DE102019213594A1 - Elektronische Vorrichtungen mit Antennenmodulisolationsstrukturen - Google Patents

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Simone Paulotto
Qishan Yu
Harish Rajagopalan
Berke Cetinoneri
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Abstract

Eine elektronische Vorrichtung kann mit einem phasengesteuerten Antennen-Array versehen sein, das von Phasen- und Größenreglern in einer integrierten Schaltung gesteuert wird. Das Array kann auf Antennenschichten gebildet sein und die integrierte Schaltung kann auf Übertragungsleitungsschichten eines dielektrischen Substrats montiert sein. Eine Massefläche kann die Übertragungsleitungsschichten von den Antennenschichten trennen. Ein Verbinder kann an der Oberfläche der Übertragungsleitungsschichten angebracht sein und kann unter Verwendung von leitenden Pfaden mit der integrierten Schaltung gekoppelt sein. Ein passiver Resonator kann in den Antennenschichten ausgebildet sein und leitende Strukturen enthalten, die bei einem Viertel der effektiven Betriebswellenlänge des Arrays mitschwingen, um eine Leerlaufimpedanz für Oberflächenströme zu bilden, die auf der Massefläche durch das Array erzeugt werden. Dies kann dazu dienen, die Oberflächenströme daran zu hindern, an einer Kante der Massefläche zu streuen und auf die integrierte Schaltung zu lecken.

Description

  • Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der am Freitag, 28. September 2018 eingereichten US-Patentanmeldung Nr. 16/146,488 .
  • HINTERGRUND
  • Dies betrifft im Allgemeinen elektronische Vorrichtungen und genauer elektronische Vorrichtungen mit Schaltlogik für drahtlose Kommunikation.
  • Elektronische Vorrichtungen schließen oftmals eine Schaltlogik zur drahtlosen Kommunikation ein. Zum Beispiel enthalten Mobiltelefone, Computer und andere Vorrichtungen oftmals Antennen und drahtlose Transceiver zum Unterstützen von drahtloser Kommunikation.
  • Es kann wünschenswert sein, drahtlose Kommunikation in Frequenzbändern von Millimeter- und Zentimeterwellen zu unterstützen. Millimeterwellen-Kommunikation, die manchmal als extreme Hochfrequenzkommunikation (EHF-Kommunikation) bezeichnet wird, und Zentimeterwellen-Kommunikation umfassen Kommunikation in Frequenzen von etwa 10 bis 300 GHz. Um Millimeter- und Zentimeterwellen-Kommunikationen zu unterstützen, wird ein Array von Antennen auf einem Substrat gebildet. Übertragungsleitungen für das Array sind in das Substrat eingebettet.
  • Der Betrieb in diesen Frequenzen kann hohe Bandbreiten unterstützen, aber kann auch zu erheblichen Herausforderungen führen. Beispielsweise kann es schwierig sein, sicherzustellen, dass die Verstärkerschaltlogik und andere Funkfrequenzkomponenten auf dem Substrat ausreichend von den Oberflächenströmen isoliert sind, die von den Antennen erzeugt werden. Die Verteilung der Funkfrequenzkomponenten auf dem Substrat weit voneinander entfernt verbessert üblicherweise die Isolation. Gleichzeitig sind die Hersteller jedoch ständig bemüht, drahtlose Kommunikationsschaltlogik wie Antennen-Arrays mit kompakten Strukturen zu implementieren, um die Nachfrage der Verbraucher nach drahtlosen Geräten mit kleinem Formfaktor zu befriedigen.
  • Es wäre daher wünschenswert, in der Lage zu sein, elektronische Vorrichtungen mit verbesserter Drahtlos-Schaltlogik für Kommunikation wie beispielsweise eine Schaltlogik für Kommunikation, die Millimeterwellen-Kommunikationen unterstützt, bereitzustellen.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Eine elektronische Vorrichtung kann mit einer drahtlosen Schaltlogik bereitgestellt sein. Die drahtlose Schaltlogik kann eine oder mehrere Antennen und eine Transceiver-Schaltlogik wie eine Zentimeter- und Millimeterwellen-Transceiver-Schaltlogik umfassen (z.B. Schaltlogik, die Antennensignale in Frequenzen von mehr als 10 GHz sendet und empfängt). Die Antennen können in einem phasengesteuerten Antennen-Array angeordnet sein. Das phasengesteuerte Antennen-Array kann unter Verwendung von Phasen- und Größenreglern gesteuert werden. Die Phasen- und Größenregler können eine Verstärkerschaltlogik in einer integrierten Schaltung einschließen.
  • Die elektronische Vorrichtung kann ein Antennenmodul einschließen. Das Antennenmodul kann ein dielektrisches Substrat einschließen. Das dielektrische Substrat kann Antennenschichten und Übertragungsleitungsschichten aufweisen, die durch eine Massefläche getrennt sind. Die integrierte Schaltung kann an einer Oberfläche der Übertragungsleitungsschichten angebracht sein. Ein Funkfrequenzverbinder kann an der Oberfläche der Übertragungsleitungsschichten angebracht sein. Der Funkfrequenzverbinder kann den Signalleiter einer Übertragungsleitung mit der integrierten Schaltung über Leiterbahnen in den Übertragungsleitungsschichten koppeln. Das phasengesteuerte Antennen-Array kann Antennen-Resonanzelemente auf den Antennenschichten einschließen.
  • Ein passiver Resonator kann in den Antennenschichten ausgebildet sein. Der passive Resonator kann einen leitenden Pfad in den Antennenschichten enthalten, der durch eine vertikale leitende Struktur, wie einen Zaun aus leitfähigen Durchkontaktierungen, leitendem Band oder anderen Leitern, mit der Massefläche gekoppelt ist. Der passive Resonator kann bei einem Viertel der effektiven Betriebswellenlänge des phasengesteuerten Antennen-Arrays mitschwingen, um eine offene Schaltungsimpedanz für Oberflächenströme zu bilden, die auf der Massefläche durch das phasengesteuerte Antennen-Array erzeugt werden. Dies kann dazu dienen, die Oberflächenströme daran zu hindern, an einer Kante der Massefläche zu streuen und auf die integrierte Schaltung zu lecken.
  • Figurenliste
    • 1 ist eine perspektivische Ansicht einer veranschaulichenden elektronischen Vorrichtung mit einer Drahtlos-Schaltlogik gemäß einigen Ausführungsformen.
    • 2 ist eine perspektivische Rückansicht einer veranschaulichenden elektronischen Vorrichtung gemäß einigen Ausführungsformen.
    • 3 ist ein schematisches Diagramm einer veranschaulichenden elektronischen Vorrichtung mit einer Drahtlos-Schaltlogik gemäß einigen Ausführungsformen.
    • 4 ist ein Diagramm eines veranschaulichenden phasengesteuerten Antennen-Arrays, das unter Verwendung einer Steuerschaltlogik eingestellt werden kann, um ein Bündel von Signalen gemäß einigen Ausführungsformen zu leiten.
    • 5 ist ein Diagramm einer veranschaulichenden Transceiver-Schaltung und Antenne gemäß einigen Ausführungsformen.
    • 6 ist eine perspektivische Ansicht einer veranschaulichenden Patch-Antenne mit Doppelports gemäß einigen Ausführungsformen.
    • 7 ist eine perspektivische Ansicht eines veranschaulichenden Antennenmoduls gemäß einigen Ausführungsformen.
    • 8 ist eine seitliche Querschnittsansicht eines veranschaulichenden Antennenmoduls mit einem passiven Resonatorisolationselement gemäß einigen Ausführungsformen.
    • 9 ist eine Draufsicht eines veranschaulichenden Antennenmoduls mit einem passiven Resonatorisolationselement gemäß einigen Ausführungsformen.
    • 10 ist eine Seitenansicht von veranschaulichenden Antennendiagrammbereichen für ein phasengesteuertes Antennen-Array gemäß einigen Ausführungsformen.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Eine elektronische Vorrichtung, wie beispielsweise eine elektronische Vorrichtung 10 von FIG., 1 kann eine Drahtlos-Schaltlogik enthalten. Die Drahtlos-Schaltlogik kann eine oder mehr Antennen enthalten. Die Antennen können phasengesteuerte Antennen-Arrays umfassen, die zur Handhabung von Millimeterwellen- und Zentimeterwellen-Kommunikation verwendet werden. Millimeterwellen-Kommunikation, die manchmal als extreme Hochfrequenzkommunikation (EHF-Kommunikation) bezeichnet wird, umfasst 60 GHz-Signale oder andere Frequenzen von etwa 30 bis 300 GHz. Zentimeterwellen-Kommunikation beinhaltet Signale in Frequenzen zwischen etwa 10 GHz und 30 GHz. Die elektronische Vorrichtung kann Antennen zum Durchführen einer drahtlosen Kommunikation unter Verwendung von Signalen bei diesen Frequenzen enthalten. Falls gewünscht, kann die Vorrichtung 10 auch Schaltlogik für drahtlose Kommunikation zum Leiten von Satellitensignalen für Navigationssysteme, Mobiltelefonsignalen, lokalen drahtlosen Netzwerksignalen, Nahfeldkommunikation, lichtbasierter drahtloser Kommunikation oder anderen Formen der drahtlosen Kommunikation beinhalten.
  • Die Vorrichtung 10 kann, zum Beispiel, eine Rechenvorrichtung wie etwa ein Laptop-Computer, ein Computermonitor, der einen eingebetteten Computer enthält, ein Tablet-Computer, ein Mobiltelefon, eine Medienwiedergabevorrichtung oder eine andere in der Hand gehaltene oder tragbare elektronische Vorrichtung, eine kleinere Vorrichtung wie etwa eine Armbanduhrvorrichtung, eine Anhängervorrichtung, eine Kopfhörer- oder Ohrhörervorrichtung, eine virtuelle oder für eine erweiterte Realität geeignete Headset-Vorrichtung, eine Vorrichtung, die in einer Brille oder anderen Ausrüstung, die am Kopf eines Benutzers getragen wird, eingebettet ist, oder eine andere am Körper tragbare oder Miniaturvorrichtung, ein Fernseher, ein Computer-Display, das keinen eingebetteten Computer enthält, eine Spielvorrichtung, eine Navigationsvorrichtung, ein eingebettetes System wie etwa ein System, in dem eine elektronische Ausrüstung mit einem Display in einem Kiosk oder Automobil montiert ist, ein drahtloser Zugangspunkt oder eine Basisstation, ein Desktop-Computer, ein Keyboard, ein Spiele-Controller, eine Computermaus, ein Mousepad, ein Trackpad oder Touchpad, eine Ausrüstung, welche die Funktionalität von zwei oder mehreren dieser Vorrichtungen implementiert, oder eine andere elektronische Ausrüstung sein. In der veranschaulichenden Konfiguration aus 1 ist die Vorrichtung 10 eine tragbare Vorrichtung wie ein Mobiltelefon, ein Medienabspielgerät, ein Tablet-Computer oder eine andere tragbare Rechenvorrichtung. Andere Konfigurationen können für die Vorrichtung 10 verwendet werden, falls gewünscht. Das Beispiel aus 1 dient lediglich zur Veranschaulichung.
  • Wie in 1 gezeigt, kann die Vorrichtung 10 eine Anzeige, wie beispielsweise die Anzeige 8, einschließen. Die Anzeige 8 kann in einem Gehäuse, wie beispielsweise dem Gehäuse 12, montiert sein. Das Gehäuse 12, das manchmal als „Ummantelung“ oder „Kapselung“ bezeichnet wird, kann aus Kunststoff, Glas, Keramik, Faserverbundwerkstoffen, Metall (z. B. Edelstahl, Aluminium usw.), anderen geeigneten Materialien oder aus einer Kombination aus zwei oder mehreren dieser Materialien gebildet werden. Das Gehäuse 12 kann unter Verwendung einer einstückigen Konfiguration ausgebildet sein, in der manches des oder das gesamte Gehäuse 12 als eine einzige Struktur maschinell hergestellt oder geformt ist oder unter Verwendung mehrerer Strukturen ausgebildet sein kann (z.B. einer internen Rahmenstruktur, einer oder mehreren Strukturen, die äußere Gehäuseoberflächen bilden usw.).
