(57)【要約】【課題】  従来のマイクロストリップアンテナは、機械加工によって作られるのでミリ波帯域用に小型化するのは困難であり、またコスト高となっていた。【解決手段】  本発明のマイクロストリップアンテナは、シリコン基板に設けた凹部とガラス基板を貼り合せ、凹部によって生じた空隙を誘電体層として利用している。そのため、給電線のインピーダンスをシリコンの誘電率と空気層（空隙）とによって調整できるため、効率的な給電が可能となる。また、半導体プロセス技術を利用することによって微細加工が可能となるので、ミリ波帯域用のアンテナが安価に提供できる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一誘電体基板と、
該第一誘電体基板の表面に配置された放射導体と、
前記第一誘電体基板の裏面に、前記放射導体に対応して設けられた凹部と、
前記第一誘電体基板の裏面と接地導体を介して接合される表面を有する第二誘電体基板と、
該第二誘電体基板の裏面に給電導体とを備え、
前記放射導体と前記給電導体とを電気接続する導体であって、前記凹部と前記第二誘電体基板とが成す空隙中に立設された給電用導体部を有するマイクロストリップアンテナ。
【請求項２】
第一誘電体基板裏面に設けられた凹部の開口部周囲の壁面に接地用の導体を設けた請求項１に記載のマイクロストリップアンテナ。
【請求項３】
第一誘電体基板に放射導体を形成する工程と、
前記第一誘電体基板の裏面に、前記放射導体に対応して凹部を形成する工程と、
前記凹部に開口部を設けて前記放射導体と結線するための第一配線を形成する工程と、
第二誘電体基板の表面と裏面とを結ぶ開口部を設ける工程と、
該第二誘電体基板の裏面の前記開口部に給電導体を配置する工程と、
前記第一誘電体基板の裏面と前記第二誘電体基板の表面とを張り合わせて接合する工程と、
溶融はんだを前記第二誘電体基板の開口部を通過させて打ち込み、前記第一配線上にはんだを成長させて給電用導体部を形成する工程を有したマイクロストリップアンテナの製造方法。
【請求項４】
請求項１または請求項２に記載のマイクロストリップアンテナを複数並べてアレイアンテナを形成し、該アレイアンテナの下部に高周波信号の制御用モジュールを接続したマイクロストリップアンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ波帯あるいはミリ波帯で用いるマイクロストリップアンテナとその製造方法及び同アンテナを用いた装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来におけるマイクロストリップアンテナとしては、例えば特許文献１が知られており、同文献中に示されるように誘電体基板の表面には放射導体が形成され、裏面には接地導体が形成されていた。また、同軸ケーブルが誘電体基板の裏面に設けられた給電コネクタに接続され、さらに同軸ケーブルの給電線（芯線）は誘電体基板を貫通して表面側の放射導体に接続されていた。また、同軸ケーブルの接地線（外側導体）は誘電体基板の裏面側にある接地導体に接続されていた。誘電体基板としては、誘電体損失の低いフッ素系樹脂のファイバなどが多用されていた。このような形態を有するアンテナは、マイクロストリップアンテナと呼ばれ、レーダ、移動体通信等の分野で広く使われていた。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２-３６８５３０号公報（第２項、第２図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述したアンテナが扱う電波の帯域が高周波帯域に移行していくと、扱う電波の波長は短くなりそれに応じて送受信を行うアンテナの大きさも必然的に小さくしなければならない。例えば、アクティブフェーズド・アレイアンテナでは、数個から数百個のアンテナ素子が平面内に実装されるが、一つのアンテナ素子のサイズは、アンテナとして使用する電波の半波長以下にする必要がある。今後需要が見込まれるミリ波帯域の通信技術分野において、アクティブフェーズド・アレイアンテナを実現するには、アンテナ素子を数mmサイズに加工する必要がある。然しながら、従来の機械加工によって作られるマイクロストリップアンテナでは加工精度の上で上述のような小サイズは困難であり、またコスト高となっていた。
【０００５】
