CN111106425A - 用于发射或接收电磁辐射的电子装置及方法 - Google Patents

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Abstract

描述了用于发射电磁辐射的电子装置和方法。电子装置包括：部件承载件，其包括具有至少一个电绝缘层结构和/或至少一个导电层结构的叠置件；嵌入在部件承载件中并被构造成用于提供电射频信号的部件；天线结构，其形成在部件承载件中并被构造成响应于接收到所提供的电射频信号而发射电磁辐射；和辐射透镜，其形成在部件承载件中并被构造成对经发射的电磁辐射进行空间上的操纵并将经空间上的操纵的经发射的电磁辐射引向部件承载件的环境。还描述了用于接收电磁辐射的电子装置和方法。还描述了包括有用于发射电磁辐射的电子装置和用于接收电磁辐射的电子装置的电子设备。

Description

用于发射或接收电磁辐射的电子装置及方法
技术领域
本发明总体上涉及通信装置的技术领域。具体地，本发明涉及一种电子装置，该电子装置包括：诸如印刷电路板之类的部件承载件、以及分别用于发射和用于接收电磁辐射的元件。
背景技术
无线通信通常借助于电磁辐射来实现。所采用的电磁辐射的波谱范围，即相应地波长或频率，取决于特定的应用。广泛使用的波谱范围例如是：(i)具有例如介于几微米(＝10-6m)与750nm之间的波长的(光学)红外光谱范围，以及(ii)频率介于例如100kHz和5GHz之间的射频范围。仅作为示例，射频应答器或近场通信应用使用接近13.56MHz的频率，移动电话可能使用范围介于900MHz与2.6GHz之间的频率。
为了在射频范围内进行发射和接收电磁辐射，天线是需要的。由天线发射的辐射是扩散的，并且所产生的电磁场的功率密度与接收天线和发射天线之间的距离的平方成反比地衰减。即使在采用能产生电磁辐射的空间定向或聚焦发射的天线结构时，例如在5G电信标准中使用的聚焦波束应用中，这种扩散特性导致生成的信号强度在相对较大的距离处可能非常弱。因此，需要更多的能量来产生更高功率的信号，以便到达远离(发射用)天线的目标。此外，由于由天线产生的电磁辐射脉冲所成功传输的信息包的数量取决于给定距离上的信号强度，因此经传输的数据的量可能会受到影响。
为了聚焦电磁辐射，可以采用一个透镜或成阵列的透镜。特别地，对于小型通信装置，已知的是使用超材料(metamaterial)来构建所谓的超材料天线。根据所采用的波长和特定的应用，超材料天线可以通过具有不同几何形状的金属结构来实现。
奥地利格拉茨的Institute of Microwave and Photonic Engineering,GrazUniversity of Technology的作者Jan
Figure BDA0002249742280000021
Michael E.Gadringer,和Wolfgang
Figure BDA0002249742280000022
的2017年年度报告“WISDOM–Wideband Low-Cost Smart Passive and Active IntegratedAntennas for THz Wireless Communications”提出了一种容纳了彼此连接的天线和芯片的电子封装件。芯片能够：(i)电驱动天线、和/或(ii)接收并处理由天线接收的电信号。由超材料的几何结构制成的透镜直接附接到电子封装件的表面，以聚焦电磁辐射。所提出的具有经附接的电磁辐射透镜的电子封装件具有以下缺点：为了制造该电子封装件，需要多个处理步骤。
可能需要提供一种电子通信装置，该电子通信装置一方面可以以紧凑的设计来实现，另一方面可以容易地制造。
发明内容
通过本公开中所描述的用于发射电子辐射的电子装置及方法、用于接收电子辐射的电子装置及方法、以及包括有用于发射电子辐射的电子装置和用于接收电子辐射的电子装置的电子设备来满足该需求。
在详细描述本发明和本发明的实施方式之前，阐明了本文档中使用的一些技术术语：
在本文的上下文中，术语“部件承载件”可以表示能够在其上和/或其中容纳一个或多个(电子)部件以提供机械支撑和/或电连接的任何支撑结构。换句话说，部件承载件可以被构造成用于部件的机械和/或电学承载件。导电性由导体路径提供，导体路径可以形成在部件的表面上和/或形成在被实现为所谓的多层的部件承载件的部件承载件的内部结构化的导电层内。所描述的天线结构和/或辐射透镜也可以借助于部件承载件叠置件的适当构造的导电层来实现。特别地，部件承载件可以是印刷电路板(PCB)。
部件承载件可以是所提及的一个或多个电绝缘层结构和一个或多个导电层结构的层压件，特别是通过施加机械压力形成的层压件，如果需要的话，可以由热能支持来形成该层压件。所述叠置件可以提供板状的部件承载件，该板状的部件承载件能够为其他部件提供大的安装表面，并且仍然非常薄且紧凑。术语“层结构”可以特别地表示连续层、图案化的层或在同一平面内的多个非连续的岛。
在一个实施方式中，部件承载件被成形为板。这有助于紧凑的设计，其中，部件承载件仍然为在其上安装(表面安装装置，SMD)部件提供了很大的基部。此外，特别地，作为嵌入式电子部件的示例的裸芯片，由于其小的厚度，可以方便地被嵌入到表示为例如PCB的薄板中。
