DE112021002684T5

DE112021002684T5 - Eine struktur zur verteilung von hochfrequenzsignalen

Info

Publication number: DE112021002684T5
Application number: DE112021002684.4T
Authority: DE
Inventors: Guerric De Streel
Original assignee: Pharrowtech BV
Current assignee: Pharrowtech BV
Priority date: 2020-06-27
Filing date: 2021-06-25
Publication date: 2023-03-09
Also published as: EP3930204A1; WO2021260177A1; US20230261380A1; CN115917977A; US12003042B2

Abstract

Verschiedene Ausführungsbeispiele beschreiben eine Struktur, die eine erste Fläche mit mindestens einer ersten Öffnung und eine zweite Fläche mit mehreren zweiten Öffnungen umfasst, wobei die mindestens eine erste Öffnung mit der zweiten Öffnungen über Durchgangslöcher verbunden ist, die in die Struktur eingebettet sind und eine elektrisch leitende Innenwand aufweisen, und dazu ausgelegt ist, ein Wellenleitermedium zum Führen von Hochfrequenz- bzw. HF-Signalen zwischen der mindestens einen ersten Öffnung und den mehreren zweiten Öffnungen zu bilden, wobei die mindestens eine erste Öffnung dazu ausgelegt ist, mit mindestens einer ersten externen HF-Schaltung zum Verarbeiten von HF-Signalen gekoppelt zu sein, und die mehreren zweiten Öffnungen dazu eingerichtet sind, mit mehreren zweiten externen HF-Schaltungen zur Übertragung und/oder zum Empfang von HF-Signalen gekoppelt zu sein. Weitere Ausführungsbeispiele betreffen eine Hochfrequenz- bzw. HF-Kommunikationsvorrichtung, die die Struktur verwendet.

Description

Technisches Gebiet
Verschiedene Ausführungsbeispiele betreffen eine Struktur zur Verteilung von Hochfrequenz- bzw. HF-Signalen und eine Hochfrequenz- bzw. HF-Kommunikationsvorrichtung.
Hintergrund
Phasengesteuerte Antennenarrays ermöglichen die Steuerung des Antennenabstrahlmusters durch Ändern der relativen Phasen und Amplituden der Hochfrequenz- bzw. HF-Signale, die den jeweiligen Antennenabstrahlelementen zugeführt werden. Phasengesteuerte Antennenarrays bieten geringes Profil, hohen Gewinn und Strahllenkungsfähigkeiten, womit sie sich für Hochfrequenz- bzw. HF-Kommunikationsvorrichtungen eignen.
In solchen HF-Kommunikationsvorrichtungen ist das phasengesteuerte Antennenarray in zwei oder mehr kleinere Antennenarrays unterteilt, die als Sektorantennenarrays bezeichnet werden, wobei sich die Sendeempfänger- und die Basisbandfunktionalitäten über die Kommunikationsvorrichtung über eine Distanz von beispielsweise wenigen Zentimetern geteilt werden. Dadurch kann eine unnötige Duplikation von Verarbeitungsfunktionen, z. B. Sendeempfänger und/oder Basisband, vermieden sowie die Leistungsfähigkeit verbessert und die Gesamtkosten reduziert werden.
Kurzdarstellung
Der angestrebte Schutzumfang für verschiedene Ausführungsformen der Erfindung wird durch die unabhängigen Ansprüche dargelegt.
Die in dieser Beschreibung beschriebenen Ausführungsformen und Merkmale, die nicht in den Schutzumfang der unabhängigen Ansprüche fallen, sofern vorhanden, sind als Beispiele zu interpretieren, die zum Verständnis verschiedener Ausführungsformen der Erfindung nützlich sind.
Unter anderem besteht eine Aufgabe von Ausführungsformen der Erfindung darin, eine Struktur zur Verteilung von Hochfrequenz- bzw. HF-Signalen über eine HF-Kommunikationsvorrichtung auf verlustarme und kosteneffiziente Weise bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird gemäß einem ersten beispielhaften Aspekt der vorliegenden Offenbarung durch eine Struktur gelöst, die eine erste Fläche mit mindestens einer ersten Öffnung und eine zweite Fläche mit mehreren zweiten Öffnungen umfasst, wobei die mindestens eine erste Öffnung mit der zweiten Öffnungen über Durchgangslöcher verbunden ist, die in die Struktur eingebettet sind und eine elektrisch leitende Innenwand aufweisen, und dazu ausgelegt ist, ein Wellenleitermedium zum Führen von Hochfrequenz- bzw. HF-Signalen zwischen der mindestens einen ersten Öffnung und den mehreren zweiten Öffnungen zu bilden, wobei die mindestens eine erste Öffnung dazu ausgelegt ist, mit mindestens einer ersten externen HF-Schaltung zum Verarbeiten von HF-Signalen gekoppelt zu sein, und die mehreren zweiten Öffnungen dazu eingerichtet sind, mit mehreren zweiten externen HF-Schaltungen zur Übertragung und/oder zum Empfang von HF-Signalen gekoppelt zu sein, und wobei die zweite Fläche dazu eingerichtet ist, die mehreren zweiten externen HF-Schaltungen aufzunehmen, und gemäß Abstrahlanforderungen bezüglich der Frequenz der HF-Signale dimensioniert ist.
Die Struktur stellt somit ein integriertes Wellenleitermedium zum Führen von Hochfrequenz- bzw. HF-Signalen zwischen der einen oder den mehreren ersten Öffnungen und den mehreren zweiten Öffnungen bereit. Das integrierte Wellenleitermedium ermöglicht eine große Bandbreite und eine verlustarme Verteilung von Hochfrequenz- bzw. HF-Signalen über die Durchgangslöcher und somit die Struktur.
Die Struktur kann beispielsweise als massive Struktur mit darin gebohrten Durchgangslöchern hergestellt sein oder sie kann aus miteinander verklebten separaten Teilen hergestellt sein. Die Struktur kann aus leitenden Materialien wie Aluminium oder Kupfer oder nichtleitenden Materialien wie Harz, Kunststoff oder jeder Art von Polycarbonat bestehen. Wenn die Struktur aus nichtleitendem Material besteht, müssen die Durchgangslöcher mit einem wie oben angegebenen leitenden Material beschichtet werden, damit sie als Wellenleitermedium wirken. Die Struktur ermöglicht die Verwendung einfacher Herstellungsverfahren wie 3D-Druck oder 3D-Formtechniken. Durch die Dimensionierung der Struktur zur Aufnahme der externen HF-Schaltungen stellt die Struktur ferner eine mechanische Unterstützung für die externen HF-Schaltungen bereit. Als Ergebnis wird eine kosteneffiziente Struktur bereitgestellt, die eine strukturelle Unterstützung für die externen HF-Schaltungen bereitstellt.
Indem die Struktur zur Aufnahme der externen HF-Schaltungen dimensioniert ist, gestattet die Struktur ferner eine Beabstandung der zweiten Öffnungen gemäß den Abstrahlanforderungen. Dies ermöglicht eine geeignete Beabstandung und Verteilung der zweiten Öffnungen entlang der zweiten Fläche, wodurch eine hohe Designflexibilität und eine einfache Integration mit den externen HF-Schaltungen ermöglicht werden.
Gemäß Ausführungsbeispielen kann die Struktur oder ein Teil davon aus einem wärmeleitenden Material wie Aluminium oder Kupfer hergestellt sein, sodass sie als Wärmesenke fungieren kann. Die Struktur ermöglicht somit die Ableitung von Wärmeenergie von den HF-Schaltungen, wodurch eine Überhitzung der HF-Schaltungen verhindert wird.
Gemäß Ausführungsbeispielen umfasst die erste Fläche mehrere erste Öffnungen, die über die Durchgangslöcher mit den zweiten Öffnungen verbunden sind. Durch Bereitstellen von mehr als einer Öffnung auf der ersten Fläche können mehrere HF-Signale von den Strukturen geführt werden. Beispielsweise ermöglicht die Struktur das Verteilen von HF-Signalen von einer oder mehreren aktiven HF-Schaltungen, z. B. einer oder mehreren FE-Schaltungen, zu mehreren passiven HF-Schaltungen, z. B. Antennenarrays. Die Struktur ermöglicht somit ein hochflexibles Design eines Wellenleitermediums, das den Anforderungen der HF-Kommunikationsvorrichtung entspricht. Darüber hinaus können die ersten Öffnungen gemäß den Verbindungsanforderungen beabstandet sein, was die Designflexibilität der Struktur und ihre Integration mit den externen HF-Schaltungen weiter verbessert.
