CN117728162A - 紧凑型宽带波束切换天线阵列架构 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于波束赋形应用的天线阵列架构。天线阵列架构促进紧凑型宽带双极化波束切换天线阵列架构，其可以在成本有效的多层PCB或封装中实现。天线阵列架构被实现为具有多层的封装基板的一部分。每个层根据相应的天线组件包括设置在其上的各种导电元件，例如导电段和/或迹线。

Description

紧凑型宽带波束切换天线阵列架构
技术领域
本文描述的公开总体涉及天线，更具体地说，涉及利用一个或多个修改的Butler(巴特勒)矩阵块的紧凑型宽带波束切换天线。
背景技术
常规的波束赋形操作是通过相控天线阵列架构来实现的，相控天线阵列架构提供最灵活的波束控制，但由于需要多个RF链而具有极高的成本和功耗。这导致在消费产品中的采用率低。全无源、切换波束设计可以通过实现成本有效的透镜或波束赋形器电路来解决该挑战。然而，透镜设计常常具有窄的视场和带宽，并且当焦距减小(<1mm)时受到限制。
另一方面，传统的Butler矩阵(一种类型的无源波束赋形网络)与诸如Blass矩阵和Rotman透镜(基于光学透镜原理的波束赋形传输线网络)的其他类型的波束赋形网络相比，具有较低的插入损耗、良好的角度覆盖和足够的带宽。然而，传统的Butler矩阵需要非常大的电尺寸，这在封装基板中需要更多的面积和/或更大数量的层。进一步使这一问题复杂化，当考虑双极化支持时，传统的Butler矩阵的基板层的尺寸和/或数量进一步增加，并且这种设计对于大多数便携式客户端平台(例如，膝上型计算机)变得不切实际。
表面波的生成是天线阵列设计中的另一挑战，这在支持宽扫描角范围时成为问题。也就是说，当聚焦波束以大角度倾斜时，在PCB或封装顶层的表面上生成表面波。这种表面波与天线元件相互作用，使波束图案失真，生成不想要的高光栅波瓣，并降低主波束的增益。
因此，目前的天线阵列设计不足以满足工业和消费者的需求。
附图说明
并入本文并形成说明书的一部分的附图示出了本公开，并且与描述一起进一步用于解释原理，并使得相关领域的技术人员能够实现和使用本文讨论的实现方式。
图1示出了根据本公开的天线阵列架构；
图2A示出了根据本公开的天线元件初级导电片；
图2B示出了根据本公开的天线元件次级导电片和寄生元件；
图2C示出了根据本公开的高阶电磁带隙(EBG)单位单元(unit cell)结构；
图3示出了根据本公开的高阶EBG结构的仿真的S参数；
图4A示出了根据本公开的不使用高阶EBG的天线元件的辐射图；
图4B示出了根据本公开的使用高阶EBG的天线元件的辐射图；
图5示出了根据本公开的天线阵列架构的剖视侧视图；
图6示出了根据本公开的紧凑型Butler矩阵块配置；
图7A示出了根据本公开的包括次级导电片和寄生元件的基板层堆叠的第一层；
图7B示出了根据本公开的包括EBG结构的一部分的基板层堆叠的第二层；
图7C示出了根据本公开的包括EBG结构的另一部分和初级导电片的基板层堆叠的第三层；
图7D示出了根据本公开的包括用于天线馈源和信号路由网络的导电迹线的基板层堆叠的第四层；
图7E示出了根据本公开的包括地平面的基板层堆叠的第五层；
图7F示出了根据本公开的包括一组Butler矩阵块的基板层堆叠的第六层；
图8A-8B示出了根据本公开的如图1所示的双极化天线阵列架构的仿真的S参数；
图9示出了常规的Butler矩阵块设计；
图10示出了根据本公开的具有端口定义的紧凑型Butler矩阵块设计；
图11A-11D示出了根据本公开的用于如图10所示的紧凑型Butler矩阵块设计的仿真的S参数；
图12A-12F示出了根据本公开的图1所示的双极化天线阵列架构在不同频率下的仿真的实现增益图案；
图13A-13B示出了根据本公开的经由Butler矩阵块实现的耦合器的类型和/或形状的变型；
图14A-14B示出了根据本公开的将混合耦合器添加到信号路由网络以支持双圆极化的变型；
图15A-15B示出了根据本公开的高阶EBG结构旋转45度的变型；
图16示出了根据本公开的设备；以及
图17示出了根据本公开的工艺流程。
将参照附图描述本公开。要素首次出现的附图通常由对应附图标记中最左边的一个或多个数字指示。
具体实施方式
在以下描述中，阐述了许多具体细节，以便提供对本公开的透彻理解。然而，对本领域技术人员将显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践本公开的实现方式(包括结构、系统和方法)。本文的描述和表示是本领域有经验的或技术人员用以最有效地将他们的工作的实质传达给本领域其他技术人员的常用手段。在其他情况下，没有详细描述公知的方法、过程、组件和电路，以避免不必要地掩盖本公开。
I.常规解决方案
再次，实现波束引导的常规方法是经由具有波束赋形IC的封装中的相控阵列。每个天线元件的幅度和相位可以通过波束赋形IC中的多个RF链分开配置，这提供了非常灵活的波束控制。然而，这种相控阵列方法是昂贵的，并且由于多个RF链而具有高功耗，特别是当被实现为支持双极化阵列时。由于RF链上的变化，在这样的实现方式中实现数字预失真(DPD)也是困难的。
如上所述，替换方法包括在天线阵列上方使用透镜。通过选择阵列中的每个天线元件，波束可以通过透镜倾斜。但是这些透镜通常体积大，因为它们需要位于天线的远场距离处，即在大焦距处(>波长且>2×D^2/波长，其中，D是天线的最大尺寸)。这种结构的尺寸使得它们非常难以与毫米波天线阵列设计集成，并且当焦距减小(<1mm)时带宽和视场变窄。
用于波束引导应用的天线阵列也可以实现常规的Butler矩阵(本文也称为Butler矩阵块)。Butler矩阵是一种类型的无源波束赋形网络，它使用4个正交混合分支线耦合器和2个交叉部(crossover)。双Butler矩阵使用许多交叉部和/或基板层来支持双极化阵列。在下面的表1中提供了一些常规的双Butler矩阵设计的使用的概述及其对应的性能度量，这些设计被实现为支持双圆极化(DCP)或双线极化(DLP)天线阵列。注意，第一列表示描述每个对应设计的参考标号，每个参考标号在本公开的末尾以数字列出。
表1
因此，并且如表1所示，Butler矩阵设计具有大的电尺寸和有限的带宽。从双Butler矩阵到双极化阵列的信号路由也是复杂的，并且需要大量的交叉结构，这进一步增加了层的总尺寸和数量，并且还导致额外的插入损耗。因此，常规的Butler矩阵设计对于许多客户端平台(例如，膝上型计算机)来说不是实用的解决方案。
此外，并且如上所述，表面波可能在天线阵列的操作期间引入干扰而使波束图案失真，生成不想要的高光栅波瓣，并降低主波束的增益。因此，可以使用EBG结构来减轻表面波的传播。然而，常规EBG结构通常具有多个单位单元，每个单位单元具有约1/10波长或更小的尺寸，这显著小于天线元件的尺寸。这是由于EBG概念最初是从同质材料特性建模的。结果，小的EBG单位单元结构被填充在天线元件之间，并像2D空间滤波器一样工作，从而抑制表面波。然而，常规EBG的小尺寸导致相对窄的操作带宽(例如，1％)。并且因为这种常规EBG结构靠近天线元件，所以EBG结构还可能干扰馈电结构和/或作为天线阵列设计的一部分可能被实现的任何带宽增强寄生元件。
II.通用天线阵列架构和优点
本文讨论的天线阵列架构旨在克服关于将天线阵列用于波束赋形应用的上述挑战。图1示出了根据本公开的天线阵列架构。如图1所示的天线阵列架构100促进紧凑型宽带双极化波束切换天线阵列架构，该架构可以在成本有效的多层PCB或其他合适的封装基板中实现。在图1所示的说明性和非限制性场景中，天线阵列架构100被实现为具有6层的封装基板102的一部分。6层中的每一层包括各种导电元件(其可以由铜或其他合适的导体构成)，例如导电段和/或迹线，它们根据其相应的组件而设置在层上，其中，6层中的每一层被“夹在”诸如PCB预浸料或PCB芯的介电材料之间，如图1中的插图所示。
此外，如图1所示的天线阵列架构100包括四个单独的天线元件，它们一起形成1×4双极化阵列。每个天线元件包括设置在封装基板的层之一上的初级导电片(即，“初级贴片”或“初级贴片天线”)，它耦合到双极化天线馈源(feed)，从而使得天线阵列架构100能够根据双极化配置来操作。每个天线元件还包括与任何合适数量的寄生元件一起设置在封装基板102的另一层上的次级导电片(即，“次级”或“耦合的”贴片或贴片天线)。
天线阵列架构100还包括设置在封装基板102的两层上的高阶(HO)EBG结构(其在本文中可以替换地简称为EBG结构)，该结构包括任何合适数量的单位单元。对于如图1所示的天线阵列架构100，总共有4个EBG单位单元，每个天线元件一个。然而，与EBG结构的常规使用相比，每个EBG单位单元围绕各自对应的天线元件，并且因此具有大于对应围绕的初级和次级导电片(和寄生元件)的尺寸的整体尺寸。
此外，天线阵列架构100包括两个Butler矩阵块，一个专用于天线馈源的两个极化中的每一个。两个Butler矩阵块实现了开槽贴片耦合器，并且被设置在封装基板102的层之一上，以实现1×4双极化阵列的波束引导，其中，天线馈源和信号路由网络被设置在封装基板102的另一层上。每个Butler矩阵块耦合到相应的一组输入端口。每个Butler矩阵块还包括相应的一组输出端口，输出端口耦合到用于该特定极化的每个天线元件的天线馈源。因此，向一个或多个输入端口提供发送信号会影响用天线阵列架构100识别的波束角和形状。与常规的Butler矩阵块结构相比，本文讨论的Butler矩阵块消除了对交叉部段的需要，因此更加紧凑。下面进一步讨论关于设置在封装基板102的每一层上的组件及其相应操作的附加细节。
注意，如图1所示并且本文进一步讨论的天线阵列架构100经由Butler矩阵块提供无源切换波束网络。这种配置得到了宽带、双极化、1×4波束切换天线阵列架构，它与常规解决方案相比，极大地降低了成本、复杂度和损耗。作为一个说明性而非限制性的场景，天线阵列架构100可以经由使用HO EBG结构来实现具有大于20dB表面波抑制的57-71GHz宽带操作。此外，对于如图1所示的6层封装堆叠，作为封装内天线的一部分的包括双Butler矩阵块的天线阵列架构100的总尺寸是3.8mm×9mm×0.39mm，这是非常紧凑的。特别地，对于如本文讨论的57-71GHz宽带操作，0.39mm封装基板102代表在最低操作频率下大约0.012λ。这种紧凑、低轮廓和低成本的架构非常适合于促进分布式无线电系统(DRS)解决方案，并且对于新兴的60-GHz Wi-Fi解决方案和支持较低时延和较大容量的其他应用可能是特别有利的。这样的架构对于客户也更有吸引力，并且可以在各种不同的客户端平台中实现。
