(57)【要約】ＭＳＡ（１１２）およびＭＳＡ（１１２）に給電するＭＳＡ給電回路（１１３）がアンテナ基板（１０６）に配置され、アクティブ素子である高出力増幅器（１０２）、低雑音増幅器（１０３）等がＲＦ基板（１０７）に実装される。アンテナ基板（１０６）とＲＦ基板（１０７）の間にはさまれた放熱ブロック（１１１）を有する。ＲＦ−アンテナ接続部（１０５）は、アンテナ基板（１０６）上に配置されたＭＳＡ給電回路（１１３）とＲＦ基板（１０７）上の給電ライン（１０９）との間を非放射の結合スロット（１０８）により電磁界結合させる。これにより、高出力で、消費電力の大きいデバイスを使用した場合にも、その特性劣化を抑圧し、簡易な構成にて、小型化可能なアクティブアンテナを提供することができる。
2004051790.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アンテナと、信号を増幅して前記アンテナに出力する高出力増幅器と、前記アンテナに受信された信号を増幅する低雑音増幅器とを具備するアクティブアンテナであって、
前記アンテナおよび前記アンテナに給電する給電回路を含むアンテナ基板と、アクティブ素子である前記高出力増幅器および前記低雑音増幅器を実装するＲＦ基板と、前記アンテナ基板と前記ＲＦ基板の間に挿入される放熱ブロックとを具備し、前記アンテナ基板と前記ＲＦ基板との間を結合スロットにより電磁界結合させるアクティブアンテナ。
【請求項２】
前記アンテナを複数有し、前記高出力増幅器を前記アンテナと同数有し、信号を前記アンテナの数に分配して前記高出力増幅器に出力する分配器と、前記各アンテナに受信された信号を合成して前記低雑音増幅器に出力する合成器とを具備し、信号の空間合成を行う請求の範囲１記載のアクティブアンテナ。
【請求項３】
前記高出力増幅器と前記分配器との間、あるいは、前記高出力増幅器と前記アンテナとの間に可変位相回路を設ける請求の範囲２記載のアクティブアンテナ。
【請求項４】
前記高出力増幅器と前記分配器との間、あるいは、前記高出力増幅器と前記アンテナとの間に可変利得回路を設ける請求の範囲２記載のアクティブアンテナ。
【請求項５】
前記合成器と前記アンテナとの間に可変位相回路を設ける請求の範囲２記載のアクティブアンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、高出力増幅器、低雑音増幅器等のアクティブ素子をアンテナのエレメントと一体化させた構造を採るアクティブアンテナに関する。
【背景技術】  準ミリ波帯以上の周波数では、空間での電磁波の伝搬減衰が大きいため、充分な通信エリアを確保するためには、出力電力の向上およびアンテナの高利得化が必要である。
従来の無線機は、独立したアンテナと無線機本体を同軸ケーブル等により接続しているため、ケーブル損失を補うために、最終段にある増幅器を高出力化・高利得化する必要があった。この一つの解決策として、アンテナとＲＦ回路（アクティブ素子が実装された）を一体化したアクティブアンテナが存在する。
従来のアクティブアンテナの実装断面図を図１に示す。アクティブアンテナのＲＦ回路は、ＲＦ−アンテナ一体多層基板１１上または内層に配置される。アンテナをマイクロストリップアンテナ（ＭＳＡ）１２とした場合には、アンテナの構成上ＧＮＤ（グランド）層１３が必要であり、電力増幅器、低雑音増幅器、送受切換器等のＭＭＩＣ（Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  Ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）１４は、アンテナと反対の面に通常実装される。送受切換器およびアンテナはＲＦ−アンテナ結合スルーホール１５によって結合される。
しかしながら、準ミリ波帯以上を使用するシステムにおいては、図１のようなアンテナ−ＲＦ回路間の損失を減少させる構成を採り、更に通話エリアの拡大、および伝送品質の確保のために、高出力な電力増幅器を用いる必要がある。上記のように基板上にＭＭＩＣを実装した場合には、その放熱量にも限界があり、デバイスが高温条件下で動作する場合には、その特性劣化等も考慮しなければならず、最悪、長時間使用時には、破壊してしまう可能性もある。
【発明の開示】
本発明の目的は、高出力で、消費電力の大きいデバイスを使用した場合にも、その特性劣化を抑圧し、簡易な構成にて、小型化可能なアクティブアンテナを提供することである。
この目的は、アンテナと、信号を増幅して前記アンテナに出力する高出力増幅器と、前記アンテナに受信された信号を増幅する低雑音増幅器とを具備するアクティブアンテナであって、前記アンテナおよび前記アンテナに給電する給電回路を含むアンテナ基板と、アクティブ素子である前記高出力増幅器および前記低雑音増幅器を実装するＲＦ基板と、前記アンテナ基板と前記ＲＦ基板の間に挿入される放熱ブロックとを具備し、前記アンテナ基板と前記ＲＦ基板との間を結合スロットにより電磁界結合させるアクティブアンテナにより解決される。
【図面の簡単な説明】  図１は、従来のアクティブアンテナの実装断面図、
図２は、本発明の実施の形態１に係るアクティブアンテナの構成を示すブロック図、
図３は、本発明の実施の形態１に係るアクティブアンテナの実装断面図、
図４Ａは、本発明の実施の形態１に係るＲＦ−アンテナ接続部詳細図（Ｔｏｐ  ｖｉｅｗ）、
図４Ｂは、本発明の実施の形態１に係るＲＦ−アンテナ接続部詳細図（Ｃｒｏｓｓ−ｓｅｃｔｉｏｎａｌ  ｖｉｅｗ）、
図５は、本発明の実施の形態２に係るアクティブアンテナの構成を示すブロック図、
