МОБИЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО С ФАЗИРОВАННОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКОЙ ВЫТЕКАЮЩЕЙ ВОЛНЫ
MOBILE DEVICE WITH PHASED ANTENNA ARRAY OF THE OUTGROUND WAVE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
В настоящем изобретении раскрыта конструкция фазированной антенной решетки вытекающей волны и ее интеграция в мобильные устройства с металлической рамкой. Данную антенну можно использовать в устройствах, поддерживающих беспроводные локальные мобильные сети, такие как WiGig IEEE 802.11ad, WiHD, и мобильные сети 4G, 5G.
ИЗВЕСТНЫЙ 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]. Сканирование луча антенны должно обеспечить устойчивый канал связи при изменении положения устройства [3].
Основными задачами для интеграции в миллиметровом диапазоне остаются стоимость, работа на малом уровне мощности, миниатюризация и повышение эффективности. Этими факторами обусловлена разработка антенн в форме составной части корпуса мобильного устройства. К мобильным антеннам миллиметрового диапазона предъявляются следующие требования:
1. Повышенный коэффициент усиления из-за высокого коэффициента шума радиочастотной интегральной схемы (RFIC) и высоких потерь 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. Малые габариты антенного устройства.
4. Двух поляризационное формирование диаграммы направленности для увеличения скорости и повышения стабильности передачи данных.
В последнее время много работ посвящено разработке реконфигурируемых микрополосковых решеток, которые позволяют получить планарные, легкие и потенциально экономичные структуры. В последние годы у исследователей возник огромный интерес к интегрированному в печатную плату волноводу и к резонаторной антенне Фабри-Перо благодаря простоте их изготовления и легкости достижения высокого коэффициента усиления и работе с линейной/круговой поляризацией [4, 5, 6]. Эта конструкция, процессы ее изготовления и настройки требуют усилий для уменьшения потерь при передаче. Учитывалась возможность адаптации интегральной технологии, которая применялась для разработки сканирующих антенн осевого излучения, соединенных с RFIC посредством монтажа методом перевернутого кристалла [7].
До недавнего времени антенна конструировалась независимо в виде печатной платы (PCB), которая была напечатана или установлена в виде отдельного элемента рядом с RFIC с соответствующими линиями питания и схемами согласования. Однако интеграция антенн миллиметрового диапазона в мобильные устройства сопряжена с искажением диаграммы направленности и ухудшением коэффициента усиления из-за взаимовлияния, вызываемого металлическими/диэлектрическими структурами. На потери антенны на отражение воздействуют окружающие компоненты: металлический каркас, пластиковый корпус и металлическая рамка. При этом технологические допуски и механическая нагрузка ухудшают коэффициент усиления антенны. Хотя для уменьшения влияния проводящих частей можно использовать структуры с резонатором, глубина такого резонатора должна составлять четверть длины волны [8]. Жесткие допуски для такого резонатора уменьшают его применимость. Здесь  - длина волны на центральной частоте 60,5 ГГц, - типичная диэлектрическая проницаемость.
В основу настоящего изобретения положена задача создания способа и вариантов выполнения антенны миллиметрового диапазона для интеграции в мобильное устройство с металлической рамкой. Требуется обеспечить механическую изоляцию таких антенн от факторов окружающей среды и механических воздействий. Также существует потребность в методах, позволяющих удовлетворить требования по допускам и устойчивости к напряжениям.
Из уровня техники известны следующие технические решения.
В патенте США 8,009,110 “Электронное устройство со скрытой антенной” (HTCCorporation) раскрывается скрытая антенна, которая содержит металлическую рамку и подложку. Металлическая рамка имеет несколько боковых стенок и канавку, проходящую через по меньшей мере одну боковую стенку. На нижней стороне канавки выполнен питающий вывод. На двух боковых стенках канавки выполнены первый закорачивающий вывод и второй закорачивающий вывод. Металлическая поверхность подложки электрически соединена с закорачивающими выводами и боковыми стенками, и канавка обращена к подложке.
Это решение имеет следующие недостатки:
1. Требуемые механические допуски и устойчивость к механическим нагрузкам в миллиметровом диапазоне волн составляет <50 мкм, что недостижимо в изделиях. Подложка электрически соединена с металлической рамкой, и питающий вывод прямо прикреплен к металлической рамке.
2. Невозможно обеспечить высокий коэффициент усиления антенны при формировании диаграммы направленности и увеличение угла сканирования. Невозможно использовать антенную решетку.
3. Невозможно обеспечить технологию множества входов - множества выходов (MIMO) - способа увеличения пропускной способности линии радиосвязи с использованием множества передающих и приемных антенн для применения многолучевого распространения.
В патенте США 8,963,785 “Антенная структура для использования с металлической рамкой мобильного телефона” (AudenTechno.Corp) описана антенная структура, которая содержит несущий корпус, печатную плату, металлический соединительный лист, заземляющие детали и металлическую рамку.
После сборки этих деталей между металлической рамкой и несущим корпусом образуются щели. Металлический соединительный лист, заземляющая деталь и щели образуют канал связи. Этот канал связи создает резонанс, так что данная антенная структура воздействует на полосы частот связи.
Это решение имеет следующие недостатки:
1. Требуемые механические допуски и устойчивость к напряжениям в миллиметровом диапазоне составляет <50 мкм, что недостижимо в изделиях. Резонанс антенны обеспечивается множеством механических компонентов: металлическим соединительным листом, заземляющими деталями и металлической рамкой. Изменения геометрии отрицательно влияют на резонансные свойства.
2. Невозможно обеспечить высокий коэффициент усиления антенны при формировании диаграммы направленности и увеличение угла сканирования. Невозможно использовать антенную решетку.
3. Невозможно обеспечить технологию MIMO.
