CN102884674A

CN102884674A - 为射频设备提供热管理的装置

Info

Publication number: CN102884674A
Application number: CN2011800233769A
Authority: CN
Inventors: E·S·马蒂斯
Original assignee: Qualcomm Inc
Current assignee: Qualcomm Inc
Priority date: 2010-05-12
Filing date: 2011-05-12
Publication date: 2013-01-16
Anticipated expiration: 2031-05-12
Also published as: KR20130028938A; JP2015181257A; EP2569822A1; JP6181105B2; CN102884674B; US8570224B2; KR101501818B1; JP2013526802A; US20110279331A1; WO2011143505A1

Abstract

为射频设备提供热管理的装置。提供了一种天线，该天线包括：天线主体，配置成传送电信号；以及耦合至该天线主体的一个或更多个安装表面，该一个或更多个安装表面被配置成安装至设备表面，从而该设备表面与该天线主体之间的合成热阻（R_th）小于15°C/瓦特。该天线主体形成PIFA天线、鞭状天线、贴片天线、或蜿蜒型贴片天线之一。

Description

为射频设备提供热管理的装置

背景

领域

本申请一般涉及无线通信系统的操作，尤其涉及用于为射频设备提供热管理的装置。

背景

无线通信设备通常使用功率放大器来传送射频信号以与其他设备通信。功率放大器通常耦合至天线，诸如被调谐以达成最优性能的平面倒F天线（PIFA）。然而，以高功率电平传送信号可能导致设备经历比能接受的更高的工作温度。此外，需要无线设备尽可能小以在市场上有竞争力也导致了增加的功率密度，这进一步使工作温度升高。遗憾的是，在高温度下工作可能导致性能下降或者其他热相关问题，诸如可靠性降低、数据率降低、或过度热的触摸温度。

已使用了若干种技术来克服与升高的工作温度相关联的问题。一种技术涉及性能节流（即，调整数据率、发射功率等）以降低或限制敏感组件的高温度暴露。已用于冷却组件和散热的其他技术包括用热传导填隙料来填充设备内的空隙、增大板面积和/或产品尺寸、增加通风孔、以及增加风扇。

遗憾的是，以上技术在降低工作温度方面可能并不是有效的或者可能导致材料成本增加、产品尺寸增大、或设备性能降级。例如，在利用PIFA的设备中，填隙料是不适用的，因为PIFA通常要求天线阵子与接地平面之间为低损耗电介质（诸如空气）以达成良好的性能。

因此，将期望具有克服以上描述的与升高的工作温度相关联的问题由此允许构建高性能紧凑型设备的机制。

附图简述

当结合附图参考以下描述时，本文描述的导热天线系统的上述方面将变得更显而易见，附图中：

图1示出根据导热天线系统构造的示例性PIFA天线的三个视图；

图2示出图1的PIFA天线的立体视图；

图3示出用于联合导热天线系统的实现来使用的示例性电路板；

图4示出根据导热天线系统构造的示例性设备组装件；

图5示出根据导热天线系统的解说热阻与接触表面积之间的关系的示例性图示；

图6示出根据导热天线系统的解说各种天线部分的热阻计算的示例性表；

图7示出包括导热天线系统的示例性设备；以及

图8示出根据导热天线系统构造的示例性天线装置。

描述

以下说明描述了作用于为射频（RF）设备提供热管理的导热天线系统的实现。

图1示出根据导热天线系统构造的示例性PIFA天线100的三个视图。参照正视图102，解说了天线主体104和具有传导安装表面106的两个安装脚112。天线主体104形成PIFA天线，其可具有任何期望的几何形状以达成任何特定的传送和/或接收特性。天线主体104由金属（诸如铜）构成以执行对电信号的传送。天线主体104也是热传导的。安装脚112和传导安装表面106也由热传导材料（诸如金属）形成，并且还可将电信号传导至天线主体104以进行传送。还应注意，导热天线系统不限于仅与PIFA天线联用，并且该系统适合与其他类型的天线（诸如鞭状天线、贴片天线、蜿蜒型贴片天线、或其他类型的天线）联用。