本文以非限制性和说明性的方式提供和描述了如图1所示的天线阵列架构100。天线阵列架构100可以具有任何合适数量的设计参数，这些设计参数可以被修改以针对不同的应用和/或实现方式调整天线阵列的操作和/或配置。这些设计参数可以包括封装基板102的层的数量、类型、尺寸和/或厚度，以及设置在每个层上的导电段和/或迹线的数量、尺寸、形状和/或布局。设计参数可以附加地或替换地包括天线元件的数量和/或间隔，以及包括信号路由网络在内的天线馈源和导电段的配置、布局和/或数量，封装基板的特定层上的组件的布置，极化的数量和/或类型(即，线性、椭圆形、圆形等)，天线阵列的操作频率和/或带宽，Butler矩阵块的数量，Butler矩阵块的结构、形状和/或尺寸，封装基板102的层的类型和/或层的介电常数等。这些替换设计参数中的一些的额外实现方式在下面进一步详细论述，但本公开不限于这些具体替换。
此外，虽然本文主要是在57-71GHz频带内的操作的背景下描述的，但是天线阵列架构100可以根据任何合适数量的频带来发送和接收信号，每个频带具有任何合适的带宽。在各种说明性和非限制性的场景中，天线阵列架构100可以被配置为根据3GPP新无线电(NR)和新无线电免授权(NR-U)通信标准(在本文撰写时最近的是在2019年12月批准的版本17)的要求来发送和接收无线信号。然而，注意，本文公开的技术不限于具体通信标准，并且天线阵列架构100可以改为根据任何合适的通信标准、规范和/或协议来操作。这样的协议可以包括根据3GPP标准的蜂窝通信，3GPP标准可以包括新无线电(NR)和LTE通信，并且可以涵盖30-300GHz范围内的毫米波频带。本文讨论的技术对于57到71GHz频带上的操作以及使用这样的频带来支持诸如固定无线接入(FWA)应用的任何合适类型的应用可以特别有用。这样的协议可以附加地或替换地利用与802.xx Wi-Fi通信协议、Wi-Gig、全球导航卫星系统(GNSS)等中的任一个关联的60GHz频带或其他合适的频带。
III.初级和次级导电片的结构和操作
图2A示出了根据本公开的天线元件初级导电片。在图2A-2C的每一个中，注意到，示出了单个天线元件200，其被识别为如图1所示的天线阵列架构100的天线元件200之一。再次，如图1所示的天线阵列架构100可以包括任何合适数量N的这种天线元件200，其中，每个在本文中被称为天线元件200，或者替换地被称为天线元件200.1-200.N(例如，当N＝4时称为200.1-200.4)。如图2A所示，天线元件200包括设置在封装基板102的层之一上的初级导电片104。使用如图1所示的说明性和非限制性场景，初级导电片104被设置在封装基板102的顶层(L1)之下的层之一上，例如在封装基板102的层3(L3)上。初级导电片104在本文中可以替换地称为初级或主贴片，或者初级或主贴片天线。
初级导电片104可以具有任何合适的尺寸和/或形状，其可以是天线元件200形成一部分的天线阵列的操作频率的函数。初级导电片104可以关于两个等分轴和正交轴对称，这在实现双极化配置时特别有用，如上面参照天线阵列架构100所讨论的。本文参照图7C进一步示出和讨论用于每个天线元件200的初级导电片的布局的附加细节。
天线元件200还包括任何合适数量的天线馈源106，每个天线馈源具有任何合适的尺寸和/或形状，并且被配置为将初级导电片104耦合到作为信号路由网络的一部分的单独的导电迹线，信号路由网络继而将相应天线馈源耦合到Butler矩阵块的相应输出端口。换句话说，并且如下面将进一步讨论的，信号路由网络的每个导电迹线耦合到Butler矩阵块之一的相应输出端口和相应天线馈源106。初级导电片104可以以任何适当的方式(其可以包括电容耦合、电流耦合以及这些方式的组合)耦合到每个天线馈源106A、106B，以及耦合到由每个相应天线馈源106A、106B识别的导电迹线。这可以包括在每个天线馈源106A、106B与初级导电片104之间的直接(即，电流)耦合(未示出)，以及使用包括已知技术的任何合适的技术将每个天线馈源106A、106B电流耦合到其相应导电迹线的层到层互连。替换地，天线馈源106A、106B可以与初级导电片104电容耦合，耦合方向与初级导电贴片104共面，或者替换地，通过封装基板102的层(即，垂直地或平面外，如图2A所示的z方向上)。将每个天线馈源106A、106B耦合到其相应导电迹线的电流层到层互连可以根据这些场景来实现。
注意，图2A-2C中的每一个示出了天线馈源结构，以便易于关于天线元件200进行解释，其以清楚的方式提供了天线元件200的整体天线结构和独立操作。然而，当被实现为阵列(例如，本文讨论的1×4阵列)的一部分，并且实现了Butler矩阵块114A、114B时，图2A-2C中所示的天线馈源被图7D中所示的包括天线馈源的信号路由网络代替(即，被集成为其一部分)。当然，也可以实现图中未示出的替换天线馈源。
每天线元件200的天线馈源的数量是实现的极化数量的函数。也就是说，如果如图2A所示使用两个极化，则天线阵列架构100可以包括总共8个单独的天线馈源106，即每个天线元件200.1-200.4有两个。如图2A所示，每个天线馈源106可以在任何合适数量的不同相应位置处耦合到初级导电片104。在图2A所示的说明性和非限制性场景中，初级导电片104在彼此正交的位置处分别耦合到两个天线馈源106A和106B，从而使得能够根据每个相应极化来激励初级导电片104。以此方式，初级导电片104可以根据双极化配置操作。
用于每个天线馈源106的所有导电迹线的集合在本文中可以被称为信号路由网络，其可以被设置在封装基板102的层之一上。因此，用于每个天线馈源106的导电迹线可以被设置在封装基板102的同一层上或不同层上，但是将所有导电迹线(即，信号路由网络整体)设置在同一层上以提供紧凑且低轮廓的封装设计是特别有利的。使用如图1所示的说明性和非限制性场景，信号路由网络被设置在其上设置有初级导电片104的层(L3)之下的封装基板102的层4(L4)上，但封装基板102的其他层可以替换地用于此目的。本文参照图7D进一步示出和讨论信号路由网络的布局的附加细节。
现在转到图2B，天线元件200还包括次级导电片108和任何合适数量的寄生元件110，每个寄生元件被设置在封装基板102的层之一上。此外，次级导电片108被任何合适数量的寄生元件110包围，这些寄生元件同样是导电片，并且用于有效地增加天线元件200的带宽。因此，次级导电片108和寄生元件110是“浮置的”，并且没有电流耦合到彼此或耦合到初级导电片104，如图中所示，但这是非限制性和说明性的场景，并且其他配置是可能的。
类似于初级导电片104，次级导电片108和寄生元件110也可以关于两个等分轴和正交轴对称。使用如图1所示的说明性和非限制性场景，次级导电片108和寄生元件110被设置在封装基板102的顶层(L1)上，在初级导电片104上方。次级导电片108在本文中可以替换地称为次级或耦合贴片，或者次级或耦合贴片天线。因此，次级导电片108电容耦合到初级导电片104，并且一起形成用于天线阵列架构100的每个天线元件200的“堆叠贴片”架构。
返回参照图2A，初级导电片104在中心处可以包括空孔径107。空孔径107可以具有任何合适的形状(例如，槽)，并且是具有进一步控制初级导电片104与次级导电片108之间的耦合的尺寸的设计参数。这种降低的耦合继而可以增加操作带宽，特别是当初级导电片104与次级导电片108之间的间隔相对小时。也就是说，根据非限制性和说明性场景，初级导电片104与次级导电片108之间的距离通常需要大于150μm以支持在57-71GHz频率范围内的操作，并且由空孔径107提供的减少的耦合使得当这个间隔距离小于150μm时能够实现这样的操作带宽。
次级导电片108、寄生元件110和初级导电片104中的空孔径107可以具有任何合适的尺寸和/或形状，其可以是天线元件200形成一部分的天线阵列的操作频率的函数。此外，在附图所示和本文讨论的非限制性和说明性场景中，初级导电片104和次级导电片108居中并且彼此对准，即，各自共享关于z轴的公共中心。因此，次级导电片108、寄生元件110、空孔径107的尺寸，彼此之间的x-y平面中的偏移(即，当彼此关于z轴不居中时)，以及初级导电片104与次级导电片108之间在z方向的距离构成天线元件200的设计参数。因此，这些设计参数中的一个或多个可以基于诸如操作频率、带宽等的期望规范来修改。本文参照图7A进一步示出和讨论用于每一个天线元件200的次级导电片108和寄生元件110的布局的附加细节。
IV.高阶(HO)电磁带隙(EBG)结构的结构和操作
图2C示出了根据本公开的高阶(HO)EBG单位单元。高阶电磁带隙结构用于抑制表面波。注意，常规的EBG结构是这样一种结构，其通过形成一组单位单元来产生阻带以阻挡这种波在某些频带中的传播，所述一组单位单元一起在介电基板上形成小金属贴片的精细周期性图案。因此，术语“EBG”是指这种阻带以及具有这种结构的物质(传输电磁波的介质)。常规的EBG结构被用于阻止因附近的源而在封装基板中感应出来的电磁表面波的传播，当发送的波束以接近平行于天线元件200的x-y平面的角度被引导时可能是这种情况。
术语“高”或“较高/更高”阶EBG结构是指在较高阶模式中传播的表面波的阻挡。也就是说，常规的EBG结构在基本模式的频率以下被驱动。与之相比，本文讨论的EBG结构可以代表高阶或较高阶EBG结构，因为本文讨论的EBG结构利用任何合适的较高阶谐波，例如三次谐波或更高模式谐波，这使得从模式理论的观点来看，能够根据更高模式来驱动这种结构。与之相比，作为它们在基本模式中操作的结果，常规的EBG单位单元结构比在其中实现它们的天线阵列中的天线元件的组件小得多。然而，本文描述的HO EBG结构构成了一组EBG单位单元，每个EBG单位单元围绕识别每个EBG单位单元所针对的天线元件200的天线组件，并因此大于其尺寸。
如图2C所示的EBG单位单元包括两组导电段图案，它们被设置在封装基板102的两个单独的层上。在如附图所示和本文论述的非限制性和说明性场景中，每一个EBG单位单元的导电段图案112A、112B也居中且彼此对准，以及与初级导电片104和次级导电片108对准。
再次，高阶(HO)EBG结构在本文中可以替换地简称为EBG结构，并且是包括诸如矩形网格的导电段(在本文中也称为导电“元件”)的图案的周期性结构，这在图7B和7C中更详细地示出。经由重复导电段112A、112B的图案形成周期性结构，这些导电段在封装基板102的每个相应层内彼此耦合以形成矩形网格的图案，如本文进一步讨论的。因此，天线阵列架构102可以包括任何合适数量的EBG单位单元作为EBG结构的一部分，其中，一个EBG单位单元被标识为用于每个天线元件200的单个矩形形状(即，“网格”之一)。单个EBG单位单元112在图2C中示出，并且包括一组导电段图案112A、112B(其在本文中可以替换地简称为导电段)。再次，每个EBG单位单元(即，用于该单位单元的每组导电段图案112A、112B)的尺寸大于初级导电片104以及次级导电片108和周围的寄生元件110的尺寸。
