CN107644182A - 用于可穿戴设备的射频系统 - Google Patents

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Abstract

射频(RF)系统包括RF集成电路(IC)裸片和耦合到RF IC裸片的天线。RF系统还包括位于RF IC裸片之上的反射层，反射层在天线的至少一部分之上延伸，天线与反射层的组合具有辐射图，辐射图包括在与反射层的顶表面平行的第一方向上的主瓣。

Description

用于可穿戴设备的射频系统
技术领域
本公开总体涉及电子设备，更具体地涉及具有RF集成电路(RFIC)的射频(RF)系统和被使用在可穿戴设备中的天线系统。
背景技术
由于诸如硅锗(SiGe)和精细几何互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺的低成本半导体技术的飞速发展，毫米波频率系统中的应用在过去几年中受到高度重视。高速双极和金属氧化物半导体(MOS)晶体管的可用性导致了对处于60GHz、77GHz和80GHz以及超过100GHz的毫米波应用的集成电路的不断增长的需求。这样的应用包括例如汽车雷达系统，多千兆比特通信系统以及诸如智能手表、运动监控器和健康监控器的可穿戴消费者设备。
在一些雷达系统中，通过发射调频信号、接收调频信号的反射以及基于时间延迟和/或调频信号的发射与接收之间的频率差，来确定雷达与目标之间的距离。因此，一些雷达系统包括用于发射的RF信号的发射天线、用于接收RF的接收天线以及用于生成所发射信号并接收RF信号的相关联的RF电路装置。在一些情况下，可使用多个天线来实现使用相控阵技术的定向波束。
发明内容
根据实施例，射频(RF)系统包括RF集成电路(IC)裸片和耦合到RF IC裸片的天线。RF系统还包括位于RF IC裸片之上的反射层，反射层在天线的至少一部分之上延伸，天线和反射层的组合具有辐射图，辐射图包括在平行于反射层顶表面的第一方向上的主瓣。
附图说明
为了更完整地理解本发明及其优点，现在参考下文结合附图进行的描述，附图中：
图1A示出了根据一些实施例的安装在电路板上的RF电路装置/天线封装的透视图；
图1B示出了根据一些实施例的安装在具有相应的辐射图的电路板上的RF电路装置/天线封装的透视图；
图2示出了根据一些实施例的毫米波手势感测系统的示意图；
图3A示出了根据一些实施例的可穿戴设备的顶视图；
图3B示出了根据一些实施例的可穿戴设备的横截面图；
图4A示出了根据一些实施例的安装在电路板上的RF电路装置/天线封装的透视图；
图4B示出了显示根据一些实施例的RF电路装置/天线封装的辐射图的三维图；
图4C示出了根据一些实施例的安装在具有相应的辐射图的电路板上的RF电路装置/天线封装的透视图；
图5A示出了根据一些实施例的安装在电路板上的RF电路装置/天线封装的透视图；
图5B示出了显示根据一些实施例的RF电路装置/天线封装的辐射图的三维图；
图5C示出了根据一些实施例的安装在具有相应的辐射图的电路板上的RF电路装置/天线封装的透视图；
图6A示出了根据一些实施例的可穿戴设备的顶视图；
图6B示出了根据一些实施例的可穿戴设备的横截面图；
图6C示出了根据一些实施例的可穿戴设备的平面图；
图7A示出了根据一些实施例的可穿戴设备的平面图；
图7B示出了根据一些实施例的可穿戴设备的平面图；
图7C示出了根据一些实施例的可穿戴设备的平面图；以及
图8示出了根据一些实施例的集成到可穿戴设备中的手势感测系统的操作方法的流程图。
除非另有说明，不同图中的相应的标号和标记一般涉及相应的部件。附图是为了清楚地说明优选实施例的相关方面，而并非必须按比例绘制。为了更清楚地说明某些实施例，指示相同结构、材料或工艺步骤的变型的字母可跟随在图号之后。
具体实施方式
下面详细讨论当前优选实施例的形成和使用。然而应当理解，本发明提供可在各种特定上下文中体现的许多可应用的发明构思。所讨论的具体实施例仅仅是形成和使用本发明的特定方式的说明，并不限制本发明的范围。
将在特定上下文中针对实施例来描述本公开，射频(RF)系统包括RF集成电路(RFIC)和天线系统。特别地，关于RF系统来描述下面的各种实施例，该RF系统作为可穿戴消费者设备(诸如例如智能手表)的手势感测系统的一部分。本文所呈现的各种实施例也可应用于其他系统和应用，诸如其他可穿戴的/可携带的消费者设备(诸如健康监控系统、活动监控系统、移动电话、平板设备、便携式游戏控制台、照相机、摄像机、膝上型计算机、笔记本电脑等)和非便携式消费者设备(电视机、游戏机、台式计算机等)。
在本文呈现的各种实施例中，提供RF系统，RF系统可集成到可穿戴设备的手势感测系统中。在各种实施例中，手势感测系统可使用毫米波RF电路来实现，以产生毫米波手势感测系统。在实施例中，手势感测系统包括RF系统，RF系统包括RF电路装置和天线，其被实现为球栅阵列(BGA)封装。这种RF电路装置/天线封装包括集成电路，其具有位于芯片的第一边缘上的接收接口以及位于芯片的相邻或相对边缘上的发射接口。多元件贴片天线被布置在封装的、与芯片的第一边缘相邻的表面上，并且被耦合到芯片的第一边缘处的多个接收通道接口。类似地，用于发射信号的贴片天线布置在与发射接口相邻的、芯片的相邻或相对的边缘上的封装的再分配层上。
