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特表2023-546324基板間の導電性支柱を備えたアンテナアレイアーキテクチャ
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2023-11-02
(54)【発明の名称】基板間の導電性支柱を備えたアンテナアレイアーキテクチャ
(51)【国際特許分類】
H01Q 23/00 20060101AFI20231026BHJP
H01Q 21/06 20060101ALI20231026BHJP
H01Q 3/30 20060101ALI20231026BHJP
H01L 23/12 20060101ALI20231026BHJP
H01L 25/00 20060101ALI20231026BHJP
【ＦＩ】
H01Q23/00
H01Q21/06
H01Q3/30
H01L23/12 Z
H01L25/00 A
【審査請求】有
【予備審査請求】有
(21)【出願番号】P 2023516512
(86)(22)【出願日】2020-09-14
(85)【翻訳文提出日】2023-04-07
(86)【国際出願番号】 US2020050681
(87)【国際公開番号】W WO2022055507
(87)【国際公開日】2022-03-17
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】513180451
【氏名又は名称】ヴィアサット，インコーポレイテッド
【氏名又は名称原語表記】ＶｉａＳａｔ，Ｉｎｃ．
(74)【代理人】
【識別番号】110001302
【氏名又は名称】弁理士法人北青山インターナショナル
(72)【発明者】
【氏名】アストルガ，ルイス ジー．
(72)【発明者】
【氏名】フランソン，スティーヴン ジェイ．
【テーマコード（参考）】
5J021
【Ｆターム（参考）】
5J021AA05
5J021AA09
5J021AA11
5J021AB02
5J021AB03
5J021AB06
5J021DB02
5J021DB03
5J021FA06
5J021FA23
5J021FA26
5J021FA29
5J021FA31
5J021GA02
5J021HA01
5J021HA05
5J021HA07
5J021HA08
5J021JA09
(57)【要約】
アンテナ装置は、対向する第１及び第２の面を有するアンテナ基板と、対向する第１及び第２の面を有するＲＧＢとを備える。アンテナ素子は、アンテナ基板の第１の面に配設されている。それぞれが、ＲＧＢの第２の面に取り付けられた第１の端部及びアンテナ基板の第２の面に取り付けられた第２の端部を有する導電性支柱は、ＲＧＢをアンテナ基板に固定し、ＲＧＢとアンテナ基板との間に電気的相互接続を提供する。ＲＦＩＣチップは、それぞれ、アンテナ基板の第２の面に取り付けられ、アンテナ素子に結合されている。少なくとも１つの回路素子は、ＲＧＢの第１の面に取り付けられ、導電性支柱のうちの少なくとも１つを介してＲＦＩＣチップのうちの少なくとも１つに電気的に結合されている。
【選択図】図２
【選択図】図２
【特許請求の範囲】
【請求項1】
アンテナ装置であって、対向する第１及び第２の面を有するアンテナ基板と、
前記アンテナ基板の前記第１の面に配設された複数のアンテナ素子と、
対向する第１及び第２の面を有するプリント回路基板（ＰＣＢ）と、
前記ＰＣＢの前記第２の面に取り付けられた第１の端部及び前記アンテナ基板の前記第２の面に取り付けられた第２の端部をそれぞれが有し、前記ＰＣＢを前記アンテナ基板に固定し、前記ＰＣＢと前記アンテナ基板との間に電気的相互接続を提供する複数の導電性支柱と、
前記アンテナ基板の前記第２の面にそれぞれ取り付けられ、前記複数のアンテナ素子に結合された複数の高周波集積回路（ＲＦＩＣ）チップと、
前記ＰＣＢの前記第１の面に取り付けられ、前記導電性支柱のうちの少なくとも１つを介して前記ＲＦＩＣチップのうちの少なくとも１つに電気的に結合された少なくとも１つの回路素子と、を備える、アンテナ装置。
【請求項2】
前記電気的相互接続は、高周波（ＲＦ）信号を通信するＲＦ相互接続である、請求項１に記載のアンテナ装置。
【請求項3】
前記電気的相互接続は、直流（ＤＣ）信号を通信するＤＣ相互接続である、請求項１又は２に記載のアンテナ装置。
【請求項4】
前記電気的相互接続は、データ制御信号を通信するデータ制御信号相互接続である、請求項１～３のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
【請求項5】
前記データ制御信号は、前記ＲＦＩＣチップのうちの複数のものに提供されて、その中の位相シフト器を調整し、フェーズドアレイを作製する、請求項４に記載のアンテナ装置。
【請求項6】
前記ＰＣＢ及び前記アンテナ基板は、異なる熱膨張係数（ＣＴＥ）を有し、前記支柱が、屈曲、圧縮、又は延伸することによって変形して、前記異なるＣＴＥに起因する応力緩和を提供する、請求項１～５のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
【請求項7】
前記少なくとも１つの回路素子は、前記支柱のうちの少なくとも１つと、前記アンテナ基板の前記第２の面の導電性トレース層とを介して、前記ＲＦＩＣチップに制御信号及び／又はバイアス電圧を提供するＩＣチップである、請求項１～６のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
【請求項8】
前記ＩＣチップは、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）である、請求項７に記載のアンテナ装置。
【請求項9】
前記少なくとも１つの回路素子は、前記支柱のうちの前記少なくとも１つと、前記アンテナ基板の前記第２の面の導電性トレース層とを介して前記ＲＦＩＣチップにＤＣ電圧を提供するＤＣコネクタである、請求項１～８のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
【請求項10】
前記少なくとも１つの回路素子は、前記支柱のうちの少なくとも１つを介して、前記ＲＦＩＣチップとの間でＲＦ信号をルーティングするＲＦコネクタである、請求項１～９のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
【請求項11】
前記複数の支柱は、第１の支柱と、前記第１の支柱の対向する側にある第２及び第３の支柱とを含み、前記ＲＦコネクタは、信号相互接続として機能する前記第１の半田支柱と、それぞれのグランド相互接続として機能する前記第２及び第３の半田支柱とを含む、グランド－信号－グランド相互接続を介して前記ＲＦＩＣチップに結合される、請求項１０に記載のアンテナ装置。
【請求項12】
前記アンテナ基板の前記第２の面は、前記ＲＦＩＣと前記アンテナ素子とを電気的に結合する相互接続のための開口部を有するアンテナグランド平面を備え、前記ＲＦＩＣチップは、前記アンテナグランド平面に電気的に結合されたそれぞれのグランド接続点を有する、請求項１～１１のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
【請求項13】
前記ＲＦＩＣチップのそれぞれは、複数の電気接続ジョイントを介して前記アンテナ基板の前記第２の面に取り付けられた下面と、空隙によって前記ＰＣＢの前記第２の面から分離された上面と、を有する、請求項１～１２のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
【請求項14】
前記複数の電気接続ジョイントは、半田バンプ又は銅ピラーである、請求項１３に記載のアンテナ装置。
【請求項15】
前記複数の導電性支柱は、半田支柱、銅螺旋巻付を有する固体円柱、バネ、及び微小同軸ケーブルのうちの少なくとも１つを含む、請求項１～１４のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
