通過矽上的開關電容器陣列實現的時變天線的製作方法

2023-04-23 01:25:26 1

通過矽上的開關電容器陣列實現的時變天線的製作方法
【專利摘要】公開了一種時變天線，該時變天線使用矽中的開關電容器陣列以提高時變天線的性能和綜合選項。考慮到板上天線和矽上開關電容器陣列之間的接口的寄生效應，將天線調整成對於這些效應進行補償。相對於現有技術天線實現，開關電容器陣列提供高線性度、較低成本以及減小的尺寸。
【專利說明】通過矽上的開關電容器陣列實現的時變天線

【技術領域】
[0001] 本申請涉及天線，並且具體涉及在矽上實現的開關電容器陣列。

【背景技術】
[0002] 在各種設備中使用天線將轉換為無線電波的電流傳送到同樣具有天線的遠程設 備。出現許多類型的天線，但是每一類型具有用於輻射和接收電磁能量的金屬表面。近來， 甚至將天線嵌入到印刷電路板中。
[0003] 通常，將天線設計成在特定頻率範圍內發送和接收信號。設計用於寬帶使用的天 線可能不一定適合窄帶設備。儘管有這個限制，仍可調節一些天線在不同的應用下操作。
[0004] 圖1中描繪了具有現有技術天線44的簡化系統100。將天線44連接到收發器40， 收發器40將電信號轉換為無線電波，使它們適合在空中傳送。同樣，收發器將所接收的無 線電波轉換為電信號。還將天線44連接到變容二極體46和波形發生器42。
[0005] 波形發生器42驅動變容二極體46 (可變電容器），變容二極體46調節天線44的 屬性以改變天線操作的天線帶寬和諧振頻率。這使天線44在其操作中更靈活，但是波形發 生器42和變容二極體46還增加了系統100的成本、大小和複雜性。除此之外，現成的可變 電容器是非線性器件，有可能在收發器40中生成不期望的互調。
[0006] 因此，存在對於克服現有技術的缺點的時變天線的持續需要。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0007] 本文的前述方面和許多伴隨的優點隨著通過結合附圖時參考下面詳細的描述變 得更好理解而將變得更易領會，其中除非另外規定，在各圖中同樣的參考標號指代同樣的 部件。
[0008] 圖1是根據現有技術，使用天線的系統的簡化框圖； 圖2是根據一些實施例，使用由開關電容器陣列實現的時變天線的系統的簡化框圖； 圖3是根據一些實施例，圖2的時變天線系統的詳細圖； 圖4是根據一些實施例，接口 56的示意圖； 圖5是根據一些實施例，圖4中存在的寄生元件的明細電路模型； 圖6是根據一些實施例，圖4中存在的寄生元件的簡化電路模型； 圖7是根據一些實施例，使用由開關電容器陣列實現的時變天線的多天線系統的簡化 框圖； 圖8是根據一些實施例，實現由圖2的開關電容器陣列實現的時變天線的基於處理器 的系統的簡化框圖。
[0009] 圖9是根據一些實施例，示出用於圖1的系統的天線響應的簡化圖。
[0010] 圖1〇是根據一些實施例，示出用於圖2的時變天線系統的天線響應的簡化圖。

【具體實施方式】
[0011] 按照本文描述的實施例，公開了一種時變天線，其使用矽中的開關電容器陣列以 提高時變天線的性能和綜合選項。考慮到板上天線和矽上開關電容器陣列之間的接口的寄 生效應，將天線調整成對於這些效應進行補償。相對於現有技術天線實現，開關電容器陣列 提供高線性度、較低成本以及減小的尺寸。
[0012] 在下面的詳細描述中，參考通過說明示出具體實施例的附圖，在這些具體實施例 中可實施本文描述的主題。但是，要理解，本領域的技術人員在閱讀本公開後將明白其它實 施例。由此，因為由權利要求定義主題的範圍，所以不以限制方式解釋下面的詳細描述。