図６は、本発明の実施の形態３に係るアクティブアンテナの構成を示すブロック図、
図７は、本発明の実施の形態４に係るアクティブアンテナの構成を示すブロック図、
図８は、本発明の実施の形態５に係るアクティブアンテナの構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための最良の形態】  以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
（実施の形態１）
図２は、本発明の実施の形態１に係るアクティブアンテナの回路構成を示すブロック図である。
図２に示すアクティブアンテナの回路は、アンテナ１００と、高出力増幅器（ＰＡ）１０２と、低雑音増幅器（ＬＮＡ）１０３と、アンテナ信号ラインを送信側および受信側のそれぞれに分離する送受切換器１０１と、無線装置に接続される信号ラインを送信側および受信側のそれぞれに分離する送受切換器１０４とを有する。
信号経路は次のようになっている。無線装置結合端１１４を介し無線装置から入力された送信信号は、送受切換器１０４で出力先が切り換えられ、高出力増幅器１０２に出力される。高出力増幅器１０２によって電力が増幅された送信信号は、送受切換器１０１で出力先が切り換えられ、アンテナ１００を介し空間上に放射される。一方、アンテナ１００を介し受信された信号は、送受切換器１０１で出力先が切り換えられ、低雑音増幅器１０３に出力される。低雑音増幅器１０３によって増幅された受信信号は、送受切換器１０４で出力先が切り換えられ、無線装置結合端１１４を介し無線装置に出力される。
ここで、送受切換器１０１および送受切換器１０４は、適用するシステムにより構成が異なり、例えば、送受信で同一周波数を用いるＴＤＤ（Ｔｉｍｅ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｄｕｐｌｅｘ）システムであれば、ある時間で送信側、受信側を選択するスイッチ構成になり、ＦＤＤ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｄｕｐｌｅｘ）システムであれば、フィルタを組み合わせた共用器、あるいはスイッチとフィルタの組み合わせでもよく、特定の構成に限定されるものではない。
また、低雑音増幅器１０３は、システム全体の所要雑音指数（ＮＦ）によっては、本実施の形態に係るアクティブアンテナ側に必ずしも実装されていなくてもよく、無線装置結合端１１４に接続される無線装置側に実装されていてもよい。
次に、本実施の形態に係るアクティブアンテナの実装断面図を図３に示す。ここでは、アンテナとしてマイクロストリップアンテナ（ＭＳＡ）１１２を例にとって示す。また、説明を簡単にするため１つのパッチのみを示しているが、複数のパッチアンテナでも構わない。
図３に示すように、本実施の形態実施に係るアクティブアンテナの主な構成は、アンテナ基板１０６と放熱ブロック１１１とＲＦ基板１０７とからなる。放熱ブロック１１１は、筐体およびＧＮＤ（グランド）としての役目も負っている。
ＭＳＡ１１２はアンテナ基板１０６上に、また、ＭＳＡ１１２に給電するＭＳＡ給電回路（埋込給電回路）１１３はアンテナ基板１０６の内部に配置されている。また、アクティブ素子である高出力増幅器１０２および低雑音増幅器１０３等を実装するＭＭＩＣ１１０は、ＲＦ基板１０７上に配置されている。
そして、アンテナ基板１０６とＲＦ基板１０７の間に放熱ブロック１１１が挟まれ（挿入され）、アンテナ基板１０６と放熱ブロック１１１の間、および放熱ブロック１１１とＲＦ基板１０７の間は互いに密着する構成となっている。このように互いに密着する構成を採ることにより、アクティブアンテナとしての一体性が保たれる。また、放熱ブロック１１１とＲＦ基板１０７とが密着していることにより、ＲＦ基板１０７で発生した熱を効率良く放熱することができる。
また、この放熱ブロック１１１には中空の結合スロット１０８が設けられている。アンテナ基板１０６とＲＦ基板１０７は、この結合スロット１０８を有するＲＦ−アンテナ接続部１０５を介して、互いに接続されている。
ここで、結合スロット１０８は、通常のスロットアンテナと同様の構成を有するものであり、外部に不必要な放射をしない非放射スロットである。結合スロット１０８は、その表裏にあるＭＳＡ給電回路１１３および給電ライン１０９を電磁界結合させる（すなわち、送信時であれば、給電ライン１０９から放射された電磁波は、スロット中のエア等を通り、ＭＳＡ給電回路１１３に到達する。また、受信時であれば、ＭＳＡ１１２で受信された電磁波は、ＭＳＡ給電回路１１３を通り、スロット内に放射され、給電ライン１０９に到達する）。
なお、結合スロットとアンテナ間の相互結合を低減する為に、結合スロット１０８を有するＲＦ−アンテナ接続部１０５は、アンテナ基板１０６上でＭＳＡ１１２から所定の距離だけ離れた位置に配置される。
図４にＲＦ−アンテナ接続部１０５のさらに詳細な構造を示す。ただし、ここでは、ＭＳＡ給電回路１１３が図３と異なる位置に配置されている場合の例を示す。図３では、ＭＳＡ給電回路１１３が給電ライン１０９と同じように結合スロット１０８の左側に設置されている場合を例にとって説明したが、図４に示すように、ＭＳＡ給電回路１１３は結合スロット１０８の（図３でいう）右側に設置されていても良い。
図４Ａは、ＲＦ−アンテナ接続部１０５を上面（図３の上方向）から見た図である。放熱ブロック１１１は図のように長方形状にくり抜かれ、結合スロット１０８を形成している。ここで、結合スロット１０８とＭＳＡ給電回路１１３のフィードライン（給電線）は、電磁波の放射効率（インピーダンス特性）を良くするために、互いに直交するように設置されている。なお、図示しないが、同様に結合スロット１０８と給電ライン１０９も互いに直交するように設置されている。
