CN107210527A - 用于天线阵列的相位控制 - Google Patents

Abstract

公开了用于天线阵列的相位控制装置以及方法。用于天线波束转向或者波束形成的相移分成固定相移级和可变相移级。固定相移级包括具有固定相移的一个或者多个固定相移元件。固定相移级提供粗略相位控制。可变相移级提供具有比固定相移元件的固定相移更加精细的分辨率或者粒度的精细相位控制。也可以提供振幅控制用于波束转向，以补偿相移的振幅效应。或者提供以上两者。

Description

用于天线阵列的相位控制

相关申请

本申请要求享有于2015年1月29日提交的题为“用于天线阵列的相位控制”、申请号为14/608,865的美国专利申请的优先权，该申请如同完全再现通过引用并入本文。

技术领域

本公开一般涉及通信，并且更具体地，涉及控制由天线阵列中天线元件接收或者由天线阵列中的天线元件将要发送的信号的相位。

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。控制馈送到天线阵列和来自天线阵列的元件的信号的相位或者相位和振幅两者，使天线波束转向成为可能。这也称为波束转向或者波束形成。对从传输天线阵列传来的信号和由天线阵列在空中接收的信号施加相位控制或者相位和振幅控制。

发明内容

一个实施例提供了一种用以控制天线阵列的信号相位的装置。该装置可以包括相移器，以在相移器的输入端处接收的信号施加相移。在一些实施例中，增益电路耦合至相移器，并且增益电路可控制以对在增益电路的输入端处接收的信号施加振幅增益。

在一个实施例中，相移器包括固定相移元件和耦合至固定相移元件的可变相移元件。固定相移元件可控制以做不施加相移和施加固定相移的其中一个。可变相移元件可控制以施加可变相移。可变相移元件的可变相移的分辨率比固定相移更加精细。

可以有一个或者多个固定相移元件。例如，另一个固定相移元件可以耦合至如上描述的固定相移元件。另一个相移元件可控制以做不施加相移和施加所述另一个固定相移元件的固定相移的其中一个，其可以相同于或者不同于所述固定相移元件的固定相移。

固定相移元件或者可变相移元件可以耦合至相移器的输入端。可以首先施加固定相移或者可变相移的其中一个。因此，在一个实施例中，固定相移元件被耦合用以在相移器的输入端处接收信号，并且可变相移元件被耦合用以接收固定相移元件的输出。在另一个实施例中，可变相移元件被耦合用以在相移器的输入端处接收信号，并且固定相移元件被耦合用以接收可变相移元件的输出。

装置也可以包括增益电路用以施加幅移。可以首先施加相移或幅移中的一个，另一个可以随后施加。在一个实施例中，增益电路可以耦合至相移器，且可控制以对来自相移器的输出信号施加振幅增益。而替代地增益电路可耦合至相移器，且可控制以施加振幅增益，且在相移器的输入端处提供来自增益电路的输出信号。

慢波相移器可以用于实施固定相移元件。

矢量调制器可以用于实施可变相移元件。

可变电压衰减器可以用于实施增益电路。

通信设备，其包括天线阵列，该通信设备也可以包括相移器。每个相移器耦合至天线阵列的天线元件的一个或者多个中的各个天线元件子集，以将相移施加至在相移器的输入端处接收的信号上。每个相移器包括固定相移元件，固定相移元件可控制以做不施加相移和施加固定相移的其中一个，以及可变相移元件，可变相移元件耦合至固定相移元件，可变相移元件可控制以施加可变相移。可变相移的分辨率比固定相移更加精细。

例如，这样的通信设备可以是用户设备或者通信网络设备。

本文公开的装置的另一个示例包括具有多个天线元件的天线阵列，以及相移器，其耦合至天线阵列中的天线元件的一个或者多个中的各个子集，以控制由相移器接收的信号的相位。每个相移器包括数字控制的粗略相移器和耦合至粗略相移器的模拟控制的精细相移器。

粗略相移器包括固定相移元件，其可控制以做不施加信号相移或施加固定信号相移的其中一个。精细相移器可控制以施加多个增量信号相移的任一个。精细相移器的相邻增量信号相移之间的步长小于固定信号相移。

也公开了一种用于天线阵列的信号相位控制方法，该方法可以包括对固定相移元件中的信号不施加相移或者施加固定相移，以及对所述信号施加可变相移。可变相移的分辨率比固定相移更加精细。

这样的方法可以包括首先对固定相移元件中的信号不施加相移或者施加固定相移以产生相移信号并且然后对相移信号施加可变相移。在另一个实施例中，方法包括首先对信号施加可变相移以产生相移信号，并且然后对固定相移元件中的相移信号不施加相移或者施加固定相移。

在相移的之前或者之后可以施加振幅增益。因此，在一个实施例中，方法包括对通过在固定相移元件中不施加相移或者施加固定相移，并且对所述信号施加可变相移所产生的相移信号施加振幅增益。替代地，方法可以包括对信号施加振幅增益以产生振幅缩放信号，在这种情况中，施加相移包括在固定相移元件中不施加相移或者施加固定相移和对振幅缩放信号施加可变相移。

方法可以包括重复以下操作，即在固定相移元件中不施加相移或者施加各自固定相移，并且施加用于多个信号的可变相移，所述多个信号与各个天线元件子集相关联，天线元件子集包括天线阵列的至少一个天线元件。

可以在用户设备、通信网络设备或者两者执行或者实施这些方法。

通过阅读以下具体实施方式，本公开的实施例的其它方面和特征对于本领域普通技术人员将变得显而易见。

附图说明

现在结合附图更详细地描述本发明的实施例的示例。

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是示例性通信设备的方框图，其示出了相位和振幅控制器的更加详细的示例。

