CN104321930A - 用于芯片间通信的电介质透镜结构 - Google Patents

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Abstract

用于使用EHF电磁辐射通信的通信装置包括被配置为折射入射的EHF电磁辐射的电介质透镜。通信装置可以包括集成电路(IC)封装。集成电路封装继而包括被配置为发射和/或接收EHF电磁信号并且在电信号与电磁信号之间转换的转换器。集成电路封装还可以包括集成电路，集成电路包括可操作地耦合至转换器的发射机电路和接收机电路中的至少一个。电介质透镜通常被布置为以增强转换器的电磁信号的发射或接收。

Description

用于芯片间通信的电介质透镜结构
技术领域
本公开涉及一种关于聚焦和发散电磁信号特别是EHF辐射的系统和方法。
背景技术
半导体工业和电路设计技术的发展已使具有不断增长的更高的工作频率ICs的开发和产品成为可能。因而，与前几代产品相比，具有这种集成电路的电子产品和系统能够提供更强的功能。这种增加的功能通常已包括对以不断增加的更快的速度不断增长的更大的数据量的处理。
许多电子系统包括多个安装有这些高速ICs的印刷电路板(Printed CircuitBoards，PCBs)，各种信号通过PCBs在ICs之间来往。在具有至少两个PCBs并且需要在这些PCBs之间进行通信的电子系统中，已发展出多种连接器和背板架构来方便电路板之间的信息传递。遗憾的是，这种连接器和背板架构将各种阻抗不连续带入了信号路径，导致信号质量或完整性的下降。通过例如载波信号机械式连接器的传统方式连接板通常会造成中断，这需要昂贵的电子设备来解决。传统的机械式连接器还可能会随着时间发生破损、需要精确的对齐和制造方法，以及容易受到机械耦合的影响。
传统连接器的这些特点会导致需要高速传输数据的电子系统的信号完整性和稳定性的下降，这会限制这些产品的性能。
发明内容
本公开的实施例可以提供用于使用EHF电磁辐射通信的通信装置。通信装置可以包括集成电路(IC)封装，集成电路封装包括可以被配置为发射和/或接收EHF电磁信号以及在电信号与电磁信号之间转换的转换器。集成电路封装还可以包括集成电路，集成电路包括可操作地耦合至转换器的发射机电路和接收机电路中的至少一个。此外，IC封装可以包括绝缘材料，集成电路和转换器中的每一个部分地嵌入绝缘材料，以使绝缘材料将转换器和IC中的每一个维持在相对的固定位置。通信装置可以包括被配置为折射入射的EHF电磁辐射的电介质透镜。电介质透镜被布置为以增强转换器的电磁信号的发射或接收。
本公开的另一实施例提供包括第一装置的EHF通信系统。第一装置包括具有第一转换器的第一集成电路封装。第一装置可以被配置为发射EHF频率范围的电磁信号。第一装置还可以包括与第一转换器邻近布置的第一电介质透镜，以使第一电介质透镜折射电磁信号的至少一部分。EHF通信系统还可以包括第二装置。第二装置包括第二集成电路封装，第二集成电路封装具有第二转换器并被配置为接收由第一电介质透镜折射的电磁信号。
附图说明
在概括地描述本发明之后，现将参考未必按比例绘制的附图，其中：
图1示出了根据本公开实施例包括晶粒和天线的集成电路(IC)封装的第一示例的简化的示意俯视图。
图2示出了沿线2-2的图1的IC封装的剖面图。
图3是图1和2的晶粒和天线的互连的放大视图。
图4示出了包括晶粒和天线的IC封装的第二示例的示意俯视图。
图5示出了包括晶粒和天线的IC封装的第三示例的示意俯视图。
图6示出了沿线6-6的图5的IC封装的剖面图。
图7示出了IC封装的另一个实施例。
图8示出了包括IC封装和印刷电路板(PCB)的示例性通信装置的示意侧视图。
图9是示出了示例性发射机电路和天线部分的简化的电路图。
图10是示出了示例性接收机电路和天线部分的电路图。
图11示出了包括具有外部电路导体的IC封装的另一个示例性通信装置的等距视图。
图12示出了图11的示例性通信装置的底视图。
图13和14示出了被配置为发射机的图11的通信装置产生的代表性辐射方向图。
图15示出了具有PCB地线层的示例性结构和生成的辐射方向图的程式化表示的发射装置。
图16示出了具有示例性电介质透镜的通信装置。
图17是示例性电介质透镜的两部分的图。
图18是示例性电介质透镜的剖面图。
图19-22是各个示例性电介质透镜的照片。
图23是示例性双凹电介质透镜的剖面图。
图24是图23的透镜的等距半透明视图。
图25是示例性菲涅尔电介质透镜的等距视图。
图26是另一个示例性菲涅尔电介质透镜的等距视图。
图27是图26的透镜的另一侧的等距视图。
图28示出了另一个示例性电介质透镜结构。
图29是用于集成电路封装的一对外壳的示意剖面图，其中，外壳包括增强集成电路封装之间的EHF通信的示例性电介质透镜。
具体实施方式
可以使用无线通信来提供装置上的元件之间的信号通信或提供装置之间的通信。无线通信提供了不会受到机械或电子衰减的连接。5,621,913号美国专利和2010/0159829号美国公开的专利申请中公开了在芯片之间使用无线通信的系统的示例，出于一切目的，通过引用的方式将其中的内容全部包含于此。
在一个示例中，紧密耦合的发射机/接收机配对可以配备有置于第一传导路径终端的发射机和置于第二传导路径终端的接收机。发射机和接收机可以根据发射强度相互紧邻放置，以及第一传导路径和第二传导路径可以不相互接触。在示例性描述中，可以将发射机和接收机置于与发射机/接收机配对的天线一起紧邻放置的单独的电路载体上。
