CN110892580A - 多频带毫米波天线阵列 - Google Patents

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Abstract

电子设备可设置有包括相控天线阵列的无线电路。阵列可包括位于电介质基板上的分别覆盖大于(10)GHz的相应第一通信频带、第二通信频带和第三通信频带的第一环天线、第二环天线和第三环天线。第二环天线可围绕第一环天线。第三环天线可形成在第二环天线上方。寄生元件可形成在第一环天线上方以拓宽第一环天线的带宽。波束导向电路可耦接至天线的环。控制电路可控制波束导向电路以对第一通信频带、第二通信频带和第三通信频带中的一者或多者中无线信号波束进行导向。无论波束被导向的方向如何，阵列均可表现出相对均匀的天线增益。

Description

多频带毫米波天线阵列
本专利申请要求于2017年7月14日提交的美国专利申请No.15/650,638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含天线和用于支持无线通信的无线收发器。
可能需要支持毫米波和厘米波通信频带中的无线通信。毫米波通信(有时称为极高频(EHF)通信)和厘米波通信涉及频率约为10GHz-300GHz的通信。在这些频率下的操作可支持高带宽，但可能带来重大挑战。例如，毫米波通信常常是视距通信，并且可通过信号传播期间的显著衰减来表征。
因此，希望能够为电子设备提供改进的无线通信电路，诸如支持频率大于10GHz的通信的通信电路。
发明内容
本文公开了可提供有无线电路的电子设备。该无线电路可包括收发器电路诸如毫米波收发器电路和一个或多个天线。天线可组织成相控天线阵列。相控天线阵列可在介于10GHz和300GHz之间的频带中发射和接收无线信号波束。波束导向电路可耦接至相控天线阵列中的每个天线。电子设备中的控制电路可控制波束导向电路以对波束的方向(取向)进行导向。
相控天线阵列可包括电介质基板以及位于电介质基板上的第一组天线和第二组天线。第一组天线可在介于10GHz和300GHz之间的第一通信频带中发射和接收无线信号。第二组天线可在介于10GHz和300GHz之间的第二通信频带中发射和接收无线信号。第一组天线和第二组天线可例如包括具有对应的贴片天线谐振元件的贴片天线。第二通信频带可包括低于第一通信频带的频率。第二组天线可围绕电介质基板上的第一组天线。例如，第一组天线可被布置成第一环天线，并且第二组天线可被布置成围绕第一环的第二环天线。第一环中的每个天线可位于与电介质基板上的给定点相距第一距离的位置处。第二环中的每个天线可位于与给定点相距大于第一距离的第二距离的位置处。第一环中的天线可相对于第二环中的天线围绕电介质基板上的给定点成角度地偏移。
一组寄生天线谐振元件可形成在阵列中的第一组天线上方，并且可用于拓宽第一组天线的带宽。该组寄生天线谐振元件可包括具有与第一组天线上的天线馈电端子重叠的臂的十字形导电贴片。第三组天线可形成在电介质基板上并且可在介于10GHz和300GHz之间的第三通信频带中发射和接收无线信号。第三通信频带可包括高于第二通信频带并且低于第一通信频带的频率。例如，第一通信频带可包括从57GHz到71GHz的频率，第二通信频带可包括从27.5GHz到28.5GHz的频率，并且第三通信频带可包括从37GHz到41GHz的频率。第三组天线可包括形成在阵列中的第二组天线上方的贴片天线谐振元件。
控制电路可控制波束导向电路以使第一通信频带、第二通信频带和第三通信频带中的一者或多者中的无线信号波束导向特定方向。无论波束被导向的方向如何，相控天线阵列均可表现出均匀天线增益。
附图说明
图1为根据实施方案的具有无线通信电路的示例性电子设备的透视图。
图2为根据实施方案的具有无线通信电路的示例性电子设备的示意图。
图3为根据实施方案的例示性电子设备的后透视图，其示出了用于频率大于10GHz的通信的天线阵列可能位于的示例性位置。
图4为根据实施方案的使用控制电路可进行调节来引导无线电波信号束的例示性相控天线阵列的图示。
图5A和图5B为根据实施方案示出例示性相控天线阵列的辐射图的图示。
图6为根据实施方案的例示性贴片天线的透视图。
图7为根据实施方案的具有双端口的例示性贴片天线的透视图。
图8为根据实施方案的具有同心天线环的例示性相控天线阵列的俯视图。
图9为根据实施方案的例示性协同定位的贴片天线的横截面侧视图。
图10为根据实施方案的具有寄生天线谐振元件的例示性贴片天线的横截面侧视图。
图11为根据实施方案的图10中所示类型的例示性贴片天线的俯视图。
图12是根据实施方案的针对图10和图11中所示类型的例示性贴片天线的天线性能(天线效率)的曲线图。
图13为根据实施方案的针对例示性相控天线阵列的天线效率的曲线图。
具体实施方式
电子设备诸如图1的电子设备10可包含无线电路。无线电路可包括一个或多个天线。天线可包括用于处理毫米波和厘米波通信的相控天线阵列。毫米波通信(其有时被称为极高频(EHF)通信)涉及60GHz或约30GHz和300GHz之间的其他频率下的信号。厘米波通信涉及频率介于约10GHz和30GHz之间的信号。如果需要，设备10还可包含无线通信电路，用于处理卫星导航系统信号、蜂窝电话信号、本地无线局域网络信号、近场通信、基于光的无线通信或其他无线通信。
电子设备10可以是计算设备诸如膝上型计算机、包含嵌入式计算机的计算机监视器、平板电脑、蜂窝电话、媒体播放器、或其他手持式或便携式电子设备、较小的设备(诸如腕表设备)、挂式设备、耳机或听筒设备、虚拟或扩增现实头戴设备、被嵌入在眼镜中的设备或者佩戴在用户的头部上的其他装置，或其他可佩戴式或微型设备、电视机、不包含嵌入式计算机的计算机显示器、游戏设备、导航设备、嵌入式系统(诸如其中具有显示器的电子设备被安装在信息亭或汽车中的系统)、无线访问点或基站、桌上型计算机、键盘、游戏控制器、计算机鼠标、鼠标垫、轨迹板或触摸板，实施这些设备中的两个或更多个的功能的装置、或其他电子装置。在图1的例示性配置中，设备10是便携式设备，诸如蜂窝电话、媒体播放器、平板电脑，或其他便携式计算设备。如果需要，其他配置可用于设备10。图1的示例仅为例示性的。
如图1所示，设备10可包括显示器诸如显示器14。显示器14可被安装在外壳(诸如外壳12)中。有时可称为壳体或箱体的外壳12可由塑料、玻璃、陶瓷、纤维复合材料、金属(例如，不锈钢、铝等)、其他合适的材料或这些材料中的任意两种或更多种的组合形成。外壳12可以利用一体式配置形成，在一体式配置中，外壳12的一部分或全部被机加工或模制成单个结构，或者可以利用多个结构(例如，内部框架结构、形成外部外壳表面的一个或多个结构等)形成。
显示器14可为并入导电电容性触摸传感器电极层或其他触摸传感器部件(例如，电阻性触摸传感器部件、声学触摸传感器部件、基于力的触摸传感器部件、基于光的触摸传感器部件等)的触摸屏显示器或者可为非触敏的显示器。电容触摸屏电极可由氧化铟锡焊盘或者其他透明导电结构的阵列形成。
显示器14可包括由液晶显示器(LCD)部件形成的显示器像素阵列、电泳显示器像素阵列、等离子体显示器像素阵列、有机发光二极管显示器像素阵列、电润湿显示器像素阵列、或者基于其他显示器技术的显示器像素。
可使用显示器覆盖层诸如透明玻璃或者透光塑料、蓝宝石的层或其他透明电介质来保护显示器14。可在显示器覆盖层中形成开口。例如，可以在显示器覆盖层中形成开口，以容纳一个或多个按钮、诸如指纹传感器或光传感器的传感器电路、诸如扬声器端口或麦克风端口的端口等。开口可以形成在外壳12中以形成通信端口(例如，音频插孔端口、数字数据端口、充电端口等)。外壳12中的开口还可被形成，以用于音频部件诸如扬声器和/或麦克风。
天线可被安装在外壳12中。如果需要，一些天线(例如，可以实施波束导向的天线阵列等)可以被安装在显示器14的非有效边界区域之下(例如，参见图1的例示性天线位置50)。天线也可通过外壳12后部或设备10中其他地方的填充电介质开口操作。
为了避免当外部物体诸如人的手或用户的其他身体部分阻挡一个或多个天线时中断通信，天线可以被安装在外壳12中的多个位置处。诸如接近传感器数据的传感器数据、实时天线阻抗测量、诸如接收信号强度信息的信号质量测量以及其他数据可用于确定一个或多个天线何时由于外壳12的定向、用户的手或其他外部物体的阻挡或其他环境因素而正受到不利影响。设备10然后可以切换一个或多个替换天线来代替正受到不利影响的天线。
天线可被安装在外壳12的拐角处(例如，在图1的拐角位置50和/或在外壳12后部的拐角位置中)、沿着外壳12的外围边缘、在外壳12的后部上、在用于覆盖和保护设备10前面上的显示器14的显示器覆盖玻璃或其他电介质显示器覆盖层的下方、在外壳12的背面或外壳12的边缘上的电介质窗口的下方，或者在设备10中的其他地方。