在一些实施例中，在雷达系统中广泛使用的波束形成概念可用于对射频信号的发射和接收赋予波束控制和方向性。这种实施例可应用于例如汽车雷达系统、照相机系统、便携式系统、可穿戴系统、电视机、平板电脑和其他应用。实施例波束形成概念也可用于实现手势识别系统。在过去，已使用光学照相机、压力传感器、PAL以及其他设备来实现手势识别系统。通过使用实施例雷达系统，手势识别系统可执行准确的距离测量，同时方便地隐藏在由塑料或其他坚固材料制成的不透明盖子之后。
在一些实施例中，手势感测系统集成在诸如例如智能手表的可穿戴设备的电路板上。在实施例中，手势感测系统的RF电路装置/天线封装的天线被形成为具有辐射图，使得天线在不被可穿戴设备的其他部件(诸如可穿戴设备的显示器)阻挡的方向上发射或接收RF信号。在另一实施例中，手势感测系统的RF电路装置/天线封装包括反射层，以修改RF电路装置/天线封装的天线的辐射图。反射层反射和/或抑制RF信号在不期望方向(诸如例如朝向可穿戴设备的显示器的方向)上的发射和/或接收，并将辐射能量重定向到期望的方向(诸如例如平行于可穿戴设备显示器的方向)。在这种实施例中，可穿戴设备的壳体的一些部分可由毫米波RF信号可穿透的合适材料形成。
图1A示出了根据一些实施例的安装在电路板101上的RF电路装置/天线封装103的透视图。在实施例中，RF电路装置/天线封装103使用焊球(未示出)安装在电路板101上。电路板101可使用绝缘衬底来实现，绝缘衬底具有层叠在绝缘衬底的一侧或两侧上的一个或多个薄导电层(未单独示出)。将一个或多个薄导电层图案化(例如蚀刻)，以形成电路板101的电路装置互连。一个或多个薄导电层可配置成接地层、功率层和/或信号层。在实施例中，绝缘衬底由FR4形成，并且一个或多个薄导电层由铜形成。可替换地，可使用诸如RogersPCB材料的其他绝缘材料或导电材料来形成电路板101。在一些实施例中，电路板101可包括本领域已知的额外的导电层和绝缘层。
在实施例中，RF电路装置/天线封装103包括RF前端集成电路(IC)裸片105、发射天线107a和107b以及接收天线109a-109d。RF电路装置/天线封装103被配置成经由发射天线107a和107b向对象(诸如例如当RF电路装置/天线封装103是可穿戴设备的手势感测系统的一部分时的消费者的手)发射入射的RF信号，并且经由接收天线109a-109d从对象接收反射的RF信号。RF前端IC裸片105包括耦合到接收天线109a-109d的接收器前端(未示出)、以及耦合到发射天线107a和107b的发射器前端(未示出)。在实施例中，使用贴片天线来实现发射天线107a和107b以及接收天线109a-109d。如下面更详细描述的，基于对RF电路装置/天线封装103的设计要求，可使用其他类型的天线来实现发射天线107a和107b以及接收天线109a-109d。RF前端IC裸片105提供要发射到发射机前端的信号，并接收和/或处理由接收机前端接收的信号。在一些实施例中，RF电路装置/天线封装103的操作频率在约57GHz与约66GHz之间。可替换地，实施例系统也可在该范围之外的频率下操作。
如图所示，RF电路装置/天线封装103是包括模制材料层的嵌入式晶片级(eWLB)球栅阵列(BGA)封装。在这种实施例中，RF前端IC裸片105被布置在模制材料层内。RF电路装置/天线封装103还可包括导电层(例如再分配层(RDL))，用于布线和/或用于在封装内实现各种无源和/或有源器件。可使用RDL来实现发射天线107a和107b以及接收天线109a-109d。可替换地，也可使用诸如BGA封装或先进薄小型无引线(ATSPL)封装的其他封装类型来实现RF电路装置/天线封装103。
图1B示出了根据一些实施例的安装在具有接收天线109a-109d的对应辐射图111电路板101上的RF电路装置/天线封装103的透视图。在其中使用贴片天线实现接收天线109a-109d的实施例中，接收天线109a-109d的辐射图111具有设置在RF电路装置/天线封装103的、位于接收天线109a-109d上方的顶表面上的“半球”形状。接收天线109a-109d被配置成从根据辐射图111的方向接收RF信号。因此，放置在RF电路装置/天线封装103的顶表面上方的障碍物可能通过阻挡接收天线109a-109d的最敏感(具有最高增益)的方向而不利地影响RF电路装置/天线封装103的性能。
图2示出了根据一些实施例的毫米波手势感测系统200的示意图。如图所示，雷达收发器设备201被配置成经由发射天线213a和/或发射天线213b向做出手势的手217发射入射的RF信号，并且经由包括接收天线215a-215d的天线阵列接收反射的RF信号。雷达收发器设备201包括耦合到接收天线215a-215d的接收机前端211、耦合到发射天线213a的第一发射机前端203以及耦合到发射天线213b的第二发射机前端209。雷达电路205提供待发射到第一和第二发射机前端203和209的信号，并且经由接收器前端211接收信号。处理电路装置207处理接收到的信号，以及控制由第一发射机前端203和第二发射机前端209产生的发射。在一些实施例中，毫米波手势感测系统200被实现为具有两个发射信道和四个接收信道的调频连续波(FMCW)雷达传感器，以实现形成全息雷达的数字波束，以便测量在天线前方的视场(FOV)中的每个目标的相对速度、距离和相位。在其他实施例中，发射信道的数量和接收信道的数量可根据对于毫米波手势感测系统200的设计要求而变化。