参照端视图108，解说了两个安装构件110。安装构件110也被称为馈送腿和短路腿。馈送腿将待传送信号馈送给天线主体104。短路腿通常耦合至信号接地。安装构件110作用于使安装脚112和传导安装表面106延伸远离天线主体104，以允许将天线100安装到电路板或其他表面而不干扰该表面上可能安装的其他组件。在一种实现中，安装构件110、安装脚112和传导安装表面106与天线主体104一起形成，以便形成一个连续的热传导单元。

在另一种实现中，安装构件110和安装脚112连同其传导安装表面106与天线主体104分开地形成并使用热传导附连机构来附连至天线主体104。在分开形成时，安装构件110和安装脚112由热传导材料（诸如金属）构成，并且还可将电信号传导至天线主体104以进行传送。因此，由传导安装表面106经历的热能量可流经安装脚112和安装构件110并进入天线主体104。

参照侧视图112，进一步解说了天线主体104、安装构件110、安装脚112和热传导安装表面106的取向。

在一种实现中，PIFA天线100由薄片金属或铜形成。然而，PIFA天线100可由任何具有恰适的热和电性质的合适金属构造而成。在其他实现中，天线100可通过光蚀刻、冲压、模制、组装个体组件、或在载体上电镀来形成。如图1中可以看出，在该具体实施例中，安装构件110的维度为2.5mm×5.0mm，并且安装脚112的维度为2.5mm×4.0mm以提供具有10mm²的表面积的传导安装表面106。天线100的厚度为0.25mm；然而，各种天线部分的其他厚度是可能的。这些维度是示例性的并且无意限制安装构件110、安装脚112或传导安装表面106的尺寸。

在导热天线系统的各种实现中，安装脚112或传导安装表面106的维度被选取成提供所选表面积和/或所选热阻值。安装构件110的维度也被选取成提供所选热阻值。安装表面106、安装脚112和安装构件110的组合被选择成提供允许热能量自由地从传导安装表面106流至天线主体104的热阻值范围。以下提供安装表面106、安装脚112和安装构件110的尺寸选择以及热阻计算的更详细描述。

在操作期间，PIFA天线100表现为用于传送电信号的天线并且还表现为用于消散在传导安装表面经历的热的热沉。例如，在一种实现中，PIFA天线100被纳入手持设备中，以使得天线主体104被暴露于该设备外部的周围环境中，并且传导安装表面106与该设备的内部电路板接触。例如，传导安装表面106紧邻设备功率放大器地耦合至电路板。传导安装表面106作用于通过安装脚112和安装构件110将热传导离开该电路板，以允许热能量流入天线主体104。该热能量随后从天线主体104消散至周围环境中。以下提供对PIFA天线100的更为详细的描述。

图2示出示例性PIFA天线100的立体图，解说了天线主体104、安装构件110、安装脚112和热传导安装表面106的安排和取向。安装构件110的高度可被调节以适应设备的外壳与该表面在设备内的位置（要从其散热，诸如内部电路板）之间的距离。

图3示出用于联合导热天线系统的实现来使用的示例性电路板300。电路板300包括一个或更多个用于在各组件之间路由信号的层302或平面。一般性地在304处示出的各组件安装在电路板300上并利用一个或更多个层302上一般性地在314处示出的路由迹线来向彼此传达信号。将假定组件306是功率放大器，其在操作期间产生热从而使电路板温度升高，这可能影响一个或更多个组件304的操作。例如，功率放大器306在放大电信号以用于传送时可产生大量的热。

