(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のメッシュ素子と少なくとも1つの放射素子とを備え、ミリメートル波長の信号で動作するように構成されたグリッドアレイアンテナであって、各メッシュ素子が、少なくとも1つの長辺と、前記少なくとも1つの長辺に動作可能に接続された少なくとも1つの短辺を含み、
前記少なくとも1つの放射素子と、
前記少なくとも1つの短辺と、
前記少なくとも1つの長辺と
のうち少なくとも1つが、アンテナ放射を向上させるためにアンテナ出力を向上させるための補償を有し、
アンテナ放射を向上させるためにアンテナ出力を向上させるための前記補償は、位相同期又はアンテナ利得のための補償を含むグリッドアレイアンテナ。
【請求項２】
前記補償が、インダクタ、キャパシタ、および共振器からなる群から選択される少なくとも1つである一体型素子を含む、請求項1に記載のグリッドアレイアンテナ。
【請求項３】
前記補償が、第1の端子および第2の端子を含む差動給電ネットワークを含み、前記第1の端子および前記第2の端子がそれぞれ、前記少なくとも1つの放射素子の端部に動作可能に接続されており、前記第1の端子および前記第2の端子が、少なくとも2分の1の管内波長だけ分離している、請求項1または請求項2に記載のグリッドアレイアンテナ。
【請求項４】
前記第1の端子および前記第2の端子が、同じ放射素子の各端部にて接続されている、請求項3に記載のグリッドアレイアンテナ。
【請求項５】
前記第1の端子が第1の放射素子の内側の端部に接続され、前記第2の端子が第2の放射素子の内側の端部に接続され、前記第1の端子および前記第2の端子が1波長半の管内波長だけ分離している、請求項3に記載のグリッドアレイアンテナ。
【請求項６】
前記補償が、前記少なくとも1つの短辺のそれぞれとそろえられた反射性の金属パッチを含むパターン化グランド板を含む、請求項1から5のいずれか一項に記載のグリッドアレイアンテナ。
【請求項７】
前記少なくとも1つの長辺と、前記少なくとも1つの短辺とが、平行四辺形の形状のメッシュ素子を形成するために、互いに対して傾いている、請求項1から6のいずれか一項に記載のグリッドアレイアンテナ。
【請求項８】
第2のグリッドアレイアンテナが、グリッドアレイアンテナに平行な第2の層を形成する、請求項1から7のいずれか一項に記載のグリッドアレイアンテナ。
【請求項９】
グリッドアレイアンテナがワイヤグリッドアレイを備え、前記第2のグリッドアレイアンテナがスロットグリッドアレイを備える、請求項8に記載のグリッドアレイアンテナ。
【請求項１０】
前記ワイヤグリッドアレイおよび前記スロットグリッドアレイが、相対的に90°回転した方向を向いており、それらの短辺が相対的にずれている、請求項9に記載のグリッドアレイアンテナ。
【請求項１１】
前記第2のグリッドアレイアンテナおよびグリッドアレイアンテナが互いに寄生している、請求項8から10のいずれか一項に記載のグリッドアレイアンテナ。
【請求項１２】
空洞が背面にあるグリッドアレイを提供するために、グランド板、およびビアのフェンスとして第3の層をさらに含む、請求項8から11のいずれか一項に記載のグリッドアレイアンテナ。
【請求項１３】
前記少なくとも1つの短辺および前記少なくとも1つの放射素子のそれぞれから垂直に突き出ているトゥースが設けられている、請求項1から12のいずれか一項に記載のグリッドアレイアンテナ。
【請求項１４】
前記短辺のそれぞれが前記少なくとも1つの放射素子の1つを含み、前記長辺のそれぞれが給電素子を含む、請求項1から13のいずれか一項に記載のグリッドアレイアンテナ。
【請求項１５】
請求項1から14のいずれか一項に記載の少なくとも2つのグリッドアレイアンテナを備えるアダプティブアレイアンテナ。
【請求項１６】
前記少なくとも1つのグリッドアレイアンテナの長辺に、傾いた角度で動作可能に接続されたDC給電ネットワークをさらに備える、請求項15に記載のアダプティブアレイアンテナ。
【請求項１７】
4つの重ね合わされた層を含み、請求項1から14のいずれか一項に記載の少なくとも1つのグリッドアレイアンテナを含むパッケージであって、第1の層がアンテナ層を含み、第2の層が第1の開口部を有し、第3の層が第2の開口部を有し、第4の層が第3の開口部を有し、第1、第2、および第3の開口部がダイ用の空洞を形成している、パッケージ。
【請求項１８】
前記第2の開口部が前記第1の開口部より大きく、前記第3の開口部が前記第2の開口部より大きい、請求項17に記載のパッケージ。
【請求項１９】
前記第1の開口部、前記第2の開口部、および前記第3の開口部が、すべてそろっている、請求項17または請求項18に記載のパッケージ。
【請求項２０】
請求項15または請求項16に記載のアダプティブアレイアンテナをさらに含む、請求項17から19のいずれか一項に記載のパッケージ。
【請求項２１】
請求項15または請求項16に記載のアダプティブアレイアンテナを含むパッケージ。
