CN115694540A - 毫米波射频结构 - Google Patents

Abstract

本发明实施例涉及的一种毫米波射频结构，利用包含液晶高分子材料的基版，及至少一双极化天线，一射频收发模块，一切换模块电性连接该至少一双极化天线与该射频收发模块，该切换模块并具有电性连接该至少一双极化天线的一第一切换组件及一第二切换组件，以及电性连接该第一切换组件与该第二切换组件的一第三切换组件；强化LCP基板用作于毫米波的特性，保证在较高可靠性的前提下实现高频高速传输。

Description

毫米波射频结构

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种毫米波射频结构。

背景技术

近年来无线通信技术的发展非常快速，而随着所要求的传输速度与传输量大幅的增加，信号传输所使用的频率也愈来愈高。在传输速度及传输量越大的装置或技术，其使用的频率都已落于GHz的频段也就是毫米波的区域，因此毫米波将是下一代的主要通信技术也即现称的5G系统，在所有的构件中负责连接各处理组件并传输信号的液晶高分子板材(Liquid-crystal polymer，LCP)则是相当重要的角色。

传统的电路设计所使用的印刷电路板(Printed Circuit Board，PCB)，对于毫米波电路的设计上，常会因为高频信号的耗损过大，使得硬式印刷电路板在各种组件上的使用受到显着限制，在移动通信装置(如卫星通信、行动装置等)需要大数据量的高速传输时，信号必须高速以及高频的操作状态下在软式液晶高分子板材上传输，此时如何维持信号完整性成为一个相当重要的课题。且当传输速度需求变的更快，数据量更大时，信号失真这个问题则会越来越严重。因此，在高频应用的电路板中，则需要使用低介电常数(Dk)与低消散因子(Df)的材料来连接线路，以确保信息可完整传递，而相较于硬式电路板，液晶高分子板材的结构则有许多优点，例如：质量轻体积小、延展伸缩性佳、及配线高密度的特性。

发明内容

本发明提供一种毫米波射频结构，针对高频毫米波射频(RF)模块问题进行解决，并提升高频射频(RF)模块的特性。使用液晶高分子板材进行开发，设计毫米波电路，并使用微机电系统切换组件(Microelectromechanical System Switch，MEMS Switch)、以及砷化镓(GaAs)制程的射频(RF)芯片等，改善毫米波射频(RF)模块所遇到的问题。

本发明是一种毫米波射频结构，其特征在于，包括：一基板，该基板材质包含液晶高分子材料；至少一双极化天线组件，所述双极化天线组件配置在该基板之上，并用以接收及发送一频率讯号；一射频收发模块用以接收及发送一电场强度方向不分极之频率讯号；一切换模块电性连接该至少一双极化天线组件与该射频收发模块，该切换模块并具有电性连接该至少一双极化天线组件的一第一切换组件及一第二切换组件，以及电性连接该第一切换组件与该第二切换组件的一第三切换组件，该第一切换组件与该第二切换组件分别根据所接收到的讯号发出电场强度方向为一第一极化的一第一讯号，与电场强度方向为一第二极化的一第二讯号，该第三切换组件接收到该第一讯号与该第二讯号，或是将所接收到来自该射频收发模块的讯号切换馈入至该第一切换组件或该第二切换组件；及一覆盖保护层，该覆盖保护层材质包含液晶高分子材料，该覆盖保护层配置在上述各模块之上。

在实施应用中，该第一切换组件，该第二切换组件及该第三切换组件为一半导体微机电系统组件。

在实施应用中，该毫米波射频结构进一步包括一液晶高分子介电材料层，该液晶高分子介电材料层位于该基板与该覆盖保护层之间，该至少一双极化天线组件配置在该覆盖保护层与该液晶高分子介电材料层之间，该第一切换组件，该第二切换组件及该第三切换组件，分别配置在该液晶高分子介电材料层与该基板之间。

在实施应用中，该双极化天线组件之每一天线为圆形或四边长度大致相同之方形。

在实施应用中，该至少一双极化天线组件与该切换模块之间具一夹角。

在实施应用中，该双极化天线组件为一包含液晶高分子材料的双层辐射层结构。

在实施应用中，该双极化天线载波频率为26.5GHz～29.5GHz或是37GHz～41GHz时，天线边长为1.9～3.5mm。

在实施应用中，该射频收发模块为一射频集成电路，该射频收发模块包括一射频收发组件，用以实施一射频发射与一射频接收，以及一射频集成电路制程芯片，该射频集成电路制程芯片为一砷化镓制程芯片。

