CN109644031B - 毫米波系统中相控阵天线与射频集成电路间的迹线 - Google Patents

Abstract

本文公开了用于改进相控阵天线的波束成形的系统和相关方法。在一个实施方式中，用于无线信号的通信系统具有相控阵天线，该相控阵天线具有多个单独的天线和多个导电迹线。各个迹线将相应的各个天线与发射器电连接。各个迹线的长度Ti、Tk满足公式Abs((Ti‑Tk)mod(λ))<λ/B，其中λ是无线信号的波长，并且λ/B为λ的分数。

Description

毫米波系统中相控阵天线与射频集成电路间的迹线

技术领域

本技术总体涉及相控阵天线领域，更具体地，涉及降低相控阵天线的功率损耗和改善相控阵天线的信噪比(SNR)领域。

背景技术

天线(例如，偶极子天线)通常以具有优选方向的模式(即，所产生的模式在某些方向上较强而在其他方向上较弱)产生辐射。当接收电磁信号时，天线具有相同的优选方向，即，在优选方向上接收的信号最强。因此，通过使天线的优选方向与目标接收器或信号源对准，可以改善信号质量(例如，信噪比)。然而，物理地重新定向天线和/或可能不知道目标的精确位置通常是不切实际的。为了克服天线的一些上述缺点，可以由一组天线形成相控阵天线以模拟大型定向天线。相控阵天线的优点在于其在优选方向上发射/接收信号的能力(即，其波束成形能力)，而无需物理地重新定位或重新定向天线。

图1是根据现有技术的相控阵天线系统10的示意图。所示系统具有相控阵天线14，相控阵天线14包括以发射信号的半波长(λ/2)间隔设置的四个单独的天线14i。发射器12产生用于相控阵天线10的信号。发射器12包括调制器，调制器接收两个输入(基带信号和载波振荡器)并输出调制射频(RF)信号。例如，具有相对低频的基带信号可以由具有相对高频的载波振荡器调制以产生调制的RF信号。所得到的调制的RF信号通过波束成形器20发射，波束成形器20通过对RF信号施加幅度调整(ai)和相移(θi)来调整RF信号的幅度和相位。每个单独的天线14i的幅度和相位调整的组合被称为该天线的复权重(wi)。由于所得到的调整的RF信号(即，通过施加复权重而调整的)通常是低功率信号，所以功率放大器38i放大离开波束成形器34的RF信号。放大的RF信号到达各个天线14i，并作为无线信号发送到周围空间。在图1所示的示例中，在方向D(即，无线信号的前端F相对于天线14i的平面成角度α(天线角度或AoA))上发射无线信号。例如，可以通过对波束成形器20进行编程，使得θ1>θ2>θ3>θ4乘以适当的Δθ，使得前端F与天线14i的平面成角度α(AoA)，来实现无线信号的期望方向D。类似地，如果相控阵天线14是接收器并且RF信号源(即，发射器)位于AoAD'处，则θi的分布可以被调整，使得相控阵天线在方向D'上具有最大灵敏度。

然而，除了对单个天线14i的相位θi的期望的、受控的改变之外，系统还可以对相位θi引入不期望的改变。例如，高频RF信号(例如，GHz范围)的特征在于短波长(例如，mm范围波长)。因此，即使传输线19i的长度Ti之间的相对小的差(例如，mm或亚mm差)也可以导致明显偏离θi的期望分布，这进而导致AoA中的误差、灵敏度的损失、围绕AoA的杂散/不期望的瓣以及其他问题。下面结合图2描述最小化这些问题的一种方法。

图2是根据现有技术的相控阵天线系统200的示意图。所示的相控阵天线14包括以发射信号的半波长(λ/2)间隔开的七个单独的天线14i。发射器12产生通过迹线29i路由到天线14i的RF信号。各个迹线29i中的信号可以被相移以产生输出无线信号的期望AoA。如上所述，各个迹线29i之间的长度Ti的差可能在各个天线14i的相移(θi的)中，特别是对于GHz频率范围中的信号引入不期望的变化。因此，在所示的传统系统中，所有迹线29i具有均匀长度，以消除/最小化通过迹线发射的信号的相位的不需要的变化。然而，这种均匀长度必须至少对应于从发射器12到外围天线14i的距离。因此，连接发射器12与位于中心的天线14i的迹线29i比需要的长，这导致这些迹线中额外的信号功率损耗。因此，有利的是提供连接发射器/接收器与天线的迹线，使得最小化由迹线引起的相位θ'的变化，同时不引入不期望的功率损耗。

