TWI700859B - 整合式毫米波天線結構 - Google Patents

Abstract

一整合式毫米波天線結構，其包含由上往下依序堆疊設置的元件板、金屬塊，其中：該元件板設有第一基板，該第一基板上設有毫米波晶片，該第一基板底面設有訊號輸出點，該金屬塊設有與訊號輸出點相對應的垂直透孔，該元件板與金屬塊兩者係透過螺固件結合固定；藉此，本發明可縮小整體天線之面積尺寸並避免線路氧化受損，同時還可彈性地依需求更換不同的天線，從而達到降低測試、生產與維修成本等功效，進而可大幅提高產品的實用性。

Description

整合式毫米波天線結構

本發明係關於一種天線結構，特別是關於一種毫米波天線結構。

毫米波(millimeter wave，以下簡稱mmw)是介於微波與光波之間的電磁波，其頻段約在30GHz~300GHz，換算成相對應的波長則為1~10mm(毫米)，毫米波具有帶寬大、波束窄及尺寸小等特性，在包括車用雷達、物件識別與高速通訊(如5G行動通訊)等各領域中均有非常大的應用潛力與市場前景，然而，由於毫米波訊號的空間損耗與傳輸損耗相對嚴重，因此天線系統的設計與性能表現對於毫米波技術的應用與推廣即佔有相當重要的地位，關於毫米波天線的現有技術中，有部分係著重於毫米波天線與射頻晶片(即毫米波晶片)之整合，例如中華民國專利I557854號所揭示者，惟此案的射頻晶片與毫米波天線之整合性封裝結構係透過半導體製程技術來實現，生產成本顯然較高。

此外，有些習知的毫米波天線係將其天線與射頻晶片以平面延伸的方式設置在同一個基板之上，然而，此種結構設計具有以下諸多值得改進之處：首先，由於天線一般均須在基板上保留出淨空區，故基板上的此一區域並不能用來設置其他元件，如此一來，就會導致整個毫米波天線裝置的面積尺寸變大，不利於產品之小型化。其次，此種習知毫米波 天線其天線與射頻晶片之間的訊號連接線路(具體如共面微帶線，Coplanar Waveguide，CPW)係外露地設置在基板表面，如此即容易有氧化受損之問題，從而影響產品之壽命與可靠度。再者，包含如前述之I557854號專利在內的習知毫米波天線結構均將天線與射頻晶片兩者綁在同一個封裝結構或基板上，如此一來，即無法依需求而方便地拆裝、更換產品中的部件(例如不同圖案或規格的天線)，在生產或使用上較缺乏彈性與便利性，且其中一者損壞或故障即會導致整個產品無法運作甚至報廢，從而造成產品之測試、生產及維修成本的增加。另外，現有的毫米波天線通常缺乏散熱與防止EMI(電磁干擾)之結構設計，或是需額外增設具相關功能的零部件，但如此一來則會導致整體結構之複雜化並提高生產成本。