  • Die Anzeige 8 kann eine Berührungsbildschirmanzeige (touch screen display) sein, die eine Schicht aus leitfähigen kapazitiven Berührungssensorelektroden oder anderen Berührungssensorkomponenten (z. B. resistiven Berührungssensorkomponenten, akustischen Berührungssensorkomponenten, kraftbasierten Berührungssensorkomponenten, lichtbasierten Berührungssensorkomponenten usw.) einbezieht, oder kann eine Anzeige sein, die nicht berührungsempfindlich ist. Kapazitive Berührungsbildschirmelektroden können aus einem Array von Indiumzinnoxidsegmenten oder anderen transparenten leitfähigen Strukturen gebildet sein.
  • Anzeige 8 kann ein Array von Anzeigepixeln, die aus Flüssigkristallanzeige-Komponenten (LCD-Komponenten) gebildet sind, ein Array von elektrophoretischen Anzeigepixeln, ein Array von Plasmaanzeigepixeln, ein Array von organischen lichtemittierenden Dioden-Anzeigepixeln und ein Array von elektrobenetzenden Anzeigepixeln oder Anzeigepixeln, die auf anderen Anzeigetechnologien basieren, aufweisen.
  • Anzeige 8 kann unter Verwendung einer Anzeigedeckschicht wie einer Schicht aus transparentem Glas, klarem Kunststoff, Saphir oder einem anderen transparenten Dielektrikum geschützt werden. Öffnungen können in der Anzeigedeckschicht gebildet sein. Beispielsweise können Öffnungen in der Anzeigedeckschicht ausgebildet sein, um einen oder mehrere Knöpfe, Sensorschaltlogik wie einen Fingerabdrucksensor oder einen Lichtsensor, Anschlüsse wie einen Lautsprecheranschluss oder einen Mikrofonanschluss usw. aufzunehmen. Öffnungen können in dem Gehäuse 12 ausgebildet sein, um Kommunikationsanschlüsse zu bilden (z. B. einen Audioanschluss, einen digitalen Datenanschluss, einen Ladeanschluss usw.). Öffnungen im Gehäuse 12 können auch für Audiokomponenten, wie beispielsweise einen Lautsprecher und/oder ein Mikrofon gebildet sein.
  • Antennen können im Gehäuse 12 montiert werden. Falls gewünscht, können einige der Antennen (z. B. Antennen-Arrays, die eine Strahlensteuerung usw. implementieren können) unter einem inaktiven Randbereich der Anzeige 8 angebracht sein (siehe z. B. veranschaulichende Antennenorte 6 von 1). Anzeige 8 kann einen aktiven Bereich mit einer Anordnung von Pixeln enthalten (z. B. einen zentralen rechteckigen Abschnitt). Inaktive Bereiche der Anzeige 8 sind pixelfrei und können Ränder für den aktiven Bereich bilden. Falls gewünscht, können Antennen auch durch dielektrisch gefüllte Öffnungen in der Rückseite des Gehäuses 12 oder anderswo in der Vorrichtung 10 arbeiten.
  • Um eine Unterbrechung der Kommunikation zu vermeiden, wenn ein externes Objekt wie eine menschliche Hand oder ein anderes Körperteil eines Benutzers eine oder mehrere Antennen blockiert, können Antennen an mehreren Stellen im Gehäuse 12 montiert sein. Sensordaten wie Näherungssensordaten, Echtzeit-Antennenimpedanzmessungen, Signalqualitätsmessungen, wie empfangene Signalstärkeninformationen und andere Daten, können verwendet werden, um zu bestimmen, wann eine oder mehrere Antennen aufgrund der Ausrichtung des Gehäuses 12, einer Blockierung durch die Hand eines Benutzers oder einen anderen externen Gegenstand oder aufgrund anderer Umweltfaktoren nachteilig beeinflusst werden. Die Vorrichtung 10 kann dann eine oder mehrere Ersatzantennen anstelle der Antennen, die nachteilig beeinflusst werden, in Betrieb setzen.
  • Antennen können an den Ecken des Gehäuses 12 (z. B. an Eckstellen 6 von 1 und/oder an Eckstellen an der Rückseite des Gehäuses 12) entlang der Umfangskanten des Gehäuses 12, an der Rückseite des Gehäuses 12, unter dem Anzeigeabdeckglas oder einer anderen dielektrischen Anzeigeabdeckschicht, die zum Abdecken und Schützen der Anzeige 8 auf der Vorderseite der Vorrichtung 10 verwendet wird, unter einem dielektrischen Fenster auf einer Rückseite des Gehäuses 12 oder dem Rand des Gehäuses 12 oder an einer anderen Stelle in der Vorrichtung 10 angebracht sein.
  • 2 ist eine perspektivische Rückansicht der elektronischen Vorrichtung 10, die veranschaulichende Stellen 6 auf der Rückseite und den Seiten des Gehäuses 12 zeigt, in denen Antennen (z. B. Einzelantennen und/oder phasengesteuerte Antennen-Arrays) in der Vorrichtung 10 montiert sein können. Die Antennen können an den Ecken der Vorrichtung 10 entlang der Kanten des Gehäuses 12, wie beispielsweise Kanten, die durch Seitenwände 12E gebildet sind, an oberen und unteren Abschnitten des hinteren Gehäuseabschnitts (Wand) 12R, in der Mitte der hinteren Gehäusewand 12R (z. B. unter einer dielektrischen Fensterstruktur oder einem anderen Antennenfenster in der Mitte des hinteren Gehäuses 12R), an den Ecken der hinteren Gehäusewand 12R (z. B. an der oberen linken Ecke, der oberen rechten Ecke, der unteren linken Ecke und der unteren rechten Ecke der Rückseite des Gehäuses 12 und Vorrichtung 10) usw. montiert werden.
  • In Konfigurationen, in denen das Gehäuse 12 vollständig oder nahezu vollständig aus einem Dielektrikum gebildet ist, können die Antennen Antennensignale durch jeden geeigneten Abschnitt des Dielektrikums senden und empfangen. In Konfigurationen, in denen das Gehäuse 12 aus einem leitenden Material wie Metall gebildet ist, können Bereiche des Gehäuses wie Schlitze oder andere Öffnungen in dem Metall mit Kunststoff oder einem anderen Dielektrikum gefüllt sein. Die Antennen können in Ausrichtung mit dem Dielektrikum in den Öffnungen angebracht sein. Diese Öffnungen, die manchmal als dielektrische Antennenfenster, dielektrische Lücken, dielektrisch gefüllte Öffnungen, dielektrisch gefüllte Schlitze, längliche dielektrische Öffnungsbereiche usw. bezeichnet werden können, können die Übertragung von Antennensignalen von den montierten Antennen zu externen drahtlosen Einrichtungen innerhalb des Inneren der Vorrichtung 10 ermöglichen und können es internen Antennen ermöglichen, Antennensignale von externen drahtlosen Einrichtungen zu empfangen. In einer anderen geeigneten Anordnung können die Antennen an der Außenseite von leitenden Abschnitten des Gehäuses 12 angebracht sein.
  • Eine schematische Darstellung, die veranschaulichende Komponenten zeigt, die in der Vorrichtung 10 verwendet werden können, ist in 3 gezeigt. Wie in 3 gezeigt, kann die Vorrichtung 10 eine Speicher- und Verarbeitungsschaltlogik wie beispielsweise eine Steuerschaltlogik 14 einschließen. Die Steuerschaltlogik 14 kann einen Datenspeicher, z. B. einen Festplattenlaufwerk-Datenspeicher, einen nichtflüchtigen Speicher (z. B. einen Flash-Speicher oder einen anderen elektrisch programmierbaren Nur-Lese-Speicher, der konfiguriert ist, ein Halbleiterlaufwerk zu bilden), einen flüchtigen Speicher (z. B. einen statischen oder dynamischen Speicher mit wahlfreiem Zugriff) usw. aufweisen. Die Verarbeitungsschaltlogik in der Steuerschaltlogik 14 kann verwendet werden, um den Betrieb der Vorrichtung 10 zu steuern. Diese Verarbeitungsschaltlogik kann auf einem oder mehreren Mikroprozessoren, Mikrosteuereinheiten (microcontrollers), digitalen Signalprozessoren, Host-Prozessoren, integrierten Basisbandprozessor-Schaltungen, anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (application specific integrated circuits) usw. beruhen.
  • Die Steuerschaltlogik 14 kann verwendet werden, um an der Vorrichtung 10 eine Software wie z. B. Internet-Browsing-Anwendungen, VOIP-Telefonanrufanwendungen (VOIP = Voice over Internet Protocol), E-Mail-Anwendungen, Medienwiedergabeanwendungen, Betriebssystemfunktionen usw. auszuführen. Zur Unterstützung von Interaktionen mit externer Ausrüstung kann die Steuerschaltlogik 14 zum Implementieren von Kommunikationsprotokollen verwendet werden. Kommunikationsprotokolle, die unter Verwendung der Steuerschaltlogik 14 implementiert werden können, umfassen Internetprotokolle, drahtlose lokale Netzwerkprotokolle (z. B. IEEE 802.11-Protokolle - manchmal als WiFi® bezeichnet), Protokolle für andere drahtlose Kurzstrecken-Kommunikationsverbindungen wie das Bluetooth®-Protokoll oder andere WPAN-Protokolle, IEEE 802.11ad-Protokolle, Mobiltelefonprotokolle, MIMO-Protokolle, Antennendiversitätsprotokolle, Satellitennavigationssystemprotokolle, antennenbasierte räumliche Entfernungsmessungsprotokolle (z. B. Funkerfassungs- und Entfernungsmessungsmessungsprotokolle (RADAR-Protokolle) oder andere gewünschte Entfernungsmessungsmessungsprotokolle für Signale, die bei Millimeter- und Zentimeter-Wellenfrequenzen übertragen werden) etc. Jedes Kommunikationsprotokoll kann einer entsprechenden Funkzugangstechnologie (RAT = radio access technology) zugeordnet sein, die die bei der Implementierung des Protokolls verwendete physikalische Verbindungsmethode spezifiziert.
  • Die Steuerschaltlogik in der Vorrichtung 10 (z. B. Steuerschaltlogik 14) kann konfiguriert sein, um Vorgänge in der Vorrichtung 10 unter Verwendung von Hardware (z. B. dedizierter Hardware oder Schaltlogik), Firmware und/oder Software durchzuführen. Der Softwarecode für die Durchführung von Vorgängen in der Vorrichtung 10 wird auf nichtflüchtigen, computerlesbaren Speichermedien (z. B. materielle, computerlesbare Speichermedien) in der Steuerschaltlogik 14 gespeichert. Der Softwarecode kann manchmal als Programmanweisungen, Software, Daten, Anweisungen oder Code bezeichnet werden. Das nichtflüchtige computerlesbare Speichermedium kann einen nichtflüchtigen Speicher wie einen nichtflüchtigen Direktzugriffsspeicher (NVRAM), eine oder mehrere Festplatten (z. B. magnetische Laufwerke oder Festkörperlaufwerke), ein oder mehrere entfernbare Flash-Laufwerke oder andere entfernbare Medien usw. umfassen. Auf den nichtflüchtigen computerlesbaren Speichermedien gespeicherte Software kann in der Verarbeitungsschaltlogik der Steuerschaltlogik 14 ausgeführt werden. Die Verarbeitungsschaltung kann anwendungsspezifische integrierte Schaltungen mit Verarbeitungsschaltung, einen oder mehrere Mikroprozessoren, eine Zentraleinheit (CPU) oder andere Verarbeitungsschaltlogik beinhalten.
