JP2006279493A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＭＥＭＳデバイスを有し、ＭＥＭＳデバイス駆動用バイアス線によるアンテナ特性の劣化を抑圧したアンテナ装置を得る。
【解決手段】 誘電体基板上に形成される素子アンテナ導体と、ＭＥＭＳデバイスと、ＭＥＭＳデバイスを駆動するバイアス線導体と、ＭＥＭＳデバイスを保護する封止カバーを具備するアンテナ装置において、素子アンテナ導体を接地し、封止構造を有する素子アンテナのＭＥＭＳデバイス駆動用バイアス線導体を封止領域外にてバイアス電源と接続する構成とする。
【選択図】 図１

Description

この発明は、半導体微細加工技術を用いて製造される電気的或いは機械的なデバイスを製造する技術であるMicro-Electro Mechanical Systems（以下ＭＥＭＳと記す。）技術を適用したスイッチを具備するマイクロ波やミリ波等のアンテナ装置に関するものである。

ＭＥＭＳ技術を適用したアンテナ装置は、例えば米国特許US 6198438 fig.1.のようにＭＥＭＳ技術により製造されたスイッチ（以下ＭＥＭＳスイッチと記す）を微小パッチ導体間に配置した構成が示されており、ＭＥＭＳスイッチのＯＮ／ＯＦＦによりアンテナの動作周波数を可変することが可能である。具体的な適用ＭＥＭＳスイッチとしては、非特許文献１に示される構造の小型なＭＥＭＳスイッチがある。

上記ＭＥＭＳスイッチは、スイッチをＯＮ／ＯＦＦ駆動するためのバイアス電極をスイッチの下部に有し、前記電極とスイッチ間に外部より適当な電位差を与えることにより発生する静電力により、スイッチ端子のＯＮ／ＯＦＦ駆動を制御する。多くの場合においては、バイアス電極を地導体へ接続し、スイッチと地導体との間に生じる電位差を付与する手法がとられている。

また、上記ＭＥＭＳスイッチは、非特許文献２によれば湿気や埃等による誤動作や故障を防止することを目的として、防湿用及び防塵用に気密封止を行う必要があり、シリコンやガラスパッケージ等による封止の手法が示されている。

US 6198438（Fig.1） GABRIEL M.REBEIZ "RF−MEMS, THEORY,DESIGN AND TECHNOLOGY", Wiley−interscience. P 109 Fig.4.12 GABRIEL M.REBEIZ "RF−MEMS, THEORY,DESIGN AND TECHNOLOGY", Wiley−interscience. PP 157 184.

ＭＥＭＳ技術を適用したＭＥＭＳスイッチを複数具備するアンテナ装置において、ＭＥＭＳスイッチを駆動する為の電力を供給するためのバイアス電極を有するバイアス線はスイッチの下部を通るように配線される。また、アンテナ方式にマイクロストリップアンテナ等の地導体を有するアンテナを用いた場合においては、バイアス電極をアンテナの地導体へ接地する構成とする。このような構成とした場合、アンテナ上を流れるマイクロ波の電流経路と地導体との間隔がＭＥＭＳスイッチ部分において急激に近くなる為、アンテナの特性を劣化させる原因となる。

また、ＭＥＭＳスイッチを複数具備するアンテナ装置を複数配置するアレーアンテナにおいては、各素子アンテナ毎にスイッチを制御するバイアス線が必要となり、配線が複雑となるという問題点もある。

この発明は上記のような問題点を解決するためになされたもので、スイッチを駆動するバイアス線によるアンテナの特性劣化を抑圧しつつ、可変特性を有するアンテナを得ることを目的とする。また、複数の素子アンテナへのバイアス線の接続構成を明確にすることも目的とする。

この発明のアンテナ装置は、誘電体基板上に形成される素子アンテナ導体と、上記素子アンテナ導体に接続された１つ以上のＭＥＭＳデバイスと、上記ＭＥＭＳデバイスの駆動により上記素子アンテナ導体と接続される１つ以上の延伸用素子アンテナ導体と、上記素子アンテナ導体の中心を接地面に接続するセンターショートピンと、上記素子アンテナに給電する給電点とを有する素子アンテナと、
上記ＭＥＭＳデバイスを収容する封止カバーと、
上記ＭＥＭＳデバイスを駆動するバイアス電圧またはバイアス電流を供給し、上記誘電体基板上に形成されたバイアス線導体と、
上記ＭＥＭＳデバイスを駆動するバイアス電源と、
上記バイアス電源と上記バイアス線導体とを接続する配線とを備え、
上記バイアス線導体を封止カバーによって封止される領域外へ延伸し、上記バイアス線導体を封止領域外にて上記配線に接続したものである。