在实施应用中，该基板为一多层软性电路板，该多层软性电路板还包括一液晶高分子介电材料层。

在实施应用中，该射频收发模块配置于与该基版分离之一第二基版上，该基板与该第二基板为相同的一液晶高分子基板。

在实施应用中，该基板与该第二基板材质不同，该第二基板为一环氧树脂基板、一聚氧二甲苯树脂基板或一氟系树脂基板。

在实施应用中，该第一切换组件及第二切换组件分别经由一巴特勒矩阵电性连接该些双极化天线组件。

本发明实施例的有益效果在于，使用LCP基板改善高频信号损耗过大问题，并在主动电路中设计出滤波器样态，使滤波器成为天线及切换器的匹配电路，更使用微机电系统切换组件(Microelectromechanical System Switch，MEMS Switch)有效缩小电路尺寸并切换不同电场极化方向，强化LCP基板用做于毫米波的特性，保证在较高可靠性的前提下实现高频高速传输。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的毫米波射频结构的平面方块示意图。

图2为本发明实施例的切换模块的方块示意图。

图3为图1实施例的毫米波射频结构的剖面示意图。

图4为毫米波射频结构另一实施样式的剖面示意图。

图5为毫米波射频结构再一实施样式的剖面示意图。

图6为本发明另一实施例的毫米波射频结构的剖面示意图。

图7为图6另一实施样式的剖面示意图。

图8为本发明又一实施例的毫米波射频结构的平面方块示意图。

图9为图8实施例的毫米波射频结构的剖面示意图。

主要组件符号说明：

基板100，第二基版110，双极化天线组件200，切换模块400，射频收发模块500，第一切换组件410，巴特勒矩阵411及421，开关组件412及422，第二切换组件420，第三切换组件430，覆盖保护层600，液晶高分子介电材料层700。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

参见图1至图3，本发明一实施例提供的一种毫米波射频结构，其包括：一基板100，该基板100材质包含液晶高分子材料；在实施应用中，该基板100可以是一多层软性电路板，该多层软性电路板至少包括一液晶高分子介电材料层。

至少一双极化天线组件200，所述双极化天线组件200配置在该基板100之上，并用以接收及发送一频率讯号；一射频收发模块500用以接收及发送一电场强度方向不分极之频率讯号。

在实施应用中，该双极化天线组件200可为一包含液晶高分子材料的双层辐射层结构，该双极化天线组件200的第二层辐射层在第一层辐射层之上但并不接触。该射频收发模块500电性耦接于该双极化天线组件200，该射频收发模块500以由该双极化天线组件200进行发送或接收无线信号，其中该双极化天线组件200为一全向性天线或高指向性天线，且每一天线之形状以双极为轴线对称，本实施例中双极正交，所以天线为圆形或四边长度大致相同之方形，能得到较佳的双极化效果。且实施应用上该双极化天线载波频率可为30GHz～300GHz，在本实施例中工作频率为26.5GHz～29.5GHz或是37GHz～41GHz时，对应的贴片天线尺寸为边长为1.9mm～3.5mm。

一切换模块400电性连接该至少一双极化天线组件200与该射频收发模块500，该切换模块400并具有电性连接该至少一双极化天线组件200的一第一切换组件410及一第二切换组件420，以及电性连接该第一切换组件410与该第二切换组件420的一第三切换组件430。该些双极化天线组件200可依切换组件(410、420、430)设定而接收或发射至少二个不同电场强度方向的讯号，例如当该第一切换组件410设定为第一极化方向(例如水平方向)时，该第一切换组件410透过该些双极化天线组件200接收或发射的讯号为电场强度方向为一第一极化方向的一第一讯号(例如水平讯号)，而该第二切换组件420设定为第二极化方向(例如垂直方向)时，该第二切换组件420透过该些双极化天线组件200接收或发射的讯号为电场强度方向为一第二极化方向的第二讯号(例如垂直讯号)。该第三切换组件430接收来自该第一切换组件410及该第二切换组件420的第一讯号及第二讯号，或是将来自该射频收发模块500的讯号切换馈入至该第一切换组件410或该第二切换组件420。

该射频收发模块500依一设定时间间隔交错发出接收及发射之讯号给该第三切换组件430，该时间间隔可短至数毫秒，以达成短时间内接收及发射讯号的功效。而该第三切换组件430依一设定时间间隔将讯号交错发出给该第一切换组件410及第二切换组件420，该第一切换组件410及该第二切换组件420再分别发出电场强度方向为一第一极化方向的一第一讯号(例如水平讯号)及电场强度方向为一第二极化方向的第二讯号(例如垂直讯号)，该时间间隔可短至数毫秒，以达成短时间内接收或发射不同极化讯号的效果。要特别注意的是，当接收讯号时，讯号的极化方向是由对方天线决定，该第一切换组件410不只接收到第一极化方向的讯号，也会接收到第一极化方向的讯号分量，亦即偏离第一极化方向的讯号中包含的第一极化方向的分量，也是第一讯号。该第二切换组件420不只接收到第二极化方向的讯号，也会接收到第二极化方向的讯号分量，亦即偏离第二极化方向的讯号中包含的第二极化方向的分量，也是第二讯号。因此在本实施例中的双极天线的二个极化方向设计为正交，能有效提高天线接收讯号的效率。在本实施例中，本毫米波射频结构还包括了一覆盖保护层600，该覆盖保护层600材质包含液晶高分子材料，该覆盖保护层600配置在上述各模块之上。

