(57)【要約】  波通信システムが、集積回路（１０２）及び多層基板（１０４）を含む。多層基板（１０４）は、集積回路（１０２）に電気的に結合されている。多層基板（１０４）は、集積回路（１０２）からの信号に応答して、円偏波を送信するように構成されるアンテナ構造（１２０ＴＸ１Ａ、１２０ＴＸ１Ｂ、１２０ＴＸ２Ａ、１２０ＴＸ２Ｂ）を含む。
2021522726.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
波通信システムであって、
集積回路と、
前記集積回路に電気的に結合される多層基板と、
を含み、
前記多層基板が、前記集積回路からの信号に応答して円偏波を送信するように構成されるアンテナ構造を含む、
波通信システム。
【請求項２】
請求項１に記載のシステムであって、前記多層基板が、前記多層基板の表面から離れるように前記波を導くように構成される導波路を含む、システム。
【請求項３】
請求項２に記載のシステムであって、前記導波路が、前記波が導かれる領域の周囲に円周方向に間隔をおいた第１及び第２の導波路部材を含む、システム。
【請求項４】
請求項３に記載のシステムであって、前記第１の導波路部材が第１及び第２の部分を含み、前記第１の部分が前記領域の中央から離れた第１の距離であり、前記第２の部分が前記領域の前記中央から離れた第２の距離であり、前記第１の部分が前記多層基板の前記表面から離れた第３の距離であり、前記第２の部分が前記多層基板の前記表面から離れた第４の距離であり、前記第１の距離が前記第２の距離より小さく、前記第４の距離が前記第３の距離より小さい、システム。
【請求項５】
請求項３に記載のシステムであって、前記第１の導波路部材が、前記多層基板の前記表面に近づくにつれて前記領域の中央から離れるに従って先細りになっている構造を含む、システム。
【請求項６】
請求項１に記載のシステムであって、
前記アンテナ構造が、第１及び第２のアンテナを含み、
前記第１のアンテナが、
前記多層基板の表面から離れた第１の距離であるフィード部と、
前記多層基板の前記表面から離れた第２の距離である送信部と、
に電気的に結合され、
前記フィード部が前記領域の中央から３距離目の距離にあり、前記送信部が前記領域の前記中央から第４の距離にあり、
前記第２の距離が前記第１の距離より小さく、前記第３の距離が前記第４の距離より小さい、
システム。
【請求項７】
請求項１に記載のシステムであって、
前記アンテナ構造が第１及び第２のアンテナを含み、
第１のアンテナが、第２のアンテナの部材から９０度離れて物理的に方向づけられた部材を含む、
システム。
【請求項８】
請求項１に記載のシステムであって、
前記アンテナ構造が第１及び第２のアンテナを含み、
前記多層基板が前記第１のアンテナと前記第２のアンテナとの間に配置される信号ブロック構造を含む、
システム。
【請求項９】
請求項１に記載のシステムであって、前記多層基板が、前記アンテナ構造に前記円偏波を提供するように構成される結合構造を含む、システム。
【請求項１０】
請求項９に記載のシステムであって、前記結合構造が、第１の分岐線カプラー及び第２の分岐線カプラーを含む、システム。
【請求項１１】
請求項１０に記載のシステムであって、前記第１の分岐線カプラー及び前記第２の分岐線カプラーが、それぞれの線形ストリップ線を含む、システム。
【請求項１２】
請求項１０に記載のシステムであって、前記第１の分岐線カプラー及び前記第２の分岐線カプラーが、それぞれの弧状のストライプ線を含む、システム。
【請求項１３】
請求項１０に記載のシステムであって、前記集積回路からの前記信号が第１の線上の第１の信号及び第２の線上の第２の信号を有する差動信号を含み、前記第１の線が前記第１の分岐線カプラーに結合され、前記第２の線が前記第２の分岐線カプラーに結合される、システム。
【請求項１４】
請求項１に記載のシステムであって、前記多層基板が、誘電体ケーブル及び導波路カプラーを含むケーブルアッセンブリに結合されるように構成される、システム。
【請求項１５】
請求項１に記載のシステムであって、
前記アンテナ構造が、前記円偏波を前記多層基板の第１の表面から離れて送信するように構成され、
前記集積回路が前記多層基板の第２の表面に物理的に取り付けられ、前記第２の表面が前記第１の表面に対向する、
システム。
【請求項１６】
波通信システムであって、
集積回路、及び
前記集積回路に電気的に結合され、ケーブルに結合されるように構成される多層基板、
を含み、
前記多層基板が、前記集積回路と前記ケーブルとの間で円偏波を通信するように構成される、
波通信システム。
【請求項１７】
請求項１６に記載のシステムであって、前記多層基板が前記円偏波を通信するように構成される構造を含み、前記構造がフィード構造及びアンテナを含み、前記アンテナが、前記フィード構造のそれぞれに電気的に結合される、システム。
【請求項１８】
請求項１６に記載のシステムであって、前記多層基板が、前記基板を介して前記円偏波を通信するように構成される導波路を含む、システム。
【請求項１９】
請求項１６に記載のシステムであって、前記多層基板が、
