DE102015223482B4 - Millimeter wave antenna module - Google Patents

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Abstract

Antennenmodul (100) zum Senden oder Empfangen von Millimeterwellensignalen, aufweisend- ein Antennenfeld (110) in Form einer strukturierten Metallebene mit einer Vielzahl gruppierter Einzelantennenelemente (116) auf einem Trägersubstrat, wobei eine jeweilige Einzelantennengruppe (115) mindestens zwei Einzelantennenelemente (116) enthält, die gemeinsam ansteuerbar sind;- eine Vielzahl von Modulatoren (120), die ausgebildet sind,ein elektronisches Millimeterwellensignal (140) zu empfangen,bei Betrieb in Senderichtung eine Phase, Amplitude oder Zeitlage des elektronischen Millimeterwellensignals (140) jeweils individuell zu modulieren und an jeweils eine zugeordnete der Einzelantennengruppen (115) auszugeben undbei Betrieb in Empfangsrichtung nach Empfang eines modulierten elektronischen Millimetersignals (140) von der jeweils zugeordneten Einzelantennengruppe (115) her eine Phase, Amplitude oder Zeitlage des modulierten elektronischen Millimeterwellensignals (140) jeweils individuell zu demodulieren und ein demoduliertes elektronisches Millimeterwellensignal (140) auszugeben; und- eine gemeinsame Misch-Einheit (130), die ausgebildet ist,bei Betrieb in Senderichtung ein elektronisches Basisbandsignal (139) zu empfangen, in das elektronische Millimeterwellensignal (140) umzuwandeln und an die Modulatoren (120) auszugeben, undbei Betrieb in Empfangsrichtung das demodulierte elektronische Millimeterwellensignal (140) von den Modulatoren (120) zu empfangen und in ein elektronisches Basisbandsignal (139) umzuwandeln.Antenna module (100) for sending or receiving millimeter wave signals, comprising - an antenna field (110) in the form of a structured metal plane with a multiplicity of grouped individual antenna elements (116) on a carrier substrate, a respective individual antenna group (115) containing at least two individual antenna elements (116), which can be controlled together; - a multiplicity of modulators (120) which are designed to receive an electronic millimeter-wave signal (140), to modulate a phase, amplitude or timing of the electronic millimeter-wave signal (140) in each case individually and to each to output an assigned one of the individual antenna groups (115) and, during operation in the receiving direction, after receiving a modulated electronic millimeter signal (140) from the assigned individual antenna group (115), a phase, amplitude or timing of the modulated electronic millimeter wave signal (140) each individually demodulating and outputting a demodulated millimeter wave electronic signal (140); and - a common mixing unit (130) which is designed to receive an electronic baseband signal (139) when operating in the transmission direction, convert it into the electronic millimeter wave signal (140) and output it to the modulators (120), and when operating in the receiving direction receive demodulated electronic millimeter wave signals (140) from the modulators (120) and convert them to a baseband electronic signal (139).

Description

Die Erfindung betrifft ein Antennenmodul zum Senden oder Empfangen von Millimeterwellensignalen und ein Verfahren zum Senden und Empfangen von Millimeterwellensignalen.The invention relates to an antenna module for sending or receiving millimeter wave signals and a method for sending and receiving millimeter wave signals.

Richtfunksysteme für Wellenlängen im Bereich von Millimeterwellen (60 GHz, 70-80 GHz, 90 GHz) verwenden, unter anderem aufgrund frequenzregulatorischer Vorschriften, Antennenmodule mit sehr starker Richtwirkung, d. h. einer sehr schmalen Abstrahlungscharakteristik. Die typischen Öffnungswinkel im Bereich von 60 GHz Systemen liegen zwischen 0,5° und 3°, wobei teilweise jedoch auch noch stärker bündelnde Antennenmodule im Einsatz sind.Use radio relay systems for wavelengths in the range of millimeter waves (60 GHz, 70-80 GHz, 90 GHz), among other things due to frequency regulations, antenna modules with very strong directional effect, i. H. a very narrow radiation pattern. The typical opening angles in the range of 60 GHz systems are between 0.5 ° and 3 °, although antenna modules that focus even more strongly are sometimes used.

Der sehr kleine Öffnungswinkel und der daraus folgende kleine Strahldurchmesser führen in Verbindung mit den Entfernungen zwischen zwei Richtfunkstationen zu einem großen Problem bei der Ausrichtung der Antennenmodule. Eine manuelle Ausrichtung von Einzelantennenelementen der Antennenmodule ist sehr zeitaufwändig und bedarf zusätzlicher Hilfsmittel. Günstiger ist eine automatische Durchführung einer Antennenjustage, sei es durch motorgesteuerte mechanische Verstellung oder durch eine elektronische Beeinflussung der Abstrahlungsrichtung, dem sogenannten Beamsteering.The very small opening angle and the resulting small beam diameter, in conjunction with the distances between two directional radio stations, lead to a major problem when aligning the antenna modules. Manual alignment of individual antenna elements of the antenna modules is very time-consuming and requires additional tools. It is more favorable to carry out an antenna adjustment automatically, be it by means of motor-controlled mechanical adjustment or by electronically influencing the direction of radiation, known as beam steering.

Eine große Richtwirkung bedingt eine große effektive Apertur des Antennenmoduls. Somit wird mit steigender Richtcharakteristik die Antennenfläche größer. Um kleine Modulbauformen und gleichzeitig eine elektronische Beeinflussung der Abstrahlungsrichtung zu ermöglichen, werden Antennenmodule aus Gruppen von Einzelantennenelementen (Patches) als Metall-Strukturen auf einer Leiterplatte hergestellt. Bei einer bestimmten Anordnung der Einzelantennenelemente bezüglich des jeweiligen Abstandes in Relation zur Wellenlänge des Sendesignals ergibt sich durch die Überlagerung der Einzelantennensignale eine größere Richtwirkung durch Bündelung. Werden die Einzelantennenelemente mit einem amplituden- und phasensynchronen Signal angesteuert, erfolgt die Abstrahlung senkrecht zur Antennenfläche. Durch eine zeitliche Verzögerung des Signals zwischen den Einzelstrahlern ist es möglich, den Antennenstrahl aus der Senkrechten auszulenken und einen Abstrahlungswinkel ungleich 90° zu realisieren.A large directivity requires a large effective aperture of the antenna module. Thus, the antenna area becomes larger as the directional characteristic increases. In order to enable small module designs and, at the same time, an electronic control of the radiation direction, antenna modules are made from groups of individual antenna elements (patches) as metal structures on a circuit board. With a specific arrangement of the individual antenna elements with regard to the respective distance in relation to the wavelength of the transmitted signal, the superimposition of the individual antenna signals results in a greater directivity through bundling. If the individual antenna elements are controlled with an amplitude and phase synchronous signal, the radiation is perpendicular to the antenna surface. By delaying the signal between the individual radiators, it is possible to deflect the antenna beam from the vertical and to achieve a radiation angle other than 90 °.

Das amerikanische Patent US 4,045,800 A beschreibt ein Antennenmodul mit Einzelantennenelementen, die in Gruppen aufgeteilt sind und in dem die Gruppen einzeln von einem Phasenschieber gesteuert werden. Dabei soll die resultierende Abstrahlung des Antennenmoduls in eine vorbestimmte Richtung erfolgen und nur einen kleinen Abstrahlungs-Winkelbereich aufweisen. Außerdem ist die Abstrahlung der Gruppen durch eine Verwendung von 1-Bit- und 2-Bit-Phasenschiebern stufenweise in eine gemeinsame Richtung gelenkt, wobei diese Phasenschieber eine durch die Gruppenbildung unweigerlich entstehende Nebenkeulenaussendung reduzieren.The American patent U.S. 4,045,800 A describes an antenna module with individual antenna elements which are divided into groups and in which the groups are individually controlled by a phase shifter. The resulting radiation from the antenna module should take place in a predetermined direction and only have a small radiation angle range. In addition, the radiation of the groups is steered gradually in a common direction through the use of 1-bit and 2-bit phase shifters, these phase shifters reducing the side-lobe emission that inevitably results from the group formation.

Die europäische Patentanmeldung EP 0 144 867 A2 beschreibt ein Antennendesign für ein phasengesteuertes Antennenmodul, welches durch eine pseudo-zufällige Anordnung von Einzelantennenelementen die Nebenkeulenaussendung reduziert.The European patent application EP 0 144 867 A2 describes an antenna design for a phase-controlled antenna module, which reduces the sidelobe emission through a pseudo-random arrangement of individual antenna elements.

In US 2015/0171523 A1 ist eine Phased-Array-Antenne mit Antennenuntergruppen beschrieben, bei der jede Antennenuntergruppe einem Radiofrequenzbauteil zugeordnet ist. In WO 2014/080240 A1 ist ein strahlformendes Netzwerk für eine Array-Antenne beschrieben. US 8,981,869 B2 betrifft ein Herstellungsverfarhen für Mehrschicht-Platinen, WO 2002/41447 A1 eine Oberfläche mit hoher Impedanz sowie Mehrfrequenzantennen.In US 2015/0171523 A1 a phased array antenna with antenna subgroups is described, in which each antenna subgroup is assigned to a radio frequency component. In WO 2014/080240 A1 describes a beam-forming network for an array antenna. US 8,981,869 B2 relates to a manufacturing process for multi-layer circuit boards, WO 2002/41447 A1 a high impedance surface and multi-frequency antennas.

Eine Lösung der vorstehenden Probleme wird mit einem Antennenmodul nach Anspruch 1 und einem Verfahren zum Senden oder Empfangen von Millimeterwellensignalen nach Anspruch 10 bereitgestellt.A solution to the above problems is provided with an antenna module according to claim 1 and a method for transmitting or receiving millimeter wave signals according to claim 10.

Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung ein Antennenmodul zum Senden oder Empfangen von Millimeterwellensignalen. Das Antennenmodul weist auf:

  • - ein Antennenfeld in Form einer strukturierten Metallebene mit einer Vielzahl in Einzelantennengruppen gruppierter Einzelantennenelemente auf einem Trägersubstrat, wobei eine jeweilige Einzelantennengruppe mindestens zwei Einzelantennenelemente enthält, die gemeinsam ansteuerbar sind;
  • - eine Vielzahl von Modulatoren, die ausgebildet sind, ein elektronisches Millimeterwellensignal zu empfangen,
    • bei Betrieb in Senderichtung eine Phase, Amplitude oder Zeitlage des elektronischen Millimeterwellensignals jeweils individuell zu modulieren und an jeweils eine zugeordnete der Einzelantennengruppen auszugeben und
    • bei Betrieb in Empfangsrichtung nach Empfang eines modulierten Millimetersignals von der jeweils zugeordneten Einzelantennengruppe her eine Phase, Amplitude oder Zeitlage des modulierten elektronischen Millimeterwellensignals jeweils individuell zu demodulieren und ein demoduliertes elektronisches Millimeterwellensignal auszugeben;und
  • - eine gemeinsame Misch-Einheit, die ausgebildet ist,
    • bei Betrieb in Senderichtung ein elektronisches Basisbandsignal zu empfangen, in das elektronische Millimeterwellensignal umzuwandeln und an die Modulatoren auszugeben,und
    • bei Betrieb in Empfangsrichtung das demodulierte elektronische Millimeterwellensignal von den Modulatoren zu empfangen und in ein elektronisches Basisbandsignal umzuwandeln.
According to a first aspect, the invention relates to an antenna module for transmitting or receiving millimeter wave signals. The antenna module has:
  • - An antenna field in the form of a structured metal plane with a large number of individual antenna elements grouped in individual antenna groups on a carrier substrate, each individual antenna group containing at least two individual antenna elements that can be controlled together;
  • - a large number of modulators which are designed to receive an electronic millimeter wave signal,
    • to modulate a phase, amplitude or time position of the electronic millimeter wave signal individually during operation in the transmission direction and to output it to an assigned one of the individual antenna groups and
    • when operating in the receiving direction after receiving a modulated millimeter signal from the respectively assigned individual antenna group, to individually demodulate a phase, amplitude or timing of the modulated electronic millimeter wave signal and to output a demodulated electronic millimeter wave signal; and
  • - a common mixing unit that is designed to
    • to receive an electronic baseband signal when operating in the transmission direction, to convert it into the electronic millimeter-wave signal and to output it to the modulators, and
    • to receive the demodulated electronic millimeter wave signal from the modulators when operating in the receiving direction and convert it into an electronic baseband signal.

Dem erfindungsgemäßen Antennenmodul liegen folgende Überlegungen zugrunde: Eine Einzelantennengruppe, die eine Gruppe von Einzelantennenelementen bildet, welche jeweils geringere Richtwirkung haben, entspricht in ihrer Wirkung einem Einzelantennenelement mit größerer Richtwirkung. Idealerweise sollten die Einzelantennenelemente einer Einzelantennengruppe des vorliegenden Antennenmoduls keine Richtwirkung haben, also omnidirektional sein. Dann kann durch eine Änderung der Signalphase das resultierende Gesamtabstrahl- oder -empfangsmuster bestimmt werden. Bei Antennenelementen mit höherer Richtwirkung, und also auch bei Gruppen von Elementen tritt das Problem auf, dass im Sendefall Nebenausstrahlung erzeugt wird und analog im Empfangsfall auch Nebeneinstreuung erfasst wird. Durch Gruppenbildung und eine Ansteuerung mehrerer Einzelantennenelemente mit der gleichen Phasenlage entstehen Nebenkeulen im Antennenabstrahl- oder empfangspattern. Ohne Strahlauslenkung (also in senkrechter Richtung) gibt es zwar keine Gangunterschiede. Trifft der Strahl jedoch von der Seite ein, wird durch die gleiche Phasenkorrektur im Modulator für unterschiedliche Antennenelemente sowohl der Strahl aus der gewünschten Richtung als auch ein Strahl aus einer anderen Richtung mit empfangen. Mit anderen Worten: das Antennenempfangsmuster hat Nebenkeulen.The antenna module according to the invention is based on the following considerations: An individual antenna group, which forms a group of individual antenna elements, each of which has a lower directional effect, corresponds in its effect to an individual antenna element with a greater directional effect. Ideally, the individual antenna elements of an individual antenna group of the present antenna module should not have any directional effect, that is, they should be omnidirectional. The resulting overall emission or reception pattern can then be determined by changing the signal phase. In the case of antenna elements with a higher directivity, and thus also in the case of groups of elements, the problem arises that secondary radiation is generated in the case of transmission and, analogously, in the case of reception, secondary interference is also detected. By forming groups and activating several individual antenna elements with the same phase position, side lobes arise in the antenna radiation or reception pattern. Without beam deflection (i.e. in a vertical direction) there are no path differences. However, if the beam arrives from the side, the same phase correction in the modulator for different antenna elements will also receive both the beam from the desired direction and a beam from another direction. In other words, the antenna reception pattern has sidelobes.

Bei dem Antennenmodul erfolgt zur Vermeidung einer phasensynchronen Verteilung eines Hochfrequenz-Trägersignals die Phasenänderung der Signale im Millimeterwellenbereich, indem eine gemeinsame Misch-Einheit als zentraler Mischerbaustein sowie eine Mehrzahl von Modulatoren verwendet wird. Weiterhin gelingt es, eine im Vergleich mit bekannten Lösungen besonders geringe Anzahl an Modulatoren zu verwenden, indem die Einzelantennenelemente in Einzelantennengruppen zusammengefasst sind und die Einzelantennenelemente einer jeweiligen dieser Einzelantennengruppen genau einem Modulator zugeordnet sind. Dadurch wird bei Betrieb in Senderichtung eine gesamte jeweilige Einzelantennengruppe mit einem modulierten elektronischen Millimeterwellensignal angesteuert. Bei Betrieb in Empfangsrichtung ergeben die von den Einzelantennenelementen einer Einzelantennengruppe empfangenen Signale ein einziges, durch den jeweils zugeordneten Modulator demoduliertes elektronisches Millimeterwellensignal. Empfangs- und Senderichtung verhalten sich analog.In the antenna module, to avoid a phase-synchronous distribution of a high-frequency carrier signal, the phase change of the signals takes place in the millimeter-wave range by using a common mixer unit as a central mixer component and a plurality of modulators. Furthermore, it is possible to use a particularly small number of modulators compared with known solutions, in that the individual antenna elements are combined in individual antenna groups and the individual antenna elements of each of these individual antenna groups are assigned to exactly one modulator. As a result, when operating in the transmission direction, an entire respective individual antenna group is controlled with a modulated electronic millimeter wave signal. When operating in the receiving direction, the signals received by the individual antenna elements of an individual antenna group result in a single electronic millimeter-wave signal demodulated by the respectively assigned modulator. The reception and transmission direction behave in the same way.

Somit kann eine große Anzahl an Einzelantennenelementen genutzt werden, ohne dabei die gleiche Anzahl an Modulatoren zu benötigen. Dies ist insbesondere vorteilhaft für den genutzten Millimeterwellenbereich, da hier auf Grund frequenzregulatorischer Vorschriften eine hochdirektive Abstrahlungs- oder Empfangscharakteristik des Antennenmoduls erwünscht ist. Eine solche hochdirektive Abstrahlungs- oder Empfangscharakteristik bei einem gleichzeitig weiten Schwenkbereich des Antennenmoduls erfordert jedoch eine große Anzahl an Einzelantennenelementen. Daher kann durch die Reduzierung der Anzahl von Modulatoren die Produktion des erfindungsgemäßen Antennenmoduls vereinfacht werden, da sowohl Material als auch Platz auf dafür verwendeten Leiterplatten eingespart werden können.A large number of individual antenna elements can thus be used without the need for the same number of modulators. This is particularly advantageous for the millimeter wave range that is used, since here, due to frequency regulatory regulations, a highly directive radiation or reception characteristic of the antenna module is desired. Such a highly directive emission or reception characteristic with a simultaneously wide swivel range of the antenna module, however, requires a large number of individual antenna elements. Therefore, by reducing the number of modulators, the production of the antenna module according to the invention can be simplified, since both material and space on printed circuit boards used for this can be saved.

Die Apertur des erfindungsgemäßen Antennenmoduls ist größer als bei bekannten Antennenmodulen mit der gleichen Anzahl an Modulatoren, in denen jedem Modulator genau ein Einzelantennenelement zugeordnet ist. Wenn jeder Einzelantennengruppe nicht nur 2, sondern beispielsweise 4, 8 oder 16 Einzelantennen zugeordnet werden, ist die Apertur für den genannten Vergleich mit bekannten Antennenmodulen 4, 8 oder 16 mal so groß. Folglich kann mit geringem zusätzlichem Produktionsaufwand ein großer Schwenkbereich des Antennenmoduls bei gleichzeitig hochdirektiver Abstrahlungs- oder Empfangscharakteristik gewährleistet werden. Eine Erhöhung der Anzahl an Einzelantennenelementen führt dabei im Allgemeinen zu geringeren zusätzlichen Produktionskosten als eine Erhöhung der Anzahl an Modulatoren. Daher ist durch das erfindungsgemäße Antennenmodul ein großer Schwenkbereich und eine hochdirektive Abstrahlungs- oder Empfangscharakteristik bei vergleichsweise geringen Produktionskosten möglich.The aperture of the antenna module according to the invention is larger than in known antenna modules with the same number of modulators, in which each modulator is assigned exactly one individual antenna element. If each individual antenna group is assigned not just 2 but, for example, 4, 8 or 16 individual antennas, the aperture for the aforementioned comparison with known antenna modules is 4, 8 or 16 times as large. As a result, a large swivel range of the antenna module can be guaranteed with a high degree of directional radiation or reception characteristics with little additional production effort. An increase in the number of individual antenna elements generally leads to lower additional production costs than an increase in the number of modulators. Therefore, the antenna module according to the invention enables a large swivel range and a highly directive radiation or reception characteristic with comparatively low production costs.

Als hochdirektive Abstrahlungs- oder Empfangscharakteristik soll im Folgenden eine solche Charakteristik verstanden werden, die einem hohen Antennengewinn des gesamten Antennenmoduls entspricht. Der Antennengewinn ist hierbei das Verhältnis zwischen einer in eine Hauptabstrahl- oder Hauptempfangsrichtung des Antennenmoduls abgestrahlte oder empfangene Strahlungsleistungsdichte und einer entsprechenden Strahlungsleistungsdichte eines isotropen Kugelstrahlers mit einer über alle Richtungen gleichen Strahlstärke. Das bedeutet dass bei einer hochdirektiven Abstrahlungscharakteristik der Anteil von Nebenkeulenaussendungen am gesendeten Signal gering ist und dass bei einem hochdirektiven Empfangssignal der Anteil von Nebeneinstreuungen am empfangenen Signal gering ist.In the following, a highly directive emission or reception characteristic is to be understood as a characteristic which corresponds to a high antenna gain of the entire antenna module. The antenna gain is the ratio between a radiation power density emitted or received in a main radiation or main reception direction of the antenna module and a corresponding radiation power density of an isotropic spherical emitter with a radiation intensity that is the same in all directions. This means that with a highly directive radiation characteristic, the proportion of side lobe emissions in the transmitted signal is low and that with a highly directive reception signal the proportion of side interference in the received signal is low.