在操作期间，做出手势的手217的位置和手势可由雷达收发器设备201以及与其耦合的其他处理电路装置来检测。例如，雷达收发器设备201可耦合到可穿戴设备、计算机系统、器械或其他设备，并且检测到的手势可用作这些设备的输入。例如，两个手指彼此敲击的手势可解释为“按钮按压”，或者旋转的拇指和手指的手势可解释为转动拨号。
在一些实施例中，雷达收发器设备201或雷达收发器设备201的部分可在包括雷达电路装置205、第一发射机前端203、第二发射机前端209、接收机前端211、发射天线213a和213b以及接收天线215a-215d的封装(诸如以上参照图1A描述的RF电路装置/天线封装103)中实现。在其他实施例中，雷达收发器设备201可实现为布置在电路板上的一个或多个集成电路，并且发射天线213a和213b以及接收天线215a-215d可在与集成电路相邻的电路板上实现。在2015年11月30日提交的美国申请No.14/954,198中已描述了手势感测系统(例如毫米波手势感测系统200)的各种操作方法，通过引用将该申请全文并入本文中。
图3A和图3B分别示出了根据一些实施例的可穿戴设备300的顶视图和横截面图。在所示实施例中，可穿戴设备300为智能手表。可替换地，可穿戴设备300可为健康监控系统、活动监控系统等。可穿戴设备300包括壳体301，该壳体容纳可穿戴设备300的各种部件，用作机械支撑件并且为可穿戴设备300的各种部件提供保护。可使用对可穿戴设备300的各种部件提供期望的支撑和保护的任何合适的材料来形成壳体301。例如，可使用金属、金属合金等形成壳体301。可穿戴设备300还包括附接到壳体301、并且被配置成将可穿戴设备300附接到消费者腕部的带303。图3B未示出带303，因为图3B示出了YZ平面中的横截面图。
可穿戴设备300还包括电路板305，该电路板电耦合在电路板305上安装的各种电气部件或设备。可使用与以上参考图1A描述的电路板101类似的材料和方法来形成电路板305，并且为了简洁起见，这里不再重复描述。在实施例中，RF电路装置/天线封装307和各种电气部件(由图3B中的两个电气部件309和311表示)安装在电路板305上，以形成手势感测系统(诸如例如以上参考图2描述的毫米波形手势感测系统200)。RF电路装置/天线封装307可类似于以上参考图1A描述的RF电路装置/天线封装103，为了简洁起见，这里不再重复描述。电气部件309和311可包括晶体振荡器(Xtal)、锁相环(PLL)电路、基带放大器、模数转换器(ADC)、开关、功率管理集成电路(PMIC)等。
如图所示，可穿戴设备300还包括耦合到电路板305的显示器313。显示器313覆盖电路板305和安装在电路板305上的各种电气部件或设备，诸如RF电路装置/天线封装307。显示器313可为LCD、LED显示器、AMOLED显示器等。本领域普通技术人员应当理解，根据可穿戴设备的功能需求，电路板305可进一步包括附加部件(未示出)。在一些实施例中，电路板305可包括各种专用集成电路(ASIC)，用于对显示器313供电和控制的各种部件，各种传感器(诸如运动传感器、压力传感器、温度传感器、湿度传感器、触摸传感器、心率传感器等)，各种接口部件(诸如USB、WiFi、WiGig、蓝牙等)，各种电源管理部件以及电源(诸如电池)等。
在实施例中，RF电路装置/天线封装307的接收天线具有与图1B所示辐射图111类似的辐射图。因此，RF电路装置/天线封装307的接收天线主要在Z方向上具有最高增益。在这种实施例中，由RF电路装置/天线封装307接收的毫米波RF信号315被显示器313或壳体301顶部阻挡，因为显示器313或壳体301顶部由对毫米波RF信号而言不可穿透的材料形成。在实施例中，可穿戴设备300的显示器313被重新塑形，使得重新塑形的显示器313不阻挡RF电路装置/天线封装307的RF信号315。可替换地，RF电路装置/天线封装307被放置在可穿戴设备300的、不被显示器313阻挡的位置(例如壳体301与可穿戴设备300的带303的接合部)中。
如下面更详细描述的，在其他实施例中，RF电路装置/天线封装可配置成使得RF电路装置/天线封装的天线主要在Y方向上具有最高增益。在这种实施例中，壳体301侧壁的一部分或整体由对毫米波RF信号而言可穿透的材料形成，以确保可穿戴设备的手势感测系统的正确操作。
图4A示出了根据一些实施例的安装在电路板401上的RF电路装置/天线封装403的一部分的透视图。可使用与以上参考图1A描述的电路板101类似的材料和方法来形成电路板401，并且为了简洁起见，这里不再重复描述。如图所示，RF电路装置/天线封装403包括耦合到接收天线407的RF前端IC裸片405，使用具有辐射图的八木(Yagi-Uda)天线来实现该接收天线(参见图4B)，该辐射图在Y方向上具有主瓣。在其他实施例中，可使用其他定向天线(例如维瓦尔第天线、蝶形天线等)来实现接收天线407。
