CN107209214A - 用于天线阵列的相位控制 - Google Patents

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Abstract

公开了用于天线阵列的相位控制装置和方法。通过跨分压器施加可变控制电压，控制沿天线阵列第一轴线的各天线元件子单元上的相移，将所述可变控制电压划分为多个电压，用于为对应于所述各天线元件子单元的相移元件生成相移控制电压。通过控制施加在所述分压器上的所述可变控制电压，可以沿所述第一轴线对所述天线阵列进行调向。第二分压器可用于将相位控制和调向扩展到两个维度。

Description

用于天线阵列的相位控制
相关申请的交叉引用
本申请要求获得申请日2015年1月23日、申请号为14/603,908、题为“用于天线阵列的相位控制”的美国专利申请的优先权，所述申请的全部内容通过引用并入本申请。
技术领域
本申请一般涉及无线通信系统，更具体地涉及天线阵列系统中的相位控制。
背景技术
具有多个天线元件的天线阵列用于各种类型的通信设备中。通过控制送到天线阵列元件或从天线阵列元件接收的信号的相位，使引导天线阵列的波束成为可能。这称为波束调向(beam steering)。相位控制可应用于从天线阵列传输所用的信号和/或通过天线阵列在空中接收的信号。
发明内容
一个实施例提供了一种相位控制装置。所述装置可以包括用于提供第一可变控制电压的第一控制电压源，以及用于将第一可变控制电压划分为第一组分压的第一分压器。所述装置也可以包括多个相移元件，每个都耦合到第一分压器，以接收第一组分压中的对应分压。
在一些实施例中，每个相移元件依赖其对应分压的大小，将对应相移施加到在相移元件的输入上接收的信号。
在一些实施例中，每个相移元件被配置为将其对应的相移施加到与天线阵列中的对应天线元件子单元相关联的信号。
在一些实施例中，天线阵列中的天线元件子单元可以沿第一轴线分布。
在一些实施例中，所述由每个相移元件接收的对应分压与所述相移元件相关联的所述天线元件子单元沿所述第一轴线的位置成比例。
在一些实施例中，天线阵列中的天线元件子单元也可以沿第二轴线分布。
一种装置也可以包括用于提供第二可变控制电压的第二控制电压源，以及用于将第二可变控制电压划分为第二组分压的第二分压器。
在包括第二分压器的一些实施例中，每个相移元件也可以耦合到所述第二分压器，以接收所述第二租分压中对应的分压，每个相移元件还依赖于所述第二租分压中对应分压的大小来施加其对应的相移。
在一些实施例中，所述由每个相移元件接收的、所述第二组分压中对应的分压与所述相移元件相关联的、所述天线元件子单元沿所述第二轴线的位置成比例。
一种装置也可以包括具有天线元件子单元的天线阵列，所述天线元件子单元分布在由第一轴线和第二轴线界定的平面上的平面阵列中。
在一些实施例中，所述天线元件子单元以网格图案设置在平面阵列中，其列沿所述天线阵列的第一轴线，并且其行沿所述天线阵列的第二轴线。
在一些实施例中，所述第一分压器可包括并联耦合在一起、并沿所述天线阵列的所述第二轴线分布的第一组分压器。类似地，所述第二分压器可以包括并联耦合在一起、并沿所述天线阵列的所述第一轴线分布的第二组分压器。在一些这样的实施例中，所述相移元件可以耦合到所述第一分压器和所述第二分压器，对于沿所述第一轴线、位于所述平面阵列的第m位置、且沿所述第二轴线、位于所述平面阵列的第n位置的天线元件子单元，其所耦合的相移元件耦合到沿所述第一轴分布的所述第二组分压器的第m分压器，以及沿所述第二轴分布的所述第一组分压器的第n分压器。
在一些实施例中，每个相移元件可以包括相移驱动器，被配置为向对应的分压施加校准因子和/或偏移以产生校准后的分压。在一些这样的实施例中，每个相移元件可以被配置为依赖于由其相移驱动器生成的校准后的分压的大小，施加其对应的相移。
通过在所述第一分压器的第一端施加正电压，并在第一分压器的第二端，即对面端，施加负电压，可提供所述第一可变控制电压。
在一些实施例中，每个相移元件可以包括相移驱动器，被配置为将第一组分压的对应分压和第二组分压的对应分压进行求和。在一些这样的实施例中，每个相移元件可被配置为依赖得到的所述和，施加其对应相移。相移驱动器还可以被配置为向得到的所述和施加校准因子和/或偏移，以产生校准后的相移控制电压。在一些这样的实施例中，每个相移元件可被配置为依赖于由其相移驱动器生成的校准后的相移控制电压，施加其对应的相移。
在一些实施例中，所述由每个相移元件接收的对应分压与所述相移元件相关联的所述天线元件子单元沿所述第一轴线的位置的非线性函数成比例。
包括具有多个天线元件子单元的天线阵列的通信设备也可以包括相位控制器。所述相位控制器可以包括如上所述的装置，其耦合到所述天线阵列的所述天线元件子单元，其中每个天线元件子单元包括所述天线阵列的至少一个天线元件。
也公开了一种相位控制方法，并且可以涉及提供第一可变控制电压，将所述第一可变控制电压划分为第一组分压，并且，在多个相移元件的每一个元件上，接收所述第一组分压中的对应分压，并且依赖于所述第一组分压中的对应分压的大小，将对应相移施加到信号。
在一些实施例中，施加对应相移包括将对应的相移施加到与天线阵列中对应天线元件子单元相关联的信号。
在一些实施例中，所述天线阵列中的天线元件子单元可以沿第一轴线分布。在一些这样的实施例中，划分所述第一可变控制电压包括划分所述第一可变控制电压，使得由每个相移元件接收的对应分压与所述相移元件相关联的所述天线元件子单元沿所述第一轴线的位置成比例。
在一些实施例中，所述天线阵列中的天线元件子单元也可以沿着第二轴线分布。在一些这样的实施例中，一种方法还可以包括提供第二可变控制电压，并将所述第二可变控制电压划分为第二组分压。每个相移元件可以接收所述第二组分压中的对应分压，并且施加所示对应相移还依赖于第二组分压中的对应分压的大小。
在一些实施例中，划分所述第二可变控制电压，以使所述由每个相移元件接收的、所述第二组分压中对应的分压与所述相移元件相关联的、所述天线元件子单元沿所述第二轴线的位置成比例。
在一些实施例中，所述第一组分压中的对应分压和第二组分压中的对应分压可以求和，并且所述相移元件可以依赖于得到的所述和，将其对应相移施加到信号上。
在一些实施例中，校准因子和/或偏移可以施加到得到的所述和，以生成校准后的相移控制电压，并且相移元件可以依赖于所述校准后的相移控制电压，将其对应相移施加到信号e上。
附图说明
现在将参考附图描述实施例，在附图中：
图1是示例性通信系统的方框图；
图2是示例性通信设备的方框图；
图3是处于均匀线性阵列的元件处的平面波相位的示例性均匀线性天线阵列图；
图4是示例性分压器图；
图5是示例性二维(2D)平面天线阵列图；
图6是用于在2D平面天线阵列中控制相位的示例性相位控制器的示意图；
图7是可用于相位控制器中相移元件的示例性电压求和电路图；
图8是可用在相位控制器中的示例性相移元件的方框图；
图9是可用于相移驱动器中作为相位控制器中的相移元件一部分的示例性校准器电路的方框图；
图10是在锁相环路中实现的示例性相移元件的方框图；
图11是用于在2D平面天线阵列中控制相位的另一个示例性相位控制器的示意图；
图12是示例性连续电阻的截面图；
图13是为2D平面天线阵列的控制相位的另一个示例性相位控制器的示意图；
图14是覆盖在2D平面天线阵列上的示例性有源射频(RF)透镜功能的示意图；
图15是示例方法的流程图；并且
图16是另一个示例方法的流程图。
具体实施方式
图1是可以在其中实现本公开的实施例的示例通信系统的方框图。图1中的示例通信系统100包括接入网络102和核心网络104。接入网络102包括在示例中所示的、通过网络通信链路132、134、136进行通信的网络设备110、112、114，以及通过接入通信链路138、139与网络设备114通信的用户设备122、124。接入网络102通过另一网络通信链路140与核心网络104通信。类似于接入网络102，核心网络104可以包括与接入网络102中的网络设备110、112、114的一个或多个装置进行通信的网络设备。然而，在具有接入网络102和核心网络104的通信系统中，核心网络本身可能并不直接向用户设备提供通信服务。
