(57)【要約】      （修正有）【課題】外部オブジェクトとの間の距離を特定できる電子デバイスを提供する。【解決手段】電子デバイス１０は、制御回路及び無線回路を備える。無線回路は、フェーズドアンテナアレイ４８と、送信及び受信ポートを有する高周波集積回路とを含む。フェーズドアンテナアレイ４８は、送信ポートに結合された積層パッチアンテナの第１のセットと、受信ポートに結合された積層パッチアンテナの第２のセットとを含む。集積回路は、送信ポート及び積層パッチアンテナの第１のセットを使用してミリ波周波数で測距信号５４を送信する。集積回路は、受信ポート及び積層パッチアンテナの第２のセットを使用して、外部オブジェクト５０からの反射信号５６を受信する。制御回路は、測距信号５４及び反射信号５６に基づいて、電子デバイス１０と外部オブジェクト５０との間の距離を特定する。【選択図】図６
2020092416.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
送信ポート及び受信ポートを有する高周波集積回路と、
前記送信ポートに結合された積層パッチアンテナの第１のセット及び前記受信ポートに結合された積層パッチアンテナの第２のセットを含むフェーズドアンテナアレイであって、
前記高周波集積回路は、前記送信ポート及び積層パッチアンテナの前記第１のセットを使用してミリ波信号を送信するように構成されており、かつ、
前記高周波集積回路は、前記受信ポート及び積層パッチアンテナの前記第２のセットを使用してミリ波信号を受信するように構成されている、フェーズドアンテナアレイと、
前記送信及び受信されたミリ波信号に基づいて空間測距動作を実行するように構成された制御回路と、
を備える装置。
【請求項２】
積層パッチアンテナの前記第１及び第２のセット内の各積層パッチアンテナは、
接地板と、
前記接地板に重なり合うパッチ素子と、
前記パッチ素子に結合された第１のアンテナフィード端子と、
前記接地板に結合された第２のアンテナフィード端子と、
前記パッチ素子に重なり合う寄生素子と、
を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記パッチ素子は、インピーダンス整合ノッチを含む、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記寄生素子は、矩形金属パッチを含む、請求項２に記載の装置。
【請求項５】
積層パッチアンテナの前記第１及び第２のセットは、誘電体基板内に埋め込まれている、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
積層パッチアンテナの前記第１及び第２のセット内の各積層パッチアンテナは、１ＧＨｚより大きい帯域幅をカバーするように構成されている、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
積層パッチアンテナの前記第１及び第２のセット内の各積層パッチアンテナは、５７ＧＨｚ〜６１ＧＨｚの周波数帯域で放射するように構成されている、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
積層パッチアンテナの前記第１及び第２のセット内の各積層パッチアンテナは、前記フェーズドアンテナアレイの単一の行内に配置されている、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
積層パッチアンテナの前記第１のセットは、複数の同相積層パッチアンテナの列の第１のセットを含み、
積層パッチアンテナの前記第２のセットは、複数の同相積層パッチアンテナの列の第２のセットを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
高周波集積回路は、列の前記第１及び第２のセット内の各列に結合されたそれぞれの位相／大きさコントローラを含む、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記受信されたミリ波信号は、外部オブジェクトから反射された前記送信されたミリ波信号の反射されたバージョンを含み、
前記制御回路は、前記送信及び受信されたミリ波信号に基づいて前記外部オブジェクトの位置を追跡するように構成されている、請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
前記第１のセット内の各積層パッチアンテナは、前記フェーズドアンテナアレイの有効動作波長の２倍だけ、前記第１のセット内の少なくとも１つの他の積層パッチアンテナから分離されており、
前記第２のセット内の各積層パッチアンテナは、前記フェーズドアンテナアレイの前記有効動作波長の半分だけ、前記第２のセット内の少なくとも１つの他の積層パッチアンテナから分離されている、請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
積層パッチアンテナの前記第１のセットは、３つの積層パッチアンテナを含み、
積層パッチアンテナの前記第２のセットは、４つの積層パッチアンテナを含む、請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
送信ポート及び受信ポートを有する集積回路チップと、
前記送信ポートに結合された送信アンテナ及び前記受信ポートに結合された受信アンテナを含むフェーズドアンテナアレイであって、
前記送信アンテナ及び前記送信ポートは、１ＧＨｚより大きい帯域幅を使用してミリ波測距信号を送信するように構成されており、
前記受信アンテナ及び前記受信ポートは、１ＧＨｚより大きい前記帯域幅を使用して反射されたミリ波測距信号を受信するように構成されている、フェーズドアンテナアレイと、
前記送信されたミリ波測距信号及び前記受信した反射されたミリ波測距信号に基づいて空間測距動作を実行するように構成された制御回路と、
を備える、電子デバイス。
【請求項１５】
前記帯域幅は、２ＧＨｚよりも大きい、請求項１４に記載の電子デバイス。
【請求項１６】
前記送信アンテナ及び前記送信ポートは、５７ＧＨｚ〜６１ＧＨｚの周波数を含む周波数帯域で前記ミリ波測距信号を送信するように構成されている、請求項１５に記載の電子デバイス。
【請求項１７】
前記送信アンテナはそれぞれ、積層パッチアンテナ構造体を含む、請求項１４に記載の電子デバイス。
【請求項１８】
前記受信アンテナはそれぞれ、追加の積層パッチアンテナ構造体を含む、請求項１７に記載の電子デバイス。
【請求項１９】
１０ＧＨｚより大きい周波数で高周波測距信号を送信するように構成されたアンテナの第１のセット及び前記送信された高周波測距信号の反射されたバージョンを受信するように構成されたアンテナの第２のセットを有するフェーズドアンテナアレイであって、アンテナの前記第１及び第２のセット内の各アンテナは、接地板と、前記接地板に重なり合うパッチアンテナ共振素子と、前記パッチアンテナ共振素子に重なり合う寄生パッチと、を含む、フェーズドアンテナアレイと、
前記フェーズドアンテナアレイに結合された制御回路であって、アンテナの前記第１のセットによって送信された前記高周波測距信号及びアンテナの前記第２のセットによって受信した前記送信された高周波測距信号の前記反射されたバージョンに基づいて、前記装置と外部オブジェクトとの間の距離を特定するように構成された制御回路と、
を備える、電子デバイス。
【請求項２０】
アンテナの前記第１及び第２のセット内の各アンテナは、１ＧＨｚより大きい帯域幅をカバーするように構成されており、
前記第１のセット内の各アンテナは、前記周波数に対応する有効動作波長の２倍だけ、前記第１のセット内の少なくとも１つの他のアンテナから分離されており、
前記第２のセット内の各アンテナは、前記有効動作波長の半分だけ、前記第２のセット内の少なくとも１つの他のアンテナから分離されている、請求項１９に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
本出願は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる、２０１９年９月６日出願の米国非仮特許出願第１６／５６３，６５８号、及び２０１８年１２月７日付出願の米国仮特許出願第６２／７７６，９６８号に対する優先権を主張する。
本出願は、一般的には、電子デバイスに関し、より具体的には、無線回路機構を有する電子デバイスに関する。
【０００２】
電子デバイスは、多くの場合、無線回路機構を備える。例えば、セルラー電話、コンピュータ、及び他のデバイスは、無線通信をサポートするためのアンテナ及び無線送受信機を含むことが多い。電子デバイスはまた、送信及び反射された高周波信号を使用して電子デバイスと外部オブジェクトとの間の距離を特定する空間測距動作を実行するための無線回路を含むことが多い。
【０００３】
１０ＧＨｚ〜３００ＧＨｚのミリ波周波数及びセンチ波周波数での空間測距動作をサポートすることが望ましい場合がある。しかしながら、注意が払われない場合、無線回路は、これらの周波数で十分な空間測距動作を実行するためには不十分な帯域幅を呈することになる。
