KR102156328B1 - 안테나 모듈 격리 구조물을 갖는 전자 디바이스 - Google Patents

안테나 모듈 격리 구조물을 갖는 전자 디바이스 Download PDF

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Abstract

전자 디바이스에는 집적 회로 내의 위상 및 크기 제어기들에 의해 제어되는 위상 안테나 어레이가 제공될 수 있다. 어레이는 안테나 층들 상에 형성될 수 있고, 집적 회로는 유전체 기판의 송신 라인 층들에 장착될 수 있다. 접지 평면은 안테나 층들로부터 송신 라인 층들을 분리할 수 있다. 커넥터가 송신 라인 층들의 표면에 장착될 수 있고, 전도성 트레이스들을 사용하여 집적 회로에 결합될 수 있다. 수동 공진기는 안테나 층들 내에 형성될 수 있고, 어레이에 의해 접지 평면 상에서 생성된 표면 전류에 대한 개방 회로 임피던스를 형성하기 위해 어레이의 유효 동작 파장의 1/4에서 공진하는 전도성 구조물들을 포함할 수 있다. 이는 표면 전류가 접지 평면의 에지에서 산란되고 집적 회로 상으로 누출되는 것을 차단하는 역할을 할 수 있다.

Description

안테나 모듈 격리 구조물을 갖는 전자 디바이스{ELECTRONIC DEVICES HAVING ANTENNA MODULE ISOLATION STRUCTURES}
본 출원은 2018년 9월 28일자로 출원된 미국 특허 출원 제16/146,488호를 우선권으로 주장하며, 그로써 그 특허 출원은 그 전체가 본 명세서에 참고로 포함된다.
본 출원은 대체적으로 전자 디바이스들에 관한 것으로, 보다 상세하게는 무선 통신 회로부를 구비한 전자 디바이스들에 관한 것이다.
전자 디바이스들은 종종 무선 통신 회로부를 포함한다. 예를 들어, 셀룰러 전화기들, 컴퓨터들, 및 다른 디바이스들은, 종종, 무선 통신을 지원하기 위해 안테나들 및 무선 송수신기들을 포함한다.
밀리미터파 및 센티미터파 통신 대역들에서 무선 통신을 지원하는 것이 바람직할 수 있다. 때때로 극고주파(extremely high frequency, EHF) 통신으로 지칭되는 밀리미터파 통신 및 센티미터파 통신은 약 10 내지 300 ㎓의 주파수들에서의 통신을 수반한다. 밀리미터파 및 센티미터파 통신을 지원하기 위해, 안테나들의 어레이가 기판 상에 형성된다. 어레이를 위한 송신 라인들이 기판 내에 매립된다.
이러한 주파수들에서의 동작은 높은 대역폭들을 지원할 수 있지만, 상당한 문제들을 일으킬 수 있다. 예를 들어, 기판 상의 증폭기 회로부 및 다른 무선-주파수 컴포넌트들이 안테나들에 의해 생성된 표면 전류로부터 충분히 격리되는 것을 보장하는 것은 어려울 수 있다. 기판 상의 무선-주파수 컴포넌트들을 서로 멀리 떼어 놓는 것은 전형적으로 격리를 향상시킨다. 그러나, 동시에, 제조업자들은 소형 폼 팩터 무선 디바이스들에 대한 소비자 요구를 충족시키기 위해 소형 구조물들을 사용하여 안테나 어레이들과 같은 무선 통신 회로부를 구현하기 위해 지속적으로 노력하고 있다.
따라서, 밀리미터파 통신을 지원하는 통신 회로부와 같은 개선된 무선 통신 회로부를 갖는 전자 디바이스들을 제공할 수 있는 것이 바람직할 것이다.
전자 디바이스에 무선 회로부가 제공될 수 있다. 무선 회로부는 하나 이상의 안테나들 및 송수신기 회로부, 예컨대 센티미터파 및 밀리미터파 송수신기 회로부(예를 들어, 10 ㎓ 초과의 주파수들에서 안테나 신호들을 송신 및 수신하는 회로부)를 포함할 수 있다. 안테나들은 위상 안테나 어레이(phased antenna array)로 배열될 수 있다. 위상 안테나 어레이는 위상 및 크기 제어기들을 사용하여 제어될 수 있다. 위상 및 크기 제어기들은 집적 회로 내의 증폭기 회로부를 포함할 수 있다.
전자 디바이스는 안테나 모듈을 포함할 수 있다. 안테나 모듈은 유전체 기판을 포함할 수 있다. 유전체 기판은 접지 평면에 의해 분리되는 안테나 층들 및 송신 라인 층들을 포함할 수 있다. 집적 회로는 송신 라인 층들의 표면에 장착될 수 있다. 무선-주파수 커넥터가 송신 라인 층들의 표면에 장착될 수 있다. 무선-주파수 커넥터는 송신 라인 층들 내의 전도성 트레이스들을 통해 송신 라인의 신호 전도체를 집적 회로에 결합할 수 있다. 위상 안테나 어레이는 안테나 층들 상의 안테나 공진 요소들을 포함할 수 있다.
수동 공진기가 안테나 층들 내에 형성될 수 있다. 수동 공진기는 전도성 비아들의 펜스(fence), 전도성 테이프, 또는 다른 전도체들과 같은 수직 전도성 구조물에 의해 접지 평면에 결합되는 안테나 층들 내의 전도성 트레이스를 포함할 수 있다. 수동 공진기는 위상 안테나 어레이에 의해 접지 평면 상에서 생성된 표면 전류에 대한 개방 회로 임피던스를 형성하기 위해 위상 안테나 어레이의 유효 동작 파장의 1/4에서 공진할 수 있다. 이는 표면 전류가 접지 평면의 에지에서 산란되고 집적 회로 상으로 누출되는 것을 차단하는 역할을 할 수 있다.
도 1은 일부 실시예들에 따른, 무선 회로부를 갖는 예시적인 전자 디바이스의 사시도이다.
도 2는 일부 실시예들에 따른 예시적인 전자 디바이스의 후방 사시도이다.
도 3은 일부 실시예들에 따른, 무선 회로부를 갖는 예시적인 전자 디바이스의 개략도이다.
도 4는 일부 실시예들에 따른, 신호들의 빔을 지향시키기 위해 제어 회로부를 사용하여 조정될 수 있는 예시적인 위상 안테나 어레이의 도면이다.
도 5는 일부 실시예들에 따른, 예시적인 송수신기 회로 및 안테나의 도면이다.
도 6은 일부 실시예들에 따른, 이중 포트들을 갖는 예시적인 패치 안테나의 사시도이다.
도 7은 일부 실시예들에 따른, 예시적인 안테나 모듈의 사시도이다.
도 8은 일부 실시예들에 따른, 수동 공진기 격리 요소를 갖는 예시적인 안테나 모듈의 측단면도이다.
도 9는 일부 실시예들에 따른, 수동 공진기 격리 요소를 갖는 예시적인 안테나 모듈의 평면도이다.
도 10은 일부 실시예들에 따른, 위상 안테나 어레이를 위한 예시적인 방사 패턴 엔벨로프들의 측면도이다.
도 1의 전자 디바이스(10)와 같은 전자 디바이스는 무선 회로부를 포함할 수 있다. 무선 회로부는 하나 이상의 안테나들을 포함할 수 있다. 안테나들은 밀리미터파 및 센티미터파 통신을 처리하는 데 사용되는 위상 안테나 어레이들을 포함할 수 있다. 때때로 극고주파(EHF) 통신으로 지칭되는 밀리미터파 통신은 60 ㎓ 또는 약 30 ㎓ 내지 300 ㎓의 다른 주파수들에서의 신호들을 수반한다. 센티미터파 통신은 약 10 ㎓ 내지 30 ㎓의 주파수들에서의 신호들을 수반한다. 전자 디바이스는 이들 주파수들에서의 신호들을 사용하여 무선 통신을 수행하기 위한 안테나들을 포함할 수 있다. 원하는 경우, 디바이스(10)는 또한 위성 내비게이션 시스템 신호들, 셀룰러 전화 신호들, 로컬 무선 영역 네트워크 신호들, 근거리 통신들, 광 기반 무선 통신들, 또는 다른 무선 통신들을 처리하기 위한 무선 통신 회로부를 포함할 수 있다.
전자 디바이스(10)는, 랩톱 컴퓨터와 같은 컴퓨팅 디바이스, 임베디드 컴퓨터를 포함하는 컴퓨터 모니터, 태블릿 컴퓨터, 셀룰러 전화기, 미디어 플레이어, 또는 다른 핸드헬드 또는 휴대용 전자 디바이스, 더 작은 디바이스, 예컨대 손목시계 디바이스, 펜던트(pendant) 디바이스, 헤드폰 또는 이어피스(earpiece) 디바이스, 가상 또는 증강 현실 헤드셋 디바이스, 안경 또는 사용자의 머리에 착용되는 다른 장비에 임베딩된 디바이스, 또는 다른 웨어러블(wearable) 또는 소형 디바이스, 텔레비전, 임베디드 컴퓨터를 포함하지 않는 컴퓨터 디스플레이, 게이밍 디바이스, 내비게이션 디바이스, 디스플레이를 구비한 전자 장비가 키오스크(kiosk) 또는 자동차 내에 장착되어 있는 시스템과 같은 임베디드 시스템, 무선 액세스 포인트 또는 기지국, 데스크톱 컴퓨터, 키보드, 게이밍 제어기, 컴퓨터 마우스, 마우스패드, 트랙패드 또는 터치패드, 이러한 디바이스들 중 둘 이상의 디바이스들의 기능을 구현하는 장비, 또는 다른 전자 장비일 수 있다. 도 1의 예시적인 구성에서, 디바이스(10)는 셀룰러 전화기, 미디어 플레이어, 태블릿 컴퓨터, 또는 다른 휴대용 컴퓨팅 디바이스와 같은 휴대용 디바이스이다. 원하는 경우, 디바이스(10)를 위한 다른 구성들이 사용될 수 있다. 도 1의 예는 단지 예시적인 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 디바이스(10)는 디스플레이(8)와 같은 디스플레이를 포함할 수 있다. 디스플레이(8)는 하우징(12)과 같은 하우징 내에 장착될 수 있다. 때때로 인클로저 또는 케이스로 지칭될 수 있는 하우징(12)은 플라스틱, 유리, 세라믹, 섬유 복합재들, 금속(예를 들어, 스테인리스강, 알루미늄 등), 다른 적합한 재료들, 또는 이들 재료들 중 임의의 2개 이상의 조합으로 형성될 수 있다. 하우징(12)은, 하우징(12)의 일부 또는 전부가 단일 구조물로서 기계가공 또는 성형되는 일체형 구성을 사용하여 형성될 수 있거나, 또는 다수의 구조물들(예를 들어, 내부 프레임 구조물, 외부 하우징 표면들을 형성하는 하나 이상의 구조물들 등)을 사용하여 형성될 수 있다.
디스플레이(8)는, 전도성 용량성 터치 센서 전극들의 층 또는 다른 터치 센서 컴포넌트들(예를 들어, 저항성 터치 센서 컴포넌트들, 음향 터치 센서 컴포넌트들, 힘 기반 터치 센서 컴포넌트들, 광 기반 터치 센서 컴포넌트들 등)을 통합하는 터치 스크린 디스플레이일 수 있거나, 또는 터치 감응형이 아닌 디스플레이일 수 있다. 용량성 터치 스크린 전극들은 인듐 주석 산화물 패드들의 어레이 또는 다른 투명 전도성 구조물들로부터 형성될 수 있다.
