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1. CN110447146 - WIRELESS COMMUNICATION TECHNOLOGY, APPARATUSES, AND METHODS

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无线通信技术、装置和方法


优先权要求
本申请要求以下临时专利申请的优先权的权益:
题为“MILLIMETER WAVE ANTENNA STRUCTURES”并且于2016年12月21日提交的美国临时专利申请序列号No.62/437,385;
题为“MILLIMETER WAVE TECHNOLOGY”并且于2017年5月26日提交的美国临时专利申请序列号No.62/511,398;
题为“ANTENNA CIRCUITS AND TRANSCEIVERS FOR MILLIMETER WAVE(MMWAVE)COMMUNICATIONS”并且于2017年6月30日提交的美国临时专利申请序列号No.62/527,818;和
题为“RADIO FREQUENCY TECHNOLOGIES FOR WIRELESS COMMUNICATIONS”并且于2017年10月11日提交的美国临时专利申请序列号No.62/570,680。
以上提到的每一个临时专利申请通过引用整体合并到本文。
技术领域
本公开的一些方面属于天线和天线结构。本公开的一些方面属于用于毫米波通信的天线和天线结构。本公开的一些方面属于使用天线和天线结构来传递无线信号的无线通信设备(例如,移动设备和基站)。本公开的一些方面涉及根据第5代(5G)无线系统进行操作的设备。本公开的一些方面涉及根据无线吉比特联盟(WiGig)(例如,IEEE 802.11ad)协议进行操作的设备。本公开的一些方面涉及使用多级铜支柱刻蚀。本公开的一些方面涉及并置(co-located)的毫米波(mmWave)天线和近场通信(NFC)天线。本公开的一些方面涉及可分级相控阵列无线电收发机架构(SPARTA)。本公开的一些方面涉及具有单个同轴缆线上的MIMO支持和相位噪声同步的相控阵列分布式通信系统。本公开的一些方面涉及在分布式相控阵列通信系统中传递缆线上的射频(RF)信号(RFoC)。本公开的一些方面涉及时钟噪声泄漏减少。本公开的一些方面涉及用于后向和前向兼容性和模块性的中频(IF)到RF辅助芯片。本公开的一些方面涉及封装上(on-package)匹配网络。本公开的一些方面涉及5G可分级接收机(Rx)架构。
背景技术
用于无线通信的移动设备中的物理空间因包括于这些设备的形数内的功能的量而通常处于奇缺。出于对所辐射的无线电波的空间覆盖的需求,以及随着移动设备移动到不同地方而保持信号强度,或用户可能随着时间而不同地定向移动设备等原因,出现有挑战性的问题。这可能导致在一些方面中需要大数量的天线、所辐射的无线电波在不同时间下不同的极性、辐射方向、不同空间分集,以及有关需求。当设计包括在毫米波(mmWave或mmW)频率下进行操作的天线的封装件时,空间的高效使用可以有助于解决这些问题。
无线通信的普遍性已经继续引起众多有挑战性的问题。具体地说,归因于具有不同需求的设备的多样性和要使用的频谱,挑战已经随着移动通信系统(例如,5G通信系统)的来临而演进。具体地说,最新地归因于合并了授权频段和免授权频段的载波聚合以及即将使用mmWave频段,通信中所使用的频段的范围已经增加。
mmWave无线电前端模块(RFEM)中的挑战是提供完全的或近乎完全的定向覆盖。毫米波系统需要高天线增益以接近链路预算,并且可以使用相控阵列天线来提供波束转向。然而,自身使用相控阵列天线(例如,平面贴片天线阵列)提供有限的角度覆盖。虽然波束转向可以有助于将能量引导朝向预期的接收机(并且在接收机处,在预期的发射机的方向上互易地增加增益),但简单的阵列限制了转向角的覆盖。此外,对于mmWave,射频(RF)信号的偏振是主要问题。在垂直偏振与水平偏振之间存在显著传播差异,并且除此之外,这两种偏振的使用可以用来提供空间分集。考虑到该技术预期应用于移动设备,在天线中提供可选择的偏振将变得重要。
日益关心的另一问题是大气衰减损耗。归因于大气吸收导致的路径损耗高和通过固体材料导致的衰减高,大规模多入多出(MIMO)系统可以用于mmWave频段中的通信。与用于通过无线个域网(WPAN)或无线局域网(WLAN)进行通信的架构相比,使用波束赋形来搜索未受阻的有向空间通道以及视距(LOS)通信与非视距(NLOS)通信之间的差异性可能使得mmWave架构复杂。
附图说明
图1示出根据一些方面的示例性用户设备。
图1A示出根据一些方面的可以结合图1的设备使用的mmWave系统。
图2示出根据一些方面的示例性基站无线电头端。
图3A示出根据一些方面的示例性毫米波通信电路。
图3B示出根据一些方面的图3A所示的示例性发送电路的方面。
图3C示出根据一些方面的图3A所示的示例性发送电路的方面。
图3D示出根据一些方面的图3A所示的示例性射频电路的方面。
图3E示出根据一些方面的图3A所示的示例性接收电路的方面。
图4示出根据一些方面的图3A中的示例性可使用的RF电路。
图5A示出根据一些方面的示例性无线电前端模块(RFEM)的方面。
图5B示出根据一些方面的示例性无线电前端模块的替选方面。
图6示出根据一些方面的图1或图2中可使用的示例性多协议基带处理器。
图7示出根据一些方面的示例性混频信号基带子系统。
图8A示出根据一些方面的示例性数字基带子系统。
图8B示出根据一些方面的示例性基带处理子系统的替选方面。
图9示出根据一些方面的示例性数字信号处理器子系统。
图10A示出根据一些方面的加速器子系统的示例。
图10B示出根据一些方面的替选示例性加速器子系统。
图11A至图11E示出根据一些方面的示例性周期性无线帧结构。
图12A至图12C示出根据一些方面的可以发送或接收的单载波调制方案的星座图设计的示例。
图13A和图13B示出根据一些方面的可以发送和接收的单载波调制方案的替选示例性星座图设计。
图14示出根据一些方面的用于生成多载波基带信号以用于传输的示例性系统。
图15示出根据一些方面的以栅格形式描绘的示例性资源元素。
图16A、图16B、图16C和图16D示出根据一些方面的编码的示例。
图17是根据一些方面的具有金属支柱的示例性半导体管芯的截面图和顶视图。
图18A是根据一些方面的具有形成第一类型的互连结构的金属支柱的示例性半导体管芯的截面图和顶视图。
图18B是根据一些方面的具有形成第二类型的互连结构的金属支柱的示例性半导体管芯的截面图和顶视图。
图18C是根据一些方面的具有形成第三类型的互连结构的金属支柱的示例性半导体管芯的截面图和顶视图。
图19是根据一些方面的具有形成互连结构的金属性支柱的示例性半导体管芯的截面图,其中,支柱附接到封装层叠件。
图20A是以截面说明的根据一些方面的本公开中所描述的示例性用户设备子系统的侧视图。
图20B示出根据一些方面的图20A的层叠结构的示例性基座部分。
图21示出根据一些方面的图20A的层叠结构的腔体内部的示例性RF馈电部。
图22示出根据一些方面的穿过屏蔽笼中的开口的示例性RF馈电迹线。
图23示出根据一些方面的具有并置的毫米波(mmWave)天线和近场通信(NFC)天线的示例性半导体封装件的多个视图。
图24示出根据一些方面的具有相控天线阵列的示例性射频前端模块(RFEM)。
图25示出根据一些方面的移动设备中的示例性RFEM的示例位置。
图26是根据一些方面的示例性RFEM的框图。
图27是根据一些方面的示例性介质接入控制(MAC)/基带(BB)子系统的框图。
图28是根据一些方面的示例性NFC天线实现方式的示图。
图29示出根据一些方面的具有多个印制电路板(PCB)基板上的并置的mmWave天线和近场通信(NFC)天线的示例性半导体封装件的多个视图。
图30是根据一些方面的通过对RF处的信号进行移相并且组合来实现波束赋形的示例性RF相控阵列系统的框图。
图31是根据一些方面的通过对本地振荡器(LO)进行移相并且对IF/基带处的模拟信号进行组合来实现波束赋形的示例性相控阵列系统的框图。
图32是根据一些方面的具有数字移相和组合的示例性相控阵列的框图。
图33是根据一些方面的可以用在可分级相控阵列无线电收发机架构中的示例性收发机小单元(cell)元件的框图。
图34是根据一些方面的使用多个收发机小单元的示例性相控阵列无线电收发机架构的框图。
图35示出根据一些方面的将半导体管芯示例性切割(dicing)为形成相控阵列无线电收发机的各收发机小单元。
图36是根据一些方面的封装有相控阵列天线的示例性相控阵列无线电收发机架构的框图。
图37是根据一些方面的具有通信总线的示例性收发机小单元的框图。
图38是根据一些方面的收发机瓦片(tile)在LO移相操作模式下使用单个模数转换器(ADC)的示例性相控阵列收发机架构的框图。
图39是根据一些方面的收发机瓦片在LO移相操作模式下使用多个ADC的示例性相控阵列收发机架构的框图。
图40是根据一些方面的收发机瓦片在混合操作模式(LO和数字移相和组合)下使用多个ADC来生成多个数字信号的示例性相控阵列收发机架构的框图。
图41是根据一些方面的收发机瓦片在模拟IF/基带移相和组合操作模式下使用单个ADC的示例性相控阵列收发机架构的框图。
图42是根据一些方面的收发机瓦片在模拟IF/基带移相操作模式下使用多个ADC来生成多个数字信号的示例性相控阵列收发机架构的框图。
图43示出根据一些方面的具有收发机瓦片的相控阵列收发机架构的示例性操作模式。
图44A示出根据一些方面的双封装系统的一个封装件的示例性基板的顶视图。
图44B示出根据一些方面的图44A的基板的底视图。
图44C示出根据一些方面的图44A和图44B的双封装系统的第二封装件的示例性基板的底视图。
图44D示出根据一些方面的在叠层封装(package-on-package)实现方式中堆叠的图44A至图44C的第一封装件和第二封装件。
图45A示出根据一些方面的另一双封装系统的一个封装件的另一示例性基板的顶视图。
图45B示出根据一些方面的图45A的基板的底视图。
图45C示出根据一些方面的图45A和图45B的双封装系统的第二封装件的示例性基板的底视图。
图45D示出根据一些方面的在叠层封装实现方式中堆叠的图45A至图45C的第一封装件和第二封装件。
图46A示出根据一些方面的又一双封装系统的一个封装件的示例性基板的顶视图。
图46B示出根据一些方面的图45A的基板的底视图。
图46C示出根据一些方面的图45A和图45B的双封装系统的第二封装件的示例性基板的底视图;
图46D示出根据一些方面的在叠层封装实现方式中堆叠的图46A至图46C的第一封装件和第二封装件。
图47A示出根据一些方面的再一双封装系统的一个封装件的示例性基板的顶视图。
图47B示出根据一些方面的图46A的基板的底视图。
图47C示出根据一些方面的图47A和图47B的双封装系统的第二封装件的示例性基板的底视图。
图47D示出根据一些方面的在叠层封装实现方式中堆叠的图44A至图44C的第一封装件和第二封装件。
图48A示出根据一些方面的双封装并肩(side-by-side)封装系统的两个封装件的顶视图。
图48B示出根据一些方面的图48A的两个封装件的底视图。
图48C示出根据一些方面的并肩实现方式中的图48A和图48B的两个封装件的侧视图。
图49是SD闪存卡的各种大小的示例性说明。
图50示出根据一些方面的内容和功能被改变以改动卡以用于mmWave无线通信操作的的示例性Micro SD卡的三维视图。
图51A示出根据一些方面的示出图2的偶极天线的辐射图案的图50的示例性MicroSD。
图51B示出根据一些方面的具有垂直位于暴露区域中的在Z高度方面受限的垂直偏振单极天线元件的图50的Micro SD卡。
图51C示出根据一些方面的具有对折式偶极天线的图50的Micro SD卡。
图52示出根据一些方面的如上所述修改以提供每主板多个卡的三个示例性MicroSD卡。
图53A是根据一些方面的具有附接的收发机子系统的示例性分开的球栅阵列(BGA)或平面网格阵列(land grid array,LGA)图案封装PCB子系统的侧视图。
图53B是根据一些方面的图53A的子系统的侧视图截面。
图53C是根据一些方面的示出屏蔽体的顶视图并且还示出切除部的图53A的子系统的顶视图。
图53D是根据的一些方面的示出用于使得天线能够辐射出去的切除部并且示出触点的图53A的子系统的顶视图。
图53E示出根据一些方面的用于基本上所有方向上的辐射覆盖的以圆形方式布置在极子周围的示例性子系统的布置。
图53F示出根据一些方面的转角形状的示例性子系统。
图53G示出根据一些方面的图3A的子系统。
图53H示出根据一些方面的示例性天线子系统的侧视图。
图53I示出根据一些方面的双屏蔽体天线子系统的示例性配置的顶视图。
图53J示出根据一些方面的图53I的天线子系统的侧视图。
图54A示出根据一些方面的示例性60GHz相控阵列系统级封装(SIP)。
图54B示出根据一些方面的示例性60GHz相控阵列SIP的侧透视图。
图55示出根据一些方面的放置在自测试器上的60GHz SIP。
图56A示出根据一些方面的用于解决SIP中的不期望的片上或封装上串扰的测试的第一部分的测试设置。
图56B示出根据一些方面的用于解决SIP中的不期望的片上或封装上串扰的测试的第二部分的示例性测试设置。
图57示出根据一些方面的适合于测试60GHz相控阵列SIP的示例性自动化测试装备。
图58示出根据一些方面的要添加到图57的自动化测试装备的示例性组件。
图59示出根据一些方面的分布式相控阵列系统的示例性RF前端模块(RFEM)。
图60示出根据一些方面的分布式相控阵列系统的示例性基带子系统(BBS)。
图61示出根据一些方面的具有MIMO支持和耦合到单个RFEM的多个同轴缆线的示例性分布式相控阵列系统。
图62示出根据一些方面的具有MIMO支持的示例性分布式相控阵列系统,其中,每个RFEM收发机耦合到单独的同轴缆线。
图63示出根据一些方面的具有MIMO支持和耦合到单个RFEM的单个同轴缆线的示例性分布式相控阵列系统。
图64示出根据一些方面的图3的单个同轴缆线上传递的各种信号的示例性频谱内容。
图65示出根据一些方面的具有单个BBS和多个RFEM的示例性分布式相控阵列系统,其支持MIMO支持且在BBS与每一个RFEM之间具有单个同轴缆线。
图66示出根据一些方面的分布式相控阵列系统的示例性RF前端模块(RFEM)。
图67示出根据一些方面的分布式相控阵列系统的示例性基带子系统(BBS)。
图68示出根据一些方面的RFEM与BBS之间传递的信号的示例性频率图。
图69示出根据一些方面的经由单个同轴缆线耦合到示例性BBS以用于传递RF信号的示例性RFEM。
图70示出根据一些方面的图69的BBS的更详细示图。
图71示出根据一些方面的使用耦合到单个BBS的多个RFEM的示例性大规模天线阵列(MAA)。
图72是根据一些方面的示出用于RF信号以到达膝上型计算机的罩盖的示例性波导的膝上型计算机的分解图。
图73是根据一些方面的从膝上型计算机的无线电子系统开始,途经膝上型设备的罩盖,通过膝上型设备的铰链中的孔进入的一个或多个示例性同轴缆线的说明。
图74是根据一些方面的从膝上型计算机的无线电子系统离开膝上型设备罩盖的铰链中的孔,途经罩盖中的天线或天线阵列的一个或多个示例性同轴缆线的说明。
图75是根据一些方面的用于从膝上型计算机的主板到膝上型设备的罩盖并且到无线电前端模块(RFEM)的信号的示例性传输线的示意图。
图76是根据一些方面的用于从膝上型计算机的主板到膝上型设备的罩盖并且到多个RFEM的信号的示例性传输线的示意图。
图77A和图77B是根据一些方面的示例性基板集成式波导(SIW)的说明。
图78示出根据一些方面的时钟噪声泄漏减少的分布式相控阵列系统的示例性RF前端模块(RFEM)。
图79示出根据一些方面的时钟噪声泄漏减少的分布式相控阵列系统的示例性基带子系统(BBS)。
图80示出根据一些方面的RFEM与BBS之间传递的信号的示例性频率图。
图81示出根据一些方面的可以结合时钟噪声泄漏减少使用的时钟扩频器和解扩器电路。
图82示出根据一些方面的使用时钟噪声泄漏减少在RFEM与BBS之间传递的信号的频率图。
图83示出根据一些方面的具有IF处理的分布式相控阵列系统的示例性RF前端模块(RFEM)。
图84示出根据一些方面的图83的分布式相控阵列系统的示例性基带子系统(BBS)。
图85示出根据一些方面的具有RFEM内的IF处理的示例性多频段分布式相控阵列系统。
图86示出根据一些方面的具有经由单个同轴缆线耦合到BBS的RFEM以用于传递RF信号的示例性分布式相控阵列系统。
图87示出根据一些方面的图86的BBS的更详细示图。
图88示出根据一些方面的使用耦合到单个BBS的多个RFEM支持多个操作频段的示例性分布式相控阵列系统。
图89示出根据一些方面的图88的BBS的更详细示图。
图90示出根据一些方面的包括RFEM、辅助芯片和BBS的示例性分布式相控阵列系统,其中,IF处理卸载到辅助芯片。
图91示出根据一些方面的图90的辅助芯片和BBS的更详细示图。
图92示出根据一些方面的在辅助芯片内进行IF处理的示例性多频段分布式相控阵列系统。
图93示出根据一些方面的双路功率组合器的示例性片上实现方式。
图94示出根据一些方面的大型功率组合器的示例性片上实现方式。
图95示出根据一些方面的阻抗变换网络的示例性片上实现方式。
图96示出根据一些方面的双路功率组合器的示例性封装上实现方式。
图97示出根据一些方面的大型功率组合器的示例性封装上实现方式。
图98示出根据一些方面的阻抗变换网络的示例性封装上实现方式。
图99示出根据一些方面的Doherty功率放大器的示例性封装上实现方式。
图100A是根据一些方面的使用连接器的示例性非模制堆叠式叠层封装嵌入式管芯无线电系统的侧视图。
图100B是根据一些方面的使用连接器的示例性双贴片天线的侧视图。
图100C是根据一些方面的随着天线的体积增加的图100B的双贴片天线的回波损耗的仿真图线。
图101A是根据一些方面的使用屈曲互连部的示例性非模制堆叠式叠层封装嵌入式管芯无线电系统的侧视图。
图101B是根据一些方面的使用屈曲互连部的非模制堆叠式叠层封装嵌入式管芯无线电系统的侧视图,其中,在摄影表示中示出屈曲互连部。
图102是根据一些方面的示例性模制堆叠式叠层封装嵌入式管芯无线电系统的侧视图。
图103是根据一些方面的示例性模制叠层封装嵌入式管芯无线电系统的侧视图。
图104是根据一些方面的使用重分布层(redistribution layer)的叠层封装嵌入式管芯无线电系统的侧视图。
图105是根据一些方面的在模制层中具有凹部以在z方向上获得高度的模制堆叠式叠层封装嵌入式管芯无线电系统的侧视图。
图106是根据一些方面的包括嵌入在模具中以用于EMI屏蔽并且用于热量扩散的机械屏蔽体的模制堆叠式叠层封装嵌入式管芯无线电系统的侧视图。
图107是根据一些方面的具有横向放置的天线或天线阵列的封装无线电系统中的示例性堆叠式超薄系统的透视图。
图108A至图108C示出根据一些方面的示例性嵌入式管芯封装。
图109示出根据一些方面使用的示例性堆叠式环形谐振器(SRR)天线封装小单元的侧视图的框图。
图110示出根据一些方面的可以用在图109的天线封装小单元的一个或多个层中的示例性环形谐振器。
图111示出根据一些方面的可以用在图109的天线封装小单元的一个或多个层中的具有使用不同偏振的多个馈线的示例性环形谐振器。
图112示出根据一些方面的图109的SRR天线的E平面中的示例性电场线。
图113是根据一些方面的图109的SRR天线封装小单元的反射系数和视轴已实现增益的示例性图线表示。
图114示出根据一些方面的使用图109的SRR天线封装小单元的示例性天线阵列的框图。
图115示出根据一些方面的构成图109的示例性SRR天线封装小单元的一组示例性层。
图116示出根据一些方面的图109的SRR天线封装小单元的示例性堆叠的框图。
图117示出根据一些方面的可以用作用于图109的SRR天线封装小单元的馈线的多个示例性带线的框图。
图118A示出根据一些方面的使用多个波导天线的示例性移动设备。
图118B示出根据一些方面的具有波导过渡元件的示例性射频前端模块(RFEM)。
图119A和图119B示出根据一些方面的用于在PCB与波导天线之间进行过渡的示例性波导结构的透视图。
图120A、图120B和图120C示出根据一些方面的图119A-图119B的波导过渡结构的各种截面图。
图121A、图121B和图121C示出根据一些方面的包括示例性阻抗匹配空气腔体的图119A-图119B的波导过渡结构的各种透视图。
图122示出根据一些方面的当经由图119A-图119B的波导过渡结构安装PCB和波导时的空气腔体的另一视图。
图123示出根据一些方面的与空气间隙宽度有关的反射系数值的仿真结果的图线表示。
图124示出根据一些方面的示例性双偏振式天线结构。
图125A至图125C示出根据一些方面的多层PCB上所实现的示例性双偏振式天线结构。
图126示出根据一些方面的图125A至图125C所示的天线结构的仿真的S参数。
图127A和图127B示出根据一些方面的图125A至图125C所示的天线结构的示例性仿真的远场辐射图案。
图128A示出根据一些方面的具有在一种配置中钻出的表面波孔的图125A至图125C的天线结构的顶视图。
图128B示出根据一些方面的具有在另一配置中钻出的表面波孔的图125A至图125C的天线结构的顶视图。
图129示出根据一些方面的示例性双偏振式天线结构的替选实现方式。
图130A示出根据一些方面的图129的天线的顶视图。
图130B和图130C是根据一些方面的图129的天线的透视图。
图131A示出根据一些方面的关于图130A至图130C的天线结构的总辐射效率与频率的关系的仿真。
图131B示出根据一些方面的图130A至图130C所示的类型的示例性4x1天线阵列的顶视图。
图131C是根据一些方面的图131B所示的类型的4x1天线阵列的透视图。
图131D和图131E示出根据一些方面的0°定相的图131B和图131C的4x1天线阵列的示例性仿真辐射图案。
图131F和图131G示出根据一些方面的120°定相的图131B和图131C的4x1天线阵列的示例性仿真辐射图案。
图132示出根据一些方面的图131B和图131C的天线阵列的邻近元件之间的最坏情况耦合的示例性仿真。
图133示出根据一些方面的在0°度定相下的图131B和图131C的4x1天线阵列的包络校正。
图134示出根据一些方面的用于下述极化(polar)仿真辐射图案的坐标系。
图135示出根据一些方面的管芯嵌入在主基板内部,且被屏蔽的表面贴装器件安装在主基板之上的示例性无线电子系统。
图136示出根据一些方面的管芯和表面贴装器件放置在主基板之上,在副基板中的腔体内的示例性无线电子系统。
图137示出根据一些方面的管芯嵌入在主基板内部,且表面贴装器件放置在主基板之上,在副基板中的腔体内的示例性无线电系统封装。
图138A是根据一些方面的管芯嵌入在主基板内部,且表面贴装器件放置在主基板之上,在副基板中的腔体内的示例性无线电系统封装的透视剖视图。
图138B是根据一些方面的示出主基板的底侧的图138A的无线电系统的透视图。
图139是根据一些方面的示出副基板的内部的图138A的无线电系统的透视图。
图140A是根据一些方面的示出用于机械连接或电连接的焊接触点的图138A的无线电系统的局部透视顶视图。
图140B是根据一些方面的示出被配置在副基板上的焊接触点以匹配图140A的焊接触点的图138A的无线电系统的局部透视图。
图141A示出根据一方面的包括附接到PCB的表面组件的示例性单元件边射(edge-fire)天线。
图141B示出根据一方面的图141A的单元件天线的放置方式和材料细节。
图141C示出根据一方面的图141A和图141B所示的单元件天线的端视图。
图141D示出根据一方面的包括图141A和图141B所示的类型的天线元件的示例性四天线元件阵列。
图142示出根据一方面的关于延伸式介电体的两个不同长度的图141A和图141B所示的天线的带宽。
图143示出根据一方面的图141A和图141B所示的天线的频率范围上的总效率。
图144示出根据一方面的大于图143所示的频率范围的频率范围上的图141A和图141B所示的天线的总效率。
图145示出根据一方面的用于图141A和图141B所示的天线的频率范围上的最大实现增益。
图146示出根据一方面的用于图141A和图141B所示的天线的另一频率范围上的最大实现增益。
图147示出根据一方面的图141D所示的天线阵列的两个邻近天线元件之间的示例性隔离度。
图148A示出根据一方面的对于第一延伸式介电体长度的图141A和图141B所示的天线元件在给定频率下的示例性三维辐射图案。
图148B示出根据一方面的对于第二延伸式介电体长度的图141A和图141B所示的天线元件在给定频率下的示例性三维辐射图案。
图148C示出根据一方面的图141D所示的四元件天线阵列在给定频率下的示例性三维辐射图案,其中,每个天线元件具有第一延伸式介电体长度。
图148D示出根据一方面的图141D所示的四阵列天线元件在给定频率下的示例性三维辐射图案,其中,每个天线元件具有第二延伸式介电体长度。
图149示出根据一方面的图141A和图141B所示的天线元件在给定频率下的示例性E平面共面偏振辐射图案。
图150示出根据一方面的图141A和图141B所示的天线在给定频率下的示例性E平面交叉偏振辐射图案。
图151示出根据一方面的图141A和图141B所示的天线在给定频率下的示例性H平面共面偏振辐射图案。
图152示出根据一方面的图141A和图141B所示的天线在给定频率下的示例性H平面交叉偏振辐射图案。
图153A示出根据一方面的与图141A和图141B所示的天线相似的示例性天线元件,其中表面组件的一部分与PCB合并。
图153B示出根据一方面的具有示出垂直偏振和水平偏振馈电点的附加细节的图153A所示的天线元件。
图154A示出根据一方面的在PCB的两侧上包括两个表面组件的与图141A和图141B所示的天线相似的示例性天线元件。
图154B示出根据一方面的包括馈线的特写视图的附加细节的图154A所示的天线元件。
图155A是根据一方面的在将小的表面组件和主PCB焊接在一起之后的图153B的双偏振天线的透视图。
图155B示出根据一方面的探究与主PCB合并的表面组件的图155A所示的天线元件的透明视图。
图155C示出根据一方面的带附加细节的图155A所示的天线元件的前视图。
图155D示出根据一方面的图155A所示的天线元件的侧视图。
图156A示出根据一方面的用于图155A所示的天线元件的双偏振的回波损耗S参数。
图156B示出根据一些方面的具有用于图155A所示的天线元件的垂直馈电的示例性3D辐射图案。
图156C示出根据一些方面的具有用于图155A所示的天线元件的水平馈电的3D辐射图案。
图157A示出根据一方面的用于图155A所示的天线的垂直偏振馈电E平面辐射图案。
图157B示出根据一方面的用于图155A所示的天线元件的水平偏振馈电H平面辐射图案。
图158示出根据一些方面的关于图155A的天线的水平馈电E平面图案的示例性实现增益。
图159A示出根据一些方面的具有正交的垂直和水平激励的示例性天线元件。
图159B示出根据一些方面的具有+45度和-45度激励的示例性天线元件。
图160A示出根据一些方面的通过对于图159B的天线的两个端口使用同相激励获得垂直(V)偏振。
图160B示出根据一些方面的通过在图159B的天线的端口处使用一百八十度异相激励获得水平(H)偏振。
图161A示出根据一些方面的具有垂直和水平激励端口的图159A的天线元件。
图161B示出根据一些方面的关于图161A的天线元件的示例性仿真辐射图案结果。
图162A示出根据一些方面的使用正交激励的天线元件的示例性4x4阵列示意图。
图162B示出根据一些方面的关于具有双偏振天线元件的图162A的4x4阵列的示例性仿真辐射图案结果。
图162C示出根据一些方面的关于用于图162A的阵列的+45度扫描角度激励的示例性仿真辐射图案结果。
图163A示出根据一些方面的反相配置中的示例性双偏振式差分4端口贴片天线。
图163B示出根据一些方面的侧视图中的图163A的天线配置。
图163C示出根据一些方面的包括用于图162A和图162B的天线配置的等级L1-L6的示例性层叠式结构堆叠。
图163D示出根据一些方面的示例性贴片天线极性。
图163E示出根据一些方面的交叉偏振等级的示例性抑制。
图164示出根据一些方面的关于图163A至图163C的4端口天线配置方面的示例性仿真辐射图案结果。
图165A示出根据一些方面的具有从馈电源到四个端口中的每一个的馈线的示例性4端口激励天线拓扑。
图165B示出根据一些方面的具有叠加在馈线上的堆叠式贴片天线的驱动贴片的图165A的4端口配置中的馈线。
图165C示出关于图165B的方面的示例性12等级堆叠。
图166A示出根据一些方面的使用与馈电网络集成的4端口元件的示例性4x4天线阵列示意图。
图166B和图166C示出根据一些方面的关于图166A的4端口天线阵列的示例性仿真辐射图案结果。
图167A示出根据一些方面的使用2端口双偏振式天线元件的示例性阵列配置。
图167B和图167C示出根据一些方面的关于图167A的天线阵列的示例性仿真辐射图案结果。
图168A示出根据一些方面的使用2端口双偏振式天线元件的另一示例性阵列配置。
图168B和图168C示出根据一些方面的关于图168A的辐射图案的示例性仿真结果。
图169示出根据一些方面的具有用于车辆到万物(V2X)通信的多个天线阵列的示例性杆装式(mast-mounted)mmWave天线块。
图170示出根据一些方面的与单个演进节点B(eNB)进行通信的毫米波天线阵列中的示例性波束转向和天线切换。
图171示出根据一些方面的与多个eNB进行通信的毫米波天线阵列中的示例性波束转向和天线切换。
图172示出根据一些方面的使用具有多个天线阵列的天线块与多个设备的示例性同时毫米波通信。
图173示出根据一些方面的可以用于包括多个天线阵列的天线块进行毫米波通信的多个示例性波束。
图174是根据一些方面的使用图169的具有多个天线阵列的天线块的示例性毫米波通信设备的框图。
图175A是根据一些方面的移动电话中所配置的示例性过孔天线阵列的说明。
图175B是根据一些方面的膝上型设备中所配置的示例性过孔天线阵列的说明。
图175C是根据一些方面的主板PCB上所配置的示例性过孔天线阵列的说明。
图176A是根据一些方面的多层PCB中的示例性过孔天线的截面图。
图176B是根据一些方面的示例性过孔天线的透视图。
图177A是根据一些方面的在内部从PCB的顶部看的示例性PCB过孔天线的说明。
图177B是根据一些方面的从PCB的底部看的示例性PCB过孔天线的说明。
图178A是根据一些方面的示例性过孔天线阵列的顶视图。
图178B是根据一些方面的用于过孔天线的示例性垂直馈电部的说明。
图178C是根据一些方面的用于过孔天线的示例性水平馈电部的说明。
图179A是根据一些方面的被配置作为偶极过孔天线的示例性背对背过孔的透视图。
图179B是根据一些方面的示出PCB层叠层的被配置作为偶极过孔天线的示例性背对背过孔的透视图。
图180是根据一些方面的关于图179A和图179B的偶极过孔天线配置的天线回波损耗的图线。
图181A是根据一些方面的使用Ludwig定义在27.5GHz的频率处关于图179A和图179B的偶极过孔天线配置的仿真远场共面辐射图案。
图181B是根据一些方面的使用Ludwig定义在28GHz的频率处关于图179A和图179B的偶极过孔天线配置的示例性仿真远场共面辐射图案。
图181C是根据一些方面的使用Ludwig定义在29.5GHz的频率处关于图179A和图179B的偶极过孔天线配置的示例性仿真远场共面辐射图案。
图182是根据一些方面的关于5G技术用于在28GHZ下操作的示例性双元件过孔天线阵列设计。
图183是根据一些方面的关于图182的双元件过孔天线阵列设计的天线回波损耗的仿真图线。
图184A是根据一些方面的操作在27.5GHz的频率处的图182的双元件过孔阵列的仿真辐射图案。
图184B是根据一些方面的操作在29.5GHz的频率处的图182的双元件过孔阵列的仿真辐射图案。
图185是根据一些方面的PCB中所设计的示例性过孔天线的透视图。
图186A是根据一些方面的图185的过孔天线的地平面的底视图。
图186B示出根据一些方面的图185的过孔天线的侧视图。
图186C是根据一些方面的图185的过孔天线的透视图。
图187是根据一些方面的关于图185的过孔天线的示例性过孔天线回波损耗的仿真图线。
图188是根据一些方面的在PCB中在示例性过孔天线周围钻出以降低表面波传播的空气孔的说明。
图189A至图189C示出根据一些方面的用于3D锥形天线的示例性修正地平面的组件。
图189D示出具有各种有瑕疵的地平面的示例性锥形天线。
图190A至图190C示出根据一些方面的具有不同类型的地平面的锥形形状的单极天线结构的示例性。
图191A和图191B示出根据一些方面的图190A至图190C的天线结构之间的辐射图案比较。
图192A和图192B是根据一些方面的图190A至图190C的天线结构中的一些的更详细说明。
图193A和图193B示出根据一些方面的图190A至图190C的示例性3D天线结构的顶视图和底视图。
图194是根据一些方面的图192A和图192B的天线的回波损耗之间的图线比较。
图195A至图195C示出根据一些方面的关于190A至190C的地结构的E场分布。
图196A至图196C示出根据一些方面的没有以及具有修正地平面的示例性五元件锥形天线阵列。
图197A和图197B示出根据一些方面的没有以及具有修正地平面的交叉偏振辐射图案比较。
图198A和图198B示出根据一些方面的地平面对天线辐射的影响。
图199示出根据一些方面的关于具有修正地平面的示例性天线阵列的回波损耗的比较和隔离度比较。
图200示出根据一些方面的用于示例性无修正的大天线阵列的天线元件之间的回波损耗和隔离度的比较。
图201A至图201C示出根据一些方面的可以用于3D天线的具有槽式修正地平面的示例性PCB。
图202示出在开关模式和分离模式下进行操作的示例性接收机的框图。
图203示出根据一些方面的使用分段式低噪声放大器(LNA)和分段式混频器的示例性接收机的框图。
图204示出根据一些方面的使用在分离模式下进行操作以处理连续载波聚合信号的分段式低噪声放大器(LNA)和分段式混频器的示例性接收机的框图。
图205示出根据一些方面的信号在LNA输入处分离的使用开关模式下进行操作的分段式LNA和分段式混频器的示例性接收机的框图。
图206示出根据一些方面的信号在LNA输入处分离的使用分离模式下进行操作的分段式LNA和分段式混频器的示例性接收机的框图。
图207示出根据一些方面的示例性本地振荡器(LO)信号生成电路的框图。
图208示出根据一些方面的信号在LNA输出处分离的使用开关模式下进行操作的分段式输出LNA和分段式混频器的示例性接收机的框图。
图209示出根据一些方面的信号在LNA输出处分离的使用分离模式下进行操作的分段式输出LNA和分段式混频器的示例性接收机的框图。
图210示出根据一些方面的用于在开关模式下进行操作的接收机的示例性LO分配方案。
图211示出根据一些方面的用于在分离模式下进行操作的接收机的示例性LO分配方案。
图212是根据一些方面的使用连接器的非模制堆叠式叠层封装嵌入式管芯无线电系统的侧视图。
图213是根据一些方面的示例性模制堆叠式叠层封装嵌入式管芯无线电系统的侧视图。
图214是根据一些方面的示例性模制叠层封装嵌入式管芯无线电系统的侧视图。
图215示出根据一些方面的具有RF前端的单机组件的示例性计算平台的截面。
图216示出根据一些方面的具有层叠或基板内的RF前端的集成组件的示例性计算平台的截面。
图217示出根据一些方面的层叠/基板中部分地实现的示例性智能设备或示例性计算机系统或SoC(片上系统)。
图218示出根据一些方面的使用管芯与天线之间配置的超薄组件的示例性模制叠层封装嵌入式管芯无线电系统的侧视图。
图219是根据一些方面的具有一个堆叠在另一个上的三个封装件的模制堆叠式叠层封装嵌入式管芯无线电系统的侧视图。
图220是根据一些方面的用于5G和WiGig的示例性mmWave RF架构的高级框图。
图221示出根据一些方面的用于5G和WiGig的示例性mmWave RF架构的频率转换规划。
图221A是根据一些方面的用于5G 40GHz频段的频率分配的示意图。
图221B示出根据一些方面的用于在未使用的5G频段上偏移两个频段流中的第二频段流的示例性综合器源。
图221C示出根据一些方面的作为频率的函数的相位噪声功率。
图222示出根据一些方面的40GHZ频段中的用于5G的示例性发射机上变频频率方案。
图223示出根据一些方面的30GHZ频段中的用于5G的示例性发射机上变频频率方案。
图224A示出根据一些方面的示例性基带集成电路(BBIC)框图的第一区段。
图224B示出根据一些方面的示例性基带集成电路(BBIC)框图的第二区段。
图225是根据一些方面的示例性详细射频集成电路(RFIC)框图。
图226A和图226B是根据一些方面的示例性mmWave和5G通信系统的框图。
图227示出根据一些方面的用于在各个信道选项上进行扫描的射频(RF)、中频(IF)和振荡器(LO)频率的示意性分配。
图228示出根据一些方面的示例性固定LO发射机上变频方案。
图229示出根据一些方面的包括用固定LO进行第一变频,然而用变化LO进行第二变频的示例性无线电系统中的双变频。
图230示出根据一些方面的数字到时间转换器(DTC)结构。
图231示出根据一些方面的开环校准的DTC架构。
图232A示出根据一些方面的用于增加时钟频率的DTC的时间交织;图232B示出根据一些方面的图232A的时钟信号。
图233示出根据一些方面的具有脉冲整形的串行注入锁定振荡器。
图234示出根据一些方面的提供mmWave频率信号的方法。
图235示出根据一些方面的接收机。
图236示出根据一些方面的前馈均衡器(FFE)的基本实现方式。
图237A和图237B示出根据一些方面的FFE。
图238示出根据一些方面的提供模拟信号均衡的方法。
图239A和图239B示出根据一些方面的可重配置的判决反馈均衡器(DFE)的配置。
图240A和图240B示出根据一些方面的可重配置的DFE的选择器/D翻转触发器(DFF)组合配置。
图241是根据一些方面的配置DFE的方法。
图242示出根据一些方面的mmWave架构。
图243示出根据一些方面的发射机混合波束赋形架构。
图244示出根据一些方面的通信速率的仿真。
图245示出根据一些方面的信噪比(SNR)的仿真。
图246示出根据一些方面的传递波束赋形的mmWave信号的方法。
图247A和图247B示出根据一些方面的收发机结构。
图248A和图248B示出根据一些方面的收发机结构。
图249示出根据一些方面的自适应分辨率模数转换器(ADC)功率消耗。
图250示出根据一些方面的误比特率(BER)性能。
图251示出根据一些方面的传递波束赋形的mmWave信号的方法。
图252A和图252B示出根据一些方面的收发机结构。
图253示出根据一些方面的阵列结构。
图254示出根据一些方面的栅瓣(grating lobe)的仿真。
图255示出根据一些方面的最优相位值的仿真。
图256示出根据一些方面的最优相位值的另一仿真。
图257示出根据一些方面的用于移相器的处理。
图258示出根据一些方面的相位值确定。
图259示出根据一些方面的性能比较。
图260示出根据一些方面的另一性能比较。
图261示出根据一些方面的提供通信设备中的波束转向的方法。
图262A和图262B示出根据一些方面的电荷泵的方面。
图263示出根据一些方面的电荷泵的方面。
图264A示出根据一些方面的电荷泵的输出部段的简化方案。图264B示出根据一些方面的电荷泵的信号的定时图。
图265A至图265C示出根据一些方面的电荷泵的操作。
图266A至图266C示出根据一些方面的电荷泵的操作的概要。
图267示出根据一些方面的在电荷泵中注入电荷的方法。
图268示出根据一些方面的接收机架构。
图269示出根据一些方面的接收机的滤波器特性。
图270示出根据一些方面的接收机的BER性能。
图271示出根据一些方面的不同接收机架构。
图272示出根据一些方面的在接收机中补偿干扰源的方法。
图273A和图273B示出根据一些方面的干扰。
图274示出根据一些方面的接收机架构。
图275示出根据一些方面的过采样信号。
图276A和图276B示出根据一些方面的接收机的滤波器特性。
图277示出根据一些方面的波束赋形图案。
图278示出根据一些方面的BER性能。
图279示出根据一些方面的减少接收机中的量化器动态范围的方法。
图280示出根据一些方面的ADC系统(ADCS)。
图281A和图281B示出根据一些方面的ADCS的不同操作模式。
图282示出根据一些方面的核心ADC平均化。
图283示出根据一些方面的平均化系统的分辨率改进。
图284示出根据一些方面的提供灵活ADC架构的方法。
图285示出根据一些方面的接收机架构。
图286示出根据一些方面的空间响应的仿真。
图287示出根据一些方面的BER的仿真。
图288示出根据一些方面的干扰抑制的仿真。
图289示出根据一些方面的减少接收机中的量化器动态范围的方法。
图290是可以在本文中利用的并且在一些方面中使用M个并行低速ADC通道实现高速变频的根据一些方面的时间交织式模数转换器(TI-ADC)的示例的框图。
图291是示出所有通道如何根据示例TI-ADC操作于具有M个均匀间隔的相位的相同采样频率F S (或其倒数T S ,示出于图291中)的定时图29100。
图292是示出根据本文公开的示例的具有环回设计的收发机29200的示例的框图。
图293是示出根据本文公开的示例的处理的流程图。
图294是根据一些方面的示例TI-ADC的框图。
图295是根据一些方面的实现高速变频的TI-ADC架构的示例的框图。
图296是示出根据一些方面的所有通道如何操作于具有M个均匀间隔的相位的相同采样频率F S (或其倒数T S ,示出于图296中)的定时图。
图297是示出根据一些方面的用于应用增益校正的处理的示例实现方式的流程图。
图298是示出根据一些方面的AM/AM(输入幅度与输出幅度)的PA特性曲线的示例的图线。
图299是示出根据一些方面的AM/PM(输入幅度与输出相位变化)的PA特性曲线的示例的图线。
图300是根据本公开的示例性方面的用于相控阵列发射机的部段的增益模型的示例的框图。
图301是根据本公开的示例性方面的上述发射机模型可以表示的可切换收发机部段的示例的框图。
图302基本上是根据本公开的示例性方面的图301所示的收发机部段的复制收发机部段,但在接收配置中抛掷开关。
图303A和图303B是根据本公开的示例性方面的可以包含收发机部段的总体收发机示例的框图的部分。
图304是示出根据本公开的示例性方面的与外部相控阵列收发机(EPAT)进行通信的相控阵列收发机的框图。
图305是示出根据本公开的示例性方面的可以由收发机使用的处理的示例的流程图。
图306是示出根据本公开的示例性方面的可以由收发机使用的处理的另一示例的流程图。
图307A和图307B是根据一些方面的总体分布式相控阵列收发机系统的示例的框图的部分。
图308是根据一些方面的接收机功率放大器的框图。
图309是根据一些方面的关于给定的自动增益控制(AGC)增益设置绘制EVM与接收功率的关系的图线。
图310是根据一些方面的包括关于多个AGC增益设置的EVM与接收功率关系曲线的图线,其中,AGC增益设置具有彼此重叠的程度。
图311是示出根据一些方面的用于激活特定AGC增益设置的最优阈值的图线。
图312是示出根据一些方面的可以利用以确定最优阈值的示例处理的流程图。
图313是根据一些方面的射频(RF)相控阵列系统的示意性框图。
图314是示出根据一些方面的称为本地振荡器(LO)相控阵列系统的相控阵列无线电收发机的另一拓扑的示意性框图。
图315是示出对于根据一些方面的并且称为数字相控阵列系统的相控阵列无线电收发机设计的第三替选的示意性框图。
图316是根据一些方面的SPARTA阵列的示例小单元元件的框图。
图317是示出根据一些方面的平铺式SPARTA小单元的框图。
图318和图319是根据一些方面的晶圆切割的实物图。
图320是根据一些方面的可以进行晶圆加工并且与天线阵列组合的组合式SPARTA阵列的实物说明。
图321是示出根据一些方面的可以用于数字相位阵列平铺化的SPARTA小单元(其可以是SPARTA小单元的实现方式)的框图。
图322是示出根据一些方面的LO相位组合模式下的相邻小单元之间的LO相控阵列管道化的框图。
图323是根据一些方面的示出使用LO相位阵列的SPARTA小单元平铺化并且示出有源数据转换器ADC的框图。
图324是示出根据一些方面的混合模式下的SPARTA阵列的框图,其中,每个行在LO移相中平铺化并且共享单个ADC。
图325是示出根据一些方面的用于模拟相控阵列组合操作模式的相邻小单元之间的模拟相控阵列组合的管道化的框图。
图326是根据一些方面的用于基于注入锁定(IL)的相位调制电路的组件的示意图,其利用传统锁定振荡器的相移特性。
图327是示出根据一些方面的在仍锁定到注入频率的同时输出相位和幅度如何随着振荡器的中心频率相对于锁定频率改变而改变的图线。
图328是示出根据一些方面的具有通过用作为数据输入的基带调制比特控制cap-DAC生成的相位的两个符号的定时图线。
图329是根据一些方面的用于关于载波频率使用级联式亚谐波注入锁定架构的具有完全360°相位调制的基于IL的相位调制电路的框图。
图330是示出根据一些方面的元件1和2按两个不同偏移馈电相同基带数据信号(“11”、“00”)的基于真实时间延迟的波束赋形的组合图线。
图331是示出根据一些方面的实现将基于谐波IL的相位调制与真实时间延迟波束赋形组合的四元件相控阵列发射机的示例架构的示意性框图。
图332是根据一些方面的示出在载波频率的1/3处进行操作时的注入锁定振荡器的示例的用于基于IL的相位调制电路的框图。
图333是根据一些方面的示出在载波频率的1/2处进行操作时的注入锁定振荡器的示例的用于基于IL的相位调制电路的框图。
图334是根据一些方面的示出具有作为示出可能的I/Q值的星座图映射的图形的正交相移键控(QPSK)(基于PAM2-有线的)调制(每符号两个比特)的实物图。
图335是根据一些方面的示出具有作为示出可能的I/Q值的星座图映射的图形的16-QAM(基于PAM4-有线的)调制(每符号四个比特)的实物图。
图336是根据一些方面的用于PAM2(QPSK)调制的设计的实物图。
图337是根据一些方面的所提供的数据和误差值的表。
图338是示出根据一些方面的使用Z的均衡和第一表的图线。
图339是示出根据一些方面的除了正3值以上和负3值以下之外误差值全是负1的第二构思的表。
图340是根据一些方面的使用第二表的Z函数的图线。
图341是根据一些方面的用于有线的典型波特率CDR环路的示意性框图。
图342是根据一些方面的具有同相(I)和正交(Q)输入二者的新颖无线CDR环路的示意性框图。
图343是根据一些方面的包含可以用于图342的设计中的模式的各种模式值的表。
图344A是根据一些方面的在接收到的信号的幅度在接收机的操作期间变化的情况下可以在接收机处实现的AGC电路的示意性框图。
图344B是根据一些方面的在接收到的信号的幅度在接收机的操作期间变化的情况下可以在接收机处实现的示例AGC处理的流程图。
图345是根据一些方面的示出用于单天线接收机系统中的接收机信号的I/Q分量中的每一个中的具有b=log 2 (2n)个比特的低分辨率ADC的量化箱(bin)的正交编码的星座图图线。
图346是根据一些方面的用于示出3比特ADC的量化区域的正交编码的星座图图线。
图347是示出根据一些方面的在仅r 1 和r 5 单调增加和降低的情况下的条件概率分布的图线。
图348是示出根据一些方面的条件概率分布的导数的图线。
图349是示出根据一些方面的与经典平均功率确定相比的所提出的功率估计算法的估计性能的示例的图线。
图350是示出根据一些方面的新颖算法的时延的图线。
图351是根据一些方面的比较归一化均方差(MSE)的图线。
图352是示出根据一些方面的具有均匀45°相位噪声的均方差(MSE)的图线。
图353是示出根据一些方面的具有数字处理器的MIMO接收机的示例的示意性框图。
图354是示出根据一些方面的具有N个相同收发机片段和N个天线元件的波束赋形电路的示例的框图。
图355是根据一些方面的在当天线阵列增益保持恒定时的情况下绘制天线处的SNDR与输入功率关系的图线。
图356是根据一些方面的在当天线阵列增益变化以使得能够进行增益控制时的情况下绘制天线处的SNDR与输入功率关系的图线。
图357是示出根据一些方面的所辐射的功率和相对电流耗尽与天线阵列中的有源元件的数量关系的图线。
图358是根据一些方面的示出关于Rx的操作条件折衷的图线。
图359是根据一些方面的示出关于Tx的操作条件折衷的图线。
图360是根据一些方面的示出可以使用的接收处理的示例的流程图。
图361是根据一些方面的示出可以使用的发送处理的示例的流程图。
图362是根据一些方面的DAC架构的示意图。
图363是根据本文描述的设备的一个实现方式的层级式地结构化的示意图。
图364是根据一些方面的包括示出当发送天线和接收天线对准(即,平行)时的共面偏振和交叉偏振的一对图线的组合实物图表示图。
图365是根据一些方面的包括示出当发送天线和接收天线失准(即,不平行)时的共面偏振和交叉偏振的一对图线的组合实物图表示图。
图366是根据一些方面的使用MSFFPE设计的接收机的示例。
图367是示出传统求和器的电路图。
图368是示出根据一些方面的积分DFE求和器的电路图,其中突出了有关差异。
图369是根据一些方面的提供关于DFE求和器设计的更多细节的示意图。
图370是根据一些方面的示出关于求和放大器输出信号和强臂-1信号的时钟信号的与DFE求和器设计有关的图线。
图371是根据一些示范性方面的RF设备的框图的示意性说明。
图372是根据一些示范性方面的RF设备的框图的示意性说明。
图373是根据一些示范性方面的双向放大器电路的示意性说明。
图374是根据一些示范性方面的双向放大器电路的示意性说明。
图375是根据一些示范性方面的双向放大器电路的示意性说明。
图376是根据一些示范性方面的包括有源双向分离器和组合器(ABDSC)的级联拓扑的收发机的框图的示意性说明。
图377是根据一些示范性方面的ABDSC的共源拓扑的电路图的示意性说明。
图378是根据一些示范性方面的ABDSC的共栅拓扑的示意性说明。
图379是根据一些示范性方面的ABDSC的共栅/共源(CS/CG)拓扑的示意性说明。
图380是根据一些示范性方面的发射机的架构的框图的示意性说明。
图381A是根据一些示范性方面的堆叠式栅极控制放大器的电子电路的示意性说明。
图381B是根据一些示范性方面的堆叠式栅极控制放大器的电子电路的示意性说明。
图382是根据一些示范性方面的包括堆叠式栅极调制数字功率放大器(PA)的发射机的框图的示意性说明。
图383A和图383B是根据一些示范性方面的多等级高速眼图的动态实现的示意性说明。
图384A和图384B描述根据一些示范性方面的与输入串行开关放大器对应的性能改进图线(图384A)和功率减少图线(图384B)。
图385A和图385B描述根据一些示范性方面的与N位数字PA对应的幅度分辨率图线(图385A)和功率效率图线(图385B)。
图386描述根据一些示范性方面的在其之前具有驱动器放大器的堆叠式栅极控制放大器的漏极效率与功率饱和关系。
图387是根据一些示范性方面的发射机的框图的示意性说明。
图388是根据一些示范性方面的可以采用亚四分之一波长(SQWL)巴伦的两级Doherty放大器的框图的示意性说明。
图389是根据一些示范性方面的收发机的框图的示意性说明。
图390是根据一些示范性方面的发射机的框图的示意性说明。
图391是根据一些示范性方面的采用SQWL巴伦作为负载的异相放大器的框图的示意性说明。
图392是根据一些示范性方面的收发机的框图的示意性说明。
图393是根据一些示范性方面的移相电路的电子电路规划的示意性说明。
图394是根据一些示范性方面的星座图点映射的第一象限的示意性说明。
图395是描绘根据一些示范性方面的星座图点与理想移相星座图点关系的增益变化的图线的示意性说明。
图396是根据一些示范性方面的收发机的框图的示意性说明。
图397是根据一些示范性方面的收发机的框图的示意性说明。
图398是根据一些示范性方面的正交本地振荡器(LO)生成器的示意性说明。
图399是根据一些示范性方面的无源正交LO生成器的示意性说明。
图400是根据一些示范性方面的发射机的框图的示意性说明。
图401是根据一些示范性方面的可以实现的与多个信道带宽对应的多个信道的频段规划的示意性说明。
图402是描述根据一些示范性方面的低频段放大器和高频段放大器的增益响应的图线的示意性说明。
图403是根据一些示范性方面的变换器的示意性说明。
图404是根据一些示范性方面的无线通信装置的框图的示意性说明。
图405是根据一些示范性方面的阻抗匹配开关的示意性说明。
图406是根据一些示范性方面的收发机的框图的示意性说明。
图407是根据一些示范性方面的半双工收发机的框图的示意性说明。
图408是根据一些示范性方面的双向混频器的示意性说明。
图409A示出根据本公开的一些方面的相控阵列收发机。
图409B示出根据本公开的一些方面的具有原始减少的覆盖角度的天线阵列。
图409C示出根据本公开的一些方面的结合相控阵列天线使用以偏转所辐射的波束并且扩展覆盖角度的透镜。
图409D示出根据本公开的一些方面的结合相控阵列天线使用以偏转所辐射的波束并且扩展覆盖角度的凹反射器。
图410示出根据本公开的一些方面的结合第一配置中的印制反射器使用的多个相控阵列。
图411示出根据本公开的一些方面的结合第一配置中的Cassegrain天线使用的多个相控阵列。
图412示出根据本公开的一些方面的结合第二配置中的印制反射器使用的多个相控阵列。
图413示出根据本公开的一些方面的结合第二配置中的Cassegrain天线使用的多个相控阵列。
图414示出根据本公开的一些方面的结合第三配置中的印制反射器使用的多个相控阵列。
图415示出根据本公开的一些方面的结合第三配置中的Cassegrain天线使用的多个相控阵列。
图416示出根据本公开的一些方面的源自结合反射天线使用的多个相控阵列的扇区化的顶视图。
图417示出根据本公开的一些方面的扇区化的扫描区域的每个扇区中的扫描。
图418示出根据本公开的一些方面的天线可以嵌入在用户设备内的封装。
图419示出根据本公开的一些方面的图418的封装中实施的1x4偶极阵列的已实现增益的图线。
图420示出根据本公开的一些方面的与图419的图线关联的辐射图案。
图421示出根据本公开的一些方面的作为用于堆叠式贴片天线的天线地平面和反射器的集成电路(IC)屏蔽体的使用。
图422示出根据本公开的一些方面的示出非对称过孔馈电机构的图421所示的单极天线的侧视图。
图422A-图422C示出根据本公开的一些方面的图421所示的单极天线的特定尺寸。
图423示出根据本公开的一些方面的具有移动平台的天线阵列配置中的图421和图422的单极天线的贴片元件。
图424A示出根据本公开的一些方面的具有将偶极天线通过单极过渡到偶极的表面贴装器件(SMD)天线的偶极天线。
图424B是根据本公开的一些方面的图424A的天线的偶极部段的透视图。
图424C示出根据本公开的一些方面的单极天线的组合式偶极。
图424D示出根据本公开的一些方面的图424A的天线的单极部分的透视图。
图424E是根据本公开的一些方面的图424A和图424D的天线的侧视图。
图425示出根据本公开的一些方面的图424A的天线的辐射图案。
图426A示出图424A的天线的辐射图案的仰角切割。
图426B示出根据本公开的一些方面的图424B的天线的辐射图案。
图427A示出根据本公开的一些方面的具有用作反射器的IC屏蔽体的SMD L形偶极的侧视图。
图427B示出根据本公开的一些方面的图427A所示的具有用作反射器的IC屏蔽体的SMD L形偶极的透视图。
图428示出根据一方面的四个SMD L形偶极的阵列的透视图。
图429A示出根据本公开的一些方面的具有场抵消的用于垂直偏振的图428的阵列。
图429B示出根据本公开的一些方面的具有场相加的用于垂直偏振的图428的阵列。
图430A示出根据本公开的一些方面的具有场相加的用于水平偏振的图428的阵列。
图430B示出根据本公开的一些方面的具有场抵消的用于水平偏振的图428的阵列。
图431示出根据本公开的一些方面的用于垂直(theta)偏振的三维辐射图案。
图432示出根据本公开的一些方面的用于水平(phi)偏振的三维辐射图案。
图433示出根据本公开的一些方面的单个SMD单极天线。
图434示出根据本公开的一些方面的三维辐射图案。
图435示出根据本公开的一些方面的单个单极的阻抗绘图。
图436示出根据本公开的一些方面的单个单极随频率的回波损耗。
图437示出根据本公开的一些方面的来自单个单极的X-Z平面中的所实现的垂直偏振(θ)增益。
图438示出根据本公开的一些方面的来自单个单极的按大于端射的15°的频率上的所实现的垂直偏振(θ)增益。
图439示出根据本公开的一些方面的双元件单极和双元件偶极阵列。
图440示出根据本公开的一些方面的60GHz处的图439的双偶极阵列的三维辐射图案。
图441示出根据本公开的一些方面的距图439的双偶极阵列的端射方向上的随频率所实现的水平极性增益。
图442示出根据本公开的一些方面的60GHz处的图439的双单极阵列的三维辐射图案。
图443示出根据本公开的一些方面的所实现的垂直极性(θ)。
图444示出根据本公开的一些方面的单贴片、双馈电、双偏振垂直SMD贴片天线。
图445示出根据本公开的一些方面的堆叠式贴片、单馈电、单偏振垂直SMD贴片天线。
图446示出根据本公开的一些方面的水平SMD贴片天线。
图447示出根据本公开的使用交叉影线图案的垂直SMD贴片天线。
图448示出根据本公开的一些方面的具有圆形偏振的SMD螺旋天线。
图449示出根据本公开的一些方面的SMD内的螺旋天线的实现方式。
图450示出根据本公开的一些方面的将辐射耦合到机壳上的导向器。
图451A是根据本公开的一些方面的形成天线的IC屏蔽体壁切除部的透视图。
图451B是根据本公开的一些方面的包括图451A所示的天线的壁切除部的侧视图。
图451C是根据本公开的一些方面的具有包括天线阵列的天线元件的壁切除部和顶部切除部的IC屏蔽体的透视图。
图451D是根据本公开的一些方面的具有包括天线阵列的天线元件的第一壁切除部和第二壁切除部的IC屏蔽体的透视图。
图452A示出根据本公开的一些方面的包括用于单偏振设计的发送/接收(TR)开关的贴片天线和RF馈线连接。
图452B示出根据本公开的一些方面的包括用于双偏振设计的TR开关的贴片天线和RF馈线连接。
图452C示出根据本公开的一些方面的具有用于与TX馈线匹配点相比稍微偏移到一侧的RX馈线匹配点的天线馈线的单偏振设计中的贴片天线。
图452D示出根据本公开的一些方面的具有关于两种偏振用于与TX馈线匹配点相比稍微偏移到一侧的RX馈线匹配点的天线馈线的双偏振设计中的贴片天线。
图453A示出根据本公开的一些方面的直接连接到天线馈线匹配点的TX馈线和RX馈线的单偏振实现方式。
图453B示出根据本公开的一些方面的直接连接到天线馈线匹配点的水平偏振TX馈线和RX馈线以及垂直偏振TX馈线和RX馈线的双偏振实现方式。
图454A示出根据本公开的一些方面的IC屏蔽体。
图454B示出根据本公开的一些方面的具有凸起部或延伸部以增强天线增益和分集的IC屏蔽体。
图454C示出根据本公开的一些方面的具有IC屏蔽体以改进偶极天线元件的阵列的增益的折叠延伸部的使用。
图454D示出根据本公开的一些方面的因凸起部而产生在屏蔽体结构中的孔。
图454E是根据本公开的一些方面的图454D的凸起部和孔的特写透视图。
图455是根据本公开的一些方面的具有屏蔽体反射器的组合式贴片天线和偶极天线阵列的顶视图。
图456是根据本公开的一些方面的图455的天线阵列的侧视图。
图457是根据本公开的一些方面的用于贴片阵列以旁路用户设备中的大阻碍部的内插器的透视图。
图458A是根据本公开的一些方面的示出IC屏蔽体罩盖的图457的内插器的透视图。
图458B是根据本公开的一些方面的具有按负九十(-90)度示出的端射方向的用于图458A的偶极天线阵列的辐射图案的俯视图。
图459示出根据本公开的一些方面的在各个方向上作为内插器的高度的函数的图457和图458A的贴片天线阵列的已实现增益。
图460A是根据本公开的一些方面的用于双带、双偏振操作的组合式贴片和缝隙天线的透视图。
图460B是根据本公开的一些方面的图460A的组合式贴片和缝隙天线的侧视图。
图461A是根据本公开的一些方面的片上天线(AOC)的分解图。
图461B是根据本公开的一些方面的包括图461A的AOC的天线的底视图。
图461C是根据本公开的一些方面的图461A的AOC的侧视图。
图462是包括用于本公开的一些方面的尺寸的图461A的AOC的另一底视图。
图463是根据本公开的一些方面的关于图461A-图461C和图462的片上天线的辐射图案。
图464A示出根据本公开的一些方面的用于叠层封装实现方式中的嵌入式管芯的AOC的另一视图。
图464B是根据本公开的一些方面的作为硅的高度除以贴片的高度的函数的辐射效率的说明。
图464C是根据本公开的一些方面的作为硅的高度除以贴片的高度的函数的以dBi为单位的已实现增益的说明。
图465是根据本公开的一些方面的象征性地示出芯片概览并且包括芯片上的天线和电路的关系的AOC的另一说明。
图466示出根据本公开的一些方面的可以执行本文所讨论的技术或方法中的任何一种或多种的示例机器的框图。
图467示出根据本公开的一些方面的可以在无线通信设备中实现的协议功能。
图468示出根据本公开的一些方面的可以结合无线通信设备或无线通信系统实现的各种协议实体。
图469示出根据本公开的一些方面的可以用以实现介质接入控制层功能的介质接入控制(MAC)实体。
图470A和图470B示出根据本公开的一些方面的可以由图469的MAC实体编码并且解码的PDU的格式。
图470C、图470D和图470E示出根据本公开的一些方面的可以结合图469的MAC实体使用的各种子头。
图471示出根据本公开的一些方面的无线链路控制(RLC)层实体内包含的功能。
图472A示出根据本公开的一些方面的TMD PDU。
图472B和图472C示出根据本公开的一些方面的UMDPDU。
图472D和图472E示出根据本公开的一些方面的AMDPDU。
图472F示出根据本公开的一些方面的STATUS PDU。
图473示出根据本公开的一些方面的分组数据汇聚协议(PDCP)层实体内可以包含的功能的方面。
图474示出根据本公开的一些方面的可以由PDCP实体发送并且接收的PDCP PDU。
图475示出根据本公开的一些方面的无线资源控制(RRC)层的实例之间的通信的方面。
图476示出根据本公开的一些方面的用户设备(UE)中可以实现的RRC的状态。
具体实施方式
随着基于5G mmWave通信的进展,若干挑战已经演进(例如有限的通信距离、天线系统的方向性、针对大型天线阵列实现期望的方向性和波束赋形、归因于大气衰减损耗和通过固体材料的高衰减导致的信号衰减)。可以结合数字基带电路、发送电路、接收电路、射频电路、协议处理电路和天线阵列使用本文所描述的技术,以解决与基于5G mmWave的通信关联的挑战。
利用例如比如“处理”、“计算”、“运算”、“确定”、“建立”、“分析”、“检查”等的术语的本文的讨论可以指代将计算机的寄存器和/或存储器内的物理(例如电子)量所表示的数据操控和/或变换为计算机的寄存器和/或存储器或可以存储指令以执行操作和/或处理的另外信息存储介质内的物理量所相似地表示的其他数据的计算机、计算平台、计算系统或另外电子计算设备的操作和/或处理。
本文所使用的术语“多个”和“若干”包括例如“许多”或“两个或更多个”。例如,“多个项”包括两个或更多个项。
对“一个方面”、“一方面”、“示例方面”、“一些方面”、“示范性方面”、“各个方面”等的引用指示如此描述的方面可以包括特定特征、结构或特性,但并非每一方面必须包括特定特征、结构或特性。此外,短语“在一个方面中”的重复使用虽然可以指代同一方面,但不一定如此。
如本文使用的那样,除非另外指定,用于描述共同对象的序数形容词“第一”、“第二”、“第三”等的使用仅指示相同对象的不同实例被指代,不意图暗指所描述的对象必须在排序中时间上、空间上按给定的顺序,或按任何其他方式。
可以结合各种设备和系统(例如用户设备(UE)、移动设备(MD)、无线站(STA)、个人计算机(PC)、台式计算机、移动计算机、膝上型计算机、笔记本计算机、平板计算机、服务器计算机、手持计算机、传感器设备、物联网(IoT)设备、可穿戴设备、手持设备、个人数字助理(PDA)设备、手持PDA设备、板载设备、离板设备、混合设备、车载设备、非车载设备、移动或便携式设备、消费者设备、非移动或非便携式设备、无线通信站、无线通信设备、无线接入点(AP)、有线或无线路由器、有线或无线调制解调器、视频设备、音频设备、音频-视频(A/V)设备、有线或无线网络、无线域网、无线视频域网(WVAN)、局域网(LAN)、无线LAN(WLAN)、个域网(PAN)、无线PAN(WPAN)等)使用一些方面。
可以例如结合根据现有IEEE 802.11标准(包括IEEE802.11-2016(IEEE 802.11-2016,IEEE Standard for Information technology--Telecommunications andinformation exchange between systems Local and metropolitan area networks--Specific requirements Part11:Wireless LAN Medium Access Control(MAC)andPhysical Layer(PHY)Specifications,2016年12月7日);IEEE 802.11ay(P802.11ayStandard for Information Technology--Telecommunications and InformationExchange Between Systems Local and Metropolitan Area Networks--SpecificRequirements Part 11:Wireless LAN Medium Access Control(MAC)and PhysicalLayer(PHY)Specifications--Amendment:Enhanced Throughput for Operation inLicense-Exempt Bands Above 45GHz))和/或其未来版本和/或衍生操作的设备和/或网络、和/或根据现有和/或WiFi联盟(WFA)点对点(P2P)规范(包括WiFi P2P technicalspecification,version 1.5,2015年8月4日)和/或其未来版本和/或衍生操作的设备和/或网络、和/或根据现有无线吉比特联盟(WGA)规范(包括Wireless Gigabit Alliance,IncWiGig MAC and PHY Specification Version 1.1,2011年4月,Final specification)和/或其未来版本和/或衍生操作的设备和/或网络、和/或根据现有蜂窝规范和/或协议(例如3rd Generation Partnership Project(3GPP),3GPP Long Term Evolution(LTE))和/或其未来版本和/或衍生操作的设备和/或网络、作为上述网络的部分的单元和/或设备等使用一些方面。
可以结合单向和/或双向无线电通信系统、蜂窝无线电电话通信系统、移动电话、蜂窝电话、无线电话、个人通信系统(PCS)设备、包括无线通信设备的PDA设备、移动或便携式全球定位系统(GPS)设备、包括GPS接收机或收发机或芯片的设备、包括RFID元件或芯片的设备、多入多出(MIMO)收发机或设备、单入多出(SIMO)收发机或设备、多入单出(MISO)收发机或设备、具有一个或多个内部天线和/或外部天线的设备、数字视频广播(DVB)设备或系统、多标准无线电设备或系统、有线或无线手持设备(例如智能电话)、无线应用协议(WAP)设备等使用一些方面。
可以结合一种或多种类型的无线通信信号和/或系统(例如射频(RF)、红外(IR)、频分复用(FDM)、正交FDM(OFDM)、正交频分多址(OFDMA)、空分多址(SDMA)、FDM时分复用(TDM)、时分多址(TDMA)、多用户MIMO(MU-MIMO)、扩展TDMA(E-TDMA)、通用分组无线电服务(GPRS)、扩展GPRS、码分多址(CDMA)、宽带CDMA(WCDMA)、CDMA 2000、单载波CDMA、多载波CDMA、多载波调制(MDM)、离散多音频(DMT)、蓝牙、全球定位系统(GPS)、Wi-Fi、Wi-Max、ZigBeeTM、超宽带(UWB)、全球移动通信系统(GSM)、2G、2.5G、3G、3.5G、4G、第五代(5G)移动网络、3GPP、长期演进(LTE)、LTE高级、增强数据率GSM演进(EDGE)等)使用一些方面。其他方面可以用在各种其他设备、系统和/或网络中。
本文所使用的术语“无线设备”包括例如有无线通信能力的设备、有无线通信能力的通信设备、有无线通信能力的通信站、有无线通信能力的便携式或非便携式设备等。在一些示范性方面中,无线设备可以是或可以包括与计算机集成的外设或附连到计算机的外设。在一些示范性方面中,术语“无线设备”可以可选地包括无线服务。
本文关于通信信号所使用的术语“传递”包括:发送通信信号和/或接收通信信号。例如,能够传递通信信号的通信单元可以包括用于将通信信号发送到至少一个其他通信单元的发射机和/或用于从至少一个其他通信单元接收通信信号的通信接收机。动词“传递”可以用以指代发送的动作和/或接收的动作。在一个示例中,短语“传递信号”可以指代由第一设备发送信号的动作,并且可以不一定包括由第二设备接收信号的动作。在另一示例中,短语“传递信号”可以指代由第一设备接收信号的动作,并且可以不一定包括由第二设备发送信号的动作。
可以结合WLAN(例如WiFi网络)使用一些示范性方面。可以结合任何其他合适的无线通信网络(例如无线域网、“微微网”、WPAN、WVAN等)使用其他方面。
可以结合通过大于45吉赫兹(GHz)的频段(例如60GHz)进行通信的无线通信网络使用一些示范性方面。然而,可以利用任何其他合适的无线通信频段(例如极高频率(EHF)频段(毫米波(mmWave)频段(例如20GHz至300GHz之间的频段内的频段、大于45GHZ的频段、小于20GHZ的频段(例如Sub 1GHz(S1G)频段、2.4GHz频段、5GHZ频段、WLAN频段、WPAN频段、根据WGA规范的频段等)))实现其他方面。
如本文所使用的那样,术语“电路”可以例如指代以下项、作为其一部分或包括它们:专用集成电路(“ASIC”)、集成电路、电子电路、执行一个或多个软件或固件程序的处理器(共享的、专用的或群组)和/或存储器(共享的、专用的或群组)、组合逻辑电路和/或提供所描述功能的其他合适的硬件组件。在一些方面中,电路可以包括至少部分地可在硬件中操作的逻辑。在一些方面中,电路可以实现为无线电虚拟机(RVM)的部分和/或形式是无线电虚拟机(RVM),例如,实现为被配置为执行代码以配置一个或多个无线电组件的一个或多个操作和/或功能的无线电处理器(RP)的部分。
