CN210092325U - 片上天线及雷达系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种片上天线及雷达系统，片上天线集成于芯片结构中，芯片结构中集成有发收单元；片上天线包括相互平行延伸的至少两个金属件，各金属件之间相互绝缘；以及各金属件分别与发收单元连接，以接收和/或发射电磁波信号。本实用新型提供的片上天线，占用面积小，在满足天线性能的同时，使集成电路系统的尺寸能满足人们的需求。

Description

片上天线及雷达系统

技术领域

本实用新型涉及电磁波信号发收技术领域，尤其涉及一种片上天线及雷达系统。

背景技术

随着半导体工艺技术的发展，人们对集成电路系统的尺寸提出了越来越高的要求。

但是，传统的天线与集成电路芯片一般是相互分离的，进而会导致整个系统占用面积较大，进而会导致集成电路系统的尺寸无法满足人们的需求。

实用新型内容

本实用新型提供一种片上天线及雷达系统，片上天线的占用面积较小，在满足天线性能的同时，使集成电路系统的尺寸能满足人们的需求。

第一方面，本实用新型提供一种片上天线，片上天线集成于芯片结构中，芯片结构中集成有发收单元；

片上天线包括相互平行延伸的至少两个金属件，各金属件之间相互绝缘；以及

各金属件分别与发收单元连接，以接收和/或发射电磁波信号。

作为一种可选的方式，本实用新型提供的片上天线，片上天线还包括集成于芯片结构中的终端调节负载单元；

各金属件分别通过终端调节负载单元连接至发收单元；

其中，终端调节负载单元用于调节片上天线所接收和/或发射电磁波信号的辐射效率；

和/或

至少部分金属件与芯片结构的顶部金属层同层设置。

作为一种可选的方式，本实用新型提供的片上天线，芯片结构具有多层堆叠的薄膜；

各金属件在薄膜堆叠方向上的投影至少部分重叠。

作为一种可选的方式，本实用新型提供的片上天线，至少两个金属件包括第一金属件和第二金属件，第二金属件包括至少一个金属层单元；

其中，金属层单元与第一金属件位于同一层的薄膜中；或者，

至少部分金属层单元与第一金属件位于不同层的薄膜中。

作为一种可选的方式，本实用新型提供的片上天线，第二金属件包括至少两个金属层单元；

第一金属件位于各金属层单元所限定的区域内。

作为一种可选的方式，本实用新型提供的片上天线，各金属层单元间相互绝缘且平行延伸；

片上天线还包括桥接线，位于不同层的金属层单元通过桥接线连接；以及

桥接线用于保持各金属层单元之间等电位。

作为一种可选的方式，本实用新型提供的片上天线，各金属件与其同层的芯片结构中的金属层同步制备。

作为一种可选的方式，本实用新型提供的片上天线，电磁波信号为毫米波信号。

第二方面，本实用新型提供了一种雷达系统，包括发收模块、处理模块和至少一根上述的片上天线；

片上天线通过发收模块与处理模块与连接。

作为一种可选的方式，本实用新型提供的雷达系统，发收模块、处理模块和片上天线集成于同一芯片结构中；和/或

发收模块包括发射单元和接收单元，处理模块包括信号处理单元和数据处理单元，雷达系统还包括时钟源，片上天线的数量为至少两根；

其中，时钟源分别与发射单元和接收单元连接，发射单元和接收单元分别连接不同的片上天线；数据处理单元通过信号处理单元与接收单元连接。

本实用新型提供的片上天线及雷达系统，片上天线集成于芯片结构中，减小了片上天线的占用面积，片上天线通过设置相互绝缘的至少两个金属件，且各金属件之间相互平行延伸，在相邻金属件之间形成辐射场，使电磁波信号能有效的向芯片结构的外部辐射，在满足天线性能的同时，使集成电路系统的尺寸能满足人们的需求。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的片上天线的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的片上天线中终端调节负载单元的等效电路图；