[0013] 在2011年12月16日提交的標題為"使用時變天線模塊的無線通信設備"的美國 專利申請NO.PCT/US2011/065629中公開了時變天線（TVA)。TVA設計與現有技術天線設計 相比提供若干好處，重要的是性能的顯著提高。但是，波形發生器42和變容二極體46 (圖 1)的非線性可引起收發器40中的互調，這是現有技術系統100的不期望的屬性。
[0014] 根據一些實施例，圖2中描繪了新的時變天線系統200。系統200包括由接口 56 連接的天線板60和矽襯底52。天線板60包括連接到收發器40的天線44。開關電容器邏 輯單元300布置在矽52上。開關電容器邏輯300替換了現有技術系統100的變容二極體 46和波形發生器42。開關電容器邏輯300包括由控制邏輯輸入驅動的並聯電容器58的開 關電容器陣列，下面將更詳細地描述。在一些實施例中，相對於現有技術系統100,時變天線 系統200提供高線性度、低成本以及減小的尺寸。
[0015] 圖3是根據一些實施例，圖2的時變天線系統200的詳細圖。開關電容器邏輯300 由控制邏輯70和電容器陣列80組成，對於整數N，電容器陣列80由N個可開關電容器58 和N個開關62組成。控制邏輯70能夠通過激活或去活其相應的開關62來獨立地接通或 斷開電容器陣列80中的每個電容器58。
[0016] 在一些實施例中，開關電容器58的數量基於給定應用需要多少解析度而確定。因 此，控制邏輯70可配置電容器陣列80,使得其電容器58中的一個或多個被啟用，而電容器 陣列中的其餘電容器暫停使用。而且，控制邏輯70按需要接通或斷開所啟用的電容器，以 創建給定應用所期望的電容變化。因此，控制邏輯70 :1)啟用或禁用電容器陣列80內的電 容器58 ;以及2)能夠基於所期望的電容來接通或斷開所啟用的電容器。
[0017] 在一些實施例中，開關電容器邏輯300能夠經由控制邏輯70內的簡單寄存器生成 數字格式的各種形式的電容器變化，排除對于波形發生器42和變容二極體46 (圖1)的需 要。在一些實施例中，這種實現在保持與現有技術解決方案相比相似的或更好的性能的同 時，減小系統200的成本和尺寸。隨著無線電功能集成到單個晶片中或具有更多常規數字 功能的封裝解決方案中，時變天線系統200良好地適合這類實現。而且，時變天線系統200 設計還可實現自校準或補償以抵消天線元件和電容器陣列的部件對部件變化。
[0018] 如圖2所示，在矽52中實現時變天線系統200的開關電容器邏輯300。因此，寄生 效應可能在（天線板60上的）天線44和（矽52上的）開關電容器邏輯300之間的接口 56中。
[0019] 每個開關電容器由電容器58和其相應的開關62組成，在一些實施例中，開關62 是電晶體元件。存在可用在開關電容器陣列80中的不同種類的開關電容器。例如，金屬氧 化物半導體（M0S)電容器、金屬指狀電容器（MFC)和金屬絕緣體金屬（MIM)電容器都可用 作開關電容器。每個類型的電容器具有不同的特性，因此可鑑於諸如性能、尺寸和成本之類 的考慮做出一個類型的選擇。
[0020] 開關電容器的特性之一是它本質上是線性的。因此，在一些實施例中，用開關電容 器邏輯300替換變容二極體46消除發生在變容二極體46的潛在的互調問題。通常，開關 電容器元件提供大約3. 3fF/iim2的電容/面積（例如，MIM電容器）。
