DE102020210947A1 - Millimeterwellenantennen mit kontinuierlich gestapelten strahlungselementen - Google Patents

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Simone Paulotto
Jennifer Edwards
Harish Rajagopalan
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Abstract

Eine elektronische Vorrichtung kann mit einem phasengesteuerten Antennen-Array bereitgestellt sein. Das Array kann Signale größer als 10 GHz übertragen und kann auf einem Substrat mit Übertragungsleitungsschichten und Antennenschichten gebildet sein. Eine Antenne in dem Array kann ein Strahlungselement aufweisen, das erste, zweite und dritte überlappende Patch-Elemente auf den Antennenschichten einschließt. Die Antenne kann unter Verwendung einer differentiellen Übertragungsleitung gespeist werden, die mit einer differentiellen Speisung auf dem ersten Patch-Element gekoppelt ist. Die differentielle Übertragungsleitung kann erste und zweite Signalspuren einschließen. Eine erste Durchkontaktierung kann die erste Signalspur mit dem ersten, zweiten und dritten Patch-Element koppeln. Eine zweite Durchkontaktierung kann die zweite Signalspur mit dem ersten, zweiten und dritten Patch-Element koppeln. Die Patch-Elemente können Kapazitäten in das Strahlungselement einführen, die dazu beitragen, Induktivitäten zu kompensieren, die dem Abstand zwischen dem Strahlungselement und den Signalspuren zugeordnet sind.

Description

  • Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der US-Patentanmeldung Nr. 16/584,067 , eingereicht am 26. September 2019, die hiermit durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit hierin aufgenommen wird.
  • STAND DER TECHNIK
  • Dies betrifft im Allgemeinen elektronische Vorrichtungen und genauer elektronische Vorrichtungen mit Schaltungen für drahtlose Kommunikation.
  • Elektronische Vorrichtungen schließen oftmals Schaltungen für drahtlose Kommunikation ein. Zum Beispiel enthalten Mobiltelefone, Computer und andere Vorrichtungen oftmals Antennen und drahtlose Transceiver zum Unterstützen 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. Zum Beispiel kann es schwierig sein, sicherzustellen, dass Übertragungsleitungen auf dem Substrat ausreichend voneinander isoliert sind, insbesondere wenn die Anzahl der Antennen in dem Array zunimmt. Gleichzeitig sind die Hersteller jedoch ständig bemüht, Schaltungen für drahtlose Kommunikation wie Antennen-Arrays unter Verwendung kompakter Strukturen zu implementieren, um der Nachfrage der Verbraucher nach drahtlosen Vorrichtungen mit kleinem Formfaktor zu entsprechen.
  • Es wäre daher wünschenswert, in der Lage zu sein, elektronische Vorrichtungen mit verbesserten Schaltungen für drahtlose Kommunikation wie beispielsweise Kommunikationsschaltungen, die Millimeter- und Zentimeterwellen-Kommunikationen unterstützt, bereitzustellen.
  • KURZDARS TELLUNG
  • Eine elektronische Vorrichtung kann mit einer Drahtlos-Schaltung bereitgestellt sein. Die Drahtlos-Schaltung kann eine Hochfrequenz-Transceiver-Schaltung und ein phasengesteuertes Antennen-Array einschließen. Das phasengesteuerte Antennen-Array kann Hochfrequenzsignale in einem Signalstrahl mit einer Frequenz von mehr als 10 GHz übertragen.
  • Das phasengesteuerte Antennen-Array kann auf einem dielektrischen Substrat mit vertikal gestapelten dielektrischen Schichten gebildet sein. Die dielektrischen Schichten können Übertragungsleitungsschichten und Antennenschichten einschließen, die auf den Übertragungsleitungsschichten gestapelt sind. Massebahnen können die Übertragungsleitungsschichten von den Antennenschichten trennen. Das phasengesteuerte Antennen-Array kann auf den Antennenschichten gebildete Antennenstrahlungselemente einschließen. Zäune aus leitfähigen Durchkontaktierungen können verwendet werden, um die Antennen in dem phasengesteuerten Antennen-Array voneinander zu isolieren. Das phasengesteuerte Antennen-Array kann gegen eine dielektrische Deckschicht (z. B. eine Gehäusewand für die Vorrichtung) montiert sein und kann durch die dielektrische Deckschicht strahlen.
  • Eine Antenne in dem phasengesteuerten Antennen-Array kann ein Antennenstrahlungselement aufweisen, das erste, zweite und dritte Patch-Elemente einschließt, die aus überlappenden Leiterbahnen auf den Antennenschichten gebildet sind. Das erste Patch-Element kann zwischen den Massebahnen und dem zweiten Patch-Element angeordnet sein. Das zweite Patch-Element kann zwischen dem ersten und dem dritten Patch-Element angeordnet sein. Die Antenne kann parasitäre Elemente einschließen, die aus Leiterbahnen gebildet sind, die mit einem oder mehreren der ersten, zweiten und dritten Patch-Elemente koplanar sind. Die Antenne kann unter Verwendung eines differentiellen Hochfrequenzübertragungsleitungspfads gespeist werden, der mit einer differentiellen Antennenspeisung auf dem ersten Patch-Element gekoppelt ist. Der differentielle Hochfrequenzübertragungsleitungspfad kann beispielsweise eine erste und eine zweite Streifenleitung mit einer ersten und einer zweiten Signalspur einschließen.
  • Eine erste leitfähige Durchkontaktierung kann verwendet werden, um die erste Signalleiterbahn mit dem ersten, zweiten und dritten Patch-Element zu koppeln. Zum Beispiel kann die erste leitfähige Durchkontaktierung einen ersten Abschnitt, der die erste Signalleiterbahn mit dem ersten Patch-Element koppelt, einen zweiten Abschnitt, der seitlich mit dem ersten Abschnitt ausgerichtet ist und der das erste Patch-Element mit dem zweiten Patch-Element koppelt, und einen dritten Abschnitt, der seitlich mit dem ersten und dem zweiten Abschnitt ausgerichtet ist und der das zweite Patch-Element mit dem dritten Patch-Element koppelt, einschließen. Eine zweite leitfähige Durchkontaktierung kann in ähnlicher Weise verwendet werden, um die zweite Signalleiterbahn mit dem ersten, zweiten und dritten Patch-Element zu koppeln. In einer anderen geeigneten Anordnung kann eine unsymmetrische Antennenspeisung verwendet werden.
  • Das erste, zweite und dritte Patch-Element können Kapazitäten in das Antennenstrahlungselement einführen, die dazu beitragen, übermäßige Induktivitäten zu kompensieren, die dem Abstand zwischen dem Antennenstrahlungselement und den Signalspuren des Hochfrequenzübertragungsleitungspfads zugeordnet sind. Dies kann sicherstellen, dass die Antenne an den Hochfrequenzübertragungsleitungspfad impedanzangepasst ist. Falls gewünscht, kann das phasengesteuerte Antennen-Array eine zusätzliche Antenne mit einem zusätzlichen Antennenstrahlungselement einschließen, das unter Verwendung eines zusätzlichen Hochfrequenzübertragungsleitungspfads gespeist wird. Der zusätzliche Hochfrequenzübertragungsleitungspfad kann näher an das zusätzlichen Antennenstrahlungselement in den Übertragungsleitungsschichten angeordnet sein als der Hochfrequenzübertragungsleitungspfad, der zum Speisen der Antenne verwendet wird. Das zusätzliche Antennenstrahlungselement kann nur ein einzelnes Patch-Element einschließen, das aus einer einzigen Schicht Leiterbahnen gebildet ist. Durch Verteilen der Hochfrequenzübertragungsleitungspfade über mehrere Übertragungsleitungsschichten kann das phasengesteuerte Antennen-Array eine große Anzahl von Antennen einschließen, eine große Anzahl von Frequenzen abdecken und/oder eine große Anzahl von Polarisationen abdecken, während es außerdem eine ausreichende elektromagnetische Isolierung zwischen den Hochfrequenzübertragungsleitungspfaden aufweist.
  • Figurenliste
    • 1 ist eine perspektivische Vorderansicht einer veranschaulichenden elektronischen Vorrichtung mit einer Drahtlos-Schaltung gemäß einigen Ausführungsformen.
    • 2 ist eine perspektivische Hinteransicht einer veranschaulichenden elektronischen Vorrichtung mit einer Drahtlos-Schaltung gemäß einigen Ausführungsformen.
    • 3 ist ein schematisches Diagramm einer veranschaulichenden elektronischen Vorrichtung mit einer Drahtlos-Schaltung gemäß einigen Ausführungsformen.
    • 4 ist ein Diagramm eines veranschaulichenden phasengesteuerten Antennen-Arrays, das gemäß einigen Ausführungsformen einen Hochfrequenzsignalstrahl bei unterschiedlichen Strahlrichtungswinkeln bildet.
    • 5 ist ein Diagramm einer veranschaulichenden Transceiver-Schaltung und Antenne gemäß einigen Ausführungsformen.
    • 6 ist eine perspektivische Ansicht einer veranschaulichenden differentiell gespeisten Antenne gemäß einigen Ausführungsformen.
    • 7 ist eine seitliche Querschnittansicht eines veranschaulichenden Antennenmoduls, das gemäß einigen Ausführungsformen auf eine dielektrische Deckschicht in einer elektronischen Vorrichtung montiert ist.
    • 8 ist eine seitliche Querschnittansicht einer veranschaulichenden Antenne mit einem Strahlungselement, das aus gestapelten Schichten von Leiterbahnen gebildet ist, die unter Verwendung von leitfähigen Durchkontaktierungen gemäß einigen Ausführungsformen miteinander gekoppelt sind.
    • 9 ist eine Draufsicht einer veranschaulichenden Antenne des in 8 gezeigten Typs mit parasitären Elementen zum Anpassen des Frequenzgangs der Antenne gemäß einigen Ausführungsformen.
    • 10 ist eine seitliche Querschnittansicht eines veranschaulichenden phasengesteuerten Antennen-Arrays mit unterschiedlichen Anzahlen gestapelter Patch-Elemente gemäß einigen Ausführungsformen.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Eine elektronische Vorrichtung, wie beispielsweise eine elektronische Vorrichtung 10 von 1, kann eine Drahtlos-Schaltung enthalten. Die Drahtlos-Schaltungen können eine oder mehr Antennen einschließen. Die Antennen können phasengesteuerte Antennen-Arrays einschließen, die zum Durchführen drahtloser Kommunikationen und/oder räumlicher Entfernungsmessverfahren unter Verwendung von Millimeter- und Zentimeterwellensignalen verwendet werden. Millimeterwellensignale, die manchmal als extreme Hochfrequenzsignale (EHF-Signale) bezeichnet werden, breiten sich bei Frequenzen über etwa 30 GHz aus (z. B. bei 60 GHz oder andere Frequenzen zwischen etwa 30 GHz und 300 GHz). Zentimeterwellensignale breiten sich bei Frequenzen zwischen etwa 10 GHz und 30 GHz aus. Falls gewünscht, kann Vorrichtung 10 auch Antennen zum Handhaben von Satellitensignalen für Navigationssysteme, Mobilfunksignalen, lokalen drahtlosen Netzwerksignalen, Nahfeldkommunikation, lichtbasierter drahtloser Kommunikation oder anderen Formen der drahtlosen Kommunikation beinhalten.
  • Die elektronische Vorrichtung 10 kann eine Rechenvorrichtung wie etwa ein Laptop-Computer, ein Computermonitor, der einen eingebetteten Computer enthält, ein Tablet-Computer, ein Mobiltelefon, eine Medienwiedergabevorrichtung oder andere in der Hand gehaltene oder tragbare elektronische Vorrichtung, eine kleinere Vorrichtung wie etwa eine Armbanduhrvorrichtung, eine Anhängervorrichtung, eine Kopfhörer- oder Ohrhörervorrichtung, eine Headset-Vorrichtung für virtuelle oder erweiterte Realität, eine Vorrichtung, die in einer Brille oder anderen Geräten, die am Kopf eines Benutzers getragen werden, eingebettet ist, oder eine andere 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 elektronische Geräte mit einem Display in einem Kiosk oder Automobil montiert sind, ein drahtloser Zugangspunkt oder eine Basisstation, ein Desktop-Computer, ein tragbarer Lautsprecher, ein Keyboard, ein Spielcontroller, ein Spielsystem, eine Computermaus, ein Mousepad, ein Trackpad oder Touchpad, Geräte, welche die Funktionalität von zwei oder mehreren dieser Vorrichtungen implementieren, oder andere elektronische Geräte sein. In der veranschaulichenden Konfiguration von 1 ist Vorrichtung 10 eine tragbare Vorrichtung wie etwa ein Mobiltelefon, eine Medienwiedergabevorrichtung, ein Tablet-Computer, ein tragbarer Lautsprecher oder eine andere tragbare Rechenvorrichtung. Andere Konfigurationen können für die Vorrichtung 10 verwendet werden, falls gewünscht. Das Beispiel von 1 dient lediglich der Veranschaulichung.
  • Wie in 1 gezeigt, kann Vorrichtung 10 eine Anzeige, wie beispielsweise Anzeige 8, einschließen. Anzeige 8 kann in einem Gehäuse, wie etwa dem Gehäuse 12, montiert sein. Gehäuse 12, das manchmal als Umhüllung oder Hülle bezeichnet werden kann, kann aus Kunststoff, Glas, Keramik, Faserverbundwerkstoffen, Metall (z. B. Edelstahl, Aluminium usw.), anderen geeigneten Materialien oder einer Kombination aus zwei oder mehreren dieser Materialien gebildet sein. Gehäuse 12 kann unter Verwendung einer einstückigen Konfiguration gebildet sein, in der ein Teil oder die Gesamtheit des Gehäuses 12 als eine einzige Struktur maschinell hergestellt oder geformt ist, oder kann unter Verwendung mehrerer Strukturen (z. B. einer internen Rahmenstruktur, einer oder mehreren Strukturen, die äußere Gehäuseoberflächen bilden, usw.) gebildet sein.
