專利名稱：構建和封裝印刷天線裝置的設備和方法
技術領域：
本發(fā)明一般涉及用于無線或RF(射頻)通信系統(tǒng)的天線，更特定地，涉及提供高帶寬和效率具有基本半球形輻射場型的印刷天線設計，還涉及以IC(集成電路)芯片封裝該天線的設備和方法。
背景技術：
為了為無線網(wǎng)絡——例如無線PAN(個人區(qū)域網(wǎng))、無線LAN(局域網(wǎng))、無線WAN(廣域網(wǎng))、手機網(wǎng)絡或實際上任何無線電網(wǎng)絡或系統(tǒng)——中的裝置之間提供無線連接和通信，必須使接收器和發(fā)射器(或收發(fā)器)裝備有天線以向/從網(wǎng)絡的其它單元有效地輻射(發(fā)射)或接受所需的信號。
各種類型的天線都可用于這樣的通信網(wǎng)絡和裝置中，包括，例如，如圖1所示的傳統(tǒng)的印刷電路天線。更特定地，圖1繪出傳統(tǒng)的平面電路板天線(10)，包含平面電介質襯底(11)(或電路板)，具有位于地平面(13)之上與之相距h的印刷天線(12)，其中印刷天線(12)和地平面(13)形成在電介質襯底(11)的相對側上。如圖1所示在下方具有反射地平面的電介質襯底/電路板上具有印刷天線的天線框架通常用在需要將天線輻射限制在天線(1)的上半球的應用中。

發(fā)明內(nèi)容
如圖1所示具有框架的傳統(tǒng)印刷天線裝置的一個顯著缺點在于，這樣的設計限制了能夠實現(xiàn)的帶寬-效率乘積。實際上，通常只能犧牲效率來獲得高的帶寬。天線“效率”是天線輻射的功率和輸入天線的功率之間關系的一個度量(無損天線提供100％的效率)。天線效率將會因為電阻損耗和阻抗失配而降低。
此外，另一個影響帶寬-效率乘積的參數(shù)是襯底材料的介電常數(shù)。使用具有更低介電常數(shù)的襯底材料可以導致更高的帶寬-效率乘積。因此，在像圖1所示的印刷天線設計中通常使用具有襯底材料可獲得的最低介電常數(shù)2.1的PTFE基襯底，因為它們可提供好的帶寬-效率乘積設計，例如在80％效率時有10％帶寬。
然而，如果需要通過C4球將天線與MMW(毫米波)IC相連，那么用于在PTFE基襯底上生成饋送和天線圖案的腐蝕技術的容差以及通過能力都不能滿足要求。實際上，現(xiàn)有的具有足夠容差的金屬沉積方法(薄膜技術)都不能用于PTFE基材料。因此，當具有圖1的傳統(tǒng)框架的印刷天線設計工作在MMW頻率且要通過C4球與IC相連時，需要具有更高介電常數(shù)的襯底材料，從而導致了具有更小帶寬-效率乘積的天線。另外，使用PTFE基襯底所導致的帶寬-效率乘積并不適用于所有應用。
一般地，本發(fā)明的示例性實施方案一般包括印刷天線裝置，可工作在RF和微波頻率，同時給出好的天線性能特性，例如高的增益/方向性/輻射效率、高帶寬、半球形輻射場型、阻抗等，使這樣的天線適用于，例如，聲音通信、數(shù)據(jù)通信或雷達應用。
更特定地，在本發(fā)明的某一示例性實施方案中，天線裝置包含平面襯底、形成在平面襯底第一表面上的天線圖形，以及基本平行于且錯開平面襯底的第一表面并面向天線圖形的地平面。天線圖形可包含可印刷在平面襯底上的各種類型的天線中某一種，這些天線類型包括，但不局限于貼片天線(例如，共面貼片)、偶極天線、折疊偶極天線、單極天線、環(huán)形天線等。此外，就示例性天線實施方案，可用空氣或低介電常數(shù)材料——例如泡沫——來填充地平面和平面襯底之間的空間。
在本發(fā)明的另一示例性實施方案中，天線裝置可包括形成在平面襯底的第一表面上的天線饋送網(wǎng)絡。天線饋送網(wǎng)絡可包括阻抗匹配網(wǎng)絡。
在本發(fā)明的又一示例性實施方案中，天線包括形成在平面襯底的第一表面、與平面襯底的第一表面相對的第二表面或者平面襯底的第一和第二表面上的束狀圖形，以減小沿平面襯地平面的方向上的輻射和/或增強天線的半球形輻射場型(即，提高天線的方向性)。