前記円偏波を通信するように構成される構造であって、前記構造がフィード構造及びアンテナを含み、前記アンテナが前記フィード構造のそれぞれに電気的に結合されている、前記構造と、
前記基板を介して前記円偏波を通信するように構成される導波路と、
を含む、
システム。
【請求項２０】
請求項１９に記載のシステムであって、前記フィード構造が、前記集積回路に近接する前記基板の第１の表面と前記第１の表面から離れた前記基板の第２の表面との間に先細り形状を有する、システム。
【請求項２１】
波通信システムであって、
集積回路、及び
多層基板、
を含み、前記多層基板が、
前記集積回路に結合されるアンテナフィード構造と、
前記アンテナフィード構造のそれぞれに結合されるアンテナと、
前記アンテナの周りの導波路と、
を含む、
波通信システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、概して高周波数データシステムに関し、より詳細には、データ信号を搬送し得る電磁波を通信するために誘電体導波路を用いる高周波数データシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの高周波数データシステムでは、高速データを通信するために２つの代替の媒体、すなわち銅配線及び光学的ケーブルが用いられる。しかしながら、これらのアプローチの各々は幾つかの欠点を有し得る。銅配線について、欠点の１つは、周波数が増加することにつれて生じる表皮効果である。表皮効果は、交流信号電流が配線の外周（又は表皮）の近傍にのみ分布する傾向であり、これは、配線インピーダンスを上昇させ、高周波数でかなりの信号損失を引き起こす。光学的ケーブルは、信号が光学的ケーブル内にある限り、長距離スパンに対して効果的であるが、中間又は終端デバイスへの接続は損失を引き起こし、或る環境では、光学ケーブル通信効率をひどく制限するか又は破壊する恐れのある、デブリ又は振動などの問題を有し得る。また、光学的ケーブルは、実装するのが比較的高価であり得、また、付随する通信回路要素／システムの電力消費の点でも高価であり得る。
【０００３】
誘電体導波路（ＤＷＧ）は、銅配線と光学的ケーブルの高周波数での代替物である。導波路は、データを搬送し得る電磁波を含め、波を導く構造である。以下の特許は、参照により本願に組み込まれる。（ａ）２０１７年９月１２日発行の米国特許番号第９，７６１，９５０号、発明の名称「埋め込みアンテナを備える誘電体導波路」、（ｂ）２０１７年７月１１日発行の米国特許番号第９，７０５，１７４号、発明の名称「フレキシブルマルチレイヤ基板に形成されるコア及びクラッディングを有する誘電体導波路」、及び（ｃ）２０１７年５月９日発行の米国特許番号第９，６４７，３２９号、発明の名称「誘電体導波路を用いる高データレート通信のための埋め込み誘電体を備える埋め込みアンテナ」。
【特許文献１】米国特許番号第９，７６１，９５０号
【特許文献２】米国特許番号第９，７０５，１７４号
【特許文献３】米国特許番号第９，６４７，３２９号
【発明の概要】
【０００４】
波通信システムは、集積回路及び多層基板を含む。多層基板は、集積回路に電気的に結合される。多層基板は、集積回路からの信号に応答して円偏波を送信するように構成されるアンテナ構造を含む。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１Ａ】誘電体導波路システムの分解部分図である。
【０００６】
【図１Ｂ】多層基板及び集積回路（ＩＣ）ダイの平面図である。
【０００７】
【図１Ｃ】図１Ｂから、線１Ｃ−１Ｃに沿って部分的に切った断面図である。
【０００８】
【図２】分岐線カプラーの斜視図である。
【０００９】
【図３】ＩＣダイから、２つの分岐線カプラーを介する、４つの送信アンテナへの信号経路の概略図である。
【００１０】
【図４】或る波送信／受信信号経路基板構成要素の斜視図である。
【００１１】
【図５】図４の斜視図で、導波路と隔離構造が追加されている。
【００１２】
【図６】アンテナ、分岐線カプラー、及び信号ブロック構造に形状変更を加えた、送信又は受信領域の代替の構造例の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１Ａは、誘電体導波路（ＤＷＧ）通信システム１００の分解部分図である。システム１００は、集積回路（ＩＣ）ダイ１０２と、多層基板１０４と、それぞれ、これらのデバイス間の物理的な取り付け及び電気的な結合を有する、送信（ＴＸ）及び受信（ＲＸ）ＤＷＧケーブルアッセンブリ１０６−１及び１０６−２とを含む。ＩＣダイ１０２は、ダイマウント手法などによって、多層基板１０４の第１の側（例えば、底部）に物理的に取り付けられる。ＴＸ及びＲＸケーブルアッセンブリ１０６−１及び１０６−２の両方は、ネジ、クリップ、マウント等のようなメカニズムによって、多層基板１０４のＩＣダイ１０２とは反対側（例えば、頂部）に物理的に取り付けられる。ＴＸケーブルアッセンブリ１０６−１は、基板１０４上の送信領域１０８ＴＸに対して軸方向に整合され、ＲＸケーブルアッセンブリ１０６−２は、基板１０４上の受信領域１０８ＲＸに対して軸方向に整合される。このような整合及び基板１０４のＩＣダイ１０２への更なる取り付けにより、ミリメートル電磁波が、ＩＣダイ１０２へ及びＩＣダイ１０２から、ケーブルアッセンブリ１０６−１と１０６−２との間で、多層基板１０４内に構築されるアンテナ（及びそれぞれのフィード構造）と導波路との両方によって通信されるそのような波と通信し得る。