术语“逻辑”可以指代例如嵌入在计算装置的电路中的计算逻辑和/或存储在计算装置的存储器中的计算逻辑。例如,逻辑可以由计算装置的处理器可存取,以执行计算逻辑,从而执行计算功能和/或操作。在一个示例中,逻辑可以嵌入在各种类型的存储器和/或固件(例如各种芯片和/或处理器的硅块)中。逻辑可以包括于各种电路(例如无线电电路、接收机电路、控制电路、发射机电路、收发机电路、处理器电路等)中,和/或实现为其部分。在一个示例中,逻辑可以嵌入在易失性存储器和/或非易失性存储器(包括随机存取存储器、只读存储器、可编程存储器、磁存储器、闪存、持久存储器等)中。一个或多个处理器可以使用例如对于执行逻辑必要的耦合到一个或多个处理器的存储器(例如寄存器、缓冲器、堆等)执行逻辑。
本文所使用的术语“天线”可以包括一个或多个天线元件、组件、单元、组装和/或阵列的任何合适的配置、结构和/或布置。在一些方面中,天线可以使用分离的发送和接收天线元件实现发送和接收功能。在一些方面中,天线可以使用公共和/或集成的发送/接收元件实现发送和接收功能。天线可以包括例如相控阵列天线、单元件天线、开关波束天线集合等。
本文所使用的短语“点对点(PTP或P2P)通信”可以与设备之间的无线链路(“点对点链路”)上的设备到设备通信有关。PTP通信可以包括例如WiFi直连(WFD)通信(例如WFD点对点(P2P)通信)、服务质量(QoS)基本服务集(BSS)内的直连链路上的无线通信、隧道式直连链路设置(TDLS)链路、独立基本服务集(IBSS)中的STA到STA通信等。
本文关于WiFi通信描述一些示范性方面。然而,可以关于任何其他通信方案、网络、标准和/或协议实现其他方面。
在一些示范性方面中,无线通信设备可以例如如下所述实现毫米波(mmWave)无线电前端模块(RFEM)。
毫米波可以定义为跨越大约30GHz到大约300GHz的频率范围,并且实际上当前覆盖若干离散授权和免授权频段。
当前可用的免授权mmWave频段处于60GHz的附近。授权频段可能包括28GHz、39GHz、73GHz和120GHz。这些频段的可用性和每个频段的具体频率范围随管制权限而变化,并且在一些情况下(具体地对于授权频段操作),关于一些国家的规章,仍存在显著不确定性。与基于mmWave的蜂窝通信关联的挑战包括有限的距离、距离的天线的方向性、因为使用常规缆线而非迹线导致的信号损耗和关于用于波束赋形而集成多个天线的挑战。这些挑战在根据一些方面的以下所讨论的本专利中得以解决,并且可以包括使用偏振创新、用以避免信号损耗的迹线和其他线路以及改进的用于波束赋形中使用的能力。
图1示出根据一些方面的示例性用户设备。用户设备100可以在一些方面中包括移动设备,并且包括应用处理器105、基带处理器110(又称为基带子系统)、无线电前端模块(RFEM)115、存储器120、连接性子系统125、近场通信(NFC)控制器130、音频驱动器135、相机驱动器140、触摸屏145、显示器驱动器150、传感器155、可移除存储器160、电源管理集成电路(PMIC)165和智能电池170。
在一些方面中,应用处理器105可以包括例如一个或多个中央处理单元(CPU)内核和以下中的一个或多个:缓存存储器、低压差稳压器(LDO)、中断控制器、串行接口(例如SPI)、I2C或通用可编程串行接口子系统、实时时钟(RTC)、包括间隔和监视定时器的定时器-计数器、通用IO、存储器卡控制器(例如SD/MMC等)、USB接口、MIPI接口和/或联合测试存取组(JTAG)测试存取端口。
在一些方面中,基带处理器110可以实现为例如包括一个或多个集成电路的下焊接(solder-down)基板、焊接到主电路板的单封装式集成电路和/或包括两个或更多个集成电路的多芯片模块。
mmWave技术的应用可以包括例如WiGig和未来5G,但mmWave技术可以可应用于各种电信系统。mmWave技术可能对于短距离电信系统是尤其有吸引力的。WiGig设备在免授权60GHz频段中进行操作,而5G mmWave应当初始地在授权28GHz和39GHz频段中进行操作。图1A中示出mmWave系统中的示例基带子系统110和RFEM 115的框图。
图1A示出根据本公开的一些方面的可以结合图1的设备100使用的mmWave系统100A。系统100A包括两个组件:基带子系统110和一个或多个无线电模块(RFEM)115。RFEM115可以通过提供调制中频(IF)信号、DC功率、时钟信号和控制信号的单个同轴缆线190连接到基带子系统110。
虽然并未完整地示出基带子系统110,但图1A却示出模拟前端的实现方式。这包括具有用于变为中频(IF)(在当前实现方式中,10GHz周围)的上变频器173的发射机(TX)区段191A、具有从IF到基带的下变频175的接收机(RX)区段191B、包括用于将发送和接收信号复用/解复用到单个缆线190上的组合器的控制和复用电路177。此外,功率tee电路192(其包括分立式组件)包括于基带电路板上,以提供用于RFEM 115的DC功率。在一些方面中,TX区段和RX区段的组合可以称为收发机,本文所描述的类型的一个或多个天线或天线阵列可以耦合至它。
RFEM 115可以是包括多个印制天线和包含多个无线电链的一个或多个RF设备的小电路板,包括对毫米波频率的上变频/下变频174、功率组合器/分配器176、可编程相移178和功率放大器(PA)180、低噪声放大器(LNA)182以及控制和电源管理电路184A和184B。这种布置可以与通常使得RF和基带功能全都集成到单个单元中并且使得仅天线经由同轴缆线远程地连接的Wi-Fi或蜂窝实现方式不同。
这种架构差别可以因毫米波频率处的同轴缆线中的非常大的功率损耗而受驱动。这些功率损耗可能减少天线处的发送功率并且减少接收灵敏度。为了避免该问题,在一些方面中,PA 180和LNA 182可以移动到具有集成天线的RFEM 115。此外,RFEM 115可以包括上变频/下变频174,从而同轴缆线190上的IF信号可以处于较低频率处。本文以下讨论关于mmWave 5G装置、技术和特征的附加系统上下文。
图2示出根据一些方面的示例性基站或基础架构设备无线电头端。基站无线电头端200可以包括以下中的一个或多个:应用处理器205、基带处理器210、一个或多个无线电前端模块215、存储器220、电源管理集成电路(PMIC)225、功率tee电路230、网络控制器235、网络接口连接器240、卫星导航接收机(例如GPS接收机)245和用户接口250。
在一些方面中,应用处理器205可以包括例如一个或多个CPU内核和以下中的一个或多个:缓存存储器、低压差稳压器(LDO)、中断控制器、串行接口(例如SPI)、I2C或通用可编程串行接口子系统、实时时钟(RTC)、包括间隔和监视定时器的定时器-计数器、通用IO、存储器卡控制器(例如SD/MMC等)、USB接口、MIPI接口和联合测试存取组(JTAG)测试存取端口。
在一些方面中,基带处理器210可以实现为例如包括一个或多个集成电路的下焊接基板、焊接到主电路板的单封装式集成电路或包括两个或更多个集成电路的多芯片子系统。
在一些方面中,存储器220可以包括以下中的一个或多个:包括动态随机存取存储器(DRAM)和/或同步DRAM(SDRAM)的易失性存储器和包括高速电可擦除存储器(通称为闪存)、相变随机存取存储器(PRAM)、磁阻随机存取存储器(MRAM)和/或三维交叉点存储器的非易失性存储器(NVM)。存储器220可以实现为以下中的一个或多个:下焊接封装式集成电路、套接式存储器模块和插入存储器卡。
在一些方面中,电源管理集成电路225可以包括以下中的一个或多个:电压调节器、浪涌保护器、功率告警检测电路和一个或多个备份电源(例如电池或电容器)。功率告警检测电路可以检测熔断(欠电压)和浪涌(过电压)条件中的一个或多个。
在一些方面中,功率tee电路230可以提供从网络缆线抽取的电功率。功率tee电路230可以使用单个缆线对基站无线电头端200既提供功率供应又提供数据连接性。
在一些方面中,网络控制器235可以使用标准网络接口协议(例如以太网)提供对网络的连接性。可以使用作为电(一般称为铜互连)、光或无线之一的物理连接提供网络连接性。
在一些方面中,卫星导航接收机245可以包括用于对一个或多个导航卫星星座(例如全球定位系统(GPS)、Globalnaya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema(GLONASS)、伽利略和/或北斗)发送的信号进行接收并且解码的电路。接收机245可以向应用处理器205提供可以包括位置数据或时间数据中的一个或多个的数据。时间数据可以由应用处理器205使用,以将操作同步于其他无线电基站或基础架构设备。
在一些方面中,用户接口250可以包括按钮中的一个或多个。按钮可以包括重置按钮。用户接口250可以还包括一个或多个指示器(例如LED)和显示屏。
图3A示出根据一些方面的示例性mmWave通信电路;图3B和图3C示出根据一些方面的图3A所示的发送电路的方面;图3D示出根据一些方面的图3A所示的射频电路的方面;图3E示出根据一些方面的图3A所示的接收电路的方面。图3A所示的毫米波通信电路300可以替代地根据功能而分组。图3A所示的组件提供于此以用于说明性的目的,并且可以包括图3A中未示出的其他组件。
毫米波通信电路300可以包括协议处理电路305(或处理器)或其他用于处理的部件。协议处理电路305可以实现介质接入控制(MAC)、无线链路控制(RLC)、分组数据汇聚协议(PDCP)、无线资源控制(RRC)和非接入层(NAS)功能等中的一个或多个。协议处理电路305可以包括用于执行指令的一个或多个处理内核和用于存储程序和数据信息的一个或多个存储器结构。
毫米波通信电路300可以还包括数字基带电路310。数字基带电路310可以实现包括以下中的一个或多个的物理层(PHY)功能:混合自动重传请求(HARQ)功能、加扰和/或解扰、编码和/或解码、层映射和/或解映射、调制符号映射、接收到的符号和/或比特度量确定、多天线端口预编码和/或解码(其可以包括空间-时间、空间-频率或空间编码中的一个或多个)、基准信号生成和/或检测、前导序列生成和/或解码、同步序列生成和/或检测、控制信道信号盲解码和其他有关功能。
毫米波通信电路300可以还包括发送电路315、接收电路320和/或天线阵列电路330。毫米波通信电路300可以还包括RF电路325。在一些方面中,RF电路325可以包括用于发送和/或接收的一个或多个并行RF链。RF链中的每一个可以连接到天线阵列电路330的一个或多个天线。
在一些方面中,协议处理电路305可以包括控制电路的一个或多个实例。控制电路可以提供用于数字基带电路310、发送电路315、接收电路320和/或RF电路325中的一个或多个的控制功能。
图3B和图3C示出根据一些方面的图3A所示的发送电路的方面。图3B所示的发送电路315可以包括数模转换器(DAC)340、模拟基带电路345、上变频电路350和/或滤波和放大电路355中的一个或多个。DAC 340可以将数字信号转换为模拟信号。模拟基带电路345可以执行以下所指示的多个功能。上变频电路350可以将基带信号从模拟基带电路345上变频为RF频率(例如mmWave频率)。滤波和放大电路355可以对模拟信号进行滤波并且放大。可以在协议处理电路305与DAC 340、模拟基带电路345、上变频电路350和/或滤波和放大电路355中的一个或多个之间提供控制信号。
图3C所示的发送电路315可以包括数字发送电路365和RF电路370。在一些方面中,来自滤波和放大电路355的信号可以提供给数字发送电路365。如上,可以在协议处理电路305与数字发送电路365和RF电路370中的一个或多个之间提供控制信号。
图3D示出根据一些方面的图3A所示的射频电路的方面。射频电路325可以包括无线电链电路372(其在一些方面中可以包括一个或多个滤波器、功率放大器、低噪声放大器、可编程移相器和电源)的一个或多个实例。
射频电路325也可以在一些方面中包括功率组合和分配电路374。在一些方面中,功率组合和分配电路374可以双向地进行操作,从而同一物理电路可以被配置为当设备正进行发送时操作为功率分配器而当设备正进行接收时操作为功率组合器。在一些方面中,功率组合和分配电路374可以包括用于当设备正进行发送时执行功率分配而当设备正进行接收时执行功率组合的一个或多个完全地或部分地分开的电路。在一些方面中,功率组合和分配电路374可以包括包含被布置成树型的一个或多个双路功率分配器/组合器的无源电路。在一些方面中,功率组合和分配电路374可以包括包含放大器电路的有源电路。
在一些方面中,射频电路325可以连接到图3A中的发送电路315和接收电路320。射频电路325可以经由一个或多个无线电链接口376和/或组合式无线电链接口378连接到发送电路315和接收电路320。在一些方面中,一个或多个无线电接口376可以提供均与单个天线结构关联的用于一个或多个接收或发送信号的一个或多个接口。在一些方面中,组合式无线电链接口378可以提供均与天线结构的群组关联的用于一个或多个接收或发送信号的单个接口。
图3E示出根据一些方面的图3A所示的接收电路的方面。接收电路320可以包括并行接收电路382中的一个或多个和/或组合式接收电路384中的一个或多个。在一些方面中,一个或多个并行接收电路382和一个或多个组合式接收电路384可以包括一个或多个中频(IF)下变频电路386、IF处理电路388、基带下变频电路390、基带处理电路392和模数转换器(ADC)电路394。如本文所使用的那样,术语“中频”指代载波频率(或频率信号)在发送、接收和/或信号处理中的中间步骤中偏移到的频率。IF下变频电路386可以将接收到的RF信号变频为IF。IF处理电路388可以例如经由滤波和放大处理IF信号。基带下变频电路390可以将来自IF处理电路388的信号变频到基带。基带处理电路392可以例如经由滤波和放大处理基带信号。ADC电路394可以将所处理的模拟基带信号转换为数字信号。
图4示出根据一些方面的图3A的示例性RF电路。在一方面中,(图4中使用标号425描述的)图3A中的RF电路325可以包括IF接口电路405、滤波电路410、上变频和下变频电路415、综合器电路420、滤波和放大电路424、功率组合和分配电路430和无线电链电路435中的一个或多个。
图5A和图5B示出根据一些方面的图1和图2所示的电路中可使用的无线电前端模块的方面。RFEM 500包括毫米波RFEM 505和一个或多个above-6吉赫兹射频集成电路(RFIC)515和/或一个或多个sub-6吉赫兹RFIC 522。在该方面中,一个或多个above-6吉赫兹RFIC 515和/或一个或多个sub-6吉赫兹RFIC 522可以与毫米波RFEM 505以物理方式分离。RFIC 515和522可以包括对一个或多个天线520的连接。RFEM 505可以包括多个天线510。
图5B示出根据一些方面的无线电前端模块的替选方面。在该方面中,毫米波和sub-6吉赫兹无线电功能都可以实现于同一物理无线电前端模块(RFEM)530中。RFEM 530可以包括毫米波天线535和sub-6吉赫兹天线540二者。
图6示出根据一些方面的图1或图2所示的系统和电路中可使用的多协议基带处理器600。在一方面中,基带处理器可以包含一个或多个数字基带子系统640A、640B、640C、640D,本文中又通称为数字基带子系统640。
在一方面中,一个或多个数字基带子系统640A、640B、640C、640D可以经由互连子系统665耦合到CPU子系统670、音频子系统675和接口子系统680中的一个或多个。在一方面中,一个或多个数字基带子系统640可以经由互连子系统645耦合到数字基带接口660A、660B和混频信号基带子系统635A、635B中的每一个中的一个或多个。
在一方面中,互连子系统665和645可以均包括总线点对点连接和片上网络(network-on-chip,NOC)结构中的每一个中的一个或多个。在一方面中,音频子系统675可以包括数字信号处理电路、缓冲存储器、程序存储器、语音处理加速器电路、数据转换器电路(例如模拟到数字和数字到模拟转换器电路)和包括放大器和滤波器中的一个或多个的模拟电路中的一个或多个。
图7示出根据一些方面的混频信号基带子系统700的示例性。在一方面中,混频信号基带子系统700包括IF接口705、模拟IF子系统710、下变频器和上变频器子系统720、模拟基带子系统730、数据转换器子系统735、综合器725和控制子系统740中的一个或多个。
图8A示出根据一些方面的数字基带处理子系统801。图8B示出根据一些方面的数字基带处理子系统802的替选方面。
在图8A的一方面中,数字基带处理子系统801可以包括数字信号处理器(DSP)子系统805A、805B、……805N、互连子系统835、引导加载器子系统810、共享存储器子系统815、数字I/O子系统820和数字基带接口子系统825中的每一个中的一个或多个。
在图8B的一方面中,数字基带处理子系统802可以包括加速器子系统845A、845B、……845N、缓冲存储器850A、850B、……850N、互连子系统835、共享存储器子系统815、数字I/O子系统820、控制器子系统840和数字基带接口子系统825中的每一个中的一个或多个。
在一方面中,引导加载器子系统810可以包括被配置为执行与一个或多个DSP子系统805中的每一个关联的程序存储器和运行状态的配置的数字逻辑电路。一个或多个DSP子系统805中的每一个的程序存储器的配置可以包括:从数字基带处理子系统801和802外部的存储加载可执行程序代码。与一个或多个DSP子系统805中的每一个关联的运行状态的配置可以包括以下步骤中的一个或多个:将可以合并到一个或多个DSP子系统805中的每一个中的至少一个DSP内核的状态设置为其并未正运行的状态,以及将可以合并到一个或多个DSP子系统805中的每一个中的至少一个DSP内核的状态设置为其开始执行从预定存储器位置开始的程序代码的状态。
在一方面中,共享存储器子系统815可以包括只读存储器(ROM)、静态随机存取存储器(SRAM)、嵌入式动态随机存取存储器(eDRAM)和/或非易失性随机存取存储器(NVRAM)中的一个或多个。
在一方面中,数字I/O子系统820可以包括串行接口(例如集成电路间(I2C)、串行外围接口(SPI)或其他1、2或3有线串行接口)、并行接口(例如通用输入-输出(GPIO)、寄存器存取接口和直接存储器存取(DMA))中的一个或多个。在一方面中,数字I/O子系统820中所实现的寄存器存取接口可以允许数字基带处理子系统801外部的微处理器内核读取和/或写入控制和数据寄存器和存储器中的一个或多个。在一方面中,数字I/O子系统820中所实现的DMA逻辑电路可以允许在包括数字基带处理子系统801内部和外部的存储器位置的存储器位置之间传送连续数据块。
在一方面中,数字基带接口子系统825可以在基带处理子系统与数字基带处理子系统801外部的混频信号基带或射频电路之间提供数字基带采样的传送。在一方面中,数字基带接口子系统825所传送的数字基带采样可以包括同相和正交(I/Q)采样。
在一方面中,控制器子系统840可以包括控制和状态寄存器和控制状态机中的每一个中的一个或多个。在一方面中,控制和状态寄存器可以经由寄存器接口受存取,并且可以提供以下中的一个或多个:开始并且停止控制状态机的操作,将控制状态机重置为默认状态,配置可选处理特征,和/或配置中断的生成并且报告操作的状态。在一方面中,一个或多个控制状态机中的每一个可以控制一个或多个加速器子系统845中的每一个的操作顺序。同一基带子系统中可以存在图8A和图8B二者的实现方式的示例。
图9示出根据一些方面的数字信号处理器(DSP)子系统900。
在一方面中,DSP子系统900可以包括DSP内核子系统905、本地存储器910、直接存储器存取(DMA)子系统915、加速器子系统920A、920B……920N、外部接口子系统925、电源管理电路930和互连子系统935中的每一个中的一个或多个。
在一方面中,本地存储器910可以包括只读存储器、静态随机存取存储器或嵌入式动态随机存取存储器中的每一个中的一个或多个。
在一方面中,DMA子系统915可以提供适用于在包括DSP子系统900的外部和内部的存储器位置的存储器位置之间传送数据块的寄存器和控制状态机电路。
在一方面中,外部接口子系统925可以提供由DSP子系统900外部的微处理器系统对可以在DSP子系统900中实现的存储器、控制寄存器和状态寄存器中的一个或多个的存取。在一方面中,外部接口子系统925可以提供在DMA子系统915和DSP内核子系统905中的一个或多个的控制下在本地存储器910与DSP子系统900外部的存储之间的数据的传送。
图10A示出根据一些方面的加速器子系统1000的示例。图10B示出根据一些方面的加速器子系统1000的示例。
在一方面中,加速器子系统1000可以包括控制状态机1005、控制寄存器1010、存储器接口1020、便笺(scratchpad)存储器1025、计算引擎1030A……1030N和数据流接口1035A、1035B中的每一个中的一个或多个。
在一方面中,控制寄存器1010可以配置并且控制加速器子系统1000的操作,其可以包括以下中的一个或多个:通过选通寄存器比特启用或禁用操作,通过写入暂停寄存器比特暂停处理中操作,提供用于配置计算操作的参数,提供用于标识一个或多个控制和数据结构的位置的存储器地址信息,配置中断的生成,或其他控制功能。
在一方面中,控制状态机1005可以控制加速器子系统1000的操作顺序。
图11A-图11D示出根据一些方面的帧格式。
图11A示出根据一些方面的周期性无线帧结构1100。无线帧结构1100具有预定持续时间,并且以重复间隔等于预定持续时间的周期性方式重复。无线帧结构1100划分为两个或更多个子帧1105。在一方面中,子帧1105可以是可以不相等的预定持续时间。在替选方面中,子帧1105可以是动态地确定并且在无线帧结构1100的随后重复之间变化的持续时间。
图11B示出根据一些方面的使用频分双工(FDD)的周期性无线帧结构。在FDD的方面中,下行链路无线帧结构1110由基站或基础架构设备发送到一个或多个移动设备,并且上行链路无线帧结构1115由一个或多个移动设备的组合发送到基站。
图11D示出一些方面中可以使用的无线帧结构的另一示例。在该示例中,无线帧1100具有10ms的持续时间。无线帧1100划分为均为持续时间0.1ms并且从0到99编号的时隙1125、1135。附加地,编号2i和2i+1(其中,i为整数)的相邻时隙1125、1135的每个配对称为子帧。
在一些方面中,可以通过T s 的单位表示时间间隔,其中,T s 定义为1/(75,000×2048)秒。在图11D中,无线帧定义为具有持续时间1,536,600xT s ,并且时隙定义为具有持续时间15,366xT s
在使用图11D的无线帧格式的一些方面中,每个子帧可以包括下行链路控制信息、下行链路数据信息、上行链路控制信息和/或上行链路数据信息中的一个或多个的组合。可以对于每个子帧独立地选择信息类型和方向的组合。
图11E示出在一些方面中可以使用的无线帧结构的示例,示出下行链路帧1150和上行链路帧1155。根据一些方面,下行链路帧1150和上行链路帧1155可以具有10ms的持续时间,并且上行链路帧1155可以相对于下行链路帧1150以定时提前1160得以发送。
根据一些方面,下行链路帧1150和上行链路帧1155可以均划分为两个或更多个子帧1165,其在持续时间方面可以是1ms。根据一些方面,每个子帧1165可以包括一个或多个时隙1170。
在一些方面中,根据图11D和图11E的示例,可以按T s 的单位表示时间间隔。
根据图11D所示的示例定时一些方面,T s 可以定义为1/(30,720×1000)秒。根据图11D的一些方面,无线帧可以定义为具有持续时间30,720.T s ,并且时隙可以定义为具有持续时间15,360.T s
根据图11E所示的示例的一些方面,T S 可以定义为Ts=1/(Δfmax.Nf),其中,Δfmax=480×103,并且Nf=4,096。
根据图11E所示的示例的一些方面,可以基于可以与对于传输所使用的多载波信号的子载波之间的频率间距有关的参数集(numerology)参数确定时隙的数量。
图12A至图12C示出根据一些方面的可以发送或接收的单载波调制方案的星座图设计的示例。星座点1200示出于分别表示载波频率处的正弦的幅度并且以距彼此达90度的相位分离的正交的同相轴和正交轴上。
图12A表示包括两个点1200的星座,称为二进制相移键控(BPSK)。图12B表示包括四个点1200的星座,称为正交相移键控(QPSK)。图12C表示包括16个点1200的星座,称为具有16点的正交幅度调制(QAM)(16QAM或QAM16)。可以相似地构造包括例如64、256或1024个点的更高阶调制星座。
在图12A-图12C中描述的星座中,使用这样的方案将二进制码1220分配给星座的点1200:最接近的邻近点1200(即,彼此隔开达最小欧几里德距离的点对1200)具有差异达仅一个二进制数字的所分配的二进制码1220。例如,在图12C中,点分配码1000具有最接近的邻近点分配码1001、0000、1100和1010,其中的每一个与1000差异达仅一个比特。
图13A和图13B示出根据一些方面的可以发送并且接收的单载波调制方案的替选星座设计的示例。图13A的星座点1300和1315示出于分别表示载波频率处的正弦的幅度并且以距彼此达90度的相位分离的正交的同相轴和正交轴上。
在一方面中,图13A所示的示例的星座点1300可以被布置在正方形栅格中,并且可以被布置为这样的:在最接近的邻近星座点的每个配对之间的同相和正交平面上存在相等距离。在一方面中,可以选取星座点1300,从而存在距任何所允许的星座点的同相和正交平面的原点的预定最大距离,该最大距离由圆形1310表示。在一方面中,所允许的星座点的集合可以排除将在正方形栅格的转角处落入正方形区域1305内的星座点。
图13B的星座点1300和1315示出于分别表示载波频率处的正弦的幅度并且以距彼此达90度的相位分离的正交的同相轴和正交轴上。在一方面中,星座点1315分组为两个或更多个星座点的集合,每个集合的点被布置为距同相和正交平面的原点具有相等距离,并且位于以原点中心的圆形1320的集合之一上。
图14示出根据一些方面的用于生成多载波基带信号以用于传输的系统的示例。在该方面中,数据1430可以输入到编码器1400,以生成编码的数据1435。编码器1400可以执行检错、纠错、速率匹配和交织中的一个或多个的组合。编码器1400也可以执行加扰的步骤。
在一方面中,编码的数据1435可以输入到调制映射器1405,以生成复值化调制符号1440。调制映射器1405可以根据一个或多个映射表将从编码的数据1435选择的包括一个或多个二进制数字的群组映射为复值化调制符号。
在一方面中,复值化调制符号1440可以输入到层映射器1410,以映射为一个或多个层映射式调制符号流1445。将复值化调制符号1440的流表示为d(i),其中,i表示序列数量索引,并且将层映射的符号的一个或多个流1445表示为x(k)(i),其中,k表示流数量索引,并且i表示序列数量索引,用于单个层的层映射函数可以表述为:
x(0)(i)=d(i)
并且用于两个层的层映射可以表述为:
x(0)(i)=d(2i)
x(1)(i)=d(2i+1)
可以对于多于两个的层相似地表示层映射。
在一方面中,层映射式调制符号流1445中的一个或多个流可以输入到预编码器1415,其生成预编码的符号1450的一个或多个流。将层映射式符号的一个或多个流1445表示为矢量的块:
[x(0)(i)…x(υ-1)(i)]T
其中,i表示范围0到中的序列数量索引,输出表示为矢量的块:
[z(0)(i)…z(P-1)(i)]T
其中,i表示范围0到中的序列数量索引。
预编码操作可以被配置为包括以下之一:使用单个天线端口的直接映射、使用空间-时间块编码的发送分集、或空间复用。
在一方面中,预编码的符号1450的每个流可以输入到资源映射器1420,其生成资源映射式符号1455的流。资源映射器1420可以根据映射(其可以依据映射码而包括连续块映射、随机化映射或稀疏映射)将预编码的符号映射为频域子载波和时域符号。
在一方面中,资源映射式符号1455可以输入到多载波生成器1425,其生成时域基带符号1460。多载波生成器1425可以使用例如普遍实现为快速傅立叶逆变换(FFT)的离散傅立叶逆变换(DFT)或包括一个或多个滤波器的滤波器组生成时域符号。在一方面中,其中,资源映射式符号1455表示为s k (i),其中,k是子载波索引,i是符号数量索引,时域复数基带符号x(t)可以表示为x(t)=∑ k s k (i)p T (t-T sym )exp[j2πf k (t-T sym k )],其中,p T (t)是原形滤波器函数,T sym 是符号周期的开始时间,τ k 是子载波依赖性时间偏移,f k 是子载波k的频率。
原形函数p T (t)可以是例如矩形时域脉冲、高斯时域脉冲或任何其他合适的函数。
在一些方面中,包括频域中的子载波和时域中的符号间隔的所发送的信号的子分量可以称为资源元素。
图15示出根据一些方面的以栅格形式描述的资源元素1505。在一些方面中,资源元素可以分组为包括频域中的多个子载波(例如12个子载波)和时域中的一个时隙中所包含的数量P的符号的矩形块。数量P可以是6、7或任何其他合适数量的符号。在图15的描述中,资源块1500内的每个资源元素1505可以索引为(k,l),其中,k是范围0至NxM-1中的子载波的索引编号,其中,N是资源块中的子载波的数量,并且M是资源块的数量。
图16A、图16B、图16C和图16D示出根据一些方面的编码的示例。图16A示出在一些方面中可以使用的编码处理1600的示例。编码处理1600可以包括一个或多个物理编码处理1605,其可以用以提供用于可以对数据或控制信息进行编码的物理信道的编码。编码处理1600可以还包括复用和交织1635,其通过组合可以包括数据信息和控制信息中的一个或多个并且可以已经由一个或多个物理编码处理1605编码的来自一个或多个源的信息生成组合的编码信息。组合的编码信息可以输入到加扰器1640,其可以生成加扰的编码信息。
物理编码处理1605可以包括CRC附接块1610、码块分段1615、信道编码1620、速率匹配1625和码块串接1630中的一个或多个。CRC附接块1610可以从表示{a 0 ,a 1 ,…a A-1 }的输入比特计算表示{p 0 ,p 1 ,…,p L-1 }的奇偶比特,以生成输出比特序列{b 0 ,b 1 ,…,b A+L-1 },从而使用输出序列比特作为系数的变量D中的有限字段GF(2)上的多项式(即多项式b 0 DA+L-1+b 1 DA+L-2+…+b A+L-2 D1+b A+L-1 ))当除以阶L的预定生成器多项式g(D)时具有预定余数。在一方面中,预定余数可以是零,L可以是24,并且预定多项式g(D)可以是D24+D23+D18+D17+D14+D11+D10+D7+D6+D5+D4+D3+D+1。
在一些方面中,码块分段1615的处理可以生成一个或多个分段式码块,每个码块包括输入到码分段1615的数据的一部分。码块分段1615可以具有根据所选择的信道编码方案确定的最小和最大块大小约束作为参数。码块分段1615可以将填充比特添加到一个或多个输出分段式码块,以确保满足最小块大小约束。码块分段1615可以将输入到处理的数据划分为块,以确保满足最大块大小约束。在一些方面中,码块分段1615可以将奇偶比特附缀到每个分段式码块。可以基于所选择的编码方案和待生成的分段式码块的数量是否大于1中的一个或多个确定奇偶比特的这种附缀。
在一些方面中,信道编码1620的处理可以根据多个编码方案中的一个或多个从分段式码块生成码字。作为示例,信道编码1620可以使用卷积编码、咬尾卷积编码、并行级联卷积编码和极化编码中的一个或多个。
图16B使用根据一些方面的可以用以根据卷积码和咬尾卷积码之一对数据进行编码的编码器1620。
根据一些方面,输入数据1645可以相继由两个或更多个延迟元件1650中的每一个延迟,生成包括包含当前输入数据和当前输入数据的两个或更多个副本的元素的数据字,每个副本分别延迟达不同数量的时间单元。根据一些方面,编码器1620可以生成一个或多个输出1660、1665和1670,每个输出是通过计算通过组合输入数据1645和两个或更多个延迟元件1650的输出生成的数据字的元素的线性组合而生成的。
根据一些方面,输入数据可以是二进制数据,并且线性组合可以使用一个或多个异或函数1655得以计算。根据一些方面,可以使用处理器上运行的软件实现编码器1620,并且可以通过将输入数据1645存储在存储器中实现延迟元件1650。
根据一些方面,可以通过使用卷积编码器1620并且将延迟元件1650初始化为预定值(其可以是全零或任何其他合适的值)生成卷积码。根据一些方面,可以通过使用卷积编码器1620并且将延迟元件1650初始化为数据块的最后N个比特(其中,N是延迟元件1650的数量)生成咬尾卷积码。
图16C中示出根据一些方面的可以用以根据可以称为turbo码的并行级联卷积码(PCCC)对数据进行编码的编码器16C100。
根据一些方面,编码器16C100可以包括交织器16C110、上分量编码器16C115和下分量编码器16C117。根据一些方面,上分量编码器16C115可以从输入数据16C105生成一个或多个编码数据流16C140和16C145。根据一些方面,交织器16C110可以从输入数据16C105生成交织的输入数据16C119。根据一些方面,下分量编码器16C117可以从交织的输入数据16C105生成一个或多个编码数据流16C150和16C155。
根据一些方面,交织器16C110可以输出具有与输入数据16C105中所包含的数据的一对一关系但具有以不同时间顺序布置的数据的已交织输出数据16C119。根据一些方面,交织器16C110可以是块交织器,其将可以表示为{c 0 ,c 1 ,…,c K-1 }的输入数据16C105的一个或多个块取作输入(其中,每个ci是输入数据比特,并且K是每个块中的比特的数量),并且生成可以表示为{c Π(1) ,c Π(2) ,…,c Π(K-1) }的与一个或多个这些输入块中的每一个对应的输出。Π(i)是置换(permutation)函数,其可以是二次形式,并且其可以表示为Π(i)=(f 1 i+f 2 i2)mod K,其中,f1和f2是可以取决于块大小的值K的常数。
根据一些方面,上分量编码器16C115和下分量编码器16C117中的每一个可以包括输入比特选择器16C118,其可以生成可以从在格栅终止阶段期间的所存储的比特的线性组合和在数据编码阶段期间的编码器输入比特流之一选择的所选择的输入比特流16C119。根据一些方面,上分量编码器16C115和下分量编码器16C117中的每一个可以将比特存储在被布置为运作为移位寄存器的两个或更多个延迟元件16C120中,对移位寄存器的输入包括来自所选择的输入比特流16C119的比特和先前所存储的比特的线性组合,所存储的比特在编码阶段之前初始化为预定值,并且在格栅终止阶段的结束时具有预定值。根据一些方面,上分量编码器16C115和下分量编码器16C117中的每一个可以生成一个或多个输出16C140和16C145,其中的每一个可以是所存储的比特的线性组合和所选择的输入比特流16C119之一。
根据一些方面,上分量编码器16C115和下分量编码器16C117中的每一个可以在编码阶段期间具有传递函数,其可以表示为
根据一些方面,编码器16C100可以与用于存储对交织器16C110的数据输入和上分量编码器16C115和下分量编码器16C117中的每一个的所存储的比特的存储器组合实现为处理器上运行的软件指令。
图16D中示出根据一些方面的可以用以根据低密度奇偶校验(LDPC)码对数据比特进行编码的编码器16D200。
根据一些方面,输入到编码器16D200的数据比特16D230可以存储在数据仓16D210中,所存储的数据比特可以输入到奇偶比特生成器16D220,并且编码的比特16D240可以由奇偶比特生成器16D220输出。
根据一些方面,输入到LDPC编码器16D200的数据比特可以表示为c={c 0 ,c 1 ,…,c K-1 },编码的数据比特16D240可以表示为d={c 0 ,c 1 ,…,c K-1 ,p 0 ,p 1 ,…,p D-K-1 },并且可以选择奇偶比特pi,从而H.dT=0,其中,H是奇偶校验矩阵,K是待编码的块中的比特的数量,D是编码的比特的数量,并且D-K是奇偶校验比特的数量。
根据一方面,奇偶校验矩阵H可以表示为:
其中,是零矩阵或通过将列循环移位向右达ai,j从Z×Z单位矩阵获得的循环置换矩阵之一,Z是构成置换矩阵的大小,编码的比特的数量D等于ZM,并且块中待编码的比特的数量K等于ZN。
数字极坐标发射机(DTx)(其输入可以是幅度和相位)可以是用于通过下一代系统进行通信的设备中使用的集成互补金属氧化物半导体(CMOS)无线电的有前景的架构,因为这些设备提供例如关于较高效率和片上系统(SoC)集成的潜能。DTx可以使用输出信号的幅度变化和相位变化以提供数据。然而,类似于其他发射机,DTx因在下一代系统中所使用的mmWave频率处实现宽带相位调制器以及以mmWave速度实现DTx的挑战而被限制于较低频率(典型地<6GHz)。用于下一代系统的信道带宽可以处于100MHz-GHz的量级中,并且采用基于单载波和正交频分复用(OFDM)的调制之一或二者。也就是说,虽然可以在各种信道频率上产生基频振荡,但在较高频率处调整幅度和相位是顾虑。
附加地,在使用mmWave频率的情况下,DTx的功率效率可能因mmWave频率信号与较低频率信号之间的幅度变化和对应峰值功率效率的差异而在这些频率处显著减少。OFDM可能对DTx产生的相位调制信号施加附加频谱限制。为了在较高mmWave频率处在较高传播损耗的情况下满足链路预算,这些链路可以依赖于相控阵列和多用户多入多出(MIMO)以优化遍及多个用户的空间信道的使用。实际上,相控阵列的使用可以意味着多个发送和接收链用在每个设备上,除了遭遇以上功率低效之外还进一步增加所使用的发送功率。因此,改进mmWave频率处的DTx效率可以是有用的。
在一方面中,为了有助于改善这些问题,提供可以适合于基于单载波和OFDM的mmWave DTx二者的宽带相位调制器架构。宽带相位调制器架构可以包含用于相控阵列和MIMO/MU-MIMO的多个并行传输链。相位调制器可以包括用于实现相控阵列的相移。
在一方面中,DTx可以使用支持宽带宽RF信号的低运算符-求和表示(operator-sum representation,OSR)极坐标分解的相位和幅度提取。对于实际顾虑(可行性、定时裕量、功率耗散等),可以使用在低GHz频段中时钟化的基于数字到时间转换器(DTC)的相位调制器。可以在多个DTC之间使用时间交织,以将时钟频率增加到上至大约10GHz。此外,进入mmWave LC振荡器中的子谐波串行注入可以用以将调制上变频到RF频率。
RF通信系统常常利用半导体管芯上形成的子系统(例如压控振荡器(VCO)、功率放大器)。更具体地说,这些子系统的各种电子元件(例如电容器和电感器)印制在半导体管芯上。然而,半导体管芯的硅固有的电阻显著地减少管芯上印制的电感器的品质(Q)因数(电感除以电阻的比率)。
图17是根据一些方面的具有金属性支柱的示例性半导体管芯的截面图1702和顶视图1704。参照图17,半导体管芯1706包括多个支柱1708。半导体管芯1706可以包括于图3A所示的mmWave通信电路300的RF电路325中,但半导体管芯1706不限于此。
在一方面中,支柱1708可以是铜支柱,其可以用于对管芯的RF连接。更具体地说,铜支柱可以用作金属性结构,以将半导体管芯1706连接到半导体管芯封装(未示出)。在一些方面中,其他金属性结构可以用作支柱1708(例如基于焊料的凸起(bump)和球)。铜支柱1708可以经由金属化触点焊盘(或触点)1710附接到半导体管芯106。在一些方面中,可以在一个连续刻蚀工艺中生成铜支柱1708,其中,不想要的铜被刻蚀掉,仅留下附接到管芯金属化触点1710的铜支柱1708。
图18A提供根据一些方面的具有形成第一类型的互连结构的金属性支柱1808的半导体管芯1806的截面图1802A和顶视图1804A。参照截面图1802A,可以根据多阶段堆建(build up)和刻蚀工艺形成金属性支柱1808。更具体地说,可以在管芯金属化触点1810上在各阶段中堆建并且刻蚀金属性支柱1808,其中,在每个堆建和刻蚀阶段期间生成分离的金属化层。在图18A中可见,在第一刻蚀阶段期间,生成金属化层1812。在附加堆建和刻蚀阶段期间,可以在支柱中的至少2个之间生成互连结构。例如,在生成金属化层1814的刻蚀阶段期间,对于层1814所使用的金属化材料可以形成互连结构1822A。在刻蚀阶段期间,在支柱中的至少两个之间并不刻蚀用于1814的金属化材料,使得连接所述至少两个支柱的层1814形成互连结构。
在随后堆建和刻蚀阶段期间,金属化层1816设置在层1814的顶部上(金属化互连结构与层1816不关联)。在生成金属化层1818的随后堆建和刻蚀阶段期间,对于层1818所使用的金属化材料可以形成互连结构1824A。在最终刻蚀阶段期间,金属化层1820设置在层1818的顶部上,其中,金属化互连结构与层1820不关联。
在一些方面中,互连结构1822A和1824A可以充当直接连接到半导体管芯1806触点的高品质(Q)因数电感元件,并且可以服务于RF电路,其可以受益于这些高Q电感器。示例RF电路可以包括可以部分地或完全地集成在半导体管芯1806内的振荡器、功率放大器、低噪声放大器和其他电路。
在一些方面中,互连结构1822A可以位于远离互连结构1824A且与之分开的位置1832处。在另一示例中,互连结构1822A可以定位成并排和/或部分地重叠,如位置1830处可见。在一些方面中,选择互连结构处于位置1830或1832处可以基于与互连结构122A和1824A关联的所得耦合和互感。在此情况下,当两个互连部定位成并排和/或部分地重叠时,在互连结构之间生成耦合区带1826。该耦合区带可以用在设计与金属性支柱1808关联的互连结构至少部分地实现的高Q电感元件中。
在一些方面中,当使用相同支柱层(或刻蚀阶段)生成互连结构(例如1824A和1822A)或使用不同支柱层生成互连结构时,可以实现横向并行耦合(例如1826)。
在一些方面中,可以使用与支柱1808关联的层1812至1820中的一个或多个形成多于两个的互连结构。附加地,互连结构可以通过空气间隙分离,如图18A所示。更具体地说,互连结构1822A通过空气间隙1807与半导体管芯1806分离。互连结构1822A也通过层1816内所形成的另一间隙1809与互连结构1824A分离。
在一些方面中,可以使用支柱1808的最后层1820形成互连结构。于此,当互连结构设置在最后层1820上时,互连结构将与附接管芯的封装层叠件(其在图19中示出为1902)直接接触,或互连结构可以与叠层隔离并且可以直接在管芯上闭合电路。
图18B是根据一些方面的具有形成第二类型的互连结构的金属性支柱1808的半导体管芯1806的截面图1802B和顶视图1804B。除了互连结构1822B和1824B与互连结构1822A和1824A相比可以在半导体管芯1806上具有不同形状和位置之外,生成图18B所示的金属化支柱的工艺可以与参照图18A所描述的相同。
参照图18B,互连结构1822B和1824B可以形成类似绕组的电感元件,其可以用于包括变压器实现方式的各种电感实现方式。在一些方面中,互连结构1824B和1822B可以是变压器的主和/或副绕组内的元件。附加地,互连结构1822B和1824B可以部分地或完全地重叠,使得生成耦合区带1834。
图18C是根据一些方面的具有形成第三类型的互连结构1822C和1824C的金属性支柱的半导体管芯1806的截面图1802C和顶视图1804C。更具体地说,互连结构1822C和1824C可以分别部署在与图18A所示相同的层1814和1818上。然而,互连结构1822C和1824C可以交叉通过彼此。
图19是根据一些方面的具有形成互连结构的金属性支柱的半导体管芯的截面图1900,其中,支柱附接到封装层叠件。更具体地说,半导体管芯1906可以包括层1912、1914、1916、1918和1920形成的金属性支柱1908。半导体管芯1906可以包括如图18A所示形成的互连结构1822A和1824A。金属性支柱1908可以使用连接路径1910附接到半导体管芯1906。附加地,金属性支柱1808可以使用连接器焊盘1904附接到封装层叠件1902。
用于无线通信的移动设备中的物理空间因为这些设备的形数内所包括的功能的量而奇缺。有挑战的问题出现,在其他原因当中,因为需要提供所辐射的无线电波的空间覆盖,并且随着移动设备移动到不同地方而保持信号强度,并且还因为用户可能随着时间而不同地定向移动设备,导致在一些方面中需要在变化的时间变化所辐射的无线电波的极性并且变化空间分集。
当设计包括操作在毫米波(mmWave)频率处的天线的封装时,高效使用空间可以有助于解决例如所需要的天线的数量、其辐射的方向、其偏振和相似的需要之类的问题。通过在层叠结构内部包括腔体以用于放置RFIC收发机管芯并且或许用于放置设备的分立式组件,可以有效地使用无线通信移动设备的机壳内的多层层叠结构(例如PCB)的高效使用。在一些方面中,管芯可以是倒装芯片(FC)管芯。层叠结构可以包括子系统,其中,天线可以嵌入在层结构中并且可以实现于子系统的顶部上、底部上和侧上以用于更大空间覆盖。
图20A是根据一些方面的本公开中所描述的用户设备子系统的截面侧视图。用户设备子系统标识为2000。用户设备子系统2000可以包括于图3A所示的mmWave通信电路300的RF电路325和天线阵列电路330中,但用户设备子系统2000不限于此。
在一些方面中,层叠结构2001包括腔体2003。通过在具有FC管芯和分立组件的其他层叠层的顶部上堆叠具有窗口开孔的层叠的层,直到到达FC管芯和分立组件之上的期望的高度净空,可以形成RFIC和辅助组件可以驻留的腔体。然后,可以通过一个或多个完整层覆盖它,以闭合腔体,让腔体成为“顶盖”。本文相对于附图的定向使用方向性术语(例如“顶部”、“底部”、“侧”和“顶盖”)。腔体可以足够大,以在也考虑制造设计规则(例如组装精度)的同时使得FC管芯和任何分立式组件能够配合在腔体内部。每个组装外壳可以具有不同的设计规则,其也可以是所涉及的实际材料的函数。例如,关于双马来酰亚胺三嗪(BT)层叠材料的规则可能非常不同于FR4层叠材料的规则。
在一些方面中,RFIC管芯2006实现于腔体2003内,并且在一些方面中,通过焊料凸起2005(其在一些方面中可以是回流焊料凸起)紧固到腔体的基底。可以使用其他类型的凸起(例如热超声、热压缩和粘接键合凸起)。在一些方面中,它们还充当RFIC管芯2006对层叠印制电路的电接口。在一些方面中,面向上引线键合也可以用以将RFIC电连接到层叠中的印制电路。如果对于实现方式适当,则分立式组件2007也可以包括于腔体内。
在一些方面中,包围管芯和分立式组件的是以下附加地详细描述的地笼(groundcage)2008,其可以用作屏蔽以保护电路不受射频干扰(RFI)和电磁干扰(EMI)。放置在腔体中的RFIC将借助于金属化地层、地平面和层之间行进的过孔被包封于所描述的地笼中,以保护不受RFI/EMI。典型地,对于满足管制要求的观点,RF芯片和电路需要受屏蔽不受RFI/EMI。在此,实现方式利用这样的事实:RF电路嵌入在可以适当地使用层叠设备的层和过孔通过金属化被包围的腔体内,因此构成法拉第笼(其为屏蔽)。
在组件嵌入在受屏蔽的腔体内的情况下,可以如下所述在屏蔽的封闭体的外部周围实现天线,并且由此利用这样的事实:这些天线可以从多个侧嵌入/印制或组装于PCB上或其内,以使得天线的更大空间覆盖成为可能。从天线观点来看,层叠结构中的屏蔽笼可以充当天线地或反射器,以增加天线增益并且生成更有向的辐射图案。此外,腔体充当RFIC自身以及腔体内部的任何其他电路的物理保护。
根据一些方面,天线元件2011A至2011G实现于子系统内。天线可以是各种类型的。例如,贴片天线可以实现于结构的顶部和底部上,分别相对于例如在2011G处的侧上的偶极天线面向上和下。其他天线类型是可能的。在一些方面中,由于所暴露的电触点可以处于一侧上,因此侧天线将实现于三个侧上,如以下进一步讨论的那样。
在一些方面中,天线元件2011A-2011C实现成面“向下”。天线元件2011D-2011F放置在结构的顶部处面“向上”。天线2011A-2011G中的每一个可以是多个天线元件。例如,在一些方面中,2011A1至2011AN可以用以将天线元件2011A指定为N个天线元件(其可以是阵列)。换言之,在一些方面中,示为例如2011A的天线也可以是N元件天线阵列(例如2011A-1、……、2011AN)。此外,可以存在阵列2011D1-2011DN。又进而,这些阵列中的天线元件可以按不同形态(例如,天线元件2011C1-2011CN和2011E1-2011EN中的一些处于单个阵列中)分布在层叠结构2001的顶部和底部表面二者上。
在一些方面中,天线元件2011G可以侧向地放置,并且可以被配置用于边射或端射辐射。命名法2011G1-2011GN可以用以指示可以存在可以成阵列的N个天线元件2011G(看“入”页面或出页面,因截面化而隐藏)。传输线2009A-2009G可以是提供从RFIC管芯去往/来自天线的RF连接的迹线。在一些方面中,如果受馈电的天线实际上是天线阵列(例如2011A1-2011AN),则对阵列进行馈电的RF迹线可以是可以指定为2009A1、……2009AN的RF迹线的阵列。来自RFIC的RF迹线可以横向地沿着给定层通过层结构或通过用于到达其他层的过孔对各种天线元件进行馈电。RF迹线可以是微带、带线或其他合适的导体。在一些方面中,去往天线的RF迹线可以通过所屏蔽的腔体2003中的开孔。在一些方面中,这些RF馈电的一些区段可以处于腔体内部,而一些处于外部。虽然在此示出为在腔体外部行进,但替选方面可以使得RF迹线甚至垂直地首先在腔体2003内部行进,并且然后在顶部(或侧)处穿透通过屏蔽笼中的开孔(过孔孔洞或横向迹线)以到达天线元件。以下关于图20B和图21附加地详细讨论该情况。
根据一些方面,多层层叠结构的层2013可以实现将RFIC电连接到腔体外部的系统的适当部分的电触点的层。以下结合图20B讨论这些触点。在该实例中,电触点(图20A的2013处未示出)将进入页面或离开页面(例如,隐藏在截面图背后)。
图20B示出根据一些方面的图20A的层叠结构的底座部分。图20B示出以上简要地讨论的底座2021。参照图20B所示的截面20A-20A取得图20A的截面说明。在一些方面中,图20B中所见的电触点2023与图20A中的层2013处实现的所讨论的电触点相同。对于该实现方式可以使用其他层。
腔体2003以消隐线示为设置于层叠结构(示出为配置于底座2021内)内。底座可以充当用于电触点的表面,并且用作对层叠结构可以连接到的主板(MB)的附接方法。电触点2023也可以充当从子系统到MB的热导管。根据一些方面,MB将具有相对于图20A的层2013(作为一个示例)如上所讨论的那样放置的适当互补触点,从而子系统可以容易地附接到MB并且既以电方式又以热方式构成对MB的适当接口。将插入适当插孔中的电触点在一些方面中是从RFIC管芯到MB的仅机械连接。替代地,它们可以直接是通过适当互补触点附接到MB的焊料。通常,在一些方面中,热量需要良好的金属以进行传导,并且这些所暴露的电触点2023也可以在很多情况下使用多层结构的地层充当沿着路途的金属化从腔体内部的管芯拉取热量的热沉路径。虽然存在也通过PCB材料传导的特定量的热量,但对于热量传送,这种类型的热量交换不如金属化触点那样高效。
如以上简要地讨论的那样,对天线进行馈电的RF迹线可以通过所屏蔽的腔体2003中的开孔。这些RF馈电的一些区段可以处于腔体内部,而一些处于外部。根据一些方面,虽然在此示为在腔体外部行进,但替选方面可以使得RF迹线甚至垂直地首先在腔体2003内部行进,并且然后在顶部(或侧)处穿透通过屏蔽笼中的开孔(过孔孔洞或横向迹线)以到达天线元件。该情况可见于图21和图22中。图21示出根据一些方面的图20A的层叠结构的腔体内部的RF馈电。腔体2103与图20A的层叠结构中的腔体2003相似。可以将屏蔽2108接地的地平面层2113是附图所示的结构的顶部上的地层,其与垂直过孔(为了清楚未示出)进行接触。以点线示出地层2108以指示其在所示层叠结构中的存在性。
在一些方面中,垂直地过孔2110位于腔体2103的外围周围,并且可以是以上所讨论的Faraday笼的部分。RF迹线2109A、2109B、2109C、2109D和2109E被配置在电连接到RFIC管芯2106上,其可以处于腔体2103内部的另一层上的地平面之下。RF迹线包括用于被配置在图20A的层叠结构2001上或其内部的天线的RF馈电。根据一些方面,RF迹线2009A、2009B和2009C可以在腔体2003内部行进,并且在过孔之间横向地脱离开(图20A中描述的)地笼,以对天线元件2011A、2011B和2011C进行馈电。
天线元件2011A、2011B和2011C可以是边射天线元件,在一个示例中示出为偶极。根据一些方面,RF迹线2109D和2109E通过使用过孔2112D和2112E穿透通过地屏蔽。图22中更清楚地可见该情况。图22示出根据一些方面的垂直地过渡通过地平面层的RF馈电迹线。RF迹线2209D和2209E通过金属化中的孔洞或开孔2212D2、2212E2穿透通过地平面层,以允许信号过孔经过以(在一些方面中通过过孔2212D1和2212E1)分别从管芯2206到达天线或天线元件2211D和2211E。根据一些方面,以点线示出天线或天线元件2211D和2211E以指示它们可以处于层叠结构2001的适当层级处。虽然天线或天线元件2211D或2211E示为贴片天线,但可以是任何适当的天线或天线元件。过孔2212D1、2212E1示为过大的,以指示每个可以连接到层叠结构2001的适当层级,以要么直接地要么在一些方面中经由将过孔连接到天线的附加RF迹线对天线2211D和2211E进行馈电。
RF通信系统时常利用半导体管芯上形成的子系统(例如压控振荡器(VCO)、功率放大器、收发机、调制解调器等)。时常,尤其是在当多种类型的信号通信系统实现于单个芯片上时的实例中,封装的芯片已经限制用于定位天线元件的空间。
图23示出根据一些方面的具有共同定位的mmWave天线和近场通信(NFC)天线的示例性半导体封装2300的多个视图。半导体封装2300可以包括于图3A所示的mmWave通信电路300的天线阵列电路330中,但半导体封装2300不限于此。
参照图23,半导体封装2300可以实现于PCB基板2302上。PCB基板可以包括组件侧2302A和印制侧2302B。在一些方面中,组件侧2302A可以包括执行信号处理功能的一个或多个电路(或子系统)。例如,组件侧2302A可以包括RF前端模块(RFEM)2310和基带子系统(BBS)2312。图26和图27分别更详细地示出RFEM 2310和BBS 2312。在一些方面中,PCB基板可以还包括近场通信(NFC)子系统2318,其可以被配置为接收并且发送NFC信号。
在一些方面中,RFEM 2310可以包括合适的电路、逻辑、接口和/或代码,并且可以被配置为处理BBS 2312所生成的一个或多个中频(IF)信号以用于使用相控天线阵列的传输。RFEM 2310可以被配置为经由相控天线阵列接收一个或多个RF信号,并且将RF信号变频为IF信号,以用于由BBS 2312进一步处理。
在一些方面中,RFEM 2310可以被配置为处理一个或多个mmWave频段中的mmWave信号。附加地,相控天线阵列(或相控天线阵列的子集)可以实现为PCB基板2302的印制侧2302B上的天线阵列2316。即使四个贴片天线示出为相控天线阵列2316,本公开也不限于此,并且其他类型(和不同数量)的天线可以用作相控天线阵列2316。附加地,相控天线阵列2316可以用以发送并且接收mmWave信号或其他类型的无线信号。
在一些方面中,相控天线阵列2316可以与近场通信(NFC)天线2314共同定位。在图23中可见,NFC天线2314可以实现为PCB基板2302的印制侧2302B上的部署在相控天线阵列2316周围的电感器元件。在一些方面中,NFC天线2314可以包括可以与相控天线阵列2316共同定位的多个电感器元件(例如多层电感器)。
在一些方面中,RFEM 2310和BBS 2312可以用于在一个或多个通信网络中结合一个或多个无线标准或协议处理无线信号。示例通信网络可以包括局域网(LAN)、广域网(WAN)、分组数据网络(例如互联网)、移动电话网络(例如蜂窝网络)、普通旧式电话(POTS)网络和无线数据网络(例如称为的电气与电子工程师协会(IEEE)802.11标准族、称为的IEEE 802.16标准族)、IEEE802.15.4标准族、长期演进(LTE)标准族、5G无线通信标准或协议(包括28GHz、37GHz和39GHz通信频段中的通信)、全球移动通信系统(UMTS)标准族、点对点(P2P)网络等。
图24示出根据一些方面的具有相控天线阵列的射频前端模块(RFEM)。参照图24,示出使用PCB基板2302的两侧上实现的示例相控天线阵列的RFEM 2310。更具体地说,相控天线阵列2400可以包括第一多个天线2402-2408、第二多个天线2410-2414、第三多个天线2416-2422、第四多个天线2424-2428、第五多个天线2432和第六多个天线2434。
在一些方面中,天线2402至2428和2432可以部署在PCB基板2302的一个侧上。第六多个天线2434可以部署在PCB基板2302的相对侧上(例如,与图23所示的天线阵列2316相似)。在一些方面中,可以沿着PCB基板2302的四个对应边缘部署第一、第二、第三和第四多个天线2402-2428(见于图24中)。第五多个天线2432可以部署在距PCB基板2302的边缘远离的区块处。PCB基板2302可以还包括连接端子2430,其可以用作用于相控天线阵列2400的馈线。于此,包括天线2402-2428、2432和2434的相控天线阵列可以在相对于PCB基板2302的北、南、西、东、向上和向下方向上提供信号覆盖。
在一些方面中,包括天线2402-2428、2432和2434的相控天线阵列可以包括不同类型的天线(例如偶极天线和贴片天线)。在一些方面中,同样可以使用其他类型的天线实现相控天线阵列。在一些方面中,相控天线阵列2400的天线中的一个或多个可以实现为RFEM2310的部分。附加地,PCB基板2302可以包括可以与相控天线阵列2400的天线中的一个或多个共同定位的NFC天线(图24中未示出)。例如,NFC天线可以与天线2434共同定位在PCB基板2302的同一侧上。
图25示出根据一些方面的移动设备中的RFEM的示例性位置。参照图25,示出包括多个RFEM 2502的移动设备2500。每个RFEM2502可以包括例如如图23所示的共同定位的NFC天线和mmWave相控阵列天线。如图25可见,每个RFEM 2502可以远离屏幕区块(例如,在边框区块中),从而在当人手覆盖一个RFEM时的实例中,可以从另一RFEM提供天线覆盖。
图26是根据一些方面的示例性RFEM的框图。参照图26,RFEM 2310经由同轴缆线2612耦合到BBS 2612。RFEM 2610可以包括相控天线阵列2602、RF接收机2604、RF发射机2606、LO生成器2608、三工器2610和开关2603。RF接收机2604可以包括多个功率放大器2616、多个移相器2618、加法器2620、放大器2622、放大器2626、乘法器2624。RF发射机2606可以包括乘法器2638、放大器2636和2640、加法器2634、多个移相器2632和多个放大器2630。RFEM 2310可以还包括中频(IF)放大器2627和2641。
在示例接收操作中,开关2603可以激活接收机链处理。相控天线阵列2602可以用于接收多个信号2614。接收信号2614可以由放大器2616放大,并且相位可以通过对应移相器2618受调整。移相器2618中的每一个可以从控制电路接收分离的相位调整信号(图26中未示出),其中,单独相位调整信号可以基于当处理经由相控天线阵列2602接收的信号时的期望的信号方向性。移相器2618的输出处的相位调整的信号可以由加法器2620求和,并且然后由放大器2622放大。LO生成器2608可以生成LO信号,其可以由放大器2626放大并且然后使用乘法器2624乘以放大器2622的输出,以生成IF输出信号。IF输出信号可以由放大器2627放大,并且它们经由三工器2610和同轴缆线2612传递到BBS 2312。
在示例发送操作中,开关2603可以激活发射机链处理。RFEM 2310可以经由同轴缆线2612和三工器2610从BBS 2312接收IAF信号。IAF信号可以由放大器2641放大,并且然后传递到乘法器2638。乘法器2638可以从LO生成器2608和放大器2640接收上变频LO信号。放大的LO信号可以由乘法器2638乘以接收到的IF信号。相乘的信号然后由放大器2636放大,并且传递到加法器2634。加法器2634生成放大的信号的多个副本,并且将信号副本传递到多个移相器2632。多个移相器2632可以应用不同相位调整信号以生成多个相位调整的信号,其可以由多个放大器2630放大。多个放大器2630生成多个信号2628,以用于相控天线阵列2602进行的传输。
在一些方面中,可以在由RFEM 2310处理mmWave无线信号(或其他类型的信号)与由NFC子系统2318处理NFC信号之间共享LO生成器2608。例如,NFC子系统2318可以根据需要(在划分该LO生成信号之后)在LO生成器2608的输出处使用它,以用于上变频或下变频。在另一示例中,NFC子系统2318可以通过使用LO信号(例如,通过将LO信号乘以NFC数据)使用LO生成信号,以用于NFC数据的直接生成。
在一些方面中,可以与NFC子系统2318共享RFEM 2310或BBS 2312内的其他电路/子系统。例如,RFEM 2310或BBS 2312可以包括可以与NFC子系统2318共享的电源管理单元(PMU)(未示出)。在一些方面中,PMU可以包括可以与NFC子系统2318共享的DC到DC子系统(例如DC调节器)、电压调节器、带隙电压基准和电流源等。
即使RF接收机2604和RF发射机2606示出为分别输出并且接收中频(IF)信号,本公开也不限于此。更具体地说,RF接收机2604和RF发射机2606可以被配置为分别输出并且接收RF信号(例如超外差或直接变频架构)。
图27是根据一些方面的介质接入控制(MAC)/基带(BB)子系统的框图。参照图27,BBS 2312可以包括三工器2702、IF接收机2704、调制解调器2724、晶体振荡器2730、综合器2728和除法器2726。综合器2728可以使用来自晶体振荡器2730的信号,以生成时钟信号,其可以由除法器2726相除,以生成输出时钟信号,以用于传递到RFEM 2310。在一些方面中,生成的时钟信号可以具有1.32GHz的频率。
IF接收机2704可以包括放大器2708、混频器2710、滤波器2712和ADC块2714。IF发射机2706可以包括DAC块2722、低通滤波器2720、混频器2718和IF放大器2716。
在示例接收操作中,IF信号经由三工器2702从RFEM 2310得以接收,并且由放大器2708放大。放大的IF信号可以由混频器2710下变频为基带信号,然后由低通滤波器2712滤波,并且由ADC块2714变频为数字信号,然后由调制解调器2724处理。
在示例发送操作中,调制解调器2724输出的数字信号可以由DAC块2722转换为模拟信号。模拟信号然后由低通滤波器2720滤波,并且然后由混频器2718将其上变频为IF信号。IF信号然后由IF放大器2716放大,并且然后经由三工器2702和同轴缆线2612发送到RFEM 2310。
在一些方面中,同轴缆线可以用以传递IF信号或RF信号(例如共轴上的RF(RFoC)通信)。于此,用于处理IF或RF信号的一个或多个其他子系统可以部署在RFEM 2310与BBS2312之间,以用于附加信号处理。
在一些方面中,可以在同一封装内定位RFEM 2310、BBS2312、NFC子系统2318、相控天线阵列2316和NFC天线2314,或可以使用可以在分离的封装上实现一个或多个子系统的分布式方法。
图28是根据一些方面的示例性NFC天线实现方式的示图。参照图23和图28,实现为具有共同定位的天线阵列2316和NFC天线2314的RFEM 2310可以还包括信号屏蔽封盖2802。在一些方面中,NFC天线2314可以部署在信号屏蔽封盖2802上。在图28中可见,NFC天线2314可以实现为电感线圈2808。更具体地说,以下堆叠可以应用于信号屏蔽封盖2802:聚酯纤维带2814、磁性片材2812、和粘接带2810、电感线圈2808、基膜2806和粘接带2804。即使图28示出包括线圈2808的特定带堆叠,本公开也不限于此,并且与毫米波相控天线阵列共同定位的NFC天线的其他方面也是可能的,并且也可以使用其他类型的层/片材和层排序代替图28所示的层和排序。
图29示出根据一些方面的具有多个PCB基板上的共同定位的mmWave天线和近场通信(NFC)天线的半导体封装的多个视图。参照图29,半导体封装2902可以包括多个PCB基板。例如,半导体封装2902可以包括第一基板2904和第二基板2906。第一基板2904可以包括第一侧2904A(例如印制侧)和第二侧2904B(例如组件侧)。组件侧2904B可以包括一个或多个组件2908(例如RFEM(例如2310)、BBS(例如2312)和NFC子系统(例如2318))。印制侧2904A可以包括相控天线阵列2910。例如,相控天线阵列2910可以由组件侧2904B上实现的RFEM使用。在一些方面中,印制侧2904A可以包括共同定位的NFC天线2914。NFC天线2914可以实现为(相控天线阵列2910旁边的)NFC天线2914A或相控天线阵列2910周围部署的NFC天线2914B。
在一些方面中,基板2904上实现的RFEM所使用的相控天线阵列的子集可以部署在第二基板2906上。例如,在图29中可见,基板2906可以包括相控天线阵列2912。相控天线阵列2910和相位天线阵列2912二者可以包括具有水平和/或垂直偏振的天线。在一些方面中,第二基板2906可以包括共同定位的NFC天线2914C,其可以部署在相控天线阵列2912旁边。替代地,NFC天线可以实现为天线2914D,其为部署在相控天线阵列2912周围的电感器。
在一些方面中,第一基板2904可以包括焊料球2916,其可以用于第一基板2904与第二基板2906之间的耦合。
相控阵列无线电收发机可以用在毫米波无线电通信电路中,以增加天线增益,从而解决与在这些频率处的较小天线孔径关联的显著路径损耗。然而,相控阵列无线电收发机利用所有相控阵列接收机(或发射机)信号之和组合在一起的重新组合点。鉴于性能和复杂度,这种组合节点一般是相控阵列接收机中的瓶颈。附加地,在期望不同大小的相控阵列的应用中,可能需要重新设计组合节点,这样显著增加设计复杂度并且是对相控阵列的可分级性的阻碍。
图30是根据一些方面的通过对RF处的信号进行相移并且组合实现波束赋形的RF相控阵列系统的框图。所示的RF相控阵列系统可以包括于图3A所示的mmWave通信电路300的RF电路325中,但RF相控阵列系统不限于此。
参照图30,示出相控阵列无线电收发机3000。收发机通过以所发送(或接收到)的信号形成于若干(在幅度方面)较弱的信号的相干矢量之和的这种方式修改每个接收到的元素的增益和相位进行操作。收发机3000操作为RF相控阵列系统。更具体地说,收发机3000包括N数量的接收机/发射机链,其包括天线3002_1-3002_N、放大器3004_1-3004_N、移相器3006_1-3006_N、可变增益放大器3008_1-3008_N、加法器(或组合器)3010、混频器3012、滤波器3016和模数转换器(ADC)3018。在当信号受处理以用于发送时的实例中,块3018可以是数模转换器。
在操作中,移相器3006_1-3006_N以及可变增益放大器3008_1-3008_N用以调整每个发送的或接收到的信号。由于可以需要仅一个混频器和基带链,因此图30中的RF相控阵列系统的优点是简单性。图30中的RF相控阵列系统的缺点可以包括:可分级性的缺少(在RF频率处添加若干路径形成带宽瓶颈)、接收机中的所加入的噪声指数(因为有噪声的相控阵列和可变增益放大器添加到天线附近)以及所加入的功耗(相位和增益调整块操作在毫米波频率处并且可能加入额外信号损耗)。
图31是根据一些方面的通过对本地振荡器(LO)进行相移并且组合IF/基带处的模拟信号实现波束赋形的相控阵列系统的框图。参照图31,示出相控阵列无线电收发机3100,其被配置作为本地振荡器(LO)相移相控阵列系统。收发机3100包括天线3102_1-3102_N、放大器3104_1-3104_N、可变增益放大器3106_1-3106_N、混频器3108_1-3108_N、移相器3110_1-3110_N、加法器(或组合器)3114、滤波器3116和ADC 3118。在图31中可见,LO相控阵列系统3100在信号路径中使用可变增益放大器,然而,移相器3110用在本地振荡器路径内,以偏移LO信号3112的相位。该拓扑优于图30的RF相控阵列系统的优点是减少的噪声曲线。然而,LO相控阵列系统3100使用更多的混频器。附加地,对在毫米波频率处进行操作的LO信号进行选路可能是有挑战的。
在一些方面中,LO相控阵列系统3100可以被配置为使用全数字PLL(ADPLL)执行相移,并且相移可以通过数字方式完成于ADPLL环路内。这样可以消除对于RF移相器(其鉴于功耗而是昂贵的并且在信号路径中引入失真和插损)的需要。ADPLL内的相移还消除对于LO信号路径上所加入的显式移相器的需要。
图32是根据一些方面的具有数字相移和组合的相控阵列的框图。参照图32,示出数字相控阵列系统3200。收发机3200可以包括天线3202A-3202N、放大器3204A-3204N、可变增益放大器3206A-3206N、混频器3208A-3208N、滤波器3212A-3212N、ADC3214A-3214N和加法器3216。
在图32中可见,整个收发机链关于每个天线而重复,包括数据转换器3214A-3214N。可以对加法器3216之后的数字信号输出3218执行信号相位调整和信号组合。然而,在数字域中执行相控阵列组合可能导致增加的复杂度和功耗。数字相控阵列系统3200的益处是其用于通过生成均以不同波束赋形系数集合(增益和相位二者)生成的分离数字流同时支持多用户的能力,其中,每个用户利用全部天线阵列增益。
在图30-图32所示的示例收发机中,使用所有相控阵列接收机(或发射机)信号之和通过不同幅度权重和/或相移组合在一起的重新组合点。鉴于性能和复杂度,这种组合节点一般可能是相控阵列接收机中的瓶颈。附加地,如果期望不同大小的相控阵列,则可以重新设计组合节点,这样可能显著增加收发机的设计复杂度并且实质上限制阵列可分级性。
在一些方面中,可以使用可分级相控阵列无线电收发机架构,如本文所讨论的那样,这样减缓与图30-图32所示的收发机关联的可分级性和复杂度问题。可分级相控阵列无线电收发机架构可以使用多个收发机瓦片(或小单元),这样有助于该架构对于多个应用和产品的可重用性并且减少上市时间。附加地,所提出的可分级相控阵列无线电收发机架构是可自配置的,使得收发机设备的可编程性容易。可分级相控阵列无线电收发机架构可以支持使得关于具体使用情况优化的更好的相控阵列增益或低功耗成为可能的多种操作模式,如本文以下所讨论的那样。