因此，如何針對上述問題加以改善，即為本案申請人所欲解決之技術困難點所在。

有鑑於現有毫米波天線所存在的上述問題，因此本發明之目的在於發展一種可縮小產品面積尺寸的整合式毫米波天線結構。

本發明之另一目的，在於發展一種可避免或減少毫米波晶片與天線之間的訊號連接線路氧化受損的整合式毫米波天線結構。

本發明之又一目的，在於發展一種無需額外元件即可兼具散熱及防止EMI效果的整合式毫米波天線結構。

本發明之再一目的，在於發展一種天線與射頻晶片係可分離組裝，從而可方便更換不同天線，進而可降低測試、生產及維修成本之整合式毫米波天線結構。

為達成以上之目的，本發明係提供一種整合式毫米波天線結構，其包含：一元件板，係設有一第一基板以及一毫米波晶片，該第一基板具有相對的第一表面與第二表面，該毫米波晶片係設置於該第一基板的第一表面上，該第一基板上分別設有至少兩個定位部以及至少一個第一結合孔，該元件板於第一基板的第二表面上設有至少一個訊號輸出點，各該訊號輸出點分別與該毫米波晶片電性連接；一金屬塊，係疊設於該元件板其第一基板的第二表面下方，且該金屬塊的長寬尺寸係與該第一基板的長寬尺寸相對應，又該金屬塊的上方分別設有至少兩個與各該定位部相對應的被定位部以及至少一個與各該第一結合孔相對應的第二結合孔，而使該元件板與金屬塊兩者可透過各該定位部與各該被定位部之間凹凸互補卡合，又該金屬塊上設置有至少一個與各該訊號輸出點相對應的垂直透孔；至少一個螺固件，各該螺固件分別穿設各該第一結合孔與第二結合孔而將元件板與金屬塊兩者予以固定結合。

此外，本發明還提供一種整合式毫米波天線結構，其包含：一元件板，係設有一第一基板以及一毫米波晶片，該第一基板具有相對的第一表面與第二表面，該毫米波晶片係設置於該第一基板的第一表面上，該第一基板上分別設有至少兩個定位部以及至少一個第一結合孔，該元件板於第一基板的第二表面上設有至少一個訊號輸出點，各該訊號輸出點分別與該毫米波晶片電性連接；一金屬塊，係疊設於該元件板其第一基板的第二表面下方，且該金屬塊的長寬尺寸係與該第一基板的長寬尺寸相對應，又該金屬塊的上方分別設有至少兩個與各該定位部相對應的被定位部以及至少一個與各該第一結合孔相對應的第二結合孔，而使該元件板 與金屬塊兩者可透過各該定位部與各該被定位部之間凹凸互補卡合，又該金屬塊上設置有至少一個與各該訊號輸出點相對應的垂直透孔；一天線板，係疊設於該金屬塊下方，該天線板設有一第二基板，且該第二基板的長寬尺寸係與該金屬塊的長寬尺寸相對應，該第二基板具有相對的第一表面與第二表面，該天線板包含有一由設置於該第二基板之第一表面及第二表面之金屬層所構成的微帶天線結構，又該第二基板上設有至少一個與各該第二結合孔相對應的第三結合孔，該第二基板其第一表面上設有至少一個與各該垂直透孔相對應的訊號饋入點，各該訊號饋入點分別與該微帶天線結構電性連接；至少一個螺固件，各該螺固件分別穿設各該第一結合孔、第二結合孔與第三結合孔而將元件板、金屬塊與天線板三者予以固定結合。

其中，該定位部為定位孔，該被定位部為定位凸柱。

其中，該金屬塊為鋁塊。

其中，該第一基板的第一表面與第二表面均分別設有至少一個第一電子元件，該金屬塊的上方設有一凹陷部，且該第一基板的第二表面上的各該第一電子元件係容置於該凹陷部內。

另外，本發明也提供一種整合式毫米波天線結構，其包含：一元件板，係設有一第一基板以及一毫米波晶片，該第一基板具有相對的第一表面與第二表面，該毫米波晶片係設置於該第一基板的第一表面上，該第一基板上分別設有至少兩個定位部以及至少一個第一結合孔，該元件板於第一基板的第二表面上設有至少一個訊號輸出點，各該訊號輸出點分別與該毫米波晶片電性連接；一金屬塊，係疊設於該元件板其第一基板的第二表面下方，且該金屬塊的長寬尺寸係與該第一基板的長寬尺寸 相對應，又該金屬塊的上方分別設有至少兩個與各該定位部相對應的被定位部以及至少一個與各該第一結合孔相對應的第二結合孔，而使該元件板與金屬塊兩者可透過各該定位部與各該被定位部之間凹凸互補卡合，又該金屬塊上設置有至少一個與各該訊號輸出點相對應的垂直透孔，且各該垂直透孔內分別設有一導線；一天線板，係疊設於該金屬塊下方，該天線板設有一第二基板，且該第二基板的長寬尺寸係與該金屬塊的長寬尺寸相對應，該第二基板具有相對的第一表面與第二表面，該天線板包含有一由設置於該第二基板之第一表面及第二表面之金屬層所構成的微帶天線結構，又該第二基板上設有至少一個與各該第二結合孔相對應的第三結合孔，該第二基板其第一表面上設有至少一個與各該垂直透孔相對應的訊號饋入點，各該訊號饋入點分別與該微帶天線結構電性連接，又各該導線的兩端分別與該元件板的各該訊號輸出點以及該天線板的各該訊號饋入點相接觸；至少一個螺固件，各該螺固件分別穿設各該第一結合孔、第二結合孔與第三結合孔而將元件板、金屬塊與天線板三者予以固定結合。