  • Anzeige 8 kann eine Berührungsbildschirmanzeige 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 Berührungssensorelektroden können aus einem Array von Indium-Zinn-Oxid-Pads 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, ein Array von elektrobenetzenden Anzeigepixeln oder ein auf anderen Anzeigetechnologien basierendes Array einschließen.
  • Anzeige 8 kann unter Verwendung einer Anzeigedeckschicht, wie etwa einer Schicht aus transparentem Glas, durchsichtigem Kunststoff, Saphir oder anderen transparenten Dielektrika, geschützt werden. Öffnungen können in der Anzeigedeckschicht ausgebildet sein. Beispielsweise können Öffnungen in der Anzeigedeckschicht ausgebildet sein, um einen oder mehrere Knöpfe, Sensorschaltungen 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 in dem Gehäuse 12 können auch für Audiokomponenten, wie beispielsweise einen Lautsprecher und/oder ein Mikrofon, gebildet sein.
  • Antennen können in dem Gehäuse 12 montiert werden. Falls gewünscht, können einige der Antennen (z. B. Antennen-Arrays, die eine Strahlensteuerung usw. implementieren) unterhalb eines inaktiven Randbereichs der Anzeige 8 angebracht sein (siehe z. B. veranschaulichende Antennenpositionen 6 in 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 in 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 Schutz der Anzeige 8 auf der Vorderseite der Vorrichtung 10 verwendet wird, über einem dielektrischen Fenster auf einer Rückseite des Gehäuses 12 oder den Kanten des Gehäuses 12, über einer dielektrischen Deckschicht wie etwa einer dielektrischen hinteren Gehäusewand, die einen Teil oder die gesamte hintere Fläche der Vorrichtung 10 abdeckt, oder an einer anderen Stelle in 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 der hinteren Gehäusewand 12R, in der Mitte der hinteren Gehäusewand 12R (z. B. unter einer dielektrischen Fensterstruktur oder einem anderen Antennenfenster in der Mitte der hinteren Gehäusewand 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 der Vorrichtung 10) usw. montiert werden.
  • In Konfigurationen, in denen das Gehäuse 12 vollständig oder nahezu vollständig aus einem Dielektrikum (z. B. Kunststoff, Glas, Saphir, Keramik, Stoff usw.) gebildet ist, können die Antennen Antennensignale durch jeden geeigneten Abschnitt des Dielektrikums senden und empfangen. In Konfigurationen, in denen das Gehäuse 12 aus einem leitfähigen Material wie Metall gebildet ist, können Bereiche des Gehäuses wie Schlitze oder andere Öffnungen in dem Metall mit Kunststoff oder anderen Dielektrika 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.
  • 1 und 2 dienen lediglich der Veranschaulichung. Im Allgemeinen kann Gehäuse 12 jede gewünschte Form aufweisen (z. B. eine rechteckige Form, eine zylindrische Form, eine kugelförmige Form, Kombinationen davon usw.). Anzeige 8 von 1 kann weggelassen werden, falls gewünscht. Antennen können sich innerhalb des Gehäuses 12, auf dem Gehäuse 12 und/oder außerhalb des Gehäuses 12 befinden.
  • Ein schematisches Diagramm, das veranschaulichende Komponenten zeigt, die in der Vorrichtung 10 verwendet werden können, ist in 3 gezeigt. Wie in 3 gezeigt, kann Vorrichtung 10 eine Steuerschaltung 14 einschließen. Steuerschaltung 14 kann einen Speicher wie eine Speicherschaltung 20 einschließen. Speicherschaltung 20 kann einen Festplattenlaufwerkspeicher, einen nichtflüchtigen Speicher (z. B. einen Flash-Speicher oder einen anderen elektrisch programmierbaren Nur-Lese-Speicher, der konfiguriert ist, um ein Solid-State-Laufwerk zu bilden), einen flüchtigen Speicher (z. B. einen statischen oder dynamischen Direktzugriffsspeicher) usw. einschließen. Steuerschaltung 14 kann eine Verarbeitungsschaltung wie etwa Verarbeitungsschaltung 22 einschließen. Verarbeitungsschaltung 22 kann verwendet werden, um den Betrieb der Vorrichtung 10 zu steuern. Verarbeitungsschaltung 22 kann einen oder mehrere Mikroprozessoren, Mikrocontroller, digitale Signalprozessoren, Hostprozessoren, integrierte Basisbandprozessorschaltungen, anwendungsspezifische integrierte Schaltungen, Zentraleinheiten (CPUs) usw. einschließen. Steuerschaltung 14 kann konfiguriert sein, um Abläufe in Vorrichtung 10 unter Verwendung von Hardware (z. B. dedizierter Hardware oder Schalttechnik), Firmware und/oder Software auszuführen. Softwarecode zum Durchführen von Abläufen in Vorrichtung 10 kann auf der Speicherschaltung 20 gespeichert sein (z. B. kann Speicherschaltung 20 nichtflüchtige (greifbare) computerlesbare Speichermedien, die den Softwarecode speichern, einschließen). Der Softwarecode kann manchmal als Programmanweisungen, Software, Daten, Anweisungen oder Code bezeichnet werden. Auf der Speicherschaltung 20 gespeicherter Softwarecode kann durch die Verarbeitungsschaltung 22 ausgeführt werden.
  • Die Steuerschaltung 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 Steuerschaltung 14 zum Implementieren von Kommunikationsprotokollen verwendet werden. Kommunikationsprotokolle, die unter Verwendung der Steuerschaltung 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.
  • Vorrichtung 10 kann eine Eingabe-Ausgabe-Schaltung 16 einschließen. Eingabe-Ausgabe-Schaltung 16 kann Eingabe-Ausgabe-Vorrichtungen 18 einschließen. Eingabe-Ausgabe-Vorrichtungen 18 können verwendet werden, um zu ermöglichen, dass Daten an Vorrichtung 10 übermittelt werden und dass Daten von Vorrichtung 10 externen Vorrichtungen bereitgestellt werden. Eingabe-Ausgabe-Vorrichtungen 18 können Benutzerschnittstellenvorrichtungen, Datenanschlussvorrichtungen, Sensoren und andere Eingabe-Ausgabe-Komponenten einschließen. Zum Beispiel können Eingabe-Ausgabe-Vorrichtungen Touchscreens, Anzeigen ohne Berührungssensorfähigkeiten, Schaltflächen, Joysticks, Scroll-Räder, Touchpads, Tastenfelder, Tastaturen, Mikrofone, Kameras, Lautsprecher, Statusanzeigen, 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), Magnetsensoren und andere Sensoren und Eingabe-Ausgabe-Komponenten einschließen.
  • Eingabe-Ausgabe-Schaltung 16 kann eine Drahtlos-Schaltung wie Drahtlos-Schaltung 24 zum drahtlosen Übertragen von Hochfrequenzsignalen einschließen. Während Steuerschaltung 14 in dem Beispiel von 3 aus Gründen der Übersichtlichkeit getrennt von der Drahtlos-Schaltung 24 gezeigt ist, kann Drahtlos-Schaltung 24 Verarbeitungsschaltungen, die Bestandteil der Verarbeitungsschaltung 22 sind, und/oder Speicherschaltungen, die Bestandteil der Speicherschaltung 20 der Steuerschaltung 14 sind (z. B. können Abschnitte der Steuerschaltung 14 auf der Drahtlos-Schaltung 24 implementiert sein), einschließen. Beispielsweise kann Steuerschaltung 14 eine Basisbandprozessorschaltung oder andere Steuerkomponenten einschließen, die Bestandteil der Drahtlos-Schaltung 24 sind.
  • Drahtlos-Schaltung 24 kann eine Millimeter- und Zentimeterwellen-Transceiver-Schaltung, wie etwa eine Millimeter-/Zentimeterwellen-Transceiver-Schaltung 28, einschließen. Millimeter-/Zentimeterwellen-Transceiver-Schaltung 28 kann Kommunikationen bei Frequenzen zwischen etwa 10 GHz und 300 GHz unterstützen. Zum Beispiel kann Millimeter-/Zentimeterwellen-Transceiver-Schaltung 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-Bänder (SHF-Bänder) bezeichnet). Beispielsweise kann Millimeter-/Zentimeterwellen-Transceiver-Schaltung 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 Millimeter-/Zentimeterwellen-Transceiver-Schaltung 28 IEEE-802. 1 lad-Kommunikationen bei 60 GHz und/oder in Mobilnetzwerken der 5. Generation oder drahtlosen Kommunikationsbändern der 5. Generation (5G) zwischen 27 GHz und 90 GHz unterstützen. Millimeter-/Zentimeterwellen-Transceiver-Schaltung 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 usw.) gebildet werden.
  • Millimeter-/Zentimeterwellen-Transceiver-Schaltung 28 (hierin manchmal einfach als Transceiver-Schaltung 28 oder Millimeter-/Zentimeterwellen-Schaltung 28 bezeichnet) kann räumliche Entfernungsmessverfahren unter Verwendung von Hochfrequenzsignalen bei Millimeter- und/oder Zentimeterwellenfrequenzen durchführen, die von der Millimeter-/Zentimeterwellen-Transceiver-Schaltung 28 gesendet und empfangen werden. Bei den empfangenen Signalen kann es sich um eine Version der gesendeten Signale handeln, die von externen Objekten und zurück zur Vorrichtung 10 reflektiert wurden. Steuerschaltung 14 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 der Vorrichtung 10 wie dem Körper eines Benutzers oder anderer Personen, anderer Vorrichtungen, Tiere, Möbel, Wände oder anderer Gegenstände oder Hindernisse in der Nähe der Vorrichtung 10) zu erfassen oder zu schätzen. Falls gewünscht, kann Steuerschaltung 14 auch die gesendeten und empfangenen Signale verarbeiten, um eine zwei- oder dreidimensionale räumliche Position der externen Objekte relativ zur Vorrichtung 10 zu identifizieren.
  • Räumliche Entfernungsmessverfahren, die von der Millimeter-/Zentimeterwellen-Transceiver-Schaltung 28 durchgeführt werden, sind unidirektional. Falls gewünscht, kann Millimeter-/Zentimeterwellen-Transceiver-Schaltung 28 auch bidirektionale Kommunikationen mit externen drahtlosen Geräten wie etwa externen drahtlosen Einrichtungen 10' (z. B. über bidirektionale drahtlose Millimeter-/Zentimeterwellen-Kommunikationsverbindung 31) durchführen. Externe drahtlose Einrichtungen 10' können andere elektronische Vorrichtungen einschließen, wie etwa elektronische Vorrichtung 10, eine drahtlose Basisstation, einen drahtlosen Zugangspunkt, ein drahtloses Zubehörgerät oder eine beliebige andere gewünschte Einrichtung, die Millimeter-/Zentimeterwellensignale sendet und empfängt. Bidirektionale Kommunikationen beinhalten sowohl die Übertragung drahtloser Daten durch die Millimeter-/Zentimeterwellen-Transceiver-Schaltung 28 als auch den Empfang drahtloser Daten, die durch externe drahtlose Einrichtungen 10' übertragen wurden. Die drahtlosen Daten können zum Beispiel Daten einschließen, die in entsprechende Datenpakete codiert wurden, wie drahtlose Daten in Verbindung mit einem Telefonanruf, Streaming-Medieninhalte, Internet-Browsing, drahtlose Daten in Verbindung mit Software-Anwendungen, die auf Vorrichtung 10 ausgeführt werden, E-Mail-Nachrichten usw. Falls gewünscht, kann die Drahtlos-Schaltung 24 eine Transceiver-Schaltung zum Abwickeln von Kommunikationen bei Frequenzen unterhalb von 10 GHz einschließen, wie etwa die Nicht-Millimeter-/Zentimeterwellen-Transceiver-Schaltung 26. Nicht-Millimeter-/Zentimeterwellen-Transceiver-Schaltung 26 kann eine Transceiver-Schaltung eines drahtlosen lokalen Netzwerks (WLAN) einschließen, die 2,4 GHz- und 5 GHz-Bänder für Wi-Fi®-Kommunikationen (IEEE 802.11) handhabt, eine Transceiver-Schaltung eines drahtlosen persönlichen Netzwerks (WPAN), die das 2,4 GHz Bluetooth® -Kommunikationsband handhabt, eine Mobiltelefon-Transceiver-Schaltung, die Mobiltelefon-Kommunikationsbänder von 700 bis 960 MHz, 1710 bis 2170 MHz, 2300 bis 2700 MHz und/oder beliebige andere gewünschte Mobiltelefonkommunikationsbänder zwischen 600 MHz und 4000 MHz handhabt, eine GPS-Empfängerschaltung, die GPS-Signale bei 1575 MHz oder Signale zum Handhaben anderer Satellitenpositionsdaten (z. B. GLONASS-Signale bei 1609 MHz) empfängt, Fernsehempfängerschaltungen, AM/FM-Rundfunkempfängerschaltungen, Paging-System-Transceiver-Schaltungen, Nahfeldkommunikations-Schaltungen (NFC-Schaltungen) usw. Nicht-Millimeter-/Zentimeterwellen-Transceiver-Schaltung 26 und Millimeter-/Zentimeterwellen-Transceiver-Schaltung 28 können jeweils eine oder mehrere integrierte Schaltungen, Leistungsverstärkerschaltungen, rauscharme Eingangsverstärker, passive Hochfrequenzkomponenten, Schaltungsanordnungen, Übertragungsleitungsstrukturen und andere Schaltungen zum Handhaben von Hochfrequenzsignalen einschließen.