Gemäß Ausführungsbeispielen können die Durchgangslöcher einen kreisförmigen, einen quadratischen oder einen rechteckigen Querschnitt aufweisen. Die Art und Abmessungen seines Querschnitts hängen von der Frequenz der HF-Signale ab, die von dem Wellenleitermedium, d. h. den Durchgangslöchern, geführt werden. Die Durchgangslöcher können eine lineare oder eine mäanderförmige Struktur aufweisen. Ferner kann zumindest eine Teilmenge der Durchgangslöcher eine Verzweigungsstruktur umfassen. Beispielsweise kann zumindest eine Teilmenge von Durchgangslöchern eine erste Öffnung mit einer Teilmenge der zweiten Öffnungen verbinden, wodurch ein luftgefüllter Kanal mit einer Verzweigungsstruktur gebildet wird. Der luftgefüllte Kanal fungiert somit als HF-Signalteiler/-kombinierer, d. h. in einer Richtung teilt er das HF-Signal in mehrere HF-Signale und in der anderen Richtung kombiniert er die HF-Signale. Indem die Durchgangslöcher so gestaltet sind, dass sie eine Verzweigungsstruktur aufweisen, kann ein HF-Signal von einer HF-Schaltung, z. B. FE-Schaltung, zu einer Vielzahl anderer HF-Schaltungen, z. B. zwei, vier oder mehr Antennenarrays, geführt werden. Alternativ kann zumindest eine Teilmenge der Durchgangslöcher jeweilige Paare von ersten und zweiten Öffnungen verbinden, um einzelne luftgefüllte Kanäle, d. h. einzelne Wellenleitermedien, zwischen den verbundenen Paaren von Öffnungen zu bilden. Durch Bereitstellen unterschiedlicher Arten von Durchgangslöchern wird ein hochflexibles und leicht skalierbares Wellenleitermedium und daher ein den Anforderungen der HF-Kommunikationsvorrichtung entsprechendes Strukturdesign ermöglicht.
Gemäß Ausführungsbeispielen ist mindestens ein Durchgangsloch der Durchgangslöcher dazu eingerichtet, mindestens eine zweite Öffnung der mehreren zweiten Öffnungen mit mindestens einer anderen zweiten Öffnung der mehreren zweiten Öffnungen zu verbinden, um HF-Signale zwischen den mehreren zweiten HF-Schaltungen zu führen. In ähnlicher Weise ist mindestens ein Durchgangsloch der Durchgangslöcher dazu eingerichtet, mindestens eine erste Öffnung der mehreren ersten Öffnungen mit mindestens einer anderen ersten Öffnung der mehreren ersten Öffnungen zu verbinden, um HF-Signale zwischen den mehreren auf der ersten Fläche angeordneten HF-Schaltungen zu führen. Indem eine oder mehrere erste Öffnungen oder eine oder mehrere zweite Öffnungen miteinander verbunden werden, wird ein Wellenleitermedium zum Führen von HF-Signalen zwischen auf derselben Fläche angeordneten HF-Schaltungen gebildet. Beispielsweise kann ein solches Wellenleitermedium als Kommunikationsschnittstelle verwendet werden, um ein HF-Signal zwischen verschiedenen Frontend- bzw. FE-Schaltungen oder zwischen einer Sendeempfänger- bzw. TRX-Schaltung und einer oder mehreren FE-Schaltungen zu führen. Die Struktur kann somit verwendet werden, um eine kosteneffiziente HF-Signalverteilung mit hoher Bandbreite und geringem Verlust für verschiedene HF-Kommunikationsvorrichtungen unabhängig von ihren Implementierungen bereitzustellen.
Gemäß Ausführungsbeispielen kann die Struktur verschiedene Arten von viereckigen Querschnitten umfassen, wie etwa ein Quadrat, ein Rechteck, ein Trapez, eine Wabe oder andere. Beispielsweise kann die Struktur einen rechteckigen Querschnitt umfassen, wobei die erste Fläche eine Seite des rechteckigen Querschnitts umfasst und die zweite Fläche mindestens eine andere Seite des rechteckigen Querschnitts umfasst. Alternativ kann die Struktur einen dreieckigen Querschnitt umfassen, wobei die erste Fläche eine Seite des dreieckigen Querschnitts umfasst und die zweite Fläche die anderen Seiten des dreieckigen Querschnitts umfasst. Die Struktur ist somit eine vielseitige Struktur. Darüber hinaus kann die Struktur ein Seitenverhältnis von nahezu eins aufweisen. Das Seitenverhältnis liegt vorzugsweise im Bereich von 0,5 bis 1. Beispielsweise sind bei einer Struktur mit rechteckigem Querschnitt die Seiten des rechteckigen Querschnitts in etwa vergleichbar groß.
Unterschiedliche Arten von Querschnitten ermöglichen das Entwerfen einer Struktur gemäß den Designanforderungen und Spezifikationen der HF-Kommunikationssysteme. Beispielsweise kann ein viereckiger Querschnitt bevorzugt werden, wenn eine optimale Wärmeableitung erforderlich ist, während ein dreieckiger Querschnitt bevorzugt werden kann, wenn sowohl eine minimale Systemgröße als auch eine große Abstrahloberfläche erforderlich sind.
Gemäß Ausführungsbeispielen ist die erste Fläche dazu eingerichtet, mindestens eine erste Leiterplatte, PCB, aufzunehmen, die dazu ausgelegt ist, mit der mindestens einen ersten externen HF-Schaltung gekoppelt zu sein, und Speisungsanordnungen umfasst, die dazu ausgelegt sind, HF-Signale mit den ersten Öffnungen auszutauschen. Die zweite Fläche ist dazu eingerichtet, mindestens eine zweite Leiterplatte, PCB, aufzunehmen, die dazu ausgelegt ist, mit den jeweiligen zweiten externen HF-Schaltungen gekoppelt zu sein, und Speisungsanordnungen umfasst, die dazu ausgelegt sind, HF-Signale mit den jeweiligen zweiten Öffnungen auszutauschen.
Eine oder mehrere HF-Schaltungen, wie etwa eine Basisband- bzw. BB-Schaltung, eine Sendeempfänger- bzw. TRX-Schaltung, eine oder mehrere Frontend- bzw. FE-Schaltungen und Antennenarrays können auf einer PCB bereitgestellt sein. Die PCB ermöglicht somit eine kosteneffektive und verlustarme Verteilung von niederfrequenten Signalen sowie Leistungssignalen über die Leiterplatte.
Gemäß Ausführungsbeispielen sind die ersten Öffnungen dazu eingerichtet, die jeweiligen Speisungsanordnungen aufzunehmen, wodurch ermöglicht wird, dass das Wellenleitermedium mit der mindestens einen ersten externen HF-Schaltung gekoppelt wird. Die zweiten Öffnungen sind dazu eingerichtet, die jeweiligen Speisungsanordnungen aufzunehmen, wodurch ermöglicht wird, dass das Wellenleitermedium mit den mehreren zweiten externen HF-Schaltungen gekoppelt wird.
Die Speisungsanordnungen können einfach unter Verwendung herkömmlicher PCB-Herstellungstechniken implementiert werden. Die Speisungsanordnungen ermöglichen eine einfache und gegenüber Fehlausrichtung unempfindliche Schnittstelle zwischen den HF-Schaltungen und dem Wellenleitermedium. Ferner können verschiedene Arten von Speisungsanordnungen leicht implementiert werden. Beispielsweise können sich die durch die erste PCB bereitgestellten Speisungsanordnungen von der durch die zweite PCB bereitgestellten Speisungsanordnung unterscheiden. Beispiele für Speisungsanordnungen sind eine kapazitive Speisung und eine Monopolsonde. Dies ermöglicht das Entwerfen einer Struktur gemäß den Anforderungen der HF-Kommunikationsvorrichtung.
Gemäß Ausführungsbeispielen umfasst die zweite Fläche ferner zusätzliche zweite Öffnungen, die mit mindestens einer ersten Öffnung der mehreren ersten Öffnungen verbunden sind, und wobei die jeweiligen zusätzlichen zweiten Öffnungen ein Antennenabstrahlelement umfassen.
Durch Bereitstellen zusätzlicher zweiter Öffnungen, die ein Antennenabstrahlelement umfassen, können Antennenabstrahlelemente leicht in die Struktur integriert werden. Ferner können die zweiten Öffnungen so gestaltet sein, dass sie unterschiedliche Geometrien aufweisen, die eine einfache Integration unterschiedlicher Arten von Antennenabstrahlelementen in die Struktur ermöglichen. Beispielsweise kann ein Hornantennenabstrahlelement bereitgestellt werden, indem die zweite Öffnung als Trichter geformt wird. Die Struktur stellt somit eine Integration einer verlustarmen HF-Signalverteilung mit hoher Bandbreite zusammen mit einer Antennennetzwerkverteilung bereit. Als Ergebnis wird eine Struktur mit hoher Designflexibilität und hohen Integrationsfähigkeiten ermöglicht.
Gemäß einem zweiten beispielhaften Aspekt wird eine Hochfrequenz- bzw. HF-Kommunikationsvorrichtung offenbart, die eine Struktur gemäß dem ersten Aspekt umfasst, wobei die Vorrichtung mindestens eine erste externe HF-Schaltung zum Verarbeiten von HF-Signalen und eine an der ersten Fläche der Struktur montierte Leiterplatte umfasst, die mindestens eine erste Speisungsanordnung umfasst, die dazu ausgelegt ist, die HF-Signale mit der Struktur auszutauschen.
