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CN102694565A - 一种集成蛇形天线的3d-mcm射频系统 - Google Patents

一种集成蛇形天线的3d-mcm射频系统 Download PDF

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CN102694565A CN2012101567528A CN201210156752A CN102694565A CN 102694565 A CN102694565 A CN 102694565A CN 2012101567528 A CN2012101567528 A CN 2012101567528A CN 201210156752 A CN201210156752 A CN 201210156752A CN 102694565 A CN102694565 A CN 102694565A
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吴櫂耀
杨银堂
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Abstract

本发明公开了一种集成蛇形天线的3D-MCM射频系统，包括四层，自上到下依次为，第一层为LTCC蛇形天线，第二层为内部接地金属层，第三层为封装体，第四层为外部金属接地板；本发明体积小、频带宽、可靠性高，可用于2.4GHz附近频段的无线通信。

Description

一种集成蛇形天线的3D-MCM射频系统
技术领域
本发明属于微波毫米波通信技术领域，涉及三维多芯片组件3D-MCM技术和低温共烧陶瓷LTCC技术，尤其涉及一种应用于无线通信系统的小型化宽带天线。
背景技术
现代无线通信技术要求射频系统向小型化、高性能化、多功能化和低成本方向发展。天线作为无线通信系统的必不可少的部件，必须与特定功能的集成电路IC元器件进行系统集成封装，使无线通信设备的重量轻、体积小、功能多。
在过去几年中，基于低温共烧陶瓷LTCC技术，使天线具有便携、轻、薄、短、小的优点，利用三维多芯片组件3D-MCM技术，易于进行芯片集成，可大幅度提高封装密度。但是将LTCC天线技术和3D-MCM技术相结合用于集成封装的射频系统的报道还没有。
现有的集成封装的射频系统通常将天线和IC元器件封装在单层介质基板的同一个表面，这使得系统的体积较大，且天线与IC元器件之间的耦合较为严重。也有一些将天线和IC元器件不是放在介质基板的同一个表面进行封装的报道，但IC元器件为单层结构，且天线和封装层体积较大，天线的带宽较窄，且不能满足集成天线的射频系统对蓝牙和Zigbee/802.15.4技术在2.4GHz附近频段的使用要求。
发明内容
本发明的目的在于针对上述问题，提供一种体积小、功能多、性能稳定的集成天线的3D-MCM射频系统，以满足现代无线通信系统对蓝牙和Zigbee/802.15.4技术在2.4GHz附近频段的使用要求。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种集成蛇形天线的3D-MCM射频系统，包括四层，自上到下依次为，第一层为LTCC蛇形天线，第二层为内部接地金属层，第三层为封装体，第四层为外部金属接地板；
所述LTCC蛇形天线：它由LTCC基片(7)、50欧姆匹配线(5)和蛇形辐射单元(6)构成；50欧姆匹配线(5)和蛇形辐射单元(6)位于LTCC基片(7)中且处于同一平面内；50欧姆匹配线(5)位于蛇形辐射单元(6)的左侧且与之相连；蛇形辐射单元(6)为一段蛇形线结构；50欧姆匹配线(5)左侧正下方的LTCC基片(7)中开设有垂直通孔(9)用于天线馈电；
所述内部接地金属层(2)位于LTCC基片(7)的下表面，且位于50欧姆匹配线(5)的正下方，而在蛇形辐射单元(6)的下方没有金属；所述内部接地金属层(2)是通过在LTCC基片(7)的下表面涂覆银或铜导电材料来实现；所述内部接地金属层(2)内开设有一个与垂直通孔(9)相通的通道通孔(10)，用于为天线提供馈电通道，该通道通孔(10)的直径大于垂直通孔(9)的直径；