디스플레이(8)는 액정 디스플레이(LCD) 컴포넌트들로 형성된 디스플레이 픽셀들의 어레이, 전기 영동 디스플레이 픽셀들의 어레이, 플라즈마 디스플레이 픽셀들의 어레이, 유기 발광 다이오드 디스플레이 픽셀들의 어레이, 전기습윤 디스플레이 픽셀들의 어레이, 또는 다른 디스플레이 기술들에 기초한 디스플레이 픽셀들을 포함할 수 있다.
디스플레이(8)는 투명(transparent) 유리, 투명한(clear) 플라스틱, 사파이어, 또는 다른 투명 유전체의 층과 같은 디스플레이 커버 층을 사용하여 보호될 수 있다. 디스플레이 커버 층 내에 개구들이 형성될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 버튼들, 지문 센서 또는 광 센서와 같은 센서 회로부, 스피커 포트 또는 마이크로폰 포트와 같은 포트들 등을 수용하기 위해 개구들이 디스플레이 커버 층 내에 형성될 수 있다. 통신 포트들(예컨대, 오디오 잭 포트, 디지털 데이터 포트, 충전 포트 등)을 형성하기 위해 개구들이 하우징(12) 내에 형성될 수 있다. 하우징(12) 내의 개구들은 또한 스피커 및/또는 마이크로폰과 같은 오디오 컴포넌트들을 위해 형성될 수 있다.
안테나들이 하우징(12) 내에 장착될 수 있다. 원하는 경우, 안테나들 중 일부(예를 들어, 빔 조향(beam steering)을 구현할 수 있는 안테나 어레이들 등)는 디스플레이(8)의 비활성 경계 영역 아래에 장착될 수 있다(예를 들어, 도 1의 예시적인 안테나 위치들(6) 참조). 디스플레이(8)는 픽셀들의 어레이를 갖는 활성 영역(예를 들어, 중심 직사각형 부분)을 포함할 수 있다. 디스플레이(8)의 비활성 영역들은 픽셀들을 갖지 않으며 활성 영역에 대한 경계들을 형성할 수 있다. 원하는 경우, 안테나들은 또한 하우징(12)의 후방에서 또는 디바이스(10) 내의 다른 곳에서 유전체-충전 개구(dielectric-filled opening)들을 통해 동작할 수 있다.
사람의 손 또는 사용자의 다른 신체 부분과 같은 외부 물체가 하나 이상의 안테나들을 차단할 때 통신을 방해하는 것을 피하기 위해, 안테나들이 하우징(12) 내의 다수의 위치들에 장착될 수 있다. 하나 이상의 안테나들이 하우징(12)의 배향, 사용자의 손 또는 다른 외부 물체에 의한 차단, 또는 다른 환경적 요인들로 인해 유해한 영향을 받고 있는 경우를 결정하는 데 있어서, 근접 센서 데이터와 같은 센서 데이터, 실시간 안테나 임피던스 측정치들, 수신 신호 강도 정보와 같은 신호 품질 측정치들, 및 다른 데이터가 사용될 수 있다. 이어서, 디바이스(10)는 유해한 영향을 받고 있는 안테나들 대신에 하나 이상의 대체 안테나들을 사용하도록 스위칭할 수 있다.
안테나들은 하우징(12)의 코너들에(예를 들어, 도 1의 코너 위치들(6) 및/또는 하우징(12)의 후방 상의 코너 위치들에), 하우징(12)의 주변 에지들을 따라, 하우징(12)의 후방 상에, 디스플레이 커버 유리 또는 디스플레이(10)의 전방 상의 디스플레이(8)를 커버 및 보호하기 위해 사용되는 다른 유전체 디스플레이 커버 층 아래에, 하우징(12)의 후면 상의 유전체 윈도우 또는 하우징(12)의 에지 아래에, 또는 디바이스(10) 내의 다른 곳에 장착될 수 있다.
도 2는 안테나들(예를 들어, 단일 안테나들 및/또는 위상 안테나 어레이들)이 디바이스(10) 내에 장착될 수 있는 하우징(12)의 후방 및 측부 상의 예시적인 위치들(6)을 도시한 전자 디바이스(10)의 후방 사시도이다. 안테나들은 디바이스(10)의 코너들에, 측벽들(12E)에 의해 형성된 에지들과 같은 하우징(12)의 에지들을 따라, 후방 하우징 부분(벽)(12R)의 상부 및 하부 부분들 상에, 후방 하우징 벽(12R)의 중심에(예컨대, 유전체 윈도우 구조물 또는 후방 하우징(12R)의 중심에 있는 다른 안테나 윈도우 아래에), 후방 하우징 벽(12R)의 코너들에(예컨대, 하우징(12) 및 디바이스(10)의 후방의 상부 좌측 코너, 상부 우측 코너, 하부 좌측 코너, 및 하부 우측 코너 상에) 등에 장착될 수 있다.
하우징(12)이 전체적으로 또는 거의 전체적으로 유전체로부터 완전히 형성되는 구성들에서, 안테나들은 유전체의 임의의 적합한 부분을 통해 안테나 신호들을 송신 및 수신할 수 있다. 하우징(12)이 금속과 같은 전도성 재료로 형성되는 구성들에서, 금속 내의 슬롯들 또는 다른 개구들과 같은 하우징의 영역들이 플라스틱 또는 다른 유전체로 충전될 수 있다. 안테나들은 개구들 내의 유전체와 정렬되어 장착될 수 있다. 때때로 유전체 안테나 윈도우들, 유전체 갭들, 유전체-충전 개구들, 유전체-충전 슬롯들, 세장형 유전체 개구 영역들 등으로 지칭될 수 있는 이들 개구들은, 안테나 신호들이 디바이스(10)의 내부 내에 장착된 안테나들로부터 외부 무선 장비로 송신되게 할 수 있고, 내부 안테나들이 외부 무선 장비로부터 안테나 신호들을 수신하게 할 수 있다. 다른 적합한 배열에서, 안테나들은 하우징(12)의 전도성 부분들의 외부 상에 장착될 수 있다.
디바이스(10)에서 사용될 수 있는 예시적인 컴포넌트들을 도시하는 개략도가 도 3에 도시된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 디바이스(10)는 제어 회로부(14)와 같은 저장 및 프로세싱 회로부를 포함할 수 있다. 제어 회로부(14)는 하드 디스크 드라이브 저장소, 비휘발성 메모리(예컨대, 플래시 메모리, 또는 솔리드 스테이트 드라이브(solid state drive)를 형성하도록 구성된 다른 전기적으로 프로그래밍가능한 판독 전용 메모리), 휘발성 메모리(예컨대, 정적 또는 동적 랜덤 액세스 메모리) 등과 같은 저장소를 포함할 수 있다. 제어 회로부(14) 내의 프로세싱 회로부는 디바이스(10)의 동작을 제어하는 데 사용될 수 있다. 이러한 프로세싱 회로부는 하나 이상의 마이크로프로세서들, 마이크로제어기들, 디지털 신호 프로세서들, 호스트 프로세서들, 베이스밴드 프로세서 집적 회로들, 응용 주문형 집적 회로들 등에 기초할 수 있다.
제어 회로부(14)는 인터넷 브라우징 애플리케이션들, VOIP(voice-over-internet-protocol) 전화 통화 애플리케이션들, 이메일 애플리케이션들, 미디어 재생 애플리케이션들, 운영 체제 기능들 등과 같은, 디바이스(10) 상의 소프트웨어를 실행하기 위해 사용될 수 있다. 외부 장비와의 상호작용들을 지원하기 위해, 제어 회로부(14)는 통신 프로토콜들을 구현하기 위해 사용될 수 있다. 제어 회로부(14)를 사용하여 구현될 수 있는 통신 프로토콜들은 인터넷 프로토콜들, 무선 로컬 영역 네트워크 프로토콜들(예컨대, IEEE 802.11 프로토콜들 - 때때로 WiFi®로 지칭됨), 블루투스® 프로토콜 또는 다른 WPAN 프로토콜들과 같은 다른 단거리 무선 통신 링크들에 대한 프로토콜들, IEEE 802.11ad 프로토콜들, 셀룰러 전화 프로토콜들, MIMO 프로토콜들, 안테나 다이버시티 프로토콜들, 위성 내비게이션 시스템 프로토콜들, 안테나-기반 공간 레인징 프로토콜(antenna-based spatial ranging protocol)들(예를 들어, 무선 검출 및 레인징(radio detection and ranging, RADAR) 프로토콜들 또는 밀리미터파 및 센티미터파 주파수들에서 전달되는 신호들에 대한 다른 원하는 레인지 검출 프로토콜들) 등을 포함한다. 각각의 통신 프로토콜은 프로토콜을 구현하는 데 사용되는 물리적 접속 방법론을 특정하는 대응하는 무선 액세스 기술(RAT)과 연관될 수 있다.
디바이스(10) 내의 제어 회로부(예컨대, 제어 회로부(14))는 하드웨어(예컨대, 전용 하드웨어 또는 회로부), 펌웨어, 및/또는 소프트웨어를 사용하여 디바이스(10)에서 동작들을 수행하도록 구성될 수 있다. 디바이스(10)에서 동작들을 수행하기 위한 소프트웨어 코드는 제어 회로부(14) 내의 비일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체(예컨대, 유형의(tangible) 컴퓨터 판독가능 저장 매체) 상에 저장된다. 소프트웨어 코드는 때때로 프로그램 명령어들, 소프트웨어, 데이터, 명령어들, 또는 코드로 지칭될 수 있다. 비일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체는 비휘발성 랜덤 액세스 메모리(NVRAM)와 같은 비휘발성 메모리, 하나 이상의 하드 드라이브들(예컨대, 마그네틱 드라이브들 또는 솔리드 스테이트 드라이브들), 하나 이상의 제거가능형 플래시 드라이브들 또는 다른 제거가능형 매체 등을 포함할 수 있다. 비일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체에 저장된 소프트웨어는 제어 회로부(14)의 프로세싱 회로부 상에서 실행될 수 있다. 프로세싱 회로부는 프로세싱 회로부, 하나 이상의 마이크로프로세서들, 중앙 프로세싱 유닛(CPU) 또는 다른 프로세싱 회로부를 갖춘 주문형 집적 회로들을 포함할 수 있다.
디바이스(10)는 입출력 회로부(16)를 포함할 수 있다. 입출력 회로부(16)는 입출력 디바이스들(18)을 포함할 수 있다. 입출력 디바이스들(18)은 데이터가 디바이스(10)에 공급되게 하기 위해, 그리고 데이터가 디바이스(10)로부터 외부 디바이스들로 제공되게 하기 위해 사용될 수 있다. 입출력 디바이스들(18)은 사용자 인터페이스 디바이스들, 데이터 포트 디바이스들, 센서들, 및 다른 입출력 컴포넌트들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 입출력 디바이스들은 터치 스크린들, 터치 센서 능력들을 갖지 않는 디스플레이들, 버튼들, 조이스틱들, 스크롤링 휠들, 터치 패드들, 키 패드들, 키보드들, 마이크로폰들, 카메라들, 스피커들, 상태 표시자들, 광원들, 오디오 잭들 및 기타 오디오 포트 컴포넌트들, 디지털 데이터 포트 디바이스들, 광 센서들, 자이로스코프들, 가속도계들 또는 지구에 대한 모션 및 디바이스 배향을 검출할 수 있는 다른 컴포넌트들, 캐패시턴스 센서들, 근접 센서들(예를 들어, 용량성 근접 센서 및/또는 적외선 근접 센서), 자기 센서들, 및 기타 센서들 및 입출력 컴포넌트들을 포함할 수 있다.
입출력 회로부(16)는 외부 장비와 무선으로 통신하기 위한 무선 통신 회로부(34)와 같은 무선 통신 회로부를 포함할 수 있다. 무선 회로부(34)는 하나 이상의 집적 회로들로부터 형성된 무선-주파수(RF) 송수신기 회로부, 전력 증폭기 회로부, 저잡음 입력 증폭기들, 수동 RF 컴포넌트들, 하나 이상의 안테나들(40), 송신 라인들, 및 RF 무선 신호들을 처리하기 위한 다른 회로부를 포함할 수 있다. 무선 신호들은 또한 광을 사용하여(예컨대, 적외선 통신을 사용하여) 전송될 수 있다.