【請求項２２】
同時焼成されて重ね合わされた3つの層を含み、請求項1から14のいずれか一項に記載の少なくとも1つのグリッドアレイアンテナを含むパッケージであって、前記同時焼成されて重ね合わされた3つの層が、アンテナ層と、差動アンテナ給電トレースの少なくとも1つおよびシングルエンド給電トレースを含む給電トレースを有する第2の層と、前記給電トレースのグランドおよび信号トレースを含む第3の層とを含む、パッケージ。
【請求項２３】
前記差動給電トレースが、2つのストリップラインと、別の2つの疑似同軸ケーブルと、前記グランド板の2つの開口を貫通するビアとによってカスケード接続されている2つの疑似同軸ケーブルを含む、請求項22に記載のパッケージ。
【請求項２４】
前記給電トレースがGSGSG構成である、請求項23に記載のパッケージ。
【請求項２５】
前記シングルエンド給電トレースが、前記グランド板の1つの開口を貫通するビアによってカスケード接続された疑似同軸ケーブルを含む、請求項22に記載のパッケージ。
【請求項２６】
前記シングルエンド給電トレースがGSG構成を含む、請求項25に記載のパッケージ。
【請求項２７】
請求項15または請求項16に記載のアダプティブアレイアンテナをさらに含む、請求項22から25のいずれか一項に記載のパッケージ。
【請求項２８】
請求項22から27のいずれか一項に記載のパッケージを含む、内部に実装されるダイを収容して保護するために、開いた空洞を表面に設けたシステムプリント回路基板を含むチップスケールパッケージ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、グリッドアレイアンテナおよびグリッドアレイアンテナの一体化構造に関し、特に、限定はしないが、本発明では、ミリメートル波長の信号で使用するグリッドアレイアンテナ、およびそのようなアンテナを一体化するための構造に言及する。
【背景技術】
【０００２】
グリッドアレイアンテナは、1964年にクラウス(Kraus)によって最初に提案された。以来、いくつかの研究が行われてきたが、どれも比較的低いマイクロ波の周波数におけるものであった。図1では、基本的なグリッド構成を示す。このグリッド構成は、金属性のグランド板が背面にあり、そのグランド板の開口を貫通する金属ビアによって給電される、誘電体基板上のマイクロストリップラインの長方形メッシュからなる。メッシュの各辺の電気長に応じて、グリッドアレイアンテナは、共振型または非共振型であり得る。
【０００３】
共振型グリッドアレイアンテナの場合、誘電体においてメッシュの各辺は、1波長×半波長となるはずであり、瞬時電流は、それぞれ、メッシュの長辺では位相がずれ、メッシュの短辺では同相となる。そのため、メッシュの長辺はマイクロストリップライン素子として挙動し、短辺は放射素子およびマイクロストリップライン素子の両方として働く。この短辺によって、ボアサイト方向(boresight direction)における放射のメインローブが生み出されることになる。
【０００４】
非共振型グリッドアレイアンテナの場合には、メッシュの短辺長は3分の1波長よりもわずかに長くなり得、またメッシュの長辺長は、誘電体におけるメッシュの短辺長よりも2倍長くなるが3倍には満たないはずである。非共振型グリッドアレイアンテナが1つの端部から給電されるとすると、メッシュの短辺における電流は、後方の射角(angle-fire)方向において最大放射を生む位相の進行となる。
【０００５】
図2は、第1のサイドローブを下げるための、マイクロストリップラインのインピーダンス(またはマイクロストリップラインの幅)を調節することによる振幅調節の方法を示す。
【０００６】
グリッドアレイアンテナは、1990年代の半ばより多くの注目を集めてきた。図3(a)から図3(c)では、
(a)メッシュの長辺を「くねらせること(meandering)」と、
(b)メッシュを交差させることによるデュアル直線偏波のグリッドアレイアンテナと、
(c)メッシュの短辺を変更することによる円偏波のグリッドアレイアンテナと
による、提案されている小型グリッドアレイアンテナを示す。
【０００７】
さらに、二重層のグリッドアレイアンテナが開発されている。この二重層のグリッドアレイアンテナは、上側のグリッドアレイアンテナと下側のグリッドアレイアンテナからなり、それぞれその中央の端子から給電されて直線偏波を放射する。上側と下側のグリッドアレイアンテナは、同じ構成パラメータを有する。下側のグリッドアレイアンテナの向きは、上側のグリッドアレイアンテナの向きに対して90°回転している。この直交構成によって、両方の中央の給電端子において高いアイソレーションが得られ、一方のアンテナは水平偏波を放射し、他方のアンテナは垂直偏波を放射することになる。
【０００８】
図4では、交差メッシュアレイアンテナが示されている。円偏波の放射は、c形素子の層を交差メッシュアレイアンテナの上方に加えるか、または正確な位相差の信号で4つの端子にて交差メッシュアレイアンテナに給電することによって得られる。この給電端子は、図4(b)に示されている。
