专利名称：天线及其制造方法
技术领域：
本发明涉及毫米波(millimeter waVe，MMW)天线以及天线的制造方法，具体地，本 发明涉及调谐方向性接合引线天线、贴片天线或箱形/多面体天线的中心信号频率、辐射 方向/模式和/或带宽。
背景技术：
在大部分通信系统中，天线都是设计中非常重要的部分。在MMW通信系统中，由于 短波长的缘故，天线可以非常小。对于这样的小型天线，需要重点考虑其高辐射效率和高耦 合效率。MMW天线通常形成于印刷电路板(PCB)或其它固态基板上。在先技术中的PCB基 板对MMW的损耗系数高，因此，建立在此种基板上的天线的辐射效率达不到最佳状态。一种可行的改进是在低损耗材料上使用特殊工艺，例如在玻璃(氧化铝)上的微 机电系统(MEMS)工艺。但是这需要复杂的工艺和较高的费用。从IC晶片到天线所在的基板之间的耦合也可能导致损耗。虽然天线可位于IC晶 片(片上天线)上以避免部分耦合损耗并减小尺寸，但由于IC晶片的高损耗因数，片上天 线的辐射效率很低。另一种改进方法是在IC晶片的信号端口上使用接合引线，并设计引线的长度和 形状，使得接合引线用作天线。由于接合引线在空气中，所以IC晶片和PCB基板的损耗对 天线的影响很小。此类天线被称为接合引线天线(BWA)。
发明内容
大体来说，本发明通过下述步骤调谐MMW天线将导电物体或电介质物体定位于邻近天线的期望的调谐位置，以调谐中心信号频 率，将导电反射体定位于邻近天线的期望的反射位置，以调谐辐射方向或模式和/或 增加带宽，和/或选择导电贴片或物体作为辐射器/检测器元件，以改变带宽。
这些步骤具有下述优点天线结构简单；天线的成本低；系统易于实现；对于实际的系统和应用来说，频率和辐射模式调谐机构更实用且更灵活；可以使用差分馈入和单端馈入；在中心信号频率为60GHz的情况下，带宽可大于15GHz ；可通过增加反射体进一步加宽带宽到30GHz ；在中心信号频率为60GHz的情况下，具有反射体的贴片天线的带宽可以是40GHz ；
天线的中心信号频率可由频率调谐器进行调谐；和/或辐射方向/模式可由反射体进行调谐。在本发明的第一实施方式中，提供一种如权利要求1所要求的天线的制造方法。在本发明的第二实施方式中，提供了一种如权利要求21所要求的MMW天线。
参考下面的
本发明的一个或多个实施例，在附图中图1 (a)是第一实施例的单馈入BWA的示意图；图1 (b)是第二实施例的差分馈入BWA的示意图；图2是第三和第四实施例的具有柱状频率调谐器的差分馈入BWA的示意图；图3(a)是图2的第三实施例的回波损耗(Sll)的图；图3(b)是图2的第四实施例的回波损耗(Sll)的图；图4是第五实施例的具有三角形电介质调谐器的单端馈入BWA的示意图；图5是图4中第五实施例的回波损耗(Sll)的图；图6 (a)是图1 (a)的第一实施例的辐射模式的图；图6(b)是图1(a)的第一实施例的回波损耗的图；图6 (C)是图1 (b)的第二实施例的辐射模式的图；图6(d)是图1(b)的第二实施例的回波损耗的图；图7是第六实施例中具有粘贴在第一位置的反射体的单端馈入BWA的示意图；图8 (a)是图7的第六实施例的辐射模式的图；图8(b)是图7的第六实施例的回波损耗的图；图9是第七实施例中具有粘贴在第二位置的反射体的单端馈入BWA的示意图；图10 (a)是图9的第七实施例的辐射模式的图；图10(b)是图9的第七实施例的回波损耗的图；图11 (a)是第八实施例的单端馈入三角形贴片天线(金属箱)的示意图；图11 (b)是图11 (a)的第八实施例的回波损耗的图；图12(a)是第九实施例的单端馈入三角形贴片天线(2层陶瓷PCB箱)的示意图；图12(b)是图12(a)的第九实施例的回波损耗的图；图13(a)是第十实施例的差分馈入三角形贴片天线(2层陶瓷PCB箱)的示意图；图13(b)是图13(a)的第十实施例的回波损耗的图；图14(a)是第十一实施例的差分馈入三角形贴片天线(金属箱)的示意图；图14(b)是图14(a)的第十一实施例的回波损耗的图；图15(a)是第十二实施例的具有反射体的单端馈入三角形贴片天线(金属箱)的 