JP4541922B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

この発明は、マイクロマシニング技術を用いて高誘電率基板上に平面アンテナを製作するアンテナ装置に関するものである。

近年、マイクロ波およびミリ波帯での通信システムの開発に伴いアンテナの需要も高まっている。ここで、半導体技術をベースとするマイクロマシニング技術を用いれば、シリコン等の安価な半導体材料を用いてミリ波帯用に小型のアンテナを作成できる。ウェーハレベルで製作するため量産に適し、非常に低コストである。

ＲＦ帯で用いられるアンテナは、薄型・小型であること、加工の簡易性から、平面アンテナが多用される。この平面アンテナの典型例であるマイクロストリップアンテナ（Micro Strip Antenna、以下ＭＳＡと称す）は、円形または方形の開放境界を有する銅などの導体を基板上に構成し放射器としての機能をもたせたものである。給電法の多種性、アレー化の簡易性も、ＭＳＡが多用される理由である。

マイクロマシニング技術を用いてＭＳＡを作成する場合、シリコンやＧａＡｓ等半導体基板は、比誘電率がそれぞれ１１．９、１０．２と高いことから、誘電体損が増大し放射効率が低下する問題があり、ＲＦ帯では特にその影響が顕著である。

この問題を考慮した、マイクロマシニング技術を用いた従来の平面アンテナの一例として、アンテナの直下に空洞部を設け、誘電体の等価比誘電率を下げるといった手法を取るものがある（例えば、非特許文献１参照）。

IEEE Transaction on Antennas and Propagation, 1998, I. Papapolymerou, L. P. B. Katehi, "Micromachined Patch Antennas", Fig. 8

しかし、上述したようにしてアンテナを作成する際、既存のシリコンウェハー厚は規定されている。このウェハーの薄膜化はできるが、基板を一様に薄くした場合にはその後のプロセスにおいて強度に問題があり、シリコンの厚みはある大きさ以下にできず、実現できる空洞部の深さ、すなわち実現できる等価比誘電率には制限があった。このため、アンテナ特性を調整、最適化するにも限界があった。

この発明は上述した点に鑑みてなされたもので、マイクロマシニング技術を用いて高誘電率基板上に平面アンテナを製作する際に等価比誘電率により自由度の高い調整を可能にするアンテナ装置を得ることを目的とする。

この発明に係るアンテナ装置は、マイクロマシン技術により半導体基板の片側に作製された、空洞部底面にパッチアンテナがパターニングされた第１の半導体基板と、同様にマイクロマシン技術により半導体基板の片側に作製された、空洞部の底面を含む空洞部開口側の一部あるいは全面をグランドとなる導体によって覆われた第２の半導体基板との積層構造で構成され、前記第１の半導体基板は、パッチアンテナのパターニングされた面を上向きに配置し、前記第２の半導体基板は、空洞開口部が前記第１の半導体基板の前記パッチアンテナがパターニングされていない面に対向するように前記第１の半導体基板の下に配置したことを特徴とする。

この発明のアンテナ装置によれば、マイクロマシニング技術を用いて高誘電率基板上に平面アンテナを製作する際に等価比誘電率により自由度の高い調整を可能にすることができ、高誘電率基板として安価なシリコンのみ用いるので量産性があるため、低コストとなる。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照して示す。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係るアンテナ装置を示すもので、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）に示すａ−ａ'線断面図、（ｃ）は（ａ）の上面からみた上視図である。
図１に示すように、第１の半導体基板１１には、任意の深さをもつ空洞部１２が設けられ、空洞部１２の底面にパッチアンテナ１３がパターニングされている。また、第２の半導体基板１４には、空洞部１５が設けられ、空洞部１５の底面を含む第２の半導体基板１４の表面はグランド（導体）１６により覆われている。

すなわち、図１に示すアンテナ装置は、マイクロマシニング技術を用いて高誘電率基板上に平面アンテナを製作する際に等価比誘電率により自由度の高い調整を可能にするもので、空洞部１２底面にパッチアンテナ１３がパターニングされた第１の半導体基板１１と、空洞部１５の底面を含む空洞部開口側の一部あるいは全面をグランド１６となる導体によって覆われた第２の半導体基板１４との積層構造で構成され、第１の半導体基板１１は、パッチアンテナ１３のパターニングされた面を上向きに配置し、第２の半導体基板１４は、空洞部１５の開口側が第１の半導体基板１１のパッチアンテナ１３がパターニングされていない面に対向するように第１の半導体基板１１の下に配置されている。

図１の構造のとき、第１の半導体基板１１に設置されたパッチアンテナ１３下の半導体基板厚と第２の半導体基板１４の空洞部１５の厚みによって等価比誘電率が決定されるため、半導体基板／空気層比を調整することにより、設計周波数で比帯域幅を調節できる。