【請求項16】
前記複数の導電性支柱は、カラムグリッドアレイ（ＣＧＡ）の銅巻付半田支柱である、請求項１～１５のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
【請求項17】
前記ＲＦＩＣチップは、それぞれ、受信アンプ、送信アンプ、及び位相シフト器のうちの少なくとも１つを備える、請求項１～１６のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
【請求項18】
前記ＲＦＩＣチップは、それぞれ、前記アンテナ基板内に形成されたそれぞれのビアを介して、前記アンテナ素子のうちの１つ以上に結合されている、請求項１～１７のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
【請求項19】
前記複数のＲＦＩＣチップの間に位置し、前記アンテナ基板の前記第２の面に取り付けられた少なくとも１つの誘電体基板上に形成されたビーム形成ネットワーク（ＢＦＮ）を更に備える、請求項１～１８のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
【請求項20】
前記アンテナ基板は、前記アンテナ素子に隣接する第１の層と、
前記ＲＦＩＣに近接する第２の層と、
前記第１の層と前記第２の層との間のアンテナグランド平面と、を備え、
前記第２の層は、前記複数のＲＦＩＣチップを前記ＢＦＮに結合する伝送ラインを備える、請求項１９に記載のアンテナ装置。
【請求項21】
前記アンテナ基板は、前記アンテナ素子に隣接する第１の層と、
前記ＲＦＩＣチップに近接する第２の層と、
内部を通って横断する第１のビアのための開口部を有するアンテナグランド平面を形成する、前記第１の層と前記第２の層との間のパターン化された金属層であって、前記第１のビアが、前記ＲＦＩＣチップを前記アンテナ素子に接続する、パターン化された金属層と、
前記アンテナグランド平面を前記ＲＦＩＣチップに結合する前記第２の層内の複数の第２のビアと、を備える、請求項１～２０のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
【請求項22】
前記第２の層内に、前記アンテナ装置のためのビーム形成ネットワークを形成する別のパターン化された金属層を更に備える、請求項２１に記載のアンテナ装置。
【請求項23】
前記アンテナ基板の前記第２の面に取り付けられ、前記ＲＦＩＣチップと共平面的に配置され、前記ＲＦＩＣチップに結合される複数のシリアルペリフェラルインターフェース（ＳＰＩ）チップを更に備え、前記ＳＰＩチップは、前記半田支柱のうちの少なくとも１つを介して前記少なくとも１つの回路素子に結合されている、請求項１～２２のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
【請求項24】
電子デバイスの相互接続構造であって、第１及び第２の対向する面を有する基板と、
前記基板の前記第１の面に配設された複数の第１の回路素子と、
対向する第１及び第２の面を有するプリント回路基板（ＰＣＢ）と、
前記ＰＣＢを前記基板に固定し、それぞれが前記ＰＣＢと前記基板との間に電気的相互接続を提供する複数の導電性支柱と、
前記第１の回路素子に結合され、前記基板の前記第２の面に取り付けられた複数の集積回路（ＩＣ）チップと、
前記ＰＣＢの前記第１の面に取り付けられ、前記導電性支柱のうちの少なくとも１つを介して前記ＩＣチップのうちの少なくとも１つに電気的に結合されている少なくとも１つの第２の回路素子と、を備える、相互接続構造。
【請求項25】
前記電気的相互接続は、高周波（ＲＦ）信号を通信するＲＦ相互接続である、請求項２４に記載の相互接続構造。
【請求項26】
前記電気的相互接続は、直流（ＤＣ）信号を通信するＤＣ相互接続である、請求項２４又は２５に記載の相互接続構造。
【請求項27】
前記電気的相互接続は、データ制御信号を通信するデータ制御信号相互接続である、請求項２４～２６のいずれか一項に記載の相互接続構造。
【請求項28】
前記ＰＣＢ及び前記基板は、異なる熱膨張係数（ＣＴＥ）を有し、前記支柱が、偏向されるか、屈曲するか、又は圧縮されて、前記異なるＣＴＥに起因する応力の緩和を提供する、請求項２４～２７のいずれか一項に記載の相互接続構造。
【請求項29】
前記ＩＣチップのそれぞれは、複数の電気接続ジョイントを介して前記基板の前記第２の面に取り付けられた下面と、空隙によって前記ＰＣＢの前記第２の面から分離された上面と、を有する、請求項２４～２８のいずれか一項に記載の相互接続構造。
【請求項30】
電子デバイスの相互接続構造であって、上面を有する基板と、
上面及び下面を有するプリント回路基板（ＰＣＢ）と、
前記ＰＣＢの前記下面と前記基板の前記上面との間に取り付けられ、前記ＰＣＢを前記基板に固定し、前記ＰＣＢと前記基板との間に電気的相互接続を提供する複数の導電性支柱と、
前記基板の前記上面に取り付けられた複数の集積回路（ＩＣ）チップと、
前記ＰＣＢの前記上面及び前記下面のうちの少なくとも１つに取り付けられ、前記導電性支柱のうちの少なくとも１つを介して前記ＩＣチップのうちの少なくとも１つに電気的に結合されている少なくとも１つの第２の回路素子と、を備える、相互接続構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、一般に、高周波集積回路チップ（ＲＦＩＣ）一体型アンテナアレイ用コンパクトアーキテクチャに関する。
【背景技術】
【0002】
アンテナアレイは、例えば、航空機、衛星、車両、及び汎用地上ベース通信用基地局において、マイクロ波及びミリ波の周波数における様々な用途に配備されている。このようなアンテナアレイは、典型的には、位相シフトビーム形成回路によって駆動されるマイクロストリップ放射素子を備え、ビーム操縦可能フェーズドアレイを生成する。典型的には、アンテナアレイ及びビーム形成回路を備えたアンテナシステム全体は、環境条件の範囲にわたって必要な性能メトリックを満たしながら、薄型で最小限のスペースを占めることが望ましい。
【0003】
薄型アンテナアレイ装置は、コンパクトな構造のＲＦＩＣ（例えば、ＭＭＩＣ）と一体化したアンテナ素子で構成され得る。アンテナアレイ装置は、アンテナ素子が外装部品層に配設され、ＲＦＩＣがアンテナ素子層の後ろの近接平行部品層内の有効アンテナ開口全体に分散されている、サンドイッチ型構成を有してもよい。ＲＦＩＣは、送信動作用ＲＦパワーアンプ（ＰＡ）、受信動作用低雑音アンプ（ＬＮＡ）、及び／又はビーム操作用位相シフト器／振幅調整器を含んでもよい。このようにＰＡ／ＬＮＡを分散することにより、送信時の高効率性及び／又は受信時の低ノイズ性能を実現することができる。複雑な接続レイアウトは、アンプにＤＣバイアス電圧を至らせ、位相シフト器にビーム操作用制御信号を至らせることができる。わずか数度の狭いビーム幅を生成する典型的なアンテナアレイ装置は、それぞれ数百又は数千個のＲＦＩＣチップ、アンテナ素子、及び制御ラインを備える場合もある。このような複雑な配置は、広範囲の環境で好適に動作する薄型設計を製造するための設計上の課題を提示する。
【発明の概要】
【0004】
本開示の一態様では、アンテナ装置は、対向する第１及び第２の面を有するアンテナ基板と、対向する第１及び第２の面を有するプリント回路基板（ＰＣＢ）とを備える。アンテナ基板の第１の面には、複数のアンテナ素子が配設されている。それぞれが、ＰＣＢの第２の面に取り付けられた第１の端部及びアンテナ基板の第２の面に取り付けられた第２の端部を有する複数の導電性支柱は、ＰＣＢをアンテナ基板に固定し、ＰＣＢとアンテナ基板との間に電気的相互接続を提供する。複数の高周波集積回路（ＲＦＩＣ）チップは、それぞれ、アンテナ基板の第２の面に取り付けられ、複数のアンテナ素子に結合されている。少なくとも１つの回路素子は、ＰＣＢの第１の面に取り付けられ、導電性支柱のうちの少なくとも１つを介してＲＦＩＣチップのうちの少なくとも１つに電気的に結合されている。
【0005】
