CN103797644A - 重叠的和交错的天线阵列 - Google Patents

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Abstract

天线结构包括电介质材料，其中天线阵列单元放置于任一侧。电介质材料的任一侧上的单元与相对的单元重叠或者交错。电介质材料还可包括在不同方向辐射的共处天线阵列或阵列单元。天线阵列单元可使用共形屏蔽来形成，其中应用并且有选择地去除共形屏蔽以创建天线结构。包括天线结构的装置能够包括作为整形透镜的壳体，以增加天线孔径大小并且增强天线性能。

Description

重叠的和交错的天线阵列
背景技术
诸如无线吉比特联盟(WGA)或WiGig规范之类的演进传输规范将在各种发射装置上实现。WiGig规范由电气和电子工程师协会(IEEE)802.11ad规范来定义。具体来说，各种装置上使用的天线和天线阵列将实现这类规范。使用一个或多个天线阵列的装置可使用工作在如WiGig规范所定义的60GHz频谱(又称作“DBand”)中的WiGig无线电单元来发射。
天线阵列可连接到分开的发射链和接收链或者组合发射和接收开关。天线阵列可包括多个单元，以及天线阵列单元可设置成形成一维或二维阵列。天线阵列可设计成辐射或发射与阵列取向垂直的无线电波(例如，对于在y轴设置的天线阵列在z轴辐射，或者对于在x-y平面中设置的平面天线阵列在z轴辐射)。这类辐射称作垂射辐射。在某些实现中，天线阵列可设计成在与阵列取向相同的方向辐射或发射无线电波(例如，对于在y轴设置的天线阵列在y轴辐射，或者对于在x-y平面中设置的平面天线阵列在x-y平面辐射)。这种辐射称作端射辐射。
无论在装置上可实现哪个(哪些)规范(例如WiGig规范)，关于使天线阵列在装置中占据的空间最小化、使从装置的各种电源到天线阵列的有损功率传输最小化、以及一般提供从装置上的天线阵列到接收装置/站/等的有效传输，难题出现。
附图说明
参照附图来进行详细描述。附图中，参考标号最左边的数字标识首次出现该参考标号的附图。相同的标号在所有附图中用于表示相似的特征和部件。
图1是具有重叠天线阵列单元的示例电介质的简图。
图2是具有交错天线阵列单元的示例电介质的简图。
图3是用于分开的发射天线链和阵列以及接收天线链和阵列的示例架构的简图。
图4是一个示例系统无线装置的简图。
图5是包括共处天线阵列单元的示例系统的简图。
图6A是采用共形屏蔽所形成的示例垂射天线的简图。
图6B是采用共形屏蔽所形成的示例端射天线的简图。
图7是增强天线性能的示例整形透镜的简图。
图8是用于采用重叠或交错天线阵列进行发射和接收的示例流程图。
具体实施方式
概述
本文所述的是提供无线装置上的重叠和交错发射和接收天线阵列的架构、平台和方法。某些实现提供电介质材料，在其上，天线阵列放置于电介质材料的任一侧。在某些实现中，在不同方向辐射的天线阵列或阵列单元共处于同一板或模块上。在某些实现中，应用和去除共形屏蔽以创建天线结构。在某些实施例中，装置将壳体用作整形透镜，以增加天线孔径大小并且增强天线性能。
除非另加明确说明，否则如从以下论述中显而易见的，要理解，在本文通篇中，利用诸如“处理”、“计算”、“运算”、“确定”等术语的论述表示计算机或计算系统或者类似的电子计算装置的动作和/或过程，所述动作和/或过程操纵表示为计算系统的寄存器和/或存储器内的物理量(例如电子量)的数据，和/或将其转换为类似地表示为计算系统的存储器、寄存器或者其它这种信息存储装置或传输装置内的物理量的其它数据。如本文所使用的术语“一”或“一个”定义为一个或者不止一个。如本文所使用的术语“多个”定义为两个或者多于两个。如本文所使用的术语“另一个”定义为至少第二个或更多。如本文所使用的术语“包括”和/或“具有”定义为、但不限于“包括”。如本文所使用的术语“耦合”定义为采取例如机械地、电子地、数字地、直接地、通过软件、通过硬件等的任何预期形式在操作上连接。