整个EBG结构的导电段图案112A、112B被设置在封装基板102的单独的层上，但是导电段图案之一可以被设置在与初级导电片104相同的层上以进一步减小整体轮廓。使用如图1所示的说明性和非限制性场景，导电段图案112A被设置在封装基板102的第二层(L2)上，在初级导电片104上方且在次级导电片108下方。此外，导电段图案112B与初级导电片104一起被设置在封装基板102的第三层(L3)上。然而，导电段112A、112B可以被设置在不同于附图中所示和本文论述的那些层的层上。作为一种替换场景，导电段112A、112B可以被设置在顶层(L1)之下的任何两个相应层上，例如封装基板102的L3和L4层，而不是所示的层L2和L3。根据这种场景，信号路由网络可以被提供在诸如L2的替换层上。替换地，天线馈源可以被改变为探针馈电配置，并且信号路由被进一步修改以支持该设计改变。
本文参照图7B进一步示出和讨论用于天线阵列架构100的EBG结构的导电段图案112A的布局的附加细节。本文参照图7C进一步示出和讨论用于天线阵列架构102的EBG结构的导电段图案112B的布局的附加细节。
注意，导电段图案112A、112B的尺寸以及x-y平面中彼此之间的偏移(即，当彼此不对准时)和导电段图案112A、112B之间在z方向上的距离构成天线元件200的设计参数。因此，这些设计参数可以基于期望的规范(例如，操作频率、带宽、表面波的期望衰减等)来修改。
还注意，表面波在较高的操作频率范围内更严重。使用57-71GHz操作的先前场景，表面波因此在65-71GHz范围内更严重，因为封装基板102的每一层的电高度等效地更大，导致额外的表面波生成。因此，EBG结构需要对于这种较高的操作频率范围是有效的，并且在本文讨论的天线阵列架构102中实现的EBG结构有利地使得能够在这些较高频率范围内操作。这关于图3中的图示进行说明，图3提供了如本文进一步讨论的EBG结构的仿真的S参数的绘图。图3中的绘图还示出了在这样的较高操作频率范围下大于6-GHz阻带，对所生成的表面波具有20dB的抑制。
此外，图4A和4B示出了根据本公开的在使用和不使用EBG单位单元的情况下操作在71GHz的天线元件200的辐射图之间的比较。如图4A所示，对于如图2A-2C所示的天线元件200示出了仰角平面(elevation plane)中的辐射图，但不存在EBG单位单元。在图4B中示出了相同的辐射图，其中包括EBG单位单元。因此，并且可以通过这些辐射图之间的比较看出，图4B所示的辐射图减轻了图4A的辐射图中存在的失真，如经由红色箭头所指示的。因此，如果在较高操作频率的表面波生成没有被抑制，则天线阵列架构102的旁瓣水平可能很大，并且因此天线阵列不能有效地抑制干扰。还注意，如果波束从天线阵列架构100中的4个天线元件中的每一个相干地形成，则因表面波引起的“倾斜(dip)”将比图4A所示的更深，并且将导致生成大的光栅波瓣。
V.Butler矩阵块的结构和操作
图5示出了根据本公开的天线阵列架构的剖视侧视图。因此，如图5所示的天线阵列架构500代表如图1所示的天线阵列架构100的侧视图，即，沿着封装基板102的长度尺寸(9mm尺寸)切割。4个天线元件200中的每一个在图5中示为具有相应的初级导电片104、次级导电片108、寄生元件110和EBG导电段112A、112B，如上面关于图2A-2C讨论的。此外，封装基板102的层4(L4)包括用于4个天线元件200中的每一个的信号路由网络和天线馈源，如上面关于图2A讨论的，其再次在图7D中更详细地示出。图5中所示的侧视图还示出了封装基板102的层5(L5)中的地平面，其在图7E中更详细地示出，其中，适当的“禁线区(keep-outs)”允许信号路由网络与Butler矩阵块114A、114B中的每一个的输出端口之间的互连通过。关于Butler矩阵块114A、114B的附加细节紧接着在下文提供。
天线阵列架构100可以包括本文讨论的任何适当数量的Butler矩阵块114。Butler矩阵块114的总数量是天线阵列中天线元件200的总数量以及所使用的极化的数量的函数。也就是说，在本文关于天线阵列架构100讨论的说明性和非限制性场景中，实现了两个Butler矩阵块114A、114B，每极化一个。这些极化可以包括根据如图2A所示的天线馈源耦合的水平极化和垂直极化，但本公开不限于该特定实现方式。
如图5所示，两个Butler矩阵块114A、114B被设置在封装基板102的底层(L6)上以支持双极化操作，并且彼此平行地定位。也就是说，Butler矩阵块114A、114B被设置在封装基板102的在初级导电片104的与次级导电片108相反的一侧(即，面向由天线元件200形成的天线阵列的相反方向)的层上。这种配置使得Butler矩阵块114A、114B能够与初级导电片104和次级导电片108以及与信号路由网络层(L4)共享相同的地平面(L5)，从而允许进一步减小天线阵列架构100的轮廓。
Butler矩阵块114A、114B中的每一个都具有其相应的一组输出端口(针对该特定极化)，该组输出端口经由信号路由网络的相应导电迹线耦合到由每个天线元件200识别的每个相应天线馈源106，如图7D所示。因此，该信号路由利用现有的信号路由网络层(L4)，并且使用过孔来将每个Butler矩阵块114A、114B的输出从底层(L6)连接到层(L4)上的信号路由网络，以馈送每个天线元件200，如在图5所示的侧视图中可以看到的。这种架构有利地减少了PCB/封装所需的层数。
再次，在双极化配置的一个非限制性和说明性场景下，每个Butler矩阵块114A、114B控制一个极化，即，左Butler矩阵块114A连接到天线阵列中的每个天线元件200的垂直馈源，而右Butler矩阵块114B连接到天线阵列中的每个天线元件200的水平馈源。因此，两个Butler矩阵块114A、114B中的每一个专用于单独的极化，并且具有多个输入端口和多个输出端口。
Butler矩阵块600在图6中更详细地示出，并且可以用Butler矩阵块114A、114B中的每一个来识别。因此，每个Butler矩阵块114A、114B可以具有彼此相似或相同的形状，除了输出端口配置之间的微小差异以确保在每个天线元件200的天线馈源之间保持相等的电长度之外，如下面进一步详细讨论的。也就是说，对于每个Butler矩阵块114A、114B，每个输出端口与对应耦合的天线端口之间的相位彼此匹配，以提供相干波束组合。Butler矩阵块114A、114B中的每一个的顶视图在图7F中更详细地示出，其中，图10中所示的Butler矩阵块1000标记输入端口P1-P4和输出端口P5-P8，并且其用于提供本文进一步讨论的仿真结果。继续参照图6和7F，每个Butler矩阵块114A、114B包括任何合适数量N的波束选择输入端口(P1-P4、P9-P12)和任何合适数量N的输出端口(P5-P8、P13-P16)，其中，N等于天线阵列架构100中的天线元件200的数量。因此，在如图5所示的天线阵列架构100包括4个天线元件200的非限制性和说明性场景中，每个Butler矩阵块114A、114B包括四个输入端口和四个输出端口，如图6和7F所示。
再次，Butler矩阵是一种类型的用于馈送天线元件阵列的无源波束赋形网络。因此，Butler矩阵块114A、114B控制一个或多个波束的方向，以用于无线电发送。为此，每个Butler矩阵块114A、114B耦合到一组波束选择输入端口602(输入端口P1-P4和P9-P12)和一组输出端口604(输出端口P5-P8和P13-P16)，该组波束选择输入端口602在发送(即，驱动)和接收(接收的和组合的信号(当适用时))期间被访问，每个天线元件200连接到该组输出端口604(经由天线馈源106和信号路由网络)，如本文所讨论的。
因此，Butler矩阵块114A、114B用于在发送和接收期间在天线元件200之间耦合信号，以在天线元件200之间提供渐进的相位差，使得无线电发送(或接收)的波束在期望的方向上。通过以此方式切换对期望波束端口的访问来控制波束方向。使用发送情况作为一个说明性场景，当发送信号被施加到波束选择输入端口602之一时，天线元件200的天线阵列根据具有与该特定激活的波束选择输入端口602对应的预定波束方向的辐射图进行发送。因此，通过选择性地将发送信号耦合到每个波束选择输入端口602，天线元件200的天线阵列的波束方向被改变以匹配一组预定波束方向中的一个。波束选择输入端口602的任何组合，或所有波束选择输入端口602，可以以此方式同时或顺序地被访问，以在天线阵列中的天线元件200上提供不同的相位锥形，从而得到预定辐射图和/或预定波束方向的各种组合。
继续参照图6，为了执行这种波束控制，每个Butler矩阵块114A、114B包括两个45度混合贴片耦合器606A、606B，它们用于将相应波束选择输入端口602处的信号分离(例如，-3dB分离)为彼此具有45度相位偏移关系的两个信号。由于每个混合贴片耦合器606A、606B的形状，输入端口602彼此隔离。45度混合贴片耦合器606A、606B中的每一个的输出(即，非输入端口)继而被馈送到两个正交混合开槽贴片耦合器608A、608B中的每一个。每个正交混合开槽贴片耦合器608A、608B用于进一步将相应的接收信号分离(例如，-3dB分离)为彼此具有90度相位偏移关系的两个信号。由于每个正交混合开槽贴片耦合器608A、608B的形状，每个正交混合开槽贴片耦合器608A、608B的输入端口(即，非输出端口)也彼此隔离。当然，45度混合贴片耦合器606和正交混合开槽贴片耦合器608的数量是所实现的输入端口和输出端口的数量N的函数，每一者的数量是N/2。
再次，每个Butler矩阵114A、114B的输出端口604中的每一个都耦合到作为信号路由网络的一部分的相应导电迹线，信号路由网络如图5所示被设置在封装基板102的层4(L4)上。现在转到图7D，更详细地示出了信号路由网络，其中，每个Butler矩阵块114A、114B的每个输出端口P5-P8、P13-P16分别被映射到与每个天线馈源关联的导电迹线。如图7D所示，信号从每个紧凑型Butler矩阵块114A、114B的输出端口分别从每个天线元件200.1-200.4的顶侧和底侧路由(即，围绕初级导电片104、次级导电片108和寄生元件110路由)，从而关于每个Butler矩阵块114A、114B保持彼此相同的电长度。
换句话说，每个垂直极化天线馈源到它们相应垂直极化输出端口(即，Butler矩阵块114A的P5-P8)之间的电长度(其由如图7D所示的一组导电迹线表示)彼此相等。此外，每个水平极化天线馈源到它们相应水平极化输出端口(即，Butler矩阵块114B的P13-P16)之间的电长度(其由图7D所示的一组导电迹线表示)也彼此相等。
因此，每个天线元件200.1-200.4的天线馈源与Butler矩阵块114A的相应输出端口P5-P8之间的电长度彼此相等。此外，每个天线元件200.1-200.4的天线馈源与Butler矩阵块114B的相应输出端口P13-P16之间的电长度彼此相等。每个天线元件200的馈源之间的这种相等的电长度允许消除交叉架构，这原本是作为每个Butler矩阵块114A、114B的一部分所需的。特别地，根据本公开的Butler矩阵块114A、114B相对于常规Butler矩阵块实现了改进的45度混合贴片耦合器606A、606B和改进的正交混合开槽贴片耦合器608A、608B，其示例在图9中示出。现在转到图10，与图9所示的常规Butler矩阵块布局相比，这种修改包括混合贴片耦合器606A、606B、608A、608B的重新配置，以去除交叉部并将每个混合贴片耦合器606A、606B、608A、608B聚类成菱形布置，从而使Butler矩阵块114A、114B更紧凑。