  • Drahtlos-Schaltung 24 kann Antennen 30 einschließen. Nicht-Millimeter-/Zentimeterwellen-Transceiver-Schaltung 26 kann Hochfrequenzsignale unterhalb von 10 GHz unter Verwendung einer oder mehrerer Antennen 30 senden und empfangen. Millimeter-/Zentimeterwellen-Transceiver-Schaltung 28 kann Hochfrequenzsignale oberhalb von 10 GHz (z. B. bei Millimeterwellen- und/oder Zentimeterwellenfrequenzen) unter Verwendung der Antennen 30 senden und empfangen.
  • Bei Satellitennavigationssystemverbindungen, Mobiltelefonverbindungen und anderen Verbindungen mit langer Reichweite werden üblicherweise Hochfrequenzsignale verwendet, um Daten über tausende Fuß oder Meilen zu übertragen. Bei WiFi®- und Bluetooth®-Verbindungen bei 2,4 und 5 GHz und anderen drahtlosen Verbindungen mit kurzer Reichweite werden Hochfrequenzsignale üblicherweise verwendet, um Daten über mehrere zehn oder hunderte Fuß zu übertragen. Millimeter/Zentimeterwellen-Transceiver-Schaltung 28 kann Hochfrequenzsignale über kurze Entfernungen, die sich über einen Sichtlinienpfad bewegen, übermitteln. Um den Signalempfang für Millimeter- und Zentimeterwellen-Kommunikation zu verbessern, können phasengesteuerte Antennen-Arrays und Strahlenformungs- (Strahlensteuerungs)techniken 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.
  • Antennen 30 in der Drahtlos-Schaltung 24 können unter Verwendung beliebiger geeigneter Antennentypen gebildet sein. Zum Beispiel können Antennen 30 Antennen mit Resonanzelementen einschließen, die aus gestapelten Patch-Antennenstrukturen, Schleifenantennenstrukturen, Patch-Antennenstrukturen, invertierten F-Antennenstrukturen, Schlitzantennenstrukturen, planaren invertierten F-Antennenstrukturen, Monopolantennenstrukturen, Dipolantennenstrukturen, Helixantennenstrukturen, Yagi-(Yagi-Uda)-Antennenstrukturen, Hybriden dieser Konstruktionen usw. gebildet sind. Falls gewünscht, können eine oder mehrere der Antennen 30 Hohlleiterantennen sein. Für unterschiedliche Bänder und Kombinationen von Bändern können unterschiedliche Antennentypen verwendet werden. Zum Beispiel kann ein Antennentyp zum Bilden einer drahtlosen Nicht-Millimeter-/Zentimeterwellenverbindung für die Nicht-Millimeter-/Zentimeterwellen-Transceiver-Schaltung 26 verwendet werden, und ein anderer Antennentyp kann zum Übertragen von Hochfrequenzsignalen bei Millimeter- und/oder Zentimeterwellenfrequenzen für die Millimeter-/Zentimeterwellen-Transceiver-Schaltung 28 verwendet werden. Antennen 30, die verwendet werden, um Hochfrequenzsignale bei Millimeter- und Zentimeterwellenfrequenzen zu übertragen, können in einem oder mehreren phasengesteuerten Antennen-Arrays angeordnet sein.
  • 4 ist ein Diagramm, in dem gezeigt wird, wie Antennen 30 zum Handhaben von Hochfrequenzsignalen bei Millimeter- und Zentimeterwellenfrequenzen in einem phasengesteuerten Antennen-Array gebildet werden können. Wie in 4 gezeigt, kann das phasengesteuerte Antennen-Array 36 (hierin manchmal als Array 36, Antennen-Array 36 oder Array 36 der Antennen 30 bezeichnet) mit Hochfrequenzübertragungsleitungspfaden 32 gekoppelt sein. Zum Beispiel kann eine erste Antenne 30-1 in einem phasengesteuerten Antennen-Array 36 mit einem ersten Hochfrequenzübertragungsleitungspfad 32-1, eine zweite Antenne 30-2 in einem phasengesteuerten Antennen-Array 36 mit einem zweiten Hochfrequenzübertragungsleitungspfad 32-2, eine m-te Antenne 30-M in einem phasengesteuerten Antennen-Array 36 mit einem M-ten Hochfrequenzübertragungsleitungspfad 32-M usw. gekoppelt werden. Während Antennen 30 hierin als ein phasengesteuertes Antennen-Array bildend beschrieben sind, können Antennen 30 in einem phasengesteuerten Antennen-Array 36 manchmal auch als in ihrer Gesamtheit eine einzelne phasengesteuerte Array-Antenne bildend bezeichnet werden (z. B. wo jede Antenne 30 in der phasengesteuerten Array-Antenne ein Antennenelement der phasengesteuerten Array-Antenne bildet).
  • Hochfrequenzübertragungsleitungspfade 32 können jeweils mit der Millimeter-/Zentimeterwellen-Transceiver-Schaltung 28 von 3 gekoppelt sein. Jeder Hochfrequenzübertragungsleitungspfad 32 kann eine oder mehrere Hochfrequenzübertragungsleitungen, einen positiven Signalleiter und einen Massesignalleiter einschließen. Der positive Signalleiter kann mit einem positiven Antennenspeiseanschluss auf einem Antennenresonanzelement der entsprechenden Antenne 30 gekoppelt sein. Der Massesignalleiter kann mit einem Masseantennenspeiseanschluss an einer Antennenmasse der entsprechenden Antenne 30 gekoppelt sein.
  • Hochfrequenzübertragungsleitungspfade 32 können Streifenleitungsübertragungsleitungen (hierin manchmal einfach als Streifenleitungen bezeichnet), Koaxialkabel, Koaxialsonden, die durch metallisierte Durchkontaktierungen realisiert sind, Mikrostreifenübertragungsleitungen, kantengekoppelte Mikrostreifenübertragungsleitungen, kantengekoppelte Streifenleitungsübertragungsleitungen, Wellenleiterstrukturen, leitfähige Durchkontaktierungen, Kombinationen davon usw. einschließen. Mehrere Arten von Übertragungsleitungen können verwendet werden, um die Millimeter-/Zentimeterwellen-Transceiver-Schaltung mit dem phasengesteuerten Antennen-Array 36 zu koppeln. Filterschaltungen, Schaltungsanordnungen, Impedanzanpassungsschaltungen, Phasenschieberschaltungen, Verstärkerschaltungen und/oder andere Schaltungen können auf dem Hochfrequenzübertragungsleitungspfad 32 angeordnet sein, falls gewünscht.
  • Hochfrequenzübertragungsleitungen in Vorrichtung 10 können in Keramiksubstrate, starre Leiterplatten und/oder flexible Leiterplatten integriert sein. In einer geeigneten Anordnung können Hochfrequenzübertragungsleitungen in Vorrichtung 10 auch innerhalb von mehrschichtigen laminierten 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) integriert sein, 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. können die mehrschichtigen laminierten Strukturen 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 in ihrer Position gehalten zu werden). Alle der mehreren Schichten der laminierten Strukturen können ohne Klebstoff (z. B. im Gegensatz zum Durchführen mehrerer Pressprozesse, um mehrere Schichten mit Klebstoff zusammenzulaminieren) stapelweise zusammenlaminiert werden (z. B. in einem einzigen Pressverfahren).
  • Antennen 30 in dem phasengesteuerten Antennen-Array 36 können in jeder gewünschten Anzahl von Reihen und Spalten oder in jedem anderen gewünschten Muster angeordnet sein (z. B. müssen die Antennen nicht in einem Gittermuster mit Reihen und Spalten angeordnet sein). Während der Signalübertragung kann der Hochfrequenzübertragungsleitungspfad 32 verwendet werden, um Signale (z. B. hochfrequente Signale wie etwa Millimeterwellen- und/oder Zentimeterwellensignale) von der Millimeter-/Zentimeterwellen-Transceiver-Schaltung 28 (3) an ein phasengesteuertes Antennen-Array 36 zur drahtlosen Übertragung zu senden. Während des Signalempfangs können Hochfrequenzübertragungsleitungspfade 32 verwendet werden, um Signale, die an dem phasengesteuerten Antennen-Array 36 empfangen werden (z. B. von externen drahtlosen Einrichtungen 10' von 3), an die Millimeter-/Zentimeterwellen-Transceiver-Schaltung 28 (3) zu übertragen.
  • Die Verwendung mehrerer Antennen 30 im phasengesteuerten Antennen-Array 36 ermöglicht, hochfrequente Strahlenformungsanordnungen (hierin manchmal als hochfrequente Strahlensteuerungsanordnungen) durch Steuern der entsprechenden Phasen und Größen (Amplituden) der von den Antennen übertragenen Hochfrequenzsignale zu implementieren. In dem Beispiel von 4 weisen Antennen 30 im phasengesteuerten Antennen-Array 36 jeweils einen zugehörigen hochfrequenten Phasen- und Größenregler 33 auf (z. B. kann ein erster Phasen- und Größenregler 33-1, der auf dem Hochfrequenzübertragungsleitungspfad 32-1 angeordnet ist, die Phase und Größe für die von der Antenne 30-1 abgewickelten Hochfrequenzsignale steuern, ein zweiter Phasen- und Größenregler 33-2, der auf dem Hochfrequenzübertragungsleitungspfad 32-2 angeordnet ist, kann die Phase und Größe für die von der Antenne 30-2 abgewickelten Hochfrequenzsignale steuern, ein m-ter Phasen- und Größenregler 33-M, der auf dem Hochfrequenzübertragungsleitungspfad 32-M angeordnet ist, kann die Phase und die Größe für die von der Antenne 30-M abgewickelten Hochfrequenzsignale steuern, etc.).
  • Die Phasen- und Größenregler 33 können jeweils eine Schaltung zum Einstellen der Phase der Hochfrequenzsignale auf Hochfrequenzübertragungsleitungspfaden 32 (z. B. Phasenschieberschaltungen) und/oder eine Schaltung zum Einstellen der Größe der Hochfrequenzsignale auf Übertragungsleitungspfaden 32 (z. B. Leistungsverstärker und/oder rauscharme Verstärkerschaltungen) einschließen. Die Phasen- und Größenregler 33 können hierin manchmal in ihrer Gesamtheit als Strahlensteuerungsschaltung oder Strahlenformungsschaltung bezeichnet werden (z. B. Strahlensteuerungsschaltung, welche die Strahlen von Hochfrequenzsignalen lenkt, die von dem phasengesteuerten Antennen-Array 36 gesendet und/oder empfangen werden).
  • Die Phasen- und Größenregler 33 können die entsprechenden Phasen und/oder Größen der gesendeten Signale regeln, die an jede der Antennen in dem phasengesteuerten Antennen-Array 36 übertragen werden, und können die entsprechenden Phasen und/oder Größen der empfangenen Signale regeln, die von dem phasengesteuerten Antennen-Array 36 empfangen werden. Die Phasen- und Größenregler 33 können, falls gewünscht, eine Phasenerkennungsschaltung zum Erkennen der Phasen der von dem phasengesteuerten Antennen-Array 36 empfangenen Signale einschließen. Der Begriff „Strahl“, „Signalstrahl“ oder „Hochfrequenzsignalstrahl“ kann sich hierin in seiner Gesamtheit auf drahtlose Signale, die von einem phasengesteuerten Antennen-Array 36 in einer bestimmten Richtung gesendet und empfangen werden, beziehen. Der Signalstrahl kann eine Spitzenverstärkung aufweisen, die in eine bestimmte Strahlrichtung mit einem entsprechenden Strahlrichtungswinkel ausgerichtet ist (z. B. basierend auf einer konstruktiven und destruktiven Interferenz durch die Kombination der Signalen von jeder Antenne in dem phasengesteuerten Antennen-Array). Der Begriff „Sendestrahl“ kann hierin manchmal verwendet werden, um Hochfrequenzsignale zu bezeichnen, die in einer bestimmten Richtung übertragen werden, während der Begriff „Empfangsstrahl“ hierin manchmal verwendet werden kann, um Hochfrequenzsignale zu bezeichnen, die von einer bestimmten Richtung empfangen werden.
  • Wenn zum Beispiel die Phasen- und Größenregler 33 eingestellt werden, um eine erste Gruppe von Phasen und/oder Größen für übertragene Hochfrequenzsignale zu bilden, werden die gesendeten Signale einen Sendestrahl bilden, wie anhand von Strahl B 1 von 4 gezeigt, der in Richtung des Punktes A gerichtet ist. Wenn jedoch die Phasen- und Größenregler 33 eingestellt werden, um eine zweite Gruppe von Phasen und/oder Größen für die gesendeten Signale zu bilden, werden die gesendeten Signale einen Sendestrahl bilden, wie anhand von Strahl B2 gezeigt, der in Richtung des Punktes B gerichtet ist. Auf ähnliche Weise können, wenn die Phasen- und Größenregler 33 eingestellt werden, um die erste Gruppe von Phasen und/oder Größen zu bilden, Hochfrequenzsignale (z. B. Hochfrequenzsignale in einem Empfangsstrahl) aus der Richtung des Punktes A, wie anhand von Strahl B 1 gezeigt, empfangen werden. Wenn die Phasen- und Größenregler 33 eingestellt werden, um die zweite Gruppe von Phasen und/oder Größen zu bilden, werden Signale aus der Richtung des Punktes B, wie anhand von Strahl B2 gezeigt, empfangen.