第三层封装体：它由空腔(13)和四个封装侧壁：第一封装侧壁151、第二封装侧壁152、第三封装侧壁153、第四封装侧壁154构成；空腔(13)位于内部接地金属层(2)的正下方；在空腔(13)内，采用3D-MCM技术集成有多层IC裸芯片(14)；在四个封装侧壁内开设有若干接地通孔(12)，孔内灌装银材料，用于将内部接地金属层(2)与外部金属接地板相连接；在垂直通孔(9)正下方的封装侧壁(151)内还开设有一个馈电通孔(11)，该孔的直径等于垂直通孔(9)的直径，用于实现天线馈电；
第四层金属接地板：该金属接地板位于封装体的下方，位于内部接地金属层(2)的正下方，而在蛇形辐射单元(6)的正下方没有金属接地板；；金属微带馈线8位于PCB板18的上表面，用于实现天线馈电。
所述的集成蛇形天线的3D-MCM射频系统，LTCC基片(7)和封装体采用采用LTCC陶瓷的相对介电常数范围为2～14。
所述的集成蛇形天线的3D-MCM射频系统，50欧姆匹配线(5)和蛇形辐射单元(6)距离LTCC基片(7)上表面的距离为0～0.2mm，50欧姆匹配线(5)的长度SL为10mm，宽度SW为2～3mm，蛇形辐射单元(6)的长度L为10.2mm，宽度W为5～7mm，该蛇形线的宽度W2为0.5mm，线间距W1为0.5mm，LTCC基片(7)的长度为20.2mm，宽度比蛇形辐射单元(6)的宽度大0～0.5mm，厚度为1～1.5mm。
所述的集成蛇形天线的3D-MCM射频系统，封装体的长度FL等于LTCC基片(7)的长度，宽度FW等于LTCC基片(7)的宽度，厚度FH为1～1.6mm；3个封装侧壁：第一封装侧壁(151)、第二封装侧壁(152)、第三封装侧壁(153)的宽度FW1为0.6～1.4mm，第四封装侧壁(154)的宽度FW2为FW1+10.2mm；空腔(13)的高度为0.9～1.5mm；IC裸芯片(14)的尺寸小于空腔的尺寸；若干接地通孔(12)的孔间距为0.01λ～0.1λ，λ为自由空间波长。
所述的集成蛇形天线的3D-MCM射频系统，所述外部金属接地板是通过在PCB板(18)的上、下表面电镀一层金属铜形成第一金属层(4)和第二金属层(17)，PCB板(18)采用玻璃纤维环氧树脂FR-4；第一金属层(4)和第二金属层(17)位于封装体的下方，且位于内部接地金属层(2)的正下方，而在蛇形辐射单元(6)的正下方没有金属；第一金属层(4)和第二金属层(17)的长度GL为40mm，宽度GW为30mm，PCB板(18)的长度为50.2mm，宽度为30mm；微带馈线(8)为一段50欧姆微带线，长度为30.75mm，宽度为1.5mm，微带馈线(8)与第一金属层(4)的间距为S1＝S2＝0.75mm，S3＝0.5mm。
本发明与现有技术相比，具有如下显著优点：
(1)本发明由于采用蛇形天线结构，使天线的带宽更宽，集成该天线的射频系统的体积更小。
(2)本发明由于在封装体内开设有内部空腔，采用3D-MCM技术，进行多层IC裸芯片集成，使系统的体积更小、功能更加多样化。
(3)本发明由于在蛇形天线和封装体之间设有内部接地金属层，它可以最小化天线和封装器件之间的不需要的耦合，使系统可靠性得到提高。
(4)本发明可通过调整天线介质材料的厚度、封装尺寸、封装高度、通孔的位置和数量这些关键因素，使蛇形天线的谐振点在2.4GHz附近，集成蛇形天线的3D-MCM射频系统满足现代无线通信对蓝牙和Zigbee/802.15.4技术的要求。
附图说明
图1是本发明系统的截面剖视图；
图2是本发明系统中的天线结构示意图；
图3是本发明系统中的封装结构示意图；
图4是本发明系统中金属接地板上表面结构示意图；
图5是本发明系统中的天线中频率与反射损耗S11之间的关系仿真图；
图6是本发明系统中的天线的E面和H面增益方向仿真图。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。