  • Vorrichtung 10 kann eine Eingabe-Ausgabe-Schaltlogik 16 einschließen. Die Eingabe-Ausgabe-Schaltlogik 16 kann Eingabe-Ausgabe-Vorrichtungen 18 einschließen. Die Eingabe-Ausgabe-Vorrichtungen 18 können verwendet werden, um Daten an die Vorrichtung 10 zu übermitteln und Daten aus der Vorrichtung 10 für externe Vorrichtungen bereitzustellen. Die Eingabe-Ausgabe-Vorrichtungen 18 können Benutzerschnittstellenvorrichtungen, Datenportvorrichtungen, Sensoren und andere Eingabe-Ausgabe-Komponenten einschließen. Zum Beispiel können Eingabe-Ausgabe-Vorrichtungen Touch-Screens, Anzeigen ohne Berührungssensoren, Schaltflächen, Joysticks, Scroll-Räder, Touchpads, Tastenfelder, Tastaturen, Mikrofone, Kameras, Lautsprecher, Statusanzeiger, Lichtquellen, Audiobuchsen und andere Audioanschlusskomponenten, digitale Datenanschlussvorrichtungen, Lichtsensoren, Gyroskope, Beschleunigungsmesser oder andere Komponenten, die Bewegungen und die Ausrichtung der Vorrichtung in Bezug zur Erde erfassen können, Kapazitätssensoren, Näherungssensoren (z. B. einen kapazitiven Näherungssensor und/oder einen Infrarotnäherungssensor), magnetische Sensoren und andere Sensoren und Eingabe-Ausgabe-Komponenten enthalten.
  • Die Eingabe-Ausgabe-Schaltlogik 16 kann eine drahtlose Kommunikationsschaltlogik wie die Drahtlos-Schaltlogik 34 zur drahtlosen Kommunikation mit externen Geräten einschließen. Die Drahtlos-Schaltlogik 34 kann eine Funkfrequenz- (RF-) Transceiver-Schaltlogik, die aus einer oder mehreren integrierten Schaltungen gebildet ist, eine Leistungsverstärkerschaltlogik, rauscharme Eingangsverstärker, passive HF-Komponenten, eine oder mehrere Antennen 40, Übertragungsleitungen und andere Schaltlogik zum Abwickeln von drahtlosen HF-Signalen enthalten. Drahtlose Signale können auch unter Verwendung von Licht (z. B. unter Verwendung von Infrarotkommunikation) gesendet werden.
  • Die Drahtlos-Schaltlogik 34 kann eine Transceiver-Schaltlogik 20 zum Verarbeiten verschiedener Funkfrequenzkommunikationsbänder einschließen. Beispielsweise kann die Transceiver-Schaltlogik 20 Global Positioning System (GPS) -Empfängerschaltungen 22, lokale drahtlose Transceiver-Schaltungen 24, entfernte drahtlose Transceiver-Schaltungen 26 und/oder Millimeterwellen-Transceiver-Schaltungen 28 enthalten.
  • Lokale drahtlose Transceiver-Schaltungen 24 können drahtlose lokale Netzwerk-(WLAN-) Transceiver-Schaltlogik enthalten und können daher hier manchmal als WLAN-Transceiver-Schaltlogik 24 bezeichnet werden. Die WLAN-Transceiver-Schaltlogik 24 kann 2,4 GHz- und 5 GHz-Bänder für WiFi®(IEEE 802.11)-Kommunikation und das 2,4 GHz-Bluetooth®-Kommunikationsband abwickeln.
  • Entfernte drahtlose Transceiver-Schaltungen 26 können eine Mobiltelefon-Transceiver-Schaltlogik enthalten und können daher hier manchmal als Mobiltelefon-Transceiver-Schaltlogik 26 bezeichnet werden. Die Mobiltelefon-Transceiver-Schaltlogik 26 kann drahtlose Kommunikationen in Frequenzbereichen wie einem Kommunikationsband von 700 bis 960 MHz, einem Kommunikationsband von 1710 bis 2170 MHz und einem Kommunikationsband von 2300 bis 2700 MHz oder anderen Kommunikationsbändern zwischen 600 MHz und 4000 MHz oder andere geeignete Frequenzen (als Beispiele) handhaben. Die Funktelefon-Transceiver-Schaltlogik 26 kann Sprachdaten und Nicht-Sprachdaten verarbeiten.
  • Die Millimeterwellen-Transceiver-Schaltungen 28 (hierin manchmal als extrem hochfrequente (EHF) Transceiver-Schaltlogik 28 oder Millimeterwellen-Transceiver-Schaltlogik 28 bezeichnet) kann Kommunikationen in Frequenzen zwischen etwa 10 GHz und 300 GHz unterstützen. Zum Beispiel kann die Millimeterwellen-Transceiver-Schaltlogik 28 Kommunikationen in extrem hochfrequenten (EHF) oder Millimeterwellen-Kommunikationsbändern zwischen etwa 30 GHz und 300 GHz und/oder in Zentimeterwellen-Kommunikationsbändern zwischen etwa 10 GHz und 30 GHz unterstützen (manchmal als Super High Frequency- (SHF-) Bänder bezeichnet). Beispielsweise kann die Millimeterwellen-Transceiver-Schaltlogik 28 Kommunikationen in einem IEEE-K-Kommunikationsband zwischen etwa 18 GHz und 27 GHz, einem Ka-Kommunikationsband zwischen etwa 26,5 GHz und 40 GHz, einem Ku-Kommunikationsband zwischen etwa 12 GHz und 18 GHz, einem V-Kommunikationsband zwischen etwa 40 GHz und 75 GHz, einem W-Kommunikationsband zwischen etwa 75 GHz und 110 GHz oder jedem anderen gewünschten Frequenzband zwischen etwa 10 GHz und 300 GHz unterstützen. Falls gewünscht, kann die Millimeterwellen-Transceiver-Schaltlogik 28 IEEE-802.11ad-Kommunikationen von 60 GHz und/oder in Mobilnetzwerken der 5. Generation oder drahtlosen Kommunikationsbändern der 5. Generation (5G) zwischen 27 GHz und 90 GHz unterstützen. Falls gewünscht, kann die Millimeterwellen-Transceiver-Schaltlogik 28 Kommunikation in mehreren Frequenzbändern zwischen 10 GHz und 300 GHz, wie beispielsweise ein erstes Band von 27,5 GHz bis 29,5 GHz, ein zweites Band von 37 GHz bis 41 GHz, ein drittes Band von 57 GHz bis 71 GHz und/oder andere Kommunikationsbänder zwischen 10 GHz und 300 GHz unterstützen. Die Millimeterwellen-Transceiver-Schaltlogik 28 kann aus einer oder mehreren integrierten Schaltungen (z. B. mehreren integrierten Schaltungen auf einer gemeinsamen Leiterplatte in einer SIP-Vorrichtung (SIP=system-in-package), einer oder mehreren integrierten Schaltungen auf unterschiedlichen Substraten, etc.) gebildet werden.
  • Während Schaltlogik 28 hier manchmal als Millimeterwellen-Transceiver-Schaltlogik 28 bezeichnet wird, kann die Millimeterwellen-Transceiver-Schaltlogik 28 Kommunikation über beliebige Kommunikationsbänder in Frequenzen zwischen 10 GHz und 300 GHz abwickeln (z. B. Millimeterwellen- und Zentimeterwellen-Kommunikationsbänder usw.). Falls gewünscht, kann die Millimeterwellen-Transceiver-Schaltlogik 28 eine räumliche Entfernungsmessungsschaltlogik (z. B. eine Millimeterwellen-Entfernungsmessungsschaltlogik) enthalten, die räumliche Entfernungsmessungsoperationen unter Verwendung von Millimeter- und/oder Zentimeter-Wellensignalen durchführt, die von den Antennen 40 gesendet und empfangen werden. Die Entfernungsmessungsschaltlogik kann die gesendeten und empfangenen Signale verwenden, um eine Entfernung zwischen der Vorrichtung 10 und externen Objekten in der Umgebung der Vorrichtung 10 (z. B. Objekten außerhalb des Gehäuses 12 und der Vorrichtung 10, wie dem Körper des Benutzers oder anderer Personen, anderer Vorrichtungen, Tiere, Möbel, Wände oder andere Gegenstände oder Hindernisse in der Nähe der Vorrichtung 10) zu erfassen oder zu schätzen.
  • GPS-Empfängerschaltungen 22 können GPS-Signale bei 1575 MHz oder Signale zum Handhaben anderer Satellitenpositionierungsdaten (z. B. GLONASS-Signale bei 1609 MHz) empfangen. Satellitennavigationssystemsignale für GPS-Empfängerschaltungen 22 werden von einer Konstellation von Satelliten empfangen, welche die Erde umkreisen.
  • Falls gewünscht, kann die Drahtlos-Schaltlogik 34 Schaltlogiken für andere drahtlose Verbindungen mit kurzer und langer Reichweite einschließen. Beispielsweise kann die Drahtlos-Schaltlogik 34 eine Schaltlogik zum Empfangen von Fernseh- und Radiosignalen, Pagern, eine Schaltlogik für Nahfeldkommunikation (NFC) usw. einschließen.
  • Bei Satellitennavigationsverbindungen, Mobiltelefonverbindungen und anderen Verbindungen mit langer Reichweite werden drahtlose Signale typischerweise verwendet, um Daten über tausende Fuß oder Meilen zu übertragen. Bei WiFi®- und Bluetooth®-Verbindungen in 2,4 und 5 GHz und anderen drahtlosen Verbindungen mit kurzer Reichweite werden drahtlose Signale typischerweise verwendet, um Daten über mehrere zehn oder hunderte Fuß zu übertragen. Millimeterwellen-Transceiver-Schaltlogik 28 kann Signale über kurze Entfernungen übermitteln, die sich zwischen Sender und Empfänger über einen Sichtlinienpfad bewegen. Um den Signalempfang für Millimeter- und Zentimeterwellen-Kommunikation zu verbessern, können phasengesteuerte Antennen-Arrays und Strahlenleittechniken verwendet werden (z.B. Anordnungen, bei denen Antennensignalphase und/oder -größe für jede Antenne in einem Array eingestellt werden, um die Strahlensteuerung durchzuführen). Die unterschiedlichen Anordnungen der Antennen können auch verwendet werden, um sicherzustellen, dass die blockierten oder anderweitig aufgrund der Betriebsumgebung der Vorrichtung 10 leistungsschwachen Antennen abgeschaltet werden können und stattdessen leistungsstärkere Antennen verwendet werden können.
  • Die Antennen 40 in der Drahtlos-Schaltlogik 34 können unter Verwendung beliebiger geeigneter Antennentypen gebildet sein. Beispielsweise können die Antennen 40 Antennen mit Resonanzelementen enthalten, die aus gestapelten Patch-Antennenstrukturen, Schleifenantennenstrukturen, Patch-Antennenstrukturen, invertierten F-Antennenstrukturen, Schlitzantennenstrukturen, planaren invertierten F-Antennenstrukturen, Monopolen, Dipolen, spiralförmig gebildeten Antennenstrukturen, Yagi-(Yagi-Uda)-Antennenstrukturen, Hybriden dieser Konstruktionen usw. bestehen. Falls gewünscht, können eine oder mehrere der Antennen 40 Hohlraum-Antennen sein. Für unterschiedliche Bänder und Kombinationen von Bändern können unterschiedliche Antennentypen verwendet werden. Zum Beispiel kann ein bestimmter Antennentyp beim Ausbilden einer Antenne für eine lokale drahtlose Verbindung verwendet werden, und ein anderer Antennentyp kann beim Ausbilden einer Antenne für eine drahtlose Fernverbindung verwendet werden. Eigenständige Antennen können zum Empfangen von Satellitennavigationssignalen verwendet werden, oder, falls gewünscht, können Antennen 40 konfiguriert sein, sowohl Satellitennavigationssystemsignale als auch Signale für andere Kommunikationsbänder (z. B. drahtlose lokale Netzwerksignale und/oder Mobiltelefonsignale) zu empfangen. Antennen 40 können Antennen umfassen, die in einem oder mehreren phasengesteuerten Antennen-Arrays angeordnet sind, um Millimeter- und Zentimeter-Wellenkommunikationen zu handhaben.