图33是根据一些方面的可以用在可分级相控阵列无线电收发机架构中的收发机小单元元件的框图。参照图33,收发机小单元(TRX)3300可以包括发射机(TX)电路3302、接收机(RX)电路3304、本地振荡器(LO)电路3306、数字电路(DIG)3308、输入/输出(I/O)电路3310和相位调整电路3312。在一些方面中,复用器和解复用器的集合可以平铺在收发机小单元3300的四个边缘3320-3326上,以允许与相邻小单元的通信。收发机小单元3300的四个边缘可以指定为北(N)边缘3320、东(E)边缘3322、南(S)边缘3324和西(W)边缘3326。I/O电路3310可以包括将收发机小单元3300连接到邻居小单元的模拟和数字并行总线二者,这样允许将小单元平铺到收发机阵列中。在一些方面中,TX电路3302和RX电路3304可以分别具有单个或多个发射机和接收机,允许多个接收机和发射机链共享单个本地振荡器信号以节省功耗。在一些方面中,可以用以在每个收发机小单元内生成本地振荡器信号的晶体振荡器信号可以受缓冲并且共享于多个收发机小单元之间。在一些方面中,环回可以用以测量并且校准去掉每个收发机小单元中的晶体振荡器缓冲器引入的延迟。收发机小单元3300可以还包括控制电路(图33中未示出),其可以用以处理将收发机小单元3300连接到其他邻居小单元的控制信号以及静态的全局控制信号。在一些方面中,控制电路可以被包括作为数字电路3308的部分。
在一些方面中,TX电路3302和RX电路3304可以包括放大器、可变增益放大器、混频器、基带滤波器、模数转换器、数模转换器和其他信号处理电路。在一些方面中,数字电路3308可以包括执行数字信号处理、滤波以及数字信号组合和相位调整的电路。在一些方面中,相位调整和信号组合可以由相位调整电路3312皆在模拟或数字域中执行。
图34是根据一些方面的使用多个收发机小单元的相控阵列无线电收发机架构的框图。参照图34,收发机阵列3400可以包括在阵列中平铺在一起的多个收发机小单元。更具体地说,收发机小单元3402-3412中的每一个可以是彼此的精确副本,并且收发机小单元3402-3412中的每一个可以包括参照图33描述的功能块。单独收发机小单元3402-3412之间的通信可以包括模拟和数字总线。在一些方面中,总线的宽度可以等于相控阵列系统可以支持的同时用户的数量,如本文以下进一步解释的那样。在图34中可见,每个收发机小单元可以连接到仅相邻收发机小单元,这样确保使用多个收发机瓦片的收发机架构的可分级性。
在一些方面中,使用多个收发机瓦片的收发机架构可以实现于单个半导体管芯上,这样可以使得半导体晶圆能够切分为不同形状和阵列大小以用于不同应用,如图35所示。
图35示出根据一些方面的半导体管芯切分为形成相控阵列无线电收发机的单独收发机小单元。参照图35,示出半导体晶圆3500和3502。晶圆3500和3502可以制造为包括在制造工艺期间连接到彼此的多个收发机瓦片(或小单元)。结合晶圆3500,可以从晶圆3500切分出不同相控阵列无线电收发机以用于不同应用。例如,10x3阵列3510、多个1x2阵列3512、单个3x18阵列3514、多个3x3阵列3516、多个3x9阵列3518、多个1x4阵列3520和单个2x10阵列3522可以从半导体晶圆3500得以切分出并且用于具有变化的系统级要求的不同低功率应用。
在一些方面中,在高性能系统(例如基站应用)中,可以切分单个半导体管芯3502,从而获得单个收发机阵列3530。于此,同一半导体晶圆可以填充有相同收发机小单元(例如3300)的多个副本,并且于是半导体晶圆可以受切分以获得具有不同形数的收发机阵列。
图36是根据一些方面的封装有相控阵列天线的相控阵列无线电收发机架构的框图。参照图36,相控阵列无线电收发机架构封装3600可以包括具有部署在半导体管芯3602上的平铺式收发机小单元的收发机阵列3610。收发机阵列3610可以与天线阵列3612中的天线的天线层3604组合,天线阵列3612可以与收发机阵列3610集成以形成相控阵列无线电收发机架构封装3600。在一些方面中,收发机阵列3610内的单独收发机小单元的间距可以等于天线阵列3612中的单独天线的间距。
在一些方面中,包括多个相同收发机小单元的可配置相控阵列收发机系统(例如具有多个收发机小单元(例如小单元3300)的收发机阵列3400)可以包括用于执行自配置的自意识可配置结构。更具体地说,与收发机阵列3400关联的处理器电路(例如单独收发机小单元3300中的一个或多个内的处理电路)可以在上电时执行自配置。例如,可以例如通过ID分配算法在上电时确定用于收发机阵列3400内的收发机小单元中的每一个的标识号(ID)。通过具有用于每个收发机小单元的关联ID号,收发机阵列3400可以提供指示收发机阵列3400内激活的单独收发机小单元的数量和/或位置的配置信息,从而关于控制和配置可以单独地寻址每个相同小单元。
收发机阵列芯片的四个侧可以称为北(N)、南(S)、西(W)和东(E)。在上电时,ID#1可以分配给NW转角小单元(例如收发机小单元3402)。收发机阵列3400的NW转角可以由可以检测端口相对于另一端口是开路还是短路的位置连接端口确定。
例如,处理器电路可以确定收发机小单元3402的N和W端口二者是开路,并且因此,初始ID#1分配给该小单元。收发机小单元3402可以然后发起编号序列,其中,ID号可以增加达1并且向东传递到邻居收发机小单元。如果当前小单元没有E端口连接(例如小单元3406)并且其从西小单元接收了其ID号,则其将ID号传递到南小单元。如果当前小单元没有E端口连接并且其从北小单元接收了其ID号,则其将ID号传递到西小单元(如果连接,否则,其也将ID号传递到南小单元)。相似的处理可以用于阵列的西边界。该操作继续,直到到达SE或SW转角小单元。此时,ID编号完成。附加地,当分配小单元的ID号时,小单元可以经历发送和接收幅度和相位值二者的本地幅度和相位校准。一旦自校准处理完成并且收发机阵列内的每个收发机小单元具有分配的ID号,ID号就可以用以进一步配置阵列以用于处理与不同数量的用户关联的信号。在图34中的示例阵列3400中,ID分配/编号可以开始于小单元3402处,然后依次继续向右直到小单元3406,然后向下并且继续向左直到小单元3408,然后向下继续向右,依此类推。
在一些方面中,可分级相控阵列无线电收发机架构(例如收发机阵列3400)可以支持多种操作模式。操作模式的示例包括LO相控阵列(或波束赋形)操作模式、数字相控阵列(或波束赋形)操作模式、模拟相控阵列(或波束赋形)操作模式和混合相控阵列(或波束赋形)操作模式。可以使用以上所讨论的收发机小单元(例如3402或3300)实现操作模式中的每一个,允许阵列3400的大小可分级操作和配置。
图37是根据一些方面的具有通信总线的收发机小单元的框图。参照图37,收发机小单元3700可以与以上参照图33讨论的收发机小单元3300相同。
在示例数字波束赋形操作模式期间,可以使用收发机小单元3700内的收发机有关元件。例如,在接收模式下,接收信号可以转换为数字信号,然后,矢量在收发机小单元3700内与从具有先前ID号的邻居收发机小单元接收到的数字信号求和。为了保持可分级性,每个阶段之间的求和可以流水线化,以限制数据总线线路上的加载。附加地,为了支持总共K个用户(或等同地,用于相控阵列的K个独立波束),可以使用K数量的总线线路,一个总线线路用于每个用户。
在一些方面中,总线线路的数量在硬件中可以是固定的,并且每个收发机小单元可以因此随硬件设计为在数字相控阵列操作期间支持最大数量的用户(或波束)。由于数据线路受流水线化,因此可以保持深度N D 的内部流水线寄存器。流水线化深度N D 可以限制最大收发机阵列大小,其中,关于数字相控阵列操作模式而连接单独收发机小单元。较大的阵列大小(或相同收发机小单元的数量)需要较大的流水线寄存器深度N D
图37中可见,收发机小单元3700被配置用于使用K个数字总线的数字波束赋形操作模式,以与邻居小单元进行通信。例如,K数量的数字总线3702、3704、3706和3708可以用以与分别定位到西、北、东和南的收发机小单元进行通信。收发机小单元3700可以包括发射机块3722和接收机块3724。发射机块3722和接收机块3724可以经由可以用于选择来自特定邻居收发机小单元的数字输入的数字复用器3710-3712、3714-3716和3718-3720耦合到K数量的数字总线。来自邻居小单元的接收数字信号可以相加并且然后以流水线化方式传递到随后邻居小单元。
图38是根据一些方面的具有使用单个模数转换器(ADC)的LO相移操作模式下的收发机瓦片的相控阵列收发机架构的框图。参照图38,相控阵列收发机3800可以包括多个收发机小单元3802-3818。收发机小单元3802-3818可以与图33所示的收发机小单元3300相同。
在示例LO相控阵列操作模式下,每个收发机小单元3802-3818可以从中央控制单元(图38中未示出)接收相移信号。中央控制单元可以是收发机阵列3800所使用的处理器,或其可以是单独收发机小单元内的一个或多个处理器。在接收路径中,相移信号可以施加到本地振荡器信号,以生成受相移的LO信号。所有混频器级的输出可以在模拟域中求和,旁路任何模数转换。更具体地说,在使用受相移的LO信号对接收到的无线信号进行下变频之后,所得信号可以与从邻居小单元(例如沿着西边缘的收发机小单元)接收到的信号求和,并且然后传递到另一邻居收发机小单元(例如沿着东边缘的收发机小单元)。
参照图38中的收发机阵列3800,模拟下变频后的信号随着它们在邻居小单元之间经过而求和,并且最终求和的模拟信号传递到收发机小单元3806。收发机小单元3806内的模数转换器3820可以用以将模拟信号转换为数字信号,数字信号可以然后关于处理而传递到基带电路3822。于此,仅单个ADC将取得所有收发机小单元3802-3818的组合的模拟信号输出,并且将组合的模拟信号输出转译为数字信号。可以通过在相邻收发机小单元之间进行接口的模拟总线线路执行来自收发机小单元3802-3818中的每一个的多个模拟信号的组合。由于ADC是相移式阵列系统中的最大功率消耗块之一,因此通过在收发机阵列3800内使用单个ADC,可以实现显著功率减少。
图39是根据一些方面的具有使用多个ADC的LO相移操作模式下的收发机瓦片的相控阵列收发机架构的框图。参照图39,收发机阵列3900可以包括多个收发机小单元3902-3918。收发机小单元3902-3918可以与图33所示的收发机小单元3300相同。在具有多个子阵列的示例LO相控阵列操作模式下,每个收发机小单元3902-3918可以从中央控制单元(图39中未示出)接收相移信号。中央控制单元可以是收发机阵列3900所使用的处理器,或其可以是单独收发机小单元内的一个或多个处理器。
在图39中可见,收发机阵列3900的行内的多个邻居收发机小单元可以形成子阵列。例如,收发机小单元3902-3906可以形成收发机子阵列。收发机小单元3908-3912和3914-3918可以形成相似子阵列。在用于子阵列中的每一个的接收路径中,相移信号可以施加到本地振荡器信号,以生成受相移的LO信号。子阵列内的所有混频器级的输出可以在模拟域中求和,旁路模数转换并且然后传递到与子阵列关联的单个ADC。更具体地说,在使用受相移的LO信号对接收到的无线信号进行下变频之后,所得信号可以与从小单元3902-3906的子阵列内的邻居小单元(例如沿着西边缘的收发机小单元)接收到的信号求和,并且然后传递到子阵列内的另一邻居收发机小单元(例如沿着东边缘的收发机小单元)。
参照小单元3902-3906的收发机子阵列,模拟下变频后的信号随着它们在邻居小单元之间经过而求和,并且最终求和的模拟信号传递到收发机小单元3906。收发机小单元3906内的模数转换器3920可以用以将模拟信号转换为数字信号,数字信号可以然后关于处理而传递到基带电路3926。
参照小单元3908-3912的收发机子阵列,模拟下变频后的信号随着它们在邻居小单元之间经过而求和,并且最终求和的模拟信号传递到收发机小单元3912。收发机小单元3912内的模数转换器3922可以用以将模拟信号转换为数字信号,数字信号可以然后关于处理而传递到基带电路3928。
参照小单元3914-3918的收发机子阵列,模拟下变频后的信号随着它们在邻居小单元之间经过而求和,并且最终求和的模拟信号传递到收发机小单元3918。收发机小单元3918内的模数转换器3924可以用以将模拟信号转换为数字信号,数字信号可以然后关于处理而传递到基带电路3930。
与阵列内的所有收发机小单元元件用以生成模拟信号并且阵列内的单个ADC用以生成输出数字信号的图38的收发机阵列3800相比,图39中的收发机阵列3900使用每子阵列一个ADC,这样允许生成服务多个用户的多个数字信号(例如,如果收发机阵列3900划分为均具有其自身的数字信号输出的M个子阵列,则M个用户可以受服务)。然而,每个用户将正使用仅总阵列孔径的分数(1/M)。
图40是根据一些方面的具有使用多个ADC以生成多个数字信号的混合操作模式(LO和数字相移和组合)下的收发机瓦片的相控阵列收发机架构的框图。参照图40,相控阵列收发机4000可以包括多个收发机小单元4002-4018。收发机小单元4002-4018可以与图33所示的收发机小单元3300相同。在示例混合操作模式下,收发机小单元4002-4018中的每一个可以从中央控制单元(图40中未示出)接收相移信号。中央控制单元可以是收发机阵列4000所使用的处理器,或其可以是单独收发机小单元内的一个或多个处理器。
在图40中可见,阵列4000的行内的多个邻居收发机小单元可以形成子阵列。例如,收发机小单元4002-4006可以形成收发机子阵列。收发机小单元4008-4012和4014-4018可以形成相似子阵列。在用于子阵列中的每一个的接收路径中,相移信号可以施加到本地振荡器信号,以生成受相移的LO信号。子阵列内的所有混频器级的输出可以在模拟域中求和,旁路模数转换并且然后传递到与子阵列关联的单个ADC。更具体地说,在使用受相移的LO信号对接收到的无线信号进行下变频之后,所得信号可以与从小单元4002-1106的子阵列内的邻居小单元(例如沿着西边缘的收发机小单元)接收到的信号求和,并且然后传递到子阵列内的另一邻居收发机小单元(例如沿着东边缘的收发机小单元)。参照小单元4002-4006的收发机子阵列,模拟下变频后的信号随着它们在邻居小单元之间经过而求和,并且最终求和的模拟信号传递到收发机小单元4006。收发机小单元4006内的模数转换器(ADC)电路4020可以用以将模拟信号转换为数字信号,数字信号可以然后关于处理而传递到基带电路4026。
参照小单元4008-4012的收发机子阵列,模拟下变频后的信号随着它们在邻居小单元之间经过而求和,并且最终求和的模拟信号传递到收发机小单元4012。收发机小单元4012内的模数转换器4022可以用以将模拟信号转换为数字信号,数字信号可以然后关于处理而传递到基带电路4028。
参照小单元4014-4018的收发机子阵列,模拟下变频后的信号随着它们在邻居小单元之间经过而求和,并且最终求和的模拟信号传递到收发机小单元4018。收发机小单元4018内的模数转换器(ADC)电路4024可以用以将模拟信号转换为数字信号,数字信号可以然后关于处理而传递到基带电路4030。
在示例混合操作模式下,基带电路4026、4028和4030中的每一个可以应用一个或多个权重值(或系数),目的是生成波束赋形信号。更具体地说,系数H 1 、H 2 、……、H N 可以与期望波束4037关联。相似地,系数W 1 、W 2 、……、W N 可以与期望波束4033关联。基带电路4026、4028和4030可以将系数H 1 、H 2 、……、H N 应用于从ADC电路4020、4022和4024接收到的数字信号。加权信号可以由加法器4036求和以生成期望波束4037。
相似地,基带电路4026、4028和4030可以将系数W 1 、W 2 、……、W N 应用于从ADC电路4020、4022和4024接收到的数字信号。加权信号可以由加法器4032求和以生成期望波束4033。波束4037和4032可以分别由基带电路4038和4034进一步处理。
即使图40示出在数字域中使用两个加法器生成两个波束,但本公开不限于此。在一些方面中,仅单个权重集合可以应用于ADC电路的数字输出,并且仅单个加法器可以用以生成用于单个用户的单个波束。
图41是根据一些方面的具有使用单个ADC的模拟/IF/基带相移和组合操作模式下的收发机瓦片的相控阵列收发机架构的框图。参照图41,收发机阵列4100可以被配置为操作在模拟相移(波束赋形)操作模式下。在图41中可见,收发机小单元4102A、4102B、4102C和4102D中的每一个包括本地振荡器4106、混频器4104和移相器4108。在接收到的无线信号由混频器4104下变频之后,移相器4108可以施加可以由收发机阵列4100内的控制电路指定的相移。受相移的模拟信号可以传递到邻居收发机小单元,在此它们可以求和,产生最终组合信号4110。组合的受相移的基带模拟信号可以由收发机阵列4100内的单个ADC转换为数字信号。例如,组合的信号4110可以传递到收发机小单元4102B内的ADC 4112B,其可以生成数字信号4114以用于由基带电路4116进行的进一步处理。
图42是根据一些方面的具有使用多个ADC以生成多个数字信号的模拟IF/基带相移操作模式下的收发机瓦片的相控阵列收发机架构的框图。参照图42,收发机阵列4200可以包括收发机小单元4202A、4202B、4202C和4202D。收发机小单元4202中的每一个可以包括对应混频器4204(4204A-4204D)和本地振荡器生成器4206(4206A-4206D)。
在一些方面中,混频器4204的输出处的模拟基带信号可以用以生成多个输出信号。更具体地说,模拟系数集合可以使用模拟乘法器和每个混频器的输出应用于生成来自每个收发机小单元的加权信号,其可以求和并且由ADC子系统转换为数字信号。在图42中可见,第一模拟系数集合A1(S)(4208A-4208D)可以分别应用于混频器4204A-4204D的输出处。加权信号可以求和以生成组合的信号4214,其可以传递到收发机小单元4202B内的ADC4212B。ADC 4212B可以生成输出数字信号4216,以用于数字基带电路4218进行的随后处理。
相似地,第二模拟系数集合A2(S)(4210A-4210D)可以分别应用于混频器4204A-4204D的输出处。加权信号可以求和以生成组合的信号4220,其可以传递到收发机小单元4202D内的ADC 4212D。ADC 4212D可以生成输出数字信号4222,以用于数字基带电路4224进行的随后处理。于此,通过将两个分离的并行模拟系数集合应用于收发机小单元混频器的每个输出,与两个分离的波束对应的两个分离的数字输出信号可以用于两个分离的用户。即使图42中示出仅两个输出数字信号,本公开也不限于此,并且同样可以使用不同数量的并行模拟系数集合。
图43示出根据一些方面的具有收发机瓦片的相控阵列收发机架构的示例操作模式。参照图43,表4300提供并行模拟系数集合的数量、数据收敛性和并行数字系数集合的摘要,其可以用于使用本文所描述的多个收发机小单元的可分级相控阵列无线电收发机架构的各种操作模式。
参照表4300中的第一行,完整孔径(例如完整阵列大小)可以用于收发机阵列中的LO波束赋形操作模式。该模式见于图38中,其中,使用整个阵列(完整孔径),不使用模拟系数集合(因为相移是通过LO相移实现的,并且在混频器之后不处于模拟基带信号中),并且单个ADC用以生成对于随后处理所使用的没有任何并行数字系数集合的单个数字输出信号。
参照表4300中的第二行,完整收发机阵列可以用于数字波束赋形操作模式。每个收发机小单元的模拟输出可以求和,并且阵列内的N数量的数字变频器可以用以在不使用任何并行模拟系数集合的情况下生成N个数字信号。数据变频器的N个数字输出可以用于M数量的并行数字系数集合,以生成服务M个用户的最终M数量的输出波束。图40中示出数字系数集合的应用,其中,两个数字系数集合用于N个数字变频器的输出,以生成服务两个用户的两个最终输出波束。
参照表4300中的第三行,收发机阵列孔径的1/M用以服务M个用户。图39中示出该示例,其中,子阵列处理用于M数量的模数转换器(假设阵列3900具有M行)。可以使用上至M数量的并行数字系数集合随后处理(例如,见于图40中)来自模数转换器的M个数字输出。
参照表4300中的第四行,收发机阵列的完整孔径可以用于模拟相控阵列操作模式。例如并且见于图42中,并且M数量的并行模拟系数集合可以连同M数量的数字变频器一起用以生成M数量的输出信号。参照图42,M等于2,从而每收发机小单元使用两个并行模拟系数集合,其中,两个数字变频器生成两个输出波束信号。上至M个并行数字系数集合可以随后用于数据变频器的波束信号输出。
先前无线用户设备天线阵列设计已经引起至少三个问题。一个问题是先前设计包括了对天线阵列进行馈电的受屏蔽的硅管芯,其中,屏蔽是分立金属屏蔽体,并且其中,阵列可以处于包括受屏蔽的硅管芯的基板的一个或多个等级或一个或多个侧上。这需要相对大面积基板以用于基板的一个或多个等级上或一个或多个侧上的受屏蔽的管芯、分立式电路和天线阵列。需要大面积基板的设计暗示更昂贵的基板。在以上类型的设计中,基板接近如对天线阵列进行馈电的硅管芯的两倍那样昂贵是并非寻常的。在一些方面中,基板可以是层叠结构。虽然本文将描述层叠结构,但在其他方面中也可以使用其他基板。
以上类型的设计中遭遇的第二问题是因为所涉及的大面积所以将长馈线从管芯选路到天线元件中的一些。这样导致在对天线元件中的一些进行馈电中在一些实例中如3dB损耗或近乎一半功率的损耗那样多的功率损耗。
第三,虽然这些设计可以在基板的一些面积中提供良好的相控阵列辐射,但在其他面积中,因为覆盖管芯和分立组件以保护它们不受射频干扰(RFI)和电磁干扰(EMI)的屏蔽,所以来自天线元件或来自整个天线阵列的辐射可能受阻挡。
因此,期望寻找对于以上三个问题的解决方案。一种解决方案涉及使用多个封装(例如基板或层叠结构)的设计。根据一些方面,本文描述的是叠层封装(POP)实现方式中使用图44A至图44D中所描述的两个封装的解决方案。
图44A示出根据一些方面的双封装系统的一个封装的顶视图。通常在4400处并且具体地在4401处指示的一个封装可以是在一些方面中具有带有金属化顶部层和金属化底部层的并行金属化层的基板。封装4400可以包括于图3A所示的mmWave通信电路300的RF电路325和天线阵列电路330中,但封装4400不限于此。在一些方面中,金属化层中的一个或多个中的部分或全部可以根据需要受处理为无金属化。
在一些方面中,基板4401包括六个贴片天线4403、4404的阵列。标号4403表示具有单个小圆点指示的单个匹配点并且可以是单个贴片天线的贴片天线。标号4404表示具有两个小圆点指示的两个匹配点并且可以是双堆叠式贴片天线元件的贴片元件。该设计不过是可以使用的并且表示仅一些方面的多个配置和类型的天线元件之一。根据一些方面,在基板4501的外围周围是六个天线元件4505。根据一些方面,它们可以是关于端射操作而坐落的印制天线元件。虽然在4505处示出偶极天线元件,但可以使用其他类型的天线元件。在本文的描述中,天线阵列中的一些或全部可以称为智能天线阵列。
术语“智能天线”或“智能天线阵列”以天线或天线阵列受控的方式寻找意义。在一些方面中,天线阵列可以实现有各种类型的极性(例如垂直、水平和圆形偏振)。作为示例,当关于垂直极性和水平极性实现天线阵列时,可以基于无线用户设备处以最大强度的接收到的信号的极性的指示以算法方式控制在给定时间所发送的极性并且因此哪个天线或阵列在给定时间正发射,因此是智能的。在一些方面中,该信息可以从用户设备连续地反馈到无线发射机(例如小单元塔收发机)。该操作可以于是得以实现以达到匹配用户设备(其可以是移动电话)的接收机处的偏振的所发送的偏振。在一些方面中,也以算法方式控制用户设备天线。在一些方面中,对于空间分集,相似的算法控制行得通。
图44B示出根据一些方面的图44A的基板4401的底视图。在图44B中,结构总体上示出于4402处,并且包括硅管芯4409和分立式组件(其之一指定为4411)。在一些方面中,分立式组件可以是电容器、电阻器和/或电感器。包围管芯的是触点4407,其在一些方面中可以是焊料球。
图44B示出根据一些方面的图44A的基板的底视图。图44C示出根据一些方面的图44A和图44B的双封装系统的第二封装的基板的底视图。根据一些方面,图44C的结构4419可以是基板(例如PCB板),图44A的基板4401可以亦同。结构4419是长度L的,其实质上是图44B的触点4407的线路的相同长度,以下讨论所述触点。结构4419上所示的是四个天线元件4421,其在此示出为均具有每个天线元件上的两个小圆点指示的两个匹配点的双堆叠式贴片天线。至于基板4401,基板4401上或其内的天线的设计是可以使用的并且表示仅一些方面的多个配置和类型的天线元件之一。
根据一些方面,图44D示出贴装到彼此的图44A和图44C的封装。作为叠层封装实现方式,第一封装4401和第二封装4419一个贴装或堆叠在另一个上。可以使用各种贴装工艺完成贴装。通过POP方面4406可见,天线元件4421处于POP方面的“顶部基板”上的基板4419上或其内或是POP方面的“顶部封装”,并且正指向“朝上”。根据一些方面,天线4403、4404处于POP方面的基板4401的“底部”上或其内,或是POP方面的“底部封装”,并且正指向“朝下”。连接器4417和组件4413可以通过模制或包封4414被紧固并且使得鲁棒,如以下讨论。等级4423包括金属化层,其在一些方面中可以是对于天线并且对于馈线所使用的多个金属化层。
通常而言,POP的概念涉及垂直地堆叠先前方面中不能受堆叠的封装,并且涵盖天线、管芯和组件在封装中的3维(3D)堆叠。3-D堆叠中要考虑的一些因素包括天线体积和天线大小。先前设计是平坦的,这样产生受屏蔽的管芯设计,其中,X维度和Y维度(例如宽度和长度)是导致以上所讨论的大基板面积的维度,具有基板成本、馈线功率损耗和可用空间的损失以及辐射受屏蔽体和其他分立组件的阻挡的问题。先前设计主要基于这样的假设:因为体积的Z高度维度的重要性,所以封装的体积比封装的X维度和Y维度更重要,对于用户设备封装存在特定Z高度或“净空”限制。但这种假设为了降低Z维度而导致越来越大的X-Y面积,带来以上问题。然而,已经发现,堆叠叠层封装可以导致解决这些问题,产生较不昂贵的基板、通过馈线的选路的功率损耗的减少(例如,在5G mmWave操作中,非常重要)和更少的辐射阻挡。本文描述的方面关注于体积,与关注于面积相反。换言之,通过堆叠已经发现,降低的X维度和Y维度是重要的,并且Z高度比先前所认为的稍微更不关键。
各方面可以初始地显现为稍微增加Z高度,因为所述方面可以实际上将更多组件一个堆叠在另一个的顶部上。但结果是X维度和Y维度的很大的减少,带来解决或减少基板成本、通过长馈线损耗的功率和受屏蔽体以及其他设备阻碍物阻挡的辐射的以上问题的不利效果。
此外,据信,POP堆叠的Z高度将实际上满足当前和未来无线用户设备的需求。又进而,根据一些方面,与先前设计相比,图44A和图44C中的顶视图和图44D中的侧视图中可见的用于智能天线阵列(例如天线元件4403、4404和4405)的硅之下或之上的净面积占据显著更少的空间,并且需要更少的总体馈线选路。换言之,在图44D的方面中,天线4403、4404处于管芯4409“之下”而且紧密接近它,并且天线4421处于管芯“之上”而且紧密接近它。紧密性是这样的:发送信号的馈线已经穿越非常小的距离,这意味着更少的(并且在一些方面中,显著更少的)归因于先前设计中的长馈线的选路带来的功率损耗。
此外,天线馈电处理中并不需要的并且可以对于天线横向地放置的一些分立组件(其中之一枚举为4413和连接器4417)(其在图44B和图44D的方面中离开去往天线和管芯的左边),从而在整个POP实现方式的情况下,将管芯连接到封装的顶部和底部上的天线的馈线穿越更短距离到达天线。基板4401示出为与图44B的触点4407的长度是同延的,目的是示出天线元件,但在图44D中可见,基板4401在整个组件和连接器上延伸。
如上所述,在先前设计中,管芯和分立组件放置在金属屏蔽体之下,从而分立式组件将与分立式组件和管芯的顶部上的金属屏蔽体共同定位在管芯处。归因于在叠层封装中,较大分立组件(例如4413)可以在一些方面中距管芯偏移并且还因为在先前设计中是无用的Z维度的体积中的一些变为可使用的空间,所以该组合比本文所公开的POP方面实际上更高。该情况见于图44D中的可使用的空间4425,其现在对于智能天线或智能天线阵列(例如天线4421和它们形成部分的天线阵列)的放置是可用的。
如上所述,包围管芯的是图44B中和图44D中的触点4407,其在一些方面中可以是焊料球。这些触点(例如所提及的焊料球)接触基板4401的至少一个金属化层。该情况见于图44B和图44D。在图44D的切面中,焊料球4407可见还正接触基板4401的金属化层和基板4419的金属化层。因此,在一些方面中,如果包围管芯的焊料球以高密度间隔,则焊料球与顶部和底部的这两个金属化层的组合充当Faraday笼,变为用于管芯4409的屏蔽,而无需先前设计中所使用的分立金属屏蔽体的体量和高度。在一些方面中,触点可以是金属化过孔,并且如果以高密度间隔,则也可以接触上和下金属化层而充当Faraday笼。
在一些方面中,过孔可以垂直于基板。在一些方面中,过孔可以相对于基板处于节距(pitched)方向上。在任一情况下,触点(例如过孔)的间隔的密度或触点之间的节距的密度近似为λ/20或更小,其中,λ是操作频率的波长。鉴于所描述的Faraday笼,先前设计的机械屏蔽体可能在所描述的方面中是缺少的,使得Z高度又更小。
此外,封装4401和4419的天线元件4403、4404和天线元件4421分别无需处于同一收发机中。堆叠式封装的重要优点是允许多个无线电和多个系统在彼此的顶部上或沿着彼此堆叠。在一些方面中,天线4403、4404可以耦合到操作在Wi-Fi频段内的Wi-Fi系统中的无线电,并且天线4421可以耦合到mmWave无线吉比特(WiGig)系统中的无线电,其中,在一些方面中,管芯4409具有Wi-Fi系统配置和mmWave WiGig系统配置。
在一些方面中,管芯4409可以实际上包括多个管芯(例如连接到天线群组(例如4403、4404)的被配置用于Wi-Fi操作的一个管芯和连接到另一天线群组(例如4421)的被配置用于mmWaveWiGig操作的又一管芯)。此外,在一些方面中,如果天线阵列(例如贴片元件4403、4404和4421)因为例如图44D的POP配置中的天线元件的铺盖所以彼此在电方面是相反的,并且如果天线受控以一起发射,则辐射可以侧向地处于例如通常在图44D中的4420处所指示的边射操作中。
又进而,在一些方面中,天线阵列在封装的相对侧上的发射可以通过算法方式受控以甚至以一百八十度(180°)角度相反性在相反方向上发射;并且在一些方面中,天线阵列在封装的相对侧上的发射可以处于同一方向上。
在图45A至图45D和图46A至图46D中可见,在一些方面中,归因于堆叠,天线的数量可以在不同方面中变化。在先前设计中,归因于分立金属屏蔽体占据的空间,天线放置受限于封装的仅特定地方。然而,因为归因于本文描述的堆叠技术带来的改进,所以通常不存在这种限制。此外,如上所述,先前设计的金属屏蔽体产生辐射阻挡,附加地限制天线的放置。在POP设计中极大地消除这种限制。因此,在一些方面中,可以根据特定封装将被包括的设备的需求而定制天线的数量以及天线阵列的大小和形状。
图45A至图45D所示的方面示出图44A至图44D的方面的变型,其中,相似标号在这两组附图中指代相似绘图项。图45A示出根据一些方面的另一双封装系统的一个封装的基板的顶视图。图44B示出根据一些方面的图44A的基板的底视图。图44C示出根据一些方面的图44A和图44B的双封装系统的第二封装的基板的底视图。
图45A示出包括基板4501和天线(其之一标识为4504)的封装4500。天线由通过每个天线元件上的两个小圆点指示的两个匹配点示出为双贴片天线。在顶视图中示出基板4501。图45B是图45A所示的基板4501的底部侧。图45B所示的是RFIC管芯4509和分立组件(其之一指示为4511)。触点4507(其在一些方面中是焊料球)包围管芯和分立组件的外围,并且接触基板4501的至少一个层。在一些方面中,封装4504的水平维度L2是实质上与形成Faraday笼的触点4507相同的水平长度。
在图45A至图45D中,天线(例如可以构成基板4501上的天线阵列的贴片天线4504和可以构成基板4519上的阵列天线的贴片天线4521)可以对称地并且垂直地放置得彼此相对,如在一些方面中可以期望的那样。这样将使得天线元件能够受控以一起发射并且由包括天线元件4521的阵列在垂直于基板4519的并且由包括天线元件4504的阵列在垂直于基板4501的一个或多个期望方向上提供辐射(例如,在相对方向上提供辐射)。在一些情况下,取决于发射序列,两个前述阵列的辐射可以侧向地处于边射操作中,如在4520所示。
图45D示出根据一些方面的在叠层封装实现方式中堆叠的图45A至图45C的第一封装和第二封装。图45D的方面4506与图44D的方面十分相同。类似于图44D中,堆叠不仅对于Z高度改进是有利的,在能够使用X-Y面积以提供更好的天线辐射方面存在优点。这些优点在以上所解释的一些先前设计中并非可用的。
图46A至图46D所示的方面示出图44A至图44D的方面的另一变型,其中,相似标号在这两组附图中指代相似绘图项。图46C的封装3604的水平维度L3如在图45C中那样是与形成Faraday笼的部分以屏蔽管芯4609的密集地封装的触点4607的水平长度实质上相同的水平长度。在一些方面中,分立组件4611已经横向地放置得与管芯4609分离并且受图46D的叠层封装配置中的包封4614保护。以下关于图47D更详细地解释封装内或叠层封装方面中的包封的使用。
图47A至图47D示出根据一些方面的包封式POP实现方式的示例。图47A示出根据一些方面的又一双封装系统的一个封装的基板的顶视图。图47B示出根据一些方面的图46A的基板的底视图。除了存在八个天线元件4704和四个天线元件4721之外,天线元件4704、4721(其在一些方面中是贴片天线)实质上与图44A至图44D中的是相同类型的天线元件。天线元件的数量和类型并非关键的,因为可以根据手边的封装的需求和规范来使用若干类型和数量的天线元件。
在一些方面中,根据一些方面,天线元件4704和4721可以在各个封装上以不同放置方式形成两个阵列,如图47A和图47C中所指示的那样。图47C示出根据一些方面的图47A和图47B的双封装系统的第二封装的基板的底视图。值得注意的是这样的事实:天线元件4721距先前附图中它们的位置横向地定位,再次示出堆叠式封装技术给予的天线放置的多样性,所述多样性在具有干扰天线元件的放置和辐射的分立金属屏蔽体的先前设计中并非可用的。图47D示出根据一些方面的在叠层封装实现方式中堆叠的图44A至图44C的第一封装和第二封装。
图47D中值得注意的是覆盖管芯4709和分立组件4711的包封或模具4724。包封可以是模具、树脂、粘接剂等。通孔模具过孔4715将基板4701的天线元件和基板4719的天线元件连接到管芯4709,并且在一些方面中例如通过带线4712、4714的方式运作为天线馈电部。通孔模具过孔可以是各种类型的(例如铜支柱、焊料球、以导电环氧物电镀的过孔孔洞或任何其他合适的导体)。包封可以是完全可定义的材料(例如可以是激光机械可钻探材料的环氧物)。替代地,根据一些方面,模具可以是实际上在支柱周围铸模的流体材料。作为示例,通孔模具过孔可以是垂直的类似支柱的柱或支柱,并且包封可以是流动的,从而其可以包络所有柱(或支柱)。因此,可以首先放置支柱类型通孔模具过孔,并且然后在此之后添加包封。替代地,可以首先添加包封,并且可以通过这样的方式添加通孔模具过孔:钻探通过包封,并且在钻探通过包封之后添加导电过孔。包封的优点在于,虽然天线元件如以上所讨论的那样保持靠近管芯,但模具给出对管芯的显著附加保护,加入增加的可靠性和鲁棒性,而除了归因于可以是关于手边的封装解决方案的需求的部分的天线的放置导致的增加的距离之外并不显著增加从天线元件到管芯的距离。
移动设备中的X和Y空间以及还有Z高度二者的附加显著用途是连接器(一般是按扣连接器)的用途。因此,保持从电子到外部世界的所需电连接但同时消除对于连接器的需要将在用于移动设备的封装中节省实质的并且有价值的X-Y地盘和Z高度。有人已经考虑焊接柔性同轴缆线或其他技术缆线,其提供电连接,并且由此避免使用连接器。在一些方面中,柔性缆线可以受焊接到位并且铸模到封装中,与如上所述通过使用包封对组件进行铸模十分相同的方式。在一些方面中,图47D的同轴缆线4722可以例如在4720处焊接到适当连接点,并且在一些方面中还由包封4724紧固。包封(例如模具、环氧物或其他包封)允许同轴缆线连接到基板作为密封式解决方案,其可以然后受某种类型的导电材料溅射以使得整个组合受屏蔽。以此方式焊接并且铸模的同轴缆线应具有足够的强度以保持电连接,而无需普通连接器,包封使得同轴缆线连接在封装中足够鲁棒以提供对于需要从封装的内部到外部世界的电连接的解决方案,而无需实际连接器。在一些方面中,可以无需在4720处的焊接,并且包封对于所需的鲁棒性将是足够的。这样产生以上简要地讨论的实质的XYZ空间节省。在一些方面中,通过使用板到板连接器,柔性缆线可以提供所需的连接。
在一些方面中,需要在包括管芯的基板的顶部和底部二者上使得天线,并且还需要既减少封装的Z高度又减少Y维度。提供以上需求的解决方案侧接侧地使用两个封装。图48A示出根据一些方面的双封装侧接侧封装系统的两个封装的顶视图。图48A示出根据一些方面的侧接侧配置中的两个不同封装4800、4802。总体上见于图48A中的封装4800包括基板4801。在封装4801的顶视图(“TOP”)中看见的是条目4808,其为覆盖RFIC管芯4809和有关组件以用于RFI/EMI保护的金属屏蔽体的局部顶视图。对屏蔽体4808的任一侧的偏移是无需屏蔽的类型的分立组件(其之一指定于4811处)和触点(例如焊料球4810)。图48B示出根据一些方面的图48A的双封装的底视图。封装4800的基板4801的底部侧上是示出为双贴片天线的天线元件,其之一指定为4804。还示出的是端射天线(例如偶极4805)。虽然当前方面示出贴片天线和偶极天线,但取决于所需的解决方案,其他方面可以使用不同天线类型。
第二封装总体上示出于图48A的4802处。示出的是根据一些方面的封装4819的顶视图(“TOP”)。封装4819包括:触点4810',其在一些方面中是焊料球;分立组件,其之一指定为4813;和焊接的和/或包封的缆线4817,以下进一步详细讨论。根据一些方面,图48B所示的封装4819的底视图(“BOTTOM”)包括布置在阵列中的双贴片天线元件,其之一指定于4821处。根据一些方面,印制偶极天线(其之一指定为4820)被配置用于端射操作。
图48C示出侧接侧配置的封装4800、4802。包封4824对封装4802的缆线4817和分立组件4813进行包封。包封4814还对分立组件(一个在4811处)和屏蔽体4808(为了节省空间,附图中未示出)和管芯4809进行包封。值得注意这样的事实:封装4800已经“倒装”。换言之,虽然封装4802通过其顶部(“TOP”)处于图48C的顶部处并且其底部(“BOTTOM”)处于图48C的底部处而驻留,但封装4800与封装4802并置,其中,封装4800通过其顶部(“TOP”)处于图48C的底部并且其底部(“BOTTOM”)处于图48C的顶部而驻留。两个封装由键合在一起的触点(例如4810-4810'处的焊料球)紧固。这样产生面对向下的天线4821(其处于封装4819的BOTTOM侧上)和实际上面对向上的天线4804(其处于封装4819的BOTTOM侧上),以提供所需的解决方案,即,减少封装的Z高度并且减少Y维度,如上所述。
Z高度的减少可见于这样的事实:侧接侧设计并不使用按以上POP设计的方式的垂直堆叠。Y维度的减少可见于图48C和图48D。在这两幅附图中,天线4804和4821的维度是极度地小的。此外,在图48A中,管芯的维度也是极度地小的。在一些方面中,这两个因素带来更小的Y维度,使得设计能够放置得靠近用户设备的边缘(Y维度),留下附加X-Y空间以用于移动用户设备的显示器以几乎在Y维度中触及移动设备的边缘。两个天线集合4821、4804由管芯4809馈电。因为天线4804对管芯的接近度,所以这些天线将具有期望的距管芯4809极度短的馈线。归因于为了配合在移动设备的特定机械设计中而在该情况下是可接受的偏移,天线4821将具有稍微更长的馈线,在该示例中在移动设备的显示屏与罩盖的端部之间的非常窄的空间中降低Y和Z维度。
在一些方面中,可以通过关于无线通信用户设备(例如移动设备)改动标准MicroSD形数卡以包括mmWave天线和收发机设备或其他管芯满足关于在变化的时间变化所辐射的无线电波的极性并且变化空间分集的以上描述的需求中的至少一些。这种改动的优点在于,该形数可以用在移动设备中。因为Micro SD格式是适当的大小以包括从一个到少数的数量的mmWave天线,并且用于待放置到已经存在的形数中的RIFIC,所以无需设计新的形数。此外,这种存在的形数的识别可以快速地实现手持/电话解决方案中接受的解决方案,提供巨大的成本节省和可能的操作优点。此外,Micro SD形数卡可插入用户设备中的事实提供形数市场化优点,因为其可以按意愿安装或禁止安装,如对于一方面适当的那样。
Micro SD形数卡可以使得能够针对可互换的频率范围根据需要布居/解除布居天线和无线电技术以支持不同的地形。例如,从管制的观点来看,不同的地形可以使得不同频段对于用户是可用的。如果Micro SD卡是所定义的频段,则它们可以根据需要调换进入并且调换离开用户设备,以操作在适合于特定的地形的期望频段中。
因为这些形数卡可以容易地放置在移动平台尽头附近,所以天线正面对向外。形数卡已经具有RF暴露的并且不受经常在基板上发现的套接口金属化覆盖的面积。这种暴露的面积可以用于待嵌入卡内的天线或小阵列。给定操作在mmWave频率处的超小大小的天线,配合在这些面积中的小天线和/或小天线阵列是十分有效的。
在一些方面中,该卡的多个实例可以被布置为形成大规模天线阵列(MAA)。此外,(放置在卡的RF暴露面积的外部的)多个套接口也可以使得能够支持不同频率范围子系统。天线在一些方面中可以是端射类型天线,但套接口金属结构的外部的暴露区段可以使得在其他方向上进行辐射的其他类型的天线成为可能。换言之,并且如以下关于图50将讨论的那样,Micro SD卡具有不受与Micro SD卡插入的套接口关联的金属化覆盖的暴露面积。不同类型的天线可以放置在该面积中,以使得不同方向上的辐射成为可能。在一些方面中,因为端射辐射图案方向相对于Micro SD卡定向将处于横向,所以可以使用端射天线。但也可以使用具有其他辐射图案覆盖的其他天线类型。
如本公开中所使用的那样,相对于附图的定向而使用例如“前”、“后”、“上”、“下”、“侧”等的术语。图49是SD闪速存储器卡的各种大小的说明。SD闪速存储器卡可以包括于图3A所示的mmWave通信电路300的发送电路315、接收电路320、RF电路325和天线阵列电路330中,但SD闪速存储器卡不限于此。SD形数的各种大小总体上可见于4900处。在前视图4901A和后视图4901B中可见标准SD形数卡。在4903处可见电触点。以毫米为单位示出标准SD形数的维度。迷你SD形数可见于4905处,在前后视图中也具有以毫米为单位指示的维度。也在前后视图中在4907处可见Micro SD形数及其维度。
在一些方面中,通过内容和功能的改变以将卡适配于无线通信设备中的mmWave操作,对于mmWave通信可以有效地使用Micro SD形数卡。关于此的一个原因是,如以上简要地讨论的那样,Micro SD卡格式的大小使得其能够用于mmWave操作,特别是由于无线通信设备中的空间处于稀缺并且Micro SD格式的大小在空间紧缺的情况下对于移动设备中的使用提供空间优点。此外,给定MicroSD卡在“后”面积4909处具有电触点,“前”面积4911A、4911B是暴露的并且不受Micro SD卡插入的套接口的金属化覆盖的Micro SD卡的区段。这样使得其对于具有天线的毫米波频率子系统是有吸引力的,因为天线可以处于暴露区域中,而其他部分(例如收发机)可以受充当屏蔽的金属化覆盖。在一些方面中,天线在4911A和4911B处放置在卡的内部区域中,以下更详细地讨论。天线需要非金属化区域,在此它们可以辐射离开无线子系统。因为是非金属化的,4911A和4911B的内部区域对于天线的放置是理想的。
图50示出根据一些方面的具有受改变以改动卡以用于mmWave无线通信操作的内容和功能的Micro SD卡的三维视图。Micro SD卡形数卡包括三维视图中可见的卡5001,其在完整视图中具有卡的前部5001。在隐藏视图中示出卡的背部上的电触点5003。作为以上暗指的内容和功能的改变的部分,RFIC 5005示出于Micro SD卡内,因此也示出于隐藏视图中。根据一些方面,卡的内部部分如果沿着截面XX-XX观看则示出天线,其在附图中示出为偶极天线5107A、5107B,并且也在隐藏视图中,因为它们处于5009处的卡的前部的内部。换言之,天线需要暴露以从放置它们的平台向外辐射。
用于这些类型的SD卡的金属化连接器处于背部5003处留下Micro SD卡5001的厚截面5009,而没有覆盖它的金属,从而厚截面对于天线放置是理想的。因为如此小,所以卡还良好地适合于mmWave频率,因为天线将比可用面积更小,并且因此多于一个的天线可以被包括以形成阵列,和/或天线分集可以被包括。这种事实提供附加优点:天线可以用于多入多出(MIMO)操作。换言之,多个天线可以通过不同方式用在无线电系统中。它们可以简单地组合,它们可以用以通过电方式对波束进行转向,并且它们可以用以支持MIMO,由此不同天线在解决方案中支持可以用以独立于其他天线作为分离的信息流发送/接收的分离的无线电链,并且附加功能可以同样得以实现。
根据一些方面,作为MIMO操作的示例,天线5107A可以用以支持一个MIMO流,并且天线5107B可以用以支持第二MIMO流。也可以使用不同偏振的天线实现该目的。RFIC 5005将设计为支持这些配置和流的数量。在该方面中,示出两个天线5107A和5107B,但该方案不限于仅两个。
根据一些方面,RFIC 5005和天线5107A、5107B可以在5009处受刻蚀、印制或另外被配置在子系统内部的PCB上或其内,其可以过度铸模为期望的Micro SD卡形状。截面5009的厚度可以在一些方面中用以还包括更高的天线结构(例如垂直偏振天线所需的天线结构)。PCB的底部将在对Micro SD套接口中的弹簧触点进行接触的底部处具有边缘卡触点。在5107A、5107B处示出的天线如上所述是偶极天线,并且可以辐射出半球形图案,而其他类型的天线可以在图案方面是更像扇形的。偶极天线可以是所考虑的边射,因为即使它们也上下辐射,它们也在与PCB和Micro SD卡相同的平面上辐射出去。由于卡5001的暴露部分5009处于边缘处,因此边射天线更有可能用在该形数中,如在图52中可见,如以下所讨论。该形数也与其可以集成到的平台的类型(例如电话)一致。换言之,Micro SD卡已经是用于电话的当前标准存储器模块形数,因为它们相对小,但具有用于还支持高容量存储器存储的能力。
此外,当以具有这些Micro SD卡的多个实例的阵列形式布置时,于是更多选项起作用,并且可以使用在不同方向上进行辐射的不同天线类型。成为十分小的卡意味着,卡可以支持等同于mmWave范围中的频率的大小的量值的相同量级的天线。仅作为示例,因为该大小更大并且可以支持与WiFi频率范围(厘米波)的频率范围一致的更大天线,所以在迷你SD卡形数中存在WiFi无线解决方案。Micro SD为较小的可以支持在mmWave频率处可使用的更小天线或少数这些天线,这意味着,天线可以用以当距彼此以适当距离放置时形成阵列,所述距离是频率的函数。
图51A示出根据一些方面的示出用于图50的偶极天线的辐射图案的图50的MicroSD卡。偶极5107A、5107B的向外辐射是某种半环形,其横向地辐射但也上下辐射。辐射图案的另一半可能受电话/手持设备或Micro SD套接口的金属化阻挡。图51B示出根据一些方面的具有在Z高度方面受限的暴露面积5109B中垂直地站立的垂直偏振单极天线元件的图50的Micro SD卡。也可以使用垂直偏振式元件周围的其他半缠绕。也可以使用折叠式偶极。图51C示出根据一些方面的具有对折式偶极天线5107AC、5107BC的图50的Micro SD卡。图51A、图51B和图51C示出既单个地又成阵列地可以用在各个方面中的各种类型的天线元件中的仅一些。
图52示出根据一些方面的如以上所讨论的修改为提供这种卡的多个实例的三个Micro SD卡,其中的每一个可以具有每卡多个天线。图52中总体上可见的是具有附接至其的三个Micro SD卡5203、5205、5207的主板5201的组合,所述卡是从普通闪速存储器功能修改的,如以上所讨论的那样。在一些方面中,天线在每个卡中可以是偶极天线5107A、5107B,如以上所讨论的那样,并且在从每个卡前行的箭头所示的端射方向上辐射。如本文其他附图所示并且如关于本文其他附图所讨论的那样,不同类型的天线可以在一些方面中用以实现根据手边的解决方案满足各种需求的天线。虽然示出三个阵列,但其可以通过沿着X轴添加附加卡而在任一方向上延伸,以增加阵列大小。实际上,取决于可用的体积,其也可以在Z方向上堆叠,以在X和Z维度二者中扩展阵列,如图50的坐标系所示。通过以正确的天线到天线距离和可用体积在彼此旁边或堆叠在彼此顶部添加很多Micro SD卡,可以配置大规模天线阵列(MAA)。取决于操作频率并且因此波长λ,每个卡上的天线的数量在每个卡上可以是从一个天线到多个天线。
用于无线通信的移动设备中的空间通常因为这些设备的形数内所包括的功能的量而奇缺。在其他原因当中,因为对于所辐射的无线电波的空间覆盖的需求,并且因为随着移动设备移动到不同地方而保持信号强度,或因为用户可能随着时间而不同地定向移动设备,所以有挑战性的问题出现。这样可能导致在一些方面中对于在变化的时间变化所辐射的无线电波的极性并且变化空间分集的需求。当设计包括操作在毫米波(mmWave)频率处的天线的封装时,高效使用空间可以有助于解决例如所需要的天线的数量、其辐射的方向、其偏振和相似的需要之类的问题。这些需求中的至少一些可以由具有特殊地清空的球或LGA焊盘的面积的球栅阵列(BGA)或面栅阵列(LGA)PCB满足,视情况而定,以在一些方面中使得天线元件能够从具有附接的毫米波(mmWave)收发机的PCB的各个侧辐射出去。
图53A是根据一些方面的具有附接的收发机子系统的分离式BGA或LGA图案封装PCB的侧视图。分离式BGA或LGA图案封装PCB可以包括于图3A所示的mmWave通信电路300的RF电路325中,但分离式BGA或LGA图案封装PCB不限于此。BGA或LGAPCB具有实质上并行的普通层。典型地,BGA和LGA封装遍及整个子系统以相对均匀的伸展而布居球和焊盘,以将子系统附接到主板(MB)上。示出BGA球5305、5306。有意地生成没有球和/或LGA焊盘的面积5303,从而该自由面积可以用于天线区段,其中,如果在PCB 5301附接到的MB上制作适当开孔,则天线元件可以向外辐射。换言之,面积5303(有时称为“间隙”)应是“无触点的”,从而放置天线元件以使得天线能够自由地辐射出去。换言之,BGA/LGA附接点中的间隙5303使得天线元件能够放置在间隙中并且通过间隙或如果天线元件是边射类型的则横向地辐射出去。
如本专利中所使用的那样,术语“顶部”、“底部”、“向上”、“向下”、“侧向”是参照附图的定向而使用的,而非意图限制可以定向在任何方向上的当在移动或其他设备中实现封装时的辐射的方向。因此,本文所描述的辐射实际上处于向外方向上,而无论用户设备中的封装的定向如何。
在一个方面中,在此示出为贴片天线的向下(向外)面对的天线元件5315、5316、5319和5321(其在一些方面中可以是贴片天线或其他天线的阵列)向下辐射。通过波图案5316、5318、5320和5322在附图中示出该情况。在一些方面中,RFIC收发机5307可以附缀到子系统的顶部并且受屏蔽体5309保护不受射频辐射(RFI)和电磁干扰(EMI)。在附图中向上面对的天线元件5311、5313可以分别在向上(向下)方向5312、5314上进行辐射。用于从平台辐射出多个方向的能力提供优点。
例如,在相反方向上示出辐射,但所示贴片天线可以通过侧向地进行辐射的其他天线类型(例如端射或边射天线)代替,并且可以放置在子系统的边缘处。因此,所描述的子系统可以使用具有包括辐射和偏振的方向的不同类型的优点的不同类型的天线。
作为一个示例,所示的贴片天线具有这样的优点:每个可以具有两个正交馈电点以生成两个偏振,但它们的辐射实质上是宽边的,因此它们将在所示的配置中良好地工作。在一些方面中,模块上所布置的很多天线元件可以用于阵列中的波束转向。此外,该类型的子系统布置可以在多入多出(MIMO)天线阵列和被配置用于空间分集的阵列中找到用途。可以通过具有带有不同方向上的辐射图案的天线实现空间分集。例如,顶部上的贴片天线向上辐射,并且底部上的贴片向下辐射。可以引入其他天线类型以侧向地辐射(例如边射天线类型),因此在一些方面中实现空间分集。
虽然侧视图中示出为图53A中的天线元件5311、5313,但图53C将示出可以存在多个这些天线(例如5330、5331和5332、5333),如以下所讨论的那样。虽然描述特定数量的天线,但本领域技术人员应理解,天线元件的数量可以随着方面而变化。操作频率和天线大小确定有多少天线可以实际上配合在给定面积/空间中以在阵列中成为有效的。此外,类型(单极或堆叠式贴片天线、偶极天线和其他类型)及其例如在阵列中的布置也可以变化。此外,在很多小形数设备中,因为面积/空间如此珍贵,所以如上所述在多个方向上进行辐射的子系统将具有带有大的(在一些方面中,或者或许最大的)覆盖的面积/空间的高的有效使用。
图53B是根据一些方面的图53A的子系统的侧视图截面。图53B示出具有实现为使得天线元件5315、5317、5319、5321能够向外暴露以用于辐射的切除部5304的MB 5323。换言之,封装中的分离式图案5303使得天线能够从mmWave天线和收发机子系统的附接侧辐射出去。因为该面积中的切除部,所以天线元件5315、5317、5319和5321可以在实质上没有东西阻挡它们的情况下自由地辐射,并且这样在解决方案的有限面积/体积中使得另一方向的辐射成为可能。在一些方面中,天线元件5315、5317、5319和5321处于与BGA/LGA 5301附接侧(BGA/LGA附接到MB的侧)相同的侧上。在一些方面中,切除部实现为由沿着PCB轮廓行进的途径制成的轮廓化的加工的切除部。
还示出的是子系统的顶部侧上的天线5311和5313。在一些方面中,需要Z高度的分立式电子组件可以配合在PCB中的切除部5304中。在一些方面中,受屏蔽的RFIC自身可以在无触点面积处放置在切除部中以用于操作,并且节省解决方案的总体Z高度。换言之,集成电路芯片(例如RFIC)典型地伴随有互补芯片的一些分立式组件(例如解耦电容器)以及还有其他功能。在一些方面中,这些组件可以放置在间隙5304中,而非天线元件处于间隙中。然而,如果组件是位于间隙中的无线电收发机电路的部分,则应实现适当RFI/EMI屏蔽,如上所述。
图53C是示出屏蔽体5309的顶视图并且还示出切除部或间隙5304的子系统5301的顶视图。可见,并且如以上简要地讨论的那样,向上面对的天线5330、5331和5332、5333在一些方面中均是两个天线元件的两个阵列。根据给定设计由本领域技术人员实现对于给定情形的需求适当的解决方案,天线元件的其他配置是可能的。
虽然以上描述讨论移动设备中的子系统的使用,但子系统也可以用在基站中,尽管基站实现方式可能并非受益于具有两个或多个方向上的辐射。虽然基站阵列大小可能受限于一个轴上,但模块性可以有助于将子系统布置在期望方向上,包括环形地布置在杆柱周围。图53E示出根据一些方面的用于实质上所有方向上的辐射覆盖的以圆形方式布置在杆柱周围的子系统的布置。子系统5341、5342、5343、5344、5345、5346、5347、5348附接到杆柱5341。每个子系统可以如图53A所示,其中,BGA/LGA层叠5301附接到主板5323。辐射的方向将于是由所有或实质上所有方向上的箭头指示。
虽然示出矩形形状的子系统,但其他形状是可能的(例如比如正方形或转角形状)。图53D示出根据一些方面的用于使得天线能够通过切除部辐射出去的PCB中的U形切除部。在一些方面中是金焊盘的焊盘5324、5326的阵列是用于对子系统发信号的电触点,并且当子系统焊接到它们上时还充当机械附接方式。
图53F示出根据一些方面的转角形状的子系统。顶视图所示的是具有四个天线元件5351的子系统5350。以虚线示出四个天线元件之一,目的是示出在子系统的两侧上可以存在天线元件。子系统5350在所示方面中示出为在大小方面是λxλ,因为如果天线元件自身是λ/2(如以下进一步讨论的那样),则在在元件周围全部的头顶和接地的情况下,具有2x2天线阵列的子系统的真实大小如所示将近似为λxλ。底视图示出坐落在间隙5304E中的受屏蔽的RFIC,其中,为了说明的清楚性,以完整线路视图示出屏蔽体5356和RFIC 5355。在5354处示出BGA球或LGA球。天线元件5351示出为垂射元件(例如贴片天线),但在一些方面中可以通过用于端射覆盖的端射元件(例如偶极)替代。
图53G示出放置在主板5323的转角中的图53A的子系统,其中,隐藏视图中的5361是RFIC屏蔽体,并且天线元件是5362,其中,在附图中为了节省空间仅对一个天线元件进行编号。图53H示出通过BGA球5306附接到主板5323的子系统5364的侧视图,在看入页面的侧视图中示出天线元件5362、5263,并且具有分立组件的受屏蔽的RFIC 5367也处于屏蔽体5368内。
图53I是根据一些方面的具有用于转角中使用的形状的双屏蔽子系统5370的配置的顶视图。子系统5370示出具有切除的转角边缘5376。四个垂射天线元件5371放置得与屏蔽RFIC或其他集成电路5375的屏蔽体5374的侧相邻,其以实线示出目的是说明,但实际上处于屏蔽体5374内。端射天线元件5372放置在子系统的外围周围。与天线元件5371相似地并且参照其关于天线元件5377示出维度。图53J示出根据一些方面的图531A的子系统的滑动视图。所示的是具有集成电路5382的顶部屏蔽体5383和具有集成电路5385的底部屏蔽体5384。天线元件5386、5387和535388、5389显现在子系统5300的相对侧上。子系统如所示那样通过焊接或其他合适的附接方式附接到MB 5323。
因为当子系统焊接到MB时无需额外支撑,所以在布置的两个端处的BGA球(或LGA焊盘)在组装期间具有附加优点。观测到这样的情况:子系统焊接或另外附接在PCB的转角处,如在图3C和图4B那样,在球或LGA焊盘沿着转角“L”得以焊接的同时,在空间中没有东西实际上保持住子系统。子系统在工艺期间将因其自身重量而掉落。然而,通过在远端处具有球或LGA焊盘的矩形子系统,例如在图53B处,无需担忧子系统将掉落在除了其因为重力所以应当处于的地方之外的任何地方。
在PCB组装工艺中,PCB可以放置在传送带上。其可以于是受焊料粘接并且然后通过拾放(或手动地),组件放置在焊料粘接的焊盘上的它们的位置中。然后,PCB经过炉,并且焊料在组件之下熔化,在将它们焊接到PCB。PCB然后受冷却并且清理,产生组装的PCB。在一些情况下,因为一些组件在焊接工艺之前还受胶接,所以它们不移动。然而,在转角的情况下,这样可能并非显著地有帮助,因为重力可能在子系统得以焊接之前将其拉脱PCB。在这些情况下,应添加特殊机构以支撑可能“掉落离开”的部分,并且将其保持到位。
对于60GHz或5G技术的广泛部署,60GHz封装中系统SIP生产测试很可能是非常昂贵的或可能地负担不起的。信号将关于一些方面在毫米波(mmWave)频率范围(例如60GHz)处受辐射并且接收,但对于其他方面,28GHz、73GHz或其他mmWave频段也是可用的。一般而言,归因于SIP和任何关联组装的复杂度,测试应包括天线测试。因此,测试将是辐射性的测试。片上“内建自测试”(BIST)可以用以帮助该测试,但BIST将很可能不包括天线元件测试。
典型地,因为待测试设备(在此,SIP)包括相控天线阵列,所以将需要测试多个天线和收发机元件。由于传统测试器的操作频率远低于mmWave频率,并且典型地这些测试不包括辐射性测试,因此这些要求致使它们是不合适的。反之,典型地使用导电或接触测试(例如探测)。然而,60GHz系统对于甚至非常小的非理想性是极度敏感的。例如,如果60GHz探测器用以测试放大器的增益,则沉陷(landing)的可重复性和探测器的老化可能引入很多dB的增益变化,使得基于探测器的60GHz生产测试是非常困难的。
此外,60GHz系统典型地在包括SIP的射频集成电路(RFIC)的封装上集成60GHz天线。这样消除在60GHz处将是十分高的缆线损耗,并且允许方便地实现达到期望覆盖的相控阵列。这些封装配置也将必须受测试,这是昂贵的主张。此外,大批量制造(HVM)测试需要理解天线和组装故障模式(例如天线基板的错误处理或基板上的RFIC的瑕疵组装)。实验已经示出,与2.5GHz-6GHz系统相比,60GHz系统对于组装瑕疵远更敏感。出于这些原因,期望在60GHz HVM测试中包括天线。因此,通常认为在测试器上将需要添加近乎无法承受地昂贵的60GHz装备以执行60GHz测试。
所公开的是用于凭借通过使用环回测试解决上述问题来进行60GHz系统的HVM生产自测试的实际方式。环回测试指代电子信号、数字数据流或条目的流从它们的源选路通过系统并且回到它们的源而无需有意的处理或修改。这主要是测试SIP的传输或运输基础架构的方式。
存在各种示例。作为一个示例,可以测试具有仅一个通信端点的通信信道。该信道所发送的任何消息立即地并且理想地仅由同一信道接收。在电信中,环回设备执行来自服务交换中心的接入线路的传输测试,这通常无需受服务的终端处的人员的协助。在电信中,环回或环路是将接收到的信号或数据从发送方馈电回到发送方的硬件或软件方法。其在调试物理连接问题中用作辅助。作为测试,很多数据通信设备可以被配置为在接口上发送特定图案(例如全1)并且可以在同一端口上检测该信号的接收。这称为环回测试,并且可以通过将其输出连接到其自身的输入而在调制解调器或收发机内得以执行。可以通过在一个位置中在电路上施加测试信号并且使得另一位置处的网络设备通过电路将信号发送回来而测试不同位置中的两个点之间的电路。如果该设备接收回其自身的信号,则这指示电路正运作。
使用60GHz装备作为对以上60GHz系统测试的替选可以要么使用昂贵的设备(例如矢量网络分析器(VNA))得以良好表征/是稳定的,要么是具有第三方组件的进行定制的子系统。鉴于成本、测量的稳定性和/或进行定制的子系统的老化,这两种方法具有限制。所公开的自含式自测试解决方案使用60GHz系统以测试自身。这样避免对于昂贵的/灵敏的60GHz装备的需要。其自然也在测试中包括天线,这对于60GHz封装中系统是关键的,并且还解决不可避免的片上和封装上串扰问题。测试器上的反射器使得包括天线的基带到基带环回成为可能。环回自测试方案有时用以在较低频率处测试RFIC,但不测试天线。根据一些方面,所公开的系统将环回扩展为包括作为60GHz系统的组件的天线。
图54A示出根据一些方面的60GHz相控阵列封装中系统(SIP)的顶视图。SIP 5400可以包括于图3A所示的mmWave通信电路300的RF电路325中,但SIP 5400不限于此。根据一些方面,SIP5400在可以是低温共烧陶瓷(LTCC)的基板5405上或其内包括天线阵列5401和60GHz RFIC 5403。RFIC 5403经由连接器5406接收输入信号。天线阵列5401包括在5402更详细地可见的542元件阵列。根据一些方面,阵列由RFIC 5403经由一系列微带馈线进行馈电。根据一些方面,在5407可见的阵列的一个天线元件由馈线5409进行馈电。在5407'可见的阵列的第二天线元件由馈线5409'进行馈电。以此方式对馈线5409'进行结构化,从而减慢来自RFIC的RF信号。换言之,馈线长度是匹配的,从而对天线的群RF信号延迟是匹配的。这样有助于波束赋形校准(例如更小的静态失配、校准对于信道频率的减少的灵敏度)。根据一些方面,当芯片倒装在封装上时,一系列球5413是用于对封装的信号连接的凸起部。虽然示出542天线阵列,但在一些方面中,可以使用多于542个天线或少于542个天线。
图54B示出根据一些方面的图54B的SIP的侧透视图。图54B示出根据一些方面的包括三个类似台阶的等级5408、5410、5412的台阶式平台5404。因为天线通常需要附加基板层以用于正确操作,所以天线5412处于最高等级上。包括RFIC 5403的等级5410不包括过孔,这样可能对于mmWave信号并非是有帮助的。因此,在一些方面中,馈线直接选路在顶部层5412上。在其他方面中,馈线进入介质“内部”,以在等级5410处到达天线。等级5408是更薄的,以提供用于连接器5406的空间。
图55示出根据一些方面的放置在自测试器上的60GHz SIP。测试器上放置的SIP总体上可见于5500处。对于测试有用的测试器(例如本文描述的测试器)通常包括至少一个计算机、功率、软件、包括当由计算机执行时根据预定测试来测试待测试系统的计算机指令的计算机可读硬件存储和包括用于接收并且紧固待测试系统的测试台的坞接能力。SIP 5400可以是包括基板5405上的542个天线(其之一枚举为5401)和RFIC 5403的图54A的5400处所示的类型的SIP。RFIC5403可以包括被配置为驱动SIP 5400的天线的功率放大器5416和被配置为从SIP 5400的天线进行接收的低噪声放大器5420。可以根据需要包括移相器5414、5418以协助波束赋形。相控阵列的天线元件T之一设置于发送模式下。发送(TX)天线5422发送60GHz信号。反射器5502配合在测试器上,并且将60GHz信号反射回到SIP,其中,其受控于接收(RX)天线5424。反射器在一些方面中将处于正测试的IC的顶部上,因此处于以上所讨论的并且以下进一步详细讨论的测试器的顶部上。一些当前测试器具有带有mmWave喇叭天线和下变频器/上变频器的臂,以接收或发送用于校准的基准信号。在所公开的系统中,当前测试器的臂的端部处的基准无线电将由简单反射器5502替代。这应允许对于如今的测试器(其典型地是对于小于60GHz而设计的测试电路)的容易配合,以适用于mmWave测试。
在一些方面中,在RFIC中放大并且下变频接收天线5424的信号。图55的布置在整个60GHz系统周围建立环回,其可以用以测量特定关键性能度量(例如增益),确定部分是良好的还是应丢弃,和/或针对制造变化(例如以下更详细地讨论的失配)而校准部分。该布置解决60GHz HVM测试的两个重要问题:
1.其在测试器上建立基带到基带环回。因此,测试器无需昂贵的60GHz升级。在一些方面中,可以仅需要廉价的反射器(例如金属夹具)以配合在测试器上。
2.环回包括60GHz天线。环回测试可以因此瞄准天线有关问题(例如基板错误处理)或组装瑕疵。因为天线处于环回测试中,所以存在完整系统测试,而不仅RFIC测试。
图56A示出根据一些方面的关于用于解决SIP中的不期望的片上或封装上串扰的测试的第一部分的测试设置。图在56A中,5600指示用于解决串扰的第一设置。在一些方面中,元件是与图54A和图54B所示的元件相同的元件,并且为了清楚将使用相同标号。
RFIC 5403包括功率放大器5601和低噪声放大器5603,其中的每一个分别耦合到天线5407、5407'。在5605、5607处指示串扰。待测试系统5600处于图55所示的测试器上,但其中,移除反射器,在一些方面中,可以通过机电移除/添加机构自动地完成该操作。根据一些方面,在图56B中,5602示出用于解决SIP中的不期望的片上或封装上串扰的第二测试设置。在一些方面中,除了反射器5502已经添加回来之外(在一些方面中也可以通过机电移除/添加机构自动地完成该操作),图56B的元件与图56A所示的元件相同。
图57示出根据一些方面的适合于测试60GHz相控阵列SIP的自动化测试装备。5700处所示的是图55至图56C的测试设置可以附接到的自动化测试装备。所示的是CassiniTM16TM自动化测试器5701,其当如本文所描述的那样修改时是可以编程以实现所讨论的测试的系统的示例。本领域技术人员应理解,所描述的测试器模型是可以测试小于60GHz并且可以对于本文所描述的60GHz测试而修改的多个测试器之一。根据一些方面,测试器5701包括mmWave端口架构5703、生产波导互连部5705和mmWave测试仪器模块5707。可以通过添加上述测试方面修改测试器。
图58示出根据一些方面的可以添加到图57的自动化测试装备的反射器。在5800处概念性地示出,反射器5502附接在测试台5801之上。可以是用于将待测试系统5803贴装到图57的测试器的适当系统测试台的测试台5801可以包括或接口于自动化机电设备,以将系统放置在测试台上以用于测试,并且在测试之后移除系统,如在HVM中通常进行的那样。反射器5502在待讨论的方面中由机械臂5805概念性地连接到测试器。本领域技术人员应理解,虽然由机械臂5805概念性地示出附接方式,但实际上,在一些方面中,附接方式可以是通过用于本文所描述的串扰测试中使用的机电移除/添加机构。例如,在一些方面中,在测试器的侧上存在臂,反射器将附接到所述臂。如果适当,则也可以存在关联电机以对于反射器提供倾斜。
很多60GHz系统是相当不对称的,也就是说,它们旨在主要地成为高速率信号的信源(例如蓝光播放器)或成为高速率信号的信宿(例如HD TV)。如此说来,很多60GHz系统仍包括TX和RX路径二者。例如,一个示例产品解决方案具有以下参数:
60GHz的# 60GHz的#
信源(蓝光) 32 4
信宿(TV) 8 32
在例如以上的情况下,环回接收机可以是待测试系统的已经可用的接收机之一,关于图55的方案产生最小开销。因为待测试系统的RFIC在一些方面中是相控阵列收发机,所以存在多个RX和TX。因此,在TX(一个TX或具有波束赋形的所有TX)正受测试的同时,这些RX之一可以专用作基准接收机。换言之,因为在一些方面中可以使用RFIC自身上的mmWave接收机,所以无需额外mmWave接收机。然而,如果期望,则也可以使用专用测试接收机。因为60GHz电路归因于高操作频率而通常是小的,所以甚至专用接收机将是小成本开销。
根据一些方面,图55的环回测试可以用以执行众多重要60GHz测试。测试可以包括:
1.打开TX元件并且经由TX天线发送无线电信号,以及一个接一个地打开RX元件并且经由RX天线接收无线电信号,其中,无线电信号由反射器反射到RX天线,并且测量经由反射器环回到RX天线的接收到的无线电信号。基带信号可以用于无线电信号。如果环回测量之一低于其余的,则这将指示不良TX路径(例如不良组装)。根据一些方面,可以禁用缺陷路径,并且部分可以潜在地销售为良好部分(因为相控阵列具有大冗余,所以对于链路预算的目的,少一个元件很可能是可接受的)。该测试是对于确保所有TX具有相同功率等级并且良好地匹配的尝试。根据一些方面,环回信号可以是用于协助测量TX损伤的已知信号,例如,甚至是其上无数据的简单连续波mmWave信号(例如信号频调)。
2.比较环回基带信号强度与其期望值。根据一些方面,如果环回信号是正确的,则这指示整个系统(TX RFIC)-(TX天线)-(RX天线)-(RX RFIC)是可接受的。
