CN110718740B - 具有到达角检测能力的电子设备 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及具有到达角检测能力的电子设备。本公开提供了一种电子设备，所述电子设备可以被设置有无线电路，所述无线电路包括用于确定所述电子设备相对于外部装置的位置和取向的第一天线、第二天线和第三天线。所述天线可以包括安装到柔性印刷电路的相应基板上的贴片元件。每个基板可以包括耦接到接地并横向围绕所述对应贴片元件的导电通孔的栅栏。控制电路可以识别所述第一天线与所述第二天线之间以及所述第二天线与所述第三天线之间的相位差，并且可以使用所述相位差来识别所接收的超宽带信号的到达角。所述控制电路可以将所述相位差与相位差的一组预定表面进行比较以识别所述天线的环境加载状况。所述控制电路可以使用基于所述环境加载状况识别的偏移来校正所述到达角。

Description

具有到达角检测能力的电子设备
本专利申请要求于2018年7月13日提交的美国专利申请No.16/035,325 的优先权，该专利申请据此全文以引用方式并入本文。
背景技术
本公开整体涉及电子设备，并且更具体地涉及具有无线通信电路的电子 设备。
该电子设备通常包括无线通信电路。例如，蜂窝电话、计算机和其他设 备通常包括天线和用于支持无线通信的无线收发器。
形成具有期望属性的电子设备天线结构可具有挑战性。在一些无线设备 中，天线是大体积的。在其他设备中，天线是紧凑型的，但是对于天线相对 于外部对象的位置是敏感的。如果不小心，天线可变为失调的，可利用大于 或小于期望功率的功率来发射无线信号，或者以其他方式不如所期望那样执 行。
一些电子设备执行位置检测操作以基于从外部设备接收(使用多个天线) 的信号的到达角来检测外部设备的位置。如果不小心，外部对象可能阻挡或 加载一个或多个天线，并且可能使得难以准确地估计到达角。
因此，希望能够为电子设备提供无线电路，其具有改善的到达角检测能 力。
发明内容
电子设备可设置有无线电路和控制电路。无线电路可包括多个天线和收 发器电路。无线电路可以包括用于确定电子设备相对于外部无线装置的位置 和取向的天线结构。天线结构可以至少部分地通过测量来自外部无线装置的 射频信号的到达角来确定电子设备相对于外部无线装置的位置和取向。
天线模块可以包括柔性印刷电路以及安装到柔性印刷电路的第一基板、 第二基板和第三基板。第一贴片天线可以包括在第一基板上的第一天线谐振 元件。第二贴片天线可以包括在第二基板上的第二天线谐振元件。第三贴片 天线可以包括在第三基板上的第三天线谐振元件。可以在第一基板、第二基板和第三基板中形成接地迹线。导电通孔的栅栏可以延伸穿过第一基板、第 二基板和第三基板，并且可以横向围绕对应的天线谐振元件。
电子设备可以包括电介质覆盖层和耦接到电介质覆盖层的导电层。天线 模块可以安装在电子设备内，使得第一天线、第二天线和第三天线与导电层 中的一个或多个孔对准。电介质覆盖层可以形成用于电子设备的后部外壳壁。
第一天线、第二天线和第三天线可以接收射频信号，诸如来自外部无线 装置的超宽带信号。电子设备中的控制电路可以测量第一天线与第二天线之 间的第一相位差，并且可以根据所接收的超宽带信号测量第二天线与第三天 线之间的第二相位差。控制电路可以基于第一相位差和第二相位差生成所接 收的超宽带信号的到达角值。控制电路可以将第一相位差和第二相位差与相位差值的一组预定的环境特定曲线或表面进行比较。控制电路可以识别该组 中的与第一相位差和第二相位差相匹配的预定曲线或表面。控制电路可以基 于所识别的曲线或表面确定天线的环境加载状况。控制电路可以识别对应于 所确定的环境加载状况的预定偏移值。控制电路可以通过使用所识别的偏移 值调整到达角值来生成校正的到达角值。
校正的到达角可以准确地反映无线通信装置相对于电子设备的位置。以 此方式，控制电路可以准确地确定无线通信装置的位置而不管天线是否被外 部对象加载。
附图说明
图1为根据实施方案的例示性电子设备的透视图。
图2为根据实施方案的电子设备中的例示性电路的示意图。
图3为根据实施方案的例示性无线电路的图示。
图4为根据实施方案的与网络中的外部节点进行无线通信的例示性电 子设备的图示。
图5为示出根据实施方案的如何可以相对于电子设备确定网络中的外 部节点的位置(例如，到达范围和到达角)的图示。
图6为示出根据实施方案的电子设备中的例示性天线如何可用于检测 到达角的图示。
图7为根据实施方案的例示性贴片天线的图示。
图8为根据实施方案的用于计算输入射频信号的到达角的具有三个贴 片天线的例示性超宽带天线模块的顶视图。
图9为根据实施方案的安装在电子设备内的例示性超宽带天线模块的 横截面侧视图。
图10为根据实施方案的涉及操作超宽带天线模块以计算到达角而不管 环境加载状况如何的例示性步骤的流程图。
图11是根据实施方案的在不同环境加载状况下由天线接收的射频信号 的作为仰角函数的到达时相位差的例示性曲线图。
具体实施方式
电子设备(诸如图1的电子设备10)可设置有无线通信电路。该无线 通信电路可用于支撑多个无线通信频带中的无线通信。由无线通信电路处理 的通信频带可以包括卫星导航系统通信频带、蜂窝电话通信频带、无线局域 网通信频带、近场通信频带、超宽带通信频带或其他无线通信频带。
无线通信电路可包括一个或多个天线。天线可包括贴片天线、环形天线、 倒F形天线、带状天线、平面倒F形天线、隙缝天线、包括不止一种类型天 线结构的混合天线或其他合适的天线。如果需要，天线的导电结构可由导电 电子设备结构形成。
该导电电子设备结构可包括导电外壳结构。该外壳结构可包括围绕电子 设备的周边延伸的外围结构诸如外围导电结构。该外围导电结构可用作平面 结构诸如显示器的框，可用作设备外壳的侧壁结构，可具有从一体平坦后部 外壳向上延伸的部分(例如，以形成垂直的平坦侧壁或弯曲侧壁)，和/或可 形成其他外壳结构。
可在外围导电结构中形成将外围导电结构分成外围区段的间隙。区段中 的一个或多个区段可用于形成电子设备10的一个或多个天线。天线也可使 用天线接地平面和/或由导电外壳结构(例如，内部和/或外部结构，支撑板 结构等)形成的天线谐振元件形成。
电子设备10可为便携式电子设备或其他合适的电子设备。例如，电子 设备10可为膝上型计算机、平板计算机、稍小的设备(诸如腕表设备、挂式设备、耳机设备、听筒设备或其他可佩戴或微型设备)、手持设备(诸如 蜂窝电话)、媒体播放器或其他小型便携式设备。设备10还可为机顶盒、 台式计算机、计算机或其他处理电路已被集成到其中的显示器、没有集成计 算机的显示器，或其他合适的电子装置。
设备10可包括外壳诸如外壳12。外壳12(有时可被称为壳体)可由塑 料、玻璃、陶瓷、纤维复合材料、金属(如，不锈钢、铝等)、其他合适的 材料、或这些材料的组合形成。在一些情况下，外壳12的部件可由电介质 或其他低导电率材料(例如玻璃、陶瓷、塑料、蓝宝石等)形成。在其他情 况下，外壳12或构成外壳12的结构中的至少一些结构可由金属元件形成。
如果需要，设备10可具有显示器诸如显示器14。显示器14可被安装在 设备10的正面上。显示器14可为结合电容式触摸电极或者可能对触摸不敏 感的触摸屏。外壳12的背面(即，设备10的与设备10的正面相对的面) 可具有基本平坦的外壳壁，诸如后部外壳壁12R(例如，平面外壳壁)。后 部外壳壁12R可具有完全穿过后部外壳壁的隙缝，并且因此将外壳12的部 分彼此分开。后部外壳壁12R可包括导电部分和/或介电部分。如果需要， 后部外壳壁12R可包括由薄层或电介质涂层(诸如玻璃、塑料、蓝宝石或陶 瓷)覆盖的平面金属层。外壳12也可具有不完全穿过外壳12的浅槽。上述 狭槽或槽可被填充有塑料或其他电介质。如果需要，可通过内部导电结构(例 如，桥接狭槽的金属片或其他金属构件)来将外壳12的(例如，通过贯通 狭槽)彼此分离的部分接合。
外壳12可包括外围外壳结构诸如外围结构12W。外围结构12W和后部 外壳壁12R的导电部分在本文中有时可统称为外壳12的导电结构。外围结 构12W可围绕设备10和显示器14的外围延伸。在设备10和显示器14具有 带有四条边缘的矩形形状的构形中，通过使用外围外壳结构可以实现外围结 构12W，该外围外壳结构具有矩形环形状，该矩形环形状具有四个对应的边 缘，并且该外围外壳结构从后部外壳壁12R延伸到设备10的正面(作为示例)。 如果需要，外围结构12W或外围结构12W的一部分可用作显示器14的框(例如，环绕显示器14的所有四个侧面和/或有助于保持设备10的显示器14的 装饰性装饰件)。如果需要，外围结构12W可形成设备10的侧壁结构(例如， 通过形成具有垂直侧壁、弯曲侧壁等的金属带)。
