(57)【要約】【課題】給電点の位置を変えることなく、簡単な制御によりアンテナの動作周波数帯を変えることができ、かつ、安定に動作可能なアンテナ素子を提供する。【解決手段】複数のＭＥＭＳスイッチ４Ａ１（または４Ｂ１）の各々は片持ち梁構造を有する可動切片４Ａ（または４Ｂ）を有する。可動切片の一方端は基本放射導体２に接続される。さらに、基本放射導体２の中心を接地導体６に接続するための貫通導体７が形成される。これにより制御配線５Ａ（または５Ｂ）と貫通導体７との間に所望の電圧を印加することで静電力により複数のＭＥＭＳスイッチ４Ａ１（または４Ｂ１）を動作させることが可能になる。さらに貫通導体７が基本放射導体２の中心に位置しているので、アンテナ素子１００の特性に影響を与えずに可動切片４Ａ，４Ｂを動かすことができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１および第２の主表面を有する基板と、
前記第１の主表面に形成される第１の放射導体と、
前記第１の主表面に形成され、前記第１の放射導体を挟むように位置する第２および第３の放射導体と、
前記第１の放射導体と前記第２の放射導体との間に並列に設けられる複数の第１のＭＥＭＳスイッチと、
前記第１の放射導体と前記第３の放射導体との間に並列に設けられる複数の第２のＭＥＭＳスイッチと、
前記第２の主表面に形成される接地導体と、
前記基板を貫通して前記第１の放射導体の中心と前記接地導体とを接続する貫通導体とを備える、アンテナ素子。
【請求項２】
前記第２および第３の放射導体は、前記第１の放射導体に対して対称に配置される、請求項１に記載のアンテナ素子。
【請求項３】
前記複数の第１のＭＥＭＳスイッチの各々は、
一方端が前記第１の放射導体に接続され、他方端が前記第２の放射導体に向けて延びるとともに、前記第１の主表面よりも上方に位置する第１の可動切片と、
前記可動切片の下方に設けられる第１の制御電極とを含み、
前記複数の第１のＭＥＭＳスイッチの各々の前記第１の制御電極は互いに接続され、
前記複数の第２のＭＥＭＳスイッチの各々は、
一方端が前記第１の放射導体に接続され、他方端が前記第３の放射導体に向けて延びるとともに前記第１の主表面よりも上方に位置する第２の可動切片と、
前記可動切片の下方に設けられる第２の制御電極とを含み、
前記複数の第２のＭＥＭＳスイッチの各々の前記第２の制御電極は互いに接続される、請求項２に記載のアンテナ素子。
【請求項４】
アンテナ装置であって、
請求項１に記載のアンテナ素子を備え、
前記アンテナ素子には、前記基板と前記第１の放射導体とを貫通し、かつ、前記第１の放射導体において前記第１の放射導体の中心と異なる位置に開口される貫通孔が形成され、
前記アンテナ装置は、
少なくとも一部分が前記貫通孔を通り前記第１の放射導体に電気的に接続される給電装置をさらに備える、アンテナ装置。
【請求項５】
前記給電装置は、
前記貫通孔を通って前記第１の放射導体に電気的に接続される内部導体と、前記接地導体と電気的に接続される外部導体とを有する同軸コネクタを含む、請求項４に記載のアンテナ装置。
【請求項６】
前記給電装置は、
前記貫通孔に挿入される金属導体と、
前記金属導体に接続される電力供給回路とを含む、請求項４に記載のアンテナ装置。
【請求項７】
アンテナ素子の製造方法であって、
第１および第２の主表面を有する半導体基板の前記第１の主表面上に第１の放射導体を形成するとともに、前記第１の主表面上に、前記第１の放射導体を挟むように第２および第３の放射導体を形成する工程と、
前記第１の放射導体を選択的に加工して、前記第１の放射導体と前記第２の放射導体との間に並列に設けられる複数の第１のＭＥＭＳスイッチと、前記第１の放射導体と前記第３の放射導体との間に並列に設けられる複数の第２のＭＥＭＳスイッチとを形成する工程と、
前記第２の主表面に接地導体を形成する工程と、
前記半導体基板を貫通して前記第１の放射導体の中心と前記接地導体とを接続する貫通導体を形成する工程とを備える、アンテナ素子の製造方法。
【請求項８】
前記第２および第３の放射導体は、前記第１の放射導体に対して対称に配置される、請求項７に記載のアンテナ素子の製造方法。
【請求項９】
前記複数の第１のＭＥＭＳスイッチの各々は、
一方端が前記第１の放射導体に接続され、他方端が前記第２の放射導体に向けて延びるとともに、前記第１の主表面よりも上方に位置する第１の可動切片と、
前記可動切片の下方に設けられる第１の制御電極とを含み、
前記複数の第１のＭＥＭＳスイッチの各々の前記第１の制御電極は、互いに接続され、
前記複数の第２のＭＥＭＳスイッチの各々は、
一方端が前記第１の放射導体に接続され、他方端が前記第３の放射導体に向けて延びるとともに前記第１の主表面よりも上方に位置する第２の可動切片と、
前記可動切片の下方に設けられる第２の制御電極とを含み、
前記複数の第２のＭＥＭＳスイッチの各々の前記第２の制御電極は、互いに接続される、請求項８に記載のアンテナ素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＭＥＭＳスイッチを使用して動作周波数を可変するアンテナ素子、そのアンテナ素子を用いたアンテナ装置、および、アンテナ素子の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体微細加工技術を用いて電気的或いは機械的なデバイスを製造する技術であるMicro Electro Mechanical Systems（ＭＥＭＳ）技術は、近年高周波の分野にも適用されつつある。高周波の分野においてＭＥＭＳ技術を用いて形成される素子の例としてＭＥＭＳスイッチがある。ＭＥＭＳスイッチの特徴は非常に広い周波数帯にわたり低損失と高アイソレーションとを同時に実現できることである。