【００１４】
ＩＣダイ１０２は、ＩＣダイ１０２が３ｍｍ×３ｍｍの正方形である場合など、集積回路技術の属性及び寸法を有し得る。ＩＣダイ１０２は、信号を送信及び受信するように構成されるトランシーバ１０２ＴＸＲＸ（接続は個別には図示せず）として概して示されるトランシーバを含む。トランシーバ信号の動作周波数及び帯域幅は、ミリ波範囲（例えば、１１０〜１４０ＧＨｚ）のＤＷＧ媒体に沿って通信するためなど、応用例に従って選択され得る。個別には示されていないが、トランシーバ１０２ＴＸＲＸは、一つ又は複数のプロセッサ（例えば、デジタルシグナルプロセッサ）を含み得、複数の送信及び受信チャネル、無線構成、制御、較正、並びに、多種多様な実装を可能にするためのモデルチェンジのプログラミングをサポートし得る。ＩＣダイ１０２は、概してグループ１１０−Ｇ１及び１１０−Ｇ２で示される、ダイパッドなどの多数の導電性部材を含む。導電エリア１１０−Ｇ１及び１１０−Ｇ２（例えば、ダイパッド）は、それぞれ、送信及び受信領域１０８ＴＸ及び１０８ＲＸの導電エリア（例えば、下のパッド）基板と整合するように物理的に位置決めされ、そのため、導体（例えば、銅ピラー又は他のバンプ構造）が、そのようなエリアの対向するエリア間で電気的に存在し得る。従って、ＩＣダイ１０２は、多層基板１０４に対して物理的に取り付けられると、同様に、ＩＣダイ１０２と領域１０８ＴＸ及び１０８ＲＸとの間の電気的接続のために、トレース１０４ＴＲを含む基板１０４の電気経路に電気的に結合される。この電気的結合を介して、後述するように、ＩＣダイ１０２と多層基板１０４内に構築されるアンテナとの間でミリ波信号が通信され得る。
【００１５】
ケーブルアッセンブリ１０６−１及び１０６−２は各々、例えば、それぞれの円筒状内部コア１１３−１及び１１３−２を同心円状に囲む円筒状の外部クラッド等の、それぞれの誘電体ケーブル１１２−１及び１１２−２を含むが、誘電体を含む他のケーブル構成も可能である。外部クラッドは誘電率ε（ＯＣ）を有し、内部コアは誘電率ε（ＩＣ）を有する。外側クラッドの直径は３〜６ｍｍの範囲であり得、内側コアの直径は１．５〜２ｍｍの範囲であり得る。好ましくは、内側コア誘電率ε（ＩＣ）は、ミリ波がケーブルに結合され、そのエネルギーが内側コアに集中させるように、外側クラッド定数ε（ＯＣ）よりも十分に大きい。このようにして、ケーブル材料が、本質的に絶縁性であることが多い本質的な誘電体であっても、誘電体はそれに沿ってエネルギーを移動させることを可能にするが、絶縁体は電荷を通過させない。従って、例示の実施例は、ポリエチレンなどのケーブルコアのための比較的安価な誘電性材料の使用を可能にし、システム１００との関連で、トランシーバ１０２ＴＸＲＸからケーブル１１２−１へ、及びそれによりケーブルの末端においてデバイス（図示せず）へ、ミリ波信号を効率的に通信し得る。また、この点に関して、ケーブルアッセンブリ１０６‐１及び１０６‐２の各々は、それぞれの金属導波路カプラー１１４‐１及び１１４‐２も含む。例示の一実施例において、各導波路カプラー１１４−ｘは、１．５ｍｍなどの高さと、コア１１３−ｘの中心軸と整合する中心軸とを有する円筒形状を有し、これらの軸は、領域１０８ＴＸ及び１０８ＲＸのそれぞれと整合する。ケーブル１１３−ｘの外径は、変動することがあり、図示した例に示すように対応する導波路カプラー１１４−ｘの外径を超えることがあり、一方、コア１１３−ｘの外径は対応する導波路カプラー１１４−ｘの内径よりも小さい。このような寸法及び軸整合により、各導波路カプラー１１４‐ｘの円内径は、それぞれの送信又は受信領域１０８ＴＸ及び１０８ＲＸと物理的に整合し、円筒形状は、送信及び受信領域１０８ＴＸ及び１０８ＲＸへの物理的及び波結合の両方のための円形断面を提供する。また、例示の実施例において、システム１００内の波通信は円偏光によるものであり、そのため、各導波路カプラー１１４−ｘの金属性円形断面は、誘電体ケーブル内部コア１１３−ｘと多層基板１０４との間の円偏波を導くのを助ける。
【００１６】
図１Ｂは多層基板１０４の平面図であり、ＩＣダイ１０２は破線の長方形で示され、図中の基板１０４の下に配置される。この平面図では、基板１０４の送信領域１０８ＴＸ及び受信領域１０８ＲＸの各々が更に図示され、基板１０４の頂部金属層の例示的な特徴が示される。例えば、送信領域１０８ＴＸにおいて、領域１０８ＴＸの周辺のすぐ内側に、多数のビア導波路頂部１１８ＴＸが配置される。同様に、受信領域１０８ＲＸにおいて、領域１０８ＲＸの直径のすぐ内側に、多数のビア導波路頂部１１８ＲＸが配置されている。各ビア導波路頂部１１８は、基板１０４の頂部金属層における、同じ形状（例えば、円形）の金属パッドである。また、ビア導波路頂部１１８は、等しくかつ円周方向に間隔を置いて配置され、頂部１１８の数は特定の実装に従って選択され得る。図示した例は、そのようなビア導波路頂部１１８を計２４個有し、各々が、隣接する頂部から１５度離れて等しく間隔が開けられる（３６０度／２４幾つか頂部＝１５度の間隔）。また、間隔は、各頂部１１８の中央部に適用し、そのため、代替の実施例においてより高い密度及び／又はより大きな頂部で、各頂部が、隣接頂部に接し得る。以下に説明するように、領域１０８ＴＸ又は１０８ＲＸのいずれかにおけるビア導波路頂部の全体が集合的に、領域とケーブルアッセンブリ１０６−１及び１０６−２のそれぞれとの間に先細りの導波路を提供する。