通信系统100仅用作说明性示例。接入网络102可以包括多于或少于三个的网络设备装置，例如，未必全部如图示一般直接地相互通信。此外，接入网络102中的网络设备可有不止一个装置向用户设备提供通信服务。可以有不止一个接入网络102耦合到核心网络104。还应当理解，本公开在任何方面均不限于具有接入网络/核心网络结构的通信系统。
更一般地，图1以及其他附图仅用于说明的目的。本公开不限于附图中明确示出的具体示例实施例。
首先考虑接入网络102，各种实施方式中的任何一种都是可能的。网络设备110、112、114的确切结构，以及由此等网络设备提供通信服务的用户设备122、124的确切结构，是依具体实施方式而定的。
至少有网络设备114(向用户设备122，124提供通信服务)包括物理接口和通信电路，以支持通过接入链路138、139与用户设备的接入侧通信。例如，接入侧物理接口可以是天线或天线阵列的形式，其中接入通信链路138、139是无线链路。若为有线接入通信链路138、139的情况，接入侧物理接口可以是到有线通信介质的端口或连接器。在网络设备114上，可以提供多个接入侧接口，以支持例如相同类型或不同类型的多个接入通信链路138，139。在接入网络设备114上耦合到接入侧物理接口的通信电路的类型取决于接入通信链路138、139的类型，以及用于与用户设备122、124通信的通信协议。
网络设备110、112、114也包括网络侧物理接口，或可能的多个网络侧物理接口以及实现与接入网络102中其他网络设备进行通信的通信电路。网络设备110、112、114的至少一些装置也包括一个或更多网络侧物理接口和通信电路，以通过通信链路140实现与核心网络设备的通信。在网络设备110、112、114和核心网络104之间，可以存在多个通信链路。在接入网络102中的网络侧通信链路132、134、136以及到核心网络104的通信链路140可以是相同类型的通信链路。在这种情况下，网络设备110、112、114上相同类型的物理接口和相同的通信电路可以支持接入网络102中接入网络设备之间的通信，以及接入网络102和核心网络104之间的通信。也可以在网络设备110、112、114上改为提供不同的物理接口和通信电路，用于接入网络102之内和接入网络102与核心网络104之间的通信。
核心网络104中的网络设备在结构上可以类似于网络设备110、112、114。然而，如上所述，核心网络104中的网络设备未必直接向用户设备提供通信服务，因此未必包括用于接入通信链路或相关联的接入侧通信电路的接入侧物理接口。核心网络104中，网络设备上的物理接口和通信电路可以支持与接入网络102中相同类型的网络通信链路、不同类型的网络通信链路或以上两者。
正如在网络设备110、112、114处的物理接口和核心网络104中的网络设备的确切结构依具体实施方式而定一样，相关联的通信电路也是依具体实施方式而定的。通常，硬件、固件、执行软件的组件或其某些组合可用于实现这样的通信电路。可能适于实现通信电路的电子设备尤其包括微处理器、微控制器、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)以及其他类型的“智能”集成电路。软件可以存储在存储器中以执行。所述存储器可以包括一个或更多物理存储装置，包括各种类型的固态存储装置和/或带有可移动甚或可移除存储介质的存储装置中的任何类型。
用户设备122、124的每个装置包括物理接口和通信电路，其与在网络设备114处的接入侧物理接口和通信电路兼容，以使得用户设备能够与网络设备通信。可以在用户设备122，124上提供相同或不同类型的多个物理接口。用户设备122、124也可以包括诸如输入/输出设备的部件，通过该部件，可向用户提供用户设备的功能。例如，若为无线通信设备的情况，如智能电话，这些功能不仅可以包括通信功能，也可以包括不需要涉及通信的其他本机功能。相同的网络设备114可以服务不同类型的用户设备122、124，例如不同的智能手机。
在通信链路132、134、136、138、139、140和核心网络104的通信链路之中，任一个都可以潜在地是或包括无线通信链路。此等通信链路往往在接入网络102中比在核心网络104中使用更多，不过无线通信链路也可能在核心网络级别中。包括多个天线元件的天线阵列可以在无线通信链路的各端使用，以实现空中通信。
波束调向通常也包括在波束成形的能力中，其利用信号相位变化对多元件天线阵列中的天线波束特性的影响。在发送方向上，将不同的相移施加于同一个天线馈送信号上，再经由天线阵列发送。将已经施加了不同相移的信号相移版本分别提供给对应的天线单元子单元。每个天线单元子单元可以包括单个或多个天线单元，可能设置成1D或2D子阵列。在接收方向上，将反向相移施加到在对应的天线单元子单元处接收的信号，生成接收信号，用于进一步处理。在一些情况下，也可以施加振幅偏移，例如，作为校准功能的一部分，如果移相器设置碰巧影响了移相器的振幅传递的话。然而，为了清楚起见，在随后的描述中将仅详述相位控制。
图2是示例性通信设备200的方框图，其中包括天线阵列202。在图示例中，相位控制器204耦合到天线阵列202，并且波束形成器或馈送网络206耦合到相位控制器。发送器210和接收器212可以是收发器214的一部分，耦合到波束形成器206。发送器210和接收器212也可以与其他组件耦合，如进一步处理接收信号或执行处理以生成信号以便通过天线阵列202在无线通信链路上进行发送的其他信号处理组件，一个或更多输入/输出设备，和/或一个或更多存储装置。
天线阵列202包括多个天线元件，并且是与通信介质的物理接口的示例。天线元件可以采取各种形式中的任何形式，取决于实现图2所示的组件的无线设备的类型。通常，天线元件的尺寸由要在介质(空中)接口处接收和/或发送的信号的波长决定。
示例性通信设备200可以是通信网络设备或用户设备。在一个实施例中，图2所示的组件在通信网络设备和用户设备上均实现，以实现例如图1中的网络设备114和用户设备122、124之间的通信。
下面参照图3至14进一步详述相位控制器204的示例。每个相位控制器204耦合到对应的天线元件子单元，每个子单元可以包括天线阵列202的一个或更多天线元件。在一个实施例中，每个相位控制器204耦合到对应的单个天线元件，不过在其他实施例中，每个相位控制器耦合到多个天线元件。相位控制器204可耦合到多个天线元件，但每个天线元件通常仅耦合到一个相位控制器。
波束形成器206可以在硬件、固件、执行软件的一个或更多组件或其某种组合中实现。发送器210和接收器212可以在硬件、固件、执行软件的一个或多个组件或其某种组合中实现。通信设备未必需要支持发射和接收功能，因此在一些实施例中，可以仅提供发送器210或仅提供接收器212。
对于不同类型的通信设备而言，示例通信设备200的各种组件的实施方式可以是不同的。如上所述，依赖于示例性通信设备200是用户设备还是网络设备，可以在天线阵列202中实现不同类型的天线元件。天线元件数量和设计不仅可以依赖于天线阵列202可用的物理空间，而且还依赖于或转而依赖于天线元件的工作频率和要提供的无线通信链路的其他特性。例如，通信设备也可能包括多个天线阵列，用于不同通信链路的不同接收和发送频率。例如，接入网络中的网络设备可包括用于网络侧通信链路和接入侧通信链路的不同天线阵列。在不同类型的通信设备中，波束形成器206、发送器210和接收器212中的任一个的设计也可以不同。
在操作中，发送器210可执行诸如升频转换、编码和调制的操作、并且接收器212可在该示例中执行反向操作，包括降频转换、解码和解调。除这些示例操作之外，发送器和接收器可以改为执行其他操作，或者执行附加的操作，这取决于具体实施方式和要支持的通信功能和协议的类型。
待由通过天线阵列202发送的输出信号由发送器210生成，并提供给波束形成器206，波束形成器206控制由相位控制器204施加的相移。波束形成器206也可以处理到相位控制器204的输出信号的分配，不过也可改为在其他实施例中单独处理。相位控制器204将相移后的发送信号馈送到它们所耦合的天线阵列202中的天线元件。
