CN112563728B - 具有连续堆叠的辐射元件的毫米波天线 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及具有连续堆叠的辐射元件的毫米波天线。本公开提供了一种可设置有相控天线阵列的电子设备。该阵列可传送大于10GHz的信号，并且可形成在具有传输线层和天线层的基板上。该阵列中的天线可具有辐射元件，该辐射元件在该天线层上包括第一重叠的贴片元件、第二重叠的贴片元件和第三重叠的贴片元件。可使用耦合到该第一贴片元件上的差分馈电部的差分传输线为该天线馈电。该差分传输线可包括第一信号迹线和第二信号迹线。第一通孔可将该第一信号迹线耦合到该第一贴片元件、该第二贴片元件和该第三贴片元件。第二通孔可将该第二信号迹线耦合到该第一贴片元件、该第二贴片元件和该第三贴片元件。该贴片元件可将电容引入该辐射元件，这有助于补偿与该辐射元件和该信号迹线之间的距离相关联的电感。

Description

具有连续堆叠的辐射元件的毫米波天线
本专利申请要求2019年9月26日提交的美国专利申请16/584,067的优先权，该专利申请据此全文以引用方式并入本文。
背景技术
本公开整体涉及电子设备，并且更具体地涉及具有无线通信电路的电子设备。
该电子设备通常包括无线通信电路。例如，蜂窝电话、计算机和其他设备通常包含天线和用于支持无线通信的无线收发器。
可能需要支持毫米波和厘米波通信频带中的无线通信。毫米波通信(有时称为极高频(EHF)通信)和厘米波通信涉及频率约为10GHz-300GHz的通信。为了支持毫米波和厘米波通信，在基板上形成天线阵列。阵列的传输线被嵌入基板内。
在这些频率下的操作可支持高带宽，但是可能带来重大挑战。例如，可能难以确保基板上的传输线彼此充分隔离，特别是在阵列中的天线数量增加时。同时，制造商继续努力使用紧凑结构来实现诸如天线阵列的无线通信电路，以满足消费者对小外形无线设备的需求。
因此，希望能够为电子设备提供改进的无线通信电路，诸如支持毫米和厘米波通信的通信电路。
发明内容
本发明公开了可提供有无线电路的电子设备。无线电路可包括射频收发器电路和相控天线阵列。相控天线阵列可以在信号波束中以大于10GHz的频率传送射频信号。
相控天线阵列可以形成在具有垂直堆叠的电介质层的电介质基板上。电介质层可包括传输线层和堆叠在传输线层上的天线层。接地迹线可以将传输线层与天线层分开。相控天线阵列可包括具有在天线层上形成的天线辐射元件的天线。导电通孔的栅栏可用于将相控天线阵列中的天线彼此隔离。相控天线阵列可抵靠电介质覆盖层(例如，设备的外壳壁)安装，并且可以辐射穿过电介质覆盖层。
相控天线阵列中的天线可具有天线辐射元件，该天线辐射元件包括由天线层上的重叠导电迹线形成的第一贴片元件、第二贴片元件和第三贴片元件。第一贴片元件可***置在接地迹线与第二贴片元件之间。第二贴片元件可***置在第一贴片元件与第三贴片元件之间。天线可包括由与第一贴片元件、第二贴片元件和第三贴片元件中的一个或多个贴片元件共面的导电迹线形成的寄生元件。可使用耦合到第一贴片元件上的差分天线馈电部的差分射频传输线路径为天线馈电。作为示例，差分射频传输线路径可包括具有第一信号迹线和第二信号迹线的第一带状线和第二带状线。
第一导电通孔可用于将第一信号迹线耦合到第一贴片元件、第二贴片元件和第三贴片元件。例如，第一导电通孔可包括：第一部分，该第一部分将第一信号迹线耦合到第一贴片元件；第二部分，该第二部分与第一部分横向对齐，并且将第一贴片元件耦合到第二贴片元件；以及第三部分，该第三部分与第一部分和第二部分横向对齐，并且将第二贴片元件耦合到第三贴片元件。第二导电通孔可类似地用于将第二信号迹线耦合到第一贴片元件、第二贴片元件和第三贴片元件。在另一种合适的布置中，可使用单端天线馈电部。
第一贴片元件、第二贴片元件和第三贴片元件可以将电容引入天线辐射元件，这有助于补偿与天线辐射元件和射频传输线路径的信号迹线之间的距离相关联的过量电感。这可以确保天线与射频传输线路径阻抗匹配。如果需要，相控天线阵列可包括具有附加天线辐射元件的附加天线，该附加天线辐射元件使用附加射频传输线路径进行馈电。附加射频传输线路径可以比用于为天线馈电的射频传输线路径更靠近传输线层中的附加天线辐射元件。附加天线辐射元件可以仅包括由单层导电迹线形成的单个贴片元件。通过跨多个传输线层分布射频传输线路径，相控天线阵列可包括大量天线，可以覆盖大量频率，并且/或者可以覆盖大量极化，同时还表现出射频传输线路径之间的足够的电磁隔离。
附图说明
图1是根据一些实施方案的具有无线电路的例示性电子设备的前透视图。
图2是根据一些实施方案的具有无线电路的例示性电子设备的后透视图。
图3是根据一些实施方案的具有无线电路的例示性电子设备的示意图。
图4是根据一些实施方案的以不同的波束指向角度形成射频信号波束的例示性相控天线阵列的图示。
图5是根据一些实施方案的例示性收发器电路和天线的图示。
图6是根据一些实施方案的例示性差分馈电贴片天线的透视图。
图7是根据一些实施方案的安装到电子设备中的电介质覆盖层上的例示性天线模块的横截面侧视图。
图8是根据一些实施方案的具有由导电迹线的堆叠层形成的辐射元件的例示性天线的横截面侧视图，所述导电迹线使用导电通孔耦合在一起。
图9是根据一些实施方案的图8所示类型的例示性天线的俯视图，该天线具有用于调节天线的频率响应的寄生元件。
图10是根据一些实施方案的例示性相控天线阵列的横截面侧视图，该相控天线阵列具有包括不同数量的堆叠式贴片元件的天线。
具体实施方式
电子设备诸如图1的电子设备10可包含无线电路。无线电路可包括一个或多个天线。天线可包括用于使用毫米波和厘米波信号执行无线通信和/或空间测距操作的相控天线阵列。毫米波信号，有时被称为极高频(EHF)信号，以约30GHz以上的频率(例如，以60GHz或介于约30GHz与300GHz之间的其他频率)传播。厘米波信号以介于约10GHz与30GHz之间的频率传播。如果需要，设备10还可包含用于处理卫星导航***信号、蜂窝电话信号、无线局域网信号、近场通信、基于光的无线通信或其他无线通信的天线。
电子设备10可以是计算设备诸如膝上型计算机、包含嵌入式计算机的计算机监视器、平板电脑、蜂窝电话、媒体播放器、或其他手持式或便携式电子设备、较小的设备(诸如腕表设备)、挂式设备、耳机或听筒设备、虚拟或扩增现实头戴设备、被嵌入在眼镜中的设备或者佩戴在用户的头部上的其他装置，或其他可佩戴式或微型设备、电视机、不包含嵌入式计算机的计算机显示器、游戏设备、导航设备、嵌入式***(诸如其中具有显示器的电子设备被安装在信息亭或汽车中的***)、无线访问点或基站、桌上型计算机、便携式扬声器、键盘、游戏控制器、游戏***、计算机鼠标、鼠标垫、轨迹板或触摸板、实现这些设备中的两个或更多个设备的功能的装置或其他电子装置。在图1的例示性配置中，设备10是便携式设备，诸如蜂窝电话、媒体播放器、平板电脑、便携式扬声器或其他便携式计算设备。如果需要，可将其他构型用于设备10。图1的示例仅为例示性的。
如图1所示，设备10可包括显示器诸如显示器8。显示器8可被安装在外壳(诸如外壳12)中。有时可称为壳体或箱体的外壳12可由塑料、玻璃、陶瓷、纤维复合材料、金属(例如，不锈钢、铝等)、其他合适的材料或这些材料中的任意两种或更多种的组合形成。外壳12可以利用一体式配置形成，在一体式配置中，外壳12的一部分或全部被机加工或模制成单个结构，或者可以利用多个结构(例如，内部框架结构、形成外部外壳表面的一个或多个结构等)形成。
显示器8可以是并入导电电容性触摸传感器电极层或其他触摸传感器部件(例如，电阻性触摸传感器部件、声学触摸传感器部件、基于力的触摸传感器部件、基于光的触摸传感器部件等)的触摸屏显示器或者可以是非触敏的显示器。电容性触摸传感器电极可由氧化铟锡焊盘或其他透明导电结构的阵列形成。
显示器8可包括由液晶显示器(LCD)部件形成的显示器像素阵列、电泳显示器像素阵列、等离子体显示器像素阵列、有机发光二极管显示器像素阵列、电润湿显示器像素阵列、或者基于其他显示器技术的显示器像素。
可使用显示器覆盖层诸如透明玻璃、透光塑料、蓝宝石的层或其他透明电介质来保护显示器8。可在显示器覆盖层中形成开口。例如，可以在显示器覆盖层中形成开口，以容纳一个或多个按钮、诸如指纹传感器或光传感器的传感器电路、诸如扬声器端口或麦克风端口的端口等。开口可以形成在外壳12中以形成通信端口(例如，音频插孔端口、数字数据端口、充电端口等)。外壳12中的开口还可被形成，以用于音频部件诸如扬声器和/或麦克风。