图4B示出了显示RF电路装置/天线封装403的辐射图409的三维图，其中使用八木天线来实现接收天线407。与图1B所示的辐射图111相比，辐射图409在Y方向上显示明显的方向性。在实施例中，辐射图409在Y方向上具有主瓣409m。此外，辐射图409在Z方向上具有旁瓣409s，旁瓣409s具有与主瓣409m相似的增益。
图4C示出了根据一些实施例的安装在具有相应的辐射图409的电路板401上的RF电路装置/天线封装403的透视图。特别地，图4C示出了辐射图409关于接收天线407和RF电路装置/天线封装403的其他部件的位置。如下面更详细描述的，可通过使用放置在RF电路装置/天线封装顶部的反射层抑制辐射图409的旁瓣409s，来增加辐射图409的主瓣409m(参见图5A、图5B和图5C)。
图5A示出了根据一些实施例的安装在电路板501上的RF电路装置/天线封装503的一部分的透视图。可使用与以上参考图1A描述的电路板101类似的材料和方法来形成电路板501，为了简洁起见，这里不再重复描述。在实施例中，RF电路装置/天线封装503包括耦合到接收天线507的RF前端IC裸片505，使用具有辐射图的八木天线来实现该接收天线(参见图5B)，该辐射图在Y方向上具有主瓣。在其他实施例中，可使用诸如维瓦尔第天线、蝶形天线等其他定向天线来实现接收天线507。
进一步参考图5A，反射层509形成在RF电路装置/天线封装503的顶表面之上，使得反射层509形成在RF前端IC裸片505之上、且至少部分地在接收天线507之上。反射层509可由金属材料形成，诸如铝、银、钴、它们的合金等。如图所示，在形成RF电路装置/天线封装503之后，反射层509形成在RF电路装置/天线封装503之上。在这种实施例中，反射层509可使用合适的粘合剂附接到RF电路装置/天线封装503的顶表面。随后，具有附接的反射层509的RF电路装置/天线封装503可安装在电路板501上。在另一实施例中，在将RF电路装置/天线封装503安装在电路板501上之后，在RF电路装置/天线封装503之上形成反射层509。
在另一实施例中，反射层509可在封装过程中附接到RF前端IC裸片505，以形成RF电路装置/天线封装503。在这种实施例中，反射层509可为液体金属焊盘，并且可在封装RF前端IC裸片505之前附接到RF前端IC裸片505的顶表面。在将反射层509附接到RF前端IC裸片505的顶表面之后，反射层509和RF前端IC裸片405可被封装在模制材料中以形成RF电路装置/天线封装503。
图5B示出了显示RF电路装置/天线封装503的辐射图511的三维图，其中使用八木天线实现接收天线507，并且其中反射层509形成在RF电路装置/天线封装503的接收天线507以及RF前端IC裸片505之上。在实施例中，辐射图511具有主瓣511m和旁瓣511S，主瓣511m在Y方向上，而旁瓣511S在XZ平面中。与图4B所示的辐射图409相比，辐射图511的旁瓣511S小于辐射图409的旁瓣409s。在实施例中，反射层509反射旁瓣511S中的RF能量，并将该RF能量重定向到主瓣511m。因此，主瓣511m被显著化(pronounced)，而旁瓣511S被抑制。
图5C示出了根据一些实施例的安装在具有相应的辐射图511的电路板501上的RF电路装置/天线封装503的透视图。特别地，图5C示出辐射图511相对于接收天线507、反射层509以及RF电路装置/天线封装503的其他部件的位置。
图6A和图6B分别示出了根据一些实施例的可穿戴设备600的顶视图和横截面图。在所示实施例中，可穿戴设备600为智能手表。可替换地，可穿戴设备600可为健康监控系统、活动监控系统等。可穿戴设备600包括壳体601，壳体容纳可穿戴设备600的各种部件，用作机械支撑件并且为可穿戴设备600的各种部件提供保护。在实施例中，壳体601包括顶部60lt、底部601b以及将顶部601t与底部601b分开的侧壁601S。壳体601的顶部601t和底部601b可由金属、金属合金等形成。在实施例中，壳体601的侧壁601S的至少一部分可由对于毫米波RF信号而言可穿透的合适材料形成。可穿戴设备600还包括带603，该带附接到壳体601并配置成将可穿戴设备600附接到例如消费者的腕部。图6B中未示出带603，因为图6B示出了YZ平面中的横截面图。
可穿戴设备600还包括电路板605，电路板电耦合安装在电路板605上的各种电气部件或设备。可使用与以上参考图1A描述的电路板101类似的材料和方法来形成电路板605，并且为了简洁起见，这里不再重复描述。在实施例中，RF电路装置/天线封装607和各种电气部件(由图6B中的两个电气部件609和611表示)安装在电路板605上，以形成手势感测系统(诸如以上参考图2描述的毫米波手势系统)。可使用以上参考图4A描述的RF电路装置/天线封装403或以上参考图5A描述的RF电路装置/天线封装503来实现RF电路装置/天线封装607。电气部件609和611可包括晶体振荡器(Xtal)、锁相环(PLL)电路、基带放大器、模数转换器(ADC)、开关、功率管理集成电路(PMIC)等。
