JP2012023661A - Plane antenna and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
【課題】安定で、かつ電波の損失が少ない高周波用平面アンテナ及びその製造方法を提供する。
【解決手段】本発明の平面アンテナは、誘電体で構成される基板1と、基板1上に形成された所定のパターン(3,4)と、所定のパターン(3,4)以外の基板1の表面を被覆する導体膜2とを備える平面アンテナ100であって、導体膜2は、少なくとも第一導体膜と第二導体膜とを含み、第一導体膜は、基板1上にスパッタリング法により形成されており、第二導体膜は、第一導体膜上にめっき法により形成されており、上記第一導体膜の膜厚d1が下記式(1)の要件を満たしている。
d1≧(2/σ1ωμ1)1/2 (1)
ただし、式(1)において、ω=2πfであり、σ1は第一導体膜の導電率であり、fは使用する高周波信号の周波数であり、μ1は第一導体膜の透磁率である。
【選択図】図1A high-frequency planar antenna that is stable and has low radio wave loss and a method for manufacturing the same are provided.
A planar antenna according to the present invention includes a substrate 1 made of a dielectric, a predetermined pattern (3, 4) formed on the substrate 1, and a substrate 1 other than the predetermined pattern (3,4). The conductor film 2 includes at least a first conductor film and a second conductor film, and the first conductor film is formed on the substrate 1 by a sputtering method. The second conductor film is formed by plating on the first conductor film, and the film thickness d 1 of the first conductor film satisfies the requirement of the following formula (1).
d 1 ≧ (2 / σ 1 ωμ 1 ) 1/2 (1)
In Equation (1), ω = 2πf, σ 1 is the conductivity of the first conductor film, f is the frequency of the high-frequency signal to be used, and μ 1 is the magnetic permeability of the first conductor film. .
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、平面アンテナ及びその製造方法に係り、特に、基板の表面に接する導体膜をスパッタリング法により形成する平面アンテナ及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a planar antenna and a method for manufacturing the same, and more particularly to a planar antenna for forming a conductor film in contact with the surface of a substrate by a sputtering method and a method for manufacturing the same.
近年、高度情報化社会を背景に無線を利用した通信システムが汎用されており、とりわけ情報量の多いマイクロ波やミリ波領域を使用した通信システムの発展が著しい。このような通信システムにおいて、平面アンテナは短波長無線システムの入出力装置として好適である。 In recent years, communication systems using radio have been widely used against the background of highly information-oriented society, and the development of communication systems using microwave and millimeter wave regions with a large amount of information is particularly remarkable. In such a communication system, the planar antenna is suitable as an input / output device for a short-wavelength wireless system.
ところで、アンテナの大きさは電(磁)波の波長の大きさにあわせて作る必要があり、波長を短波長化すると入出力装置であるアンテナの形状も小型化する必要がある。これにより、近年のアンテナではアンテナの寸法精度についても微細加工技術が要求されるようになっている。従来では、エッチング技術を用いてアンテナの例えばスロットパターンやパッチパターンを形成していたが、微細加工がアンテナ特性に与える影響は大きく、従来のエッチング技術では精度良く大量にアンテナを生産できないという欠点があった。特に、ミリ波における寸法精度は少なくとも波長の1%以下が必要とされ、例えば、周波数が50GHzの場合においては数十μmの寸法精度が必要とされる。このような要求に対してLSI(Large Scale Integration)の製造工程に適用可能な微細加工技術を適用することも考えられるが、かかる技術では安価なアンテナを製造することはできない。 By the way, it is necessary to make the size of the antenna in accordance with the size of the wavelength of the electric (magnetic) wave, and when the wavelength is shortened, the shape of the antenna as the input / output device needs to be miniaturized. As a result, in recent antennas, a fine processing technique is required for the dimensional accuracy of the antenna. Conventionally, antennas such as slot patterns and patch patterns have been formed using etching technology. However, microfabrication has a large effect on antenna characteristics, and the conventional etching technology has the disadvantage that it cannot produce large amounts of antennas with high accuracy. there were. In particular, dimensional accuracy in millimeter waves is required to be at least 1% of the wavelength. For example, when the frequency is 50 GHz, dimensional accuracy of several tens of μm is required. It is conceivable to apply a microfabrication technique applicable to the LSI (Large Scale Integration) manufacturing process for such a request, but such a technique cannot manufacture an inexpensive antenna.
