CN104737364B - 波导耦合器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种设备。在所述设备中，存在天线封装及集成电路IC。电路迹线组合件固定到所述IC。耦合器f具有天线组合件及高阻抗表面HIS)固定到所述电路迹线组合件。天线组合件具有：窗口区；导电区，其实质上环绕所述窗口区；圆形贴片天线，其与所述IC连通；及椭圆形贴片天线，其位于所述窗口区内，在所述圆形贴片天线的至少一部分上方延伸且与所述圆形贴片天线连通。所述HIS实质上环绕所述天线组合件。

Description

波导耦合器
技术领域
本发明大体来说涉及波导，且更特定来说，涉及一种耦合到波导的天线组合件。
背景技术
波导已用于多种应用中，且作为波导物理学的一部分，进行恰当耦合是重要的问题。在最低频率应用的情况下，可相对容易地实现天线与波导之间的此类型的耦合。然而，在高频率应用(例如毫米波或太赫兹辐射)的情况下，耦合可能成问题，因为对准精确度可为相当高(且相当昂贵)的。因此，需要一种较简单的对准结构以便能够针对高频率应用将天线耦合到波导。
在以下文献中描述了常规系统的一些实例：第2008/0309577号美国专利授予前公开案；第2011/0309899号美国专利授予前公开案；第WO2011030277号PCT公开案；陈(Chen)等人的“装载有μ负超材料的次波长椭圆形贴片天线(Sub-Wavelength Elliptical PatchAntenna Loaded Withμ-Negative Metamaterials)”，IEEE天线与传播期刊，第58卷，第9期，2010年9月，第2909-2919页；比尔(Beer)等人的“用于高度集成毫米波天线的基于探针的辐射方向图测量(Probe Based Radiation Pattern Measurements for HighlyIntegrated Millimeter Wave Antennas)”，天线与传播(EuCAP)，2010年第四次欧洲会议会刊，卷，期，第1-5页、第12-16页，2010年4月；及托马斯(Thomas)等人的“向单个衬底上的集成式380 GHz平面肖特基二极管外差接收器的进展(Progress towards an integrated380 GHz planar Schottky diode heterodyne receiver on single substrate)”，第18次国际空间THz技术讨论会的会刊，ISSTT2007，加利福尼亚理工学院(Caltech)，帕萨迪纳市(Pasadena)，加利福尼亚州，SA，2007年3月。
发明内容
本发明提供一种设备。所述设备包括：集成电路(IC)；及天线封装，其具有：电路迹线组合件，其固定到所述IC；耦合器，其固定到所述电路迹线组合件，其中所述耦合器包含：天线组合件，其具有：窗口区；导电区，其实质上环绕所述窗口区；圆形贴片天线，其与所述IC连通；及椭圆形贴片天线，其位于所述窗口区内，在所述圆形贴片天线的至少一部分上方延伸且与所述圆形贴片天线连通；及高阻抗表面(HIS)，其实质上环绕所述天线组合件。
在实例性实施例中，所述设备进一步包括固定到所述耦合器的对准组合件，其中所述对准组合件包含与所述窗口区实质上对准的开口。
在实例性实施例中，所述设备进一步包括固定到所述对准组合件的波导。
在实例性实施例中，所述波导为实质上矩形的。
在实例性实施例中，所述圆形贴片天线进一步包括彼此对称地对准的第一及第二圆形贴片天线。
在实例性实施例中，所述椭圆形贴片天线进一步包括彼此对称地对准的第一及第二椭圆形贴片天线，其中所述第一及第二椭圆形贴片天线中的每一者位于所述窗口区内，且其中所述第一及第二椭圆形贴片天线分别在所述第一及第二圆形贴片天线的部分上方延伸，且其中所述第一及第二椭圆形贴片天线分别与所述第一及第二圆形贴片天线连通。