Die HF-Kommunikationsvorrichtung kann ferner mehrere zweite externe HF-Schaltungen zur Übertragung und/oder zum Empfang von HF-Signalen und mehrere an der zweiten Fläche der Struktur montierte Leiterplatten umfassen, die mehrere zweite Speisungsanordnungen umfassen, die dazu ausgelegt sind, die HF-Signale mit der Struktur auszutauschen.
Die erste externe HF-Schaltung kann eine aktive HF-Schaltung zum Verarbeiten von HF-Signalen umfassen und die zweiten externen HF-Schaltungen können eine passive HF-Schaltung zum drahtlosen Übertragen und Empfangen von HF-Signalen umfassen. Beispielsweise kann die aktive HF-Schaltung eine Basisband- bzw. BB-Schaltung, eine Sendeempfänger- bzw. TRX-Schaltung und/oder eine Frontend- bzw. FE-Schaltung sein, und die passive HF-Schaltung kann ein Antennenarray sein.
Gemäß Ausführungsbeispielen kann die HF-Kommunikationsvorrichtung mehrere zweite externe HF-Schaltungen zur weiteren Verarbeitung von HF-Signalen, die dazu ausgelegt sind, mit mehreren dritten externen HF-Schaltungen zur Übertragung und/oder zum Empfang von HF-Signalen gekoppelt zu sein, und mehrere an der zweiten Fläche der Struktur montierte Leiterplatten, die mehrere zweite Speisungsanordnungen umfassen, die dazu ausgelegt sind, die HF-Signale mit der Struktur auszutauschen, umfassen.
Die erste externe HF-Schaltung kann eine aktive HF-Schaltung zum Verarbeiten von HF-Signalen umfassen, die zweiten externen HF-Schaltungen können eine aktive HF-Schaltung zur weiteren Verarbeitung der HF-Signale umfassen und die dritten externen HF-Schaltungen können eine passive HF-Schaltung zur Übertragung und/oder zum Empfang von HF-Signalen umfassen. Beispielsweise kann die erste aktive HF-Schaltung eine Basisband- bzw. BB-Schaltung und/oder eine Sendeempfänger- bzw. TX-Schaltung sein, die zweite aktive HF-Schaltung kann eine Frontend- bzw. FE-Schaltung sein und die dritte passive HF-Schaltung kann ein Antennenarray sein.
Durch Verwenden der Struktur gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird eine kosteneffiziente, multifunktionale und verlustarme HF-Signalverteilung mit hoher Bandbreite über die HF-Kommunikationsvorrichtung ermöglicht. Die Notwendigkeit einer zusätzlichen mechanischen Unterstützung für die HF-Schaltungen wird vermieden, da die Struktur die Platzierung der letzteren direkt auf der Struktur ermöglicht. Zudem wird auch die Notwendigkeit einer externen Wärmesenke vermieden, da die Struktur so gestaltet sein kann, dass sie als Wärmesenke fungiert. Als Ergebnis wird eine hochleistungsfähige, kosteneffiziente HF-Kommunikationsvorrichtung bereitgestellt.
Die anderen Ausführungsbeispiele des ersten beispielhaften Aspekts können ferner als Ausführungsbeispiele auf den zweiten beispielhaften Aspekt angewendet werden.
Gemäß einem dritten beispielhaften Aspekt wird eine Struktur offenbart, die eine erste Fläche mit mehreren ersten Öffnungen, die dazu ausgelegt sind, mit mindestens einer ersten externen HF-Schaltung zum Verarbeiten von HF-Signalen gekoppelt zu sein, und eine zweite Fläche mit mehreren zweiten Öffnungen, die zum Übertragen und/oder Empfangen von HF-Signalen ausgelegt sind, wobei die mehreren ersten Öffnungen mit den zweiten Öffnungen über Durchgangslöcher verbunden sind, die in die Struktur eingebettet sind und eine elektrisch leitende Innenwand aufweisen, und dazu ausgelegt ist, ein Wellenleitermedium zum Führen von Hochfrequenz- bzw. HF-Signalen zwischen den mehreren ersten Öffnungen und den mehreren zweiten Öffnungen zu bilden, wobei die erste Fläche so dimensioniert ist, dass sie die mindestens eine erste externe HF-Schaltung aufnimmt, die mindestens eine erste externe HF-Schaltung eine integrierte Schaltung ist und wobei die ersten Öffnungen gemäß der Zwischenverbindungsanforderungen integrierter Schaltungen beabstandet sind und die zweiten Öffnungen gemäß Abstrahlanforderungen bezüglich der Frequenz der HF-Signale voneinander beabstandet sind.
Die Struktur stellt somit ein integriertes Wellenleitermedium zum Führen von Hochfrequenz- bzw. HF-Signalen zwischen der mehreren ersten Öffnungen und den mehreren zweiten Öffnungen bereit. Das integrierte Wellenleitermedium ermöglicht eine große Bandbreite und eine verlustarme Verteilung von Hochfrequenz- bzw. HF-Signalen über die Durchgangslöcher und somit die Struktur. Das Zwischenverbindungsdesign zwischen den Öffnungen kann leicht modifiziert und an die Anforderungen der HF-Kommunikationsvorrichtungen angepasst werden, wodurch eine hohe Designflexibilität und eine einfache Integration mit den externen HF-Schaltungen ermöglicht werden.
Durch die Dimensionierung der Struktur zur Aufnahme der einen oder der mehreren externen HF-Schaltungen stellt die Struktur ferner selbst eine mechanische Unterstützung für die externen HF-Schaltungen bereit. Als Ergebnis wird eine kosteneffiziente Struktur bereitgestellt, die eine strukturelle Unterstützung für die externen HF-Schaltungen bereitstellt. Darüber hinaus kann die Struktur oder ein Teil davon so gestaltet sein, dass sie als Wärmesenke fungiert. Die Struktur ermöglicht somit die Ableitung von Wärmeenergie von den HF-Schaltungen, wodurch eine Überhitzung der HF-Schaltungen verhindert wird.
Die anderen Ausführungsbeispiele des ersten beispielhaften Aspekts können als Ausführungsbeispiele auf den dritten beispielhaften Aspekt angewendet werden.
Figurenliste
Einige beispielhafte Ausführungsformen werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.

1 zeigt eine erste beispielhafte Ausführungsform der Struktur gemäß der vorliegenden Offenbarung;
2 zeigt eine zweite beispielhafte Ausführungsform der Struktur gemäß der vorliegenden Offenbarung;
3 zeigt eine dritte beispielhafte Ausführungsform der Struktur gemäß der vorliegenden Offenbarung;
4 zeigt eine vierte beispielhafte Ausführungsform der Struktur gemäß der vorliegenden Offenbarung;
5 zeigt eine fünfte beispielhafte Ausführungsform der Struktur gemäß der vorliegenden Offenbarung;
6 zeigt eine sechste beispielhafte Ausführungsform der Struktur gemäß der vorliegenden Offenbarung.

Ausführliche Beschreibung der Ausführunasform(en)
Die vorliegende Offenbarung offenbart eine Struktur, die eine kosteneffiziente verlustarme Mehrzweck-HF-Signalverteilung mit hoher Bandbreite für eine HF-Kommunikationsvorrichtung mit einem phasengesteuerten Antennenarray ermöglicht, das in eine Anzahl kleinerer Antennenarrays, d. h. Sektorantennenarrays, unterteilt ist, und gemeinsam genutzte Sendeempfänger- bzw. TRX- und Basisband- bzw. BB-Funktionalitäten werden gemeinsam genutzt.
Die Struktur umfasst eine erste Fläche, die mindestens eine erste Öffnung umfasst, und eine zweite Fläche, die mehrere zweite Öffnungen umfasst. Die erste und die zweite Öffnung sind über in die Struktur eingebettete Durchgangslöcher verbunden. Die Durchgangslöcher bilden luftgefüllte Kanäle, die als Wellenleitermedium wirken, das Hochfrequenz- bzw. HF-Signale zwischen den Öffnungen führen kann.
Die Struktur kann einen dreieckigen oder viereckigen, wie etwa einen rechteckigen, quadratischen oder andere Arten von viereckigen Querschnitten umfassen. Die Struktur ist somit eine vielseitige Struktur. Ferner kann die vielseitige Struktur eine Struktur mit einem Seitenverhältnis, das sich eins nähert, sein. Der Würfel ist ein Beispiel für eine Struktur mit einem Seitenverhältnis von eins. Weiterhin kann die Struktur mindestens einen Scheitelpunkt umfassen. Ein Scheitelpunkt ist ein Eckpunkt der vielseitigen Struktur, der gewissermaßen der „höchste“ ist. Ein Beispiel für eine solche vielseitige Struktur mit einem Scheitelpunkt ist eine Pyramide. Sie kann aus massivem Material mit darin gebohrten Durchgangslöchern oder aus miteinander verklebten Einzelteilen bestehen. Die Struktur kann aus leitendem Materialien wie Aluminium oder Kupfer bestehen. Alternativ kann die Struktur aus nichtleitenden Materialien wie Harz, Kunststoff oder einer beliebigen Art von Polycarbonat bestehen. In einem solchen Fall müssen die Durchgangslöcher mit einem leitenden Material wie oben angegeben beschichtet werden, sodass luftgefüllte Kanäle als Wellenleitermedium wirken. Die Durchgangslöcher können einen kreisförmigen, einen quadratischen oder einen rechteckigen Querschnitt aufweisen. Die Art und Abmessungen seines Querschnitts hängen von der Frequenz der HF-Signale ab, die von dem Wellenleitermedium, d. h. den Durchgangslöchern, geführt werden.