この発明は素子アンテナ導体を接地し、封止構造を有する素子アンテナのＭＥＭＳデバイス駆動用バイアス線導体を封止領域外にてバイアス電源と接続することによって、スイッチを駆動するバイアス線によるアンテナの特性劣化を抑圧しつつ、可変特性を有するアンテナを得ることができ、複数の素子アンテナへのバイアス線の接続構成を明確にすることが可能になる。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１を示すアンテナ装置の構成図、図２は図１におけるアンテナ装置のＡ−Ａ’断面構成図である。説明の都合上、図１のカバーは開口させている。
図において、１は誘電体基板、２は誘電体基板１上に形成された素子アンテナ導体、３はＭＥＭＳスイッチにより上記素子アンテナ導体２に接続される延長用素子アンテナ導体、４はＭＥＭＳスイッチ、５は誘電体基板上に形成されたＭＥＭＳスイッチを駆動する為のバイアス電極を一方の端末に有するバイアス線導体、６はアンテナ給電点、７はセンターショートピン、８は気密用アンテナ封止用カバー、９はＭＥＭＳスイッチを駆動するバイアス用電源、１０はバイアス用電源９とバイアス線導体５とを接続する配線、１１は地導体である。ＭＥＭＳスイッチ４の一端縁は素子アンテナ導体２に接続されている。バイアス線導体５のバイアス電極がＭＥＭＳスイッチ４の下部に配置される。

図１のように構成されたアンテナ装置において、バイアス用電源９から上記バイアス電源と誘電体基板上に形成されたバイアス線導体５とを接続する配線１０と、アンテナ上に構成されたＭＥＭＳスイッチ４ａ乃至４ｆに封止用カバーの外まで接続されているバイアス線導体５ａ乃至５ｂとを介して駆動に必要な静電力を発生させる電圧を封止領域外から印加することにより、上記ＭＥＭＳスイッチはＯＮ／ＯＦＦ状態を変移する。

ＭＥＭＳスイッチ４ａ乃至４ｆがＯＦＦの状態の時においては、素子アンテナ導体２の開口面積で共振する周波数にて、アンテナは動作する。また、ＭＥＭＳスイッチ４ａ乃至４ｆがＯＮの状態の時においては、ＭＥＭＳスイッチ４がバイアス線導体５のバイアス電極に吸引されて、ＭＥＭＳスイッチ４の他端縁が延長用素子アンテナ導体３ａ乃至３ｂに接触し、素子アンテナ導体２と延長用素子アンテナ導体３ａ乃至３ｂとが電気的に接続される。したがって、素子アンテナ導体２と延長用素子アンテナ導体３ａ乃至３ｂを合わせた開口面積で共振する周波数にて、アンテナは励振動作する。以上のようにバイアス線導体５ａ乃至５ｂに駆動電圧を印加することにより、複数のＭＥＭＳスイッチのＯＮ／ＯＦＦに合わせてアンテナ上を流れるマイクロ波の電流経路が変化し、アンテナの動作周波数が変化する。なお、ＯＮ状態のときでも、ＭＥＭＳスイッチ４とバイアス線導体５のバイアス電極とは接触しない。ＭＥＭＳスイッチのＯＮ状態とＯＦＦ状態の切替えは、バイアス用電源９からバイアス線導体５への、通電のＯＮ／ＯＦＦを切替えることによって行う。

前述の様に動作する素子アンテナは、マイクロストリップアンテナとして動作するため、素子アンテナ導体２の中央における電位は０ボルトである。このため誘電体基板１を貫通する穴を有するセンターショートピン７を素子アンテナ導体２の中央に構成しても素子アンテナの諸特性への影響はなく、良好なアンテナ特性を有する。また、ＭＥＭＳスイッチ４ａ乃至４ｆのＯＮ／ＯＦＦに係らず素子アンテナ導体２の直流成分は地導体１１と同電位となる。

スイッチ４を駆動するバイアス電極に地導体１１に対して駆動電圧分高い電圧、或いは低い電圧を印加した場合、ＭＥＭＳスイッチ４は駆動しＯＮ状態に変移する。この時バイアス電極によるマイクロ波への影響は、バイアス電極が浮遊導体と等価となり、スイッチ下部のバイアス電極が地導体と分離されるため、ＭＥＭＳスイッチ部において地導体の近接による特性劣化が解消され、アンテナ特性の劣化を抑制することが可能となる。

また、封止領域外において、バイアス線導体５と、バイアス電源９に接続される配線１０とを接続する構成とすることにより、素子アンテナから接続部位までの距離が遠くなる為、アンテナ特性への影響が軽微となり、アンテナ特性の劣化を抑圧することができる。

また、本実施の形態では誘電体基板上に形成されたバイアス線導体５が２本引き出された構成となっているが、バイアス線導体５ａ及び５ｂを誘電体基板上に形成された導体にて接続され、バイアス電源９と接続する配線１０との接続を１点としたアンテナ構成であってもアンテナ特性の劣化を抑圧することができることは云うまでもない。

