CN117337518A - 在rf部件之间采用共面波导互连件的天线装置 - Google Patents

Abstract

本公开描述了一种天线装置，其包括具有第一表面和相对的第二表面的天线基板，其中天线接地平面位于所述第二表面处。天线元件位于所述天线基板的所述第一表面处。第一RF部件附接到所述天线基板的所述第二表面并且包括RF电路系统以调整与所述天线元件通信的信号。第二RF部件附接到所述天线基板的所述第二表面。共面波导(CPW)互连件将所述第一RF部件耦合到所述第二RF部件并且包括中心导体以及在所述中心导体的相对侧上的第一和第二接地导体。所述中心导体具有在所述天线接地平面中的开口内的轮廓。

Description

在RF部件之间采用共面波导互连件的天线装置

技术领域

本公开总体上涉及天线装置内的RF部件之间的互连结构，并且涉及与分布式射频集成电路(RFIC)芯片集成的天线阵列。

相关技术的讨论

紧凑型天线阵列在微波和毫米波频率下有各种不同的应用，诸如在飞行器、卫星、交通工具、水运工具和基站中用于一般的地面通信。此类天线阵列典型地包括微带贴片辐射元件，该微带贴片辐射元件被相移波束成形电路系统驱动以产生用于波束转向的相控阵(phased array)。通常，对于包括天线阵列和波束成形电路系统的整个天线系统合意的是占用具有低轮廓的最小空间。

集成天线阵列可以被理解为由在紧凑结构中与射频(RF)集成电路芯片(RFIC)(例如，单片微波集成电路(MMIC))集成的天线元件构造成的天线阵列。集成天线阵列可以具有夹层类型配置，其中天线元件设置于面向外部的部件层中，并且RFIC跨越天线元件层后方的近似平行部件层内的有效天线孔口分布。RFIC可以包括用于发射的RF功率放大器(PA)和/或用于接收的低噪声放大器(LNA)和/或用于波束转向的有源移相器。通过以这种方式分布PA/LNA/移相器，可以达到更高的发射效率和/或改进的接收噪声性能，以及相对于非分布式IC设计更高的可靠性。

发明内容

在本公开的一个方面中，一种天线装置包括具有第一表面和相对的第二表面的天线基板，其中天线接地平面位于第二表面处。天线元件位于天线基板的第一表面处。第一RF部件附接到天线基板的第二表面并且包括RF电路系统以调整与天线元件通信的信号。第二RF部件附接到天线基板的第二表面。共面波导(CPW)互连件将第一RF部件耦合到第二RF部件并且包括中心导体以及在中心导体的相对侧上的第一和第二接地导体。中心导体具有在天线接地平面中的开口内的轮廓。

中心导体以及第一和第二接地导体可以形成在与天线基板内的天线接地平面相同的层中。

第一RF部件可以是RFIC芯片，其中RF电路系统包括波束成形电路系统，该波束成形电路系统包括至少一个放大器和至少一个移相器。

天线基板可以进一步包括在天线接地平面与第二表面之间的再分布层(RDL)区，以用于将DC电压和/或控制信号提供至RFIC芯片，其中RDL区包括与天线接地平面介接的隔离层。

相控阵天线实施例可以包括具有第一表面和相对的第二表面的天线基板，该天线基板在第二表面处包括天线接地平面。形成天线阵列的多个天线元件设置在天线基板的第一表面处。多个RFIC芯片附接到天线基板的第二表面，每个RFIC芯片包括波束成形电路系统以用于借由调整通过天线接地平面中的多个第一开口中的至少一者与天线元件中的至少一者通信的信号来进行波束转向。合路器/分路器部件设置在RFIC芯片之间并且附接到天线基板的第二表面。合路器/分路器部件包括波束成形网络(BFN)的一部分，包括多个合路器/分路器导体。多个共面波导(CPW)互连件各自将合路器/分路器导体中的相应者耦合到RFIC芯片中的一者，并且各自包括中心导体以及在中心导体的相对侧上的第一和第二接地导体。每个中心导体具有在天线接地平面中的多个第二开口中的相应者内的轮廓。

附图说明

从以下结合附图作出的详细描述，所公开技术的以上和其它方面和特征将变得更显而易见，在附图中相同参考标号指示相同元件或特征。相同或相似类型的各种元件可以通过附加具有下划线/虚线的参考标签和区分相同/相似元件的第二标签(例如，_1、_2)，或直接附加具有第二标签的参考标签来区分。然而，如果给定描述仅使用第一参考标签，那么其适用于具有相同的第一参考标签的相同/相似元件中的任一个，而无关于第二标签。在附图中元件和特征可能未按比例绘制。

图1A是根据实施例的天线装置的剖视图，其描绘了天线装置的RFIC芯片与RF部件之间的示例CPW互连件。

图1B是沿着图1A的线1B-1B截取的天线装置的天线基板的上部分的平面图，示出了示例CPW互连件。

图1C是沿着图1A的线1C-1C截取的天线装置的一部分的平面图，示出了与CPW互连件相关的RFIC芯片和RF部件的示例电接触件。

图1D是沿着图1B的线1D-1D截取的剖视图，示出了将CPW互连件连接到RFIC芯片的第一接地-信号-接地(GSG)过渡。

图1E是沿着图1B的线1E-1E截取的剖视图，示出了将CPW互连件连接到RF部件的第二(GSG)过渡。

图2A是根据实施例的天线装置的剖视图，其描绘了具有再分布层(RDL)的天线基板内的另一示例CPW互连件。

图2B是沿着图2A的线2B-2B截取的天线装置的一部分的剖视图，示出了示例CPW互连件。

图2C是沿着图2B的线2C-2C截取的天线装置的一部分的剖视图，示出了示例CPW互连件的第一GSG过渡部分。

图2D是沿着图2B的线2D-2D截取的天线装置的一部分的剖视图，示出了示例CPW互连件的第二GSG过渡部分。

图3是根据实施例的天线装置的剖视图，其描绘了至少部分地形成在天线基板的RDL区内的CPW互连件的另外的示例。

图4A是沿着图3的线4-4截取的天线装置的一部分的示例配置的剖视图。

图4B是沿着图3的线4-4截取的天线装置的一部分的另一示例配置的剖视图。

图5A是沿着图4A的线5A-5A截取的剖视图。

图5B是沿着图4B的线5B-5B截取的剖视图。

图6A是根据实施例的有源阵列天线装置的顶部平面图。

图6B是从图6A的方向6B观察的有源阵列天线装置的端视图。

图7A、图7B和图7C是任何示例天线装置内的波束成形电路系统的示意图。

图8是描绘任何天线装置内的波束成形网络的示意图。

图9是根据实施例的制造天线装置的示例方法的流程图。

具体实施方式

提供以下参考附图的描述，以帮助全面理解本文出于说明性目的公开的技术的某些示例性实施例。所述描述包含各种具体细节以帮助本领域的一般技术人员理解技术，但这些细节仅被视为说明性的。出于简单和清晰度的目的，当包含众所周知的功能和构造的描述可能混淆本领域的普通技术人员对技术的理解时可以省略此描述。