そこで、例えば、特許文献1では、基板上の導体を被覆しない領域である所定のパターンと基板とを射出成形法により一体に形成することにより、所定のパターンを有する平面アンテナのスロットを寸法精度良く形成する方法が提案されている。射出成形法で所定のパターンを有する基板を作製することは、一度所定のパターンを有する基板の金型を形成してしまえばアンテナの量産が容易であり、安価にアンテナを成形することができる。また、射出成形法はミクロン単位で所定のパターンを成形可能であり、短波長化に好適な小型のアンテナを提供できる。
Therefore, in
一方、平面アンテナにおいて、導体膜の膜厚は動作周波数における電磁気的な表皮効果を考慮して決定される。表皮効果は、導体膜を流れる電流密度が、周波数が高くなるほど導体の表面部分に集中して流れる現象をいい、導体膜のトータル膜厚が厚いからといって高周波における抵抗値が小さくなるわけではない。導体膜の膜厚が、電流密度が導体表面における電流密度の値の1/e(0.37倍)になる厚さである表皮深さの10倍程度であれば、表皮効果の影響を排除できる。なお、表皮深さの値は周波数の平方根に反比例して小さくなり、50GHzでは、導体膜の膜厚を、例えば約3μmにすることで表皮抵抗を小さくしている。そして、導体膜としては、導電率が高い方が導体損は少なくなるため好ましい。そこで、導体膜をスパッタリング法により形成することにより、導電率を高くしている。 On the other hand, in the planar antenna, the thickness of the conductor film is determined in consideration of the electromagnetic skin effect at the operating frequency. The skin effect is a phenomenon in which the current density flowing through the conductor film flows more concentrated on the surface of the conductor as the frequency increases, and the resistance value at high frequencies does not decrease because the total film thickness of the conductor film is thicker. Absent. If the thickness of the conductor film is about 10 times the skin depth, which is the thickness at which the current density is 1 / e (0.37 times) the value of the current density on the conductor surface, the influence of the skin effect is eliminated. it can. Note that the value of the skin depth decreases in inverse proportion to the square root of the frequency. At 50 GHz, the skin resistance is reduced by setting the thickness of the conductor film to, for example, about 3 μm. And as a conductor film, the one where electrical conductivity is higher is preferable since conductor loss decreases. Therefore, the conductivity is increased by forming the conductor film by a sputtering method.
しかしながら、スパッタリング法で、厚い導体膜、例えば厚みが約3μmの導体膜を形成すると、スパッタリング時に発生する応力(ストレス)の影響で基板の変形や導体膜にクラックが生じるという問題がある。 However, when a thick conductor film, for example, a conductor film having a thickness of about 3 μm, is formed by sputtering, there is a problem that the substrate is deformed and cracks are generated in the conductor film due to the stress (stress) generated during sputtering.
本発明は、前記従来の問題を解決するため、安定で、かつ電波の損失が少ない高周波用平面アンテナ及びその製造方法を提供する。 In order to solve the above-described conventional problems, the present invention provides a high-frequency planar antenna that is stable and has low radio wave loss, and a method for manufacturing the same.
本発明の平面アンテナは、誘電体で構成される基板と、上記基板上に形成された所定のパターンと、上記所定のパターン以外の前記基板の表面を被覆する導体膜とを備える平面アンテナであって、上記導体膜は、少なくとも第一導体膜と第二導体膜とを含み、上記第一導体膜は、上記基板上にスパッタリング法により形成されており、上記第二導体膜は、上記第一導体膜上にめっき法により形成されており、上記第一導体膜の膜厚d1が下記式(1)の要件を満たしていることを特徴とする。
d1≧(2/σ1ωμ1)1/2 (1)
ただし、式(1)において、ω=2πfであり、σ1は第一導体膜の導電率であり、fは使用する高周波信号の周波数であり、μ1は第一導体膜の透磁率である。上記において、fは、30〜300GHzであることが好ましい。
The planar antenna of the present invention is a planar antenna comprising a substrate made of a dielectric, a predetermined pattern formed on the substrate, and a conductor film that covers the surface of the substrate other than the predetermined pattern. The conductor film includes at least a first conductor film and a second conductor film, the first conductor film is formed on the substrate by a sputtering method, and the second conductor film is formed of the first conductor film. It is formed by plating on the conductor film, and the film thickness d 1 of the first conductor film satisfies the requirement of the following formula (1).
d 1 ≧ (2 / σ 1 ωμ 1 ) 1/2 (1)
In Equation (1), ω = 2πf, σ 1 is the conductivity of the first conductor film, f is the frequency of the high-frequency signal to be used, and μ 1 is the magnetic permeability of the first conductor film. . In the above, f is preferably 30 to 300 GHz.
本発明の平面アンテナの製造方法は、誘電体で構成される基板と、上記基板上に形成された所定のパターンと、上記所定のパターン以外の上記基板の表面を被覆する導体膜とを備える平面アンテナの製造方法であって、上記導体膜は、少なくとも第一導体膜と第二導体膜とを含み、上記第一導体膜の膜厚d1が下記式(1)の要件を満たしており、上記基板上にスパッタリング法により第一導体膜を形成する工程と、上記第一導体膜上にめっき法により第二導体膜を形成する工程とを含むことを特徴とする。
d1≧(2/σ1ωμ1)1/2 (1)
ただし、式(1)において、ω=2πfであり、σ1は第一導体膜の導電率であり、fは使用する高周波信号の周波数であり、μ1は第一導体膜の透磁率である。
A method for manufacturing a planar antenna according to the present invention includes a substrate comprising a dielectric substrate, a predetermined pattern formed on the substrate, and a conductor film that covers the surface of the substrate other than the predetermined pattern. In the method for manufacturing an antenna, the conductor film includes at least a first conductor film and a second conductor film, and the film thickness d 1 of the first conductor film satisfies the requirement of the following formula (1): The method includes a step of forming a first conductor film on the substrate by a sputtering method and a step of forming a second conductor film on the first conductor film by a plating method.
d 1 ≧ (2 / σ 1 ωμ 1 ) 1/2 (1)
In Equation (1), ω = 2πf, σ 1 is the conductivity of the first conductor film, f is the frequency of the high-frequency signal to be used, and μ 1 is the magnetic permeability of the first conductor film. .