そこで、本発明は、高周波数帯で使用されるマイクロストリップアンテナを安価に提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のマイクロストリップアンテナは、第一誘電体基板の表面に放射導体を配置し、第一誘電体基板の裏面には放射導体に対応した位置に凹部を設け、更に第一誘電体基板の裏面は、接地導体を介して第二誘電体基板の表面と接合されており、第一誘電体基板の凹部と第二誘電体基板とによって空隙を形成している。また、この空隙中には給電用導体部が立設されており、第二誘電体基板の裏面に設けられた給電導体と放射導体とを電気接続していることを特徴としている。
【０００７】
また、本発明のマイクロストリップアンテナの製造方法は、一方において、第一誘電体基板に放射導体を形成する工程と、その裏面に放射導体に対応した位置に凹部を形成する工程と、その凹部に開口部を設け更に放射導体と結線するための第一配線を形成する工程を有する。また、他方において、第二誘電体基板の工程は、第二誘電体基板の表面と裏面とを結ぶ開口部を設ける工程と、その第二誘電体基板の裏面の開口部に給電導体を配置する工程を有する。その後の工程において、第一誘電体基板の裏面と第二誘電体基板の表面とを張り合わせて接合する工程を行い、溶融はんだを前述の第二誘電体基板の開口部を通過させて打ち込み、第一配線上にはんだを成長させて給電用導体部を形成する工程を有したマイクロストリップアンテナの製造方法である。
【０００８】
更に、本発明のマイクロストリップアンテナ装置は、本発明のマイクロストリップアンテナを複数用いたアレイアンテナであってアレイアンテナの下部に高周波信号の制御用モジュールを接続したマイクロストリップアンテナ装置である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明のマイクロストリップアンテナによれば、マイクロストリップアンテナの小型化が実現でき、放射効率が良好な高周波帯域のマイクロストリップアンテナが安価に実現できる。
【００１０】
また、本発明のマイクロストリップアンテナの製造方法によれば、溶融はんだを打ち込む手法を採用するので、アンテナを数mmサイズに加工することも可能であり、小サイズのアンテナを低コストで製造できる。
【００１１】
更に、本発明のマイクロストリップアンテナ装置は、アレイ化されたアンテナの下面には高周波信号を制御あるいは合成する信号処理のためのモジュールを接合したので、小サイズのアレイアンテナ装置を低コストで製造できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
実施の形態１.
図１は、本発明の実施の形態１におけるマイクロストリップアンテナの構造を示す斜視図である。また、図２は、図１で示したマイクロストリップアンテナの分解図を示している。図３は、図１中のＡ−Ａ断面線に沿った断面図である。まず、実施の形態１のマイクロストリップアンテナの構造について、図面を参照しつつ説明する。
【００１３】
本実施の形態１のマイクロストリップアンテナは、図１に示すように第一誘電体基板１０と第二誘電体基板２０を貼り合わせた構造となっている。第一誘電体基板１０と第二誘電体基板２０をそれぞれ所定の段階まで加工し、両者を張り合わせて一体化する。図２は、一体化直前の状態を示している。なお、詳細は後述するが、本実施の形態１のアンテナは、第一誘電体基板１０と空気層（第一誘電体基板１０に設けた凹部１１による空隙）とから成る二層の誘電体層を利用している。そのため、第一誘電体基板１０は空気層と誘電率が異なれば良いことになるが、実際は使用高周波の帯域と比誘電率等の物性を考慮してシリコン基板を用いている。また、シリコン基板はドープ量によって抵抗率を調整し半絶縁性基板とすることができ、さらに、半導体プロセス技術を利用できるので微細加工が可能であり好ましい。また、第二誘電体基板２０は絶縁性であればよく、加工の容易性からガラス基板が好ましい。
【００１４】
実施の形態１のマイクロストリップアンテナの構造について図３を用いて説明する。第一誘電体基板１０は、基板の裏面に凹部１１を有し、第一誘電体基板１０の表面には放射導体１３が形成されている。また、放射導体１３は凹部１１の底面と対向する位置に配置されている。さらに、放射導体１３は凹部底面の第一誘電体基板１０に設けた貫通配線１４を介して凹部底面に配置した導体パターン１５に接続されている。なお、図３中において示した凹部１１の深さｈ１と基板の残し厚ｈ２は、第一誘電体基板１０の等価比誘電率が最適化されるように設計している。即ち、マイクロストリップアンテナの放射特性は、誘電体膜及び凹部１１の形状、これらの比誘電率、誘電正接（ｔａｎδ）及び導体パターン１５の導電率とにより求められるので、これらを勘案して、所望の特性インピーダンス（マイクロ波やミリ波の周波数領域では、通常５０Ω）を得られるように最適な形状を選択する。
