(57)【要約】【課題】  高出力増幅器や低雑音増幅器等の能動素子に対する樹脂等によるモールドを可能とし、また、アンテナ素子を空間的に効率よく配置することのできるマイクロ波モジュールを得ることを目的とする。【解決手段】  セラミック基板を積層し、セラミック基板に設けた孔によりキャビティ１５を形成する。このキャビティ１５に能動素子や集積回路を配置する。他の基板に接続する半田ボール２０をマイクロ波モジュール１４の底面に設ける。キャビティ１５に能動素子等を配置し、樹脂モールドを施して、外部環境から遮蔽する。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のセラミック基板を積層し低温焼成して形成した積層基板と、この積層基板の一方の表層に設けたパッチアンテナ素子と、上記積層基板の内層に設けた受動回路素子と、上記セラミック基板に設けた穴により、積層後の積層基板の他方の表層側に形成したキャビティと、このキャビティに配置した能動素子と、この能動素子を覆うように上記キャビティに充填した樹脂とを備えたことを特徴とするマイクロ波モジュール。
【請求項２】
請求項１に記載のマイクロ波モジュールにおいて、さらに、上記積層基板の上記他方の表層に半田ボールグリッドを備えたことを特徴とするマイクロ波モジュール。
【請求項３】
請求項１に記載のマイクロ波モジュールにおいて、さらに、上記積層基板の側面に設けたキャスタレーションと、上記積層基板の上記他方の表層に印刷導体により形成した電極パターンとを備えたことを特徴とするマイクロ波モジュール。
【請求項４】
送信又は受信するＲＦ信号を分配又は合成する分配合成回路を有する母基板と、この母基板上に配置される複数のマイクロ波モジュールであって、複数のセラミック基板を積層し低温焼成して形成した積層基板、この積層基板の一方の表層に設けたパッチアンテナ素子、上記積層基板の内層に設けた受動回路素子、上記セラミック基板に設けた穴により、積層後の積層基板の他方の表層側に形成したキャビティ、このキャビティに配置した能動素子、この能動素子を覆うように上記キャビティに充填した樹脂を有するマイクロ波モジュールとを備えたことを特徴とするアレーアンテナ装置。
【請求項５】
請求項４に記載のアレーアンテナ装置において、さらに、上記母基板上に設けられ、ＲＦ信号、制御信号及び電源を接続する信号端子を１つの枠体内に有するコネクタとを備えたことを特徴とするアレーアンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、アレーアンテナを用いたマイクロ波通信システムに使用されるマイクロ波モジュール、及びこのマイクロ波モジュールを用いたアレーアンテナ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特開２００２−１９８６５５号公報には、従来のマイクロ波モジュール等の高周波回路基板を複数のセラミック基板を用いて製造する方法が開示されている。この特開２００２−１９８６５５号公報によれば、集積回路素子は、回路モジュールの１層あるいは２層の表層に取り付けられ、そのセラミック基板による多層構造中には、基本従動素子であるコンデンサや抵抗、インダクタンス、また高周波従動素子であるフィルタやカプラ、平衡非平衡抵抗変換器が形成されるものである。このように従動素子を基板内に埋め込むことで、基板面積を小さくしマイクロ波モジュールの小型化が図られるものであった。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−１９８６５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特開２００２−１９８６５５号公報に開示された従来のマイクロ波モジュールでは、多層基板の表層に設けられた集積回路素子が外部に露出しており、温度環境によっては、結露等の問題が生じるものであった。また、集積回路素子が多層基板の両面に設けられており、アンテナ素子を別の空間に設ける必要があり、このためマイクロ波装置全体として、小型化できないという問題点もあった。