本発明の平面アンテナによれば、少なくとも基板上にスパッタリング法により形成した、表皮深さ以上の膜厚を有する第一導体膜と、上記第一導体膜上にめっき法により形成した第二導体膜とを有することにより、基板の変形や導体膜のクラックの発生を抑えた安定で、かつ電波の損失が少ないすなわち良好な電波特性を有する高周波用平面アンテナを提供できる。また、本発明の平面アンテナの製造方法によれば、基板のそりや導体膜のクラックの発生を抑えた安定で、かつ電波の損失が少ない、すなわち良好な電波特性を有する高周波用平面アンテナを安価に製造できる。 According to the planar antenna of the present invention, a first conductor film having a thickness equal to or greater than the skin depth formed by sputtering on at least the substrate, and a second conductor film formed by plating on the first conductor film. Thus, it is possible to provide a high-frequency planar antenna that is stable and suppresses generation of cracks in the substrate and conductor film and that has low radio wave loss, that is, good radio wave characteristics. In addition, according to the method for manufacturing a planar antenna of the present invention, a high-frequency planar antenna that is stable and suppresses generation of cracks in the substrate and cracks in the conductor film and that has low radio wave loss, that is, good radio wave characteristics is inexpensive. Can be manufactured.
本発明の平面アンテナにおいて、第一導体膜の膜厚d1は、式(1):d1≧(2/σ1ωμ1)1/2(ただし、式(1)において、ω=2πfであり、σ1は第一導体膜の導電率であり、fは使用する高周波信号の周波数であり、μ1は第一導体膜の透磁率である。)の要件を満たしている。上記式(1)において、(2/σ1ωμ1)1/2は表皮深さを意味しており(以下において、単に表皮深さとも記す。)、基板上に、表皮深さ以上の膜厚を有する第一導体膜がスパッタリング法により形成されていることにより、電波特性が良好な平面アンテナが得られる。 In the planar antenna of the present invention, the film thickness d 1 of the first conductor film is expressed by the following formula (1): d 1 ≧ (2 / σ 1 ωμ 1 ) 1/2 (where ω = 2πf in the formula (1)). Yes, σ 1 is the conductivity of the first conductor film, f is the frequency of the high-frequency signal used, and μ 1 is the permeability of the first conductor film. In the above formula (1), (2 / σ 1 ωμ 1 ) 1/2 means the skin depth (hereinafter, also simply referred to as skin depth), and a film having a skin depth or more on the substrate. Since the first conductor film having a thickness is formed by the sputtering method, a planar antenna having good radio wave characteristics can be obtained.
以下、図面などに基づいて、本発明の平面アンテナ及びその製造方法について説明する。 Hereinafter, the planar antenna and the manufacturing method thereof according to the present invention will be described with reference to the drawings.
(平面アンテナ)
本発明の平面アンテナは、特に限定されないが、例えば、直径60mm、厚さ1.2mmのディスク形状を有することができ、小型のラジアルスロットアンテナとして用いられる。また、例えば、パッチアンテナ、マイクロストリップアンテナなど導体被覆面の一部に導体を被覆しない領域を有する誘電体で構成されるいかなるアンテナとしても適用することができる。また、本発明の平面アンテナにおいて、形状及び大きさなどは特に限定されず、用途に応じて適宜決めればよい。
(Flat antenna)
The planar antenna of the present invention is not particularly limited, but can have a disk shape with a diameter of 60 mm and a thickness of 1.2 mm, for example, and is used as a small radial slot antenna. In addition, for example, any antenna composed of a dielectric having a region where a conductor is not covered on a part of a conductor covering surface such as a patch antenna or a microstrip antenna can be applied. In the planar antenna of the present invention, the shape and size are not particularly limited, and may be determined as appropriate according to the application.