Die Durchgangslöcher können eine lineare oder eine mäanderförmige Struktur aufweisen. Die Durchgangslöcher können entsprechende Paare von ersten und zweiten Öffnungen miteinander verbinden, wodurch einzelne luftgefüllte Kanäle gebildet werden. Alternativ können die Durchgangslöcher eine erste Öffnung mit mehreren zweiten Öffnungen verbinden, wodurch luftgefüllte Kanäle mit einer Verzweigungsstruktur gebildet werden. Die luftgefüllten Kanäle fungieren somit als HF-Signalteiler/-kombinierer, d. h. sie teilen das HF-Signal in einer Richtung in mehrere HF-Signale und kombinieren die HF-Signale in der anderen Richtung.
Die Struktur kann so bemessen sein, dass sie HF-Schaltungen einer HF-Kommunikationsvorrichtung aufnehmen kann, wodurch eine strukturelle und mechanische Unterstützung für die HF-Schaltungen bereitgestellt wird. Ferner kann die Struktur so gestaltet sein, dass sie als Wärmesenke fungiert, wodurch eine Überhitzung der HF-Schaltungen verhindert wird.
Die Struktur wird nachstehend unter Bezugnahme auf 1 bis 6 ausführlicher erläutert, die verschiedene Beispiele der Struktur zeigen.
1 zeigt ein erstes Beispiel einer Struktur 100 gemäß der vorliegenden Offenbarung. Die Struktur 100 umfasst einen rechteckigen Querschnitt mit einer ersten Fläche 101, die eine erste Öffnung 111 umfasst, und einer zweiten Fläche 102, die zwei zweite Öffnungen 112 umfasst. Die Öffnungen 111 und 112 sind über Durchgangslöcher 120 verbunden, die die luftgefüllten Kanäle bilden. Die luftgefüllten Kanäle wirken als ein Wellenleitermedium 121, das die HF-Signale zwischen den Öffnungen führt, d. h. von der ersten Öffnung zu den zwei zweiten Öffnungen und umgekehrt von den zwei zweiten Öffnungen zu der ersten Öffnung. In diesem Beispiel weist das Wellenleitermedium 121 eine Verzweigungsstruktur auf und wirkt somit als Leistungsteiler/-kombinierer.
Eine Hochfrequenz- bzw. HF-Kommunikationsvorrichtung kann gebildet werden, indem auf der ersten Fläche 101 eine erste Leiterplatte, PCB, 310 mit einer Basisband- bzw. BB-Schaltung 401 und einer Sendeempfänger- bzw. TRX-Schaltung 402 darauf montiert, und auf der zweiten Seite 102 zwei PCBs 320, jeweils mit einer Frontend- bzw. FE-Schaltung 403 und einer Antennenanordnung 404 darauf montiert bereitgestellt werden. Die BB- und TRX-Funktionalitäten der HF-Kommunikationsvorrichtung werden somit von den FE-Schaltungen 403 und den Antennenarrays 404 gemeinsam genutzt.
In der Übertragungsrichtung ist die TRX-Schaltung 402 dazu ausgelegt, über die Leiterbahnen 162 auf der PCB ein Basisband- bzw. BB-Signal von einer Basisband- bzw. BB-Verarbeitungsschaltung 401 zu empfangen. Die TRX-Schaltung 402 verarbeitet und das Basisbandsignal und wandelt es in HF-Frequenz um. Das resultierende HF-Signal wird dann durch die PCB 310 über einen substratintegrierten Wellenleiter, SIW, zu der Speisungsanordnung 161 geleitet, über die das HF-Signal in das Wellenleitermedium 121 eingespeist wird. Das Wellenleitermedium 121, das in diesem Fall als Leistungsteiler wirkt, führt das HF-Signal zur Frontend-Verarbeitung zu den FE-Schaltungen 403. Die verarbeiteten HF-Signale werden dann zur Übertragung in die Antennenarrays 404 eingespeist. Umgekehrt werden in der Empfangsrichtung die von den Antennenarrays 404 empfangenen HF-Signale über Leiterbahnen 460 in den PCBs 320 zur Frontend-Verarbeitung in die jeweiligen FE-Schaltungen 403 eingespeist. Die so verarbeiteten HF-Signale werden dann über die durch die PCBs 320 bereitgestellten Speisungsanordnungen in das Wellenleitermedium 121 eingespeist, das als Leistungskombinierer wirkend die verarbeitenden HF-Signale zu der TRX-Schaltung 402 führt. Die TRX-Schaltung 402 wandelt das HF-Signal auf die BB-Frequenz abwärts und leitet es zur Basisbandverarbeitung an die BB-Schaltung 401 weiter.
Die erste Fläche und die zweite Fläche der Struktur 100 müssen so dimensioniert sein, dass sie die jeweiligen integrierten Schaltungen aufnehmen können. Beispielsweise muss die erste Fläche 101 so dimensioniert sein, dass sie die gemeinsam genutzten integrierten Schaltungen aufnehmen kann, d. h. die PCB 310 mit einer BB- und TRX-Schaltungen, während die zweite Fläche 102 so dimensioniert sein muss, dass sie die verteilten integrierten Schaltungen aufnehmen kann , d. h. die PCBs 320 mit den FE-Schaltungen 403 und Antennenarrays 404. Die Abmessungen der Antennenarrays sind jedoch größer als die der anderen integrierten Schaltungen, da sie den Abstrahlanforderungen entsprechen müssen, während die anderen integrierten Schaltungen so dimensioniert sind, dass sie den Verbindungsanforderungen integrierter Schaltungen entsprechen. Beispielsweise muss für HF-Signale im Bereich von 30 GHz bis 300 GHz der Abstand oder die Distanz zwischen den Antennenabstrahlelementen die Hälfte der Wellenlänge der HF-Signale betragen. Das heißt, für HF-Signale von 30 GHz sollte der Abstand zwischen den Antennenabstrahlelementen kleiner oder gleich 5 mm sein, während für HF-Signale von 300 GHz der Abstand kleiner oder gleich 0,5 mm sein sollte. Damit die Antennenarrays die Abstrahlanforderungen erfüllen, müssen die Antennenarrays auch die gleiche Abstand-Frequenz-Beziehung befolgen, sodass die Antennenarrays als ein einheitliches Antennenarray wirken und eine Leistungsbeeinträchtigung minimieren. Das heißt, für HF-Signale von 30 GHz muss der Abstand zwischen den Abstrahlelementen an den Rändern der Antennenarrays kleiner oder gleich 5 mm sein, und für HF-Signale von 300 GHz sollte der Abstand kleiner oder gleich 0,5 mm sein. Folglich muss auch der Abstand oder die Distanz zwischen den zweiten Öffnungen 112 den Abstrahlanforderungen entsprechen. In diesem Beispiel entspricht der Abstand Sf zwischen ihnen dem Abstand zwischen den Abstrahlelementen, Sr, multipliziert mit ihrer Anzahl, Nr, entlang der Achse 321, auf der die PCBs 320 angeordnet sind, d. h.: $S ƒ = N r . S r$
Aus dem Obigen folgt, dass ein zweidimensionales Antennenarray mit 64 Abstrahlelementen, die bei einer Frequenz von 30 GHz arbeiten, eine Größe von etwa 4 cm × 4 cm hätte, während die anderen integrierten Schaltungen typischerweise eine Größe von 0,5 cm × 0,5 cm hätten. Daraus folgt weiter, dass der Abstand Sf zwischen den Speisungsanordnungen etwa 4 cm beträgt. Darüber hinaus würde das Unterbringen von zwei, vier oder acht solcher Antennenarrays beispielsweise erfordern, dass die zweite Fläche 102 eine Größe von mindestens 8 cm × 4 cm, 8 cm × 8 cm bzw. 16 cm × 8 cm hat. Die Dimensionierung der zweiten Fläche hängt von der Anzahl der Antennenarrays sowie deren Anordnung auf der zweiten Fläche ab. Für das bereitgestellte Beispiel sind die Antennenarrays in einer eindimensionalen Konfiguration von 2×1 und einer zweidimensionalen Konfiguration von 2×2 bzw. 4×2 angeordnet.
In ähnlicher Weise hängen die Dimensionierung der Öffnungen 111 und 112 und daher die Abmessungen des Querschnitts der Durchgangslöcher von der Frequenz des HF-Signals ab. Für HF-Signale im Bereich von 30 GHz bis 300 GHz würde die Dimensionierung der Öffnungen 111 und 112 und der Durchmesser des Querschnitts der Durchgangslöcher 120 jeweils etwa im Bereich von 3,0 mm bis 0,5 mm liegen. Beispielsweise können für HF-Signale von 30 GHz und ein Durchgangsloch mit rechteckigem Querschnitt die Breite und Länge des rechteckigen Querschnitts 1,55 mm bzw. 2,2 mm betragen.