【００１７】
等しく間隔が開けられたビア頂部１１８ＴＸ又は１１８ＲＸによって表される円の内部には、４つのアンテナが配置される。例えば、送信領域１０８ＴＸは、４つの送信アンテナ１２０ＴＸ１Ａ、１２０ＴＸ１Ｂ、１２０ＴＸ２Ａ、及び１２０ＴＸ２Ｂを有し、各々が、物理的に位置決めされ、好ましくは互いに９０度離れて整合される、同等で概して矩形の（丸い端部を有する）部材を有する。同様に、受信領域１０８ＲＸは、４つの受信アンテナ１２０ＲＸ１Ａ、１２０ＲＸ１Ｂ、１２０ＲＸ２Ａ、及び１２０ＲＸ２Ｂを有し、各々が、好ましくは互いに物理的に９０度離れて配置される。以下に説明するように、アンテナのセット（送信又は受信のいずれか）に対して、カプラー（例えば、基板１０４におけるような、分岐線又は他の直角位相）が、ＩＣダイ１０２と追加のフィード構造との間の差動信号をこれらのアンテナに結合し、そのため、円偏光信号が、アンテナによって送信されるか又はアンテナから受信される。信号は更に、導波路ビア頂部１１８を含む導波路によって導かれ、そのため、信号は、図１Ｂ（頁の外）に図示されている平面から概して垂直な方向に送信されるか又はそこから受信される。したがって、信号エネルギーは、基板１０４とそれぞれのケーブルアッセンブリ１０６−ｘとの間で効率的に結合される。
【００１８】
図１Ｃは、図１Ｂからの領域１０８ＴＸにわたって、線１Ｃ−１Ｃに沿って部分的に取られたシステム１００の部分の断面図である。領域１０８ＲＸにわたって取られる場合に同様の図が提示され得る。概して、図１Ｃは、印刷回路基板（ＰＣＢ）などの回路基板１２２に物理的及び電気的に接続された基板１０４を示す。例えば、この電気的接続は、ＰＣＢ１２２上のパッド１２６に接続されたボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）ボール１２４を用いて達成され得る。上述したように、ＩＣダイ１０２は、基板１０４の下に電気的及び物理的に接続される。この電気的接続は、基板１０４の底部に沿って、ＩＣ導電性のエリア１１０とコンタクト（図１Ａ参照）との間の銅ピラー１２８などのダイバンプにより、及び、熱圧縮などの種々のダイボンディング手法による物理な接触により、電気的に達成され得る。また、アンダーフィル１０４ＵＦが、ダイ１０２と基板１０４との間に配置される。図１Ｃの頂部左右の垂直の破線は、金属導波路カプラー１１４−１のための所望の位置を示し、金属導波路カプラー１１４−１は、基板１０４の上側表面に対して、送信領域１０８ＴＸを包囲し、基板１０４と（及び後述するように、その中のアンテナに）直接接して、或いは、これら２つの構造の間にわずかなエアギャップ（例えば、０．１ｍｍ）を有して、取り付けられ得る。
【００１９】
多層基板１０４は、基板パッケージングのための進化しつつある技術と概ね整合性のある断面プロファイルを有する。図示した例では、基板１０４は、層Ｌ１からＬ６として基板１０４の底部から昇順に参照される、６つの金属層を含む。また、例えば、金属層厚みは変動し得るが、各金属層Ｌ１〜Ｌ６は同じ厚み（１５μｍなど）を有し得るが、（熱膨張マッチングのために）望ましくは、中心コア１０４Ｃから同じ距離を有する各層に対して同じ厚みを有する（層Ｌ３及びＬ４が同じ厚みを有し、層Ｌ２及びＬ５が同じ厚みを有し、層Ｌ１及びＬ６が同じ厚みを有する）。連続する金属層の間には非導電性材料があり、これらは本明細書では層とは呼ばないが、金属層の間と同様に（構造的に）層状である。例えば、中心コア１０４Ｃが、金属層Ｌ３とＬ４との間に存在し、これは、他の金属層間の非導電性材料よりも厚い。また、例えば、中心コア１０４Ｃは厚さ２００μｍとし得、他の金属層間の非導電性材料（通常、ビルドアップ１０４ＢＵと呼ばれる）は厚さ３０μｍとし得る。ビルドアップ１０４ＢＵは望ましくは低損失の材料であり、そのような材料の各層は、同じ又は類似の誘電率を有する。はんだマスク１０４ＳＭ１は金属層Ｌ１より下にあり、はんだマスク１０４ＳＭ２は金属層Ｌ６の上にある。
【００２０】