图4A是示例性慢波相移器单元模型的示意图。

图4B是图4A中示例性单元模块的等同电路的示意图。

图5是示例性方法的流程图。

具体实施方式

图1是示例性通信系统的方框图，在该通信系统中可以实施本公开的实施例。图1中示例性通信系统100包括接入网络102和核心网络104。接入网络102包括通过网络通信链路132、134、136通信的网络设备110、112、114。在示出的示例中用户设备122、124通过接入通信链路138、139与网络设备114通信。接入网络102通过另一个网络通信链路140与核心网络104通信。类似于接入网络102的核心网络104可以包括与接入网络102中的网络设备110、112、114的一个或者多个装置通信的网络设备。然而，核心网络本身可能不直接对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可以包括多于或者少于三个网络设备装置，例如，三个装置可能或者可能不如示出的那样全部直接相互通信。还有，接入网络102中网络设备的多于一个的装置可以对用户设备提供通信服务。可以有多于一个的接入网络102耦合至核心网络104。还应该理解，本公开不以任何方式限定具有接入网络/核心网络结构的通信系统。

更一般地说，图1以及其它附图仅用于说明性目的。本公开不限于附图中明确示出的特定示例性实施例。

首先考虑接入网络102，各种实施方式的任一种都是可能的。网络设备110、112、114的精确结构取决于实施方式。

对用户设备122、124提供通信服务的网络设备114至少包括物理接口和通信电路以支持与用户设备的通过接入链路138、139的接入侧通信。例如，接入侧物理接口可以是天线或者天线阵列形式，其中，接入通信链路138、139是无线链路。在有线接入通信链路138、139的情况下，接入侧物理接口可以是连接至有线通信介质的端口或者连接器。例如，可以在网络设备114处提供多个接入侧接口以支持相同类型或者不同类型的多个接入通信链路138、139。在接入网络设备114处耦合至接入侧物理接口的通信电路类型取决于接入通信链路138、139以及用于与用户设备122、124通信的通信协议的类型。

网络设备110、112、114还包括网络侧物理接口或者可能的多个网络侧物理接口以及通信电路以使得与接入网络102中其它网络设备通信成为可能。至少网络设备110、112、114的一些装置还包括一个或者多个网络侧物理接口和通信电路以使得通过通信链路140与核心网络设备通信成为可能。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。在这种情况中，在网络设备110、112、114处的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内的接入网络设备之间以及接入网络102和核心网络104之间的通信。替代地，可以在网络设备110、112、114处提供不同的物理接口和通信电路，以用于在接口网络102内以及在接入网络102和核心网络104之间的通信。

在核心网络104中的网络设备在结构上可以相似于网络设备110、112、114。然而，如上面提到的，在核心网络104中网络设备可能不直接地对用户设备提供通信服务并且因此其可能不包括用于接入通信链路的接入侧物理接口或者相关联的接入侧通信电路。在核心网络104中的网络设备处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者两者。

就像在网络设备110、112、114处的物理接口和在核心网络104中网络设备的精确结构取决于实施方式一样，相关联的通信电路也取决于实施方式。总的来说，执行软件的硬件、固件、部件或者其组合可以用于实施这样的通信电路。电子设备可以适用于实施通信电路，所述通信电路包括微处理器、微控制器、可编程逻辑装置(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”集成电路等。在存储器中可以存储软件用于执行。存储器可以包括一个或者多个物理存储器设备，其包括各种类型的固态存储设备和/或具有可移动或者甚至可移除的存储介质的存储设备的任何一种。

用户设备122、124的物理结构也取决于实施方式。用户设备122、124的每个装置包括与网络设备114处的接入侧物理接口和通信电路兼容的物理接口和通信电路，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处提供相同或者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，用户通过输入/输出设备可以使用用户设备的功能。例如，在诸如智能手机的无线通信装置的情况下，这些功能可以不仅包括通信功能，还包括不需要涉及通信的其它本地功能。例如，可以通过相同的网络设备114服务诸如不同智能手机的不同类型的用户设备122、124。

通信链路132、134、136、138、139、140以及核心网络104中通信链路的任一个可以潜在地是无线通信链路或者包括无线通信链路。这样的通信链路往往在接入网络102内或者在用户设备122、124和接入网络之间比在核心网络104中更加频繁地使用，尽管在核心网络级别，可以用无线通信链路。天线阵列包括可以在无线通信链路的每个端部处使用的多个天线元件，以能够进行空中通信。

波束转向也经常称为波束形成，其利用多个元件天线阵列中天线波束特性上的信号相位改变或者相位和振幅改变的效应。在发送方向中，对要通过天线阵列发送的同一天线阵列馈送信号施加不同的相移。被施加了不同相移的信号相移版本被供给至天线元件的各个子集。每个子集可以包括单个天线元件或者多个天线元件。在接收方向中，反向相移施加至在相应的天线元件子集处接收的信号以产生用于进一步处理的接收信号。也可以施加幅移。

图2是示例性通信设备200的方框图，所述通信设备200包括天线阵列202。在示出的示例中，相位/振幅控制器204耦合至天线阵列202，并且波束形成器206耦合至相位/振幅控制器。发送器210和接收器212耦合至波束形成器206，所述发送器210和接收器212可以是收发器214的一部分。发送器210和接收器212也可以耦合至其它部件，诸如其它信号处理部件，其进一步处理接收信号或者执行处理以生成信号用于通过天线阵列202、一个或者多个输入/输出设备和/或一个或者多个存储器设备，在无线通信链路上传输。

天线阵列202包括多个天线元件，并且天线阵列202是接到通信介质的物理接口的示例。根据实施了图2中示出的部件的通信设备的种类，天线元件可以采用各种形式的任一种。贴片天线元件可以在例如，有限的空间中的用户设备中实施，而较大的天线元件可以在网络设备中实施。因此，示例性通信设备200可以是通信网络设备或者用户设备。在一个实施例中，在图2中示出的部件可以实施在通信网络设备和用户设备两者中，以使得例如，在图1中的网络设备114和用户设备122、124之间进行通信。