外围结构12W可由导电材料(诸如金属)形成，并且因此有时可被称 为外围导电外壳结构、导电外壳结构、外围金属结构、外围导电侧壁、外围 导电侧壁结构、导电外壳侧壁、外围导电外壳侧壁、侧壁、侧壁结构或外围 导电外壳构件(作为示例)。外围导电外壳结构12W可由金属诸如不锈钢、铝 或其他合适材料形成。一种、两种或多于两种单独结构可用于形成外围导电外壳结构12W。
外围导电外壳结构12W不一定具有均匀横截面。例如，如果需要，外 围导电外壳结构12W的顶部可具有有助于将显示器14保持在适当位置的向内突起的唇缘。外围导电外壳结构12W的底部还可具有加大的唇缘(例如， 在设备10的背面的平面中)。外围导电外壳结构12W可具有基本上笔直的 竖直侧壁，可具有弯曲的侧壁，或者可具有其他合适的形状。在一些构形中 (例如，当外围导电外壳结构12W用作显示器14的框时)，外围导电外壳结 构12W可围绕外壳12的唇缘延伸(即，外围导电外壳结构12W可仅覆盖围绕显示器14而非外壳12的侧壁的其余部分的外壳12的边缘)。
后部外壳壁12R可以位于与显示器14平行的平面中。在设备10的构形 中，其中后部外壳壁12R的一些或全部由金属形成，可能需要将外围导电外 壳结构12W的一部分形成为形成12R的后部外壳壁的外壳结构的集成部分。 例如，设备10的后部外壳壁12R可包括平面金属结构，并且外壳12的侧面 上的外围导电外壳结构12W的一部分可被形成为平面金属结构的平坦的或 弯曲的竖直延伸的集成金属部分(例如，外壳结构12R和12W可以由单体构形的连续金属片形成)。如果需要，外壳结构诸如这些外壳结构可由金属块 加工而成，和/或可包括被组装在一起以形成外壳12的多个金属件。后部外 壳壁12R可具有一个或多个、两个或多个或者三个或多个部分。外围导电外 壳结构12W和/或后部外壳壁12R的导电部分可形成设备10的一个或多个外 表面(例如，设备10的用户可见的表面)，并且/或者可使用内部结构实现， 该内部结构不形成设备10的外表面(例如，设备10的用户不可见的导电外壳结构，诸如覆盖有层的导电结构，该层诸如薄化妆品层、保护涂层和/或可包 含电介质材料诸如玻璃、陶瓷、塑料的其他涂层，或形成设备10的外表面 和/或用于从用户的视角隐藏外围导电结构12W和/或后部外壳壁12R的导电 部分的其他结构)。
显示器14可具有形成有效区域AA的像素阵列，该有效区域AA显示 设备10的用户的图像。例如，有效区域AA可以包括显示像素阵列。像素 阵列可由液晶显示器(LCD)部件、电泳像素阵列、等离子显示器像素阵列、 有机发光二极管显示器像素或其他发光二极管像素阵列、电润湿显示器像素 阵列、或基于其他显示器技术的显示器像素形成。如果需要，有效区域AA 可以包括触摸传感器，诸如触摸传感器电容电极、力传感器或用于收集用户 输入的其他传感器。
显示器14可以具有沿着有效区域AA的一个或多个边缘延伸的无效边 界区域。无效区域IA可以不具有用于显示图像的像素，并且可以与外壳12 中的电路和其他内部设备结构重叠。为了阻止这些结构被设备10的用户检 视，显示器覆盖层的下侧或显示器14中与无效区域IA重叠的其他层可以在 无效区域IA中涂覆有不透明遮蔽层。不透明掩蔽层可具有任何合适的颜色。
可使用显示器覆盖层来保护显示器14，显示器覆盖层诸如透明玻璃、 透光塑料、透明陶瓷、蓝宝石或其他透明结晶材料层、或一个或多个其他透 明层。显示器覆盖层可具有平面形状、凸形弯曲轮廓、带有平面和弯曲部分 的形状、包括在一个或多个边缘上围绕的平面主区域(其中一个或多个边缘 的一部分从平面主区域的平面弯折出来)的布局、或其他合适的形状。显示器覆盖层可以覆盖设备10的整个正面。在另一种合适的布置中，显示器覆 盖层可以基本上覆盖设备10的所有正面或仅覆盖设备10的正面的一部分。 可在显示器覆盖层中形成开口。例如，可在显示器覆盖层中形成开口，以容 纳按钮。还可在显示器覆盖层中形成开口，以容纳端口诸如扬声器端口16 或麦克风端口。如果需要，可以在外壳12中形成开口以形成通信端口(例 如，音频插孔端口、数字数据端口等)和/或用于音频部件的音频端口，诸如 扬声器和/或麦克风。
显示器14可包括导电结构，诸如用于触摸传感器的电容电极阵列，用 于寻址像素的导电线、驱动器电路等。外壳12可包括内部导电结构，诸如 金属框架构件和平面导电外壳构件(有时称为背板)，所述导电结构跨越外壳12的壁(即，由焊接或以其他方式连接在外围导入结构12W的相对侧之间的 一个或多个金属部件形成的大体上矩形的片材)。背板可形成设备10的外后表面，或可被诸如薄化妆品层、保护涂层和/或可包含电介质材料诸如玻璃、 陶瓷、塑料或其他结构的其他涂层的层覆盖，所述电介质材料可形成设备10 的外表面和/或用于将背板从使用者视图中隐藏。设备10还可包括导电结构， 诸如印刷电路板、被安装在印刷电路板上的部件、以及其他内部导电结构。 可用于形成设备10中的接地层的这些导电结构可在例如显示器14的有效区 域AA之下延伸。
在区域22和区域20中，开口可在设备10的导电结构内形成(例如，在 外围导电外壳结构12W和相对的导电接地结构诸如后部外壳壁12R的导电部分、印刷电路板上的传导迹线、显示器14中的导电电气部件等)。如果需 要，有时可被称为间隙的这些开口可被填充有空气、塑料和/或其他电介质并 可用于形成设备10中的一个或多个天线的隙缝天线谐振元件。
设备10中的导电外壳结构和其他导电结构可以用作设备10中的天线的 接地层。区域22和20中的开口可用作开放式或封闭式隙缝天线中的隙缝， 可用作环形天线中由材料的导电路径环绕的中心电介质区域，可用作将天线 谐振元件(例如条状天线谐振元件或倒F形天线谐振元件)与接地层分开的 间隙，可有助于寄生天线谐振元件的性能，或可以其他方式用作在区域22 和区域20中形成的天线结构的一部分。如果需要，在设备10中的显示器14 和/或其他金属结构的有效区域AA下的接地层可具有延伸到设备10的端部 的部件中的部分(例如，接地部可朝向区域22和区域20中的电介质填充开口延伸)，从而缩窄区域22和区域20中的隙缝。
一般来讲，设备10可包括任何适当数量的天线(例如，一个或多个， 两个或更多个，三个或更多个，四个或更多个，等等)。设备10中的天线 可沿设备外壳的一个或多个边缘而位于细长设备外壳的相对的第一端部和 第二端部处(例如，位于图1的设备10的区域22和区域20处的端部)、位于 设备外壳的中心中、位于其他适当位置中，或位于这些位置中的一个或多个 位置中。图1的布置仅为例示性的。
外围导电外壳结构12W的部分可设置有外围间隙结构。例如，外围导 电外壳结构12W可设置有一个或多个间隙，诸如图1所示的间隙18。外围 导电外壳结构12W中的间隙可利用电介质诸如聚合物、陶瓷、玻璃、空气、其他电介质材料或这些材料的组合来填充。间隙18可将外围导电外壳结构 12W分成一个或多个外围导电区段。例如，在外围导电外壳结构12W中可 存在两个外围导电区段(例如，以具有两个间隙18的布置)、三个外围导电区 段(例如，以具有三个间隙18的布置)、四个外围导电区段(例如，以具有四 个间隙18的布置)、六个外围导电区段(例如，以具有六个间隙18的布置)等。以这种方式形成的外围导电外壳结构12W的区段可形成设备10中的天线的 部分。
如果需要，外壳12中的开口诸如延伸到中途或完全穿过外壳12延伸的 凹槽可以跨外壳12的后壁的宽度延伸，并且可刺穿外壳12的后壁以将后壁 分成不同部分。这些槽也可延伸到外围导电外壳结构12W中，并且可形成 天线隙缝、间隙18和设备10中的其他结构。聚合物或其他电介质可填充这些凹槽和其他外壳开口。在一些情况下，形成天线隙缝和其他结构的外壳开 口可填充有电介质诸如空气。
为了向设备10的最终用户提供尽可能大的显示器(例如，最大化用于显 示媒体、运行应用程序等的设备的区域)，可能希望增加设备10的正面上被 显示器14的有效区域AA覆盖的区域的量。增大有效区域AA的尺寸可以减 小设备10内的无效区域IA的尺寸。这可减小显示器14后面的区域，该区 域可用于设备10内的天线。例如，显示器14的有效区域AA可包括导电结 构，该导电结构用于阻止由安装在有效区域AA后面的天线处理的射频信号 通过设备10的正面辐射。因此，希望能够提供占用设备10内的少量空间的 天线(例如，允许尽可能大的显示有效区域AA)，同时仍然允许天线与设备 10外部的无线装置通信，具有令人满意的效率带宽。
在典型的场景中，设备10可具有一个或多个上部天线和一个或多个下 部天线(作为示例)。例如，上部天线可在区域20中的设备10的上端部形 成。例如，下部天线可在区域22中的设备10的下端部形成。天线可单独用 于覆盖相同的通信频带、重叠的通信频带或单独的通信频带。该天线可用于实现天线分集方案或多输入多输出(MIMO)天线方案。
设备10中的天线可用于支持所关注的任何通信频带。例如，设备10可 包括用于支持局域网通信、语音和数据蜂窝电话通信、全球定位系统(GPS) 通信或其他卫星导航系统通信、通信、近场通信、超宽带通信等 的天线结构。
