JP2018148268A - アンテナ装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】アンテナ利得を増加させることができるアンテナ装置を提供することである。
【解決手段】アンテナ装置は、第1面及び第2面を有する誘電体基板と、誘電体基板の第1面上に配置され、第3面及び誘電体基板に対向する第4面を有する半導体基板と、半導体基板の第4面に配置される集積回路と、半導体基板の第4面に配置される放射器と、放射器から放射される電磁波の放射方向に沿って放射器を半導体基板の第3面上に投影した位置に配置される反射器と、放射方向に沿って放射器を誘電体基板に投影した位置に配置される導波器と、を備える。
【選択図】図2B
【解決手段】アンテナ装置は、第1面及び第2面を有する誘電体基板と、誘電体基板の第1面上に配置され、第3面及び誘電体基板に対向する第4面を有する半導体基板と、半導体基板の第4面に配置される集積回路と、半導体基板の第4面に配置される放射器と、放射器から放射される電磁波の放射方向に沿って放射器を半導体基板の第3面上に投影した位置に配置される反射器と、放射方向に沿って放射器を誘電体基板に投影した位置に配置される導波器と、を備える。
【選択図】図2B
Description
本開示は、アンテナ装置に関する。
CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)などの半導体集積回路とアンテナとを同一の基板上に集積したアンテナ装置が知られている。半導体集積回路と同一の基板上に集積されるアンテナは、オンチップアンテナと呼ばれる。オンチップアンテナは、例えば、通信、レーダー用モジュールの小型化、低価格化に有効である。
例えば、非特許文献1では、CMOS技術で作製された60GHz帯で動作するオンチップパッチアンテナが開示される。
Y. Yao, T. Hirano, K. Okada, J. Hirokawa, M. Ando, "60GHz On-Chip Patch Antenna Integrated in a 0.18-um CMOS Technology", Proceedings of the International Symposium on Antennas & Propagation (ISAP) 2012, pp.62-65
しかしながら、オンチップアンテナは、小型化の利点がある一方、オンチップアンテナから放射される電磁波が、伝搬損失の大きい半導体基板を伝搬するため、アンテナ利得が低い。
本開示の非限定的な実施例は、アンテナ利得を増加させることができるアンテナ装置の提供に資する。
本開示の一態様に係るアンテナ装置は、第1面及び第2面を有する誘電体基板と、前記誘電体基板の前記第1面上に配置され、第3面及び前記誘電体基板に対向する第4面を有する半導体基板と、前記半導体基板の前記第4面に配置される集積回路と、前記半導体基板の前記第4面に配置される放射器と、前記放射器から放射される電磁波の放射方向に沿って前記放射器を前記半導体基板の前記第3面上に投影した位置に配置される反射器と、前記放射方向に沿って前記放射器を前記誘電体基板に投影した位置に配置される導波器と、を備える。
なお、これらの包括的または具体的な態様は、システム、方法、集積回路、コンピュータプログラム、または、記録媒体で実現されてもよく、システム、装置、方法、集積回路、コンピュータプログラムおよび記録媒体の任意な組み合わせで実現されてもよい。
本開示の一態様によれば、アンテナ利得を増加させることができる。
本開示の一態様における更なる利点および効果は、明細書および図面から明らかにされる。かかる利点および/または効果は、いくつかの実施形態並びに明細書および図面に記載された特徴によってそれぞれ提供されるが、1つまたはそれ以上の同一の特徴を得るために必ずしも全てが提供される必要はない。
図1Aは、従来のオンチップアンテナの一例を示す平面図である。図1Bは、オンチップアンテナ22を含むX−Z平面における図1Aにおける線A1−A2の断面図である。
図1A、図1Bでは、半導体基板21上の同一面内にオンチップアンテナ22と集積回路23とが集積化される。そして、導体を用いて構成した反射器24は、半導体基板21のオンチップアンテナ22が形成された面と反対の面に配置される。
オンチップアンテナ22から半導体基板21に放射された電磁波は、反射器24によって反射され、上方(Z軸の正方向)に放射される。
オンチップアンテナは、単位面積当りのコストが高い半導体基板上の集積回路内に配置されることが多く、アンテナサイズが大きくなることによって占有面積が広くなることによって、コスト増加の原因となる。このため、オンチップアンテナは、波長の比較的長い信号、例えば、マイクロ波帯域(低周波信号)に対して利用されることは少ない。一方で、例えば、ミリ波/テラヘルツ波帯域の信号(高周波信号)ではアンテナサイズを小さくすることができるため、オンチップアンテナは、高周波信号に対して利用されることが多い。