【０００９】
以前には、グリッドアレイアンテナは、シングルエンド信号に対して励振していた。また、グリッドアレイアンテナは、差動信号に対して励振することもできる。図5では、差動給電方式を示す。中央のメッシュの、1つの垂直な(放射する)辺が切り開かれ、一方の端部が正信号に接続され、他方の端部は負信号に接続されている。
【００１０】
ミリメートル波長の信号用の通常のアンテナは、リフレクタ、レンズ、およびホーンアンテナである。リフレクタアンテナの技術は、高利得の用途に向けて最高レベルの発展を遂げた。レンズアンテナは2番目に高い利得の技術であるが、ホーンアンテナでは、構造上の制約のために、利得は約30dBiまでに制限される。これらのアンテナはすべて高利得である一方、高価であり、大きいため扱いにくく、重く、またより重要なことには、ソリッドステートデバイスと一体化できないために、商用のミリ波の無線機には適していない。ミリ波の無線システムには、印刷、蒸着、またはエッチングされたアンテナアレイが用いられている。
【００１１】
多層LTCC基板上につくられる、直線偏波のミリ波60GHzアンテナアレイの使用が提案されている。これらのアンテナアレイでは、4分の1波長整合T分岐ネットワークおよびウィルキンソン(Wilkinson)パワーデバイダーネットワークによってそれぞれ給電される4×4マイクロストリップパッチ放射素子が用いられる。測定の結果では、整合T分岐ネットワークによって給電されたアンテナアレイの方が、ウィルキンソンパワーデバイダーによって給電されたアンテナアレイよりも良好に動作することが示されている。組み込み空洞(embedded cavity)を有するアンテナアレイとこれを有さないアンテナアレイとでは、測定したインピーダンス帯域幅はそれぞれ9.5%と5.8%であり、最大利得はそれぞれ18.2dBiと15.7dBiである。
【００１２】
一部のアンテナアレイは、独自のアンテナ素子と、積層導波路と、円偏波の軸比を調整する設計方法の、3つの主要な技術によって広い帯域幅を実現した。このアンテナ素子は、充填ビアホールおよび導電パターンによって形成され、広い帯域幅の特性を生む積層共振器構造を有する。測定の結果では、6×8放射素子のアレイは、-15dB未満のサイドローブレベル、19dBi周辺で1dB未満の利得変動、また4GHzを上まわる帯域幅にわたり3dB未満の軸比を有することが示されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
放射素子としてのマイクロストリップパッチおよびスロットの選択に起因して、入手可能なアンテナアレイには、要求される性能を達成するために、複雑な給電ネットワーク、高度な処理技法、および追加の組み込み空洞が必要とされる。また、差動無線機との接続が意図される場合、入手可能なアンテナアレイには、さらにより複雑になる給電ネットワークが必要とされることになる。差動無線機は、高度に一体化されたミリ波無線機において、シングルエンドの無線機よりも主流である。さらに、入手可能なアンテナアレイは、ミリ波の無線デバイスにアンテナ機能を提供している。したがって、入手可能なアンテナアレイは、コストが高く機能性が低いため、高度に一体化されたミリ波60GHz無線機用には、未だ適切でないと結論づけることができる。
【００１４】
共振型のグリッドアレイアンテナの場合には、瞬時電流がメッシュの短辺で同相になるはずであることが知られている。このように、放射要素(メッシュの短辺)の位相合わせが重要である。図8は、60GHzにおけるグリッドアレイアンテナ上の瞬時電流分布を示す。同図より、位相同期が破線の2つのバー間の放射素子において実現されているだけである点が明らかである。したがって、従来のグリッドアレイアンテナは、ミリ波の周波数において十分に動作しないことになる。ミリ波のグリッドアレイアンテナに向けた位相補償方式が考案されなければならない。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
例示的態様によれば、複数のメッシュ素子と少なくとも1つの放射素子とを備え、ミリメートル波長の信号で動作するように構成されたグリッドアレイアンテナが提供され、各メッシュ素子は、少なくとも1つの長辺と、この少なくとも1つの長辺に動作可能に接続された少なくとも1つの短辺を含み、
少なくとも1つの放射素子と、
少なくとも1つの短辺と、
少なくとも1つの長辺と
のうち少なくとも1つは、アンテナ放射を向上させるためにアンテナ出力を向上させるための補償を有する。
【００１６】