【００１５】
第二誘電体基板２０は、二つの貫通孔１２ａ、１２ｂを有し、第一誘電体基板１０と接合する側の面には接地導体２１が配置され、一方の貫通孔１２ａを介して裏面側の接地導体２５と接続されている。また、他方の貫通孔１２ｂは後述する給電用導体部２３と接続するためのものであり、貫通孔１２ｂを介して裏面側の給電導体２２と接続されている。また、接地導体２１と給電導体２２とは、互いに分離され絶縁されている。また、各貫通孔には金属が埋め込まれ（埋め込み導体２４ａ、２４ｂ）、各貫通孔で必要とされる電気的接続を確実にしている。図３においては、第一誘電体基板１０と接合する側の面の接地導体２１には円形の開口部１６があり、その中央部に給電用導体部２３が立設されている。なお、上記説明では、貫通孔は２つと説明したが、例えば接地を確実にするために接地導体２１用の貫通孔を増やしても良い。
【００１６】
図３において、第一誘電体基板１０の導体パターン１５と第二誘電体基板２０の貫通孔１２ｂは対向した位置関係にあり、両者は給電用導体部２３を介して導体パターン１５と給電導体２２とは電気的に接続されている。すなわち、給電用導体部２３は、給電導体２２と接続された貫通孔１２ｂの直上に立設されており、導体パターン１５に接続されている。また、給電用導体部２３は第一誘電体基板１０の凹部１１の周囲の壁面１７から離れた位置にあり、第一誘電体基板１０とは直に接触していない。また、第一誘電体基板１０の凹部１１と第二誘電体基板２０とによって空隙を形成しており、第二誘電体基板２０上の接地導体２１上には、厚みｈ１の空気層と厚みｈ２のシリコン層とからなる誘電体層が存在することになる。上述の厚みｈ１またはｈ２を設計することによって、高周波数領域で所望の特性インピーダンスを得ることが可能となる。
【００１７】
次に、本実施の形態１のマイクロストリップアンテナの動作を説明する。
電波放射に必要な電力は、外部の給電線（図示せず）に接続された給電導体２２より供給され、埋め込み導体２４ｂを介して給電用導体柱２３へと送られ、更に、導体パターン１５、貫通配線１４、放射導体１３の順番で供給される。また、接地導体２５は埋め込み導体２４ａを介して接地導体２１と接続されて接地されているので、放射導体１３と接地導体２１との間に電界が誘発され、各導体間の端部に相当する開放境界ではフリンジング電界を含む放射電界によって波源が形成され、その結果として電波を外部へ放射することができる。
【００１８】
本実施の形態１のマイクロストリップアンテナは、上述のような構造のため以下のような利点を有している。
（１）放射導体１３を配置した第一誘電体基板１０の裏面には微細な凹部１１が形成され、その凹部１１の深さはアンテナの放射特性に影響する等価比誘電率が最適となるように決められるが、その凹部１１はマイクロマシン技術を用いて加工できるので精度が高くできる。また、後述する溶融はんだ吐出供給法で本凹部１１内に微小な給電用導体部２３を形成するため、アンテナの小型化が実現でき、放射効率が良好な高周波の帯域のマイクロストリップアンテナが実現できる。
（２）第一誘電体基板１０にはシリコン、第二誘電体基板２０にはガラス基板などの安価な材料を用いることができ、低コストでマイクロストリップアンテナを提供できる。
（３）半導体で用いられているウエハ単位で複数の素子を作成するプロセス技術を用いれば、アンテナ素子を一括作製できるため、マイクロストリップアンテナのアレイ化も容易に行なえる。そのため、アクティブフェーズド・アレイアンテナを低コストで提供できる。
【００１９】
以下、本実施の形態１のマイクロストリップアンテナの作製方法について、図４および図５を用いて説明する。これらの図は、図１中のＡ−Ａ断面線に沿った断面を工程順にしたがって見た図である。図４中に示した(ａ)から(ｄ)までは第一誘電体基板１０の作製手順を示し、同図中(ｅ)から(ｇ)までは第二誘電体基板２０の作製手順を示す。また、図５中に示した(ｈ)から(ｌ)は第一誘電体基板１０と第二誘電体基板２０とを貼り合わせた後の工程を順に示している。
【００２０】
最初に、第一誘電体基板側の作製手順について図４を用いて説明する。なお、第一誘電体基板１０の材質は、シリコン基板である。
