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JP7610220B2 - Radio and phased array radio - Google Patents
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Description

本発明は、無線機及びフェイズドアレイ無線機に関する。 The present invention relates to a radio and a phased array radio.

広帯域な300GHz以上の電波、例えば、300GHz~30THzのTHz波は、次世代無線通信(beyond 5G)等の超高速無線通信への応用が考えられている。とくに300GHz帯は、THz帯の中では大気伝搬中の吸収減衰が少なく、また、SiGe等のSi基板にCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)構造で形成された無線トランシーバ(以下、TRXともいう)で使用可能な周波数帯であるため、活発に研究開発が進められている(非特許文献1、2参照)。 Wideband radio waves of 300 GHz or more, for example, THz waves from 300 GHz to 30 THz, are being considered for application to ultra-high-speed wireless communications such as next-generation wireless communications (beyond 5G). In particular, the 300 GHz band has been actively researched and developed because it is the frequency band that has the least absorption attenuation during atmospheric propagation among the THz bands and can be used in wireless transceivers (hereinafter also referred to as TRX) formed with a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) structure on a Si substrate such as SiGe (see Non-Patent Documents 1 and 2).

300GHz帯TRXにおいては、5G用のミリ波帯TRXがそうであるように、電波の指向性を制御するフェイズドアレイが重要な技術となる。これまで報告されている300GHz帯フェイズドアレイとして、非特許文献3に示すものがある。非特許文献3では、Si基板にCMOS構造で形成された送受信回路を、誘電体基板上に作製したヴィヴァルディアンテナに接続して、一つのアンテナ付TRXを製作している。送受信回路は、双方向IF(Intermediate Frequency)アンプ、LO(Local Oscillator)、LOアンプ、双方向ミキサ、およびディジタル回路からなる。非特許文献3では、4素子のアンテナ付TRXをアレイ配置することでアクティブアンテナアレイのフェイズドアレイ無線機が実現され、距離2.5センチにおける無線通信およびビーム指向性の制御が実現されている。本アクティブアンテナアレイは、低コストのCMOSにより小型かつ低消費電力に実現できるため、近距離(数センチ~数メートル)の超高速無線に適している。 In the 300 GHz band TRX, as in the millimeter wave band TRX for 5G, a phased array that controls the directivity of radio waves is an important technology. One of the 300 GHz band phased arrays reported so far is shown in Non-Patent Document 3. In Non-Patent Document 3, a transceiver circuit formed with a CMOS structure on a Si substrate is connected to a Vivaldi antenna fabricated on a dielectric substrate to produce one antenna-equipped TRX. The transceiver circuit consists of a bidirectional IF (Intermediate Frequency) amplifier, LO (Local Oscillator), LO amplifier, bidirectional mixer, and digital circuit. In Non-Patent Document 3, an active antenna array phased array radio is realized by arranging four antenna-equipped TRXs in an array, and wireless communication and beam directivity control at a distance of 2.5 cm are realized. This active antenna array can be realized with a small size and low power consumption using low-cost CMOS, making it suitable for ultra-high-speed wireless communication over short distances (several centimeters to several meters).

S. Lee et al., “An 80-Gb/s 300-GHz-Band Single-Chip CMOS Transceiver,” IEEE Journal of Solid-State Circuits (JSSC), vol. 54, no. 12, Oct. 2019, pp. 3577-3588.S. Lee et al., “An 80-Gb/s 300-GHz-Band Single-Chip CMOS Transceiver,” IEEE Journal of Solid-State Circuits (JSSC), vol. 54, no. 12, Oct. 2019, pp .3577-3588. P. Rodriguez-Vazquez et al., “A 16-QAM 100-Gb/s 1-M wireless link with an EVM of 17% at 230 GHz in an SiGe technology,” IEEE Microwave and Wireless Components Letters (MWCL), vol. 29, no. 4, Apr. 2019, pp. 297-299.P. Rodriguez-Vazquez et al., “A 16-QAM 100-Gb/s 1-M wireless link with an EVM of 17% at 230 GHz in an SiGe technology,” IEEE Microwave and Wireless Components Letters (MWCL), vol. 29, no. 4, Apr. 2019, pp. 297-299. I. Abdo et al., “A 300GHz-Band Phased-Array Transceiver Using Bi-Directional Outphasing and Hartley Architecture in 65nm CMOS,” International Solid-State Circuits Conference (ISSCC),” Feb. 2021.I. Abdo et al., “A 300GHz-Band Phased-Array Transceiver Using Bi-Directional Outphasing and Hartley Architecture in 65nm CMOS,” International Solid-State Circuits Conference (ISSCC),” Feb. 2021.

非特許文献3の構成で、長距離(十~数百メートル)の無線通信を実現するには、アクティブアンテナのアレイ数をかなり大きくとらねばならないという問題がある。例えば、非特許文献3のTRX構成で、通信距離25mにおいて2.5cmの時と同じだけの通信品質(信号対雑音比)を得るためには、アクティブアレイ化により+60dBの利得向上を達成せねばならない。これにはアレイ数を1000という膨大な値まで拡張する必要がある。このような膨大な数のアクティブアレイを実現することは、高い歩留まりと集積度を有するCMOS技術を用いれば不可能ではない。しかし、消費電力や検査コストを考えると、できるだけアレイ数の増加を抑えるほうが望ましいため、結果として、CMOSのみを使用した場合において、長距離の無線通信を行うことは難しい。 In order to achieve long-distance (tens to hundreds of meters) wireless communication with the configuration of Non-Patent Document 3, there is a problem that the number of active antenna arrays must be quite large. For example, in order to obtain the same communication quality (signal-to-noise ratio) at a communication distance of 25 m as when it is 2.5 cm with the TRX configuration of Non-Patent Document 3, a gain improvement of +60 dB must be achieved by using active arrays. This requires expanding the number of arrays to a huge value of 1000. It is not impossible to achieve such a large number of active arrays using CMOS technology, which has high yield and integration. However, considering power consumption and inspection costs, it is preferable to suppress the increase in the number of arrays as much as possible, and as a result, it is difficult to perform long-distance wireless communication when using only CMOS.

