MEHRSTRAHLENANTENNE UND VERFAHREN ZUM HERSTELLEN

EINER MEHRSTRAHLENANTENNE

TECHNISCHES GEBIET

Die Erfindung betrifft eine Mehr Strahlenantenne mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Herstellen einer solchen.

Der folgende Hintergrund soll lediglich Informationen liefern, die zum Verständnis des Zusammenhangs der hier offenbarten erfinderischen Ideen und Konzepte erforderlich sind. Daher kann dieser Hintergrundabschnitt patentierbare Gegenstände enthalten und sollte nicht per se als Stand der Technik angesehen werden.

HINTERGRUND

Die Nachfrage nach mobilem Breitband wächst rasant; auch technologische Anwendungen wie das Internet der Dinge (loT) und die Machine-to-Machine (M2M)- Kommunikation erleben eine kontinuierliche Entwicklung. Diese Marktnachfrage hat zu einem Anstieg der Zahl von Basisstationen, Antennen und Antennenmasten geführt, die hohe CAPEX und OPEX verursachen. Mehrstrahlenantennen (sogenannte Multibeam Antennen) spielen eine wichtige Rolle bei der Lösung dieser Probleme, da sie sie die Funktion mehrerer Antennen in einer einzigen Vorrichtung erfüllen können.

Normalerweise verwenden Mobilfunkanbieter drei Sektoren in einem 360°- Abdeckungsbereich. Daher sind die viele Antennenmasten derzeit mit 4G- und SG- Antennen überfüllt. Mehr Platz auf den Antennenmasten für die aufkommenden 5G- und 6G-Technologien zu finden und die Anzahl der Standorte von Basisstationen in den Städten zu reduzieren ist eine Zukunftsaufgabe. Darüber ist es Zukunftsaufgabe, mehrere schmale Strahlen zu erzeugen, die spektrale Effizienz verbessern und die Kapazität der drahtlosen Netzwerksysteme erhöhen, indem sie die Wiederverwendung der Frequenzressourcen innerhalb eines bestimmten Bereichs ermöglichen, ohne die Signalqualität durch Selbstinterferenzen zu verschlechtern.

Die Signalqualität (SNR) in hohen Gebäuden ist in der Regel schlecht, weil die obersten Stockwerke viele Signale von verschiedenen Basis Stationen gleichzeitig empfangen, die sich gegenseitig stören. Daher verschlechtern sich die Datenrate und die Sprachqualität. Die Mobilfunkanbieter sind in der Regel gezwungen, viele Antennen mit unterschiedlichen Neigungen/Winkeln zu verwenden, um die Abdeckung in Bezug auf die Elevations- und Azimut-Ebenen zu optimieren.

Mobiltelefone werden mit verschiedenen Technologien betrieben, z. B. 3G, 4G, 5G, WiFi und GPS. Sie sind bereits überlastet, werden immer intelligenter und kompakter; daher sind kompaktere Antennen wünschenswert. Der neue 5G-Standard nutzt die Millimeterwellenbänder, um Breitbanddienste anzubieten. In diesen Bändern ist der Pfadverlust jedoch sehr hoch. Daher werden hochgradig gerichtete und eng lenkbare Strahlen benötigt, um den Pfadverlust auszugleichen. Herkömmliche Phased-Array- Antennen lassen sich aufgrund der begrenzten Größe nur schwer in Mobiltelefone einbauen. Außerdem sind Phased- Array -Antennen mit einem Phasenschieber und digitaler Strahlformung integriert, um die Funktion der Mehrstrahlensteuerung zu ermöglichen, wodurch mehr Leistung und Größe benötigt wird.

Eine effiziente Mehrstrahlenstruktur wird auch in der Mikrowellen-Bildgebung benötigt wie z. B. für Sicherheitskontrollsysteme und medizinische Diagnosen. Herkömmlicher Stand der Technik ist entweder eine mechanische Rasterabtastung oder ein Phased-Array-Antennensystem. Die mechanische Rasterabtastung ist langsam und sperrig da sie von Punkt zu Punkt abtastet, während das Phased-Array-Antennensystem eine vollständige Phasensteuerung für jede Antenne benötigt. Gemäß der Ny qui st-Grenze werden zur Abtastung menschlicher Körpergröße im Millimeterbereich Tausende von Antennenelementen benötigt, bei denen jedes Element eine separate HF-Schaltung (z. B. Phasenschieber, Leistungsverstärker) benötigt. Das führt zu einer komplexen, kostspieligen und energieaufwendigen Architektur für das Strahl schwenken. Phased-Array-Antennensystem erfordern zudem eine große Anzahl von Eingangs- Ports mit speziellen Speisenetzwerken. Gängige Arten von Speisenetzwerken sind Butler Matrix, Luneburg- und Rotman-Linse. Sie alle können jedoch nur vordefinierte Ab strahl winkel erzielen, sind komplex und sperrig. Die meisten Phased-Array- Antennensystem haben auch Komponenten zur Steuerung der HF-Verstärkung (entweder Dämpfungsglieder oder Verstärker mit variabler Verstärkung) an jedem Antennenelement. Diese Komponenten werden verwendet, um Amplitudenfehler zu korrigieren, die mit anderen Schaltungselementen Zusammenhängen, und sie werden in der Regel auch verwendet, um die HF-Amplitude des HF-Signals an jedem Antennenelement und damit die Nebenkeulenpegel zu steuern.

Ferner müssen bei MIMO-Phased-Array-Antennensystemen stromhungrige Digital-Analog-Wandler (DAC, ADC) und Strahl Verarbeitung verwendet werden. Phased-Array-Antennen haben daher eine komplizierte Hardware-Architektur und benötigen viel Strom.

Auch Metaoberflächen- Antennen (aus dem Englischen: Metasurface-Antennen) werden erforscht, um sie für Strahlsteuerung, Strahlformung und Mehrstrahlen- Erzeugung einzusetzen. Metaoberflächen sind planare 2D -Strukturen, die aus einem Array von Metamaterial-Elementen bestehen. Diese Metamaterial-Elemente werden Einheitszellen oder Meta- Atome genannt. Metamaterialien sind künstliche, Strukturen im Subwellenlängenbereich, die elektromagnetische Eigenschaften ermöglichen, die es bei natürlichen Materialien nicht gibt. Metaoberflächen werden hergestellt durch das Aufdrucken von sehr kleinen Metallflecken (unterhalb der Wellenlänge) auf eine geerdete dielektrische Platte, um die von der Antenne abgestrahlten Wellenfronten zu steuern, vorzugsweise ohne Phasenschieber und komplexe Strukturen wie bei herkömmlichen Array-Antennen.

Herkömmliche Metaoberflächen-Strukturen haben eine geringe Anzahl gleichzeitiger Strahlen, eine begrenzte Bandbreite, eine große oder mehrschichtige Struktur, einen geringen Wirkungsgrad, ein instabiles Strahlenmuster über den Frequenzhub und eine ungleichmäßige Verstärkung für die abgestrahlten Strahlen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass herkömmliche Phased-Array-Antennen nur begrenzt geeignet sind, um die Anforderungen zukünftiger Kommunikationssysteme zu erfüllen, für die eine große Anzahl von Antennenelementen benötigt wird, um eine hohe Richtwirkung und mehrere Strahlen zu erzielen. Denn die herkömmlichen Phased- Array-Antennen haben eine komplexe Hardware-Architektur und einen hohen Stromverbrauch, da jedes Antennenelement im Phased- Array-Antennensy stem eine Phasenverschiebungsschaltung und einen Leistungsverstärker benötigt, um die Einfügedämpfung auszugleichen.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, zumindest einen Teil der oben aufgeführten Nachteile im Stand der Technik zu lösen, und insbesondere Herstellungs-, Implementierungs- und/oder Einsatzkosten zu reduzieren.

KURZFASSUNG

Diese Kurzfassung dient dazu, eine Auswahl von Merkmalen und Konzepten der Erfindung vorzustellen, die weiter unten in der Beschreibung erläutert werden. Diese Kurzfassung soll nicht dazu dienen, wichtige oder wesentliche Merkmale des beanspruchten Gegenstands zu identifizieren, noch soll sie dazu dienen, den Umfang des beanspruchten Gegenstands zu begrenzen.

Erfindungsgemäß wird die oben genannte Aufgabe durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.

Konkret wird die Aufgabe durch eine Mehr Strahlenantenne gelöst. Die Mehr Strahlenantenne weist ein Substrat auf. Die Mehrstrahlenantenne weist ferner eine Metaoberfläche auf dem Substrat auf. Die Metaoberfläche ist als Matrix mit Reihen und Spalten aus Einheitszellen ausgebildet. Die Einheitszellen sind von einer ersten Art und von einer zweiten Art. Hierbei sind die zwei verschiedenen Arten unterschiedlich voneinander. Die zwei Arten unterscheiden sich in dem Aufbau der Metallisierung. Die Mehrstrahlenantenne ist ausgebildet, phaseneingestellte Signale in mehrere Richtungen gleichzeitig abzustrahlen, basierend auf einer periodischen Anordnung der Einheitszellen der ersten und zweiten Art auf dem Substrat.

