CN110945717B - 使用相控阵天线进行波束成形的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种技术，包括与天线阵列进行正交信号的通信。天线阵列包括多个天线单元对。该技术包括放大正交信号以及控制对正交信号的放大以调节天线阵列的波束图的方向性。

Description

使用相控阵天线进行波束成形的系统和方法

技术领域

本申请涉及天线技术领域，特别涉及一种使用相控阵天线进行波束成形的系统和方法。

背景技术

由于非授权的60吉赫兹(GigaHertz，GHz)频段的较大频谱可以支持高达7吉比特/秒(gigabits per second，Gbps)的数据传输速率，因此，无线站可从该频段中的无线通信中受益。由于墙壁和其他物体使高频无线信号(例如，60GHz频段中的信号)显著衰减，因此通常以高度定向的方式发送和接收60GHz频段中的无线通信。有利地，相比于与全向通信相关的收发器硬件，对于定向通信，可以使用较低功率的收发器硬件。

对于一对无线站之间的定向通信，可以使用称为“波束成形”的过程将该一对无线站的天线波束定向地转向彼此。通过这种方式，波束成形过程使无线站能够确定其天线波束图的方向性，从而使无线站可以将天线波束图的主瓣互相转向。

无线站可以具有相控阵天线，该相控阵天线由在空间上排列的天线单元阵列和波束成形电路形成，该波束成形电路以允许将与该天线单元阵列相关的天线波束的主瓣在特定方向转向的方式将与天线单元通信的信号合并。通过这种方式，波束成形电路可以包括放大器和可变移相器，控制该放大器和可变移相器以对信号应用选定的增益和相移，以使主瓣指向给定方向。

发明内容

相控阵列天线的波束成形电路可以包括可变移相器，该可变移相器对与阵列中的天线单元通信的信号的相位进行移位，以将天线波束转向期望的方向。然而，由于可变移相器引入了相位和幅度变化，波束成形电路可能难以产生分辨率足够高的天线波束来避免强干扰。而且，通常，在波束成形中实现更精细的粒度可能涉及使用多级可变移相器，这可能会导致温度不稳定并且功耗较高。根据本公开的方面，相控阵天线具有天线单元，这些天线单元以允许波束成形电路在不使用可变移相器的情况下控制相关天线波束的方向性的方式布置在子阵列中。通过这种方式，根据本公开的方面，每个子阵列可以包括进行正交信号的通信的天线单元对，并且可以在不使用可变移相器的情况下控制对这些正交信号的放大，以设置天线波束的主瓣角。因此，根据示例实施方式，与依赖可变移相器的相控阵天线相比，该相控阵天线相对易于校准，对温度波动表现出更高的稳定性，并且相对不太复杂。

根据本公开的一方面，提供了一种技术，该技术包括与天线阵列进行正交信号的通信。该天线阵列包括多个天线单元对。该技术包括放大正交信号，以及控制对正交信号的放大以调节天线阵列的波束图的方向性。

根据本公开的另一方面，提供了一种设备，该设备包括天线单元的平面阵列、波束成形电路、和控制器。天线单元被分组成多个子阵列，并且波束成形电路包括多个放大器。对于每个子阵列，波束成形电路与该子阵列中的第一天线单元进行第一信号的通信并与该子阵列中的第二天线单元进行第二信号的通信。第一信号和第二信号相互正交。该控制器调节放大器的增益，以调节与阵列相关的波束图的方向性。

根据本公开的另一方面，提供了一种设备，该设备包括无线电装置、连续相控阵天线、波束成形电路、和控制器。用于辐射电磁能并感测辐射的电磁能的连续相控阵天线耦合到无线电装置。相控阵天线包括成对布置的天线单元的平面阵列。每个天线单元对与幅度值和相位值相关，而该幅度值和该相位值与天线波束图相关。对于天线单元中给定的天线单元对，波束成形电路包括第一通信路径和第二通信路径。第一通信路径包括第一放大器，并且第一通信路径与给定的天线单元对中的第一单元进行第一信号的通信。第二通信路径包括第二放大器，并且第二通信路径与给定的天线单元对中的第二单元进行第二信号的通信。波束成形电路包括至少一个固定移相器，该至少一个固定移相器布置在第一通信路径和第二通信路径之一中并用于使第一信号和第二信号相互正交。对于给定的天线单元对，控制器用于设置第一放大器的第一增益以及设置第二放大器的第二增益，以调节天线波束图的方向性。