  • Übertragungsleitungspfade können verwendet werden, um Antennensignale innerhalb der Vorrichtung 10 zu leiten. Übertragungsleitungspfade können beispielsweise verwendet werden, um Antennenstrukturen 40 mit der Transceiver-Schaltlogik 20 zu koppeln. Übertragungsleitungspfade in der Vorrichtung 10 (hier manchmal als Übertragungsleitungen bezeichnet) können Koaxialkabel, durch metallisierte Durchkontaktierungen realisierte Koaxialsonden, Mikrostreifenübertragungsleitungen, Streifenleitungsübertragungsleitungen, kantengekoppelte Mikrostreifenübertragungsleitungen, kantengekoppelte Streifenleitungsübertragungsleitungen, Wellenleiterstrukturen, Übertragungsleitungen, die aus Kombinationen solcher Übertragungsleitungen gebildet sind, usw. umfassen.
  • Falls gewünscht, können Übertragungsleitungen in der Vorrichtung 10 in starre und/oder flexible Leiterplatten integriert sein. Bei einer geeigneten Anordnung können Übertragungsleitungen in der Vorrichtung 10 auch Übertragungsleitungsleiter (z. B. Signal- und Masseleiter), integriert in mehrschichtige laminierte Strukturen (z. B. Schichten aus einem leitfähigen Material wie beispielsweise Kupfer und ein dielektrisches Material, wie beispielsweise ein Harz, die ohne dazwischenliegende Klebstoffe aneinander laminiert sind) beinhalten, die in mehreren Dimensionen (z. B. zwei oder drei Dimensionen) gefaltet oder gebogen sein können und eine gebogene oder gefaltete Form nach dem Biegen beibehalten (z. B. die mehrschichtigen laminierten Strukturen können in eine bestimmte dreidimensionale Form gefaltet werden, damit sie um andere Komponenten der Vorrichtung herumgeführt werden können, und können steif genug sein um ihre Form nach dem Falten beizubehalten, ohne durch Versteifungen oder andere Strukturen an der Position gehalten zu werden). Alle der mehreren Schichten der laminierten Strukturen können chargenlaminiert werden (z. B. in einem einzigen Pressverfahren) ohne Klebstoff (z. B. im Gegensatz zum Durchführen mehrerer Pressprozesse, um mehrerer Schichten mit Klebstoff zusammenzulaminieren). Eine Filterschaltlogik, schaltende Schaltlogik, Impedanzanpassungsschaltlogik und andere Schaltlogik können, falls gewünscht, innerhalb der Übertragungsleitungen eingefügt werden.
  • Bei Vorrichtungen wie tragbaren Vorrichtungen kann das Vorhandensein eines externen Objekts wie zum Beispiel die Hand eines Benutzers oder ein Tisch oder eine andere Oberfläche, auf der sich die Vorrichtung befindet, drahtlose Signale wie die Millimeterwellensignale unterbrechen. Folglich kann es wünschenswert sein, mehrere Antennen oder phasengesteuerte Antennen-Arrays, von denen jede/jedes an einer anderen Stelle in der Vorrichtung 10 platziert ist, in die Vorrichtung 10 einzugliedern. Mit dieser Art von Anordnung kann eine nicht blockierte Antenne oder ein phasengesteuertes Antennen-Array in Gebrauch genommen werden. In Szenarien, in denen ein phasengesteuerte Antennen-Array in der Vorrichtung 10 gebildet wird, kann das phasengesteuerte Antennen-Array nach dem Einschalten Strahlensteuerung verwenden, um die drahtlose Leistung zu optimieren. Konfigurationen, in denen Antennen von einer oder mehreren verschiedenen Stellen in der Vorrichtung 10 zusammen betrieben werden, können ebenfalls verwendet werden.
  • In Vorrichtungen mit phasengesteuerten Antennen-Arrays kann die Drahtlos-Schaltlogik 34 eine Verstärkungs- und Phasenanpassungsschaltlogik enthalten, die zum Anpassen der jeder Antenne 40 in dem phasengesteuerten Antennen-Array zugeordneten Signale verwendet wird (z. B. um eine Strahlensteuerung durchzuführen, um einen Signalstrahl des phasengesteuerten Antenne-Arrays in eine gewünschte Richtung zu richten). Eine schaltende Schaltlogik kann verwendet werden, um die gewünschten Antennen 40 ein- und auszuschalten. Falls gewünscht, kann jeder der Orte 6 von 1 und 2 mehrere Antennen 40 (z. B. einen Satz von drei Antennen oder mehr als drei oder weniger als drei Antennen in einem phasengesteuerten Antennen-Array) enthalten und, falls gewünscht, eine oder mehrere Antennen von einem der Orte 6 kann zum Senden und Empfangen von Signalen verwendet werden, während eine oder mehrere Antennen von einem anderen der Orte 6 zum Senden und Empfangen von Signalen verwendet werden.
  • 4 zeigt, wie Antennen 40 zum Handhaben von Millimeter- und Zentimeterwellen-Kommunikationen in einem phasengesteuerten Antennen-Array gebildet werden können. Wie in 4 gezeigt, kann das phasengesteuerte Antennen-Array 42 (hierin manchmal als Array 42, Antennen-Array 42 oder Array 42 der Antennen 40 bezeichnet) mit Signalpfaden wie etwa Übertragungsleitungspfaden 50 (z. B. eine oder mehrere Funkfrequenzübertragungsleitungen) verbunden sein. Zum Beispiel kann eine erste Antenne 40-1 in einem phasengesteuerten Antennen-Array 42 mit einem ersten Leitungspfad 50-1, eine zweite Antenne 50-2 in einem phasengesteuerten Antennen-Array 42 mit einem zweiten Leitungspfad 50-2, eine n-te Antenne 40-N in einem phasengesteuerten Antennen-Array 42 mit einem n-ten Übertragungsleitungspfad 50-N, etc. verbunden werden. Obwohl die Antennen 40 hierin als ein phasengesteuertes Antennen-Array beschrieben sind, können die Antennen 40 im phasengesteuerten Antennen-Array 42 in ihrer Gesamtheit manchmal als eine einzelne phasengesteuerte Array-Antenne referenziert werden.
  • Antennen 40 in dem phasengesteuerten Antennen-Array 42 können in jeder gewünschten Anzahl von Zeilen und Spalten oder in jedem anderen gewünschten Muster angeordnet sein (z. B. müssen die Antennen nicht in einem Gittermuster mit Zeilen und Spalten angeordnet sein). Während der Signalübertragung kann der Übertragungsleitungspfad 50 verwendet werden, um Signale (z. B. hochfrequente Signale wie zum Beispiel Millimeterwellen- und/oder Zentimeter-Wellensignale) von der Millimeterwellen-Transceiver-Schaltlogik 28 (3) an ein phasengesteuertes Antennen-Array 42 zur drahtlosen Übertragung zu externen drahtlosen Einrichtungen zu senden. Während des Signalempfangs können Übertragungsleitungspfade 50 verwendet werden, um Signale, die an dem phasengesteuerten Antennen-Array 42 empfangen werden, von externen drahtlosen Einrichtungen an die Millimeterwellen-Transceiver-Schaltlogik 28 (3) zu übertragen.
  • Die Verwendung mehrerer Antennen 40 im phasengesteuerten Antennen-Array 42 ermöglicht es, Strahlenanordnungen durch Steuern der entsprechenden Phasen und Größen (Amplituden) der von den Antennen übertragenen Funkfrequenzsignale zu leiten. In dem Beispiel von 4 weist jede der Antennen 40 jeweils einen zugehörigen hochfrequenten Phasen- und Größenregler 46 auf (z. B. kann ein erster Phasen- und Größenregler 46-1, der auf dem Übertragungsleitungspfad 50-1 angeordnet ist, die Phase und Größe für die von der Antenne 40-1 abgewickelten Funkfrequenzsignale steuern, ein zweiter Phasen- und Größenregler 46-2, der auf dem Übertragungsleitungspfad 50-2 angeordnet ist, kann die Phase und Größe für die von der Antenne 40-2 abgewickelten Funkfrequenzsignale steuern, ein n-ter Phasen- und Größenregler 46-N, der auf dem Übertragungsleitungspfad 50-N angeordnet ist, kann die Phase und die Größe für die von der Antenne 40-N abgewickelten Funkfrequenzsignale steuern, etc.).
  • Die Phasen- und Größenregler 46 können jeweils eine Schaltlogik zum Einstellen der Phase der Funkfrequenzsignale auf Übertragungsleitungspfaden 50 (z. B. Phasenschieberschaltungen) und/oder eine Schaltlogik zum Einstellen der Größe der Funkfrequenzsignale auf Übertragungsleitungspfaden 50 (z. B. Leistungsverstärker und/oder rauscharme Verstärkerschaltungen) einschließen. Die Phasen- und Größenregler 46 können hier manchmal in ihrer Gesamtheit als Schaltlogik für Strahlensteuerung bezeichnet werden (z. B. Strahlensteuerungsschaltlogik, welche die Strahlen von Funkfrequenzsignalen lenkt, die von dem phasengesteuerten Antennen-Array 42 gesendet und/oder empfangen werden).
  • Die Phasen- und Größenregler 46 können die entsprechenden Phasen und/oder Größen der gesendeten Signale einstellen, die an jede der Antennen in dem phasengesteuerten Antennen-Array 42 übertragen werden, und sie können die entsprechenden Phasen und/oder Größen der empfangenen Signale einstellen, die von dem phasengesteuerten Antennen-Array 42 von externen drahtlosen Einrichtungen übertragen werden. Die Phasen- und Größenregler 46 können, falls gewünscht, eine Schaltlogik für die Phasenerkennung zum Erfassen der Phasen von empfangenen Signalen, die von dem phasengesteuerten Antennen-Array 42 von externen drahtlosen Einrichtungen empfangen werden, einschließen. Der Begriff „Strahl“ oder „Signalstrahl“ kann sich hierin in seiner Gesamtheit auf drahtlose Signale, die von einem phasengesteuerten Antennen-Array 42 in einer bestimmten Richtung gesendet und empfangen werden, beziehen. Der Signalstrahl kann eine Spitzenverstärkung aufweisen, die in einer bestimmten Ausrichtungsrichtung unter einem entsprechenden Ausrichtungswinkel ausgerichtet ist (z. B. basierend auf einer konstruktiven und destruktiven Interferenz von der Kombination von Signalen von jeder Antenne in dem phasengesteuerten Antennen-Array). Der Begriff „Sendestrahl“ kann hierin manchmal verwendet werden, um Funkfrequenzsignale zu bezeichnen, die in einer bestimmten Richtung übertragen werden, während der Begriff „Empfangsstrahl“ hierin manchmal verwendet werden kann, um Funkfrequenzsignale zu bezeichnen, die von einer bestimmten Richtung empfangen werden.
  • Wenn zum Beispiel die Phasen- und Größenregler 46 eingestellt werden, um eine erste Gruppe von Phasen und/oder Größen für übertragene Millimeter-Wellensignale zu bilden, werden die gesendeten Signale einen Millimeter-Wellenfrequenz-Sendestrahl, wie anhand von Strahl 48A von 4 gezeigt, bilden, der in Richtung des Punktes A zeigt. Wenn jedoch die Phasen- und Größenregler 46 eingestellt werden, um eine zweite Gruppe von Phasen und/oder Größen der gesendeten Millimeter-Wellensignale zu bilden, werden die gesendeten Signale einen Millimeter-Wellenfrequenz-Sendestrahl, wie anhand von Strahl 48B gezeigt, bilden, der in Richtung des Punktes B zeigt. Auf ähnliche Weise können, wenn die Phasen- und Größenregler 46 eingestellt werden, um die erste Gruppe von Phasen und/oder Größen herzustellen, drahtlose Signale (z. B. Millimeter-Wellensignale in einem Millimeter-Wellenfrequenz-Empfangsstrahl) aus der Richtung von Punkt A, wie anhand von Strahl 48A gezeigt, empfangen werden. Wenn die Phasen- und Größenregler 46 eingestellt werden, um die zweite Gruppe von Phasen und/oder Größen zu bilden, werden Signale aus der Richtung von Punkt B, wie anhand von Strahl 48B gezeigt, empfangen.