また、高周波信号のアンテナを備えるアンテナ基板と、集積回路を備える半導体基板とを含む無線モジュールでは、例えば、ワイヤ、バンプが、アンテナ基板と半導体基板との間に、接続部として挿入される。このような無線モジュールでは、接続部における信号の伝搬損失に起因してアンテナ利得が低下してしまう。
半導体集積回路とアンテナとを同一の半導体基板上に集積したアンテナ装置では、接続部が省略できるため、接続部における信号の伝搬損失に起因したアンテナ利得の低下を抑制できる。
しかしながら、オンチップアンテナは、集積回路と一体となって半導体基板に設けられるため、オンチップアンテナから放射される電磁波の多くは、半導体基板内を伝搬する。そのため、オンチップアンテナを用いたアンテナ装置は、半導体基板における伝搬損失に起因したアンテナ利得の低下が生じる。
本開示は掛る点を鑑みて為されたものであり、電磁波を所望の放射方向に誘導する素子を配置し、半導体基板における伝搬損失を抑制することによって、アンテナ利得を増加させることに着目し、本開示に至った。
次に、本開示の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下に説明する各実施の形態は一例であり、本開示はこれらの実施の形態により限定されるものではない。
(実施の形態1)
図2Aは、本開示の実施の形態1に係るアンテナ装置100の構成を示す平面図である。図2Bは、図2Aの線A1−A2におけるアンテナ装置100の切断面(Y軸の正方向)図である。図2Cは、図2Bの線A3−A4におけるアンテナ装置100の切断面であって、半導体基板1を示す図であり、図2Bの矢印bの方向(Z軸の正方向)から見た図である。図2Dは、図2Bの線A3−A4におけるアンテナ装置100の切断面であって、誘電体基板5を示す図であり、図2Bの矢印cの方向(Z軸の負方向)から見た図である。
図2Aは、本開示の実施の形態1に係るアンテナ装置100の構成を示す平面図である。図2Bは、図2Aの線A1−A2におけるアンテナ装置100の切断面(Y軸の正方向)図である。図2Cは、図2Bの線A3−A4におけるアンテナ装置100の切断面であって、半導体基板1を示す図であり、図2Bの矢印bの方向(Z軸の正方向)から見た図である。図2Dは、図2Bの線A3−A4におけるアンテナ装置100の切断面であって、誘電体基板5を示す図であり、図2Bの矢印cの方向(Z軸の負方向)から見た図である。
図2Bに示すように、アンテナ装置100は、半導体基板1、反射器2、放射器3、バンプ4、誘電体基板5、および、導波器6を有する。
半導体基板1の面1aには、例えばCMOSの集積回路(図示せず)が配置される。集積回路の少なくとも一部は、ミリ波/テラヘルツ波帯域を含む高周波帯(例えば、50GHz以上10THz以下)の周波数の信号処理を行う。集積回路は、例えば、ベースバンド(基底帯域)の信号処理を行っても良い。
放射器3は、半導体基板1の集積回路が配置された面1aと同じ面1aに配置される。放射器3は、集積回路において処理された信号の電磁波を放射方向Tz(Z軸の正方向)に向けて放射する。放射器3は、例えば、電界型のアンテナであるダイポールアンテナの形状を有する。放射器3の長さは、例えば、実効波長の1/2程度の長さである。なお、図2A〜図2Cでは、図示の簡略化のため、放射器3は、矩形の形状で表現している。また、図2A〜図2Cでは、図示の簡略化のため、放射器3に接続する給電線等を省略している。なお、上述の半導体基板1の集積回路は、放射特性の影響が少ない場所に設けられている。
反射器2は、半導体基板1の面1aと反対の面1bに一様に配置される。そして、反射器2は、放射器3から放射方向Tzに沿って面1b(Z軸の負方向)に放射される電磁波を反射する。
放射方向Tzにおける電磁波の放射強度は、反射器2と放射器3との間隔、つまり、半導体基板1の厚さを考慮することで、増加することができる。
なお、図2Bでは、反射器2が面1bに一様に配置される例を示すが、反射器2は、面1bにおける、放射器3から放射される電磁波の放射方向Tzに沿った位置を含む領域に配置されれば良い。放射方向Tzに沿った位置とは、例えば、放射器3を放射方向Tzに沿って(Z軸の負方向)面1bに投影した範囲を含む位置である。放射方向Tzに沿った位置とは、例えば、放射器3の端部を通り、放射方向Tzに沿って延長した直線L1、L2と面1bとが交わる範囲を含む位置である。なお、反射器2のY軸方向の幅は、例えば、放射器3のY軸方向の幅よりも大きくなっている。
バンプ4は、半導体基板1と誘電体基板5とを接続し、例えば、略球状の半田によって構成される。図2Cでは、バンプ4は、例えば、放射器3を取り囲む位置に設けられる。
誘電体基板5は、半導体基板1を実装する基板である。誘電体基板5は、半導体基板1の面1aと対向する面5a(表面)と、面5aと反対の面5b(裏面)を有する。誘電体基板5には、例えば、半導体基板1の集積回路を駆動する電源回路(図示省略)、制御回路(図示省略)が配置される。誘電体基板5と半導体基板1とは、バンプ4を介して接続する。