  • Jede Phasen- und Größensteuerung 33 kann gesteuert werden, um eine gewünschte Phase und/oder Größe basierend auf einem entsprechenden Steuersignal S zu erzeugen, das von der Steuerschaltung 38 von 4 über Steuerpfade 34 empfangen wird (z. B. die Phase und/oder Größe, die von der Phasen- und Größensteuerung 33-1 bereitgestellt wird, kann unter Verwendung des Steuersignals S 1 auf dem Steuerpfad 34-1 gesteuert werden, die von der Phasen- und Größensteuerung 33-2 bereitgestellte Phase und/oder Größe kann unter Verwendung des Steuersignals S2 auf dem Steuerpfad 34-2 gesteuert werden, die von der Phasen- und Größensteuerung 33-M bereitgestellte Phase und/oder Größe kann unter Verwendung des Steuersignals SM auf dem Steuerpfad 34-M gesteuert werden usw.). Falls gewünscht, kann die Steuerschaltung 38 die Steuersignale S in Echtzeit aktiv anpassen, um den Sende- oder Empfangsstrahl im Zeitablauf in unterschiedliche gewünschte Richtungen zu lenken (z. B. zu unterschiedlichen gewünschten Strahlrichtungswinkeln). Die Phasen- und Größenregler 33 können, falls gewünscht, Informationen, die die Phase der empfangenen Signale identifizieren, an die Steuerschaltung 38 bereitstellen.
  • Wenn drahtlose Kommunikation unter Verwendung von Hochfrequenzsignalen bei Millimeter- und Zentimeterwellenfrequenzen durchgeführt wird, werden die Hochfrequenzsignale über einen Sichtlinienpfad zwischen der phasengesteuerten Antennengruppe 36 und der externen drahtlosen Einrichtung (z. B. externe drahtlose Einrichtung 10' von 3) übertragen. Wenn sich die externe drahtlose Einrichtung am Punkt A von 4 befindet, können die Phasen- und Größenregler 33 so eingestellt werden, dass sie den Signalstrahl zum Punkt A lenken (z. B., um einen Signalstrahl mit einem Strahlrichtungswinkel, der in Richtung des Punktes A gerichtet ist, zu bilden). Das phasengesteuerte Antennen-Array 36 kann dann Hochfrequenzsignale in/aus Richtung des Punkts A senden und empfangen. Auf ähnliche Weise können, wenn sich die externe drahtlose Einrichtung an Punkt B befindet, die Phasen- und Größenregler 33 angepasst werden, um den Signalstrahl in Richtung des Punkts B zu lenken (z. B. um einen Signalstrahl mit einem Strahlrichtungswinkel, der in Richtung des Punktes B gerichtet ist, zu bilden). Das phasengesteuerte Antennen-Array 36 kann dann Hochfrequenzsignale in Richtung des Punkts B senden und empfangen. 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 gelenkt (z. B. in drei Dimensionen, in und aus der Seite heraus und nach links und rechts auf der Seite von 4). Das phasengesteuerte Antennen-Array 36 kann einen entsprechender Sichtbereich aufweisen, über den eine Strahlsteuerung durchgeführt werden kann (z. B. in einer Halbkugel oder einem Segment einer Halbkugel über dem phasengesteuerten Antennen-Array). Falls gewünscht, kann Vorrichtung 10 mehrere phasengesteuerte Antennen-Arrays einschließen, die jeweils einer unterschiedlichen Richtung zugewandt sind, um eine Abdeckung von mehreren Seiten der Vorrichtung bereitzustellen.
  • Steuerschaltung 38 von 4 kann einen Teil der Steuerschaltung 14 von 3 bilden oder kann von der Steuerschaltung 14 von 3 getrennt sein. Steuerschaltung 38 von 4 kann einen gewünschten Strahlrichtungswinkel für den Signalstrahl des phasengesteuerten Antennen-Arrays 36 identifizieren und kann die Steuersignale S, die dem phasengesteuerten Antennen-Array 36 bereitgestellt werden, so regeln, das das phasengesteuerte Antennen-Array 36 so konfiguriert wird, das der Signalstrahl in diesem Strahlrichtungswinkel gebildet (gesteuert) wird. Jeder mögliche Strahlrichtungswinkel, der von dem phasengesteuerten Antennen-Array 36 während der drahtlosen Kommunikation verwendet werden kann, kann durch ein Strahlsteuerungs-Codebuch, wie beispielsweise Codebuch 40, identifiziert werden. Codebuch 40 kann in der Steuerschaltung 38 oder an anderer Stelle auf Vorrichtung 10 gespeichert sein oder kann sich auf einer externen Einrichtung befinden (ausgelagert sein) und über eine drahtgebundene oder drahtlose Kommunikationsverbindung an Vorrichtung 10 übermittelt werden.
  • Codebuch 40 kann jeden möglichen Strahlrichtungswinkel identifizieren, der von dem phasengesteuerten Antennen-Array 36 verwendet werden kann. Steuerschaltung 38 kann Phasen- und Größeneinstellungen für Phasen- und Größenregler 33 speichern oder identifizieren, die beim Implementieren jedes dieser Strahlrichtungswinkel verwendet werden sollen (z. B. kann Steuerschaltung 38 oder Codebuch 40 Informationen einschließen, die jeden Strahlrichtungswinkel für das phasengesteuerte Antennen-Array 36 auf einen entsprechenden Satz von Phasen- und Größenwerten für Phasen-und Größenregler 33 abbilden). Codebuch 40 kann in Steuerschaltung 38 oder an anderer Stelle in Vorrichtung 10 hartcodiert oder weichcodiert sein, kann eine oder mehrere Datenbanken einschließen, die in Steuerschaltung 38 oder an anderer Stelle in Vorrichtung 10 gespeichert sind (z. B. kann Codebuch 40 als Softwarecode gespeichert sein), kann eine oder mehrere Nachschlagetabellen an der Steuerschaltung 38 oder an andere Stelle in Vorrichtung 10 einschließen und/oder kann beliebige andere gewünschte Datenstrukturen einschließen, die in Hardware und/oder Software auf Vorrichtung 10 gespeichert sind. Codebuch 40 kann während der Kalibrierung der Vorrichtung 10 erzeugt werden (z. B. während des Entwurfs, der Herstellung und/oder des Testens der Vorrichtung 10, bevor Vorrichtung 10 von einem Endbenutzer empfangen wird) und/oder kann im Laufe der Zeit dynamisch aktualisiert werden (z. B. nachdem Vorrichtung 10 von einem Endbenutzer verwendet wurde).
  • Steuerschaltung 38 kann Steuersignale S basierend auf Codebuch 40 erzeugen. Zum Beispiel kann Steuerschaltung 38 einen Strahlrichtungswinkel identifizieren, der für die Kommunikation mit der externen drahtlosen Einrichtung 10' von 3 erforderlich wäre (z. B. ein Strahlrichtungswinkel, der auf die externe drahtlose Einrichtung 10' zeigt). Steuerschaltung 38 kann anschließend den Strahlrichtungswinkel in Codebuch 40 identifizieren, der diesem identifizierten Strahlrichtungswinkel am nächsten ist. Steuerschaltung 38 kann Codebuch 40 verwenden, um Phasen- und Größenwerte für Phasen- und Größenregler 33 zu erzeugen. Steuerschaltung 38 kann Steuersignale S, die diese Phasen- und Größenwerte identifizieren, über Steuerpfade 34 an Phasen- und Größenregler 33 übertragen. Der durch das phasengesteuerte Antennen-Array 36 unter Verwendung der Steuersignale S gebildete Strahl wird in dem durch das Codebuch 40 identifizierten Strahlrichtungswinkel ausgerichtet. Falls gewünscht, kann Steuerschaltung 38 einige oder alle der verschiedenen Strahlrichtungswinkel abtasten, die durch das Codebuch 40 identifiziert werden, bis die externe drahtlose Einrichtung gefunden wird, und kann den entsprechenden Strahlrichtungswinkel, bei dem die externe drahtlose Einrichtung gefunden wurde, verwenden, um mit der externen drahtlosen Einrichtung zu kommunizieren (z. B. über Kommunikationsverbindung 31 von 3).
  • Ein schematisches Diagramm einer Antenne 30, die in dem phasengesteuerten Antennen-Array 36 gebildet werden kann (z. B. als Antenne 30-1, 30-2, 30-3 und/oder 30-N in dem phasengesteuerten Antennen-Array 36 in 4), wird in 5 dargestellt. Wie in 5 gezeigt, kann Antenne 30 mit einer Transceiver-Schaltung 42 (z. B. einer Millimeterwellen-Transceiver-Schaltung 28 von 3) gekoppelt sein. Transceiver-Schaltung 42 kann unter Verwendung des Hochfrequenzübertragungsleitungspfads 32 mit der Antennenspeisung 48 der Antenne 30 gekoppelt sein. Antennenspeisung 48 kann einen positiven Antennenspeiseanschluss, wie etwa einen positiven Antennenspeiseanschluss 50, einschließen und kann einen Masseantennenspeiseanschluss, wie etwa einen Masseantennenspeiseanschluss 52, einschließen. Hochfrequenzübertragungsleitungspfad 32 kann einen positiven Signalleiter wie etwa Signalleiter 44, der mit dem positiven Antennenspeiseanschluss 50 gekoppelt ist, und einen Masseleiter wie etwa Masseleiter 46, der mit dem Masseantennenspeiseanschluss 52 gekoppelt ist, einschließen.
  • Es kann jede beliebige gewünschte Antennenstruktur zur Implementierung der Antenne 30 verwendet werden. In einer geeigneten Anordnung, die hierin manchmal als ein Beispiel beschrieben wird, können Patch-Antennenstrukturen zum Implementieren der Antenne 30 verwendet werden. Die Antennen 30, die unter Verwendung von Patch-Antennenstrukturen implementiert werden, können hierin manchmal als Patch-Antennen bezeichnet werden. Eine veranschaulichende Patch-Antenne, die in einem phasengesteuerten Antennen-Array 36 von 4 verwendet werden kann, wird in 6 gezeigt.
  • Wie in 6 gezeigt, kann Antenne 30 ein Antennenstrahlungselement 64 aufweisen (hierin manchmal als Antennenresonanzelement 64, Patch-Antennenresonanzelement 64 oder Patch-Antennenstrahlungselement 64 bezeichnet). Antennenstrahlungselement 64 kann ein Patch-Element 60 einschließen. Patch-Element 60 (hierin manchmal als Patch 60 oder leitfähiges Patch 60 bezeichnet) kann aus Leiterbahnen auf einem darunter liegenden Substrat (der Deutlichkeit halber in 6 nicht gezeigt) oder aus beliebigen anderen gewünschten leitfähigen Materialien gebildet sein.
  • Patch-Element 60 kann von einer Antennenmasse wie Antennenmasse 56 (hierin manchmal als Antennenmassefläche 56 bezeichnet) getrennt sein und sich parallel zu dieser erstrecken. Patch-Element 60 kann innerhalb einer Ebene wie der X-Y-Ebene von 6 liegen (z. B. kann die Seitenfläche des Elements 60 in der X-Y-Ebene liegen). Antennenmasse 56 kann in einer Ebene parallel zu der Ebene des Patch-Elements 60 liegen. Patch-Element 60 und Antennenmasse 56 können daher in getrennten parallelen Ebenen, die durch einen festen Abstand voneinander getrennt sind, liegen. Antennenmasse 56 kann aus Leiterbahnen gebildet sein, die auf einem dielektrischen Substrat (z. B. dem dielektrischen Substrat, das zum Tragen des Patch-Elements 60 verwendet wird) und/oder beliebigen anderen gewünschten leitfähigen Strukturen (z. B. leitfähigen Abschnitten des Gehäuses für Vorrichtung 10, leitfähigen Abschnitten von Komponenten in Vorrichtung 10 usw.) strukturiert sind.
  • Die Seitenlänge des Patch-Elements 60 kann so gewählt werden, dass Antenne 30 bei einer gewünschten Betriebsfrequenz Resonanz zeigt (strahlt). In der Anordnung von 6 kann zum Beispiel die Länge der parallel zur X-Achse verlaufenden Seite (Kante) des Patch-Elements 60 etwa als gleich der halben Wellenlänge der von Antenne 30 übermittelten Signale gewählt werden (z. B. die effektive Wellenlänge angesichts der dielektrischen Eigenschaften der Materialien, die das Patch-Element 60 umgeben). In einer geeigneten Anordnung kann diese Länge 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 von 6 dient lediglich der Veranschaulichung. 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. Patch-Element 60 kann in anderen Formen mit einer beliebigen gewünschten Anzahl gerader und/oder gekrümmter Ecken gestaltet sein. Falls gewünscht, können Patch-Element 60 und Antennenmasse 56 unterschiedliche Formen und entsprechende Ausrichtungen aufweisen.
  • In dem Beispiel von 6 wird Patch-Element 60 unter Verwendung eines differentiellen Hochfrequenzübertragungsleitungspfads wie etwa des differentiellen Hochfrequenzübertragungsleitungspfads 32D differentiell gespeist. Zum Beispiel kann Antennenspeisung 48 eine differentielle Speisung mit zwei positiven Antennenspeiseanschlüssen (z. B. positive Antennenspeiseanschlüsse 50 von 5) sein, wie etwa einem ersten positiven Antennenspeiseanschluss 50A und einem zweiten positiven Antennenspeiseanschluss 50B, die an verschiedenen Stellen auf dem Patch-Element 60 gekoppelt sind.
  • Wie in 6 gezeigt, kann die Transceiver-Schaltung 42 einen differentiellen Signalanschluss 54 einschließen, der mit dem differentiellen Hochfrequenzübertragungsleitungspfad 32D gekoppelt ist (z. B. einem Hochfrequenzübertragungsleitungspfad wie etwa Hochfrequenzübertragungsleitungspfad 32 von 5, der konfiguriert wurde, um differentielle Signale zu übertragen). Der differentielle Hochfrequenzübertragungsleitungspfad 32D kann eine erste Signalspur 65 und eine zweite Signalspur 67 (z. B. differentielle Signalspuren) aufweisen. Der differentielle Hochfrequenzübertragungsleitungspfad 32D kann eine erste leitfähige Durchkontaktierung einschließen, welche die erste Signalspur 65 mit dem positiven Antennenspeiseanschluss 50A koppelt. Der differentielle Hochfrequenzübertragungsleitungspfad 32D kann eine zweite leitfähige Durchkontaktierung einschließen, welche die zweite Signalspur 67 mit dem positiven Antennenzuleitungsanschluss 50B koppelt. Die ersten und zweiten leitfähigen Durchkontaktierungen können sich durch zugehörige Löcher oder Öffnungen 58 in der Antennenmasse 56 erstrecken. Die ersten und zweiten leitfähigen Durchkontaktierungen und Signalspuren 65 und 67 können zusammen den Signalleiter für den differentiellen Hochfrequenzübertragungsleitungspfad 32D bilden (z. B. Signalleiter 44 von 5). Der differentielle Signalanschluss 54 kann zum Beispiel ein 100 Ohm-Port sein, während die Signalspuren 65 und 67 jeweils 50 Ohm-Pfade sind.