本發(fā)明的示例性實施方案進一步包括根據(jù)本發(fā)明將印刷天線裝置與IC(集成電路)芯片(例如收發(fā)器)整體封裝以便為，例如，無線通信應用構建IC封裝的設備和方法。特定地，根據(jù)本發(fā)明實施方案的印刷天線裝置能夠以相對較小的地平面有效地工作，這使得實現(xiàn)了這種天線與IC芯片在相對較小的、尺寸類似于現(xiàn)有的用于，例如，收發(fā)器IC的帶引線載體或無引線芯片載體的封裝中的緊湊封裝。
更特定地，在本發(fā)明某一示例性實施方案中，IC(集成電路)封裝裝置包含封裝襯底，具有形成在其表面上的地平面；IC芯片，焊接在封裝襯底上；平面襯底，包含形成在平面襯底第一表面上的天線圖形，其中平面襯底倒裝焊在IC芯片上，從而天線圖形面向封裝襯底的地平面并且平面襯底的第一表面基本平行于且錯開封裝襯底的底表面；封裝蓋，形成在封裝基底襯底之上以密封IC芯片合平面襯底，其中封裝蓋包含開口，暴露平面襯底第二表面上與平面襯底第一表面具有天線圖形的部分相對的部分。
下面將會描述本發(fā)明的這些和其它示例性實施方案、方面、目的、特征和優(yōu)點，或者通過下面示例性實施方案的詳細描述將會使其更清楚，詳細描述結合附圖一起閱讀。


圖1為示出傳統(tǒng)印刷天線設計的示意圖。
圖2為示出根據(jù)本發(fā)明示例性實施方案的印刷天線裝置的示意圖。
圖3A為示出包含根據(jù)本發(fā)明示例性實施方案的印刷折疊偶極天線的示例性原型機天線裝置的示意圖。
圖3B示意性示出為圖3A的示例性原型機天線裝置提供地平面和空氣腔的金屬橋結構。
圖4圖示出對60GHz天線裝置測量和得到的垂直輻射場型，該裝置基于圖3A的框架建造和模擬。
圖5A和5B為示出對60GHz天線裝置測量和得到的阻抗匹配參數(shù)(S11)的圖解圖，該裝置基于圖3A的框架建造和模擬。
圖6A和6B為示出根據(jù)本發(fā)明示例性實施方案用于整體封裝天線和IC(集成電路)芯片的設備的示意圖。
圖7A～7F為根據(jù)本發(fā)明示例性實施方案可用于圖2所繪天線框架的各種平面天線的示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明的示例性實施方案一般包括印刷天線裝置，該裝置能夠，例如，工作在RF和微波頻率，而同時又給出像高的增益/方向性/輻射效率、高帶寬、半球形輻射場型、阻抗等天線性能特性，使得該天線適合于，例如，聲音通信、數(shù)據(jù)通信或雷達應用。本發(fā)明的示例性實施方案進一步包括根據(jù)本發(fā)明將印刷天線裝置與IC(集成電路)芯片(例如，收發(fā)器)整體封裝以構建IC封裝用于，例如，無線通信應用的設備和方法。特定地，根據(jù)本發(fā)明實施方案的印刷天線裝置能夠以相對較小的地平面有效地工作，這使得實現(xiàn)了這種天線與IC芯片在相對較小的、尺寸類似于現(xiàn)有的用于，例如，收發(fā)器IC的帶引線載體或無引線芯片載體的封裝中的緊湊封裝。實際上，舉例來說，根據(jù)本發(fā)明設計工作在大約20GHz或更高的諧振頻率的天線足夠小，可以與這樣的已有IC芯片封裝在一起。
現(xiàn)在參看圖2，示意圖示出根據(jù)本發(fā)明示例性實施方案的天線裝置。特定地，圖2為根據(jù)示例性實施方案的印刷天線裝置(20)的剖面示意圖，包含厚度(t)的平面襯底(21)、形成在襯底(21)表面上的印刷天線電路(22)(和饋送網(wǎng)絡)以及平面金屬地平面(23)。平面金屬地平面(23)基本平行于平面襯底(21)，面向天線圖形(22)。地平面(23)與印刷天線(22)的表面相距一定距離(h)，從而在地平面(23)和襯底(21)形成印刷天線(22)的表面之間形成空間(24)(或空腔)。在某一示例性實施方案中，空間/空腔(24)可填充空氣(介電常數(shù)＝1)。在另一示例性實施方案中，空間/空腔可填充泡沫材料，它具有相對較低的接近于空氣的介電常數(shù)(例如，介電常數(shù)＝1.1)。
