DE102021117172A1

DE102021117172A1 - Stapel-patch-antennenanordnung

Info

Publication number: DE102021117172A1
Application number: DE102021117172.5A
Authority: DE
Inventors: Ersin YETISIR
Original assignee: Space Exploration Technologies Corp
Current assignee: Space Exploration Technologies Corp
Priority date: 2020-07-05
Filing date: 2021-07-02
Publication date: 2022-01-05
Also published as: US20220352636A1; US11489252B2; US20240072435A1; DE102021117170A1; US20230091640A1; US11784408B2; US20220006185A1

Abstract

Eine Antennenanordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung umfasst eine Stapel-Patch-Antennenanordnung, die eine Vielzahl von Antennenzellen definiert, die aus einer Vielzahl von Patches hergestellt sind, wobei die Stapel-Patch-Antennenanordnung eine erste Patch-Schicht umfasst, die von einer zweiten Patch-Schicht durch einen Abstandshalter getrennt ist; ein Strahlformergitter mit einem oder mehreren Strahlformern, wobei jeder Strahlformer einer Teilmenge von Antennenzellen aus der Vielzahl der Antennenzellen entspricht; und eine aus einer Vielzahl von Schichten aufgebaute Leiterplattenanordnung, wobei die Leiterplattenanordnung eine Zuleitungsstruktur von der Stapel-Patch-Antennenanordnung zu dem in der Leiterplattenanordnung angeordneten Strahlformergitter aufweist, wobei die Stapel-Patch-Antennenanordnung außerhalb der Leiterplattenanordnung liegt.

Description

QUERVERWEISE AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität aus der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 63/048,174 , eingereicht am 5. Juli 2020, und der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 63/063,209 , eingereicht am 7. August 2020, deren Offenbarungen hiermit ausdrücklich durch Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung aufgenommen sind.
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft Antenneneinrichtungen für Satellitenkommunikationssysteme und Kalibrierungsarchitekturen für Antennenarrays.
HINTERGRUND
Bei Satellitenkommunikationssystemen werden in der Regel erdgebundene Antennen in Kommunikation mit einer Konstellation von Satelliten im Orbit eingesetzt. Erdgebundene Antennen sind demzufolge dem Wetter und anderen Umweltbedingungen ausgesetzt. Daher werden hier Antenneneinrichtungen und ihre Gehäuseanordnungen beschrieben, die mit einer ausreichenden Lebensdauer konzipiert sind, um die internen Antennenkomponenten zu schützen und gleichzeitig die Hochfrequenzkommunikation mit einem Satellitenkommunikationssystem wie z. B. einer Satellitenkonstellation zu ermöglichen.
ZUSAMMENFASSUNG
Die vorliegende Offenbarung betrifft Antenneneinrichtungen für Satellitenkommunikationssysteme und Kalibrierungsarchitekturen für Antennenarrays.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung wird eine Antennenanordnung bereitgestellt. Die Antennenanordnung umfasst im Allgemeinen eine Stapel-Patch-Antennenanordnung, die eine Vielzahl von Antennenzellen definiert, die aus einer Vielzahl von Patches hergestellt sind, wobei die Stapel-Patch-Antennenanordnung eine erste Patch-Schicht umfasst, die von einer zweiten Patch-Schicht durch einen Abstandshalter getrennt ist; ein Strahlformergitter mit einem oder mehreren Strahlformern, wobei jeder Strahlformer einer Teilmenge von Antennenzellen aus der Vielzahl der Antennenzellen entspricht; und eine aus einer Vielzahl von Schichten aufgebaute Leiterplattenanordnung, wobei die Leiterplattenanordnung eine Zuleitungsstruktur von der Stapel-Patch-Antennenanordnung zu dem in der Leiterplattenanordnung angeordneten Strahlformergitter aufweist, wobei die Stapel-Patch-Antennenanordnung außerhalb der Leiterplattenanordnung liegt.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung wird eine Antennenanordnung bereitgestellt. Die Antennenanordnung umfasst im Allgemeinen: eine Stapel-Patch-Antennenanordnung, die eine Vielzahl von Antennenzellen definiert; ein Strahlformergitter mit einem oder mehreren Strahlformern, wobei jeder Strahlformer einer Teilmenge von Antennenzellen aus der Vielzahl der Antennenzellen entspricht; und eine Leiterplattenanordnung, die mit der Stapel-Patch-Antennenanordnung und dem Strahlformergitter gekoppelt ist, wobei die Leiterplattenanordnung aus einer Vielzahl von Schichten aufgebaut ist, wobei eine erste Schicht eine Antennenmasseschicht ist, die eine Schlitzzuleitung aufweist, um eine Vielzahl der Antennenzellen der Stapel-Patch-Antennenanordnung mit einem des einen oder der mehreren Strahlformer in dem Strahlformergitter elektrisch zu koppeln, wobei die erste Schicht von einer Unterstützungsmasseschicht beabstandet ist, die eine Vielzahl von Hohlräumen zwischen der ersten Schicht und der Unterstützungsmasseschicht definiert, wobei jeder Hohlraum einer Antennenzelle aus der Vielzahl der Antennenzellen zugeordnet ist, und ferner mit einer Zwischenschicht zwischen der ersten Schicht und der Unterstützungsmasseschicht, wobei die Zwischenschicht Hohlraumbereiche und Nicht-Hohlraumbereiche umfasst, wobei die Nicht-Hohlraumbereiche so konfiguriert sind, dass sie elektrische Elemente stützen, die außerhalb der Vielzahl der Hohlräume angeordnet sind.
In jeder der hier beschriebenen Ausführungsformen kann eine erste Schicht der Leiterplattenanordnung eine Antennenmasseschicht sein, die eine Schlitzzuleitung umfasst.
In jeder der hier beschriebenen Ausführungsformen umfasst die Leiterplattenanordnung eine Antennenunterstützungsmasseschicht, die von der ersten Schicht beabstandet ist, um einen Hohlraum für die Antennenanordnung zu definieren, der durch die Antennenmasseschicht, die Antennenunterstützungsmasseschicht und eine Vielzahl von Massedurchgängen definiert ist.
In jeder der hier beschriebenen Ausführungsformen kann die Schlitzzuleitung mit getrennten Empfangs- und Sendeports zweifach zirkular polarisiert sein.
In jeder der hier beschriebenen Ausführungsformen kann eine zweite Schicht der Leiterplattenanordnung einen 90-Grad-Hybridkoppler umfassen.
In jeder der hier beschriebenen Ausführungsformen kann eine dritte Schicht der Leiterplattenanordnung eine partielle Masseschicht umfassen, um die zweite Schicht von einer vierten Schicht in Bereichen außerhalb des Hohlraums teilweise zu isolieren.
In jeder der hier beschriebenen Ausführungsformen kann die vierte Schicht der Leiterplattenanordnung eine oder mehrere Kalibrierleitungen umfassen, die zu Kalibrierungszwecken zum Koppeln der Stapel-Patch-Antennenanordnung mit dem Strahlformergitter konfiguriert sind.
In jeder der hier beschriebenen Ausführungsformen können die eine oder die mehreren Kalibrierleitungen auf der vierten Schicht in Bereichen außerhalb des Hohlraums angeordnet sein.
In jeder der hier beschriebenen Ausführungsformen kann eine fünfte Schicht der Leiterplattenanordnung die Unterstützungsmasseschicht sein.
In jeder der hier beschriebenen Ausführungsformen können die erste Patch-Schicht und die zweite Patch-Schicht aus Metall hergestellt sein, das auf einem Substrat angeordnet ist, und der Abstandshalter kann aus Kunststoff hergestellt sein.
In jeder der hier beschriebenen Ausführungsformen kann der Abstandshalter eine Zellenstruktur definieren, wobei jede Zelle einer Zelle aus der Vielzahl der Antennenzellen entspricht.
In jeder der hier beschriebenen Ausführungsformen kann die Zellenstruktur eine Wabenstruktur sein.
In jeder der hier beschriebenen Ausführungsformen können die erste Patch-Schicht, die zweite Patch-Schicht und der Abstandshalter durch Klebstoff gekoppelt sein.
In jeder der hier beschriebenen Ausführungsformen kann die Leiterplattenanordnung eine Vielzahl von Massedurchgängen zwischen der ersten Schicht und der Unterstützungsschicht umfassen, die die Vielzahl der Hohlräume definieren.
Figurenliste
Die vorgenannten Aspekte und viele der damit verbundenen Vorteile dieser Erfindung können besser erfasst werden, wenn sie durch Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen besser verstanden werden. In den Zeichnungen:

1 ist eine nicht maßstabsgetreue Abbildung, die ein einfaches Beispiel für die Kommunikation in einem Satellitenkommunikationssystem gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung darstellt.
Die 2A und 2B sind isometrische Ansichten von oben bzw. unten, die eine beispielhafte Antenneneinrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigen.
3A ist eine isometrische Explosionsdarstellung, die eine beispielhafte Antenneneinrichtung mit dem Gehäuse und der Antennenstapelanordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt.
3B ist eine Querschnittsansicht einer Antennenstapelanordnung einer Antenneneinrichtung gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
4A ist eine beispielhafte Darstellung, die ein vereinfachtes Blockschaubild eines HF-Pfads für eine Antennenanordnung zeigt, mit einer zweifach-linearen polarisierten Antenne, einem 3-dB-90-Grad-Hybrid-TX/RX-Frontend-Modul-(FEM)-Chip und einem digitalen Strahlformer-(DBF)-Chip, der mit bidirektionalen HF-E/A-Leitungen verbunden ist, gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
4B ist eine Beispieldarstellung einer Draufsicht auf ein Antennengitter gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
4C ist eine beispielhafte Darstellung, die ein Strahlformergitter zeigt, das einem Antennengitter zugeordnet ist, gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
5A ist eine von oben gesehene Nahaufnahme des Radom-Abstandshalters einer Antennenstapelanordnung gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung, die die oberen Patches von Antennenelementen in Öffnungen des Radom-Abstandshalters zeigt.
5B ist eine von oben gesehene Nahaufnahme des Radom-Abstandshalters einer Antennenstapelanordnung gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung, die die oberen Patches von Antennenelementen in Öffnungen des Radom-Abstandshalters zeigt.
5C ist eine Draufsicht auf die obere Patch-Antennenschicht einer Antennenstapelanordnung gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
5D ist eine Draufsicht auf den Antennenabstandshalter einer Antennenstapelanordnung gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
5E ist eine Draufsicht auf die untere Patch-Antennenschicht einer Antennenstapelanordnung gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
Die 6A-6D sind verschiedene isometrische Nahaufnahmen, Draufsichten und Querschnittsansichten einer Antennenstapelanordnung gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
6E ist eine Nahaufnahmen-Querschnittsansicht einer Antenneneinrichtung mit einem zwölflagigen Leiterplattenanordnungsstapel und einer DBF-, FEM- und Antennenhohlraum-Leitungsführung innerhalb dieser Leiterplattenanordnungsschichten gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
Die 7A-7C sind beispielhafte Ansichten von Schaltungskomponenten in einer Vielzahl von Schichten einer Leiterplattenanordnung einer Antennenstapelanordnung gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
Die 8A-8E sind beispielhafte Ansichten, die Schaltungskomponenten in einer Vielzahl von Schichten einer Leiterplattenanordnung einer Antennenstapelanordnung gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zeigen. Die 8C-8E sind beispielhafte Ansichten, die ein Konzept eines Kopplers zeigen, der zwischen dem 90-Grad-Hybrid und dem FEM platziert ist, um die Kalibrierungs-/Mess-RX/TX-Ports mit den Funktionspfaden zu koppeln.
Die 9A-9F sind beispielhafte Schemata, die Schaltungen und Signalpfade für ein Strahlformer-Kalibrierungssystem gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zeigen.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Verschiedene Ausführungsformen der Offenbarung werden im Folgenden im Detail besprochen. Während die Konzepte der vorliegenden Offenbarung sich als verschiedene Modifikationen zeigen und alternative Formen annehmen können, sind spezifische Ausführungsformen davon beispielhaft in den Zeichnungen gezeigt und werden hier im Detail beschrieben. Es sollte jedoch klar sein, dass es nicht die Absicht ist, die Konzepte der vorliegenden Offenbarung auf die besonderen Formen zu beschränken, die offenbart sind, sondern im Gegenteil die Erfindung alle Modifikationen, Äquivalente und Alternativen abdecken soll, die mit der vorliegenden Offenbarung und den beigefügten Ansprüchen übereinstimmen.
In den Zeichnungen können einige Struktur- oder Verfahrensmerkmale in bestimmten Anordnungen und/oder Reihenfolgen gezeigt sein. Es sollte jedoch beachtet werden, dass solche spezifischen Anordnungen und/oder Reihenfolgen nicht unbedingt erforderlich sind. Vielmehr können in einigen Ausführungsformen solche Merkmale in einer anderen Art und/oder Reihenfolge angeordnet sein als in den veranschaulichenden Figuren gezeigt. Darüber hinaus soll die Angabe eines Struktur- oder Verfahrensmerkmals in einer bestimmten Figur nicht implizieren, dass dieses Merkmal in allen Ausführungsformen erforderlich ist, und in einigen Ausführungsformen ist es möglicherweise gar nicht enthalten oder kann mit anderen Merkmalen kombiniert sein.
Verweise in der Spezifikation auf „eine einzelne Ausführungsform“, „eine Ausführungsform“, „eine veranschaulichende Ausführungsform“ usw. weisen darauf hin, dass die beschriebene Ausführungsform ein bestimmtes Merkmal, eine bestimmte Struktur oder eine bestimmtes Eigenschaft umfassen kann, aber jede Ausführungsform kann oder muss nicht unbedingt dieses bestimmte Merkmal, diese Struktur oder diese Eigenschaft umfassen. Außerdem beziehen sich solche Ausdrücke nicht unbedingt auf dieselbe Ausführungsform. Wenn ein bestimmtes Merkmal, eine bestimmte Struktur oder eine bestimmte Eigenschaft in Verbindung mit einer Ausführungsform beschrieben wird, wird darüber hinaus vorgebracht, dass es zum Wissen eines Fachmanns gehört, dieses Merkmal, diese Struktur oder diese Eigenschaft in Verbindung mit anderen Ausführungsformen zu bewerkstelligen, unabhängig davon, ob sie explizit beschrieben sind oder nicht. Ausdrücke wie „oben“, „unten“, „obere/r/s“, „untere/r/s“, „vertikal/r/s", „horizontal/r/s", „seitlich/r/s" in der vorliegenden Offenbarung dienen der Orientierung des Lesers in Bezug auf die Zeichnungen und sind nicht als erforderliche Orientierung der Komponenten oder als Orientierungseinschränkungen in den Ansprüchen gedacht.