藉此，本發明可縮小整體天線之面積尺寸並避免線路氧化受損，同時還可彈性地依需求更換不同的天線，從而達到降低測試、生產與維修成本等功效，進而可大幅提高產品的實用性。

1‧‧‧元件板

11‧‧‧第一基板

111‧‧‧第一表面

112‧‧‧第二表面

12‧‧‧毫米波晶片

13‧‧‧第一電子元件

14‧‧‧訊號輸出點

15‧‧‧定位部

16‧‧‧第一結合孔

2‧‧‧金屬塊

21‧‧‧被定位部

22‧‧‧第二結合孔

23‧‧‧垂直透孔

24‧‧‧凹陷部

25‧‧‧導線

3‧‧‧天線板

31‧‧‧第二基板

311‧‧‧第一表面

312‧‧‧第二表面

32‧‧‧金屬層

33‧‧‧第三結合孔

34‧‧‧訊號饋入點

4‧‧‧螺固件

第一圖係本發明之一實施例的分解示意圖。

第二圖係本發明之一實施例的組合示意圖。

第三圖係本發明之一實施例的側面剖視示意圖。

第四圖係本發明其第二實施例的側面剖視示意圖。

第一圖與第二圖分別係為本發明的整合式毫米波天線結構之一實施例的分解示意圖與組合示意圖，該整合式毫米波天線結構包含：一元件板1，該元件板1設有一第一基板11以及一毫米波晶片12，該第一基板11具有相對的第一表面111與第二表面112，在本實施例與第一圖中，該第一表面111係呈現為第一基板11的上表面，該第二表面112則呈現為第一基板11的下表面，該毫米波晶片12係設置於該第一基板11的第一表面111上，該第一基板11上分別設有至少兩個定位部15以及至少一個第一結合孔16，該定位部15具體可為定位孔或定位凸柱，在本實施例與第一圖中，該定位部15係繪示為定位孔，且該第一結合孔16的數量為4個並分佈設置於該第一基板11的四個角落，該元件板1於該第一基板11的第一表面111上設置有至少一個第一電子元件13，具體而言，該第一電子元件13可以是電晶體、電阻、電容、電感等各種主、被動電子元件，該第一電子元件13也可以是各種電連接器如訊號連接器或電源連接器，當存在有複數個第一電子元件13時，則該些第一電子元件13可以是上述主、被動電子元件及/或電連接器的組合，該元件板1於第一基板11的第二表面112上設有至少一個訊號輸出點14，且各該訊號輸出點14分別與該毫米波晶片12電性連接，一般而言，該訊號輸出點14的數量係對應於該毫米波晶片12的發射通道(transmit channel)與接收通道(receive channel)的總數，例如，對於一個具有2發射4接收(2T4R)的毫米波晶片12而言(具體產品如德州儀器的IWR1642毫米波感測晶片)，該訊號輸出點14的 數量即為6個，惟實際上並不以此為限。