取決于所需的應用和/或工作頻率，印刷天線(22)可包含一個或多個不同類型的印刷平面天線，包括，例如，偶極天線(圖7A)、折疊偶極天線(圖7B)、環(huán)形天線(圖7C)、矩形環(huán)天線(圖7D)、貼片天線(圖7E)、共面貼片天線(圖7F)、單極天線，等，還包含一個或多個不同類型的天線饋送和/或阻抗匹配網(wǎng)絡，例如平衡微分線、共面線，等。
另外，取決于天線的實現(xiàn)，襯底(21)可包含任何合適的材料，包括，例如，像熔融硅石(SiO2)、氧化鋁、聚苯乙烯、陶瓷、特富龍基襯底、FR4等電介質或絕緣材料，或者像高阻硅或GaAs等半導體材料。一般地，印刷天線(22)(和可選的饋送網(wǎng)絡)可通過使用，例如熟練的技術人員所熟知的方法沉積并構圖像銅或金這樣的薄膜導電材料來形成。在這點上，根據(jù)本發(fā)明的示例性天線裝置(20)保持了圖1繪出的傳統(tǒng)印刷電路如上所述的好處，同時與傳統(tǒng)印刷電路相比又進一步為高頻(例如毫米波)工作實現(xiàn)了更有效的結構和工作。實際上，與圖1的示例性天線設計相反，圖2的示例性天線框架同時給出高帶寬和高效率，這是各種因素的結果，例如天線(20)在印刷天線(22)和地(23)之間具有介電常數(shù)非常低的“襯底”(例如空氣腔(24))，天線(20)在印刷天線(22)上方具有高介電常數(shù)的電介質(21)材料。此外，利用這樣的天線設計，因為大部分電場將集中在印刷天線(22)結構之上的更高介電常數(shù)的電介質(21)(例如比空氣“襯底”(24)介電常數(shù)更高)中，這樣的天線設計給出非常好的方向性。
為了說明目的，下面將特定地關于印刷折疊偶極天線裝置和這種裝置在半導體IC封裝中的集成來描述本發(fā)明的示例性實施方案。然而，應當理解，本發(fā)明并不是要限制于任何特定天線類型或工作頻率。實際上，本發(fā)明更通用于任何適用于給定應用和/或工作頻率的天線類型以給出高帶寬-效率乘積天線。
例如，圖3A為示出根據(jù)本發(fā)明示例性實施方案包含印刷折疊偶極天線和饋送網(wǎng)絡的示例性天線裝置的示意圖。一般地，圖3A示意性繪出印刷天線裝置(30)，包含平面電介質襯底(31)、印刷折疊偶極天線(32)，以及包含通過平衡-不平衡轉換器(35)與有限地共面線(34)相連的平衡微分線(33)的饋送網(wǎng)絡。印刷折疊偶極天線(32)和饋送網(wǎng)絡(33、34和35)形成在襯底(31)的某個面(S1)上。
在另一示例性實施方案中，天線(30)進一步可選地包含形成在襯底表面(S2)上的一對金屬條(36)(如虛線所示)，平面(S2)與其上形成天線(32)和饋送網(wǎng)絡(33、34、35)的平面(S1)相對。金屬條(36)用于限制在沿天線襯底(31)的平面的方向上傳播的表面/襯底波的影響，在所要的方向提供更大的增益。在這點上，金屬條(36)可一般地考慮為“波束成形”或“波束成形增強”圖形，抑制平行于襯底(31)的方向上的輻射或波傳播并增強在所需方向(例如垂直于襯底(31))上的輻射或波傳播。
在圖3A的示例性實施方案中，金屬(波束成形)條(36)在襯底(31)的相對側(S2)上平行于折疊偶極(32)放置，與折疊偶極天線(32)相距大約1/2波長(自由空間)。然而，應當理解，金屬條(36)可以置于襯底(31)的任何一側(S1或S2)，或者在襯底(30)的兩側(S1和S2)上都有，以有效地抑制表面/襯底波傳播和增強天線的方向性。圖3A的示例性金屬條(36)適合于與示例性折疊偶極天線設計(或偶極設計)一起使用。應當了解，取決于印刷天線設計，可用于抑制表面/襯底波傳播的波束成形圖形(或其它機構)將可改變。
