CN109756282B - 相控阵列放大器线性化 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及相控阵列放大器线性化。设备和方法为相控阵列提供预失真。来自相控阵列元件的射频(RF)样本信号沿返回路径提供，并由硬件RF组合器组合。调整移相器使得RF样本信号在组合时是相位对准的。相控阵列的放大器的预失真的自适应调整可以基于从组合的RF样本信号导出的信号。

Description

相控阵列放大器线性化
相关申请的交叉引用
本申请涉及2017年6月1日提交的名称为“ANTENNA ARRAY CALIBRATION SYSTEMSAND METHODS”、序列号15/611,289的共同未决申请，其公开内容在此通过引用整体并入本文。
本申请还涉及2016年12月8日提交的名称为“SPATIAL DIGITAL PRE-DISTORTION”的序列号为15/372,723的共同未决申请。
技术领域
本发明的实施例一般涉及天线，尤其涉及与相控阵天线相关的预失真。
背景技术
射频(RF)功率放大器用于各种应用，例如电信、雷达等。当信号被RF功率放大器放大时，放大的信号可能由于RF功率放大的非线性而变得失真。上变频过程也可能导致非线性。失真的存在可能导致诸如互调失真，带外发射和干扰之类的问题。
线性化RF功率放大器的一种技术是预失真。利用预失真，RF功率放大器的输入信号以与RF功率放大器所增加的失真互补的方式预失真，以减少RF功率放大器的输出中产生的失真。这些技术也可用于线性化上变频器和RF功率放大器的组合。
然而，传统的预失真技术不能与模拟波束形成器一起使用。所需要的是一种将预失真应用于模拟波束形成器的相控阵列放大器的技术。
发明内容
一种实施方案包括一种用于相控阵列的多个放大器的射频(RF)线性化的设备，其中该设备包括：多个返回路径，被配置为至少携带多个RF功率放大器的RF样本信号；硬件RF功率组合器，被配置为组合所述RF样本信号以产生组合信号；多个返回侧移相器，被配置为调整所述RF样本信号的相移，使得所述RF样本信号在所述硬件RF功率组合器处相位对准；和预失真器，被配置为预失真输入信号以生成预失真信号，并且被配置为至少部分地基于对来自所述组合信号的信号的观察来调整预失真系数以用于预失真。
一种实施方案包括一种相控阵列的多个放大器的线性化方法，其中该方法包括：相移多个RF功率放大器的射频(RF)样本信号，使得所述RF样本信号在硬件RF功率组合器处相位对准；组合所述RF样本信号和所述硬件RF功率组合器以产生组合信号；和使用预失真器预失真输入信号以产生预失真信号，其中预失真系数至少部分地基于所述输入信号的部分与从所述组合信号导出的信号的相应部分之间的比较。
一种实施方案包括用于相控阵列的相控阵列元件，其中所述相控阵列元件包括：用于在发送侧或接收侧之间切换天线元件的开关，用于时分双工操作；和与发送路径分开的返回路径，其中所述返回路径被配置为提供发送信号的射频(RF)样本，其中所述返回路径还包括移相器，其被配置为调整RF样本的相位。
附图说明
提供这些附图和相关描述是为了说明本发明的特定实施例，而不是限制性的。
图1A是根据实施例的4乘4天线阵列的对称路由示意图的示意性框图。
图1B是根据另一实施例的2乘8天线阵列的非对称路由示意图的示意框图。
图2A是根据实施例的水平波阵面的图示。
图2B是根据一个实施例的成角度波阵面的图示。
图2C是根据实施例的一系列收发器的示意性框图。
图2D是根据一个实施例的平面阵列和相关联的电磁图案的图示。
图3A是根据一个实施例的探针的示意性框图，该探针具有设置在两个天线元件之间的功率检测器。
图3B-1和3B-2是根据一个实施例的使用探针进行校准的流程图，该探针具有设置在两个天线元件之间的功率检测器。
图3C是根据一个实施例的探针的示意性框图，该探针具有设置在两个天线元件之间的混合器。
图3D是根据一个实施例的使用探针进行校准的流程图，该探针具有设置在两个天线元件之间的混合器。
图4是根据一个实施例的设置在四个天线元件之间的探针的示意性框图。
图5A是根据一个实施例的设置在三乘四天线元件阵列之间的探针的示意性框图。
图5B是根据一个实施例的使用设置在三乘四天线元件阵列之间的探针进行校准的流程图。
图6A是根据一个实施例的探针的示意性框图，该探针具有设置在两个天线元件之间的RF电源。
图6B是根据一个实施例的使用探针进行校准的流程图，该探针具有设置在两个天线元件之间的RF电源。
图7示出了具有预失真的相控阵列。
图8A示出了相控阵列元件的实施例。
图8B示出了相控阵列元件的另一个实施例。
图8C示出了相控阵列元件的另一个实施例。
图9示出了一种安排用于收集数据的信号的方法，用于确定预失真系数。
具体实施方式
某些实施例的以下详细描述呈现了特定实施例的各种描述。然而，这里描述的创新可以以多种不同的方式实现，例如，如权利要求所定义和覆盖的。在本说明书中，参考附图，其中相同的附图标记可表示相同或功能相似的元件。应当理解，图中所示的元件不一定按比例绘制。此外，应当理解，某些实施例可以包括比图中所示的元件更多的元件和/或图中所示的元件的子集。此外，一些实施例可以结合来自两个或更多个附图的特征的任何合适组合。
天线阵列可以使波束形成器能够在特定方向上引导电磁辐射图案，其在该方向上产生主波束并且在其他方向上产生旁瓣。基于发射信号的相位基于信号的建设性推断产生辐射图案的主波束。此外，天线元件的幅度决定了旁瓣电平。波束形成器可以通过例如为天线元件提供移相器设置来产生期望的天线方向图。然而，随着时间的推移，天线元件之间的信号幅度和相对相位可能偏离天线最初校准时设定的值。漂移会导致天线方向图降级，例如，可能会降低主瓣的增益。因此，所需要的是即使在天线阵列被投射之后也精确地测量和控制阵列系统中天线元件的相位和幅度的方法。此外，校准过程本身可能是相对劳动密集的、耗时且昂贵的。因此，需要一种校准方法，而不需要昂贵的测试设备和设施，并且必须将天线重新定位到特定位置。这些公开的技术也适用于制造测试环境，并且可用于加速生产，从而降低成本。在一个实施例中，校准数据由波束形成器使用并与其他数据组合，例如预先计算或预先存储的天线方向图数据，以产生用于波束形成的适当设置。