如下所述，可以将发射机和/或接收机配置为IC封装，在其中，一个或多个天线可以邻近于晶粒放置并由电介质或绝缘封装或粘合材料保持在适当的位置。可以将发射机和/或接收机配置为IC封装，在其中，一个或多个天线可以邻近于晶粒放置并由封装的绝缘封装材料和/或引线框保持在适当的位置。嵌入IC封装的EHF天线的示例在图中示出并在以下进行描述。
本公开的主题是提供使用EHF电磁辐射的用于通信的通信装置。通信装置可以包括包含用于接收EHF电磁信号的转换器和包含耦合至转换器的发射机电路和/或接收机电路的集成电路的集成电路封装。转换器和/或IC可以保持部分地嵌入绝缘材料以使转换器和IC在相对于彼此的固定位置。通信装置还可以包括能够折射EHF电磁辐射的电介质透镜。配置电介质透镜以增强转换器的EHF电磁信号的发射和/或接收。参考图1-3详细描述IC和它的元件。
依照本公开的实施例，图1到图3示出了第一IC封装10的示例。根据本公开的实施例，图1示出了包括晶粒12和天线30的第一集成电路(IntegratedCircuit，IC)封装的简化的俯视图。如图所示，IC封装10可以包括晶粒12、提供电和电磁(Electromagnetic，EM)信号之间的转换的转换器14、以及例如焊线18-20的一个或多个导电性连接器16。IC封装10可以包括可以可操作地耦合至转换器的发射机电路和/或接收机电路。此外，导电性连接器16或焊线18-20可以将转换器14电连接至分别连接晶粒12中包括的发射机和/或接收机电路的焊垫22-24。IC封装10还可以包括围绕晶粒12和/或转换器14的至少一部分形成的封装材料26。在该示例中，封装材料26覆盖晶粒12、导电性连接器16和转换器14，并且以虚线示出以使晶粒12和转换器14的细节可以以实线示出。可替换地，封装材料可以是绝缘材料，IC封装10和转换器14中的每一个可以保持部分地嵌入绝缘材料，以使绝缘材料将转换器14和集成电路封装10都保持在相对的固定位置。
晶粒12包括被配置为合适的晶粒基片上的微型电路的任意合适的结构，并且功能与被称为“芯片”或“集成电路(Integrated Circuit，IC)”的元件相同。晶粒基片可以是任意合适的半导体材料；例如但不限于是硅。还可以将晶粒12与例如引线框的(未示出)、用于提供与外部电路的连接的电导体16一起安装。以虚线示出的阻抗变压器28可以提供晶粒12上的电路与转换器14之间的阻抗匹配。
转换器14可以是折叠偶极子或环形天线30的形式，并且可以被配置为在例如EHF频谱中的射频工作，并且可以被配置为发射和/或接收电磁信号。天线30可以与晶粒12分开但可以通过任意合适的导体16保持与晶粒12可操作地连接，并且可以位于晶粒12附近。
天线30的尺寸可以适合于在电磁频谱的EHF频带工作。在一个示例中，天线30的环形结构包括摆成1.4mm长和0.53mm宽的环的0.1mm宽的材料，具有在环的开口处的0.1mm的间隔，以及具有距晶粒12的边缘大约0.2mm的环的边缘。
可以使用封装材料26以帮助将IC封装10的各种元件保持在固定的相对位置。封装材料26可以是被配置为为IC封装10的电器和电子元件提供电绝缘和物理保护的任意合适的材料。例如，也被称为绝缘材料的封装材料26可以是注塑复合料、玻璃、塑料或陶瓷。封装材料26可以是任意合适的形状。例如，封装材料26可以是长方体，将IC封装10的除了将晶粒12连接至外部电路的导体16的未连接端的所有元件都进行封装。外部连接可以由其他电路或元件构成。
图2示出了沿着线2-2的IC封装的剖面图。如图所示，IC封装10还可以包括安装在晶粒12的下表面的地线层32以及可以与PCBs使用的电介质相同的封装电介质基片34。地线层32可以是被配置为为晶粒12提供电接地的任意合适的结构。例如，封装地线层32可以是直接安装在晶粒12下面基片34上的导电的、长方形的、平面的结构。基片34可以具有双面金属化图形，例如，上表面上的包括天线30、地线层32和通过一系列合适的导体16连接至晶粒12的导体的金属化图形36，如以下进一步讨论，可以由引线框或倒装凸起提供合适的导体。IC封装10还可以包括例如由倒装芯片焊锡球或凸起40表示的、可以将IC封装10连接至外部电路的外部导体38。通过球垫42以及例如将凸起46连接至地线层32的过孔44的过孔，凸起40可以与金属化图形36中的导体连接。现在将参考图4到图6描述IC封装10的各种结构。
图3是图1和图2的晶粒12和天线30互连的放大视图。如图所示，在示例性的结构中，转换器14可以通过焊线18和20以及焊垫22和24连接至晶粒12。焊线18-20和焊垫22-24可以被配置为限制转换器14和晶粒12的电路之间的阻抗失配。在示例性实施例中，焊线18-20可以是0.6mm长，具有约0.3mm的(表示为尺寸“L”)顶部尺寸。焊垫22-24可以大约是0.066mm方形。还可以布置焊线18-20以使它们在与各自焊垫22-24的连接点处大约分开0.074mm(表示为尺寸“B”)以及在与天线30的连接点处分开0.2mm(表示为尺寸“S”)。通过使用图1所示的变压器28可以进一步有助于阻抗匹配。
图4描绘了包括晶粒52和天线的IC封装50的第二示例的概略性俯视图。如图所示，与IC封装10类似，IC封装50可以具有晶粒52、天线54、一个或多个焊线56-58、一个或多个焊垫60-62、阻抗变压器64、以及封装材料66。不过，在该示例中，天线54是偶极子天线。
图5和6示出了示例性IC封装70。同样与图1的IC封装10类似，IC封装70具有晶粒72、折叠偶极子天线74、阻抗变压器76、以及封装材料78、封装电介质基片80、包括天线74的金属化图形82、以及地线层84、一个或多个封装凸起86、过孔88、以及一个或多个球垫90。封装材料78可以覆盖晶粒72和天线74。然而，在该示例中，可以通过倒装芯片凸起92将晶粒12以倒装芯片结构安装在金属化图形82上。特别的，例如凸起94的倒装芯片凸起可以将从天线74延伸的导体连接至晶粒72的下表面上的相应的导体端子，而不使用焊线。图6示出了沿着线6-6的IC封装70的剖面图。