电路板300还包括安装焊盘308和310。在该示例中，将假定安装焊盘308耦合至电路板300的接地平面并且安装焊盘310连接至路由迹线312，路由迹线312进一步连接至功率放大器306的输出。因此，安装焊盘308提供对电路板300的接地平面的热访问，电路板300的接地平面可能经历由于组件304和/或功率放大器306的操作而造成的热增加。例如，安装焊盘308可直接连接至位于电路板300顶表面上并由薄掩盖层覆盖的接地平面，或者安装焊盘308可通过一个或更多个连接通孔而连接至内部接地平面。安装焊盘310提供对功率放大器306的输出的访问，功率放大器306在该功率放大器放大信号以用于传送时也可能经历热增加。在一种实现中，功率放大器306位于安装焊盘308和310中至少一者的120mm内。

在导热天线系统的一种实现中，PIFA天线100安装至电路板300，从而两个传导安装表面106分别连接至安装焊盘308和310。例如，与馈送腿相关联的传导安装表面106安装至焊盘310，而与短路腿相关联的传导安装表面106安装至焊盘308。该安排允许来自功率放大器306的电信号由馈送腿耦合至PIFA天线以进行传送。

此外，在电路板操作期间由于组件304和/或功率放大器306而产生的热能量可从接地平面消散至与短路腿相关联的传导安装表面106并由此通过PIFA天线主体104消散至周围环境。因此，该导热天线系统将热能量传导离开电路板，从而允许电路板在较低温度下工作，并由此避免与在较高温度下工作相关联的问题。

图4示出根据导热天线系统构造的示例性设备组装件400。设备组装件400包括耦合至电路板300的PIFA天线100。区域402更详细地示出天线100至电路板300的耦合。

区域402示出电路板300、电路板安装焊盘308、安装脚112、以及传导安装表面106。在一种实现中，传导安装表面106被焊接至电路板安装焊盘308。在另一种实现中，传导安装表面106被电容性地耦合至电路板安装焊盘308。在电容性耦合的情形中，具有适合天线性能的介电性质的导热材料404被用在安装焊盘308与传导安装表面106之间以促进热传递和恰适的天线性能。在又一种实现中，使用螺钉或用于形成压力耦合的某种其他附连装置将传导安装表面106按压至电路板安装焊盘308。

在操作期间，由电路板300的组件（诸如功率放大器306）的操作产生的热通过安装焊盘308至安装表面106耦合而传导至PIFA天线100。该热能量随后通过安装脚112、安装构件110和天线主体104消散至周围环境中，如热流动线406所解说的。因此，PIFA天线100操作以提供两种功能。第一种功能是传送电信号，而第二种功能是从电路板300散热。这允许电路板在较低温度下工作，且因此使得不需要响应于热增大的操作技术（诸如性能节流）、或添加通风孔或风扇。

图5示出根据导热天线系统的解说热阻（R_th）与传导安装表面106的接触表面积（A）之间的关系示例性图示500。图示500的纵轴表示以摄氏度每瓦特（°C/瓦特）计的热阻，而图示500的横轴表示传导安装表面106的以平方毫米计的总导热表面积。

图示500包括标绘线502，其解说了热阻随着传导安装表面106的总表面积增加而如何下降。示出了三个点（504、506和508），其指示特定表面积和相关联的热阻。例如，在点504，第一表面积（A1）对应于第一热阻（R_th1），以及在点506和508，表面积A2和A3分别对应于R_th2和R_th3。因此，对于给定的接触表面积，可确定相应的热阻。

热阻计算

在导热天线系统的各种实现中，合成热阻是基于传导安装表面106与电路板表面之间的连接的热阻、安装脚112的热阻、以及安装构件110的热阻之间的组合来确定的。以下表达式可用于确定以上所标识的各天线部分中的每个部分的热阻。

R_th=t/(k＊A)

在以上表达式中，R_th是以°C/瓦特计的热阻，t表示在热流动方向上以(mm)计的材料厚度，k是该材料的热导率参数，以及A是与热流动垂直的该材料以(mm²)计的横截面积。因此，从表面（诸如电路板300）至天线主体104的合成热阻可通过将三个组件的热阻——即电路板与传导安装表面106之间的连接的热阻、安装脚112的热阻和安装构件110的热阻——求和来确定。