Der Ausdruck „gekoppelt mit“ bezieht sich auf jede Komponente, die physisch entweder direkt oder indirekt mit einer anderen Komponente verbunden ist, und/oder auf jede Komponente, die mit einer anderen Komponente in Kommunikation steht (z. B. über eine drahtgebundene oder drahtlose Verbindung und/oder eine andere geeignete Kommunikationsschnittstelle mit der anderen Komponenten verbunden ist), entweder direkt oder indirekt.
Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beziehen sich auf Antenneneinrichtungen einschließlich Antennensystemen, die zum Senden und/oder Empfangen von Hochfrequenzsignalen ausgelegt sind, sowie auf eine Kalibrierungsarchitektur für solche Antenneneinrichtungen.
Die Antennensysteme der vorliegenden Offenbarung können in Kommunikationssystemen eingesetzt werden, die eine Netzwerkkommunikation mit hoher Bandbreite und niedriger Latenz über eine Satellitenkonstellation bereitstellen. Eine solche Satellitenkonstellation kann sich in einer nicht geosynchronen Erdumlaufbahn (GEO) befinden, z. B. in einer niedrigen Erdumlaufbahn (LEO). 1 zeigt eine nicht maßstabsgetreue Ausführungsform eines Antennen- und Satellitenkommunikationssystems 100, in dem Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung implementiert werden können. Wie in 1 gezeigt, ist ein erdbasierter Endpunkt oder ein Benutzer-Terminal 102 an einem Ort direkt oder indirekt auf der Erdoberfläche installiert, wie z. B. ein Haus oder ein anderes Gebäude, ein Turm, ein Fahrzeug oder ein anderer Ort, an dem der Erhalt eines Kommunikationszugangs über ein Satellitennetzwerk gewünscht wird.
Ein Kommunikationspfad kann zwischen dem Endpunkt-Terminal 102 und einem Satelliten 104 aufgebaut werden. In der dargestellten Ausführungsform baut der erste Satellit 104 seinerseits einen Kommunikationspfad mit einem Gateway-Terminal 106 auf. In einer anderen Ausführungsform kann der Satellit 104 vor der Kommunikation mit einem Gateway-Terminal 106 einen Kommunikationspfad mit einem anderen Satelliten aufbauen. Das Gateway-Terminal 106 kann physisch über Glasfaser, Ethernet oder eine andere physische Verbindung mit einem Bodennetzwerk 108 verbunden sein. Bei dem Bodennetzwerk 108 kann es sich um jede Art von Netzwerk handeln, einschließlich des Internets. Während ein Satellit 104 gezeigt ist, kann die Kommunikation mit und zwischen einer Konstellation von Satelliten erfolgen.
Das Endpunkt- oder Benutzer-Terminal 102 kann ein Antennensystem umfassen, das in einer Antenneneinrichtung 200 angeordnet ist, beispielsweise wie in den 2A und 2B gezeigt, die zum Senden und/oder Empfangen von Hochfrequenzsignalen zu und/oder von einem Satelliten oder einer Konstellation von Satelliten ausgelegt ist. Das Antennensystem kann eine Antennenöffnung 208 umfassen, die einen Bereich zum Senden und Empfangen von Signalen definiert, wie z. B. ein Phased-Array-Antennensystem oder ein anderes Antennensystem.
2B zeigt eine perspektivische Ansicht der Unterseite der Antenneneinrichtung 200. Wie gezeigt, kann die Antenneneinrichtung 200 eine untere Umhüllung 204 umfassen, die mit dem Radomteil 206 gekoppelt ist, um das Gehäuse 202 zu definieren. In der dargestellten Ausführungsform umfasst das Montagesystem 210 einen Fuß 216 und einen Sockel 218. Der Sockel 218 kann an einer Oberfläche S befestigt werden und so konfiguriert sein, dass er einen unteren Abschnitt des Fußes 216 aufnimmt. Ein Kippmechanismus 220 (Details nicht gezeigt), der innerhalb der unteren Umhüllung 204 angeordnet ist, ermöglicht einen Kippgrad, um die Hauptfläche des Radomteils 206 für eine optimierte Kommunikation und für das Abfließen von Regen und Schnee in eine Vielzahl von Winkeln blicken zu lassen.
Bezugnehmend auf 3A umfasst eine Antennenstapelanordnung 300 eine Vielzahl von Antennenkomponenten, die eine Leiterplattenanordnung (PCB-Anordnung) 342 umfassen kann, die so konfiguriert ist, dass sie mit anderen elektrischen Komponenten gekoppelt werden kann, die innerhalb der Gehäuseanordnung 202 (bestehend aus der unteren Umhüllung 204 und der Radom-Anordnung 206) angeordnet sind. In der dargestellten Ausführungsform umfasst die Antennenstapelanordnung 300 eine Phased-Array-Antennenanordnung, die aus einer Vielzahl von einzelnen Antennenelementen besteht, die in einem Array konfiguriert sind. Die Komponenten der Phased-Array-Antennenanordnung 334 können mechanisch und elektrisch von der Leiterplatten-(PCB)-Anordnung 342 unterstützt sein.
In der dargestellten Ausführungsform von 3A und 3B umfassen die Schichten in der Antennenstapelanordnung 300 eine Radom-Anordnung 206 (einschließlich Radom 305 und Radom-Abstandshalter 310), eine Phased-Array-Patch-Antennenanordnung 334 (einschließlich oberer Patch-Schicht 330, unterer Patch-Schicht 332 und dazwischen liegendem Antennenabstandshalter 335), eine dielektrische Schicht 340 und eine Leiterplatten-(PCB)-Anordnung 342, wie im Folgenden näher beschrieben wird. Wie in 3B zu sehen, können die Schichten eine optionale Klebeverbindung 325 zwischen benachbarten Schichten umfassen.
PHASED-ARRAY-ANTENNENSYSTEM
Die 4A-4C sind schematische Darstellungen des elektronischen Systems eines Phased-Array-Antennensystems 400 gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Das Phased-Array-Antennensystem 400 ist so ausgelegt und konfiguriert, dass es einen kombinierten Strahl aus Signalen (auch als elektromagnetische Signale, Wellenfronten oder dergleichen bezeichnet) in einer bevorzugten Richtung von oder zu einer Antennenöffnung 402 (siehe 4C) sendet oder empfängt. Dementsprechend simuliert die Vielzahl der Antennenelemente eine große Richtantenne. Ein Vorteil der Phased-Array-Antenne ist ihre Fähigkeit, Signale in einer bevorzugten Richtung zu senden und/oder zu empfangen (d. h. die Strahlformungsfähigkeit der Antenne), ohne das System physisch neu zu positionieren oder neu auszurichten.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann ein Phased-Array-Antennensystem zum Senden und/oder Empfangen von Hochfrequenz-(HF)-Signalen konfiguriert sein. Das Antennensystem umfasst eine Phased-Array-Antenne mit einer Vielzahl von Antennenelementen 413, die die Antennenöffnung 402 definieren, z. B. Antennenelemente 413, die in einer oder mehreren Reihen und/oder Spalten verteilt sind (siehe 4C), und eine Vielzahl von Phasenschiebern (nicht gezeigt), die zum Erzeugen von Phasenverschiebungen zwischen den Antennenelementen 413 konfiguriert sind. Als nicht einschränkendes Beispiel kann eine zweidimensionale Phased-Array-Antenne in der Lage sein, elektronisch in zwei Richtungen zu steuern.
Unter Bezugnahme auf die 4A-4C umfasst das gezeigte Phased-Array-Antennensystem 400 ein Antennengitter 412 mit einer Vielzahl von Antennenelementen 413, 414 und ein Strahlformergitter 406 mit einem oder mehreren digitalen Strahlformer-(DBF)-Chips 407, 408 (die hier als digitale Strahlformer, DBFs oder DBF-Chips bezeichnet sein können) zum Empfangen von Signalen von einem Modem 410 in der Senderichtung (Tx) und zum Senden von Signalen an das Modem 410 in der Empfangsrichtung (Rx). Das Antennengitter 412 ist so konfiguriert, dass es einen kombinierten Strahl von Hochfrequenzsignalen mit einem Strahlungsmuster von oder zu der Antennenöffnung 402 empfängt oder sendet (siehe 4C). In der dargestellten Ausführungsform der 4B und 4C umfasst das Antennengitter 412 eine Vielzahl von Antennenelementen 413 in einem ersten Satz oder einer ersten Gruppierung.
Die Vielzahl der Antennenelemente 413 in dem Antennengitter 412 sind zum Senden von Signalen und/oder zum Empfangen von Signalen konfiguriert. Bezugnehmend auf 4B ist die Antennenöffnung 402 des Phased-Array-Antennensystems 400 der Bereich, durch den die Leistung abgestrahlt oder empfangen wird. Eine Phased-Array-Antenne synthetisiert ein bestimmtes elektrisches Feld (Phase und Amplitude) über eine Öffnung 402. Wie nachstehend ausführlicher beschrieben, kann das Antennengitter 412, das die Antennenöffnung 402 definiert, die Vielzahl der Antennenelemente 413 umfassen, die in einer bestimmten Konfiguration angeordnet sind, die physisch und elektronisch von einer Leiterplatte (PCB) unterstützt wird (siehe 6E).
Bezugnehmend auf 4A ist eine entsprechende Vielzahl von Frontend-Modul-(FEM)-Chips 415 (die hier als Frontends (Fes), Frontend-Module (FEMs) oder FEM-Chips bezeichnet sein können) mit der Vielzahl der Antennenelemente 413 gekoppelt. Die FEM-Chips können rauscharme Verstärker (LNAs) 424 in der Empfangsrichtung Rx oder Leistungsverstärker (PAs) 423 in der Senderichtung Tx umfassen. Obwohl in der dargestellten Ausführungsform von 4A als ein vom DBF-Chip 407 getrennter Chip gezeigt, ist zu beachten, dass einige oder alle Komponenten in den FEM-Chips 415 in den zugehörigen DBF-Chip 407 integriert sein können.
Das Strahlformergitter 406 umfasst eine Vielzahl von digitalen Strahlformern (DBFs) 407, 408 (siehe 4C), einschließlich einer Vielzahl von Phasenschiebern (nicht gezeigt). In der Empfangsrichtung (Rx) besteht die Funktion des Strahlformers darin, die von jedem Antennenelement ankommenden Signale so zu verzögern, dass die Signale alle zur gleichen Zeit am Kombinationsnetzwerk ankommen. In Senderichtung (Tx) besteht die Funktion des Strahlformers darin, das an jedes Antennenelement gesendete Signal so zu verzögern, dass alle Signale gleichzeitig am Zielort ankommen. Diese Verzögerung kann durch eine „echte Zeitverzögerung“ oder eine Phasenverschiebung bei einer bestimmten Frequenz erreicht werden.
In der dargestellten Ausführungsform von 4C ist jeder Tx/Rx-DBF 407, 408 in der Lage, Sende- und Empfangssignale zu verarbeiten. In anderen Ausführungsformen kann jedoch ein DBF-Chip, der einer jeweiligen Gruppe von Antennenelementen zugeordnet ist, entweder für das Senden oder den Empfang konfiguriert sein.
Bezugnehmend auf 4C kann die Vielzahl der DBF-Chips im Strahlformergitter 406 eine Anzahl L von DBF-Chips umfassen. Zum Beispiel umfasst der DBF-Chip 407 den ersten DBF-Chip (i=1, wobei i= 1 bis L), und so weiter, bis zum DBF-Chip 408, der den L-ten DBF-Chip (i=L) der Vielzahl der DBF-Chips 406 umfasst. Jeder DBF-Chip der Vielzahl der DBF-Chips 406 ist elektrisch mit einer Gruppe von jeweils M Antennenelementen der Vielzahl der Antennenelemente gekoppelt. Im gezeigten Beispiel ist der DBF 407 elektrisch mit M Antennenelementen 413 gekoppelt, und der DBF 408 ist elektrisch mit M Antennenelementen 414 gekoppelt. In der dargestellten Ausführungsform sind die Vielzahl der DBF-Chips 406 in einer Daisy-Chain-Anordnung elektrisch miteinander gekoppelt. Andere Kopplungsanordnungen sind jedoch im Rahmen der vorliegenden Offenbarung möglich.
In einigen Ausführungsformen umfasst jeder DBF-Chip aus der Vielzahl der DBF-Chips 406 einen IC-Chip oder ein IC-Chip-Gehäuse mit mehreren Pins, wobei mindestens eine erste Teilmenge der mehreren Pins so konfiguriert ist, dass sie Signale mit ihrem/ihren elektrisch gekoppelten DBF-Chip(s) (falls in einer Daisy-Chain-Konfiguration) und/oder dem Modem 410 im Falle des DBF 407 kommuniziert, eine zweite Teilmenge der mehreren Pins ist so konfiguriert, dass sie Signale mit M Antennenelementen sendet/empfängt, und eine dritte Teilmenge der mehreren Pins ist so konfiguriert, dass sie ein Signal von einem Referenztakt 416 und/oder einem lokalen Oszillator (nicht gezeigt) empfängt. Die Vielzahl der DBF-Chips 406 kann auch als Sende-/Empfangs- (Tx/Rx)-DBF-Chips, Tx/Rx-Chips, Transceiver, DBF-Transceiver und/oder dergleichen bezeichnet sein. Wie oben beschrieben, können die DBF-Chips für eine Rx-Kommunikation, Tx-Kommunikation oder beides konfiguriert sein. In einigen Ausführungsformen kann jeder DBF-Chip der Vielzahl der DBF-Chips 406 so konfiguriert sein, dass er in einem Halbduplex-Modus arbeitet, in dem er in der Lage ist, HF-Signale/Wellenformen zu empfangen oder zu senden, aber nicht beides gleichzeitig.
Bezugnehmend auf 4B kann die Antennenöffnung 402 in Teilmengen von Antennenelementen 404a und 404b gruppiert sein. Jede Teilmenge 404a, 404b der Vielzahl der Antennenelemente kann die M Antennenelemente 413, 414 umfassen, die bestimmten DBF-Chips 407, 408 zugeordnet sein können. Die verbleibenden Antennenelemente 415 der Vielzahl der Antennenelemente können in ähnlicher Weise anderen DBF-Chips (nicht gezeigt) in der Vielzahl der DBF-Chips 406 zugeordnet sein.