次に、この発明の実施の形態１に係るアンテナ装置への給電方式について説明する。
ＭＳＡへの給電方式としてよく知られている方法として、ＭＳＡの端部にマイクロストリップ線路を接続し直接給電する方式、ＭＳＡの地導体に設けたスロット孔を介して、別基板に設けたマイクロストリップ線路またはトリプレート線路から給電する電磁界結合方式、ＭＳＡ裏面に同軸線路を接続する方式等が挙げられる。

ミリ波帯においては同軸線路の接続が困難であるため、半導体技術により一体化が可能な電磁結合かストリップ線路による直接給電が給電方法として考えられる。また、電磁結合方式によるものは、他の方式に比べて給電線路の製作が容易であること、マイクロストリップ線路をパターニングした基板をＭＳＡ基板と積層する簡易な工程で製作できること、といった利点がある。

ここで、この発明の実施の形態１に係るアンテナ装置に対する給電法として電磁結合によるものを取り上げ、図２を参照して説明する。図２において、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のａ−ａ'線断面図、（ｃ）は（ａ）においてｂの方向からみた透視図である。
図２に示すように、第１の半導体基板２１に任意の深さをもつ空洞部２２が設けられ、空洞部２２の底面にパッチアンテナ２３がパターニングされている。また、第２の半導体基板２４には、空洞部２５が設けられ、空洞部２５の底面を含む第２の半導体基板２４の表面はグランド２６により覆われている。

また、第２の半導体基板２４の空洞部２５の底面部分のグランド２６にはスロット孔２７が設けられ、第２の半導体基板２４の裏面にはマイクロストリップ線路２８がパターニングされ、マイクロストリップ線路２８は、スロット孔２７と直交するように配置されており、このマイクロストリップ線路２８からスロット孔２７を介して給電するようになっている。

そして、スロット孔２７の長さは、中心周波数にて共振させるように半波長程度とする。マイクロストリップ線路２８の開放端はスロット孔からλｇ／４の位置で開放したスタブとすれば、スロット孔直下に流れる電流が最大となり、それの作る磁界も最大となる。よって、このとき、スロット孔２７に強く結合し、アンテナへ効率よく電力を供給する。ここで、λｇはマイクロストリップ線路２８の管内波長である。このとき、スロット孔２７の幅、スタブとしてのマイクロストリップ線路２８の幅を変えることによって、それぞれの特性インピーダンスを変え、ＭＳＬ線路との整合をとる。

なお、スロット孔２７は空洞部２５の底面に設けられているが、マイクロマシニングプロセスではまず空洞部を彫りこんだ後に実際のパターンよりも小さいサイズのマスクを使うなどの方法をとることで、このようなパターニングも可能である。また、スロット孔２７の形状は図のような長方形に限らず、Ｈ型やドッグボーン型でもよい。スロット孔２７の形状を変えればパッチアンテナ２３への結合量を広帯域に亘って調整することができる。

次に、スロット孔２７を介して上面に給電がなされたときの動作について説明する。
このアンテナは、スロット孔２７を共振させパッチアンテナ２３の大きさを最適に選ぶことにより設計周波数にて共振させることができる。パッチアンテナ２３がなくスロット孔２７のみでは空洞部２５の存在により下方により多く電磁波が放射するが、パッチアンテナ２３が導波器として働き上面へ電波を放射するようになる。

本構造のアンテナの利点として、空洞部２２と２５の深さを調節することにより比誘電率を調整し、比帯域幅を可変できるということがある。このことを示す数値解析結果を以下に示す。今、図２（ｂ）において、第１の半導体基板２１と第２の半導体基板２４の半導体ウェハー厚ｄは規定されている。よって、アンテナ基板厚（ｔ１＋ｔ２）＝ｄという束縛条件のもと、ｔ１／ｔ２比を変えたときのアンテナ基板厚（Substrate depth）と比帯域幅（Bandwidth）の関係を数値解析した結果を図３に示す。図３において、３１はｔ１＝０．１７ｄの場合、３２はｔ１＝０．３ｄの場合である。ここで、比帯域幅とは、設計周波数にて共振させたときにスロット孔２７からアンテナ側をみた入力インピーダンスにて規格化した値である。この入力インピーダンスが給電線のインピーダンスとずれている場合でも、給電線のマイクロストリップ線路２８にスタブや変成器を設けるといった手法を取ることで整合は可能である。

図３に示されたように、基板厚に比例して比帯域幅は大きくなることがわかる。また、ｔ１／ｔ２比が異なった場合には、ｔ１が小さいものが比帯域幅は大きい。また、本構造のアンテナは、図３に示す数値解析例では最大で１８％程度の比帯域が得られており、通常のパッチアンテナと比較して広帯域性を有する。これは、ｔ２が厚い場合は空洞部２６を主としたキャビティアンテナにおいてパッチアンテナ２３が摂動素子として動作するためと考えられる。