また、図１Ｃは、図１Ｂのビア導波路頂部１１８ＴＸの一部を形成する（基板１０４内の）付加的な構造を図示する。具体的には、ビア１３０がコア１０４Ｃを介して形成されて、例えば、中心コア１０４Ｃを介する円筒ボイドを形成し、次いでそれを導電性材料（例えば、金属）で充填又はめっきし、ここで、ボイドは９０μｍの断面直径を有し得る。また、ビア１３０は、層Ｌ３における金属への電気的コンタクトを提供する。ビア１３０の上方では、金属層Ｌ４が、例えば円形の周囲と１３０μｍの直径とを有するパッド１３２を形成するようにパターン化される。パッド１３２の上（及び金属層Ｌ４の他の部分の上）にビルドアップ１０４ＢＵが形成され、そのビルドアップ内にビア１３４が形成される（例えば、層Ｌ４の上のビルドアップを介して円筒ボイドを形成し、導電性材料で充填又はめっきする）。ビア１３４は、６０μｍの断面直径を有し得、パッド１３２への電気的コンタクトを提供する。同様に、ビア１３４の上方では、金属層Ｌ５がパターン化されて、パッド１３２よりも小さい直径（例えば、１００μｍに等しい）であるが、同様の形状のパッド１３６が形成される。パッド１３６の上（及び金属層Ｌ５の他の部分の上）にビルドアップ１０４ＢＵが形成され、ビア１３８が、ビア１３４と同じ手法及び直径で、そのビルドアップ１０４ＢＵ内に形成される。また、金属層Ｌ６は、ビア１３８に物理的かつ電気的に接して、導波路頂部１１８ＴＸを形成するようにパターン化される。したがって、導波路頂部１１８ＴＸは、物理構造と、少なくとも金属層Ｌ６からＬ３を通る様々な項目及び経路を含む電気経路との一部である。また、こういった構造及び経路は、基板１０４の底部付近で、形状／経路が領域１０８ＴＸの中心１０８ＣＴＲに近づき始め、上方にいくと、その中心から半径方向外側に曲がるように、先細りになっている。再度、図１Ｂを参照すると、この同じ構造が導波路頂部１１８ＴＸごとに繰り返される。この例示は、送信領域１０８ＴＸにおいて、内側ではあるが周囲に近接する計２４の導波路頂部１１８ＴＸを有し、それにより、基板集積された通信領域（送信又は受信のいずれか）周囲導波路を集合的に形成する。具体的には、各導波路頂部１１８ＴＸが、図１Ｃに示すような構造に対応しており、頂部から下方にそして送信領域の中心に向かって、先細りになっている。全ての（例えば、２４の）周囲に配置される導波路にわたる全てのこのような構造の組み合わせが、、概して漏斗状の物理プロファイルを提供し、このプロファイルは、基板１０４内に、基板１０４の頂部で（例えば、層Ｌ６で）最も広く、基板１０４の底部に向かって内側に先細りになっている（例えば、層Ｌ２で）。また、略円形（又は円に近づく区分的線形）の外側境界が、各導波路頂部１１８ＴＸの円形形状の最外接線に沿って画定され得る。その外側境界は、概して、周囲金属導波路カプラー１１４‐１の内部内に整合するか、又は周囲金属導波路カプラー１１４‐１の内部と一致する。従って、アンテナ１２０ＴＸによって信号が送信されると、漏斗状構造は領域周囲導波路を提供し、概して、基板１０４の上側表面から垂直方向に、図１Ａ及び１Ｃから金属導波路カプラー１１４−１の内部へ���号波を導く。このような先細りの導波路は、不整合インピーダンス材料間を信号が通過するときの損失を低減し得る。そのような導波路構造及び機能性は、送信領域１０８ＴＸに関して上述されているが、（例示の一実施例における）受信領域１０８ＲＸは同じ構造を有する。従って、信号波が金属導波路カプラー１１４−２から受信されると、その信号は、基板１０４を通って下方に、その中の漏斗状の導波路の内向きの先細りによって、及びＩＣダイ１０２に導かれる。
【００２１】
また、図１Ｃは、図示された送信アンテナ１２０ＴＸ１Ａ及び１２０ＴＸ１Ｂにフィードする、基板１０４内の追加のフィード構造（同様に、断面において可視ではないアンテナ１２０ＴＸ２Ａ及び１２０ＴＸ２Ｂに適用する）を図示する。具体的には、ビア１４０が中心コア１０４Ｃを介して形成され、ビア１４０は、ビア導波路頂部１１８ＴＸに関連して上述したビア１３０と同じ寸法及び材料で、ビア１３０と同時に形成され得る。また、ビア１４０は、金属層Ｌ３に環状の開口を形成することによって金属パッド１４２が層Ｌ３に形成される、層Ｌ３における金属への電気的コンタクトを提供し、そのため、金属パッド１４２は環状部の中央に留まり、（最終的にはビルドアップで満たされる）金属層Ｌ３における開放エリア１４２Ａが、金属パッド１４２の周囲に同心円状に設けられる。このようにして、アンテナ関連構造は、その他の状況では層Ｌ３への他の接続から隔離され、以下に説明する、信号カプラーによる信号経路接続を可能にする。この点に関しても、金属パッド１４２は、ビア１４６を介して、金属層Ｌ２の導体部１４４に接続される。導体部１４４は信号カプラーの一部であり、これは、付加的なビア１４７Ｖ及び金属層Ｌ１パッド１４７ＰによりＩＣダイ１０２と通信する。ビア１４０に戻ると、その上に金属層Ｌ４がパターン化されてパッド１４８を形成し、金属層Ｌ５がパターン化されてパッド１５０を形成し、それぞれの層Ｌ４−Ｌ５及びＬ５−Ｌ６ビア１５２及び１５４が、ビルドアップ１０４ＢＵを介して形成され、その全てが、ビア導波路頂部１１８ＴＸに関連して上述した水平に共平面の構造のそれぞれの金属層（及びビルドアップ）形成と同等にかつ同時に形成され得る。そのため、ビア１５４は、アンテナ１２０ＴＸ１Ａを送信するための電気的コンタクトを提供し、基板１０４においてそのアンテナのための構造及び電気経路を完成させる。従って、基板１０４における送信アンテナ１２０ＴＸ１Ａの下方では、全体的な物理アンテナフィード構造が様々なアイテムを介して電気経路を提供し、少なくとも金属層Ｌ５〜Ｌ２を含む。