  • Jeder Phasen- und Größenregler 46 kann gesteuert werden, um eine gewünschte Phase und/oder Größe auf Grundlage eines zugehörigen Steuersignals 44 von der Steuerschaltlogik 14 aus 3 oder einer anderen Steuerschaltlogik in Vorrichtung 10 zu erzeugen (z.B. kann die Phase und/oder Größe, die durch den Phasen- und Größenregler 46-1 erzeugt wird, unter Verwendung des Steuersignals 44-1 gesteuert werden, die Phase und/oder Größe, die durch den Phasen- und Größenregler 46-2 erzeugt wird, kann unter Verwendung des Steuersignals 44-2 gesteuert werden, etc.). Falls gewünscht, kann die Steuerschaltlogik 14 die Steuersignale 44 in Echtzeit aktiv anpassen, um den Sende- oder Empfangsstrahl in unterschiedliche gewünschte Richtungen zu lenken. Die Phasen- und Größenregler 46 können, falls gewünscht, Informationen liefern, indem sie die Phase der von der Steuerschaltlogik 14 empfangenen Signale identifizieren.
  • Bei der Millimeter- oder Zentimeterwellen-Kommunikation werden Funkfrequenzsignale über einen Sichtlinienpfad zwischen dem phasengesteuerten Antennen-Array 42 und externen drahtlosen Geräten übermittelt. Wenn sich die externe drahtlose Einrichtung am Punkt A von 4 befindet, können die Phasen- und Größenregler 46 so eingestellt werden, dass sie den Signalstrahl zum Punkt A lenken (z. B. um die Zeigerichtung des Signalstrahls zum Punkt A zu lenken). Befindet sich die externe Einrichtung an der Stelle B, können die Phasen- und Größenregler 46 eingestellt werden, um den Signalstrahl in Richtung B zu lenken. In dem Beispiel von 4 wird die Strahlensteuerung der Einfachheit halber als über einen einzigen Freiheitsgrad gezeigt (z. B. nach links oder rechts auf der Seite der 4). Jedoch wird in der Praxis der Strahl über zwei oder mehr Freiheitsgrade geleitet (z. B. in drei Abmessungen, in und aus der Seite heraus und nach links und rechts auf der Seite von 4).
  • Ein schematisches Diagramm einer Antenne 40, die in dem phasengesteuerten Antennen-Array 42 gebildet werden kann (z. B. als Antenne 40-1,40-2,40-3 und/oder 40-N in dem phasengesteuerten Antennen-Array 42 in 4), wird in 5 veranschaulicht. Wie in 5 gezeigt, kann die Antenne 40 mit einer Transceiver-Schaltlogik 20 (z. B. einer Millimeterwellen-Transceiver-Schaltlogik 28 von 3) gekoppelt sein. Die Transceiver-Schaltlogik 20 kann mit der Antennenzuleitung F der Antenne 40 unter Verwendung des Übertragungsleitungspfades 50 (hierin manchmal als Funkfrequenzübertragungsleitung 50 bezeichnet) gekoppelt sein. Die Antennenzuleitung F kann einen positiven Antennenzuleitungsanschluss, wie beispielsweise einen positiven Antennenzuleitungsanschluss 56, einschließen und kann einen Masse-Antennenzuleitungsanschluss, wie beispielsweise einen Masse-Antennenzuleitungsanschluss 58, einschließen. Der Übertragungsleitungspfad 50 kann einen positiven Signalleiter wie Signalleiter 52, der mit dem Anschluss 56 verbunden ist, und einen Masseleiter wie den Masseleiter 54, der mit dem Anschluss 58 verbunden ist, einschließen.
  • Es kann jede beliebige Antennenstruktur zur Implementierung der Antenne 40 verwendet werden. In einer geeigneten Anordnung, die hier manchmal als ein Beispiel beschrieben wird, können Patch-Antennenstrukturen zum Implementieren der Antenne 40 verwendet werden. Die Antennen 40, die unter Verwendung von Patch-Antennenstrukturen implementiert werden, können hierin manchmal als Patch-Antennen bezeichnet werden. Eine veranschaulichende Patch-Antenne kann in einem phasengesteuerten Antennen-Array 42 von 4 verwendet werden, wie in 6 gezeigt.
  • Wie in 6 gezeigt, kann die Antenne 40 ein Patch-Antennenresonanzelement 60 aufweisen, das getrennt und parallel zu einer Massefläche wie der Antennenmassefläche 64 liegt (die hierin manchmal als Antennenmasse 64 bezeichnet wird). Das Patch-Antennenresonanzelement 60 kann in einer Ebene wie der X-Y-Ebene in 6 liegen (z. B. die Seitenfläche des Elements 60 kann in der X-Y-Ebene liegen). Das Patch-Antennenresonanzelement 60 kann hierin manchmal als Patch 60, Patch-Element 60, Patch-Resonanzelement 60, Antennen-Resonanzelement 60 oder Resonanzelement 60 bezeichnet werden. Die Antennenmasse 64 kann in einer Ebene parallel zu der Ebene des Patch-Elements 60 liegen. Das Patch-Element 60 und die Antennenmasse 64 können daher in getrennten parallelen Ebenen, die durch einen festen Abstand voneinander getrennt sind, liegen. Das Patch-Element 60 und die Antennenmasse 64 können aus Leiterbahnen gebildet werden, die auf einem dielektrischen Substrat angeordnet sind, wie etwa einem starren oder flexiblen Leiterplattensubstrat, einer Metallfolie, gestanztem Blech, Gehäusestrukturen elektronischer Vorrichtungen oder anderen gewünschten Leiterstrukturen.
  • Die Seitenlänge des Patch-Elements 60 kann so gewählt werden, dass die Antenne 40 bei einer gewünschten Betriebsfrequenz Resonanz zeigt (strahlt). Zum Beispiel können die Seiten des Patch-Elements 60 jeweils eine Länge 62 haben, die ungefähr gleich der Hälfte der Wellenlänge der Signale ist, die durch die Antenne 40 übertragen werden (z. B. die effektive Wellenlänge angesichts der dielektrischen Eigenschaften der Materialien, die das Patch-Element 60 umgeben). In einer geeigneten Anordnung kann die Länge 62 beispielsweise zwischen 0,8 mm und 1,2 mm (z. B. ungefähr 1,1 mm) liegen, um ein Millimeter-Wellenfrequenzband zwischen 57 GHz und 70 GHz abzudecken.
  • Das Beispiel aus 6 dient lediglich zur Veranschaulichung. Das Patch-Element 60 kann eine quadratische Form haben, in der alle Seiten des Patch-Elements 60 die gleiche Länge haben oder es kann eine andere rechteckige Form haben. Das Patch-Element 60 kann in anderen Formen mit einer beliebigen gewünschten Anzahl gerader und/oder gekrümmter Ecken gestaltet sein. Falls gewünscht, können das Patch-Element 60 und die Antennenmasse 64 unterschiedliche Formen und entsprechende Ausrichtungen aufweisen.
  • Um die Polarisationen zu verbessern, die von der Antenne 40 geregelt werden, kann die Antenne 40 mit mehreren Speisungen versehen sein. Wie in 6 gezeigt, kann die Antenne 40 eine erste Speisung am Antennenanschluss P1 aufweisen, der mit einem ersten Übertragungsleitungspfad 50, wie einem Übertragungsleitungspfad 50V, verbunden ist, und eine zweite Speisung am Antennenanschluss P2, der mit einem zweiten Übertragungsleitungspfad 50, wie einem Übertragungsleitungspfad 50H, verbunden ist. Die erste Antennenzuleitung kann einen ersten Masse-Antennenzuleitungsanschluss aufweisen, der mit der Antennenmasse 64 gekoppelt ist (der Übersichtlichkeit halber in 6 nicht gezeigt), und einen ersten positiven Antennenzuleitungsanschluss 56, wie beispielsweise einen positiven Antennenzuleitungsanschluss 56V, der mit dem Patch-Element 60 gekoppelt ist. Die zweite Antennenzuleitung kann einen zweiten Masse-Antennenzuleitungsanschluss aufweisen, der mit der Antennenmasse 64 gekoppelt ist (der Übersichtlichkeit halber in 6 nicht gezeigt), und einen zweiten positiven Antennenzuleitungsanschluss 56, beispielsweise einen positiven Antennenzuleitungsanschluss 56H, der mit dem Patch-Element 60 gekoppelt ist.
  • Löcher oder Öffnungen, wie zum Beispiel die Öffnungen 70 und 72, können in der Antennenmasse 64 gebildet werden. Der Übertragungsleitungspfad 50V kann einen vertikalen Leiter 66V (z. B. eine leitfähige Durchkontaktierung, einen leitfähigen Stift, eine Metallsäule, einen Löthöcker, Kombinationen von diesen, oder andere vertikale leitfähige Verbindungsstrukturen) einschließen, der sich durch das Loch 70 zum positiven Antennenzuleitungsanschluss 56V auf Patch-Element 60 erstreckt. Der Übertragungsleitungspfad 50H kann einen vertikalen Leiter 66H einschließen, der sich durch das Loch 72 zu dem positiven Antennenzuleitungsanschluss 56H auf Patch-Element 60 erstreckt. Dieses Beispiel ist lediglich veranschaulichend und es können, falls gewünscht, andere Übertragungsleitungsstrukturen verwendet werden (z.B. koaxiale Kabelstrukturen, Übertragungsleitungsstrukturen von Streifenleitungen, etc.).
  • Bei Verwendung der ersten Antennenzuleitung, die Port P1 zugeordnet ist, kann die Antenne 40 Funkfrequenzsignale mit einer ersten linearen Polarisation senden und/oder empfangen (z. B. kann das elektrische Feld E1 der Antennensignale 68, die Port P1 zugeordnet sind, parallel zur Y-Achse in 6 ausgerichtet sein). Bei Verwendung der Antennenzuleitung, die Port P2 zugeordnet ist, kann die Antenne 40 Funkfrequenzsignale mit einer zweiten linearen Polarisation senden und/oder empfangen (z. B. kann das elektrische Feld E2 der Antennensignale 68, die Port P2 zugeordnet sind, parallel zur X-Achse von 6 ausgerichtet sein, sodass die den Ports P1 und P2 zugeordneten linearen Polarisationen rechtwinkelig zueinander ausgerichtet sind).
  • Einer der Ports P1 und P2 kann zu einem bestimmten Zeitpunkt verwendet werden, so dass die Antenne 40 als eine einzeln polarisierte Antenne arbeitet oder beide Ports können gleichzeitig betrieben werden, so dass die Antenne 40 mit anderen Polarisationen arbeitet (z.B. als eine doppelt polarisierte Antenne, eine elliptisch polarisierte Antenne, etc.). Falls gewünscht, kann der aktive Port mit der Zeit geändert werden, so dass die Antenne 40 zwischen der Abdeckung vertikaler oder horizontaler Polarisationen zu einem bestimmten Zeitpunkt umschalten kann. Die Ports P1 und P2 können mit unterschiedlichen Phasen- und Größenreglern gekoppelt sein oder können beide mit demselben Phasen- und Größenregler gekoppelt sein (z. B. in Szenarien, in denen die Antenne 40 in einem phasengesteuerten Antennen-Array ausgebildet ist). Falls gewünscht, können beide Ports P1 und P2 mit derselben Phase und Größe zu einem bestimmten Zeitpunkt betrieben werden (z.B. wenn die Antenne 40 als eine doppelt polarisierte Antenne wirkt). Falls gewünscht, können die Phasen und Größen der Funkfrequenzsignale, die über die Ports P1 und P2 übertragen werden, getrennt gesteuert und über die Zeit variiert werden, so dass die Antenne 40 andere Polarisationen (z. B. kreisförmige oder elliptische Polarisationen) aufweist.