图3为本实用新型实施例提供的片上天线中第一种金属件之间的排布方式示意图；

图4为本实用新型实施例提供的片上天线中第二种金属件之间的排布方式示意图；

图5为本实用新型实施例提供的片上天线中第三种金属件之间的排布方式示意图

图6为本实用新型实施例提供的片上天线中第四种金属件之间的排布方式示意图；

图7为本实用新型实施例提供的片上天线中第一种形状的金属件的结构示意图；

图8为本实用新型实施例提供的片上天线中第二种形状的金属件的结构示意图；

图9为本实用新型实施例提供的雷达系统的结构示意图。

附图标记说明：

10-片上天线；11-金属件；111-第一金属件；112-第二金属件；1121-金属层单元；20-芯片结构；21-薄膜；30-发收单元；40-终端调节负载单元；50-桥接线；60-发收模块；61-发射单元；62-接收单元；70-处理模块；71-信号处理单元；72-数据处理单元；80-时钟源。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应作广义理解，例如，可以使固定连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或者两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或者位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或者暗示所指的装置或者元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

图1为本实用新型实施例提供的片上天线的结构示意图。参见图1所示，本实用新型实施例提供了一种片上天线10，片上天线10集成于芯片结构20中，芯片结构20集成有发收单元30。

片上天线10包括相互平行延伸的至少两个金属件11，各金属件11之间相互绝缘；以及

各金属件11分别与发收单元30连接，以接收和/或发射电磁波信号。

在具体实现时，片上天线10集成于芯片结构20中的区域与芯片结构20中的其他器件区域不同，以避免片上天线10和芯片结构20中的其他器件相互影响。

具体的，发收单元30可以包括发射机和接收机，发射机和接收机均与各金属件11连接，金属件11作为天线，发射机通过金属件11向芯片结构20的外部发射电磁波信号，当电磁波信号遇到障碍物时反射形成回波信号，金属件11接收回波信号，并将回波信号传递至芯片结构20内的接收机。

在具体实现时，金属件11的材质根据天线的适用场合、天线形式等综合选择，一般用铜或铝，本实施例不做限制。

本实用新型实施例提供的片上天线10，片上天线10集成于芯片结构20中，减小了片上天线的占用面积，片上天线10通过设置相互绝缘的至少两个金属件11，且各金属件11之间相互平行延伸，在相邻金属件11之间形成辐射场，使电磁波信号能有效的向芯片结构20的外部辐射，在满足天线性能的同时，使集成电路系统的尺寸能满足人们的需求。

在上述实施例的基础上，为了使天线达到理想的辐射效率，在本实施例中，片上天线10还包括集成于芯片结构20中的终端调节负载单元40，各金属件11分别通过终端调节负载单元40连接至发收单元30，其中，终端调节负载单元40用于调节片上天线10所接收和/或发射电磁波信号的辐射效率。

本实用新型实施例提供的片上天线10，通过在金属件11和发收单元30之间设置终端调节负载单元40，各金属件11分别通过终端调节负载单元40连接至发收单元30，通过终端调节负载单元40调节片上天线10所接收和/或发射电磁波信号的辐射效率，使天线达到理想的辐射效率。

图2为本实用新型实施例提供的片上天线中终端调节负载单元的等效电路图。参见图2所示，终端调节负载单元40可作为连接在各金属件11的终端，用于调节片上天线10所接收和/或发射电磁波信号的辐射效率，终端调节负载单元40的等效复阻抗可以通过公式(一)表示；

Z＝R+jX，公式(一)

公式(一)中，Z为等效复阻抗，R为电阻，X为电容或电感，j为虚数因子。

在具体实现时，可以移除终端调节负载单元40，即等效复阻抗Z为无穷大，形成“开路终端”。

也可以用低阻的金属(例如导线)直接将各金属件11接在一起，即等效复阻抗Z为零，形成“短路终端”。

本实用新型实施例提供的片上天线10包括相互平行延伸的至少两个金属件11，各金属件11之间相互绝缘，其中，各金属件11可以具有多种不同的排布方式。下面通过不同的实施例对各金属件11的各种可能的排布方式进行详细说明。

图3为本实用新型实施例提供的片上天线中第一种金属件之间的排布方式示意图。参见图1和图3所示，在本实施例中，芯片结构20具有为多层堆叠的薄膜21，各金属件11在薄膜21堆叠方向上的投影至少部分重叠。换而言之，各金属件11在沿多层薄膜21堆叠方向上堆叠设置。

具体的，将金属件11分层排布，金属件11设置多层，将各金属件11分别形成于不同层的薄膜21中，薄膜21作为各金属件11之间的绝缘层，以使各金属件11之间相互绝缘。

在具体实现时，每层薄膜21中设置一个金属件11，各金属件11之间互相平行，各金属件11在多层薄膜21堆叠方向上的投影可以部分重叠，各金属件11在多层薄膜21堆叠方向上的投影也可以全部重叠，沿图3中所示的上下方向排布。这样，使天线的稳定性好，提高了天线的抗干扰能力。

