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公開番号2025072628
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-05-09
出願番号2025021841,2022576455
出願日2025-02-13,2021-03-04
発明の名称段間増幅を行う集積アンテナアレイ及びビームフォーマICチップ
出願人ヴィアサット,インコーポレイテッド,ViaSat,Inc.
代理人弁理士法人NIP&SBPJ国際特許事務所
主分類H01Q 23/00 20060101AFI20250430BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】分散型ビームフォーマ集積回路(IC)チップと一体化されたアンテナアレイを提供する。
【解決手段】アンテナ装置10において、第1の構成層は、アンテナアレイを形成する複数のアンテナ素子22_1～22_16を有する。第2の構成層は、アンテナ素子に接続された複数のRFICの各RFICが、アンテナ素子のうちの1つ以上と通信する信号を調整するためのアクティブビーム形成回路と、ビーム形成ネットワーク(BFN)50の第1の段40aの一部と、を含む複数のRFIC32と、各々がRFICの外部に配置されたBFNの追加の段及び更なる段40c～40eと、を含む。RFICのうちの少なくともいくつかは、BFNの追加の段と更なる段との間に接続されたレベル2増幅器(中間増幅器)37を含む。
【選択図】図3
特許請求の範囲【請求項１】
アンテナ装置（１０、１０’）であって、
アンテナアレイ（２４）を形成する複数のアンテナ素子（２２）を備える第１の構成層（２０）と、
第２の構成層（３０）であって、
前記アンテナ素子に接続された複数の無線周波数集積回路チップ（ＲＦＩＣ）（３２）であって、各ＲＦＩＣが、前記アンテナ素子のうちの１つ以上と通信される信号を調整するためのアクティブビーム形成回路（２２）、及びビーム形成ネットワーク（ＢＦＮ）（５０）の第１の結合／分割段（４０ａ）の一部（４０ａ３、４０ａ４）を備える、複数の無線周波数集積回路チップ（ＲＦＩＣ）（３２）と、
各々が前記ＲＦＩＣの外部に配置された、前記ＢＦＮの少なくとも追加の結合／分割段（４０ｄ）及び更なる結合／分割段（４０ｅ、４ｆ）と、を備える第２の構成層（３０）と、を備え、
前記ＲＦＩＣのうちの少なくともいくつかは、前記ＢＦＮの前記追加の結合／分割段と前記更なる結合／分割段との間に接続された中間増幅器（３７）を含む、アンテナ装置（１０、１０’）。
続きを表示（約 1,400 文字）【請求項２】
ＲＦＩＣの前記アクティブビーム形成回路は、少なくとも１つのフロントエンド増幅器（７６）を備え、
前記少なくとも１つのフロントエンド増幅器は、少なくとも１つのアンテナ素子による送信のために信号を増幅するための送信増幅器、及び少なくとも１つのアンテナ素子によって受信された信号を増幅するための受信増幅器のうちの少なくとも１つである、請求項１に記載のアンテナ装置（１０、１０’）。
【請求項３】
前記アクティブビーム形成回路は、ビームをステアリングするための少なくとも１つの位相シフタ（７３）を備える、請求項１に記載のアンテナ装置（１０、１０’）。
【請求項４】
前記複数のＲＦＩＣは同一平面に配置されており、前記ＢＦＮの前記追加の結合／分割段及び前記更なる結合／分割段は、前記ＲＦＩＣの間に同一平面で位置する少なくとも１つの誘電体基板（３４）上に配置されており、前記ＢＦＮの前記追加の結合／分割段及び前記更なる結合／分割段は、前記ＲＦＩＣの接続点にワイヤボンディングされている、請求項１に記載のアンテナ装置（１０）。
【請求項５】
前記少なくとも１つの誘電体基板（３４）は、アルミナの複数のセクションを含む、請求項４に記載のアンテナ装置（１０、１０’）。
【請求項６】
前記第１の構成層（２０）はアンテナ基板を備え、前記アンテナ基板は、前記アンテナ素子とインターフェース接続する前面と、接地面（４７）が形成された背面（２７）と、前記アンテナ基板（２５）を貫通して形成された、前記アンテナ素子を前記ＲＦＩＣに接続する複数のビアとを有し、
前記ＲＦＩＣは前記アンテナ基板の前記背面に面する、請求項１に記載のアンテナ装置（１０、１０’）。
【請求項７】
前記ＲＦＩＣは、前記アンテナ基板の前記背面（２７）に取り付けられている、請求項６に記載のアンテナ装置（１０、１０’）。
【請求項８】
前記第１の構成層（２０）は、前記アンテナ装置の上段に配置されており、前記複数のＲＦＩＣは、前記アンテナ装置の下段に同一平面で配置されており、
前記第２の構成層は、前記複数のＲＦＩＣと前記アンテナ素子との間に多層プリント回路基板（ＰＣＢ）（６０）を備え、前記アンテナ基板は、前記多層ＰＣＢの１つの層であり、前記多層ＰＣＢは、前記ＢＦＮの前記追加の結合／分割段及び前記更なる結合／分割段を備える、請求項６に記載のアンテナ装置（１０’）。
【請求項９】