天线可被安装在外壳12中。如果需要，一些天线(例如，实现波束转向等的天线阵列)可安装在显示器8的无效边界区域下方(参见例如图1的例示性天线位置6)。显示器8可以包含具有像素阵列的有效区域(例如，中央矩形部分)。显示器8的非有效区域没有像素，并且可以形成有效区域的边界。如果需要，天线也可以通过外壳12后部或设备10中其他地方的填充电介质开口操作。
为了避免当外部物体诸如人的手或用户的其他身体部分阻挡一个或多个天线时中断通信，天线可以被安装在外壳12中的多个位置处。诸如接近传感器数据的传感器数据、实时天线阻抗测量、诸如接收信号强度信息的信号质量测量以及其他数据可用于确定一个或多个天线何时由于外壳12的定向、用户的手或其他外部物体的阻挡或其他环境因素而正受到不利影响。设备10然后可以切换一个或多个替换天线来代替正受到不利影响的天线。
天线可安装在外壳12的拐角处(例如，在图1的拐角位置6中和/或在外壳12后部的拐角位置中)、沿着外壳12的***边缘、在外壳12的后部上、在用于覆盖和保护设备10前面的显示器8的显示器覆盖玻璃或其他电介质显示器覆盖层下方、在外壳12背面或外壳12边缘的电介质窗口上方、在电介质覆盖层诸如覆盖设备10的一些或全部背面的电介质后外壳壁上方，或在设备10中其他地方。
图2是电子设备10的后透视图，示出了外壳12的后部和侧面上的例示性位置6，其中天线(例如，单天线和/或相控天线阵列)可以被安装在设备10中。天线可安装在设备10的拐角处、沿着外壳12的边缘诸如由侧壁12E形成的边缘、在后外壳壁12R的上部和下部、在后外壳壁12R的中心(例如，在后外壳壁12R中心的电介质窗口结构或其他天线窗口下方)、在后外壳壁12R的拐角处(例如，在外壳12和设备10的后部的左上角、右上角、左下角和右下角上)等。
在其中外壳12完全或几乎完全由电介质(例如，塑料、玻璃、蓝宝石、陶瓷、织物等)形成的配置中，天线可通过电介质的任何合适的部分来发射和接收天线信号。在其中外壳12由诸如金属的导电材料形成的配置中，外壳的诸如槽孔或金属中的其他开口的区域可填充有塑料或其他电介质。天线可以被安装成与开口中的电介质对齐。这些开口有时可以被称为电介质天线窗口、电介质间隙、电介质填充开口、电介质填充槽孔、细长电介质开口区域等，可以允许天线信号从安装在设备10内的天线发射到外部无线装置，并且可以允许内部天线从外部无线装置接收天线信号。在另一种合适的布置中，天线可以被安装在外壳12的导电部分的外部。
图1和图2仅为例示性的。一般来讲，外壳12可具有任何期望的形状(例如，矩形、圆柱形、球形、这些形状的组合等)。如果需要，可省略图1的显示器8。天线可位于外壳12内、外壳12上和/或外壳12外部。
图3示出了可用于设备10中的例示性部件的示意图。如图3所示，设备10可包括控制电路14。控制电路14可包括存储装置诸如存储电路20。存储电路20可包括硬盘驱动器存储装置、非易失性存储器(例如，被配置为形成固态驱动器的闪存存储器或其他电可编程只读存储器)、易失性存储器(例如，静态随机存取存储器或动态随机存取存储器)等。控制电路14可包括处理电路诸如处理电路22。处理电路22可用于控制设备10的操作。处理电路22可包括一个或多个微处理器、微控制器、数字信号处理器、主机处理器、基带处理器集成电路、专用集成电路、中央处理单元(CPU)等。控制电路14可被配置为使用硬件(例如，专用硬件或电路)、固件和/或软件在设备10中执行操作。用于在设备10中执行操作的软件代码可被存储在存储电路20上(例如，存储电路20可包括存储软件代码的非暂态(有形的)计算机可读存储介质)。该软件代码可有时被称为程序指令、软件、数据、指令、或代码。被存储在存储电路20上的软件代码可由处理电路22执行。
控制电路14可用于运行设备10上的软件，诸如互联网浏览应用程序、互联网语音协议(VOIP)电话呼叫应用程序、电子邮件应用程序、媒体回放应用程序、操作***功能等。为了支持与外部装置进行交互，控制电路14可用于实现通信协议。可使用控制电路14实现的通信协议包括互联网协议、无线局域网协议(例如，IEEE 802.11协议—有时被称为
Figure BDA0002648389940000061
)、用于其他近程无线通信链路的协议诸如/>
Figure BDA0002648389940000062
协议或其他WPAN协议、IEEE802.11ad协议、蜂窝电话协议、MIMO协议、天线分集协议、卫星导航***协议、基于天线的空间测距协议(例如，无线电检测和测距(RADAR)协议或用于以毫米波和厘米波频率传送的信号的其他期望的距离检测协议)等。每个通信协议可与指定用于实现协议的物理连接方法的对应无线电接入技术(RAT)相关联。
设备10可包括输入-输出电路16。输入-输出电路16可包括输入-输出设备18。输入-输出设备18可用于允许将数据提供到设备10并且允许将数据从设备10提供到外部设备。输入-输出设备18可包括用户界面设备、数据端口设备、传感器和其他输入-输出部件。例如，输入-输出设备可包括触摸屏、不具有触摸传感器能力的显示器、按钮、操纵杆、滚轮、触摸板、小键盘、键盘、麦克风、相机、扬声器、状态指示器、光源、音频插孔、以及其他音频端口部件、数字数据端口设备、光传感器、陀螺仪、加速度计、或可检测运动和相对于地球的设备定向的其他部件、电容传感器、接近传感器(例如，电容接近传感器和/或红外接近传感器)、磁性传感器，以及其他传感器和输入-输出部件。
输入-输出电路16可包括无线电路，诸如用于无线传送射频信号的无线电路24。虽然为了清楚起见，在图3的示例中控制电路14与无线电路24分开示出，但是无线电路24可包括形成处理电路22的一部分的处理电路和/或形成控制电路14的存储电路20的一部分的存储电路(例如，控制电路14的部分可在无线电路24上实现)。例如，控制电路14可包括基带处理器电路或形成无线电路24的一部分的其他控制部件。
无线电路24可包括毫米波和厘米波收发器电路诸如毫米波/厘米波收发器电路28。毫米波/厘米波收发器电路28可支持在介于约10GHz与300GHz之间的频率下的通信。例如，毫米波/厘米波收发器电路28可支持在介于约30GHz与300GHz之间的极高频(EHF)或毫米波通信频带中和/或在介于约10GHz与30GHz之间的厘米波通信频带(有时被称为超高频(SHF)频带)中的通信。例如，毫米波/厘米波收发器电路28可支持以下通信频带中的通信：介于约18GHz与27GHz之间的IEEE K通信频带、介于约26.5GHz与40GHz之间的Ka通信频带、介于约12GHz与18GHz之间的Ku通信频带、介于约40GHz与75GHz之间的V通信频带、介于约75GHz与110GHz之间的W通信频带，或介于大约10GHz与300GHz之间的任何其他期望的频带。如果需要，毫米波/厘米波收发器电路28可支持在60GHz下的IEEE 802.11ad通信和/或介于27GHz与90GHz之间的第5代移动网络或第5代无线***(5G)通信频带。毫米波/厘米波收发器电路28可由一个或多个集成电路(例如，被安装在***级封装设备中通用印刷电路上的多个集成电路、被安装在不同基板上的一个或多个集成电路等)形成。
毫米波/厘米波收发器电路28(在本文中有时被简称为收发器电路28或毫米波/厘米波电路28)可使用由毫米波/厘米波收发器电路28发射和接收的毫米波和/或厘米波频率处的射频信号来执行空间测距操作。所接收的信号可以是已从外部物体反射并且返回设备10的所发射的信号的版本。控制电路14可处理所发射的信号和所接收的信号以检测或估计设备10与设备10周围的一个或多个外部物体(例如，设备10外部的物体，诸如用户或其他人员的身体、其他设备、动物、家具、墙壁或者设备10附近的其他物体或障碍物)之间的距离。如果需要，控制电路14还可处理所发射的信号和所接收的信号以识别外部物体相对于设备10的二维或三维空间位置。
由毫米波/厘米波收发器电路28执行的空间测距操作是单向的。如果需要，毫米波/厘米波收发器电路28还可以与外部无线装置诸如外部无线装置10’进行双向通信(例如，通过双向毫米波/厘米波无线通信链路31)。外部无线装置10’可包括其他电子设备诸如电子设备10、无线基站、无线接入点、无线附件或者发射和接收毫米波/厘米波信号的任何其他期望的装置。双向通信涉及由毫米波/厘米波收发器电路28发射无线数据以及由外部无线装置10’接收已发射的无线数据。无线数据可例如包括已编码到对应数据包中的数据，诸如与电话呼叫相关联的无线数据、流媒体内容、互联网浏览、与在设备10上运行的软件应用程序相关联的无线数据、电子邮件消息等。