本公开使得天线阵列能够使用幅度的相位和/或绝对测量的相对测量来执行校准。在天线元件之间放置探针，并测量天线元件的相位和/或振幅。然后，可以评估相位或幅度以确定对连接到天线元件的发射器，接收器或收发器进行的调整。在一些实施例中，天线元件可以发送信号，并且可以调整一个或多个天线元件的相位，直到达到相对高或最大和/或相对低或最小的功率电平。在确定相对高或最大功率电平时，相位调整器或移位器值被记录为对应于相位的那些，并且对于相对低或最小功率电平，相位值被记录为180度异相。尽管实施例描述了探针的使用，但是应当理解，也可以使用可以发送和/或接收信号的其他结构(例如，导体)(例如，槽、单极、小贴片、其他耦合结构等)。
在一些实施例中，探针应对称地设置在天线元件之间。例如，如果有两个天线元件，则探头可以放置在两个天线元件之间。在另一示例中，如果存在四个天线元件，则探头可以对角地放置在与四个天线元件中的每一个等距的四个天线元件之间。将探针对称地放置在天线元件之间减少或消除了辐射图案传播到探针和天线元件的可能的变化。
在一些实施例中，天线元件可用于将信号传输到探头，探头接收传输的信号。探头可以检测功率(例如通过使用功率检测器)或检测功率和相位(例如通过使用混频器)。或者，探头可以用作发射器，将信号发送到天线元件，其中天线元件接收发送的信号。
使用单个探针来校准多个天线是有利的。具有可用于传输到天线元件和/或从天线元件接收信号的单个探针本身可以引入信号的变化。然而，由于使用连接到探头(例如混频器)的相同探头和部件来测量信号，所以利用所公开的技术有利地没有部件间或通道间的变化。例如，探针和连接到探针的组件将对从第一和第二天线元件在探针处接收的信号引入相同的变化。
相比之下，用于测量信号的相位和幅度以校准天线元件的耦合器将引入变化。单独的耦合器将连接到每个天线元件的发送路径。然后，信号将沿信号路径传播到连接到每个耦合器的组件。从每个耦合器到其相关连接组件的路由路径将引入信道到信道的变化。每个耦合器可以连接到其自己的一组部件，尽管可能是相同类型的部件，但部件本身也引入部分可变性。此外，耦合器本身使用其他硬件，如开关。通常由金属物质制成的耦合器本身可能干扰辐射信号，使得更难以在天线元件之间获得更高的隔离。本发明的实施例减少或消除了这些缺点。
包括使用设置在天线元件之间的探针的本公开的实施例是有利的，因为探针可以用于基于近场辐射测量来校准阵列。因此，可以在不需要远场测量的情况下校准阵列。通常，电磁消声室(也称为无回声室)可用于模拟开放空间情况。这些腔室中的时间和空间可能难以安排，可能昂贵且耗时。然而，本公开的实施例避免了必须将天线放置在消声室中的需要，因为使用近场测量而不是远场测量。此外，消声室可用于初始校准，但不适用于以后的校准。可以在现场重复校准本公开的天线阵列的一些实施例。探头可以永久放置在天线元件之间。天线阵列可以被配置为允许在天线元件之间临时安装探针。本公开的近场校准的一些实施例也可以有助于小信号差异。
校准方法和系统可用于校准不同尺寸的阵列。例如，系统可以通过校准与一个探针等距的第一组天线元件(或校准组)来校准平面阵列，然后校准第二组天线元件与另一个探头等距离，其中第一组和第二组天线元件共用至少一个天线元件。然后，共享的天线元件可以用作校准其他天线元件的参考点。
尽管本公开可以讨论某些实施例，其中探头作为接收器并且天线元件作为发射器，但是应当理解，探头可以用作发射器并且天线元件用作接收器，反之亦然。
图1A是根据实施例的不对称路由示意图100的示意性框图。对称路由示意图100包括天线元件，102A、102B、102C、102N、102E、102F、1026、102H、102I、1027、102K、102L、102M、102N、1020和102P(在此统称为102)。对称路由示意图100还包括芯片104A、104E、104I和104M(在此统称为104)。对称路由示意图100包括收发器110和从收发器110到天线元件102的路由路径106A、106B、106C、106D、106E、106F、1066、106H、106I、1067、106K、106L、106M、106N、1060、106P、108A、108E、108I、108M(在此统称为106)。
图1A涉及用于4乘4天线阵列的对称路由示意图100。该示意图涉及对称路由，因为从收发器110到天线元件102的路由路径106上的路由具有相同的距离。例如，从收发器110到天线元件102A的路由路径是路由路径108A和106A的组合，而从收发器110到天线元件102B的路由路径是路由路径108A和106B的组合。生成路由路径以最小化信号从收发器110行进到天线元件102的距离的变化。这种类型的配置有助于减轻由于信号从收发器110传播到天线元件102的不同长度的路由路径而可能导致校准困难的变化。
天线元件102可以是辐射元件或无源元件。例如，天线元件102可以包括偶极子、开放式波导、开槽波导、微带天线等。尽管一些实施例示出了一定数量的天线元件102，但是应当理解，一些实施例可以在两个或更多个天线元件的阵列上实现。
