数の移相器 1 7がアレイ状に配置され ており、 さらに駆動線 1 9の配線パターンが形成されている。  In the multilayer structure region of the phase control layer 35, a number of phase shifters 17 are arranged in an array, and further, a wiring pattern of the drive line 19 is formed.
また、 位相制御層 3 5の多層構造領域の外部領域には、 フリップチップ 5 1に より構成された駆動ュニット 1 2が複数個配置されている。  In addition, a plurality of drive units 12 each composed of a flip chip 51 are arranged outside the multilayer structure region of the phase control layer 35.
フリップチップ 5 1とは、 ワイヤーリードまたはビームリードなどのリード線 を用いずに、 チップまたは基板に設けた接続端子を用いてボンディング (すなわ ち、 フェイスダウンボンディング) するチップのことである。  The flip chip 51 is a chip that is bonded (that is, face-down bonded) using connection terminals provided on a chip or a substrate without using a lead wire such as a wire lead or a beam lead.
バンプ方式を用いてフリップチップ 5 1を実装する場合、 チップ電極のそれぞ れに接続端子としてバンプ 5 2を形成し、 このバンプ 5 2と位相制御層 3 5の配 線とを直接、 あるいは異方性導電シートなどを介して接続する。  When mounting the flip chip 51 using the bump method, bumps 52 are formed as connection terminals on each of the chip electrodes, and the bumps 52 and the wiring of the phase control layer 35 are directly or differently connected. The connection is made via an isotropic conductive sheet or the like.
駆動ュニット 1 2をフリップチップ 5 1で構成する場合、 データ分配部 5 3へ 入力される制御信号 1 1 iの入力電極と、 各位相制御部 5 4を構成する各ラッチ When the drive unit 12 is composed of the flip chip 51, the input electrode of the control signal 1 1 i to be input to the data distribution unit 53, and each latch constituting each phase control unit 54
5 5の入力 C L Kの共通電極と、 各ラツチ 5 5の出力 Qそれぞれの電極にバンプ5 5 Inputs C L K common electrode and each latch 5 5 Output Q Bump on each electrode
5 2が形成される。 5 2 is formed.
特に、 各ラッチ 5 5の出力 Qとなるバンプ 5 2は、 位相制御層 3 5に形成され た駆動線 1 9により、 移相器 1 7を構成する移相回路 1 7 A〜1 7 0の 1個と個 別に接続される。  In particular, the bumps 52 serving as the outputs Q of the latches 55 are connected to the phase shift circuits 17 A to 170 forming the phase shifter 17 by the drive lines 19 formed on the phase control layer 35. Connected individually to one.
バンプ 5 2はチップの周縁部のみでなく、 チップの表面全面に形成されるので、 電極の数が増加してもチップの寸法は必ずしも大きくならず、 I Cの実装密度を 高くすることができる。  Since the bumps 52 are formed not only on the periphery of the chip but also on the entire surface of the chip, the size of the chip does not necessarily increase even if the number of electrodes increases, and the mounting density of IC can be increased.
このため、 アンテナ利得を向上させるために放射素子 1 5の数を増やすことに より、 制御すべき移相器 1 7の合計ビット数が増加しても、 移相器 1 7を駆動す るための駆動ュニット 1 2をフリツプチップ 5 1で構成することにより、 フエ一 ズドアレーアンテナの大型化を抑制することができる。 Therefore, the number of radiating elements 15 must be increased in order to improve antenna gain. Therefore, even if the total number of bits of the phase shifter 17 to be controlled increases, the drive unit 12 for driving the phase shifter 17 is constituted by the flip chip 51, so that the phased array antenna can be formed. Can be prevented from becoming larger.
さらに、 位相制御層 3 5に実装するチップ数を少なくできるので、 チップを所 定位置に配置するに要する時間を短縮でき、 製造リードタイムの長大化を抑制す ることができる。  Further, since the number of chips mounted on the phase control layer 35 can be reduced, the time required for disposing the chips at predetermined positions can be reduced, and the production lead time can be suppressed from being lengthened.
例として、 フェーズドアレイアンテナを構成するにあたり、 3 6 d B iの利得 を得るために放射素子 1 5の素子数を 5 0 0 0個とし、 ビーム走査ステップを細 力べするために各移相器 1 7に使用される移相回路を 4ビット分設けるものとす ると、 合計の移相回路ビット数は 2 0 0 0 0ビットとなる。  As an example, in constructing a phased array antenna, the number of radiating elements 15 was set to 50,000 to obtain a gain of 36 dBi, and each phase shift was performed to increase the beam scanning step. Assuming that four bits are provided for the phase shift circuit used in the shifter 17, the total number of phase shift circuit bits is 20000 bits.
この場合、 駆動ュニット 1 2を構成するために 2 0 0 0 0端子分のチップが必 要になるが、 2 0 0 0端子を有するフリップチップ 5 1を使用することにより、 1 0個のフリップチップ 5 1ですベての移相器 1 7を駆動することができる。 また、 各フリップチップ 5 1は、 位相制御層 3 5の両サイ ドに、 列方向に配置 されている。  In this case, a chip for 20000 terminals is required to form the drive unit 12, but by using the flip chip 51 having 200 terminals, 10 flip-flops can be obtained. The chip 51 can drive all the phase shifters 17. In addition, each flip chip 51 is arranged on both sides of the phase control layer 35 in the column direction.
そして、 左サイ ドに配置されたフリップチップ 5 1は、 行方向に配列された各 移相器 1 7のうちの左半分を制御し、 右サイ ドに配置されたフリップチップ 5 1 は、 行方向に配列された各移相器 1 7のうちの右半分を制御する。  The flip chip 51 arranged on the left side controls the left half of each of the phase shifters 17 arranged in the row direction, and the flip chip 51 arranged on the right side The right half of each phase shifter 17 arranged in the direction is controlled.
また、 駆動線 1 9の本数が多いとき、 位相制御層 3 5は複数の内部配線層から なる多層構造により構成され、 フリップチップ 5 1の各バンプ 5 2と各移相回路 1 7 A〜 1 7 Dとをそれぞれ接続する各駆動線 1 9は、 位相制御層 3 5の各層に 分けて配線される。  When the number of drive lines 19 is large, the phase control layer 35 has a multilayer structure composed of a plurality of internal wiring layers, and each bump 52 of the flip chip 51 and each phase shift circuit 17 A to 1 A Each of the drive lines 19 for connecting to 7D is separately wired to each layer of the phase control layer 35.
フリップチップ 5 1または移相回路 1 7 A〜1 7 Dと異なる層に形成された駆 動線 1 9は、 基板に形成されたビアホールを介して、 フリップチップ 5 1または 移相回路 1 7 A〜1 7 Dと接続されていることは言うまでもない。  The drive wire 19 formed on a different layer from the flip chip 51 or the phase shift circuit 17 A to 17 D is connected to the flip chip 51 or the phase shift circuit 17 A via a via hole formed in the substrate. Needless to say, it is connected to ~ 17D.
これにより、 駆動線 1 9の束の最大幅が狭くなるので、 位相制御層 3 5におい て駆動線 1 9のために用意する面積を削減できる。  As a result, the maximum width of the bundle of the drive lines 19 is reduced, so that the area prepared for the drive lines 19 in the phase control layer 35 can be reduced.
したがって、 フェーズドアレイアンテナを小型化できるとともに、 放射素子 1 5の素子間隔を狭めることができるので放射ビーム範囲を広げることができる。 なお、 駆動線 1 9の本数が少ない場合、 または駆動線 1 9の配線幅を狭くした 場合は、 位相制御層 3 5を多層化するまでもなく、 すべての駆動線 1 9を 1つの 層に配線することもできる。 Therefore, the size of the phased array antenna can be reduced, and the spacing between the radiating elements 15 can be reduced, so that the range of the radiated beam can be expanded. When the number of the drive lines 19 is small or when the width of the drive lines 19 is reduced, all the drive lines 19 are formed into one layer without having to multiply the phase control layer 35. It can also be wired.
ここでは、 バンプ方式のフリップチップ 5 1について述べたが、 チップ上にバ ンプ 5 2を形成する代わりに、 フリップチップ 5 1が搭載される基板 (ここでは 位相制御層 3 5 ) 上にバンプを形成し、 前記と同様にフリップチップ 5 1を実装 また、 位相制御層 3 5については、 所定の配線パターンが形成されているシー ト状の基板を複数枚積層して多層構造の基板 (ビルドアップ基板) を作成する方 法を応用してもよレ、。  Here, the bump type flip chip 51 has been described. Instead of forming the bump 52 on the chip, a bump is formed on the substrate (here, the phase control layer 35) on which the flip chip 51 is mounted. The flip chip 51 is mounted in the same manner as described above. For the phase control layer 35, a multi-layered board (build-up) is formed by laminating a plurality of sheet-shaped boards on which a predetermined wiring pattern is formed. You can apply the method of making the substrate).
次に、 図 8を参照して、 具体的な寸法の一例を示しながら、 スィッチ 1 7 Sの 構成例について説明する。  Next, an example of the configuration of the switch 17S will be described with reference to FIG.
図 8はスィツチの構成例を示す斜視図である。  FIG. 8 is a perspective view showing a configuration example of the switch.
このスィッチは、 コンタク ト (微小接点部) 6 4によりストリップ線路 6 2, 6 3を短絡 Z開放するマイクロマシンスィッチから構成されている。 ここでいう マイクロマシンスィツチは、 半導体素子製造プロセスにより集積されるに適した 微小スィツチである。  This switch is composed of a micromachine switch that short-circuits and opens the strip lines 62 and 63 with a contact (small contact portion) 64. The micromachine switch mentioned here is a microswitch suitable for being integrated by a semiconductor device manufacturing process.
ストリップ線路 6 2, 6 3 (高さ 1 μ πι程度) は僅かな隙間を有して基板 6 1 上に形成されており、 その隙間の上部にはコンタク ト 6 4 (高さ 2 μ πι程度) が ストリップ線路 6 2 , 6 3と接離自在となるよう支持部材 6 5により支持されて いる。  Strip lines 6 2 and 6 3 (having a height of about 1 μπι) are formed on substrate 61 with a small gap, and contact 64 (height of about 2 μπι) is formed above the gap. ) Are supported by a support member 65 so as to be able to freely contact and separate from the strip lines 62 and 63.