また、非特許文献3の構成では、エンドファイア型アンテナの一種であるヴィヴァルディアンテナを用いている。本アンテナは、パッチアンテナ等に比べ広帯域かつ高利得である。したがって、THz帯の広帯域性を活かした高速無線通信に適している。しかし、エンドファイア型アンテナのフィーダ線路は差動線路であり、アンテナ利得の低下が問題となることがある。 The configuration in Non-Patent Document 3 uses a Vivaldi antenna, which is a type of endfire antenna. This antenna has a wider bandwidth and higher gain than patch antennas and the like. It is therefore suitable for high-speed wireless communications that take advantage of the broadband nature of the THz band. However, the feeder line of the endfire antenna is a differential line, and a reduction in antenna gain can be an issue.

例えば、送受信回路をシングルエンドで設計する場合には、送受信回路とエンドファイア型アンテナとの間にシングル・差動変換回路であるバランが必要となる。このバランの帯域は、一般には広くすることが難しい。したがって、エンドファイア型アンテナを用いる場合には、送受信回路およびアンテナを十分に広帯域に設計しても、通信の帯域がバランの帯域により制限されることがある。また、送受信回路から見たときにバランの差動出力ポートには、厳密には差動モードだけでなく同相モードも存在する。これは、バランの差動出力ポートから出る信号には、振幅の誤差、位相の180度からの誤差が含まれているからである。しかしながら、エンドファイア型アンテナから空間に電磁波のかたちで放射される信号は、前述のフィーダ線路を差動モードで伝搬する信号のみである。従って、バランから出力されてフィーダ線路に入力された同相モードは、空間に放射されず、送受信回路側に反射される。これは、アンテナから放射される電力が低下することを意味するため、等価的にはアンテナ利得の低下を引き起こす。また、送受信回路側に戻った信号は、送受信回路の動作に悪影響を及ぼす場合がある。したがって、エンドファイア型アンテナの広帯域・高利得な特性を十分に引き出すことが難しく、結果として高速かつ長距離の無線通信の実現が困難になる。 For example, when designing a single-ended transmission/reception circuit, a balun, which is a single-differential conversion circuit, is required between the transmission/reception circuit and the endfire antenna. It is generally difficult to widen the bandwidth of this balun. Therefore, when using an endfire antenna, even if the transmission/reception circuit and the antenna are designed to be sufficiently wideband, the communication bandwidth may be limited by the bandwidth of the balun. In addition, strictly speaking, not only the differential mode but also the common mode exists at the differential output port of the balun when viewed from the transmission/reception circuit. This is because the signal output from the differential output port of the balun contains an amplitude error and a phase error from 180 degrees. However, the signal radiated in the form of an electromagnetic wave from the endfire antenna into space is only the signal propagating in the above-mentioned feeder line in differential mode. Therefore, the common mode output from the balun and input to the feeder line is not radiated into space but is reflected to the transmission/reception circuit side. This means that the power radiated from the antenna is reduced, which equivalently causes a reduction in antenna gain. In addition, the signal returned to the transmission/reception circuit side may have a negative effect on the operation of the transmission/reception circuit. This makes it difficult to fully utilize the wideband and high-gain characteristics of endfire antennas, making it difficult to achieve high-speed, long-distance wireless communications.

上記アンテナ利得の低下の問題は、エンドファイア型のアンテナ以外の導波管アンテナなどの、差動信号を電磁波に変換又は電磁波を差動信号に変換する他のアンテナを採用する場合にも生じ得る。 The problem of reduced antenna gain can also occur when using other antennas that convert differential signals into electromagnetic waves or convert electromagnetic waves into differential signals, such as waveguide antennas other than endfire antennas.

本発明は、フェイズドアレイのアレイ数を少なくしつつ高いアンテナ利得を得ることを課題とする。 The objective of the present invention is to obtain high antenna gain while reducing the number of arrays in a phased array.

上述した課題を解決するために、本発明の第1の観点に係る無線機は、フェイズドアレイ無線機でアレイ配置されるように構成された無線機であって、無線送信する情報を表す電気信号を当該電気信号よりも高い300GHz以上の周波数を有する高周波信号に周波数変換する送信回路と、前記高周波信号を増幅して差動増幅信号として出力する差動アンプと、前記差動増幅信号を電磁波に変換して放射するアンテナと、を備え、前記送信回路は、Si基板にCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)構造で集積され、前記差動アンプは、InP基板に集積されている。 In order to solve the above-mentioned problems, the radio according to the first aspect of the present invention is a radio configured to be arranged in an array as a phased array radio, and includes a transmission circuit that frequency converts an electrical signal representing information to be wirelessly transmitted into a high-frequency signal having a frequency of 300 GHz or more, which is higher than the electrical signal, a differential amplifier that amplifies the high-frequency signal and outputs it as a differentially amplified signal, and an antenna that converts the differentially amplified signal into an electromagnetic wave and radiates it, the transmission circuit being integrated in a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) structure on a Si substrate, and the differential amplifier being integrated on an InP substrate.

上述した課題を解決するために、本発明の第2の観点に係る無線機は、フェイズドアレイ無線機でアレイ配置されるように構成された無線機であって、300GHz以上の電磁波を高周波の電気信号である高周波信号に変換するアンテナと、前記高周波信号を増幅して増幅信号として出力する差動アンプと、前記増幅信号を当該増幅信号よりも周波数の低い信号に周波数変換して出力する受信回路と、を備え、前記受信回路は、Si基板にCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)構造で集積され、前記差動アンプは、InP基板に集積されている。
In order to solve the above-mentioned problems, a radio according to a second aspect of the present invention is a phased array radio configured to be arranged in an array, and includes an antenna that converts electromagnetic waves of 300 GHz or more into a high-frequency signal that is a high-frequency electrical signal, a differential amplifier that amplifies the high-frequency signal and outputs it as an amplified signal, and a receiving circuit that frequency-converts the amplified signal into a signal having a lower frequency than the amplified signal and outputs it, the receiving circuit being integrated on a Si substrate in a complementary metal oxide semiconductor (CMOS) structure, and the differential amplifier being integrated on an InP substrate.