图1B是根据另一实施例的用于2乘4天线阵列的非对称路由示意图150的示意性框图。非对称路由示意图150包括天线元件152A、152B、152C、152D、152E、152F、1526和152H(在此统称为152)。非对称路由示意图150还包括芯片154。非对称路由示意图150包括从芯片154到天线元件152的路由路径156A、156B、156C和156D(在此统称为156)。图1B涉及非对称布线，因为从芯片154到天线元件152的布线路径156的长度不同。因此，相位和幅度在不同通道之间变化。例如，即使从芯片154发送相同的信号，天线元件152处的发送信号也可以不同于元件。在一些实施例中，天线元件152处的接收信号可以是相同的，但是当由于路由路径156的不同长度而在芯片154处被接收时是不同的。
图2A是根据实施例的水平波阵面200的图示。每个天线元件102可以以球形辐射图案辐射。然而，辐射图案共同产生水平波阵面204。图示200包括天线元件102A、102B、102C、102N、102M-1和102M。天线元件102A、102B、102C和102N可以线性地布置，其中元件在单个维度上布置在直线上。在这种配置中，光束可以在一个平面中转向。天线元件也可以平面布置，布置在二维平面(N方向和M方向)上。在这种平面配置中，光束可以在两个平面中转向。天线元件也可以分布在非平面表面上。平面阵列可以是矩形、正方形、圆形等。应当理解，天线可以布置成其他配置、形状、尺寸、尺寸、类型、可以实现天线阵列的其他系统等。水平波阵面200的图示示出了每个天线元件102发送信号202A、202B、202C、202N、202M-1和202M(在此统称为202)产生水平波阵面204。图2A的图示说明了产生向上指向的主光束的天线阵列，如水平波前204所示。来自天线元件102的相位在向上方向上相长干涉。
图2B是根据一个实施例的成角度波阵面220的图示。成角度波阵面220的图示包括天线元件102A、102B、102C、102N、102M-1和102M。天线元件可以与图2A所描述的类似地布置。成角度的波阵面220的图示示出了天线元件102发送信号222A、222B、222C、222N、222M-1和222M(这里统称为222)，从而产生波前224，其以不同于图2A中的波阵面204的方向的角度传播。信号222的相位在成角度地干涉成角度的波前220行进的方向(例如，右上方向)。这里，天线元件102的每个相位可以移位相同的程度以在特定方向上建设性地干涉。
天线元件102可以彼此等距间隔开。在一些实施例中，天线元件102彼此间隔开不同的距离，但具有与至少两个天线元件102等距的探针。
尽管本公开可以将某些实施例讨论为一种类型的天线阵列，但是应该理解，实施例可以在不同类型的天线阵列上实现，例如时域波束形成器、频域波束形成器、动态天线阵列、有源天线阵列、无源天线阵列等。
图2C是根据实施例的一系列收发器240A、240B、240N(在此统称为240)的示意性框图。在一些实施例中，单个收发器240馈送到单个天线元件102。然而，应当理解，单个收发器240可以馈送到多个天线元件102，或者单个天线元件102可以连接到多个收发器240。此外，应当理解，天线元件102可以链接到接收器和/或发射器。
在一些实施例中，收发器240可以包括开关242A、242B、242N(这里统称为242)，以将路径从天线元件102切换到接收器或发送器路径。收发器240包括另一个开关248A、248B、248N(这里统称为248)，其切换从信号处理器(未示出)到接收器或发射器路径的路径。发射器路径具有相位调整器244A、244B、244N(在此统称为244)和可变增益放大器246A、246B、246N(在此统称为246)。相位调整器244调整天线元件102处的发送信号的相位，并且可变增益放大器246调整天线元件102处的发送信号的幅度。尽管实施例描述了包括相位调整器244和可变增益放大器246的收发器240，但是可以使用其他组件来调整信号的幅度和/或信号的相位。此外，尽管示出了开关从发射器路径切换到接收路径，但是可以使用其他组件，例如双工器。
接收器路径还可以具有相位调整器250A、250B、250N(这里统称为250)，以及可变增益放大器252A、252B、252N(这里统称为252)。相位调整器250和可变增益放大器252可用于在前往信号处理器(未示出)之前调整来自天线元件102的接收信号。
图2D是根据一个实施例的平面相控阵列260和相关联的电磁图案的图示。图2D包括天线元件102A、102B、102N、102M-1和102M。图2D还包括具有主光束262和旁瓣264A、264B、264C的光束图案。天线元件102正在发送信号，其中信号的相位在主波束262的方向上相长干涉。天线元件102的幅度的精度控制旁瓣电平。例如，来自天线元件102的发送信号的幅度越均匀，旁瓣电平将越低。天线元件102可以设置在单个管芯或多个管芯上。
图3A是根据一个实施例的探针310A的示意性框图300，其中功率检测器312A设置在两个天线元件102A、102B之间。在该框图300中，探针等距地布置在两个天线元件102A、102B之间。探针310A可以是槽、探针、耦合元件、可用于检测信号的任何组件等。探头可用作发射器
图3B-1和3B-2是根据一个实施例的使用探针进行校准的流程图，该探针具有设置在两个天线元件之间的功率检测器。
图3B-1示出了用于测量和比较两个天线元件102A、102B的所有功率电平的流程图320。在框322处，关闭连接到天线元件102B的发射器。在框324处，从第一天线元件102A发送信号。从混频器302A产生信号，由可变增益放大器246A放大，由相位调整器244A相移，并从天线元件102A发送。在框326处，探头310A检测来自天线元件102A的发送信号，并且功率检测器312A检测检测到的信号的功率值。在框327处，系统可以确定是否测量了所有功率和/或相位水平。如果是，则系统可以继续到块328。如果不是，则可以在块323中调整功率和/或相位，并且返回到块324。例如，每个功率电平和每个相位级别的组合可以被测量。在一些实施例中，相位和幅度被解耦，使得可以测量每个功率水平并且独立地测量每个相位水平，而不必测量每个功率水平和每个相位水平的每个组合。