В патенте США 8,493,281 “Линза для увеличения угла сканирования фазированной антенной решетки” (TheBoeingCompany) раскрыта антенная структура, состоящая из двух основных частей: планарной антенной решетки и линзовой структуры в форме додекаэдра, покрывающей антенную решетку. Конструкция этой линзы разработана для линзы из метаматериала с отрицательным индексом. Планарная антенная решетка используется для формирования остронаправленного луча и для ограниченного сканирования луча. Линза в форме додекаэдра способна отклонять луч, сформированный фазированной антенной решеткой, приблизительно до 90 градусов.
Недостаток этого решения состоит в следующем:
Сферическая форма отклоняющей линзы не позволяет применить данное решение для интеграции с носимыми устройствами, такими как мобильные телефоны и планшетные компьютеры.
В патенте США 6,952,190 “Малогабаритная щелевая антенна с использованием частотно-избирательной поверхности, запитываемой с обратной стороны” раскрыта малогабаритная широкополосная щелевая антенна, имеющая поверхность с высоким импедансом, которая включает в себя проводящую плоскость и решетку проводящих элементов, удаленных от проводящей плоскости на расстояние, составляющее не более 10% длины волны рабочей частоты антенной структуры. Проводящая плоскость имеет отверстие, которое возбуждается антенным элементом возбуждения, расположенным рядом с отверстием в проводящей плоскости.
Это решение имеет следующие недостатки:
1. Суммарная толщина структуры составляет не более 25% и не менее 10% длины волны. Невозможно обеспечить технологические зазоры и допуски в конструкции смартфона.
2. Излучающие элементы электрически соединены с земляной плоскостью проводящими переходными отверстиями.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В основу настоящего изобретения положена задача повысить производительность и устойчивость антенн миллиметрового диапазона для мобильных устройств с металлической рамкой посредством точного формирования решетки волноводных возбудителей в PCB и гибкого соединения этих волноводных возбудителей с нерезонансными излучающими апертурами мобильного устройства. Типичная толщина пластиковых и металлических деталей, отделяющих антенны от свободного пространства, превышает. При этом бегущая волна неизбежно распространяется по поверхности мобильного устройства [9]. Следовательно, антенны вытекающей волны чрезвычайно привлекательны для применения в мобильных устройствах миллиметрового диапазона волн: они обеспечивают высокий коэффициент усиления при физически коротких размерах и при этом эффективно используют поверхность 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 диаграммы направленности без паразитного отклонения остается трудной задачей для антенн вытекающей волны [10]. В документе [11] предложен широкополосный возбудитель с маловыступающей поверхностью для питания поверхности излучения вытекающей волны. Однако до сих пор не разработана решетка волноводных возбудителей с фазоуправляемым формированием диаграммы направленности, совместно использующих одну и ту же поверхность вытекающей волны.
Настоящее изобретение имеет следующие отличия от известных решений:
- Обеспечиваются малогабаритные антенные модули с высоким коэффициентом усиления за счет больших размеров апертуры структур вытекающей волны на структурах устройства.
- Новая конструкция антенной решетки соединена со структурой вытекающей волны (соединение этих двух антенн с функцией формирования диаграммы направленности не известно).
- Фазоуправляемая антенная решетка вытекающей волны имеет более одного режима формирования диаграммы направленности: режим антенной решетки, режим бегущей волны, комбинированный режим (фазоуправляемые антенны, которые работают более чем в одном режиме, не известны).
Реализация антенной решетки, соединенной со структурой вытекающей волны, основана на диэлектрической и/или металлической структурах мобильного устройства.
Предложенная фазоуправляемая антенная решетка вытекающей волны работает на частотах миллиметрового диапазона и обеспечивает формирование диаграммы направленности с вертикальной и горизонтальной поляризациями в мобильных устройствах с металлической рамкой.
Изобретение для мобильного устройства со структурами металлической рамки позволяет решить следующие задачи:
- Эффективное соединение фазированной антенной решетки вытекающей волны с диэлектрическими и металлическими структурами, заключающими в себе антенные элементы мобильного устройства;
- Повышение коэффициента усиления антенны и увеличение угла сканирования фазированных антенных решеток, что приводит к увеличению дальности связи мобильного устройства;
- Механическая изоляция антенн от факторов внешней среды и механических воздействий, так как антенна спрятана в металлической рамке корпуса мобильного устройства.
Согласно одному аспекту настоящего изобретения предложено устройство для беспроводной связи, содержащее: антенный модуль миллиметрового диапазона, содержащий по меньшей мере два антенных элемента, корпус, содержащий проводящие структуры с по меньшей мере одной апертурой для согласования антенного модуля с внешним пространством, причем антенный модуль миллиметрового диапазона волн изолирован от свободного пространства корпусом, электромагнитное поле излучается в свободное пространство через проводящие структуры корпуса.
В одном из вариантов проводящие структуры корпуса представляют собой металлическую рамку, содержащую по меньшей мере одну структуру вытекающей волны.
В одном из вариантов металлическая рамка содержит по меньшей мере один дефлектор луча.
В одном из этих вариантов антенный модуль миллиметрового диапазона волн дополнительно содержит: по меньшей мере два волновода, выполненных в PCB или низкотемпературной керамике (LTCC), и диэлектрический трансформатор для согласования антенных элементов; причем волноводы запитываются от соответствующих независимых каналов радиочастотной интегральной схемы (RFIC) для приема и передачи сигналов связи.
В одном из вариантов, корпус устройства дополнительно содержит несущий каркас для установки антенного модуля миллиметрового диапазона волн.
В одном из этих вариантов проводящие структуры корпуса представляют собой металлическую рамку, содержащую структуру бегущей волны, и антенные элементы, которые связаны со свободным пространством через структуру бегущей волны металлической рамки.