무선 회로부(34)는 다양한 무선-주파수 통신 대역들을 처리하기 위한 송수신기 회로부(20)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 송수신기 회로부(20)는 GPS(Global Positioning System) 수신기 회로들(22), 로컬 무선 송수신기 회로들(24), 원격 무선 송수신기 회로들(26), 및/또는 밀리미터파 송수신기 회로들(28)을 포함할 수 있다.
로컬 무선 송수신기 회로들(24)은 무선 로컬 영역 네트워크(WLAN) 송수신기 회로부를 포함할 수 있고, 따라서 때때로 본 명세서에서 WLAN 송수신기 회로부(24)로 지칭될 수 있다. WLAN 송수신기 회로부(24)는 WiFi®(IEEE 802.11) 통신을 위한 2.4 ㎓ 및 5 ㎓ 대역들을 처리할 수 있고, 2.4 ㎓ 블루투스® 통신 대역을 처리할 수 있다.
원격 무선 송수신기 회로들(26)은 셀룰러 전화 송수신기 회로부를 포함할 수 있고, 따라서 때때로 본 명세서에서 셀룰러 전화 송수신기 회로부(26)로 지칭될 수 있다. 셀룰러 전화 송수신기 회로부(26)는, (예들로서) 700 내지 960 ㎒의 통신 대역, 1710 내지 2170 ㎒의 통신 대역, 및 2300 내지 2700 ㎒의 통신 대역, 또는 600 ㎒와 4000 ㎒ 사이의 다른 통신 대역들과 같은 주파수 범위들, 또는 다른 적합한 주파수들에서의 무선 통신을 처리할 수 있다. 셀룰러 전화 송수신기 회로부(26)는 음성 데이터 및 비음성 데이터를 처리할 수 있다.
밀리미터파 송수신기 회로들(28)(때때로 본 명세서에서 극고주파(EHF) 송수신기 회로부(28) 또는 밀리미터파 송수신기 회로부(28)로 지칭됨)은 약 10 ㎓ 내지 300 ㎓의 주파수들에서의 통신을 지원할 수 있다. 예를 들어, 밀리미터파 송수신기 회로부(28)는 약 30 ㎓ 내지 300 ㎓의 극고주파(EHF) 또는 밀리미터파 통신 대역들에서의, 그리고/또는 약 10 ㎓ 내지 30 ㎓의 센티미터파 통신 대역들(때때로 초고주파(Super High Frequency, SHF) 대역들로 지칭됨)에서의 통신을 지원할 수 있다. 예로서, 밀리미터파 송수신기 회로부(28)는 약 18 ㎓ 내지 27 ㎓의 IEEE K 통신 대역, 약 26.5 ㎓ 내지 40 ㎓의 Ka 통신 대역, 약 12 ㎓ 내지 18 ㎓의 Ku 통신 대역, 약 40 ㎓ 내지 75 ㎓의 V 통신 대역, 약 75 ㎓ 내지 110 ㎓의 W 통신 대역, 또는 대략 10 ㎓ 내지 300 ㎓의 임의의 다른 원하는 주파수 대역에서의 통신을 지원할 수 있다. 원하는 경우, 밀리미터파 송수신기 회로부(28)는 60 ㎓에서의 그리고/또는 27 ㎓ 내지 90 ㎓의 5세대 모바일 네트워크들 또는 5세대 무선 시스템들(5G) 통신 대역들에서의 IEEE 802.11ad 통신을 지원할 수 있다. 원하는 경우, 밀리미터파 송수신기 회로부(28)는 10 ㎓ 내지 300 ㎓의 다수의 주파수 대역들, 예컨대 27.5 ㎓ 내지 29.5 ㎓의 제1 대역, 37 ㎓ 내지 41 ㎓의 제2 대역, 57 ㎓ 내지 71 ㎓의 제3 대역, 및/또는 10 ㎓ 내지 300 ㎓의 다른 통신 대역들에서의 통신을 지원할 수 있다. 밀리미터파 송수신기 회로부(28)는 하나 이상의 집적 회로들(예를 들어, 시스템-인-패키지 디바이스 내의 공통 인쇄 회로 상에 장착된 다수의 집적 회로들, 상이한 기판들 상에 장착된 하나 이상의 집적 회로들 등)로부터 형성될 수 있다.
회로부(28)가 때때로 본 명세서에서 밀리미터파 송수신기 회로부(28)로 지칭되지만, 밀리미터파 송수신기 회로부(28)는 10 ㎓ 내지 300 ㎓의 주파수들에서 임의의 원하는 통신 대역들에서의(예컨대, 밀리미터파 통신 대역들, 센티미터파 통신 대역들 등에서의) 통신을 처리할 수 있다. 원하는 경우, 밀리미터파 송수신기 회로부(28)는 안테나들(40)에 의해 송신 및 수신되는 밀리미터파 및/또는 센티미터파 신호들을 사용하여 공간 레인징 동작들을 수행하는 공간 레인징 회로부(예컨대, 밀리미터파 공간 레인징 회로부)를 포함할 수 있다. 공간 레인징 회로부는 디바이스(10)와 디바이스(10)의 주변의 외부 물체들(예를 들어, 하우징(12) 및 디바이스(10) 외부의 물체들, 예컨대 사용자 또는 다른 사람들의 신체, 다른 디바이스들, 동물들, 가구, 벽들, 또는 디바이스(10) 부근의 다른 물체들 또는 장애물들) 사이의 레인지를 검출 또는 추정하기 위해 송신 및 수신된 신호들을 사용할 수 있다.
GPS 수신기 회로들(22)은 1575 ㎒의 GPS 신호들 또는 다른 위성 포지셔닝 데이터(예컨대, 1609 ㎒에서의 GLONASS 신호들)를 처리하기 위한 신호들을 수신할 수 있다. GPS 수신기 회로들(22)에 대한 위성 내비게이션 시스템 신호들은 지구를 선회하는 일단의 위성들(a constellation of satellites)로부터 수신된다.
무선 회로부(34)는, 원하는 경우, 다른 단거리 및 장거리 무선 링크들을 위한 회로부를 포함할 수 있다. 예를 들어, 무선 회로부(34)는 텔레비전 및 라디오 신호들을 수신하기 위한 회로부, 호출 시스템 송수신기들, 근거리 무선 통신(near field communication, NFC) 회로부 등을 포함할 수 있다.
위성 내비게이션 시스템 링크들, 셀룰러 전화 링크들, 및 기타 장거리 링크들에서, 무선 신호들은 전형적으로 수천 피트 또는 마일에 걸쳐서 데이터를 전달하는 데 사용된다. 2.4 및 5 ㎓에서의 Wi-Fi® 및 블루투스® 링크들 및 다른 단거리 무선 링크들에서, 무선 신호들은 전형적으로 수십 또는 수백 피트에 걸쳐 데이터를 전달하는 데 사용된다. 밀리미터파 송수신기 회로부(28)는 가시선 경로(line-of-sight path)를 통해 송신기와 수신기 사이에서 이동하는 신호들을 짧은 거리들에 걸쳐 전달할 수 있다. 밀리미터파 및 센티미터파 통신에 대한 신호 수신을 향상시키기 위해, 위상 안테나 어레이들 및 빔 조향(beam steering) 기술들(예를 들어, 어레이 내의 각각의 안테나에 대한 안테나 신호 위상 및/또는 크기가 빔 조향을 수행하도록 조정되는 방식들)이 사용될 수 있다. 디바이스(10)의 동작 환경으로 인해 차단되었거나 달리 열화된 안테나들이 비사용 중(out of use)으로 스위칭될 수 있고 더 높은 성능의 안테나들이 그들을 대신하여 사용될 수 있도록 보장하기 위해 안테나 다이버시티 스킴들이 또한 사용될 수 있다.
임의의 적합한 안테나 유형들을 사용하여 무선 회로부(34) 내의 안테나들(40)이 형성될 수 있다. 예를 들면, 안테나들(40)은 적층형 패치 안테나 구조물, 루프 안테나 구조물, 패치 안테나 구조물, 역-F 안테나 구조물, 슬롯 안테나 구조물, 평면 역-F 안테나 구조물, 모노폴, 다이폴, 나선형 안테나 구조물, 야기(Yagi)(Yagi-Uda) 안테나 구조물, 이들 설계들의 하이브리드 등으로부터 형성되는 공진 요소들을 갖는 안테나들을 포함할 수 있다. 원하는 경우, 안테나들(40) 중 하나 이상은 후면-공동형 안테나(cavity-backed antenna)들일 수 있다. 상이한 유형들의 안테나들이 상이한 대역들 및 대역들의 조합들에 대해 사용될 수 있다. 예를 들면, 일 유형의 안테나는 로컬 무선 링크 안테나를 형성하는 데 사용될 수 있고, 다른 유형의 안테나는 원격 무선 링크 안테나를 형성하는 데 사용될 수 있다. 위성 내비게이션 시스템 신호들을 수신하기 위해 전용 안테나들이 사용될 수 있거나, 또는, 원하는 경우, 안테나들(40)은 위성 내비게이션 시스템 신호들 및 다른 통신 대역들을 위한 신호들(예컨대, 무선 로컬 영역 네트워크 신호들 및/또는 셀룰러 전화 신호들) 양측 모두를 수신하도록 구성될 수 있다. 안테나들(40)은 밀리미터 및 센티미터파 통신을 처리하기 위한 하나 이상의 위상 안테나 어레이들로 배열된 안테나들을 포함할 수 있다.
디바이스(10) 내에서 안테나 신호들을 라우팅하기 위해 송신 라인 경로들이 사용될 수 있다. 예를 들어, 송신 라인 경로들은 안테나들(40)을 송수신기 회로부(20)에 결합하는 데 사용될 수 있다. 디바이스(10) 내의 송신 라인 경로들(때때로 본 명세서에서 송신 라인들로 지칭됨)은 동축 케이블, 금속화된 비아들에 의해 실현되는 동축 프로브, 마이크로스트립(microstrip) 송신 라인, 스트립라인(stripline) 송신 라인, 에지-결합형 마이크로스트립 송신 라인, 에지-결합형 스트립라인 송신 라인, 도파관 구조물, 이러한 유형들의 송신 라인들의 조합으로 형성된 송신 라인들 등을 포함할 수 있다.
원하는 경우, 디바이스(10) 내의 송신 라인들은 강성 및/또는 가요성 인쇄 회로 보드들에 통합될 수 있다. 하나의 적합한 배열에서, 디바이스(10) 내의 송신 라인들은, 또한, 다수의 차원들(예컨대, 2차원 또는 3차원)로 절첩될 수 있거나 휘어질 수 있고 휨 후에 휘어진 또는 절첩된 형상을 유지하는 다층 라미네이트 구조물들(예컨대, 접착제를 개재시키지 않고서 함께 라미네이팅되는 구리와 같은 전도성 재료와 수지와 같은 유전체 재료의 층들) 내에 통합되는 송신 라인 전도체들(예컨대, 신호 및 접지 전도체들)을 포함할 수 있다(예컨대, 다층 라미네이트 구조물들은 다른 디바이스 컴포넌트들 둘레로 라우팅하도록 특정한 3차원 형상으로 절첩될 수 있고, 보강재들 또는 다른 구조물들에 의해 제자리에서 유지되지 않고서 절첩 후에 그의 형상을 유지하기에 충분히 강성일 수 있다). 라미네이트 구조물들의 다수의 층들 모두는 (예컨대, 접착제를 이용하여 다수의 층들을 함께 라미네이팅하기 위해 다수의 가압 프로세스들을 수행하는 것과는 반대로) 접착제 없이 함께 (예컨대, 단일 가압 프로세스에서) 배치(batch) 라미네이팅될 수 있다. 원하는 경우, 필터 회로부, 스위칭 회로부, 임피던스 정합 회로부, 및 다른 회로부가 송신 라인들 내에 개재될 수 있다.