附图说明

图1示出了根据现有技术的相控阵天线10。

图2是根据现有技术的相控阵天线200的示意图。

图3A是根据本技术的实施方式的相控阵天线300的示意图。

图3B是根据本技术的实施方式的迹线长度的简化图。

图4是根据本技术的实施方式的平铺相控阵天线400的示意图。

图5A和图5B是根据本技术的实施方式的收发器的示意图。

图6A是迹线损耗为0.25dB/cm时，等长和不等长迹线的以dB为单位的信号增益图。

图6B是迹线损耗为0.5dB/cm时，等长和不等长迹线的以dB为单位的信号增益图。

具体实施方式

下面的公开描述了用于最小化相控阵天线中各个天线的信号相位(θ)的不需要的变化的系统和相关方法的各种实施方式。大多数相控阵天线需要精确控制的各个天线的信号相位之间的差，以产生相控阵天线的无线信号的期望方向性(即天线角度或AoA)。θ的不需要的变化导致误差和/或增加相控阵天线的方向性的噪声。为了实现这种一致性，通常使到相控阵元件的迹线具有相等的长度，由到阵列最远的元件的迹线的长度决定，即所有迹线必须与最长迹线一样长。因此，传统方法对位于中心的迹线造成不期望的功率损耗，而这些位于中心的迹线本可以使用更短的迹线。

在本技术的一些实施方式中，射频集成电路(RFIC)芯片的输出引脚通过迹线连接到相控阵天线的各个天线。迹线的长度被设置为使得任何两条迹线的迹线长度差对应于信号波长的倍数。因此，导致位于相控阵天线内中心的元件(即，单个天线)的迹线较短，而到相控阵天线的外围和较远元件的迹线较长。然而，有时相控阵天线工作在可变的信号波长上，并且迹线长度差不能精确地设置为波长的倍数。取而代之，可以允许迹线长度的变化达到某一值，例如，达到四分之一波长或达到八分之一波长(即λ/4或λ/8)。可以通过利用考虑迹线长度失配的波束成形(例如，使用最佳DFT矢量的最优波束成形器)来校正所得到的误差。

图3A是根据本技术的实施方式的相控阵天线系统300的示意图。所示的相控阵天线14的实施方式包括以λ/2间隔开的九个天线14i，但是也可以有其它数量的天线14i和各个天线之间的其它距离。通常，当各个天线之间的距离约为λ/2时，对于相位天线阵的方向性可以消除不期望的旁瓣。可以选择将发射器32(例如，RFIC芯片)连接到各个天线14i的迹线39i，使得任何两个迹线39i之间的长度Ti的差是信号波长λ的整数倍。这种情况可以表示为：

(Ti-Tk)mod(λ)＝0 (公式1)，

其中“mod”是一个模操作数，它计算一个数除以另一个数后的余数(R)。当模操作数结果为零时，运算符左侧的参数是操作数左侧参数的整数倍。在实际应用中，足够接近于零的余数可以被认为是零。例如，在本技术的一些实施方式中，小于λ/10或λ/100的余数可以被认为接近于零或基本上为零。在一些实施方式中，发射器32(例如，RFIC芯片)可以包括波束成形器(为了简化未示出)。

然而，如果λ不是常数(例如，对于频率分别为58.32、60.48、62.64、64.80GHz的信号，λ＝5.1、5.0、4.8、4.6mm)，则对于至少一些λ的操作，(Ti-Tk)mod(λ)将是非零的。因此，在本技术的一些实施方式中，可以选择迹线长度Ti，使得余数R的值不超过定义的限制。例如，余数R的值可以定义为波长λ的分数(fraction，部分)，对于任何一对迹线Ti和Tk都不超过该分数，如下面的公式2所示。