3.检查功能并且使用环回信号测量移相器的特性。根据一些方面,如果移相器特性是已知的,则可以通过适当的查找表(LUT)映射来校正任何移相器瑕疵。该测试允许调整每个天线元件的相位,从而波束(RX或TX)可以在期望方向上转向。如在此使用的那样,移相器的特性表示针对实际实现的相移的移相器控制码。根据一些方面,也可以遍及不同频率或RF信道进行该测试。作为示例,根据一些方面,一个RX可以选作基准RX,并且于是可以打开仅一个TX,并且通过TX移相器(例如图55的移相器5414)变化TX信号的相位。可以通过查看基带信号的相位在RX处测量所得TX相位(因为解调后的基带信号具有I和Q分量,所以可以测量相位)。因为相位测量总是相对的,所以例如TX移相器可以设置为零,RX处的基准相位可以受测量,并且于是扫描TX相位而且测量相对于基准值的新相位。以此方式,可以测量鉴于针对相移的控制的该TX移相器的特性。一旦测量针对TX的相移的真实控制码,上述查找表就可以用以实质上将每一特定相移映射为控制码。
4.一个接一个地打开TX元件并且测量(例如归因于制造变化(RFIC、封装、组装)导致的)路径之间的幅度和相位失配。对于幅度和移相器中的相同设置,所有TX信号应具有相同幅度和相位。然而,归因于工艺失配、天线的变化或封装上的选路,情况可能并非如此。因此,通过比较所有TX测量,可以提取所有TX元件之间的失配。通过鉴于幅度和相位测量接收到的基带信号,TX信号之一可以用作其他TX信号相比的基准。
对于精确的波束赋形,可能需要精确的失配测量。可见,图55中的反射器位置的公差可能因改变波行进的距离而使得失配测量失真。然而,根据一些方面,仔细的分析已经示出,只要关注于波束赋形,反射器位置公差误差实质上就是不要紧的。
根据一些方面,所有TX元件可以同时打开,并且环回测量可以用以估计对于60GHz阵列是关键参数的阵列增益。如果所有TX元件以相同功率处于打开并且所有相位对准,则测试器在RX处应接收20*log(N)更高的功率,其中,N是TX元件的数量。10*log10(N)的阵列增益来自波束赋形;10*log(N)的附加阵列增益来自事实:同时存在打开的N个TX元件(因此N倍更高的TX功率)。
已经通过对TX测试的强调描述以上测试中的很多。相似测试可以用于RX测试。例如,根据一些方面,系统的TX或专用TX之一可以用以发送用于环回的信号。测试对于TX实质上是相同的,其中,对于天线元件中的每一个,基准RX与基准TX交换,并且TX与RX交换。可设想图55中的RX测试元件是有缺陷的。根据一些方面,因为很多实际60GHz系统已经包括多于一个的RX,所以不同RX上的测量可以用以消除该风险。
以上测试表示通过发送并且接收无线电信号进行操作的可以用于测试SIP或其他系统的一系列测试。本领域技术人员应理解,这一系列测试运行的数字顺序并非先决条件,并且测试可以取决于待测试的系统的需求而以任何各种顺序运行。此外,再次取决于待测试的系统的需求,可以运行除了所描述的测试之外的附加测试。实际上,一系列测试可以编程到计算机可读硬件存储中作为指令,其当由计算机执行时使得计算机控制一系列测试的执行。
根据一些方面,TX与RX(片上与封装上)之间的不期望的串扰建立并不经过天线的寄生环回路径,如图56A中的箭头5605、5607指示的那样。该寄生环回路径可能使得环回测试失真。在图55的提议方案中,根据一些方面,可以如下解决该问题:
步骤1-图56A:移除反射器5502。采取环回测量。该所得项表示片上或封装上串扰。
步骤2-图56B:添加反射器5502。再次采取环回测量。根据一些方面,从该步骤2的所得项减去步骤-1的复数,以消除串扰。
因为每个测试通常操作不同数量的元件,所以以上串扰移除过程可以合并到以上测试中的每一个中。
分布式相控阵列系统(例如WiGig和5G蜂窝系统)当前用在膝上型设备、平板、智能电话、坞接站和其他应用中。对于WiGig和5G通信使用的当前分布式相控阵列系统要么是超外差(双变频)系统,要么是滑动IF系统。在这些系统中,MAC-PHY基带子系统接收或发送中频(IF)信号,这必须使用IF放大级、RF-IF混频器、高选择性带通滤波器和对于在电路之间传递IF信号以及IF信号的上变频和下变频必要的其他电路。用于IF信号处理的附加电路产生更大的前端模块、关于分布式相控阵列系统的更高的成本和更低的系统性能。附加地,在当通信系统提供MIMO支持时的实例中,可能需要附加同轴缆线(均用于每个MIMO秩)和信号乘法。然而,当将信号相乘时,两个MIMO流之间的相位同步是更难以实现并且确保的,这样可能使得MIMO性能降级。
图59示出根据一些方面的分布式相控阵列系统5900的示例性RF前端模块(RFEM)。分布式相控阵列系统5900可以包括于图3A所示的mmWave通信电路300的数字基带电路310、发送电路315和接收电路320中,但分布式相控阵列系统5900不限于此。
参照图59,RFEM 5902经由单个同轴缆线5906耦合到基带子系统(BBS)5904。RFEM5902可以包括相控天线阵列5908、RF接收机5910、RF发射机5912、本地振荡器(LO)生成器5944、三工器5948和发送(TX)/接收(RX)开关5940。RF接收机5910可以包括多个功率放大器5916、多个移相器5918、组合器5920、RF放大器5922、LO放大器5926和混频器5924。RF接收机5910也可以包括IF放大器5942。
RF发射机5912可以包括混频器5938、LO放大器5940、RF放大器5936、分离器5934、多个移相器5932和多个放大器5930。RF发射机5912也可以包括IF放大器5946。
在示例接收操作中,开关5940可以激活接收机链处理。天线阵列5908可以用于接收多个信号5914。接收到的信号5914可以由放大器5916放大,并且其相位可以由对应移相器5918调整。移相器5918中的每一个可以从控制电路(例如,从BBS 5904内的调制解调器)接收分离的相位调整信号(图59中未示出),其中,单独相位调整信号可以基于当处理经由相控天线阵列5908接收的信号时的期望的信号方向性。移相器5918的输出处的相位调整的信号可以由组合器5920求和,并且然后由RF放大器5922放大。LO生成器5944可以使用经由同轴缆线5906从BBS 5904接收到的时钟频率信号5943生成LO信号。LO信号可以由放大器5926放大,并且然后使用混频器5924与放大器5922的输出相乘,以生成IF输入信号5945。IF输入信号5945可以由放大器5942放大,并且然后经由三工器5948和同轴缆线5906传递到BBS 5904。在一些方面中,IF输入信号5945可以在10.56GHz信号周围居中。
在示例发送操作中,开关5940可以激活发射机链处理。RFEM 5902可以经由同轴缆线5906和三工器5948从BBS 5904接收IF信号5947。IF信号5947可以由IF放大器5946放大,并且然后传递到混频器5938。混频器5938可以从LO生成器5944和LO放大器5940接收上变频LO信号。放大的LO信号由混频器5938乘以放大的接收到的IF信号,以生成RF信号。RF信号由放大器5936放大,并且传递到分离器5934。分离器5934生成放大的信号的多个副本,并且将信号副本传递到多个移相器5932。多个移相器5932可以应用不同相位调整信号以生成多个相位调整的信号,其可以由多个放大器5930放大。多个放大器5930生成多个信号5928,以用于相控天线阵列5908进行的传输。
图60示出根据一些方面的分布式相控阵列系统的基带子系统(BBS)。参照图60,BBS 5904可以包括三工器6002、IF接收机6004、IF发射机6006、调制解调器6024、晶体振荡器6030、综合器6028和除法器6026。综合器6028可以包括合适的电路、逻辑、接口和/或代码,并且可以使用来自晶体振荡器6030的信号以生成时钟信号。生成的时钟信号可以由除法器6026相除,以生成输出时钟信号,以用于传递到RFEM 5902。在一些方面中,生成的时钟信号可以具有1.32GHz的频率。
IF接收机6304可以包括IF放大器6008、混频器6010、滤波器6012和模数转换(ADC)块6014。IF发射机6006可以包括数模转换(DAC)块6022、滤波器6020、混频器6018和IF放大器6016。
在示例接收操作中,IF信号(例如5945)经由三工器6002从RFEM 5902得以接收,并且由IF放大器6008放大。放大的IF信号可以由混频器6010下变频为基带信号,然后由低通滤波器6012滤波,并且由ADC块6014变频为数字信号,然后由调制解调器6024处理。
在示例发送操作中,调制解调器6024输出的数字信号可以由DAC块6022转换为模拟信号。模拟信号然后由低通滤波器6020滤波,并且然后由混频器6018上变频为IF信号。IF信号可以由IF放大器6016放大,并且然后经由三工器6302和单个同轴缆线5906传递到RFEM5902。
在一些方面中,分布式相控阵列系统5900内的相控天线阵列5908可以包括多个天线,其可以被配置用于MIMO操作。更具体地说,相控天线阵列5908内的天线可以被配置用于水平和垂直偏振发送或接收。于此,可以结合MIMO操作方案在相控天线阵列5908内使用水平和垂直偏振处理至少两个分离的数据流。参照图61和图62示出被配置为在MIMO模式下进行通信的示例分布式相控阵列系统。
图61示出根据一些方面的具有MIMO支持和耦合到单个RFEM的多个同轴缆线的示例性分布式相控阵列系统。参照图61,分布式相控阵列系统6100可以包括RFEM 6102和BBS6104。RFEM6102可以与图59中的RFEM 5902相似。在一些方面中,分布式相控阵列系统6100可以包括用于处理用于MIMO操作的两个分离的流的两个分离的收发机。更具体地说,第一收发机可以用以处理用于经由第一相控天线阵列6108(使用第一类型的天线偏振)的发送或接收的第一数据流,并且第二收发机可以用以处理经由第二相控天线阵列6112(或使用同一天线阵列的不同偏振输入)的发送或接收的第二数据流。
第一收发机可以包括BBS 6104内的第一部分6122和RFEM 6102内的第二部分6106。相似地,第二收发机可以包括BBS6104内的第一部分6124和RFEM 6102内的第二部分6110。BBS 6104内的第一收发机部分6122和6124可以包括用于以下操作的电路:对数据信号进行数字化,对数字信号进行滤波,并且对滤波的信号进行上变频以用于传递到RFEM6102,用于由相控天线阵列6108和6112进行的进一步处理和随后传输。
BBS 6104内的第一收发机部分6122和6124可以还包括用于以下操作的电路:处理经由相控天线阵列6108和6112接收到的并且由RFEM处理的中频或射频信号,并且将这些信号变频为基带和数字信号以用于处理。在一些方面中,第一收发机部分6122和6124可以包括图60中的接收机块6004和发射机块6006内的电路中的一个或多个。BBS 6104可以还包括LO生成器6126,其可以被配置为生成LO信号6128。LO信号6128可以由第一收发机部分6122和6124用于上变频基带信号以用于传递到RFEM 6102,或用于将从RFEM 6102接收到的IF或RF信号下变频为基带信号。
RFEM 6102内的第二收发机部分6106和6110可以包括用于以下操作的电路:放大从BBS 6104接收到的IF或RF信号,上变频放大的信号,复制信号,执行信号的相位和/或幅度调整然后经由相控天线阵列6108或6112传输。RFEM 6102内的第二收发机部分6106和6110可以还包括用于以下操作的电路:处理经由相控天线阵列6108和6112接收到的射频信号,对信号进行相位和/或幅度调整,将信号下变频为IF信号并且将IF信号(或在当分布式相控阵列系统6100未执行IF处理时的实例中,RF信号)传递到BBS 6104以用于处理。在一些方面中,第二收发机部分6106和6110可以包括图59中的接收机块5910和发射机块5912内的电路中的一个或多个。RFEM 6102可以还包括LO生成器6114,其可以被配置为生成LO信号6116。LO信号6116可以由第二收发机部分6106和6110用于下变频RF信号以用于传递到BBS6104,或用于将从BBS 6104接收到的信号上变频为RF信号以用于传输。
在一些方面中,分布式相控阵列系统6100可以被配置用于MIMO操作,从而经由同轴缆线6130以及三工器6120和6118传递第一数据流,以用于经由使用第一类型的偏振的相控天线阵列6108的发送或接收。可以经由同轴缆线6132以及三工器6120和6118传递第二数据流,以用于经由使用第二类型的偏振的第二相控天线阵列6112的发送或接收。于此,分布式相控阵列系统6100在BBS 6104与RFEM6102之间使用同轴缆线6130和6132二者传递两个独立数据流(例如,以用于使用垂直和水平天线偏振的发送或接收)。
图62示出根据一些方面的具有MIMO支持的示例性分布式相控阵列系统,其中,每个RFEM收发机耦合到分离的同轴缆线。参照图62,除了第二收发机部分均位于分离的RFEM中之外,分布式相控阵列系统6200与分布式相控阵列系统6100相似。在当RFEM作为分离的模块而成为可用的(例如,每个RFEM处于单个芯片上)时的实例中,可以使用图62中的分离的收发机部分配置。
分布式相控阵列系统6200可以包括RFEM 6202、RFEM6204和BBS 6226。RFEM 6202和6204可以与图59中的RFEM 5902相似。在一些方面中,分布式相控阵列系统6200可以包括用于处理用于MIMO操作的两个分离的流的两个分离的收发机。更具体地说,第一收发机可以用以处理用于经由第一相控阵列6208(使用第一类型的天线偏振)的发送或接收的第一数据流,并且第二收发机可以用以处理用于经由第二相控阵列6222(使用第二类型的天线偏振)的发送或接收的第二数据流。
第一收发机可以包括BBS 6226内的第一部分6230和RFEM 6202内的第二部分6206。相似地,第二收发机可以包括BBS6226内的第一部分6232和RFEM 6204内的第二部分6220。第一收发机部分6230和6232可以具有与第一收发机部分6122和6124的功能相似的功能。附加地,第二收发机部分部分6206和6220可以具有与第二收发机部分6106和6110的功能相似的功能。
BBS 6226可以包括LO生成器6234,其可以被配置为生成LO信号6236。LO信号6236可以由第一收发机部分6230和6232用于上变频基带信号以用于传递到RFEM 6202和6204,或用于将从RFEM 6202和6204接收到的IF或RF信号下变频为基带信号。
RFEM 6202可以包括LO生成器6210,其可以被配置为生成LO信号6212。LO信号6212可以由第二收发机部分和6206用于下变频RF信号以用于传递到BBS 6226,或用于将从BBS6226接收到的信号上变频为RF信号以用于经由阵列6208的传输。
RFEM 6204可以包括LO生成器6216,其可以被配置为生成LO信号6218。LO信号6218可以由第二收发机部分和6220用于下变频RF信号以用于传递到BBS 6226,或用于将从BBS6226接收到的信号上变频为RF信号以用于经由阵列6222的传输。
在示例MIMO操作期间,可以经由三工器6228和6214以及同轴缆线6238在BBS 6226与RFEM 6202之间传递第一数据流。可以经由可以包括垂直偏振式天线的相控天线阵列6208发送第一数据流。可以经由三工器6228和6224以及同轴缆线6240在BBS 6226与RFEM6204之间传递第二数据流。可以经由可以包括水平偏振式天线的相控天线阵列6222发送第二数据流。在一些方面中,相控天线阵列6208可以包括水平偏振式天线,并且相控天线阵列6222可以包括垂直偏振式天线。
在图61和图62中可见,在被配置用于MIMO操作的一些分布式相控阵列通信系统中,分离的同轴缆线用于BBS与RFEM之间所传递的每个MIMO流。附加地,并且在图62中可见,为了改进MIMO系统的操作,可能需要相位噪声同步(可以经由LO同步信号对LO生成器6210和6216进行同步,在图62中可见)。然而,归因于实现方式的有限空间和加入的成本,使用多个同轴缆线可能在移动设备中是有挑战性的。
在一些方面中,分布式相控阵列通信系统可以被配置用于MIMO操作,其中,可以通过耦合BBS和RFEM的单个同轴缆线传递独立MIMO数据流。更具体地说,因为可以配置两个分离的MIMO数据流,所以它们处于不重叠的频率处。例如,BBS内的LO生成器可以生成一个或多个LO信号,其可以用于将两个分离的数据流上变频为不同RF频率。LO生成器也可以生成附加LO信号,其可以用于在RFEM处将两个分离的数据流变频为期望频率。两个分离的数据流可以经由单个同轴缆线(例如,作为具有不重叠的频率的RF信号)与附加LO信号一起传递,其中,附加LO信号可以用以将MIMO流中的一个或多个上变频或下变频为期望的发送或接收频率。通过使用单个LO生成器以生成用以处理两个MIMO流的LO信号以及经由单个同轴缆线与MIMO流一起传递的LO信号,实现MIMO流之间的相位噪声的同步以及相位噪声相关。相位噪声相关可以是当信号处于初始LO频率处或LO频率的倍频或分频值处时。
图63示出根据一些方面的具有MIMO支持和耦合到单个RFEM的单个同轴缆线的示例性分布式相控阵列系统。参照图63,分布式相控阵列系统6300可以包括RFEM 6302和BBS6304。RFEM6302和BBS 6322可以与图59-图60中的RFEM 5902和BBS 5904相似。
在一些方面中,分布式相控阵列系统6300可以包括用于处理用于MIMO操作的两个分离的流的两个分离的收发机。更具体地说,第一收发机可以用以处理用于经由第一相控天线阵列6306(使用第一类型的天线偏振)的发送或接收的第一数据流,并且第二收发机可以用以处理用于经由第二相控阵列6310(使用第二类型的天线偏振)的发送或接收的第二数据流。
第一收发机可以包括BBS 6322内的第一部分6326和RFEM 6302内的第二部分6304。相似地,第二收发机可以包括BBS6322内的第一部分6328和RFEM 6302内的第二部分6308。BBS 6322内的第一收发机部分6326和6328可以包括用于以下操作的电路:对数据信号进行数字化,对数字信号进行滤波,并且对滤波的信号进行上变频以用于传递到RFEM6302,用于由相控天线阵列6306和6310进行的进一步处理和随后传输。BBS 6322内的第一收发机部分6326和6328可以还包括用于以下操作的电路:处理经由相控天线阵列6306和6310接收到的并且由RFEM 6302处理的中频或射频信号,并且将这些信号变频为基带和数字信号以用于处理。在一些方面中,第一收发机部分6326和6328可以包括图60中的接收机块6004和发射机块6006内的电路中的一个或多个。
BBS 6322可以还包括LO生成器6330,其可以被配置为生成LO信号6332、6334和6320。LO信号6332和6334可以由第一收发机部分6326和6328分别用于将基带信号上变频(为IF或RF信号)以用于传递到RFEM 6302,或用于将从RFEM 6302接收到的IF或RF信号下变频为基带信号。
RFEM 6302内的第二收发机部分6304和6308可以包括用于以下操作的电路:放大从BBS 6322接收到的IF或RF信号,上变频放大的信号,复制信号,执行信号的相位和/或幅度调整然后经由相控天线阵列6306和6310传输。
RFEM 6302内的第二收发机部分6304和6308可以还包括用于以下操作的电路:(1)处理经由相控天线阵列6306和6310接收到的射频信号,(2)对信号进行相位和/或幅度调整,和/或(3)将信号下变频为IF信号并且将IF信号(或在当通信系统6300未执行IF处理时的实例中,RF信号)传递到BBS 6322以用于处理。在一些方面中,第二收发机部分6304和6308可以包括图59中的接收机块5910和发射机块5912内的电路中的一个或多个。
RFEM 6302可以还包括LO生成器6312,其可以被配置为生成第二收发机部分6304和6308用于上变频或下变频信号的LO信号。在一些方面中,LO生成器6312可以包括频率操控电路(例如频率除法器和乘法器),可以被配置为使用LO生成器6330生成的并且经由三工器6324、6314和单个同轴缆线6336从BBS 6322接收到的LO信号生成另一LO信号。
在一些方面中,分布式相控阵列通信系统6300可以被配置用于MIMO操作,其中,经由三工器6324、6314和同轴缆线6336同时传递两个数据流。更具体地说,可以在BBS 6322处在基带频率处生成两个独立数据流。LO生成器6330可以包括通信系统6300内的单个频率源,并且被配置为生成用于分别由第一收发机部分6326和6328执行的两个独特上变频方案的LO频率。对于这两个方案中的每一个,一个LO频率用于在BBS 6322内将基带流上变频为期望的IF频率。
例如,LO生成器6330可以生成第一LO信号6332,其可以由第一收发机部分6326用以将第一MIMO流6316上变频为期望频率f1(例如传输频率)。LO生成器6330可以生成第二LO信号6334,其可以由第一收发机报告6328用以将第二MIMO流6318上变频为第二频率f2。LO生成器6330附加地生成第三LO信号6320,其可以(要么直接地,要么通过简单操控)用以将MIMO数据流之一或二者上变频为期望的RF频率。在图63所示的示例中,第一MIMO流6316已经是未变频的,并且在BBS 6322内处于期望频率f1处。于此,第三LO信号6320可以经由单个同轴缆线6336传递到RFEM 6302,并且由第二收发机部分6308用以将第二MIMO流6318上变频为期望频率f1然后由相控天线阵列6310传输。
在一些方面中,两个MIMO流6316和6318可以在IF或RF频率处得以生成,并且可以连同第三LO信号6320一起经由单个同轴缆线6336传递到RFEM 6302。于此,缆线上的RF(RFoC)通信技术可以用以在通信系统6300的BBS与RFEM之间经由单个同轴缆线连同LO信号一起传递两个MIMO流。可以设计用于生成MIMO流6316和6318的两个上变频方案,从而与两个MIMO流6316、6318以及LO信号6332和6334的频率关联的四个信号频率将不重叠。在一些方面中,(例如,生成MIMO流6316的)两个上变频方案之一可以是直接变频方案,从而无需LO信号以生成对应MIMO流(例如6316)。
在图63中可见,经由同轴缆线6336以及三工器6324和6314(在期望频率f1处)传递第一MIMO数据流6316,以用于经由使用第一类型的偏振的相控天线阵列6306的发送或接收。经由同轴缆线6336以及三工器6324和6314(在频率f2处)传递第二MIMO数据流6318,以用于经由使用第二类型的偏振的第二相控天线阵列6310的发送或接收。
附加地,LO生成器6312经由同轴缆线6336连同两个MIMO流一起接收第三LO信号6320,并且将LO信号6320传递到第二收发机部分6308(或通过LO信号6320的频率操控生成另一LO信号)。由于第二MIMO流6318处于频率f2(其并非期望频率f1)处,因此第二收发机部分6308可以使用从LO生成器6312接收到的LO信号以上变频或下变频第二MIMO流6318,从而其在相控天线阵列6310进行的传输之前也处于期望频率f1处。
于此,分布式相控阵列系统6300使用同轴缆线6130和6132以在BBS 6322与RFEM6302之间传递两个独立数据流和至少一个LO信号(例如,以用于使用垂直和水平天线偏振的发送或接收)。
在一些方面中,可以在不重叠的而且并非期望频率的频率处生成第一MIMO流6316和第二MIMO流6318。在此情况下,LO生成器6330可以生成两个分离的LO信号,其可以连同MIMO流6316和6318一起经由单个同轴缆线6336传递到RFEM 6302。两个分离的LO信号可以用在RFEM 6302内,以用于将两个MIMO流6316和6318变频为期望的发送频率。
在一些方面中,可以在不重叠的而且并非期望频率的频率处生成第一MIMO流6316和第二MIMO流6318。在此情况下,LO生成器6330可以生成一个分离的LO信号,其可以连同MIMO流6316和6318一起经由单个同轴缆线6336传递到RFEM 6302。一个分离的LO信号可以用在RFEM 6302内,以用于将两个MIMO流之一变频为期望的发送频率。LO生成器6312可以使用一个分离的LO信号以(例如,通过频率操控)生成另一LO信号,其可以用以将其余MIMO流变频为期望的发送频率。在此情况下,两个MIMO流经由单个同轴缆线6336在BBS 6322与RFEM 6302之间随单个LO信号而传递。
在示例中并且如图63中可见,在期望频率f1处生成MIMO流之一(例如6316)。在可以高于或低于f1的不同的(不重叠的)频率f2处生成第二MIMO流6318。可以连同第三LO信号6320一起经由单个同轴缆线6336传递两个MIMO流6316和6318。第三LO信号6320可以处于作为分别与MIMO流6316和6318关联的频率f1与f2之间的差的频率处。
由于从系统6300内的单个频率综合器源(例如LO生成器6330)生成各种频率信号,并且由于利用仅简单频率操控(例如分频或倍频)以在RFEM 6302内操控LO信号,因此可以保持所得RF流(例如6316和6318)之间的相位关系,而无论所使用的RFEM的数量或RFEM位置如何。换言之,通过使用相同的两个上变频方案以生成IF或RF MIMO流并且通过单个共轴将它们与一个或多个LO信号进行发送,即使由远程RFEM接收流以用于处理,也可以保持MIMO流之间的相位关系(图65中示出多个RFEM处理情形)。
即使图63示出BBS 6322处的MIMO流的生成和然后传递以用于RFEM 6302进行的处理以及传输,公开技术也可以用于由相控天线阵列6306和6310接收的并且然后传递到BBS6322以用于处理的MIMO流。
图64示出根据一些方面的图63的单个同轴缆线上传递的各种信号的谱内容。参照图64,信号图6402示出通过单个同轴缆线6336传递的谱内容的频率。更具体地说,信号图6402示出第一MIMO流6402、第二MIMO流6406和LO信号6408的频率。在一些方面中,第一MIMO流6404可以处于期望频率f1处,并且第二MIMO流6406可以处于作为频率f1的分数的频率f2处(例如,f2是M/K倍频率f1,其中,M和K是大于1的整数)。LO信号6408的频率可以低于第二MIMO流6406的频率,并且可以基于与第二MIMO流6406关联的同一分数得以确定。例如,LO信号6408的频率可以指定为f LO ,并且可以基于公式得以确定。于此,具有频率f2的第二MIMO流6406可以通过将其与频率f LO 处的LO信号进行混频而变频为期望频率f1。
参照图64,信号图6410示出第一MIMO流6412、第二MIMO流6416和LO信号6414的频率。在一些方面中,第一MIMO流6412可以处于期望频率f1处,并且LO信号6414可以处于作为频率f1的分数的频率f2处(例如,f2是M/K倍频率f1,其中,M和K是大于1的整数)。第二MIMO流6416的频率可以低于LO信号6414的频率,并且可以基于与LO信号6414关联的同一分数得以确定。例如,LO信号6414的频率可以是第二MIMO流6416的频率可以指定为f2,并且可以基于公式得以确定。
参照图64,信号图6418示出通过单个同轴缆线6336传递的谱内容的频率。更具体地说,信号图6418示出第一MIMO流6420、第二MIMO流6422和LO信号6424的频率。在一些方面中,第一MIMO流6420可以处于28GHz的期望频率处,并且第二MIMO流6422可以处于作为28GHz的分数(例如28GHz的2/3)的频率18.66GHz处。LO信号6424的频率可以低于第二MIMO流6422的频率,并且可以基于与第二MIMO流6406关联的同一分数得以确定(例如,f LO 可以是9.33GHz,其为28GHz的1/3)。
图65示出根据一些方面的具有MIMO支持和BBS与RFEM中的每一个之间的单个同轴缆线的具有单个BBS和多个RFEM的示例性分布式相控阵列系统。参照图65,分布式相控阵列系统6500可以包括RFEM 6502、6504和BBS 6506。RFEM 6502和6504以及BBS6506可以与图63中的RFEM 6302和BBS 6322相似。在一些方面中,分布式相控阵列系统6500可以包括用于处理用于MIMO操作的四个分离的流的四个分离的收发机。更具体地说,第一收发机可以用以处理用于经由第一相控阵列6548(使用第一类型的天线偏振)的发送或接收的第一数据流,并且第二收发机可以用以处理用于经由第二相控阵列6550(使用第二类型的天线偏振)的发送或接收的第二数据流。第三收发机可以用以处理用于经由第三相控阵列6560(使用第一类型的天线偏振)的发送或接收的第三数据流,并且第四收发机可以用以处理用于经由第四相控阵列6562(使用第二类型的天线偏振)的发送或接收的第四数据流。
第一收发机可以包括BBS 6506内的第一部分6508和RFEM 6502内的第二部分6540。第二收发机可以包括BBS 6506内的第一部分6510和RFEM 6502内的第二部分6542。第三收发机可以包括BBS 6506内的第一部分6516和RFEM 6504内的第二部分6552。第四收发机可以包括BBS 6506内的第一部分6518和RFEM 6504内的第二部分6554。
BBS 6506内的第一收发机部分6508、6510、6516和6518可以包括用于以下操作的电路:对数据信号进行数字化,对数字信号进行滤波,并且对滤波的信号进行上变频以用于传递到RFEM 6502和6504,用于由相控天线阵列6548、6550、6560和6562进行的进一步处理和随后传输。BBS 6506内的第一收发机部分6508、6510、6516和6518可以还包括用于以下操作的电路:处理经由相控天线阵列6548、6550、6560和6562接收到的并且由RFEM 6502、6504处理的中频(IF)或RF信号,并且将这些信号变频为基带和数字信号以用于处理。
BBS 6506可以还包括LO生成器6514,其可以被配置为生成LO信号6522、6524和6526。LO信号6522和6524可以由第一收发机部分6508、6510、6516和6518用于将基带信号上变频(为IF或RF信号)以生成MIMO流6528、6530、6532和6534以用于传递到RFEM 6502和6504,或将从RFEM 6502和6504接收到的IF或RF信号下变频为基带信号。
(RFEM 6502内的)第二收发机部分6540和6542以及(RFEM 6504内的)6552和6554可以包括用于以下操作的电路:放大从BBS 6506接收到的IF或RF信号,上变频放大的信号,复制信号,执行信号的相位和/或幅度调整然后经由相控天线阵列6548、6550、6560和6562传输。(RFEM 6502内的)第二收发机部分6540和6542以及(RFEM 6504内的)6552和6554可以还包括用于以下操作的电路:处理经由相控天线阵列6548、6550、6560和6562接收到的射频信号,对信号进行相位和/或幅度调整,将信号下变频为IF信号并且将IF信号(或在当分布式相控阵列系统6500未执行IF处理时的实例中,RF信号)传递到BBS 6506以用于处理。在一些方面中,(RFEM6502内的)第二收发机部分6540和6542以及(RFEM 6504内的)6552和6554可以包括图59中的接收机块5910和发射机块5912内的电路中的一个或多个。
RFEM 6502可以包括LO生成器6544,其可以被配置为生成第二收发机部分6540和6542用于上变频或下变频信号的LO信号。在一些方面中,LO生成器6544可以包括频率操控电路(例如频率除法器、加法器和乘法器),并且可以被配置为使用LO生成器6514生成的并且经由三工器6512、6546和单个同轴缆线6536从BBS 6506接收到的LO信号生成另一LO信号。
RFEM 6504可以包括LO生成器6556,其可以被配置为生成第二收发机部分6552和6554用于上变频或下变频信号的LO信号。在一些方面中,LO生成器6556可以包括频率操控电路(例如频率除法器、加法器和乘法器),并且可以被配置为使用LO生成器6514生成的并且经由三工器6520、6558和单个同轴缆线6538从BBS 6506接收到的LO信号生成另一LO信号。
在一些方面中,分布式相控阵列系统6500可以关于MIMO操作而被配置有经由三工器6512、6520、6546、6558以及同轴缆线6536和6538同时传递的四个数据流。更具体地说,可以在BBS 6506处在基带频率处生成四个独立数据流。LO生成器6514可以包括分布式相控阵列系统6500内的单个频率源,并且被配置为生成用于第一收发机部分6508、6510、6516和6518执行的两个独特上变频方案的LO频率(例如6522和6524)。对于这两个方案中的每一个,一个LO频率用于在BBS 6506内将基带流上变频为期望的IF(或RF)频率。
如图65中可见,LO信号6522和6524可以用以生成MIMO流6528和6530(以用于RFEM6502进行的处理)以及MIMO流6532和6534(以用于RFEM 6504进行的处理)。可以在期望频率f1(例如期望发送频率)处生成MIMO流6528和6532。可以在高于或低于f1的不同频率f2处生成MIMO流6530和6534。
LO信号6522、6524和6526的信号频率以及四个所生成的MIMO流的频率f1和f2可以都是不重叠的频率。于此,可以经由通信介质(例如单个同轴缆线)传递LO信号和MIMO流的组合,而没有相互信号干扰。可以沿着同轴缆线6536连同MIMO流6528和6530一起传递第三LO信号6526,以用于RFEM 6502进行的处理。更具体地说,因为第一MIMO流6528已经处于期望频率f1处,所以在相控天线阵列6548进行的传输之前可以无需另一上变频。LO生成器6544可以接收第三LO信号6526,并且可以将该信号转发到第二收发机部分6542,以用于将第二MIMO流6530上变频或下变频为期望频率f1。在一些方面中,可以使用从BBS 6506接收到的LO信号6526,或LO生成器6544可以执行频率操控以生成新的LO信号,其可以用于将第二MIMO流6530变频为期望频率f1然后由相控天线阵列6550传输。
相似地,可以沿着同轴缆线6538连同MIMO流6532和6534一起传递第三LO信号6526,以用于RFEM 6504进行的处理。更具体地说,因为第三MIMO流6532已经处于期望频率f1处,所以在相控天线阵列6560进行的传输之前可以无需另一上变频。LO生成器6556可以接收第三LO信号6526,并且可以将该信号转发到第二收发机部分6554,以用于将第四MIMO流6534上变频或下变频为期望频率f1。在一些方面中,可以使用从BBS 6506接收到的LO信号6526,或LO生成器6556可以执行频率操控以生成新的LO信号,其可以用于将第四MIMO流6534变频为期望频率f1然后由相控天线阵列6562传输。
即使图63和图65公开使用单个同轴缆线以将BBS与RFEM连接以用于多个数据流的发送和接收,本公开也不限于此,并且同样可以使用其他类型的连接。例如,可以使用另一类型的毫米波连接或缆线,而非单个同轴缆线。可以使用的其他类型的连接包括半刚性缆线、柔性基板的柔性缆线、PCB上的印制RF传输线、刚性屈曲板等。
分布式相控阵列系统(例如WiGig和5G蜂窝系统)当前用在膝上型设备、平板、智能电话、坞接站和其他应用中。对于WiGig和5G通信使用的当前分布式相控阵列系统要么是超外差(双变频)系统,要么是滑动IF系统。在这些系统中,MAC-PHY基带子系统接收或发送中频(IF)信号,这必须使用IF放大级、RF-IF混频器、高选择性带通滤波器和对于在电路之间传递IF信号以及IF信号的上变频和下变频必要的其他电路。用于IF信号处理的附加电路产生更大的前端模块、关于分布式相控阵列系统的更高的成本和更低的系统性能。
图66示出根据一些方面的分布式相控阵列系统6600的示例性RF前端模块(RFEM)。分布式相控阵列系统6600可以包括于图3A所示的mmWave通信电路300的数字基带电路310、发送电路315和接收电路320中,但分布式相控阵列系统6600不限于此。
参照图66,RFEM 6602经由单个同轴缆线6606耦合到基带子系统(BBS)6604。RFEM6602可以包括相控天线阵列6608、RF接收机6610、RF发射机6612、本地振荡器(LO)生成器6644、三工器6648和发送(TX)/接收(RX)开关6640。RF接收机6610可以包括多个功率放大器6616、多个移相器6618和加法器6620、RF放大器6622、LO放大器6626和乘法器6624。RF接收机6610也可以包括IF放大器6642。在一些方面中,IF放大器6642可以是接收机6610的部分,或其可以实现于接收机6610的外部。
RF发射机6612可以包括乘法器6638、LO放大器6640、RF放大器6636、加法器6634、多个移相器6632和多个放大器6630。RF发射机6612也可以包括IF放大器6646。在一些方面中,IF放大器6646可以是发射机6612的部分,或其可以实现于发射机6612的外部。
在示例接收操作中,开关6640可以激活接收机链处理。天线阵列6608可以用于接收多个信号6614。接收到的信号6614可以由放大器6616放大,并且其相位可以由对应移相器6618调整。移相器6618中的每一个可以从控制电路(例如,从BBS 6604内的调制解调器)接收分离的相位调整信号(图66中未示出),其中,单独相位调整信号可以基于当处理经由相控天线阵列6608接收的信号时的期望的信号方向性。移相器6618的输出处的相位调整的信号可以由加法器6620求和,并且然后由RF放大器6622放大。LO生成器6644可以使用经由同轴缆线6606从BBS 6604接收到的时钟频率信号6643生成LO信号。LO信号可以由放大器6626放大,并且然后使用乘法器6624与放大器6622的输出相乘,以生成IF输入信号6645。IF输入信号6645可以由放大器6642放大,并且然后经由三工器6648和同轴缆线6606传递到BBS 6604。在一些方面中,IF输入信号6645可以是10.56GHz信号。
在示例发送操作中,开关6640可以激活发射机链处理。RFEM 6602可以经由同轴缆线6606和三工器6648从BBS 6604接收IF信号6647。IF信号6647可以由IF放大器6646放大,并且然后传递到乘法器6638。乘法器6638可以从LO生成器6644和LO放大器6640接收上变频LO信号。放大的LO信号由乘法器6638乘以放大的接收到的IF信号,以生成RF信号。RF信号然后由放大器6636放大,并且传递到加法器6634。加法器6634生成放大的信号的多个副本,并且将信号副本传递到多个移相器6632。多个移相器6632可以应用不同相位调整信号以生成多个相位调整的信号,其可以由多个放大器6630放大。多个放大器6630生成多个信号6628,以用于相控天线阵列6608进行的传输。
图67示出根据一些方面的分布式相控阵列系统的基带子系统(BBS)。参照图67,BBS 6604可以包括三工器6702、IF接收机6704、IF发射机6706、调制解调器6724、晶体振荡器6730、综合器6728和除法器6726。综合器6728可以包括合适的电路、逻辑、接口和/或代码,并且可以使用来自晶体振荡器6730的信号以生成时钟信号。所生成的时钟信号可以由除法器6726分频,以生成输出时钟信号,以用于传递到RFEM 6602。在一些方面中,所生成的时钟信号可以具有1.32GHz的频率。
IF接收机7004可以包括IF放大器6708、混频器6710、滤波器6712和模数转换(ADC)块6714。IF发射机6706可以包括数模转换(DAC)块6722、滤波器6720、混频器6718和IF放大器6716。
在示例接收操作中,IF信号(例如6645)经由三工器6702从RFEM 6602得以接收,并且由IF放大器6708放大。放大的IF信号可以由混频器6710下变频为基带信号,然后由低通滤波器6712滤波,并且由ADC块6714转换为数字信号,然后由调制解调器6724处理。
在示例发送操作中,调制解调器6724输出的数字信号可以由DAC块6722转换为模拟信号。模拟信号然后由低通滤波器6720滤波,并且然后由混频器6718上变频为IF信号。IF信号可以由IF放大器6716放大,并且然后经由三工器6702和单个同轴缆线6606传递到RFEM6602。
图68示出根据一些方面的RFEM与BBS之间传递的信号的频率图。参照图68,频率图6800示出可以经由单个同轴缆线6606在RFEM 6602与BBS 6604之间传递的各种信号。例如,BBS 6604可以传递DC功率信号6802、控制信号6804和时钟信号6806。附加地,可以在BBS6604与RFEM 6602之间传递数据信号6810。例如,IF数据信号6645可以从RFEM 6602传递到BBS 6604,并且IF数据信号6647可以从BBS 6604传递到RFEM 6602。时钟信号6806可以与RFEM 6602从BBS 6604接收到的LO生成时钟信号6643相同。在一些方面中,时钟信号6806可以是1.32GHz信号。在一些方面中,控制信号6804可以从BBS 6604传递到RFEM 6602,并且可以指示用于由移相器6618和移相器6632使用的相位调整值。控制信号6804可以对RFEM6602指示其他控制功能(例如上电、下电、发送功率的增加或降低等)。
如图68中可见,RFEM 6602与BBS 6604之间传递的信号的信号谱可能包括一些不期望的信号(例如时钟谐波6808以及控制信号6804的谐波)。附加地,通过将IF处理电路包括在RFEM 6602和BBS 6604内,分布式相控阵列系统6600内的其他缺点出现,如本文以下描述的那样。
归因于RFEM供电电压的电压跳变导致的信号频率稳定性
RFEM 6602包括LO生成器(例如6644),其可以包括频率综合器、频率乘法器和除法器。这些电路生成的频率信号用于驱动上变频混频器6638或下变频混频器6624。然而,LO生成器6644可能对于供电电压稳定性是敏感的。通过同轴缆线6606以及关联连接器和RF扼流圈(图66中未示出)对RFEM 6602供电电压(例如6802)进行馈电。因此,供电电压受这些组件的电阻和流过同轴缆线6606的电流影响。于此,通过共轴6606的电流的瞬时改变(例如RX到TX过渡,改变相控阵列有效通道的数量、RFEM中的数字活动/处理等)将生成LO生成电路的瞬时改变,这将产生瞬时频率改变。
RFEM高功耗
分布式相控阵列系统6600使用LO生成器6644(综合器、乘法器、除法器等)、上和下变频混频器(例如6624、6638)、IF放大级(例如6642、6646)和复杂的三工器(例如6648)。在本公开的一方面中,可以在RFEM 6602与BBS 6604之间传递仅RF信号。于此,可以移除RFEM6602内的IF有关电路,降低RFEM 6602的功耗和发热。
RFEM成本
在分布式相控阵列系统(例如6600)中,RFEM成本可能是显著的(例如,在一些实例中,上至整个系统成本的50%)。虽然可以通过工艺迁移实现BBS成本减少(因为多数BBS芯片处理是数字的),但这种成本减少因为大部分模拟处理包括于RFEM中所以对于RFEM可能是有挑战性的。通过仅执行RF处理并且经由单个同轴缆线6606在RFEM 6602与BBS 6604之间传递RF信号,可以实现RFEM实现方式成本减少。
RFEM形数(FF)
由于RFEM 6602包括天线阵列(108),因此其位于通信设备的边界处,以允许相控阵列天线的良好辐射。通过仅使用RF处理并且从RFEM 6602移除IF变频级和处理,RFEM形数得以减少,这对于RFEM设备放置和实现方式是有益的。
与其他标准(WiFi、蓝牙、LTE等)共同运行
通过同轴缆线6606传递的IF频率信号(例如6645和6647)携带宽带(例如WiGig或5G)信号,并且对于同一平台/设备中的其他通信系统的谐波是脆弱的。例如,从RFEM传递到BBS的IF频率信号(6645)或RFEM从BBS接收到的IF信号(6647)可以是10.56GHz信号。然而,10.66GHzIF信号可以处于与Wi-Fi频段的一个或多个谐波相同的范围中。
共轴上的CLK信号的FCC/ETSI管制违规
在分布式系统中,COAX缆线上的信号(CLK、IF数据)从COAX(缆线和连接器)并且从PCB互连部泄漏。这种泄漏将导致FCC/ETSI管制违规。为了降低泄漏功率,我们需要使用高质量RF屏蔽、高度隔离的COAX,并且在一些情况下甚至降低CAOX上的信号的等级(这可能影响系统性能)。
在一些方面中,RFEM 6602可以被配置为处理RF信号并且将其经由同轴缆线6606传递到BBS 6604,以用于处理和下变频。相似地,BBS 6604可以将数据信号上变频为RF信号,并且经由共轴线缆6606将RF信号传递到RFEM 6602。于此,通过移除RFEM 6602内的IF处理,可以移除与分布式相控阵列通信系统内的IF处理关联的以上列出的缺点。
图69示出根据一些方面的经由单个同轴缆线耦合到BBS以用于传递RF信号的RFEM。参照图69,分布式相控阵列通信系统6900可以包括经由单个同轴缆线6906耦合到基带子系统(BBS)6904的RFEM 6902。RFEM 6902可以包括相控天线阵列6908、RF接收机6910、RF发射机6912、双工器6936和发送(TX)/接收(RX)开关6934。RF接收机6910可以包括多个功率放大器6916、多个移相器6918、加法器6920和RF放大器6922。RF发射机6912可以包括RF放大器6932、加法器6930、多个移相器6928和多个放大器6926。
在示例接收操作中,开关6934可以激活接收机链处理。相控天线阵列6908可以用于接收多个信号6914。接收到的信号6914可以由放大器6916放大,并且其相位可以由对应移相器6918调整。移相器6918中的每一个可以从控制电路(例如,从BBS 6904内的调制解调器)接收分离的相位调整信号(图69中未示出),其中,单独相位调整信号可以基于当处理经由相控天线阵列6908接收的信号时的期望的信号方向性。移相器6918的输出处的相位调整的信号可以由加法器6920求和,并且然后由RF放大器6922放大,以生成RF输入信号6923。RF输入信号6923可以经由双工器6936和同轴缆线6906传递到BBS 6904。在一些方面中,RF输入信号6923可以是60GHz信号或包括5G通信频段的毫米波频段中的另一信号。
在示例发送操作中,开关6934可以激活发射机链处理。RFEM 6902可以经由同轴缆线6906和双工器6936从BBS 6904接收RF输出信号6931。RF信号6931可以由RF放大器6932放大,并且然后传递到加法器6930。加法器6930生成放大的RF信号的多个副本,并且将信号副本传递到多个移相器6928。多个移相器6928可以应用不同相位调整信号以生成多个相位调整的信号,其可以由多个放大器6926放大。多个放大器6926生成多个信号6924,以用于相控天线阵列6908进行的传输。
图70示出根据一些方面的图69的BBS 6904的更详细示图。参照图69,BBS 6904可以包括双工器7002、RF接收机7004、RF发射机7006、调制解调器7024、晶体振荡器7030、综合器7028和除法器7026。综合器7028可以包括合适的电路、逻辑、接口和/或代码,并且可以使用来自晶体振荡器7030的信号以生成时钟信号(例如信号7032)。所生成的时钟信号7032可以由RF接收机7004用以使用混频器7010对接收到的信号进行下变频。所生成的时钟信号7032也可以由RF发射机7006用以使用混频器7018对接收到的信号进行上变频。时钟信号7032也可以由除法器7026分频以生成第二时钟信号7034。所生成的第二时钟信号7034可以由RF接收机7004用以使用混频器7010对接收到的信号进行下变频。所生成的第二时钟信号7034也可以由RF发射机7006用以使用混频器7018对接收到的信号进行上变频。如图70中可见,综合器7028和除法器7026可以生成两个分离的时钟信号7034和7032。两个时钟信号7034和7032之一或二者可以用于使用一个或多个中间IF级将RF信号下变频为基带,或在一些实例中无需中间IF级变频而从RF变频为基带。相似地,时钟信号7034和7032之一或二者可以用于使用一个或多个中间IF级将基带信号上变频为RF信号,或在一些实例中无需中间IF级变频而从基带变频为RF。
RF接收机7004可以包括RF放大器7008、混频器7010、滤波器7012和模数转换(ADC)块7014。RF发射机7006可以包括数模转换(DAC)块7022、滤波器7020、混频器7018和RF放大器7016。
在示例接收操作中,RF信号(例如6923)经由单个共轴6906和双工器7002从RFEM6902得以接收,并且由RF放大器7008放大。放大的RF信号可以由混频器7010下变频为基带信号,然后由低通滤波器7012滤波,并且由ADC块7014转换为数字信号,然后由调制解调器7024处理。
在示例发送操作中,调制解调器7024输出的数字信号可以由DAC块7022转换为模拟信号。模拟信号然后由低通滤波器7020滤波,并且然后由混频器7018上变频为RF信号。RF信号可以由RF放大器7016放大,并且然后经由双工器7002和单个同轴缆线6906传递到RFEM6902。
在一些方面中,同轴缆线6906可以用于传递DC功率信号(例如,从BBS 6904到RFEM6902)、控制信号和相控天线阵列6908接收到的或发送的RF数据信号。控制信号可以包括相位调整信号、上电信号、下电信号和从BBS 6904传递到RFEM 6902的其他控制信号。在一些方面中,控制信号可以包括相位调整请求信号或从RFEM6902传递到BBS 6904的其他数据请求信号。于此,可以结合分布式相控阵列系统使用直接变频方案,其中,经由单个同轴缆线耦合RFEM和BBS。
在一些方面中,控制信号可以用于控制RFEM操作(例如,控制输出功率等级、AGC、ON/OFF等)。附加地,RFEM与BBS之间的控制链路可以是双向的,并且可以用于BBS到RFEM命令以及用于RFEM到BBS遥测传送(例如PA功率检测器读数、控制命令接收之后的ACK、温度检测器读数等)。
在一些方面中,可以结合通过共轴传递RF的分布式相控阵列通信系统使用不同类型的同轴缆线(6906)。例如,高质量同轴缆线、半刚性缆线或柔性半刚性缆线可以用作缆线6906,这样将允许具有合理损耗的RF信号的高频率通信。
在另一示例中,更低成本同轴缆线可以用作共轴6906,这样可能导致关于高RF频率通信的匹配(S11)和高损耗(S21)。可以经由系统设计改变(例如自适应缆线匹配改进、鲁棒RX和TX线路组(line-up)以及RX和TX非线性失真消除)来改进这些缺点。
自适应缆线匹配改进
缆线上的RF信号通信可能与高损耗和匹配问题关联。归因于与RF缆线通信关联的高频率,缆线匹配的变化可能是高的并且不期望的,这样影响缆线与负载之间的功率损耗。在示例中,并且为了克服这些缺点,在RFEM 6902和BBS 6904中可以使用自适应阻抗匹配电路(例如6938和7036),如图69-图70中可见。
鲁棒RX和TX线路组
在一些方面中,可以通过(例如在缆线6906和RFEM 6902内的自适应匹配6938之前)添加附加增益放大/调整级(附图中未示出)解决与同轴缆线关联的较高信号损耗,这样可以确保同轴缆线的潜在高信号损耗将不使得所传递的RF信号的SNR降级。
RX和TX非线性失真消除
在一些方面中,RX和TX线路组中的附加增益级可能导致非线性失真。然而,可以经由数字机构(例如TX路径中的预失真调整电路或RX路径中的后失真调整电路(附图中未示出))补偿这些信号失真。
图71示出根据一些方面的使用耦合到单个BBS的多个RFEM的示例性大规模天线阵列(MAA)。参照图71,分布式相控阵列通信系统7100可以用以实现大规模天线阵列。更具体地说,多个RFEM(7102、7138……、7140)可以用于单个BBS(7104),其中,每个RFEM包括相控天线阵列。RFEM 7102、7138、……、7140可以经由对应单个同轴缆线7106、7144、……、7146耦合到BBS 7104。
在一些方面中,单个LO源(例如毫米波综合器)可以位于BBS 7104内,并且分别用于TX和RX信号上变频和下变频。以此方式,在MAA 7100中所使用的所有RFEM中可以确保共同LO信号相位(例如TX或RX信号的同步的相位)。与之相比,每次RFEM上电或操作频率改变,位于不同RFEM中的共轴上的IF分布式相控阵列系统、综合器和频率除法器可能具有不同步的相位。不同步的相位因此可能必须执行新的波束赋形过程,这可能是使得总体链路吞吐量和质量降级的耗时操作。
参照图71,分布式相控阵列通信系统7100可以包括经由单个同轴缆线7106耦合到BBS 7104的RFEM 7102。RFEM 7102可以包括相控天线阵列7108、RF接收机7110、RF发射机7112、双工器7136和发送(TX)/接收(RX)开关7134。RF接收机7110可以包括多个功率放大器7116、多个移相器7118、加法器7120和RF放大器7122。RF发射机7112可以包括RF放大器7132、加法器7130、多个移相器7128和多个放大器7126。
在示例接收操作中,开关7134可以激活接收机链处理。天线阵列7108可以用于接收多个信号7114。接收到的信号7114可以由放大器7116放大,并且其相位可以由对应移相器7118调整。移相器7118中的每一个可以从控制电路(例如,从BBS 7104内的调制解调器)接收分离的相位调整信号(图71中未示出),其中,单独相位调整信号可以基于当处理经由相控天线阵列7108接收的信号时的期望的信号方向性。移相器7118的输出处的相位调整的信号可以由加法器7120求和,并且然后由RF放大器7122放大,以生成RF输入信号7123。RF输入信号7123可以经由双工器7136和同轴缆线7106传递到BBS 7104。在一些方面中,RF输入信号7123可以是60GHz信号或包括5G通信频段的毫米波频段中的另一信号。
在示例发送操作中,开关7134可以激活发射机链处理。RFEM 7102可以经由同轴缆线7106和双工器7136从BBS 7104接收RF输出信号7131。RF信号7131可以由RF放大器7132放大,并且然后传递到加法器7130。加法器7130生成放大的RF信号的多个副本,并且将信号副本传递到多个移相器7128。多个移相器7128可以应用不同相位调整信号以生成多个相位调整的信号,其可以由多个放大器7126放大。多个放大器7126生成多个信号7124,以用于相控天线阵列7108进行的传输。在一些方面中,RFEM 7138-7140可以与RFEM7102相同。
即使图71未提供BBS 7104的细节,BBS 7104也可以与BBS 6904相同,并且可以包括图70所示的块。如图70中可见,单个综合器7028用在BBS 6904内。通过使用包括RFEM之间共享的LO生成器(例如可以包括RF综合器、IF综合器等的综合器7028)的单个BBS(例如7104),在单个BBS内的LO生成器所生成的LO频率与多个RFEM的相控天线阵列所传递的外出RF信号之间存在相位相关。于此,RFEM 7102、7138、……、7140的相控天线阵列所发送的所有信号将具有相同相位。
即使图69、图70和图71公开使用单个同轴缆线以将BBS与RFEM连接,本公开也不限于此,并且同样可以使用其他类型的连接。例如,可以使用另一类型的毫米波连接或缆线,而非单个同轴缆线。可以使用的其他类型的连接包括半刚性缆线、柔性基板的柔性缆线、PCB上的印制RF传输线、刚性屈曲板等。例如,并且参照图71,可以使用刚性屈曲板代替同轴缆线7106、7144和7146,其中,可以经由使用连接板的柔性部段在不同位置中从主BBS 7104传播到RFEM的RF线路(例如刚性屈曲板的屈曲部段上的RF)对多个RFEM进行馈电。以此方式,RFEM可以在基于PC/移动形数的系统中或在基站机壳中的不同面积中折叠起来并且弯曲起来。
同轴(共轴)缆线已经用作用于将RF信号从膝上型设备的主板发送到膝上型设备的铰接罩盖的传输线,信号可以从此经由共轴发送到膝上型设备罩盖中的天线或相控天线阵列。缆线将从通常位于键盘之下的主板上的包括射频集成电路(RFIC)的收发机前进通过铰链中的孔洞或管去往罩盖,并且然后去往罩盖内的天线或天线阵列上。然而,这种配置已经尤其是因随着时间的缆线降级而遭受信号损耗。随着操作频率增加,这种信号损耗将变得加重。在一些应用中,膝上型设备可以同时具有多于一个的频率范围(例如Wi-Fi、WiGig和5G),要求多于一个的缆线经过铰链,这是已经密集的环境。因此,在特定地随着操作频率而因缆线招致的功率损耗显著增加的情况下,对于使得通过铰链的一个或多个缆线的前述问题简易的需求已经出现。
在一些方面中,取决于RF信号频率的数量而将一个或多个波导用作传输线是用于将RF信号从主板通过铰链传递到罩盖的有效方式。在一些方面中,可以使用光纤,其可以实质上处理任何RF频率范围。此外,光纤可以一次发送多个频率范围。附加优点是光纤与同轴缆线相比将遭受更少的随着时间的降级。使用波导或光纤作为传输线将使得前述问题减少或最小化。在一些方面中,以上解决方案也可以用以将RF信号从平板或电话的主板传递到平板或电话的机壳。
在任何以上情况(膝上型设备、平板、电话)下,一旦RF信号从密集设备的RFIC传递,待解决的重要第二问题就是如何在膝上型设备的密集罩盖或平板或电话的机壳内传递RF信号。通过使用金属性机壳中实现的波导,在一些方面中,可以解决如何在密集罩盖或机壳上或其内传递RF信号的问题。在一些方面中,波导可以实现为标准空管波导或PCB上的基板集成式波导(SIW)。同时,通过以上传输线的方式可能存在信号功率的损耗,而无论它们是同轴缆线、波导还是光纤。
包括放大的无线电前端模块(RFEM)可以在一个或多个天线之前耦合到波导或光纤的端部,以解决这些问题。RF信号可以于是发送到可以处于罩盖内的天线元件或相控天线阵列。在经由光纤线路分发信号的一些方面中,RF信号可以变频为光学信号,以使得从RFIC通过光纤线路的传输成为可能。从光学信号变频回到RF信号使得通过RFEM去往天线或天线阵列上的传输成为可能。
图72是根据一些方面的示出用于RF信号以到达膝上型计算机的罩盖的波导的膝上型计算机的分解图。RF信号波导可以包括于图3A所示的mmWave通信电路300的天线阵列电路330中,但RF信号波导不限于此。分解图7200示出膝上型设备7201,其中,在7203处以符号示出键盘(但未示出),并且在7205处以符号示出罩盖。罩盖7205A的分解图是膝上型设备罩盖中的波导传输线的示意图。RF信号从膝上型设备的主板上的RFIC中的介质接入控制(MAC)层/基带(MAC BB)子系统前进。波导通过铰链7207中的孔洞或管前进,或制成为铰链7207的部分,其中,波导7207A于是在罩盖内部前进到除法器/组合器7209,以对于从波导出口7219、7221、7223、7225外置的位于罩盖中的各个天线或天线阵列将RF信号提供给多个波导7211、7213、7215、7217。实际上,可以仅存在RFIC(例如,通过使用一个或多个LO信号)生成的单个频段,或可以存在多个频段。例如,根据一些方面,可以生成用于Wi-Fi、WiGig或5MmmWave技术的频段。
图73是根据一些方面的从膝上型计算机的RFIC前进并且通过膝上型设备的铰链中的孔洞进入的一个或多个同轴缆线途经去往膝上型设备的罩盖的说明。在该说明中,膝上型设备具有罩盖封盖,并且键盘封盖被移除。在一些方面中,RFIC可以位于从同轴缆线7301外置的主板上。同轴缆线7301从RFIC前进到点7301A,在此,它们穿过铰链孔洞(或管)7303途经去往膝上型设备罩盖。在说明中,根据一些方面,关于生成两个频段的情况示出两个缆线7301。在一些示例中,一个共轴可以来自Wi-Fi频段RFIC,其在一些实现方式中可以具有用于多入多出(MIMO)天线模式的上至三个同轴缆线。待讨论的方面中的第二频段可以处于WiGig频率处。
图74是根据一些方面的从膝上型计算机的无线电子系统退出膝上型设备罩盖的铰链中的孔洞的一个同轴缆线途经去往罩盖中的天线或天线阵列的说明。说明7400示出铰接到膝上型设备的膝上型设备罩盖。根据一些方面,同轴缆线7401已经通过铰链7403A中的孔洞7403前进,途经去往膝上型设备的罩盖中的天线或天线阵列,所述天线阵列处于点7401A的外面。在7405处示出屏幕的后侧,其中,螺丝7405A处于后侧7405可以紧固到膝上型设备的机壳的一个点处。所使用的天线与操作的频段有关。在一些方面中,在Wi-Fi或长期演进(LTE)的情况下,天线可以是无源单独天线。在WiGig或5G频段的情况下,同轴缆线可以耦合到单独RFEM实例,其在其他方面中耦合到一个或多个天线,如以下附加地详细地讨论的那样。
图75是根据一些方面的用于从膝上型计算机的主板到膝上型设备的罩盖和无线电前端模块(RFEM)的传输线的示意图。在7500处所示的是键盘之下的膝上型设备机壳7502和通常在7504处指示的罩盖。罩盖7504通过铰链7505、7507铰接到机壳7502。RFIC 7501连接到传输线7503。传输线7503可以是波导或光纤。
传输线7503可以前进通过铰链7505,退出铰链。在波导是传输线的方面中,波导可以是铰链的部分。因为波导可能是有损的,所以随着信号沿着波导或光纤7509前进,将存在特定量的信号衰减。在传输线7509是光纤的情况下,光学信号到RF信号变频器将放置在7511A处,从而RF信号将对于RFEM 7511是可用的。根据一些方面,RFEM 7511可以包括功率放大器,并且可以用以放大信号以考虑信号衰减。
根据一些方面,在RFIC侧上,如果传输线7503是光纤线路,则在来自RFIC 7501的出口上,RF信号到光学信号变频器可以包括于7501A处。在一些方面中,激光器可以用于这种RF信号到光学信号变频。当光学信号接近RFEM 7511A时,光学信号应在7310处变频回到RF信号。在一些方面中,PIN二极管或雪崩PIN二极管可以放置在7511A处,并且用于这种光学信号到RF信号变频。
用于RF信号到光学信号变频的另一实现方式是光纤上的RF(有时称为光纤上的无线电)。光纤上的无线电(RoF)或光纤上的RF(RFoF)指代光受射频信号调制并且在光纤链路上发送的技术。与全电信号传输相比,使用光纤链路的主要技术优点是更低的传输损耗以及减少的对噪声和电磁干扰的灵敏度。在一些方面中,光学信号可以在包括Wi-Fi、LTE、5G和WiGig等的实质上所有频率处传递数据。
在一些方面中,可以通过可以放置在图75的7511A处或图76的7610'和7612处的PIN二极管或雪崩PIN二极管实现从光学信号到RF信号的变频。如果对于在图75的7501A处的RF信号到光学信号变频使用了激光器,则来自7511A处的PIN二极管或雪崩PIN二极管的变频后的输出RF信号可以是数字比特。因此,非常快速的光学接口可以将数字比特传递到REFM。因此,RFEM的收发机可以受数字电比特馈电,并且RFEM将操作为放大数字比特以用于天线进行的最终辐射作为RF信号。
替代地,如果对于7501A处的RF信号到光学变频使用RFoF,则RF信号到光学信号变频产生受RF信号调制的光学信号。在此情况下,图75的7511A处(或图76的7610'和7612处,视情况而定)的PIN二极管或雪崩PIN二极管可以于是也从RF调制光学信号生成初始RF信号,并且可以将RF信号传递到RFEM 7511以用于处理。
图76是根据一些方面的用于从膝上型计算机的主板到膝上型设备的罩盖和多个RFEM 7611和7613的信号的传输线的示意图。除了使用两个RFEM之外,图76的示意图与图75的示意图相似。根据一些方面,例如以上讨论的光学信号到RF信号变频器可以用在两个地方7610'和7612中,其中,传输线是光纤。
根据一些方面,如果两个RFEM 7611和7613正工作在同一频段上但仅它们之一是每次是有效的(这与5G和WiGig实现方式都是有关的),则仅需要可以放置在7610'处的一个光学信号到RF信号变频器。在此情况下,因为两个RFEM 7611、7613正工作在同一频率处,所以将无需(7610、7612处的)两个光学信号到RF信号变频器。这是将提供更好的空间覆盖的选项,因为提供更好的二者的覆盖的RFEM将是有效的。根据一些方面,可以通过以下操作完成该目的:基于来自接收设备或系统的反馈信息而以算法方式控制RFEM,以确定哪个RFEM在给定时间提供更好的覆盖。
另一方面,如果两个RFEM 7611、7613正操作在不同频段中(例如,一个在5G处,一个在WiGig处),则两个RFEM将同时工作。在此情况下,在一些方面中,将存在分别放置在7610'和7612处的以上讨论的两个光学信号到RF信号变频器。
图77A和图77B是根据一些方面的基板集成式波导(SIW)的说明。根据一些方面,在图77A中,7700是具有连接到作为RF信号源的SIW的共面传输线的SIW的透视图。SIW自身可以制成于PCB(例如FR4或其他合适的PCB)。SIW 7700具有顶部7701和底部7703以及过孔的两个线路,它们之一开始于过孔7705,并且另一个开始于过孔7707。根据一些方面,过孔的线路是足够密集的,以有效地运作为在期望方向上引导RF信号的PCB的侧。共面波导7701A在一个方面中包括RF信号的源,并且信号传输在待讨论的方面中处于箭头的方向上。
图77B是根据一些方面的作为具有对SIW进行馈电的微带的SIW的说明。SIW 7702具有顶部7704和底部(未示出)以及过孔的两个线路。根据一些方面,过孔的线路之一开始于过孔7706,并且另一个开始于过孔7708,其中,过孔的线路是足够密集的,以有效地运作为在期望方向上引导RF信号的PCB的侧。指部(finger)实现于7708处,并且微带线路7704匹配指部而且在一些方面中包括RF信号的源。信号传输在待讨论的方面中处于箭头的方向上。本领域技术人员应理解,以上两个附图仅是示例,并且可以使用其他形式的SIW。
分布式相控阵列系统(例如WiGig和5G蜂窝系统)当前用在膝上型设备、平板、智能电话、坞接站和其他应用中。对于WiGig和5G通信使用的当前分布式相控阵列系统要么是超外差(双变频)系统,要么是滑动IF系统。在这些系统中,MAC-PHY基带子系统接收或发送中频(IF)信号,这必须使用IF放大级、RF-IF混频器、高选择性带通滤波器和对于在电路之间传递IF信号以及IF信号的上变频和下变频必要的其他电路。
数据信号时常通过直流(DC)功率信号传递到前端模块。数据信号中的一些归因于信号中的低频分量的存在性而可以受调制在基带附近,RF扼流电路用在前端电路处以产生干净的DC功率信号。然而,RF扼流电路可能是昂贵的并且庞大的。附加地,当时钟信号传递到前端模块时,时钟信号分量可能从通信介质泄漏,其可以是通信系统中的显著噪声源。
图78示出根据一些方面的具有时钟噪声泄漏减少的分布式相控阵列系统7800的示例RF前端模块(RFEM)。分布式相控阵列系统7800可以包括于图3A所示的mmWave通信电路300的数字基带电路310、发送电路315和接收电路320中,但分布式相控阵列系统7800不限于此。
参照图78,RFEM 7802经由单个同轴缆线7806耦合到基带子系统(BBS)7804。RFEM7802可以包括相控天线阵列7808、RF接收机7810、RF发射机7812、本地振荡器(LO)生成器7844、时钟扩频器7852、三工器7848和发送(TX)/接收(RX)开关7840。RF接收机7810可以包括多个功率放大器7816、多个移相器7818、组合器7820、RF放大器7822、LO放大器7826和乘法器(或混频器)7824。RF接收机7810也可以包括IF放大器7842。在一些方面中,IF放大器7842可以是接收机7810的部分,或其可以实现于接收机7810的外部。
RF发射机7812可以包括乘法器(或混频器)7838、LO放大器7840、RF放大器7836、分离器7834、多个移相器7832和多个放大器7830。RF发射机7812也可以包括IF放大器7846。在一些方面中,IF放大器7846可以是发射机7812的部分,或其可以实现于发射机7812的外部。
BBS 7804可以被配置为生成一个或多个控制信号以用于传递到RFEM 7802。示例控制信号包括功率ON/OFF信号、发送(TX)模式激活、接收(RX)模式激活、信号功率UP或DOWN、系统唤醒信号、低功率激活信号、相位或增益调整信号等。由于控制信号受调制在基带附近然后传递到RFEM,因此这样可以在信号信道产生大的低频率分量。大的低频率分量进而在RFEM处产生大的RF扼流分量,以产生干净的DC功率信号(其与控制信号一起传递)。即使附图示出从BBS传递到RFEM的控制信号,本公开也不限于此,并且控制信号可以从RFEM传递到BBS。例如,RFEM可以向BBS发送控制信号(例如功率读数信号、温度读数信号、命令确认信号等)。
在一些方面中,可以通过以下方式减少来自连接BBS 7804和RFEM 7802的同轴缆线7806的基准时钟信号泄漏:(例如,使用时钟扩频器7850)使用时钟信号调制控制信号,并且然后(从BBS到RFEM)传递调制信号替代时钟信号。RFEM可以包括时钟解扩器7852,其可以用以恢复控制信号和时钟信号。通过传递调制信号(代替分离的控制信号和时钟信号),可以改进RF扼流组件需求(例如,在RF扼流圈中使用更小的电感器或铁氧体磁珠),因为所得的调制信号更远离DC并且不包括如基带调制控制信号那样多的低频率分量。
在示例接收操作中,开关7840可以激活接收机链处理。天线阵列7808可以用于接收多个信号7814。接收到的信号7814可以由放大器7816放大,并且其相位可以由对应移相器7818调整。移相器7818中的每一个可以通过从控制电路(例如,从BBS 7804内的调制解调器)发源的控制信号(例如当对接收到的调制信号7854进行解扩时由时钟解扩器7852生成的控制信号7860)的形式接收分离的相位调整信号(图78中未示出)。
单独相位调整信号可以基于当处理经由相控天线阵列7808接收的信号时的期望的信号方向性。移相器7818的输出处的相位调整的信号可以由组合器7820组合,并且然后由RF放大器7822放大。LO生成器7844可以使用时钟解扩器7852使用经由同轴缆线7806从BBS 7804接收到的调制信号7854生成的时钟基准信号7858来生成LO信号。LO信号可以由放大器7826放大,并且然后使用乘法器7824与放大器7822的输出相乘,以生成IF输入信号7845。IF输入信号7845可以由放大器7842放大,并且然后经由三工器7848和同轴缆线7806传递到BBS 7804作为数据信号7856。在一些方面中,IF输入信号7845可以在10.56GHz信号周围居中。