图2中示出了示出可用于设备10的例示性部件的示意图。如图2所示， 设备10可包括存储和处理电路，诸如控制电路28。控制电路28可包括存储 器，诸如硬盘驱动器存储器、非易失性存储器(例如，被配置成形成固态驱 动器的闪存存储器或其他电可编程只读存储器)、易失性存储器(例如，静态随机存取存储器或动态随机存取存储器)等等。控制电路28中的处理电 路可用于控制设备10的操作。该处理电路可基于一个或多个微处理器、微 控制器、数字信号处理器、专用集成电路等。
控制电路28可用于运行设备10上的软件，诸如互联网浏览应用程序、 互联网语音协议(VOIP)电话呼叫应用程序、电子邮件应用程序、媒体回放应 用程序、操作系统功能等。为了支持与外部装置进行交互，控制电路28可 用于实现通信协议。可使用控制电路28来实现的通信协议包括互联网协议、 无线局域网(WLAN)协议(例如，IEEE 802.11协议——有时被称为)、 用于其他近程无线通信链路的协议，诸如协议或其他无线个人局 域网(WPAN)协议、蜂窝电话协议、MIMO协议、天线分集协议、卫星导航 系统协议、毫米波通信协议、IEEE 802.15.4超宽带通信协议或其他超宽带通 信协议等。
输入-输出电路44可包括输入-输出设备32。输入-输出设备32可用于允 许将数据提供到设备10并允许将数据从设备10提供到外部设备。输入-输出 设备32可包括用户接口设备、数据端口设备和其他输入-输出部件。例如， 输入-输出设备32可包括触摸屏、没有触摸传感器能力的显示器、按钮、滚 轮、触控板、小键盘、键盘、麦克风、相机、按钮、扬声器、状态指示器、 光源、音频插孔和其他音频端口部件、振动器或其他触觉反馈引擎、数字数 据端口设备、光传感器(例如，红外光传感器、可见光传感器等)、发光二 极管、运动传感器(加速度计)、电容传感器、接近传感器、磁性传感器、 力传感器(例如，耦接至显示器以检测施加在显示器上的力的力传感器)等。
输入-输出电路44可包括无线电路34(本文有时称为无线通信电路34)。 为了支持无线通信，无线电路34可包括由一个或多个集成电路、功率放大 器电路、低噪声输入放大器、无源射频(RF)部件、一个或多个天线诸如天线 40、传输线和用于处理RF无线信号的其他电路形成的射频(RF)收发器电路。 也可使用光(例如，使用红外通信)来发送无线信号。
无线电路34可包括用于处理各种射频通信频带的射频收发器电路24。 例如，无线电路34可包括收发器电路42、36、38、26和30。收发器电路 36可以是无线局域网收发器电路。收发器电路36可针对(IEEE 802.11) 通信处理2.4GHz和5GHz频带或其他WLAN频带并且可处理2.4GHz通信频带或其他WPAN频带。收发器电路36在本文中有时可被称 为WLAN收发器电路36。
无线电路34可使用蜂窝电话收发器电路38(本文中有时称为蜂窝收发 器电路38)来处理频率范围(通信频带)中的无线通信，诸如从600MHz 到960MHz的低频带(本文有时称为蜂窝低频带LB)、从1400MHz或1700MHz到2170MHz或2200MHz的中频带(本文有时称为蜂窝中频带MB) 和从2200MHz或2300MHz到2700MHz(例如，峰值在2400MHz的高频带) 的高频带(本文有时称为蜂窝高频带HB)或600MHz和4000MHz之间的其 他通信频带或其他适当频率(作为示例)。蜂窝收发器电路38可处理语音 数据和非语音数据。
无线电路34可包括卫星导航系统电路，诸如全球定位系统(GPS)接收器 电路42，用于接收1575MHz下的GPS信号或用于处理其他卫星定位数据(例 如，1609MHz下的GLONASS信号)。从围绕地球轨道运行的一组卫星接收 用于接收器42的卫星导航系统信号。如果需要，无线电路34可包括用于其他近程和远程无线链路的电路。例如，无线电路34可包括用于接收电视和 无线电信号的电路、寻呼系统收发器、近场通信(NFC)收发器电路30(例如， 在13.56MHz或另一合适频率下工作的NFC收发器)等。
在NFC链路中，无线信号通常至多输送几英寸。在卫星导航系统链路、 蜂窝电话链路和其他远程链路中，无线信号通常用于在几千英尺或英里范围 内输送数据。在2.4GHz和5GHz下的WLAN和WPAN链路以及其他近程无线链路中，无线信号通常用于在几十或几百英尺范围内输送数据。
超宽带(UWB)收发器电路26可以支持使用IEEE 802.15.4协议和/或其他 无线通信协议(例如，超宽带通信协议)的通信。超宽带无线信号可基于使 用频带受限数据脉冲的脉冲无线电信令方案。超宽带信号可以具有任何所需 带宽，诸如499MHz和1331MHz之间的带宽、大于500MHz的带宽等。基 带中存在更低频率有时可允许超宽带信号穿透诸如墙壁的对象。在IEEE 802.15.4系统中，一对电子设备可交换无线时间戳消息。可分析消息中的时间戳以确定消息的飞行时间，从而确定设备之间的距离(范围)和/或设备之 间的角度(例如，传入射频信号的到达角)。收发器电路26可在诸如约5GHz 和约8.3GHz之间的超宽带频带(例如，6.5GHz频带、8GHz频带和/或其他 适当频率)的频带中工作(即，输送射频信号)。
无线电路34可包括天线40。可使用任何合适的天线类型来形成天线40。 例如，天线40可包括具有谐振元件的天线，该天线由贴片天线结构、隙缝 天线结构、环形天线结构、具有寄生元件的天线结构、倒F形天线结构、平 面倒F形天线结构、螺旋天线结构、单极天线、偶极天线结构、八木(Yagi-Uda) 天线结构、这些设计的混合等形成。如果需要，天线40中的一个或多个天 线可为背腔式天线。
可针对不同的频带和频带组合来使用不同类型的天线。例如，在形成本 地无线链路天线时可使用一种类型的天线，并且在形成远程无线链路天线时 可使用另一种类型的天线。专用天线可用于接收卫星导航系统信号，或者如 果需要，天线40可被配置成接收卫星导航系统信号和用于其他通信频带的信号(例如，无线局域网信号和/或蜂窝电话信号)。天线40可以包括用于处 理超宽带无线通信的两个或更多个天线。在本文中作为示例描述的一种合适 布置中，天线40包括用于处理超宽带无线通信的三个天线。
传输线路径可用于在设备10内路由天线信号。例如，传输线路径可用 于将天线40耦接到收发器电路24。设备10中的传输线可以包括由金属化通 孔实现的同轴探针、微带传输线、带状传输线、边缘耦接微带传输线、边缘 耦接带状线传输线、波导结构、由这些类型的传输线的组合形成的传输线等。
设备10中的传输线可以集成到刚性和/或柔性印刷电路板。在一种合适 的布置中，设备10中的传输线还可包括集成在多层层压结构(例如，导电 材料(诸如铜)层和电介质材料(诸如树脂)层，被层压在一起，而没有介 入粘合剂)内的传输线导体(例如，信号和接地导体)，该多层层压结构可 以在多个维度(例如，二维或三维)上折叠或弯曲，并且在弯曲之后保持弯曲或折叠形状(例如，多层层压结构可以折叠成特定的三维形状以围绕其他设备部件布线，并且可具有足够刚性以在折叠后保持其形状，而无需用加强 片或其他结构保持在适当位置)。层压结构的所有多个层可以在没有粘合剂 的情况下分批层压在一起(例如，在单个压制过程中)(例如，与进行多个 压制过程以将多个层用粘合剂层压在一起相反)。如果需要，滤波器电路、 切换电路、阻抗匹配电路、以及其他电路可被插入到发射线内。
在图3中示出了耦接到收发器电路24(例如，超宽带收发器26)的天 线40的示意图。如图3所示，收发器电路24可以使用诸如射频传输线46 的传输线结构来耦接到天线40的天线馈电部52。
天线馈电部52可包括正天线馈电端子(诸如正天线馈电端子54)并可包 括接地天线馈电端子(诸如接地天线馈电端子56)。传输线46可以由印刷电 路上的金属迹线或其他导电结构形成，并且可以具有正传输线信号路径，诸 如耦接到正天线馈电端子54的路径48(本文有时称为信号导体48)。传输线46可以具有接地传输线信号路径，诸如耦接到接地天线馈电端子56的路 径50(本文有时称为接地导体50)。如果需要，滤波器电路、切换电路、阻抗匹配电路、可调谐部件和其他电路可以插入传输线46内和/或可以并入 天线40中(例如，以支持天线调谐，以支持在期望频带中的操作等)。
在操作期间，设备10可以与外部无线装置通信。如果需要，设备10可 以使用在设备10与外部无线装置之间传送的射频信号来识别外部无线装置 相对于设备10的位置。设备10可以通过识别距外部无线装置的范围(例如， 外部无线装置与设备10之间的距离)以及来自外部无线装置的射频信号的 到达角(AoA)(例如，设备10从外部无线装置接收射频信号的角度)来识别 外部无线装置的相对位置。