通过利用Butler矩阵块114A、114B与每个天线元件200的天线馈源之间的导电段的路由，可以在该配置中去除在图9中示出并且通常存在于常规Butler矩阵块配置中以在传输线重叠时保持信号纯度的交叉部段，如上面讨论的那样。也就是说，通过从围绕初级导电片104、次级导电片108和寄生元件110的每个Butler矩阵块114A、114B的输出端口(即，从每个天线元件200的顶侧和底侧单独地)路由导电迹线，来避免信号之间的物理交叉。并且有利地，由于分别来自每个Butler矩阵块114A、114B的输出端口P5-P8、P13-P16和天线元件200的每个天线馈源的每个电长度彼此相等，因此在每个耦合的天线馈源处保持每个Butler矩阵端口P5-P8、P13-P16的输出端口处的信号之间的相位关系。以此方式，“交叉”功能被集成为多个层(在图5所示的说明性场景中为L4、L5和L6)上的路由迹线(即，包括信号路由网络的导电段)的一部分。以此方式，天线阵列架构102用作宽带天线阵列，并且具有多层信号路由，它们被利用来消除对Butler矩阵块114A、114B中的交叉的需要。如图10所示，这种配置不仅有助于更紧凑的Butler矩阵块设计，而且Butler矩阵块114A、114B中交叉的消除增加了天线阵列架构102的操作频率范围，因为已知交叉的存在限制了带宽。
再次，每个Butler矩阵块114A、114B的朝向是菱形，即45度旋转，如图6所示，这使得Butler矩阵由于消除了交叉部段而能够具有特别紧凑的设计。关于Butler矩阵块114A、114B的朝向，注意到，封装基板102具有分别与两个正交轴(例如，图2A-2C中所示的x和y轴)对准的长度和宽度尺寸。45度混合贴片耦合器606A、606B和正交混合开槽贴片耦合器608A、608B中的每一个相对于这两个正交轴旋转45度，从而提供如图6和7F所示的菱形形状。以此方式，Butler矩阵块114A、114B特别紧凑。此外，并且由于Butler矩阵块114A、114B的菱形形状，波束选择输入端口602可以容易地延伸到PCB/封装的边缘，而不彼此交叉，如图6所示。
VI.俯视图层堆叠
图7A-7F示出了如图1所示的天线阵列架构100的封装基板102的每一层的俯视图，从而提供了如图5所示的封装基板102的侧视图中所示的层的替换视图。如本文所讨论的，提供这些尺寸作为关于天线阵列架构100根据57-71GHz频带的操作的示例性和非限制性场景。然而，注意到，这些标记尺寸中的任何尺寸可以视为设计参数，并且因此可以基于天线阵列架构102的期望操作规范来调整。
图7A示出了根据本公开的封装基板102层堆叠的第一层或顶层(L1)。如图7A所示，顶层包括用于每个天线元件200.1-200.4的次级导电片108和导电寄生元件110。为了简洁起见，仅针对第一天线元件200.1标记次级导电片108和寄生元件110，但每个天线元件200.1-200.4可以包括相同的组件。
图7B示出了根据本公开的包括EBG结构的第一部分的封装基板102层堆叠的第二层(L2)。如图7B所示，导电段112A的图案被设置在第二层上，形成矩形的周期性网格图案，其中，如图7B所示的每个网格或矩形形状形成每个天线元件200.1-200.4的相应单位单元的一部分。
图7C示出了根据本公开的包括EBG结构的第二部分和初级导电片104的封装基板102层堆叠的第三层(L3)。如图7C所示，第三层包括用于每个天线元件200.1-200.4的初级导电片104。为了简洁起见，仅针对第一天线元件200.1标记初级导电片104，但每个天线元件200.1-200.4可以包括相同的组件。
此外，第三层包括形成另一矩形周期性网格图案的导电段112B的第二图案，其中，如图7C所示的每个网格或矩形形状形成每个天线元件200.1-200.4的相应单位单元的一部分。因此，EBG结构包括任何合适数量的单位单元，其中，每个单位单元包括设置在封装基板102的每个相应层(即，如图5的非限制性和说明性场景中所示的层2和3)上的一组导电段。如图5所示，分别在第二层和第三层上的导电段112A的第一图案和导电段112B的第二图案可以彼此相同并且彼此对准。替换地，第一导电图案段112A和第二导电图案段112B的形状、尺寸和对准之间的偏差是可能的，并且被视为天线阵列架构102的设计参数。在任何情况下，EBG结构的配置(其再次包括导电段112A的第一图案和导电段112B的第二图案)用于衰减高阶表面电磁波沿着封装基板102的长度尺寸(即，7.96mm)的传播，如图7C所示。
此外，并且如图7C所示，EBG结构的每个EBG单位单元的尺寸(即，x-y平面中的整体尺寸)大于初级导电片104的尺寸(即，x-y平面中的整体尺寸)。同样，EBG结构的每个EBG单位单元的尺寸大于次级导电片108和寄生元件110的尺寸。也就是说，占据封装基板102的两层的每个EBG单位单元的矩形网格结构围绕每个天线元件200.1-200.4的初级导电片104、次级导电片108和寄生元件110。换句话说，通过每个单位单元的二维范围大于由每个天线元件200.1-200.4的初级导电片104、次级导电片108和寄生元件110所跨越的二维范围，每个EBG单位单元结构的尺寸大于识别EBG单位单元所针对的天线元件200的组件。
图7D示出了根据本公开的包括用于天线馈源和信号路由网络的导电迹线的封装基板102层堆叠的第四层。如图7D所示，信号路由网络由多个导电迹线组成，导电迹线用于将Butler矩阵块114A、114B的输出端口P5-P8、P13-P16分别耦合到天线元件200.1-200.4之一的相应天线馈源。在如图7D所示的说明性和非限制性场景中，水平极化天线馈源106用符号(‘H’)标记，而垂直极化天线馈源106用符号(‘V’)标记。
图7E示出了根据本公开的包括地平面的封装基板102层堆叠的第五层。如图7E所示，提供“禁线区”以有助于过孔将Butler矩阵输出端口P5-P8、P13-P16耦合到每个天线馈源106，如图7D所示。
图7F示出了根据本公开的包括一组Butler矩阵块的封装基板102层堆叠的第六层。再次，如图7F所示，层6包括两个Butler矩阵块114A、114B，每个Butler矩阵块包括相应的一组输入端口P1-P4、P9-P12和输出端口P5-P8、P13-P16。Butler矩阵块114A、114B的每个输出端口P5-P8、P13-P16与天线馈源106之间的耦合在图7D中更详细地示出。
VII.仿真结果-宽带天线阵列设计
再次，本文讨论的天线阵列架构100可以在非限制性和说明性场景中实现为具有寄生元件的1×4贴片天线阵列。这种配置支持57-71GHz频率范围内的操作，并且用单SKU阵列设计覆盖60-GHz全球ISM频带。利用高阶EBG结构，不仅减轻了在较高操作频率下因表面波产生而引起的图案失真，而且还增强了天线元件之间的隔离。这通过图8A-8B所示的仿真的S参数来示出。
具体地，图8A-8B示出了根据本公开的如图1所示的双极化天线阵列架构102的仿真的S参数。图8A中的绘图示出了每个天线元件200.1-200.4的天线元件端口106处的反射。对于图8A和8B所示的每个绘图，示出了用垂直极化天线馈源106(V)识别的单组S参数，但用水平极化天线馈源106(H)识别的S参数将相同或基本相似。图8B中的绘图示出了每个天线元件200.1-200.4的天线元件端口106处的天线元件反射之间的隔离。
VIII.仿真结果-用于双极化阵列的紧凑型波束赋形网络
再次，图10所示的Butler矩阵块1000示出了具有端口定义的紧凑型Butler矩阵设计。端口P1-P4用波束选择输入端口来识别，而端口P5-P8用输出端口来识别，每个端口耦合到每个天线元件200.1-200.4的相应天线馈源106(V)。类似地，端口P9-P12用波束选择输入端口来识别，而端口P13-P16用输出端口来识别，每个端口耦合到相应的天线馈源106(H)。关于这些端口定义的相同符号用于提供如图11A-11D所示的仿真结果。
具体地，图11A中的绘图示出了Butler矩阵块1000的每个输入端口P1-P4处的反射，而图11B中的绘图示出了每个输入端口P1-P4之间的隔离。图11C中的绘图示出了当激励端口P2时在57-71GHz的操作带宽上的仿真的输出幅度响应。图11D中的绘图示出了当激励端口P2时在相同操作带宽上的仿真的输出相位响应。
因此，如图11A-11D所示的仿真结果表明，与本文讨论的Butler矩阵块114A、114B相同或基本相似的如图10所示的单个紧凑型Butler矩阵块1000可以实现29％的10-dB回波损耗带宽和22％的15-dB隔离带宽，以及6.79dB的平均插入损耗和<5°的相位误差。注意，当Butler矩阵块1000的所有输出端口P5-P8被相干组合时，由于6-dB功率组合增益，Butler矩阵块1000的总等效插入损耗为～0.79dB。通过使用任何合适的算法，例如遗传算法、粒子群算法、协方差矩阵自适应进化策略(CMA-ES)等的优化过程，可以进一步改善回波损耗和隔离带宽。
IX.仿真结果-波束扫描和辐射性能
图12A-12F示出了根据本公开的图1所示的双极化天线阵列架构在不同频率下的仿真的实现增益图案。如图12A-12F所示的每个绘图表示天线阵列架构100在仰角平面中的远场辐射图，以dBi为单位测量。图12A-12C分别示出了57GHz、64GHz和71GHz下的水平极化的E平面辐射图绘图。图12D-12F分别示出了57GHz、64GHz和71GHz下的垂直极化的H平面辐射图绘图。注意，天线阵列架构100的目前性能还可以通过优化过程进一步提高。
每个不同着色的波束(标记为P1-P4，在图12A-12F的每个中具有一致的表示)表示当传输信号耦合到Butler矩阵块114A的不同输入端口P1-P4时经由天线阵列架构100形成的波束图案。还注意，所有天线元件200.1-200.N同时辐射，即使当信号被注入单个波束选择输入端口时。通过选择不同的波束选择输入端口P1-P4来改变Butler矩阵114A的4个输出之间的相位关系。因此，如图12A-12F所示的每个不同波束图案对应于与每个波束输入端口选择P1-P4的选择对应的整个天线阵列辐射图。
X.与已知解决方案的比较
下面的表2和表3总结了常规方案和通过本文讨论的天线阵列架构100实现的方案之间的比较。表2示出了本文所讨论的天线阵列架构100与常规单Butler矩阵设计之间的比较。表3示出了本文讨论的天线阵列架构100和常规双Butler矩阵设计之间的比较。
表2
表3
从表2和表3中提供的信息可以看出，本文讨论的与双紧凑型波束赋形网络(紧凑型Butler矩阵)集成的所提出的双线性极化天线阵列可以在小得多的尺寸封装中且在更宽的操作频带内实现波束切换。
XI.设计变型
