專利名稱：用于多頻帶應(yīng)用的使用低損耗襯底層疊的多層小型的嵌入式天線的制作方法
用于多頻帶應(yīng)用的使用低損耗襯底層疊的多層小型的嵌入
式天線技術(shù)發(fā)展允許話音、視頻、成像和數(shù)據(jù)信息的壓縮和數(shù)字化。在無(wú)線移動(dòng)無(wú)線電通信中的裝置之間傳送數(shù)據(jù)的需要要求以高數(shù)據(jù)率來(lái)接收精確的數(shù)據(jù)流。提供允許無(wú)線 電應(yīng)付增加的容量、同時(shí)提供改進(jìn)質(zhì)量的根據(jù)不同標(biāo)準(zhǔn)和頻帶來(lái)操作的天線將是有利的。 為結(jié)合集成的小型的良好性能的天線的移動(dòng)因特網(wǎng)裝置提供日益更小的形狀因數(shù)(form factor)也將是有利的。


認(rèn)為是本發(fā)明的主題在說(shuō)明書的結(jié)論部分中特別指出并清楚地要求權(quán)利。然而， 就操作的方法和組織而言，本發(fā)明及其目的、特征和優(yōu)點(diǎn)可通過(guò)與附圖一起閱讀時(shí)參照下 面的詳細(xì)說(shuō)明來(lái)最好地理解，其中圖1示出根據(jù)本發(fā)明的包括一個(gè)或多個(gè)天線的無(wú)線通信裝置，其允許無(wú)線電通 信；圖2和3示出使用低損耗、低成本塑料襯底層疊的、用于多頻帶應(yīng)用的小型的多層 單極型天線結(jié)構(gòu)；圖4示出以dB表示的回程損耗(return loss)數(shù)據(jù)，并且示出天線對(duì)于雙頻帶應(yīng) 用很好地匹配；圖5是用于具有良好的增益和輻射效率的單極天線結(jié)構(gòu)的在2. 45GHz的遠(yuǎn)場(chǎng)圖；圖6示出具有S參數(shù)和3D增益(dBi)圖的三金屬層天線設(shè)計(jì)；以及圖7示出對(duì)于在低損耗、低成本塑料襯底層疊上使用多層金屬圖案和貫穿金屬通 路的超小型嵌入式天線結(jié)構(gòu)的示意圖。將理解，為了圖示的簡(jiǎn)明和清晰，圖中示出的元件不一定按比例畫出。例如，為了 清晰，一些元件的尺寸可能相對(duì)其它元件被夸大。此外，在認(rèn)為適當(dāng)之處，引用數(shù)字已在圖 之間重復(fù)以指示對(duì)應(yīng)的或相似的元件。
具體實(shí)施例方式在下面的詳細(xì)描述中，為提供本發(fā)明的詳盡理解而陳述了許多特定的細(xì)節(jié)。然而， 本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解，本發(fā)明可在沒有這些特定細(xì)節(jié)的情況下實(shí)行。在其它情況下，公 知的方法、過(guò)程、組件和電路未詳細(xì)描述以免混淆本發(fā)明。如本文描述的本發(fā)明示出多頻帶前端模塊(FEM)，其結(jié)合用于無(wú)線應(yīng)用的多層塑 料襯底技術(shù)。FEM包括PA、要求的匹配和過(guò)濾以及發(fā)射/接收(T/R)模塊以用于寬帶或雙 向應(yīng)用。塑料襯底層疊對(duì)模塊整體大小、成本和功能性提供積極的影響。圖1中示出的實(shí)施列示出無(wú)線通信裝置10，該裝置包括多層塑料襯底上制作的一 個(gè)或多個(gè)天線結(jié)構(gòu)14，其允許無(wú)線電與其它用無(wú)線電的通信裝置進(jìn)行通信。根據(jù)本發(fā)明的 天線結(jié)構(gòu)14是嵌入式天線，其使用來(lái)自RF前端模塊封裝襯底層疊的多金屬層，這導(dǎo)致超小 的形狀大小。因而，通信裝置10可作為蜂窩裝置或在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中操作的裝置來(lái)操作，所述無(wú)線網(wǎng)絡(luò)例如諸如提供基于IEEE 802. 11規(guī)范的無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)的底層技術(shù)的無(wú)線保真(Wi-Fi)、基于IEEE 802. 