Falls die Modulation des elektrischen Millimeterwellensignals über eine Modulation der Amplitude des Millimeterwellensignals erfolgt, führt das zu Vorteilen bei der praktischen Realisierung der Antenne. So kann eine Amplitudenmodulation zur Kompensation von Herstellungstoleranzen und zur Beeinflussung des Antennenabstrahlprofils durch eine unterschiedliche Amplitudenbelegung der Einzelantennenelemente führen.If the electrical millimeter wave signal is modulated by modulating the amplitude of the millimeter wave signal, this leads to advantages in the practical implementation of the antenna. For example, amplitude modulation can compensate for manufacturing tolerances and influence the antenna radiation profile through different amplitude occupancy of the individual antenna elements.

Nachfolgend werden Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Antennenmoduls beschrieben.Embodiments of the antenna module according to the invention are described below.

Abhängig davon, ob ein elektromagnetisches Signal gesendet oder empfangen werden soll, ist das Antennenmodul in Senderichtung oder in Empfangsrichtung betreibbar. Unterschiedliche Ausführungsformen des Antennenmoduls sind für einen Betrieb ausschließlich in Senderichtung, ausschließlich in Empfangsrichtung oder wahlweise in Sende- oder Empfangsrichtung ausgebildet.Depending on whether an electromagnetic signal is to be sent or received, the antenna module can be operated in the sending direction or in the receiving direction. Different embodiments of the antenna module are designed for operation exclusively in the transmission direction, exclusively in the reception direction or optionally in the transmission or reception direction.

In einer bevorzugten Ausführungsform, hat das Antennenfeld als Ganzes eine Rechteck-Form und die Einzelantennenelemente haben eine bezüglich der Kanten der Rechteck-Form des Antennenfeldes um 45° gedrehte Rechteck-Form. Solch eine Anordnung unterstützt einen großen Antennengewinn, also eine hohe Richtwirkung und eine geringe Nebenkeulenaussendung des Antennenmoduls dieser Ausführungsform. Die Richtwirkung wird insbesondere dadurch unterstützt, dass Wellen, die sich außerhalb einer Hauptabstrahl- oder Empfangsrichtung ausbreiten, destruktiv interferieren.In a preferred embodiment, the antenna field as a whole has a rectangular shape and the individual antenna elements have a rectangular shape rotated by 45 ° with respect to the edges of the rectangular shape of the antenna field. Such an arrangement supports a large antenna gain, that is to say a high directivity and a low side lobe emission of the antenna module of this embodiment. The directional effect is supported in particular by the fact that waves that propagate outside a main emission or reception direction interfere destructively.

Mit der vorliegenden Ausführungsform gelingt es, Abstände zwischen Mittelpunktszuführungen benachbarter Einzelantennengruppen ungefähr im Bereich einer halben Wellenlänge des empfangenen oder gesendeten Signals zu realisieren. Dem liegen die folgenden Überlegungen zugrunde. Da ein rechteckiges Antennenfeld nicht rotationssymmetrisch ist, ist das Antennenmuster je nach Schnittebene unterschiedlich, was aus unterschiedlichen Abständen der Einzelantennenelemente resultiert: bei gleichem Abstand in x- und y-Richtung sieht das Antennenmuster bei horizontalem oder vertikalen Schnitt zwar gleich aus, bei einem diagonalen Schnitt jedoch nicht. Für die Festlegung des Antennenmusters bei einer Phased-Array-Antenne ist der Abstand der Einzelantennenelemente mit unterschiedlichen Phasen entscheidend. Idealerweise hat jedes Einzelantennenelement eine andere Phasenlage. Werden die Elemente gruppiert, bestimmt der Abstand der Gruppen die Güte des Abstrahlungsmusters. Durch ein Drehen der Elemente ist es möglich, den Abstand der Einzelantennenelemente voneinander in der Diagonalen zu verringern. Es zeigt sich, dass eine Anordnung mit um 45° gedrehten Einzelantennenelementen und einer „dreieckigen“ Außenkontur vorteilhaft ist, um Nebenkeulen im Abstrahlungsmuster zu unterdrücken.With the present embodiment, it is possible to achieve distances between center feeds of adjacent individual antenna groups approximately in the range of half a wavelength of the received or transmitted signal. This is based on the following considerations. Since a rectangular antenna field is not rotationally symmetrical, the antenna pattern is different depending on the cutting plane, which results from the different distances between the individual antenna elements: with the same spacing in the x and y directions, the antenna pattern looks the same for a horizontal or vertical section, but for a diagonal section However not. When determining the antenna pattern for a phased array antenna, the distance between the individual antenna elements with different phases is decisive. Ideally, each individual antenna element has a different phase position. If the elements are grouped, the distance between the groups determines the quality of the radiation pattern. By rotating the elements, it is possible to reduce the distance between the individual antenna elements on the diagonal. It turns out that an arrangement with individual antenna elements rotated by 45 ° and a “triangular” outer contour is advantageous in order to suppress sidelobes in the radiation pattern.

In einer weiteren Ausführungsform sind auf dem Trägersubstrat zusätzliche inaktive Einzelantennenelemente angeordnet, welche an keinen der Modulatoren angeschlossen sind. In einer besonders vorteilhaften Variante, befinden sich die zusätzlichen inaktiven Einzelantennenelemente an einem Rand des Antennenfeldes, so dass die in Randbereichen des Antennenfeldes angeordneten aktiv sendenden oder empfangenden Einzelantennenelemente die gleiche physikalische Nachbarschaft aufweisen wie solche Einzelantennenelemente, die im Inneren des Antennenfeldes angeordnet sind. Dies führt zu einer besser kontrollierbaren Abstrahlungs- und Empfangscharakteristik.In a further embodiment, additional inactive individual antenna elements, which are not connected to any of the modulators, are arranged on the carrier substrate. In a particularly advantageous variant, the additional inactive individual antenna elements are located at an edge of the antenna field, so that the actively transmitting or receiving individual antenna elements arranged in the edge areas of the antenna field have the same physical proximity as those individual antenna elements that are arranged inside the antenna field. This leads to better controllable radiation and reception characteristics.

In einer Ausführungsform ist das Trägersubstrat eine erste hochfrequenztaugliche Leiterplatte, auf welcher die Vielzahl von Einzelantennengruppen und die Vielzahl von Modulatoren angeordnet, und eine zweite Leiterplatte, die an der ersten Leiterplatte des Antennenmoduls befestigt ist, und mit ihr zur Übermittlung von Signalen einer Basisband- oder Zwischenfrequenz verbunden ist und auf der Schaltungskomponenten angeordnet sind, die die Signale der Basisband- oder Zwischenfrequenz, nicht jedoch Hochfrequenzsignale erzeugen, verarbeiten oder empfangen. Die Verwendung von mindestens zwei Leiterplatten hat den Vorteil, dass eine Gesamtgröße des Antennenmoduls klein gehalten werden kann, was auch Verluste durch eine typischerweise hohe Signaldämpfung elektronischer Millimeterwellensignale- gering hält. Außerdem kann das Antennenmodul bei einer geringen Gesamtgröße einfacher in Geräten verbaut werden. Durch unterschiedliche Leiterplatten innerhalb des Antennenmoduls können auch unterschiedliche Leiterplattenmaterialien verwendet werden. In einer Variante dieser Ausführungsform umfasst die erste hochfrequenztaugliche Leiterplatte eine oder mehrere Lagen eines HF-Leiterplattenmaterials, wobei außerdem die zweite Leiterplatte aus einem Nicht-HF-Leiterplattenmaterial besteht. Eine Nutzung von Nicht-HF-Leiterplattenmaterial für die zweite Leiterplatte ist vorteilhaft, weil HF-Materialen auf Grund ihrer Materialeigenschaften nicht für die für Millimeterwellen-Antennenmodule typischen sehr feinen Strukturgrö-ßen verwendet werden können. Meist bestehen HF-Materialien aus Polytetrafluorethylen (PTFE), Keramikfüllstoffen und oftmals zusätzlich aus einer Glasmatte zur Stabilisierung. Durch die Materialeigenschaften müssen auf den (teilweises weicheren) HF-Materialien z. B. größere Leiterbahndurchmesser und größere Bohrdurchmesser für Durchkontaktierungen verwendet werden, als dies bei den Standard-FR4-Platinen der Fall ist.In one embodiment, the carrier substrate is a first high-frequency-compatible circuit board on which the plurality of individual antenna groups and the plurality of modulators are arranged, and a second circuit board which is attached to the first circuit board of the antenna module, and with it for transmitting signals of a baseband or Intermediate frequency is connected and are arranged on the circuit components that generate, process or receive the signals of the baseband or intermediate frequency, but not high-frequency signals. The use of at least two circuit boards has the advantage that the overall size of the antenna module can be kept small, which also keeps losses due to the typically high signal attenuation of electronic millimeter wave signals low. In addition, the antenna module can be installed more easily in devices with a small overall size. Different circuit board materials can also be used due to different circuit boards within the antenna module. In a variant of this embodiment, the first high-frequency-compatible circuit board comprises one or more layers of an HF circuit board material, the second circuit board also consisting of a non-HF circuit board material. Using non-HF printed circuit board material for the second printed circuit board is advantageous because, due to their material properties, HF materials cannot be used for the very fine structural sizes typical of millimeter wave antenna modules. HF materials usually consist of polytetrafluoroethylene (PTFE), ceramic fillers and often a glass mat for stabilization. Due to the material properties, on the (partly softer) HF materials z. B. larger conductor track diameters and larger drilling diameters for vias can be used than is the case with the standard FR4 boards.

So sind HF-Materialen im Allgemeinen deutlich weicher als Nicht-HF-Materialien, was im Rahmen eines Verpressens von einzelnen Leiterplatten zu Verschiebungen führt, die größere Toleranzen bedingen. Außerdem kann der Umstand, dass HF-Materialen meist weicher als Nicht-HF-Materialen sind, zu einem großen Leiterbahndurchmesser und einem großen Bohrdurchmesser für Durchkontaktierungen führen.For example, HF materials are generally significantly softer than non-HF materials, which leads to displacements in the context of pressing individual circuit boards, which require greater tolerances. In addition, the fact that HF materials are usually softer than non-HF materials can lead to a large conductor track diameter and a large drilling diameter for vias.

HF-Leiterplattenmaterial besitzt unter anderem eine hohe Konstanz der dielektrischen Eigenschaften über den Frequenzbereich, d. h. bis in den HF-Bereich bei 60-80 GHz gegenüber an der entsprechenden Leiterplatte reflektierten HF-Signalen, beispielsweise durch geeignet gewählte dielektrische Eigenschaften. Da somit kapazitive Effekte verringert werden, kann HF-Leiterplattenmaterial vorteilhaft zum Anordnen von HF-Komponenten, wie den Einzelantennenelementen, dem Mischer und den Modulatoren, verwendet werden.HF circuit board material has, among other things, a high degree of constancy of the dielectric properties over the frequency range, i. H. up to the HF range at 60-80 GHz compared to HF signals reflected on the corresponding circuit board, for example through suitably selected dielectric properties. Since capacitive effects are thus reduced, RF circuit board material can advantageously be used for arranging RF components such as the individual antenna elements, the mixer and the modulators.