In diesem Beispiel wird der zweite Satz von FE-Schaltungen 403 in einem 1-zu-N-Modus betrieben. Genauer gesagt wirkt die TX-Schaltung 402 als eine zentrale HF-Schaltung oder ein Master-Knoten. Die TX-Schaltung 402 kann direkt ein HF-Signal im Übertragungsfrequenzbereich ausgeben. Mit anderen Worten, das HF-Signal ist das BB-Signal, moduliert auf den Übertragungsfrequenzbereich, z. B. bei einer Frequenz von 60 GHz. Das HF-Signal wird den FE-Schaltungen 403 über das Wellenleitermedium 121 zugeführt, das in der Struktur 100 bereitgestellt ist, wie oben ausführlich beschrieben. Das Wellenleitermedium teilt das modulierte HF-Signal in mehrere HF-Signale, die von den jeweiligen FE-Schaltungen 403 empfangen werden. Die FE-Schaltungen führen dann eine Phasenverschiebung durch und verstärken das HF-Signal, wodurch entsprechende phasenverschobene und verstärkte HF-Signale ausgegeben werden. Diese phasenverschobenen und verstärkten HF-Signale werden dann jeweils den entsprechenden Antennenarrays 404 zugeführt, um diese phasenverschobenen und verstärkten HF-Signale zu übertragen.
Alternativ kann das durch die TX-Schaltung ausgegebene Signal das BB-Signal sein, moduliert auf einen Zwischenfrequenzbereich, z. B. bei einer Frequenz von 20 GHz. Das Übertragen des Zwischensignals durch ein Wellenleitermedium wie das Wellenleitermedium 121 erfordert jedoch, dass das Wellenleitermedium große Abmessungen aufweist. Das HF-Zwischensignal wird somit vorzugsweise über Kabel zu den jeweiligen FE-Schaltungen geleitet. Jedoch kann das Trägersignal, das von den FE-Schaltungen 403 benötigt wird, um das HF-Zwischensignal auf den Übertragungsfrequenzbereich, z. B. auf 60 GHz, zu modulieren, über das Wellenleitermedium 121 übertragen werden, wie oben ausführlich beschrieben. Die FE-Schaltungen 403 wandeln dann zuerst die HF-Zwischensignale unter Verwendung des Trägersignals aufwärts und führen dann eine Phasenverschiebung und Verstärkung an den resultierenden HF-Signalen durch. Die phasenverschobenen und verstärkten HF-Signale werden dann in die entsprechenden Antennenarrays 404 eingespeist, um diese phasenverschobenen und verstärkten HF-Signale zu übertragen.
Das Verteilen des modulierten Trägersignals, d. h. des mit dem BB-Signal modulierten 60-GHz-HF-Signals, durch die Struktur 100 vermeidet die Verwendung von Hochfrequenzkabeln, die kostspielig und weniger zuverlässig sein können. Außerdem wird die Verteilung von Zwischensignalen vermieden, die wegen der damit verbundenen zusätzlichen Division und Multiplikation zu einer Verschlechterung des Phasenrauschens führt.
2 zeigt ein zweites Beispiel der Struktur 100, die einen dreieckigen Querschnitt mit einer ersten Fläche 101 umfasst, die eine Wand des dreieckigen Querschnitts umfasst, und einer zweiten Fläche 102, die die anderen zwei Wände des dreieckigen Querschnitts umfasst, und jede der Flächen ist mit zwei Öffnungen versehenen. Die Struktur kann ferner einen Scheitelpunkt an dem Eckpunkt, an dem sich die anderen beiden Wände des dreieckigen Querschnitts treffen, umfassen. Die ersten Öffnungen 111 und die zweite Öffnung 112 sind jeweils über Durchgangslöcher 120 verbunden, die in die Struktur eingebettet sind, wodurch zwei luftgefüllte Kanäle gebildet werden, die jeweils ein jeweiliges Paar von ersten und zweiten Öffnungen miteinander verbinden. Die so gebildeten Wellenleitermedien 121 weisen keine Verzweigungsstruktur auf, und daher wird ein Leistungsverlust in dem HF-Signal aufgrund der Leistungsteilung vermieden.
Wiederum kann eine Hochfrequenz- bzw. HF-Kommunikationsvorrichtung gebildet werden, indem auf der ersten Fläche 101 der Struktur eine PCB 310 mit einer BB-Schaltung 401 und einer TRX-Schaltung 402 und auf der zweiten Fläche 102 zwei PCBs 320 jeweils mit einer FE-Schaltung 403 und einem Antennenarray 404 bereitgestellt werden. In der Übertragungsrichtung verarbeitet die TRX-Schaltung 402 das BB-Signal von der BB-Schaltung 401 und wandelt es in HF-Frequenz um. Die TRX-Schaltung 402 teilt das resultierende HF-Signal in zwei HF-Signale. Die HF-Signale werden durch die PCB 310 über substratintegrierte Wellenleiter, SIWs, zu den Speisungsanordnungen 161 der PCB geleitet, die die HF-Signale in die jeweiligen Wellenleitermedien 121 einspeisen. Die Wellenleitermedien führen somit die HF-Signale zur Frontend-Verarbeitung zu den jeweiligen FE-Schaltungen 403. Die resultierenden HF-Signale werden dann über Leiterbahnen 460 in den PCBs 320 zur Übertragung in die Antennenarrays 404 eingespeist.
In der Empfangsrichtung werden die gleichen Operationen durchgeführt, jedoch in umgekehrter Reihenfolge. Das heißt, die von den zwei Antennenarrays 404 empfangenen HF-Signale werden über die Leiterbahnen 460 in die zwei FE-Schaltungen 403 und dann über die jeweiligen Wellenleitermedien 121 in die TRX-Schaltungen 402 eingespeist. Die TRX-Schaltung 402 kombiniert die empfangenen HF-Signale miteinander, wandelt die resultierenden Signale auf die BB-Frequenz abwärts und leitet sie schließlich zur Basisbandverarbeitung an die BB-Schaltung 401 weiter.
Die SIWs 161 sind gemäß den Verbindungsanforderungen, die durch die elektrischen Charakteristiken der PCB und die Betriebsfrequenz definiert sind, beabstandet. Dieser Abstand definiert eine der Beschränkungen für den Abstand der ersten Öffnungen 111 entlang der ersten Fläche 101 der Struktur. Eine weitere strengere Beschränkung für den Abstand zwischen den ersten Öffnungen sind die mechanischen Eigenschaften der Struktur: die ersten Öffnungen könnten so eng voneinander beabstandet sein, wie es die mechanischen Eigenschaften der Struktur zulassen. Zum Beispiel würde eine vollständig metallische Struktur eine dichtere Verteilung entlang der ersten Fläche der Struktur im Vergleich zu einem weicheren Material, wie beispielsweise einem Kunststoff oder einem Harz, ermöglichen.
Ähnlich wie in dem Beispiel von 1 kann die erste Fläche viel kleiner sein als die zweite Fläche, da die Abmessungen der Antennenarrays größer sind als die Abmessungen der gemeinsam genutzten integrierten Schaltungen und der Abstand zwischen den zweiten Öffnungen und den Antennenarrays den Abstrahlanforderungen in Bezug auf die Frequenz der HF-Signale entsprechen muss. Wie in dem Beispiel von 1 beschrieben, hätte ein zweidimensionales Antennenarray mit 64 Abstrahlelementen, die bei einer Frequenz von 30 GHz arbeiten, eine Größe von etwa 4 cm × 4 cm, während die anderen integrierten Schaltungen typischerweise eine Größe von 0,5 cm × 0,5 cm hätten. Ferner würde das Unterbringen von zwei, vier oder acht solcher Antennenarrays beispielsweise eine zweite Fläche 102 mit einer Größe von mindestens 8 cm × 4 cm, 8 cm × 8 cm bzw. 16 cm × 8 cm erfordern. Da die zweite Fläche zwei Wände mit dreieckigem Querschnitt umfasst, folgt daraus, dass jede der Wände so bemessen sein sollte, dass sie ein, zwei oder vier Antennenarrays aufnehmen kann. Hier entspricht der Abstand zwischen den zweiten Öffnungen 112 immer noch teilweise den Abstrahlanforderungen.
Der zweite Satz von FE-Schaltungen 403 kann hier im 1-zu-N-Modus betrieben werden, wie oben unter Bezugnahme auf 1 beschrieben.