微分饋送線(33)包含形成在同一平面(即在襯底(31)的同一表面上)的兩條長度LF的平行饋送線(33a、33b)，由間隙GF隔開。饋送線(33a)和(33b)之間的間隙GF導致了平衡邊耦合帶狀傳輸線的形成。
共面線(34)包含兩條地線(34b)之間的信號饋送線(34a)。共面線(34)的信號饋送線(34a)通過平衡-不平衡轉換器(35)與平衡微分線(33)的饋送線(33a)相連。共面線(34)的兩條地線(34b)通過平衡-不平衡轉換器(35)與平衡微分線(33)的其它饋送線(33b)相連。在某一實施方案中，微分線(33)設計為具有能使折疊偶極天線(32)的阻抗與共面線(34)的阻抗匹配的本征阻抗。微分線(33)的阻抗可通過，例如，改變饋送線(33a、33b)的寬度和饋送線(33a、33b)之間的間隙GF的大小來調(diào)節(jié)，這是熟練的技術人員所理解的。
在圖3A的示例性實施方案中，折疊偶極天線(32)包含第一(饋送)半波偶極元件，它包含第一和第二四分之一波長元件(32a)和(32b)，它們互相平行，被間隙GD隔開。微分線(33)的間隙GF將第一半波偶極元件分成第一和第二四分之一波長元件(32a)和(32b)。元件(32a)和(32b)的末端部分通過元件(32d)與第二偶極元件(32c)的末端部分相連(短路)。折疊偶極天線(32)具有由LD表示的長度和由WD表示的寬度。
折疊偶極天線(32)的參數(shù)LD根據(jù)，例如，工作頻率和襯底(31)的介電常數(shù)而改變。此外，饋送網(wǎng)絡將根據(jù)，例如，給定的應用和/或天線所要連上的裝置的類型所需的阻抗而改變。例如，如果天線與發(fā)射器系統(tǒng)相連，饋送網(wǎng)絡將被設計成為功率放大器提供合適的連接和阻抗匹配。進一步舉例，如果天線與接收器系統(tǒng)相連，饋送網(wǎng)絡將設計成為LNA(低噪聲放大器)提供合適的連接和阻抗匹配。
為了測試和確定根據(jù)本發(fā)明的印刷天線設計的電學性質和特征，對具有和不具有金屬(波束成形條)的折疊偶極天線裝置利用與圖3A所繪類似的各種框架構建了原型機天線。特定地，建造了原型機天線，包含形成在熔融硅石(SiO2)電介質襯底(介電常數(shù)＝3.8)上的60GHz折疊偶極天線和饋送網(wǎng)絡(如圖3A所繪)(具有和不具有條)，厚度300微米。更特定地，參見圖3A，對于大約61.5GHz的諧振頻率，形成了60GHz折疊偶極天線(32)，具有下列尺寸WD＝40微米，GD＝40微米以及LD＝1460微米。此外，對于具有金屬(波束成形)條(36)的原型機，金屬條(36)尺寸5mm×0.5mm，平行于折疊偶極(32)置于熔融硅石襯底(31)的相對側上，與偶極(32)相距大約2mm。
此外，微分線(33)具有LF＝1/4波長(在61.5GHz時大約825微米)。微分線(33)用于將60GHz折疊偶極(32)的輸入阻抗從大約150歐姆變?yōu)?00歐姆。設計有限地共面線(34)并設置其尺寸(線寬和線之間的間距75微米)以提供100歐姆的特征阻抗來匹配天線(32)的輸入阻抗，像微分線(33)所提供的那樣。選擇平衡-不平衡轉換器(35)設計以提供在工作頻率下非常寬的帶寬。
圖3B示意性示出用在示例性原型機天線用來提供地平面和空氣腔的金屬橋結構(40)。金屬橋結構(40)由銅成分形成，包括尺寸為WG＝2mm、LG＝3mm和HG＝250微米的平面地平面(41)，以及尺寸為HS＝500微米和WS＝500微米的側面元件。原型機天線裝置的阻抗和輻射場型用共面探針測量。更特定地，襯底(31)容納在一個特殊的不導電樣品架上，從而天線(32)和饋送網(wǎng)絡位于襯底(31)上方，并且銅橋(40)置于襯底(41)上從而地平面(41)置于印刷折疊偶極天線(32)上方，通過側面元件與襯底(31)錯開/偏移HS＝500微米的距離，在襯底(31)和地平面(41)之間形成空氣腔。