如果需要，无线电路24可包括用于处理在10GHz以下频率的通信的收发器电路，诸如非毫米波/厘米波收发器电路26。非毫米波/厘米波收发器电路26可包括处理用于
Figure BDA0002648389940000082
(IEEE 802.11)通信的2.4GHz和5GHz频带的无线局域网(WLAN)收发器电路、处理2.4GHz/>
Figure BDA0002648389940000081
通信频带的无线个域网(WPAN)收发器电路、处理700MHz至960MHz、1710MHz至2170MHz、2300MHz至2700MHz的蜂窝电话通信频带和/或介于600MHz与4000MHz之间的任何其他期望的蜂窝电话通信频带的蜂窝电话收发器电路、接收在1575MHz下的GPS信号或用于处理其他卫星定位数据的信号(例如，在1609MHz下的GLONASS信号)的GPS接收器电路、电视接收器电路、AM/FM无线电接收器电路、寻呼***收发器电路、近场通信(NFC)电路等。非毫米波/厘米波收发器电路26和毫米波/厘米波收发器电路28可各自包括一个或多个集成电路、功率放大器电路、低噪声输入放大器、无源射频部件、切换电路、发射线结构和用于处理射频信号的其他电路。
无线电路24可包括天线30。非毫米波/厘米波收发器电路26可使用一个或多个天线30发射和接收10GHz以下的射频信号。毫米波/厘米波收发器电路28可使用天线30发射和接收10GHz以上(例如，在毫米波和/或厘米波频率下)的射频信号。
在卫星导航***链路、蜂窝电话链路和其他长距离链路中，射频信号通常用于在数千英尺或数千英里上传送数据。在2.4GHz和5GHz下的
Figure BDA0002648389940000091
链路和/>
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链路以及其他近距离无线链路中，射频信号通常用于在数十英尺或数百英尺上传送数据。毫米波/厘米波收发器电路28可在视线路径上行进的短距离上传送射频信号。为了增强毫米波和厘米波通信的信号接收，可使用相控天线阵列和波束形成(转向)技术(例如，在其中调节阵列中每个天线的天线信号相位和/或幅度以执行波束转向的方案)。由于设备10的操作环境能够切换成不使用并且在它们的位置使用性能更高的天线，天线分集方案也可用于确保天线已经开始被阻挡或以其他方式降解。
无线电路24中的天线30可使用任何合适的天线类型形成。例如，天线30可包括具有谐振元件的天线，该天线由堆叠贴片天线结构、环形天线结构、贴片天线结构、倒F形天线结构、槽孔天线结构、平面倒F形天线结构、单极天线结构、偶极天线结构、螺旋形天线结构、八木(八木宇田)天线结构、这些设计的混合等形成。如果需要，天线30中的一个或多个天线可以是背腔式天线。可针对不同的频带和频带组合来使用不同类型的天线。例如，一种类型的天线可用于为非毫米波/厘米波收发器电路26形成非毫米波/厘米波无线链路，而另一种类型的天线可用于为毫米波/厘米波收发器电路28以毫米波和/或厘米波频率传送射频信号。用于以毫米波和/或厘米波频率传送射频信号的天线30可被布置在一个或多个相控天线阵列中。
图4是示出用于处理毫米波和厘米波频率下的射频信号的天线30可如何形成在相控天线阵列中的图示。如图4所示，相控天线阵列36(在本文中有时被称为阵列36、天线阵列36或天线30的阵列36)可耦合到射频传输线路径32。例如，相控天线阵列36中的第一天线30-1可耦合到第一射频传输线路径32-1，相控天线阵列36中的第二天线30-2可耦合到第二射频传输线路径32-2，相控天线阵列36中的第M个天线30-M可耦合到第M个射频传输线路径32-M等。虽然本文中将天线30描述为形成相控天线阵列，但是相控天线阵列36中的天线30有时也可被称为共同形成单个相控阵列天线(例如，其中相控阵列天线中的每个天线30形成相控阵列天线的天线元件)。
射频传输线路径32可以各自耦合到图3的毫米波/厘米波收发器电路28。每个射频传输线路径32可包括一个或多个射频传输线、正信号导体和接地信号导体。正信号导体可耦合到对应天线30的天线谐振元件上的正天线馈电端子。接地信号导体可耦合到对应天线30的天线接地部上的接地天线馈电端子。
射频传输线路径32可包括带状线传输线(在本文中有时被简称为带状线)、同轴电缆、由金属化通孔实现的同轴探针、微带传输线、边缘耦合的微带传输线、边缘耦合的带状线传输线、波导结构、导电通孔、这些的组合等。可使用多种类型的传输线将毫米波/厘米波收发器电路耦合到相控天线阵列36。如果需要，滤波器电路、切换电路、阻抗匹配电路、移相器电路、放大器电路和/或其他电路可***置在射频传输线路径32上。
可将设备10中的射频发射线集成到陶瓷基板、刚性印刷电路板和/或柔性印刷电路中。在一种合适的布置中，可将设备10中的射频发射线集成在多层层压结构内(例如，在没有介入粘合剂的情况下被层压在一起的导电材料(诸如铜)层和电介质材料(诸如树脂)层)，该多层层压结构可在多个维度(例如，二维或三维)折叠或弯曲，并且在弯曲之后保持弯曲形状或折叠形状(例如，多层层压结构可折叠成特定的三维形状以围绕其他设备部件布线，并且可具有足够刚性以在折叠之后保持其形状，而无需被加强件或其他结构保持在适当位置)。层压结构的所有多个层可以在没有粘合剂的情况下分批层压在一起(例如，在单个压制过程中)(例如，与进行多个压制过程以将多个层用粘合剂层压在一起相反)。
相控天线阵列36中的天线30可被布置成任何期望数量的行和列或被布置成任何其他期望图案(例如，天线无需被布置成具有行和列的网格图案)。在信号发射操作期间，射频传输线路径32可用于将信号(例如，射频信号，诸如毫米波和/或厘米波信号)从毫米波/厘米波收发器电路28(图3)供应给相控天线阵列36以用于无线传输。在信号接收操作期间，射频传输线路径32可用于将在相控天线阵列36处接收到的信号(例如，来自图3的外部无线装置10’)传送到毫米波/厘米波收发器电路28(图3)。
在相控天线阵列36中使用多个天线30允许通过控制由天线传送的射频信号的相对相位和幅度(振幅)来实现射频波束形成布置(在本文中有时被称为射频波束转向布置)。在图4的示例中，相控天线阵列36中的天线30各自具有对应的射频相位和幅度控制器33(例如，***置在射频传输线路径32-1上的第一相位和幅度控制器33-1可控制由天线30-1处理的射频信号的相位和幅度，***置在射频传输线路径32-2上的第二相位和幅度控制器33-2可控制由天线30-2处理的射频信号的相位和幅度，***置在射频传输线路径32-M上的第M相位和幅度控制器33-M可控制由天线30-M处理的射频信号的相位和幅度等)。
相位和幅度控制器33可各自包括用于调节射频传输线路径32(例如，相移器电路)上的射频信号的相位的电路和/或用于调节射频传输线路径32上的射频信号的幅度的电路(例如，功率放大器和/或低噪声放大器电路)。相位和幅度控制器33在本文中有时可被统称为波束转向或波束形成电路(例如，使相控天线阵列36所发射和/或接收的射频信号的波束转向的波束转向电路)。
相位和幅度控制器33可调节被提供给相控天线阵列36中的每个天线的发射信号的相对相位和/或幅度，并且可调节由相控天线阵列36接收的接收信号的相对相位和/或幅度。如果需要，相位和幅度控制器33可包括用于检测由相控天线阵列36接收的接收信号的相位的相位检测电路。术语“波束”、“信号波束”、“射频波束”或“射频信号波束”在本文中可用于共同指代由相控天线阵列36在特定方向上发射和接收的无线信号。信号波束可以表现出峰值增益，该峰值增益以对应的波束指向角度定向在特定的波束指向方向上(例如，基于来自相控天线阵列中的每个天线的信号组合的相长干涉和相消干涉)。术语“发射波束”有时可在本文中用于指在特定方向上发射的射频信号，而术语“接收波束”有时可在本文中用于指从特定方向上接收的射频信号。