この補償は、インダクタ、キャパシタ、および共振器から選択される少なくとも1つである一体型素子を含むことができる。この補償は、第1の端子および第2の端子を含む差動給電ネットワークを含むことができる。第1の端子および第2の端子はそれぞれ、少なくとも1つの放射素子の端部に動作可能に接続され得る。第1の端子および第2の端子は、少なくとも2分の1の管内波長だけ分離することができる。第1の端子および第2の端子は、同じ放射素子の各端部にて接続することができ、または、第1の端子は、第1の放射素子の内側の端部に接続することができ、また第2の端子は、第2の放射素子の内側の端部に接続することができる。第1の端子と第2の端子は、1波長半の管内波長だけ分離することができる。この補償は、少なくとも1つの短辺のそれぞれとそろえられた反射性の金属パッチを含むパターン化グランド板を含むことができる。少なくとも1つの長辺と、少なくとも1つの短辺とが、平行四辺形の形状のメッシュ素子を形成するために、互いに対して傾いていてもよい。第2のグリッドアレイアンテナは、グリッドアレイアンテナに平行な第2の層を形成することができる。グリッドアレイアンテナはワイヤグリッドアレイを備えることができ、第2のグリッドアレイアンテナはスロットグリッドアレイを備えることができる。ワイヤグリッドアレイおよびスロットグリッドアレイは、相対的に90°回転した方向を向いていてよく、それらの短辺は相対的にずれている。第2のグリッドアレイアンテナおよびグリッドアレイアンテナは互いに寄生(parasitic)していてもよい。グリッドアレイアンテナは、空洞が背面にあるグリッドアレイを提供するために、グランド板、およびビアのフェンスとして第3の層をさらに含むことができる。少なくとも1つの短辺および少なくとも1つの放射素子のそれぞれから垂直に突き出ているトゥース（tooth）を設けることができる。短辺のそれぞれは、少なくとも1つの放射素子の1つを含むことができ、長辺のそれぞれは、給電素子を含むことができる。
【００１７】
別の例示的態様によれば、上記の少なくとも2つのグリッドアレイアンテナを備えるアダプティブアレイアンテナが提供される。このアダプティブアレイアンテナは、少なくとも1つのグリッドアレイアンテナの長辺に、傾いた角度で動作可能に接続されたDC給電ネットワークをさらに備えることができる。
【００１８】
さらなる例示的態様によれば、4つの重ね合わされた層を含み、上記の少なくとも1つのグリッドアレイアンテナを含むパッケージが提供され、第1の層はアンテナ層を含み、第2の層は第1の開口部を有し、第3の層は第2の開口部を有し、第4の層は第3の開口部を有し、第1、第2、および第3の開口部はダイ用の空洞を形成している。
【００１９】
第2の開口部は第1の開口部より大きくてもよく、第3の開口部は第2の開口部より大きくてもよい。第1の開口部、第2の開口部、および第3の開口部は、すべてそろっていてもよい。パッケージは、上記のアダプティブアレイアンテナをさらに含むことができる。
【００２０】
よりさらなる例示的態様によれば、上記のアダプティブアレイアンテナを含むパッケージが提供される。
【００２１】
最後から2番目の例示的態様によれば、同時焼成されて重ね合わされた3つの層を含み、上記の少なくとも1つのグリッドアレイアンテナを含むパッケージが提供され、同時焼成されて重ね合わされた3つの層は、アンテナ層と、差動アンテナ給電トレースの少なくとも1つおよびシングルエンド給電トレースを含む給電トレースを有する第2の層と、給電トレースのグランドおよび信号トレースを含む第3の層とを含む。
【００２２】
差動給電トレースは、2つのストリップラインと、別の2つの疑似同軸ケーブルと、グランド板の2つの開口を貫通するビアとによってカスケード接続されている2つの疑似同軸ケーブルを含むことができる。給電トレースは、GSGSG構成であってもよい。シングルエンド給電トレースは、グランド板の1つの開口を貫通するビアによってカスケード接続された疑似同軸ケーブルを含むことができる。シングルエンド給電トレースは、GSG構成を含むことができる。このパッケージは、上記のアダプティブアレイアンテナをさらに含むことができる。
【００２３】
最後の例示的態様によれば、上記のパッケージを含む、内部に実装されるダイを収容して保護するために、開いた空洞(open cavity)を表面に設けたシステムプリント回路基板を含むチップスケールパッケージが提供される。
【００２４】
本発明を十分に理解し、容易に実施することができるように、添付の実例となる図面を参照して、例示的であるにすぎない実施形態を非限定的な例として次に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】従来技術のグリッドアレイアンテナの(a)上面図および(b)底図面である。
【図２】振幅調節された状態の、従来技術のグリッドアレイアンテナの図である。
【図３】従来技術の3つのグリッドアレイアンテナに関係する3つの図である。
【図４】従来技術の交差メッシュアレイアンテナおよびその給電端子の図である。
【図５】従来技術のグリッドアレイアンテナおよびその差動給電システムの図である。
【図６】従来技術のアンテナアレイおよびそのアンテナアレイの異なる給電ネットワークの図である。
【図７】従来技術のアンテナアレイの、(a)その内部構造を含む図および(b)第1の給電線上のアンテナ素子を含む図である。