  • Falls nicht darauf geachtet wird, können die Antennen 40, wie doppelt polarisierte Patch-Antennen der in 6 gezeigten Art, eine unzureichende Bandbreite zum Abdecken einer Gesamtheit eines betroffenen Kommunikationsbandes haben (z. B. ein Kommunikationsband in Frequenzen von mehr als 10 GHz). Falls gewünscht, kann die Antenne 40 ein oder mehrere parasitäre Antennenresonanzelemente enthalten, die dazu dienen, die Bandbreite der Antenne 40 zu verbreitern (z. B. um die Bandbreite der Antenne 40 zu erweitern, um ein gesamtes entsprechendes Kommunikationsband abzudecken). Die parasitären Antennenresonanzelemente können beispielsweise ein oder mehrere leitende Patches aufweisen, die über dem Patch-Element 60 angeordnet sind. Die Länge des parasitären Antennenresonanzelements kann größer oder kleiner als die Länge des Patch-Elements 60 sein, um zusätzliche Resonanzen hinzuzufügen, die die Bandbreite der Antenne verbreitern. Das parasitäre Antennenresonanzelement kann, falls gewünscht, eine Kreuzform zur Impedanzanpassung aufweisen. Falls gewünscht, kann die Antenne 40 unter Verwendung einer einzelnen Antennenzuleitung gespeist werden. In einer anderen geeigneten Anordnung können zusätzliche Patch-Antennen (z. B. Patch-Antennen mit einer oder zwei Antennenzuleitungen) über und/oder unter der Antenne 40 von 6 gestapelt sein. Die Patch-Elemente in den gestapelten Patch-Antennen können sich zumindest teilweise überlappen.
  • Die Antennenstrukturen, die in 6 gezeigt werden, sind lediglich veranschaulichend und im Allgemeinen können beliebige Arten von Antennen in dem phasengesteuerten Antennen-Array 42 von 4 verwendet werden. Falls gewünscht, kann das phasengesteuerte Antennen-Array 42 in eine andere Schaltlogik wie eine integrierte Funkfrequenzschaltung integriert werden, um ein integriertes Antennenmodul zu bilden.
  • 7 ist eine perspektivische Rückansicht eines veranschaulichenden integrierten Antennenmoduls zum Handhaben von Signalen bei Frequenzen, die größer als 10 GHz sind, in der Vorrichtung 10. Wie in 7 gezeigt, kann die Vorrichtung 10 mit einem integrierten Antennenmodul wie dem integrierten Antennenmodul 110 (manchmal hierin als Antennenmodul 110 oder Modul 110 bezeichnet) versehen sein. Das Modul 110 kann ein phasengesteuertes Antennen-Array 42 von Antennen 40 enthalten, die auf einem dielektrischen Substrat wie dem dielektrischen Substrat 80 ausgebildet sind. Bei dem Substrat 80 kann es sich zum Beispiel um eine starre oder Leiterplatte oder ein anderes dielektrisches Substrat handeln. Das Substrat 80 kann ein gestapeltes dielektrisches Substrat sein, das mehrere gestapelte dielektrische Schichten 82 enthält (z. B. mehrere Schichten eines Leiterplattensubstrats, wie mehrere Schichten eines mit Glasfaser gefüllten Epoxids, starres Leiterplattenmaterial, flexibles Leiterplattenmaterial, Keramik, Kunststoff, Glas oder andere Dielektrika). Das phasengesteuerte Antennen-Array 42 kann eine beliebige Anzahl von Antennen 40 enthalten, die in einem beliebigen gewünschten Muster angeordnet sind.
  • Die Antennen 40 in dem phasengesteuerten Antennen-Array 42 können Elemente wie Patch-Elemente 60, Massebahnen 98 (z. B. leitende Pfade, die die Antennenmasse 64 von 6 für jede der Antennen 40 in dem phasengesteuerten Antennen-Array 42 bilden) und/oder andere Komponenten, wie parasitäre Elemente, die zwischen den dielektrischen Schichten 82 des Substrats 80 angeordnet oder auf diesen ausgebildet sind, einschließen. Die Patch-Elemente 60 können auf der Oberfläche 91 des Substrats 80 ausgebildet sein oder können in Schichten 82 an oder neben der Oberfläche 91 eingebettet sein. Patch-Elemente 60, parasitäre Elemente in Antennen 40, Massebahnen 98 können aus Leiterbahnen auf den dielektrischen Schichten 82 des Substrats 80 gebildet werden (z. B. eingebettet in und/oder auf dem Substrat 80).
  • Eine oder mehrere elektrische Komponenten 90 können auf der Oberfläche 88 des Substrats 80 (z. B. der Oberfläche des Substrats 80 gegenüber der Oberfläche 90 und den Patch-Elementen 60) montiert sein. Die Komponente 90 kann beispielsweise eine integrierte Schaltung (z. B. einen integrierten Schaltungschip) oder eine andere, auf der Oberfläche 88 des Substrats 80 montierte, Schaltlogik einschließen. Die Komponente 90 kann Funkfrequenzkomponenten enthalten, wie eine Verstärkerschaltlogik 92, eine Phasenschieberschaltlogik und eine andere Schaltlogik, die mit Funkfrequenzsignalen arbeitet. Die Komponente 90 kann hier manchmal als integrierte Funkfrequenzschaltung (RFIC) 90 bezeichnet werden. Dies ist jedoch nur veranschaulichend und im Allgemeinen muss die Schaltlogik der Komponente 90 nicht auf einer integrierten Schaltung gebildet werden. Die Verstärkerschaltlogik 92 und die Phasenschieberschaltlogik in RFIC 90 können zum Beispiel die Phasen- und Größenregler 46 (4) für das phasengesteuerte Antennen-Array 42 bilden. RFIC 90 kann Ports enthalten, die mit den Antennenzuleitungen der Antennen 40 in dem phasengesteuerten Antennen-Array 42 gekoppelt sind.
  • Das Modul 110 kann Funkfrequenzsignale von der Millimeterwellen-Transceiver-Schaltlogik 28 (3) über Übertragungsleitungsstrukturen wie Übertragungsleitungen 100H und 100V empfangen. Die Übertragungsleitungen 100H und 100V können Koaxialkabel oder beliebige andere gewünschte Übertragungsleitungsstrukturen sein und können einen Teil der Übertragungsleitungspfade 50 (4) für das phasengesteuerte Antennen-Array 42 bilden. Die Übertragungsleitung 100H kann ein erstes Ende aufweisen, das mit der Millimeterwellen-Transceiver-Schaltlogik 28 (3) verbunden ist, und ein zweites Ende, das mit dem Funkfrequenzverbinder 102H auf der Oberfläche 88 des Substrats 80 verbunden ist (z. B. kann der Verbinder 102H die Übertragungsleitung 100H empfangen). Die Übertragungsleitung 100V kann ein erstes Ende aufweisen, das mit der Millimeterwellen-Transceiver-Schaltlogik 28 (3) verbunden ist, und ein zweites Ende, das mit dem Funkfrequenzverbinder 102V auf der Oberfläche 88 des Substrats 80 verbunden ist. Die Funkfrequenzverbinder 102H und 102V können Massestrukturen enthalten, die die Masseleiter von den Übertragungsleitungen 100V und 100H mit den Massebahnen 98 koppeln (z. B. über leitfähige Durchkontaktierungen oder andere Strukturen). Die Funkfrequenzverbinder 102H und 102V können die Signalleiter von den Übertragungsleitungen 100V und 100H mit der RFIC 90 koppeln (z. B. unter Verwendung von leitenden Pfaden und/oder leitfähigen Durchkontaktierungen auf und/oder in dem Substrat 80). Die Übertragungsleitung 100V kann verwendet werden, um Funkfrequenzsignale für Antennenzuleitungsanschlüsse 56V (6) in den Antennen 40 des phasengesteuerten Antennen-Arrays 42 zu übertragen. Die Übertragungsleitung 100H kann verwendet werden, um erste Funkfrequenzsignale für Antennenzuleitungsanschlüsse 56H (6) in den Antennen 40 des phasengesteuerten Antennen-Arrays 42 zu übertragen.
  • Die dielektrischen Schichten 82 im Substrat 80 können einen ersten Satz von Schichten 84 (hier manchmal als Antennenschichten 84 bezeichnet) und einen zweiten Satz von Schichten 86 (hier manchmal als Übertragungsleitungsschichten 86 bezeichnet) enthalten. Massebahnen 98 können Antennenschichten 84 von Übertragungsleitungsschichten 86 trennen. Leitende Pfade oder andere Metallschichten auf Übertragungsleitungsschichten 86 des Substrats 80 können zum Bilden von Übertragungsleitungsstrukturen wie etwa Übertragungsleitungspfaden 50 von 4 verwendet werden. Zum Beispiel können leitende Pfade auf Übertragungsleitungsschichten 86 zum Bilden von Streifenleitungs- oder Mikrostreifenübertragungsleitungen verwendet werden, die zwischen den Antennenzuleitungen für Antennen 40 (z. B. über leitfähige Durchkontaktierungen, die sich durch die Antennenschichten 84 erstrecken) und der RFIC 90 gekoppelt sind (z. B. über leitfähige Durchkontaktierungen, die sich durch die Übertragungsleitungsschichten 86 erstrecken). Leitende Pfade auf Übertragungsleitungsschichten 86 können auch verwendet werden, um Funkfrequenzverbinder 102H und 102V und somit die Signalleiter von den Übertragungsleitungen 100H und 100V zu der RFIC 90 zu koppeln.
  • Die Funkfrequenzverbinder 102H und 102V und die Übertragungsleitungen 100H und 100V können mit der Oberfläche 88 an der Seite (dem Ende) 106 des Substrats 80 gekoppelt sein. Das Vorhandensein der Funkfrequenzverbinder 102H und 102V und der leitenden Pfade in den Übertragungsleitungsschichten 86, die zum Koppeln der Verbinder 102H und 102V mit der RFIC 90 verwendet werden, kann die Seite 106 des Moduls 110 für einen Stromverlust aus den Antennenschichten 84 des Moduls 110 anfällig machen. Zum Beispiel können die Antennen 40 in dem phasengesteuerten Antennen-Array 42 einen Oberflächenstrom 1 erzeugen, der sich entlang der Oberfläche der Massebahnen 98 seitlich nach außen ausbreitet (z. B. an der Oberfläche der Massebahnen 98, die den Antennenschichten 84 zugewandt sind). Wenn nicht sorgfältig vorgegangen wird, kann der Strom 1 am Rand der Massebahnen 98 auf der Seite 106 des Moduls 110 durch die Funkfrequenzverbinder 102H und 102V (z. B. durch Öffnungen in den Verbindern 102H und 102V, die mechanische Verbindungen für die Übertragungsleitungen 100H und 100V ermöglichen, was jedoch unerwünschte Pfade für den Erdstrom bildet) und leitende Pfade in den Übertragungsleitungsschichten 86 in die RFIC 90 gestreut werden (wie durch die Pfeile 104 gezeigt). Dieser gestreute Strom kann weiter vom Ausgang 96 zum Eingang 94 der Verstärkerschaltlogik 92 lecken. Dies kann ermöglichen, dass sich Signalrauschen in einer Rückkopplungsschleife an der Verstärkerschaltlogik 92 aufbaut, wodurch eine unerwünschte Oszillation in der Antwort der Verstärkerschaltlogik 92 erzeugt wird und letztendlich dazu dient, die Antwort der Antennen 40 in dem Modul 110 zu verschlechtern.
  • Um diese Effekte abzuschwächen, kann ein elektromagnetisches Isolationselement, wie ein passiver Resonator, auf oder in den Antennenschichten 84 auf der Seite 106 des Moduls 110 ausgebildet sein. 8 ist eine seitliche Querschnittsansicht des Moduls 110 (z. B. in Richtung des Pfeils 112 von 7), die zeigt, wie das Modul 110 einen passiven Resonator zum Isolieren der RFIC 90 von dem Oberflächenstrom 1 einschließen kann.
  • Wie in 8 gezeigt, kann eine gegebene Antenne 40 in dem phasengesteuerten Antennen-Array 42 ein entsprechendes Patch-Element 60 einschließen, das in Antennenschichten 84 des Substrats 80 eingebettet ist. Die in 8 gezeigte Antenne 40 kann beispielsweise die Antenne in dem phasengesteuerten Antennen-Array 42 sein, die der Seite 106 des Moduls 110 am nächsten liegt. In dem Beispiel von 8 ist die Antenne 40 mit einem parasitären Element 125 versehen, das dazu dient, den Frequenzgang der Antenne 40 zu verbreitern. Wenn gewünscht, kann das parasitäre Element 125 weggelassen werden. Das parasitäre Element 125 (oder das Patch-Element 60 in Szenarien, in denen das parasitäre Element 125 weggelassen wird) kann auf der Oberfläche 91 des Substrats 80 ausgebildet sein oder kann in das Substrat 80 eingebettet sein (z. B. so, dass eine oder mehrere dielektrische Schichten 82 über dem parasitären Element 125 ausgebildet sind).
