CN101496190B - 具有一体式天线的混合电路 - Google Patents
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Abstract
具有一体式天线的电路，包括：基底上的混合电路；贴片天线，所述贴片天线适于设置在所述混合电路之上预选的距离处，并且耦合到所述混合电路以形成单个物理单元；以电子方式连接在所述混合电路和所述贴片天线之间的馈送器。
Description
相关申请：本申请要求2006年2月26日递交的以色列申请No.173941的优先权，该以色列申请的公开内容通过引用被包括在本文中。
技术领域
本发明总地涉及具有一体式(integral)天线的混合电路。
背景技术
当前，人们日常使用很多电子设备，例如移动电话、GPS导航系统、无线电、MP3播放器、PDA、膝上型计算机、数码相机和很多其他设备。制造商普遍对减小控制所述设备的电路的尺寸感兴趣，因为使用者对可以容易地随身携带的小而轻便的设备感兴趣。此外，对于将设备组合在一起从而单个设备可以替代多个设备存在着兴趣。从而，人们可以携带单个轻便的设备，该设备履行他们之前随身携带的多个设备的功能。
为了使设备小型化，制造商生产混合电路或多芯片模块，所述混合电路或多芯片模块在单个芯片或小型化封装中提供设备的全部功能性。整个设备集成到单个芯片或封装中通常在成本、尺寸、重量、功耗和其他因素方面是有益的。
制造商所面临的一个问题在于将整个无线系统(例如Wi-Fi、蓝牙、移动电话)集成到单个混合电路封装中。一般来说，制造商将除天线以外的设备所有电路部件集成到单个芯片或混合电路包封中。天线一般被排除，因为其为了提供满意的性能而受到尺寸约束。此外，天线受到来自电路的干扰以及由电路和封装造成的低增益的影响。
2006年11月16日公开的、Soler Castany等人的美国专利申请公开No.2006/0256018描述了包括小型的细长天线的集成电路封装，所述细长天线被置于封装内部集成电路旁边，该美国专利申请公开的公开内容通过引用被包括在本文中。
发明内容
本发明的一方面涉及具有以包封在一起的方式封装的一体式天线的混合电路。该天线被提供为平面的贴片天线，并且设置在电路的顶部，其中在它们之间有导电连接。在本发明的一些实施方案中，该连接还充当在所述电路之上对所述天线的机械支撑件。可替换或可附加地，在所述电路的基底上提供其他支撑件，或者使用其他方法来将贴片天线耦合到电路并形成单个物理单元。在本发明的示例性实施方案中，贴片天线包括其间具有电介质材料的导体板和接地板。可选地，接地板设置在电路之上，从而屏蔽电路免受导体板影响并且屏蔽导体板免受电路影响。
在本发明的示例性实施方案中，电路和导体板之间的体积以填充材料(例如环氧树脂)填充来形成可以经受外部压力的强健的(robust)实心单元。可选地，在填充材料被固化后，贴片天线和电路通过填充材料而保持在一起。在本发明的一些实施方案中，贴片天线和电路被一外壳围绕，并且以填充材料填充来形成强健的单片式封装。可替换地，贴片天线和电路被置于模具中，此时注入填充材料并固化以形成实心的单片式封装。
在本发明的示例性实施方案中，电路和贴片天线之间的短距离帮助降低噪声，并防止天线所接收的信号的衰减。
在本发明的一些实施方案中，多于一个的天线被集成到电路中，以为电路提供多种功能，例如用于GPS和用于GPRS的天线。
因此，根据本发明的示例性实施方案，提供了一种具有一体式天线的电路，所述电路包括：基底上的混合电路；贴片天线，所述贴片天线适于设置在所述混合电路之上预选的距离处，并且耦合到所述混合电路以形成单个物理单元(physical unit)；以电子方式连接在所述混合电路和所述贴片天线之间的馈送器(feeder)。可选地，所述单个物理单元的占用区小于100mm×100mm。在本发明的示例性实施方案中，所述单个物理单元的占用区的宽度和长度中的每一个至少是所述单个物理单元的厚度大小的两倍。
