TW202306332A - 毫米波射頻結構 - Google Patents

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杜昆諺
蔡夢華
李威霆
王信翔
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特崴光波導股份有限公司
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Abstract

一種毫米波射頻結構，包括：第一基板，為液晶高分子基板；天線元 件，配置於第一基板的第一上表面，包括多個天線迴路，用以發射頻率訊號；切換元件，配置於第一上表面，電性連接天線元件，用以根據所接收訊號之強度，輸出切換訊號；第二基板；以及射頻收發模組，配置於第二基板的第二上表面，電性連結切換元件。

Description

毫米波射頻結構
本發明是有關於一種毫米波射頻結構，且特別是有關於一種使用液晶聚合物軟板材料整合收發天線製作毫米波射頻模組。
近年來無線通訊技術的發展非常快速，而隨著所要求的傳輸速度與容量大幅的增加，訊號傳輸所使用的頻率也愈來愈高。在傳輸速度及傳輸量越大的裝置或技術，其使用的頻率都已落於GHz的頻段也就是毫米波的區域，因此毫米波將是下一代的主要通訊技術亦即現稱的5G系統，在所有的構件中負責連結各處理元件並傳輸訊號的液晶高分子板材(Liquid-crystal polymer,LCP)則是相當重要的角色。
傳統的電路設計所使用的印刷電路板(Printed Circuit Board,PCB)，對於毫米波電路的設計上，常會因為高頻訊號的耗損過大，使得硬式印刷電路板在各種組件上的使用受到顯著限制，在移動通訊裝置(如衛星通訊、行動裝置等)需要大數據量的高速傳輸時，信號必須高速以及高頻的操作狀態下在軟式液晶高分子板材上傳輸，此時如何維持信號完整性成為一個相當重要的課題。且當傳輸速度需求變的更快，數據量更大時，訊號失真這個問題則會越來越嚴重。因此，在高頻應用的電路板中，則需要使用低介電常數(Dk)與低消散因子 (Df)的材料來連接線路，以確保訊息可完整傳遞，而相較於硬式電路板，液晶高分子板材的結構則有許多優點，例如：質量輕體積小、延展伸縮性佳、及配線高密度的特性。
本發明提供一種毫米波射頻結構，針對高頻毫米波射頻(RF)模組問題進行解決，並提升高頻射頻(RF)模組的特性。使用不同一般材料的液晶高分子板材開發，並使用微機電系統切換元件(MEMS Switch)、以及砷化鎵(GaAs)製程的射頻(RF)晶片等，改善毫米波射頻(RF)模組所遇到的問題。
本發明的一種毫米波射頻結構，包括：一第一基板；一天線元件，配置於該第一基板的一第一上表面，包括多個天線迴路，用以發射一頻率訊號；一切換元件，配置於該第一上表面，電性連接該天線元件，用以根據所接收訊號之強度，輸出一切換訊號；一第二基板；以及一射頻收發模組，配置於該第二基板的一第二上表面，電性連結該切換元件。
在本發明之一實施例中，上述之天線元件與該切換元件之間設有一濾波元件，用以將該頻率訊號進行過濾。
在本發明之一實施例中，上述之濾波元件電性連接該天線元件與該切換元件，形成一匹配電路，並用以優化該該頻率訊號
本發明之一實施例中，上述之天線元件為一毫米波頻段天線。
在本發明之一實施例中，上述之天線元件使用一30GHz~300GHz載波頻率。
在本發明之一實施例中，上述之切換元件為一微機電系統切 換元件。
在本發明之一實施例中，上述之收發模組為一射頻積體電路，其中更包括一射頻收發元件，其用以實施一射頻發射與一射頻接收，以及一射頻積體電路製程晶片。
在本發明之一實施例中，上述之射頻積體電路製程晶片包括一砷化鎵製程晶片。
在本發明之一實施例中，上述之第一基板以及該第二基板為一多層軟性電路板，其中該多層軟性電路板更包括一液晶高分子介電材料層。
在本發明之一實施例中，上述之第一基板與該第二基板為相同一液晶高分子基板。
在本發明之一實施例中，上述之第二基板為一環氧樹脂基板、一聚氧二甲苯樹脂基板或一氟系樹脂基板或一液晶高分子基板。
本發明還提供了另一種毫米波射頻結構，包括：一液晶高分子基板；一天線元件，配置於該液晶高分子基板的一上表面，包括多個天線迴路，用以發射一頻率訊號；一切換元件，配置於該上表面，電性連接該天線元件，用以根據所接收訊號之強度，輸出一切換訊號；以及一射頻收發模組，配置於該上表面，電性連結該切換元件。
本發明的效果在於，使用LCP基板改善高頻訊號損耗過大問題，並在主動電路中設計出濾波器樣態，使濾波器成為天線及切換器的匹配電路，更使用微機電系統切換元件(MEMS Switch)有效縮小電路尺寸，強化LCP基板用做於毫米波的特性，保證在較高可靠性的前提下實現高頻高速傳輸。
110:第一基板
120:天線元件
130:切換元件
140:第二基板
150:射頻收發模組
151:發送模組(Tx)
152:接收模組(Rx)
153:射頻功率放大器(PA)
154:低雜訊放大器(LNA)
160:濾波元件
210:液晶高分子基板
圖1是根據本發明之一種毫米波射頻結構的方塊圖。
圖2是根據本發明之另一種毫米波射頻結構的方塊圖。
圖3是根據本發明之一種毫米波射頻結構中，包括射頻收發模組的結構示意圖。
為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式詳細說明如下。
圖1是根據本發明之一種動靜態資料庫管理系統的方塊圖。在圖1中，毫米波射頻結構，包括：一第一基板110；一天線元件120，配置於該第一基板110的一第一上表面，包括多個天線迴路，用以發射一頻率訊號；一切換元件130，配置於該第一上表面，電性連接該天線元件120，用以根據所接收訊號之強度，輸出一切換訊號；一第二基板140；以及一射頻收發模組150，配置於該第二基板140的一第二上表面，電性連結該切換元件130。