【図８】従来技術のグリッドアレイアンテナにおける瞬時電流分布の図である。
【図９】インダクタを用いた位相補償に関する例示的実施形態の図である。
【図１０】キャパシタを用いた例示的実施形態の図である。
【図１１】45°直線偏波のグリッドアレイアンテナの例示的実施形態の図である。
【図１２】多重層を用いた小型グリッドアレイアンテナの例示的実施形態の図である。
【図１３】円偏波のグリッドアレイアンテナの例示的実施形態の図である。
【図１４】(a)従来のメッシュ状グランド板および(b)グランド板の例示的実施形態の図である。
【図１５】(a)ワイヤグリッドアレイを有する、(b)スロットグリッドアレイを有する、および(c)断面状態の二重層のグリッドアレイアンテナの例示的実施形態の図である。
【図１６】差動給電システムの2つの例示的実施形態に関係する2つの図である。
【図１７】図16(b)のアンテナにおける瞬時電流分布の図である。
【図１８】グリッドアレイアンテナ素子の例示的実施形態を用いた、DC給電ネットワークの一部としての例示的アダプティブアレイアンテナの図である。
【図１９】ワイヤボンディングによる相互接続のためのボールグリッドアレイを有する例示的グリッドアレイアンテナの分解斜視図である。
【図２０】図19のアンテナ給電構造の拡大図である。
【図２１】デュアルグリッドアレイアンテナを有する例示的チップスケールパッケージの(a)上面図および(b)底図面である。
【図２２】図21のアンテナ給電構造の拡大図である。
【図２３】システムプリント回路基板と共に組み立てられているグリッドアレイアンテナの例示的実施形態の概略側面図である。
【図２４】図19および図20の例示的実施形態に対する(a)S11、(b)利益および(c)放射パターンの、シミュレーションによる性能を示す図である。
【図２５】図21および図22の例示的実施形態に対するシミュレーションによる性能を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
説明全体を通じて、共通の参照番号は同じ構成要素に対して用いられており、接頭部の番号は図面の図番号である。
【００２７】
図8に関しては、放射要素の位相は、2つのバーの外側にあるメッシュの長辺と短辺の両方の電気長を変更することによって調整可能である。また、給電要素と放射要素の位相はどちらも、移相器または増幅器を用いることによって補償可能である。例えば、位相と振幅の両方を補償するために反転増幅器を用いることができる。インダクタまたはキャパシタまたは共振器は、受動移相器と考えることができる。ディスクリートのチップ型インダクタ、またはキャパシタ、または共振器の使用を除けば、一体型の素子を用いることが好ましい。単一層のグリッドアレイアンテナ900に対する一体型のインダクタの使用が、図9に示されている。アンテナ900は、短辺904および長辺912を含む素子またはメッシュ902を有する。短辺の1つまたは複数904は放射素子である。放射素子の1つまたは複数904は、一体型のインダクタ906または908を有する。長辺912は給電素子である。長辺/給電素子912の1つまたは複数が、一体型のインダクタ906または共振器908を有することもできる。多層または積層インダクタを使用することができる。さらに、短辺904の1つまたは複数は放射素子でもあり得る。単一層のグリッドアレイアンテナ1000に対する一体型のキャパシタ1010の使用が、図10に示されている。ここでも同様に、多層または積層キャパシタを使用することができる。
【００２８】
図9および図10に示されている一体型のインダクタ906とキャパシタ1010の組合せによって、一体型の共振器がもたらされることになる。
【００２９】
EMシミュレータを使用して設計に関係する位相状態を把握した後、位相の調整が必要な場所に位相調整器を加えることができる。
【００３０】
上記の位相補償に加えて、反対の方向から近づく車からの直交偏波の放射がレーダーの動作に影響を及ぼさない場合、45°直線偏波の使用をミリメートル波長のカーレーダー用途に用いることができる。図11は、45°直線偏波のグリッドアレイアンテナ1100を示し、このうちメッシュ1102の長辺1112と短辺1104の間の角度は45°/135°となり、平行四辺形のメッシュ1102を形成する。しかし、必要または所望に応じて他の角度を用いてもよい。
【００３１】
図12は、小型グリッドアレイアンテナ1200を示し、このうち長辺1212は、段をつけられており、また短辺1204は、多層金属構造において湾曲している。この湾曲によって、メッシュ1202の短辺1204の大部分がグランド板1214から離され、それによって放射が向上し得る。短辺1204は、第1の層1216内にあってよく、長辺1212は、2つの異なる層1218、1220内にあってよい。層1216、1218、および1220は、例えば公知の印刷技法によってつくられた、同じ層上の金属ラインを使用することによって接続することができる。異なる層上の金属ラインは、金属ビアを使用することによって接続することができる。