【０００３】
このような特徴を有するＭＥＭＳスイッチは、高周波機器のフロントエンドで好適に用いられる。たとえば米国特許第６１９８４３８号明細書（特許文献１）には、アンテナ上に複数のＭＥＭＳスイッチを装荷し、それらのオン（導通）／オフ（遮断）によりアンテナの動作周波数を切換える構成が開示される。
【０００４】
なお、ＭＥＭＳスイッチの種類は様々である。一例を示すと、たとえば片持ち梁を静電駆動させるスイッチや、メンブレン（膜）を静電駆動して引っ張ることで通電させるスイッチ等がある。
【特許文献１】米国特許第６１９８４３８号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図２７は、米国特許第６１９８４３８号明細書（特許文献１）に開示されるアンテナ装置の構成を示す図である。
【０００６】
図２７を参照して、アンテナ装置１１０はマトリックス状に配置された複数の放射導体素子１３０を備える。同一行または同一列において隣り合う２つの放射導体素子１３０は接続導体１３２により接続される。接続導体１３２の途中にＭＥＭＳスイッチ１３１が配置される。
【０００７】
１個の放射導体素子１３０に給電した場合には共振長が放射導体素子１３０の一辺の長さに等しくなる電波が放射される。アンテナ装置１１０に含まれるすべてのＭＥＭＳスイッチ１３１をオフした状態では、複数の放射導体素子１３０の各々から共振長が放射導体素子１３０の一辺の長さと等しい電波が放射される。
【０００８】
一方、すべてのＭＥＭＳスイッチ１３１がオンした状態では複数の放射導体素子１３０が互いに接続される。これにより複数の放射導体素子１３０は全体として矩形状の一個の放射導体となる。この場合の共振長は全てのＭＥＭＳスイッチ１３１がオフした状態での共振長に比べて長くなるので、アンテナ装置１１０はより低い周波数の電波を放射する。このようにアンテナ装置１１０は、ＭＥＭＳスイッチのオンとオフとを切換えることで動作周波数を切換えることが可能となる。
【０００９】
しかしながらアンテナ装置１１０では動作周波数が高い場合と低い場合との両方において特性インピーダンスの整合を取る必要がある。動作周波数が高い場合のアンテナ装置１１０の給電点は給電点１３３となり、動作周波数が高い場合のアンテナ装置１１０の給電点は給電点１３４となる。このようにアンテナ装置１１０では動作周波数が高い場合と低い場合とで給電点の位置を変える必要がある。
【００１０】
米国特許第６１９８４３８号明細書（特許文献１）ではこのような複数箇所への給電方法について特に開示されていない。しかし異なる複数の場所に給電点が設けられると、一般的に給電線の配置が複雑化する上に給電効率が低下するという問題が生じる。
【００１１】
また、米国特許第６１９８４３８号明細書（特許文献１）では複数のＭＥＭＳスイッチの制御方法について開示されていない。しかしながら図２７に示す構成に基づいて検討した場合、その制御方法は複雑化することが容易に想像される。
【００１２】
また、米国特許第６１９８４３８号明細書（特許文献１）では図２７に示すように、２つの放射導体素子１３０の間にはＭＥＭＳスイッチ１３１が１個しか設けられていない。このためＭＥＭＳスイッチがオンすると給電に伴う電流がＭＥＭＳスイッチ１３１に集中して流れることになる。ＭＥＭＳスイッチ１３１の許容電流を上回る電流がＭＥＭＳスイッチ１３１に流れる場合にはＭＥＭＳスイッチ１３１の接点が融着（スティッキング）するなどの問題が発生して、アンテナ装置１１０の動作に不具合が生じる。
【００１３】
本発明は上記の課題を解決するために成されたものであり、簡単な制御によりアンテナの動作周波数帯を変えることができ、かつ、安定に動作可能なアンテナ素子を提供することを目的とする。
【００１４】
また、本発明の目的は、上述のアンテナ素子を搭載するアンテナ装置および、アンテナ素子の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は要約すれば、アンテナ素子であって、第１および第２の主表面を有する基板と、第１の主表面に形成される第１の放射導体と、第１の主表面に形成され、第１の放射導体を挟むように位置する第２および第３の放射導体と、第１の放射導体と第２の放射導体との間に並列に設けられる複数の第１のＭＥＭＳスイッチと、第１の放射導体と第３の放射導体との間に並列に設けられる複数の第２のＭＥＭＳスイッチと、第２の主表面に形成される接地導体と、基板を貫通して第１の放射導体の中心と接地導体とを接続する貫通導体とを備える。
【００１６】
本発明の他の局面に従うと、アンテナ素子の製造方法であって、第１および第２の主表面を有する半導体基板の第１の主表面上に第１の放射導体を形成するとともに、第１の主表面上に、第１の放射導体を挟むように第２および第３の放射導体を形成する工程と、第１の放射導体を選択的に加工して、第１の放射導体と第２の放射導体との間に並列に設けられる複数の第１のＭＥＭＳスイッチと、第１の放射導体と第３の放射導体との間に並列に設けられる複数の第２のＭＥＭＳスイッチとを形成する工程と、第２の主表面に接地導体を形成する工程と、半導体基板を貫通して第１の放射導体の中心と接地導体とを接続する貫通導体を形成する工程とを備える。
【発明の効果】
【００１７】
本発明のアンテナ素子およびアンテナ装置によれば簡単な制御により動作周波数帯を変えることができる。
