CN112703638B - 具有独立旋转的辐射元件的天线阵列 - Google Patents

具有独立旋转的辐射元件的天线阵列 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种天线阵列，该天线阵列可包括定位在该天线阵列的全局坐标系中的多个天线单元。该多个天线单元中的每个天线单元具有相应局部坐标系，并且可包括具有在该全局坐标系中限定的预定旋转角度的辐射元件以及耦合到该辐射元件的天线端口，该天线端口定位在该相应局部坐标系中的特定组坐标处。该多个天线单元中的每个天线单元的该天线端口的该特定组坐标可相同。

Description

具有独立旋转的辐射元件的天线阵列
技术领域
本发明整体涉及天线，并且更具体地涉及具有旋转的辐射元件的天线阵列。
背景技术
天线阵列(或阵列天线)是作为单个天线一起工作以发射或接收无线电波的一组多个辐射元件。单独辐射元件(通常简称为“元件”)可由电路连接到接收器和/或发射器，该电路施加由辐射元件接收和/或发射的信号的适当振幅和/或相位调节。当用于发射时，由每个单独辐射元件辐射的无线电波彼此组合和叠加，从而(相长干涉地)相加在一起以增强在期望方向上辐射的功率，并且(相消干涉地)消除以减少在其他方向上辐射的功率。类似地，当用于接收时，来自单独辐射元件的单独接收的信号以适当的振幅和/或相位关系组合，以增强从期望方向接收到的信号并消除来自不期望方向的信号。
天线阵列可用比单个天线可实现的无线电波波束更窄的无线电波波束来实现提高的增益(方向性)。一般来讲，所使用的单独天线元件的数量越多，增益越高并且波束越窄。一些天线阵列(诸如，相控阵雷达)可由数千个单独天线组成。阵列可用于实现更高的增益(这增加了通信可靠性)、消除来自特定方向的干扰、以电子方式控制无线电波束指向不同方向并且用于无线电测向。
发明内容
一个示例涉及天线阵列，该天线阵列可包括定位在该天线阵列的全局坐标系中的多个天线单元。该多个天线单元中的每个天线单元具有相应局部坐标系，并且可包括具有在该全局坐标系中限定的预定旋转角度的辐射元件以及耦合到该辐射元件的天线端口，该天线端口定位在该相应局部坐标系中的特定组坐标处。该多个天线单元中的每个天线单元的该天线端口的该特定组坐标可相同。另外，该多个天线单元中的第一天线单元的辐射元件的预定旋转角度为全局坐标系中的第一旋转角度。该多个天线单元中的第二天线单元的辐射元件的预定旋转角度可为全局坐标系中的第二旋转角度。第二旋转角度可不同于第一旋转角度。
另一个示例涉及多层印刷电路板(PCB)，该PCB可包括具有形成波束形成网络(BFN)的多个迹线的波束形成层，其中波束形成网络耦合到多个天线端口，该多个天线端口形成远离波束形成网络(BFN)延伸的通孔。BFN可包括多个组合器/分割器，该多个组合器/分割器在输入信号与多个子信号之间转换。该多个子信号中的每个子信号可具有相等功率和相位阵列。可将该多个子信号中的每个子信号传送到该多个天线端口中的天线端口。多层PCB还可包括多个天线单元，该多个天线单元定位在多层PCB的全局坐标系中以形成规则拼接图案。该多个天线单元中的每个天线单元可具有相应局部坐标系。每个天线单元可包括辐射层，该辐射层包括具有全局坐标系中的预定旋转角度的辐射元件。每个天线单元还可包括馈线层，该馈线层可具有将该多个天线端口中的对应天线端口耦合到辐射元件的馈线。每个天线端口可在相应局部坐标系中的特定组坐标处与馈线层相交。该多个天线单元中的每个天线单元的特定组坐标可相同。另外，该多个天线单元中的第一天线单元的辐射元件的预定旋转角度可为全局坐标系中的第一旋转角度。该多个天线单元中的第二天线单元的辐射元件的预定旋转角度可为全局坐标系中的第二旋转角度，该第二旋转角度可不同于该第一旋转角度。
附图说明
图1示出了具有多个天线单元的天线阵列的平面图。
图2示出了与图1的天线阵列通信的波束形成网络(BFN)的平面图。
图3示出了BFN的扩展平面图。
图4示出了BFN阵列的示例。
图5示出了具有多个天线单元的另一个天线阵列的平面图。
图6示出了与图5的天线阵列通信的另一个BFN的平面图。
图7示出了另一个BFN的另一个扩展平面图。
图8示出了具有多个天线单元的又一个天线阵列的平面图。
图9示出了与图8的天线阵列通信的又一个BFN的平面图。
图10示出了又一个BFN的扩展平面图。
图11示出了用于实现具有天线阵列和BFN的系统的多层印刷电路板的层叠视图。
图12示出了实现天线阵列和BFN的系统的框图。
具体实施方式
本公开描述了天线阵列，该天线阵列具有定位在全局坐标系中的多个天线单元，并且每个天线单元具有其自身相应局部坐标系。天线阵列中的每个天线单元可包括具有全局坐标系中的预定旋转角度的辐射元件(例如，缝隙耦合的贴片天线)。此外，每个天线单元可具有可耦合到对应辐射元件的天线端口。天线端口可定位在相应局部坐标系中的特定组坐标处。在一些示例中，该特定组坐标对于天线单元的每个相应局部坐标系可相同。换句话讲，在一些示例中，全局坐标系中的该多个天线单元中的每个天线单元的旋转角度不会改变每个相应局部坐标系中的天线端口的位置。
该多个天线单元中的每个天线单元的天线端口可通过集成电路(IC)芯片耦合到波束形成网络(BFN)，如本文所解释。通过将每个天线端口定位在每个局部坐标系中的相同坐标中，可简化BFN的设计。具体地讲，天线端口的位置可为规则的，使得可系统性地并且独立于天线单元的辐射元件的旋转角度来设计BFN。另外，天线元件的旋转可改善极化纯度。换句话讲，天线元件的旋转增加期望的极化分量相对于非期望的分量的比率。
图1示出了具有多个天线单元102的天线阵列100的示例的平面图。天线阵列100可被实现为例如相控阵列天线。天线单元102可被布置为规则拼接图案。天线阵列100可形成在多层印刷电路板(PCB)的顶层和/或顶部区域上，该PCB可另选地称为多层印刷线路板(PWB)。出于简化解释的目的，一些层被省略和/或被示出为透明的。在本示例中，存在十二(12)个天线单元102，但在其他示例中，可存在更多或更少天线单元102。事实上，在一些示例中，可存在一百个、一千个或更多个天线单元102。十二(12)个天线单元中的每个天线单元被标记为A-L。因此，给定天线单元102可被特别地识别和引用。例如，第一天线单元102可被引用为“天线单元A 102”，并且第八天线单元可被引用为“天线单元H 102”。天线单元B-L102也可按这种方式引用。
在所示的示例中，每个天线单元102具有六边形形状。在其他示例中，可采用其他形状来实现该多个天线单元102，包括提供规则拼接的形状，诸如正方形、矩形或菱形。
天线阵列100包括全局坐标系104，该全局坐标系限定整个天线阵列100的全局位置。更具体地讲，全局坐标系104识别该多个天线单元102中的每个天线单元的相对位置。这些天线单元102中的每个天线单元可具有全局坐标系104中的预定旋转角度。另外，这些天线单元102中的每个天线单元可包括具有全局坐标系104中的预定旋转角度的辐射元件106，该预定旋转角度可与全局坐标系104中的天线单元102的旋转角度不同(或相同)。换句话讲，给定天线单元102中的辐射元件106在全局坐标系104中的旋转角度可独立于天线单元102在全局坐标系104中的旋转角度来选择。
该多个天线单元102中的每个天线单元可具有全局坐标系104中的预定旋转角度。另外，每个天线单元102可包括局部坐标系。在图1所示的示例中，每个局部坐标系的原点定位在对应天线单元102的给定顶点处。作为一个示例，天线单元A 102的局部坐标系被标记为XA，YA以表示天线单元A102的局部坐标系的相应X和Y轴。天线单元B-H以类似方式标记。