此外，利用可以購買到的Ansoft的HFSSTM應用軟件對上述60GHz折疊偶極天線設計(具有和不具有波束成形條)進行了計算機模擬。正如在技術領域中已知的，HFSSTM為用于RF、無線、封裝和光電設計的3D EM模擬軟件工具。特定地，以下列參數(shù)進行模擬。更特定地，對60GHz折疊偶極天線(具有和不具有金屬條)以及饋送網(wǎng)絡定義了天線模型，它們具有類似于上面關于圖3A所討論的那些結構和尺寸，形成在厚度300微米的熔融硅石(SiO2)襯底上，其地平面與襯底相距500微米以在折疊偶極天線和地平面之間給出空氣腔。然而，在計算機模擬中，地平面和襯底假設為無限大，介電損耗(即損耗角正切)假設為0(因為熔融硅石具有非常低的損耗角正切)。
圖4為示出根據(jù)本發(fā)明的60GHz折疊偶極天線裝置的垂直輻射場型的示例圖。更特定地，圖4(以極坐標圖)圖示出對上面所討論的真實天線原型機測量得到的垂直輻射場型(實線)以及對上面所討論的計算機建模天線利用HFSS模擬工具所得到的計算機模擬垂直輻射場型(虛線)。圖4所繪的垂直輻射場型假設了原點位于點“O”(見圖3A)的笛卡兒坐標系統(tǒng)，其中Z軸沿穿過襯底(31)且垂直于襯底表面的方向延伸，其中x軸沿襯底表面上沿折疊偶極(32)的軸向水平延伸，以及其中y軸沿襯底表面上的垂直于折疊偶極天線(32)的軸的方向水平延伸。
圖4(以極坐標)示出由ZY平面(phi＝90度)所確定的垂直平面從0-180度測量/得到的垂直輻射場型，其中0度代表正z方向(在圖3A中是從襯底(31)的表面(S2)正交延伸出來到天線上方)，180度代表負z方向(在圖3A中是從襯底(31)的表面(S1)正交延伸出來指向地平面)。圖4(以極坐標)示出(i)對具有金屬(波束成形)條的天線原型機測得的垂直輻射場型(45)(實線)，(ii)對不具有金屬(波束成形)條的天線原型機測得的垂直輻射場型(47)(實線)，(iii)對具有金屬(波束成形)條的示例性折疊偶極天線進行計算機模擬得到的垂直輻射場型(46)(虛線)，以及(iv)對不具有金屬(波束成形)條的示例性折疊偶極天線進行計算機模擬得到的垂直輻射場型(48)(虛線)。
圖4所繪垂直輻射場型示出好的半球形輻射場型，EM能主要輻射在天線上方的上半球(-90至90)。測得的和模擬的輻射場型(47)和(48)示出，對于不具有金屬(波束成形)條的60GHz折疊偶極天線設計來說，雖然在垂直方向(0度)上有大約5dB的增益，但是在平行于襯底(31)的水平方向(90度)上也有顯著的增益。然而，測得的和模擬的輻射場型(45)和(46)示出，對于具有金屬(波束成形)條的60GHz折疊偶極天線設計來說，在垂直方向(0度)上增益增大了大約5dB，而在水平方向(90度)上增益顯著減小。從而，這些結果顯示金屬(波束成形)條有效地減小了水平輻射并增強了在所需方向上的增益。應當了解示例性天線設計非常適合于用作反射器以及具有場型多樣性的無線個人區(qū)域網(wǎng)絡的饋送。
圖5A和5B示出如上所述具有和不具有金屬條的示例性原型機和模擬的60GHz折疊偶極天線設計測得的和模擬的阻抗匹配參數(shù)(S11)。特定地，圖5A以dB分別圖示出不具有金屬(波束成形)條的示例性原型機和模擬天線設計的測得的(實線)和模擬的(虛線)輸入阻抗匹配參數(shù)(S11)。進一步，圖5B以dB分別圖示出具有金屬(波束成形)條的各原型機和模擬的60GHz折疊偶極天線設計的測得的(實線)和模擬的(虛線)輸入阻抗匹配參數(shù)(S11)。
圖5A和5B中圖示的測得的/模擬的輸入阻抗匹配(S11)示出，各種天線實施方案給出好于10％的寬帶寬，覆蓋大約57GHz到大約64GHz的頻帶范圍(其中基于某一頻率范圍來定義帶寬，在這一頻率范圍內(nèi)，S11測到為大約-10dB或更好)。更特定地，這些結果顯示60GHz折疊偶極天線設計為在ISM波段(59-64GHz)應用示例性天線設計提供了足夠的帶寬。