图2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14。控制电路14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，被配置为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14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、基带处理器集成电路、专用集成电路等。
控制电路14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14可用于实现通信协议。可使用控制电路14来实现的通信协议包括互联网协议、无线局域网协议(例如，IEEE 802.11协议-有时被称为
Figure BDA0002363718100000051
)、用于其他近程无线通信链路的协议，诸如
Figure BDA0002363718100000052
协议或其他WPAN协议、IEEE802.11ad协议、蜂窝电话协议、MIMO协议、天线分集协议、卫星导航系统协议等。
设备10可包括输入-输出电路16。输入-输出电路16可包括输入-输出设备18。输入-输出设备18可用于允许将数据供应到设备10并允许将数据从设备10提供到外部设备。输入-输出设备18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-输出设备可包括触摸屏、不具有触摸传感器能力的显示器、按钮、操纵杆、滚轮、触摸板、小键盘、键盘、麦克风、相机、扬声器、状态指示器、光源、音频插孔、以及其他音频端口部件、数字数据端口设备、光学传感器、加速度计、或可检测运动和相对于地球的设备取向的其他部件、电容传感器、接近传感器(例如，电容接近传感器和/或红外接近传感器)、磁性传感器，以及其他传感器和输入-输出部件。
输入-输出电路16可包括用于与外部装置进行无线通信的无线通信电路34。无线通信电路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40、发射线和用于处理RF无线信号的其他电路形成的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。
无线通信电路34可包括用于处理各种射频通信频带的收发器电路20。例如，电路34可包括收发器电路22、24、26和28。
收发器电路24可以是无线局域网收发器电路。收发器电路24可处理用于
Figure BDA0002363718100000061
(IEEE 802.11)通信的2.4GHz和5GHz频带并且可处理2.4GHz
Figure BDA0002363718100000062
Figure BDA0002363718100000063
通信频带。
电路34可使用蜂窝电话收发器电路26来处理下述频率范围中的无线通信，诸如700MHz至960MHz的通信频带、1710MHz至2170MHz的通信频带，以及2300MHz至2700MHz的通信频带或700MHz至4000MHz之间的其他通信频带或其他合适的频率(作为示例)。电路26可处理语音数据和非语音数据。
毫米波收发器电路28(有时称为极高频收发器电路28或收发器电路28)可支持在介于约10GHz和300GHz之间的频率下的通信。例如，收发器电路28中的通信可支持介于约30GHz和300GHz之间的极高频(EHF)或毫米波通信频带和/或介于约10GHz和30GHz之间的厘米波通信频带(有时被称为超高频(SHF)频带)。例如，收发器电路28可支持以下通信频带中的通信：约18GHz和27GHz之间的IEEE K通信频带、约26.5GHz和40GHz之间的Ka通信频带、约12GHz和18GHz之间的Ku通信频带、约40GHz和75GHz之间的V通信频带、约75GHz和110GHz之间的W通信频带，或大约10GHz和300GHz之间的任何其他所需的频带。如果需要，电路28可支持60GHz和/或第5代移动网络的IEEE 802.11ad通信，或27GHz和90GHz之间的第5代无线系统(5G)通信频带。如果需要，电路28可支持10GHz和300GHz之间的多个频带的通信，诸如27.5GHz至28.5GHz的第一频带、37GHz至41GHz的第二频带，以及57GHz至71GHz的第三频带，或10GHz至300GHz之间的其他通信频带。电路28可由一个或多个集成电路(例如，安装在系统级封装设备中的公共印刷电路上的多个集成电路，安装在不同基板上的一个或多个集成电路等)形成。虽然电路28在本文中有时称为毫米波收发器电路28，但毫米波收发器电路28可处理以10GHz和300GHz之间的频率的任何需要的通信频带处的通信(例如，毫米波通信频带、厘米波通信频带等)。
无线通信电路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22，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22的卫星导航系统信号。
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
Figure BDA0002363718100000071
和
Figure BDA0002363718100000072
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。极高频(EHF)无线收发器电路28可以在这些短距离内通过视线路径输送在发射器和接收器之间行进的信号。为了增强毫米和厘米波通信的信号接收，可以使用相控天线阵列和波束导向技术(例如，调节阵列中每个天线的天线信号相位和/或幅值以执行波束导向的方案)。由于设备10的操作环境能够切换成不使用并且在它们的位置使用性能更高的天线，天线分集方案也可用于确保天线已经开始被阻挡或以其他方式降解。
如果需要，无线通信电路34可包括用于其他近程和远程无线链路的电路。例如，无线通信电路系统34可包括用于接收电视和无线电信号、寻呼系统收发器、近场通信(NFC)电路等的电路。
无线通信电路34中的天线40可使用任何合适的天线类型形成。例如，天线40可包括具有谐振元件的天线，该天线由环形天线结构、贴片天线结构、倒F形天线结构、槽孔天线结构、平面倒F形天线结构、单极，偶极，螺旋形天线结构、八木天线结构、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能够被配置为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)两者。天线40可包括用于处理毫米波和厘米波通信的相控天线阵列。
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结构40耦合到收发器电路20。设备10中的传输线可包括同轴电缆路径、微带传输线、带状线传输线、边缘耦接的微带传输线、边缘耦接的带状线传输线、波导结构、由这些类型的传输线组合形成的传输线等。如果需要，可将滤波器电路、开关电路、阻抗匹配电路及其他电路插置到传输线路径中。
设备10可包括多个天线40。天线可被一起使用或者天线中的一个天线可被切换到使用中，而其他天线(多个)被切换成不使用。如果需要，控制电路14可被用于实时选择最佳天线以在设备10中使用和/或被用于实时选择与天线40中的一个或多个天线相关联的可调整无线电路选择最佳设置。天线调整可用于调谐天线，使其在所需的频率范围内执行，用相控天线阵列执行波束导向，以及以其他方式优化天线性能。传感器可结合到天线40中以实时采集用于调整天线40的传感器数据。
在一些配置中，天线40可包括天线阵列(例如，实现波束导向功能的相控天线阵列)。例如，用于处理收发器电路28的毫米波信号和厘米波信号的天线可被实施为一个或多个相控天线阵列。用于支持毫米波通信的相控天线阵列中的辐射元件可为贴片天线、偶极天线、八木天线(有时称为波束天线)或其他合适的天线元件。如果需要，收发器电路28可与相控天线阵列集成以形成集成的相控天线阵列和收发器电路模块。
在诸如手持设备的设备中，存在外部对象(诸如用户的手或桌子或设备所在的其他表面)有可能会阻挡无线信号(诸如毫米波和厘米波信号)。因此，可能需要将多个相控天线阵列并入到设备10中，每个相控天线阵列被放置在设备10内的不同位置中。利用这种类型的布置，可将未阻挡的相控天线阵列切换到使用中，并且一旦切换到使用中，相控天线阵列可使用波束导向来优化无线性能。还可使用其中将来自设备10中的一个或多个不同位置的天线一起操作的配置。