如本文所述，每个辐射元件106包括多个构成结构部件。具体地讲，在天线阵列100中，每个辐射元件106可包括N数量的缝隙元件110和金属贴片辐射器114，其中N是大于或等于一(1)的整数。每个缝隙元件110可具有“H”或哑铃形状。此外，尽管在所示和所述的示例中，辐射元件106包括N数量的缝隙元件110和金属贴片辐射器114，但是辐射元件106的其他类型的辐射器是可能的。在所示的示例中，存在两(2)个缝隙元件110，它们可用下标数字单独地引用。更具体地讲，在所示的示例中，每个辐射元件包括相对于彼此正交地取向的第一缝隙元件1101和第二缝隙元件1102。换句话讲，第一缝隙元件1101可具有全局坐标系104中的预定旋转角度，并且第二缝隙元件1102可相对于第一缝隙元件1101旋转90度。因此，第一缝隙元件1101和第二缝隙天线1102可共同具有全局坐标系104中的预定旋转角度，该预定旋转角度可限定天线单元102的辐射元件106的预定旋转角度。另外，在一些示例中，可存在比第一缝隙元件1101和第二缝隙元件1102更多或更少的缝隙元件110。全局坐标系104中的旋转角度可相对于给定天线单元102的特定结构元件或一组元件(诸如但不限于端口118(或多个端口118))来限定。类似地，在这种情况下，其他天线单元102中的相同特定结构元件或元件组可用于限定其他天线单元102的旋转角度。换句话讲，全局坐标系102中的旋转角度在A-L天线单元102中的每个天线单元中以相同方式限定。
在一些示例中，每个辐射元件106在全局坐标系104中的旋转角度可为例如0度、+/-30度、+/-90度和+/-150度中的一者。在其他示例中，可使用全局坐标系104中的其他旋转角度。此外，天线单元102的辐射元件106的旋转角度的图案可基于天线阵列100的期望操作特性而变化。例如，可能期望选择天线元件106的一定图案，该图案提供主波束中的高度极化纯度以便在多个方向上扫描并且保持辐射图案的旁瓣低于一定水平。
第一缝隙元件1101和第二缝隙元件1102可被设计成传送信号而基本上不影响第一缝隙元件1101的信号与第二缝隙元件1102的信号之间的相对相位差。例如，每个相应天线单元102的每个辐射元件106可被设计成传送圆极化的信号。例如，辐射元件106的第一缝隙元件1101可被设计成传送具有第一线性极化的信号，并且辐射元件106的第二缝隙元件1102可被设计成传送具有第二极化的信号。作为一个示例，第一极化可相对于第二极化偏移。另外，正如所指出的，存在每个辐射元件106仅有一个缝隙元件110和/或其他类型的辐射器用于辐射元件106的示例。在这些情况下，辐射元件106也可被设计成传送具有圆极化或其他极化(诸如线性或椭圆极化)的信号。
此外，正如所指出的，每个天线单元102的辐射元件106可包括金属贴片辐射器114，该金属贴片辐射器可覆盖在第一缝隙元件1101和第二缝隙元件1102上面。金属贴片辐射器114可覆盖在天线单元102的中心上面。在一些示例中，金属贴片辐射器114可形成在天线阵列100的上表面上。在这种情况下，可通过蚀刻掉一部分(顶部)薄金属层来形成金属贴片辐射器114，其中未蚀刻的部分形成金属贴片辐射器114。
出于简化解释的目的，在本公开中通篇采用术语“覆盖在...上面”、“覆盖在上面的”、“位于...下面”和“位于下面的”(及派生词)来表示在选定取向上的两个相邻表面的相对位置。另外，在本公开中通篇采用术语“顶部”和“底部”来表示在选定取向上的相对表面。类似地，采用术语“上”和“下”来表示在选定取向上的相对位置。事实上，本公开通篇所用的示例表示一个选定取向。然而，在所描述的示例中，选定取向是任意的，并且在本公开的范围内其他取向(例如，倒置、旋转90度等)是可能的。
每个天线单元102可包括N数量的端口118。每个端口118可将BFN电耦合到对应缝隙元件110。因此，在所示的示例中，每个天线单元102可包括第一端口1181和第二端口1182。每个天线单元102还可包括馈线层中形成的N数量的馈线122(导电迹线)，该馈线层在对应局部坐标系中的特定组坐标处与对应端口118相交。此外，每个馈线122可将每个缝隙元件110与对应端口118连接。更具体地讲，在图1所示的示例中，第一馈线1221(导电迹线)可将第一端口1181与第一缝隙元件1101连接。类似地，第二馈线1222(导电迹线)可连接第二端口1182和第二缝隙元件1102。给定天线单元102中的每个馈线122可具有相同长度。因此，天线单元A 102的第一馈线1221和第二馈线1222可为相同长度。在一些示例中，每个不同天线单元102的馈线122可具有相同长度。为了补偿(抵消)每个天线单元102中的旋转效应，可将附加相位调节(例如，通过后续或事先信号调理，如本文所述)施加到由特定天线单元102传送的信号。作为一个示例，天线单元A 102和天线单元D 102可具有相同长度的馈线122，但与天线单元A102和天线单元D 102传送的信号具有不同相位。相位调节可用于补偿这些不同相位。
在一些示例中，每个端口118可定位在对应天线单元102的周边附近(例如，顶点附近)。因此，在图1所示的平面图中，每个端口118位于对应辐射元件106与对应天线单元102的周边之间。在图1的天线阵列100所示的示例中，第一端口1181和第二端口1182定位在天线单元102的顶点附近。另外，第一端口1181和第二端口1182由给定(单个)顶点(包括局部坐标系的原点)分开。因此，在一些示例中，给定天线单元102的每组端口118可定位在相同组局部坐标处。换句话讲，每个天线单元102的第一端口1181可定位在天线单元A-H 102中的每个天线单元中的相同组局部坐标处。类似地，每个天线单元102的第二端口1182可定位在天线单元A-L中的每个天线单元的相同组局部坐标处。另选地，在其他示例中，N数量的端口中的每个端口的位置在每个天线单元102的局部坐标中可变化。
每个天线单元102中的N数量的端口118中的每个端口可被形成为通孔(也称为电镀通孔)，该通孔延伸穿过一个或多个层到达IC芯片和/或BFN，具体取决于BFN的设计。这样，每个天线单元102的所示端口118(包括第一端口1181和第二端口1182)中的每个端口可表示该通孔的末端。在一些示例中，每个端口118可被视为穿过可在其上形成天线阵列100的整个多层PCB的长过渡部分。除此之外或另选地，N数量的端口118可为用于在BFN与每个天线单元102之间传送信号的其他类型的接口。将每个端口118定位在天线单元102的周边附近并远离天线单元102的辐射元件106(定位在中心附近)可减少电磁耦合。在一些示例中，每个端口118(或其某个子组)可由离对应端口118等距地定位的多个隔离通孔130(这些隔离通孔可另选地称为屏蔽通孔)包围。在其他示例中，该多个隔离通孔130可定位在离对应端口118的不同距离处。隔离通孔130可模拟端口118的同轴屏蔽。出于简化说明的目的，仅标记了一些隔离通孔130。隔离通孔130可完全或部分地在天线阵列100的该多个天线单元102与BFN之间延伸。天线阵列100可被设计成使得每个端口118与五(5)个隔离通孔130紧密邻近。
如图所示，给定天线单元102的每个端口118可定位在两个其他天线单元102上的两个其他端口118附近。另外，这些隔离通孔130中的每个隔离通孔可位于天线单元102的顶点附近和/或周边上。这样，相同隔离通孔130可为多个端口118提供屏蔽。例如，位于天线单元B、D和E 102所共有的顶点处的隔离通孔130可同时为天线单元B、D和E 102的第一端口1181提供屏蔽。因此，通过以所示的方式旋转全局坐标系104中的每个天线单元102，可减少在每个端口118的五(5)个侧面上提供屏蔽所需的隔离通孔130的总数。
正如所指出的，每个天线单元102可具有全局坐标系104中的旋转角度。在一些示例中，给定天线单元102可相对于另一个天线单元102旋转。例如，天线单元B 102可在全局坐标系104中相对于天线单元A 102旋转120度。
另外，尽管每个天线单元102的辐射元件106具有全局坐标系104中限定的旋转角度，但是每个辐射元件106也可具有对应局部坐标系中限定的局部旋转角度。在这种情况下，给定天线单元102的辐射元件106的局部旋转角度可从另一个天线单元102的辐射元件106的局部旋转角度偏移。例如，天线单元B 102的局部坐标系中的辐射元件106的局部旋转角度可从天线单元A 102的局部坐标系中的辐射元件106的局部旋转角度偏移120度。