在实例性实施例中，提供一种方法。所述方法包括：在衬底上方形成第一金属化层，使得所述第一金属化层包含彼此对称地对准的第一及第二圆形贴片天线；在所述第一金属化层上方形成第二金属化层，其中所述第二金属化层具有第一、第二及第三部分，且其中所述第二金属化层的所述第一及第二部分分别与所述第一及第二贴片天线连通；在所述第二金属化层上方形成第三金属化层，其中所述第三金属化层具有第一、第二及第三部分，且其中所述第三金属化层的所述第一、第二及第三部分分别与所述第二金属化层的所述第一、第二及第三部分连通；及在所述第三金属化层上方形成第四金属化层，其中所述第四金属化层具有第一、第二及第三部分，且其中所述第四金属化层的所述第一、第二及第三部分分别与所述第三金属化层的所述第一、第二及第三部分连通，且其中所述第四金属化层的所述第一及第二部分位于所述第四金属化层的所述第三部分中的界定窗口区的开口内，且其中所述第四金属化层的所述第一及第二部分形成彼此对称地对准的第一及第二椭圆形贴片天线。
在实例性实施例中，所述方法进一步包括：在所述衬底的第一侧上形成第一及第二垫；及形成从所述第一侧延伸到第二侧的第一及第二通孔，其中所述第一及第二通孔实质上且分别与所述第一及第二垫对准，且其中所述第一金属化层形成于所述衬底的所述第二侧上方。
在实例性实施例中，所述方法进一步包括：在所述第一与第二金属化层之间形成第一电介质层；及形成在所述第一与第二金属化层之间延伸的第三及第四通孔，其中所述第三及第四通孔分别与所述第一及第二圆形贴片天线连通，且其中所述第二金属化层的所述第一及第二部分分别与所述第三及第四通孔连通。
在实例性实施例中，所述方法进一步包括：在所述第二与第三金属化层之间形成第二电介质层；形成在所述第二与第三金属化层之间延伸的第五及第六通孔，其中所述第五及第六通孔分别与所述第二及第三金属化层的所述第一及第二部分连通；及形成在所述第二与第三金属化层之间延伸的一组第七通孔，其中所述组第七通孔与所述第二及第三金属化层的所述第三部分连通。
在实例性实施例中，所述方法进一步包括：在所述第三与第四金属化层之间形成第三电介质层；形成在所述第三与第四金属化层之间延伸的第八及第九通孔，其中所述第八及第九通孔分别与所述第三及第四金属化层的所述第一及第二部分连通；及形成在所述第三与第四金属化层之间延伸的一组第十通孔，其中所述组第十通孔与所述第三及第四金属化层的所述第三部分连通。
在实例性实施例中，所述方法进一步包括：将电路迹线组合件固定到所述衬底；及将IC固定到所述电路迹线组合件。
在实例性实施例中，提供一种设备。所述设备包括：电路板；IC；天线封装，其具有：电路迹线组合件，其固定到所述IC及所述电路板；耦合器，其固定到所述电路迹线组合件，其中所述耦合器包含：天线组合件，其具有：窗口区；导电区，其实质上环绕所述窗口区；第一圆形贴片天线，其与所述IC连通；第二圆形贴片天线，其与所述IC连通，其中所述第一及第二贴片天线彼此对称地对准；第一椭圆形贴片天线，其位于所述窗口区内，在所述第一圆形贴片天线的至少一部分上方延伸且与所述第一圆形贴片天线连通；及第二椭圆形贴片天线，其位于所述窗口区内，在所述第二圆形贴片天线的至少一部分上方延伸且与所述第二圆形贴片天线连通，且其中所述第一及第二椭圆形贴片天线彼此对称地对准；及HIS，其实质上环绕所述天线组合件；对准组合件，其固定到所述耦合器，其中所述对准组合件包含与所述窗口区实质上对准的开口；及波导，其固定到所述对准组合件。
在实例性实施例中，所述耦合器进一步包括：第一金属化层，其形成于衬底上方使得所述第一金属化层包含彼此对称地对准的第一及第二圆形贴片天线；第二金属化层，其形成于所述第一金属化层上方，其中所述第二金属化层具有第一、第二及第三部分，且其中所述第二金属化层的所述第一及第二部分分别与所述第一及第二贴片天线连通；第三金属化层，其形成于所述第二金属化层上方，其中所述第三金属化层具有第一、第二及第三部分，且其中所述第三金属化层的所述第一、第二及第三部分分别与所述第二金属化层的所述第一、第二及第三部分连通；及第四金属化层，其形成于所述第三金属化层上方，其中所述第四金属化层具有第一、第二及第三部分，且其中所述第四金属化层的所述第一、第二及第三部分分别与所述第三金属化层的所述第一、第二及第三部分连通，且其中所述第四金属化层的所述第一及第二部分位于所述第四金属化层的所述第三部分中的界定所述窗口区的开口中，且其中所述第四金属化层的所述第一及第二部分形成彼此对称地对准的第一及第二椭圆形贴片天线。