本発明の第3の観点に係るフェイズドアレイ無線機は、それぞれが上記無線機である、1次元状又は2次元状にアレイ配置された複数の無線機を備える。 A phased array radio according to a third aspect of the present invention comprises a plurality of radios, each of which is the radio described above, arranged in a one-dimensional or two-dimensional array.

本発明によれば、フェイズドアレイのアレイ数を少なくしつつ高いアンテナ利得を得ることができる。 The present invention makes it possible to obtain high antenna gain while reducing the number of arrays in a phased array.

図1は、本発明の第1実施形態に係るフェイズドドアレイ無線機(送信機)の構成を模式的に示す構成図である。FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a phased array radio (transmitter) according to a first embodiment of the present invention. 図2は、本発明の第2実施形態に係るフェイズドドアレイ無線機(受信機)の構成を模式的に示す構成図である。FIG. 2 is a diagram showing a schematic configuration of a phased array radio (receiver) according to a second embodiment of the present invention. 図3は、本発明の第3実施形態に係るフェイズドドアレイ無線機(送信機)の構成を模式的に示す構成図である。FIG. 3 is a diagram showing a schematic configuration of a phased array radio (transmitter) according to a third embodiment of the present invention. 図4は、本発明の第3実施形態に係るフェイズドドアレイ無線機(受信機)の構成を模式的に示す構成図である。FIG. 4 is a diagram showing a schematic configuration of a phased array radio (receiver) according to a third embodiment of the present invention. 図5は、本発明の第4実施形態に係るフェイズドドアレイ無線機(送信機)の構成を模式的に示す構成図である。FIG. 5 is a diagram showing a schematic configuration of a phased array radio (transmitter) according to a fourth embodiment of the present invention. 図6は、本発明の第4実施形態に係るフェイズドドアレイ無線機(受信機)の構成を模式的に示す構成図である。FIG. 6 is a diagram showing a schematic configuration of a phased array radio (receiver) according to a fourth embodiment of the present invention.

以下、本発明の実施の形態に係るフェイズドアレイ無線機を、図面を参照して説明する。 Below, a phased array radio according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

(第1実施形態)
図1に示すように、本発明の第1実施形態に係るフェイズドアレイ無線機1は、無線送信機として構成されており、一次元状にアレイ配置された複数の無線機10を備える。無線機10は、シリコン半導体基板であるSi基板20と、リン化インジウム半導体基板であるInP基板30と、を備える。なお、複数の無線機10は、二次元状にアレイ配置されてもよい。複数の無線機10を、アレイ配置したときの間隔は、通常のフェイズドアレイ同様に、半波長から一波長程度である。
First Embodiment
As shown in Fig. 1, a phased array radio 1 according to the first embodiment of the present invention is configured as a radio transmitter and includes a plurality of radio devices 10 arranged in a one-dimensional array. The radio device 10 includes a Si substrate 20, which is a silicon semiconductor substrate, and an InP substrate 30, which is an indium phosphide semiconductor substrate. The plurality of radio devices 10 may be arranged in a two-dimensional array. The spacing between the plurality of radio devices 10 when arranged in an array is about half a wavelength to one wavelength, similar to a normal phased array.

Si基板20には、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)構造の送信回路21が半導体プロセスにより集積されている。送信回路21は、無線送信する情報を表す電気信号であるIF((Intermediate Frequency)信号を、このIF信号の周波数よりも高い300GHz以上の周波数を有する高周波信号に周波数変換する。送信回路21は、シングルエンドの信号を扱うように構成されている。。 A transmission circuit 21 with a complementary metal oxide semiconductor (CMOS) structure is integrated on the silicon substrate 20 by a semiconductor process. The transmission circuit 21 converts an intermediate frequency (IF) signal, which is an electrical signal representing information to be wirelessly transmitted, into a high-frequency signal having a frequency of 300 GHz or higher, which is higher than the frequency of the IF signal. The transmission circuit 21 is configured to handle single-ended signals.

InP基板30には、バラン31と、差動アンプ32と、アンテナ33と、が半導体プロセスにより集積されている。InP基板30は、オンチップ型のアンテナ33が集積されたアンテナ付きの差動アンプチップであり、CMOS送信機チップであるSi基板20に接続されている。アンテナ33は、エンドファイア型アンテナである。差動アンプ32は、送信回路21のシングルエンド出力に、シングル・差動変換回路であるバラン31を介して接続されている。これにより、送信回路21が出力したシングルエンドの300GHz帯の高周波信号が、バラン31で差動の高周波信号に変換され、差動アンプ32に入力される。差動アンプ32は、入力された差動の高周波信号を増幅して差動増幅信号としてアンテナ33に出力する。アンテナ33は、差動増幅信号を電磁波(電波)に変換して放射する。 A balun 31, a differential amplifier 32, and an antenna 33 are integrated on the InP substrate 30 by a semiconductor process. The InP substrate 30 is a differential amplifier chip with an antenna on which an on-chip antenna 33 is integrated, and is connected to the Si substrate 20, which is a CMOS transmitter chip. The antenna 33 is an end-fire antenna. The differential amplifier 32 is connected to the single-end output of the transmission circuit 21 via the balun 31, which is a single-differential conversion circuit. As a result, the single-end 300 GHz band high-frequency signal output by the transmission circuit 21 is converted into a differential high-frequency signal by the balun 31 and input to the differential amplifier 32. The differential amplifier 32 amplifies the input differential high-frequency signal and outputs it to the antenna 33 as a differential amplified signal. The antenna 33 converts the differential amplified signal into an electromagnetic wave (radio wave) and radiates it.

以上のようなフェイズドアレイ無線機1によれば、フェイズドアレイのアレイ数を抑制しつつ高いアンテナ利得が得られる。以下、この点を説明してから、フェイズドアレイ無線機1の詳細を説明する。 The phased array radio 1 described above can achieve high antenna gain while limiting the number of phased array elements. Below, we will explain this point first, and then explain the details of the phased array radio 1.