在示例发送操作中,开关7840可以激活发射机链处理。BBS 7804可以使用时钟扩频器7850将控制信号7860调制在时钟基准信号7858上,以生成调制信号7854。调制信号7854和IF数据信号7856可以经由同轴缆线7806传递到RFEM 7802。数据信号7856可以包括用于传输的IF信号7847。RFEM 7802可以经由同轴缆线7806和三工器7848接收IF信号7847。IF信号7847可以由IF放大器7846放大,并且然后传递到乘法器7838。乘法器7838可以从LO生成器7844和LO放大器7840接收上变频LO信号。放大的LO信号由乘法器7838乘以放大的接收到的IF信号,以生成RF信号。RF信号然后由放大器7836放大,并且传递到分离器7834。分离器7834生成放大的信号的多个副本,并且将信号副本传递到多个移相器7832。多个移相器7832可以应用不同相位调整信号以生成多个相位调整的信号,其可以由多个放大器7830放大。多个放大器7830生成多个信号7828,以用于相控天线阵列7808进行的传输。
在一些方面中,附图所示的三工器可以还包括发送/接收开关,其可以用以确定待由三工器复用的信号。
图79示出根据一些方面的具有时钟噪声泄漏减少的分布式相控阵列系统的基带子系统(BBS)。参照图79,BBS 7804可以包括三工器7902、IF接收机7904、IF发射机7906、调制解调器7924、晶体振荡器7930、综合器7928、除法器7926和时钟扩频器7850。综合器7928可以包括合适的电路、逻辑、接口和/或代码,并且可以使用来自晶体振荡器7930的信号以生成时钟信号。所生成的时钟信号可以由除法器7926相除,以生成输出时钟基准信号7858。输出时钟基准信号7858可以连同控制信号7860一起传递到时钟扩频器7850。控制信号7860可以由调制解调器7924生成,并且可以用以控制通信系统7800的一个或多个功能(例如RFEM 7802的功能)。
可以使用控制信号7860控制的示例功能包括激活发送模式、激活接收模式、上电、下电、激活低功率模式、电路唤醒、波束改变信号、相位和/或增益调整等。时钟扩频器7850可以包括合适的电路、逻辑、接口和/或代码,并且可以被配置为将控制信号7860调制在时钟基准信号7858上,以生成受调制的信号7854,以用于经由同轴缆线7806传输到RFEM7802。在一些方面中,所生成的时钟信号可以在1.32GHz的频率周围居中。
IF接收机8204可以包括IF放大器7908、混频器7910、滤波器7912和模数转换(ADC)块7914。IF发射机7906可以包括数模转换(DAC)块7922、滤波器7920、混频器7918和IF放大器7916。
在示例接收操作中,IF信号(例如作为数据信号7856接收到的7845)经由三工器7902从RFEM 7802得以接收,并且由IF放大器7908放大。放大的IF信号可以由混频器7910下变频为基带信号,然后由低通滤波器7912滤波,并且由ADC块7914转换为数字信号,然后由调制解调器7924处理。
在示例发送操作中,调制解调器7924输出的数字信号可以由DAC块7922转换为模拟信号。模拟信号然后由低通滤波器7920滤波,并且然后由混频器7918上变频为IF信号。IF信号可以由IF放大器7916放大,并且然后连同受调制的信号7854一起作为数据信号7856经由三工器7848和单个同轴缆线7806传递到RFEM 7802。在一些方面中,BBS 7804也可以将DC功率信号连同数据信号7856和受调制的信号7854一起传递到RFEM 7802。
图80示出根据一些方面的RFEM与BBS之间传递的信号的频率图。参照图80,频率图8000示出可以经由单个同轴缆线7806在RFEM 7802与BBS 7804之间传递的各种信号。例如,BBS 7804可以传递DC功率信号8002、控制信号8004和时钟信号8006。附加地,可以在BBS7804与RFEM 7802之间传递数据信号8010。
例如,IF数据信号7845可以从RFEM 7802传递到BBS7804,并且IF数据信号7847可以从BBS 7804传递到RFEM 7802。时钟信号8006可以与RFEM 7802从BBS 7804接收到的LO生成时钟基准信号7858相同。在一些方面中,时钟信号8006可以在1.32GHz信号周围居中。在一些方面中,控制信号8004可以从BBS 7804传递到RFEM 7802,并且可以指示用于由移相器7818和移相器7832使用的相位调整值。控制信号8004可以向RFEM 7802指示其他控制功能(例如上电、下电、增加或降低发送功率、增益调整和本文以上提及的其他功能)。
如图80中可见,RFEM 7802与BBS 7804之间传递的信号的信号谱可能包括一些不期望的信号(例如时钟谐波8008以及控制信号8004的谐波)。由于控制信号8004受调制在基带附近然后传递到RFEM,因此这样可以在信号中产生大的低频率分量。大的低频率分量进而在RFEM处产生大的RF扼流分量,以产生干净的DC功率信号8002(其与控制信号一起传递)。附加地,基准时钟信号8006(以及关联谐波8008)可能从同轴缆线连接7806泄漏,并且可以是平台中的噪声源。在一些方面中,时钟扩频器电路7850和时钟解扩器电路7852可以分别用在BBS 7804和RFEM 7802处,以解决与同轴缆线7806上传递分离的控制和时钟信号关联的上述缺点。
图81示出根据一些方面的可以结合时钟噪声泄漏减少使用的时钟扩展器和解扩器电路。参照图81,示出包括BBS 7804和RFEM 7802的通信系统7800的另一视图。更具体地说,图81示出时钟扩频器7850和时钟解扩器7852的更详细视图。
如图81中可见,BBS 7804可以包括收发机8120和时钟扩频器7850。收发机8120可以包括除了时钟扩频器7850之外的图79所示的所有块。相似地,RFEM 7802可以包括时钟解扩器7852、LO生成器7844、开关8132和收发机8130。收发机8130可以包括例如图78所示的接收机7810、发射机7812、放大器7842和7846以及三工器7848。
时钟扩频器7850可以包括脉冲整形器8106和调制器电路8102。脉冲整形器电路8106可以被配置为接收控制信号7860并且生成带限控制信号7861。在一些方面中,脉冲整形器8106可以衰减与控制信号7860关联的谐波中的一个或多个,以生成带限控制信号7861。调制器8102可以包括乘法器8104,其可以用以接收带限控制信号7861以及时钟基准信号7858并且将它们相乘以生成受调制的信号7854。
在一些方面中,调制器8102可以是相移键控(BPSK)调制器、差分相移键控(DPSK)调制器、正交相移键控(QPSK)调制器、高斯频移键控(GFSK)调制器或另一类型的调制器之一。在一些方面中,调制器8102可以被配置为使用伪随机序列对时钟基准信号7858进行扩频以生成受调制的信号7854。
受调制的信号7854可以经由同轴缆线连接7806(例如,连同DC功率信号和IF数据信号一起)传递到RFEM 7802。RFEM 7802内的时钟解扩器7852可以包括时钟恢复电路8134和解调器8136。受调制的信号7854可以传递到时钟恢复电路8134和解调器8136二者。时钟恢复电路8134可以包括乘法器8138和除法器8140。时钟恢复电路8134可以使用受调制的信号7854以恢复时钟基准信号7858。恢复的时钟基准信号可以传递到开关8132以及解调器8136。解调器8136可以接收受调制的信号7854并且使用时钟基准信号7858以解调并且恢复控制信号7860。控制信号7860可以传递到开关8132。开关8132可以被配置为将控制信号7860和基准时钟信号7858传递到收发机8130,并且将时钟信号7858传递到LO生成器7844以用于生成上变频或下变频LO基准信号。
图82示出根据一些方面的使用时钟噪声泄漏减少在RFEM与BBS之间传递的信号的频率图。参照图82,示出说明当禁用或激活时钟噪声泄漏减少时的所传递的信号的频率图8202和8210。更具体地说,图8202(其与图80的信号图8000相似)示出当时钟噪声泄漏减少并非有效的时可以在通信系统7800内传递的信号。如图8202中可见,当并未激活时钟噪声泄漏减少(例如,并未正使用时钟扩频器7850和时钟解扩器7852)时,DC功率信号8203、控制信号8204、时钟信号8206以及控制信号8204的谐波8208可以从BBS传递到RFEM。
在当激活时钟噪声泄漏减少并且正使用时钟扩频器7850和时钟解扩器7852时的示例中,在图8210中示出所传递的信号。更具体地说,控制信号8204受调制在时钟信号8206上,以生成受调制的信号8212,其(与谐波8214)从BBS传递到RFEM,代替分离的信号8204和8206。如图8210中可见,受调制的信号8212更远离DC信号8203,这可以用以减缓RFEM处的RF扼流要求(例如,RF扼流圈可以包括更小的电感器或铁氧体磁珠)。由于传递受调制的信号8212而非单个正弦波时钟信号8206,这样减少沿着同轴缆线7806的噪声泄漏,隐藏还实现附加益处。
分布式相控阵列系统(例如WiGig和5G蜂窝系统)当前用在膝上型设备、平板、智能电话、坞接站和其他应用中。对于WiGig和5G通信使用的当前分布式相控阵列系统要么是超外差(双变频)系统,要么是滑动IF系统。在这些系统中,MAC-PHY基带子系统接收或发送中频(IF)信号,这必须使用IF放大级、RF-IF混频器、高选择性带通滤波器和对于在电路之间传递IF信号以及IF信号的上变频和下变频必要的其他电路。
用于IF信号处理的附加电路产生更大的前端模块、关于分布式相控阵列系统的更高的成本和更低的系统性能。附加地,对于一些系统卖家,基带子系统中执行的一些mmWave和IF频率处理可能不是期望的。此外,IF电路(尤其频率源)与高功率放大器之间的交互可能产生使得系统性能降级的多种干扰。
图83示出根据一些方面的具有IF处理的分布式相控阵列系统的示例性RF前端模块(RFEM)。分布式相控阵列系统可以包括于图3A所示的mmWave通信电路300的数字基带电路310、发送电路315和接收电路320中,但分布式相控阵列系统不限于此。
参照图83,RFEM 8302经由单个同轴缆线8306耦合到基带子系统(BBS)8304。RFEM8302可以包括相控天线阵列8308、RF接收机8310、RF发射机8312、本地振荡器(LO)生成器8344、三工器8348和发送(TX)/接收(RX)开关8340。RF接收机8310可以包括多个功率放大器8316、多个移相器8318、组合器8320、RF放大器8322、LO放大器8326和混频器8324。RF接收机8310也可以包括IF放大器8342。
RF发射机8312可以包括混频器8338、LO放大器8340、RF放大器8336、分离器8334、多个移相器8332和多个放大器8330。RF发射机8312也可以包括IF放大器8346。
在示例接收操作中,开关8340可以激活接收机链处理。天线阵列8308可以用于接收多个信号8314。接收到的信号8314可以由放大器8316放大,并且其相位可以由对应移相器8318调整。移相器8318中的每一个可以从控制电路(例如,从BBS 8304内的调制解调器)接收分离的相位调整信号(图83中未示出),其中,单独相位调整信号可以基于当处理经由相控天线阵列8308接收的信号时的期望的信号方向性。移相器8318的输出处的相位调整的信号可以由组合器8320组合,并且然后由RF放大器8322放大。LO生成器8344可以使用经由同轴缆线8306从BBS 8304接收到的时钟频率信号8343生成LO信号。LO信号可以由放大器8326放大,并且然后使用混频器8324与放大器8322的输出相乘,以生成IF输入信号8345。IF输入信号8345可以由放大器8342放大,并且然后经由三工器8348和同轴缆线8306传递到BBS 8304。在一些方面中,IF输入信号8345可以在10.56GHz信号周围居中。
在示例发送操作中,开关8340可以激活发射机链处理。RFEM 8302可以经由同轴缆线8306和三工器8348从BBS 8304接收IF信号8347。IF信号8347可以由IF放大器8346放大,并且然后传递到混频器8338。混频器8338可以从LO生成器8344和LO放大器8340接收上变频LO信号。放大的LO信号由混频器8338乘以放大的接收到的IF信号,以生成RF信号。RF信号由放大器8336放大,并且传递到分离器8334。分离器8334生成放大的信号的多个副本,并且将信号副本传递到多个移相器8332。多个移相器8332可以应用不同相位调整信号以生成多个相位调整的信号,其可以由多个放大器8330放大。多个放大器8330生成多个信号8328,以用于相控天线阵列8308进行的传输。
图84示出根据一些方面的图83的分布式相控阵列系统的基带子系统(BBS)。参照图84,BBS 8304可以包括三工器8402、IF接收机8404、IF发射机8406、调制解调器8424、晶体振荡器8430、综合器8428和除法器8426。综合器8428可以包括合适的电路、逻辑、接口和/或代码,并且可以使用来自晶体振荡器8430的信号以生成时钟信号。所生成的时钟信号可以由除法器8426相除,以生成输出时钟基准信号8432,以用于传递到RFEM 8302。在一些方面中,所生成的时钟基准信号8432可以在1.32GHz的频率周围居中。
IF接收机8404可以包括IF放大器8408、混频器8410、滤波器(例如低通滤波器)8412和模数转换(ADC)块8414。IF发射机8406可以包括数模转换(DAC)块8422、滤波器8420、混频器8418和IF放大器8416。
在示例接收操作中,IF信号(例如8345)经由三工器8402从RFEM 8302得以接收,并且由IF放大器8408放大。放大的IF信号可以由混频器8410下变频为基带信号,然后由低通滤波器8412滤波,并且由ADC块8414转换为数字信号,然后由调制解调器8424处理。
在示例发送操作中,调制解调器8424输出的数字信号可以由DAC块8422转换为模拟信号。模拟信号然后由低通滤波器8420滤波,并且然后由混频器8418上变频为IF信号。IF信号可以由IF放大器8416放大,并且然后经由三工器8402和单个同轴缆线8306传递到RFEM8302。
图85示出根据一些方面的具有RFEM内的IF处理的多带分布式相控阵列系统。参照图85,RFEM 8502、……、8504经由对应连接(例如,分别地,同轴缆线8552、……、8554)耦合到基带子系统(BBS)8506。在一些方面中,RFEM 8502、……、8504中的每一个可以被配置用于在特定频段(例如28GHz频段、39GHz频段、60GHzISM频段(例如WiGig或5G通信频段))中接收并且发送无线信号。即使以下提供RFEM 8502的功能的描述,也可以通过相似方式配置附加RFEM(例如RFEM 8504)。
RFEM 8502可以包括相控天线阵列8508、RF接收机8510、RF发射机8512、本地振荡器(LO)生成器8542、三工器8350和发送(TX)/接收(RX)开关8548。RF接收机8510可以包括多个功率放大器8516、多个移相器8518、组合器8520、RF放大器8522、LO放大器8526和混频器8524。RF接收机8510也可以包括IF放大器8544。
RF发射机8512可以包括混频器8538、LO放大器8540、RF放大器8536、分离器8534、多个移相器8532和多个放大器8530。RF发射机8312也可以包括IF放大器8546。
在示例接收操作中,开关8548可以激活接收机链处理。天线阵列8508可以用于接收多个信号8514。接收到的信号8514可以由放大器8516放大,并且其相位可以由对应移相器8518调整。移相器8518中的每一个可以从控制电路(例如,从BBS 8506内的调制解调器)接收分离的相位调整信号(图85中未示出),其中,单独相位调整信号可以基于当处理经由相控天线阵列8508接收的信号时的期望的信号方向性。移相器8518的输出处的相位调整的信号可以由组合器8520组合,并且然后由RF放大器8522放大。LO生成器8542可以使用经由同轴缆线8552从BBS 8506接收到的时钟频率信号生成LO信号。LO信号可以由放大器8526放大,并且然后使用混频器8524与放大器8522的输出相乘,以生成IF输入信号。IF输入信号可以由放大器8544放大,并且然后经由三工器8550和同轴缆线8552传递到BBS 8506。在一些方面中,IF输入信号可以是10.56GHz信号。
在示例发送操作中,开关8548可以激活发射机链处理。RFEM 8502可以经由同轴缆线8552和三工器8550从BBS 8506接收IF信号。IF信号可以由IF放大器8546放大,并且然后传递到混频器8538。混频器8538可以从LO生成器8542和LO放大器8540接收上变频LO信号。放大的LO信号由混频器8538乘以放大的接收到的IF信号,以生成RF信号。RF信号由放大器8536放大,并且传递到分离器8534。分离器8534生成放大的信号的多个副本,并且将信号副本传递到多个移相器8532。多个移相器8532可以应用不同相位调整信号以生成多个相位调整的信号,其可以由多个放大器8530放大。多个放大器8530生成多个信号8528,以用于相控天线阵列8508进行的传输。
图86示出根据一些方面的具有经由单个同轴缆线耦合到BBS的RFEM以用于传递RF信号的分布式相控阵列系统。参照图86,分布式相控阵列通信系统8600可以包括经由单个同轴缆线8606耦合到基带子系统(BBS)8604的RFEM 8602。RFEM 8602可以包括相控天线阵列8608、RF接收机8610、RF发射机8612、双工器8636和发送(TX)/接收(RX)开关8634。RF接收机8610可以包括多个功率放大器8616、多个移相器8618、组合器8620和RF放大器8622。RF发射机8612可以包括RF放大器8632、分离器8630、多个移相器8628和多个放大器8626。
在示例接收操作中,开关8634可以激活接收机链处理。天线阵列8608可以用于接收多个信号8614。接收到的信号8614可以由放大器8616放大,并且其相位可以由对应移相器8618调整。移相器8618中的每一个可以从控制电路(例如,从BBS 8604内的调制解调器)接收分离的相位调整信号(图86中未示出),其中,单独相位调整信号可以基于当处理经由相控天线阵列8608接收的信号时的期望的信号方向性。移相器8618的输出处的相位调整的信号可以由组合器8620组合,并且然后由RF放大器8622放大,以生成RF输入信号8623。RF输入信号8623可以经由双工器8636和同轴缆线8606传递到BBS 8604。在一些方面中,RF输入信号8623可以是60GHz信号或包括5G通信频段的毫米波频段中的另一信号。在一些方面中,RFEM 8602可以包括自适应匹配块8638,以用于在经由同轴缆线8606传递信号之前的阻抗匹配,如本文以下解释的那样。
在示例发送操作中,开关8634可以激活发射机链处理。RFEM 8602可以经由同轴缆线8606和双工器8636从BBS 8604接收RF输出信号8631。RF信号8631可以由RF放大器8632放大,并且然后传递到分离器8630。分离器8630可以生成放大的RF信号的多个副本,并且将信号副本传递到多个移相器8628。多个移相器8628可以应用不同相位调整信号以生成多个相位调整的信号,其可以由多个放大器8626放大。多个放大器8626生成多个信号8624,以用于相控天线阵列8608进行的传输。
图87示出根据一些方面的图86的BBS的更详细示图。参照图87,BBS 8604可以包括双工器8702、RF接收机8704、RF发射机8706、调制解调器8724、晶体振荡器8730、综合器8728和除法器8726。综合器8728可以包括合适的电路、逻辑、接口和/或代码,并且可以使用来自晶体振荡器8730的信号以生成时钟信号(例如信号8732)。所生成的时钟信号8732可以由RF接收机8704用以使用混频器8710对接收到的信号进行下变频。所生成的时钟信号8732也可以由RF发射机8706用以使用混频器8718对接收到的信号进行上变频。
时钟信号8732也可以由除法器8726相除,以生成第二时钟信号8734。所生成的时钟信号8734可以由RF接收机8704用以使用混频器8710对接收到的信号进行下变频。所生成的时钟信号8734也可以由RF发射机8706用以使用混频器8718对接收到的信号进行上变频。如图87中可见,在一些方面中,如果必要,则两个分离的时钟信号8734和8732可以由综合器8728和除法器8726生成,目的是执行多个下变频或上变频方案。
两个时钟信号8734和8732之一或二者可以用于使用一个或多个中间IF级将RF信号下变频为基带,或在一些实例中无需中间IF级变频而从RF变频为基带。相似地,两个时钟信号8734和8732之一或二者可以用于使用一个或多个中间IF级将基带信号上变频为RF信号,或在一些实例中无需中间IF级变频而从基带变频为RF。
RF接收机8704可以包括RF放大器8708、混频器8710、滤波器8712和模数转换(ADC)块8714。RF发射机8706可以包括数模转换(DAC)块8722、滤波器8720、混频器8718和RF放大器8716。
在示例接收操作中,RF信号(例如8623)经由单个共轴8606和双工器8702从RFEM8602得以接收,并且由RF放大器8708放大。放大的RF信号可以由混频器8710下变频为基带信号,然后由低通滤波器8712滤波,并且由ADC块8714转换为数字信号,然后由调制解调器8724处理。
在示例发送操作中,调制解调器8724输出的数字信号可以由DAC块8722转换为模拟信号。模拟信号然后由低通滤波器8720滤波,并且然后由混频器8718上变频为RF信号。RF信号可以由RF放大器8716放大,并且然后经由双工器8702和单个同轴缆线8606传递到RFEM8602(例如,作为信号8631)。
在一些方面中,同轴缆线8606可以用于传递DC功率信号(例如,从BBS 8604到RFEM8602)、控制信号和相控天线阵列元件8608接收到的或发送的RF数据信号。控制信号可以包括相位调整信号、上电信号、下电信号和从BBS 8604传递到RFEM 8602的其他控制信号。在一些方面中,控制信号可以包括相位调整请求信号或从RFEM 8602传递到BBS 8604的其他数据请求信号。于此,可以结合分布式相控阵列系统使用直接变频方案,其中,经由单个同轴缆线耦合RFEM和BBS。
在一些方面中,控制信号可以用于控制RFEM操作(例如,控制输出功率等级、AGC、ON/OFF等)。附加地,RFEM与BBS之间的控制链路可以是双向的,并且可以用于BBS到RFEM命令以及用于RFEM到BBS遥测传送(例如PA功率检测器读数、控制命令接收之后的ACK、温度检测器读数等)。
在一些方面中,可以结合通过共轴传递RF的分布式相控阵列通信系统使用不同类型的同轴缆线(例如8606)。例如,高质量同轴缆线、半刚性缆线或柔性半刚性缆线可以用作缆线8606,这样将允许具有合理损耗的RF信号的高频率通信。
在另一示例中,更低成本同轴缆线可以用作同轴8606,这样可能导致关于高RF频率通信的匹配(S11)和高损耗(S21)。可以经由系统设计改变(例如自适应缆线匹配改进、鲁棒RX和TX线路组(line-up)以及RX和TX非线性失真消除)来改进这些缺点。
缆线上的RF信号通信可能与高损耗和匹配问题关联。归因于与RF缆线通信关联的高频率,缆线匹配的变化可能是高的并且不期望的,这样影响缆线与负载之间的功率损耗。在示例中,并且为了克服这些缺点,在RFEM 8602和BBS 8604中可以使用自适应阻抗匹配电路(例如8638和8736),如图86-图87中可见。
在一些方面中,可以通过(例如在缆线8606和RFEM 8602内的自适应匹配8638之前)添加附加增益放大/调整级(附图中未示出)解决与同轴缆线关联的较高信号损耗,这样可以确保同轴缆线的潜在高信号损耗将不使得所传递的RF信号的SNR降级。
在一些方面中,RX和TX线路组中的附加增益级可能导致非线性失真。然而,可以经由数字机构(例如TX路径中的预失真调整电路或RX路径中的后失真调整电路(附图中未示出))补偿这些信号失真。
图88示出根据一些方面的使用耦合到单个BBS的多个RFEM支持多个通信频段的示例性分布式相控阵列系统。参照图88,分布式相控阵列通信系统8800可以用以实现多频段系统。更具体地说,多个RFEM(8802、……、8840)可以用于单个BBS(8604),其中,每个RFEM包括用于处理特定通信频段中的无线信号的相控天线阵列。RFEM 8802、……、8840可以经由对应单个同轴缆线8806、……、8807耦合到BBS 8804。
参照图88,分布式相控阵列通信系统8800可以包括经由单个同轴缆线8806耦合到BBS 8804的RFEM 8802。RFEM 8802可以包括相控天线阵列8808、RF接收机8810、RF发射机8812、双工器8836和发送(TX)/接收(RX)开关8834。RF接收机8810可以包括多个功率放大器8816、多个移相器8818、组合器8820和RF放大器8822。RF发射机8812可以包括RF放大器8832、分离器8830、多个移相器8828和多个放大器8826。
在示例接收操作中,开关8834可以激活接收机链处理。天线阵列8808可以用于接收多个信号8814。接收信号8814可以由放大器8816放大,并且其相位可以由对应移相器8818调整。移相器8818中的每一个可以从控制电路(例如,从BBS 8804内的调制解调器)接收分离的相位调整信号(图88中未示出),其中,单独相位调整信号可以基于当处理经由相控天线阵列8808接收的信号时的期望的信号方向性。移相器8818的输出处的相位调整的信号可以由组合器8820组合,并且然后由RF放大器8822放大,以生成RF输入信号8823。RF输入信号8823可以经由双工器8836和同轴缆线8806传递到BBS8804。在一些方面中,RF输入信号8823可以是60GHz信号或包括5G通信频段的毫米波频段中的另一信号。
在示例发送操作中,开关8834可以激活发射机链处理。RFEM 8802可以经由同轴缆线8806和双工器8836从BBS 8804接收RF输出信号8831。RF信号8831可以由RF放大器8832放大,并且然后传递到分离器8830。分离器8830可以生成放大的RF信号的多个副本,并且将信号副本传递到多个移相器8828。多个移相器8828可以应用不同相位调整信号以生成多个相位调整的信号,其可以由多个放大器8826放大。多个放大器8826可以生成多个信号8824,以用于相控天线阵列8808进行的传输。在一些方面中,系统8800内的其余RFEM可以与RFEM8802相同。
即使图86、图87和图88公开使用单个同轴缆线以将BBS与RFEM连接,本公开也不限于此,并且同样可以使用其他类型的连接。例如,可以使用另一类型的毫米波连接或缆线,而非单个同轴缆线。可以使用的其他类型的连接包括半刚性缆线、柔性基板的柔性缆线、PCB上的印制RF传输线、刚性屈曲板等。例如,并且参照图88,可以使用刚性屈曲板代替同轴缆线8806、……、8807,其中,可以经由使用连接板的柔性部段在不同位置中从主BBS 8804传播到RFEM的RF线路(例如刚性屈曲板的屈曲部段上的RF)对多个RFEM进行馈电。以此方式,RFEM可以在基于PC/移动形数的系统中或在基站机壳中的不同面积中折叠起来并且弯曲起来。
图89示出根据一些方面的图88的BBS的更详细示图。参照图89,BBS 8804可以包括接收机8904、发射机8908、三工器8902和8906、调制解调器8934、综合器8948、8950和8952、下变频块8936和上变频块8942。在一些方面中,混频器8910和放大器8912可以形成可以与接收机8904分离的下变频块(例如8936)。在一些方面中,混频器8924和放大器8922可以形成可以与发射机8908分离的上变频块(例如8942)。下变频块8936和上变频块8942可以用于处理与RFEM 8840关联的接收或发送信号。附加上变频或下变频块可以用在BBS 8804内,以处理与附加RFEM关联的信号。
综合器8950、8952和8948可以包括合适的电路、逻辑、接口和/或代码,并且可以使用来自晶体振荡器8948的信号以生成时钟信号。在一些方面中,第一综合器8952可以生成LO信号,以将第一频段中的RF信号(例如从RFEM 8802接收到的毫米波频段中的RF信号)下变频为IF信号。在一些方面中,第二综合器8948可以生成LO信号,以将第二频段中的RF信号(例如从RFEM 8840接收到的毫米波频段中的RF信号)下变频为与综合器8952的IF频率关联的相同IF频率处的IF信号。在一些方面中,综合器8950可以被配置为生成LO信号,其可以由混频器8916用以将IF信号下变频为基带或由混频器8928用以将基带信号上变频为IF信号。
接收机8904可以包括混频器8910、LO放大器8912、IF放大器8914、混频器8916、滤波器(例如低通滤波器)8918和模数转换(ADC)块8920。发射机8908可以包括数模转换(DAC)块8932、滤波器8930、混频器8928、IF放大器8926、混频器8924和LO放大器8922。用于第二RFEM的下变频块8936可以包括混频器8938和LO放大器8940。用于第二RFEM的上变频块8942可以包括混频器8946和LO放大器8944。
在与RFEM 8802关联的示例接收操作中,经由三工器8902从RFEM 8802接收RF信号。接收到的RF信号由混频器8910使用综合器8952所生成的LO信号下变频为IF信号。IF信号由IF放大器8914放大。放大的IF信号可以由混频器8916使用综合器8950所生成的LO信号下变频为基带信号。基带信号然后由低通滤波器8918滤波,并且由ADC块8920转换为数字信号,然后由调制解调器8934处理。
在与RFEM 8802关联的示例发送操作中,调制解调器8934输出的数字信号可以由DAC块8932转换为模拟信号。模拟信号然后由低通滤波器8930滤波,并且然后由混频器8928使用综合器8950所生成的LO信号上变频为IF信号。IF信号可以由IF放大器8926放大,并且然后使用混频器8924以及综合器8952所生成的LO信号上变频为RF信号。RF信号然后经由三工器8902和单个同轴缆线8806传递到RFEM 8802。
在与RFEM 8840关联的示例接收操作中,经由三工器8906从RFEM 8840接收RF信号。接收到的RF信号由混频器8938使用综合器8948所生成的LO信号下变频为IF信号。IF信号由IF放大器8914放大。放大的IF信号可以由混频器8916使用综合器8950所生成的LO信号下变频为基带信号。基带信号然后由低通滤波器8918滤波,并且由ADC块8920转换为数字信号,然后由调制解调器8934处理。
在与RFEM 8840关联的示例发送操作中,调制解调器8934输出的数字信号可以由DAC块8932转换为模拟信号。模拟信号然后由低通滤波器8930滤波,并且然后由混频器8928使用综合器8950所生成的LO信号上变频为IF信号。IF信号可以由IF放大器8926放大,并且然后使用混频器8946以及综合器8948所生成的LO信号上变频为RF信号。RF信号然后经由三工器8906和单个同轴缆线8807传递到RFEM 8840。
即使在图89中示出为仅具有与RFEM8802和8840关联的两个三工器和两个分离的上变频和下变频链,本公开也不限于此。更具体地说,BBS 8804可以包括用于处理附加RFEM所服务的其他无线频段中的信号的附加上变频和下变频链。
如本文所解释的那样,结合图83-图85所描述的通信架构解决方案使用同轴缆线上传递的IF信号,这样让自身是模块化的,但可能需要RFEM上的附加电路(综合器电路、基准生成和恢复、IF放大器、混频器和归因于更严格的频率规划导致的更复杂的三工器)以及更高数量的信号(例如用于综合器的基准频率和控制信号)。由于在小平台(尤其是移动电话平台)中,平台附近的面积和体积可能是昂贵的(尤其是当平台正变得越来越薄时,关于有限体积的很多有竞争的天线和协议),这种添加的内容可能导致关于实现方式和处理效率的难度。
结合图86-图89描述的通信架构解决方案是用于减少电路复杂度的替选解决方案。更具体地说,并且如图86-图89中可见,从RFEM移除IF和综合器内容,由此显著减少天线周围的硅面积和解决方案体积。然而,图86-图89的解决方案可能具有与模块化连接的一些缺点。例如,对于需要支持的任何频段,可能需要新的BBS芯片(以用于特定RF和IF频率)。这可能是缺点,因为一些BBS可能包括一些系统卖家无需的无线频段处理,或其不包括其他卖家所需的特定频段处理功能。
在一些方面中,可以在分布式相控阵列通信系统内引入并且实现辅助芯片解决方案。参照图90-图92在本文中示出辅助芯片解决方案。更具体地说,RFEM基于RFoC处理(与图86-图89中的RFEM相似),并且BBS被配置用于处理IF信号,这样可以在不同分布式相控阵列通信系统中将BBS保持为相同的。辅助芯片被引入作为RFEM与BBS之间的链路,并且可以被配置用于与特定无线频段关联的RF到IF信号处理。于此,平台边缘处的面积和体积减少,并且BBS可以对于多个通信系统保持相同(其中,基于处理频段需求而在不同通信系统中引入不同辅助芯片)。通过使用辅助芯片,可以实现平台边缘处的模块化和最小体积。
如本文所使用的那样,“辅助芯片”与术语补充中频子系统(SIFS)可互换地使用。
图90示出根据一些方面的具有卸载到辅助芯片的IF处理的包括RFEM、辅助芯片和BBS的示例性分布式相控阵列系统。参照图90,分布式相控阵列通信系统9000可以包括RFEM9002、辅助芯片9040和基带子系统(BBS)9004。RFEM 9002经由单个同轴缆线9042耦合到辅助芯片9040。辅助芯片9040经由连接9006与BBS 9004耦合。在一些方面中,连接9006可以是PCB连接迹线(例如,如图91中通过9122和9124所指示的那样)。
RFEM 9002可以包括相控天线阵列9008、RF接收机9010、RF发射机9012、双工器9036和发送(TX)/接收(RX)开关9034。RF接收机9010可以包括多个功率放大器9016、多个移相器9018、组合器9020和RF放大器9022。RF发射机9012可以包括RF放大器9032、分离器9030、多个移相器9028和多个放大器9026。
在示例接收操作中,开关9034可以激活接收机链处理。天线阵列9008可以用于接收多个信号9014。接收信号9014可以由放大器9016放大,并且其相位可以由对应移相器9018调整。移相器9018中的每一个可以从控制电路(例如,从BBS 9004内的调制解调器)接收分离的相位调整信号(图90中未示出),其中,单独相位调整信号可以基于当处理经由相控天线阵列9008接收的信号时的期望的信号方向性。
移相器9018的输出处的相位调整的信号可以由组合器9020组合,并且然后由RF放大器9022放大,以生成RF输入信号9023。RF输入信号9023可以经由双工器9036和同轴缆线9042传递到辅助芯片9040。在一些方面中,RF输入信号9023可以是60GHz信号或包括5G通信频段的毫米波频段中的另一信号。在一些方面中,RFEM9002可以包括自适应匹配块9038,以用于在经由同轴缆线9042传递信号之前的阻抗匹配,如本文以下解释的那样。
在示例发送操作中,开关9034可以激活发射机链处理。BBS 9004可以生成基带信号,其可以在BBS 9004内变频为IF信号。IF信号可以经由连接9006传递到辅助芯片9040,在此其可以变频为RF输出信号9031。RFEM 9002可以经由同轴缆线9042和双工器9036从辅助芯片9040接收RF输出信号9031。
RF输出信号9031可以由RF放大器9032放大,并且然后传递到分离器9030。分离器9030可以生成放大的RF信号的多个副本,并且将信号副本传递到多个移相器9028。多个移相器9028可以应用不同相位调整信号以生成多个相位调整的信号,其可以由多个放大器9026放大。多个放大器9026生成多个信号9024,以用于相控天线阵列9008进行的传输。
图91示出根据一些方面的图90的辅助芯片和BBS的更详细示图。参照图91,辅助芯片9040可以包括双工器9102、接收机9104、发射机9106和LO综合器9108。接收机9104可以包括混频器9110、LO放大器9112和IF放大器9104。发射机9106可以包括混频器9118、LO放大器9116和IF放大器9120。
BBS 9004可以包括RF接收机9126、RF发射机9128、调制解调器9130、晶体振荡器9136、综合器9134和除法器9132。综合器9134可以包括合适的电路、逻辑、接口和/或代码,并且可以使用来自晶体振荡器9136的信号以生成时钟信号(例如信号9135)。所生成的时钟信号9135可以由RF接收机9126用以使用混频器9140对(从辅助芯片9040)接收到的IF信号进行下变频。所生成的时钟信号9135也可以由RF发射机9128用以使用混频器9148将基带信号上变频为IF信号。
在一些方面中,LO信号9135可以由除法器9132相除,以生成时钟基准信号9133。时钟基准信号9133可以传递到辅助芯片9040,并且由综合器9108用以生成对于将RF信号(例如9023)下变频为IF信号或对于将IF信号上变频为RF信号(例如9031)所使用的LO信号9154。
RF接收机9126可以包括IF放大器9138、混频器9140、滤波器9142和模数转换(ADC)块9144。RF发射机9128可以包括数模转换(DAC)块9152、滤波器9150、混频器9148和IF放大器9146。
在示例接收操作中,RF信号(例如9023)由辅助芯片9040经由单个同轴9042和双工器9102从RFEM 9002接收。RF信号9023由接收机9104下变频,以生成IF信号9156。更具体地说,RF信号9023由混频器9110使用放大器9112所放大的LO基准信号9154下变频。下变频的信号由放大器9114放大,以生成IF信号9156。IF信号9156经由连接9006(例如板迹线9122)传递到BBS 9004,以用于接收机9126进行的附加处理。初始地,IF信号9156由IF放大器9138放大。放大的IF信号可以由混频器9140下变频为基带信号,然后由低通滤波器9142滤波,并且由ADC块9144转换为数字信号,然后由调制解调器9130处理。在一些方面中,在辅助芯片9040和BBS 9004的输入/输出侧二者处可以包括TX/RX开关,从而单个信号(例如组合的信号)可以在子系统9040与9004之间传递。在此情况下,可以使用单个板迹线集合(例如,仅9122),而非多个集合。
在示例发送操作中,调制解调器9130输出的数字信号可以由DAC块9152转换为模拟信号。模拟信号然后由低通滤波器9150滤波,并且由混频器9148上变频为IF信号。IF信号可以由IF放大器9146放大,以生成IF信号9158。IF信号9158经由连接9006(例如板迹线9124)传递到辅助芯片9040。在辅助芯片9040处,IF信号9158初始地由发射机9106内的放大器9120放大,并且然后由混频器9118使用放大器9116所放大的LO信号9154上变频。混频器9118生成RF输出信号9031,其经由双工器9102和同轴缆线9042传递到RFEM9002。
在一些方面中,同轴缆线9042可以用于传递DC功率信号(例如,从BBS 9004到RFEM9002)、控制信号和相控天线阵列元件9008接收到的或发送的RF数据信号。控制信号可以包括相位调整信号、上电信号、下电信号和从BBS 9004传递到RFEM 9002和/或辅助芯片9040的其他控制信号。在一些方面中,控制信号可以包括相位调整请求信号或经由辅助芯片9040从RFEM 9002传递到BBS 9004的其他数据请求信号。于此,可以结合分布式相控阵列系统使用直接变频方案,其中,经由单个同轴缆线耦合RFEM和BBS。
在一些方面中,控制信号可以用于控制RFEM操作(例如,控制输出功率等级、AGC、ON/OFF等)。附加地,RFEM与BBS之间的控制链路可以是双向的,并且可以用于BBS到RFEM命令以及用于RFEM到BBS遥测传送(例如PA功率检测器读数、控制命令接收之后的ACK、温度检测器读数等)。
图92示出根据一些方面的具有辅助芯片内的IF处理的多带分布式相控阵列系统。参照图92,分布式相控阵列通信系统9200可以用以实现多频段系统。更具体地说,多个RFEM(9202、……、9204)可以用于单个辅助芯片9206和单个BBS 9208,其中,每个RFEM包括用于处理特定通信频段中的无线信号的相控天线阵列。RFEM9202、……、9204可以经由对应单个同轴缆线9210、……、9212耦合到辅助芯片9206。
参照图92,辅助芯片9206可以包括多个处理链,每个链与分离的RFEM关联。更具体地说,辅助芯片9206内的第一处理链可以与RFEM 9202关联,并且可以包括双工器9216、IF接收机9218、LO生成器9222和IF发射机9220。辅助芯片9206内的第二处理链可以与RFEM9204关联,并且可以包括双工器9236、IF接收机9238、LO生成器9242和IF发射机9240。
BBS 9208可以包括接收机9260、发射机9262、调制解调器9264、振荡器9270、综合器9268和除法器9266。综合器9268可以包括合适的电路、逻辑、接口和/或代码,并且可以使用来自晶体振荡器9270的信号以生成时钟信号。在一些方面中,综合器9268可以生成由混频器9274用以下变频IF信号9258或由混频器9282用以将基带信号上变频为IF信号以用于由放大器9280进行的放大的LO信号。在一些方面中,综合器9268可以生成LO信号,其可以由除法器9266相除以生成时钟基准信号9267。时钟基准信号可以经由板迹线9214传递到辅助芯片9206,以用于由综合器9222和9242在生成对应LO信号9223和9243中使用。
接收机9260可以包括IF放大器9272、混频器9274、滤波器(例如低通滤波器)9276和模数转换(ADC)块9278。发射机9262可以包括数模转换(DAC)块9286、滤波器9284、混频器9282和IF放大器9280。
在与RFEM 9202关联的示例接收操作中,经由同轴缆线9210和双工器9216从RFEM9202在辅助芯片9206处接收RF信号。接收到的RF信号由混频器9224使用综合器9222所生成的LO信号9223下变频为IF信号。IF信号由IF放大器9228放大。放大的IF信号9258经由板迹线9214发送到BBS 9208,以用于接收机9260进行的进一步处理。在接收机9260处,IF信号9258初始地由放大器9272放大,并且由混频器9274使用综合器9268所生成的LO信号下变频为基带信号。基带信号然后由低通滤波器9276滤波,并且由ADC块9278转换为数字信号,然后由调制解调器9264处理。
在与RFEM 9202关联的示例发送操作中,调制解调器9264输出的数字信号可以由DAC块9286转换为模拟信号。模拟信号然后由低通滤波器9284滤波,并且然后由混频器9282使用综合器9268所生成的LO信号上变频为IF信号。IF信号可以由IF放大器8926放大,以生成放大的IF信号9256。IF信号9256经由板迹线9214传递到辅助芯片9206,以用于IF发射机9220进行的进一步处理。在发射机9220内,IF信号9256由放大器9234放大,并且由混频器9232使用放大器9230所放大的LO信号9223上变频为RF信号。RF信号经由双工器9216和同轴缆线9210传递到RFEM 9202,以用于RFEM天线阵列进行的进一步处理和传输。在一些方面中,TX/RX开关可以用在辅助芯片9206和BBS 9208二者中,从而单个板迹线集合可以用以在任何给定时间传递单个信号(其可以是组合的信号)。
在与RFEM 9204关联的示例接收操作中,经由同轴缆线9212和双工器9236从RFEM9204在辅助芯片9206处接收RF信号。接收到的RF信号由混频器9244使用综合器9242所生成的LO信号9243下变频为IF信号。IF信号由IF放大器9248放大。放大的IF信号9258经由板迹线9214发送到BBS 9208,以用于接收机9260进行的进一步处理。在接收机9260处,IF信号9258初始地由放大器9272放大,并且由混频器9274使用综合器9268所生成的LO信号下变频为基带信号。基带信号然后由低通滤波器9276滤波,并且由ADC块9278转换为数字信号,然后由调制解调器9264处理。
在与RFEM 9202关联的示例发送操作中,调制解调器9264输出的数字信号可以由DAC块9286转换为模拟信号。模拟信号然后由低通滤波器9284滤波,并且然后由混频器9282使用综合器9268所生成的LO信号上变频为IF信号。IF信号可以由IF放大器8926放大,以生成放大的IF信号9256。IF信号9256经由板迹线9214传递到辅助芯片9206,以用于IF发射机9240进行的进一步处理。在发射机9240内,IF信号9256由放大器9254放大,并且由混频器9252使用放大器9250所放大的LO信号9243上变频为RF信号。RF信号经由双工器9236和同轴缆线9212传递到RFEM 9204,以用于RFEM天线阵列进行的进一步处理和传输。
即使辅助芯片9206在图92中示出为与RFEM 9202和9204关联的两个双工器和两个分离的处理链(具有每个处理链中的接收机和发射机),但本公开不限于此。更具体地说,辅助芯片9206可以包括用于处理附加RFEM所服务的其他无线频段中的信号的附加处理链。
即使图91-图92讨论子系统9108、9134、9222、9242和9268作为LO生成器,这些子系统也可以包括其他类型的频率源(例如频率乘法器等)。
即使图83-图92示出三工器(或双工器)与接收机和/或发射机和/或频率源之间的直接连接,本公开也不限于此,并且可以使用对应TX/RX开关,从而一个仅组合的信号可以传递到三工器(或双工器)。例如,并且参照图83,在三工器8348与LO生成器(或频率源)8344之间可以存在TX/RX开关,允许经由三工器8348在任何单个时间传递仅TX或RX信号。可以结合三工器/双工器8402、8550、8636、8702、8836、8902、8906、9036、9102、9216和9236使用相似的TX/RX开关。
RF通信系统时常利用半导体管芯上形成的子系统(例如压控振荡器(VCO)、功率放大器、收发机、调制解调器等)。然而,片上集成器件可以包括金属堆叠,并且与任何工艺节点(尤其是先进工艺节点)关联的金属堆叠具有与其无源元件关联的不良品质因数。于此,总体功率组合效率(尤其是对于芯片上所实现的大型功率组合器)可能是低的。
图93示出根据一些方面的双路功率组合器的示例性片上实现方式。参照图93,示出双路功率组合器9300,其可以包括耦合到电阻器9306的功率放大器9302和9304。双路功率组合器可以包括于图3A所示的mmWave通信电路300的RF电路325中,但双路功率组合器9300不限于此。附加地,功率放大器9302耦合到传输线9308,并且功率放大器9304耦合到传输线9310。传输线9308和9310可以是四分之一波长传输线。传输线9308和9310二者的输出可以组合在一起并且端接在天线9312处。如图93中可见,双路功率组合器9300可以完整地实现于半导体管芯或芯片9320内。芯片9320可以与PCB基板9330一起受封装。例如,天线9312可以实现于PCB基板9330上,并且可以包括相控天线阵列。
图94示出根据一些方面的大型功率组合器的示例性片上实现方式。参照图94,示出耦合到多个功率放大器9406、9408、……、9410的功率组合器9412。功率放大器输出可以耦合到功率组合器9412的输入。功率组合器9412可以耦合到多于两个的功率放大器,并且因此可以称为大型功率组合器。
功率组合器9412可以包括多个组合级中的传输线和电阻的级联连接,具有降低的数量的输出(最后组合级具有单个输出)。例如,功率放大器9406和9408可以分别耦合到传输线9414和9416。功率放大器9406和9408的输出可以通过电阻9436耦合。传输线9414和9416的输出组合为单个输出9422,其传递到随后组合级。相似地,功率放大器9410和邻近功率放大器(图94中未示出)耦合到传输线9418和9420以及电阻9438。传输线9418和9420的输出组合为单个输出9424,其传递到随后组合级。
组合先前级的输出并且生成对随后组合级的降低的数量的输入的这种工艺继续,直到最后两个传输线9426和9428。对传输线9426和9428的输入经由电阻9440耦合,并且传输线9426和9428的输出组合为功率组合器9412的单个输出9430。功率组合器9412的输出信号9430经由连接端子9432传递到天线9434。如图94中可见,功率放大器9406-9410和功率组合器9412实现于半导体管芯或芯片9402内。芯片9402可以与PCB基板9404一起受封装。在一些方面中,连接端子9432可以是用以将芯片9402与PCB基板9404连接的多个焊料球之一。
图95示出根据一些方面的阻抗变换网络的示例性片上实现方式。参照图95,示出经由阻抗变换网络9508耦合到天线9512的功率放大器9506。阻抗变换网络9508可以包括合适的电路、逻辑、接口和/或代码,并且可以被配置为将功率放大器9506的输出处的阻抗与天线9512输入处的阻抗进行匹配。阻抗变换网络9508可以经由连接端子9510耦合到天线9512。
在一些方面中,连接端子9510可以用于将测试或测量装备耦合到功率放大器9506。测试或测量装备可以与50欧姆电阻关联,这对于功率放大器9506可能是过高的。阻抗变换网络9508可以用以在连接端子9510处耦合功率放大器9506和测试装备,并且相应地调整阻抗。如图95中可见,功率放大器9506和阻抗变换网络9508实现于半导体管芯或芯片9502内。芯片9502可以与PCB基板9504一起受封装。在一些方面中,连接端子9510可以是用以将芯片9502与PCB基板9504连接的多个焊料球之一。
如图93、图94和图95中可见,功率放大器、功率组合器和阻抗变换网络实现于芯片上。然而,归因于无源的或有损的硅基板的不良质量,片上功率组合和阻抗变换可能是有损的,使得总体传输效率降级。这些损耗可能随着更高等级的组合和/或陡峭阻抗变换而快速地增加。对于具有不良硅金属化的先进技术节点,有损的功率组合和阻抗变换可能进一步加重。在一些方面中,可以通过在与半导体管芯关联的PCB基板上实现功率组合阻抗变换网络来改进有损的功率组合和阻抗变换。于此,封装上损耗可以对于功率组合显著地降低。这样可以提供显著的效率增强,并且可以良好地适合于大型功率组合,尤其对于使用四分之一波传输线或多个传输线的架构。以下参照图96、图97、图98和图99在本文中示出阻抗变换网络和功率组合实现于PCB基板上的示例方面。
图96示出根据一些方面的双路功率组合器的示例性封装上实现方式。参照图96,示出双路功率组合器9600,其可以包括耦合到电阻器9606的功率放大器9602和9604。附加地,功率放大器9602耦合到传输线9608,并且功率放大器9604耦合到传输线9610。传输线9608和9610可以是四分之一波长传输线。传输线9608和9610二者的输出可以组合在一起并且端接在天线9612处。
如图96中可见,功率放大器9602和9604可以实现于半导体管芯或芯片9620内。芯片9620可以与PCB基板9630一起受封装。电阻器9606、传输线9608和9610以及天线9312可以实现于PCB基板9630上。传输线9608和9610以及电阻器9606可以经由连接端子9614和9616耦合到功率放大器9602和9604。在一些方面中,连接端子9614和9616可以是用以将芯片9620与PCB基板9630连接的多个焊料球之一。
图97示出根据一些方面的大型功率组合器的示例性封装上实现方式。参照图97,示出耦合到多个功率放大器9706、9708、……、9710的功率组合器9712。功率放大器输出可以耦合到功率组合器9712的输入。功率组合器9712可以耦合到多于两个的功率放大器,并且因此可以称为大型功率组合器。在一些方面中,功率组合器9712可以是N:1RF功率组合器。
功率组合器9712可以包括多个组合级中的传输线和电阻的级联连接,具有降低的数量的输出(最后组合级具有单个输出)。例如,功率放大器9706和9708可以分别耦合到传输线9714和9716。功率放大器9706和9708的输出可以通过电阻9740耦合。传输线9714和9716的输出组合为单个输出9722,其传递到随后组合级。相似地,功率放大器9710和邻近功率放大器(图97中未示出)耦合到传输线9718和9720以及电阻9742。传输线9718和9720的输出组合为单个输出9724,其传递到随后组合级。
组合先前级的输出并且生成对随后组合级的降低的数量的输入的这种工艺继续,直到最后两个传输线9726和9728。对传输线9726和9728的输入经由电阻9744耦合,并且传输线9726和9728的输出组合为功率组合器9712的单个输出9730。功率组合器9712的输出信号9730传递到天线9732。
如图94中可见,功率放大器9706-9710实现于半导体管芯或芯片9702内。芯片9702可以与PCB基板9704一起受封装。功率放大器9706-9710的输出可以经由连接端子9734、9736、……、9738耦合到功率组合器9712的对应传输线。在一些方面中,连接端子9734-9738可以是用以将芯片9702与PCB基板9704连接的多个焊料球。
在一些方面中,功率组合器9712、功率放大器9706-9710和/或天线9732可以是无线收发机的部分。无线收发机可以用以接收并且发送与一个或多个无线协议(例如无线吉比特联盟(WiGig)协议或5G协议)顺应的信号。
图98示出根据一些方面的阻抗变换网络的示例性封装上实现方式。参照图98,示出经由阻抗变换网络9808耦合到天线9812的功率放大器9806。阻抗变换网络9808可以包括合适的电路、逻辑、接口和/或代码,并且可以被配置为将功率放大器9806的输出处的阻抗与天线9812输入处的阻抗进行匹配。阻抗变换网络9808可以经由连接端子9810耦合到功率放大器9806。在一些方面中,连接端子9810可以用于将测试或测量装备耦合到功率放大器9806。测试或测量装备可以与50欧姆电阻关联,这对于功率放大器9806可能是过高的。阻抗变换网络9808可以用以在连接端子9810处耦合功率放大器9806和测试装备,并且相应地调整阻抗。
如图98中可见,功率放大器9806实现于半导体管芯或芯片9802内。芯片9802可以与PCB基板9804一起受封装。阻抗变换网络9808和天线9812可以实现于PCB基板9804内。在一些方面中,连接端子9810可以是用以将芯片9802与PCB基板9804连接的多个焊料球之一。
图99示出根据一些方面的Doherty功率放大器的示例性封装上实现方式。参照图99,Doherty功率放大器9900可以包括载波功率放大器9906和峰值功率放大器9908。信号输入端子9922可以直接耦合到载波功率放大器9906的输入。信号输入端子9922也可以经由四分之一波长传输线9910耦合到峰值功率放大器9908的输入。载波功率放大器9906的输出可以经由偏移传输线9912以及四分之一波长传输线9916和9918耦合到天线9920。峰值放大器9908的输出可以经由偏移传输线9914和四分之一波长传输线9918耦合到天线9920。传输线9918的输出处的组合的输出信号9924可以传递到天线9920以用于传输。
如图99中可见,载波功率放大器9906、峰值功率放大器9908和四分之一波长传输线9910可以实现于半导体管芯或芯片9902内。芯片9902可以与PCB基板9904一起受封装。传输线9912、9914、9916和9918以及天线9920可以实现于PCB基板9904内。于此,通过在PCB基板9904上实现多个长的传输线,可以改进Doherty功率放大器9900的效率。
操作在mmWave频率范围中的微波天线子系统在微米范围中是极度小的。因此,在空间因为机壳大小要求并且因为组件和天线的密集封装所以处于稀缺的情况下,发现用于减少用于移动设备中使用的天线和无线电子系统的大小(具体地说,厚度)的方式是重要的。同时,应解决并且减少热、电和机械贴面(overlay)问题。成本改进也是主要考虑因素。组件、天线和天线子系统在彼此的顶部上的贴面将减少子系统的大小和厚度二者。使用具有外模(overmold)中的互连部的外模是将允许天线位于子系统的侧上并且提供优于竞争技术的热和机械改进的另一概念。
图100A是根据一些方面的使用连接器的脱模堆叠式叠层封装嵌入式管芯无线电系统的侧视图。嵌入式管芯无线电系统可以包括于图3A所示的mmWave通信电路300的天线阵列电路330中,但嵌入式管芯无线电系统不限于此。该方面包括脱模堆叠式叠层封装嵌入式管芯10000,其包括脱模封装10005和封装10007。封装10005可以包括层叠式结构(例如PCB),RFIC 10006嵌入其内。如该上下文中所使用的那样,“脱模”表示管芯10006并未包络在模具或包封中。关于封装的各个部分的z高度所示的维度仅是为了示例目的,并且服务于示出当封装寻求使用的移动设备的体积是非常受约束的时一起工作的极度小的维度。
此外,PCB 10005的顶部和底部处的前几微米可以是预浸渍(PrePreg)层,其可以处于嵌入RFIC的PCB的内核之前。由于PrePreg的非常薄的厚度,因此可以使用它。PrePreg可以是非常薄的(例如25um或30um)。PrePreg可以是环氧材料,但其也可以是层叠材料(例如覆铜层叠(Copper Clad Laminate,CCL))。该技术不限于基于有机聚合物的层叠,而还是基于陶瓷的无机层。
如天线基板工业中所使用的那样,“内核”可以表示比基板的其他面积(例如PrePreg)更厚的并且可以比之更刚性的基板的内部部分。封装10005是脱模的,因为其为没有封装内的包封的层叠型基板(例如PCB)。屏蔽体10001处于封装10005的顶部上,以屏蔽组件10003不受RFI/EMI。连接器10023可以将封装中的一个或多个连接到外部世界。在一些方面中,连接器10023提供中频(IF)信号,以用于系统进行的传输。根据一些方面,封装10005包括RFIC管芯10006,其适当地通过迹线或过孔的方式如以下所讨论的那样对于各个天线和天线阵列提供馈电。
虽然示出一个RFIC管芯10006,但本领域技术人员应理解,可以提供多于一个的RFIC管芯,以操作在一个或多个频段中。换言之,在各方面中可以存在至少一个RFIC管芯。
根据一些方面,所示的封装可以包括很多不同配置、操作频率和带宽的天线和天线阵列。在图100A中,示出天线结构10009、10011、10013、10015和10019。看入附图的页面中,它们可以是侧视图中的单个天线或天线阵列(例如1xN、2xN、……、NxN元件阵列)。在一个示例中,天线10009可以是具有贴片天线元件10010与10012之间的距离d2(在该方面中,10065微米)和贴片天线元件10010与地之间的另一维度d1的双贴片天线。取决于距离d1和d2,天线的带宽将因为贴片天线的变化的体积而变化。在图100B中可以更清楚地看见标号d1和d2。
图100B是根据一些方面的双贴片天线的侧视图。在该图中,P1是双贴片天线的第一元件,并且P2是双贴片天线的第二或受驱动的元件。可见,d2是P1与P2之间的距离,并且d1是P1与地平面GND之间的距离。对于P1与GND之间的给定距离d1,变化P1与P2之间的距离d2增加天线的体积。
在一些方面中,带宽基于在该方面中是变化的距离d2的函数的天线的体积的变化而变化。图100C中可见该情况。图100C是根据一些方面的随着天线的体积增加的图100B的双贴片天线的回波损耗的仿真图线,并且示出随着天线的体积变化的带宽的变化。在该方面中,通过变化d2测量带宽。对于P1与GND之间的给定d1维度,在图100C的仿真中示出为-10dB的宽度回波损耗图线的带宽随着d2增加而增加。
如以下将讨论的那样,PCB 10005具有在该方面中示出为等级L1至L6的层叠型结构。因为各种等级,所以天线元件(例如10010、10012)可以按各种距离d2放置在双贴片天线元件之间,并且因为等级的多样性,所以贴片天线元件10010与GND之间的距离d1也可以按各种距离设置,产生对于给定的设计可能需要的带宽的选取。换言之,因为可用的密集封装式层叠等级,所以双贴片天线元件10010与10012之间的距离不限于10065微米,而可以按任何若干距离设置。对于双贴片天线元件10010与地平面10014之间的距离,情况是相同的,设置用于测量带宽的能力,如图100C所示。然而,等级L1-L6仅是很多方面之一。其他方面可以具有远多于所示的六个层L1-L6的远更多的非常密集地封装的层,并且这些非常密集地封装的层可以根据需要而用于各种功能。
继续于图100A的描述,10024在在一些方面中可以是天线或天线阵列(例如以上简述的1xN、2xN、……、NxN元件阵列)。在一些方面中,10024可以是通过表面贴装器件(SMD)(其有时称为表面贴装技术(SMT))所配置的自固定天线。在一些方面中,如果不存在足够的高度以用于PCB 10005内的所需天线或天线阵列,则根据一些方面,天线或天线阵列10010、10012可以被配置有放置在PCB 10005的顶部上的天线元件10012,例如,以提供所需的体积。
在另一示例中,双贴片天线元件10012可以放置在表面贴装器件10024的顶部上而非PCB 10005的顶部上,以对天线或天线阵列提供附加高度,这在一些方面中将提供增加的体积和改进的带宽,如上所述。
另一示例可见于天线10015处。在该示例中,天线(或天线阵列,如上所述)10015包括基板10005(其如上所述可以是复杂的并且非常密集地封装的基板)内的天线贴片10018,并且双贴片元件10017可以处于第二天线板10007上。在一些方面中,天线板10007可以是介电体、陶瓷、PCB等,其也可以是非常类似PCB 10005的密集封装式层叠型基板。因此,天线功能也可以分摊在多于一个的天线板之间或当中,产生叠层封装配置。因此,如果一个介质上不存在足够的z高度,则天线的部分可以实现于第二介质(例如10007)上,以提供期望的z高度,从而获得体积,以提供期望的参数(例如,在一些方面中,带宽、更低的损耗等)。换言之,给定在一些实例中归因于关于mmWave频率处的操作的形数要求而导致的基板的厚度的极度小的维度,天线元件(和分立组件)可以放置在一个或多个附加介质上,其在一些方面中可以放置在PCB 10005的顶部和/或底部上、PCB 10005的侧上以及各种附加配置中,根据需要产生附加的基板厚度和增加的带宽。
相似地,天线功能可以类似地在可以看作主介质的不同天线板(例如PCB 10005)和可以看作副介质的天线板10007之间或当中划分。此外,基板之上或之下或其侧中的这些介质可以用于各种功能(例如接地、屏蔽、馈电等)。
此外,在PCB 10005的顶部上可以存在多于一个的介质10024。在PCB 10005的顶部上可以存在均提供如上所述的部分或所有天线或天线阵列的多个天线介质。PCB 10005的侧之下或其上的天线介质的放置亦同。此外,副介质可以用于寄生元件,以根据需要改进增益或使得天线的图案成形。
天线10011、10013、10015和10019可以是天线板10007上所配置的并且从RFIC管芯10006馈电的其他天线或天线阵列。还示出的是过孔10020、10022。在一些方面中,可以存在很多过孔。通常,基板10005越厚,过孔10020、10022的直径就越大。在需要超薄基板的一些方面中,过孔可以是远更小的直径,如以下关于其他方面所讨论的那样。过孔(例如10028)可以通过焊料连接(例如10027)连接到RFIC管芯10006。可以通过一个或多个水平层10030连接过孔,以用于对无线电子系统内的其他地方的组件的连接,其中,水平层10030视为看入页面。
图101A是根据一些方面的使用屈曲互连部的脱模堆叠式叠层封装嵌入式管芯无线电系统的说明。图101B是根据一些方面的使用屈曲互连部的脱模堆叠式叠层封装嵌入式管芯无线电系统的侧视图,其中,在摄影表示中示出屈曲互连部。图101A实质上与图100A相同,其中,差别在于图101A中不存在连接器10023。另外,屈曲互连部10026用以将一个PCB连接到第二PCB,其中,第二PCB可以具有对PCB外部的连接器。屈曲连接器10026可以通过PCB10005的适当内部迹线或通过适当内部迹线和一个或多个过孔连接到RFIC管芯10006。屈曲互连部可以通过焊接、通过弯卷或通过其他工艺连接到PCT,并且在一些方面中可以相似地连接到第二PCB。
图102是根据一些方面的铸模堆叠式叠层封装嵌入式管芯无线电系统的侧视图。在图102中,根据一些方面,封装10200包括包含等级10201(例如天线板(例如PCB))、等级10203(其为模具或包封)和等级10205(其包括天线板(例如PCB))的基板。等级10201可以包括导电等级10207(例如迹线);等级10203可以包括一般称为“通孔模具过孔”的导电等级(例如10209)和过孔(例如10219、10219A);并且等级10205可以包括通过对导电等级10209的焊料连接所连接的导电等级10211。
在一些方面中,封装10200的导电等级和过孔可配置为从管芯10206、10208对各种天线和其他组件进行馈电。根据各个方面,虽然导电等级10207和10211在图102中示出为短的水平层,但实际上它们可以是更长的导电层(例如图103中的10309、10311)或处于各种层配置(例如图103的10307、10311A)中,或实质上完全横跨基板(例如图105的基板10501中的10502或基板10505中的10511处所示)。
在一些方面中,可以使用重新分布层(RDL)制成导电等级10207、10211,如以下关于图104讨论的那样。可以通过铜支柱、通过激光穿透模具或其他层以及导电墨水或其他手段制成过孔(或铸模的封装中的通孔模具过孔)。
通过使用过孔、导电层和/或RDL,管芯能够非常快速地连接到封装的任何侧上的天线和天线阵列(其在一些方面中可以是SMD 10216、10218、10220上或其内所嵌入的天线)。因为密集封装式过孔和密集封装式水平层,所以管芯可以通过馈电结构的少量的或实质上没有的分散(fan-out)而连接到基板10201、10205上的天线或天线阵列。
此外,在一些方面中,通孔模具过孔(例如10219、10219A)可以被配置在连接到一个或多个管芯周围的金属化层(在此仅示出层10209,但过孔(例如10219或10219A)的顶部可以连接到过孔顶上的金属化层(未示出))的密集封装式过孔的沟槽中,以形成Faraday笼以屏蔽管芯和其他组件不受RFI和EMI。过孔可以是非常小的过孔(例如单个柱)。当使用具有封装(例如10219、10219A)之间的高密度互连部(通孔模具过孔)的叠层封装时,我们可以分离地构建封装,并且使用对于底部管芯针对其顶部上或之下的另一管芯所调适的全异材料。由于单独管芯可以在堆叠它们之前在其各个封装中受测试,因此这也改进良率。
理解可以根据需要而完全地消除模具也是重要的,并且我们可以通过连接到顶部封装而且充当垂直互连部的焊料球代替通孔模具过孔。在图102的方面中,两个或更多个管芯10206、10208可以包括于基板内并且由可以是铜填充物、焊接触点(例如10210)或可以是LGA/VGA焊盘或在一些方面中甚至封装的触点(例如焊料凸起部)附缀。
在一些方面中,还示出的是分立元件10212、10214。管芯10206、10208可以是任何类型的管芯(例如倒装芯片管芯、晶圆级芯片尺寸封装(CSP)、可引线键合的管芯等)。
替代地,可以使用单个管芯。在一些方面中,SMD天线(例如10216、10218、10220)可以被配置在基板的第一侧上,而SMD天线10216A、10218A、10220A可以被配置在基板的相对侧上。在其他方面中,天线可以被配置在基板上,而非SMD上或其内。前述天线可以与关于图100A所描述的天线是相同类型的天线,并且在一些方面中可以处于SMD上或其内。此外,天线10216、10218、10220可以被配置作为天线阵列。此外,天线(例如任何或所有前述天线)可以实施在例如关于图100A的天线(或天线阵列)10024所讨论的SMD上或其内。
还被配置在一个或两个侧(例如封装10200的10201、10205)上的可以是分立组件10222、10224和10222A、10224A。此外,在一些方面中,系统10221、10221A(有时称为封装中系统(SIP)或封装)预计可以被配置在封装10200的顶部(例如顶上10201)上和/或底部上(例如10205的底部处)和/或侧上,提供叠层封装配置。SIP 10221、10221A可以是更类似包括SIP 10221、10221A被配置在上面的等级10201、10203、10205的封装的系统。SIP 10221、10221A可以通过若干方式堆叠在封装上并且以物理方式连接到封装。
此外,在一些方面中,管芯10206、10208可以通过10226处所示的合适的触点连接到基板10203。这些合适的触点可以包括铜填充物、焊料凸起部或甚至封装。触点10226可以是叠层封装方面的主体内的非常小的连接。这些系统配置示出叠层封装配置。
此外,因为所描述的封装内的密度是如此高,所以每个封装的一个或多个管芯被配置为操作在相同频率或不同频率处,例如,一个管芯操作在5G频率处,并且第二管芯操作在WiGig频率处。
此外,例如,因为移动设备的定向,所以可以根据需要,叠层封装方面的天线/天线阵列可以在任何数量的方向上或实质上在每一方向上进行辐射。换言之,根据一些方面,通过根据期望将封装10221、10221A堆叠或以物理方式连接在封装10200的顶部、底部和侧上或其组合并且根据期望在封装10221、10221A上或其内的天线和天线阵列配置中,天线和天线阵列可以全部放置在封装10200上面,意味着在封装的实质上每一期望方向上。
根据一些方面,除了前述情况之外,封装10200还可以通过焊料球10213、10215(其示出为比焊料球或触点10226更大,因为虽然焊料球10226处于叠层封装方面内,并且可以是非常小的并且非常紧密地间隔的,但焊料球10213、10215是“对外部世界”的连接)焊接到又一板(未示出)上。
例如,根据一些方面,封装10200通过焊料球10213、10215的方式进一步焊接到的板可以是用于电话、平板、移动设备或其他端用户设备的主机板。图100A与图102之间的主要差别在于,图102的管芯由保护并且加强基板内的管芯的配置的模具包络。
铸模方面的优点在于,图100A的脱模基板中的嵌入式管芯难以按高批量制造。由于单独管芯可以在堆叠它们之前在其各个封装中受测试,因此归因于如上所述改进的良率,铸模基板配置对于高批量制造是更兼容的。
附加地,在铸模配置组件中,例如10212、10214可以容易地被配置在铸模基板内。根据一些方面,图100A的所实施的管芯一般具体用于嵌入仅单个管芯。
此外,铸模配置允许比脱模配置远更密集的层。在图100A的嵌入式管芯中,每一组件作为一个系统而连接。如果一个部分(例如一个过孔)出故障,则基板内的整个系统出故障。
另一方面,在图102的铸模配置中,可以分离地制成基板自身,可以分离地连接对管芯进行连接的层,并且系统直到最终步骤才连接在一起,其中,最终步骤可以是:将所有部分焊接在一起。在图100A的方面中,在内部不存在焊接,系统包括多数或全部可以同时组装的铜过孔。换言之,构建铸模堆叠式封装的工艺非常不同于构建脱模封装。
支柱放置或电镀在顶部封装的底部层上,并且它们可以电镀为高的宽高比和非常小的直径。然后,使用焊料或热机械压缩连接顶部和底部封装。外模(overmold)可以是液体,受注入并且然后流动而且覆盖间隙。这是比脱模封装更高的密度而且更高的出产工艺。
图103是根据一些方面的示出附加细节的铸模叠层封装嵌入式管芯无线电系统的侧视图。在一些方面中,等级A至G包括表1中所指示的单独组件技术。