【００３２】
図13は、円偏波のグリッドアレイアンテナ1300を示す。メッシュ1302のそれぞれの短辺1304および放射素子1305は、追加されたトゥース(tooth)1322を有する。各トゥース1322は、全般に短辺1304および放射素子1305に垂直に伸びている。すべてのトゥース1322は、それぞれの短辺1304および放射素子1305に対して同じ方向に向いている。トゥース1322の位置は、トゥース上の電流が、トゥース1322が接続されている短辺1304または放射素子1305の電流に対して90°の位相差を有することを意味している。トゥース1322の幅は、トゥース上の電流が、トゥース1322が接続されている短辺1304または放射素子1305の電流と同じ振幅を有するように調整することができる。それぞれのトゥース1322は、短辺1304の半分の長さである約4分の1の管内波長の長さとなるものであってよい。図13に示されているグリッドアレイアンテナ1300は、右円偏波を与える。トゥース1322をそれぞれの短辺1304および放射素子1305に対して180°回転させると、左円偏波が得られることになる。
【００３３】
一般に、グリッドアレイアンテナには、中実で平らなグランド板が用いられる。グランド板が、湾曲しているかもしくは波形であってもよく、また周辺長が2分の１波長未満の穴もしくは穿孔を有するスクリーンもしくはグリッドであってもよいことが提案されている。穴は、2分の１波長よりもはるかに小さい周辺長を有することが好ましい。機械的な信頼性が要求されるメッシュ状グランド板は、構造的には穿孔されたグランド板と同様である。図14aには、従来技術のメッシュ状グランド板が示されている。このグランド板は、共振周波数を下方にシフトし、インピーダンス帯域幅を広げ、またアンテナ利得を下げる。図14bに示されている例示的パターン化グランド板は、共振周波数を下方にシフトし、インピーダンス帯域幅を広げ、アンテナ利得ペナルティ(antenna gain penalty)においてペナルティを低減させる。これは、メッシュ1402の短辺1404が放射素子であることによる。金属パッチ1424は、電磁場の後方への漏れを低減することができるように、短辺1404の下にあってリフレクタとして働くメッシュ状グランド板1414に加えられる。そのため、アンテナ利得ペナルティが低減する。
【００３４】
多層構造のアンテナにはサイズ面の利点がある。しかし、公知である二重層のグリッドアレイアンテナは、上側と下側のグリッドアレイアンテナが同じ構成パラメータを有するために、この利点を十分に与えていない。しかし、下側のグリッドアレイアンテナの向きは、上側のグリッドアレイアンテナの向きに対して90°回転している。図15は、ワイヤグリッドアレイの放射素子1528を含む上側の層1526と、スロットグリッドアレイの放射素子1532を有する下側の層1530とを有する2層のグリッドアレイアンテナ1500を示す。第3の層1514はリフレクタとして機能する。また下側の層1530は、ワイヤグリッドアレイアンテナとしての、ワイヤグリッドアレイの放射素子1528用のグランド板としても機能する。リフレクタ1514は、スロットグリッドアレイアンテナとしての、下側のスロットグリッドアレイの放射素子1532と共に動作する。さらに、ビアのフェンス1534を用いて、下側の層1530におけるグランドを底部のリフレクタ層1514に接続することによって、スロットグリッドアレイの放射素子1532の下に疑似空洞が形成される。これによって、空洞が背面にあるスロットグリッドアレイアンテナが得られる。上側のワイヤグリッドアレイ1528のアンテナと、下側のスロットグリッドアレイ1532のアンテナとは、互いに寄生している。二重層のグリッドアンテナ1500の偏波は、相互の向きに依存する。図15に示されている向きの場合、ワイヤグリッドアレイ1528のアンテナとスロットグリッドアレイ1532のアンテナはどちらも、同じ直線偏波を放射する。しかし、ワイヤグリッドアレイ1528またはスロットグリッドアレイ1532が90°回転し、ワイヤグリッドアレイ1528とスロットグリッドアレイ1532の両方のメッシュ1502の短辺1504が、あたかもずれがないかのようにずれると、スロットグリッドアレイの放射はワイヤグリッドアレイによってブロックされることになる。ずれはまた、疑似空洞への放射の漏れが減ると、ワイヤグリッドアレイアンテナの放射を強める場合がある。このように、一方は水平直線偏波を放射し、他方は垂直直線偏波を放射する。ずれが放射を劣化させることはない。必要または所望に応じて、90°以外の角度を使用することもできる。
【００３５】