Die Erfindung hat den Vorteil, dass Herstellungs-, Implementierungs- und/oder Einsatzkosten durch den vereinfachten Aufbau reduziert werden können.

Eine Einheitszelle kann zum Beispiel als eine Zelle mit festgelegter Abmessung verstanden werden, insbesondere als ein metallisierte Elementarfläche der Metaoberfläche. Die Einheitszellen können daher durch ihre zweidimensionale Abbildung beschrieben sein. Die Einheitszellen der ersten Art können dieselbe Größe wie die Einheitszellen der zweiten Art aufweisen und lediglich in der Metallisierung verschieden sein. Zum Beispiel hat jede Einheitszelle eine im Wesentlichen rechteckige oder im Wesentlichen quadratische Form. Allgemein können die Einheitszellen dieselben Abmessungen aufweisen, vorzugsweise dieselbe Höhe, Breite und/oder Länge. Die Abmessungen können deutlich kleiner als eine Betriebswellenlänge sein, z.B. kleiner als das 0,25-fache (oder 0,2-fache oder 0,15-fache oder 0,1-fache) der Betriebswellenlänge. Die Betriebswellenlänge kann dabei einer Wellenlänge entsprechen, für die die Mehrstrahlenantenne ausgelegt/impedanzangepasst ist, also insbesondere einer Mittenfrequenz oder einer Trägerfrequenz.

Die periodische Anordnung der Einheitszellen der ersten und zweiten Art kann so verstanden werden, dass sich ein Anordnungsmuster der Einheitszellen der ersten und zweiten Art zueinander wiederholt, zum Beispiel mehr als einmal, zweimal, dreimal, viermal oder fünfmal.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Ein Teil, vorzugsweise ein Großteil, von zu derselben Reihe gehörender Einheitszellen kann eine elektrisch leitende Verbindung innerhalb eines Gesamtbereichs der Metaoberfläche zueinander aufweisen. Ein anderer übriger oder restlicher Teil davon kann beispielsweise keine elektrisch leitende Verbindung innerhalb des Gesamtbereichs der Metaoberfläche zueinander aufweisen.

Alle zu derselben Reihe gehörenden Einheitszellen können eine elektrisch leitende Verbindung innerhalb eines Gesamtbereichs der Metaoberfläche zueinander aufweisen.

Alle zu unterschiedlichen Reihen gehörenden Einheitszellen haben beispielsweise keine elektrisch leitfähige Verbindung innerhalb des Gesamtbereichs der Metaoberfläche zueinander.

So kann ein in Elevation schmalerer Strahl und in Azimut einstellbarer Strahl erzielt werden.

Bezogen auf einen ausschließlich aus der Matrix bestehenden Bereich der Mehrstrahlenantenne kann jede Einheitszelle, insbesondere unabhängig von ihrer Art, einer jeweiligen Reihe der Matrix elektrisch leitend verbunden sein. Beispielsweise kann ein Übergang aller in einer jeweiligen Reihe der Matrix benachbarten Einheitszellen, z. B. ausschließlich, metallen sein.

Bezogen auf den ausschließlich aus der Matrix bestehenden Bereich der Mehrstrahlenantenne kann jede Einheitszelle, insbesondere derselben Art, einer jeweiligen Spalte der Matrix nicht elektrisch leitend verbunden sein. Beispielsweise kann ein Übergang aller in einer jeweiligen Spalte der Matrix benachbarten Einheitszellen, z. B. ausschließlich, frei von Metall sein.

Die phaseneingestellten Signale können phasengleiche Signale sein. So kann ein explizites Ab Strahlmuster ohne Phasenverschiebung festgelegt werden. Hierbei kann die Mehr Strahlenantenne explizit ohne aktive Elemente auskommen. Die phaseneingestellten Signale können auch von Reihe zu Reihe der Matrix gleichmäßig phasenverschobene Signale sein. Der Begriff „gleichmäßig“ kann bedeuten, dass eine gleicher Phasenwinkel von Reihe zu Reihe der Matrix vorgegeben sein kann.

Hierdurch lässt sich ein Anwendungsbereich der Mehrstrahlenantenne deutlich erweitern.

Die Mehrstrahlenantenne kann flächig ausgebildet sein. Insbesondere kann die Mehrstrahlenantenne nur das Substrat und ein oder mehrere Arten von Metall aufweisen. So kann die Mehrstrahlenantenne ein Sandwich aus einem Substrat zwischen zwei Metallisierungsflächen sein. Dabei ist die Oberseite des Substrat strukturiert metallisiert und die Unterseite des Substrat flächig metallisiert. Weitere aktive, wie passive Elemente können bei der Mehr Strahlenantenne fehlen bzw. nicht vorhanden sein.

Die Metaoberfläche bzw. die Einheitszellen können aus einer, vorzugsweise zusammenhängenden einzigen, Metallschicht bestehen und auf das, vorzugsweise einlagige, Substrat gedruckt sein.

Dies ermöglicht eine einfache Herstellung der Mehrstrahlenantenne.

Die Mehrstrahlenantenne kann eine, z. B. vollflächige einzige, Metalloberfläche auf der gegenüberliegenden Seite der Metaoberfläche auf dem Substrat aufweisen. Die Metalloberfläche kann eine Masse (GND) bilden.

Hierdurch kann ein durch im Wesentlichen zwei Basiselemente (Substrat und Metall) gebildete Sandwich-Struktur ausgebildet werden. So befinden sich zwischen den zwei Metallflächen auf der Ober- und Unterseite des Substrats lediglich das Substrat selbst.

Die Einheitszellen der ersten Art können spaltenweise und/oder reihenweise alternierend mit den Einheitszellen der zweiten Art angeordnet sein. Jede Reihe bzw. Spalte kann ein gleiches periodisches Anordnungsmuster aufweisen wie jede andere Reihe bzw. Spalte der Matrix. Nebeneinanderliegende Einheitszellen können in Reihenrichtung der Matrix unterschiedlicher Art sein. Nebeneinanderliegende Einheitszellen können in Spaltenrichtung der Matrix derselben Art sein.

Die Einheitszellen erster Art können eine kleinere Impedanz aufweisen als die Einheitszellen der zweiten Art, zum Beispiel weniger als 0,8-mal (oder 0,75-mal oder 0,5-mal) der Impedanz der Einheitszellen der zweiten Art. So kann eine Metallfläche der Einheitszellen erster Art größer sein als eine Metallfläche der Einheitszellen zweiter Art, zum Beispiel mehr als 1,25-mal (oder 1,5-mal) der Metallfläche der Einheitszellen zweiter Art. Beispielsweise kann die Metaoberfläche der Mehrstrahlenantenne ausschließlich aus zweierlei Art von Einheitszellen strukturiert sein.

Ein Metallisierungsmuster der Einheitszellen kann entlang jeder Spalte der Matrix unterschiedlich sein. Ein Metallisierungsmuster der Einheitszellen kann entlang jeder Reihe der Matrix unterschiedlich ist. Dieses Metallisierungsmuster kann in Reihenrichtung der Matrix konstant sein und sich in Spaltenrichtung periodisch ändern.

Eine der Spalten am Rand der Matrix (äußerste Spalte) kann jeweilige der Reihe entsprechende Einspeisestellen aufweisen. Die Anzahl der Einspeisestellen kann der Anzahl der an dem einen äußeren Rand der Matrix befindlichen Einspeisestellen entsprechen, z. B. der Anzahl der Reihen. Die Einspeisestellen können ausgebildet sein, die phaseneingestellten Signale, vorzugsweise in die Reihen / der Reihe nach / reihenweise, einzuspeisen.

Die Mehrstrahlenantenne kann einen einzelnen Einspeise-Port aufweisen. Der Einspeise-Port kann ausgebildet sein, ein Signal einzuspeisen, auf dem die phaseneingestellten Signale basieren. Der Einspeise-Port kann auch ausgebildet sein, das phaseneingestellte Signal einzuspeisen. Die Mehr Strahlenantenne kann eine Teilereinrichtung aufweisen. Die Teilereinrichtung kann ausgebildet sein, das Signal in die phaseneingestellten Signale aufzuteilen und an die jeweiligen Einspeisestellen weiterzuleiten. Die Teilereinrichtung kann auch ausgebildet sein, das phaseneingestellte Signal an die jeweiligen Einspeisestellen weiterzuleiten. So kann den Einheitszellen eine einfache und kostengünstige Signalzuleitung bereitgestellt werden.

Der Einspeise-Port kann über Transmissionsleitungen mit den Einspeisestellen elektrisch leitend verbunden sein. Die Teilereinrichtung kann aus N-l Signalteilem, z. B. Wilkinson-Teiler, bestehen. N kann die Anzahl der Einspeisestellen und/oder die Anzahl der Reihen der Matrix bezeichnen. Die Teilereinrichtung kann zur Bildung der phasengleichen Signal keine aktiven Elemente enthalten und den Einspeise-Port mit allen Einspeisestellen elektrisch leitend verbinden, zum Beispiel impedanzangepasst. Die Teilereinrichtung kann aber auch zur Bildung der gleichmäßig phasenverschobenen Signale N Phasenschieber aufweisen, um das am Einspeise-Port eingespeiste Signal von Reihe zu Reihe der Matrix gleichmäßig in der Phase zu verschieben. Die Phasenschieber können jeweils stromabwärts direkt vor den jeweiligen Einspeisestellen angeordnet sein. So können die Phasenschieber jeweils nach den jeweils direkt vor den Einspeisestellen angeordneten (stromabwärts letzten) Signalteilern angeschlossen sein. Die Phasenschieber können durch Schalter mit PIN-Dioden realisiert sein.