在实例性实施例中，所述耦合器进一步包括：第一及第二垫，其形成于所述衬底的第一侧上，其中所述第一及第二垫固定到所述电路迹线组合件；及第一及第二通孔，其从所述第一侧延伸到第二侧，其中所述第一及第二通孔实质上且分别与所述第一及第二垫对准，且其中所述第一金属化层形成于所述衬底的所述第二侧上方。
在实例性实施例中，所述耦合器进一步包括：第一电介质层，其形成于所述第一与第二金属化层之间；及第三及第四通孔，其在所述第一与第二金属化层之间延伸，其中所述第三及第四通孔分别与所述第一及第二圆形贴片天线连通，且其中所述第二金属化层的所述第一及第二部分分别与所述第三及第四通孔连通。
在实例性实施例中，所述耦合器进一步包括：第二电介质层，其形成于所述第二与第三金属化层之间；第五及第六通孔，其在所述第二与第三金属化层之间延伸，其中所述第五及第六通孔分别与所述第二及第三金属化层的所述第一及第二部分连通；及一组第七通孔，其在所述第二与第三金属化层之间延伸，其中所述组第七通孔与所述第二及第三金属化层的所述第三部分连通。
在实例性实施例中，所述耦合器进一步包括：第三电介质层，其形成于所述第三与第四金属化层之间；第八及第九通孔，其在所述第三与第四金属化层之间延伸，其中所述第八及第九通孔分别与所述第三及第四金属化层的所述第一及第二部分连通；及一组第十通孔，其在所述第三与第四金属化层之间延伸，其中所述组第十通孔与所述第三及第四金属化层的所述第三部分连通。
在实例性实施例中，所述对准组合件进一步包括其中形成有多个对准开口的板。
附图说明
图1是根据本发明的通信系统的实例的图；
图2是图1的集成电路(IC)耦合系统的图；
图3是图2的耦合器的实例的横截面图；
图4到7分别是图2及3的耦合器沿着截面线I-I、II-II、III-III及IV-IV的平面图；
图8是图1的空气耦合系统的实例的图；
图9是图8的耦合器的横截面图；
图10是图8及9的耦合器的实例沿着截面线V-V的平面图；以及
图11是图2及8的对准组合件及波导的实例的平面图。
具体实施方式
图1图解说明体现本发明的原理的实例性系统50。如上文所描述，难以将波导实施为载运毫米波或太赫兹辐射，但在此实例中，存在IC耦合系统100及空气耦合系统300。如所展示，系统100通常包括IC 104、天线封装108、对准组合件114及波导116，且系统300通常包括波导316、对准组合件314及耦合器312。下文关于图2到11来描述系统100及300中的每一者的细节。此外，系统50可包含各种各样的配置，例如波导116与316为共用波导，两个或两个以上系统100彼此进行通信，或者两个或两个以上系统200彼此进行通信。
首先参看系统100，实例性配置可见于图2到7中。如所展示，IC 104(举例来说，其可为微处理器)能够与固定到印刷电路板(PCB)102的其它组件(未展示)进行通信且能够进行无线通信。IC 104能够借助于电路迹线组合件110(其本身可为PCB或IC)来实现此操作。如此实例中所展示，此电路迹线组合件110(其通常包含迹线118)通过提供机械及电两种耦合的焊料球(例如106-1到106-4)固定到IC 104及PCB 102两者。耦合到电路迹线组合件110的是耦合器112(其中耦合器112及电路迹线组合件110可统称为天线封装108)。此耦合器112可为包含天线组合件122(其可更详细地见于图2中)及高阻抗表面(HIS)120的PBC或IC。在第13/116,885号美国专利申请案中展示并描述了HIS的实例，所述美国专利申请案出于所有目的而以引用方式并入本文中。天线组合件122通常经定尺寸以发射及/或接收毫米波或太赫兹辐射(其可处于从约60GHz到约10THz的频率范围中)且经配置以产生通常窄的垂直波束。可接着将对准板114耦合到耦合器112以便使天线114与波导116(举例来说，其可为实质上矩形的)对准。