また、Ｗの値は、結合スロット１０８のインピーダンス特性を考慮すると小さいほど望ましい。一方、Ｌの値も、非放射スロットにするためには小さいほど望ましいが、放熱ブロック１１１の厚さｔも考慮して、使用する周波数に応じて決定される。すなわち、放熱ブロック１１１の厚さｔは、放熱特性を考えると大きい値ほど望ましいが、Ｌとｔには比例関係があることがわかっており、ｔに応じてＬを大きくすると結合スロット１０８を非放射とすることが困難となる。よって、非放射の実現と放熱特性の向上はトレードオフの関係にあり、Ｌは使用する周波数を考慮して決定される。
なお、ここでは、結合スロット１０８を上面から見た場合の形状が長方形である場合を例にとって説明したが、これに限定されず、ＷとＬが上記の条件を満たす形状であれば他の形状であっても良い。
図４Ｂは、ＲＦ−アンテナ接続部１０５を図３と同じ方向から見た断面図である。ここで、ｄ１、ｄ２は、結合スロット１０８のインピーダンス特性が最適となる値に決定される。
一般に、高出力増幅器１０２のようなアクティブ素子には、素子自体の最大許容温度が規定されており、素子の温度がそれ以下の温度になるように放熱を考える必要がある。放熱が十分にできない場合には、そのような大電力を扱う素子は実装できないことになる。また、アクティブ素子は、高温になると利得が低下する特徴があり、素子温度を上げないような設計をすることで特性劣化を抑圧することができる。
そこで、本実施の形態においては、ＲＦ基板１０７に実装された高出力増幅器が発生する熱を、ＲＦ基板１０７を通して、ＲＦ基板１０７に密着して設けられている熱伝導率の良い（例えば、銅製の）放熱ブロック１１１に伝え、この放熱ブロックを介してエア上に熱を放出する。
また、本実施の形態においては、放熱ブロック１１１が存在するために、ＲＦ基板１０７（給電ライン１０９）およびアンテナ基板１０６（ＭＳＡ給電回路１１３）との間が電気的に分断されてしまうが、放熱ブロック１１１の一部をくり抜いて結合スロット１０８を設けることにより、給電ライン１０９からの電力は、この結合スロット１０８を通り、ＭＳＡ給電回路１１３に供給される。すなわち、ＭＳＡ給電回路１１３および給電ライン１０９は電磁界結合される。また、このように、２つの基板間を、例えば同軸ケーブルのような接続手段を用いて半田付け等で接続することなく結合することにより、通常の多層基板を製作するような工程で容易に製作することができる。
このように、本実施の形態によれば、高出力で、消費電力の大きいデバイスを使用した場合にも、充分な放熱効果を有することができ、そのデバイスの温度上昇による特性劣化を抑圧することができる。また、簡易な構造で小型化可能なアクティブアンテナを提供することができる。
（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２に係るアクティブアンテナの構成を示すブロック図である。なお、このアクティブアンテナは、図２に示したアクティブアンテナと同様の基本的構成を有しており、同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
本実施の形態の特徴は、図２に示したアンテナ１００を２系統（アンテナ１００ａ、アンテナ１００ｂ）有し、信号の空間合成を実現する構成となっていることである。
図５において、無線装置結合端１１４を介し無線装置から入力された送信信号は、送受切換器１０４で出力先が切り換えられ、分配合成器２０４に出力され、２つの信号に分配される。分配合成器２０４の出力は、それぞれ高出力増幅器１０２ａ、１０２ｂに入力される。高出力増幅器１０２ａ、１０２ｂにより増幅された送信信号は、送受切換器１０１ａ、１０１ｂで出力先が切り換えられ、アンテナ１００ａ、１００ｂを介して空間上に放射される。一方、アンテナ１００ａ、１００ｂを介し受信された信号は、送受切換器１０１ａ、１０１ｂで出力先が切り換えられ、分配合成器２０３に入力され合成されて、低雑音増幅器１０３に出力される。低雑音増幅器１０３により増幅された受信信号は、送受切換器１０４で出力先が切り換えられ、無線装置結合端１１４を介し無線装置に出力される。
例えば、２つのアンテナから送信された無線信号を空間合成する場合には、増幅器の出力電力は理論的には半分でよい。またトータルで同じ出力電力であっても、最大電力が小さい増幅器を複数個用いる方が一般的にトータルの消費電力は小さくなる。本実施の形態では、この効果を狙っている。
このように、本実施の形態によれば、アンテナを複数配置し、それに接続する高出力増幅器も複数配置するため、１つの高出力増幅器の消費電力を下げることができ、高出力増幅器の特性を選択することで、１つの高出力な増幅器を用いるときより全体の消費電力の削減を図ることができる。
なお、ここでは、アンテナ部を２個有し、２合成の場合を例にとって説明したが、同様な構成で更に複数合成であっても良い。
（実施の形態３）
図６は、本発明の実施の形態３に係るアクティブアンテナの構成を示すブロック図である。なお、このアクティブアンテナは、図５に示したアクティブアンテナと同様の基本的構成を有しており、同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
本実施の形態の特徴は、分配合成器２０４と高出力増幅器１０２ａ、１０２ｂとの間に、可変位相回路３０１ａ、３０１ｂを挿入した構成となっていることである。