該天線元件120與該切換元件130之間設有一濾波元件160，與該切換元件130經組態總成通信，並耦合至該天線元件120，使該天線元件120與該切換元件130間提供複數個可切換濾波路徑，用以將該頻率訊號進行過濾。
在本實施例中，該濾波元件160電性連接該天線元件120與該切換元件130，形成一匹配電路，並用以優化該該頻率訊號，將該天線元件120發出或接收之射頻訊號中之高頻部分及低頻部分進行分離。
其中，該天線元件120為一24GHz以上的毫米波頻段天線，該射頻收發模組電性耦接於該天線元件120，該射頻收發模組藉由該天線元件120進行發送或接收無線訊號，其中該天線元件120為一全向性天線。在本實施例中，最佳選的該天線元件120適用在介於 30GHz~300GHz的操作頻段。
在其他實施例中，該天線元件120也可以是以包含液晶高分子材料製作，包括二層輻射層的雙層結構，其中第二層輻射層在第一層輻射層之上但並不接觸。
另外，該切換元件130為一微機電系統切換元件(Microelectromechanical System,MEMS switch)，透過該切換元件130來控制該天線元件120的連接，以改變該天線元件120的等效尺寸，而達到變頻的目的。
最佳選的，該射頻收發模組150為一射頻積體電路，更包括一射頻收發元件，其用以實施一射頻發射與一射頻接收，以及一射頻積體電路製程晶片。其中該射頻收發模組150中的射頻積體電路製程晶片為一砷化鎵製程晶片，耦接該天線元件120，並具有多個砷化鎵射頻電路。
在其他實施例中，該射頻收發模組150的積體電路為也可以是以其他三五族元素的製程，例如SiC、GaN、GaAs、InP、Si等，都能有效提高功率密度，都適用於毫米波射頻結構中。
在本實施例中，第一基板110為一液晶高分子(liquid crystal polymer,LCP)非電導體基板，其中介電常數(Dk值)為2.0至3.50，介電損耗(Df值)為0.002至0.0050。
該第一基板110為一多層軟性電路板，其中該多層軟性電路板更包括一液晶高分子介電材料層，為熱塑性的有機材料。
其中，液晶高分子非電導體基板具備低吸濕、耐化性佳、高阻氣性及低介電常數/介電耗損因子等特性，再加上具有良好的可彎曲性，方便組合設計。
在本實施例中，該第二基板140可為一環氧樹脂基板、一聚氧二甲苯樹脂基板或一氟系樹脂基板或一液晶高分子基板。
更進一步的說明，圖2是根據本發明之另一種毫米波射頻結構的方塊圖。在圖2中，本發明的毫米波射頻結構，包括：一液晶高分子基板210；一天線元件120，配置於該液晶高分子基板210的一上表面，包括多 個天線迴路，用以發射一頻率訊號；一切換元件130，配置於該上表面，電性連接該天線元件120，用以根據所接收訊號之強度，輸出一切換訊號；以及一射頻收發模組150，配置於該上表面，電性連結該切換元件130。
該天線元件120與該切換元件130之間設有一濾波元件160，與該切換元件130經組態總成通信，並耦合至該天線元件120，使該天線元件120與該切換元件130間提供複數個可切換濾波路徑，用以將該頻率訊號進行過濾。
在本實施例中，該濾波元件160電性連接該天線元件120與該切換元件130，形成一匹配電路，並用以優化該該頻率訊號，將該天線元件120發出或接收之射頻訊號中不需要的頻率過濾掉。
在本實施例中，該液晶高分子基板210為一多層軟性電路板，其中該多層軟性電路板更包括一液晶高分子介電材料層。
圖3是根據本發明之一種毫米波射頻結構中，包括射頻收發模組的結構示意圖。在圖3中，該切換元件130電性連接該射頻收發模組150，其中該射頻收發模組150為一射頻積體電路，更包括一發送模組(Tx)151、一接收模組(Rx)152、一射頻功率放大器(PA)153、以及一低雜訊放大器(LNA)154，其用以實施一射頻發射與一射頻接收。
在本實施例中，該發送模組(Tx)151將多個發送信號分別輸出至該天線元件120中。
其中，該接收模組(Rx)152接收分別來自該天線元件120中的多個接收信號。
其中，該射頻功率放大器(PA)153，將射頻訊號輸入內容加以放大並輸出至該天線元件120。
其中，該低雜訊放大器(LNA)154用以放大輸入射頻(RF)信號以產生經放大的射頻信號。
在本實施例中，該天線元件120、該切換元件130、該射頻收發模組150、以及該濾波元件160，配置於該液晶高分子基板210的一上表面。
綜上所述，本發明建立一個毫米波射頻結構。透過本專利 提出的結構，由天線、濾波器、切換元件(Switch)以及射頻收發晶片所組成。天線根據所需要的頻帶設計在LCP的基板上。濾波器放在天線的後端，其主要優點是可以將天線雜訊過濾，避免放大器將雜訊放大。濾波器之設計可以使用電感(L)、電容(C)被動元件組成，也可以使用電路的架構設計，搭配天線一同設計，並優化天線與switch間之匹配。Switch是使用RF MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微機電系统)的元件，相較於傳統的T\R switch，其優點為體積小、損耗低、功率消耗少、隔離度好、線性度好等特性，是良好的RF元件。在RF晶片上選用砷化鎵(GaAs)製程的微波積體電路，由於GaAs化合物半導體的移動率比傳統的矽晶圓快、具有抗干擾的特性、低雜訊、耐高電壓與高頻使用特性，因此適合應用在高頻傳輸。
雖然本發明以前述實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習相像技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，所作更動與潤飾之等效替換，仍為本發明之專利保護範圍內。
110:第一基板
120:天線元件
130:切換元件
140:第二基板
150:射頻收發模組
160:濾波元件