  • RFIC 90 und der Funkfrequenzverbinder 102H können an der Oberfläche 88 der Übertragungsleitungsschichten 86 im Substrat 80 angebracht sein. Die Funkfrequenzübertragungsleitung 100H kann mit dem Verbinder 102H gekoppelt sein. Der Verbinder 102V und die Übertragungsleitung 100V von 7 sind aus Gründen der Klarheit in 8 weggelassen. Der Signalleiter von der Übertragungsleitung 100H kann mit dem leitenden Pfad 134 über den Verbinder 102H und der vertikalen Durchkontaktierung 136 verbunden sein, die sich durch die Übertragungsleitungsschichten 86 erstreckt. Der leitende Pfad 134 kann über die vertikale leitfähige Durchkontaktierung 137, die sich durch die Übertragungsleitungsschichten 86 erstreckt, mit dem Funkfrequenzport 120' auf der RFIC 90 gekoppelt sein. In einer anderen geeigneten Anordnung kann der leitende Pfad 134 auf der Oberfläche 88 des Substrats 80 ausgebildet sein und die leitfähigen Durchkontaktierungen 136 und 137 können weggelassen werden. Der Funkfrequenzverbinder 102H kann Massestrukturen enthalten, die den Masseleiter der Übertragungsleitung 100H zu Masse im Modul 110 über leitende Pfade und/oder leitfähige Durchkontaktierungen koppeln (aus Gründen der Klarheit in 8 nicht gezeigt).
  • RFIC 90 kann auch Funkfrequenzports 120 enthalten. Jeder Funkfrequenzport 120 kann über einen jeweiligen Übertragungsleitungspfad (z. B. Teile der Übertragungsleitungspfade 50 von 4) mit einer jeweiligen Antenne 40 in dem phasengesteuerten Antennen-Array 42 gekoppelt sein. Die Ports 120 und 120' können leitfähige Kontaktflächen, Lötkugeln, Mikrobumps, leitfähige Stifte, leitfähige Säulen, leitfähige Sockel, leitfähige Klammern, Schweißstellen, leitfähige Klebstoffe, leitfähige Drähte, Schnittstellenschaltungen oder beliebige andere leitfähige Verbindungsstrukturen einschließen.
  • Teile der Übertragungsleitungspfade für Antennen 40 können in Übertragungsleitungsschichten 86 eingebettet sein. Beispielsweise können die Übertragungsleitungspfade leitende Pfade 132 in Übertragungsleitungsschichten 86 enthalten (z. B. leitende Pfade auf einer gegebenen dielektrischen Schicht 82 in Übertragungsleitungsschichten 86). Die leitenden Pfade 132 können einen Teil der Signalleiter (z. B. Signalleiter 52 von 5) für die Antennen 40 in dem phasengesteuerten Antennen-Array 42 bilden. Massebahnen 98 können einen Teil der Masseleiter (z. B. Masseleiter 54 von 5) für die Antennen 40 in dem phasengesteuerten Antennen-Array 42 bilden. Falls gewünscht, können zusätzliche geerdete leitende Pfade innerhalb der Übertragungsleitungsschichten 86 verwendet werden, um einen Teil der Masseleiter für die Übertragungsleitungspfade zu bilden.
  • Leitende Pfade 132 können über vertikale leitfähige Durchkontaktierungen 128 mit positiven Antennenzuleitungsanschlüssen der Antennen 40 (z. B. positive Antennenzuleitungsanschlüsse 56V und 56H von 6) verbunden werden. Der leitende Pfad 134 kann auf derselben dielektrischen Schicht 82 wie die leitenden Pfade 132 ausgebildet sein, oder die leitenden Pfade 132 und 134 können auf getrennten dielektrischen Schichten 82 ausgebildet sein. Leitenden Pfade 132 können über vertikale Durchkontaktierungen 130 mit Transceiver-Ports 120 verbunden werden. Vertikale Durchkontaktierungen 128 können sich durch Übertragungsleitungsschichten 86, ein Loch oder eine Öffnung in Massebahnen 98 und Antennenschichten 84 zu den Patch-Elementen 60 in dem phasengesteuerten Antennen-Array 42 erstrecken. Vertikale Durchkontaktierungen 130 können sich durch Übertragungsleitungsschichten 86 erstrecken.
  • In dem Beispiel von 8 ist gezeigt, dass die Antenne 40 aus Gründen der Klarheit eine einzelne Antennenzuleitung aufweist, die mit einer einzelnen vertikalen leitfähigen Durchkontaktierung 128 gekoppelt ist, und falls gewünscht, kann jede Antenne 40 zwei Antennenzuleitungen (z. B. Antennenzuleitungen, die positiven Antennenzuleitungsanschlüssen 56V und 56H von 6 zugeordnet sind) enthalten, die jeweils mit einer entsprechenden leitfähigen Durchkontaktierung 128, einem leitenden Pfad 132, einer leitfähigen Durchkontaktierung 130 und einem Anschluss 120 gekoppelt sind. Auf diese Weise können die leitfähigen Durchkontaktierungen 128, 137 und 136, die leitenden Pfade 132 und 134 und der Signalleiter der Übertragungsleitung 100H gemeinsam den Signalleiter 52 (5) für die Antennen 40 in dem phasengesteuerten Antennen-Array 42 bilden (z. B. leitfähige Durchkontaktierungen 128, 137 und 136, leitende Pfade 132 und 134 und der Signalleiter der Übertragungsleitung 100H können jeweils einen Teil des Übertragungsleitungspfades 50 für jede Antenne 40 bilden, wie in 5 gezeigt).
  • Wie in 8 gezeigt, kann das Modul 110 ein elektromagnetisches Isolationselement wie einen passiven Resonator 138 enthalten. Der passive Resonator 138 ist ein passives Resonanzelement, das nicht direkt unter Verwendung von Antennensignalen oder einer Antennenzuleitung gespeist wird. Der passive Resonator 138 kann mit einem erweiterten Abschnitt 144 von Massebahnen 98 (z. B. einem Abschnitt von Massebahnen 98, die sich über den seitlichen Umriss des phasengesteuerten Antennen-Arrays 42 hinaus erstrecken) gekoppelt sein und eine vertikale leitende Struktur 142 aufweisen, die sich durch eine oder mehrere dielektrische Schichten 82 in den Antennenschichten 84 und dem Arm 140 erstreckt. Der Arm 140 kann aus einem leitenden Pfad gebildet sein, der in Antennenschichten 84 eingebettet ist (z. B. auf einer entsprechenden dielektrischen Schicht 82) oder auf der Oberfläche 91 der Antennenschichten 84 gebildet ist. Der Arm 140 kann über die vertikale leitende Struktur 142 mit den Massebahnen 98 (z. B. dem Abschnitt 144 der Massebahnen 98) kurzgeschlossen sein. Die vertikale leitende Struktur 142 kann beispielsweise Leiterbahnen auf der Seite 106 des Substrats 80, ein Blech über der Seite 106 des Substrats 80, ein leitendes Band über der Seite 106 des Substrats 80 und/oder vertikale leitfähige Durchkontaktierungen einschließen, die sich durch die Antennenschichten 84 erstrecken. Die vertikale leitende Struktur 142 kann hier manchmal als Wand 142, Seitenwand 142 oder Bein 142 bezeichnet werden. Der Arm 140 kann hier manchmal als Lippe 140 oder leitender Pfad 140 bezeichnet werden.
  • Das Patch-Element 60 kann auf der Höhe H2 über den Massebahnen 98 angeordnet sein. Das parasitäre Element 125 kann sich in der Höhe H1 über den Massebahnen 98 befinden. Der Arm 140 des passiven Resonators 138 kann auf der Höhe H3 über den Massebahnen 98 angeordnet sein (z. B. kann die vertikale leitende Struktur 142 eine Länge aufweisen, die der Höhe H3 entspricht). Die Höhe H3 kann größer oder gleich der Höhe H1 sein oder kann größer oder gleich der Höhe H2 sein.
  • Der Arm 140 kann ein erstes Ende an der vertikalen leitenden Struktur 142 und ein gegenüberliegendes zweites Ende aufweisen, das dem phasengesteuerten Antennen-Array 42 zugewandt ist. Der Arm 140 kann eine Länge 126 aufweisen (die sich z. B. vom ersten Ende zum zweiten Ende erstreckt). Das dem phasengesteuerten Antennen-Array 42 zugewandte Ende des Arms 140 kann von der dem Patch-Element 60 zugewandten Seite 106 des Moduls 110 durch einen Abstand 124 getrennt sein. Der Abschnitt 144 der Massebahnen 98 kann eine Länge aufweisen, die der Summe aus Abstand 124 und Länge 126 entspricht. Der Abstand 124 kann beispielsweise ungefähr gleich (z. B. innerhalb von 10 bis 20 % von) der Hälfte der Freiraum-Betriebswellenlänge der Antenne 40 sein (z. B. eine Zentimeter- oder Millimeter-Wellenlänge, die einer Frequenz zwischen 10 GHz und 300 GHz entspricht).
  • Die Abmessungen des passiven Resonators 138 können ausgewählt werden, um den passiven Resonator 138 so zu konfigurieren, dass er bei ungefähr einem Viertel der effektiven Betriebswellenlänge der Antenne 40 mitschwingt. Die effektive Wellenlänge ist gegeben durch Teilen der Freiraum-Betriebswellenlänge der Antenne 40 durch einen konstanten Faktor (z. B. die Quadratwurzel der Dielektrizitätskonstante des Materials, das zur Bildung der Antennenschichten 84 verwendet wird). Die Länge 126 kann beispielsweise so gewählt werden, dass sie ungefähr (z. B. innerhalb von 10 bis 20 %) ein Viertel der effektiven Betriebswellenlänge der Antenne 40 beträgt, um den passiven Resonator 138 so zu konfigurieren, dass er diese Resonanz aufweist. Diese Resonanz kann eine unendliche (Leerlauf-) Impedanz bei der Betriebswellenlänge der Antenne 40 erzeugen. Die unendliche Impedanz kann dazu dienen, die Ausbreitung von Oberflächenströmen 1 (z. B. Oberflächenströmen bei der Wellenlänge des Betriebs der Antenne 40) aus den Antennenschichten 84 auf der Seite 106 in die Übertragungsleitungsschichten 86 des Moduls 110 zu blockieren (z. B. wie durch einen Pfeil 122 gezeigt). Auf diese Weise kann der passive Resonator 138 verhindern, dass der Oberflächenstrom 1 auf die RFIC 90 leckt und eine unerwünschte Rückkopplung an der Verstärkerschaltlogik in RFIC 90 erzeugt.
  • Das Beispiel aus 8 dient lediglich zur Veranschaulichung. Falls gewünscht, kann der passive Resonator 138 andere Formen haben (z. B. Formen mit gekrümmten und/oder geraden Kanten). Der passive Resonator 138 kann, falls gewünscht, vollständig in die Antennenschichten 84 eingebettet sein (z. B. kann sich das Substrat 80 nach rechts über den passiven Resonator 138 hinaus erstrecken). In dem Beispiel von 8 ist der passive Resonator 138 so gezeigt, dass er sich nur in einer ersten und einer zweiten Dimension erstreckt (z. B. parallel zu den Y- und Z-Achsen). In der Praxis kann sich der passive Resonator 138 auch in einer dritten Dimension erstrecken (z. B. über die Breite des Substrats 80 und parallel zur X-Achse von 8).