핸드헬드 디바이스들과 같은 디바이스들에서, 사용자의 손 또는 디바이스가 놓여 있는 테이블 또는 다른 표면과 같은 외부 물체의 존재는 밀리미터파 신호들과 같은 무선 신호들을 차단하는 잠재력을 갖는다. 따라서, 다수의 안테나들 또는 위상 안테나 어레이들을 디바이스(10) 내에 통합하는 것이 바람직할 수 있으며, 이들 각각은 디바이스(10) 내의 상이한 위치에 배치된다. 이러한 유형의 배열에서, 차단되지 않은 안테나 또는 위상 안테나 어레이는 사용 중으로 스위칭될 수 있다. 위상 안테나 어레이가 디바이스(10) 내에 형성되는 시나리오들에서, 일단 사용 중으로 스위칭되면, 위상 안테나 어레이는 무선 성능을 최적화하기 위해 빔 조향을 사용할 수 있다. 디바이스(10) 내의 하나 이상의 상이한 위치들로부터의 안테나들이 함께 동작되는 구성들이 또한 사용될 수 있다.
위상 안테나 어레이들을 갖는 디바이스들에서, 무선 회로부(34)는 (예를 들어, 원하는 포인팅 방향으로 위상 안테나 어레이의 신호 빔을 향하게 하도록 빔 조향을 수행하기 위해) 위상 안테나 어레이 내의 각각의 안테나(40)와 연관된 신호들을 조정하는 데 사용되는 이득 및 위상 조정 회로부를 포함할 수 있다. 스위칭 회로부는 원하는 안테나들(40)을 사용 중으로 그리고 비사용 중으로 스위칭하는 데 사용될 수 있다. 원하는 경우, 도 1 및 도 2의 위치들(6) 각각은 다수의 안테나들(40)(예를 들어, 위상 안테나 어레이 내의 3개의 안테나들 또는 3개보다 많거나 3개보다 적은 안테나들의 세트)을 포함할 수 있고, 그리고 원하는 경우, 위치들(6) 중 하나의 위치로부터의 하나 이상의 안테나들은 신호들을 송신 및 수신하는 데 사용되면서 위치들(6) 중 다른 위치로부터의 하나 이상의 안테나들을 신호들을 송신 및 수신하는 데 사용할 수 있다.
도 4는 밀리미터파 및 센티미터파 통신을 처리하기 위한 안테나들(40)이 어떻게 위상 안테나 어레이 내에 형성될 수 있는지를 도시한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 위상 안테나 어레이(42)(때때로 본 명세서에서 어레이(42), 안테나 어레이(42), 또는 안테나들(40)의 어레이(42)로 지칭됨)는 송신 라인 경로들(50)(예컨대, 하나 이상의 무선-주파수 송신 라인들)과 같은 신호 경로들에 결합될 수 있다. 예를 들어, 위상 안테나 어레이(42) 내의 제1 안테나(40-1)는 제1 송신 라인 경로(50-1)에 결합될 수 있고, 위상 안테나 어레이(42) 내의 제2 안테나(50-2)는 제2 송신 라인 경로(50-2)에 결합될 수 있고, 위상 안테나 어레이(42) 내의 제N 안테나(40-N)는 제N 송신 라인 경로(50-N)에 결합될 수 있는 등이다. 안테나들(40)이 본 명세서에서 위상 안테나 어레이를 형성하는 것으로 기술되지만, 위상 안테나 어레이(42) 내의 안테나들(40)은 때때로 단일 위상 어레이 안테나를 집합적으로 형성하는 것으로 또한 지칭될 수 있다.
위상 안테나 어레이(42) 내의 안테나들(40)은 임의의 원하는 수의 행들 및 열들로 또는 임의의 다른 원하는 패턴으로 배열될 수 있다(예를 들어, 안테나들은 행들 및 열들을 갖는 그리드 패턴으로 배열될 필요가 없다). 신호 송신 동작들 동안, 송신 라인 경로들(50)은 외부 무선 장비에 대한 무선 송신을 위한 위상 안테나 어레이(42)에 밀리미터파 송신기 회로부(28)(도 3)로부터의 신호들(예컨대, 밀리미터파 및/또는 센티미터파 신호들과 같은 무선-주파수 신호들)을 공급하는 데 사용될 수 있다. 신호 수신 동작들 동안, 송신 라인 경로들(50)은 외부 무선 장비로부터 위상 안테나 어레이(42)에서 수신된 신호들을 밀리미터파 송수신기 회로부(28)(도 3)로 전달하는 데 사용될 수 있다.
위상 안테나 어레이(42) 내의 다수의 안테나들(40)의 사용은 안테나들에 의해 전달되는 무선-주파수 신호들의 상대적 위상들 및 크기들(진폭들)을 제어함으로써 빔 조향 배열들이 구현될 수 있게 한다. 도 4의 예에서, 안테나들(40)은 각각 대응하는 무선-주파수 위상 및 크기 제어기(46)를 갖는다(예컨대, 송신 라인 경로(50-1) 상에 개재된 제1 위상 및 크기 제어기(46-1)는 안테나(40-1)에 의해 처리되는 무선-주파수 신호들에 대한 위상 및 크기를 제어할 수 있고, 송신 라인 경로(50-2) 상에 개재된 제2 위상 및 크기 제어기(46-2)는 안테나(40-2)에 의해 처리되는 무선-주파수 신호들에 대한 위상 및 크기를 제어할 수 있고, 송신 라인 경로(50-N) 상에 개재된 제N 위상 및 크기 제어기(46-N)는 안테나(40-N)에 의해 처리되는 무선-주파수 신호들에 대한 위상 및 크기를 제어할 수 있고 등등이다).
위상 및 크기 제어기들(46)은 각각 송신 라인 경로들(50) 상의 무선-주파수 신호들의 위상을 조정하기 위한 회로부(예컨대, 위상 시프터 회로들) 및/또는 송신 라인 경로들(50) 상의 무선-주파수 신호들의 크기를 조정하기 위한 회로부(예컨대, 전력 증폭기 및/또는 저잡음 증폭기 회로들)를 포함할 수 있다. 위상 및 크기 제어기들(46)은 때때로 본 명세서에서 집합적으로 빔 조향 회로부(예를 들어, 위상 안테나 어레이(42)에 의해 송신 및/또는 수신된 무선-주파수 신호들의 빔을 조향하는 빔 조향 회로부)로 지칭될 수 있다.
위상 및 크기 제어기들(46)은 위상 안테나 어레이(42) 내의 안테나들 각각에 제공되는 송신된 신호들의 상대적 위상들 및/또는 크기들을 조정할 수 있고, 외부 무선 장비로부터 위상 안테나 어레이(42)에 의해 수신되는 수신 신호들의 상대적 위상들 및/또는 크기들을 조정할 수 있다. 위상 및 크기 제어기들(46)은, 원하는 경우, 외부 무선 장비로부터 위상 안테나 어레이(42)에 의해 수신되는 수신 신호들의 위상들을 검출하기 위한 위상 검출 회로부를 포함할 수 있다. 용어 "빔" 또는 "신호 빔"은 본 명세서에서 특정 방향으로 위상 안테나 어레이(42)에 의해 송신 및 수신되는 무선 신호들을 집합적으로 지칭하기 위해 사용될 수 있다. 신호 빔은 대응하는 포인팅 각도에서 특정 포인팅 방향으로 (예를 들어, 위상 안테나 어레이 내의 각각의 안테나로부터의 신호들의 조합으로부터의 보강 및 상쇄 간섭에 기초하여) 배향되는 피크 이득(peak gain)을 나타낼 수 있다. 용어 "송신 빔"은 때때로 본 명세서에서 특정 방향으로 송신되는 무선-주파수 신호들을 지칭하는 데 사용될 수 있는 반면, 용어 "수신 빔"은 때때로 본 명세서에서 특정 방향으로부터 수신되는 무선-주파수 신호들을 지칭하기 위해 사용될 수 있다.
예를 들어, 위상 및 크기 제어기들(46)이 송신된 밀리미터파 신호들에 대한 위상들 및/또는 크기들의 제1 세트를 생성하도록 조정되는 경우, 송신된 신호들은 포인트 A의 방향으로 배향되는 도 4의 빔(48A)에 의해 도시된 바와 같이 밀리미터파 주파수 송신 빔을 형성할 것이다. 그러나, 위상 및 크기 제어기들(46)이 송신된 밀리미터파 신호들에 대한 위상들 및/또는 크기들의 제2 세트를 생성하도록 조정되는 경우, 송신된 신호들은 포인트 B의 방향으로 배향되는 빔(48B)에 의해 도시된 바와 같은 밀리미터파 주파수 송신 빔을 형성할 것이다. 유사하게, 위상 및 크기 제어기들(46)이 위상들 및/또는 크기들의 제1 세트를 생성하도록 조정되는 경우, 무선 신호들(예컨대, 밀리미터파 주파수 수신 빔에서의 밀리미터파 신호들)은 빔(48A)에 의해 도시된 바와 같이 포인트 A의 방향으로부터 수신될 수 있다. 위상 및 크기 제어기들(46)이 위상들 및/또는 크기들의 제2 세트를 생성하도록 조정되는 경우, 신호들은 빔(48B)에 의해 도시된 바와 같이 포인트 B의 방향으로부터 수신될 수 있다.
각각의 위상 및 크기 제어기(46)는 도 3의 제어 회로부(14) 또는 디바이스(10) 내의 다른 제어 회로부로부터 수신된 대응하는 제어 신호(44)에 기초하여 원하는 위상 및/또는 크기를 생성하도록 제어될 수 있다(예를 들어, 위상 및 크기 제어기(46-1)에 의해 제공되는 위상 및/또는 크기는 제어 신호(44-1)를 사용하여 제어될 수 있고, 위상 및 크기 제어기(46-2)에 의해 제공되는 위상 및/또는 크기는 제어 신호(44-2)를 사용하여 제어될 수 있고 등등이다). 원하는 경우, 제어 회로부(14)는 송신 또는 수신 빔을 시간의 흐름에 따라 상이한 원하는 방향들로 조향하기 위해 실시간으로 제어 신호들(44)을 능동적으로 조정할 수 있다. 위상 및 크기 제어기들(46)은, 원하는 경우, 수신된 신호들의 위상을 식별하는 정보를 제어 회로부(14)에 제공할 수 있다.
밀리미터파 또는 센티미터파 통신을 수행할 때, 무선-주파수 신호들은 위상 안테나 어레이(42)와 외부 무선 장비 사이의 시선 경로(line of sight path)를 통해 전달된다. 외부 무선 장비가 도 4의 포인트 A에 위치되는 경우, 위상 및 크기 제어기들(46)은 (예를 들어, 신호 빔의 포인팅 방향을 포인트 A를 향해 조향하기 위해) 포인트 A를 향해 신호 빔을 조향하도록 조정될 수 있다. 외부 장비가 위치 B에 위치되는 경우, 위상 및 크기 제어기들(46)은 신호 빔을 방향 B를 향해 조향하도록 조정될 수 있다. 도 4의 예에서, 빔 조향은 단순화를 위해 (예를 들어, 도 4의 페이지 상의 좌측 및 우측을 향해) 단일 자유도에 걸쳐 수행되는 것으로 도시된다. 그러나, 실제로, 빔은 2개 이상의 자유도들에 걸쳐(예를 들어, 3차원에서, 페이지의 안팎으로 그리고 도 4의 페이지 상의 좌측 및 우측으로) 조향된다.