本発明の平面アンテナ100は、図1に示しているように、誘電体で構成される基板1と、基板1上に形成された所定のパターンと、所定のパターン以外の基板1の表面を被覆する導体膜2とを備えている。また、上記所定のパターンは、スロットパターン3及び給電用スロットパターン4を含んでいる。
As shown in FIG. 1, the
基板1は、所定の厚みを有し、かかる厚み部分が導波路となって各スロットへの給電回路として機能する。なお、本明細書においては、基板1の表面において、スロットパターン3及び給電用スロットパターン4が形成される部分を除き、導体膜2が形成される部分を基板の導体被覆面5と定義する。図1では、基板1の上面(放射面)にスロットパターン3が凸部からなるパターンとして、基板1の下面(給電面)に給電用スロットパターン4が凸部からなるパターンとして、それぞれ基板1に一体成形されている。上記凸部からなるパターンの高さは、導体膜2の厚さと同じでもよく、導体膜2の厚さより高くてもよい。本明細書において、「凸部からなるパターンの高さ」は、基板1の平坦部からの高さ、つまり導体被覆面5からの高さで示される。また、上記凸部からなるパターンの高さは、凸部の高さ方向に共振回路を構成しないという観点から、基板1内を伝搬する波長の1/10以下であることが好ましい。
The
スロットパターン3及び給電用スロットパターン4を構成する、凸部からなるパターンにおいて、凸部は柱型状の形状を有することが好ましい。断面積がほぼ一定の柱型状であればスロットが腐食した場合でも、スロット形状の同一性が保たれ、長期間に亘って安定した特性を維持することができる。
In the pattern composed of convex portions constituting the
スロットパターン3は、例えば凸部が、基板1の上面にスパイラル状に形成されている。一方、給電用スロットパターン4は、例えばプラス形状の凸部が、基板1の下面の中心位置に形成されている。なお、給電用スロットパターン4の形状は、プラス形状に限られず、場合によっては円柱状でも良い。また、給電用スロットパターン4が平面アンテナ100のスロット中心に給電できないと放射電力パターンが偏った特性となるため、給電用スロットパターン4は、上述したススパイラル状のスロットパターン3の中心に対向する位置に精度良く設けられている。
In the
また、スロットパターン3の中心と給電用スロットパターン4の中心(電位的意味の中心)のずれがλ(波長)の1/50以内であることが好ましい。このように放射電磁波の位相のずれを抑えることにより、それらの放射電磁波が合成されることにより形成される放射パターンが良好なものとなる。
Further, it is preferable that the difference between the center of the
基板1の上面(放射面)側のスロットパターン3と基板1の下面(給電面)側の給電用スロットパターン4とを別々に成形を行っても良いが、位置合せジグなどを用いてスロットパターン3及び給電用スロットパターン4を同時に一体成形した方が中心位置のずれが少なくて好ましい。
The
基板1を構成する誘電体としては、特に限定されないが、耐水性、耐腐食性を高めるという観点から、例えば、シクロオレフィンポリマー樹脂などの低誘電率や低吸水性のある樹脂を用いることができる。低誘電率の樹脂は、一般に分子内に親水性の高い極性基を持たないため、飽和吸水量が小さく疎水性である。また、低誘電率の樹脂は、多孔質でもないために、アルミナなどの無機材料と比較して撥水性である。具体的な低誘電率の樹脂としては、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体などのフッ素系樹脂、ポリスチレンなどの芳香族系樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリメチルペンテン、ノルボルネンなどのポリオレフィン系樹脂、炭化水素系樹脂、ジメタノナフタレン系樹脂などが挙げられる。なお、これらの樹脂には、熱膨張率を低減させるなどのため、必要に応じて、二酸化ケイ素などのフィラーやファイバを混入することも可能である。コストやプロセスを考慮すると、炭化水素系樹脂が特に好ましい。50GHz以上の高周波での使用を考えた場合、ジメタノナフタレン系樹脂が優れている。
Although it does not specifically limit as a dielectric material which comprises the board |
また、基板1を構成する誘電体として、耐水性及び耐腐食性をより高めるという観点から、吸水率が0.01%以下である樹脂を用いることが好ましい。このような樹脂には、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリメチルペンテン、ノルボルネンなどのポリオレフィン系樹脂が含まれる。
Further, as the dielectric constituting the
また、基板1を構成する誘電体として、耐水性及び耐腐食性をより高めるという観点から、熱膨張率が7×10-5以下である樹脂を用いることが好ましい。このような樹脂には、例えば、ジメタノナフタレン系樹脂が含まれる。
Further, as the dielectric constituting the
導体膜2は、図2に示しているように、基板1上に形成された第一導体膜21と、第一導体膜21上に形成された第二導体膜22を含む。なお、図2では、基板1の片面に形成された導体膜2の断面構造しか表示していないが、実際には基板1の両面を被覆するように形成されている。
As shown in FIG. 2, the
導体膜2は、導体材料で構成されていればよく、特に限定されない。導体材料としては、例えば、銅、銀、ニッケルなどを用いることができ、高周波に用いるという観点から、銅が好ましい。また、第一導体膜21と第二導体膜22は、同一の導体材料で構成されてもよく、異なる導体材料で構成されてもよい。
The
第一導体膜21は、スパッタリング法により形成されている。これにより、導電率が高い導体膜が得られる。また、第一導体膜21の膜厚d1は、表皮深さ以上である。これにより、表皮効果の影響を排除できる。また、第一導体膜21の膜厚d1は、第一導体膜がスパッタリング法により形成される場合の基板の変形や導体膜にクラックが生じることを防ぐ観点から、2μm以下であることが好ましい。
The
例えば、第一導体膜21を銅で構成する場合は、表皮深さは以下のようになる。銅は非磁性体なので、透磁率は空気中の透磁率とほぼ等しくなり、μ≒4π×10-7(H/m)である。また、銅の導電率σは、σ=58.1×106(s/m)であるので、周波数fをGHzで定義する、と第一導体膜の表皮深さdは、d≒2.09(1/f)1/2 (μm)となる。そして、高周波信号の周波数が60GHzの場合には、d≒0.27(μm)となる。即ち、第一導体膜21を銅で構成する場合は、膜厚を0.27μm以上にすればよい。