可穿戴设备600还包括耦合到电路板605的显示器613。显示器613覆盖电路板605和安装到电路板605的各种电气部件，诸如RF电路装置/天线封装607。显示器613可为LCD、LED显示器、AMOLED显示器等。本领域普通技术人员应当理解，根据可穿戴设备600的功能要求，电路板605可包括附加部件(未示出)。在一些实施例中，电路板605还可包括各种专用集成电路(ASIC)，用于对显示器613供电和控制的各种部件，各种传感器(诸如运动传感器、压力传感器、温度传感器、湿度传感器、触摸传感器、心率传感器等)，各种接口部件(诸如USB、WiFi、WiGig、蓝牙等)，各种电源管理部件，以及电源(诸如电池等)。
进一步参考图6B，在使用RF电路装置/天线封装403(参见图4A)实现RF电路装置/天线封装607的实施例中，RF电路装置/天线封装607具有与图4B所示的辐射图类似的辐射图。在使用RF电路装置/天线封装503(参见图5A)实现RF电路装置/天线封装607的另一实施例中，RF电路装置/天线封装607具有与图5B所示的辐射图511类似的辐射图。因此，RF电路装置/天线封装607主要在Y方向上具有最高的增益。在这种实施例中，由RF电路装置/天线封装607发射或接收的毫米波RF信号516穿过壳体601的侧壁601S，并且不被显示器613或壳体601的顶部60lt阻挡。因此，可穿戴设备600的显示器613可以不被重新塑形来暴露RF电路装置/天线封装607。
进一步参考图6B，在使用RF电路装置/天线封装503(参见图5A)实现RF电路装置/天线封装607的实施例中，反射层509可配置成用作散热器。在这种实施例中，反射层509可由高导热性材料(例如金属材料)形成，可耦合到壳体601的顶部601t，并且可配置成使在RF前端IC裸片505中产生的热量传递到壳体601的顶部60lt以进一步消散到环境中。此外，在穿戴时与穿戴者皮肤接触的壳体601的底部601b可由低导热性材料形成，以避免对消费者的皮肤产生不适或身体伤害。
图6C示出了未被显示器613遮挡的可穿戴设备600的平面图。特别地，图6C示出了RF电路装置/天线封装607相对于可穿戴设备600的其他部件的位置。在可穿戴设备600的毫米波手势感测系统的操作期间，被发射到做出手势的手617和从做出手势的手617反射的RF信号615穿过壳体601的侧壁601S，并且不被显示器613(参见图6A和6B)或可穿戴设备600的带603阻挡。在实施例中，RF信号615与壳体601的侧壁601S的一部分相交。换言之，RF电路装置/天线封装607的高增益方向，诸如由RF电路装置/天线封装607的辐射图的主瓣限定的方向(例如分别参见图4B和5B中的辐射图409和511)，与壳体601的侧壁601s的一部分相交。因此，壳体601的侧壁601S的与RF信号615相交的部分由对毫米波RF信号而言可穿透的材料形成。壳体601的侧壁601S的其余部分可由对毫米波RF信号而言不可穿透的材料(诸如例如金属材料等)形成。在其他实施例中，壳体601的整个侧壁601S可由对毫米波RF信号而言可穿透的材料形成。
图7A、图7B和图7C分别示出了可穿戴设备700A、700B和700C的平面图，其中使用定向天线(诸如八木天线)实现接收和发射天线。此外，图7A、图7B和图7C示出了可穿戴设备700A、700B和700C的相应RF电路装置/天线封装的各种天线布置。在所示实施例中，可穿戴设备700A、700B和700C为智能手表。可替换地，可穿戴设备700A、700B和700C可为健康监控系统、活动监控系统等。
参考图7A，可穿戴设备700A包括壳体701，该壳体容纳可穿戴设备700A的各种部件，用作机械支撑并且为可穿戴设备700A的各种部件提供保护。在实施例中，壳体701包括顶部(未示出)、底部(未示出)以及将顶部与底部分开的侧壁701S。壳体701的顶部和底部可由金属、金属合金等形成。在实施例中，壳体701的侧壁701S的至少一部分可由对毫米波RF信号而言可穿透的合适材料形成。可穿戴设备700A还包括带703，该带附接到壳体701，并且被配置成将可穿戴设备700A附接到例如消费者的腕部。
可穿戴设备700A还包括电路板705，该电路板电耦合安装在电路板705上的各种电气部件或设备。可使用与以上参考图1A描述的电路板101类似的材料和方法来形成电路板705，为了简洁起见，这里不再重复描述。在实施例中，RF电路装置/天线封装707A和各种电气部件(未示出)安装在电路板705上以形成手势感测系统(诸如以上参考图2描述的毫米波手势系统)。电气部件可包括晶体振荡器(Xtal)、锁相环(PLL)电路、基带放大器、模数转换器(ADC)、开关、功率管理集成电路(PMIC)等。