更进一步地，在给定示例中，给定天线单元102可具有全局坐标系104中的旋转角度，该旋转角度不同于另一个天线单元102在全局坐标系104中的旋转角度。另外，在给定示例中，给定和其他天线单元102的辐射元件106可具有全局坐标系104中的相同旋转角度。例如，天线单元D 102和天线单元G 102可具有全局坐标系104中的不同旋转角度。然而，天线单元D和G 102的辐射元件106可具有全局坐标系104中的相同旋转角度，这是由于天线单元D和G 102的辐射元件106可具有相应局部坐标系中的不同旋转角度。如本文所讨论，为了考虑全局坐标系104中的天线单元102的不同旋转角度，可调节由天线单元的辐射元件106传送的信号的相位。
在一些示例中，每个天线单元102可为一组天线单元102的成员。在一些示例中，一组给定天线单元102可共用交点(例如，诸如在天线单元102是多边形的示例中为公共顶点)。因此，在图1所示的示例中，可使用天线单元A、B和C 102来形成第一组天线单元。另外，可使用天线单元D、F和G 102来形成第二组天线单元102。天线阵列100可被设计成使得一组给定天线单元102中的每个辐射元件106的旋转角度限定组旋转图案。如本文所用，术语“组旋转图案”表示该组每个成员的辐射元件106的一组特定旋转。作为一个示例，如果天线单元A 102的辐射元件106具有0度的旋转角度，天线单元B 102具有30度的旋转角度并且天线单元C 102具有-30度的旋转角度，则单元A、B和C 102的相对位置中的0度、30度和-30度的组合组限定组旋转图案。在一些示例中，天线阵列100可被设计成使得相邻组天线单元具有不同组旋转图案。另外，在一些示例中，可能期望避免重复整个天线阵列100中的一组天线单元102的辐射元件106的相同旋转角度以避免天线阵列100的总体辐射图案的升高的旁瓣。
在操作中，天线阵列100可在自由空间与BFN之间传送信号。具体地讲，在接收模式下，可由对应金属贴片辐射器114将自由空间中发射的电磁(EM)信号提供到N数量的缝隙元件110。对应天线单元102上的N数量的缝隙元件110可将辐射的EM信号转换成引导的EM信号。N数量的馈线122中的每个馈线可将电信号提供到对应端口118。每个端口118可将电信号提供到耦合到BFN的IC芯片。在一些示例中，IC芯片可为BFN的集成部件。在其他示例中，IC芯片和BFN可为单独但耦合的部件。IC芯片可调节(例如，组合、放大和/或相位调节)电信号并且将经调节的电信号提供到BFN。BFN可组合经调节的电信号以形成所接收到的波束信号并且将所接收到的波束信号提供到外部系统以便进一步处理和/或解码。
在发射模式下，可将电信号从BFN提供到IC芯片。IC芯片可调节这些信号并且将经调节的信号提供到这些天线单元102中的每个天线单元处的N数量的端口118。可将电信号提供到天线单元102的对应缝隙元件110。缝隙元件110可将引导的EM信号转换成辐射的EM信号，该辐射的EM信号发射到每个天线单元102的对应金属贴片辐射器114。贴片天线114可将EM信号发射到自由空间中。
在一些示例中，天线阵列100可被设计成仅在接收模式下或发射模式下操作。在其他示例中，天线阵列100可在半双工模式下操作，使得天线阵列100可周期性地和/或异步地在接收模式和发射模式下操作。在还其他示例中，天线阵列100可在全双工模式下操作，使得天线阵列100可同时在接收模式和发射模式下操作。
通过实现天线阵列100，每个天线单元102的辐射元件106可被选择为具有全局坐标系104中的旋转角度，该旋转角度与每个天线单元102处的N数量的端口118的位置无关。换句话说，每个天线单元102的N数量的缝隙元件110(即，第一缝隙元件1101和第二缝隙元件1102)可在全局坐标系104中旋转，而不需要改变对应N数量的端口118(即，第一端口1181和第二端口1182)的位置。相反，每个天线单元102可被设计成使得端口118的位置基于整个单独天线单元102的旋转角度而变化，并且缝隙元件110的旋转角度可独立于天线单元102的旋转角度而变化。因此，天线阵列100可被设计成使得端口118的位置出现在全局坐标系104中的规则、预定位置处。这样，如本文所述，天线阵列100下面的BFN可独立于天线阵列100来设计。事实上，如详细解释的，天线阵列100下面的BFN可具有系统性设计。
图2示出了BFN 200的示例的平面图，该BFN可用于调节与图1的天线阵列100传送的信号。BFN200可形成在用于天线阵列100的多层PCB的内层(例如，BFN层)上。BFN层可包括多个迹线(导电迹线)。出于简化解释的目的，相同参考标号用于图1和图2中以表示相同结构。BFN 200可划分成多个BFN单元202，每个BFN单元在全局坐标系104中旋转。正如所指出的，BFN 200可位于图1的天线阵列100下面。此外，每个BFN单元202可具有与覆盖在上面的天线单元102相同的尺寸和形状(例如，六边形)。因此，BFN单元202被标记为A-L以对应于覆盖在上面的天线单元202。因此，BFN单元A 202可位于天线单元A 202下面。每个BFN单元202可具有与对应天线单元102相同的局部坐标系。因此，BFN单元A202可具有与天线单元A 202相同的局部坐标系。
每个BFN单元202可包括N数量的端口118。在BFN 200所示的示例中，每个BFN单元202包括第一端口1181和第二端口1182。每个端口118可表示通向天线阵列100中所示的端口的通孔的末端。例如，BFN单元A202的第一端口1181可表示与天线单元A 102的第一端口1181相对应的通孔的终端。N数量的端口118中的每个端口可处于每个相应局部坐标系中的相同组坐标。N数量的端口118中的每个端口可远离BFN200并朝向天线阵列100延伸。如相对于天线阵列100所解释，N数量的端口118中的每个端口可处于每个局部坐标系中的相同组坐标。
N数量的端口118中的每个端口可由多个隔离通孔130包围，只标记了该多个隔离通孔中的一些隔离通孔。隔离通孔130可对应于图1的隔离通孔130。在所示的示例中，存在与每个端口118紧密邻近的五(5)个隔离通孔。然而，在其他示例中，可存在更多或更少隔离通孔130。此外，可在不同BFN单元202上的端口118之间共用隔离通孔130，从而减少为端口118提供足够屏蔽所需的隔离通孔130的总数。另外，在一些示例中，这些隔离通孔130中的一些隔离通孔可仅部分地在BFN 200与图1的天线阵列100之间延伸。
BFN 200可包括输入/输出(I/O)端口206，该I/O端口可以以本文所述方式耦合到外部系统或耦合到附加天线单元的另一个BFN。I/O端口206可耦合到第一级组合器/分割器208，该第一级组合器/分割器可耦合到两(2)个第二级组合器/分割器210。这样，第一级组合器/分割器208和第二级组合器/分割器210具有级联(分层)关系。换句话讲，第一级组合器/分割器208可作为BFN 200的第一级来操作，并且第二波束形成级组合器/分割器210可作为BFN 200的第二波束形成级来操作。这些第二级组合器/分割器210中的每个第二级组合器/分割器可耦合到两(2)个1对3组合器/分割器212，这2个1对3组合器/分割器可作为BFN 200的第三波束形成级来操作。每个1对3组合器/分割器212可定位在三(3)个BFN单元202的交点处。
第二级组合器/分割器210可相对于第一级组合器/分割器208对称地布置。第二级组合器/分割器210可被制造于BFN 200的与BFN单元202不同的层上。出于简化说明的目的，采用不同线宽和/或图案来表示BFN的不同层。一组BFN单元202、1对3组合器/分割器212和第二级分割器210可限定具有局部坐标系的波束形成级。这样，每个波束形成级(BFN单元202、1对3组合器/分割器212和第二级分割器210的组合)可具有局部坐标系中的相同几何形状。此外，波束形成级可在全局坐标系104中旋转以有利于BFN 200的系统性设计。此外，具有相同几何形状的BFN 200的波束形成级的系统性质也可存在于跨子阵列的附加级处，诸如图3所示。换句话讲，在图3中，前三个波束形成级的几何形状具有与阵列中的前三个波束形成级的其他实例相同的几何形状。因此，在一些示例中更进一步地，前四个级的几何形状可具有与阵列中的其他前四个级相同的几何形状。因此，波束形成级的每个实例具有与相同级的波束形成级的另一个实例相同的几何形状。换句话讲，如果给定波束形成级和其他波束形成级是相同级(例如，给定级和其他级均是第一级、第二级等)，则BFN 200的给定波束形成级具有与BFN 200的另一个波束形成级相同的几何形状。
