JP2003204211A

JP2003204211A - マイクロ波・ミリ波回路装置

Info

Publication number: JP2003204211A
Application number: JP2002286328A
Authority: JP
Inventors: Keiichi Ohata; 恵一大畑; Kenichi Maruhashi; 建一丸橋; Masaharu Ito; 正治伊東
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2002-09-30
Filing date: 2002-09-30
Publication date: 2003-07-18

Abstract

(57)【要約】【課題】容易に製造することができると共に、全体の
サイズを小型化し生産性を向上させることができるマイ
クロ波・ミリ波回路装置を提供することを目的とする。【解決手段】マイクロ波・ミリ波回路装置には、接地
された接地導体層４、この接地導体層４上に形成された
第１の誘電体層５、この第１の誘電体層５上に選択的に
形成された信号線路６と、少なくとも信号線路６の一部
を覆う第２の誘電体層７と、この第２の誘電体層７に形
成され信号線路６まで達する開口部２と、この開口部２
内に配置され信号線路６に接続されたモノリシックマイ
クロウェイブ集積回路１と、信号線路６に接続されたア
ンテナ３が設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高周波モジュール
として通信装置及びレーダ等に使用されるマイクロ波・
ミリ波回路装置に関し、特に、伝送損失の低減を図った
マイクロ波・ミリ波回路装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】マイクロ波・ミリ波回路装置を小型化、
量産化するためには、前記マイクロ波・ミリ波回路装置
の送受信回路をマルチチップモジュール（ＭＣＭ）化
し、かつ、このマルチチップモジュール化された送受信
回路とアンテナとを一体化することが有効である。図７
は従来のアンテナ一体化モジュールとして提案されてい
るマイクロ波・ミリ波回路装置を示す模式図である。

【０００３】この従来のマイクロ波・ミリ波回路装置に
おいては、金属製のケース型パッケージ７１内にモノリ
シックマイクロウェイブ集積回路（ＭＭＩＣ：Monolith
icMicrowave integrated circuit）７２とアンテナ基
板７３とがボンディングワイヤ７４を介して接続して納
められている。また、ＩＦ（中間周波数）端子７５及び
バイアス端子７６がボンディングワイヤ７４を介して前
記ＭＭＩＣ７２と接続されている。また、ＧａＡｓ基板
を使用したマイクロ波・ミリ波回路装置も試作されてい
る。図８はＧａＡｓ基板を使用した従来のマイクロ波・
ミリ波回路装置を示す模式図である。

【０００４】ＭＭＩＣ基板８１においては、ＧａＡｓ基
板上に受信集積回路８１ａが形成されている。また、ア
ンテナ基板８２においては、石英基板上にパッチアンテ
ナ８５が設けられている。アンテナ基板８２の表面には
接地金属層８３及び結合スロット８４が形成されてい
る。そして、ＭＭＩＣ基板８１とアンテナ基板８２とが
張り合わされ、ＭＭＩＣ基板８１内の回路とアンテナ８
５とが結合スロット８４を介して結合される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図７に
示す従来のマイクロ波・ミリ波回路装置では、ＭＭＩＣ
７２とアンテナ基板７３とをワイヤボンディング７４で
結線し、パッケージ７１に納めて気密封止したものにす
ぎないので、小型化及び量産性等に限界がある。特に、
ミリ波回路においてはワイヤボンディング７４によるイ
ンダクタンス等の寄生因子のために、各接続を低損失で
行うこと及び性能の再現性を確保することが困難になる
という問題点がある。更に、パッチアンテナとＭＭＩＣ
等のＲＦ回路とを平面的に接続しているが、パッチアン
テナへの長いフィード線が必要となるため、この低損失
化を図る必要がある。また、図８に示す従来のマイクロ
波・ミリ波回路装置では、ＭＭＩＣ基板８１とアンテナ
基板８２との厳密な位置あわせが必要になる等組み立て
が複雑になるという問題点がある。更にまた、装置の上
下両面に回路素子が設けられることになるために、ステ
ージに搭載してからプローバ装置等を使用して前記マイ
クロ波・ミリ波の特性を測定することができないという
問題点もある。

【０００６】本発明はかかる問題に鑑みてなされたもの
であって、容易に製造することができると共に、全体の
サイズを小型化し生産性を向上させることができるマイ
クロ波・ミリ波回路装置を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明に係るマイクロ波
・ミリ波回路装置は、接地された接地導体層と、この接
地導体層上に形成された第１の誘電体層と、この第１の
誘電体層上に選択的に形成された信号線路と、少なくと
も前記信号線路の一部を覆う第２の誘電体層と、この第
２の誘電体層に形成され前記信号線路まで達する開口部
と、この開口部内に配置され前記信号線路に接続された
モノリシックマイクロウェイブ集積回路と、前記信号線
路に接続されたアンテナと、を有することを特徴とす
る。