前記した実施の形態１のアンテナにおいて、ｔ１、ｔ２の厚みが共に大きくなるとパッチアンテナ２３のサイズが小さくなり、加工精度が厳しくなる。このときの対応策を、図４を参照に示す。図４において、図２と同様のものには同一の符号を付し、その説明は省略する。図４（ａ）、（ｂ）は図２（ａ）、（ｂ）に対応し、図４（ｃ）は、図４（ｂ）の上面からみた透視図である。図４に示すように、第１の半導体基板２１のパッチアンテナ２３のパターニングされた基板の部分に多数の孔４１を開けることにより、比誘電率が低下し整合するパッチアンテナ２３のサイズが大きくなる。このように、アンテナ基板厚が大きくなっても厳しい加工精度に設定しなくてもよい効果がある。

次に、この発明の実施の形態１に対する給電法の第２の例を、図５を参照して示す。
図５において、前記図２と同様のものには同一の符号を付し、その説明は省略する。図５（ａ）、（ｂ）は図２（ａ）、（ｂ）に対応し、図５（ｃ）は、図５（ａ）においてｂ方向からみた透視図である。図５において、６１は樹脂基板を示し、樹脂基板６１の裏面にはグランド６２が塗布され、樹脂基板６１の表面にはグランド６２とグランド２６によって構成されるトリプレート線路の信号線６３が形成されている。また、樹脂基板６１と第２の半導体基板２４とを貫通するビア６４が設けられている。このように、樹脂基板６１を設けてトリプレート線路とすると、樹脂基板６１の下に移相器や増幅器を設けた基板を積層する際に、それら回路素子への給電線路からの放射をなくすことができるという利点がある。

トリプレート線路の信号線６３は、スロット孔２７の直下よりλｇ／４程度のばして開放スタブとする。このとき、スロット孔２７の設けられたアンテナの地導体であるグランド２６とそれに平行なトリプレート線路の地導体であるグランド６２とで平行平板モードを引き起こすことを防ぐため、スロット孔２７の近傍には導通のためのビア６４を数本打つ必要がある。図の限りではなく、必要本数を最適な位置に任意に配置する。ここで、ビア６４間で共振することを防ぐため、ビア６４の間隔はλｇ／４以下でうつようにする。マイクロマシニングプロセスでは、このようなビア６４をうつことも可能である。ここで、ビア６４の最小径は基板とのアスペクト比に依存する。例えば、アスペクト比が３で基板厚みが３００μｍのとき、この基板に打つことができるビア６４の最小径は１００μｍとなる。

実施の形態２．
図６は、この発明の実施の形態２に係るアンテナ装置を示すもので、図６（ａ）、（ｂ）は図２（ａ）、（ｂ）に対応し、図６（ｃ）は図６（ｂ）の上面からみた上視図である。図６において、図２と同様のものには同一の符号を付し、その説明は省略する。第１の半導体基板２１の空洞部底面にパターニングされたパッチアンテナ２３にはストリップ線路となる給電信号線８１である導体がパターニングされて伸張され、この第１の半導体基板２１の裏面には信号線８３である導体がパターニングされ、信号線８１の端部で第１の半導体基板２１を貫通するビア８２が設けられて信号線８１と信号線８３とが導通するようになっている。また、第２の半導体基板２４の空洞部２５内部のグランド２６の側面にはコプレーナ線路８４がパターニングされ、この第２の半導体基板２４の裏面には信号線８６である導体がパターニングされ、コプレーナ線路８４の信号線と信号線８６とを導通するビア８５が設けられ、第２の半導体基板２４の裏面からの貫通構造によりコプレーナ線路８４を給電する構造となっている。なお、グランド２６には、図２に示す如くスロット孔２７は設けられていない。

次に動作について説明する。今、信号線８６からＲＦ信号が入力されると、ビア８５、コプレーナ線路８６、信号線８３、ビア８２、信号線８１を伝わってパッチアンテナ２３にＲＦ信号が到達する。実施の形態１と異なり、電磁界結合ではなく信号線によりＭＳＡに直接給電するため、前記実施の形態１ではキャビティアンテナと導波器として動作していたが、本形態ではパッチアンテナとして動作する。

前記実施の形態２のアンテナでも、実施の形態１と同様にパッチアンテナ２３下方の基板に空気孔を多数設けることで比誘電率を調整し、比帯域幅やアンテナの大きさを変えることができる。また、実施の形態１と同様に比励振素子を積層することで、広帯域化が図れる。

前記した実施の形態１〜２において、半導体基板同士の積層・接着には、金（Ａｕ）とクロム（Ｃｒ）を混合したものを基板上に塗布し圧着する方法、またははんだを塗布し熱圧着する方法が取られる。