如本文所用，每个波束形成级具有相同几何形状的概念指示波束形成级具有在全局坐标系中呈镜像和/或发生旋转的相同形状，诸如图3所示。此外，如果两个波束形成级关于一个或多个对称线对称，则这两个波束形成级也可被视为具有相同几何形状。更进一步地，如果两个波束形成级基本上相同而不呈镜像和/或未发生旋转，则这两个波束形成级被认为具有相同几何形状。
每个BFN单元202可耦合到集成电路(IC)芯片220(或多个IC芯片)和/或其他可调节信号的电路。IC芯片220可安装在实现BFN的多层PCB的底部上。因此，每个IC芯片220可位于BFN 200下面。每个IC芯片220可耦合到1对3组合器/分割器212并耦合到BFN单元202的N数量的端口118。作为一个示例，BFN单元A 102的第一端口1181和第二端口1182可耦合到BFN单元A 202的IC芯片220，该IC芯片耦合到定位在BFN单元A 202、BFN单元B 202和BFN单元C202之间的1对3组合器/分割器212。每个IC芯片220可调节电信号。这种调节可包括放大、相位调节、组合和/或分割信号。在一些示例中，三个不同BFN单元202(诸如BFN单元A、B和C202)的IC芯片220可按一定量调节与对应1对3组合器212传送的信号以补偿辐射元件(诸如图1的辐射元件106)的旋转。
本文所述的组合器/分割器可执行在输入/输出信号与多个子信号之间转换的分割操作和组合操作中的一者或两者。在本文所述的示例中，所执行的每个分割操作可将输入信号分割成具有相等功率和相位阵列的多个子信号。相反，在本文所述的示例中，在组合操作中，可将具有相位阵列的多个子信号组合成单个组合信号。
在发射模式下，第一级组合器/分割器208可被设计成将输入到I/O端口206的信号(例如，均等或不均、同相或异相)分割成向第二级组合器/分割器210提供的子信号。类似地，在发射模式下，每个第二级组合器/分割器210可将从第一级组合器/分割器208接收到的信号(例如，均等或不均、同相或异相)分割成耦合到1对3组合器/分割器212的两(2)个子信号。每个1对3组合器/分割器可将该信号(例如，均等或不均、同相或异相)分割成三(3)个子信号，每个子信号提供到与三(3)个不同BFN单元202相对应的IC芯片220。例如，定位在BFN单元A、B和C 202的交点处的1对3组合器/分割器212可将信号提供到BFN单元A、B和C202的IC芯片220。
继续在发射模式下，每个BFN单元202的IC芯片220可被设计/编程为将该信号调节(放大、相位调节和/或分割)成向N数量的端口118提供的N数量的信号。例如，BFN单元202的IC芯片220可被设计成将来自1对3组合器/分割器212的信号放大并分割成向BFN单元A 202的第一端口1181和第二端口1182提供的两(2)个子信号。然后可以以相对于图1描述的方式发射这些信号。
在接收模式下，可由对应IC芯片220组合并调节(放大和/或相位调节)在BFN单元202中的每个BFN单元中的N数量的端口118中的每个端口处接收到的信号并且将这些信号提供到对应1对3组合器/分割器212。作为一个示例，与BFN单元A、B和C 202相对应的IC芯片220可各自将经调节的信号提供到BFN单元A、B和C 202的交点处的1对3组合器/分割器212。
继续在接收模式下，1对3组合器/分割器212中的每个1对3组合器/分割器可组合经调节的子信号并且将组合的信号提供到对应第二级组合器/分割器210。继而，第二级组合器/分割器212可再次组合这些子信号并且将组合的信号提供到第一级组合器/分割器208。第一级组合器/分割器208可组合这些子信号，并且在I/O端口206处输出组合的信号。
与图1的天线阵列100类似，BFN200可被设计成仅在发射模式下或接收模式下操作。另外，BFN 200可被设计成在发射模式与接收模式之间周期性地和/或异步地切换。更进一步地，在一些示例中，BFN 200可同时在发射模式和接收模式下操作。
如随图1的天线阵列100和图2的BFN 200示出的，天线单元102和BFN单元202可通过N数量的端口118来通信。此外，天线阵列100可被设计成使得辐射元件106可独立于端口118的位置来旋转。因此，辐射元件106的旋转角度不一定影响BFN 200的物理布局。因此，BFN 200和天线阵列100可基于每个BFN单元202和每个天线单元102的N数量的端口118中的每个端口的预定位置来独立地设计。因此，可简化BFN 200和天线阵列100的总体设计。事实上，BFN 200的系统性设计进一步展示了在BFN200与图1的天线阵列100(或其变体)匹配时BFN的可能性。具体地讲，BFN的设计者可卸下负担，不必考虑端口118的单独布置。相反，端口118出现在天线阵列100的各种类型天线单元102易于适应的规则、可预测位置中。
在一些示例中，BFN 200可使用系统性对称模块来设计，这些系统性对称模块可缩放而适应几乎任何数量的层次级别。具体地讲，尽管BFN 200被描述为具有组合器/分割器的两(2)个级，即第一级组合器/分割器208和第二级组合器/分割器208，但是所示的BFN200可用作模块或电路以实现更大规模BFN，包括图3所示的BFN 300。
在BFN 300中，图2的BFN 200的四(4)个实例以级联(分层)布置来连接。具体地讲，I/O端口302耦合到第一级组合器/分割器304，该第一级组合器/分割器耦合到两(2)个第二级组合器/分割器306。每个第二级组合器/分割器306可耦合到BFN 200的实例(BFN 300的模块)的端口206。这样，BFN 200的四(4)个实例以级联布置来连接在一起。此外，在其他示例中，BFN 300的多个实例可以以另一个级联布置来耦合，从而提供BFN 300的系统性设计。此外，在一些示例中，多个BFN 300可包括在BFN阵列中，诸如图4所示的BFN阵列320。
在BFN阵列320中，图3的BFN 300的三(3)个实例以阵列来布置。此外，尽管BFN 300的实例在图4中未耦合，但是在BFN阵列320的其他示例中，BFN 300的每个实例或其某个子组可耦合以提供另一个级联(分层)布置。
图5示出了天线阵列400的示例的另一个平面图。天线阵列400可形成在多层PCB的顶层和/或顶部区域上。天线阵列400可包括以瓦块图案布置的多个天线单元402。每个天线单元402可具有正方形形状。天线阵列400所示的示例包括被标记为天线单元A-H的八(8)个天线单元402。该多个天线单元402中的每个天线单元可布置在全局坐标系404中。此外，每个天线单元402可包括辐射元件406的实例。每个辐射元件406可包括N数量的缝隙元件408。在所示的示例中，每个天线单元402包括两个正交定位的缝隙元件408，即第一缝隙元件4081和第二缝隙元件4082。每个辐射元件406还可包括金属贴片辐射器410。
N数量的缝隙元件408中的每个缝隙元件可在全局坐标系404中旋转。另外，每个天线单元402可包括使用定位在每个天线单元402的拐角附近的原点轴标记的局部坐标系。每个天线单元402可包括N数量的端口414，该N数量的端口将每个相应天线单元402耦合到位于天线阵列400下面的BFN。每个端口414可包括通孔以将每个相应天线单元402耦合到BFN。此外，图5中的每个端口414可表示该通孔的末端。在所示的示例中，每个天线单元包括两(2)个端口414，即第一端口4141和第二端口4142。另外，在所示的示例中，第一端口4141和第二端口4142中的每一者可定位在天线单元402的相邻拐角处。如本文所用，“相邻拐角”被定义为共用多边形的一条边的两个拐角。每个天线单元402可包括形成在天线阵列400的馈线层上的N数量的馈线416。在所示的示例中，存在两(2)个馈线，即第一馈线4161和第二馈线4162。每个馈线416可将端口414与对应缝隙元件408耦合。天线阵列400的N数量的馈线416中的每个馈线具有相同长度。可对与辐射元件406传送的信号进行相位调节以补偿(抵消)辐射元件406的旋转。