需要说明的是，金属件11的数量为可以两个，金属件11的数量为可以为三个、四个以及四个以上，各金属件11的尺寸和形状相同，也可以不同，各金属件11在多层薄膜21堆叠方向上的投影至少部分重叠即可，本实施例在此不做限定。

其中，参见图3所示，各金属件11的尺寸和形状相同，各金属件11在多层薄膜21堆叠方向上的投影全部重叠。这样，天线的稳定性最好，天线的抗干扰能力较强。

在实际工作中，天线的长度与天线发射电磁波信号的波长长度数量级一致，天线之间的间距远小于天线的长度。换而言之，天线的长度确定后，天线发射电磁波信号的波长长度相应的固定。并且受到芯片结构20中薄膜21层的层数限制，各金属件11不能无限制的沿多层薄膜21堆叠方向上堆叠设置。

因此，在一些实施例中，各金属件11也可沿并排且形成于同一层薄膜21和/或不同层的薄膜21中。

图4为本实用新型实施例提供的片上天线中第二种金属件之间的排布方式示意图。参见图4所示，在本实施例中，至少两个金属件11包括第一金属件111和第二金属件112，第二金属件112包括四个金属层单元1121，各金属层单元1121间相互绝缘且平行延伸。

其中，两个金属层单元1121为矩形平板状，其余两个金属层单元1121为细长条状，矩形平板状的两个金属层单元1121相互平行且位于不同层的薄膜21中，细长条状的两个金属层单元1121位于矩形平板状的两个金属层单元1121之间的同一层薄膜21中，且细长条状的两个金属层单元1121位于同一平面内。

片上天线10还包括桥接线50，位于不同层的金属层单元1121通过桥接线50连接，以及桥接线50用于保持各金属层单元1121之间等电位。具体的，相邻层的薄膜21中的金属层单元1121通过桥接线50连接，以使各金属层单元1121相互连接，形成一个整体。

第一金属件111位于细长条状的两个金属层单元1121之间且与细长条状的两个金属层单元1121位于同一平面内，以使第一金属件111位于四个金属层单元1121所限定的封闭区域内。

具体的，矩形平板状的两个金属层单元1121的尺寸相同，且在多层薄膜21堆叠方向上的投影全部重叠，细长条状的两个金属层单元1121的尺寸相同，且首尾平齐，位于相邻层薄膜21内的金属层单元1121之间的距离相同，第一金属件111位于四个金属层单元1121所限定的区域内的中心。这样，能保持天线的对称性，使天线结构会更加稳定。

本实施例中金属件11的排布方式，能够形成闭合的电场，具有更优的抗干扰性能和辐射方向性，同时还能避免对其他器件造成电磁干扰。另外，相较于图3实施例中所示的由各金属件11的堆叠形成的天线结构，使得各金属单元1121间的阻值较为接近，能够提升天线发收电磁波信号的可靠性。

图5为本实用新型实施例提供的片上天线中第三种金属件之间的排布方式示意图。参见图5所示，在上述图4中实施例的基础上，本实施例第二金属件112包括五个金属层单元1121。

具体的，本实施例相对于图4中实施例增加了一个金属层单元1121，且增加的金属层单元1121与图4中最上层薄膜21中的金属层单元1121同层设置，最上层薄膜21中的两个金属层单元1121的面积之和小于最下层薄膜21中的一个金属层单元1121的面积，以使最上层薄膜21中的两个金属层单元1121之间形成一个缺口，该缺口位于第一金属件111的上方，以使第一金属件111位于五个金属层单元1121所限定的未封闭区域内。

本实施例中金属件11的排布方式与图4实施例中金属件11的排布方式的效果相同，在此不一一赘述。

图6为本实用新型实施例提供的片上天线中第四种金属件之间的排布方式示意图。参见图6所示，本实施例中，第二金属件112包括两个金属层单元1121，第一金属件111位于两个金属层单元1121之间，第一金属件111和两个金属层单元1121位于同一层金属薄膜21中，第一金属件111和两个金属层单元1121相互平行并排延伸，且位于同一平面内。