例如，如果调节相位和幅度控制器33以产生所发射的射频信号的第一组相位和/或幅度，则发射信号将形成如图4的波束B1所示定向在点A的方向上的发射波束。然而，如果调节相位和幅度控制器33以产生发射信号的第二组相位和/或幅度，则发射信号将形成如波束B2所示定向在点B的方向上的发射波束。类似地，如果调节相位和幅度控制器33以产生第一组相位和/或幅度，则可从点A的方向接收射频信号(例如，接收波束中的射频信号)，如波束B1所示。如果调节相位和幅度控制器33以产生第二组相位和/或幅度，则可从点B的方向接收射频信号，如波束B2所示。
可基于从图4的控制电路38接收的对应控制信号S通过控制路径34来控制每个相位和幅度控制器33以产生期望的相位和/或幅度(例如，可使用控制路径34-1上的控制信号S1控制由相位和幅度控制器33-1提供的相位和/或幅度，可使用控制路径34-2上的控制信号S2控制由相位和幅度控制器33-2提供的相位和/或幅度，可使用控制路径34-M上的控制信号SM控制由相位和幅度控制器33-M提供的相位和/或幅度等)。如果需要，控制电路38可实时主动地调节控制信号S，以随着时间的推移以不同的期望方向(例如，到不同的期望波束指向角度)使发射或接收波束转向如果需要，相位和幅度控制器33可向控制电路38提供识别接收信号的相位的信息。
当使用毫米波和厘米波频率下的射频信号执行无线通信时，射频信号通过相控天线阵列36与外部无线装置(例如，图3的外部无线装置10’)之间的视线路径传送。如果外部无线装置位于图4的点A，则可以调节相位和幅度控制器33以将信号波束转向点A(例如，以形成具有指向点A的波束指向角度的信号波束)。然后，相控天线阵列36可在点A的方向上发射和接收射频信号。类似地，如果外部无线装置位于点B，则可以调节相位和幅度控制器33以将信号波束转向点B(例如，以形成具有指向点B的波束指向角度的信号波束)。然后，相控天线阵列36可在点B的方向上发射和接收射频信号。在图4的示例中，为了简单起见，波束转向被示为在单个自由度上(例如，在图4的页面上朝向左和右)执行。然而，实际上，可在两个或更多个自由度(例如，在三维进入和离开页面以及在图4的页面上向左和向右)上转向波束。相控天线阵列36可具有在其上可执行(例如，在相控天线阵列上的半球或半球的区段中)波束转向的对应视场。如果需要，设备10可包括多个相控天线阵列，该多个相控天线阵列各自面向不同方向以提供来自设备的多个侧的覆盖。
图4的控制电路38可形成图3的控制电路14的一部分，也可以与图3的控制电路14分开。图4的控制电路38可识别相控天线阵列36的信号波束的期望的波束指向角度，并且可调节提供给相控天线阵列36的控制信号S以配置相控天线阵列36，以在该波束指向角度处形成(转向)信号波束。在无线通信期间，相控天线阵列36可以使用的每个可能的波束指向角度可通过波束控制码本诸如码本40识别。码本40可存储在控制电路38处、设备10上的其他地方，或者可被定位(卸载)到外部装置上并通过有线或无线通信链路传送到设备10。
码本40可识别相控天线阵列36可以使用的每个可能的波束指向角度。控制电路38可以存储或识别相位和幅度控制器33的相位和幅度设置，以用于实现那些波束指向角度中的每个波束指向角度(例如，控制电路38或码本40可包含将相控天线阵列36的每个波束指向角度映射到相位和幅度控制器33的一组对应的相位和幅度值的信息)。码本40可被硬编码或软编码到控制电路38处或设备10中的其他地方，可包括存储在控制电路38处或设备10中的其他地方的一个或多个数据库(例如，码本40可被存储为软件代码)，可包括控制电路38处或设备10中其他地方的一个或多个查找表，并且/或者可包括存储在设备10上的硬件和/或软件中的任何其他期望的数据结构。码本40可以在设备10的校准期间(例如，在设备10被最终用户接收之前在设备10的设计、制造和/或测试期间)生成并且/或者可以随时间动态地更新(例如，在最终用户使用设备10之后)。
控制电路38可基于码本40生成控制信号S。例如，控制电路38可识别与图3的外部无线装置10’通信所需的波束指向角度(例如，指向外部无线装置10’的波束指向角度)。控制电路38随后可以在码本40中识别最接近该识别出的波束指向角度的波束指向角度。控制电路38可使用码本40为相位和幅度控制器33生成相位和幅度值。控制电路38可将识别这些相位和幅度值的控制信号S通过控制路径34发射到相位和幅度控制器33。通过相控天线阵列36使用控制信号S形成的波束将通过码本40识别的波束指向角度定向。如果需要，控制电路38可以扫过通过码本40识别的不同波束指向角度中的一些或全部，直到找到外部无线装置，并且可使用发现外部无线装置所处的对应波束指向角度与外部无线装置进行通信(例如，通过图3的通信链路31)。
图5中示出了可以在相控天线阵列36中形成的天线30的示意图(例如，作为图4的相控天线阵列36中的天线30-1、30-2、30-3和/或30-N)。如图5所示，天线30可耦合到收发器电路42(例如，图3的毫米波收发器电路28)。收发器电路42可使用射频传输线路径32耦合到天线30的天线馈电部48。天线馈电部48可包括正天线馈电端子诸如正天线馈电端子50，并且可包括接地天线馈电端子诸如接地天线馈电端子52。射频传输线路径32可包括正信号导体诸如耦合到正天线馈电端子50的信号导体44，以及接地导体诸如耦合到接地天线馈电端子52的接地导体46。
任何期望的天线结构可用于实现天线30。在一种在本文中有时被描述为示例的合适布置中，贴片天线结构可用于实现天线30。使用贴片天线结构实现的天线30在本文中有时可被称为贴片天线。图6示出了可用于图4的相控天线阵列36中的例示性贴片天线。
如图6所示，天线30可具有天线辐射元件64(在本文中有时被称为天线谐振元件64、贴片天线谐振元件64或贴片天线辐射元件64)。天线辐射元件64可包括贴片元件60。贴片元件60(在本文中有时被称为贴片60或导电贴片60)可以由下面的基板(为清楚起见，未在图6中示出)上的导电迹线或由任何其他期望的导电材料形成。
贴片元件60可以与天线接地部诸如天线接地部56(在本文中有时被称为天线接地平面56)分开并平行于该天线接地部延伸。贴片元件60可位于平面诸如图6的X-Y平面内(例如，贴片元件60的侧表面区域可位于X-Y平面中)。天线接地部56可位于与贴片元件60的平面平行的平面内。因此，贴片元件60和天线接地部56可位于分开固定距离的单独的平行平面中。天线接地部56可以由在电介质基板(例如，用于支撑贴片元件60的电介质基板)上图案化的导电迹线和/或任何其他期望的导电结构(例如，设备10的外壳的导电部分、设备10中的部件的导电部分等)形成。
贴片元件60的侧面的长度可被选择为使得天线30在期望的操作频率下谐振(辐射)。在图6的布置中，例如，平行于X轴延伸的贴片元件60的侧面(边缘)的长度可被选择为大致等于天线30所传送的信号的波长的一半(例如，给定围绕贴片元件60的材料的电介质特性的有效波长)。在一个合适的布置中，仅作为一个示例，该长度可介于0.8mm与1.2mm之间(例如，大约1.1mm)，以覆盖介于57GHz与70GHz之间的毫米波频带。
图6的示例仅为例示性的。贴片元件60可具有正方形形状，其中贴片元件60的所有侧面具有相同的长度或可具有不同的矩形形状。贴片元件60可形成为具有任何需要数目的直边缘和/或弯曲边缘的其他形状。如果需要，贴片元件60和天线接地部56可具有不同的形状和相对定向。
在图6的示例中，使用差分射频传输线路径诸如差分射频传输线路径32D为贴片元件60差分馈电。例如，天线馈电部48可以是差分馈电部，该差分馈电部具有两个正天线馈电端子(例如，图5的正天线馈电端子50)，诸如耦合到贴片元件60上的不同位置的第一正天线馈电端子50A和第二正天线馈电端子50B。
如图6所示，收发器电路42可包括耦合到差分射频传输线路径32D(例如，射频传输线路径，诸如已被配置为传送差分信号的图5的射频传输线路径32)的差分信号端口54。差分射频传输线路径32D可具有第一信号迹线65和第二信号迹线67(例如，差分信号迹线)。差分射频传输线路径32D可包括将第一信号迹线65耦合到正天线馈电端子50A的第一导电通孔。差分射频传输线路径32D可包括第二导电通孔，该第二导电通孔将第二信号迹线67耦合到正天线馈电端子50B。第一导电通孔和第二导电通孔可延伸穿过天线接地部56中的相应孔或开口58。第一导电通孔和第二导电通孔以及信号迹线65和67可以共同形成用于差分射频传输线路径32D的信号导体(例如，图5的信号导体44)。差分信号端口54例如可以是100欧姆端口，而信号迹线65和67分别是50欧姆路径。