图1A是根据实施例的天线装置100的剖视图。天线装置100(“天线100”)包括至少一个第一RF部件(“RFC”)110、至少一个第二RFC 120、天线基板130和至少一个天线元件125。天线基板130可以具有天线元件125附接到的下(第一)表面143以及第一RFC 110和第二RFC 120两者附接到的上表面133。天线基板130可以由与位于天线基板130的上表面133处的天线接地平面135集成的介质平板138构成。

第一RFC 110和第二RFC 120分别包括RF电路系统118和128，以调整传递通过其中的RF信号。根据RFC的类型，此类调整可以是无源的或有源的。无源RFC可以是具有固定插入损耗和相位特性的传输线部件，诸如合路器/分路器或连接器。有源RFC可以是RF集成电路(RFIC)芯片，该RFIC芯片包括一个或多个放大器和/或一个或多个移相器以提供可控插入损耗或增益/可控插入相位。此处，有源RF电路系统可以被称为波束成形电路系统。在图1A的示例和下文的其他示例中，第一RFC 110被例示为RFIC芯片，并且RF电路系统118被例示为波束成形电路系统，该波束成形电路系统调整通过接地平面135中的第一开口131与天线元件125通信的信号。(在下文中，在讨论该示例时，第一RFC 110可以被称为RFIC芯片110或仅称为“RFIC 110”，并且RF电路系统118可以被称为波束成形电路系统118。)延伸穿过介质(dielectric)138和第一开口131的通孔155可以用作将天线元件125耦合到波束成形电路系统118的探针馈电。在第一RFC 110是无源RFC的其他实施例中，其中的RF电路系统118可以以与图1A中相同的方式直接或通过介入RF部件(未示出)间接耦合到天线元件125。

第二RF部件120可以包括在介质和/或半导体基板121内或印刷在该介质和/或半导体基板上的无源和/或有源RF电路系统128。第二RFC 120的一个示例是合路器/分路器网络。如果天线100被实现为具有分布在天线100的有效孔径上的多个天线元件125和多个RFIC芯片110的有源阵列，则第二RFC 120的此类合路器/分路器网络可以具有多个合路器/分路器导体(在此处有时被称为“分支臂”)，每个合路器/分路器导体耦合到RFIC芯片110中的一者。稍后将结合图6讨论该示例。第二RFC 120的其他示例包括RF放大器芯片和数字芯片。

图1B是沿着图1A的线1B-1B截取的剖视图，其对应于天线基板130的上部分的平面图。参考图1A至图1B，共面波导(CPW)互连件150将第一RFC 110耦合到第二RFC 120，完成RF电路系统118与RF电路系统128之间的电连接。CPW互连件150由中心导体135a以及在中心导体135a的相对侧上的第一接地导体135b和第二接地导体135c形成。中心导体135a和接地导体135b、135c中的每一者是接地平面135的相应部分。中心导体135a可以是设置在接地平面135的第二开口141内的矩形带。第二开口141的上和下外围部分分别将中心导体135a与第一接地导体135b和第二接地导体135c分开。第二开口141的左和右外围部分将中心导体135a与接地平面135的相邻左和右区分开。(需注意，在图1A的视图中，为了清楚起见，省略了开口131和141的区中的接地平面135的远端部分。)因此，中心导体135a相对于接地平面135的周围部分呈岛的形式，并且通过第二开口141内的隔离材料或气隙与其电隔离。此处需注意，因为中心导体135a具有第二开口141内的外围边缘，所以中心导体135a可以被描述为具有第二开口141内的轮廓。如本文所使用的，接地平面中的开口内的中心导体的轮廓是指当中心导体和开口投影到与接地平面平行的不同平面上时，中心导体的周边被开口部分或完全包围。在图1A中，中心导体135a形成在与接地平面135相同的层中。因此，中心导体135a的轮廓位于接地平面中的第二开口141内，并且当两者投影到平行于接地平面135的不同平面上时也是如此。在下文所描述的其他实施例中，CPW互连件的中心导体在z方向(垂直于接地平面的方向)上从开口稍微偏移。在那些实施例中，中心导体的轮廓位于接地平面中的开口内，因为当开口和中心导体投影到平行于接地平面的不同平面上时，中心导体的周边被开口部分或完全包围。例如，在稍后描述的图3中，CPW过渡的中心导体308a从接地平面中的第二开口441稍微竖直偏移，并且中心导体308a被理解为具有在第二开口441内的轮廓。

第一接地导体135b和第二接地导体135c可以被定义为具有足够宽度W1以用于包含在RFIC芯片110与第二RFC 120之间传播的电磁(EM)场的接地导体135的部分。例如，接地平面135在接地导体135b和135c上方和下方(在y方向上超出宽度W1)的部分可以用于第一RFC 110与第二RFC 120之间的其他CPW互连件。

通过提供CPW互连件150作为天线接地平面135的一部分，即作为在厚度方向(z方向)上与接地平面135相同的金属层的一部分，天线基板130可以由单层介质138形成。因此，天线基板130可以被表示为“单RF层”基板，其中“单RF层”可以被理解为天线元件125与接地平面135之间的层。(在下文讨论的其他实施例中，薄控制信号/DC信号层提供在接地平面135上方；这些实施例中的天线基板也可以被表征为单RF层基板。)通过将天线基板130配置为单RF层基板，不需要在天线基板130的上表面133下方(在z方向上)、在埋地天线接地平面上方的一定距离处提供具有附加的金属层(传输线层)的RF再分布层。此类附加的RF分布层将典型地包括埋地接地平面与传输线层之间的隔离层以及传输线层上方的另一隔离层。因此，天线基板将以其他方式形成为复杂的双RF层基板，这是本实施例所避免的结果。另一方面，本实施例的单RF层基板有利于天线装置的制造，并且通过避免对双RF层基板的附加的隔离层的需要而允许更薄的天线基板130。