図5に示されているように、公知の差動給電構造では、中央の放射素子505が切断される。2つの給電端子が接近しているため、アイソレーションは不十分である。また、励振効率が良好ではない。図16は、2つの差動給電端子の位置を示す。図16(a)では、差動給電端子1636が中央の放射素子1605の各端部に接続されており、2分の1の管内波長だけ離れている。図16(b)では、差動給電端子1638が、2つの異なる放射素子1605のより幅のある両端部に接続されており、1波長半の管内波長だけ離れている。2つの端子1636または1638は、少なくとも2分の1の管内波長だけ分離されている。このように、アイソレーションは良好であり、また励振効率も同様である。
【００３６】
図17は、図16(b)による差動動作用に給電された、グリッドアレイアンテナ1700上の瞬時電流の分布を示す。差動給電は、より多くのメッシュ素子1702の間で、より良好な位相同期をもたらしている。
【００３７】
グリッドアレイアンテナは、アダプティブアレイアンテナまたはビーム切替アレイアンテナを設計するための基本素子として使用することができる。図18では、例えば、高度に一体化された無線機に使用するアダプティブアレイアンテナ用のグリッドアレイアンテナ素子1800の使用を示す。グリッドアレイアンテナ素子1800は、広いインピーダンス帯域幅を有し、またDC結合に適している。例えば、DC信号は、図18に示されているように、メッシュ1802の長辺1812の中央から容易に供給することができる。DCライン1840は、高い周波数の信号に対して高いインピーダンスを有するはずであり、またアンテナ放射に対する影響を最小限にするために、長辺1812に対して傾けられていることが好ましい。傾斜角は40°から50°の範囲とすべきである。
【００３８】
図19および図20では、ワイヤボンディングによる相互接続用の、ボールグリッドアレイ1968のパッケージにおいて、グリッドアレイアンテナ1900を一体化する第1の方法が示されている。このパッケージは、標準的なワイヤボンディングを特徴としており、このパッケージ用に4つの層が重ね合わされている。第1の層1950はアンテナ層であり、図示されていないアンテナがその下にある。グランド板1914が、アンテナ給電用の給電ビア1964と同様に示されている。第2の層1952は開口部1954を有し、第3の層1956はわずかにより大きい開口部1958を有する。第4の層1960は、最も大きい開口部1962を有する。3つの開口部1954、1958、および1962は、すべてそろっている。第2の層1952および第3の層1956のトレースは図示されていない。開口部1954、1958、および1962は、無線用のダイを収容することができる3層の空洞を形成する。
【００３９】
さらに、パッケージ用に5つの金属性の層がある。第1の層はグリッドアレイアンテナ1900を形成し、第2の層は、部分的にメッシュ状のアンテナグランド板1914用である。次の2つの金属層は、第2の層1952および第3の層1956内にあり、一方はアンテナ給電のトレース用であり、他方は信号のトレース用である。最後の金属層は、パッケージのグランド板1970、ならびにはんだボールパッド1968用である。
【００４０】
図21には、フリップチップボンディング用のチップスケールパッケージのデュアルグリッドアレイアンテナ2100(一方のアンテナ2100は送信用であり、他方のアンテナ2100は受信用)を一体化する別の方法が示されている。このパッケージ用に、同時焼成された3つの層が重ね合わされている。頂部のアンテナ層2172は単一層であり、底部の層2174は重ね合わされた2つの層を含む。さらに、パッケージ用に4つの金属性の層がある。頂部の層2172は、デュアルグリッドアレイアンテナ2100およびパターン化グランド板2114を有する。第2の層2174は、差動アンテナ給電トレース2176およびシングルエンド給電トレース2178を有し、第3の層は、アンテナ給電トレースのグランド、および信号トレース(図示せず)を有する。ダイは、信号トレースにフリップチップボンディングされる。
【００４１】
図22は、デュアルグリッドアレイアンテナ2100の給電ネットワークを示す。デュアル給電トレース2126に関して、図22(a)は2つの疑似同軸ケーブルを示し、この疑似同軸ケーブルは、まず2つのストリップラインによってカスケード接続され、次いで別の2つの疑似同軸ケーブル、そして最後にGSGSG構成におけるグランド板の2つの開口を貫通するビアによってカスケード接続されている。シングル給電トレース2178に関して、図22(b)は、GSG構成におけるグランド板の1つの開口を貫通するビアによってカスケード接続されている疑似同軸ケーブルを示す。GSGおよびGSGSG構成は、潜在的な電磁妨害を最小限にするだけでなく、給電性能を改善する。GSGおよびGSGSG給電ネットワークは、グリッドアレイアンテナ2100と共に設計される。
【００４２】
図23は、チップスケールパッケージのアンテナと、システムプリント回路基板(PCB)2380 との組立てを示す。ダイ2386を収容して保護するために、開いた空洞2382がPCB2380の頂部表面2384に形成されている。チップパッケージ2390からパッケージ2390を通してPCB2380に相互接続するために、チップパッケージ2390上のランド2388がPCB2380にはんだ付けされる。