Insbesondere können zumindest einige oder alle Verbindungsleitungen, z. B. die Transmissionsleitungen, auf das Substrat gedruckte Leitungen in Form von Streifenleitungen sein, zum Beispiel die, z. B. alle, auf dem Substrat befindlichen Verbindungsleitungen der Mehrstrahlenantenne. Die Streifenleitungen können Mikrostreifenleitungen, symmetrische Streifenleitungen, geschirmte Streifenleitungen, Koplanarleitungen und/oder Doppelbandleitungen sein.

Ein Teil oder alle Elemente der Mehr Strahlenantenne können auf ein und demselben Substrat gedruckt sein.

Es kann also eine flache und passive Vorrichtung bereitgestellt werden, womit mehrere Strahlen erzeugt werden können. Ferner lassen sich einfache Schaltkreise integrieren, um eine Mehr strahl Steuerung zu ermöglichen. Platz und Energie können also eingespart werden. Die oben genannte Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zum Herstellen einer Mehr Strahlenantenne, wie beispielsweise oben beschrieben, gelöst. Das Verfahren umfasst Bereitstellen eines Substrats. Das Verfahren umfasst ferner Bereitstellen einer Metaoberfläche durch Ausbilden einer Matrix mit Reihen und Spalten aus Einheitszellen einer ersten und zweiten Art auf dem Substrat. Das Verfahren umfasst ferner Periodisches Anordnen der Einheitszellen der ersten und zweiten Art auf dem Substrat, um der Mehr Strahlenantenne zu ermöglichen, phaseneingestellte Signale in mehrere Richtungen gleichzeitig abzustrahlen.

Herstellungs-, Implementierungs- und/oder Einsatzkosten können ganz allgemein reduziert werden.

Die oben genannte Aufgabe wird auch durch ein Computerprogramm gelöst. Das Computerprogramm umfasst Befehle, die, bei der Ausführung des Computerprogramms durch einen Computer, den Computer veranlassen, das oben beschriebene Verfahren bzw. mindestens einen der Schritte davon auszuführen. Bei dem Computerprogramm kann es sich beispielsweise um ein Modul zum Starten/Betr eiben einer Computervorrichtung, wie hierin beschrieben, handeln.

Die oben genannte Aufgabe wird auch durch einen Datenträger gelöst. Das Computerprogramm kann auf dem maschinen-, prozessor- oder computerlesbaren Datenträger gespeichert sein, etwa auf einem permanenten oder wiederbeschreibbaren Speichermedium. Dazu gehört auch, dass das Computerprogramm auf einem Server oder einem Cloud-Server zum Herunterladen bereitgestellt werden kann, z.B. über ein Datennetzwerk wie das Internet oder eine Kommunikationsverbindung wie eine drahtlose Verbindung.

Mit anderen Worten betrifft die Erfindung eine Mehrstrahlen-Metaoberflächen- Antenne (aus dem Englischen: Multibeam-Metasurface-Antenna) basierend auf einer einzigen Substratschicht und einem Einspeise-Port. So kann die Mehrstrahlen- Metaoberflächen-Antenne mit nur einem Einspeise-Port bis zu elf gleichzeitige Strahlen erzeugen. Der Gesamtaufbau der Mehrstrahlen-Metaoberflächen-Antenne kann passiv sein und z. B. keine Phasenschieber enthalten. Die Mehrstrahlen-Metaoberflächen- Antenne kann aus einem ebenen, einlagigen Substrat bestehen. Das Substrat kann mittels Standard-Leiterplattentechnologie einfach realisiert werden.

Für einige Frequenzen im Millimeterwellenbereich (von 20 GHz bis 40 GHz) wurden verschiedene Antennen erstellt, die je nach Einstellung der Parameter (Metallisierung, Grundform, Einheitszellengröße, Einheitszellenmetallisierung je Art, Substratdicke, Substratart, etc.) zwei bis elf gleichzeitige Strahlen abstrahlen können.

Alle Strahlen können ungefähr den gleichen hohen Gewinn aufweisen. Darüber hinaus können weitere praktische Strahlenformen durch die Gestaltung der Geometrie der Metaoberfläche erzielt werden. So lassen sich zum Beispiel schmale Pencil-Beams, Fächerstrahlen, gleichzeitige End- und Backfire- Strahl en und schmale Halb kugel strahl en erzeugen, die 180° mit einer konstanten Verstärkung im Azimut abdecken können. Eine beliebige Anzahl gleichzeitiger Strahlen (mehr als fünfundzwanzig Strahlen) kann auch erreicht werden, wenn mehr als ein Einspeise-Port verwendet wird.

Das Konzept kann explizit auf 2,6 GHz und 6 GHz Bänder ausgedehnt werden. In jedem Band können mindestens zwei gleichzeitige Strahlen erzielt werden.

Diese Mehrstrahlen-Metaoberflächen-Antenne kann mit verschiedenen Basis Stationen und tragbaren Sende- und Empfangsgeräten, z. B. Mobiltelefone oder Radargeräte, kombiniert werden. Die Mehrstrahlen-Metaoberflächen- Antenne kann somit z. B. in 4G-, 5G- und 6G-Kommunikationssystemen, Radar, Kraftfahrzeugen, Energy Harvesting, rekonfigurierbaren intelligenten Oberflächen und in der Bildgebung, einschließlich Sicherheitskontrollsystemen und medizinischer Diagnose eingesetzt werden.

Die Zeit bis zur Markteinführung eines Produkts mit einer solchen Mehrstrahlen- Metaoberflächen-Antenne kann voraussichtlich kurz sein, da hierdurch ein geringer C- SWaP (Kosten, Größe, Gewicht und Stromverbrauch) erzielt werden kann als aktuelle kommerzielle Antennen.

In noch anderen Worten beschreibt die Erfindung eine flache Struktur, die auf passiven Elementen basiert und mehrere Strahlen gleichzeitig erzeugen kann, ohne komplexe HF -Schaltungen wie Phasenschieber, Leistungsverstärker und/oder Strahlformer wie bei Phased-Array-Antennensystemen zu verwenden. Die flache Struktur basiert auf dem Prinzip der Metaoberfläche, bei der die Einheitszellen so konstruiert und optimiert sind, dass sie die Dispersionseigenschaften von Oberflächenwellen beeinflussen. Die Oberflächenimpedanz dieser Einheitszellen ist periodisch moduliert, was zur Umwandlung der Oberflächenwellen in Leckwellen führt und je nach gewünschtem Strahlungsmuster in Freiraumwellen.

Im Anwendungsfall kann das Strahlungsdiagramm der vorliegenden Mehr Strahlenantenne so angepasst sein, dass mehrere schmale Strahlen erzeugt werden, bei der jeder Strahl ein bestimmtes Stockwerk eines Gebäudes abdecken kann. Außerdem kann jeder Strahl eine Abdeckung von 180° in der Azimut-Ebene bieten, um die gleichen Stockwerke vieler Gebäude gleichzeitig mit einer guten Verstärkung abzudecken. So kann der Mobilfunkanbieter mehr Datenkapazität anbieten und viele Ressourcen wie Fläche und Strom verringern. Außerdem kann das Strahlungsmuster an die Bedürfnisse der Nutzer angepasst werden, so dass es in vielen Szenarien eingesetzt werden kann, z. B. in Hotspots, in Innenräumen und ländlichen Gebieten.

Eine weitere Anwendung, für die Mehrstrahl en-Metaoberflächen- Antenne kann das Energy Harvesting sein. Wenn sich die tragbaren Geräte zum Beispiel im Ruhezustand befinden, können sie mehrere HF-Signale aus der Umgebung über die einfache passive Mehr strahl en-Metaoberflächen- Antenne bei gleichzeitig hoher Verstärkung empfangen. Durch dieser Technik kann mehr Energie gewonnen werden als mit herkömmlichen Antennen.

Die Gesamtstruktur kann somit kostengünstig, einfach, dünn, planar und passiv sein. Die Mehr Strahlenantenne kann je nach den Anforderungen in Bezug auf die Anzahl der gleichzeitigen Strahlen und die möglichen Strahlenmuster leicht angepasst werden.

Die gleichzeitig erzeugten Strahlen der Mehrstrahlenantenne können eine einheitlich hohe Verstärkung und niedrige Nebenkeulenwerte haben. Außerdem kann das Strahlungsdiagramm über einen breiten Frequenzbereich stabil sein, was in mobilen Netzwerksystemen wünschenswert ist.