一金屬塊2，該金屬塊2係疊設於該元件板1其第一基板11的第二表面112下方，且該金屬塊2的長寬尺寸係與該第一基板11的長寬尺寸相對應，在本實施例中，該金屬塊2係大致呈長方體狀，更具體地，該金屬塊2可為鋁塊，又該金屬塊2的上方分別設有至少兩個與各該定位部15相對應的被定位部21以及至少一個與各該第一結合孔16相對應的第二結合孔22，該被定位部21具體可為定位凸柱或為定位孔，在本實施例與第一圖中，該被定位部21係繪示為定位凸柱，藉此，俾使該元件板1與金屬塊2兩者可透過各該定位部15與各該被定位部21之間的凹凸互補卡合而實現精確定位之目的，又該金屬塊2上設置有至少一個與各該訊號輸出點14相對應的垂直透孔23，因而，在本實施例中，該垂直透孔23的數量也是6個。

一天線板3，該天線板3係疊設於該金屬塊2下方，該天線板3設有一第二基板31，且該第二基板31的長寬尺寸係與該金屬塊2的長寬尺寸相對應，該第二基板31具有相對的第一表面311與第二表面312，在本實施例與第一圖中，該第一表面311係呈現為第二基板31的上表面，該第二表面312則呈現為第二基板31的下表面，該天線板3包含有一由設置於該第二基板31之第一表面311之金屬層32及第二表面312之金屬層(圖未示)所構成的微帶天線結構，又該第二基板31上設有至少一個與各該第二結合孔22相對應的第三結合孔33，該第二基板31其第一表面311上設有至少一個與各該垂直透孔23相對應的訊號饋入點34，且各該訊號饋入點34分別與該微帶天線結構電性連接，其中，該微帶天線結構應對應於毫米 波晶片12的收、發通道數量，若以上述具有2發射4接收的毫米波晶片12為例，則該微帶天線結構即可為2發射4接收的多輸入多輸出天線(2T4R MIMO Antenna)，惟該微帶天線結構的細部構造係屬本領域的通常知識且非本案發明點所在，故在此不予詳述且圖式中係予省略。

請再參閱第一圖至第三圖所示，藉由該元件板1、金屬塊2與天線板3分別設有第一結合孔16、第二結合孔22與第三結合孔33，因而本發明還可包含有至少一個螺固件4例如螺絲，而使各該螺固件4可分別穿設各該第一結合孔16、第二結合孔22與第三結合孔33而將元件板1、金屬塊2與天線板3三者予以固定結合，如此即可完成本發明之整合式毫米波天線結構的組裝作業，同時，請繼續參閱第三圖所示，藉由上述結構，該金屬塊2的各該垂直透孔23即可具備等同於導波管(waveguide)的作用，從而可將毫米波晶片12的發射訊號，以耦合方式依序經由該訊號輸出點14、垂直透孔23及訊號饋入點34傳給該天線板3，或者反過來，天線板3的接收訊號，也可以耦合方式依序經由該訊號饋入點34、垂直透孔23及訊號輸出點14傳給毫米波晶片12，進而使本發明可達到收發訊號之效果。

此外，值得一提的是，由於本發明的金屬塊2可具有導波管的效果，而導波管實際上亦屬天線之一種(即horn antenna，中文可稱號角天線或喇叭天線)，因此，在某些可行的實施例中，本發明甚至可以省略該天線板3而同時仍保持有一定的訊號收發效能，此時螺固件4只需用來固定、結合該元件板1與金屬塊2兩者即可，對於某些特定的應用，例如近距離的待測物之偵測或掃描來說，本發明即可在未設置有該天線板3的情況下正常運作，如此實為本發明的一大特點，同時，藉此，本發明還可 兼具更佳的縮小尺寸、簡化結構及降低成本之優點。