可选地，在前述任一方面中，在另一实施方式中，与该天线单元对进行正交信号的通信包括使用包括固定移相器和放大器的第一通信路径进行正交信号中的第一信号的通信；以及使用包括第二放大器的第二通信路径进行正交信号中的第二信号的通信。

可选地，在前述任一方面中，在另一实施方式中，进行第一信号的通信包括从给定的天线单元对中的第一天线单元接收第一信号并将第一信号提供给第一通信路径。进行第二信号的通信包括从给定的天线单元对中的第二天线单元接收第二信号并将第二信号提供给第二通信路径。

可选地，在前述任一方面中，在另一实施方式中，进行第一信号的通信包括从第一通信路径接收第一信号并将第一信号提供给给定的天线单元对中的第一天线单元。进行第二信号的通信包括从第二通信路径接收第二信号并将第二信号提供给给定的天线单元对中的第二天线单元。

可选地，在前述任一方面中，在另一实施方式中，使用第一通信路径进行第一信号的通信包括基于相位角的余弦设置第一放大器的增益。使用第二通信路径进行第二信号的通信包括基于相位角的正弦设置第二放大器的增益。

可选地，在前述任一方面中，在另一实施方式中，使用第一通信路径进行第一信号的通信包括基于幅度与cos(θ_k-ε)的乘积设置第一放大器的增益。使用第二通信路径进行第二信号的通信包括基于幅度与sin(θ_k+ε)的乘积设置第二放大器的增益。

可选地，在前述任一方面中，在另一实施方式中，给定的天线单元对中的天线单元与给定的天线单元对中的天线单元之间的间隔l相关。波束图的主瓣与角θ₀相关。第一信号和第二信号与波长λ相关；ε表示π·l·sin(θ₀)/λ。

可选地，在前述任一方面中，在另一实施方式中，多个天线单元对中的相邻天线单元对之间的间隔为d；θ_k表示2π·(k-1)·d·sin(θ₀)/λ，其中，θ₀表示波束图的主瓣，λ表示与第一信号和第二信号相关的波长，k表示整数。

可选地，在前述任一方面中，在另一实施方式中，移相器可以包括固定九十度移相器。

可选地，在前述任一方面中，在另一实施方式中，相控阵天线可以是连续相控阵天线或数字相控阵天线。

附图说明

图1和图5是根据示例实施方式的无线站的示意图。

图2是示出了根据示例实施方式的图1的相控阵天线的示例接收信道的示意图。

图3、图4、和图6是示出了根据示例实施方式的控制由相控阵天线形成的天线波束的技术的流程图。

具体实施方式

在本公开中，除非上下文另有明确说明，否则术语“一”、“一个”、或“该”的使用也旨在包括复数形式。此外，当在本公开中使用术语“包括”、“包含”、“有”、或“具有”时，说明存在所述要素，但并不排除存在或添加其他要素。

给定的一对无线站可以在高度定向的频段(例如，60GHz频段)中相互通信。这样，为了在无线站之间进行数据通信，该无线站对可以采用“波束成形”，“波束成形”是指确定应该如何对站的天线波束进行引导或转向的过程。通过这种方式，无线站可以具有一个或多个天线，这些天线可以由该无线站控制以控制该无线站的天线波束图的方向，以将天线增益图的主瓣(主波束)在特定方向(例如，沿着特定的方位角)进行转向。一般而言，波束成形可能涉及无线站在确定每个无线站的用于与其他站的后续数据通信的最佳天线波束方向的过程中发射和接收电磁能。

根据示例实施方式，无线站具有相控阵天线，该相控阵天线包括天线单元阵列。在无线站的发射操作模式中，天线单元由电信号驱动，以使单元发射电磁辐射，在无线站的接收操作模式中，天线单元提供表示天线单元接收的电磁辐射的电信号。