【０００４】
したがって、比較的高い帯域幅でのミリ波及びセンチ波空間測距動作をサポートする無線回路を有する電子デバイスを提供することができることが望ましいであろう。
【発明の概要】
【０００５】
電子デバイスは、制御回路及び無線回路を備えることができる。無線回路及び制御回路は、多入力多出力（multiple-input and multiple-output、ＭＩＭＯ）無線検出及び測距（radio detection and ranging、ＲＡＤＡＲ）方式を使用して空間測距動作を実行することができる。
【０００６】
無線回路は、送信ポート及び受信ポートを有する高周波集積回路を含むことができる。ミリ波及びセンチ波送受信機回路は、高周波集積回路上に形成することができる。位相／大きさコントローラは、送信ポート及び受信ポートのそれぞれに結合されてもよい。無線回路は、高周波集積回路に結合されたフェーズドアンテナアレイを含むことができる。
【０００７】
フェーズドアンテナアレイは、送信ポートに結合された積層パッチアンテナの第１のセットと、受信ポートに結合された積層パッチアンテナの第２のセットとを含むことができる。積層パッチアンテナの第１及び第２のセットは、フェーズドアンテナアレイの単一の行内に形成されてもよく、又はそれぞれ、フェーズドアンテナアレイによって生成されるビーム幅を狭めるための複数の同相積層パッチアンテナの列を含むことができる。
【０００８】
高周波集積回路は、送信ポート及び積層パッチアンテナの第１のセットを使用してミリ波周波数で高周波測距信号を送信することができる。高周波集積回路は、受信ポート及び積層パッチアンテナの第２のセットを使用して、外部オブジェクトから反射された送信された高周波測距信号の反射されたバージョンを受信することができる。制御回路は、送信及び受信された信号に基づいて、電子デバイスと外部オブジェクトとの間の距離を特定することができる。積層パッチアンテナの第１及び第２のセットは、１ＧＨｚより大きい帯域幅などの比較的広い帯域幅をサポートするようにフェーズドアンテナアレイを構成することができる。これにより、電子デバイスが、５７ＧＨｚから６１ＧＨｚの周波数などの比較的広い周波数範囲にわたって空間測距動作を実行することを可能にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】いくつかの実施形態に係る、無線回路を有する例示的な電子デバイスの斜視図である。
【００１０】
【図２】いくつかの実施形態に係る、無線回路を有する例示的な電子デバイスの背面斜視図である。
【００１１】
【図３】いくつかの実施形態に係る、無線回路を有する例示的な電子デバイスの模式図である。
【００１２】
【図４】いくつかの実施形態に係る、高周波伝送線を使用して、どのように例示的なミリ波及びセンチ波送受信機回路をアンテナに結合することができるかを示す概略図である。
【００１３】
【図５】いくつか実施形態に係る、信号のビームを方向付けるために、制御回路を使用して調整することができる例示的なフェーズドアンテナアレイの図である。
【００１４】
【図６】いくつかの実施形態に係る、フェーズドアンテナアレイ及びミリ波信号を使用して、どのように例示的な電子デバイスが空間測距動作を実行することができるかを示す図である。
【００１５】
【図７】いくつかの実施形態に係る、ミリ波信号を使用して空間測距動作を実行するためにフェーズドアンテナアレイ内に設けることができる、例示的な積層パッチアンテナ構造体の斜視図である。
【００１６】
【図８】いくつかの実施形態に係る、図７に示すタイプの例示的な積層パッチアンテナ構造体に関するアンテナ性能（アンテナ効率）のグラフである。
【００１７】
【図９】いくつかの実施形態に係る、どのように例示的なフェーズドアンテナアレイが、ミリ波信号を使用して空間測距動作を実行するための専用送信アンテナ及び受信アンテナを含むことができるかを示す図である。
【００１８】
【図１０】いくつかの実施形態に係る、どのように例示的なフェーズドアンテナアレイが、ミリ波信号を使用して空間測距動作を実行するための複数の同相送信アンテナ及び受信アンテナの列を含むことができるかを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１の電子デバイス１０などの電子デバイスは、無線回路を含むことができる。無線回路は、１つ以上のアンテナを含むことができる。アンテナは、ミリ波信号及びセンチ波信号を使用して無線通信及び／又は空間測距動作を実行するために使用されるフェーズドアンテナアレイを含むことができる。極高周波（extremely high frequency、ＥＨＦ）信号と呼ばれることもあるミリ波信号は、約３０ＧＨｚを上回る周波数で（例えば、６０ＧＨｚ、又は約３０ＧＨｚ〜３００ＧＨｚの他の周波数で）伝搬する。センチ波信号は、約１０ＧＨｚ〜３０ＧＨｚの周波数で伝搬する。所望であれば、デバイス１０はまた、衛星航法システム信号、セルラー電話信号、無線ローカルエリアネットワーク信号、近距離通信、光に基づく無線通信、又は他の無線通信を処理するためのアンテナを含むこともできる。
【００２０】
電子デバイス１０は、ラップトップコンピュータ、組み込み型コンピュータを含むコンピュータモニタ、タブレットコンピュータ、セルラー電話機、メディアプレーヤ、又は他のハンドヘルド若しくはポータブル電子デバイスなどのコンピューティングデバイス、腕時計デバイス、ペンダントデバイス、ヘッドホン若しくはイヤホンデバイス、仮想若しくは拡張現実ヘッドセットデバイス、眼鏡に埋め込まれたデバイス若しくはユーザの頭部に装着する他の機器、又は他の着用可能な若しくはミニチュアデバイスなどの小型デバイス、テレビ、組み込み型コンピュータを含まないコンピュータディスプレイ、ゲーミングデバイス、ナビゲーションデバイス、ディスプレイを有する電子機器がキオスク若しくは自動車に搭載されるシステムなどの組み込み型システム、無線アクセスポイント若しくは基地局、デスクトップコンピュータ、ポータブルスピーカ、キーボード、ゲームコントローラ、ゲーミングシステム、コンピュータマウス、マウスパッド、トラックパッド若しくはタッチパッド、これらのデバイスのうちの２つ以上の機能を実装する機器、又は他の電子機器であってもよい。図１の例示的な構成では、デバイス１０は、セルラー電話機、メディアプレーヤ、タブレットコンピュータ、ポータブルスピーカ、又は他のポータブルコンピューティングデバイスなどのポータブルデバイスである。所望であれば、デバイス１０に関して他の構成を使用することもできる。図１の例は、単なる例示にすぎない。
【００２１】
図１に示すように、デバイス１０は、ディスプレイ８などのディスプレイを含むことができる。ディスプレイ８は、筐体１２などの筐体内に取り付けられてもよい。筐体１２は、エンクロージャ又はケースと称される場合もあり、プラスチック、ガラス、セラミック、繊維複合材、金属（例えば、ステンレス鋼、アルミニウムなど）、他の好適な材料、又はこれらの材料のうちの任意の２つ以上の組合せで形成することができる。筐体１２は、筐体１２の一部又は全部が単一の構造体として機械加工又は成形された単体構成を用いて形成されてもよく、又は複数の構造体（例えば、内部フレーム構造体、外部筐体表面を形成する１つ以上の構造体、など）を用いて形成されてもよい。
【００２２】
ディスプレイ８は、導電性の静電容量式タッチセンサ電極又は他のタッチセンサ構成要素（例えば、抵抗式タッチセンサ構成要素、音響式タッチセンサ構成要素、力ベースのタッチセンサ構成要素、光ベースのタッチセンサ構成要素など）の層を組み込んだタッチスクリーンディスプレイであってもよく、又はタッチ感知式でないディスプレイであってもよい。静電容量式タッチセンサ電極は、インジウムスズ酸化物パッド又は他の透明導電性構造体のアレイから形成されてもよい。
【００２３】
ディスプレイ８は、液晶ディスプレイ（liquid crystal display、ＬＣＤ）構成要素から形成されたディスプレイ画素のアレイ、電気泳動ディスプレイ画素のアレイ、プラズマディスプレイ画素のアレイ、有機発光ダイオードディスプレイ画素のアレイ、エレクトロウェッティングディスプレイ画素のアレイ、又は他のディスプレイ技術に基づくディスプレイ画素を含んでもよい。
【００２４】
ディスプレイ８は、透明なガラス、透明なプラスチック、サファイア、又は他の透明な誘電体の層などの、ディスプレイカバー層を使用して保護することができる。開口部を、ディスプレイカバー層内に形成することができる。例えば、開口部は、１つ以上のボタン、指紋センサ又は光センサなどのセンサ回路、スピーカポート又はマイクロフォンポートなどのポートなどを収容するために、ディスプレイカバー層内に形成することができる。開口部は、通信ポート（例えば、オーディオジャックポート、デジタルデータポート、充電ポートなど）を形成するために、筐体１２内に形成することができる。筐体１２内の開口部はまた、スピーカ及び／又はマイクロフォンなどのオーディオ構成要素用に形成することもできる。