在该文件中，术语“印刷电路板”(PCB)可以特别表示一种部件承载件，该部件承载件是例如，通过施加压力，如果需要的话还需要供应热能，将若干个导电层结构与至少一个电绝缘层结构层压在一起而形成的。PCB可以是板状的(即平面的)、三维弯曲的(例如当使用3D打印来制造时)或可以具有任何其他形状。作为用于PCB技术的优选材料，导电层结构由铜制成，而电绝缘层结构可以包含树脂和/或玻璃纤维、所谓的预浸料或固化后的FR4材料。各种导电层结构可以通过以下过程以期望的方式彼此连接：形成穿过层压件的通孔，例如通过激光钻孔或机械钻孔；并通过使用诸如特别是铜之类的导电材料填充这些通孔，从而形成作为通孔连接的过孔。可替代地，可以借助于盲孔实现至少一些过孔连接。除了可以嵌入的一个或多个(电子)部件之外，PCB通常构造为在板状的PCB的一个或两个相反表面上容纳一个或多个SMD部件。它们可以通过焊接而连接到相应的主表面。PCB的介电部分可以由具有增强纤维例如玻璃纤维的树脂构成。
所描述的至少一个电绝缘层结构可以包括以下项中的至少一者：树脂(诸如增强树脂或非增强树脂，例如环氧树脂或双马来酰亚胺-三嗪树脂，更具体地，FR-4或FR-5)、氰酸酯、聚亚苯基衍生物、玻璃(特别是玻璃纤维、多层玻璃、类玻璃材料)、预浸料、光成像介电材料、聚酰亚胺、聚酰胺、液晶聚合物(LCP)、环氧基积层膜或环氧基增强膜、聚四氟乙烯(特氟隆)、陶瓷和金属氧化物。也可以使用例如由玻璃(多层玻璃)制成的增强材料，诸如网状物、纤维或球。虽然预浸料、FR4、环氧基积层膜或光成像介电材料通常是优选的，但也可以使用其他材料。对于高频应用，可以在部件承载件中施用诸如聚四氟乙烯、液晶聚合物和/或氰酸酯树脂之类的高频材料作为电绝缘层结构。
所述至少一个导电层结构可以包括铜、铝、镍、银、金、钯和钨中的至少一者。虽然铜通常是优选的，但是其他材料或其涂层形式也是可能的，特别是涂覆有例如石墨烯之类的超导材料。
除了在操作中提供射频信号的嵌入式部件外，一个或多个其他部件也可以安装在部件承载件上和/或容纳在部件承载件中。这种其他部件可以选自：非导电嵌体、导电嵌体(诸如金属嵌体，优选地包括铜或铝)、传热单元(例如热管)、电子部件、或其组合。例如，该部件可以是有源电子部件、无源电子部件、电子芯片、存储装置(例如DRAM或其他数据存储器)、滤波器、集成电路、信号处理部件、功率管理部件、光电接口元件、电压转换器(例如DC/DC转换器或AC/DC转换器)、密码部件、发射器和/或接收器、机电换能器、传感器、致动器、微机电系统(MEMS)、微处理器、电容器、电阻器、电感、电池、开关、相机、天线、逻辑芯片和能量收集单元。但是，可以在部件承载件中嵌入其他部件。例如，磁性元件可以被用作部件。这种磁性元件可以是永磁元件(诸如铁磁元件、反铁磁元件、多铁性元件或亚铁磁元件，例如铁氧体芯)或者可以是顺磁元件。然而，该部件也可以是例如板中板构型的另外的部件承载件。部件可以被表面安装在部件承载件上和/或可以被嵌入部件承载件中。此外，还可以使用其他部件，特别是那些产生和发射电磁辐射和/或对从环境传播的电磁辐射敏感的部件用作所述部件。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于发射电磁辐射的电子装置。所提供的电子装置包括：(a)部件承载件，该部件承载件包括具有至少一个电绝缘层结构和/或至少一个导电层结构的叠置件；(b)被构造用于提供电射频信号的部件；(c)天线结构，该天线结构形成在部件承载件中，并且该天线结构被构造为响应于接收到所提供的射频信号而发射电磁辐射；以及(d)辐射透镜，该辐射透镜形成在部件承载件中，并且该辐射透镜构造成用于对经发射的电磁辐射进行空间上的操纵、并且将经空间上的操纵的经发射的电磁辐射引导至部件承载件的环境。
所描述的用于发射电磁辐射的(发射用)电子装置是以如下思想为基础的：将(i)用于生成电磁辐射以及(ii)用于对所生成的电磁辐射进行空间上的操纵所需的所有元件/部件嵌入在部件承载件内。这允许以紧凑的方式和/或特别是在收集灰尘和/或机械冲击(例如振动)方面具有高的鲁棒性来实现电子装置。此外，将所有需要的部件集成在部件承载件内可以允许以成本低廉的方式实现/制造所描述的电子装置。
(用于驱动天线结构的)部件也可以嵌入在部件承载件中。可替代地，该部件可以位于部件承载件的外部并且通过适当的电气布线而连接到所述天线结构。
通过所描述的空间操纵，可以朝期望的空间辐射出射的方向修改经发射的电磁辐射的辐射图案。在本文中，辐射透镜可以优选地被构造成用于聚焦经发射的电磁辐射，以便增加特定点处的辐射强度。然而，在一些应用中，也可以借助于辐射透镜来对经发射的电磁辐射进行有意的空间展宽，使得经发射的电磁辐射被引导到预定的角立体范围内。然而，为了实现强度增强，辐射透镜可以被构造成用于将经发射的电磁辐射朝向一个焦点进行聚焦、或在一些应用中朝向多于一个的焦点进行聚焦。