第一金属件111位于两个金属层单元1121的中间位置，换而言之，第一金属件111与两个金属层单元1121之间的距离相等。

两个金属层单元1121构成一个整体共同与第一金属件111形成辐射场。这样，保持了天线的对称性，使位于中间的第一金属件111两侧的环境相同，使天线结构会更加稳定。

其中，两个金属层单元1121上流过电流的幅度和相位都相等，均与第一金属件111中电流具有相反的相位关系。

本实施例中金属件11的排布方式，能够形成闭合的电场，具有更优的抗干扰性能和辐射方向性，同时还能避免对其他器件造成电磁干扰。另外，相较于图3至图5实施例，本实施例中各金属单元1121间的阻值最为接近，天线发收电磁波信号的可靠性最好。

需要说明的是，上述金属件11的数量及位置仅为用于举例说明，而金属件11还可以为其它结构及形式，此处不加以限制。

上述实施例中，第二金属件112包括多个金属层单元1121，第二金属件112可以具有多层，即各金属层单元1121位于不同层的薄膜21中，在具体实现时，最上层的金属层单元1121与芯片结构20中的顶部金属层同层设置，且厚度和芯片结构20中顶部金属层的厚度相同；第二金属件112也可以具有一层，一层第二金属件112中具有至少一个金属层单元1121，各金属层单元1121与芯片结构20中的顶部金属层同层设置，且厚度和芯片结构20中顶部金属层的厚度相同。由于芯片结构20中顶部金属层厚度大于芯片结构20中其他金属层的厚度，选择厚度较厚的金属层单元1121，使金属件11进行电磁波信号的发收效果最好。

进行金属件11的制备时，各金属件11与其同层的芯片结构20中的金属层同步制备，这样，在芯片结构20进行制备的同时，完成金属件11的制备，简化的工艺流程，提高了制备效率。

天线的长度与天线发射电磁波信号的波长长度数量级一致，因此在选择好适当的长度后天线可以集成于置于芯片结构20任何合适位置，例如芯片结构20边缘、角落或中心。

图7为本实用新型实施例提供的片上天线中第一种形状的金属件的结构示意图；图8为本实用新型实施例提供的片上天线中第二种形状的金属件的结构示意图。天线的形状可以调节，金属件11可沿直线、折线或曲线延伸。例如各金属件11的多段弯折直线或各金属件11的多段弧线形状，通过改变各金属件11的走线形状可以调节天线的辐射方向。

例如，参见图3所示，各金属件11沿直线延伸。参见图7所示，各金属件11沿折线延伸。参见图8所示，各金属件11沿曲线延伸。

需要说明的是，上述金属件11的形状仅为用于举例说明，而金属件11还可以为其它形状，此处不加以限制。

其中，在上述实施例的基础上，可选的，本实用新型实施例提供的片上天线10，电磁波信号为毫米波信号。

具体的，毫米波是指30～300GHz频域(波长为1～10mm)的电磁波。毫米波的波长介于厘米波和光波之间，因此毫米波兼有微波制导和光电制导的优点。

在上述实施例的基础上，可选的，本实用新型实施例提供的片上天线10，不同层的金属层单元1121之间至少间隔有一层薄膜21的厚度。具体可根据需求调整各金属件11之间间隔的大小。

图9为本实用新型实施例提供的雷达系统的结构示意图。参见图9所示，本实用新型实施例提供了一种雷达系统，包括发收模块60、处理模块70和至少一根上述任一实施例提供的片上天线10。

具体的，片上天线10通过发收模块60与处理模块70连接。

发收模块60通过片上天线10发射和/或接收电磁波信号，处理模块70对所接收的电磁波信号进行处理，用以对目标物相进行雷达探测，例如获取目标物相对于雷达系统的速度、距离及方位，以及成像等检测。

其中，片上天线10的具体结构、功能以及工作原理均已在前述实施例中进行了详细说明，此处不再赘述。

在具体实现时，发收模块60包括发射单元61和接收单元62，处理模块70包括信号处理单元71和数据处理单元72，雷达系统还包括时钟源80，片上天线10的数量为两根，时钟源80分别与发射单元61和接收单元62连接，发射单元61与第一个片上天线10连接，接收单元62与第二个片上天线10连接。

其中，发射单元61通过第一个片上天线10发射电磁波信号，接收单元62通过第二个片上天线10接收电磁波信号，时钟源80用于提供参考频率，具体的，时钟源80中具有锁相环，锁相环用于提供参考频率。