【０００５】
この発明は、上記のような問題を解決するためになされたもので、高出力増幅器や低雑音増幅器等の能動素子に対する樹脂等によるモールドを可能とし、また、アンテナ素子を空間的に効率よく配置することのできるマイクロ波モジュールを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１の発明に係るマイクロ波モジュールは、複数のセラミック基板を積層し低温焼成して形成した積層基板と、この積層基板の一方の表層に設けたパッチアンテナ素子と、上記積層基板の内層に設けた受動回路素子と、上記セラミック基板に設けた穴により、積層後の積層基板の他方の表層側に形成したキャビティと、このキャビティに配置した能動素子と、この能動素子を覆うように上記キャビティに充填した樹脂とを備えたものである。
【０００７】
請求項２の発明に係るマイクロ波モジュールは、請求項１の発明に係るマイクロ波モジュールにおいて、さらに、上記積層基板の上記他方の表層に半田ボールグリッドを備えたものである。
【０００８】
請求項３の発明に係るマイクロ波モジュールは、請求項１の発明に係るマイクロ波モジュールにおいて、さらに、上記積層基板の側面に設けたキャスタレーションと、上記積層基板の上記他方の表層に印刷導体により形成した電極パターンとを備えたものである。
【０００９】
請求項４の発明に係るアレーアンテナ装置は、送信又は受信するＲＦ信号を分配又は合成する分配合成回路を有する母基板と、この母基板上に配置される複数のマイクロ波モジュールであって、複数のセラミック基板を積層し低温焼成して形成した積層基板、この積層基板の一方の表層に設けたパッチアンテナ素子、上記積層基板の内層に設けた受動回路素子、上記セラミック基板に設けた穴により、積層後の積層基板の他方の表層側に形成したキャビティ、このキャビティに配置した能動素子、この能動素子を覆うように上記キャビティに充填した樹脂を有するマイクロ波モジュールとを備えたものである。
【００１０】
請求項５の発明に係るアレーアンテナ装置は、請求項４の発明に係るアレーアンテナ装置において、さらに、上記母基板上に設けられ、ＲＦ信号、制御信号及び電源を接続する信号端子を１つの枠体内に有するコネクタとを備えたものである。
【発明の効果】
【００１１】
この発明によれば、積層する基板に設けた穴により、積層後の積層基板に形成したキャビティに、高出力増幅器や低雑音増幅器等の能動素子を配置し、これらの能動素子を樹脂モールドするので、外部環境への露出を防止することができる。また、アンテナ素子を多層基板の一の表面に配置するので、アンテナ素子が空間的に効率よく配置され、マイクロ波モジュールの小型化を図ることができる。さらには、これらのマイクロ波モジュールを複数設けて形成したアンテナ装置の小型・薄型化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
実施の形態１
【００１３】
この発明の実施の形態１に係るマイクロ波モジュールを図１から図７に基づき説明する。図１はマイクロ波モジュールの積層基板の構成図である。図１において、１から７はセラミック基板である。８は、セラミック基板１上に設けたパッチアンテナ素子であり、９はセラミック基板２上に設けた９０°ハイブリッド回路、１０はセラミック基板３上に設けたローパスフィルタである。９０°ハイブリッド回路９、ローパスフィルタ１０は受動素子であり、このような受動素子としては、他にもハイパスフィルタやカプラなどをセラミック基板２やセラミック基板３上に設けることができる。１１、１２、１３はそれぞれ、セラミック基板５、６、７に設けた穴部である。
【００１４】