様々な例では、電気的相互接続は、ＲＦ信号を通信するＲＦ相互接続、ＤＣ信号を通信するＤＣ相互接続、又はデータ制御信号を通信するデータ制御信号相互接続とすることができる。ＰＣＢ及びアンテナ基板は、異なる熱膨張係数（ＣＴＥ）を有する可能性があり、支柱が、偏向されるか、屈曲するか、又は圧縮されて、異なるＣＴＥによる応力の緩和を提供する。
【0006】
別の態様では、電子デバイスの相互接続構造は、上面を有する基板と、上面及び下面を有するＰＣＢと、ＰＣＢの下面と基板の上面との間に取り付けられた複数の導電性支柱と、を備える。支柱は、ＰＣＢを基板に固定し、ＰＣＢと基板との間に電気的相互接続を提供する。基板の上面には複数のＩＣチップが取り付けられている。少なくとも１つの回路素子は、ＰＣＢの上面及び下面のうちの少なくとも１つに取り付けられ、導電性支柱のうちの少なくとも１つを介してＩＣチップのうちの少なくとも１つに電気的に結合されている。
【図面の簡単な説明】
【0007】
開示される技術の上記及び他の態様及び特徴は、同様の参照文字が同様の要素又は特徴を示す添付の図面と併せて、以下の詳細な説明からより明らかになるであろう。同一の又は類似の種類の様々な要素は、同一／類似の要素（例えば、＿１、＿２）の中で区別する下線／ダッシュ及び第２のラベルで参照ラベルを付加することによって、又は第２のラベルで参照ラベルを直接付加することによって区別され得る。しかしながら、所与の説明が第１の参照ラベルのみを使用する場合、このラベルは、第２のラベルに関係なく、同じ第１の参照ラベルを有する同一／類似の要素のうちのいずれか１つに適用可能である。要素及び特徴は、図面で縮尺どおりに描画されていない場合がある。
【0008】
【発明を実施するための形態】
【0009】
説明の目的で本明細書に開示される技術の特定の例示的な実施形態の包括的な理解を支援するために、添付の図面を参照しながら以下の説明が提供される。説明は、当業者が技術を理解するのを助けるための様々な具体的な詳細を含むが、これらの詳細は、単なる例示と見なされるべきである。単純化及び明確化の目的で、周知の機能及び構造の説明は、それらの包含が、当業者による技術の理解を曖昧にする可能性がある場合には、省略される場合がある。
【0010】
図１は、一実施形態による例示的なアンテナ装置１００の分解斜視図である。アンテナ装置１００は、複数の導電性支柱１２２によってプリント回路基板（ＰＣＢ）１４０に固定された板状アンテナ基板１２０を含むコンパクト配置を有する。複数のアンテナ素子１２５は、アンテナ基板１２０の第１の主面１３１（ｘ－ｙ平面内）に配設されている。複数の高周波集積回路（ＲＦＩＣ）チップ１２６は、それぞれ、アンテナ基板１２０の第２の反対側の主面１３９に取り付けられ、アンテナ素子１２５に結合されている。フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）１４２、ＤＣコネクタ１４６、及び／又はＲＦコネクタ１４４などの少なくとも１つの回路素子は、ＰＣＢ１４０の第１の主面１４９に取り付けられている。支柱１２２のそれぞれは、アンテナ基板１２０内の導電層を介して、ＰＣＢ１４０に固定された回路素子とＲＦＩＣチップ１２６との間に電気的相互接続を提供し得る。
【0011】
電気的相互接続を提供するために、支柱１２２のそれぞれは、アンテナ基板１２０の第２の面１３９に取り付けられた第１の端部１５１と、ＰＣＢ１４０の第２の面１４１に取り付けられた第２の端部１５９とを有し得る。アンテナ基板１２０とＰＣＢ１４０とは、異なる熱膨張係数（ＣＴＥ）を有する可能性がある。支柱１２２の構造及び材料は、アンテナ装置１００（以下、交換可能に「アンテナ１００」）がアンテナ基板１２０とＰＣＢ１４０との間のＣＴＥ不整合に対応することを可能にすることによって応力緩和を可能にするように設計され得る。この目的のために、支柱１２２構成は、電気接続を維持しながら、ＰＣＢ及びアンテナ基板が温度にわたって異なる速度で膨張するにつれて、支柱が屈曲、圧縮、又は伸張することによって変形することを可能にする。これは、同じ応力にさらされた場合に破損する可能性のある半田ボールとは対照的である。例えば、支柱１２２はそれぞれ、固体円柱、異なる材料のらせん状表皮を有する固体円柱、バネ、可撓性固体構造、又は微小同軸ケーブル部などの形状で構成されてもよい。支柱１２２は、半田（例えば、Ｐｂ／Ｓｎ合金）又は他の導電性材料で構成され得る。一例では、支柱１２２は、熱伝導及び信頼性を向上させるために、Ｐｂ／Ｓｎ合金の内側円柱及び銅製螺旋巻付表皮を有するカラムグリッドアレイ（ＣＧＡ）型支柱である。図１では、説明の単純さのために、いくつかの支柱１２２、ＲＦＩＣチップ１２６、アンテナ素子１２５などのみが示されている。アンテナ１００の典型的な実施形態では、アンテナ素子１２５、ＲＦＩＣチップ１２６、及び支柱１２２は、それぞれ数百又は数千個を数える場合がある。更に、複数のＦＧＰＡ１４２、複数のＤＣコネクタ１４６、及び／又は複数のＲＦコネクタ１４４がアンテナ１００に含まれ、ＰＣＢ１４０に取り付けられてもよい。ＰＣＢ１４０のアンテナ基板１２０への取り付けのための全体の機械的支持体は、支柱１２２によって提供され得る。
【0012】
例えば、支柱１２２は、半田の層に支柱を段階的に積み上げるプロセスによって、固体半田支柱として形成されてもよい。例示的なプロセスは、まず、アンテナ基板の第２の面１３９又はＰＣＢ１４０の第２の面１４１上の半田パッドに対して、全ての支柱１２２の最下層を形成し得る。最も低い層は、支柱から支柱へ順に移動するコンピュータ制御半田ツールを使用して順次形成され得る。プロセスは、層ごとに繰り返されて、全ての支柱１２２上で所望の高さに達するまで（ｚ平面内で）支柱の高さを段階的に構築し得る。最後の半田層は、支柱１２２の他の層上の半田よりも低温の半田からなってもよい。例えば、支柱１２２がアンテナ基板１２０の表面から積み上げられる場合、最終的な付着ステップは、ＰＣＢ１４０の第２の面１４１上の低温半田パッドを支柱１２２と位置合わせすることによって、支柱１２２の上にＰＣＢ１４０を配置することを含んでもよい。次いで、アンテナ組立体全体が、低温半田のみを溶融させるのに十分な温度で加熱されて、ＰＣＢ１４０のアンテナ基板１２０への付着プロセスを完了し得る。
【0013】
例えば、ＰＣＢ１４０は、その第１の面１４９に取り付けられた１つ以上のＦＰＧＡ１４２、ＤＣコネクタ１４６、及びＲＦコネクタ１４４を有してもよく、これらの回路素子は、１２２ａ、１２２ｂ、及び１２２ｃなどの支柱を介してアンテナ基板１２０内に形成された信号ライン及び／又はグランドラインに電気的に接続し得る。アンテナ基板１２０は、その中に形成された複数の薄い金属層を有してもよく、これらは、ＤＣバイアスライン、制御信号ライン、グランドライン、及びＲＦ伝送ラインを形成するようにパターン化されてもよい。例えば、支柱１２２ｂは、ＤＣコネクタ１４６をアンテナ基板１２０内のＤＣラインに結合してＤＣ信号を通信するＤＣ相互接続であってもよい。ＤＣ信号は、ＲＦＩＣチップ１２６内のアンプをバイアスしてもよい。支柱１２２ｃは、ＦＰＧＡ１４２をアンテナ基板１２０内の制御信号ラインに結合してデータ制御信号を通信するデータ制御信号相互接続であってもよい。データ制御信号は、ＲＦＩＣチップ１２６及び／又はシリアルペリフェラルインターフェース（ＳＰＩ）チップ１２７などの他のＩＣチップに提供されてもよい。ＳＰＩチップ１２７は、データ制御信号に基づいて位相シフト器制御信号を生成することができ、この信号は、複数のＲＦＩＣチップ１２６に提供されて、その中で位相シフト器を調整し、それによってアンテナ１００をフェーズドアレイとして動作させる。支柱１２２ａは、ＲＦコネクタ１４４を伝送ラインに結合してＲＦ信号を通信するＲＦ相互接続であってもよい。
【0014】