正天线馈电端子50A和无线电信号迹线65所传送的射频信号可以与正天线馈电端子50B和信号迹线67所传送的射频信号异相(例如，大约180度异相)。收发器电路42可以例如包括移相器电路，该移相器电路经由差分信号端口54传输信号迹线65上的射频信号，该射频信号与信号迹线67上的射频信号异相。以这种方式差分馈电的天线30可以例如使相控天线阵列36(图4)中的交叉极化干扰最小化并且优化天线30的辐射图案的均匀性。
在图6的示例中，天线30被差分馈电并且使用单个线性极化来传送射频信号62(例如，其中射频信号62的电场沿着单个轴线对齐)。该示例仅仅是例示性的。如果需要，可使用单端信号为天线30馈电(例如，天线馈电部48可以仅包括传送单端射频信号的单个正天线馈电端子50A)。在使用单端信号为天线30馈电的情况下，天线30可包括多个天线馈电部，每个天线馈电部耦合到贴片元件60和收发器电路42上的相应端口，以覆盖其他极化(例如，水平和垂直线性极化、圆形极化、椭圆极化等)。如果需要，天线30可包括一个或多个由导电迹线形成的寄生天线谐振元件，该导电迹线堆叠在贴片元件60上方(例如，与之重叠和/或对齐)并且/或者与贴片元件60共面。寄生元件的形状和/或贴片元件60的形状可被选择为有助于使天线30的阻抗与耦合到天线30的射频传输线路径的阻抗匹配。图6所示的天线结构仅仅是例示性的，并且一般来讲，任何期望类型的天线都可用于图4的相控天线阵列36中。如果需要，相控天线阵列36可以与诸如射频集成电路的其他电路集成，以形成集成天线模块。
图7是用于处理设备10中频率大于10GHz的信号的例示性天线模块的横截面侧视图。如图7所示，设备10可设置有天线模块，诸如天线模块68。如果需要，收发器电路(例如，图5和图6的收发器42)可安装到天线模块68上。天线模块68可包括形成在电介质基板诸如电介质基板70上的天线30(图4)的相控天线阵列36。基板70可以是例如刚性或印刷电路板或其他电介质基板。基板70可以是包括多个堆叠电介质层72的堆叠电介质基板(例如，多层印刷电路板基板，诸如多层玻璃纤维填充环氧树脂、刚性印刷电路板材料、柔性印刷电路板材料、陶瓷、塑料、玻璃或其他电介质)。相控天线阵列可包括以任何期望的图案布置在基板70上的任何期望数量的天线。
相控天线阵列36中的天线可包括元件诸如贴片元件60(图6)、接地迹线(例如，为相控天线阵列中的每个天线30形成图6的天线接地部56的导电迹线)和/或其他部件诸如***置在基板70的电介质层72之间或形成在其上的寄生元件。基板70可包括一组78电介质层72，这些电介质层用于形成每个天线的射频传输线路径(例如，图6的差分射频传输线路径32D)。因此，该组78电介质层72在本文中有时可被称为传输线层78。用于形成信号导体(例如，图5的信号导体44和图6的信号迹线65和67)和/或接地导体(例如，图5的接地导体46)的导电迹线可形成在传输线层78上。
基板70还可包括堆叠在传输线层78上方的一组76电介质层72。用于形成相控天线阵列中的天线的天线辐射元件(例如，图6的天线辐射元件64中的贴片元件60)的导电迹线可形成在该组76电介质层72上。因此，该组76电介质层72在本文中有时可被称为天线层76。
如果需要，基板70还可包括堆叠在天线层76上方的一组74电介质层72。该组74电介质层72可以不含导电材料，因此在本文中有时可被称为腔体层74。如果需要，可省略腔体层74。腔体层74、天线层76和传输线层78可以各自包括任何期望数量的电介质层72(例如，一个电介质层72、两个电介质层72、四个电介质层72、两个以上电介质层72、十二个电介质层72、十六个电介质层72等)。
天线模块68可以与设备10的电介质覆盖层诸如电介质覆盖层66重叠安装。电介质覆盖层66可形成设备10的外壳壁(例如，图2的侧壁12E或后外壳壁12R)、设备10的外壳壁中的天线窗口、图1的显示器8的显示器覆盖层等。电介质覆盖层66可以由玻璃、陶瓷、塑料、蓝宝石或任何其他期望的电介质材料形成。天线模块68可以与电介质覆盖层66分开一定间隙，可被放置成与电介质覆盖层66接触，可被压靠或被抵靠电介质覆盖层66偏压，或者可使用粘合剂粘附到电介质覆盖层66上。如果需要，可使用腔体层74帮助设置天线模块68中的天线辐射元件与电介质覆盖层66之间的期望距离(例如，以最小化电介质覆盖层66的界面处的信号反射)。天线模块68上的相控天线阵列可穿过电介质覆盖层66传送射频信号62。
天线模块68上的相控天线阵列(例如，图4的相控天线阵列36)可包括任何期望数量的天线30(例如，两个天线、三个天线、四个天线、十二个天线、四个以上天线、十六个天线、二十个天线等)。如果需要，相控天线阵列可包括不同组的天线，其中每组天线覆盖各自的频带和/或极化。例如，相控天线阵列可包括在包括40GHz的第一频带中传送射频信号的第一组天线、在包括39GHz的第二频带中传送射频信号的第二组天线以及在包括60GHz的第三频带中传送射频信号的第三组天线。该示例仅为例示性的，并且一般来讲，相控天线阵列可以覆盖任何期望频率下的任何期望数量的频带。
使用至少一个相应的射频传输线路径(例如，图5的射频传输线路径32)为相控天线阵列中的每个天线馈电。一般来讲，相控天线阵列中的天线数量越多，相控天线阵列的峰值增益就越大。随着相控天线阵列所覆盖的频带和极化的数量增加，形成在天线模块68的传输线层78中的射频传输线路径的数量增加。天线的差分馈电(例如，使用图6的正天线馈电端子50A和50B以及信号迹线65和67)进一步增加了形成在传输线层78中的射频传输线路径的数量。如果不多加小心，可能很难将相控天线阵列所需的所有需要的射频传输线路径容纳在传输线层78中，同时仍要确保每个射频之间都具有令人满意的电磁隔离。
为了帮助增加相控天线阵列的每个射频传输线路径之间的电磁隔离，可以在传输线层78的不同电介质层72上形成射频传输线路径。例如，相控天线阵列中的一些天线可使用射频传输线路径馈电，该射频传输线路径具有在给定的电介质层72’上图案化的信号迹线，该电介质层位于与基板70的底部边缘80相距距离82处。同时，相控天线阵列中的其他天线可使用射频传输线路径馈电，该射频传输线路径具有在不同的电介质层72”上图案化的信号迹线，该电介质层位于与基板70的底部边缘80相距距离86处。距离82可以例如小于距离86(例如，电介质层72”比电介质层72’更靠近天线层76)。这仅为例示性的，并且如果需要，射频传输线路径的信号迹线可在传输线层78中的两个以上电介质层72上图案化。
如图7所示，在电介质层72’上图案化的信号迹线可位于与天线层76相距相对长的距离84处。在电介质层72”上图案化的信号迹线可位于与天线层76相距相对短的距离88处。可使用导电通孔将电介质层72’和72”上的信号迹线耦合到天线层76上的对应天线辐射元件。因为距离84比距离88长，所以如果不多加小心，与用于将电介质层72”上的信号迹线耦合到天线层76的导电通孔相比，用于将电介质层72’上的信号迹线耦合到天线层76的导电通孔可能会向射频传输线路径引入更多的电感。这种不均匀的电感可能会在相控天线阵列上引入不期望的阻抗失配，从而限制了相控天线阵列的总体天线效率。
在一些情况下，可将电容器插置在射频传输线上，以帮助补偿射频传输线上的过量电感。然而，分立电容器诸如由表面贴装技术(SMT)部件形成的电容器可能不适合相对紧凑和相对高频的结构诸如天线模块68。为了在不使用分立电容器的情况下减轻这些过量电感，则相控天线阵列中的天线辐射元件可以由导电迹线的堆叠层形成，这些导电迹线使用导电通孔耦合在一起。
图8是相控天线阵列(例如，图4的相控天线阵列36)中的给定天线30的横截面侧视图，该天线具有由导电迹线的堆叠层形成的天线辐射元件，这些导电迹线使用导电通孔耦合在一起。如图8所示，天线30的天线辐射元件64被嵌入电介质基板70的天线层76内。
天线辐射元件64可包括形成在天线层76的不同电介质层72上的导电迹线的堆叠层。例如，天线辐射元件64可包括由第一电介质层72上的导电迹线形成的第一贴片元件60-1、由堆叠在第一电介质层上方的第二电介质层上的导电迹线形成的第二贴片元件60-2以及由堆叠在第二电介质层上方的第三电介质层上的导电迹线形成的第三贴片元件60-3(例如，贴片元件60-2可垂直地插置在贴片元件60-1与60-3之间)。一个或超过一个电介质层72可将贴片元件60-1与贴片元件60-2分开。一个或超过一个电介质层72可将贴片元件60-2与贴片元件60-3分开。一个或超过一个电介质层72可将贴片元件60-1与接地迹线98分开。