In einer weiteren Variante dieser Ausführungsform sind die erste und die zweite Leiterplatte miteinander verlötet. In einem Beispiel dieser Variante sind die erste und die zweite Leiterplatte über Lötbälle aneinander befestigt. In einer weiteren Variante dieser Ausführungsform sind die Einzelantennenelemente auf einer Oberseite der ersten Leiterplatte angeordnet und die Modulatoren sind auf einer Unterseite der ersten Leiterplatte befestigt. In einem Beispiel dieser Variante sind die Einzelantennenelemente monolithisch auf der ersten Leiterplatte integriert.In a further variant of this embodiment, the first and the second circuit board are soldered to one another. In one example of this variant, the first and the second printed circuit board are attached to one another by means of solder balls. In a further variant of this embodiment, the individual antenna elements are arranged on an upper side of the first circuit board and the modulators are attached to an underside of the first circuit board. In one example of this variant, the individual antenna elements are monolithically integrated on the first printed circuit board.

In einer weiteren Ausführungsform weist die zweite Leiterplatte mindestens eine Öffnung auf, in der ein Kühlkörper angeordnet ist, welcher mit auf der ersten Leiterplatte angeordnete Komponenten des Antennenmoduls in thermischem Kontakt ist. Dies ist dadurch besonders vorteilhaft, dass HF-Komponenten des Antennenmoduls, wie die Modulatoren, der Mischer und die Einzelantennenelemente, im Betrieb des Antennenmoduls sehr heiß werden können und dadurch zu Schäden innerhalb der HF-Komponenten oder in umliegenden Bauteilen führen können. Die Nutzung des Kühlkörpers kann die Gefahr solcher Schäden verringern. Die Verwendung einer Öffnung in der zweiten Leiterplatte für eine Kühlung der ersten Leiterplatte ist insbesondere dadurch vorteilhaft, dass ohne mindestens eine solche Öffnung zwischen der ersten und zweiten Leiterplatte eine Kühlung aus Platzgründen schwer zu realisieren ist. In einer Variante dieser Ausführungsform ist der Kühlkörper an der zweiten Leiterplatte befestigt. In einer weiteren Variante dieser Ausführungsform bestehen die erste hochfrequenztaugliche Leiterplatte aus einem HF-Leiterplattenmaterial und die zweite Leiterplatte aus einem Nicht-HF-Leiterplattenmaterial.In a further embodiment, the second printed circuit board has at least one opening in which a heat sink is arranged, which is in thermal contact with components of the antenna module arranged on the first printed circuit board. This is particularly advantageous because HF components of the antenna module, such as the modulators, the mixer and the individual antenna elements, can get very hot when the antenna module is in operation and can thus lead to damage within the HF components or in surrounding components. Using the heat sink can reduce the risk of such damage. The use of an opening in the second circuit board for cooling the first circuit board is particularly advantageous in that, for reasons of space, cooling is difficult to implement without at least one such opening between the first and second circuit board. In a variant of this embodiment, the heat sink is attached to the second printed circuit board. In a further variant of this embodiment, the first high-frequency-compatible printed circuit board consists of an HF printed circuit board material and the second printed circuit board consists of a non-HF printed circuit board material.

In einer weiteren Ausführungsform sind die Modulatoren jeweils entweder als Vektormodulator, Phasenmodulator oder als Verzögerungsmodulator ausgebildet. In dieser Ausführungsform können durch Vektormodulation, reine Phasenmodulation oder Signalverzögerung die elektronischen Millimeterwellensignale moduliert oder die modulierten Millimeterwellensignale demoduliert werden.In a further embodiment, the modulators are each designed either as a vector modulator, phase modulator or as a delay modulator. In this embodiment, the electronic millimeter-wave signals can be modulated or the modulated millimeter-wave signals can be demodulated by means of vector modulation, pure phase modulation or signal delay.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist das erfindungsgemäße Antennenmodul weiterhin eine Anzahl von Richtungsumschaltern auf, die ausgebildet sind, ein Richtungssteuersignal zu empfangen und abhängig von dem Richtungssteuersignal einen Betrieb des Antennenmoduls zwischen Senderichtung und Empfangsrichtung umzuschalten. In einer Variante dieser Ausführungsform sind die Richtungsumschalter jeweils ein Bestandteil eines entsprechenden Modulators. Der Modulator hat in dieser Ausführungsform typischerweise ein Modulations-Teil und ein Demodulations-Teil, zwischen denen je nach Betrieb in Sende- oder Empfangsschaltungen jeweils in Abhängigkeit vom Zustand eines zugeordneten Richtungsumschalters nur einer genutzt wird. In einer bevorzugten Variante dieser Ausführungsform ist ein Richtungsumschalter ein Bestandteil der gemeinsamen Misch-Einheit. Auch hier ist vorzugsweise eine Zweiteilung in einen Mischer-Schaltungsteil für die Senderichtung und einen Entmischer-Schaltungsteil für die Empfangsrichtung vorgesehen, die jeweils vom Zustand des Richtungsumschalters abhängig alternativ betrieben werden.In a preferred embodiment, the antenna module according to the invention also has a number of direction switches which are designed to receive a direction control signal and to switch operation of the antenna module between the transmission direction and the reception direction depending on the direction control signal. In a variant of this embodiment, the direction switches are each part of a corresponding modulator. In this embodiment, the modulator typically has a modulation part and a demodulation part, between which, depending on the operation in transmitting or receiving circuits, only one is used depending on the state of an assigned direction switch. In a preferred variant of this embodiment, a direction switch is a component of the common mixing unit. Here, too, a division into a mixer circuit part for the transmission direction and a demixer circuit part for the reception direction is preferably provided, each of which is operated alternatively depending on the state of the direction switch.

Das Richtungssteuersignal ist in einer Variante dieser Ausführungsform ein elektrisches Signal, dass durch eine zentrale Richtungssteuereinheit übertragen und von der Vielzahl von Richtungsumschaltern empfangen wird. In einer Variante dieser Ausführungsform wird nur ein Richtungssteuersignal übertragen, wenn zwischen einem Betrieb in Senderichtung und einem Betrieb in Empfangsrichtung gewechselt werden soll. In einer weiteren Variante dieser Ausführungsform wird in regelmäßigen Abständen ein Richtungssteuersignal an die Richtungsumschalter übertragen, welches eine Information darüber enthält, ob das Antennenmodul zu diesem Zeitpunkt in Senderichtung oder in Empfangsrichtung betrieben werden soll.In one variant of this embodiment, the direction control signal is an electrical signal that is transmitted by a central direction control unit and received by the plurality of direction switches. In a variant of this embodiment, only one direction control signal is transmitted when a change is to be made between operation in the transmission direction and operation in the reception direction. In a further variant of this embodiment, a direction control signal is transmitted to the direction switch at regular intervals, which contains information about whether the antenna module is to be operated in the transmit direction or in the receive direction at this point in time.

Durch die Verwendung von Richtungsumschaltern kann das Antennenmodul in einer Variante also vorteilhaft wahlweise für das Senden oder das Empfangen von Millimeterwellensignalen genutzt werden. Außerdem können Leitungen zwischen den HF-Komponenten des Antennenmoduls bidirektional genutzt werden, was eine geringe Größe des Antennenmoduls erlaubt.By using direction switches, one variant of the antenna module can advantageously be used either for sending or receiving millimeter wave signals. In addition, lines between the HF components of the antenna module can be used bidirectionally, which allows the antenna module to be small.

In einer weiteren Ausführungsform sind die Modulatoren des Antennenmoduls ausgebildet, die elektronischen Millimeterwellensignale wahlweise in einer von mehreren Modulationsweisen zu modulieren oder zu demodulieren, sowie ein Modulations-Steuersignal zu empfangen und je nach anliegendem Modulations-Steuersignal eine der Modulationsweisen auszuwählen und anzuwenden. Weiterhin weist das Antennenmodul in dieser Ausführungsform mindestens eine Steuereinheit zum Bereitstellen des Modulations-Steuersignals auf. Das Antennenmodul gemäß dieser Ausführungsform hat den Vorteil, dass die Modulationsweise über das Modulations-Steuersignal verändert, und dadurch eine Modulation der Modulatoren an ein entsprechendes zu versendendes oder zu empfangenes Mikrowellensignal angepasst werden kann. Die Modulationsweise umfasst dabei alle Informationen zu der genutzten Modulation, also insbesondere den Winkel des zu sendenden oder zu empfangenden Millimeterwellensignals, und die Art der Phasen-, Amplituden- oder Zeitlagenmodulation. In einer Variante dieser Ausführungsform beinhaltet das Modulations-Steuersignal den von dem Antennenmodul zu realisierenden Schwenkwinkel. In einer weiteren Variante dieser Ausführung umfasst das Steuersignal eine Information darüber, ob durch Vektormodulation, durch reine Phasenmodulation oder durch eine Zeitverzögerung die Modulation der elektronischen Millimeterwellensignale durch die Modulatoren realisiert werden soll. In einer bevorzugten Variante dieser Ausführungsform ist die Steuereinheit an der zweiten Leiterplatte angeordnet.In a further embodiment, the modulators of the antenna module are designed that to modulate or demodulate electronic millimeter wave signals optionally in one of several modulation modes, as well as to receive a modulation control signal and, depending on the applied modulation control signal, to select and apply one of the modulation modes. Furthermore, in this embodiment, the antenna module has at least one control unit for providing the modulation control signal. The antenna module according to this embodiment has the advantage that the modulation method is changed via the modulation control signal, and a modulation of the modulators can thereby be adapted to a corresponding microwave signal to be sent or received. The modulation method includes all information on the modulation used, in particular the angle of the millimeter wave signal to be sent or received, and the type of phase, amplitude or time slot modulation. In a variant of this embodiment, the modulation control signal contains the swivel angle to be realized by the antenna module. In a further variant of this embodiment, the control signal includes information as to whether the modulation of the electronic millimeter wave signals is to be implemented by the modulators by means of vector modulation, by pure phase modulation or by a time delay. In a preferred variant of this embodiment, the control unit is arranged on the second printed circuit board.