アンテナ１００は、ＲＦＩＣチップ１２６の間に共平面上に配置され、アンテナ基板１２０の第２の面１３９に取り付けられた少なくとも１つのプリント回路基板（ＰＣＢ）部１２８（以下、複数のＰＣＢ部１２８として例示される）上に部分的又は全体的に形成されたビーム形成ネットワーク（ＢＦＮ）を含んでもよい。各ＰＣＢ部１２８は、例えば、共面導波路（ＣＰＷ）又はマイクロストリップにおいて、伝送ライン部を集合的に形成する、アルミナなどの誘電体基板、信号導体、及び少なくとも１つのグランド導体で構成されてもよい。単一のＰＣＢ部１２８ではなく、複数のＰＣＢ部１２８を提供することは、アンテナ１００の製造を容易にし得る。ＢＦＮは、「統合ネットワーク」又は「分配ネットワーク」と呼ばれることもある合成器／分周器ネットワークであり、これは、アンテナアレイを形成するＮ個のアンテナ素子１２５によって送信するために入力ＲＦ送信信号をＮ個の分割された「素子信号」に分割する、及び／又はＮ個のアンテナ素子１２５によって提供されるＮ個の受信経路素子信号を最終的な複合受信信号に合成する。ＲＦコネクタ１４４は、（送信の場合）ＢＦＮの入力及び／又は（受信の場合）ＢＦＮの出力に電気的に接続し得る。別の実施形態では、ＰＣＢ部１２８は省略され、ＢＦＮはその代わりとしてアンテナ基板１２０の層内に形成される。ＢＦＮをＲＦコネクタ１４４に接続する異なる方法については、後述する。
【0015】
アンテナ素子１２５はそれぞれ、アンテナ基板１２０上にプリントされたマイクロストリップパッチアンテナ素子であって平面アレイを形成してもよい。双極子又はモノポールなどの他の種類のアンテナ素子に置き換えられてもよい。アンテナ素子１２５は、それぞれの供給点でＲＦＩＣチップ１２６に電気的又は電磁的に結合（「から給電」）されてもよい。ＲＦＩＣチップ１２６は、アンテナ基板２５上に位置する接続パッドへの半田バンプ接続などによってアンテナ基板２５に機械的に接続されてもよい。ＲＦＩＣチップ１２６はまた、以下で説明される「単一ＲＦ層基板」の場合に、面１３９の近位下のアンテナグランド平面に機械的及び電気的に接続されてもよい。典型的な実施形態では、各ＲＦＩＣチップ１２６は、複数の（例えば、いくつかの）アンテナ素子１２５に結合され、ＲＦＩＣチップ１２６は、アンテナ素子１２５によって形成された平面アレイの実質的に全有効開口に分散されている。
【0016】
アンテナ素子１２５は、マイクロストリップパッチとして具体化される場合、円形、正方形、長方形、楕円形又はそれらの変形などの任意の好適な形状を有してもよく、所望の分極、例えば、円形、線形、又は楕円形、を達成するのに十分な方法で給電され、構成されてもよい。アンテナ素子１２５の数、それらの種類、サイズ、形状、素子間の間隔、及びそれらが給電される方法は、目標性能メトリックを達成するための設計によって変化し得る。典型的な実施形態では、アンテナ１００は、数百又は数千個のアンテナ素子１２５を備え得る。以下に記載される実施形態では、各アンテナ素子１２５は、プローブ給電で給電されるマイクロストリップパッチである。プローブ給電は、ＲＦＩＣチップ１２６の入出力（Ｉ／Ｏ）パッドに電気的に接続するビアとして実装され得る。Ｉ／Ｏパッドは、信号がＲＦＩＣチップ１２６に入る又はそこから出ることを可能にするインターフェースである。他の例では、ビアの代わりに電磁給電メカニズムが使用され、各アンテナ素子１２５は、近接電界エネルギーでそれぞれの給電点から励起される。
【0017】
アンテナ１００は、一般に、３０ＧＨｚ～３００ＧＨｚの範囲内の帯域として定義される、ミリメートル（ｍｍ）の波動周波数帯域にわたって動作するように構成されてもよい。他の例では、アンテナ１００は、約１ＧＨｚ～３０ＧＨｚのマイクロ波範囲、又は１ＧＨｚ未満のサブマイクロ波範囲で動作する。ここで、高周波（ＲＦ）信号は、１ＧＨｚ未満～３００ＧＨｚまであたりの周波数の信号を示す。マイクロ波又はミリ波の周波数で動作するように構成されたＲＦＩＣチップは、モノリシックマイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ）と呼ばれることが多いことに留意されたい。ＭＭＩＣは、典型的には、ＩＩＩ－Ｖ族半導体材料又はシリコン－ゲルマニウム（ＳｉＧｅ）などの他の材料からなる。
【0018】
各ＲＦＩＣチップ１２６は、アクティブビーム形成回路、例えば、接続されたアンテナ素子１２５と通信される１つ以上の信号を調整するために使用されるアンプ及び／又は位相シフト器を備えてもよい。ＲＦＩＣチップ１２６が動的に制御される位相シフト器を含む実施形態では、アンテナ１００は、送信及び／又は受信動作のためのフェーズドアレイとして動作可能である。フェーズドアレイの実施形態では、アンテナ１００によって形成されたビームは、主に位相シフト器の位相シフトに従って設定された所望のビーム指向角に操作される。ビームパターンを調整するために、ＲＦＩＣチップ１２６内の追加の振幅調整が更に含まれる場合もある。ＲＦフロントエンドアンプ及び／又は位相シフト器がアンテナアレイの有効開口全体に分散されている場合、アンテナ１００は、アクティブアンテナアレイと称されてもよい。いくつかの実施形態では、アンテナ１００は、送信アンテナシステムと受信アンテナシステムとの両方として動作し、各ＲＦＩＣチップ１２６は、受信信号を増幅するための少なくとも１つの低雑音アンプ（ＬＮＡ）と、送信信号を増幅するための少なくとも１つのパワーアンプ（ＰＡ）とを備える受信回路を備える。この場合、各ＲＦＩＣチップ１２６は、共有リソース上の双方向信号フローを可能にする好適な送受信（Ｔ／Ｒ）スイッチング／フィルタリング回路を備えてもよい。アンテナ１００は、代替的に、受信アンテナシステムとしてのみ、又は送信アンテナシステムとしてのみ動作するように構成され、この場合、各ＲＦＩＣチップ１２６は、ＬＮＡを備えるがＰＡは備えない、又はその逆であってもよい。
【0019】
図２は、一実施形態による、組み立てられた状態の図１のアンテナ１００の一部の断面図である。断面図は、図１に示されたアンテナ１００の直線でない断面を表し、明確にするために図のいくつかの末梢的な特徴は省略されている。この例では、アンテナ基板１２０は、第１の層１２１ａ及び第２の層１２１ｂからなる「デュアルＲＦ層」構成で構成されている。領域「Ａ」（後述するが、図２には示されていない）のような第２の面１３９におけるアンテナ基板１２０の最上層は、ＤＣ信号ルーティング及び／又は制御信号ルーティングのための１つ以上の薄い金属層を備えてもよい。
【0020】
層１２１ａは、第１の誘電体層２２７ａと、アンテナ素子１２５によって送信／受信される信号エネルギーを反射するためのアンテナグランド平面として機能する金属層２５０とを備えてもよい。平面アレイを形成するアンテナ素子１２５は、アンテナ基板１２０の第１の面１３１（誘電体層２２７ａの下面）に配設されている。各アンテナ素子１２５は、プローブ給電の信号導体として機能する第１のビア２１０を介してそれぞれのＲＦＩＣチップ１２６に結合されてもよい。第１のビア２１０は、グランド平面２５０内の開口部２３４を横断している。第１のビア２１０の対向する側の第２のビア２１１は、プローブ給電のグランド導体として機能し、ＲＦＩＣチップ１２６のそれぞれのグランド接点とグランド平面２５０との間の電気的接続を行う。第２の層１２１ｂは、第２の誘電体層２２７ｂと、様々な接続点の間にＲＦ伝送ライン導体を形成するようにパターン化された別の金属層２４０とを含む。誘電体層２２７ａ、２２７ｂは、溶融シリカなどの任意の好適な誘電体からなってもよい。金属層２４０と、ＲＦＩＣチップ１２６、ＰＣＢ部１２８、ＩＣチップ１２７、及びＲＦ接続を行う任意の支柱１２２上の接続点（例えば、Ｉ／Ｏパッド）との間の接続は、それぞれのショートビア２４３及び半田ボール又は銅ピラーなどの電気接続ジョイント２３０を介して行われてもよい。例えば、第２の金属層２４０の第１の部分２４０ａは、ＲＦＩＣチップ１２６のＩ／Ｏパッド２１５をＰＣＢ部１２８の接続点に結合する伝送ライン導体である。第２の部分２４０ｂは、以下に説明する「信号支柱」１２２ａ２の接続点にＰＣＢ部１２８の別の接続点を結合する伝送ライン導体である。
【0021】