在实施应用上，该切换模块400的该第一切换组件410，该第二切换组件420及该第三切换组件430为一半导体微机电系统组件，使用微机电系统切换组件(Microelectromechanical System Switch，MEMS Switch)有效缩小电路尺寸。

在实施应用上，为配合产品造型或是空间配置，本发明之射频结构可弯折，使弯折后配置该些双极化天线组件200的区域与配置该切换模块400的区域之间成一夹角(如图4及图5所示)，理论上角度不受限制。

在实施应用中，以该些双极化天线组件200的数量为四个(如图2所示)为说明例，该四双极化天线组件200电性连接二组巴特勒矩阵411及421(4×4巴特勒矩阵)，该第一切换组件410及第二切换组件420分于经由各自的该巴特勒矩阵411及421电性连接该四双极化天线组件200。

巴特勒矩阵是用于相控阵天线波束赋形的馈电网络，其目的是控制射频信号传输的一个或多个波束的方向。它是由电桥耦合器和固定移相器组成的N×N矩阵，其中N是2的幂次方。该器件有N个连接到馈电单元的输入端口和N个连接到天线的输出端口，本实施为4个连接到馈电单元的输入端口和4个连接到天线的输出端口。巴特勒矩阵可将不同相位差的信号馈入单元模块，使得射频信号波束处于所期望的方向。通过将射频信号切换到所需的波束端口来控制波束方向，提供4种变化场形，进而达成扩大波束场形的效果，扩大本发明之毫米波结构可传送与接收讯号的角度。

进一步地，该双极化天线组件200与该切换模块400设有至少一滤波组件300，用以将该频率讯号进行过滤。在实施应用中，在该双极化天线组件200与该第一切换组件410与该第二切换组件420之间设有该滤波组件300，该滤波组件300与该切换组件130经组态行形成通信路径，并耦合至该双极化天线组件200形成一匹配电路，使得该双极化天线组件200与该该切换模块400之间提供滤波路径，并用于优化该频率信号，将该双极化天线组件200发出或接收的射频信号中不需要的频率过滤掉。

参见图6，在实施应用中，该毫米波射频结构进一步包括一液晶高分子介电材料层700，该液晶高分子介电材料层700位于该基板100与该覆盖保护层600之间，该至少一双极化天线组件200配置在该覆盖保护层600与该液晶高分子介电材料层700之间，该切换模块400含该第一切换组件410，该第二切换组件420及该第三切换组件430，分别配置在该液晶高分子介电材料层700与该基板100之间。实施上，该射频收发模块500可配置在该液晶高分子介电材料层700与该基板100之间，而该滤波组件300配置在该覆盖保护层600与该液晶高分子介电材料层700之间。透过堆栈配置，可以进一步缩缩小电路尺寸。在其他实施例中，该双极化天线组件200也可不被覆盖保护层600覆盖，而以电镀制程取代，同样达到保护的功能，且不因覆盖保护层600的介电系数影响天线辐射效果，减少天线调校的影响因素。

相同的，在实施应用上为配合产品造型或是空间配置，图6所示的射频结构可弯折，使弯折后配置该些双极化天线组件200的区域与配置该切换模块400的区域之间成一夹角(如图7所示)，理论上角度不受限制。

在实施应用中，该射频收发模块500为一射频集成电路，该射频收发模块包括一射频收发组件，例如发送模块(Tx)、接收模块(Rx)、射频功率放大器(PA)以及低噪声放大器(LNA)，用以实施一射频发射与一射频接收，以及一射频集成电路制程芯片。其中该该射频收发模块500中的射频集成电路制程芯片为一砷化镓制程芯片，耦接该双极化天线组件200，并具有多个砷化镓射频电路。

在其他实施例中，该射频收发模块500的集成电路为也可以是以其他三五族元素制程，例如SiC、GaN、GaAs、InP、Si等，都能有效提高功率密度，都适用于毫米波射频结构中。

请再参阅图8及图9，在实施应用中，该射频收发模块500可配置于与该基版100分离之一第二基版110上，该基板100与该第二基板110可以为相同的一液晶高分子基板。