ここで、 コンタク ト 6 4の下面とストリップ線路 6 2, 6 3の上面との距離は 4 / m程度であり、 基板 6 1の上面を基準としたコンタク ト 6 4の上面の高さ、 つまりマイクロマシンスィツチ全体の高さは 7 μ πι程度である。  Here, the distance between the lower surface of the contact 64 and the upper surfaces of the strip lines 62 and 63 is about 4 / m, and the height of the upper surface of the contact 64 with respect to the upper surface of the substrate 61, that is, The height of the entire micromachine switch is about 7 μπι.
一方、 基板 6 1上のストリップ線路 6 2, 6 3の隙間には、 導体の電極 6 6 (高さ 0 . 2 μ πι程度) が形成されており、 この電極 6 6の高さは、 ストリップ 線路 6 2, 6 3の高さよりも低い。  On the other hand, a conductor electrode 66 (having a height of about 0.2 μππ) is formed in the gap between the strip lines 62 and 63 on the substrate 61, and the height of the electrode 66 is It is lower than the height of the tracks 62, 63.
このスィツチの動作について以下に説明する。  The operation of this switch will be described below.
電極 6 6には、 駆動回路 1 9 Α〜 1 9 Dの出力電圧 (例えば、 1 0〜1 0 0 V 程度) が個別に供給される。 The electrode 66 has an output voltage of the drive circuit 19 Α to 19 D (for example, 10 to 100 V Are supplied separately.
ここで、 電極 6 6に正の出力電圧が印加された場合は、 これにより電極 6 6の 表面に正電荷が発生するとともに、 対向するコンタク ト 6 4の表面には静電誘導 により負電荷が現れ、 両者間の吸引力によりストリップ線路 6 2, 6 3側へ引き 寄せられる。  Here, when a positive output voltage is applied to the electrode 66, a positive charge is generated on the surface of the electrode 66, and a negative charge is generated on the surface of the opposing contact 64 by electrostatic induction. It appears and is attracted to the strip lines 62 and 63 by the attraction between them.
このとき、 コンタク ト 6 4の長さがストリツプ線路 6 2, 6 3の隙間よりも長 いため、 コンタク ト 6 4がス トリ ップ線路 6 2, 6 3の両方に接触し、 ス トリツ プ線路 6 2 , 6 3がコンタク ト 6 4を介して高周波的に導通状態となる。  At this time, since the length of the contact 64 is longer than the gap between the strip lines 62 and 63, the contact 64 contacts both the strip lines 62 and 63 and the strip line 62 and 63 become conductive at a high frequency via the contact 64.
また、 電極 6 6への出力電圧の印加が停止された場合は、 吸引力がなくなって 支持部材 6 5によりコンタク ト 6 4が元の離間した位置へ復元され、 ス トリ ップ 線路 6 2 , 6 3が開放される。  Also, when the application of the output voltage to the electrode 66 is stopped, the suction force is lost and the contact 64 is restored to the original separated position by the support member 65, and the strip line 62, 6 3 is released.
なお、 以上の説明では、 コンタク ト 6 4に電圧を与えず、 電極 6 6に対して出 力電圧を印加する場合について説明したが、 逆も可能である。  In the above description, the case where the output voltage is applied to the electrode 66 without applying the voltage to the contact 64 has been described, but the reverse is also possible.
すなわち、 電極 6 6に電圧を与えず、 コンタク ト 6 4に対して導体からなる支 持部材 6 5を介して駆動回路の出力電圧を印加するようにしてもよく、 前述と同 様の作用が得られる。  In other words, the output voltage of the drive circuit may be applied to the contact 64 via the support member 65 made of a conductor without applying a voltage to the electrode 66. can get.
また、 コンタク ト 6 4は、 少なくとも下面が導体で形成され、 ストリップ線路 6 2, 6 3とォーミック接触するものであっても、 導体部材の下面に絶縁体薄膜 が形成されストリップ線路 6 2 , 6 3と容量結合するものであってもよレ、。 ここで、 マイクロマシンスィッチは、 コンタク ト 6 4が可動部分であるため、 本フェーズドアレイアンテナのように多層基板内に位相制御層 3 5を設けた場合 に、 コンタク ト 6 4が自由に可動できるようなスペースを設ける必要がある。 このように、 給電位相の制御を行うスイッチング素子として、 マイクロマシン スィッチを用いるようにしたので、 P I Nダイオードなどの半導体デバイスを用 いる場合と比較して、 半導体接合面での電力消費がなくなり、 消費電力が 1 0分 の 1程度まで低減できる。  In addition, even if the contact 64 has at least a lower surface formed of a conductor and makes ohmic contact with the strip lines 62 and 63, an insulator thin film is formed on the lower surface of the conductor member and the strip lines 62 and 63 are formed. 3, which may be capacitively coupled to 3. Here, since the contact 64 is a movable part, the micromachine switch can freely move the contact 64 when the phase control layer 35 is provided in the multilayer substrate as in this phased array antenna. Space must be provided. As described above, the micromachine switch is used as the switching element for controlling the power supply phase, so that power consumption at the semiconductor junction surface is reduced compared to when a semiconductor device such as a PIN diode is used, and power consumption is reduced. Can be reduced to about 1 / 10th.
次に、 チップの構成例について説明する。  Next, a configuration example of the chip will be described.
図 9はべァチップ 6 8をフリツプチップ実装する場合の構成例を示す説明図で あり、 (a ) はチップ 6 7 Aの断面図、 (b ) はチップ 6 7 Aの上面図、 (c ) はチップ 6 7 Aのフェイスダウン搭載例 (半田法) の断面図、 (d) はチップ 6FIGS. 9A and 9B are explanatory diagrams showing a configuration example in which the base chip 68 is flip-chip mounted. FIG. 9A is a cross-sectional view of the chip 67 A, FIG. 9B is a top view of the chip 67 A, and FIG. Is a cross-sectional view of an example of the chip 67 A mounted face down (solder method).
7 Aのフェイスダウン搭載例 (接着法) の断面図を示している。 A cross-sectional view of a 7A face-down mounting example (adhesion method) is shown.
なお、 このチップ 67 Aに含まれる回路の範囲は、 図 1 1を用いて後述するよ うに多種が考えられるが、 以下では、 図 1 1 (b) に示す回路部、 すなわち駆動 回路とスィッチをチップ化した場合を例に説明する。  The range of the circuit included in the chip 67A can be various as described later with reference to FIG. 11, but in the following, the circuit portion shown in FIG. 11 (b), that is, the drive circuit and the switch The case of chip formation will be described as an example.
図 9 (a) , (b) に示すように、 ベアチップ 68には、 ガラス基板 8 1上に マイクロマシンスィツチからなるスィツチ 82 Aや薄膜トランジスタ (TFT) からなる駆動回路 82 Bが形成されている。  As shown in FIGS. 9A and 9B, the bare chip 68 has a glass substrate 81 on which a switch 82A composed of a micromachine switch and a drive circuit 82B composed of a thin film transistor (TFT) are formed.
このベアチップ 68に、 信号接続用のパッドに半田や金などからなるバンプ 8 3が形成されてチップ 67 Aが得られる。  On this bare chip 68, bumps 83 made of solder, gold, or the like are formed on signal connection pads to obtain a chip 67A.
図 9 (c) には、 半田法などによりチップ 67 Aを別基板 84へフェイスダウ ン搭載した場合が示されており、 基板 84上に、 絶縁保護膜 85 Aに周囲が覆わ れた信号接続用のパッド 85が形成されている。  FIG. 9 (c) shows a case where chip 67A is mounted face down on another substrate 84 by a soldering method or the like, and the signal connection whose periphery is covered with an insulating protective film 85A on the substrate 84 is shown. Pads 85 are formed.
そして、 バンプ 85 Bを介してパッド 85とバンプ 83とが半田などにより固 着され、 電気的に接続されている。  Then, the pad 85 and the bump 83 are fixed by solder or the like via the bump 85B and are electrically connected.
ここで、 パッド 85, バンプ 85 B, バンプ 83の形成後の高さをそれぞれ例 えば 1 0 //m, 20 μ m, 20 μ mとすることにより、 可動部が存在するスイツ チ 82 A周囲に高さ 40 μπιの空間 87が最終的な実装後に形成され、 マイクロ マシンスィツチが安定動作する。  Here, by setting the height after the formation of the pad 85, the bump 85B, and the bump 83 to, for example, 10 // m, 20 μm, and 20 μm, the vicinity of the switch 82A where the movable portion exists is provided. After the final mounting, a space 87 with a height of 40 μπι is formed, and the micromachine switch operates stably.
また、 基板 8 1の全周またはその一部が樹脂 86により基板 84と固着されて いる。  Further, the entire periphery or a part of the substrate 81 is fixed to the substrate 84 by the resin 86.
これにより、 基板 84に対する機械ス トレスが発生した場合でも、 バンプ 85 Bの接合部分が保護される。  As a result, even when mechanical stress occurs on the substrate 84, the bonding portion of the bump 85B is protected.
一方、 図 9 (d) には、 接着法によりチップ 67 Aを別基板 84へフェイスダ ゥン搭載した場合が示されており、 基板 84上に、 絶縁保護膜 85 Aに周囲が覆 われた信号接続用のパッド 85が形成されている。  On the other hand, FIG. 9 (d) shows a case where the chip 67A is mounted face down on another substrate 84 by the bonding method, and the signal whose periphery is covered with the insulating protective film 85A on the substrate 84 is shown. A connection pad 85 is formed.
そして、 接着剤 88を介してガラス基板 8 1と基板 84とが接着され、 パッド Then, the glass substrate 81 and the substrate 84 are bonded via the adhesive 88, and the pad
85とバンプ 83とが直接接触して電気的に接続されている。 85 and the bump 83 are in direct contact and electrically connected.