在接收方向上，在天线阵列202的天线元件处接收的信号被提供给相位控制器204，该相位控制器204对接收的信号施加相移。所得的相移接收信号由波束形成器206进行组合，生成用于接收器212处理的输入信号。
虽然已经在通信系统的上下文中的通信设备，如用户设备或网络通信设备，的上下文中参照图1和图2详述了波束调向的一般概念，但是更一般地，波束调向或波束形成可以在任何种类的无线电发送和/或接收设备中实现，并用于各种目的，例如在通信节点之间对准波束、在雷达中扫描照射和感测波束、以及在医疗RF中聚焦波束。
存在许多用于确定要施加到天线馈送信号的相移的技术。天线馈送信号可以是由天线阵列202发送的信号或由天线阵列接收的信号。本公开涉及生成控制信号，以控制将相移施加到作为例如相位控制器，如图2的相位控制器204，一部分的此等天线馈送信号的相移元件。
波束调向不是唯一可以利用信号相位控制的天线阵列功能。例如，可以根据非线性“透镜”函数，调整天线阵列的天线元件的相对相位，从而调整天线阵列的聚焦特性而不是调整天线阵列的朝向，以实现有源RF透镜功能。下面参照图12至14，更细致地详述有源RF透镜的功能。
要控制由多个相移元件，如数字移相器，施加的相移，以求控制具有许多天线元件的天线阵列的信号相位，通常涉及向每个移相器接引若干数字位控制线，并单独地设置所有位，方可对天线阵列的波束调向。由于期望的相位是在每个移相器上独立和分开地设置的，故而这种实施方式可能是繁冗和/或响应缓慢的。附加的，要将若干数字位控制线路由到每个移相器，所需的空间可能成为问题，特别是在诸如毫米波应用的较高频率应用中，其中天线阵列的尺寸可随波长扩增，但用于移相器的数字控制电路并不随波长扩增。因为这些控制线不随波长扩增，因此当射频(RF)工作频率增加并且天线阵列变得更小时，这些控制线消耗的空间会变成相控阵列占地中更大的部分。
在每个天线元件处利用耦合的本机振荡器的其他相位控制方案已经能够仅使用1或2条控制线来控制天线阵列的信号相位和转向角。然而，这样的方案涉及对耦合振荡器进行调谐以实现期望的相移，这会使载波频率随转向角成比例地偏移，也就引入了系统频率误差。
要沿着2个轴线对符合均匀矩形网格几何形状的天线阵列调向，在概念上是较为简单的地沿着2个轴线调向，但是，如果如上所述一般，每个元件都配备有数控移相器，并需要若干条位线来对其进行选择和设置，则实现起来可能较为低效。
然而，并不总是需要对相控阵列中的每个移相器进行独立控制。如果射频(RF)相移固有地与控制电压成比例，则这种电压可以通过相对简单的模拟手段产生，因为它们是阵列几何形状的直角坐标的简单(在调向的情况下是线性的)函数。应当理解的是，除非另有说明，否则本文凡提及电压，则隐含指相对为0伏的地。
在许多情况下，可以使用相对简单的驱动电路来有效地校准这种控制电压，使得移相器控制符合线性特征，通过按照需要执行关联的缩放和局部偏移，节省了本因要将许多控制位线路由到每个单独的移相器而占用的土地。
幸运的是，当要求沿着矩形平面天线阵列的2个轴线对波束调向或者执行垂直于其平面的聚焦功能(如同有源RF透镜)时，存在简单的关系，可以确定每个天线元件子单元的相位设置。在一些情况下，不管天线元件子单元的数量有多少，都可以通过相对简单的模拟电路，使用仅2个独立的控制电压(在2条轴线调向的情况下)，自然地生成这些关系。
现在，将参考图3，详述沿着线性天线阵列进行一维调向的示例。
图3是示例性均匀线性天线阵列的图形，其包括沿着第一方向(x轴)以dx的间隔分布的多个天线元件300-0、300-1、...、300-m、...、300-M，接收或发送与x轴成角度θ的波长为λ的平面波信号。相对于原点处的元件300-0处的波的相位，第m天线元件300-m处的波的相位是从原点开始的第一元件300-1处的相位的m倍。第m天线元件300-m处的该相位由第m天线元件300-m处和天线元件300-0处的波所行进的距离差与波的波长的比给出。任何两个相邻的间距dx的元件之间的传播距离的差是dxsin θ。因此，相邻天线元件之间的对应增量相移由下式给出
并且在第m元件处，m个增量相移的总效应总计为
当接收时，相移是负的(因为波前是相对于原点延迟的)，而当发送时，相移是正的(因为波前是相对于原点领先的)。也就是说，与接收和发送的信号相乘的对应的时域因子分别是e-jψm和ejψm。
严格来讲，上述仅对于窄带信号是正确的，相对于波在天线阵列的范围内的渡越时间的倒数，窄带信号的带宽较小(～10％或更小)。在宽带信号的情况下，可以使用真实的时间延迟，以使时间延迟与由本文所述的基于分压器的相同的设置所产生的控制电压成比例。
从图3清楚可见，相位沿着阵列的进展与元件沿x轴的位移成线性关系。
一种模电的概念是，由串联的相同电阻器形成分压器，串联的一端耦合到可变电压源，并且在另一端接地，对应于基准的0伏或分压器的原点。在图4中示出了示例性分压器400，其耦合到可变电压源402，可变电压源402被配置为跨分压器施加可变电压Vx。分压器400包括M个串联耦合的具有电阻R的电阻器400-1至400-M。相对于原点处的电压，在第m电阻器400-m和第(m+1)个电阻器400-m+1之间的点处取得的电压Vm是第m电阻器在分压器中位置的线性函数。
在概念上，可变电压源402施加在分压器400两端的可变电压Vx的变化会随平面波相对于天线阵列300的传播角θ(图3)的变化而相应变化，并且每个电阻R的电阻器将对应图3中的相邻元件300-0、300-1、300-2、...、300-m、...、300-M的均匀间隔dx。
在连续统(continuum)的极限中，沿线性阵列口径(aperture)的每个位置处的相位对应于连续线性电阻上的模拟电压，因此元件和电阻器抽头不必均匀间隔，只要在轴线上的位置比例保持与元件的位置比例相同即可。
图4所示的分压器400的线性电压关系容易使用欧姆定律推导出。首先，对于具有电阻R的M个电阻器，一个电阻获得电流I为
假设没有电流流入分压器上的任何电压抽头点，则在距离接地(0V基准)节点的第一电阻器400-1处的电压V1是
使得在自接地节点的第m处此等电阻器处，电压Vm简单地为
照此，如果可变控制电压Vx与转向角θ的正弦成比例，有
则由分压器在第m电阻器处产生的电压Vm将与第m天线单元处的相移(有效电相位，ψm)成比例，所述第m天线单元对应于以角度θ传播到x轴的平面波，有
其中C是校准因子。
上述概念可以容易地扩展到沿着两个轴线对均匀矩形平面天线阵列调向。图5是示例性二维(2D)平面天线阵列500的图形。图5图示例性平面天线阵列500包括以均匀网格图案设置的16个天线元件，沿着天线阵列的第一方向x设置四列天线元件，并沿着天线阵列的第二方向y设置四行天线元件。天线元件在图5中以方框示出。在图示例中，对平面天线阵列500调向，使之在相对于天线阵列的第一方向x以角度θ发送或接收波长为λ的平面波信号，并且相对于天线阵列的第二方向y以角度φ转向。以这种方式对平面天线阵列500调向，使天线阵列的平面502相对于天线阵列的第一方向x以角度θ电倾斜，并且相对于天线阵列的第二方向y以角度φ电倾斜，如图5中所示。两个角度都在垂直于该阵列平面测量。也可以使用更常规的转向角，特别是方位角(从阵列平面中的x轴或y轴顺时针测量)和高度(从垂直于阵列的轴起，朝着阵列平面测量)，最终结果是，施加到分压器的控制电压将变为方位角和仰角二者的函数。
虽然图5所示的平面阵列500是正方形的4×4平面天线阵列，但是实施例不限于这种天线阵列设置。现参考图6，详述用于控制矩形的MxN的2D平面天线阵列的信号相位的装置。
图6是用于控制N×N子单元2D平面天线阵列的相位的示例相位控制器600的图形。
相位控制器600包括在一端耦合到电压地且另一端耦合到第一可变电压源606的第一分压器602，以及在一端耦合到电压地且在其另一端耦合到第二可变电压源608的第二分压器604。
第一分压器602包括在电压地和第一可变电压源606之间串联耦合在一起的多个M个电阻器602-1至602-M，而第二分压器604包括在电压地和第二可变电压源608之间串联耦合在一起的多个N电阻器604-1至604-N。
