銅ボールを用いたミリ波信号の基板間伝送技術の 60GHz 帯パッチアレイアンテナへの応用に関する研究
Application of the inter-substrate signal transmission technology using copper balls to 60-GHz-band
patch array antennaの端子から信号が出力されるところ，5 個の端子のみから信号が出力され，その結果を用いて放射パターンを得た上で，利得が 10 dBi 以上となる領域を評価した．
1.はじめにミリ波帯はマイクロ波帯の周波数帯に比べてより広い帯域を利用可能であることから，超高速無線通信へ

吉田 賢史 (Yoshida Satoshi, Ph. D.)の応用が期待されている．ミリ波帯の中でも 60 GHz

鹿児島大学 学術研究院理工学域工学系・助教(Research Field in Engineering, Science and Engineering Area,
Research and Education Assembly, Kagoshima University,)

帯は，IEEE802.11ad などの規格が策定され，製品もIEEE, 電子情報通信学会

60 GHz 帯の伝搬特性を考慮すると重要な技術であり，市場に出回りつつある．ビームフォーミング技術は，CMOS チップと組み合わせたシステムとしての提案

受賞：電子情報通信学会・第 74 回学術奨励賞受賞（2012.03）．

[1] もなされている．特にパッチアンテナ素子は設計

IEEE Japan Council AP-S Chapters Young Engineer Award

や製作の容易さからよく利用され，報告例[2]～[4] も受賞（2014.12）．

多い．このような背景の中，我々は 60 GHz 帯小型無線通信端末用のフロントエンドモジュールアンテナと研究専門分野：マイクロ波，ミリ波工学，アンテナ工学，して，ダイポールアレイアンテナ[5], [6] や単素子パッ

3 次元実装工学

チアンテナ[7] の検討を行ってきた．60 GHz 帯における大規模アレイアンテナをフェーズドアレイアンテナとして用いる場合の放射パターン測定において，直接 60 GHz 帯信号の位相ではなく，ミキサを用いてあらまし1MHz の低い周波数で位相制御を行う測定法[8] を次世代移動通信システムである 5G においては，28検討している．その測定法の検証のため，まずは単素GHz 帯での通信が利用されるなど，より高い周波数子アンテナを用いてアンテナの実装形態および測定手帯での通信が普及しつつある．将来的にはさらに高い法がどの程度妥当であるか実験的に検証[9] してきた．

周波数帯の利用も想定されるため，それらの周波数帯

本稿では，上述の単素子パッチの場合を発展させ，ア利用に関しての研究開発が望まれる．本稿では，60レイアンテナとした場合の 60 GHz 帯ビームフォー

GHz 帯におけるビームフォーミングアンテナの実現ミングアンテナとしての利用可能性を評価するため，を大きな目的とし，直交 2 点給電パッチアンテナ素子単素子パッチの場合と同様に，銅ボール接続実装技術を用いたアレイアンテナの銅ボール接続実装技術およを用いて，提案アンテナの 3 次元指向性測定を行った

び 3 次元指向性測定技術の検証実験を行った結果に結果について報告する．

ついて報告する．アレイ構成は 2×2 とし，素子間隔は 60 GHz における 0.6 波長，3.0mm とした．電磁2. 提案アンテナの構造設計

界シミュレーションにより，給電位相差を 45 度きざ素子アンテナとして，直交給電パッチアンテナ[9]みで変化させた場合の利得が 10 dBi 以上となる領域を用いて，パッチアレイアンテナの設計を行った．今を評価し，ビームフォーミングアンテナとしての動作回は，基礎検討としてアレイ構成がなるべく小さい 2を確認した．さらに，銅ボール接続実装技術を用いて，×2 アレイ構成とした．

2 枚の多層基板を積層実装し，電磁界シミュレーションと同様の評価を測定でも行った．その結果，全 8 個

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x 方向の素子間隔 dx および y 方向の素子間隔 dy は
い ず れ も 3.0mm で あ る ． な お ， 基 板 材 料 はMEGTRON7 である．