如本文所使用的术语“无线装置”包括例如能够进行无线通信的装置、能够进行无线通信的通信装置、能够进行无线通信的通信站、能够进行无线通信的便携式或非便携式装置等等。在一些实施例中，无线装置可以是或者可包括与计算机集成的外围装置或者附连到计算机的外围装置。在一些实施例中，术语“无线装置”可以可选地包括无线服务。
一些实施例可与各种装置和系统结合使用，例如视频装置、音频装置、音频-视频(A/V)装置、机顶盒(STB)、蓝光盘(BD)播放器、BD记录器、数字视盘(DVD)播放器、高清晰度(HD)DVD播放器、DVD记录器、HD DVD记录器、个人视频记录器(PVR)、广播HD接收器、视频源、音频源、视频宿、音频宿、立体声调谐器、广播无线电接收器、显示器、平板显示器、个人媒体播放器(PMP)、数字摄像机(DVC)、数字音频播放器、扬声器、音频接收器、音频放大器、数据源、数据宿、数字照相机(DSC)、个人计算机(PC)、台式计算机、移动计算机、膝上型计算机、笔记本计算机、平板计算机、服务器计算机、手持计算机、手持装置、个人数字助理(PDA)装置、手持PDA装置、板上装置、板外装置、混合装置、车载装置、非车载装置、移动或者便携装置、消费者装置、非移动或者非便携装置、无线通信站、无线通信装置、无线接入点、有线或无线路由器、有线或无线调制解调器、有线或无线网络、无线区域网、无线视频区域网(WVAN)、局域网(LAN)、WLAN、PAN、WPAN、按照现有WirelessHD?和/或无线吉比特联盟(WGA)规范和/或其将来版本及派生物来操作的装置和/或网络、按照现有IEEE 802.11(IEEE 802.11-19992007：无线LAN媒体接入控制(MAC)和物理层(PHY)规范)标准和修正版(“IEEE 802.11标准”)、IEEE 802.16标准和/或其将来版本和/或派生物来操作的装置和/或网络、作为上述网络的组成部分的单元和/或装置、单向和/或双向无线电通信系统、蜂窝无线电电话通信系统、无线显示(WiDi)装置、蜂窝电话、无线电话、个人通信系统(PCS)装置、结合了无线通信装置的PDA装置、移动或便携全球定位系统(GPS)装置、结合了GPS接收器或收发器或芯片的装置、结合了RFID元件或芯片的装置、多输入多输出(MIMO)收发器或装置、单输入多输出(SIMO)收发器或装置、多输入单输出(MISO)收发器或装置、具有一个或多个内部天线和/或外部天线的装置、数字视频广播(DVB)装置或系统、多标准无线电装置或系统、有线或无线手持装置、无线应用协议(WAP)装置等等。
一些实施例可与一种或多种类型的无线通信信号和/或系统结合使用，例如射频(RF)、红外(IR)、频分复用(FDM)、正交FDM(OFDM)、时分复用(TDM)、时分多址(TDMA)、扩展TDMA(E-TDMA)、通用分组无线电业务(GPRS)、扩展GPRS、码分多址(CDMA)、宽带CDMA(WCDMA)、CDMA 2000、单载波CDMA、多载波CDMA、多载波调制(MDM)、离散多音(DMT)、Bluetooth?、全球定位系统(GPS)、Wi-Fi、Wi-Max、ZigBee?、超宽带(UWB)、全球移动通信系统(GSM)、2G、2.5G、3G、3.5G、GSM演进的增强数据速率(EDGE)等等。在各种其它装置、系统和/或网络中可使用其它实施例。
一些实施例可与适当的有限范围的或短程的无线通信网络结合使用，例如“微微网”，例如无线区域网、WVAN、WPAN等。
所述天线和天线阵列可符合WiGig规范，工作在60GHz谱。所述天线和天线阵列可以是波束可转向的或者定向波束天线或天线阵列。这类天线和天线阵列可以是平面的、三维的或者其它配置，如本领域的技术人员所知道的。另外，所述天线和天线阵列可提供垂射和/或端射辐射。
重叠的和交错的天线阵列