图3是电子设备10的透视图，其示出了外壳12的后部上的例示性位置50，其中天线40(例如，单天线和/或与无线电路34诸如无线收发器电路28一起使用的相控天线阵列)可被安装在设备10中。天线40可以被安装在设备10的拐角处、沿着外壳12的边缘(诸如边缘12E)、在后外壳部分(壁)12R的上部和下部、在后外壳壁12R的中心(例如，在后外壳12R中心的电介质窗结构或其他天线窗下方)中、在后外壳壁12R的拐角处(例如，在外壳12和设备10的后部的左上角、右上角、左下角和右下角上)等。
在外壳12完全或几乎完全由电介质形成的配置中，天线40可以通过电介质的任何合适部分发射和接收天线信号。在其中外壳12由诸如金属的导电材料形成的配置中，外壳的诸如槽孔或金属中的其他开口的区域可以填充塑料或其他电介质。天线40可以被安装成与开口中的电介质对齐。这些开口有时可以被称为电介质天线窗口、电介质间隙、电介质填充开口、电介质填充槽孔、细长电介质开口区域等，可以允许天线信号从安装在设备10内的天线40发射到外部装置，并且可以允许内部天线40从外部装置接收天线信号。在另一种合适的布置中，天线40可以被安装在外壳12的导电部分的外部。
在具有相控天线阵列的设备中，电路34可以包括增益和相位调节电路，该增益和相位调节电路用于调节与阵列中的每个天线40相关联的信号(例如，用于执行波束导向)。切换电路可以用于切换需要的天线40进入和退出使用。每个位置50可包括多个天线40(例如，一组三个天线或者相控天线阵列中多于三个或少于三个天线)，并且如果需要，来自位置50之一的一个或多个天线可以用于发射和接收信号，同时来自位置50中的另一位置的一个或多个天线用于发射和接收信号。
图4为示出设备10上的天线40可如何形成在相控天线阵列中的图示。如图4所示，天线40的阵列60可耦接到信号路径诸如路径64(例如，一个或多个射频传输线结构、极高频波导结构或其他极高频传输线结构等)。阵列60可包括数量N的天线40(例如，第一天线40-1、第二天线40-2、第N天线40-N等)。相控天线阵列60中的天线40可被布置成任何需要数量的行和列或任何其他需要的图案(例如，天线无需布置成具有行和列的网格图案)。在信号传输操作期间，路径64可用于将信号(例如，毫米波信号)从收发器电路28提供至相控天线阵列60，以用于无线传输至外部无线装置。在信号接收操作期间，路径64可用于将在相控天线阵列60处接收的信号从外部装置传送至收发器电路28。
在阵列60中使用多个天线40允许通过控制天线的信号的相对相位和振幅来实现波束导向布置。在图4的示例中，天线40各自具有对应的相位和振幅控制器62(例如，耦接在信号路径64和第一天线40-1之间的第一控制器62-1，耦接在信号路径64和第二天线40-2之间的第二控制器62-2，耦接在路径64和第N天线40-N之间的第N控制器62-N，等等)。
波束导向电路诸如控制电路70可使用相位和振幅控制器62来调节被提供至阵列60中的每个天线的发射信号的相对相位和振幅，并且调节由阵列60从外部装置接收的接收信号的相对相位。本文可使用术语“波束”或“信号波束”来共同地指代由阵列60在特定方向上发射和接收的无线信号。术语“发射波束”有时可在本文中用于指在特定方向上发射的无线信号，而术语“接收波束”有时可在本文中用于指从特定方向上接收的无线信号。在设备10包括多个相控天线阵列的情形中，每个相控天线阵列可使用相应的波束导向电路70进行导向(例如，每个相控天线阵列可使用相应的波束来通信，该相应波束使用对应的一组相位和振幅设置进行导向)。
例如，如果调节控制电路70以产生针对发射信号(例如，基于从控制电路14接收到的控制信号)的第一组相位和/或幅值，则发射信号将形成如图4的波束66所示的朝向点A的方向的发射波束。然而，如果控制电路70调节控制器62以产生针对发射信号的第二组相位和/或幅值，则发射信号将形成如波束68所示的朝向点B的方向的波束。类似地，如果控制电路70调节控制器62以产生第一组相位和/或幅值，则无线信号(例如，毫米波频率波束中的毫米波信号)可从如波束66所示的点A的方向接收。如果控制电路70调节控制器62以产生第二组相位和/或幅值，则可从如波束68所示的点B的方向接收信号。如果需要，控制电路70可由图2的控制电路14或由设备10中的其他控制和处理电路控制。
当进行毫米波和厘米波通信时，无线信号通过相控天线阵列60和外部装置之间的视线路径传送。如果外部装置位于图4的位置A，可调整电路70以使信号波束导向方向A。如果外部装置位于位置B，可调整电路70以使信号波束导向方向B。在图4的示例中，为了简单起见，波束导向被示出为在单个自由度(例如，朝向图4页面上的左侧和右侧)上执行。然而，在实施过程中，在两个自由度(例如，在图4的页面上的向内和向外以及朝向左侧和右侧)上对波束进行导向。
阵列60的辐射图案可取决于阵列内天线40的特定布置方式。在阵列60中的天线40被布置成对齐的行和列的矩形网格的情况下，阵列的辐射图案可为非常不均匀的(例如，由阵列传输的毫米波信号可在某些方向上比在其他方向上具有更大的增益)。如果需要，天线40可被布置成阵列60，使得阵列60表现出在所有波束导向角度上足够均匀的辐射图案。
图5A为示出天线阵列60可如何呈现均匀辐射图案的侧视图。如图5A所示，天线阵列60可位于图5A的X-Y平面中。阵列60可在图5A的正Z方向上(例如，在Z方向上延伸到X-Y平面上方的可能覆盖范围的半球中)发射和接收频率在10GHz和300GHz之间的毫米波信号或其他无线信号。在天线40被布置成在对应相控天线阵列内的矩形网格的情况下，阵列可表现出辐射图案，诸如与图案包络82相关联的辐射图案。图案包络(曲线)82可指示当在阵列的整个覆盖半球上被导向时由阵列传输的无线信号的增益。曲线82与图5A的原点的距离指示阵列在不同波束导向角度处的增益。如包络82所示，阵列在一些方向上可表现出比在其他方向上更大的增益。这可使得阵列在被导向到某些方向时表现出不足的增益。如果阵列60正在这些方向上向外部装置传输无线信号，则可能在外部装置接收到的数据中出现错误，或者对应的通信链路可能中断。
如果需要，天线40可被布置成非矩形图案，该非矩形图案将阵列60配置成表现出均匀的辐射图案，诸如与图5A的图案包络80相关联的辐射图案。如图案包络80所示，当在所有可能的仰角θ上(例如，在阵列的整个覆盖半球上)被导向时，阵列60可表现出相对均匀的增益。图5A的示例示出了阵列60的三维图案包络(例如，当阵列60在不同仰角θ上被导向时的图案包络)在X-Z平面内的切割图。
图5B为示出当阵列60在不同方位角
Figure BDA0002363718100000111
上被导向时，阵列60如何可表现出均匀的辐射图案包络的俯视图(例如，示出当阵列60在不同方位角
Figure BDA0002363718100000112
上被导向时，三维图案包络在X-Y平面内的切割图)。如图5B所示，矩形阵列的图案包络82与一些方位角
Figure BDA0002363718100000113
处相比于其他方位角
Figure BDA0002363718100000114
处的显著更高的增益相关联。与具有布置成非矩形图案的天线40的阵列60相关联的图案包络80在所有方位角
Figure BDA0002363718100000115
上更均匀(例如，更平坦或更平滑地弯曲)。当以此方式构造时，阵列60可与外部装置保持相对较高质量的通信链路，而无论外部装置位于阵列的覆盖半球内的何处(例如，无论波束被导向到的仰角θ或方位角
Figure BDA0002363718100000116
如何)。
阵列60中的天线40可使用任何所需类型的天线(例如，倒F天线、偶极天线、贴片天线等)形成。图6中示出了可用于实现天线40的贴片天线结构。如图6所示，贴片天线40可具有贴片天线谐振元件，诸如与接地层结构(诸如接地部92)分开的贴片90。天线贴片谐振元件90和接地部92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。
天线40可使用射频传输线结构耦接到收发器电路，诸如图2的收发器电路系统20。如图6所示，射频传输线结构可耦接到与天线40相关联的天线馈电结构。例如，天线40可具有天线馈电部，该天线馈电部具有正天线馈电端子(诸如耦接到贴片谐振元件90的端子96)和接地天线馈电端子(诸如耦合到接地部92的接地天线馈电端子98)。射频传输线结构中的正传输线导体可耦接在收发器电路20和正天线馈电端子96之间。射频传输线结构中的接地传输线导体可耦接在收发器电路20和接地天线馈电端子98之间。如果需要，可使用导电路径94将端子96'耦接到端子96，使得天线40使用传输线馈电，该传输线具有耦接到端子96'从而耦接到端子96的正导体。如果需要，可省略导电路径94。如果需要，可使用其他类型的天线馈电布置。图6的例示性馈电配置仅是例示性的。
