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实现3D波束覆盖的无线天线阵系统架构和方法

阅读:1050发布:2020-05-27

专利汇可以提供实现3D波束覆盖的无线天线阵系统架构和方法专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本文描述用于实现三维波束 覆盖 的无线天线阵系统的 实施例 。描述和 声明 要求保护其它实施例。,下面是实现3D波束覆盖的无线天线阵系统架构和方法专利的具体信息内容。

1.一种毫米波通信设备,包括:
在第一衬底上的端射天线阵;
在第二衬底上的平面天线阵;以及
连接到所述端射天线阵和所述平面天线阵的集成电路,所述集成电路被配置成使用毫米波信号进行通信。
2.如权利要求1所述的毫米波通信设备,其特征在于,所述端射天线阵从包括准八木-宇田天线、缝隙天线、韦瓦第天线、偶极天线以及低剖面喇叭天线的组中选择。
3.如权利要求1所述的毫米波通信设备,其特征在于,所述平面天线阵从包括片状天线、缝隙天线、螺旋天线、单极天线以及偶极天线的组中选择。
4.如权利要求1所述的毫米波通信设备,其特征在于,进一步包括多个端射天线阵。
5.如权利要求1所述的毫米波通信设备,其特征在于,进一步包括多个平面天线阵。
6.如权利要求1所述的毫米波通信设备,其特征在于,所述毫米波通信设备为全向天线。
7.如权利要求1所述的毫米波通信设备,其特征在于,所述集成电路的处理电路系统被配置用于在选定的方向上接收和发射毫米波信号。
8.如权利要求1所述的毫米波通信设备,其特征在于,所述集成电路使用屏蔽通孔连接到所述端射天线阵和所述平面天线阵。
9.一种用于60GHz频段无线通信的装置,包括:
使用第一衬底上的平面天线和第三衬底上的端射天线在60GHz频段中进行通信的无线通信设备,其中所述端射天线和所述平面天线通过第二衬底中的通孔连接到集成电路。
10.如权利要求9所述的装置,其特征在于,所述端射天线从包括准八木-宇田天线、缝隙天线、韦瓦第天线、偶极天线以及低剖面喇叭天线的组中选择。
11.如权利要求9所述的装置,其特征在于,所述平面天线从包括片状天线、缝隙天线、螺旋天线、单极天线以及偶极天线的组中选择。
12.如权利要求9所述的装置,其特征在于,进一步包括多个端射天线。
13.如权利要求9所述的装置,其特征在于,进一步包括多个平面天线。
14.如权利要求9所述的装置,其特征在于,所述装置是全向天线。
15.如权利要求13所述的装置,其特征在于,所述集成电路的处理电路系统被配置用于在选定的方向上接收和发射毫米波信号。
16.如权利要求9所述的装置,其特征在于,所述通孔是屏蔽通孔。
17.一种多点无线通信设备,包括:
配置成在60GHz频段中工作的多个平面天线;
配置成在60GHz频段中工作的多个端射天线;
耦合到所述多个平面天线和所述多个端射天线以提供全向天线阵的集成电路。
18.如权利要求17所述的多点无线通信设备,其特征在于,所述多个端射天线从包括准八木-宇田天线、缝隙天线、韦瓦第天线、偶极天线以及低剖面喇叭天线的组中选择。
19.如权利要求17所述的多点无线通信设备,其特征在于,所述多个平面天线从包括片状天线、缝隙天线、螺旋天线、单极天线以及偶极天线的组中选择。
20.如权利要求17所述的多点无线通信设备,其特征在于,所述集成电路使用屏蔽通孔耦合到所述多个平面天线和所述多个端射天线。

说明书全文

实现3D波束覆盖的无线天线阵系统架构和方法

发明领域

[0001] 本发明领域一般涉及无线天线阵系统,尤其但不排他地涉及用于在WPAN/WLAN环境中发射和接收毫米波(mm波)信号的无线系统架构。
[0002] 背景信息