再次，本文关于天线阵列架构100示出和讨论的设计被提供为非限制性和说明性场景。根据如本文论述的各种设计参数的修改，关于这种设计可预期其他变型。在本节中参照图13A-13B、14A-14B和15A-15B讨论了附加的设计参数，但本文讨论的天线阵列架构100的设计参数的修改不限于这些特定的实现方式。
图13A-13B示出了根据本公开的经由Butler矩阵块实现的耦合器的类型和/或形状的变型。如图13A所示，Butler矩阵块114A、114B是从45度混合贴片耦合器606A、606B和正交混合开槽贴片耦合器608A、608B的实现方式修改的。图13A示出了包括图7A-7F所示的所有层的叠加层堆叠，还示出了修改的Butler矩阵块114A、114B。图13B仅示出了的如图7F所示的说明性和非限制性场景中的L6层，但是再次，Butler矩阵块114A、114B可以在封装基板102的任何层上实现。
如图13B所示，分支线耦合器可以经由每个Butler矩阵块114A、114B而不是贴片耦合器来实现。该结果为每个Butler矩阵块114A、114B提供了两个45度混合耦合器和两个正交混合耦合器。换句话说，在这种非限制性和说明性场景中，45度和90度开槽贴片耦合器被常规的45度和90度混合耦合器代替。根据Butler矩阵块114A、114B的修改对信号路由网络的修改在图13A中示出。
图14A-14B示出了根据本公开的一种变型，在其中，混合耦合器被添加到信号路由网络以支持双圆极化。如图14A所示，信号路由网络是从如图7D所示的实现方式修改的。图14A示出了包括图7A-7F所示的所有层的叠加层堆叠，还示出了修改的信号路由网络。图14B仅示出了图7D所示的说明性和非限制性场景中的L4层，但是再次，信号路由网络可以在封装基板102的任何层上实现。
如图14B所示，可以修改设置在封装基板102的层4(L4)上的信号路由网络，以在每一个天线元件200.1-200.4处引入用于天线馈源的正交混合耦合器。与图7F所示的双Butler矩阵块114A、114B和图7D所示的信号路由网络所提供的双线性极化相比，这样做能够支持双圆极化。
图15A-15B示出了根据本公开的高阶EBG结构旋转45度的变型。也就是说，并且如上所述，封装基板102具有分别与两个正交轴对准的长度和宽度尺寸，如图1和图2A-2C所示。图7B和7C示出了EBG结构与封装基板102的两个轴对准。也就是说，L2和L3层中的每一个上的导电段112A、112B的每个图案的EBG结构的长度尺寸与封装基板102的长度尺寸平行，以及与天线元件200.1-200.4的天线阵列的长度尺寸平行。
然而，并且如图15A-15B所示，导电段112A、112B的每个图案可以替换地相对于x-y轴旋转任何合适的角度，从而重新定向与每个天线元件200.1-200.4对应的每个单位单元的网格。在图15A-15B中，EBG导电段112A、112B是从如图7B和7C所示的实现方式修改的。图15A示出了包括图7A-7F所示的所有层的叠加层堆叠，还示出了修改的EBG导电段112A、112B。图15B仅示出了如图7B和7C所示的说明性和非限制性场景中的L2和L3层，但是再次，EBG导电段112A、112B可以在封装基板102的任何层上实现。
因此，在如图15A-15B所示的非限制性和说明性场景中，EBG结构(即，EBG导电段112A、112B)相对于与封装基板102对准的两个正交轴旋转45度，这两个正交轴在此场景中是x-y轴。结果，每个EBG单位单元的导电段112A、112B的每个图案的相应矩形形状也旋转45度。以此方式，高阶EBG结构112可以形成为菱形形状，而不是如图7B和7C所示的原始矩形形状。附加地或替换地，每一个天线元件200.1-200.4同样可以通过将每一个天线元件200旋转任何合适的度数(例如，45度)来以不同的方式定向。旋转后的天线元件200.1-200.4可以与EBG导电段112A、112B对准，或者如图15A所示，相对于EBG导电段112A、112B旋转。
图16示出了根据本公开的设备。提供图16所示的组件是为了易于解释，并且设备1600可以实现如图16所示的附加的、更少的或替换的组件。设备1600可以用实现本文讨论的天线阵列架构100的一个或多个设备来识别。设备1600可以被实现为实现天线阵列架构100的任何合适类型的系统和/或平台的整体或一部分。在图16所示的非限制性和说明性场景中，设备1600可以是实现天线阵列架构100的独立设备，例如无线通信基站、无线设备、用户设备(UE)或被配置为执行无线通信的其他合适的设备(例如，移动电话、膝上型计算机、平板计算机等)。然而，在其他说明性场景中，设备1600可以用片上系统(SOC)或其他合适的集成电路来识别，并且可以耦合到天线阵列架构100和/或集成为天线阵列架构100的一部分。在任何情况下，并且并且如本文进一步讨论的，设备1600可以包括被配置为经由天线阵列架构100发送和接收无线电信号的一个或多个组件。
为此，设备1600可以包括处理电路1602、收发器1604和存储器1608。当合并为设备1600的一部分时(其可以是作为膝上型计算机实现的情况)，设备1600还包括天线阵列1606(其可以用如本文讨论的天线阵列架构100来识别)。另外，天线阵列1606可以用本文讨论的天线阵列架构100来识别，但是与设备1600分开(未示出)。
处理电路1602可以被配置为任何合适数量和/或类型的处理电路和/或计算机处理器，它们可以用于控制设备1600和/或设备1600的其他组件。处理电路1602可以用由设备1600或主机系统实现的一个或多个处理器(或其合适的部分)来识别。处理电路1602可以用一个或多个处理器(例如，主机处理器、数字信号处理器、一个或多个微处理器、图形处理器、基带处理器、微控制器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)的一部分(或全部)等)来识别。
在任何情况下，处理电路1602可以被配置为执行指令以执行算术、逻辑和/或输入/输出(I/O)操作，和/或控制设备1600的一个或多个组件的操作以执行本文描述的各种功能。处理电路1602可以包括一个或多个微处理器核、存储器寄存器、缓冲器、时钟等，并且可以生成与设备1600的组件关联的电子控制信号以控制和/或修改这些组件的操作。处理电路1602可以与收发器1604、天线阵列1606和/或存储器1608通信和/或控制与之关联的功能。
收发器1604可以包括任何合适类型的组件，以促进无线信号的发送和可选接收，包括与已知收发器、发射器和/或接收器操作、配置和实现方式关联的组件。收发器1606可以包括一个或多个RF收发器“链”，每个RF收发器“链”包括单独的组件，或者替换地，收发器1604可以包括单个RF链和/或多个RF链配置。收发器1604可以包括任何适当数量的发射器、接收器或它们的组合，它们可以集成到单个收发器中或者集成为多个收发器或收发器模块。收发器1604可以包括通常用RF前端识别的组件，并且包括端口、功率放大器(PA)、RF滤波器、混频器、本地振荡器(LO)、低噪声放大器(LNA)、上变频器、下变频器、信道调谐器、模数转换器(ADC)、数模转换器(DAC)、中频(IF)放大器和/或滤波器、调制器、解调器、基带处理器等。因此，收发器1604可以被配置为任何合适数量和/或类型的组件，这些组件被配置为促进根据任何合适数量和/或类型的无线通信协议来接收和/或发送数据和/或信号，并且可以根据天线阵列1606这样做。
再次，天线阵列1606可以用本文讨论的天线阵列架构100来识别。天线阵列1606可以具有任何合适数量的波束选择输入端口，这些波束选择输入端口可以用如本文讨论的Butler矩阵块114A、114B的波束选择输入端口602来识别。收发器1604可以经由这些波束选择输入端口耦合到天线阵列1606，以便以这种方式发送和接收无线信号。
存储器1608存储数据和/或指令，使得当这些指令由处理电路1602执行时，使设备1600执行如本文关于天线阵列1606所描述的各种功能，例如经由一个或多个可选择的波束和/或辐射图发送和接收无线数据信号。存储器1608可以被实现为任何公知的易失性和/或非易失性存储器，包括只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、闪存、磁存储介质、光盘、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、可编程只读存储器(PROM)等。存储器1608可以是不可移除的、可移除的或两者的组合。存储器1608可以被实现为存储诸如逻辑、算法、代码等一个或多个可执行指令的非瞬时性计算机可读介质。
如下面进一步讨论的，存储在存储器1608中的指令、逻辑、代码等由所示的各种模块来表示，这些模块可以使得本文公开的功能在功能上实现。替换地，如图16所示的与存储器1608关联的模块可以包括用于促进控制和/或监视经由设备1600实现的硬件组件的操作的指令和/或代码。换句话说，提供图16所示的模块是为了易于解释硬件组件与软件组件之间的功能关联。因此，处理电路1602可以结合一个或多个硬件组件来执行存储在这些相应模块中的指令，以执行本文讨论的各种功能。
存储在天线波束控制模块1609中的可执行指令结合经由处理电路1602的执行，可以促进设备1600选择性地将功率耦合到波束选择输入端口的任何组合和/或从波束选择输入端口的任何组合接收无线信号。以此方式，处理电路1602可以控制天线阵列1606的波束方向和波束图案。
存储在数据处理管理模块1611中的可执行指令结合经由处理电路1602的执行，可以促进设备1600经由天线阵列1606接收无线信号，并解码无线信号以从中提取数据。附加地或替换地，存储在数据处理管理模块1611中的可执行指令结合经由处理电路1602的执行，可以促进设备1600将数据编码(例如，经由调制)到要经由天线阵列1606发送的无线信号上。因此，存储在数据处理管理模块1611中的可执行指令结合经由处理电路系统1602的执行，促进设备1600根据任何合适类型和/或数目的通信协议经由天线阵列1606发送和接收无线信号，本文论述的。
图17示出了处理流程。参照图17，可以以任何合适的方式执行处理流程1700，以制造和操作本文讨论的天线阵列架构100。制造步骤1702-1712可以与一个或多个自动化过程关联，并且可以实现已知的制造技术。操作步骤1714可以根据任何合适类型的通信设备来执行，一旦被制造该通信设备就耦合到天线阵列架构100和/或控制天线阵列架构100的操作。流程1700可以包括为了简洁而未在图17中所示的替换或附加步骤，并且可以以与图17中所示的步骤不同的顺序来执行。
流程1700可以开始于：提供(框1702)具有多个层的封装基板。该封装基板可以用本文讨论的封装基板102来识别，并且可以包括被实现为任何合适类型的介电材料的任何合适数量的层，这些层可以结合到相应的导电层，从导电层可以蚀刻、沉积或以其他方式形成各种分层组件。
流程1700可以包括：在多个层之一上提供(框1704)初级导电片。该初级导电片可以用本文讨论的初级导电片104来识别，并且因此所提供的(框1704)层可以用本文讨论的图7C所示的层来识别。