接地平面135可以通过使用任何合适的技术沉积导电材料层而形成在介质138上。例如，通过在接地平面层形成期间不在开口的区中沉积导电材料，可以在接地平面135中形成第一开口131和第二开口141。开口131和141可以填充有隔离材料，例如与介质138相同的材料。另选地，不使用隔离材料，使得开口131、141各自形成从上表面133凹陷的环形空腔。

图1C是沿着图1A的线1C-1C截取的天线100的一部分的平面图，并且示出了与CPW互连件150相关的RFIC芯片110和第二RFC 120的示例电接触件。图1D和图1E分别是沿着图1B的线1D-1D和1E-1E截取的剖视图。共同参考图1A至图1E，第一接地-信号-接地(GSG)过渡190_1可以在点p1、p2和p4处将CPW互连件150的第一端连接到RFIC芯片110。第二GSG过渡190_2可以在点p2、p6和p5处将CPW互连件150的第二相对端连接到第二RFC 120。第一GSG过渡190_1可以包括：RFIC芯片110的RF接触衬垫(“信号接触件”)182；RFIC芯片110的在信号接触件182的相对侧上的第一接地接触衬垫(“接地接触件”)197和第二接地接触衬垫199；以及将接触件182、197和199分别连接到导体135a、135c和135b的点p1、p4和p3的电连接接头176。第二GSG过渡190_2可以包括：第二RFC 120的信号接触件184；第二RFC 120的在信号接触件184的相对侧上的第三接地接触件196和第四接地接触件195；以及将接触件184、196和195分别连接到导体135a、135c和135b的点p5、p2和p6的导电接头176。导电接头176的示例包括焊球、金凸块、具有焊帽的铜柱、热压接合和导电环氧树脂。诸如化学镀镍化学镀钯浸金(ENEPIG)的表面修饰金属层(未示出)可以存在于导电地粘合到连接接头176的任何接触衬垫之间，以帮助连接接头176的可液化金属(例如焊料)粘合到接触衬垫。底部填充材料162可以包围连接接头176中的至少一些以便为连接接头提供机械支撑，并且由此提高它们的可靠性。典型地，底部填充材料162可以是主要由无定形熔融石英组成的混合材料。

另一GSG过渡可以提供在连接点p8、p9和p10处，以将通孔155和在通孔155的相对侧上的接地平面135的接地点连接到RFIC芯片110的相应接触件，从而使得RF信号能量能够从波束成形电路系统118自由地流动到天线元件125。为此，通孔155的一端电连接到天线元件125，而相对端在点p10处通过导电接头176连接到RFIC芯片110的信号接触件186。跨越第一开口131的通孔155的相对侧上的接地平面135的接地点p8和p9可以分别通过相应的接头176连接到接地接触件192和194。接触件186、192和194(在下文中，“天线元件接触件”)耦合到波束成形电路系统118的输入部分，诸如耦合到接收放大器的输入电路节点或发射放大器的输出电路节点。接触件182、197和199(“CPW互连接触件”)耦合到波束成形电路系统118的输出部分，诸如耦合到移相器或滤波器。波束成形电路系统118与天线元件接触件和CPW互连接触件中的每一者之间的过渡的结构和类型取决于波束成形电路系统118是形成在微带传输线还是CPW传输线中，以及RFIC芯片110是否相对于天线基板130以“倒装芯片”布置连接。当波束成形电路系统118形成在微带传输线中时，RFIC芯片110可以被表示为“微带芯片”，并且当该波束成形电路系统形成在CPW传输线中时，RFIC芯片110可以被表示为“CPW芯片”。

当RFIC芯片110被实现为微带芯片时，CPW到微带过渡115_1可以耦合在天线元件接触件与波束成形电路系统118的输入部分之间。同样，CPW到微带过渡115_2可以耦合在波束成形电路系统118的输出部分与CPW互连接触件之间。如果RFIC芯片110还以倒装芯片布置连接到天线基板130，则RFIC芯片110的有源裸片侧接近下表面113并且面向天线基板130。例如，波束成形电路系统晶体管的掺杂区和金属化，以及合路器/分路器导体(如果有的话)位于有源区内。

在微带芯片的情况下，RFIC芯片110的微带接地平面可以位于上表面114处，并且“接地通孔”(未示出)可以从接地接触件192、194、197和199中的每一者穿过材料112延伸到微带接地平面。微带传输线的信号导体可以位于有源区中，使得可以在信号导体与信号接触件186和182中的每一者之间进行短连接或直接连接。相反地，如果RFIC芯片110以非倒装芯片布置连接到天线基板130，则有源裸片侧和微带信号导体可以位于上表面114处，并且微带接地平面可以位于下表面113处。在这种情况下，可以在微带接地平面与接地接触件192、194、197和199中的每一者之间进行短连接或直接连接，并且“信号通孔”可以从信号接触件186和182中的每一者延伸到微带信号导体。

当RFIC芯片110被实现为CPW芯片(省略了过渡115_1和115_2)并且被布置为倒装芯片时，波束成形电路系统118的有源裸片侧和CPW传输线可以位于下表面113处，使得可以在CPW传输线的中心导体的相应点与信号接触件182和186中的每一者之间以及在CPW传输线的接地导体中的每一者与接地接触件192、194、197、199之间进行短连接或直接连接。当CPW芯片以非倒装芯片布置连接时，有源裸片侧和CPW传输线位于上表面114处。在这种情况下，延伸穿过材料111的接地通孔可以将接地接触件中的每一者连接到CPW传输线的相应的接地点，并且信号通孔可以将信号接触件182和186连接到CPW传输线的中心导体的相应点。

类似地，第二RFC 120的接触件184、195和196与RF电路系统128之间的过渡的类型取决于RF部件120的传输线传输线的类型，以及第二RFC 120的信号导体是否布置在第二RFC 120的下表面123还是上表面124处。例如，当RF电路系统128由微带传输线形成时，CPW到微带过渡115_3可以耦合在接触件与该RF电路系统之间。需注意，第二RFC 120可以进一步包括一个或多个另外的接触件168，这些接触件可以通过接头176在点p7处粘合到天线基板130的上表面133。接触件168可以为第二RFC 120的连接提供进一步的机械支撑，且/或可以是电耦合到另一RFIC芯片110的另一RF接触件。