空間合成を行う回路においては、複数のアンテナより同位相で放射されなくてはならないが、実際には各デバイスのばらつき等によりずれることがあり、可変位相回路３０１ａ、３０１ｂはそのずれを補正する機能を持つ。
このように、本実施の形態によれば、各デバイス自身のばらつき、および実装時の位相ばらつき等を補正するため、合成損を抑圧することができ、高利得なアクティブアンテナを実現することができる。
（実施の形態４）
図７は、本発明の実施の形態４に係るアクティブアンテナの構成を示すブロック図である。なお、このアクティブアンテナは、図６に示したアクティブアンテナと同様の基本的構成を有しており、同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
本実施の形態の特徴は、分配合成器２０４と可変位相回路３０１ａ、３０１ｂとの間に、可変利得回路４０１ａ、４０１ｂを挿入した構成となっていることである。
空間合成を行う回路においては、複数のアンテナより同振幅で放射されなくてはならないが、実際には各デバイスのばらつき等によりずれることがあり、可変利得回路４０１ａ、４０１ｂはそのずれを補正する機能を持つ。
このように、本実施の形態によれば、各デバイス自身のばらつき、および実装時の振幅ばらつき等を補正するため、合成損を抑圧することができ、高利得なアクティブアンテナを実現することができる。また、デバイスのランクを指定して購入しなくてもよくなるため、低コスト化が可能となる。
（実施の形態５）
図８は、本発明の実施の形態５に係るアクティブアンテナの構成を示すブロック図である。なお、このアクティブアンテナは、図７に示したアクティブアンテナと同様の基本的構成を有しており、同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
本実施の形態の特徴は、分配合成器２０３と送受切換器１０１ａ、１０１ｂとの間に、可変位相回路５０１ａ、５０１ｂを挿入した構成となっていることである。
空間合成を行う回路においては、複数のアンテナより同位相で放射されなくてはならないが、受信信号に対しても同様であり、実際には各デバイスのばらつき等によりずれることがあり、可変位相回路５０１ａ、５０１ｂはそのずれを補正する機能を持つ。
このように、本実施の形態によれば、各デバイス自身のばらつき、および実装時の位相ばらつき等を補正するため、合成損を抑圧することができ、受信信号に対しても高利得なアクティブアンテナを実現することができる。
以上説明したように、本発明によれば、高出力で、消費電力の大きいデバイスを使用した場合にも、その特性劣化を抑圧し、簡易に、小型化可能なアクティブアンテナを実現することができる。
本明細書は、２００２年１１月１５日出願の特願２００２−３３２５０９に基づく。この内容はすべてここに含めておく。
【産業上の利用可能性】  本発明は、無線機等に搭載されるアンテナに適用することができる。
【図１】
2004051790.tif 000003
【図２】
2004051790.tif 000004
【図３】
2004051790.tif 000005
2004051790.tif 000006
【図５】
2004051790.tif 000007
【図６】
2004051790.tif 000008
【図７】
2004051790.tif 000009
【図８】
2004051790.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成16年7月15日(2004.7.15)
【手続補正００１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（追加）アンテナが設置されたアンテナ基板と、
前記アンテナを介して送受信される信号用の増幅回路が設置された回路基板と、
前記アンテナ基板と前記回路基板とに挟まれる放熱板と、
からなる多層構造を有し、
前記放熱板は、
前記アンテナ基板側と前記回路基板側とを連通する連通孔を有する、
アクティブアンテナ。
【請求項２】
（追加）前記アンテナは、
前記アンテナ基板上において前記連通孔から離間して配置され、給電線を介して前記連通孔から給電される、
請求の範囲１記載のアクティブアンテナ。
【請求項３】
（追加）前記連通孔はスロット形状を有し、
前記給電線は、
前記アンテナ基板上で前記連通孔のスロット形状の長手方向と直交する方向に設置される、
請求の範囲２記載のアクティブアンテナ。
【請求項４】
（追加）前記連通孔の前記長手方向の長さは、
前記放熱板の厚さおよび前記アンテナの使用周波数の双方に基づいて決定される、
請求の範囲３記載のアクティブアンテナ。
【請求項５】
（追加）アンテナと、信号を増幅して前記アンテナに出力する高出力増幅器と、前記アンテナに受信された信号を増幅する低雑音増幅器とを具備するアクティブアンテナであって、
前記アンテナおよび前記アンテナに給電する給電回路を含むアンテナ基板と、
アクティブ素子である前記高出力増幅器および前記低雑音増幅器を実装するＲＦ基板と、
前記アンテナ基板と前記ＲＦ基板の間に挿入される放熱ブロックと、
を具備し、
前記アンテナ基板と前記ＲＦ基板との間を結合スロットにより電磁界結合させる、
アクティブアンテナ。
【請求項６】
（追加）前記アンテナを複数有し、前記高出力増幅器を前記アンテナと同数有し、信号を前記アンテナの数に分配して前記高出力増幅器に出力する分配器と、前記各アンテナに受信された信号を合成して前記低雑音増幅器に出力する合成器とを具備し、信号の空間合成を行う、
請求の範囲５記載のアクティブアンテナ。
【請求項７】
（追加）前記高出力増幅器と前記分配器との間、あるいは、前記高出力増幅器と前記アンテナとの間に可変位相回路を設ける、