In einer weiteren Ausführungsform weist das Antennenmodul eine Spannungssteuereinheit auf, die dazu ausgebildet ist, eine temporäre Versorgung von Komponenten des Antennenmoduls mit Spannung zu steuern. Hierdurch wird in dieser Ausführungsform eine Mehrfachbelegung von Versorgungsleitungen zu den Komponenten möglich. Die Signalleitung der Millimeterwellen-Signale wird demnach vorteilhafterweise im HF-Stapel vorgenommen, derweil die Leitungsverdrahtung für die Spannungsversorgung und die Steuersignale im NF-Stapel erfolgt. In einer bevorzugten Variante dieser Ausführungsform ist die Spannungssteuereinheit an der zweiten Leiterplatte angeordnet.In a further embodiment, the antenna module has a voltage control unit which is designed to control a temporary supply of voltage to components of the antenna module. In this embodiment, this enables multiple use of supply lines to the components. The signal line for the millimeter wave signals is therefore advantageously carried out in the HF stack, while the line wiring for the voltage supply and the control signals is carried out in the LF stack. In a preferred variant of this embodiment, the voltage control unit is arranged on the second printed circuit board.

In einer Ausführungsform gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, bilden die Einzelantennenelemente identische Metallflächen. In einer Variante dieser Ausführungsform sind die durch die Einzelantennenelemente gebildeten identischen Metallflächen rechteckig, rund oder oktagonal. Die regelmäßigen Formen der Metallflächen in dieser Ausführungsform haben den Vorteil, dass sie leicht herzustellen sind und eine bekannte Antennencharakteristik besitzen. Eine Verwendung von rechteckigen Metallflächen hat außerdem den Vorteil, dass sich Rechtecke überlappungsfrei aneinander anlegen lassen, so dass für eine vorgegebene Anzahl an Einzelantennenelementen eine geringe Größe des dazugehörigen Antennenfeldes und somit auch des Antennenmoduls möglich ist.In one embodiment according to the first aspect of the invention, the individual antenna elements form identical metal surfaces. In a variant of this embodiment, the identical metal surfaces formed by the individual antenna elements are rectangular, round or octagonal. The regular shapes of the metal surfaces in this embodiment have the advantage that they are easy to manufacture and have known antenna characteristics. Using rectangular metal surfaces also has the advantage that rectangles can be placed against one another without overlapping, so that a small size of the associated antenna field and thus also of the antenna module is possible for a given number of individual antenna elements.

In einer weiteren Ausführungsform sind die Modulatoren aus der Vielzahl von Modulatoren zu einer Anzahl von Modulatorgruppen zusammengefasst, die jeweils einen gemeinsamen auf der ersten Leiterplatte integrierten Schaltkreis bilden. Durch eine solche Strukturierung der Modulatoren in dieser Ausführungsform, wird auf vorteilhafte Weise genutzte Fläche auf der ersten Leiterplatte gespart, so dass die Größe des Antennenmoduls und ein entsprechender Produktionsaufwand verringert werden können. In einer Variante dieser Weiterbildung hat das Antennenmodul 28 Modulatorgruppen, die jeweils 8 Modulatoren umfassen.In a further embodiment, the modulators from the plurality of modulators are combined to form a number of modulator groups which each form a common circuit integrated on the first printed circuit board. Structuring the modulators in this way in this embodiment advantageously saves space on the first printed circuit board, so that the size of the antenna module and a corresponding production outlay can be reduced. In a variant of this development, the antenna module has 28 modulator groups, each of which includes 8 modulators.

In alternativen Ausführungsformen des Antennenmoduls enthält jede Einzelantennengruppe 2, 4, 8 oder 16 Einzelantennenelemente.In alternative embodiments of the antenna module, each individual antenna group contains 2, 4, 8 or 16 individual antenna elements.

In einer weiteren Ausführungsform weist das Antennenmodul mehr als 100 Einzelantennenelemente, in einer bevorzugten Variante mehr als 500 Einzelantennenelemente auf Gemäß einem zweiten Aspekt, betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Senden oder Empfangen von Millimeterwellensignalen. Dieses Verfahren umfasst ein Bereitstellen eines Antennenmoduls gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung. Weiterhin weist es bei Betrieb in Senderichtung die folgenden Schritte auf:

  • - Empfangen eines elektronischen Basisbandsignals und Umwandeln des elektronischen Basisbandsignals in ein elektronisches Millimeterwellensignal durch die gemeinsame Misch-Einheit;
  • - Empfangen des elektronischen Millimeterwellensignals durch jeden der Modulatoren, jeweils individuelles Modulieren einer Phase, Amplitude oder Zeitlage des elektronischen Millimeterwellensignals durch die Modulatoren sowie Ausgeben eines jeweiligen modulierten elektronischen Millimeterwellensignals durch die Modulatoren an die jeweils zugeordnete Einzelantennengruppe;
  • - Empfangen des jeweiligen modulierten elektronischen Millimeterwellensignals und Aussenden als jeweiliges moduliertes Millimeterwellensignal durch jedes Einzelantennenelement der jeweils zugeordneten Einzelantennengruppe.
In a further embodiment, the antenna module has more than 100 individual antenna elements, in a preferred variant more than 500 individual antenna elements. According to a second aspect, the invention relates to a method for transmitting or receiving millimeter wave signals. This method comprises providing an antenna module according to the first aspect of the invention. It also has the following steps when operating in the sending direction:
  • - Receiving an electronic baseband signal and converting the electronic baseband signal into an electronic millimeter wave signal by the common mixer unit;
  • - Receiving the electronic millimeter wave signal by each of the modulators, individually modulating a phase, amplitude or time position of the electronic millimeter wave signal by the modulators and outputting a respective modulated electronic millimeter wave signal by the modulators to the respectively assigned individual antenna group;
  • - Receipt of the respective modulated electronic millimeter wave signal and transmission as a respective modulated millimeter wave signal by each individual antenna element of the respective assigned individual antenna group.

Für einen Betrieb in Empfangsrichtung weist das erfindungsgemäße Verfahren die folgenden Schritte auf:

  • - Empfangen von modulierten Millimeterwellensignalen durch die Einzelantennenelemente sowie Ausgeben der modulierten Millimeterwellensignale als modulierte elektronische Millimeterwellensignale durch die Einzelantennenelemente an jeweils den der Einzelantennengruppe zugeordneten Modulator;
  • - Empfangen des modulierten elektronischen Millimeterwellensignals durch den zugeordneten Modulator und Demodulieren einer Phase, Amplitude oder Zeitlage der modulierten elektronischen Millimeterwellensignale durch den jeweiligen Modulator und Ausgeben der demodulierten elektronischen Millimeterwellensignale an die gemeinsame Misch-Einheit;
  • - Empfangen der demodulierten elektronischen Millimeterwellensignale und Umwandeln der demodulierten Millimeterwellensignale in ein elektronisches Basisbandsignal.
For operation in the receiving direction, the method according to the invention has the following steps:
  • - Receiving modulated millimeter wave signals by the individual antenna elements and outputting the modulated millimeter wave signals as modulated electronic millimeter wave signals by the individual antenna elements to the modulator assigned to the individual antenna group in each case;
  • - Receiving the modulated electronic millimeter wave signal by the associated modulator and demodulating a phase, amplitude or time position of the modulated electronic millimeter wave signals by the respective modulator and outputting the demodulated electronic millimeter wave signals to the common mixing unit;
  • - Receiving the demodulated millimeter-wave electronic signals and converting the demodulated millimeter-wave signals into a baseband electronic signal.

Das Verfahren gemäß dem zweiten Aspekt führt zu den gleichen Vorteilen wie das Antennenmodul gemäß dem ersten Aspekt, insbesondere da zur Ausführung des Verfahrens ein Antennenmodul gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung genutzt wird.The method according to the second aspect leads to the same advantages as the antenna module according to the first aspect, in particular since an antenna module according to the first aspect of the invention is used to carry out the method.

Die Erfindung soll nun anhand von Ausführungsformen mit Bezug auf Figuren näher erläutert werden. Von diesen zeigen:

  • 1 eine schematische Illustration einer Ausführungsform eines Antennenmoduls gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung;
  • 2 einen Querschnitt einer Ausführungsform des Antennenmoduls gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung;
  • 3 eine Darstellung einer Ausführungsform einer Anordnung von Einzelantennenelementen des Antennenmoduls gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung;
  • 4 eine Darstellung einer Ausführungsform einer Anordnung der Modulatoren des Antennenmoduls gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung;
  • 5 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Senden oder Empfangen von Millimeterwellensignalen gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung.
The invention will now be explained in more detail on the basis of embodiments with reference to figures. Of these show:
  • 1 a schematic illustration of an embodiment of an antenna module according to a first aspect of the invention;
  • 2 a cross section of an embodiment of the antenna module according to the first aspect of the invention;
  • 3 a representation of an embodiment of an arrangement of individual antenna elements of the antenna module according to the first aspect of the invention;
  • 4th a representation of an embodiment of an arrangement of the modulators of the antenna module according to the first aspect of the invention;
  • 5 a block diagram of an embodiment of a method for transmitting or receiving millimeter wave signals according to a second aspect of the invention.

1 ist eine schematische Illustration einer Ausführungsform eines Antennenmoduls 100 gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung. Hierbei wird eine Schaltungsanordnung des erfindungsgemäßen Antennenmoduls 100 verdeutlicht. 1 Figure 3 is a schematic illustration of one embodiment of an antenna module 100 according to a first aspect of the invention. Here, a circuit arrangement of the antenna module according to the invention 100 clarified.

Das dargestellte Antennenfeld 110 umfasst eine Vielzahl von Einzelantennengruppen 115 die über eine jeweilige elektronische Verbindung 118 mit einem zugeordneten Modulator 120 verbunden sind. An den Einzelantennengruppen 115 sind jeweils vier Einzelantennenelemente 116 angebracht, die jedoch nur für eine Einzelantennengruppe 115 in 1 gezeigt sind. Jeder der Modulatoren 120 ist identisch aufgebaut und umfasst einen ersten Richtungsumschalter 121, einen zweiten Richtungsumschalter 122, eine erste Diode 124 mit einem vorgeschalteten ersten Vektormodulator (VM) 125 und eine zweite Diode 128 mit einem zweiten Vektormodulator 129. Entsprechend einer Stellung des ersten und zweiten Richtungsumschalters 121, 122 ist entweder die erste Diode 124 mit dem ersten Vektormodulator 125, oder die zweite Diode 128 mit dem zweiten Vektormodulator 129 in einer elektronischen Verbindung mit der jeweiligen Einzelantennengruppe 115 und einer gemeinsamen Misch-Einheit 130.The antenna field shown 110 comprises a large number of individual antenna groups 115 via a respective electronic connection 118 with an assigned modulator 120 are connected. At the individual antenna groups 115 are four individual antenna elements 116 appropriate, but only for a single antenna group 115 in 1 are shown. Any of the modulators 120 is constructed identically and includes a first direction switch 121 , a second direction switch 122 , a first diode 124 with an upstream first vector modulator (VM) 125 and a second diode 128 with a second vector modulator 129 . According to a position of the first and second direction switch 121 , 122 is either the first diode 124 with the first vector modulator 125 , or the second diode 128 with the second vector modulator 129 in an electronic connection with the respective individual antenna group 115 and a common mixing unit 130 .