在天线100和下文描述的其他实施例中，天线元件125可以各自是印刷在天线基板130上的微带贴片天线元件。例如偶极或单极等其它类型的天线元件可以代替。天线元件125当被实现为微带贴片时可以具有任何合适的形状，诸如圆形、正方形、矩形或椭圆形，并且可以以足以实现例如圆形、线性或椭圆形的所需极化的方式被馈电和配置。天线元件125的数量、它们的类型、大小、形状、元件间间距以及它们的馈电机构可以根据应用的性能目标因实施例而异。例如，虽然用八个天线元件125示出了下文天线600(图6)的示例，但用于实现窄天线波束的典型实施例可以包括数百或数千个天线元件125。在另一示例中，每个天线元件125是使用不同的圆形极化馈电方法由两个偏移通孔155来馈电的。在其他示例中，使用电磁馈电机构代替通孔155，其中每个天线元件125是从具有近场能量的相应的馈电点激发的。

在天线100和下文描述的其他实施例中，天线可以被配置用于毫米(mm)波频带之上的操作，该频带通常被定义为30GHz到300GHz范围内的频带。在其它情况下，天线100在范围从约1GHz到约30GHz的微波中或在低于1GHz的亚微波范围中操作。在本文中，RF信号表示具有从低于1GHz直到300GHz的任何频率的信号。需注意，被配置成在微波或毫米波频率下操作的RFIC 110经常被称为单片式微波集成电路(MMIC)，并且典型地由诸如磷酸铟(InP)或砷化镓(GaAs)的III-V族半导体材料或诸如硅锗(SiGe)的其他材料构成。

图2A是根据另一实施例的天线装置100'的剖视图。天线装置(“天线”)100'与上述天线100的不同之处在于，将天线基板130'配置为在接地平面135上方具有薄再分布层(RDL)区220。类似于上述CPW互连件150，用于将RFIC芯片110耦合到第二RFC 120的CPW互连件350可以由接地平面135的部分和接地平面135中的开口141形成。图2A示出了单个RFIC芯片110和单个第二RFC 120；然而，天线110'可以包括多个RFIC 110，每个RFIC具有用于耦合到一个或多个第二RFC 120的一个或多个CPW互连件350。

RDL区220可以按从天线基板130'的上表面133到接地平面135的次序包括第一隔离层302、第一导电层304、第二隔离层306、第二导电层308以及第三隔离层310。在其他实施例中，RDL区220仅具有单个导电层，或者三个或更多个导电层，在每种情况下具有合适数量的隔离层。第一导电层304和第二导电层308可以被图案化以形成用于将DC和/或控制信号路由到RFIC芯片110(并且路由到第二RFC 120，如果其中包括有源电路系统的话)的信号线。导电层304和308由金属或其他导电材料组成。开口(诸如391、392、393)可能已形成在导电层304和308中，例如通过在相应的层形成期间不在开口的区中沉积导电材料。同样，第一开口131和第二开口141可能已以相同的方式形成在接地平面135层中。各种开口可以由隔离材料填充。通孔155横穿开口131、392和393，并且通过隔离材料与导电层304、308和135隔离。

层区220内的层302、304等中的每一者可以比介质138薄至少一个数量级。例如，这些层中的每一个可以具有大约2-10μm的厚度(在z方向上)，而介质138可以是大约250μm厚。第一导电层304和第二导电层308可以各自在x-y平面中形成具有大约12μm的宽度且彼此间隔开大约12μm的间距的信号/接地线。在天线100'的典型实施例中，层304和308中的每一者可能已被蚀刻或以其他方式图案化以形成数十、数百或数千个信号线和接地线。然而，在其他实施例(诸如图1A至图1E的实施例)中，层RDL区220被省略，在这种情况下，偏置电压和信号通过其他方式路由到RFIC 110。

在有源阵实施例中，RFIC芯片110可以具有位于其下表面处的数十个或超过一百个电接触件，诸如357、367。这些触点可以通过与导电接头176的互连从形成于第一导电层304和第二导电层308中的信号线接收偏置电压和/或控制信号。例如，为了形成用于将形成在第一导电层304中的信号线连接到电接触件357的互连件，开口可能已在第一隔离层302中构成以暴露第一导电层304的信号线，并且导电阱387可能已形成在该开口中。第一隔离层302中的开口可能已经通过将抗蚀剂材料放置在层304上后续开口的位置中并且然后在排除抗蚀剂材料的区域中沉积隔离层302的隔离材料来构成。接触垫330可能已经形成于阱387上，并且通过加热/冷却工艺形成的导电接头176可以将接触垫330与触点357连接。另选地，接触衬垫330被省略，并且导电接头176直接导电地粘合到阱387。

以类似的方式，为了形成用于将形成在第二导电层308中的信号线连接到电接触件367的互连件，开口可能已形成在第一隔离层302、第一导电层304以及第二隔离层306中的每一者中。形成开口的工艺可能同样涉及将抗蚀剂材料一次一层地放置在后续开口的位置中，同时沉积对应的层材料。额外的隔离材料(例如，与隔离层302、306的材料相同的材料)可能已被沉积在第一导电层304中的开口391周围的环状区中。该材料防止与在由一系列开口产生的空腔内通过沉积等形成的后续导电阱377短路。接触垫330可能已经形成于导电阱377上。导电接头176将电接触件367连接到接触衬垫330，或者如果接触衬垫330被省略，则将电接触件367直接连接到导电阱377。