【００２５】
アンテナは、筐体１２内に搭載することができる。所望であれば、アンテナ（例えば、ビームステアリングを実行するアンテナアレイなど）の一部は、ディスプレイ８の非アクティブ境界領域の下に搭載することができる（例えば、図１の例示的なアンテナ位置６を参照）。ディスプレイ８は、画素のアレイを有するアクティブエリア（例えば、中央矩形部分）を含んでもよい。ディスプレイ８の非アクティブエリアは、画素を含まず、アクティブエリアのための境界を形成することができる。所望であれば、アンテナはまた、筐体１２の背面内又はデバイス１０内の他の所の誘電体で充填された開口部を介して動作することができる。
【００２６】
人間の手又はユーザの他の体の一部分などの外部のオブジェクトが１つ以上のアンテナを遮断する場合に通信を阻害することを回避するために、アンテナは、筐体１２内の複数の位置に搭載することができる。近接センサのデータなどのセンサデータ、リアルタイムのアンテナインピーダンス測定値、受信した信号強度情報などの信号品質の測定値、及び他のデータは、筐体１２の向き、ユーザの手若しくは他の外部オブジェクトによる遮断、又は他の環境要因のために１つ以上のアンテナが悪影響を受けている場合を判定するのに使用することができる。デバイス１０は、次に、悪影響を受けているアンテナの代わりに、１つ以上の交替アンテナを使用状態に切換えることができる。
【００２７】
アンテナは、筐体１２の角部に（例えば、図１の角部の位置６に、及び／又は筐体１２の背面上の角部の位置に）、筐体１２の周囲縁部に沿って、筐体１２の背面上に、デバイス１０の前面上にディスプレイ８をカバーし保護するのに使用されるディスプレイカバーガラス若しくは他の誘電体ディスプレイカバー層の下に、筐体１２の背面若しくは筐体１２の縁部上の誘電体ウィンドウの下に、又はデバイス１０内の他の所に搭載することができる。
【００２８】
図２は、アンテナ（例えば、単一のアンテナ及び／又はフェーズドアンテナアレイ）をデバイス１０内に搭載することができる筐体１２の背面及び側面上の例示的な位置６を示す、電子デバイス１０の背面斜視図である。アンテナは、デバイス１０の角部に、側壁１２Ｅによって形成された縁部などの筐体１２の縁部に沿って、筐体後壁部１２Ｒの上側及び下側部分上に、筐体後壁部１２Ｒの中央に（例えば、筐体後壁部１２Ｒの中央の誘電体ウィンドウ構造体又は他のアンテナ窓の下に）、筐体後壁部１２Ｒの角部に（例えば、筐体１２及びデバイス１０の背面の左上の角部、右上の角部、左下の角部、及び右下の角部上に）などに搭載することができる。
【００２９】
筐体１２が誘電体（例えば、プラスチック、ガラス、サファイア、セラミック、布地など）から全体又はほぼ全体が形成される構成では、アンテナは、誘電体の任意の好適な部分を介してアンテナ信号を送受信することができる。筐体１２が金属などの導電材料から形成される構成では、金属内のスロット又は他の開口部などの筐体の領域は、プラスチック又は他の誘電体で充填することができる。アンテナは、開口部内の誘電体と位置合わせして搭載することができる。誘電体アンテナ窓、誘電体隙間、誘電体で充填された開口部、誘電体で充填されたスロット、細長い誘電体開口部領域などと呼ばれることもあり得る、これらの開口部は、デバイス１０の内部に搭載されたアンテナから外部無線機器にアンテナ信号を送信するのを可能にすることができ、内部のアンテナが外部無線機器からアンテナ信号を受信するのを可能にすることができる。別の好適な構成では、アンテナは、筐体１２の導電部分の外部に搭載することができる。
【００３０】
図１及び図２は、単なる例示にすぎない。一般に、筐体１２は、任意の所望の形状（例えば、矩形形状、円筒形状、球形状、これらの組合せなど）を有してもよい。図１のディスプレイ８は、必要に応じて省略することができる。アンテナは、筐体１２内に、筐体１２上に、及び／又は筐体１２の外部に配置することができる。
【００３１】
デバイス１０内に使用することができる例示的な構成要素の模式図を、図３に示す。図３に示すように、デバイス１０は、制御回路１４を含むことができる。制御回路１４は、記憶回路２０などの記憶装置を含むことができる。記憶回路２０は、ハードディスクドライブ記憶装置、不揮発性メモリ（例えば、フラッシュメモリ、又はソリッドステートドライブを形成するように構成されている他の電気的にプログラムできる読み出し専用メモリ）、揮発性メモリ（例えば、静的又は動的ランダムアクセスメモリ）などを含むことができる。制御回路１４は、処理回路２２などの処理回路を含むことができる。処理回路２２は、デバイス１０の動作を制御するために使用することができる。処理回路２２は、１つ以上のマイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、デジタル信号プロセッサ、ホストプロセッサ、ベースバンドプロセッサ集積回路、特定用途向け集積回路、中央処理装置（central processing units、ＣＰＵ）などを含んでもよい。制御回路１４は、ハードウェア（例えば、専用ハードウェア又は回路）、ファームウェア、及び／又はソフトウェアを使用して、デバイス１０内で動作を実行するように構成することができる。デバイス１０内で動作を実行するためのソフトウェアコードは、記憶回路２０上に記憶されてもよい（例えば、記憶回路２０は、ソフトウェアコードを記憶する非一時的（有形）コンピュータ可読記憶媒体を含んでもよい）。ソフトウェアコードは、時に、プログラム命令、ソフトウェア、データ、命令、又はコードと呼ばれることがある。記憶回路２０上に記憶されたソフトウェアコードは、処理回路２２によって実行されてもよい。
【００３２】
制御回路１４は、インターネットブラウジングアプリケーション、ボイスオーバー・インターネット・プロトコル（voice-over-internet-protocol、ＶＯＩＰ）通話アプリケーション、電子メールアプリケーション、メディア再生アプリケーション、オペレーティングシステム機能などのソフトウェアをデバイス１０上で走らせるために使用される場合がある。外部機器との相互作用をサポートするために、通信プロトコルを実施する際に制御回路１４が使用される場合がある。制御回路１４を使用して実施することができる通信プロトコルとしては、インターネットプロトコル、無線ローカルエリアネットワークプロトコル（例えば、ＷｉＦｉ（登録商標）と呼ばれることもあるＩＥＥＥ  ８０２．１１プロトコル）、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）プロトコル又は他のＷＰＡＮプロトコルなどの他の近距離無線通信リンクのためのプロトコル、ＩＥＥＥ  ８０２．１１ａｄプロトコル、セルラー電話プロトコル、ＭＩＭＯプロトコル、アンテナダイバーシティプロトコル、衛星航法システムプロトコル、アンテナベースの空間測距プロトコル（例えば、無線検出及び測距（ＲＡＤＡＲ）プロトコル、又はミリ波周波数及びセンチ波周波数で伝達される信号のための他の所望の距離検出プロトコル）などが挙げられる。各通信プロトコルは、プロトコルを実施する際に使用される物理的接続手順を指定する、対応する無線アクセス技術（radio access technology、ＲＡＴ）と関連付けることができる。
【００３３】
デバイス１０は、入出力回路１６を含み得る。入出力回路１６は、入出力デバイス１８を含むことができる。入出力デバイス１８を使用して、デバイス１０にデータを供給することを可能にし、デバイス１０から外部デバイスにデータを提供することを可能にすることができる。入出力デバイス１８は、ユーザインターフェースデバイス、データポートデバイス、センサ、及び他の入出力構成要素を含むことができる。例えば、入出力デバイスとしては、タッチスクリーン、タッチセンサ機能を有さないディスプレイ、ボタン、ジョイスティック、スクロールホイール、タッチパッド、キーパッド、キーボード、マイクロフォン、カメラ、スピーカ、状態インジケータ、光源、オーディオジャック及び他のオーディオポート構成要素、デジタルデータポートデバイス、光センサ、ジャイロスコープ、加速度計若しくは動き及び地球に対するデバイスの方位を検出し得る他の構成要素、キャパシタンスセンサ、近接センサ（例えば、静電容量近接センサ及び／又は赤外線近接センサ）、磁気センサ、並びに他のセンサ及び入出力構成要素を挙げることができる。
【００３４】
入出力回路１６は、高周波信号を無線で伝達するための無線回路２４などの無線回路を含むことができる。制御回路１４は、明確にするために図３の実施例では無線回路２４とは別個に示されているが、無線回路２４は、処理回路２２の一部を形成する処理回路、及び／又は制御回路１４の記憶回路２０の一部を形成する記憶回路を含むことができる（例えば、制御回路１４の一部分は、無線回路２４上に実装されてもよい）。一例として、制御回路１４は、ベースバンドプロセッサ回路、又は無線回路２４の一部を形成する他の制御構成要素を含むことができる。
【００３５】