В одном из этих вариантов антенна миллиметрового диапазона волн работает более чем в одном режиме.
В одном из этих вариантов антенная решетка миллиметрового диапазона волн имеет, по меньшей мере, следующие режимы формирования диаграммы направленности: режим антенной решетки, режим бегущей волны, комбинированный режим.
В одном из этих вариантов проводящие структуры имеют круглые апертуры.
В одном из этих вариантов корпус содержит диэлектрическую рамку.
В одном из этих вариантов проводящие структуры образуют волноводный резонатор, антенные элементы формируют решетку, и решетка антенных элементов питает волноводный резонатор.
В одном из этих вариантов проводящие структуры корпуса представляют собой металлическую рамку, образующую волноводный резонатор и соединяющую волноводный резонатор со свободным пространством.
В одном из этих вариантов в резонатор на внешней стороне металлической рамки вставлена пластмасса.
В одном из этих вариантов одна сторона волновода, заполненного пластмассой, открыта в свободное пространство.
Технический результат настоящего изобретения заключается в повышении стабильности сигнала из фазированной антенной решетки вытекающей волны и увеличении зоны охвата сканирования для антенны, которая скрыта в корпусе мобильного устройства с металлический рамкой.
Предложенная структура фазированной антенной решетки вытекающей волны основана на излучающем резонаторе, соединенном с фазоуправляемой решеткой антенных элементов. Резонатор образует структуры вытекающей волны внутри рамки мобильного устройства. Эта конфигурация образует излучающую апертуру быстрой волны на поверхности мобильного устройства. Фазоуправляемая решетка позволяет формировать диаграмму направленности с адаптацией поляризации с полусферическим покрытием. Частотная дисперсия уменьшается за счет использования квази-однородных структур вытекающей волны с модами TEM, или TE, или TM, далекими от критической частоты. Разработана исчерпывающая параметрическая модель, основанная на теории антенн вытекающей волны, для объяснения работы предложенной антенны и определения основных принципов конструирования.
В предпочтительном варианте выполнения структуры антенных решеток бегущей волны в металлической рамке мобильного устройства антенна бегущей волны выполнена в виде волновода: в резонатор на внешней стороне металлической рамки вставлен диэлектрический материал. Одна сторона заполненного диэлектрическим материалом волновода открыта в свободное пространство.
Структуры металлической рамки облучаются 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. За счет данной технологии обеспечивается заявленный технический результат.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 иллюстрирует геометрию и расположение антенны внутри мобильного устройства.
Фиг. 2 иллюстрирует поверхности вытекающей волны мобильного устройства.
Фиг. 3 иллюстрирует структуру антенны вытекающей волны.
Фиг. 4A иллюстрирует вид сверху печатных антенн на основе PCB.
Фиг. 4B иллюстрирует печатные антенны на основе PCB: расположение внутри резонатора.
Фиг. 4C иллюстрирует печатные антенны на основе PCB: питание от множества портов.
Фиг. 5 иллюстрирует парциальные диаграммы излучения антенного элемента печатной антенны на основе PCB.
Фиг. 6 иллюстрирует структуру антенного элемента нулевого порядка на основе PCB.
Фиг. 7 иллюстрирует осуществление формирования диаграммы направленности фазоуправляемой решетки вытекающей волны.
Фиг. 8A иллюстрирует режимы излучения антенной решетки без металлической рамки (прототип).
Фиг. 8B иллюстрирует режимы излучения антенной решетки вытекающей волны.
Фиг. 8C иллюстрирует режимы излучения другой антенной решетки вытекающей волны.
Фиг. 9 иллюстрирует режимы излучения антенной решетки вытекающей волны по фиг. 8C.
Фиг. 10A иллюстрирует установку антенны в мобильное устройство: интеграция в металлическую рамку.
Фиг. 10B иллюстрирует установку антенны в мобильное устройство: резонатор образован PCB и несущим каркасом; вид сбоку поперечного сечения PCB, несущего каркаса и металлической рамки.
Фиг. 11 иллюстрирует поверхность вытекающей волны, образованную внутри металлической рамки волноводного резонатора.
Фиг. 12A иллюстрирует волноводные возбудители на основе PCB: вертикальная поляризация, вид сверху.
Фиг. 12B иллюстрирует волноводные возбудители на основе PCB: вертикальная поляризация, вид сбоку поперечного сечения PCB.
Фиг. 12C иллюстрирует волноводные возбудители на основе PCB: горизонтальная поляризация, вид сверху.
Фиг. 12D иллюстрирует волноводные возбудители на основе PCB: горизонтальная поляризация, вид сбоку поперечного сечения PCB.
Фиг. 13 иллюстрирует соединение решетки на основе PCB вертикально-поляризованных антенных элементов с поверхностями вытекающей волны.
Фиг. 14 иллюстрирует частотную зависимость постоянных распространения для n=0, -1.
Фиг. 15 иллюстрирует диаграмму Бриллюэна для мод вытекающей волны n=0, -1.
Фиг. 16 иллюстрирует (A) боковое поперечное сечение резонатора, образованного проводящими частями мобильного устройства (каркас 1) и металлической боковой крышкой (каркас 2); (B) Парциальные диаграммы излучения в горизонтальной плоскости в полосе частот 57–66 ГГц.
Фиг. 17 иллюстрирует (A) боковое поперечное сечение резонатора, образованного проводящими частями мобильного устройства (каркас 1) и диэлектрическими частями (пластмасса); (B) Парциальные диаграммы излучения в горизонтальной плоскости в полосе частот 57–66 ГГц.
Фиг. 18 иллюстрирует формирование диаграммы направленности антенной решетки вытекающей волны, направленность в горизонтальной плоскости.