(예를 들어, 도 4의 위상 안테나 어레이(42) 내의 안테나(40-1, 40-2, 40-3, 및/또는 40-N)로서) 위상 안테나 어레이(42)에 형성될 수 있는 안테나(40)의 개략도가 도 5에 도시되어 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 안테나(40)는 송수신기 회로부(20)(예를 들어, 도 3의 밀리미터파 송수신기 회로부(28))에 결합될 수 있다. 송수신기 회로부(20)는 송신 라인 경로(50)(때때로 본 명세서에서 무선-주파수 송신 라인(50)으로 지칭됨)를 사용하여 안테나(40)의 안테나 피드(F)에 결합될 수 있다. 안테나 피드(F)는 양극 안테나 피드 단자(56)와 같은 양극 안테나 피드 단자를 포함할 수 있고, 접지 안테나 피드 단자(58)와 같은 접지 안테나 피드 단자를 포함할 수 있다. 송신 라인 경로(50)는 단자(56)에 결합되는 신호 전도체(52)와 같은 양극 신호 전도체, 및 단자(58)에 결합되는 접지 전도체(54)와 같은 접지 전도체를 포함할 수 있다.
임의의 원하는 안테나 구조물들이 안테나(40)를 구현하는 데 사용될 수 있다. 때때로 본 명세서에 예로서 기술되는 하나의 적합한 배열에서, 패치 안테나 구조물들이 안테나(40)를 구현하는 데 사용될 수 있다. 패치 안테나 구조물들을 사용하여 구현되는 안테나들(40)은 때때로 본 명세서에서 패치 안테나들로 지칭될 수 있다. 도 4의 위상 안테나 어레이(42)에 사용될 수 있는 예시적인 패치 안테나가 도 6에 도시되어 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 안테나(40)는 안테나 접지 평면(64)(때때로 본 명세서에서 안테나 접지(64)로 지칭됨)과 같은 접지 평면으로부터 분리되고 그에 평행한 패치 안테나 공진 요소(60)를 가질 수 있다. 패치 안테나 공진 요소(60)는 도 6의 X-Y 평면과 같은 평면 내에 놓일 수 있다(예를 들어, 요소(60)의 측방향 표면 영역은 X-Y 평면 내에 놓일 수 있다). 패치 안테나 공진 요소(60)는 때때로 본 명세서에서 패치(60), 패치 요소(60), 패치 공진 요소(60), 안테나 공진 요소(60), 또는 공진 요소(60)로 지칭될 수 있다. 안테나 접지(64)는 패치 요소(60)의 평면에 평행한 평면 내에 놓일 수 있다. 따라서, 패치 요소(60) 및 안테나 접지(64)는 고정된 거리만큼 분리된 별개의 평행 평면들 내에 놓일 수 있다. 패치 요소(60) 및 안테나 접지(64)는 유전체 기판, 예컨대, 강성 또는 가요성 인쇄 회로 보드 기판, 금속 포일, 스탬핑된 시트 금속, 전자 디바이스 하우징 구조물들, 또는 임의의 다른 원하는 전도성 구조물들 상에 패턴화되는 전도성 트레이스들로부터 형성될 수 있다.
패치 요소(60)의 측부들의 길이는 안테나(40)가 원하는 동작 주파수에서 공진하도록(방사하도록) 선택될 수 있다. 예를 들어, 패치 요소(60)의 측부들은 각각 (예를 들어, 패치 요소(60)를 둘러싸는 재료들의 유전체 특성들을 고려한 유효 파장인) 안테나(40)에 의해 전달되는 신호들의 파장의 절반과 대략 동일한 길이(62)를 가질 수 있다. 하나의 적합한 배열에서, 길이(62)는, 단지 일례로서, 57 ㎓ 내지 70 ㎓의 밀리미터파 주파수 대역을 커버하기 위한 0.8 mm 내지 1.2 mm(예컨대, 대략 1.1 mm)일 수 있다.
도 6의 예는 단지 예시적인 것이다. 패치 요소(60)는 패치 요소(60)의 모든 측부들이 동일한 길이인 정사각형 형상을 가질 수 있거나, 또는 상이한 직사각형 형상을 가질 수 있다. 패치 요소(60)는 임의의 원하는 수의 직선 및/또는 곡선 에지들을 갖는 다른 형상들로 형성될 수 있다. 원하는 경우, 패치 요소(60) 및 안테나 접지(64)는 상이한 형상들 및 상대 배향들을 가질 수 있다.
안테나(40)에 의해 처리되는 편파(polarization)를 향상시키기 위해, 안테나(40)에 다수의 피드들이 제공될 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 안테나(40)는 송신 라인 경로(50V)와 같은 제1 송신 라인 경로(50)에 결합되는 안테나 포트(P1)에서의 제1 피드, 및 송신 라인 경로(50H)와 같은 제2 송신 라인 경로(50)에 결합되는 안테나 포트(P2)에서의 제2 피드를 가질 수 있다. 제1 안테나 피드는 안테나 접지(64)에 결합된 제1 접지 안테나 피드 단자(명료함을 위해 도 6에 도시되지 않음) 및 패치 요소(60)에 결합된 양극 안테나 피드 단자(56V)와 같은 제1 양극 안테나 피드 단자(56)를 가질 수 있다. 제2 안테나 피드는 안테나 접지(64)에 결합된 제2 접지 안테나 피드 단자(명료함을 위해 도 6에 도시되지 않음) 및 패치 요소(60)에 결합된 양극 안테나 피드 단자(56H)와 같은 제2 양극 안테나 피드 단자(56)를 가질 수 있다.
구멍들 또는 개구들, 예컨대 개구들(70, 72)이 안테나 접지(64)에 형성될 수 있다. 송신 라인 경로(50V)는 구멍(70)을 통해 패치 요소(60) 상의 양극 안테나 피드 단자(56V)까지 연장되는 수직 전도체(66V)(예컨대, 전도성 관통-비아, 전도성 핀, 금속 필러(pillar), 솔더 범프, 이들의 조합, 또는 다른 수직 전도성 상호접속부 구조물들)를 포함할 수 있다. 송신 라인 경로(50H)는 구멍(72)을 통해 패치 요소(60) 상의 양극 안테나 피드 단자(56H)까지 연장되는 수직 전도체(66H)를 포함할 수 있다. 이 예는 단지 예시적인 것이며, 원하는 경우, 다른 송신 라인 구조물들(예컨대, 동축 케이블 구조물들, 스트립라인 송신 라인 구조물들 등)이 사용될 수 있다.
포트(P1)와 연관된 제1 안테나 피드를 사용할 때, 안테나(40)는 제1 선형 편파를 갖는 무선-주파수 신호들을 송신 및/또는 수신할 수 있다(예를 들어, 포트(P1)와 연관된 안테나 신호들(68)의 전기장(E1)은 도 6의 Y-축에 평행하게 배향될 수 있다). 포트(P2)와 연관된 안테나 피드를 사용할 때, 안테나(40)는 제2 선형 편파를 갖는 무선-주파수 신호들을 송신 및/또는 수신할 수 있다(예를 들어, 포트(P2)와 연관된 안테나 신호들(68)의 전기장(E2)은 포트들(P1, P2)과 연관된 선형 편파들이 서로 직교하도록 도 6의 X-축에 평행하게 배향될 수 있다).
포트들(P1, P2) 중 하나는 안테나(40)가 단일 편파 안테나로서 동작하도록 주어진 시간에 사용될 수 있거나, 둘 모두의 포트들은 안테나(40)가 (예를 들어, 이중 편파 안테나, 원형 편파 안테나, 타원형 편파 안테나 등으로서) 다른 편파들로 동작하도록 동시에 동작될 수 있다. 원하는 경우, 활성 포트는 안테나(40)가 주어진 시간에 커버하는 수직 또는 수평 편파들 사이에서 스위칭할 수 있도록 시간 경과에 따라 변경될 수 있다. 포트들(P1, P2)은 상이한 위상 및 크기 제어기들에 결합될 수 있거나, 또는 둘 모두 동일한 위상 및 크기 제어기에 결합될 수 있다(예를 들어, 안테나(40)가 위상 안테나 어레이 내에 형성되는 시나리오들에서). 원하는 경우, 포트들(P1, P2)은 둘 모두 (예를 들어, 안테나(40)가 이중 편파 안테나로서 작용할 때) 주어진 시간에 동일한 위상 및 크기로 동작될 수 있다. 원하는 경우, 포트들(P1, P2)을 통해 전달되는 무선-주파수 신호들의 위상들 및 크기들은, 안테나(40)가 다른 편파들(예컨대, 원형 또는 타원형 편파들)을 나타내도록, 개별적으로 제어되고 시간 경과에 따라 변화될 수 있다.
주의를 기울이지 않으면, 도 6에 도시된 유형의 이중-편파 패치 안테나들과 같은 안테나들(40)은 관심 대상의 통신 대역(예컨대, 10 ㎓ 초과의 주파수들에서의 통신 대역)의 전체를 커버하기에 불충분한 대역폭을 가질 수 있다. 원하는 경우, 안테나(40)는 (예를 들어, 안테나(40)의 대역폭을 확장시켜 대응하는 통신 대역의 전체를 커버하기 위해) 안테나(40)의 대역폭을 넓히는 역할을 하는 하나 이상의 기생 안테나 공진 요소들을 포함할 수 있다. 기생 안테나 공진 요소들은, 예로서, 패치 요소(60) 위에 위치된 하나 이상의 전도성 패치들을 포함할 수 있다. 기생 안테나 공진 요소의 길이는 안테나의 대역폭을 넓히는 추가의 공진들을 추가하기 위해 패치 요소(60)의 길이보다 크거나 작을 수 있다. 기생 안테나 공진 요소는 원하는 경우 임피던스 정합을 위한 십자 형상을 가질 수 있다. 안테나(40)는 원하는 경우 단일 안테나 피드를 사용하여 피딩될 수 있다. 다른 적합한 배열에서, 추가의 패치 안테나들(예컨대, 1개 또는 2개의 안테나 피드를 갖는 패치 안테나들)이 도 6의 안테나(40) 위에 그리고/또는 아래에 적층될 수 있다. 적층된 패치 안테나들 내의 패치 요소들은 적어도 부분적으로 중첩될 수 있다.
도 6에 도시된 안테나 구조물들은 단지 예시적인 것이며, 일반적으로, 임의의 원하는 유형의 안테나들이 도 4의 위상 안테나 어레이(42)에 사용될 수 있다. 원하는 경우, 위상 안테나 어레이(42)는 무선-주파수 집적 회로와 같은 다른 회로부와 통합되어 통합형 안테나 모듈을 형성할 수 있다.
도 7은 디바이스(10)에서 10 ㎓를 초과하는 주파수들에서의 신호들을 처리하기 위한 예시적인 통합형 안테나 모듈의 후방 사시도이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 디바이스(10)에는 통합형 안테나 모듈(110)(때때로 본 명세서에서 안테나 모듈(110) 또는 모듈(110)로 지칭됨)과 같은 통합형 안테나 모듈이 제공될 수 있다. 모듈(110)은 유전체 기판(80)과 같은 유전체 기판 상에 형성된 안테나들(40)의 위상 안테나 어레이(42)를 포함할 수 있다. 기판(80)은, 예를 들어, 강성 또는 인쇄 회로 보드 또는 다른 유전체 기판일 수 있다. 기판(80)은 다수의 적층된 유전체 층들(82)(예를 들어, 유리 섬유-충전된 에폭시의 다수의 층들과 같은 인쇄 회로 보드 기판의 다수의 층들, 강성 인쇄 회로 보드 재료, 연성 인쇄 회로 보드 재료, 세라믹, 플라스틱, 유리, 또는 다른 유전체들)을 포함하는 적층된 유전체 기판일 수 있다. 위상 안테나 어레이(42)는 임의의 원하는 패턴으로 배열된 임의의 원하는 수의 안테나들(40)을 포함할 수 있다.