根据本公开的另一个的实施例，图7描绘了IC封装100。与参考图5描述的IC封装70类似，IC封装100可以包括晶粒102、折叠偶极子天线104、封装材料106、封装电介质基片108、包括天线104的金属化图形110、以及地线层112、一个或多个封装凸起114、过孔116、一个或多个球垫118、以及倒装芯片凸起120。倒装芯片凸起120可以包括能够将从天线104延伸的导体连接至可以倒装至基片108的晶粒102的下表面上的相应的导体端子的倒装凸起122。在该示例中，可以主要使用封装材料作为106晶粒102和基片108之间的填充。
从上述可以理解的是，用于发送或接收信号的系统可以包括被配置为在电信号和电磁信号之间转换的转换器；可操作地耦合至转换器的集成电路(Integrated Circuit，IC)以及IC和转换器至少部分地嵌入的绝缘材料，其中，IC包含发射机电路和接收机电路中的至少一个，发射机电路将基带信号转换为射频信号并且将射频电信号传导至转换器用于作为电磁信号进行发送，接收机电路从转换器接收转换器作为电磁信号接收的射频电信号并且将电磁信号变换为基带信号；绝缘材料将转换器和IC保持在相对于彼此的固定位置。
这样的系统还可以包括支持转换器、IC和绝缘材料的电介质基片。绝缘材料可以完全地覆盖转换器。
图8示出了包括倒装至示例性印刷电路板(PCB)132的IC封装130的示例性通信装置128的概略性侧视图。在该示例中，可见IC封装130可以包括晶粒134、天线136、包括焊线138的连接晶粒134至天线136的一个或多个焊线。晶粒134、天线136、和焊线138可以安装至封装基片140并且被封装在封装材料142中。PCB132可以包括具有主面或表面146的顶部电介质层144。通过一个或多个连接至金属化图形(未示出)的倒装凸起148，IC封装130可以倒装至表面146。
PCB132还可以包括与表面146间隔开、由导电材料制成以形成地线层的层150。PCB地线层可以是被配置为为PCB132上的电路和元件提供电接地的任意合适的结构。地线层150在天线136下面以距离D间隔开。根据IC封装130和PCB132的结构和尺寸，距离D可以小于1mm。例如，PCB地线层150可以位于PCB132的安装表面146下面大约0.4mm处，并且天线136可以安装在安装表面146上面的大约0.25mm处的平面中，这形成了天线136的平面和地线层的平面之间的0.6mm的距离D。
图9示出了包括发射机接口电路162和耦合至发射接口电路的天线164的发射机160的简化的示例性电路图。发射机接口电路可以位于例如图1-3所示的晶粒12的晶粒上，并且可以包括变压器166、调制器168、以及放大器170。在该示例中，变压器166耦合至天线164并且可以从端子172接收初级线圈上的电源。变压器166在结合功率放大器时可以提供谐振放大，并且可以提供DC阻隔和阻抗变换。调制器168可以是任意合适的调制器，并且被示为由串联结构的MOSFET形成的夹装置，其可以用于接收用于调制由放大器170生成的载波信号的接收端子174上的输入信号。在该示例中，放大器170可以包括由端子176和178提供的具有由压控振荡器产生的已选载频的信号驱动的互补共源MOSFET。
图10示出了简化的电路图，示出了示例性接收机电路180的部分。如图所示，接收机电路180可以包括接收机接口电路182和天线184。接口电路182可以包括在例如图1-3所示的晶粒12的晶粒中的集成电路。通过串联的变压器和与变压器耦合的低噪放大器来传导例如EHF频带内的信号的接收的调制射频信号(Radio Frequency，RF)，串联的变压器和与变压器耦合的低噪放大器包括第一变压器186、放大器级188、第二变压器190、第二级放大器192、以及第三变压器194。变压器186、190和194接收各端子196、198和200上的DC偏压。将放大器功率应用于各端子202和204上的变压器190和194的相关的初级绕组。
解调器206的输入是放大的和经处理的RF信号，解调器将接收的调制RF信号转换成基带信号。然后，从解调器206输出的信号可以进入输出比较器208。比较器208还可以从端子210接收输入/输出阈值参考信号。在该示例中，基带信号是二进制信号。如果已解调的基带信号高于阈值，那么从比较器208输出的信号是逻辑1，如果已解调的基带信号低于阈值，那么从比较器208输出的信号是逻辑0。
一个或多个比较器还可以将监测信号的平均值与预定的最小阈值进行比较以确定接收的信号是否足够强到足以认为是有效的。也许有必要将接收机天线实质上与发射机天线靠近，以传输足够强的信号。如果发射机天线和接收机天线处于例如5mm至10mm的期望的物理通信范围内，可以设置预定的最小阈值以确保来自发射机的电磁信号被认为是有效的并且因此使用接收机处理。
更特别地，从自混频器206输出的已解调的基带信号以及端子210上提供的输入-输出参考可以是低通滤波器212的输入。滤波器的输出是表示接收的已调制基带信号的平均强度的监测信号，该监测信号继而表示接收的RF信号的平均强度。平均强度监测信号以及端子216上接收的信号检测阈值参考信号是第二比较器214的输入。因此，第二比较器214可以检测从滤波器212输出的监测信号并且可以确定接收的信号是否是足够强的信号。