Da die Struktur planar ist, kann eine dynamische Bildung mehrerer Strahlen durch die Integration aktiver Elemente in den Einheitszellen, wie Dioden, Transistoren, Varaktoren und Schalter, ermöglicht werden. Die Mehrstrahlenantenne kann dabei monolithisch oder hybrid auf dem Substrat bereitgestellt sein, das die Kernschicht der Leiterplatte, auch Platine genannt, bildet. Hierbei können die für die Mehrstrahlenantenne optional verwendeten Elemente oberflächenmontierte Bauelemente (englisch: surfacemounted devices, SMDs) sein. SMD-Bauelemente werden mittels lötfähiger Anschlussflächen direkt auf die Leiterplatte gelötet (Flachbaugruppe). Die dazugehörige Technik ist die Oberflächenmontage (englisch surface-mounting technology, SMT). Alternativ oder zusätzlich zu den SMD-Bauelementen, die keine Drahtanschlüsse aufweisen, können die für die Mehrstrahlenantenne optional verwendeten Elemente bedrahtete Bauelemente sein, die mittels Durchsteckmontage (englisch: through-hole technology, THT) angebracht sind.

Die Kemschicht der Leiterplatte kann aus elektrisch isolierendem Material bestehen. An einer Seite des elektrisch isolierenden Materials können leitende Verbindungen bzw. Leiterbahnen (zum Beispiel an der Mehr Strahlenantenne 1 selbst) haften. Die andere Seite des elektrisch isolierenden Materials kann eine durchgehend leitende Oberfläche sein, welche Masse (GND) der Leiterplatte ausbilden kann. Als isolierendes Material kann faserverstärkter Kunststoff oder Hartpapier vorgesehen sein. Die Leiterbahnen/Metallisierungen können aus einer Schicht Metall, wie Kupfer, zum Beispiel mit einer Dicke im Bereich von 20 bis 35 pm, geätzt sein. Die entworfene Mehrstrahlenantenne kann kompatibel mit aktuellen Phased-Array- Antennensystem wie Massive MIMO, d. h. jedes Array von Einheitszellen (die auch als ein Arrayelement betrachtet werden kann) kann separat gespeist werden, um eine Strahlenlenkungsfunktion (Beamsteering) zu erreichen und gewünschte Strahlenmuster zu erzeugen. Dies kann die Komplexität herkömmlicher Beamforming-Schaltkreise sowie den Stromverbrauch derselben reduzieren, da jeder Matrix von Einheitszellen viele Strahlen gleichzeitig erzeugen kann.

Auch wenn einige der voranstehend beschriebenen Aspekte in Bezug auf die Mehrstrahlenantenne beschrieben sind, so können diese Aspekte auch auf das Verfahren zutreffen. Genauso können die voranstehend in Bezug auf das Verfahren beschriebenen Aspekte in entsprechender Weise auf die Mehrstrahlenantenne zutreffen.

Alle vorliegend verwendeten technischen und wissenschaftlichen Begriffe haben die Bedeutung, die dem allgemeinen Verständnis des Fachmanns auf dem technischen Gebiet der Antennentechnik entspricht; sie sind basierend auf den im Lexikon zu findenden Definitionen bzw. dem technischen Jargon über dieses technische Gebiet auszulegen. Werden vorliegend Fachbegriffe unzutreffend verwendet und bringen so den technischen Gedanken der vorliegenden Erfindung nicht zum Ausdruck, sind diese durch Fachbegriffe ersetzbar, die dem Fachmann ein richtiges Verständnis vermitteln.

Mit den Begriffen "erster", "zweiter" sollen Komponenten lediglich voneinander unterschieden werden. Beispielsweise kann eine erste Komponente als zweite Komponente und eine zweite Komponente als erste Komponente bezeichnet werden.

Heißt es vorliegend, dass eine Komponente mit einer anderen Komponente "verbunden“ ist, kann dies für den Zweck der vorliegenden Offenbarung bedeuten, dass diese Komponenten auch direkt miteinander verbunden sein können. Der Begriff "direkt" indiziert dabei, dass dazwischen keine weitere Komponente vorhanden ist.

Die hierin beschriebenen Verfahrensschritte sollten hierin nicht so ausgelegt werden, dass sie in einer bestimmten Reihenfolge erfolgen müssen, es sei denn, es wird ausdrücklich oder implizit etwas anderes angegeben, beispielsweise wenn diese Verfahrensschritte aus technischen Gründen nicht getauscht werden können. Auch können die Verfahrensschritte direkt nacheinander (ohne weitere dazwischenliegende Schritte) und/oder fortlaufend durchgeführt werden.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Weitere Ziele, Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von nicht einschränkend zu verstehenden Ausführungsformen mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen. Die gleichen oder ähnlichen Elemente in den Zeichnungen sind immer mit denselben oder ähnlichen Bezugszeichen versehen. Detaillierte Erklärungen von bekannten Funktionen und Strukturen werden weggelassen, sofern sie von der Erfindung ablenken.

Die Zeichnungen zeigen in:

FIG. 1 ein Prinzip der hierin beschriebenen Mehrstrahlenantenne;

FIG. 2 eine Draufsicht einer Mehr Strahlenantenne nach einer ersten

Ausführungsform;

FIG. 3 eine Draufsicht einer Mehr Strahlenantenne nach einer zweiten

Ausführungsform;

FIG. 4 eine schematische Darstellung des Verfahrens zum Herstellen der Mehrstrahlenantenne; und

FIG. 5 eine Ansicht eines beim Herstellen der Mehrstrahlenantenne eingesetzten Computers.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG Die Mehrstrahlenantenne und das Verfahren zum Herstellen derselben werden nun in Bezug auf die Ausführungsformen beschrieben. Ohne darauf festgelegt zu sein, werden spezifische Details erläutert, um ein tieferes Verständnis der Erfindung bereitzustellen.

Fig. 1 bis 3 zeigen schematisch jeweilige Mehrstrahlenantennen 1, bei denen Fig. 1 das wesentliche Grundprinzip der Mehrstrahlenantenne 1 verdeutlichen soll und die Mehrstrahlenantenne 1 aus Fig. 2 und 3 jeweils ein Beispiel für eine Implementierung darstellen soll.

So hat die Mehr Strahlenantenne 1 im Wesentlichen zwei verschiedene Bauelemente, Das Substrat S und eine Metallisierung 8 auf der Oberseite und der Unterseite des Substrats S. Die Metallisierung auf der Unterseite des Substrats S (die nicht sichtbare Ebene in Fig. 1 bis 3) kann vollmetallisiert sein, um eine Masse für die Mehrstrahlenantenne 1 auszubilden. Die Metallisierung 8 auf der Oberseite des Substrats S kann in Form einer Matrix gebildet sein, bei der mindestens zwei verschiedene Arten 2, 3 von Einheitszellen ausgebildet sind. Die verschiedenen Arten 2, 3 von Einheitszellen werden entlang jeder Reihe abwechselnd oder mit einer anderen Periodenform angeordnet. Jede Reihe bildet eine zusammenhängende elektrisch leitende Oberfläche. Jede Reihe ist im Wesentlichen eine Kopie jeder anderen Reihe. Die Reihen können zueinander isoliert sein, zumindest bezogen auf einen durch die Matrix gebildeten Bereich, da außerhalb des Matrixbereichs eine elektrische Verbindung durch die hierin genannte Teilereinrichtung ausgebildet sein kann. Die periodische Anordnung der Spalten 4, 5 schematisch gezeigt. In Fig. 2 und 3 sind die verschiedenen Spalten 4, 5 jeweils mit einem Gedankenstrich 7 in Spaltenrichtung geteilt, um die Einheitszellen 2, 3 besser unterscheiden zu können. Weiter ist in Fig. 2 und 3 eine Reihenisolierung 12 in Reihenrichtung gezeigt, die zwischen jeweiligen Reihen 6 vorhanden ist, um diese im Matrixbereich voneinander zu isolieren.

Die Einspeisung erfolgt über Transmissionsleitungen 9, welche impedanzangepasst sein können. Der kleinste Lei tungsab stand 10 zwischen jeweils direkt an benachbarte Einspeisestellen 11 gekoppelte Transmissionsleitungen 9 kann größer sein als ein kleinster jeweiliger Abstand der Transmissionsleitungen 9 in einem Bereich direkt vor der entsprechenden Einspeisestelle 11, in dem die Transmissionsleitung 9 benachbart und parallel zu einem Rand der entsprechenden Einheitszelle 2 verläuft.

Die Beispiele für Metallisierungen 8 auf der Oberseite des Substrats S in Fig. 2 und 3 können zumindest im Grundprinzip aus Fig. 1 zusammengefasst werden.

Die Metallisierung 8 in Fig. 2 weist die zwei verschiedene Arten 2, 3 von Einheitszellen aus, bei der die erste Art 2 von Einheitszelle eine größere Metallfläche aufweist als die zweite Art 3 von Einheitszelle. Dies ist exemplarisch an dem Steg der Einheitszelle erster Art 2 im Vergleich zum Steg der Einheitszelle zweiter Art 3 zu sehen. Hierdurch ist die Impedanz der Einheitszelle der zweiten Art 3 mehr als 2-mal (oder 3- mal) so hoch wie die Impedanz der Einheitszelle der ersten Art 2. Hierbei kann die Metallisierung bei beiden Arten 2, 3 durch eine H-Form beschrieben sein, bei denen die zwei parallelen Bereiche mittels des unterschiedlichen Stegs entsprechend der Art verbunden sind. Dabei ist der Steg bei der zweiten Art 3 mindestens 2-mal (oder 3 -mal oder 4-mal) so klein wie der Steg der ersten Art 2. Hierbei berühren sich entsprechend parallele Bereiche der H-förmigen Einheitszellen erster 2 und zweiter 3 Art.

