具有rfic和天线系统的rf系统的制作方法
【专利说明】
[0001 ] 本申请要求2014年12月23日提交的美国临时申请第62/096421号的权益、2015年 08月06日提交的美国临时申请第62/201895号的权益、2015年09月22日提交的美国临时申 请第62/222058号的权益，其整体内容通过引用并入本文。
[0002] 相关申请的交叉引用
[0003] 本专利申请进一步涉及以下共同待决的以及共同转让的美国专利申请:2015年11 月30 日提交的、申请号为14/954,395、题目为"RF System with an RFIC and Antenna System"（代理人案号2014 P52192 US01)和2015年11月30日提交的、申请号为14/954,256、 题目为"System and Method for Radar"（代理人案号2015P 51802US01)，这些申请整体内 容通过引用并入本文。
技术领域
[0004] 本公开总体上涉及一种电子设备，并且更具体地涉及具有射频（RF)集成电路 (RFIC)和天线系统的RF系统。
【背景技术】
[0005] 由于在诸如硅锗（SiGe)和精细几何形状互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺的低 成本半导体技术上的快速进步，在过去的几年中，毫米波频率区域系统中的应用获得了重 大关注。高速双极型晶体管和金属氧化物半导体(M0S)晶体管的可用性导致了对60GHz、 77GHz和80GHz还有超过100GHz的mm波应用的集成电路的需求增长。这种应用包括例如汽车 雷达系统和多千兆位通信系统。
[0006] 在一些雷达系统中，雷达和对象之间的距离通过发射频率调制信号、接收频率调 制信号的反射以及基于频率调制信号的发射和接收之间的时间延迟和/或频率差异确定 距离。因此，一些雷达系统包括用于发射RF信号的发射天线、用于接收RF的接收天线以及用 于生成发射信号和接收RF信号的相关联的RF电路。在一些情况下，使用相控阵列技术，多天 线可以用于实施定向波束。
【发明内容】
[0007] 根据实施例，封装的射频(RF)电路包括布置在基板上的射频集成电路(RF IC)，该 射频集成电路具有耦合到在RFIC的第一边缘处的接收端口的多个接收器电路以及耦合到 RFIC的第二边缘处的第一发射端口的第一发射电路。封装的RF电路还包括布置在与RFIC的 第一边缘相邻的封装基板上的接收天线系统以及布置在与RFIC的第二边缘相邻的封装基 板上并且电耦合到RFIC的第一发射端口的第一发射天线。接收天线系统包括多个接收天线 元件，多个接收天线元件均电親合到对应的接收端口。
【附图说明】
[0008] 为了更完整地理解本发明及其优点，现在参考结合附图的以下描述，其中：
[0009]图1包括实施例雷达系统；
[001 0]图2，其包括图2a-图2c，图示了实施例RF系统/天线封装和对应的电路板；
[0011 ]图3图示了实施例RF系统/天线封装的平面图；
[0012]图4,其包括图4a、图4b和图4c，图示了进一步的实施例RF系统/天线封装和对应的 电路板；
[0013]图5图示了由实施例贴片天线系统生成的天线图案；
[0014]图6,其包括图6a和图6b，图示了实施例射频集成电路(RFIC)的示意图和布局；
[0015]图7图示了实施例雷达系统的框图；
[0016] 图8,其包括图8a、图8b、图8c和图8d，提供了图示频率调制连续波(FMCW)雷达系 统的操作的示图；
[0017]图9,其包括图9a、图％、图9c和图9d，图示了实施例雷达系统的框图和实施例天线 配置；
[0018] 图10,其包括图10a、图10b、图10c和图10d，图示了各种实施例雷达系统的电路板；
[0019] 图11图示了实施例雷达控制器的框图；
[0020] 图12图示了实施例自动触发操作模式的流程图；
[0021]图13图示了实施例手动触发操作模式的流程图；以及 [0022]图14图示了实施例处理系统的框图。
[0023] 除非另有指示，不同附图中的对应附图标记一般指代对应的部分。为了清楚地图 示优选的实施例的相关方面而绘制附图，并且附图不一定成比例。为了更加清楚地图示某 些实施例，指示相同结构、材料或过程步骤的变化的字母可以跟随附图号。
【具体实施方式】
[0024] 在下文中详细地讨论目前的优选实施例的制作和使用。然而，应当理解本发明提 供了可以在众多特定情境中实施的许多可应用的发明构思。所讨论的具体的实施例仅仅说 明制作和使用本发明的特定方式并不限制本发明的范围。
[0025] 将在用于雷达系统的系统和方法的特定情境中结合优选实施例描述本发明，这种 雷达系统诸如用于相机感测系统和便携式消费设备的雷达系统。本发明还可以被应用于其 他系统和应用，诸如通用雷达系统和无线通信系统。
[0026]在本发明的实施例中，包括RF电路和天线的高频RF系统在单个球栅阵列(BGA)封 装中实施。RF系统包括具有在芯片的第一边缘上的接收接口和在芯片的相邻或相对边缘上 的发射接口的集成电路。多元件贴片天线被布置在与芯片的第一边缘相邻的封装的表面上 并且在芯片的第一边缘处耦合到多个接收通道接口。相似地，用于发射信号的贴片天线被 布置在与发射接口相邻的芯片的相邻边缘或相对边缘上的封装的再分布层上。在一个实 施例中，至少一个发射通道可以被用于选择性地发射入射雷达信号或数据信号。在本发明 的其他实施例中，集成电路可以被直接安装在与布置在电路板上的多元件贴片天线相邻的 电路板上。