流程1700可以包括：在多个层之一上提供(框1706)次级导电片和寄生元件。该次级导电片和寄生元件可以用本文讨论的次级导电片108和寄生元件110来识别，并且因此所提供的(框1706)层可以用本文讨论的图7A所示的层来识别。
流程1700可以包括：在多个层之一上提供(框1708)EBG结构。该EBG结构可以用本文讨论的HO EBG结构112和伴随的导电段112A、112B来识别，并且因此所提供的(框1708)层可以用本文讨论的图7B和7C所示的层来识别。
流程1700可以包括：在多个层之一上提供(框1710)一个或多个Butler矩阵块。这些Butler矩阵块可以用本文讨论的Butler矩阵块114A、114B来识别，并且因此所提供的(框1710)层可以用本文讨论的图7F中所示的层来识别。
流程1700可以包括：提供(框1712)地平面。该接地平面可以用本文讨论的地平面来识别，并且因此所提供的(框1712)层可以用本文讨论的图7E所示的层来识别。
流程1700可以包括：根据任何合适的通信协议来操作(框1714)所制造的(框1702-1712)。尽管不限于该特定实现方式，但是这可以包括：根据57-71GHz宽带操作来操作天线阵列架构102，以用于新兴的60GHz Wi-Fi解决方案。
天线元件的一般操作
提供天线阵列的天线元件。天线元件包括：封装基板，包括多个层；初级导电片，设置在多个层的第一层上并且耦合到天线馈源；次级导电片，设置在多个层的第二层上；和电磁带隙(EBG)单位单元，包括分别设置在封装基板的两个不同层上的导电元件的第一图案和第二图案。EBG单位单元具有在尺寸上大于初级导电片和次级导电片中的每一个的尺寸的尺寸。此外，天线元件包括多个寄生元件，多个寄生元件包括设置在次级导电片周围的另外导电片，EBG单位单元具有在尺寸上大于次级导电片和另外导电片的尺寸的尺寸。除了本段中先前解释的可选特征之外或作为其替换且与其任何组合，EBG单位单元的导电元件的第一图案被设置在多个层中的设置在第一层与第二层之间的另外层上。除了本段中先前解释的可选特征之外或作为其替换且与其任何组合，EBG单位单元的导电元件的第二图案与初级导电片一起被设置在第一层上。除了本段中先前解释的可选特征之外或作为其替换且与其任何组合，EBG单位单元的导电元件的第一图案和第二图案中的每一个包括相应矩形形状。除了本段中先前解释的可选特征之外或作为其替换且与其任何组合，封装基板具有分别与两个正交轴对准的长度尺寸和宽度尺寸，并且EBG单位单元的导电元件的第一图案和第二图案中的每一个的相应矩形形状相对于两个正交轴旋转45度。除了本段中先前解释的可选特征之外或作为其替换且与其任何组合，天线馈源包括一组天线馈源，该组天线馈源被配置为使得初级导电片能够根据双极化配置来操作。除了本段中先前解释的可选特征之外或作为其替换且与其任何组合，次级导电片被设置在第二层上，在初级导电片的第一侧处，并且还包括：Butler矩阵块，设置在多个层的第三层上，在初级导电片的与第一侧相反的第二侧处，Butler矩阵块包括输出端口，输出端口经由馈电网络的一部分耦合到天线馈源。除了本段中先前解释的可选特征之外或作为其替换且与其任何组合，天线元件还包括设置在多个层的第三层上的第一Butler矩阵块和第二Butler矩阵块。除了本段中先前解释的可选特征之外或作为其替换且与其任何组合，天线元件来自构成天线阵列的多个天线元件，用于多个天线元件中的每一个的天线馈源包括相应的水平极化天线馈源和垂直极化天线馈源，第一Butler矩阵块被配置为：将用于多个天线元件中的每一个的水平极化天线馈源中的每一个耦合到相应的水平极化输出端口，并且第二Butler矩阵块被配置为：将用于多个天线元件中的每一个的垂直极化天线馈源中的每一个耦合到相应的垂直极化输出端口。除了本段中先前解释的可选特征之外或作为其替换且与其任何组合，水平极化天线馈源中的每一个与相应的水平极化输出端口之间的电长度彼此相等，并且垂直极化天线馈源中的每一个与相应的垂直极化输出端口之间的电长度彼此相等。除了本段中先前解释的可选特征之外或作为其替换且与其任何组合，水平极化天线馈源中的每一个经由第一组导电迹线耦合到第一Butler矩阵块的相应的水平极化输出端口，垂直极化天线馈源中的每一个经由第二组导电迹线耦合到第二Butler矩阵块的相应的垂直极化输出端口，并且第一组导电迹线和第二组导电迹线(i)被设置在多个层的第四层上，并且(ii)围绕第一导电片和第二导电片路由。除了本段中先前解释的可选特征之外或作为其替换且与其任何组合，Butler矩阵块不包括交叉部。除了本段中先前解释的可选特征之外或作为其替换且与其任何组合，Butler矩阵块包括多个正交混合开槽贴片耦合器和多个45度混合贴片耦合器。除了本段中先前解释的可选特征之外或作为其替换且与其任何组合，Butler矩阵块形成菱形形状。
天线阵列的一般操作
提供了一种天线阵列。天线阵列包括：封装基板，包括多个层；多个天线元件，多个天线元件中的每一个包括：初级导电片，设置在多个层的第一层上并且耦合到天线馈源；和次级导电片，设置在多个层的第二层上，在初级导电片的第一侧处；和多个Butler矩阵块，设置在多个层中的第三层上，在初级导电片的与第一侧相反的第二侧处，多个Butler矩阵块中的每一个包括多个波束选择输入端口和多个输出端口，并且多个输出端口中的每一个耦合到多个天线元件中的相应每一个的相应天线馈源。此外，在用多个Butler矩阵块中的第一个识别的第一多个输出端口中的相应每一个之间形成的导电迹线的电长度彼此相等，并且在用多个Butler矩阵块中的第二个识别的第二多个输出端口中的相应每一个之间形成的导电迹线的电长度彼此相等。除了本段中先前解释的可选特征之外或作为其替换且与其任何组合，用多个Butler矩阵块识别的多个输出端口中的每一个经由一组导电迹线耦合到多个天线元件中的相应每一个的相应天线馈源，并且该组导电迹线(i)被设置在多个层的第四层上，并且(ii)围绕多个天线元件中的相应每一个的第一导电片和第二导电片路由。除了本段中先前解释的可选特征之外或作为其替换且与其任何组合，多个天线元件中的相应每一个的天线馈源包括一组天线馈源，该组天线馈源被配置为使得多个天线元件中的每一个能够根据双极化配置进行操作。除了本段中先前解释的可选特征之外或作为其替换且与其任何组合，多个天线元件中的每一个的天线馈源包括相应的水平极化天线馈源和垂直极化天线馈源，多个Butler矩阵块中的第一Butler矩阵块包括第一组输出端口，第一组输出端口中的每一个耦合到多个天线元件中的每一个的水平极化天线馈源中的相应一个，并且多个Butler矩阵块的第二Butler矩阵块包括第二组输出端口，第二组输出端口中的每一个耦合到多个天线元件中的每一个的垂直极化天线馈源中的相应一个。除了本段中先前解释的可选特征之外或作为其替换且与其任何组合，多个Butler矩阵块中的每一个包括：多个正交混合开槽贴片耦合器；和多个45度混合贴片耦合器，多个Butler矩阵块中的每一个不包括交叉部，并且形成为菱形形状。除了本段中先前解释的可选特征之外或作为其替换且与其任何组合，天线阵列还包括电磁带隙(EBG)结构，EBG结构包括形成多个EBG单位单元的导电元件的第一图案和第二图案，多个EBG单位单元中的每一个与多个天线元件中的相应一个对准，导电元件的第一图案被设置在多个层中的不同于第二层的层上，并且导电元件的第二图案被设置在第一层上。除了本段中先前解释的可选特征之外或作为其替换且与其任何组合，多个EBG单位单元中的每一个具有在尺寸上大于EBG单位单元分别与之对准的初导电片级和次级导电片中的每一个的尺寸的尺寸。除了本段中先前解释的可选特征之外或作为其替换且与其任何组合，导电元件的第一图案被设置在多个层中的第一层与第二层之间的层上。
参考文献
在整个本公开中引用以下参考文献作为适用于提供额外的清楚性，特别是关于术语。这些引用是以示例和易于解释的方式而不是以限制的方式作出的。
在整个申请中使用匹配的括号数字(例如，[1])对以下参考文献进行引用。
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示例
以下示例属于本公开的各种技术。
示例(例如，示例1)涉及天线阵列的天线元件。天线元件包括：封装基板，包括多个层；初级导电片，设置在多个层的第一层上并且耦合到天线馈源；次级导电片，设置在多个层的第二层上；和电磁带隙(EBG)单位单元，包括分别设置在封装基板的两个不同层上的导电元件的第一图案和第二图案，其中，EBG单位单元具有在尺寸上大于初级导电片和次级导电片中的每一个的尺寸的尺寸。
另一示例(例如，示例2)涉及先前描述的示例(例如，示例1)，还包括：多个寄生元件，包括设置在次级导电片周围的另外导电片，其中，EBG单位单元具有在尺寸上大于次级导电片和另外导电片的尺寸的尺寸。
另一示例(例如，示例3)涉及先前描述的示例(例如，示例1-2中的一个或多个)，其中，EBG单位单元的导电元件的第一图案被设置在多个层中的设置在第一层与第二层之间的另外层上。
另一示例(例如，示例4)涉及先前描述的示例(例如，示例1-3中的一个或多个)，其中，EBG单位单元的导电元件的第二图案与初级导电片一起被设置在第一层上。
另一示例(例如，示例5)涉及先前描述的示例(例如，示例1-4中的一个或多个)，其中，EBG单位单元的导电元件的第一图案和第二图案中的每一个包括相应矩形形状。
另一示例(例如，示例6)涉及先前描述的示例(例如，示例1-5中的一个或多个)，其中，封装基板具有分别与两个正交轴对准的长度尺寸和宽度尺寸，并且其中，EBG单位单元的导电元件的第一图案和第二图案中的每一个的相应矩形形状相对于两个正交轴旋转45度。
另一示例(例如，示例7)涉及先前描述的示例(例如，示例1-6中的一个或多个)，其中，天线馈源包括一组天线馈源，该组天线馈源被配置为使得初级导电片能够根据双极化配置来操作。
另一示例(例如，示例8)涉及先前描述的示例(例如，示例1-7中的一个或多个)，其中，次级导电片被设置在第二层上，在初级导电片的第一侧处，并且还包括：Butler矩阵块，设置在多个层中的第三层上，在初级导电片的与第一侧相反的第二侧处，其中，Butler矩阵块包括输出端口，输出端口经由馈电网络的一部分耦合到天线馈源。
另一示例(例如，示例9)涉及先前描述的示例(例如，示例1-8中的一个或多个)，还包括：第一Butler矩阵块和第二Butler矩阵块，设置在多个层的第三层上。
另一示例(例如，示例10)涉及先前描述的示例(例如，示例1-9中的一个或多个)，其中：天线元件来自构成天线阵列的多个天线元件，用于多个天线元件中的每一个的天线馈源包括相应的水平极化天线馈源和垂直极化天线馈源，第一Butler矩阵块被配置为：将用于多个天线元件中的每一个的水平极化天线馈源中的每一个耦合到相应的水平极化输出端口，并且第二Butler矩阵块被配置为：将用于多个天线元件中的每一个的垂直极化天线馈源中的每一个耦合到相应的垂直极化输出端口。