For example, when the
第二導体膜22は、めっき法により形成されている。第二導体膜22の膜厚は、第一導体膜21の膜厚より、大きい。第一導体膜21がスパッタリング法で形成され、第一導体膜21上に、第一導体膜21の膜厚より大きい膜厚を有する第二導体膜22がめっき法で形成されていることにより、導体膜2を膜厚が2μmを超えても、基板の変形や導体膜のクラックの発生を抑えた安定な導体膜にすることができ、電波特性的にも強度的にも良好な平面アンテナが得られる。なお、上記めっき法としては、特に限定されないが、例えば電解めっき法が挙げられる。
The
そして、第一導体膜21がスパッタリング法に形成され、第二導体膜22がめっき法で形成されていることにより、第一導体膜21の導電率σ1が第二導体膜22の導電率σ2より高くなっている。
The
また、平面アンテナ100は、第二導体膜22(図2)上に形成された保護層(図示せず)を含んでもよい。上記保護層としては、SiO2膜やSiN膜などの薄膜が挙げられる。ただし、保護層としてはアンテナの電波特性に影響を及ぼさないものを使用する必要がある。
The
本発明のアンテナは、ミリ波帯(周波数30〜300GHz、波長1〜10mmの電波)に適した小型な平面アンテナである。特に、大容量で低コストな多様な無線システムに適用可能である。具体的には、本発明のアンテナは、例えば、自動車衝突防止用のレーダ、短距離通信システム、無線LAN、及び家庭の屋内配線の無線化などに好適である。
The antenna of the present invention is a small planar antenna suitable for the millimeter wave band (frequency 30 to 300 GHz,
次に、本発明の平面アンテナの製造方法について説明する。 Next, the manufacturing method of the planar antenna of this invention is demonstrated.
まず、図3Aに示すように、誘電体で構成される平板基板8と、スロットパターン3(図1)に対応する凹部9を有する金型10と、給電用スロットパターン4(図1)に対応する凹部11を有する金型12とを用意する。
First, as shown in FIG. 3A, it corresponds to a
次に、基板1(図1)の完成時にスロットパターン3(図1)と給電用スロットパターン4(図1)の中心位置が合うように、図3Bに示すように、例えば専用の中心位置あわせジグ13を用いて、金型10及び金型12の位置を調整しながら、金型10及び金型12で平板基板8を挟み込んで密着させる。そして、熱ナノインプリント装置(図示せず)により、金型10の上面側及び金型12の下面側から平板基板8に対して所定の熱と圧力15を同時に加える。例えば、170℃で30kNの圧力を加える。これにより、金型10の凹部9及び金型12の凹部11に対応するスロットパターン3(図1)及び給電用スロットパターン4(図1)を、それぞれ、平板基板8の上面及び下面に転写させることができる。
Next, as shown in FIG. 3B, for example, a dedicated center alignment is performed so that the center positions of the slot pattern 3 (FIG. 1) and the power supply slot pattern 4 (FIG. 1) match when the substrate 1 (FIG. 1) is completed. Using the
上記の転写終了後、金型10及び金型12を取り除くと、図3Cに示すように、スロットパターン3及び給電用スロットパターン4が一体に形成された基板1が得られる。
When the
金型10の凹部9及び金型12の凹部11に対応するスロットパターン3及び給電用スロットパターン4は、凸部からなるパターンになる。上記の凸部からなるパターンの高さは、後述の研磨を考慮して20μmぐらいにすることが好ましい。
The
このように、所定のパターンに対応する凹部を有する金型と誘電体で構成される平板基板とを、ある特定の温度下で圧力をかけながら密着させ、基板表面に所定のパターンを転写させることにより、基板表面にミクロン単位の高精度で、例えばスロットやパッチなどを形成することができ、最終的には短波長化に好適な小型のアンテナを製造できる。更に、所定のパターンに対応する凹部を有する金型を用いることで、高精度でアンテナの指向性に優れる基板1の量産が容易であり、最終的には安価にアンテナを製造可能となる。
In this way, a mold having a recess corresponding to a predetermined pattern and a flat substrate made of a dielectric are brought into close contact with each other while applying pressure at a specific temperature, and the predetermined pattern is transferred to the substrate surface. Thus, for example, a slot or a patch can be formed on the substrate surface with high accuracy in units of microns, and finally a small antenna suitable for shortening the wavelength can be manufactured. Furthermore, by using a mold having a recess corresponding to a predetermined pattern, mass production of the
また、転写を熱ナノインプリント法で行うことにより、スロットパターン3及び給電用スロットパターン4の大きさや配置を忠実に再現することが可能であり、精度が高く、アンテナの指向性に優れるスロットパターン3及び給電用スロットパターン4が一体に形成された基板1が得られる。なお、熱ナノインプリント法に限られず、光ナノインプリント法や射出成形法を用いても良い。
Further, by performing the transfer by the thermal nanoimprint method, it is possible to faithfully reproduce the size and arrangement of the