  • Die Hochfrequenzsignale, die von dem positiven Antennenspeiseanschluss 50A und der Funk-Signalspur 65 übermittelt werden, können außer Phase (z. B. etwa 180 Grad außer Phase) mit den Hochfrequenzsignalen sein, die von dem positiven Antennenspeiseanschluss 50B und der Signalspur 67 übermittelt werden. Transceiver-Schaltung 42 kann zum Beispiel Phasenschieberschaltungen einschließen, die über den differentiellen Signalanschluss 54 Hochfrequenzsignale auf Signalspur 65 überträgt, die außer Phase mit den Hochfrequenzsignalen auf Signalspur 67 sind. Auf diese Weise kann die differentiell speisende Antenne 30 zum Beispiel Kreuzpolarisationsinterferenzen im phasengesteuerten Antennen-Array 36 (4) minimieren und die Gleichmäßigkeit des Strahlungsdiagramms für Antenne 30 optimieren.
  • In dem Beispiel von 6 wird Antenne 30 differenziell gespeist und übermittelt Hochfrequenzsignale 62 unter Verwendung einer einzelnen linearen Polarisation (z. B. wobei das elektrische Feld der Hochfrequenzsignale 62 entlang einer einzelnen Achse ausgerichtet ist). Dieses Beispiel dient lediglich der Veranschaulichung. Falls gewünscht, kann Antenne 30 unter Verwendung unsymmetrischer Signale gespeist werden (z. B. kann Antennenspeisung 48 nur einen einzelnen positiven Antennenspeiseanschluss 50A einschließen, der unsymmetrische Hochfrequenzsignale überträgt). In Szenarien, in denen Antenne 30 unter Verwendung unsymmetrischer Signale gespeist wird, kann Antenne 30 mehrere Antennenspeisungen einschließen, die jeweils mit dem Patch-Element 60 und einem zugehörigen Anschluss an der Transceiver-Schaltung 42 gekoppelt sind, um andere Polarisationen (z. B. sowohl horizontale als auch vertikale lineare Polarisationen, eine zirkulare Polarisation, eine elliptische Polarisation usw.) abzudecken. Falls gewünscht, kann Antenne 30 ein oder mehrere parasitäre Antennenresonanzelemente einschließen, die aus Leiterbahnen gebildet sind, die über (z. B. überlappend und/oder ausgerichtet mit) dem Patch-Element 60 gestapelt sind und/oder koplanar mit dem Patch-Element 60 sind. Die Form der parasitären Elemente und/oder die Form des Patch-Elements 60 kann ausgewählt werden, um dabei zu helfen, die Impedanz der Antenne 30 an die Impedanz des/der Hochfrequenzübertragungsleitungspfads/-pfade anzupassen, der/die mit der Antenne 30 gekoppelt ist/sind. Die in 6 gezeigten Antennenstrukturen sind lediglich veranschaulichend und im Allgemeinen können beliebige gewünschte Arten von Antennen in dem phasengesteuerten Antennen-Array 36 von 4 verwendet werden. Falls gewünscht, kann das phasengesteuerte Antennen-Array 36 in andere Schaltungen wie eine integrierte Hochfrequenzschaltung integriert werden, um ein integriertes Antennenmodul zu bilden.
  • 7 ist eine seitliche Querschnittansicht eines veranschaulichenden Antennenmoduls zum Handhaben von Signalen bei Frequenzen, die größer als 10 GHz sind, in Vorrichtung 10. Wie in 7 gezeigt, kann Vorrichtung 10 mit einem Antennenmodul wie etwa dem Antennenmodul 68 bereitgestellt sein. Falls gewünscht, kann eine Transceiver-Schaltung (z. B. Transceiver 42 der 5 und 6) am Antennenmodul 68 montiert sein. Antennenmodul 68 kann ein phasengesteuertes Antennen-Array 36 von Antennen 30 einschließen (4), die auf einem dielektrischen Substrat wie dem dielektrischen Substrat 70 gebildet sind. Bei Substrat 70 kann es sich zum Beispiel um eine starre oder gedruckte Leiterplatte oder ein anderes dielektrisches Substrat handeln. Substrat 70 kann ein gestapeltes dielektrisches Substrat sein, das mehrere gestapelte dielektrische Schichten 72 einschließt (z. B. mehrere Schichten eines Leiterplattensubstrats, wie etwa mehrere Schichten eines mit Glasfaser gefüllten Epoxids, starres Leiterplattenmaterial, flexibles Leiterplattenmaterial, Keramik, Kunststoff, Glas oder andere Dielektrika). Das phasengesteuerte Antennen-Array kann eine beliebige gewünschte Anzahl von Antennen einschließen, die in einem beliebigen gewünschten Muster auf Substrat 70 angeordnet sind.
  • Die Antennen in dem phasengesteuerten Antennen-Array 36 können Elemente wie Patch-Element 60 (6), Massebahnen (z. B. Leiterbahnen, welche die Antennenmasse 56 von 6 für jede der Antennen 30 in dem phasengesteuerten Antennen-Array bilden) und/oder andere Komponenten wie etwa parasitäre Elemente, die zwischen den dielektrischen Schichten 72 von Substrat 70 angeordnet oder auf diesen gebildet sind, einschließen. Substrat 70 kann einen Satz 78 von dielektrischen Schichten 72 einschließen, die verwendet werden, um Hochfrequenzübertragungsleitungspfade (z. B. der differentielle Hochfrequenzübertragungsleitungspfad 32D von 6) für jede der Antennen zu bilden. Der Satz 78 von dielektrischen Schichten 72 kann daher hierin manchmal als Übertragungsleitungsschichten 78 bezeichnet werden. Leiterbahnen, die beim Bilden der Signalleiter (z. B. Signalleiter 44 von 5 und Signalleiter 65 und 67 von 6) und/oder die Masseleiter (z. B. Masseleiter 46 von 5) verwendet werden, können auf Übertragungsleitungsschichten 78 gebildet sein.
  • Substrat 70 kann auch einen Satz 76 von dielektrischen Schichten 72 einschließen, die über Übertragungsleitungsschichten 78 gestapelt sind. Leiterbahnen, die beim Bilden des Antennenstrahlungselements (z. B. Patch-Element 60 im Antennenstrahlungselement 64 von 6) für die Antennen im phasengesteuerten Antennen-Array verwendet werden, können auf dem Satz 76 von dielektrischen Schichten 72 gebildet werden. Der Satz 76 von dielektrischer Schichten 72 kann daher hierin manchmal als Antennenschichten 76 bezeichnet werden.
  • Falls gewünscht, kann das Substrat 70 auch einen Satz 74 von dielektrischen Schichten 72 einschließen, die über den Antennenschichten 76 gestapelt sind. Der Satz 74 von dielektrischen Schichten 72 muss kein leitfähiges Material sein und kann daher hierin manchmal als Hohlraumschichten 74 bezeichnet werden. Falls gewünscht, können Hohlraumschichten 74 weggelassen werden. Hohlraumschichten 74, Antennenschichten 76 und Übertragungsleitungsschichten 78 können jeweils eine beliebige Anzahl von dielektrischen Schichten 72 einschließen (z. B. eine dielektrische Schicht 72, zwei dielektrische Schichten 72, vier dielektrische Schichten 72, mehr als zwei dielektrische Schichten 72, zwölf dielektrische Schichten 72, sechzehn dielektrische Schichten 72 usw.).
  • Antennenmodul 68 kann so montiert sein, dass es eine dielektrische Deckschicht für Vorrichtung 10, wie etwa die dielektrische Deckschicht 66, überlappt. Die dielektrische Deckschicht 66 kann eine Gehäusewand für Vorrichtung 10 (z. B. Seitenwände 12E oder hintere Gehäusewand 12R von 2), ein Antennenfenster in einer Gehäusewand für Vorrichtung 10, eine Anzeigedeckschicht für Anzeige 8 von 1 usw. bilden. Die dielektrische Deckschicht 66 kann aus Glas, Keramik, Kunststoff, Saphir oder einem beliebigen anderen gewünschten dielektrischen Material gebildet sein. Antennenmodul 68 kann von der dielektrischen Deckschicht 66 durch einen Spalt getrennt sein, kann in Kontakt mit der dielektrischen Deckschicht 66 platziert sein, kann gegen die dielektrische Deckschicht 66 gedrückt oder vorgespannt sein oder kann unter Verwendung von Klebstoff an die dielektrische Deckschicht 66 geklebt sein. Hohlraumschichten 74 können verwendet werden, um die Einstellung eines gewünschten Abstands zwischen den Antennenstrahlungselementen in Antennenmodul 68 und der dielektrischen Deckschicht 66 zu unterstützen, falls gewünscht (z. B. um Signalreflexionen an den Schnittstellen der dielektrischen Deckschicht 66 zu minimieren). Das phasengesteuerte Antennen-Array auf Antennenmodul 68 kann Hochfrequenzsignale 62 durch die dielektrische Deckschicht 66 übertragen.
  • Das phasengesteuerte Antennen-Array auf dem Antennenmodul 68 (z. B. phasengesteuertes Antennen-Array 36 von 4) kann eine beliebige gewünschte Anzahl von Antennen 30 (z. B. zwei Antennen, drei Antennen, vier Antennen, zwölf Antennen, mehr als vier Antennen, sechzehn Antennen, zwanzig Antennen usw.) einschließen. Falls gewünscht, kann das phasengesteuerte Antennen-Array verschiedene Sätze von Antennen einschließen, wobei jeder Satz Antennen ein jeweiliges Frequenzband und/oder eine jeweilige Polarisation abdeckt. Zum Beispiel kann das phasengesteuerte Antennen-Array einen ersten Satz Antennen, die Hochfrequenzsignale in einem ersten Frequenzband übertragen, das 40 GHz einschließt, einen zweiten Satz Antennen, die Hochfrequenzsignale in einem zweiten Frequenzband übertragen, das 39 GHz einschließt, und einen dritten Satz Antennen, die Hochfrequenzsignale in einem dritten Frequenzband übertragen, das 60 GHz einschließt, einschließen. Dieses Beispiel ist lediglich veranschaulichend, und im Allgemeinen kann das phasengesteuerte Antennen-Array jede gewünschte Anzahl von Frequenzbändern bei beliebigen gewünschten Frequenzen abdecken.
  • Jede Antenne in dem phasengesteuerten Antennen-Array wird unter Verwendung von mindestens einem zugehörigen Hochfrequenzübertragungsleitungspfad (z. B. Hochfrequenzübertragungsleitungspfad 32 von 5) gespeist. Im Allgemeinen gilt, je größer die Anzahl der Antennen in dem phasengesteuerten Antennen-Array ist, desto größer ist die Spitzenverstärkung für das phasengesteuerte Antennen-Array. Mit zunehmender Anzahl von Frequenzbändern und Polarisationen, die von dem phasengesteuerten Antennen-Array abgedeckt werden, nimmt die Anzahl von Hochfrequenzübertragungsleitungspfaden, die in den Übertragungsleitungsschichten 78 des Antennenmoduls 68 ausgebildet sind, zu. Differentielles Speisen der Antennen (z. B. unter Verwendung der positiven Antennenspeiseanschlüsse 50A und 50B und Signalspuren 65 und 67 von 6) erhöht die Anzahl von Hochfrequenzübertragungsleitungspfaden, die in Übertragungsleitungsschichten 78 gebildet sind, weiter. Wenn nicht sorgfältig vorgegangen wird, kann es schwierig sein, alle erforderlichen Hochfrequenzübertragungsleitungspfade, die für das phasengesteuerte Antennen-Array erforderlich sind, in den Übertragungsleitungsschichten 78 unterzubringen, während trotzdem sichergestellt wird, dass eine zufriedenstellende elektromagnetische Isolierung zwischen jedem der Hochfrequenzübertragungsleitungspfade besteht.
  • Um dabei zu helfen, die elektromagnetische Isolierung zwischen jedem der Hochfrequenzübertragungsleitungspfade für das phasengesteuerte Antennen-Array zu erhöhen, können die Hochfrequenzübertragungsleitungspfade auf verschiedenen dielektrischen Schichten 72 der Übertragungsleitungsschichten 78 gebildet sein. Zum Beispiel können einige der Antennen in dem phasengesteuerten Antennen-Array unter Verwendung von Hochfrequenzübertragungsleitungspfaden gespeist werden, die Signalspuren aufweisen, die auf einer gegebenen dielektrischen Schicht 72' strukturiert sind, die sich in einem Abstand 82 von der Unterkante 80 des Substrats 70 befindet. Gleichzeitig können andere Antennen in dem phasengesteuerten Antennen-Array unter Verwendung von Hochfrequenzübertragungsleitungspfaden gespeist werden, die Signalspuren aufweisen, die auf einer anderen dielektrischen Schicht 72" strukturiert sind, die sich in einem Abstand 86 von der Unterkante 80 des Substrats 70 befindet. Abstand 82 kann zum Beispiel kleiner sein als Abstand 86 (z. B. liegt die dielektrische Schicht 72" näher an den Antennenschichten 76 als die dielektrische Schicht 72'). Dies ist lediglich veranschaulichend, und falls gewünscht, können die Signalspuren für die Hochfrequenzübertragungsleitungspfade auf mehr als zwei dielektrischen Schichten 72 in den Übertragungsleitungsschichten 78 strukturiert sein.
