具有集成天线的前端块的制作方法

专利名称：具有集成天线的前端块的制作方法
技术领域：
本发明涉及集成的前端块，更具体地，涉及将天线集成到RF集成前端模块中。
背景技术：
本发明在吉比特无线技术项目范围内，目的之一是针对实现WLAN标准(尤其是 802. Ilbg和802. Ila)的应用提出RF集成前端模块和相关的天线的解决方案。“系统级封装”(SIP)技术的使用使得可以降低这种模块的制造成本。因此，在模 块内，将集成平衡-不平衡转换器、滤波器、功率放大器、低噪放大器和开关型功能以及与 这些功能中的一些功能相关联的适配网络。可以使用具有增大的介电常数的材料，例如，与 称作LTCC(低温共烧陶瓷)的特定制造方法一起使用的陶瓷。因此，这些材料使得可以缩 短连接的长度。因此，尽可能靠近这些模块来集成关联的天线。S. T. R. Song 等人的题为“Novel RF front end antenna package，，的文献，IEEE 2003 vol. 150,N0 4，2003年8月描述了将已知为“贴片天线”的小型天线集成在半导体衬 底上的构思，该半导体衬底还支撑RF前端模块电路。文献 EPl126522 (Alcatel) "Packaged integrated circuit (PIC)with radio frequency antenna”描述了一种块，包括包含在模块中的RF部件以及相关联的RF天线。JC 献 W02004-042868A1(Integrated circuit package including miniature antenna)提出了一种天线，如图1所示，这种天线与RF部件的模块并置，并且被集成在与模 块自身相同的衬底上。该文献中提出的一组解决方案需要挖空衬底的接地平面，将RF前端 模块转移到所述衬底上，以满足集成在RF前端模块中的天线的辐射图。这些解决方案的主要缺点是，从体积庞大的角度来看，将天线的功能与RF模块的 功能并置并不是最优的。只有在可以尽可能靠近这些模块来集成相关联的一个或多个天线的情况下，这种 集成模块的使用才是尤为有用的。然而将天线集成到RF前端模块通常需要增大模块的尺寸或厚度，并且经常遇到 体积庞大的问题。实际上，希望用于WLAN应用的这些RF前端模块的尺寸小于边长为Icm的正方形。然而，为了在谐振天线的2. 45GHz或5. 25GHz的基模集成这些谐振天线，必须考虑 到对于所使用的陶瓷的介电常数，四分之一波长已表示多于3cm或多于1. 4cm,因此比集 成RF前端模块的尺寸大得多。此外，使用WLAN 802. Ilbg和802. Ila标准会产生2阶分集(diversity)的天线。 因此有必要能够集成至少两个天线(对于空间分集或图分集(diagram diversity)，或者 可以集成一个天线但是这个天线提供两个正交的极化。

发明内容
因此，本发明提出了一种用于将天线集成到RF前端模块的新系统，该系统可以解决所提出的问题。本发明涉及一种RF接收前端块，包括第一衬底Sl以及集成到第二衬底S2上的RF 集成前端模块，所述第二衬底S2支撑天线的辐射部分P2。天线还由以下部件形成由衬底Sl支撑的第一辐射部分P ；以及由第三辐射部分 P3构成的接合处，所述第三部分P3连接第一辐射部分Pl和由第二衬底S2支撑的部分P2。本发明的优点是，使SIP工艺下的RF模块与天线之间的互连损耗最小化，以及使 RF模块和天线装置的庞大体积最小化。优选地，第一辐射部分P至少部分地覆盖第一衬底Sl的上侧。根据本发明的变型，第四衬底S4覆盖第一衬底Si，第四衬底S4具有比第一衬底 Sl的介电常数高的介电常数，所述第一辐射部分Pl至少部分地覆盖衬底S4的上侧。优选地，在衬底S2的上侧实现RF部件，第三衬底S3构成RF模块的RF部件的保 护层，第二辐射部分P2至少部分地覆盖第三衬底S3的上侧。根据本发明的变型，在衬底S2的下侧实现RF前端模块的RF部件，第二辐射部分 P2至少部分地覆盖衬底S2的上侧。优选地，衬底Sl是FR4型的，而衬底S2、S3和S4是LTCC型的。优选地，表面Pl与表面P2的连接接合处P3是在RF模块的至少一侧实现的垂直