根据本发明的实施方式，辐射透镜被构造成用于将经发射的电磁辐射朝向位于部件承载件外部的(发射用)焦点进行空间上的聚集。这可以提供以下优点：电子装置可以作为发射器与被实现为接收器的另一电子装置进行通信。因此，为了即使在整个通信中，特别是在电磁辐射的产生中需要有限的消耗功率的情况下也能够获得良好的信号质量，接收用电子装置或更确切地说是接收用电子装置的(接收用)焦点可以位于所述发射用电子装置的(发射用)焦点附近。接收用电子装置的(接收用)焦点可以在空间上与接收用电子装置的天线匹配。可替代地，接收用电子装置的(接收用)焦点可以在空间上限定(接收用)辐射透镜成像的成像特性，该成像特性相应地将(接收用)焦点映射到接收用电子装置的天线。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于接收电磁辐射的电子装置。所提供的电子装置包括：(a)部件承载件，该部件承载件包括具有至少一个电绝缘层结构和/或至少一个导电层结构的叠置件；(b)辐射透镜，该辐射透镜形成在部件承载件中并且被构造为对源自部件承载件的环境的电磁辐射进行空间上的操纵；(c)天线结构，该天线结构形成在部件承载件中，并且该天线结构被构造用于接收经空间上的操纵的电磁辐射、并且响应于所接收的经空间上的操纵的电磁辐射而提供电射频信号；以及(d)被构造用于接收和处理所述电射频信号的部件。
所描述的用于接收电磁辐射的(接收用)电子装置基于以下想法：(i)用于对源自部件承载件的环境的电磁辐射进行空间上的操纵所需的、以及(ii)用于接收以及可选地还用于处理所述经空间操纵的电磁辐射所需的所有元件/部件可以被嵌入在部件承载件中。这允许以紧凑的方式和/或特别是在收集灰尘和/或机械冲击(例如振动)方面具有高的鲁棒性来实现该电子装置。此外，将所需的所有元件集成在部件承载件内可以允许以成本低廉的方式实现/制造所描述的电子装置。
(用于接收天线结构的电信号的)部件也可以嵌入在部件承载件中。可替代地，该部件可以位于部件承载件的外部并且通过适当的电气布线而连接到天线结构。
利用所描述的电磁辐射的空间操纵，可以从部件承载件的外部或从环境从一个方向或从一个以上的方向来收集电磁辐射，并且所收集的电磁辐射可以被引导到天线结构。
在这种情况下，辐射透镜可以优选地被构造为用于将从部件承载件的环境接收的电磁辐射聚焦到天线结构。通过这种方式，可以高效地收集外部的电磁辐射。因此，可以从一个方向、从一个以上的离散方向、或从预定的角立体范围收集外部的电磁辐射。然而，为了实现强度增强，辐射透镜可被构造成用于将从特定的一个或多个的特定发射用电子装置所发射的电磁辐射聚焦到(经嵌入的)天线结构上。
根据本发明的另一实施方式，辐射透镜被构造成用于将源自部件承载件的环境的电磁辐射空间上的聚集到位于部件承载件内部的(接收用)焦点。这可以提供以下优点：电子装置可以作为接收器与被实现为发射器/发射用电子装置的另一电子装置进行通信。为了获得良好的信号质量，即使用于整个通信，尤其是用于由发射用电子装置产生电磁辐射所需的功率有限的情况下，(接收用)焦点在部件承载件内部的位置也可能优选地与天线结构的位置相对应。描述性地讲，为了进行有效的通信，辐射透镜对源自部件承载件环境的电磁辐射进行收集，并将所收集的电磁辐射聚焦到天线结构。
根据本发明的另一实施方式，部件、天线结构和辐射透镜形成在同一个部件承载件内。将分别(i)用于向(仅一个)部件承载件的环境发射电磁辐射所需的、以及(ii)用于接收源自(仅一个)部件承载件的环境的电磁辐射所需的所有元件/部件进行集成可以提供如下优点：电子装置可以以特定的紧凑方式和/或以特定的成本低廉的制造过程来实现。
根据本发明的另一实施方式，辐射透镜包括超材料，特别是具有负的相对介电常数(ε＜0)的超材料。这可以提供以下优点：对于许多不同的应用，可以对所述辐射透镜相对于离开该透镜的辐射的空间传播的特性进行定制/优化。此外，可以容易地将辐射透镜集成到部件承载件中，这是因为可以用于构建部件承载件的材料也可以用于实现所述辐射透镜的超材料。
在这种情况下，超材料可以被认为是由多个小的电气对象组成或包括多个小的电气对象的无源结构，这些小的电气对象结合了多种电磁特性，例如变换、反射和/或发射，以使电磁特性适应不同的特性。超材料中的非常规结构具有向后传播、负的介电常数和透过性的特点。可以将超材料定义为具有电磁特性的人造电介质的超集，其包括自然界难以接近或难以获得的那些物质。也许最具代表性的超材料是所谓的左手(LH)超材料(也称为“负折射率(NRI)”或“双负”介质)，这种超材料的特征在于同时具有负的介电常数和透过性，因此意味着折射率为负。多个小的元件的组合能够引导和/或聚焦辐射特性。
根据本发明的另一实施方式，辐射透镜由部件承载件的叠置件的不同层的材料实现。这可以进一步有利于辐射透镜在部件承载件内的集成。
根据本发明的另一实施方式，辐射透镜包括由导电材料制成的叠置的环，其中在两个相邻的叠置的环之间设置有介电材料。这可以提供以下优点：对于辐射透镜，可以以相对简单的方式实现(就对电磁辐射进行空间操纵的能力而言)高效的结构。因此，所描述的导电材料可以是“取自”部件承载件的叠置件的至少一个导电层结构的材料。替代地或组合地，介电材料可以“取自”叠置件的至少一个电绝缘层结构。
根据本发明的另一实施方式，在部件承载件内形成有腔。腔位于电磁辐射的路径中，该电磁辐射的路径在天线结构和辐射透镜之间延伸。
电磁辐射可以以这样的方式与腔相互作用，即，根据特定的构造，腔充当波导，其对天线结构与辐射透镜之间的电磁辐射进行空间上引导。由此，腔有助于对已经处在部件承载件内的电磁辐射进行空间限制或聚焦。替代地或组合地，所描述的腔可以用作产生波长选择和/或放大(以类似于声学吉他的方式)的谐振腔。谐振腔可以是例如亥姆霍兹腔。