[0021] 為了支持無線通信，諸如LTE、蜂窩、WiFi、WiMAX等等，時變天線44將需要大約 1 一 30pF的電容範圍以用於天線可調諧性。因此，當N=5,就是說，在陣列80中有五個開 關電容器元件58時，用於這些應用的開關電容器的總要求面積僅為大約8820ym2 (例如： 42iimX210iim)。因此，在一些實施例中，在矽52中開關電容器陣列80佔用極其小的空間。 五個開關電容器元件58生成31個不同的狀態（2 5-1)，其以更小的空間提供現有技術實現 的解析度。
[0022] 由於在矽中實現這種開關電容器，所以在一些實施例中考慮了可沿著天線44和 開關電容器邏輯300之間的接口 56生成的寄生效應。圖4是根據一些實施例，描繪當研究 寄生效應時要考慮的接口 56的不同元件或實體的示意圖。開關電容器陣列80通過傳輸線 76、焊盤72、受控塌陷晶片連接（C4) 84、靜電放電（ESD)保護二極體78和金屬線82連接到 天線44。在下面圖5的明細電路模型中考慮了這些元件中的每一個。
[0023] 包括ESD保護二極體78以保護開關電容器陣列80免於靜電放電。在一些實施例 中，ESD二極體78的電容大約是220fF。在下面的表1中總結了用於時變天線系統200的 一個實施例的其它接口元件的阻抗值。在表1中，傳輸線是微帶線，並且金屬線具有大約 100 的長度。在一些實施例中，如果將開關電容器陣列80設計在焊料隆起焊盤（未示 出）、C4 84和ESD保護二極體78的旁邊，則可最小化金屬線阻抗的效應。
[0024] 表1?接口 56的估計的阻抗值

【權利要求】
1. 一種時變天線系統，包括： 耦合到收發器的天線，所述天線布置在天線板上，其中，所述天線包括頻率響應；以及 通過接口耦合到所述天線的開關電容器邏輯，其中，所述開關電容器邏輯布置在矽表 面上，所述開關電容器邏輯進一步包括： 多個電容器； 多個開關，其中，每個開關耦合在所述多個電容器中其相應電容器與地之間；以及 啟用或禁用所述多個開關中的開關的控制邏輯； 其中，所述開關電容器邏輯控制所述天線的所述頻率響應。
2. 如權利要求1所述的時變天線系統，其中，所述多個開關和所述多個電容器包括金 屬氧化物半導體器件。
3. 如權利要求1所述的時變天線系統，其中，所述多個電容器包括金屬指狀器件。
4. 如權利要求1所述的時變天線系統，其中，所述多個電容器包括金屬-絕緣體-金 屬器件。
5. 如權利要求1所述的時變天線系統，還包括： 布置在所述板和所述矽之間的接口，所述接口包括寄生效應； 其中，所述控制邏輯鑑於所述寄生效應調整所述天線的頻率範圍。
6. 如權利要求5所述的時變天線系統，其中，所述寄生效應包括： 寄生電阻； 寄生電感；以及 寄生電容。
7. 如權利要求5所述的時變天線系統，其中，所述接口還包括： 包括寄生電感和寄生電容的傳輸線。
8. 如權利要求5所述的時變天線系統，其中，所述接口還包括： 包括寄生電容的焊盤。
9. 如權利要求5所述的時變天線系統，其中，所述接口還包括： 包括寄生電感和寄生電容的受控塌陷晶片連接。
10. 如權利要求5所述的時變天線系統，其中，所述接口還包括： 包括寄生電容的靜電放電二極體。
11. 如權利要求5所述的時變天線系統，其中，所述接口還包括： 包括寄生電感、寄生電容和寄生電阻的金屬線。
12. 如權利要求1所述的時變天線系統，其中，所述開關電容器邏輯包括五個電容器 和五個開關； 其中，所述控制邏輯將所述天線的頻率範圍調節到31個可能的狀態之一。
13. 如權利要求1所述的時變天線系統，其中，對於整數N，所述開關電容器邏輯包括N 個電容器和N個開關； 其中，所述控制邏輯將所述天線的頻率範圍調節到2N-1個可能的狀態之一。
14. 如權利要求1所述的時變天線系統，還包括： 耦合到所述收發器的第二天線，所述第二天線布置在所述天線板上；以及 耦合到所述第二天線的第二開關電容器邏輯器件，所述第二開關電容器邏輯器件布置 在所述矽表面上並且經由所述接口耦合到所述第二天線； 其中，所述第二開關電容器邏輯器件調整所述第二天線的頻率範圍。