無線回路２４は、ミリ波／センチ波送受信機回路２８などのミリ波及びセンチ波送受信機回路を含むことができる。ミリ波／センチ波送受信機回路２８は、約１０ＧＨｚ〜３００ＧＨｚの周波数での通信をサポートすることができる。例えば、ミリ波／センチ波送受信機回路２８は、約３０ＧＨｚ〜３００ＧＨｚの極高周波（ＥＨＦ）若しくはミリ波通信帯域における、及び／又は約１０ＧＨｚ〜３０ＧＨｚのセンチ波通信帯域（超高周波（Super High Frequency、ＳＨＦ）帯域と呼ばれることもある）における通信をサポートすることができる。例として、ミリ波／センチ波送受信機回路２８は、約１８ＧＨｚ〜２７ＧＨｚのＩＥＥＥ  Ｋ通信帯域、約２６．５ＧＨｚ〜４０ＧＨｚのＫａ通信帯域、約１２ＧＨｚ〜１８ＧＨｚのＫｕ通信帯域、約４０ＧＨｚ〜７５ＧＨｚのＶ通信帯域、約７５ＧＨｚ〜１１０ＧＨｚのＷ通信帯域、又は約１０ＧＨｚ〜３００ＧＨｚの任意の他の所望の周波数帯域における通信をサポートすることができる。所望であれば、ミリ波／センチ波送受信機回路２８は、６０ＧＨｚでのＩＥＥＥ  ８０２．１１ａｄ通信、及び／又は２７ＧＨｚ〜９０ＧＨｚでの第５世代モバイルネットワーク若しくは第５世代無線システム（５Ｇ）の通信帯域をサポートすることができる。ミリ波／センチ波送受信機回路２８は、１つ以上の集積回路（例えば、システム・イン・パッケージデバイス内の共通のプリント回路上に搭載された複数の集積回路、異なる基板上に搭載された１つ以上の集積回路など）から形成することができる。
【００３６】
ミリ波／センチ波送受信機回路２８（本明細書では単に送受信機回路２８又はミリ波／センチ波回路２８と呼ばれることもある）は、ミリ波／センチ波送受信機回路２８によって送受信されるミリ波信号及び／又はセンチ波信号での高周波信号を使用して空間測距動作を実行することができる。受信された信号は、外部オブジェクトから反射されてデバイス１０に向かって戻る送信された信号のバージョンであってもよい。制御回路１４は、送信及び受信された信号を処理して、デバイス１０とデバイス１０の周囲の１つ以上の外部オブジェクト（例えば、ユーザ若しくは他の人の身体、他のデバイス、動物、家具、壁、又はデバイス１０の近傍の他の物体若しくは障害物などのデバイス１０の外部の物体）との間の距離を検出又は推定することができる。所望であれば、制御回路１４はまた、送信及び受信された信号を処理して、デバイス１０に対する外部オブジェクトの２次元又は３次元の空間位置を特定することができる。
【００３７】
ミリ波／センチ波送受信機回路２８によって実行される空間測距動作は、一方向性である。所望であれば、ミリ波／センチ波送受信機回路２８はまた、外部無線機器との双方向通信を実行することができる。双方向通信は、ミリ波／センチ波送受信機回路２８による無線データの送信及び外部無線機器によって送信された無線データの受信の両方を伴う。無線データは、例えば、電話通話に関連付けられた無線データ、ストリーミングメディアコンテンツ、インターネットブラウジング、デバイス１０上で稼働するソフトウェアアプリケーションに関連付けられた無線データ、電子メールメッセージなどの、対応するデータパケットに符号化されたデータを含むことができる。
【００３８】
所望であれば、無線回路２４は、非ミリ波／センチ波送受信機回路２６などの、１０ＧＨｚ未満の周波数での通信を処理するための送受信機回路を含むことができる。非ミリ波／センチ波送受信機回路２６は、ＷｉＦｉ（登録商標）（ＩＥＥＥ  ８０２．１１）通信のための２．４ＧＨｚ及び５ＧＨｚ帯域を処理する無線ローカルエリアネットワーク（wireless local area network、ＷＬＡＮ）送受信機回路、２．４ＧＨｚのＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）通信帯域を処理する無線パーソナルエリアネットワーク（wireless personal area network、ＷＰＡＮ）送受信機回路、７００〜９６０ＭＨｚ、１７１０〜２１７０ＭＨｚ、２３００〜２７００ＭＨｚ、及び／又は６００ＭＨｚ〜４０００ＭＨｚの任意の他の所望のセルラー電話通信帯域のセルラー電話通信帯域を処理するセルラー電話送受信機回路、１５７５ＭＨｚでのＧＰＳ信号又は他の衛星測位データを処理するための信号（例えば、１６０９ＭＨｚでのＧＬＯＮＡＳＳ信号）を受信するＧＰＳ受信機回路、テレビ受信機回路、ＡＭ／ＦＭ無線受信機回路、ページングシステム送受信機回路、近距離通信（near field communications、ＮＦＣ）回路などを含むことができる。非ミリ波／センチ波送受信機回路２６及びミリ波／センチ波送受信機回路２８はそれぞれ、１つ以上の集積回路、電力増幅器回路、低雑音入力増幅器、受動高周波構成要素、スイッチング回路、伝送線構造体、及び高周波信号を処理するための他の回路を含むことができる。
【００３９】
無線回路２４は、アンテナ３０を含んでもよい。非ミリ波／センチ波送受信機回路２６は、１つ以上のアンテナ３０を使用して、１０ＧＨｚ未満の高周波信号を送受信することができる。ミリ波／センチ波送受信機回路２８は、アンテナ３０を使用して、１０ＧＨｚを上回る（例えば、ミリ波周波数及び／又はセンチ波周波数での）高周波信号を送受信することができる。
【００４０】
衛星航法システムリンク、セルラー電話リンク、及び他の遠距離リンクでは、数千フィート又は数マイルにわたってデータを伝達する目的で高周波信号が使用されるのが典型的である。２．４ＧＨｚ及び５ＧＨｚでのＷｉＦｉ（登録商標）リンク及びＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）リンク並びに他の近距離無線リンクでは、数十フィート又は数百フィートにわたってデータを伝達する目的で高周波信号が使用されるのが典型的である。ミリ波／センチ波送受信機回路２８は、見通し線経路を介して移動する近距離にわたって高周波信号を伝達することができる。ミリ波通信及びセンチ波通信用の信号受信を強化するために、フェーズドアンテナアレイ及びビームステアリング技術（例えば、ビームステアリングを実行するためにアレイ内のそれぞれのアンテナに対するアンテナ信号の位相及び／又は大きさが調整される方式）を使用することができる。遮断されたか、又はデバイス１０の動作環境が原因で他の点で劣化したアンテナを未使用状態に切換え、より高性能のアンテナをそれらの代わりに使用できるように、アンテナダイバーシティ方式も使用されてもよい。
【００４１】
無線回路２４内のアンテナ３０は、任意の好適なアンテナタイプを使用して形成されてもよい。例えば、アンテナ３０は、積層パッチアンテナ構造体、ループアンテナ構造体、パッチアンテナ構造体、逆Ｆアンテナ構造体、スロットアンテナ構造体、平板逆Ｆアンテナ構造体、モノポールアンテナ構造体、ダイポールアンテナ構造体、ヘリカルアンテナ構造体、八木（Ｙａｇｉ−Ｕｄａ）アンテナ構造体、これらの設計の混成などから形成される共振素子を有するアンテナを含んでもよい。所望であれば、アンテナ３０のうちの１つ以上は、空洞付きアンテナであってもよい。異なる帯域及び帯域の組合せに対して、異なる種類のアンテナが使用されてもよい。例えば、１つのタイプのアンテナは、非ミリ波／センチ波送受信機回路２６のための非ミリ波／センチ波無線リンクを形成する際に使用することができ、別のタイプのアンテナは、ミリ波／センチ波送受信機回路２８のためのミリ波周波数及び／又はセンチ波周波数で高周波信号を伝達する際に使用することができる。ミリ波周波数及びセンチ波周波数で高周波信号を伝達するために使用されるアンテナ３０は、１つ以上のフェーズドアンテナアレイ内に配置することができる。
【００４２】
ミリ波周波数及びセンチ波周波数で高周波信号を伝達するためのフェーズドアンテナアレイ内に形成することができるアンテナ３０の概略図を、図４に示す。図４に示すように、アンテナ３０は、ミリ／センチ（millimeter/centimeter、ＭＭ／ＣＭ）波送受信機回路２８に結合することができる。ミリ波／センチ波送受信機回路２８は、高周波伝送線３２を含む伝送線経路を使用してアンテナ３０のアンテナフィード３４に結合することができる。アンテナフィード３４は、正極アンテナフィード端子３６などの正極アンテナフィード端子を含むことができ、かつ接地アンテナフィード端子３８などの接地アンテナフィード端子を含むことができる。高周波伝送線３２は、正極アンテナフィード端子３６に結合された信号導体４０などの正極信号導体を含むことができる。高周波伝送線３２は、接地アンテナフィード端子３８に結合された接地導体４２などの接地導体を含むことができる。
【００４３】
高周波伝送線３２は、同軸ケーブル、金属化ビアによって実現される同軸プローブ、マイクロストリップ伝送線、ストリップライン伝送線、エッジ結合マイクロストリップ伝送線、エッジ結合ストリップライン伝送線、導波路構造体、これらの組合せなどを含んでもよい。複数の種類の伝送線を使用して、ミリ波／センチ波送受信機回路２８をアンテナフィード３４に結合する伝送線経路を形成することができる。所望であれば、フィルタ回路、スイッチング回路、インピーダンス整合回路、位相シフタ回路、増幅器回路、及び／又は他の回路を、高周波伝送線３２上に介在させることができる。