3 zeigt ein drittes Beispiel der Struktur 100 ähnlich der von 2. Hier ist die Struktur ferner mit einem zusätzlichen Wellenleitermedium zur HF-Signalverteilung zwischen den HF-Schaltungen versehen. Das zusätzliche Wellenleitermedium kann beispielsweise durch Verbinden zusätzlicher zweiter Öffnungen über Durchgangslöcher gebildet werden. In der Figur wird ein zusätzliches Wellenleitermedium 133 durch zwei zusätzliche zweite Öffnungen 131 und 132 bereitgestellt, die über ein Durchgangsloch 130 miteinander verbunden sind. Für die in 3 gezeigte Funkgerätekonfiguration dient das zusätzliche Wellenleitermedium 133 zur verlustarmen Signalverteilung und/oder Signalsynchronisierung zwischen den jeweiligen FE-Schaltungen 403.
Ähnlich wie in dem Beispiel von 2 muss die zweite Fläche eine Größe von ungefähr mindestens 8 cm × 4 cm, 8 cm × 8 cm oder 16 cm × 8 cm aufweisen, wenn zwei, vier oder acht zweidimensionale Antennenarrays mit 64 Abstrahlelementen, die bei einer Frequenz von 30 GHz arbeiten, untergebracht werden sollen, wobei die jeweiligen Wände des dreieckigen Querschnitts so bemessen sind, dass sie ein, zwei oder vier Antennenarrays aufnehmen können. Auch hier ist der Abstand zwischen den zweiten Öffnungen 112 und den Antennenarrays derselbe wie für das Beispiel von 2. In ähnlicher Weise muss der Abstand zwischen den Öffnungen 131 und 132 immer noch teilweise den Abstrahlanforderungen entsprechen.
In diesem Beispiel kann der zweite Satz von FE-Schaltungen 403 in einem Daisy-Chain-Modus betrieben werden. Genauer gesagt kann die TX-Schaltung 402 ein HF-Signal im Übertragungsfrequenzbereich ausgeben. Mit anderen Worten, das HF-Signal ist ein Signal bei beispielsweise 60 GHz, das mit dem BB-Signal moduliert ist. Das HF-Signal wird in die eine der FE-Schaltungen 403 über das in der Struktur 100 bereitgestellte Wellenleitermedium 121 eingespeist, z. B. die FE-Schaltung, die sich auf der linken Seite der zweiten Phase 102 befindet. Diese FE-Schaltung führt eine Phasenverschiebung und Verstärkung des HF-Signals durch, um ein phasenverschobenes und verstärktes HF-Signal auszugeben. Gleichzeitig leitet diese FE-Schaltung die ursprünglichen HF-Signale an die nächste FE-Schaltung 403 weiter, d. h. die FE-Schaltung auf der rechten Seite der zweiten Phase 102, die wiederum auch eine Phasenverschiebung und Verstärkung des HF-Signals durchführt, um ein weiteres phasenverschobenes und verstärktes HF-Signal auszugeben. Diese phasenverschobenen und verstärkten HF-Signale werden dann jeweils den entsprechenden Antennenarrays 404 zugeführt, um diese phasenverschobenen und verstärkten HF-Signale zu übertragen.
Alternativ ist das durch die TX-Schaltung ausgegebene modulierte Signal bei einer Zwischenfrequenz, z. B. 20 GHz. In diesem Fall wird ähnlich wie in dem Beispiel von 1 bevorzugt, dass das Zwischensignal aufgrund ihrer großen Abmessungen über ein Kabel anstelle eines Wellenleitermediums in die erste FE-Schaltung eingespeist wird. Die erste FE-Schaltung speist dieses Zwischensignal über ein weiteres Kabel auch in die nächste FE-Schaltung ein. Das Trägersignal von der TX-Schaltung wird jedoch in die erste FE-Schaltung über das Wellenleitermedium 121 eingespeist, die wiederum dieses Trägersignal über ein anderes Wellenleitermedium, d. h. das Wellenleitermedium 133, in die nächste FE-Schaltung einspeist. Die jeweiligen FE-Schaltungen wandeln zuerst das Zwischensignal unter Verwendung des Trägersignals in den Übertragungsfrequenzbereich, z. B. 60 GHz, aufwärts und führen dann eine Phasenverschiebung und eine Verstärkung des resultierenden HF-Signals durch. Die phasenverschobenen und verstärkten HF-Signale werden dann durch die FE-Schaltungen 403 in die entsprechenden Antennenarrays 404 eingespeist, die wiederum diese phasenverschobenen und verstärkten HF-Signale übertragen.
Die Verzögerung, die dadurch verursacht wird, dass die verschiedenen FE-Schaltungen das HF-Signal zu leicht unterschiedlichen Zeitpunkten empfangen, wird durch die FE-Schaltungen kompensiert, indem unterschiedliche Phasenverschiebungen auf das HF-Signal angewendet werden. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die durch die jeweiligen Antennenarrays übertragenen HF-Signale konstruktiv kombiniert werden.
Verglichen mit einem 1-zu-N-Ansatz, bei dem die modulierten BB-Signale und möglicherweise das nichtmodulierte Trägersignal verteilt werden, erfordert der Daisy-Chain-Ansatz keine zentrale aktive HF-Schaltung wie die TX-Schaltung in dem Beispiel von 1. Somit bietet der Daisy-Chain-Ansatz geringere Kosten in Bezug auf die Komponentenanzahl und eine kleinere Platinenfläche auf Kosten variabler Verzögerungen im Inneren, die durch die FE-Schaltungen verursacht werden. Dies hat jedoch einen minimalen Overhead, da diese Verzögerungen kompensiert werden können, indem die durch die jeweiligen FE-Schaltungen auf das HF-Signal angewendete Phasenverschiebung angepasst wird.
Darüber hinaus gewährleistet bei der Implementierung, bei der das modulierte Trägersignal durch die Struktur verteilt wird, d. h. wenn die TX-Schaltung das mit dem BB-Signal modulierte 60-GHz-HF-Signal einspeist, der Daisy-Chain-Ansatz eine bessere HF-Bandbreite als der 1-zu-N-Ansatz. Der Nachteil besteht darin, dass die Sicherstellung eines guten Signal-Rausch-Verhältnisses aufgrund der Verteilung des Modulationsträgersignals schwieriger ist, insbesondere bei einer großen Anzahl von verketteten Schaltungen.
Ähnlich wie in dem Beispiel von 1 vermeidet das Verteilen des modulierten Trägersignals, d. h. des mit dem BB-Signal modulierten 60-GHz-HF-Signals, durch die Struktur 100 die Verwendung von Hochfrequenzkabeln, die kostspielig und weniger zuverlässig sein können, und außerdem vermeidet es die Verteilung von Zwischensignalen, die aufgrund der damit verbundenen zusätzlichen Division und Multiplikation zu einer Verschlechterung des Phasenrauschens führt.
4 zeigt ein viertes Beispiel der Struktur 100 ähnlich der Struktur von 2. Hier weist die Struktur 100 jedoch eine rechteckige Querstruktur mit einer ersten Fläche 101 und einer zweiten Fläche 102 auf, die jeweils mit mehreren Öffnungen versehen sind. Die ersten Öffnungen 111 und die zweiten Öffnungen 112 sind jeweils über Durchgangslöcher 120 verbunden, die in die Struktur eingebettet sind, wodurch mehrere luftgefüllte Kanäle gebildet werden, die jeweils ein jeweiliges Paar von ersten und zweiten Öffnungen verbinden. Wiederum kann die erste Fläche viel kleiner sein als die zweite Fläche, da die Abmessungen der Antennenarrays größer sind als die Abmessungen der gemeinsam genutzten integrierten Schaltungen und der Abstand zwischen den zweiten Öffnungen und den Antennenarrays den Abstrahlanforderungen in Bezug auf die Frequenz der HF-Signale entsprechen muss.
Eine HF-Kommunikationsvorrichtung kann gebildet werden, indem auf der ersten Fläche 101 eine erste PCB 310 mit einer BB-Schaltung 401, einer TRX-Schaltung 402 und zwei FE-Schaltungen 403 und auf der zweiten Fläche 102 mehrere zweite PCBs, die jeweils ein Antennenarray 404 umfassen, bereitgestellt werden. Die HF-Kommunikationsvorrichtung arbeitet auf die gleiche Weise wie die in 2 gezeigte, mit dem Unterschied, dass hier das HF-Signal von der TRX-Schaltung 402 zu den zwei FE-Schaltungen 403 und die HF-Signale von den FE-Schaltungen zu den mehreren die Antennenarrays 404 über Wellenleitermedien 140 und 120 verteilt werden, die in die Struktur eingebettet sind. Insbesondere wird das HF-Signal von der TRX-Schaltung 402 in zwei geteilt und über die Wellenleitermedien 141 in die jeweiligen FE-Schaltungen 403 eingespeist (es sei angemerkt, dass nur eines der Wellenleitermedien in der Figur gezeigt ist). Ferner werden die HF-Signale von den jeweiligen FE-Schaltungen 403 geteilt und zu den Wellenleitermedien 121 verteilt. Genauer gesagt wird das HF-Signal von der ersten FE-Schaltung in mehrere HF-Signale geteilt, die der Anzahl der Antennenabstrahlelemente für eine Teilmenge der Antennenarrays entsprechen, und das HF-Signal von der zweiten FE-Schaltung wird in mehrere HF-Signale aufgeteilt, die der Anzahl der Antennenabstrahlelemente für die verbleibenden Antennenarrays entsprechen. Mit anderen Worten, die Anzahl der Wellenleitermedien 121 entspricht der Gesamtzahl der Abstrahlelemente, die durch die Antennenarrays bereitgestellt werden.