[0003] 科技的发展允许对大量语音、视频、图像和数据信息进行数字化和压缩。以无线移动无线电通信在设备间传输数据的需求要求在高数据率下接收准确的数据流。提供在方位和仰角上皆实现天线覆盖的允许无线电处理增大的容量同时提供改善的质量的天线将是有利的。提供合并了集成的紧凑且高性能的天线、具有较小形状因数的移动互联网设备和/或接入点也将会是有利的。附图说明
[0004] 本发明通过示例进行说明,且不旨在受限于附图的各图,其中:
[0005] 图1是说明各设备使用极高频无线电信号在无线网络中通信的框图
[0006] 图2是根据本发明的一些实施例的使用极高频率无线电信号实现三维(3D)波束覆盖的无线天线阵组件的俯视图。
[0007] 图3是图2中无线天线阵组件的横截面图。
[0008] 图4是图2中无线天线阵组件的等角图。
[0009] 图5是根据本发明的一些实施例的无线天线阵组件的方位角波束覆盖的示图。
[0010] 图6是根据本发明的一些实施例的无线天线阵组件的仰角波束覆盖的示图。
[0011] 图7是根据本发明的一些实施例的上下式无线天线阵组件的仰角和方位角波束覆盖的示图。
[0012] 详细描述
[0013] 在以下详细描述中,阐述了许多具体细节以提供对本发明的透彻理解。然而,本领域技术人员可理解本发明在没有这些具体细节的情况下也可实施。在其它实例中,并未对公知方法、程序、组件以及电路进行详细描述以免淡化本发明。
[0014] 这里描述了用于使用无线天线阵系统架构来实现三维(3D)波束覆盖的方法和系统的实施例。在下面的描述中,阐明许多具体细节,例如对用于在方位角和仰角上皆实现天线覆盖的相控和扇形天线阵排列的描述,以提供对本发明实施例的透彻理解。然而,相关领域技术人员将认识到,在没有一个或多个具体细节的情况下或利用其它方法、组件、材料等也可实施本发明。在其它实例中,未详细示出或描述公知的结构、材料或操作以免淡化本发明诸方面。
[0015] 增大设计成使用局域网(WLAN)和无线个域网(WPAN)技术进行工作的低成本毫米波(mm波)无线设备的覆盖范围在本领域中将是一种进步。毫米波通信对于获得相对高的通信吞吐量同时提供高的频率复用潜是合乎需要的。采用波束受控或相控阵天线的现有毫米波通信技术和系统不能为使用极高频无线电信号在方位角和仰角两者上进行通信的设备提供紧凑的低成本解决方案。设计成使用具有较小波长的极高频无线电信号来通信的天线由于较小束宽因此可被设计成使用适度大小的封装,从而允许紧凑的天线阵架构。提供能够在方位角和仰角两者上使用极高频无线电信号(例如数据吞吐量高达2.5Gbps的免执照短程频带)进行工作的低成本且紧凑的天线阵将使接入点或消费者设备的形状因数设计更高效,同时在各种应用中提供提高的可操作性。因此,避免了现有天线类型固有的有方向限制的通信能力,且在高带宽无线通信环境中采用极高频无线电信号的接入点或设备可享受来自低成本但紧凑的天线阵系统的多向无线覆盖。
[0016] 60GHz频段(57-66GHz)毫米波(mm波)通信设备的实施例可用于各种应用。本发明的一些实施例可结合多种设备和系统来使用,例如,发射机,接收机,收发机,发射机-接收机,无线通信站,无线通信设备,无线接入点(AP),调制解调器,无线调制解调器,个人电脑(PC),台式电脑,移动电脑,膝上型电脑,笔记本电脑平板电脑服务器计算机,机顶盒,掌上电脑,手持设备个人数字助理(PDA)设备,手持PDA设备,移动站(MS),图形显示器,通信站,网络,无线网络,局域网(LAN),无线LAN(WLAN),城域网(MAN),无线MAN(WMAN),广域网(WAN),无线WAN(WWAN),根据现存的IEEE802.11、802.11a、802.11b、802.11e、802.11g、802.1h、802.11i、802.11n、802.16、802.16d、802.16e标准和/或上述标准的未来版本和/或派生和/或长期演进(LTE)进行工作的设备和/或网络,个域网(PAN),无线PAN(WPAN),作为上述WLAN和/或PAN和/或WPAN网络的一部分的单元和/或设备,单向和/或双向无线电通信系统,蜂窝无线电-电话通信系统,蜂窝电话,无线电话,个人通信系统(PCS)设备,合并了无线通信设备的PDA设备,多输入多输出(MIMO)收发机或设备,单输入多输出(SIMO)收发机或设备,多输入单输出(MISO)收发机或设备,多接收机链(MRC)收发机或设备,具有“智能天线”技术或多天线技术的收发机或设备,等等。