この場合、 接着剤 88は、 スィッチ 82 Aの実装領域以外に配置され、 ガラス 基板 8 1と基板 8 4とを接着している。 In this case, the adhesive 88 is placed outside the mounting area of the switch 82A, The substrate 81 and the substrate 84 are bonded to each other.
これにより、 可動部が存在するスィッチ 8 2 A周囲に空間 8 7が形成され、 マ イクロマシンスィツチが安定動作する。  As a result, a space 87 is formed around the switch 82A where the movable portion exists, and the micromachine switch operates stably.
さらに、 接着剤 8 8により比較的広い範囲でガラス基板 8 1と基板 8 4とが接 着されているため、 基板 8 4に対する機械ス トレスが発生した場合でも、 バンプ 8 3の接合部分が保護される。  Furthermore, since the glass substrate 81 and the substrate 84 are bonded to each other over a relatively wide area by the adhesive 88, even if mechanical stress occurs on the substrate 84, the bonding portion of the bump 83 is protected. Is done.
このように、 移相ユニット 1 6のうち、 スイッチング素子を含む所定回路部を チップ化して位相制御層 3 5に実装するようにしたので、 比較的簡素な構成でス ィツチング素子を実装することができる。  As described above, the predetermined circuit portion including the switching element in the phase shift unit 16 is chipped and mounted on the phase control layer 35, so that the switching element can be mounted with a relatively simple configuration. it can.
また、 位相制御層 3 5に実装する前にチップ単体での不良検査が実施でき、 装 置全体の歩留まりを改善できる。  Further, before mounting on the phase control layer 35, a defect inspection can be performed on a single chip, and the yield of the entire device can be improved.
特に、 ベアチップをフリップチップ実装するようにしたので、 位相制御層 3 5 で必要な高さを抑制でき、 スロット 2 1を介して結合される放射素子 1 5との結 合効率を改善できる。  In particular, since the bare chip is flip-chip mounted, the height required for the phase control layer 35 can be suppressed, and the coupling efficiency with the radiating element 15 coupled via the slot 21 can be improved.
以上、 ベアチップを位相制御層 3 5へフリップチップ実装する場合について説 明をしたが、 図 4における誘電体層 3 4が比較的厚くても問題のない場合は、 L C C (Leadless Chip Carrier ) もしくは B G A (Ball Grid Array)によりパッ ケージ化されたチップを用いてもよい。  The case where the bare chip is flip-chip mounted on the phase control layer 35 has been described above. However, if there is no problem even if the dielectric layer 34 in FIG. 4 is relatively thick, an LCC (Leadless Chip Carrier) or BGA (Ball Grid Array) may be used.
この場合は、 S MD (Surface Mount Device )として高速かつ簡便に位相制御 層 3 5へ自動実装でき、 組立工数を大幅に削減できる。  In this case, an SMD (Surface Mount Device) can be automatically mounted on the phase control layer 35 quickly and easily, and the number of assembly steps can be greatly reduced.
次に、 図 1 0を参照して、 チップに含まれる回路について説明する。  Next, a circuit included in the chip will be described with reference to FIG.
各放射素子 1 5ごとに設けられる移相ユニット 1 6 (すなわち移相器 1 7、 お よび移相器 1 7に接続されるストリップ線路の一部) には、 繰り返し用いられて いる回路部分が存在する。  The phase shift unit 16 provided for each radiating element 15 (that is, the phase shifter 17 and a part of the strip line connected to the phase shifter 17) includes a circuit portion that is used repeatedly. Exists.
例えば、 図 3では、 駆動回路 1 9 A〜1 9 Dが同一回路構成となっている。 また、 移相回路 1 7 Aは、 各放射素子 1 5ごとに設けられる移相器 1 7で共通 の回路構成であり、 他の移相回路 1 7 B〜1 7 Dも同様である。  For example, in FIG. 3, the drive circuits 19A to 19D have the same circuit configuration. The phase shift circuit 17A has a common circuit configuration for the phase shifters 17 provided for the respective radiating elements 15, and the same applies to the other phase shift circuits 17B to 17D.
したがって、 これら回路部分のうち、 各放射素子 1 5または各移相回路 1 7 A 〜1 7 Dごとに繰り返し構成される部分をチップ化することにより、 各回路部分 でチップを共通化できる。 Therefore, by forming a portion of these circuit portions that are repeated for each radiating element 15 or each phase shift circuit 17 A to 17 D into chips, Can share the chip.
例えば、 図 1 0 (a) には、 各移相回路で用いられる 2つのスィッチ 1 7 Sを 単位としてチップ化した例が示されている。  For example, FIG. 10 (a) shows an example in which two switches 17S used in each phase shift circuit are chipped.
ここでは、 スィッチ 1 7 Sを構成する 2つのスィッチ 73、 このスィッチ 73 に高周波信号を供給するためのストリップ線路 74、 およびパッド 72が設けら れている。  Here, two switches 73 constituting the switch 17S, a strip line 74 for supplying a high-frequency signal to the switch 73, and a pad 72 are provided.
これにより、 これらチップをすベての移相回路 1 7A〜1 7 Dで共通化できる。 また、 図 1 0 (b) には、 移相回路 1 7 A〜 1 7 Dを単位としてチップィ匕した 例が示されている。  As a result, these chips can be shared by all the phase shift circuits 17A to 17D. Further, FIG. 10 (b) shows an example in which chip shifting is performed in units of the phase shift circuits 17A to 17D.
特に、 図中破線で囲んだ部分は、 図 1 0 (a) に相当しており、 この他、 スィ ツチ 1 7 Sをストリップ線路 1 6 Aに接続するためのストリップ線路 75と、 こ のストリップ線路とは反対側に接続され、 それぞれの移相量に応じた長さを有す る分布定数線路 76および主線路 70とが設けられている。  In particular, the portion surrounded by the broken line in the figure corresponds to FIG. 10 (a). In addition, the strip line 75 for connecting the switch 17S to the strip line 16A, and the strip line 75 A distributed constant line 76 and a main line 70 which are connected to the opposite side of the line and have lengths corresponding to the respective phase shift amounts are provided.
これにより、 これらチップを各移相ュニット 1 6の個々の移相回路 1 7 A〜l 7 Dごとに共通化できる。  As a result, these chips can be shared by the individual phase shift circuits 17 A to 17 D of each phase shift unit 16.
また、 図 1 0 (c) には、 各移相ユニット 1 6内のすべての移相回路 1 7 A〜 1 7 Dを単位としてチップ化した例が示されている。  FIG. 10 (c) shows an example in which all the phase shift circuits 17A to 17D in each phase shift unit 16 are chipped.
特に、 図中破線で囲んだ部分は、 図 1 0 (b) に相当しており、 この他、 各移 相回路 1 7 A〜l 7 Dを接続するストリップ線路 1 6 Aが形成されている。  In particular, the portion surrounded by the broken line in the figure corresponds to FIG. 10 (b), and a strip line 16A connecting each of the phase shift circuits 17A to 17D is formed. .
これにより、 これらチップを各移相ュニット 1 6ごとに共通化できる。  As a result, these chips can be shared for each phase shift unit 16.
また、 図 1 0 (d) には、 各移相ユニット 1 6を単位としてチップ化した例が 示されている。  FIG. 10 (d) shows an example in which each phase shift unit 16 is formed into a chip.
特に、 図中破線で囲んだ部分は、 図 1 0 (c) に相当しており、 この他、 スロ ット 22とストリツプ線路 1 6 Aとを接続するストリツプ線路 77と、 ストリツ プ線路 1 6 Aとスロット 2 1とを接続するストリップ線路 78とが形成されてい る。  In particular, the portion surrounded by the broken line in the figure corresponds to FIG. 10 (c). In addition, the strip line 77 connecting the slot 22 and the strip line 16A, and the strip line 16 A strip line 78 connecting A and slot 21 is formed.
これにより、 各チップを各移相ュニット 1 6で共通化できる。  Thus, each chip can be shared by each phase shift unit 16.
このように、 移相ユニット 1 6のうち、 スイッチング素子を含む所定回路部を チップ化して位相制御層 35に実装するようにしたので、 比較的簡素な構成でス ィツチング素子を実装することができる。 As described above, the predetermined circuit portion including the switching element in the phase shift unit 16 is formed into a chip and mounted on the phase control layer 35, so that a relatively simple configuration is used. A switching element can be mounted.
したがって、 部品点数おょぴ接続点数を削減できるとともに、 組立工数を削減 できる。  Therefore, the number of parts and the number of connection points can be reduced, and the number of assembly steps can be reduced.
なお、 図 9, 図 1 0では、 ストリップ線路 1 6 Aに対し、 スィッチ 1 7 Sを介 して所定の分布定数線路を分岐接続することにより、 給電位相を制御するローテ ッドライン形の移相回路を例として説明したが、 これに限定されるものではなく、 線路切換形や反射形など、 他の移相回路でもよい。  In FIGS. 9 and 10, a predetermined distributed constant line is branched and connected to the strip line 16A via a switch 17S, so that a rotated line type phase shift circuit for controlling the feed phase is provided. However, the present invention is not limited to this, and other phase shift circuits such as a line switching type and a reflection type may be used.
一般に、 移相量が比較的小さい場合はローテツドライン形の方が良好な特性が 得られ、 移相量が比較的大きい場合は線路切換形の方が良好な特性が得られる。 例えば、 後述する実施例では、 2 2 . 5 ° , 4 5 ° , 9 0 ° の各移相回路 1 7 A〜l 7 Cをローデッドライン形で構成し、 1 8 0 ° の移相回路 1 7 Dを線路切 換形で構成している。  In general, when the amount of phase shift is relatively small, better characteristics are obtained with the rotated line type, and when the amount of phase shift is relatively large, better characteristics are obtained with the line switching type. For example, in an embodiment to be described later, each of the 22.5 °, 45 °, and 90 ° phase shift circuits 17 A to 17 C is configured as a loaded line type, and the 180 ° phase shift circuit 1 7D is configured as a line switching type.