위상 안테나 어레이(42) 내의 안테나들(40)은 요소들, 예컨대 패치 요소들(60), 접지 트레이스들(98)(예컨대, 위상 안테나 어레이(42) 내의 안테나들(40) 각각에 대한 도 6의 안테나 접지(64)를 형성하는 전도성 트레이스들), 및/또는 기판(80)의 유전체 층들(82) 사이에 개재되거나 그 상에 형성되는 기생 요소들과 같은 다른 컴포넌트들을 포함할 수 있다. 패치 요소들(60)은 기판(80)의 표면(91) 상에 형성될 수 있거나, 표면(91)에서 또는 그에 인접하게 층들(82) 내에 매립될 수 있다. 패치 요소들(60), 안테나들(40) 내의 기생 요소들, 접지 트레이스들(98)은 (예를 들어, 기판(80) 내에 및/또는 기판 상에 매립된) 기판(80)의 유전체 층들(82) 상의 전도성 트레이스들로부터 형성될 수 있다.
하나 이상의 전기 컴포넌트들(90)이 기판(80)의 표면(88)(예를 들어, 표면(90) 및 패치 요소(60)에 대향하는 기판(80)의 표면) 상에 장착될 수 있다. 컴포넌트(90)는, 예를 들어, 집적 회로(예컨대, 집적 회로 칩) 또는 기판(80)의 표면(88)에 장착되는 다른 회로부를 포함할 수 있다. 컴포넌트(90)는 증폭기 회로부(92), 위상 시프터 회로부, 및 무선-주파수 신호들에 대해 동작하는 다른 회로부와 같은 무선-주파수 컴포넌트들을 포함할 수 있다. 컴포넌트(90)는 때때로 본 명세서에서 무선-주파수 집적 회로(RFIC)(90)로 지칭될 수 있다. 그러나, 이는 단지 예시적인 것이며, 일반적으로, 컴포넌트(90)의 회로부는 집적 회로 상에 형성될 필요는 없다. RFIC(90) 내의 증폭기 회로부(92) 및 위상 시프터 회로부는 예를 들어 위상 안테나 어레이(42)에 대한 위상 및 크기 제어기들(46)(도 4)을 형성할 수 있다. RFIC(90)는 위상 안테나 어레이(42) 내의 안테나들(40)의 안테나 피드들에 결합된 포트들을 포함할 수 있다.
모듈(110)은 송신 라인들(100H, 100V)과 같은 송신 라인 구조물들을 통해 밀리미터파 송수신기 회로부(28)(도 3)로부터 무선-주파수 신호들을 수신할 수 있다. 송신 라인들(100H, 100V)은 동축 케이블들 또는 임의의 다른 원하는 송신 라인 구조물들일 수 있고, 위상 안테나 어레이(42)에 대한 송신 라인 경로들(50)(도 4)의 일부를 형성할 수 있다. 송신 라인(100H)은 밀리미터파 송수신기 회로부(28)(도 3)에 결합된 제1 단부 및 기판(80)의 표면(88) 상의 무선-주파수 커넥터(102H)에 결합된 제2 단부를 가질 수 있다(예를 들어, 커넥터(102H)는 송신 라인(100H)을 수용할 수 있다). 송신 라인(100V)은 밀리미터파 송수신기 회로부(28)(도 3)에 결합된 제1 단부 및 기판(80)의 표면(88) 상의 무선-주파수 커넥터(102V)에 결합된 제2 단부를 가질 수 있다. 무선-주파수 커넥터들(102H, 102V)은 (예를 들어, 전도성 관통-비아들 또는 다른 구조물들을 통해) 접지 전도체들을 송신 라인(100V, 100H)으로부터 접지 트레이스들(98)에 결합하는 접지 구조물들을 포함할 수 있다. 무선-주파수 커넥터들(102H, 102V)은 (예를 들어, 기판(80) 상의 그리고/또는 그 내의 전도성 트레이스들 및/또는 전도성 비아들을 사용하여) 신호 전도체들을 송신 라인들(100V, 100H)로부터 RFIC(90)에 결합할 수 있다. 송신 라인(100V)은 위상 안테나 어레이(42)의 안테나들(40) 내의 안테나 피드 단자들(56V)(도 6)에 대한 무선-주파수 신호들을 전달하는 데 사용될 수 있다. 송신 라인(100H)은 위상 안테나 어레이(42)의 안테나들(40) 내의 안테나 피드 단자들(56H)(도 6)에 대한 제1 무선-주파수 신호들을 전달하는 데 사용될 수 있다.
기판(80) 내의 유전체 층들(82)은 제1 세트의 층들(84)(때때로 본 명세서에서 안테나 층들(84)로 지칭됨) 및 제2 세트의 층들(86)(때때로 본 명세서에서 송신 라인 층들(86)로 지칭됨)을 포함할 수 있다. 접지 트레이스들(98)은 송신 라인 층들(86)로부터 안테나 층들(84)을 분리할 수 있다. 기판(80)의 송신 라인 층들(86) 상의 전도성 트레이스들 또는 다른 금속 층들은 도 4의 송신 라인 경로들(50)과 같은 송신 라인 구조물들을 형성하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 송신 라인 층들(86) 상의 전도성 트레이스들은 (예컨대, 안테나 층들(84)을 통해 연장되는 전도성 비아들 위의) 안테나들(40)에 대한 안테나 피드들과 (예를 들어, 송신 라인 층들(86)을 통해 연장되는 전도성 비아들 위의) RFIC(90) 사이에 결합되는 스트립라인 또는 마이크로스트립 송신 라인들을 형성하는 데 사용될 수 있다. 송신 라인 층들(86) 상의 전도성 트레이스들은 또한 무선-주파수 커넥터들(102H, 102V) 및 따라서 송신 라인들(100H, 100V)로부터의 신호 전도체들을 RFIC(90)에 결합하는 데 사용될 수 있다.
무선-주파수 커넥터들(102H, 102V) 및 송신 라인들(100H, 100V)은 기판(80)의 측면(단부)(106)에서 표면(88)에 결합될 수 있다. RFIC(90)에 커넥터들(102H, 102V)을 결합하는 데 사용되는 송신 라인 층들(86) 내의 전도성 트레이스들 및 무선-주파수 커넥터들(102H, 102V)의 존재는 모듈(110)의 측면(106)이 모듈(110)의 안테나 층들(84)로부터의 전류 누설에 취약하도록 남겨둘 수 있다. 예를 들어, 위상 안테나 어레이(42) 내의 안테나들(40)은 (예를 들어, 안테나 층들(84)에 대면하는 접지 트레이스들(98)의 표면에서) 접지 트레이스들(98)의 표면을 따라 측방향으로 외측으로 전파되는 표면 전류(I)를 생성할 수 있다. 주의를 기울이지 않으면, 전류(I)는 모듈(110)의 측면(106)에서 접지 트레이스들(98)의 에지에서, 무선-주파수 커넥터들(102H, 102V)을 통해(예를 들어, 송신 라인들(100H, 100V)에 대한 기계적 연결들을 허용하지만 접지 전류에 대한 바람직하지 않은 경로들을 형성하는 커넥터들(102H, 102V) 내의 개구들을 통해), 그리고 송신 라인 층들(86) 내의 전도성 트레이스들에서 RFIC(90) 상으로 (화살표(104)에 의해 도시된 바와 같이) 산란될 수 있다. 이러한 산란된 전류는 출력(96)으로부터 증폭기 회로부(92)의 입력(94) 상으로 추가로 누설될 수 있다. 이는 신호 노이즈가 증폭기 회로부(92)에서 피드백 루프에 축적되게 하여, 증폭기 회로부(92)의 응답 내에 바람직하지 않은 발진을 생성하고 궁극적으로 모듈(110) 내의 안테나들(40)의 응답을 열화시키는 역할을 할 수 있다.
이들 효과를 완화시키기 위해, 수동 공진기와 같은 전자기 격리 요소가 모듈(110)의 측면(106)에서 안테나 층들(84) 상에 또는 그 내부에 형성될 수 있다. 도 8은 모듈(110)이 표면 전류(I)로부터 RFIC(90)를 격리시키기 위한 수동 공진기를 어떻게 포함할 수 있는지를 보여주는 (예를 들어, 도 7의 화살표(112)의 방향으로 취해진) 모듈(110)의 측단면도이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 위상 안테나 어레이(42) 내의 주어진 안테나(40)는 기판(80)의 안테나 층들(84) 내에 매립된 대응하는 패치 요소(60)를 포함할 수 있다. 도 8에 도시된 안테나(40)는, 예를 들어, 모듈(110)의 측면(106)에 가장 가깝게 위치된 위상 안테나 어레이(42) 내의 안테나일 수 있다. 도 8의 예에서, 안테나(40)에는 안테나(40)의 주파수 응답을 넓히는 역할을 하는 기생 요소(125)가 제공된다. 기생 요소(125)는 원하는 경우 생략될 수 있다. 기생 요소(125)(또는 기생 요소(125)가 생략되는 시나리오들에서 패치 요소(60))는 기판(80)의 표면(91) 상에 형성될 수 있거나, 또는 기판(80) 내에 매립될 수 있다(예를 들어, 하나 이상의 유전체 층들(82)이 기생 요소(125) 위에 형성되도록).
RFIC(90) 및 무선-주파수 커넥터(102H)는 기판(80) 내의 송신 라인 층들(86)의 표면(88)에 장착될 수 있다. 무선-주파수 송신 라인(100H)은 커넥터(102H)에 결합될 수 있다. 도 7의 커넥터(102V) 및 송신 라인(100V)은 명료함을 위해 도 8에서 생략되어 있다. 송신 라인(100H)으로부터의 신호 전도체는 커넥터(102H), 및 송신 라인 층들(86)을 통해 연장되는 수직 전도성 비아(136)를 통해 전도성 트레이스(134)에 결합될 수 있다. 전도성 트레이스(134)는 송신 라인 층들(86)을 통해 연장되는 수직 전도성 비아(137)를 통해 RFIC(90) 상의 무선-주파수 포트(120')에 결합될 수 있다. 다른 적합한 배열에서, 전도성 트레이스(134)는 기판(80)의 표면(88) 상에 형성될 수 있고, 전도성 비아들(136, 137)은 생략될 수 있다. 무선-주파수 커넥터(102H)는 전도성 트레이스들 및/또는 전도성 비아들(명료성을 위해 도 8에 도시되지 않음)을 통해 송신 라인(100H)의 접지 전도체를 모듈(110) 내의 접지에 결합하는 접지 구조물들을 포함할 수 있다.
RFIC(90)는 또한 무선-주파수 포트들(120)을 포함할 수 있다. 각각의 무선-주파수 포트(120)는 각자의 송신 라인 경로(예를 들어, 도 4의 송신 라인 경로들(50)의 부분들)를 통해 위상 안테나 어레이(42) 내의 각자의 안테나(40)에 결합될 수 있다. 포트들(120, 120')은 전도성 접촉 패드들, 솔더 볼들, 마이크로범프들, 전도성 핀들, 전도성 필러들, 전도성 소켓들, 전도성 클립들, 용접부들, 전도성 접착제, 전도성 와이어들, 인터페이스 회로들, 또는 임의의 다른 원하는 전도성 상호접속부 구조물들을 포함할 수 있다.