また、誘電体基板5は、放射器3が配置される半導体基板1の面1aを覆うレドームとしての機能を有する。
導波器6は、誘電体基板5の半導体基板1に対向する面5aにおける、放射方向Tzに沿った位置に配置される。放射方向Tzに沿った位置とは、例えば、放射器3を放射方向Tzに沿って(Z軸方向に沿って)面5aに投影した範囲を含む位置である。例えば、放射方向Tzに沿った位置は、図2Bの直線L1、L2と面5aとが交わる範囲を含む位置である。導波器6は、無給電素子であり、誘電体基板5に配置される回路(例えば、電源回路、制御回路)とは接続しない。また、導波器6の長手方向は、放射器3の長手方向と平行である。
放射方向Tzにおける電磁波の放射強度は、導波器6の長さ、および、放射器3と導波器6との間隔を考慮することで、増加することができる。
ここで、放射器、反射器および導波器を有する八木・宇田アンテナから、本開示の導波器6と放射器3とを類推した場合、導波器6の長さは、放射器3の長さ(つまり、実効波長の1/2程度の長さ)を5%〜15%程度短くした長さである。また、導波器6と放射器3の間隔は、おおよそ実効波長の1/8から1/4程度である。
このような長さと間隔を有する導波器6と放射器3を、アンテナ装置100において形成するためには、アンテナ装置100の動作周波数、つまり、放射する電磁波の周波数は、波長が比較的短いミリ波またはテラヘルツ帯程度とする。例えば、真空中の波長λoが6mmである50GHz以上、真空中の波長λoが0.03mmである10THz以下程度とする。
アンテナ装置100では、放射器3から放射方向Tzに向かって放射される電磁波と反射器2によって反射される電磁波は、合成され、導波器6に到達する。そして、合成された電磁波は、導波器6から再放射される。導波器6は、合成された電磁波を放射方向Tzへ誘導する素子である。つまり、アンテナ装置100において、放射器3、反射器2および導波器6は、1つのアンテナとして機能する。
アンテナ装置100では、導波器6が、放射器3から放射される電磁波を放射方向Tzへ誘導することができるため、放射器3から放射方向Tzと反対の方向(Z軸の負方向)へ放射される成分が減り、半導体基板1での伝搬損失が抑制される。
以上説明したアンテナ装置100のアンテナ利得と、比較構成のアンテナ装置C1、アンテナ装置C2とのアンテナ利得を比較して説明する。
図3Aは、アンテナ装置100の放射器3の周辺の拡大図であり、放射器3及び導波器6を含むX−Z平面における断面図である。図3Bは、放射器3を含むX−Z平面における断面図であり、比較構成のアンテナ装置C1の一例を示す図である。図3Cは、放射器3を含むX−Z平面における断面図であり、比較構成のアンテナ装置C2の一例を示す図である。なお、図3A〜図3Cにおいて、図2Bと同様の構成については同一の符番を付し説明を省略する。また、図3A〜図3Cには、放射方向Tzを0°の基準とし、放射角度θの正方向と負方向が合わせて示されている。放射角度θの正方向とは、放射方向Tzを基準としてX軸の正方向を指し、放射角度θの負方向とは、放射方向Tzを基準としてX軸の負方向を指している。
図3Bに示す比較構成のアンテナ装置C1は、図3Aに示すアンテナ装置100とは異なり、誘電体基板5および導波器6を省略した構成である。また、図3Cに示す比較構成のアンテナ装置C2は、図3Aに示すアンテナ装置100とは異なり、誘電体基板5、導波器6および反射器2を省略した構成である。
つまり、図3Aに示すアンテナ装置100では、放射器3、反射器2および導波器6が1つのアンテナとして機能し、図3Bに示す比較構成のアンテナ装置C1では、放射器3および反射器2が1つのアンテナとして機能し、図3Cに示す比較構成のアンテナ装置C2では、放射器3が1つのアンテナとして機能する。
図4は、本実施の形態に係るアンテナ装置100のアンテナ利得の特性を示す図である。図4の横軸は、放射方向Tzを0°の基準とした放射角度を示し、縦軸は、アンテナ利得(単位は、dBi)を示す。図4は、放射する電磁波の周波数fを300GHzとした場合のアンテナ装置100、比較構成のアンテナ装置C1および比較構成のアンテナ装置C2の放射角度に対するアンテナ利得を示す。
図4に示すアンテナ装置100のアンテナ利得は、比較構成のアンテナ装置C1および比較構成のアンテナ装置C2のアンテナ利得よりも改善している。例えば、アンテナ装置100のアンテナ利得の最大値(アンテナ最大利得)は、比較構成のアンテナ装置C1のアンテナ最大利得よりも約2dB程度改善している。
次に、誘電体基板5の内層に設けられる導体パターンの配線とアンテナ利得との関係について説明する。
図5A、図5Bは、本実施の形態1に係るアンテナ装置101の構成を示す図である。なお、図5A、図5Bにおいて、図2Bと同様の構成については同一の符番を付し説明を省略する。また、図5A、図5Bには、放射方向Tz(Z軸の正方向)を0°の基準とし、放射角度θの正方向と負方向が合わせて示されている。