[0027]为了在发射天线和接收天线之间提供隔离，接地壁被布置在与第一边缘相邻的封 装中。该接地壁可以使用在再分布层中的接地层和/或通过使用接地的焊球的阵列实施。此 外，可以使用伪(dummy)焊球向在扇出区域中的封装(特别是在与贴片天线相邻的封装的区 域中）提供机械稳定性。
[0028] 在实施例中，在雷达系统中广泛使用的波束赋形概念可以用于向RF信号的发射和 接收赋予波束控制和方向性。这种实施例可以被应用到例如汽车雷达、相机系统、便携式系 统、可穿戴设备、TV机、平板电脑和其他应用。例如，在相机系统中，雷达系统可以用于确定 到拍摄物体的距离以便确定焦距和曝光设置。该距离可以使用具有在大约2GHz和8GHz之间 的带宽（例如7GHz带宽）的实施例60GHz雷达系统可以精确地并且高精度地确定。这种距离 信息可以用于将雷达测距数据与相机数据合并的智能感测系统。
[0029] 实施例波束赋形概念还可以被用于实施手势识别系统。过去，使用光学相机、压力 传感器、PAL和其他设备实施手势识别系统。通过使用实施例雷达系统，手势识别系统在方 便地隐藏在由塑料或其他坚固的材料组成的不透明覆盖物之后的同时，还可以执行精确的 距离测量。
[0030] 图1图示了根据本发明的实施例的雷达系统100。如图所示，雷达收发器设备102被 配置成经由发射天线120a和/或发射天线120b向物体132发射入射的RF信号以及经由包括 接收天线122a-122d的天线阵列接收反射的RF信号。雷达收发器设备102包括耦合到接收天 线122a-122d的接收器前端112、耦合到发射天线120a的第一发射器前端104和耦合到发射 天线120b的第二发射器前端110。雷达电路106提供将要被发射到第一发射器前端104和第 二发射器前端110的信号并且接收和/或处理由接收器前端112接收的信号。
[0031] 在实施例中，经由通过开关109代表的电路，到第二发射器前端110的输入可以在 雷达电路106的输出和通信电路108的输出之间选择。当第二发射器前端110从雷达电路106 接收输入时，可以使用第一发射器前端104和第二发射器前端110两者以构建全息雷达。另 一方面，当第二发射器前端110从通信电路108接收它的输入时，第一发射器前端104向发射 天线102a提供雷达信号并且第二发射器前端110向发射天线120b提供通信信号。该通信信 号可以是载波调制信号。在一个示例中，第二发射器前端110可以向卫星雷达设备130发射 包含数据的双极相移键控(BPSK)调制信号。在一些实施例中，雷达收发器102和卫星雷达设 备130之间的数据链路可以用于协调雷达收发器设备102和卫星雷达设备130之间的RF发射 和接收以实施相控阵列波束控制。在一些实施例中，卫星雷达设备130还可以能够进行数据 发射，并且雷达收发器设备102可以被配置成经由天线122a-122d从卫星雷达设备130接收 数据。
[0032] 在实施例中，雷达收发器设备102或雷达收发器设备102的包含第一发射器前端 104、第二发射器前端110、接收器前端112以及发射天线120a和120b和接收天线122a-122d 的部分可以在封装中实施。图2a图示了球栅阵列(BGA)封装的横截面，该球栅阵列(BGA)封 装包括雷达电路106和用于实施天线120a、120b和122a-122d的贴片天线208。在备选的实施 例中，除贴片天线之外可以使用其他天线元件，例如可以使用八木天线从封装芯片和天线 模块的侧面提供感测。如图所示，封装的芯片和天线模块202经由焊球210耦合到电路板 204〇
[0033] 在实施例以及本文公开的其他实施例中，雷达系统100的操作的频率在大约57GHz 和大约66GHz之间。备选地，实施例系统还可以在该范围以外的频率处操作。
[0034]图2b图示了封装的芯片和天线模块202的平面图。如图所示，RF芯片206布置在封 装再分布层220上并且具有布置在RF芯片206的第一边缘上的接收器前端112、耦合到与RF 芯片206的第一边缘相邻的第二边缘的第一发射器前端104和耦合到也与雷达电路106的第 一边缘相邻的第三边缘的第二发射器前端110。备选地，发射器电路还可以耦合到与RF芯片 206的第一边缘相对的第四边缘。
[0035]接收贴片天线222被定位在与RF芯片206的第一边缘相同的一侧上，但是被接地壁 212分离，接地壁212在接收贴片天线222和RF芯片206之间以及在接收贴片天线222和发射 贴片天线214和贴片天线216之间提供隔离。可以例如使用接地的焊球210g和/或经由封装 再分布层220内的接地的导电层实施接地壁212。如图所示，发射贴片天线214耦合到第一发 射器前端104并且布置成与RF芯片206的与第一发射器前端104相同的边缘相邻。相似地，发 射贴片天线216耦合到第一发射前端104并且被布置成与RF芯片206的与第一发射器前端 104相同的边缘相邻。
[0036]伪焊球210d被布置在与接收贴片天线222相邻的封装的扇出区域中并且向封装的 芯片和天线模块202提供机械稳定性。相似地，当封装的芯片和天线模块202被安装并焊接 到印刷电路板(PCB)上时，角部焊球210c向封装提供机械稳定性以及向封装再分布层220的 角部提供支撑。在一些实施例中，伪焊球210d和角部焊球210c减弱向RF芯片206提供电连接 的连接焊球210r上的机械应力，因此允许封装再分布层220承受各种机械应力，诸如重复的 温度循环。
[0037]图2c图示了实施例雷达收发器设备250,雷达收发器设备250包括布置在再分布层 或基板253上的RF芯片251。发射接收贴片天线252