Claims (10)

  1. 一種24Ghz以上毫米波射頻結構，包括：
    一第一基板，包含液晶高分子材料，具有一第一表面；
    一天線元件，配置於該第一基板之第一上表面，包括多個天線迴路，用以發射一頻率訊號；
    一切換元件，配置於該第一上表面，電性連接該天線元件，該切換單元為一微機電系統，用以根據所接收訊號之強度，輸出一切換訊號；
    一第二基板，具有一第二表面；以及
    一射頻收發模組，配置於該第二基板之第二上表面，電性連結該切換元件，該射頻收發模組為砷化鎵製程晶片。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的一種毫米波射頻結構，其中該天線元件與該切換元件之間設有一濾波元件，用以將該頻率訊號進行過濾。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的一種毫米波射頻結構，其中該濾波元件電性連接該天線元件與該切換元件，形成一匹配電路，並用以優化該該頻率訊號。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的一種毫米波射頻結構，其中該天線元件為一包含液晶高分子材料的雙層輻射層結構。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的一種毫米波射頻結構，其中該天線元件使用一30GHz~300GHz載波頻率。
  6. 申請專利範圍第1項所述的一種毫米波射頻結構，其中該射頻收發模組為其他三五族元素如SiC、GaN、GaAs、InP、Si等製程晶片。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的一種毫米波射頻結構，其中該射頻收發模組為一射頻積體電路，其中更包括一射頻收發元件，其用以實施一射頻發射與一射頻接收，以及一射頻積體電路製程晶片，為一砷化鎵製程晶片。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的一種毫米波射頻結構，其中該第一基板為一多層軟性電路板，其中該多層軟性電路板更包括一液晶高分子介電材料層。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的一種毫米波射頻結構，其中該第一基板與該第二基板為相同一液晶高分子基板。
  10. 如申請專利範圍第1項所述的一種毫米波射頻結構，其中該第二基板為一環氧樹脂基板、一聚氧二甲苯樹脂基板或一氟系樹脂基板或一液晶高分子基板。
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