第二比较器214的输出是可以具有两个状态中的一个的信号检测控制信号。在第一状态，控制信号表明接收的信号具有足够的强度以被认为是有效信号。在第二状态，控制信号表明接收的信号不具有足够的强度。来自第二比较器214的控制信号以及来自比较器208的已解调的基带信号可以是与门218的输入。然后，当控制信号是表示接收到足够强的信号的第一状态时，与门218可以输出基带信号。如果控制信号是处于第二状态，那么与门218失能，并且没有从接收机接口电路182输出的基带信号。在适当的时候，从第二比较器214输出的信号检测信号还可以输出至晶粒上的其它电路或安装有用于其它应用的IC的PCB。
接口电路182还可以具有自动增益控制(Automatic Gain Control，AGC)电路219。AGC电路219可以包括也接收滤波器的输出作为表示接收的信号的平均强度的信号的第三比较器220。第三比较器220可以接收端子222上的AGC目标水平信号作为参考信号。然后，第三比较器220可以产生反馈至放大器级188和192的输出AGC信号以控制这些放大器的增益。AGC电路219可以将接收的足够强的信号维持在期望的水平，以用于接收机接口电路的输出。这时将可见的是，输出信号检测比较器214的基带信号是处理过的接收的信号，其电平由放大器级188和192响应于AGC控制信号改变。即使具有自动增益控制，如果监测信号不足够强，那么与门218也失能并且没有基带信号输出。
综上所述，明显的，在一些示例中，系统可以包括配置为将电磁信号转换为电信号的第一转换器，以及可操作地耦合至转换器的第一IC，IC包括接收机电路以及响应于代表接收的第一射频电信号的监测信号的信号检测电路，接收机电路用于从转换器接收第一射频电信号并且将第一射频电信号变换为第一基带信号，并且当控制信号具有第一状态时输出第一基带信号以及当控制信号具有与第一状态不同的第二状态时不输出第一基带信号，信号检测电路用于当监测信号表示接收的第一射频电信号是可接受的信号时，生成具有第一状态的控制信号，以及当监测信号表示接收的第一射频电信号不是可接受的信号时，生成具有第二状态的控制信号。
信号检测电路可以包括用于将监测信号的特征与参考值进行比较的比较器，比较器生成表示监控信号的特征与参考值的比较结果的输出信号，信号检测电路响应于输出信号生成控制信号。监测信号的特征可以表示接收的第一射频信号的强度，以及参考值表示阈值信号强度，低于该阈值强信号强度，接收被失能，高于该阈值信号强度，接收使能。监测信号的特征可以表示平均信号强度。
在一些示例中，这个系统还可以包括被配置为将电信号转换为电磁信号的第二转换器以及可操作地耦合至第二转换器的第二IC，第二转换器被布置与第一转换器足够接近以便第一转换器接收由第二转换器生成的电磁信号，第二IC包括用于接收第二基带信号并将第二基带信号变换为第二射频电信号以及将第二射频电信号传导至第二转换器的发射机电路。
在一些示例中，方法可以包括由第一转换器接收第一射频电磁信号；由第一转换器将第一射频电磁信号转换为第一射频电信号；由集成电路(IC)的接收机电路从转换器接收第一射频电信号；生成代表接收的第一射频电信号的监测信号；由信号检测电路监测监测信号；确定监测信号是否表明接收的第一射频电信号是可接受的信号；当监测信号表明接收的第一射频电信号是可接受的信号时，生成具有第一状态的控制信号，以及当监测信号表明接收的第一射频电信号不是可接受的信号时，生成具有不同于第一状态的第二状态的控制信号；当控制信号具有第一状态时，由接收机电路将第一射频电信号变换成第一基带信号；以及当控制信号具有第二状态时，接收机电路不将第一射频电信号变换成第一基带信号。
确定监测信号是否表明接收的第一射频电信号是可接受的信号可以包括，将监测信号的特征与参考值进行比较；生成表明监测信号的特征与参考值的比较结果的输出信号；以及生成控制信号，包括根据输出信号生成控制信号。监测信号的特征可以代表接收的第一射频信号的强度，以及参考值可以代表阈值信号强度，低于该阈值强信号强度，接收被失能，高于该阈值信号强度，接收使能。监测信号的特征可以代表平均信号强度。
在一些示例中，该方法还可以包括由包括发射机电路的第二IC接收第二基带信号；将第二基带信号变换成第二射频电信号；将第二射频电信号传导至第二转换器；放置第二转换器与第一转换器足够近以便第一转换器接收由第二转换器生成的电磁信号；以及由第二转换器将第二射频电信号转换成第一射频电磁信号。
图11示出了包括带有外部电路导体234-236的IC封装232的通信装置230的等距视图。在该示例中，IC封装232可以包括晶粒238、引线框240、焊线形式的导电性连接器242、天线244、封装材料246、以及其它为简化视图未示出的元件。238可以与引线框240电连接地安装，引线框240可以是被配置为允许一个或多个其他电路可操作地连接至晶粒238的电导体248(或下文中的引线248)的任意合适的结构。天线244可以被构建为生产引线框240的制作过程的一部分。
引线248可以嵌入或固定在以虚线示出的、相当于图2中示出的封装基片34的引线框基片250。引线框基片250可以是被配置为实质上将引线248保持在预设的结构中的任意合适的绝缘材料。可以由使用导电性连接器242的任意合适的方法来完成晶粒238和引线框240的引线248之间的电气通信。如上所示，导电性连接器242可以包括能够将晶粒238的电路上的端子与相应的导体248电连接的焊线。例如，导体248可以包括形成在引线框基片250的上表面的电镀引线、穿过基片延伸的过孔254、将IC封装232安装至未示出的例如PCB的基底基片上的电路的倒装凸起256。基底基片上的电路可以包括例如外部导体234的外部导体，例如，外部导体可以包括将凸起连接至另一个穿过基底基片延伸的过孔260的条状导体258。其他过孔262可以穿过引线框基片250延伸并且可以存在穿过基底基片延伸的额外的过孔264。