図5Aは、図2Bと同様に、放射器3及び導波器6を含むX−Z平面におけるアンテナ装置101の断面図である。図5Bは、図5Aの線A3−A4におけるアンテナ装置101のX−Y平面における断面図であって、誘電体基板5を示す図であり、図5Aの矢印cの方向(X軸の負方向)から見た図である。
アンテナ装置101は、配線8を有する点で、アンテナ装置100と異なる。
配線8は、導波器6の直下の誘電体基板5の内層の面5cに配置され、導波器6の長手方向に対して、垂直(Y軸方向)に延びる。すなわち、配線8は、導波器6の短手方向に延びる。
図6A、図6Bは、比較構成のアンテナ装置C3の一例を示す図である。なお、図6A、図6Bにおいて、図2Bと同様の構成については同一の符番を付し説明を省略する。また、図6Aには、放射方向Tzを0°の基準とし、放射角度θの正方向と負方向が合わせて示されている。
図6Aは、図2Bと同様に、放射器3及び導波器6を含むX−Z平面における比較構成のアンテナ装置C3の断面図である。図6Bは、図6Aの線A3−A4におけるアンテナ装置C3のX−Y平面における断面図であって、誘電体基板5を示す図であり、図6Aの矢印cの方向(Z軸の負方向)から見た図である。
比較構成のアンテナ装置C3は、配線8を有する点で、アンテナ装置100と相違する。
配線8は、導波器6の直下の誘電体基板5の内層の面5cに配置され、導波器6の長手方向に対して、平行(X軸方向)に延びる。
つまり、アンテナ装置101と比較構成のアンテナ装置C3とは、誘電体基板5の内層の面5cの配線8の延在する方向が異なる。配線8の延在する方向の違いによるアンテナ利得の違いについて図7に示す。
図7は、配線8の延在する方向の違いを比較するアンテナ利得の特性を示す図である。図7の横軸は、放射方向Tzを0°の基準とした放射角度を示し、縦軸は、アンテナ利得(単位は、dBi)を示す。図7は、放射する電磁波の周波数fを300GHzとした場合のアンテナ装置100、アンテナ装置101および比較構成のアンテナ装置C3の放射角度に対するアンテナ利得を示す。なお、図7に示すアンテナ装置100のアンテナ利得は、図4に示したアンテナ装置100のアンテナ利得と同様である。
図7に示すアンテナ装置101のアンテナ利得は、アンテナ装置100のアンテナ利得と同様である。アンテナ装置101では、配線8の延在する方向が放射器3の長手方向に対して垂直(Y軸方向)であることによって、放射器3から放射される電磁波の電界励振方向における配線8との重なりが小さく、放射される電磁波が、配線8とほとんど結合しない。そのため、アンテナ装置101のアンテナ利得は、アンテナ装置100のアンテナ利得と同様となっている。
一方、図7に示す比較構成のアンテナ装置C3のアンテナ利得は、アンテナ装置100のアンテナ利得よりも低い。比較構成のアンテナ装置C3では、配線8の延在する方向が放射器3の長手方向に対して平行(X軸方向)であることによって、放射器3から放射される電磁波の電界励振方向における配線8との重なりが大きく、放射される電磁波が、配線8と結合してしまう。その結果、比較構成のアンテナ装置C3からの電磁波の放射が、阻害されてしまい、アンテナ利得の低下が発生している。
つまり、放射される電磁波の電界励振方向を考慮することにより、アンテナ利得の低下を抑制することができるため、誘電体基板5に配線を配置することができる。
次に、誘電体基板5の面のうち導波器6が設けられる面と同一面に設けられる導体パターンの配線とアンテナ利得との関係について説明する。
図8A、図8Bは、本実施の形態1に係るアンテナ装置102の構成を示す図である。なお、図8A、図8Bにおいて、図2Bと同様の構成については同一の符番を付し説明を省略する。また、図8Aには、放射方向Tzが示されている。
図8Aは、図2Bと同様に、放射器3及び導波器6を含むX−Z平面におけるアンテナ装置102の断面図である。図8Bは、図8Aの線A3−A4におけるアンテナ装置102のX−Y平面における断面図であって、誘電体基板5を示す図であり、図8Aの矢印cの方向(Z軸の負方向)から見た図である。
アンテナ装置102は、配線8を有する点で、アンテナ装置100と相違する。
図8Aに示すように、配線8は、誘電体基板5の面のうち導波器6が設けられる面と同一面、つまり、面5aに設けられる。図8Bに示すように、誘電体基板5の平面視において、配線8は、導波器6から所定の距離離れた場所に位置し、導波器6を囲むように設けられる。以下では、導波器6と配線8との最短距離を、dminとして示す。
次に、導波器6と配線8との最短距離dminとアンテナ利得との関係について図9に示す。
図9は、最短距離dminとアンテナ最大利得との関係を示す図である。図9の横軸は、最短距離dminを示し、図9の縦軸は、放射する電磁波の周波数fを300GHzとした場合の最短距離dminに対するアンテナ装置102のアンテナ最大利得を示す。また、アンテナ装置100のアンテナ最大利得と、比較構成のアンテナ装置C1のアンテナ最大利得が、比較対象として合わせて示されている。