4A ist eine Beispielabbildung, die Schaltkreise oder elektrische Komponenten zeigt, die in einem einzelnen DBF 407 enthalten und/oder diesem zugeordnet sind, gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Der Inhalt jedes der DBF-Chips 406 ist ähnlich dem, der hier für DBF 407 erörtert wurde.
In einigen Ausführungsformen umfasst der DBF-Chip 407 neben anderen Komponenten einen Sendeabschnitt 421, einen Empfangsabschnitt 422 und einen Kalibrierabschnitt mit einer Sendekalibrierung (mTx) 431 und einer Empfangskalibrierung (mRx) 432. Der DBF 407 ist so konfiguriert, dass er HF-Signale (basierend auf Daten, die vom Modem 410 bereitgestellt werden) erzeugt, die von den Antennenelementen 413 gesendet werden sollen, HF-Signale decodiert, die von den Antennenelementen 413 empfangen werden, um sie dem Modem 410 bereitzustellen, den Empfangsabschnitt 422 (auch als Empfänger oder Empfängerabschnitt bezeichnet) unter Verwendung der Sendekalibrierung (mTx) 431 und des Kalibrierantennenelements 413a kalibriert und den Sendeabschnitt 421 (auch als Sender oder Senderabschnitt bezeichnet) unter Verwendung der Empfangskalibrierung (mRx) 432 und des Kalibrierantennenelements 413a kalibriert.
Die Sende- und Empfangskalibrierung (mTx und mRx) 431 und 432 sind selektiv elektrisch mit einem Kalibrierantennenelement 413a gekoppelt. Ein Kalibrierantennenelement kann ein Antennenelement sein, das im Antennengitter 412 enthalten ist. In einigen Ausführungsformen ist ein Kalibrierantennenelement für die Durchführung von Kalibrierungen nur als kalibrierungsspezifisches Antennenelement konfiguriert. In anderen Ausführungsformen kann ein Kalibrierantennenelement eines der M Antennenelemente 413 in einer Teilmenge von Antennenelementen sein, die einem DBF 407 zugeordnet sind, und kann, wenn es nicht kalibriert, für normale oder reguläre Signalkommunikationsverbindungen verwendet werden. Die Sende- und Empfangskalibrierung (mTx und mRx) 431, 432 sind so konfiguriert, dass sie den Erhalt von Kalibrierungsmessungen erleichtern, um die Empfangs- und Sendeabschnitte 421 bzw. 422 anzupassen, um Phasen- und/oder Zeitverzögerungsfehlanpassungen zu kompensieren, die durch den DBF 407 oder andere DBF-Chips im Strahlformergitter 406, durch Leiterbahnen der Leiterplatte, zugehörige Antennenelemente und/oder zugehörige Antennenelementschaltungen erzeugt werden.
In einigen Ausführungsformen umfasst der Sendeabschnitt (Tx) 421 einen digitalen Sende-Strahlformerabschnitt (Tx DBF) 425 und eine Vielzahl von Tx-HF-Abschnitten 427 einschließlich Komponenten. Ein Datensignal oder -strom kann durch das Modem 410 bereitgestellt werden und umfasst den Eingang zum Tx-Abschnitt 421.
Die Tx-HF-Abschnitte 427 sind so konfiguriert, dass sie die zeitverzögerten und phasencodierten digitalen Signale für die Übertragung bereitstellen. Die Vielzahl der Sende-HF-Abschnitte 427 kann eine Anzahl M an Sende-HF-Abschnitten 427 umfassen, einen für jeden der M Pfade für jedes Antennenelement 413. Jeder Sende-HF-Abschnitt 427 kann weitere Komponenten 433 umfassen, wie z. B. ein digitales Sende-Frontend (Tx DFE), einen Digital-Analog-Wandler (DAC), ein Tiefpassfilter (LPF), einen Mischer und einen Leistungsverstärker (PA).
Das verstärkte HF-Signal, das vom PA 423 im FEM-Chip 415 ausgegeben wird, ist der Eingang für ein Antennenelement 413. Das Antennenelement 413 strahlt seinerseits das verstärkte HF-Signal ab. Jedes der M Antennenelemente 413 ist so konfiguriert, dass es ein verstärktes HF-Signal abstrahlt, das von einem jeweiligen HF-Abschnitt 427 erzeugt wird.
In einigen Ausführungsformen umfasst der Rx-Abschnitt 422 eine Vielzahl von Rx-HF-Abschnitten 428 und einen einzelnen digitalen Empfangsstrahlformer-(Rx DBF)-Abschnitt 426. Jeder Empfangs-HF-Abschnitt 428 umfasst Komponenten 434 wie einen rauscharmen Verstärker (LNA), einen Mischer, ein Tiefpassfilter (LPF), einen Analog-Digital-Wandler (ADC) und ein digitales Empfangs-Frontend (Rx DFE). Im FEM-Chip 415 ist der LNA 424 so konfiguriert, dass er eine rauscharme Verstärkung des analogen HF-Signals durchführt, das an dem jeweiligen Antennenelement 413 empfangen wird. Ein Datensignal oder -strom kann dem Modem 410 zugeführt werden und umfasst den Ausgang aus dem Rx-Abschnitt 421.
Dementsprechend ist der DBF 407 so konfiguriert, dass er sowohl ein erstes Datensignal, einen ersten Datenstrom oder einen ersten Strahl eines Einzelkanals für die Übertragung durch eine erste Vielzahl von Antennenelementen digital verarbeitet; ein zweites Datensignal, einen zweiten Datenstrom oder einen zweiten Strahl eines Einzelkanals unter Verwendung einer zweiten Vielzahl von Antennenelementen empfängt; und das ursprüngliche Datensignal, das dem empfangenen Signal zugrunde liegt, digital wiederherstellt/rekonstruiert. Die erste und die zweite Vielzahl der Antennenelemente können gleich oder verschieden voneinander sein.
In einigen Ausführungsformen kann eine Phasen-, Zeitverzögerungs- und/oder Amplitudenverschiebung auftreten, nachdem ein Antennensystem vor Beginn des normalen Betriebs vollständig kalibriert wurde, indem einzelne Untersuchungsmessungen, verarbeitungsintensive Berechnungen und die Einstellung der elektrischen Komponenten, die im Antennensystem enthalten sind, auf der Grundlage der Messungen und Berechnungen durchgeführt wurden. Ein solches vollständiges Kalibrierungsschema wird als Parken und Messen, Park- und Messkalibrierung und/oder dergleichen bezeichnet. Während des normalen Betriebs ist eine Park- und Messkalibrierung eventuell nicht möglich. Daher können Kalibriertechniken zur Kalibrierung von Signalen verwendet werden, um Phasen-, Zeitverzögerungs- und/oder Amplitudenverschiebungen, die nach (oder zwischen) Parken und Messen auftreten, zu identifizieren und entsprechend vorab zu kompensieren. Solche Verschiebungen umfassen Abweichungen von den bestimmten Phasen-, Zeitverzögerungs- und Amplitudeneinstellungen, die den elektrischen Komponenten aus Parken und Messen zugeordnet sind. Zumindest einige der Abweichungen von Parken und Messen können auf Temperaturschwankungen während des normalen Betriebs zurückzuführen sein.
Jedes Antennenelement der Phased-Array-Antenne und ihre zugehörige Sende- oder Empfangsschaltung wird während des Betriebs periodisch einem ähnlichen Kalibrierungsvorgang unterzogen. Solche Messungen und die auf den Messungen basierende Kalibrierung können gleichzeitig mit oder unabhängig vom normalen Betrieb der Phased-Array-Antenne durchgeführt werden (z. B. während des Sendens und Empfangens regulärer oder normaler Signale in der Phased-Array-Antenne). In einigen Ausführungsformen ist am Kalibrierungsprozess ein Wellenformgenerator 441 beteiligt, der zur Korrelation und Kalibrierung jeweils mit dem Sendeabschnitt 421 und dem Kalibrierungs-Empfangsabschnitt (mRx) 432 und dem Empfangsabschnitt 422 und dem Kalibrierungs-Sendeabschnitt (mTx) 431 elektrisch gekoppelt ist.
Bezugnehmend auf 4A umfasst ein Phased-Array-Antennensystem 400 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ein Strahlformergitter 406 mit einer Vielzahl von DBF-Chips 407, ein Frontend-Modul-(FEM)-Gitter mit einer Vielzahl von FEM-Chips 415 und ein Antennengitter 412 mit einer Vielzahl von Antennenelementen 413, und 90-Grad-Hybridkoppler 462, die zwischen jedem Antennenelement 413 und jedem FEM-Chip 415 angeordnet sind.
4A zeigt eine schematische Blockdarstellung eines beispielhaften DBF 407, der zur Steuerung der Phase und Amplitude der HF-Signale verwendet wird, die in die Antennenelemente 413 eingehen und von ihnen kommen (und somit den „Strahl“ erzeugen). Der DBF 407 hat funktionale HF-Tx/Rx-Abschnitte 421 und 422 (einschließlich verschiedener Komponenten wie Rx- und Tx-DBF-Abschnitte 425 und 426, PAs/LNAs, Mischer, Filter und DAC/ADC, siehe Tx-Komponenten 427 und Rx-Komponenten 428), speziell zugewiesene HF-Pfade für die Kalibrierung und Messung (mTx/mRx) 431 und 432 sowie einen Kalibrierungs-Rechenabschnitt 443 einschließlich eines Kalibrierungscodegenerators 441.
In der dargestellten Ausführungsform sind kodierte Kalibriersignale vom CDMA-Codegenerator 443 so gezeigt, dass sie sowohl über die HF-Eingänge/Ausgänge (RFIO) (siehe Leitung 451 zum Tx-DBF-Abschnitt 425) als auch über die mTx/mRx-Ports (siehe Leitung 453 zum mTx-Abschnitt 431) verteilbar sind, wie im Folgenden unter Bezugnahme auf die 9A-9F näher erläutert wird.
Pinbelegungen des DBF 407 für die funktionalen HF-Eingänge/Ausgänge (RFIO) 457 und die Kalibrierungsports (mTx, mRx) 465 und 467 sind in 4A gezeigt. In einem nicht einschränkenden Beispiel kann der DBF 407 über 16 funktionale HF-Eingänge/Ausgänge (RFIO) 457 verfügen, so dass jeder DBF 407 mit 16 Antennenelementen 413 gekoppelt ist. Pinbelegungen des DBF 407 für einen gemeinsamen lokalen Oszillator, Takt, analoge/digitale Leistung, Hochgeschwindigkeitskommunikation und digitale Steuerung sind in 4A nicht gezeigt.
Die Frontend-Module (FEMs) 415 sind Chips oder Schaltungen, die zwischen dem Strahlformer 407 und der Vielzahl der Antennenelemente 413 angeordnet sind. 4A zeigt ein Frontend-Modul (FEM) 415 und einen DBF 407, die über ihre RFIO-Leitungen 457 miteinander verbunden sind. Wie in 6E unten beschrieben, sind in einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung die verbindenden RFIO-Leitungen 457 Verbindungsbahnen, die innerhalb einer Leiterplattenanordnung 342 verlegt sind. Als nicht einschränkendes Beispiel befinden sich in jedem FEM-Chip 415 zwei LNAs 424 und zwei PAs 423 zur Kopplung mit zwei Antennenelementen 413 (die LNAs 424 und PAs 423 sind als zweistufige Verstärker mit digital gesteuerten ersten und zweiten Stufen gezeigt). Der FEM-Chip 415 hat einen gemeinsamen Pin für seinen LNA-Ausgang und den PA-Eingang von der Leitung 457, aber separate Pins für die PA-Ausgänge an die Leitung 461 und die LNA-Eingänge in die Leitung 463 (die zu den einzelnen Antennenelementen 413 gehen).
Als nicht einschränkendes Beispiel ist jedes Antennenelement 413 eine zweifach (linear) polarisierte Antenne mit zwei separaten Ports (einer pro Polarisation). Unter Verwendung eines 3dB, 90-Grad-Hybrid-Kombinators/Splitters 462 wird ein zweifach zirkular polarisiertes Antennenelement erzeugt. Zwei isolierte Ports des 90-Grad-Hybrids sind über Zuleitungen 456 und 458 mit den Antennenports verbunden. Die verbleibenden zwei isolierten Ports sind über Leitungen 461 und 463 mit den RX- und TX-Pins des FEM verbunden.
Als nicht einschränkendes Beispiel können die 16 RFIO des DBF 407 acht FEM-Chips 415 (mit je 2 LNA/PA-Paaren) und 16 Dual-Port-Antennenelemente 413 steuern, die zusammen als DBF-„Block“ bezeichnet werden können. Diese Zahlen können sich abhängig von der FEM- und DBF-Chipgröße (und der Anzahl der RFIO-Leitungen) ändern.
4B zeigt eine Blockdarstellung für die 2D-Antennenöffnung 402. Jeder DBF-Chip 407, 408 ist mit seinem eigenen Satz entsprechender Antennenelemente 413, 414 (DBF-Blöcke) zugeordnet. Jeder dieser DBF-Blöcke hat mindestens ein Dual-Use-Antennenelement 413a zur Kalibrierung. Es kann mehrere Dual-Use-Kalibrierantennenelemente 413a geben, z. B. wenn die Kalibrierleitungen mit mehr als einem HF-Pfad gekoppelt sind, bevor sie abgeschlossen werden.
Unter erneutem Bezug auf 4A sind die Kalibrierungsports (mTx 431 und mRx 432) im DBF 407 entlang regulärer HF-Pfade 465 und 467 gekoppelt und machen die Antenne dieses Pfades zu einer Dual-Use-Antenne (fähig zur regulären Tx/Rx-Funktion und zu gegenseitigen Kopplungsmessungen für die Kalibrierung). Siehe z. B. die Leitung 451, die den mTx-Kalibrierabschnitt 431 mit dem Tx-DBF-Abschnitt 425 koppelt. Die verlegten Leitungen (oder Leiterbahnen) 465 und 467 von den Kalibrierabschnitten (mTx 431 und mRx 432) sind so konfiguriert, dass sie entlang des HF-Pfads mithilfe von Kopplern abgegriffen und dann mit einer angepassten Last abgeschlossen werden. Geeignete Koppler gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die 8C-8E näher beschrieben.
