ФАЗИРОВАННАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА С АДАПТИРУЕМОЙ ПОЛЯРИЗАЦИЕЙ
PHASED ARRAY ANTENNA WITH ADAPTABLE POLARIZATION

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
В настоящем изобретении раскрыта конструкция фазированной антенной решетки, более конкретно - фазированной антенной решетки с адаптируемой поляризацией, и ее интеграция в мобильные устройства.
Данную антенну можно использовать в устройствах, поддерживающих беспроводные локальные сети, такие как WiGig IEEE 802.11ad, WiHD, и мобильные сети 4G, 5G.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Эра 5G будет характеризоваться более высокими показателями производительности, основанными на опыте использования, включая такие факторы, как удобство установления связи с ближайшими устройствами и повышенная энергоэффективность [1]. Для технологий радиодоступа, работающих в диапазоне миллиметровых частот, множество фундаментальных проблем физики антенных решеток и конструкции высокоскоростного приемопередатчика и конструкции эквалайзера уже продемонстрировал стандарт WiGig/802.11ad [2]. При изменении положения устройства сканирование луча должно обеспечивать устойчивый канал связи [3].
Основными задачами для интеграции в миллиметровом диапазоне остаются стоимость, работа на низком уровне мощности, миниатюризация и повышение эффективности. Эти факторы обуславливают разработку антенн как составной части корпуса мобильного устройства. К мобильным фазированным антенным решеткам предъявляются следующие требования:
1. Повышенный коэффициент усиления, обусловленный высоким коэффициентом шума радиочастотной интегральной схемы (RFIC) и высокими потерями на распространение.
2. Всенаправленное действие: очень широкие углы формирования диаграммы направленности и сканирования луча, которые обеспечивают устойчивое соединение для устройства, в котором используется такая антенна.
3. Компактность антенного модуля.
4. Двухполяризационное формирование луча для увеличения скорости и повышения стабильности передачи данных.
Известные двухполяризационные антенные решетки можно разделить на следующие категории:
1. Взаимно смежные излучающие элементы или подрешетки, недостаток которых заключается в большом расстоянии между элементами решетки, что ограничивает диапазон сканирования и увеличивает вдвое их общие габариты, т.е. их невозможно использовать в мобильных устройствах.
2. Резонаторные антенны с двумя режимами, которые имеют ограничения по характеристикам резонансной частоты, и вследствие этого ограниченную полосу частот и параметры, зависящие от металлических или диэлектрических частей смартфона.
Существующие проблемы двухполяризационных антенных решеток:
1. Интеграция антенны в металлические или диэлектрические структуры устройства вызывает деполяризацию формирования луча и уменьшение коэффициента усиления антенны, вследствие этого ограничивается дальность связи и скорость передачи данных, и невозможно достижение устойчивой связи.
2. Существующие конструкции антенн миллиметрового диапазона имеют жесткие технологические допуски и вследствие этого дорогой процесс изготовления.
3. Высокий уровень кросс-поляризации, в результате чего не поддерживаются формирование луча с адаптируемой поляризацией или технологии связи с использованием MIMO или орбитального углового момента.
Поэтому настоящее изобретение направлено на создание способа и вариантов антенны миллиметрового диапазона для интеграции в мобильное устройство, имеющее металлическую или какую-либо иную рамку. Такие антенны нуждаются в механической изоляции от факторов окружающей среды и механических воздействий. Также в известном уровне существует потребность в способах, позволяющих удовлетворить требования по допускам и устойчивости к нагрузкам.
В частности, в уровне техники известны следующие технические решения:
,
Патент США 6426726 ʺПоляризованная фазированная антенная решеткаʺ (Northrop Grumman Corporation) описывает двухполяризационную фазированную антенную решетку с одноосевым сканированием которая содержит предварительно заданное количество взаимно смежных излучающих линий, формирующих соответствующие лучи азимутального сканирования, причем в каждой излучающей линии используется диэлектрическая пластинка с малыми потерями. Этот узел пластинки работает как линза для коррекции сферической волны, вызванной малым возбуждением, в плоскую волну в пределах линии.
Данное решение имеет следующие недостатки:
1. Ограниченный угол сканирования, обусловленный использованием фокусирующей линзы.
2. Несовместимость с металлической рамкой мобильного устройства.
3. Невозможность интегрирования в мобильное устройство из-за большого расстояния между элементами решетки (половина длины волны в свободном пространстве).
В патенте США 8836596 ʺФильтрующая антеннаʺ (Cubic Corporation) описана многополюсная фильтрующая антенна, содержащая объемные резонаторы волны низшего типа, связанные с линией посредством щелевой апертуры, и полосковую антенну с возбуждаемым основным типом волны, связанную с линией посредством щелевой апертуры. Фильтрующая антенна может быть реализована в многослойной печатной плате или аналогичной структуре.
Данное решение имеет следующие недостатки:
1. Ограниченный угол сканирования из-за использования полосковых элементов.