相控阵天线的波束成形电路将与天线单元通信的信号以某种方式合并，以形成具有某些特性的天线波束图，例如，波束图的主瓣朝向某个方向，波束图具有一定数量的旁瓣和零点，这些旁瓣和零点位于特定位置，波束图具有表征旁瓣相对于主瓣的突出性(prominence)的一定的包络等。通常，波束成形电路对与天线单元通信的信号应用一组复值，以形成天线的波束图或增益。实现该目的的一种方式是通过可变移相器和放大器对信号进行路由。通过这种方式，可以控制放大器的增益和由可变移相器引入的相移，以相应地控制这些复值在信号上的应用来调节天线波束图。

然而，与传统布置不同，根据示例实施方式，相控阵天线不采用可变移相器。相反，如本文所述，相控阵天线的天线单元被成对地分组或布置(即，被分组或布置成多个子阵列，每个子阵列具有两个天线单元)；并且波束成形电路包括固定移相器，该固定移相器用于为每个天线单元对中的天线单元生成正交信号。如本文所述，由于这种配置，仅通过控制与天线单元通信的信号的幅度即可对相控阵天线的天线波束图进行引导或转向，而无需使用可变移相器。在本申请的上下文中，与天线单元进行信号的通信是指向天线单元提供信号(出于发送目的)或从天线单元接收信号(出于接收目的)。

如本文进一步所述，根据示例实施方式，放大器与天线单元信号耦合串联(coupledin-line)；并且波束成形电路控制由放大器应用的放大或增益以向给定的方向将天线波束图转向(即，控制天线波束图的方向性)。

根据本文所述的示例实施方式，波束成形电路包括模拟放大器，并且相控阵天线是连续相控阵天线。然而，根据其他示例实施方式，波束成形电路可以包括数字功率放大器，并且该相控阵天线可以是数字相控阵天线。

作为更具体的示例，图1示出了根据一些实施方式的无线站100。例如，无线站100可以是诸如智能电话、平板电脑、或可穿戴设备(例如，手表)的移动无线通信设备；或者，无线站100可以是诸如无线接入点或无线通信桥等位置固定的无线通信设备。通常，无线站100可以是通过感测和发射电磁辐射进行通信，并为此采用波束成形(例如，处理与天线单元通信的信号，以向某个方向对天线波束图进行引导或转向)的任意电子设备。

无线站100可以在多个不同频段中的任意频段上进行通信。例如，根据一些实施方式，无线站100可以使用无线信令在60吉赫兹(GHz)或接近60GHz的频谱内通信。取决于特定的实施方式，由无线站100进行的无线通信可以在授权频谱或非授权频谱内。此外，作为示例，无线通信可以涉及蜂窝网络通信、蜂窝回程通信、和非蜂窝网络通信，诸如例如符合电气和电子工程师协会(institute of electrical and electronics engineers,IEEE)802.11ad规范(也称为WiGig规范)的60GHz频段上的无线通信。

根据一些实施方式，无线站100可以是移动无线设备，该移动无线设备使用称为“超帧”或“信标间隔”的无线通信的同步单元与其他无线站进行通信。通过这种方式，信标间隔的初始部分可以专用于波束成形过程，而信标间隔的后续部分可以专用于使用通过波束成形过程确定的天线配置来进行数据通信。每个信标间隔中包括波束成形以适应移动无线站的移动。例如，为了为发起者(例如，无线接入点)和响应者(例如，移动无线站)选择天线扇区，WiGig规范定义了波束成形协议。以此方式，在信标间隔的波束成形部分结束时，响应者和发起者已经确定了发起者和响应者的用于二者彼此进行数据通信的最佳天线扇区。

根据示例实施方式，无线站100包括相控阵天线110。一般地，相控阵天线110包括天线单元134的阵列120。出于传输的目的，天线单元134响应于传送到单元134的信号而辐射电磁能；出于接收的目的，天线单元134提供表示由单元134感测到的电磁辐射的电信号。