接地迹线98可将天线层76与基板70中的传输线层78分开。传输线层78还可包括接地迹线100和接地迹线102。传输线层78中的接地迹线98、接地迹线100、接地迹线102和/或任何其他接地迹线可形成图6的天线接地部56的一部分。
在图8的示例中，使用第一射频传输线和第二射频传输线诸如带状线107和109(例如，形成差分射频传输线路径诸如图6的差分射频传输线路径32D的一部分的带状线)为天线30差分馈电。如果需要，可使用其他类型的射频传输线为天线30馈电。带状线107可包括信号迹线106(例如，图6的信号迹线65)以及接地迹线100和102的与信号迹线106重叠的部分。信号迹线106可耦合到导电通孔110。如果需要，也可存在横向围绕信号迹线106的接地迹线(例如，在X-Y平面内)。导电通孔110可以延伸穿过传输线层78、接地迹线98中的孔58以及一些天线层76，以将信号迹线106耦合到贴片元件60-1(例如，以形成天线的第一正天线馈电端子，诸如图6的正天线馈电端子50A)。
带状线109可包括信号迹线108(例如，图6的信号迹线67)以及接地迹线100和102的与信号迹线108重叠的部分。信号迹线108可耦合到导电通孔116。如果需要，也可存在横向围绕信号迹线108的接地迹线(例如，在X-Y平面内)。导电通孔116可以延伸穿过传输线层78、接地迹线98中的孔58以及一些天线层76，以将信号迹线108耦合到贴片元件60-1(例如，以形成天线的第二正天线馈电端子，诸如图6的正天线馈电端子50B)。导电通孔110和116以及信号迹线106和108可以共同形成耦合到天线30的差分射频传输线的信号导体(例如，图5的信号导体44)。传输线层78中的接地迹线100和102和/或其他接地迹线可以共同形成耦合到天线30的差分射频传输线的接地导体(例如，图5的接地导体46)。
传输线层78可以在接地迹线100与98之间包括附加的布线层96。附加布线层96可用于形成天线模块68中其他天线的射频传输线路径(例如，信号迹线106和108可位于距离82处，而布线层96位于与图7所示的天线模块68的底部边缘80相距距离86处或比距离82更大的其他距离处)。图8的导电通孔110和116可以延伸穿过布线层96到达天线辐射元件64，使得导电通孔从信号迹线106和108跨过距离84延伸到贴片元件60-1。因为距离84相对长，所以这可能导致导电通孔110和116表现出相对高的电感。
如图8所示，导电通孔112可以与导电通孔110横向对齐，并且可将贴片元件60-1耦合到贴片元件60-2(例如，导电通孔112可将贴片元件60-1电(电气)连接到贴片元件60-2)。导电通孔114可以与导电通孔112和110横向对齐，并且可将贴片元件60-2耦合到贴片元件60-3(例如，导电通孔112可将贴片元件60-2电(电气)连接到贴片元件60-3)。导电通孔110和112可以例如被焊接到贴片元件60-1的相对侧。导电通孔112和114可以例如被焊接到贴片元件60-2的相对侧。
类似地，导电通孔118可以与导电通孔116横向对齐，并且可将贴片元件60-1耦合到贴片元件60-2(例如，导电通孔118可将贴片元件60-1电(电气)连接到贴片元件60-2)。导电通孔120可以与导电通孔118和116横向对齐，并且可将贴片元件60-2耦合到贴片元件60-3(例如，导电通孔120可将贴片元件60-2电(电气)连接到贴片元件60-3)。导电通孔116和118可以例如被焊接到贴片元件60-1的相对侧。导电通孔118和120可以例如被焊接到贴片元件60-2的相对侧。导电通孔110、112和114在本文中有时可被描述为形成从信号迹线106延伸到接线片元件60-3的同一导电通孔的不同部分。类似地，导电通孔116、118和120在本文中有时可被描述为形成从信号迹线108延伸到接线片元件60-3的同一导电通孔的不同部分。
通过以这种方式由垂直堆叠的贴片元件60-1、60-2和60-3形成天线辐射元件64，可将附加电容引入天线30，这有助于补偿导电通孔110和116的相对高的电感。例如，贴片元件60-1和接地迹线98可表现出第一电容C1，贴片元件60-2和贴片元件60-1可表现出第二电容C2，并且贴片元件60-2和贴片元件60-3可表现出第三电容C3。以这种方式将电容C1、C2和C3垂直地插置在天线辐射元件64上可有助于抵消导电通孔110和116的相对高的电感，从而有助于使天线30的阻抗与带状线107和109的阻抗匹配，尽管信号迹线106和108位于与天线辐射元件64相距相对长的距离84处。这可以允许以令人满意的隔离将相对大量的射频传输线路径集成到天线模块68中，而不会在天线模块中引入不期望的阻抗失配，从而优化相控天线阵列的天线效率。
图8的示例仅为示例性的。在图8的示例中，贴片元件60-1、60-2和60-3都具有相同的尺寸和形状，并且完全重叠。如果需要，贴片元件60-1、60-2和60-3中的两个或更多个贴片元件可具有不同的尺寸和/或不同的形状(例如，用于调整天线的频率响应、带宽和/或阻抗匹配)。如果需要，贴片元件60-1、60-2和60-3中的两个或更多个贴片元件可以部分地不重叠。天线辐射元件64可以仅包括两个贴片元件(例如，可省略贴片元件60-3以及导电通孔114和120)，也可包括多于三个贴片元件(例如，附加贴片元件可堆叠在贴片元件60-3上并且使用导电通孔耦合到贴片元件60-3)。天线30不需要差分馈电，并且如果需要，可使用单端信号(例如，使用耦合到天线辐射元件64的单个射频传输线路径)进行馈电。
如果需要，天线辐射元件64可包括不通过导电通孔110和116直接馈电的一个或多个寄生元件。例如，天线辐射元件64可包括由与贴片元件60-3共面的导电迹线形成的寄生元件90、由与贴片元件60-2共面的导电迹线形成的寄生元件92和/或由与贴片元件60-1共面的导电迹线形成的寄生元件94。寄生元件90、92和94在本文中有时可被称为寄生天线谐振元件、寄生天线辐射元件或寄生元件。如果需要，可将一个或多个寄生元件堆叠在(例如，重叠)贴片元件60-3上方。
图9是图8的差分馈电天线30的俯视图(例如，沿图8的箭头122的方向截取)。在图9的示例中，为清楚起见，省略了基板70的腔体层74。如图9所示，天线辐射元件64可包括寄生元件诸如寄生元件124。寄生元件124可包括图8的寄生元件90、92和/或94。导电通孔114可以在第一位置处接触贴片元件60-3，而导电通孔120在第二位置处接触贴片元件60-3。差分射频信号可通过导电通孔114和120提供给贴片元件60-3。对应的天线电流I可围绕贴片元件60-3的周边流动。类似的天线电流也可围绕下面的贴片元件60-2和60-1(图8)的边缘流动。
在不存在寄生元件124的情况下，贴片元件60-3的长度126决定天线30的响应频率(例如，长度126可以是天线30的有效工作波长的大约一半)。在存在寄生元件124的情况下，天线电流I也可在寄生元件上流动，从而将与长度128相关联的附加谐振引入天线。以这种方式，寄生元件124可用于增加天线30的带宽。
相控天线阵列中的每个天线30可通过垂直导电结构诸如导电通孔130与相控天线阵列中的其他天线分开。导电通孔130的组或栅栏可横向围绕天线30(例如，相控天线阵列中的每个天线)。导电通孔130可以延伸穿过基板70到达下面的接地迹线(例如，图8的接地迹线98、100和/或102)。导电落点焊盘(为清楚起见，图9中未示出)可用于在导电通孔穿过基板时将导电通孔130固定到基板70的每个层。通过将导电通孔130短接到基板70中的接地迹线，导电通孔130可与接地迹线保持在相同的接地或基准电位。导电通孔130可以与一个或多个相邻的导电通孔分开相对短的距离，以便有效地表现为在天线30的工作频率下的射频信号的固体导电壁(例如，导电通孔可以分开天线30的最短有效波长的八分之一、最短有效波长的十分之一、最短有效波长的十二分之一、最短有效波长的十五分、小于最短有效波长的八分之一等)。
如图9所示，天线30的天线辐射元件64可以安装在对应的体积125(在本文中有时被称为腔体125)内。天线30的体积125的边缘可以由导电通孔130和下面的接地迹线限定。以这种方式，导电通孔诸如导电通孔130和下面的接地迹线可以为相控天线阵列中的每个天线形成导电腔体(例如，相控天线阵列中的每个天线可以是具有由导电通孔和接地迹线形成的导电腔体的背腔式天线)。导电腔体可用于增强天线30的增益并且/或者可用于将相控天线阵列中的天线彼此隔离(例如，以最小化天线之间的电磁交叉耦合)。