2. Части металлической рамки деструктивно влияют на резонансные свойства. Резонанс антенны определяется полосковым элементом с возбужденным основным типом волны, связанным с линией посредством щелевой апертуры, причем критический эффект имеют технологические допуски.
3. Невозможность интегрирования в мобильное устройство из-за большого расстояния между элементами решетки, отсутствие поддержки режима осевого излучения.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Целью настоящего изобретения является решение или минимизация всех или по меньшей мере некоторых из перечисленных выше проблем известного уровня техники.
В одном аспекте настоящего изобретения предложен монолитно-интегрированный антенный модуль миллиметрового диапазона, содержащий: множество антенных элементов, радиочастотную интегральную схему (RFIC) и цепь питания; в котором каждый из упомянутых антенных элементов является антенным элементом сдвоенного типа, выполненным с возможностью возбуждения двух режимов ортогональной поляризации; и цепь питания выполнена с возможностью соединения портов упомянутой RFIC с каждым из антенных элементов сдвоенного типа для возбуждения двух различных режимов поляризации и формирования луча.
В одном из вариантов осуществления каждый антенный элемент сдвоенного типа включает в себя антенну бегущей волны, выполненную как часть антенны апертурного типа.
В одном из вариантов осуществления каждый антенный элемент сдвоенного типа образован апертурой волноводной щелевой антенны с переменной шириной щели на широких сторонах волновода, причем апертура волноводной антенны возбуждает поляризованное излучение, а щели переменной ширины возбуждают ортогонально поляризованное излучение бегущей волны.
В одном из вариантов осуществления упомянутые множество антенных элементов сдвоенного типа выполнены с возможностью обеспечения формирования луча с адаптацией поляризации.
В одном из вариантов осуществления упомянутое формирование луча с адаптацией поляризации осуществляется посредством фазоуправляемого питания упомянутых антенных элементов сдвоенного типа.
В одном из вариантов осуществления антенный модуль изготовлен по технологии LTCC, PCB или другой технологии изготовления многослойных монолитных структур на основе многослойных проводящих и диэлектрических материалов.
В одном из вариантов осуществления цепь питания имеет многоярусную топологию линий питания для упомянутых антенных элементов.
В другом аспекте настоящего изобретения предложено устройство для беспроводной связи, содержащее монолитно-интегрированный антенный модуль миллиметрового диапазона и корпус, содержащий: проводящие структуры с по меньшей мере одной апертурой для согласования антенного модуля с внешним пространством; причем монолитно-интегрированный антенный модуль миллиметрового диапазона содержит: множество антенных элементов сдвоенного типа; радиочастотную интегральную схему (RFIC) и цепь питания; каждый из упомянутых антенных элементов представляет собой антенный элемент сдвоенного типа, выполненный с возможностью возбуждения двух режимов ортогональной поляризации; цепь питания выполнена с возможностью соединения портов RFIC с каждым из антенных элементов сдвоенного типа для возбуждения двух различных режимов поляризации и формирования луча; антенный модуль миллиметрового диапазона изолирован от свободного пространства корпусом, электромагнитное поле излучается в свободное пространство через проводящие структуры корпуса.
В одном из вариантов осуществления корпус дополнительно содержит каркас для установки антенного модуля миллиметрового диапазона.
В одном из вариантов осуществления антенный модуль конформно интегрирован с устройством.
В одном из вариантов осуществления корпус дополнительно содержит металлическую рамку, и антенные элементы соединены со свободным пространством через структуру бегущей волны металлической рамки.
В одном из вариантов осуществления антенный модуль работает в более чем одном режиме формирования луча.
В одном из вариантов осуществления антенный модуль имеет следующие режимы формирования луча: режим антенной решетки, режим бегущей волны, смешанный режим.
В одном из вариантов осуществления антенные элементы выполнены в виде излучающих планарных волноводных резонаторов, корпус дополнительно содержит металлическую рамку, и металлическая рамка соединяет планарные волноводные резонаторы со свободным пространством.
В одном из вариантов осуществления антенные элементы выполнены в виде излучающих планарных волноводных резонаторов, корпус дополнительно содержит металлическую рамку, и в резонатор вставлен пластик на внешней стороне металлической рамки.
В одном из вариантов осуществления одна сторона заполненного пластиком волновода открыта в свободное пространство.
Настоящее изобретение направлено на антенны миллиметрового диапазона с адаптируемой поляризацией для мобильных устройств с пластиковой или металлической рамкой. Устойчивость рабочих характеристик антенны повышается за счет точности формирования решетки волноводных возбудителей в PCB и гибкого соединения этих волноводных возбудителей с нерезонансными излучающими апертурами мобильного устройства. В типовом примере толщина пластиковых и металлических элементов, отделяющих антенну от свободного пространства, превышает  (мкм). При этом бегущая волна неизбежно распространяется через поверхность мобильного устройства [4]. Следовательно, антенны вытекающей волны весьма эффективны для мобильных применений миллиметрового диапазона: они обеспечивают высокий коэффициент усиления при физически коротких размерах и при этом эффективно используют поверхность мобильного устройства.