RF电路装置/天线封装707A可类似于RF电路装置/天线封装403(参见图4A)或类似于RF电路装置/天线封装503(参见图5A)。在实施例中，RF电路装置/天线封装707A包括RF前端IC裸片709、发射天线713a和713b以及接收天线715a-715d。RF电路装置/天线封装707A配置成经由发射天线713a和713b朝向做出手势的手721发射入射的RF信号717，并且经由接收天线715a-715d从做出手势的手721接收反射的RF信号719。RF前端IC裸片709包括耦合到接收天线715a-715d的接收前端(未示出)以及耦合到发射天线713a和713b的发射前端(未示出)。在实施例中，使用八木天线来实现发射天线713a和713b以及接收天线715a-715d。在其他实施例中，可使用其他定向天线(例如维瓦尔第天线、蝶形天线等)来实现发射天线713a和713b以及接收天线715a-715d。
在实施例中，反射层711形成在RF电路装置/天线封装707A的顶表面之上，使得反射层711形成在RF前端IC裸片709之上、并且至少部分地在发射天线713a和713b以及接收天线715a-715d之上。可使用与以上参考图5A描述的反射层509类似的材料和方法来形成反射层711，为了简洁起见，这里不再重复描述。在其他实施例中，可省略反射层711。在反射层711形成在RF电路装置/天线封装707A之上的实施例中，发射天线713a和713b以及接收天线715a-715d中的每一个的辐射图可与辐射图511(参见图5B)类似。在反射层711未形成在RF电路装置/天线封装707A之上的另一实施例中，发射天线713a和713b以及接收天线715a-715d中的每一个的辐射图可与辐射图409(参见图4B)类似。
在实施例中，可穿戴设备700A还包括设置在电路板705上并耦合到电路板705的显示器(未示出)。显示器可为LCD、LED显示器、AMOLED显示器等。本领域普通技术人员应当理解，根据可穿戴设备700A的功能要求，电路板70S可包括附加部件(未示出)。在一些实施例中，电路板70S可包括各种专用集成电路(ASIC)，用于对显示器供电和控制的各种部件，各种传感器(诸如运动传感器、压力传感器、温度传感器、湿度传感器、触摸传感器、心率传感器等)，各种接口部件(诸如USB、WiFi、WiGig、蓝牙等)，各种电源管理部件以及诸如电池的电源等。
进一步参考图7A，在可穿戴设备700A的RF电路装置/天线封装707A的操作期间，被发射到做出手势的手721的入射的RF信号717、以及从做出手势的手721反射的经反射的RF信号719穿过壳体701的侧壁701S，并且不被可穿戴设备700A的显示器或带703阻挡。在实施例中，入射的RF信号717和反射的RF信号719与壳体701的侧壁701S的一部分相交。换言之，RF电路装置/天线封装707A的高增益方向，诸如由RF电路装置/天线封装707A的辐射图(分别参见图4B和5B中的辐射图409和511)的主瓣限定的方向，与壳体701的侧壁701S的一部分相交。因此，壳体701的与入射的RF信号717和反射的RF信号719相交的侧壁701S的部分由对毫米波RF信号而言可穿透的材料形成。壳体701的侧壁701S的其余部分可由例如诸如金属材料的、对毫米波RF信号而言不可穿透的材料形成。在其他实施例中，壳体701的整个侧壁701S可由对毫米波RF信号而言可穿透的材料形成。
参考图7B，可穿戴设备700B类似于以上参考图7A描述的可穿戴设备700A，为了简洁起见，这里不再重复描述。可穿戴设备700B的RF电路装置/天线封装707B与可穿戴设备700A的RF电路装置/天线封装707A的不同之处在于，发射天线713a和713b以及接收天线715a-715d的布置。类似于可穿戴设备700A，可穿戴设备700B的入射的RF信号717和反射的RF信号719与壳体701的侧壁701S的一部分相交，该部分由对毫米波RF信号而言可穿透的材料形成。此外，由于RF电路装置/天线封装707B的发射天线713a和713b以及接收天线715a-715d具有与RF电路装置/天线封装707A的发射天线713a和713b以及接收天线715a-715d不同的布置，因此可穿戴设备700B的侧壁701S的对毫米波RF信号而言可穿透的部分不同于可穿戴设备700A的侧壁701S的对毫米波RF信号而言可穿透的部分。可穿戴设备700B的RF电路装置/天线封装707B以与以上参考图7A描述的可穿戴设备700A的RF电路装置/天线封装707A类似的方式操作，为了简洁起见，这里不再重复描述。
参考图7C，可穿戴设备700C类似于以上分别参考图7A和7B所描述的可穿戴设备700A和700B，为了简洁起见，这里不再重复描述。可穿戴设备700C的RF电路装置/天线封装707C与可穿戴设备700A和700B的各个RF电路装置/天线封装707A和707B的不同之处在于，发射天线713a和713b以及接收天线715a-715d的布置。类似于可穿戴设备700A和700B，可穿戴设备700C的入射的RF信号717和反射的RF信号719与壳体701的侧壁701S的一部分相交，该部分由对毫米波RF信号而言可穿透的材料形成。此外，由于RF电路装置/天线封装707C的发射天线713a和713b以及接收天线715a-715d具有与RF电路装置/天线封装707A和707B的发射天线713a和713b以及接收天线715a-715d不同的布置，因此可穿戴设备700C的侧壁701s的对毫米波RF信号而言可穿透的部分不同于可穿戴设备700A和700B的侧壁701S的对毫米波RF信号而言可穿透的部分。在所示实施例中，可穿戴设备700C的侧壁701S的对毫米波RF信号而言可穿透的部分包括两个断开部分，使得断开部分位于可穿戴设备700C的壳体701的侧壁701S的相对侧上。可穿戴设备700C的RF电路装置/天线封装707C以与以上参考图7A描述的可穿戴设备700A的RF电路装置/天线封装707A类似的方式工作，为了简洁起见，这里不再重复描述。