图9的示例仅为示例性的。导电通孔130的栅栏可沿循任何期望的横向轮廓(例如，导电通孔130的栅栏可沿循任何期望的笔直和/或弯曲路径)。贴片元件60-3和寄生元件124可具有其他形状(例如，具有任何期望数量的弯曲和/或笔直边缘的任何期望形状)。如果需要，可在腔体125内安装多个天线30(例如，用于覆盖不同频带的天线)。
图10是示出相控天线阵列36如何可包括具有不同数量的堆叠贴片元件的多个天线的横截面侧视图。如图10所示，相控天线阵列36可至少包括嵌入天线模块68的基板70内的天线30-1和30-2。虽然基板70的传输线层78可包括任何期望数量的接地迹线层，但是为清楚起见，图10中仅示出接地迹线102。
天线30-1可耦合到传输线层78的附加布线层96中的至少第一射频传输线路径32-1。天线30-1可包括天线辐射元件64-1，该天线辐射元件通过导电通孔134耦合到射频传输线路径32-1中的信号迹线。在为天线30-1差分馈电的情况下，天线辐射元件64-1可使用多个导电通孔耦合到附加布线层96中的差分射频传输线路径(例如，差分射频传输线路径，诸如图6的差分射频传输线路径32D)。天线30-1可位于导电通孔130的栅栏与接地迹线102之间的腔体125-1内。
天线30-2可耦合到传输线层78(例如，基板70的电介质层，该电介质层比附加布线层96更靠近接地迹线102)中的至少第二射频传输线路径32-2。天线30-2可包括天线辐射元件64-2，该天线辐射元件通过导电通孔136耦合到射频传输线路径32-2中的信号迹线。在为天线30-2差分馈电的情况下，天线辐射元件64-2可使用多个导电通孔耦合到传输线层78中的差分射频传输线路径(例如，诸如图6的差分射频传输线路径32D的差分射频传输线路径)。天线30-2可位于导电通孔130的栅栏与接地迹线102之间的腔体125-2内。导电通孔130可以从接地迹线102(或传输线层78中的其他接地迹线)延伸到导电落点(接触)焊盘132。导电落点焊盘132可以与天线辐射元件64-1和/或64-2的任何期望部分共面，也可以与天线辐射元件64-1和64-2不共面。
如图10所示，天线辐射元件64-1与射频传输线路径32-1分开相对短的距离，诸如距离88。由于射频传输线路径32-2的信号迹线低于射频传输线路径32-1的信号迹线，因此天线辐射元件64-2与射频传输线路径32-2分开相对长的距离，诸如距离84。从而，导电通孔136可以向射频传输线路径32-2引入的电感比导电通孔134向射频传输线路径32-1引入的电感更多。
天线辐射元件64-1可以例如包括耦合到导电通孔134的单个贴片元件。同时，天线辐射元件64-2可包括多个堆叠的贴片元件，诸如贴片元件60-1、60-2和60-3(例如，天线30-2可使用图8的天线30的结构形成)。这可以将电容引入天线辐射元件64-2(例如，图8的电容C1、C2和C3)，这有助于补偿与导电通孔136相关联的相对高的电感，从而起到将天线30-2的阻抗与射频传输线路径32-2的阻抗匹配的作用。以这种方式，尽管使用与天线辐射元件相距不同距离的射频传输线路径为天线馈电(例如，如在小体积内为天线模块68中相对大量的天线馈电同时仍然在射频传输线路径之间表现出令人满意的电磁隔离所需)，但相控天线阵列36中的天线30的阻抗仍可在整个阵列上充分匹配(例如，在不使用SMT电容器的情况下)。
图10的示例仅为示例性的。可省略导电通孔130和导电落点焊盘132。相控天线阵列36可包括具有单个贴片元件的任何期望数量的天线(例如，诸如图10的天线30-1和图6的天线30的天线)以及具有多个堆叠贴片元件的任何期望数量的天线(例如，诸如图10的天线30-2和图8的天线30的天线)。相控天线阵列36可以附加地或另选地包括具有两个堆叠贴片元件或多于三个堆叠贴片元件的其他天线。
根据一个实施方案，提供了一种电子设备，该电子设备包括：电介质基板；位于电介质基板上的接地迹线；位于电介质基板上的具有信号迹线的射频传输线路径，该接地迹线形成射频传输线路径的接地导体的一部分；天线辐射元件，该天线辐射元件位于基板上并与接地迹线重叠，该天线辐射元件被配置为以大于10GHz的频率传送射频信号，并且包括第一贴片元件、与第一贴片元件重叠的第二贴片元件以及与第一贴片元件和第二贴片元件重叠的第三贴片元件；以及导电通孔，该导电通孔延伸穿过电介质基板，并且将射频传输线路径的信号迹线耦合到第一贴片元件、第二贴片元件和第三贴片元件。
根据另一个实施方案，射频传输线路径包括差分射频传输线路径。
根据另一个实施方案，射频传输线路径包括位于电介质基板上的附加信号迹线，电子设备包括延伸穿过电介质基板并将射频传输线路径的附加信号迹线耦合到第一贴片元件、第二贴片元件和第三贴片元件的附加导电通孔。
根据另一个实施方案，导电通孔在第一贴片元件、第二贴片元件和第三贴片元件上的第一位置处接触第一贴片元件、第二贴片元件和第三贴片元件，并且附加导电通孔在第一贴片元件、第二贴片元件和第三贴片元件上的第二位置处接触第一贴片元件、第二贴片元件和第三贴片元件，第二位置从第一位置横向偏移。
根据另一个实施方案，差分射频传输线路径包括：第一带状线，该第一带状线包括信号迹线；以及第二带状线，该第二带状线包括附加信号迹线。
根据另一个实施方案，电子设备包括射频收发器电路，该射频收发器电路具有耦合到第一带状线和第二带状线的差分端口。
根据另一个实施方案，射频收发器电路被安装到天线模块上。
根据另一个实施方案，第一贴片元件、第二贴片元件和第三贴片元件是矩形的。
根据另一个实施方案，第二贴片元件与第一贴片元件完全重叠，并且第三贴片元件与第一贴片元件和第二贴片元件完全重叠。
根据另一个实施方案，天线辐射元件包括寄生元件，该寄生元件由与第一贴片元件、第二贴片元件和第三贴片元件中的一个贴片元件共面的导电迹线形成。
根据另一个实施方案，天线辐射元件包括寄生元件，该寄生元件由与第一贴片元件、第二贴片元件和第三贴片元件中的两个贴片元件共面的导电迹线形成。
根据另一个实施方案，提供了一种电子设备，该电子设备包括导电通孔的栅栏，该导电通孔的栅栏耦合到接地迹线并延伸穿过电介质基板，该导电通孔的栅栏横向围绕电介质基板上的天线辐射元件。
根据另一个实施方案，电子设备包括电介质覆盖层，电介质基板被安装到电介质覆盖层上，并且天线辐射元件被配置为穿过电介质覆盖层传送射频信号。
根据另一个实施方案，电介质覆盖层包括玻璃。
根据一个实施方案，提供了一种电子设备，该电子设备包括：
电介质基板，该电介质基板具有传输线层和堆叠在传输线层上的天线层；位于电介质基板上的接地迹线，该接地迹线将传输线层与天线层分开；天线，该天线具有在天线层上图案化的重叠的第一贴片元件、第二贴片元件和第三贴片元件，所述第一贴片元件、第二贴片元件和第三贴片元件被配置为以大于10GHz的频率辐射；射频传输线路径，该射频传输线路径具有在传输线层上图案化的信号迹线；以及延伸穿过电介质基板的横向对齐的第一导电通孔、第二导电通孔和第三导电通孔，第一导电通孔将信号迹线耦合到第一贴片元件，第二导电通孔将第一贴片元件耦合到第二贴片元件，并且第三导电通孔将第二贴片元件耦合到第三贴片元件。
根据另一个实施方案，第一贴片元件***置在第二贴片元件与接地迹线之间，信号迹线位于与第一贴片元件相距第一距离处并在所述传输线层中的第一传输线层上图案化，并且电子设备包括：附加天线，该附加天线具有由仅在所述天线层中的一个天线层上图案化的第四贴片元件形成的天线辐射元件；附加射频传输线路径，该附加射频传输线路径具有在所述传输线层中的第二传输线层上图案化的附加信号迹线，该附加信号迹线位于与第四贴片元件相距第二距离处，该第二距离小于第一距离，并且所述传输线层中的第二传输线层***置在所述传输线层中的第一传输线层与天线层之间；以及第四导电通孔，该第四导电通孔延伸穿过电介质基板并将附加信号迹线耦合到第四贴片元件。
根据另一个实施方案，电子设备包括：相控天线阵列，该相控天线阵列包括天线和附加天线；以及控制电路，该控制电路被配置为控制相控天线阵列以便在以选定波束指向角度定向的信号波束内的频率下传送射频信号。
根据另一个实施方案，电子设备包括导电通孔的栅栏，该导电通孔的栅栏延伸穿过电介质基板，该导电通孔的栅栏被横向插置在天线与附加天线之间。