Anstatt nur mit einer Antenne gekoppelt zu sein, können die Kalibrierabschnitte (mTx 431 und mRx 432) so geführt werden (über PCB-Leitungen oder -Leiterbahnen), dass sie mit mehreren Antennen gekoppelt sind, bevor sie durch eine angepasste Last abgeschlossen werden. Die Kopplungsstelle kann entweder zwischen dem Antennenelement 413 und dem FEM 415 oder zwischen dem FEM 415 und dem DBF 407 liegen, wie im Folgenden unter Bezugnahme auf die 9A, 9B, 9D und 9E beschrieben.
4C zeigt die Blockdarstellung einer Vielzahl von DBF-Blöcken 407 und 408 und ein Modem 410, die über eine serielle Hochgeschwindigkeits-Kommunikationsverbindung miteinander verbunden sind, und die zentrale Referenz (Takt 416 und lokaler Oszillator), die über einen Fan-Out (H-Netz) an jeden DBF-Chip verteilt wird. Bevor sie in das H-Netzwerk gelangen, werden der lokale Oszillator und die Taktsignale separat erzeugt und mit einem Diplexer auf der Leiterplattenanordnung (nicht gezeigt) kombiniert.
Das in den schematischen Darstellungen der 4A-4C beschriebene Phased-Array-System arbeitet in einem Halbduplex-Modus, wobei sich das Rx- und das Tx-Array die gleiche Antennenöffnung 403 teilen. Während des Betriebs kann sich das System periodisch im RX-Modus, im TX-Modus oder im Leerlaufmodus befinden. Um den kohärenten Betrieb jedes der HF-Pfade (von der Antenne zum DBF) aufrechtzuerhalten, führt das System eine Rx- und Tx-Kalibrierung durch, die in jedem dieser Modi durchgeführt werden kann. Im Rx-Modus werden die Rx-Pfade in den FEMs und den DBFs aktiviert. Ebenso werden im Tx-Modus die Tx-Pfade in den FEMs und den DBFs aktiviert. Während der Rx- und Tx-Kalibrierungsprozesse können einige der Rx- und Tx-Pfade gleichzeitig aktiv sein. Als nicht einschränkendes Beispiel können in einem bestimmten DBF einige der RFIOs im Rx-Modus sein, wenn eine von ihnen im Tx-Modus ist oder wenn der mTx ebenfalls aktiv ist (was darauf hinweisen würde, dass die Vorrichtung versucht, ihr funktionales Rx-Array zu kalibrieren).
Das Ziel bei dem Systementwurf ist es, gegenseitige Kopplungsmessungen zwischen verschiedenen Antennen durchzuführen. Mit einigen Pfaden im Rx-Modus und einigen Pfaden im Tx-Modus können Messschleifen innerhalb des geschlossenen Antennensystems selbst gebildet und mit vorab gespeicherten gegenseitigen Kopplungswerten des kalibrierten Arrays verglichen werden. Jede Differenz zwischen den gemessenen Werten der gegenseitigen Kopplung während des Betriebs und den im Speicher abgelegten Werten wird als Fehler interpretiert und durch eine Änderung der Phase/Amplitude jedes RFIO-Pfads entsprechend kompensiert. Ein solcher Fehler kann das Ergebnis sich ändernder Eigenschaften des FEM, DBF oder der Leiterplatte sein, z. B. aufgrund von Temperatur, Alterung usw.
STAPEL-PATCH-ANTENNENANORDNUNG
Unter Bezugnahme auf die 3A-3B, 5A-5E und 6A-6E wird nun die Antennenstapelanordnung 300 ausführlicher beschrieben. In der dargestellten Ausführungsform ist das Antennenarray eine Stapel-Patch-Antennenanordnung, die entwickelt wurde, um verschiedene Ziele hinsichtlich Antennenleistung, Wärmeübertragung und Herstellbarkeit zu erfüllen. Eine Patch-Antenne ist im Allgemeinen eine Antenne mit niedrigem Profil, die auf einer flachen Oberfläche montiert werden kann, einschließlich einer ersten flachen Platte (oder „ersten Patches“) aus Metall, die über einer zweiten flachen Platte (oder „zweites Patch“) aus Metall montiert ist, aber davon beabstandet ist, wobei das zweite Patch eine Masseebene definiert. Die beiden Metallpatches bilden zusammen eine Resonanzstruktur.
Die 5A-5E zeigen Draufsichten von beispielhaften Schichten in einem beispielhaften Antennenstapel 300 aus 3A, einschließlich eines Radoms 305, eines Radom-Abstandshalters 310 (5B und 5C), einer oberen Patch-Schicht 330 (5A), eines Antennenabstandshalters 335 (5D) und einer unteren Patch-Schicht 332 ( 5E).
Unter Bezugnahme auf die 6A-6D in einer Nahansicht einzelner Antennenelemente 313, 314 umfasst die Patch-Antennenanordnung 334 ein oberes und ein unteres Antennenpatch 330a und 332a, die voneinander beabstandet sind, um die gewünschte Abstimmung der Patch-Antennenanordnung 334 zu erreichen. Die in den 6A-6C gezeigten einzelnen Elemente 313, 314 sind Teil einer Vielzahl von Antennenelementen, die ein Array aus Antennenelementen bilden (siehe 5A).
Wie in den 6A und 6B zu sehen ist, sind die einzelnen unteren Patch-Schicht-Elemente 332a so konfiguriert, dass sie sich mit den einzelnen oberen Patch-Antennenelementen 330a ausrichten, z. B. in einem vertikalen Stapel. Die unteren Patch-Antennenelemente 332a können die gleiche oder eine ähnliche Form und Konfiguration haben wie die oberen Patch-Antennenelemente 330a. In der dargestellten Ausführungsform sind die oberen Patch-Elemente 330a im Allgemeinen kreisförmig konfiguriert und umfassen eine Vielzahl von Schlitzen für Antennenpolarisations- oder Abstimmungseffekte. Die unteren Patch-Antennenelemente 332a sind im Allgemeinen kreisförmig konfiguriert.
Wie in den 6A und 6B zu sehen, ist die obere Patch-Antennenschicht 330 von der unteren Patch-Antennenschicht 332 durch einen Antennenabstandshalter 335 beabstandet (in den 6A und 6B nicht gezeigt, siehe aber 6C und 6D). Jede der Vielzahl der Öffnungen in dem Antennenabstandshalter 335 kann einen vertikalen Pfad umfassen, um sich mit jedem unteren Patch-Element 332a (unten) und jedem oberen Patch-Antennenelement 330a (oben) auszurichten, um eine Vielzahl einzelner Antennenelemente 313, 314 im Antennengitter 312 zu definieren.
Wie in 6C zu sehen ist, richtet sich jedes der mehreren Antennenelemente 313, 314 mit einer jeweiligen aus der Vielzahl der Öffnungen 317 der Zellen 316 des Antennenabstandshalters 310 aus. Beispielsweise ist jedes der Antennenelemente 313, 314 innerhalb der Zellen 316 so angeordnet, dass ein geeigneter Abstand um jedes der Antennenelemente 313, 314 herum besteht.
Die obere Antennen-Patch-Schicht 330 und die untere Patch-Antennenschicht 332 können auf Standard-Leiterplattenschichten oder anderen geeigneten Substraten gebildet sein, z. B. auf einem dünnen Substrat wie FR4 oder Mylar. In einer Ausführungsform sind die obere und untere Patch-Antennenschicht 330 und 332 Leiterplattensubstrate mit einer jeweiligen Vielzahl von Antennen-Patch-Elementen 330a und 332a. Die Merkmale der oberen und unteren Patch-Antennenschichten 330 und 332 können durch geeignete Halbleiterverarbeitung gebildet werden, um die gewünschten Merkmalsmuster und -formen zu erhalten. In der dargestellten Ausführungsform umfasst die untere Patch-Antennenschicht 332 ein Gitter 333 aus leitfähigem Material zwischen den unteren Patch-Antennenelementen 332a, um eine anisotrope dielektrische Schicht zu erzeugen, die weiter unten ausführlicher beschrieben wird. In einer alternativen Ausführungsform können die Patches auf die Patch-Schichten aufgedruckt werden, z. B. mit einer leitfähigen Tinte.
Ein Array aus mehreren Patch-Antennen auf demselben Substrat kann verwendet werden, um eine Phased-Array-Antenne zu bilden, bei der der Antennenstrahl elektronisch gesteuert werden kann.
In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung können die oberen und unteren Patch-Antennenelemente 330a und 332a eine längste Abmessung im Bereich von 6 mm bis 8 mm haben. Die Mitte jedes der oberen und unteren Patch-Antennenelemente kann von der Mitte benachbarter oberer und unterer Patch-Antennenelemente 330a und 332a um einen Abstand im Bereich von 11 mm bis 13,5 mm beabstandet sein. Die Zellenhöhe des Antennenabstandshalters 335 kann im Bereich von 1 mm bis 2 mm liegen. Ebenso sind die Zellenwände des Antennenabstandshalters 335 im Bereich von 1 mm bis 2 mm breit. Die Klebemuster an beiden Enden der Zellenwände können eine Höhe im Bereich von 0,005 mm bis 0,01 mm haben.
Ein geeigneter Antennenabstandshalter 335 kann wärmeleitend und fähig sein, Wärme durch seine Struktur abzuleiten, und gleichzeitig eine niedrige Dielektrizitätskonstante aufweisen. In einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann der Antennenabstandshalter 335 aus Kunststoffmaterial hergestellt sein und eine Dielektrizitätskonstante von beispielsweise weniger als 3,0, weniger als 2,0 oder weniger als 1,5 bei Raumtemperatur und für die Wärmeableitung einen Wärmeleitfähigkeitswert von mehr als 0,35 W/m-K oder mehr als 0,45 W/m-K aufweisen. Wie in 6C zu sehen ist, kann der Antennenabstandshalter 335 eine Zellen- und Wandstruktur aufweisen, wie z. B. eine Wabenstruktur. Obwohl als einzelne Abstandsschicht gezeigt und beschrieben, kann der Antennenabstandshalter 335 aus einer Vielzahl von Abstandshalterelementen bestehen, die den Raum zwischen der oberen und unteren Patch-Schicht 330 und 332 der Patch-Antennenanordnung 334 definieren. In einer anderen Ausführungsform kann der Antennenabstandshalter 335 ein Schaumstoffabstandshalter sein, um isolierende Eigenschaften zu bieten.
Das Radomteil 206 ist eine strukturelle Oberfläche oder eine Umhüllung, die die Antennenstapelanordnung 300 schützt und eine Umweltbarriere sowie Stoßfestigkeit bietet. Das Radomteil 206 umfasst das Radom 305 bis zum Radom-Abstandshalter 310. Der Radom-Abstandshalter 310 kann ähnliche Abmessungen, Eigenschaften und Klebeeigenschaften wie der Antennenabstandshalter 335 aufweisen. Der Radom-Abstandshalter 310 kann jedoch eine andere Höhe als der Antennenabstandshalter 335 haben, um eine geeignete Umgebungsbarriere zu schaffen, zum Beispiel im Bereich von 2 mm bis 3 mm.
Als ein nicht einschränkendes Beispiel hat das untere Patch-Antennenelement einen Durchmesser von 6,8 mm und die obere Patch-Antenne einen Durchmesser von 7,5 mm. In der dargestellten Ausführungsform können benachbarte Antennenelemente in einem Abstand von 12,3 mm zueinander angeordnet sein, z. B. in einem dreieckigen Gitter. Die Höhe des Antennenabstandshalters 335 kann 1,2 mm betragen, mit einer 0,075er Klebeverbindungslinie auf jeder Seite, für eine Gesamthöhe von 1,35 mm. (Der Radom-Abstandhalter 310 ist 2,35 mm dick mit einer 0,075er Klebeverbindungslinie auf jeder Seite, was eine Gesamtdicke von 2,5 mm ergibt). Die Zellenwände des Antennenabstandshalters 335 und des Radom-Abstandshalters 310 sind 1,5 mm dick und haben eine Formschräge von 5 Grad.
Wie in 6D zu sehen ist, kann die Patch-Antennenanordnung 334 von einer Leiterplattenanordnung(PCB)-Anordnung 342 getrennt, aber von dieser mechanisch und elektrisch unterstützt sein. Die Leiterplattenanordnung 342 ist im Allgemeinen so konfiguriert, dass sie elektronische Komponenten unter Verwendung von Leiterbahnen, Pads und anderen Merkmalen verbindet, die aus einer oder mehreren Plattenschichten aus Kupfer herausgeätzt sind, die auf und/oder zwischen Plattenschichten eines nicht leitfähigen Substrats laminiert sind. Die Leiterplattenanordnung 342 kann eine ein- oder mehrlagige Anordnung mit verschiedenen Kupferschichten, Laminaten und Substraten sein und kann verschiedene darin ausgebildete Schaltungen aufweisen. In 6A ist die obere Schicht 382 der Leiterplattenanordnung 342 einschließlich der Schlitzzuleitung 350 gezeigt.
Eine dielektrische Schicht 340 bildet einen elektrischen Isolator zwischen der Patch-Antennenanordnung 334 und der Leiterplattenanordnung 342. Der dielektrische Abstandshalter 340 kann eine niedrige Dielektrizitätskonstante haben (die als relative Permittivität bezeichnet werden kann), zum Beispiel im Bereich von etwa 1 bis etwa 3 oder etwa 2 bis etwa 3 bei Raumtemperatur. (Wenn die Dielektrizitätskonstante hoch ist, z. B. höher als 3, kann dies ein Problem mit dem Abtastwinkel für die Phased-Array-Antenne verursachen).
In einer alternativen Ausführungsform kann ein als durchgehende Schicht gebildeter dielektrischer Abstandshalter durch eine Anordnung von diskreten Abstandshaltern wie z. B. Puck-Abstandshaltern ersetzt werden. Die Puck-Abstandshalter können unter den einzelnen gestapelten Patch-Antennenelementen positioniert werden. Puck-Abstandshalter haben insgesamt weniger Material als ein als durchgehende Schicht gebildeter dielektrischer Abstandshalter, was zu einer geringeren dielektrischen Gesamtbelastung führt und einen größeren Abtastwinkel ermöglicht. Puck-Abstandshalter können aus geeigneten Materialien wie z. B. Kunststoff geformt werden, um eine geeignete Dielektrizitätskonstante und einen niedrigen Verlustfaktor bereitzustellen, der mit der Leistung der Patch-Antennenanordnung konform geht. Als nicht einschränkendes Beispiel können die Puck-Abstandshalter aus einem Polycarbonat-Kunststoff geformt sein.