図１における各セラミック基板１からセラミック基板７を積層して低温焼成する。図２は各セラミック基板を積層して焼成した後に、他の能動素子を接続したマイクロ波モジュールの断面図である。図２において、１４はセラミック基板を積層して形成したマイクロ波モジュールであり、１５は、セラミック基板１１乃至１３により形成されたキャビティである。このキャビティ１５に能動素子や集積回路を配置する。１６はキャビティ１５に配置したＬＮＡ（低雑音増幅器）、１７はＰＳ（移相器）、１８は集積回路によって形成した制御器である。制御器１８は、ＬＮＡ１６やＰＳ１７等の能動素子を制御する。１９は、ＬＮＡ１６、ＰＳ１７、制御器１８をセラミック基板に接続するバンプ、２０はマイクロ波モジュール１４を他の基板に接続する半田ボールである。
【００１５】
上述のように、セラミック基板１１乃至１３の積層によって、キャビティ１５が形成され、このキャビティ１５にＬＮＡ１６やＰＳ１７、制御器１８を配置する。ＬＮＡ１６、ＰＳ１７、制御器１８は、バンプ接続によりセラミック基板１０に接続した後、樹脂等によりキャビティ１５をモールドする。半田ボール２０を使用してマイクロ波モジュールを母基板へ二次実装するが、この半田ボールの厚みの分、マイクロ波モジュール１４底面と母基板との間でクリアランスがあるので、モールド樹脂表面に生じる多少の凹凸は許容することができる。樹脂モールドを施すことによって、ＬＮＡ１６やＰＳ１７の能動素子、制御器１８の集積回路を外部環境から遮蔽し、例えば結露を抑制することができ、また、半田ボール２０によってＢＧＡ（ボール・グリッド・アレイ）を形成する際のフラックスによる能動素子（半導体チップ）の汚染も抑制することができる。
【００１６】
このようにして形成するマイクロ波モジュールの機能ブロックの例を図３〜図５に示す。図３はマイクロ波受信回路ブロックであり、図４はマイクロ波送信回路ブロックであり、図５は、送信系統及び受信系統を有するマイクロ波送受信回路ブロックである。図３において、２１及び２２はＲＦ入力端子、２３及び２４はＲＦ出力端子、２５は制御信号端子である。
【００１７】
まず、図３のマイクロ波受信回路ブロックについて説明する。パッチアンテナ素子８上の２つの給電点（図１におけるパッチアンテナ８上の２点を参照する）からのＲＦ信号を、ＲＦ入力端子２１、２２から入力し、９０°ハイブリッド回路９によって偏波の変換を行い、ローパスフィルタ１０により不要波を除去した後、ＬＮＡ１６によって増幅する。ＬＮＡ１６の出力は、ＰＳ１７に入力され、ＰＳ１７によって、受信ビームを所望の偏波角で形成するための通過位相制御を行い、ＲＦ出力端子２３及び２４から出力される。制御信号端子２５には、制御器１８への制御信号を入力する。制御信号端子２５に入力される制御信号は、受信ビームの偏波角を設定するための指令であり、この指令に基づいて制御器１８は、ＰＳ１７の移相量を設定する。
【００１８】
次に、図４のマイクロ波送信回路ブロックについて説明する。図４において、２６及び２７はＲＦ入力端子、２８及び２９はＲＦ出力端子、３０は高出力増幅器である。送信するＲＦ信号は、ＲＦ入力端子２６及び２７から入力され、ＰＳ１７における位相調整により送信ビーム方向及び偏波面の設定を行ったのち、高出力増幅器３０により増幅され、ローパスフィルタ１０により高調波除去される。ローパスフィルタ１０の出力は、９０°ハイブリッド回路９により偏波の変換を行い、ＲＦ出力端子２８及び２９からパッチアンテナ素子８へ出力される。制御信号端子２５に入力される制御信号は、送信ビーム方向及び偏波面を設定するための指令であり、この指令に基づいて制御器１８は、ＰＳ１７の移相量を設定する。
【００１９】
次に、図５のマイクロ波送受信回路ブロックについて説明する。図５は送受信を一体としたマイクロ波回路の構成である。図５において、３１は送信信号のＲＦ入力端子、３２は送信信号のＲＦ出力端子であり、３３は受信信号のＲＦ入力端子、３４は受信信号のＲＦ出力端子である。また、３５は低周波を除去するハイパスフィルタである。送信信号は、ＲＦ入力端子３１に入力され、ＰＳ１７における位相調整によって送信ビーム方向の設定を行い、高出力増幅器３０により増幅され、ローパスフィルタ１０により高調波除去、ハイパスフィルタ３５により受信帯雑音除去された後、９０°ハイブリッド回路９により送信の偏波に対応した通過位相の変化を与えられて、ＲＦ出力端子３２からパッチザンテナ素子８へ出力される。一方受信信号はパッチアンテナ素子８により受信された後、ＲＦ入力端子２９へ入力され、９０°ハイブリッド回路９により受信信号に応じた偏波に変換され、ローパスフィルタ１０により高調波除去され、低雑音増幅器１６によって増幅されるとともに、ＰＳ１７により受信ビームを形成するための通過位相の制御を行い、ＲＦ出力端子３４から出力される。