图6示出解说为视图402中所示的每个天线部分计算的热阻的示例性表600。例如，对于每个天线部分602，热阻604是基于以上表达式使用关于t 606、k 608、长度(L)610、宽度(W)612和面积(A)614的指定值来计算的。

如表600中可以看出，对于焊料连接，在616处示出了指定尺寸的两种焊料连接类型的热阻。对于电容性耦合连接，在618处示出了三种不同热接口材料的热阻。在620处示出了指定尺寸的三种安装脚材料的热阻，以及在622处示出了指定尺寸的三种安装腿材料的热阻。

因此，在各种实现中，天线100的合成热阻包括安装表面106与电路板之间的连接的热阻（或者616或者618）、安装脚112的基于其材料和尺寸的热阻（620）以及安装构件（或即安装腿）的基于其材料和尺寸的热阻（622）。这表示一个安装表面及相关联的结构组件的热阻。对于两个安装表面，如天线100提供的，合成热阻除以2。

表1示出了基于天线100的测量以及表600中提供的其他信息在导热天线系统的示例性天线实现中提供的热阻值。例如，该天线实现包括连接类型、脚类型和腿类型，它们加在一起来确定合成热阻。具有多个安装表面的天线将具有多个连接、脚和腿类型，并且合成热阻可从与所有天线组件相关联的热阻的组合来确定。例如，为了确定多条热路径的合成热阻，这些路径的热阻以与电子电阻器被组合以确定合成电阻的方式类似地被组合。例如，将串联电阻器相加以确定合成电阻。两个并联电阻器根据(R1*R2)/(R1+R2)进行组合以确定合成电阻。应注意，表1仅仅是示例性的并且具有不同连接、脚和腿类型的其他实现是可能的。

表1

由于天线100包括两个安装表面，因此合成热阻将是与每个表面相关联的热阻的组合。最终结果可以通过除以2来确定，这意味着天线100基于给定维度的合成热阻为10.8。因此，基于以上规范和维度，由该导热天线系统的实现所提供的热阻的上限被设为值15°C/瓦特。

尽管天线100提供了两个传导安装表面106，但该系统适合与任何数目的传导安装表面及相关联的脚和腿结构联用。这些结构的维度被用于确定合成净热阻。例如，在一种实现中，天线100被构造成具有仅一个安装表面。在另一种实现中，天线100被构造成具有三个或更多个安装表面。因此，可提供任何数目的安装表面及相关联的脚和腿结构，并且以上表达式被用于确定每个部分的热阻以及将所有安装表面和相关联结构纳入考虑的合成热阻。例如，具有一个安装表面的天线可具有合成热阻R_th，而具有两个相同安装表面及相关联结构的天线将具有热阻R_th/2。

在一种实现中，天线100的维度被确定为提供小于15°C/瓦特且大于或等于12°C/瓦特的热阻。在另一种实现中，天线100的维度被确定为提供小于12°C/瓦特且大于10°C/瓦特的热阻。在另一种实现中，天线100的维度被确定为提供小于10°C/瓦特且大于8°C/瓦特的热阻。在另一种实现中，天线100的维度被确定为提供小于8°C/瓦特且大于6°C/瓦特的热阻。在另一种实现中，天线100的维度被确定为提供小于6°C/瓦特且大于4°C/瓦特的热阻。在另一种实现中，天线100的维度被确定为提供小于4°C/瓦特且大于2°C/瓦特的热阻。在另一种实现中，天线100的维度被确定为提供小于2°C/瓦特且大于1°C/瓦特的热阻。在另一种实现中，天线100的维度被确定为提供小于1°C/瓦特且大于0.5°C/瓦特的热阻。