【００４３】
ワイヤボンディング技法は、家庭用電化製品においては十分に確立されている。ボンドワイヤは、周波数またはボンドワイヤの長さが増すと、急激に損失を増大させることになる直列のインダクタとして機能する。フリップチップ技法を用いる相互接続は、バンプの高さがボンドワイヤの長さよりも低く維持され、またバンプの直径がボンドワイヤの直径よりも大きいため、ワイヤボンディング技法を使用するよりも良好な性能を有する。
【００４４】
共振型と非共振型のグリッドアレイアンテナはどちらも多くの用途に有用であるが、開示した共振型のグリッドアレイアンテナは、ミリメートル波長の信号用のものである。設計によって、誘電体基板の寸法、メッシュの数、マイクロストリップラインのインピーダンス、また金属ビアおよび開口に関連した直径に関係する励振位置が決定される。グリッドアレイアンテナは、恐らく例えば、10dBi以上の最大利得で61.5GHzの運用が可能である。インピーダンスおよび放射帯域幅は7GHzである。効率は、IEEE802.15.3cの標準的な運用に対して80%以上となり得る。
【００４５】
図24および図25は、図19および図21の2例に関する、シミュレーションによる性能を示す。
【００４６】
上記の説明において例示的実施形態を記載したが、設計、構築、および/または動作の細部における変更が本発明から逸脱することなくなされ得ることが、当業者によって理解されるであろう。
【符号の説明】
【００４７】
505  中央の放射素子
900  単一層のグリッドアレイアンテナ
902  メッシュ
904  短辺
906  一体型インダクタ
908  共振器
912  長辺
1000  単一層のグリッドアレイアンテナ
1010  一体型キャパシタ
1100  45°直線偏波のグリッドアレイアンテナ
1102  メッシュ
1104  短辺
1112  長辺
1200  小型グリッドアレイアンテナ
1202  メッシュ
1204  短辺
1212  長辺
1214  グランド板
1216  第1の層
1218  層
1220  層
1300  円偏波のグリッドアレイアンテナ
1302  メッシュ
1304  短辺
1305  放射素子
1322  トゥース
1414  メッシュ状グランド板
1424  金属パッチ
1500  2層のグリッドアレイアンテナ
1502  メッシュ
1504  短辺
1514  リフレクタ
1526  上側の層
1528  ワイヤグリッドアレイ
1530  下側の層
1532  スロットグリッドアレイ
1534  ビアのフェンス
1605  放射素子
1636  差動給電端子
1638  差動給電端子
1700  グリッドアレイアンテナ
1702  メッシュ素子
1800  グリッドアレイアンテナ素子
1802  メッシュ
1812  長辺
1840  DCライン
1900  グリッドアレイアンテナ
1914  グランド板
1950  第1の層
1952  第2の層
1954  開口部
1956  第3の層
1958  開口部
1960  第4の層
1962  開口部
1964  給電ビア
1968  ボールグリッドアレイ
1968  はんだボールパッド
1970  グランド板
2100  デュアルグリッドアレイアンテナ
2126  デュアル給電トレース
2172  頂部アンテナ層
2174  底部の層
2176  差動アンテナ給電トレース
2178  シングルエンド給電トレース
2178  シングル給電トレース
2380  システムプリント回路基板
2382  開いた空洞
2384  頂部表面
2386  ダイ
2388  ランド
2390  チップパッケージ
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１（ａ）】
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【図２１（ｂ）】
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【図２２（ａ）】
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【図２２（ｂ）】
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【図２３】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図１４】
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【図２４】
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【図２５】
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