如图6中所示，天线贴片谐振元件90可位于平面诸如图5和图6的X-Y平面内。接地部92可位于与天线贴片谐振元件(贴片)90的平面平行的平面内。因此，贴片90和接地部92可位于以距离H分隔开的不同平行平面中。可选择贴片谐振元件90的侧边的长度，使得天线40在期望工作频率下谐振。例如，元件90的边可各自具有约等于天线40所传送的信号的波长的一半(例如，在波长的一半的15％内)的长度L0(例如，在贴片元件90为基本上正方形的情形中)。
图6的示例仅为例示性的。贴片90可具有正方形形状，其中贴片90的所有边具有相同的长度，或者可具有矩形形状。一般来讲，贴片90和接地部92可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)。在贴片90为非矩形的情况下，例如，贴片90可具有约等于工作波长的一半(例如，在其15％内)的边或最大侧向尺寸。
为了增强贴片天线40所处理的偏振，天线40可设置有多个馈电部。图7中示出了具有多个馈电部的例示性贴片天线。如图7所示，天线40可具有在天线端口P1处耦接到传输线64-1的第一馈电部和在天线端口P2处耦接到传输线64-2的第二馈电部。第一天线馈电部可具有耦接到接地部92的第一接地馈电端子和耦接到贴片天线谐振元件90的第一正馈电端子96-P1。第二天线馈电部可具有耦接到接地部92的第二接地馈电端子和第二正馈电端子96-P2。
贴片90可具有矩形形状，其中第一对边平行于维度Y延伸，并且第二对垂直的边平行于维度X延伸。贴片90在维度Y中的长度为L1，并且贴片90在维度X中的长度为L2。利用这种构型，天线40可通过正交偏振来表征。
当使用与端口P1相关联的第一天线馈电部时，天线40可在第一通信频带中以第一频率(例如，对应波长的二分之一约等于尺寸L1处的频率)发射和/或接收天线信号。这些信号可具有第一偏振(例如，天线信号100的与端口P1相关联的电场E1可平行于维度Y取向)。当使用与端口P2相关联的天线馈电部时，天线40可在第二通信频带中以第二频率(例如，对应波长的二分之一约等于尺寸L2处的频率)发射和/或接收天线信号。这些信号可具有第二偏振(例如，天线信号100的与端口P2相关联的电场E2可平行于维度X取向，使得与端口P1和P2相关联的偏振彼此正交)。在贴片90为正方形(例如，长度L1等于长度L2)的情况下，端口P1和P2可覆盖相同的通信频带。在贴片90为矩形的情况下，如果需要，端口P1和P2可覆盖不同的通信频带。在使用设备10的无线通信期间，设备10可使用端口P1、端口P2或端口P1和P2两者来发送和/或接收信号(例如，毫米波和厘米波信号)。
图7的示例仅为例示性的。贴片90可具有正方形形状，其中贴片90的所有边具有相同的长度，或者可具有矩形形状，其中长度L1不同于L2。一般来讲，贴片90和接地部92可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)。在贴片90为非矩形的情况下，例如，贴片90可具有约等于工作波长的一半(例如，在其15％内)的边或最大侧向尺寸(例如，最长边)。
天线40，诸如图6所示类型的单偏振贴片天线和/或图7所示类型的双偏振贴片天线可被布置在设备10中的对应的相控天线阵列60内。一般来讲，可能有利的是，相控天线阵列60能够在多个通信频带(例如，10GHz和300GHz之间的频带)中提供在阵列60的覆盖区域内的所有角度上具有相对均匀的辐射图案的覆盖。在一个合适的布置方式中，阵列60可在第一通信频带、第二通信频带和/或第三毫米频带中提供覆盖，其中第二通信频带包括比第一通信频带更高的频率，第三毫米频带包括比第二通信频带更高的频率。例如，第一通信频带(本文中有时称为低频带或厘米波低频带)可包括从27.5GHz到28.5GHz、从26GHz到30GHz、从20GHz到36GHz的频率，或介于10GHz和300GHz之间的任何其他期望频率。第二通信频带(本文中有时称为中频带或毫米波中频带)可包括从37GHz到41GHz、从36GHz到42GHz、从30GHz到56GHz的频率，或介于10GHz和300GHz之间的大于低频带的任何其他期望频率。第三通信频带(本文中有时称为高频带或毫米波高频带)可包括从57GHz到71GHz、从58GHz到63GHz、从59GHz到61GHz、从42GHz到71GHz的频率，或介于10GHz和300GHz之间的大于中频带的任何其他期望频率。例如，低频带和中频带可包括第5代移动网络或第5代无线系统(5G)通信频带，而高频带包括IEEE 802.11ad通信频带。这些示例仅为例示性的。
为了在10GHz以上的多个通信频带中提供覆盖，可将具有不同尺寸的贴片元件40的不同天线90结合到相同的相控天线阵列60中。图8为相控天线阵列60的俯视图，其示出了阵列60如何可被配置为执行具有均匀辐射图案的多频带毫米波和厘米波通信。如图8所示，相位天线阵列60可包括多组天线40(例如，第一组天线40A和第二组天线40B)。第一组天线40A(在本文中有时称为群组、子阵列或天线环40A)中的每个天线可以是具有相同尺寸/形状的相同类型的天线(例如，用以覆盖相同频率)。类似地，第二组天线40B(在本文中有时称为群组、子阵列或天线环40B)中的每个天线可以是具有相同尺寸的相同类型的天线用以覆盖相同频率。
例如，天线40A中的每一者可为图6所示类型的单偏振贴片天线或图7所示类型的双偏振贴片天线。类似地，天线40B中的每一者可为图6所示类型的单偏振贴片天线或图7所示类型的双偏振贴片天线。天线40A中的每一者可包括对应的贴片天线谐振元件90，诸如贴片天线谐振元件90A。天线40B中的每一者可包括对应的贴片天线谐振元件90，诸如贴片天线谐振元件90B。在一个合适的布置方式中，天线40A和40B中的每一者可包括单独的接地层结构。在另一个合适的布置方式中，天线40A和40B中的每一者可使用相同(公共)天线接地层92形成。例如，贴片元件90A和90B可通过电介质基板与接地层92分开。
为了在介于10GHz和300GHz之间的多个通信频带中提供覆盖，天线40A中的每一者可在介于10GHz和300GHz之间的第一通信频带中提供覆盖，而天线40B中的每一者在介于10GHz和300GHz之间的第二通信频带中提供覆盖。在图8的示例中，天线40B以高于天线40A的频率在毫米波通信频带中提供覆盖。这仅是例示性的。如果需要，天线40B可以低于天线40A的频率在通信频带中提供覆盖。
天线40B的贴片天线谐振元件90B可具有长度为V(例如，长度V诸如图6的长度L0、图7的长度L1或L2、最大侧向尺寸V等)的边。天线40A的贴片天线谐振元件90A可具有长度为W(例如，长度W诸如图6的长度L0、图7的长度L1或L2、最大侧向尺寸W等)的边。在图8的示例中，由于天线40B用于覆盖比天线40A高的频率，因此尺寸W可大于尺寸V。例如，尺寸W可约等于长度V的两倍(例如，尺寸W可介于长度V的1.7倍和2.3倍之间，长度V的1.8倍和2.2倍之间，为长度V的两倍等)。
在自由空间中(即，在接地层92和元件90之间不存在电介质基板的情况下)，元件90A的边W的长度可约等于天线40A的工作波长的一半，并且元件90B的边V的长度可约等于天线40B的工作波长的一半。在实施过程中，边W和边V的长度可比相应工作波长的一半小一偏移值，该偏移值取决于接地层92和元件90之间的基板的介电常数。例如，在接地层92和元件90之间不存在电介质基板的情况下，当阵列60被配置为覆盖从27.5GHz到28.5GHz的第一通信频带和从57GHz到71GHz的第二通信频带时，尺寸W可约等于(例如，在其15％内)2.0mm-2.5mm以覆盖第一通信频带，而尺寸V约等于1.0mm-1.25mm以覆盖第二通信频带。在接地层92和元件90之间形成具有介电常数3.0-3.5的电介质基板的情况下，例如，尺寸W可约等于1.1mm-1.2mm并且尺寸V可约等于0.5mm-0.6mm。
在图8的示例中，天线谐振元件90A和90B为正方形，每个元件90A的边平行于其他元件90A的对应边，每个元件90B的边平行于其他元件90B的对应边，并且每个元件90A的边平行于每个元件90B上的对应边。这仅是例示性的，并且在其他布置方式中，天线40A和40B可包括具有任何所需形状和取向(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、具有直边的形状诸如正方形、具有曲边的形状诸如具有长度为W或V的主轴的椭圆以及具有长度为W或V的直径的圆形、具有曲边和直边的组合的形状、具有边长W或V或者最大侧向尺寸W或V的多边形形状等)的贴片天线谐振元件90。如果需要，元件90A的边不必平行于其他元件90A上的对应边，并且元件90B的边不必平行于其他元件90B上的对应边。类似地，如果需要，元件90A的边不必平行于元件90B上的对应边。