  • Wie in 7 gezeigt, können die auf der dielektrischen Schicht 72' strukturierten Signalspuren in einem relativ großen Abstand 84 von den Antennenschichten 76 angeordnet sein. Die Signalspuren, die auf der dielektrischen Schicht 72" strukturiert sind, können sich in einem relativ kurzen Abstand 88 von den Antennenschichten 76 befinden. Leitfähige Durchkontaktierungen können verwendet werden, um die Signalspuren auf den dielektrischen Schichten 72' und 72" mit entsprechenden Antennenstrahlungselementen auf den Antennenschichten 76 zu koppeln. Da Abstand 84 länger ist als Abstand 88, können, wenn nicht sorgfältig vorgegangen wird, die leitfähigen Durchkontaktierungen, die verwendet werden, um die Signalspuren auf der dielektrischen Schicht 72' mit den Antennenschichten 76 zu koppeln, eine größere Menge an Induktivität in die Hochfrequenzübertragungsleitungspfade einführen als die leitfähigen Durchkontaktierungen, die verwendet werden, um die Signalspuren auf der dielektrischen Schicht 72" mit den Antennenschichten 76 zu koppeln. Diese ungleichmäßige Induktivität kann unerwünschte Impedanzfehlanpassungen über das phasengesteuerte Antennen-Array einführen, wodurch der Gesamtwirkungsgrad der Antenne für das phasengesteuerte Antennen-Array eingeschränkt wird.
  • In einigen Szenarien können Kondensatoren auf einer Hochfrequenzübertragungsleitung angeordnet sein, um dazu beizutragen, übermäßige Induktivitäten auf der Hochfrequenzübertragungsleitung zu kompensieren. Diskrete Kondensatoren, wie beispielsweise Kondensatoren, die aus SMT-Komponenten (Surface Mounted Technology) gebildet sind, können jedoch für relativ kompakte und relativ hochfrequente Strukturen, wie beispielsweise das Antennenmodul 68, ungeeignet sein. Um diese übermäßigen Induktivitäten abzuschwächen, ohne diskrete Kondensatoren zu verwenden, können die Antennenstrahlungselemente in dem dann phasengesteuerten Antennen-Array aus gestapelten Schichten von Leiterbahnen gebildet sein, die unter Verwendung von leitfähigen Durchkontaktierungen miteinander gekoppelt sind.
  • 8 ist eine seitliche Querschnittsansicht einer gegebenen Antenne 30 in dem phasengesteuerten Antennen-Array (z. B. phasengesteuertes Antennen-Array 36 von 4) mit einem Antennenstrahlungselement, das aus gestapelten Schichten von Leiterbahnen gebildet ist, die unter Verwendung von leitfähigen Durchkontaktierungen miteinander gekoppelt sind. Wie in 8 gezeigt, ist das Antennenstrahlungselement 64 der Antenne 30 in die Antennenschichten 76 des dielektrischen Substrats 70 eingebettet.
  • Das Antennenstrahlungselement 64 kann gestapelte Schichten von Leiterbahnen einschließen, die auf verschiedenen dielektrischen Schichten 72 der Antennenschichten 76 gebildet sind. Zum Beispiel kann das Antennenstrahlungselement 64 ein erstes Patch-Element 60-1, das aus Leiterbahnen auf einer ersten dielektrischen Schicht 72 gebildet ist, ein zweites Patch-Element 60-2, das aus Leiterbahnen auf einer zweiten dielektrischen Schicht gebildet ist, die über der ersten dielektrischen Schicht gestapelt ist, und ein drittes Patch-Element 60-3, das aus Leiterbahnen auf einer dritten dielektrischen Schicht gebildet ist, die über der zweiten dielektrischen Schicht gestapelt ist (z. B. kann Patch-Element 60-2 vertikal zwischen Patch-Elementen 60-1 und 60-3 angeordnet sein), einschließen. Eine oder mehrere dielektrische Schichten 72 können das Patch-Element 60-1 von dem Patch-Element 60-2 trennen. Eine oder mehrere dielektrische Schichten 72 können das Patch-Element 60-2 von dem Patch-Element 60-3 trennen. Eine oder mehrere dielektrische Schichten 72 können das Patch-Element 60-1 von den Massebahnen 98 trennen.
  • Massebahnen 98 können Antennenschichten 76 von Übertragungsleitungsschichten 78 in Substrat 70 trennen. Übertragungsleitungsschichten 78 können auch Massebahnen 100 und Massebahnen 102 einschließen. Massebahnen 98, Massebahnen 100, Massebahnen 102 und/oder beliebige andere Massebahnen in Übertragungsleitungsschichten 78 können einen Teil der Antennenmasse 56 von 6 bilden.
  • In dem Beispiel von 8 wird Antenne 30 unter Verwendung von ersten und zweiten Hochfrequenzübertragungsleitungen wie etwa Streifenleitungen 107 und 109 (z. B. Streifenleitungen, die einen Teil eines differentiellen Hochfrequenzübertragungsleitungspfads wie beispielsweise des differentiellen Hochfrequenzübertragungsleitungspfads 32D von 6 bilden) differentiell gespeist. Andere Arten von Hochfrequenzübertragungsleitungen können verwendet werden, um Antenne 30 zu speisen, falls gewünscht. Streifenleitung 107 kann Signalspur 106 (z. B. Signalspur 65 von 6) und den Abschnitt der Massebahnen 100 und 102, der die Signalspur 106 überlappt, einschließen. Signalspur 106 kann mit der leitfähigen Durchkontaktierung 110 gekoppelt sein. Falls gewünscht, können auch Massebahnen vorhanden sein, welche die Signalspur 106 seitlich umgeben (z. B. in der X-Y-Ebene). Die leitfähige Durchkontaktierung 110 kann sich durch Übertragungsleitungsschichten 78, ein Loch 58 in Massebahnen 98 und einige der Antennenschichten 76 erstrecken, um die Signalspur 106 mit Patch-Element 60-1 zu koppeln (z. B. um einen ersten positiven Antennenspeiseanschluss für die Antenne zu bilden, wie beispielsweise den positiven Antennenspeiseanschluss 50A von 6).
  • Streifenleitung 109 kann Signalspur 108 (z. B. Signalspur 67 von 6) und den Abschnitt der Massebahnen 100 und 102, der die Signalspur 108 überlappt, einschließen. Signalspur 108 kann mit der leitfähigen Durchkontaktierung 116 gekoppelt sein. Falls gewünscht, können auch Massebahnen vorhanden sein, welche die Signalspur 108 seitlich umgeben (z. B. in der X-Y-Ebene). Die leitfähige Durchkontaktierung 116 kann sich durch die Übertragungsleitungsschichten 78, ein Loch 58 in Massebahnen 98 und einige der Antennenschichten 76 erstrecken, um Signalspur 108 mit dem Patch-Element 60-1 zu koppeln (z. B. um einen zweiten positiven Antennenspeiseanschluss für die Antenne zu bilden, wie beispielsweise den positiven Antennenspeiseanschluss 50B von 6). Leitfähige Durchkontaktierungen 110 und 116 und Signalspuren 106 und 108 können zusammen den Signalleiter (z. B. Signalleiter 44 von 5) für die differentielle Hochfrequenzübertragungsleitung bilden, die mit Antenne 30 gekoppelt ist. Massebahnen 100 und 102 und/oder andere Massebahnen in Übertragungsleitungsschichten 78 können zusammen den Masseleiter (z. B. Masseleiter 46 von 5) für die differentielle Hochfrequenzübertragungsleitung bilden, die mit Antenne 30 gekoppelt ist.
  • Übertragungsleitungsschichten 78 können zusätzliche Routing-Schichten 96 zwischen Massebahnen 100 und 98 einschließen. Zusätzliche Routing-Schichten 96 können verwendet werden, um die Hochfrequenzübertragungsleitungspfade für andere Antennen in Antennenmodul 68 zu bilden (z. B. Signalspuren 106 und 108 können sich in Abstand 82 befinden, während die Routing-Schichten 96 sich in Abstand 86 oder anderen Abständen, die größer als Abstand 82 sind, vom unteren Rand 80 des Antennenmoduls 68 befinden, wie in 7 gezeigt). Leitfähige Durchkontaktierungen 110 und 116 von 8 können sich durch Routing-Schichten 96 zum Antennenstrahlungselement 64 erstrecken, sodass sich die leitfähigen Durchkontaktierungen über Abstand 84 von den Signalspuren 106 und 108 zum Patch-Element 60-1 erstrecken. Da Abstand 84 relativ lang ist, kann dies bewirken, dass die leitfähigen Durchkontaktierungen 110 und 116 relativ hohe Induktivitäten aufweisen.
  • Wie in 8 gezeigt, kann die leitfähige Durchkontaktierung 112 seitlich mit der leitfähigen Durchkontaktierung 110 ausgerichtet sein und kann Patch-Element 60-1 mit Patch-Element 60-2 koppeln (z. B. kann die leitfähige Durchkontaktierung 112 Patch-Element 60-1 elektrisch (galvanisch) mit Patch-Element 60-2 verbinden). Die leitfähige Durchkontaktierung 114 kann seitlich mit den leitfähigen Durchkontaktierungen 112 und 110 ausgerichtet sein und kann Patch-Element 60-2 mit Patch-Element 60-3 koppeln (z. B. kann die leitfähige Durchkontaktierung 112 Patch-Element 60-2 elektrisch (galvanisch) mit Patch-Element 60-3 verbinden). Die leitfähigen Durchkontaktierungen 110 und 112 können zum Beispiel an gegenüberliegende Seiten des Patch-Elements 60-1 verlötet sein. Die leitfähigen Durchkontaktierungen 112 und 114 können zum Beispiel an gegenüberliegende Seiten des Patch-Elements 60-2 verlötet sein.
  • In ähnlicher Weise kann die leitfähige Durchkontaktierung 118 seitlich mit der leitfähigen Durchkontaktierung 116 ausgerichtet sein und kann Patch-Element 60-1 mit Patch-Element 60-2 koppeln (z. B. kann die leitfähige Durchkontaktierung 118 Patch-Element 60-1 elektrisch (galvanisch) mit Patch-Element 60-2 verbinden). Die leitfähige Durchkontaktierung 120 kann seitlich mit den leitfähigen Durchkontaktierungen 118 und 116 ausgerichtet sein und kann Patch-Element 60-2 mit Patch-Element 60-3 koppeln (z. B. kann die leitfähige Durchkontaktierung 120 Patch-Element 60-2 elektrisch (galvanisch) mit Patch-Element 60-3 verbinden). Die leitfähigen Durchkontaktierungen 116 und 118 können zum Beispiel an gegenüberliegende Seiten des Patch-Elements 60-1 verlötet sein. Die leitfähigen Durchkontaktierungen 118 und 120 können zum Beispiel an gegenüberliegende Seiten des Patch-Elements 60-2 verlötet sein. Die leitfähigen Durchkontaktierungen 110, 112 und 114 können hierin manchmal als verschiedene Abschnitte derselben leitfähigen Durchkontaktierung, die sich von Signalspur 106 bis Patch-Element 60-3 erstreckt, bildend beschrieben werden. In ähnlicher Weise können leitfähige Durchkontaktierungen 116, 118 und 120 hierin manchmal als verschiedene Abschnitte derselben leitfähigen Durchkontaktierung, die sich von Signalspur 108 bis Patch-Element 60-3 erstreckt, bildend beschrieben werden.
  • Durch Bilden des Antennenstrahlungselements 64 aus vertikal gestapelten Patch-Elementen 60-1, 60-2 und 60-3 können auf diese Weise zusätzliche Kapazitäten in Antenne 30 eingeführt werden, die dazu beitragen, die relativ hohen Induktivitäten der leitfähigen Durchkontaktierungen 110 und 116 zu kompensieren. Zum Beispiel können Patch-Element 60-1 und Massebahnen 98 eine erste Kapazität C1 aufweisen, Patch-Element 60-2 und Patch-Element 60-1 können eine zweite Kapazität C2 aufweisen und Patch-Element 60-2 und Patch-Element 60-3 können eine dritte Kapazität C3 aufweisen. Vertikales Zwischenschalten der Kapazitäten C1, C2 und C3 auf dem Antennenstrahlungselement 64 auf diese Weise kann dazu beitragen, die relativ hohen Induktivitäten der leitfähigen Durchkontaktierungen 110 und 116 auszugleichen, wodurch die Anpassung der Impedanz der Antenne 30 an die Impedanz der Streifenleitungen 107 und 109 unterstützt wird, obwohl sich Signalspuren 106 und 108 in dem relativ großen Abstand 84 von dem Antennenstrahlungselement 64 befinden. Dies kann ermöglichen, dass eine relativ große Anzahl von Hochfrequenzübertragungsleitungspfaden mit zufriedenstellender Isolierung in das Antennenmodul 68 integriert wird, ohne unerwünschte Impedanzfehlanpassungen in das Antennenmodul einzuführen, wodurch der Antennenwirkungsgrad für das phasengesteuerte Antennen-Array optimiert wird.
  • Das Beispiel von 8 dient lediglich der Veranschaulichung. In dem Beispiel von 8 weisen Patch-Elemente 60-1, 60-2 und 60-3 alle die gleiche Größe und Form auf und überlappen sich alle vollständig. Falls gewünscht, können zwei oder mehr der Patch-Elemente 60-1, 60-2 und 60-3 unterschiedliche Größen und/oder unterschiedliche Formen aufweisen (z. B. um den Frequenzgang, die Bandbreite und/oder die Impedanzanpassung für die Antenne zu optimieren). Zwei oder mehr der Patch-Elemente 60-1, 60-2 und 60-3 können sich, falls gewünscht, teilweise nicht überlappen. Antennenstrahlungselement 64 kann nur zwei Patch-Elemente einschließen (z. B. können Patch-Element 60-3 und die leitfähigen Durchkontaktierungen 114 und 120 weggelassen werden) oder kann mehr als drei Patch-Elemente einschließen (z. B. können zusätzliche Patch-Elemente über Patch-Element 60-3 gestapelt und unter Verwendung leitfähiger Durchkontaktierungen mit Patch-Element 60-3 gekoppelt sein). Antenne 30 muss nicht differentiell gespeist werden und kann, falls gewünscht, unter Verwendung von unsymmetrischen Signalen gespeist werden (z. B. unter Verwendung eines einzelnen Hochfrequenzübertragungsleitungspfads, der mit dem Antennenstrahlungselement 64 gekoppelt ist).