次いで、スロットパターン3及び給電用スロットパターン4が一体に形成された基板1(以下において、単に所定のパターンを有する基板1とも記す。)の表面を被覆するように導体膜2を形成する。これにより、スロットパターン3及び給電用スロットパターン4が一体に形成された基板1本体一様に導体膜2が形成される。実際にはスロットパターン3及び給電用スロットパターン4である凸部の側面にも導体膜が形成されるが、図面では省いている。
Next, the
導体膜2は、具体的には、以下のように形成する。まず、所定のパターンを有する基板1上に、スパッタリング法により、表皮深さ以上の膜厚を有する第一導体膜21(図2)を形成する。例えば、導体材料として、高周波信号の周波数が60GHzである場合の表皮深さが0.27μmである銅を用いる場合は、第一導体膜21の膜厚を、0.27μm以上、例えば0.5μmにしてもよい。スパッタリングは、例えば、銅のターゲットを用い、真空度0.15Pa(アルゴン雰囲気中)で、スパッタリングパワー1kWの条件で行うことができる。なお、第一導体膜を形成する前に、所定のパターンを有する基板1に対し、基板1と導体膜との密着力を向上させるための表面処理を行ってもよい。上記表面処理としては、例えば逆スパッタリング法、プラズマ処理法、紫外線照射による界面改質法などが挙げられる。また、基板上に下地膜をスパッタリング法により形成してもよい。これにより、基板表面の粗さ(例えばRa)が大きくなり密着力が向上する。逆スパッタリングは、具体的には、マグネトロンスパッタリング装置を用い、真空度0.15Pa(アルゴン雰囲気中)で、パワー500Wの条件で行うことができる。なお、第一導体膜は、基板1の両面から同時にスパッタリング法により形成した方がストレスや熱の影響が少なくて好ましい。次に、第一導体膜21上に、めっき法により、第一導体膜より膜厚が大きい膜厚を有する第二導体膜22(図2)を形成する。例えば、導体材料として、銅を用いる場合は、第二導体膜21の膜厚を、約4μmにしてもよい。上記めっき法としては、特に限定されないが、導体膜の応力を調整でき、形成速度が速いという観点から、電解めっき法が好ましい。電解めっきは、例えば、硫酸銅浴を用い、電解液を攪拌しながら、電流密度1.5A/dm2の条件で行うことができる。なお、第一導体膜21をスパッタリング法により基板1上に形成しているため、基板1の縁部14では、スロットパターン3及び給電用スロットパターン4が形成されている基板1表面に比べて、導体膜2の膜厚が薄くなっている。
Specifically, the
上記のように、表皮深さ以上の膜厚を有する第一導体膜21をスパッタリング法で形成し、第一導体膜21上に第一導体膜21より膜厚が大きい第二導体膜をめっき法で形成することにより、基板の変形や導体膜のクラックの発生を抑えた安定な導体膜にすることができ、電波特性的にも強度的にも良好な平面アンテナが得られる。
As described above, the
しかし、図3Dに示す状態ではスロットパターン3及び給電用スロットパターン4は導体を被覆した凸部からなるパターンであって、電気的なアンテナパターンとして機能しない。そこで、スロットパターン3及び給電用スロットパターン4を電気的なアンテナパターンとするため、スロットパターン3及び給電用スロットパターン4を被覆した導体膜2を剥離する。スロットパターン3及び給電用スロットパターン4を被覆した導体膜2の剥離は、機械的な手段、例えば、研削や研磨作業により行うことができる。この際、スロットパターン3及び給電用スロットパターン4を形成する凸部を被覆する導体膜2と凸部の先端部を同時に除去することにより、凸部の高さと基板1の導体被覆面5を被覆した導体膜2の高さをほぼ同じにすることができる。もちろん、本発明は、導体膜のみを剥離することを排除するものではないが、製造の容易性の観点から、凸部の先端部と導体膜を同時に除去することが好ましい。この際、スロット径が変化しないように凸部は柱状であることが好ましい。なお、放射面の平坦性が充分でないと研磨は偏ってしまい、うまく剥離できないため、上記の表面アンテナ100の製造工程で、基板が変形しないようにすることが好ましい。
However, in the state shown in FIG. 3D, the
以上の工程を経て、図3Eに示すように、基板1と、基板1上の所定の領域に形成された、導体膜2が被覆されていないスロットパターン3及び給電用スロットパターン4と、基板1の導体被覆面5を被覆する導体膜2を備えた平面アンテナ100が得られる。なお、図3Eに示す平面アンテナ100を得た後、さらに第二導体膜22(図2)上に保護層としてSiO2膜やSiN膜などの薄膜(図示なし)を形成しても良い。ただし、保護層としてはアンテナの電波特性に影響を及ぼさないものを使用する必要がある。
Through the above steps, as shown in FIG. 3E, the
本発明の平面アンテナの製造方法によれば、基板のそりや導体膜のクラックの発生を抑えた安定で、かつ電波の損失が少ないすなわち良好な電波特性を有する高周波用平面アンテナを安価に製造できる。また、金型成形によりすべてのスロットの寸法及び位置関係を高い精度で均一化することができるので、指向性の鋭い、特性の良好なアンテナを得ることができる。また、量産性にも優れる為、製造コストの削減をもたらすことができる。 According to the method for manufacturing a planar antenna of the present invention, it is possible to inexpensively manufacture a high-frequency planar antenna that is stable and suppresses generation of cracks in the substrate and cracks in the conductor film and that has low radio wave loss, that is, good radio wave characteristics. . In addition, since the dimensions and positional relationships of all slots can be made uniform with high precision by molding, an antenna with sharp directivity and good characteristics can be obtained. Moreover, since it is excellent in mass productivity, the manufacturing cost can be reduced.