然而，本文所关注的是用于耦合器112的配置。如上文所述，耦合器112可(举例来说)为PCB或IC，且耦合器112的实例的至少一部分的构型及结构两者的实例可见于图3到7中。在此实例中，天线组合件122通常借助短柱201-1到201-22(例如借助于焊料球)固定到电路迹线组合件110。这些短柱201-1及201-22通常经形成以便穿过衬底204延伸到金属化层228的部分203-1到203-3。金属化层228的部分203-1及203-2通常形成在窗口区213内彼此对称地对准的圆形贴片天线。环绕部分203-1及203-2的是部分203-3(其通常为接地的)。可在部分203-1到203-3上方形成电介质层211(其可由一或多个层形成)，且还可穿过电介质层211(举例来说，其可由二氧化硅形成)形成通孔214-1及214-2。
如此实例中所展示，接着在金属化层228上方使用多个互连层。形成于电介质层211上方的是金属化层230及电介质层215。此金属化层230具有部分216-1、216-2及216-3。如此实例中所展示，部分216-1及216-2形成于部分216-3内的小窗口内以便充当部分210-1及210-2(或圆形贴片天线)的互连垫。类似地，金属化层232的部分220-1及220-2可充当互连垫(其借助通孔218-1及218-2耦合到部分216-1及216-2)。部分216-3及220-3还可使用218-3到218-49耦合在一起。
可接着在金属化层232上方形成电介质层217及金属化层234。金属化层234的部分224-1及224-2可形成椭圆形贴片天线(举例来说，其可为约600μm x 250μm)。这些椭圆形贴片天线位于窗口区213(其通常由部分224-3界定)内且(分别)通过通孔222-1及222-2耦合到部分220-1及220-2。部分224-3也可借助通孔222-3到222-49耦合到部分220-3以便形成实质上环绕窗口区213的导电区226。这样一来，椭圆形贴片天线(即，部分224-1及224-2)可从圆形贴片天线(即，部分210-1及210-2)收集能量并将其垂直地重新引导(例如引导到波导116中)。另外，应注意，举例来说，金属化层中的每一者可由铝或铜形成，且举例来说，每一通孔可由钨形成。
耦合器312也可具有与耦合器112的配置类似的配置。此种耦合器的实例可见于图8到10中。如此实例中所展示，耦合器312的金属化层230、232及234是以与图3到7中所展示的耦合器112的实例的方式类似的方式布置的。然而，差异在于金属化层228。在此实例中，金属化层228经布置为具有部分306-1及306-2。这些部分306-1及306-2可形成延伸超出窗口区213的圆形贴片天线(举例来说，其可各自具有约580μm的半径)。通孔304-1及304-2从部分306-1及306-2穿过衬底延伸到天线302-1及302-2。还可在部分306-1及306-2与通孔214-1及214-2之间形成垫308-1及308-2。
图11图解说明对准组合件114及/或314以及波导116及/或316的实例的平面图。如所展示，对准组合件114及/或314可由具有实质上环绕部分408的环410的圆形板(其可由铝或钢形成)形成。在环410内，存在延伸穿过所述板且可用于将对准组合件114或314分别固定到耦合器112或312或用于起对准标记作用的开口402-1到402-4及404-1到404-4。在此实例中，开口406(其被展示为处于部分408的中心)与窗口区213大体对准。
本发明所涉及领域的技术人员将了解，在所主张发明的范围内，可对所描述的实施例做出修改且也可能有许多其它实施例。

Claims (18)

1.一种设备，其包括：
集成电路IC；以及
天线封装，其具有：
电路迹线组合件，其固定到所述IC；
耦合器，其固定到所述电路迹线组合件，其中所述耦合器包含：
天线组合件，其具有：
窗口区；
导电区，其环绕所述窗口区；
圆形贴片天线，其通过所述电路迹线组合件与所述IC连通；以及
椭圆形贴片天线，其位于所述窗口区内，在所述圆形贴片天线的至少一部分上方延伸且与所述圆形贴片天线连通；以及
高阻抗表面HIS，其环绕所述天线组合件，
其中所述设备进一步包括固定到所述耦合器的对准组合件，其中所述对准组合件包含与所述窗口区对准的开口，以及