相位控制器600也包括多个(MxN)相移元件。每个相移元件耦合到第一分压器602、第二分压器604、以及平面天线阵列的MxN个天线元件子单元中对应的天线元件子单元。对于位于MxN平面天线阵列的第一方向上的第m位置和MxN平面天线阵列的第二方向上的第n位置的天线元件子单元614，与之相耦合的相移元件610耦合到位于第m电阻器602-m和第(m+1)电阻器602-m+1之间的电压抽头的第一分压器602，以及位于第n电阻器604-n和第(n+1)电阻器604-n+1之间的电压抽头的第二分压器604。
在一个实施例中，这MxN个相移元件均可以具有相同的结构。在其他实施例中，相移元件可以并不都具有相同的结构。类似地，在一个实施例中，MxN平面天线阵列的所有天线元件子单元均可以具有相同的结构。在其他实施例中，天线元件子单元可以并不都具有相同的结构。
图6中还示出了调向控制器605，其耦合到第一可变电压源606和第二可变电压源608。调向控制器605可以在硬件、固件、或执行软件的一个或多个组件中实现。
在操作中，第一可变电压源606在第一分压器602上施加可变控制电压Vx，以在第一分压器的M个电阻器602-1至602-M上产生M个相移电压，并且第二可变电压源608在第二分压器604上施加可变控制电压Vy，以在第二分压器的N个电阻器604-1至604-N上产生N个电压。
每个相移元件将对应的相移施加到与其对应的天线元件子单元相关联的信号上。对应的相移取决于由第一分压器602产生的M个电压中的第m电压和由第二分压器604产生的N个电压中的第n电压。
相移元件610接收来自分压器602的电压Vm和来自分压器604的电压Vn。
相移元件610将电压Vm和Vn求和以产生控制电压Vm，n，并且依赖该控制电压Vm，n，对与天线元件子单元614相关联的信号施加相移。
调向控制器605通过控制可变控制电压Vx和Vy来控制沿着平面天线阵列的x和y方向的相位进展，进而在两个维度上对平面天线阵列调向。
如果平面天线阵列的天线元件被设置为沿着平面天线阵列的第一方向x的相邻列之间具有均匀间隔dx，并且沿着平面天线阵列的第二方向y的相邻行之间具有均匀间隔dy，并且如果第一分压器602的M个电阻器602-1至602-M中，每个都具有相同的电阻Rx，并且第二分压器604的N个电阻器604-1至604-N中，每个都具有相同的电阻Ry，那么可以示出，参考上面的方程(5)至(7)，在沿着第一方向x的第m电阻器602-m处，电压Vm将是
在沿着第二方向y的第n电阻器604-n处，电压Vn将是
在第一分压器602施加的可变控制电压Vx可以关于第一方向x相关的期望转向角度θ的正弦成比例地变化，有
类似地，施加在第二分压器604上的可变控制电压Vy关于第二方向y相关的转向角φ的正弦成比例，有
如上所述，相移元件610将电压Vm和Vn相加以产生控制电压Vm，n。
正如在一些实施例中，如果每个相移元件也通过将校准因子和偏移中的至少一个施加到对应的电压Vm和Vn的和分别应用校准因子和偏移中的至少一个，上以并以此来施加应用校准，则参考等式方程(5)至(7)、(10)和(11)，所得校准后的控制电压Vm，n将为
其中C是校准因子，并且V0是偏移或偏置电压，可依赖所使用的移相器的类型进行使用，并且ψm，n是在第(m，n)个天线元件的总相移(产生的电相位)
相移元件可以对每个输入电压Vm和Vn使用不同的校准和偏移因子。在一些实施例中，相移驱动器可以包括ADC(模数转换器)、锁存器、DAC(数模转换器)、升压器模块、温度补偿模块、偏置模块和/或任何其适当的组合，可以用校准数据配置。
从上面的方程(12)可以看出，通过控制可变控制电压Vx，使之与转向角度θ的正弦成比例，并且控制可变控制电压Vy，使之与转向角度φ的正弦成比例，可对平面天线阵列的波束进行调向，使之相对于第一方向x成调向角θ，且相对于第二方向y成调向角φ。可以通过调整2个控制电压Vx和Vy，即可简单地为所有MxN个天线元件子单元设置相移控制电压。
值得留意的是，两个角转向方向θ和φ并不对应于通常用于描述相控阵列的波束调向方向的更常规的“方位角”和“高度”方向。然而，应当理解，角转向角可以变换成等效的方位角和仰角。因此，应当理解，分别相对于两个天线阵列方向x和y的两个角转向角θ和φ也能用方位角和仰角来表示。照此，不是将控制电压Vx的幅度表示为角转向角θ的正弦的函数，并把控制电压Vy的幅度表示为角转向角φ的正弦的函数，而是可将转向角θ和φ转化为等效的方位角和仰角。控制电压Vx的幅度可以同样地表示为方位角和仰角的函数，并且控制电压Vy的幅度可以表示为方位角和仰角二者的函数。
在一些实施例中，由第一可变电压源606和第二可变电压源608分别施加的控制电压Vx和Vy是可变直流电压。在其他实施例中，可变电压源606、608可以生成非DC控制电压，例如可变脉冲宽度(如在脉冲宽度调制中)或脉冲重复率(PRR)。在这样的实施例中，每个相移元件可以将其对应非直流分压转换成可变幅度直流电压，以驱动其移相器。
图7是可以在相位控制器中的相移元件中，例如在图6所示的相位控制器600的相移元件610中，使用的示例性电压求和电路700的图形。本领域技术人员将理解的是，电压求和电路700仅为示例，供说明性目的之用，并且将理解许多其他实施方式是可能的。
示例电压求和电路700具有耦合到第一LPF(低通滤波器)702输入端的第一输入。第一LPF 702具有耦合到第一运算放大器706的正极输入端的输出。电压求和电路700具有耦合到第二LPF 704输入端的第二输入。第二LPF 704具有耦合到第二运算放大器708的正输入端的输出。
第一运算放大器706具有的输出耦合到分别具有电阻R2、R1和R2的三个串联耦合的电阻器的第一端，并且也耦合到具有电阻R0的第一电阻器的第一端。
第二运算放大器708具有的输出耦合到上述三个串联耦合的电阻器的第二端，并且也耦合到具有电阻R0的第二电阻器的第一端。
第一运算放大器706的负极输入端向着所述三个串联耦合的电阻器的第一端耦合，接在具有电阻R1的电阻器和具有电阻R2的电阻器之间。
第二运算放大器708的负极输入端向着所述三个串联耦合的电阻器的第二端耦合，接在具有电阻R1的电阻器和具有电阻R2的电阻器之间。
具有电阻R0的第一和第二电阻器都还具有第二端，其耦合到第三运算放大器710的负极输入，并且还耦合到具有电阻R0的第三电阻器的第一端。
第三运算放大器710的正极输入耦合到具有3R0/2电阻的电阻器的第一端，所述电阻器具有耦合到地面的第二端。
具有电阻R0的第三电阻器具有耦合到第三运算放大器710的输出的第二端，第二运算放大器710的输出也耦合到电压求和电路700的输出。
在图示例中，第一和第二LPF 702、704由简单的RC电路实现，其包括具有耦合到LPF的输入的第一端和耦合到LPF的输出的第二端的电阻器，以及耦合在LPF的输出和地之间的电容器。
在操作中，电压求和电路700的输入端的电压首先被LPF 702和704低通滤波，以免相位控制器电路拾取天线阵列结构中的RF和其他EMI(电磁干扰)而受到影响。然后，将滤波后的输入电压分别施加到第一和第二运算放大器706和708的正极输入上。第一运算放大器706的输出端的电压等于其正极输入端的电压与第二运算放大器708的正极输入端的电压之间的差乘以电阻比R2/R1，再加上第一运算放大器706正极输入端的电压。第二运算放大器708的输出端的电压等于其正极输入端的电压与第一运算放大器706的正极输入端的电压之间的差乘以电阻比R2/R1，再加上第二运算放大器708正极输入端的电压。第三运算放大器710的输出电压是第一放大器706和第二放大器708的输出端的电压之和。
从以上可以看出，如果电压求和电路700的输入电压分别等于和则其输出电压将为
其有效地实现了方程(12)，而没有偏移电压V0。偏移电压可以在后续阶段中作为校准的一部分添加，这将在下面参照图8和图9进行详述。
包括了耦合到第三运算放大器710的正极输入的电阻器，这是为了减轻第三运算放大器710的任何偏置电流的影响，这影响在许多情况下是可忽略的。因此，应当理解的是，该电阻器是可选的，并且在许多实施方式中可以省略。
类似地，尽管LPF 702和704在一些情况下可以有助于减轻RF和其他EMI的影响，但是它们在一些实施方式中可以省略。