Bei einer typischen Leiterplattenkonstruktion bestehen die einzelnen Leiterplattenschichten typischerweise aus Glasfasermaterial, das ein Muster aus Kupferbahnen umgibt, die die elektrischen Verbindungen definieren. Das Kupfer und das Glasfasermaterial haben ähnliche WAK-Werte und weisen im Allgemeinen keine absichtlichen Luftspalte innerhalb der Struktur auf. Daher können die verschiedenen Schichten, die eine mehrlagige Leiterplatte definieren, unter hohen Hitze- und Druckbedingungen zusammenlaminiert werden. In typischen Patch-Antennenanordnungen können die obere Patch-Schicht, die untere Patch-Schicht und die Abstände dazwischen mit einem herkömmlichen PCB-Laminierverfahren gebildet werden.
Wie oben beschrieben, können die Materialien, die in den Abstandskomponenten (z. B. in dem Radom-Abstandshalter 310 und dem Antennenabstandshalter 335) der Antennenstapelanordnung 300 verwendet werden, Kunststoffmaterialien umfassen. Geeignete Klebstoffe gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sind in der Lage, sich mit Kunststoffen zu verbinden, und können eine Dielektrizitätskonstante von weniger als 3,0 und eine Wärmeleitfähigkeit im Bereich von 0,1 bis 0,5 W/m-K aufweisen. Bezugnehmend auf 3B weist der Klebeschichtstapel 390, der ein Stapel von Schichten in der Stapelanordnung 300 mit Klebstoff 325 dazwischen ist, folgende Strukturschichten auf: das Radom 305, den Radom-Abstandshalter 310, die obere Patch-Antennenschicht 330, den Antennenabstandshalter 335, die untere Patch-Antennenschicht 332 und den dielektrischen Abstandshalter 340. Zusätzlich zu dem Klebeschichtstapel 390 kann in einigen Ausführungsformen die Leiterplattenanordnung auch durch Haftklebung verklebt und mit dem Klebeschichtstapel 390 verpresst werden, wie durch einen Pfeil 398 in den 3A und 3B gezeigt.
Unter Bezugnahme auf die 6A-6E ist jedes hier gezeigte Antennenelement 313 eine Implementierung einer dualen polarisierten, schlitzgekoppelten gestapelten Patch-Antenne. Eine leitfähige Schicht 355 in der Leiterplattenanordnung 342 dient als Antennenmasse, wobei eine Schlitzzuleitung 350 (einschließlich zweier orthogonal ausgerichteter Schlitze 352 und 354) in der Schicht 355 ausgeschnitten ist. Die Schlitze 352 und 354 sind unter zwei leitfähigen Patches 330a und 332a angeordnet, die mit einem kontrollierten Abstand zwischen dem oberen und unteren Patch und dem unteren Patch und den Schlitzen übereinandergestapelt sind (siehe 6A).
Die Schlitze 352 und 354 haben Zuleitungen 356, 358 (siehe 7B und 7C), die mit den Schlitzen 350 ausgerichtet sind, um ein elektrisches Feld über den Schlitzen 352 und 354 zu erzeugen. Das induzierte elektrische Feld koppelt sich an das untere Patch 330a, um das gestapelte Patch-Antennenpaar 330a und 332a anzuregen. Um Rückstrahlung zu beseitigen, unterlegt eine weitere leitfähige Schicht 361 die Schlitze mit ausreichendem Abstand (so dass die Schlitze nicht kurzgeschlossen werden) unterhalb der Zuleitungen 356, 358 und der Schlitze 352 und 354 (siehe 6E). Die zweite leitfähige Schicht sollte weit genug von den Zuleitungen 356, 358 entfernt sein, so dass die Zuleitungen 356, 358 in erster Linie die erste leitfähige Schicht (mit den Schlitzen) als Masseebene verwenden, ohne durch das Vorhandensein der Leiterunterstützungsschicht gestört zu werden.
Typischerweise ist diese Art von Antenne in der Lage, Impedanzbandbreiten von über 50 % zu erreichen. Um eine solche Leistung zu erreichen, sind einige der Konstruktionsrichtlinien wie folgt: Verwendung einer niedrigen Dielektrizitätskonstante (weniger als 3 oder im Bereich von etwa 2 bis etwa 3) für den dielektrischen Abstandshalter 340, der zwischen den Schlitzen 350 und dem unteren Patch 332a angeordnet ist, und einer noch niedrigeren Dielektrizitätskonstante (Luftspalt oder schaumartiges Material) für den Antennenabstandshalter 335, der zwischen dem unteren Patch 332a und dem oberen Patch 330a angeordnet ist. Andere Materialien mit niedriger Dielektrizitätskonstante können für die Radomschicht 305 und/oder den Radom-Abstandshalter 310 verwendet werden, die als Impedanzabstimmungs-Superstrate fungieren können.
Eine weitere Leistungsmetrik einer Phased-Array-Antenne, die gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung entwickelt wurde, ist der maximal mögliche Winkelbereich für die Strahlsteuerung ohne Blindwinkel/-richtung. Diese Metrik bedeutet typischerweise eine möglichst geringe dielektrische Belastung über der Masseebene, um zu vermeiden, dass die (abzustrahlenden) elektromagnetischen Signale entlang der Array-Oberfläche eingefangen werden (wodurch die hinlänglich bekannten „Oberflächenwellen“ entstehen, die die Antennenöffnung 402 nicht verlassen). Eine geringe dielektrische Belastung kann durch niedrige Dielektrizitätskonstanten und geringe Dicken des Antennenabstandshalters 335 und des Radom-Abstandshalters 310 erreicht werden.
Umweltfaktoren spielen ebenfalls eine Rolle bei der Bestimmung der Antennenstapelanordnung 300. Die resonierenden Antennenelemente 330a und 332a sollten von den Auswirkungen von Regentropfen oder anderen Partikeln ferngehalten werden, die sich möglicherweise über die Antennenöffnung 402 setzen oder sich über diese bewegen, was darauf hindeutet, dass das Radom 206 nicht beliebig dünn sein kann: Es bietet genügend Abstand zwischen der Umgebungsgrenze und dem oberen Patch 330a, so dass das elektromagnetische Verhalten nicht gestört wird.
Die von den aktiven elektronischen Komponenten erzeugte Wärme kann im Allgemeinen von jeder Fläche der umschlossenen Einheit, einschließlich der Antennenöffnung 402, abgeleitet werden. Die dielektrischen Schichten und Abstandsschichten in der Antennenstapelanordnung 300 können auf Wärmeleitfähigkeit ausgelegt sein, indem wärmeleitende Kunststoffe in den Abstandselementen 310 und 335 mit geringer Dicke für eine optimierte, die Ebene durchdringende Wärmeableitung durch das Radom 206 hindurch verwendet werden.
Die 6A-6B zeigen die Doppelschlitze 352, 354 auf der Masseebene 355 mit dem gestapelten Patch-Paar 330a und 332a über den Schlitzen. Wie in 6B zu sehen, ist auf der unteren Patch-Schicht 330a ein leitfähiges Gitter 333 vorgesehen. Der Abstand zwischen den Gitterabschnitten kann eingestellt werden, um die Größe des unteren Patches zu steuern und/oder zu miniaturisieren. Das Gitter 333 kann auch dazu verwendet werden, die Kopplung von Schlitzen zum unteren Patch zu erhöhen, indem es zusätzlich zu der durch den dielektrischen Abstandshalter 340 bereitgestellten anisotropen dielektrischen Ladung eine weitere dielektrische Ladung liefert, mit einem vernachlässigbaren Beitrag zum Oberflächenwellenproblem. (Die horizontal gedruckten quadratischen Patches sind für den ersten TM-Mode entlang der Masseebene fast unsichtbar).
Der Antennenstapel (wie in 6D zu sehen) ist mit einer niedrigen mittleren Dielektrizitätskonstante ausgelegt, wodurch die Bandbreite und der maximal erreichbare Abtastwinkel (bei gleichem seitlichen Abstand zwischen den Antennenelementen) verbessert werden. Um eine niedrige mittlere Dielektrizitätskonstante zu erreichen, kann der implementierte dielektrische Abstandshalter 340 eine durchgehende Kunststoffplatte mit niedriger Dielektrizitätskonstante (z. B. 2,4) sein. Die gestapelten Patch-Schichten 330 und 332 können auf ein sehr dünnes Substrat gedruckt werden, wie z. B. eine dünne Leiterplattenschicht oder eine Schaumstoff- oder andere dünne Kunststoffschicht. Die Antennen- und Radom-Abstandshalter 310 und 335 können mit Kunststoffen mit niedriger Dielektrizitätskonstante (z. B. LDPE) realisiert werden. Wenn für diese Abstandshalter eine Wabenstruktur verwendet wird (ca. 40 % oder weniger Dichte), wird die durchschnittliche Dielektrizitätskonstante noch weiter reduziert.
6C zeigt eine Draufsicht auf die Öffnung ohne das Radom 305, die die Lage der Antennenelemente relativ zu den Wabenzellenwänden 316 veranschaulicht. Der Durchmesser der Antennenelemente kann angepasst werden (z. B. durch Miniaturisierung der Randschlitze für das obere Patch 330 und durch Verwendung eines umgebenden Gitters für das untere Patch 332), um im Bereich um jedes Antennenelement herum einen umlaufenden Abstand von den Wabenzellenwänden 316 zu lassen, so dass der Hohlraum zwischen den beiden Patches 330 und 332 mit Luft und nicht mit dielektrischem Material gefüllt wird.
Die Abstandshalter-Kunststoffe werden so ausgewählt, dass sie eine Wärmeleitfähigkeit für den Wärmetransport weg von der aktiven Elektronik bieten.
Die Schlitze, die Zuleitungen der Schlitze und der Hohlraum hinter den Schlitzen werden in Leiterplattentechnik realisiert, da diese Komponenten neben den planaren Leiterschichten auch feine Strukturen und vertikale Leiterbahnen (z. B. Durchkontaktierungen) aufweisen. Die Patch-Antennen und die dielektrischen Abstandshalter dazwischen werden mit preiswerteren Materialien (LDPE- oder HDPE-Kunststoffe, Mylar usw.) realisiert.
HAUPTLEITERPLATTENANORDNUNG
Wie oben mit Bezug auf die 6A-6D erläutert, umfasst die Leiterplattenanordnung 342 Merkmale, die mit den oberen und unteren Antennen-Patch-Elementen 330a und 332a der einzelnen Antennenelemente 313, 314 ausgerichtet werden können, die zusammen eine resonante Antennenstruktur bilden können. Wie oben erörtert, umfasst die Leiterplattenanordnung 342 einige der Merkmale der Antennenelemente, wie z. B. duale Schlitze 352 und 354, die auf der Masseebene 355 geätzt sind, mit Zuleitungen 356, 358, einem Hohlraum 360 und einer Unterstützungsmasseebene 361. 6E zeigt eine vereinfachte Skizze der Stapelung der Hauptplatinenanordnung 342, die den HF-Pfad (innerhalb der Platinenanordnung) vom DBF 407 durch das FEM 415 bis zur Schlitzzuleitung 350 (geätzt auf der ersten Metallschicht der Platinenanordnung 342) zeigt. Aufgrund des Querschnittscharakters der Zeichnung veranschaulicht 6E nicht vollständig die duale Schlitzkonfiguration für die Schlitzzuleitung 350 (Schlitze 352 und 354), wie in 7A zu sehen, oder den 90-Grad-Hybridkoppler, der in 7B zu sehen ist.
Als nicht einschränkendes Beispiel sind in der abgebildeten Leiterplattenanordnung 342 zwölf PCB-Metallschichten (L1 bis L12) gezeigt. Wie oben beschrieben, sind die Schlitze 352 und 354 in die erste Metallschicht (L1) geätzt, die Zuleitungen 356 und 358 (Tx- und Rx-Leitungsführung und der 90-Grad-Hybrid) befinden sich auf der zweiten Schicht (L2), und die sekundäre Masseebene 355, die die Schlitze 352 und 354 unterlegt, befindet sich auf der fünften Metallschicht (L5).
Um zu verhindern, dass die HF-Signale in die Leiterplattenschichten L1 bis L5 eindringen, sind die Schlitze 352 und 354 von Massedurchgängen 370, 380 umgeben, die zusammen mit den Masseebenen 355 und 361 von L1 und L5 einen Hohlraum 360 bilden. Die Durchgänge 370 und 380, die den Hohlraum 360 umgeben, werden durch versetzte Laser-Durchgangslöcher gebildet, die sich von L3 und L5 aus erstrecken (siehe 6E und 7A-7C). In einer anderen Ausführungsform könnten die Laser-Durchgangslöcher durch mechanische Durchkontaktierungen (von Schicht L1 bis L12) ersetzt werden. Innerhalb des Hohlraums 360 werden die Metallschichten L3 und L4 weggeätzt (siehe 6E und 7C). Außerhalb des Hohlraums 360 wird die Metallschicht L3 als weitere Masseebene verwendet, die die Leitungsführung-Schichten L2 und L4 trennt.
In der Leiterplattenanordnung 342 ist eine Vielzahl von Hohlräumen 360 angeordnet, die dem Gitter 312 der Antennenelemente 313 entsprechen (siehe 8A). Die Abstände zwischen benachbarten Hohlräumen 360 und Antennenelementen 313 werden auf der Grundlage der effektiven Dielektrizitätskonstante des Antennenstapels und der daraus resultierenden Einschaltfrequenz/des Abtastwinkels der Oberflächenwellen und/oder der Gitterkeulen bestimmt. Die effektive Dielektrizitätskonstante im Inneren der Hauptplatinenanordnung 342 ist jedoch größer (typischerweise >3,5) als beim Antennenstapel 390 (siehe 3B), der hauptsächlich aus Kunststoff und Luft besteht. Dieser Unterschied in der effektiven Dielektrizitätskonstante kann destruktive Resonanzmoden bei niedrigeren Frequenzen verursachen und die Betriebsbandbreite des Antennenarrays am höheren Ende des Spektrums reduzieren. Eine solche Verringerung der Betriebsbandbreite kann durch die Anordnung von zufälligen Massedurchgängen (die sich z. B. von L1 bis L5 erstrecken) zwischen den Hohlräumen und den Zuleitungen gemildert werden, um den maximalen Abstand unter einen gewünschten Grenzwert zu drücken (siehe 8A-8B). Ein weiterer geeigneter Ansatz besteht darin, eine geringe Anzahl von Massedurchgängen 375 (z. B. einen pro Antenne) strategisch zwischen den Hohlräumen zu platzieren, um die durchschnittliche Größe der Lücken zwischen den Hohlräumen zu verringern und Resonanzfrequenzen nach oben zu verschieben (wodurch das Antennenspektrum frei wird). Ein weiterer geeigneter Ansatz besteht darin, die TX- und/oder RX-Übergangsdurchführungen 377 (siehe 8B) an strategischen Stellen zu platzieren, um die Massedurchgänge dieser Übergänge als resonanzunterdrückende Merkmale zu verwenden.