図 1：提案アンテナ構造の電磁界解析モデル

図 2：上部基板の裏面レイアウト

図 1 は設計したビームフォーミングアレイアンテナ

図 2 は，上基板であるアンテナ基板の裏面パターンの全体像である．ビーム形成可能なエリアを評価するである．アンテナ基板の裏面に GaAs ミキサチップがため，各素子アンテナの給電信号に対して位相差をつフリップチップボンディングにより搭載される．各給ける必要がある．測定において，提案アンテナを受信電点の直下にミキサチップが搭載されるため，ミキサアンテナとして動作させ，各素子アンテナから出力さ数は 8 個である．上下基板間の物理的な支持や，ミキれる信号の振幅と位相を測定し，位相差をつける操作

サへの LO 信号伝送には図 3 に示す銅ボール接続技術

は事後処理で MATLAB を使ってビームエリアを評[10] を用いた．

価した．なお，60 GHz 信号の振幅と位相差をマルチチャネルで同時に測定することは難しいため，各素子アンテナ直下にはミキサチップを実装し，1 MHz のIF 信号に変換してオシロスコープにより測定を行う方法をとった．そのため，図 1 に示す提案アンテナは，2 枚の多層基板を積層実装した構造となっており，上基板がアンテナ基板，下基板がミキサの LO 信号や IF

図 3：基板レイアウトの詳細：(a)断面構造と信号伝信号の伝送線路基板となっている．下基板の大きさは送経路のイメージ，(b)銅ボール搭載部の拡大図45.0mm×46.5mm であり，上基板の大きさは 15.0mm×16.0mm である．なお，下基板の IF 信号用コネク

銅ボールの直径は 350 μm であり，掘り込みの深タは 16 箇所存在するが，より大規模のアレイにも共さは 90 μm である．LO 信号伝送の銅ボール接続部用できるようにしたためであり，本報告の 2×2 アレ分は，疑似同軸線路構造となっている．銅ボール搭載

イでは，全 4 素子に 2 点給電されるため，全部で 8部分には，掘り込み構造を設けて銅ボール搭載実装の個 の IF 信 号 用 コ ネ ク タ を 利 用 す る ． LO 信 号 は歩留まり改善を図っている．上下基板間隔は 175 μm

1.85mm コネクタを利用したエンドランチ同軸コネであり，厚さ 100 μm の GaAs ミキサチップを基板クタから供給され，各ミキサにはウィルキンソンディ間に挟み込める構造となっている．

バイダにより分配される．IF 信号のコネクタには，W.FL コネクタを利用している．基板上の伝送線路に

３．提案アンテナのビームフォーミング領域の解析は，裏面グランドつきコプレーナ線路を利用している．

図 1 に示す構造を用いて，給電位相差を 45 度きざみ
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patch array antennaで変化させ，メインビーム方向を変化させる解析を行
給電位相差は，(a) の場合 x = 0◦, y = 180◦,(b) の場
合 x = 270◦, y = 180◦, であり，(c) の場合は，さらにった．

それぞれの給電点間の給電位相差 xxyy を考慮し，270◦ とした場合の解析結果である．紙面の都合上，３種類のみの掲載となっているが，全ての位相差は 45度きざみで解析を行っており，利得が 10 dBi 以上となる領域を評価した．