其中所述设备进一步包括固定到所述对准组合件的波导。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述波导为矩形的。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述圆形贴片天线进一步包括彼此对称地对准的第一及第二圆形贴片天线。
4.根据权利要求3所述的设备，其中所述椭圆形贴片天线进一步包括彼此对称地对准的第一及第二椭圆形贴片天线，其中所述第一及第二椭圆形贴片天线中的每一者位于所述窗口区内，且其中所述第一及第二椭圆形贴片天线分别在所述第一及第二圆形贴片天线的部分上方延伸，且其中所述第一及第二椭圆形贴片天线分别与所述第一及第二圆形贴片天线连通。
5.一种方法，其包括：
在衬底上方形成第一金属化层，使得所述第一金属化层包含彼此对称地对准的第一及第二圆形贴片天线；
在所述第一金属化层上方形成第二金属化层，其中所述第二金属化层具有第一、第二及第三部分，其中所述第二金属化层的所述第一部分与所述第二部分位于所述第二金属化层的所述第三部分中的界定窗口区的开口内，且其中所述第二金属化层的所述第一及第二部分分别与所述第一及第二圆形贴片天线连通；
在所述第二金属化层上方形成第三金属化层，其中所述第三金属化层具有第一、第二及第三部分，其中所述第三金属化层的所述第一部分与所述第二部分位于所述第三金属化层的所述第三部分中的界定窗口区的开口内，且其中所述第三金属化层的所述第一、第二及第三部分分别与所述第二金属化层的所述第一、第二及第三部分连通；以及
在所述第三金属化层上方形成第四金属化层，其中所述第四金属化层具有第一、第二及第三部分，且其中所述第四金属化层的所述第一、第二及第三部分分别与所述第三金属化层的所述第一、第二及第三部分连通，且其中所述第四金属化层的所述第一及第二部分位于所述第四金属化层的所述第三部分中的界定窗口区的开口内，且其中所述第四金属化层的所述第一及第二部分形成彼此对称地对准的第一及第二椭圆形贴片天线，其中所述方法进一步包括：
将对准组合件固定在所述第四金属化层的上方，其中所述对准组合件包含与所述窗口区对准的开口；以及
将波导固定到所述对准组合件。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述方法进一步包括：
在所述衬底的第一侧上形成第一及第二垫；以及
形成从所述第一侧延伸到第二侧的第一及第二通孔，其中所述第一及第二通孔且分别与所述第一及第二垫对准。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述方法进一步包括：
在所述第一与第二金属化层之间形成第一电介质层；以及
形成在所述第一与第二金属化层之间延伸的第三及第四通孔，其中所述第三及第四通孔分别与所述第一及第二圆形贴片天线连通，且其中所述第二金属化层的所述第一及第二部分分别与所述第三及第四通孔连通。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述方法进一步包括：
在所述第二与第三金属化层之间形成第二电介质层；
形成在所述第二与第三金属化层之间延伸的第五及第六通孔，其中所述第五及第六通孔分别与所述第二及第三金属化层的所述第一及第二部分连通；以及
形成在所述第二与第三金属化层之间延伸的一组第七通孔，其中所述组第七通孔与所述第二及第三金属化层的所述第三部分连通。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述方法进一步包括：
在所述第三与第四金属化层之间形成第三电介质层；
形成在所述第三与第四金属化层之间延伸的第八及第九通孔，其中所述第八及第九通孔分别与所述第三及第四金属化层的所述第一及第二部分连通；以及
形成在所述第三与第四金属化层之间延伸的一组第十通孔，其中所述组第十通孔与所述第三及第四金属化层的所述第三部分连通。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述方法进一步包括：
将电路迹线组合件固定到所述衬底的所述第二侧；以及
将IC固定到所述电路迹线组合件。
11.一种设备，其包括：