【００４４】
デバイス１０内の高周波伝送線は、セラミック基板、リジッドプリント回路基板、及び／又はフレキシブルプリント回路に統合することができる。１つの好適な構成では、デバイス１０内の高周波伝送線は、複数の次元（例えば、２次元又は３次元）で折ることができ、又は曲げることができ、曲げた後に曲げた形状又は折った形状を維持する（例えば、多層積層構造体は、他のデバイス構成要素の周りで経路選択するように特定の３次元形状に折られてもよく、補強材又は他の構造体によって適切に保持されることなく折った後にその形状を保持するように十分に剛体であってもよい）、多層積層構造体（例えば、間に入る接着剤なしで共に積層された銅などの導電材料及び樹脂などの誘電材料の層）内に統合されてもよい。積層構造体の複数の層の全ては、接着剤なしで（例えば、接着剤で共に複数の層を積層する複数のプレス工程を実行することとは反対に）共に１回で積層されてもよい（例えば、単一のプレス工程で）。
【００４５】
図５は、どのようにミリ波周波数及びセンチ波周波数で高周波信号を処理するためのアンテナ３０をフェーズドアンテナアレイ内に形成することができるかを示す。図５に示すように、フェーズドアンテナアレイ４８（本明細書では、アレイ４８、アンテナアレイ４８、又はアンテナ３０のアレイ４８と呼ばれることもある）は、高周波伝送線３２に結合することができる。例えば、フェーズドアンテナアレイ４８内の第１のアンテナ３０−１は、第１の高周波伝送線３２−１に結合することができ、フェーズドアンテナアレイ４８内の第２のアンテナ３０−２は、第２の高周波伝送線３２−２に結合することができ、フェーズドアンテナアレイ４８内のＮ番目のアンテナ３０−Ｎは、Ｎ番目の高周波伝送線３２−Ｎに結合することなどができる。アンテナ３０は、フェーズドアンテナアレイを形成するものとして本明細書で説明されているが、フェーズドアンテナアレイ４８内のアンテナ３０はまた、時に、単一のフェーズドアレイアンテナを集合的に形成するものを指してもよい。
【００４６】
フェーズドアンテナアレイ４８内のアンテナ３０は、任意の所望の数の行と列で、又は任意の他の所望のパターンで配置することができる（例えば、アンテナは、行と列を有するグリッドパターンで配置される必要はない）。信号送信動作中に、高周波伝送線３２を使用して、無線送信のために、ミリ波／センチ波送受信機回路２８（図４）からフェーズドアンテナアレイ４８に信号（例えば、ミリ波信号及び／又はセンチ波信号などの高周波信号）を供給することができる。信号受信動作中に、高周波伝送線３２を使用して、フェーズドアンテナアレイ４８で受信された信号（例えば、外部無線機器からの、又は外部オブジェクトから反射された送信された信号）をミリ波／センチ波送受信機回路２８（図４）に伝達することができる。
【００４７】
フェーズドアンテナアレイ４８内の複数のアンテナ３０を使用することにより、アンテナによって伝達される高周波信号の相対的な位相及び大きさ（振幅）を制御することによって、ビームステアリング構成を実装することが可能になる。図５の実施例では、アンテナ３０はそれぞれ、対応する高周波位相／大きさコントローラ４６を有する（例えば、高周波伝送線３２−１上に介在する第１の位相／大きさコントローラ４６−１は、アンテナ３０−１によって処理される高周波信号の位相及び大きさを制御することができ、高周波伝送線３２−２上に介在する第２の位相／大きさコントローラ４６−２は、アンテナ３０−２によって処理される高周波信号の位相及び大きさを制御することができ、高周波伝送線３２−Ｎ上に介在するＮ番目の位相／大きさコントローラ４６−Ｎは、アンテナ３０−Ｎによって処理される高周波信号の位相及び大きさを制御することができる、など）。
【００４８】
位相／大きさコントローラ４６はそれぞれ、伝送線３２上の高周波信号の位相を調整するための回路（例えば、位相シフタ回路）、及び／又は伝送線３２上の高周波信号の大きさを調整するための回路（例えば、電力増幅器及び／又は低雑音増幅器回路）を含んでもよい。位相／大きさコントローラ４６は、本明細書では時に、ビームステアリング回路（例えば、フェーズドアンテナアレイ４８によって送信及び／又は受信される高周波信号のビームをステアリングするビームステアリング回路）と集合的に呼ばれることがある。
【００４９】
位相／大きさコントローラ４６は、フェーズドアンテナアレイ４８内のアンテナのそれぞれに提供される送信信号の相対的な位相及び／又は大きさを調整することができ、フェーズドアンテナアレイ４８が受信した受信信号の相対的な位相及び／又は大きさを調整することができる。位相／大きさコントローラ４６は、所望であれば、フェーズドアンテナアレイ４８が受信した受信信号の位相を検出するための位相検出回路を含むことができる。本明細書では、「ビーム」又は「信号ビーム」という用語は、特定の方向においてフェーズドアンテナアレイ４８によって送信及び受信される無線信号を総称するために使用されることがある。信号ビームは、対応する指示角度で特定の指示方向に（例えば、フェーズドアンテナアレイ内の各アンテナからの信号の組合せからの強め合う干渉及び弱め合う干渉に基づいて）向けられるピークゲインを呈することができる。特定の方向で送信される高周波信号を指すために、本明細書では時に「送信ビーム」という用語を使用することもあり、特定の方向から受信される高周波信号を指すために、本明細書では時に「受信ビーム」という用語を使用することもある。
【００５０】
例えば、位相／大きさコントローラ４６を調整して、送信される高周波信号の位相及び／又は大きさの第１のセットを生成する場合、送信された信号は、点Ａの方向に向けられた図５のビームＢ１によって示すような送信ビームを形成することになる。しかしながら、位相／大きさコントローラ４６を調整して、送信される信号の位相及び／又は大きさの第２のセットを生成する場合、送信された信号は、点Ｂの方向に向けられたビームＢ２によって示すような送信ビームを形成することになる。同様に、位相／大きさコントローラ４６を調整して、位相及び／又は大きさの第１のセットを生成する場合、高周波数信号（例えば、受信ビーム内の高周波信号）は、ビームＢ１によって示すように、点Ａの方向から受信することができる。位相／大きさコントローラ４６を調整して、位相及び／又は大きさの第２のセットを生成する場合、高周波信号は、ビームＢ２によって示すように、点Ｂの方向から受信することができる。
【００５１】
各位相／大きさコントローラ４６は、図３の制御回路１４から受信した対応する制御信号４４に基づいて、所望の位相及び／又は大きさを生成するように制御することができる（例えば、位相／大きさコントローラ４６−１によって提供される位相及び／又は大きさは、制御信号４４−１を使用して制御することができ、位相／大きさコントローラ４６−２によって提供される位相及び／又は大きさは、制御信号４４−２を使用して制御することができる、など）。所望であれば、制御回路１４は、送信ビーム又は受信ビームを経時的に異なる所望の方向にステアリングするために、制御信号４４をリアルタイムでアクティブに調整することができる。位相／大きさコントロ４６は、所望であれば、受信信号の位相を特定する情報を制御回路１４に提供することができる。
【００５２】
ミリ波周波数及びセンチ波周波数で高周波信号を使用して空間測距動作を実行するとき、高周波信号は、フェーズドアンテナアレイ４８と外部オブジェクトとの間の見通し線経路を介して伝達される。外部オブジェクトが図５の点Ａに位置する場合、位相／大きさコントローラ４６を調整して、信号ビームを点Ａに向けてステアリングする（例えば、信号ビームの指示方向を点Ａに向けてステアリングする）ことができる。フェーズドアンテナアレイ４８は、高周波信号を点Ａに向けて送信することができ、点Ａで外部オブジェクトから反射された送信信号の反射されたバージョンを受信することができる。次いで、制御回路１４（図３）は、送信及び受信された信号を処理して、フェーズドアンテナアレイ４８と点Ａの外部オブジェクトとの間の距離（範囲）を特定することができる。制御回路１４は、高周波信号を送受信している間に、どのようにフェーズドアンテナアレイ４８がステアリングされたかに関する情報を使用して、外部オブジェクトの空間位置を特定する（例えば、フェーズドアンテナアレイ４８と外部オブジェクトとの間の距離、及び外部オブジェクトとフェーズドアンテナアレイ４８との間の見通し線経路の指示角度の両方を特定する）ことができる。
【００５３】