請求の範囲６記載のアクティブアンテナ。
【請求項８】
（追加）前記高出力増幅器と前記分配器との間、あるいは、前記高出力増幅器と前記アンテナとの間に可変利得回路を設ける、
請求の範囲６記載のアクティブアンテナ。
【請求項９】
（追加）前記合成器と前記アンテナとの間に可変位相回路を設ける、
請求の範囲６記載のアクティブアンテナ。
【請求項１０】
（追加）スロット形状の貫通孔を放熱板に設けるステップと、
アンテナが設置されたアンテナ基板と、前記アンテナを介して送受信される信号用の増幅回路が設置される回路基板と、前記アンテナ基板と前記回路基板とに挟まれる前記貫通孔が設けられた放熱板と、からなる多層構造を形成するステップと、
を具備するアクティブアンテナ製造方法。
【手続補正書】
【提出日】平成16年11月26日(2004.11.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アンテナが設置されたアンテナ基板と、
前記アンテナを介して送受信される信号用の増幅回路が設置された回路基板と、
前記アンテナ基板と前記回路基板とに挟まれる放熱板と、
からなる多層構造を有し、
前記放熱板は、
前記アンテナ基板側と前記回路基板側とを連通する連通孔を有する、
アクティブアンテナ。
【請求項２】
前記アンテナは、
前記アンテナ基板上において前記連通孔から離間して配置され、給電線を介して前記連通孔から給電される、
請求項１記載のアクティブアンテナ。
【請求項３】
前記連通孔はスロット形状を有し、
前記給電線は、
前記アンテナ基板上で前記連通孔のスロット形状の長手方向と直交する方向に設置される、
請求項２記載のアクティブアンテナ。
【請求項４】
前記連通孔の前記長手方向の長さは、
前記放熱板の厚さおよび前記アンテナの使用周波数の双方に基づいて決定される、
請求項３記載のアクティブアンテナ。
【請求項５】
アンテナと、信号を増幅して前記アンテナに出力する高出力増幅器と、前記アンテナに受信された信号を増幅する低雑音増幅器とを具備するアクティブアンテナであって、
前記アンテナおよび前記アンテナに給電する給電回路を含むアンテナ基板と、
アクティブ素子である前記高出力増幅器および前記低雑音増幅器を実装するＲＦ基板と、
前記アンテナ基板と前記ＲＦ基板の間に挿入される放熱ブロックと、
を具備し、
前記アンテナ基板と前記ＲＦ基板との間を結合スロットにより電磁界結合させる、
アクティブアンテナ。
【請求項６】
前記アンテナを複数有し、前記高出力増幅器を前記アンテナと同数有し、信号を前記アンテナの数に分配して前記高出力増幅器に出力する分配器と、前記各アンテナに受信された信号を合成して前記低雑音増幅器に出力する合成器とを具備し、信号の空間合成を行う、
請求項５記載のアクティブアンテナ。
【請求項７】
前記高出力増幅器と前記分配器との間、あるいは、前記高出力増幅器と前記アンテナとの間に可変位相回路を設ける、
請求項６記載のアクティブアンテナ。
【請求項８】
前記高出力増幅器と前記分配器との間、あるいは、前記高出力増幅器と前記アンテナとの間に可変利得回路を設ける、
請求項６記載のアクティブアンテナ。
【請求項９】
前記合成器と前記アンテナとの間に可変位相回路を設ける、
請求項６記載のアクティブアンテナ。
【請求項１０】
スロット形状の貫通孔を放熱板に設けるステップと、
アンテナが設置されたアンテナ基板と、前記アンテナを介して送受信される信号用の増幅回路が設置される回路基板と、前記アンテナ基板と前記回路基板とに挟まれる前記貫通孔が設けられた放熱板と、からなる多層構造を形成するステップと、
を具備するアクティブアンテナ製造方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高出力増幅器、低雑音増幅器等のアクティブ素子をアンテナのエレメントと一体化させた構造を採るアクティブアンテナに関する。
【背景技術】
【０００２】
準ミリ波帯以上の周波数では、空間での電磁波の伝搬減衰が大きいため、充分な通信エリアを確保するためには、出力電力の向上およびアンテナの高利得化が必要である。
【０００３】
従来の無線機は、独立したアンテナと無線機本体を同軸ケーブル等により接続しているため、ケーブル損失を補うために、最終段にある増幅器を高出力化・高利得化する必要があった。この一つの解決策として、アンテナとＲＦ回路(アクティブ素子が実装された)を一体化したアクティブアンテナが存在する。
【０００４】
従来のアクティブアンテナの実装断面図を図１に示す。アクティブアンテナのＲＦ回路は、ＲＦ−アンテナ一体多層基板１１上または内層に配置される。アンテナをマイクロストリップアンテナ（ＭＳＡ）１２とした場合には、アンテナの構成上ＧＮＤ（グランド）層１３が必要であり、電力増幅器、低雑音増幅器、送受切換器等のＭＭＩＣ(Microwave Monolithic Integrated Circuit)１４は、アンテナと反対の面に通常実装される。送受切換器およびアンテナはＲＦ−アンテナ結合スルーホール１５によって結合される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、準ミリ波帯以上を使用するシステムにおいては、図１のようなアンテナ−ＲＦ回路間の損失を減少させる構成を採り、更に通話エリアの拡大、および伝送品質の確保のために、高出力な電力増幅器を用いる必要がある。上記のように基板上にＭＭＩＣを実装した場合には、その放熱量にも限界があり、デバイスが高温条件下で動作する場合には、その特性劣化等も考慮しなければならず、最悪、長時間使用時には、破壊してしまう可能性もある。