支柱１２２は、それぞれ、アンテナ基板１２０に取り付けられた部品１２６～１２８のいずれか１つの厚さよりも高い高さを有してもよい。したがって、部品１２８の上面とＰＣＢ１４０との間に空隙が存在してもよい。上述のように、各支柱１２２を形成する１つの方法は、支柱から支柱へ順に、一度に１層ずつ半田などの液化金属を積み上げることによる。各支柱は、アンテナ基板１２０の第２の面１３９上のそれぞれの接続パッドと位置合わせされ得る。代替プロセスは、予備形成された導電性支柱を使用し、ロボットツールなどを使用して予備形成された支柱の底面及び上面を、それぞれ面１３９及び１４１の接続パッドに導電付着してもよい。予備形成された支柱１２２のいくつかの例は、固体円柱、銅巻付表皮を有する固体円柱（「銅巻付支柱」）、バネ、及び微小同軸ケーブルを含む。前述のように、支柱１２２の構造及び材料は、アンテナ基板１２０とＰＣＢ１４０との間のＣＴＥ不整合に対応することによって応力緩和を可能にするのに十分であり得る。ＰＣＢ１４０とアンテナ基板１２０とが温度にわたって異なる速度で膨張するにつれて、支柱１２２構成は、機械的接続及び電気的接続を維持しながら、屈曲、圧縮、又は延伸することによって破損を防止し得る。例えば、銅巻付支柱は、ひびが入っていても電気的接続を依然として維持することができる。
【0022】
ＰＣＢ１４０内に形成されたビア２２０は、上面１４９の導電性ラインをそれぞれの支柱１２２の上端部１５９に結合し得る。例えば、ビア２２０は、上面１４９の導電性ライン２６１を介して支柱１２２ｃをＦＰＧＡ１４２の接続点に電気的に結合する。他の例では、ビア２２０は、レイアウトが許せば、ＦＰＧＡ１４２の接続点に直接接続してもよい。支柱１２２ｃの底端部１５１は、誘電体層１２０ｂ内の導電ライン（例えば、後述の図３Ａの層２６６の一部）及び導電性ジョイント２３０を介してＲＦＩＣチップ１２６のＩ／Ｏパッドに結合される。支柱１２２ｃが制御信号をルーティングするために指定されている場合、ＲＦＩＣチップ１２６のグランド接続点へのその下面における制御信号のグランド接続経路は、同様に、ＦＰＧＡ１４２のグランド接続点に結合された別のビア２２０（それの真下又は面１４９の別の導電性ラインを介して）と、別の支柱１２２と、誘電体層１２０ｂ内の別の導電体と、別の導電性ジョイント２３０とから構成されてもよい。
【0023】
同様に、ＤＣコネクタ１４６は、ＤＣコネクタ１４６の下面の電気接点から、面１４９の信号導体２６３、ビア２２０、支柱１２２ｂ、誘電体層２２７ｂ内の第１の金属層、及びＲＦＩＣチップ１２６のＩ／Ｏパッドに接続された導電性ジョイント２３０を含む経路を介して、ＲＦＩＣチップ１２６に正又は負の電圧を提供し得る。別の支柱１２２及び誘電体層２２７ｂ内の第２の金属層を通る同様の経路は、ＤＣコネクタ１４６のグランド接点とＲＦＩＣチップ１２６との間のＤＣ電圧のグランド接続を提供し得る。
【0024】
ＲＦコネクタ１４４は、ＰＣＢ部１２８内のＢＦＮのＲＦ入力ポート及び／又は出力ポートに電気的に結合された同軸又は他の種類のコネクタであってもよい。例えば、グランド－信号－グランド（ＧＳＧ）遷移（「ＧＳＧ相互接続」）２６０が、結合経路で使用されてもよく、信号支柱１２２ａ２、信号支柱１２２ａ２の一方側の第１の「グランド支柱」１２２ａ１、及び信号支柱１２２ａ２の反対側の第２のグランド支柱１２２ａ３を含んでもよい。これらの支柱は、それらの上端部で、それぞれ、ＰＣＢ１４０を通って形成された、第１のグランドビア２２３ａ１、信号ビア２２３ａ２、及び第２のグランドビア２２３ａ３に接続し得る。ＲＦコネクタ１４４は、信号ビア２２３ａ２に接続された内側導体と、第１のグランドビア２２３ａ１に一方側で接続され、信号ビア２２３ａ３に反対側で接続された外側導体とを含んでもよい。他の実施形態では、１つのグランド支柱のみを利用する「ＧＳ」スキーム、又は３つ以上のグランド支柱を有するスキームなどの他の接続構造に置き換えられてもよいことに留意されたい。
【0025】
信号支柱１２２ａ３は、アンテナ基板１２０内の再分配層（ＲＤＬ）相互接続を介して、ＰＣＢ部１２８内のＢＦＮのＲＦ入力点及び／又は出力点に結合されてもよい。この相互接続は、信号支柱１２２ａ３の下端部に接続されたビア２４３（図４に見られる）、伝送ライン導体２４０ｂの一方の端部、導体２４０ｂの反対側の端部にある別のビア２４３、及び後者をＰＣＢ部１２８に接続する接続ジョイント２３０を含む接続経路を含み得る。グランド支柱１２２ａ１及び１２２ａ２は、誘電体層１２０ｂ内のマイクロストリップグランド層又は金属層２４０内に形成されたＣＰＷグランド導体に接続し得る。
【0026】
図３Ａは、図２における領域「Ａ」の例示的な相互接続構造を示す。この例では、アンテナ基板１２０の上部構造は、ポリマ、例えば、ベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）などの第１の絶縁層２６２を含み、その上面は、アンテナ基板１２０の上面１３９を形成する。第１の金属層２６６（「第１の導電性トレース層」）は、第１の絶縁層２６２の真下にあり、ＤＣ信号及び／又は制御信号のグランド導体を形成するため、又はＤＣ／制御信号の信号導体を形成するために指定され得る。第２の金属層２７０（「第２の導電性トレース層」）は、第１のグランド層２６６の下にあり、第２の絶縁層２６８によってそこから分離されている。第１の金属層２６６がＤＣ／制御信号のグランド導体に指定されている場合、第２の金属層は、これらの信号の信号導体を形成するために指定されてもよく、逆もまた同様である。伝送ライン導体に使用される金属層２４０ａは、誘電体層２２７ｂの上部（第２の金属層２７０の真下）と、誘電体層２２７ｂの下部との間に位置している。
【0027】
図３Ａの例では、支柱１２２ｂは、支柱１２２ｂの直径よりわずかに大きい絶縁層２６２の開口部を介して第１の層２６６に電気的に接続されている。電気接続ジョイントの形成を容易にするために、無電解パラジウム浸漬金（ＥＮＥＰＩＧ）又はニッケル／金合金などの表面仕上げ金属層２６５が、絶縁層２６２の開口部内に形成されていてもよい。層２６５は、金属層２６６の上のベース部、開口部の外周の周辺壁部、及び面１３９の上の環状リング領域を有して、キャビティを形成するように堆積されておいてもよい。半田又は他の液化可能金属２６４のウェルは、キャビティを充填し、表面仕上げ層２６５と支柱１２２ｂの下端部との両方に付着して、支柱１２２ｂとアンテナ基板１２０との間の機械的接続及びその中の金属層２６６への電気的接続を形成し得る。他の実施形態では、表面仕上げ金属層２６５は省略される。
【0028】
金属層２６６及び２７０並びに絶縁層２６２及び２６８のそれぞれは、基板１２０の厚さよりも少なくとも１桁薄くてもよい。例えば、これらの層のそれぞれは、２～１０μｍオーダの厚さを有してもよく、一方、基板１２０は、２５０μｍオーダの厚さであってもよい。金属層２６６及び２６８は、それぞれ、１２μｍのオーダの幅を有し、１２μｍオーダの間隔で互いに離間している、ｘ－ｙ平面内の信号／グランドラインを形成し得る。層２６６及び２６８のそれぞれは、アンテナ１００の典型的な実施形態において、数百又は数千個の信号ライン及びグランドラインを形成するようにエッチング、あるいはパターン化されておいてもよい。
【0029】
図３Ｂは、図２における領域「Ａ」の別の例示的な相互接続構造を示す。この例では、支柱１２２ｂは、第１の絶縁層２６２、第１の金属層２６６及び第２の絶縁層２６８の開口部を介して第２の金属層２７０に電気的に接続されている。これらの層の開口部は、それぞれの層の堆積中に異なる幾何学形状のレジスト材料を層ごとに位置合わせすることによって形成されておいてもよい。支柱１２２ｂが第１の金属層２６６に短絡するのを防ぐために、第１の金属層２６６は、第１及び第２の絶縁層２６８及び２６２のものよりも大きな開口部を有する堆積パターニングによって形成されてもよい。環状絶縁領域２８７は、第１の金属層２６６を、支柱１２２ｂと第２の金属層２７０との間の後に続く電気接続から絶縁するために、金属層２６６の深さで形成されておいてもよい。表面仕上げ層２６５に類似する表面仕上げ層２８５は、電気めっきなどを用いて形成されておいてもよい。表面仕上げ層２８５は、第２の金属層２７０上のベース部、それぞれの開口部内の絶縁層２６２、２６６及び２６８の縁部に対する環状壁部、並びに上面１３９上のリム部を有してもよい。これは、半田又は他の液化可能金属２８４で充填することができる金属裏打ちキャビティとなる。支柱１２２ｂの下端部がキャビティ内に配置されている間に半田２８４が冷却されると、半田２８４は、支柱１２２ｂを、表面仕上げ層２８５を介して第２の層２７０に電気的に接続する。他の実施形態では、表面仕上げ層２８５は省略される。