以上、 図 9, 図 1 0を引用しながら、 スィッチ 1 7 Sとしてマイクロマシンス ィツチをガラス基板上に形成した場合を一例として説明したが、 基板は必ずしも ガラス基板である必要はなく、 半導体基板, プリント基板やセラミック基板であ つてもよレヽ。  The case where the micromachine switch is formed on the glass substrate as the switch 17S has been described above as an example with reference to FIGS. 9 and 10, but the substrate is not necessarily a glass substrate. Printed circuit boards and ceramic substrates are also acceptable.
また、 マイクロマシンスィッチの代わりに、 半導体基板上のトランジスタ回路 やダイォードを利用してもよレ、。  Also, instead of a micromachine switch, a transistor circuit or a diode on a semiconductor substrate may be used.
(実施例)  (Example)
次に、 図 1 1〜図 1 7を参照して、 本発明を 3 O G H zのフェーズドアレイァ ンテナに適用した場合の第 1〜第 4の実施例 (1放射素子あたりの構成例) につ いて説明する。  Next, with reference to FIGS. 11 to 17, first to fourth embodiments (configuration examples per radiating element) when the present invention is applied to a 3 OGHz phased array antenna. Will be described.
ただし、 以下では、 それぞれ異なる移相量 2 2 . 5 ° 、 4 5 ° 、 9 0 ° 、 1 8 0 ° を有する 4つの移相回路 1 7 A〜1 7 Dから移相器 1 7を構成した場合を例 に説明する。  However, in the following, the phase shifter 17 is composed of four phase shift circuits 17 A to 17 D having different phase shift amounts of 22.5 °, 45 °, 90 °, and 180 °, respectively. An example is described below.
また、 移相回路のスィツチング素子としてマイクロマシンスィツチが用いられ ているものとする。  Also, it is assumed that a micromachine switch is used as a switching element of the phase shift circuit.
なお、 以下に記载する寸法は、 あくもでも 3 0 G H zにおけるアンテナの各部 寸法の例示に過ぎず、 周波数が変われば寸法が変わるのはもちろんのこと、 3 0 GH zであっても別の寸法で実現可能であることをあらかじめ断っておく。 It should be noted that the dimensions described below are merely examples of the dimensions of each part of the antenna at 30 GHz, and of course, the dimensions change when the frequency changes. It is refused beforehand that other dimensions can be realized even with GH z.
まず、 図 1 1を参照して、 第 1の実施例について説明する。  First, a first embodiment will be described with reference to FIG.
図 1 1は第 1の実施例を示す回路配置図であり、 ( a ) は移相ュニット全体を 示す位相制御層の回路配置図、 (b) は多層構成を示す模式図である。  FIG. 11 is a circuit layout diagram showing the first embodiment, (a) is a circuit layout diagram of a phase control layer showing the entire phase shift unit, and (b) is a schematic diagram showing a multilayer structure.
以下では、 図 1 0 (a) で示した回路部、 すなわち各移相回路で用いられるス ィツチをチップ化した場合を例に説明する。  In the following, an example will be described in which the circuit section shown in FIG. 10A, that is, the switches used in each phase shift circuit are formed into chips.
図 1 1 (a) に示すように、 移相ユニット 1 6は、 アレイ状に配置された各放 射素子 1 5に対応して設けられており、 ほぼ正方形 ( 5 mm X 5 mm) の領域 (図中破線正方形参照) 内に形成されている。  As shown in Fig. 11 (a), the phase shift unit 16 is provided corresponding to each of the radiation elements 15 arranged in an array, and has a substantially square (5 mm X 5 mm) area. (See the dashed square in the figure).
この領域の内側には、 ビアホール 1 6 Bの上部位置からスロッ ト 2 1の下部位 置までを接続するストリップ線路 1 6 Aが設けられている。  Inside this region, there is provided a strip line 16A connecting the upper portion of the via hole 16B to the lower portion of the slot 21.
さらに、 このス トリ ップ線路 1 6 Aの途中には、 22. 5° , 45° , 90° , 1 80° の各移相回路がそれぞれ配置されている。  Further, in the middle of the strip line 16A, phase shift circuits of 22.5 °, 45 °, 90 °, and 180 ° are arranged, respectively.
そして、 これら移相回路の一部がチップ 67にチップ化されて実装されている。 また、 スロット 2 1の上層の放射素子層 3 1には、 直径 2. 5mm〜4mmの 円形の放射素子 1 5 (図中細線破線) が配置されている。  A part of these phase shift circuits is mounted on a chip 67 as a chip. In the upper radiating element layer 31 of the slot 21, a circular radiating element 15 (2.5 mm to 4 mm in diameter) (thin broken line in the figure) is arranged.
図 1 2は第 1および第 2の実施例で用いる各チップを示す回路配置図であり、 (a) は 22. 5° , 45° , 90° の移相回路で用いられるチップ、 (b) は 1 80° の移相回路で用いられるチップを示している。  FIGS. 12A and 12B are circuit layout diagrams showing respective chips used in the first and second embodiments. FIG. 12A shows a chip used in a 22.5 °, 45 °, and 90 ° phase shift circuit, and FIG. Indicates a chip used in a 180 ° phase shift circuit.
特に、 図 1 2 (a) はローテッドライン形の移相回路用として共通化でき、 図 1 2 (b) は線路切換形の移相回路用として共通化できる。  In particular, Fig. 12 (a) can be shared for a rotated line type phase shift circuit, and Fig. 12 (b) can be shared for a line switching type phase shift circuit.
なお、 これらチップ構成は前述した図 9および図 1 0 (a) と同様であり、 こ こでの説明は省略する。  Note that these chip configurations are the same as those in FIG. 9 and FIG. 10 (a) described above, and a description thereof will be omitted.
図 1 1 (b) には、 第 1の実施例による多層構造が示されており、 前述した図 2と同じ部分には同一符号を付してある。  FIG. 11 (b) shows a multilayer structure according to the first embodiment, and the same parts as those in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals.
なお、 この図は多層構造を模式的に示すものであり、 図 1 1 (a) の特定の断 面を示すものではない。  This figure schematically shows the multilayer structure, and does not show the specific cross section of FIG. 11 (a).
本実施例における多層構成は、 図 1 1 (b) の下から上へ順に、 接地層 39A, ラジアル導波路を形成する誘電体層 38 (厚さ l mm) , 結合層 37, 誘電体層 3 6 (厚さ 0 . 2 mm) , 位相制御層 3 5 (厚さ 1 mm) , 誘電体層 3 4 (厚さ 0 . 2 mm) , 結合スロット 2 1が形成された結合層 3 3 , 誘電体層 3 2 (厚さ 0 . 3 mm) , 放射素子層 3 1, 誘電体層 3 1 B (厚さ l mm) , 無給電素子層 3 1 Aが積層されている。 The multilayer structure in this embodiment is composed of a ground layer 39A, a dielectric layer 38 (thickness l mm) forming a radial waveguide, a coupling layer 37, and a dielectric layer in order from the bottom to the top in FIG. 36 (0.2 mm thickness), phase control layer 35 (1 mm thickness), dielectric layer 34 (0.2 mm thickness), coupling layer 3 3 with coupling slot 21 formed, The dielectric layer 32 (thickness 0.3 mm), the radiating element layer 31, the dielectric layer 31B (thickness lmm), and the parasitic element layer 31A are laminated.
また、 本実施例においては、 位相制御層 3 5は複数の配線層と誘電体層、 すな わち下から上へ順に、 配線層 4 5, 複数の内部配線層 4 4 Aを含む多層配線層 4 4, 配線層 4 3, 誘電体層 4 2, およびチップ 6 7が実装されるチップ搭載層 4 1から構成されている。  In this embodiment, the phase control layer 35 is a multilayer wiring including a plurality of wiring layers and dielectric layers, that is, a wiring layer 45 and a plurality of internal wiring layers 44 A in order from bottom to top. It consists of layer 44, wiring layer 43, dielectric layer 42, and chip mounting layer 41 on which chip 67 is mounted.
ただし本実施例においては、 配線層 4 3には、 チップ搭載層 4 1上の高周波回 路と内部配線層 4 4 A内の駆動線 1 9を電気的に分離するための接地導体が形成 されている。  However, in the present embodiment, the wiring layer 43 is formed with a ground conductor for electrically separating the high-frequency circuit on the chip mounting layer 41 from the drive line 19 in the internal wiring layer 44A. ing.
多層配線層 4 4内の内部配線層 4 4 Aには、 駆動ュニット 1 2からの駆動線 1 9が形成されており、 ビアホール 3 6 Bを介してチップ搭載層 4 1上のチップ 6 7すなわち移相回路 1 7 A〜1 7 Dに接続されている。  The drive line 19 from the drive unit 12 is formed in the internal wiring layer 44A in the multilayer wiring layer 44, and the chip 67 on the chip mounting layer 41 via the via hole 36B, namely The phase shift circuit is connected to 17 A to 17 D.
なお、 多層配線層 4 4としては、 例えば配線層が形成されたシート状の薄い基 板を積層したビルドアップ基板などを用いてもよい。  Note that, as the multilayer wiring layer 44, for example, a build-up substrate in which a sheet-like thin substrate on which a wiring layer is formed may be used.
位相制御層 3 5と結合層 3 3との間の誘電体層 3 4は、 厚さ (高さ) が 0 . 2 mmのスぺーサ 3 4 Aにより確保された空間から構成されており、 位相制御層 3 5表面のチップ搭載層 4 4上にはチップ 6 7が実装されている。  The dielectric layer 34 between the phase control layer 35 and the coupling layer 33 is composed of a space secured by a spacer 34 A having a thickness (height) of 0.2 mm. A chip 67 is mounted on the chip mounting layer 44 on the surface of the phase control layer 35.
この場合、 スぺーサ 3 4 Aをスロッ ト 2 1の下部に配置してもよく、 これによ り、 通常、 空き領域となるスロッ ト 2 1の下部をスぺーサ 3 4 Aの配置領域とし て兼用でき、 スベーサ 3 4 Aによる占有面積を削減できる。  In this case, the spacer 34 A may be arranged at the lower part of the slot 21, so that the lower part of the slot 21, which is usually an empty area, is arranged at the area where the spacer 34 A is arranged. The area occupied by the spacer 34 A can be reduced.