【００１８】
また、本発明のアンテナ素子の製造方法によれば、このようなアンテナ素子を製造することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下において、本発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一符号は同一または相当部分を示す。
【００２０】
［実施の形態１］
図１は、実施の形態１に従うアンテナ素子の構成を示す斜視図である。
【００２１】
図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。
図３は、図１のアンテナ素子の裏面を示す平面図である。
【００２２】
図１〜図３を参照して、アンテナ素子１００は、表面１Ａおよび裏面１Ｂを有する基板１を備える。基板１は、たとえば誘電体基板、あるいは高抵抗のシリコン基板等である。
【００２３】
アンテナ素子１００は、さらに、基本放射導体２と、延伸用放射導体３Ａ，３Ｂと、複数のＭＥＭＳスイッチ４Ａ１と、複数のＭＥＭＳスイッチ４Ｂ１とを備える。基本放射導体２と、延伸用放射導体３Ａ，３Ｂと、複数のＭＥＭＳスイッチ４Ａ１と、複数のＭＥＭＳスイッチ４Ｂ１とは基板１の表面１Ａに形成される。
【００２４】
基本放射導体２の形状は矩形である。延伸用放射導体３Ａ，３Ｂは基本放射導体２に対して対称に配置される。基本放射導体２と延伸用放射導体３Ａとの間には複数のＭＥＭＳスイッチ４Ａ１が並列に配置される。基本放射導体２と延伸用放射導体３Ｂとの間には複数のＭＥＭＳスイッチ４Ｂ１が並列に配置される。
【００２５】
複数のＭＥＭＳスイッチ４Ａ１および複数のＭＥＭＳスイッチ４Ｂ１の各々は片持ち梁構造の可動切片と制御電極とを有する。片持ち梁とは一方端が固定支持され、他方端が自由な状態の梁である。
【００２６】
複数のＭＥＭＳスイッチ４Ａ１の各々の構成について説明すると、可動切片４Ａの一方端は基本放射導体２に接続されることで固定され、可動切片４Ａの他方端は延伸用放射導体３Ａ側に延びる。可動切片４Ａの他方端は、表面１Ａの上方に位置する。
【００２７】
制御電極に所定の電圧を印加すると、ＭＥＭＳスイッチ４Ａ１が動作する（オンする）。ＭＥＭＳスイッチ４Ａ１の動作時には可動切片４Ａの他方端が延伸用放射導体３Ａに接触する。この制御電極は可動切片４Ａの下方に設けられる。なお、本実施の形態では複数のＭＥＭＳスイッチ４Ａ１の各々の制御電極は互いに接続されて制御配線５Ａとして形成される。よって複数の可動切片４Ａは同時に動作する。
【００２８】
複数のＭＥＭＳスイッチ４Ｂ１の各々の構成について説明すると、可動切片４Ｂの一方端は基本放射導体２に接続されることで固定され、可動切片４Ｂの他方端は延伸用放射導体３Ｂ側に延びる。可動切片４Ｂの他方端は、表面１Ａの上方に位置する。
【００２９】
ＭＥＭＳスイッチ４Ａ１と同様に、制御電極に所定の電圧を印加すると、ＭＥＭＳスイッチ４Ｂ１が動作する（オンする）。ＭＥＭＳスイッチ４Ｂ１の動作時には可動切片４Ｂの他方端が延伸用放射導体３Ｂに接触する。この制御電極は可動切片４Ｂの下方に設けられる。なお、本実施の形態では複数のＭＥＭＳスイッチ４Ｂ１の各々の制御電極は互いに接続されて制御配線５Ｂとして形成される。よって複数の可動切片４Ｂは同時に動作する。
【００３０】
アンテナ素子１００は、さらに、接地導体６と、貫通導体７とを備える。接地導体６は基板１の裏面１Ｂに形成される。貫通導体７は基板１を貫通し、かつ、基本放射導体２の中心と接地導体６とを接続する。
【００３１】
基本放射導体２の中心とは、放射導体の幾何学的な中心であるとともに、マイクロストリップアンテナの動作時に放射導体と裏面接地導体との間に発生する電界振幅の基準電位となる位置を意味する。
【００３２】
基板１には、基板１を貫通する給電用貫通孔８が形成される。給電用貫通孔８にはたとえば基本放射導体２に給電するための装置（たとえば同軸コネクタや給電ケーブル等）が通される。接地導体６には給電用貫通孔８を囲み、かつ、給電用貫通孔８よりも径が大きい開口部６Ｂが形成される。これにより給電用貫通孔８に通される装置と接地導体との間の絶縁を確保することが可能になる。
【００３３】
アンテナ素子１００はいわゆるマイクロストリップアンテナとして機能する。アンテナ素子１００の動作原理を以下に述べる。なお、以下に説明する直流電圧は接地導体６の電位を基準としたときの電位差を意味する。
【００３４】
図１において、基本放射導体２は貫通導体７を介して接地導体６に接続される。また制御配線５Ａ，５Ｂには図示しない制御回路によって直流電圧Ｖ（制御電圧）が印加される。これにより複数のＭＥＭＳスイッチ４Ａ１，４Ｂ１がオンする。
【００３５】
図４は、複数のＭＥＭＳスイッチ４Ａ１，４Ｂ１がオン状態であるときのアンテナ素子１００を示す斜視図である。
【００３６】
図４を参照して、複数の可動切片４Ａの各々の先端部（上述の他方端）は延伸用放射導体３Ａに接触する。複数の可動切片４Ｂの各々の先端部（上述の他方端）は延伸用放射導体３Ｂに接触する。これによって基本放射導体２と延伸用放射導体３Ａとが接続されるとともに基本放射導体２と延伸用放射導体３Ｂとが接続される。
【００３７】
図５は、図４のＶ−Ｖ線に沿った断面図である。
図５を参照して、可動切片４Ａは基本放射導体２と接続されることにより直流の基準電位が与えられているので、制御配線５Ａの電位を電位Ｖに設定すると可動切片４Ａと制御配線５Ａとの間には直流電圧Ｖに応じた静電力が生じる。可動切片４Ａは静電力によって下方に吸引されるので可動切片４Ａの先端部が延伸用放射導体３Ａに接触する。
