专利名称：用于多频带应用的使用低损耗衬底层叠的多层小型的嵌入式天线的制作方法
用于多频带应用的使用低损耗衬底层叠的多层小型的嵌入
式天线技术发展允许话音、视频、成像和数据信息的压缩和数字化。在无线移动无线电通信中的装置之间传送数据的需要要求以高数据率来接收精确的数据流。提供允许无线 电应付增加的容量、同时提供改进质量的根据不同标准和频带来操作的天线将是有利的。 为结合集成的小型的良好性能的天线的移动因特网装置提供日益更小的形状因数(form factor)也将是有利的。
认为是本发明的主题在说明书的结论部分中特别指出并清楚地要求权利。然而， 就操作的方法和组织而言，本发明及其目的、特征和优点可通过与附图一起阅读时参照下 面的详细说明来最好地理解，其中图1示出根据本发明的包括一个或多个天线的无线通信装置，其允许无线电通 信；图2和3示出使用低损耗、低成本塑料衬底层叠的、用于多频带应用的小型的多层 单极型天线结构；图4示出以dB表示的回程损耗(return loss)数据，并且示出天线对于双频带应 用很好地匹配；图5是用于具有良好的增益和辐射效率的单极天线结构的在2. 45GHz的远场图；图6示出具有S参数和3D增益(dBi)图的三金属层天线设计；以及图7示出对于在低损耗、低成本塑料衬底层叠上使用多层金属图案和贯穿金属通 路的超小型嵌入式天线结构的示意图。将理解，为了图示的简明和清晰，图中示出的元件不一定按比例画出。例如，为了 清晰，一些元件的尺寸可能相对其它元件被夸大。此外，在认为适当之处，引用数字已在图 之间重复以指示对应的或相似的元件。
具体实施例方式在下面的详细描述中，为提供本发明的详尽理解而陈述了许多特定的细节。然而， 本领域的技术人员将理解，本发明可在没有这些特定细节的情况下实行。在其它情况下，公 知的方法、过程、组件和电路未详细描述以免混淆本发明。如本文描述的本发明示出多频带前端模块(FEM)，其结合用于无线应用的多层塑 料衬底技术。FEM包括PA、要求的匹配和过滤以及发射/接收(T/R)模块以用于宽带或双 向应用。塑料衬底层叠对模块整体大小、成本和功能性提供积极的影响。图1中示出的实施列示出无线通信装置10，该装置包括多层塑料衬底上制作的一 个或多个天线结构14，其允许无线电与其它用无线电的通信装置进行通信。根据本发明的 天线结构14是嵌入式天线，其使用来自RF前端模块封装衬底层叠的多金属层，这导致超小 的形状大小。因而，通信装置10可作为蜂窝装置或在无线网络中操作的装置来操作，所述无线网络例如诸如提供基于IEEE 802. 11规范的无线局域网(WLAN)的底层技术的无线保真(Wi-Fi)、基于IEEE 802. 16-2005的WiMax和移动WiMax、宽带码分多址(WCDMA)以及全 球移动通信系统(GSM)网络，但本发明不限于仅在这些网络中操作。通信装置10的相同平 台中并置的无线电子系统提供RF/位置空间中以不同频带与网络中的其它装置进行通信 的能力。该简单化的实施例示出天线结构14到收发器12的耦合以适应调制/解调。通常， 模拟前端收发器12可以是独立的射频(RF)分立或集成模拟电路，或者收发器12可以与具 有一个或多个处理器核16和18的处理器嵌在一起。多个核允许跨核分担处理工作量，并 应付基带功能和应用功能。数据可通过处理器与系统存储器20中的存储器存储装置之间 的接口来传送。图2示出一种小型的多层单极型天线结构14，该结构使用对于多频带应用有用的 低损耗、低成本的衬底层叠。多层衬底层叠能够是低损耗塑料衬底层叠、聚合物衬底层叠或 适合于FEM的薄材料有机衬底层叠。尽管来自高性能衬底层叠的多金属层传统上已经用于 嵌入式集总元件，例如，诸如电感器和电容器等，但本发明使用类似的金属结构来示出保持 多频带天线特性的小的高性能天线结构。本发明中描述的超小型的天线具有极佳增益和对 于超移动装置类型小形状因数环境合乎需要的输入匹配。如图中所示出的，衬底层叠包括具有在衬底的表面上形成的图案化金属层线路的