表1
在图103中,元件10326可以是封装的信号源的连接器。还示出的是天线元件或天线阵列10324,视情况而定,其可以是表面贴装器件天线或阵列。天线元件包括过孔10322,其由管芯10306通过所示的水平基板导电层中的适当的层(例如10329)的方式进行馈电。管芯和以下讨论的过孔可以由模具10332包封。迹线或水平层10329可以连接到管芯10306(未示出连接),目的是对天线或天线阵列10324进行馈电,也如以下附加地详细讨论的那样。
如上所述,根据一些方面,SMD可以是看入附图的页面中的天线元件(例如10322)的阵列的部分。在一些方面中,以下所讨论的水平导电等级和垂直过孔的密度使得能够有效地将管芯连接到过孔10322,使得表面贴装器件10324实质上成为垂直贴片天线。包括SMD10324内的部分的过孔10322一起提供期望的长度,目的是谐振。在一些方面中,过孔10322可以是操作频率所需的天线长度的分数,并且其余的所需长度可以是SMD 10324的顶部上所配置的迹线(未示出)。在一些方面中,可以使用焊料实现所需的触点。因此,以下讨论的天线10322并且还有10318、10320示出封装的z高度有利地用作天线或天线阵列的部分。
对于制造的容易实现方式是SMD上或其内的垂直单极或偶极。另一实现方式可以是电镀在SMD和以上已经讨论的模具的边缘上的贴片天线。根据一些方面,等级B和E中示出的这些密集水平导电层和过孔的可用性(导电层可以既对于附图是水平的又还进入附图的绘图的页面)给出既是水平的又是垂直的(在一些方面中例如通过过孔而垂直)多个互连部的灵活性,并且提供用于配置垂直贴片天线、垂直蜿蜒天线、垂直螺旋天线和相似天线的能力。
在一些方面中,天线元件(或看入绘图的页面中的天线阵列)10318、10320可以被配置在SMD 10324上或其内,并且包括通孔模具过孔10322。绘图中示出若干这些通孔模具过孔,仅枚举其中的一些(在此为10325)。在图103中,元件10325可以是焊料球或模具在配置周围填充的其他导电元件(例如电镀的支柱)。过孔10325可以是天线元件的部分(例如所连接的过孔10321、10323、10325、10327),其中,过孔10321处于SMD 10320内,并且可以在一些方面中取决于用于谐振目的的附加天线长度的需求而具有实质上垂直于过孔10321、10323、10325、10327的迹线。
天线可以通过水平导电层10331连接到管芯10306(连接未示出,但实际上10331可以是对管芯10306的连接)。在一些方面中,分立元件10328可以被包括,并且可以由屏蔽体10330屏蔽不受RFI/EMI。天线或天线阵列10318与10320处所示的相似或相同,并且可以通过与对于10320所讨论的方式相似的方式连接到管芯。相似地,条目10318A、10320A是与10318、10320相似的SMD天线,并且可以由管芯10306以与SMD天线10318、10320相似的方式进行馈电。在一些方面中,看入附图的页面,条目10318、10320、10324可以被配置在天线板(未示出)上作为天线阵列。相同情况可以应用于SMD 10318A、10320A。因此,图103的组合等级B、C和E以及配置10318、10320、10324的天线板根据待讨论的方面包括叠层封装配置。在一些方面中,以上天线元件可以前进通过天线板中的有关天线板进入或通过SMD 10318、10320、10324或10318'、10320'、10324',视情况而定。
图104是根据一些方面的使用重新分布层的叠层封装嵌入式管芯无线电系统的侧视图。基板10400包括按字母排序的等级A至F,其中的每一个可以包括以下表2中所指示的材料和/或组件,其中的一些或全部可以在各个方面中根据手边的设计。
表2
在一些方面中,基板10400包括等级D中的至少一个嵌入式管芯10406,其可以是晶圆级封装,具有非常薄的导电层以将信号从管芯重新分布到多个封装。对于重新分布所使用的这些非常薄的导电层可以称为重新分布层(RDL)。此外,例如,在基板10419的顶部上,一个或多个天线可以处于一个或多个表面贴装器件(例如10416)上或其内,并且通过如上所述的基板中可用的互连部10421、10423、10425和过孔(未示出)以及在一些方面中可以与这些过孔连接的RDL从管芯10406受馈电。
管芯10406可以由模具10418例如通过上述流动工艺包封。各种天线可以处于等级A内,如以上关于其他附图讨论的那样。根据一些方面,等级A也可以用于SIP,以产生叠层封装系统。此外,在一些方面中,分立组件10428可以处于等级A上或其内,并且可以视期望而定由屏蔽体10430屏蔽不受RFI/EMI。其他组件(例如10432)可以无需屏蔽,并且可以处于在一方面中可以提供的任何屏蔽体的外部。
附加地,使得连接在不同层处可用的重新分布层(RDL)可见于附图中。在一些方面中,RDL中的两个示出于10407、10409处,但如表2指示的那样,它们可以处于层D的顶部和底部处并且根据期望而是多个。在一些方面中,水平层(例如10415)可见于具有非常高密度的模具等级D中,并且如上所述,可以提供层之间的附加连接性和与管芯10406的连接性。
此外,RLD可以提供10413-10413'处的水平层之间的垂直连接性,其中,10413是RDL的垂直连接。于此,该方面使得能够将导电水平层(例如10413')以非常高密度放置在模具中。
RDL在一些方面中可以直接印制在例如10410处所示的硅管芯上,这样使得它们成为超高密度的,以用于将信号从管芯10306重新分布到天线阵列上的天线。在所描述的RDL配置中,无需焊料球过孔的凸起部(例如图103的10325)。管芯10406如实留下,并且RDL用于信号分布,这样提供主要优点。
可以使用聚合物和彼此的顶部上旋转涂敷的并且非常薄的材料制成重新分布层。这样允许非常精细的间距过孔和非常精细的过孔直径。在一些方面中,RDL(例如10407、10409)可以经由焊料LGA/VGA焊盘或其他焊接触点10440、10442、……、10440焊接到天线板10412。天线板10412可以是另一基板的部分,并且堆叠在叠层封装配置中的基板10400上而且以物理方式连接至其。虽然天线板10412上未示出天线,但这些天线可以与图100A的封装10007上的天线和图102的天线10216'、10218'、10220'和其他附图的天线相似。
图105是根据一些方面的具有用于对z方向上的高度进行增益的铸模层中的凹入的铸模堆叠式叠层封装嵌入式管芯无线电系统的侧视图。图105的基板10500与图102的封装10200相似。
在一些方面中,材料10501、10503、10505可以与图102中的材料10201、10203、10205相同或相似。天线10516、10516'、10516”和分立组件10528、10528'可以被配置在可以是基板层的层10501的第一并行层上或其内。相似地,天线和分立组件可以被配置在可以是基板层的第三并行层10505上或其内。在一些方面中,SIP 10521可以物理接触于并且连接到等级10505,等级10501、10503、10505和SIP10521的组合包括叠层封装配置。
密集封装式导电水平层(其中的两个枚举为10510、10512)可以被配置在层10501、10505中。然而,与图102不同,根据一些方面,在模具层10503中可以不存在或存在少数导电水平层。图105示出在一些方面中可能需要的在一些方面中可以放置在材料10501中的凹入10527中以调整z高度的连接器10526。图105示出根据待讨论的方面的单个管芯10506而非图102的多个管芯10206、10208。本领域技术人员应理解,图102和图105的一些或所有组件可以根据期望的解决方案的要求而出现在任何给定方面中,并且一些方面可以包括多个嵌入式管芯。模具10524可以包封管芯10506和过孔10514。没有或少数水平互连层处于模具中。互连可以通过RDL(图105中未示出,但在一些方面中如图103所示)。
图106是铸模堆叠式叠层封装嵌入式管芯无线电系统的侧视图。如上所述,过孔(例如10606)可以作为沟槽包围管芯,并且提供Faraday笼屏蔽。根据一些方面,如果期望附加屏蔽,或如果过孔可能不可用在足够密集的形式中,则可以包括机械屏蔽体10602,以用于RFI/EMI屏蔽并且用于热量扩散。图106的铸模基板10600包括模具10624和与图105的材料10501、10503、10505相似或相同的材料10601、10603、10605。根据一些方面,机械屏蔽体10602可以焊接到封装。焊接的屏蔽体示出用于将最终包封在模具中的基板的内核内的焊接的能力,焊接功能是难以在脱模屏蔽体中大规模制造的功能。根据一些方面,管芯10606通过焊料球10608焊接到将最终由模具材料包封的体积10603的“顶盖”表面。
图107是根据一些方面的具有横向放置的天线或天线阵列的封装无线电系统中的堆叠式超薄系统的透视图。对于一些方面,图107的系统的一个方面的所估计的参数可见于以下表3中。
表3
在图107中,封装10700包括超薄应用,其包括由基板10701、10703、10705(有时称为无内核基板)之下的机械屏蔽体10709所屏蔽的受屏蔽管芯10706。在一些方面中,无内核基板仅使用作为在制造期间的牺牲材料上的层叠的PrePreg。因此,因为刚性牺牲材料,所以刚度出现。在上述基于内核的基板上,(并非牺牲的)内核提供刚度,并且因此是更厚的。
如该上下文中使用的那样,“无内核”表示非常薄的基板,与(包括远更厚的基板的)内核不同。材料10701、10703、10705可以形成无内核或基于内核的基板的层。因为天线关于性能而需要更多体积,所以材料10704是更厚的。在一些方面中,材料10701、10703、10705根据一些方面可以是超薄PrePreg。
封装10700也可以包括连接器10707和在一些方面中由机械屏蔽体10708屏蔽的组件10710。基板的顶部和底部上的元件占据多数Z维度和X维度,从而在待讨论的方面中,存在用于放置天线的很少空间。因此,天线可以根据一些方面如在10702处通过使用天线板10704、10704'(其根据一些方面可以是表面贴装器件)横向地定位在基板的两侧上。
天线可以是包括基板之上的SMD 10704上所配置的天线元件10714-10714'、10716-10716'和10718-10718'的天线阵列,并且天线可以是包括基板之下的SMD 10704'上所配置的天线元件10722-10722'、10724-10724'和10726-10726'的天线阵列。将天线放置在超薄基板附近对于X-Y和Z维度提供附加空间,这样增加体积,带来更好的带宽和增益以及更少的损耗,如上所述。
虽然示出2x4阵列,但本领域技术人员应理解,根据期望的解决方案,NxM阵列可以被配置在基板的顶部、底部或侧上。在一些方面中,当天线阵列位于SMD的顶部、底部上并且沿着其侧时,辐射方向可以取决于天线发射和天线极性的算法控制而在任何数量的方向上受控。
超薄应用的示例可以是非常薄的区域(例如GOOGLETMGLASSTM)、薄的头戴式耳机、非常薄的平板等所需的天线,其中,可用的地盘可以是薄的,从而对于天线将使用可用的地盘可能是非常不可能的。在这种环境中,天线可以放置在封装附近,如上所述,并且不仅归因于天线类型或放置,而且还因为天线的发射的顺序,可以产生全向天线。
天线和阵列将由管芯10706馈电,并且超薄无内核基板的附加优点在于,对于更薄的材料,可以使用更高密度线路和过孔(归因于空间限制而未示出),如以上示出并且讨论的那样。例如,厚的材料通常因为必须穿越的厚度所以需要较大的过孔,通过图100A的过孔10020和10022以及图102的过孔10219、10219'可见。另一方面,因为过孔需要穿越的远更短的距离,所以在超薄无内核基板中可以实施近乎发丝大小直径过孔。
图108A至图108C示出根据一些方面的嵌入式管芯封装。当工作在Wi-Fi频率(例如2.4GHz、3.6GHz、4.9GHz、5GHz和5.9GHz频段)处时,管芯、馈线和天线的维度将比当操作在上述六十GHz或其他WiGig范围中的WiGig或5G mmWave频段处时远更大。维度所承受的功率损耗或Wi-Fi频率处的馈线变得非常实质性地更大,并且在一些方面中当操作在WiGig或5GmmWave频率处时实质上不可容忍。
因此,通过主要仅将定位得非常靠近减少的功能管芯的小群组的“专用”天线阵列所需的电子功能合并到管芯中来减少管芯的大小可以产生非常短的馈线互连部并且因此更小的功率损耗。换言之,管芯的大小和形状将主要按管芯服务的专用天线的数量和电子信号要求而设置。在一些方面中,在其他信号参数当中,电子信号要求可以包括处于一个或多个极性的信号、一个或多个频率范围中的信号、一个或多个幅度的信号或给定功率的信号。
如所述,这种减少的功能使得能够减少管芯的大小,这样进而使得管芯能够放置得非常非常靠近使用这些电子信号的专用天线或天线群组。这样产生更短的馈线选路和相当地更低的功率损耗。在一些方面中,大的管芯减少为一系列非常小的管芯,其中的每一个于是对基板的顶部和/或底部上的专用天线或专用天线阵列进行馈电,产生非常靠近的并且因此非常短的而且低损耗互连部。在一些方面中,可以通过在物理上非常靠近使用管芯的有限电子功能的天线阵列的基板的位置处将管芯嵌入基板中来完成该操作。
根据一些方面,一个这样的方面可见于图108A中,其中,多个管芯在使用特定管芯的各个功能的天线之上以及之下嵌入基板中。在图108A中,根据一些方面,管芯10809和例如10810处的关联分立组件嵌入封装10801中。天线10803和10811被配置在基板10801的顶部和底部处,因为天线需要取决于封装驻留的移动设备的定向而在适当方向上进行发送。
因为管芯和天线的接近度,所以非常短的馈电机构(该附图中未示出)互连管芯和天线10803和10811。此外,如果空间条件需要,则一个管芯可以被配置为对基板的一个侧上的天线(或天线阵列)进行馈电,而第二管芯可以被配置为对基板的另一侧上的第二天线(或天线阵列)进行馈电,并且天线或天线阵列的两个集合可以由适当控制应用以算法方式驱动。
例如,在图108A中,管芯10809可以驱动天线10803,而管芯10809'可以在以算法方式受控的程序中驱动天线10811',据此,天线10803和10811'按期望的顺序、或偏振、或方向进行发射。换言之,一个大管芯可以被配置成为若干较小的管芯,以控制紧密连接到受编程以按任何期望顺序发射以满足手边的设计的要求的若干较小管芯的天线。
条目10813、10813'可以是触点(例如焊料球、过孔、段塞(slug)或例如上述的密集地间隔的并且被配置为形成用于管芯的RFI/EMI屏蔽的其他触点)。也可以使用其他形式的屏蔽(例如过孔或甚至已经电镀有导电材料以提供全部在管芯和关联组件周围的屏蔽的沟槽)。
基板10801内嵌入的受屏蔽的管芯和关联组件以及专用天线10803、10819的这种组合包括嵌入式管芯专用天线组合10801-1。可以存在若干这些嵌入式管芯专用天线组合10801-1、10801-2、10801-3、……、10801-N。
在图108A中,N等于4,但任何适当数量的这些组合可以实现于封装中,以形成多嵌入式管芯子系统10800,其在一些方面中包括仅单个封装。在其他方面中,多个封装可以如以上关于叠层封装方面所讨论的那样堆叠。视情况而定,管芯中的每一个将经由算法控制与彼此进行通信,以取决于移动设备的定向和期望的偏振或分集而确定哪个天线或天线阵列在给定时间进行发射。在其他方面中,减少的大小、减少的功能、天线受限的管芯(在服务定位得非常靠近管芯的专用天线或天线的意义上,天线受限)不限于例如在此所讨论的嵌入式管芯,而是也可以在各方面中使用上述类型的堆叠式封装得以实现。
图108B总体上在10802处示出根据一些方面的图108A的封装10801的顶部上所配置的N个专用天线阵列10801'-1、10801'-2、10801'-3、10801'-N的顶视图,其中,N=4。天线阵列10803A-19803B包括专用天线阵列10802-1,其示出可以是图108A的嵌入式管芯专用天线组合10801-1的部分的天线阵列。图108C总体上在10804处示出根据一些方面的图108A的表面10819的底部上所配置的N个专用2x4天线阵列的底视图。
虽然已经示出并且描述其中具有两个天线或天线阵列的嵌入式管芯专用天线组合(例如10801-1)的方面,但在其他方面中可以实现其他组合。例如,单个管芯可以对多于两个的专用天线或天线阵列进行馈电,并且管芯将于是相应地以电子方式被配置。在这些情况下,专用管芯将仍保持合理地尽可能紧密接近专用天线,以使得能够通过非常短的馈线对天线进行馈电。
此外,理解管芯的接收机的低噪声放大器(LNA)之前或管芯的发射机的功率放大器(PA)之后的功率损耗是重要的。为了针对该情况进行保护,对天线的连接通常保持得非常短。换言之,管芯内的损耗没有如在RF链离开管芯的收发机的PA之后或在RF链由管芯的收发机的LNA放大之前的损耗那样多的对系统的影响,因为这些后者情况(在PA之后以及在LNA之前)下的损耗可以对整个系统的信噪比具有严重负面影响。因此,管芯与天线之间的非常短的互连部是关键的,带来本文所描述的嵌入式管芯专用天线方面。因此,所描述的方面将管芯的空间位置提供得紧密接近天线。
堆叠式封装或在彼此的顶部上堆叠组件的重要优点是允许在彼此的顶部上堆叠多个无线电和多个系统。在一些方面中,天线可以耦合到操作在Wi-Fi频段内的Wi-Fi系统中的无线电,并且堆叠式封装配置的相同或不同封装中的其他天线可以耦合到mmWave无线吉比特(WiGig)系统中的无线电,其中,在一些方面中,同一管芯具有Wi-Fi系统配置和mmWave WiGig系统配置。
在一些方面中,管芯可以实际上包括多个管芯(例如连接到第一天线群组的对于Wi-Fi操作所配置的第一管芯和连接到第二天线群组的对于mmWave WiGig操作所配置的第二管芯)。如上所述,管芯可以处于叠层封装配置的相同封装中或叠层封装配置中的不同封装中。此外,如果天线阵列(例如贴片元件)因为叠层封装配置中的天线元件的贴面所以是彼此相对的,并且如果天线受控以一起发射,则辐射可以侧向地处于边射操作中。又进而,在一些方面中,天线阵列在封装的相对侧上的发射可以通过算法方式受控以甚至以一百八十度(180°)角度相反性在相反方向上发射;并且在一些方面中,天线阵列在封装的相对侧上的发射可以是可以通过算法方式受控以在同一方向上发射。
mmWave频段中可用的大带宽对于需要每秒吉比特数据率的应用(例如无线回程)是特别有利的。联邦通讯委员会(FCC)近来已经对于5G使用情况开放64GHz至71GHz谱,因此允许使用上至均具有2.16GHz带宽的六个频率信道。因此,将无线电前端接口到空中接口的天线必须操作在大频率带宽上。
为了解决设计具有宽带宽的印制天线阵列中存在的挑战,可以与堆叠式谐振器组合使用更厚的基板,以加宽特定印制天线的带宽。在一些方面中,堆叠式贴片天线可以用以增强天线带宽。更具体地说,两个垂直地堆叠的贴片天线(或贴片)可以充当耦合式谐振器,其中,两个谐振器之间的耦合可以受控以调整天线的阻抗带宽。
可以通过使用各种基板厚度控制耦合,以控制作为磁性本质的耦合。具体地说,堆叠式贴片之间的高度的增加(其等同于基板厚度的增加)可以产生更宽的带宽。即使堆叠式谐振器之间的更厚的基板通常可以产生天线元件的更宽的有效带宽,基板厚度的增加也可能导致扫描印制相控阵列的视场中的空白。本文所描述的方法解决这些挑战,并且包括具有三个或更多个电容性耦合式谐振器的堆叠式环形谐振器(SRR)天线,以增加天线带宽。
图109示出根据一些方面使用的示例性堆叠式环形谐振器(SRR)天线封装小单元的侧视图的框图。天线封装小单元可以包括于图3A所示的mmWave通信电路300的天线阵列电路330中,但天线封装小单元不限于此。
参照图109,示出可以实现于多层PCB上的SRR天线封装10900。SRR天线封装10900可以包括可以形成地平面10902的第一金属化层。SRR天线封装10900可以还包括可以形成单个环形谐振器10906的第二金属化层。第三金属化层可以形成附加环形谐振器(例如环形谐振器10910和10912)。即使图109示出第三金属化层中的两个环形谐振器,本公开也不限于此,并且可以使用环形谐振器的另一配置。例如,在第三层中可以使用四个环形谐振器,如图111所示。
在一些方面中,地平面层10902通过一个或多个PCB层10904与单个谐振器10906分离,并且单个谐振器10906通过一个或多个附加PCB层10908与环形谐振器10910和10912分离。在一些方面中,单个环形谐振器10906可以通过电容方式耦合到环形谐振器10910和10912,并且环形谐振器10910和10912可以通过电容方式耦合到彼此。于此,SRR天线封装10900的带宽可以受控,通过调整PCB层10904和10908的厚度以及通过调整共面环形谐振器10910和10912之间的距离来改变谐振器环之间的电容性耦合。
在一些方面中,多个天线封装(例如SRR天线封装10900)可以用作天线阵列(例如如图114所示的大型毫米波相控天线阵列)中的天线小单元。
图110示出根据一些方面的可以用在图109的天线封装小单元的一个或多个层中的示例性环形谐振器。本文所公开的环形谐振器可以是天线封装小单元的部分,其中,谐振器占据天线封装的一个或多个层,对正经由天线封装小单元接收或发送的信号进行放大和/或谐振。参照图110,示出SRR天线封装10900的第二金属化层的单个环形谐振器10906以及来自SRR天线封装10900的第三金属化层的共面电容性耦合式环形谐振器10910和10912。在一些方面中,SRR天线封装10900可以在天线端口11000处使用单个馈线,其可以耦合到单个环形谐振器10906以生成单个线性偏振。
图111示出根据一些方面的可以用在图109的天线封装小单元的一个或多个层中的具有使用不同偏振的多个馈线的示例性环形谐振器。参照图111,示出可以用在SRR天线封装10900的第二金属化层中的单个环形谐振器11102。在一些方面中,SRR天线封装10900的第三金属化层可以包括多个共面耦合式环形谐振器11104。更具体地说,多个谐振器11104可以包括环形谐振器11106、11108、11110和11112,其可以通过电容方式耦合到彼此以及单个环形谐振器11102。
在一些方面中,SRR天线封装10900可以在单个环形谐振器11102处使用对天线端口11114和11116进行馈电的双馈线,以生成两个线性正交偏振。如图111中可见,天线端口11114可以用于水平信号偏振,并且天线端口11116可以用于垂直信号偏振。
图112示出根据一些方面的图109的SRR天线的E平面中的电场线11200。参照图112,示出SRR天线封装10900的第一、第二与第三金属化层之间所形成的电力线11200。更具体地说,电场线11200归因于地平面11202、(第二金属化层上的)单个环形谐振器11204与两个共面环形谐振器11206和11208之间的电容性耦合而得以形成。图112还示出单个环形谐振器11204上的天线馈电端口11210。
图113是根据一些方面的图109的SRR天线封装小单元的反射系数和视轴已实现增益的图线表示。更具体地说,图113基于图111的SRR天线拓扑的仿真性能示出反射系数图线11302(指示回波损耗)和视轴已实现增益图线11304。如图113中可见,10dB回波损耗带宽从55GHz扩展到74GHz(或19GHz带宽)。
附加地,3dB视轴已实现增益带宽从54GHz扩展到69GHz(或15GHz带宽)。如图113中可见,在70GHz之上,视轴增益开始快速地下降,此时元件不再具有垂射类型辐射行为。因此可以在以垂射进行辐射的同时在55GHz至69GHz的有效带宽内利用SRR天线封装(例如10900)。垂射图案在相控阵列应用中可以是有利的,以在顶部半球中生成方向性波束。此外,取决于应用,SRR天线封装(例如10900)可以在频率方面增大或缩小,以覆盖更多特定频段。
图114示出根据一些方面的使用图109的SRR天线封装小单元的示例性天线阵列的框图。参照图114,天线阵列11400是包括与图109的SRR天线封装10900相似的多个天线封装小单元的大型毫米波相控阵列天线。在一些方面中,天线阵列11400包括被布置成平铺式配置的SRR天线封装小单元的布置,其包括任何数量的多个SRR天线封装小单元(例如4x4、8x8和16x16)。与天线阵列11400(以及与每个SRR天线封装小单元(例如SRR天线封装10900))关联的是(图114所示的)特定电场(E场)矢量和(图114未示出的)特定磁场(M场)矢量。
可以使用SRR天线封装(例如SRR天线封装10900)形成天线阵列11400。图114示出天线阵列11400中的第二金属化层11402和第三金属化层11408。第二金属化层11402包括多个单个环形谐振器11404。单个环形谐振器11404中的每一个具有第三金属化层11408内的环形谐振器11410(例如四个共面电容性耦合式环形谐振器)的对应集合。
在一些方面中,层11402和11408内的环形谐振器的元件间的间隔可以设置为0.5λ,但可以基于天线阵列11400的扫描范围要求而改变。
在一些方面中,为了均衡堆建封装上的金属密度,可以在相邻谐振器元件之间添加无谐振偶极(或虚假金属条带)11406和11412。在天线阵列11400中,可以从单个天线端口对SRR天线谐振器中的每一个(例如11404)进行馈电,形成一个单个线性偏振(在一些示例中,可以另外使用双偏振)。如图114中可见,无谐振偶极11406和11412与E场矢量是正交的,以减少辐射元件与无谐振偶极之间的耦合。
图116示出根据一些方面的图109的SRR天线封装小单元的堆高的框图。可以使用分别指代为11604-11622的十个基板层(M1-M10)形成SRR天线封装小单元11600。SRR天线封装小单元11600包括部署在顶部基板层11622上的共面环形谐振器11636、部署在基板层11618中的单个环形谐振器11634、部署在基板层11614中的天线地平面11632、部署在基板层11612中的天线馈电部11630、部署在基板层11616、11618、11620和11622上的无谐振偶极11638和部署在基板层11604与11614之间的阻抗变换器(例如同轴阻抗变换器11640)。
SRR天线封装小单元11600包括十个基板层,以提供信号选路,但方面不限于此,并且天线封装小单元11600可以包括不同数量的基板层。在一些方面中,天线封装小单元11600的基板层(例如11604-11612)提供堆高对称性,以缓解天线封装小单元11600的翘曲。SRR天线封装小单元11600可以实现于表面(例如PCB)上。
在一些方面中,SRR天线封装小单元11600是作为天线阵列(例如图114中可见的相控天线阵列)的子阵列的部分的子阵列元件。在特定方面中,SRR天线封装小单元11600通过同轴阻抗变换器11640耦合到集成电路(例如射频集成电路(RFIC)11602)的多个端口当中的一个。然而,各方面不限于此,并且SRR天线封装小单元11600也可以是更大或更小的子阵列的子阵列元件,并且可以通过其他方法耦合到RFIC。此外,每个子阵列可以在一些方面中被布置为构造相控阵列天线(例如用于大型mmWave通信的相控阵列天线)。
天线馈电部11630在特定方面中部署在与基板层11614上的地平面相邻的基板层11612上。此外,天线馈电部11630在一些方面中耦合到阻抗变换器11640。通过耦合到阻抗变换器11640,天线馈电部11630可以接收RF信号以用于SRR天线封装小单元11600进行的传输,或向天线馈电部11630发送RF信号(例如SRR天线封装小单元11600接收到的RF信号)。在一些方面中,阻抗变换器包括部署在多个基板层(例如基板层11604-11612)内的多个过孔。这些过孔可以通过基板层(例如基板层11604-11612)将RFIC 11602(例如,经由RFIC凸起部11603)耦合到天线馈电部11630。具体地说,阻抗变换器11640的过孔可以包括将RFIC11602耦合到天线馈电部11630的一个过孔。
在一些方面中,可以从25Ω带线中所设计的等相馈电分配网络对SRR天线封装小单元11600的天线馈电部11603进行馈电。阻抗系统可以选择为25Ω,以与传统50Ω带线相比减少进入带线的欧姆损耗。
在一些方面中,SRR天线封装小单元11600还包括部署在基板层(例如层11616-11622中的一个或多个)上的多个无谐振偶极11638。在一些方面中,无谐振偶极11638可以增加SRR天线封装小单元11600的金属密度,这也可以缓解翘曲(warpage)。附加地,无谐振偶极11638可以与SRR天线封装小单元11600的电场正交地部署在基板层11616-11622中的一个或多个上,以确保无谐振。
在一些方面中,RFIC 11602被配置为从环形谐振器11636和11634、天线馈电部11630以及阻抗变换器11640接收用于SRR天线封装小单元11600的RF信号。附加地,在一些方面中,RFIC 11602被配置为通过阻抗变换器11640、天线馈电部11630以及环形谐振器11634和11636从SRR天线封装小单元11600发送RF信号。在一些方面中,RFIC 11602通过倒装芯片附接方式而附接到SRR天线封装小单元11600,但各方面不限于此。RFIC 11602可以是(例如,无线通信设备内的)SRR天线封装小单元11600的部分,或可以与SRR天线封装小单元11600分离并且可操作地耦合到SRR天线封装小单元11600。此外,在特定方面中,RFIC11602可以可操作地耦合到控制和基带电路,以接收控制信号和基带信号,以用于处理从SRR天线封装小单元11600发送并且由SRR天线封装小单元11600接收的通信信号。
图115示出根据一些方面的构成示例性SRR天线封装小单元(例如11600)的层11500的集合。更具体地说,所示的基板层11502-11520对应于图116的基板层11604-11622。如图115中可见,共面环形谐振器11528定位在顶部基板层11520中,而单个环形谐振器11526定位在基板层11516中,形成堆叠式环形谐振器集合。单个环形谐振器11526包括天线端口11524,其耦合到位于基板层11510处的天线馈电部11522。
在一些方面中,SRR天线封装小单元11600还包括部署在基板层11514-11520上的多个无谐振偶极11530。与图116相似,无谐振偶极11530可以用以通过增加基板层11514-11520之间的金属密度缓解SRR天线封装小单元11600的翘曲。无谐振偶极11530可以与SRR天线封装小单元11600的电场正交地部署,以确保无谐振。
图117示出根据一些方面的可以用作用于图109的SRR天线封装小单元的馈线的多个带线的框图。参照图117,示出部署在地平面层之间的基板层M5(例如图115中的11510)的馈线的另一视图11700。更具体地说,层M5可以包括部署在地平面层M4(11508)与M6(11512)之间的多个带线(例如11702)。例如,图117示出地平面层之一(例如M4或11508)的金属化表面11708。带线11702位于非金属化面积11710内,并且可以受多个地过孔11704屏蔽。在一些方面中,每个带线11702可以是25Ω带线。即使标号11702仅连接到图117中的两个带线,图117所示的其余带线也通过标号11702指代(相似地,在图117中,11704指代所有所示地过孔,11706指代所有带线弯曲部,并且11710指代所有非金属化面积)。
SRR天线封装小单元11600的馈电网络可以是RFIC 11602与mmWave频率体制中的辐射元件(例如11634和11636)之间的损耗的源。在一些方面中,用于天线阵列(例如使用多个SRR天线封装小单元的图114所示的阵列)内的每个SRR天线封装小单元的每个25Ω带线11702可以是相同的长度,以对于阵列中的所有天线元件确保相同的插入相位。附加地,用于天线阵列内的每个SRR天线封装小单元的每个25Ω带线11702可以受地过孔11704屏蔽(例如,以防止出模(overmoding))。此外,用于天线阵列内的每个SRR天线封装小单元的每个25Ω带线11702可以在具有平滑弯曲部(例如,弯曲部11706不包括任何锐角弯曲部)的PCB封装上选路,以对于天线阵列的所有馈线确保关于频率的平坦插入相位响应。
RF通信系统时常利用半导体管芯上形成的子系统(例如压控振荡器(VCO)、功率放大器、收发机、调制解调器、天线子系统等)。应用于便携式设备的增加的数量的无线通信标准可能产生关于天线的主要设计挑战。天线表示可以在便携式设备中与其他组件根本地不同的组件的类别。例如,天线可以被配置为在自由空间中高效地进行辐射,而其他组件可以与它们的周围隔离。
操作在毫米波(mmWave)频率处(以用于高数据率短距离链路)的天线预期赢得流行性。可以包括合适的电路、逻辑、接口和/或码-波频率的操作处的通信系统的一个示例称为操作在60GHz频段处的无线吉比特联盟(WiGig)。此外,利用mmWave无线电系统旨在对于标准(例如5G蜂窝无线电)起到主要作用。典型地,这些短距离mm波无线电系统需要发射机与接收天线之间的无阻挡的视线(LOS)。针对LOS要求,发送和接收天线的定向可能需要它们的各个主瓣彼此面对,以用于最大无线电链路。用于移动设备(例如膝上型计算机、平板、智能电话等)的特定天线设计在覆盖方面受限,并且在mmWave操作频率处招致高损耗。附加地,可以包括合适的电路、逻辑、接口和/或码波通信系统可以时常使用天线系统内的波导。然而,使用可以包括合适的电路、逻辑、接口和/或码波信号的用于通信的波导与可能是昂贵的精准微加工组件关联。
本文所描述的波导结构可以包括于图3A所示的mmWave通信电路300的天线阵列电路330中,但波导结构不限于此。图118A示出根据一些方面的使用多个波导天线的示例移动设备。参照图118A,移动设备11800可以包括无线电前端模块(RFEM)11802,其可以用以经由波导11808以无线方式发送或接收信号。在一些方面中,波导11808可以用以在设备11800内部以及有向地在设备11800外部传递无线信号(例如毫米波无线电信号(例如WiGig或5G蜂窝信号))。如图118A中可见,四个分离的波导11808可以用作天线,在设备11800外部的不同天线瓣中转向信号。
图118B示出根据一些方面的具有波导过渡元件的示例性射频前端模块(RFEM)。参照图118B,RFEM 11802包括收发机子系统11804、过渡结构11806和波导11808。在一些方面中,无线信号可以经由过渡结构11806在收发机11804与波导11808之间传递。过渡结构11806可以用于在将无线信号传递出/入收发机11804的带线与波导11808之间进行过渡。
波导11808可以由涂敷有导电材料的低损耗塑料材料(例如金属涂敷的聚四氟乙烯材料或其他材料)制成。过渡结构11806可以使用具有接地连接器机壳内部的馈电探测器的微加工连接器或适配器。可以使用的信号馈电技术包括波导内部所放置的微带贴片天线的近场耦合。然而,归因于微加工连接器或适配器,过渡结构11806对于制造可能是昂贵的
在一些方面中,(本文参照图119A-图123所公开的)不同类型的波导过渡结构可以用于将无线信号(例如mmWave无线电信号)从PCB(或另一基板)上的传输线馈电到波导。过渡结构可以包括具有对多层PCB的平面式传输线的连接的馈电探测器(例如电或磁场馈电探测器)。波导过渡结构的较大部分可以包括PCB与波导之间的地连接以及可以通过贴装到PCB上的金属适配器实现的对波导的机械贴装和机械支撑。适配器可以要么焊接要么使用螺钉(如附图中可见)贴装到PCB。由于过渡结构的最小部分(例如馈电探测器)实现于PCB中,因此所提出的波导过渡结构设计可以无需利用对于机器将是困难并且昂贵的小的并且公差敏感的部分。
图119A和图119B示出根据一些方面的用于在PCB与波导天线之间进行过渡的波导结构的透视图。参照图119A,示出对于在PCB 11902与波导11906之间进行过渡所使用的适配器11904的分解图11900。PCB 11902可以包括地层11910A与11910B之间的多个层11908。传输线11918可以部署在PCB 11902的一个侧上(例如,层11910A上),并且可以用以在波导11906与收发机子系统(例如11804)之间传送毫米波无线信号。传输线11918可以是平面式传输线,其可以包括微带线路、带线或共面波导传输线。在一些方面中,传输线11918可以是地背面(ground-backed)共面波导(CPW)传输线。在一些方面中,传输线11918可以是非平面式类型的(例如同轴或另一波导)。附加地,传输线11918可以包括通过基板层11908的DL电层与地平面(例如层11910A)分离的导电组件。传输线11918可以包括用于将信号传递去往以及来自波导11906的馈电探测器(例如,如图120A-图120B所示)。
PCB 11902还包括切除部11912,其可以用于当经由适配器11904贴装PCB 11902和波导11906时容纳波导11906。适配器11904可以经由螺钉11914或经由其他部件贴装到PCB11902(例如,适配器11904可以经由其他部件胶合或附接到PCB 11902)。
波导11906可以由低损耗材料(例如聚四氟乙烯)制成,并且可以受金属化(或金属性)层11916覆盖。适配器11904可以由金属制造,从而当经由适配器11904耦合PCB 11902和波导11906时,金属化层11916可以耦合到PCB 11902的地层(例如11910A和11910B)。图119B示出PCB 11902、适配器11904和波导11906的组装图11920。
图120A、图120B和图120C示出根据一些方面的图119A-图119B的波导过渡结构的各种截面图。参照图120A,示出附接到PCB11902和波导11906的适配器11904的截面图12000。在一些方面中,PCB 11902可以包括形成地过孔围栏12010的多个过孔。地过孔围栏12010的至少一个部段可以耦合地平面层11910A和11910B。
图120B和图120C示出包括使用螺钉11914贴装到PCB11902和波导11906的适配器11904的波导结构的附加视图12002和12004。如视图12002中可见,适配器11904可以包括开孔12016,以用于当适配器11904贴装在PCB 11902上时容纳传输线11918。在一些方面中,PCB 11902可以还包括电镀通过PCB 11902和传输线11918以形成馈电探测器12012的一个或多个过孔。馈电探测器12012可以用于在馈线11918与波导11906之间传递无线信号。于此,传输线11918的地部段可以经由金属适配器11904和地过孔围栏12010耦合到波导的地部段(例如金属化层11916)(例如,电触点形成于地平面层11910A、11910B、地过孔围栏12010、金属适配器11904与波导11906的金属化层11916之间)。
在一些方面中,当PCB 11902和波导11906贴装到适配器11904时,PCB传输线到波导过渡适配器11904可以还包括PCB 11902的边缘(例如靠近馈电探测器12012的位置的PCB的边缘)与波导11906的边缘之间所形成的空气间隙12014。空气间隙12014可以具有可配置的维度(例如宽度、高度和/或深度),目的是阻抗匹配。
图121A、图121B和图121C示出根据一些方面的包括阻抗匹配空气腔体的图119A-图119B的波导过渡结构的各种透视图。参照图121A、图121B和图121C,示出包括PCB 11902、适配器11904和波导11906的波导过渡结构的附加视图12100、12102和12104。更具体地说,视图12102和12104示出空气间隙12014相对于地过孔围栏12010和馈电探测器12012的位置。
图122示出根据一些方面的当经由图119A-图119B的波导过渡结构贴装PCB和波导时的空气腔体的另一视图。参照图122,示图12200示出PCB 11902、空气间隙(或腔体)12014和聚四氟乙烯波导11906的相对介电常数(Er)。更具体地说,相对介电常数Er=1与空气间隙12014内的空气关联,并且相对介电常数Er=3与PCB11902和波导11906关联。如图122中可见,接口边界处(例如,PCB11902与空气间隙12014之间的边界和空气间隙12014与波导11906之间的边界处)的反射信号12202和12204可以看作两个信号波在PCB11902与波导11906之间传播的阻抗。因此,通过调整空气间隙12014的维度,阻抗可以变化,目的是阻抗匹配。
图123示出根据一些方面的与空气间隙宽度有关的反射系数值的仿真结果的图线表示。更具体地说,图线示图12300示出说明与空气间隙12014的宽度有关的反射系数S11的值的示例仿真结果。如图123中可见,空气间隙12014可以用于使用适配器11904优化过渡结构的阻抗匹配。在一些方面中,除了宽度之外的空气间隙维度或空气间隙形状可以变化,目的是阻抗匹配。
偏振多入多出(MIMO)天线结构和偏振分集规划为用于未来5GmmWave无线电系统的极度高数据率的关键促成因素之一。这样产生对于关于mmWave无线通信系统中的使用适当的双偏振式天线和天线阵列的需求。
先前解决方案包括具有复杂的或相对复杂的用于生成双偏振式辐射响应的馈电网络或天线图案形状的各种类型的平面式微带和印制偶极天线。为了对于5G和WIGIG偏振MIMO系统提供优化的或改进的特性,天线应展现具有信号馈电端口之间的高隔离度的近乎纯净的双偏振式响应。此外,天线应在大小方面是小的,易于集成到PCB/硅中并且可用作天线阵列中的单个天线元件。第二问题是防止PCB/基板集成天线中产生的有害的并且有损的基板波的激励。先前解决方案包括具有复杂的或相对复杂的用于生成双偏振式辐射响应的馈电网络或天线图案形状的各种类型的平面式微带和印制偶极天线。
根据一些方面,对于以上需求的一种解决方案是使用具有共享偶极臂的两个90度折叠式偶极天线。这些恰当地定位的偶极的天线结构产生正交偏振式天线配对。当偶极的信号馈电部良好地平衡时,在天线之间存在弱耦合。在天线结构集成到多层PCB或基板中的一方面中,可以实现上述天线。此外,可以通过对于所描述天线结构的平面式偶极臂条带和对于天线面积处的PCB介电体恰当地设计定位的PCB孔洞来防止或实质上降低基板波激励。在一些方面中,可以实现表4的仿真设计参数。
表4
下述天线结构提供对关于以上需求的当前已知的解决方案的改进,在于:共享天线臂使得能够通过非常紧凑的天线结构实现双偏振式响应,偶极的平衡性质提供天线之间的低相互耦合而没有额外努力和复杂度,并且双偏振式响应得以实现而无需复杂的馈电和阻抗匹配网络。所公开的天线结构的其他改进是:其非常易于集成到PCB或其他类型的多层基板。此外,将孔洞放置到天线的平面式部分的简单技术可以用于抑制有害的基板波。这些孔洞也减少天线结构内的介电体损耗。此外,所公开的天线结构易于用作紧凑天线阵列的构建块。本领域技术人员应理解,可以在一个或多个方面中实现前述改进,并且本文所描述的天线结构的各种方面可以取决于手边的设计问题而提供所有或一些前述改进。
图124示出根据一些方面的双偏振式天线结构。天线结构12400包括两个90度折叠式偶极天线12401、12403。天线结构12400可以包括于图3A所示的mmWave通信电路300的天线阵列电路330中,但波导结构不限于此。折叠式偶极12401包括平面式臂12402和垂直臂12410。折叠式偶极12403包括平面式臂12406和垂直臂12410。折叠式偶极12401、12403放置得侧接侧。侧接侧放置方式产生正交偏振式天线配对。
每个偶极12401、12403具有其自身的“天线臂”12410以及12404、12408处以标号示出的单独馈电部。天线臂12410对于两个偶极是共用的。换言之,根据一些方面,臂12410是两个折叠式偶极的共享天线臂。如图124所示,每个折叠式偶极将产生倾斜45度的线性偏振。侧接侧的两个这种偶极将产生正交偏振式天线配对,如以下附加地详细讨论的那样。此外,如果两个天线良好地平衡,则天线之间将存在非常少的耦合。
图125A至图125C示出根据一些方面的多层PCB上所实现的图124的双偏振式天线结构。在一方面中,所示偶极设计为操作在近似29GHz的频率处。在图125A至图125C中,PCB12503包括近似20x10mm的地平面,并且是天线结构12511集成到的部分。根据待讨论的方面,通过在长度方面近似2mm的平面式PCB铜条带实现图125C中枚举的但图125A至图125C中的每一个中示出对于每个天线特定的偶极臂12502、12506。通过PCB上贴装的近似2.5长垂直金属条实现与两个天线共享的垂直偶极臂12510。平面式偶极臂12502、12506上的PCB中的孔洞12507用于防止或减少有害的基板波的激励。PCB 12503和延伸部12509实体上是同一PCB。换言之,延伸部12509仅是PCB轮廓的形状。
图126示出根据一些方面的图125A至图125C所示的天线结构的仿真的S参数。使用CST MICROWAVE STUDIOTM(CSTTMMWSTM)电磁仿真软件(SW)对图125A的枚举为12511但在图125A至图125C中的每一个中示出的天线结构进行仿真。对于关于该特定方面所描述的仿真,该示例中的PCB 12503材料是FR4(εr=4.4),并且所有导体的材料是铜。仿真的S参数呈现于图126中。结果示出(例如图124的12401、12403标号的并且图125A至图125C中的12501、12503图示的)两个天线在29GHz频段处良好地阻抗匹配,并且天线之间的耦合是低的。
图127A和图127B示出根据一些方面的图125A至图125C所示的天线结构的仿真的远场辐射图案。根据一些方面,偶极的辐射通过比主偏振分量更低10至30dB的交叉偏振分量正交地偏振。在该PCB实现方式中,两个偶极12501、12503具有近似4dBi的最大方向性和近似3dBi的最大增益。仿真结果指示天线结构12511按意图的方式工作。
对不期望的和有害的表面或基板波模式的功率泄漏在mmWave电路中可能是问题。实际上,这说明RF功率泄漏到基板中,产生附加介电体损耗并且毁坏天线的辐射图案和偏振。在该天线结构12511中,通过在天线面积上将孔洞钻探到PCB防止或减少表面和基板波的激励。图128A示出根据一些方面的具有在偶极臂的平面式臂中钻探的表面波孔洞的图125A至图125C的天线结构的顶视图。图128B示出根据一些方面的另一配置中钻探的具有表面波孔洞的图125A至图125C的天线结构的顶视图。图128A示出孔洞(其之一枚举为12807并且在一些方面中在直径方面是0.2mm)以它们近似地位于电场最大值的面积处的这种方式定位到平面式偶极臂12802、12806的技术。
图128B示出替选实现方式,其中,在12812、12814、12816处离开天线的PCB中存在附加孔洞,以进一步抑制表面和基板波激励。在偶极结构中,电场最大位置典型地处于偶极臂的开端附近。然而,在该方面中,孔洞也放置到天线的其他较不关键的区域,因为这通常对于移除尽可能多的靠近天线的有损的材料通常是有益的。有损的材料包括基板,并且在一些方面中,基板是阻燃剂4(FR4)。
图129示出根据一些方面的双偏振式天线结构的替选实现方式。图130A示出根据一些方面的图129的天线的顶视图,而图130B和图130C是根据一些方面的图129的天线的透视图。在图129中,以分别用于每个天线的靠近地分离的单独偶极臂12906、12908替换图125A至图125C所示的公共偶极臂12510。如图125A至图125C中,每个天线包括单独馈电部12903、12905,并且产生倾斜45度的线性偏振。介电体基板13003可以是εr=4.3和损耗正切=0.02@29GHz的介电体。根据一些方面,图130A的天线包括双垂直元件13010、13011和平面式偶极臂13002、13006。两个平面式臂上的孔洞13015在一方面中有助于防止或减少PCB13003上的表面或基板波。附加孔洞13012、13014、13016可以如所指示的那样放置,以也有助于防止或减少速率表面或基板波。馈电部13005、13007可以连接到基板13003内的信号源(例如射频集成电路(RFIC))。典型地,将通过微带或带线传输线进行连接。归因于过孔可能产生的可能阻抗匹配问题,在mmWave电路中通常避免过孔。有时,可能需要使用过孔(例如,如果RFIC位于PCB的相对侧而非馈电部上)。所示维度用于仿真目的,但本领域技术人员应理解,根据手边的设计问题,可以使用其他维度。
图130B和图130C是根据一些方面的图129的天线的透视图。图130B的切去部示出13011处的两个垂直臂之一,而图130C示出两个垂直臂13010、13011。
图131A示出根据一些方面的关于图130A至图130C的天线结构的总辐射效率针对频率的仿真。在此所使用的术语“总辐射效率”表示天线所辐射的功率对于来自源(例如50欧姆信号生成器(例如RF收发机))的最大可用功率的比率(以dB为单位)。总辐射效率考虑阻抗失配损耗和天线结构中的损耗二者(在RF能量变为热量的情况下,介电体和欧姆损耗)。图131A绘制图130C的天线之一的效率(因为其具有对称的两个正交天线,所以这两个天线的效率将是相同的)。
图131B示出根据一些方面的图130A至图130C所示的类型的4x1天线阵列的顶视图。图131C是根据一些方面的图131B所示的类型的天线的4x1阵列的透视图。根据一些方面,4x1双偏振式天线阵列包括均为图130A至图130C所示的类型的四个双偏振式天线元件13121、13123、13125、13127。天线元件中的每一个包括两个垂直偶极臂13110、13111和两个平面式偶极(diode)臂13102、13106。阵列为了仿真的目的而是所指示的维度,并且经由结构13109附接到主PCB 13103。天线元件使得能够形成对于PCB 13103的边缘紧凑的天线阵列,这样使得其对于空间处于稀缺的移动无线电设备中的实现方式是有吸引力的。
图131D和图131E是根据一些方面的按0°定相的图131B和图131C的4x1天线阵列的所示仿真辐射图案13100D和13100E。图131F和图131G是根据一些方面的按120°定相的图131B和图131C的4x1天线阵列的所示仿真辐射图案13100F和13100G。每个仿真图案指示+45°阵列或-45°阵列,如仿真图案附图中所指示的那样。这些附图的结果来自图131C的结构,其中,“+45”指代分别对于其他偶极+45度倾斜偶极和-45度所形成的天线阵列。图131D和图131E用于以相同相位的输入信号激励所有单独天线馈电部的情况。图131F和图131G用于当每个馈电部的相位距其旁边的元件移动120度的情况。这样使得阵列的图案的主瓣距中心偏移。定相用以将天线主瓣转向到想要的方向上。
图132的图线示出根据一些方面的图132的天线阵列的邻近天线之间的最坏情况耦合的仿真。图132的天线阵列包括基板13203上的天线。天线开始于13209处,并且包括邻近天线13202。作为示例,仿真图线指示邻近天线(例如图132的13202处所指示的两个天线)之间的耦合。S44和S55是两个邻近天线13202的输入匹配(“回波损耗”),并且S45是这两个天线之间的耦合。从图案可见,根据一些方面,天线之间的耦合示出为在所有兴趣频率处小于-10dB,这对于MIMO性能是足够的隔离度。
图133示出根据一些方面的用于按0°度定向的图131B和图131C的4x1天线阵列的包络相关性。图133是图131B和图131C的两个天线阵列(“+45阵列”和“-45阵列”)之间的仿真的包络相关性。包络相关性用以量化两个天线之间的相关性。如果包络相关性是1,则两个天线接收确切相同的信号,并且因此对于MIMO或分集接收是无用的。在理想情况下,包络相关性将是零。通常,小于0.4的包络相关性认为对于MIMO性能是非常良好的。
图134示出根据一些方面的用于下述极型(polar)仿真辐射图案的坐标系。
当前已经建议用于WiGig子系统的两种实现方式,即嵌入式管芯无线电子系统和叠层封装无线电子系统。在一些方面中,管芯可以是硅收发机,并且可以连接到天线。在嵌入式管芯实现方式中,存在在一些方面中无线电系统的主基板的内部嵌入有的管芯和主基板之上的表面贴装器件(其具有覆盖二者的保形屏蔽)。在一些情况下,在屏蔽之下存在选择性模具。此外,天线可以提供于主基板的底部侧上,并且天线连接器可以提供于屏蔽体附近。这样具有小XY形数的优点,但具有辐射仅来自底部侧处的天线的缺点。
第二实现方式包括叠层封装无线电子系统,其具有管芯和放置在主基板的顶部侧中的表面贴装器件(其可以由具有用于表面贴装器件和用于管芯的腔体的另一基板覆盖)。在一些实现方式中,天线可以放置在顶部和底部侧上、主基板之下以及叠层封装子系统之上。再次,在主基板上的叠层封装模块附近可以存在信号连接器。该实现方式具有存在来自封装的两个侧的辐射的优点,但存在这样的缺点:存在大的XY形数,这可能归因于长馈线而导致功率损耗。
在本文所公开的方面中,可以描述给定数量的元件(例如天线或其他组件)。本领域技术人员应理解,所描述的数量的天线和其他组件用于说明,并且其他数量的天线和其他组件可以关于手边的解决方案而根据需要而在其他方面中被配置。
图135示出根据一些方面的具有嵌入在主基板内部的管芯和主基板之上的受屏蔽表面贴装器件的无线电子系统封装。本文所描述的无线电系统封装可以包括于图3A所示的mmWave通信电路300的RF电路325和天线阵列电路330中,但无线电系统封装不限于此。
图135中示出无线电子系统13500。子系统的主基板见于13502处。连接到主基板的是用于针对射频干扰(RFI)和电磁干扰(EMI)进行屏蔽的机械屏蔽体13516。在屏蔽体的内部13518中的是表面贴装器件,其可以是电感器、电阻器、电容器等。管芯13504嵌入在主基板13502内,而天线13506、13508、13510、13512和天线连接器13520附接到主基板并且连接到管芯13504。在一些方面中,天线在主基板的底部上被配置有其他天线,以形成天线阵列。通常,因为天线不能辐射通过屏蔽体,所以天线不放置在该面积中。因此,虽然XY形数在一些实现方式中可以是小的,但存在仅来自实现方式的底部的辐射。
图136示出根据一些方面的具有副基板中的腔体内的主基板之上放置的管芯和表面贴装器件的无线电子系统。图136中示出无线电子系统13600。子系统包括主基板13602,其在其底部处具有天线13606、13608、13610、13612,天线13606、13608、13610、13612在一些方面中在主基板的底部处与其他天线被配置在一个或多个天线阵列中。管芯和表面贴装器件(未示出)可以被配置在副基板13604内。天线13614、13616可以与其他阵列被配置在副基板13604的顶部表面上作为天线阵列。连接器13618得以提供,并且在一些方面中连接到管芯,以提供待辐射的无线电信号。前述情况的结果是叠层封装无线电子系统。如上所述,虽然存在来自两个侧的辐射,但叠层封装配置在一些情况下具有带有大XY形数的缺点,这样可能占用比该实现方式可以寻求使用的移动设备中可用的更多的空间。
图137示出根据一些方面的具有嵌入在主基板内部的管芯和副基板中的腔体内的主基板之上放置的表面贴装器件的无线电系统封装。根据一些方面,无线电封装13700是组合的嵌入式管芯和叠层封装子系统。根据一些方面,封装包括第一或主基板13702,其附接到第二或副基板13713。在待讨论的方面中,管芯13704嵌入在主基板13702内。在隐藏视图中示出腔体13717。根据一些方面,表面贴装器件(例如天线13718和分立设备13720)(并且其中的每一个可以存在多个,天线单独地被配置或被配置在一个或多个阵列中)焊接或另外连接到主基板,并且由腔体13717覆盖或另外坐落在腔体13717内。根据一些方面,可以包括单独地被配置或被配置在一个或多个天线阵列中的天线的一些表面贴装器件位于副基板中的腔体13717内。根据一些方面,天线13706、13708、13710、13712贴装在主基板13702的底部处。如以下附加附图中可见,天线在一些方面中可以与其他天线被配置作为一个或多个天线阵列。在一些方面中,可以提供连接器13720,以将无线电信号提供给管芯13704。在其他方面中,柔性互连部可以将第一基板或第二基板连接到整个系统中的一个或多个第三基板、封装或板。根据一些方面,具有嵌入式管芯13704的主基板13702和具有包括贴装在副基板13713的腔体内的天线的表面贴装器件的所附接的副基板包括嵌入式管芯加上叠层封装组合。此外,在一些方面中,除了顶部和底部之外,天线和/或天线阵列还可以放置在主基板或副基板或二者的侧上,以在侧方向上提供辐射。在一些方面中,这些设备可以操作在端射模式下。
图138A是根据一些方面的具有嵌入在主基板内部的管芯和副基板中的腔体内的主基板之上放置的表面贴装器件的无线电系统封装的透视剖视图。组合的嵌入式管芯/叠层封装组合13800包括嵌入在主基板13802中的管芯13804和具有表面贴装器件13818(其在一些方面中可以是副基板13813中的腔体13817内的天线和天线阵列)的副管芯13813。根据一些方面,例如13820处的腔体13817内的所示表面贴装器件中的一些可以是可能需要的分立电路组件。在主基板13802的底部处是以上所讨论的配置中的天线13806、13808、13810、13812。根据一些方面,在副基板13813的顶部处是以上所讨论的要么单个地要么成天线阵列地贴装的天线13814A、13814B、13816A、13816B。
图138B是根据一些方面的示出主基板的底部侧的图138A的无线电系统的透视图。组合的嵌入式管芯/叠层封装组合13801包括嵌入在主基板13802中的管芯(未示出)和具有表面贴装器件13818、13820(其可以在一些方面中包括贴装在副基板13813中的腔体13817内的天线13818或天线阵列)的副基板13813。根据一些方面,腔体13817内的所示表面贴装器件中的一些可以是可能需要的分立电路组件13820。在主基板13802的底部处是以上所讨论的配置中的天线13806、13808、13810、13812。根据一些方面,在副基板13813的顶部处是要么单个地要么成天线阵列地贴装的天线13814A、13814B、13816A、13816B。
图139是根据一些方面的示出副基板的内部的图138A的无线电系统的透视图。在一些方面中,嵌入式管芯/叠层封装组合13900包括嵌入在主基板13902中的管芯13904和具有表面贴装器件(例如13918)的副基板13913。管芯13904可以通过焊接触点13925连接到基板13902。根据一些方面,表面贴装器件(例如13918)可以包括贴装在副基板13913中的腔体13917内的天线或天线阵列。根据一些方面,腔体13917内的所示表面贴装器件中的一些可以是可能需要的分立电路组件13920。在主基板13902的底部处是以上所讨论的配置中的天线13906、13908、13910、13912。根据一些方面,在副基板13913的顶部处可见要么单个地要么成天线阵列地贴装的天线13914A、13916A。作为用于管芯13910的无线电信号的源,在一些方面中,可以提供连接器13922。
图140A是根据一些方面的示出用于机械连接和/或电连接的焊接触点的图138A的无线电系统的局部透视顶视图。在一些方面中,管芯(未示出)可以嵌入在主基板14002内。根据一些方面,上述类型的表面贴装器件14018、14020示出为连接到主基板14002。在一些方面中,在以上附图中的一些中所示的具有腔体的副基板将覆盖表面贴装器件。在一些方面中,焊接触点(其中的一些枚举为14022、14024和14026、14028)用以连接到副基板,如以下将附加地详细讨论的那样。在一些方面中,可以提供连接器14020。
图140B是根据一些方面的示出被配置在副基板上的焊接触点以匹配图140A的焊接触点的图138A的无线电系统的局部透视图。在一些方面中,通常在14000处所示的顶部副基板14013包括上述类型的腔体14017。焊接元件(其中的一些枚举为14022A、14024A和14026A、14028A)被配置在副基板14013上,以匹配图140A所示的焊料组件,并且当焊接连接部的两个集合受回流时,提供可以用于两个基板之间的机械连接并且在一些方面中同样用于电连接的焊接连接部。虽然本文示出2x2元件阵列和2x4元件阵列,但本领域技术人员应理解,根据期望的解决方案,NxM元件阵列可以被配置在主基板和/或副基板的顶部、底部或侧上。在一些方面中,当天线阵列位于主基板和/或副基板的顶部、底部上并且沿着其侧时,并且辐射方向可以取决于天线发射和天线极性的算法控制而在任何数量的方向上受控。
因为对于天线的边射操作的需求,并且还因为这些天线可以寻求使用的移动设备内的非常有限的空间,所以期望寻找非常小的、操作在5GmmWave频率处的并且比更高端多层堆高天线占用更少的空间而且对于制造而花费更少的成本的边射天线选项。一种解决方案是,小的表面组件可以焊接或另外附接到主PCB的边缘,以用于用户移动设备中的使用。可以通过切割连接到主PCB地以类似于波导而运作的一般可见于具有中心过孔和部分地电镀的侧壁的移动设备中的一件低成本PCB(如以下所讨论的表6中)实现该解决方案。表面组件的未电镀部分是延伸式介电体材料,其提供从波导到空气的阻抗变换。延伸式介电体材料的长度可以充当用于阻抗匹配和波束赋形的调谐柄,以实现给定设计中所期望的目标。已经发现,该表面组件可以实现在28GHz处近似30%并且具有与规则单极天线相比更有向的波束的相当宽的带宽,并且也可以用于双偏振操作。在一些方面中,可以实现表5的仿真的设计参数。
表5
图141A示出根据一方面的包括附接到PCB的表面组件的单元件边射天线。单元件边射天线可以包括于图3A所示的mmWave通信电路300的天线阵列电路330中,但单元件边射天线不限于此。
表面组件14101焊接或另外附接到可以是移动设备的主PCB的主PCB 14103。表面组件的元件如以下所讨论的那样受电镀,并且在附图中是所指示的维度,并且单极天线处于14105处的表面组件内。单极天线14105可以由6mm微带馈电部14107从PCB的底部馈电,其中,其可以附接到信号源(例如射频集成电路(RFIC))。单极天线14105可以是附接到馈线14107的小的PCB 14101内的过孔。表面组件运作为类似波导的封盖,并且使得从单极辐射的波束与规则单极的波束是相比相当更有向的。延伸式介电体14109可以视为将包括天线14105的表面贴装电镀的表面元件14101延伸到空中。延伸式介电体14109提供从波导中的单极到自由空中的逐渐阻抗过渡。介电体长度可以充当调谐柄(长度是关于期望的设计而对于阻抗要求所确定的),并且有助于与对于空中是开端的规则波导天线相比提供宽带宽。此外,因为延伸式介电体在长度方面仅为几毫米,所以该边射天线可以放置在空间处于稀缺的移动设备的PCB的边缘上。
图141B示出根据一方面的图141A的单元件天线结构的电镀和材料细节。例如,电镀在表面组件(其可以是Isola FR408HR材料)的5个侧上的铜可以是30微米铜,并且延伸式介电体部分可以是未电镀的。换言之,可以通过单个小件的PCB而无需组合来实现天线元件,这样降低用于大规模制造的成本。示例金属和介电体可见于表6中,其中,金属电导率以西门子每米为单位测量,并且在该方面中是铜电导率。该方面中所使用的用于材料的介电常数εr和损耗正切也可见于表6中。所指示的金属是常规地使用的廉价PCB,从表6可见。附加地,延伸式介电体材料是同一表面组件的未电镀部段。用于实现天线的一种方式是通过切割小件的规则PCB(具有内建过孔/单极)并且电镀表面的部分,而非制成两个组件(波导+延伸式介电体)并且将它们附接在一起。这是各方面是低成本的并且易于制造的原因之一。
表6
图141C示出根据一方面的图141A和图141B所示的单元件天线的端视图。在该方面中在给定维度处可见单极天线14105,并且以特定厚度(在此,32微米)示出PCB顶部层。本领域技术人员应理解,仅对于一些方面使用所陈述的各个维度和金属以及各个介电体,并且取决于手边的特定设计可以使用其他这样的材料。在一些方面中,可以通过附接到馈线14107的过孔形成单极天线14105。
图141D示出根据一方面的包括均具有半波长(λ/2)的分离度的图141A和图141B所示的类型的四个天线元件的天线元件阵列。在该方面中,每个天线元件与图141A至图141C的天线元件关于维度、材料和其他参数是相同的,并且阵列被配置为以相同偏振发射。
图142示出根据一方面的关于延伸式介电体的两个不同长度的图141A和图141B所示的天线的带宽。曲线14201示出用于3.5mm的延伸式介电体的在所指示的频率范围上的仿真带宽。曲线14203指示用于5mm的延伸式介电体的在所指示的频率范围上的带宽。在此,S11用以测量负10dB点处的带宽,如关于输入阻抗匹配通常所进行的那样。针对具有所包括的6mm馈线的方面仿真图142的曲线。仿真指示3.5mm长度的较短延伸式介电体具有比针对5mm长度的较长延伸式介电体的方面更好的带宽。可见,关于曲线14201的带宽从近似23GHz到近似34GHz。然而,以下仿真曲线中所示的增益将指示关于延伸式介电体的两种大小的带宽和增益存在折衷。
图143示出根据一方面的图141A和图141B所示的天线的频率范围上的总效率。该图线测量天线结构在辐射功率方面的效率。最佳效率通常是0dB,而负数dB测量指示天线结构的损耗并且因此频率范围上的更低效率。仿真结果在图143中可见于关于3.5mm长度的延伸式介电体的14301处和关于5mm长度的延伸式介电体的14303处。从图线可见,用于延伸式介电体的两个长度的交叉点近似处于28.2GHz处,从而在该所示天线结构中,3.5mm的较短的长度延伸式介电体具有27GHz与28.2GHz之间的更好的(但降低的)效率。超越点14305,图线14303所示的5mm的延伸式介电体于是具有28.2GHz与29.5GHz之间的更好的效率。图示的点是因为不同长度的延伸式介电体可以在不同频率处提供不同效率,所以调谐长度可以对于给定的期望解决方案用作参数之一。
图144示出根据一方面的大于图143的频率范围的频率范围上的图141A和图141B所示的天线的总效率。图144的更宽的频率范围是总体性能的更好的指标。图线14401用于3.5mm长度的延伸式介电体,并且图线14403用于5mm长度的延伸式介电体。用于28.2GHz处的总效率的交叉点14405与图143上的交叉点14305是相同的。图144示出在图线14401保持相对恒定的效率并且实际上增加频率范围的部分上的效率的同时在点图线14403开始非常快速地损失效率的近似30.3GHz的较高频率处的第二交叉点14407。因此,可见,用于待讨论的天线结构的总效率取决于我们正调查的特定频率范围。图144是指示3.5mm的延伸式介电体长度的图线14401具有比用于5mm的延伸式介电体的图线14403更好的带宽的事实的甚至更好的说明。这是从图142得出的结论的确证。
图145示出根据一方面的用于图141A和图141B所示的天线的频率范围上的最大已实现增益。当用在该上下文中时,最大已实现增益表示不仅因为天线结构自身而且还因为考虑对天线的输入处的阻抗失配的仿真的增益所以在主(最大)辐射方向上实现的仿真增益。例如,仿真的最大已实现增益考虑6mm馈线,不仅产生理论增益而且产生归因于理论增益和与真实天线竞争的其他因素的实际增益。示出仿真的参量的其他附图类似地考虑6mm馈线。图线14501示出用于3.5mm长度的延伸式介电体的频率范围上的最大已实现增益,并且图线14503示出用于5mm的延伸式介电体的所指示的频率上的最大已实现增益。从两个图线可见,即使3.5mm长度的延伸式介电体可以具有如图142中可见的更宽的带宽,较长的延伸式介电体(即14503)也具有图145中所指示的频率范围上的更好的最大已实现增益。
图146示出根据一方面的用于图141A和图141B所示的天线的另一频率范围上的最大已实现增益。图145的频率范围是图146的频率范围的子集。当在从24GHz到34GHz的图146的更宽的频率范围上观看时,可见图线14601所示的具有5mm长度的延伸式介电体的天线结构的最大已实现增益一致地并且增加性地比图线14603所示的具有3.5mm长度的延伸式介电体的天线结构的最大已实现增益更大。因此,虽然图142示出具有较短长度延伸式介电体的天线结构具有更宽的-10dB带宽。图146示出具有较长长度延伸式介电体的天线结构具有更大的最大已实现增益。
图147示出根据一方面的图141D所示的天线阵列的两个邻近天线元件之间的隔离度。在所示频率范围上,可见示出均具有5mm长度的延伸式介电体的邻近元件之间的隔离度的图线14703优于可见于图线14701的具有3.5mm长度的延伸式介电体的阵列的两个邻近元件之间的隔离度。更负的dB表示邻近元件之间的更低的耦合等级并且因此更好的隔离。当一起浏览图142至图147时,显然设计者具有取决于关于任何特定设计的期望解决方案而对于延伸式介电体的长度作出的很多折衷。该附图集合示出可以如何实现延伸式介电体长度调谐,换言之,对于所示的方面,是使用3.5mm长度延伸式介电体还是5mm长度延伸式介电体。本领域技术人员应理解,在这些图线中已经仿真仅两个延伸式介电体长度(即3.5mm和5mm),但对于给定的设计可以按需仿真并且使用其他维度的延伸式介电体长度。
图148A示出根据一方面的用于图141A和图141B所示的天线元件的28.25GHz处的三维辐射图案。图148B示出根据一方面的用于图141A和图141B所示的天线元件的28.25GHz处的三维辐射图案。该方面用于单个天线元件,但具有不同的延伸式介电体长度。在这两个附图中,因为关于边射操作而实现待讨论的天线方面,所以辐射的主方向是朝向PCB的边缘。如两个附图中可见,用于图148A和图148B中的每一个的以dB为单位的最大已实现增益分别是3.93dB和5.17dB。方向可见于事实:图148A和图148B中的每一个中的阴影化解答为每个辐射图案旁边的垂直已实现增益表。关于待讨论的方面中的天线元件,如果我们沿着Z-X平面进行图148A或图148B的辐射图案的切割,则我们将看见E平面的辐射图案,而如果我们沿着图148A或图148B的X-Y平面进行切割,则我们将看见用于H平面的辐射图案。
图148C示出根据一方面的用于图141D所示的4元件阵列的28.25GHz处的三维辐射图案,其中,每个天线元件具有第一延伸式介电体长度。图148D示出根据一方面的用于图141D所示的4元件阵列的28.25GHz处的三维辐射图案,其中,每个天线元件具有第二延伸式介电体长度。可以如相对于E平面和H平面切割而关于图148A和图148B进行的那样关于图148C和图148D进行相似评注,但关于每个延伸式介电体长度的增益不同,通过解答为每个辐射图案旁边的已实现增益表的天线图案可见。注意,已实现增益是1.05E+01,表示1.05x10^1=10.5dB。7.65E+00表示7.65x10^0=7.65dB。再次,这示出具有5mm介电体的阵列实现更高的增益(更集中的波束/能量)。
图149示出根据一方面的用于图141A和图141B所示的天线元件的给定频率处的E平面辐射图案。在图149中,辐射图案14901示出用于3.5mm长度的延伸式介电体的辐射图案,并且辐射图案14903示出用于5mm长度的延伸式介电体的辐射图案。从图149可见,用于3.5mm长度的延伸式介电体的辐射图案14901具有比14903处所指示的具有5mm长度的延伸式介电体的元件更小的增益。
图150示出根据一方面的用于图141A和图141B所示的天线的给定频率处的E平面交叉偏振辐射图案。返回参照图148A和图148B,如果我们本来在Z-X平面处进行切割,则切割等同于将固定在零度处,产生例如图149中的E平面的视图。给定天线被配置用于边射操作,对于待讨论的类型的具有相对于发送天线的共面偏振(例如实质上与发送天线相同的偏振)的接收天线,在作为移动设备的边缘方向的主方向上将测量出比3dB更好的发送天线的增益。另一方面,如果接收天线与待讨论的类型的发送天线处于交叉偏振(例如与发送天线实质上正交的偏振),对于图150的辐射图案情况如此,则将测量出非常少的发送天线的增益,即主方向上的大约-37dB的最大值。