Согласно настоящему изобретению апертуры антенных элементов для вертикальной поляризации образуют элементы антенны бегущей волны для горизонтальной поляризации. Двухполяризационная антенная решетка питает структуры бегущей волны, которые образуют излучающие апертуры на поверхностях мобильного устройства.
Антенны вытекающей волны с диэлектрическими и металлическими рефлекторными решетками широко изучались в прошлом. Известно, что одновременное достижение широкой полосы частот и сохранение формирования луча с частотно-независимым углом отклонения остается сложной задачей для антенн вытекающей волны [5]. В документе [6] предложен широкополосный маловыступающий возбудитель поверхностной волны, обеспечивающий питание поверхности излучения вытекающей волны. Однако до сих пор не была разработана решетка волноводных возбудителей для фазоуправляемого формирования луча, которые бы совместно использовали одну и ту же поверхность вытекающей волны.
Настоящее изобретение имеет следующие отличия от известного уровня техники:
Новая конструкция антенны сдвоенного типа: горизонтально поляризованная антенна бегущей волны выполнена как часть вертикально поляризованной антенны апертурного типа (объединение антенны бегущей волны и апертурной антенны в одной и той же апертуре не было известно ранее).
Двухполяризационная фазоуправляемая антенная решетка вытекающей волны имеет более одного режима формирования луча: режим антенной решетки, режим бегущей волны, смешанный режим (фазоуправляемые антенны, работающие в более чем в одном режиме, не известны).
Реализация антенной решетки, соединенной с диэлектрической и/или металлической структурой мобильного устройства.
Предложенная фазированная антенная решетка обладает адаптируемой поляризацией, работает на частотах миллиметрового диапазона и обеспечивает формирование луча с вертикальной и горизонтальной поляризациями в мобильных устройствах.
Элементы антенной решетки сдвоенного типа построены на основе апертурного излучения и излучения бегущей волны. Каждый антенный элемент имеет структуру излучения бегущей волны, образованную как часть структуры апертурного излучения.
Независимое формирование различных типов излучения (бегущей волны и апертурного) в одном и том же антенном элементе обеспечивает управление формированием луча с двухполяризационным излучением. Каждая из двух поляризаций формируется соответствующим типом излучения. В примерe варианта исполнения изобретения вертикально поляризованное излучение формируется структурой апертурного излучения, а горизонтально поляризованное излучение - излучением типа бегущей волны.
Изобретение позволяет решить следующие задачи для мобильного устройства с модулем связи миллиметрового диапазона:
- Фазоуправляемое всенаправленное двухполяризационное формирование луча.
- Минимальное пространство, занимаемое элементами антенной решетки с адаптируемой поляризацией.
- Антенная решетка миллиметрового диапазона имеет простую конструкцию и встраивается в проводящие поверхности, что потенциально полезно для конформной интеграции с мобильным устройством.
- Антенна миллиметрового диапазона может быть интегрирована в мобильный телефон с металлической рамкой благодаря предложенной конструкции.
- Механическая изоляция антенн от факторов внешней среды и механических воздействий, так как антенна скрыта в металлической рамке корпуса мобильного устройства.
- Антенна миллиметрового диапазона отвечает требованиям по допускам и устойчивости к нагрузкам.
- Высокая изоляция линий питания антенны при ортогональных поляризациях.
Техническим результатом настоящего изобретения является формирование луча с адаптацией поляризации для устойчивой связи при любом направлении и ориентации устройства с антенным модулем, спрятанным в корпусе устройства.
Предложенный антенный модуль предназначен для всех типов устройств связи. Предложены примеры вариантов для мобильных устройств и их можно расширить на любое другое устройство, не выходя за рамки идеи и сущности настоящего изобретения.
Предложенная интеграция фазированной антенной решетки в мобильное устройство основана на излучающем резонаторе, соединенном с фазоуправляемой решеткой антенных элементов. Резонатор образует структуры вытекающей волны внутри рамки мобильного устройства. Эта конфигурация образует апертуру излучения быстрой волны на поверхности мобильного устройства. Фазоуправляемая решетка позволяет формировать диаграмму направленности с адаптируемой поляризацией с полусферическим покрытием. Разброс частот уменьшается благодаря использованию квази-однородных структур вытекающей волны с квази-поперечными электромагнитными модами (TEM), или поперечными электрическими модами (TE), или поперечными магнитными модами (ТМ), далекими от критической частоты. Разработана исчерпывающая параметрическая модель, основанная на теории антенн вытекающей волны, для объяснения работы предложенной антенны и определения основных принципов ее конструирования.
Предпочтительный вариант антенной решетки сдвоенного типа внутри металлической рамки мобильного устройства содержит множество антенн бегущей волны, выполненных как часть структуры волновода: в резонатор на внешней стороне металлической рамки вставлен диэлектрик. Одна сторона заполненного диэлектриком волновода открыта в свободное пространство.