以上において、スロットアンテナを例として示したが、例えば、パッチアンテナではスロットパターンが導体膜として構成されるだけで、その他においてはスロットアンテナと同様の構成を示しており、製造方法にも変わりは無い。 In the above, the slot antenna is shown as an example. For example, in the patch antenna, only the slot pattern is configured as a conductor film, and other configurations are the same as the slot antenna, and the manufacturing method is not changed. .
また、本発明の製造方法はアンテナに限らず、バンドパスフィルターなどにも適用できる。 Further, the manufacturing method of the present invention is not limited to an antenna but can be applied to a band pass filter or the like.
以上、本発明の一実施形態を説明したが、本発明はその要旨の範囲内で様々な変形や変更が可能である。 As mentioned above, although one Embodiment of this invention was described, various deformation | transformation and a change are possible for this invention within the range of the summary.
以下、実施例に基づいて本発明を具体的に説明するが、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated concretely based on an Example, this invention is not limited to the following Example.
(実施例1) Example 1
まず、図3Aに示すように、非晶質ポリオレフィン系樹脂で構成される平板基板8と、スロットパターン3(図1)に対応する凹部9を有する金型10と、給電用スロットパターン4(図1)に対応する凹部11を有する金型12とを用意した。
First, as shown in FIG. 3A, a
次に、図3Bに示すように、専用の中心位置あわせジグ13を用いて、基板1(図1)の完成時にスロットパターン3(図1)と給電用スロットパターン4(図1)の中心位置が合うように金型10及び金型12の位置を調整しながら、金型10及び金型12で平板基板8を挟み込んで密着させた。そして、熱ナノインプリント装置(図示せず)により、金型10の上面側及び金型12の下面側から平板基板8に対して、170℃で30kNの圧力15を同時に加えた。これにより、金型10の凹部9及び金型12の凹部11に対応するスロットパターン3(図1)及び給電用スロットパターン4(図1)をそれぞれ平板基板8の上面及び下面に転写させた。
Next, as shown in FIG. 3B, the center position of the slot pattern 3 (FIG. 1) and the power supply slot pattern 4 (FIG. 1) when the substrate 1 (FIG. 1) is completed using the dedicated
上記転写終了後、金型10及び金型12を取り除き、図3Cに示すような、スロットパターン3及び給電用スロットパターン4が一体に形成された基板1を得た。
After completion of the transfer, the
金型10の凹部9及び金型12の凹部11に対応するスロットパターン3(図1)及び給電用スロットパターン4は、凸部からなるパターンになる。上記の凸部からなるパターンの高さは、20μmぐらいにした。
The slot pattern 3 (FIG. 1) and the power
次いで、スロットパターン3及び給電用スロットパターン4が一体に形成された基板1(以下において、単に所定のパターンを有する基板1とも記す。)の表面を被覆するように導体膜2を形成した。
Next, the
導体膜2は、具体的には、以下のように形成した。まず、上記で得られた所定のパターンを有する基板1に対して、マグネトロンスパッタリング装置を用い、真空度0.15Pa(アルゴン雰囲気中)で、パワー500Wの条件で、逆スパッタリングを行った。これにより、基板表面の粗さ(例えばRa)を大きくし、後で形成する第一導体膜との密着力を向上させた。次いで、銅のターゲットを用い、所定のパターンを有する基板1の両面から同時に、スパッタリング法により、0.5μmの膜厚を有する第一導体膜21(図2)を形成した。スパッタリングは、真空度0.15Pa(アルゴン雰囲気中)で、スパッタリングパワー1kWの条件で行った。なお、上記において、第一導体膜21の膜厚は、高周波信号の周波数が60GHzの場合の表皮深さ0.27μmより大きい。次いで、第一導体膜21上に、電解めっき法により、第一導体膜21の膜厚より膜厚が大きい、4μmの膜厚を有する第二導体膜22(図2)を形成した。電解めっきは、具体的には、硫酸銅浴を用い、電解液を攪拌しながら、電流密度1.5A/dm2の条件で行った。
Specifically, the
上記のように導体膜2を形成した状態(図3D)では、スロットパターン3及び給電用スロットパターン4は導体を被覆した凸部からなるパターンであって、電気的なアンテナパターンとして機能しない。そこで、研磨により、スロットパターン3及び給電用スロットパターン4を形成する凸部を被覆する導体膜2と凸部の先端部を同時に除去することにより、凸部の高さとスロットパターン3及び給電用スロットパターン4以外の基板1の表面を被覆した導体膜2の高さをほぼ同じにした。
In the state where the
以上の工程を経て、図3Eに示すように、基板1と、基板1上の所定の領域に形成された、導体膜2が被覆されていないスロットパターン3及び給電用スロットパターン4と、スロットパターン3及び給電用スロットパターン4以外の基板1の表面すなわち基板1の導体被覆面5を被覆する導体膜2を備えた平面アンテナ100が得られた。
Through the above steps, as shown in FIG. 3E, the