腔可以是空的腔，即充满空气的腔。在这种情况下，腔的(侧)壁代表了不同材料之间的边界/界面，这些不同材料对电磁辐射表现出不同的折射率。替代地，腔可以填充有折射率与包围腔的部件承载件(的叠置件)的材料的折射率不同的材料。在这种情况下，腔的(填充)材料的折射率应与所述至少一种电绝缘结构和/或至少一种导电层结构的折射率不同。
根据本发明的另一实施方式，天线结构直接设置在部件上。这可以提供以下优点：不需要形成将部件与天线结构进行电连接的布线结构。这进一步有利于制造所述电子装置的过程。
如果部件是半导体管芯/芯片，则天线结构可以直接设置在管芯的表面。可替代地，可以在半导体管芯的本体的一部分处或半导体管芯的本体的一部分内通过半导体工艺来实现所述天线结构，半导体管芯的本体的所述部分靠近管芯的表面。
在部件是封装的(半导体)部件的情况下，天线结构可以直接设置在相应的封装件的外表面处。可替代地，部件和天线结构都可以与适当的封装件结构一起被封装。
根据本发明的另一实施方式，天线结构与部件在空间上分隔开，并且经由形成在部件承载件内的导电的布线结构电连接。这可以提供以下优点：当设计所述电子装置以满足或遵守某些电气和/或电磁规格时，可以以高的自由度选择所述部件和天线结构在部件承载件内的相对空间布置。这有助于为各种不同的特定应用找到合适的设计。
可以通过(金属化的)过孔和/或导体迹线来实现导电的布线结构，所述过孔和/或导体迹线以适当的方式由叠置件的至少一个导电层结构来进行构造或图案化。
根据本发明的另一实施方式，电磁辐射经由部件承载件的侧表面而在部件承载件的环境与部件承载件之间传输。替代地，电磁辐射经由部件承载件的主表面而在部件承载件的环境与部件承载件之间传输。
经由部件承载件的侧表面来传输电磁辐射可以提供以下优点：电磁辐射在至少近似平行于部件承载件的叠置件的各个层结构的平面内传播。如果不同的电子装置被安装或应该被安装在共同的支撑件上的情况下，假定所述不同的电子装置经由电磁辐射在彼此之间通信，则这种情况可能是有益的。共同的支撑件可以是例如更大的部件承载件，例如所谓的母PCB。
为了清楚起见，指出在该文件中，术语——部件承载件的“侧表面”是部分承载件的垂直于部件承载件的叠置件的各个层结构的主表面定向的表面。由此，术语“主表面”是指平行于由部件承载件的叠置件的各个层或层结构的长度和宽度(而不是厚度)方向来限定的平面定向(并且垂直于该平面的法线向量)的表面。
经由部件承载件的主表面传输电磁辐射可以提供以下优点：所描述的电子装置也可以应用于假定电磁辐射垂直于部件承载件的主表面传播的应用中。这增加了所描述的电子装置的潜在应用领域。
根据本发明的另一实施方式，电子装置还包括辐射反射器，该辐射反射器形成在部件承载件中并且被构造成用于对在部件承载件内部传播的电磁辐射进行重新定向。
所描述的(电磁)辐射反射器可以提供以下优点：可以容易地以期望的/特定于应用的方式设计(已经存在的)电磁辐射在部件承载件内的传播路径的空间路线。特别地，借助于适当的反射器，可以自由选择所述电子装置的涉及“电磁辐射”的元件/部件的取向。在设计所描述的电子装置时，也可以自由选择相对于叠置件的平面的发射和/或接收电磁辐射的方向。
反射器可以定向成使得电磁辐射的重新定向/偏转以介于0°(0度)与180°之间的任何期望角度进行。但是，为了简单和容易实现电子装置的结构，反射器可以相对于叠置件的平面以45°的角度定向，并且偏转角可以至少约为90°。
当然，也可以提供一个以上的辐射反射器，以便多次对(已经存在于)部件承载件内的电磁辐射进行重新定向。
根据本发明的另一方面，提供了一种电子设备，所述电子设备包括：(a)如上所述的用于发射电磁辐射的电子装置，以及(b)如上所述的用于接收电磁辐射的电子装置。
所描述的电子设备基于以下思想：可以将上述用于发射电磁辐射的电子装置和上述用于接收电磁辐射的电子装置集成在一个具有发射(Tx)和接收(Rx)能力的设备中。因此，所描述的电子设备可以代表能够参与双向通信的完整通信装置。
将两个电子装置集成在一个设备中并且优选地集成在一个壳体中可以提供以下优点：可以以空间紧凑的方式实现该电子设备。因此，可以从以下事实中受益：该设备内的信号路径可以保持较短。
注意，替代地或组合地，两个电子装置可以充当收发器，其中，用于接收电磁辐射的装置接收来自于第一实体的电磁辐射，以及用于发射电磁辐射的装置将电磁辐射发射到第二实体。这样，可以实现典型的收发器构造。再次，可以从得到有效通信的设备内的短的信号路径中受益。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于借助于电子装置，特别是借助于如上所述的用于发射电磁辐射的(发射用)电子装置来发射电磁辐射的方法。所提供的方法包括：(a)通过部件提供电射频信号，其中，部件承载件包括具有至少一个电绝缘层结构和/或至少一个导电层结构的叠置件；(b)借助于形成在部件承载件中的天线结构来接收所述射频信号；(c)借助于天线结构，响应于所接收的射频信号来发射电磁辐射；以及(d)借助于形成在部件承载件中的辐射透镜，对经发射的电磁辐射进行空间上的操纵，并将经空间上的操纵的经发射的电磁辐射导向所述部件承载件的环境。