本发明的一些实施例可结合一种或多种类型的无线通信信号和/或系统使用,例如,射频(RF)、红外(IR)、频分复用(FDM)、正交FDM(OFDM)、时分复用(TDM)、时分多址(TDMA)、扩展TDMA(E-TDMA)、通用分组无线电业务(GPRS)、扩展GPRS、码分多址(CDMA)、宽带CDMA(WCDMA)、CDMA2000、多载波调制(MDM)、离散多音频(DMT)、蓝牙(RTM)、ZigBee(TM)等等。本发明的实施例可用于多种其它装置、设备、系统和/或网络。
[0017] 现在转到附图,图1是说明使用极高频无线电信号在极高频无线网络140中进行通信的诸如接入点(100a和100b)、移动站(110a和110b)、图形显示器(120)和通信站(130a和130b)之类的设备的框图。接入点100a可以与另一接入点100b以及诸如通信站(CS)130a和130b之类的通信站进行通信。CS 130a和130b可以是固定或基本固定的设备。在一些实施例中,接入点100a可以使用毫米波信号进行通信,但本发明的范围在这方面不受限定。接入点100a也可以与诸如移动站110a和图形显示器120之类的其它设备通信。在一些实施例中,接入点100a和移动站110a作为对等(P2P)网络的一部分进行工作。在其它实施例中,接入点100a和移动站110a作为网状网络的一部分进行工作,其中通信可以包括代表网状网络中诸如移动站110b之类的其它无线设备而路由的分组。固定无线接入、无线局域网、无线个域网、便携式多媒体流送和诸如车载网络之类的局部化网络是适用的P2P和网状网络的一些示例。
[0018] 诸如接入点(100a和100b)、移动站(110a和110b)、图形显示器(120)和通信站(130a和130b)之类的设备可以使用通过组合扇形和相控无线天线阵组件所发射和接收的极高频无线电信号进行通信。图2是根据本发明的一些实施例的使用极高频无线电信号实现三维(3D)波束覆盖的无线天线阵组件200的俯视图。
[0019] 一个或多个平面天线210可被贴装到第一衬底220的表面并被配置成形成平面天线阵,该平面天线阵与包括第二衬底230(见图4)和第三衬底240(见图4)在内的两个或多个衬底组合,构成无线天线阵组件200。一个或多个平面天线210可以是偶极、片状、缝隙或任何其它类型的毫米波天线元件。第一衬底220、第二衬底230和第三衬底240(下文中称为“衬底”)被选择成与毫米波应用兼容。可以使用平面天线210是因为其剖面低、成本低、重量轻并且便于集成到平面阵中。
[0020] 衬底可以从包括以下各项的组中挑选:低温共烧陶瓷(LTCC)、(Al2O3)、天线分级核心材料和层压板(例如罗杰斯公司的ROTM系列)、杜劳特铬合金(duroid)、液晶聚合物(LCP)、高电阻片或一个或多个其它适用于毫米波应用的衬底。衬底可以形成为各种各样的形状和大小,例如,宽度基本为1到50厘米(cm)以及厚度基本为50μm到1200μm。在一个实施例中,衬底都是一个形状、大小和厚度。另一方面,衬底可有选择地设计成不同的形状、大小和或厚度,这取决于应用以及无线天线阵组件200是如何设计和产生的。
[0021] 第一衬底220可以是平面的或基本平面的,以提供用于贴装相控阵平面天线210的平台。平面天线210可被配置成矩形、抖动型、随机形状、或其任意组合以实现所需的仰角波束覆盖。相控阵是其中馈送给平面天线210的各个信号的相对相位有所不同以使平面相控阵的有效辐射模式在期望方向上被加强而在非期望方向上被抑制的一组天线。平面阵是其中所有元件在一个平面上或基本在一个平面上的一组天线。在这个实施例中,该平面相控天线阵从第一衬底220提供仰角波束覆盖。