图4是示出设备10如何确定设备10与诸如无线网络节点60的外部无 线装置(本文有时称为无线装置60、无线设备60、外部设备60或外部装置 60)之间的距离D的图示。节点60可以包括能够接收和/或传输诸如信号58 的射频信号的设备。节点60可以包括标记设备(例如，已经被设置有无线 接收器和/或无线发射器的任何合适的对象)、电子设备(例如，基础设施相 关设备)、和/或其他电子设备(例如，结合图1描述的类型的设备，包括与 设备10相同的无线通信能力中的一些或全部)。
例如，电子设备60可为膝上型计算机、平板计算机、稍小的设备(诸 如腕表设备、挂式设备、耳机设备、听筒设备、头戴式受话器设备(例如， 虚拟或增强现实头戴式受话器设备)、或其他可佩戴或微型设备)、手持设 备(诸如蜂窝电话)、媒体播放器或其他小型便携式设备。节点60还可为 机顶盒、具有无线通信能力的相机设备、台式计算机、计算机或其他处理电 路已被集成到其中的显示器、没有集成计算机的显示器，或其他合适的电子 装置。节点60还可以是密钥卡、钱包、书、笔或其他已经设置有低功率发射器(例如，RFID发射器或其他发射器)的对象。节点60可以是电子装置， 诸如恒温器、烟雾探测器、低功耗(Bluetooth LE)信标、无线接入点、无线基站、服务器、加热、通风和空调(HVAC)系统(有时称 为温度控制系统)、诸如发光二极管(LED)灯泡的光源、灯开关、电源插座、 占用检测器(例如，主动或被动红外光检测器、微波检测器等)、门传感器、 湿度传感器、电子门锁、安全相机或其他设备。
如图4所示，设备10可以使用无线射频信号58与节点60通信。射频 信号58可以包括信号、近场通信信号、诸如IEEE 802.11信号的 无线局域网信号、毫米波通信信号(诸如60GHz信号)、超宽带射频信号、 其他射频无线信号、红外信号等。在本文通过示例描述的一种合适布置中， 射频信号58是在诸如6.5GHz和8GHz频带的超宽带频带中传送的超宽带信 号。射频信号58可以用于确定和/或传送信息(诸如位置和取向信息)。例如，设备10中的控制电路28可以使用射频信号58来确定节点60相对于设 备10的位置。
在节点60能够发送或接收通信信号的布置中，控制电路28可以使用无 线信号(例如，图4的射频信号58)来确定距离D。控制电路28可以使用 信号强度测量方案(例如，测量来自节点60的射频信号的信号强度)，或 使用基于时间的测量方案(诸如渡越时间测量技术、到达时间差测量技术、到达角测量技术、三角测量方法、渡越时间方法)，使用众包位置数据库和 其他合适的测量技术来确定距离D。然而，这仅是例示性的。如果需要，控 制电路28可以使用来自全球定位系统接收器电路42(图2)、接近传感器 (例如，红外接近传感器或其他接近传感器)的信息，来自相机的图像数据， 来自运动传感器的运动传感器数据，和/或使用设备10中的其他电路来帮助 确定距离D。除了确定设备10与节点60之间的距离D之外，控制电路28 还可以确定设备10相对于节点60的取向。
图5示出了如何确定设备10相对于诸如节点60的附近节点的位置和取 向。在图5的示例中，控制电路28使用水平极坐标系来确定设备10相对于 节点60的位置和取向。在这种类型的坐标系中，控制电路28可以确定方位 角θ和/或仰角以描述附近节点60相对于设备10的位置。控制电路28可 以限定参考平面(诸如局部地平面64)和诸如参考矢量(参考矢量68)。 局部地平面64可以是与设备10相交并相对于设备10的表面(例如，设备 10的前面或后面)限定的平面。例如，局部地平面64可以是与设备10的显 示器14(图1)平行或共面的平面。参考矢量68(有时称为“北”方向)可 以是局部地平面64中的矢量。如果需要，参考矢量68可以与设备10的纵 向轴线62(例如，沿设备10的中心纵向并平行于设备10的最长矩形尺寸， 即平行于图1的Y轴行进的轴线)对准。当参考矢量68与设备10的纵向轴 线62对准时，参考矢量68可以对应于设备10指向的方向。
可以相对于局部地平面64和参考矢量68测量方位角θ和仰角如图 5所示，节点60的仰角(有时称为高度)是节点60与设备10的局部地平 面64之间的角度(例如，在设备10与节点60之间延伸的矢量70以及设备 10与地平面64之间延伸的共面矢量66之间的角度)。节点60的方位角θ 是节点60围绕局部地平面64的角度(例如，参考矢量68与矢量66之间的 角度)。在图5的示例中，节点60的方位角θ和仰角大于0°。
如果需要，除了纵向轴线62之外的其他轴线可以用于限定参考矢量68。 例如，控制电路28可以使用垂直于纵向轴线62的水平轴线作为参考矢量68。 这可以用于确定节点60何时位于设备10的侧部附近(例如，当设备10被 取向在节点60中的一个的左右时)。
在确定设备10相对于节点60的取向之后，控制电路28可以采取适当 的动作。例如，控制电路28可以向节点60发送信息，可以从60请求和/或 接收信息，可以使用显示器14(图1)来显示与节点60无线配对的视觉指 示，可以使用扬声器来生成与节点60无线配对的音频指示，可以使用振动 器、触觉致动器或其他机械元件来生成指示与节点60无线配对的触觉输出， 可以使用显示器14来显示节点60相对于设备10的位置的视觉指示，可以使用扬声器来生成节点60的位置的音频指示，可以使用振动器、触觉致动 器或其他机械元件来生成指示节点60的位置的触觉输出，和/或可以采取其 他合适的动作。
在一个合适的布置中，设备10可以使用两个或更多个超宽带天线来确 定设备10与节点60之间的距离以及设备10相对于节点60的取向。超宽带 天线可以从节点60接收无线通信信号。可以分析无线通信信号中的时间戳 以确定无线通信信号的渡越时间，并由此确定设备10与节点60之间的距离 (范围)。附加地，可以使用到达角(AoA)测量技术来确定电子设备10相对 于节点60的取向(例如，方位角θ和仰角)。
在到达角测量中，节点60将射频信号传输到设备10(例如，图4的射 频信号58)。设备10可以测量两个或更多个超宽带天线之间的射频信号的 到达时间的延迟。到达时间的延迟(例如，每个超宽带天线处的接收相位的 差异)可以用于确定射频信号的到达角(并因此确定节点60相对于设备10 的角度)。一旦确定了距离D和到达角，设备10就可以知道节点60相对于 设备10的精确位置。
图6是示出可以如何使用到达角测量技术来确定设备10相对于节点60 的取向的示意图。如图6所示，设备10可以包括通过相应传输线46(例如， 第一传输线46-1和第二传输线46-2)耦接到收发器电路24的多个天线(例 如，第一天线40-1和第二天线40-2)。
天线40-1和40-2可以各自从节点60接收射频信号58(图5)。天线 40-1和40-2可以横向分开距离d1，其中天线40-1比天线40-2更远离节点60 (在图6的示例中)。因此，与天线40-2相比，射频信号58行进更大的距 离以到达天线40-1。节点60与天线40-1之间的附加距离在图6中被示为距 离d2。图6还示出了角度x和y(其中x+y＝90°)。
距离d2可以被确定为角度y或角度x的函数(例如，d2＝d1*sin(x)或d2＝d1*cos(y))。距离d2也可以被确定为由天线40-1接收的信号与由天线40-2 接收的信号之间的相位差的函数(例如，d2＝(PD)*λ/(2*π))，其中PD是由 天线40-1接收的信号与由天线40-2接收的信号之间的相位差(有时写为 “Δφ”)，并且λ是射频信号58的波长。设备10可以包括相位测量电路， 其耦接到每个天线以测量接收信号的相位并识别相位差PD(例如，通过从针对一个天线测量的相位减去针对另一个天线测量的相位)。d2的两个等式 可以设置为彼此相等(例如，d1*sin(x)＝(PD)*λ/(2*π))并重新布置以求解角 度x(例如，x＝sin-1((PD)*λ/(2*π*d1)或角度y。因此，可以基于天线40-1 和40-2之间的已知(预定)距离、检测(测量)的由天线40-1接收的信号 与由天线40-2接收的信号之间的相位差PD、以及接收信号58的已知波长(频 率)来确定到达角(例如，通过控制电路28)。
可以选择距离d1以便于计算由天线40-1接收的信号与由天线40-2接收 的信号之间的相位差PD。例如，d1可以小于或等于接收信号58的波长(例 如，有效波长)的一半(例如，以避免多个相位差解决方案)。
利用用于确定到达角的两个天线(如图6所示)，可以确定单个平面内 的到达角。例如，图6中的天线40-1和40-2可以用于确定方位角θ。可以包 括第三天线以使得能够在多个平面中确定到达角(例如，可以确定方位角θ 和仰角两者)。例如，可以将图6的角度x和/或y转换为球面坐标以获得 方位角θ和仰角
可以使用任何期望的天线结构来实现用于计算到达角的天线40。在一 种合适的布置中，其在本文中有时被描述为示例，贴片天线结构可用于实现 天线40。使用贴片天线结构实现的天线40在本文中有时可称为贴片天线。 在图7中示出了例示性贴片天线。