另一示例(例如，示例11)涉及先前描述的示例(例如，示例1-10中的一个或多个)，其中，(i)水平极化天线馈源中的每一个与相应的水平极化输出端口之间的电长度彼此相等，并且(ii)垂直极化天线馈源中的每一个与相应的垂直极化输出端口之间的电长度彼此相等。
另一示例(例如，示例12)涉及先前描述的示例(例如，示例1-11中的一个或多个)，其中：水平极化天线馈源中的每一个经由第一组导电迹线耦合到第一Butler矩阵块的相应的水平极化输出端口，垂直极化天线馈源中的每一个经由第二组导电迹线耦合到第二Butler矩阵块的相应的垂直极化输出端口，并且第一组导电迹线和第二组导电迹线(i)被设置在多个层中的第四层上，并且(ii)围绕第一导电片和第二导电片路由。
另一示例(例如，示例13)涉及先前描述的示例(例如，示例1-12中的一个或多个)，其中，Butler矩阵块不包括交叉部。
另一示例(例如，示例14)涉及先前描述的示例(例如，示例1-13中的一个或多个)，其中，Butler矩阵块包括(i)多个正交混合开槽贴片耦合器，和(ii)多个45度混合贴片耦合器。
另一示例(例如，示例15)涉及先前描述的示例(例如，示例1-14中的一个或多个)，其中，Butler矩阵块形成菱形形状。
示例(例如，示例16)涉及天线阵列。天线阵列包括：封装基板，包括多个层；多个天线元件，多个天线元件中的每一个包括：初级导电片，设置在多个层的第一层上并且耦合到天线馈源；和次级导电片，设置在多个层中的第二层上，在初级导电片的第一侧处；和多个Butler矩阵块，设置在多个层的第三层上，在初级导电片的与第一侧相反的第二侧处，其中，多个Butler矩阵块中的每一个包括多个波束选择输入端口和多个输出端口，并且其中，多个输出端口中的每一个耦合到多个天线元件中的相应每一个的相应天线馈源。
另一示例(例如，示例17)涉及先前描述的示例(例如，示例16)，其中，(i)在用多个Butler矩阵块中的第一Butler矩阵块识别的第一多个输出端口中的相应每一个之间形成的导电迹线的电长度彼此相等，和(ii)在用多个Butler矩阵块中的第二Butler矩阵块识别的第二多个输出端口中的相应每一个之间形成的导电迹线的电长度彼此相等。
另一示例(例如，示例18)涉及先前描述的示例(例如，示例16-17中的一个或多个)，其中，用多个Butler矩阵块识别的多个输出端口中的每一个经由一组导电迹线耦合到多个天线元件中的相应每一个的相应天线馈源，并且其中，该组导电迹线(i)被设置在多个层的第四层上，并且(ii)围绕多个天线元件中的相应每一个的第一导电片和第二导电片路由。
另一示例(例如，示例19)涉及先前描述的示例(例如，示例16-18中的一个或多个)，其中，多个天线元件中的相应每一个的天线馈源包括一组天线馈源，该组天线馈源被配置为使得多个天线元件中的每一个能够根据双极化配置来操作。
另一示例(例如，示例20)涉及先前描述的示例(例如，示例16-19中的一个或多个)，其中：多个天线元件中的每一个的天线馈源包括相应的水平极化天线馈源和垂直极化天线馈源，多个Butler矩阵块中的第一Butler矩阵块包括第一组输出端口，第一组输出端口中的每一个耦合到多个天线元件中的每一个的水平极化天线馈源中的相应一个，并且多个Butler矩阵块中的第二Butler矩阵块包括第二组输出端口，第二组输出端口中的每一个耦合到多个天线元件中的每一个的垂直极化天线馈源中的相应一个。
另一示例(例如，示例21)涉及先前描述的示例(例如，示例16-20中的一个或多个)，其中，多个Butler矩阵块中的每一个包括：多个正交混合开槽贴片耦合器；和多个45度混合贴片耦合器，其中，多个Butler矩阵块中的每一个(i)不包括交叉部，并且(ii)形成为菱形形状。
另一示例(例如，示例22)涉及先前描述的示例(例如，示例16-21中的一个或多个)，还包括：电磁带隙(EBG)结构，包括形成多个EBG单位单元的导电元件的第一图案和第二图案，多个EBG单位单元中的每一个与多个天线元件中的相应一个对准，其中，导电元件的第一图案被设置在多个层中的不同于第二层的层上，并且其中，导电元件的第二图案被设置在第一层上。
另一示例(例如，示例23)涉及先前描述的示例(例如，示例16-22中的一个或多个)，其中，多个EBG单位单元中的每一个具有在尺寸上大于EBG单位单元分别与之对准的初级导电片和次级导电片中的每一个的尺寸的尺寸。
另一示例(例如，示例24)涉及先前描述的示例(例如，示例16-23中的一个或多个)，其中，导电元件的第一图案被设置在多个层中的第一层与第二层之间的层上。
示例(例如，示例25)涉及天线阵列的天线元件。天线元件包括：封装基板，包括多个层；初级导电片，设置在多个层的第一层上并且耦合到天线馈源部件；次级导电片，设置在多个层的第二层上；和电磁带隙(EBG)部件，包括分别设置在封装基板的两个不同层上的导电元件的第一图案和第二图案，其中，EBG部件具有在尺寸上大于初级导电片和次级导电片中的每一个的尺寸的尺寸。
另一示例(例如，示例26)涉及先前描述的示例(例如，示例25)，还包括：多个寄生元件，包括设置在次级导电片周围的另外导电片，其中，EBG部件具有在尺寸上大于次级导电片和另外导电片的尺寸的尺寸。
另一示例(例如，示例27)涉及先前描述的示例(例如，示例25-26中的一个或多个)，其中，EBG部件的导电元件的第一图案被设置在多个层中的设置在第一层与第二层之间的另外层上。
另一示例(例如，示例28)涉及先前描述的示例(例如，示例25-27中的一个或多个)，其中，EBG部件的导电元件的第二图案与初级导电片一起被设置在第一层上。
另一示例(例如，示例29)涉及先前描述的示例(例如，示例25-28中的一个或多个)，其中，EBG部件的导电元件的第一图案和第二图案中的每一个包括相应矩形形状。
另一示例(例如，示例30)涉及先前描述的示例(例如，示例25-29中的一个或多个)，其中，封装基板具有分别与两个正交轴对准的长度尺寸和宽度尺寸，并且其中，EBG部件的导电元件的第一图案和第二图案中的每一个的相应矩形形状相对于两个正交轴旋转45度。
另一示例(例如，示例31)涉及先前描述的示例(例如，示例25-30中的一个或多个)，其中，天线馈源部件包括一组天线馈源，该组天线馈源被配置为使得初级导电片能够根据双极化配置来操作。
另一示例(例如，示例32)涉及先前描述的示例(例如，示例25-31中的一个或多个)，其中，次级导电片被设置在第二层上，在初级导电片的第一侧处，并且还包括：Butler矩阵部件，设置在多个层的第三层上，在初级导电片的与第一侧相反的第二侧处，其中，Butler矩阵部件包括输出端口，输出端口经由馈电网络的一部分耦合到天线馈源。
另一示例(例如，示例33)涉及先前描述的示例(例如，示例25-32中的一个或多个)，还包括：第一Butler矩阵部件和第二Butler矩阵部件，设置在多个层的第三层上。
另一示例(例如，示例34)涉及先前描述的示例(例如，示例25-33中的一个或多个)，其中：天线元件来自构成天线阵列的多个天线元件，用于多个天线元件中的每一个的天线馈源部件包括相应的水平极化天线馈源和垂直极化天线馈源，第一Butler矩阵部件将用于多个天线元件中的每一个的水平极化天线馈源中的每一个耦合到相应的水平极化输出端口，并且第二Butler矩阵部件将用于多个天线元件中的每一个的垂直极化天线馈源中的每一个耦合到相应的垂直极化输出端口。
另一示例(例如，示例35)涉及先前描述的示例(例如，示例25-34中的一个或多个)，其中，(i)水平极化天线馈源中的每一个与相应的水平极化输出端口之间的电长度彼此相等，并且(ii)垂直极化天线馈源中的每一个与相应的垂直极化输出端口之间的电长度彼此相等。
另一示例(例如，示例36)涉及先前描述的示例(例如，示例25-35中的一个或多个)，其中：水平极化天线馈源中的每一个经由第一组导电迹线耦合到第一Butler矩阵部件的相应的水平极化输出端口，垂直极化天线馈源中的每一个经由第二组导电迹线耦合到第二Butler矩阵部件的相应的垂直极化输出端口，并且第一组导电迹线和第二组导电迹线(i)被设置在多个层的第四层上，并且(ii)围绕第一导电片和第二导电片路由。
另一示例(例如，示例37)涉及先前描述的示例(例如，示例25-36中的一个或多个)，其中，Butler矩阵部件不包括交叉部。
另一示例(例如，示例38)涉及先前描述的示例(例如，示例25-37中的一个或多个)，其中，Butler矩阵部件包括(i)多个正交混合开槽贴片耦合器，和(ii)多个45度混合贴片耦合器。
另一示例(例如，示例39)涉及先前描述的示例(例如，示例25-38中的一个或多个)，其中，Butler矩阵部件形成菱形形状。
示例(例如，示例40)涉及天线阵列。天线阵列包括：封装基板，包括多个层；多个天线元件，多个天线元件中的每一个包括：初级导电片，设置在多个层的第一层上并且耦合到天线馈源部件；和次级导电片，设置在多个层中的第二层上，在初级导电片的第一侧处；和多个Butler矩阵部件，设置在多个层的第三层上，在初级导电片的与第一侧相反的第二侧处，其中，多个Butler矩阵部件中的每一个包括多个波束选择输入端口和多个输出端口，并且其中，多个输出端口中的每一个耦合到多个天线元件中的相应每一个的相应天线馈源部件。
另一示例(例如，示例41)涉及先前描述的示例(例如，示例40)，其中，(i)在用多个Butler矩阵部件中的第一个识别的第一多个输出端口中的相应每一个之间形成的导电迹线的电长度彼此相等，并且(ii)在用多个Butler矩阵部件中的第二个识别的第二多个输出端口中的相应每一个之间形成的导电迹线的电长度彼此相等。
另一示例(例如，示例42)涉及先前描述的示例(例如，示例40-41中的一个或多个)，其中，用多个Butler矩阵部件识别的多个输出端口中的每一个经由一组导电迹线耦合到多个天线元件中的相应每一个的相应天线馈源部件，并且其中，该组导电迹线(i)被设置在多个层的第四层上，并且(ii)围绕多个天线元件中的相应每一个的第一导电片和第二导电片路由。
另一示例(例如，示例43)涉及先前描述的示例(例如，示例40-42中的一个或多个)，其中，多个天线元件中的相应每一个的天线馈源部件包括一组天线馈源部件，该组天线馈源部件被配置为使得多个天线元件中的每一个能够根据双极化配置来操作。
另一示例(例如，示例44)涉及先前描述的示例(例如，示例40-43中的一个或多个)，其中：多个天线元件中的每一个的天线馈源部件包括相应的水平极化天线馈源和垂直极化天线馈源，多个Butler矩阵部件中的第一Butler矩阵部件包括第一组输出端口，第一组输出端口中的每一个耦合到多个天线元件中的每一个的水平极化天线馈源中的相应一个，并且多个Butler矩阵部件中的第二Butler矩阵部件包括第二组输出端口，第二组输出端口中的每一个耦合到多个天线元件中的每一个的垂直极化天线馈源中的相应一个。
另一示例(例如，示例45)涉及先前描述的示例(例如，示例40-44中的一个或多个)，其中，多个Butler矩阵部件中的每一个包括：多个正交混合开槽贴片耦合器；和多个45度混合贴片耦合器，其中，多个Butler矩阵块中的每一个(i)不包括交叉部，并且(ii)形成为菱形形状。