Фиг. 19 иллюстрирует формирование диаграммы направленности с вертикальной поляризацией в частотном диапазоне, направленность в горизонтальной плоскости: (A) луч наклонен на 0 град.; (B) луч наклонен на 60 град.
Подробное описание вариантов осуществления изобретения
Антенная решетка питает структуры вытекающей волны посредством волноводного резонатора. Описанная модель разработана с целью описания основных принципов конструирования; представлены измерения и результаты моделирования для параметров формирования диаграммы направленности антенной.
ИНТЕГРАЦИЯ СТРУКТУР АНТЕННЫ ВЫТЕКАЮЩЕЙ ВОЛНЫ В МОБИЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО
На фиг. 1 показаны топология мобильного устройства 100 с модулем связи и фазированной решеткой вытекающей волны антенных элементов 103. В металлической рамке 104 установлена основная PCB 102, экран 101 и задняя крышка 107. В предпочтительном варианте решетка элементов 103 выполнена на основной PCB 102 мобильного устройства 100. В другом варианте выполнения решетка элементов 103 выполнена в виде отдельного модуля (не показан на фиг. 1), установленного внутри мобильного устройства 100. Крышка 105 антенны закреплена на металлической рамке 104.
На Фиг. 2 изображен примерный вариант выполнения решетки антенных элементов 103, которая встроена в резонатор 106, объединенный с крышкой 105 антенны.
На фиг. 3 изображен предпочтительный вариант структуры вытекающей волны. Структура 200 вытекающей волны объединена с волноводным резонатором 106 и диэлектрической крышкой 105, образующей антенную решетку вытекающей волны. Волноводный резонатор 106 размером 0,2λ×0,5λ имеет одну открытую стенку, образованную диэлектрической крышкой 105 толщиной 0,095λ. Электромагнитные волны 302 излучаются вдоль волноводного резонатора 106 в свободное пространство через крышку 105 антенны. При этом луч излучается под углом относительно перпендикулярного направления. Угол  излучения определяется фазовым распределением решетки антенных элементов 103 и постоянной распространения структуры 200 вытекающей волны.
На фиг. 4A показаны примерные варианты патч-элементов 400, предназначенных для резонаторной антенной решетки 106: прямоугольный 403 и круглый 404 патчи образуют основную конструкцию. Ромбовидный 402 и треугольный 401 патчи предназначены для уменьшения занимаемого пространства резонатора 106.
На фиг. 4B изображен круглый патч 404 с размещением двух питающих портов 405 и 406. Это положение портов 405 и 406 оптимизировано для распространения электромагнитных волн внутри резонатора 106. Предпочтительно, чтобы патч-элементы 404 располагались внутри резонатора 106 в угловой части мобильного устройства 100. При этом необходимо, чтобы антенная решетка из элементов 404 имела минимальный размер и обеспечивала низкие потери сканирования при широких углах сканирования.
На фиг. 5 показаны диаграммы 700 излучения антенны 404 с круглым патчем внутри резонатора 106 в E-плоскости. Управление направлением излучения осуществляется путем изменения фазового распределения 701 в портах 405, 406 круглого патча 404. Распределение 703 поля определяет направления излучения антенны, следовательно, варианты патч-элементов 404 выполнены с возможностью работы в двух режимах излучения, обеспечивая при этом диапазон 702 углов сканирования до 125 градусов с разбросом коэффициента усиления менее 3 дБ.
На фиг. 6 изображен примерный вариант антенного элемента 800 нулевого порядка, который можно использовать в решетке антенных элементов 103. Антенна с антенным элементом 800 нулевого порядка образована окружающими компонентами мобильного устройства 100: металлический несущий каркас 803 является заземляющей основой для антенного элемента 800 нулевого порядка. Запитка антенны 804 может быть реализована в печатной плате 802. Комбинация металлического несущего каркаса 803, PCB 802 и воздушного резонатора 801 образует антенный элемент 800 нулевого порядка в мобильном устройстве 100. В этих реализациях антенный элемент нулевого порядка эффективно использует окружающие детали. При этом уменьшается объем антенны и минимизируется пространство, занимаемое решеткой антенных элементов 103 на PCB 802.
ЭФФЕКТЫ ВЫТЕКАЮЩЕЙ ВОЛНЫ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ ФАЗОУПРАВЛЯЕМОЙ РЕШЕТКИ
На фиг. 7 показано осуществление вытекающей волны при формировании диаграммы направленности фазоуправляемой решетки для данной структуры. Решетка антенных элементов 103 расположена в волноводном резонаторе 106 в угловой части мобильного устройства 100. Две структуры 200 вытекающей волны соединены с волноводным резонатором 106 и размещены вдоль кромок мобильного устройства 100.
Оптимальная длина L антенны вытекающей волны основана на требовании постоянного коэффициента усиления антенных элементов в требуемом диапазоне сканирования. Для данной длины L ширина диаграммы направленности излучения вытекающей волны оценивается как  [9], где оптимальная постоянная излучения  гарантирует излучение 90% мощности. Большое значение α означает, что большая скорость утечки создает короткую эффективную апертуру, так что излучаемый луч имеет большую ширину диаграммы направленности. И наоборот, малое значение α создает длинную эффективную апертуру и узкий луч, при условии, что физическая апертура достаточно длинная.
На фиг. 8A, фиг. 8B, фиг. 8C представлено сравнение диаграмм излучения для фазоуправляемой решетки и для фазоуправляемой решетки вытекающей волны. В следующей сводной таблице показана корреляция общей апертуры вытекающей волны с запасом по управлению диаграммой направленности.
<b>ТАБЛИЦА 1</b>
Длина апертуры вытекающей волны, λ
Реализованный коэффициент усиления, дБи
Диапазон сканирования луча, град.