  • 9 ist eine Draufsicht auf das Modul 110, die zeigt, wie sich der passive Resonator 138 über die Breite des Moduls 110 erstrecken kann. Wie in 9 gezeigt, kann das phasengesteuerte Antennen-Array 42 mehrere Antennen 40 mit entsprechenden Patch-Elementen 60 einschließen, die an, auf oder unter der Oberfläche 91 des Substrats 80 ausgebildet sind. Die vertikale leitende Struktur 142 des passiven Resonators 138 kann die Seite 106 des Substrats 80 von der Kante 156 bis zur Kante 152 bedecken (z. B. können sich die vertikalen leitenden Strukturen 142 über die Breite des Moduls 110 von der Kante 156 bis zur Kante 152 erstrecken). In ähnlicher Weise kann sich der Arm 140 über die Breite des Moduls 110 erstrecken. Der Arm 140 kann von den nächsten Antennen 40 in dem phasengesteuerten Antennen-Array 42 durch den Abstand 124 getrennt sein. Der Arm 140 kann eine Länge 126 aufweisen (z. B. parallel zur Y-Achse von 9). Der durch das phasengesteuerte Antennen-Array 42 erzeugte Oberflächenstrom 1 kann aufgrund der Resonanz des passiven Resonators 138 auf eine unendliche Impedanz bei ihrer Wellenlänge treffen, was dazu dient, zu verhindern, dass der Strom 1 auf der Seite 106 des Moduls 110 und in die Übertragungsleitungsschichten des Moduls 110 gestreut wird.
  • Falls gewünscht, kann die vertikale leitende Struktur 142 aus einem Zaun aus leitfähigen Durchkontaktierungen 150 gebildet werden, die sich durch das Substrat 80 erstrecken. Die leitfähigen Durchkontaktierungen 150 können bei der Betriebswellenlänge des phasengesteuerten Antennen-Arrays 42 undurchlässig sein. Um bei den von dem phasengesteuerten Antennen-Array 42 abgedeckten Frequenzen undurchlässig zu sein, kann der Abstand (Pitch) zwischen benachbarten leitfähigen Durchkontaktierungen 150 kleiner als etwa 1/8 der effektiven Betriebswellenlänge des phasengesteuerten Antennen-Arrays 42 sein.
  • 10 ist eine Seitenansicht beispielhafter Antennendiagrammbereiche, die von dem phasengesteuerten Antennen-Array 42 in Gegenwart und Abwesenheit des passiven Resonators 138 von 8 und 9 gezeigt werden können. Wie in 10 gezeigt ist, zeigt die Kurve 160 einen möglichen Antennendiagrammbereich für das phasengesteuerte Antennen-Array 42 in Abwesenheit eines passiven Resonators 138. Wie durch die Kurve 160 gezeigt ist, kann eine Rückkopplung, die an der Verstärkerschaltlogik 92 durch den Oberflächenstrom 1 erzeugt wird (z. B. wie durch die Pfeile 104 von 7 gezeigt), die Funkfrequenzleistung des Moduls 110 derart verschlechtern, dass das phasengesteuerte Antennen-Array 42 einen ungleichmäßigen Diagrammbereich mit unerwünschten Nullen bei verschiedenen Abstrahlwinkeln aufweist. Die Kurve 162 zeigt einen möglichen Antennendiagrammbereich für das phasengesteuerte Antennen-Array 42, wenn dieses mit einem passiven Resonator 138 versehen ist. Wie durch die Kurve 162 gezeigt, kann das phasengesteuerte Antennen-Array 42 einen relativ glatten (gleichmäßigen) Antennendiagrammbereich über dessen Sichtfeld aufweisen (z. B. weil RFIC 90 von 7 durch den passiven Resonator 138 von 8 und 9 vom Oberflächenstrom 1 isoliert ist). Das Beispiel aus 10 dient lediglich zur Veranschaulichung. Im Allgemeinen können die Kurven 162 und 160 andere Formen haben.
  • Gemäß einer Ausführungsform wird ein Antennenmodul bereitgestellt, das ein dielektrisches Substrat mit Übertragungsleitungsschichten und Antennenschichten, eine Massefläche, die die Übertragungsleitungsschichten von den Antennenschichten trennt, ein Antennenresonanzelement auf den Antennenschichten, eine Funkfrequenzsschaltlogik, die an einer Oberfläche der Übertragungsleitungsschichten angebracht und mit dem Antennenresonanzelement gekoppelt ist, einen Funkfrequenzverbinder, der an der Oberfläche der Übertragungsleitungsschichten angebracht und mit der Funkfrequenzsschaltlogik durch einen leitenden Pfad in den Übertragungsleitungsschichten gekoppelt ist, und einen passiven Resonator auf den Antennenschichten einschließt und mit der Massefläche gekoppelt ist, wobei der passive Resonator konfiguriert ist, um den durch das Antennenresonanzelement auf der Massefläche erzeugten Oberflächenstrom zu blockieren.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform beinhaltet der passive Resonator einen Arm, der aus einem leitenden Pfad auf einer gegebenen der Antennenschichten und einer vertikalen leitenden Struktur gebildet ist, die sich vom Arm zur Massefläche erstreckt.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform hat der Arm eine Länge, die innerhalb von 10 bis 20 % eines Viertels einer effektiven Betriebswellenlänge des Antennenresonanzelements liegt.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der passive Resonator so konfiguriert, dass er bei der effektiven Betriebswellenlänge des Antennenresonanzelements eine unendliche Impedanz bildet.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform ist der Arm von dem Antennenresonanzelement um die Hälfte einer Freiraum-Betriebswellenlänge des Antennenresonanzelements getrennt.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform umfassen die Antennenschichten Keramik.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform entspricht die effektive Betriebswellenlänge einer Frequenz zwischen 10 GHz und 300 GHz.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform umfasst die vertikale leitende Struktur eine Struktur, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus leitendem Band, Blech, leitenden Pfaden und einem Zaun aus leitfähigen Durchkontaktierungen besteht.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform erstrecken sich der Arm und die vertikale leitende Struktur jeweils über eine Breite des Antennenmoduls.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform enthält die Funkfrequenzschaltlogik eine Verstärkerschaltlogik.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform enthält die Funkfrequenzschaltlogik eine integrierte Schaltung.
  • Gemäß einer Ausführungsform wird eine elektronische Vorrichtung bereitgestellt, die ein dielektrisches Substrat, ein phasengesteuertes Antennen-Array, das auf dem dielektrischen Substrat ausgebildet und zum Übertragen von Funkfrequenzsignalen mit einer Frequenz zwischen 10 GHz und 300 GHz konfiguriert ist, einschließt, wobei das phasengesteuerte Antennen-Array Massebahnen in dem dielektrischen Substrat, einen Funkfrequenzverbinder, der sich auf einer Oberfläche des Substrats befindet und einen passiven Resonator auf dem dielektrischen Substrat einschließt und mit den Massebahnen gekoppelt ist, wobei ein Teil der Massebahnen zwischen dem passiven Resonator und dem Funkfrequenzverbinder angeordnet ist.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform ist der passive Resonator konfiguriert, um eine Leerlaufimpedanz bei der Frequenz zu bilden.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die elektronische Vorrichtung eine Verstärkerschaltlogik, die an der Oberfläche des Substrats angebracht und konfiguriert ist, um eine Größe der von dem phasengesteuerten Antennen-Array übertragenen Funkfrequenzsignale einzustellen.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform umfasst die elektronische Vorrichtung leitende Pfade in dem dielektrischen Substrat, die den Funkfrequenzverbinder mit der Verstärkerschaltlogik koppeln.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform ist der passive Resonator so konfiguriert, dass er bei einem Viertel einer effektiven Wellenlänge schwingt, die der Frequenz entspricht.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform ist der passive Resonator von einer nächsten Antenne in dem phasengesteuerten Antennen-Array um die Hälfte einer der Frequenz entsprechenden Freiraum-Wellenlänge getrennt.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform enthält der passive Resonator einen leitenden Pfad und einen Zaun aus leitfähigen Durchkontaktierungen in dem dielektrischen Substrat.
  • Gemäß einer Ausführungsform wird ein Antennenmodul bereitgestellt, das folgendes enthält: ein dielektrisches Substrat, eine Massefläche in dem dielektrischen Substrat, eine integrierte Funkfrequenzschaltung, die an einer Oberfläche des dielektrischen Substrats an einer ersten Seite der Massefläche angebracht ist, ein phasengesteuertes Antennen-Array mit Antennenresonanzelementen auf dem dielektrischen Substrat auf einer zweiten Seite der Massefläche, wobei die Antennenresonanzelemente so konfiguriert sind, dass sie Funkfrequenzsignale mit einer Frequenz übertragen, und einen leitenden Pfad auf dem dielektrischen Substrat auf der ersten Seite der Massefläche und durch eine vertikale leitende Struktur mit der Massefläche gekoppelt, wobei der leitende Pfad so konfiguriert ist, dass er bei einem Viertel einer effektiven Wellenlänge entsprechend der Frequenz in Resonanz ist.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform umfasst die Frequenz eine Frequenz zwischen 10 GHz und 300 GHz und der leitende Pfad ist konfiguriert, um zu verhindern, dass Oberflächenstrom, der auf der ersten Seite der Massefläche durch das phasengesteuerte Antennen-Array erzeugt wird, auf die zweite Seite der Massefläche gestreut wird.
  • Das Vorstehende dient lediglich der Veranschaulichung und verschiedene Modifikationen können durch den Fachmann vorgenommen werden, ohne vom Umfang und Geist der beschriebenen Ausführungsformen abzuweichen. Die vorstehenden Ausführungsformen können einzeln oder in einer beliebigen Kombination implementiert werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 16146488 [0001]

Claims (12)

  1. Antennenmodul, umfassend: ein dielektrisches Substrat mit Übertragungsleitungsschichten und Antennenschichten; eine Massefläche, die die Übertragungsleitungsschichten von den Antennenschichten trennt; ein Antennenresonanzelement auf den Antennenschichten; eine Funkfrequenzschaltlogik, die an einer Oberfläche der Übertragungsleitungsschichten angebracht und mit dem Antennenresonanzelement gekoppelt ist; einen Funkfrequenzverbinder, der an der Oberfläche der Übertragungsleitungsschichten angebracht und durch einen leitenden Pfad in den Übertragungsleitungsschichten mit der Funkfrequenzschaltlogik gekoppelt ist; und einen passiven Resonator, der auf den Antennenschichten und gekoppelt mit der Massefläche ist, wobei der passive Resonator konfiguriert ist, um den durch das Antennenresonanzelement auf der Massefläche erzeugten Oberflächenstrom zu blockieren.
  2. Antennenmodul nach Anspruch 1, wobei der passive Resonator einen Arm, der aus einem leitenden Pfad auf einer gegebenen der Antennenschichten gebildet ist, und eine vertikale leitende Struktur aufweist, die sich vom Arm zur Massefläche erstreckt.
  3. Antennenmodul nach Anspruch 2, wobei der Arm eine Länge aufweist, die innerhalb von 10 bis 20 % eines Viertels einer effektiven Betriebswellenlänge des Antennenresonanzelements liegt.
  4. Antennenmodul nach Anspruch 3, wobei der passive Resonator konfiguriert ist, um eine unendliche Impedanz bei der effektiven Betriebswellenlänge des Antennenresonanzelements zu bilden.
  5. Antennenmodul nach Anspruch 3, wobei der Arm von dem Antennenresonanzelement um die Hälfte einer Freiraum-Betriebswellenlänge des Antennenresonanzelements getrennt ist.
  6. Antennenmodul nach Anspruch 3, wobei die Antennenschichten Keramik enthalten.
  7. Antennenmodul nach Anspruch 3, wobei die effektive Betriebswellenlänge eine Frequenz zwischen 10 GHz und 300 GHz aufweist.
  8. Antennenmodul nach Anspruch 2, wobei die vertikale leitende Struktur eine Struktur umfasst, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus leitendem Band, Blech, leitenden Pfaden und einem Gitter aus leitfähigen Durchkontaktierungen besteht.
  9. Antennenmodul nach Anspruch 2, wobei sich der Arm und die vertikale leitende Struktur jeweils über eine Breite des Antennenmoduls erstrecken.
  10. Antennenmodul nach Anspruch 1, wobei die Funkfrequenzschaltlogik eine Verstärkerschaltlogik umfasst.
  11. Antennenmodul nach Anspruch 1, wobei die Funkfrequenzschaltlogik eine integrierte Schaltung umfasst.
  12. Antennenmodul nach Anspruch 1, wobei das Antennenmodul in eine elektronische Vorrichtung integriert ist.
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