在一些情况下，形成多个单独的相控天线阵列以覆盖不同的通信频带(即，天线40A形成于与天线40B不同的阵列中)。然而，单独的相控天线阵列可占据设备10内的过多的有限空间量。为了减少设备10内所需的空间量，天线40A和40B可协同定位在相同的相控天线阵列60内(例如，阵列60中的天线40A和40B可同时结合以生成被导向特定方向的单束无线信号)。
在一些情况下，天线40A和40B均以矩形网格图案布置在单个阵列内。然而，以矩形网格图案来图案化天线40A和40B可导致阵列表现出不均匀的辐射图案，使得导向一些方位角方向的波束比导向其他方位角方向的波束引起显著更高的增益(即，使得阵列表现出辐射图案，诸如与图5B的包络82相关联的图案)。为了在波束被导向不同方位角
Figure BDA0002363718100000161
的情况下，为阵列60提供均匀的天线图案包络(例如，如图5B的图案包络80所示)，天线40A和40B可被布置成对称且非矩形的图案，诸如一个或多个同心环的图案。
如图8所示，天线40A和40B可以围绕中心轴诸如轴线102(在本文中有时称为中心102、中央点102或中心点102)为中心的两个同心环的图案布置在阵列60内。第一组天线40A可被布置成围绕中心轴线102的第一环，而第二组天线40B被布置成围绕中心轴线102的第二环。在阵列60中，天线40A的环可围绕天线40B的环(例如，每个天线40B可定位在比天线40A更靠近中心点102的位置)。天线40A的环在本文中有时可被称为天线的外环，而天线40B的环在本文中有时被称为天线的内环。
外环中的每个天线40A可位于相对于中心轴线102的第一距离D1处。内环中的每个天线40B可位于相对于中心轴线102的第二距离D2处。第二距离D2可小于第一距离D1。为了优化阵列60所表现出的辐射图案的均匀度，距离D1可约等于天线40A的工作波长(例如，约等于尺寸W的两倍)，而距离D2约等于天线40B的工作波长(例如，约等于尺寸V的两倍)。
在接地层92和元件90之间未形成电介质基板的情况下，天线40A覆盖从27.5GHz到28.5GHz的第一频带，并且天线40B覆盖从57GHz到71GHz的第二频带，距离D1可约等于2.0mm-2.5mm(例如，在其15％内，在其10％内，等等)，而距离D2约等于1.0mm-1.25mm(例如，距离D1可约等于距离D2的两倍，因为天线40A的工作波长和对应尺寸W分别约为天线40B的工作波长和对应尺寸V的两倍)。在接地层92和元件90之间形成具有介于3.0和3.5之间介电常数的电介质基板的情况下，例如，距离D1可约等于1.1mm-1.2mm并且距离D2可约等于0.5mm-0.6mm。
阵列60可包括数量N的天线40A和数量M的天线40B。在图8的示例中，阵列60包括布置成两个同心六边形环的总共十二个天线40(例如，六个天线40A和六个天线40B)。阵列60可包括任何所需数量的天线(例如，十六个天线，十四个天线，介于十个和十四个天线之间，介于六个和十个天线之间，二十四个天线，介于十六个和二十四个天线之间，多于二十四个天线等)。一般来讲，相对于形成较少天线40的情形，更大数量的天线40可增加阵列60的总体增益(但也可增加阵列60的总体制造和操作复杂度)。在阵列60中，天线40A的数量N可等于天线40B的数量M，或者在阵列60中可存在比天线40B更多或更少的天线40A(例如，N可等于小于或大于M)。
为了进一步优化阵列60所表现出的辐射图案的均匀度，天线40A和天线40B可各自围绕中心轴线102对称地(均匀地)布置。如图8所示，外环中的每个天线40A可围绕中心轴线102与外环中的两个相邻天线40A成角度地间隔开角间距A1。类似地，内环中的每个天线40B围绕中心轴线A1与内环中的两个相邻天线40B成角度地间隔开角间距A2。每个天线40A可与外环中的相对天线40A间隔开两倍的距离D1，而每个天线40B与内环中的相对天线40B间隔开两倍的距离D2。
由于天线40A和40B均匀地分布在整个外环周围并且围绕点102，因此角度A1可等于360度除以阵列60中的天线40A的数量N，而角度A2等于360度除以阵列60中的天线40B的数量M。在天线40A的数量N等于天线40B的数量M的情况下，角度A1等于角度A2。在图8的示例中(其中N和M均等于六)，角度A1和角度A2均等于60度。该示例仅为例示性的。如果需要，天线40A和/或天线40B可围绕轴线102不均匀分布。如果需要，一些天线40A可比其他天线40A更紧密地围绕轴线102分组在一起，并且/或者一些天线40B可比其他天线40B更紧密地围绕轴线102分组在一起。
如果需要，天线40B可相对于天线40A围绕轴线102成角度地偏移。如图8所示，天线40B位于相对于天线40A的位置围绕轴线102偏移角度A3的位置处(例如，从点102到给定天线40A的径向线与从点102到相邻天线40B的径向线围绕点102成角度地偏移角度A3)。例如，角度A3可约等于角度A1和A2的一半(例如，内环中的每个天线40B位于围绕点102的外环中的相邻天线40A之间约一半的位置处)。在图8的示例中，角度A3约等于30度(即，角度A2和角度A1的一半)。这仅为例示性的，并且一般来讲，角度A3可等于0度(例如，在天线40A均围绕点102与对应天线40B对准的情况下)和角度A1(例如，介于20度和40度之间，介于25度和35度之间等)之间的任何所需值。
换句话讲，外环中的天线40A可位于围绕点102的第一组角度处(例如，相对于图8的Y轴在0度、60度、120度、180度、240度和300度处)，其中第一组中的每个角度与第一组中的下一角度和上一角度间隔开角度A1。类似地，内环中的天线40B可位于围绕点102的第二组角度处(例如，相对于Y轴在30度、90度、150度、210度、270度和330度处)，其中第二组中的每个角度与第二组中的下一角度和上一角度间隔开角度A2。第一组角度可相对于第二组角度偏移A3的偏移量。
在图8的示例中，每个天线40A的中心(例如，贴片90A的中心)被示出为位于距中心轴线102的距离D1处，并且位于围绕轴线102与邻近天线40A的中心相距角度A1的位置处。类似地，每个天线40B(例如，贴片90B)的中心被示出为位于距中心轴线102的距离D2处，并且位于围绕轴线102与邻近天线40B的中心相距角度A2的位置处。这仅是例示性的。一般来讲，贴片90A的轮廓内或边缘上的任何所需点可位于距中心轴线102的距离D1处，并且位于围绕轴线102与相邻天线40A中的贴片90A的轮廓内或边缘上的任何所需点相距角度A1的位置处。类似地，每个天线40B上的贴片90B的轮廓内或边缘上的任何所需点可位于距中心轴线102的距离D2处，并且位于围绕轴线102与相邻天线40B中的贴片90B的轮廓内或边缘上的任何所需点相距角度A2的位置处。在一种合适的布置方式中(例如，如图8所示)，天线40B被布置成圆环，其中天线40B位于距点102的距离D2处，并且天线40A被布置成圆环，其中天线40A位于距点102的距离D1处。在该布置方式中，D1和D2可以这样的方式选择使得每个天线40A位于与外环中的两个相邻天线40A相距天线40A的工作波长的大约一半的位置处，并且每个天线40B位于与内环中的两个相邻天线40B相距天线40B的工作波长的大约一半的位置处。
图8的其中天线40A的外环和天线40B的内环均为圆形的示例仅为例示性的。如果需要，天线40A的外环和/或天线40B的内环可被布置成椭圆形或其他多边形环形状。如果需要，两个或更多个天线40A可位于距中心轴线102不同的距离处。如果需要，两个或更多个天线40B可位于距中心轴线102不同的距离处。
当以这种方式布置时，相控天线阵列60可覆盖介于10GHz和300GHz之间的两个不同的通信频带，并同时表现出均匀的辐射图案，诸如图5A和图5B的辐射图案80。这可允许波束导向电路70(图4)将阵列60的无线信号波束导向在介于10GHz和300GHz之间的两个通信频带中的一者或两者内并且在任何期望方向上具有相对恒定的增益(例如，无论波束的方向如何，在10％以内)。通过将较低频率天线40A和较高频率天线40B协同定位在相同的相控天线阵列60内，相对于天线40A和40B形成在独立阵列中的情况，天线可占据设备10内空间的一半。