图8示出了根据一些实施例的集成到可穿戴设备中的手势感测系统的操作方法800的流程图。方法800开始于步骤801，其中可穿戴设备(诸如例如分别在图7A、图7B和图7C中示出的可穿戴设备700A、700B和700C)中的手势感测系统(诸如例如图2所示的毫米波手势感测系统200)的RF系统(诸如例如分别在图7A、图7B和图7C中示出的RF电路装置/天线封装707A、707B和707C)生成发射的RF信号。在步骤803中，发射天线(诸如例如图7A、图7B和图7C所示的发射天线713a和713b)通过可穿戴设备的壳体侧壁(诸如例如图7A、图7B和图7C所示的壳体701的侧壁701S)的一部分，将发射的RF信号(诸如例如图7A、图7B和图7C所示的入射的RF信号717)发射到做出手势的手(诸如例如图7A、图7B和图7C所示的做出手势的手721)。发射的RF信号根据辐射图(诸如例如分别为图4B和5B所示的辐射图409或511)来发射。在实施例中，辐射图的主瓣的最高增益方向与可穿戴设备的壳体的侧壁相交，使得发射的RF信号与可穿戴设备的壳体的侧壁的所述部分重叠。在步骤805中，接收天线(诸如例如图7A、图7B和图7C所示的接收天线715a-715d)通过可穿戴设备的壳体的侧壁的所述部分，从做出手势的手接收反射的RF信号(诸如例如图7A、图7B和图7C中所示的RF信号719)。在步骤807中，手势感测系统基于发射的RF信号和反射的RF信号来检测手势。在实施例中，手势感测系统可将反射的RF信号与发射的RF信号进行比较，以检测手势。在步骤809中，可穿戴设备基于手势执行操作。
在此总结本文公开的实施例。其他实施例也可从本文的整个说明书和权利要求书中理解。一个总体方面包括射频(RF)系统，该射频系统包括：RF集成电路(IC)裸片；耦合到RF IC裸片的天线；以及位于RF IC裸片之上的反射层，该反射层在所述天线的至少一部分之上延伸，天线与反射层的组合具有辐射图，该辐射图包括在平行于反射层顶表面的第一方向上的主瓣。
实施方式可包括以下特征中的一个或多个。在所述RF系统中，反射层包括金属或金属合金。在所述RF系统中，反射层被配置成用作RF IC裸片的散热器。所述RF系统进一步包括封装RF IC裸片和反射层的成型材料。在所述RF系统中，天线为八木天线。在所述RF系统中，辐射图具有在垂直于第一方向的第二方向上的旁瓣。在所述RF系统中，反射层被配置成将RF信号的能量从第二方向重定向到第一方向。
另一个总体方面包括一种可穿戴设备，该可穿戴设备包括：壳体，具有顶部、底部以及将顶部连接到底部的侧壁；电路板，位于壳体内、且位于壳体底部之上；射频(RF)系统，安装在电路板上，RF系统包括：RF集成电路(IC)裸片；耦合到RF IC裸片的天线；以及位于RFIC裸片和天线之上的反射层；以及显示器，设置在RF系统之上，其中RF系统的辐射图具有在平行于显示器顶表面的第一方向上的主瓣，并且其中第一方向与壳体的侧壁相交。
实施方式可包括以下特征中的一个或多个。在所述可穿戴设备中，RF IC裸片包括耦合到天线的雷达电路。所述可穿戴设备进一步包括耦合到RF IC裸片的手势识别处理电路。在所述可穿戴设备中，辐射图具有在与所述第一方向垂直的第二方向(第二方向与所述显示器相交)上的旁瓣。在所述可穿戴设备中，主瓣的增益大于旁瓣的增益。在所述可穿戴设备中，壳体的顶部和壳体的底部包括金属或金属合金。在所述可穿戴设备中，壳体侧壁的至少一部分由对毫米波RF信号而言可穿透的材料形成。在所述可穿戴设备中，壳体侧壁的一部分为对毫米波RF信号而言不可穿透的。在所述可穿戴设备中，反射层包括金属或金属合金。在所述可穿戴设备中，反射层被配置成提供从RF IC裸片到壳体顶部的散热路径。在所述可穿戴设备中，壳体的顶部包括高导热性材料。在所述可穿戴设备中，壳体的底部包括低导热性材料。在所述可穿戴设备中，可穿戴设备为智能手表。
另一个总体方面包括一种方法，包括：通过可穿戴设备的射频(RF)系统产生发射的RF信号；由RF系统的发射天线根据辐射图、通过可穿戴设备的壳体侧壁的第一部分将发射的RF信号发射到对象，其中辐射图的主瓣的最高增益方向与可穿戴设备的壳体侧壁的第一部分相交；以及由RF系统的接收天线通过可穿戴设备的壳体侧壁的第一部分从对象接收反射的RF信号。