図中(ａ)では、第一誘電体基板１０の表面に例えば金などの良導体を成膜し、フォトリソグラフィー技術とイオンビームエッチング技術によって放射導体１３パターンを形成する。次に図中(ｂ)では、まず、第一誘電体基板１０の裏面に形成されているシリコン酸化膜３０をフォトリソグラフィー技術と反応性イオンエッチングによって所望のシリコン酸化膜３０のパターンに形成する。次に、これをマスクとして、水酸化カリウムなどのアルカリ水溶液を用いた異方性エッチングによって所望の深さの凹部１１を形成する。次に、図中(ｃ)では、貫通孔１２を形成するために、まずフォトリソグラフィー技術を用いて、貫通孔１２に相当する位置のみを開口したフォトレジスト３１によるマスクを形成する。次に、反応性イオンエッチングによるシリコンエッチングによって開口し、貫通孔１２を形成する。この工程の最後にフォトレジス３１のマスクを除去する。次に、図中(ｄ)では、導体パターン１５および貫通配線１４を形成する。これらの形成方法は、まず、クロム、ニッケル、金の順番で金属膜を積層し（即ち、Au/Ni/Cr/シリコン基板の積層構造）、フォトリソグラフィー技術とイオンビームエッチングにより所望の形に形成する。
【００２１】
次に、第二誘電体基板側の作製手順について図中(ｅ)から(ｇ)を用いて説明する。なお、第二誘電体基板２０の材質は、ガラス基板である。
図中(ｅ)では、第二誘電体基板２０の表面に金などの良導体を成膜し、フォトリソグラフィー技術とイオンビームエッチングによって接地導体２１を形成する。次に図中(ｆ)では、まずフォトレジストマスク３０をフォトリソグラフィー技術で形成し、次にサンドブラスト法により貫通孔１２ａ、１２ｂを開口する。次に図中(ｇ)では、前工程のフォトレジストマスクを除去した後、クロム、ニッケル、金の順番で金属膜を積層し、フォトリソグラフィー技術によって接地導体２５及び給電導体２２を形成する。
【００２２】
上述したように、第一誘電体基板１０と第二誘電体基板２０を別個に作成し、これらを張り合わせる。この作製手順について図中(ｈ)を用いて説明する。図中(ｈ)において、図中（d）の状態まで完了した第一誘電体基板１０と、図中(ｇ)の状態まで完了した第二誘電体基板２０を、ウエハ接合装置により張り合わせる。このウエハ接合は、第一誘電体基板１０のシリコンと第二誘電体基板２０上に形成した接地導体２１の金との共晶反応を利用し、両基板を加熱しながら加圧することで張り合わせる接合である。
【００２３】
次の作製工程について図５を用いて説明する。図中(ｈ)から(ｌ)は、給電用導柱部２３を作成する工程を図示している。なお、図中(ｈ)は、上述した図４中の(ｈ)と同じ段階である。図中(ｉ)において、溶融はんだ吐出供給法により貫通孔１２ｂを狙って溶融はんだ２７を吐出する。この部分の大きさは、例えば貫通孔の直径が１５０μｍ程度のときは、溶融はんだの直径は５０μｍ程度である。貫通孔１２ｂの先には、はんだとの濡れ性に優れた金が最表面にある導体パターン１５があり、図中(ｉ)の符号２３に示したような柱状のはんだが導体パターン１５の上に成長する。図中(ｊ)は、(ｉ)で示した工程が完了した状態を示す。図中(ｊ)では、給電用導体部２３は貫通孔１２ｂの開口端部までしか達していないが、更に成長させて貫通孔内に達してもかまわない。
【００２４】
なお、溶融はんだ吐出供給法とは、例えば特開２０００-２９４５９１号公報に開示されており、溶融はんだの液滴をインクジェットのように打ち出す手法である。この方法により、はんだの液滴は基板に溶融状態のまま到達させることができ、はんだの液滴が基板に到達後に凝固するので、はんだを柱状に成長させることが可能となる。なお、第一及び第二誘電体基板基板は加熱した状態でおこなうが、はんだが導体パターン１５の全面に広がるのを避けるため、基板温度をはんだの融点よりも数１０℃程度低くしておくと、はんだの成長が良好となる。
【００２５】
次に図中(ｋ)では、貫通孔上部の開口径と同等かそれ以上の径を有する溶融はんだ２７を打ち込む。例えば、溶融はんだ２７の直径は200μｍ程度である。図中(ｌ)は、(ｋ)に示した工程が完了し、全工程が終了した状態を示す。なお、埋め込み導体２４は貫通孔の途中まで埋め込まれた状態に留めておくのが好ましい。接地導体２１と給電導体２２は、はんだとの濡れ性に優れているため、仮に、はんだが貫通孔から溢れ出ると基板２０の裏面に広がってしまうからである。
【００２６】
上述のように、溶融はんだ吐出供給法を用いた製造方法によれば、アンテナを数mmサイズに加工することも可能であり、小サイズのアンテナを低コストで製造ができる。
【００２７】
実施の形態２.