【００３８】
ＭＥＭＳスイッチ４Ｂ１についても同様であり、制御配線５Ｂの電位を電位Ｖに設定すると可動切片４Ｂと制御配線５Ｂとの間には直流電圧Ｖに応じた静電力が生じる。可動切片４Ｂは静電力によって下方に吸引されるので可動切片４Ｂの先端部が延伸用放射導体３Ｂに接触する。
【００３９】
このように本実施の形態では基本放射導体２の電位を基準電位として制御配線５Ａ，５Ｂに直流電圧Ｖを印加することでＭＥＭＳスイッチをオンさせる。
【００４０】
このようなＭＥＭＳスイッチの制御方法は、基本放射導体２の中心が高周波的に接地されている（振幅の基準電位となっている）ために基本放射導体２の中心を直流の０電位に設定しても何ら問題がないことを利用している。
【００４１】
接地導体６と基本放射導体２とはマイクロストリップ線路を構成する。基本放射導体２をアンテナとして機能させるためには基本放射導体２に大きな電流を流す必要がある。このためには基本放射導体２の長さを半波長に設定する等により共振現象を利用することによって実現できる。ここで「基本放射導体２の長さ」とは可動切片４Ａの根元と可動切片４Ｂの根元との間の長さを意味する。
【００４２】
接地導体６の上にアンテナがある場合にはアンテナの給電には同軸線路が適する。アンテナ素子１００においても接地導体６の下側から同軸線路により給電される。なお給電の際には同軸線路の外部導体は接地導体６に接続されて、同軸線路の内部導体は給電用貫通孔８を通り基本放射導体２に接続される。
【００４３】
ここで、アンテナを動作させるには同軸線路の内部導体を基本放射導体２の中心（貫通導体７の位置）に接続しないことが重要となる。基本放射導体２の両端は開放されているために基本放射導体２の両端での電流は０にならなければならない。しかも基本放射導体２の長さは半波長に設定されているので、基本放射導体２における電流分布は正弦波状になる。
【００４４】
共振によって定在波の電流が生じるときには電圧波形は電流波形に対して位相が９０度だけずれることが広く知られている。つまり基本放射導体２における電圧の大きさは両端で最大になり、中央では接地導体６の電位と等しく０になる。
【００４５】
以上の説明から分かるように、基本放射導体２の中心の電磁界は０になるので、基本放射導体２の中心と接地導体６とを貫通導体７により接続しても、基本放射導体２の中心の電磁界には影響が生じない。仮に基本放射導体２の中心以外の場所と接地導体６とを貫通導体７により接続した場合には、基本放射導体２と接地導体６との間の電磁界が乱されることになるために、放射パターンが乱れたり、放射効率の劣化が生じたりする等の問題が発生する。
【００４６】
また本実施の形態では片持ち梁構造を有するＭＥＭＳスイッチにおいて可動切片（片持ち梁）の電位を直流の０Ｖに設定する。可動切片と制御配線との間に所望の電圧を印加することによって、可動切片と制御配線との間に静電力が発生する。これにより可動切片の先端部を下方に吸引させることが可能になる。仮に可動切片の根元（片持ち梁の固定端）が延伸用放射導体に接続されている場合は、上記のような簡便な方法でＭＥＭＳスイッチを駆動することはできない。その理由は可動切片の電位がフロートになるために制御配線と可動切片との間で所望の電圧を生じさせるように制御することが困難なためである。
【００４７】
続いて、給電用貫通孔８を介して基本放射導体２に高周波電力を給電した際に放射導体上を流れる電流の経路を説明する。
【００４８】
図６は、複数のＭＥＭＳスイッチ４Ａ１，４Ｂ１がすべてオフ状態のときの放射導体を流れる電流の経路を示す図である。
【００４９】
図６を参照して、破線の枠は可動切片４Ａ，４Ｂが延伸用放射導体３Ａ，３Ｂにそれぞれ接続していない状態であること、すなわち複数のＭＥＭＳスイッチ４Ａ１，４Ｂ１がすべてオフ状態であることを示す。ただし、図６では説明を簡単にするために制御配線５Ａ，５Ｂは示していない。複数のＭＥＭＳスイッチ４Ａ１，４Ｂ１がすべてオフ状態のときには、矢印で示すように基本放射導体２上を延伸用放射導体３Ａから延伸用放射導体３Ｂの向きに電流９が流れる。このときの電流経路の長さは基本放射導体２の長さＬに等しい。
【００５０】
図７は、複数のＭＥＭＳスイッチ４Ａ１，４Ｂ１がすべてオン状態のときの放射導体を流れる電流の経路を示す図である。
【００５１】
図７を参照して、複数のＭＥＭＳスイッチ４Ａ１，４Ｂ１がすべてオン状態のときには、延伸用放射導体３Ａ，３Ｂと複数のＭＥＭＳスイッチ４Ａ１，４Ｂ１と基本放射導体２とに電流１０が流れる。ただし、図７では図６と同様に、説明を簡単にするために制御配線５Ａ，５Ｂは示していない。
【００５２】
矢印に示すように、電流１０の流れる向きは延伸用放射導体３Ａから延伸用放射導体３Ｂの向きである。延伸用放射導体３Ａ，３Ｂの導体長をそれぞれＬ１，Ｌ２とし、可動切片４Ａ，４Ｂのそれぞれの長さをＳ１，Ｓ２とする。複数のＭＥＭＳスイッチ４Ａ１，４Ｂ１がすべてオン状態であるときの電流経路の長さは（Ｌ＋Ｌ１＋Ｌ２＋Ｓ１＋Ｓ２）となる。
【００５３】
図７からわかるように基本放射導体と延伸用放射導体との間に流れる電流は複数のＭＥＭＳスイッチの各々に分散される。これによりＭＥＭＳスイッチに許容電流を上回る電流が流れることにより生じるＭＥＭＳスイッチの接点が溶着する等の問題を防ぐことができる。
【００５４】
このように本実施の形態では、制御配線５Ａによって複数の可動切片４Ａを一括して動作させるとともに制御配線５Ｂによって複数の可動切片４Ｂを一括して動作させる。これにより本実施の形態では、ＭＥＭＳスイッチの信頼性を確保することができる。