Структуры металлической рамки освещаются с задней плоской стороны, тем самым отделяя антенные элементы от излучающей апертуры. При этом смещение антенных элементов относительно структур металлической рамки не ухудшает параметры антенны. Эта технология обеспечивает заявленный технический результат.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1A иллюстрирует пример структуры антенного элемента сдвоенного типа.
Фиг. 1B иллюстрирует поперечное сечение структуры антенного элемента сдвоенного типа.
Фиг. 2A иллюстрирует пример варианта исполнения двухполяризационной антенной решетки для формирования луча с разнесением по поляризации.
Фиг. 2B иллюстрирует пример варианта исполнения двухполяризационной антенной решетки для формирования луча с разнесением по поляризации, вариант проводящих стенок с использованием сквозного соединения в PCB.
Фиг. 2C иллюстрирует пример вариантов исполнения монолитно-интегрированной двухполяризационной антенны.
Фиг. 3 иллюстрирует монолитно-интегрированный антенный модуль миллиметрового диапазона.
Фиг. 4 иллюстрирует взаимосвязь линий питания внутри многоярусной структуры антенного модуля.
Фиг. 5 иллюстрирует возбуждающие линии питания антенных элементов сдвоенного типа в двух различных режимах поляризации.
Фиг. 6A иллюстрирует пример компоновки модуля антенной решетки, верхний слой.
Фиг. 6B иллюстрирует пример компоновки модуля антенной решетки, нижний слой.
Фиг. 6C иллюстрирует пример расположения RFIC на модуле антенной решетки.
Фиг. 7A-7B иллюстрируют пример компоновки линий питания антенной решетки.
Фиг. 8A иллюстрирует изоляцию между смежными структурами излучения бегущей волны.
Фиг. 8B иллюстрирует согласование импедансов для антенного элемента сдвоенного типа.
Фиг. 9 иллюстрирует геометрическую форму и расположение двухполяризационной антенной решетки внутри мобильного устройства.
Фиг. 10A иллюстрирует интеграцию двухполяризационной конформной антенной решетки с металлической рамкой мобильного устройства.
Фиг. 10B иллюстрирует установку двухполяризационной конформной антенной решетки в углу мобильного устройства.
Фиг. 10C иллюстрирует установку двухполяризационной конформной антенной решетки в углу мобильного устройства с пластиковым корпусом.
Фиг. 11A иллюстрирует структуру двухполяризационной антенны вытекающей волны.
Фиг. 11B иллюстрирует конфигурацию частично отражающей поверхности.
Фиг. 12A иллюстрирует распределение поля двухполяризационной антенны вытекающей волны, режим вертикальной поляризации.
Фиг. 12B иллюстрирует распределение поля двухполяризационной антенны вытекающей волны, режим горизонтальной поляризации.
Фиг. 13 иллюстрирует диаграммы излучения двухполяризационной антенны вытекающей волны.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Структура антенных элементов сдвоенного типа основана на апертурном излучении и излучении бегущей волны. Каждый антенный элемент имеет структуру излучения бегущей волны, образованную как часть структуры апертурного излучения. Фиг. 1A иллюстрирует пример структуры антенного элемента 100 сдвоенного типа, в основе которой лежит прямоугольный волновод, имеющий щелевые линии с экспоненциальным профилем на широких стенках. Вертикально поляризованное излучение формируется структурой 106 апертурного излучения. В некоторых вариантах структура 106 апертурного излучения построена на основе прямоугольного волновода, поддерживающего тип волны TE10. Вертикально поляризованные волны излучаются апертурой прямоугольного волновода, согласованного со свободным пространством посредством металлодиэлектрического элемента 108 для преобразования импеданса.
Горизонтально поляризованная волна излучается структурой 101 излучения бегущей волны. В некоторых вариантах структура 101 излучения бегущей волны построена на основе симметричных неизлучающих щелевых линий, выполненных на широких сторонах волновода. Питающая полосковая линия проложена от узкой стенки к прямоугольному волноводу для питания щелевой линии.
В примере варианта исполнения свойства широкополосного согласования импеданса достигаются следующими средствами:
- Профиль щели переменной ширины для преобразования импеданса горизонтально поляризованной волны.
- Металлодиэлектрический элемент, выполненный для преобразования импеданса вертикально поляризованной волны.
- Пассивные согласующие элементы, размещенные на конце антенного элемента 100 сдвоенного типа.
В примере варианта исполнения, развязка структуры 106 апертурного излучения и структуры 101 излучения бегущей волны осуществляется следующими средствами:
- Волна типа TE10 не связана с полосковой линией, так как полосковая линия находится на линии геометрической симметрии и перпендикулярна электрическому полю волны типа TE10.
- Структура 101 излучения бегущей волны выполнена в виде симметричных неизлучающих щелевых линий в центре широких сторон волновода.
В некоторых вариантах антенный элемент 100 сдвоенного типа выполнен на печатной плате (PCB), в других вариантах - на монолитно-интегрированных подложках, и еще в других вариантах - с применением формованного пластика с вытравленными на нем проводящими элементами.