示意图；图15(b)是图15(a)的第十二实施例的回波损耗的图；图15(c)是图15(a)的第十二实施例的辐射模式的图；图16(a)是第十三实施例的六棱柱天线的示意图；图16(b)是图16(a)的第十三实施例的回波损耗的图；图16(c)是图16(a)的第十三实施例的辐射模式的图17是第七实施例的原型的照片；图18是图17中原型的测量性能的图；且图19是第八实施例的原型的照片。
具体实施例方式在下文中说明了调谐或调整MMW天线的多个实施例。该调整通常在制造过程中进 行，但也可能在安装、维护或更新过程中进行，以改进现有天线的性能。一旦进行了调整， 天线就保持为调整后的状态或封装在电介质或树脂中，以防止组件进一步移动(在此情况 下，各组件根据在电介质中的波长和调谐过程中的补偿来确定大小)。该调整可以分为以下 几类a.调谐中心信号频率，b.调谐辐射方向/模式，和c.改变带宽。图1(a)和图1(b)显示了第一和第二实施例的MMW天线。在第一和第二实施例中， 天线是由空气围绕的BWA。在图1(a)中，第一实施例的天线100是单端馈入BWA。两个接合 引线102和104连接到PCB基板110上的两个小接合垫(0. ImmXO. Imm) 106和108上。集 成电路112安装在接地板114上，该接地板114安装在基板110上。虽然接地板114的尺 寸例如可以大于两个波长宽度或大于一个波长长度，但接地板114仅延伸到集成电路112 的边缘。接地板114通过连接到集成电路112上的接地垫的接合引线接地。接合引线102 和104的另一端共同连接到集成电路112上的信号垫116。接合引线102和104布置为成 直角(也可以成60 120度的角)，约为中心信号频率处波长的四分之一。单端馈入BWA 100用作具有两个臂的单极天线。引线通常是直线。在图1(b)中，第二实施例的天线120是差分馈入BWA。两个较长的接合引线122 和124连接到安装在PCB基板130上的相距较远的两个小接合垫126和128，两个较短的 接合引线132和134连接到相距较近的两个接合垫136和138。两个较长的接合引线122 和124约为四分之三波长，两个较短的接合引线132和134约为四分之一波长。集成电路 142安装在接地板144上，该接地板144安装在基板130上。接地板144仅延伸到集成电 路142的边缘。较长的接合引线122和124的另一端共同连接到集成电路142上的第一信 号垫146。较短的接合引线132和134的另一端共同连接到集成电路142上的第二信号垫 148。差分馈入BWA 120用作在正端和负端分别具有两个臂的J极子天线。由于双线设计，所以可扩大BMA 100和120的带宽。例如，第二实施例的差分馈入 BffA在60GHZ的中心信号频率处具有15GHZ的带宽(相对带宽> 25% )。第一和第二实施例的BMA 100和120的可能问题是，尤其当接合引线由手工接合 时，引线接合的几何形状使得很难一致地制造具有小容差的参数的天线。在某些应用中，使 中心信号频率和/或辐射束模式在预定容差内是有益的。调谐中心信号频率根据应用不同，会期望改变中心信号频率。因此，图2显示了第三和第四实施例中 具有频率调谐器218的差分馈入BWA200。在第三实施例中，可通过使两根引线202和204 之间的电介质圆柱218(b)从远处靠近馈入点216来调谐中心信号频率。在此情况下，天线的共振频率或中心信号频率变低。圆柱的直径可为0. 3mm，高度为0. 3mm，介电常数为10，损 耗因数为0. 001。或者，第四实施例的金属圆柱218(a)靠近馈入点216，使天线的共振频率变高。圆 柱可以是中空的铜圆柱，与电介质圆柱尺寸相同。图3显示了第三和第四实施例中具有圆柱调谐器的BMA的回波损耗。