在一些情况下，可能期望能够使用阵列60覆盖介于10GHz和300GHz之间的第三通信频带，诸如从37GHz到41GHz的毫米波频带。然而，在实施过程中，外环中的天线40A可能没有足够的带宽用以同时覆盖第一通信频带(例如，从27.5GHz到28.5GHz的第一通信频带)和从37GHz到41GHz的第三通信频带。如果需要，阵列60可包括用于覆盖第三通信频带的第三组天线40C。
图9为相控天线阵列60的横截面侧视图，其示出了如何可在阵列60中形成第三组天线40C用以覆盖第三通信频带。如图9所示，相控天线阵列60可形成在电介质基板诸如基板120上。基板120可以是例如刚性或柔性印刷电路板或其他电介质基板。基板120可包括多个电介质层122(例如，多层印刷电路板基板诸如多层玻璃纤维填充的环氧树脂)，诸如第一电介质层122-1、位于第一电介质层上方的第二电介质层122-2、位于第二电介质层上方的第三电介质层122-3，以及位于第三电介质层上方的第四电介质层122-4。如果需要，可在基板120内堆叠附加的电介质层122。
利用这种类型的布置方式，天线40A可嵌入基板120的多层内。例如，接地层92可形成在第二层122-2的表面上，而天线40A的贴片90A形成在第三层122-3的表面上。天线40A可使用第一传输线64A和具有耦接到贴片90A的正天线馈电端子96A和耦接到接地层92的接地天线馈电端子的第一天线馈电部来馈电。第一传输线64A可例如由导电迹线(诸如位于第一层122-1表面上的导电迹线126A)和接地层92的部分形成。导电迹线126A可例如形成用于传输线64A的正信号导体。第一孔或开口128A可形成在接地层92中。第一传输线64A可包括竖直导体124A(例如，导电通孔)，该竖直导体从迹线126A穿过层122-2、接地层92中的开口128A和层122-3延伸至贴片元件90A上的天线馈电端子96A。该示例仅为例示性的，并且如果需要，可使用其他传输线结构(例如同轴电缆结构、带状传输线结构等)。
如图9所示，电介质层122-4可形成在贴片90A上方。可使用贴片天线谐振元件90C和接地层92形成附加的贴片天线诸如贴片天线40C。贴片天线谐振元件90C可由图案化到层122-4的表面上的导电迹线形成。天线40C可使用第二传输线64C和具有耦接到贴片90C的正天线馈电端子96C和耦接到接地部92的接地天线馈电端子的第二天线馈电部来馈电。第二传输线64C可例如由导电迹线(诸如位于第一层122-1表面上的导电迹线126C)和接地层92的部分形成。第二孔或开口128C可形成在接地层92中。孔或开口130可形成在贴片90A中。第二传输线64C可包括竖直导体124C(例如，导电通孔)，该竖直导体从迹线126C穿过层122-2、开口128C、层122-3、开口130和层122-4延伸至贴片元件90C上的天线馈电端子96C。该示例仅为例示性的，并且如果需要，可使用其他传输线结构(例如同轴电缆结构、带状传输线结构等)。
贴片元件90C可具有宽度W'。例如，贴片元件90C可为具有长度W'的边的矩形贴片(例如，如图6和图7所示)，具有长度W'的边的正方形贴片，具有直径W'的圆形贴片，具有长轴长度W'的椭圆形贴片，或可具有任何其他期望形状(例如，其中长度W'为贴片的最大侧向尺寸)。贴片元件90C的尺寸W'可小于贴片90A的尺寸W并且大于贴片90B的尺寸V。这可允许天线40A例如在10GHz和300GHz之间的频率下利用外部装置发射和接收无线信号，而不被元件90'阻挡。
可选择尺寸W'的大小，使得天线40C在所需的工作频率下谐振。例如，尺寸W'可大约等于由天线40C所传送信号的波长的一半(例如，在波长的一半的15％以内)或比该波长的一半小一系数，该系数由基板122的介电常数来确定。在天线40A覆盖从27.5GHz到28.5GHz的第一频带，天线40B覆盖从57GHz到71GHz的毫米波频带，并且天线40C覆盖从37GHz到41GHz的毫米波频带的情况下，尺寸W'可介于例如0.6mm和2.0mm之间。
在图9的示例中，天线40A和40C被示出为仅具有单偏振(馈电部)。如果需要，天线40A和/或40C可为具有两个馈电部的双偏振贴片天线(例如，如图7所示)。在这种情况下，可在接地层92和/或贴片90A中形成附加的孔以容纳附加的馈电部。
用于覆盖第三频带(例如，从37GHz到41GHz)的天线40C可以任何期望的方式分布在整个阵列60中。例如，天线40C可形成在阵列60中的一个、一些或全部天线40A上(图8)。相对于天线40C形成于单独的相控天线阵列内的情形，将天线40C与天线40A协同定位可减小在设备10内所需的总体空间。如果需要，一个或多个天线40C可独立于天线40A形成(例如，第三天线环40C可形成于阵列60中介于天线40A的环与天线40B的环之间，或天线40C可形成在阵列60内的任何其他期望位置处)。
图9的示例仅为例示性的。如果需要，附加层122可插置在迹线126C和接地部92之间，插置在接地部92和贴片90A之间，和/或插置在贴片90A和贴片90C之间。在另一个合适的布置方式中，基板120由单个电介质层形成(例如，天线40A和40C可嵌入在如经模制的塑料层的单个电介质层内)。在另一个合适的布置方式中，可省略基板120，并且天线40A和40C可形成在其他基板结构上或可在没有基板的情况下形成。
在实施过程中，天线40B可能具有不足以覆盖从57GHz到71GHz的整个毫米波通信频带的带宽。如果需要，天线40B可包括用于拓宽天线40B的带宽的寄生天线谐振元件。
图10为相控天线阵列60的横截面侧视图，其示出了天线40B可如何设置有寄生天线谐振元件。如图10所示，天线40B可嵌入基板120的多层内。例如，接地层92可形成在第二层122-2的表面上，而天线40B的贴片90B形成在第三层122-3的表面上。天线40B可使用传输线64B和包括耦接到贴片90B的正天线馈电端子96B和耦接到接地层92的接地天线馈电端子的天线馈电部来馈电。传输线64B可例如由导电迹线(诸如位于第一层122-1表面上的导电迹线126B)和接地层92的部分形成。导电迹线126B可例如形成用于传输线64B的正信号导体。孔或开口128B可形成在接地层92中。传输线64B可包括竖直导体124B(例如，导电通孔)，该竖直导体从迹线126B穿过层122-2、接地层92中的开口128B和层122-3延伸至贴片元件90B上的馈电端子96B。该示例仅为例示性的，并且如果需要，可使用其他传输线结构(例如同轴电缆结构、带状传输线结构等)。
如图10所示，电介质层122-4可形成在贴片90B上方。寄生天线谐振元件诸如元件140可由层122-4的表面上的导电迹线形成。寄生天线谐振元件140在本文中有时可称为寄生谐振元件140、寄生天线元件140、寄生元件140、寄生贴片140、寄生导体140、寄生结构140或贴片140。寄生元件140不直接馈电，而贴片天线谐振元件90B经由传输线64B和馈电端子96B直接馈电。寄生元件140可产生由贴片天线谐振元件90B产生的电磁场的推定干扰，从而为天线40B产生新的谐振。这可用于拓宽天线40B的总体带宽(例如，以覆盖从57GHz至71GHz的整个毫米波频带)。
寄生元件140可具有与贴片90B相同的宽度V。例如，寄生元件140可为具有长度V的边的矩形贴片，具有长度V的边的正方形贴片，具有最大侧向尺寸V的十字形贴片，具有直径V的圆形贴片，具有长度V的长轴的椭圆形贴片，或可具有任何其他期望的形状(例如，其中长度V为寄生元件的最大侧向尺寸)。
寄生元件140可形成在阵列60(图8)中的一个、一些或全部天线40B上以拓宽对应天线40B的带宽，从而拓宽阵列60。图10的示例仅为例示性的。如果需要，附加层122可插置在迹线126B和接地部92之间，插置在接地部92和贴片90B之间，和/或插置在贴片90B和寄生元件140之间。在图10的示例中，天线40B被示出为仅具有单偏振(馈电部)。如果需要，天线40B可为具有两个馈电部的双偏振贴片天线(例如，如图7所示)。
图11为天线40B的俯视图，该天线具有寄生天线谐振元件140和用于覆盖两个正交偏振的两个馈电部。如图10所示，天线40B可具有在天线端口P1处耦接到第一传输线64B-P1的第一馈电部，和在天线端口P2处耦接到第二传输线64B-P2的第二馈电部。第一天线馈电部可具有耦接到接地部92的第一接地馈电端子和在第一位置处耦接到贴片天线谐振元件90B的第一正馈电端子96B-P1。第二天线馈电部可具有耦接到接地部92的第二接地馈电端子和在第二位置处耦接到贴片天线谐振元件90B的第二正馈电端子96B-P2。