  • Falls gewünscht, kann Antennenstrahlungselement 64 ein oder mehrere parasitäre Elemente einschließen, die nicht direkt durch leitfähige Durchkontaktierungen 110 und 116 gespeist werden. Zum Beispiel kann Antennenstrahlungselement 64 parasitäre Elemente 90 einschließen, die aus Leiterbahnen gebildet sind, die mit Patch-Element 60-3 koplanar sind, parasitäre Elemente 92, die aus Leiterbahnen gebildet sind, die mit Patch-Element 60-2 koplanar sind, und/oder parasitäre Elemente 94, die aus Leiterbahnen gebildet sind, die mit Patch-Element 60-1 koplanar sind. Die parasitären Elemente 90, 92 und 94 können hierin manchmal als parasitäre Antennenresonanzelemente, parasitäre Antennenstrahlungselemente oder parasitären Elemente bezeichnet werden. Falls gewünscht, können ein oder mehrere parasitäre Elemente über (z. B. überlappend) Patch-Element 60-3 gestapelt werden.
  • 9 ist eine Draufsicht der differentiell gespeisten Antenne 30 von 8 (z. B. in der Richtung des Pfeils 122 von 8 dargestellt). Im Beispiel von 9 werden Hohlraumschichten 74 des Substrats 70 aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen. Wie in 9 gezeigt, kann Antennenstrahlungselement 64 parasitäre Elemente wie etwa parasitäre Elemente 124 einschließen. Die parasitären Elemente 124 können parasitäre Elemente 90, 92 und/oder 94 von 8 einschließen. Die leitfähige Durchkontaktierung 114 kann Patch-Element 60-3 an einer ersten Stelle kontaktieren, während die leitfähige Durchkontaktierung 120 Patch-Element 60-3 an einer zweiten Stelle kontaktiert. Differentielle Hochfrequenzsignale können dem Patch-Element 60-3 über leitfähige Durchkontaktierungen 114 und 120 bereitgestellt werden. Entsprechende Antennenströme I können um den Umfang des Patch-Elements 60-3 fließen. Ähnliche Antennenströme können auch um die Kanten der darunterliegenden Patch-Elemente 60-2 und 60-1 fließen (8).
  • Sind keine parasitären Elemente 124 vorhanden, bestimmt Länge 126 des Patch-Elements 60-3 die Antwortfrequenzen der Antenne 30 (z. B. kann Länge 126 ungefähr die Hälfte der effektiven Betriebswellenlänge für Antenne 30 betragen). Bei Vorhandensein parasitärer Elemente 124 können auch Antennenströme I auf den parasitären Elementen fließen, wodurch eine zusätzliche Resonanz, die der Länge 128 zugeordnet ist, in die Antenne eingeführt wird. Auf diese Weise können parasitäre Elemente 124 dazu dienen, die Bandbreite der Antenne 30 zu erhöhen.
  • Jede Antenne 30 in dem phasengesteuerten Antennen-Array kann von den anderen Antennen in dem phasengesteuerten Antennen-Array durch vertikale leitfähige Strukturen, wie beispielsweise leitfähige Durchkontaktierungen 130, getrennt sein. Gruppen oder Zäune aus leitfähigen Durchkontaktierungen 130 können jede Antenne 30 (z. B. jede Antenne in dem phasengesteuerten Antennen-Array) seitlich umgeben. Leitfähige Durchkontaktierungen 130 können sich durch das Substrat 70 zu den darunter liegenden Massebahnen erstrecken (z. B. Massebahnen 98, 100 und/oder 102 von 8). Leitfähige Anschlussflächen (der Übersichtlichkeit halber in 9 nicht gezeigt) können verwendet werden, um leitfähige Durchkontaktierungen 130 an jeder Schicht des Substrats 70 zu befestigen, während die leitfähigen Durchkontaktierungen durch das Substrat hindurchgehen. Durch Kurzschließen der leitfähigen Durchkontaktierungen 130 mit den Massebahnen 70 können die leitfähigen Durchkontaktierungen 130 auf dem gleichen Masse- oder Referenzpotential wie die Massebahnen gehalten werden. Leitfähige Durchkontaktierungen 130 können von einer oder mehreren benachbarten leitfähigen Durchkontaktierungen durch einen relativ kurzen Abstand getrennt sein, so dass sie für Hochfrequenzsignalen bei den Betriebsfrequenzen der Antenne 30 effektiv als solide leitfähige Wand erscheinen (z. B. können die leitfähigen Durchkontaktierungen durch ein Achtel der kürzesten effektiven Wellenlänge der Antenne 30, ein Zehntel der kürzesten effektiven Wellenlänge, ein Zwölftel der kürzesten effektiven Wellenlänge, ein Fünfzehntel der kürzesten effektiven Wellenlänge, weniger als ein Achtel der kürzesten effektiven Wellenlänge usw. getrennt sein).
  • Wie in 9 gezeigt, kann das Antennenstrahlungselement 64 der Antenne 30 innerhalb eines entsprechenden Volumens 125 (hierin manchmal als Hohlraum 125 bezeichnet) montiert sein. Die Kanten des Volumens 125 für Antenne 30 können durch leitfähige Durchkontaktierungen 130 und die darunter liegenden Massebahnen definiert sein. Auf diese Weise können die leitfähigen Durchkontaktierungen wie etwa die leitfähigen Durchkontaktierungen 130 und die darunter liegenden Massebahnen einen leitfähigen Hohlraum für jede Antenne in dem phasengesteuerten Antennen-Array bilden (z. B. kann jede Antenne in dem phasengesteuerten Antennen-Array eine Antenne mit einem Hohlraum auf der Rückseite sein, die einen leitfähigen Hohlraum aufweist, der aus leitfähigen Durchkontaktierungen und Massebahnen gebildet ist). Der leitfähige Hohlraum kann dazu dienen, den Verstärkungsfaktor der Antenne 30 zu verbessern und/oder kann dazu dienen, die Antennen in dem phasengesteuerten Antennen-Array voneinander zu isolieren (z. B. um elektromagnetische Kreuzkopplung zwischen den Antennen zu minimieren).
  • Das Beispiel von 9 dient lediglich der Veranschaulichung. Die Zäune aus leitfähigen Durchkontaktierungen 130 können einem beliebigen gewünschten seitlichen Umriss folgen (z. B. können die Zäune aus leitfähigen Durchkontaktierungen 130 beliebigen gewünschten geraden und/oder gekrümmten Pfaden folgen). Patch-Element 60-3 und die parasitären Elemente 124 können andere Formen aufweisen (z. B. beliebige gewünschte Formen mit einer beliebigen Anzahl gekrümmter und/oder gerader Kanten). Falls gewünscht, können mehrere Antennen 30 innerhalb des Hohlraums 125 montiert sein (z. B. Antennen zum Abdecken verschiedener Frequenzbänder).
  • 10 ist eine seitliche Querschnittansicht, die zeigt, wie das phasengesteuerte Antennen-Array 36 mehrere Antennen mit unterschiedlichen Anzahlen von gestapelten Patch-Elementen einschließen kann. Wie in 10 gezeigt, kann das phasengesteuerte Antennen-Array 36 mindestens Antennen 30-1 und 30-2 einschließen, die innerhalb des Substrats 70 des Antennenmoduls 68 eingebettet sind. Während die Übertragungsleitungsschichten 78 des Substrats 70 eine beliebige gewünschte Anzahl von Massebahnschichten einschließen können, sind der Übersichtlichkeit halber nur die Massebahnen 102 in 10 dargestellt.
  • Antenne 30-1 kann mit mindestens einem ersten Hochfrequenzübertragungsleitungspfad 32-1 in den zusätzlichen Routing-Schichten 96 der Übertragungsleitungsschichten 78 gekoppelt sein. Antenne 30-1 kann ein Antennenstrahlungselement 64-1 einschließen, das durch leitfähige Durchkontaktierung 134 mit der Signalspur im Hochfrequenzübertragungsleitungspfad 32-1 gekoppelt ist. In Szenarien, in denen Antenne 30-1 differentiell gespeist wird, kann das Antennenstrahlungselement 64-1 unter Verwendung mehrerer leitfähiger Durchkontaktierungen mit einem differentiellen Hochfrequenzübertragungsleitungspfad in zusätzlichen Routing-Schichten 96 (z. B. einem differentiellen Hochfrequenzübertragungsleitungspfad wie beispielsweise den differentiellen Hochfrequenzübertragungsleitungspfaden 32D von 6) gekoppelt sein. Antenne 30-1 kann innerhalb eines Hohlraums 125-1 zwischen den Zäunen aus leitfähigen Durchkontaktierungen 130 und den Massebahnen 102 angeordnet sein.
  • Antenne 30-2 kann mit mindestens einem zweiten Hochfrequenzübertragungsleitungspfad 32-2 in Übertragungsleitungsschichten 78 gekoppelt sein (z. B. dielektrische Schichten des Substrats 70, die näher an den Massebahnen 102 angeordnet sind als zusätzliche Routing-Schichten 96). Antenne 30-2 kann ein Antennenstrahlungselement 64-2 einschließen, das durch leitfähige Durchkontaktierung 136 mit der Signalspur im Hochfrequenzübertragungsleitungspfad 32-2 gekoppelt ist. In Szenarien, in denen Antenne 30-2 differentiell gespeist wird, kann das Antennenstrahlungselement 64-2 unter Verwendung mehrerer leitfähiger Durchkontaktierungen mit einem differentiellen Hochfrequenzübertragungsleitungspfad in den Übertragungsleitungsschichten 78 (z. B. einem differentiellen Hochfrequenzübertragungsleitungspfad wie den differentiellen Hochfrequenzübertragungsleitungspfaden 32D von 6) gekoppelt sein. Antenne 30-2 kann innerhalb eines Hohlraums 125-2 zwischen den Zäunen aus leitfähigen Durchkontaktierungen 130 und den Massebahnen 102 angeordnet sein. Die leitfähigen Durchkontaktierungen 130 können sich von Massebahnen 102 (oder anderen Massebahnen in Übertragungsleitungsschichten 78) zu leitfähigen Anschlussflächen (Kontaktflächen) 132 erstrecken. Die leitfähigen Anschlussflächen 132 können mit jedem gewünschten Abschnitt der Antennenstrahlungselemente 64-1 und/oder 64-2 koplanar sein oder können mit den Antennenstrahlungselementen 64-1 und 64-2 nicht koplanar sein.
  • Wie in 10 gezeigt, ist das Antennenstrahlungselement 64-1 vom Hochfrequenzübertragungsleitungspfad 32-1 durch einen relativ kurzen Abstand wie etwa Abstand 88 getrennt. Da die Signalspur für den Hochfrequenzübertragungsleitungspfad 32-2 niedriger ist als die Signalspur für den Hochfrequenzübertragungsleitungspfad 32-1, ist das Antennenstrahlungselement 64-2 von dem Hochfrequenzübertragungsleitungspfad 32-2 durch einen relativ großen Abstand wie etwa Abstand 84 getrennt. Die leitfähige Durchkontaktierung 136 kann dadurch mehr Induktivität in den Hochfrequenzübertragungsleitungspfad 32-2 einführen als die leitfähige Durchkontaktierung 134 in den Hochfrequenzübertragungsleitungspfad 32-1 einführt.
  • Antennenstrahlungselement 64-1 kann zum Beispiel ein einzelnes Patch-Element einschließen, das mit der leitfähigen Durchkontaktierung 134 gekoppelt ist. Gleichzeitig kann Antennenstrahlungselement 64-2 mehrere gestapelte Patch-Elemente wie Patch-Elemente 60-1, 60-2 und 60-3 einschließen (z. B. kann Antenne 30-2 unter Verwendung der Strukturen der Antenne 30 von 8 gebildet werden). Dies kann Kapazitäten in das Antennenstrahlungselement 64-2 einführen (z. B. Kapazitäten C1, C2 und C3 von 8), die dazu beitragen, die relativ hohe Induktivität zu kompensieren, die der leitfähigen Durchkontaktierung 136 zugeordnet ist, und die dadurch dazu dienen, die Impedanz der Antenne 30-2 an die Impedanz des Hochfrequenzübertragungsleitungspfads 32-2 anzupassen. Auf diese Weise kann die Impedanz der Antennen 30 in dem phasengesteuerten Antennen-Array 36 über das Array (z. B. ohne Verwendung von SMT-Kondensatoren) ausreichend angepasst werden, obwohl die Antennen unter Verwendung von Hochfrequenzübertragungsleitungspfaden in unterschiedlichen Abständen von den Antennenstrahlungselementen gespeist werden (z. B. wie erforderlich, um eine relativ große Anzahl von Antennen im Antennenmodul 68 innerhalb eines kleinen Volumens zu speisen, während es dennoch eine zufriedenstellende elektromagnetische Isolation zwischen den Hochfrequenzübertragungsleitungspfaden aufweist).