所描述的方法基于如下构思：电磁辐射可以借助于简单且具有成本低廉制造的电子装置来发射，该电子装置包括诸如PCB之类的部件承载件或者由诸如PCB之类的部件承载件组成。将(i)用于产生电磁辐射所需的以及(ii)用于对所产生的电磁辐射进行空间上的操纵所需的所有元件/部件都嵌入在部件承载件中。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于借助于电子装置，特别是借助于如上所述的用于接收电磁辐射的(接收用)电子装置来接收电磁辐射的方法。所提供的方法包括：(a)借助于形成在部件承载件中的辐射透镜，对源自部件承载件的环境的电磁辐射进行空间上的操纵，其中，所述部件承载件包括具有至少一个电绝缘层结构和/或至少一个导电层结构的叠置件；(b)借助于形成在部件承载件中的天线结构来接收所述经空间上的操纵的电磁辐射；(c)借助于天线结构，响应于所接收的经空间上的操纵的电磁辐射来提供电射频信号；以及(d)借助于部件来接收和处理所述电射频信号。
所描述的方法基于如下思想：电磁辐射可以被接收，并且为了提取信息片段，借助于容易且可成本低廉的制造的电子装置来处理所述电磁辐射，该电子装置包括诸如PCB之类的部件承载件或由诸如PCB之类的部件承载件组成。(i)用于对源自部件承载件的环境的电磁辐射进行空间上的操纵所需的以及(ii)用于接收并且可选地用于进一步处理所述经空间上的操纵的电磁辐射所需的所有元件/部件都被嵌入在所述部件承载件内。
必须注意，已经参考不同的主题描述了本发明的实施方式。特别地，已经参考方法类型的权利要求描述了一些实施方式，而参考设备类型的权利要求描述了其他实施方式。然而，本领域技术人员将从以上和以下描述中得出，除非另行说明，否则附加于属于一种类型的主题的特征的任何组合，尤其是与不同主题有关的特征之间的任何组合、特别是在方法类型权利要求的特征与设备类型权利要求的特征之间的任何组合也被认为与本文一起公开。
从下文将描述的实施方式的示例中，本发明的上述限定的方面和其他方面将变得明显，并且将参考实施方式的示例对这些方面进行说明。在下文中将参考实施方式的示例更详细地描述本发明，但是本发明不限于这些示例。
附图说明
图1示出了包括多层的部件承载件的发射用电子装置，该多层的部件承载件嵌入有用于以平行于部件承载件的各层的主表面的平面内方向来发射电磁辐射所需的所有元件。
图2示出了包括多层的部件承载件的接收用电子装置，该多层的部件承载件嵌入有用于接收来自平面内方向的电磁辐射所需的所有元件。
图3示出了具有多层的部件承载件的接收用电子装置，该多层的部件承载件嵌入有旋转90度的印刷电路板，其中天线结构形成在所述印刷电路板上。
图4示出了具有多层的部件承载件的发射用电子装置，其中天线结构由多层的部件承载件的层构建并且提供了屏蔽层。
图5示出了用于接收来自与部件承载件的各层的主表面垂直的平面外方向的电磁辐射的接收用电子装置。
图6a示出了包括两个电子装置的通信系统，这两个电子装置允许在平面内方向和平面外方向上接收和发送电磁辐射。
图6b示出了图6a的通信系统的应用。
具体实施方式
附图中的图示是示意性的。注意，在不同的附图中，相似或相同的元件或特征设有相同的附图标记或仅在第一位数内与对应的附图标记不同的附图标记。为了避免不必要的重复，已经参考先前描述的实施方式中阐明的元件或特征在本说明书的后面的位置不再赘述。
此外，空间相对术语，例如“前”和“后”，“上”和“下”，“左”和“右”等，用于描述如图所示的一个元件与另外的一个或多个元件的关系。因此，空间相对术语可以应用于使用中的取向，该取向可以不同于附图中描绘的取向。显然，所有这样的空间相对术语仅是为了便于描述而参考的附图中所示的取向，并且不一定是限制性的，因为根据本发明的实施方式的设备在使用时可以采取与附图中所示的取向不同的取向。
图1示出了根据本发明实施方式的发射用电子装置100。电子装置100包括多层的部件承载件110。在部件承载件110内嵌入有用于以平面内方向发射电磁辐射所需的所有元件。由此，所述平面内方向是平行于所述多层的部件承载件110的叠置件的各层的主表面的方向。
第一嵌入式元件是电子部件120，电子部件120驱动天线结构130以便发射电磁辐射190。在本文描述的实施方式中，天线结构130安装在部件120的上表面。
由天线结构130发射的电磁辐射190被引向反射器160，该反射器160形成在腔的成角度的内侧壁处。从图1可以看出，反射器160使电磁辐射190重新定向大约90°，使得经反射的电磁辐射190基本上平行于部件承载件110的各层(的主表面)传播。
反射器160可以借助于金属层(例如，铜或铝)来实现，该金属层用作电磁辐射190的反射镜。
腔150包括适于电磁辐射190的波长的空间尺寸。具体地，腔150内的电磁辐射的传播长度使得腔150是谐振器，该谐振器提供了电磁辐射信号的放大(类似于声学吉他的谐振器)。
要指出的是，腔可以是空的(“真空的”)。然而，腔也可以填充有具有适当介电常数的介电材料(例如，树脂)或诸如空气或氙气之类的任何气体。
从图1可以进一步看出，离开所述腔150的电磁辐射190在所述腔的左侧传播通过部件承载件110的一区域，在该区域中构建有辐射透镜140。辐射透镜140包括金属环的叠置件142，其中两个相邻的金属环通过电绝缘或介电材料的中间层而彼此分开。金属环与电绝缘材料一起形成所谓的超材料(超常介质，metamaterial)透镜。辐射透镜140的几何结构使得离开辐射透镜140的电磁辐射190在部件承载件110的左表面处朝向焦点194聚焦。焦点194位于部件承载件140的外部。