Die Modulatoren 120 aus der Vielzahl von Modulatoren 120, sind dabei ausgebildet, bei entsprechender Stellung des ersten und zweiten Richtungsumschalters 121, 122 ein elektronisches Millimeterwellensignal 140 zu empfangen und eine Phase oder Amplitude des elektronischen Millimeterwellensignals 140 jeweils individuell mit dem entsprechenden Vektormodulator 125, 129 zu modulieren. Bei Betrieb in Senderichtung, was den in 1 nach unten weisenden ersten und zweiten Richtungsumschaltern 121, 122 entspricht, sind die Modulatoren 120 weiterhin ausgebildet, ein durch den Vektormodulator 125, 129 bereitgestelltes moduliertes elektronisches Millimeterwellensignal 150 an jeweils eine zugeordnete der Einzelantennengruppen 115 auszugeben. Bei Betrieb in Empfangsrichtung, was entgegen der in 1 dargestellten Schaltungsanordnung jeweils nach oben weisende erste und zweite Richtungsumschalter 121, 122 erfordert, sind die Modulatoren 120 ausgebildet, nach Empfang eines modulierten elektronischen Millimetersignals 150 von der jeweils zugeordneten Einzelantennengruppe 115 her eine Phase oder Amplitude des modulierten elektronischen Millimeterwellensignals 150 jeweils individuell zu demodulieren und ein demoduliertes elektronisches Millimeterwellensignal an eine gemeinsame Misch-Einheit 130 auszugeben.The modulators 120 from the multitude of modulators 120 , are designed with the appropriate position of the first and second direction switch 121 , 122 an electronic millimeter wave signal 140 to receive and a phase or amplitude of the millimeter wave electronic signal 140 each individually with the corresponding vector modulator 125 , 129 to modulate. When operating in the transmission direction, what the in 1 downward facing first and second directional switches 121 , 122 are the modulators 120 further formed one by the vector modulator 125 , 129 provided modulated electronic millimeter wave signal 150 to one assigned of the individual antenna groups 115 to spend. When operating in the receiving direction, what contrary to the in 1 circuit arrangement shown in each case upwardly pointing first and second direction switch 121 , 122 are the modulators 120 formed after receiving a modulated electronic millimeter signal 150 of the respective assigned individual antenna group 115 here a phase or amplitude of the modulated electronic millimeter wave signal 150 to demodulate each individually and a demodulated electronic millimeter wave signal to a common mixer unit 130 to spend.

Die gemeinsame Misch-Einheit 130 umfasst einen Mischer-Richtungsumschalter 131, der in 1 in Senderichtung des Antennenmoduls 100 geschaltet ist, eine erste Mischer-Diode 132 für einen Betrieb in Senderichtung und eine zweite Mischer-Diode 133 für einen Betrieb in Empfangsrichtung. Weiterhin umfasst die Misch-Einheit 130 einen ersten I/Q-Mischer 134 für einen Betrieb in Senderichtung, der ausgebildet ist ein elektrisches Basisbandsignal 135 zu empfangen und durch Verwendung einer Phasenregelschleife (PLL) 136 mit einem Referenzsignal 137 in das elektronische Millimeterwellensignal 140 umzuwandeln. Bei einem Betrieb der gemeinsamen Misch-Einheit 130 in Empfangsrichtung, was entgegen der in 1 dargestellten Schaltungsanordnung einen nach oben weisenden Mischer-Richtungsumschalter 131 erfordert, ist diese dazu ausgebildet, das demodulierte elektronisches Millimeterwellensignal zu empfangen und über einen zweiten I/Q-Mischer 138 durch Verwendung der Phasenregelschleife (PLL) 136 mit dem Referenzsignal 137 in ein elektronisches Basisbandsignal 139 umzuwandeln.The common mixing unit 130 includes a mixer direction switch 131 who is in 1 in the transmission direction of the antenna module 100 is connected, a first mixer diode 132 for operation in the transmission direction and a second mixer diode 133 for operation in the receiving direction. The mixing unit also includes 130 a first I / Q mixer 134 for operation in the transmission direction, which is embodied as an electrical baseband signal 135 to receive and by using a phase locked loop (PLL) 136 with a reference signal 137 into the electronic millimeter wave signal 140 to convert. When operating the common mixing unit 130 in the receiving direction, which is contrary to the in 1 The circuit arrangement shown has an upward-facing mixer direction switch 131 requires, this is designed to receive the demodulated electronic millimeter wave signal and via a second I / Q mixer 138 by using the phase locked loop (PLL) 136 with the reference signal 137 into an electronic baseband signal 139 to convert.

In 1 ist nicht dargestellt, dass das Antennenfeld 110 in dieser Ausführungsform auf einem Trägersubstrat in Form einer strukturierten Metallebene ausgebildet ist (siehe 2 und 3).In 1 is not shown that the antenna field 110 is formed in this embodiment on a carrier substrate in the form of a structured metal plane (see 2 and 3 ).

Die in 1 dargestellte Ausführungsform weist weiterhin eine Richtungssteuereinheit auf (zur besseren Übersicht nicht dargestellt), die ausgebildet ist, ein Richtungssteuersignal zu senden. Die Richtungsumschalter 121, 122, 131 des Antennenmoduls 100 empfangen über eine elektronische Verbindung mit der Richtungssteuereinheit das Richtungssteuersignal und sind ausgebildet, abhängig von dem Richtungssteuersignal einen Betrieb des Antennenmoduls zwischen Senderichtung (wie dargestellt) und Empfangsrichtung (nach oben weisende Schalter) umzuschalten. In der dargestellten Ausführungsform sendet die Richtungssteuereinheit nur dann ein Richtungssteuersignal, wenn zwischen einem Betrieb in Senderichtung und einem Betrieb in Empfangsrichtung gewechselt werden soll. In einer nicht dargestellten Ausführungsform sendet die Richtungssteuereinheit in regelmäßigen Abständen ein Richtungssteuersignal an die Richtungsumschalter, welches eine Information darüber enthält, ob das Antennenmodul zu diesem Zeitpunkt in Senderichtung oder in Empfangsrichtung betrieben werden soll.In the 1 The embodiment shown furthermore has a direction control unit (not shown for the sake of clarity) which is designed to send a direction control signal. The direction switch 121 , 122 , 131 of the antenna module 100 receive the direction control signal via an electronic connection with the direction control unit and are designed to switch operation of the antenna module between transmission direction (as shown) and reception direction (switch pointing upwards) depending on the direction control signal. In the embodiment shown, the direction control unit only sends a direction control signal when a change is to be made between operation in the transmission direction and operation in the reception direction. In an embodiment not shown, the direction control unit sends a direction control signal to the direction switch at regular intervals, which contains information about whether the antenna module is to be operated in the transmitting direction or in the receiving direction at this point in time.

Die Vektormodulatoren 125, 129 der in 1 dargestellten Ausführungsform sind weiterhin mit einer Steuereinheit (zur besseren Übersicht nicht dargestellt) elektronisch verbunden, die ausgebildet ist, mindestens ein Modulations-Steuersignal bereitzustellen. Das Modulations-Steuersignal umfasst Informationen zu einer Modulationsweise des Modulators, nämlich einem von dem Antennenmodul zu realisierenden Schwenkwinkel. Dieser Schwenkwinkel beschreibt eine Richtung, aus der ein Millimeterwellensignal empfangen oder in die ein Millimeterwellensignal gesendet werden soll.The vector modulators 125 , 129 the in 1 The embodiment shown are also electronically connected to a control unit (not shown for the sake of clarity) which is designed to provide at least one modulation control signal. The modulation control signal includes information on a modulation method of the modulator, namely a swivel angle to be realized by the antenna module. This swivel angle describes a direction from which a millimeter wave signal is to be received or in which a millimeter wave signal is to be sent.

In einer nicht dargestellten Ausführungsform des Antennenmoduls, wird die Phase, Amplitude oder Zeitlage des zu modulieren oder zu demodulierenden elektronischen Millimeterwellensignals in den Modulatoren durch reine Phasenmodulation oder Signalverzögerung gesteuert.In an embodiment of the antenna module (not shown), the phase, amplitude or timing of the electronic millimeter wave signal to be modulated or demodulated is controlled in the modulators by pure phase modulation or signal delay.

Die Anordnung der in 1 gezeigten Komponenten auf einer ersten und zweiten Leiterplatte ist aus Gründen der Übersicht nicht in 1 dargestellt. Allerdings ist diese Anordnung wie in der in 2 dargestellten Ausführungsform realisiert und kann somit aus 2 entnommen werden.The arrangement of the in 1 Components shown on a first and second circuit board is not in FIG 1 shown. However, this arrangement is as in the in 2 Realized embodiment shown and can thus from 2 can be removed.

2 zeigt einen Querschnitt einer Ausführungsform des Antennenmoduls 200 gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung. 2 shows a cross section of an embodiment of the antenna module 200 according to the first aspect of the invention.

In der gezeigten Ausführungsform sind eine Vielzahl von Einzelantennengruppen 210 und eine Vielzahl von Modulatoren 220 an einer ersten hochfrequenztauglichen Leiterplatte 230 angeordnet. Die Einzelantennengruppen 210 sind dabei in Form einer strukturierten Metallebene auf einer Oberseite der ersten Leiterplatte 230 monolithisch integriert. Die erste hochfrequenztaugliche Leiterplatte umfasst eine Lage eines Hochfrequenz (HF)-Leiterplattenmaterials, wobei es sich in dieser Ausführungsform um „Rogers 3003“ handelt , wobei jeder Modulator 220 auf einer Unterseite der ersten Leiterplatte 230 angeordnet ist. Weiterhin ist ein Mischer an der Unterseite der ersten Leiterplatte 230 angeordnet, was jedoch nicht in 2 dargestellt ist. In einer nicht dargestellten Ausführungsform des Antennenmoduls wird als HF-Leiterplattenmaterial „Isola Astra MT“, „Rogers R03001“, „Rogers RO3003“, „Rogers RO3006“, „Rogers RO3010“, „Rogers RO3203“, „Rogers RO3210“, „ARLON 85N“ oder ein anderes HF-Leiterplattenmaterial von Rogers oder Arlon verwendet.In the embodiment shown, there are a plurality of individual antenna groups 210 and a variety of modulators 220 on a first high-frequency circuit board 230 arranged. The individual antenna groups 210 are in the form of a structured metal plane on an upper side of the first printed circuit board 230 monolithically integrated. The first high-frequency-compatible printed circuit board comprises a layer of high-frequency (HF) printed circuit board material, which in this embodiment is “Rogers 3003”, with each modulator 220 on an underside of the first circuit board 230 is arranged. There is also a mixer on the underside of the first circuit board 230 arranged, but not in 2 is shown. In an embodiment of the antenna module that is not shown, the HF circuit board material used is “Isola Astra MT”, “Rogers R03001”, “Rogers RO3003”, “Rogers RO3006”, “Rogers RO3010”, “Rogers RO3203”, “Rogers RO3210”, “ARLON 85N "or other RF circuit board material from Rogers or Arlon is used.