  • Das Beispiel von 10 dient lediglich der Veranschaulichung. Leitfähige Durchkontaktierungen 130 und leitfähige Anschlussflächen 132 können weggelassen werden. Das phasengesteuerte Antennen-Array 36 kann eine beliebige gewünschte Anzahl von Antennen mit einem einzelnen Patch-Element (z. B. Antennen wie etwa Antenne 30-1 von 10 und Antenne 30 von 6) und eine beliebige gewünschte Anzahl von Antennen mit mehreren gestapelten Patch-Elementen (z. B. Antennen wie Antenne 30-2 von 10 und Antenne 30 von 8) einschließen. Das phasengesteuerte Antennen-Array 36 kann zusätzlich oder alternativ andere Antennen mit zwei gestapelten Patch-Elementen oder mehr als drei gestapelten Patch-Elementen einschließen.
  • Gemäß einer Ausführungsform wird eine elektronische Vorrichtung bereitgestellt, die ein dielektrisches Substrat, Massebahnen auf dem dielektrischen Substrat, einen Hochfrequenzübertragungsleitungspfad mit einer Signalspur auf dem dielektrischen Substrat, wobei die Massebahnen einen Teil eines Masseleiters für den Hochfrequenzübertragungsleitungspfad bilden, ein Antennenstrahlungselement auf dem Substrat, das die Massebahnen überlappt, wobei das Antennenstrahlungselement konfiguriert ist, um Hochfrequenzsignale mit einer Frequenz von mehr als 10 GHz zu übertragen, und ein erstes Patch-Element, ein zweites Patch-Element, welches das erste Patch-Element überlappt, und ein drittes Patch-Element, welches das erste und das zweite Patch-Element überlappt, und eine leitfähige Durchkontaktierung einschließt, die sich durch das dielektrische Substrat erstreckt und die Signalspur des Hochfrequenzübertragungsleitungspfads mit dem ersten, dem zweiten und dem dritten Patch-Element koppelt.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform schließt der Hochfrequenzübertragungsleitungspfad einen differentiellen Hochfrequenzübertragungsleitungspfad ein.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform schließt der Hochfrequenzübertragungsleitungspfad eine zusätzliche Signalspur auf dem dielektrischen Substrat ein, die elektronische Vorrichtung schließt eine zusätzliche leitfähige Durchkontaktierung ein, die sich durch das dielektrische Substrat erstreckt und die zusätzliche Signalspur des Hochfrequenzübertragungsleitungspfads mit dem ersten, zweiten und dritten Patch-Element koppelt.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform kontaktiert die leitfähige Durchkontaktierung das erste, zweite und dritte Patch-Element an ersten Stellen auf dem ersten, zweiten und dritten Patch-Element, und die zusätzliche leitfähige Durchkontaktierung kontaktiert das erste, zweite und dritte Patch-Element an zweiten Stellen auf dem ersten, zweiten und dritten Patch-Element, wobei die zweiten Stellen seitlich von den ersten Stellen versetzt sind.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform schließt der differentielle Hochfrequenzübertragungsleitungspfad eine erste Streifenleitung ein, welche die Signalspur einschließt, und eine zweite Streifenleitung, welche die zusätzliche Signalspur einschließt.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform schließt die elektronische Vorrichtung eine Hochfrequenz-Transceiver-Schaltung mit einem differenziellen Anschluss ein, der mit der ersten und der zweiten Streifenleitung gekoppelt ist.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform ist die Hochfrequenz-Transceiver-Schaltung an dem Antennenmodul montiert.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform sind das erste, zweite und dritte Patch-Element rechteckig.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform überlappt das zweite Patch-Element das erste Patch-Element vollständig und das dritte Patch-Element überlappt das erste und das zweite Patch-Element vollständig.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform schließt das Antennenstrahlungselement parasitäre Elemente ein, die aus Leiterbahnen gebildet sind, die mit einem der ersten, zweiten und dritten Patch-Elemente koplanar sind.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform schließt das Antennenstrahlungselement parasitäre Elemente ein, die aus Leiterbahnen gebildet sind, die mit zwei der ersten, zweiten und dritten Patch-Elemente koplanar sind.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform wird die elektronische Vorrichtung bereitgestellt, die Zäune aus leitfähigen Durchkontaktierungen einschließt, die mit den Massebahnen gekoppelt sind und sich durch das dielektrische Substrat erstrecken, wobei die Zäune aus leitfähigen Durchkontaktierungen das Antennenstrahlungselement auf dem dielektrischen Substrat seitlich umgeben.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform schließt die elektronische Vorrichtung eine dielektrische Deckschicht ein, das dielektrische Substrat ist an der dielektrischen Deckschicht montiert und das Antennenstrahlungselement ist konfiguriert, um die Hochfrequenzsignale durch die dielektrische Deckschicht zu übertragen.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform schließt die dielektrische Deckschicht Glas ein.
  • Gemäß einer Ausführungsform wird eine elektronische Vorrichtung bereitgestellt, die ein dielektrisches Substrat mit Übertragungsleitungsschichten und Antennenschichten, die auf den Übertragungsleitungsschichten gestapelt sind, Massebahnen auf dem dielektrischen Substrat, welche die Übertragungsleitungsschichten von den Antennenschichten trennen, eine Antenne mit überlappenden ersten, zweiten und dritten Patch-Elementen, die auf den Antennenschichten strukturiert sind, wobei die ersten, zweiten und dritten Patch-Elemente konfiguriert sind, um mit einer Frequenz von mehr als 10 GHz abzustrahlen, einen Hochfrequenzübertragungsleitungspfad mit einer Signalspur, die auf den Übertragungsleitungsschichten strukturiert ist, und seitlich ausgerichtete erste, zweite und dritte leitfähige Durchkontaktierungen einschließt, die sich durch das dielektrische Substrat erstrecken, wobei die erste leitfähige Durchkontaktierung die Signalspur mit dem ersten Patch-Element koppelt, die zweite leitfähige Durchkontaktierung das erste Patch-Element mit dem zweiten Patch-Element koppelt und die dritte leitfähige Durchkontaktierung das zweite Patch-Element mit dem dritten Patch-Element koppelt.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform ist das erste Patch-Element zwischen dem zweiten Patch-Element und den Massebahnen angeordnet, die Signalspur befindet sich in einem ersten Abstand von dem ersten Patch-Element und ist auf einer ersten der Übertragungsleitungsschichten strukturiert, und die elektronische Vorrichtung schließt eine zusätzliche Antenne mit einem Antennenstrahlungselement, das aus einem vierten Patch-Element gebildet ist, das auf nur einer der Antennenschichten strukturiert ist, einen zusätzlichen Hochfrequenzübertragungsleitungspfad mit einer zusätzliche Signalspur, die auf einer zweiten der Übertragungsleitungsschichten strukturiert ist, wobei sich die zusätzliche Signalspur in einem zweiten Abstand von dem vierten Patch-Element befindet, der zweite Abstand kleiner als der erste Abstand ist, und die zweite der Übertragungsleitungsschichten zwischen der ersten der Übertragungsleitungsschichten und den Antennenschichten angeordnet ist, und eine vierte leitfähige Durchkontaktierung, die sich durch das dielektrische Substrat erstreckt und die zusätzliche Signalspur mit dem vierten Patch-Element koppelt, ein.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform schließt die elektronische Vorrichtung ein phasengesteuertes Antennen-Array, das die Antenne und die zusätzliche Antenne einschließt, und eine Steuerschaltung, die konfiguriert ist, um das phasengesteuerte Antennen-Array so zu steuern, das Hochfrequenzsignale mit einer Frequenz innerhalb eines Signalstrahls übertragen werden, der in einem ausgewählten Strahlrichtungswinkel ausgerichtet ist, ein.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform schließt die elektronische Vorrichtung einen Zaun aus leitfähigen Durchkontaktierungen ein, die sich durch das dielektrische Substrat erstrecken, wobei der Zaun aus leitfähigen Durchkontaktierungen seitlich zwischen der Antenne und der zusätzlichen Antenne angeordnet ist.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform schließt der Hochfrequenzübertragungsleitungspfad einen differentiellen Hochfrequenzübertragungsleitungspfad ein, der eine zusätzliche Signalspur einschließt, die auf den Übertragungsleitungsschichten strukturiert ist, wobei sich seitlich ausgerichtete vierte, fünfte und sechste leitfähige Durchkontaktierungen durch das dielektrische Substrat erstrecken, vierte, fünfte und sechste leitfähige Durchkontaktierungen in Bezug auf die ersten, zweiten und dritten leitfähigen Durchkontaktierungen seitlich versetzt sind, die vierte leitfähige Durchkontaktierung die zusätzliche Signalspur mit dem ersten Patch-Element koppelt, die fünfte leitfähige Durchkontaktierung das erste Patch-Element mit dem zweiten Patch-Element koppelt und die sechste leitfähige Durchkontaktierung das zweite Patch-Element mit dem dritten Patch-Element koppelt.
  • Gemäß einer Ausführungsform wird eine Antenne bereitgestellt, die eine Antennenmasse, ein erstes Patch-Element, das die Antennenmasse überlappt, ein zweites Patch-Element, welches das erste Patch-Element überlappt, ein drittes Patch-Element, welches das zweite Patch-Element überlappt, ein erstes Paar leitender Durchkontaktierungen, die das erste Patch-Element mit dem zweiten Patch-Element koppeln, ein zweites Paar leitender Durchkontaktierungen, die das zweite Patch-Element mit dem dritten Patch-Element koppeln, und eine differentielle Antennenspeisung einschließt, die mit dem ersten Patch-Element gekoppelt ist und konfiguriert ist, Hochfrequenzsignale zu übertragen, wobei das erste, das zweite und das dritte Patch-Element konfiguriert sind, die Hochfrequenzsignale, die durch die differentielle Antennenspeisung übertragen werden, mit einer Frequenz von mehr als 10 GHz abzustrahlen.
  • Das Vorstehende dient lediglich der Veranschaulichung, und verschiedene Modifikationen können durch den Fachmann vorgenommen werden, ohne vom Schutzumfang 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 16/584067 [0001]

Claims (14)

  1. Elektronische Vorrichtung, umfassend: ein dielektrisches Substrat; Massebahnen auf dem dielektrischen Substrat; einen Hochfrequenzübertragungsleitungspfad mit einer Signalspur auf dem dielektrischen Substrat, wobei die Massebahnen einen Teil eines Masseleiters für den Hochfrequenzübertragungsleitungspfad bilden; ein Antennenstrahlungselement auf dem Substrat, das die Massebahnen überlappt, wobei das Antennenstrahlungselement konfiguriert ist, um Hochfrequenzsignale mit einer Frequenz von mehr als 10 GHz zu übertragen, und ein erstes Patch-Element, ein zweites Patch-Element, welches das erste Patch-Element überlappt, und ein drittes Patch-Element, welches das erste und das zweite Patch-Element überlappt, umfasst; und eine leitfähige Durchkontaktierung, die sich durch das dielektrische Substrat erstreckt und die Signalspur des Hochfrequenzübertragungsleitungspfads mit dem ersten, zweiten und dritten Patch-Element koppelt.
  2. Elektronische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Hochfrequenzübertragungsleitungspfad einen differentiellen Hochfrequenzübertragungsleitungspfad umfasst.
  3. Elektronische Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Hochfrequenzübertragungsleitungspfad ferner eine zusätzliche Signalspur auf dem dielektrischen Substrat umfasst, wobei die elektronische Vorrichtung ferner Folgendes umfasst: eine zusätzliche leitfähige Durchkontaktierung, die sich durch das dielektrische Substrat erstreckt und die zusätzliche Signalspur des Hochfrequenzübertragungsleitungspfads mit dem ersten, zweiten und dritten Patch-Element koppelt.
  4. Elektronische Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die leitfähige Durchkontaktierung das erste, zweite und dritte Patch-Element an ersten Stellen auf dem ersten, zweiten und dritten Patch-Element kontaktiert und die zusätzliche leitfähige Durchkontaktierung das erste, zweite und dritte Patch-Element an zweiten Stellen auf dem ersten, zweiten und dritten Patch-Element kontaktiert, wobei die zweiten Stellen seitlich von den ersten Stellen versetzt sind.
  5. Elektronische Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei der differentielle Hochfrequenzübertragungsleitungspfad eine erste Streifenleitung, welche die Signalspur einschließt, und eine zweite Streifenleitung, welche die zusätzliche Signalspur einschließt, umfasst.
  6. Elektronische Vorrichtung nach Anspruch 5, ferner umfassend: Hochfrequenz-Transceiver-Schaltung mit einem differentiellen Anschluss, der mit der ersten und der zweiten Streifenleitung gekoppelt ist.
  7. Elektronische Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Hochfrequenz-Transceiver-Schaltung an dem Antennenmodul montiert ist.
  8. Elektronische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das erste, zweite und dritte Patch-Element rechteckig sind.
  9. Elektronische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das zweite Patch-Element das erste Patch-Element vollständig überlappt und das dritte Patch-Element das erste und das zweite Patch-Element vollständig überlappt.
  10. Elektronische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Antennenstrahlungselement parasitäre Elemente umfasst, die aus Leiterbahnen gebildet sind, die mit einem der ersten, zweiten und dritten Patch-Elemente koplanar sind.
  11. Elektronische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Antennenstrahlungselement parasitäre Elemente umfasst, die aus Leiterbahnen gebildet sind, die mit zwei der ersten, zweiten und dritten Patch-Elemente koplanar sind.
  12. Elektronische Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend Zäune aus leitfähigen Durchkontaktierungen, die mit den Massebahnen gekoppelt sind und sich durch das dielektrische Substrat erstrecken, wobei die Zäune aus leitfähigen Durchkontaktierungen das Antennenstrahlungselement auf dem dielektrischen Substrat seitlich umgeben.
  13. Elektronische Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend: eine dielektrische Deckschicht, wobei das dielektrische Substrat an der dielektrischen Deckschicht montiert ist und das Antennenstrahlungselement konfiguriert ist, um die Hochfrequenzsignale durch die dielektrische Deckschicht zu übertragen.
  14. Elektronische Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die dielektrische Deckschicht Glas umfasst.
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