【０００６】
本発明の目的は、高出力で、消費電力の大きいデバイスを使用した場合にも、その特性劣化を抑圧し、簡易な構成にて、小型化可能なアクティブアンテナを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のアクティブアンテナは、アンテナが設置されたアンテナ基板と、前記アンテナを介して送受信される信号用の増幅回路が設置された回路基板と、前記アンテナ基板と前記回路基板とに挟まれる放熱板と、からなる多層構造を有し、前記放熱板は、前記アンテナ基板側と前記回路基板側とを連通する連通孔を有する構成を採る。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、高出力で、消費電力の大きいデバイスを使用した場合にも、その特性劣化を抑圧し、簡易に、小型化可能なアクティブアンテナを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
【００１０】
（実施の形態１）
図２は、本発明の実施の形態１に係るアクティブアンテナの回路構成を示すブロック図である。
【００１１】
図２に示すアクティブアンテナの回路は、アンテナ１００と、高出力増幅器（ＰＡ）１０２と、低雑音増幅器（ＬＮＡ）１０３と、アンテナ信号ラインを送信側および受信側のそれぞれに分離する送受切換器１０１と、無線装置に接続される信号ラインを送信側および受信側のそれぞれに分離する送受切換器１０４とを有する。
【００１２】
信号経路は次のようになっている。無線装置結合端１１４を介し無線装置から入力された送信信号は、送受切換器１０４で出力先が切り換えられ、高出力増幅器１０２に出力される。高出力増幅器１０２によって電力が増幅された送信信号は、送受切換器１０１で出力先が切り換えられ、アンテナ１００を介し空間上に放射される。一方、アンテナ１００を介し受信された信号は、送受切換器１０１で出力先が切り換えられ、低雑音増幅器１０３に出力される。低雑音増幅器１０３によって増幅された受信信号は、送受切換器１０４で出力先が切り換えられ、無線装置結合端１１４を介し無線装置に出力される。
【００１３】
ここで、送受切換器１０１および送受切換器１０４は、適用するシステムにより構成が異なり、例えば、送受信で同一周波数を用いるＴＤＤ(Time Division Duplex)システムであれば、ある時間で送信側、受信側を選択するスイッチ構成になり、ＦＤＤ(Frequency Division Duplex)システムであれば、フィルタを組み合わせた共用器、あるいはスイッチとフィルタの組み合わせでもよく、特定の構成に限定されるものではない。
【００１４】
また、低雑音増幅器１０３は、システム全体の所要雑音指数(ＮＦ)によっては、本実施の形態に係るアクティブアンテナ側に必ずしも実装されていなくてもよく、無線装置結合端１１４に接続される無線装置側に実装されていてもよい。
【００１５】
次に、本実施の形態に係るアクティブアンテナの実装断面図を図３に示す。ここでは、アンテナとしてマイクロストリップアンテナ(ＭＳＡ)１１２を例にとって示す。また、説明を簡単にするため１つのパッチのみを示しているが、複数のパッチアンテナでも構わない。
【００１６】
図３に示すように、本実施の形態実施に係るアクティブアンテナの主な構成は、アンテナ基板１０６と放熱ブロック１１１とＲＦ基板１０７とからなる。放熱ブロック１１１は、筐体およびＧＮＤ（グランド）としての役目も負っている。
【００１７】
ＭＳＡ１１２はアンテナ基板１０６上に、また、ＭＳＡ１１２に給電するＭＳＡ給電回路（埋込給電回路）１１３はアンテナ基板１０６の内部に配置されている。また、アクティブ素子である高出力増幅器１０２および低雑音増幅器１０３等を実装するＭＭＩＣ１１０は、ＲＦ基板１０７上に配置されている。
【００１８】
そして、アンテナ基板１０６とＲＦ基板１０７の間に放熱ブロック１１１が挟まれ（挿入され）、アンテナ基板１０６と放熱ブロック１１１の間、および放熱ブロック１１１とＲＦ基板１０７の間は互いに密着する構成となっている。このように互いに密着する構成を採ることにより、アクティブアンテナとしての一体性が保たれる。また、放熱ブロック１１１とＲＦ基板１０７とが密着していることにより、ＲＦ基板１０７で発生した熱を効率良く放熱することができる。
【００１９】
また、この放熱ブロック１１１には中空の結合スロット１０８が設けられている。アンテナ基板１０６とＲＦ基板１０７は、この結合スロット１０８を有するＲＦ−アンテナ接続部１０５を介して、互いに接続されている。
【００２０】
ここで、結合スロット１０８は、通常のスロットアンテナと同様の構成を有するものであり、外部に不必要な放射をしない非放射スロットである。結合スロット１０８は、その表裏にあるＭＳＡ給電回路１１３および給電ライン１０９を電磁界結合させる（すなわち、送信時であれば、給電ライン１０９から放射された電磁波は、スロット中のエア等を通り、ＭＳＡ給電回路１１３に到達する。また、受信時であれば、ＭＳＡ１１２で受信された電磁波は、ＭＳＡ給電回路１１３を通り、スロット内に放射され、給電ライン１０９に到達する）。
【００２１】
なお、結合スロットとアンテナ間の相互結合を低減する為に、結合スロット１０８を有するＲＦ−アンテナ接続部１０５は、アンテナ基板１０６上でＭＳＡ１１２から所定の距離だけ離れた位置に配置される。
【００２２】