図9において、最短距離dminがどのような値であっても、アンテナ装置102のアンテナ最大利得は、比較構成のアンテナ装置C1のアンテナ最大利得よりも大きくなる。つまり、配線8が、誘電体基板5の表面のうち導波器6と同一表面に設けられていても、導波器6を有するアンテナ装置102は、導波器を有さない比較構成のアンテナ装置C1よりも高いアンテナ利得を得ることができる。
また、図9において、アンテナ装置102のアンテナ最大利得は、最短距離dminに応じて変化する。このアンテナ最大利得と最短距離dminとの関係は、放射する電磁波の周波数に依存する。面5aに配線8を設ける場合には、放射する電磁波の周波数と最短距離dmin、および配線の形状を考慮することにより、アンテナ最大利得を向上させることができる。
以上説明したように、本実施の形態1に係るアンテナ装置100は、面5a(第1面)及び面5b(第2面)を有する誘電体基板5と、面5a上に配置され、面1b(第3面)及び誘電体基板5に対向する面1a(第4面)を有する半導体基板1と、半導体基板1の面1aに配置される集積回路(図示せず)と、半導体基板1の面1aに配置される放射器3と、放射器3から放射される電磁波の放射方向Tzに沿って放射器3を半導体基板1の面1b上に投影した位置に配置される反射器2と、放射方向Tzに沿って放射器3を誘電体基板5に投影した位置に配置される導波器6とを備える。
この構成により、放射器3、反射器2および導波器6が1つのアンテナとして機能し、導波器6が、放射器3から放射される電磁波を放射方向Tzへ誘導することができる。そのため、放射器3から放射方向Tzと反対の方向へ(つまり、放射器3から面1bへ)放射される成分が減り、半導体基板1での伝搬損失が抑制されるため、アンテナ利得を増加させることができる。
また、アンテナ装置100は、導体パターンを用いて誘電体基板5に無給電素子である導波器を形成する簡易な構成であり、半導体基板1と半導体基板1を実装する誘電体基板5以外に導波器以外の部品を新たに設けず、製造コストを抑えることができる。
なお、本実施の形態1では、導波器6が、誘電体基板5の表面のうち半導体基板1に対向する表面(つまり、図2Bにおける面5a)に設けられる例について説明したが、本開示はこれに限定されない。導波器6は、誘電体基板5の表面のうち半導体基板1に対向する表面と反対の面5b(裏面)の配線金属を用いても良い。また、誘電体基板5が、多層基板である場合、導波器6は、誘電体基板5の内層(例えば、図5Aにおける内層の面5c)に配置されても良い。導波器6の位置は、誘電体基板5の深さ方向(図2BにおけるZ軸方向)に対して調節しても良い。
このように、導波器6を配置する位置を変えることで、放射器3と反射器6との間隔は、バンプ4の高さ(バンプ4のZ軸方向の長さ)以外にも、誘電体基板5の深さ方向でも調節することができるため、アンテナ装置100は、バンプ4の高さでは調節困難な周波数帯でも動作する。
(実施の形態2)
図10は、本実施の形態2に係るアンテナ装置200の構成を示す図である。なお、図10において、図2Bと同様の構成については同一の符番を付し説明を省略する。
図10は、本実施の形態2に係るアンテナ装置200の構成を示す図である。なお、図10において、図2Bと同様の構成については同一の符番を付し説明を省略する。
図10は、図2Bと同様に、放射器3及び導波器6を含むX−Z平面におけるアンテナ装置200の断面図である。なお、図10のX−Y面については、図2C、図2DのX−Y面と同様であるので、詳細な説明は省略する。
アンテナ装置200は、導波器6を複数備える点でアンテナ装置100と相違する。具体的には、例えば、アンテナ装置200の導波器6は、誘電体基板5の半導体基板1に対向する面5aにおける、放射方向Tzに沿った位置に配置され、また、誘電体基板5の内層の面5cに、放射方向Tzに沿って配置される。
誘電体基板5を多層基板とすることによって、内層の面5cの配線金属を用いて、導波器6を内層の面5cに配置することができる。
アンテナ装置200は、放射器3、反射器2および2つの導波器6が1つのアンテナとして機能する。アンテナ装置200は、2つの導波器6を設けることで、1つの導波器6を設ける場合よりも、放射器3から放射される電磁波を放射方向Tzへより多く誘導することができる。そのため、放射器3から放射方向Tzと反対の方向へ放射される成分が減り、半導体基板1での伝搬損失が抑制されるため、指向性を高めることができ、アンテナ利得を増加させることができる。
本実施の形態2では、2つの導波器6が、誘電体基板5の面のうち半導体基板1に対向する面5aと、誘電体基板5の内層である面5cと、に配置される例について説明したが、本開示はこれに限定されない。例えば、2つの導波器6は、いずれも誘電体基板5の内層に配置されても良い。また、例えば、1つの導波器6が、誘電体基板5の面のうち半導体基板1に対向する面5aと反対の面5b(裏面)に配置され、もう1つの導波器6が、誘電体基板5の面のうち半導体基板1に対向する面5aまたは内層である面5cに配置されても良い。また、導波器6の数は、3つ以上であっても良い。