在本发明的示例性实施方案中，所述混合电路和所述贴片天线之间的体积以填充材料填充。可选地，所述填充材料可以通过固化工艺被硬化。在本发明的示例性实施方案中，所述填充材料耦合在所述贴片天线和所述混合电路之间。可选地，所述填充材料被施加到模具中以形成用于所述单个物理单元的单片式封装。在本发明的示例性实施方案中，所述混合电路包括一个或更多个支撑件，所述支撑件耦合在所述混合电路和所述贴片天线之间。可选地，所述馈送器耦合在所述混合电路和所述贴片天线之间。可选地，所述电路还包括限定所述单个物理单元的外壳。可选地，所述外壳耦合在所述混合电路和所述贴片天线之间。在本发明的示例性实施方案中，所述外壳包括用于在所述混合电路和所述贴片天线之间注入填充材料的孔。可选地，所述单个物理单元的顶部被所述贴片天线约束。在本发明的示例性实施方案中，所述单个物理单元的底部被所述基底约束。可选地所述预选的距离为离所述混合电路的最高的部件不大于1mm。在本发明的示例性实施方案中，所述贴片天线适于处理GPS信号。
在本发明的示例性实施方案中，多个贴片天线被集成到所述电路中。可选地，两个贴片天线被集成到所述电路中。在本发明的示例性实施方案中，所述贴片天线包括传导板和接地板，并且其中所述传导板被形成为单个平面中的导线框。可选地，所述贴片天线包括电介质层和接地板，并且所述馈送器以电子方式连接在所述电介质层到所述混合电路之间。在本发明的示例性实施方案中，所述单个物理单元被保护性覆层包覆(coated)，以保护所述单个物理单元免受环境因素影响。
此外，根据本发明的示例性实施方案，提供了一种制作具有一体式天线的混合电路的方法，所述方法包括：在基底上制备混合电子电路；制备用于与所述混合电子电路通信的贴片天线；将所述贴片天线附接到所述混合电子电路之上；以填充材料填充所述贴片天线和所述混合电子电路之间的体积，以形成具有一体式天线的单片式封装的混合电路。
附图说明
从以下结合附图的详细描述将理解和更好地认识到本发明。在多于一幅附图中出现的相同的结构、部件或部分一般在其所出现的所有附图中以相同或类似的数字标记，在附图中：
图1A是根据本发明的示例性实施方案的具有电子电路和一体式贴片天线的混合电路的横截面视图的示意性图示；
图1B是根据本发明的示例性实施方案的具有电子电路和一体式贴片天线的可替换的混合电路的横截面视图的示意性图示；
图2是根据本发明的示例性实施方案的具有一体式贴片天线的封装的混合电路的顶视图的示意性图示；以及
图3是根据本发明的示例性实施方案的具有两个贴片天线的混合电路的横截面视图的示意性图示。
具体实施方式
图1A是根据本发明的示例性实施方案的具有电子电路180和一体式平面贴片天线150的混合电路100的横截面示意性图示(AA)。在本发明的示例性实施方案中，基底110(例如PCB-印刷电路版)被用作制备电路100的基础。可替换地，可以使用其他材料或构造来充当用于电路100的基础。在本发明的示例性实施方案中，使用各种类型的电路部件125来构造电路100，例如，电路部件125可以包括：
1、无源器件(例如电阻器、电容器)；
2、要求用于其的电源来进行操作的有源器件(例如集成电路、晶体管)，或者
3、其他部件，例如分立部件(例如二极管)。
可选地，一些部件被嵌入到基底110中，一些部件被表面安装到基底110，而一些配装(fit)到基底110上的孔中并且被焊接于其上，或者根据本领域已知的其他方法连接到基底110。可选地，基底110可以由各种材料提供，例如玻璃纤维环氧树脂(glass-epoxy)、氧化铝、特氟隆或其他类型的陶瓷、玻璃陶瓷、聚合物，或者提供为金属引线架(lead frame)。在本发明的示例性实施方案中，电路100被提供为具有一个或更多个接触体115，所述接触体115用于连接在混合电路100形成的模块和其他电路或器件之间。在本发明的一些实施方案中，接触体115是球栅阵列接触体(BGA)、焊盘格栅阵列(LGA)或其他类型的接触体。可选地，所述接触体可以位于电路的角上、在基底110的中间，或者在基底110之下的任何其他位置。
在本发明的示例性实施方案中，电路100被实施成为GPS(全球定位系统)设备、移动电话(例如GPRS/GSM)设备、无线网络(Wi-Fi)设备或其他类型的设备提供功能性，上述GPS设备、移动电话设备、无线网络设备或其他类型的设备需要以范围在0.01GHz到100GHz的频率进行通信，例如射频在约80MHz通信，GPS在约1.5GHz通信，WI-FI在约2.4GHz通信，而雷达在约70GHz通信。在本发明的示例性实施方案中，贴片天线150被安装为在部件125之上的顶(roof)，以提供作为混合电路100的一体式部分发射和接收通信的能力。在本发明的示例性实施方案中，贴片天线150由导体板155和平行接地板140形成。