如图7所示，天线40可以具有贴片天线谐振元件(诸如贴片元件74)， 其与诸如接地72(有时称为接地层72、接地层72或天线接地72)的接地平 面结构分离。贴片元件74和天线接地72可以由金属箔、机加工金属结构、印刷电路上或模制塑料载体的金属迹线、电子设备外壳结构、或电子设备(诸 如设备10)中的其他导电结构形成。贴片元件74在本文中有时可称为贴片 74、贴片天线谐振元件74、贴片辐射元件74、或天线谐振元件74。
贴片元件74可以位于诸如图7的X-Y平面的平面内。天线接地72可位 于与贴片元件74的平面平行的平面内。因此，贴片元件74和天线接地72 可以位于分开距离H的分开平行平面中。通常，与较短距离H相比，较大 距离(高度)H可以允许天线40表现出更大带宽。然而，与较短距离H相 比，较大距离H可能在设备10内消耗更多体积(其中空间通常是非常宝贵的)。
导电路径76可以用于将端子54'耦接到正天线馈电端子54。可以使用传 输线来对天线40进行馈电，其中信号导体耦接到端子54'(并且因此耦接到 正天线馈电端子54)并且接地导体耦接到接地天线馈电端子56。如果需要， 可以使用其他馈送布置。如果需要，贴片元件74和天线接地72可以具有不 同的形状和取向(例如，平面形状、弯曲贴片形状、具有非矩形轮廓的贴片 元件形状、诸如正方形的具有直边的形状、诸如椭圆和圆形的具有弯曲边的 形状、具有弯曲边和直边的组合的形状等)。
控制电路28可以使用图7所示类型的多个天线来确定到达角并从而确 定节点60(图5)相对于设备10的位置。图8是示出如何可以使用三个天 线40来确定到达角的俯视图。
如图8所示，设备10可以包括天线模块80，其用于确定从节点60(图 4)接收的射频信号58的到达角以及设备10与节点60之间的范围。天线模 块80可包括三个或更多个天线40，诸如第一天线40-1、第二天线40-2和第 三天线40-3。天线40可以被配置成以超宽带频率辐射，并且天线模块80因 此有时可以在本文中被称为超宽带天线模块80。
天线40-1、40-2和40-3可安装到基板，诸如基板78。基板78可以是例 如刚性印刷电路板或柔性印刷电路。天线40-1和40-3可以围绕天线40-2沿 着垂直轴线定位(例如，天线40-1和40-2可以与平行于Y轴的轴线对准， 而天线40-2和40-3与平行于图8的X轴的轴线对准)。虽然两个天线40可 以使得控制电路28能够确定单个平面内的到达角(例如，图5的方位角θ 或仰角)，但使用沿正交轴线布置的三个天线(诸如图8的天线40-1、40-2 和40-3)可以使得控制电路28能够确定多个平面内的到达角并从而确定球 面坐标中的到达角(例如，可以确定方位角θ和仰角两者)。
天线40-1和天线40-3可以各自定位在与天线40-2相距距离81的位置 处。距离81可以例如近似等于天线40-1、40-2和40-3的操作波长的二分之 一。距离81可以用作天线40-1和40-2之间的距离d1(图6)，以用于计算 在天线40-1和40-2之间的单个平面内的到达角。类似地，距离81可以用作 天线40-2和40-3之间的距离d1，以用于计算在天线40-2和40-3之间的单个 平面内的到达角。如果需要，基板78可以包括切口区域83以便在天线模块 80安装在设备10内时容纳其他设备部件。
如图8所示，天线40-1、40-2和40-3中的每一个可以包括安装到对应 贴片基板84的相应贴片元件74。贴片基板84(本文中有时称为电介质基板 84或电介质载体84)可以安装到基板78的表面，并且可以将贴片元件74 与基板78的表面分开(例如，贴片基板84可以在基板78的侧表面上方沿Z 轴延伸)。贴片基板84可以包括塑料、陶瓷、聚酰亚胺、液晶聚合物或任 何其他期望的电介质材料。贴片元件74可以由贴片基板84的表面上的导电 迹线形成。贴片基板84可以将贴片元件74与基板78上方、上面或内部的接地迹线(例如，图7的天线接地72)分开。这可以用于最大化天线40-1、 40-2和40-3的带宽(例如，在给定基板78的相对薄的轮廓下)。
如果需要，每个基板84可以包括导电通孔86的相应组或栅栏，其延伸 通过贴片基板(例如，平行于图8的Z轴)并且横向围绕对应的贴片元件74 延伸。例如，天线40-1可以包括导电通孔86的栅栏，其围绕天线40-1中的 贴片元件74的每一侧横向延伸(围绕该元件)。作为示例，导电通孔的栅 栏中的每个通孔86可以与该栅栏中的两个相邻通孔86分开波长的十五分之一或更小。这可以允许通孔86的栅栏针对由贴片元件74横向传送的射频信 号(例如，平行于图8的X-Y平面)表现为固体导电壁(例如，无限阻抗)。以此方式，导电通孔86的相应栅栏可以为每个贴片元件74形成导电腔，并 且可以用于将天线40-1、40-2和40-3中的每一个彼此隔离以及与来自其他 设备部件的电磁干扰隔离。
射频传输线46可以集成在基板78内以用于对天线40-1、40-2和40-3 进行馈电。例如，第一射频传输线46-1可以耦接到天线40-1，第二射频传 输线46-2可以耦接到天线40-2，并且第三射频传输线46-3可以耦接到天线 40-3。例如，射频传输线46-1、46-2和46-3可以由基板78上的导电信号迹 线和导电接地迹线形成。
射频传输线46-1、46-2和46-3可以各自通过射频连接器82耦接到UWB 收发器电路26(图2)。连接器82可以是同轴电缆连接器或任何其他期望 的射频连接器。收发器电路26可以在单独基板上形成，诸如用于设备10的 主逻辑板。射频传输线46-2可以围绕天线40-1和切口区域83从射频连接器 82布线到天线40-2。类似地，射频传输线46-3可以围绕天线40-1和40-2及 切口区域83从射频连接器82布线到天线40-3。图8的示例仅是示例性的， 并且通常，基板78可以具有任何期望的形状，并且射频传输线46可以设置有任何期望的布线布置。
例如，天线40-1、40-2和40-3中的每一个可以具有相同的尺寸以覆盖 相同的频率。贴片元件74的尺寸可以被选择为在一个或多个期望的频带内 辐射。例如，每个贴片元件74可以具有长度88和正交宽度90。长度88可 以被选择为使得贴片元件74以第一频带辐射(例如，长度88可以是对应于 6.5GHz频带中的频率的波长的约二分之一)，并且宽度90可以被选择为使 得贴片元件74以第二频带辐射(例如，长度90可以是对应于8GHz频带中 的频率的波长的约二分之一)。正天线馈电端子54(图7)可以在从贴片元 件74的中心偏移选定距离的位置处耦接到贴片元件74，以便在这些频带中 将贴片元件74的阻抗与对应射频传输线46相匹配。
图8的示例仅是示例性的，并且如果需要，贴片元件74可以具有其他 形状(例如，具有弯曲边和/或直边的形状)。如果需要，可以将其他设备部 件安装到天线模块80(例如，在基板78上)，这些设备部件诸如匹配电路、 射频前端电路、滤波器电路、开关电路、放大器电路、移相器电路、相位测 量电路、相机模块、扬声器、光发射器、环境光传感器、用于覆盖无线局域 网通信或其他非超宽带通信的另一个天线、振动器、显示部件、接近传感器 部件、或任何其他期望的设备部件。
图9是示出如何可以将天线模块80安装在设备10内的横截面侧视图。 如图9所示，天线模块80可以临近诸如电介质覆盖层104的电介质覆盖层 安装在设备10内。电介质覆盖层104可以形成用于设备10的电介质后壁(例 如，图9的电介质覆盖层104可以形成图1的后部外壳壁12R的一部分)，或者可以形成用于设备10的显示器覆盖层(例如，图9的电介质覆盖层104 可以是用于图1的显示器14的显示器覆盖层)，作为示例。电介质覆盖层 104可由视觉上不透明的材料形成，或可设置有颜料，使得如果需要，电介 质覆盖层104在视觉上不透明。
导电层(诸如导电层100)可以耦接到电介质覆盖层100的内表面。导 电层100可以形成图1的后部外壳壁12R的一部分，或者可以由其他设备外 壳结构(诸如用于设备10的导电支撑板)形成，作为示例。导电层100可 以包括孔(开口)102。天线模块80可以安装在设备10的内部106内，使 得天线40(例如，图8的天线40-1、40-2或40-3中的一个)与孔102对准。当以此方式安装时，天线40可以通过电介质覆盖层104和孔102接收射频 信号58(图4)。天线40的贴片元件74可以压靠电介质覆盖层104，可以 使用粘合剂层来耦接到电介质覆盖层104，或者可以与电介质覆盖层104间隔开。
如图9所示，天线模块80可以包括安装到基板78的贴片基板84。在一 个示例中，贴片基板84可以是刚性的，而基板78是柔性的。在这种情况下，基板78的在贴片基板84下方的部分可以是刚性的，而基板78的延伸超过 贴片基板84的部分是柔性的(例如，柔性印刷电路尾部)。如果需要，可 以使用粘合剂将贴片基板84耦接到基板78。