16-2005的WiMax和移動(dòng)WiMax、寬帶碼分多址(WCDMA)以及全 球移動(dòng)通信系統(tǒng)(GSM)網(wǎng)絡(luò)，但本發(fā)明不限于僅在這些網(wǎng)絡(luò)中操作。通信裝置10的相同平 臺(tái)中并置的無(wú)線電子系統(tǒng)提供RF/位置空間中以不同頻帶與網(wǎng)絡(luò)中的其它裝置進(jìn)行通信 的能力。該簡(jiǎn)單化的實(shí)施例示出天線結(jié)構(gòu)14到收發(fā)器12的耦合以適應(yīng)調(diào)制/解調(diào)。通常， 模擬前端收發(fā)器12可以是獨(dú)立的射頻(RF)分立或集成模擬電路，或者收發(fā)器12可以與具 有一個(gè)或多個(gè)處理器核16和18的處理器嵌在一起。多個(gè)核允許跨核分擔(dān)處理工作量，并 應(yīng)付基帶功能和應(yīng)用功能。數(shù)據(jù)可通過(guò)處理器與系統(tǒng)存儲(chǔ)器20中的存儲(chǔ)器存儲(chǔ)裝置之間 的接口來(lái)傳送。圖2示出一種小型的多層單極型天線結(jié)構(gòu)14，該結(jié)構(gòu)使用對(duì)于多頻帶應(yīng)用有用的 低損耗、低成本的襯底層疊。多層襯底層疊能夠是低損耗塑料襯底層疊、聚合物襯底層疊或 適合于FEM的薄材料有機(jī)襯底層疊。盡管來(lái)自高性能襯底層疊的多金屬層傳統(tǒng)上已經(jīng)用于 嵌入式集總元件，例如，諸如電感器和電容器等，但本發(fā)明使用類似的金屬結(jié)構(gòu)來(lái)示出保持 多頻帶天線特性的小的高性能天線結(jié)構(gòu)。本發(fā)明中描述的超小型的天線具有極佳增益和對(duì) 于超移動(dòng)裝置類型小形狀因數(shù)環(huán)境合乎需要的輸入匹配。如圖中所示出的，襯底層疊包括具有在襯底的表面上形成的圖案化金屬層線路的
多個(gè)襯底212、214.....216等。金屬層之間的中間電介質(zhì)具有低損耗特性，并且適合于高
性能天線應(yīng)用。單極型天線結(jié)構(gòu)利用來(lái)自無(wú)線電前端板的地平面和圖案以及來(lái)自小形狀因 數(shù)移動(dòng)無(wú)線裝置類型機(jī)械結(jié)構(gòu)的其它部分的地。來(lái)自小形狀因數(shù)平臺(tái)或無(wú)線電設(shè)計(jì)的任何 地平面可用于嵌入這些天線。通過(guò)使用絕緣金屬貫穿通路結(jié)構(gòu)，能訪問(wèn)用于這些極小大小 天線的地。圖3示出襯底層疊的幾個(gè)層以顯示不同襯底層的表面上的金屬線路，其可通過(guò)貫 穿通路和盲通路226來(lái)連接以形成天線結(jié)構(gòu)。應(yīng)注意的是，不同實(shí)施例可使用具有兩個(gè)、三 個(gè)、四個(gè)、五個(gè)或六個(gè)金屬層的襯底層疊以實(shí)現(xiàn)多頻帶操作，但是用于形成天線結(jié)構(gòu)的金屬 層的數(shù)量和層疊中襯底層的數(shù)量對(duì)本發(fā)明無(wú)限制。在各個(gè)襯底上圖案化的金屬層的組合產(chǎn) 生可用于例如實(shí)現(xiàn)多頻帶、高增益性能天線的結(jié)構(gòu)，這些天線在0. 5mm襯底層疊上具有小 于30sq. mm的大小以用于WLAN類型應(yīng)用。在圖中示出的示范結(jié)構(gòu)中，在多層塑料封裝襯底層疊上，在天線設(shè)計(jì)中使用兩個(gè) 金屬層?？赡艿氖?，多層塑料襯底層疊很好地適合于將來(lái)一代的低成本多無(wú)線電前端模塊。 第一金屬層線路222在襯底212上圖案化，并且第二金屬層線路224在襯底214上圖案化。 通路226在襯底212中蝕刻或形成以提供第一金屬層線路222到第二金屬層線路224的低 阻抗電連接。例如線路222和224的多金屬層線路之間的互電感和電容用于定義多層天線 結(jié)構(gòu)14中的最佳帶寬和操作頻率。