好ましくは、この構造は、金属層Ｌ２の頂部から金属層Ｌ６の底部までの総垂直高さλ／４を有する。ここで、上記から、λはカプラー２００によって送受信される信号の波長である。またこの点に関し、更に高い周波数での応用例では、λはそれに比例して低減されて、基板１０４内部の空間が少なくなるようにアンテナ高さが低減及び構築され得る。このような例では、基板１０４の外部表面に（例えば底部に）物理的に取り付けられるのではなく、基板１０４内にＩＣダイ１０２を埋め込むために基板の余分の空間が利用可能である。また、アンテナ構造は、基板上側表面に向かって延在する他の部分よりも領域１０８ＴＸの中央１０８ＣＴＲに近い、基板下側表面（パッド１４２及びビア１４０）に近い部分を含む。このような構造は、信号通信からの損失を低減し得、送信（又は受信）信号経路において生じるインピーダンスミスマッチの影響を回避又は最小化し得る。しかしながら、構造及び信号経路が基板１０４を介して垂直上方にあると考えられるので、送信アンテナ１２０ＴＸ１Ａの最終信号送信（又は領域１０８ＲＸの場合は受信）部分は、送信アンテナ１２０ＴＸ１Ｂ（及び他の２つの送信アンテナ１２０ＴＸ２Ａ及び１２０ＴＸ２Ｂから）より好ましい距離にあり、これにより、送信（又は受信）信号間の起こり得るクロストークが低減される。このようなアンテナ構造及び機能性は、送信領域１０８ＴＸに関して上述されたが、（例示の一実施例において）受信領域１０８ＲＸは同じ構造を有する。
【００２２】
図１Ｃはまた、好ましくは、通常は電気的に接地される金属層Ｌ１を金属層Ｌ３に接続する信号ブロック構造を形成する、基板１０４における追加の構造を図示する。具体的には、このような構造は、層Ｌ１における金属パッド１５６、金属パッド１５６から層Ｌ２金属パッド１６０へのビア１５８、及び金属パッド１６０から層Ｌ３の全般的な平面へのビア１６２を含む。更に図示及び後述するように、この構造は繰り返され、４つの信号アンテナの間の多数の選択された位置に配置される。
【００２３】
図２は、基板１０４の層Ｌ２において例示の一実施例において形成された分岐線カプラー２００の斜視図である。従って、カプラー２００構造は、例えば、層Ｌ２における金属を所望のストリップ線にパターン化することによって、及びＬ２構造を囲むビルドアップ１０４ＢＵを備えて、形成される。図１Ｂに関連して上述し、更に後述するように、カプラーが、ＩＣダイ１０２からの差動信号をアンテナ１０２ＴＸに（及びアンテナ１０２ＲＸからＩＣダイ１０２にも）結合し、分岐線カプラー２００は、そのようなカプラーの一例である。より詳細には、カプラー２００は、入力ポート２０２及び絶縁ポート２０４、及び、２つの入力ポート２０６及び２０８を有する。入力ポート２０２は第１の経路部材２１０を介して出力ポート２０６に接続され、絶縁ポート２０４は第２の経路部材２１２を介して出力ポート２０８に接続され、この例は、部材２１０及び２１２を線形ストリップ線として図示する。入力ポート２０２と絶縁ポート２０４との間に第１の交差経路部材２１４が接続され、出力ポート２０６と２０８との間に第２の交差経路部材２１６が接続され、この例では、部材２１４及び２１６も線形ストリップ線として図示する。第１の経路部材２１０、第２の経路部材２１２、第１の交差経路部材２１０、及び第２の経路部材２１２の各々は、λ／４の長さＬＭを有し、ここで、上記から、λはカプラー２００によって送信／受信される信号の波長である。第１及び第２の交差経路部材２１４及び２１６の各々は、同じインピーダンスＺ（ＣＭ）を有するように形成され、第１及び第２の経路部材２１０及び２１２の各々は、同じインピーダンスＺ（ＰＭ）を有するように形成される。ここで、Ｚ（ＰＭ）=Ｚ（ＣＭ）/√２である。例えば、このようなインピーダンスは、第１及び第２の交差部材２１４及び２１６の整合幅Ｗ（ＣＭ）よりも広い幅Ｗ（ＰＭ）をそれぞれ有するように第１及び第２の経路部材２１０及び２１２を形成することによって達成され得る。
【００２４】
図３は、ＩＣダイ１０２から、２つの分岐線カプラー２００−１及び２００−２（例えば、図２）を介する、領域１０８ＴＸ（図１Ｂ）の４つの送信アンテナ１２０ＴＸ１Ａ、１２０ＴＸ１Ｂ、１２０ＴＸ２Ａ、及び１２０ＴＸ２Ｂへの信号経路の概略図である。参考のために、それぞれ、カプラー２００‐１及び２００‐２のいずれかへの接続を区別するためにハイフン付きの１又は２いずれかを付した上で、図２から図３へ同様の数字が流用されている。トランシーバ１０２ＴＸＲＸ（図１Ａ）は、差動増幅器１０２Ａからなどのミリ波信号を送信及び受信するための様々な回路要素を含む。差動増幅器１０２Ａは差動出力１０２Ａ−１及び１０２Ａ−２を提供し、これらは、それぞれの（＋）及び（−）指定を備えて図３に図示され、出力の差動的性質を示し、出力信号が１８０度位相から外れることを示す。出力１０２Ａ‐１はカプラー２００‐１の入力２０２‐１に接続され、出力１０２Ａ‐２はカプラー２００‐２の入力２０２‐２に接続される。それぞれ、カプラー２００−１及び２００−２の絶縁ポート２０４−１及び２０４−２は、整合終端インピーダンス（例えば、Ｚ（ＰＭ））を介して接地に接続される。カプラー２００−１の出力２０６−１はアンテナ１２０ＴＸ２Ａに接続され、カプラー２００−１の出力２０８−１はアンテナ１２０ＴＸ１Ａに接続される。アンテナ１２０ＴＸ１Ａは、アンテナ１２０ＴＸ２Ａからの同時信号から９０度離れた信号を提供するように、物理的に方向付けられ且つ電気的に結合される。カプラー２００−２の出力２０６−２はアンテナ１２０ＴＸ２Ｂに接続され、カプラー２００−２の出力２０８−２はアンテナ１２０ＴＸ１Ｂに接続され、アンテナ１２０ＴＸ１Ｂは、アンテナ１２０ＴＸ２Ｂからの同時信号から９０度離れた信号を提供するように、物理的にも電気的にも結合される。