多个衬底212、214.....216等。金属层之间的中间电介质具有低损耗特性，并且适合于高
性能天线应用。单极型天线结构利用来自无线电前端板的地平面和图案以及来自小形状因 数移动无线装置类型机械结构的其它部分的地。来自小形状因数平台或无线电设计的任何 地平面可用于嵌入这些天线。通过使用绝缘金属贯穿通路结构，能访问用于这些极小大小 天线的地。图3示出衬底层叠的几个层以显示不同衬底层的表面上的金属线路，其可通过贯 穿通路和盲通路226来连接以形成天线结构。应注意的是，不同实施例可使用具有两个、三 个、四个、五个或六个金属层的衬底层叠以实现多频带操作，但是用于形成天线结构的金属 层的数量和层叠中衬底层的数量对本发明无限制。在各个衬底上图案化的金属层的组合产 生可用于例如实现多频带、高增益性能天线的结构，这些天线在0. 5mm衬底层叠上具有小 于30sq. mm的大小以用于WLAN类型应用。在图中示出的示范结构中，在多层塑料封装衬底层叠上，在天线设计中使用两个 金属层。可能的是，多层塑料衬底层叠很好地适合于将来一代的低成本多无线电前端模块。 第一金属层线路222在衬底212上图案化，并且第二金属层线路224在衬底214上图案化。 通路226在衬底212中蚀刻或形成以提供第一金属层线路222到第二金属层线路224的低 阻抗电连接。例如线路222和224的多金属层线路之间的互电感和电容用于定义多层天线 结构14中的最佳带宽和操作频率。图4示出用于多层单极天线结构的以dB表示的回程损耗数据，并且示出天线对于 双频带WLAN应用很好地匹配。第一金属层222和第二金属层224的线路宽度(简短地参见 图3)和线路之间的间隔能被优化以在小形状因数环境中在期望的频带实现良好的辐射图 案(radiation pattern) 0具有50欧姆阻抗的金属发射线路结构激励天线输入，并且结果 显示大约6. 5X6. 6X0. 5立方mm大小的天线大小提供多频带操作，并在2. 4GHz和5. 5GHz两个频带操作。通过修改此天线结构的金属线路宽度和金属图案，能增加带宽。图5是用于具有6. 14dBi增益和极佳辐射效率的单极天线结构14的在2. 45GHz 的远场图。此图中所示的性能是针对图3和4中示出的两层天线结构。天线结构展示出在 弥散场导致某个远场辐射图案的辐射。此辐射图案显示天线在某个方向中比另一方向辐射 出更多功率。天线被认为是具有如通常以dB表示的某个方向性。图6示出具有S参数和3D增益(dBi)图的三金属层Wi-Fi和WiMax天线设计。该 图示出具有2. 5GHz和5. 5GHz Wi-Fi双频带、在2. 5GHz实现2. 58dBi增益的天线。该图还 示出用于3. 5GHz WiMax频带、具有3. 7dBi增益的3层天线。天线覆盖Wi-Fi和WiMAX频 带的整个带宽，并且表现出小于-IOdB的回程损耗。图7示出对于在低损耗、低成本塑料衬底层叠上使用4层金属图案和贯穿金属通 路的超小型嵌入式天线结构的电磁仿真示意图。该图示出形成4层天线的金属图案和连接 金属通路。在对于使用多层有机塑料衬底层叠的一备选实施例中，可使用低温共烧陶瓷 (LTCC)衬底层叠。然而，由于在更高介电材料中明显的表面波激励，LTCC材料具有影响天 线的辐射效率和阻抗带宽的更高介电常数，从而导致辐射图案的恶化。此外，由于丝网印刷 的Ag金属层图像形成，LTCC材料的损耗特性高于或可比于有机塑料衬底材料。这时，应明白本发明的实施例允许低成本天线在不同平台上操作并与多无线电 系统级封装(SOP)集成。将来的无线系统将包括多频带天线的集成和多个无线电以应付 WLAN、WiMax、BT、GPS、DVBH以及其它。这些薄且轻的机械外壳(casing)将要求与无线电集 成的超小天线架构。这些天线能与多无线电架构的前端模块(FEM)单片地集成以用于超小 形状因数移动装置类型应用，从而降低成本和增强性能。虽然本文中已示出和描述本发明的某些特征，但本领域的技术人员现在将想到许 多修改、替代、更改和等效物。因此，要理解，随附权利要求旨在覆盖落在本发明真正精神内 的所有此类修改和更改。