【０００８】また、前記第１の誘電体層または／および
前記第２の誘電体層が部分的に薄くなっていることを特
徴とする。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例に係るマイ
クロ波・ミリ波回路装置であって、例えば受信用モジュ
ールとして低雑音増幅器及び信号周波数を中間周波数
（ＩＦ）に変換するダウンコンバータからなる受信ＭＭ
ＩＣ並びにアンテナを一体化した構成のマイクロ波・ミ
リ波回路装置について、添付の図面を参照して具体的に
説明する。図１は、本発明の第１の実施例に係るマイク
ロ波・ミリ波回路装置の構造を示す図であって、（ａ）
は平面図、（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線における断面
図、（ｃ）は図１（ａ）のＢ−Ｂ線における断面図であ
る。

【００１０】図１（ａ）乃至（ｃ）に示すように、本実
施例のマイクロ波・ミリ波回路装置においては、接地金
属層４の上に第１の誘電体層５が設けられ、第１の誘電
体層５の上に信号線路６及び接地された接地金属層１４
が選択的に形成されている。更に、これらの上に第２の
誘電体層７が設けられている。ここで、誘電体層は第１
の誘電体層５と第２の誘電体層７との２層だけであり、
第２の誘電体層７にはＭＭＩＣ（Monolithic microwav
e integrated circuit）が実装されキャビティ（開口
部）２が形成されている。そして、キャビティ２内でＭ
ＭＩＣ１が信号線路６に接続されている。

【００１１】また、図１（ａ）及び（ｂ）中の信号線路
６の右端にＩＦ出力端子１０が設けられている。更に、
キャビティ２から出る他の端子としてバイアス端子１１
及び局部発振信号を外部からＭＭＩＣ１に入力する局発
振号入力端子１２が設けられている。更にまた、第２の
誘電体層７にはビア１３が埋め込まれており、このビア
１３を介して、アンテナのパッチ３とＲＦ信号線路６と
接続されている。なお、図１（ａ）では省略している
が、キャビティ２はキャップ９により封止されている。
また、第１の誘電体層５は、信号線路６とアンテナのパ
ッチ３との誘電体基板として機能すると共に、このモジ
ュールの母体基板としても機能する。また、第２の誘電
体層７は、ＭＭＩＣ１を気密実装するキャビティ２の側
面材料と信号線路６の保護層として機能すると共に、ア
ンテナの誘電体層としても機能する。

【００１２】このように構成された本実施例によれば、
第１の誘電体層５及び第２の誘電体層７の２層の誘電体
層のみで気密封止可能なマルチチップ実装キャビティと
アンテナとが一体化したマイクロ波・ミリ波回路装置を
実現できる。この結果、小型化が可能であり、伝送損失
を著しく低減することも可能である。

【００１３】また、信号線路６はＭＭＩＣ１をフリップ
チップ実装するのに適したコプレーナ線路型であり、信
号線路６の両側には、接地金属層１４が設けられている
のでＭＭＩＣを最短経路で一括接続することができ、第
２の誘電体層７を使用して容易にキャビティを構成する
こともできる。

【００１４】更に、このマイクロ波・ミリ波回路装置に
おいては、第１の誘電体層５がモジュールの母体基板を
なし、その上にコプレーナ線路型のＩＦ出力端子１０及
びバイアス端子１１が設けられ、更にその上にアンテナ
のパッチ３が設けられているために、ステージに搭載し
てからプローバ装置等を使用して前記マイクロ波・ミリ
波の特性を測定することができる。

【００１５】また、各誘電体層として、例えばガラスセ
ラミック基板を使用し、その両面に金属層をスクリーン
印刷し、更に、必要に応じて例えばビアを形成した前記
ガラスセラミック基板を２枚重ねて低温焼成することに
より、第１の実施例のマイクロ波・ミリ波回路装置を製
造することができる。