图2B是沿着图2A的线2B-2B截取的天线100'的一部分的剖视图。图2C和图2D分别是沿着图2B的线2C-2C和2D-2D截取的剖视图。共同参考图2A至图2D，CPW互连件350可以在接地平面135中具有与上述CPW互连件150相同或类似的布局。因此，CPW互连件350可以具有：呈由开口141包围的岛的形式的中心导体135a，以及在中心导体135a的相对侧上纵向延伸的第一接地导体135b和第二接地导体135c。第一GSG过渡390_1可以将CPW互连件350的第一端连接到RFIC 110，并且第二GSG过渡390_2可以将CPW互连件350的相对端连接到RF部件120。第一GSG过渡390_1可以包括导电阱372a、372b和372c，这些导电阱各自通过相应的导电接头176和接触衬垫330分别连接到RFIC芯片110的接触衬垫182、197和199。第二GSG过渡390_2可以包括导电阱373a、373b和373c，这些导电阱各自通过相应的导电接头176和接触衬垫330分别连接到RF部件120的接触衬垫184、196和195。导电阱372a-372c和373a-373c可能已各自以与导电阱377类似的方式形成，利用形成穿过第二导电层308和第三隔离层310的额外的开口以暴露接地平面135的表面的工艺。额外的隔离材料可能已被沉积在包围第二导电层308中的相应开口的环状区中以防止与随后形成的导电阱372a-372c和373a-373c短路。天线100'的其他方面可以与上文针对天线100所描述的那些相同。此处需注意，出于与上文针对天线100所解释的相同的原因，图2A和图2B的中心导体135a具有在第二开口141内的轮廓。

图3是根据另一实施例的天线装置100”的剖视图。天线100”与图2A至图2D的天线100'的不同之处在于，提供至少部分地形成在RDL区220内的CPW互连件450。为此，CPW互连件450可以包括中心导体308a，该中心导体是导电层308的一部分，呈通过导电层308中的相框状开口442与导电层308的其他周围区隔离的岛的形式。此外，矩形开口441形成在接地平面135内在中心导体308a正下方的区中。开口441防止接地平面135干扰通过CPW互连件450传播的信号场。因为中心导体308a在x-y平面中具有落在第二开口441的x-y空间内的外围边缘，所以中心导体308a可以被描述为具有在第二开口441内的轮廓。即，如上所定义的中心导体308a的投影轮廓落在第二开口441内。以另一方式解释，当沿着延行穿过中心导体308a的中心的轴线在z方向上从远点观察时(如图4A中)，中心导体308a呈现为在第二开口441内的岛。

图4A是沿着图3的线4-4截取的天线100”的一部分的示例配置的剖视图。图5A是沿着图4A的线4-4截取的剖视图，其中为清楚起见，移除了一些远端元件。在该实施例中，CPW互连件450a是图3的CPW互连件450的示例。此处，CPW互连件450a可以包括中心导体308a以及第一接地导体308b和第二接地导体308c，所有这些都是导电层308的部分。导电阱472a可以通过接触衬垫330和导电接头176将中心导体308a耦合到RF接触件182。导电阱472a可以用与上述导电阱377相同类型的工艺形成。相同类型的导电阱472b和472c可以将接地导体308b和308c分别耦合到接地接触件197和199。因此，导电阱472a-472c形成CPW互连件450a的第一端与RFIC芯片110之间的GSG过渡。导电阱473a、473b和473c可以提供类似或相同的GSG过渡，以将CPW互连件450a的相对端耦合到RF部件120的接触件184、195和196。

图4B是沿着图3的线4-4截取的天线100”的一部分的另一示例配置的剖视图，其中为清楚起见，移除了一些介入特征。图5B是沿着图4B的线4-4截取的剖视图，其中为清楚起见，移除了一些远端元件。在该实施例中，CPW互连件450b是图3的CPW互连件450的示例。此处，CPW互连件450b可以包括中心导体308a以及第一接地导体135b和第二接地导体135c。因此，CPW互连件450b的中心导体位于天线基板130'的与CPW互连件450b的接地导体不同的深度层中。然而，即使中心导体308a和接地导体135a、135b不完全共面，因为层308与接地平面层135之间的深度差异如此小，所以不会发生显著的性能下降，由此CPW互连件450b仍然有效地操作为共面传输线。此外，由于开口441形成在中心导体308a正下方的接地平面135中，所以接地平面135不会干扰跨越CPW互连件450b传播的信号场。

导电阱472a通过接触衬垫330和导电接头176将中心导体308a耦合到RF接触件182。较深的导电阱372b和372c将分别接地导体135b和135c耦合到分别接地接触件197和199。因此，导电阱472a、372b和372c形成CPW互连件450b的第一端与RFIC芯片110之间的GSG过渡。导电阱473a、373b和373c可以提供类似或相同的GSG过渡，以将CPW互连件450b的相对端耦合到第二RFC 120的接触件184、195和196。

图6A是根据实施例的有源天线阵列装置(“天线阵列”)600的顶部平面图。图6B是从图6A的方向6B观察的天线阵列600的端视图。包括RDL区220的天线阵列600是上述天线100'或100”的示例。然而，类似的布局和连接方案可以应用于没有RDL区的天线阵列，诸如图1A至图1E的天线100。

天线阵列600包括多个(K个)RFIC芯片110_1至110_K以及合路器/分路器部件120a，该合路器/分路器部件是第二RFC 120的示例。形成平面阵列622的多个(N个)天线元件125_1至125_N可以设置在天线基板130'的下表面143处。每个RFIC芯片110可以通过M个波束成形电路系统(BFC)单元618_1至618_M耦合到多个(M个)天线元件125(在所展示的示例中，M＝2)。取决于应用，整数K、M和N的值可以因实施例而异。在图6A中，为便于理解，展示并且讨论其中K＝4、N＝8且M＝2的“小阵列”示例。

合路器/分路器部件(“合路器/分路器”)120a通过相应的CPW互连件350(或450)耦合到RFIC芯片110中的每一者。例如，细节“A”示出了CPW互连件的中心导体135a和接地导体135b、135c跨越RFIC芯片110_j与合路器/分路器120a之间的间隙延伸。合路器/分路器120a被示出为在其上表面处具有共面波导，该共面波导包括信号导体680_s以及在每个信号导体680_s的相对侧上的第一接地导体680_g1和第二接地导体680_g2。RFIC芯片110被示出为微带型芯片，该微带型芯片在背离天线基板130'的上表面处具有微带信号导体651(以“非倒装芯片”布置方式布置)并且在下表面处或在芯片的中间水平处具有微带接地平面(未展示)。例如，图6B示出了在z方向上竖直地延伸穿过RFIC 110的至少一个通孔630可以将CPW互连件350的第一端耦合到信号导体651。CPW互连件350的第二端可以通过延伸穿过介质121的多个通孔640耦合到合路器/分路器120a的CPW传输线。

另选地，采用CPW型RFIC芯片110和/或微带合路器/分路器120a，且/或将RFIC芯片110作为倒装芯片与位于RF芯片110的下表面处的信号导体651连接。