在框328处，关闭连接到天线元件102A的发射器。在框330处，从第二天线元件102B发送信号。从混频器302B产生信号，由可变增益放大器246B放大，由相位调整器244B相移，并从天线元件102B发送。在块332，探头310A检测来自天线元件102B的发送信号，并且功率检测器312A检测检测到的信号的功率值。
在框334处，一旦存储了来自天线元件102A和102B的发送信号的检测信号，就比较功率值以相对于连接到天线元件102B的发射器校准连接到天线元件102A的发射器，和/或反之亦然。通过调节可变增益放大器246A和/或246B的增益来校准功率值。在一些实施例中，在图3B中的其他块期间、之前或之后执行校准。在框334处比较功率值以校准天线元件之后，流程可以继续到图3B-2。
图3B-2示出了用于校准两个天线元件102A、102B的相位的流程图321。在框325处，从天线元件102A、102B发送相同功率电平的信号。这可以使用从图3B-1中的步骤获得的数据来实现。在框329，改变第一天线元件102A的相位。然后在框335处，可以通过功率检测器312A测量总功率。系统在方框336确定是否测量最大功率水平。如果不是，则系统继续改变第一天线元件102A的相位并从方框329继续流程图。如果在方框336测量最大功率水平，然后可以确定相位处于同相状态。在框337，为天线元件记录在框336处提供最大功率电平的相位。
在框338处，改变第一天线元件102A的相位，并且在框339，使用功率检测器312A测量总功率。在框340处，系统确定是否测量了最小功率水平。如果不是，则改变第一天线元件102A的相位，并且流程图从方框338继续。如果测量到最小功率水平，则系统在方框341记录天线元件的相位校准信息。这可以被认为是180度异相条件。
图3C是根据一个实施例的探针310A的示意性框图330，其中混合器342A设置在两个天线元件102A、102B之间。探针310A可以与天线元件102A和102B等距地设置。探针310A连接到混合器342A。
图3D是根据一个实施例的使用探针进行校准的流程图360，该探针具有设置在两个天线元件之间的混合器。混频器可用于测量相位和/或幅度。在框362，关闭连接到天线元件102B的发射器。在框364处，从混频器302A生成信号，由可变增益放大器246A放大，由相位调整器244A相移，并由天线元件102A发送。在块366，探针310A检测发送的信号并使用混频器、信号处理器测量并记录幅度和相位值。在框367处，系统可以确定是否已经测量了所有功率和/或相位水平。如果是，则系统可以进行到框368。如果否，则系统可以在框363中调整功率和/或相位水平，并返回到框324。
在框368，关闭连接到天线元件102A的发射器。在块370，从混合器302B产生信号，由可变增益放大器246B放大，由相位调整器244B相移，并由天线元件102B发送。在块372，探针310A检测信号，混合器混合信号，并且信号处理器测量并记录相位和幅度值。在框373处，系统可以确定是否已经测量了所有功率和/或相位水平。如果是，则系统可以进行到框374。如果否，则系统可以在框369中调整功率和/或相位水平，并返回到框370。
在框374，基于由天线元件102A和102B发送的信号的幅度之间的比较，调整可变增益放大器246A、246B，使得校准幅度以基于产生的相同信号发送基本相同的功率。此外，基于由天线元件102A和102B发送的信号的相位之间的相关性，调整相位调整器244A和244B，使得校准相位以在相同的生成信号的基本相同的相位上发送。
可以使用通过波束控制接口发送的数字命令(例如波束控制芯片或信号处理器)来控制可变增益放大器246A、246B和/或相位调整器244A、244B的值。相位调整器可以是n位相位调整器，其提供对总共特定数量的相位度的相位的控制。因此，校准过程可以被校准为允许最接近的相位值的状态。在一些实施例中，在图3D中的其他块期间，之前或之后执行校准。
图4是根据一个实施例的设置在四个天线元件102A、102B、102C、102N之间的探针310A、310B、310C的示意性框图400。在框图400中，探针310A与天线元件102A和天线元件102B等距地设置。探头310B与天线元件102B和天线元件102C等距设置。探头310C与天线元件102C和天线元件102N等距设置。天线元件102A、102B、102C和102N线性设置。
在该实施例中，首先校准天线元件102A和102B。连接到天线元件102B、102C和102N的发射器被关闭。混频器302A产生信号，信号由相位调整器244A相移，信号由可变增益放大器246A放大，并从天线元件102A发送。探头310A接收信号。接下来，天线102B发送相同探头310A检测到的信号。在该实施例中，探针310A连接到功率检测器312A。天线元件102A和102B的校准类似于图3A中描述的过程。然而，探针310A可以连接到混合器，并且可以类似于图3B中描述的过程进行校准。其他校准方法也是可能的。例如，其他组件可以连接到探头310A以测量相位和/或幅度。此外，可以使用相位和/或幅度的相对测量来使用其他校准方法。