下面参考图3进一步详述相位/振幅控制器204的示例。相位/振幅控制器204的每一个耦合至天线阵列202的一个或者多个天线元件的各个子集。在一个实施例中，相位/振幅控制器204的每一个耦合至各个单个信号天线元件，然而在其它实施例中每个相位/振幅控制器耦合至多个天线元件。

波束形成器206可以在执行软件的硬件、固件或者一个或者多个部件，诸如处理器中实施。发送器210和接收器212可以相似地在执行软件的硬件、固件或者一个或者多个部件中实施。通信设备不一定需要支持发送和接收两个功能，并且因此在一些实施例中可以仅提供发送器210或者仅提供接收器212。

波束转向或者波束形成可以在用户设备、通信网络设备或者两者中实施。对于不同类型的通信设备，示例性通信设备200的各种部件的实施方式可以是不同的。如上文指出的，不同类型的天线元件可以根据示例性通信设备200是用户设备还是网络设备来在天线阵列202中实施。天线元件数量和设计可以不仅取决于用于天线阵列202的可用物理空间，而且还可以取决于天线元件将被操作的频率和将要提供的无线通信链路的其它特性。例如，通信设备也可以包括用于不同的接收和发送频率或者不同的通信链路的多个天线阵列。在接入网络中网络设备可以，例如，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。波束形成器206、发送器210以及接收器212中的任一个的设计在不同类型的通信设备中也可以是不同的。

在操作中，发送器210可以执行诸如升频转换、编码以及调制的操作，并且接收器可以执行反向操作，在这个示例中反向操作包括降频转换、解码以及解调制。除了这些示例性操作外，依据要支持的通信功能和协议的具体实施方式和类型，发送器和接收器可以执行其它替代的或者附加的操作。

要通过天线阵列202被发送的输出信号由发送器210生成并且提供至波束形成器206，其控制由相位/振幅控制器204施加的相移和幅移。波束形成器206也可以处理到达相位/振幅控制器204的输出信号的分布，尽管这可以在其它实施例中替代地分开地处理。相位/振幅控制器204馈送相移和幅移发送信号至天线阵列202中的天线元件，该天线元件耦合相位/振幅控制器204。

在接收方向中，在天线阵列202的天线元件处接收的信号被提供至相位/振幅控制器204，相位/振幅控制器204施加相移和幅移，该相移和幅移补充在无线通信链路的发送端处施加的移位(shifting)。所得到的移位的接收信号由波束形成器206组合以产生输入信号以供接收机212进行处理。

关于幅移，接收信号的补充幅移指的是应用于波束转向或者波束形成之目的的幅移。如本文公开的，幅移也可以或者替代地，补偿相移元件的振幅效应。例如，当施加相移时相移元件也可以影响信号振幅，并且可以施加幅移以补偿相移的振幅效应。对于这种类型的幅移，接收相位/振幅控制器204施加幅移以补偿其本身的相移的振幅效应，该幅移不一定补充在发送端处施加的幅移。因此，可以仍旧在接收通信设备处施加幅移，但是接收的幅移可能不补充发送的幅移。

存在许多技术用于确定将要被施加至天线馈送信号的相移和幅移。天线馈送信号可以是用于通过天线阵列202传输的信号或者通过天线阵列接收的信号。本公开涉及对这样的信号施加移位，而不是通过波束形成器206采用的技术来确定将要施加的移位。

在相控天线阵列系统中，去往和来自天线阵列中的天线元件的信号的相位或者相位和振幅两者的控制使天线波束转向成为可能。这些调整应该既精确又可重复。在通信系统中，当相位或相位和幅度发生变化时，不去中断信号路径也是重要的，以防止例如，载波恢复环路解锁之类的影响。通信系统面临的另一个潜在问题是，随着无线通信链路向80GHz的E频带向上移动，例如，从500MHz，到甚至1GHz以及更宽的更宽信道带宽。可以期望相对于信道带宽上的频率具有平坦相位响应，这对于这种非常宽的带宽可能更多的是一种挑战。

关于无线电频率(RF)信号的相位或者相位和振幅的实际调整或者移位以使天线阵列的波束转向成为可能，实施方式包括矢量调制器，其利用复杂的模拟控制分布以及转换的相移和振幅步骤来控制相位和幅度。

具有足够范围以覆盖360度相移的模拟矢量调制器通常需要在工厂进行广泛的校准，使得波束形状和角度是已知的，因为在操作环境中通常没有闭环馈送。在通过数字部件最终控制矢量调制器时，尽管在数模转换器(DAC)中的位数内的相移和幅移持续改变，需要具有高位数和大范围的DAC以精确相位和振幅控制的足够的分辨率来覆盖至少360度的相移。还有，虽然矢量调制器的基本设计是宽带，但是其趋向于在其范围的边缘处具有有限的精度并且通常不具有随频率的平坦相位响应。高范围矢量调制器也要求用于优化操作的非常稳定的电流源。由于用于波束转向应用的范围很大，矢量调制器可能具有很大的相位误差。虽然利用校准可能补偿这些误差，但是这也增加了成本。

具有数字相移器和振幅控制的转换步骤实施方式总的来说仅利用简单的控制线路并且在无数模转换的情况下就能更容易地进行控制，并且比高范围矢量调制器要求更少的校准。虽然转换步骤是可重复的，转换步骤实施方式通常不具有随频率的平坦相位响应并且倾向于更适合于窄带应用。转换步骤也包括中断信号路径的“先断后合”技术，“先断后合”技术中断信号路径，并且可能在优选连续路径或天线波束的通信或者其它应用中存在问题。在转换步骤实施方式中移位的粒度或者分辨率取决于转换步骤的尺寸。虽然较小的步长在用于移位范围的步长之间提供更多的粒度或者精细的分辨率，但是减少步长增加了用以覆盖相同的移位范围要求的转换步骤的数量。用于实施转换步骤的转换也可能引入误差，尤其是与较小步长对比误差可能是相对大。