また、前記した実施の形態１〜２において、空洞部の内部が空気で充填され封止されると、エッチングされた半導体基板の薄い層がダイアフラムとなり、気圧により空洞部の形状が変化するおそれがある。このことを防ぐには、半導体基板に微小な孔を開ければよい。

また、前記した実施の形態１〜２において、空洞部の内部には低誘電率な誘電体を充填してもよい。例として、比誘電率３．５をもつポリイミド、シリコンに空気孔をあけ硬化させ、この空気の比率を調整することで比誘電率の調整が可能なポーラスシリコンなどが挙げられる。

実施の形態３．
図７は、この発明の実施の形態３に係るアンテナ装置を示す断面図である。
図７に示すように、実施の形態３に係るアンテナ装置では、空洞部７３底面にパッチアンテナ７１がパターニングされた第３の半導体基板７２を備え、実施の形態１及び２と同様なアンテナ装置の第１の半導体基板２１上に、第１の半導体基板２１の空洞部２２の開口部が第３の半導体基板７２のパッチアンテナ７１がパターニングされていない面に対向するように、第３の半導体基板７２を積層している。

このため、パッチアンテナ７１も非励振素子として働き、その結果、さらに帯域を広げることができる。このとき、半導体基板７２の空洞部７３のサイズ、厚みを調整することによって、ビーム幅、ビームの指向性をも制御できる。

さらに、前記した実施の形態１ないし３に係るアンテナ装置をアレー化し、ビーム走査など高機能性を持たせることも可能である。

この発明の実施の形態１に係るアンテナ装置を示す図である。 この発明の実施の形態１に係るアンテナ装置への第１の給電法を説明するための図である。 この発明の実施の形態１に係るアンテナ装置の効果を示す図である。 この発明の実施の形態１に係るアンテナ装置のアンテナ基板厚が大きくなりってパッチアンテナのサイズが小さくなり、加工精度が厳しくなるときの対応策を説明するための図である。 この発明の実施の形態１に係るアンテナ装置への第２の給電法を説明するための図である。 この発明の実施の形態２に係るアンテナ装置を示す図である。 この発明の実施の形態３に係るアンテナ装置を示す図である。

符号の説明

１ 導体、２ 空洞部、３ グランド、４ 信号導体、５ 誘電体、１１、１４ 半導体基板、１２、１５ 空洞部、１３ パッチアンテナ、１６ グランド、２１、２４ 半導体基板、２２、２５ 空洞部、２６ グランド、２７ スロット孔、２８ マイクロストリップ線路、４１、４２ 孔、５１ ビア、６１ 樹脂基板、６２ グランド、６３ 信号線、６４ ビア、７１ パッチアンテナ、７２ 半導体基板、７３ 空洞部、８１ 信号線、８２、８５ ビア、８３、８６ 信号線、８４ コプレーナ線路。

Claims (5)

1. マイクロマシン技術により半導体基板の片側に作製された、空洞部底面にパッチアンテナがパターニングされた第１の半導体基板と、同様にマイクロマシン技術により半導体基板の片側に作製された、空洞部の底面を含む空洞部開口側の一部あるいは全面をグランドとなる導体によって覆われた第２の半導体基板との積層構造で構成され、
   前記第１の半導体基板は、パッチアンテナのパターニングされた面を上向きに配置し、
   前記第２の半導体基板は、空洞開口部が前記第１の半導体基板の前記パッチアンテナがパターニングされていない面に対向するように前記第１の半導体基板の下に配置した
   ことを特徴とするアンテナ装置。
2. 請求項１に記載のアンテナ装置において、
   前記第２の半導体基板の前記空洞部底面にスロット孔を設け、前記第２の半導体基板の底面に前記空洞部底面がグランドとなるマイクロストリップ線路を前記スロット孔と直交するように配置し、前記マイクロストリップ線路から前記スロット孔を介して給電する
   ことを特徴とするアンテナ装置。
3. 請求項１に記載のアンテナ装置において、
   前記第２の半導体基板の前記空洞部内部の導体上にコプレーナ線路を設け、前記第２の半導体基板の裏面からの貫通構造により前記コプレーナ線路を給電する構造と共に、前記パッチアンテナからストリップ線路を伸長し、当該ストリップ線路の端部で前記第１の半導体基板を貫通するビアを設け、前記コプレーナ線路と接続した構造とした
   ことを特徴とするアンテナ装置。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載のアンテナ装置において、
   空洞部底面にパッチアンテナがパターニングされた第３の半導体基板をさらに備え、
   前記第３の半導体基板を、前記第１の半導体基板上に当該第１の半導体基板の空洞部開口部が前記第３の半導体基板の前記パッチアンテナがパターニングされていない面に対向するように積層した
   ことを特徴とするアンテナ装置。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載のアンテナ装置を同一基板上にアレー化した
   ことを特徴とするアンテナ装置。

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