Die Teilung und Verteilung des HF-Signals zu den Wellenleitermedien 141 und 121 werden durch SIWs 161 und 162 durchgeführt, die in die PCB 310 integriert sind. Die SIWs sind gemäß den Verbindungsanforderungen, die durch die elektrischen Charakteristiken der PCB und die Betriebsfrequenz definiert sind, beabstandet. Da die SIWs 161 und 162 nur für die HF-Signalverteilung innerhalb der PCB verwendet werden, d. h. über sehr kurze Destanzen, sind die Gesamtverluste der HF-Signalverteilung über die HF-Kommunikationsvorrichtung hinweg, d. h. von der TRX-Schaltung zu den FE-Schaltungen bzw. von FE Schaltungen zu den Antennenarrays, vernachlässigbar.
Der Abstand zwischen den SIWs definiert den Abstand zwischen den ersten Öffnungen, der durch die mechanischen Eigenschaften der Struktur weiter beschränkt wird. Die ersten Öffnungen könnten so eng beabstandet sein, wie es die mechanischen Eigenschaften der Struktur zulassen. Zum Beispiel würde eine vollständig metallische Struktur eine dichtere Verteilung entlang der ersten Fläche der Struktur im Vergleich zu einem weicheren Material, wie beispielsweise einem Kunststoff oder einem Harz, ermöglichen.
Ähnlich wie in dem Beispiel von 1 muss die zweite Fläche eine Größe von mindestens 8 cm × 4 cm, 8 cm × 8 cm oder 16 cm × 8 cm aufweisen, wenn zwei, vier oder acht zweidimensionale Antennenarrays mit 64 Abstrahlelementen, die bei einer Frequenz von 30 GHz arbeiten, untergebracht werden sollen. Hier jedoch muss, da die jeweiligen Wellenleitermedien 121 ein HF-Signal in ein jeweiliges Abstrahlelement einspeisen, muss der Abstand zwischen den zweiten Öffnungen 112 dem Abstand zwischen den Abstrahlelementen entsprechen. Das heißt, die zweiten Öffnungen sind um die Hälfte der Wellenlänge des durch die Wellenleitermedien verteilten HF-Signals beabstandet.
Es sind verschiedene Konfigurationen von Wellenleitermedien 121 möglich, bei denen Wellenleitermedien mit einer Verzweigungsstruktur mit einem Teilungsverhältnis von 1:R verwendet werden können. Beispielsweise können zwei Wellenleitermedien 121 jeweils mit einem Teilungsverhältnis von 1:64 verwendet werden, um das HF-Signal von den jeweiligen HF-Schaltungen zu zwei zweidimensionalen Antennenarrays mit 64 Abstrahlelementen zu verteilen. Alternativ können vier Wellenleitermedien jeweils mit einem Teilungsverhältnis von 1:32 verwendet werden, um die HF-Signale von den jeweiligen FE-Schaltungen zu den zwei zweidimensionalen Antennenarrays zu verteilen. Auch weitere Kombinationen von verzweigten und nichtverzweigten Wellenleitermedien sind möglich. Die ausgewählte Konfiguration der Wellenleitermedien hängt von der Spezifikation auf Systemebene der HF-Kommunikationsvorrichtung ab.
5 zeigt ein fünftes Beispiel der Struktur 100 ähnlich der von 4. Anders als die Struktur von 4 umfasst die Struktur 100 hier einen dreieckigen Querschnitt und mehrere zusätzliche zweite Öffnungen 152, die über jeweilige Durchgangslöcher 150 mit mehreren ersten Öffnungen verbunden sind. In diesem Beispiel sind vierzehn zusätzliche zweite Öffnungen mit vierzehn zusätzlichen ersten Öffnungen verbunden. Die zusätzlichen zweiten Öffnungen 152 können so gestaltet sein, dass sie unterschiedliche Geometrien aufweisen, die eine einfache Integration unterschiedlicher Arten von Antennenabstrahlelementen in die Struktur ermöglichen. Beispielsweise kann ein Hornantennenabstrahlelement bereitgestellt werden, indem die zweite Öffnung 152 als Trichter geformt wird.
In diesem Beispiel wird das HF-Signal von den jeweiligen FE-Schaltungen 403 somit in eine mehrere HF-Signale geteilt, die der Anzahl der Antennenabstrahlelemente der zwei Antennenarrays 404 und der zusätzlichen Antennenabstrahlelemente 152 entsprechen. Ähnlich wie in dem Beispiel von 4 werden in die PCB 310 (in der Figur nicht gezeigt) integrierte SIWs verwendet, um die HF-Signale von den FE-Schaltungen zu den luftgefüllten Kanälen zu teilen und zu verteilen, d. h. sowohl zu den luftgefüllten Kanälen 150 als auch zu den luftgefüllten Kanälen 120 (in der Figur nicht gezeigt). Da die Länge der SIWs, die zum Teilen und Verteilen der HF-Signale zu der Speisungsanordnung der ersten Öffnungen erforderlich ist, eher kurz ist, sind die Gesamtverluste der HF-Signalverteilung über die HF-Kommunikationsvorrichtung hinweg, d. h. von den FE-Schaltungen zu den Antennenarrays, vernachlässigbar. Ähnlich wie in dem Beispiel von 4 gelten auch hier die Abstandsanforderungen zwischen den SIWs, der ersten Öffnung, den zweiten Öffnungen und den Antennenarrays.
6 zeigt ein sechstes Beispiel der Struktur ähnlich der von 5. Die Abstandsanforderungen zwischen den SIWs, den ersten Öffnungen, den zweiten Öffnungen und den Antennenarrays von 4 und 5 gelten ebenfalls. Hier umfasst die Struktur mehrere erste und zweite Öffnungen 111 und 152, die jeweils über Durchgangslöcher 150 verbunden sind, die in die Struktur eingebettet sind, wodurch mehrere luftgefüllte Kanäle gebildet werden, die jeweils ein jeweiliges Paar von ersten und zweiten Öffnungen verbinden. Die zweiten Öffnungen 152 sind so gestaltet, dass sie unterschiedliche Geometrien aufweisen, z. B. eine kreisförmige, rechteckige oder quadratische Geometrie, die eine einfache Integration unterschiedlicher Arten von Antennenabstrahlelementen in die Struktur ermöglichen. Beispielsweise kann ein Hornantennenabstrahlelement bereitgestellt werden, indem die zweite Öffnung 152 als Trichter geformt wird. Die Größe und der Formfaktor der integrierten Abstrahlelemente hängen von der Anwendung der HF-Kommunikationsvorrichtung und den Beschränkungen der Struktur ab.
Die Struktur der vorliegenden Offenbarung ermöglicht eine Vielzahl von Konfigurationen von Wellenleitermedien, die ein oder mehrere verzweigte und/oder nichtverzweigte Wellenleitermedien umfassen. Somit wird ein Strukturdesign ermöglicht, das den Anforderungen der HF-Kommunikationsvorrichtung entspricht, wodurch eine einfache Integration mit den externen HF-Schaltungen ermöglicht wird.
In den Beispielen von 4 bis 6 speisen die FE-Schaltungen 403 das phasenverschobene und verstärkte modulierte HF-Signal über einzelne in der Struktur bereitgestellte Wellenleitermedien 120 in die jeweiligen Antennenarrays 404 und/oder Antennenabstrahlelementen 152 ein. Die Verteilung des modulierten Trägersignals durch die Struktur 100 vermeidet die Verwendung kostspieliger und weniger zuverlässiger Hochfrequenzkabel sowie die Verteilung von Zwischensignalen.
Obgleich die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf spezifische Ausführungsformen veranschaulicht wurde, ist für Fachleute ersichtlich, dass die Erfindung nicht auf die Einzelheiten der vorstehenden veranschaulichenden Ausführungsformen beschränkt ist und dass die vorliegende Erfindung mit verschiedenen Änderungen und Modifikationen ohne Abweichung von ihrem Schutzumfang umgesetzt werden kann. Die vorliegenden Ausführungsformen sind daher in jeder Hinsicht als veranschaulichend und nicht einschränkend zu betrachten, wobei der Schutzumfang der Erfindung durch die beigefügten Ansprüche anstatt durch die vorstehende Beschreibung angegeben ist, und alle Änderungen, die in den Schutzumfang der Ansprüche fallen, sollen daher darin umfasst sein.