안테나들(40)에 대한 송신 라인 경로들의 부분들은 송신 라인 층들(86) 내에 매립될 수 있다. 예를 들어, 송신 라인 경로들은 송신 라인 층들(86) 내의 전도성 트레이스들(132)(예컨대, 송신 라인 층들(86) 내의 주어진 유전체 층(82) 상의 전도성 트레이스들)을 포함할 수 있다. 전도성 트레이스들(132)은 위상 안테나 어레이(42) 내의 안테나들(40)에 대한 신호 전도체들(예컨대, 도 5의 신호 전도체(52))의 일부를 형성할 수 있다. 접지 트레이스들(98)은 위상 안테나 어레이(42) 내의 안테나들(40)에 대한 접지 전도체들(예컨대, 도 5의 접지 전도체(54))의 일부를 형성할 수 있다. 원하는 경우, 송신 라인 층들(86) 내의 추가적인 접지된 트레이스들이 송신 라인 경로들을 위한 접지 전도체들의 일부를 형성하는 데 사용될 수 있다.
전도성 트레이스들(132)은 수직 전도성 비아들(128)을 통해 안테나들(40)의 양극 안테나 피드 단자들(예컨대, 도 6의 양극 안테나 피드 단자들(56V, 56H))에 결합될 수 있다. 전도성 트레이스(134)는 전도성 트레이스들(132)과 동일한 유전체 층(82) 상에 형성될 수 있거나, 또는 전도성 트레이스들(132, 134)은 별개의 유전체 층들(82) 상에 형성될 수 있다. 전도성 트레이스들(132)은 수직 전도성 비아들(130)을 통해 송수신기 포트들(120)에 결합될 수 있다. 수직 전도성 비아들(128)은 송신 라인 층들(86), 접지 트레이스들(98) 내의 구멍 또는 개구, 및 안테나 층들(84)을 통해 위상 안테나 어레이(42) 내의 패치 요소들(60)까지 연장될 수 있다. 수직 전도성 비아들(130)은 송신 라인 층들(86)을 통해 연장될 수 있다.
도 8의 예에서, 안테나(40)는 명료함을 위해 단일 수직 전도성 비아(128)에 결합된 단일 안테나 피드를 갖는 것으로 도시되고, 원하는 경우, 각각의 안테나(40)는 대응하는 전도성 비아(128), 전도성 트레이스(132), 전도성 비아(130), 및 포트(120)에 각각 결합되는 2개의 안테나 피드들(예컨대, 도 6의 양극 안테나 피드 단자들(56V, 56H)과 연관된 안테나 피드들)을 포함할 수 있다. 이러한 방식으로, 전도성 비아들(128, 137, 136), 전도성 트레이스들(132, 134), 및 송신 라인(100H)의 신호 전도체는 위상 안테나 어레이(42) 내의 안테나들(40)에 대한 신호 전도체(52)(도 5)를 집합적으로 형성할 수 있다(예를 들어, 전도성 비아들 전도성 비아들(128, 137, 136), 전도성 트레이스들(132, 134), 및 송신 라인(100H)의 신호 전도체는 각각, 도 5에 도시된 바와 같이, 각각의 안테나(40)에 대한 송신 라인 경로(50)의 일부를 형성할 수 있다).
도 8에 도시된 바와 같이, 모듈(110)은 수동 공진기(138)와 같은 전자기 격리 요소를 포함할 수 있다. 수동 공진기(138)는 안테나 신호들 또는 안테나 피드를 사용하여 직접 피딩되지 않는 수동 공진 요소이다. 수동 공진기(138)는 접지 트레이스들(98)의 연장된 부분(144)(예를 들어, 위상 안테나 어레이(42)의 측방향 윤곽을 넘어 연장되는 접지 트레이스들(98)의 일부분)에 결합될 수 있고, 안테나 층들(84) 내의 하나 이상의 유전체 층들(82) 및 아암(arm)(140)을 통해 연장되는 수직 전도성 구조물(142)을 포함할 수 있다. 아암(140)은 안테나 층(84) 내에(예를 들어, 대응하는 유전체 층(82) 상에) 매립되거나 안테나 층(84)의 표면(91) 상에 형성된 전도성 트레이스로부터 형성될 수 있다. 아암(140)은 수직 전도성 구조물(142)을 통해 접지 트레이스들(98)(예를 들어, 접지 트레이스들(98)의 부분(144))에 단락될 수 있다. 수직 전도성 구조물(142)은, 예들로서, 기판(80)의 측면(106) 상의 전도성 트레이스들, 기판(80)의 측면(106) 위의 시트 금속, 기판(80)의 측면(106) 위의 전도성 테이프, 및/또는 안테나 층들(84)을 통해 연장되는 수직 전도성 비아들을 포함할 수 있다. 수직 전도성 구조물(142)은 때때로 본 명세서에서 벽(142), 측벽(142), 또는 레그(142)로 지칭될 수 있다. 아암(140)은 때때로 본 명세서에서 립(140) 또는 전도성 트레이스(140)로 지칭될 수 있다.
패치 요소(60)는 접지 트레이스들(98) 위로 높이(H2)에 위치될 수 있다. 기생 요소(125)는 접지 트레이스들(98) 위로 높이(H1)에 위치될 수 있다. 수동 공진기(138)의 아암(140)은 접지 트레이스들(98) 위로 높이(H3)에 위치될 수 있다(예를 들어, 수직 전도성 구조물(142)은 높이(H3)와 동일한 길이를 가질 수 있다). 높이(H3)는 높이(H1) 이상일 수 있거나, 또는 높이(H2) 이상일 수 있다.
아암(140)은 수직 전도성 구조물(142)에서의 제1 단부, 및 위상 안테나 어레이(42)에 대면하는 대향하는 제2 단부를 가질 수 있다. 아암(140)은 (예컨대, 제1 단부로부터 제2 단부까지 연장되는) 길이(126)를 가질 수 있다. 위상 안테나 어레이(42)에 대면하는 아암(140)의 단부는 모듈(110)의 측면(106)에 대면하는 패치 요소(60)의 에지로부터 거리(124)만큼 분리될 수 있다. 접지 트레이스들(98)의 부분(144)은 거리(124)와 길이(126)의 합과 동일한 길이를 가질 수 있다. 거리(124)는, 예를 들어, 안테나(40)의 자유 공간 동작 파장(예를 들어, 10 ㎓ 내지 300 ㎓의 주파수에 대응하는 센티미터 또는 밀리미터 파장)의 절반과 대략 동일할(예컨대, 그것의 10 내지 20% 이내일) 수 있다.
수동 공진기(138)의 치수는 안테나(40)의 유효 동작 파장의 대략 1/4에서 공진하도록 수동 공진기(138)를 구성하도록 선택될 수 있다. 유효 파장은 안테나(40)의 자유 공간 동작 파장을 일정한 계수(예를 들어, 안테나 층들(84)을 형성하는 데 사용되는 재료의 유전 상수의 제곱근)로 나눔으로써 주어진다. 길이(126)는, 예를 들어, 이 공진을 나타내도록 수동 공진기(138)를 구성하기 위해 안테나(40)의 유효 동작 파장의 대략 1/4이도록(예를 들어, 그것의 10 내지 20% 내에 있도록) 선택될 수 있다. 이러한 공진은 안테나(40)의 동작 파장에서 무한(개방 회로) 임피던스를 생성할 수 있다. 무한 임피던스는 표면 전류(I)(예를 들어, 안테나(40)의 동작 파장에서의 표면 전류)가 (예를 들어, 화살표(122)에 의해 도시된 바와 같이) 측면(106)에서 안테나 층들(84) 밖으로 그리고 모듈(110)의 송신 라인 층들(86) 내로 전파되는 것을 차단하는 역할을 할 수 있다. 이러한 방식으로, 수동 공진기(138)는 표면 전류(I)가 RFIC(90) 상으로 누설되고 RFIC(90) 내의 증폭기 회로부에서 바람직하지 않은 피드백을 생성하는 것을 방지할 수 있다.
도 8의 예는 단지 예시적인 것이다. 원하는 경우, 수동 공진기(138)는 다른 형상들(예를 들어, 곡선 및/또는 직선 에지들을 갖는 형상들)을 가질 수 있다. 수동 공진기(138)는 원하는 경우 안테나 층들(84) 내에 완전히 매립될 수 있다(예를 들어, 기판(80)은 수동 공진기(138)를 넘어 우측으로 연장될 수 있다). 도 8의 예에서, 수동 공진기(138)는 제1 및 제2 차원으로만(예를 들어, Y 및 Z 축들에 평행하게) 연장되는 것으로 도시되어 있다. 실제로, 수동 공진기(138)는 또한 제3 차원으로(예를 들어, 기판(80)의 폭을 가로질러 그리고 도 8의 X-축에 평행하게) 연장될 수 있다.
도 9는 수동 공진기(138)가 어떻게 모듈(110)의 폭을 가로질러 연장될 수 있는지를 보여주는 모듈(110)의 평면도이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 위상 안테나 어레이(42)는 기판(80)의 표면(91)에, 그 상에, 또는 그 아래에 형성된 각각의 패치 요소들(60)을 갖는 다수의 안테나들(40)을 포함할 수 있다. 수동 공진기(138)의 수직 전도성 구조물(142)은 에지(156)로부터 에지(152)까지 기판(80)의 측면(106)을 덮을 수 있다(예를 들어, 수직 전도성 구조물들(142)은 에지(156)로부터 에지(152)까지 모듈(110)의 폭을 가로질러 연장될 수 있다). 유사하게, 아암(140)은 모듈(110)의 폭을 가로질러 연장될 수 있다. 아암(140)은 거리(124)만큼 위상 안테나 어레이(42) 내의 가장 가까운 안테나들(40)로부터 분리될 수 있다. 아암(140)은 (예컨대, 도 9의 Y-축에 평행한) 길이(126)를 가질 수 있다. 위상 안테나 어레이(42)에 의해 생성된 표면 전류(I)는 수동 공진기(138)의 공진으로 인해 그의 파장에서 무한 임피던스를 겪을 수 있으며, 이는 전류(I)가 모듈(110)의 측면(106)에서 그리고 모듈(110)의 송신 라인 층들 내로 산란되는 것을 방지하는 역할을 한다.
원하는 경우, 수직 전도성 구조물(142)은 기판(80)을 통해 연장되는 전도성 비아들(150)의 펜스로부터 형성될 수 있다. 전도성 비아들(150)은 위상 안테나 어레이(42)의 동작 파장에서 불투명할 수 있다. 위상 안테나 어레이(42)에 의해 커버되는 주파수들에서 불투명하기 위해, 인접한 전도성 비아들(150) 사이의 거리(피치)는 위상 안테나 어레이(42)의 유효 동작 파장의 약 1/8 미만일 수 있다.
도 10은 도 8 및 도 9의 수동 공진기(138)의 존재 및 부재 시에 위상 안테나 어레이(42)에 의해 나타날 수 있는 예시적인 방사 패턴 엔벨로프들의 측면도이다. 도 10에 도시된 바와 같이, 곡선(160)은 수동 공진기(138)의 부재 시에 위상 안테나 어레이(42)에 대한 하나의 가능한 방사 패턴 엔벨로프를 도시한다. 곡선(160)에 의해 도시된 바와 같이, (예를 들어, 도 7의 화살표들(104)에 의해 도시된 바와 같이) 표면 전류(I)에 의해 증폭기 회로부(92)에서 생성된 피드백은 모듈(110)의 무선-주파수 성능을 저하시켜, 위상 안테나 어레이(42)가 상이한 빔 각도들에서 바람직하지 않은 널들을 갖는 불균일한 패턴 엔벨로프를 나타내도록 할 수 있다. 곡선(162)은 수동 공진기(138)를 구비할 때 위상 안테나 어레이(42)에 대한 하나의 가능한 방사 패턴 엔벨로프를 도시한다. 곡선(162)에 의해 도시된 바와 같이, 위상 안테나 어레이(42)는 그것의 시야에 걸쳐 비교적 매끄러운(균일한) 방사 패턴 엔벨로프를 나타낼 수 있다(예를 들어, 도 7의 RFIC(90)가 도 8 및 도 9의 수동 공진기(138)에 의해 표면 전류(I)로부터 격리되기 때문임). 도 10의 예는 단지 예시적인 것이다. 일반적으로, 곡선들(162, 160)은 다른 형상들을 가질 수 있다.