图151示出根据一方面的用于图141A和图141B所示的天线的H平面共面偏振辐射图案。返回参照图148A和图148B,如果我们本来在图148A或图148B的X-Y平面处进行切割,则切割等同于将固定在九十度处,产生H平面的视图。对于待讨论的类型的具有相对于发送天线的共面偏振的接收天线,如图151中,在图151的主方向上将测量出比3dB更好的或增益。
图152示出根据一方面的用于图141A和图141B所示的天线的给定频率处的H平面交叉偏振辐射图案。该辐射图案用于处于与待讨论的类型的发送天线的交叉偏振的接收天线。再次,因为交叉偏振所以测量出非常小的所发送的增益,例如主方向上的近似-35dB。
图153A示出根据一方面的用于实现与图141A和图141B所示的单个偏振天线相似的天线元件的替选构思。可以是天线的上部分和天线的下部分的包括电镀部段15301和未电镀部段15309的表面组件与主PCB 15303融合。根据该方面,标号15304示出切割为配合波导形状的主PCB 15303的扩展式介电体部分,标号15305是小表面组件PCB内部的过孔所形成的单极。天线结构与主PCB的融合部分降低主PCB 15303的表面之上的总高度,这在特定紧凑应用中可能是关键的。由于现在电磁波的部分行进通过主PCB 15303,因此主PCB15303的介电体材料预期具有与小表面组件PCB的介电损耗相似的介电损耗。换言之,天线的部分处于主PCB 15303的表面之下,以减少高度。主PCB 15303具有与表面组件的介电体材料相似的介电体材料。二者组合(在一些方面中,焊接)在一起,以形成波导结构。
例如,在一些方面中,表面组件PCB和主PCB的介电体材料可以具有10GHz的频率处的4.6的εr和10GHz的频率处的TanD=0.004的损耗正切。具有这些参数的PCB是普遍使用的PCB。使得主PCB部分成为波导组件将也使得水平馈电成为可能,这样可以提供双偏振,如以下所探讨的那样。虽然前述参数的PCB用于该特定方面的仿真,但取决于特定设计的要求,可以使用具有与所讨论的参数不同的参数的PCB。
图153B示出根据一方面的具有更厚的主PCB 15303的图153A所示的天线元件,并且附加细节示出垂直馈电端口和水平馈电端口。根据一些方面,每个具有连接到RFIC的馈电迹线。如果给定水平单极处于波导的高度的一半,主PCB 15303的厚度处于波导高度的至少一半,则水平微带15312能够在中点处对水平单极15307进行馈电。微带可以从主PCB的底部侧对垂直单极15305进行馈电(未示出)。垂直和水平单极彼此是正交的,以提供以下附加地详细讨论的双偏振。由于波导的部分在该方面中处于主PCB中,因此在主PCB内部应存在垂直金属壁。可以通过以下也讨论的密集垂直过孔实现该目的。在图141A和图141B中,PCB切割为小件,以成为表面组件天线。根据一些方面,在此情况下,不存在关于主PCB的切割。
图154A示出根据一些方面的作为夹心结构的图141A和图141B的表面组件。夹心结构的表面组件见于15401和15401'处。表面组件15401处于主PCB 15403的顶部上,并且表面组件15401'处于主PCB 15403的底部上。
图154B附加地详细示出根据一方面的图154A所示的天线元件。主PCB内部的馈带线15407连接到表面组件15401中的单极15405。在此情况下,由于主PCB处于夹心波导结构的中间,因此15407不再能够从天线结构的底部进行馈电。根据一些方面,其需要如所示从波导的端部进行馈电。这样可能影响增益和匹配,如以上关于已实现增益所讨论的那样。延伸式介电体15409是表面组件15401的未电镀部段。
图155A是根据一方面的在将小表面组件和主PCB焊接在一起之后的图153B的双偏振天线的透视图。波导15501的部分通过扩展式介电体15509与主PCB 15503融合。指示双偏振天线的特定方面的维度。主PCB上的水平微带15512延伸到波导中,并且充当水平单极。过孔15514用以连接主PCB的顶部和第二地金属层。图155B示出根据一方面的包括用于垂直单极15505的主PCB的底部侧上的波导的内部维度和微带馈线15511的图155A的透明视图。在仿真中,通过理想(实心)金属近似主PCB的表面之下的波导的垂直地壁的部分。实际上,可以通过密集地过孔实现该目的。
图155C是根据一方面的图155A和图155B的双偏振天线的前视图。前视图是看入图155A或图155B的扩展式介电体15509中。根据一些方面,关于天线15505看见维度。15515是充当水平单极的水平微带的延伸式部段,并且15505是该方面中的垂直单极。
图155D是根据一方面的图155A和图155B的双偏振天线的侧视图。在该视图中,由于垂直单极受波导的垂直地壁阻挡,并且水平单极也受主PCB的顶部金属层阻挡,因此不能看见垂直单极。15516示出水平微带馈电部15514进入的波导垂直地壁上的开孔。15511是用于垂直单极的微带馈电部。在一些方面中,开孔15516可以是矩形的。
图156A是根据一方面的用于图155A的天线的水平馈电(15603)和垂直馈电(15601)二者的回波损耗(S11)曲线的图线。垂直和水平馈电(偏振)二者实现从27GHz到34GHz的宽带输入阻抗匹配(S11<-10dB),覆盖28GHz周围的潜在5G频段。曲线15701所示的用于垂直馈电的优化阻抗匹配显现在29.8GHz处,而用于水平馈电的优化点显现在30.2至30.4GHz处。
图156B和图156C示出根据一方面的用于图155A的天线的垂直馈电和水平馈电的28GHz处的仿真3D已实现增益图案。这两个附图示出用于每个馈电(偏振)的最大已实现增益是相似的,其中,5.2dB的最大已实现增益用于垂直馈电,并且4.7dB的最大已实现增益用于水平馈电。
图157A示出根据一方面的用于所指示的频率范围的仿真垂直馈电E平面图案扫描。其示出在频率范围上的1.1dB的增益变化(27GHz处的4.7dB和29.6GHz处的5.8)。图157B示出根据一方面的用于所指示的频率范围的仿真水平馈电H平面图案扫描。其也指示在频率范围上的1dB左右的增益变化(27GHz处的3dB和29.6GHz处的4dB)。
图158示出根据一方面的按三个phi设置的关于图155A的天线的水平馈电E平面图案的已实现增益。图案15801示出关于设置在60度的phi的增益,图案15803示出关于设置在90度的phi的增益,并且图案15805示出关于设置在120度的phi的增益。结果示出水平偏振图案在距宽边(90度)的左边和右边30度左右处实现较高增益。
偏振分集是有助于改进信号质量和可靠性并且协助缓解多径干扰和衰落的天线分集技术之一。偏振分集通常无需任何额外带宽和/或天线之间的物理分离度,并且对于实现方式可以使用仅一个双偏振式天线。遗憾的是,双偏振式天线遭受其两个端口之间的交叉耦合。为了指定该天线有多良好地分离其两个偏振,通常使用术语天线端口到端口隔离度、交叉偏振和偏振隔离度。分集增益取决于天线中的交叉耦合,指示交叉偏振实际上对于良好运作的偏振分集方案是重要的。例如,一个双偏振式天线上的两个激励端口应彼此隔离,从而配对的互补偏振式天线可以增强对任何失配的偏振所产生的干扰的免疫性。
图159A示出根据一些方面的具有正交的垂直和水平激励的天线元件。本文所描述的天线元件可以包括于图3A所示的mmWave通信电路300的天线阵列电路330中,但天线元件不限于此。图159B示出根据一些方面的具有+45度和-45度激励的天线元件。图159A和图159B中示出使用贴片元件15901、15903的两个主双偏振式天线结构15900、15902。
偏振分集技术可以利用如图159A所示的天线元件15901的15907、15909和图159B所示的天线元件15903的15908、15910的两个正交激励方案。
在图159A中,两个端口15907、15909正交地放置,从而每个端口分别表示垂直偏振(V偏振)和水平偏振(H偏振)。在图159B中,两个激励端口15908、15910按±45度倾斜式激励而放置。偏振可以由图159B中的两个端口中的激励信号之间的相位关系确定。
图159A所示的第一方法基于事实:两个正交偏振是不相关的。因此,两个正交地对准的天线元件可以实现彼此之间的偏振隔离度。图159B所示的另一方法通过±45度倾斜式天线激励元件上的相位关系利用信号对消机制。图160A示出根据一些方面的使用零度相位差处理以确定V偏振,并且图160B示出根据一些方面的使用一百八十度处理以确定H偏振。这两个附图表示±45度倾斜式激励。
图160A示出对于两个端口可以通过同相激励实现垂直偏振16013。在此情况下,16009、16011处的水平偏振变为反相信号。因此,根据一些方面,其被抵消并且产生垂直偏振式辐射16013。
图160B示出可以通过两个端口之间的180度相位差实现水平偏振。在此情况下,垂直偏振16019、16021是反相信号,并且相消。因此,根据一些方面,这样产生水平偏振式辐射16027。
以上两种方法具有不同问题。对于图159A所示的第一种方法,该类型的天线归因于激励端口或元件15907、15909的放置而实现偏振隔离度。
图161A示出根据一些方面的具有垂直和水平激励端口的图159A的天线元件。在图161A中,激励端口16107、16109中的每一个正交地放置,并且分别表示垂直偏振和水平偏振。在图161A中,16100示出层叠型结构16101上的天线16103。图161B示出根据一些方面的共面偏振和交叉偏振的仿真辐射图案。
在图161B中,顶部轨迹16121示出共面偏振,并且底部轨迹16123示出交叉偏振。共面偏振与交叉偏振之间的差是偏振隔离度,并且在该仿真情况下,获得近似23.86dB的隔离度(例如零度处的点m1与点m2之间的以dB为单位的差)。出于偏振分集的缘故,期望具有更高的偏振隔离度,从而可以获得更好的辐射信号质量,以用于每个偏振。由于每个端口16107、16109分别表示每个偏振,因此端口到端口隔离度与偏振隔离度成比例。因此,归因于有限的端口到端口隔离度,在该类型的天线的情况下,偏振隔离度容易降级。
如图161B中可见,归因于有限的端口到端口隔离度,进入其他偏振端口的不想要的耦合信号在该天线结构中产生高交叉偏振等级。
另一方面,图159B所示的天线结构需要关于两个端口的实质上同时激励,并且偏振取决于激励信号的相位,如上所述。该类型的天线结构15905具有对端口到端口信号耦合的免疫力,并且因此产生更高的偏振隔离度。然而,归因于对于同时激励条件的需求,该配置具有其自身的问题。
因为这个原因,所以该天线在一些方面中需要180度混合耦合器(例如rat-race环),以隔离两个偏振,目的是偏振分集。由于rat-race环和其他混合体的大小是相对大的,因此其增加天线元件的大小和信号馈线的复杂度,并且可能同样增加信号损耗。这在生成具有期望的元件到元件间隔的大天线阵列方面提出挑战。
图162A示出根据一些方面的使用正交地激励的天线元件的4x4阵列示意图。天线阵列16200示出为处于基板16201上。该双偏振式天线阵列方面也具有短处。元件16203、16205、16207、16209枚举为4x4阵列的四个天线元件的示例。端口P11和P12分别表示水平极性激励端口和垂直激励端口。
端口P13、P14、端口P15、P16和端口P17、P18分别表示成对的水平偏振和垂直偏振激励端口。按照设置阵列的以上四个天线元件来设置4x4阵列的其余部分。
图162B示出根据一些方面的用于具有双偏振式天线元件的图162A的4x4阵列的仿真辐射图案。根据一些方面,图线16221示出共面偏振,并且图线16223示出交叉偏振。
图162C示出根据一些方面的在双偏振式天线阵列的情况下的+45度扫描角度处的仿真辐射图案。基于仿真结果,该阵列天线实现如图162B所示的仅近似23dB的偏振隔离度,如点m1与点m2之间的差所示,其可能在更高的扫描角度进一步降级,如图162C所示。
162C示出降级,并且与之比较,显然更高的扫描角度将具有更多降级。此外,附图的仿真结果图线指示在+45度扫描角度处仅可以实现19.6dB的偏振隔离度,如图162C中的点m1与点m2之间的差所示。由于交叉偏振在相控阵列系统中变为有挑战性的,因此在理想波束赋形中,期望改进的MIMO应用或最高可能的偏振隔离度。
根据一些方面,与传统正交双偏振式天线相比,所提出的如下所述的用于信号相消的天线配置使得交叉偏振抑制成为可能。对于该阵列的单个天线元件,所提出的天线拓扑已经仿真并且示出比其传统对等拓扑更多11dB的交叉偏振抑制。对于4x4阵列,新拓扑仿真并且指示与使用天线元件的4x4阵列相比的38dB的增强的交叉偏振抑制。
仿真已经示出交叉偏振性能在传统相控阵列系统中在更高的扫描角度处可能进一步降级(例如,在没有所公开的抑制技术的情况下)。然而,所公开的天线阵列方案甚至在更高的扫描角度处保持交叉偏振抑制,产生无线通信系统中的更好的信号质量,这对于上行链路传输是尤其重要的。也与±45度倾斜式天线相比,这些提出的方法可以避免使用庞大的180度混合体或rat-race耦合器,并且因此产生减少信号馈电网络的复杂度。由于通过以下结合图163A、图163B和图163C的天线元件示出并且讨论的所提出的4端口方法实现交叉偏振抑制,因此简单并且紧凑的信号分离器可以用以代替馈电网络,如图165A-图165C中将描述的那样。对于天线阵列的一些方面可以实现相似的优点,如以下关于图166A-图166C示出并且讨论的那样。
根据一些方面,作为对于关于上述两个双偏振式天线配置的问题的解决方案,反相对消技术可以应用于正交激励天线结构,以抑制不想要的耦合信号对于另一偏振端口产生的交叉偏振等级。对于每个偏振端口可以提供额外反相端口。因此,双偏振式天线配置包括四个端口(垂直、水平、反垂直、反水平)。在组合并且增强共面偏振信号的同时,可以通过耦合来自反相端口的信号抵消对另一偏振端口的不想要的耦合信号。该方面可见于图163A-图163C的天线元件中。图163A示出根据一些方面的反相配置中的双偏振式差分4端口贴片天线。图163A的4端口天线元件基于具有正交地放置的垂直和水平激励端口的图159A所示的正交激励结构。此外,引入两个附加(反水平(反H)和反垂直(反H))端口以生成用于增强交叉偏振抑制的拓扑。在该4端口配置中,可以通过180度相位差(例如如图163A所示的用于水平偏振的H和反H以及用于垂直偏振的V和反V)一起激励相对的端口。在所提出的图163A的天线元件结构16300中,辐射器可见于16301处,并且耦合器可见于16303处。4端口结构包括天线端口16307(垂直偏振)、16309(水平偏振)、16311(反垂直)和16313(反水平)。由于交叉偏振在单个元件中受抑制,因此包括4端口天线元件16307、16309、16311、16313的4端口也可以实现高偏振隔离度。
图163B示出根据一些方面的侧视图中的图163A的天线配置。图163C示出根据一些方面的包括用于图163A和图163B的天线配置的等级L1-L6的层叠式结构堆高,但可以存在多于6个的等级。在图163B的16302处,可见,辐射器16301实现于图163C的6等级堆高16304说明的等级L1处。在该方面中,耦合器16303实现于堆高的等级L4处。通过T接头分离器的方式对天线端口进行馈电,如以下附加地详细讨论的那样。在待讨论的方面中,各种端口处于等级L5中并且由从T接头分离器连接的过孔馈电,所述T接头分离器将处于GND层L6之下的层中(例如,层L7(未示出)中)。在图163B的侧视图中,(对水平端口进行馈电的)过孔16309A'和(对反水平端口进行馈电的)16313A'是可见的,并且(对反垂直端口进行馈电的)过孔16311A'隐藏在过孔16307A'之后,并且因此是不可见的。由于如图163D所示贴片天线的每个相对的边缘上的电场具有相反的极性(即,180度相位差),因此附加反相信号允许通过在辐射边缘中组合并且保持共面偏振的同时抵消进入交叉偏振(非辐射边缘)的不想要的耦合信号抑制交叉偏振等级,如图163E所示。
图164示出根据一些方面的图163A至图163C的4端口天线配置方面的仿真辐射图案。在图164中,顶部轨迹16421示出共面偏振,并且底部轨迹16423示出交叉偏振。基于该仿真结果,实现39.4dB的偏振隔离度。与关于图161A的正交端口情况的图161B所示的结果相比,这是交叉偏振抑制的近似16dB改进。
图165A示出根据一些方面的具有从馈电源到四个端口中的每一个的馈线的4端口激励天线拓扑。根据一些方面,馈电源可以是对四个端口中的每一个的射频集成电路(RFIC)。图165B示出根据一些方面的具有叠加在馈线上的堆叠式贴片天线的受驱动贴片的图165A的4端口配置中的馈线。在图165A中,馈线示出为处于基板16501上。作为根据一些方面的RFIC端口的16508处的垂直馈电源P1V连接到T接头分离器16505,T接头分离器16505连接到线路16507A,线路16507A连接到用于垂直偏振的天线的馈电点16507。根据一些方面,线路16509A从T接头分离器16505连接到馈电点16509,以用于反偏振V。作为根据一些方面的RFIC端口的水平馈电源P1H在16512处示出为连接到T接头分离器16514。线路16511A从分离器16514连接并且前进到水平偏振馈电点16511,而连接到分离器16514的线路16513A前进到反H馈电点16513。在图165B中,图165A的馈线配置示出具有16515处叠加的堆叠式贴片天线的受驱动元件。其余馈电源和馈线与165A中的那些相似或相同。这种配置在保持增强的隔离度和交叉偏振参数的同时有助于减少大小、馈电网络损耗和成本。
图165C示出关于图165B的方面的12等级堆高。根据一些方面,从RFIC 16510到带线T接头分离器的路径和配置实现于图165C的封装堆高的层L7中。根据一些方面,层L7处于图165C所示的L8的另一地层之上。所提出的4端口天线结构可以使用在图165A中16505、16514处可见的简单的并且紧凑的T接头分离器作为信号馈电网络,因为其无需rat-race环以隔离偏振,并且因此产生信号馈电网络的简化。
在图165C的堆高中,在一些方面中,天线与地被设计在前6个层(L1-L6)中,并且信号馈线被设计在层L7中。在待讨论的方面中,在L7中的信号馈电层中实现T接头功率分离器16505、16514。RFIC 16510的垂直偏振源16508连接到T接头分离器16505。分离器16505连接到线路16507A,线路16507A连接到垂直端口16507。线路16509A从分离器16505连接到反V端口16509。RFIC 16510的水平偏振源16512连接到T接头分离器16514。分离器16514连接到线路16511A以对H端口16511进行馈电。线路16513A连接到分离器16514,以将反H信号提供给反H端口16513。在一些方面中,可以通过由物理传输线长度差或由移相器设计的相位延迟生成用于每个偏振端口的180度相位差。本领域技术人员应理解,其他堆高设计是可能的。
如上所述,为了抑制交叉偏振等级,将对消端口引入到正交激励天线结构。由于两个相对的端口具有180度相位差,因此不想要的输出信号可以对消。因此,其产生偏振隔离度的增强。然而,可以实现阵列配置中的交叉偏振抑制的附加方法。一种这样的方法是以下所讨论的4端口天线阵列激励。
由于交叉偏振如上所述在单个元件中受抑制,因此包括4端口激励天线的阵列天线也可以实现更高的偏振隔离度和交叉偏振抑制。图166A示出根据一些方面的使用与馈电网络集成的4端口元件的4x4天线阵列示意图。16600处所示的是PCB 16601上的4x4天线阵列,其中,十六个天线元件中的四个枚举于16603、16605、16607和16609处。用于天线元件16603的馈电网络16603H(水平)和16603V(垂直偏振)与图165B的双T分离器馈电电路相似。每个天线阵列包括具有每个天线元件之间的0.5λ距离的图165B所示的4端口激励天线元件。
图166B和图166C示出根据一些方面的关于图166A的4端口天线阵列的仿真辐射图案结果。基于仿真结果,实现近似61dB的偏振隔离度,通过图166B的仿真图案16621和16623上的点m1与点m2之间的差可见,其中,顶部轨迹16621示出共面偏振,并且底部轨迹16623示出交叉偏振。与图4B的双偏振式阵列相比,这是近似37dB的改进。
此外,通过图166C的仿真图案16622和16624上的点m1与点m2之间的差示出+45度扫描角度处的仿真辐射图案结果,其中,顶部轨迹16622示出共面偏振,并且底部轨迹16624示出交叉偏振。实现近似59dB的偏振隔离度。与图162C所示的结果相比,这是交叉偏振抑制的近似40dB改进。甚至在60度扫描角度处,可以实现57dB的偏振隔离度,如图166C中可见。这确证包括所提出的4端口天线元件的阵列可以甚至在更高的扫描角度处实现更高的偏振隔离度。
除了4端口激励阵列天线之外,也可以通过在N乘M阵列配置(N和M是偶数,例如2x2、2x4、4x4等)中适当地使用2端口正交激励天线元件生成阵列来实现反相对消技术。通过将一个阵列子区段与其他相邻阵列子区段对准,在垂直和/或水平方向上反转,可以如下所述在天线阵列配置中实现所公开的反相对消技术。
图167A中示出第一配置。图167A示出根据一些方面的使用2端口双偏振式天线元件的阵列配置。例如上述的2端口双偏振式天线元件的阵列包括阵列16706、16708、16710和16712,其使用图161A的16700处所示的2端口双偏振式天线元件。根据一些方面,每个天线元件具有用于阵列子区段16706的2端口(例如可见于[P11、P12]、[P13、P14]、[P21、P22]、[P23、P24]处),其中,端口被配置为通过V偏振和H偏振信号成对地受馈电。每个2x2元件子区段相对于阵列中的其他子区段中的每一个反转,以配置4x4阵列。
例如,由相对于端口P11、P13、P21和P23垂直地反转的端口P15、P17、P25、P27示出阵列16706与16708之间的水平反转。由相对于端口P12、P14、P22和P24垂直地反转的端口P32、P34、P42和P44示出阵列16706与16710之间的垂直反转。相似地示出其余2x2子区段的元件的端口之间的水平和垂直反转。通过以180度相位差信号激励每个2x2阵列子区段,该4x4阵列天线可以进一步抑制交叉偏振。图167B和图167C示出根据一些方面的图167A的天线阵列的仿真辐射图案结果。
在图167B中,顶部轨迹16721示出共面偏振,并且底部轨迹16723示出交叉偏振。基于仿真结果,实现近似54.8dB的偏振隔离度,这是与图162B相比的近似32dB的改进。此外,图167C中示出+45度扫描角度处的仿真辐射图案,其中,顶部轨迹16722示出共面偏振,并且底部轨迹16724示出交叉偏振。实现近似56dB的偏振隔离度。与图162C所示的结果相比,这是交叉偏振抑制的近似36dB改进。也在此情况下,从图167B与图167C的各个共面偏振和交叉偏振图线之间的dB差的比较可见,甚至在高于60度扫描角度处保持较高的交叉偏振抑制。
图168A示出根据一些方面的使用2端口双偏振式天线元件的另一阵列配置。所示的是2x2阵列子区段16806、16808、16810和16812。2x2阵列的天线元件使得2x2阵列子区段内的每个相邻天线元件相对于2x2阵列子区段内的其他天线元件中的每一个反转。例如,元件16806A的端口P11相对于元件16806B的端口P13水平地反转。元件16806A的端口P12相对于元件16806C的端口P22垂直地反转。元件16806A的端口P11和P12均相对于与元件16806A对角线相对的元件16806D的端口P24和P23反转。在此情况下,端口P11相对于端口P23水平地反转,并且端口P12相对于端口P24垂直地反转。通常,在待讨论的方面中,每个元件使得一个端口相对于子区段中与其成直角坐落的另一元件反转,并且使得两个端口相对于子区段中与其对角线相对坐落的元件反转。通常,与理想对称阵列配置相比,可以预期某种降级。可以期待避免不对称性以实现更好的天线性能。
通过以180度相位差信号激励每个相邻天线元件,该阵列天线配置可以抑制交叉偏振等级。图168B和图168C示出根据一些方面的对于关于图168A的天线阵列配置的辐射图案的仿真结果。在图168B中,顶部轨迹16821示出共面偏振,并且底部轨迹16823示出交叉偏振。基于仿真结果,实现63.5dB的偏振隔离度,这是与图162B相比的近似40dB的改进。此外,图168C中示出+45度扫描角度处的仿真辐射图案,其中,顶部轨迹16824示出共面偏振,并且底部轨迹16822示出交叉偏振。实现近似74dB的偏振隔离度,这是与图162C所示的结果相比的近似55dB的交叉偏振抑制改进。在此情况下,甚至在高于60度扫描角度处也保持交叉偏振抑制的高值。
无线通信的普遍性已经继续引起众多有挑战性的问题。具体地说,既归因于具有相异需求的广泛各种设备又归因于待使用的谱,其他挑战已经随着5G的来临而演进。在其他原因当中,因为对于所辐射的无线电波的空间覆盖的需求,并且因为随着移动设备移动到不同地方而保持信号强度,或因为用户可能随着时间而不同地定向移动设备,所以有挑战性的问题出现。这样可能导致使用大数量的天线、在变化的时间的所辐射的无线电波的变化的极性、辐射的方向、变化的空间分集和有关问题。具体地说,最新近地归因于授权频段和免授权频段的载波聚合的融合以及mmWave频段的即将使用,通信中所使用的频段的范围已经增加。
增加顾虑的一个问题是与毫米波波束赋形天线关联的低效性。更具体地说,毫米波波束赋形天线通常在一个方向上提供覆盖并且具有窄波束。在毫米波天线是移动(例如V2X mmWave通信)的实例中,一般需要在一个方向上对准基站,并且在特定时间之后其可能需要在不同方向上对准。附加地,单个毫米波天线当在高频率中进行通信时可能是低效的,因为通过空气的信号穿透损耗可能是高的(例如,关于第一米的60dB损耗针对关于2G/3G/4G通信的第一米的36-38dB损耗)。
各方面与用于提供360°覆盖的mmWave波束转向和天线切换的系统、设备、装置、组装、方法和计算机可读介质有关。mmWave波束转向和天线切换方面可以包括于图3A所示的mmWave通信电路300中,但mmWave波束转向和天线切换方面不限于此。天线块可以包括多个(例如至少四个)相控天线阵列,其中,每个天线阵列可以是双偏振式(例如,水平或垂直偏振式),从而波束可以水平地或垂直地转向。附加地,天线块内的相控天线阵列中的每一个可以与分离的收发机关联,从而收发机中的一个或多个可以专用于扫描可用的eNB,而其余一个或多个收发机可以用于mmWave信号通信。例如,可用的收发机中的两个可以用于与eNB的2x2MIMO通信,而其余两个收发机可以用于扫描可用的eNB以用于随后切换。
图169示出根据一些方面的具有用于车辆到万物(V2X)通信的多个天线阵列的杆装式(mast-mounted)mmWave天线块。参照图169,天线块16900可以包括可以贴装在天线桅杆16916上的天线阵列16906、16908、16910和16912。具有天线阵列16906-16912的天线桅杆16916可以贴装在平台16914上。平台16914可以是印制电路板,并且可以包括一个或多个其他组件(例如收发机和/或图174所示的其他组件)。在一些方面中,天线块16900可以用于移动单元(例如车辆)中的毫米波通信。于此,天线块16900可以包括气动封盖16902(例如用于贴装在车辆顶盖上的“鱼翅”封盖)。
如图169所示,四个天线阵列16906-16912中的每一个可以贴装在配置16904中的天线桅杆16916上,其中,阵列中的每一个距邻近天线阵列偏移达90°。于此,如果第一天线阵列(16906)正面对西方向,则其余阵列(16908、16910和16912)正分别面对北、东和南方向。即使示出具有四个天线阵列的天线块16900,本公开也不限于此,并且同样可以使用不同配置中的不同数量的天线阵列。
图170示出根据一些方面的与单个演进节点B(eNB)进行通信的毫米波天线阵列中的示例性波束转向和天线切换。参照图170,通信系统17000可以包括具有与eNB 17002进行通信的四个天线阵列16906-16912的图169的天线块16900。天线块16900可以位于移动的车辆上,并且图170示出随着车辆从位置P1移动到位置P3的天线块16900的三个分离的位置。如图170中可见,在时间实例T1,具有天线块16900的车辆处于位置P1处,并且正使用天线阵列16910以与eNB 17002进行通信。随着具有天线块16900的车辆在时间实例T2移动到位置P2,天线块16900可以继续使用天线阵列16910(通过与位置P1处所使用的波束不同的波束)以与eNB 17002进行通信。随着具有天线块16900的车辆在时间实例T3移动到位置P3,天线块16900可以切换天线阵列并且使用天线阵列16908以与eNB 17002进行通信(因为天线阵列16908正面对eNB 17002的方向)。源自eNB17002的信号的接收信号强度可以用以确定(或估计)接收到的信号的方向(例如eNB 17002的方向),并且使用与所确定的eNB的方向对准的对应天线阵列。
图171示出根据一些方面的与多个eNB进行通信的毫米波天线阵列中的示例性波束转向和天线切换。参照图171,通信系统17100可以包括具有与eNB 17102和17104进行通信的四个天线阵列16906-16912的图169的天线块16900。天线块16900可以位于在方向17106上从位置P0移动到位置P4的车辆上。在一些方面中,四个天线阵列16906-16912中的每一个可以与可以操作在一个或多个毫米波频段上的对应收发机关联。如图171中可见,在时间实例T0,具有天线块16900的车辆处于位置P0处,并且正使用天线阵列16912以经由天线波束17112与eNB 17104进行通信。
在一些方面中,天线阵列16906-16912中的每一个可以是双偏振式相控天线阵列,从而可以使用两个收发机从天线阵列(例如2X2MIMO配置)同时传递一个水平偏振式和一个垂直偏振式波束。例如,天线阵列16912可以使用表示为波束17112的垂直和水平偏振式波束正在2x2MIMO配置中经由两个收发机与eNB 17104进行通信(例如,一个收发机可以通过垂直偏振式波束和天线阵列16912进行通信,并且第二收发机可以使用同一天线阵列16912通过水平偏振式波束进行通信)。
由于两个收发机用于与eNB 17104的通信,因此其余收发机(例如,在如图174所示的在车辆中使用第四收发机通信设备的实例中,两个其余收发机)可以用以关于另一eNB扫描可用的通信信道。例如,并且如图171中可见,其余天线阵列16906-16910中的一个或多个可以使用一个或多个波束17108以扫描可用的eNB。在一些方面中,扫描波束17108中的一个或多个可以确定另一eNB 17102对于通信是可用的。与扫描波束17108关联的收发机可以用以从eNB 17102接收信号,并且接收到的信号可以进一步受处理以确定与那些信号关联的接收信号强度指示符(RSSI)或其他信号质量度量。可以基于RSSI或其他质量度量进行关于是否切换到新的eNB的判断。
在时间实例T1,具有天线块16900的车辆处于位置P1处,并且正使用天线阵列16912和16910以分别使用天线波束17114和17116同时与eNB 17104和17102进行通信。具有天线块16900的车辆与eNB 17104和17102之间的通信可以使用所有四个可用收发机而使用具有双偏振式天线阵列16912和16910的2x2MIMO通信。在时间实例T1,在天线块连接到eNB17104和17102二者的同时,与天线块16900关联的处理器(例如图174中的应用处理器17403)可以基于信号质量测量而确定从eNB 17104切换到eNB 17102。例如,eNB之间的切换可以基于落入阈值等级之下的接收信号质量(例如接收信号强度)。
在时间实例T2,具有天线块16900的车辆处于位置P2处,并且正使用与天线阵列16910关联的天线波束17118以仅与eNB17102进行通信。相似地,在时间实例T3,具有天线块16900的车辆处于位置P3处,并且正使用与天线阵列16910关联的天线波束17120以与eNB17102进行通信。在在位置P3处的同时,并未用于发送波束17120的其余收发机可以用以使用其余天线阵列中的一个或多个对于eNB 17102扫描可用的通信信道。在实例中,当来自其余阵列中的一个或多个的信号质量是更高的时。
在时间实例T4,车辆处于位置P4处,并且已经从天线阵列16910切换到天线阵列16908,以使用天线波束17122与eNB 17102进行通信。可以关于天线阵列16908使用两个收发机和双偏振采用毫米波2x2MIMO配置执行与eNB 17102的通信(例如,来自一个收发机的一个垂直偏振式和来自第二收发机的一个水平偏振式波束可以用于与eNB 17102的通信)。虽然使用天线块16900的毫米波通信设备(例如17400)正经由天线波束17122和可用收发机中的两个与eNB17102进行通信,但其余收发机可以使用其余天线阵列中的一个或多个以使用扫描波束17110扫描可用的通信信道。
在一些方面中,毫米波通信设备(例如图174中的17400)的收发机中的一个或多个可以是专用扫描收发机,并且使用天线阵列16906-16912中的一个或多个以关于新的eNB或基站恒定地扫描可用的通信信道。于此,毫米波通信设备可以连接到第一eNB(例如17104),并且在专用扫描收发机定位第二eNB(例如eNB 17102)之后,可以对eNB 17104和17102二者建立连接(在图171中可见于位置P1处)。在时间实例T2,由于毫米波通信设备已经中断对eNB 17104的连接,并且仅正经由天线波束17118与eNB 17102进行通信,因此已经实现软切换。
在一些方面中,毫米波通信设备内的接收机中的一个或多个可以专用于扫描用于新的eNB的可用的通信信道。一旦检测到新的eNB并且信号质量指示符大于用于接收到的信号的阈值等级,就可以通过停止与当前eNB的通信并且然后发起与新的eNB的连接来执行心跳切换。
图172示出根据一些方面的使用具有多个天线阵列的天线块与多个设备的同时毫米波通信。参照图172,通信系统17200包括多个车辆(17204、17206和17208)和eNB 17202。车辆17204-17208中的每一个可以被配置有天线块(例如16900)和被配置为在一个或多个毫米波频段和或一个或多个其他通信频段上进行通信的毫米波通信设备(例如17400)。
在一些方面中,归因于17210所指示的事故或其他道路危险,车辆17208可以是不移动的。车辆17206可以包括板载车辆相机和或接近度传感器,其可以使用扫描信号17212检测道路危险17210。车辆17206可以使用第一天线阵列以经由波束17216与eNB 17202进行通信,并且使用第二天线阵列以经由波束17220与邻近车辆17204进行通信。在一些方面中,在车辆17206经由波束17216与eNB 17202进行通信的同时,车辆17206可以使用经由波束的通信,以用于17002向车辆17204通知检测到的道路危险17210。
在一些方面中,eNB 17202可以(例如,由车辆17208或另一车辆)通知道路危险17210,并且eNB 17202可以向其与之进行通信的其他车辆通知道路危险17210。在当车辆17204接收到道路危险17210的通知然后车辆17206进行接收时的实例中,车辆17204可以使用经由波束17218的通信以向车辆17206通知即将来临的道路危险17210。
于此,车辆17204-17208中的每一个可以同时使用多个发送和接收通信路径。例如,在当发送/接收路径正与eNB进行通信时的实例中,其余路径可以用于使用V2V通信与邻近车辆的通信(或使用V2X通信与基础架构或人的通信)。
在一些方面中,应用处理器(例如17403)可以使用与eNB17202的4G/LTE通信、与另一车辆的5G通信(V2V通信)和用于车辆到人接口的Wi-Fi/802.11通信。
图173示出根据一些方面的可以用于包括多个天线阵列的天线块进行的毫米波通信的多个波束。参照图173,通信系统17300可以包括与eNB 17302进行通信的天线块17304(其可以是毫米波通信设备(例如设备17400)的部分)。天线块17304可以包括双偏振式天线阵列17306-17312。
由于使用天线块17304的毫米波通信设备可能正移动,因此可以随着建立与eNB17302的毫米波通信链路而执行波束获取。例如,毫米波通信设备可以经过可用波束17314-17318并且测量用于每个可用波束的RSSI(或另一信号质量指示符),而且选择具有最高的所测量的信号质量指示符的波束(例如波束17316)。可以存储所测量的信号质量指示符的表,以用于随后参考并且用以切换波束或执行切换。
在一些方面中,因为可以预先选择通信波束以覆盖给定的面积,所以每个波束的方向可以是已知的(或可以基于移相器面对的对于波束所使用的设置而计算方向)。于此,一旦选择用于与eNB的通信的波束,就可以确定eNB的方向。随着车辆移动,可以基于行进的方向和当前eNB的方向选择不同波束。
图174示出根据一些方面的使用图169的具有多个天线阵列的天线块的示例毫米波通信设备的框图。参照图174,通信设备17400可以包括应用处理器17403、调制解调器17402、中频(IF)变频块17404、收发机阵列17440、开关阵列17450和天线阵列集合17460。
天线阵列集合17460可以与图169的天线块16900相似。更具体地说,天线阵列集合17460可以包括双偏振式天线阵列17424、17426、17428和17430。天线阵列17424-17430中的每一个与收发机阵列17440内的对应收发机17442、17444、17446和17448关联。如图174中可见,天线阵列17424-17430中的每一个是双偏振式天线阵列(例如4x4天线阵列),并且可以接收两个分离的IF数据输入,其可以是不同的偏振(例如水平或垂直)并且可以由收发机阵列17440内的收发机中的两个同时发送。
开关阵列17450包括信号开关17408、17410、17412和17414,其可以耦合到对应IF数据输入17406。开关17408-17414中的每一个生成传递到天线阵列集合17460的对应开关输出信号17416、17418、17420和17422。
在操作中,来自调制解调器17402的数据可以经由IF变频块17404变频为IF数据17406。IF数据17406可以传递到开关阵列17450。应用处理器17403可以确定哪些收发机和哪些天线阵列可以用于与eNB和/或另一车辆传递信号以及哪些收发机和天线阵列可以用以扫描用于可用eNB或基站的一个或多个通信信道。于此,应用处理器17403可以激发开关阵列17450内的开关17408-17414中的一个或多个,其中,开关输出信号17416-17422中的一个或多个传递到天线阵列集合17460内的对应天线阵列。
归因于高的数据速率要求,RF子系统((RF-子系统)或(RFS))需要集成到用于WiGig和5G方面的较新的移动无线设备中。给定对于WiGig和5G频率处的操作期望的小的大小,这些种类的RF子系统一般使用被配置作为微带阵列的微带天线。微带天线(又称为印制天线)通常表示印制电路板(PCB)上使用微带技术制造的天线。单独微带天线通常包括PCB的表面上的各种形状的金属箔的贴片(贴片天线),其中,金属箔地平面处于板的另一侧上,或地平面处于PCB的内部等级处。微带天线主要在宽边处进行辐射,这对于5G和WiGig操作的所有使用情况可能不是合适的。归因于所使用的微带天线的辐射方向约束,WiGig RF子系统一般放置在膝上型设备的罩盖处。此外,如果天线在5G mmWave手持系统中朝向人体(或朝向显示器)进行辐射,则宽边辐射可能产生特定吸收率(SAR)问题。对于这些问题的解决方案可以包括:使用背对背堆叠的多个RFS以围绕用于5G的覆盖。但这样增加设备的厚度和成本,需要PCB的表面上的宽面积,使得子系统比对于优化的或改进的设计可能需要的更大。此外,微带天线通常不能实现宽带宽,并且实际上可能有时仅实现窄带宽。这些微带天线的阵列可以在一些情形中被设计为在所有方向上进行辐射,但仍存在对于改进总体性能(例如,改进带宽和RFS大小)可用的宽范围。贴片天线通常不提供宽带宽,并且可能并不有助于该类型的改进。因此,存在对于用于WiGig和5G技术以及其他mmWave天线设计的天线和天线阵列的需要。
对于上述情况的解决方案是包括通过PCB制造工艺制造的基板过孔的过孔天线。在各种方面中,归因于对于过孔天线所使用的过孔的3D结构,过孔天线占据比其他天线更少的表面面积并且具有5G技术中可使用的带宽。在一些方面中,过孔天线提供制造优点:它们可以被设计在RFS或包括介电体层PCB或主板的内部层中。此外,因为能够放置在PCB的内部不可见的层处,所以可以使得过孔天线实质上不可见。过孔天线可以设计为单极或偶极。例如,单馈过孔方面将运作为单极过孔天线,而背对背过孔方面将产生运作为偶极的过孔天线。附加地,过孔天线可以被配置作为提供端射辐射的阵列,对于5G技术使用情况是高度期望的。过孔天线的端射辐射图案对于膝上型设备的基座处的WiGig RFS放置方式可以是有用的,因此减少缆线长度和损耗。此外,进而,在一些方面中,板中过孔天线可以被设计用于5G和WiGig技术,以提供用于在膝上型设备的基座处放置WiGig RFS或5GRFS的选项。过孔天线也可以与主板集成,而不失去期望的辐射方向。其他优点包括:因为利用先前设计中的多个RFS的结果,过孔天线阵列可以被配置用于具有至少两个覆盖方向的端射辐射,所以减少5G操作所需的RFS的数量。
因为过孔天线可以是PCB的集成部分,所以还提供设计成本节省。也可以连同用于过孔天线的馈电网络一起在PCB的实质上任何中间层中设计过孔天线。如上所述,在一些情况下,仅通过一个RF难以得到完整的360度覆盖。对此的解决方案可以包括:使用背对背堆叠的多个RFS以得到用于5G的360度覆盖。但这样增加设备的厚度和成本,需要PCB的表面上的宽面积,使得子系统比对于优化的或改进的设计可能需要的更大。另一方面,过孔天线当背对背放置时提供良好的围绕覆盖,并且可以在使用仅单个RFS的同时解决该问题。
用于5GRFS的可用解决方案使得贴片天线印制在PCB上。归因于贴片天线的单向辐射,5G系统可能需要多于一个的RFS以用于最大方向覆盖。在系统中添加更多RFS占据更多空间以及还有附加成本。相似地,现有WiGig RFS具有微带和平面式偶极天线的有源天线阵列。阵列被设计为在所有方向上进行辐射,但仍存在对于改进整体性能(例如,改进带宽和RFS大小)可用的宽范围。贴片天线通常不提供宽带宽,并且可能并不有助于该类型的改进。
当前标准WiGig RFS大小近似为20x7x1.7mm(长度x宽度x高度)。可以通过使用所提议的过孔天线阵列进一步减少RFS长度,而不损及性能。当前WiGig RFS可以主要放置在膝上型设备的LID处。但在一些方面中在RFS中使用所提议的过孔天线实现方式将提供用于将RFS放置在膝上型设备的基座和其他位置处的选项。过孔天线可以使用PCB的多个内部介电体层而被设计在PCB内部。根据一些方面,这样给出用于设计过孔天线阵列的灵活性,并且PCB的实质上任何层中的馈电网络有助于调谐天线参数。
图175A是根据一些方面的移动电话中所配置的过孔天线阵列的说明。本文所描述的过孔天线阵列可以包括于图3A所示的mmWave通信电路300的天线阵列电路330中,但过孔天线阵列不限于此。图175A示出移动电话上的过孔天线17505、17507的阵列。因为过孔天线用于在两个方向上进行辐射的能力,所以过孔天线(或在此例如17505处的四元件过孔天线阵列)可以放置得实质上平行于X轴,以在如17505A、17505B处所示的移动电话的Y方向上进行辐射。出于相同原因,根据一些方面,四元件过孔天线17507可以放置得实质上平行于Y轴,以在如17507A、17507B处所示的移动电话的X方向上进行辐射。
图175B是根据一些方面的主板PCB上所配置的过孔天线阵列的说明。包括电路组件和17509处的导电线路的主板17502包括17511处的过孔天线阵列。因为过孔天线用于在两个方向上进行辐射的能力,所以辐射如在移动电话的情况下那样也可以处于两个方向17511A和17511B上。
图175C是根据一些方面的膝上型设备中所配置的过孔天线阵列的说明。根据一些方面,因为上述过孔天线的两方向辐射,所以过孔天线阵列放置方式不限于具有辐射方向17517A、17517B的17517处的膝上型设备的罩盖,而也可以放置在具有辐射方向17519A、17519B的17519和具有辐射方向17521A、17521B的膝上型设备的基座上的17521处。
一般而言,过孔天线阵列可以放置在满足手边的使用情况的方向、频率和辐射图案要求的任何位置中。一个重要优点是,可以放置过孔天线,从而有助于减少特定吸收率(SAR)。换言之,如图175A关于移动电话所示,过孔天线阵列可以放置为这样的:当对移动电话说话时,其最强辐射处于远离人耳的方向上。如图175A中可见,在一些方面中,在移动电话的用户将通常处于Z方向上(其中,Z方向将是进入或离开页面)的同时,主辐射可以处于Y方向(17505A、17505B)或X方向(17507A、17507B)上。
附加优点与根据期望在单个方向上提供辐射有关。根据一些方面,虽然过孔天线的辐射通常处于两个相反方向上,但如果期望单个方向上的辐射,则金属反射器可以放置得在不期望的辐射的方向上与过孔天线或过孔天线阵列相对,以在期望的方向上反射辐射。
PCB内的过孔通常已经用于将金属迹线互连到多个层。PCB过孔可以具有不同的形状和大小(例如柱形、矩形、锥形和其他几何形状)。在一些方面中,过孔天线可以设计为空心或实心的。有时,过孔受电镀,其中,过孔的孔洞不受金属填充,使得过孔是空心的。在其他示例中,过孔的孔洞可以由金属完全地或部分地填充,以使得其是实心的。差别可以取决于用于过孔的PCB制造工艺和/或使用情况的要求。根据一些方面,可以通过对于达到期望要求的努力来仿真性能。根据一些方面,可以在过孔的底部的边缘或中心处对过孔天线进行馈电。过孔天线的地和底部可以设计于同一平面中,并且使用共面波导(CPW)线路受馈电。过孔可以制造得通过任何数量的层进入PCB中。根据一些方面,也可以使用相同方法设计期望的过孔天线。
图176A是根据一些方面的多层PCB中的过孔天线的截面图。根据一些方面,PCB17600示出为具有N个层(层1至层N)的堆高17601,其中,N是整数。层中的一个或多个可以是介电体层。其他层可以是导电层。过孔17603示出为具有如果过孔是锥形过孔则可以弯曲的内部区段。然而,用于过孔天线的过孔不限于锥形形状。过孔可以是满足所需解决方案的要求的锥形、柱形或任何其他形状。在附图中,过孔的外表面示出于17603A处和17603B处的截面中,并且内部区段处于17603A与17603B之间。根据一些方面,线路17605可以是馈线。
图176B是根据一些方面的过孔天线的透视图。在一些方面中,过孔17603在等轴图中示出为处于PCB 17601内的多个层中。如上所述,操作过孔天线运作为单极天线。因此,过孔天线具有比微带天线更宽的带宽,特定地在毫米波长处将优点给予过孔天线。通常,过孔天线性能不是依赖于PCB的。此外,与普通微带天线相比,过孔天线与地GND之间的图176A的间隙G和在该方面中过孔天线的通常锥形形状运作为增加带宽。
性能还受对于过孔所使用的层和层的数量影响。对于过孔所使用的层可以是可以受调整以提供在各种方面中用于手边的应用的性能特性的参数,有时称为“调谐”天线。在一些方面中,可以估计PCB的上层中的过孔天线的性能以确定是否满足给定的设计的频率处的性能要求。如果并未满足要求,则通过对于达到期望性能的努力在调谐处理中对于过孔天线使用PCB的更深层。
作为优点的一个示例,如果期望的性能在过孔的一个方面中需要附加的高度,则可以将过孔重新配置在一个或多个附加层中,以增加高度。作为优点的另一示例,图176B的过孔天线17603显现在所示结构(其在一些方面中可以是膝上型设备的罩盖)的顶部处。如果期望天线在罩盖上不可见,则可以在内部层处而非第一层或底部层处制成过孔,并且过孔天线将是不可见的(倘若是期望的解决方案)。
图177A是根据一些方面的在内部从PCB的过孔的顶部侧浏览的PCB过孔天线的说明。过孔天线17703可见于各种层叠层中所配置的PCB 17701中。图177B是根据一些方面的从PCB的底部浏览的PCB过孔天线的说明。馈电可以是在PCB的任何期望层处。示出馈线17705,其在该示例中是CPW。然而,可以使用任何平面式馈电机构(例如带线、微带线路或任何其他合适的传输线)。根据一些方面,因为辐射将处于过孔天线的过孔周围的方向上而非垂直于过孔,所以辐射的方向取决于过孔天线放置在何处。根据一些方面,过孔天线可以设计为空心的或实心的,并且在过孔的底部的边缘或中心处受馈电。过孔天线的地和底部可以设计在同一平面中。
图178A是根据一些方面的过孔天线阵列的顶视图。图178A示出根据一些方面的PCB 17801中的过孔天线阵列设计,其中,可以基于天线增益和波束宽度要求而判断阵列中的天线元件17803的数量。过孔天线将按边射辐射进行操作,这如上所述是单极和偶极天线的特性。过孔天线阵列可以放置在RFS中或作为其部分,或靠近RFS。在一些方面中,过孔天线阵列也可以设计在分离的小PCB中,并且然后贴附到或另外连接到主板或RFS,以避免表面波对天线辐射的影响,或提供其他噪声的减少,或提供可能受阵列寻求使用的设备内的障碍阻挡的难以到达的方向上的辐射。图178B是根据一些方面的用于过孔天线的垂直馈电部的说明。
图178C是根据一些方面的用于过孔天线的水平馈电部的说明。根据一些方面,过孔天线可以由垂直馈电部或水平馈电部进行馈电,进行垂直或水平馈电的选择,以减少馈线对设计所确定的天线性能的干扰。根据一些方面,通常,垂直馈电部示出于17805A处,其中,正受馈电的过孔处于如图178B中可见的17803A处。根据一些方面,水平馈电部示出于17805A'处,其中,正受馈电的过孔处于17803A'处。因为这两种配置垂直地激励锥形,所以偏振对于每种类型的馈电部将是相同的。
辐射可以通过两种方式产生。一种是在给定覆盖方向上从天线通过空中的辐射。另一种是行进通过PCB自身的介电体材料并且最终通过空中进行辐射的辐射方式。因此,在减少通过介电体的不想要的辐射方面,选取所选取的介电体材料是重要的。为了减少这种辐射,具有较低介电常数的非常低的损耗介电体是期望的。用于克服该类型的不想要的辐射的附加方式是在过孔附近的介电体材料中钻探孔洞,这将倾向于减少(若非移除)这种不想要的辐射。根据一些方面,该情况的示例可见于图188中。在所示方面中,在过孔天线18803旁边的PCB 18801中钻探孔洞18807。因为孔洞防止存在该辐射(有时称为表面波)可以行进的连续平面,所以孔洞将运作为减少不想要的辐射并且减少其对阵列天线辐射的影响。换言之,孔洞正有效地生成不连续的PCB,从而表面波当生成时倾向于渐渐消亡并且不影响天线性能。
图179A是根据一些方面的被配置作为偶极过孔天线的背对背过孔的透视图。根据一些方面,偶极过孔天线17900包括背对背过孔17903A、17903B,并且被配置在1.6mm厚阻燃剂4(FR4)基板中。根据一些方面,单个锥形过孔的高度是0.7mm,顶部和底部直径分别是4mm和0.25mm,并且偶极的底部之间的间隙是0.2mm。图179B是根据一些方面的示出PCB层叠层的被配置作为偶极过孔天线的图179A的背对背过孔的透视图。根据一些方面,在侧视图中示出具有17903A、17903A'处所示的背对背过孔的PCB 17901的层叠层。根据一些方面,示出例如如上所述的放置在两个过孔17903A、17903B之间的馈线进行的馈电。在一些方面中,馈线可以放置在17904处的柱形周围,其中,馈电可以分别是+和-。通过仿真获得设计维度,以获得使用情况所期望的性能。
图180是根据一些方面的关于图179A和图179B的偶极过孔天线配置的回波损耗的图线。偶极过孔天线操作示出于从27.5GHz到30.5GHz的宽带宽处。三角型中的四个数据点提供表7中阐述以用于待讨论的方面的仿真结果的指示。
表7
图181A是根据一些方面的使用Ludwig定义在27.5GHz的频率处关于图179A和图179B的偶极过孔天线配置的仿真远场共面辐射图案。关于待讨论的方面,主瓣量值在零度处是2.08dB,具有55.1度的有角波束宽度(3dB)并且具有仿真为-12.7dB的旁瓣等级。设计示出良好端射增益,并且示出图案在两个相反方向上提供覆盖。
图181B是根据一些方面的使用Ludwig定义在28GHz的频率处关于图179A和图179B的偶极过孔天线配置的仿真远场共面辐射图案。主瓣量值在零度处是2.38dB,具有54.9度的有角波束宽度(3dB)并且具有仿真为-12.2dB的旁瓣等级。设计再次示出良好端射增益,并且示出图案在两个相反方向上提供覆盖。
图181C是根据一些方面的使用Ludwig定义在29.5GHz的频率处关于图179A和图179B的偶极过孔天线配置的仿真远场共面辐射图案。主瓣量值在零度处是2.03dB,具有54.9度的有角波束宽度(3dB)并且具有仿真为-10.0dB的旁瓣等级。设计再次示出良好端射增益,并且示出图案在两个相反方向上提供覆盖。
图182是根据一些方面的关于5G技术用于28GHZ处的操作的双元件过孔天线阵列设计。对于5G技术,双元件过孔天线阵列设计用于28GHz。过孔天线被设计为覆盖从27.5GHz到29.5GHz的5G毫米波频段。锥形的顶部直径是3.6mm,并且锥形的底部直径是0.4mm。锥形的高度是0.6mm。锥形被设计在具有介电常数4.4的0.8mm厚FR4PCB上。天线垂直地放置,并且对应于用于得到端射辐射的馈电部,过孔的中心之间的距离是8.80mm。
图183是根据一些方面的关于图182的双元件过孔天线阵列设计的天线回波损耗的仿真图线。仿真结果包括18310和18315处的两个天线之间的回波损耗以及18320处的天线之间的隔离度。最小回波损耗处于29.5度处。点5处的隔离度在27.7GHz处是-20.2dB,点7处的隔离度在31.8GHz处是-26.3dB。
图184A是根据一些方面的操作在27.5GHz的频率处的图182的双元件过孔阵列的仿真辐射图案。附图示出27.5处的天线阵列辐射图案18401A。
图184B是根据一些方面的操作在29.5GHz的频率处的图182的双元件过孔阵列的仿真辐射图案。附图示出29.5GHz处的天线阵列辐射图案18401B。
图185是根据一些方面的PCB中所设计的过孔天线的透视图。附图示出PCB具有六个介电体层和0.8mm厚度。介电体材料的电容率(electrical permittivity)是3.3,并且第四和第五层的厚度是0.2mm,而其他层是0.1mm。过孔天线被设计得通过PCB的第三层进入第四层。通过仿真获得过孔的设计维度和形状,以覆盖WiGig频段,其覆盖57GHz至66GHz。
图186A是根据一些方面的图185的过孔天线的地平面的底视图。天线在锥形的较小直径的边缘处受馈电。
图186B示出根据一些方面的图185的过孔天线的侧视图。维度与图185的维度一致。
图186C是根据一些方面的图185的过孔天线的透视图。维度与图185和图186B的维度一致。
图187是根据一些方面的关于图185的过孔天线的过孔天线回波损耗的仿真图线。在点1处,回波损耗在57.0GHz处是-6.4dB。在点2处,回波损耗在66.2GHz处是-8.7dB。
天线或天线阵列的不期望的偏振辐射对于期望的偏振辐射的比率称为交叉偏振。交叉偏振影响天线辐射效率和天线阵列的不同偏振式天线元件之间的隔离度。典型地,连续地平面上的3D天线元件展现某种等级的不期望的交叉偏振和对相邻元件的不期望的耦合,其使得天线单机效率和天线阵列效率降级。至少一个公开文章描述对于平面式天线几何使用有瑕疵的地结构(DGS)的天线交叉偏振减少。题为“Printed Antenna DesignsUsing Defected Ground Structures-FERMAT www.e-fermat.org/files/articles/1534d5380e 9790.pdf”综述文章说明微带贴片天线元件之下的各种DGS几何,以减少交叉偏振。在3D锥形天线的情况下仿真以下附图所示的DGS结构中的一些。这些结构因此并未示出交叉偏振方面的显著减少。这些结构可能对于平面式天线是合适的,但对于3D单极/锥形类型的天线结构不是合适的。
已经发现,根据一些方面,修改可以垂直于地的3D天线之下的地平面将关于阵列减少交叉偏振和元件到元件耦合,因此改进天线单机效率和天线阵列效率。图189A至图190C示出根据一些方面的用于3D锥形天线的修正地结构的组件。
图189A示出PCB 18903上的3D锥形天线元件18901的顶视图18900,其中,天线元件可以焊接到PCB的顶部。天线元件由在一些方面中将处于PCB 18903的顶部上的馈线18905馈电。图18902在18902处示出根据一些方面的用于图189A的锥形3D天线的地平面18907,所述地平面处于PCB内。
图189B示出根据一些方面的3D天线之下的地平面。地平面18907可以是铜。
在图189C中,在一些方面中,PCB层18909上示出的地平面修正(例如修正地平面18908)包括:有选择地进行开槽,并且由此修改3D天线18901之下的可见于18911处的连续地平面,这样引起减少交叉偏振并且改进期望的辐射增益的电磁效应。面积18910、18912是没有金属的面积。
当配置在阵列中时,这些方面分裂连续地平面,并且也将减少阵列中的元件到元件耦合,并且减少一个或多个伴随表面波。这些方面将改进5G和WiGig天线阵列辐射效率,并且对于5G、WiGig和或其他毫米波单极(例如天线被设计为工作在某种PCB上的天线类型)将是有用的。已经发现采用这些修改的一些方面展现交叉偏振方面的显著改进。
交叉偏振辐射在一些方面中减少了达-7dB,并且共面偏振辐射在那些方面中改进达1dB,因此使得本文所描述的改进对于多入多出(MIMO)系统中的偏振分集是理想的。
图189D示出具有各种有瑕疵的地平面(例如18911')的3D锥形天线(例如18901)。仿真了该附图中的实现方式中的至少一些。仿真结果示出了这些有瑕疵的地结构并未在交叉偏振方面显示如图189A至图189C的配置那样得到的任何显著抑制。有瑕疵的地结构并未显现为适合于降低关于3D单极/锥形类型的天线的交叉偏振。
本文所描述的改进将在一些方面中改进驻留在PCB中的地平面上的3D单极天线元件的性能和行为。这对于典型地使用天线阵列的毫米波(mmWave)应用是尤其可应用的。在这些天线阵列中,每个天线被设计为理想地以期望的偏振进行辐射。然而,在现实中,除了期望的所辐射的偏振之外,还存在进入实质上垂直于期望的偏振的偏振中的泄漏。在一些方面中,所公开的天线辐射器元件之下的地平面修正将降低对不期望的偏振的泄漏,并且改进期望的偏振中的辐射,因此改进天线效率并且使得其更适合于用作天线阵列的部分。
在一些方面中,使用单极类型天线以用于小形数设备中的5G和WiGig应用具有优于微带贴片天线的某种物理优点。然而,单极天线展现影响天线辐射效率以及垂直与水平偏振之间的隔离度的较高交叉偏振。对于一些方面,为了解决交叉偏振问题,或在一些方面中改进交叉偏振问题,可以有选择地修改单极天线之下的天线地以减少上述对不期望的偏振的辐射泄漏。
本文所描述的天线结构可以包括于图3A所示的mmWave通信电路300的天线阵列电路330中,但天线结构不限于此。图190A至图190C示出根据一些方面的具有不同类型的地平面的锥形形状的单极天线结构的示例。在图190A中,19000示出大的地平面19007上的单极3D天线19001。在图190B中,19002是具有有限正方形形状的地平面19009的3D锥形单极天线19001的说明。虽然示出正方形形状的地平面,但也可以使用其他形状(例如矩形或圆形)。在19004处,图190C示出根据一些方面的锥形形状天线19001之下的对角线槽式有限地平面19009,其中,对角线槽可见于19011处。
在图190A至图190B中,天线19001实质上是垂直的,并且地平面是水平的,例如,二者垂直于彼此。已经使用EM仿真软件Computer Simulation TechnologyTM(CST)仿真图190A至图190C所示的具有不同地平面的天线19001,以示出所公开的方面的结果。在图191A和图191B中示出这些结果。图191A和图191B示出根据一些方面的图190A至图190C的天线结构之间的辐射图案比较。
图191A示出图190A的大的地平面情况、图190B的正方形地平面情况和图191C的槽式地平面情况的交叉偏振比较。根据一些方面,图191A示出大的地19003和有限正方形形状地平面19009具有非常相似的交叉偏振等级,具有近似-3dB的峰值。根据一些方面,修正地具有显著更低的交叉偏振等级,具有用于相同锥形天线19001的近似-10dB的非常低的峰值。
图191B示出关于三种不同地结构的天线共面偏振辐射增益。根据一些方面,可见,图190C的修正地平面19011实际上具有比图190A的大的地平面19003或图190B的正方形地平面在期望方向上具有的更高的增益。因此,在期望交叉偏振减少的情况下,修正地平面(例如对角线槽地平面19011)可以是非常有用的。图192A和图192B是根据一些方面的图190A至图190C的天线结构中的一些的更详细说明。锥形形状3D天线可见于图192A中的透视图中的19201处。示出顶部(或最大)直径19201和底部(或最小)直径19203。天线结构被设计为关于5G应用在28GHz处进行辐射。在图192A中示出锥形的维度,并且针对三种不同的地平面仿真锥形天线。在图190A至图190C中示出地平面。图192B示出根据一些方面的对角线槽式有限地平面19011维度,其中,在19203处以点线示出锥形天线的底部直径,以指示PCB的另一侧上的锥形放置。根据一些方面,地平面19211以对角线方式开槽,以分裂天线之下的电流行进路径。
图193A和图193B示出根据一些方面的3D天线结构的顶视图和底视图。3D天线元件可见于图193A的19301处,并且对角线槽式地平面19311可见于图193B中,其中,面积19310、19312并未金属化。
图194是根据一些方面的图192A和图192B的天线的回波损耗之间的图线比较。在一些方面中,在附图中,大的地平面情况处于19403处,有限正方形形状地平面情况处于19407处,并且修正对角线槽式地平面情况处于19411处,其中,标号对应于图190A至图190C中的标号。根据一些方面,关于图线19403的-6.5dB、关于图线19407的-10.0dB以及关于19411的-18.0dB的28GHz处的各个回波损耗附图示出,修正(或该配置中,对角线槽式)地平面19411具有比大的地平面情况19403或正方形地平面情况19407显著更好的回波损耗。
图195A至图195C示出根据一些方面的关于190A至190C的地结构的E场分布。在图195A中,锥形天线可见于19501处。关于该情况的E场分布示出于19502、19504和19508处。在图195B中,锥形天线可见于19501'处,并且关于该情况的E场分布示出于19502'、19504'和19508'处。在图195C中,锥形天线再次可见于19501”处,并且E场分布示出于19502”、19504”和19508”处。根据一些方面,从图195C清楚的是,对角线槽式有限地平面天线具有与其他两个地平面的E场分布不同的E场分布,其中,E场随着修正对角线槽式地平面而改变,与图195A和图195B的E场相比,显著减少交叉偏振。
图196A至图196C示出根据一些方面的没有以及具有修正地平面的五元件锥形天线阵列。图196A示出具有枚举为19601的天线并且具有反射器19602的锥形天线阵列19600。图196B和图196C分别示出具有和没有地平面修正的地平面。图197A和图197B示出根据一些方面的没有以及具有修正地平面的交叉偏振辐射图案比较。通过28.25GHz处执行的比较,针对修正地平面,图197A示出交叉偏振增益减少达近似7dB,而图197B示出共面偏振增益增加达2.5dB。仿真结果示出3D天线之下的修正地平面的益处。
图198A和图198B示出根据一些方面的地平面对天线辐射的影响,其中,在两个附图中的每一个中示出阵列的五个天线元件中的仅两个。图198A示出关于没有修正的地平面的朝向图197B的天线阵列的边缘的方向。根据一些方面,其中,最大辐射与锥形成直角。根据一些方面,图198B示出具有修正地平面的阵列已经平衡边缘的两侧处的辐射,指示非常对称的边射辐射。换言之,在图198B中,辐射图案示出与可见于图198A中的没有槽式地平面的地平面相比,辐射近乎理想地与锥形阵列成直角。
图199示出根据一些方面的关于具有修正地平面的天线阵列的回波损耗的比较和隔离度比较。图200示出根据一些方面的关于具有未修正地平面的天线阵列的天线元件之间的回波损耗和隔离度的比较。两个附图示出关于修正地平面的回波损耗方面和隔离度方面的改进。较高的隔离度对于天线阵列设计是重要的,因此是3D天线之下的修正地平面的另一优点。
图201A至图201C示出根据一些方面的随3D天线使用以用于测试的具有槽式地平面的PCB。图201A在20100处示出具有十字槽式地平面20111的PCB 20101。PCB的顶部具有天线馈电阵列和贴装焊盘(未示出),而PCB的底部具有对角线槽式有限地平面。示出锥形天线元件的底部,其之一枚举于20103处。锥形天线元件由馈线进行馈电,其之一枚举20107。
图201B示出具有所示的馈线的这种设置,其之一枚举为具有未示出的槽的20107。图201C示出具有所示的馈线20107的20100处所示的阵列的一个3D锥形天线元件的PCB的顶部。对于该方面,椭圆元件(其之一枚举20109)是用于将各种元件连接到测试装置的连接器。在天线贴装焊盘、天线馈线与地之间使用3.5介电常数和0.15mm厚度的FR-4材料。根据一些方面,天线贴装焊盘和天线馈线可以制成于PCB的同一平面上,而槽式地平面可以制成于FR4基板的另一侧上。如果期望,则可以添加稍微更多的介电体层,以加强PCB。
测试的结果指示具有未修正地的回波损耗是不可接受地高的15dB,而关于修正(在此,槽式)地平面的回波损耗是具有可接受地宽带宽的更可接受的(近似)-5dB。
移动数据使用率以近乎逐年加倍的速率指数型地持续增长,并且这种趋势预期持续。虽然蜂窝技术的近来进展已经在移动网络的性能和容量方面作出改进,但广泛认为这些进展将仍缺乏容纳对于移动数据网络服务的预期需求。
用于增加移动网络容量的一种方法是利用更高的射频频段。毫米波通信例如使用30-300GHz范围中的射频,以按现今的标准提供巨量带宽(例如,处于20Gb/s的量级)。毫米波无线电信号的传播非常不同于2-5GHz范围中的更熟悉的无线电信号。对此,归因于大气中的衰减,通过比较,它们的范围是显著受限的。此外,毫米波信号经历归因于墙壁、楼宇和其他物体的阻挡、反射、折射和散射达到比较低频率信号远更大的程度。这些物理挑战也对于通信系统设计者呈现一些有用的机会。例如,毫米波传输的有限距离使得它们适合于城市区块、办公楼、学校、体育场等中的高密度部署中的资源元素(时隙和频率)复用,其中,可以存在很大的多个用户设备器件。此外,关于精准方向性控制的潜力提供用于进行多用户多入多出(MU-MIMO)技术的广阔使用的机会。需要用于在高度方向性的无线网络中进行这些机会的实际使用的解决方案。
毫米波或相似的高频率通信系统典型地在基站和用户设备处采用方向性波束,以对于链路建立实现合适的信噪比(SNR)并且克服对于5G/新无线电(NR)通信共有的通信信道阻挡问题。期待5G通信系统将支持具有如八个聚合分量载波(8-CA)那样多的至少一个毫米波频段中的操作。归因于与混频器端口处的本地振荡器(LO)复用问题关联的限制,实现可以应对这种类型的通信的5G接收机电路可能是有挑战性的。
如本文所使用的那样,术语“开关模式”指示到来RF信号可以受处理并且用于生成单个基带输出的接收机操作模式。于此,可以在RF输入信号包括在ADC处理之前产生具有小于信道滤波器的带宽的带宽的基带信号的连续载波聚合信号的实例中使用开关模式。
如本文所使用的那样,术语“分离模式”指示到来RF信号可以被分离并且处理以生成两个基带输出信号的接收机操作模式。于此,可以在RF输入信号包括在ADC处理之前产生具有高于信道滤波器的带宽的带宽的基带信号的非连续载波聚合信号或连续载波聚合信号的实例中使用分离模式。
本文所描述的可分级接收机架构可以包括于图3A所示的mmWave通信电路300的RF电路325中,但可分级接收机架构不限于此。图202示出在开关模式和分离模式下进行操作的接收机的框图。参照图202,示出分别操作在开关模式下和分离模式下的接收机20202和20230。接收机20202可以包括低噪声放大器(LNA)20218、混频器20214、缓冲器20206和20212、除法器20208和复用器20210和20222。
在接收机20202的操作期间,差分LO信号20204初始地受缓冲器20206缓冲,并且然后传递到除法器20208和复用器20210。复用器20210的输出处的LO信号受缓冲器20212缓冲,并且然后传递到下变频混频器20214。到来RF信号20220被分离,由LNA 20218放大,并且然后由混频器20214使用来自缓冲器20212的输出的差分LO信号下变频。下变频的混频器20214的输出经由复用器20222组合在一起,并且作为单个基带输出信号20224(BB1)传递。
接收机20230可以包括LNA 20244、混频器20240、缓冲器20232和20238、除法器20234和复用器20236和20248。在接收机20230的操作期间,差分LO信号20205初始地受缓冲器20232缓冲,并且然后传递到除法器20234和复用器20236。复用器20236的输出处的LO信号受缓冲器20238缓冲,并且然后传递到下变频混频器20240。到来RF信号20246被分离,由LNA 20244放大,并且然后由混频器20240使用来自缓冲器20238的输出的差分LO信号下变频。下变频的混频器20214的输出经由复用器20248分离地输出,并且作为分离的基带输出信号20250(BB1和BB2)传递。
接收机20202和20230可以与当操作在大于6GHz的频率处时的缺点关联。更具体地说,尤其是当操作在mmWave频率时,LO分配电路中的开关20210和20236可能产生驱动混频器20214和20240所需的LO驱动方面的挑战。更具体地说,当需要在mmWave频率处以25%占空周期LO波形驱动混频器时,LO分配的电流耗尽可能变为有挑战性的。当电流耗尽变为必须操作在分离模式下以应对载波聚合(CA)情况时,其可能变得更高。
在一些方面中,可以通过移除LO分配网络中的复用器20210和20236简化图202的接收机架构中的LO分配。此外,通过移除LO分配网络中的复用器20210和20236,可以通过移除下变频混频器的输出处的复用器20222和20248进一步简化接收机20202和20230,这样带来减少混频器中的每一个上的负载。图203中示出根据一些方面的更新后的接收机架构的高级示图和关联真值表。
图203示出根据一些方面的使用分段式低噪声放大器(LNA)和分段式混频器的接收机20300的框图。接收机20300包括两个分离的RF处理路径20306和20308。每个处理路径可以包括分段式LNA和分段式混频器。例如,RF处理路径20306包括包含LNA 1-A20312和LNA1-B 20314的分段式LNA以及包含混频器20316和20318的分段式混频器。相似地,RF处理路径20308包括包含LNA 2-A20322和LNA 2-B 20324的分段式LNA以及包含混频器20326和20328的分段式混频器。下变频混频器20316和20318可以使用LO信号20310,并且下变频混频器20326和20328可以使用LO信号20311。LO信号20310和20311可以是差分LO信号(例如,LO信号20310和20311可以包括一个或多个同相(I)和正交(Q)LO信号分量)。