Die erste hochfrequenztaugliche Leiterplatte ist an einer zweiten Leiterplatte 240 über Lötbälle 250 befestigt. Die zweite Leiterplatte besteht aus in Epoxidharz getränkten Glasfasermatten (FR4) und somit aus einem Nicht-HF-Leiterplattenmaterial gefertigt. An der zweiten Leiterplatte 240 sind eine Steuereinheit 260 für die Modulatoren 220 und eine Richtungssteuereinheit 270 angeordnet. Weiterhin ist ein Kühlkörper 280 in Form einer Lüftung an der zweiten Leiterplatte 240 befestigt, die über eine Öffnung 290 in der zweiten Leiterplatte 240 mit mindestens einem Modulator 220 in thermischem Kontakt steht. Über eine solche Öffnung 290 können besonders effektiv Modulatoren 220 auf der Unterseite der ersten Leiterplatte 230 gekühlt werden. In der dargestellten Ausbildungsform weist die zweite Leiterplatte 240 in regelmäßigen Abständen Öffnungen 290 auf (zur besseren Übersicht nicht dargestellt), so dass durch entsprechend angeordnete Kühlkörper 280 eine gleichmäßige Kühlung von HF-Komponenten der ersten Leiterplatte 230 sichergestellt werden kann.The first high-frequency circuit board is on a second circuit board 240 via solder balls 250 attached. The second circuit board consists of glass fiber mats (FR4) soaked in epoxy resin and thus made of a non-HF circuit board material. On the second circuit board 240 are a control unit 260 for the modulators 220 and a direction control unit 270 arranged. There is also a heat sink 280 in the form of a ventilation on the second circuit board 240 attached via an opening 290 in the second circuit board 240 with at least one modulator 220 is in thermal contact. About such an opening 290 can be particularly effective modulators 220 on the bottom of the first circuit board 230 be cooled. In the embodiment shown, the second circuit board 240 openings at regular intervals 290 on (not shown for a better overview), so that by appropriately arranged heat sinks 280 Uniform cooling of HF components on the first circuit board 230 can be ensured.

In einer nicht dargestellten Ausführungsform besteht die erste hochfrequenztaugliche Leiterplatte aus mehreren Lagen eines HF-Leiterplattenmaterials.In an embodiment not shown, the first high-frequency-compatible printed circuit board consists of several layers of an HF printed circuit board material.

3 zeigt eine Ausführungsform einer Anordnung von Einzelantennenelementen 116 innerhalb eines Antennenfeldes 110 des Antennenmoduls gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung. 3 shows an embodiment of an arrangement of individual antenna elements 116 within an antenna field 110 of the antenna module according to the first aspect of the invention.

Die Einzelantennenelemente 116 werden durch identische Metallflächen gebildet, die quadratisch sind und bezüglich Kanten einer Rechteckstruktur des Antennenfeldes 110 im Wesentlichen um 45° gedreht angeordnet sind. Dieser Ausrichtungswinkel 310 ist für alle Einzelantennenelemente 116 bis auf Herstellungsbedingte Ungenauigkeiten gleich.The individual antenna elements 116 are formed by identical metal surfaces that are square and with respect to edges a rectangular structure of the antenna field 110 are arranged rotated essentially by 45 °. This orientation angle 310 is for all individual antenna elements 116 the same except for manufacturing-related inaccuracies.

An dem Rand 320 des Antennenmoduls 100 sind zusätzliche inaktive Einzelantennenelemente 330 angeordnet, welche an keinen der Modulatoren des Antennenmoduls 100 angeschlossen sind. Dadurch wird sichergestellt, dass alle Einzelantennenelemente 116 die gleiche physikalische Nachbarschaft haben.On the edge 320 of the antenna module 100 are additional inactive individual antenna elements 330 arranged, which to none of the modulators of the antenna module 100 are connected. This ensures that all individual antenna elements 116 have the same physical neighborhood.

4 ist eine Darstellung einer Ausführungsform einer Anordnung der Modulatoren 410 des Antennenmoduls 400 gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung. 4th Figure 3 is an illustration of one embodiment of an arrangement of the modulators 410 of the antenna module 400 according to the first aspect of the invention.

In der dargestellten Ausführungsform sind die Modulatoren 410 zu einer Anzahl von Modulatorgruppen 420 zusammengefasst, die jeweils einen gemeinsamen auf der ersten Leiterplatte (in 4 transparent) integrierten Schaltkreis bilden. Die Zugehörigkeit zu einem Schaltkreis wird in 4 durch Graustufen ausgedrückt. Eine Misch-Einheit 430 ist mit den 16 Modulatorgruppen 420 elektronisch verbunden, und die Modulatoren 410 der Modulatorgruppen 420 sind mit jeweils mindestens 2 Einzelantennenelementen einer Einzelantennengruppe 440 des Antennenfeldes verbunden (siehe auch 1 bis 3). Dabei sind jeder Modulatorgruppe 420 genau 8 Modulatoren 410 zugeordnet.In the illustrated embodiment, the are modulators 410 to a number of modulator groups 420 summarized, each one common on the first circuit board (in 4th transparent) form an integrated circuit. The affiliation to a circuit is shown in 4th expressed by grayscale. A mixing unit 430 is with the 16 modulator groups 420 electronically connected, and the modulators 410 the modulator groups 420 are each with at least 2 individual antenna elements of a single antenna group 440 of the antenna field (see also 1 to 3 ). Each modulator group is included 420 exactly 8 modulators 410 assigned.

In 4 sind keine Einzelantennenelemente dargestellt, aber wie bereits in 3 gezeigt, sind die Einzelantennenelemente um einen Ausrichtungswinkel 450 von etwa 45° bezüglich einer Rechteckstruktur des Antennenfeldes gedreht angeordnet, was durch eine entsprechende Drehung der Einzelantennengruppen 440 verdeutlicht wird.In 4th no individual antenna elements are shown, but as in 3 shown, the individual antenna elements are tilted at an angle of orientation 450 arranged rotated by about 45 ° with respect to a rectangular structure of the antenna field, which is achieved by a corresponding rotation of the individual antenna groups 440 is made clear.

5 zeigt ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Senden oder Empfangen von Millimeterwellensignalen gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung. 5 Figure 3 shows a block diagram of an embodiment of a method for transmitting or receiving millimeter wave signals according to a second aspect of the invention.

Das Verfahren weist als einen ersten Schritt 510 ein Bereitstellen eines Antennenmoduls gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung auf.The procedure has as a first step 510 on providing an antenna module according to the first aspect of the invention.

Bei Betrieb in Senderichtung, weist das Verfahren weiterhin die im Folgenden erläuterten Schritte auf.When operating in the transmission direction, the method also has the steps explained below.

Ein weiterer Schritt 520a besteht aus einem Empfangen eines elektronischen Basisbandsignals und einem Umwandeln des elektronischen Basisbandsignals in ein elektronisches Millimeterwellensignal durch die gemeinsame Misch-Einheit.Another Step 520a consists of receiving an electronic baseband signal and converting the electronic baseband signal into an electronic millimeter wave signal by the common mixing unit.

In einem folgenden Schritt 530a wird das elektronische Millimeterwellensignal durch jeden der Modulatoren empfangen, eine Phase, Amplitude oder Zeitlage des elektronischen Millimeterwellensignals wird individuell durch die Modulatoren moduliert und ein jeweiliges moduliertes elektronisches Millimeterwellensignal wird durch die Modulatoren an die jeweils zugeordnete Einzelantennengruppe ausgegeben.In a following step 530a the electronic millimeter-wave signal is received by each of the modulators, a phase, amplitude or time slot of the electronic millimeter-wave signal is individually modulated by the modulators and a respective modulated electronic millimeter-wave signal is output by the modulators to the associated individual antenna group.

Ein letzter Schritt 540a umfasst ein Empfangen des jeweiligen modulierten elektronischen Millimeterwellensignals und ein Aussenden als jeweiliges moduliertes Millimeterwellensignal durch jedes Einzelantennenelement der jeweils zugeordneten Einzelantennengruppe.One last step 540a comprises receiving the respective modulated electronic millimeter-wave signal and transmitting it as a respective modulated millimeter-wave signal through each individual antenna element of the respectively assigned individual antenna group.

Bei Betrieb in Empfangsrichtung, weist das Verfahren wiederum die folgenden Schritte auf:

  • Als einen ersten Schritt 520b umfasst das Verfahren ein Empfangen von modulierten Millimeterwellensignalen durch die Einzelantennenelemente sowie ein Ausgeben der modulierten Millimeterwellensignale als modulierte elektronische Millimeterwellensignale durch die Einzelantennenelemente an jeweils den der Einzelantennengruppe zugeordneten Modulator.
When operating in the receiving direction, the method again has the following steps:
  • As a first step 520b the method comprises receiving modulated millimeter-wave signals by the individual antenna elements and outputting the modulated millimeter-wave signals as modulated electronic millimeter-wave signals by the individual antenna elements to the modulator assigned to the individual antenna group.

In einem folgenden Schritt 530b wird das modulierte elektronische Millimeterwellensignal durch den jeweils zugeordneten Modulator empfangen und eine Phase, Amplitude oder Zeitlage der modulierten elektronischen Millimeterwellensignals demoduliert, und die demodulierten elektronischen Millimeterwellensignale werden an die gemeinsame Misch-Einheit ausgegeben.In a following step 530b the modulated electronic millimeter wave signal is received by the respectively assigned modulator and a phase, amplitude or timing of the modulated electronic millimeter wave signal is demodulated, and the demodulated electronic millimeter wave signals are output to the common mixer unit.

Daraufhin umfasst ein letzter Schritt 540b ein Empfangen der demodulierten elektronischen Millimeterwellensignale und Umwandeln der demodulierten elektronischen Millimeterwellensignale in ein elektronisches Basisbandsignal.This then includes a final step 540b receiving the demodulated millimeter wave electronic signals and converting the demodulated millimeter wave electronic signals into a baseband electronic signal.