图1示出用于分开的重叠天线阵列的示例结构100的示意图。在材料或电介质材料104的一侧102-1和另一侧102-2上的是天线阵列，各天线阵列具有多个天线阵列单元106和108。典型天线阵列结构可在相同平面上实现；但是，为了使空间最小化，材料104的两侧均结合了天线阵列。在这个实施例中，天线阵列单元相互重叠。如图1所示，这个重叠被看作单元106正好在单元108之上。
如下面进一步论述的，天线阵列可实现为分开的发射或Tx链以及分开的接收或Rx链。典型天线阵列可用来发射和接收无线电波。但是，这类阵列利用Tx/Rx开关，这种开关可能在Tx和Rx链阵形中引入有损的功率和灵敏度。换言之，如果各天线单元用作收发器中的天线单元，则需要Tx/Rx开关，以将Tx信号和Rx信号分开地路由到天线单元。这个Tx/Rx开关具有关联的“插入损耗”，其在Tx和Rx链阵形中均出现。最终，这个损耗降低Tx输出功率，并且降低Rx灵敏度。通过实现分开的Tx和Rx天线链和阵列，关于功率和灵敏度的这种损耗可降低或消除。
在天线阵列中，单元应当分隔开所得出的近似值“无线电波的波长除以二”或λ/2。天线单元相互分隔开λ/2，以获得最佳天线阵列性能。使用WiGig规范的实现利用60GHz谱。因此，60GHz中的无线电波的波长λ转化成5mm。间距λ/2转化成阵列单元之间的2.5mm。一般来说，阵列的总面积是X和Y方向的单元数量乘以λ/2的函数。通过实现WiGig，天线阵列可比工作在较低频率的天线阵列明显要小。
图2示出用于分开的交错天线阵列的示例结构200的示意图。在材料或电介质材料204的一侧202-1和另一侧202-2上的是天线阵列，各天线阵列具有多个天线阵列单元206和208。在这个实施例中，天线阵列单元彼此交错。如图2所示，这个交错被看作单元206在单元208之上交错或间隔开。一个阵列的单元可沿X-Y方向与另一阵列的单元稍微交错或偏移，使得总面积略大于单个天线阵列的面积。交错特别实现成解决天线阵列单元的潜在干扰，如分隔式λ/2所定义。
可考虑关于电介质材料(例如电介质材料104和204)的边界条件，包括材料的厚度。具体来说，可考虑关于天线单元相互之间的操作。此外，可考虑两个阵列的辐射图的方向性差异，因为阵列被认为是三维(3D)的，并且一个阵列的单元对于另一阵列可能充当反射器或引导器。
如本领域的技术人员所理解的，天线阵列能够设置成各种形式，包括但不限于线形、六边形、星形、环形等。此外，天线阵列可以是二维或三维的。
图3示出用于分开的发射天线阵列302和接收天线阵列304的架构300的示意图。如上所述，发射和接收的单天线阵列利用Tx/Rx开关，该开关可能在Tx和Rx链阵形中引入有损的功率和灵敏度。为了解决这个问题，分开的发射天线阵列302放置在电介质材料306的一侧上，而分开的接收天线阵列304放置在电介质306的另一侧上。分开的发射链308控制发射天线阵列302，以及分开的接收链310控制接收天线阵列304。本领域的技术人员要理解，从链308和310到天线阵列302和304以及相应天线阵列单元的路由选择可利用有效(例如最短)路由。
图4示出可包括如上所述的膝上型计算机、台式计算机、平板计算机、入坞站、网络接口卡、移动装置、手持装置、智能电话等的系统无线装置400(无线装置400可以是网络中的站)的示意图。
无线装置400可以是一种无线通信装置，其能够用作例如：无线网络控制器、接入点、微微网控制器(PNC)、站、多波段站、源和/或目的地DBand站、发起器、应答器等。
按照本发明的一些示范实施例，无线装置400可包括例如无线电单元402。无线电单元402可在操作上耦合到诸如以上所述之类的两个或更多天线或天线阵列。例如，无线电单元402可在操作上耦合到天线404和406。如上所述，天线404和406可以是分开的发射和接收天线或天线阵列。因此，无线电单元402可至少包括发射器(Tx)408和接收器(Rx)410。另外，无线电单元402可包括波束形成(BF)控制器410，但是本发明的范围并不局限于这个方面。