【００２０】
図３に示したマイクロ波受信回路ブロック及び図４に示したマイクロ波送信回路ブロックにおいては、直線偏波のマイクロ波をＰＳ１７による位相制御により偏波追尾して送信又は受信することができる。一方、図５に示したマイクロ波送受信回路ブロックについては、偏波追尾が必要な直線偏波ではなく、偏波追尾不要な円偏波を使用し、かつ送受信を逆旋とすることで、９０°ハイブリッド回路９による送受信の分離が可能となる。
【００２１】
次に図２に示したセラミック基板を積層して形成したマイクロ波モジュールにおける各層間での配線について説明する。図６は基板間接続の模式図である。図６において、３６は積層後の基板の表層間を貫通して接続するスルーホール（又は貫通ビアとも言う）であり、３７は積層後の基板の一部において接続するビアである。各基板には積層前に予め孔を設け、積層後の各基板で孔の位置を一致させて導体により接続することによりスルーホール３６が形成できる。孔の位置を一致させないようにすると、基板の上下を接続するビア３７が形成できる。
【００２２】
このように形成するスルーホール３６又はビア３７によって、能動素子であるＨＰＡや、ローパスフィルタ、９０°ハイブリッド回路からパッチアンテナへと給電する構成を説明する。図７はパッチアンテナ素子等への垂直給電を説明する模式図である。図７において、３８はスルーホール又はビアにより形成した中心導体であり、３９は中心導体３８の周囲に設けた複数のスルーホール又はビアにより形成した地導体である。図７においては中心導体３８の周囲に４本の地導体３９を設けている。中心導体３８の上端点、又は下端点は、給電点となっている。また、中心導体３８の径、及び中心導体３８と地導体３９との間隔は、各回路素子の接続インピーダンスに応じて設定する。このように構成する垂直給電構造を、ＨＰＡや、ローパスフィルタ、９０°ハイブリッド回路、パッチアンテナなどの回路素子間の接続に用いる。なお、接続される回路素子は、マイクロ波モジュールで採用される回路ブロックに応じて異なり、ＨＰＡからパッチアンテナ素子への送信系、パッチアンテナ素子からＬＮＡへの受信系の各線路上の各回路素子間を上記の垂直給電構造により接続する。
【００２３】
図８に示すマイクロ波回路モジュールの構成は、マイクロ波回路モジュールの側面（積層基板の側面）をメタライズしてキャスタレーションを設けて接続するものである。図９は、図８のＡ面側から見た斜視図である。図８において、４０は積層基板の側面に設けたキャスタレーションである。図９において、４１はマイクロ波モジュール１４の底面Ａに設けたタイル状の電極パターンである。なお、キャスタレーション４０及び電極パターン４１は、グランド接続するものや、ＲＦ信号を接続するもの、又は制御信号を接続するものである。電極パターン４１は、銀などの導体を印刷した印刷導体である。母基板との接続は、印刷導体である電極パターン４１にクリーム半田を印刷してリフロー工程により溶融して接続し、またキャスタレーション４０を母基板に半田付けすることにより行う。
【００２４】
この図８及び図９に示す構成によって、一般的なプリント基板組立工程によりマイクロ波モジュールの母基板への二次実装が可能となり、低コスト化を図ることができる。但し、マイクロ波モジュール１４の底面Ａと母基板との間のクリアランスが、図２におけるＢＧＡを用いた場合に比べて小さくなるので、キャビティ１５内に施す樹脂モールドは底面Ａから突出しないように、キャビティ１５の容積内に収まるように形成する。