Claims (10)

Antennenmodul (100) zum Senden oder Empfangen von Millimeterwellensignalen, aufweisend - ein Antennenfeld (110) in Form einer strukturierten Metallebene mit einer Vielzahl gruppierter Einzelantennenelemente (116) auf einem Trägersubstrat, wobei eine jeweilige Einzelantennengruppe (115) mindestens zwei Einzelantennenelemente (116) enthält, die gemeinsam ansteuerbar sind; - eine Vielzahl von Modulatoren (120), die ausgebildet sind, ein elektronisches Millimeterwellensignal (140) zu empfangen, bei Betrieb in Senderichtung eine Phase, Amplitude oder Zeitlage des elektronischen Millimeterwellensignals (140) jeweils individuell zu modulieren und an jeweils eine zugeordnete der Einzelantennengruppen (115) auszugeben und bei Betrieb in Empfangsrichtung nach Empfang eines modulierten elektronischen Millimetersignals (140) von der jeweils zugeordneten Einzelantennengruppe (115) her eine Phase, Amplitude oder Zeitlage des modulierten elektronischen Millimeterwellensignals (140) jeweils individuell zu demodulieren und ein demoduliertes elektronisches Millimeterwellensignal (140) auszugeben; und - eine gemeinsame Misch-Einheit (130), die ausgebildet ist, bei Betrieb in Senderichtung ein elektronisches Basisbandsignal (139) zu empfangen, in das elektronische Millimeterwellensignal (140) umzuwandeln und an die Modulatoren (120) auszugeben, und bei Betrieb in Empfangsrichtung das demodulierte elektronische Millimeterwellensignal (140) von den Modulatoren (120) zu empfangen und in ein elektronisches Basisbandsignal (139) umzuwandeln.Antenna module (100) for sending or receiving millimeter wave signals, comprising - an antenna field (110) in the form of a structured metal plane with a multiplicity of grouped individual antenna elements (116) on a carrier substrate, with a respective individual antenna group (115) containing at least two individual antenna elements (116), which can be controlled together; - a plurality of modulators (120) which are designed to receive an electronic millimeter-wave signal (140), to modulate a phase, amplitude or time position of the electronic millimeter-wave signal (140) individually during operation in the transmission direction and to each of them to one of the individual antenna groups (115 ) and when operating in the receiving direction after receiving a modulated electronic millimeter signal (140) from the respectively assigned individual antenna group (115), a phase, amplitude or time position of the modulated electronic millimeter wave signal (140) is individually demodulated and a demodulated electronic millimeter wave signal (140) spend; and - a common mixer unit (130) which is designed to receive an electronic baseband signal (139) when operating in the transmission direction, convert it into the electronic millimeter wave signal (140) and output it to the modulators (120), and when operating in the receiving direction receive the demodulated millimeter wave electronic signal (140) from the modulators (120) and convert it to a baseband electronic signal (139). Antennenmodul (100) gemäß Anspruch 1, bei dem die Vielzahl gruppierter Einzelantennenelemente (116) als Ganzes betrachtet eine Rechteck-Form hat und die Einzelantennenelemente (116) eine bezüglich Kanten der Rechteck-Form eine um 45° gedrehte Rechteck-Form haben.Antenna module (100) according to Claim 1 , in which the plurality of grouped individual antenna elements (116) viewed as a whole has a rectangular shape and the individual antenna elements (116) have a rectangular shape rotated by 45 ° with respect to the edges of the rectangular shape. Antennenmodul (100) gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem auf dem Trägersubstrat zusätzlich inaktive Einzelantennenelemente (116) angeordnet sind, welche an keinen der Modulatoren (120) angeschlossen sind.Antenna module (100) according to Claim 1 or 2 , in which inactive individual antenna elements (116), which are not connected to any of the modulators (120), are additionally arranged on the carrier substrate. Antennenmodul (200) gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Trägersubstrat eine erste hochfrequenztaugliche Leiterplatte (230) ist, auf welcher die Vielzahl von Einzelantennengruppen (210) und die Vielzahl von Modulatoren (220) angeordnet sind, und eine zweite Leiterplatte (240), die an der ersten Leiterplatte (230) des Antennenmoduls (200) befestigt ist, und mit ihr zur Übermittlung von Signalen einer Basisband- oder Zwischenfrequenz verbunden ist und auf der Schaltungskomponenten angeordnet sind, die die Signale der Basisband- oder Zwischenfrequenz, nicht jedoch Hochfrequenzsignale erzeugen, verarbeiten oder empfangen.Antenna module (200) according to at least one of the preceding claims, in which the carrier substrate is a first high-frequency-compatible printed circuit board (230) on which the plurality of individual antenna groups (210) and the plurality of modulators (220) are arranged, and a second printed circuit board (240) ), which is attached to the first printed circuit board (230) of the antenna module (200), and is connected to it for the transmission of signals of a baseband or intermediate frequency and on which circuit components are arranged that do not, however, the signals of the baseband or intermediate frequency Generate, process or receive high frequency signals. Antennenmodul (200) gemäß Anspruch 4, bei dem die erste Leiterplatte (230) eine oder mehrere Lagen eines HF-Leiterplattenmaterials umfasst und bei dem die zweite Leiterplatte (240) aus einem Nicht-HF-Leiterplattenmaterial besteht.Antenna module (200) according to Claim 4 wherein the first circuit board (230) comprises one or more layers of an RF circuit board material and in which the second circuit board (240) consists of a non-RF circuit board material. Antennenmodul (200) gemäß Anspruch 4, bei dem die zweite Leiterplatte (240) mindestens eine Öffnung (290) aufweist, in der ein Kühlkörper (280) angeordnet ist, welcher mit auf der ersten Leiterplatte (230) angeordnete Komponenten des Antennenmoduls (200) in thermischem Kontakt ist.Antenna module (200) according to Claim 4 , in which the second circuit board (240) has at least one opening (290) in which a heat sink (280) is arranged, which is in thermal contact with components of the antenna module (200) arranged on the first circuit board (230). Antennenmodul (200) gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Modulatoren (220) jeweils entweder als Vektormodulator, Phasenmodulator oder als Verzögerungsmodulator ausgebildet sind.Antenna module (200) according to at least one of the preceding claims, in which the modulators (220) are each designed either as a vector modulator, phase modulator or as delay modulator. Antennenmodul (200) gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin aufweisend eine Anzahl von Richtungsumschaltern, die ausgebildet sind, ein Richtungssteuersignal zu empfangen und abhängig von dem Richtungssteuersignal einen Betrieb des Antennenmoduls (200) zwischen Senderichtung und Empfangsrichtung umzuschalten.Antenna module (200) according to at least one of the preceding claims, further comprising a number of direction switches which are designed to receive a direction control signal and to switch operation of the antenna module (200) between transmission direction and reception direction depending on the direction control signal. Antennenmodul (200) gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem - die Modulatoren (220) ausgebildet sind, die elektronischen Millimeterwellensignale (140) wahlweise in einer von mehreren Modulationsweisen zu modulieren oder zu demodulieren, sowie ein Modulations-Steuersignal zu empfangen und je nach anliegendem Modulations-Steuersignal eine der Modulationsweisen auszuwählen und anzuwenden; zusätzlich aufweisend - mindestens eine Steuereinheit (260) zum Bereitstellen des Modulations-Steuersignals.Antenna module (200) according to at least one of the preceding claims, in which - The modulators (220) are designed to modulate or demodulate the electronic millimeter wave signals (140) optionally in one of several modulation modes, as well as to receive a modulation control signal and, depending on the applied modulation control signal, to select and use one of the modulation modes; additionally having - At least one control unit (260) for providing the modulation control signal. Verfahren zum Senden oder Empfangen von Millimeterwellensignalen (140), umfassend - Bereitstellen eines Antennenmoduls (100) gemäß mindestens einem der vorstehenden Ansprüche; und a) bei Betrieb in Senderichtung aufweisend: - Empfangen eines elektronischen Basisbandsignals (139) und Umwandeln des elektronischen Basisbandsignals (139) in ein elektronisches Millimeterwellensignal (140) durch die gemeinsame Misch-Einheit (130); - Empfangen des elektronischen Millimeterwellensignals (140) durch jeden der Modulatoren (120), jeweils individuelles Modulieren einer Phase, Amplitude oder Zeitlage des elektronischen Millimeterwellensignals (140) durch die Modulatoren (120) sowie Ausgeben eines jeweiligen modulierten elektronischen Millimeterwellensignals (140) durch die Modulatoren (120) an die jeweils zugeordnete Einzelantennengruppe (115); - Empfangen des jeweiligen modulierten elektronischen Millimeterwellensignals (140) und Aussenden als jeweiliges moduliertes Millimeterwellensignal durch jedes Einzelantennenelement (116) der jeweils zugeordneten Einzelantennengruppe (115); b) und bei Betrieb in Empfangsrichtung aufweisend: - Empfangen von modulierten Millimeterwellensignalen durch die Einzelantennenelemente (116) sowie Ausgeben der modulierten Millimeterwellensignale als modulierte elektronische Millimeterwellensignale (140) durch die Einzelantennenelemente (116) an jeweils den der Einzelantennengruppe (115) zugeordneten Modulator (120); - Empfangen des modulierten elektronischen Millimeterwellensignals (140) durch den zugeordneten Modulator (120) und Demodulieren einer Phase, Amplitude oder Zeitlage der modulierten elektronischen Millimeterwellensignale (140) durch den jeweiligen Modulator (120) und Ausgeben der demodulierten elektronischen Millimeterwellensignale (140) an eine gemeinsame Misch-Einheit (130); - Empfangen der demodulierten elektronischen Millimeterwellensignale (140) und Umwandeln der demodulierten elektronischen Millimeterwellensignale (140) in ein elektronisches Basisbandsignal (139).A method for transmitting or receiving millimeter wave signals (140), comprising - providing an antenna module (100) according to at least one of the preceding claims; and a) when operating in the transmission direction, comprising: - receiving an electronic baseband signal (139) and converting the electronic baseband signal (139) into an electronic millimeter wave signal (140) by the common mixing unit (130); - Receiving the electronic millimeter wave signal (140) by each of the modulators (120), in each case individually modulating a phase, amplitude or time position of the electronic millimeter wave signal (140) by the modulators (120) and outputting a respective modulated electronic millimeter wave signal (140) by the modulators (120) to the respectively assigned individual antenna group (115); - Receiving the respective modulated electronic millimeter wave signal (140) and transmitting it as a respective modulated millimeter wave signal through each individual antenna element (116) of the respectively assigned individual antenna group (115); b) and, when operating in the receiving direction, having: - Receiving modulated millimeter wave signals by the individual antenna elements (116) and outputting the modulated millimeter wave signals as modulated electronic millimeter wave signals (140) by the individual antenna elements (116) to the modulator (120) assigned to the individual antenna group (115) ); - Receiving the modulated electronic millimeter wave signal (140) by the associated modulator (120) and demodulating a phase, amplitude or timing of the modulated electronic millimeter wave signals (140) by the respective modulator (120) and outputting the demodulated electronic millimeter wave signals (140) to a common Mixing unit (130); - Receiving the demodulated millimeter wave electronic signals (140) and converting the demodulated millimeter wave electronic signals (140) into a baseband electronic signal (139).
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