【００１６】前述の実施例においては、ＭＭＩＣ等ＲＦ
回路とアンテナとを平面的に一体化するとき、アンテナ
への供給電線が長くなるためこの部分の低損失化を考慮
する必要がある。そこで、前述の実施例を改良した第２
の実施例に係るマイクロ波・ミリ波回路装置について、
添付の図面を参照して具体的に説明する。図２は、本発
明の第２の実施例に係るマイクロ波・ミリ波回路装置の
構造を示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は図２
（ａ）のＣ−Ｃ線における断面図、（ｃ）は図２（ａ）
のＤ−Ｄ線における断面図である。なお、図２（ａ）乃
至（ｃ）に示す第２の実施例において、図１（ａ）乃至
（ｃ）に示す第１の実施例と同一の構成要素には、同一
の符号を付してその詳細の説明は省略する。

【００１７】第２の実施例においては、図２（ａ）乃至
（ｃ）に示すように、信号路線６の下部において、接地
金属層が設けられておらず、第１の誘電体層５の厚さが
薄く形成されている。また、キャビティ２とアンテナ３
との接続部分においても第２の誘電体層７の厚さも薄く
形成されている。

【００１８】このように構成された第２の実施例によれ
ば、信号路線６のコプレーナ路線の接地金属層１４と最
下層の接地金属層４とが平行平板状態となることによる
放射モードの発生が抑制されると共に、表面波伝搬によ
る放射モードの発生も抑制される。従って、信号線路６
の低損失化が図られる。ここで、第１の誘電体層の厚さ
ｔ1を下記数式１で求められる値より小さくすれば、表
面波伝搬による放射モードを完全に抑制することができ
る。

【００１９】数式ｃ／｛４ｆ（εｒ₁−１）^1/2｝但し、ｃは光速、ｆは伝送信号の最高周波数、ε_ｒ1は
第１の誘電体層５の比誘電率を表している。

【００２０】また、図２に示す実施例の具体例として
は、ＭＭＩＣとして、例えば１５０μｍの厚さのＧａＡ
ｓ基板上に、０．１５μｍゲートのＡｌＧａＡｓ／Ｉｎ
ＧａＡｓヘテロ接合ＦＥＴを能動素子とするコプレーナ
線路型の例えば６０ＧＨｚ帯低雑音増幅器とダウンコン
バータとからなる受信回路を使用することができる。ま
た、モジュールの基板として、コプレーナ線路型の信号
線路及びバイアス端子を層間に形成した比誘電率が８で
ある２層のガラスセラミック基板を使用する。この際、
第１の誘電体層５の厚さを、例えば６５０μｍとし、第
２の誘電体層７の厚さを、例えば５００μｍとし、信号
線路の下部において、前記第１の誘電体層の厚さを、例
えば３００μｍ、キャビティ２とアンテナ３との接続部
分の信号線路６の上部における第２の誘電体層７の厚さ
を、例えば１５０μｍとする。そして、ＭＭＩＣ１を前
記ガラスセラミック基板の第２の誘電体層のキャビティ
内に直径８０μｍ、高さ２０μｍのＡｕバンプ１５を介
してフリップチップ実装し、キャビティ２をＡｕメッキ
されたコバール板製のキャップ９で封止する。なお、キ
ャップ９は、セラミック板にＡｕコートしたものでもよ
い。

【００２１】次に、本発明の第３の実施例に係るマイク
ロ波・ミリ波回路装置について、添付の図面を参照して
具体的に説明する。第３の実施例においては、送信用モ
ジュールとして、アップコンバータ及び出力増幅器から
なる送信ＭＭＩＣ１並びにスロット結合パッチアンテナ
が一体化されている。図３は、本発明の第３の実施例に
係るマイクロ波・ミリ波回路装置の構造を示す図であっ
て、（ａ）は平面図、（ｂ）は図３（ａ）のＥ−Ｅ線に
おける断面図、（ｃ）は図３（ａ）のＦ−Ｆ線における
断面図である。なお、図３（ａ）乃至（ｃ）に示す第３
の実施例において、図１に示す第１の実施例と同一の構
成要素には、同一の符号を付してその詳細の説明は省略
する。

【００２２】図３（ａ）及び（ｃ）に示すように、第２
の実施例と同様に信号路線６の下部において、接地金属
層を設けられておらず、第１の誘電体層５の厚さが薄く
形成されている。また、キャビティ２とアンテナ１７の
パッチ３との接続部分では、信号路線６の上部におい
て、第２の誘電体層７上の接地金属層８が部分的に除か
れている。これにより、信号線路６のコプレーナ線路の
接地金属層１４と最上層の金属層８とが平行平板状態と
なることによる放射モードを防止し、低損失化を図って
いる。この際、金属層８の端はコプレーナ路線の接地金
属の端から、信号線路面と接地金属面の距離の２倍以上
平面的に離れていることが、平行平板の放射モードの発
生を防ぐ上で有効である。また、本実施におけるアンテ
ナ１７のおいては、第２の誘電体層７上の金属スロット
１６が１次の放射器であり、これに結合するパッチ３が
２次の放射器である。