贴片基板84和/或基板78可以各自包括多个堆叠电介质层(例如，多层 印刷电路板基板，诸如多层玻璃纤维填充环氧树脂)或可以各自包括单个电 介质层。贴片基板84可包括任何所需的电介质材料，诸如环氧树脂，塑料， 陶瓷，玻璃，泡沫、聚酰亚胺、液晶聚合物或其他材料。柔性基板78可以 包括导电迹线94和导电迹线96(例如，形成在基板78的不同电介质层上的 导电迹线)。导电迹线94和96可以共同形成用于天线40的射频传输线46。例如，导电迹线94可以形成信号导体(例如，图3的信号导体48)，而导电迹线96形成用于天线40的接地导体(例如，图3的接地导体50)。
接地迹线98可以嵌入在贴片基板84内并且可以保持在接地电位(例如， 接地迹线98可以耦接到设备10中的其他接地结构，诸如导电迹线96)。贴 片元件74可以由贴片基板84的表面97上的导电迹线形成。在贴片基板84 由多个堆叠电介质层形成的情况下，接地迹线98可以由贴片基板84中的第 一电介质层上的导电迹线形成，而贴片元件74由贴片基板84中的另一个电 介质层上的导电迹线形成。导电迹线94(例如，用于射频传输线46的信号导体)可以通过延伸穿过贴片基板84的导电馈电通孔92和接地迹线98中 的开口来耦接到贴片元件74上的正天线馈电端子54。
导电通孔86可以通过贴片基板84从接地迹线98延伸到表面97。导电 通孔86可以耦接到贴片基板84的表面97上的导电着陆焊盘(例如，与贴 片元件74共面的导电接触焊盘)。导电通孔86可以在表面97处与贴片元件74分开距离101(例如，导电着陆焊盘可以与贴片元件74横向分开距离 101)。距离101可以足够大以允许制造天线40种的某种容限，同时还足够 小以最小化设备10内的天线40的占用面积。作为示例，距离101可以在 0.4mm与0.6mm之间(例如，0.5mm)。导电通孔86可以在贴片基板84的 外围边缘处形成(例如，可以围绕贴片基板84的外围)，或者贴片基板84 可以横向延伸超出导电通孔86。导电通孔86可以防止由贴片元件74处理的射频信号横向地逃逸到设备10的内部106中，并且可以防止内部106内的 电磁信号干扰天线40。
当以此方式配置时，天线模块80可以表现出厚度95(例如，平行于图 9的Z轴)。作为示例，厚度95可以在0.2mm与0.4mm之间。该相对窄的 轮廓可以允许天线模块80安装在设备10内的相对窄的空间内并且紧邻其他 设备部件。导电通孔86可以用于将天线40与其他设备部件电磁隔离，尽管 它们紧邻天线40。
实际上，天线40-1、40-2和40-3可能易受来自外部对象(例如，电介 质盖104的外表面处或附近的对象)的阻抗加载的影响，对象诸如为用户的手、衣服或用户身体的其他部分、用于设备10的可移除保护壳体、电介质 膜或其他对象。来自外部对象的加载可以影响由天线40-1、40-2和40-3接 收的射频信号的相位。例如，控制电路28(图2)可以在给定天线处于自由空间环境中时测量特定相位，并且可以在用户的手指覆盖天线时测量不同的 相位，即使相位是根据设备10以相同的到达角接收的信号测量的。
测量信号相位的这些差异可致使控制电路28生成天线对之间的错误相 位差值PD。因为相位差值PD用于确定到达角，所以相位差值PD中的这些 误差可能致使控制电路28生成错误的到达角数据(例如，控制电路28可能 错误地确定图5的节点60相对于设备10位于不准确的角度)。因此，期望 能够为天线模块80提供不管天线如何被外部对象加载都会生成准确的到达 角信息的能力。
图10是可以由设备10执行以便不管天线40-1、40-2和40-3的环境加 载状况如何都会生成准确的到达角信息的示例性步骤的流程图。例如，图10 的步骤可以由图2的控制电路28以及图8和图9的天线模块80执行。
在步骤108处，天线40-1、40-2和40-3可以从节点60接收射频信号58 (图4)。在本文通过示例描述的一个合适布置中，射频信号是一个或多个 超宽带频带(例如，6.5GHz的超宽带频带和8GHz的超宽带频带)中的超宽 带信号。
在步骤110处，天线模块80上的相位测量电路可以测量由天线40-1、 40-2和40-3中的每个接收的超宽带信号的相位，并且可以将测量的相位传 递到控制电路28。例如，相位测量电路可以生成天线40-1的第一相位测量值、天线40-2的第二相位测量值和天线40-3的第三相位测量值。
控制电路28可以从第一相位测量值中减去第二相位测量值，以生成天 线40-1和40-2之间的第一相位差值PD12(有时标注为“Δφ12”)(本文中 有时称为相位差PD12)。类似地，控制电路28可以从第二相位测量值中减 去第三相位测量值，以生成天线40-2和40-3之间的第二相位差值PD23(有 时标注为“Δφ23”)(本文中有时称为相位差PD23)。控制电路28可以基 于相位差值PD12和PD23来确定所接收的超宽带信号的三维到达角(例如， 方位角θ和仰角)。如果需要，控制电路28还可以使用所接收的超宽带信 号来确定设备10与节点60之间的范围(例如，图4和图5的范围D)。
在步骤112处，控制电路28可以通过从预定相位差值PD12’中减去相 位差值PD12来生成第一差值Δ12，并且可以通过从预定相位差值PD23'中 减去相位差值PD23来生成第二差值Δ23。预定相位差值PD23'和PD12'可以 存储在控制电路28处(例如，存储在非易失性存储器中)。预定差值PD12' 可以是在自由空间环境(例如，天线40-1和40-2未被任何外部对象加载的操作环境)中的天线40-1和40-2之间生成的自由空间相位差值。类似地， 预定差值PD23'可以是在自由空间环境(例如，天线40-2和40-3未被任何外 部对象加载的操作环境)中的天线40-2和40-3之间生成的自由空间相位差值。例如，可以在无线电路34的校准期间(例如，在组装设备10之前或在 终端用户正常操作设备10之前)生成预定相位差值PD12'和PD23'。
在步骤114处，控制电路28可以将差值Δ12和/或差值Δ23与一个或多 个预定阈值进行比较，以确定天线40-1、40-2和40-3中的一个是否不在自 由空间环境中(例如，以确定天线40-1、40-2和40-3中的一个是否正由外 部对象加载)。例如，控制电路28可以将每个差值与不同的相应阈值进行 比较，可以将每个差值与相同的阈值进行比较，或者可以将差值的组合与阈 值进行比较。
如果每个差值小于对应阈值，则这可以指示天线40-1、40-2和40-3在 自由空间环境中操作，并且处理可以循环回到步骤108，如路径116所示。控制电路28可以识别在步骤110的前一次迭代期间生成的到达角信息是准 确的，并且可以行进到识别节点60相对于设备10的位置或者基于到达角信息执行任何其他期望的操作。
如果一个或多个差值大于一个或多个阈值，则这可以指示天线40-1、 40-2和/或40-3在非自由空间环境中操作，其中天线40-1、40-2和40-3中的 一个或多个被外部对象加载或阻止。处理可以随后行进到步骤120，如路径 118所示。
在步骤120处，控制电路28可以将相位差值PD12与一组预定的环境特 定PD12表面进行比较，和/或可以将相位差值PD23与一组预定的环境特定 PD23表面进行比较。预定的环境特定PD12和PD23表面可以存储在控制电 路28处。
预定的环境特定PD12表面可以包括在不同的环境负载状况下使用天线 40-1和40-2来生成的(例如，在设备10的校准期间生成的)相位差值PD12 的表面。每个表面可以包括在对应环境负载状况下在所有可能的测量到达角 上的预期PD12值。例如，控制电路28可以存储针对设备10已放置在可移 动保护壳体内的情况的预期PD12值的第一表面，针对天线40-1被用户手指 覆盖的情况的预期PD12值的第二表面，针对天线40-2被用户手部覆盖的情 况的预期PD12值的第二表面。
类似地，预定的环境特定PD23表面可以包括在不同的环境负载状况下 使用天线40-2和40-3来生成的(例如，在设备10的校准期间生成的)相位差值PD23的表面。每个表面可以包括在对应环境负载状况下在所有可能的 测量到达角上的预期PD23值。例如，控制电路28可以存储针对设备10已 放置在可移动保护壳体内的情况的预期PD23值的第一表面，针对天线40-2 在放置在保护壳体内时被用户手指覆盖的情况的预期PD23值的第二表面，针对天线40-2和40-3被用户手部覆盖而无保护壳体的情况的预期PD23值的 第三表面等。控制电路28将相位差值与相位差值的三维表面进行比较的该示例仅是示例性的，并且如果需要，控制电路28可以将相位差值与相位差 值的二维曲线(例如，给定固定方位角或仰角下的位于表面上的曲线)进行 比较。