図 5：60 GHz における利得が 10 dBi 以上となるエリアの解析結果
図 5 は，60 GHz における利得が 10 dBi 以上となる領域の解析結果である．xz 面に主偏波を持つ場合と，yz 面に主偏波を持つ場合，2 点給電を行った場合を重ねて示している．2 点給電を行うことにより，ϕ 方向において 360 度にわたり 10 dBi 以上の利得が得られることがわかった．
４．提案アンテナの試作と測定測定による評価を行うため，提案アンテナの試作を行った．
図 4：60 GHz における 3 次元指向性パターンの解析
結果:(a)xz 面に主偏波を持つ場合,(b)yz 面に主偏波を持つ場合,(c)2 点給電を行った場合
図 4 は，60 GHz における 3 次元指向性パターンの解析結果である．素子アンテナが 2 点給電のため，それぞれの給 電点を 単独で利 用した場 合の解 析結果 が(a),(b) であり，(c) は 2 点給電を行った場合である．

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図 6：試作アンテナの写真
図 6 は，試作した 60 GHz 帯 2×2 ビームフォーミングアレイアンテナである．基板材料 MEGTRON7 を用いて，多層基板を製作した．その後，上基板のアンテナ基板裏面に GaAs ミキサのフリップチップ実装を行った．最後に銅ボールを用いて上基板と下基板を接続した．IF 信号出力端子コネクタは，必要な箇所のみ実装している．LO 信号の供給には，1.85mm のエンドランチコネクタを用いた．60 GHz 帯ビームフォーミングアンテナの給電位相差を変化させた場合の 3

図 7：3 次元放射パターンの解析結果と測定結果の比次元放射パターンを得るため，エレメントパターンの較：(a)解析結果,(b) 測定結果測定と位相差をつける操作の 2 段階に分けて行った．
エレメントパターンの測定には，既に開発済みの測定

図 7 は，給電位相差が xz 面に主偏波を持つアレイの系[8] を用いた．位相差をつける操作は，MATLAB を給電位相差が x = 0◦,用いて計算し，MATLAB 上で 3 次元放射パターンをつアレイの給電位相差が x = 270◦,

表示させ，利得が 10 dBi 以上となる領域まで表示さ間の給電位相差が xx = 270◦,

せた．

3 次元放射パターンの解析結果と測定結果の比較であy = 180◦，yz 面に主偏波を持y = 180◦，アレイyy = 0◦ となる場合のる．細かな部分は異なるものの，メインビーム方向などおよそ傾向は一致しているといえる．その他給電位相差でも解析結果との比較・確認を行なった結果，測定結果に致命的な問題はないことを確認した．なお，都合により，1 台のみの試作となったため，実装歩留まりの制約もあり，全 8ch 中 5ch のみの信号出力が得られた．したがって，当初解析した結果との比較は条件が異なるため，信号出力がなかった給電点の素子パターンを 0 にして，再解析を行った結果を図に示している．

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patch array antenna
した．さらに，銅ボール接続実装技術を用いて，2 枚の多層基板を積層実装し，電磁界シミュレーションと同様の評価を測定でも行った．その結果，全 8 個の端子から信号が出力されるところ，5 個の端子のみから信号が出力され，その結果を用いて放射パターンを得た上で，利得が 10 dBi 以上となる領域を評価した．
測定結果は解析結果と同様の傾向が得られ，提案アンテナ構造の有効性を確認するとともに，今後大規模アレイアンテナへの発展に向けて，多くの知見が得られた．
６．謝辞
近年の花形分野とされる AI や IoT システム，アプリの研究開発領域とは異なり，本研究は，通信関係のハードウェアに関する基礎研究をテーマにしています．
通信系のハードウェア関連分野の研究開発は，予算獲得がまず増す厳しさを増してきている中で，私の研究提案を採択していただいた SCAT 研究助成に感謝を申し上げます．本稿で報告した内容以外にも，多くの知見が得られておりますが，それらの内容は今後学術論文誌等で報告することで，社会還元とさせていただき

図 8：60 GHz における利得が 10 dBi 以上となるエます．

リアの解析結果と測定結果の比較（5 箇所の給電点を用いた場合）

参考文献[1] S. Lin, K. B. Ng, H. Wong, K. M. Luk, S. S. Wong,

図 8 は，利得が 10 dBi 以上となる領域の測定結果でand A. S. Y. Poon, “A 60GHz digitally controlled RFある．解析結果と測定結果を比較すると，傾向は一致

beamforming array in 65nm CMOS with off-chip

しており，提案アンテナ構造の有効性を検証すること

antennas,” Radio Frequency Integrated Circuitsができた．

Symposium, June 2011.
[2]５．まとめM.