まず、アレイ数の抑制について説明する。アレイ数を抑制する一つの手段として、各無線機10の送信電力を大きくすることが考えられる。アレイ当たりの送信電力をN倍大きくすると、受信機を同じものを使用すると仮定した場合、ある通信距離において同じ信号対雑音比を得るために必要なアレイ数を1/√Nとすることができる。通常、アンテナアレイの送信電力を決定する部品は、TXつまり送信機の最終段に配置される電力増幅回路(パワーアンプ)である。しかし、一般に、300GHz帯以上の周波数帯においては、Si基板のCMOS構造で電力増幅回路を形成するのが難しい。これはCMOSが構成されたSi基板の最大発振周波数が高々300GHz程度であり、300GHz以上の周波数帯において高い利得の増幅回路を実現することが難しいからである。結果として、CMOSの従来の送信機では、CMOSで実現可能な回路であるミキサを送信回路の最終段に用いたミキサファースト構成をとることになる。一般に、ミキサの出力電力は増幅回路よりも低く、-10dBm程度である。そこで本実施形態では、Si基板よりも高周波特性に優れるInP基板30により差動アンプ32を形成する。この差動アンプ32は、300GHz以上の周波数帯において高い利得を有する。特に、InP基板30では,10dBm以上の出力を有する300GHz帯の差動アンプ32が実現可能(たとえば下記非特許文献4)である。したがって、従来のようにSi基板のCMOSのみで無線機10を形成する場合と比較して、20dB出力を向上することができる。したがって、アレイ数を1/10まで少なくすることができる。
[非特許文献4]H. Hamada et al., “300-GHz-band 120-Gb/s Wireless Front-End Based on InP-HEMT PAs and Mixers,” IEEE Journal of Solid-State Circuits (JSSC), vol. 55, no. 9, Sep. 2020, pp. 2316-2335.
First, suppression of the number of arrays will be described. Increasing the transmission power of each radio 10 can be considered as one means of suppressing the number of arrays. If the transmission power per array is increased by N times, the number of arrays required to obtain the same signal-to-noise ratio at a certain communication distance can be reduced to 1/√N, assuming that the same receiver is used. Usually, the component that determines the transmission power of the antenna array is a power amplifier circuit (power amplifier) arranged at the final stage of the TX, that is, the transmitter. However, in general, in frequency bands of 300 GHz or more, it is difficult to form a power amplifier circuit with a CMOS structure on a Si substrate. This is because the maximum oscillation frequency of a Si substrate on which CMOS is configured is at most about 300 GHz, and it is difficult to realize an amplifier circuit with a high gain in frequency bands of 300 GHz or more. As a result, in conventional CMOS transmitters, a mixer-first configuration is adopted in which a mixer, which is a circuit that can be realized by CMOS, is used at the final stage of the transmission circuit. In general, the output power of the mixer is lower than that of the amplifier circuit, about -10 dBm. Therefore, in this embodiment, the differential amplifier 32 is formed using an InP substrate 30, which has better high frequency characteristics than a Si substrate. This differential amplifier 32 has a high gain in a frequency band of 300 GHz or more. In particular, the InP substrate 30 can realize a 300 GHz band differential amplifier 32 having an output of 10 dBm or more (for example, Non-Patent Document 4 below). Therefore, compared to the conventional case in which the radio device 10 is formed only with CMOS on a Si substrate, the output can be improved by 20 dB. Therefore, the number of arrays can be reduced to 1/10.
[Non-Patent Document 4] H. Hamada et al., “300-GHz-band 120-Gb/s Wireless Front-End Based on InP-HEMT PAs and Mixers,” IEEE Journal of Solid-State Circuits (JSSC), vol. 55, no. 9, Sep. 2020, pp. 2316-2335.

次に、高いアンテナ利得について説明する。InP基板30に形成された差動アンプ32は、差動信号のみ増幅して同相信号は減衰させること(同相除去)ができる。例えば、非特許文献5にあるように,300GHz帯において、同相除去比(差動信号に対する利得と同相信号に対する利得の比)を最大50dB以上確保できるような増幅器も報告されている.このような同相除去の大きな差動アンプ32を使用することで、図1のInP基板30に集積されたバラン31の出力に含まれる同相モードは十分に抑制され、アンテナ33には差動信号のみ(完全差動信号)が存在することとなる。したがって、エンドファイア型のアンテナ33は理想的な状態で駆動され、差動アンプ32とアンテナ33とのインピーダンス整合を適切に行えば、アンテナ33に入力する多くの信号、より好適にはすべての信号を電波として空間に放射することができる。つまり、同相信号によるアンテナの利得の低下が抑制され、高いアンテナの利得が確保される。
[非特許文献5]H. Hamada et al., “220-325 GHz 25-dB-Gain Differential Amplifier With High Common-Mode-Rejection Circuit in 60-nm InP-HEMT Technology,” IEEE Microwave and Wireless Components Letters (MWCL), Early Access.
Next, the high antenna gain will be explained. The differential amplifier 32 formed on the InP substrate 30 can amplify only the differential signal and attenuate the common-mode signal (common-mode rejection). For example, as described in Non-Patent Document 5, an amplifier that can secure a common-mode rejection ratio (ratio of gain for a differential signal to gain for a common-mode signal) of up to 50 dB or more in the 300 GHz band has been reported. By using such a differential amplifier 32 with high common-mode rejection, the common-mode included in the output of the balun 31 integrated on the InP substrate 30 in FIG. 1 is sufficiently suppressed, and only the differential signal (fully differential signal) exists in the antenna 33. Therefore, the end-fire type antenna 33 is driven in an ideal state, and if the impedance matching between the differential amplifier 32 and the antenna 33 is properly performed, many signals input to the antenna 33, or more preferably all signals, can be radiated into space as radio waves. In other words, the decrease in antenna gain due to the common-mode signal is suppressed, and high antenna gain is secured.
[Non-Patent Document 5] H. Hamada et al., “220-325 GHz 25-dB-Gain Differential Amplifier With High Common-Mode-Rejection Circuit in 60-nm InP-HEMT Technology,” IEEE Microwave and Wireless Components Letters (MWCL), Early Access.