【００２５】
図３のオペレーションの概略について以下に説明する。ＩＣダイ１０２内で、トランスミッタ回路要素が、差動増幅器１０２Ａに出力されるミリ波信号ＷＳを生成する。これ応答して、増幅器１０２Ａは、その差動出力１０２Ａ−１及び１０２Ａ−２において、（場合によってはフィルタ及び／又は増幅された）１８０度分離されたバージョンの入力信号を出力する。分岐線カプラー２０２‐１及び２０２‐２の各々は、１つの入力を受信し、対応する９０度位相分離された出力を生成するように動作する。分岐線カプラー２００−１に関して、その２つの出力は０°（＋）及び９０°（＋）で示され、出力１０２Ａ−１の（＋）信号への対応を示し、互いに９０度離れている。そのため、出力０°（＋）は、正の方向（通常、極座標では原点の右）に０度に位置する第１のユニット長ベクトルとして知覚され得、出力９０°（＋）は、第１のベクトルに対して＋９０度に位置する第２のユニット長ベクトルとして知覚され得る。同様に、分岐線カプラー２００−２に関して、その２つの出力は０°（−）及び９０°（−）で示され、出力１０２Ａ−２の（−）信号への対応を示し、互いに９０度離れている。そのため、出力０°（−）は、負の方向（通常、極座標では原点の左）に０度に位置する第３のユニット長ベクトルとして知覚され得、出力９０°（−）は、第１のベクトルに対して−９０度又は第３のベクトルに対して＋９０度のいずれかに位置する第４のユニット長ベクトルとして知覚され得る。従って、総合的に図３は、入力信号を各々９０度の距離で等しく間隔が開けられる４つの波形ベクトルに符号化し、そのため、４つの異なった９０度の位置の各々が、それぞれの波形ベクトルによって占有される。したがって、４つの図３のアンテナは集合的に円偏光出力を生成し、そのため、増幅器１０２Ａへの入力ミリ波信号ＷＳが変動するにつれて、得られる４つのベクトルの各々は一定の大きさを有するが、送信アンテナ１２０ＴＸ１Ａ、１２０ＴＸ１Ｂ、１２０ＴＸ２Ａ、及び１２０ＴＸ２Ｂの頂部が整合する平面に垂直な平面において時間とともに回転する。したがって、図１Ｃを参照すると、円偏光信号は、基板１０４から垂直に上方に、及び、導波路カプラー１１４−１の内部へ回転する。回転は、左回り又は右回りのいずれの偏光であり得る。同様であるが逆の方向で、受信アンテナ１２０ＲＸ１Ａ、１２０ＲＸ１Ｂ、１２０ＲＸ２Ａ、及び１２０ＲＸ２Ｂは、導波路カプラー１１４−１から円偏光信号の４つの信号成分（アンテナあたり１つ）を受信するように構成され、それらの信号成分は、受信されたミリ波信号を表す対応する出力信号を信号成分からデコードするように、逆方向で図３と同等の成分に接続される。
【００２６】
例示の一実施例のための記載される物理及び電気的構造によって達成される円偏光は様々な利点を提供する。これに対し、適切な信号通信のため、線形偏光は、信号とその信号のレシーバとのかなり正確な平面線形整合を必要とする。また、対照的に、円偏光の例示の実施例の提供により、そのような平面整合の必要性がなくされる。例えば、図１に関して、ＤＷＧケーブルアッセンブリ１０６−ｘが基板１０４に対して位置決めされるので、信号通信のために、ケーブルの円形断面が、基板１０４に対して特定の位置に回転整合される必要はない。従って、基板１０４における送信／受信構造に対して、各ケーブルの軸に関して回転独立性が達成される。別の例として、円偏光信号は、振動、巻数、又は接続におけるギャップを有するものなど、或る環境において、被る信号損失がより少ない。
【００２７】
図４は、基板１０４の或る波送信／受信信号経路構成要素の斜視図であり、図１Ｂの送信領域１０８ＴＸ又は領域１０８ＲＸのいずれかの図をより詳細に表す。図４から、並びに上述のように、領域１０８ＴＸ（又は１０８ＲＸ）は、金属層Ｌ２に形成され得る２つの分岐線カプラー２００‐１及び２００‐２を含む（図１Ｃ参照）。分岐線カプラー２００‐１及び２００‐２の各々は、それぞれの送信線対４００‐１Ａ及び４００‐１Ｂ、又は４０２‐１Ａ及び４０２‐１Ｂに接続される。各送信線対は好ましくは第１及び第２の部分を有し、これらの部分の間に或る角度（例えば、９０度）を備える。また、このような対のそれぞれの終端は、ビア及びパッド（図１Ｃ参照）によって形成される導電性経路のそれぞれの対に、９０度離れた２つの信号を提供し、それによって、アンテナ１２０ＴＸ２Ａ及び１２０ＴＸ１Ａへの分岐線カプラー２００−１間、及びアンテナ１２０ＴＸ２Ｂ及び１２０ＴＸ１Ｂへの分岐線カプラー２００−２間の電気的信号経路通信を提供する。また、図４の斜視図は、各アンテナのＬ６層部が、Ｌ４−Ｌ５ビアの上方に位置する丸みを帯びた端部以外の均一な幅を有することを例示する。