Abs((Ti-Tk)mod(λ))<λ/B (公式2)，

其中Abs是绝对值运算符，并且B是定义λ的分数用作公式2左侧表达式的上限的数字。

图3B是根据本技术的实施方式的迹线长度的简化图。在所示的实施方式中，迹线39-1具有长度T1，并且迹线39-2具有长度T2。T1和T2之间的差为λ/B，其中B可以是例如2、4或8。因此，迹线39-1和39-2满足公式2的限制(即，迹线长度差是否达到λ/B)。此外，迹线39-3具有长度N*λ+λ/B，其中N是整数，即N*λ是λ的整数倍。因此，一对迹线39-1和39-3也将满足公式2的限制。本领域普通技术人员将认识到，其它成对的所示迹线39-1至39-4也将满足公式2。迹线长度的其他组合也是可能的，例如，T3比T1长至λ/B；T3比T1短至N*λ-λ/B；并且T4比T1长至N*λ+λ/B。图3B中显示了四条迹线以供说明，但也可以使用其他数量的迹线和相应的天线。

当具有长度Ti、Tk的迹线对39i满足公式2时，对于不同波长λ，波束成形器增益的劣化是有限的。如下表1示出了波束成形器增益的劣化相对相控阵天线的理想波束成形器增益的示例比较。

增益(dB)	理想	λ/8	λ/4	λ/2
					2比特相位	14.7	14.5	14	10.5
3比特相位	15.3	15.2	14.6	10.8
					4比特相位	15.5	15.3	14.7	11.2
5比特相位	15.55	15.35	14.8	11.2

表1

如表1所示，相控阵天线增益的劣化受限于对公式2定义的迹线长度差的限制。例如，对于2比特相位(即，信号的相位以2π/4增量变化)，相控阵天线的理想增益(即，模数为零)为14.7dB，而对于λ/2的模数，增益为10.5dB。因此，增益劣化是4.2dB。然而，如果模数限制为例如λ/8，则相控阵天线的增益为14.5，即，与该特定相控阵天线的理想增益相比，增益的劣化仅为0.2dB。对于5比特相位(即，信号的相位以2π/32增量变化)，相控阵天线的理想增益为15.55dB，而对于λ/2的模数，增益为11.2dB，并且对于λ/8的模数，增益为15.35dB。因此，通过降低公式2中的模数限制，相控阵天线的增益劣化从4.35dB(即15.55-11.2dB)降至0.2dB(即15.55-15.35dB)。对于许多实际应用，小于1dB的增益劣化可能小于与连接RFIC和相控阵天线的元件的所有迹线具有相同长度相关联的功率损耗所导致的劣化。

公式2和表1的上述讨论涉及无线信号的相位θ的变化。然而，通常，在相控阵天线14的波束成形中，每个天线元件14i的相位和幅度都受控制。在一些实施方式中，控制相位和幅度两者可以调整旁瓣，并且可以比单独控制相位更精确地改善相控阵天线14的AoA。天线的每个元件的组合的相对振幅ai和相移θi是复权重wi(对于第i个单独的天线14i)。用于相控阵天线的波束成形器20对相控阵天线14的每个元件的信号施加该复权重wi(即，波束成形器移位相位并调整幅度)。因此，最优波束成形器施加导致无线信号的最大增益的一组复权重wi。

通常，只要可以消除由不等迹线长度产生的相位偏移，就可以保持波束成形的最优性。在本技术的一些实施方式中，对于满足公式2的迹线长度Ti，由具有长度Ti的第i条迹线引起的相位旋转是-2πTi/λ。因此，如果复权重w'i的集合是用于具有相等长度的迹线39i的相控阵天线14的最优波束成形器20，则用于具有不相等长度的迹线的相控阵天线14的最优波束成形器施加复权重：

wi＝exp(j*2πTi/λ)*wi (公式3)，

其中j为单位虚数。当接收从侧面发送的信号音时，可以通过测量天线处的相对相位来校准迹线长度。可选地，可以调整相对相位，并确定使接收功率最大化的权重的集合。

最优波束成形器的复权重wi可以根据用于信号相位的分辨率的比特数来量化。例如，对于2比特相位离散化，信号相位以2π/4增量变化，并且复权重wi可以使用来自集合(0，π/2，π，3π/2)中的值量化。类似地，对于4比特相位离散化，信号相位以2π/16增量变化，并且复权重wi可以使用来自集合(0，π/8，π/4，3π/8，...7π/8，π)的值量化。还可以根据相位量化所使用的比特数来创建用于复权重wi的其他集合。