权利要求
一种用于多频带应用的前端模块(FEM)，包括单极型天线，在用于所述FEM的多层基于有机的塑料衬底层叠中由在所述层叠中第一衬底的表面上图案化并且通过所述第一衬底中的通路连接到所述层叠中第二衬底的表面上图案化的第二金属层的第一金属层来形成。
2.如权利要求1所述的FEM，其中在塑料封装衬底上使用多个金属层来形成所述单极 型天线。
3.如权利要求1所述的FEM，其中所述衬底层叠包括低损耗介电特性。
4.如权利要求1所述的FEM，其中所述多层有机塑料衬底中形成的所述单极型天线覆 盖多个频带。
5.如权利要求1所述的FEM，其中所述第一金属层和第二金属层通过贯穿通路和盲通 路来连接以形成天线结构。
6.如权利要求1所述的FEM，其中所述第一金属层和第二金属层在多层有机塑料衬底 层叠中用于实现所述多频带操作。
7.如权利要求1所述的FEM，其中所述多层有机塑料衬底层叠上图案化的金属层的组 合用于为小形状因数通信装置应用实现多频带天线。
8.一种用于多频带应用的多层天线结构，包括在多层衬底层叠中以形成所述多层天线结构的第一和第二金属层。
9.如权利要求8所述的多层天线结构，其中所述多层衬底层叠是塑料衬底层叠。
10.如权利要求8所述的多层天线结构，其中所述多层衬底层叠是有机衬底层叠。
11.如权利要求8所述的多层天线结构，其中所述多层衬底层叠是聚合物衬底层叠。
12.如权利要求8所述的多层天线结构，其中所述多层衬底层叠包括在所述多层衬底 层叠中低损耗第一衬底的表面上图案化的所述第一金属层，所述第一金属层通过所述第一 低损耗衬底中的通路连接到在所述多层衬底层叠中第二低损耗衬底的表面上图案化的第二金属层。
13.如权利要求8所述的多层天线结构，其中所述第一和第二金属层之间的互电感和 电容定义所述多层天线结构中的带宽和操作频率。
14.一种便携式装置，包括前端模块(FEM)，用于多频带应用；以及多层天线结构，在多层塑料衬底层叠中形成并耦合到所述FEM，所述多层塑料衬底中的 所述多层天线结构包括第一金属层，所述第一金属层在所述多层塑料衬底层叠中的第一衬 底上图案化，并通过通路连接到在所述多层塑料衬底层叠中第二衬底上图案化的第二金属层。
15.如权利要求14所述的便携式装置，其中所述第一和第二金属层包括在所述多层塑 料衬底层叠中。
16.如权利要求14所述的便携式装置，其中在低损耗塑料封装衬底上使用多个金属层 来形成所述多层天线结构。
17.如权利要求14所述的便携式装置，其中所述多层塑料衬底层叠包括低损耗介电特性。
18.如权利要求14所述的便携式装置，其中所述多层塑料衬底层叠中形成的所述多层天线结构覆盖双频带。
19.一种具有多频带通信的无线装置，包括 多个无线电，在前端模块(FEM)中； 多个处理器核，耦合到所述FEM ；以及第一和第二天线，在所述FEM的多层塑料衬底层叠中由在所述层叠中第一衬底的表面 上图案化并通过通路连接到所述层叠中第二衬底的表面上图案化的第二金属层的第一金 属层来形成。
20.如权利要求19所述的无线装置，其中所述天线在具有低损耗衬底特性的所述多层 塑料衬底层叠上形成。
21.如权利要求19所述的无线装置，其中所述多层塑料衬底层叠中形成的所述天线覆盖双频带。
22.如权利要求19所述的无线装置，其中堆叠有机或聚合物塑料材料以形成所述多层塑料衬底层叠。
全文摘要
多频带前端模块(FEM)结合多层塑料衬底层叠，其中，金属层在层叠中的衬底层上图案化以提供小型的单极型天线。
文档编号H04B1/40GK101828301SQ200880112595
公开日2010年9月8日 申请日期2008年10月10日 优先权日2007年10月18日
发明者D·乔德扈里, S·苏 申请人:英特尔公司