さらに、 スぺーサ 3 4 Aとして、 アルミナなど比誘電率が 5〜 3 0程度の高誘 電率の材料を用いれば、 スロット 2 1と位相制御層 3 5上のストリップ線路 1 6 Aとが効率よく結合される。  Furthermore, if a material having a high dielectric constant, such as alumina, having a relative dielectric constant of about 5 to 30 is used as the spacer 34 A, the slot 21 and the strip line 16 A on the phase control layer 35 are formed. Combined efficiently.
また、 本実施例では、 位相制御層 3 5上のストリップ線路 1 6 Aと結合層 3 7 上の結合スロット 2 2とを結合する手段として、 同軸線路と同様の機能をもつ結 合手段 (以下、 単に擬似同軸線路と呼ぶ) 4 6が用いられている。  In this embodiment, as a means for coupling the strip line 16A on the phase control layer 35 to the coupling slot 22 on the coupling layer 37, a coupling means having the same function as a coaxial line (hereinafter referred to as a coupling means). , Simply called a pseudo-coaxial line) 46 is used.
擬似同軸線路 4 6は、 高周波信号が流れるビアホール 1 6 Bと、 ビアホール 1 6 Bを流れる高周波信号をシールドするため周囲に複数配置された接地電位のビ ァホール 1 6 Dとから構成されている。 The quasi-coaxial line 46 has a via hole 16 B through which a high-frequency signal flows, and a via hole 1 A plurality of via holes 16D of the ground potential are arranged around them to shield the high-frequency signal flowing through 6B.
ビアホール 1 6 Dは、 結合層 3 7および配線層 43の接地プレーンにそれぞれ 接続されている。  The via hole 16 D is connected to the ground plane of the coupling layer 37 and the wiring layer 43, respectively.
また、 配線層 45には、 ビアホール 1 6 Bと接続されたストリップ線路 1 6 C 力 s、 結合層 37の結合スロッ ト 22の上方まで配線されている。 Further, the wiring layer 45, the strip line 1 6 C power s connected to the via hole 1 6 B, are routed to above the coupling slot 22 of the coupling layer 37.
これにより、 結合スロット 22からの高周波信号は、 ストリップ線路 1 6 C、 ビアホール 1 6 Bを介して、 ストリップ線路 1 6 Aまで効率よく供給される。 図 1 3は擬似同軸線路の構成例を示す説明図である。  Thereby, the high-frequency signal from the coupling slot 22 is efficiently supplied to the strip line 16A via the strip line 16C and the via hole 16B. FIG. 13 is an explanatory diagram showing a configuration example of a pseudo coaxial line.
図 1 3 (a ) は位相制御層 35表面のチップ搭載層 41, および配線層 45上 の配線パターンであり、 ビアホール 1 6 Bにス トリ ップ線路 1 6 Aまたは 1 6 C が接続されている。  Fig. 13 (a) shows the wiring pattern on the chip mounting layer 41 on the surface of the phase control layer 35 and the wiring layer 45. The strip line 16A or 16C is connected to the via hole 16B. I have.
断面 A— A' を模式的に示す図 1 3 (b) では、 高周波信号が流れるビアホー ル 1 6 Bの周囲に、 6つのシールド用ビアホール 1 6 Dがほぼ等間隔に配置され ている。  In FIG. 13 (b) schematically showing a cross section A—A ′, six shielding via holes 16D are arranged at approximately equal intervals around a via hole 16B through which a high-frequency signal flows.
一方、 図 1 3 (c) は配線層 43上のパターンを示している。 前述したように、 本実施例では、 配線層 43は接地導体として利用されており、 この層には接地プ レーン 43 Aが形成されている。  On the other hand, FIG. 13C shows a pattern on the wiring layer 43. As described above, in the present embodiment, the wiring layer 43 is used as a ground conductor, and the ground plane 43A is formed in this layer.
本図および図 1 3 (b) に示されているとおり、 各ビアホール 1 6 Dは接地プ レーン 43 Aに接続されていると同時に、 結合層 37上の接地プレーン 37 Aに も接続され、 接地電位を保っている。  As shown in this figure and FIG. 13 (b), each via hole 16D is connected to the ground plane 43A and also to the ground plane 37A on the coupling layer 37, and The potential is maintained.
なお、 図 1 3 (d) , (e) に示すように、 内部配線層 44 Aにパターン 1 6 Eを設けて、 各ビアホール 1 6D間をパターン 1 6 Eで接続してもよく、 このよ うにすればビアホール 1 6 Dによるシールド効果が向上する。  As shown in FIGS. 13 (d) and 13 (e), a pattern 16E may be provided in the internal wiring layer 44A, and the via holes 16D may be connected by the pattern 16E. By doing so, the shielding effect of the via hole 16D is improved.
次に、 図 1 4を参照して、 本発明の第 2の実施例について説明する。  Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
図 1 4は第 2の実施例を示す回路配置図であり、 (a) は移相ユニット全体を 示す位相制御層の回路配置図、 (b) は多層構成を示す模式図である。  FIGS. 14A and 14B are circuit layout diagrams showing a second embodiment. FIG. 14A is a circuit layout diagram of a phase control layer showing the entire phase shift unit, and FIG. 14B is a schematic diagram showing a multilayer structure.
以下では、 図 9 (b) で示した回路部、 すなわち移相ユニット内の全ての移相 回路を 1つにチップ化した場合を例に説明する。 ここでは、 誘電体層 3 4、 位相制御層 3 5および誘電体層 3 6が、 図 1 1に示 した第 1の実施例とは上下入れ替わって構成されており、 また、 位相制御層 3 5 に含まれる各層、 すなわち配線層 4 5, 多層配線層 4 4, 配線層 4 3, 誘電体層 4 2, およびチップ搭載層 4 1も上下入れ替わって構成されている。 In the following, an example will be described in which the circuit section shown in FIG. 9B, that is, all the phase shift circuits in the phase shift unit are integrated into one chip. Here, the dielectric layer 34, the phase control layer 35, and the dielectric layer 36 are configured to be upside down from the first embodiment shown in FIG. 11, and the phase control layer 35 The wiring layers 45, the multilayer wiring layer 44, the wiring layer 43, the dielectric layer 42, and the chip mounting layer 41 are also arranged upside down.
したがって、 位相制御層 3 5表面のチップ搭載層 4 1からその下側の誘電体層 3 4に向けてチップ 6 7が実装されている。  Therefore, the chip 67 is mounted from the chip mounting layer 41 on the surface of the phase control layer 35 to the dielectric layer 34 below it.
本実施例では、 誘電体層 3 4を形成するスぺーサとして、 高誘電率を有するス ぺーサ 3 4 Aの代わりに、 導体からなるスぺーサ 3 4 Bが用いられている。  In this embodiment, a spacer 34B made of a conductor is used as the spacer for forming the dielectric layer 34, instead of the spacer 34A having a high dielectric constant.
特に、 このスぺーサ 3 4 Bをビアホール 4 2 Aの下部に配置して、 接地パター ン、 例えば配線層 4 3の接地プレーン 4 3 Aと電気的に接続するようにしてもよ レ、。  In particular, the spacer 34B may be disposed below the via hole 42A so as to be electrically connected to a ground pattern, for example, the ground plane 43A of the wiring layer 43.
これにより、 別途、 接地電位を結合する手段を設けることなく、 接地板間不要 モード (パラレルプレートモード) を抑制できる。  As a result, the unnecessary mode between the ground plates (parallel plate mode) can be suppressed without separately providing a means for coupling the ground potential.
図 1 5は第 3の実施例を示す回路配置図であり、 (a ) は移相ュニット全体を 示す位相制御層の回路配置図、 (b ) は多層構成を示す模式図である。  FIG. 15 is a circuit layout diagram showing the third embodiment, (a) is a circuit layout diagram of a phase control layer showing the entire phase shift unit, and (b) is a schematic diagram showing a multilayer structure.
以下では、 第 1の実施例と同様に、 図 9 ( a ) で示した回路部、 すなわち各移 相回路で用いられるスィツチをチップ化した場合を例に説明する。  In the following, as in the first embodiment, an example will be described in which the circuit unit shown in FIG. 9A, that is, the switch used in each phase shift circuit is formed into a chip.
本実施例においては、 誘電体層 3 4は誘電体基板 3 4 Cにより構成されている。 この基板 3 4 Cには、 その位相制御層 3 5上に実装されているチップ 6 7の位 置に、 高さ 0 . 2 mmのキヤビティー (空間) 3 4 Sが形成されており、 基板密 着時にはチップ 6 7がキヤビティー 3 4 S内に納められる c In this embodiment, the dielectric layer 34 is constituted by a dielectric substrate 34C. In this substrate 34 C, a cavity (space) 34 S having a height of 0.2 mm is formed at the position of the chip 67 mounted on the phase control layer 35, and the substrate density is increased. c the chip 6 7 during wearing is housed in Kiyabiti 3 4 in S
基板 3 4 Cにキヤビティー 3 4 Sを形成する方法としては、 ルータなどにより 基板 3 4 Cの表面を切削する機械加工、 あるいは型抜きなどにより貫通穴を設け る機械加工でもよレ、。  As a method of forming the cavities 34S on the substrate 34C, machining by cutting the surface of the substrate 34C with a router or machining by providing a through hole by die cutting may be used.
また有機基板に感光性樹脂を塗布した後、 露光および現像処理によりキヤビテ ィー 3 4 S部分の樹脂を剥離するようにしてもよく、 各種の形成方法を利用でき る。  Further, after the photosensitive resin is applied to the organic substrate, the resin in the cavity 34S portion may be peeled off by exposure and development treatment, and various forming methods can be used.
また、 本実施例では、 多層配線層 4 4表面の配線層 4 5を結合層 3 7として利 用することにより、 第 1の実施例では別々に形成していたこれらの層を統合する と同時に、 第 1の実施例では必要とされた誘電体層 3 6とストリップ線路 1 6 C を削除している。 Also, in the present embodiment, the wiring layers 45 on the surface of the multilayer wiring layer 44 are used as the coupling layers 37 to integrate these layers formed separately in the first embodiment. At the same time, in the first embodiment, the necessary dielectric layer 36 and strip line 16 C are deleted.