図４にＲＦ−アンテナ接続部１０５のさらに詳細な構造を示す。ただし、ここでは、ＭＳＡ給電回路１１３が図３と異なる位置に配置されている場合の例を示す。図３では、ＭＳＡ給電回路１１３が給電ライン１０９と同じように結合スロット１０８の左側に設置されている場合を例にとって説明したが、図４に示すように、ＭＳＡ給電回路１１３は結合スロット１０８の（図３でいう）右側に設置されていても良い。
【００２３】
図４Ａは、ＲＦ−アンテナ接続部１０５を上面（図３の上方向）から見た図である。放熱ブロック１１１は図のように長方形状にくり抜かれ、結合スロット１０８を形成している。ここで、結合スロット１０８とＭＳＡ給電回路１１３のフィードライン（給電線）は、電磁波の放射効率（インピーダンス特性）を良くするために、互いに直交するように設置されている。なお、図示しないが、同様に結合スロット１０８と給電ライン１０９も互いに直交するように設置されている。
【００２４】
また、Ｗの値は、結合スロット１０８のインピーダンス特性を考慮すると小さいほど望ましい。一方、Ｌの値も、非放射スロットにするためには小さいほど望ましいが、放熱ブロック１１１の厚さｔも考慮して、使用する周波数に応じて決定される。すなわち、放熱ブロック１１１の厚さｔは、放熱特性を考えると大きい値ほど望ましいが、Ｌとｔには比例関係があることがわかっており、ｔに応じてＬを大きくすると結合スロット１０８を非放射とすることが困難となる。よって、非放射の実現と放熱特性の向上はトレードオフの関係にあり、Ｌは使用する周波数を考慮して決定される。
【００２５】
なお、ここでは、結合スロット１０８を上面から見た場合の形状が長方形である場合を例にとって説明したが、これに限定されず、ＷとＬが上記の条件を満たす形状であれば他の形状であっても良い。
【００２６】
図４Ｂは、ＲＦ−アンテナ接続部１０５を図３と同じ方向から見た断面図である。ここで、ｄ１、ｄ２は、結合スロット１０８のインピーダンス特性が最適となる値に決定される。
【００２７】
一般に、高出力増幅器１０２のようなアクティブ素子には、素子自体の最大許容温度が規定されており、素子の温度がそれ以下の温度になるように放熱を考える必要がある。放熱が十分にできない場合には、そのような大電力を扱う素子は実装できないことになる。また、アクティブ素子は、高温になると利得が低下する特徴があり、素子温度を上げないような設計をすることで特性劣化を抑圧することができる。
【００２８】
そこで、本実施の形態においては、ＲＦ基板１０７に実装された高出力増幅器が発生する熱を、ＲＦ基板１０７を通して、ＲＦ基板１０７に密着して設けられている熱伝導率の良い（例えば、銅製の）放熱ブロック１１１に伝え、この放熱ブロックを介してエア上に熱を放出する。
【００２９】
また、本実施の形態においては、放熱ブロック１１１が存在するために、ＲＦ基板１０７（給電ライン１０９）およびアンテナ基板１０６（ＭＳＡ給電回路１１３）との間が電気的に分断されてしまうが、放熱ブロック１１１の一部をくり抜いて結合スロット１０８を設けることにより、給電ライン１０９からの電力は、この結合スロット１０８を通り、ＭＳＡ給電回路１１３に供給される。すなわち、ＭＳＡ給電回路１１３および給電ライン１０９は電磁界結合される。また、このように、２つの基板間を、例えば同軸ケーブルのような接続手段を用いて半田付け等で接続することなく結合することにより、通常の多層基板を製作するような工程で容易に製作することができる。
【００３０】
このように、本実施の形態によれば、高出力で、消費電力の大きいデバイスを使用した場合にも、充分な放熱効果を有することができ、そのデバイスの温度上昇による特性劣化を抑圧することができる。また、簡易な構造で小型化可能なアクティブアンテナを提供することができる。
【００３１】
（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２に係るアクティブアンテナの構成を示すブロック図である。なお、このアクティブアンテナは、図２に示したアクティブアンテナと同様の基本的構成を有しており、同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００３２】
本実施の形態の特徴は、図２に示したアンテナ１００を２系統（アンテナ１００ａ、アンテナ１００ｂ）有し、信号の空間合成を実現する構成となっていることである。
【００３３】
図５において、無線装置結合端１１４を介し無線装置から入力された送信信号は、送受切換器１０４で出力先が切り換えられ、分配合成器２０４に出力され、２つの信号に分配される。分配合成器２０４の出力は、それぞれ高出力増幅器１０２ａ、１０２ｂに入力される。高出力増幅器１０２ａ、１０２ｂにより増幅された送信信号は、送受切換器１０１ａ、１０１ｂで出力先が切り換えられ、アンテナ１００ａ、１００ｂを介して空間上に放射される。一方、アンテナ１００ａ、１００ｂを介し受信された信号は、送受切換器１０１ａ、１０１ｂで出力先が切り換えられ、分配合成器２０３に入力され合成されて、低雑音増幅器１０３に出力される。低雑音増幅器１０３により増幅された受信信号は、送受切換器１０４で出力先が切り換えられ、無線装置結合端１１４を介し無線装置に出力される。
【００３４】
例えば、２つのアンテナから送信された無線信号を空間合成する場合には、増幅器の出力電力は理論的には半分でよい。またトータルで同じ出力電力であっても、最大電力が小さい増幅器を複数個用いる方が一般的にトータルの消費電力は小さくなる。本実施の形態では、この効果を狙っている。
【００３５】
このように、本実施の形態によれば、アンテナを複数配置し、それに接続する高出力増幅器も複数配置するため、１つの高出力増幅器の消費電力を下げることができ、高出力増幅器の特性を選択することで、１つの高出力な増幅器を用いるときより全体の消費電力の削減を図ることができる。