Der Hohlraum 360 ist mit L5 als Unterstützungsmasseebene 361 ausgelegt, um einen Abstand zwischen der Unterstützungsmasseebene und den L1-Schlitzen sowie den L2-Zuleitungen zu schaffen. Eine engere Ausführung (z. B. unter Verwendung von L3 als Unterstützungsmasseebene und Reduzierung der Schichten des Antennenhohlraums) ist zwar möglich, hängt aber stärker von den Materialeigenschaften und den Dielektrikums- und Laminatdicken ab. In Anbetracht des L1- und L5-Abstands zwischen der Masseebene 355 und der Unterstützungsmasseebene 361 werden L2 und L4 als Doppelzweckschichten verwendet. L4 wird für die Leitungsführung von Kalibrierungsbahnen und Kopplern (siehe 4A, 6E und 8C-8E) und niederfrequente digitale Signale zwischen Modem, FEM 407 und DBF 415 verwendet. L2 wird für den 90-Grad-Hybridkoppler 462 und die Tx/Rx-Antennenabbildung (wie in 8A zu sehen) zu Zwecken der Längenanpassung verwendet (wenn die FEMs 415 aufgrund der Layout-Komplexität auf der unteren Schicht der Leiterplattenanordnung 342 nicht gleichmäßig gegenüber ihren jeweiligen Antennenelementen 413 verteilt sind). Daher besteht der vorteilhafte Effekt der Schaffung eines Hohlraums 360 in L1-L5 darin, dass die Anzahl der Schichten in der gesamten Leiterplattenanordnung 342 reduziert werden kann, was zu einem optimierten Leiterplattenanordnungsdesign führt. In dieser Hinsicht können andere Komponenten auf der gleichen oder einer nahegelegenen Schicht angeordnet werden, ohne die Zuleitungsstruktur zu beeinträchtigen.
Eine weitere geeignete Implementierung wäre die Verwendung von L3 als Unterstützungsmasseebene für die Schlitze 352 und 354, was jedoch den Abstand zwischen L2 und L3 größer (z. B. größer als 0,3 mm) im Vergleich zum Abstand zwischen L1 und L2 (z. B. etwa 0,1 mm) macht. Eine solche Beabstandung würde jedoch auch in L10, L11, L12 für die Oben-Unten-Symmetrie in der Leiterplattenanordnung 342 implementiert werden. Eine solche Beabstandung von L10, L11 und L12 kann sich auf die Anbindung der Masseebene zwischen L10, L11 und L12 auswirken, was die Qualität des HF-Breakout der Elektronik (DBF, FEM usw.) beeinträchtigen könnte.
Unter Bezugnahme auf die 7A-7C und 8A-8E (die den Verlauf von L1, L2, L3, L4 und L5 in der Leiterplattenanordnung 342 in der Ansicht von unten in den 7A-7C und der Ansicht von oben in den 8A-8E zeigen) wird die Leiterplattenanordnung 342 nun ausführlicher beschrieben. Unter Bezugnahme auf die 7A-7C bildet die Schlitzzuleitung 350 (umfassend die Schlitze 352 und 354) eine Schnittstelle mit der Zuleitungsstruktur 364 (umfassend die erste und zweite Zuleitung 356 und 358), die in den Schichten der Leiterplattenanordnung 342 angeordnet ist. Die Zuleitungen 356 und 358 koppeln jedes Antennenelement 313 eines Antennengitters 312 mit einem bestimmten DBF 407 im DBF-Gitter 406 (in den Leiterplattenanordnungsschichten L1-L3 in den 7A-7C nicht gezeigt, siehe aber 6E). Das DBF-Gitter 406 (und die entsprechenden FEMs 415) können in der Leiterplattenanordnung 342 auf einer unteren Schicht, z. B. einer Bodenschicht der Leiterplattenanordnung 342, angeordnet sein.
Bezugnehmend auf 7A ist eine Schlitzzuleitung 350 mit einem Paar von ersten und zweiten Schlitzen 352 und 354 gezeigt. In der dargestellten Ausführungsform sind der erste und zweite Schlitz 352 und 354 im Wesentlichen senkrecht zueinander ausgerichtet und mit den Zuleitungen 356 und 358 eines 90-Grad-Hybridkopplers 362 gekoppelt.
Wie oben beschrieben, ist jedes Antennenelement 313, 314 des Antennengitters 312 zweifach zirkular polarisiert mit einem separaten Rx-Empfangsanschluss (z. B. rechts zirkularisierte Ports) und einem Tx-Sendeanschluss (z. B. links zirkularisierte Ports) für jede Einheitszelle. Der 90-Grad-Hybridkoppler 362 arbeitet in Verbindung mit zweifach linear polarisierten Antennenelementen, um zirkular polarisierte (CP) Ports für die Kopplung mit dem FEM 415 und dem DBF 407 zu schaffen.
Wie oben beschrieben, erstreckt sich von der Unterseite von L1 eine Vielzahl von Massedurchgängen (z. B. Metalldurchkontaktierungen oder -Anbindungen) 370, die zumindest einen Teil des Hohlraums 360 definieren, um ein HF-„Ausbluten“ aus dem Hohlraum 360 zu vermindern. Der Hohlraum 360 bietet eine Resonanzstruktur und ermöglicht die Isolierung der Zuleitungsstruktur 364, so dass andere Komponenten auf dem Feld 368 derselben oder einer benachbarten Schicht platziert werden können, ohne die Zuleitungsstruktur zu stören. Massedurchgänge 374 tragen ebenfalls dazu bei, die ersten und zweiten Schlitze 352 und 354 sowie die Zuleitungen 356 und 358 voneinander zu isolieren.
Wie in 7B gezeigt, umfasst L2 die erste und zweite Zuleitung 356 und 358, um mit der Schlitzzuleitung 350 und dem 90-Grad-Hybridkoppler 362 eine Schnittstelle zu bilden. In Tx-Richtung erregt der 90-Grad-Hybridkoppler 362 die Schlitzzuleitung 350 und den Antennenstapel (nicht gezeigt). In Rx-Richtung erregt die Schlitzzuleitung 350 den 90-Grad-Hybridkoppler 362. Wie oben beschrieben, kann L2 zusätzlich zu den Rx- und Tx-Leitungen darüber hinaus eine mäandernde Leitungsführung für eine Leitungslängenübereinstimmung umfassen (in 7B nicht gezeigt, siehe aber 8A).
Bezugnehmend auf 7C ist L3 eine partielle Masseschicht, die einen Ausschnitt 378 umfasst, der mit dem Hohlraum 360 korrespondiert, der durch die von L1 ausgehenden Massedurchgänge 370 definiert ist. Ausgehend von der unteren Oberfläche von L3 erstrecken sich zusätzliche Massedurchgänge 380, die mit den Massedurchgängen 370 ausgerichtet sind, um den Hohlraum 360 weiter zu definieren.
Wie in 7C zu sehen ist, sind der erste und zweite Schlitz 352 und 354 der Schlitzzuleitung 350 mit der ersten und zweiten Zuleitung 356 und 358 des 90-Grad-Hybridkopplers 362 gekoppelt (wobei sich die Zuleitungen im Hohlraum 360 befinden, der 90-Grad-Hybridkoppler 362 jedoch außerhalb des Hohlraums 360 liegt), mit den ersten und zweiten Schlitzen 352 und 354 und den entsprechenden Zuleitungen 356 und 358. In der dargestellten Ausführungsform kann L4 (nicht gezeigt) eine größtenteils leere Schicht sein, die z. B. für den Kalibrierungsmäanderabschluss und die Steckerleitungsführung für die Werkskalibrierung verwendet wird. Wie in 6E zu sehen, ist L5 eine Unterstützungsmasseebene 361, die den Hohlraum 360 definiert.
Mit Bezug auf die 8A und 8B sind die verschiedenen elektronischen Komponenten in L1-L5 gezeigt, wobei die Schichten, die die Komponenten trennen, entfernt wurden. 8B ist eine Nahansicht einer Zuleitungsstruktur 364 in 8A. Bezugnehmend auf 8A sind benachbarte Zuleitungsstrukturen 364 mit Abständen für Mäanderleitungen gezeigt. Mit Bezug auf 8B wandert ein empfangenes Rx-Signal von der Schlitzzuleitung 350 und dem 90-Grad-Hybridkoppler 362 durch die Leitung 392 zur Rx-DBF-Leitungsführung 372 (zum Rx-DBF 426, siehe 4B). Ebenso wandert ein gesendetes Tx-Signal vom Tx-DBF 371 (vom Tx-DBF 425, siehe 4B) über die Leitung 391 zum 90-Grad-Hybridkoppler 360 zur Schlitzzuleitung 350.
In der dargestellten Ausführungsform ist der 3dB-90-Grad-Hybridkoppler 462 als einstufiger Zweigleitungskoppler implementiert (siehe 7B und 8B). Die Tx- und Rx-Ports könnten unterschiedliche Impedanzabstimmungsmerkmale an den Tx- und Rx-Pins des FEM-Chips 415 für verschiedene Frequenzbänder aufweisen (als nicht einschränkendes Beispiel: Tx mit 14 GHz, Rx mit 12 GHz). Andere Implementierungen von 90-Grad-Kopplern sind für dieses Antennendesign ebenfalls möglich (z. B. mehrstufige Zweigleitungskoppler, mehrstufige Breitseiten- oder flankengekoppelte Hybride usw.).
Mit Bezug auf die 8C-8E ist eine beispielhafte Konfiguration für einen Koppler 462 zur Kalibrierung gezeigt. Dieser spezielle Koppler 481 ist entlang der Rx-Leitungsführung (L2) zwischen dem FEM und dem 90-Grad-Hybridkoppler 462 implementiert. Die gekoppelte Leitung ist auf L3 (8D) mit einem schmalen Einschnitt an der L3-Masseebene und der Leitungsrückführung zum mTx-Port 431 angeordnet, und der HFangepasste Lastabschluss 485 ist auf L4 (8E) angeordnet. In einer anderen Ausführungsform kann der gekoppelte Leitungsabschnitt auf L4 angeordnet sein, jedoch mit einem geringeren Kopplungsverhältnis.
Wenn der Kalibrierungskoppler zwischen der Antenne und dem FEM implementiert ist, ist der Koppler für die Antenne sichtbar und kann daher die (vom FEM) der Antenne präsentierte Lastimpedanz verändern. Dies wiederum kann die periodische Natur des Antennenarrays stören (einige Elemente haben Koppler, andere nicht) und erhöhte Nebenkeulenpegel verursachen.
Um das Problem der Periodizität zu beseitigen, können die Kopplerelemente der 8C-8E an jeder Antenne implementiert werden, und in den meisten Fällen kann die Leitungsführung auf L4 mit einer angepassten Last an beiden Enden abgeschlossen werden (anstatt zu mTx oder mRx zu gehen), so dass nur einige wenige Antennen mit einer physischen Verbindung zu den mTx/mRx-Ports übrig bleiben. Obwohl bei dem erwähnten Ansatz jede Antenne die gleiche Impedanz hätte, wird von jeder Antenne und jedem FEM Leistung abgezogen, unabhängig davon, ob diese zu den mTx/mRx-Ports geführt werden bzw. genutzt werden oder nicht. Ein solcher Ansatz würde wiederum die Antenneneffizienz für das Tx-Array und die Rauschzahl und G/T für das Rx-Array reduzieren (je nachdem, an welchem Port der Koppler zwischen dem 90-Grad-Hybrid und dem FEM platziert wird).
Stattdessen könnte man alle Elemente in 8C-8E zu jeder Antenne hinzufügen, um sicherzustellen, dass die Impedanzdiskontinuitäten aufgrund der Schnitte entlang der L3-Masseebene für alle Antennen gleich sind. Allerdings mit einer Leitungsführung (auf L4) von Leiterbahnen nur in einigen wenigen Fällen und nicht in allen. Diese Konfiguration würde wiederum die Auswirkungen auf den Wirkungsgrad der Antenne reduzieren, während die Impedanzkonsistenz größtenteils (wenn auch nicht vollständig) erhalten bleibt. Wenn z. B. der in 8C-8E gezeigte Koppler ein -10dB-Koppler ist (ca. 0,45dB oder 10% Leistungsverlust) mit einer L4-Leitungsführung auf einer Antenne in jedem DBF-Block (von 16 Antennen), würde der durchschnittliche Effizienzverlust pro Antenne im 16-Element-Block ca. 0,6% betragen, was ein vernünftiger Kompromiss ist.
ALGORITHMUS FÜR DIE OVER-THE-AIR-KALIBRIERUNG
Wie in 4A dargestellt, werden zwei Signalpfadkonfigurationen in Betracht gezogen, denen die Kalibriersignale folgen können. Der DBF könnte entweder (1) in der Lage sein, die Kalibriersignale über die funktionalen RFIO-Pfade zu senden und zu empfangen (z. B. 457), oder er könnte (2) dedizierte Pfade und Pins (mTx und mRx) haben, um Kalibriersignale zu senden und zu empfangen (z. B. 465, 467).