Der Leser dieser Patentanmeldung wird ferner verstehen, dass die Worte „umfassend“ oder „umfassen“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließen, dass die Worte „ein" oder „eine“ keine Vielzahl ausschließen und dass ein einzelnes Element, wie etwa ein Computersystem, ein Prozessor oder eine andere integrierte Einheit die Funktionen mehrerer in den Ansprüchen genannter Mittel erfüllen kann. Jegliche Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung der jeweiligen betroffenen Ansprüche auszulegen. Die Begriffe „erster“, „zweiter“, „dritter“, „a“, „b“, „c“ und dergleichen werden, wenn sie in der Beschreibung oder in den Ansprüchen verwendet werden, verwendet, um zwischen ähnlichen Elementen oder Schritten zu unterscheiden, und beschreiben nicht zwangsweise eine sequenzielle oder chronologische Reihenfolge. In ähnlicher Weise werden die Begriffe „oben“, „unten“, „über“, „unter“ und dergleichen zu Beschreibungszwecken verwendet und nicht zwangsweise, um relative Positionen zu bezeichnen. Es versteht sich, dass die so verwendeten Begriffe unter geeigneten Umständen austauschbar sind und Ausführungsformen der Erfindung in der Lage sind, gemäß der vorliegenden Erfindung in anderen Sequenzen oder in anderen Ausrichtungen als den oben beschriebenen oder veranschaulichten zu arbeiten.

Claims

Struktur (100), die eine erste Fläche (101) mit mindestens einer ersten Öffnung (111) und eine zweite Fläche (102) mit mehreren zweiten Öffnungen (112) umfasst, wobei die mindestens eine erste Öffnung mit den zweiten Öffnungen über Durchgangslöcher (120) verbunden ist, die in die Struktur eingebettet sind und eine elektrisch leitende Innenwand aufweisen, und dazu ausgelegt ist, ein Wellenleitermedium (121) zum Führen von Hochfrequenz- bzw. HF-Signalen zwischen der mindestens einen ersten Öffnung und den mehreren zweiten Öffnungen zu bilden, wobei die mindestens eine erste Öffnung (111) dazu ausgelegt ist, mit mindestens einer ersten externen HF-Schaltung (402;403) zum Verarbeiten von HF-Signalen gekoppelt zu sein, und die mehreren zweiten Öffnungen dazu eingerichtet sind, mit mehreren zweiten externen HF-Schaltungen (403;404) zur Übertragung und/oder zum Empfang von HF-Signalen gekoppelt zu sein, und wobei die zweite Fläche dazu eingerichtet ist, die mehreren zweiten externen HF-Schaltungen (403;404) aufzunehmen, und gemäß Abstrahlanforderungen bezüglich der Frequenz der HF-Signale dimensioniert ist.
Struktur (100) nach Anspruch 1, wobei die erste Fläche mehrere erste Öffnungen (111) umfasst, die über die Durchgangslöcher (120) mit den zweiten Öffnungen (112) verbunden sind.
Struktur (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Durchgangslöcher eine Verzweigungsstruktur umfassen.
Struktur (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens ein Durchgangsloch (130) der Durchgangslöcher dazu eingerichtet ist, mindestens eine zweite Öffnung (131) der mehreren zweiten Öffnungen mit mindestens einer anderen zweiten Öffnung (132) der mehreren zweiten Öffnungen zu verbinden, um HF-Signale zwischen den mehreren zweiten HF-Schaltungen (403) zu führen.
Struktur (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, die eine vielseitige Struktur mit einem Seitenverhältnis von nahezu eins ist.
Struktur (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend einen viereckigen Querschnitt, wobei die erste Fläche (101) eine Seite des rechteckigen Querschnitts umfasst und die zweite Fläche (102) mindestens eine andere Seite des rechteckigen Querschnitts umfasst.
Struktur (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend einen dreieckigen Querschnitt, wobei die erste Fläche (101) eine Seite des dreieckigen Querschnitts umfasst und die zweite Fläche (102) die anderen Seiten des dreieckigen Querschnitts umfasst.
Struktur (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Fläche (101) dazu eingerichtet ist, mindestens eine erste Leiterplatte, PCB, (310) aufzunehmen, die dazu ausgelegt ist, mit der mindestens einen ersten externen HF-Schaltung (402,403) gekoppelt zu sein, und Speisungsanordnungen umfasst, die dazu ausgelegt sind, HF-Signale mit den ersten Öffnungen (111) auszutauschen.
Struktur (100) nach Anspruch 8, wobei die ersten Öffnungen (111) dazu eingerichtet sind, die jeweiligen Speisungsanordnungen aufzunehmen, wodurch ermöglicht wird, dass das Wellenleitermedium (121) mit der mindestens einen ersten externen HF-Schaltung (402,403) gekoppelt wird.
Struktur (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Fläche (102) dazu eingerichtet ist, mindestens eine zweite Leiterplatte, PCB, (320) aufzunehmen, die dazu ausgelegt ist, mit jeweiligen zweiten externen HF-Schaltungen (402,403) gekoppelt zu sein, und Speisungsanordnungen umfasst, die dazu ausgelegt sind, HF-Signale mit den jeweiligen zweiten Öffnungen (112) auszutauschen.
Struktur (100) nach Anspruch 10, wobei die zweiten Öffnungen (112) dazu eingerichtet sind, die jeweiligen Speisungsanordnungen aufzunehmen, wodurch ermöglicht wird, dass das Wellenleitermedium (121) mit den mehreren zweiten externen HF-Schaltungen (402,403) gekoppelt wird.
Struktur (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Fläche (102) ferner zusätzliche zweite Öffnungen (152) umfasst, die mit mindestens einer ersten Öffnung (111) der mehreren ersten Öffnungen verbunden sind, und wobei die jeweiligen zusätzlichen zweiten Öffnungen (152) ein Antennenabstrahlelement umfassen.
Hochfrequenz- bzw. HF-Kommunikationsvorrichtung, umfassend eine Struktur (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Vorrichtung mindestens eine erste externe HF-Schaltung (402, 403) zum Verarbeiten von HF-Signalen und eine an der ersten Fläche (101) der Struktur (100) montierte Leiterplatte (310) umfasst, die mindestens eine erste Speisungsanordnung umfasst, die dazu ausgelegt ist, die HF-Signale mit der Struktur (100) auszutauschen.
Hochfrequenzkommunikationsvorrichtung nach Anspruch 13, ferner umfassend mehrere zweite externe HF-Schaltungen (403,404) zur Übertragung und/oder zum Empfang von HF-Signalen und mehrere an der zweiten Fläche (102) der Struktur (100) montierte Leiterplatten (320), die mehrere zweite Speisungsanordnungen umfassen, die dazu ausgelegt sind, die HF-Signale mit der Struktur (100) auszutauschen.
Funkfrequenzkommunikationsvorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, wobei die mindestens eine erste externe HF-Schaltung eine aktive HF-Schaltung (402,403) zum Verarbeiten von HF-Signalen umfasst, und wobei die zweiten externen HF-Schaltungen eine passive HF-Schaltung (404) zum drahtlosen Übertragen und Empfangen von HF-Signalen umfassen.
Hochfrequenzkommunikationsvorrichtung nach Anspruch 13, ferner umfassend mehrere zweite externe HF-Schaltungen (403) zum weiteren Verarbeiten von HF-Signalen und ausgelegt zur Kopplung mit mehreren dritten externen HF-Schaltungen (404) zur Übertragung und/oder zum Empfang von HF-Signalen und mehrere an der zweiten Fläche (102) der Struktur (100) montierte Leiterplatten (320), die mehrere zweite Speisungsanordnungen umfassen, die dazu ausgelegt sind, die HF-Signale mit der Struktur (100) auszutauschen.
Hochfrequenzkommunikationsvorrichtung nach Anspruch 16, wobei die mindestens eine erste externe HF-Schaltung eine aktive HF-Schaltung (402) zum Verarbeiten von HF-Signalen umfasst, die zweiten externen HF-Schaltungen eine aktive HF-Schaltung zum weiteren Verarbeiten der HF-Signale umfassen und die dritten externen HF-Schaltungen (403) eine passive HF-Schaltung zum Übertragen und/oder Empfangen von HF-Signalen umfassen.
Struktur (100), umfassend eine erste Fläche (101) mit mehreren ersten Öffnungen (111), die dazu ausgelegt sind, mit mindestens einer ersten externen HF-Schaltung (402;403) zum Verarbeiten von HF-Signalen gekoppelt zu sein, und eine zweite Fläche (102) mit mehreren zweiten Öffnungen (112), die zum Übertragen und/oder Empfangen von HF-Signalen ausgelegt sind, wobei die mehreren ersten Öffnungen mit den zweiten Öffnungen über Durchgangslöcher (120) verbunden sind, die in die Struktur eingebettet sind und eine elektrisch leitende Innenwand (121) aufweisen, und dazu ausgelegt sind, ein Wellenleitermedium (121) zum Führen von Hochfrequenz- bzw. HF-Signalen zwischen den mehreren ersten Öffnungen und den mehreren zweiten Öffnungen zu bilden, wobei die erste Fläche so dimensioniert ist, dass sie die mindestens eine erste externe HF-Schaltung (402;403) aufnimmt, die mindestens eine erste externe HF-Schaltung eine integrierte Schaltung ist und wobei die ersten Öffnungen (111) gemäß Verbindungsanforderungen integrierter Schaltungen beabstandet sind und die zweiten Öffnungen (112) gemäß Abstrahlanforderungen in Bezug auf die Frequenz der HF-Signale beabstandet sind.