圖4示出用于多層單極天線結(jié)構(gòu)的以dB表示的回程損耗數(shù)據(jù)，并且示出天線對(duì)于 雙頻帶WLAN應(yīng)用很好地匹配。第一金屬層222和第二金屬層224的線路寬度(簡(jiǎn)短地參見 圖3)和線路之間的間隔能被優(yōu)化以在小形狀因數(shù)環(huán)境中在期望的頻帶實(shí)現(xiàn)良好的輻射圖 案(radiation pattern) 0具有50歐姆阻抗的金屬發(fā)射線路結(jié)構(gòu)激勵(lì)天線輸入，并且結(jié)果 顯示大約6. 5X6. 6X0. 5立方mm大小的天線大小提供多頻帶操作，并在2. 4GHz和5. 5GHz兩個(gè)頻帶操作。通過(guò)修改此天線結(jié)構(gòu)的金屬線路寬度和金屬圖案，能增加帶寬。圖5是用于具有6. 14dBi增益和極佳輻射效率的單極天線結(jié)構(gòu)14的在2. 45GHz 的遠(yuǎn)場(chǎng)圖。此圖中所示的性能是針對(duì)圖3和4中示出的兩層天線結(jié)構(gòu)。天線結(jié)構(gòu)展示出在 彌散場(chǎng)導(dǎo)致某個(gè)遠(yuǎn)場(chǎng)輻射圖案的輻射。此輻射圖案顯示天線在某個(gè)方向中比另一方向輻射 出更多功率。天線被認(rèn)為是具有如通常以dB表示的某個(gè)方向性。圖6示出具有S參數(shù)和3D增益(dBi)圖的三金屬層Wi-Fi和WiMax天線設(shè)計(jì)。該 圖示出具有2. 5GHz和5. 5GHz Wi-Fi雙頻帶、在2. 5GHz實(shí)現(xiàn)2. 58dBi增益的天線。該圖還 示出用于3. 5GHz WiMax頻帶、具有3. 7dBi增益的3層天線。天線覆蓋Wi-Fi和WiMAX頻 帶的整個(gè)帶寬，并且表現(xiàn)出小于-IOdB的回程損耗。圖7示出對(duì)于在低損耗、低成本塑料襯底層疊上使用4層金屬圖案和貫穿金屬通 路的超小型嵌入式天線結(jié)構(gòu)的電磁仿真示意圖。該圖示出形成4層天線的金屬圖案和連接 金屬通路。在對(duì)于使用多層有機(jī)塑料襯底層疊的一備選實(shí)施例中，可使用低溫共燒陶瓷 (LTCC)襯底層疊。然而，由于在更高介電材料中明顯的表面波激勵(lì)，LTCC材料具有影響天 線的輻射效率和阻抗帶寬的更高介電常數(shù)，從而導(dǎo)致輻射圖案的惡化。此外，由于絲網(wǎng)印刷 的Ag金屬層圖像形成，LTCC材料的損耗特性高于或可比于有機(jī)塑料襯底材料。這時(shí)，應(yīng)明白本發(fā)明的實(shí)施例允許低成本天線在不同平臺(tái)上操作并與多無(wú)線電 系統(tǒng)級(jí)封裝(SOP)集成。將來(lái)的無(wú)線系統(tǒng)將包括多頻帶天線的集成和多個(gè)無(wú)線電以應(yīng)付 WLAN、WiMax、BT、GPS、DVBH以及其它。這些薄且輕的機(jī)械外殼(casing)將要求與無(wú)線電集 成的超小天線架構(gòu)。這些天線能與多無(wú)線電架構(gòu)的前端模塊(FEM)單片地集成以用于超小 形狀因數(shù)移動(dòng)裝置類型應(yīng)用，從而降低成本和增強(qiáng)性能。雖然本文中已示出和描述本發(fā)明的某些特征，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員現(xiàn)在將想到許 多修改、替代、更改和等效物。因此，要理解，隨附權(quán)利要求旨在覆蓋落在本發(fā)明真正精神內(nèi) 的所有此類修改和更改。
權(quán)利要求
一種用于多頻帶應(yīng)用的前端模塊(FEM)，包括單極型天線，在用于所述FEM的多層基于有機(jī)的塑料襯底層疊中由在所述層疊中第一襯底的表面上圖案化并且通過(guò)所述第一襯底中的通路連接到所述層疊中第二襯底的表面上圖案化的第二金屬層的第一金屬層來(lái)形成。
2.如權(quán)利要求1所述的FEM，其中在塑料封裝襯底上使用多個(gè)金屬層來(lái)形成所述單極 型天線。
3.如權(quán)利要求1所述的FEM，其中所述襯底層疊包括低損耗介電特性。