Фиг. 1B иллюстрирует поперечное сечение структуры антенного элемента 100 сдвоенного типа по фиг. 1A, где распределенные векторы 111 электрического поля находятся между полосковой линией 105 щелевого ответвителя и металлическими элементами структуры 106 апертурного излучения. Электромагнитные волны режима горизонтальной поляризации излучаются щелевой линией. Полосковая линия 105 щелевого ответвителя наводит токи на щелевой линии структуры 101 излучения бегущей волны. Электромагнитные волны 113 и 114 режима вертикальной поляризации формируются портом прямоугольного волновода. Электромагнитные волны 113 и 114, распространяющиеся через щелевую структуру, являются волнами типа квази-TE10.
СТРУКТУРА ДВУХПОЛЯРИЗАЦИОННОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ЛУЧА С РАЗНЕСЕНИЕМ ПО ПОЛЯРИЗАЦИИ
Концептуальная структура антенного элемента, показанная на фиг. 1, преобразована в практическую структуру, оптимизированную для ее изготовления. В предпочтительном варианте антенная решетка изготовлена в виде монолитно-интегрированного антенного модуля миллиметрового диапазона. Далее будут описаны различные варианты выполнения практических структур антенны.
На фиг. 2 показан пример варианта антенных элементов 100 сдвоенного типа в решетке. Структура 101 излучения бегущей волны образована щелевой антенной 201 с переменной шириной щели. Горизонтально поляризованные волны излучаются щелевой антенной 201 с переменной шириной щели, питающейся от полосковой линии 105 щелевого ответвителя.
,
Пример варианта монолитно-интегрированного антенного модуля миллиметрового диапазона изготавливается с применением PCBLTCC (низкотемпературной совместно обжигаемой керамики) или других технологий изготовления монолитных многослойных структур с применением любых диэлектрических материалов. Для ясности, далее будет описан пример антенного модуля, выполненного в PCB 110. Подобные структуры равно применимы для всех других вариантов без отступления за рамки настоящего изобретения.
Вертикально поляризованные волны излучаются структурой 106 апертурного излучения, образованной рупорной антенной 202. Рупорная антенна 202 сформирована из двух проводящих слоев и двух стенок щелевой антенны 201 с переменной шириной щели. Элементы вспомогательной антенны 102 расположены в рупорной антенне 202 на PCB. Каждая вспомогательная антенна 102 в рупорной антенне 202 образует структуру 106 апертурного излучения. Эти элементы запитываются полосковыми линиями 104, выполненными в PCB 110.
Фиг. 2A иллюстрирует антенный элемент 100 сдвоенного типа, включающий в себя структуру 101 излучения бегущей волны и вертикально поляризованные элементы вспомогательной антенны 102, которая питает полосковую линию 104 для вертикально поляризованных элементов вспомогательной антенны 102 и питает полосковую линию 105 щелевого ответвителя для горизонтально поляризованных антенных элементов. Для обеспечения изоляции между щелевой антенной 201 с переменной шириной щели и вертикально поляризованными элементами вспомогательной антенны 102 используется дроссель 103. Горизонтально поляризованные волны излучаются элементами щелевой антенны 201 с переменной шириной щели. Эти элементы щелевой антенны 201 с переменной шириной щели запитываются полосковой линией 105 щелевого ответвителя, выполненной в PCB 110.
Другой пример варианта элемента двухполяризационной конформной антенной решетки показан на фиг. 2B, фиг. 2C. Горизонтально поляризованное излучение может формироваться щелевой антенной 201 с переменной шириной щели со следующими изменениями, которые обеспечивают низкие потери на отражение в широкой полосе частот.
В некоторых вариантах полосковая линия 105 щелевого ответвителя закорочена на боковой поверхности щелевой антенны 201 с переменной шириной щели. В других вариантах полосковая линия 105 щелевого ответвителя незамкнута; к концу полосковой линии присоединен трансформатор согласования импеданса.
В некоторых вариантах согласующий шлейф образует структуру 107 согласования волнового импеданса для горизонтальной поляризации. Она согласует щелевую антенну 201 с переменной шириной щели со свободным пространством в широкой полосе частот. Вертикальные металлические стенки щелевой антенны 201 с переменной шириной щели в PCB 110 выполнены из проводящих столбиков 109, расположенных, как показано на фиг. 2C.
В некоторых вариантах развязка смежных антенных элементов 100 сдвоенного типа в решетке достигается с помощью дросселей 103 с высоким импедансом. Длина дросселя 103 составляет 0,18λ, а ширина - 0,024λ. Дроссели 103 расположены симметрично с соответствующими элементами вспомогательной антенны 102.
МОНОЛИТНО-ИНТЕГРИРОВАННЫЙ АНТЕННЫЙ МОДУЛЬ МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА
Пример варианта фазоуправляемой решетки антенных элементов 100 сдвоенного типа для интеграции в мобильные устройства будет основан на монолитно-интегрированном антенном модуле 300 миллиметрового диапазона. Он содержит двухполяризационную антенную решетку, линии питания вертикально поляризованных антенных элементов 401, линии питания горизонтально поляризованных антенных элементов 402 и линии питания для силовых и линий 406 связи RFIC 310.