【００２５】
次に、上記の図１〜図９により説明したマイクロ波モジュールを母基板に配置して構成するアレーアンテナ装置について説明する。図１０及び図１１はアレーアンテナ装置の構成を示す構成図である。図１０において４２はマイクロ波モジュール１４を二次実装する母基板であり、４３は母基板に設けられ、送受信機等と接続される複合タイプのコネクタであり、このコネクタ４３によりＲＦ信号、制御信号、電源等を電気接続し、母基板内に設けた分配合成回路によって、各マイクロ波モジュール１４に供給される。なお、コネクタ４３は枠体と、その内部に収めた高周波信号用端子及び低周波信号用端子（制御信号端子、電源端子）とからなり、このコネクタ４３によりアレーアンテナ装置の着脱作業性が向上する。また、図１０に示すアレーアンテナ装置の構成は、母基板４２の一方の基板面にマイクロ波モジュール１４を格子状に複数配置し、母基板４２自体は積層基板によってその内部に、ＲＦ信号線や制御信号線、電源線を主にマイクロストリップ線路により設けており、さらに母基板４２の他方の基板面にはコネクタ４３を基板面内方向を着脱方向として設けているので、アレーアンテナ装置全体の高さを低くすることができるものである。なお、コネクタ４３はＲＦ信号や制御信号、電源等の相互干渉がある場合には、２以上のコネクタにより構成しなければならない場合もある。
【００２６】
図１１において、４４は励振パッチアンテナ、４５はマイクロ波モジュール上に設けた支持部材、４６は非励振パッチアンテナである。図１１において図１０と異なる点は、マイクロ波モジュール１４上に、上記の励振パッチアンテナ４４、支持部材４５、及び非励振パッチアンテナ４６からなるアンテナを配置した点であり、その他の構成は図１０に対応して上記説明したものに相当する。支持部材４５は、低誘電率の樹脂を材料として用いる。このようにアンテナを構成することで、広帯域化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】この発明の実施の形態１に係るマイクロ波モジュールの積層基板の構成図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係るマイクロ波モジュールの断面図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係るマイクロ波モジュールの機能ブロック図の一例である。
【図４】この発明の実施の形態１に係るマイクロ波モジュールの機能ブロック図の一例である。
【図５】この発明の実施の形態１に係るマイクロ波モジュールの機能ブロック図の一例である。
【図６】この発明の実施の形態１に係るマイクロ波モジュールの基板間接続の模式図である。
【図７】この発明の実施の形態１に係るマイクロ波モジュールのパッチアンテナ素子等への垂直給電を説明する模式図である。
【図８】この発明の実施の形態１に係るマイクロ波モジュールの別の一例の断面図である
【図９】この発明の実施の形態１に係るマイクロ波モジュールの別の一例の斜視図である
【図１０】この発明の実施の形態１に係るアレーアンテナ装置の構成図である。
【図１１】この発明の実施の形態１に係るアレーアンテナ装置の別の一例の構成図である。
【符号の説明】
【００２８】
１、２、３、４、５、６、７  セラミック基板
８  パッチアンテナ素子
１４  マイクロ波モジュール
１５  キャビティ
２０  半田ボール
４０  キャスタレーション
４１  電極パターン
４２  母基板
４３  コネクタ
【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】
2005117139.tif 000009
【図８】
2005117139.tif 000010
【図９】
2005117139.tif 000011
【図１０】
2005117139.tif 000012
【図１１】
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