일 실시예에 따르면, 안테나 모듈이 제공되며, 안테나 모듈은 송신 라인 층들 및 안테나 층들을 갖는 유전체 기판, 안테나 층들로부터 송신 라인 층들을 분리하는 접지 평면, 안테나 층들 상의 안테나 공진 요소, 송신 라인 층들의 표면에 장착되고 안테나 공진 요소에 결합된 무선-주파수 회로부, 송신 라인 층들의 표면에 장착되고 송신 라인 층들 내의 전도성 트레이스에 의해 무선-주파수 회로부에 결합된 무선-주파수 커넥터, 및 안테나 층들 상에 있고 접지 평면에 결합된 수동 공진기를 포함하고, 수동 공진기는 안테나 공진 요소에 의해 접지 평면 상에서 생성된 표면 전류를 차단하도록 구성된다.
다른 실시예에 따르면, 수동 공진기는 안테나 층들 중 주어진 안테나 층 상의 전도성 트레이스로부터 형성된 아암 및 아암으로부터 접지 평면까지 연장되는 수직 전도성 구조물을 포함한다.
다른 실시예에 따르면, 아암은 안테나 공진 요소의 유효 동작 파장의 1/4의 10 내지 20% 내에 있는 길이를 갖는다.
다른 실시예에 따르면, 수동 공진기는 안테나 공진 요소의 유효 동작 파장에서 무한 임피던스를 형성하도록 구성된다.
다른 실시예에 따르면, 아암은 안테나 공진 요소의 자유 공간 동작 파장의 절반만큼 안테나 공진 요소로부터 분리된다.
다른 실시예에 따르면, 안테나 층들은 세라믹을 포함한다.
다른 실시예에 따르면, 유효 동작 파장은 10 ㎓ 내지 300 ㎓의 주파수에 대응한다.
다른 실시예에 따르면, 수직 전도성 구조물은 전도성 테이프, 시트 금속, 전도성 트레이스들, 및 전도성 비아들의 펜스로 이루어진 군으로부터 선택된 구조물을 포함한다.
다른 실시예에 따르면, 아암 및 수직 전도성 구조물은 각각 안테나 모듈의 폭을 가로질러 연장된다.
다른 실시예에 따르면, 무선-주파수 회로부는 증폭기 회로부를 포함한다.
다른 실시예에 따르면, 무선-주파수 회로부는 집적 회로를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 전자 디바이스가 제공되며, 전자 디바이스는 유전체 기판, 유전체 기판 상에 있고 10 ㎓ 내지 300 ㎓의 주파수에서 무선-주파수 신호들을 전달하도록 구성된 위상 안테나 어레이 - 위상 안테나 어레이는 유전체 기판 내의 접지 트레이스들을 포함함 -, 기판의 표면 상에 위치된 무선-주파수 커넥터, 및 유전체 기판 상에 있고 접지 트레이스들에 결합된 수동 공진기를 포함하며, 접지 트레이스들의 일부분은 수동 공진기와 무선-주파수 커넥터 사이에 개재된다.
다른 실시예에 따르면, 수동 공진기는 상기 주파수에서 개방 회로 임피던스를 형성하도록 구성된다.
다른 실시예에 따르면, 전자 디바이스는, 기판의 표면에 장착되고 위상 안테나 어레이에 의해 전달되는 무선-주파수 신호들의 크기를 조정하도록 구성된 증폭기 회로부를 포함한다.
다른 실시예에 따르면, 전자 디바이스는 무선-주파수 커넥터를 증폭기 회로부에 결합하는 유전체 기판 내의 전도성 트레이스들을 포함한다.
다른 실시예에 따르면, 수동 공진기는 상기 주파수에 대응하는 유효 파장의 1/4에서 공진하도록 구성된다.
다른 실시예에 따르면, 수동 공진기는 상기 주파수에 대응하는 자유 공간 파장의 절반만큼 위상 안테나 어레이 내의 가장 가까운 안테나로부터 분리된다.
다른 실시예에 따르면, 수동 공진기는 유전체 기판 내의 전도성 비아들의 펜스 및 전도성 트레이스를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 안테나 모듈이 제공되며, 안테나 모듈은 유전체 기판, 유전체 기판 내의 접지 평면, 접지 평면의 제1 측면에서 유전체 기판의 표면에 장착된 무선-주파수 집적 회로, 접지 평면의 제2 측면에서 유전체 기판 상의 안테나 공진 요소들을 갖는 위상 안테나 어레이 - 안테나 공진 요소들은 소정 주파수에서 무선-주파수 신호들을 전달하도록 구성됨 -, 및 접지 평면의 제1 측면에서 유전체 기판 상에 있고 수직 전도성 구조물에 의해 접지 평면에 결합된 전도성 트레이스를 포함하며, 전도성 트레이스는 상기 주파수에 대응하는 유효 파장의 1/4에서 공진하도록 구성된다.
다른 실시예에 따르면, 상기 주파수는 10 ㎓ 내지 300 ㎓의 주파수를 포함하고, 전도성 트레이스는 위상 안테나 어레이에 의해 접지 평면의 제1 측면에서 생성된 표면 전류가 접지 평면의 제2 측면 상으로 산란되는 것을 차단하도록 구성된다.
전술한 내용은 단지 예시적인 것에 불과하며, 설명된 실시예들의 범주 및 기술적 사상을 벗어남이 없이, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 수정들이 이루어질 수 있다. 전술한 실시예들은 개별적으로 또는 임의의 조합으로 구현될 수 있다.

Claims (20)

  1. 안테나 모듈로서,
    송신 라인 층들 및 안테나 층들을 갖는 유전체 기판;
    상기 안테나 층들로부터 상기 송신 라인 층들을 분리하는 접지 평면;
    상기 안테나 층들 상의 안테나 공진 요소;
    상기 송신 라인 층들의 표면에 장착되고 상기 안테나 공진 요소에 결합된 무선-주파수 회로부;
    상기 송신 라인 층들의 상기 표면에 장착되고 상기 송신 라인 층들 내의 전도성 트레이스에 의해 상기 무선-주파수 회로부에 결합된 무선-주파수 커넥터; 및
    상기 안테나 층들 상에 있고 상기 접지 평면에 결합된 수동 공진기를 포함하며, 상기 수동 공진기는 상기 안테나 공진 요소에 의해 상기 접지 평면 상에서 생성된 표면 전류를 차단하도록 구성되는, 안테나 모듈.
  2. 제1항에 있어서, 상기 수동 공진기는 상기 안테나 층들 중 주어진 안테나 층 상의 전도성 트레이스로부터 형성된 아암(arm) 및 상기 아암으로부터 상기 접지 평면까지 연장되는 수직 전도성 구조물을 포함하는, 안테나 모듈.
  3. 제2항에 있어서, 상기 아암은 상기 안테나 공진 요소의 유효 동작 파장의 1/4의 10 내지 20% 내에 있는 길이를 갖는, 안테나 모듈.
  4. 제3항에 있어서, 상기 수동 공진기는 상기 안테나 공진 요소의 상기 유효 동작 파장에서 무한 임피던스를 형성하도록 구성되는, 안테나 모듈.
  5. 제3항에 있어서, 상기 아암은 상기 안테나 공진 요소의 자유 공간 동작 파장의 절반만큼 상기 안테나 공진 요소로부터 분리되는, 안테나 모듈.
  6. 제3항에 있어서, 상기 안테나 층들은 세라믹을 포함하는, 안테나 모듈.
  7. 제3항에 있어서, 상기 유효 동작 파장은 10 ㎓ 내지 300 ㎓의 주파수에 대응하는, 안테나 모듈.
  8. 제2항에 있어서, 상기 수직 전도성 구조물은 전도성 테이프, 시트 금속, 전도성 트레이스들, 및 전도성 비아들의 펜스(fence)로 이루어진 군으로부터 선택된 구조물을 포함하는, 안테나 모듈.
  9. 제2항에 있어서, 상기 아암 및 상기 수직 전도성 구조물은 각각 상기 안테나 모듈의 폭을 가로질러 연장되는, 안테나 모듈.
  10. 제1항에 있어서, 상기 무선-주파수 회로부는 증폭기 회로부를 포함하는, 안테나 모듈.
  11. 제7항에 있어서, 상기 무선-주파수 회로부는 집적 회로를 포함하는, 안테나 모듈.
  12. 전자 디바이스로서,
    유전체 기판;
    상기 유전체 기판 상에 있고 10 ㎓ 내지 300 ㎓의 주파수에서 무선-주파수 신호들을 전달하도록 구성된 위상 안테나 어레이(phased antenna array) - 상기 위상 안테나 어레이는 상기 유전체 기판 내의 접지 트레이스들을 포함함 -;
    상기 기판의 표면 상에 위치된 무선-주파수 커넥터; 및
    상기 유전체 기판 상에 있고 상기 접지 트레이스들에 결합된 수동 공진기를 포함하며, 상기 접지 트레이스들의 일부분은 상기 수동 공진기와 상기 무선-주파수 커넥터 사이에 개재되는, 전자 디바이스.
  13. 제12항에 있어서, 상기 수동 공진기는 상기 주파수에서 개방 회로 임피던스를 형성하도록 구성되는, 전자 디바이스.
  14. 제12항에 있어서, 상기 기판의 상기 표면에 장착되고 상기 위상 안테나 어레이에 의해 전달되는 상기 무선-주파수 신호들의 크기를 조정하도록 구성된 증폭기 회로부를 추가로 포함하는, 전자 디바이스.
  15. 제14항에 있어서, 상기 무선-주파수 커넥터를 상기 증폭기 회로부에 결합하는 상기 유전체 기판 내의 전도성 트레이스들을 추가로 포함하는, 전자 디바이스.
  16. 제12항에 있어서, 상기 수동 공진기는 상기 주파수에 대응하는 유효 파장의 1/4에서 공진하도록 구성되는, 전자 디바이스.
  17. 제12항에 있어서, 상기 수동 공진기는 상기 주파수에 대응하는 자유 공간 파장의 절반만큼 상기 위상 안테나 어레이 내의 가장 가까운 안테나로부터 분리되는, 전자 디바이스.
  18. 제12항에 있어서, 상기 수동 공진기는 상기 유전체 기판 내의 전도성 비아들의 펜스 및 전도성 트레이스를 포함하는, 전자 디바이스.
  19. 안테나 모듈로서,
    유전체 기판;
    상기 유전체 기판 내의 접지 평면;
    상기 접지 평면의 제1 측면에서 상기 유전체 기판의 표면에 장착된 무선-주파수 집적 회로;
    상기 접지 평면의 제2 측면에서 상기 유전체 기판 상의 안테나 공진 요소들을 갖는 위상 안테나 어레이 - 상기 안테나 공진 요소들은 소정 주파수에서 무선-주파수 신호들을 전달하도록 구성됨 -; 및
    상기 접지 평면의 상기 제1 측면에서 상기 유전체 기판 상에 있고 수직 전도성 구조물에 의해 상기 접지 평면에 결합된 전도성 트레이스를 포함하며, 상기 전도성 트레이스는 상기 주파수에 대응하는 유효 파장의 1/4에서 공진하도록 구성되는, 안테나 모듈.
  20. 제19항에 있어서, 상기 주파수는 10 ㎓ 내지 300 ㎓의 주파수를 포함하고, 상기 전도성 트레이스는 상기 위상 안테나 어레이에 의해 상기 접지 평면의 상기 제1 측면에서 생성된 표면 전류가 상기 접지 평면의 상기 제2 측면 상으로 산란되는 것을 차단하도록 구성되는, 안테나 모듈.
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