这些端口414中的每个端口可由离对应端口414等距地定位的多个隔离通孔415包围。在所示的示例中，存在与每个端口414紧密邻近的四(4)个隔离通孔415。然而，在其他示例中，可存在更多或更少隔离通孔415。此外，可在不同天线单元402上的端口414之间共用隔离通孔415，从而减少为端口414提供足够屏蔽所需的隔离通孔415的总数。另外，在一些示例中，这些隔离通孔415中的一些隔离通孔可仅部分地在BFN与天线阵列400之间延伸。
每个天线单元402中的N数量的端口414中的每个端口可定位在对应局部坐标系中的一组坐标处，该组坐标可为每个局部坐标系中的相同组坐标。在此类示例中，端口414可在每个天线单元402的局部坐标系中的该组坐标处与包含馈线416的馈线层相交。换句话讲，天线单元A 402的第一端口4141可具有对应局部坐标系中与天线单元B 402的第一端口4141相同组的坐标。这样，端口414可位于整个天线阵列400中的规则、预定位置处。
在一些示例中，每个辐射元件406在全局坐标系404中的旋转角度可为0度、+/-90度、+/-180度和+/-270度。在其他示例中，全局坐标系104中的其他旋转角度是可能的。另外，天线阵列400可以以与图1的天线阵列100相同的方式(或类似的方式)操作。因此，天线阵列400的每个天线单元402可被设计成与自由空间传送RF信号。换句话讲，天线阵列400可被设计成执行如下至少一者：将RF信号发射到自由空间中，以及从自由空间接收RF信号。可由BFN和(在一些示例中)IC芯片来调节此类传送的信号，如本文所解释。
图6示出了BFN 500的示例的平面图，该BFN可用于与图5的天线阵列400通信。BFN500的一些元件可形成在用于天线阵列400的多层PCB的内层上，并且其他元件可形成在BFN500的外层(诸如BFN 500的底层)上。出于简化解释的目的，相同参考标号用于图5和图6中以表示相同结构。BFN 500可划分成多个BFN单元502，每个BFN单元在全局坐标系404中旋转。正如所指出的，BFN 500可位于图5的天线阵列400下面。此外，每个BFN单元502可具有与覆盖在上面的天线单元402相同的尺寸和形状(例如，正方形)。因此，BFN单元502被标记为A-H以对应于具有相同标签A-H的覆盖在上面的天线单元402。因此，BFN单元A 502位于天线单元A 402下面。每个BFN单元502可具有与对应天线单元402相同的局部坐标系。
每个BFN单元502可包括N数量的端口414。在BFN 500所示的示例中，每个BFN单元502包括第一端口4141和第二端口4142。每个端口414可表示通向天线阵列400中所示的端口414的通孔的末端。如相对于天线阵列400所解释，N数量的端口414中的每个端口可处于每个相应局部坐标系中的相同组坐标。
N数量的端口414中的每个端口可由多个隔离通孔415包围，只标记了该多个隔离通孔中的一些隔离通孔。隔离通孔415可对应于图5的隔离通孔415。在一些示例中，这些隔离通孔415中的一些隔离通孔可仅部分地在BFN 500与图5的天线阵列400之间延伸。
BFN 500可包括可耦合到外部系统的I/O端口506。I/O端口506可耦合到第一级组合器/分割器508，该第一级组合器/分割器可通过通孔512耦合到两(2)个第二级组合器/分割器510。在一些示例中，通孔512可短于端口414的通孔。另外，第一级组合器/分割器508和第二级组合器/分割器510具有级联布置。
第二级组合器/分割器510可相对于第一级508对称地布置。此外，在这种情况下，BFN单元502和第二级组合器/分割器510可限定具有局部坐标系的波束形成级。这样，每个波束形成级(BFN单元502和第二级分割器510的组合)可具有局部坐标系中的相同几何形状。此外，每个波束形成级可在全局坐标系404中旋转。
每个BFN单元502可对应于可调节信号的IC芯片520(或多个IC芯片)。每个IC芯片520可定位在BFN 500的底层上。在一些示例中，每个IC芯片520可与BFN 500集成在一起，并且在其他示例中，每个IC芯片520可为与BFN 500通信的单独部件。每个IC芯片520可耦合到组合器/分割器510并耦合到BFN单元502的N数量的端口414。作为一些示例，每个IC芯片520可放大、相位调节、组合和/或分割信号。
BFN 500可以以与图2的BFN 200类似的方式操作。因此，BFN 500可以以发射模式和接收模式中的至少一者操作。
如随图5的天线阵列400和图6的BFN 500示出的，天线单元402和BFN单元502可通过N数量的端口414来通信。此外，天线阵列400可被设计成使得缝隙元件408可独立于端口414的位置来旋转。因此，缝隙元件408的旋转角度不一定影响BFN 500的物理布局。因此，BFN 500和天线阵列400可基于每个BFN单元502和每个天线单元402的N数量的端口414中的每个端口的预定位置来独立地设计。因此，可简化BFN 500和天线阵列400的总体设计。
在一些示例中，BFN 500可使用对称模块来系统性地设计，这些对称模块可缩放而适应几乎任何数量的级别。具体地讲，尽管BFN 500被描述为具有组合器/分割器的两(2)个级，即第一级组合器/分割器508和第二级组合器/分割器510，但是所示的BFN 500可用作模块或电路以实现更大规模BFN，包括图7所示的BFN 600。
在BFN 600中，图6的BFN 500的八(8)个实例以级联(分层)布置来连接。具体地讲，I/O端口602耦合到第一级组合器/分割器604，该第一级组合器/分割器耦合到两(2)个第二级组合器/分割器606。每个第二级组合器/分割器606可耦合到两(2)个第三级组合器/分割器608。每个第三级组合器/分割器608可耦合到BFN 500的实例(BFN 600的模块)的输入端口506的两个实例。这样，BFN 600的八(8)个实例以级联布置来连接在一起。此外，在其他示例中，BFN 600的多个实例可以以级联布置来耦合。
图8示出了天线阵列700的示例的另一个平面图。天线阵列700可形成在多层PCB的顶层和/或顶部区域上。天线阵列700可包括可以以规则拼接图案布置的多个天线单元702。每个天线单元702可具有正方形形状。天线阵列700所示的示例包括被标记为天线单元A-H的八(8)个天线单元702。该多个天线单元702中的每个天线单元可布置在全局坐标系704中。此外，每个天线单元702可包括辐射元件706的实例。每个辐射元件706可包括N数量的缝隙元件708。在所示的示例中，每个天线单元702包括两个正交定位的缝隙元件708，即第一缝隙元件7081和第二缝隙元件7082。每个辐射元件706还可包括金属贴片辐射器710。
N数量的缝隙元件708中的每个缝隙元件可在全局坐标系704中旋转。另外，每个天线单元702可包括使用定位在每个天线单元702的拐角附近的原点轴标记的局部坐标系。每个天线单元702可包括N数量的端口714，该N数量的端口将每个相应天线单元702耦合到位于天线阵列700下面的BFN。在所示的示例中，每个天线单元包括两(2)个端口714，即第一端口7141和第二端口7142。另外，在所示的示例中，第一端口7141和第二端口7142中的每一者可定位在天线单元702的相对拐角处。换句话讲，第一端口7141和第二端口7142定位在相对于彼此的斜对面。每个端口714可由离对应端口714等距地间隔的多个隔离通孔715包围，只标记了该多个隔离通孔中的一些隔离通孔。在所示的示例中，存在与每个端口714紧密邻近的四(4)个隔离通孔715。然而，在其他示例中，可存在更多或更少隔离通孔715。此外，可在不同天线单元702上的端口714之间共用隔离通孔715，从而减少为端口714提供足够屏蔽所需的隔离通孔715的总数。另外，在一些示例中，这些隔离通孔715中的一些隔离通孔可仅部分地在BFN与天线阵列700之间延伸。