合路器/分路器120a的CPW导体可以分别在K个位置处通过K个CPW互连件350耦合到RFIC芯片110_1至110_K的K个信号导体651。信号导体680_s的K个位置中的每一者可以被称为合路器/分路器120a的合路器/分路器导体。每个RFIC芯片110还被展示为包括两个波束成形电路系统(BFC)单元618_1和618_2，其中BFC单元618_1和618_2连同2:1合路器/分路器653和信号线651可以共同形成前面讨论的RFIC芯片110的波束成形电路系统118。其他实施例采用单个BFC单元618或者三个或更多个BFC单元618。

合路器/分路器120a可以包括2:1RF耦合器620_1、620_2和620_3，诸如威尔金森(Wilkinson)或混合耦合器，以形成整体K:1合路器/分路器。合路器/分路器120a的介质基板121的示例材料是氧化铝。在传输线或大型元件阵列中，合路器/分路器120a可以由多个氧化铝区段构成，以促进制造、特别是在易碎的氧化铝基板的处置中。多个氧化铝区段的RF电路系统可以通过CPW互连件350或通过替代性连接方案互连。

每个BFC单元618包括放大器和/或移相器以调整提供给/来自天线元件125的发射信号和/或接收信号。在RFIC芯片110跨越天线阵列600的有效孔口分布并且各自耦合到一个或多个天线元件125的情况下，天线600可以被理解为有源天线阵列。在BFC单元618各自包括用于信号动态相移的移相器的实施例中，天线阵列600用作相控阵。在此相控阵列实施例中，由天线600形成的波束被转向到主要根据移相器的相移来设定的所需波束指向角度。还可以包括RFIC 110内的额外的振幅调整能力以调整天线模式。在任何情况下，天线600可以被配置作为发射天线系统、接收天线系统或发射和接收天线系统两者。

连接器670可以侧面安装或顶部安装并且连接到信号导体680_s。在发射方向上，输入RF发射信号被应用于连接器670并且被耦合器620分路成K个分路发射信号，并且K个分路发射信号被分别应用于RFIC芯片110_1至110_K。(在稍后讨论的图8中展示信号流的示意图。)如果RFIC 110包括多个(M个)BFC单元618，则RFIC 110可以进一步包括M:1合路器/分路器653，其将分路发射信号划分成M个进一步分路信号，每个进一步分路信号被应用于BFC单元618中的一者。一旦经BFC单元618调整，经调整的信号是可以各自被应用于天线元件125中的一者的“元件信号”。

逆信号流发生在接收方向上，其中元件信号由BFC单元618从天线元件125接收，并且由接收放大器和/或移相器调整(并且典型地被滤波)。经调整的接收信号被路由通过合路器/分路器153和120a以在连接器170处产生复合接收信号。在此注意到，波束成形网络(BFN)可以被视为涵盖信号连接器670与天线元件125_1至125_N之间的所有信号路径。在BFN中，单一输入发射信号被分路成N个元件信号，并且/或者从天线元件125接收的N个元件信号被合路成单一复合接收信号。

在图6A和图6B中，作为示例，两个天线元件125_1和125_2被展示为耦合到每个RFIC 110。在其他示例中，每个RFIC芯片110耦合到单一天线元件125，或者耦合到三个或更多个天线元件125。天线600还被示出为包括额外的芯片160_1和160_2，诸如串行外围接口(SPI)芯片。芯片160可以用于通过信号线(诸如304_1、308_1)向RFIC芯片110提供DC信号和/或控制信号，这些信号线通过RDL区220的分别导电层304和308而形成。DC信号可以偏置放大器和/或控制BFC单元618_1、618_2内的开关的切换状态。控制信号可以控制BFC单元内的移相器的相移。

图7A展示了被配置用于RFIC芯片110的接收路径(天线接收方向)的BFC单元618_i(i＝从1至M的任何整数)的示例波束成形电路系统。BFC单元618_i可以包括耦合在输入侧886(耦合到天线元件125)与输出侧882(直接或通过合路器/分路器653耦合到CPW互连件350)之间的前端接收电路系统。接收电路系统可以包括串联连接的低噪声放大器(LNA)502、接收路径移相器504以及带通滤波器506。LNA 502和移相器504可以从RFIC芯片110内的通孔/信号线(未展示)接收偏置/控制电压，这些通孔/信号线是从诸如357、367(参见图2A和图3)的电接触件延伸的。

图7B描绘了被配置用于RFIC芯片110的发射路径(天线发射方向)的BFC单元618_i的示例波束成形电路系统。此处，BFC单元618_i内的前端电路系统可以包括串联连接在输入侧886与输出侧882之间的功率放大器(PA)51、发射路径移相器514以及带通滤波器516。PA 512和移相器514还可以从RFIC芯片110内的通孔/信号线(未展示)接收偏置/控制电压，这些通孔/信号线是从诸如357、367的电接触件延伸的。

图7C展示了被配置用于RFIC芯片110的接收路径和发射路径两者的BFC单元618_i的示例波束成形电路系统。在这种情况下，BFC单元618_i包括具有连接到输入侧886的输入端口的第一发射/接收(T/R)电路系统532和具有连接到输出侧882的输入端口的第二T/R电路系统534。包括LNA 502和移相器504的接收路径可以连接在T/R电路系统532、534的第一输出端口之间。包括移相器514和PA 512的发射路径可以连接在T/R电路系统532、534的第二输出端口之间。T/R电路系统532、534可以各自包括带通滤波器和/或开关以允许既发射又接收从输入端口传递到相应的输出端口的路径信号。在一些示例中，不同的频带被用于发射信号与接收信号，并且带通滤波足以提供路径之间的隔离。基于时分复用的切换可以在路径之间提供进一步的或替代性的隔离。

图8是描绘天线阵列600内的示例波束成形网络(BFN)800的示意图。BFN 800可以包括K:1合路器/分路器880和K个RFIC芯片110_1至110_K，每个RFIC芯片具有M个BFC单元618_1至618_M(例如，具有图7A至图7C的电路系统布置中的任何一者)和M:1合路器/分路器840。K:1合路器/分路器880可以由合路器/分路器部件120a形成并且在电路点t处具有输入端口。CPW互连件350(另选地，150或450)将K:1合路器分路器880的K个输出896中的每一者耦合到M:1合路器840的相应输入893。每个RFIC芯片110可以耦合到M个天线元件，诸如125_1至125_M。因此，可以有N个天线元件125_1至125_N，其中N＝M x K。如前所述，对于经设计以形成窄天线波束的典型天线600，数字N可以是数百或数千。