接下来，校准天线元件102B和102C。然后，校准102C和102N。在该实施例中，校准连续发生。然而，校准可以在不同的时间步骤中发生。例如，当天线元件102B正在发送用天线102A校准的信号时，不仅探头310A可以检测信号，而且探头310B也可以检测该信号。因此，在校准天线元件102A和102B时，天线元件102B和102C之间的校准可以并行开始。在该实施例中，正在校准相邻的天线元件。然而，应当理解，可以校准与探针等距的任何一组天线元件。例如，第一和第四天线元件102A、102N可以用第二和第三天线元件102B、102C之间的探针310B校准。
图5A是根据一个实施例的设置在三乘四天线元件的阵列之间的探针的示意性框图。探针310A、310B、310C......310M(在此统称为310)对称地设置在一组四个天线元件102之间。在该实施例中，探针310与四个天线元件组中的每个天线元件102等距。然而，应当理解，探针310可以放置在与至少两个天线元件102等距的某个距离处。
图5B是根据一个实施例的使用设置在三乘四天线元件阵列之间的探针进行校准的流程图。
在框522，关闭连接到所有天线元件102的所有发射器。在框524，一起校准第一组四个天线元件。然后，第一天线元件102A发送信号。探头310A接收该信号，使用功率检测器312A测量功率，并记录功率。对于与第一探针310A等距的其他三个天线元件102重复这一过程。然后，调整四个天线元件组内的每个天线元件102的增益以相对于彼此进行校准。然后，所有四个天线元件102发送信号，调整相位，并记录相位以识别提供最大功率的相位配置(例如，相位值相等)。当功率最小化时(例如，相位相隔180度)，执行相同的测试。可以以与图3A、3B中描述的类似方式以及本公开中描述的其他方式执行校准。
尽管本公开可以将某些实施例讨论为一次校准四个天线，但是应该理解，可以使用不同数量的发射器、天线元件、探针等来实现这些实施例。例如，可以同时为四个天线元件校准功率(例如，一旦记录四个天线元件的功率，可以调整四个天线元件中的每一个的增益以满足参考增益值)，而相位可以成对校准(例如，首先校准天线元件102A和102B，然后校准天线元件102A和102M-1)。
在四个天线元件组中的天线元件102已经相互校准后，校准程序可以校准下一组四个天线元件102。除了下一组中的天线元件之外的天线元件在方框526处被关闭。在块528，识别在第一和第二组中的天线元件。然后在块530，用所识别的天线元件作为参考来校准下一组天线元件。下一组四个天线元件102可以与下一个探头310B等距。相同或不同的校准方法可以用于下一组四个天线元件102。在计算跨越元件行的天线元件102的集合之后，可以对一组四个天线元件102的下一列重复该过程。例如，在使用探针310A、310B和310C校准了天线元件102的集合之后，然后，待校准的下一组四个天线元件102可以是与探头310M等距的那些。
一旦校准了功率值，就连接到天线元件102A的发射器和连接到天线元件102B的发射器接通。基于功率校准，天线元件102A和102B以基本相同的功率电平发送信号。调节相位调节器244A或244B中的一个或两个。探头310A将接收来自天线元件102A和102B的两个信号，并检测功率检测器312A处的功率值。当功率最大化时，相位调整器244A和244B对准(例如，相位值相等)。当功率最小化时，相位调节器244A和244B相反(例如，一相的相位等于另一相的相位加180度)。利用这种相对关系，系统可以校准一个天线元件相对于另一个天线元件的相位。
图6A是根据一个实施例的探针310A的示意性框图，其中RF电源610设置在两个天线元件102A、102B之间。在该框图600中，探针310A等距地设置在两个天线元件102A、102B之间。探头310A可以发送用于天线元件102A和102B的信号以进行接收。
图6B是根据一个实施例的使用探针进行校准的流程图，该探针具有设置在两个天线元件之间的RF电源。在框622处，探针310A是发射信号的辐射元件。探针310A可以连接到RF电源610。在框624，天线元件102A、102B接收从探针310A发送的信号。天线元件102A、102B可以连接到相位调节器604A和604B、可变增益放大器606A、606B和I/Q混频器602A、602B。天线元件102A、102B接收信号并使用I/Q混频器602A、602B检测相位和幅度。在框626处，基于检测到的相位和幅度测量的比较来校准天线元件。
图7示出了具有预失真线性化的相控阵列。在一个实施例中，相控阵对应于模拟相控阵列或混合相控阵列，并且与时分双工(TDD)通信系统(例如移动电话基站)结合使用。其他系统，例如雷达系统，也是适用的。如稍后将结合图8A-8C更详细地解释的，相控阵列元件702a-702n可包括移相器和可变增益放大器，以调整相控阵列的模式或“波束”以进行发送和接收。在一些实施例中，可以通过先前结合图1A至图6B描述的技术来确定要针对期望图案应用于每个相控阵列元件的相移和增益调整量。但是，也可以使用其他技术。
预失真器704包括数字信号处理器(DSP)706和自适应控制器708。输入信号Vs(t)被提供作为DSP 706的输入。例如，输入信号Vs(t)可以由调制解调器的调制器产生，并且对应于基带复调制包络。DSP 706可以逐个样本地对输入信号Vs(t)执行预失真，以产生预失真的驱动信号VP(t)，其补充由相控阵列元件702a-702n的RF功率放大器共同引入的非线性。在所示实施例中，由预失真器704提供的相同预失真应用于相控阵列的相控阵元件702a-702n的多个或全部RF功率放大器。