控制电路28可以选择与测量的相位差值PD12相匹配的预定的环境特 定PD12表面(曲线)，并且可以选择与测量的相位差值PD23相匹配的预 定的环境特定PD23表面(曲线)。控制电路28可以识别与匹配预定PD12和PD23表面相关联的环境加载状况。例如，如果测量的PD12值匹配与天 线40-1由用户手指加载相对应的预定PD12表面，并且测量的PD23值匹配 与没有对象装载天线40-2和40-3相关联的预定PD23表面，则控制电路28 可以确定天线40-1正在由用户手指阻挡。作为另一个示例，如果测量的PD12 值匹配与天线40-2和40-1由设备10的可移除电介质壳体加载相对应的预定 PD12表面，并且测量的PD23值匹配与天线40-2和40-3由设备10的可移除 电介质壳体加载相对应的预定PD23表面，则控制电路28可以确定设备10 安装在可移除电介质壳体内(例如，天线40-1、40-2和40-3由设备10的可 移除电介质壳体装载)。控制电路28可以包括任何期望数量的预定环境特 定PD12和PD23表面，其与任何期望外部对象的对天线40-1、40-2和40-3 的任何期望组合的任何期望加载相关联。
在步骤122处，控制电路28可以基于所识别的环境加载状况(例如， 基于在处理步骤120时执行的比较)来识别预定的到达角偏移值。偏移值可 以存储在控制电路28处，并且可以在设备10的校准期间生成。因为不同的 环境加载状况可以生成由天线40-1、40-2和40-3测量的相位中的不同偏差， 所以可以在设备10的校准期间测量和表征这些偏差。在控制电路28处存储 的预定偏移值可以补偿这些预先表征的效果。例如，控制电路28可以存储与天线40-1、40-2和40-3由设备10的电介质壳体加载相关联的第一组偏移 值，与天线40-1被用户手指阻挡相关联的第二组偏移值，与天线40-3被用 户手指阻挡相关联的第三偏移值等。
控制电路28可以将所识别的偏移值与所确定的到达角(例如，如在处 理步骤110时所生成的)相加或以其他方式组合，以生成已校正的到达角值 (例如，已校正的方位角θ和已校正的仰角)。偏移值可以补偿由于天线 40-1、40-2和/或40-3测量的相位值中的偏移而生成的到达角值的误差，该 偏移是由于存在不同外部对象而引起的。
考虑将用户的手指放置在天线40-1上方的一个示例。用户手指可以使 由天线40-1接收的超宽带信号的相位偏移远离天线在如果不存在手指时将 表现出的相位。这种偏移的量值取决于放置在天线上的材料(例如，天线的 环境装载状况)。该偏移也导致所测量的相位差值PD12远离天线在如果不 存在手指时将表现出的相位差值的移位。移位的相位差值将表征节点60位于与其实际位置不同的位置处。当控制电路28基于移位的相位差值生成到 达角值时，到达角将是错误的并且表征节点60位于除其实际位置之外的位 置处。然而，通过将所测量的相位差值与相位差值的预定表面进行比较(例 如，通过执行图10的步骤)，控制电路28可以基于在天线之间测量的相位 差来识别天线的环境加载状况(例如，关于哪些天线被哪种类型的材料覆盖 的信息)。预定偏移值可以与有助于测量的相位差的特定环境加载状况相对 应。通过使用预定偏移值来调整到达角，可以校正错误的到达角以反映节点 60的准确位置。
处理可以随后循环回到步骤108，如路径124所示。以这种方式，控制 电路28可以确保无论天线40-1、40-2和/或40-3是否被外部对象加载都会确 定正确的到达角信息。控制电路28可以随后使用校正的到达角信息来确定 节点60相对于设备10(图5)的准确位置。
图11是针对天线40-1、40-2和40-3中的给定天线的作为仰角函数的到 达时的相位差的曲线图。如图11所示，Y轴绘制到达时的相位差PD(例如， 相位差值PD12或相位差值PD23)，而X轴绘制输入的超宽带信号的仰角(例如，对于固定的方位角θ)。
曲线126示出了自由空间环境(其中一对天线未被外部对象加载)的到 达时的预期相位差。曲线128示出了当该对天线被手指覆盖时的到达时的预 期相位差。如曲线126和128所示，到达时的预期相位差大体随着接收的超 宽带信号的仰角增加而增加。然而，相位差随仰角变化的方式基于天线是否 被外部对象加载而改变。通过执行图10的操作，控制电路28可以补偿这些 变化，以确保基于测量的相位差生成的到达角信息是准确的。
曲线126和128可以是存储在控制电路28处的预定相位差曲线。例如， 可以在设备10的校准期间生成曲线126和128。曲线126可以表示预定三维 自由空间表面的二维部分(例如，对于固定方位角θ)。曲线128可以表示 对应于手指覆盖该对天线的环境的预定三维表面的二维部分(例如，对于固 定方位角θ)。如果需要，在处理图10的步骤112时，控制电路28可以将 曲线126与测量的相位差值进行比较。如果需要，在处理图10的步骤120 时，控制电路28可以将曲线126和128(或曲线126和128所属的较大表面) 与测量的相位差值进行比较。如果测量的相位差值与曲线128匹配，则控制 电路28可以确定手指正在加载该对天线，并且可以识别与手指正在加载该 对天线的情况相对应的偏移值。控制电路28可以将偏移值添加到测量的到 达角，以生成准确反映节点60(图5)的位置的已校正到达角(例如，在处理图10的步骤122时)。图11的实施方案仅为例示性的。曲线126和128可具有其他形状。
根据一个实施方案，提供了一种电子设备，该电子设备包括：柔性印刷 电路；第一基板和第二基板，该第一基板和第二基板安装到柔性印刷电路； 第一天线，该第一天线具有由第一基板上的第一导电迹线形成的第一天线谐 振元件；第二天线，该第二天线具有由第二基板上的第二导电迹线形成的第 二天线谐振元件；第一组导电通孔，该第一组导电通孔延伸通过第一基板并横向围绕第一导电迹线；以及第二组导电通孔，该第二组导电通孔延伸通过 第二基板并横向围绕第二导电迹线。
根据另一个实施方案，电子设备包括：第三基板，该第三基板安装到柔 性印刷电路；第三天线，该第三天线具有由第三基板上的第三导电迹线形成 的第三天线谐振元件；以及第三组导电通孔，该第三组导电通孔延伸通过第 三基板并横向围绕第三导电迹线。
根据另一个实施方案，第一天线和第二天线沿第一轴线对准，并且第二 天线和第三天线沿垂直于第一轴线的第二轴线对准。
根据另一个实施方案，电子设备包括：射频连接器，该射频连接器安装 到柔性印刷电路；柔性印刷电路上的第一射频传输线，该第一射频传输线将 射频连接器耦接到第一天线；柔性印刷电路上的第二射频传输线，该第二射 频传输线将射频连接器耦接到第二天线；以及柔性印刷电路上的第三射频传 输线，该第三射频传输线将射频连接器耦接到第三天线。
根据另一个实施方案，第一天线、第二天线和第三天线各自被配置成接 收超宽带通信频带中的射频信号。
根据另一个实施方案，第一天线和所述第二天线各自被配置成接收附加 超宽带通信频带中的射频信号。
根据另一个实施方案，电子设备包括：控制电路，该控制电路耦接到第 一天线、第二天线和第三天线，控制电路被配置成：基于由第一天线和第二 天线接收的射频信号识别第一天线与第二天线之间的第一相位差；基于由第 二天线和第三天线接收的射频信号识别第二天线与第三天线之间的第二相 位差；以及基于第一相位差和第二相位差确定射频信号的到达角值。
根据另一个实施方案，控制电路进一步被配置成：基于第一相位差和第 二相位差识别第一天线、第二天线和第三天线的操作环境；基于所识别的操 作环境从一组预定偏移值中选择偏移值；以及使用所选择的偏移值来调整到 达角值。
根据另一个实施方案，控制电路被配置成通过将第一相位差和第二相位 差与存储在电子设备上的相位差值的预定表面进行比较来识别操作环境。
根据另一个实施方案，电子设备包括：嵌入在第一基板中的接地迹线， 第一组导电通孔耦接到该接地迹线；柔性印刷电路中的信号导体，该信号导 体通过延伸穿过第一基板的馈电通孔和接地迹线中的开口来耦接到第一导 电迹线；以及柔性印刷电路中的接地导体，信号导体和该接地导体形成传送 第一天线的射频信号的射频传输线。
根据另一个实施方案，第一组导电通孔围绕第一基板的周边，并且第二 组导电通孔围绕第二基板的周边。
根据另一个实施方案，电子设备具有相对的第一面和第二面并且包括： 显示器，该显示器安装在第一面处；电介质层，该电介质层位于第二面处； 以及导电层，该导电层耦接到电介质层的内表面，导电层包括与第一天线对 准的孔，并且第一天线被配置成通过电介质层和孔接收射频信号。
根据一个实施方案，提供了一种装置，该装置包括：第一基板；第二基 板，该第二基板安装在第一基板上；贴片天线，该贴片天线具有由第二基板 上的导电迹线形成的天线谐振元件，贴片天线被配置成接收超宽带通信频带 中的射频信号；接地迹线，该接地迹线位于第二基板中；射频传输线，该射 频传输线位于第一基板中并且具有通过导电馈电通孔耦接到第一导电迹线的信号导体，导电馈电通孔延伸穿过第二基板并穿过接地迹线中的开口；以 及导电通孔的栅栏，该导电通孔的栅栏耦接到接地迹线，延伸穿过第二基板， 并且横向围绕导电馈电通孔。