在一些实现中，可使用LPF功能，将可变脉冲宽度调制(PWM)控制电压转换为相移元件上相应的变化直流电压。
在一些这样的实施方式中，诸如电容器和电感器的电抗元件可以添加在分压器中的分压器电阻周围，或取代该分压器电阻器，以对驱动PWM波形进行滤波，如果这种做法从EMI或其他方面考虑可取的话。
在电压求和电路，如图7中所示的电压求和电路700，之后作为相移驱动器的一部分可被包括在内的电路将依赖在相移元件中采用的移相器的类型而变化。现在将参考图8和图9详述这种驱动电路的两个示例。
图8是作为图6中所示的相位控制器600的一部分的相移元件610的示例性实施方式的方框图。在该示例性实施方式中，相移元件610包括相移驱动器612和移相器803。
图8所示的驱动电路612包括电压求和装置700(其示例性实施方式在图7中示出)、校准器800和驱动器802。电压求和装置700具有两个输入，被配置为分别接收分压Vm和Vn的。电压求和装置700的输出耦合到校准器800的输入。校准器800具有的输出耦合到驱动器802的输入。驱动器802具有的输出耦合到相移驱动器612的输出。相移驱动器612的输出耦合到移相器803的输入。所述电压求和装置700、校准器800、驱动器802和移相器803可在硬件中实现。
如所阐释的示例中所示，移相器803可以耦合在天线元件子单元614与发送器和/或接收器之间。
在操作中，电压求和装置700将其输入端的分压Vm和Vn求和，并将所得的和Vm，n传递到校准器800的输入端。校准器800对电压求和装置700的电压输出Vm，n施加校准，可以包括对其输入端的电压施加校准因子和/或偏移。在一些实施方式中，校准器800也可以应用其他校准功能，例如温度补偿和电压偏置。
驱动器802接收校准器800的输出，并基于校准器800的输出，产生适于驱动移相器803的校准相移控制电压。移相器803依赖驱动器802的校准相移控制电压输出，对与天线元件子单元614相关联的信号施加相移。在一些实施例中，与天线元件子单元614相关联的信号是移相器803从发送器接收的用于经由天线元件子单元614传输的信号。在一些实施例中，与天线元件子单元614相关联的信号是经由天线元件子单元614在移相器803处接收的信号。
本领域技术人员将理解，驱动给定移相器的驱动信号是特定于实施方式的，依赖于所使用的移相器的类型。例如，在一些实施例中可以使用的移相器的类型包括但不限于交换线路、载荷线、反射、开关滤波器、行波、铁氧体、液晶和基于矢量调制器的移相器。照此，驱动器802的具体实施方式是特定于实施方式的，因此这里不细致详述。在一些实施方式中，在电压求和电路的输入端而非其输出端连接单独校准块也可以是有利的。
图9是校准器电路的示例性实施方式的方框图，其可以用于代替校准器800和相移驱动器612中的驱动器802，相移驱动器612是图8所示的相移元件610的一部分。
图9所示的校准器电路包括ADC(模数转换器)900、数字校准器902和DAC(数模转换器)904。ADC 900具有的输入端被配置为接收电压求和装置，如图7所示电压求和电路700，的输出。ADC 900具有的数字输出端耦合到数字校准器902的输入端，数字校准器902具有的数字输出端耦合到DAC 904的数字输入端，或者也可用于直接驱动数字移相器而省略DAC。DAC 904具有的模拟输出端耦合到模拟驱动电路，如802，的输入端。校准器902可以在硬件、固件、执行软件的一个或多个组件、或其中的某种组合中实现。例如，在一个实施例中，校准器902可以在固件中实现，如可以经由软件提供的查找表。
在操作中，ADC 900将电压求和装置的模拟电压输出Vm，n转换成代表数字逻辑位的电压，各数字逻辑电压位将处于每个采样间隔处的模拟输入电压编码为数字字。校准器902对ADC 900的数字输出字施加数字校准，可以包括向数字字施加校准因子和/或偏移，或者从存储器查找表中检索适当的对应数字字，然后由DAC 904将其转换成用于移相器的适当的驱动电压。在一些实施方式中，数字校准器902也可以应用其他数字校准功能，例如温度补偿和电压偏置。
DAC 904转换数字校准器902的数字输出，生成适于驱动给定移相器的模拟校准相移控制电压。
在一些实施方式中，可以使用可由数字电压输入端控制的数字移相器。在一些这样的情况中，可以省略DAC 904，并且校准器902可以被配置为使得其数字输出，在图9中示为BITSD(m，n)，可用于经由短的本机位线来驱动数字移相器。
在一些情况下，由相位控制器中的相移元件施加的相移，可应用于除了直接接口到天线元件的信号之外的信号，例如变频本机振荡器(LO)信号。在这种情况下，相移可以由除移相器之外的元件实现，例如通过频率合成器。
例如，相移可以应用于每个天线元件子单元上的LO(本机振荡器)信号，每个天线元件子单元可包括本机变频合成器和混频器(升频器和/或降频器)和前端模块，所有模块之间的LO信号相干。现在将参考图10，详述这种实施方式的示例。
图10是在降频器中的PLL(锁相环路)1000中实现的示例性相移元件的方框图。在图10中，未示出电压求和装置，如图7中所示的电压求和电路700，以及电源、附件和偏置电压，以免图中过于拥挤。
图10中所示的降频器包括乘法器1014、(混频器)PLL 110，并且可以包括倍频器1016、LO驱动倍频器1012和分频器1010。相移元件的输入电压依然在加法器，如电压求和电路700，中求和，所得输出然后将被施加到缩放器1018的输入，再由加法器1002加到PLL中。
PLL 1000包括PFD(鉴频鉴相器)、回路滤波器1006、VCO(压控振荡器)1008，并且可以包括1/B分频器1010。
缩放器1018具有的输入被配置为接收控制电压，所述控制电压可以是例如电压求和电路，如图7中所示的电压求和电路700，的输出。缩放器1018具有的输出耦合到加法器1002的第一输入。
倍频器1016具有的输入被配置为接收参考频率REF，且其具有的输出耦合到PFD1004的第一输入端。
PFD1004具有的输出耦合到加法器1002的第二输入。
加法器1002具有的输出耦合到回路滤波器1006的输入端，回路滤波器1006具有的输出连接到VCO 100g的输入。
VCO 100g的输出端耦合到LO驱动器1012的输入，以及1/B分频器1010的输入。
1/B分频器1010的输出耦合到PFD 1004的第二输入。
LO驱动器1012的LO输出LOm，n耦合到乘法器1014的第一输入。
乘法器1014具有的第二输入被配置为接收RF输入RFm，n，并且还具有IF输出，输出IF信号IFm，n。
在操作中，缩放器1018对电压求和电路的电压输出Vm，n施加适当的缩放，加法器1002将其作为偏移，施加到PFD 1004的输出。缩放可以涉及相应相位乘以VCO反馈分频器1010分母“B”，再除以VCO输出乘法器1012因子。在一些情况下，可以基于PLL的回路增益，使用其他缩放因子，这又转而涉及PFD灵敏度、VCO调谐灵敏度和电路(电压、电流或它们之间的转换)增益，或者在数字PLL组件的情况下，可能是数字缩放因子。为了简洁起见，省略了在加法器1002引入偏移之后的PLL 1000的操作的全部细节，但是注意到，将偏移引入PFD1004的输出后，会在LO信号LOm，n中引入相移，其然后由乘法器1014用于对RF信号RFm，n降频，生成IF输出IFm，n。
在一些情况下，图8和图9中图示例性驱动电路可以应用于相对于阵列元件的RF频率，通过适当缩放，控制RF或LO信号，甚或IF信号，的相位。本领域技术人员将理解的是，虽然在所述频率(RF、IF、LO)中的任一个上要产生的相位都可以是相同的，但是移相器的控制信号可以缩放，以在适用于每个频率的不同类型的移相器中产生相同的相位。例如，如果可以在RF、LO和IF上使用真延时(true-time delay)类的移相器，则要在RF上产生给定相位，而相位＝2*pi*频率*延迟，以弧度为单位，故而控制电压与延迟是线性的，也就可以按照RF/IF或RF/LO的比例缩放，分别应用于在IF或LO的此等移相器上。