Die Metallisierung 8 in Fig. 3 ähnelt der Metallisierung 8 in Fig. 2 dadurch, dass entsprechende Stege (allerdings nicht H-förmig) zwischen entsprechenden Einheitszellen erster 2 und zweiter 3 Art unterschiedliche Größe aufweisen. Im Fall von Fig. 3 verhält es sich umgekehrt zu Fig. 2, denn in Fig. 3 haben die erste Art 2 von Einheitszellen eine größere Impedanz als die zweite Art 3 von Einheitszellen. Die Verbindung an den jeweiligen Gedankenstrichen 7 in Fig. 3 verhält sich allerdings genauso wie die Verbindung an den jeweiligen Gedankenstrichen 7 in Fig. 2. Hierbei ist der Übergang zwischen jeder Einheitszellen in einer Reihe 6 der Matrix metallisch. In anderen Wort, es gibt keine Stoßstellen an dem Übergang bzw. der Übergang ist fließend oder nicht sichtbar.

Für den Aufgabe in den Fig. 1 bis 3 kann zusammengefasst werden, dass die Breite der Metallisierung 8 der entsprechenden Einheitszellen 2, 3 in

Wellenausbreitungsrichtung voreingestellt werden kann, um ein gewünschtes Ab Strahlungsmuster zu erzielen. Hierfür können die verschiedenen Einheitszellen 2, 3 unterschiedlich breite Stege (die sich in Wellenausbreitungsrichtung oder Reihenrichtung der Matrix erstrecken) aufweisen bzw. die Breite der Stege voreingestellt/vorgegeben sein. Eine Anzahl der Stege innerhalb einer Einheitszelle kann mindestens eins betragen. Wie in Fig. 3 zu sehen, kann die Anzahl der Stege auch zwei oder mehr betragen. Für die Art und das Aussehen der Stege kann eine Impedanz der Einheitszelle(n) - gemessen in Reihenrichtung - ausschlaggebend sein. So können Einheitszellen erster 2 und zweiter 3 Art gewählt werden, die ein entsprechendes Impedanz-Muster zueinander haben, um eine gewünschte Abstrahlcharakteristik zu erzielen.

Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung des Verfahrens SO zum Herstellen der Mehr Strahlenantenne 1. Das Verfahren S1 umfasst Bereitstellen S1 des Substrats S. Das Verfahren SO umfasst Bereitstellen S2 der Metaoberfläche durch Ausbilden der Matrix mit den Reihen 6 und den Spalten 4, 5 aus den Einheitszellen der ersten Art 2 und der zweiten Art 3 auf dem Substrat S. Das Verfahren SO umfasst ferner das periodische Anordnen S3 der Einheitszellen der ersten Art 2 und der zweiten Art 3 auf dem Substrat S, um der Mehrstrahlenantenne 1 zu ermöglichen, das phaseneingestellte Signale in die mehreren Richtungen gleichzeitig abzustrahlen.

Die als Blöcke des Blockdiagramms in Fig. 4 dargestellten Verfahrensschritte können beispielsweise im Wesentlichen in einem maschinen-, prozessor- oder computerlesbaren Datenträger abgebildet und so von einem Computer 13 oder Prozessor 14, wie z.B. unten in Bezug auf Fig. 5 beschrieben, ausgeführt werden. Beispiele können ferner ein Computerprogramm sein oder sich auf ein solches beziehen, das einen Programmcode zur Ausführung zumindest eines Teils der Verfahrensschritte aus Fig. 4 enthält, wenn das Computerprogramm auf dem Computer 13 oder Prozessor 14 ausgeführt wird. Ein Beispiel kann auch einen nichtflüchtigen Speicher oder Dauerspeicher 16, wie z.B. ebenfalls unten in Bezug auf Fig. 5 beschrieben, aufweisen, der maschinen-, prozessor- oder computerlesbar ist und maschinenausführbare, prozessorausführbare oder computerausführbare Programme mit Befehlen codiert, die die Ausführung einiger oder aller Verfahrensschritte veranlassen. Fig. 5 zeigt schematisch ein Blockdiagramm, das einen Computer 13 darstellt. Der Computer 13 kann zum Beispiel zumindest einen Teil einer zum Herstellen der Mehrstrahlenantenne 1 verwendeten Computervorrichtung beschreiben.

Der Computer 13 implementiert einen oder mehrere Schritte des Verfahrens SO zum Herstellen der Mehr Strahlenantenne, wie in Fig. 4 dargestellt. Insbesondere stellt der Computer 13 Funktionalität, wie Computersoftwarebereit, die auf dem Computer 13 läuft und einen oder mehrere Schritte des Verfahrens SO ausführt. Insbesondere kann der Computer 13 mit den zum Herstellen der Mehr Strahlenantenne 1 benötigten DATEN zusammenhängende Befehle ausführen, die in dem hierin beschriebenen Computerprogramm enthalten sind, und den Computer 13 veranlassen, den einen oder die mehreren Schritte des Verfahrens SO auszuführen. In den zum Herstellen der Mehrstrahlenantenne 1 benötigten Daten (im Folgenden Herstellungsdaten genannt) können Einstellungs-Parameter, wie Metallisierung, Grundform, Einheitszellengröße, Einheitszellenmetallisierung je Art, Substratdicke, Substratart, etc., enthalten sein.

Hierin ist vorgesehen, dass der Computer 13 jedwede geeignete physikalische Form annimmt. Als Beispiel kann der Computer 13 zumindest teilweise als ein eingebetteter Computer, System-on-Chip (SOC), Einplatinen-Computer (SBC), Server und/oder eine Benutzerausrüstung (UE) ausgebildet sein. Der Computer 13 kann einheitlich oder verteilt sein; einen oder mehrere Standorte Überspannen; eine oder mehrere Maschinen oder Rechenzentren überspannen; oder in einer Cloud angeordnet sein, die Cloud- Komponenten in einem Netzwerk aufweisen kann. Der Computer 13 kann ohne wesentliche räumliche oder zeitliche Begrenzung einen oder mehrere Schritte des Verfahrens SO ausführen. Als Beispiel kann der Computer 13 in Echtzeit, parallel oder im Batch -Modus einen oder mehrere Schritte des Verfahrens SO ausführen. Der Computer 13 kann zu verschiedenen Zeitpunkten oder an verschiedenen Orten Schritt(e) des Verfahrens SO ausführen.

Der Computer 13 hat zumindest eine oder mehrere der folgenden Komponenten: einen Prozessor 14, einen flüchtigen Speicher 15, einen Dauerspeicher 16 mit Controller 17 und nichtflüchtiger Speichervorrichtung (NVM) 18, einen Bus 19, einen Arbiter 20, einen Stromanschluss 21, eine Hauptstromversorgung 22, und eine Hilfsstromversorgung 23, und eine Eingabe / Ausgabe- (E/A)-Schnittstelle 24. Die Komponenten des Computers 13 können zumindest teilweise in Hardware und/oder Software ausgeführt sein. Die Verschaltung der Komponenten des Computers 13 ist lediglich der Einfachheit halber wie in Fig. 3 strukturiert. Insbesondere die Verschaltung und Anbindung kann sich in der Umsetzung aufgrund von Signalverarbeitung und Signalgebung unterscheiden. In Fig. 5 ist beispielhaft gezeigt, dass es sich bei der Hauptstromversorgung 22 um externe Vorrichtungen handelt. Diese Komponente kann natürlich auch Teil des Computers 13 selbst sein.

Der Prozessor 14 hat Mittel zum Ausführen von mit den Herstellungsdaten zusammenhängenden Befehlen z. B. des hierin beschriebenen Computerprogramms. Beispielsweise kann der Prozessor 14 die mit den Herstellungsdaten zusammenhängenden Befehle, die in dem hierin beschriebenen Computerprogramm enthalten sind, z. B. aus dem flüchtigen Speicher 15 und/oder dem Dauerspeicher 16 laden und die Befehle dann ausführen, was wiederum den Prozessor 14 dazu veranlasst, den einen oder die mehreren Schritte des Verfahrens SO, wie z. B. in Fig. 4 dargestellt, auszuführen. Der Prozessor 14 kann ein internes Register/Cache für die Herstellungsdaten, für die mit den Herstellungsdaten zusammenhängenden Befehle und/oder für dazugehörige Adressen aufweisen. Der Prozessor 14 kann ein FPLA, ein FPGA, einen Mikrocontroller, eine CPU, eine GPU, ein ASIC und/oder ein DSP zum Zugreifen auf das interne Register/Cache aufweisen. Als Beispiel kann der Prozessor 14, zum Ausführen der mit den Herstellungsdaten zusammenhängenden Befehle, diese von dem internen Register/Cache des Prozessors 14, dem flüchtigen Speicher 15 oder dem Dauerspeicher 16 abrufen; entschlüsseln und ausführen; und dann ein Ergebnis in das interne Register/Cache des Prozessors 14, den flüchtigen Speicher 15 oder den Dauerspeicher 16 schreiben.