可以使用各种算法进行预失真。此外，DSP 706可以对应于各种各样的信号处理电路，例如但不限于有限脉冲响应(FIR)滤波器、查找表等。DSP 706预失真输入信号Vs(t)的方式由所实现的特定预失真算法和DSP706内的系数确定。自适应控制708可以将输入信号Vs(t)的样本与数字反馈信号VDR(t)的相应样本进行比较，以确定由DSP 706施加的用于预失真的适当系数。这些适当的系数可以随着不同的放大器而变化、随着时间的推移、温度、在不同的驱动水平上、在变化的波束图案等上、并且可以根据需要由自适应控制708自适应地调整。关于预失真和自适应调整的讨论，参见，例如，NAGATA，Y，Linear AmplificationTechnique for Digital Mobile Communications，IEEE Vehicular TechnologyConference (1989)，159-164页；和CAVERS，J.K.，Amplifier Linearization Using ADigital Predistorter With Fast Adaptation And Low Memory Requirements,IEEETransactions on Vehicular Technology，39卷，第4期，第374-383页，1990年11月。
用于自适应调整的自适应调整和RF采样的收集不需要连续地执行，而是可以偶尔执行，例如周期性地执行，或者响应于诸如波束角度/天线方向图/增益/功率电平的改变之类的改变。
DSP 706可以用硬件实现，例如专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)等。自适应控制708的部分可以由执行用于特定预失真算法的机器可读指令的处理器在软件/固件中实现。由自适应控制708执行的计算不需要实时执行，并且可以使用存储在存储器设备中并从存储器设备检索的数据来执行。
数模转换器(DAC)710将预失真驱动信号VP(t)从数字形式转换为模拟形式，并提供模拟预失真驱动信号VA(t)作为上变频器712的输入。上变频器712将模拟预失真驱动信号VA(t)转换为上变频信号VU(t)。在所示实施例中，模拟预失真驱动信号VA(t)是基带信号，并且上变频信号VU(t)是较高频率信号，并且可以是例如射频、微波频率、毫米波(RF)/MW/MMW)。在本发明的上下文中，术语射频(RF)将包括但不限于微波和毫米波频率。在一个示例中，上变频器712可以对应于正交上变频器。可以使用其他类型的上变频器。上变频器712可以包括例如混频器、滤波器和可变增益放大器。
上变频信号VU(t)被提供作为功率分配器714的输入，功率分配器714可包括一个或多个Wilkinson功率分配器。与传统TDD系统相反，在一些实施例中，功率分配器714专用于发送/前向路径，并且不用于接收/返回路径。功率分配器714为多个相控阵列元件702a-702n提供与驱动信号相同的预失真信号。
相控阵列元件702a-702n包括要被线性化的RF功率放大器以及其他组件。相控阵列中相控阵列元件702a-702n的数量可以在很宽的范围内变化。虽然不限于2的幂，但是2的幂的数字可以更容易实现。在一个示例中，相控阵列元件702a-702n的数量在16和1024之间的范围内。在一些实施例中，相控阵列元件702a-702n中的每一个可以被制造为彼此相同，但是在操作期间可以改变不同的移相器和/或增益/功率设置。相控阵列元件702a-702n可以具有发送端子T、接收/返回端子R和天线元件端子T。与用于TDD系统的传统相控阵列元件相比，在本发明的一些实施例中，发送和接收/返回路径可以是分离的或专用的。与其中相控阵列的每个RF放大器具有其自己的预失真线性化的系统相比，这有利地提供了相对大的成本和尺寸改进。为清楚起见，未示出诸如电源和控制端子的其他端子。稍后将结合图8A-8C更详细地描述相控阵列元件702a-702n的各种实施例。
在所示实施例中，返回/接收路径是相同的路径并且与前向/发送路径分开。在一些实施例中，每个接收路径调整其接收信号的相位，使得所有接收信号同相相加。接收路径中的幅度调整也是可能的，以补偿路径不匹配(如果有的话)。硬件RF功率组合器716组合来自返回/接收路径的信号以产生组合信号VC(t)，其被提供作为下变频器718的输入。在发送阶段期间，返回/接收路径可以携带RF样本信号。在接收阶段期间，返回/接收路径可以携带接收的信号，例如由移动电话发送的信号。在一些实施例中，硬件RF功率组合器716可包括一个或多个Wilkinson组合器。硬件RF功率组合器716不对应于多路复用器。
下变频器718将作为RF信号的组合信号VC(t)转换为下变频信号VD(t)，其可以是基带或中频信号。下变频器718可以包括混频器和滤波器，并且在一些实施例中，可以包括附加的放大器。下变频信号VD(t)被提供作为模数转换器(ADC)720的输入，其将下变频信号VD(t)转换为数字下变频信号VDR(t)。
当相控阵列正在发送时，可以收集所选择的数字下变频信号VDR(t)的样本，用于分析预失真的自适应调整。当相控阵列接收时，数字下变频信号VDR(t)可以例如作为输入提供给调制解调器(未示出)的解调器以产生接收数据。
自适应控制708可以将输入信号Vs(t)的样本与数字下变频信号VDR(t)的对应样本进行比较，以估计预失真系数。例如，来自输入信号Vs(t)的样本可以被缩放、旋转和延迟以与数字下变频信号VDR(t)的样本对准。在一个示例中，自适应算法可以调谐其预失真系数以最小化输入信号Vs(t)和数字下变频信号VDR(t)之间的总误差(例如均方误差)。
图8A-8C示出了相控阵列元件802、822、842的各种实施例。其他变型是可能的。这些相控阵列元件802、822、842可以用于前面结合图7描述的任何相控阵元件702a-702n。为了避免重复描述，具有相同或相似功能的组件可以用相同的参考标号表示。