前述示例示出了在降频PLL中的应用；也考虑了升频PLL中的应用。
要使用分压器来实现控制天线阵列的信号相位的概念，其他配置也是可能的。
现在回到图5和图6，在这些示例中，天线阵列的相前平面围绕参考点被电“倾斜”，将阵列的一个角选为该参考点，并且可变控制电压在每个分压器的一端驱动，而分压器的另一端接地。然而，在一些实施方式中，为了减小RF相移的范围，可以将阵列的相位中心或物理中心选为天线阵列的参考点，并且差别性地驱动分压器，将分压器的接地或参考电压置于阵列的相位基准。
如果要使用更大的相移范围，则可以将2π取模功能(modulo-2π functionality)并入相移驱动器模块中，或者可以将若干个移相器串联，并且如果要求真延时功能，则对各个电压进行相应的缩放。
在其他实施方式中，为了更好的冗余和/或故障保护，或为了除了调向之外的功能，可以在网格图案中使用并联分压器。在一些情况下，在天线元件子单元的矩形阵列中，天线元件子单元的任意子集可以用RF子单元填充，并且并行分压器的原有网格仍将在填充的子单元位置处生成正确的调向电压而无需修改，并且调向仍将通过仅设置原有的2个独立控制电压来实现。
图11是包括并联分压器网格的另一示例性相位控制器的示意图，而该并联分压器网格用于在MxN的2D平面天线阵列中控制相位，所述2D平面天线阵列具有沿着第一方向x以相邻列间均匀间隔dx设置的M列天线元件子单元，以及沿着第二方向y以相邻行间均匀间隔dy设置的N行天线元件子单元。
相位控制器1100包括在一端耦合到第一可变电压源1107、且另一端耦合到第二可变电压源1106的第一分压器1102，以及在一端耦合到第三可变电压源1109、且另一端耦合到第四可变电压源1108的第二分压器1104。
第一分压器1102包括沿第二方向y分布的第一N个并联分压器1102-1至1102-N。分压器1102-1至1102-N中的每一个包括在第一可变电压源1107和第二可变电压源1106之间串联耦合在一起的M+1个电阻器1103-1至1103-M+1。第二分压器1104包括沿第一方向x分布的第二M个并联分压器1104-1至1104-M。分压器1103-1至1103-M中的每一个包括在第三可变电压源1109和第四可变电压源1108之间串联耦合在一起的N+1个电阻器1105-1至1105-N+1。
相位控制器1100也包括多个(MxN)相移元件，每个相移元件耦合到第一分压器1102、第二分压器1104、以及平面天线阵列的MxN个天线元件子单元中对应的天线元件子单元。相移元件1110耦合到位于沿着第一方向的平面阵列的第m位置处和沿着第二方向的平面阵列的第n位置的天线元件子单元1114，并耦合到沿第一方向分布的第二多个分压器的第m分压器1104-m和沿第二方向分布的第一多个分压器的第n分压器1102-n。
在第m电阻器1103-m和第m+1电阻器1103-m+1之间的电压抽头处，相移元件1110具有的第一输入耦合到第n分压器1102-n，以接收在第m电阻器1103-m处的第m电压Vm。在第n电阻器1105-n和第n+1电阻器1105-n+1之间的电压抽头处，相移元件1110也具有第二输入耦合到第m分压器1104-m，以接收在第n电阻器1105-n处的第n电压Vn。
在一个实施例中，MxN个相移元件均可以具有相同的结构。在其他实施例中，相移元件未必都具有相同的结构。在操作中，第二可变电压源1106和第一可变电压源1107在第一N个分压器1102-1至1102-N两端施加第一可变控制电压Vx，分别在其M+1个电阻器1103-1至1103-M+1上，将第一可变控制电压Vx划分为M+2个可用电压。第四可变电压源1108和第三可变电压源1109在第二M个分压器1104-1至1104-M两端施加第二可变控制电压Vy，分别在其N+1个电阻器1105-1至1105-N+1上，将第二可变控制电压Vy划分为N+2个可用电压。
如同所示，第一分压器1102的N个并联分压器1102-1至1102-N中的每一个包括M+1个电阻器，将第一可变控制电压Vx分成M+2个可用分压的M+1个电阻器。在所示示例中，在由第一分压器1102的N个并联分压器1102-1至1102-N中的每一个产生的M+2个可用电压中，有M个用于驱动M列相移元件。类似地，第二分压器1104的M个并联分压器1104-1至1104-M中的每一个包括N+1个电阻器，将第二可变控制电压Vy划分为N+2个可用分压。在所示示例中，在由第二分压器1104的M个并联分压器1104-1至1104-M中的每一个产生的N+2个可用电压中，有N个用于驱动N行相移元件。这也可以改变，具体取决于是否选择将移相器的第一和/或最后一行/列连接至母线电压(rail voltage)，例如依赖于M和/或N是奇数还是偶数来设置方便的阵列相位中心，或差异性驱动的分压器接地电位。再次参考图6可以看出，第一分压器602包括M个电阻器，将第一可变控制电压Vx分成M+1个可用电压，驱动M列相移元件，并且第二分压器604包括N个电阻器，将第二可变控制电压Vy划分为N+1个可用电压，驱动N行相移元件。在图6中所示的相移控制器600中，最右列中的每个相移元件连接到第一可变电压源606，并且最顶行中的每个相移元件连接到第二可变电压源608。
在所示示例中，可变控制电压Vx和Vy被分别且差异性地施加在第一和第二分压器两端。在图示例中，控制第一可变电压源1107在第一分压器1102的一端施加并控制第二可变电压源1106在第一分压器1102的另一端施加类似地，控制第三可变电压源1109在第二分压器1104的一端施加并且控制第四可变电压源1108在第二分压器的另一端施加
每个相移元件的连接和操作与图6和图8的相移元件610类似。
将参考相移元件1110来描述MxN个相移元件的进一步操作示例细节，相移元件1110耦合到天线元件子单元1114，而该天线元件子单元1114位于MxN平面天线阵列的第一方向上的第m个位置，以及MxN平面天线阵列的第二方向上的第n个位置。
对于相移元件1110，其在M+2个可用分压中对应的电压，由第一分压器1102的第n分压器1102-n产生，等于第m个电阻器1103-m上的电压Vm，在第m个电阻器1103-m与第m+1电阻器1103-m+1之间的电压抽头处取得。其在N+2个可用分压中对应的电压，由第二分压器1104的第m分压器1104-m产生，等于第n个电阻器1105-n上的电压Vn，在第n电阻器1105-n与第n+1电阻器1105-n+1之间的电压抽头处取得。
在一个实施例中，相移元件1110将实施例中的电压Vm和Vn相加以，产生成控制电压Vm，n。
相移元件1110依赖控制电压Vm，n向与天线元件子单元1114相关联的信号施加相移。
虽然在图11中未示出，但是在一些实施例中，调向控制器可以耦合到可变电压源1106、1107、1108和1109，以控制两个可变控制电压Vx和Vy。
如在图6图示例性相位控制器600中，图11中所示的相位控制器1100容许通过控制由第一和第二可变电压源1107、1106施加在第一分压器1102两端的可变控制电压Vx来控制沿着平面天线阵列的第一方向x的相位进展。类似地，相位控制器1100容许通过控制施加在第二分压器1104两端的可变控制电压Vy来控制沿平面天线阵列的第二方向y的相位进展。通过控制沿两个方向的相位进展，相位控制器1100提供平面天线阵列在两个维度上的调向。
可以使用由模拟电阻器网络形成的这种分压器来获得其他有用的相位控制功能，例如使电阻成为其在阵列中位置的某些非线性函数，和/或甚至在交叉点处将网格相连。
例如，为了产生透镜的效果，可以让电阻率的同心环随着半径的平方增加，连接到边缘处的单个可变电压，并且在中心处接地。在图12和13中，示出了这种设置的连续统类比(continuum analog)。
图12是示例性连续电阻的截面图，图13是示例性相位控制器1300的示意图，其模仿图12图示例性连续电阻的方式设置的并联耦合分压器实现。
图12中所示的连续电阻层1200的截面具有厚度t，并且假定其具有的电阻率为半径ρ(r)的二次函数，故而从中心到半径r0的电阻将为
令ρ(r)＝αr2，方程式(14)变为