4.如權(quán)利要求1所述的FEM，其中所述多層有機(jī)塑料襯底中形成的所述單極型天線覆 蓋多個(gè)頻帶。
5.如權(quán)利要求1所述的FEM，其中所述第一金屬層和第二金屬層通過(guò)貫穿通路和盲通 路來(lái)連接以形成天線結(jié)構(gòu)。
6.如權(quán)利要求1所述的FEM，其中所述第一金屬層和第二金屬層在多層有機(jī)塑料襯底 層疊中用于實(shí)現(xiàn)所述多頻帶操作。
7.如權(quán)利要求1所述的FEM，其中所述多層有機(jī)塑料襯底層疊上圖案化的金屬層的組 合用于為小形狀因數(shù)通信裝置應(yīng)用實(shí)現(xiàn)多頻帶天線。
8.一種用于多頻帶應(yīng)用的多層天線結(jié)構(gòu)，包括在多層襯底層疊中以形成所述多層天線結(jié)構(gòu)的第一和第二金屬層。
9.如權(quán)利要求8所述的多層天線結(jié)構(gòu)，其中所述多層襯底層疊是塑料襯底層疊。
10.如權(quán)利要求8所述的多層天線結(jié)構(gòu)，其中所述多層襯底層疊是有機(jī)襯底層疊。
11.如權(quán)利要求8所述的多層天線結(jié)構(gòu)，其中所述多層襯底層疊是聚合物襯底層疊。
12.如權(quán)利要求8所述的多層天線結(jié)構(gòu)，其中所述多層襯底層疊包括在所述多層襯底 層疊中低損耗第一襯底的表面上圖案化的所述第一金屬層，所述第一金屬層通過(guò)所述第一 低損耗襯底中的通路連接到在所述多層襯底層疊中第二低損耗襯底的表面上圖案化的第二金屬層。
13.如權(quán)利要求8所述的多層天線結(jié)構(gòu)，其中所述第一和第二金屬層之間的互電感和 電容定義所述多層天線結(jié)構(gòu)中的帶寬和操作頻率。
14.一種便攜式裝置，包括前端模塊(FEM)，用于多頻帶應(yīng)用；以及多層天線結(jié)構(gòu)，在多層塑料襯底層疊中形成并耦合到所述FEM，所述多層塑料襯底中的 所述多層天線結(jié)構(gòu)包括第一金屬層，所述第一金屬層在所述多層塑料襯底層疊中的第一襯 底上圖案化，并通過(guò)通路連接到在所述多層塑料襯底層疊中第二襯底上圖案化的第二金屬層。
15.如權(quán)利要求14所述的便攜式裝置，其中所述第一和第二金屬層包括在所述多層塑 料襯底層疊中。
16.如權(quán)利要求14所述的便攜式裝置，其中在低損耗塑料封裝襯底上使用多個(gè)金屬層 來(lái)形成所述多層天線結(jié)構(gòu)。
17.如權(quán)利要求14所述的便攜式裝置，其中所述多層塑料襯底層疊包括低損耗介電特性。
18.如權(quán)利要求14所述的便攜式裝置，其中所述多層塑料襯底層疊中形成的所述多層天線結(jié)構(gòu)覆蓋雙頻帶。
19.一種具有多頻帶通信的無(wú)線裝置，包括 多個(gè)無(wú)線電，在前端模塊(FEM)中； 多個(gè)處理器核，耦合到所述FEM ；以及第一和第二天線，在所述FEM的多層塑料襯底層疊中由在所述層疊中第一襯底的表面 上圖案化并通過(guò)通路連接到所述層疊中第二襯底的表面上圖案化的第二金屬層的第一金 屬層來(lái)形成。
20.如權(quán)利要求19所述的無(wú)線裝置，其中所述天線在具有低損耗襯底特性的所述多層 塑料襯底層疊上形成。
21.如權(quán)利要求19所述的無(wú)線裝置，其中所述多層塑料襯底層疊中形成的所述天線覆蓋雙頻帶。
22.如權(quán)利要求19所述的無(wú)線裝置，其中堆疊有機(jī)或聚合物塑料材料以形成所述多層塑料襯底層疊。
全文摘要
多頻帶前端模塊(FEM)結(jié)合多層塑料襯底層疊，其中，金屬層在層疊中的襯底層上圖案化以提供小型的單極型天線。
文檔編號(hào)H04B1/40GK101828301SQ200880112595
公開日2010年9月8日 申請(qǐng)日期2008年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月18日
發(fā)明者D·喬德扈里, S·蘇 申請(qǐng)人:英特爾公司