相較於習用的毫米波天線，本發明透過採用疊構的結構設計來整合天線與射頻晶片，除了可有效縮小整體天線結構的面積尺寸，同時，毫米波晶片12與天線之間的訊號連接線路主要係位於多層電路板(即第一基板11及第二基板31)內部，從而可避免或減少線路外露所導致的氧化受損問題，進而可提高產品的壽命與可靠度。此外，又藉由採用螺固件4來組裝本發明之各主要部件，如此可避免採用黏膠、焊料等結合方式對毫米波訊號所可能產生的介質損耗問題，進而可使本發明兼具提升或保持訊號收發效果的功效，同時，本發明的天線與射頻晶片還可分離組裝，從而可方便更換不同天線以提高生產與使用上之彈性與便利性，並進而降低產品之測試、生產及維修成本。另外，可以一提的是，本發明的金屬塊2除険了原有的作用之外，還可兼具有散熱與防止EMI的效果，故無需再另行設置其它專用的散熱元件及屏蔽元件，進而可具有更佳之實用性。

另外，請參閱第一圖與第三圖所示，在本發明的一個實施例中，該金屬塊2的上方可進一步設有一凹陷部24，藉此，而使該凹陷部24可做為一容置空間，如此一來，該元件板1即可將部分的第一電子元件13挪到第一基板11的第二表面112來設置，並使該些第一電子元件13於元件板1及金屬塊2結合後可容置於該凹陷部24的空間之內，從而可進一步縮小該元件板1乃至於本發明整體的面積尺寸。

此外，請再參閱第四圖所示為本發明之第二實施例的側面剖視示意圖，本實施例與第一圖至第三圖的實施例在結構上的差異在於：該金屬塊2的各該垂直透孔23內均分別進一步設置有一導線25，且各該導 線25的兩端分別與該元件板1的各該訊號輸出點14以及該天線板3的各該訊號饋入點34相接觸，從而，相對於本發明的第一圖至第三圖的實施例係以空氣的波導作用作為能量傳遞之介質與原理，本實施例的最大特色則在於係利用各該導線25作為能量傳遞之介質，如此也可達到相同的效果。

惟上列詳細說明係針對本發明之較佳實施例的具體說明，該等實施例並非用以限制本發明之專利範圍，而凡未脫離本發明技藝精神所為之等效實施或變更，均應包含於本案之專利範圍中。

1‧‧‧元件板

112‧‧‧第二表面

12‧‧‧毫米波晶片

13‧‧‧第一電子元件

14‧‧‧訊號輸出點

2‧‧‧金屬塊

23‧‧‧垂直透孔

24‧‧‧凹陷部

3‧‧‧天線板

34‧‧‧訊號饋入點

4‧‧‧螺固件

Claims (6)