(実施の形態3)
図11は、本実施の形態3に係るアンテナ装置300の構成を示す図である。なお、図11において、図2Bと同様の構成については同一の符番を付し説明を省略する。
図11は、本実施の形態3に係るアンテナ装置300の構成を示す図である。なお、図11において、図2Bと同様の構成については同一の符番を付し説明を省略する。
図11は、図2Bと同様に、放射器3及び導波器6を含むX−Z平面におけるアンテナ装置300の断面図である。なお、図11のX−Y面については、後述するアンダーフィル9が放射器3と導波器6の周辺に充填されている点を除き、図2C、図2DのX−Y面と同様であるので、詳細な説明は省略する。
アンテナ装置300は、半導体基板1と誘電体基板5の間にアンダーフィル9が充填される点でアンテナ装置100と相違する。バンプ4が、図2Dに示すように4つ設けられる場合には、アンダーフィル9は、例えば、図2Dの点線枠内においてバンプ4が位置しない領域に充填される。
アンダーフィル9は、比誘電率εr(εrは1以上)を有する媒質である。アンダーフィル9は、一部に空隙が生じていても良い。
つまり、比誘電率εrが1以上のアンダーフィル9を充填することにより、アンダーフィル9内部における実効波長λeffが短くなるため、導波器6と放射器3との間隔を短くすることができる。
図11の構成により、比較的波長が長い電磁波を放射する場合でも、アンテナ装置300のサイズを小型にすることができる。また、図11の構成により、アンテナ装置300は、比較的低い周波数であっても、動作する。
なお、本実施の形態3は、他の実施の形態の少なくとも1つと組み合わせても良い。例えば、実施の形態2に係るアンテナ装置200において、半導体基板1と誘電体基板5の間にアンダーフィル9を充填しても良い。
(実施の形態4)
図12は、本実施の形態4に係るアンテナ装置400の構成を示す図である。なお、図12において、図2Bと同様の構成については同一の符番を付し説明を省略する。
図12は、本実施の形態4に係るアンテナ装置400の構成を示す図である。なお、図12において、図2Bと同様の構成については同一の符番を付し説明を省略する。
図12は、図2Bと同様に、放射器3及び導波器6を含むX−Z平面におけるアンテナ装置400の断面図である。なお、図12のX−Y面については、図2C、図2DのX−Y面と同様であるので、詳細な説明は省略する。
アンテナ装置400は、誘電体基板5にキャビティ10が設けられる点でアンテナ装置100と相違する。
キャビティ10は、誘電体基板5における凹み部分である。キャビティ10は、例えば、面5bからZ軸の負方向に向かって誘電体基板5の厚さ未満の長さを切り欠いて形成される凹部である。キャビティ10は、例えば、誘電体基板5を平面視した状態(X−Y平面)において、導波器6の全領域を覆うような領域である。
このような構成により、アンテナ装置400では、誘電体基板5における電磁波の伝搬損失を削減することができるため、アンテナ利得を増加させることができる。
なお、アンテナ装置400では、キャビティ10が導波器6の直下の配置される例について説明したが、本開示はこれに限定されない。例えば、キャビティ10の内部に導波器6が配置されても良いし、誘電体基板5の内部に導波器6を配置してもよい。以下、本実施の形態4に係るアンテナ装置400の変形例について、図13A及び図13Bを用いて説明する。
図13Aは、本実施の形態4に係るアンテナ装置400の変形例図である。図13Bは、本開示の実施の形態4に係るアンテナ装置400の変形例を示す図である。なお、図13A、図13Bにおいて、図12と同様の構成については同一の符番を付し説明を省略する。
図13Aは、図2Bと同様に、放射器3及び導波器6を含むX−Z平面におけるアンテナ装置401の断面図である。なお、図13AのX−Y面については、導波器6が誘電体基板5の表面に配置されていない点を除き、図2C、図2DのX−Y面と同様であるので、詳細な説明は省略する。
アンテナ装置401は、アンテナ装置400に対して、導波器6が、誘電体基板5の表面(面5a)では無く、キャビティ10の内部に配置されている。
このような構成により、アンテナ装置401では、アンテナ装置400と同様に、誘電体基板5における電磁波の伝搬損失を削減することができるため、アンテナ利得を増加させることができる。
また、アンテナ装置400では、キャビティ10が、面5bからZ軸の負方向に向かって誘電体基板5の厚さ未満の長さを切り欠いて形成される例について説明したが、本開示はこれに限定されない。例えば、キャビティ10が、面5aからZ軸の正方向に向かって誘電体基板5の厚さ未満の長さを切り欠いて形成されていてもよい。このようにキャビティ10を形成した場合には、導波器6は、例えば、キャビティ10よりも下方で且つ誘電体基板5の内部に設けられる、又は、面5bに設けられる。