【００２３】また、信号線路６の右端にＩＦ入力端子１
９が設けられている。

【００２４】従って、本実施例においても、誘電体層を
２層のみで、気密封止可能なマルチチップ実装キャビテ
ィ２とアンテナ１７の基本部分とが一体化したマイクロ
波・ミリ波モジュールが実現できる。なお、付加的な第
３層目の誘電体層１８も使用しているが、この層は、ア
ンテナ用とともにキャビティ２のキャップ９のはめ込み
用として使用されている。

【００２５】次に、本発明の第４の実施例に係るマイク
ロ波・ミリ波回路装置について、添付の図面を参照して
具体的に説明する。第４の実施例においては、送信用モ
ジュールとして、発振・周波数変調としての電圧制御発
振器及び出力増幅器からなる送信ＭＭＩＣ並びにスロッ
トアンテナが一体化されている。図４は、本発明の第４
の実施例に係るマイクロ波・ミリ波回路装置の構造を示
す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は図４（ａ）Ｇ
−Ｇ線における断面図、（ｃ）は図４（ａ）のＨ−Ｈ線
における断面図である。なお、図４（ａ）乃至（ｃ）に
示す第４の実施例おいて、図１に示す第１の実施例と同
一の構成要素には、同一の符号を付してその詳細の説明
は省略する。

【００２６】図４（ａ）乃至（ｃ）に示すように、本実
施例においては、接地金属層１４と最下層の接地金属層
４との間に多数のビア２０が設けられ、２つの接地金属
層１４及び接地金属層４が相互に接続されている。ビア
間隔は信号線路６を伝搬する信号の１／２波長以下であ
る。

【００２７】このように構成された本実施例において
は、ビア２０により、接地金属層４と接地金属層１４と
による平行板モードが防止されて、放射モードが防止さ
れる。

【００２８】次に、本発明の第５の実施例に係るマイク
ロ波・ミリ波回路装置について、添付の図面を参照して
具体的に説明する。第５の実施例においては、第４の実
施例と同様に、送信用モジュールとして、発振・周波数
変調としての電圧制御発振器及び出力増幅器からなる送
信ＭＭＩＣ並びにスロットアンテナが一体化されてい
る。図５は、本発明の第５の実施例に係るマイクロ波・
ミリ波回路装置の構造を示す図であって、（ａ）は平面
図、（ｂ）は図５（ａ）のＩ−Ｉ線における断面図、
（ｃ）は図５（ａ）のＪ−Ｊ線における断面図である。
なお、図５（ａ）乃至（ｃ）に示す第５の実施例におい
て、図１に示す第１の実施例と同一の構成要素には、同
一の符号を付してその詳細の説明は省略する。

【００２９】図５（ａ）乃至（ｃ）に示すように、本実
施例のマイクロ波・ミリ波回路装置においては、信号線
路６のコプレーナ線路の接地金属層１４は、伝送方向と
直角の方向においてモジュールの基体である第１誘電体
層５及び第２誘電体層７の端から内側に入ったところの
み形成されている。

【００３０】このように構成された本実施例において
は、接地金属層１４と最下層の接地金属層４との間の平
行平板モードを回避でき、信号線路の伝送損失が低減す
る。更に、第２の誘電体層７全体の厚さも薄くして、表
面波伝搬による放射モードの発生も回避されている。

【００３１】次に、本発明の第６の実施例に係るマイク
ロ波・ミリ波回路装置について、添付の図面を参照して
具体的に説明する。第６の実施例においては、第５の実
施例と同様に、送信用モジュールとして、発振・周波数
変調としての電圧制御発振器及び出力増幅器からなる送
信ＭＭＩＣ並びにスロットアンテナが一体化されてい
る。図６は、本発明の第６の実施例に係るマイクロ波・
ミリ波回路装置の構造を示す図であって、例えば前述の
図５と同様に送信用モジュールとして、発振・周波数変
調としての電圧制御発振器と出力増幅器とからなる送信
ＭＭＩＣとスロットアンテナを一体化した構造図であ
る。（ａ）は平面図、（ｂ）は図６（ａ）のＫ−Ｋ線に
おける断面図、（ｃ）は図６（ａ）のＬ−Ｌ線における
断面図である。なお、図６（ａ）乃至（ｃ）に示す第６
の実施例において、図１に示す第１の実施例と同一の構
成要素には、同一の符号を付してその詳細の説明は省略
する。