可选地，馈送线160充当导体贴片板155和电子电路180之间的导电连接，以处理天线150提供的信号。在本发明的示例性实施方案中，导体板155构形为方形、平行四边形、梯形、四边形、圆形、椭圆形或其他平面形状，包括在单个平面中的导线框(wireframe)。可选地，接地板140具有类似于导体板155的形状。在本发明的示例性实施方案中，在板之间设置电介质材料145，以便允许减小板(140，155)所需的尺寸，所述尺寸的减小取决于所使用的电介质材料的组成。在本发明的一些实施方案中，接地板140、导体板155和电介质145全部具有相等的尺寸。可替换地，一层可以比其他层大，或者所有层可以尺寸不同，例如接地板140可以比电介质145大，而电介质145可以比导体板155大，或者如图1中所示，导体板155和电介质145可以为相同尺寸而接地板140可以较大。在本发明的示例性实施方案中，贴片天线150可以被提供为电介质天线，其中导体板155被省略而电介质145充当天线接收体(receptor)，或者导体板155相对于电介质145或接地板140为具有可忽略尺寸的点。
通常，在所述板之间具有真空的贴片天线一般要求导体板155具有约为(例如针对使用大致1.5-1.6GHz的频率的GPS使用的)传输信号波长的一半的长度，半个波长约为95mm，这对于实现为混合电路中的贴片天线150来说稍大。可选地，通过使用电介质145，例如数层高K带(tape)CT765(由来自美国宾夕法尼亚的Heraeus Inc.制造)或来自412XX系列的低温电容器带(由来自美国宾夕法尼亚的ESL ElectroScience制造)，或者其他电介质材料的组合，最佳尺寸甚至可以减少到十分之一(be reduced tenfold)。因此，贴片天线150的约10mm乘10mm的尺寸将足以充当GPS天线。下式提供用于基于介电常数确定对贴片天线来说所需的长度的一般计算：L＝C/2f(ε)1/2
其中L＝贴片尺寸的长度，C＝光速，f＝所考虑的波的频率，而ε为介电常数。
在本发明的示例性实施方案中，贴片天线150的厚度取决于传输频率，因为该厚度与所需的尺寸减少量相关。可选地，如果需要较小的尺寸减少，则较薄的电介质材料将足够。此外，贴片天线150的厚度还取决于所使用的材料，一些材料以较薄的板以及较薄的电介质材料145层起作用，例如导体板155可以由用Cu(铜)、Au(金)、Ag(银)、AgPd(银钯合金)或其他材料制成薄(例如从1微米到1毫米)板提供，而接地板140也可以由薄的(例如从1微米到1毫米)Cu、Au、Ag、AgPd板提供。类似地，电介质材料的厚度可以取决于所使用的电介质材料的类型，例如可能需要在0.1mm到2mm或者甚至5mm或10mm之间。在本发明的一些实施方案中，导体板155和接地板140可以被提供为在电介质材料上的金属覆层，以减小导体天线150的厚度(例如减小1-100微米的厚度)。可选地，混合电路100的封装被选择为与本领域中可获得的模块封装一致，从而其可以容易地实现在其他电路中。在本发明的示例性实施方案中，典型的混合电路100的占用区(footprint)的尺寸可以从约5mm×5mm到约100mm×100mm变化，而厚度可以从约1mm到约10mm变化。在本发明的一些实施方案中，混合电路100可以以各种形状的占用区来封装，例如为矩形、梯形、圆形、椭圆形或其他形状。可选地，贴片天线150的尺寸被设计为与电子电路180的尺寸大约相同，反之亦然，例如电子电路180可以被扩大到与贴片天线150的尺寸大约相同，或者贴片天线150的尺寸可以被扩大到约为电子电路180的尺寸。在本发明的示例性实施方案中，混合电路100的占用区的宽度和长度至少为混合电路100的厚度的两倍。
当前，用于GPS的小的贴片天线可作为独立的天线从很多制造商获得，例如由来自台湾的EMTAC Technology Corp.(www.emtac.com)制造的，该制造商生产用于GPS的12mm×12mm、具有4mm厚度的贴片天线。