在图3(a) 中，随着电介质圆柱218(b)和馈入点216之间的距离减小，中心信号频率300降低。在图 3(b)中，随着金属圆柱218(a)和馈入点216之间的距离减小，BMA中心信号频率302增加。为了调谐第三或第四实施例的天线200，使圆柱218位于不同位置处，测量该中心 信号频率，直到该中心信号频率处于期望的范围内。接着通过将圆柱218粘贴在基板230 上而使其位置固定。图4显示了第五实施例中具有频率调谐器418的单端馈入BWA 400。通过使用三 角形电介质调谐器418，可更大幅度地改变中心信号频率。图5显示了第五实施例中具有三角形调谐器418的BMA 400的回波损耗。中心信 号频率500随着三角形电介质调谐器418靠近馈入点416而降低。此外，为了调谐第五实施例的天线400，使三角形电介质调谐器418位于不同位置 处，测量该中心信号频率，直到该中心信号频率处于期望的范围内。接着通过将柱体418粘 贴在基板430上而使其位置固定。或者，如果引线封装在树脂中，可在封装之后调谐中心频率。进行上述操作的一种 方法是在树脂上钻孔，其中孔的作用是进行调谐，例如，孔越深或越宽，中心信号频率就越
尚ο调谐辐射方向/模式图6(a) 图6(d)显示了第一和第二实施例的辐射模式和回波损耗。最大增益方 向600、602和604、606是PCB基板平面(x，y平面，ζ = 0)上的两个对角线方向(近似为 χ = y和χ =-y，或者与χ轴成45°和135° )。根据应用不同，会期望改变辐射方向或模式。根据图7所示的第六实施例700，反 射体718位于PCB基板710的背侧的第一位置720处。反射体718是浮空的且为铜。反射 体718的宽度可大于两个波长，长度可大于一个波长。第一位置720大致与远离信号垫的 集成电路的背侧对齐。基板的厚度例如为0. 625mm。如果反射体设置在天线的近场中，则该 反射体可用于影响辐射模式和带宽。图8 (a)显示了通过在第一位置720处引入反射体718而改变的辐射模式800。最 大辐射方向仍然是两个对角线方向(近似为x = y和x = _y，或者与χ轴成45°和135° )， 但是辐射在正y方向上更全方向，于是辐射更加均勻。图9显示了在第七实施例900中位于第二位置920处的用于改变辐射方向的另一 反射体918，该第二位置920在基板910下面，大致在接合垫906和908附近。第二位置920 邻近集成电路靠近信号垫的前侧。图10(a)显示了如果反射体918位于第二位置920处，则最大辐射方向可改变为 垂直方向(ζ轴)1000和向前的方向(y轴)1002。并且，如图10 (b)所示，反射体918位于 BffA 900下方时，BWA信号带宽1004在60GHZ中心信号频率处可扩大为30GHZ (相对带宽> 50% )。
改变带宽根据应用不同，会期望改变带宽。例如可使用金属贴片作为辐射元件来增加带宽。图11 (a)显示了第八实施例的三角形贴片/金属箱1118作为辐射器/检测器元 件的具有单端馈入1116的天线1110。图11(b)显示了所获得的带宽1130为20GHZ。箱1118为铜制的中空金属箱。箱1118的宽度为1. 1mm，长度为0.6mm，高度为 0.3mm。在平面视图中，该箱1118可为等腰三角形，两个相等的角小于60°，例如为30°。 馈入点1116连接到两条相等短边的交点，不相等的长边远离馈入点1116。该交点与集成电 路大约距离50微米。箱1118连接到基板上，集成电路连接到基板的接地板上。图12(a)显示了第九实施例的三角形贴片1218和1219作为辐射器/检测器元件 的具有单端馈入1216的天线1200，其中该三角形贴片1218和1219被双层陶瓷箱1220隔 开。图12(b)显示了所获得的带宽1230为20GHZ。贴片1218和1219的宽度为0.7mm，长度为0.38mm。在平面视图中，该贴片可为等 腰三角形，两个相等的角小于60°，例如为30°。馈入点1216连接到上部贴片1218的两条 相等短边的交点，不相等的长边远离馈入点1216。