【００５５】
図６と図７とを比較すれば分かるように、複数のＭＥＭＳスイッチ４Ａ１，４Ｂ１をオンしたときの電流経路長は複数のＭＥＭＳスイッチ４Ａ１，４Ｂ１をオフしたときの電流経路長よりも延伸用放射導体３Ａ，３Ｂの導体長、および可動切片４Ａ，４Ｂの長さだけ増えることがわかる。よって放射導体の共振長は複数のＭＥＭＳスイッチ４Ａ１，４Ｂ１をオンしたときのほうが複数のＭＥＭＳスイッチ４Ａ１，４Ｂ１をオフしたときよりも長くなる。これによりアンテナ素子１００が放射する電波の周波数も複数のＭＥＭＳスイッチ４Ａ１，４Ｂ１をオンしたときのほうが複数のＭＥＭＳスイッチ４Ａ１，４Ｂ１をオフしたときよりも低くなる。
【００５６】
本実施の形態のアンテナ素子では、延伸用放射導体３Ａ，３Ｂが基本放射導体２に対して対称に配置されている。よって本実施の形態のアンテナ素子では、動作周波数を変化させる際に給電点の位置を変えることなくインピーダンス整合が行なうことができる。よって本実施の形態のアンテナ素子では給電線の配置が複雑化するのを防ぐことができるとともに給電効率が低下するのを抑えることができる。
【００５７】
図８は、実施の形態１のアンテナ素子の反射特性を電磁界シミュレーションにより計算した結果を示す図である。なおシミュレーションではアンテナ素子１００が放射する電波の中心波長をλｇとしたときに基本放射導体２の縦横幅を略０.４λｇに設定し、ＭＥＭＳスイッチの長さ及び延伸用放射導体の長さを略０.０６λｇに設定し、給電点と基本導体の中心との間の距離を略０.０７λｇに設定した。
【００５８】
図８において、グラフの横軸はアンテナ素子１００から放射される電波の周波数を基本放射導体２のみから電波が放射されるときの共振周波数で規格化した値を示す。グラフの縦軸はアンテナからの反射電力を表す。
【００５９】
曲線Ｃ１は複数のＭＥＭＳスイッチ４Ａ１，４Ｂ１がオンしたときのアンテナ素子１００の反射特性を示し、曲線Ｃ２は複数のＭＥＭＳスイッチ４Ａ１，４Ｂ１がオフしたときのアンテナ素子１００の反射特性を示す。
【００６０】
曲線Ｃ１，Ｃ２のピークとなる規格周波数においてアンテナからの反射電力が少ないこと、言うなればアンテナから効率良く電磁波が放射されていることを示す。図８からＭＥＭＳスイッチをオンまたはオフさせることでアンテナの動作周波数が変化することが分かる。
【００６１】
以上のように実施の形態１のアンテナ素子は、基本放射導体と延伸用放射導体との間に複数のＭＥＭＳスイッチを備える。複数のＭＥＭＳスイッチの各々は片持ち梁構造を有する可動切片と、この可動切片を駆動する制御電極とを有する。可動切片の一方端は基本放射導体に接続される。さらに実施の形態１のアンテナ素子は接地導体と基本放射導体の中心とを接続する貫通導体を備える。
【００６２】
これにより、実施の形態１のアンテナ素子は複数の可動切片の下方をくぐるように形成された制御配線と貫通導体との間に所望の電圧を印加することで、複数の可動切片を同時に動作させることが可能になる。さらに実施の形態１によればアンテナ素子の特性に影響を与えずにＭＥＭＳスイッチの可動切片を動かすことができる。
【００６３】
また、実施の形態１によれば、延伸用放射導体が基本放射導体の左右にかつ対称に配置されている。ＭＥＭＳスイッチの切換えにより放射導体の全体の大きさが変わっても、それぞれの動作周波数で整合が取れる給電点の位置が一定となるので給電点が１個で済む。これにより実施の形態１によればＭＥＭＳスイッチの制御とアンテナ素子への給電が簡便な方法により実現できる。
【００６４】
さらに、実施の形態１によれば、基本放射導体と延伸用放射導体との間に複数のＭＥＭＳスイッチを並列に配置することで各スイッチに流れる電流を少なくすることができるので、スイッチの故障を防ぐことができる。よって実施の形態１によればアンテナ素子の動作の信頼性を確保することができる。
【００６５】
［実施の形態２］
図９は、実施の形態２に従うアンテナ装置を示す斜視図である。
【００６６】
図１０は、実施の形態２に従うアンテナ装置の断面図である。
図９および図１０を参照して、実施の形態２に従うアンテナ装置１００Ａは、実施の形態１のアンテナ素子１００を備える。アンテナ素子１００の構成については以後の説明を繰り返さない。
【００６７】
アンテナ装置１００Ａはさらに、同軸コネクタ１１と金属板１３とを備える。同軸コネクタ１１は本発明の「給電装置」に対応する。本発明の給電装置は少なくとも一部分が基板に設けられた貫通孔を通り基本放射２に接続されている。これにより、基板の裏面から放射導体に給電することが容易になる。
【００６８】
なお金属板１３はアンテナ装置１００Ａの接地に用いられる。
基板１の裏面１Ｂ側から、金属板１３、同軸コネクタ１１の順番で張り合わせることでアンテナ装置１００Ａが形成される。このとき同軸コネクタ１１の絶縁部１１Ｃは、金属板１３に設けた開口部１３Ｂの中に収められる。これにより芯線１１Ａ（内部導体）がアンテナ素子１００の給電用貫通孔８の中に収められる。なお絶縁部１１Ｃは不導体により形成されて、同軸コネクタの芯線１１Ａと外部導体１１Ｂとを絶縁する。
【００６９】
芯線１１Ａは基本放射導体２と電気的に接続される。芯線１１Ａと基本放射導体２と電気的な接続を確実にするために、給電用貫通孔８はハンダあるいは導電性樹脂等の溶融性導体１２で蓋がされる。
【００７０】
さらに、アンテナ素子１００の接地導体６は金属板１３を介して、同軸コネクタ１１の外部導体１１Ｂと接続される。これにより接地導体６の電位と同軸コネクタ１１の外部導体１１Ｂの電位とが等しく０となる。