图7示出通信网络700和包括导热天线系统的示例性设备702。通信网络700包括网络704，网络704可以是任何类型的有线和/或无线通信网络。网络704包括通信服务器706，通信服务器706操作以使用无线传输链路708与设备702通信。应注意，尽管仅示出了一个设备，但是通信服务器706可与任何数目的设备无线地通信。

设备702是根据导热天线系统构造的并且包括图1中所示的PIFA天线100。例如，设备702的后视图710示出了PIFA天线100被暴露于周围环境以允许散热。设备702的侧视图712示出了具有功率放大器306的内部电路板300、接合区域402以及PIFA天线100，PIFA天线100在该设备外部延伸并暴露于周围环境。基于耦合尺寸和类型、脚尺寸和材料、以及腿尺寸和材料来执行以上描述的对天线100的每个部分的热阻计算以确定合成热阻。例如，该热阻可对应于表1中所示的实现。

在操作期间，电路板、功率放大器、以及相关联的组件产生热。例如，电路板300上的功率放大器306在向通信服务器706传送信号时产生热。热能量从安装焊盘308和3 10流至PIFA天线100的传导安装表面106并通过安装脚112、安装腿110和PIFA天线主体104散至周围环境中。因此，可管理电路板300及其相关联的组件的温度而无需使用性能节流或其他热补偿技术。

图8示出根据导热天线系统构造的示例性天线装置800。在一种实现中，天线装置800由金属或其他热传导材料构成。

天线装置800包括用于传送电信号的天线主体装置（802）。天线主体装置802可以是PIFA天线、鞭状天线、贴片天线、蜿蜒型贴片天线或任何其他类型的天线。天线装置800还包括用于将天线主体装置802耦合至设备表面的安装装置（804）。在一种实现中，安装装置804包括安装构件装置806和安装脚装置808，它们包括金属或其他热传导材料。安装脚装置包括用于使用连接装置812将天线装置800安装至一表面（诸如电路板）的安装表面810，连接装置812包括焊料或热传导材料。由天线装置800提供的合成热阻基于连接装置812、安装脚装置808和安装构件装置808的热阻。在一种或更多种实现中，该热阻小于15°C/瓦特。

提供对所公开方面的描述是为了使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本发明。对这些方面的各种改动对本领域技术人员而言可能是明显的，并且本文所定义的普适原理可应用于其他方面而不会脱离本发明的精神实质或范围。由此，本发明并非旨在被限定于本文中示出的各方面，而是应被授予与本文所公开的原理和新颖性特征一致的最广义的范围。本文中专有地使用词语“示例性”来表示“用作示例、实例或解说”。本文中描述为“示例性”的任何方面不必被解释为优于或胜过其他方面。

相应地，虽然本文已解说和描述了导热天线系统的各方面，但是将领会，可对这些方面作出各种改变而不会脱离其精神或本质特性。因此，本文中的公开和描述旨在解说而非限定本发明的范围，本发明的范围在所附权利要求中阐述。

Claims

1.一种用于设备中的热管理的天线，所述天线包括：

天线主体，配置成传送电信号；以及

耦合至所述天线主体的一个或更多个安装表面，所述一个或更多个安装表面被配置成安装至设备表面，从而所述设备表面与所述天线主体之间的合成热阻（R_th）小于15°C/瓦特。

2.如权利要求1所述的天线，其特征在于，所述一个或更多个安装表面被配置成分别利用一种或更多种连接类型安装至所述设备表面，其中所述一种或更多种连接类型中的每一种选自包括以下各项的集合：焊料连接、压力连接、以及电容性耦合连接。

3.如权利要求2所述的天线，其特征在于，所述一个或更多个安装表面耦合至一个或更多个安装脚，并且所述一个或更多个安装脚通过一个或更多个安装腿耦合至所述天线主体，从而所述合成热阻是与所述一种或更多种连接类型、所述一个或更多个安装脚、以及所述一个或更多个安装腿相关联的热阻的组合。