在图8A所示的实施例中，发送路径和接收/返回路径是分开的。在TDD系统中，发送和接收在不同时间发生。当发送时，返回/接收路径可用于提供发送信号的RF样本。接收时，返回/接收路径用于提供接收信号。相控阵列元件802包括发送侧移相器804、可变增益RF功率放大器806、漏泄开关808、低噪声放大器(LNA)810和返回侧移相器812。由发送侧移相器804提供的相移和可变增益RF功率放大器806的增益量是根据所需的天线方向图或波束形成方式确定的。
当发送时，相对少量的发送功率可以从泄漏开关808从发送侧泄漏到返回/接收侧，用于收集RF样本以进行自适应调整。通常，泄漏开关808为天线元件选择发送侧或返回/接收侧。可以为泄漏开关808指定并有意地引入发送侧和返回/接收侧之间的适当泄漏量。可应用的泄漏量可在很宽的范围内变化，并且可随LNA 810提供的增益量而变化。该泄漏的功率为返回/接收侧提供发送信号的RF样本。
LNA 810可以存在于返回/接收路径中，用于接收来自其他源(例如移动电话)的信号，但是对于发送信号的RF采样不需要。在RF采样期间，多个相控阵列元件802的LNA 810的增益可以是相同的。在操作期间，返回侧移相器812可以具有不同的设置，这取决于返回/接收路径是用于收集RF样本以用于预失真的自适应调整还是用于接收。
当返回/接收路径用于收集RF样本时，应该调整返回侧移相器，使得返回路径信号在硬件RF功率组合器716(图7)处相位对准。在一些实施例中，这可以意味着返回侧移相器812有效地执行与发送侧移相器804的相移的相反相移。应当理解，可能存在路径长度的变化，其可能需要通过额外的偏移来考虑。这些变化可以在制造或校准过程中确定并存储在查找表中。当返回/接收路径用于接收时，可以调整返回侧移相器812以实现所需的天线方向图。
在图8B所示的实施例中，发送路径和接收/返回路径也是分开的或专用的路径。相控阵列元件822包括发送侧移相器804、可变增益RF功率放大器806、定向耦合器824、开关826、低噪声放大器(LNA)810和返回侧移相器812。在TDD系统中，开关826在发送时选择天线元件的发送侧，并且开关826在接收时选择天线元件的接收侧。
当发射时，相对少量的发射功率(称为RF采样)经由定向耦合器824从发送侧耦合到返回/接收侧，用于收集RF样本以进行自适应调整。耦合因子并不重要。例如，耦合因子可以是-10分贝(dB)、-20dB等。其他量适用于耦合因子，并且将由本领域普通技术人员容易地确定。然而，在一些实施例中，相控阵列的定向耦合器824的耦合因子大致相同。来自耦合输出的RF样本可以被提供给LNA 810之前或之后的返回/接收路径，但是应该在返回侧移相器812之前提供。例如，开关可用于将RF样本提供给信号路径中的所需点。
如前面结合图8A所述，当返回/接收路径用于RF采样的采集时，应该调整返回侧移相位器812，使得返回路径信号在硬件RF功率组合器716处同相对准(图7)。当返回/接收路径用于接收时，可以调整返回侧移相器812以实现所需的天线方向图。
在图8C所示的实施例中，发送路径和接收路径可以是相同的，并且专用的返回路径可以提供用于自适应调整的RF样本。相控阵列元件842包括发送侧移相器804、可变增益RF功率放大器806、定向耦合器824、开关826、低噪声放大器(LNA)810、返回侧移相器844和接收路径移相器846。
在图8C所示的实施例中，发送和接收操作可以类似于传统的相控阵元件中的发送和接收操作。功率分配器714可以为接收路径提供组合功能，并且诸如下变频器718和ADC720的组件可以被复制用于接收路径和返回路径，因为接收路径和返回路径在图8C中是分开的。
定向耦合器824将RF样本提供给返回侧移相器844，其可以被调整，使得返回路径信号在硬件RF功率组合器716(图7)处相位对准。可以基于期望的天线图案或波束成形来调整LNA 810的增益和接收路径移相器846的相位。
图9示出了一种安排用于收集数据的信号的方法，用于确定预失真系数。该过程调整RF样本信号的相位，使得RF样本信号在硬件RF功率组合器716(图7)处相位对准902。可以通过向移相器812、844(图8A-8C)提供相位调整来完成相位对准。这些相位对准的RF样本信号在相控阵列的硬件RF功率组合器716中组合904，以产生组合信号。然后，自适应调整算法可以基于输入信号的各部分与从组合信号导出的信号的相应部分之间的比较来确定906要使用的适当的预失真系数，例如来自组合信号的下变频和数字转换版本的相应部分。
本文讨论的任何原理和优点可以结合可以从本文的任何教导中受益的任何其他系统、设备或方法来实现。例如，这里讨论的任何原理和优点可以结合任何需要调整相控阵列的幅度或相位的装置来实现。
本公开的各方面可以在各种电子设备中实现。例如，可以根据本文所讨论的任何原理和优点实现的上述相控阵列实施例中的一个或多个可以包括在各种电子设备中。电子设备的示例可以包括但不限于手机基站、雷达系统、雷达检测器、消费电子产品、诸如半导体芯片和/或封装模块的消费电子产品的部件、电子测试设备等。电子设备的示例还可以包括通信网络。消费电子产品可以包括但不限于诸如智能电话、膝上型计算机、平板计算机之类的电话、诸如智能手表或耳机之类的可穿戴计算设备、汽车、便携式摄像机、相机、数码相机、便携式存储芯片、洗衣机、烘干机、洗衣机/干衣机、复印机、传真机、扫描仪、多功能外围设备、无线接入点、电脑等。此外，电子设备可以包括未完成的产品、包括用于工业和/或医疗应用的产品。