参照图1，本发明系统包括四层，自上到下，第一层为LTCC蛇形天线，第二层为内部接地金属层，第三层为封装体，第四层为外部金属接地板。
第一层LTCC蛇形天线，其结构如图2所示，它由LTCC基片7、50欧姆匹配线5和蛇形辐射单元6构成。50欧姆匹配线5与蛇形辐射单元6相连且处于同一平面内，它们距离LTCC基片7的上表面有一定距离，用于减小环境变化对天线的影响，蛇形辐射单元6为一段蛇形线结构。50欧姆匹配线5和蛇形辐射单元6距离LTCC基片7上表面的距离为0.127mm，50欧姆匹配线的长度SL为10mm，宽度SW为2.85mm，蛇形辐射单元6的长度L为10.2mm，宽度W为6.1mm，该蛇形线的宽度W2为0.5mm，线间距W1为0.5mm。LTCC基片7的长度为20.2mm，宽度比蛇形辐射单元6的宽度大0.2mm，厚度为1.27mm。50欧姆匹配线5左侧正下方的LTCC基片7中开设有垂直通孔9，孔内灌装银材料，用于天线馈电，该孔的半径R＝0.075mm。
第二层内部接地金属层2，通过在LTCC基片7的下表面涂覆银或铜材料来实现，该内部接地金属层2位于50欧姆匹配线5的正下方，而在蛇形辐射单元6的下方没有金属。由于天线和芯片14之间存在耦合，该耦合使系统性能降低，金属层2的作用是使这种耦合最小化。该内部接地金属层2内开设有一个与垂直通孔9相通的通道通孔10为天线提供馈电通道，该垂直通孔9的直径R＝0.075mm，通道通孔10的半径R＝0.3mm；
第三层封装体，其结构如图，它由空腔13和四个封装侧壁：封装侧壁151、封装侧壁152、封装侧壁153、封装侧壁154构成。封装体的长度FL等于LTCC基片7的长度，宽度FW等于LTCC基片7的宽度，厚度FH为1.397mm。空腔13位于内部接地金属层2的正下方，空腔的高度为1.143mm，在空腔13内，采用3D-MCM技术集成有3层IC裸芯片14，该芯片的长度为3mm，宽度为3mm，高度为0.3mm。3个封装侧壁151、152、153的宽度FW1为0.8mm，封装侧壁154的宽度FW2为11mm。在四个封装侧壁内开设有若干接地通孔12，该孔的半径R＝0.075mm，孔间距为0.01λ，λ为自由空间波长，孔内灌装银材料，用于将内部接地金属层2与外部金属接地板相连接。在垂直通孔9正下方的封装侧壁151内还开设有一个馈电通孔11，该孔的直径等于垂直通孔9的直径，用于实现天线馈电。
第四层外部金属接地板，它是通过在PCB板18的上、下表面电镀一层金属铜形成金属层4和金属层17，PCB板18采用玻璃纤维环氧树脂FR-4。其上表面的金属层4的结构如图4，其下表面的金属层17为全金属，上、下表面金属层位于封装体的下方，位于内部接地金属层2的正下方，而在蛇形辐射单元6的正下方没有金属。金属层4和金属层17的长度GL为40mm，宽度GW为30mm，PCB板18的长度为50.2mm，宽度为30mm。金属微带馈线8位于PCB板18的上表面，用于实现天线馈电，它为一段50欧姆微带线，长度为30.75mm，宽度为1.5mm，微带馈线8与四周金属的间距为S1＝S2＝0.75mm，S3＝0.5mm。
其中，LTCC基片7和封装体采用的LTCC陶瓷的相对介电常数范围为5.9。
本发明的效果可以通过以下仿真进一步说明：
采用电磁场仿真软件Ansoft-HFSS对优选实施例进行仿真，得到的天线反射系数S11曲线如图5，E面和H面增益方向图如图6。
图5表明，天线的谐振点为2.4GHz，该点处的反射系数是-35dB，在2.257GHz-2.553GHz频率范围内的驻波比小于2，可见，天线带宽约为300M。
图6表明，该天线是全向性天线且在整个工作频段范围内可以获得极好的线极化。天线峰值增益为2.68dBi。
可见，该集成天线的3D-MCM集成封装系统能满足无线通信网络对蓝牙和Zigbee/802.15.4技术在2.4GHz附近频段的使用要求。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种集成蛇形天线的3D-MCM射频系统，其特征在于，包括四层，自上到下依次为，第一层为LTCC蛇形天线，第二层为内部接地金属层，第三层为封装体，第四层为外部金属接地板；