根据另一个实施方案，导电迹线在第二基板的表面上形成，并且导电通 孔的栅栏从接地迹线延伸到基板的表面上的导电焊盘。
根据另一个实施方案，导电焊盘在第二基板的表面处与导电迹线横向分 开一定距离，该距离在0.4mm与0.6mm之间。
根据另一个实施方案，第一基板包括柔性印刷电路，并且第二基板包括 选自由以下组成的组的材料：聚酰亚胺、液晶聚合物和塑料。
根据另一个实施方案，该装置包括控制电路，该控制电路被配置成识别 由贴片天线接收的射频信号的到达角。
根据一个实施方案，提供了一种电子设备，该电子设备包括：第一天线 和第二天线，该第一天线和第二天线被配置成接收射频信号；以及存储和处 理电路，该存储和处理电路耦接到第一天线和第二天线，存储和处理电路被 配置成：测量由第一天线接收的射频信号与由第二天线接收的射频信号之间 的相位差，基于所测量的相位差来生成射频信号的到达角值，基于所测量的相位差和一组预定的相位差值来识别偏移值，以及通过使用所识别的偏移值 调整到达角值来生成校正的到达角值。
根据另一个实施方案，一组预定的相位差值包括多个相位差值曲线，每 个曲线对应于第一天线和第二天线的相应阻抗加载状况，并且存储和处理电 路进一步被配置成通过识别多个曲线中的与所测量的相位差相匹配的曲线 来识别偏移值。
根据另一个实施方案，电子设备包括：第三天线，该第三天线被配置成 接收射频信号，该射频信号包括频率在5.0GHz与8.3GHz之间的超宽带信号， 并且存储和处理电路进一步被配置成：测量由第二天线接收的射频信号与由 第三天线接收的射频信号之间的附加相位差，以及基于所测量的附加相位差 来生成射频信号的到达角值。
前述仅为例示性的，并且在不脱离所述实施方案的范围和实质的情况下， 本领域的技术人员可作出各种修改。前述实施方案可独立实施或可以任意组 合实施。

Claims (19)

1.一种电子设备，包括：
具有表面的柔性印刷电路；
第一基板和第二基板，所述第一基板和第二基板中的每个基板安装到所述柔性印刷电路的所述表面并且在所述柔性印刷电路的所述表面上延伸；
第一天线，所述第一天线具有由所述第一基板上的第一导电迹线形成的第一天线谐振元件；
第二天线，所述第二天线具有由所述第二基板上的第二导电迹线形成的第二天线谐振元件；
第一组导电通孔，所述第一组导电通孔延伸通过所述第一基板并横向围绕所述第一导电迹线；
第二组导电通孔，所述第二组导电通孔延伸通过所述第二基板并横向围绕所述第二导电迹线；以及
控制电路，所述控制电路被配置为：
基于由所述第一天线和所述第二天线接收的射频信号，识别所述第一天线与所述第二天线之间的相位差，所述相位差指示到达角值，
基于所测量的相位差和阈值相位差值来识别偏移值，以及通过基于所识别的偏移值调整所述到达角值来生成校正的到达角值。
2.根据权利要求1所述的电子设备，还包括：
第三基板，所述第三基板安装到所述柔性印刷电路；
第三天线，所述第三天线具有由所述第三基板上的第三导电迹线形成的第三天线谐振元件；和
第三组导电通孔，所述第三组导电通孔延伸通过所述第三基板并横向围绕所述第三导电迹线。
3.根据权利要求2所述的电子设备，其中所述第一天线和所述第二天线沿第一轴线对准，并且所述第二天线和所述第三天线沿垂直于所述第一轴线的第二轴线对准。
4.根据权利要求2所述的电子设备，还包括：
射频连接器，所述射频连接器安装到所述柔性印刷电路；
所述柔性印刷电路上的第一射频传输线，所述第一射频传输线将所述射频连接器耦接到所述第一天线；
所述柔性印刷电路上的第二射频传输线，所述第二射频传输线将所述射频连接器耦接到所述第二天线；和
所述柔性印刷电路上的第三射频传输线，所述第三射频传输线将所述射频连接器耦接到所述第三天线。
5.根据权利要求2所述的电子设备，其中所述第一天线、所述第二天线和所述第三天线各自被配置成接收超宽带通信频带中的射频信号。
6.根据权利要求5所述的电子设备，其中所述第一天线和所述第二天线各自被配置成接收附加超宽带通信频带中的射频信号。
7.根据权利要求5所述的电子设备，其中所述控制电路耦接到所述第一天线、所述第二天线和所述第三天线，并且所述控制电路被配置成：
基于由所述第二天线和所述第三天线接收的射频信号识别所述第二天线与所述第三天线之间的附加相位差；以及
基于所述相位差和所述附加相位差确定所述到达角值。
8.根据权利要求7所述的电子设备，其中所述控制电路进一步被配置成：
基于所述相位差和所述附加相位差识别所述第一天线、所述第二天线和所述第三天线的操作环境；
基于所识别的操作环境从一组预定偏移值中选择所述偏移值；以及
使用所选择的偏移值来调整所述到达角值。
9.根据权利要求8所述的电子设备，其中所述控制电路被配置成通过将所述相位差和所述附加相位差与存储在所述电子设备上的相位差值的预定表面进行比较来识别所述操作环境。
10.根据权利要求1所述的电子设备，还包括：
嵌入在所述第一基板中的接地迹线，其中所述第一组导电通孔耦接到所述接地迹线；
所述柔性印刷电路中的信号导体，所述信号导体通过延伸穿过所述第一基板的馈电通孔和所述接地迹线中的开口来耦接到所述第一导电迹线；和
所述柔性印刷电路中的接地导体，其中所述信号导体和所述接地导体形成传送所述第一天线的射频信号的射频传输线。
11.根据权利要求1所述的电子设备，其中所述第一组导电通孔围绕所述第一基板的周边，并且所述第二组导电通孔围绕所述第二基板的周边。
12.根据权利要求1所述的电子设备，其中所述电子设备具有相对的第一面和第二面，并且还包括：
显示器，所述显示器安装在所述第一面处；
电介质层，所述电介质层位于所述第二面处；和
导电层，所述导电层耦接到所述电介质层的内表面，其中所述导电层包括与所述第一天线对准的孔，并且所述第一天线被配置成通过所述电介质层和所述孔接收射频信号。
13.一种电子装置，包括：
具有表面的第一基板；
第二基板，所述第二基板安装到所述第一基板的所述表面并且在所述第一基板的所述表面上延伸；
第三基板，所述第三基板安装到所述第一基板；
第一贴片天线，所述贴片天线具有由所述第二基板上的导电迹线形成的天线谐振元件；
第二贴片天线，所述第二贴片天线位于所述第三基板上，其中所述第一贴片天线和所述第二贴片天线被配置成接收超宽带通信频带中的射频信号；
接地迹线，所述接地迹线位于所述第二基板中；
射频传输线，所述射频传输线位于所述第一基板中并且具有通过导电馈电通孔耦接到所述导电迹线的信号导体，所述导电馈电通孔在所述第一基板的所述表面上延伸并且延伸穿过所述接地迹线中的开口；
导电通孔的栅栏，其中所述导电通孔的栅栏耦接到所述接地迹线，延伸穿过所述第二基板，并且横向围绕所述导电馈电通孔；以及
控制电路，所述控制电路被配置为：
识别由所述第一贴片天线接收的射频信号与由所述第二贴片天线接收的射频信号之间的相位差，所述相位差指示射频信号的到达角值，
基于所述第一贴片天线和所述第二贴片天线的操作环境来识别偏移值，以及
基于所述偏移值和由所述相位差指示的所述到达角值来生成更新的到达角值。
14.根据权利要求13所述的电子装置，其中所述导电迹线在所述第二基板的表面上形成，并且所述导电通孔的栅栏从所述接地迹线延伸到所述第二基板的所述表面上的导电焊盘。
15.根据权利要求14所述的电子装置，其中所述导电焊盘在所述第二基板的所述表面处与所述导电迹线横向分开一定距离，所述距离在0.4mm与0.6mm之间。
16.根据权利要求13所述的电子装置，其中所述第一基板包括柔性印刷电路，并且所述第二基板包括选自由以下组成的组的材料：聚酰亚胺、液晶聚合物和塑料。
17.一种电子设备，包括：
第一天线和第二天线，所述第一天线和第二天线被配置成接收射频信号；和
存储和处理电路，所述存储和处理电路耦接到所述第一天线和第二天线，其中所述存储和处理电路被配置成：
测量由所述第一天线接收的射频信号与由所述第二天线接收的射频信号之间的相位差，
基于所测量的相位差来生成所述射频信号的到达角值，
基于所测量的相位差和一组预定的相位差值来识别偏移值，以及
通过使用所识别的偏移值调整所述到达角值来生成校正的到达角值。
18.根据权利要求17所述的电子设备，其中所述一组预定的相位差值包括多个相位差值曲线，每个曲线对应于所述第一天线和所述第二天线的相应阻抗加载状况，并且所述存储和处理电路进一步被配置成通过识别所述多个相位差值曲线中的与所测量的相位差相匹配的曲线来识别所述偏移值。
19.根据权利要求17所述的电子设备，还包括：
第三天线，所述第三天线被配置成接收所述射频信号，其中所述射频信号包括频率在5.0GHz与8.3GHz之间的超宽带信号，并且所述存储和处理电路进一步被配置成：
测量由所述第二天线接收的射频信号与由所述第三天线接收的射频信号之间的附加相位差，以及
基于所测量的附加相位差来生成所述射频信号的到达角值。
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