另一示例(例如，示例46)涉及先前描述的示例(例如，示例40-45中的一个或多个)，还包括：电磁带隙(EBG)部件，包括形成多个EBG单位单元的导电元件的第一图案和第二图案，多个EBG单位单元中的每一个与多个天线元件中的相应一个对准，其中，导电元件的第一图案被设置在多个层中的不同于第二层的层上，并且其中，导电元件的第二图案被设置在第一层上。
另一示例(例如，示例47)涉及先前描述的示例(例如，示例40-46中的一个或多个)，其中，多个EBG单位单元的每一个的尺寸具有在尺寸上大于EBG单位单元分别与之对准的初级导电片和次级导电片中的每一个的尺寸的尺寸。
另一示例(例如，示例48)涉及先前描述的示例(例如，示例40-47中的一个或多个)，其中，导电元件的第一图案被设置在多个层中的第一层与第二层之间的层上。
一种如图所示和描述的装置。
一种如图所示和描述的方法。
结论
术语“段”、“元件”和“迹线”在本文中彼此可互换地使用，并且可以指代导电片及其部分和/或图案的任何合适的几何布置。也就是说，寄生元件110可以替换地被称为导电段，并且导电段112A、112B的图案在本文中可以替换地称为导电元件。此外，用信号路由网络识别的导电迹线可以替换地称为导电段或导电元件。
上述描述将充分揭示本公开的一般性质，使得其他人可以通过应用本领域技术内的知识，容易地针对各种应用进行修改和/或改编，而无需过多的实验，且不脱离本公开的一般概念。因此，基于本文呈现的教导和指导，这种改编和修改旨在处于所公开的实现方式的等同物的含义和范围内。应当理解，本文的措辞或术语是为了描述而非限制的目的，使得本说明书的术语或措辞将由本领域技术人员根据教导和指导来解释。
说明书中对“一个实现方式”、“实现方式”、“示例性实现方式”等的引用指示所描述的实现方式可以包括特定特征、结构或特性，但是每个实现方式可能不一定包括该特定特征、结构或特性。此外，这些短语不一定指代相同的实现方式。此外，当结合实现方式描述特定特征、结构或特性时，认为结合其他实现方式(无论是否明确描述)来影响这种特征、结构或特性在本领域技术人员的知识范围内。
本文描述的实现方式是出于说明性目的而提供的，不是限制性的。其他实现方式是可能的，并且可以对所描述的实现方式进行修改。因此，本说明书不意味着限制本公开。相反，本公开的范围仅根据所附权利要求及其等同形式来限定。
本文描述的实现方式可以在硬件(例如，电路)、固件、软件或其任何组合中实现。实现方式也可以被实现为存储在机器可读介质上的指令，指令可以由一个或多个处理器读取和执行。机器可读介质可以包括用于以机器(例如，计算设备)可读的形式存储或发送信息的任何机构。例如，机器可读介质可以包括只读存储器(ROM)；随机存取存储器(RAM)；磁盘存储介质；光存储介质；闪存设备；电、光、声或其他形式的传播信号(例如，载波、红外信号、数字信号等)等。此外，固件、软件、例程、指令在本文中可以被描述为执行某些动作。然而，应当理解，这样的描述仅仅是为了方便，并且这样的动作实际上是由计算设备、处理器、控制器或执行固件、软件、例程、指令等的其他设备引起的。此外，可以由通用计算机来执行任何实现方式变化。
出于此论述的目的，术语“处理电路”或“处理器电路”应当理解为电路、处理器、逻辑或其组合。例如，电路可以包括模拟电路、数字电路、状态机逻辑、其他结构电子硬件或其组合。处理器可以包括微处理器、数字信号处理器(DSP)或其他硬件处理器。处理器可以用指令“硬编码”以根据本文描述的实现方式来执行对应的功能。替换地，处理器可以访问内部和/或外部存储器以获取存储在存储器中的指令，指令在由处理器执行时执行与处理器关联的对应功能，和/或与其中包含处理器的组件的操作相关的一个或多个功能和/或操作。
在本文描述的一个或多个实现方式中，处理电路可以包括存储数据和/或指令的存储器。存储器可以是任何公知的易失性和/或非易失性存储器，包括例如只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、闪存、磁存储介质、光盘、可擦除可编程只读存储器(EPROM)和可编程只读存储器(PROM)。存储器可以是不可移除的、可移除的或两者的组合。

Claims (24)

1.一种天线阵列的天线元件，包括：
封装基板，包括多个层；
初级导电片，设置在所述多个层的第一层上并且耦合到天线馈源；
次级导电片，设置在所述多个层的第二层上；和
电磁带隙(EBG)单位单元，包括分别设置在所述封装基板的两个不同层上的导电元件的第一图案和第二图案，
其中，所述EBG单位单元具有在尺寸上大于所述初级导电片和所述次级导电片中的每一个的尺寸的尺寸。
2.根据权利要求1所述的天线元件，还包括：
多个寄生元件，包括围绕所述次级导电片设置的另外导电片，
其中，所述EBG单位单元具有在尺寸上大于所述次级导电片和所述另外导电片的尺寸的尺寸。
3.根据权利要求1或2所述的天线元件，其中，所述EBG单位单元的导电元件的第一图案被设置在所述多个层中的设置在所述第一层与所述第二层之间的另外层上。
4.根据权利要求1或2所述的天线元件，其中，所述EBG单位单元的导电元件的第二图案与所述初级导电片一起被设置在所述第一层上。
5.根据权利要求1或2所述的天线元件，其中，所述EBG单位单元的导电元件的第一图案和第二图案中的每一个包括相应矩形形状。
6.根据权利要求1或2所述的天线元件，其中，所述封装基板具有分别与两个正交轴对准的长度尺寸和宽度尺寸，并且
其中，所述EBG单位单元的导电元件的第一图案和第二图案中的每一个的相应矩形形状相对于所述两个正交轴旋转45度。
7.根据权利要求1或2所述的天线元件，其中，所述天线馈源包括被配置为使所述初级导电片能够根据双极化配置来操作的一组天线馈源。
8.根据权利要求1或2所述的天线元件，其中，所述次级导电片被设置在所述第二层上，在所述初级导电片的第一侧处，并且所述天线元件还包括：
Butler矩阵块，设置在所述多个层的第三层上，在所述初级导电片的与所述第一侧相反的第二侧处，
其中，所述Butler矩阵块包括经由馈电网络的一部分耦合到所述天线馈源的输出端口。
9.根据权利要求1或2所述的天线元件，还包括：
第一Butler矩阵块和第二Butler矩阵块，设置在所述多个层的第三层上。
10.根据权利要求9所述的天线元件，其中：
所述天线元件来自构成所述天线阵列的多个天线元件，
用于所述多个天线元件中的每一个的天线馈源包括相应的水平极化天线馈源和垂直极化天线馈源，
所述第一Butler矩阵块被配置为：将用于所述多个天线元件中的每一个的所述水平极化天线馈源中的每一个耦合到相应的水平极化输出端口，并且
所述第二Butler矩阵块被配置为：将用于所述多个天线元件中的每一个的所述垂直极化天线馈源中的每一个耦合到相应的垂直极化输出端口。
11.根据权利要求10所述的天线元件，其中，(i)所述水平极化天线馈源中的每一个与相应的水平极化输出端口之间的电长度彼此相等，并且(ii)所述垂直极化天线馈源中的每一个与相应的垂直极化输出端口之间的电长度彼此相等。
12.根据权利要求11所述的天线元件，其中：
所述水平极化天线馈源中的每一个经由第一组导电迹线耦合到所述第一Butler矩阵块的相应的水平极化输出端口，
所述垂直极化天线馈源中的每一个经由第二组导电迹线耦合到所述第二Butler矩阵块的相应的垂直极化输出端口，并且
所述第一组导电迹线和所述第二组导电迹线(i)被设置在所述多个层的第四层上，并且(ii)围绕所述第一导电片和所述第二导电片路由。
13.根据权利要求8所述的天线元件，其中，所述Butler矩阵块不包括交叉部。
14.根据权利要求8所述的天线元件，其中，所述Butler矩阵块包括(i)多个正交混合开槽贴片耦合器，以及(ii)多个45度混合贴片耦合器。
15.根据权利要求8所述的天线元件，其中，所述Butler矩阵块形成菱形形状。
16.一种天线阵列，包括：
封装基板，包括多个层；
多个天线元件，所述多个天线元件中的每一个包括：
初级导电片，设置在所述多个层的第一层上并且耦合到天线馈源；和
次级导电片，设置在所述多个层的第二层上，在所述初级导电片的第一侧处；和
多个Butler矩阵块，设置在所述多个层的第三层上，在所述初级导电片的与所述第一侧相反的第二侧处，
其中，所述多个Butler矩阵块中的每一个包括多个波束选择输入端口和多个输出端口，并且
其中，所述多个输出端口中的每一个耦合到所述多个天线元件中的相应每一个的相应天线馈源。
17.根据权利要求16所述的天线阵列，其中，(i)在用所述多个Butler矩阵块中的第一Butler矩阵块识别的第一多个输出端口中的相应每一个之间形成的导电迹线的电长度彼此相等，以及(ii)在用所述多个Butler矩阵块中的第二Butler矩阵块识别的第二多个输出端口中的相应每一个之间形成的导电迹线的电长度彼此相等。
18.根据权利要求16或17所述的天线阵列，其中，用所述多个Butler矩阵块识别的所述多个输出端口中的每一个经由一组导电迹线耦合到所述多个天线元件中的相应每一个的相应天线馈源，并且
其中，所述一组导电迹线(i)被设置在所述多个层的第四层上，并且(ii)围绕所述多个天线元件中的相应每一个的所述第一导电片和所述第二导电片路由。
19.根据权利要求16或17所述的天线阵列，其中，所述多个天线元件中的相应每一个的天线馈源包括被配置为使所述多个天线元件中的每一个能够根据双极化配置来操作的一组天线馈源。
20.根据权利要求16或17所述的天线阵列，其中：
所述多个天线元件中的每一个的天线馈源包括相应的水平极化天线馈源和垂直极化天线馈源，
所述多个Butler矩阵块中的第一Butler矩阵块包括第一组输出端口，所述第一组输出端口中的每一个耦合到所述多个天线元件中的每一个的水平极化天线馈源中的相应一个，并且
所述多个Butler矩阵块中的第二Butler矩阵块包括第二组输出端口，所述第二组输出端口中的每一个耦合到所述多个天线元件中的每一个的垂直极化天线馈源中的相应一个。
21.根据权利要求16或17所述的天线阵列，其中，所述多个Butler矩阵块中的每一个包括：
多个正交混合开槽贴片耦合器；和
多个45度混合贴片耦合器，
其中，所述多个Butler矩阵块中的每一个(i)不包括交叉部，并且(ii)形成为菱形形状。
22.根据权利要求16或17所述的天线阵列，还包括：
电磁带隙(EBG)结构，包括形成多个EBG单位单元的导电元件的第一图案和第二图案，所述多个EBG单位单元中的每一个与所述多个天线元件中的相应一个对准，
其中，导电元件的第一图案被设置在所述多个层中的不同于所述第二层的层上，并且
其中，导电元件的第二图案被设置在所述第一层上。
23.根据权利要求22所述的天线阵列，其中，所述多个EBG单位单元中的每一个具有在尺寸上大于所述EBG单位单元分别对准的所述初级导电片和所述次级导电片中的每一个的尺寸的尺寸。
24.根据权利要求22所述的天线阵列，其中，导电元件的第一图案被设置在所述多个层中的所述第一层与所述第二层之间的层上。
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