该交点与集成电路大约距离50微米。下 部贴片1219连接到基板上，集成电路连接到基板的接地板上。陶瓷箱1220的长度为1mm， 宽度为3mm，高度为0. 254mm。陶瓷箱由介电常数为9. 1且损耗因数为0的石英制成。图13(a)显示了第十实施例的三角形贴片1318、1319、1320以及1321作为辐射器 /检测器元件的具有差分馈入1316的天线1300，该三角形贴片1318、1319、1320以及1321 被双层陶瓷PCB箱1322隔开。图13(b)显示了所获得的带宽1330为10GHZ。贴片1318、1319、1320 和 1321 的宽度为 1. 475mm,长度为 0. 95mm。贴片 1318、1319、 1320和1321彼此间距离为50微米，与集成电路的距离也为50微米。在平面视图中，该贴 片1318、1319、1320和1321可为等腰三角形，两个相等的角小于60°，例如为30°。馈入 点1316连接到两个上部贴片1318和1320的相邻角，贴片1318、1319、1320和1321的全部 顶点都远离集成电路。陶瓷箱1322可与第九实施例中的相同。图14(a)显示了第i^一实施例的两个三角形贴片(金属箱)1418和1419作为辐 射器/检测器元件的具有差分馈入1416的天线1400。除了高度之外，箱1418和1419的几 何形状和定位可类似于第十实施例中的贴片1318、1319、1320和1321。图14(b)显示了所 获得的带宽1430为15GHZ，而在较高频率处的另一带宽为20GHZ。图15(a)显示了第十二实施例的三角形贴片(金属箱)1518作为辐射器/检测器 元件的具有单端馈入1516的天线1500，该天线1500还具有在第二位置1522处的反射体 1520。图15(b)显示所获得的带宽1530为40GHZ。该箱类似于第八实施例中的箱，该反射 体类似于第七实施例中的反射体。图16显示了第十三实施例的六棱柱1618作为辐射器/检测器元件的具有单端馈 入1616的天线1600。图16(b)显示了所获得的带宽1630为40GHZ。六棱柱1618可设计 为每一对对称边都提供一个共振频率。因此可调整每一对边的长度，使得三个共振频率彼 此接近，但仍彼此不同，于是带宽重叠。以此方式，可获得期望的中心频率，同时具有扩大的 带宽。图17显示了第七实施例的原型1700，图18显示了原型1700的性能1800。图19显示了第八实施例的原型1900。
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虽然本文中详细描述了本发明的各实施例，但本领域技术人员应当理解在本发明 的范围内还可以有各种变形。
权利要求
1.一种用于制造天线的方法，其包括以下步骤设置毫米波天线，使其连接到安装在基板上的集成电路的信号垫上；以及 调整所述天线的一个或多个参数，以符合预定的期望阈值、水平或范围，其中所述调整 步骤选自下述步骤将导电物体或电介质物体定位在邻近所述天线的期望的调谐器位置，以调谐中心信号频率；将导电反射体定位在邻近所述天线的期望的反射体位置，以调谐辐射方向或模式；以及选择导电贴片或物体作为辐射器/检测器元件，以改变带宽。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述设置天线的步骤包括将两个引线连接到单 端馈入点作为所述辐射器/检测器元件。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，连接所述单端馈入点的所述两个引线包括两个 臂的单极天线。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述设置天线的步骤包括将四个引线连接到差 分馈入点作为所述辐射器/检测器元件。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，连接所述差分馈入点的所述四个引线包括在正 端和负端具有两个臂的J极子天线。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述设置天线的步骤包括将两个引线连接到差 分馈入点作为所述辐射器/检测器元件。