図13Bは、図2Bと同様に、放射器3及び導波器6を含むX−Z平面におけるアンテナ装置402の断面図である。なお、図13Bのアンテナ装置402には、キャビティ10が面5aからZ軸の正方向に向かって誘電体基板5の厚さ未満の長さを切り欠いて形成されており、導波器6が面5bに設けられる例が示されている。
なお、本実施の形態4は、他の実施の形態の少なくとも1つと組み合わせても良い。例えば、実施の形態3に係るアンテナ装置300において、誘電帯基板5の放射方向Tzに沿った導波器6の直下の位置にキャビティ10が配置されても良い。
(実施の形態5)
図14Aは、本実施の形態5に係るアンテナ装置500の構成を示す図である。なお、図14Aにおいて、図2Bと同様の構成については同一の符番を付し説明を省略する。
図14Aは、本実施の形態5に係るアンテナ装置500の構成を示す図である。なお、図14Aにおいて、図2Bと同様の構成については同一の符番を付し説明を省略する。
図14Aは、図2Bと同様に、放射器3及び導波器6を含むX−Z平面におけるアンテナ装置500の断面図である。なお、図14AのX−Y面については、後述するビア11が配置される点を除き、図2C、図2DのX−Y面と同様であるので、詳細な説明は省略する。
アンテナ装置500は、導波器6の周辺にビア11が配置される点でアンテナ装置100と相違する。
ビア11は、導波器6から第1距離離れた位置において導波器6の周辺を取り囲むように配置される。ビア11は、誘電体基板5の面5aと面5bとの間を貫通する貫通ビアである。
このような構成により、ビア11が、誘電体基板5内に放射方向Tzに沿った導波管の金属壁と同様な機能を有するため、導波器6から再放射される電磁波が放射方向Tzに向かうように、指向性を変化させることができる。
また、半導体基板に複数の放射器が配置され、各放射器に対応する導波器が誘電体基板に配置される場合、隣り合う導波器との間にビア11が配置されることによって、各導波器が再放射する電磁波を分離することができる。
なお、本実施の形態5は、他の実施の形態の少なくとも1つと組み合わせても良い。例えば、実施の形態4に係るアンテナ装置400において、導波器6を取り囲むようにビア11が配置されても良い。
また、本実施の形態5では、ビア11が貫通ビアである例について説明したが、本開示はこれに限定されない。例えば、ビア11は、貫通ビアの代わりに、図14Bに示されるように、スタックビアと配線とを組み合わせて、階段状に形成されたビアであっても良い。なお、以下には、スタックビア11の段数が2段である例について説明するが、これに限定されず、スタックビア11の段数が3段以上であってもよい。
図14Bは、本開示の実施の形態5に係るアンテナ装置500の変形例を示す図である。図14Bは、図2Bと同様に、放射器3及び導波器6を含むX−Z平面におけるアンテナ装置501の断面図である。図14Bにおいては、誘電体基板5の内部にビア11が設けられている。以下に、ビア11が、第1ビア11aと、第2ビア11bと、第3ビア11cと、によって構成される例について説明する。
第1ビア11aは、面5aからZ軸の正方向に向かって誘電体基板5の厚さ未満の長さによって形成される。第2ビア11bは、面5bからZ軸の負方向に向かって誘電体基板5の厚さ未満の長さによって形成される。第2ビア11bのX軸上の位置は、第1ビア11aのX軸上の位置とは異なる。第3ビア11cは、第1ビア11aと、第2ビア11bと、を接続するビアであり、誘電体基板5の内層である面5cに配置される。
このような構成により、ビア11が、誘電体基板5内において、放射方向Tzに沿って導波器6から離れるに従って開口面積が広がる導波管の金属壁と同様な機能を有するため、導波器6から再放射される電磁波が放射方向Tzに向かうように、図14Aの構成よりも、鋭く指向性を変化させることができる。なお、ビアの段数は図示した2段に限定されない。
以上説明した各実施の形態は、適宜組み合わせて用いても良い。
また、上記各実施の形態において、1つの放射器3を有するアンテナ装置について説明したが、アンテナ装置は、複数の放射器を有していても良い。
また、上記各実施の形態において、放射器3は、ダイポール型であるとして説明したが、本開示はこれに限定されない。放射器3は、他の平面アンテナの形状を有していても良い。
以上、図面を参照しながら各種の実施の形態について説明したが、本開示はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。また、開示の趣旨を逸脱しない範囲において、上記実施の形態における各構成要素を任意に組み合わせてもよい。
<本開示のまとめ>