根据本文描述的实施方式，利用部件承载件110的多层结构来实现辐射透镜140。具体地，经叠置的环142由多层的部件承载件110的导电结构或金属层结构构成，并且在两个相邻的环之间的绝缘材料是“取自”多层的部件承载件110的电绝缘层结构或介电层结构。要指出的是，在图1的截面图中，叠置件142的每个环都由两个水平相邻的矩形示出。
应当提及的是，辐射透镜140当然也可以通过单独的结构来实现，该单独的结构在构建所述部件承载件110时被插入到该部件承载件110的凹部中。在部件承载件110的这种制造过程结束时，优选地，由代表辐射透镜140的这种单独的结构来完全地填充该凹部。
通过将用于提供聚焦的电磁辐射190所需的所有元件集成在部件承载件110内，可以以紧凑的方式并通过少量的机械组装过程来实现电子通信装置100。此外，电子通信装置100还将具有高的操作可靠性和大的结构坚固性的特征。
图2示出了接收用电子装置200，该接收用电子装置200也包括多层的部件承载件110。用于接收来自于装置200的环境中的优选地来自于平面内的方向的电磁辐射292所需的所有元件都被容纳或嵌入在部件承载件110内。从图2可以看出，由电子装置200收集的发散的电磁辐射292被辐射透镜142朝向位于部件承载件110内的焦点296聚焦。为了获得对收集的电磁辐射292良好的灵敏度，此焦点296应该位于腔150内并且靠近天线结构130。在这种情况下，部件120也可以是能量收集模块。
图3示出了代表图2中所示的接收用电子装置200的变型的接收用电子装置300。电子装置300包括嵌入有印刷电路板(PCB)装置370的多层的部件承载件310。PCB装置370还包括由交替的电绝缘层372和导电层374组成的多层结构。从图3可以看出，与部件承载件310的多层结构的取向相比，PCB装置370的多层结构旋转了90°。
天线结构330形成在PCB装置的前表面处。在其他未示出的实施方式中，天线结构330可以至少部分地由PCB装置372的至少一个(结构化的)导电层形成。由于天线结构330的取向，用于接收电磁辐射292的优选方向对应于上面指定的平面内方向。再次，焦点296优选地靠近天线结构330定位。
此外，提供了例如由铜制成的电过孔连接部376，以将嵌入式的PCB装置372与未示出的外部电路进行电连接。该外部电路可以特别地包括从天线结构330接收电信号的部件，并且可选地该部件可用于进一步处理该电信号。
图4示出了具有多层的部件承载件410的发射用电子装置400，其中天线结构430由多层的部件承载件410的结构化层构建成。如可以从图4中看到的，根据本文描述的实施方式，天线结构430通过布线结构432与部件120电连接。布线结构432还通过多层的部件承载件410的适当结构化的导电层以及通过金属化过孔(未用附图标记表示)来实现，电连接层部分被分配给多层的部件承载件410的不同的(结构化的)导电层。
此外，根据本文描述的实施方式，提供屏蔽层412和414，以便屏蔽所述电子装置400、尤其是屏蔽所述部件120免受外部的电磁干扰。从图4可以看出，两个屏蔽层414分别形成在腔150的上表面和下表面处。此外，两个另外的屏蔽层412分别形成在部件承载件410的上表面处以及部件承载件410的下部分中。优选地，屏蔽层412、414“取自”多层的部件承载件410的导电层。
图5示出了用于接收来自平面外方向的电磁辐射292的接收用电子装置500。如上面已经解释的，所述平面外方向至少近似垂直于电子装置500的多层的部件承载件510的各层的主表面。
根据本文描述的实施方式，对利用辐射透镜140聚焦的电磁辐射292进行接收的天线结构530由PCB装置570实现或形成在PCB装置570处。从图5可以看出，PCB装置570位于形成在辐射透镜140之下的腔550内。这里，在图5的剖视图中，腔具有梯形形状。为了将天线结构530与未示出的接收来自天线结构的信号的部件进行电连接，在PCB装置570内形成电过孔连接部576。
要指出的是，光路可逆性的基本物理定律也适用于由以上阐述并在图1至图5中示出的实施方式的电磁辐射的发射或接收。因此，在本文中示出并阐明的所有构造诸如发射用电子装置(见图1和图4)也可以用于实现接收用装置。反之亦然，显示和阐明为接收用电子装置的所有构造(参见图2、图3和图5)也可以用于实现发射用装置。
图6a示出了通信系统680，通信系统680包括两个电子通信装置：第一电子装置600a和第二电子装置600b。根据本文描述的实施方式，该两个电子装置彼此机械连接和/或电连接，并且可以一起沿着两个垂直方向旋转360°。对应的旋转运动在图6a中用弯曲的箭头示出。
从图中可以看出，第一电子通信装置600a能够：(i)接收来自于平面内方向的电磁辐射692a，以及(ii)接收来自于平面外方向的电磁辐射693a。此外，电子通信装置600a能够沿着平面外方向发射电磁辐射691a。第二电子通信装置600b能够沿着平面内方向发射电磁辐射690b。
显然，利用两个旋转自由度，通信系统680能够：(a)接收来自于具有主要方向特性的所有可能方向的电磁辐射，以及(b)沿也具有主要方向特性的所有可能的方向发射电磁辐射。
在通信系统680的优选实施方式中，天线结构和/或辐射透镜被构造为覆盖整个周边。因此，装置600a和600b可以由优选地具有圆拱形形状的PCB构建成。在该优选实施方式中，不需要提供任何运动部件。一个装置/PCB可以用来接收电磁辐射，而另一个装置/PCB可以用来发射电磁辐射。由此，可以经由相应的PCB的侧表面和/或经由相应的PCB的主表面来发射和发送辐射信号。