次に、フェイズドアレイ無線機1の構成をさらに詳細に説明する。InP基板30の基板厚さは、商用されている600μm程度ではなく、さらに薄い50μm程度となっている。600μmのInP基板30を用いてしまうと,InP基板30が有する高い誘電率(12.4程度)により、InP基板30に形成されたアンテナ33から放射される電磁波の放射方向がInP基板30の厚み方向(図1において紙面奥行方向)に偏ってしまい、フェイズドアレイ時に適切な方向にビームを形成することが困難になる。そこで、300GHzの電磁波の自由空間伝搬波長(1mm)に対して十分短い50μmまでInP基板30を薄層化することで,アンテナ33から放射される電磁波を適切な方向(図1において右側方向)とすることができ、上記の問題を回避できる。また、InP基板30を薄くすることは、InP基板30内を伝搬する不要な基板モードを削減する働きもあり、これにより差動アンプ32の発振又は不安定動作を回避することもできる。 Next, the configuration of the phased array radio 1 will be described in more detail. The thickness of the InP substrate 30 is not about 600 μm, which is commercially available, but is thinner, about 50 μm. If a 600 μm InP substrate 30 is used, the high dielectric constant (about 12.4) of the InP substrate 30 causes the direction of radiation of the electromagnetic waves radiated from the antenna 33 formed on the InP substrate 30 to be biased toward the thickness direction of the InP substrate 30 (the depth direction of the paper in FIG. 1), making it difficult to form a beam in the appropriate direction during phased array. Therefore, by thinning the InP substrate 30 to 50 μm, which is sufficiently shorter than the free space propagation wavelength (1 mm) of the 300 GHz electromagnetic wave, the electromagnetic waves radiated from the antenna 33 can be directed in the appropriate direction (to the right in FIG. 1), and the above problem can be avoided. In addition, thinning the InP substrate 30 also serves to reduce unnecessary substrate modes propagating within the InP substrate 30, which can also prevent oscillation or unstable operation of the differential amplifier 32.

Si基板20とInP基板30とは、Si基板20の送信回路21のシングルエンド出力と、InP基板30のバラン31の入力配線とを接続するボンディングワイヤ接続あるいはフリップチップ接続等の接続手法により接続される。 The Si substrate 20 and the InP substrate 30 are connected by a bonding wire connection or a flip chip connection or other connection method that connects the single-ended output of the transmission circuit 21 of the Si substrate 20 to the input wiring of the balun 31 of the InP substrate 30.

Si基板20の送信回路21は、逓倍器22と、LOアンプ23と、IFアンプ24と、ミキサ25と、を備える。逓倍器22は、不図示のLO(Local Oscillator)からのLO信号を逓倍する。LOアンプ23は、逓倍器22により逓倍されたLO信号を増幅してミキサ25に入力する。IFアンプ24は、不図示の回路からの、アンテナ33により無線送信する情報を表すIF信号を増幅してミキサ25に入力する。ミキサ25は、LOアンプ23からのLO信号と、IFアンプ24からのIF信号と、を混合して、IF信号を300GHz以上の周波数帯の高周波信号に周波数変換する。送信回路21を構成する各回路は、シングルエンドの信号を扱うシングルエンド構成となっている。 The transmission circuit 21 on the Si substrate 20 includes a multiplier 22, an LO amplifier 23, an IF amplifier 24, and a mixer 25. The multiplier 22 multiplies an LO signal from an LO (Local Oscillator) (not shown). The LO amplifier 23 amplifies the LO signal multiplied by the multiplier 22 and inputs it to the mixer 25. The IF amplifier 24 amplifies an IF signal representing information to be wirelessly transmitted by an antenna 33 from a circuit (not shown) and inputs it to the mixer 25. The mixer 25 mixes the LO signal from the LO amplifier 23 and the IF signal from the IF amplifier 24, and frequency converts the IF signal into a high-frequency signal in a frequency band of 300 GHz or more. Each circuit constituting the transmission circuit 21 has a single-ended configuration that handles single-ended signals.

バラン31は、InP基板30に集積されている。バラン31をSi基板20に集積するという選択肢もあり得るが,この場合、InP基板30側の差動アンプ32の差動入力線路と、Si基板20側のバランの差動出力線路とを、上記の接続手段により接続する必要がある。このため、ワイヤもしくはバンプを1つの無線機10あたり2個使用しなければならない。つまり、接続箇所が2箇所になる。他方、無線機10の接続箇所は1個である。300GHz以上の周波数帯では接続箇所の損失が大きいため、接続箇所が少なくなる本実施の形態の無線機10の構成が好ましい。 The balun 31 is integrated on the InP substrate 30. It is also possible to integrate the balun 31 on the Si substrate 20, but in this case, it is necessary to connect the differential input lines of the differential amplifier 32 on the InP substrate 30 side to the differential output lines of the balun on the Si substrate 20 side by the above-mentioned connection means. For this reason, two wires or bumps must be used per radio 10. In other words, there are two connection points. On the other hand, the radio 10 has one connection point. Since loss at the connection points is large in the frequency band of 300 GHz or more, the configuration of the radio 10 of this embodiment, which has fewer connection points, is preferable.

(第2実施形態)
以下、第2実施形態について説明するが、同じ名称の要素についての説明は、符号の異同に関わらず第1実施形態での説明に準じる。図2に示すように、本発明の第2実施形態に係るフェイズドアレイ無線機5は、無線受信機として構成されており、一次元状にアレイ配置された複数の無線機50を備える。無線機50は、Si基板60と、InP基板70と、を備える。
Second Embodiment
The second embodiment will be described below, but the explanation of elements with the same names will be the same as that of the first embodiment regardless of whether the reference numerals are the same or different. As shown in Fig. 2, a phased array radio device 5 according to the second embodiment of the present invention is configured as a radio receiver, and includes a plurality of radio devices 50 arranged in a one-dimensional array. The radio device 50 includes a Si substrate 60 and an InP substrate 70.