【００３２】図６（ａ）乃至（ｃ）に示すように、更
に、キャビティ２を深くして、すなわち、第２の誘電体
層７が厚い場合に表面波伝搬による放射モードを防止す
るために、キャビティ２とアンテナ３を接続する信号線
路６の上に第２の誘電体層を設けないようにしたもので
ある。

【００３３】このように構成された本実施例において
も、伝送損失は低減される。

【００３４】なお、信号線路６の下に第１の誘電体層を
設けないようにしてもよい。

【００３５】また、前述の各実施例においては、アンテ
ナ一体化モジュールとして送信及び受信に単独で使用さ
れる場合について説明したが、本発明はこれらに限定さ
れるものではない。例えば、送受信一体化ＭＭＩＣが実
装されたマイクロ波・ミリ波回路装置、及び送信及び受
信回路の各キャビティが設けられそれらと送信アンテナ
及び受信アンテナ又は送受兼用アンテナとサーキュレー
タとが一体化されたマイクロ波・ミリ波回路装置にも適
用することが可能である。また、第１の誘電体層上のバ
イアス線路に抵抗、キャパシタ及びインダクタ等からな
るバイアス回路が設けられてもよい。この場合には、Ｍ
ＭＩＣ内のバイアス回路を簡素化することができる。更
に、キャビティの周辺において、第１及び第２の誘電体
層内にバイアス線路を配線することは、任意に行うこと
ができる。

【００３６】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
誘電体層を２層として気密封止可能なＭＭＩＣとアンテ
ナとが一体化したマイクロ波・ミリ波受信用モジュール
を容易に量産できるので、通信及びレーダ装置等の量産
化及び低コスト化を実現できる。また、ＭＭＩＣとアン
テナとの一体化により装置全体を小型化することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係るマイクロ波・ミ
リ波回路装置の構造図である。

【図２】本発明の第２の実施例に係るマイクロ波・ミ
リ波回路装置の構造を示す図である。

【図３】本発明の第３の実施例に係るマイクロ波・ミ
リ波回路装置の構造を示す図である。

【図４】本発明の第４の実施例に係るマイクロ波・ミ
リ波回路装置の構造を示す図である。

【図５】本発明の第５の実施例に係るマイクロ波・ミ
リ波回路装置の構造を示す図である。

【図６】本発明の第６の実施例に係るマイクロ波・ミ
リ波回路装置の構造を示す図である。

【図７】従来のマイクロ波・ミリ波回路装置の構造を
示す図である。

【図８】ＧａＡｓ基板を使用した従来のマイクロ波・
ミリ波回路装置を示す模式図である。

【符号の説明】

１；ＭＭＩＣ２；キャビティ３；パッチ４；接地金属層５；第１の誘電体層６；信号線路７；第２の誘電体層８；金属層９；キャップ１０；ＩＦ出力端子１１；バイアス端子１２；局発振号入力端子１３、２０；ビア１４；接地金属１５；バンプ１６；スロット１７；アンテナ１８；第３の誘電体層１９；ＩＦ入力端子７１；パッケージ７２；ＭＭＩＣチップ７３；アンテナ基板７４；ボンディングワイヤ７５；ＩＦ端子７６；バイアス端子８１；ＭＭＩＣ基板８１ａ；受信集積回路８２；アンテナ基板８３；接地金属層８４；結合スロット８５；パッチアンテナ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者伊東正治東京都港区芝五丁目７番１号日本電気株式会社内Ｆターム(参考） 5J021 AA01 AB05 AB06 CA03 HA04 HA05 JA07 JA08 5J045 AA05 AB05 AB06 BA01 CA01 DA10 EA08 HA03 LA07 MA07 NA01 NA07

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】接地された接地導体層と、この接地導体
層上に形成された第１の誘電体層と、この第１の誘電体
層上に選択的に形成された信号線路と、少なくとも前記
信号線路の一部を覆う第２の誘電体層と、この第２の誘
電体層に形成され前記信号線路まで達する開口部と、こ
の開口部内に配置され前記信号線路に接続されたモノリ
シックマイクロウェイブ集積回路と、前記信号線路に接
続されたアンテナと、を有することを特徴とするマイク
ロ波・ミリ波回路装置。
【請求項２】前記第１の誘電体層または／および前記
第２の誘電体層が部分的に薄くなっていることを特徴と
する請求項１記載のマイクロ波・ミリ波回路装置。