每个天线单元702可包括形成在馈线层上的N数量的馈线716。在所示的示例中，每个天线单元702中存在两(2)个馈线716，即第一馈线7161和第二馈线7162。每个馈线716可将端口714与对应缝隙元件708耦合。在一些示例中，给定天线单元702内的第一馈线7161和第二馈线7162可具有相同长度。
每个天线单元702中的N数量的端口714中的每个端口可定位在对应局部坐标系中的一组坐标处，该组坐标可为每个局部坐标系中的相同组坐标。因此，在一些示例中，每个天线单元702中的N数量的端口714可在对应局部坐标系中的相同组坐标处与馈线层相交。因此，天线单元A 702的第一端口7141可具有对应局部坐标系中与天线单元B 702的第一端口7141相同组的坐标。这样，端口714位于整个天线阵列700中的规则位置处。
在一些示例中，每个辐射元件706在全局坐标系704中的旋转角度可为0度、+/-90度、+/-180度和+/-270度。在其他示例中，全局坐标系704中的其他旋转角度是可能的。天线阵列700可以以与图1的天线阵列100相同的方式(或类似的方式)操作。因此，天线阵列700的每个天线单元702可被设计成与自由空间传送RF信号。换句话讲，天线阵列700可被设计成执行如下至少一者：将RF信号发射到自由空间中，以及从自由空间接收RF信号。可由BFN和(在一些示例中)IC芯片来调节此类传送的信号，如本文所解释。
图9示出了BFN 800的示例的另一个平面图，该BFN可用于与图8的天线阵列700通信。BFN 800的一些部件可形成在用于天线阵列700的多层PCB的内层上。此外，如本文所解释，BFN 800的一些部件可形成或安装在BFN 800的外层(例如，底层)上。出于简化解释的目的，相同参考标号用于图8和图9中以表示相同结构。BFN 800可划分成多个BFN单元802，每个BFN单元在全局坐标系704中旋转。正如所指出的，BFN 800可位于图8的天线阵列700下面。此外，每个BFN单元802可具有与覆盖在上面的天线单元702相同的尺寸和形状(例如，正方形)。因此，BFN单元802被标记为A-H以对应于覆盖在上面的天线单元702。因此，BFN单元A802位于天线单元A 702下面。每个BFN单元802可具有与对应天线单元702相同的局部坐标系。
每个BFN单元802可包括N数量的端口714。在BFN 800所示的示例中，每个BFN单元包括第一端口7141和第二端口7142。每个端口714可表示通向天线阵列700中所示的端口的通孔的末端。N数量的端口714中的每个端口可处于每个相应局部坐标系中的相同组坐标。如相对于天线阵列700所解释，N数量的端口714中的每个端口可处于每个局部坐标系中的相同组坐标。
N数量的端口714中的每个端口可由多个隔离通孔715包围，只标记了该多个隔离通孔中的一些隔离通孔。隔离通孔715可对应于图8的隔离通孔715。另外，在一些示例中，这些隔离通孔715中的一些隔离通孔可仅部分地在BFN 800与图8的天线阵列700之间延伸。
BFN 800可包括可耦合到外部系统的I/O端口806。I/O端口806可耦合到第一级组合器/分割器808，该第一级组合器/分割器可通过通孔812耦合到两(2)个第二级组合器/分割器810。在一些示例中，通孔812可短于端口714的通孔。第一级组合器/分割器808和第二级组合器/分割器810可具有级联布置。
每个BFN单元802可对应于可调节信号的IC芯片820(或多个IC芯片)。每个IC芯片820可定位在BFN 800的底层上。在一些示例中，每个IC芯片820可与BFN 800集成在一起，并且在其他示例中，每个IC芯片820可为与BFN 800通信的单独部件。每个IC芯片820可耦合到第二级组合器/分割器810并耦合到BFN单元802的N数量的端口714。每个IC芯片820可放大、相位调节、组合和/或分割信号。
第二级组合器/分割器810可相对于第一级808对称地布置。此外，在这种情况下，BFN单元802和第二级组合器/分割器810可限定具有局部坐标系的波束形成级。这样，每个波束形成级(BFN单元802和第二级组合器/分割器810的组合)可具有局部坐标系中的相同几何形状。此外，每个波束形成级可在全局坐标系704中旋转。
BFN 800可以以与图2的BFN 200类似的方式操作。因此，BFN 800可以以发射模式和接收模式中的至少一者操作。
如随图8的天线阵列700和图9的BFN 800示出的，天线单元702和BFN单元802可通过N数量的端口714来通信。此外，天线阵列700可被设计成使得缝隙元件708可独立于端口714的位置来旋转。因此，缝隙元件708的旋转角度不一定影响BFN 800的物理布局。因此，BFN 800和天线阵列700可基于每个BFN单元802和每个天线单元702的N数量的端口714中的每个端口的预定位置来独立地设计。因此，可简化BFN 800和天线阵列700的总体设计。
在一些示例中，BFN 800可使用对称模块来系统性地设计，这些对称模块可缩放而适应几乎任何数量的级别。具体地讲，尽管BFN 800被描述为具有组合器/分割器的两(2)个级，即第一级组合器/分割器808和第二级组合器/分割器810，但是所示的BFN 800可用作模块或电路以实现更大规模BFN，包括图10所示的BFN 900。
在BFN 900中，图9的BFN 800的八(8)个实例以级联(分层)布置来连接。具体地讲，I/O端口902耦合到第一级组合器/分割器904，该第一级组合器/分割器可各自耦合到两(2)个第二级组合器/分割器906。每个第二级组合器/分割器906可耦合到两(2)个第三级组合器/分割器908。每个第三级组合器/分割器908可耦合到BFN 800的实例(BFN 900的模块)的输入端口806的两个实例。这样，BFN 900的八(8)个实例以级联布置来连接在一起。此外，在其他示例中，BFN 900的多个实例可以以级联布置来耦合。
图11示出了多层PCB 1000(或其他电介质基板)的层叠(横截面)视图，该多层PCB可包括覆盖在形成于BFN层上的BFN 1004上面的天线阵列1002。多层PCB 1000可用于实现可执行如下至少一者的系统：发射和接收RF信号。天线阵列1002可例如使用图1的天线阵列100、图5的天线阵列400或图8的天线阵列700来实现。形成在BFN层上的BFN 1004可具有多个迹线(例如，导电迹线)。BFN 1004可被实现为例如图2的BFN 200、图3的BFN 300、图4的BFN阵列320的一部分、图6的BFN 500、图7的BFN 600、图9的BFN 800或图10的BFN 900。在图11中，包括多层PCB 1000的一部分。多层PCB 1000可包括芯材料(例如，电介质层叠件)层1008、预浸材料(预浸渍材料，诸如环氧基材料)层1010和导电材料(例如，接地平面)层1012。
IC芯片区域1014可包括用于将IC芯片1016安装到BFN 1004的下表面上的层。IC芯片1016可被实现为例如图2的IC芯片220、图6的IC芯片520或图9的IC芯片820的实例。多层PCB 1000可包括被实现为通孔的端口1018，该通孔将IC芯片1016通信地耦合到天线阵列1002。多层PCB 1000还可包括为端口1018提供屏蔽的隔离通孔1020。IC芯片区域1014可通过通孔1022来与BFN 1004通信，该通孔将可形成在BFN 1004的底层(外层)上的组合器/分割器通信地耦合到IC芯片1016。组合器/分割器可被实现为例如图2的3对1组合器/分割器212、图6的第二级组合器/分割器510或图9的第二级组合器/分割器810。另外，IC芯片1016可通过通孔1026连接到电源，该通孔可将IC芯片1016耦合到多层PCB 1000的直流(DC)电源区域1028。此外，IC芯片1016可通过通孔1030连接到电中性节点(例如，接地端)。
天线阵列100的馈线层1032可位于天线阵列1002的辐射元件1034下面。馈线层1032可包括馈线1036的实例。馈线1036可将端口1018耦合到辐射元件1034的缝隙元件1038。缝隙元件1038可电磁地耦合到辐射元件1034的贴片天线1039。