Si基板60は、CMOS構造の受信回路61が半導体プロセスにより集積されている。InP基板70には、バラン71と、差動アンプ72と、アンテナ73と、が半導体プロセスにより集積されている。InP基板70は、オンチップ型のアンテナ73が集積されたアンテナ付きの差動アンプチップであり、CMOS送信機チップであるSi基板60に接続されている。アンテナ73は、エンドファイア型アンテナであり、300GHz以上の電磁波(電波)を高周波の電気信号である高周波信号に変換する。差動アンプ72は、アンテナ73からの高周波信号を増幅して増幅信号として出力する。この増幅信号は差動信号である。バラン71は、差動アンプ72と受信回路61のシングルエンド入力との間に介在しており、差動アンプ72からの差動の増幅信号をシングルエンドに変換して、受信回路61に出力する。受信回路61は、バラン71からのシングルエンドの増幅信号を、この増幅信号よりも周波数の低いIF信号に周波数変換して出力する。 The Si substrate 60 has a CMOS-structured receiving circuit 61 integrated by a semiconductor process. The InP substrate 70 has a balun 71, a differential amplifier 72, and an antenna 73 integrated by a semiconductor process. The InP substrate 70 is an antenna-equipped differential amplifier chip with an on-chip antenna 73 integrated therein, and is connected to the Si substrate 60, which is a CMOS transmitter chip. The antenna 73 is an end-fire antenna that converts electromagnetic waves (radio waves) of 300 GHz or more into high-frequency signals, which are high-frequency electrical signals. The differential amplifier 72 amplifies the high-frequency signal from the antenna 73 and outputs it as an amplified signal. This amplified signal is a differential signal. The balun 71 is interposed between the differential amplifier 72 and the single-end input of the receiving circuit 61, and converts the differential amplified signal from the differential amplifier 72 to a single-end and outputs it to the receiving circuit 61. The receiving circuit 61 frequency-converts the single-end amplified signal from the balun 71 to an IF signal with a lower frequency than this amplified signal and outputs it.

Si基板60の受信回路61は、逓倍器22と、LOアンプ23と、IFアンプ64と、ミキサ65と、を備える。ミキサ65には、バラン71からのシングルエンドの増幅信号と、IFアンプ24からのIF信号と、を混合して、増幅信号を、中間周波数のIF信号に周波数変換する。IF信号は、IFアンプ64により増幅されて無線機50外部に出力される。 The receiving circuit 61 on the Si substrate 60 includes a multiplier 22, an LO amplifier 23, an IF amplifier 64, and a mixer 65. The mixer 65 mixes the single-ended amplified signal from the balun 71 with the IF signal from the IF amplifier 24, and converts the amplified signal to an intermediate frequency IF signal. The IF signal is amplified by the IF amplifier 64 and output to the outside of the radio 50.

以上のように、無線機50は、第1実施形態の送信機である無線機10のIFアンプ24と差動アンプ32との各向きを反転させて受信機としたものである。無線機50の他の説明については無線機10の上記説明に準じる。この無線機50も、送信と受信の違いはあるが、無線機10と同様の効果を奏する。つまり、無線機50でも、InP基板70側に設けた差動アンプ72で、アンテナ73で受信し受信回路61に入力される前の高周波信号を増幅できるので、フェイズドアレイ無線機5でアレイ数が少なくても電磁波を良好に受信できる。また、受信回路61から見たアンテナ利得(InP基板70のアンテナ利得)も確保される。従って、フェイズドアレイのアレイ数を抑制しつつ高いアンテナ利得が得られる。また、InP基板70側に設けた差動アンプ72を低雑音増幅器(LNA)として使用することができ、これにより雑音指数(NF)が改善される。 As described above, the radio 50 is a receiver obtained by inverting the orientation of the IF amplifier 24 and the differential amplifier 32 of the radio 10, which is the transmitter of the first embodiment. Other explanations of the radio 50 are the same as those of the radio 10. Although there is a difference between transmission and reception, this radio 50 also has the same effect as the radio 10. In other words, the radio 50 can also amplify the high-frequency signal received by the antenna 73 and before being input to the receiving circuit 61 with the differential amplifier 72 provided on the InP substrate 70 side, so that the phased array radio 5 can receive electromagnetic waves well even if the number of arrays is small. In addition, the antenna gain seen from the receiving circuit 61 (the antenna gain of the InP substrate 70) is also secured. Therefore, a high antenna gain can be obtained while suppressing the number of arrays of the phased array. In addition, the differential amplifier 72 provided on the InP substrate 70 side can be used as a low noise amplifier (LNA), which improves the noise figure (NF).

(第3実施形態)
図3及び図4に第3実施形態に係るフェイズドアレイ無線機101及び105を示す。フェイズドアレイ無線機101及び105は、シングルエンド構成の図1の送信回路21又は図2の受信回路41を、差動構成の送信回路121又は受信回路161に変更したものである。この変更により、バラン31又は71が省略される。その他の説明については上記実施形態に準じる。第3実施形態の各要素は、第1又は第2実施形態の、前記の要素に付された符号から100を引いた符号の要素に対応する。
Third Embodiment
3 and 4 show phased array radios 101 and 105 according to the third embodiment. In the phased array radios 101 and 105, the single-ended transmission circuit 21 in FIG. 1 or the reception circuit 41 in FIG. 2 is changed to a differential transmission circuit 121 or reception circuit 161. This change allows the balun 31 or 71 to be omitted. The rest of the description is the same as in the above embodiment. Each element of the third embodiment corresponds to an element of the first or second embodiment with a reference number obtained by subtracting 100 from the reference number given to the above element.