熟練的技術人員將能容易地理解，具有類似于，例如圖2和3A所繪的結構的印刷天線的電學特性(例如天線阻抗、諧振頻率、帶寬、效率、輻射場型等)將會隨不同因素——例如襯底厚度、襯底介電常數(shù)和空氣腔高度——而改變。實際上，根據(jù)此處的描述，熟練的天線設計技術人員將能容易地設計并建立具有如圖2所繪的框架的天線，使用任何，例如，如圖7A～7F所繪的合適的印刷平面天線類型，用于各種應用和用于不同的工作頻率。
應當了解，根據(jù)本發(fā)明示例性實施方案的天線能夠與IC芯片整體封裝在相對較小的封裝中以構建RF或無線通信芯片。例如，圖6A和6B為示出根據(jù)本發(fā)明一個示例性實施方案用于整體封裝天線和IC芯片的設備的示意圖。更特定地，圖6A示意性示出IC封裝設備(50)的平面(頂)視圖，而圖6B示意性示出該設備(50)沿6B-6B線的剖面圖。
設備(50)包含封裝襯底基底(51)，其上形成有金屬地平面(52)和許多封裝觸點/引線(53)。IC芯片(54)(例如，IC收發(fā)器)背(無源)表面焊接在封裝基底(51)上。該設備進一步包含電介質襯底(55)，在襯底(55)的底表面上形成第一天線(56)和饋送線(57)圖形和以及第二天線(58)和饋送線(59)圖形。在圖6A～B的示例性實施方案中，天線(56)和(58)以及饋送線(57)和(59)為60GHz折疊偶極天線以及具有框架的微分饋送線，正如上面關于圖3A所討論的那樣，它們形成在300微米厚的熔融硅石襯底上。此外，在示例性實施方案中，第一天線(56)用于傳輸信號而第二天線(58)用于接收信號。
襯底(55)通過許多焊球(60)和(61)倒裝焊在IC芯片(54)的有源表面上。焊球(60)為各天線(56)和(58)提供IC芯片(54)的有源元件和/或阻抗匹配結構與饋送線(57)和(59)之間的低損耗電學連接。焊球(61)可用于提供芯片(54)和襯底(55)之間的額外機械支撐。
由于天線(56)和(58)并不位于芯片(54)上方，因此封裝基底(51)的地平面(52)用作天線(56)和(58)的地平面。在本發(fā)明的某一示例性實施方案中，天線襯底(55)天線襯底(55)與封裝基底(51)的地平面(52)錯開大約500微米以形成空腔(62)(給定IC芯片(54)和焊球(60)的典型尺寸之后，這一間隔可以容易地得到)?？涨?62)可以是空氣腔或如果需要的話，空腔(62)可以填充介電常數(shù)非常小的材料(通常是泡沫)，它提供了額外的機械支撐。
設備(50)進一步包含密封IC封裝的封裝蓋(63)，可以由低損塑料襯底形成。在圖6A中，封裝蓋(63)和電介質襯底(55)以虛線繪出(透明的)。封裝蓋(63)上形成有開口(64)暴露天線襯底(55)在天線(56)和(58)上方的部分。這些開口(64)用以防止天線輻射的損耗。此外，在圖6A～6B的示例性實施方案中，金屬條(65)形成在天線襯底(55)的上表面上以如上面所討論的那樣優(yōu)化輻射場型。如圖所示，蓋上的開口(64)的尺寸使得至少暴露金屬條(65)和天線襯底(55)在條(65)之間的區(qū)域。
此外，IC芯片(54)包含許多在芯片(54)有源表面上的接觸焊點(66)，用于通過焊接線(67)形成IC芯片(54)和封裝接觸/引線(53)之間的電學連接(例如，地、電源、I/O)。如圖6A所繪，天線襯底(55)形成L形以在IC芯片(54)上給出一個區(qū)域來通過焊接線(67)將所有其它I/O信號連到封裝引線(53)上。此外，發(fā)射天線(56)和接受天線(58)互相正交放置，使互耦最小化。