同様に、外部オブジェクトが点Ｂに位置する場合、位相／大きさコントローラ４６を調整して、信号ビームを点Ｂに向けてステアリングする（例えば、信号ビームの指示方向を点Ｂに向けてステアリングする）ことができる。フェーズドアンテナアレイ４８は、高周波信号を点Ｂに向けて送信することができ、点Ｂで外部オブジェクトから反射された送信信号の反射されたバージョンを受信することができる。これらの信号を両方とも処理して、点Ｂの外部オブジェクトの位置を特定することができる。所望であれば、制御回路１４（図３）は、位相／大きさコントローラ４６を制御して、空間測距動作を実行するために高周波信号を送受信しながら、異なるビーム方向にわたって掃引することができる。これにより、外部オブジェクトがフェーズドアンテナアレイ４８に対して移動する場合でも、制御回路１４が経時的に１つ以上の外部オブジェクトの位置を特定し、追跡することを可能にすることができる。図５の実施例では、ビームステアリングは、単純にするために、単一の自由度で（例えば、図５のページの左及び右に向かって）実行されるものとして示されている。しかしながら、実際には、ビームは、２つ以上の自由度で（例えば、図５のページの中及び外に、並びにページの左及び右に、３次元で）ステアリングすることができる。
【００５４】
図６は、どのようにデバイス１０がミリ波周波数及び／又はセンチ波周波数で高周波信号を使用して空間測距動作を実行することができるかを示す図である。図６に示すように、デバイス１０上の回路（例えば、図３のミリ波／センチ波送受信機回路２８）は、１つ以上のフェーズドアンテナアレイ４８を使用して、高周波測距信号５４を送信することができる。高周波測距信号５４は、ミリ波周波数又はセンチ波周波数でフェーズドアンテナアレイ４８によって送信されてもよい。高周波測距信号５４は、ミリ波周波数又はセンチ波周波数での一連（例えば、列）のパルス又は他の所定の信号（例えば、ＲＡＤＡＲプロトコル又は他の範囲若しくは物体検出プロトコルに基づいて生成されるパルス）を含んでもよい。
【００５５】
次に、デバイス１０は、デバイス１０の近傍の（例えば、デバイス１０の見通し線内の）外部オブジェクトから反射された送信された高周波測距信号５４の反射されたバージョンの受信を待つことができる。図６の実施例では、送信された高周波測距信号５４は、反射信号５６として外部オブジェクト５０から反射される。フェーズドアンテナアレイ４８を使用して反射信号５６を受信すると、デバイス１０上の回路（例えば、図３の制御回路１４）は、送信された高周波測距信号５４（例えば、送信された信号内の一連のパルス）を受信された反射信号５６（例えば、受信信号内の一連のパルス）と比較して、デバイス１０と外部オブジェクト５０との間の距離Ｒ１を特定することができる。制御回路は、送信された高周波測距信号５４と受信した反射信号５６との間の時間遅延、並びに空気を介した信号の既知の伝搬速度に基づいて、距離Ｒ１を特定することができる。一連のパルスにより、例えば、ミリ波／センチ波送受信機回路２８が、任意の所与の受信信号がデバイス１０で受信されたなんらかの他の信号ではなく送信された高周波測距信号５４の反射されたバージョンであることを識別することを可能にすることができる（例えば、一連のパルスが、反射信号に関して、送信された高周波測距信号内の既知の一連のパルスと同じであるため）。
【００５６】
所望であれば、デバイス１０は、特定された距離（例えば、距離Ｒ１）と組合せて高周波測距信号５４及び反射信号５６の既知の指示角度を使用して、外部オブジェクト５０の２次元又は３次元の空間位置（例えば、デバイス１０の近傍の外部オブジェクト５０のＸ、Ｙ、及び／又はＺ座標）を判定することができる。これらの動作を繰り返して、デバイス１０に対する外部オブジェクト５０の位置を経時的に追跡することができる。
【００５７】
所望であれば、デバイス１０は、このようにしてデバイス１０に対する複数の外部オブジェクトの位置を追跡することができる。図６に示すように、例えば、高周波測距信号５４’及び反射信号５６’を使用して、デバイス１０と追加の外部オブジェクト５２との間の距離Ｒ２を特定することができる。デバイス１０は、高周波測距信号５４’及び反射信号５６’の既知の指示角度を距離Ｒ２と組合せて使用して、外部オブジェクト５２の空間位置を判定することができる。これらの動作を繰り返して、外部オブジェクト５２の位置を経時的に追跡することができる。
【００５８】
１つの好適な構成では、フェーズドアンテナアレイ４８内のアンテナの第１のセットを使用して、高周波測距信号５４及び５４’を送信することができ、フェーズドアンテナアレイ４８内のアンテナの第２のセットを使用して、反射信号５６及び５６’を受信することができる。別の好適な構成では、同じアンテナを使用して、高周波測距信号を送信し、かつ反射信号を受信することができる。いくつかのシナリオでは、フェーズドアンテナアレイ４８は、比較的狭い帯域幅（例えば、１ＧＨｚ未満の帯域幅）でのみ動作する必要がある。しかしながら、空間測距動作を最適化するために、フェーズドアンテナアレイ４８を使用してより広い帯域幅をサポートすることができることが望ましい場合がある。
【００５９】
フェーズドアンテナアレイ４８内にアンテナを実装するために、任意の所望のアンテナ構造体を使用してもよい。注意が払われない場合、フェーズドアンテナアレイ４８内のアンテナは、十分な空間測距動作を実行するためには不十分な帯域幅を呈することがある。例として本明細書で説明されることもある１つの好適な構成では、フェーズドアンテナアレイ４８内にアンテナを実装するために、積層パッチアンテナ構造体を使用することができる。積層パッチアンテナ構造体は、フェーズドアンテナアレイ４８が空間測距動作を最適化するために十分に広い帯域幅を呈することを可能にすることができる。フェーズドアンテナアレイ４８内に使用することができる例示的な積層パッチアンテナ構造体を、図７に示す。
【００６０】
図７の積層パッチアンテナ構造体５８を使用して、フェーズドアンテナアレイ４８（図５及び図６）の各アンテナ３０（図３〜図５）を形成することができる。図７に示すように、積層パッチアンテナ構造体５８は、接地板６４などのアンテナ接地板から分離され、かつ接地板と平行なパッチアンテナ共振素子６０を含んでもよい。パッチアンテナ共振素子６０は、本明細書では時に、パッチ６０、パッチ素子６０、パッチ共振素子６０、アンテナ共振素子６０、又は共振素子６０と呼ばれることがある。接地板６４は、パッチ素子６０の平面に対して平行な平面内に配置されてもよい。したがって、パッチ素子６０及び接地板６４は、距離６６だけ離れた別個の平行平面内に位置してもよい。パッチ素子６０及び接地板６４は、セラミック基板、リジッドプリント回路基板、又はフレキシブルプリント回路基板などの誘電体基板（明確にするために図７の実施例には示されていない）上にパターニングされた導電トレースから形成することができる。
【００６１】
パッチ素子６０の側部の長さは、積層パッチアンテナ構造体５８が所望の動作周波数で共振するように選択することができる。例えば、パッチ素子６０の側部はそれぞれ、積層パッチアンテナ構造体５８によって伝達される信号の波長（例えば、パッチ素子６０を取り囲む材料の誘電特性を所与とした有効波長）の半分にほぼ等しい長さ７２を有してもよい。
【００６２】
図７の例は、単なる例示にすぎない。パッチ素子６０は、パッチ素子６０の全ての辺が同じ長さである正方形形状を有してもよく、あるいは異なる矩形形状を有してもよい。パッチ素子６０は、任意の所望の数の直線状縁部及び／又は湾曲縁部を有する他の形状で形成されてもよい。所望であれば、パッチ素子６０及び接地板６４は、異なる形状及び相対的な向きを有してもよい。
【００６３】
積層パッチアンテナ構造体５８は、パッチ素子６０に結合された正極アンテナフィード端子３６、及び接地板６４に結合された接地アンテナフィード端子３８を使用して、給電することができる。高周波伝送線（例えば、図４の高周波伝送線３２）は、正極アンテナフィード端子３６及び接地アンテナフィード端子３８に結合することができる。パッチ素子６０は、（例えば、パッチ素子６０のインピーダンスを高周波伝送線のインピーダンスに一致させるために）正極アンテナフィード端子３６に結合されたパッチ素子６０の側部にインピーダンス整合ノッチ７０を含んでもよい。
【００６４】
図７の実施例では、積層パッチアンテナ構造体５８は、単一の偏波を使用した高周波信号のみを伝達する。所望であれば、積層パッチアンテナ構造体５８は、複数の偏波（例えば、直交する水平偏波及び垂直偏波、円偏波、楕円偏波など）をカバーするための複数のフィードを備えてもよい。
【００６５】
注意が払われない場合、パッチ素子６０は、対象とする周波数帯域（例えば、１０ＧＨｚより高い周波数の周波数帯域）の全体をカバーするためには不十分な帯域幅をそれ自体に有することがある。例えば、フェーズドアンテナアレイ４８（図５及び図６）が５７ＧＨｚ〜６１ＧＨｚのミリ波周波数帯域をカバーするように構成されているシナリオでは、パッチ素子６０は、５７ＧＨｚ〜６１ＧＨｚの周波数範囲全体をカバーするのに不十分な帯域幅をそれ自体に有することがある。アンテナ３０（図３〜図５）、したがってフェーズドアンテナアレイ４８（図５及び図６）の帯域幅を最大化するために、積層パッチアンテナ構造体５８は、アンテナの帯域幅を広げるように機能する１つ以上の寄生アンテナ共振素子を含むことができる。
【００６６】