Als Beispiel kann der Prozessor 14 einen Befehls-Cache, einen Daten-Cache und/oder einen Übersetzungspuffer (TLB) aufweisen. Die mit den Herstellungsdaten zusammenhängenden Befehle in dem Befehls-Cache können Kopien von Befehlen in dem flüchtigen Speicher 15 und/oder Dauerspeicher 16 sein und der Befehls-Cache kann das Abrufen dieser mit den Herstellungsdaten zusammenhängenden Befehle durch den Prozessor 14 beschleunigen. Die Herstellungsdaten in dem Daten-Cache können Kopien von Daten für die gerade auf dem Prozessor 14 ausgeführten und mit den Herstellungsdaten zusammenhängenden Befehle in dem flüchtigen Speicher 15 und/oder Dauerspeicher 16 sein. Die Ergebnisse der vorherigen auf dem Prozessor 14 ausgeführten und mit den Herstellungsdaten zusammenhängenden Befehle, können für den Zugriff durch nachfolgende auf dem Prozessor 14 auszuführende und mit den Herstellungsdaten zusammenhängende Befehle, oder für das Schreiben in den flüchtigen Speicher 15 und/oder Dauerspeicher 16 vorgesehen sein. Der Daten-Cache kann die Lese- oder Schreiboperationen des Prozessors 14 beschleunigen. Die mit den Herstellungsdaten zusammenhängenden Adressen in dem TLB können Adressenreferenzen zu Adressen in dem flüchtigen Speicher 15 und/oder Dauerspeicher 16 sein, um die virtuelle Adressenübersetzung für den Prozessor 14 zu beschleunigen.

Der flüchtige Speicher 15 kann ein dynamischer RAM (DRAM) oder ein statischer RAM (SRAM) sein. Der flüchtige Speicher 15 kann insbesondere als der hierin beschriebene Datenträger ausgebildet sein auf dem das hierin beschriebene Computerprogramm zumindest vorübergehend gespeichert sein kann. Darüber hinaus kann der flüchtige Speicher 15 ein einzelner oder mehrkanaliger RAM sein. Der flüchtige Speicher 15 kann einen Hauptspeicher zum Speichern von mit den Herstellungsdaten zusammenhängenden Befehlen für den Prozessor 14 aufweisen, der diese Befehle dann ausführt; oder die Herstellungsdaten für den Prozessor 14 aufweisen, die der Prozessor 14 verwendet, um mit diesen zu arbeiten. Als Beispiel kann der Computer 13 diese Befehle aus dem Dauerspeicher 16 oder einer anderen Quelle (wie beispielsweise einem anderen Computer, dem Netzwerk oder der Cloud) in den flüchtigen Speicher 15 laden. Der Prozessor 14 kann dann diese Befehle aus dem flüchtigen Speicher 15 in das interne Register/Cache des Prozessors 14 laden. Um diese Befehle auszuführen, kann der Prozessor 14 diese Befehle aus dem entsprechenden internen Register/Cache abrufen und entschlüsseln. Während oder nach dem Ausführen dieser Befehle kann der Prozessor 14 ein Ergebnis (die Zwischen- oder Endresultate sein können) in das interne Register/Cache schreiben. Der Prozessor 14 kann dann das Ergebnis in den flüchtigen Speicher 15 schreiben. Zum Beispiel führt der Prozessor 14 nur die mit den Herstellungsdaten zusammenhängenden Befehle im internen Register/Cache des Prozessors 14 oder im flüchtigen Speicher 15 (im Gegensatz zum Dauerspeicher 16) aus, und arbeitet nur auf den Herstellungsdaten im internen Register/Cache des Prozessors 14 oder im flüchtigen Speicher 15 (im Gegensatz zum Dauerspeicher 16). Es kann sich eine Speicherverwaltungseinheit (MMU - nicht gezeigt) zwischen dem Prozessor 14 und dem flüchtigen Speicher 15 befinden und den von dem Prozessor 14 angeforderten Zugriff, der mit den Herstellungsdaten in Verbindung steht, auf den flüchtigen Speicher 15 unterstützen.

Der flüchtige Speicher 15 kann ein von dem Prozessor 14 und der E/A Schnittstelle 24 geteilter Speicher sein. Die E/A Schnittstelle 24 greifen dabei über den Prozessor 14 auf den geteilten flüchtigen Speicher 15 zu. Die E/A Schnittstelle 24 können beispielsweise keinen eingebauten Speicher enthalten. Hierbei kann sich die E/A Schnittstelle 24 den mit dem Prozessor 14 verbundenen flüchtigen Speicher 15 teilen. Der Prozessor 14 kann einen Speicher-Zugriffspfad haben, der einen mit den Herstellungsdaten in Verbindung stehenden Zugriff auf den geteilten flüchtigen Speicher 15 ermöglicht. Die E/A Schnittstelle 24 greifen über den Speicher-Zugriffspfad des Prozessors 14 auf den geteilten flüchtigen Speicher 15 zu. Der E/A Schnittstelle 24 wird der mit den Herstellungsdaten in Verbindung stehende Zugriff auf den geteilten flüchtigen Speicher 15 ermöglicht, während der Speicher-Zugriffspfad aktiv ist und der Prozessor 14 inaktiv ist. Hierbei ist der Speicher-Zugriffspfad ohne Eingriff des Prozessors 14 aktiv. Der Speicher-Zugriffspfad wird abgeschaltet, während der Prozessor 14 und die E/A Schnittstelle 24 inaktiv sind. Der Speicher-Zugriffspfad wird ohne Eingreifen des Prozessors 14 eingeschaltet, sobald eine Anforderung zum Koppeln des Speicher-Zugriffspfads mit dem Prozessor 14 empfangen wird, während der Speicher- Zugriffspfad abgeschaltet ist und die E/A Schnittstelle 24 aktiv sind.

Der Dauerspeicher 16 hat einen Massenspeicher, z. B. einen nichtflüchtigen Speicher (NVM) 18 für die Herstellungsdaten oder die mit den Herstellungsdaten zusammenhängenden Befehle. Der Dauerspeicher 16 kann insbesondere als der hierin beschriebene Datenträger ausgebildet sein, auf dem das hierin beschriebene Computerprogramm gespeichert sein kann. Als Beispiel kann der Dauerspeicher 16 ein Festkörperspeicher (SSD), ein Flash-Speicher, eine nicht-flüchtige Speicherkarte, eine Secure Digital Memory Card (SD), eine Embedded Multi Media Card (eMMC) und/oder ein Universal Serial Bus (USB) sein. Der Dauerspeicher 16 kann die Herstellungsdaten in löschbarer oder nicht löschbarer Weise aufbewahren. Der Dauerspeicher 16 kann sich in dem Computer 13 befinden, also intern, oder sich extern dazu befinden. Der Dauerspeicher 16 kann den Controller 17 aufweisen, der die Kommunikation zur Weitergabe der Herstellungsdaten zwischen dem Prozessor 14 und dem Dauerspeicher 16, insbesondere dem NVM 18 des Dauerspeichers 16, unterstützt.

Beispielsweise kann es sich bei dem NVM 18 um ein NVM Paket aus einem Puffer- Chip und NVM Chips handeln. Die NVM Chips haben jeweils einen Status-Ausgangs- Pin. Der Controller 17 steuert die NVM Chips und hat einen ersten Pin. Der Puffer-Chip ist zwischen dem Controller 17 und den NVM Chips geschaltet. Der Puffer-Chip hat einen zweiten Pin, der ein externes Zustandssignal an den ersten Pin des Controllers 17 ausgibt, und einen dritten Pin, der interne, die jeweiligen Zustände der NVM Chips angebende, Zustandssignale von den Status-Ausgangs-Pins empfängt. Ferner gibt der Puffer-Chip das externe Zustandssignal mit festgelegtem Zeitraum basierend auf den internen Zustandssignalen aus. Der festgelegte Zeitraum kann ein Tastverhältnis sein. Die internen Zustandssignale geben entweder einen ersten oder zweiten Zustand an. Das Tastverhältnis des externen Zustandssignals wird abhängig von einer Kennung (ID - z. B. beim Start des Computers 13 initialisiert) desjenigen oder deijenigen NVM Chips bestimmt, der/die das interne Zustandssignal ausgibt/ausgeben, das den ersten Zustand unter den NVM Chips angibt. Der Controller 17 empfängt das externe Zustandssignal von dem Puffer-Chip. Der Controller 17 liefert basierend auf dem externen Zustandssignal einen Status-Lesebefehl nicht an die NVM Chips und einen Schreib- /Lesebefehl an mindestens einen der NVM Chips durch den Puffer-Chip basierend auf dem festgelegten Zeitraum oder Tastverhältnis, der/das in dem externen Zustandssignal enthalten ist. Der Controller 17 schreibt/liest die Herstellungsdaten zu/von den NVM Chips, die den Schreib-/Lesebefehl über den Puffer-Chip empfangen. In dem Dauerspeicher 16 kann ein Verfahren zum Umordnen der Herstellungsdaten eingesetzt werden. Hierbei wird ein Stapel der Herstellungsdaten unter Verwendung eines der NVM 18 auf einer Ebene der NVM Hierarchie, umgeordnet. Das Umordnen umfasst das Streamen eines Teils des Stapels der Herstellungsdaten und Abrufen eines anderen Teils des Stapels der Herstellungsdaten parallel zum Streamen des einen Teils des Stapels der Herstellungsdaten. Der so umgeordnete Stapel (der aus dem einen und dem anderen Teil zusammengefügt ist) wird dann in einem anderen NVM der NVM 18 auf einer anderen Ebene der NVM Hierarchie abgelegt.