金属化。根据本发明的变型，由至少一个通道来实现垂直金属化。根据本发明的变型，由传输线来实现垂直金属化。根据本发明的变型，通过电磁耦合来实现表面Pl与表面P2的连接接合处P3。该解决方案可以应用于需要辐射元件下方的接地平面的任何天线类型，例如， PIFA天线。这样，限制了电路的尺寸并降低了实现成本，这是因为需要单个动作来安装相关 联的前端模块和天线。


通过结合附图阅读以下描述，前述本发明的特征和优点将更清楚地显现，附图 中图1是根据现有技术的集成方式，已经描述过了，图加和2b示出了根据本发明而集成的前端块的两个不同实施例原理，图3示出了根据本发明而集成的前端块的3维视图，图4示出了特定情况下天线的3个辐射部分的视图，图5示出了根据本发明而集成的前端块，图6a至6c示出了与根据本发明而集成的前端块有关的仿真结果相对应的图，图7示出了根据本发明而集成的前端块的的实施例，图8示出了与根据图7而集成的前端块有关的仿真结果，图9示出了根据本发明而集成的前端块的实施例，该前端块包括双极化的双接 入，图10示出了对于在双频段和在频率分集中的贴片天线接收，根据本发明而集成的前端块的实施例。为了简化描述，在随后的附图中使用相同的附图标记来指示实现相同功能的元 件。
具体实施例方式本发明的主要思想是将天线功能的支持分为3个辐射部分第一 P1，其位置与上 面有集成RF前端模块的衬底Sl相对应，而不与衬底S2相对应；第二辐射部分P2，其位置 与支撑集成RF前端模块的衬底S2的位置相对应；以及第三辐射部分P3，其位置与第一辐 射部分与第二辐射部分之间接合处的位置相对应。因此，可以通过直接接入RF集成前端模 块，在没有附加馈线的情况下直接提供天线。图加和2b描述了关于“贴片”天线的实施例原理的示例，其中，该贴片天线的尺 寸大于RF前端模块的尺寸，使该贴片天线能在其一次谐振下工作。图加示出了根据本发明而集成的前端块的轮廓图。该块由衬底Sl构成。在集成了“贴片”型天线的示例中，衬底Sl的下表面被金属导电层覆盖，在金属导 电层上蚀刻接地平面。对于其他天线，为了确保工作，可以部分地蚀刻接地平面。衬底Sl的上表面被导电层覆盖，该导电层支撑下文中称作“RF模块”的RF集成前 端模块。RF模块自身由RF功能所需的部件覆盖衬底S2来实现(例如在LTCC技术中)，并 且具有至少一个接入天线。备选地，这些部件可以集成在衬底中。因此，将根据RF模块来描述本发明的不同变型根据第一变型，RF模块的部件在衬底S2的外部，并且这些部件位于衬底S2的上 部部分上。这些部件不与衬底Sl相对。图加示出了起到保护层作用的衬底S3，该保护层 使得可以保护衬底S2外部的部件。构成保护层的该衬底S3用于天线功能。可以按照如下 方式实现衬底S3和S2 使用辐射部分P3-2和P3-3形成腔体，从而相对于RF模块外部的 部件的高度使衬底S3保持在衬底2的所需高度处。在衬底Sl的没有被衬底S2覆盖的上部，蚀刻天线的第一辐射部分P1。衬底Sl也可以完全地或部分地支撑衬底S4，衬底S4的介电常数大于例如LTCC衬 底的介电常数，在衬底S4上或衬底S4中蚀刻天线的第一辐射部分。由于衬底Si、S2、S3和S4可以是多层衬底，因此可以在构成多层衬底的衬底层之 间蚀刻金属层。RF模块的衬底S2的尺寸可以大于RF功能特定的辐射部分的尺寸。衬底S2的没 有被RF模块的功能特定的部分所使用的该部分可以实质上以相同的方式用于天线功能。 也就是说，衬底S2的该部分可以被直接蚀刻或者支撑衬底S4，其中，衬底S4的介电常数比 例如LTCC衬底的介电常数大，在衬底S4上或在衬底S4中蚀刻天线的一部分。例如采用与前端模块自身的材料相同的材料来实现天线功能。这使得可以在单个 制造过程中实现具有天线功能的至少一部分的RF前端模块。根据与波长的减小相关联的 所需集成程度，衬底S4是可选的。