図７に示すように、寄生アンテナ共振素子６２などの帯域幅拡張寄生アンテナ共振素子は、パッチ素子６０上の距離６８に位置する導電性構造体から形成することができる。寄生アンテナ共振素子６２は、本明細書では、寄生共振素子６２、寄生アンテナ素子６２、寄生素子６２、寄生パッチ６２、寄生導体６２、寄生構造体６２、寄生６２、又はパッチ６２と呼ばれることがあり得る。寄生素子６２は、直接的には給電されないが、パッチ素子６０は、正極アンテナフィード端子３６及び接地アンテナフィード端子３８を介して直接的に給電される。寄生素子６２は、パッチ素子６０によって生成された電磁場の建設的な摂動を生成して、積層パッチアンテナ構造体５８の新たな共振を生成することができる（例えば、寄生素子６２は、パッチ素子６０の長さ７２よりも長い又は短い長さを有することができる）。これは、（例えば、５７ＧＨｚ〜６１ＧＨｚのミリ波周波数帯域全体をカバーするために）積層パッチアンテナ構造体５８の全体的な帯域幅を広げるように機能することができる。
【００６７】
寄生素子６２の少なくとも一部又は全体は、パッチ素子６０と重なり合うことがある。所望であれば、寄生素子６２は、十字形状又は「Ｘ」形状を有してもよい。十字形状を形成するために、寄生素子６２は、正方形又は矩形の金属パッチの角部から導電性材料を除去することによって形成されるノッチ又はスロットを含んでもよい。十字形状を形成するために寄生素子６２から導電性材料を除去することは、パッチ素子６０のインピーダンスが対応する高周波伝送線に整合するようにパッチ素子６０のインピーダンスを調節するように機能することができる。所望であれば、寄生素子１０６は、他の形状又は向き（例えば、矩形形状、正方形形状、又は直線状縁部及び／若しくは湾曲縁部を有する他の形状）を有してもよい。
【００６８】
所望であれば、図７の積層パッチアンテナ構造体５８は、誘電体基板（明確にするために図７には示されていない）上に形成することができる。誘電体基板は、例えば、リジッドプリント回路基板、フレキシブルプリント回路、セラミック基板、又は他の誘電体基板であってもよい。誘電体基板は、複数のスタックされた誘電体層（例えば、ガラス繊維充填エポキシの複数の層、セラミック基板の複数の層などのプリント回路基板の複数の層）を含んでもよい。誘電体基板の異なる層上に、接地板６４、パッチ素子６０、及び寄生素子６２を形成してもよい。
【００６９】
このように構成されていると、積層パッチアンテナ構造体５８は、５７ＧＨｚ〜６１ＧＨｚの周波数帯域などの、対象とする比較的広いミリ波通信帯域をカバーすることができる。図８は、積層パッチアンテナ構造体５８（図７）を使用して実装されるフェーズドアンテナアレイ４８（図５及び図６）内のアンテナ３０（図３〜図５）に関する周波数の関数としてのアンテナ性能（アンテナ効率）のグラフである。図８に示すように、アンテナは、第１の周波数（例えば、５７ＧＨｚ）から第２の周波数（例えば、６１ＧＨｚ）までの比較的高い帯域幅（例えば、閾値効率ＴＨよりも大きいアンテナ効率）を呈することができる。図７の寄生素子６２がない場合、アンテナは、はるかに低い帯域幅（例えば、１ＧＨｚ以下）を呈することになる。図７の寄生素子６２の存在下では、アンテナは、比較的高い帯域幅（例えば、１ＧＨｚより大きい、２ＧＨｚより大きい、５ＧＨｚより大きい、１ＧＨｚ〜５ＧＨｚ、１ＧＨｚ〜７ＧＨｚなど）を呈することができる。このようにして、フェーズドアンテナアレイの帯域幅を最大化して、デバイス１０に対して１つ以上の外部オブジェクト（例えば、図６の外部オブジェクト５０及び５２）を追跡するために使用される空間測距動作を最適化することができる。図８の実施例は単なる例示にすぎず、一般に、アンテナは、任意の所望のミリ波周波数及び／又はセンチ波周波数にわたって延びる任意の所望の形状のアンテナ効率曲線を呈することができる。
【００７０】
図９は、どのように無線回路２４が高周波測距信号を送受信するためにフェーズドアンテナアレイ４８内のアンテナの異なるセットを使用することができるか（例えば、多入力多出力（ＭＩＭＯ）ＲＡＤＡＲ方式を使用して）を示す図である。図９に示すように、無線回路２４は、高周波集積回路チップ（radio-frequency integrated circuit chip、ＲＦＩＣ）７４を含むことができる。ＲＦＩＣ  ７４は、フェーズドアンテナアレイ４８用のミリ波／センチ波送受信機回路２８（図３）及び位相／大きさコントローラ４６（図５）などの高周波構成要素を含むことができる。
【００７１】
フェーズドアンテナアレイ４８は、ＭＩＭＯ  ＲＡＤＡＲ方式を使用して動作するように構成することができる。このように構成されると、フェーズドアンテナアレイ４８は、高周波信号を送信するためにのみ使用されるアンテナ３０（図３〜図５）のセット７６（本明細書では送信アンテナ３０ＴＸと呼ばれることもある）及び高周波信号を受信するためにのみ使用されるアンテナ３０のセット７８（本明細書では受信アンテナ３０ＲＸと呼ばれることもある）を含むことができる。送信アンテナ３０ＴＸ及び受信アンテナ３０ＲＸはそれぞれ、十分に広い帯域幅（例えば、５７ＧＨｚ〜６１ＧＨｚ）をカバーするために、図７の積層パッチアンテナ構造体５８を使用して実装することができる。図７の積層パッチアンテナ構造体５８を使用して形成された送信アンテナ３０ＴＸ及び受信アンテナ３０ＲＸは、本明細書では時に、積層パッチアンテナと呼ばれることがある。
【００７２】
各送信アンテナ３０ＴＸは、対応する高周波伝送線３２を介してＲＦＩＣ  ７４の対応する送信ポート８０ＴＸに結合することができる。ＲＦＩＣ  ７４は、各送信ポート８０ＴＸに結合された対応する位相／大きさコントローラ４６（図５）を含んでもよい。各受信アンテナ３０ＲＸは、対応する高周波伝送線３２を介してＲＦＩＣ  ７４の対応する受信ポート８０ＲＸに結合することができる。ＲＦＩＣ  ７４は、各受信ポート８０ＲＸに結合された対応する位相／大きさコントローラ４６（図５）を含んでもよい。例として本明細書で説明される１つの好適な構成では、セット７６は、３つの送信アンテナ３０ＴＸを含み、セット７８は、４つの受信アンテナ３０ＲＸを含む。これは単なる例示にすぎず、所望であれば、他の数の送信及び受信アンテナが用いられてもよい。
【００７３】
セット７６内の各送信アンテナ３０ＴＸは、セット７６内の隣接する（近隣の）１つ以上の送信アンテナ３０ＴＸから距離２λだけ分離することができる。距離２λは、フェーズドアンテナアレイ４８の動作波長λの２倍であってもよい（例えば、動作波長λが、フェーズドアンテナアレイ４８を形成する際に使用される基板の誘電率によって対応する自由空間波長から変更された有効動作波長である場合）。動作波長λは、フェーズドアンテナアレイ４８によってカバーされる周波数帯域の中心、又はフェーズドアンテナアレイ４８によってカバーされる周波数帯域内の任意の他の所望の周波数に位置するように選択することができる（例えば、動作波長λは、５７ＧＨｚ〜６１ＧＨｚの任意の所望の周波数に対応するように選択することができる）。
【００７４】
セット７８内の各受信アンテナ３０ＲＸは、距離λ／２（例えば、フェーズドアンテナアレイ４８の動作波長の半分、又は送信アンテナ３０ＴＸを分離する距離の１／４）だけ、セット７８内の隣接する１つ以上の受信アンテナ３０ＲＸから分離することができる。このようにフェーズドアンテナアレイ４８を構成することにより、例えば、ＲＦＩＣ  ７４が受信アンテナ３０ＲＸによって受信された信号を畳み込み、フェーズドアンテナアレイ４８内に物理的に存在するよりも多くの受信アンテナを有する受信アンテナの仮想アレイを生成することを可能にすることができる。これは、例えば、フェーズドアンテナアレイ４８の固定された物理的サイズを所与として、フェーズドアンテナアレイ４８によって得られる空間分解能を最適化することができる。
【００７５】
無線回路２４は、空間測距動作を実行することができる。例えば、ＲＦＩＣ  ７４は、送信ポート８０ＴＸ及び送信アンテナ３０ＴＸを介して高周波測距信号（例えば、図６の高周波測距信号５４又は５４’）を送信してもよい。対応する反射信号（例えば、図６の反射信号５６又は５６’）は、受信アンテナ３０ＲＸ及び受信ポート８０ＲＸを介してＲＦＩＣ  ７４によって受信されてもよい。制御回路１４（図３）は、送信及び受信された信号を処理して、デバイス１０に対する１つ以上の外部オブジェクト（例えば、図６の外部オブジェクト５０及び５２）の位置を特定し追跡することができる。図７の積層パッチアンテナ構造体５８を使用して送信アンテナ３０ＴＸ及び受信アンテナ３０ＲＸを形成する（例えば、１ＧＨｚより大きい帯域幅で動作するようにフェーズドアンテナアレイ４８を構成する）ことにより、例えば、フェーズドアンテナアレイ４８が１ＧＨｚ未満の帯域幅を有するシナリオに対して、周波数が変更される際にフェーズドアンテナアレイ４８のボアサイトビームの望ましくない傾斜を制限することができる。
【００７６】
図９の送信アンテナ３０ＴＸ及び受信アンテナ３０ＲＸは全て、フェーズドアンテナアレイ４８の単一の行内に形成されるため、フェーズドアンテナアレイ４８によって処理される信号のビームは、比較的広い場合がある。信号のビームを更に集束（狭める）ために、フェーズドアンテナアレイ４８は、複数の同相送信アンテナ３０ＴＸの列、及び複数の同相受信アンテナ３０ＲＸの列を含むことができる。図１０は、どのようにフェーズドアンテナアレイ４８が複数の同相送信アンテナ３０ＴＸの列及び複数の同相受信アンテナ３０ＲＸの列を含むことができるかを示す図である。