图9是制造天线600的示例方法900的流程图。可以根据需要修改所示操作的顺序。在方法900中，天线基板130'可以由晶圆形成，并且可以通过在电镀或类似工艺中钻孔并用导电材料填充这些孔来将通孔155形成在其中(S902)。然后可以分别在天线基板的下表面和上表面上印刷天线元件125和接地平面135(S904)。CPW互连件350可以在该工艺步骤期间以先前描述的方式形成。此后可以在接地平面上方的天线基板130'上形成RDL区220(S906)。用于GSG过渡的导电阱，诸如导电阱372、373、472、473和CPW互连件450可以在如上所述的该工艺步骤期间形成。

RFIC芯片110与波束成形电路系统118、通孔(如果需要的话)、RF接触衬垫和接地接触衬垫以及诸如357、367的其他电接触件分开制造(S908)。可以将第二RFC 120单独地形成有BFN合路器/分路器(S910)。可以将导电接头176最初粘合到RFIC芯片110的RF接触件186、182和其他电接触件和/或粘合到位于天线基板130'的上表面处的拦截衬垫/其他接触件(S912)。可以将RFIC芯片110、其他IC芯片160以及第二RFC 120放置在天线基板130'上(S914)。可以执行加热/冷却循环以熔化和冷却导电接头176的焊料或其他导电材料并且将RFIC芯片、其他IC芯片以及第二RFC 120导电地粘合到天线基板(S916)。

在上述天线装置的实施例中，结合接地平面开口形成的CPW互连件的提供允许使用单RF层天线基板以及其附带的优点。模拟表明，接地平面中用于容纳CPW过渡的第二开口(例如141、441)对天线性能的影响最小。

虽然本文所描述的技术已参考其实例实施例特定示出和描述，但所属领域的技术人员将理解，在不脱离由所附权利要求书及其等效物界定的所要求主题的精神和范围的情况下可以在其中作出形式和细节的各种改变。

Claims (31)

1.一种天线装置(100，100'，100”，600)，其包括：

天线基板(130，130')，其具有第一表面(143)和相对的第二表面(133)，所述天线基板在所述第二表面处包括天线接地平面(135)；

天线元件(125)，其位于所述天线基板的所述第一表面处；

第一射频(RF)部件(110)，其附接到所述天线基板的所述第二表面并且包括RF电路系统(118)以调整与所述天线元件通信的信号；

第二RF部件(120)，其附接到所述天线基板的所述第二表面；以及

共面波导(CPW)互连件(150，350，450)，其将所述第一RF部件耦合到所述第二RF部件并且包括中心导体(135a，308a)以及在所述中心导体的相对侧上的第一和第二接地导体(135b，135c)，所述中心导体具有在所述天线接地平面中的开口(141)内的轮廓。

2.根据权利要求1所述的天线装置(100，100'，600)，其中所述中心导体和所述天线接地平面位于所述天线基板的同一层中。

3.根据权利要求2所述的天线装置(100，100'，600)，其中所述第一接地导体为所述天线接地平面在所述开口(141)的第一侧上的第一区(135b)，并且所述第二接地导体由所述天线接地平面在所述开口的与所述第一侧相对的第二侧上的第二区(135c)形成。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的天线装置(100，100'，100”，600)，其中：

所述接地平面中的所述开口为所述接地平面中的第二开口；并且

所述信号通过所述天线接地平面中的第一开口(131)在所述RF电路系统与所述天线元件之间通信。

5.根据权利要求1所述的天线装置(100'，100”，600)，其中所述天线基板进一步包括在所述天线接地平面(135)与所述第二表面(133)之间的再分布层(RDL)区(220)。

6.根据权利要求5所述的天线装置(100'，100”，600)，其中所述中心导体(308a)位于所述RDL区的导电层(308)中。

7.根据权利要求6所述的天线装置(100”)，其中：

所述第一接地导体为所述天线接地平面在所述第二开口的第一侧上的第一区(135b)；并且

所述第二接地导体为所述天线接地平面在所述第二开口的与所述第一侧相对的第二侧上的第二区(135c)。

8.根据权利要求6所述的天线装置(100”)，其中：

所述中心导体位于所述RDL区的第一导电层(308)的第一导电区(308a)中；并且

所述第一和第二接地导体分别位于所述RDL区的第二导电层(308)的第二和第三导电区(308b，308c)中。

9.根据权利要求8所述的天线装置(100”，600)，其中所述第一和第二接地导体与所述中心导体位于所述RDL区的同一导电层(308)内。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的天线装置(100，100'，100”，600)，其中所述第二RF部件包括：将输入发射信号分路成各自被提供至附接到所述天线基板的多个RFIC芯片(110_1-110_k)中的一者的多个分路发射信号且/或分别从所述多个RFIC芯片接收多个接收信号并将所述接收信号合路以形成输出信号的波束成形网络(800)的一部分，所述多个RFIC芯片中的每一者借由相应的所述CPW互连件连接到所述第二RF部件。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的天线装置(100，100'，100”，600)，其中所述接地平面中的所述开口为第二开口，并且所述天线基板包括形成在其中并延伸穿过所述天线接地平面中的第一开口(131)的通孔(155)，所述通孔将所述第一RF部件(110)的第一RF接触件(186)耦合到所述天线元件(125)，所述第一RF接触件耦合到所述RF电路系统(118)的输入点。

12.根据权利要求11所述的天线装置(100，100'，100”，600)，其中：

所述第一RF部件的下表面通过多个电连接接头(176)附接到所述天线基板的所述第二表面；

所述电连接接头中的第一者(176)将所述第一RF接触件(186)耦合到所述通孔(155)；

所述电连接接头中的第二者(176)将所述第一RF部件的第二RF接触件(182)耦合到所述CPW互连件的所述中心导体(135a)，所述第二RF接触件耦合到所述RF电路系统的输出点；并且

所述电连接接头中的第三者(176)将所述第一RF部件的接地接触件(197)耦合到所述天线接地平面(135)。

13.根据权利要求12所述的天线装置(100，100'，100”，600)，其中所述第三电连接接头将所述接地接触件耦合到所述第二开口的一侧上的区，并且所述电连接接头中的第四者将所述第一RF部件的另一接地接触件(199)耦合到所述第二开口的相对侧上的所述天线接地平面。