图4是根据本技术的实施方式的平铺相控阵天线400的示意图。通常，参照图4描述的系统和方法适用于高频多天线系统。下面结合迹线长度的变化描述这些系统和方法。在所示的实施方式中，来自基带集成电路(BBIC)的信号可以通过RFIC的两级布置路由到一组相控阵天线440i。来自第一级中的RFIC3(例如，主RFIC)的信号可以通过迹线组TRFIC路由到RFIC的1-3(例如，从RFIC)，然后RFIC的1-3驱动三个相控阵天线440i，但是其他数量的RFIC和其他数量的级也是可以的。通常，迹线长度受制造变化和/或公差的影响，这些变化和/或公差可以降低平铺相控阵天线400的增益。如上所述，在本发明的一些实施方式中，从RFIC到相控阵天线的各个元件的迹线长度可以通过设计而不同，而迹线长度的附加的、制造引起的变化是随机变化。考虑到制造引起的可变性，迹线长度之间的关系可以表示为：

Ti-Tj＝Dij+Nij (公式4)，

其中，Dij是两条迹线i和j的长度之间的已知差(例如，由设计设置)，并且Nij是由制造误差/公差引入的随机变化。例如，如果迹线长度的制造误差/公差约为1mm，并且信号频率为58.4GHz，则信号相位的合成变化约为+/-0.39π。这种可变性未被设计考虑，并且对应于约70°相移。在至少一些实施方式中，这种可变性可以导致波束成形质量的显著劣化。

基于工厂校准，可以消除或至少最小化制造引起的迹线长度变化。例如，可以将相控阵天线放置在具有位于远场中的辅助天线的消声室内，以测量各个天线元件之间的相对相位差。在已知相对相位差的情况下，可以调整相移θi以消除这些相对差。然而，在串行生产中，检测上述过程的测量设置并对每个天线执行测量可能成本很高。

在本技术的一些实施方式中，能够在启动时间的短时间(例如，亚毫秒时间)内运行的无仪器校准过程可以表征迹线之间的制造引入的相位差。本技术的附加优点是，在至少一些实施方式中，校准在天线的寿命期间仅运行一次，并且结果可以存储在系统中的非易失性存储器(例如电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、闪存、盘驱动器或其它类型的非易失性存储器)上。在本技术的一些实施方式中，校准方法依赖于为了校准接收器(RX)增益和/或IQ(同相和正交)不平衡而重用已经结合到RFIC中的连续波形(CW)发生器。利用本发明的技术，相对校准可以是足够的，即，可以调节/补偿相移θi，以使Nij(制造误差/公差引入的迹线i和j的长度差)对于所有i、j对恒定或接近恒定。因此，校准不必是绝对的，即，校准不必导致每个迹线的零相位偏移。下面参见图5A和图5B描述补偿技术的细节。

图5A和图5B是根据本技术的实施方式的收发器的示意图。在本技术的实施方式中，RFIC的锁相环(PLL)可以在例如8GHz处产生校准信号CW并将其注入发射器(TX)天线。注入的信号可以通过相控阵天线泄漏回天线j。在一些实施方式中，约18-20dB的泄漏对于校准是可接受的。接下来，泄漏信号可以旁路收发器500中的混频器电路，并且校准信号通过同轴电缆路由回基带芯片。在一些实施方式中，基带芯片包括用于A/D采样速率内的频率的复混频器。采样校准信号CW可以在基带芯片内相关，以确定特定迹线的相移。在一些实施方式中，可以使用基带数字混频器到RF和基带PLL的先前同步来提高相移的确定的精度。对于所有迹线Ti，均可重复上述校准程序。此外，校准过程可以扩展到平铺相控阵天线，例如，通过将所有相控阵天线与片(tile)边缘处的天线进行比较。

图6A是相控阵天线的以dB为单位的信号增益与AoA的函数关系图。虚线表示迹线长度相等时的信号增益，而实线表示迹线长度差满足公式2时的信号增益。在这两种情况下，相控阵天线具有32个单元和5比特相位分辨率，并且迹线损耗为0.25dB/cm。如关于图2所说明的，等长迹线确保所有迹线的信号相移均匀。然而，当所有迹线具有相等长度时，至少一些迹线(例如，位于中心的迹线)比所需的长，这在位于中心的迹线中造成额外的功率损耗。因此，具有等长迹线的相控阵天线的信号增益小于具有满足公式2的不等长迹线的相控阵天线的信号增益。平均地，具有不等迹线长度的相控阵天线的信号增益比具有等迹线长度的相控阵天线的信号增益高约1dB。在这两种情况下，尖锐的、集中的峰值表示量化误差。