4.如权利要求3所述的天线，其特征在于，与所述一种或更多种连接类型、所述一个或更多个安装脚、以及所述一个或更多个安装腿相关联的热阻是根据R_th=t/(k*A)确定的。

5.如权利要求4所述的天线，其特征在于，所述一种或更多种连接类型、所述一个或更多个安装脚、以及所述一个或更多个安装腿的维度被确定成使得以°C/瓦特计的所述合成热阻落在选自包括以下各项的范围集合的范围中：15>R_th≥12、12>R_th≥10、10>R_th≥8、8>R_th≥6、6>R_th≥4、4>R_th≥2、2>R_th≥1、以及1>R_th≥0.5。

6.如权利要求1所述的天线，其特征在于，至少一个安装表面被配置成在所述设备表面与所述天线主体之间传导电信号。

7.如权利要求1所述的天线，其特征在于，所述天线主体形成PIFA天线、鞭状天线、贴片天线、或蜿蜒型贴片天线之一。

8.一种用于设备中的热管理的天线装置，所述装置包括：

天线主体装置，用于传送电信号；以及

耦合至所述天线主体装置的安装装置，所述安装装置用于安装至设备表面，从而所述设备表面与所述天线主体装置之间的合成热阻小于15°C/瓦特。

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述安装装置包括用于安装至所述设备表面的连接装置。

10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述安装装置包括用于支持所述连接装置的安装脚装置以及用于将所述安装脚装置安装至所述天线主体装置的安装腿装置，从而所述合成热阻是与所述连接装置、所述安装脚装置和所述安装腿装置相关联的热阻的组合。

11.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述连接装置、所述安装脚装置、以及所述安装腿装置的维度被确定成使得以°C/瓦特计的所述合成热阻落在选自包括以下各项的范围集合的范围中：15>R_th≥12、12>R_th≥10、10>R_th≥8、8>R_th≥6、6>R_th≥4、4>R_th≥2、2>R_th≥1、以及1>R_th≥0.5。

12.一种设备，包括：

功率放大器（PA）；

天线主体，配置成传送来自所述功率放大器的电信号；以及

13.如权利要求12所述的设备，其特征在于，所述一个或更多个安装表面被配置成分别通过一种或更多种连接类型安装至所述设备表面，其中所述一种或更多种连接类型中的每一种选自包括以下各项的集合：焊料连接、压力连接、以及电容性耦合连接。

14.如权利要求13所述的设备，其特征在于，所述一个或更多个安装表面耦合至一个或更多个安装脚，并且所述一个或更多个安装脚通过一个或更多个安装腿耦合至所述天线主体，从而所述合成热阻是与所述一种或更多种连接类型、所述一个或更多个安装脚、以及所述一个或更多个安装腿相关联的热阻的组合。

15.如权利要求14所述的设备，其特征在于，与所述一种或更多种连接类型、所述一个或更多个安装脚、以及所述一个或更多个安装腿相关联的热阻是根据R_th=t/(k*A)确定的。

16.如权利要求15所述的设备，其特征在于，所述一种或更多种连接类型、所述一个或更多个安装脚、以及所述一个或更多个安装腿的维度被确定成使得以°C/瓦特计的所述合成热阻落在选自包括以下各项的范围集合的范围中：15>R_th≥12、12>R_th≥10、10>R_th≥8、8>R_th≥6、6>R_th≥4、4>R_th≥2、2>R_th≥1、以及1>R_th≥0.5。

17.如权利要求12所述的设备，其特征在于，所述设备表面是包括功率放大器的电路板，所述功率放大器位于至少一个安装表面的120毫米内。

18.如权利要求12所述的设备，其特征在于，所述天线主体暴露在所述设备外部以将热能量散至周围环境中。

19.如权利要求12所述的设备，其特征在于，所述天线主体形成PIFA天线、鞭状天线、贴片天线、或蜿蜒型贴片天线之一。

20.如权利要求12所述的设备，其特征在于，所述设备是手持设备。