寄生谐振元件140可形成在贴片90B上。寄生谐振元件140的至少一部分或全部可与贴片90B重叠。在图11的示例中，寄生谐振元件140具有与贴片90B相同的宽度V。如果需要，寄生元件140可具有小于宽度V的宽度。如果需要，寄生谐振元件140可具有十字形或“X”形。如图11所示，凹口或槽孔144可形成在贴片140中(例如，通过从具有宽度V的正方形贴片的拐角移除导电材料)，以形成十字形(X形)寄生谐振元件140。十字形寄生谐振元件140可包括与第二臂152相对的第一臂150以及与第四臂148相对的第三臂146(例如，从臂146的末端到臂148的末端的距离以及从臂150的末端到臂152的末端的距离可各自约等于尺寸V)。臂146可与臂148平行地从贴片140的中心的相对两侧延伸。臂150可与臂152平行地从贴片140的中心的相对两侧延伸。在图11的示例中，臂146和臂148各自垂直于臂150和臂152延伸。
在单偏振贴片天线中，可调节正天线馈电端子96和贴片90的边缘之间的距离以确保贴片90和传输线64之间存在令人满意的阻抗匹配。然而，在天线为具有两个馈电部的双偏振贴片天线的情况下，此类阻抗调整可能是无法进行的。从寄生谐振元件140移除导电材料以形成凹口144可用于调整贴片90B的阻抗，使得贴片90B的阻抗与例如与传输线64B-P1和64B-P2两者匹配。因此，凹口144在本文中有时可被称为阻抗匹配凹口、阻抗匹配槽孔或阻抗匹配结构。
可调整阻抗匹配凹口144的尺寸(例如，在设备10的制造期间)以确保天线40B与传输线64B-P1和64B-P2两者充分匹配并且微调天线40B的总体带宽。例如，凹口144可具有长度等于尺寸V的1％和40％之间的边。为了使天线40B与传输线64B-P1和64B-P2充分匹配，馈电端子96B-P1需与寄生元件140的导电材料重叠。因此，凹口144可适当地小以免暴露馈电端子96B-P1或96B-P2。换句话讲，天线馈电端子96B-P1和96B-P2中的每一者可与十字形寄生天线谐振元件140的相应臂重叠。在使用设备10的无线通信期间，设备10可使用端口P1和P2来发送和/或接收具有两个正交线性偏振的信号。图11的示例仅为例示性的。如果需要，贴片天线谐振元件140可具有其他形状或取向。
图12为其中天线效率被绘制为图11的天线40B的工作频率F的函数的曲线图。如图12所示，效率曲线160示出了在不存在寄生元件140的情况下操作时贴片90B的天线效率。曲线160可在频率F0和对应带宽164处具有峰值。带宽164可能太窄而无法覆盖感兴趣的整个毫米波通信频带(例如，从57GHz到71GHz的整个通信频带)。
效率曲线162示出了寄生元件140的天线效率。曲线162可在相对于频率F0偏移了偏移值ΔF的频率F0-ΔF处具有峰值。效率曲线162示出了贴片90B与由寄生元件140所提供的场扰动共同作用下的天线效率。如图12所示，天线40B的天线效率可包括贴片90B和寄生元件140两者的贡献，使得天线40B表现出扩展带宽166，该扩展带宽大于在不存在寄生元件140时贴片90B的带宽164。带宽164可在较低阈值频率FL(例如，57GHz)到较高阈值频率FH(例如，71GHz)之间延伸，该频率限定了感兴趣的通信频带(例如，从57GHz到71GHz的毫米波通信频带)。这样，天线40B可提供针对从57GHz到71GHz的整个通信频带的覆盖(例如，用于执行IEEE 802.11ad通信)。
当具有协同定位天线40C的天线40A与具有寄生元件140的天线40B形成在相同的阵列中时(例如，如图8所示)，阵列60可覆盖介于10GHz和300GHz之间的第一、第二和第三不同的通信频带。控制电路14可控制阵列60以将信号波束(例如，第一、第二和第三通信频带中的一者、两者或每一者中的毫米波和厘米波信号)导向所需方向。例如，当图4的电路70具有第一组相位和振幅设置时，多频带信号波束可指向第一方向。当电路70具有第二组相位和振幅设置时，多频带信号波束可指向不同于第一方向的第二方向。阵列60可表现出相对均匀的辐射图案，而不论波束被导向的方向如何(例如，如图5B的图案80所示)。
图13为其中天线性能(天线效率)被绘制为相控天线阵列60的工作频率F的函数的曲线图。如图13所示，效率曲线170示出阵列60的总体天线效率(例如，包括天线40A、40B和40C中的每一者的贡献)。由于天线40A的贡献，效率曲线170可在频率FA和FB之间的第一通信频带BI中呈现出第一峰值。由于天线40C的贡献，效率曲线170可在频率FC和FD之间的第二通信频带BII中呈现出第二峰值。由于天线40B的贡献(例如，贴片90B和对应寄生谐振元件140的贡献)，效率曲线170可在频率FE和FF之间的第三通信频带BIII中呈现出第三峰值。在一个合适的示例中，频率FA为27.5GHz，频率FB为28.5GHz，频率FC为37GHz，频率FD为41GHz，频率FE为57GHz，并且频率FF为71GHz。这仅为例示性的，并且通常，频带BI、BII和BIII可为任何期望的毫米波或厘米波通信频带，并且频率FA至FF可为介于10GHz和300GHz之间的任何期望频率(例如，其中频率FA小于频率FB，频率FB小于频率FC，频率FC小于频率FD，频率FD小于频率FE，并且频率FE小于频率FF)。这样，阵列60可覆盖大于10GHz的多个频带，同时呈现出均匀增益，而不论阵列被导向的方向如何，并且在设备10内也不占据像在不同阵列被形成用于覆盖不同频率的情况下那样大的空间。
图13的示例仅为例示性的。一般来讲，曲线170可具有任何所需的形状(例如，由阵列60和其中的天线元件的布置方式来确定)。如果需要，控制电路14可在任何给定时间使用阵列60在频带BI、频带BII和/或频带BIII中执行同步通信。如果需要，可从阵列60中省略天线40A、天线40B和/或天线40C。例如，在省略了天线40A环的情况下，阵列60可仅覆盖频带BII和BIII(例如，使用天线40B和40C的同心环)。在省略了天线40B的情况下，阵列60可覆盖频带BI和BII(例如，使用协同定位天线40A和40C或使用天线40A和40C的两个同心环)。在省略了天线40C的情况下，阵列60可覆盖频带BI和BIII(例如，使用天线40A和40B的同心环)。在省略天线40A和40C的情况下，阵列60可仅覆盖带BIII(例如，使用对称分布天线40B的单个环)。在省略天线40B和40C的情况下，阵列60可仅覆盖带BI(例如，使用对称分布天线40A的单个环)。在省略天线40A和40B的情况下，阵列60可仅覆盖带BII(例如，使用对称分布天线40B的单个环)。如果需要，可以使用其他布置。
根据一个实施方案，提供了一种相控天线阵列，该相控天线阵列包括电介质基板、位于电介质基板上并且被配置为在第一通信频带中以大于30GHz的频率发射和接收无线信号的第一组天线，以及围绕第一组天线位于电介质基板上并且被配置为在第二通信频带中以小于第一通信频带的频率发射和接收无线信号的第二组天线。
根据另一个实施方案，第一组中的每个天线位于与电介质基板上的给定点相距第一距离的位置处，并且第二组中的每个天线位于与电介质基板上的给定点相距第二距离的位置处，第二距离大于第一距离。
根据另一个实施方案，第一组天线形成在围绕电介质基板上的给定点的第一组角度处，并且第二组天线形成在围绕电介质基板上的给定点的第二组角度处，第二组角度相对于第一组角度偏移。
根据另一个实施方案，第一通信频带包括介于57GHz和71GHz之间的通信频带，并且第二通信频带包括介于27.5GHz和28.5GHz之间的通信频率。
根据另一个实施方案，相控天线阵列包括一组寄生天线谐振元件，该组寄生天线谐振元件中的每个寄生天线谐振元件形成在第一组天线中的相应一个天线上。
根据另一个实施方案，该组寄生天线谐振元件包括十字形导电贴片。
根据另一个实施方案，相控天线阵列包括耦接到电介质基板的天线接地层，第二组天线包括双偏振贴片天线谐振元件、具有耦接到双偏振贴片天线谐振元件上的第一位置的第一天线馈电端子和耦接到天线接地层的第二天线馈电端子的第一天线馈电部，和具有耦接到双偏振贴片天线谐振元件上的第二位置的具有第三天线馈电端子和耦接到天线接地层的第四天线馈电端子的第二天线馈电部，十字形导电贴片具有与双偏振贴片天线谐振元件上的第一位置重叠的第一臂和与双偏振贴片天线谐振元件上的第二位置重叠的第二臂。
根据另一个实施方案，相控天线阵列包括第三组天线，该第三组天线位于电介质基板上并且被配置为在第三通信频带中以高于第二通信频带并且低于第一通信频带的频率发射和接收无线信号。
根据另一个实施方案，第一组天线包括第一组贴片天线谐振元件，第二组天线包括第二组贴片天线谐振元件，并且第三组天线包括第三组贴片天线谐振元件，第三组贴片天线谐振元件中的每个贴片天线谐振元件形成在第二组贴片天线谐振元件中的相应贴片天线谐振元件之上。
根据另一个实施方案，相控天线阵列包括一组寄生天线谐振元件，该组寄生天线谐振元件中的每个寄生天线谐振元件形成在第一组贴片天线谐振元件中的相应一个贴片天线谐振元件上。