この実施形態では、ワイヤあるいはバンプ等の接続部品を1つの無線機110又は150当たり2個使用する必要がある。この2個の接続箇所の電気長もしくはインピーダンスは、理想的には同一の値をとるが、実際には、製作誤差によりこれらは異なる値をとる。これにより同相モードがInP基板130又は170側に入力されることになるが、差動アンプ132又は172の同相除去効果によって、この同相モードは除去されるため、アンテナ動作等に問題を与えることはない。従って、このような構成であっても、第1又は第2実施形態と同様の効果が得られる。図3及び図4の送信回路121及び受信回路161は、差動構成をとるダブルバランス型である。これらは、IFアンプ124又は164とLOアンプ123とのいずれかがシングルエンド構成をとるシングルバランス型であってもよい。 In this embodiment, two connecting parts such as wires or bumps must be used per radio 110 or 150. Ideally, the electrical length or impedance of these two connecting points should be the same, but in reality, they are different due to manufacturing errors. This causes a common mode to be input to the InP substrate 130 or 170, but this common mode is removed by the common mode removal effect of the differential amplifier 132 or 172, so there is no problem with the antenna operation. Therefore, even with this configuration, the same effect as in the first or second embodiment can be obtained. The transmission circuit 121 and the reception circuit 161 in Figures 3 and 4 are double-balanced types with a differential configuration. They may be single-balanced types in which either the IF amplifier 124 or 164 and the LO amplifier 123 have a single-ended configuration.

(第4実施形態)
図5及び図6に第4実施形態に係るフェイズドアレイ無線機201及び205を示す。これらが備える複数の無線機210及び250それぞれは、図1及び図2のアンテナ33又は73などの代わりに、中空の導波管アンテナ233又は237を備える。導波管アンテナ233及び273は、同じ形状に形成されている。導波管アンテナ233又は273は、差動アンプ32又は72にダイポールカプラ234を介して接続された第1端部233A又は273Aと、第1端部233A又は273Aの反対側の、自由空間に面する開口部を備える第2端部233B又は273Bと、を備える。導波管アンテナ233又は273は、InP基板230又は270を収容している。導波管アンテナ233は、Si基板20又は60も収容するとよい。導波管アンテナ233又は273は、例えば、四角筒状又は円筒状の金属製である。導波管アンテナ233又は273は、差動信号で動作するので、本実施形態によっても、上記エンドファイア型アンテナを使用した実施形態と同様の効果が得られる。第4実施形態のその他の説明は、上記実施形態に準じる。
Fourth Embodiment
5 and 6 show phased array radios 201 and 205 according to the fourth embodiment. Each of the multiple radios 210 and 250 includes a hollow waveguide antenna 233 or 237 instead of the antenna 33 or 73 in FIG. 1 and FIG. 2. The waveguide antennas 233 and 273 are formed in the same shape. The waveguide antenna 233 or 273 includes a first end 233A or 273A connected to the differential amplifier 32 or 72 via a dipole coupler 234, and a second end 233B or 273B on the opposite side of the first end 233A or 273A and having an opening facing free space. The waveguide antenna 233 or 273 contains an InP substrate 230 or 270. The waveguide antenna 233 may also contain a Si substrate 20 or 60. The waveguide antenna 233 or 273 is, for example, a rectangular or cylindrical metal antenna. Since the waveguide antenna 233 or 273 operates with a differential signal, the present embodiment can provide the same effects as the embodiment using the endfire antenna. The rest of the description of the fourth embodiment is similar to the above embodiment.

300GHz帯等の高周波信号の伝送媒体として用いられる導波管アンテナ233又は273は、その開口から電磁波を指向性よく放射する。導波管アンテナ233又は273は6~8dBiの高い値をとる。したがって、図5及び6のように第2端部233Bをアンテナで送受信する電磁波の半波長程度の間隔でアレイ化すれば、上記と同様のフェイズドアレイが構成される。Si基板220又は260と、InP基板230又は270とを、堅牢で取り扱いやすい金属製の導波管アンテナ233のパッケージ内に実装することになるため、上記実施形態よりもフェイズドアレイのハンドリングが容易になる。金属加工により導波管開口間隔を数ミクロン単位の誤差で形成できるため、ほぼ等間隔にアレイを二次元配置することもできる。 The waveguide antenna 233 or 273, which is used as a transmission medium for high-frequency signals such as the 300 GHz band, radiates electromagnetic waves from its opening with good directionality. The waveguide antenna 233 or 273 has a high value of 6 to 8 dBi. Therefore, if the second end 233B is arrayed at intervals of about half the wavelength of the electromagnetic waves transmitted and received by the antenna as shown in Figures 5 and 6, a phased array similar to the above is formed. Since the Si substrate 220 or 260 and the InP substrate 230 or 270 are mounted in a package of the waveguide antenna 233, which is made of a robust metal and easy to handle, handling of the phased array is easier than in the above embodiment. Since the intervals between the waveguide openings can be formed with an error of several microns by metal processing, the array can also be arranged two-dimensionally at approximately equal intervals.

導波管アンテナ233又は273と差動アンプ32又は72との接続は、ダイポールカプラ234の他、リッジカプラ(非特許文献4)等を用いてもよい。これらカプラでは,アンテナ33などと異なり、InP基板230又は270上に図1~図4に示すような、テーパ構造(末広がり形状)を作る必要がないため、InP基板230又は270のチップ面積を上記実施形態よりも小さくすることができる。 The waveguide antenna 233 or 273 and the differential amplifier 32 or 72 may be connected using a dipole coupler 234 or a ridge coupler (Non-Patent Document 4). Unlike the antenna 33, these couplers do not require a tapered structure (a flared shape) on the InP substrate 230 or 270 as shown in Figures 1 to 4, so the chip area of the InP substrate 230 or 270 can be made smaller than in the above embodiment.

導波管アンテナ233又は273は、第3実施形態の無線機110又は150に適用されてもよい。 The waveguide antenna 233 or 273 may be applied to the radio 110 or 150 of the third embodiment.

(変形例)
上記実施の形態については種々の変更が可能である。送信回路21などの各送信回路は、受信回路の機能を有してもよい。つまり、送信回路は、送受信回路として動作するものであってもよい。この場合、各種アンプ、バラン、ミキサなどは、双方向の回路とする。アンテナは、差動信号を電磁波に変換する任意のアンテナを採用できる。
(Modification)
Various modifications are possible to the above embodiment. Each transmission circuit such as the transmission circuit 21 may have the function of a reception circuit. In other words, the transmission circuit may operate as a transmission/reception circuit. In this case, various amplifiers, baluns, mixers, etc. are bidirectional circuits. Any antenna that converts a differential signal into an electromagnetic wave may be used as the antenna.