Фиг. 3 иллюстрирует многоярусную структуру монолитно-интегрированного антенного модуля 300 миллиметрового диапазона, содержащую:
- Проводящие слои для широкой стороны антенной решетки, (L1-L5),
- Проводящие слои для линий питания горизонтально поляризованной антенны осевого излучения, (L5-L9),
- Проводящие слои для линий питания вертикально поляризованной антенны осевого излучения, (L9-L13),
- Проводящие слои для линий подачи питания и передачи данных RFIC, (L13-L17).
Линии питания горизонтально и вертикально поляризованной антенны выполнены в виде полосковых линий. Проводящие дорожки и заземляющие плоскости разделены диэлектриком 407 указанного модуля. Ширина дорожек и высота подложки сконфигурированы посредством укладки пар слоев с обеспечением минимальных потерь на линиях питания.
Предложенная двухполяризационная решетка имеет антенные элементы, расположенные с высокой плотностью, что достигается структурами элементов сдвоенного типа (Фиг. 1) и многоярусной топологией линий питания.
Фиг. 4 иллюстрирует многоярусную структуру 400 модуля, которая используется для антенных элементов 100 сдвоенного типа. Линии питания вертикально поляризованных антенных элементов 401 расположены на слое L11 модуля 300 (см. фиг. 3), линии питания горизонтально поляризованных антенных элементов 402 - на слое L7. Линии питания от контактного слоя 404 RFIC 310 проходят к сигнальным слоям с использованием сквозного соединения 405. Сигнальные слои образуют полосковую линию 105 щелевого ответвителя структуры 101 излучения бегущей волны и полосковые линии 104 вспомогательной антенны 102 в рупорной антенне 202. Взаимная изоляция соседних сигнальных слоев обеспечивается слоями земли 403.
Возбуждение антенных элементов сдвоенного типа в двух различных режимах поляризации обеспечивается линиями питания вертикально поляризованных антенных элементов 401 и линиями питания горизонтально поляризованных антенных элементов 402 (Фиг. 5). Некоторые линии питания для горизонтально поляризованных антенных элементов 402 расположены в слое L11 модуля 300 и проходят в слои L7-L11 антенного элемента через сквозное соединение 408.
Фиг. 6A, 6B и 6С иллюстрируют примерную компоновку модуля антенной решетки, включая RFIC 310. Полосковые линии 104 питания и полосковые линии 105 щелевого ответвителя проложены от выходов 304 RFIC 310 к щелевой антенне 201 с переменной шириной щели и элементам рупорной антенны 202 (Фиг. 7). Все эти элементы выполнены внутри монолитно-интегрированного антенного модуля 300 миллиметрового диапазона.
В примере варианта модуль 300 изготовлен по технологии LTCC, PCB или других технологий изготовления многослойных монолитных структур на основе проводящих и диэлектрических материалов. Модуль 300 расположен в углу телефона 303. Модуль 300 имеет щелевые структуры 306, которые образуют структуру 101 излучения бегущей волны. В примере варианта исполнения площадь, занимаемая RFIC 310 и антенной решеткой, составляет 2,4λ×3λ.
RFIC 310 расположена на минимальном расстоянии от щелевой антенны 201 с переменной шириной щели и вспомогательной антенны 102 (Фиг. 6C), чтобы минимизировать потери линий питания в полосковой линии 105 щелевого ответвителя и полосковой линии 104, которые проложены от RFIC 310 к щелевой антенне 201 с переменной шириной щели и вспомогательной антенне 102 (Фиг. 7A-7B).
Предложенная структура обеспечивает максимальную суммарную мощность излучения за счет минимизации потерь в линиях питания и соединениях. Все части монолитно-интегрированного антенного модуля миллиметрового диапазона изготовлены в рамках обычной технологической последовательности изготовления монолитного модуля. Следовательно, максимизируются технологические допуски и выход продукции.
На фиг. 8A показана развязка между соседними структурами 101 излучения бегущей волны. Связь между смежными одно- поляризованными элементами 801 проиллюстрирована для структур 101 излучения бегущей волны, которые излучают горизонтально поляризованную волну. Связь между смежными кросс-поляризованными элементами 802 проиллюстрирована для структуры 106 излучения апертурного излучения, которая излучает вертикально поляризованные волны, и смежных структур 101 излучения бегущей волны. На фиг. 8B показаны согласование импеданса для горизонтальной поляризации 803 и согласование импеданса для вертикальной поляризации 804 для структуры 101 излучения бегущей волны и структуры 106 апертурного излучения, соответственно.
Согласно представленным результатам, кросс-поляризационная связь в антенне пренебрежимо мала и не влияет на формирование луча антенной решеткой. Согласование импеданса обеспечивает максимальную передачу мощности и минимальные паразитные отражения сигнала.