ДиаграммыНаправленности
Центральный луч
Макс. наклоненный луч
0 (без вытекающей волны)
9,4
6
±60
фиг. 8A
1,5
9
6,6
±68
фиг. 8B
2,3
9
8,1
±68
3,3
9
8,9
±70
4,3
8,8
10,0
±72
фиг. 8C
4,5
9
9,3
±72
На фиг. 8A показаны диаграммы излучения 8-элементной антенной решетки 103, расположенной внутри резонатора 106, без структур 200 вытекающей волны. Эта антенная решетка работает в режиме 900 фазоуправляемого формирования диаграммы направленности. Коэффициент усиления антенны изменяется в пределах от 6,4 дБи до 9,4 дБи при диапазоне угла сканирования ±65 градусов.
На фиг. 8B показаны диаграммы излучения 8-элементной антенной решетки 103, расположенной внутри резонатора 106, со структурами вытекающей волны длиной . Эта антенная решетка работает в трех режимах: режиме антенной решетки 901, комбинированном режиме 902 и режиме вытекающей волны 903. В режиме антенной решетки 901 элементы антенной решетки излучают только через резонатор 106. Диапазон углов сканирования луча составляет ±30 градусов. В комбинированном режиме 902 электромагнитные волны излучаются частично из резонатора 106 и частично из структуры 200 вытекающей волны. При этом угол наклона луча составляет от 30 градусов до 60 градусов. Электромагнитная энергия в режиме вытекающей волны 903 сфокусирована внутри структуры 200 вытекающей волны и излучается из нее во внешнее пространство. В этом режиме луч покрывает диапазон от 60 градусов до 68 градусов. В данном примере длина  структуры вытекающей волны обеспечивает коэффициент усиления антенн от 6 дБи до 9 дБи при диапазоне угла сканирования ±68 градусов. Ограниченный выбор материалов для мобильных устройств не позволяет использовать поглощающие нагрузки на краях волноводного резонатора. Следовательно, остающаяся мощность не поглощается, что ведет к увеличенным уровням боковых лепестков (см. фиг. 8B).
На фиг. 8C и фиг. 9 изображены диаграммы излучения 8-элементной антенной решетки 103, расположенной внутри резонатора 106, со структурами вытекающей волны длиной . Эта антенная решетка работает в трех режимах: режиме антенной решетки 901, комбинированном режиме 902 и режиме вытекающей волны 903. В режиме антенной решетки 901 элементы антенной решетки излучают только через резонатор 106. Диапазон угла сканирования луча составляет ±30 градусов. В комбинированном режиме 902 электромагнитные волны излучаются частично из резонатора 106 и частично из структуры 200 вытекающей волны. При этом луч наклонен под углом от 30 градусов до 60 градусов. Электромагнитная энергия в режиме вытекающей волны 903 сфокусирована в структуре 200 вытекающей волны и излучается из нее во внешнее пространство. В этом режиме луч покрывает диапазон от 60 градусов до 72 градусов. В данном примере длина  структуры вытекающей волны обеспечивает коэффициент усиления антенны от 6 дБи до 10 дБи при диапазоне угла сканирования ±72 градусов.
Согласно результатам, представленным на фиг. 8 и фиг. 9, описанная антенна работает в трех режимах: режиме излучения апертуры антенной решетки, режиме бегущей волны и комбинированном режиме.
Основное преимущество заключается в следующем: структура вытекающей волны увеличивает диапазон угла сканирования с ±65 градусов до ±72 градусов и повышает коэффициент усиления антенны при крайних отклонениях луча с 6 дБи до 10 дБи.
Увеличение диапазона сканирования и повышение коэффициента усиления антенны достигаются благодаря следующим факторам:
- излучению из резонаторной антенной решетки,
- излучению из антенны бегущей волны,
- комбинированному режиму излучения частично от кромки резонатора, частично от антенны бегущей волны.
На фиг. 10A, B показан примерный вариант расположения поверхности 1003 вытекающей волны и решетки антенных элементов 1008 внутри металлической рамки 1001 мобильного устройства 100. Структура 200 вытекающей волны выполнена в форме заполненного диэлектриком волновода, образованного каркасом 1004, 1005, пластиковым корпусом 1006, PCB 1007, и резонатором на внешней стороне металлической рамки 1001. Поверхность 1003 излучения вытекающей волны образована внешней поверхностью заполненного диэлектриком волновода. В некоторых вариантах поверхность 1003 излучения вытекающей волны выполнена в форме частично отражающей поверхности 1002 проводящих структур внутри диэлектрических структур. При этом диапазон сканирования и коэффициент усиления антенны увеличиваются с постоянными распространения  вытекающей волны, определенными, как описано ниже.
В одном варианте настоящего изобретения антенный модуль миллиметрового диапазона волн содержит по меньшей мере два антенных элемента, выполненных в PCB или LTCC (низкотемпературной керамике), на основании волноводов, щелевых линий или других структур. Эти антенные элементы образуют решетку, и решетка антенных элементов подсоединена к схеме управления и к металлическим компонентам для образования волноводных структур. Каждый из этих антенных элементов питается от независимого канала радиочастотной интегральной схемы (RFIC) для приема и передачи сигналов. Поверхность 1003 излучения вытекающей волны согласует антенные элементы со свободным пространством посредством преобразования его волнового сопротивления.
На фиг. 11 показаны антенные элементы 1008, питающие волноводный резонатор, который образует апертуру 1100 излучения поверхности 1001 мобильного устройства. Периодическое расположение антенных элементов 1008 в виде решетки с периодом  обеспечивает управление коэффициентом усиления антенны и диапазоном сканирования, где  - длина волны на центральной частоте. Максимальный период  дает максимальный коэффициент усиления, но диапазон угла сканирования ограничен ±45 градусами; минимальный период  обеспечивает максимальный диапазон углов сканирования до ±90 градусов, но при этом уменьшает коэффициент усиления.