此外，按照本发明的一些实施例，无线电单元402可在DBand(例如60GHz频带)上操作。无线装置400还可包括一个或多个处理器412和存储器414。处理器412可包括站管理实体(SME)模块416。在需要时，处理器414可按照IEEE 802.11TAGad和/或IEEE 802.15.3c和/或WirelessHD?和/或ECMA-387和/或ISO/IEC 13156:2009和/或Bluetooth?和/或WGA或WiGig规范来操作MAC协议。
存储器414可包括下列项中的一个或多个：易失性存储器、非易失性存储器、可拆卸或不可拆卸存储器、可擦除或不可擦除存储器、可写或可改写存储器等等。例如，存储器414可包括一个或多个随机存取存储器(RAM)、动态RAM(DRAM)、双倍数据速率DRAM(DDR-DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、静态RAM(SRAM)、只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、可擦可编程ROM(EPROM)、电可擦可编程ROM(EEPROM)、致密盘ROM(CD-ROM)、可记录致密盘(CD-R)、可改写致密盘(CD-RW)、闪存(例如NOR或NAND闪存)、内容可寻址存储器(CAM)、聚合物存储器、相变存储器、铁电存储器、硅-氧化物-氮化物-氧化物-硅(SONOS)存储器、盘、软盘、硬盘驱动器、光盘、磁盘、卡、磁卡、光卡、磁带、盒式磁带等等。
计算机存储介质包括通过任何方法或技术实现的、用于存储诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其它数据之类的信息的易失性和非易失性、可拆卸和不可拆卸介质。计算机存储介质包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其它存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其它光存储装置、磁带盒、磁带、磁盘存储装置或其它磁存储装置、或者能够用来存储供计算装置访问的信息的任何其它介质。
在一些示范实施例中，天线404和406可包括例如相控阵天线、内部和/或外部RF天线、偶极天线、单极天线、全向天线、端馈天线、圆极化天线、微带天线、分集天线、或者适合发送和/或接收无线通信信号、块、帧、传输流、分组、消息和/或数据的其它类型的天线，但是本发明的范围并不局限于这些示例。
在本发明的一些示范实施例中，在需要时，BF控制器410可包括多输入多输出(MIMO)控制器和/或波束形成器处理器。
共处的天线阵列和/或单元
在某些实现中，为了改进采用在多个方向辐射的天线阵列和/或天线阵列单元的空间覆盖，天线阵列或天线单元可共处于单个平台或平面、例如上述板或电介质材料上。
这种实现可用于诸如笔记本计算机、平板计算机、手持装置等的移动无线装置中。该实现还可用于覆盖多个辐射方向的固定通信装置，诸如电视机、机顶盒、AP、住宅网关等。
图5示出包括共处天线阵列单元的系统500的示意图。模块502可包括其它装置，诸如RF模块504和MAC+IF模块506。包括十个阵列单元508的天线阵列在方向510辐射。在同一模块上的是两个天线阵列单元512，它们驻留在同一模块502上。两个天线阵列单元512在不同方向514辐射。可设想共处天线阵列和单元可相互独立地进行操作。但是，这类共处天线阵列和单元可同时进行操作。
通过使天线或天线阵列共处，可节省空间，同时改进无线通信装置/系统的空间覆盖。不同的天线阵列是基本上独立的，并且在不同方向辐射。通过使天线或天线阵列共处于同一模块或同一板上，所使用空间可减小，并且天线阵列和单元适应于较小形状因数装置。这在尺寸不断减小的装置中可能特别有用。
形成天线的共形屏蔽