ИНТЕГРАЦИЯ СТРУКТУР АНТЕННЫ ВЫТЕКАЮЩЕЙ ВОЛНЫ С МОБИЛЬНЫМ УСТРОЙСТВОМ
Фиг. 9 иллюстрирует компоновку мобильного устройства 800 с модулем связи миллиметрового диапазона и решеткой антенных элементов 100 сдвоенного типа. Металлическая рамка 509 держит основную PCB 110, экран 1001 и заднюю крышку 1003. В предпочтительном варианте антенные элементы 100 сдвоенного типа выполнены на основной PCB 110 мобильного устройства 800. В другом варианте решетка антенных элементов 100 сдвоенного типа выполнена как отдельный модуль, установленный внутри мобильного устройства 800. Решетка антенных элементов 100 сдвоенного типа интегрирована с резонатором 1002 мобильного устройства 800. Частично отражающая поверхность 505 защищает антенную решетку от окружающей среды, которая может содержать пыль и воду. Решетка антенных элементов 100 сдвоенного типа, интегрированная с резонатором 1002, который соединен со структурой 500 вытекающей волны через порт 501, образует антенную решетку вытекающей волны. Эта антенная решетка работает в трех режимах формирования луча: режиме апертурного излучения антенной решетки, режиме излучения бегущей волны и смешанном режиме излучения.
Следует отметить, что в данном контексте мобильное устройство может также взаимозаменяемо именоваться как аппарат, например, аппарат для беспроводной связи.
В одном варианте аппарат для беспроводной связи содержит монолитно-интегрированный антенный модуль миллиметрового диапазона и корпус, включающий в себя: проводящие структуры с по меньшей мере одной апертурой для согласования антенного модуля с открытым пространством. Монолитно-интегрированный антенный модуль миллиметрового диапазона содержит множество антенных элементов сдвоенного типа, радиочастотную интегральную схему (RFIC) и цепь питания. Каждый из упомянутых антенных элементов представляет собой антенный элемент сдвоенного типа, предназначенный для возбуждения двух режимов ортогональной поляризации. Цепь питания выполнена с возможностью соединения портов упомянутой RFIC с каждым из антенных элементов сдвоенного типа для возбуждения двух различных режимов поляризации и формирования луча. Антенный модуль миллиметрового диапазона изолирован от свободного пространства корпусом, и электромагнитное поле излучается в свободное пространство через проводящие структуры корпуса. Корпус аппарата может содержать каркас для установки антенного модуля миллиметрового диапазона. Корпус может содержать металлическую рамку, и антенные элементы могут быть соединены со свободным пространством через структуру бегущей волны металлической рамки. Антенные элементы могут быть выполнены в виде резонаторов излучающего планарного волновода, и металлическая рамка может соединять резонаторы планарного волновода со свободным пространством. В резонатор на внешней стороне металлической рамки может быть вставлен пластик.
Фиг. 10A и 10B иллюстрируют расположение решетки антенных элементов 100 сдвоенного типа и структуры 500 вытекающей волны в углу мобильного устройства 800 в металлической рамке 509. Расстояние между PCB 110 и металлической рамкой 509 согласовано с механическими требованиями по устойчивости к нагрузкам. Конформная решетка антенных элементов 100 сдвоенного типа позволяет увеличить диапазон угла сканирования.
Фиг. 10C иллюстрирует антенную решетку без металлической рамки или пластикового корпуса. Она содержит заполненный диэлектриком волновод 901 и двухполяризационные порты 902 питания. Поляризатор 906 на фиг. 10C соединен с двухполяризационными портами 902 питания. Двухполяризационные порты 902 питания основаны на монолитно-интегрированной технологии. Поляризатор 906 основан на поляризационном фильтре 904. Вертикально поляризованная электромагнитная волна в поляризаторе 906 возбуждается волновым портом 905. Горизонтально поляризованная электромагнитная волна в поляризаторе 906 возбуждается волновым портом 903.
СТРУКТУРЫ ВЫТЕКАЮЩЕЙ ВОЛНЫ В МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ РАМКЕ
Фиг. 11A иллюстрирует предпочтительный вариант двухполяризационной структуры 500 вытекающей волны. Эта структура размещена в металлической рамке 509, которая содержит волновод 502 вытекающей волны и частично отражающую поверхность 505. Частично отражающая поверхность 505 образована диэлектрическим покрытием 508 с проводящими структурами 504. Пример варианта проводящей структуры 504 основан на формованных металлических полосках. Другие варианты могут включать в себя металлизированные рисунки, нанесенные методом лазерного гравирования, напыления металла или соответствующими технологиями.
Волновод 502 вытекающей волны размером 0,64λ×0,8λ×5λ имеет одну открытую стенку, покрытую частично отражающей поверхностью 505. На фиг. 11B показана конфигурация частично отражающей поверхности 505. Она содержит два слоя проводящих структур 504 (которые являются металлическими полосками) с шагами 0,34λ и 0,27λ. Проводящие структуры 504 имеют конфигурацию 0,02λ×0,8λ. Толщина частично отражающей поверхности 505 составляет 0,1λ, как показано на фиг. 11B.