在实施应用中，该基板100与该第二基板110的材质也可以不同，该第二基板110可为一环氧树脂基板、一聚氧二甲苯树脂基板或一氟系树脂基板。

综上所述，本发明实施例提供的一种毫米波射频结构，由双极化天线、滤波组件、切换模块(Switch)以及射频收发芯片所组成，双极化天线根据所需要的频带设计在液晶高分子(liquid crystal polymer，LCP)的基板上。滤波组件放在天线的后端，其主要优点是可以将天线噪声过滤，滤波组件的设计可以是由电感(L)、电容(C)被动组件组成的设计，也可以使用电路的架构搭配天线一同设计，并优化天线组件与切换组件(Switch)之间的匹配。切换模块(Switch)是使用射频(RF)微机电系统切换组件(MicroelectromechanicalSystem Switch，MEMS Switch)，相较于传统的切换组件，其优点为体积小、损耗低、功率消耗少、隔离度好、线性度好等特性，是良好的射频(RF)组件。在射频(RF)芯片上选用砷化镓(GaAs)制程的微波集成电路，由于砷化镓(GaAs)化合物半导体的移动率比传统的硅晶圆快、具有抗干扰的特性、低噪声、耐高电压与高频使用特性，因此适合应用在高频传输。

虽然本发明以前述实施例揭露如上，然其并非用于限定本发明，任何熟习相像技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，所作更动与润饰的等效替换，仍为本发明的专利保护范围内。

Claims (12)

1.一种毫米波射频结构，其特征在于，包括：

一基板，其材质包含液晶高分子材料；

至少一双极化天线组件，配置在该基板之上，并用以接收及发送一频率讯号；

一射频收发模块组件，用以接收及发送一电场强度方向不分极之频率讯号；

一切换模块，电性连接该至少一双极化天线组件与该射频收发模块，该切换模块并具有电性连接该至少一双极化天线组件的一第一切换组件及一第二切换组件，以及电性连接该第一切换组件与该第二切换组件的一第三切换组件，该第一切换组件与该第二切换组件分别根据所接收到的讯号发出电场强度方向为一第一极化的一第一讯号，与电场强度方向为一第二极化的一第二讯号，该第三切换组件接收来自该第一切换组件的该第一讯号与来自该第二切换组件的该第二讯号，或是将来自该射频收发模块的讯号切换馈入至该第一切换组件或该第二切换组件；及

一覆盖保护层，其材质包含液晶高分子材料，配置在上述各模块之上。

2.根据权利要求1所述的毫米波射频结构，其特征在于，该第一切换组件，该第二切换组件及该第三切换组件为一半导体微机电系统组件。

3.根据权利要求1所述的毫米波射频结构，其特征在于，该毫米波射频结构进一步包括一液晶高分子介电材料层，该液晶高分子介电材料层位于该基板与该覆盖保护层之间，该至少一双极化天线组件配置在该覆盖保护层与该液晶高分子介电材料层之间，该第一切换组件，该第二切换组件及该第三切换组件，分别配置在该液晶高分子介电材料层与该基板之间。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的毫米波射频结构，其特征在于，该双极化天线组件之每一天线为圆形或四边长度大致相同之方形。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的毫米波射频结构，其特征在于，该至少一双极化天线组件与该切换模块之间具一夹角。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的毫米波射频结构，其特征在于，该双极化天线组件为一包含液晶高分子材料的双层辐射层结构。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的毫米波射频结构，其特征在于，该双极化天线载波频率为26.5GHz～29.5GHz或是37GHz～41GHz时，天线边长为1.9～3.5mm。

8.根据权利要求1至3中任一项所述的毫米波射频结构，其特征在于，该射频收发模块为一射频集成电路，该射频收发模块包括一射频收发组件，用以实施一射频发射与一射频接收，以及一射频集成电路制程芯片，该射频集成电路制程芯片为一砷化镓制程芯片。

9.根据权利要求1至3中任一项所述的毫米波射频结构，其特征在于，该基板为一多层软性电路板，该多层软性电路板还包括一液晶高分子介电材料层。

10.根据权利要求1至3中任一项所述的毫米波射频结构，其特征在于，该射频收发模块配置于与该基版分离之一第二基版上，该基板与该第二基板为相同的一液晶高分子基板。

11.根据权利要求10所述的毫米波射频结构，其特征在于，该基板与该第二基板材质不同，该第二基板为一环氧树脂基板、一聚氧二甲苯树脂基板或一氟系树脂基板。

12.根据权利要求1至3中任一项所述的毫米波射频结构，其特征在于，该第一切换组件及第二切换组件分别经由一巴特勒矩阵电性连接该些双极化天线组件。

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