在本发明的示例性实施方案中，混合电路100配备有机械支撑件130，以将贴片天线150保持在混合电路100之上一预选的距离处，例如在混合电路100中最高的部件125之上0.1mm处。此外，混合电路100具有连接120，所述连接120向贴片天线150提供来自电子电路180的信号，并且经由馈送线160接收来自贴片天线150的信号。可选地，支撑件130可以是使天线接地的导体，或者是使天线与基底110隔离的绝缘体，而连接120可以提供或者可以不提供机械支撑，并且连接120是在天线150和电子电路180之间传送信号的导体。在本发明的一些实施方案中，使用四个支撑件130来从贴片天线150的四个角保持贴片天线150。可替换地，可以使用更多或更少的支撑件130，并且其在基底110上的位置可以除其他以外根据所使用的支撑件的数量而变化。
在本发明的一些实施方案中，从下面以电子电路180为约束而从上面以接地板140为约束的体积165被注入诸如环氧树脂的填料材料，所述环氧树脂之后被固化(cure)以形成在外部压力下不容易垮塌的实心一体化混合电路100。可选地，附加于或取代支撑件130，使用围绕(surround)电子电路180的壳体(enclosure)170来提供将天线150在电子电路180之上保持就位的支撑。在本发明的一些实施方案中，壳体170由非导电材料(例如聚合物、聚四氟乙烯(Teflontm)或陶瓷)制成。可替换地，壳体170由金属(例如铝)或者包覆金属的聚合物制成。可选地，壳体170为电路100提供电磁屏蔽。在本发明的一些实施方案中，壳体170完全包封贴片天线150和电子电路180，以形成单片式封装。该封装可以以填充材料填充或者可以不填充，并且所述填充材料可以通过固化而能够硬化或者不能通过固化来硬化。在本发明的一些实施方案中，壳体170不是整个包封电路100，并且所述填充材料被固化以形成实心单元。
图1B是根据本发明的示例性实施方案的具有一体式贴片天线150的可替换的混合电路101的横截面视图(AA)的示意性图示。在图1B中，壳体170被示出为环绕(enclose)电子电路180并支撑贴片天线150。可选地，体积190在贴片天线150制造期间或者在耦合在电子电路180和贴片天线150之间时以可固化填料材料填充。可选地，电子电路180和贴片天线150被耦合以通过固化填充材料或者通过应用结合剂或其他附接器件(例如螺钉或钉)来形成单片式封装。
在本发明的一些实施方案中，具有耦合到其的贴片天线150的电子电路180被置于模具中，并且填充材料被注入且固化以形成单片式模块封装，其中天线150在顶部而基底110在底部，具有或者不具有额外的机械支撑件和/或壳体。一些可以用作填充材料的示例性环氧模制化合物是来自纽约、加拿大和巴西的Henkel Technologies的Hysol
GR9851M和Hysol
MG52F-99B。
图2是根据本发明的示例性实施方案的具有电子电路180和一体式贴片天线150的封装的混合电路200的顶视图的示意性图示。在本发明的示例性实施方案中，封装的混合电路200被提供为单片式矩形形状的模块，以基底110为下边界，以导体片155为上边界，并且以外壳(encasement)170为侧边界。可替换地，可以针对封装的混合电路200使用任何其他的形状。可选地，填充体积165和/或190(如图1B中)的填充材料有助于所得的单片式封装的刚性。在本发明的示例性实施方案中，外壳170可以完全遮蔽(cover)导体片155，以保护导体片155免受环境影响，例如免受湿气影响。可替换地，可以使导体片155保持为未遮蔽的，以增强其发射能力。在本发明的一些实施方案中，单片式封装可以以覆层材料包覆，以保护所述封装免受湿气或其他环境因素的影响。
在本发明的示例性实施方案中，将贴片天线150集成到混合电路100中提供以下优点：
1、这减小贴片天线150与电子电路180之间的距离，由此改进信号电平以及信号电平对噪声比。
2、这减少所需的放大部件的数量，因此减小混合电路100的总尺寸。
3、接地板140的底部充当用于电子电路180的屏蔽，以保护电子电路180免受外部噪声和来自导体板155的噪声的影响。
4、混合电路100通过提供这样的单个电路来简化通信设备的构造，所述单个电路提供所述设备的所有功能(包括天线)。
在本发明的一些实施方案中，外壳170包括一个或更多个孔210，用于注入填充材料以填充贴片天线150与电子电路180之间余下的体积。可选地，混合电路100用热处理固化以凝固(solidify)所述填充材料。
在本发明的一些实施方案中，如图1A、1B和图2中所示的外壳170由固化的填充材料形成，而不是围绕混合电路100的额外的材料。