Такой волновод обеспечивает распространение электромагнитных волн 503 двух типов: вертикально поляризованной волны 506 и горизонтально поляризованной волны 507. Они распространяются через волновод 502 вытекающей волны в свободное пространство через частично отражающую поверхность 505. При этом луч формируется в заранее заданном направлении. Особенностью этой конструкции является то, что антенна работает в трех режимах: основном режиме, смешанном режиме и режиме вытекающей волны.
Фиг. 12A и 12B иллюстрируют распределение электромагнитных волн 503, которые распространяются через структуры 500 вытекающей волны. Фиг. 12A изображает работу структуры 500 вытекающей волны, когда проходит вертикально поляризованная волна 506. Фиг. 12B изображает работу структуры 500 вытекающей волны, когда проходит горизонтально поляризованная волна 507.
Фиг. 13 иллюстрирует диаграммы излучения двух типов волны 506, 507. Видно, что вертикально поляризованная волна 506 обеспечивает формирование луча на 105 градусах 701 в азимутальной плоскости относительно линии симметрии. Частотно-зависимое отклонение луча составляет ±5 градусов в рабочей полосе частот. Горизонтально поляризованная волна 507 обеспечивает формирование луча на 100 градусах 702 в азимутальной плоскости относительно линии симметрии. Частотно-зависимое отклонение луча такое же, как при вертикально поляризованной волне ±5 градус в рабочей полосе частот. Этот способ позволяет избежать частотно-зависимого отклонения луча на экстремально наклоненных углах луча и снизить потери на сканировании луча.
СЦЕНАРИЙ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
Фазированная антенная решетка вытекающей волны предназначена для таких устройств, как мобильный телефон, планшет, носимая электроника, а также стационарных устройств: базовых станций, маршрутизаторов и других видов передатчиков. Эту антенную решетку можно встроить в мобильное устройство для обеспечения мульти-гигабитных услуг связи, таких как телевидение высокой четкости (HDTV) и видео ультравысокой четкости (UHDV), обмен файлами данных, загрузка/скачивание фильмов, облачные сервисы и другие сценарии.
Настоящее изобретение поддерживает такие способы увеличения пропускной способности сети, как одновременная передача (повторное использование пространства), метод множества входов и множества выходов (MIMO) и полнодуплексный метод.
Настоящее изобретение позволяет поддерживать следующие стандарты связи для миллиметрового диапазона: персональные беспроводные сети (WPAN) или локальные беспроводные сети (WLAN), например, ECMA-387, IEEE 802.15.3c и IEEE 802.11ad.
В одном примере варианта воплощения физический уровень и MAC-уровень поддерживают мульти-гигабитные беспроводные приложения, включая мгновенную беспроводную синхронизацию, беспроводное отображение потоков высокой четкости (HD), беспроводные вычисления и доступ в интернет.
ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ
Изобретение может применяться в бытовой электронике:
- в мобильных устройствах, поддерживающих стандарты беспроводных локальных сетей WiGig IEEE 802.11ad, WiHD и мобильных сетей 4G и 5G;
- в серийных мобильных устройствах, содержащих металлическую рамку;
- для формирования осевого излучения с углом сканирования до 210 градусов.
В предпочтительном варианте настоящего изобретения антенны расположены в угловой части мобильного устройства (фиг. 9). В другом варианте антенны расположены на кромке мобильного устройства.
Достижимые угол сканирования и коэффициент усиления антенны равны или лучше, чем у автономного антенного модуля без мобильного устройства. Исключены паразитные эффекты корпуса устройства. Размеры апертурных щелей структур вытекающей волны позволяют получить малогабаритные антенные модули с высоким коэффициентом усиления.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Bangerter, B., Talwar, S., Arefi, R., & Stewart, K. (2014). Networks and Devices for the 5G Era. Communications Magazine, IEEE, 52(2), 90-96.
2. IEEE 802.11ad-2012 - Telecommunications and information exchange between systems--Local and metropolitan area networks--Specific requirements-Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications Amendment 3: Enhancements for Very High Throughput in the 60 GHz Band.
3. Rappaport, T.S.; Shu Sun; Mayzus, R.; Hang Zhao; Azar, Y.; Wang, K.; Wong, G.N.; Schulz, J.K.; Samimi, M.; Gutierrez, F., "Millimeter Wave Mobile Communications for 5G Cellular: It Will Work!," Access, IEEE, vol.1, no., pp.335,349, 2013.
4. A. A. Oliner and D. R. Jackson, ʹʹLeaky-wave antennas,ʹʹ in Antenna Engineering Handbook, J. L. Volakis, Ed. New York, NY, USA: McGraw-Hill, 2007.
5. Gomez-Tornero, Jose Luis, et al. "Substrate integrated waveguide leaky-wave antenna with reduced beam squint." Microwave Conference (EuMC), 2013 European. IEEE, 2013.
6. Zhuozhu Chen; Zhongxiang Shen, "Wideband Flush-Mounted Surface Wave Antenna of Very Low Profile," in Antennas and Propagation, IEEE Transactions on, vol.63, no.6, pp.2430-2438, June 2015.