除非上下文明确要求，否则在整个说明书和权利要求书中，词语“包括”、“包含”、“含有”、“具有”等应以包含性的意义解释，而不是排他性的或详尽的意思，也就是说，在“包括但不限于”的意义上。如本文通常所使用的，词语“耦合”或“连接”是指可以直接连接或通过一个或多个中间元件连接的两个或更多个元件。因此，尽管附图中所示的各种示意图描绘了元件和组件的示例性布置，但是在实际实施例中可以存在附加的中间元件、装置、特征或组件(假设所描绘的电路的功能不会受到不利影响)。另外，当在本申请中使用时，词语“此处”、“上方”、“下方”和类似含义的词语应当指代本申请的整体而不是本申请的任何特定部分。在上下文允许的情况下，使用单数或复数的某些实施例的详细描述中的词语还可以分别包括复数或单数。关于两个或更多个项目的列表中的“或”一词旨在涵盖对该词的所有以下解释：列表中的任何项目、列表中的所有项目以及列表中的项目的任何组合。本文提供的所有数值或距离旨在包括测量误差内的类似值。
虽然已经描述了某些实施例，但是这些实施例仅作为示例呈现，并且不旨在限制本公开的范围。实际上，这里描述的新颖设备、系统和方法可以以各种其他形式体现。此外，在不脱离本公开的精神的情况下，可以对这里描述的方法和系统的形式进行各种省略、替换和改变。所附权利要求及其等同物旨在覆盖落入本公开的范围和精神内的这些形式或修改。

Claims (18)

1.一种用于相控阵列的多个放大器的射频(RF)线性化的设备，该设备包括：
多个返回路径，被配置为至少携带多个RF功率放大器的RF样本信号；
开关，被配置为在第一状态下将天线元件电连接到发送路径，并且在第二状态下将天线元件电连接到接收路径；
与开关串联地电连接的RF耦合器，该RF耦合器被配置为生成所述RF样本信号的第一RF样本信号，该RF耦合器进一步被配置为(i)在RF功率放大器和开关之间选择性地提供第一RF样本信号；(ii)在RF功率放大器和返回侧移相器之间选择性地提供第一RF样本信号；
硬件RF功率组合器，被配置为组合所述RF样本信号以产生组合信号；
多个返回侧移相器，被配置为调整所述RF样本信号的相移，使得所述RF样本信号在所述硬件RF功率组合器处相位对准；和
预失真器，被配置为预失真输入信号以生成预失真信号，并且被配置为至少部分地基于对来自所述组合信号的信号的观察来调整预失真系数以用于预失真。
2.权利要求1所述的设备，其中所述多个移相器被配置为有效地执行与发送侧移相器的相移相反的相移。
3.权利要求1所述的设备，还包括：
下变频器，被配置为将所述组合信号转换为下变频信号；和
模数转换器，被配置为将所述下变频信号转换为反馈信号，其中所述反馈信号包括从所述组合信号导出的信号。
4.权利要求3所述的设备，其中所述预失真器一步被配置为基于所述输入信号的部分与所述反馈信号的对应部分之间的比较来调整预失真系数。
5.权利要求1所述的设备，其中所述相控阵列还包括：
多个相控阵列元件，包括多个RF功率放大器，其中所述相控阵列元件具有发送端子和返回端子；
RF功率分配器，与所述硬件RF功率组合器分开；和
多个发送路径，与所述多个返回路径分开，其中所述发送路径的第一端耦合到所述RF功率分配器，并且所述发送路径的第二端耦合到所述相控阵列元件的发送端子；
其中所述返回路径的第一端耦合到所述相控阵列元件的返回端子，并且所述返回路径的第二端耦合到所述硬件RF功率组合器。
6.权利要求5所述的设备，其中RF耦合器包括生成第一RF样本信号的采样端口。
7.权利要求5所述的设备，其中相控阵列元件还包括发送侧移相器和返回侧移相器，其中当收集数据用于自适应调整时，调整所述返回侧移相器使得所述RF样本信号在所述硬件RF功率组合器处相位对准。
8.权利要求5所述的设备，其中所述硬件RF功率组合器包括Wilkinson组合器。
9.权利要求1所述的设备，其中相同的预失真应用于所述相控阵列的多个RF功率放大器。
10.权利要求1所述的设备，其中所述预失真器被配置为响应于所述相控阵列的波束形成模式的变化而适应新的预失真系数。
11.权利要求1所述的设备，所述设备包括：
用于在发送侧或接收侧之间切换天线元件的开关，用于时分双工操作。
12.权利要求11所述的设备，其中当正在收集数据以进行自适应调整时，调整返回侧移相器，使得所述RF样本信号在硬件RF功率组合器处与来自所述相控阵列的其他相控阵元件的RF样本信号相位对准。
13.一种相控阵列的多个放大器的线性化方法，该方法包括：
用耦合在相应的射频RF功率放大器和天线元件之间的相应电路元件对由RF功率放大器生成的信号进行采样以生成RF样本信号；
提供RF样本信号到被布置为处理从天线元件接收的信号的相应接收路径的硬件，其中所述提供RF样本信号包括使用被配置为(i)在RF功率放大器和开关之间选择性地提供第一RF样本信号；(ii)在RF功率放大器和返回侧移相器之间选择性地提供第一RF样本信号的硬件；
相移多个RF功率放大器的RF样本信号，使得所述RF样本信号在硬件RF功率组合器处相位对准；
在所述硬件RF功率组合器处组合所述RF样本信号以产生组合信号；和
使用预失真器预失真输入信号以产生预失真信号，其中预失真系数至少部分地基于所述输入信号的部分与从所述组合信号导出的信号的相应部分之间的比较。
14.权利要求13所述的方法，其中调节所述移相器有效地执行与发送侧移相器的相移相反的相移。
15.权利要求13所述的方法，还包括：
使用下变频器将所述组合信号下变频为下变频信号；和
使用模数转换器转换所述下变频信号，所述模数转换器被配置为产生反馈信号，其中所述反馈信号包括从所述组合信号导出的信号。
16.权利要求13所述的方法，其中所述移相器设置在所述RF功率放大器和所述硬件RF功率组合器之间的信号路径中。
17.权利要求13所述的方法，还包括将相同的预失真应用于所述相控阵列的多个RF功率放大器。
18.权利要求13所述的方法，还包括响应于所述相控阵列的波束形成模式的变化而确定新的预失真系数。
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