Эти структуры облучаются с обратной стороны, отделяя антенные элементы от излучающей апертуры 1100. Двунаправленное возбуждение обеспечивается центральным положением антенных элементов относительно структуры 1003 вытекающей волны.
Альтернативный вариант содержит решетку резонаторов с питанием от зонда, поддерживающих излучение поверхностной волны.
Для этой антенны применимы различные варианты в зависимости от механической конструкции мобильных устройств. Коррекция параметров и изменения механической конструкции окажет влияние на варианты, не выходя за рамки идеи и объема настоящего изобретения.
Например, в некоторых вариантах PCB и металлический несущий каркас соединены механически. В других вариантах PCB антенны отделена от металлической рамки технологическим зазором, который компенсирует воздействия механических напряжений. В других вариантах вытекающая волна плавно сужается, чтобы преобразовать поверхностную волну в излучаемую пространственную волну, а также улучшить условие согласования между диэлектрической пластиной и свободным пространством.
Чтобы удовлетворить требования устойчивости линии связи в различных пользовательских сценариях, антенная решетка должна иметь средство управления поляризацией и возможность обеспечения как вертикальной, так и горизонтальной поляризации. При этом энергетический потенциал линии связи не ухудшается независимо от ориентации мобильного устройства. В следующем разделе описаны варианты осуществления настоящего изобретения для излучения вертикальной и горизонтальной поляризации.
ВАРИАНТЫ ВЫПОЛНЕНИЯ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ ВЫТЕКАЮЩЕЙ ВОЛНЫ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ С ВЕРТИКАЛЬНОЙ И ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ ПОЛЯРИЗАЦИЕЙ
В примерах осуществления настоящего изобретения антенная решетка выполнена на PCB, расположенной внутри планарного волноводного резонатора, как показано на фиг. 10.
В предпочтительном варианте для формирования диаграммы направленности  с вертикальной поляризацией в плоскости  реализованы монополи посредством использования плоско параллельного волновода с запиткой от зонда с отражающей стенкой и пассивного вибратора (фиг. 12A, фиг. 12B). Антенные элементы 1008 питаются от полосковой линии 1402. Слой, имеющий размер a2 на фиг. 12A, по существу является слоем диэлектрического материала, который выполняет функцию диэлектрического трансформатора для согласования антенных элементов.
В предпочтительном варианте формирования диаграммы направленности  с горизонтальной поляризацией в плоскости  волновые соединители горизонтальной поляризации реализованы в виде монопольных элементов с отражающей стенкой (фиг. 12C, фиг. 12D).
На фиг. 13 показан примерный вариант расположения 8-элементной антенной решетки с горизонтальной поляризацией в металлической рамке 1001 мобильного устройства 100. Монополи 1401 этой антенной решетки расположены, как и антенный элемент 1008, в PCB 102 и перед структурами 1003 вытекающей волны.
В следующей таблице приведены примерные размеры антенных элементов.
<b>ТАБЛИЦА 2</b>
Параметр
Значение, мм
Параметр
Значение, мм
Параметр
Значение, мм
a1
2,2
b1
0,56
c1
1,25
a2
1,56
b2
0,72
c2
1,05
d1
0,58
b3
0,51
c3
0,3
b4
0,52
c4
0,5
b5
0,53
c5
0,66
Передающий квази-TEM тип волны имеет низкий разброс частоты фазовой постоянной  [12], что минимизирует эффекты паразитного отклонения луча антенны вытекающей волны в рабочем диапазоне частот 57–66 ГГц, как показано на фиг. 19B.
Кроме того, эффективная диэлектрическая проницаемость  минимизирована за счет использования частично заполненного воздухом волноводного резонатора 1003 (см. фиг. 10).
Здесь,  - заполненный воздухом зазор между PCB 1007 и диэлектрической апертурой 1003 вытекающей волны;  - толщина диэлектрической апертуры вытекающей волны.
Квази-однородные диэлектрические структуры образованы частично отражающей поверхностью 1002 с периодичностью 1,6 мм. Благодаря такому малому периоду  щелевую решетку можно считать по существу однородной антенной вытекающей волны [9], [13]. Волноводный резонатор 1003 оптимизирован для излучения только из основного режима быстрой волны и не связан с другими пространственными гармониками. При этом антенна излучает всего один луч, не имея при этом паразитных нулей в диапазоне сканирования.
Излучение вытекающей волны предназначено для увеличения диапазона углов сканирования антенной решетки 103 до  относительно нормального направления. Оценка угла  излучения вытекающей волны определяет целевую постоянную распространения , где  - волновое число в свободном пространстве. В нашем случае должно быть удовлетворено отношение .
На фиг. 14 показаны результаты моделирования частотной зависимости постоянных распространения для n=0, -1 для заполненного диэлектриком прямоугольного волновода: a=2,9 мм,  Решетка металлических полосок размещена вдоль его длины с периодом d=1,6 мм.
На фиг. 15 представлена диаграмма Бриллюэна для мод вытекающей волны n=0, -1. Согласно результатам моделирования доминирующая мода поддерживает распространение быстрой волны (<) вдоль горизонтального направления. Первые пространственные гармоники  расположены в области отсечки . Следовательно, излучается только доминирующая мода . Луч вытекающей волны отклоняется от 55 градусов до 75 градусов, тогда как частота колеблется в пределах 57–66 ГГц, как показано на фиг. 19B и описано ниже.
На фиг. 16 и фиг. 17 проиллюстрированы конструктивные особенности антенны вытекающей волны.