【００７７】
図１０に示すように、各送信アンテナ３０ＴＸは、同相送信アンテナ３０ＴＸの対応する列８４内に配置することができる。同様に、各受信アンテナ３０ＲＸは、同相受信アンテナ３０ＲＸの対応する列８６内に配置することができる。図１０の実施例では、送信アンテナ３０ＴＸの各列８４は、４つの送信アンテナ３０ＴＸを含み、受信アンテナ３０ＲＸの各列８６は、４つの受信アンテナ３０ＲＸを含む。これは単なる例示にすぎず、一般に、列８６及び８４は、任意の所望の数のアンテナを含むことができる。
【００７８】
送信アンテナ３０ＴＸの各列８４は、同じ（共有）高周波伝送線３２を介して、ＲＦＩＣ  ７４の同じ送信ポート８０ＴＸに結合することができる。同様に、受信アンテナ３０ＲＸの各列８６は、同じ（共有）高周波伝送線３２を介して、ＲＦＩＣ  ７４の同じ受信ポート８０ＲＸに結合することができる。所与の送信ポート８０ＴＸを介して送信される高周波測距信号は、同じ位相及び大きさでその送信ポート８０ＴＸに結合された対応する列８４内の各送信アンテナ３０ＴＸに提供することができる（例えば、各列８４内の送信アンテナ３０ＴＸは、同じ受信ポート８０ＲＸ及び図５の同じ位相／大きさコントローラ４６を共有するため）。各送信アンテナ３０ＴＸは、高周波伝送線３２の対応するセグメント８２によって、同じ列８４内の隣接する１つ又は２つの送信アンテナ３０ＴＸから分離することができる。セグメント８２は、所与の列８４に提供される高周波測距信号がその列８４内の各送信アンテナ３０ＴＸの位置において同相であるように選択される、長さを有することができる。例えば、セグメント８２はそれぞれ、λ／２にほぼ等しい長さを有してもよい。
【００７９】
同様に、各受信アンテナ３０ＲＸは、高周波伝送線３２の対応するセグメント８２によって、同じ列８６内の隣接する１つ又は２つの受信アンテナ３０ＲＸから分離することができる。セグメント８２は、反射信号（例えば、図６の反射信号５６又は５６’）が、所与の列８６から、その列８６内の各受信アンテナ３０ＲＸから同相で対応する受信ポート８０ＲＸに提供されるように選択される、長さを有することができる。例えば、フェーズドアンテナアレイ４８のセット７８内のセグメント８２はそれぞれ、λ／２にほぼ等しい長さを有してもよい。このようにフェーズドアンテナアレイ４８の複数の行にわたって送信アンテナ３０ＴＸ及び受信アンテナ３０ＲＸを分散することにより、フェーズドアンテナアレイ４８によって処理される信号ビームを、フェーズドアンテナアレイ４８がアンテナの単一の行のみを含むシナリオよりも集束させる（狭める）ことができる。
【００８０】
一実施形態によれば、送信ポート及び受信ポートを有する高周波集積回路と、
送信ポートに結合された積層パッチアンテナの第１のセット及び受信ポートに結合された積層パッチアンテナの第２のセット含むフェーズドアンテナアレイであって、
高周波集積回路は、送信ポート及び積層パッチアンテナの第１のセットを使用してミリ波信号を送信するように構成されており、かつ、高周波集積回路は、受信ポート及び積層パッチアンテナの第２のセットを使用してミリ波信号を受信するように構成されている、フェーズドアンテナアレイと、
送信及び受信されたミリ波信号に基づいて空間測距動作を実行するように構成された制御回路と、
を含む装置が提供される。
【００８１】
別の実施形態によれば、積層パッチアンテナの第１及び第２のセット内の各積層パッチアンテナは、接地板と、接地板に重なり合うパッチ素子と、パッチ素子に結合された第１のアンテナフィード端子と、接地板に結合された第２のアンテナフィード端子と、パッチ素子に重なり合う寄生素子と、を含む。
【００８２】
別の実施形態によれば、パッチ素子は、インピーダンス整合ノッチを含む。
【００８３】
別の実施形態によれば、寄生素子は、矩形金属パッチを含む。
【００８４】
別の実施形態によれば、積層パッチアンテナの第１及び第２のセットは、誘電体基板内に埋め込まれている。
【００８５】
別の実施形態によれば、積層パッチアンテナの第１及び第２のセット内の各積層パッチアンテナは、１ＧＨｚより大きい帯域幅をカバーするように構成されている。
【００８６】
別の実施形態によれば、積層パッチアンテナの第１及び第２のセット内の各積層パッチアンテナは、５７ＧＨｚ〜６１ＧＨｚの周波数帯域で放射するように構成されている。
【００８７】
別の実施形態によれば、積層パッチアンテナの第１及び第２のセット内の各積層パッチアンテナは、フェーズドアンテナアレイの単一の行内に配置されている。
【００８８】
別の実施形態によれば、積層パッチアンテナの第１のセットは、複数の同相積層パッチアンテナの列の第１のセットを含み、積層パッチアンテナの第２のセットは、複数の同相積層パッチアンテナの列の第２のセットを含む。
【００８９】
別の実施形態によれば、高周波集積回路は、列の第１及び第２のセット内の各列に結合されたそれぞれの位相／大きさコントローラを含む。
【００９０】
別の実施形態によれば、受信されたミリ波信号は、外部オブジェクトから反射された送信されたミリ波信号の反射されたバージョンを含み、制御回路は、送信及び受信されたミリ波信号に基づいて外部オブジェクトの位置を追跡するように構成されている。
【００９１】
別の実施形態によれば、第１のセット内の各積層パッチアンテナは、フェーズドアンテナアレイの有効動作波長の２倍だけ、第１のセット内の少なくとも１つの他の積層パッチアンテナから分離されており、第２のセット内の各積層パッチアンテナは、フェーズドアンテナアレイの有効動作波長の半分だけ、第２のセット内の少なくとも１つの他の積層パッチアンテナから分離されている。
【００９２】
別の実施形態によれば、積層パッチアンテナの第１のセットは、３つの積層パッチアンテナを含み、積層パッチアンテナの第２のセットは、４つの積層パッチアンテナを含む。
【００９３】
一実施形態によれば、送信ポート及び受信ポートを有する集積回路チップと、
送信ポートに結合された送信アンテナ及び受信ポートに結合された受信アンテナ含むフェーズドアンテナアレイであって、
送信アンテナ及び送信ポートは、１ＧＨｚより大きい帯域幅を使用してミリ波測距信号を送信するように構成されており、受信アンテナ及び受信ポートは、１ＧＨｚより大きい帯域幅を使用して反射されたミリ波測距信号を受信するように構成されている、
フェーズドアンテナアレイと、送信されたミリ波測距信号及び受信した反射されたミリ波測距信号に基づいて空間測距動作を実行するように構成された制御回路と、
を含む電子デバイスが提供される。
【００９４】
別の実施形態によれば、帯域幅は、２ＧＨｚより大きい。
【００９５】
別の実施形態によれば、送信アンテナ及び送信ポートは、５７ＧＨｚ〜６１ＧＨｚの周波数を含む周波数帯域でミリ波測距信号を送信するように構成されている。
【００９６】
別の実施形態によれば、送信アンテナはそれぞれ、積層パッチアンテナ構造体を含む。
【００９７】
別の実施形態によれば、受信アンテナはそれぞれ、追加の積層パッチアンテナ構造体を含む。
【００９８】
一実施形態によれば、１０ＧＨｚより大きい周波数で高周波測距信号を送信するように構成されたアンテナの第１のセット及び送信された高周波測距信号の反射されたバージョンを受信するように構成されたアンテナの第２のセットを有するフェーズドアンテナアレイであって、アンテナの第１及び第２のセット内の各アンテナは、接地板と、接地板に重なり合うパッチアンテナ共振素子と、パッチアンテナ共振素子に重なり合う寄生パッチと、を含む、フェーズドアンテナアレイと、
フェーズドアンテナアレイに結合された制御回路であって、アンテナの第１のセットによって送信された高周波測距信号及びアンテナの第２のセットによって受信した送信された高周波測距信号の反射されたバージョンに基づいて、装置と外部オブジェクトとの間の距離を特定するように構成された制御回路と、を含む電子デバイスが提供される。
【００９９】
別の実施形態によれば、アンテナの第１及び第２のセット内の各アンテナは、１ＧＨｚより大きい帯域幅をカバーするように構成されており、第１のセット内の各アンテナは、周波数に対応する有効動作波長の２倍だけ、第１のセット内の少なくとも１つの他のアンテナから分離されており、第２のセット内の各アンテナは、有効動作波長の半分だけ、第２のセット内の少なくとも１つの他のアンテナから分離されている。
【０１００】
前述は単なる例示であり、当業者は、記載された実施形態の範囲及び精神から逸脱することなく、様々な修正を行うことができる。前述の実施形態は、個別に又は任意の組合せで実施することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【外国語明細書】
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