根据另一个实施方案，相控天线阵列包括用于第一组天线、第二组天线和第三组天线的天线接地层，电介质基板包括第一电介质层、第二电介质层和第三电介质层，天线接地层形成在第一电介质层上，第一组贴片天线谐振元件和第二组贴片天线谐振元件形成在第二电介质层上，并且一组寄生天线谐振元件和第三组贴片天线谐振元件形成在第三电介质层上。
根据另一个实施方案，第一通信频带包括介于57GHz和71GHz之间的通信频带，第二通信频带包括介于27.5GHz和28.5GHz之间的通信频率，并且第三通信频带包括介于37GHz和41GHz之间的通信频率。
根据一个实施方案，提供了一种电子设备，该电子设备包括基板、位于基板上被配置为以介于10GHz和300GHz之间的频率传送无线信号的第一环贴片天线和第二环贴片天线、耦接到第一环贴片天线和第二环贴片天线的波束导向电路，以及耦接到波束导向电路并且被配置为控制波束导向电路以使无线信号导向给定方向的控制电路。
根据另一个实施方案，第一环中的每个贴片天线与中心轴线分隔开第一距离，并且第二环中的每个贴片天线与中心轴线分隔开大于第一距离的第二距离。
根据另一个实施方案，第二环中的每个贴片天线包括形成在第一环中的相应一个贴片天线上的贴片天线谐振元件。
根据另一个实施方案，电子设备包括位于基板上并且耦接到波束导向电路的第三环贴片天线，该第三环贴片天线被基板上的第一环贴片天线和第二环贴片天线包围。
根据一个实施方案，提供了一种装置，该装置包括天线接地层；第一贴片天线，该第一贴片天线包括第一贴片天线谐振元件、第一天线馈电部和天线接地层，该第一贴片天线被配置为在厘米波频带中传送无线信号；以及第二贴片天线，该第二贴片天线包括形成在第一贴片天线谐振元件上的第二贴片天线谐振元件、第二天线馈电部和天线接地层，该第二贴片天线被配置为在毫米波频带中传送无线信号。
根据另一个实施方案，该装置包括耦接到第一天线馈电部的第一传输线，和耦接到第二天线馈电部的第二传输线。
根据另一个实施方案，第二天线馈电部包括耦接到第二贴片天线谐振元件的正天线馈电端子和耦接到天线接地层的接地天线馈电端子，在第一贴片天线谐振元件中形成开口，并且第二传输线通过第一贴片天线谐振元件中的开口耦接到正天线馈电端子。
根据另一个实施方案，在天线接地层中形成第一开口和第二开口，第一天线馈电部包括耦接到第一贴片天线谐振元件的附加正天线馈电端子和耦接到天线接地层的附加接地天线馈电端子，第二传输线通过天线接地层中的第一开口耦接到正天线馈电端子，并且第一传输线通过天线接地层中的第二开口耦接到附加正天线馈电端子。
前文仅为例示性的，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 (20)

1.一种相控天线阵列，包括：
电介质基板；
第一组天线，所述第一组天线位于所述电介质基板上并且被配置为在第一通信频带中以大于30GHz的频率发射和接收无线信号；和
第二组天线，所述第二组天线围绕所述第一组天线位于所述电介质基板上并且被配置为在第二通信频带中以低于所述第一通信频带的频率发射和接收无线信号。
2.根据权利要求1所述的相控天线阵列，其中所述第一组中的每个天线位于与所述电介质基板上的给定点相距第一距离处，并且所述第二组中的每个天线位于与所述电介质基板上的所述给定点相距第二距离处，所述第二距离大于所述第一距离。
3.根据权利要求2所述的相控天线阵列，其中所述第一组天线形成在围绕所述电介质基板上的所述给定点的第一组角度处，并且所述第二组天线形成在围绕所述电介质基板上的所述给定点的第二组角度处，所述第二组角度相对于所述第一组角度偏移。
4.根据权利要求2所述的相控天线阵列，其中所述第一通信频带包括介于57GHz和71GHz之间的通信频带，并且所述第二通信频带包括介于27.5GHz和28.5GHz之间的通信频带。
5.根据权利要求2所述的相控天线阵列，还包括：
一组寄生天线谐振元件，其中所述一组寄生天线谐振元件中的每个寄生天线谐振元件形成在所述第一组天线中的相应一个天线上。
6.根据权利要求5所述的相控天线阵列，其中所述一组寄生天线谐振元件包括十字形导电贴片。
7.根据权利要求6所述的相控天线阵列，还包括：
耦接到所述电介质基板的天线接地层，其中所述第二组天线包括双偏振贴片天线谐振元件、第一天线馈电部和第二天线馈电部，所述第一天线馈电部具有耦接到所述双偏振贴片天线谐振元件上的第一位置的第一天线馈电端子和耦接到所述天线接地层的第二天线馈电端子，所述第二天线馈电部具有耦接到所述双偏振贴片天线谐振元件上的第二位置的第三天线馈电端子和耦接到所述天线接地层的第四天线馈电端子，所述十字形导电贴片具有与所述双偏振贴片天线谐振元件上的所述第一位置重叠的第一臂和与所述双偏振贴片天线谐振元件上的所述第二位置重叠的第二臂。
8.根据权利要求1所述的相控天线阵列，还包括：
第三组天线，所述第三组天线位于所述电介质基板上并且被配置为在第三通信频带中以高于所述第二通信频带并且低于所述第一通信频带的频率发射和接收无线信号。
9.根据权利要求8所述的相控天线阵列，其中所述第一组天线包括第一组贴片天线谐振元件，所述第二组天线包括第二组贴片天线谐振元件，并且所述第三组天线包括第三组贴片天线谐振元件，所述第三组贴片天线谐振元件中的每个贴片天线谐振元件形成在所述第二组贴片天线谐振元件中的相应贴片天线谐振元件之上。
10.根据权利要求9所述的相控天线阵列，还包括：
一组寄生天线谐振元件，其中所述一组寄生天线谐振元件中的每个寄生天线谐振元件形成在所述第一组贴片天线谐振元件中的相应贴片天线谐振元件上。
11.根据权利要求10所述的相控天线阵列，还包括：
用于所述第一组天线、所述第二组天线和所述第三组天线的天线接地层，其中所述电介质基板包括第一电介质层、第二电介质层和第三电介质层，所述天线接地层形成在所述第一电介质层上，所述第一组贴片天线谐振元件和所述第二组贴片天线谐振元件形成在所述第二电介质层上，并且所述一组寄生天线谐振元件和所述第三组贴片天线谐振元件形成在所述第三电介质层上。
12.根据权利要求9所述的相控天线阵列，其中所述第一通信频带包括介于57GHz和71GHz之间的通信频带，所述第二通信频带包括介于27.5GHz和28.5GHz之间的通信频带，并且所述第三通信频带包括介于37GHz和41GHz之间的通信频带。
13.一种电子设备，所述电子设备包括：
基板；
第一环贴片天线和第二环贴片天线，所述第一环贴片天线和第二环贴片天线位于所述基板上被配置为以介于10GHz和300GHz之间的频率传送无线信号；
波束导向电路，所述波束导向电路耦接到所述第一环贴片天线和所述第二环贴片天线；和
控制电路，所述控制电路耦接到所述波束导向电路并且被配置为控制所述波束导向电路以使所述无线信号导向给定方向。
14.根据权利要求13所述的电子设备，其中所述第一环中的每个贴片天线与中心轴线分隔开第一距离，并且所述第二环中的每个贴片天线与所述中心轴线分隔开大于所述第一距离的第二距离。
15.根据权利要求13所述的电子设备，其中所述第二环中的每个贴片天线包括形成在所述第一环中的相应贴片天线上的贴片天线谐振元件。
16.根据权利要求15所述的电子设备，还包括：
第三环贴片天线，所述第三环贴片天线位于所述基板上并且耦接到所述波束导向电路，其中所述第三环贴片天线被所述基板上的所述第一环贴片天线和所述第二环贴片天线包围。
17.一种装置，包括：
天线接地层；
第一贴片天线，所述第一贴片天线包括第一贴片天线谐振元件、第一天线馈电部和所述天线接地层，其中所述第一贴片天线被配置为在厘米波频带中传送无线信号；和
第二贴片天线，所述第二贴片天线包括形成在所述第一贴片天线谐振元件上的第二贴片天线谐振元件、第二天线馈电部和所述天线接地层，其中所述第二贴片天线被配置为在毫米波频带中传送无线信号。
18.根据权利要求17所述的装置，还包括：
耦接到所述第一天线馈电部的第一传输线；以及
耦接到所述第二天线馈电部的第二传输线。
19.根据权利要求18所述的装置，其中所述第二天线馈电部包括耦接到所述第二贴片天线谐振元件的正天线馈电端子和耦接到所述天线接地层的接地天线馈电端子，在所述第一贴片天线谐振元件中形成开口，并且所述第二传输线通过所述第一贴片天线谐振元件中的所述开口耦接到所述正天线馈电端子。
20.根据权利要求19所述的装置，其中在所述天线接地层中形成第一开口和第二开口，所述第一天线馈电部包括耦接到所述第一贴片天线谐振元件的附加正天线馈电端子和耦接到所述天线接地层的附加接地天线馈电端子，所述第二传输线通过所述天线接地层中的所述第一开口耦接到所述正天线馈电端子，并且所述第一传输线通过所述天线接地层中的所述第二开口耦接到所述附加正天线馈电端子。
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