本開示のアンテナ装置は、第1面及び第2面を有する誘電体基板と、前記誘電体基板の前記第1面上に配置され、第3面及び前記誘電体基板に対向する第4面を有する半導体基板と、前記半導体基板の前記第4面に配置される集積回路と、前記半導体基板の前記第4面に配置される放射器と、前記放射器から放射される電磁波の放射方向に沿って前記放射器を前記半導体基板の前記第3面上に投影した位置に配置される反射器と、前記放射方向に沿って前記放射器を前記誘電体基板に投影した位置に配置される導波器と、を備える。
本開示のアンテナ装置は、第1面及び第2面を有する誘電体基板と、前記誘電体基板の前記第1面上に配置され、第3面及び前記誘電体基板に対向する第4面を有する半導体基板と、前記半導体基板の前記第4面に配置される集積回路と、前記半導体基板の前記第4面に配置される放射器と、前記放射器から放射される電磁波の放射方向に沿って前記放射器を前記半導体基板の前記第3面上に投影した位置に配置される反射器と、前記放射方向に沿って前記放射器を前記誘電体基板に投影した位置に配置される導波器と、を備える。
また、本開示のアンテナ装置において、前記導波器は、前記誘電体基板に2つ以上配置される。
また、本開示のアンテナ装置において、前記誘電体基板と前記半導体基板との間の空間の少なくとも一部に、比誘電率が1以上の媒質が配置される。
また、本開示のアンテナ装置において、前記誘電体基板は、前記放射方向に沿って前記放射器を投影した位置にキャビティを有する。
また、本開示のアンテナ装置において、前記導波器は、前記キャビティの内部に配置される。
また、本開示のアンテナ装置において、前記誘電体基板は、前記導波器から第1距離離れた位置において前記導波器を取り囲むビアを有する。
また、本開示のアンテナ装置において、前記誘電体基板は、前記放射器の短手方向に延びる配線を有する。
また、本開示のアンテナ装置において、前記誘電体基板の前記第1面には、配線が配置され、前記配線と前記導波器との最小距離は、少なくとも前記電磁波の周波数に基づいて決定される。
また、本開示のアンテナ装置において、前記集積回路の少なくとも一部は、50GHz以上10THz以下の周波数の信号の信号処理を行う。
また、本開示のアンテナ装置において、前記放射器と前記導波器との間隔は、前記電磁波の波長の1/8から1/4である。
本開示に係るアンテナ装置は、レーダーシステムや通信システムにおいて無線通信を行う送受信モジュール用途として有用である。
1、21 半導体基板
1a、1b、5a、5b、5c 面
2、24 反射器
3 放射器
4 バンプ
5 誘電体基板
6 導波器
9 アンダーフィル
10 キャビティ
11 ビア
11a 第1ビア
11b 第2ビア
11c 第3ビア
22 オンチップアンテナ
23 集積回路
100、101、102、200、300、400、401、402、500、501、C1、C2、C3 アンテナ装置
1a、1b、5a、5b、5c 面
2、24 反射器
3 放射器
4 バンプ
5 誘電体基板
6 導波器
9 アンダーフィル
10 キャビティ
11 ビア
11a 第1ビア
11b 第2ビア
11c 第3ビア
22 オンチップアンテナ
23 集積回路
100、101、102、200、300、400、401、402、500、501、C1、C2、C3 アンテナ装置
Claims (10)
- 第1面及び第2面を有する誘電体基板と、
前記誘電体基板の前記第1面上に配置され、第3面及び前記誘電体基板に対向する第4面を有する半導体基板と、
前記半導体基板の前記第4面に配置される集積回路と、
前記半導体基板の前記第4面に配置される放射器と、
前記放射器から放射される電磁波の放射方向に沿って前記放射器を前記半導体基板の前記第3面上に投影した位置に配置される反射器と、
前記放射方向に沿って前記放射器を前記誘電体基板に投影した位置に配置される導波器と、
を備えるアンテナ装置。 - 前記導波器は、前記誘電体基板に2つ以上配置される、
請求項1に記載のアンテナ装置。 - 前記誘電体基板と前記半導体基板との間の空間の少なくとも一部に、比誘電率が1以上の媒質が配置される、
請求項1に記載のアンテナ装置。 - 前記誘電体基板は、前記放射方向に沿って前記放射器を投影した位置にキャビティを有する、
請求項1に記載のアンテナ装置。 - 前記導波器は、前記キャビティの内部に配置される、
請求項4に記載のアンテナ装置。 - 前記誘電体基板は、前記導波器から第1距離離れた位置において前記導波器を取り囲むビアを有する、
請求項1に記載のアンテナ装置。 - 前記誘電体基板は、前記放射器の短手方向に延びる配線を有する、
請求項1に記載のアンテナ装置。 - 前記誘電体基板の前記第1面には、配線が配置され、
前記配線と前記導波器との最小距離は、少なくとも前記電磁波の周波数に基づいて決定される、
請求項1に記載のアンテナ装置。 - 前記集積回路の少なくとも一部は、50GHz以上10THz以下の周波数の信号の信号処理を行う、
請求項1に記載のアンテナ装置。 - 前記放射器と前記導波器との間隔は、前記電磁波の波長の1/8から1/4である、
請求項1に記載のアンテナ装置。
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