7.根据权利要求2 6所述的方法，其中，所述设置天线的步骤还包括将各引线连接到 所述基板上的接合垫。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述设置天线的步骤包括将单个三角形箱连接 到单端馈入点作为所述辐射器/检测器元件。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述设置天线的步骤包括将两个三角形贴片连 接到单端馈入点作为所述辐射器/检测器元件。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述设置天线的步骤包括将四个三角形贴片连 接到差分馈入点作为所述辐射器/检测器元件。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述设置天线的步骤包括将两个三角形箱连接 到差分馈入点作为所述辐射器/检测器元件。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述设置天线的步骤包括将六棱柱连接到单端 馈入点作为所述辐射器/检测器元件。
13.根据权利要求1 12任一项所述的方法，其中，所述定位导电物体或电介质物体的 步骤包括将电介质柱贴在所述基板的期望的调谐器位置处。
14.根据权利要求1 12任一项所述的方法，其中，所述定位导电物体或电介质物体的 步骤包括将金属柱贴在所述基板的期望的调谐器位置处。
15.根据权利要求1 12任一项所述的方法，其中，所述定位导电物体或电介质物体的 步骤包括将电介质三角形箱贴在所述基板的期望的调谐器位置处。
16.根据权利要求13 15任一项所述的方法，还包括通过在所述导电物体或电介质物 体在多个位置处时测量所述中心信号频率，确定所述期望的调谐器位置。
17.根据权利要求1 16任一项所述的方法，其中，所述期望的反射体位置在所述基板 下面，邻近所述集成电路远离所述信号垫的一侧。
18.根据权利要求1 16任一项所述的方法，其中，所述期望的反射体位置在所述基板 下面，邻近所述集成电路靠近所述信号垫的一侧。
19.根据权利要求1 18任一项所述的方法，还包括将所述天线封装在电介质或树脂 材料中。
20.根据权利要求1 19任一项所述的方法，还包括在所述基板和所述集成电路之间 设置接地板。
21.一种毫米波天线，其包括馈入点，其连接到安装在基板上的集成电路的信号垫上；以及 调整装置，其选自下述装置，或由下述装置任意组合而成； 导电物体或电介质物体，其邻近所述天线，配置为调谐中心信号频率， 导电反射体，其邻近所述天线，配置为调谐辐射方向或模式，和 导电贴片或物体，其连接到所述馈入点上，配置为改变带宽。
全文摘要
本发明揭示一种用于制造天线的方法以及毫米波(MMW)天线。该用于制造天线的方法包括设置毫米波(MMW)天线，使其连接到安装在基板上的集成电路的信号垫上；调整所述天线的一个或多个参数，以符合预定的期望阈值、水平或范围，其中所述调整步骤选自下述步骤将导电物体或电介质物体定位在邻近所述天线的期望的调谐器位置，以调谐中心信号频率；将导电反射体定位在邻近所述天线的期望的反射体位置，以调谐辐射方向或模式，以及选择导电贴片或物体作为辐射器/检测器元件，以改变带宽。本发明的上述方法可以调谐中心信号频率、调谐辐射方向或模式并改变带宽。
文档编号H01Q19/10GK102074804SQ20101022875
公开日2011年5月25日 申请日期2010年7月16日 优先权日2009年11月25日
发明者川崎研一, 马逾钢 申请人:索尼公司