在另一个示例中，可以将晶粒238翻转并且导电性连接器242可以包括凸起、或晶粒焊锡球，如前所述，可以被配置为将晶粒238的电路上的点直接连接至通常被称为“倒装芯片”结构中的相应的引线248。
引线框240可以被配置为生成可以被认为是有效地为由天线244发射的辐射或从外部天线接收的辐射形成线网遮挡的辐射整形器266。包括导电性连接器242、外部导体234和236的各种结合的其他电路连接器也可以有助于电磁反射。导体234-236可以传导有源信号或作为电路接地，因为两种类型的导体234-236的足够高的频率的电磁信号有助于辐射的反射和成形。成形效果适用于与发射的辐射一起被接收。此外，各种成形效果是可能的，并且在一些实施例中，可以期望减少的或不定向的成形效果，本质上产生具有全向或半球形特点的电磁信号。
图12示出了示例性通信装置230的底视图。引线框240可以被配置有由例如图12中的距离G的脚距分隔开的导体248。如果距离G远远小于发射机或接收机的工作频率的一个波长，那么它可以是有效的。例如，可以将脚距配置为波长的十分之一。该结构可以有效地产生线网，为天线244提供遮挡以及定向地成形相关的电磁信号并实质上离开晶粒238地引导该电磁信号。
图13和14示出了图11的通信装置230带来的代表性的或特有的辐射方向图270。可以由参考图11和12描述的具有辐射成形器266的示例性发射IC封装232发射的电磁信号的仿真产生特有的辐射方向图270。图中描绘的标识的层通常等于随着与IC封装232的距离而增加的增益。通过图13和14中的辐射方向图可见，辐射以如图11和12所示的与晶粒235的安装有天线244的一侧一致的方向被引导离开晶粒238和引线框240。
可以由参考图8所述的通信装置的PCB132中的接地面150的配置完成电磁信号的更多的或可替换的成形，如图15和16所示，该配置通常使电磁信号在相对于嵌入IC封装130的右侧的天线136的靠着PCB接地面150的配置的方向中变相。这些图示出了不同的配置可能产生的理想的辐射方向图，并不是这些配置的模拟的结果。实际的辐射方向图取决于相关配置、实际结构，以及使用的信号的强度。
在图15所示的配置中，接地面150以足以超过晶粒134的位置的对面的天线的距离F延伸出超过IC封装130中的天线136。可见产生的辐射280能向上延伸离开接地面150以及离开IC封装130。
图16示出了具有通常表示为400的示例性电介质透镜390的通信装置500。该示例中的透镜400作为装配结构402的组成部分并且安装在通信装置500的外壳404上。例如透镜400的电介质透镜390可以用于重定向、校准、聚焦，和/或发散辐射信号。一般来说，电介质透镜390可以是可以由折射射频辐射的一种或多种材料构成的结构，透镜390被整形和配置为聚合或发散传送的信号。在实施例中，电介质透镜390可以被配置为折射入射的EHF电磁辐射。可以布置电介质透镜390以增强由转换器完成的EHF电磁信号的发射和/或接收。电介质透镜390可以至少部分地安装在EHF电磁信号的路径中，以使EHF电磁信号的至少一部分通过电介质透镜390折射。电介质透镜390可以被配置为产生用于入射EHF电磁辐射的焦点，并且转换器的至少一部分置于由电介质透镜390产生的焦点处。
通信装置500可以包括IC封装502，因为它位于外壳404和/或装配结构402下，所以其大概位置在图16中以虚线示出。如前述IC封装的IC封装502也可以包括天线(未示出)，并且可以被配置为通过天线接收和/或发射EHF频率范围内的电磁信号。通信装置500可以包括至少部分地包围集成电路封装502的外壳，其中，电介质透镜390与外壳一体化，并且可以与IC封装一体化。由电介质透镜390产生的焦点可以位于电介质透镜390外。
图16所示的示例可以具有实质上的实心球状透镜400。透镜400可以从形式上被描述为合并两个凸形球冠406，例如，第一球冠406A和第二球冠406B。透镜400可以通过使用任意合适的技术和任意合适的电介质材料被装配，并因此可以相当于无缝实心球。然而，为了描述透镜的集合结构，将透镜400从形式上定义为合并第一和第二球冠是有帮助的。球冠可以被定义为具有位于穿过球体的平面的一侧的球体的一部分的表面的透镜结构。与球体的部分一致的透镜表面可以是凸的或凹的。电介质透镜的每个球冠具有一个或多个将在图17中详细描述的不同的特点。
图17是形式上分裂为组成的球冠406A和406B的双凸电介质透镜400的表示。如图17所示，每个球冠可以分别具有例如第一平面底部408A和第二平面底部408B的平面底部408。在凹面的情况下，球体表面部分的边缘可以定义底平面。此外，可以使用非平面底部的形状。该实例中示出的平面底部408A-408B中的每一个可以具有底部半径410，例如图17中标为b1和b2的底部半径。例如，第一平面底部408A具有第一底部半径以及第二平面底部408B具有第二底部半径，并且第一底部半径(b1)实质上等于第二底部半径(b2)。此外，第一球冠406A可以具有第一曲率半径，第二球冠406B可以具有第二曲率半径，并且第一曲率半径和第二曲率半径不相等。在特定实施例中，第一曲率半径和第二曲率半径的比值可以在约9:9.2或近似于0.98:1的范围内。
球冠406A-406B中的每一个还可以具有被定义为从平面底部408的中心到冠406A或406B的外表面的垂直距离的高度412。球冠406A-406B各自的高度412在图17的示例中被标示为d1和d2。第一球冠406A可以具有实质上等于第一曲率半径的第一高度d1，以使第一球冠406A实质上相当于半球。第二球冠406B可以具有小于第二曲率半径的第二高度d2，并且第二球冠406B可以定义第二半球。第二球冠406B可以具有可能实质上等于第二曲率半径的第二高度即d2，以使第二球冠406B相当于半球。