Der Prozessor 14 kann direkt oder indirekt, z. B. über einen internen Hostcontroller (nicht gezeigt), mit dem Dauerspeicher 16 verbunden sein. Hierbei kann die Verbindung über einen Taktbus, Befehlsbus und Datenbus ausgestaltet sein. Dies ist lediglich schematisch anhand des Bus 19 in Fig. 5 gezeigt. Im Falle eines separaten Hostcontrollers ist dieser elektrisch mit dem Prozessor 14 und mit dem Dauerspeicher 16 verbunden. Der Hostcontroller ist vorzugsweise Teil des Prozessors 14. Der Dauerspeicher 16 empfängt mit den Herstellungsdaten zusammenhängenden Befehle und die Herstellungsdaten im Zusammenhang mit einem Taktsignal, das von dem Prozessor 14 bzw. dem Hostcontroller auf dem Taktbus vorgegeben wird. Hierbei taktetet das Taktsignal den Empfang der mit den Herstellungsdaten zusammenhängenden Befehle und die Herstellungsdaten. Der Prozessor 14 bzw. der Hostcontroller sendet einen mit den Herstellungsdaten zusammenhängenden Befehl über den Befehlsbus an den Dauerspeicher 16. Ferner sendet der Prozessor 14 bzw. der Hostcontroller die Herstellungsdaten entsprechend dem Befehl über den Datenbus an den Dauerspeicher 16 oder empfängt die Herstellungsdaten aus dem Dauerspeicher 16 über den Datenbus. Ferner sendet der Prozessor 14 bzw. der Hostcontroller einen weiteren mit den Herstellungsdaten zusammenhängenden Befehl über den Befehlsbus an den Dauerspeicher 16, während oder vor der Übermittlung der Herstellungsdaten. Der eine Befehl ist ein mit den Herstellungsdaten begleiteter Befehl und der weitere Befehl ist ein nicht mit den Herstellungsdaten begleiteter Befehl. Der Prozessor 14 bzw. der Hostcontroller sendet den weiteren Befehl, wenn der Dauerspeicher 16 in einem aktiven Zustand ist. Der aktive Zustand des Dauerspeichers 16 wird durch den Datenbus angezeigt. In dem aktiven Zustand können die Herstellungsdaten mittels des weiteren Befehls aus dem NVM 18 des Dauerspeicher 16 in einem Datenpuffer (z. B. als Teil der Puffer-Chips - nicht gezeigt) des Dauerspeichers 16 vorgehalten werden, um die Herstellungsdaten mit einem anderen Befehl schneller abrufen zu können.

In einem Beispiel kann der NVM 18 einen Taktgeber-Pin haben, über den das Taktsignal von dem Controller 17 des Dauerspeichers 16 empfangen wird. Das Taktsignal kann ein Schreibaktivierungssignal und/oder Leseaktivierungssignal sein. Der NVM 18 kann ferner einen ersten und zweiten E/A-Pin haben. Die Herstellungsdaten werden von dem Controller 17 des Dauerspeichers 16 synchron mit dem Taktsignal über den ersten E/A-Pin empfangen. Der NVM 18 kann ferner einen Befehls-/ Adresspuffer (z. B. als Teil des Puffer-Chips), eine Speicherzellenanordnung (z. B. als Teil der NVM Chips - nicht gezeigt) und eine Steuerungslogik (nicht gezeigt) haben. Der Befehls-/ Adresspuffer arbeitet bei einer ersten Betriebsgeschwindigkeit und puffert synchron mit dem Taktsignal den über den zweiten E/A-Pin empfangenen und mit den Herstellungsdaten zusammenhängenden Befehl und entsprechende Adresse. Der NVM 18 kann ferner einen E/A-Puffer (z. B. als Teil des Puffer-Chips) haben, der mit der ersten Betriebsgeschwindigkeit arbeitet und die Herstellungsdaten als Lesedaten aus der Speicherzellenanordnung puffert bzw. die Herstellungsdaten als Schreibdaten in die Speicherzellenanordnung schreibt. Der erste und zweite E/A-Pin können zusammenfallen. Hierbei kann das Taktsignal durch eine erstes und zweites Taktsignal gebildet werden, bei dem das erste Taktsignal nur in einem Zeitraum umschaltet, in dem der Befehl und die Adresse (beide mit den Herstellungsdaten zusammenhängend) von dem Controller 17 empfangen werden, und das zweite Taktsignal nur in einem Zeitraum umschaltet, in dem die Herstellungsdaten von dem Controller 17 empfangen werden. Die erste Betriebsgeschwindigkeit entspricht einer Dateneingabegeschwindigkeit bzw. Datenausgabegeschwindigkeit zwischen dem NVM 18 und dem Controller 17 des Dauersp ei chers 16. Die Steuerungslogik steuert eine Operation in Bezug auf die Speicherzellenanordnung basierend auf dem gepufferten Befehl und der gepufferten Adresse (beide mit den Herstellungsdaten zusammenhängend). Hierbei arbeitet die Steuerungslogik mit einer zweiten Betriebsgeschwindigkeit, die geringer ist als die erste Betriebsgeschwindigkeit. Die zweite Betriebsgeschwindigkeit entspricht einer internen Betriebsgeschwindigkeit des NVM 18. Der Bus 19 kann hierin als ein Untersystem des Computers 13 verstanden werden, das die Herstellungsdaten und/oder elektrische Leistung zwischen den Komponenten des Computers 13 überträgt. Der (eine) Bus 19 kann dabei die Komponenten des Computers 13 über den gleichen Satz von Leitungen miteinander verbinden. Der Bus 19 kann für eine dedizierte Kommunikation der Herstellungsdaten zwischen zwei oder mehreren der Komponenten des Computers 13 ausgebildet sein. Der Bus 19 kann eine Ringtopologie, Sterntopologie, (teilweise) vermaschte Topologie, Bustopologie, Baumtopologie und/oder Linientopologie aufweisen. Der Bus 19 kann dabei einen oder mehrere der folgenden Bustypen aufweisen: Accelerated Graphics Port (AGP), HyperTransport (HT), Industry Standard Architecture (ISA), Peripheral Component Interconnect (PCI), PCI- Express (PCIe), Serial Advanced Technology Attachment (SATA) und/oder INFINIBAND.

Der Bus 19 kann ein Systembus sein, über den der Prozessor 14 mit den anderen Komponenten des Computers 13 verbunden ist. Hierbei kann der Bus 19 synchron - die Übernahme der Herstellungsdaten erfolgt bidirektional mit einer Taktflanke einer Taktung des Bus 19 - und/oder asynchron sein - keine Taktung, aber ein Handshake erfolgt zur Übernahme der Herstellungsdaten. Bei einem solchen semi -synchronen Systembus ist der Bus 19 getaktet, aber Steuerleitungen ermöglichen Wartezyklen, um auch langsame Komponenten, wie den Dauerspeicher 16 über den Bus 19 zu verwenden.

Der Arbiter 20 kann zur zumindest teilweisen Kontrolle über den Bus 19 bereitgestellt sein. Der Arbiter 20 kann als zu dem Prozessor 14 nebengeordneter Koprozessor aufgefasst werden. Der Arbiter 20 regelt basierend auf einem Zwei-Wege- Handschlag oder Drei-Wege-Handschlag den mit den Herstellungsdaten zusammenhängenden Zugriff auf den Bus 19. Hierfür werden die drei Signale Bus- Request (BREQ) zur Weitergabe der Herstellungsdaten, Bus-Grant (BGRT) zum Bestätigen und Genehmigen der Weitergabe und Bus-Grant-Acknowledge (BGA) zur optionalen Weitergabe-Rückmeldung verwendet. Der Arbiter 20 empfängt über den Bus 19 gleichzeitig mehrere BREQs von unterschiedlichen Komponenten des Computers 13. Der Arbiter 20 sortiert die BREQs nach Priorität und leitet diese sequenziell - in einer Pipeline - an den Prozessor 14 weiter. Sobald der Prozessor 14 den BREQ erhalten hat, sendet der Prozessor 14 dem Arbiter 20 oder direkt der den BREQ sendenden Komponente des Computers 13 den BGRT. Ein nachrangiger BREQ der BREQs in der Pipeline - z. B. von einer anderen Komponente des Computers 13 - wird als Antwort auf einen von dem Prozessor 14 gesendeten BGRT in Bezug auf den in der Pipeline vorrangigen und mit zumindest einem Teil der Herstellungsdaten zusammenhängenden BREQ an den Prozessor 14 weitergeleitet. Der auf den nachrangigen BREQ bezogene BGRT wird nach Abarbeitung des zumindest einen Teils der Herstellungsdaten von dem Prozessor 14 an den Arbiter 20 gesendet. Der Arbiter 20 kann z. B. wiederum als Antwort auf den BGRT, der sich auf den nachrangigen BREQ bezieht, einen in der Pipeline weiter nachrangigen BREQ - der sich z. B. auf einen anderen Teil der Herstellungsdaten bezieht - der BREQs an den Prozessor 14 senden. Ebenso kann als Antwort auf jeden BGRT von dem Prozessor 14, der Arbiter 20 einen jeweiligen darauf bezogenen BGA an den Prozessor 14 senden. Bei dem hierin beschriebenen Vorgehen kann ein BGA auch gänzlich entfallen. Dies erspart Overhead in der Kommunikation zwischen den Komponenten des Computers 13. Das heißt, es wird anstatt eines Drei-Wege- Handschlags ein Zwei-W ege-Handschlag bereitgestellt.