图6b示出了图6a的通信系统680的应用。两辆车中的每辆车都设有这样的通信系统680。所述车中的每辆车都可以与另一辆车或与具有天线的基站682通信，基站682安装在路灯的灯杆上。通过将主要的方向特性指向相应的通信配对物(例如另一辆车或基站682)，即使具有相对较小的可用的功率，也可以建立良好的无线电通信链路，特别地用于发射相应的电磁辐射。
图6b所示的通信概念可以用于“车与车”之间和/或“车与基站”之间的MIMO通信。通信系统的任何电子装置都可以用于任何应用之间的电磁辐射的传输、以及电磁能量收集或无线能量发射。为了收集能量，可以使用来自通信天线等的杂散场。例如，可以使用能量束，用于对电子设备进行无线地充电。通信系统680中的每一个也可以被理解为自给自足系统(或任何其他应用)之上的部件，该自给自足系统(或任何其他应用)从安装在例如电线杆上的电信天线处收集废弃的能量。
应当注意，术语“包括”或“包含”不排除其他元件或步骤，并且冠词“一”或“一种”的使用不排除复数。而且，可以组合与不同实施方式相关联而描述的元件。还应当注意，权利要求中的附图标记不应被解释为限制权利要求的范围。
附图标记列表：
100-用于发射电磁辐射的电子(通信)装置；110-部件承载件；
120-部件；
130-天线结构；
140-辐射透镜；
142-叠置的环；
150-腔；
160-反射器；
190-(经发射的)电磁辐射；
194-(在部件承载件之外的)焦点；
200-用于接收电磁辐射的电子(通信)装置；292-(经接收的)电磁辐射；
296-(来自部件承载件内部的)焦点；
300-用于接收电磁辐射的电子(通信)装置；310-部件承载件；
330-天线结构；
370-PCB装置；
372-电绝缘层；
374-导电层；
376-电过孔连接部；
400-用于发射电磁辐射的电子(通信)装置；
410-部件承载件；
412-屏蔽层；
414-屏蔽层；
430-天线结构；
432-布线结构；
500-用于接收电磁辐射的电子(通信)装置；
510-部件承载件；
530-天线结构；
550-腔；
570-PCB装置；
576-电过孔连接部；
600a-第一电子(通信)装置；
600b-第二电子(通信)装置；
680-通讯系统；
682-基站；
692a-(用于第一电子装置的)平面内电磁接收辐射；690b-(来自第二电子装置的)平面内电磁发射辐射；691a-(来自第一电子装置的)平面外电磁发射辐射；693a-(用于第一电子装置的)平面外电磁接收辐射。

Claims (15)

1.用于发射电磁辐射(190、690b、691a)的电子装置(100、400、600a、600b)，所述电子装置(100、400、600a、600b)包括：
部件承载件(110、410)，所述部件承载件包括具有至少一个电绝缘层结构和/或至少一个导电层结构的叠置件；
被构造成用于提供电射频信号的部件(120)；
天线结构(130、430)，所述天线结构形成在所述部件承载件(110、410)中，并且所述天线结构被构造成响应于接收到所提供的电射频信号而发射电磁辐射(190、690b)；以及
辐射透镜(140)，所述辐射透镜形成在所述部件承载件(110、410)中，并且所述辐射透镜被构造成用于对经发射的电磁辐射(190、690b)进行空间上的操纵，并将经空间上的操纵的经发射的电磁辐射(190、690b)引向所述部件承载件(110、410)的环境。
2.根据权利要求1所述的电子装置(100、400、600a、600b)，其中，
所述辐射透镜(140)被构造成用于将经发射的电磁辐射(190、690b)朝向定位于所述部件承载件(110、410)外部的焦点(194)进行空间上的聚集。
3.用于接收电磁辐射(292、692a、693a)的电子装置(200、300、500、600a)，所述电子装置(200、300、500、600a)包括：
部件承载件(110、310、510)，所述部件承载件包括具有至少一个电绝缘层结构和/或至少一个导电层结构的叠置件；
辐射透镜(140)，所述辐射透镜形成在所述部件承载件(110、310、510)中，并且所述辐射透镜被构造成用于对源自所述部件承载件(110、310、510)的环境的电磁辐射(292、692a、693a)进行空间上的操纵；
天线结构(130、330、530)，所述天线结构形成在所述部件承载件(110、310、510)中，并且所述天线结构被构造成用于接收经空间上的操纵的电磁辐射(292、692a、693a)，并且用于响应于所接收的经空间上的操纵的电磁辐射(292、692a、693a)而提供电射频信号；以及
被构造成用于对所述电射频信号进行接收和处理的部件(120)。
4.根据权利要求3所述的电子装置(200、300、500、600a)，其中，
所述辐射透镜(140)被构造成用于将源自所述部件承载件(110、310、510)的环境的电磁辐射(292、692a、693a)朝向位于所述部件承载件(110、310、510)内部的焦点(296)进行空间上的聚集。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的电子装置(100、200、300、400、500、600a、600b)，其中，