1. 一種整合式毫米波天線結構，其包含：一元件板，係設有一第一基板以及一毫米波晶片，該第一基板具有相對的第一表面與第二表面，該毫米波晶片係設置於該第一基板的第一表面上，該第一基板上分別設有至少兩個定位部以及至少一個第一結合孔，該元件板於第一基板的第二表面上設有至少一個訊號輸出點，各該訊號輸出點分別與該毫米波晶片電性連接；一金屬塊，係疊設於該元件板其第一基板的第二表面下方，且該金屬塊的長寬尺寸係與該第一基板的長寬尺寸相對應，又該金屬塊的上方分別設有至少兩個與各該定位部相對應的被定位部以及至少一個與各該第一結合孔相對應的第二結合孔，而使該元件板與金屬塊兩者可透過各該定位部與各該被定位部之間凹凸互補卡合，又該金屬塊上設置有至少一個與各該訊號輸出點相對應的垂直透孔；至少一個螺固件，各該螺固件分別穿設各該第一結合孔與第二結合孔而將元件板與金屬塊兩者予以固定結合。
2. 一種整合式毫米波天線結構，其包含：一元件板，係設有一第一基板以及一毫米波晶片，該第一基板具有相對的第一表面與第二表面，該毫米波晶片係設置於該第一基板的第一表面上，該第一基板上分別設有至少兩個定位部以及至少一個第一結合孔，該元件板於第一基板的第二表面上設有至少一個訊號輸出點，各該訊號輸出點分別與該毫米波晶片電性連接；一金屬塊，係疊設於該元件板其第一基板的第二表面下方，且該金屬 塊的長寬尺寸係與該第一基板的長寬尺寸相對應，又該金屬塊的上方分別設有至少兩個與各該定位部相對應的被定位部以及至少一個與各該第一結合孔相對應的第二結合孔，而使該元件板與金屬塊兩者可透過各該定位部與各該被定位部之間凹凸互補卡合，又該金屬塊上設置有至少一個與各該訊號輸出點相對應的垂直透孔；一天線板，係疊設於該金屬塊下方，該天線板設有一第二基板，且該第二基板的長寬尺寸係與該金屬塊的長寬尺寸相對應，該第二基板具有相對的第一表面與第二表面，該天線板包含有一由設置於該第二基板之第一表面及第二表面之金屬層所構成的微帶天線結構，又該第二基板上設有至少一個與各該第二結合孔相對應的第三結合孔，該第二基板其第一表面上設有至少一個與各該垂直透孔相對應的訊號饋入點，各該訊號饋入點分別與該微帶天線結構電性連接；至少一個螺固件，各該螺固件分別穿設各該第一結合孔、第二結合孔與第三結合孔而將元件板、金屬塊與天線板三者予以固定結合。
3. 如申請專利範圍第2項所述之整合式毫米波天線結構，其中該定位部為定位孔，該被定位部為定位凸柱。
4. 如申請專利範圍第2項所述之整合式毫米波天線結構，其中該金屬塊為鋁塊。
5. 如申請專利範圍第2項所述之整合式毫米波天線結構，其中該第一基板的第一表面與第二表面均分別設有至少一個第一電子元件，該金屬塊的上方設有一凹陷部，且該第一基板的第二表面上的各該第一電子元件係容置於該凹陷部內。
6. 一種整合式毫米波天線結構，其包含：一元件板，係設有一第一基板以及一毫米波晶片，該第一基板具有相對的第一表面與第二表面，該毫米波晶片係設置於該第一基板的第一表面上，該第一基板上分別設有至少兩個定位部以及至少一個第一結合孔，該元件板於第一基板的第二表面上設有至少一個訊號輸出點，各該訊號輸出點分別與該毫米波晶片電性連接；一金屬塊，係疊設於該元件板其第一基板的第二表面下方，且該金屬塊的長寬尺寸係與該第一基板的長寬尺寸相對應，又該金屬塊的上方分別設有至少兩個與各該定位部相對應的被定位部以及至少一個與各該第一結合孔相對應的第二結合孔，而使該元件板與金屬塊兩者可透過各該定位部與各該被定位部之間凹凸互補卡合，又該金屬塊上設置有至少一個與各該訊號輸出點相對應的垂直透孔，且各該垂直透孔內分別設有一導線；一天線板，係疊設於該金屬塊下方，該天線板設有一第二基板，且該第二基板的長寬尺寸係與該金屬塊的長寬尺寸相對應，該第二基板具有相對的第一表面與第二表面，該天線板包含有一由設置於該第二基板之第一表面及第二表面之金屬層所構成的微帶天線結構，又該第二基板上設有至少一個與各該第二結合孔相對應的第三結合孔，該第二基板其第一表面上有至少一個與各該垂直透孔相對應的訊號饋入點，各該訊號饋入點分別與該微帶天線結構電性連接，又各該導線的兩端分別與該元件板的各該訊號輸出點以及該天線板的各該訊號饋入點相接觸； 至少一個螺固件，各該螺固件分別穿設各該第一結合孔、第二結合孔與第三結合孔而將元件板、金屬塊與天線板三者予以固定結合。

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