图11包括表示信号1040流过在发射模式下操作的多层PCB 1000的箭头。信号1040可被提供为例如来自外部系统的电信号(引导的EM信号)。信号1040穿越组合器/分割器1024并且通过通孔1022提供到IC芯片1016。IC芯片1016可调节(例如，放大、相位调节和/或分割)信号1040。此外，可将信号1040提供到端口1018，并且在天线阵列1002处接收到信号1040。可通过馈线1036将信号1040提供到缝隙元件1038。缝隙元件1038可将引导的EM信号转换成辐射的EM信号，该辐射的EM信号由贴片天线1039发射到自由空间中。在接收模式下，信号以与信号1040反向的方式操作。
图12示出了系统1100的框图，其描绘了天线阵列1102和BFN 1104的逻辑互连。天线阵列1002可例如使用图1的天线阵列100、图5的天线阵列400或图8的天线阵列700来实现。BFN 1004可被实现为例如图2的BFN200、图3的BFN 300、图6的BFN 500、图7的BFN 600、图9的BFN 800或图10的BFN 900。
在一些示例中，天线阵列1102可仅在发射模式下或接收模式下操作。在其他示例中，天线阵列1102可在半双工模式下操作，其中天线阵列1102在接收模式与发射模式之间切换。在还其他示例中，天线阵列1102可在全双工模式下操作，其中天线阵列1102同时在接收模式和发射模式下操作。
在所示的示例中，K数量的天线单元1106与BFN 1104通信，其中K是大于或等于二(2)的整数。K数量的天线单元1106中的每个天线单元可包括辐射元件1108。辐射元件1108可表示N数量的正交布置的缝隙元件1110和贴片天线1114。在所示的示例中，存在两个缝隙元件1110，即第一缝隙元件11101和第二缝隙元件11102。K数量的天线单元1106中的每个天线单元可与对应IC芯片1116通信。在所示的示例中，每个IC芯片1116可包括组合器/分割器1120，该组合器/分割器可组合和/或分割穿越IC芯片1116的信号。另外，每个IC芯片1116可包括N数量的路径以便与对应天线单元1106的N数量的缝隙元件1110通信。在本示例中，每个IC芯片1116可包括第一路径1122和第二路径1124。另外，在一些示例中，每个IC芯片1116的第一路径1122和第二路径1124可表示多个路径，该多个路径可进一步细分成接收路径和发射路径。
第一路径1122和第二路径1124可各自包括放大器1130和相移器1132以便调节与对应辐射元件1108和/或BFN 1104传送的信号。
第一路径1122可耦合到对应天线单元1106的第一端口11341，并且第二路径1124可耦合到对应天线单元1106的第二端口11342。天线单元1106的第一端口11341可被设计成在IC芯片1116的第一路径1122与第一缝隙元件11101之间传送处于第一极化的信号。天线单元1106的第二端口11342可被设计成在第二缝隙元件11102之间传送具有与第一极化正交的第二极化的信号。例如，第一极化可为水平极化，并且第二极化可为垂直极化，或反之亦然。在这种情况下，天线阵列1102可传送具有右旋圆极化(RHCP)或左旋圆极化(LHCP)的信号。另选地，在一些示例中，可仅存在一个缝隙元件1110，并且该极化可为线性极化。
IC芯片1116可从可实现在外部系统上的控制器1140接收控制信号。在一些示例中，控制器1140可被实现为具有嵌入式指令的微控制器。在其他示例中，控制器1140可被实现为具有在其上执行的软件的通用计算机。在一些示例中，控制信号可控制系统1100的操作模式。即，在一些示例中，控制信号可使IC芯片1116将天线阵列1102从接收模式切换到发射模式，或反之亦然。另外，在一些示例中，从控制器1140提供的控制信号可控制由每个放大器1130施加的可变量的振幅调节。因此，在一些示例中，每个放大器1130可被实现为可变增益放大器、切换衰减器电路等。类似地，在一些示例中，从控制器1140提供的控制信号可控制由每个相移器1132施加的可变量的相位调节。
在接收模式下操作期间，控制器1140可使IC芯片1116将信号从K数量的天线单元1106路由到BFN 1104。此外，在接收模式下，可在贴片天线1114处接收处于第一极化的EM信号(RF信号)并且由K数量的天线单元1106(或其某个子组)中的每个天线单元的第一缝隙元件11101检测该EM信号。类似地，可在贴片天线1114处接收处于第二极化的EM信号(RF)并且由第二缝隙元件11102检测该EM信号。第一缝隙元件11101和第二缝隙元件11102中的每一者可将所接收到的EM信号转换成电信号，可将该电信号提供到对应IC芯片1116以进行调节。可将由第一缝隙元件11101提供的信号提供到通向IC芯片1116的第一路径，并且可将由第二缝隙元件11102提供的信号提供到IC芯片1116的第二路径1124。
继续在接收模式下，IC芯片1116的第一路径1122中的每个放大器1130可放大由第一缝隙元件11101提供的信号，并且第一路径1122的每个相移器1132可施加相位调节以将信号输出到组合器/分割器1120。类似地，IC芯片1116的第二路径1124中的每个放大器1130可放大由第二缝隙元件11102提供的信号，并且第二路径1124的每个相移器1132可施加相位调节以将信号输出到组合器/分割器1120。每个组合器/分割器1120可将来自第一路径1122的信号与来自第二路径1124的信号组合，使得K数量的IC芯片1116可输出K数量的子信号。可将K数量的子信号提供到BFN 1104。BFN 1104可组合K数量的子信号以形成所接收到的波束信号，可将该所接收到的波束信号提供到外部系统以进行解调和处理。
在发射模式下操作期间，控制器1140可设定IC芯片1116以将信号从BFN 1104提供到K数量的天线单元1106。因此K数量的天线单元1106可发射可从外部系统提供到BFN 1104的发射波束信号。BFN 1104可将发射波束信号分割成K数量的子信号，可将该K数量的子信号提供到K数量的IC芯片1116。K数量的IC芯片1116中的每个IC芯片1116可调节对应子信号以生成经调节的信号，可将该经调节的信号提供到对应天线单元1106。在所示的示例中，该调节可包括将对应子信号分割成第一信号和第二信号。
可在IC芯片1116的第一路径1122上提供第一信号，并且可在IC芯片1116的第二路径1124上提供第二信号。第一路径1122的相移器1132可将相位调节施加到第一信号，并且第一路径1122的放大器1130可放大第一信号。可将第一信号提供到第一缝隙元件11101。第一缝隙元件11101可将第一信号转换成处于第一极化的EM信号(RF信号)，可将该EM信号发射到贴片天线1114。类似地，第二路径1124的相移器1132可将相位调节施加到第二信号，并且第二路径1124的放大器1130可放大第二信号。可将第二信号提供到第二缝隙元件11102。第二缝隙元件11102可将第二信号转换成处于第二极化的EM信号(RF信号)，可将该EM信号发射到贴片天线1114。贴片天线1114可将处于第一极化的EM信号和处于第二极化的EM信号发射到自由空间中。
上文已描述的内容是示例。当然，不可能描述部件或方法的每种可设想组合，但本领域的普通技术人员将认识到，许多另外的组合和排列是可能的。因此，本公开旨在涵盖落入本申请(包括所附权利要求书)的范围内的所有此类改变、修改和变型。如本文所用，术语“包括”意指包括但不限于，术语“包含”意指包含但不限于。术语“基于”意指至少部分地基于。另外，在本公开或权利要求陈述“一个”、“一种”、“第一”或“另一个”元件或其等同形式的情况下，其应被解释为包括一个或多于一个此类元件，既不需要也不排除两个或更多个此类元件。

Claims (25)

1.一种天线阵列，所述天线阵列包括：
多个天线单元，所述多个天线单元定位在所述天线阵列的全局坐标系中，其中所述多个天线单元中的每个天线单元具有相应局部坐标系并且包括：
辐射元件，所述辐射元件具有在所述全局坐标系中限定的预定旋转角度；和