相位控制器1300包括多个并联耦合的分压器1308，其径向地设置，并且在一端耦合到地面，并且在另一端耦合到可变电压源1306。为了清楚起见，在图13中仅示出了一个相移元件1310。相移元件1310包括相移驱动器1312和移相器1316，并且耦合到天线元件子单元1314。
图13中所示的相位控制器1300的并联耦合的分压器1308可以被认为是一组串联连接的同心电阻环，其在其内半径r和外半径r+dr之间具有电阻dR(r)。那么原则上，可以仅使用电阻器的一个径向串来为阵列中的多个相移元件生成分压，其中单独电阻值通过将方程式(15)中的最终项关于半径r求微分、并且将所得r的函数离散化来求得。在本例中，对于串联连接的分立电阻器上的电阻，若单个电阻值按上述方式确定，则为半径的二次函数。例如，对于天线元件成等间隔同心环的同心环天线阵列(例如，一个环在半径r0处、第二环在半径2r0处、第三环在半径3r0处)，可以选择串联连接的电阻器对应的电阻值，使之随半径线性地增加。在本例中，假设第一电阻器具有电阻值R0，第二电阻器为3R0，第三电阻器为5R0，以便在半径r0和地面(圆的中心)之间测量的电阻为R0，对应半径2r0的电阻为4R0(即R0+3R0)，对应半径3r0的电阻为9R0(即R0+3R0+5R0)。
然后通过分压器1308之一的电流将会是简单地
对于最大半径D，则任意半径r处的电压将是
用于在r处的阵列元件1314的驱动器1312采用V(r)与固定电压Va的差，产生与相移所对应的相位，该相移波在半径r处所经过的透镜部分引起。可以通过改变由可变电压源1306施加的驱动电压VD来控制透镜的焦距，从而有效地改变覆盖在阵列上的虚拟透镜表面的曲率。尽管结合同心环形天线阵列描述了前述透镜实施例，但是更一般地，具有了施加到不同阵列形状的元件的相同的几何相位和电阻进展，上述概念可以应用于任何形状的阵列。例如图14是覆盖在2D平面天线阵列1400上的示例性有源射频(RF)透镜功能的示意图。
如上所述，原则上，用于透镜功能的分压可以由单个分压器产生，该单个电压器具有如上所述具有线性增加的电阻值的串联连接的电阻器。利用在串联连接的电阻器之间的电压抽头点处获得的分压，再将各分压通过导线和/或迹线分配到相移元件。在同心环天线阵列的情况下，导电线/迹线可以设置为与天线阵列的几何形状匹配的同心环几何形状。在其他实施例中，其中天线元件并不遵循圆形同心环几何形状，例如在图14所示的2D平面天线阵列1400中，导电线/迹线仍然可以大致按照同心环的形状路由，其中每个相移元件被连接以从最接近其相关联的天线元件的同心环导线/迹线接收其对应的分压。
在图2至图14中的说明性示例的上下文中，详细描述了以上实施例。更一般地，一些实施例涉及一种用于控制天线阵列的信号相位的装置。
在图6、11和13图示例性相位控制器中，使用串联耦合的电阻器来实现分压器，该电阻器具有在串联耦合的电阻器之间的抽头处获取的电压。在其他实施例中，分压器可以利用连续线性电阻来实现，该电阻具有在沿着连续线性电阻的长度分布的点处获得的多个电压。在一些情况下，对于所述沿着连续线性电阻的长度分布的点处获取多个电压，点之间的间隔与沿着天线阵列的第一方向分布的天线元件子单元的间隔成比例。组件供应商可以潜在地制造或以其他方式，为天线阵列提供仅一个相位控制器或多个相位控制器。另一个可能的供应链包括提供相位控制器的一个供应商和提供天线阵列的另一个供应商。无论何种情况下，可通过将一个或多个相位控制器耦合到天线阵列来构造相控天线阵列。
图2至14给出了说明性实例。其他实施例可以包括这些示例的变体。例如，相位控制器未必需要直接耦合到天线阵列。可以存在中间组件。例如参考图2，发送器210可以包括一个或多个升频器，以将信号从基带转换到中频(IF)，并且从IF转换到射频(RF)以进行传输。相移可以施加到IF电路中的IF信号，在传输路径中比图2和发送器210内所示的更“靠前”。另一个可能的选择将是，对驱动升频器混频器的本地振荡器(LO)路径中的信号施加相移。通过移动驱动这种混频器的信号的相位，会影响所得到的混频IF或RF信号的相位。在接收路径中，相移可以类似地施加到IF接收电路中的IF信号，在接收路径上比图2所示更“靠后”，或者施加到驱动降频器混频器的LO路径中的信号。图10是在一个实施例中如何实现这一点的说明性示例。
本公开也不以任何方式局限于装置或通信设备。还构想了方法实施例。
图15是示例性方法的流程图。示例性方法1500涉及相位控制，并且包括在1502提供第一可变控制电压。在1504，将所述第一可变控制电压划分为第一多个分压。在1506，多个相移元件中的每一个接收第一多个分压中对应的分压，并且依赖于第一多个分压中对应的分压，将对应相移施加到信号上。
在一些实施例中，每个相移元件与天线阵列中的对应天线元件子单元相关联，并且在1506施加对应的相移包括将对应相移施加到与相移元件相关联的天线元件子单元所关联的信号。
在一些实施例中，所述天线阵列中的天线元件子单元沿着第一轴线分布，并且在1504划分所述第一可变控制电压包括划分所述第一可变控制电压，使得由每个相移元件接收的相应分压与位置成比例，所述位置是指与所述相移元件相关联的所述天线元件子单元沿所述第一轴线的位置。
图16是另一个示例方法的流程图。示例性方法1600也涉及相位控制。在图示例中，该方法包括在1602提供第一可变控制电压和第二可变控制电压。在1604，将第一可变控制电压划分为第一多个分压，并且将第二可变控制电压划分为第二多个分压。在1606，多个相移元件中的每一个接收第一多个分压的对应分压和第二多个分压的对应分压，并且依赖于第一多个分压的对应分压和第二多个分压的对应分压，将对应相移施加到信号上。
在一些实施例中，每个相移元件与天线阵列中对应的天线元件子单元相关联，并且在1606施加对应的相移包括将对应的相移施加到与相移元件相关联的天线元件子单元所关联的信号。
在一些实施例中，天线阵列中的天线元件子单元沿着第一轴线和第二轴线分布，并且在1604划分第一和第二可变控制电压包括：划分第一和第二可变控制电压中的每一个，以使由每个相移元件接收的第一和第二多个分压中对应的电压分别与沿天线阵列的第一和第二轴的、与相移元件相关联的天线元件子单元的位置成比例。
在一些实施例中，在1604将对应相移施加到信号包括对第一多个分压的对应分压和第二多个分压的对应分压分别求和，并且依赖所得的和，将对应的相移施加到信号上。在一些情况下，校准因子和/或偏移可以施加到所得的和上，以产生校准相移控制电压，并且依赖于所述校准相移控制电压，将1606施加的对应相移施加到信号上。
示例方法1500和1600说明了示例性实施例。在其他实施例中，可以按类似或不同的顺序执行类似或不同的操作。本文描述了执行所示操作的各种方式，以及可以执行的其它操作的示例。进一步变化可以是或可变得显而易见。
应当注意的是，尽管分别在图6、11和13中示出的示例相位控制器600、1100和1300被示为由可变电压源驱动，但是在可变电压源中，可以用相应的可变电流源替代。
各种其他相位功能可以通过天线阵列中的移相器控制的这种一般模拟方法(诸如光栅或传输特性)来实现。控制电压的功能可以经由包括分压器的电阻器，以及经由驱动电路中的校准和偏移功能，或这些手段的组合来实现。
根据本文公开的一些实施例的方法、设备和装置可以涉及通过仅控制一个或两个外部电压来对任何相控阵列进行调向(或设置其会聚特性)，并且仅将少数而固定数量的公共模拟线路路由到相位移位器。这可以至少部分地减轻与在天线元件、本地振荡器或有源透镜的相控阵列中控制大量移相器相关的一个或多个问题。
虽然已经在简单的点对点固定无线链路的上下文中描述了本文所描述的一些说明性示例，但是本文公开的更一般的方面可以应用于其他上下文中，诸如移动链路、雷达或任何其他需要引导或会聚天线阵列波束的无线应用。
根据本文公开的一些实施例的移相器控制可以很容易地扩展到任意形状的阵列，包括稀疏阵列，且潜在地无需对个体相位设置进行大量计算。
在一些实施例中，通过以与天线元件子单元间隔成正比例的方式放置分压器元件，则仅从一个或两个外部控制电压，即可针对每个天线元件子单元，在本机自动地生成正确的相移设置电压。