电介质400可以构造为具有各种特性以改变透镜的性能，例如改变透镜的焦点。例如，可以构造透镜400以使第一高度d1实质上等于第二高度d2，这样的话透镜400将是球体。在例如图1和图2所述的其他示例中，第一高度d1可以实质上大于第二高度d2。
图3中所示的透镜400的横截面可以表明其他几个特点。例如，由于可以形成球冠406A和406B使平面底部408A和408B具有相同的半径(即，b1＝b2)，以及使底部面向彼此并且冠406A-406B形成为一个连续透镜结构，那么，可以将透镜的整体厚度“d”定义为d1+d2。此外，每个球冠即406A-406B可以具有例如半径r1和r2的曲率半径414，曲率半径可以被定义为形成球冠的假设球的半径。
可以理解的是，具有等于球冠高度的曲率半径的球冠将构成半球。在透镜400的示例中，尽管球冠406B可以具有实质上小于其曲率半径的高度，但球冠406A可以是这样的半球。其他结构是可能的，例如每个球冠都是半球因此形成球面透镜的透镜。在其他示例中，可以使用具有包括大于或小于各自的曲率的高度的各种高度的球冠的结合。在示出的示例中，冠的底部半径410实质上相等。在其他示例中，冠406A和底部半径可以不同于406B的底部半径。
球冠406A-406B的特别的结构的结果可以基于根据第一高度d1和第二高度d2改变透镜400的焦距。从一个媒介穿到另一个媒介的EHF信号可以被折射。例如，当从空气穿到电介质材料以及当从电介质材料穿回入空气时，信号可以被折射。因此，如图18所示，信号可以被聚集到被称为焦点406的特定的点。如果第二高度d2相对较大，那么焦点可能落入透镜自身。例如，完全球形的电介质透镜400可以使焦点在透镜里面。
通过将天线邻近透镜400或与透镜400接触放置，在该结构中透镜400的一些好处仍然是可能的。然而，天线应当实质上与焦点416共置以完全从透镜400的聚焦特性受益。各种方案是可能的，例如将天线嵌入透镜400内。尽管嵌入是本公开图中示出的示例中教导的选项，也可以通过减少高度d1，焦点416重新定位到透镜400外面。这有助于将天线放置在焦点416处，而不需要嵌入或接触透镜400。透镜400和IC封装之间的间隔通过为元件提供空间以相对彼此移动而没有蔓延的损坏，可以有助于通信装置的耐冲击性。
例如透镜400的电介质透镜390可以构造为至少部分为任意合适的、具有大于围绕透镜的材料的介电常数的介电常数的电介质材料。例如，电介质透镜被空气包围时，电介质透镜可以被构造为具有大于围绕它的空气的介电常数的介电常数的电介质材料。例如，可以使用丙烯腈丁二烯苯乙烯(AcrylonitrileButadiene Styrene，ABS)塑料。此外，可以使用任意合适的方法来构造电介质透镜并且电介质透镜可以包括实质上均质的材料。例如，可以使用也被称为3-D打印机的快速成形机器来生成ABS塑料的透镜390。该制造方法通常也可以允许制造者从多个密度中进行选择。电介质透镜400还可以包括例如ABS、折射率在1.2和2.0之间的电介质材料。在60GHz的情况下测量，折射率约为1.47的透镜可能特别有用。
此外，通过使用折射率为1.47的ABS塑料，透镜400可以具有r1和r2的比值近似为9.0:9.2的曲率414。例如，透镜400可以具有r1＝9.0mm，r2＝9.2mm，d1＝9.0mm,d2＝7.3mm,d＝16.3mm，以及焦距为7.5mm。因此，焦点416可以位于焦距(7.5mm)减去d2(7.3)的点处，或距离透镜400的表面0.2mm的点处。
应注意，通过使用电介质透镜400的示例，发明人已经实现了发射的EHF信号的范围内的显著增加。还应注意，当透镜400安装在发射机、接收机、或两者上时，透镜400可以提供帮助。在发射机和接收机上都使用透镜400可以将大约2cm的通信范围扩大至大约1m的通信范围。
如图16和图19-22所示，电介质透镜400可以制造为外壳404或装配结构402的部分，装配结构402可以是外壳404的可去除的部分。这图中还示出了电介质透镜各种尺寸和结构，包括完全的球面透镜400。如上所述，其他示例(未示出)可以具有制造为IC封装502的组成部分的透镜，和/或可以具有嵌入透镜的天线。
图23和24示出了双凹介质透镜430的示例。透镜430可以与由两个凸的球冠406A和406B形成的透镜400在材料和制造方法上相似。然而，与透镜400相反，双凹电介质透镜430可以被配置为使得入射EHF电磁信号的至少一部分发散和/或偏离信号，而不是聚集或聚合信号。例如，当对齐两个例如通信装置500的通信装置时，为了减少所需的精度，这是可取的以有助于在较大的区域上传播发送的信号。
双凹电介质透镜430可以由电介质材料构造并且可以包括形成在球冠433中的第一凹球形表面432和形成在球冠435中的、表面432对面的第二凹球形表面434。凹面432和434中的每一个可以具有曲率，并且曲率互不相同以确保焦点对于相应的IC封装在合适的位置以实现天线的正确放置。在该示例中，如图23所示，凹面具有由透镜430的左和右边缘表示的位于各自底部平面的边缘。
双凸电介质透镜400或双凹电介质透镜430可以包括至少一个被配置为关于入射EHF电磁信号、功能是菲涅耳透镜440的表面。菲涅耳透镜表面可以具有多个菲涅耳带。在适用于使用IC封装的EHF通信的电介质透镜390的另一个示例中，可以使用例如图25-27中所示的一个的菲涅耳透镜440来聚集并延伸EHF传输的范围。菲涅耳透镜440可以是由电介质材料构造成的任意合适的菲涅耳透镜，以及被配置为聚集EHF频率电磁信号。菲涅耳透镜440可以包括多个菲涅尔带442。在图25中示出的示例中，可以使用五个菲涅耳带442。