さらに、 本実施例においては、 第 1の実施例にて利用していた擬似同軸線路 4 6の代わりに、 結合スロッ トと同様の機能をもつ結合手段 (以下、 単に擬似スロ ットと呼ぶ) 4 7が用いられている。  Further, in this embodiment, instead of the pseudo coaxial line 46 used in the first embodiment, coupling means having the same function as the coupling slot (hereinafter, simply referred to as pseudo slot) 4 7 is used.
擬似スロット 4 7は、 結合スロット 2 2の周囲に複数配置された接地電位のビ ァホール 1 6 Fから構成されている。  The pseudo slot 47 is constituted by a plurality of via holes 16F of the ground potential arranged around the coupling slot 22.
これらビアホール 1 6 Fは、 結合スロット 2 2が設けられている結合層 3 7の 接地プレーン 3 7 Aと、 ストリップ線路 1 6 Aが形成されているチップ搭載層 4 1の 1層下方に積層されている配線層 4 3の接地プレーン 4 3 Aとを接続してい る。  These via holes 16F are stacked one layer below the ground plane 37A of the coupling layer 37 provided with the coupling slot 22 and the chip mounting layer 41 on which the stripline 16A is formed. Connected to the ground plane 43 A of the wiring layer 43.
また、 結合層 3 7 (配線層 4 5 ) , 配線層 4 3および内部配線層 4 4 Aの各層 において、 各ビアホール 1 6 Fで囲まれる領域から導体パターンが除外されてい るので、 各ビアホール 1 6 Fで囲まれる領域は多層配線層 4 4内の誘電体から構 成されている。  In each of the bonding layer 37 (wiring layer 45), wiring layer 43, and internal wiring layer 44A, the conductor pattern is excluded from the area surrounded by the via hole 16F. The region surrounded by 6F is formed of the dielectric in the multilayer wiring layer 44.
これにより、 結合スロット 2 2からの高周波信号が、 この擬似スロッ ト 4 7を 介してチップ搭载層 4 1上のストリップ線路 1 6 Aに効率よく結合される。 図 1 6は擬似ス口ッ 卜の構成例を示す説明図である。  Thereby, the high-frequency signal from the coupling slot 22 is efficiently coupled to the strip line 16A on the chip mounting layer 41 via the pseudo slot 47. FIG. 16 is an explanatory diagram showing a configuration example of a pseudo-slot.
図 1 6 ( a ) はチップ搭載層 4 1上の配線パターンであり、 配線層 4 3で終端 されているビアホール 1 6 Fの上方にストリップ線路 1 6 Aが配置されている。 断面 Α _ Α ' を模式的に示す図 1 6 ( b ) では、 結合層 3 7 (配線層 4 5 ) の 結合スロット 2 2の周囲に、 1 2個のシールド用ビアホール 1 6 Fがほぼ等間隔 に配置されている。  FIG. 16 (a) shows a wiring pattern on the chip mounting layer 41, and a strip line 16 A is arranged above a via hole 16 F terminated by the wiring layer 43. In FIG. 16 (b), which schematically shows a cross section Α Α Α ', 12 shield via holes 16 F are almost equal around the coupling slot 22 of the coupling layer 37 (wiring layer 45). They are arranged at intervals.
また、 図 1 6 ( c ) は配線層 4 3および結合層 3 7 (配線層 4 5 ) 上の配線パ ターンであり、 各ビアホール 1 6 Fに接地プレーン 4 3 Aまたは接地プレーン 3 7 Aが接続されている。  Fig. 16 (c) shows the wiring patterns on the wiring layer 43 and the bonding layer 37 (wiring layer 45) .Each via hole 16F has a ground plane 43A or a ground plane 37A. It is connected.
なお、 図 1 6 ( d ) , ( e ) に示すように、 内部配線層 4 4 Aにパターン 1 6 Gを設けて、 各ビアホール 1 6 F間をパターン 1 6 Gで接続してもよく、 このよ うにすればビアホール 1 6 Fによるシールド効果が向上する。 次に、 図 1 7を参照して、 本発明の第 4の実施例について説明する。 As shown in FIGS. 16 (d) and (e), a pattern 16 G may be provided in the internal wiring layer 44 A, and the via holes 16 F may be connected by the pattern 16 G. By doing so, the shielding effect of the via hole 16F is improved. Next, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
図 1 7は第 4の実施例を示す回路配置図であり、 (a ) は移相ユニット全体を 示す移相制御層の回路配置図、 (b ) は多層構成を示す模式図である。  FIG. 17 is a circuit layout diagram showing the fourth embodiment, (a) is a circuit layout diagram of a phase shift control layer showing the entire phase shift unit, and (b) is a schematic diagram showing a multilayer structure.
以下では、 実施例 2と同様に、 図 9 ( c ) で示した回路部、 すなわち移相ュニ ット内の全ての移相回路を 1つにチップ化した場合を例に説明する。  In the following, as in the second embodiment, an example will be described in which the circuit unit shown in FIG. 9C, that is, all the phase shift circuits in the phase shift unit are integrated into one chip.
ここでは、 第 2の実施例と同様に、 移相制御層 3 5と誘電体層 3 6が上下入れ 替わって構成されており、 さらに第 3の実施例と同様に、 擬似同軸線路 4 6の代 わりに、 擬似スロット 4 7が用いられている。  Here, as in the second embodiment, the phase shift control layer 35 and the dielectric layer 36 are arranged upside down, and as in the third embodiment, the pseudo-coaxial line Instead, a pseudo slot 47 is used.
以上、 図 1 1〜図 1 7を引用し、 分配合成部 1 4としてラジアル導波路を採用 した場合について述べたが、 図 4に示した形態、 すなわち分岐ストリップ線路に よる分配合成層 3 9を用いてもよいことは言うまでもない。  In the above, the case where a radial waveguide is adopted as the distribution / combination unit 14 has been described with reference to FIGS. 11 to 17, but the configuration shown in FIG. 4, that is, the distribution / combination layer 39 using the branch strip line is used. It goes without saying that it may be used.
また、 前述したように、 図 1 1〜図 1 7で示した実施例とは異なる積層の順番 へも、 本発明を適用することができる。  Further, as described above, the present invention can be applied to a different stacking order from the embodiment shown in FIGS. 11 to 17.
例えば、 積層の順番を下から上へ順に、 位相制御層 3 5, 誘電体層 3 6, 結合 層 3 7, 誘電体層 3 8, 分配合成層 3 9, 誘電体層 3 8 A, 結合層 3 3, 誘電体 層 3 2, 放射素子層 3 1として、 分配合成層 3 9を内側の層に、 位相制御層 3 5 を外側の層に配置することも可能である。  For example, the order of lamination is from top to bottom, and the phase control layer 35, the dielectric layer 36, the coupling layer 37, the dielectric layer 38, the distribution composite layer 39, the dielectric layer 38A, the coupling layer 33, the dielectric layer 32, and the radiating element layer 31, it is also possible to arrange the distribution / combination layer 39 on the inner layer and the phase control layer 35 on the outer layer.
この場合、 高周波信号の層間結合手段としては、 例えば、 分配合成層 3 9と位 相制御層 3 5の間は結合層 3 7上に設けられた穴を貫通する給電ピンもしくは擬 似同軸線路により高周波的に接続し、 位相制御層 3 5と放射素子 1 5の間も結合 層 3 7上および結合層 3 3上を貫通する給電ピンもしくは擬似同軸線路により高 周波的に接続すればよい。  In this case, as a means for interlayer coupling of the high-frequency signal, for example, a feed pin or a pseudo coaxial line between the distribution / combination layer 39 and the phase control layer 35 through a hole provided on the coupling layer 37 is used. The connection may be made at a high frequency, and the phase control layer 35 and the radiating element 15 may be connected at a high frequency by a feed pin or a pseudo coaxial line penetrating the coupling layer 37 and the coupling layer 33.
このように位相制御層 3 5を外側に配置すると、 チップ 6 7の高さによらず積 層構成が可能となる。  By arranging the phase control layer 35 on the outside in this way, a multilayer structure can be realized regardless of the height of the chip 67.
さらに、 図 6に示す形態のように、 放射給電部 2 7を多層基板部 2の他に別途 設けて空間給電方式を用いれば、 分配合成部 1 4として機能する層 (図 4におけ る分配合成層 2 7や図 1 1〜図 1 7の実施例におけるラジアル導波路) を多層基 板部 2から除くことができる。  Further, as shown in FIG. 6, if a radiation feeding unit 27 is separately provided in addition to the multilayer substrate unit 2 and a space feeding method is used, the layer functioning as the distribution combining unit 14 (the distribution in FIG. The synthetic layer 27 and the radial waveguides in the embodiments shown in FIGS. 11 to 17 can be omitted from the multilayer substrate portion 2.
産業上の利用可能性 本発明によるフェーズドアレイアンテナは、 高利得で高周波数帯に適用可能な アンテナであり、 特に衛星通信に使用される衛星追尾車载アンテナや衛星搭載用 アンテナなどにも有用である。 Industrial applicability INDUSTRIAL APPLICABILITY The phased array antenna according to the present invention is an antenna having a high gain and applicable to a high frequency band, and is particularly useful for a satellite tracking vehicle antenna used for satellite communication, an antenna mounted on a satellite, and the like.