また、本実施の形態では、ＭＥＭＳスイッチ４のスイッチ数と上記ＭＥＭＳスイッチ４を駆動するバイアス線導体の本数とが不一致であるが、同一の数量のアンテナ構成であっても同様な効果が得られることは云うまでもない。

実施の形態２．
以上の実施の形態では、誘電体基板上に形成したＭＥＭＳスイッチを駆動するバイアス電極を有するバイアス線導体５を導体線とのみしているが、本バイアス線導体を窒化タンタル等の高抵抗導電性素材により形成したバイアス線導体５を有する構成としたものである。以上のような構成とすることにより、ＭＥＭＳスイッチ４においてマイクロ波電流が駆動用バイアス電極を介してバイアス線導体５へ結合した場合にバイアス線導体での共振による不要放射の抑圧が可能となり、アンテナ放射パターンへの影響を低減することが可能である。

実施の形態３．
実施の形態１及び実施の形態２では、１つの素子アンテナに誘電体基板上に形成されたバイアス線導体５に対してバイアス電源９と接続する配線１０を接続する構成としているが、素子アンテナ導体と複数のＭＥＭＳスイッチと１つ以上の延長用素子アンテナ導体とを具備する素子アンテナを複数個配置したアレーアンテナにおいて、同時に駆動するＭＥＭＳスイッチに接続されるバイアス線導体を接続し、バイアス電源９と接続する配線１０との接続数を削減したアンテナ構成とする実施の形態を示す。

図３は実施の形態３の構成例であり、素子アンテナ導体と複数のＭＥＭＳスイッチと１つ以上の延長用素子アンテナ導体とを具備する素子アンテナ１２ａ、１２ｂ、及び１２ｃを１つの誘電体基板上に形成した場合であり、封止領域８ａ、８ｂ及び８ｃの外側にて各素子アンテナに接続されるバイアス線導体を１つに接続し、配線１０を介してバイアス電源９と接続した構成である。

以上のような構成とすることにより、アンテナ特性の劣化を抑圧することができ、さらに各素子アンテナに接続されるバイアス線導体とバイアス電源とを接続する配線１０の数を３分の１に削減することにより、バイアス線導体の複雑な配線を回避することが可能となる。

また、本実施の形態では、各素子アンテナに接続されるバイアス線導体を１本の導体線に纏めているが、同時に駆動するＭＥＭＳスイッチ毎に導体線を纏めて、バイアス電源と接続する構成としても、配線１０の本数を削減する同様な効果が得られることは云うまでもない。

また、本実施の形態では、３個の素子アンテナを誘電体基板上に形成する構成としているが、３素子以外の複数の素子アンテナを１つの誘電体基板上に形成する構成としても同様な効果が得られることは云うまでもない。

この発明の実施の形態１を示すアンテナ装置の構成図である。 この発明の実施の形態１における図１に示すアンテナ装置の構成断面図である。 この発明の実施の形態３を示すアンテナ装置の構成図である。

符号の説明

１ 誘電体基板、 ２ 素子アンテナ導体、 ３ 延長用素子アンテナ導体、 ４ ＭＥＭＳスイッチ、 ５ バイアス線導体、 ６ アンテナ給電点、 ７ センターショートピン、 ８ 気密用アンテナ封止用カバー、 ９ バイアス用電源、 １０ バイアス用電源とバイアス線とを接続する配線、 １１ 地導体、 １２ 素子アンテナ導体と延長用素子アンテナ導体とＭＥＭＳスイッチを有する素子アンテナ。

Claims (3)

1. 誘電体基板上に形成される素子アンテナ導体と、
   上記素子アンテナ導体に接続された１つ以上のＭＥＭＳデバイスと、
   上記ＭＥＭＳデバイスの駆動により上記素子アンテナ導体と接続される１つ以上の延伸用素子アンテナ導体と、
   上記素子アンテナ導体の中心を接地面に接続するセンターショートピンと、
   上記素子アンテナに給電する給電点と
   を有する素子アンテナと、
   上記ＭＥＭＳデバイスを収容する封止カバーと、
   上記ＭＥＭＳデバイスを駆動するバイアス電圧またはバイアス電流を供給し、上記誘電体基板上に形成されたバイアス線導体と、
   上記ＭＥＭＳデバイスを駆動するバイアス電源と、
   上記バイアス電源と上記バイアス線導体とを接続する配線とを備え、
   上記バイアス線導体を封止カバーによって封止される領域外へ延伸し、上記バイアス線導体を封止領域外にて上記配線に接続したことを特徴とするアンテナ装置。
2. 上記バイアス線導体は、高抵抗導体によって形成されたことを特徴とする請求項１のアンテナ装置。
3. 誘電体基板上に形成される複数の素子アンテナとバイアス線導体において、封止領域外へ延伸された複数のバイアス線導体を１つ乃至複数に纏めて、封止領域外にて上記配線に接続することを特徴とする請求項１乃至２のアンテナ装置。

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