图3是示例性通信设备的方框图，其示出了相位和振幅控制器的更加详细的示例。示例性通信设备300包括多个相移器302-1至302-N、分别耦合至相移器的多个增益电路304-1至304-N、耦合至相移器并且耦合至DAC 322-1至322-N、324-1至324-N的波束形成器320，而DAC 322-1至322-N、324-1至324-N分别耦合至每个相移器中可变相移元件316和每个增益电路。

在图3中，在相移器302-1至302-N中的相移分成两部分，包括在固定相移元件310、312、314中的固定相移以及在可变相移元件316中的可变相移。虽然在图3中仅详细示出了一个相移器302-1，在一个实施例中任何相移器302-1至302-N都可以具有相同结构。

在所示示例中，每个相移器302-1至302-N包括三个固定相移元件310、312、314，其串连地耦合在一起。其它实施例可以包括多于或者少于三个的固定相移元件，或者一般来说是一个或者更多的固定相移元件。

在所示示例中，固定相移元件310、312、314通过波束形成器320进行数字控制，用于粗略控制在所示示例中每个相移器302-1至302-N的输入端处的信号的相位。固定相移元件310、312、314具有相关领导相应的固定相移，并且可以使用例如，集总元件、传输线或者一些其组合来实施固定相移元件310、312、314。考虑到慢波相移器，并且下面将参考图4A至图4B详述慢波相移器的示例。固定相移元件310、312、314可以在无源相移器中实施无源粗略步骤。无源相移器是在无需施加刺激情况下导致输入信号的相位的改变的结构。上述示例的传输线、集总元件电容器/电感器组合以及慢波相移器是无源相移器类型。

固定相移元件310、312、314的各自的固定相移可以是例如45°、90°以及180°，不过不同的固定相移可以用在其它实施例中。这些示例性固定相移的各种组合使实施高达315°的相移，具有45°的步长或者分辨率成为可能。

每个固定相移元件310、312、314可控制以进行打开或者关闭，或启用和禁用每个固定相移元件。在图3中示出的实施例中，数字地实施了固定相移元件310、312、314的控制，但是在其它实施例中可以潜在地使用模拟控制器。

图4A是示例性慢波相移器单元模型的示意图，并且图4B是图4A中示例性单元模型的等效电路的示意图。在图4A中示例性单元模型400是右手(right-handed)慢波相移器单元模型，并且包括由L1/2和2C1组合建模的长度为d的传输线段，以及由C2和L2组合建模的负载。该负载可控制以进行打开或者关闭，以加载或者卸载传输线。在传输线上加载影响施加至穿过传输线的信号的相移。例如，可以通过在加载的电路路径中切换来提供加载控制。在图4B中的等效电路410包括串联电感器，其建模为具有分路电容器的电感为L(ω)/2的2个电感器。

在该模型中的传输线色散曲线(dispersion curves)可以通过电感和电容元件的周期性、分布式、加载来定制。在图4A中示出的L和C部件的分布电感和电容是取决于频率的。如果具有不同特性阻抗Z0的另一个传输线级联于在通过图4A中示例性模型所建模的单元中的传输线，然后第二传输线有效地变成具有分路电感器的串联电容器，使得第二传输线看上去像左手(left-handed)线。正是这种方向的改变才可以提供具有平坦色散的较宽的带宽，其尤其可以有用于宽带通信系统。

因此，慢波固定相移元件可以包括多个传输线段，其周期性地被加载和卸载以控制通过特定的固定相移元件施加固定相移还是不施加相移。

在固定相移器中的传输线可以物理上很大。在另一实施例中，可以使用集总元件实施相同电效应。

可变相移元件316耦合至固定相移元件310、312、314。矢量调制器是可以是用于实施可变相移元件316的电路的示例。本领域技术人员将熟悉可以实施为可变相移元件316的各种形式的矢量调制器。矢量调制器是有源相移器的示例，在其中实施某种刺激以导致输入信号的相位改变。有源相移器的另一个实施例是连接至传输线的变容二极管。对变容二极管施加控制电压以改变传输线上的电容性负载，导致相位的改变。在这种情况中，控制电压是施加的刺激以导致相位改变。

基于所需的DAC 322-1至322-N的控制位数以及所需的可变相移的分辨率或者粒度可以来选择在相位控制中使用的可变相移元件316的相移范围。可变相移的分辨率或者粒度的范围也可以考虑固定相移元件310、312、314的固定相移。例如，如果固定相移元件310、312、314的任一个的最小固定相移是45°，然后由于在这个示例中存在能提供45°分辨率或者粒度的固定相移元件，所以可变相移元件316具有比45°更精细的分辨率或者更高的粒度。在上述示例中，固定相移元件310、312、314分别具有45°、90°以及180°的固定相移，可变相移元件可以具有例如50°的范围，其比45°的最小固定相移精细的分辨率或者更高的粒度。可变相移元件316的分辨率或者粒度取决于来自波束形成器320的控制位数以及DAC322-1至322-N的尺寸。例如，具有4个控制位和50°的范围，可变相移元件316的分辨率或者粒度可以是50°/16。用作可变相移元件316的矢量调制器可以具有较宽的范围，但是用于示例性通信设备300中的可变相移的范围可以被限制至整个较宽范围的一部分。

在图3中示出的实施例中，波束形成器320提供数字控制信号，但是可变相移元件316以及增益电路304-1至304-N的控制被实施为使用DAC 322-1至322-N、324-1至324-N的模拟控制。在其它实施例中，可以提供模拟控制信号并且在没有数模转换情况下，随后可以实施可变相移元件316和增益电路304-1至304-N的模拟控制。

可以使用例如具有双场效应晶体管(FET)配置的可变电压衰减器(VVA)来实施增益电路304-1至304-N。双FET配置趋向于具有随振幅的低相位变化，所以用于DAC 324-1至324-N的低位数可以用于达到所需的振幅控制范围。尽管这是可选的，但DAC 322-1至322-N可以具有与DAC 324-1至324-N相同的来自波束形成器320的输入控制位数。用于在每个相移器302-1至302-N中的可变相移元件316的控制位数可以不同于用于增益电路304-1至304-N的控制位数。