Hinsichtlich der Kalibrierung über den RFIO-Pfad kann in dieser Betriebsart jedes Antennenelement als Kalibrierantenne verwendet werden (zusätzlich zum normalen Betrieb einer Antenne für die Kommunikation). Wie in 9C dargestellt, könnte zur Kalibrierung des Rx-Arrays der DBF-Chips 607 und 608 einer der RFIO-Pfade (z. B. für die Antenne 613a) im DBF-Chip 607 im Tx-Modus sein und ein CDMA-basiertes Kalibriersignal über das FEM 636 ausgeben (das sich ebenfalls im Tx-Modus befinden sollte, wobei der Leistungsverstärker PA 623 das Signal verstärkt). Dieses ausgegebene Signal S3 könnte von nahegelegenen Antennenelementen empfangen werden, von denen das FEM (LNA 624) und die RFIO-Pfade im Rx-Modus sind (um die Kalibriersignale zu hören). Ein solcher Betrieb würde es ermöglichen, dass dasselbe Kalibriersignal über mehrere Rx-Pfade von Antennenelementen 613 im DBF-Chip 607 und Antennenelementen 614 im DBF-Chip 608 empfangen wird, um einen Satz von (relativen) gegenseitigen Kopplungsdaten/Messwerten unter mehreren Antennen zu erzeugen. Dieser Datensatz kann mit den bereits vorhandenen (werkseitig erfassten) Daten zur gegenseitigen Kopplung verglichen werden, die von einem vollständig kalibrierten Rx-Array erwartet werden. Jede Abweichung in der Größe/Phase der gemessenen Daten kann als Fehler interpretiert werden, der im Feld aufgetreten ist (z. B. aufgrund von Alterung oder Temperaturänderungen) und entsprechend korrigiert werden, um mit den erwarteten Daten zur gegenseitigen Kopplung übereinzustimmen.
Die Kalibrierung des Tx-Arrays mit einem ähnlichen Verfahren ist in 9F dargestellt, wobei sich der Kalibrierungs-RFIO-zum-FEM-zum-Antennenpfad 613a im Rx-Modus (LNA 624) befindet und das Signal S6 empfängt, und die nahegelegenen Antennenelemente 613 und 614 im Tx-Modus (PA 623) und im Normalbetrieb sind.
Ein solcher Betrieb würde es ermöglichen, dass mehrere Tx-Signale von mehreren nahegelegenen Antennenelementen durch den MRx-Pfad des Kalibrierungsempfängers vom Antennenelement 613a im DBF-Chip 607 empfangen werden, um einen Satz von (relativen) gegenseitigen Kopplungsdaten/Messwerten unter mehreren Antennen zu erstellen. Dieser Datensatz kann mit den bereits vorhandenen (werkseitig erfassten) Daten zur gegenseitigen Kopplung verglichen werden, die von einem vollständig kalibrierten Tx-Array erwartet werden. Jede Abweichung in der Größe/Phase der gemessenen Daten kann als Fehler interpretiert werden, der im Feld aufgetreten ist (z. B. aufgrund von Alterung oder Temperaturänderung) und entsprechend korrigiert werden, um mit den erwarteten Daten zur gegenseitigen Kopplung übereinzustimmen.
Die Verwendung von ausschließlich RFIO-Pfaden zum Senden und Empfangen während der Kalibrierung birgt Herausforderungen. Eine Herausforderung ist der dynamische Bereich auf den funktionalen Rx-Pfaden (FEM-LNA und RF-Rx-Anteile der DBFs) und/oder der große Abstimmbereich auf den funktionalen Tx-Pfaden (FEM-PA und/oder RF-Tx-Anteile der DBFs). Der normale Betrieb des Phased-Array des Benutzer-Terminals hat empfindliche Empfangspfade, um Satellitensignale mit geringer Leistung erfassen zu können, und relativ leistungsstarke Sendesignale, um die Satelliten erreichen zu können. Mit einer Messschleife zwischen diesen Tx- und Rx-Pfaden auf demselben Benutzer-Terminal (zur Erfassung interner gegenseitiger Kopplungsdaten) könnten die Tx-Pfade die empfindlichen Rx-Pfade leicht übersteuern und sättigen.
Um diese Sättigung zu vermeiden, können die Tx-Pfade (in Tx-Abschnitten des DBF oder innerhalb des FEM-PA) so konfiguriert sein, dass die HF-Verstärkung (entlang dieses Pfads) während der Kalibrierung auf einen viel niedrigeren Wert (im Vergleich zum Normalbetrieb) reduziert wird, so dass die ausgegebenen Kalibriersignale (die zu den Nachbarantennen gehen) eine ausreichend niedrige Leistung haben (damit die Rx-Pfade nicht gesättigt werden).
In ähnlicher Weise sollten die Rx-Pfade zur Kalibrierung des Tx-Arrays über einen ausreichenden (höchstwahrscheinlich abstimmbaren) Dynamikbereich verfügen, so dass sie während der Kalibrierung sowohl die Satellitensignale als auch die normalen Tx-Signale mit höherer Leistung empfangen können, ohne die Daten aufgrund von Sättigung zu verfälschen. Da diese Kalibrierungsmodi auf den RFIO-Pfaden unnötige (im Vergleich zum normalen Betriebsmodus) Betriebsbereiche auf all diesen HF-Pfaden erfordern, kann es in einigen Fällen sinnvoller sein, einen dedizierten Rx- und einen dedizierten Tx-Pfad pro DBF (mit viel größerem Dynamikbereich und Abstimmbarkeit) zu erstellen, die für die Kalibrierung verwendet werden (daher mRx- und mTx-dedizierte Empfangs- und Sendepfade).
Die Kalibrierung über mTx 631 oder mRx 632 beinhaltet dedizierte Empfangs- und Sendepfade für die zu sendenden bzw. zu empfangenden Kalibriersignale. Diese dedizierten Pfade können unter Berücksichtigung der erwarteten Werte der gegenseitigen Kopplung (zwischen den Antennen) entworfen und/oder abgestimmt werden. Daher können die dedizierten Pfade besser dafür geeignet sein, die erwarteten Signalleistungspegel während des Kalibrierungsmodus zu verarbeiten.
In einigen Ausführungsformen können die mRx- und mTx-Ports mit dedizierten Antennen für Messungen der gegenseitigen Kopplung verbunden sein. Diese dedizierten Antennen können aus einer der regulären Antennen (aus dem Hauptantennengitter) ausgewählt werden, die von diesen Ports verwendet werden sollen, oder sie können eine separate Antenne sein, die zwischen den regulären Antennen im Gitter angeordnet ist. Beide Optionen wirken sich jedoch negativ auf die Nebenkeulenleistung des Antennenarrays aus, da in beiden Fällen die Periodizität des Gitters gestört wird.
Unter Bezugnahme auf die 9A-9F werden verschiedene Designs für die Over-the-Air-Kalibrierung von Antennenelementen bereitgestellt. Mit Bezug auf die 9A-9C sind drei Ansätze für die Kalibrierung des Tx-Arrays bereitgestellt. In den 9D-9F sind drei Ansätze für die Kalibrierung des Rx-Arrays bereitgestellt. In den Beispielen der 9A-9C für die Tx-Array-Kalibrierung sendet die Kalibrierantenne 613a des linken DBF 607 ein Kalibriersignal (S1, S2 oder S3), das vom rechten DBF 608 zur Kalibrierung des rechten DBF 608 oder von den anderen funktionierenden Antennen im linken DBF 607 empfangen wird. In den Beispielen der 9D-9F empfängt die Kalibrierantenne 613a des linken DBF 607 ein Kalibriersignal (S4, S5 oder S6) vom rechten DBF 608 oder von den anderen funktionierenden Antennen im linken DBF 607 zur Kalibrierung des linken DBF 607.
Wie in 9A zu sehen, können die mRx 632- und mTx 631-Pins des DBF 607 so geführt werden, dass sie am Koppler 679 mit den normalen HF-Pfaden entlang der RFIO-Leitungsführung zwischen DBF und FEM gekoppelt werden (siehe z. B. Koppler 479 in 4A). In einer anderen Konfiguration, wie in 9B zu sehen, kann die Tx/Rx-Antenne so geführt werden, dass sie am Koppler 681 mit den normalen HF-Pfaden entlang der RFIO-Leitungsführung zwischen dem 90-Grad-Hybridkoppler und dem FEM gekoppelt werden (siehe z. B. Koppler 481 in 4A).
Der Koppler 481 kann ein 90-Grad-Hybridkoppler mit 4 Ports sein; einer für mTx (oder mRx), zwei für Antennen- und FEM-Seiten und einer für den angepassten Abschluss. Ein Beispiel für einen 90-Grad-Hybridkoppler 481 zwischen dem FEM und dem 90-Grad-Hybridkoppler ist in 8C-8E gezeigt. Der Koppler kann wahlweise gerichtet oder ungerichtet sein, um mTx oder mRx von beiden Seiten der Leitungsführung anschließen zu können und denselben Koppler durch zwei DBFs zu verwenden (in diesem Fall wird die angepasste Last durch eine andere mTx oder mRx eines anderen DBF-Chips ersetzt).
In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann ein Nicht-90-Grad-Hybridkoppler auch innerhalb des Antennenhohlraums implementiert werden (in den Figuren nicht gezeigt), indem die Kalibrierleitungen in den und aus dem Antennenhohlraum geführt werden. Mit einem kontrollierten Abstand und kontrollierter Ausrichtung zu den Schlitzen kann ein geeigneter Koppler mit gewünschten Kopplungspegeln realisiert werden.
Im Fall der Kalibrierung des Rx-Arrays mit einem mTx-Koppler zwischen FEM und Antenne veranschaulicht 9B die Betriebsarten für die DBFs und FEMs und den Signalfluss entlang verschiedener Pfade. Alle FEMs und RFIO-Pfade können im Rx-Modus sein, während die mTx die CDMA-Kalibriersignale von der Dual-Use-Antenne ausgibt. Jede Nachbarantenne hört auf die Kalibriersignale, die von der Dual-Use-Kalibrierantenne 613a kommen. Der mTx-Teil des DBF ist für die Anpassung der Leistungspegel bei gleichzeitiger Messung verschiedener Nachbarantennen verantwortlich, die sehr unterschiedliche Kopplungspegel zur Dual-Use-Kalibrierantenne haben können. Der Kopplungspegel des mTx-Kopplers kann auch so ausgelegt werden, dass sichergestellt ist, dass der mittlere Leistungspegel auf dem richtigen Wert liegt, auch wenn die dynamische Anpassung innerhalb des mTx-Teils der DBFs erfolgen muss.
Im Fall der Kalibrierung des Rx-Arrays mit einem mTx-Koppler zwischen FEM und DBF veranschaulicht 9A die Betriebsarten für die DBFs und FEMs und den Signalfluss entlang verschiedener Pfade. Alle den Antennen zugeordneten FEMs sind im Rx-Modus, mit Ausnahme des FEM, das der Dual-Use-Kalibrierantenne 613a zugeordnet ist, die sich im Tx-Modus befindet, da sie die mTx-Kalibriersignale ausgeben wird. Alle RFIOs sind im Rx-Modus, außer dem Kalibrierungspfad, der für diese Betriebsart nicht relevant ist und durch die mTx eines anderen DBF kalibriert werden kann. Jede Nachbarantenne hört auf die Kalibriersignale, die von der Dual-Use-Antenne kommen. Der mTx-Teil des DBF ist für die Anpassung der Leistungspegel bei gleichzeitiger Messung verschiedener Nachbarantennen zuständig, die sehr unterschiedliche Kopplungspegel zur Dual-Use-Kalibrierantenne haben können. Der Kopplungspegel des mTx-Kopplers kann auch so ausgelegt werden, dass sichergestellt ist, dass der mittlere Leistungspegel auf dem richtigen Wert liegt, auch wenn die dynamische Anpassung innerhalb des mTx-Teils der DBFs erfolgen muss.
Im Fall der Kalibrierung des Tx-Arrays mit dem mRx-Koppler zwischen dem FEM und dem DBF zeigt 9D die Betriebsart für DBFs und FEMs und den Signalfluss entlang verschiedener Pfade. Alle FEMs sind im Tx-Modus, mit Ausnahme derjenigen, die für den Kalibrierungspfad verwendet werden, die sich im RX-Modus befindet, um die von anderen Antennen kommenden Kalibriersignale zu sammeln. Daher verarbeitet der LNA (im FEM) die Tx-Kalibriersignale, die von anderen Antennen kommen, ohne gesättigt zu werden. Alle RFIOs sind im Tx-Modus, mit Ausnahme desjenigen, der für den Kalibrierungspfad verwendet wird, der für diese Betriebsart nicht relevant ist und von der mRx eines anderen DBF kalibriert wird. Jede Nachbarantenne strahlt Kalibriersignale ab, sequentiell oder parallel, je nachdem, wie viele unabhängige CDMA-Signale (in den DBFs) gleichzeitig erzeugt und/oder verarbeitet werden können. Die Kalibriersignale gehen durch die Dual-Use-Antenne, durch den LNA im FEM, den mRx-Koppler und in den mRx-Teil (dann Kalibrierungsberechnungsabschnitt) des DBF, um die Messung abzuschließen und die relativen gegenseitigen Kopplungsdaten zu erfassen.
Im Fall der Kalibrierung des Tx-Arrays mit dem mRx-Koppler zwischen dem FEM und der Antenne veranschaulicht 9E die Betriebsart für DBFs und FEMs und den Signalfluss entlang verschiedener Pfade. Alle FEMs und RFIOs können sich im Tx-Modus befinden, während die mRx das Kalibriersignal abhört, das von diesen Pfaden über die Dual-Use-Antenne ankommt. Da der LNA des FEM in diesem Szenario nicht Teil des gegenseitigen Kopplungspfades ist, muss er nicht in der Lage sein, die TX-Kalibriersignale zu verarbeiten (geringere Anforderungen an den FEM-Chip). Ein Vorteil der mRx-Kopplung zwischen Antenne und FEM ist es, die Anforderungen an den LNA des FEM zu lockern.
Die oben beschriebenen Fälle legen nahe, einen Koppler pro mRx oder mTx einzusetzen, was bedeutet, dass es in jeder Antennengruppe eines DBF eine Dual-Use-Antenne für mRx / mTx gibt. Als nicht einschränkendes Beispiel bedeutet dies eine Kalibrierantenne in allen 16 Elementen, unter der Annahme von 16 RFIO pro DBF (siehe 4A). Jede dieser Kalibrierantennen misst eine Mindestanzahl von Antennen (z. B. 16 oder mehr), so dass die Gruppen von Antennen, die von verschiedenen Kalibrierantennen gemessen werden, das gesamte Antennenarray mit genügend Überlappung zwischen verschiedenen Gruppen abdecken. Die Überlappung zwischen verschiedenen Gruppen könnte dazu verwendet werden, jede Gruppe von Antennen relativ zueinander zu kalibrieren und das gesamte Antennenarray kohärent zu machen.