前記多層ＰＣＢは、前記アンテナ基板に隣接する上部誘電体層と、前記ＲＦＩＣに隣接する下部誘電体層と、前記ＢＦＮの前記追加の結合／分割段及び前記更なる結合／分割段を形成するために前記上部誘電体層と前記下部誘電体層との間にパターン化金属層とを含み、前記多層ＰＣＢの前記追加の結合／分割段及び前記更なる結合／分割段の各々は、前記下部誘電体層を貫通して形成されたそれぞれのビアを介して前記ＲＦＩＣの接続点に接続されている、請求項８に記載のアンテナ装置（１０’）。
【請求項１０】
合計Ｍ個の中間増幅器が、合計Ｍ個の前記ＲＦＩＣ内に含まれており、
前記中間増幅器のうちのＫ＜Ｍ個が、前記追加の結合／分割段と前記更なる結合／分割段との間に接続されている、請求項１に記載のアンテナ装置（１０、１０’）。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
（関連出願）
本特許出願は、「ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＡｎｔｅｎｎａＡｒｒａｙａｎｄＢｅａｍｆｏｒｍｅｒＩＣＣｈｉｐｓｗｉｔｈＩｎｔｅｒ－ＳｔａｇｅＡｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ」と題する、２０２０年６月１１日に出願された米国特許仮出願第６３／０３８，０９１号に対する優先権の利益を主張し、当該特許仮出願の全体は、参照により本明細書に組み込まれる。
続きを表示（約 3,600 文字）【０００２】
（発明の分野）
本開示は、一般的に、分散型ビームフォーマ集積回路（ＩＣ）チップと一体化されたアンテナアレイに関する。
【背景技術】
【０００３】
アンテナアレイは現在、航空機、衛星、車両、一般的な陸上通信用の基地局などで、マイクロ波及びミリ波周波数の様々な用途に使用されている。このようなアンテナアレイは、典型的には、ビームをステアリングするためのフェーズドアレイを形成するために、位相シフトビーム形成回路を用いて駆動されるマイクロストリップ放射素子を含む。アンテナアレイ及びビーム形成回路を含むアンテナシステム全体が、必要な性能メトリックを満たす一方で、低プロファイルの最小空間しか占有しないことが望ましい。商業的環境では、アンテナアレイ／フェーズドアレイには低コスト設計が望ましい。低コストのフェーズドアレイは、無人航空機（ＵＡＶ）、小型有人航空機、例えば地域及びビジネス航空機、自動運転車両、及び船舶などの市場で大いに求められている。
【０００４】
埋め込みアンテナアレイは、コンパクトな構造で無線周波数（ＲＦ）集積回路チップ（ＲＦＩＣ）（「ビームフォーマＩＣ」（ＢＦＩＣ）と呼ばれることもある）と一体化されたアンテナ素子により構成されたアンテナアレイとして定義することができことができる。埋め込みアレイは、アンテナ素子が外部に面する構成層内に配置され、アンテナ素子層の背後にある、近接する平行の構成層内の有効アンテナ開口にわたってＲＦＩＣ（無線周波数集積回路チップ）が分散されたサンドイッチ型構成を有することができる。ＲＦＩＣは、送信用のＲＦ電力増幅器（ＰＡ）、及び／又は受信用の低ノイズ増幅器（ＬＮＡ）、及び／又はビームをステアリングするための位相シフタを含むことができる。ＰＡ（電力増幅器）／ＬＮＡ（低ノイズ増幅器）をこのように分散することによって、送信時のより高い効率及び／又は受信時の改善されたノイズ性能が達成可能である。アンテナアレイの信頼性も向上させることができ、これは、増幅器のうちの少数が誤動作したとしても、全体的なアンテナ性能が依然として許容可能だからである。ＲＦＩＣは、典型的には、フィルタ、インピーダンス整合素子、ＲＦカプラ、送信／受信（Ｔ／Ｒ）スイッチ及び制御線などの他のビーム形成回路を含む。
【発明の概要】
【０００５】
本開示の一態様では、アンテナ装置は、アンテナアレイを形成する複数のアンテナ素子を有する第１の構成層を含む。第２の構成層は、（ｉ）アンテナ素子に接続された複数のＲＦＩＣであって、各ＲＦＩＣが、アンテナ素子のうちの１つ以上と通信される信号を調整するためのアクティブビーム形成回路、及びビーム形成ネットワーク（ＢＦＮ）の第１の段の一部を含む、複数のＲＦＩＣと、（ｉｉ）各々がＲＦＩＣの外部に配置された、ＢＦＮの追加の段及び更なる段と、を含む。ＲＦＩＣのうちの少なくともいくつかは、ＢＦＮの追加の段と更なる段との間に接続された中間増幅器を含む。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
開示された技術の上記及び他の態様及び特徴は、同様の参照符号が同様の素子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。同じ又は類似の形式の様々な要素は、参照ラベルにアンダースコア／ダッシュ及び同じ／類似の要素の間で区別する第２のラベルを付け足すか（例えば、＿１、＿２）、又は参照ラベルに第２のラベルを直接付け足す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、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じ／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、図面の縮尺に描かれていない場合がある。