実施例1で得られた平面アンテナ100の電波特性を、アジレント社製マイクロウェーブネットワークアナライザーなどを用いて測定した結果、中心周波数62.5GHzにおいて以下のような結果が得られた。放射利得は30dBiであり、アンテナ指向性(半値幅)は水平6°、垂直6°であり、サイドローブは20dBであった。上記において、放射利得とは、「同一電力を供試アンテナと基準アンテナに加えた時、最大電界方向で受け取る電力比」をいい、アイソトロピックアンテナを基準アンテナとした場合の値で示した。上記の結果から、実施例1の平面アンテナは、電波特性に優れていることが分かる。
As a result of measuring the radio wave characteristics of the
本発明の平面アンテナは、ミリ波帯(周波数30乃至300GHz、波長1乃至10mmの電波)に適した小型な平面アンテナである。特に、大容量で低コストな多様な無線システムに適用可能である。具体的には、本発明の平面アンテナは、例えば、自動車衝突防止用のレーダ、短距離通信システム、無線LAN、及び家庭の屋内配線の無線化などに好適である。
The planar antenna of the present invention is a small planar antenna suitable for the millimeter wave band (frequency 30 to 300 GHz,
1 基板
2 導体膜
3 凸部からなるスロットパターン
4 凸部からなる給電用スロットパターン
5 導体被覆面
8 誘電体の平板基板
9 スロットパターンに対応する凹部
10 スロットパターン用金型
11 給電用スロットパターンに対応する凹部
12 給電用スロットパターン用金型
13 中心位置あわせジグ13
14 基板の縁部
15 熱ナノインプリント時の加圧方向
21 第一導体膜
22 第二導体膜
100 平面アンテナ
DESCRIPTION OF
14 Edge of
Claims (10)
前記導体膜は、少なくとも第一導体膜と第二導体膜とを含み、
前記第一導体膜は、前記基板上にスパッタリング法により形成されており、
前記第二導体膜は、前記第一導体膜上にめっき法により形成されており、
前記第一導体膜の膜厚d1が下記式(1)の要件を満たしていることを特徴とする平面アンテナ。
d1≧(2/σ1ωμ1)1/2 (1)
ただし、式(1)において、ω=2πfであり、σ1は第一導体膜の導電率であり、fは使用する高周波信号の周波数であり、μ1は第一導体膜の透磁率である。 A planar antenna comprising a substrate made of a dielectric, a predetermined pattern formed on the substrate, and a conductor film covering a surface of the substrate other than the predetermined pattern,
The conductor film includes at least a first conductor film and a second conductor film,
The first conductor film is formed on the substrate by a sputtering method,
The second conductor film is formed on the first conductor film by a plating method,
A planar antenna, wherein the film thickness d 1 of the first conductor film satisfies the requirement of the following formula (1).
d 1 ≧ (2 / σ 1 ωμ 1 ) 1/2 (1)
In Equation (1), ω = 2πf, σ 1 is the conductivity of the first conductor film, f is the frequency of the high-frequency signal to be used, and μ 1 is the magnetic permeability of the first conductor film. .
前記導体膜は、少なくとも第一導体膜と第二導体膜とを含み、前記第一導体膜の膜厚d1が下記式(1)の要件を満たしており、
前記基板上にスパッタリング法により第一導体膜を形成する工程と、
前記第一導体膜上にめっき法により第二導体膜を形成する工程とを含むことを特徴とする平面アンテナの製造方法。
d1≧(2/σ1ωμ1)1/2 (1)
ただし、式(1)において、ω=2πfであり、σ1は第一導体膜の導電率であり、fは使用する高周波信号の周波数であり、μ1は第一導体膜の透磁率である。 A method for manufacturing a planar antenna, comprising: a substrate made of a dielectric; a predetermined pattern formed on the substrate; and a conductor film that covers a surface of the substrate other than the predetermined pattern,
The conductor film includes at least a first conductor film and a second conductor film, and the film thickness d 1 of the first conductor film satisfies the requirement of the following formula (1):
Forming a first conductor film on the substrate by a sputtering method;
Forming a second conductor film on the first conductor film by a plating method.
d 1 ≧ (2 / σ 1 ωμ 1 ) 1/2 (1)
In Equation (1), ω = 2πf, σ 1 is the conductivity of the first conductor film, f is the frequency of the high-frequency signal to be used, and μ 1 is the magnetic permeability of the first conductor film. .
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