在垂直位置，该天线的第三辐射部分P3是该天线第一部分Pl与第二部分P2之间 的接合处的一部分。第三辐射部分P3位于衬底S2上/中以及没有被衬底S2的RF功能使 用的区域P3-1上/中。在该示例中，该垂直辐射部分P3使得可以通过直接接触来电连接 天线的辐射部分Pl和P2。辐射部分Pl与P2之间的接合处P3-1是衬底S2或S4之一。同 样，辐射部分P3-2是衬底S3的一部分。辐射部分P3-3是两个第一部分P3-1与P3-2之间 的垂直接合处的纯辐射部分。也可以例如通过使用一个或多个通道进行金属化来实现该垂 直接合处。另一方法可以包括利用两条耦合线之间的电磁耦合或能够实现电磁耦合的任何 其他系统来电磁连接辐射部分Pl和P2。另一方法可以包括针对这两个部分的接合处使用例如共面线、微带线或导电线。 这些线可以形成有弹性的连接层。在优选情况下，可以在由S3和S4构成的相同衬底上均勻地蚀刻天线，其中S3和 S4全部或部分地覆盖衬底Sl和S2以及这两个衬底之间的接合处。根据与波长的减小相关 联的所需集成程度，衬底S4是可选的。根据图2b所示的本发明的第二变型，RF集成前端模块的部件在衬底S2的外部并 与衬底Sl相对，这些部件位于衬底S2的下部部分。按照如下方式实现衬底S2 形成腔体， 使得衬底S2可以与衬底Sl相距所需的距离。衬底S2的上部部分可以支撑接地平面，在接地平面上将蚀刻天线的第二辐射部 分P2。可以如之前描述的那样，在垂直位置实现第三导电辐射部分P3。优选地采用与例如LTCC类型的前端模块自身的材料相同的材料来实现天线功 能。这使得可以在单个制造过程中产生集成前端模块，所述前端模块在需要的情况下具有 天线功能的至少一个辐射部分。可以实现若干装置，以例如经由以下装置在RF前端模块与天线之间传输RF信 号1- 一个或多个通道，2-利用微带线、带状线、共面线或接地共面型传输线，3-利用例如缝隙型的电磁耦合。为了集成与RF前端模块相关联的天线，优选地将使用平面天线，例如，“贴片”天 线、“PIFA(印刷反F天线)”天线，以及缝隙。图3示出了根据集成前端块的X轴、Y轴和Z轴的3维视图。图3描述了“贴片”天线的示例，其中该贴片天线的尺寸大于RF前端模块的尺寸， 使该贴片天线能在其一次谐振下工作。贴片天线的金属化的第一部分位于衬底Si自身上。 贴片天线的第二导电部分位于覆盖RF模块的衬底S3上。在垂直位置，第三导电部分位于 衬底S3上/中以及没有被衬底S2的RF功能使用的区域上/中。在该示例中，该垂直辐射 部分使得可以通过直接接触来电连接“贴片”天线的辐射部分Pl和P2。例如可以使用一个 或多个通道来进行这种垂直金属化。天线供电点的位置使能在该天线的一次谐振频率下工作。天线相对于RF模块(衬底S2)的位置依据以下条件
-天线的供电点，也称作天线的激励点，-在RF前端模块的输出处相对于接入天线的位置，-RF前端模块的输出个数。优选地，为了便于针对集成一个或多个RF模块的卡进 行布线，天线不覆盖模块的具有所使用的接入的那些侧。在图4中，示出了“贴片”天线的 示例，对于该贴片天线只有两侧连接在天线的两个辐射部分Pl和P2之间。然而，可以存在以下配置在天线的位置与RF模块之间必须有折中，具体地在天 线与天线激励的位置之间必须有折中。实际上，天线的拓扑可以需要在天线的第二辐射部 分P2(集成(RF)前端模块的最大尺寸)与衬底Sl上的天线的第一辐射部分Pl之间，在RF 前端模块的若干侧上的连接。因此，一方面天线与RF模块之间互连，而另一方面RF模块与 衬底Sl互连，如果这些互连位于RF模块的同一侧，则必须使用通道或金属化孔在另一层上 针对RF模块与衬底Sl之间的互连进行布线。接下来描述与图5和7相对应的具体实施例。图5示出了 “贴片”天线，该贴片天线集成了表示集成RF前端模块的单元。根据 本发明的描述，贴片天线的辐射部分Pl位于FR4型的衬底Sl上(介电常数=4. 4，损耗角 正切=0. 022，衬底厚度=1.4mm)。天线的第二辐射部分P2被转移到LTCC型的衬底S3上 (介电常数=9. 4，损耗角正切=0. 0014，衬底厚度=0. 65mm)。将23. 5mm的方形“贴片”天 线布置在每边长为75mm的接地平面方形上。供电贯穿通道位于与边缘相距6. 6mm的中线 轴上。图6a、6b和6c示出了仿真结果。在图6a中，曲线示出了将天线适配到2. 