图6B是具有等长和不等长迹线的相控阵天线的以dB为单位的信号增益图。这里，迹线损耗为0.5dB/cm，是图6A所示测试情况的迹线损耗的两倍。因此，与位于中心的迹线相关的损耗甚至高于图6A所示的测试情况。因此，相等迹线情况下的信号增益平均比满足公式2的迹线的相应信号增益小约2.5dB。

从以上内容，应当理解，为了说明的目的，本文中描述了本发明的具体实施方式，但是在不背离本发明的各种实施方式的范围的情况下，可以进行各种修改。例如，可以使用与上述不同的相位分辨率和波长分数的组合。此外，尽管在以上那些实施方式的上下文中已经描述了与本公开的某些实施方式相关联的各种优点和特征，但是其他实施方式也可以表现出这样的优点和/或特征，而不是全部实施方式必须展示落入本公开范围内的这些优点和/或特征。因此，除了所附权利要求之外，本公开不受限制。

Claims (4)

1.一种用于无线信号的通信系统，包括：

相控阵天线，具有多个单独天线；以及

多个导电迹线，所述多个导电迹线将所述多个单独天线连接到射频集成电路RFIC，其中，所述多个导电迹线的每个单独迹线连接在所述多个单独天线的相应的单独天线与所述RFIC之间，

其中，单独迹线的长度Ti、Tk具有不等迹线长度，这在所述相控阵天线的单独天线之间引起相位偏移误差，

其中，任意两条单独迹线的长度Ti、Tk的差除以信号波长λ的余数的绝对数值小于定义的极限，其中，所述定义的极限是λ/B，其中，B选自由2、4、8和16组成的组；

其中，连接到位于所述相控阵天线的中心的单独天线的导电迹线比连接到位于所述相控阵天线的外围的单独天线的导电迹线短；

其中λ是要施加到所述多个单独天线的无线信号的波长；

波束成形器，所述波束成形器被配置为对要施加到每个单独迹线的无线信号执行幅度和/或相位调整；

其中，所述波束成形器被配置为运转以消除由不等迹线长度产生的相位偏移，包括所述波束成形器运转以：

在所述多个单独天线处接收从侧面发送的信号音并测量相对相位；

基于测量的相对相位校准所述不等迹线长度；

基于所述不等迹线长度确定复权重；以及

将所述复权重施加到无线信号。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述相控阵天线的所述多个单独天线间隔λ/2。

3.根据权利要求1或2所述的系统，还包括能够通过所述多个导电迹线将信号发射到所述相控阵天线的所述RFIC。

4.一种用于波束成形的方法，包括：

从具有多个单独天线的相控阵天线发射无线信号，其中，将所述相控阵天线的单独天线与射频集成电路RFIC电连接的多个导电迹线具有不相等的迹线长度，这在所述相控阵天线的所述单独天线之间引起相位偏移误差，其中，所述多个导电迹线的每个单独迹线连接在所述多个单独天线的相应的单独天线与收发器之间，其中，单独迹线的长度Ti、Tk具有不等迹线长度，这在所述相控阵天线的所述单独天线之间引起相位偏移误差，其中，任意两条单独迹线的长度Ti、Tk的差除以信号波长λ的余数的绝对数值小于定义的极限，其中，所述定义的极限是λ/B，其中λ是要施加到所述多个单独天线的无线信号的波长并且B选自由2、4、8和16组成的组，其中，连接到位于所述相控阵天线的中心的单独天线的导电迹线比连接到位于所述相控阵天线的外围的单独天线的导电迹线短；以及

对所述相控阵天线的RF信号进行波束成形，其中，所述波束成形调整施加到单独导电迹线的所述无线信号的幅度和/或相位，并且其中，波束成形器被配置为消除所述相控阵天线的单独天线之间的由所述不等迹线长度产生的相位偏移；

其中，所述波束成形器运转以通过以下项消除所述相位偏移：

在所述多个单独天线处接收从侧面发送的信号音并测量相对相位；

基于测量的相对相位校准所述不等迹线长度；

基于所述不等迹线长度确定复权重；以及

将所述复权重施加到无线信号。

Images