【0030】
図４は、図２の領域「Ｂ」の例示的な相互接続構造を示しており、信号支柱１２２ａ２は、アンテナ基板１２０内のビア２４３を介して伝送ライン導体２４０ｂに導電付着されている。ビア２４３は、その上端部を金属層２７０内に形成されたディスク状キャッチパッド２７０ａに接続することができる。例えば、金属層２７０は、ビア２４３を形成する前に、誘電体層２２７ｂの上に形成されておいてもよい。金属層２７０を形成する場合、キャッチパッド２７０ａは、リング状レジスト材料をビア２４３の円形領域（後で形成される）と同心円状に位置合わせすることによって形成されておいてもよい。次いで、金属層２７０が堆積されておいてもよく、これはキャッチパッド２７０ａの周りのリング状開口部となる。ビア２４３は、キャッチパッド２７０ａを介して次に形成されておいてもよい。絶縁材料は、キャッチパッド２７０ａの周りの開口部内に環状絶縁領域２８９を形成する後続のステップで堆積されておいてもよく、それによって、金属層２７０の残りの材料をビア２４３から絶縁する。キャッチパッド２７０ａと支柱１２２ａ２の下端部との間の相互接続構造は、支柱１２２ｂへの接続について図３Ｂに関連して説明したものと同じであってもよい。すなわち、相互接続構造は、キャッチパッド２７０ａの上部にベース部、環状壁部、及びリム部を有する表面金属層２８５を備えてもよく、上述のように液化可能金属２８４で充填されたキャビティを形成する。
【0031】
送電線導体２４０ｂは、例えば、マイクロストリップ導体、コ共面導波路（ＣＰＷ）導体、又はストリップライン導体であってもよい。送電線導体２４０ｂがＣＰＷ導体として構成される場合、グランド支柱１２２ａ１及び１２２ａ３は、図４に説明されたのと同じ方法で、層部分２４０ｂの対向する側にある伝送ライン層２４０の他のそれぞれの部分に導電付着されてもよい。マイクロストリップの場合、マイクロストリップのためのグランド平面は、導体２４０ｂ上に重なる第２の金属層２６８の領域とすることができる。この場合、グランド支柱１２２ａ１及び１２２ａ３は、それぞれ、図３Ｂについて上述したのと同じ方法で第２の金属層２７０に導電付着されてもよい。あるいは、第１の金属層２６６の領域は、（第２の金属層２７０の対応する領域を除去することによって）グランド平面として使用されてもよく、この場合、グランド支柱１２２ａ１及び１２２ａ３は、図３Ａについて説明したのと同じ方法で第１の金属層２６６に導電付着されてもよい。ストリップラインの場合、追加の金属層は、層２４０ｂの下に提供され、第１又は第２の金属層２６６、２７０によって提供されるグランド平面に電気的に接続されるであろう。
【0032】
図５Ａは、別の実施形態による図１のアンテナ装置の一部の例示的な断面図である。（図５Ａの図は、図２のものとは異なるアンテナ１００の直線でないスライスを表す）。この実施形態は、アンテナグランド平面５５０がその上面１３９に近接するアンテナ基板１２０ａ内に位置する「単一ＲＦ層」アンテナ基板１２０ａ（図１のアンテナ基板１２０の別の実施形態）を採用する。なお、図５Ａの断面図は、ＲＦコネクタ１４４とアンテナ基板１２０ａとの間でビア２２３ａ２を介して電気的に結合された信号支柱１２２ａ２を示している。この図では、信号支柱１２２ａ２の後方及び前方（又はその逆）にそれぞれあるため、第１及び第２のグランド支柱１２２ａ１及び１２２ａ３は見えないと仮定することができる。
【0033】
図５Ｂは、図５Ａの領域Ｃの例示的な構造の断面図である。アンテナ基板１２０ａは、誘電体層５２７及び基板１２０ａの上部の交互金属層／絶縁層からなってもよい。これらは、誘電体層５２７の真上にあるアンテナグランド平面５５０を備えてもよく、この層から上面１３９に向かって順に絶縁層５４０、第２の金属層２７０、絶縁層２６８、第１の金属層２６６、及び最上部絶縁層２６２が続いている。
【0034】
信号支柱１２２ａ２は、図３Ａに関連して上記で説明されたものに類似する、半田ウェル２６４及び表面仕上げ金属層２６５を通って金属層２６６内に形成された導電性トレース２６６ａの第１の端部に導電付着してもよい。導電性トレース２６６ａは、導電性トレース２６６ａを取り囲むリング状絶縁領域５９５ａによって、第１の金属層２６６の隣接部分から絶縁され得る。電気的相互接続は、導電性トレース２６６ａの第２の反対側の端部と、ＰＣＢ部１２８の上面にあるＣＰＷ又はマイクロストリップ信号導体６０４との間に形成され得る。この相互接続は、ＰＣＢ部１２８内に形成されたビア５９３、電気接続ジョイント２３０、及び導電性トレース２６６ａの第２の端部に形成された表面仕上げ金属層５８５を含み得る。絶縁層２６２の絶縁部２６２ａは、表面仕上げ金属層２６５の壁部を支持するように形成されておいてもよい。代替的に、部分２６５ａは、導電層部、例えば、追加の表面仕上げ金属層材料で置き換えられる。
【0035】
ＰＣＢ部１２８がＣＰＷ伝送ラインとして構成される場合、信号導体６０４の対向する側の第１及び第２のグランド導体は、それぞれ、図５Ｂと同様の構成を使用して、グランド支柱１２２ａ１及び１２２ａ３の下端部に接続してもよい。この場合、それぞれの接続は、導電性トレース２６６ａの対向する側の金属層２６６に形成され、導電性トレース２６６ａから絶縁された第１及び第２の追加の導電性トレース（「グランドトレース」）を介して行われ得る。換言すれば、第１及び第２のグランドトレースは、導電性トレース２６６ａと併せて、ＣＰＷ伝送ラインの相互接続部を形成する。代替的に、グランド接続は、信号導体接続に使用される金属層（例えば、２６６）とは異なる基板１２０ａ内の金属層で行われる。
【0036】
ＰＣＢ部１２８がマイクロストリップ伝送ラインとして構成される場合、信号ライン６０４から信号支柱１２２ｂへの接続は、同様の導電性トレース２６６ａを介して、図５Ｂと同様に行われてもよい。この場合、マイクロストリップグランド平面は、ＰＣＢ部１２８の下面に存在してもよく、ビア５９３の下端部は、マイクロストリップグランド平面の開口部を通過してもよい。更に、第１及び第２のグランドトレースは、導電性トレース２６６ａの対向する側に延在してもよく、それぞれ、一方の端部でマイクロストリップグランド平面のそれぞれの接続点に接続され、反対側の端部でそれぞれ、グランド支柱１２２ａ１又は１２２ａ３に接続されてもよい。
【0037】
ここで、図５Ｂに示されるものと同様の相互接続は、ＲＦＩＣチップ１２６の下面のＩ／Ｏパッドと第１の金属層２６６との間で行われてもよいことに留意されたい。（相互接続は、表面仕上げ金属層５８５で裏打ちされたキャビティ内に導電性ジョイント２３０を含んでもよい）。ＲＦＩＣチップ１２６の任意のＩ／Ｏパッドを第２の金属層２７０の信号ラインに接続するために、開口部は、第１の金属層２６６及び第２の絶縁層２６８のそれぞれの範囲内に形成されている。これらの開口部の周面は、第２の金属層２７０に延びる表面仕上げ金属層５８５で裏打ちされてキャビティを形成してもよい。キャビティは、液化可能な金属で充填され、図３Ｂの導電性ウェル２８４に類似する導電性ウェルを形成してもよい。導電性ウェルは、ＲＦＩＣチップ１２６のＩ／Ｏパッドの下端部に接続してもよい。
【0038】
アンテナグランド平面５５０は、ＲＦＩＣチップ１２６及び／又はＰＣＢ部１２８の下面のマイクロストリップグランド平面に電気的に接続されてもよい。この接続のための相互接続は、少なくとも１つの電気接続ジョイント２３０と、アンテナグランド平面５５０に延在するアンテナ基板１２０ａ内の半田ウェルなどとを含んでもよい。そのような半田ウェルは、上記の図３Ｂの半田ウェル２８４に類似する上部と、第２の金属層２７０の絶縁された開口部を通って延在し、グランド平面５５０に接続する下部とを有してもよい。
【0039】