图3是根据本发明的示例性实施方案的具有两个贴片天线(310，320)的混合电路300的横截面视图的示意性图示。在本发明的一些实施方案中，多于一个的天线被设置在电子电路180之上，以提供用于不同应用(例如GPS和用于移动电话的GPRS)的通信。因此，混合电路300充当提供如GPS设备和GPRS设备的功能性的单个部件。可选地，通过减小每个贴片天线的尺寸，混合电路300被实施为与混合电路100相同的尺寸。可替换地，混合电路300的外壳是混合电路100的两倍，以容纳另外的电路部件125和两个贴片天线150。
应该注意，上面描述的电路实现的确切细节仅仅是示例性的，并且可以实施其他变体来提供其他选项，以不同方式提供相同的选项，或者去除某些选项。
应该意识到，上面描述的方法和装置可以以很多方式变化，包括省略和添加步骤、改变步骤的顺序及使用的器件的类型。应该意识到，可以以不同方式组合不同的特征。具体来说，并非以上在特定实施方案中示出的所有特征在本发明的每个实施方案中均是必须的。以上特征的其他组合也被视为落入本发明的一些实施方案的范围内。
本领域技术人员应该意识到，本发明不限于前面已经特别示出和描述的内容。相反，本发明的范围仅由所附权利要求书限定。
Claims (20)
1.一种具有一体式天线的电路，包括：
基底上的具有多个电子部件的混合电路；
贴片天线，所述贴片天线设置在所述混合电路之上预选的距离处，并且耦合到所述混合电路以形成单个物理单元；其中所述贴片天线包括传导板、接地板以及在所述传导板和所述接地板之间的电介质层；并且其中所述混合电路的所述部件从所述基底向上朝向所述贴片天线延伸；
以电子方式连接在所述混合电路和所述贴片天线的所述传导板之间的馈送器；其中所述馈送器经由通过所述电介质层和所述接地板的馈送线提供。
2.根据权利要求1的电路，其中所述单个物理单元的占用区小于100mm×100mm。
3.根据权利要求1的电路，其中所述单个物理单元的占用区的宽度和长度中的每一个至少是所述单个物理单元的厚度大小的两倍。
4.根据权利要求1的电路，其中所述混合电路和所述贴片天线之间的体积以填充材料填充。
5.根据权利要求4的电路，其中所述填充材料可以通过固化工艺被硬化。
6.根据权利要求5的电路，其中所述填充材料耦合在所述贴片天线和所述混合电路之间。
7.根据权利要求5的电路，其中所述填充材料被施加到模具中以形成用于所述单个物理单元的单片式封装。
8.根据权利要求1的电路，其中所述混合电路包括一个或更多个支撑件，所述支撑件耦合在所述混合电路和所述贴片天线之间。
9.根据权利要求1的电路，其中所述馈送器耦合在所述混合电路和所述贴片天线之间。
10.根据权利要求1的电路，还包括限定所述单个物理单元的外壳。
11.根据权利要求10的电路，其中所述外壳耦合在所述混合电路和所述贴片天线之间。
12.根据权利要求10的电路，其中所述外壳包括用于在所述混合电路和所述贴片天线之间注入填充材料的孔。
13.根据权利要求1的电路，其中所述单个物理单元的顶部被所述贴片天线约束。
14.根据权利要求1的电路，其中所述单个物理单元的底部被所述基底约束。
15.根据权利要求1的电路，其中所述预选的距离为离所述混合电路的最高的部件不大于1mm。
16.根据权利要求1的电路，其中所述贴片天线适于处理GPS信号。
17.根据权利要求1的电路，其中多个贴片天线被集成到所述电路中。
18.根据权利要求17的电路，其中两个贴片天线被集成到所述电路中。
19.根据权利要求1的电路，其中所述单个物理单元被保护性覆层包覆，以保护所述单个物理单元免受环境因素影响。
20.一种制作具有一体式天线的混合电路的方法，包括：
在基底上制备具有多个电子部件的混合电子电路；
制备用于与所述混合电子电路通信的贴片天线；其中所述贴片天线包括传导板、接地板以及在所述传导板和所述接地板之间的电介质层；
将所述贴片天线附接到所述混合电子电路之上；其中所述混合电路的所述部件从所述基底向上朝向所述贴片天线延伸；
以电子方式连接在所述混合电路和所述贴片天线的所述传导板之间的馈送器；其中所述馈送器经由通过所述电介质层和所述接地板的馈送线提供；
以填充材料填充所述贴片天线和所述混合电子电路之间的体积，以形成具有一体式天线的单片式封装的混合电路。
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