【００７１】
同軸コネクタ１１にはたとえばＭＭＩＣ（Monolithic Microwave Integrated Circuit）に搭載される発振器等から高周波電力が供給される。これにより基本放射導体２への給電が容易になる。同軸コネクタ１１はアンテナとアンテナに給電を行なう装置とを接続するために一般的に用いられる。よって、アンテナ装置１００Ａに同軸コネクタ１１を備えることで、上述の発振器以外にも各種の給電装置がアンテナ１００Ａに接続可能となる。
【００７２】
実施の形態２に従うアンテナ装置１００Ａにおける動作原理は、実施の形態１に従うアンテナ素子１００の動作原理と同様である。すなわち複数の可動切片４Ａを動作させるため制御配線５Ａと同軸コネクタ１１の外部導体１１Ｂとの間に直流電圧Ｖを印加する。複数の可動切片４Ｂを動作させるため制御配線５Ｂと同軸コネクタ１１の外部導体１１Ｂとの間に直流電圧Ｖを印加する。外部導体１１Ｂは金属板１３、接地導体６、貫通導体７、および基本放射導体２を介して複数の可動切片４Ａ，４Ｂに接続される。可動切片４Ａと制御配線５Ａとの間、および可動切片４Ｂと制御配線５Ｂとの間には所望の静電力が働く。これにより複数のＭＥＭＳスイッチ４Ａ１，４Ｂ１をオンしたりオフしたりすることができる。
【００７３】
以上のように、実施の形態２のアンテナ装置は実施の形態１のアンテナ素子の裏面に接地用の金属板を設けるとともに、アンテナ素子に給電を行なうための同軸コネクタを設ける。同軸コネクタの芯線（内部導体）は給電用貫通孔を通り、基本放射導体に接続される。これにより実施の形態２によればアンテナ素子の基本放射導体に効率よく高周波電力を給電することが可能となる。
【００７４】
［実施の形態３］
図１１は、実施の形態３に従うアンテナ装置の断面図である。
【００７５】
図１１を参照して、実施の形態３に従うアンテナ装置１００Ｂは、実施の形態１のアンテナ素子１００を備える。アンテナ素子１００の構成については以後の説明を繰り返さない。
【００７６】
アンテナ装置１００Ｂは、さらに、金属導体１４と給電回路１５とを備える。金属導体１４は給電用貫通孔８に埋め込まれた状態になる。
【００７７】
給電回路１５は金属導体１４を介してアンテナ素子１００に高周波電力を給電する。給電回路の一方の端子は貫通導体７に接続されるとともに接地される。給電回路の他方の端子は金属導体１４に接続される。給電回路１５は基板１上（たとえば表面１Ａ）に形成される。給電回路１５は本発明のアンテナ装置における「給電装置」に対応する。
【００７８】
実施の形態３によれば給電回路１５とアンテナ素子１００とを集積化することが可能になる。具体例を示すと、給電回路１５とアンテナ素子１００とは１つの半導体基板に形成することができる。これにより実施の形態３のアンテナ装置は実施の形態２のアンテナ装置よりも部品点数を少なくすることが可能になる。
【００７９】
［実施の形態４］
図１２〜図２６は、図１のアンテナ素子１００の製造方法を示す図である。なお以下の図１２〜図２６（図１６を除く）に示す断面は図２に示すアンテナ素子１００の破線枠で示す部分に対応する。
【００８０】
図１２は、図１のアンテナ素子１００の製造方法の第１の工程を示す図である。
図１２を参照して、高抵抗シリコン基板を基板１に用いる。高周波特性等を考慮すれば基板１としては誘電体基板が好ましい。しかし貫通孔を形成する等の加工にＭＥＭＳ技術を活用するために基板１に高抵抗シリコンを用いる。シリコンの比抵抗は、例えば１０００Ω・ｃｍ以上である。
【００８１】
表面配線間の絶縁のため基板１の表面１Ａには絶縁膜１６が形成される。絶縁膜１６には、たとえばシリコン熱酸化膜を用いる。
【００８２】
図１３は、図１のアンテナ素子１００の製造方法の第２の工程を示す図である。
図１３を参照して、基板１の裏面１Ｂに接地導体６を形成する。接地導体６は、低抵抗層１７Ａと、密着強化層１７Ｂとを含む。低抵抗層１７Ａはたとえば金（Ａｕ）の膜である。密着強化層１７Ｂは、たとえばクロム（Ｃｒ）の膜であり、低抵抗層１７Ａがはがれるのを防ぐために低抵抗層１７Ａと裏面１Ｂとの間に形成される。続いてパターニング処理（フォトリソグラフィおよびエッチング）を行ない、裏面１Ｂにおいて給電用貫通孔８を形成する場所に存在する接地導体６を除去して開口部Ａ１を形成する。
【００８３】
図１４は、図１のアンテナ素子１００の製造方法の第３の工程を示す図である。
図１４を参照して、表面１Ａにおいて給電用貫通孔８が形成される領域に存在する絶縁膜１６を除去して開口部Ａ２を形成する。このときのパターニング処理により、開口部Ａ２の径は、後に形成される給電用貫通孔８の径（図２２を参照）よりも一回り大きく形成される。製造プロセスにおいて開口部Ａ２の中心と給電用貫通孔８の中心とは若干ずれて形成されることがある。このようなときには、後述するように基板１にダメージが生じる。開口部Ａ２の径を開口部Ａ１の径よりも一回り程度大きくすることで給電用貫通孔８の形成時における基板１へのダメージを防ぐことができる。
【００８４】
図１５は、図１のアンテナ素子１００の製造方法の第４の工程を示す図である。
図１５を参照して、表面１Ａに下地配線層１８を形成する。下地配線層１８は、制御配線５Ａ，５Ｂと、ＭＥＭＳスイッチおよび放射導体（基本放射導体２および延伸用放射導体３Ａ，３Ｂ）を形成する際のメッキ下地膜との両方の役割を果たす。
【００８５】
下地配線層１８は、低抵抗層１８Ａと、密着強化層１８Ｂとを含む。低抵抗層１８Ａはたとえば金（Ａｕ）の膜である。密着強化層１８Ｂは、たとえばチタン（Ｔｉ）の膜のような高抵抗性を有する金属の膜であり、低抵抗層１８Ａがはがれるのを防ぐために低抵抗層１８Ａと表面１Ａとの間に形成される。