在本發(fā)明其它示例性實施方案中，設備(50)可包含阻抗匹配網(wǎng)絡用于匹配天線和IC芯片(54)上的裝置/電路(例如功率放大器)的阻抗。例如，在某一實施方案中，阻抗匹配網(wǎng)絡(例如傳輸線)可以整體形成在IC芯片(54)上。例如，在圖6A-B的示例性實施方案中，如圖3A所繪，焊球(60)可焊在阻抗匹配網(wǎng)絡——例如與形成在IC芯片(54)上的共面?zhèn)鬏斁€相連的平衡-不平衡轉換器——的某一端上，提供天線和與阻抗另一端相連的裝置/元件(例如功率放大器、LNA等)之間的電感性/電容性阻抗。應當理解，上面關于，例如，圖3A和6A-B所討論的示例性實施方案僅僅是根據(jù)本發(fā)明的天線和IC封裝的示例性實施方案，熟練的技術人員可以容易地想像其它能夠用本發(fā)明的裝置和方法構建及與IC芯片封裝的天線類型。例如，利用貼片天線，可以形成具有圖2所繪的一般網(wǎng)絡的天線。
此外，根據(jù)本發(fā)明的描述構建的任何合適的高頻天線(例如大約20GHz或更高)都可用于構建集成通信芯片，上面所討論并在圖3A和6A-B中繪出的60GHz折疊偶極天線僅僅是本發(fā)明用于IC封裝裝置中的一個示例性實施方案。此外，盡管在圖6A和6B中繪出了兩個分開的天線，但是也可容易地想像根據(jù)本發(fā)明其它示例性實施方案的IC封裝，其中對集成的天線和收發(fā)器芯片封裝設計只使用一個天線用于發(fā)射和接收。此外，在其它示例性實施方案中，圖6A-B中所繪的IC芯片(54)可包含集成收發(fā)器芯片、集成接收器芯片、集成發(fā)射器芯片等，和/或其它包含必要的支持電路用于實現(xiàn)通信芯片封裝的IC芯片。
熟練的技術人員將能容易地了解與根據(jù)本發(fā)明的天線和集成天線封裝相關的各種優(yōu)點。例如，在襯底上包含印刷天線的示例性天線設計使得大規(guī)模天線生產(chǎn)能力成為可能。此外，根據(jù)本發(fā)明示例性實施方案的集成IC封裝使得天線能夠與IC芯片——例如收發(fā)器芯片——集成封裝，這提供了在收發(fā)器和天線之間具有非常低損耗的緊湊設計。實際上，示例性天線設計所需的相對較小的地平面使得非常緊湊的封裝成為可能。另外，這樣的封裝設計消除了在高頻輸入和輸出信號情況下使收發(fā)器芯片退化的需要，從而給出低損耗設計。
另一優(yōu)點在于印刷天線設計和具有這種天線的IC封裝給出非常適合于置于聚焦天線中心的輻射場型，用于像點到點系統(tǒng)或雷達系統(tǒng)這樣的定向天線應用。實際上，根據(jù)本發(fā)明的天線和集成天線封裝使得很多應用成為可能，例如集成相控陣列天線系統(tǒng)、個人區(qū)域網(wǎng)絡、雷達饋送、冗余所導致的高可靠性、點到點系統(tǒng)，等。此外，根據(jù)本發(fā)明的集成天線/IC芯片封裝的使用節(jié)省了很多空間、尺寸、成本和重量，這對于實際上任何商業(yè)或軍事應用都是非常有價值的。
此外，在本發(fā)明其它示例性實施方案中，天線可具有形成在襯底上的兩個或多個印刷天線的陣列，以給出具有所需方向性的天線用于波束形成或波束導引天線應用。一般地，利用相控陣列天線可以得到定向天線波束場型，其中輸入每個印刷天線的輸入信號相位被控制以將定向天線場型電子地掃描或定向到所需方向。也可以置于聚焦天線中心用于像點到點系統(tǒng)或雷達系統(tǒng)這樣的定向天線應用。此外，應當了解根據(jù)本發(fā)明示例性實施方案的天線設計并非只能用于MMW應用，而是還可以用在更低的頻率。
盡管這里關于附圖描述了示例性實施方案作為說明，應當理解，本發(fā)明并不局限于那些精確的實施方案，只要不超出本發(fā)明的領域，熟練的技術人員在此都能夠實現(xiàn)各種其它改變和調(diào)整。
權利要求
1.一種天線，包含平面襯底；天線圖形，形成在平面襯底的第一表面上；以及地平面，基本平行于平面襯底的第一表面且與其錯開，面向天線圖形。
2.根據(jù)權利要求1的天線，其中地平面和平面襯底之間的空間填滿空氣。
3.根據(jù)權利要求1的天線，其中地平面和平面襯底之間的空間填滿泡沫。
4.根據(jù)權利要求1的天線，進一步包含天線饋送網(wǎng)絡，形成在平面襯底的第一表面上。