如上参照图2中波束形成器206指出的波束形成器320可以在执行软件的硬件、固件或者一个或者多个部件，例如处理器中实施。

各种类型的DAC的任一种可以用于实施DAC322-1至322-N和324-1至324-N。基于通过在每个相移器302-1至302-N中的可变相移元件316的所需的精细相位控制的分辨率和粒度选择DAC322-1至322-N的尺寸。相似地，基于通过增益电路304-1至304-N进行振幅控制的所需的分辨率或者粒度选择DAC 324-1至324-N的尺寸。在一个实施例中，DAC 322-1至322-N、324-1至324-N是5位DAC，5位DAC包括用于相位控制或者振幅控制的4个控制位以及用于校准的一个附加位。校准位使对不同相移器302-1至302-N之间以及不同增益电路304-1至304-N之间的变化的补偿成为可能。

可以在其它实施例中使用不同数量的控制位，不同数量的校准位或者无校准位。例如，还可以有其它方式处理不同元件之间的变化，诸如在工厂校准过程中可以吹制的熔断器(fuses)。在这种情况中，工厂校准包括为了确定吹制哪个熔断器的性能测定，但是使用熔断器对不同元件之间的变化进行补偿可能减少除了控制位之外使用的校准位的数量或者完全消除校准位。

在一个实施例中，相移器302-1至302-N将相位控制分解成固定相移元件310、312、314中无源粗略步骤以及可变相移元件316中的有源精细步骤。由于诸如310、312、314的固定相移元件趋向于具有比全范围矢量调制器更少的相位误差并且使用可变相移元件316中的较小范围的可变相移也趋向于导致比全范围矢量调制器更少的相位误差，对比于使用用于全范围的相移的矢量调制器的实施方式，这可以帮助减少大调整范围上的相位误差。

在示例性通信设备300的一个实施例中，通过固定相移元件310、312、314控制的固定无源相位随后是使用可变相移元件316的可变有源相位控制，可变相移元件316具有有限范围并且控制用于精细相移步骤的相位。由于在固定相移元件310、312、314中单独地处理粗略相位控制时可变相移元件316的更有限的范围，作为可变相移元件316的有限范围矢量调制器的精度好于全范围矢量调制器的精度，并且有限范围可以比全范围的矢量调制器使用更少的来自DAC 322-1至322-N的位数，以达到适用于波束转向的步长。

因此，相位控制可以分解成具有无源固定相移元件310、312、314的无源块，以及具有可变相移元件316的有源块。在这个示例中，在固定相移元件310、312、314中无源块具有主要或者粗略的相移步骤，该相移步骤被固定并且可以不要求校准。在这个示例中，有源块包括具有通过模拟控制电压控制的可变相位变化的范围的可变相移器316，用于精细相位步骤。对比于无源块的范围，实际上用于精细相位控制的可变相移器316的范围相对小。在上述示例中，固定相移元件310、312、314提供高达具有45°分辨率的315°的相移，并且可变相移元件316的50°相移范围用于精细相位控制。例如，对比于用于提供至少360°的全范围相移的全范围可变相移元件，减少了DAC 322-1至322-N的尺寸并且用例如用于校准的信号附加位也可以使得校准更加容易。

在相移器302-1至302-N中相位控制或者相位调制级后，在示出的示例中，增益电路304-1至304-N实施模拟振幅控制级。用作可变相移元件316的矢量调制器影响除信号相位之外的信号振幅。增益电路304-1至304-N可以具有有限范围用来补偿相位控制的振幅效应。例如，增益电路304-1至304-N的双FET配置趋向于具有随振幅改变的低相位改变，其可以有用于在没有明显影响相位情况下使振幅控制成为可能。例如，由于在双栅极设备中对相位调制效应固有的低振幅调制，与使用在增益电路304-1至304-N中的该设备相关联的相位误差可以潜在地忽略并且完全地忽视。替代地，这样的相位误差可以在工厂设置期间进行补偿，这将是一次就可完成的事件。如上指出的，另一种选项是在DAC 324-1至324-N处提供一个或者多个额外的校准位。

其中，增益电路304-1至304-N仅用于补偿可变相位控制元件316的精细相位控制的振幅效应，可以使用DAC 324-1至324-N的有限范围和低数量的控制位。

应该理解，增益电路304-1至304-N可以施加放大或者衰减输入信号的增益。通过增益电路304-1至304-N施加的增益可以是1、小于1或者大于1。

图3示出了混合概念，在混合概念中数字控制用于在固定相移元件310、312、314中的大的相移步骤，数字控制可以比使用诸如用于全相移范围的矢量调制器的可变相移元件更加精确。由于单独提供了精细相位控制，在可变相移元件316中，在固定相移元件310、312、314中可以提供较大相移。在固定相移元件310、312、314中转换元件的相位误差相对于固定相移随后可以变得十分小以至于认为可以忽略不计。相似地，以固定相移的规模，过程变化也可以忽略不计。

转换元件代表一种选项，用于控制哪个固定相移元件310、312、314实际上对信号施加它们固定的相移。在图3中示出的示例中，这些转换元件未单独地示出。还可以有其它选项，用于控制由固定相移元件310、312、314施加在固定相移级中的相移量。

在操作中，波束形成器320确定将要施加的相位和幅移，并且相应地控制相移器302-1至302-N以及增益电路304-1至304-N。根据在每个天线阵列馈送路径中要施加的总相移，波束形成器320确定哪个(如果有的话)固定相移元件310、312、314应该不施加相移，以及哪个(如果有的话)固定相移元件应该施加他们的各自的固定相移。