Структуры металлической рамки 104 образуют антенну вытекающей волны на основе волноводного резонатора 1003. Волновод выполнен в виде заполненного диэлектрическим материалом резонатора между PCB 1007 антенны и передней стороной металлической рамки 1001. Щель в металлической рамке разделяет квази-однородные диэлектрики резонатора и свободное пространство. Поверхностные волны, сформированные антенными элементами 1008, являются связанными волнами, но они излучаются в свободное пространство при возникновении неоднородности.
Волноводный резонатор 1003 можно рассматривать как линию передачи в направлении z, которая закорочена внизу. Когда толщина волноводного резонатора 1003 достигает , короткое замыкание на нижнем конце трансформируется в холостой ход на границе. В этой резонансной точке направленная поверхностная волна может быть эффективно преобразована в волну излучения, распространяющуюся в пространство [14]. Дополнительно, увеличенная толщина волноводного резонатора 1003 увеличивает показатель мощности внутри волноводного резонатора выше общей мощности [15, 16], что означает, что больше мощности концентрируется внутри волноводного резонатора 1003. При этом паразитные поверхностные волны распространяются внутри волноводного резонатора 1003 вдоль PCB 1007, нарушая при этом диаграммы излучения 1500, 1601.
Если размеры пространства между PCB и рамкой больше, чем , то размеры волноводного резонатора 1003 должны быть ограничены по вертикали проводящим металлическим каркасом 1005, 1004 (фиг. 16A) или диэлектрическим деталями 1600 (фиг. 17A) мобильного устройства 100.
В следующей таблице приведены результаты для формирования диаграммы направленности вертикальной поляризации и горизонтальной поляризации. На фиг. 18 показано формирование диаграммы направленности антенной решетки вытекающей волны с направленностью в горизонтальной плоскости.
На фиг. 19 показано уменьшение паразитного отклонения луча, вызванного разбросом частот. На фиг. 19A, фиг. 19B показано формирование диаграммы направленности вертикальной поляризации в диапазоне частот в горизонтальной плоскости для луча с отклонением на 0 градусов и для луча с отклонением на 60 градусов, соответственно.
<b>ТАБЛИЦА 3</b>
Вертикальная поляризация
Горизонтальная поляризация
Угол сканирования при потерях сканирования 3 дБ
±70 град. и потери сканирования 3 дБ
±50 град. и потери сканирования 3 дБ±80 град. и потери сканирования 5 дБ
Направленность центрального луча (тета = 0 град.)
12 дБи – 13.5 дБи
14 дБи – 15 дБи
Кросс-поляризация
<- 15 дБ
<- 15 дБ
Пульсация парциальных диаграмм антенны
<3 дБ
<3 дБ
Потери на отражение
От -6 дБ до -15 дБ
От -6 дБ до -15 дБ
Ширина диаграммы направленности в вертикальной плоскости
От ±50 град. до±70 град.
±40 град.
Уровень бокового лепестка при всех углах сканирования
<5 дБ
<3 дБ
Угол отклонения луча при 57 ГГц – 66 ГГц
±5 град.
±5 град.
Фазированная антенная решетка вытекающей волны предназначена для таких устройств, как мобильный телефон, планшет, носимая электроника, а также для стационарных устройств: базовых станций, маршрутизаторов и других видов передатчиков. Антенная решетка встраивается 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 позволяет применять 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 использовать следующие стандарты связи в миллиметровом диапазоне: персональные беспроводные сети (WPAN) или локальные беспроводные сети (WLAN), например, ECMA-387, IEEE 802.15.3c и IEEE 802.11ad.
В примерном варианте 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. На физическом уровне определяются два режима работы, режим мультиплексирования с ортогональным частотным разделением (OFDM) для высокопроизводительных приложений (например, высокой скорости передачи данных) и режим с единственной несущей для реализации с низкой потребляемой мощностью и сложностью.
Разработанное устройство обеспечивает основную синхронизацию для основного комплекса услуг и координирует доступ к носителю, чтобы согласовать запросы трафика от мобильных устройств. Время доступа к каналу делится на последовательность сигнальных интервалов(BI), и каждый BI включает в себя интервал передачи сигнала, обучение ассоциированному формированию диаграммы направленности, сообщение интервала передачи и интервал передачи данных. В сигнальном интервале передачи базовая станция передает один или несколько сигнальных кадров миллиметрового диапазона в режиме развертки сектора передачи. Затем выполняются исходное обучение формированию диаграммы направленности между назначенным устройством и мобильными устройствами и ассоциирование в обучении ассоциированному формированию диаграммы направленности. В каждом интервале передачи данных AP выделяет периоды ассоциативного доступа и обслуживания через сообщение интервала передачи. После завершения обучения формированию диаграммы направленности во время интервала передачи данных поддерживаются одноранговые сеансы связи между любой парой мобильных устройств, включающей в себя назначенное устройство и мобильные устройства. В IEEE 802.11ad для передач между устройствами принят гибридный множественный доступ из множественного доступа с контролем несущей и предотвращением конфликтов (CSMA/CA) и множественного доступа с временным разделением (TDMA). CSMA/CA более всего подходит для неравномерного трафика, такого как просмотр веб-страниц, чтобы уменьшить время ожидания, тогда как TDMA больше подходит для такого трафика, как передача видео, так как поддерживает лучшее качество обслуживания (QoS).
В предпочтительном варианте настоящего изобретения антенны расположены в угловой части мобильного устройства, как показано на фиг. 2.
В другом варианте антенны расположены на кромке мобильного устройства, как показано на фиг. 10, фиг. 11, фиг. 13, фиг. 16 и фиг. 17.