如图203中可见,接收机20300以使得能够通过同一设计接收连续和非连续载波聚合(CA)传输的这样的方式使用LNA和下变频混频器级联的分段式实现方式。LNA和混频器在每个RF处理路径中分段为两个均等的半部,其可以取决于下行链路信号的合成(例如,经由控制电路所生成的控制信号,如图204中可见)而得以启用或禁用。通过选择启用LNA的哪些分段(20312、20314、20322、20324)和混频器的哪些分段(20316、20318、20326、20328),所公开的接收机20300的解决方案可以被配置为在保持看入接收输入RF信号20304的接收机输入的实质上恒定输入阻抗的同时接收非连续和连续载波聚合下行链路信号。与图20302的接收机20202和20230相比,可以在不将LO输入20310和20311复用到混频器(20316/20318和20326/20328)的情况下执行LO的配置。由于将LO输入复用到混频器中对于5G应用并非必要的,因此与图20302中的接收机相比,示例接收机20300是更简单的并且更高效的。
真值表20302示出可以基于接收机20300的操作模式(例如开关操作模式或分离操作模式)激发哪些LNA。例如,接收机20300可以使用开关操作模式以处理连续载波聚合信号(这样产生在ADC处理之前具有小于信道滤波器的带宽的带宽的基带信号)。在开关操作模式期间,可以使用LNA 1-A和1-B以及混频器20316和20318将输入RF信号20304仅传递到RF处理路径20306,以生成第一基带输出信号20320。LNA 2-A和2-B(以及混频器20326和20328)可以保持无效,或可以断电。相似地,在开关模式期间,可以使用LNA 2-A和2-B以及混频器20326和20328将输入RF信号20304仅传递到RF处理路径20308,以生成第二基带输出信号20330。LNA 1-A和1-B(以及混频器20316和20318)可以保持无效,或可以断电。
接收机20300可以使用分离操作模式以处理非连续载波聚合信号(或产生在ADC处理之前具有小于信道滤波器的带宽的带宽的基带信号的连续载波聚合信号)。在分离操作模式期间,可以分离输入RF信号20304,从而在RF处理路径20306中处理第一信号部分,并且在RF处理路径20308中处理第二信号部分。在一些方面中,在LNA 1-B关闭的同时可以激活LNA 1-A,并且在LNA 2-B关闭的同时可以激活LNA 2-A。在另一分离操作模式示例中,在LNA1-B关闭的同时可以激活LNA 1-A,并且在LNA 2-A关闭的同时可以激活LNA2-B。
图204示出根据一些方面的使用在分离模式下进行操作以处理连续载波聚合信号的分段式低噪声放大器(LNA)和分段式混频器的接收机的框图。参照图204,接收机20400包括两个分离的RF处理路径20402和20404。每个处理路径可以包括分段式LNA和分段式混频器。例如,RF处理路径20402包括包含LNA 1-A 20406和LNA 1-B20408的分段式LNA以及包含混频器20410和20412的分段式混频器。相似地,RF处理路径20404包括包含LNA 2-A 20418和LNA 2-B20416的分段式LNA以及包含混频器20418和20420的分段式混频器。下变频混频器20410和20412可以使用LO信号20403,并且下变频混频器20418和20420可以使用LO信号20405。LO信号20403和20405可以是差分LO信号(例如,LO信号20403和20405可以包括一个或多个同相(I)和正交(Q)LO信号分量)。
在示例分离模式操作中,接收机20400可以接收RF输入信号20401。RF输入信号20401可以是连续载波聚合信号20403。如图204中可见,连续载波聚合信号20403可以包括具有800MHz的总信号带宽的八个分量载波(CC1-CC8,均100MHz)。在分离操作模式期间,可以分离连续载波聚合信号20403,从而第一处理路径20402可以处理分量载波CC1-CC4,第二RF处理路径20404可以处理分量载波CC5-CC8。在此情况下,因为聚合信号带宽(800MHz)超过信道滤波器(20424或20434)的带宽,所以使用分离模式。
第一RF处理路径20402可以生成基带信号20422,其可以由信道滤波器20424滤波,生成滤波的基带信号20426。滤波的基带信号20426可以由ADC 20428数字化,以生成与包括分量载波CC1至CC4的连续分量载波信号对应的数字信号20430。
相似地,第二RF处理路径20404可以生成基带信号20432,其可以由信道滤波器20434滤波,生成滤波的基带信号20436。滤波的基带信号20436可以由ADC 20438数字化,以生成与包括分量载波CC5至CC8的连续分量载波信号对应的数字信号20430。
在一些方面中,接收机20400可以还包括控制电路20450,其可以包括合适的电路、逻辑、接口和/或代码,并且可以被配置为生成对于在分离操作模式与开关操作模式之间进行切换以及其他控制功能所使用的一个或多个控制信号。例如,控制电路20450可以生成RX1控制信号20452和RX2控制信号20454,其可以用以分别激活(例如,通电)或禁止(例如,断电)第一RF处理路径20402和第二RF处理路径20404内的一个或多个电路。
例如,控制电路20450可以(例如,从基站)接收与输入RF信号20401关联的信号特性的信息,示例输入特性可以包括指示输入RF信号20401是连续还是非连续载波聚合信号、信号20401的带宽等的信息。控制电路20450也可以关于输入RF信号20401进行这些确定,而无需来自外部设备的协助。例如,控制电路20450可以确定到来RF信号20401是具有800MHz的总带宽的包括八个分量载波的连续载波聚合信号20403。控制电路20450可以然后发放控制信号20452和20454以激活分离操作模式。更具体地说,控制信号20452和20454可以使得LNA 20406和20414或20406和20416(以及对应混频器)能够激活这两个处理路径,以生成输出信号20430和20440。在一些方面中,当确定到来RF信号20401的带宽高于与信道滤波器20424和20434关联的带宽或与ADC 20428和20438关联的带宽时,控制电路20450可以激活分离操作模式。在一些方面中,控制信号20452和20454也可以用以禁止(或断电)在分离操作模式期间不使用的LNA、混频器或其他电路中的一个或多个。
在一些方面中,当确定输入RF信号20401是非连续载波聚合信号时,控制电路20450可以激发开关操作模式。在开关操作模式期间,控制电路可以生成控制信号20452,其激活第一RF处理路径20402以处理整个输入RF信号20401。控制电路20450也可以生成控制信号20454,其禁止或断电整个第二RF处理路径20404。
在一些方面中,控制信号20452和20454可以用以通过切换栅极偏置、通过使用启用/禁用管脚,或通过其他方法激活或禁止接收机20400内的各个电路。示例LNA启用管脚示出于图205、图206、图208和图209中。
本文所描述的解决方案进一步使得可分级接收机架构的实现方式能够解决信道滤波器(例如20424和20434)和模数转换器(ADC,20428和20438)中的带宽限制。5G通信系统将支持具有如八个聚合分量载波那样多的至少一个毫米波频段中的操作。对于800MHz的总RF信号带宽(例如信号20403),每个分量载波可以具有100MHz的带宽。滤波器(20424、20434)和ADC(20428、20438)将在满足性能和线性度目标以应对800MHz的RF带宽方面具有显著挑战。可能需要高阶信道滤波器以保护ADC不受强阻挡物。无源R-C滤波器可能不能提供ADC之前的足够的保护(滤波),因此可能需要有源滤波器。然而,归因于在有源滤波器中所使用的运放中将是必要的非常高的增益-带宽乘积,通过现有CMOS技术实现可以应对800MHz的RF带宽的有源滤波器对于实现可能是有挑战性的。
本文所讨论的接收机架构实现方式技术可以包括:(1)移除用以对接收到的信号进行下变频的本地振荡器波形的复用;以及(2)当RF处理路径并未用在分离操作模式下时,对其的一半进行断电(或关断),而不影响看入接收机可见的输入阻抗。
存在所提出的架构优于图20302所示的接收机解决方案的若干优点。首先,所提出的架构(例如,可见于图203-图209中)通过将接收到的分量载波划分为两个(或多个)专用路径克服实现非常宽的带宽有源信道滤波器和非常高的性能ADC方面的挑战。所公开的架构或技术的第二优点源于移除LO信号的复用,在于:减少或移除归因于复用器电路中的LO信号的混频而产生的交调产物。所公开的架构或技术的第三优点得自(例如,在开关操作模式期间)关断(或断电)接收机的一半,这将产生功率效率和更长的电池寿命。所公开的架构或技术的第四优点是LO分配方面的简化,其带来高于6GHz的频率处的功率节省(尤其是当操作在分离操作模式下时)。最后,归因于总体接收机架构方面的简化,控制逻辑(例如控制电路20450)也可以得以简化。
图205示出根据一些方面的使用具有LNA输入处的信号分离的开关模式下进行操作的分段式LNA和分段式混频器的接收机的框图。参照图205,接收机20500可以分别表示图203和图204中的接收机20300和20400的更详细示图。接收机20500可以包括包含LNA片段20504、20506、20508和20510的分段式LNA。例如,LNA20504和20506可以形成一个分段式LNA,并且LNA 20508和20510可以形成另一分段式LNA。如果一个分段式LNA具有W的有效大小,则LNA片段(例如LNA 20504和20506)中的每一个具有W/2的有效大小,如图205中可见。相似地,包括LNA片段20508和20510的分段式LNA可以具有W的有效大小,其中,LNA片段20508和20510具有W/2的有效大小。
LNA 20504、20506、20508和20510中的每一个耦合到对应下变频混频器20512、20514、20516和20518以及信道滤波器20536、20538、20540和20542。混频器20512、20514、20516和20518中的每一个被配置为接收差分LO信号,其用于对从对应LNA接收到的放大的RF信号进行下变频。
在示例开关操作模式下,输入RF信号20502可以仅传递到LNA 20504和20506。包括LNA 20504、混频器20512和滤波器20536的RF处理路径可以用以生成基带输出信号的同相(I)分量20544。更具体地说,来自混频器20514的信号输出20515A和20515B可以与来自混频器20512的信号输出20513A和20513B用以生成差分基带信号20520和20522,其由滤波器20536滤波,以生成基带输出信号的I信号分量20544。
相似地,包括LNA 20506、混频器20514和滤波器20538的RF处理路径可以用以生成基带输出信号的正交(Q)分量20546。更具体地说,来自混频器20514的信号输出20515C和20515D可以与来自混频器20512的信号输出20513C和20513D用以生成差分基带信号20524和20526,其由滤波器20538滤波,以生成基带输出信号的Q信号分量20546。在图205所示的示例开关操作模式下,可以关于效率而禁止并且关闭LNA 20508和20510以及与那些LNA关联的(包括差分LO信号分布的)整个处理路径。如图205中可见,混频器20512-20516中的每一个生成I和Q信号输出二者。
在一些方面中,开关操作模式可以仅由与LNA 20508和20510关联的RF处理链执行,而与LNA 20504和20506关联的RF处理链可以被禁止并且关闭。如果LNA 20508和20510正处理RF输入信号20502,则对应放大信号传递到混频器20516和20518以用于基于差分LO信号的下变频。混频器20516生成差分基带信号20528和20530,其由滤波器20540滤波,以生成基带输出信号的I信号分量20548。混频器20518生成差分基带信号20532和20534,其由滤波器20542滤波,以生成基带输出信号的Q信号分量20650。
图206示出根据一些方面的使用具有LNA输入处的信号分离的分离模式下进行操作的分段式LNA和分段式混频器的接收机的框图。参照图206,接收机20600可以分别表示图203和图204中的接收机20300和20400的更详细示图。接收机20600可以包括包含LNA片段20604、20606、20608和20610的分段式LNA。例如,LNA20604和20606可以形成一个分段式LNA,并且LNA 20608和20610可以形成另一分段式LNA。如果一个分段式LNA具有W的有效大小,则LNA片段(例如LNA 20604和20606)中的每一个具有W/2的有效大小,如图206中可见。相似地,包括LNA片段20608和20610的分段式LNA可以具有W的有效大小,其中,LNA片段20608和20610具有W/2的有效大小。
LNA 20604、20606、20608和20610中的每一个分别耦合到对应下变频混频器20612、20614、20616和20618以及信道滤波器20636、20638、20640和20642。混频器20612、20614、20616和20618中的每一个被配置为接收差分LO信号,其用于对从对应LNA片段接收到的放大的RF信号进行下变频。
在示例分离操作模式下,可以分离输入RF信号20602(例如,如图204中可见),其中,第一RF信号部分传递到LNA 20606,并且第二(其余)RF信号部分传递到LNA 20608。包括LNA 20606、混频器20614以及滤波器20636和20638的RF处理路径可以用以生成第一基带输出信号的I分量20644和Q分量20646。包括LNA 20608、混频器20616以及滤波器20640和20642的RF处理路径可以用以生成第二基带输出信号的I分量20648和Q分量20650。
更具体地说,来自混频器20614的信号输出20615A和20615B可以用以生成差分基带信号20620和20622,其由滤波器20636滤波以生成第一基带输出信号的I信号分量20644。来自混频器20614的信号输出20615C和20615D可以用以生成差分基带信号20624和20626,其由滤波器20638滤波以生成第一基带输出信号的Q信号分量20646。
相似地,来自混频器20616的信号输出可以用以生成差分基带信号20628和20630,其由滤波器20640滤波以生成第二基带输出信号的I信号分量20648。来自混频器20616的信号输出也用以生成差分基带信号20632和20634,其由滤波器20642滤波以生成第二基带输出信号的Q信号分量20650。
如图206中所指示的那样,分离操作模式可以仅由与LNA20606和20608关联的RF处理链执行,而与LNA 20604和20610关联的RF处理链以及对应混频器20612和20618(以及将LO信号提供给那些混频器的LO分配电路的部分)可以被禁止并且关闭。
图207示出根据一些方面的示例本地振荡器(LO)信号生成电路的框图。参照图207,示出可以结合本文所公开的接收机(例如图203、图204、图205、图206、图208和图209所示的接收机)而使用的LO分配架构20700。LO分配架构20700包括LO生成器20702和20714,其可以用以生成用于多个分段式混频器的差分LO信号。LO生成器20702所生成的LO信号可以由除法器块20704进行除法,并且然后在强度1的缓冲器20706内受缓冲。受缓冲的LO信号中的每一个可以被分离并且受具有强度2的缓冲器20708再次缓冲。可以根据需求而从缓冲器输出最终差分LO信号20710。例如,控制电路20450可以生成使能信号,其可以用以指示哪个LO差分信号20710可以传递到对应混频器片段。LO生成器20712所生成的LO信号可以由除法器块20714进行除法,并且然后在强度1的缓冲器20716内受缓冲。受缓冲的LO信号中的每一个可以被分离并且受具有强度2的缓冲器20718再次缓冲。可以根据需求而从缓冲器输出最终差分LO信号20720。即使图207中示出具有2的强度的缓冲器,本公开也不限于此,并且同样可以使用其他类型的缓冲器。
真值表20722提供哪些差分LO信号可以被激活并且用于本文所公开的接收机架构的各种操作模式的示例。例如,在使用LO1(例如,如图205中可见)的开关模式期间,LO1生成器20702处于打开,并且LO2生成器20712处于关闭。激活的特定操作模式和特定LO差分信号可见于表20722中。如表20722中可见,取决于接收机正操作在开关操作模式还是分离操作模式下,可以关闭LO分配架构20700的部分,这样产生效率和功率节省。
如表20722的底部行中可见,在具有LO1和LO2的分离模式期间,四个“a”输出处于ON,而四个“b”输出处于OFF。在另一方面中,在具有LO1和LO2的分离模式期间,四个“b”输出可以处于ON,而四个“a”输出可以处于OFF。
图208示出根据一些方面的使用具有LNA输出处的信号分离的开关模式下进行操作的分段式输出LNA和分段式混频器的接收机的框图。参照图208,接收机20800可以包括包含LNA片段20812、20814、20816和20818的分段式输出LNA 20802。LNA 20812、20814、20816和20818中的每一个耦合到对应下变频混频器20804、20806、20808和20810以及信道滤波器20828、20830、20844和20848。混频器20804、20806、20808和20810中的每一个被配置为接收差分LO信号,其用于对从LNA 20802的对应LNA片段接收到的放大的RF信号进行下变频。
在示例开关操作模式下,输入RF信号20852可以传递到LNA 20802,并且然后选路,以用于仅LNA片段20812和20814进行的放大。于此,输入RF信号在LNA 20802输出处选路并且被分离。在图208所示的开关操作模式情形中,RF输入信号20852的副本传递到LNA片段20812和20814,并且然后输出到对应混频器20804和20806。包括LNA 20812、混频器20804和滤波器20828的RF处理路径可以用以生成基带输出信号的同相(I)分量20832。更具体地说,来自混频器20804和20806的信号输出可以用以生成差分基带信号20820和20822,其由滤波器20828滤波以生成基带输出信号的I信号分量20832。
相似地,包括LNA 20814、混频器20806和滤波器20830的RF处理路径可以用以生成基带输出信号的正交(Q)分量20834。更具体地说,来自混频器20804的信号输出可以与来自混频器20806的信号输出用以生成差分基带信号20824和20826,其由滤波器20830滤波,以生成基带输出信号的Q信号分量20834。在图208所示的示例开关操作模式下,可以关于效率而禁止并且关闭LNA 20816和20818以及与那些LNA关联的(包括差分LO信号分布和下变频混频器的)整个处理路径。如图208中可见,混频器20804-20810中的每一个生成I和Q信号输出二者。
在一些方面中,开关操作模式可以仅由与LNA 20816和20818关联的RF处理链执行,而与LNA 20812和20814关联的RF处理链可以被禁止并且关闭。如果LNA 20816和20818正处理RF输入信号20852,则对应放大信号传递到混频器20808和20810以用于基于差分LO信号LO2的下变频。混频器20808生成差分基带信号20836和20838,其由滤波器20844滤波,以生成基带输出信号的I信号分量20846。混频器20810生成差分基带信号20840和20842,其由滤波器20848滤波,以生成基带输出信号的Q信号分量20850。
图209示出根据一些方面的使用具有LNA输出处的信号分离的分离模式下进行操作的分段式输出LNA和分段式混频器的接收机的框图。参照图209,接收机20900可以包括包含LNA片段20912、20914、20916和20918的分段式输出LNA 20902。LNA 20912、20914、20916和20918中的每一个耦合到对应下变频混频器20904、20906、20908和20910以及信道滤波器20928、20930、20944和20948。混频器20904、20906、20908和20910中的每一个被配置为接收差分LO信号,其用于对从LNA 20902的对应LNA片段接收到的放大的RF信号进行下变频。
在示例分离操作模式下,输入RF信号20952可以传递到LNA 20902,并且然后被分离,以用于仅LNA片段20914和20916进行的放大。于此,在LNA 20902输出处分离输入RF信号20952,如图209中可见。在图209所示的分离操作模式情形中,RF输入信号20952的两个副本分别传递到LNA片段20914和20916,并且然后传递到对应混频器20906和20908。包括LNA20914、混频器20906以及滤波器20928和20930的RF处理路径可以用以生成与传递到LNA片段20914的RF输入信号20952的第一部分对应的第一基带输出信号的同相(I)分量20932和正交(Q)分量20934。更具体地说,来自混频器20906的信号输出可以用以生成差分基带信号20920和20922,其由滤波器20928滤波以生成第一基带输出信号的I信号分量20932。来自混频器20906的信号输出也可以用以生成差分基带信号20924和20926,其由滤波器20930滤波以生成第一基带输出信号的Q信号分量20934。
相似地,包括LNA 20916、混频器20908以及滤波器20944和20948的RF处理路径可以用以生成与传递到LNA片段20916的RF输入信号20952的第二部分对应的第二基带输出信号的I分量20946和Q分量20950。更具体地说,来自混频器20908的信号输出可以用以生成差分基带信号20936和20938,其由滤波器20944滤波以生成第二基带输出信号的I信号分量20946。来自混频器20908的信号输出也可以用以生成差分基带信号20940和20942,其由滤波器20948滤波以生成第二基带输出信号的Q信号分量20950。
图210示出根据一些方面的用于操作在开关模式下的接收机的示例LO分配方案。参照图210,可以结合操作在开关模式下的接收机(例如图202中的接收机20202)使用第一LO分配方案21000。可以结合操作在开关模式下的另一接收机(例如图205中的接收机20500)使用第二LO分配方案21040。第一LO分配方案21000包括频率除法器21004和21022以及缓冲器21002、21006、21008、21010、21012、21014、21020、21024、21026、21028、21030和21032。第一LO分配方案21000还包括使用与输入LO信号LO1和LO2对应的所生成的差分LO信号的下变频混频器21016、21018、21034和21036。
第二LO分配方案21040包括频率除法器21044和21062以及缓冲器21042、21046、21048、21050、21052、21060、21064、21066、21068和21070。第二LO分配方案21040还包括使用与输入LO信号LO1和LO2对应的所生成的差分LO信号的下变频混频器21054、21056、21072和21074。
如图210中可见,第一LO分配方案21000使用一个频率除法器、七个缓冲器以及两个混频器集合。与之比较,第二LO分配方案21040使用一个频率除法器、五个缓冲器以及单个混频器集合。于此,归因于LO分配网络的简化,可以通过第二LO分配方案21040实现近似20%的电流节省的基于仿真的估计。
图211示出根据一些方面的用于操作在分离模式下的接收机的示例LO分配方案。参照图211,可以结合操作在分离模式下的接收机(例如图202中的接收机20230)使用第一LO分配方案21100。可以结合操作在分离模式下的另一接收机(例如图206中的接收机20600)使用第二LO分配方案21140。第一LO分配方案21100包括频率除法器21104和21122以及缓冲器21102、21106、21108、21110、21112、21114、21120、21124、21126、21128、21130和21132。第一LO分配方案21100还包括使用与输入LO信号LO1和LO2对应的所生成的差分LO信号的下变频混频器21116、21118、21134和21136。
第二LO分配方案21140包括频率除法器21144和21162以及缓冲器21142、21146、21148、21150、21152、21160、21164、21166、21168和21170。第二LO分配方案21140还包括使用与输入LO信号LO1和LO2对应的所生成的差分LO信号的下变频混频器21154、21156、21172和21174。
如图211中可见,第一LO分配方案21100使用十个缓冲器和四个混频器。与之比较,第二LO分配方案21140使用六个缓冲器和仅两个混频器。于此,归因于LO分配网络的简化,可以通过第二LO分配方案21140实现近似40%的电流节省的基于仿真的估计。
操作在mmWave频率范围中的微波天线子系统是极度小的,处于微米范围中。因此,在因为机壳大小要求并且因为组件和天线的密集封装所以空间处于稀缺的情况下,发现用于减少用于mmWave移动设备中使用的天线和无线电子系统的大小(具体地说,厚度)的方式是重要的。存在关于大小减少的特定需求的一个面积是分立组件,其占据比非分立组件更多的体积。因此,需要通过以超薄技术制成分立组件来减少它们的体积。同时,应解决并且减少热、电和机械贴面(overlay)问题。成本改进也是主要考虑因素。组件、天线和天线子系统在彼此的顶部上或侧上的贴面将减少子系统的大小和厚度二者。使用具有外模(overmold)中的互连部的外模是将允许天线位于子系统的侧上并且提供优于竞争技术的热和机械改进的另一概念。
图212是根据一些方面的使用连接器的脱模堆叠式叠层封装嵌入式管芯无线电系统的侧视图。本文所描述的嵌入式管芯无线电系统可以包括于图3A所示的mmWave通信电路300的天线阵列电路330中,但嵌入式管芯无线电系统不限于此。
该方面包括脱模堆叠式叠层封装嵌入式管芯21200,其包括脱模封装21205和封装21207。封装21205可以包括层叠式基板(例如PCB),RFIC 21206嵌入其内。如该上下文中所使用的那样,“脱模”表示管芯21206并未包络在模具或包封中。关于封装的各个部分的z高度所示的维度仅是为了示例目的,并且服务于示出在当封装寻求使用的移动设备的体积是非常受约束的时的情况下工作的极度小的维度。此外,PCB 21205的顶部和底部处的前几微米可以是预浸渍(PrePreg)层,其可以处于嵌入RFIC的PCB的内核之前。归因于PrePreg的厚度而使用它。PrePreg的厚度可以是非常薄的(例如25um或30um)。PrePreg可以是环氧材料,但其也可以是层叠材料(例如覆铜层叠(Copper Clad Laminate,CCL))。该技术不限于基于有机聚合物的层叠,而也可以是基于陶瓷的无机层。如天线基板工业中所使用的那样,“内核”可以表示比基板的其他面积(例如PrePreg)更厚的并且可以比之更刚性的基板的内部部分。封装21205是脱模的,因为其为没有封装内的包封的层叠型基板(例如PCB)。屏蔽体21201处于封装21205的顶部上,以屏蔽组件21203不受RFI/EMI。连接器21223可以将封装中的一个或多个连接到外部世界。在一些方面中,连接器21223提供中频(IF)信号,以用于系统进行的传输。根据一些方面,封装21205包括RFIC管芯21206,其适当地通过迹线和过孔的方式如以下所讨论的那样对于各个天线和天线阵列提供馈电。
虽然示出一个RFIC管芯21206,但本领域技术人员应理解,可以提供多于一个的RFIC管芯,以操作在一个或多于一个的频段中。换言之,在各方面中可以存在至少一个RFIC管芯。根据一些方面,所示的封装可以包括很多不同配置、操作频率和带宽的天线和天线阵列。在图212中,示出天线结构21209、21211、21213、21215和21219。看入附图的页面中,它们可以是侧视图中的单个天线或天线阵列(例如1xN、2xN、……、NxN元件阵列)。在一个示例中,天线21209可以是具有贴片天线元件21210与21212之间的距离d2(在该方面中,165微米)和贴片天线元件21210与地之间的另一维度d1的双贴片天线。取决于距离d1和d2,天线的带宽将因为贴片天线的变化的体积而变化。
如以下将讨论的那样,PCB 21205具有在该方面中示出为等级L1至L6的层叠型结构。因为各种等级,所以天线元件(例如21210、21212)可以按各种距离d2放置在双贴片天线元件之间,并且因为等级的多样性,所以贴片天线元件21210与GND之间的距离d1也可以按各种距离设置,产生对于给定的设计可能需要的带宽的选取。换言之,因为可用的密集封装式层叠等级,所以双贴片天线元件21210与21212之间的距离不限于165微米,而可以按任何若干距离设置。对于双贴片天线元件21210与地平面21214之间的距离,情况是相同的,设置用于测量带宽的能力。然而,等级L1-L6仅是很多方面之一。其他设计可以具有远多于所示的六个层L1-L6的远更多的非常密集地封装的层,并且这些非常密集地封装的层可以根据需要而用于各种功能。
继续于图212的描述,21224在在一些方面中可以是天线或天线阵列(例如以上简述的1xN、2xN、……、NxN元件阵列)。在一些方面中,21224可以是通过表面贴装器件(SMD)(其有时称为表面贴装技术(SMT))所配置的自固定天线。在一些方面中,如果不存在足够的高度以用于PCB 21205内的所需天线或天线阵列,则根据一些方面,天线或天线阵列21210、21212可以被配置有放置在PCB 21205的顶部上的天线元件21212,例如,以提供所需的体积。在另一示例中,双贴片天线元件21212可以放置在表面贴装器件21224的顶部上而非PCB21205的顶部上,以对天线或天线阵列提供附加高度,这在一些方面中将提供增加的体积和改进的带宽,如上所述。
另一示例可见于天线21215处。在该示例中,天线(或天线阵列,如上所述)21215包括如上所述可能是复杂的并且非常密集地封装的基板的基板21205内的贴片天线元件21218。双贴片天线元件21217可以处于第二天线板21207上。在一些方面中,天线板21207可以是介电体、陶瓷、PCB等,其也可以是非常类似PCB 21205的密集封装式层叠型基板。因此,天线功能也可以分摊在多于一个的天线板之间或当中,产生叠层封装配置。因此,如果一个介质上不存在足够的z高度,则天线的部分可以实现于第二介质(例如21207)上,以提供期望的z高度,从而获得体积,以提供期望的参数(例如,在一些方面中,带宽、更低的损耗等)。换言之,给定在一些实例中归因于对于mmWave或其他频率处的操作的形数要求而导致的基板的厚度的极度小的维度,天线元件(和分立组件)可以放置在一个或多个附加介质上。
在一些方面中,天线元件可以放置在PCB 21205的顶部和/或底部上、PCB 21205的侧上以及各种附加配置中,根据需求产生附加基板厚度和增加的带宽。相似地,天线功能可以类似地在可以看作主介质的不同天线板(例如PCB 21205)和可以看作副介质的天线板21207之间或当中划分。
此外,基板之上或之下或其侧中的这些介质可以用于各种功能(例如接地、屏蔽、馈电等)。此外,在PCB 21205的顶部上可以存在多于一个的介质21224。在PCB 21205的顶部上也可以存在均提供如上所述的部分或所有天线或天线阵列的多个天线介质。PCB21205的侧之下或其上的天线介质的放置亦同。此外,副介质可以用于寄生元件,以根据需要改进增益或使得天线的图案成形。
天线21211、21213、21215和21219可以是天线板21207上所配置的并且从RFIC管芯21206馈电的其他天线或天线阵列。还示出的是过孔21220、21222。在一些方面中,可以存在很多过孔。通常,基板21205越厚,过孔21220、21222的直径就越大。在需要超薄基板的一些方面中,过孔可以是远更小的直径,如以下关于其他方面所讨论的那样。过孔(例如21228)可以通过焊料连接(例如21227)连接到RFIC管芯21206。可以通过一个或多个水平层21230连接过孔,以用于对无线电子系统内的其他地方的组件的连接,其中,水平层21230视为看入页面。
图213是根据一些方面的铸模堆叠式叠层封装嵌入式管芯无线电系统的侧视图。在图213中,根据一些方面,封装21300包括包含等级21301(例如天线板(例如PCB))、等级21303(其为(例如,可以在PCB制造期间注入的)模具或包封)和等级21305(其可以包括天线板(例如PCB))的基板。在一些方面中,等级21301可以包括导电等级21307(例如迹线),等级21303可以包括导电等级(例如21309)和一般称为“通孔模具过孔”的过孔(例如21319、21319'),并且等级21305可以包括通过焊料连接21426连接到导电等级21309的导电等级21311,封装21300的导电等级和过孔可配置为从管芯21306、21308对各种天线和其他组件进行馈电。根据各种方面,虽然导电等级21307和21311示出为短的水平层,但实际上它们可以是更长的导电层。
在一些方面中,可以使用重新分布层(RDL)制成导电等级21307、21311。可以通过铜支柱、通过激光穿透模具或其他层以及导电墨水或其他手段制成过孔(或铸模的封装中的通孔模具过孔)。通过使用过孔、导电层和/或RDL,管芯能够非常快速地连接到封装的任何侧上的天线和天线阵列(其在一些方面中可以是SMD 21316、21318、21320上或其内所嵌入的天线)。因为密集封装式过孔和密集封装式水平层,所以管芯可以通过馈电结构的少量的或实质上没有的分散(fan-out)而连接到基板21301、21305上的天线或天线阵列。此外,在一些方面中,通孔模具过孔(例如21319、21319')可以被配置在连接到一个或多个管芯周围的金属化层(在此仅示出层21309,但过孔(例如21319或21319')的顶部可以连接到过孔顶上的金属化层(未示出))的密集封装式过孔的沟槽中,以形成Faraday笼以屏蔽管芯和其他组件不受RFI和EMI。过孔可以是非常小的过孔(例如单个柱)。
当使用具有封装之间的高密度互连部(例如通孔模具过孔21319、21319')(通孔模具过孔)的叠层封装时,我们可以分离地构建封装,并且使用对于底部管芯针对其顶部上或之下的另一管芯所调适的全异材料。由于单独管芯可以在堆叠它们之前在其各个封装中受测试,因此这也改进良率。理解可以根据需要而完全地消除模具也是重要的,并且我们可以通过连接到顶部封装而且充当垂直互连部的焊料球代替通孔模具过孔。
在图213的方面中,两个或更多个管芯21306、21308可以包括于基板内并且由可以是铜填充物、焊接触点(例如21310)或可以是LGA/VGA焊盘或在一些方面中是封装的触点(例如焊料凸起部)附缀。管芯21306、21308可以是任何方面的管芯(例如倒装芯片管芯、晶圆级芯片尺寸封装(CSP)、可引线键合的管芯等)。替代地,可以使用单个管芯。在一些方面中,天线(例如21316、21318、21320)被配置在基板的第一侧上,而天线21316'、21318'、21320'可以被配置在基板的相对侧上。
前述天线可以与关于图213所描述的天线是相同类型的天线,并且在一些方面中可以处于SMD上或其内。又此外,天线21316、21318、21320可以被配置作为天线阵列。此外,天线(例如任何或所有前述天线)可以实施在例如关于图213的天线(或天线阵列)2131224所讨论的SMD上或其内。
还被配置在封装21300的一个或两个侧(例如21301、21305)上的可以是分立组件21322、21324和21322'、21324'。此外,在一些方面中,系统21321、21321'(有时称为封装中系统(SIP))可以被配置在封装21300的顶部上(例如等级或PCB 21301的顶部表面上)和/或底部上(例如21305的底部处)和/或侧上,提供叠层封装配置。
SIP 21321、21321'可以是更类似包括SIP 21321、21321'被配置在上面的等级21301、21303、21305的封装的系统。SIP 21321、21321'可以通过若干方式堆叠在封装上并且以物理方式连接到封装。此外,在一些方面中,管芯21306、21308可以通过21326处所示的合适的触点连接到基板21303。这些合适的触点可以包括铜填充物、焊料凸起部或封装。触点21326可以是叠层封装方面的主体内的非常小的连接。这些系统配置示出叠层封装配置。
此外,因为所描述的封装内的密度是如此高,所以每个封装的一个或多个管芯可以被配置为操作在相同频率或不同频率处,例如,一个管芯操作在5G频率处,并且第二管芯操作在WiGig频率处。此外,例如,因为移动设备的定向,所以可以根据需要,叠层封装方面的天线/天线阵列可以在任何数量的方向上或实质上在每一方向上进行辐射。换言之,根据一些方面,通过根据期望将封装21321、21321'堆叠或以物理方式连接在封装21300的顶部、底部和侧上或其组合并且根据期望在封装21321、21321'上或其内的天线和天线阵列配置中,天线和天线阵列可以全部放置在封装21300上面,意味着在封装的实质上每一期望方向上。根据一些方面,除了前述情况之外,封装21300还可以通过焊料球21313、21315(其示出为比焊料球或触点21326更大,因为虽然焊料球21326处于叠层封装方面内,并且可以是非常小的并且非常紧密地间隔的,但焊料球21313、21315是“对外部世界”的连接)焊接到又一板(未示出)上。
例如,根据一些方面,封装21300通过焊料球21313、21315的方式进一步焊接到的板可以是用于电话、平板、移动设备或其他端用户设备的主机板。
图212与图213之间的主要差别在于,图213的管芯由保护并且加强基板内的管芯的配置的模具包络。铸模方面的优点在于,图212的脱模基板中的嵌入式管芯难以按高批量制造。
由于单独管芯可以在堆叠它们之前在其各个封装中受测试,因此归因于如上所述改进的良率,铸模基板配置对于高批量制造是更兼容的。附加地,在铸模配置组件中,例如21312、21314可以容易地被配置在铸模基板内。根据一些方面,图212的所实施的管芯一般具体用于嵌入仅单个管芯。此外,图213的铸模配置允许比脱模配置远更密集的层。在图212的嵌入式管芯中,每一组件作为一个系统而连接。
如果一个部分(例如一个过孔)出故障,则基板内的整个系统出故障。在图213的铸模配置中,可以分离地制成基板自身,可以分离地连接对管芯进行连接的层,并且系统直到最终步骤才连接在一起,其中,最终步骤是:将所有部分焊接在一起。在图212的方面中,在内部不存在焊接,系统包括多数或全部可以近乎同时组装的铜过孔。换言之,构建铸模堆叠式封装的工艺非常不同于构建脱模封装。
例如,在图213中,支柱可以放置或电镀在顶部封装的底部层上,并且它们可以电镀为高的宽高比和非常小的直径。然后,使用焊料或热机械压缩连接顶部和底部封装。外模(overmold)是液体,受注入并且然后流动而且覆盖间隙。这是比用于脱模封装更高的密度而且更高的出产工艺。
铸模方面的优点在于,图212的脱模基板中的嵌入式管芯难以按高批量制造。由于单独管芯可以在堆叠它们之前在其各个封装中受测试,因此归因于如上所述改进的良率,铸模基板配置对于高批量制造是更兼容的。附加地,在铸模配置组件中,例如21312、21314可以容易地被配置在铸模基板内。根据一些方面,图212的所实施的管芯一般具体用于嵌入仅单个管芯。
此外,铸模配置允许比脱模配置远更密集的层。在图212的嵌入式管芯中,每一组件作为一个系统而连接。如果一个部分(例如一个过孔)出故障,则基板内的整个系统出故障。在图213的铸模配置中,可以分离地制成基板自身,可以分离地连接对管芯进行连接的层,并且系统直到最终步骤才连接在一起,其中,最终步骤是:将所有部分焊接在一起。在图212的方面中,在内部不存在焊接,系统包括多数或全部可以近乎同时组装的铜过孔。
图214是根据一些方面的示出附加细节的铸模堆叠式封装或嵌入式管芯子系统无线电系统的侧视图。在一些方面中,在表8中指示单独组件技术所处的等级。
表8
封装21401示出第一封装,并且封装21403示出第二封装。图214示出通过使用通过在无线电子系统的封装基板(例如层叠)或主机PCB中印制SMD其他组件所形成的超薄技术(例如集成基板前端(iSFE)或外部基板前端(eSFE)功能)的急剧高度和体积减少。例如,在图214中,条目21415是在减少噪声方面有用的解耦合电容器(DECAP),并且21414是实现为iSFE的功能(例如滤波器、巴伦(例如变换器)、复用器、耦合器、谐波滤波器或天线等),如下所述。箭头21413指示作为基板内的iSFE印制在基板中的RF功能。根据一些方面,条目21429、21431、21433分别是实施mmWave、Wi-Fi和LTE无线电系统的管芯。值得注意的是,eSFE 21414和DECAP21415近似为管芯的高度,这样使得关于这些功能的急剧高度和体积减少成为可能,如以下详细解释的那样。
箭头21409指示根据需求具有从顶部到底部并且到外部的短同轴类型地-信号-地(GSG)过渡部的PCB等级。GSG是允许高程度地受控的阻抗并且减少通过模具或通过空气从顶部到底部的发射信号的发起部(launch)。箭头21411指示对外部的短的和低损耗的过渡部,目标阻抗根据需要是30至60欧姆,其可以是焊料球21412的方式。
还示出的是水平连接21417,其可以将管芯21406连接到例如21435处的DECAP和eSFE 21437所实现的功能。模具21424中的管芯21406也可以通过水平连接(例如21419)和可以经由焊料连接21423连接到等级21401中的水平连接的通孔模具过孔(例如21421)的方式连接到管芯21429、21431、21433。
图214示出叠层封装实现方式,其中,一个封装可以在等级21401上的管芯21429、21431、21433处实现操作在一个或多个频率范围(例如mmWave、Wi-Fi或LTE)中的无线电,并且第二封装可以在管芯21406中实现操作在另一频率范围(例如mmWave、Wi-Fi或LTE)中的无线电。封装21401中的功能21414、21415和封装21403中的功能21435、21437不再需要实现于分立功能中,而是反而可以适当地印刻在PCB自身上。用于实现功能(例如滤波器、巴伦、复用器、耦合器、谐波滤波器或天线)的显著地薄的维度的组件(例如DECAP和电感器)在表8中可见是如此超薄以致于这些这些组件可以印刻在PCB自身上。iSFE和eSFE技术提供用于根据期望在与管芯相同的平面中将这些组件适当地印刻在PCB上的能力,如下所述。
图215示出根据一些方面的具有RF前端的单机组件的计算平台的截面。图215示出计算平台(例如手持电话的电路板)的截面21500。截面21500包括PCB 21501、焊料球21502、具有微凸起部和重新分布层的层叠或基板21503、RF有源和无源器件21504(例如无线芯片)、表面贴装器件(SMD)21505和21506以及模具化合物21507。
SMD 21505和21506可以包括前端组件(例如前述巴伦、天线、双工器、复用器、滤波器(例如带通和低通滤波器)等)。这些SMD执行重要功能。例如,巴伦用于消除共模噪声,双工器和复用器允许天线共享,并且带通/低通滤波器抑制不想要的信号和阻挡物。由于更多频段添加到计算平台以提供附加服务,因此组件的数量进一步增长。然而,这些组件可能占据近似50%至70%平台的面积,并且可能成本近似总物料清单(BOM)的近似30%至50%。
一些方面描述通过在封装基板(例如层叠)或主机PCB中印制SMD和其他组件所形成的集成基板前端(iSFE)或外部基板前端(eSFE)。故此,实现平台的横向面积和高度方面的节省。附加地,实现高度集成的计算平台。
一些方面描述包括具有第一侧的管芯(例如处理器管芯)和沿着第一侧耦合到管芯的第一焊料球集合的装置(例如计算平台)。装置还包括与第一焊料球集合相邻的基于层叠的基板,其中,基于层叠的基板包括嵌入其中的平衡式滤波器,并且其中,平衡式滤波器经由第一集合中的焊料球中的至少一个以连通方式耦合到第一管芯。在此,层叠形成iSFE。在一些方面中,取决于可用的层计数,iSFE部段也可以直接处于管芯之下。
在一些方面中,提供一种装置,其包括用于第一频段的第一传输路径和用于与第一频段不同的第二频段的第二传输路径。在一些方面中,装置还包括对于第一和第二传输路径共用的节点,从而节点待耦合到天线。在一些方面中,装置包括耦合到共用节点的传输零点电路。
在一些方面中,传输零点电路提供传输零点,其为输入与输出之间的信号传输停止的频率。滤波器例如连同通带边沿频率和通带纹波一起使用传输零点频率以形成滤波器的输入与输出之间的传递函数,并且用于使得滤波器的响应成形。在一些方面中,具有传输零点电路的装置是iSFE的部分。
各种方面的iSFE可以在成本方面比其他集成方案(例如低温共烧陶瓷(LTCC)工艺或SOI(绝缘体上硅)上的IPD(集成无源器件)或高电阻率Si或较高成本层叠封装)更低。各种方面的iSFE可以作为单机组件定制到硅(Si)或集成在Si封装中或Si驻留的PCB中。截面21500示出具有集成SMD 21505和21506的层叠21503。
图216示出根据一些方面的具有层叠或基板内的RF前端的集成组件的计算平台的截面。图216示出计算平台的截面21600。具有与任何其他附图的要素相同的标号的图216的那些要素可以按与所描述的方式相似的任何方式操作或运作,但不限于此。图216在此用以示出iSFE和eSFE。虽然图216未示出天线,但本文的随后附图将示出可以如何实现具有mmWave和其他频率范围天线的图216中所描述的组件和/或技术以获得超薄处理器管芯-天线组件芯片。
截面21600示出具有集成SMD 21605和21606的层叠21603。与截面21200相比,在此BOM减少,因为分立式组件21505和21506不再需要作为单机组件并且完全集成到层叠21603中,完整地形成iSFE组件。在一些方面中,层叠21603使用具有最小层计数(例如,小于5个层)以及在基板21603中集成/印制整个前端的功能的标准硅封装基板技术。使用传统方案(例如基于内核的基板或无内核基板)以低成本制造各种方面的基于层叠的基板21603。各种方面的基于层叠的基板21603对于具有薄的内核和薄的预浸渍层的硅封装或单机组件是有益的。各种方面的基于层叠的基板21603对于分散(fan-out)并且对于iSFE也是有益的。在一些方面中,取决于基板厚度的可用性,层叠21603可以具有作为最小数量的层的一个金属层或多个层。
在一些方面中,当使用单个层或1.5层层叠或低层计数时,可以使用焊料连接而非过孔,并且主PCB上的设备之下的面积也可以用作电感器和电容器的部段。虽然图216示出基板的顶部侧和底部侧上的焊料球,但应理解,可以通过面栅阵列(LGA)连接替代焊料球,其中,通过规则表面贴装技术(SMT)连接替代焊料球。在一些方面中,可以使用顶部和底部或平面之一上的Cu(铜)支柱。在一些方面中,基板可以具有顺着集成无源组件的用于管芯的腔体。
在一些方面中,可以使用普通封装和PCB中所使用的材料制成层叠21603。在一些方面中,层叠21603的材料磁导率(εr)范围从2-30。在一些方面中,取决于密度和隔离度要求,层叠21603的厚度可以范围从2μm到200μm。在一些方面中,可以使用微过孔和通孔孔洞或仅互连部之一制成层叠21603。在一些方面中,层叠21603可以是具有一个内核/预浸渍材料的如2个那样少的金属层。在一些方面中,基于层叠的基板独立于微过孔。
当使用最小数量的金属层或薄的封装基板时,应理解,局部地存在地可能增加显著寄生性;而这些寄生性在它们也可以使得相互耦合的电感器之间的耦合降级的特定实例中是非常有用的。在一个这样的方面中,封装的主层在特定面积周围可以没有局部存在的地。附加地,还应理解,可以使用分立式组件(例如SMT带通滤波器、SMT电容器和电感器或Si上电容器和电感器)实现示意图中的若干组件。所有部段总是集成为基板上的印制组件并非是紧要的。一些方面也可以在该基板的无内核实现方式中具有奇数数量的层。当使用最小数量的层时,各种方面的技术让自身对于柔性/可弯曲电子器件是极度良好的。
通过使用材料、厚度、设计规则和架构的恰当组合,可以在基板21603中实现并且集成紧凑的Wi-Fi、BT(蓝牙)和全球导航卫星系统(GNSS)前端。然而,各方面不限于上述通信标准。在一些实例中,可以在基板21603中实现并且集成与大于10GHz的其他标准(例如WiGig或5G信号)关联的硬件。故此,可以完全地或近乎完全地消除硅芯片21604周围的很多(若非全部)单机组件,并且可以使得封装更薄、更廉价、更小并且更好地执行。例如,模具化合物21607的厚度小于模具化合物21607的厚度,并且故此减少封装厚度(例如高度)。
在一些方面中,层叠21603包括用于每个频段的集成平衡式滤波器,其可以连接到具有最小电路的其他频段中的其他平衡式滤波器。故此,根据一些方面,实现在多个频段上的单端式天线共享或偶极天线共享。在一些方面中,采用主导电感和主导寄生电容设计,以将前端组件集成在超薄基板21603和PCB 21601中,而没有显著附加处理成本,并且无需非标准PCB/基板材料。通过使用寄生电容,最小数量的物理可实现组件用以实现带内和带外的期望的响应。在一些方面中,在封装自身中不使用物理地。反之,在一些方面中,使用基准板的地,以去掉层叠21603和/或PCB 21601的金属层。
图217示出根据一些方面的层叠/基板中部分地实现的智能设备或计算机系统或SoC(片上系统)。连接性21770可以包括多个不同类型的连接性。为了一般化,示出具有蜂窝连接性21772和无线连接性21774的计算设备21700。蜂窝连接性21772通常指代无线载波所提供的(例如,经由GSM(全球移动通信系统)或变型或衍生、CDMA(码分多址)或变型或衍生、TDM(时分复用)或变型或衍生、或其他蜂窝服务标准提供的)蜂窝网络连接性。无线连接性(或无线接口)21774指代并非蜂窝的无线连接性,并且可以包括个域网(例如蓝牙、近场等)、局域网(例如Wi-Fi)和/或广域网(例如WiMax)或其他无线通信。在一些方面中,蜂窝连接性21774的前端组件(例如天线、巴伦、双工器、三工器、复用器、带通滤波器、低通滤波器等)实现为iSFE。
其中,以上技术在移动设备实现方式中寻求使用。在移动设备IC-天线应用的过去实现方式中,处理器IC直接与天线进行接口。然而,未来mmWave和其他频率范围应用将要求中间功能(例如复用器、巴伦、滤波器等)放置在处理器管芯与天线之间的电路中。因为用户设备(例如移动电话)中的空间是极度小的,所以如今通常由分立组件和表面贴装器件(SMD)实现的这些功能将必须比这些分立组件和SMD远更薄,并且占据远更少的体积。例如,未来堆高厚度预期处于关于管芯的小于100微米以及关于组件的小于200微米的范围中。因此,这些组件将必须是超薄的。
此外,未来实现方式也可以组合mmWave应用与Wi-Fi、WiGig和LTE应用。因此,将需要操作在变化的频率范围处的网络之间的连接。在叠层封装或侧接侧实现方式中因此将需要例如mmWave天线解决方案与Wi-Fi天线解决方案之间的中间电路。对于与LTE和WiGig天线解决方案的互连,同样如此。换言之,可以期望具有中间组件的不同频率处的堆叠式无线电。紧要的是,芯片与天线之间的SMD和组件是超薄、超低轮廓和类似PCB的解决方案,因为在叠层封装的情况下,存在更多无线电、更多滤波和更多其他无线组件,它们很可能在密度方面持续地增加。针对关于用于这些功能和互连的超薄组件的需求,iSFE和eSFE技术提供解决方案。使用iSFE和eSFE技术使得能够将所需的功能(例如巴伦、滤波器等)适当地印制到基板自身中以制成超薄组件(其为类似PCB的组件),并且消除或实质上减少高的组件(例如上述分立组件)和相对大的SMD。换言之,使用ISFE和eSFE技术,所需的功能可以并非作为组件而是作为印制电感器和电容器以及通常发现于分立组件中的其他功能印制到基板自身中。众多不同电感器和电容器可以印制到基板中,并且除此而外还用于互连可以处于从Wi-Fi频率到LTE频率到mmWave频率的叠层封装配置中所实现的不同网络。作为一个示例,两层结构已经实现为电容器,其中,电容器板范围在20至30微米之间。这些结果使得组件尽可能不可见(鉴于薄度),并且如此薄以致于处于与管芯相同的平面中。
图218示出根据一些方面的使用管芯与天线之间可以配置的上述超薄组件的铸模叠层封装嵌入式管芯无线电系统的侧视图。根据一些方面,图218的叠层封装实现方式与图215的实现方式非常相似,但在图218中,eSFE技术所实现的功能(例如巴伦、滤波器等)可以印刻在PCB 21808自身上。封装21801示出第一封装,并且封装21803示出第二封装。图218示出通过使用通过在无线电子系统的封装基板(例如层叠)或主机PCB中印制SMD其他组件所形成的超薄技术(例如集成基板前端(iSFE)或外部基板前端(eSFE)功能)的急剧高度和体积减少。例如,在图218中,条目21805是解耦合电容器(DECAP),并且21811是iSFE组件,它们都可以用在电路中以实现RF功能(例如实现为iSFE的滤波器、巴伦、复用器、耦合器、谐波滤波器或天线等),如上所述。这些RF功能可以印制在基板中作为iSFE。根据一些方面,条目21806、21807、21809分别是实施mmWave、Wi-Fi和LTE无线电系统的管芯。值得注意的是,eSFE 21811和DECAP 21805处于管芯的高度的范围中,这样使得能够进行关于这些功能的急剧高度和体积减少,因为它们是通过iSFE和/或eSFE技术实现的。箭头21821指示根据需求具有从顶部到底部并且到外部的短同轴类型地-信号-地(GSG)过渡部的PCB等级。箭头21823指示对外部的短的和低损耗的过渡部,目标阻抗根据需要是30至60欧姆,其可以是焊料球21819的方式。管芯21806和eSFE组件21807可以都实现于PCB 21808上,其中,eSFE组件21807是耦合在管芯21806与天线(因为绘图中的空间考虑因素,所以未示出)之间的例如以上所描述的电路的部分或形成该电路。还示出的是水平连接21810、21812,其可以将管芯21806连接到例如21815处的DECAP和eSFE21817所实现的功能。模具21824中的管芯21806也可以通过水平连接(例如21812)和通孔模具过孔(未示出)的方式连接到可以实现管芯21806与天线(也未示出)之间的功能的DECAP 21815和iSFE21817。
图218示出叠层封装实现方式,其中,一个封装可以实现等级21801上的21807、21809处的操作在一个或多个频率范围(例如Wi-Fi或LTE)中的无线电,并且第二封装可以实现管芯21806中的操作在另一频率范围(例如mmWave)中的无线电。封装21801中的功能21805、21811和封装21803中或其上的功能21813、21815、21817并非实现为分立组件,而是反之适当地印刻在PCB自身上。这是iSFE和/或eSFE技术提供的优点,具有在与管芯(在此,21806)相同的等级上例如在eSFE 21813处印刻功能的附加优点,提供用于如以上所解释的那样实现的根据期望将这些组件适当地印刻在PCB上的能力。此外,在所描述的叠层封装方面中,eSFE和iSFE功能可以互换。例如,支持Wi-Fi管芯21807的iSFE或eSFE可以放置在与mmWave管芯21806相同的等级之下或其处,并且反之亦然。换言之,支持特定频率范围处的特定管芯的iSFE/eSFE不必处于与其支持的管芯相同的平面中。根据一些方面,这样提供将支持管芯的iSFE/eSFE电路定位在与受支持的管芯不同的平面中的优点,以利用可以在不同平面中可用的更多空间。
图219是根据一些方面的具有一个堆叠在另一个上的三个封装的铸模堆叠式叠层封装嵌入式管芯无线电系统的侧视图。总体上在21900处示出的是21901、21902和21903处的三个封装。在一些方面中,封装示出为正操作在管芯21906的LTE操作频率处、管芯21908的Wi-Fi操作频率处以及管芯21910的mmWave操作频率处。封装可以是具有21924、21926处的模具的铸模封装。所示的组件根据一些方面实质上是与图218中所描述的相同的各个组件,并且在一些方面中可以相似地运作,其中,eSFE组件和iSFE组件提供管芯与天线之间的电路功能。eSFE和iSFE功能可以互换。例如,在一些方面中,支持Wi-Fi管芯21908的iSFE或eSFE可以放置在与mmWave管芯21910相同的等级之下或其处,这样可以有利于使用空间。
可以使用集成芯片、封装中系统、运行在处理器上的软件等实现本文所预期的子系统中的每一个。
所公开的是可以基于两个芯片(BBIC和射频前端(RFFE)(本文又称为RFIC))的连同WiGig 60GHz频段一起用于5G 30GHz和40GHz频段的mmWave RF架构。根据一些方面,BBIC和RFIC经由单个RF缆线连接到彼此。所公开的架构允许与57-70GHz谱中的用于WiGig2x2MIMO的同时和自主发送和接收并行的要么24-29.5GHz谱中要么37-45GHz谱中的用于5G2x2多入多出(MIMO)天线阵列的同时和自主发送和接收。根据一些方面,前述两个5G频段是与最新WiGig信道组合的通常用于支持包括新兴5G协定谱的全球库存单元(SKU)产品的频段。换言之,移动电话可以被配置为在全球进行操作,而无论电话可能处于的给定地形中所支持的(即,对于给定地形中的发送和接收所使用的)5G频段如何。所公开的系统对该能力提供在IC子系统之间仅使用一个缆线的附加优点以及非常小的数量的频率综合器(在一些方面中,最小数量的综合器)。频率综合器通常包括数字锁相环(DPLL)和压控振荡器(或数控振荡器)。术语DPLL和综合器在本文中可以可互换地使用。虽然所公开的架构用于24-29.5GHz谱和37-45GHz谱使用情况,但本领域技术人员应理解,所公开的架构不限于这种使用情况。倘若各种地形最终判断其他频段,那么所公开的架构将操作在所判断的使用情况的谱中。
在本文的一些实例中,24-29.5GHz谱可以指代为28GHz、29.5GHz或30GHz,37-45GHz谱可以指代为39GHz或40GHz,并且57-70GHz谱可以指代为60GHz或70GHz谱,仅便于简称标注。
关于5G的标准小组当前已经协定对于5G生态系统将关于设备在任何给定时间仅使用以上两个5G频段之一。例如,在美国可以支持并且使用5G频段之一,而在欧洲可以支持并且使用5G频段中的另一个。可以提供其他国家示例。或者可以是这样的:一个互联网服务提供商(ISP)在5G频段之一中提供服务,而同一国家的另一ISP在5G频段中的另一中提供服务。因为协定仅以上5G频率两个频段之一将在任何给定时间用于设备,所以两个5G频段之一在给定地形中将是“未使用的”或“不支持的”(即,在地形中不用于发送或接收),特定的未使用的频段取决于使用设备的国家或正使用的ISP。
对于2x2MIMO天线子系统,存在同一频段中发送并且接收的两个信息流(例如,垂直偏振信息流和水平偏振信息流)。疑虑是如何同时从BBIC或相似子系统到RFIC或相似子系统在单个RF缆线上发送将最终从MIMO天线子系统在同一频率处辐射的两个信息流,而没有不可接受的失真或其他RF问题。所公开的系统的一个方面是使用以上两个5G频段当中的“未使用的”频段以在连接BBIC和RFIC的RF缆线上在频段中发送/接收两个MIMO流之一,由此因为两个5G频段之间的分离所以在两个信息流之间提供足够的隔离度,以将信号所产生的失真降低到使得发送和接收在商用方面对于无线用户设备是可接受的等级。根据一些方面,在操作中,BBIC执行从基带到RF/从RF到基带的直接变频,并且RFIC主要关于发送到/接收自用于5G和WiGig的统一天线子系统中放置的mmWave天线元件而执行分离/组合信号。根据一些方面,以下在图220中示出系统。
对于第二MIMO流使用替选(“未使用的”)5G频段仅需要用于每个频段的BBIC中的单个链,因此节省硅大小。用于两个MIMO流的单个DPLL允许节省更多硅空间以及功耗。用于两个MIMO流的单个DPLL提供两个流之间的相位噪声相干性,贡献于MIMO性能(例如链路预算和接收灵敏度),与具有公共基准时钟的两个综合器解决方案相反。避免RFIC中的综合器允许节省硅大小,消除或极大地减少综合器VCO的拉取效应和频率跳转,因此允许从TX到RX以及反之亦然的远更快的过渡,最终带来更好的系统性能。此外,在一些方面中,RFIC中没有综合器意味着RFIC无需具有独立综合器的多个RFIC之间的复杂的同步方案和校准为了执行大阵列波束赋形。对RF mmWave频率的直接变频改进对不想要的毛刺和发射的恢复力,总体上避免大的滤波器并且因此节省硅大小。此外,归因于mmWave频率与其他通信协议(例如长期演进(LTE)、无线局域网(WLAN)、蓝牙(BT)和全球导航和卫星系统(GNSS))的亚-6GHz频率之间的(以下所讨论的)良好分离性,在此所描述的对mmWave频率的直接变频改进与这些协议的共存性。
图220是根据一些方面的用于5G和WiGig的mmWave RF架构的高级框图。系统22000包括BBIC 22001,其通过RF缆线22002至22002的方式耦合到一个或多个RFIC 22003至22003。在一些方面中,可以存在均具有其自身的RFIC的一个或多个缆线,如绘图中的垂直点所指示的那样。换言之,可以存在N个缆线和N个RFIC。在一些方面中,用于N的值可以例如对于基站是8而例如对于移动电话是2。根据设计要求,本领域技术人员可以实现具有不同的用于N的最大值的系统。每个RFIC耦合到用于5G和WiGig的mmWave天线子系统22005至22005。在一些方面中,可以存在一个或多个天线子系统,如绘图中的垂直点所指示的那样。换言之,可以存在N个天线子系统,其中,用于N的示例值如以上所讨论的那样。在一些方面中通过仅两个综合器完成BBIC 22001中所执行的基带到RF变频(并且反之亦然):一个综合器用于关于57-70GHz谱中的WiGig的上/下变频,同时另一综合器用于5G双MIMO流(24-29.5GHz谱中的成对的流之一以及37-45GHz谱中的成对的流中的一个),如下所述。在RFIC22003至22003中无需附加综合器。
图221示出根据一些方面的关于用于5G和WiGig的mmWave RF架构的频率变频规划。图221中的上变频用于发射机(TX)。用于接收机(RX)的下变频在概念上实质上是相同的。通常,以足够的隔离度在单个RF缆线上划分5G MIMO双流。要么在5G24-29.5GHz频段中,要么在5G 37-45GHz频段中,(二者当中的)第一MIMO流直接在发送期间从基带上变频到RF并且在接收期间从RF下变频到基带。第二MIMO流使用当前并未使用的替选RF频段(要么37-45GHz频段,要么24-29.5GHz频段)。单个综合器通过在24-29.5GHz频段的情况下将RF乘以3/2或通过在37-45GHz频段的情况下将RF乘以2/3来生成RF频率以及中频(IF)二者。根据一些方面,然后从IF减去RF生成LO频率。通过距RF中的第一MIMO流足够的隔离度在单个缆线上驱动IF和LO二者。在一些方面中,在RFIC中,在发送期间,混频器用以通过将IF和LO信号相乘再现用于第二MIMO流的RF频率(或在接收期间,通过将其与来自BBIC的LO信号相乘将RF信号变频为IF)。在一些方面中,MIMO流中的每一个通过(包括PA、LNA、移相器和组合器/分离器的)RF链连接到专用天线阵列,每个流具有不同的偏振(一个流用于水平偏振,并且另一流用于垂直偏振)。根据一些方面,前述相乘和前述相减可以认为是包括乘法器电路的频率变频器和包括减法电路的频率变频器或这两个电路的组合进行的频率变频。
系统22100包括组合模拟RF硅,其包括BBIC 22101。在该方面中,DAC 22110耦合到混频器22112,混频器22112耦合到放大器22114,放大器22114耦合到带通滤波器(BPF)组22160中的BPF 22116。数模转换器(DAC)22110将5G水平偏振式宽带信号发送到混频器22112。DAC 22111耦合到混频器22113,混频器22113的输出耦合到放大器22115,所述放大器耦合到BPF 22117。包括数字锁相环(DPLL)22118并且可以包括数控振荡器(DCO)(未示出)的综合器生成5G 37GHz-45GHz谱信号,其将来自DAC 22111的宽带垂直偏振式信号经由混频器22113上变频到5G 37GHz-45GHz频段,其然后受放大并且通过BPF 22117的方式经由缆线22102发送到RCIF22103。通过在22122处将37-45GHz频段中的5G信号乘以1/3生成本地振荡器(LO)信号5G LO 12-15GHz,该LO信号然后通过缆线22102经由放大器22124和BPF22126得以发送。在22120处通过将综合器输出信号乘以2/3生成第二5GRF信号,其为24-29.5GHz频段信号。24-29.5GHz频段中的5GRF信号然后在混频器22112中与来自DAC 22110的基带水平偏振式信号混频,以将基带水平偏振式信号上变频到24-29.5GHz频段。
此外,因为垂直偏振式流和水平偏振式流将在一些方面中处于同一5G频段中以用于2x2MIMO天线子系统进行的TX或RX,所以需要将两个流从BBIC在同一缆线上发送到RFIC,而一个流并不使得缆线上的另一流失真。在一些方面中,可以通过将流之一在BBIC处偏移到不同的(即,“未使用的”)频段完成该操作,以在分离达足够频率的两个频段中发送两个流,以当在缆线上发送两个流时在它们之间提供隔离度。当RFIC接收到两个流时,偏移到不同频段的流可以偏移回到其频段,以用于天线子系统经由RF链进行的传输。换言之,当在缆线上从BBIC发送时,两个流将由频段分离,并且在由RFIC接收之后,两个流将由硅中的分离的RF链分离。作为示例,如果两个流是30GHz频段中的垂直偏振式信号和30GHz频段中的水平偏振式信号,则两个流之一可以上变频到40GHz频段以用于在缆线上的传输,并且然后当在RFIC处接收到它时下移回到30GHz频段。可以严谨地提供两个流相对处于相同功率等级(无论如何,这是关于MIMO的要求),以最小化或解决可能在一个频段上呈现的并且产生噪声的另一频段中的自感生的噪声,而无论上变频和下变频如何。在一些方面中相对处于相同功率等级的两个流可以表示彼此的近似10dB内的功率等级。此外,并且如以下将描述的那样,每个频段中的信号应在对缆线的输入处的BBIC上并且在缆线的输出处的RFIC上具有其自身的BPF,以分离每个信号,这样也减少上述噪声。然后可以发送两个流,一个流经由使用用户设备的特定地形中所支持并且使用的5G频段,而另一流经由特定地形中的未使用的或“不支持的”5G频段。
在以下描述中,根据一些方面,如果与用户设备关联的地形或ISP操作在28GHz频段中,则开关22130A的触点22131将设置到位置22134,并且开关22150A的触点将设置到位置22154,而且“未使用的”频段是39GHz频段。相似地,根据一些方面,如果用户设备移动到支持39GHz频段的地形或ISP区域,则开关22130A的触点22131将设置到位置22132,并且开关22150A的触点22151将设置到位置22152,而且“未使用的”频段是28GHz频段。虽然词语“触点”可以暗指机械连接,但如本文所使用的那样,“触点”也可以表示电连接,其中,电设备偏置或另外“设置”到特定位置。本文的开关可以实现为适当的电子器件电路(例如场效应晶体管(FET)电路和其他器件电路)。电子器件可以充当本文所描述的开关,并且可以被配置为当用户设备从一个地形或ISP区域移动到另一地形或ISP区域时自动地设置到适当的位置,从而“未使用的”频段变为“已使用的”频段,如该段落中以上所讨论的那样。
RFIC 22103包括BPF组22162中示出的BPF 22130、22140和22150。BPF 22130连接到开关22130A,其具有取决于地形或ISF而可设置到位置22132和22134的触点22131,如上所述。位置22132连接到混频器22138,混频器22138于是连接到分离器/放大器22139,分离器/放大器22139的输出耦合到天线子系统22190。根据一些方面,BPF 22130、22140和22150连接到缆线22102。BPF 22130在输入22129处接收通过BPF 22116的方式进入缆线22102的频段24-29.5GHz中的水平偏振式RF信号。BPF 22140在输入22141处接收通过BPF 22126的方式进入缆线的12-15GHz之间的LO信号。BPF 22150在22149处接收通过BPF 22117的方式进入缆线的37-45GHz频段中的水平偏振式信号。BPF 22150连接到开关22150A,开关22150A具有可设置到位置22152和22154的触点22151。根据一些方面,位置22154连接到分离器/功率放大器22158,由此将39GHz频段中的垂直偏振式信号提供给天线子系统22190。输入22141处接收到的12-15GHz频段中的LO信号从BPF 22140通过线路22142前进到混频器22138和22156。混频器22156连接到分离器/功率放大器22158。当开关22130A的触点22131设置到位置22132时,24-29.5GHz频段中的水平偏振式信号前进到混频器22138,在此其与12-15GHz频段中的LO信号混频,以将39GHz频段中的水平偏振式信号提供给分离器/功率放大器22139并且然后提供给天线子系统22190。因此,39GHz频段中的垂直偏振式信号直接从位置22152前进通过分离器/功率放大器22153。根据一些方面,当开关22130A的触点通过位置22132的方式连接到混频器22138并且混频器22138中的LO信号和24-29.5GHz信号的混频生成水平偏振式39GHz信号时,39GHz带中的水平偏振式信号得以生成。
当开关22130的触点22131设置到位置22134时,经由BPF22116在BPF 22130的输入22139处接收到的24-29.5GHz频段中的水平偏振式信号然后直接前进到分离器/功率放大器22136并且发送到天线子系统22190。当开关22150A的触点22151设置到22154位置时,在BPF 22130的输入22139处经由BPF 22117接收到的37-45GHz频段中的垂直偏振式信号在混频器22156中与来自BPF 22140的12-15GHz频段中的LO信号混频,以产生28GHz频段中的垂直偏振式信号。因此,通过混频生成28GHz频段中的垂直偏振式信号,并且通过开关22130A设置到触点22134的方式直接生成28GHz频段中的水平偏振式信号,以将水平偏振式信号直接发送到分离器/功率放大器22136。图221A是根据一些方面的关于图221所解释的5G40GHz频段的频率分配的示意图。图221的频率上变频方案用于发送。用于接收的下变频方案在概念上与用于发送的方案实质上是相同的。在图221A中,根据一些方面,DPLL1示出为提供5G 37-43.5GHz频段中的信号,其可以用以将5G垂直偏振式信号上变频到37-43.5GHz频段。根据一些方面,将37-43.5GHz频段中的信号乘以2/3得到5G24-29.5GHz频段中的信