Fakharzedeh,M.-R.

Nezhad-Ahmadi,

B.Biglarbegian, J. Ahmadi-Shokouh, and S. Safavi-

本稿では，60 GHz 帯におけるビームフォーミングア

Naeini, “CMOS phased array transceiver technology

ンテナの実現を大きな目的とし，直交 2 点給電パッチ

for 60 GHz wireless application," IEEE Trans.

アンテナ素子を用いた銅ボール接続実装技術および 3

Antennas Propag.，vol. 58，no. 4, pp. 1093–1104, Jan.

次元指向性測定技術の検証実験を行った結果について2010.

報告した．アレイ構成は 2×2 とし，素子間隔は 60[3] C.-H. Tseng, C.-J. Chen, and T.-H. Chu, “A low-

GHz における 0.6 波長，3.0mm とした．電磁界シミ

cost 60-GHz switched-beam patch antenna arrayュレーションにより，給電位相差を 45 度きざみで変with butler matrix network,” IEEE Antennas and化させた場合の利得が 10 dBi 以上となる領域を評価

Wireless Propagation Letters vol. 7, pp. 432-435,

し，ビームフォーミングアンテナとしての動作を確認

July 2008.
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Application of the inter-substrate signal transmission technology using copper balls to 60-GHz-band
patch array antenna[4] Z. Ahmad, J. Hesselbarth, “Dual-polarized
antenna with orthomode transducer for 60 GHzcommunications,”

EuropeanConferenceonAntennas and Propagation (EuCAP), April 2016.
[5] Y. Suzuki, S. Yoshida, S. Tanifuji, S. Kameda, N.
Suematsu, T. Takagi, and K. Tsubouchi, “60 GHz
band 2×4 dipole array antenna using multi stackedorganic substrates structure," in Proc. Int. Symp. on
Antennas and Propag., Oct. 2012.
[6] S. Yoshida, Y. Suzuki, T. T. Ta, S. Kameda, N.
Suematsu, T. Takagi, and K. Tsubouchi, “A 60-GHz
band planar dipole array antenna using 3-D SiPstructure

insmall

wirelessterminalsforbeamforming applications," IEEE Trans. Antennas
Propag.，vol. 61，no. 7, pp. 3502–3510, July 2013.
[7] 鬼丸隆太郎，吉田賢史，西川健二郎，“多層構造を用いた 60GHz 帯ビームフォーミング用パッチアンテ
ナの検討，" 信学総大，B-1-57， March 2018.
[8] T. T. Ta, S. Yoshida, Y. Suzuki, S. Tanifuji, S.
Kameda, N. Suematsu, T. Takagi, and K. Tsubouchi,“A 3-D radiation pattern measurement method for a
60-GHz-band
WPAN phased array antenna," in Proc. Asia-PacificMicrowave Conf., Dec. 2012.
[9] 吉田賢史，鬼丸隆太郎，西川健二郎，“60 GHz 帯
単素子パッチアンテナを用いた銅ボール接続実装技術および 3 次元指向性測定技術の検証実験，" 信学総大，C-2-55， March 2019.
[10] S. Yoshida, S. Tanifuji, S. Kameda, N. Suematsu,
T. Takagi, and K. Tsubouchi, “60-GHz band copperball vertical interconnection for MMW 3-D systemin-package

front-end

modules,"

IEICE

Trans.

Electron., vol. E95-C, no. 7, pp. 1276–1284, July2012.

この研究は、平成２７年度ＳＣＡＴ研究助成の対象として採用され、平成２８～平成３０年度に実施されたものです。

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