4GHz的频 率。在图6b中，该曲线示出了该天线的大约2. 4GHz的谐振(Lm(Z) =0)。图6c示出了天 线增益的频率响应以及与2. 4GHz相关联的图。对于相同的谐振频率，通过使用介电常数比 FR4的节点常数大的LTCC型材料，将天线的尺寸减小25%。辐射结果等同于RF模块对最邻近0. 5dB的响应。图7描述了在RF模块上部分地组成的天线，其中“贴片”天线集成到集成RF模块 中。仿真参数是好前述仿真的参数。图8示出了 2. 6GHz下谐振频率的移位，这是由于在将 RF前端模块实际插入贴片下方时，贴片的有效介电常数更弱。考虑本发明的不同变型实际上，PIFA、双频段或多频段贴片天线轮廓可以应用于这种集成方案。对于这种 变型，可以在不同频率的天线接入与衬底S2的RF电路之间实现多个连接。还可以产生天线分集。因此，将在衬底Sl或S2的自由部分上或在衬底S3上蚀刻 若干天线。还可以通过在“贴片”天线的情况下插入第二极化来产生极化的分集。双接入天线 使得可以应用2个正交激励。图9示出了针对“贴片”天线的分集解决方案的顶视图。在 具有适于蚀刻天线的接地平面的衬底Sl和S3上，区分天线的第一辐射部分Pl和第二辐射 部分P2。作为示例，将第三互连辐射部分示为连接线。RF模块的尺寸被示为大于天线的第 二辐射部分的尺寸。图10描述了针对贴片天线的双频段和极化分集的解决方案的顶视图。天线的辐 射部分P2形成最高频率(例如，5(ihZ)的天线的辐射部分，辐射部分Pl-I形成最高频率的 天线的另一辐射部分，而辐射部分P1-2形成了最低频率的天线的辐射部分。
权利要求
1.一种RF接收前端块，包括第一衬底Sl以及集成到第二衬底S2上的RF集成前端模 块，所述第二衬底S2支撑天线的辐射部分P2，其中，天线还由以下部件形成-由衬底Si支撑的第一辐射部分P1，以及-由第三辐射部分P3构成的接合处，所述第三部分P3连接第一辐射部分Pl和由第二 衬底S2支撑的部分P2。
2.根据权利要求1所述的RF接收前端块，其中，所述第一辐射部分Pl至少部分地覆盖 第一衬底Sl的上侧。
3.根据权利要求1所述的RF接收前端块，其中，第四衬底S4覆盖第一衬底Si，第四衬 底S4具有比第一衬底Sl的介电常数高的介电常数，所述第一辐射部分Pl至少部分地覆盖 衬底S4的上侧。
4.根据权利要求1至3中任一项权利要求所述的RF接收前端块，其中，RF部件是在第 二衬底S2的上侧实现的，第三衬底S3形成覆盖RF模块的RF部件的保护层，第二辐射部分 P2至少部分地与第三衬底S3的上侧相对应。
5.根据权利要求1至3中任一项权利要求所述的RF接收前端块，其中，RF模块的RF 部件是在与第一衬底Sl相对的第二衬底S2的下侧实现的，第二辐射部分P2至少部分地覆 盖第二衬底S2的上侧。
6.根据权利要求1至5中任一项权利要求所述的RF接收前端块，其中，衬底Sl是FR4 型的，而衬底S2、S3和S4是LTCC型的。
7.根据权利要求1所述的RF接收前端块，其中，辐射部分Pl与辐射部分P2的连接接 合处P3是在RF模块的至少一侧实现的垂直金属化。
8.根据权利要求7所述的RF接收前端块，其中，垂直金属化是在RF模块的至少一侧由 至少一个通道来实现的。
9.根据权利要求7所述的RF接收前端块，其中，垂直金属化是由传输线来实现的。
10.根据权利要求1所述的RF接收前端块，其中，辐射部分Pl与辐射部分P2的连接接 合处P3是通过电磁耦合来实现的。
全文摘要
本发明涉及一种RF接收前端块，包括第一衬底S1以及集成到第二衬底S2上的RF集成前端模块，所述第二衬底S2支撑天线的辐射部分P2。天线还由以下部件形成由衬底S1支撑的第一辐射部分P1，以及由第三辐射部分P3构成的接合处，所述第三部分P3连接第一辐射部分P1和由第二衬底S2支撑的部分P2。
文档编号H04B1/38GK102067462SQ200980124014
公开日2011年5月18日 申请日期2009年6月25日 优先权日2008年6月26日
发明者多米尼克·洛海通, 科里内·尼古拉斯, 菲利普·山姆贝林, 菲利普·梅纳德 申请人:汤姆森许可贸易公司