Der Bus 19 kann auch einen Datenbus, Adressbus, und Steuerbus aufweisen. Hierbei werden die Herstellungsdaten zwischen den Komponenten des Computers 13 bidirektional über den Datenbus übertragen. Der Adressbus wird allein von dem Prozessor 14 bedient und überträgt unidirektional mit den Herstellungsdaten zusammenhängende Speicheradressen. Der Steuerbus wird allein von dem Arbiter 20 geregelt, z. B. im Sinne eines Wächters, und übergibt die Kontrolle darüber an den Prozessor in der pipelineartigen Weise, wie oben beschrieben, um die Übertragung der Herstellungsdaten zu steuern.

Der Stromanschluss 21 kann an einer dedizierten Anschlussstelle an einem Gehäuse des Computers 13 angeordnet sein. Der Stromanschluss 21 kann eine zentrale Stromversorgungsstelle für die Komponenten des Computers 13 darstellen und verbindet den Computer 13 bzw. dessen Komponenten mit der Hauptstromversorgung 22. Im Falle einer integrierten Hauptstromversorgung 22 kann der Stromanschluss 21 ein integrierter Bestandteil des Computers 13 oder der Hauptstromversorgung 22 sein.

Die Hauptstromversorgung 22 versorgt mindestens eine oder mehrere der Komponenten des Computers 13 mit elektrischer Leistung, z. B. via dem Bus 19. Insbesondere lädt die Hauptstromversorgung 22 die Hilfsstromversorgung 23 mit elektrischer Leistung, zum Beispiel von außerhalb des Computers 13 auf, z. B. im Falle dessen, dass die Hauptstromversorgung 22 an eine Stromquelle außerhalb des Computers 13 angeschlossen ist. Hierbei kann die Hauptstromversorgung 22 eine bevorzugte für die Stromversorgung der Komponenten des Computers 13 benutzte Komponente darstellen und zum Beispiel ein Akkumulator oder eine Batterie aufweisen. Die Hauptstromversorgung 22 kann weitere Komponenten wie Spannungsregler, DC- Spannungsstabilisierer, Längsregler, Buck-Konverter und/oder Boost-Konverter aufweisen, um die entsprechenden Anforderungen der Komponenten des Computers 13 zu erfüllen. Hierbei kann die Hauptstromversorgung 22 entweder über einen dedizierten festen Stromanschluss an die Stromquelle, wie ein Energienetz, oder eine lösbare Stromversorgungsverbindung zur Aufladung des Akkumulators oder der Batterie der Hauptstromversorgung 22 verfügen. Zu diesem Zweck kann die Hauptstromversorgung 22 über einen Wechselrichter verfügen, um eine vorgegebene Gleichstromversorgung aus einer externen Wechselstromquelle als die Stromquelle bereitzustellen, wobei die Gleichstromversorgung dann über die oben genannten Spannungsregler an die Komponenten des Computers 13 geliefert wird.

Die Hilfsstromversorgung 23 ist über den Bus 19 mit dem flüchtigen Speicher 15 und/oder dem Dauerspeicher 16 verbunden. Die Hilfsstromversorgung 23 wird durch die elektrische Leistung der Hauptstromversorgung 22 aufgeladen. Die Hilfsstromversorgung 23 kann innerhalb oder außerhalb des Computers 13, oder innerhalb oder außerhalb des flüchtigen Speichers 15 und/oder des Dauerspeichers 16 angeordnet sein. Beispielsweise kann die Hilfsstromversorgung 23 auf einer Hauptplatine des Computers 13 untergebracht sein, um den flüchtigen Speicher 15 und/oder den Dauerspeicher 16 mit einer Hilfsleistung zu versorgen. Die Hilfsstromversorgung 23 kann insbesondere in Form eines Superkondensators, eines Akkumulators und/oder einer Batterie ausgeführt sein. Die LeistungskapazitätZEnergiekapazität der Hauptstromversorgung 22 kann um ein Vielfaches, zum Beispiel mindestens 10-Mal oder 50-Mal größer sein als die LeistungskapazitätZEnergiekapazität der Hilfsstromversorgung 23.

Der Prozessor 14 überwacht Änderungen der von der Hauptstromversorgung 22 gelieferten elektrischen Leistung. Im Falle eines plötzlichen Stromausfalls, z. B. wenn die Stromquelle außerhalb des Computers 13 von der Hauptstromversorgung 22 getrennt wird oder die Hauptstromversorgung 22 aus einem anderen Grund nachlässt oder ausfällt, und der Prozessor 14 bestimmt, dass die von der Hauptstromversorgung 22 an eine oder mehrere der Komponenten des Computers 13 gelieferte elektrische Leistung unter einen Schwellenwert, z. B. 0,8 oder 0,75 einer Betriebsleistung der Hauptstromversorgung 22, gefallen ist, veranlasst der Prozessor 14 die Hilfsstromversorgung 23, eine verbleibende Versorgungsleistung für einen Ab schaltvorgang des Computers 13 zu übernehmen. Der Ab schaltvorgang umfasst die Leistungsversorgung zumindest des Prozessors 14, des flüchtigen Speichers 15 und/oder des Dauerspeichers 16 mit elektrischer Leistung für die Zeit des Ab schal tvorgangs. Während des Ab schal tvorgangs werden die Herstellungsdaten, die sich derzeit im flüchtigen Speicher 15 befinden, und/oder die Herstellungsdaten, die derzeit im Prozessor 14 verarbeitet werden, beispielsweise im Register/Cache des Prozessors 14, aus dem flüchtigen Speicher 15 und/oder dem Prozessor 14 in einen Metabereich des Dauerspeichers 16 übertragen. Hierfür kann der Metabereich des Dauerspei chers 16 extra für den Ab schaltvorgang vorgehalten werden.

Der Prozessor 14 lädt, im Falle eines Startvorgangs des Computers 13, bei dem die Hauptstromversorgung 22 wieder die Betriebsleistung bereitstellt, die Herstellungsdaten aus dem Metabereich des Dauerspeichers 16, um eine schnellere Datenverarbeitung zu ermöglichen. Nach dem Startvorgang kann der Metabereich des Dauerspeichers oder sukzessive während des Startvorgangs freigegeben werden.

Die E/A Schnittstelle 24 kann eine Nutzerinteraktion mit dem Computer 13 ermöglichen. Insbesondere können hierüber die Herstellungsdaten bzw. die entsprechenden Parameter dazu eingegeben werden. Die E/A Schnittstelle 24 kann einen Geräte- und/oder Softwaretreiber aufweisen, die es dem Prozessor 14 ermöglichen, die E/A Schnittstelle 24 anzusteuern, um die Einstellungs-Parameter bzw. Herstellungsdaten abzurufen und den Komponenten des Computers 13 bereitstellen zu können.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Erfindung die Installation von Mobilfunknetzen vereinfachen wird. Es wird dazu beitragen, dass die Städte umweltfreundlicher werden, weil der Stromverbrauch sinkt und die visuelle Verschmutzung durch große Antennenmasten reduziert oder beseitigt wird. Viele Mobiltelefonhersteller könnten sich diese Technologie zunutze machen, um Größe, Kosten und Strom zu sparen. Außerdem könnte die Erfindung in vielen anderen Anwendungen wie Radarsystemen, Bildgebung, Kraftfahrzeugen, Fahrzeugsensoren und Energy Harvesting eingesetzt werden.

An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass alle oben beschriebenen Teile für sich alleine gesehen und in jeder Kombination, insbesondere die in den Zeichnungen dargestellten Details, als erfindungswesentlich beansprucht werden. Abänderungen hiervon sind dem Fachmann geläufig.

BEZUGSZEICHENLISTE

1 Mehrstrahlenantenne

2 Einheitszelle erster Art

3 Einheitszelle zweiter Art

4 Spalte erster Art

5 Spalte zweiter Art

6 Reihen gleicher Art

7 Gedankenstrich

8 Metallisierung

9 Transmissionsleitung

10 Lei tungsab stand

11 Einspeisestelle

12 Reihenisolierung 13 Computer

14 Prozessor

15 Flüchtiger Speicher

16 Dauerspeicher 17 Controller

18 NVM

19 Bus

20 Arbiter

21 Stromanschluss 22 Hauptstromversorgung

23 Hilfsstromversorgung

24 E/A Schnittstelle

S Substrat