(本発明の範囲)
以上、実施の形態及び変形例を参照して本発明を説明したが、本発明は、上記の実施の形態及び変形例に限定されるものではない。例えば、本発明には、本発明の技術思想の範囲内で当業者が理解し得る、上記の実施の形態及び変形例に対する様々な変更が含まれる。上記実施の形態及び変形例に挙げた各構成は、矛盾の無い範囲で適宜組み合わせることができる。
(Scope of the present invention)
Although the present invention has been described above with reference to the embodiment and the modified examples, the present invention is not limited to the above embodiment and the modified examples. For example, the present invention includes various modifications to the above embodiment and the modified examples that can be understood by a person skilled in the art within the scope of the technical idea of the present invention. The configurations listed in the above embodiment and the modified examples can be appropriately combined within a range without contradiction.

1,5,101,105,201,205…フェイズドアレイ無線機、10,50,110,150,210,250…無線機、20,60,120,160…Si基板、21,121…送信回路、61,161…受信回路、30,70,130,170,230,270…InP基板、31,71…バラン、32,72,132,172…差動アンプ、33,73…アンテナ、233,273…導波管アンテナ、233A,273A…第1端部、233B,273B…第2端部、234…ダイポールカプラ。 1,5,101,105,201,205...phased array radio, 10,50,110,150,210,250...radio, 20,60,120,160...Si substrate, 21,121...transmitting circuit, 61,161...receiving circuit, 30,70,130,170,230,270...InP substrate, 31,71...balun, 32,72,132,172...differential amplifier, 33,73...antenna, 233,273...waveguide antenna, 233A,273A...first end, 233B,273B...second end, 234...dipole coupler.

Claims (9)

フェイズドアレイ無線機でアレイ配置されるように構成された無線機であって、
無線送信する情報を表す電気信号を当該電気信号よりも高い300GHz以上の周波数を有する高周波信号に周波数変換する送信回路と、
前記高周波信号を増幅して差動増幅信号として出力する差動アンプと、
前記差動増幅信号を電磁波に変換して放射するアンテナと、を備え、
前記送信回路は、Si基板にCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)構造で集積され、
前記差動アンプは、InP基板に集積されている、
無線機。
A radio configured to be arrayed in a phased array radio,
a transmission circuit that converts an electrical signal representing information to be wirelessly transmitted into a high-frequency signal having a frequency of 300 GHz or higher, which is higher than the frequency of the electrical signal;
a differential amplifier that amplifies the high frequency signal and outputs it as a differential amplified signal;
an antenna that converts the differentially amplified signal into an electromagnetic wave and radiates the electromagnetic wave,
The transmission circuit is integrated on a silicon substrate in a complementary metal oxide semiconductor (CMOS) structure,
The differential amplifier is integrated on an InP substrate.
Radio.
前記送信回路の出力は、シングルエンドで、The output of the transmitter circuit is single-ended;
前記InP基板には、前記差動アンプと前記送信回路の出力との間に介在しているシングル・差動変換回路が集積されている、a single-to-differential conversion circuit interposed between the differential amplifier and an output of the transmission circuit is integrated on the InP substrate;
請求項1に記載の無線機。2. A radio according to claim 1.
前記送信回路の出力は、差動出力であり、前記差動アンプと接続されている、The output of the transmission circuit is a differential output and is connected to the differential amplifier.
請求項1に記載の無線機。2. A radio according to claim 1.
フェイズドアレイ無線機でアレイ配置されるように構成された無線機であって、
300GHz以上の電磁波を高周波の電気信号である高周波信号に変換するアンテナと、
前記高周波信号を増幅して増幅信号として出力する差動アンプと、
前記増幅信号を当該増幅信号よりも周波数の低い信号に周波数変換して出力する受信回路と、を備え、
前記受信回路は、Si基板にCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)構造で集積され、
前記差動アンプは、InP基板に集積されている、
無線機。
A radio configured to be arrayed in a phased array radio,
An antenna that converts electromagnetic waves of 300 GHz or more into a high-frequency signal that is a high-frequency electrical signal;
a differential amplifier that amplifies the high frequency signal and outputs it as an amplified signal;
a receiving circuit that converts the amplified signal into a signal having a lower frequency than the amplified signal and outputs the converted signal;
The receiving circuit is integrated on a silicon substrate in a complementary metal oxide semiconductor (CMOS) structure.
The differential amplifier is integrated on an InP substrate.
Radio.
記受信回路の入力は、シングルエンドで、
前記InP基板には、前記差動アンプと前記受信回路の入力との間に介在しているシングル・差動変換回路が集積されている、
請求項に記載の無線機。
The input of the receiver circuit is single-ended,
a single-to-differential conversion circuit is integrated on the InP substrate and is interposed between the differential amplifier and an input of the receiving circuit;
5. A radio according to claim 4 .
記受信回路の入力は、差動入力であり、前記差動アンプと接続されている、
請求項に記載の無線機。
The input of the receiving circuit is a differential input and is connected to the differential amplifier.
5. A radio according to claim 4 .
前記アンテナは、前記InP基板に前記差動アンプとともに集積されたエンドファイア型アンテナである、the antenna is an end-fire type antenna integrated on the InP substrate together with the differential amplifier;
請求項1~6のいずれか1項に記載の無線機。A radio device according to any one of claims 1 to 6.
前記アンテナは、前記差動アンプに接続された第1端部と、当該第1端部の反対側の、自由空間に面する開口部を備える第2端部と、を備え、前記InP基板を収容した導波管アンテナである、the antenna is a waveguide antenna containing the InP substrate, the waveguide antenna having a first end connected to the differential amplifier and a second end opposite the first end and having an opening facing free space;
請求項1~6のいずれか1項に記載の無線機。A radio device according to any one of claims 1 to 6.
それぞれが請求項1からのいずれか1項に記載の無線機である、1次元状又は2次元状にアレイ配置された複数の無線機を備える、
フェイズドアレイ無線機。
a plurality of radio units arranged in a one-dimensional or two-dimensional array, each of the radio units being the radio unit according to any one of claims 1 to 8 ;
Phased array radio.
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