15. -種布置在矽襯底上的開關電容器邏輯單元，所述開關電容器邏輯單元包括： 排列成並聯陣列的多個電容器； 多個開關，其中，每個開關耦合在所述並聯陣列中其相應的電容器與地之間；以及 啟用或禁用所述多個開關中的一個或多個開關的控制邏輯； 其中，在考慮所述並聯陣列和所述天線之間的接口的寄生效應的同時，所述開關電容 器邏輯調整布置在天線板上的天線的頻率範圍。
16. 如權利要求15所述的開關電容器邏輯單元，其中，所述接口還包括： 包括寄生電感和寄生電容的傳輸線。
17. 如權利要求15所述的開關電容器邏輯單元，其中，所述接口還包括： 包括寄生電容的焊盤。
18. 如權利要求15所述的開關電容器邏輯單元，其中，所述接口還包括： 包括寄生電感和寄生電容的受控塌陷晶片連接。
19. 如權利要求15所述的開關電容器邏輯單元，其中，所述接口還包括： 包括寄生電容的靜電放電二極體。
20. 如權利要求15所述的開關電容器邏輯單元，其中，所述接口還包括： 包括寄生電感、寄生電容和寄生電阻的金屬線。
21. 如權利要求15所述的開關電容器邏輯單元，其中，所述並聯陣列包括五個電容器 並且所述多個開關包括五個開關； 其中，所述控制邏輯將所述天線的頻率範圍調節到31個可能的狀態之一。
22. 如權利要求15所述的開關電容器邏輯單元，其中，對於整數N，所述並聯陣列包括 N個電容器並且所述多個開關包括N個開關； 其中，所述控制邏輯將所述天線的頻率範圍調節到2N-1個可能的狀態之一。
23. 如權利要求15所述的開關電容器邏輯，所述控制邏輯還包括： 加載到存儲器中並且要由處理器執行的軟體程序； 其中，所述軟體程序啟用和禁用所述並聯陣列中的電容器。
24. 如權利要求16所述的開關電容器邏輯，所述控制邏輯還包括： 查找表，所述查找表包括用於所述並聯陣列和所述天線之間的接口中的一個或多個組 件的寄生效應數據； 其中，所述寄生效應數據包括寄生電阻、寄生電容和寄生電感。
25. -種布置在系統板上的基於處理器的系統，所述基於處理器的系統包括： 中央處理單元（CPU); 耦合到所述CPU的存儲器； 耦合到收發器的天線；以及 開關電容器邏輯單元，所述開關電容器邏輯單元包括： 排列成並聯陣列的多個電容器； 多個開關，其中，每個開關耦合在所述並聯陣列中其相應電容器與地之間；以及 啟用或禁用所述多個開關中的一個或多個開關的控制邏輯，所述控制邏輯包括要 加載到所述存儲器中並且由所述處理器執行的軟體程序； 其中，在考慮所述並聯陣列和所述天線之間的接口的寄生效應的同時，所述開關電容 器邏輯調整所述天線的頻率範圍。
26. 如權利要求25所述的基於處理器的系統，所述控制邏輯還包括： 查找表，所述查找表包括關於所述接口的一個或多個元件的寄生效應數據。
27. 如權利要求26所述的基於處理器的系統，其中，所述查找表包括用於以下各項的 寄生效應數據： 包括寄生電感L1和寄生電容C1的傳輸線； 包括寄生電容Q的焊盤； 包括寄生電感L2和寄生電容C2的受控塌陷晶片連接； 包括寄生電容C3的靜電放電二極體； 包括寄生電感L4、寄生電容C4和寄生電阻R的金屬線。
【文檔編號】H01Q23/00GK104321929SQ201380027778
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2013年6月14日 優先權日:2012年6月27日
【發明者】S-Y.蘇, R.蘇亞雷斯－賈特納 申請人:英特爾公司