【００２８】
図５は、追加の構造を備えた図４の斜視図である。図５の追加の１つは、領域（送信又は受信のいずれか）周囲導波路５００を形成する構造であり、図５において概して同心の破線長円形によって示される。多くのビア導波路頂部１１８ＴＸがそれらの長円形間にあり、半径方向内向きの先細りビア及びパッドは、図１Ｃに示されるように、各々のそのような頂部に接続される。このような見方によれば、集合的なファンネル状導波路５００は、このような構造に基づくものである。図５の別の追加は複数の信号ブロック構造５０２の斜視図であり、これは、図１Ｃに示されるように、構造１５６、１５８、１６０、及び１６２を接続するＬ３への金属層Ｌ２の多数のインスタンスを含む。例示の実施例において、信号ブロック構造５０２は、それぞれの分岐線カプラーに接続されたアンテナの各対の間で、また、逆Ｙ字パターンを二分するより少数の（例えば、４つ）の追加構造５０２を有して、対向するＹ字パターンに配置される。接地構造５０２は、各分岐線カプラーと、それが接続される２つのアンテナとの間の信号通信における更なる信号隔離を提供する。また、構造５０２は代替の位置に配置され得、及び／又は、電磁バンドギャップ（ＥＢＧ）又は高インピーダンス表面（ＨＩＳ）構造を含む信号隔離の形態などの他の代替物も用いられ得る。
【００２９】
図６は、領域１０８（送信１０８ＴＸ又は受信１０８ＲＸのいずれか）を形成するための構造の代替例の平面図であり、アンテナ、分岐線カプラー、及び信号ブロック構造において形状変更が成される。したがって、そのような構造のいずれか一つ又は複数を改変して、代替の例示の実施例が提供され得る。例えば、代替の分岐線結合器２００Ａ１及び２００Ａ−２が、弧状セグメントを有して示されている（上述の線形ストリップ線は、丸みを帯びた信号経路で置き換えられる）。これは、そのような例示の一実施例において、形状における曲がり又はその他の不連続性の回避が信号損失を低減させ得るからである。別の例として、送信線対４００−１Ａ及び４００−１Ｂ、又は４０２−１Ａ及び４０２−１Ｂは、丸みを帯びた送信線対４００Ａ−１Ａ及び４００Ａ−１Ｂ、又は４０２Ａ−１Ａ及び４０２Ａ−１Ｂで置き換えられている。別の例として、それぞれの分岐線カプラーに接続されたアンテナの各対間の信号ブロック構造５０２の二分割された逆Ｙ字パターンは、信号ブロック構造５０２Ａの二分割されたＨ形パターンで置き換えられる。更に別の例として、アンテナの均一な幅（Ｌ６−Ｌ５ビアの上方の丸み以外）は、アンテナ１２０ＡＴＸ１Ａ、１２０ＡＴＸ１Ｂ、１２０ＡＴＸ２Ａ、及び１２０ＡＴＸ２Ｂの増加幅（円錐形状と呼ぶ）セットで置き換えられる。
【００３０】
上記から、多くの例示の実施例がミリメートル波高速データ通信システムを提供し、様々な利点が可能である。例えば、システムの異なる実施例が、信号をアンテナに結合する一つ又は複数のカプラーを介して結合される、カプラー及びアンテナを基板に埋め込んだ集積回路トランシーバを含み、種々の態様を有し得る。埋め込まれた基板装置は、電磁波信号を、その表面から離れるなど、基板から比較的狭く制御された方向で放射するように、及び、一つ又は複数のＤＷＧケーブルアッセンブリに結合するように構成される、導波路ローンチを提供する。ケーブルアッセンブリは誘電性材料を含み得、ケーブルアッセンブリの末端において装置へ及び装置から電磁波信号を更に通信するための誘電体導波路を提供し得る。また、電磁波信号は、例えば、低減された信号損失や、信号を搬送するケーブルの終端での精密な整合の必要性を減らすなど、記載された構造及びそのような信号の利点が与えられれば、円偏光信号として通信され得る。また、例示の実施例は、信号がデバイス又はシステムに沿って通過するときの信号の異なる周波数成分におけるそれぞれの遅延の尺度である群遅延を低減し得、ここで、理想的にはそれらの遅延は等しいか又はほぼ等しく、比較的平坦な群遅延応答曲線を提供する。しかしながら、誘電体導波路ケーブルは平坦でない群遅延応答を有し得るが、例示の実施例は、オフセットする非平坦群遅延応答を提供し、そのため、そのようなケーブルを有する基板１０４の組み合わせは、所望のミリメートル波帯域幅にわたって、より平坦な総システム群遅延を提供する。特許請求の範囲内で、説明される実施例における更なる変形が可能であり、他の実施例が可能である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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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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【国際調査報告】
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