电路板；
IC；
天线封装，其具有：
电路迹线组合件，其固定到所述IC及所述电路板；
耦合器，其固定到所述电路迹线组合件，其中所述耦合器包含：
天线组合件，其具有：
窗口区；
导电区，其环绕所述窗口区；
第一圆形贴片天线，其通过所述电路迹线组合件与所述IC连通；
第二圆形贴片天线，其通过所述电路迹线组合件与所述IC连通，其中所述第一及第二圆形贴片天线彼此对称地对准；
第一椭圆形贴片天线，其位于所述窗口区内，在所述第一圆形贴片天线的至少一部分上方延伸且与所述第一圆形贴片天线连通；以及
第二椭圆形贴片天线，其位于所述窗口区内，在所述第二圆形贴片天线的至少一部分上方延伸且与所述第二圆形贴片天线连通，且其中所述第一及第二椭圆形贴片天线彼此对称地对准；以及
HIS，其环绕所述天线组合件；
对准组合件，其固定到所述耦合器，其中所述对准组合件包含与所述窗口区对准的开口；以及
波导，其固定到所述对准组合件。
12.根据权利要求11所述的设备，其中所述耦合器进一步包括：
第一金属化层，其形成于衬底上方使得所述第一金属化层包含彼此对称地对准的所述第一及第二圆形贴片天线；
第二金属化层，其形成于所述第一金属化层上方，其中所述第二金属化层具有第一、第二及第三部分，其中所述第二金属化层的所述第一部分与所述第二部分位于所述第二金属化层的所述第三部分中的界定窗口区的开口内，且其中所述第二金属化层的所述第一及第二部分分别与所述第一及第二圆形贴片天线连通；
第三金属化层，其形成于所述第二金属化层上方，其中所述第三金属化层具有第一、第二及第三部分，其中所述第三金属化层的所述第一部分与所述第二部分位于所述第三金属化层的所述第三部分中的界定窗口区的开口内，且其中所述第三金属化层的所述第一、第二及第三部分分别与所述第二金属化层的所述第一、第二及第三部分连通；以及
第四金属化层，其形成于所述第三金属化层上方，其中所述第四金属化层具有第一、第二及第三部分，且其中所述第四金属化层的所述第一、第二及第三部分分别与所述第三金属化层的所述第一、第二及第三部分连通，且其中所述第四金属化层的所述第一及第二部分位于所述第四金属化层的所述第三部分中的界定所述窗口区的开口中，且其中所述第四金属化层的所述第一及第二部分形成彼此对称地对准的所述第一及第二椭圆形贴片天线。
13.根据权利要求12所述的设备，其中所述耦合器进一步包括：
第一及第二垫，其形成于所述衬底的第一侧上，其中所述第一及第二垫固定到所述电路迹线组合件；以及
第一及第二通孔，其从所述第一侧延伸到第二侧，其中所述第一及第二通孔且分别与所述第一及第二垫对准，且其中所述第一金属化层形成于所述衬底的所述第二侧上方。
14.根据权利要求13所述的设备，其中所述耦合器进一步包括：
第一电介质层，其形成于所述第一与第二金属化层之间；以及
第三及第四通孔，其在所述第一与第二金属化层之间延伸，其中所述第三及第四通孔分别与所述第一及第二圆形贴片天线连通，且其中所述第二金属化层的所述第一及第二部分分别与所述第三及第四通孔连通。
15.根据权利要求14所述的设备，其中所述耦合器进一步包括：
第二电介质层，其形成于所述第二与第三金属化层之间；
第五及第六通孔，其在所述第二与第三金属化层之间延伸，其中所述第五及第六通孔分别与所述第二及第三金属化层的所述第一及第二部分连通；以及
一组第七通孔，其在所述第二与第三金属化层之间延伸，其中所述组第七通孔与所述第二及第三金属化层的所述第三部分连通。
16.根据权利要求15所述的设备，其中所述耦合器进一步包括：
第三电介质层，其形成于所述第三与第四金属化层之间；
第八及第九通孔，其在所述第三与第四金属化层之间延伸，其中所述第八及第九通孔分别与所述第三及第四金属化层的所述第一及第二部分连通；以及
一组第十通孔，其在所述第三与第四金属化层之间延伸，其中所述组第十通孔与所述第三及第四金属化层的所述第三部分连通。
17.根据权利要求16所述的设备，其中所述对准组合件进一步包括其中形成有多个对准开口的板。
18.根据权利要求17所述的设备，其中所述波导为矩形的。
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