【００８６】
図１６は、図１のアンテナ素子１００の製造方法の第５の工程を示す図である。なお図１６は、ＭＥＭＳスイッチを通らず、かつ、図２の破線の枠に示す断面と平行な断面を示す。
【００８７】
図１６を参照して、下地配線層１８の加工が行なわれることでＭＥＭＳスイッチの下方以外の箇所では下地配線層１８は低抵抗層１８Ａが除去されて密着強化層１８Ｂのみとなる。
【００８８】
ＭＥＭＳスイッチをオンしたときにＭＥＭＳスイッチを流れる高周波電流は、その一部がＭＥＭＳスイッチと制御電極との間のギャップを通って制御電極に流れ込もうとする。このため通過率の劣化を招く（通過損失が増える）。しかし制御電極が抵抗体であれば高周波電流の流れ込みを阻止できる。このため制御配線５Ａ，５Ｂは、ＭＥＭＳスイッチの下方以外の箇所を除いては高抵抗性を有する密着強化層１８Ｂのみにするのが好ましい。
【００８９】
図１７は、図１のアンテナ素子１００の製造方法の第６の工程を示す図である。
図１７を参照して、表面１Ａに犠牲層１９を形成し、ＭＥＭＳスイッチの接点部に相当する位置に、接点の鋳型となる微小凹部１９Ａをパターニング処理により形成する。犠牲層１９は、たとえばニッケル（Ｎｉ）膜である。
【００９０】
図１８は、図１のアンテナ素子１００の製造方法の第７の工程を示す図である。
図１８を参照して、犠牲層１９をパターニング処理することにより犠牲層１９Ｂ，１９Ｃを形成する。犠牲層１９Ｂは、ＭＥＭＳスイッチのギャップを形成するための部分となる。犠牲層１９Ｃは給電用貫通孔８を形成する工程において給電用貫通孔８の蓋の役目を果たす。
【００９１】
図１９は、図１のアンテナ素子１００の製造方法の第８の工程を示す図である。
図１９を参照して、延伸用放射導体３Ｂ、可動切片４Ｂ、基本放射導体２をメッキ膜により形成する。メッキ膜を形成する際にメッキされて欲しくない箇所をレジストマスク２０で覆う。メッキ膜は、高周波の導体損失を極力抑制するために良導体である必要がある。このためにメッキ膜の材質には、たとえば金（Ａｕ）や銅（Ｃｕ）などが用いられる。なお図１９には示さないが、第８の工程では延伸用放射導体３Ａ、ＭＥＭＳスイッチ４Ａ１の可動切片もメッキ膜により形成される。
【００９２】
図２０は、図１のアンテナ素子１００の製造方法の第９の工程を示す図である。
図２０を参照して、レジストマスク２０が除去される。このように主として第８および第９の工程によって基本放射導体２および延伸用放射導体３Ａ，３Ｂが形成される。なお、第９の工程が終了した時点では可動切片４Ａ，４Ｂは基本放射導体２とは明確に分離がなされていない状態になっている。
【００９３】
図２１は、図１のアンテナ素子１００の製造方法の第１０の工程を示す図である。
図２１を参照して、基板１の裏面１Ｂにレジストを塗布してパターニングを行なう。これにより裏面１Ｂにレジストマスク２１を形成する。なおレジストマスク２１には開口部Ａ１の位置に開口部が形成される。この開口部は基板１に給電用貫通孔８を形成するために設けられる。また、後の工程で貫通導体７を埋め込むための貫通孔を基板１に形成するため、開口部Ａ３がレジストマスク２１に設けられる。
【００９４】
図２２は、図１のアンテナ素子１００の製造方法の第１１の工程を示す図である。
図２２を参照して、基板１の裏面１Ｂにおいて、ＩＣＰ−ＲＩＥ（Inductively Coupled Plasma Reactive Ion Etching）によって、貫通導体７を埋め込むための貫通孔２２と給電用貫通孔８とを基板１Ｂに形成する。給電用貫通孔８を形成する際に犠牲層１９ＣがＩＣＰ−ＲＩＥのエッチングストップ材となる。同様に貫通孔２２を形成する際に密着強化層１８ＢがＩＣＰ−ＲＩＥのエッチングストップ材となる。
【００９５】
上述のように位置合わせの精度を考慮して開口部Ａ２の径は給電用貫通孔８の径よりも一回り程度大きく形成される。開口部Ａ２の中心位置と給電用貫通孔８の中心位置とがずれる場合には表面１Ａまで基板１のエッチングが進むと、犠牲層１９Ｃおよび絶縁膜１６が現われる。この状態で給電用貫通孔８にイオン種を導入すると絶縁膜１６が帯電する。そうすると給電用貫通孔８に次々に導入されるイオン種は帯電した絶縁膜１６によって基板１側に反射する。このため基板１がエッチングされてダメージ（ノッチ）が生じる。
【００９６】
この結果、給電用貫通孔８では表面１Ａ側の径が広がるという問題が発生する。また、絶縁膜１６の絶縁破壊が生じる可能性がある。
【００９７】
開口部Ａ１は開口部Ａ２よりも一回り程度大きく形成される。ＩＣＰ−ＲＩＥによって表面１Ａまで基板１のエッチングが進んでも、犠牲層１９Ｃしか現われない。イオン種が犠牲層１９Ｃに達すると電荷が犠牲層１９Ｃ側に逃げるので犠牲層１９Ｃの表面は帯電しない。この結果、基板１におけるノッチを防ぐことができる。
【００９８】
図２３は、図１のアンテナ素子１００の製造方法の第１２の工程を示す図である。
図２３を参照して、貫通孔２２の内壁をたとえばＣｒ／Ｎｉ／Ａｕから構成される、はんだ下地膜２３でメタライズする。
【００９９】
図２４は、図１のアンテナ素子１００の製造方法の第１３の工程を示す図である。
図２４を参照して、はんだ下地膜２３に覆われた貫通孔２２に貫通導体７を挿入する。貫通導体７はたとえば、はんだである。貫通導体７は溶融はんだ吐出法等により形成される。このように主として第１１〜第１３の工程によって貫通導体７が形成される。
【０１００】
図２５は、図１のアンテナ素子１００の製造方法の第１４の工程を示す図である。