图1示出了波束成形电路111，波束成形电路111用于调节与天线单元134通信的信号，以形成相控阵天线110的发射天线波束和接收天线波束。对于图1所示的波束成形电路111这一特定电路，波束成形电路111形成相控阵天线110的发射天线波束。如本文所述，波束成形电路111调节与天线单元134通信的信号，使得来自单元134的电磁辐射进行相长干涉和相消干涉以形成发射天线波束图。

根据一些实施方式，天线单元134的阵列120位于平面中以定义平面阵列；并且更具体地，如图1所示，阵列120的天线单元134可以在空间上沿特定直线排布以形成线性天线阵列。应当注意的是，根据其他示例实施方式，天线单元134可以在平面内的两个维度上定向。如本文所述，波束成形电路111调节与天线单元134通信的信号，以形成具有主瓣、零点、和旁瓣的发射天线波束图；并且，主瓣相对于天线单元134的布置所沿的直线成一定角度(本文称为“主瓣角θ₀”)。

根据示例实施方式，天线单元134被布置或分组成N个子阵列130(图1所示的示例天线子阵列130-1、130-2、130-N)，其中每个子阵列130包括一对在空间上相邻的天线单元134。更具体地，根据示例实施方式，给定子阵列130的天线单元134之间的间隔为子阵列内的间距(在图1中称为“l”)，并且天线单元子阵列130之间的间隔为子阵列间的间距(在图1中称为“d”)。一般地，如本文进一步所述，根据示例实施方式，子阵列间的间距d远大于子阵列内的间距l(例如，l可以等于或小于d的一半)。

根据示例实施方式，每个子阵列130与发射信道144相关，发射信道144传送来自波束成形电路111的功率分配器150的发射信号。发射信道144又耦合到在本文中称为“信号信道137和信号信道139”的正交信号通信路径或发射信道。信号信道137和信号信道139将正交发射信号传送到相关的子阵列130的各个天线单元134。通过这种方式，信号信道137耦合到发射信道144，以将发射信号传送到子阵列130的天线单元134中的一个天线单元，该发射信号与发射信道144的发射信号同相(即，这些信号具有相同的相位)；另一信号信道139耦合到发射信道144并包括固定九十度移相器146，以与另一天线单元134进行信号的通信，该信号与发射信道144的发射信号正交(并且与信号信道137的同相信号正交)。

如图1所示，根据示例实施方式，正交信号信道137和正交信号信道139不包括可变移相器。如本文所述，为了控制发射天线波束图，即，为了控制发射天线波束图的特征，例如主瓣的位置、主瓣的宽度、主瓣角θ₀(即天线波束图的方向性)、旁瓣的位置和相对增益、零点的位置、旁瓣相比于主瓣的相对大小等，对(信号信道137的)功率放大器140和(信号信道139的)功率放大器142的增益进行控制。根据示例实施方式，通过这种方式，对放大器140和放大器142的增益进行控制，并且设置发射天线波束图的主瓣角θ₀时未使用可变移相器。因此，与采用可变移相器的相控阵天线相比，相控阵天线110可以具有诸如更高的温度稳定性、更低的复杂度、和更低的成本等优势。此外，由于天线波束的特征是由放大器增益设置的，因此相控阵天线110能更易于校准。

根据其他示例实施方式，可以使用固定移相器而非九十度移相器来产生正交信号信道137和正交信号信道139的正交信号。例如，根据其他实施方式，信道137和信道139之一可以包括引入四十五度的相位滞后的固定移相器，信道137和信道139中的另一信道可以包括引入四十五度的相位超前的固定移相器。

对于具有天线单元的线性阵列的传统相控阵天线，每个天线单元可以与本文中称为“A_k”的幅度值(其中，“k”是阵列单元索引)和本文中称为“θ_k”的相位值相关。通过这种方式，可以进行窄带假设(假设整个阵列上的传播时延远小于信号带宽的倒数)，以使应用到阵列单元的时延可以用相位值θ_k来表示。对于传统相控阵天线，可以确定一组A_k值和θ_k值以形成给定的天线波束图；相应地，由可变移相器将与线性阵列的第k个天线单元通信的信号的相位移位相位值θ_k，并将信号增大值A_k。