実施の形態２は、実施の形態１で示した構成に加えて、接地導体２６を凹部１１の壁面１７にも形成した場合の例である。本実施の形態２のマイクロストリップアンテナが実施の形態１と異なる部分は、接地導体２６が付加されていることであり、第一誘電体基板１０と第二誘電体基板２０とを一体化した構造、上述した給電用導体部２３の形成方法等の構成については実施の形態１と同様である。以下、本実施の形態２の要部である接地導体２６を付加した構成および効果について説明する。
【００２８】
図６は、本発明の実施の形態２におけるマイクロストリップアンテナの構造を示す斜視図である。また、図７は、図６で示したマイクロストリップアンテナの分解図を示している。図８は、図６中のＢ−Ｂ断面線に沿った断面図である。
【００２９】
一般に、マイクロストリップアンテナの給電用導体に電流が流れると、給電用導体と接地導体とでモノポールモードが励振されて不要放射となる可能性がある。実施の形態１で説明した給電用導体部２３は給電用導体であり、かかる不要放射が生ずる可能性がある。そこで、実施の形態２のマイクロストリップアンテナにおいては、不要放射を抑制するために接地導体２６を設置した。
【００３０】
上述した接地導体２６は、実施の形態１で説明した導体パターン１５（図４中の（ｄ）に示す）と同一の工程中で形成することができる。即ち、同工程においては導体パターン１５のみを形成していたが、金属膜をパターニングする際のマスクパターンを接地導体２６を含んだものにすれば、本実施の形態２の接地導体２６が得られる。また、第一誘電体基板１０と第二誘電体基板２０との接合は、シリコン基板の接地導体２６最表面にある金と第二誘電体基板２０上に形成した接地導体２１の金とを熱圧着することにより行なう。その他の工程については、実施の形態１で説明した工程と同様であり、これらの工程を経ることによって図８で示した実施の形態２のマイクロストリップアンテナが完成する。
【００３１】
実施の形態２のマイクロストリップアンテナは、上述したように、接地導体２６を備えたため給電用導体部２３の接地を効果的にとることができるので、給電用導体部２３からの不要放射を抑制でき、給電効率を向上させることができる。また、一般にマイクロストリップアンテナをアレイ化する場合は、隣接素子からの容量結合が存在し得る。この場合は、給電用導体に不要電流が誘起され、そこからの再放射で放射パターンが劣化する恐れがある。実施の形態２の接地導体２６は、素子間結合を低減するのに有効であり、マイクロストリップアンテナをアレイ化した場合でも放射パターンの劣化を抑制できる。
【００３２】
実施の形態３.
本発明の実施の形態３を図９に示す。実施の形態３は、前述した形態１または形態２で示したマイクロストリップアンテナ３５を平面内で並べアレイ化したものである。図９では２×２配列となっているが、半導体プロセスを利用した場合は、アンテナ素子はウエハ基板内に一括して作り込めるため、ウエハサイズに収まる範囲でＮ個×Ｎ個のアレイ化が可能である。また、アレイ化されたアンテナの下面には高周波信号を制御あるいは合成する信号処理のためのモジュール３７を張り合わすことが可能であり、図９はかかる形態を示している。このような形態は、放射方向を電子的に制御するアクティブ フェーズド アレイアンテナなどに適用される。アクティブ フェーズド アレイアンテナ３６では、１個のアンテナ素子の大きさは半波長内に収める必要があり、例えば衛星通信などで用いるKu帯（１５GHz近傍）では１波長が２０ｍｍとなるため、アンテナ１素子の大きさは１０mm以下とする必要がある。このような小さな素子サイズでも、本発明の実施の形態３で述べた技術を用いれば作製が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】実施の形態１で示したアンテナの斜視図である。
【図２】実施の形態１で示したアンテナの分解図である。
【図３】実施の形態１で示したアンテナの断面図である。
【図４】実施の形態１で示したアンテナの製造方法を説明するための図である。
【図５】実施の形態１で示したアンテナの製造方法を説明するための図である。
【図６】実施の形態２で示したアンテナの斜視図である。
【図７】実施の形態２で示したアンテナの分解図である。
【図８】実施の形態２で示したアンテナの断面図である。
【図９】実施の形態３で示したアンテナの斜視図である。
【符号の説明】
【００３４】
１０：第一誘電体基板    １１：凹部    １２ａ：貫通孔    １２ｂ：貫通孔
１３：放射導体    １７：凹部１１周囲の壁面    ２０：第二誘電体基板
２１：接地導体    ２２：給電導体    ２３：給電用導体部
３５：マイクロストリップアンテナ    ３７：信号処理モジュール
【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９】
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