通常，天线可以是装置中如收发器之类的封装外部的。某些实现可将天线作为叠层材料的一部分来放置，其中叠层材料包括管芯。其它实现可规定天线是集成到封装中的分开的组件。
共形屏蔽可作为屏蔽过程应用于封装。共形屏蔽是一种在模制封装之上涂抹/沉积金属化薄层以形成屏蔽封装的方法。例如，无线电收发器可作为共形屏蔽封装内的管芯来提供。共形屏蔽的选择性去除可创建一种将无线电收发器和天线集成到同一封装中的天线结构。封装中的管芯(例如无线电收发器)和天线结构的直接接近性和/或耦合可改进性能，因为损耗被最小化。
如以下所述，不同的天线类型可使用共形屏蔽的金属化去除来创建，包括“缝隙”、“缝隙号角”、“缝隙贴片”等。此外，可提供不同的辐射图和辐射方向(即，垂射、端射)。通过集成到这种封装中的天线，可实现小形状因数，其可用于诸如蜂窝电话和其它手持装置之类的装置中。另外，可支持各种频率，例如WiGig 60GHz频率。如上所述，较高频谱往往虑及较小天线和较小封装。
图6A示出采用共形屏蔽所形成的垂射天线的示意图。管芯600(例如无线电收发器)与共形屏蔽一起封装在封装602中。有选择地去除共形屏蔽的金属化以创建天线604。在这个示例中，天线604是贴片天线，并且提供垂射辐射，如方向箭头606所示。
图6B示出采用共形屏蔽所形成的端射天线的示意图。管芯608(例如无线电收发器)与共形屏蔽一起封装在封装610中。有选择地去除共形屏蔽的金属化以创建天线612。在这个示例中，天线612是缝隙号角天线，并且提供端射辐射，如方向箭头614所示。
因此，可避免外部天线组件，因为天线是管芯之上的屏蔽的一部分。此外，天线馈线可直接连接到管芯。
增强天线性能的整形透镜
装置以及具体来说是无线装置可采用塑料或电介质材料来封闭，以保护内部组件、例如电路板。通常，这种被封闭的组件可包括如上所述的天线、天线阵列和天线阵列单元。从这类天线、天线阵列和天线阵列单元所辐射的无线电波可在它们通过塑料或电介质外壳材料时弯曲和再弯曲。虽然可能存在因无线电波经过材料而增加的关联路径损耗，但是有效孔径在有或没有材料时保持相同。
图7示出增强天线性能的整形透镜的示意图。无线装置700包括外壳702，外壳702可由塑料、电介质材料或者其它可变形材料制成，以便创建整形透镜壳体704。在外壳702内部是一个或多个天线单元706，天线单元706具有用于相应无线电波710的有效孔径708。整形透镜壳体可有效地增加如有效孔径712所表示的天线孔径尺寸。这可向和从物理上更小的天线聚焦更大量的无线电波。有益效果可包括有效天线增益的增加，并且改进链路预算，即使仍然存在与无线电波经过封闭材料702相关联的介电损耗。
这种实现可特别适用于实现WiGig规范并且工作在60GHz频谱的装置。这考虑到无线电波经过封闭材料的损耗在相对较高频率(例如60GHz)可能更为突出。因此，当计算链路预算时，增加有效孔径可帮助克服通过材料的损耗。
这种方式可以不局限于平台情况，而是还能够在封装或管芯级进行(在适用时)，例如以上所述。可考虑关于外壳的材料、外壳的厚度、无线电波长等。
示例过程
图8示出用于使用重叠或交错天线阵列来发射和接收无线电波的示范过程800的流程图。描述该方法的顺序并不是要被理解为限制，而是任何数量的所述方法框可按照任何顺序进行组合，以便实现该方法或备选方法。另外，各个框可从方法中删除，而没有背离本文所述主题的精神和范围。
在框802，将天线阵列和单元定位于电介质材料的一侧。在某些实施例中，天线阵列和单元可与其它天线阵列和单元共享电介质材料的一侧或平面。天线阵列和单元以及其它天线阵列和单元可在相同的或不同的方向辐射。
在框804，将另一个天线阵列和单元定位于电介质材料的另一侧。单元可与电介质材料的相对侧上的单元重叠。在某些实施例中，单元可与电介质的相对侧上的单元交错。交错和位置可基于如近似λ/2的间距所定义的单元的可能干扰来确定。
在框806，无线电波的发射使用天线阵列之一通过分开的发射链来执行。发射可通过工作在WiGig规范定义的60GHz的无线电单元进行。