【００３６】
なお、ここでは、アンテナ部を２個有し、２合成の場合を例にとって説明したが、同様な構成で更に複数合成であっても良い。
【００３７】
（実施の形態３）
図６は、本発明の実施の形態３に係るアクティブアンテナの構成を示すブロック図である。なお、このアクティブアンテナは、図５に示したアクティブアンテナと同様の基本的構成を有しており、同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００３８】
本実施の形態の特徴は、分配合成器２０４と高出力増幅器１０２ａ、１０２ｂとの間に、可変位相回路３０１ａ、３０１ｂを挿入した構成となっていることである。
【００３９】
空間合成を行う回路においては、複数のアンテナより同位相で放射されなくてはならないが、実際には各デバイスのばらつき等によりずれることがあり、可変位相回路３０１ａ、３０１ｂはそのずれを補正する機能を持つ。
【００４０】
このように、本実施の形態によれば、各デバイス自身のばらつき、および実装時の位相ばらつき等を補正するため、合成損を抑圧することができ、高利得なアクティブアンテナを実現することができる。
【００４１】
（実施の形態４）
図７は、本発明の実施の形態４に係るアクティブアンテナの構成を示すブロック図である。なお、このアクティブアンテナは、図６に示したアクティブアンテナと同様の基本的構成を有しており、同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００４２】
本実施の形態の特徴は、分配合成器２０４と可変位相回路３０１ａ、３０１ｂとの間に、可変利得回路４０１ａ、４０１ｂを挿入した構成となっていることである。
【００４３】
空間合成を行う回路においては、複数のアンテナより同振幅で放射されなくてはならないが、実際には各デバイスのばらつき等によりずれることがあり、可変利得回路４０１ａ、４０１ｂはそのずれを補正する機能を持つ。
【００４４】
このように、本実施の形態によれば、各デバイス自身のばらつき、および実装時の振幅ばらつき等を補正するため、合成損を抑圧することができ、高利得なアクティブアンテナを実現することができる。また、デバイスのランクを指定して購入しなくてもよくなるため、低コスト化が可能となる。
【００４５】
（実施の形態５）
図８は、本発明の実施の形態５に係るアクティブアンテナの構成を示すブロック図である。なお、このアクティブアンテナは、図７に示したアクティブアンテナと同様の基本的構成を有しており、同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００４６】
本実施の形態の特徴は、分配合成器２０３と送受切換器１０１ａ、１０１ｂとの間に、可変位相回路５０１ａ、５０１ｂを挿入した構成となっていることである。
【００４７】
空間合成を行う回路においては、複数のアンテナより同位相で放射されなくてはならないが、受信信号に対しても同様であり、実際には各デバイスのばらつき等によりずれることがあり、可変位相回路５０１ａ、５０１ｂはそのずれを補正する機能を持つ。
【００４８】
このように、本実施の形態によれば、各デバイス自身のばらつき、および実装時の位相ばらつき等を補正するため、合成損を抑圧することができ、受信信号に対しても高利得なアクティブアンテナを実現することができる。
【００４９】
以上説明したように、本発明によれば、高出力で、消費電力の大きいデバイスを使用した場合にも、その特性劣化を抑圧し、簡易に、小型化可能なアクティブアンテナを実現することができる。
【００５０】
本明細書は、２００２年１１月１５日出願の特願２００２−３３２５０９に基づく。この内容はすべてここに含めておく。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明は、無線機等に搭載されるアンテナに適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】従来のアクティブアンテナの実装断面図
【図２】本発明の実施の形態１に係るアクティブアンテナの構成を示すブロック図
【図３】本発明の実施の形態１に係るアクティブアンテナの実装断面図
【図４Ａ】本発明の実施の形態１に係るＲＦ−アンテナ接続部詳細図（Top view）
【図４Ｂ】本発明の実施の形態１に係るＲＦ−アンテナ接続部詳細図（Cross-sectional view）
【図５】本発明の実施の形態２に係るアクティブアンテナの構成を示すブロック図
【図６】本発明の実施の形態３に係るアクティブアンテナの構成を示すブロック図
【図７】本発明の実施の形態４に係るアクティブアンテナの構成を示すブロック図
【図８】本発明の実施の形態５に係るアクティブアンテナの構成を示すブロック図
【符号の説明】
【００５３】
１００  アンテナ
１０１、１０４  送受切換器
１０２  高出力増幅器
１０３  低雑音増幅器
１０５  ＲＦ−アンテナ接続部
１０６  アンテナ基板
１０７  ＲＦ基板
１０８  結合スロット
１０９  給電ライン
１１０  ＭＭＩＣ
１１１  放熱ブロック
１１２  マイクロストリップアンテナ
１１３  ＭＳＡ給電回路
１１４  無線装置結合端
２０３、２０４  分配合成器
３０１、５０１  可変位相回路
４０１  可変利得回路
【国際調査報告】
2004051790.tif 000011
2004051790.tif 000012
2004051790.tif 000013
2004051790.tif 000014