所述部件(120)、所述天线结构(130、330、430、530)和所述辐射透镜(140)形成在同一个部件承载件(110、210、310、410、510)内。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的电子装置(100、200、300、400、500、600a、600b)，其中，
所述辐射透镜(140)包括超材料，特别是具有负的相对介电常数的超材料。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的电子装置(100、200、300、400、500、600a、600b)，其中，
所述辐射透镜(140)包括以下特征中的至少一者：
所述辐射透镜(140)是用所述部件承载件(110、210、310、410、510)的所述叠置件的不同层的材料来实现的；
所述辐射透镜(140)包括由导电材料制成的叠置的环(142)，其中，在两个相邻的叠置的环(142)之间设置有介电材料。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的电子装置(100、200、300、400、500、600a、600b)，其中，
在所述部件承载件(110、210、310、410、510)中形成有位于所述电磁辐射(190、292)的路径中的腔(150、550)，所述电磁辐射的路径在所述天线结构(130、330、430、530)与所述辐射透镜(140)之间延伸。
9.根据前述权利要求1至8中的任一项所述的电子装置(100、200)，其中，
所述天线结构(130)直接设置在所述部件(120)处。
10.根据前述权利要求1至8中的任一项所述的电子装置(300、400、500)，其中，
所述天线结构(330、430、530)与所述部件(120)在空间上分隔开，并且通过形成在所述部件承载件(310、410、510)内的导电的布线结构(432、576)而电连接。
11.根据前述权利要求1至10中的任一项所述的电子装置(100、200、300、400)，其中，
所述电磁辐射(190、292)经由所述部件承载件(110、310、410)的侧表面而在所述部件承载件(110、310、410)的环境与所述部件承载件(110、310、410)之间传输；或者，
所述电磁辐射(292)经由所述部件承载件(510)的主表面而在所述部件承载件(510)的环境与所述部件承载件(510)之间传输。
12.根据前述权利要求中的任一项所述的电子装置(100、200)，还包括：
辐射反射器(160)，所述辐射反射器形成在所述部件承载件(110)中，并且所述辐射反射器(160)构造成用于对在所述部件承载件(110)内部传播的电磁辐射(190、292)进行重新定向。
13.一种电子设备，包括：
根据前述权利要求1、2和5至12中的任一项所述的用于发射电磁辐射(190、690b、691a)的电子装置(100、400、600a、600b)，以及
根据前述权利要求3、4和5至12中的任一项所述的用于接收电磁辐射(292、692a、693a)的电子装置(200、300、500、600a)。
14.一种借助于电子装置(100、400、600a、600b)，特别是借助于根据前述权利要求1、2和5至13中的任一项所述的电子装置(100、400、600a、600b)来发射电磁辐射(190、690b、691a)的方法，所述方法包括：
通过部件(120)提供电射频信号，其中，所述部件承载件(110、410)包括具有至少一个电绝缘层结构和/或至少一个导电层结构的叠置件；
借助于形成在所述部件承载件(110、410)中的天线结构(130、430)接收所述电射频信号；
借助于所述天线结构(130、430)，响应于所接收的电射频信号而发射电磁辐射(190、690b)；以及
借助于形成在所述部件承载件(110、410)中的辐射透镜(140)，对经发射的电磁辐射(110、410)进行空间上的操纵，并将经空间上的操纵的经发射的电磁辐射(110、410)引向所述部件承载件(110、410)的环境。
15.一种借助于电子装置(200、300、500、600a)、特别是借助于根据前述权利要求3至13中的任一项所述的电子装置(200、300、500、600a)来接收电磁辐射的方法，所述方法包括：
借助于形成在部件承载件(110、310、510)中的辐射透镜(140)，对源自所述部件承载件(110、310、510)的环境的电磁辐射(292、692a、693a)进行空间上的操纵，其中，所述部件承载件(110、310、510)包括具有至少一个电绝缘层结构和/或至少一个导电层结构的叠置件；
借助于形成在所述部件承载件(110、310、510)中的天线结构(130、330、530)，接收经空间上的操纵的电磁辐射(292、692a、693a)；
借助于所述天线结构(130、330、530)，响应于所接收的经空间上的操纵的电磁辐射(292、692a、693a)来提供电射频信号；以及
借助于部件(120)对所述电射频信号进行接收和处理。
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