在框808，无线电波的接收使用天线阵列之一通过分开的接收链来执行。接收可通过工作在WiGig规范定义的60GHz的无线电单元进行。
在框810，所发射和所接收无线电波被弯曲，以增加天线阵列的有效孔径。这可使用如上所述的整形透镜来执行。
在具体实施例的上下文中描述了按照本发明的实现。这些实施例意在说明，而不是限制。许多变更、修改、添加和改进是可能的。因此，对于本文中描述为单个实例的组件可提供多个实例。各种组件、操作和数据存储之间的界限是有些随机的，并且在特定说明性配置的上下文中示出具体操作。功能性的其它分配是可设想的，并且可落入随后的权利要求的范围之内。最后，在各种配置中作为分立组件呈现的结构和功能性可实现为组合的结构或组件。这些及其它变更、修改、添加和改进可落入随后的权利要求所定义的本发明的范围之内。

Claims (22)

1.一种用于天线阵列的结构，包括：
具有两个平面侧的电介质材料；
设置在所述电介质材料的一侧的第一组天线阵列单元；以及
设置在所述电介质材料的与所述第一组天线阵列单元的单元相对的另一侧的第二组天线阵列单元。
2.如权利要求1所述的结构，其中，所述第二组天线阵列单元与所述第一组天线阵列单元的单元重叠。
3.如权利要求1所述的结构，其中，所述第二组天线阵列单元在所述第一组天线阵列单元的单元之上交错。
4.如权利要求1所述的结构，其中，第一和第二天线阵列的单元相互间隔开λ/2的距离。
5.如权利要求4所述的结构，其中，λ由60GHz工作频率来限定。
6.如权利要求1所述的结构，其中，所述第一组天线阵列单元是发射链的一部分，以及所述第二组天线阵列单元是接收链的一部分。
7.如权利要求1所述的结构，其中，第一组和第二组天线阵列单元的天线阵列工作在60GHz。
8.如权利要求1所述的结构，其中，所述天线阵列单元被使用共形屏蔽过程来整形。
9.如权利要求1所述的结构，其中，所述天线阵列单元是垂射或端射天线阵列的一部分。
10.如权利要求1所述的结构，其中，所述天线阵列单元的无线电波是弯曲的，以便增加所述单元的有效孔径。
11.如权利要求1所述的结构，还包括放置于所述结构的任一侧或两侧、在不同方向辐射的其它天线阵列单元。
12.一种装置，包括：
一个或多个处理器；以及
无线电单元，所述无线电单元配置到所述一个或多个处理器，包括：
连接到第一天线阵列的发射器，所述第一天线阵列具有设置在电介质材料的一侧上的多个单元，以及
连接到第二天线阵列的接收器，所述第二天线阵列具有设置在所述电介质材料的另一侧上的多个单元。
13.如权利要求12所述的装置，其中，在电介质材料的任一侧上的所述单元设置成与相对的单元重叠。
14.如权利要求12所述的装置，其中，在所述电介质材料的任一侧上的所述单元设置成与相对的单元交错布置。
15.如权利要求12所述的装置，其中，所述单元设置成相互间隔开λ/2的距离。
16.如权利要求12所述的装置，其中，所述天线单元是包括所述发射器和接收器中的任一个或两者的封装的一部分，并且使用共形屏蔽来形成。
17.如权利要求12所述的装置，其中，所述装置工作在60GHz。
18.如权利要求12所述的装置，还包括外壳，所述外壳被整形以弯曲所发射和所接收无线电波，从而增加所述单元的有效孔径。
19.如权利要求12所述的装置，还包括共处天线单元和/或阵列以增加空间覆盖。
20.一种发射和接收无线电波的方法，包括：
将第一天线阵列和单元定位在电介质材料的一侧；
将第二天线阵列和单元定位在所述电介质材料的另一侧；
使用所述第一天线阵列和单元通过发射链来发射；以及
使用所述第二天线阵列和单元通过接收链来接收。
22.如权利要求20所述的方法，还包括对所发射和所接收无线电波进行重新整形，以增加所述天线阵列的有效孔径。
23.如权利要求20所述的方法，还包括使天线阵列和/或单元共处一地，以增加专门覆盖。
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