Claims

請 求 の 範 囲 The scope of the claims
( 1 ) マイクロ波やミリ波などの高周波信号の送受信に用いられ、 各放射素子で 送受信される前記高周波信号の位相を制御することによりそのビーム方向を調整 するフェーズドアレイアンテナにおいて、 (1) In a phased array antenna used for transmitting and receiving high-frequency signals such as microwaves and millimeter waves, and controlling the phase of the high-frequency signals transmitted and received by each radiating element to adjust the beam direction,
少なくとも、  at least,
多数の前記放射素子が配置された放射素子層と、  A radiating element layer on which a number of the radiating elements are arranged;
前記各放射素子から送受信される前記高周波信号の位相を制御する位相制御手 段が実装された位相制御層との第 1の多層構造を有し、  A first multilayer structure with a phase control layer on which a phase control means for controlling the phase of the high-frequency signal transmitted and received from each of the radiating elements is mounted;
前記位相制御手段は、 前記各放射素子毎に所定の移相量を与えるよう制御信号 を出力する複数の駆動手段と、 前記制御信号を受けて前記各放射素子の位相を制 御する複数の移相手段とからなり、  The phase control means includes: a plurality of drive means for outputting a control signal so as to give a predetermined phase shift amount to each of the radiating elements; and a plurality of shift means for receiving the control signal and controlling the phase of each of the radiating elements. Phase means,
前記各移相手段の回路のうち繰り返し構成される回路部を第 1の基板上に搭載 し、 前記位相制御層を構成する第 2の基板上に前記第 1の基板が実装されている ことを特徴とするフェーズドアレイアンテナ。  A circuit portion that is repeatedly configured among the circuits of the phase shift means is mounted on a first substrate, and the first substrate is mounted on a second substrate constituting the phase control layer. Characterized phased array antenna.
( 2 ) 前記フェーズドアレイアンテナは、 前記位相制御層と放射素子層との間に 高周波信号結合用の第 1の結合層を設けることを特徴とする請求項 1記載のフ ーズドアレイアンテナ。  (2) The phased array antenna according to claim 1, wherein the phased array antenna includes a first coupling layer for coupling a high-frequency signal between the phase control layer and the radiating element layer.
( 3 ) マイクロ波やミリ波などの高周波信号の送受信に用いられ、 各放射素子で 送受信される前記高周波信号の位相を制御することによりそのビーム方向を調整 するフェーズドアレイアンテナにおいて、  (3) In a phased array antenna used for transmitting and receiving high-frequency signals such as microwaves and millimeter waves, and adjusting the beam direction by controlling the phase of the high-frequency signals transmitted and received by each radiating element,
前記各放射素子から送受信される前記高周波信号の位相を制御する各位相制御 手段が実装された位相制御層と、 前記高周波信号を結合する第 1の結合層と、 多 数の前記放射素子が配置された放射素子層と、 無給電素子層とを順に積層した第 1の多層構造を有し、  A phase control layer on which phase control means for controlling the phase of the high-frequency signal transmitted and received from each of the radiating elements is mounted, a first coupling layer for coupling the high-frequency signal, and a plurality of the radiating elements are arranged. Having a first multilayer structure in which a radiating element layer and a parasitic element layer are sequentially stacked,
前記位相制御手段は、 前記各放射素子毎に所定の移相量を与えるよう制御信号 を出力する複数の駆動手段と、 前記制御信号を受けて前記各放射素子の位相を制 御する複数の移相手段とからなり、 前記各移相手段の回路のうち繰り返し構成される回路部を第 1の基板上に搭載 し、 前記位相制御層を構成する第 2の基板上に前記第 1の基板が実装されている ことを特徴とするフェーズドアレイアンテナ。 The phase control means includes: a plurality of driving means for outputting a control signal so as to provide a predetermined phase shift amount for each of the radiating elements; and a plurality of shift means for receiving the control signal and controlling the phase of each of the radiating elements. Phase means, A circuit portion that is repeatedly configured among the circuits of the phase shift means is mounted on a first substrate, and the first substrate is mounted on a second substrate constituting the phase control layer. Characterized phased array antenna.
( 4 ) 前記位相制御層は、 前記位相制御手段が実装された面の上部に所定の高さ の空間を有していることを特徴とする請求項 1記載のフェーズドアレイアンテナ。  (4) The phased array antenna according to claim 1, wherein the phase control layer has a space of a predetermined height above a surface on which the phase control means is mounted.
( 5 ) 前記位相制御層は、 複数の配線層からなる第 2の多層構造を有することを 特徴とする請求項 1記載のフェーズドアレイアンテナ。  (5) The phased array antenna according to claim 1, wherein the phase control layer has a second multilayer structure including a plurality of wiring layers.
( 6 ) 前記第 1の多層構造を構成する各層間に誘電体層を有することを特徴とす る請求項 3記載のフェーズドアレイァンテナ。  (6) The phased array antenna according to (3), wherein a dielectric layer is provided between each layer constituting the first multilayer structure.
( 7 ) 前記フェーズドアレイアンテナは、 さらに送信信号を前記各位相制御手段 に分配するとともに前記各位相制御手段からの受信信号を合成する分配合成部を 具備することを特徴とする請求項 1記載のフェーズドアレイアンテナ。  (7) The phased array antenna according to claim 1, further comprising a distribution / combination unit that distributes a transmission signal to each of the phase control units and combines a reception signal from each of the phase control units. Phased array antenna.
( 8 ) 前記各移相手段は、 前記駆動手段の出力を受けて異なる移相量に対応した 長さの分布定数線路を高周波スィツチにて切り替えられる複数の移相回路である ことを特徴とする請求項 1記載のフェーズドアレイアンテナ。  (8) Each of the phase shifting means is a plurality of phase shifting circuits capable of receiving a signal output from the driving means and switching a distributed constant line having a length corresponding to a different phase shift amount by a high frequency switch. The phased array antenna according to claim 1.
( 9 ) 前記各駆動手段は、 制御装置からの制御データを受けて所定の前記放射素 子毎に前記制御データを分配するデータ分配部と、 トリガ信号に基づき前記デー タ分配部の出力をラッチして前記制御信号として出力する複数の位相制御部とか らなることを特徴とする請求項 1記載のフェーズドアレイアンテナ。  (9) Each of the driving means receives a control data from a control device and distributes the control data for each of the predetermined radiating elements; and latches an output of the data distribution section based on a trigger signal. 2. The phased array antenna according to claim 1, further comprising a plurality of phase control units that output the control signals as the control signals.
( 1 0 ) 前記トリガ信号は、 パルス信号であることを特徴とする請求項 9記載の フェーズドアレイアンテナ。  (10) The phased array antenna according to claim 9, wherein the trigger signal is a pulse signal.
( 1 1 ) 前記トリガ信号は、 前記位相制御部に常時出力されることを特徴とする 請求項 9記載のフェーズドアレイァンテナ。  (11) The phased array antenna according to claim 9, wherein the trigger signal is constantly output to the phase control unit.
( 1 2 ) 前記駆動手段は、 フリップチップを用いていることを特徴とする請求項 9記載のフェーズドアレイアンテナ。  (12) The phased array antenna according to claim 9, wherein the driving unit uses a flip chip.
( 1 3 ) 前記高周波スィッチは、 ストリップ線路から離間して支持されたコンタ ク トを電気的または磁気的に作動させることにより、 前記ス トリ ップ線路と他の ストリップ線路とを前記コンタク トを介して電気的に接続/開放するマイクロマ シンスィッチからなることを特徴とする請求項 8記載のフェーズドアレイアンテ ナ。 (13) The high-frequency switch electrically or magnetically operates a contact supported separately from the strip line, thereby connecting the strip line with another strip line. 9. The phased array antenna according to claim 8, comprising a micro machine switch electrically connected / disconnected via the antenna. Na.
(14) 前記各移相手段のうち繰り返し構成される回路部が搭載された前記第 2 の基板は、 前記各移相手段の繰り返し構成される回路部を多数一括形成されたも のから単位毎に切り出して第 1の基板とし、 前記第 1の基板がチップとして前記 第 2の基板上に実装されて構成されることを特徴とする請求項 8記載のフェーズ ドアレイアンテナ。  (14) The second substrate, on which the repetitively configured circuit portion of the respective phase shift means is mounted, includes a plurality of repetitively configured circuit portions of the respective phase shift means, which are collectively formed. 9. The phased array antenna according to claim 8, wherein the first substrate is cut out to form a first substrate, and the first substrate is mounted as a chip on the second substrate.
(1 5) 前記チップは、 前記移相回路内の少なくとも 1つの高周波スィッチを実 装していることを特徴とする請求項 14記載のフェーズドアレイアンテナ。  (15) The phased array antenna according to claim 14, wherein the chip mounts at least one high-frequency switch in the phase shift circuit.
(1 6) 前記チップは、 少なくとも 1つの前記移相回路を実装していることを特 徴とする請求項 14記載のフェーズドアレイアンテナ。  (16) The phased array antenna according to claim 14, wherein the chip mounts at least one of the phase shift circuits.
(1 7) 前記チップは、 能動素子面が露出したベアチップ形態で位相制御層にフ リップチップ実装され、 前記ベアチップの一部または全周が接着剤により前記位 相制御層に接着されていることを特徴とする請求項 1 4記載のフェーズドアレイ アンテナ。  (17) The chip is flip-chip mounted on the phase control layer in the form of a bare chip with the active element surface exposed, and a part or the entire circumference of the bare chip is adhered to the phase control layer with an adhesive. 15. The phased array antenna according to claim 14, wherein:
(1 8) 前記チップは、 能動素子面が露出したベアチップ形態で位相制御層にフ リップチップ実装され、 その能動素子面のうち前記高周波スィッチ以外の領域で 位相制御層と接着剤により接着されていることを特徴とする請求項 14記載のフ エーズドアレイアンテナ。  (18) The chip is flip-chip mounted on the phase control layer in the form of a bare chip with the active element surface exposed, and is bonded to the phase control layer with an adhesive in a region other than the high-frequency switch on the active element surface. 15. The phased array antenna according to claim 14, wherein:
(1 9) 前記チップは、 能動素子面が露出したベアチップが LCC方式または B G A方式のパッケージ内に格納されて前記位相制御層に実装されていることを特 徴とする請求項 1 4記載のフヱーズドアレイアンテナ。  (19) The chip according to claim 14, wherein the chip is configured such that a bare chip having an exposed active element surface is stored in an LCC or BGA package and mounted on the phase control layer. Paused array antenna.