5.根據(jù)權利要求4的天線，其中天線饋送網(wǎng)絡包含阻抗匹配網(wǎng)絡。
6.根據(jù)權利要求1的天線，其中天線具有大約20GHz或更大的諧振頻率。
7.根據(jù)權利要求1的天線，其中天線圖形為折疊偶極天線或偶極天線。
8.根據(jù)權利要求1的天線，其中天線圖形為貼片天線。
9.根據(jù)權利要求1的天線，進一步包含波束成形圖形，形成在平面襯底的第一表面上、或平面襯底的與第一表面相對的第二表面上，或平面襯底的第一表面以及第二表面上，用以減小沿平面襯底的平面方向上的輻射。
10.根據(jù)權利要求9的天線，其中天線圖形包含折疊偶極天線，并且其中波束成形圖形包含第一和第二金屬條，平行于折疊偶極的縱軸延伸。
11.一種無線裝置，具有權利要求1中所限定的天線。
12.一種IC(集成電路)封裝裝置，包含權利要求1中所限定的天線。
13.一種IC(集成電路)封裝裝置，包含封裝襯底，具有形成于其表面上的地平面；IC芯片，焊接在封裝襯底的表面上；平面襯底，包含形成在平面襯底第一表面上的天線圖形，其中平面襯底倒裝焊在IC芯片上，從而天線圖形面向封裝襯底的地平面，并且平面襯底的第一表面基本平行于封裝襯底的地平面且與其錯開；以及封裝蓋，形成在封裝基底襯底上方以密封IC芯片和平面襯底，其中封裝蓋包含開口，暴露平面襯底的第二表面上與平面襯底的第一表面上具有天線圖形的部分相對的部分。
14.根據(jù)權利要求13的裝置，其中地平面和平面襯底之間的空間填滿空氣。
15.根據(jù)權利要求13的裝置，其中地平面和平面襯底之間的空間填滿泡沫。
16.根據(jù)權利要求13的裝置，進一步包含天線饋送網(wǎng)絡，形成在平面襯底的第一表面上，其中饋送網(wǎng)絡利用焊球與IC芯片上的觸點相連。
17.根據(jù)權利要求16的裝置，其中天線饋送網(wǎng)絡包含阻抗匹配網(wǎng)絡。
18.根據(jù)權利要求13的裝置，其中天線具有大約20GHz或更大的諧振頻率。
19.根據(jù)權利要求13的裝置，其中天線圖形為折疊偶極天線或偶極天線。
20.根據(jù)權利要求13的裝置，其中天線圖形為貼片天線。
21.根據(jù)權利要求13的裝置，進一步包含波束成形圖形，形成在平面襯底的第一表面上、平面襯底的第二表面的暴露部分上、以及平面襯底的第一表面和第二表面的暴露部分上這三種情況中的一種，用以減小沿平面襯底的平面方向上的輻射。
22.根據(jù)權利要求13的裝置，進一步包含波束成形圖形，形成在平面襯底的第一表面上、平面襯底的第二表面的暴露部分上、以及平面襯底的第一表面和第二表面的暴露部分上這三種情況中的一種，用以增強平面襯底第二表面上方的半球中的垂直輻射。
23.根據(jù)權利要求21的天線，其中天線圖形包含折疊偶極天線或偶極天線，并且其中波束成形圖形包含第一和第二金屬條，平行于折疊偶極的縱軸延伸。
24.一種無線通信裝置，具有權利要求1所限定的IC封裝裝置。
25.根據(jù)權利要求13的裝置，其中IC芯片包含收發(fā)器、接收器或發(fā)射器。
全文摘要
本發(fā)明給出了印刷天線裝置，可工作在，例如，RF和微波頻率，同時給出天線性能特性，例如高的增益/方向性/輻射效率、高帶寬、半球形輻射場型、阻抗等，使得該天線適合于，例如，聲音通信、數(shù)據(jù)通信或雷達應用。此外，還給出了用于將這種印刷天線裝置與IC(集成電路)芯片(例如收發(fā)器)整體封裝以構建IC封裝用于，例如，無限通信應用的設備。
文檔編號H01Q9/04GK1716695SQ200510080939
公開日2006年1月4日 申請日期2005年6月24日 優(yōu)先權日2004年6月30日
發(fā)明者布賴恩·鮑爾·高徹爾, 劉兌現(xiàn), 烏爾里?！だ聿榈隆?shù)婪颉て辗歉? 托馬斯·馬丁·茲維克 申請人:國際商業(yè)機器公司