Достижимый диапазон углов сканирования и коэффициент усиления антенны равны или лучше, чем у автономного антенного модуля без мобильного устройства. Исключены паразитные эффекты корпуса устройства.
Предложенная антенная решетка вытекающей волны имеет следующие преимущества:
- Исключены искажения формирования диаграммы направленности, вызванные металлическими или диэлектрическими структурами устройства. Следовательно, антенна имеет более высокий коэффициент усиления.
- Обеспечивается возможность фазоуправляемого формирования диаграммы направленности без паразитного отклонения луча более 16% относительной ширины полосы частот решетки. Для обеих поляризаций был продемонстрирован диапазон углов сканирования лучше, чем ±70 градусов.
- 8-элементная решетка обеспечивает стабильные лучи продольно-направленного излучения с реализованным коэффициентом усиления выше 10 дБи во всем рабочем диапазоне.
- Антенная решетка миллиметрового диапазона имеет простую конструкцию и токо-проводящую обратную сторону, что потенциально полезно для конформной интеграции в мобильное устройство с металлической рамкой.
- Антенна миллиметрового диапазона сконструирована с возможностью интеграции в мобильный телефон с металлической рамкой с помощью предложенной конструкции SRR (резонатор + бегущая волна).
- Антенна механически изолирована от факторов окружающей среды и механических воздействий.
- Антенна миллиметрового диапазона отвечает требованиям к механическим допускам и требованиям устойчивости к напряжениям.
- Размеры апертурных щелей структур вытекающей волны обеспечивают компактные антенные модули с высоким коэффициентом усиления.
- Отдельно работающая структура вытекающей волны, присоединенная к антенному модулю, увеличивает сектор сканирования луча и повышает коэффициент усиления антенны на сильно наклоненных лучах.
- Металлическая рамка, содержащая дефлекторы луча, позволяет увеличить сектор углов сканирования.
Фазированную антенную решетку вытекающей волны можно использовать следующим образом:
1. Антенную решетку, встроенную в мобильное устройство, можно использовать для передачи большого объема данных, например, несжатого потока видео высокой четкости. Вы можете просто включить телевизор или монитор, активировать потоковую передачу фильма на мобильном устройстве и смотреть его на экране.
2. Если ваш друг просит поделиться с ним фильмом высокого разрешения, вы просто активизируете на своем мобильном устройстве передачу данных и через несколько секунд передаете весь фильм на мобильное устройство друга, которое поддерживает данный стандарт.
3. Если вам необходимо скачать последний фильм из киоска, вы просто платите за скачивание фильма через мобильную платежную систему, активизируете передачу и через несколько секунд получаете фильм.
4. В электронной библиотеке или некоторых системах совместного использования цифровой информации можно просто оплатить заказ и получить его через несколько секунд.
5. Использование в других случаях, где требуется передача большого объема данных.
ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ
Применение изобретения в бытовой электронике:
- в мобильных устройствах, поддерживающих стандарты беспроводных локальных сетей WiGigIEEE 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.
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. Esquius-Morote, M., Zuercher, J. F., Mosig, J. R., & Fuchs, B. (2014, March). Low-profile SIW Horn Antenna Array with Interconnection to MMICs. In Microwave Conference (GeMIC), 2014 German (pp. 1-3). VDE.
5. R. Bayderkhani, K. Forooraghi, and B. Abbasi-Arand, “Gain-enhanced SIW cavity-backed slot antenna with arbitrary levels of inclined polarization,” IEEE Antennas Wireless Propag. Lett., vol. 14, pp. 931-934, 2015.
6. A. R. Vaidya, R. K. Gupta, S. K. Mishra, and J. Mukherjee, “Right-hand/left-hand circularly polarized high-gain antennas using partially reflective surfaces,” IEEE Antennas Wireless Propag. Lett., vol. 13, pp. 431-434, 2014.
7. Khan, Wasif Tanveer, et al. "Packaging a-Band Integrated Module With an Optimized Flip-Chip Interconnect on an Organic Substrate." Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on 62.1 (2014): 64-72.
8. Roederer, Alexander. "A log-periodic cavity-backed slot array." Antennas and Propagation, IEEE Transactions on 16, no. 6 (1968): 756-758.
9. A. A. Oliner and D. R. Jackson, ‘‘Leaky-wave antennas,’’ in Antenna Engineering Handbook, J. L. Volakis, Ed. New York, NY, USA: McGraw-Hill, 2007.
10. Gomez-Tornero, Jose Luis, et al. "Substrate integrated waveguide leaky-wave antenna with reduced beam squint." Microwave Conference (EuMC), 2013 European. IEEE, 2013.
11. 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.
12. A. Neto, ‘‘UWB, non-dispersive radiation from the planarly fed leaky lens antenna - Part 1: Theory and design,’’ IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 58, no. 7, pp. 2238–2247, Jul. 2010.
13. Grbic, A., & Eleftheriades, G. V. (2002). Leaky CPW-based slot antenna arrays for millimeter-wave applications. Antennas and Propagation, IEEE Transactions on, 50(11), 1494-1504.
14. D. Sievenpiper, L. Zhang, R. F. J. Broas, N. G. Alexopolous, and E. Yablonovitch, “High-impedance electromagnetic surfaces with a forbidden frequency band,” IEEE Trans. Microw. Theory Techn., vol. 47, no. 11, pp. 2059–2074, Nov. 1999.
15. S. S. Attwood, “Surface-wave propagation over a coated plane conductor,”J. Appl. Phys., vol. 22, no. 4, pp. 504–509, Apr. 1951.
16. R. Yang, Z. Lei, L. Chen, Z. Wang, and Y. Hao, “Surface wave transformation lens antennas,” IEEE Trans. AntennasPropag., vol. 62, no. 2, pp. 973–977, Feb. 2014.