Es ist möglich, mehrere Koppler pro mRx/mTx-Leitungsführung zu haben, wobei ein einzelner Kalibrierungsanschluss mit mehreren Antennen verbunden ist. Dies würde die Dichte der Dual-Use-Antennen erhöhen und die Entfernung und Anzahl der Antennen reduzieren, die von jeder Dual-Use-Kalibrierantenne abgedeckt werden müssen. Als nicht einschränkendes Beispiel könnten die mRx-Kalibrierleitungsbahnen zu mehreren RFIO-Leitungen (die zu verschiedenen DBFs gehören) geführt und damit gekoppelt werden, bevor sie mit einer angepassten Last abgeschlossen werden. Dies würde während der TX-Array-Kalibrierung mehrere Dual-Use-Antennen an demselben mRx-Port bereitstellen. Das in 9D gezeigte Betriebsschema könnte geringfügig modifiziert werden: Alle FEMs und RFIOs sind im TX-Modus, mit Ausnahme der Pfade, an die mRx ankoppelt. Von diesen gekoppelten Pfaden könnte nur bei einem das FEM im RX-Modus sein, während bei den anderen das FEM ausgeschaltet ist. Die gekoppelten RFIO-Pfade sind für diese mRx nicht relevant (und können ausgeschaltet sein) und können von der mRx eines anderen DBF kalibriert werden. Durch die sequentielle Verwendung der einzelnen gekoppelten Pfade kann ein einzelner mRx-Port entweder eine größere Reichweite des Aperturbereichs haben und/oder den Aperturbereich reduzieren, der von einer einzelnen Dual-Use-Antenne abgedeckt wird (und damit den dynamischen Bereich der Größen der gegenseitigen Kopplung der Antennen begrenzen).
Unter Bezugnahme auf 9A kann die Rx-Kalibrierung durchgeführt werden, indem die DBF-Kalibrierungsmessung mTx 631 verwendet und mit der Kalibrierleitung 652 verbunden wird, um sie am Koppler 653 mit der Leitung zu koppeln, die sich zwischen der Kalibrierantenne 613a und dem DBF 607 erstreckt. In dieser Ausführungsform ist die Kalibrierleitung 652 zwischen dem DBF 607 und dem Verstärkerblock 636 für die Kalibrierantenne 613a angeschlossen. Das vom mTx-Port 631 empfangene Signal wird dann von der Kalibrierantenne 613a übertragen.
Wie in 9A zu sehen ist, ist eine Vielzahl von regulären Antennen 613 mit dem DBF 607 durch eine Vielzahl von Hochfrequenz-Eingangs-/Ausgangs-(RFIO)-Pin-Verbindungen gekoppelt, die jedem aus der Vielzahl der Antennenelemente 613 entsprechen und für den Empfang von (Rx)-Kommunikation konfiguriert sind. Obwohl die Vielzahl der Antennen 613 so gezeigt sind, dass sie nur für Rx-Kommunikation konfiguriert sind, kann jede Antenne 613 zum Umschalten zwischen Rx- und Tx-Kommunikation ausgelegt sein.
Die Kalibrierantenne 613a, die dem DBF 607 entspricht, ist in einer entgegengesetzten Konfiguration konfiguriert wie die anderen Antennenelemente 613. Diesbezüglich wird der FEM-Block 636 für die spezifische Kalibrierantenne 613a für den Kalibriermodus von LNA auf PA umgeschaltet. Durch diese Umschaltung kann die Kalibrierantenne 613a im Betrieb ein nominales Array-Element sein, sich dann aber im Kalibriermodus in eine Kalibrierantenne verwandeln.
Die Kalibrierantenne 613a ist für die Übertragung (Tx) eines Signals vom Messkalibrierport mTx 631 des DBF 607 konfiguriert (z. B. unter Verwendung der Kalibrierleitung 652 und eines -20dB-Kopplers 653). Das vom mTx-Port der DBF 607 gesendete Kalibriersignal S1 kann über die Luft von den zu prüfenden Antennen 613 und 614 im Rx-Modus der DBFs 607 und 608 erfasst werden, und die DBFs 607 und 608 können in Bezug aufeinander und in Bezug auf das Signal vom mTx-Port 631 des DBF 607 ausgerichtet werden.
Wie oben beschrieben, kann die Kalibrierantenne 613a speziell für die Kalibrierung vorgesehen sein und/oder für die normale Kommunikation konfiguriert werden, wenn sie sich nicht im Kalibriermodus befindet. Ebenso können ein oder mehrere der anderen Antennenelemente 613, die dem DBF-Block 607 zugeordnet sind, als Kalibrierantennen konfiguriert werden.
Bezugnehmend auf 9B kann in einer anderen Konfiguration die Rx-Kalibrierung durchgeführt werden, indem der DBF-Mess-Tx (mTx)-Port 631 verwendet und mit einer Kalibrierleitung 662 für die CDMA-Kopplung am Koppler 663 verbunden wird, wobei sich die Leitung zwischen der Kalibrierantenne 613a und dem DBF 607 erstreckt. In dieser Ausführungsform ist die Kalibrierleitung 662 zwischen der Antenne 613a und dem Verstärkerblock 636 angeschlossen. Der mTx-Port 631 umgeht den Verstärkerblock 636 und erregt die Kalibrierantenne 613a direkt, um Kalibriersignale S2 über die Luft zu senden, die von den zu testenden Antennen 614 im Rx-Modus empfangen werden.
Unter Bezugnahme auf 9C kann die Rx-Kalibrierung ohne Verwendung des DBF-Mess-Tx (mTx)-Ports 631 durchgeführt werden. Wenn der DBF in der Lage ist, Kalibriersignale über reguläre RFIO-Leitungen direkt zu senden (statt über einen mTx-Port), kann jeder Antennen-Hochfrequenzpfad (wie die Leitung zwischen der Kalibrierantenne 613a und dem DBF 607) als Kalibrierantennenpfad verwendet werden, um Kalibriersignale S3 zu übertragen.
Unter Bezugnahme auf die 9D-9F werden ähnliche Kalibrierungskonfigurationen erläutert, jedoch für ein Tx-Kalibrierungsszenario. Unter Bezugnahme auf 9D kann die Tx-Kalibrierung unter Verwendung der DBF-Messung Rx (mRx) 632 durchgeführt werden. Antennensignale S4 werden von den Antennenelementen 613 des DBF 607 und 614 des DBF 608 übertragen. Das Signal S4 gelangt über die Kalibrierleitung 672 mittels CDMA-Kopplung durch den Koppler 673 zum mRx-Port 632, wobei die Leitung zwischen der Kalibrierantenne 613a und dem DBF 607 verläuft. In dieser Ausführungsform ist die Kalibrierleitung 672 zwischen dem DBF 607 und dem Verstärkerblock 636 für die Kalibrierantenne 613a angeschlossen.
Bezugnehmend auf 9E kann in einer anderen Konfiguration die Tx-Kalibrierung unter Verwendung der DBF-Messung Rx (mRx) 632 durchgeführt werden. Das Signal S4 gelangt über die Kalibrierleitung 682 mittels CDMA-Kopplung durch den Koppler 683 zum mRx-Port 632, wobei die Leitung zwischen der Kalibrierantenne 613a und dem DBF 607 verläuft. In dieser Ausführungsform ist die Kalibrierleitung 682 zwischen der Kalibrierantenne 613a und dem Verstärkerblock 636 für die Kalibrierantenne 613a angeschlossen.
Unter Bezugnahme auf 9F kann in einer anderen Konfiguration die Tx-Kalibrierung ohne Verwendung der DBF-Messung Rx (mRx) durchgeführt werden. Wenn der DBF in der Lage ist, Kalibriersignale über reguläre RFIO-Leitungen direkt zu empfangen (statt über einen mRx-Port), kann jeder Antennen-HF-Pfad (wie die Leitung zwischen der Kalibrierantenne 613a und dem DBF 607) als Kalibrierantennenpfad verwendet werden, um Kalibriersignale S6 über die Luft durch die zu prüfende Antenne 613a zu empfangen, wenn der DBF 607 im Tx-Modus ist.
Obwohl veranschaulichende Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wurden, sollte klar sein, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Wesen und Umfang der Offenbarung abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 63/048174 [0001]
US 63/063209 [0001]

Claims

Die Ausführungsformen der Erfindung, bei denen ein exklusives Eigentum oder Privileg beansprucht wird, sind wie folgt definiert:
Antennenanordnung, die Folgendes umfasst: eine Stapel-Patch-Antennenanordnung, die eine Vielzahl von Antennenzellen definiert, die aus einer Vielzahl von Patches hergestellt sind, wobei die Stapel-Patch-Antennenanordnung eine erste Patch-Schicht umfasst, die von einer zweiten Patch-Schicht durch einen Abstandshalter getrennt ist; ein Strahlformergitter mit einem oder mehreren Strahlformern, wobei jeder Strahlformer einer Teilmenge von Antennenzellen aus der Vielzahl der Antennenzellen entspricht; und eine aus einer Vielzahl von Schichten aufgebaute Leiterplattenanordnung, wobei die Leiterplattenanordnung eine Zuleitungsstruktur von der Stapel-Patch-Antennenanordnung zu dem in der Leiterplattenanordnung angeordneten Strahlformergitter aufweist, wobei die Stapel-Patch-Antennenanordnung außerhalb der Leiterplattenanordnung liegt.
Antennenanordnung nach Anspruch 1, wobei eine erste Schicht der Leiterplattenanordnung eine Antennenmasseschicht ist, die eine Schlitzzuleitung umfasst.
Antennenanordnung nach Anspruch 2, wobei die Leiterplattenanordnung eine Antennenunterstützungsschicht umfasst, die von der ersten Schicht beabstandet ist, um einen Hohlraum für die Antennenanordnung zu definieren, der durch die Antennenmasseschicht, die Antennenunterstützungsschicht und eine Vielzahl von Massedurchgängen definiert ist.
Antennenanordnung nach Anspruch 2, wobei die Schlitzzuleitung mit getrennten Empfangs- und Sendeports zweifach zirkular polarisiert ist.
Antennenanordnung nach Anspruch 2, wobei eine zweite Schicht der Leiterplattenanordnung einen 90-Grad-Hybridkoppler umfasst.
Antennenanordnung nach Anspruch 5, wobei eine dritte Schicht der Leiterplattenanordnung eine partielle Masseschicht umfasst, um die zweite Schicht von einer vierten Schicht in Bereichen außerhalb des Hohlraums teilweise zu isolieren.
Antennenanordnung nach Anspruch 6, wobei die vierte Schicht der Leiterplattenanordnung eine oder mehrere Kalibrierleitungen umfasst, die zu Kalibrierungszwecken zum Koppeln der Stapel-Patch-Antennenanordnung mit dem Strahlformergitter konfiguriert sind.
Antennenanordnung nach Anspruch 7, wobei die eine oder die mehreren Kalibrierleitungen auf der vierten Schicht in Bereichen außerhalb des Hohlraums angeordnet sind.
Antennenanordnung nach Anspruch 6, wobei eine fünfte Schicht der Leiterplattenanordnung eine Unterstützungsmasseschicht ist.
Antennenanordnung nach Anspruch 1, wobei die erste Patch-Schicht und die zweite Patch-Schicht aus Metall hergestellt sind, das auf einem Substrat angeordnet ist, und der Abstandshalter aus Kunststoff hergestellt ist.
Antennenanordnung nach Anspruch 1, wobei der Abstandshalter eine Zellenstruktur definiert, wobei jede Zelle einer Zelle aus der Vielzahl der Antennenzellen entspricht.
Antennenanordnung nach Anspruch 11, wobei die Zellenstruktur eine Wabenstruktur ist.
Antennenanordnung nach Anspruch 1, wobei die erste Patch-Schicht, die zweite Patch-Schicht und der Abstandshalter durch Klebstoff gekoppelt sind.
Antennenanordnung, die Folgendes umfasst: eine Stapel-Patch-Antennenanordnung, die eine Vielzahl von Antennenzellen definiert; ein Strahlformergitter mit einem oder mehreren Strahlformern, wobei jeder Strahlformer einer Teilmenge von Antennenzellen aus der Vielzahl der Antennenzellen entspricht; und eine Leiterplattenanordnung, die mit der Stapel-Patch-Antennenanordnung und dem Strahlformergitter gekoppelt ist, wobei die Leiterplattenanordnung aus einer Vielzahl von Schichten aufgebaut ist, wobei eine erste Schicht eine Antennenmasseschicht ist, die eine Schlitzzuleitung aufweist, um eine Vielzahl der Antennenzellen der Stapel-Patch-Antennenanordnung mit einem des einen oder der mehreren Strahlformer in dem Strahlformergitter elektrisch zu koppeln, wobei die erste Schicht von einer Unterstützungsmasseschicht beabstandet ist, die eine Vielzahl von Hohlräumen zwischen der ersten Schicht und der Unterstützungsmasseschicht definiert, wobei jeder Hohlraum einer Antennenzelle aus der Vielzahl der Antennenzellen zugeordnet ist, und ferner mit einer Zwischenschicht zwischen der ersten Schicht und der Unterstützungsmasseschicht, wobei die Zwischenschicht Hohlraumbereiche und Nicht-Hohlraumbereiche umfasst, wobei die Nicht-Hohlraumbereiche so konfiguriert sind, dass sie elektrische Elemente stützen, die außerhalb der Vielzahl der Hohlräume angeordnet sind.
Antennenanordnung nach Anspruch 14, wobei die Leiterplattenanordnung eine Vielzahl von Massedurchgängen zwischen der ersten Schicht und der Unterstützungsmasseschicht umfasst, die die Vielzahl der Hohlräume definieren.
Antennenanordnung nach Anspruch 14, wobei die Schlitzzuleitung mit getrennten Empfangs- und Sendeports zweifach zirkular polarisiert ist.
Antennenanordnung nach Anspruch 14, wobei eine zweite Schicht der Leiterplattenanordnung einen 90-Grad-Hybridkoppler umfasst.
Antennenanordnung nach Anspruch 17, wobei eine dritte Schicht der Leiterplattenanordnung eine partielle Masseschicht umfasst, um die zweite Schicht von einer vierten Schicht in Bereichen außerhalb des Hohlraums teilweise zu isolieren.
Antennenanordnung nach Anspruch 18, wobei die vierte Schicht der Leiterplattenanordnung eine oder mehrere Kalibrierleitungen umfasst, die zu Kalibrierungszwecken zum Koppeln der Stapel-Patch-Antennenanordnung mit dem Strahlformergitter konfiguriert sind.