所述LTCC蛇形天线：它由LTCC基片(7)、50欧姆匹配线(5)和蛇形辐射单元(6)构成；50欧姆匹配线(5)和蛇形辐射单元(6)位于LTCC基片(7)中且处于同一平面内；50欧姆匹配线(5)位于蛇形辐射单元(6)的左侧且与之相连；蛇形辐射单元(6)为一段蛇形线结构；50欧姆匹配线(5)左侧正下方的LTCC基片(7)中开设有垂直通孔(9)用于天线馈电；
所述内部接地金属层(2)位于LTCC基片(7)的下表面，且位于50欧姆匹配线(5)的正下方，而在蛇形辐射单元(6)的下方没有金属；所述内部接地金属层(2)是通过在LTCC基片(7)的下表面涂覆银或铜导电材料来实现；所述内部接地金属层(2)内开设有一个与垂直通孔(9)相通的通道通孔(10)，用于为天线提供馈电通道，该通道通孔(10)的直径大于垂直通孔(9)的直径；
第三层封装体：它由空腔(13)和四个封装侧壁：第一封装侧壁151、第二封装侧壁152、第三封装侧壁153、第四封装侧壁154构成；空腔(13)位于内部接地金属层(2)的正下方；在空腔(13)内，采用3D-MCM技术集成有多层IC裸芯片(14)；在四个封装侧壁内开设有若干接地通孔(12)，孔内灌装银材料，用于将内部接地金属层(2)与外部金属接地板相连接；在垂直通孔(9)正下方的封装侧壁(151)内还开设有一个馈电通孔(11)，该孔的直径等于垂直通孔(9)的直径，用于实现天线馈电；
第四层金属接地板：该金属接地板位于封装体的下方，位于内部接地金属层(2)的正下方，而在蛇形辐射单元(6)的正下方没有金属接地板；；金属微带馈线8位于PCB板18的上表面，用于实现天线馈电。
2.根据权利要求1所述的集成蛇形天线的3D-MCM射频系统，其特征在于，LTCC基片(7)和封装体采用采用LTCC陶瓷的相对介电常数范围为2～14。
3.根据权利要求1所述的集成蛇形天线的3D-MCM射频系统，其特征在于，50欧姆匹配线(5)和蛇形辐射单元(6)距离LTCC基片(7)上表面的距离为0～0.2mm，50欧姆匹配线(5)的长度SL为10mm，宽度SW为2～3mm，蛇形辐射单元(6)的长度L为10.2mm，宽度W为5～7mm，该蛇形线的宽度W2为0.5mm，线间距W1为0.5mm，LTCC基片(7)的长度为20.2mm，宽度比蛇形辐射单元(6)的宽度大0～0.5mm，厚度为1～1.5mm。
4.根据权利要求1所述的集成蛇形天线的3D-MCM射频系统，其特征在于，封装体的长度FL等于LTCC基片(7)的长度，宽度FW等于LTCC基片(7)的宽度，厚度FH为1～1.6mm；3个封装侧壁：第一封装侧壁(151)、第二封装侧壁(152)、第三封装侧壁(153)的宽度FW1为0.6～1.4mm，第四封装侧壁(154)的宽度FW2为FW1+10.2mm；空腔(13)的高度为0.9～1.5mm；IC裸芯片(14)的尺寸小于空腔的尺寸；若干接地通孔(12)的孔间距为0.01λ～0.1λ，λ为自由空间波长。
5.根据权利要求1所述的集成蛇形天线的3D-MCM射频系统，其特征在于，所述外部金属接地板是通过在PCB板(18)的上、下表面电镀一层金属铜形成第一金属层(4)和第二金属层(17)，PCB板(18)采用玻璃纤维环氧树脂FR-4；第一金属层(4)和第二金属层(17)位于封装体的下方，且位于内部接地金属层(2)的正下方，而在蛇形辐射单元(6)的正下方没有金属；第一金属层(4)和第二金属层(17)的长度GL为40mm，宽度GW为30mm，PCB板(18)的长度为50.2mm，宽度为30mm；微带馈线(8)为一段50欧姆微带线，长度为30.75mm，宽度为1.5mm，微带馈线(8)与第一金属层(4)的间距为S1＝S2＝0.75mm，S3＝0.5mm。
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