図２６は、図１のアンテナ素子１００の製造方法の第１４の工程を示す別の図である。
【０１０１】
図２５および図２６を参照して、犠牲層1９Ｂ，１９Ｃをエッチングにより除去することで実施の形態１に従うアンテナ素子１００が完成する。なお図２４は、図２の破線枠で示す部分に対応する。図２５に示す部分は図１６に示す部分に対応する。
【０１０２】
図２５に示すように、犠牲層１９Ｂを除去することで基本放射導体２の先端部の下方にはギャップが形成される。すなわち基本放射導体２の両端部の一方がＭＥＭＳスイッチ４Ｂ１の可動切片４Ｂとなる。なお図２５には示していないが、このとき基本放射導体２の両端部の一方がＭＥＭＳスイッチ４Ａ１の可動切片４Ａとなる。第１４の工程ではいわば基本放射導体２の両端部を選択し、この両端部に対して複数のＭＥＭＳスイッチ４Ａ１，４Ｂ１をそれぞれ形成するための加工処理が行なわれる。
【０１０３】
以上のように実施の形態４によれば、実施の形態１に従うアンテナ素子を製造することが可能になる。
【０１０４】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【０１０５】
【図１】実施の形態１に従うアンテナ素子の構成を示す斜視図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。
【図３】図１のアンテナ素子の裏面を示す平面図である。
【図４】複数のＭＥＭＳスイッチ４Ａ１，４Ｂ１がオン状態であるときのアンテナ素子１００を示す斜視図である。
【図５】図４のＶ−Ｖ線に沿った断面図である。
【図６】複数のＭＥＭＳスイッチ４Ａ１，４Ｂ１がすべてオフ状態のときの放射導体を流れる電流の経路を示す図である。
【図７】複数のＭＥＭＳスイッチ４Ａ１，４Ｂ１がすべてオン状態のときの放射導体を流れる電流の経路を示す図である。
【図８】実施の形態１のアンテナ素子の反射特性を電磁界シミュレーションにより計算した結果を示す図である。
【図９】実施の形態２に従うアンテナ装置を示す斜視図である。
【図１０】実施の形態２に従うアンテナ装置の断面図である。
【図１１】実施の形態３に従うアンテナ装置の断面図である。
【図１２】図１のアンテナ素子１００の製造方法の第１の工程を示す図である。
【図１３】図１のアンテナ素子１００の製造方法の第２の工程を示す図である。
【図１４】図１のアンテナ素子１００の製造方法の第３の工程を示す図である。
【図１５】図１のアンテナ素子１００の製造方法の第４の工程を示す図である。
【図１６】図１のアンテナ素子１００の製造方法の第５の工程を示す図である。
【図１７】図１のアンテナ素子１００の製造方法の第６の工程を示す図である。
【図１８】図１のアンテナ素子１００の製造方法の第７の工程を示す図である。
【図１９】図１のアンテナ素子１００の製造方法の第８の工程を示す図である。
【図２０】図１のアンテナ素子１００の製造方法の第９の工程を示す図である。
【図２１】図１のアンテナ素子１００の製造方法の第１０の工程を示す図である。
【図２２】図１のアンテナ素子１００の製造方法の第１１の工程を示す図である。
【図２３】図１のアンテナ素子１００の製造方法の第１２の工程を示す図である。
【図２４】図１のアンテナ素子１００の製造方法の第１３の工程を示す図である。
【図２５】図１のアンテナ素子１００の製造方法の第１４の工程を示す図である。
【図２６】図１のアンテナ素子１００の製造方法の第１４の工程を示す別の図である。
【図２７】米国特許第６１９８４３８号明細書（特許文献１）に開示されるアンテナ装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
【０１０６】
１  基板、１Ａ  表面、１Ｂ  裏面、２  基本放射導体、３Ａ，３Ｂ  延伸用放射導体、４Ａ，４Ｂ  可動切片、４Ａ１，４Ｂ１  ＭＥＭＳスイッチ、５Ａ，５Ｂ  制御配線、６  接地導体、６Ｂ，１３Ｂ，Ａ１〜Ａ３  開口部、７  貫通導体、８  給電用貫通孔、９，１０  電流、１１  同軸コネクタ、１１Ａ  芯線、１１Ｂ  外部導体、１１Ｃ  絶縁部、１２  溶融性導体、１３  金属板、１４  金属導体、１５  給電回路、１６  絶縁膜、１７Ａ，１８Ａ  低抵抗層、１７Ｂ，１８Ｂ  密着強化層、１８  下地配線層、１９  犠牲層、１９Ａ  微小凹部、１９Ｂ，１９Ｃ  犠牲層、２０，２１  レジストマスク、２２  貫通孔、２３  下地膜、１００  アンテナ素子、１００Ａ，１００Ｂ，１１０  アンテナ装置、１３０  放射導体素子、１３１  ＭＥＭＳスイッチ、１３２  接続導体、１３３，１３４  給電点。
【図１】
2007281603.tif 000003
【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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【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１４】
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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】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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