一実施形態による、例示的なアンテナ装置の分解斜視図である。
図１のアンテナ装置における構成層のレイアウト例を示す平面図である。
図２の構成に対応するアンテナ装置内の例示的なビーム形成回路の概略図である。
構成層間の例示的な接続構造を示すアンテナ装置の一部の断面図である。
図１のアンテナ装置における構成層の別のレイアウト例を示す平面図である。
一実施形態による、別の例示的なアンテナ装置の分解斜視図である。
図６のアンテナ装置の一部の構成例を示す断面図である。
図７Ａの７Ｂ－７Ｂ線に沿った断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下の説明は、添付の図面を参照して、例示目的のために本明細書に開示される技術の特定の例示的実施形態の包括的な理解を支援するために提供される。本明細書は、技術を理解する当業者を支援す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であると見なされるべきである。簡潔さ及び明瞭さのために、周知の機能及び構造の説明は、当業者が技術を理解することを不明瞭にし得る場合には、周知の機能及び構造の説明を省略することができる。
【０００８】
図１は、一実施形態による、例示的なアンテナ装置の分解斜視図である。アンテナ装置１０（「アンテナ１０」）は、積層構造に配置された第１及び第２の構成層２０、３０を含む。第１の構成層２０は、平面アンテナアレイ２４を形成する複数のアンテナ素子２２＿１～２２＿Ｎを含むアンテナ構成層である。アンテナ素子２２は、板状のアンテナ基板２５の上面に形成されたマイクロ波又はミリ波のパッチアンテナ素子であってもよい。第２の構成層３０は、アンテナアレイ２４の有効開口にわたって同一平面に配置及び分散された複数のＲＦＩＣ３２＿１～３２＿Ｍを含むことができるビーム形成構成層であり、各ＲＦＩＣ３２は少なくとも１つのアンテナ素子２２に接続される。以下に説明する実施形態では、各ＲＦＩＣ３２は複数のアンテナ素子２２に接続される。ここで、任意のＲＦＩＣ３２は、その中にビーム形成回路が含まれているので「ビームフォーマＩＣ」（ＢＦＩＣ）と互換的に呼ばれることもあることに留意されたい。
【０００９】
各ＲＦＩＣ３２は、そのそれぞれのアンテナ素子２２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クティブビーム形成回路、例えば増幅器及び／又は位相シフタを含むことができる。各ＲＦＩＣ３２は、ビーム形成ネットワーク（ＢＦＮ）の第１の部分を更に含むことができる。ＢＦＮは、複数の結合／分割段を有し、ＢＦＮの第１の部分は、結合／分割段（以下、単にＢＦＮの「段」）のうちの少なくとも１つである。ＢＦＮの第２の部分は、ＰＣＢセクション３４＿１、３４＿２などのプリント回路基板（ＰＣＢ）（誘電体基板）上に配置され、ＢＦＮの残りの段を含むことができる。したがって、オンチップ及びオフチップでそれぞれ提供されるＢＦＮの第１及び第２の部分は、ハイブリッドビームフォーマを形成する。ハイブリッドビームフォーマは、ＢＦＮ全体をＩＣだけ又はＰＣＢだけに実装する場合と比較して、より高い性能及びより低いコストを提供することができる。ハイブリッドビームフォーマは、ＰＣＢ回路に関連して一般的なＲＦＩＣの使用を可能にすることによって、柔軟性及びより低い開発コストを可能にすることができる。加えて、ハイブリッドビームフォーマは、機械的課題を回避し、ビームフォーマ全体をＰＣＢだけ又はＲＦＩＣだけに実装することに関連する問題をもたらすことがある。
【００１０】
ハイブリッドアプローチに関連して、中間増幅器がＲＦＩＣ３２内に含まれており、ＢＦＮの種々異なるＰＣＢ段の間に段間増幅を提供する。（本明細書では、中間増幅器又はＲＦフロントエンド増幅器などの任意の「増幅器」は、単段増幅器又は多段増幅器として構成することができる。したがって、個々のＲＦＩＣ３２は、アンテナ素子に対して直接ルーティングされる素子信号を増幅するための「レベル１」増幅器と、ＰＣＢ段間の信号を増幅するための「レベル２」増幅器（中間増幅器）との両方を含み得る。更に別のＲＦＩＣ３２は、ＢＦＮの更に下流の（異なるＰＣＢ段からの／への）信号を増幅するための「レベル３」増幅器を含んでもよい。複数の段間増幅を提供するためのＲＦＩＣ３２の使用は、アンテナ１０のために必要とされるＲＦＩＣ３２の総数を低減することができ、それによって、製造コスト及び複雑さを低減することができる。これはまた、専用ＲＦＩＣが最小間隔要件に従って配置されるので、それぞれのレベル１及びレベル２増幅機能のために専用ＲＦＩＣを使用することと比較して、よりコンパクトなビームフォーマをもたらすことができる。
（【００１１】以降は省略されています）

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