在图2至图4中的说明性示例的上下文中上文详细描述了实施例。更一般地，一些实施例涉及一种用以控制用于天线阵列的信号相位以及可能的信号振幅的装置。虽然在通信设备中的实施方式包括多个相移器，在这样通信设备中相控天线阵列系统的基本构造块可以是单个相移器。

可以在包括相移器的装置中实施用于天线阵列的相位控制。相移器可操作以对在相移器的输入端处接收的信号施加相移。图3在302-1示出了示例性相移器。

根据本文公开的实施例，相移器包括一个或者多个固定相移元件和可变相移元件。多个固定相移元件可以串连地耦合在一起。固定相位控制器可控制以做不施加相移或施加固定相移中的其中之一。图3在310、312、314示出了这些固定相移元件，然而在其它实施例中可以是一个、两个或者多于三个的固定相移元件。诸如在图3中可变相移元件316的可变相移元件耦合至固定相移元件并且可控制以施加可变相移。可变相移元件的可变相移的粒度或者分辨率比固定相移元件的固定相移更精细。在一个存在具有各个固定相移的多个固定相移元件的实施例中，可变相移元件的可变相移的粒度或者分辨率可以比固定相移元件的各个固定相移的中的最小相移更加精细。

如图3中示出的，增益电路耦合至相移器并且增益电路可控制以对在增益电路的输入端处接收的信号施加振幅增益。在一个实施例中，振幅增益可以是可变振幅增益。在另一个实施例中，例如，可以使用放大器提供固定放大并且可以在另一个位置引入可变衰减。振幅控制的另一个可能的选择可以包括具有通过可变量并且随后使用固定增益电路来衰减信号的收发器。

在图3中的示例性通信设备300中，固定相移级包括固定相移元件310、312、314，随后的可变相移级包括可变相移元件316。固定相移元件310(其在这个特定的示例中，是多个串连地耦合的固定相移元件的第一个元件)被耦合以在相移器302-1的输入端处接收信号。在图3中，在相移器302-1的输入端处的信号是来自波束形成器320的信号。固定相移元件310还耦合至可变相移元件316。在图3中示出的示例性实施例中，固定相移元件310间接地耦合至可变相移元件316。在这个特定的示例中，串连地耦合的固定相移元件的最后一个元件314耦合至可变相移元件316。可变相移元件316被耦合用以接收固定相移元件310、312、314的输出，并且用以在相移器的输出端处提供相移信号。

不需要以这种特定的顺序施加固定和可变相移。例如，可以首先施加可变相移，随后施加固定相移。在这种情况中，可变相移元件被耦合用以在相移器的输入端处接收信号，串连地耦合的固定相移元件的第一个被耦合用以接收可变相移器的输出，且串连地耦合的固定相移元件的最后一个被耦合用以在相移器的输出端处提供相移信号。参考图3，可变相移元件316可以在相移器302-1的输入端处接收来自波束形成器的信号，并且固定相移元件312、314、316的串连链可以耦合至可变相移元件的输出端。更一般地，在一个具有诸如310的单个固定相移器的实施例中，可变相移元件316可被耦合用以接收相移器302-1的输入端处的信号，并且固定相移元件310可以被耦合用以接收可变相移元件316的输出。

在不同的实施例中相移和幅移的顺序也可以或者可替代地是不同的。例如，如图3中的示例性通信设备示出的，增益电路304-1可以耦合至相移器302-1用以在增益电路的输入端处接收来自相移器的相移信号。在这样的实施例中，增益电路可控制以对来自相移器的输出信号施加振幅增益。在另一个实施例中，增益电路可替代地耦合至相移器并且增益电路可控制以施加振幅增益，并且在相移器输入端处提供来自增益电路的输出信号。相对于图3中示出的顺序，在这个替换实施例中增益电路和相移器的顺序是反向的。在替换实施例中，增益电路被耦合用以接收来自波束形成器的信号并且用以提供其输出作为到增益相移器的输入。

如上文所指出的，每个固定相移元件可以包括慢波相移器。矢量调制器是可变相移元件的可能实施方式的示例，并且可变电压衰减器是增益电路的可能实施方式的示例。

一种装置，其也可以包括天线阵列。部件供应商可以潜在地制造或仅提供带有天线阵列的相位控制器或者多相位控制器。另一个可能的供应链包括一个提供相位控制器的供应商和另一个提供天线阵列的供应商。无论哪种情况，都可以通过将相位控制器耦合至天线阵列来建造相控天线阵列。

每个相位控制器包括各自的相移器，并且形成了用于各自的天线元件子集的部分发送电路或者接收电路。天线元件子集包括天线阵列的至少一个天线元件。相同的相位控制器可以用于信号传输和接收，或者可以将不同的相位控制器提供给每个天线元件子集。虽然在其它实施例中相位控制器通过其它部件间接地耦合至它们各自的天线元件子集，发送电路和接收电路可以简单地作为连接至天线元件子集的连接。

在图2中示例性通信设备200包括天线阵列202和多个相位和振幅控制器204。如本文描述的，每个相位和振幅控制器204可以包括具有相移器以及可能的增益电路的装置，并且可以耦合至各自的天线元件子集。通信设备可以是用户设备或者通信网络设备，并且可以包括其它部件，诸如耦合至相位和振幅控制器的波束形成器，用以确定将要对与每个天线元件子集相关联的信号所施加的相移以及幅移(可选地)。这些信号可以是接收的信号或者将要发送的信号。通信设备也可以包括发送器、接收器或者发送器和接收器两者。如图2所示，收发器可以包括发送器和接收器。

本文公开的固定和可变相移元件互相之间不仅可以基于它们所施加的相移类型，还可以根据其它特性来区别。例如，在包括多个元件天线阵列和耦合至天线元件的一个或者多个中的各自子集的相位控制器的装置中，每个相位控制器可以包括以数字控制的粗略相移器以及以模拟控制的精细相移器中的一个或者多个固定相移元件。粗略相移器包括固定相移元件，其可控制以不施加信号相移或者施加固定信号相移，且模拟控制的精细相移器耦合至粗略相移器并且可控制以施加多个增量信号相移的任一个。精细相移器的相邻增量信号相移之间的步长小于固定相移元件的固定信号相移。在上面提供的示例中，精细相移器的增量信号相移之间的步长是50°/16。在图3中可变相移元件316是精细相移器的示例。