根据本文公开的一些实施例的方法、设备和装置可以尤其有利于控制有许多元件的高频阵列，因为这种阵列往往缺乏额外的空间容纳控制电路，比如在一些情况下，只要两个控制电压，就可以控制矩形NxM阵列的任何数量的P＝NxM个天线单元子单元，而不是使用P个单独的多位控制信号。
鉴于以上教示，本申请的许多修改和变化是可能的。因此，应当理解的是，在所附权利要求的范围内，本申请可以以不同于本文具体描述的方式实施。虽然本公开涉及具体特征和实施例，但是可以进行各种修改和组合。因此，说明书和附图应当被单纯地视为是对由所附权利要求限定的本发明的实施例的说明，其意在涵盖任何和所有修改、变化、组合或等同替换。因此，应当理解的是，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的情况下，可以在此进行各种改变、替换和选择。
此外，本申请的范围并不旨在限于说明书中描述的任何过程、机器、制造、物质组成、手段、方法和步骤的特定实施例。正如本领域普通技术人员从本公开容易理解的，凡执行与本文公开的实施例大体相同的功能或实现大体相同的结果的过程、机器、制造、物质组成、手段、方法或步骤，不论是现已存在的还是以后开发的，都是可以利用的。因此，所附权利要求旨在将这些过程、机器、制造、物质组成、手段、方法或步骤都包括在其范围内。
例如，相位控制的各种应用中的任何一种都是可能的。本文公开的实施例的一个可能的市场是，例如，可以在使用相控阵列的回传应用的5G毫米波无线电中使用。另一个可能的应用是用于同样使用了相控阵列的特高数据率基站收发信台(BTS)或用户设备应用也。其他应用也是可能的。
附加的，尽管主要在方法、装置和设备的上下文中进行描述，但是也构想了其他实施方式。例如，通过本文所提供的公开，可以通过仅使用硬件，或者通过使用硬件平台来执行软件，以实现实施例。软件产品形式的实施例也是可能的。软件产品可以存储在非易失性或非暂时性存储介质中，可以是或包括光盘只读存储器(CD-ROM)、USB闪存盘或可移动硬盘。更一般地，存储介质可以以一个或更多存储装置的形式实现，包括固态存储装置，和/或具有可移动甚或可移除存储介质的存储装置。这样的软件产品包括存储在存储介质上的若干个指令，使得处理器或计算机设备(例如个人计算机、服务器或网络设备)能够执行如本文所公开的方法。

Claims (22)

1.一种相位控制装置，包括：
第一控制电压源，用于提供第一可变控制电压；
第一分压器，将所述第一可变控制电压划分成第一多个分压；以及
多个相移元件，每个耦合到所述第一分压器，以接收所述第一多个分压中对应的分压，每个相移元件依赖于其对应分压的大小，将对应的相移施加到在所述相移元件输入上所接收的信号。
2.根据权利要求1所述的装置，其中每个相移元件被配置为将其对应的相移施加到与天线阵列中的对应天线元件子单元相关联的信号。
3.根据权利要求2所述的装置，其中所述天线阵列中的所述天线元件子单元沿第一轴线分布。
4.根据权利要求3所述的装置，其中所述由每个相移元件接收的对应分压与所述相移元件相关联的所述天线元件子单元沿所述第一轴线的位置成比例。
5.根据权利要求4所述的装置，其中所述天线阵列中的所述天线元件子单元也沿第二轴线分布。
6.根据权利要求5所述的装置，还包括：
第二控制电压源，用于提供第二可变控制电压；以及
第二分压器，将所述第二可变控制电压划分成第二多个分压，
其中所述多个相移元件中的每个相移元件都耦合到所述第二分压器，以接收所述第二多个分压中对应的分压，每个相移元件还依赖于所述第二多个分压中对应分压的大小来施加其对应的相移。
7.根据权利要求6所述的装置，其中所述由每个相移元件接收的、所述第二多个分压中对应的分压与所述相移元件相关联的、所述天线元件子单元沿所述第二轴线的位置成比例。
8.根据权利要求7所述的装置，还包括所述天线阵列，其中所述天线元件子单元分布在由所述第一轴线和所述第二轴线限定的平面上的平面阵列中。
9.根据权利要求8所述的装置，其中：
所述天线元件子单元以网格图案设置在平面阵列中，其列沿所述天线阵列的第一轴线，并且其行沿所述天线阵列的第二轴线，
所述第一分压器包括并联耦合在一起、并沿所述天线阵列的所述第二轴线分布的第一多个分压器，
所述第二分压器包括并联耦合在一起、并沿所述天线阵列的所述第一轴线分布的第二多个分压器，并且
所述多个相移元件耦合到所述第一分压器和所述第二分压器，对于沿所述第一轴线、位于所述平面阵列的第m位置、且沿所述第二轴线、位于所述平面阵列的第n位置的天线元件子单元，其所耦合的相移元件耦合到沿所述第一轴分布的所述第二多个分压器的第m分压器，以及沿所述第二轴分布的所述第一多个分压器的第n分压器。
10.根据权利要求1所述的装置，其中所述多个相移元件中的每个相移元件包括相移驱动器，被配置为对所述对应的分压施加校准因子和偏移中的至少一项，以生成校准后的分压，其中每个相移元件被配置为依赖于由其相移驱动器所生成的所述校准后的分压的大小，施加其对应的相移。
11.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一可变控制电压通过在所述第一分压器的第一端施加正电压，并且在所述第一分压器的第二端，即对端，施加负电压来提供。
12.根据权利要求6所述的装置，其中所述多个相移元件中的每个相移元件包括相移驱动器，被配置为将所述第一多个分压的对应分压和所述第二多个分压的对应分压求和，其中每个相移元件被配置为依赖于所得到的所述和，施加其对应的相移。
13.根据权利要求12所述的装置，其中所述相移驱动器还被配置为对所得到的所述和施加校准因子和偏移中的至少一项，生成校准后的相移控制电压，其中每个相移元件被配置为依赖于由其相移驱动器所生成的校准后的相移控制电压，施加其对应的相移。
14.根据权利要求3所述的装置，其中所述由每个相移元件接收的对应分压与所述相移元件相关联的所述天线元件子单元沿所述第一轴线的位置的非线性函数成比例。
15.一种通信设备，包括：
天线阵列，所述天线阵列包括多个天线元件子单元；
相位控制器，包括根据权利要求1所述的装置，耦合到所述多个天线元件子单元。
16.一种相位控制方法，包括：
提供第一可变控制电压；
将所述第一可变控制电压分成第一多个分压；以及
在多个相移元件中的每一个上：接收所述第一多个分压中对应的分压；以及依赖于所述第一多个分压的对应分压的大小，对信号施加对应的相移。
17.根据权利要求16所述的方法，其中施加对应的相移包括将对应的相移施加到与天线阵列中各天线元件子单元相关联的信号。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述天线阵列中的天线元件子单元沿第一轴线分布，并且划分所述第一可变控制电压包括划分所述第一可变控制电压，使得由每个相移元件接收的对应分压与所述相移元件相关联的所述天线元件子单元沿所述第一轴线的位置成比例。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述天线阵列中的所述天线元件子单元也沿第二轴线分布，所述方法还包括：
提供第二可变控制电压；
将所述第二可变控制电压分成第二多个分压；以及
在所述多个相移元件中的每一个上：接收所述第二多个分压中对应的分压；以及还依赖于所述第二多个分压中对应的分压的大小，施加对应的相移。
20.根据权利要求19所述的方法，其中划分所述第二可变控制电压包括划分所述第二可变控制电压，使得所述由每个相移元件接收的、所述第二多个分压中对应的分压与所述相移元件相关联的所述天线元件子单元沿所述第二轴线的位置成比例。
21.根据权利要求20所述的方法，其中将所述对应相移施加到所述信号包括：
将所述第一多个分压中的对应分压和所述第二多个分压中的对应分压求和；以及
依赖于所得到的所述和，将对应的相移施加到所述信号上。
22.根据权利要求21所述的方法，其中将所述对应相移施加到所述信号还包括：
将校准因子和偏移中的至少一项施加到所得到的所述和，以产生校准后的相移控制电压；以及
依赖于所述校准后的相移控制电压，将所述对应的相移施加到所述信号。
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