如前所示，透镜390可以包括两个部分，具有两个相连或可操作地连接以形成一个双-菲涅耳透镜446的菲涅耳透镜的底部444A和444B。菲涅耳透镜部分444A可以具有不同于菲涅耳透镜部分444B的特性以有助于期望的焦点。
使用菲涅耳透镜的好处是减少的整体透镜的厚度、质量和体积。在示例中，发明人已经设计了曲率为9mm的菲涅耳透镜440，其可以使整体透镜的厚度仅为4mm，但仍可以增加27％的传输距离。该减少的厚度还有助于将透镜包含进装置外壳、盒，或装配结构，而不需要难看的或不可取的形状上的变化。
在本发明的另一个实施例中，电介质透镜结构可以具有与外壳或装配结构结合或一体化的球形凸面冠的形式。如上对于包括两个球冠的电介质透镜结构所述的，单个球冠可以具有等于其高度的曲率，从而构成半球。可替换地，根据入射EHF电磁辐射的期望折射的性质和质量，球冠可以具有大于或等于其曲率的高度。
在本发明可选择的一方面中，电介质透镜包括与装配结构结合或一体化的单个凹面或凸面球冠，并且装配结构的对面实质上缺乏功能。例如，电介质透镜对面的表面可以实质上是如图28中所示的平面。通常，这种单个球冠的底部平面被配置为使其实质上与要修改的EHF电磁信号的传播方向垂直。
在本发明的另一方面，电介质透镜包括设置入装配结构的单个凹面球冠，凹面球冠对面的装配结构的表面可以基本上是平面。在需要发散和/或偏离EHF电磁信号而不是聚集或聚合信号时，可以使用凹面球冠。
可替换地，或另外地，具有单个球冠的电介质透镜可以与同样具有单个球冠的一个或多个其他透镜结合。多个透镜可以具有相同或不同的高度，可以是凸面或凹面，并且可以被配置为向着或离开相同或不同的转换器折射入射EHF电磁辐射。
图28中描绘了示例性电介质透镜结构500。如图所示，电介质透镜结构500包括两个独立的透镜502A和502B，每个透镜具有凸面球冠。如图所示，透镜502A和502B安装在外壳504的内表面之上并与外壳504的内表面结合，例如外壳的外表面的外壳的透镜结构对面的一侧的外壳可以是无特征的。可以将透镜的底部平面两个部分502A和502B与要改变的EHF电磁信号的传播路径实质上垂直地布置。
如图29所示，透镜结构500可以包含入外壳506A、506B，每个外壳可以包括一堆集成电路封装508A、508B和510A与510B。如前所述，每个集成电路封装可以包括晶粒512和转换器514。通过调整每个壳体的相邻的平面外表面与相对的转换器之间延伸的信号路径垂直，可以确定透镜516A和518A的方位以形成复合透镜。结果，经由由透镜516A和518A形成的复合透镜结构，EHF电磁信号517可以在集成电路封装508A和集成电路封装510A之间传输。相似地，透镜516B和518B可以被调整以使EHF电磁信号519可以在集成电路封装508B和集成电路封装510B之间转输。由于电介质透镜分开折射每组信号的能力，EHF电磁信号517可以与EHF电磁信号519同时传输而不存在干扰。
因此，可以理解的是，放置天线或其他芯片外转换器可以有效地产生天线阻抗匹配、独立天线设计、增加的传输功率、以及生成的辐射方向图的可选方向的成形。因此，辐射可以在可能放置接收天线的方向被导向。除了保护包含的天线不受损坏，将天线放置在封装内也可以为客户提供包括满足规格和定制的运行特征的集成的特点的更加完整的集成。
还可以理解的是，通过增加具有各种构造和特性的电介质透镜，辐射方向图可以被折射为所需的会聚的、更平行的、或发散的方向图。这些透镜可以包含在装置外壳中或IC封装自身中。
本公开还提供了包括用于传播EHF频率的电磁信号的IC封装的通信装置。通信装置也可以包括被配置为折射电磁信号的电介质透镜(例如400)。电介质透镜可以安装在距离IC封装固定距离处并至少部分地位于电磁信号的路径中。IC封装可以包括被配置为在电信号和电磁信号之间转换的天线以及可操作地耦合至天线的集成电路(Integrated Circuit，IC)。IC可以包含发射机电路和接收机电路中的至少一个。IC封装可以包括绝缘材料，IC和天线至少部分嵌入绝缘材料。绝缘材料可以将天线和IC保持在彼此间隔的固定的位置。
此外，电介质透镜可以具有焦点，IC封装的天线可以实质上位于焦点处。电介质透镜还可以包括具有第一球冠和第二球冠的实心透镜，第一球冠具有第一平面底部以及第二球冠可以具有可操作地连接至第一平面底部的第二平面底部。第一球冠可以具有第一曲率，以及第二球冠可以具有第二曲率。第一球冠可以具有实质上等于第一曲率的第一高度。第一球冠可以实质上定义第一半球。第二球冠可以具有实质上小于第二曲率的第二高度。
在实施例中，第一曲率与第二曲率的比值是大约9至大约9.2。第二球冠可以具有可以实质上等于第二曲率的第二高度，并且第二球冠可以实质上定义第二半球。此外，第一和第二球冠可以直接地并无间地连接。此外，第一平面底部可以具有第一底部半径以及第二平面底部可以具有第二底部半径，并且第一底部半径可以实质上等于第二底部半径。
本公开还可以提供包括第一装置的系统，第一装置包括第一IC封装和第一电介质透镜，第一IC封装具有第一天线并被配置为发射EHF频率范围的电磁信号，以及第一电介质透镜与第一天线邻近布置，以使第一电介质透镜折射电磁信号的至少一部分。通信装置还可以包括与第一装置间隔开一定距离的第二装置，第二装置包括第二IC封装，第二IC封装具有第二天线并被配置为接收由第一IC封装发射并由第一电介质透镜折射的电磁信号。该系统还可以包括邻近第二天线放置的第二电介质透镜。电介质透镜可以包括具有第一球冠和第二球冠的实心透镜，第一球冠具有第一平面底部以及第二球冠具有可操作地连接至第一平面底部的第二平面底部。第一球冠可以具有第一曲率，以及第二球冠可以具有第二曲率。