这样的相位控制器也可以包括耦合至粗略相移器或者精细相移器的模拟控制的增益电路，其可控制以施加信号振幅增益。在图3中增益电路304-1至304-N是模拟控制增益电路的示例。

图2至图4表示了示例性示例。其它实施例可以包括这些示例的变化。例如，相位/振幅控制器不一定需要直接地耦合至天线阵列。例如，参考图2，发送器210可以包括一个或多个上转换器，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。可以将相移和幅移施加至IF电路中的IF信号，进一步“返回”至如图2中示出的位于发送器210内的传输路径中。另一个可能的选择可以为对驱动上转换混合器的本地振荡器(LO)路径中的信号施加相移和幅移。驱动这些混合器的信号的相位和振幅的移位影响最终混合的IF或者RF信号的相位和振幅。在接收路径中，相移和幅移可以对在IF接收电路中的IF信号进行相似地施加，该施加沿着除图2所示出的接收路径外其他路径且在接收器212中进行，或者对在驱动下转换混合器的LO路径中的信号施加相移和幅移。

本公开也不以任何方式限于设备或通信设备。还考虑了方法实施例。

图5是示例性方法的流程图。该示例性方法500涉及用于天线阵列的信号相位和振幅控制，并且包括在502处对一个或者多个固定相移元件中的信号不施加相移或者施加固定相移。在504处对信号施加可变相移。可变相移的分辨率比固定相移元件的各自固定相移更加精细。在506处对信号施加振幅增益。

示例性方法500示出了一个实施例。在其它实施例中，可以以相似地或者不同的顺序执行相似地或者不同地操作。在本文中描述了执行所示出的操作的各种方式以及可被执行的其它操作的示例。还应该注意，不是所有的实施例都包括在506处施加振幅增益。其它变化可以是或者可变得清晰。

例如，在示出的实施例中，在502处对在相移元件中的信号不施加相移或者施加固定相移以产生相移信号，并且随后在504处对相移信号施加可变相移。然而，不需要以示出的顺序执行这些操作。

在另一个实施例中，首先对信号施加可变相移以产生相移信号，并且随后对固定相移元件中该相移信号不施加相移或者施加固定相移。换句话说，在502和504处的操作可以是反向的。

相似地，如图5中示出的，在502和504处可以对信号施加相移以产生相移信号并且在506处随后可以对相移信号施加振幅增益，但是在另一实施例中可以首先施加增益。在这种情况中，该方法包括首先对信号施加振幅增益以产生振幅缩放信号，并且随后在固定相移元件中对振幅缩放信号不施加相移或者施加固定相移并且施加可变相移。振幅缩放信号指的是已经被施加振幅增益的信号。振幅增益可以缩放信号使振幅增大、缩放信号使振幅减小或者在单位增益的情况下缩放信号使其振幅不变

对于与包括天线阵列的至少一个天线元件的各自天线元件子集相关联的多个信号，可以以该顺序或者不同的顺序重复在502处的在固定相移元件中不施加相移或者施加固定相移的操作、在504处施加可变相移以及在506处施加振幅增益。

可以在用户设备、通信网络设备或者两者处执行或者实施本文公开的方法。在这样的实施方式中，可以有附加的操作。可能的附加操作的一个示例是确定在固定相移元件中将要被施加的相移和用于与各自的天线元件子集相关联的信号的可变相移元件。另一个示例是确定将要对这些信号施加的增益。

根据一些实施例，本文公开的对于用于波束转向或者波束形成的相位和振幅控制的混合方式可以包括少得多的校准以达到用于波束转向或者波束形成所需的精度。在一些实施例中较低位数可以用于模拟控制。实施例也可以或者替代地展现相位步骤的更好的再现性。

在一个可能的实施例中，使用相位控制级中的模拟矢量调制器和无源相移器的组合实施相位和振幅控制，所述无源移相器具有振幅控制级中的双栅极VVA。这样的实施方式可以使用用于较大相移的慢波拓扑，其可以相对于使用全范围相移的矢量调制器的相位控制实施方式增加可用平坦相位变化带宽。用于可变相移元件的更有限的范围的其它效应可以包括以下任何一个或者多个：可能不需校准的更好的相位精度、较低数量的DAC控制位以及具有振幅变化的较低相移，其由于双栅极FET衰减器的使用也可能不要求相移补偿。本公开也包括不要求在相位或者振幅步骤中要求的“先断后合”实施例，并且该实施例因此适用于频分双工(FDD)系统和包括连续通信链路或者通道的其它系统。

实施例也可以有用于例如时分双工(TDD)系统，在TDD系统中相移和幅移可以基于时隙而改变时隙。

例如，在该实施例中，除了作为可变相移元件的矢量调制器之外，使用固定相移元件的实施例比使用全范围相移的模拟矢量调制器的实施方式占用更多的管芯面积。然而，鉴于在本文公开的实施例中可以获得的可能的优点，在管芯面积方面的权衡可能是值得的。

已经描述的仅仅是对本公开的实施例的原理的应用的说明。本领域技术人员可以实施其他布置和方法。尽管本公开提及具体特征和实施例，但是可以进行各种修改和组合。因此，说明书和附图简单地被认为是由所附权利要求限定的本发明的实施例的图示，并且被设想为覆盖任何和所有修改、变化、组合或等同物。因此，应当理解，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的情况下，可以对本文进行各种改变、替换和变更。