図６は、図５Ａの線６ー６に沿う例示的な図である。この図は、アンテナ基板１２０ａの上面１３９に向かって見下ろすＩＣチップ及びＰＣＢ部の例示的なレイアウトを示す。導電性支柱１２２（支柱１２２ａ、１２２ｂ、１２２ｃなどを含む）は、レイアウトの周辺領域と内部領域との両方に分散されてもよい。行及び列に均一に配置された１６個のＲＦＩＣチップ１２６＿１～１２６＿１６、ＲＦＩＣチップ１２６の一対の隣接する行の間に直線的に配置された８個のシリアルペリフェラルインターフェース（ＳＰＩ）チップ１２７＿ａ～１２７＿８、及びＢＦＮの少なくとも一部が形成される５個のＰＣＢ部１２８＿ａ～１２８＿５を示す例を提示する。ＰＣＢ部１２８は、その上面にＢＦＮの信号導体６２０を備え、これは、第１の金属層２６６内に形成されたＲＤＬ相互接続２６６ｂを介してＲＦＩＣチップ１２６内のそれぞれの信号導体６１３に、又は第２の金属層２７０内に形成された相互接続部に電気的に接続されてもよい。（ＲＤＬ相互接続２６６ｂは、第１の絶縁層２６２を介して図６の図において目に見えると仮定することができる）。ＰＣＢ部１２８がＣＰＷとして実装される場合、６３０ａ、６３０ｂ、６３０ｃなどのＣＰＷグランド導体は、信号導体６２０の対向する側に存在する。これらのグランド導体６３０ａ～６３０ｃは、それぞれ、信号導体６１３の対向する側のＲＤＬ相互接続を介して、ＲＦＩＣチップ１２６のＣＰＷグランド導体（図示せず）に電気的に接続されてもよい。マイクロストリップの場合、マイクロストリップグランド平面は、一緒に好適に接続されたＰＣＢ部１２８及びＲＦＩＣチップ１２６の下面に存在してもよい。ここで、図６に示すような類似のレイアウトを図２の実施形態に実装してもよいが、この場合、信号導体６１３と６２０との間の電気接続は、アンテナ基板１２０内の伝送ライン層（金属層２４０）を介して行われてもよいことに留意されたい。
【0040】
ＰＣＢ部１２８内のＢＦＮは、アンテナ１００の送信方向で、信号支柱１２２ａ２、グランド支柱１２２ａ１、及びグランド支柱１２２ａ３によって形成されるＧＳＧ遷移６６０を介してＲＦコネクタ１４４から入力ＲＦ信号を受信してもよい。ＢＦＮは、アンテナ基板１２０ａ又は１２０内のＲＤＬ接続を介してＧＳＧ遷移６６０に電気的に接続されたＩ／Ｏポートを有する２：１ Ｉ／Ｏカプラ６０４を含んでもよい（例えば、前述のように、第１及び／又は第２の金属層２６６、２７０内の導電性トレースを通して）。Ｉ／Ｏカプラ６０４は、６０６及び６０８などのＢＦＮの他のカプラと併せて、入力ＲＦ信号を、ＲＦＩＣチップ１２６＿１～１２６＿１６にそれぞれ提供される１６個の分割送信信号に分割することができる。受信方向において、ＲＦＩＣチップ１２６＿１～１２６＿１６から出力されるＲＦ受信信号は、ＢＦＮによって合成されてもよく、合成された受信信号は、ＧＳＧ遷移６６０を介してＲＦコネクタ１４４に出力される。ＢＦＮカプラ６０４、６０６などのいくつかの例は、ウィルキンソンディバイダ（例えば、分割された出力ラインの間にプリントされた抵抗器を有する）と、ハイブリッドリング（「ラットレース」）カプラと、及び９０°分岐ラインカプラとを含む。他のレイアウトの例では、Ｋが１６以外である伝送ライン部１２８内に１：Ｋ分周器／合成器を形成するために、より大きい又はより小さい数の２：１カプラ及び／又はＭ：１カプラ（Ｍ＞２）が提供される。
【0041】
各ＲＦＩＣチップ１２６は、少なくとも１つのアンプ６５５及び少なくとも１つの位相シフト器６５７などのアクティブＲＦフロントエンド部品を備えてもよい。ＲＦＩＣチップ１２６に結合されたアンテナ素子１２５は、ＲＦＩＣチップ１２６の上にほぼ重なり得る。例えば、ＲＦＩＣチップ１２６＿１は、４つのアンテナ素子１２５の上に重なることが示されており、これらのアンテナ素子のそれぞれは、１つのアンプ６５５及び１つの位相シフト器６５７を含むそれぞれの信号経路に接続されてもよく、これは、そのアンテナ素子１２５を横断する信号の振幅及び位相を個別に制御する。（説明を明確にするために、１つのアンプ６５５及び１つの位相シフト器６５７は、ＲＦＩＣチップ１２６＿９及び１２６＿１６にのみ示されている。例えば、４つのアンテナ素子１２５が各ＲＦＩＣチップ１２６に結合されている場合、各ＲＦＩＣチップ１２６は、４つのアンプ６５５及び４つの位相シフト器６５７を含んでもよい）。
【0042】
ＤＣコネクタ１４６及びＦＧＰＡ１４２から生じるＤＣ電圧及び制御電圧は、金属層２６６及び２７０に形成された導体を介して、支柱１２２を介してＲＦＩＣチップ１２６及びＳＰＩチップ１２７にルーティングされてもよい。ＤＣ電圧は、アンプ６５５をバイアスしてもよく、及び／又はＲＦＩＣチップ１２６及びＳＰＩチップ１２７内の他の回路によって使用されてもよい。例えば、ＤＣコネクタ１４６からのＤＣバイアス電圧は、支柱１２２ｂ２上で運ばれ、ＲＦＩＣチップ１２６＿９内のアンプ６５５に、導電性ライン２７０＿３及びＲＦＩＣチップ１２６＿９の下面のＩ／Ｏコンタクトパッドを介してルーティングされてもよい。ＤＣバイアス電圧をＤＣコネクタ１４６に戻すためのグランド戻りは、導電性ライン２６６＿３及び支柱１２２ｂ１を含んでもよい。
【0043】
同様の方法で、制御信号は、ＦＧＰＡ１４２からＳＰＩチップ１２７及び／又はＲＦＩＣチップ１２６に支柱１２２ｃを介してルーティングされてもよい。例えば、ビーム操作のための位相／振幅制御信号は、ＦＧＰＡ１４２によって生成され、ＳＰＩチップ１２７にルーティングされてもよい。一例として、ＦＧＰＡ１４２によって生成された制御信号は、支柱１２２ｃ１及び１２２ｃ２間に印加されてもよい。制御信号は、それぞれ支柱１２２ｃ１及び１２２ｃ２に接続された導電性ライン２７０＿１及び２６６＿１間のＳＰＩチップ１２７＿１にルーティングされてもよい。制御信号に基づいて、ＳＰＩチップ１２７＿１は、位相シフト器制御電圧を生成し、導電性ライン２７０＿２を介して位相シフト器６５７にそれを印加して、その位相シフト器６５７に結合されたアンテナ素子１２５を横断する信号の位相シフトを動的に設定してもよい。一例では、支柱１２２ｃ２は、ＦＧＰＡ１４２のグランド接点、ＳＰＩチップ１２７＿１のグランド接点（導電性ライン２６６＿１を介して）、及びＲＦＩＣチップ１２６＿９のグランド接点（導電性ライン２６６＿２を介して）のそれぞれへの電気的接続を介して、様々な制御信号のグランド戻り経路を提供してもよい。
【0044】
ここで、ＢＦＮは、ＰＣＢ部１２８上に部分的に形成されてもよく、ＲＦＩＣチップ１２６上に部分的に形成されてもよいことに留意されたい。ＢＦＮは、ＧＳＧ遷移６６０とアンプ素子１２５の給電点との間の信号経路及び分周器／合成器回路と見なされてもよい。したがって、例えば、各ＲＦＩＣチップ１２６が図示のようにＮ＞１個のアンテナ素子１２５に給電する場合、各ＲＦＩＣチップ１２６内にＮ：１合成器／分周器６９２（図６の例ではＮ＝４）が存在してもよい。Ｎ：１合成器／分周器６９２は、ＲＦＩＣ１２６の入力点６１３と、それぞれがそれぞれのアンテナ素子１２５に結合されたＮ個のそれぞれのアンプ６５５及び／又は位相シフト器６５７のＮ個の入力との間に配置されてもよい。Ｎ：１合成器／分周器６９２は、ＢＦＮの「初期段階」と見なされてもよく、一方、カプラ６０８、６０６などからなるＢＦＮ部は、ＢＦＮの「後期段階」と見なされてもよい。
【0045】
図６の例示的なレイアウトでは、隣接するＰＣＢ部１２８の信号導体６２０は、ワイヤボンド５０３によって互いに接続されてもよい。ＣＰＷ伝送ラインでは、信号導体６２０の対向する側の６３０ａ及び６３０ｃに類似する一対のグランド導体は、同様に、それぞれのワイヤボンド５０３を介して、隣接するＰＣＢ部１２８内の対応するグランド導体に接続されてもよい。代替の実施形態では、共通の誘電体基板が、ＰＣＢ部１２８＿１～１２８＿５の全てに使用され、ワイヤボンド５０３は省略される。
【0046】
別の実施形態では、隣接するＰＣＢ部１２８間の直接接続は、異なるＰＣＢ部１２８間のＲＦＩＣチップ１２６を介してＢＦＮ信号経路を接続することによって回避される。
【0047】