[0022] 每个平面天线210包含导电板,该导电板被选择性地设计成发射和接收无线信号,并且可以直接形成在第一衬底220上。每个平面天线210的设计可以通过在衬底上限定金属图案来产生。在另一实施例中,每个平面天线210形成在贴装到第一衬底220的中间衬底上。每个平面天线210可以是用于提供仰角波束覆盖的片状、缝隙、螺旋或任何其它适合的天线结构。一个类型或多个不同类型的平面天线210可用于在第一衬底220上形成阵列。
[0023] 图3是图2中无线天线阵组件200的横截面图。第一衬底横截面320是第一衬底220沿剖面线A-A的横截面图。第一衬底220上的平面天线210通过多个通孔310耦合到第二衬底230。在一个实施例中,通孔310由诸如(Cu)、金(Au)之类的导电材料或其它合适的导电材料构成,并且通过一个或多个通道或通孔穿过第一衬底220以贯穿第一衬底
220提供射频信号。在另一实施例中,使用屏蔽带状线或微带型传输结构将通孔310选择性地设计成提供高效的毫米波互连路由。带状线是用于传输极高频无线电信号的电传输线,并且由夹在诸如接地面(未示出)之类的两个接地元件之间的导电材料构成,诸如铜(Cu)或金(Au)之类的一种或多种金属。微带是另一类型的电传输线。微带是形成在介电层上的导电材料,该介电层将微带与诸如接地面(未示出)之类的接地元件分开。
[0024] 第二衬底横截面330是第二衬底230沿剖面线B-B的横截面图。第二衬底230是界面结构,用于通过一个或多个互连335提供第一衬底220与第三衬底240之间的互连路由,同时为衬底240上的一个或多个凸起特征提供凹陷345。
[0025] 第三衬底横截面340是第三衬底240沿剖面线B-B的横截面图。诸如准八木-宇田天线、平面缝隙和其它相关天线模式之类的多种端射天线350在第三衬底240上提供扇形端射天线阵。一种类型或多种不同类型的端射天线350可用于在第三衬底240上形成阵列。
[0026] 利用本领域技术人员已知的倒装焊工艺或其他芯片附连工艺连接到第三衬底240的集成电路(IC)360可以由诸如砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP)之类的III-V族半导体技术形成。另一方面,IC 360可以由硅锗(SiGe)、异质结双极晶体管(HBT)、双极结型晶体管互补金属氧化物半导体组合(BiCMOS)以及诸如互补金属氧化物半导体(CMOS)之类的硅技术形成。相对于其它现有技术,CMOS技术提供低成本和高集成解决方案,藉此将RF构建、有源和无源元件集成到同一芯片上。
[0027] 这个实施例中举例说明了一个IC 360,然而无线天线阵组件200中可以使用多个IC 360。IC 360耦合到端射天线350以提供扇形阵覆盖,并且通过互连335和310耦合到平面天线210以通过无线天线阵组件200提供相控阵覆盖。互连335可以经由金属通孔310、金属凸起335以及金属通孔335将射频(RF)信号从第一衬底220传输到第三衬底240。更进一步,IC360可使用直流(DC)和低频信号经由形成于第三衬底240中的通孔315和第三衬底240上的金属凸起355耦合至后端电路和处理器输入。IC 360也可使用多个微馈电线410连接到端射天线350。微馈电线410可以是诸如图4的第三衬底240之类的衬底上的一个或多个图案化的金属层。此外,可以在不止一个衬底层上形成微馈电线410以连接无线天线阵组件200中的集成电路360、平面天线210以及端射天线350。
[0028] 图4是图2中无线天线阵组件200的一个等角图,示出了第一衬底220和相控阵中的平面天线210一起提供仰角覆盖。第二衬底230提供多个互连335以将第一衬底220连接到第三衬底240。第三衬底240和集成电路360以及扇形阵中的端射天线350提供方位角覆盖。