此处陈述的本公开包含多种具有独立功能的不同的发明。尽管以优选构成公开了这些发明中的每一个，但因为众多变化是可能的，所以此处描述和示出的特定实施例不应被限制地考虑。在上述公开中，每个示例定义一个公开的实施例，但任何一个示例并不必须包含可能是最终要求保护的所有特征或组合。当描述中提到“一个”或“第一”元素或其等同物时，这种描述包括一个或多个该元素，既不要求也不排除两个或更多的元素。此外，对识别的元素使用例如第一、第二或第三的顺序指示以区别元素，并且不表示该元素的必需的或受限的数量，并且除非特别提及，也不表示该元素的特定位置或顺序。

Claims (30)

1.用于使用EHF电磁辐射通信的通信装置，包括：
集成电路封装，包括：
转换器，所述转换器被配置为：
发射和/或接收EHF电磁信号；以及
在电信号与电磁信号之间转换；
集成电路，所述集成电路包括可操作地耦合至转换器的发射机电路和接收机电路中的至少一个；以及
绝缘材料，集成电路和转换器中的每一个至少部分地嵌入绝缘材料，以使绝缘材料将转换器和集成电路中的每一个维持在相对的固定位置；以及
电介质透镜，被配置为折射入射的EHF电磁辐射，其中，电介质透镜被布置为以改变转换器的电磁信号的发射和接收中的至少一个。
2.根据权利要求1所述的通信装置，其中，电介质透镜至少部分地位于EHF电磁信号的路径中被安装，以使电介质透镜折射EHF电磁信号的至少一部分。
3.根据权利要求1所述的通信装置，其中，电介质透镜被配置为产生用于入射EHF电磁辐射的焦点，以及转换器的至少一部分布置在电介质透镜产生的焦点处。
4.根据权利要求3所述的通信装置，其中，电介质透镜产生的焦点位于电介质透镜之外。
5.根据权利要求1所述的通信装置，其中，电介质透镜是实心的并且具有一个或多个球面部分。
6.根据权利要求5所述的通信装置，其中，电介质透镜具有为凸面部分的单个球面部分。
7.根据权利要求5所述的通信装置，其中，电介质透镜包括具有位于第一底部平面的第一底部的第一球冠和具有位于第二底部平面的第二底部的第二球冠的结合。
8.根据权利要求7所述的通信装置，其中，第一底部具有第一底部半径以及第二底部具有第二底部半径，以及第一底部半径实质上等于第二底部半径。
9.根据权利要求7所述的通信装置，其中，第一球冠具有第一曲率，第二球冠具有第二曲率，以及第一曲率和第二曲率不相等。
10.根据权利要求7所述的通信装置，其中，第一球冠和第二球冠中的至少一个具有实质上等于球冠曲率的高度，以使球冠实质上相当于半球。
11.根据权利要求20所述的通信装置，其中，第二球冠具有小于第二曲率的第二高度。
12.根据权利要求11所述的通信装置，其中，第一曲率与第二曲率的比值在9至9.2的范围内。
13.根据权利要求1所述的通信装置，其中，电介质透镜包括均质电介质材料。
14.根据权利要求1所述的通信装置，其中，电介质透镜包括在60GHz测量的折射率在1.2和2.0之间的电介质材料。
15.根据权利要求1所述的通信装置，其中，电介质透镜包括至少一个被配置为关于入射EHF电磁信号功能是菲涅耳透镜的表面。
16.根据权利要求15所述的通信装置，其中，菲涅耳透镜表面包括多个菲涅耳带。
17.根据权利要求1所述的通信装置，还包括至少部分地围绕集成电路封装的外壳，其中电介质透镜与外壳一体化。
18.根据权利要求1所述的通信装置，其中，电介质透镜形成为IC封装的组成部分。
19.根据权利要求1所述的通信装置，其中，电介质透镜是与至少部分地围绕集成电路封装的外壳结合的实心球冠。
20.根据权利要求19所述的通信装置，其中，实心球冠与外壳的内表面结合，并且球冠对面的外壳的内表面实质上是平面并且被布置为实质上与要改变的EHF电磁信号的传播路径垂直。
21.EHF通信系统，包括：
第一装置，第一装置包括第一集成电路封装和第一电介质透镜，第一集成电路封装具有第一转换器并且被配置为发射EHF频率范围的电磁信号，第一电介质透镜与第一天线邻近布置，以使第一电介质透镜折射电磁信号的至少一部分；以及第二装置，第二装置包括第二集成电路封装，第二集成电路封装具有第二转换器并被配置为接收由第一电介质透镜折射的电磁信号。
22.根据权利要求21所述的EHF通信系统，其中，第二装置还包括邻近第二转换器布置的第二电介质透镜。
23.根据权利要求21所述的EHF通信系统，其中，第一电介质透镜包括被描述为第一球冠和第二球冠的实心透镜，第一球冠具有沿着第一平面底部布置的第一底部以及第二球冠具有沿着第二底部平面布置的第二底部；
其中，第一球冠具有第一球面，第一球面具有第一曲率半径，以及第二球冠具有第二球面，第二球面具有第二曲率半径。
24.根据权利要求23所述的EHF通信系统，其中，第一电介质透镜包括在60GHz测量的折射率在1.2和2.0之间的均质电介质材料。
25.根据权利要求23所述的EHF通信系统，其中，第一球冠具有实质上等于第一曲率的第一高度，以使第一球面实质上相当于半球。
26.根据权利要求23所述的EHF通信系统，其中，第二球面具有小于第二曲率的第二高度。
27.根据权利要求26所述的EHF通信系统，其中，第一曲率与第二曲率的比值在9至9.2的范围内。
28.根据权利要求23所述的EHF通信系统，其中，第二球冠具有实质上等于第二曲率的第二高度，以使第二球面实质上相当于半球。
29.根据权利要求23所述的EHF通信系统，其中，第一电介质透镜定义了被配置为使第一IC封装发射的电磁信号的至少一部分发散的双凹透镜。
30.根据权利要求30所述的EHF通信系统，其中，第一电介质透镜是与部分地围绕第一集成电路封装的外壳的表面结合的实心球冠。
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