図７は、別の実施形態による図１のアンテナ１００の一部の例示的な断面図である。この例では、ビーム形成ネットワーク（ＢＦＮ）は、ＰＣＢ部１２８内ではなく、アンテナ基板１２０ｂ内に形成され、ＰＣＢ部１２８は省略される。本実施形態は、図２の実施形態で上述したものと同様に、アンテナ基板１２０ｂにデュアルＲＦ層構造を採用している。例えば、ＲＦコネクタ１４４は、支柱１２２ａ１、１２２ａ２、及び１２２ａ３からなるＧＳＧ遷移７６０を介して、金属層２４０によって形成されたＣＰＷ伝送ラインに結合されてもよい。あるいは、金属層２４０がマイクロストリップ信号導体を形成するために使用される場合、グランド支柱１２２ａ１及び１２２ａ３は、アンテナ基板１２０ｂ内のマイクロストリップグランドとして機能する別の金属層に導電的に付着されてもよい。
【0048】
ＧＳＧ遷移７６０は、図６のＩ／Ｏカプラ６０４に類似するＩ／Ｏ ＲＦカプラ６０４ａに近接する位置に配置されてもよい。金属層２４０は、一例における図６のものと同様のレイアウトを有するＢＦＮを形成するようにパターン化されてもよい。この場合、ＢＦＮの１つの信号経路は、ＲＦ送信信号を、ＲＦＩＣチップ１２６＿１３及び１２６＿１４に印加される２つの分割信号に分割する２：１方向カプラ６０８ａ（カプラ６０８に類似する）につながってもよい。ＲＦＩＣチップ２２６から方向性カプラを通ってＧＳＧ遷移７６０への相互信号フローは、受信アンテナシステムに対して発生し得る。この構成の他の態様は、図２に関連して説明されたものと同じであってもよい。
【0049】
図８は、アンテナ装置１００を製造する例示的な方法を説明する流れ図である。プロセスステップ８２０は、上面１４９及び／又は下面１４１（例えば、図２を参照）上に信号導体２６１を有するＰＣＢ組立体１４０を形成することを含んでもよく、チップ／コネクタ（例えば、１４２、１４４、１４６）は、上面１４９及びＰＣＢ１４０の基板を通るビア２２０に取り付けられている。ビアは、チップ／コネクタを下面１４１で接触パッドに電気的に結合するように形成される。
【0050】
別のプロセスステップＳ８４０は、アンテナ基板１２０の下面１３１上のアンテナ素子１２５と、アンテナ基板１２０内のグランド平面（例えば、２５０、５５０）と、アンテナ素子１２５をＲＦＩＣチップ１２６に結合するための第１のビア２１０と、ＧＳＧ遷移（隣接する支柱１２２ａ１、１２２ａ２、１２２ａ３によって形成される）を接続するための位置の第２のビア２４３及び／又はアンテナ基板１２０内の伝送ライン導体にＲＦＩＣチップ１２６を接続するための第２のビア２４３と、アンテナ基板１２０の上面１３９に取り付けられたＲＦＩＣチップ１２６及び他のチップ１２７と、上面１３９に取り付けられたＰＣＢ部１２８（使用される場合）と、を備えるアンテナ基板組立体を形成することを含んでもよい。
【0051】
ＰＣＢ組立体及びアンテナ基板組立体が別々に形成された状態で、支柱１２２が形成され、アンテナ組立体の上面又はＰＣＢ組立体の下面のいずれかに一端部で取り付けられてもよい（Ｓ８６０）。このプロセスの一例の技術は、アンテナ基板１２０の上面１３９から、又はＰＣＢ組立体の下面から、支柱を段階的に積み上げることを含む。各支柱１２２の１つの層は、支柱から支柱へ順次移動し、少量の半田を堆積して各支柱を段階的に積み上げるコンピュータ制御半田ツールを使用して一度に形成されてもよい。図９Ａは、例えば、支柱１２２ｂ、１２２ｃなどの下部がアンテナ基板１２０の上面１３９に形成されている中間組立体構造を示す。プロセスは、層ごとに繰り返されて、全ての支柱１２２上で所望の高さに達するまで、支柱の高さを段階的に構築してもよい。ほぼ完成した支柱１２２の開放端部に低温半田が塗布されてもよい（Ｓ８８０）。例えば、図９Ｂに示されるように、完成した支柱１２２は、それぞれ、高温半田からなる大部分９３１と、低温半田からなる端部９３５とを有してもよい。代替的に又は追加的に、低温半田パッドは、支柱１２２と位置合わせされた位置でＰＣＢ１４０の下面に形成されている。
【0052】
プロセスＳ８６０の代替の実装は、予備形成された支柱１２２をアンテナ基板１２０又はＰＣＢ１４０に導電付着することを含む。例えば、図９Ｃは、アンテナ基板組立体に取り付けられたバネの形状の予備形成された支柱１２２を有するアンテナ基板組立体を示す。バネの下端部は、高温半田でアンテナ基板１２０の表面１３９に取り付けられてもよい。低温半田９３５は、バネの下端部が取り付けられた後、上端部に塗布されてもよい。前述のように、予備形成された支柱１２２は、より良好な熱伝導及び信頼性のために、固体Ｐｂ／Ｓｎ合金内部円柱及び銅製螺旋巻付表皮などの他の構成を有してもよい。高温半田及び低温半田は、同一又は同様の方法でこれらの他の支柱構成の両端に塗布されてもよい。
【0053】
なお、アンテナ基板又はＰＣＢ上に支柱を形成する／取り付ける処理ステップＳ８６０は、支柱が最初に取り付けられるアンテナ基板又はＰＣＢ上にＩＣチップ／コネクタを取り付ける前に行われてもよい。
【0054】
したがって、支柱１２２がアンテナ組立体又はＰＣＢ組立体の一端部に導電付着され、ＰＣＢ組立体又はアンテナ組立体が支柱１２２の開放端部に対して配置された状態で、次いで、組立体全体が、低温半田のみを溶融させるのに十分な低温で加熱されてもよい（Ｓ８９０）。低温半田が冷却されると、支柱１２２の以前の開放端部は、ＰＣＢ又はアンテナ組立体の導電性接点に導電付着される。
【0055】
上記実施形態が、アンテナ装置１００の文脈において説明されてきた。本明細書における技術の他の実装は、非アンテナ用途に適用されてもよい。例えば、他の電子デバイスでは、アンテナ素子１２５は、ＩＣチップなどの少なくとも１つの他の種類の第１の回路素子で置き換えられる。ＲＦＩＣチップ１２６は、基板１２０を通って延在するビア２１０を介して第１のＩＣチップに電気的に結合される他の種類の第２のＩＣチップで置き換えられてもよい。電子デバイスの導電性支柱１２２は、同じ方法で基板１２０内の少なくとも１つの上部金属層に接続して、ＤＣ相互接続、制御信号相互接続、及び／又はＲＦ信号相互接続を提供してもよい。支柱相互接続体は、ＰＣＢ１４０の上面に取り付けられた第３のＩＣチップ／コネクタ／部品を、基板１２０の上面１３９に取り付けられた第２のＩＣチップに接続してもよい。得られる電子デバイスは、コンパクト三次元積層構造で形成される。更に、電子デバイスの基板１２０及びＰＣＢ１４０が異なる熱膨張係数（ＣＴＥ）を有する場合、上述のように基板１２０とＰＣＢ１４０との間の応力緩和を可能にすることの同じ利点が電子デバイスに適用可能である。すなわち、支柱１２２の構造及び材料は、基板１２０とＰＣＢ１４０との間のＣＴＥ不整合に対応することによって応力緩和を可能にするのに十分であり得る。ＰＣＢ１４０及び基板１２０が温度にわたって異なる速度で膨張するにつれて、支柱１２２構成は、機械的接続及び電気的接続を維持しながら、屈曲、圧縮又は延伸することによって破損を防止し得る。
【0056】
更に、上記の実施形態では、チップ１４２、ＤＣコネクタ１４６及び／又はＲＦコネクタ１４４が、ＰＣＢ基板１４０の上面１４９に取り付けられて示され、説明される。他の実施形態では、アンテナ基板１２０とＰＣＢ１４０との間に空間が利用可能であり、上面１４９で平坦で部品のない表面が望ましい場合、チップ／コネクタは、代替的に、ＰＣＢ１４０の下面に付着されてもよい。この場合、１４４、１４６などのコネクタは、側面接続ポートを有する場合がある。これらの実施形態又は他の実施形態では、基板１２０の下面１３１に回路素子又はアンテナ素子は提供されなくてもよい。
【0057】
本明細書に記載される技術は、その例示的な実施形態を参照しながら特に示され、説明されているが、当業者であれば、以下の特許請求の範囲及びそれらの等価物によって定義される特許請求の範囲の主題の趣旨及び範囲から逸脱することなく、形態及び詳細の様々な変更がその中で行われ得ることを理解するであろう。
【図1】
【図2】
【図3A】
【図3B】
【図4】
【図5A】
【図5B】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9A】
【図9B】
【図9C】
【国際調査報告】