此外，本申请的范围不旨在限于说明书中描述的任何工艺、机器、制造方法、物质组成、装置、方法以及步骤的特定实施例。可以利用本文公开的相应实施例，本领域普通技术人员将容易地从本公开理解，可以应用目前存在的或者随后开发的，执行与本文所公开的相应实施例基本相同的功能或者达到基本上实施相同的结果的工艺、机器、制造、物质组成、装置、方法或者步骤。因此，所附权利要求旨在在其范围内包括这样的工艺、机器、制造、物质组成、装置、方法或者步骤。

例如，可以是相位和振幅的各种应用的任一种。本文公开的实施例的一个可能的市场是例如，可用于回程应用中的毫米波(mm波)无线电，其中，使用的是相控阵列。另一个可能的应用是对于用户设备应用的非常高的数据速率基站收发器站台(BTS)，其中再次使用的是相控阵列。也可以是其它应用。本领域技术人员将清楚，上述方法和装置可以用于包括第五代(5G)无线网络的未来无线网络中。

另外，尽管在方法和系统的上下文中进行了主要描述，但也可以考虑其他实施方式。例如，通过本文提供的公开内容可以仅使用硬件或者使用硬件平台以执行软件从而来对实施例进行实现。也是可以是至少部分以软件产品的形式实现的实施例。软件产品可以存储在非易失性或非暂时的存储介质中，其可以是或包括压缩盘只读存储器(CD-ROM)、通用串行总线(USB)闪存盘或可移动硬盘。更一般地，存储介质可以以一个或多个存储设备的形式实施，包括具有可移动和甚至可能是可移除的存储介质的固态存储器设备和/或存储设备。这样的软件产品包括存储在存储介质上的许多指令，其使得处理器或计算机设备(例如，个人计算机、服务器或者网络设备)能够执行本文公开的方法。

Claims (20)

1.一种用以控制天线阵列的信号相位的装置，所述装置包括：

相移器，用以对在所述相移器的输入端处接收的信号施加相移，所述相移器包括：

固定相移元件，可控制以做不施加相移和施加固定相移的其中一个；

可变相移元件，所述可变相移元件耦合至所述固定相移元件，可控制以施加可变相移，所述可变相移的分辨率比所述固定相移更加精细。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述相移器还包括：

另一个固定相移元件，耦合至所述固定相移元件，所述另一个相移元件可控制以做不施加相移和施加所述另一个固定相移元件的固定相移的其中一个。

3.根据权利要求1所述的装置，其中，

所述固定相移元件被耦合以在所述相移器的所述输入端处接收所述信号，

所述可变相移元件被耦合以接收所述固定相移元件的输出。

4.根据权利要求1所述的装置，其中，

所述可变相移元件被耦合以在所述相移器的所述输入端处接收所述信号，

所述固定相移元件被耦合以接收所述可变相移元件的输出。

5.根据权利要求1所述的装置，还包括：

增益电路，所述增益电路耦合至所述相移器，可控制以对来自所述相移器的输出信号施加振幅增益。

6.根据权利要求1所述的装置，还包括：

增益电路，所述增益电路耦合至所述相移器，可控制以施加振幅增益并且在所述相移器的输入端处提供来自所述增益电路的输出信号。

7.根据权利要求1所述的装置，其中，

所述固定相移元件包括慢波相移器。

8.根据权利要求1所述的装置，其中，

所述可变相移元件包括矢量调制器。

9.根据权利要求1所述的装置，还包括：

增益电路，所述增益电路耦合至所述相移器，可控制以对在所述增益电路的输入端处接收的信号施加振幅增益，所述增益电路包括可变电压衰减器。

10.通信设备，包括：

天线阵列，具有多个天线元件；

多个相移器，所述多个相移器耦合至所述天线阵列的所述多个天线元件的一个或者多个中的各个天线元件子集，以对在所述相移器的输入端处接收的信号施加相移，每个所述相移器包括

固定相移元件，可控制以做不施加相移和施加固定相移的其中一个；

可变相移元件，所述可变相移元件耦合至所述固定相移元件，可控制以施加可变相移，所述可变相移的分辨率比所述固定相移更加精细。

11.根据权利要求10所述的通信设备，包括用户设备。

12.根据权利要求10所述的通信设备，包括通信网络设备。

13.一种用于天线阵列的信号相位控制方法，所述方法包括：

对固定相移元件中的信号不施加相移或者施加固定相移；

对所述信号施加可变相移，所述可变相移的分辨率比所述固定相移更加精细。

14.根据权利要求13所述的方法，包括：

首先对所述固定相移元件中的所述信号不施加相移或者施加所述固定相移以产生相移信号；

然后对所述相移信号施加所述可变相移。

15.根据权利要求13所述的方法，包括：

首先对所述信号施加所述可变相移以产生相移信号；

然后对所述固定相移元件中的所述相移信号不施加相移或者施加所述固定相移。

16.根据权利要求13所述的方法，还包括：

对通过不施加相移或者施加所述固定相移，并且对所述信号施加所述可变相移所产生的信号施加振幅增益。

17.根据权利要求13所述的方法，还包括：

对所述信号施加振幅增益以产生振幅缩放信号，

其中，在所述固定相移元件中不施加相移或者施加所述固定相移和施加所述可变相移包括在所述固定相移元件中不施加相移或者施加所述固定相移和对所述振幅缩放信号施加所述可变相移。

18.根据权利要求13所述的方法，在用户设备处实施。

19.根据权利要求13所述的方法，在通信网络设备处实施。

20.一种装置，包括：

天线阵列，具有多个天线元件；

多个相移器，所述多个相移器耦合至所述天线阵列中的所述多个天线元件的一个或者多个中的各个子集，用以控制由所述相移器接收的信号的相位，每个所述相移器包括：

数字控制的粗略相移器，所述粗略相移器包括固定相移元件，其可控制以做不施加信号相移和施加固定信号相移的其中一个；

模拟控制的精细相移器，所述精细相移器耦合至所述粗略相移器，可控制以施加多个增量信号相移的任一个，其中，所述精细相移器的相邻增量信号相移之间的步长小于所述固定信号相移。