[0029] 在一个实施例中,集成电路360可包括毫米波收发器,用于处理由端射天线350和/或平面相控阵天线210接收的信号,以及用于产生通过端射天线350和/或平面垂射天线210发射的毫米波信号。集成电路360还可包括可以配置端射天线350和/或平面相控阵天线元件210在选定的方向上进行接收和/或发射的处理电路系统。该处理电路系统还可以标识用于与其它无线设备通信的方向、基于信号平排列方向、以及协调在一个选定的方向上与另一无线设备的定向通信。
[0030] 本实施例中示出了三个衬底,但取决于应用和波束覆盖需求,可有选择地设计具有附加的衬底和天线的其他天线阵组件配置。端射天线350可被配置成矩形、圆形或其它任何形状以实现所需的方位角波束覆盖。
[0031] 图5描述了图2中的无线天线阵组件200,同时示出了根据本发明的一些实施例的来自多个方位角波束500的方位角波束覆盖。本实施例中,无线天线阵组件200被配置成在跨360度的圆形设计中提供完全方位角波束覆盖。在另一实施例中,无线天线阵组件以矩形设计配置,以实现所需的方位角波束覆盖,但本实施例不限于此。
[0032] 图6描述了图2中的无线天线阵组件200,同时示出了根据本发明的一些实施例的来自多个方位角波束500和多个仰角波束600的方位角和仰角波束覆盖。本实施例中,无线天线阵组件200被配置成提供跨180度的仰角波束覆盖。在另一实施例中,无线天线阵组件200被配置成提供少于180度的仰角波束覆盖,但本实施例不限于此。无线天线阵组件200包括用于提供方位角和仰角覆盖的互补天线类型。
[0033] 天线增益量将取决于天线拓扑的选择和配置。对于60GHz频段中的波长,天线的大小为几毫米,基于天线类型的选择和配置,用于毫米波应用的单个天线增益范围可在3-18dBi之间。实现大于10-15dBi的天线增益对于实际WPAN类型应用是必须的。单个天线或天线阵和/或堆叠可以制造在和/或附加到衬底上以提供较高增益值。作为示例,4到
16个高增益端射天线可被安排到第三衬底240上,以提供跨360度的所需方位角波束覆盖。
[0034] 图7是根据本发明的一些实施例的上下式无线天线阵组件700的仰角和方位角波束覆盖的示图。本实施例中的上下式无线天线阵组件700包含两个无线天线阵组件200,这两个天线阵组件被配置成提供360度全方位角覆盖和360度全仰角覆盖。在一个实施例中,上下式无线天线阵组件700是用于在10米(m)的距离上提供全向波束覆盖的全向天线。
[0035] 虽然为了说明目的在本文中描述了本发明的特定实施例和示例,但如相关领域技术人员将认识到的,在本发明的范围内有许多等效修改是可能的。在描述和权利要求中,可能使用了术语“耦合”和“连接”以及它们的派生词。应当理解的是,这些术语不意味着它们是彼此的同义词。相反,在特定实施例中,“连接”可以用于指示两个或多个元件相互直接物理接触或电接触,而“耦合”可以进一步表示两个或多个元件相互不直接接触,但仍相互协作或交互。
[0036] 在本说明书通篇中对“一个实施例”或“实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此,在本说明书通篇中各处出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”不一定全部指的是同一实施例。而且,特定特征、结构、或特性可按照任何合适的方式在一个或多个实施例中组合。
[0037] 可以按照上述详细说明对发明做出修改。所附权利要求中所用术语不应当被理解成将本发明限制为在说明书和附图中公开的具体实施例。相反,本发明的范围完全由所附权利要求确定,所附权利要求将根据已确立的权利要求解释原则来解读。
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