根据另一个实施方案，射频传输线路径包括：差分射频传输线路径，该差分射频传输线路径包括在传输线层上图案化的附加信号迹线；延伸穿过电介质基板的横向对齐的第四导电通孔、第五导电通孔和第六导电通孔，其中所述第四导电通孔、第五导电通孔和第六导电通孔相对于第一导电通孔、第二导电通孔和第三导电通孔横向偏移，第四导电通孔将附加信号迹线耦合到第一贴片元件，第五导电通孔将第一贴片元件耦合到第二贴片元件，并且第六导电通孔将第二贴片元件耦合到第三贴片元件。
根据一个实施方案，提供了一种天线，该天线包括：天线接地部；与天线接地部重叠的第一贴片元件；与第一贴片元件重叠的第二贴片元件；与第二贴片元件重叠的第三贴片元件；第一对导电通孔，所述第一对导电通孔将第一贴片元件耦合到第二贴片元件；第二对导电通孔，所述第二对导电通孔将所述第二贴片元件耦合到所述第三贴片元件；以及差分天线馈电部，该差分天线馈电部耦合到第一贴片元件并被配置为传送射频信号，所述第一贴片元件、第二贴片元件和第三贴片元件被配置为以大于10GHz的频率辐射由差分天线馈电部传送的射频信号。
前文仅为例示性的，并且在不脱离所述实施方案的范围和实质的情况下，本领域的技术人员可作出各种修改。前述实施方案可独立实施或可以任意组合实施。

Claims (20)

1.一种电子设备，包括：
电介质基板；
位于所述电介质基板上的接地迹线；
位于所述电介质基板上的具有信号迹线的射频传输线路径，所述接地迹线形成所述射频传输线路径的接地导体的一部分；
天线辐射元件，所述天线辐射元件位于所述基板上并与所述接地迹线重叠，其中所述天线辐射元件被配置为以大于10GHz的频率传送射频信号，并且包括第一贴片元件、与所述第一贴片元件重叠的第二贴片元件以及与所述第一贴片元件和所述第二贴片元件重叠的第三贴片元件；和
导电通孔，所述导电通孔延伸穿过所述电介质基板，并且将所述射频传输线路径的所述信号迹线耦合到所述第一贴片元件、所述第二贴片元件和所述第三贴片元件，其中重叠的所述第一贴片元件、所述第二贴片元件和所述第三贴片元件在所述天线辐射元件处表现出电容，以用于与所述射频传输线路径阻抗匹配。
2.根据权利要求1所述的电子设备，其中所述射频传输线路径包括差分射频传输线路径。
3.根据权利要求2所述的电子设备，其中所述射频传输线路径还包括位于所述电介质基板上的附加信号迹线，所述电子设备还包括：
附加导电通孔，所述附加导电通孔延伸穿过所述电介质基板，并且将所述射频传输线路径的所述附加信号迹线耦合到所述第一贴片元件、所述第二贴片元件和所述第三贴片元件。
4.根据权利要求3所述的电子设备，其中所述导电通孔在所述第一贴片元件、所述第二贴片元件和所述第三贴片元件上的第一位置处接触所述第一贴片元件、所述第二贴片元件和所述第三贴片元件，并且所述附加导电通孔在所述第一贴片元件、所述第二贴片元件和所述第三贴片元件上的第二位置处接触所述第一贴片元件、所述第二贴片元件和所述第三贴片元件，所述第二位置从所述第一位置横向偏移。
5.根据权利要求4所述的电子设备，其中所述差分射频传输线路径包括：第一带状线，所述第一带状线包括所述信号迹线；以及第二带状线，所述第二带状线包括所述附加信号迹线。
6.根据权利要求5所述的电子设备，还包括：
射频收发器电路，所述射频收发器电路具有耦合到所述第一带状线和所述第二带状线的差分端口。
7.根据权利要求6所述的电子设备，其中所述射频收发器电路被安装到所述电介质基板上。
8.根据权利要求1所述的电子设备，其中所述第一贴片元件、所述第二贴片元件和所述第三贴片元件是矩形的。
9.根据权利要求1所述的电子设备，其中所述第二贴片元件与所述第一贴片元件完全重叠，并且所述第三贴片元件与所述第一贴片元件和所述第二贴片元件完全重叠。
10.根据权利要求1所述的电子设备，其中所述天线辐射元件包括寄生元件，所述寄生元件由与所述第一贴片元件、所述第二贴片元件和所述第三贴片元件中的一个贴片元件共面的导电迹线形成。
11.根据权利要求1所述的电子设备，其中所述天线辐射元件包括寄生元件，所述寄生元件由与所述第一贴片元件、所述第二贴片元件和所述第三贴片元件中的两个贴片元件共面的导电迹线形成。
12.根据权利要求1所述的电子设备，还包括导电通孔的栅栏，所述导电通孔的栅栏耦合到所述接地迹线并延伸穿过所述电介质基板，其中所述导电通孔的栅栏横向围绕所述电介质基板上的所述天线辐射元件。
13.根据权利要求1所述的电子设备，还包括：
电介质覆盖层，其中所述电介质基板被安装到所述电介质覆盖层上，并且所述天线辐射元件被配置为穿过所述电介质覆盖层传送所述射频信号。
14.根据权利要求13所述的电子设备，其中所述电介质覆盖层包括玻璃。
15.一种电子设备，包括：
电介质基板，所述电介质基板具有传输线层和堆叠在所述传输线层上的天线层；
位于所述电介质基板上的接地迹线，所述接地迹线将所述传输线层与所述天线层分开；
天线，所述天线具有在所述天线层上图案化的重叠的第一贴片元件、第二贴片元件和第三贴片元件，所述第一贴片元件、所述第二贴片元件和所述第三贴片元件被配置为以大于10GHz的频率辐射；
射频传输线路径，所述射频传输线路径具有在所述传输线层上图案化的信号迹线；以及
延伸穿过所述电介质基板的横向对齐的第一导电通孔、第二导电通孔和第三导电通孔，其中所述第一导电通孔将所述信号迹线耦合到所述第一贴片元件，所述第二导电通孔将所述第一贴片元件耦合到所述第二贴片元件，并且所述第三导电通孔将所述第二贴片元件耦合到所述第三贴片元件，并且重叠的所述第一贴片元件、所述第二贴片元件和所述第三贴片元件表现出电容，以用于与所述射频传输线路径阻抗匹配。
16.根据权利要求15所述的电子设备，其中所述第一贴片元件***置在所述第二贴片元件与所述接地迹线之间，所述信号迹线位于与所述第一贴片元件相距第一距离处并在所述传输线层中的第一传输线层上图案化，并且所述电子设备还包括：
附加天线，所述附加天线具有由仅在所述天线层中的一个天线层上图案化的第四贴片元件形成的天线辐射元件；
附加射频传输线路径，所述附加射频传输线路径具有在所述传输线层中的第二传输线层上图案化的附加信号迹线，其中所述附加信号迹线位于与所述第四贴片元件相距第二距离处，所述第二距离小于所述第一距离，并且所述传输线层中的所述第二传输线层***置在所述传输线层中的所述第一传输线层与所述天线层之间；和
第四导电通孔，所述第四导电通孔延伸穿过所述电介质基板并将所述附加信号迹线耦合到所述第四贴片元件。
17.根据权利要求16所述的电子设备，还包括：
相控天线阵列，所述相控天线阵列包括所述天线和所述附加天线；和
控制电路，所述控制电路被配置为控制所述相控天线阵列以便在以选定波束指向角度定向的信号波束内的频率下传送射频信号。
18.根据权利要求16所述的电子设备，还包括：
导电通孔的栅栏，所述导电通孔的栅栏延伸穿过所述电介质基板，所述导电通孔的栅栏被横向插置在所述天线与所述附加天线之间。
19.根据权利要求15所述的电子设备，其中所述射频传输线路径包括差分射频传输线路径，所述差分射频传输线路径包括在所述传输线层上图案化的附加信号迹线；
延伸穿过所述电介质基板的横向对齐的第四导电通孔、第五导电通孔和第六导电通孔，其中所述第四导电通孔、所述第五导电通孔和所述第六导电通孔相对于所述第一导电通孔、所述第二导电通孔和所述第三导电通孔横向偏移，所述第四导电通孔将所述附加信号迹线耦合到所述第一贴片元件，所述第五导电通孔将所述第一贴片元件耦合到所述第二贴片元件，并且所述第六导电通孔将所述第二贴片元件耦合到所述第三贴片元件。
20.一种天线，包括：
天线接地部；
第一贴片元件，所述第一贴片元件与所述天线接地部重叠；
第二贴片元件，所述第二贴片元件与所述第一贴片元件重叠；
第三贴片元件，所述第三贴片元件与所述第二贴片元件重叠；
第一对导电通孔，所述第一对导电通孔将所述第一贴片元件耦合到所述第二贴片元件；
第二对导电通孔，所述第二对导电通孔将所述第二贴片元件耦合到所述第三贴片元件；和
差分天线馈电部，所述差分天线馈电部耦合到所述第一贴片元件并被配置为传送射频信号，所述第一贴片元件、所述第二贴片元件和所述第三贴片元件被配置为以大于10GHz的频率辐射由所述差分天线馈电部传送的所述射频信号，其中所述第一贴片元件、所述第二贴片元件和所述第三贴片元件表现出电容，以用于与差分射频传输线路径阻抗匹配，所述差分射频传输线路径被配置为耦合到所述差分天线馈电部。
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