(20) 前記放射素子は、 パッチアンテナ若しくはスロットアンテナであること を特徴とする請求項 1記載のフェーズドアレイアンテナ。  (20) The phased array antenna according to claim 1, wherein the radiating element is a patch antenna or a slot antenna.
(2 1) 前記分配合成部は、 ス トリ ップ線路を用いた分岐回路若しくは内部空間 を有する金属筐体を用いたラジアル導波路からなる分配合成層で構成され、 前記 分配合成層は第 2の結合層を介して前記位相制御層に結合して前記第 1の多層構 造を形成することを特徴とする請求項 7記載のフェーズドアレイアンテナ。  (21) The distribution / combination unit is composed of a distribution / combination layer composed of a branch circuit using a strip line or a radial waveguide using a metal housing having an internal space, and the distribution / combination layer is a second 8. The phased array antenna according to claim 7, wherein said phased array antenna is coupled to said phase control layer via said coupling layer to form said first multilayer structure.
(22) 前記分配合成部は、 前記第 1の多層構造とは別に設けられた放射給電部 であることを特徴とする請求項 7記載のフェーズドアレイアンテナ。 31 " (22) The phased array antenna according to claim 7, wherein the distribution / combination unit is a radiation feed unit provided separately from the first multilayer structure. 31 "
(23) 前記第 1の結合層は、 結合スロッ ト若しくは導電性の給電ピンを用いて 結合することを特徴とする請求項 2記載のフェーズドアレイアンテナ。 (23) The phased array antenna according to claim 2, wherein the first coupling layer is coupled using a coupling slot or a conductive feed pin.
(24) 前記第 2の結合層は、 結合スロッ ト若しくは導電性の給電ピンを用いて 結合することを特徴とする請求項 2 1記載のフェーズドアレイアンテナ。  (24) The phased array antenna according to claim 21, wherein the second coupling layer is coupled using a coupling slot or a conductive feed pin.
(25) 前記第 2の基板の材質は、 ガラスであることを特徴とする請求項 1記載 のフェーズドアレイアンテナ。  (25) The phased array antenna according to claim 1, wherein the material of the second substrate is glass.
(26) 前記位相制御層は、 前記位相制御手段が実装された面の上部に所定の高 さの空間を有し、 前記所定の高さは、 前記マイクロマシンスィッチの底面から前 記コンタク トの最大の高さよりも高くすることを特徴とする請求項 1 3記載のフ エーズドアレイアンテナ。  (26) The phase control layer has a space of a predetermined height above a surface on which the phase control means is mounted, and the predetermined height is a maximum of the contact from a bottom surface of the micromachine switch. 14. The phased array antenna according to claim 13, wherein the height is higher than the height of the antenna.
(27) 前記所定の高さは、 前記位相制御層上に形成された誘電体のスぺーサに より確保されることを特徴とする請求項 4記載のフェーズドアレイアンテナ。  (27) The phased array antenna according to claim 4, wherein the predetermined height is secured by a dielectric spacer formed on the phase control layer.
(28) 前記フェーズドアレイアンテナは、 前記位相制御層と放射素子層との間 に高周波信号結合用の第 1の結合層を設け、 前記誘電体のスぺーサは、 前記第 1 の結合層の結合スロットの下に設けられていることを特徴とする請求項 27記載 のフェーズドアレイアンテナ。  (28) The phased array antenna further includes a first coupling layer for high-frequency signal coupling between the phase control layer and the radiating element layer, and the dielectric spacer includes a first coupling layer of the first coupling layer. The phased array antenna according to claim 27, wherein the antenna is provided below the coupling slot.
(29) 前記所定の高さは、 前記位相制御層上に形成された導体のスぺーサによ り確保されることを特徴とする請求項 4記載のフェーズドアレイアンテナ。  (29) The phased array antenna according to claim 4, wherein the predetermined height is secured by a spacer of a conductor formed on the phase control layer.
(30) 前記位相制御層は、 前記位相制御手段が実装された面の上部に所定の高 さの空間を有し、 前記所定の高さは、 前記位相制御層上に形成された前記チップ により確保されることを特徴とする請求項 1 4記載のフェーズドアレイアンテナ。  (30) The phase control layer has a space of a predetermined height above a surface on which the phase control means is mounted, and the predetermined height is determined by the chip formed on the phase control layer. 15. The phased array antenna according to claim 14, wherein the antenna is secured.
(3 1) 前記所定の高さは、 前記位相制御層上に設けられた誘電体層を取り除い たキヤビティ一で確保されることを特徴とする請求項 4記载のフエーズドアレイ アンテナ。  (31) The phased array antenna according to claim 4, wherein the predetermined height is secured by a cavity from which a dielectric layer provided on the phase control layer is removed.
(32) 前記第 2の多層構造は、 前記複数の配線層間を接続するストリップ線路 の周囲に接地された複数のビアホールを配置した擬似同軸線路を用いて前記高周 波信号を伝送することを特徴とする請求項 5記載のフェーズドアレイアンテナ。  (32) The second multilayer structure is characterized in that the high-frequency signal is transmitted using a pseudo-coaxial line in which a plurality of grounded via holes are arranged around a strip line connecting the plurality of wiring layers. The phased array antenna according to claim 5, wherein
(33) 前記フェーズドアレイアンテナは、 前記位相制御層と放射素子層との間 に高周波信号結合用の第 1の結合層を設け、 前記第 2の多層構造は、 前記第 1の 結合層と前記配線層間に結合スロッ トを設けた擬似スロッ トを用いて前記高周波 信号を伝送することを特徴とする請求項 5記載のフェーズドアレイアンテナ。 (33) In the phased array antenna, a first coupling layer for high-frequency signal coupling is provided between the phase control layer and the radiating element layer, and the second multilayer structure is 6. The phased array antenna according to claim 5, wherein the high-frequency signal is transmitted using a pseudo slot provided with a coupling slot between a coupling layer and the wiring layer.
( 3 4 ) 前記結合スロットの周囲に接地された複数のビアホールを設けることを 特徴とする請求項 3 3記載のフェーズドアレイ了ンテナ。  (34) The phased array antenna according to claim 33, wherein a plurality of grounded via holes are provided around the coupling slot.
( 3 5 ) 前記ビアホールで囲まれた領域が導体パターンから除外されることを特 徴とする請求項 3 2記載のフェーズドアレイアンテナ。  (35) The phased array antenna according to claim 32, wherein a region surrounded by the via hole is excluded from the conductor pattern.
( 3 6 ) 前記ビアホールで囲まれた領域が導体パターンから除外されることを特 徴とする請求項 3 4記載のフェーズドアレイアンテナ。  (36) The phased array antenna according to claim 34, wherein a region surrounded by the via hole is excluded from the conductor pattern.
( 3 7 ) 前記駆動手段は、 前記位相制御層の両端に設けられていることを特徴と する請求項 1記載のフェーズドアレイアンテナ。  (37) The phased array antenna according to claim 1, wherein the driving means is provided at both ends of the phase control layer.
( 3 8 ) マイクロ波やミリ波などの高周波信号の送受信に用いられ、 各放射素子 で送受信される前記高周波信号の位相を制御することによりそのビーム方向を調 整するフェーズドアレイァンテナの製造方法において、  (38) A method for manufacturing a phased array antenna used for transmitting and receiving high-frequency signals such as microwaves and millimeter waves, and adjusting the beam direction by controlling the phase of the high-frequency signals transmitted and received by each radiating element. At
少なくとも、 多数の前記放射素子が配置された放射素子層と、 前記各放射素子 力 ^送受信される前記高周波信号の位相を制御する複数の位相制御手段がチップ 形態で実装された位相制御層とを各々フォトリソグラフィ技術およびェッチング 技術によりパターン形成し、  At least, a radiating element layer in which a large number of the radiating elements are arranged, and a phase control layer in which a plurality of phase control means for controlling the phase of the high-frequency signal transmitted and received by each radiating element are mounted in a chip form. Each is patterned by photolithography and etching techniques,
前記パタ一ン形成された各層をそれぞれ所定の順序で積層し、  Each of the patterned layers is laminated in a predetermined order,
前記積層された各層を接着することを特徴とするフェーズドアレイアンテナの 製造方法。  A method for manufacturing a phased array antenna, wherein the laminated layers are bonded.
( 3 9 ) 前記位相制御手段は、 前記各放射素子毎に所定の移相量を与えるよう制 御信号を出力する複数の駆動手段と、 前記制御信号を受けて前記各放射素子の位 相を制御する複数の移相手段とからなることを特徴とする請求項 3 8記載のフェ ーズドアレイァンテナの製造方法。  (39) The phase control means comprises: a plurality of drive means for outputting a control signal so as to give a predetermined phase shift amount to each of the radiating elements; and 39. The method for producing a phased array antenna according to claim 38, comprising a plurality of phase shift means for controlling.
( 4 0 ) 前記位相制御層は、 予め前記位相制御層を構成する第 1の基板上に前記 各移相手段の回路のうち繰り返し構成される回路部を搭載したチップを実装する ことを特徴とする請求項 3 9記載のフ: —ズドアレイアンテナの製造方法。 (40) The phase control layer is characterized in that a chip on which a circuit portion of the circuit of each of the phase shift means is repeatedly mounted on a first substrate constituting the phase control layer in advance. A method according to claim 39, wherein:
( 4 1 ) 前記位相制御層は、 予め配線が形成された複数の配線層を多層構造とし て形成されたことを特徴とする請求項 3 8記載のフェーズドアレイアンテナの製 造方法。 (41) The phased array antenna according to claim 38, wherein the phase control layer is formed as a multilayer structure including a plurality of wiring layers in which wiring is formed in advance. Construction method.
( 4 2 ) 前記チップは、 前記移相手段のうち繰り返し構成される回路部を多数一 括形成し、  (42) The chip collectively forms a large number of circuit portions repeatedly configured in the phase shift means,
前記多数一括形成されたものから単位ごとに切り出し、  Cut out the unit formed from the large number of batches,
前記第 2の基板上に実装されたことを特徴とする請求項 4 0記載のフェーズド  The phased device according to claim 40, wherein the device is mounted on the second substrate.
-ナの製造方法。  -How to make na.
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