实施方式可包括一个或多个以下特征。在所述方法中对象为做出手势的手。所述方法进一步包括：由RF系统基于发射的RF信号和反射的RF信号来检测做出手势的手的手势；以及由可穿戴设备执行基于手势的操作。在所述方法中，可穿戴设备的壳体侧壁的第一部分包括第一材料，并且在所述方法中，可穿戴设备的壳体侧壁的第二部分包括与第一材料不同的第二材料。在所述方法中，可穿戴设备的壳体侧壁的第二部分对发射的RF信号和反射的RF信号而言是不可穿透的。在所述方法中，可穿戴设备的壳体侧壁的第一部分对发射的RF信号和反射的RF信号而言是可穿透的。在所述方法中可穿戴设备为智能手表。
尽管已参照示意性实施例描述了本发明，然而本说明书并非旨在被解释为限制性的。参照说明书，对于本领域技术人员来说，示意性实施例以及本发明的其他实施例的各种修改和组合将是显而易见的。因此这里的目的在于所附权利要求涵盖任何这样的修改或实施例。

Claims (27)

1.一种射频(RF)系统，包括：
RF集成电路(IC)裸片；
耦合到所述RF IC裸片的天线；以及
位于所述RF IC裸片之上的反射层，所述反射层在所述天线的至少一部分之上延伸，所述天线与所述反射层的组合具有辐射图，所述辐射图包括在与所述反射层的顶表面平行的第一方向上的主瓣。
2.根据权利要求1所述的RF系统，其中，所述反射层包括金属或金属合金。
3.根据权利要求1所述的RF系统，其中，所述反射层被配置成用作所述RF IC裸片的散热器。
4.根据权利要求1所述的RF系统，还包括封装所述RF IC裸片和所述反射层的成型材料。
5.根据权利要求1所述的RF系统，其中，所述天线为八木天线。
6.根据权利要求1所述的RF系统，其中，所述辐射图具有在与所述第一方向垂直的第二方向上的旁瓣。
7.根据权利要求6所述的RF系统，其中，所述反射层被配置成将RF信号的能量从所述第二方向重定向到所述第一方向。
8.一种可穿戴设备，包括：
壳体，所述壳体具有顶部、底部以及将所述顶部连接到所述底部的侧壁；
电路板，所述电路板位于所述壳体内、且位于所述壳体的所述底部之上；
射频(RF)系统，所述RF系统被安装在所述电路板上，所述RF系统包括：
RF集成电路(IC)裸片；
耦合到所述RF IC裸片的天线；以及
位于所述RF IC裸片和所述天线之上的反射层；以及
显示器，所述显示器被布置在所述RF系统之上，其中所述RF系统的辐射图具有在与所述显示器的顶表面平行的第一方向上的主瓣，并且其中所述第一方向与所述壳体的所述侧壁相交。
9.根据权利要求8所述的可穿戴设备，其中，所述RF IC裸片包括被耦合到所述天线的雷达电路装置。
10.根据权利要求9所述的可穿戴设备，还包括被耦合到所述RF IC裸片的手势识别处理电路装置。
11.根据权利要求8所述的可穿戴设备，其中，所述辐射图具有在与所述第一方向垂直的第二方向上的旁瓣，所述第二方向与所述显示器相交。
12.根据权利要求11所述的可穿戴设备，其中，所述主瓣的增益大于所述旁瓣的增益。
13.根据权利要求8所述的可穿戴设备，其中，所述壳体的所述顶部和所述壳体的所述底部包括金属或金属合金。
14.根据权利要求8所述的可穿戴设备，其中，所述壳体的所述侧壁的至少一部分由对毫米波RF信号而言可穿透的材料形成。
15.根据权利要求8所述的可穿戴设备，其中，所述壳体的所述侧壁的一部分对毫米波RF信号而言是不可穿透的。
16.根据权利要求8所述的可穿戴设备，其中，所述反射层包括金属或金属合金。
17.根据权利要求8所述的可穿戴设备，其中，所述反射层被配置成提供从所述RF IC裸片到所述壳体的所述顶部的散热路径。
18.根据权利要求8所述的可穿戴设备，其中，所述壳体的所述顶部包括高导热性材料。
19.根据权利要求8所述的可穿戴设备，其中，所述壳体的所述底部包括低导热性材料。
20.根据权利要求8所述的可穿戴设备，其中，所述可穿戴设备为智能手表。
21.一种方法，包括：
由可穿戴设备的射频(RF)系统产生发射的RF信号；
由所述RF系统的发射天线根据辐射图、通过所述可穿戴设备的壳体的侧壁的第一部分将所发射的RF信号发射到对象，其中所述辐射图的主瓣的最高增益方向与所述可穿戴设备的所述壳体的所述侧壁的所述第一部分相交；以及
由所述RF系统的接收天线、通过所述可穿戴设备的所述壳体的所述侧壁的所述第一部分接收来自所述对象的反射的RF信号。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述对象为做出手势的手。
23.根据权利要求22所述的方法，还包括：
由所述RF系统基于所发射的RF信号和所反射的RF信号来检测所述做出手势的手的手势；以及
由所述可穿戴设备执行基于所述手势的操作。
24.根据权利要求21所述的方法，其中，所述可穿戴设备的所述壳体的所述侧壁的所述第一部分包括第一材料，其中所述可穿戴设备的所述壳体的所述侧壁的第二部分包括不同于所述第一材料的第二材料。
25.根据权利要求24所述的方法，其中，所述可穿戴设备的所述壳体的所述侧壁的所述第二部分对所发射的RF信号和所反射的RF信号而言是不可穿透的。
26.根据权利要求21所述的方法，其中，所述可穿戴设备的所述壳体的所述侧壁的所述第一部分对所发射的RF信号和所反射的RF信号是可穿透的。
27.根据权利要求21所述的方法，其中，所述可穿戴设备为智能手表。
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