天线端口，所述天线端口耦合到所述辐射元件，所述天线端口定位在所述相应局部坐标系中的特定组坐标处；
其中所述多个天线单元中的每个天线单元的所述天线端口的所述特定组坐标相同；
其中所述多个天线单元中的每个天线单元的所述天线端口包括耦合到波束形成网络BFN的通孔；并且
其中所述多个天线单元中的第一天线单元的所述辐射元件的所述预定旋转角度为所述全局坐标系中的第一旋转角度，并且所述多个天线单元中的第二天线单元的所述辐射元件的所述预定旋转角度为所述全局坐标系中的第二旋转角度，所述第二旋转角度不同于所述第一旋转角度。
2.根据权利要求1所述的天线阵列，其中所述多个天线单元中的每个天线单元的所述天线端口是第一天线端口，并且所述多个天线单元中的每个天线单元还包括第二天线端口，所述第二天线端口定位在所述相应局部坐标系中的第二组坐标处，其中所述多个天线单元中的每个天线单元的所述第二天线端口定位在每个相应局部坐标系中的所述相同第二组坐标处。
3.根据权利要求2所述的天线阵列，其中所述多个天线单元中的每个天线单元的所述第一天线端口和所述第二天线端口传送具有90度相位差的信号。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的天线阵列，其中所述第二天线单元在所述全局坐标系中相对于所述第一天线单元旋转。
5.根据权利要求4所述的天线阵列，其中所述多个天线单元中的所述第一天线单元的所述辐射元件具有所述第一天线单元的所述局部坐标系中的第一局部预定旋转角度，并且所述多个天线单元中的所述第二天线单元的所述辐射元件具有所述第二天线单元的所述局部坐标系中的第二局部预定旋转角度，所述第二局部预定旋转角度从所述第一局部预定旋转角度偏移所述第一天线单元的所述局部坐标系和所述第二天线单元的所述局部坐标系中的预定角度。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的天线阵列，其中所述多个天线单元中的第三天线单元在所述全局坐标系中相对于所述多个天线单元中的所述第一天线单元旋转，并且所述第三天线单元的辐射元件和所述第一天线单元的所述辐射元件在所述全局坐标系中不相对于彼此旋转。
7.根据权利要求1所述的天线阵列，其中所述BFN包括在输入/输出信号与多个子信号之间转换的多个组合器/分割器，其中所述多个子信号中的每个子信号通过集成电路（IC）芯片传送到所述多个天线单元中的相应天线单元的天线端口。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的天线阵列，其中所述多个天线单元中的每个天线单元的所述天线端口是信号接口以用于在所述天线单元与耦合到波束形成网络（BFN）的集成电路（IC）芯片之间传送信号。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的天线阵列，其中所述多个天线单元中的每个天线单元还包括馈线，所述馈线耦合对应辐射元件和相应天线单元的天线端口，其中所述多个天线单元的每个相应馈线的长度相同。
10.根据权利要求9所述的天线阵列，其中所述多个天线单元中的第三天线单元在所述全局坐标系中相对于所述多个天线单元中的所述第一天线单元旋转，并且所述第三天线单元的辐射元件和所述第一天线单元的所述辐射元件在所述全局坐标系中不相对于彼此旋转。
11.根据权利要求1至10中一项所述的天线阵列，其中所述多个天线单元中的每个天线单元的所述特定组坐标位于相应辐射元件与相应天线单元的周边之间。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的天线阵列，所述天线阵列还包括多个隔离通孔，其中在所述多个天线单元中的至少三个天线单元的天线端口之间共用所述多个隔离通孔中的给定隔离通孔。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的天线阵列，其中所述多个天线单元中的每个天线单元的所述天线端口耦合到波束形成网络（BFN），其中所述BFN包括多个波束形成级，其中所述多个波束形成级中的每个波束形成级具有相应局部坐标系，并且所述多个波束形成级中的每个波束形成级具有所述相应局部坐标系中的相同几何形状；并且
其中所述多个波束形成级中的给定波束形成级具有与所述多个波束形成级中的另一个波束形成级相同的几何形状，其中所述给定波束形成级和所述另一波束形成级是相同级，并且所述给定波束形成级在所述全局坐标系中相对于所述另一波束形成级旋转。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的天线阵列，其中所述多个天线单元被布置在多个组天线单元中，每个组天线单元包括组旋转图案，所述组旋转图案限定相应组天线单元中的每个辐射元件在所述全局坐标系中的预定旋转角度。
15.根据权利要求14所述的天线阵列，其中相邻组天线单元的所述组旋转图案不同。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的天线阵列，其中所述多个天线单元中的六个天线单元的所述辐射元件具有所述全局坐标系中的不同旋转角度。
17.一种多层印刷电路板PCB，所述多层PCB包括：
波束形成层，所述波束形成层具有形成波束形成网络BFN的多个迹线，其中所述波束形成网络耦合到多个天线端口 的通孔，所述BFN包括：
多个组合器/分割器，所述多个组合器/分割器在输入/输出信号与多个子信号之间转换，其中所述多个子信号中的每个子信号具有相等功率和相位阵列，其中所述多个子信号中的每个子信号传送到所述多个天线端口中的天线端口；
如权利要求1-9任一所述的天线阵列；和
馈线层，所述馈线层具有将所述多个天线端口中的对应天线端口耦合到所述辐射元件的馈线，其中每个天线端口在所述相应局部坐标系中的特定组坐标处与所述馈线层相交。
18.根据权利要求17所述的多层PCB，其中所述BFN的所述多个组合器/分割器被布置在多个波束形成级中，其中所述多个波束形成级中的每个波束形成级具有相应局部坐标系，并且所述多个波束形成级中的每个波束形成级具有所述相应局部坐标系中的相同几何形状；并且
其中所述多个波束形成级中的给定波束形成级具有与所述多个波束形成级中的另一个波束形成级相同的几何形状，其中所述给定波束形成级和所述另一波束形成级是相同级，并且所述给定波束形成级在所述全局坐标系中相对于所述另一波束形成级旋转。
19.根据权利要求17至18中任一项所述的多层PCB，其中所述多个波束形成级中的每个波束形成级对应于第一电路和第二电路，其中所述第一电路和所述第二电路放大并相移在相应波束形成级与所述多个天线单元中的相应天线单元的对应辐射元件之间传送的信号。
20.根据权利要求17至19中任一项所述的多层PCB，其中所述多个天线单元中的每个天线单元的所述天线端口是第一天线端口，并且所述多个天线单元中的每个天线单元还包括第二天线端口，所述第二天线端口在所述相应局部坐标系中的第二特定组坐标处与所述馈线层相交，并且所述天线单元中的每个天线单元的所述第二特定组坐标相同。
21.根据权利要求20所述的多层PCB，其中所述多个天线单元中的每个天线单元的所述第一天线端口和所述第二天线端口传送具有90度相位差的信号。
22.根据权利要求17至21中任一项所述的多层PCB，其中所述多个天线单元中的第三天线单元在所述全局坐标系中相对于所述多个天线单元中的所述第一天线单元旋转，并且所述第三天线单元的辐射元件和所述第一天线单元的所述辐射元件在所述全局坐标系中不相对于彼此旋转。
23.根据权利要求17至22中任一项所述的多层PCB，其中所述多个天线单元中的每个天线单元的所述特定组坐标位于相应辐射元件与相应天线单元的周边之间。
24.根据权利要求17至23中任一项所述的多层PCB，其中所述多个天线单元被布置在多个组天线单元中，每个组天线单元包括组旋转图案，所述组旋转图案限定相应组天线单元中的每个辐射元件在所述全局坐标系中的预定旋转角度。
25.根据权利要求24所述的多层PCB，其中相邻组天线单元的所述组旋转图案不同。
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