上述雷达系统的工作原理为：时钟源80中具有锁相环提供参考频率，发射单元61基于参考频率经作为发射天线的第一个片上天线10的发射主波信号，接收单元62利用作为接收天线的第二个片上天线10接收被目标物体所反射的回波信号，并基于时钟源80参考频率进行下变频处理，以生成并输出中频信号至信号处理单元71，信号处理单元71对中频信号进行模数转换；数据处理单元72用于对经信号处理单元71所输出的数字信号进行信号处理。

上述实施例中，雷达系统中的片上天线10的数量为两个，单发单收。其中，雷达系统中的片上天线10的数量可以为六个，两根片上天线10作为发射天线，其余四根片上天线10作为接收天线，形成2T4R的天线。雷达系统中的片上天线10的数量也可以为八个，四根片上天线10作为发射天线，其余四根片上天线10作为接收天线，形成4T4R的天线。本实施例在此不做限定。

进一步的，本实用新型实施例提供的雷达系统，发收模块60、处理模块70和片上天线10集成于同一芯片结构20中。这样，能减小雷达系统的体积。

可以理解的是，为了实现雷达系统的功能，雷达系统还可以包括有其他常用器件，此处不再赘述。

具体的，本实用新型实施例提供的雷达系统可以应用到自动驾驶，智能机器人，交通监测，安检，智能家居等领域。

本实用新型实施例提供的雷达系统，通过设置片上天线10，片上天线10集成于芯片结构20中，减小了片上天线的占用面积，片上天线10通过设置相互绝缘的至少两个金属件11，且各金属件11之间相互平行延伸，在相邻金属件11之间形成辐射场，使电磁波信号能有效的向芯片结构20的外部辐射，在满足天线性能的同时，使集成电路系统的尺寸能满足人们的需求。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种片上天线，其特征在于，所述片上天线集成于芯片结构中，所述芯片结构中集成有发收单元；

所述片上天线包括相互平行延伸的至少两个金属件，各所述金属件之间相互绝缘；以及

各所述金属件分别与所述发收单元连接，以接收和/或发射电磁波信号。

2.根据权利要求1所述的片上天线，其特征在于，所述片上天线还包括集成于所述芯片结构中的终端调节负载单元；

各所述金属件分别通过所述终端调节负载单元连接至所述发收单元；

其中，所述终端调节负载单元用于调节所述片上天线所接收和/或发射所述电磁波信号的辐射效率；和/或

至少部分所述金属件与所述芯片结构的顶部金属层同层设置。

3.根据权利要求1所述的片上天线，其特征在于，所述芯片结构具有多层堆叠的薄膜；

各所述金属件在所述薄膜堆叠方向上的投影至少部分重叠。

4.根据权利要求3所述的片上天线，其特征在于，所述至少两个金属件包括第一金属件和第二金属件，所述第二金属件包括至少一个金属层单元；

其中，所述金属层单元与所述第一金属件位于同一层的所述薄膜中；或者，

至少部分所述金属层单元与所述第一金属件位于不同层的所述薄膜中。

5.根据权利要求4所述的片上天线，其特征在于，所述第二金属件包括至少两个金属层单元；

所述第一金属件位于各所述金属层单元所限定的区域内。

6.根据权利要求5所述的片上天线，其特征在于，各所述金属层单元间相互绝缘且平行延伸；

所述片上天线还包括桥接线，位于不同层的所述金属层单元通过所述桥接线连接；以及

所述桥接线用于保持各所述金属层单元之间等电位。

7.根据权利要求2至6中任意一项所述的片上天线，其特征在于，各所述金属件与其同层的所述芯片结构中的金属层同步制备。

8.根据权利要求1所述的片上天线，其特征在于，各所述金属件沿直线、折线或曲线延伸；和/或

所述电磁波信号为毫米波信号。

9.一种雷达系统，其特征在于，包括发收模块、处理模块和至少一根如权利要求1至8中任一项所述的片上天线；

所述片上天线通过所述发收模块与所述处理模块连接。

10.根据权利要求9所述的雷达系统，其特征在于，所述发收模块、所述处理模块和所述片上天线集成于同一所述芯片结构中；和/或

所述发收模块包括发射单元和接收单元，所述处理模块包括信号处理单元和数据处理单元，所述雷达系统还包括时钟源，所述片上天线的数量为至少两根；

其中，所述时钟源分别与所述发射单元和所述接收单元连接；所述发射单元和所述接收单元分别连接不同的所述片上天线；所述数据处理单元通过所述信号处理单元与所述接收单元连接。

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