14.根据权利要求1至14中任一项所述的天线装置(100，100'，100”，600)，其中所述第二RF部件包括：

介质基板(121)，其具有附接到所述天线基板的所述第二表面(133)的下表面(123)；以及

CPW传输线(680)，其形成在所述介质基板的上表面处并且通过穿过所述介质基板形成的多个通孔(640)耦合到所述CPW互连件(350)。

15.根据权利要求1至14中任一项所述的天线装置(100，100'，100”，600)，其中所述第一RF部件的所述RF电路系统形成在微带传输线中。

16.根据权利要求1至14中任一项所述的天线装置(100，100'，100”，600)，其中所述第一RF部件的所述RF电路系统形成在CPW传输线中。

17.根据权利要求1至16中任一项所述的天线装置(100，100'，100”，600)，其中所述RF电路系统包括波束成形电路系统，所述波束成形电路系统包括发射放大器(512)、接收放大器(502)和移相器(506，516)中的至少一者以用于调整在所述第一RF部件与所述天线元件之间通信的所述信号。

18.一种相控阵天线(600)，其包括：

天线基板(130，130')，其具有第一表面(143)和相对的第二表面(133)，所述天线基板在所述第二表面处包括天线接地平面(135)；

多个天线元件(125_1至125_N)，其在所述天线基板的所述第一表面处形成天线阵列(622)；

多个射频集成电路(RFIC)芯片(110_1至110_K)，其附接到所述天线基板的所述第二表面，每个RFIC芯片包括波束成形电路系统(618_1至618_M)以用于借由调整通过所述天线接地平面中的多个第一开口中的至少一者与所述天线元件中的至少一者通信的信号来进行波束转向，所述波束成形电路系统为波束成形网络(BFN)的第一部分；

合路器/分路器部件(120a)，其耦合在所述RFIC芯片之间且附接到所述天线基板的所述第二表面，所述合路器/分路器部件为所述BFN的第二部分且包括多个合路器/分路器导体(680)；以及

多个共面波导(CPW)互连件(350，450)，每个CPW互连件将所述合路器/分路器导体中的相应者耦合到所述RFIC芯片中的一者并且包括中心导体(680_s)以及在所述中心导体的相对侧上的第一和第二接地导体(680_g1，680_g2)，所述中心导体具有在所述天线接地平面中的多个第二开口(141)中的相应者内的轮廓。

19.根据权利要求18所述的相控阵天线(600)，其中所述CPW互连件中的每一者的所述中心导体以及所述天线接地平面位于所述天线基板的同一层中。

20.根据权利要求19所述的相控阵天线(600)，其中对于所述CPW互连件中的每一者，所述第一接地导体为所述天线接地平面在相应第二开口的第一侧上的第一区(135b)，并且所述第二接地导体为所述天线接地平面在所述相应第二开口的与所述第一侧相对的第二侧上的第二区(135c)。

21.根据权利要求18所述的相控阵天线(600)，其中：

所述天线基板进一步包括再分布层(RDL)区(220)，所述RDL区包括位于所述天线接地平面与所述第二表面之间的多根导电线(306，308)。

22.根据权利要求21所述的相控阵天线(600)，其中对于所述CPW互连件中的每一者，所述中心导体(308a)位于所述RDL区的导电层(308)中。

23.根据权利要求22所述的相控阵天线(600)，其中对于所述CPW互连件中的每一者：

所述第一接地导体为所述天线接地平面在所述第二开口的第一侧上的第一区(135b)；并且

所述第二接地导体为所述天线接地平面在所述第二开口的与所述第一侧相对的第二侧上的第二区(135c)。

24.根据权利要求22所述的相控阵天线(600)，其中对于所述CPW互连件中的每一者：

所述中心导体位于所述RDL区的第一导电层(308)的第一导电区(308a)中；并且

所述第一和第二接地导体分别位于所述RDL区的第二导电层(308)的第二和第三导电区(308b，308c)中。

25.根据权利要求24所述的相控阵天线(600)，其中所述第一和第二接地导体与所述中心导体形成在所述RDL区的同一导电层(308)内。

26.根据权利要求18至25中任一项所述的相控阵天线(600)，其中所述天线基板包括形成在其中且各自延伸穿过所述天线接地平面中的所述第一开口中的相应者的多个通孔(155)，所述通孔中的每一者将所述RFIC芯片中的一者的相应第一RF接触件(186)耦合到所述天线元件中的一者，所述相应第一RF接触件耦合到所述RFIC芯片中的所述相应者的所述波束成形电路系统(118)的输入点。

27.根据权利要求26所述的相控阵天线(600)，其中：

所述RFIC芯片中的每一者的下表面通过多个电连接接头(176)附接到所述天线基板的所述第二表面；

对于所述RFIC芯片中的每个RFIC芯片：

所述电连接接头中的第一者(176)将所述第一RF接触件(186)耦合到所述通孔(155)；

所述电连接接头中的第二者(176)将所述RFIC芯片的第二RF接触件(182)耦合到所述CPW互连件中的一者的所述中心导体(135a)，所述第二RF接触件耦合到所述RFIC芯片的所述波束成形电路系统的输出点；并且

所述电连接接头中的第三者(176)将所述RFIC芯片的接地接触件(197)耦合到所述天线接地平面(135)。

28.根据权利要求27所述的相控阵天线(600)，其中所述电连接接头中的所述第三者将所述接地接触件耦合到所述第二开口的一侧上的区，并且所述电连接接头中的第四者将所述RFIC芯片的另一接地接触件(199)耦合到所述第二开口的相对侧上的所述天线接地平面。

29.根据权利要求18至28中任一项所述的相控阵天线(600)，其中所述合路器/分路器部件包括：

介质基板(121)，其具有附接到所述天线基板的所述第二表面(133)的下表面(123)；以及

CPW传输线(680)，其形成在所述介质基板的上表面处并且通过穿过所述介质基板形成的多个通孔(640)耦合到所述CPW互连件(350)中的每一者。

30.根据权利要求18至31中任一项所述的相控阵天线(600)，其中所述RFIC芯片各自形成在微带传输线中。

31.根据权利要求18至31中任一项所述的相控阵天线(600)，其中所述RFIC芯片各自形成在CPW传输线中。