对于图1的相控天线阵列110，子阵列130与A_k值和θ_k值相关；放大器140和放大器142的增益是A_k值和θ_k值的函数。具体地，根据示例实施方式，当子阵列间的间距d远大于子阵列内的间距l时，第k个子阵列130的放大器140和放大器142的增益可以描述为：

Gain_AMPLIFIER140＝A_kcos(θ_k) 等式1

Gain_AMPLIFIER142＝A_ksin(θ_k) 等式2

因此，例如，子阵列130-1的放大器140和放大器142的增益分别是A₁cos(θ₁)和A₁sin(θ₁)。

作为更具体的示例，根据一些实施方式，相位值θ_k可以描述为：

其中“λ”表示信号波长，即与天线单元134通信的信号的波长。此外，对于子阵列间的间距d远大于子阵列内的间距l(例如，l≤0.1d)的情况，本文中称为P(θ₀)的天线增益(该天线增益是具有连续可变移相器的传统相控阵天线的理论增益)可以描述为：

在等式4中，“j”表示虚数；“N”是整数，表示子阵列130的数量。随着子阵列间的间距d接近子阵列内的间距l，天线增益可能会有旁瓣能量的增加。然而，以下结合图5进一步描述，可以使用不同的方法来计算和设置天线140和天线142的增益，以使天线增益不随子阵列内的间距l而变化。

参照图1，根据示例实施方式，无线站100的物理层160的控制器168可以采取以下举措来控制相控阵天线110的天线波束图。一般地，控制器168可以包括一个或多个处理器170(一个或多个中央处理器(central processing unit，CPU)、一个或多个CPU处理核等)。在给定信标间隔的波束成形部分中，波束成形引擎188(例如，无线站100的媒体接入控制(media access control，MAC)层186的波束成形引擎188)可以在波束成形过程中与另一无线站通信；在信标间隔的波束成形部分结束时，波束成形引擎188可以将扇区数据181提供给处理器170。扇区数据181确定了天线波束图的主瓣角θ₀，并且处理器170基于主瓣角θ₀来确定波束成形电路111的放大器140和放大器142的增益。

根据示例实施方式，通过这种方式，处理器170确定A_k值和θ_k值；基于A_k值和θ_k值并根据等式1和等式2，确定由放大器140和放大器142对整个阵列120应用的放大或增益；并将与增益相对应的值写入控制器168的一个或多个寄存器180。此外，根据示例实施方式，控制器168可以包括一个或多个数模转换器(digital-to-analog converter，DAC)182，该一个或多个数模转换器182提供表示放大器140和放大器142的增益值或放大值的模拟输出184。

根据示例实施方式，通过这种方式，输出184进而控制相控阵列天线110的放大器140和放大器142的增益。例如，根据一些实施方式，输出184可以控制功率放大器140和功率放大器142的电流源和/或电流镜的偏置，以相应地控制放大器140和放大器142的增益。

根据一些实施方式，控制器168可以包括存储器172，存储器172存储例如由处理器170执行以执行如本文所述的处理器功能的程序指令174，以及计算对于给定的主瓣角θ₀放大器140和放大器142的增益所涉及的数据176。一般地，存储器172可以由诸如半导体设备、忆阻器、相变存储设备、易失性存储设备、非易失性存储器、这些存储技术中的一种或多种的组合等非暂时性存储器设备形成。

根据其他示例实现方式，例如，控制器168可以不基于处理器，而是可以由一个或多个硬接线电路(例如，一个或多个现场可编程门阵列(field programmable gate array，FPGA)或专用集成电路(application specific integrated circuit，ASIC))形成。

根据示例实施方式，除了其他特征外，无线站100还可以包括无线电装置164(物理层160的一部分)，无线电装置164通过发射信道144和接收信道(图1中未示出)与相控阵天线110进行发射信号和接收信号的通信。此外，除了波束成形引擎188之外，MAC层186还可以包括诸如媒体访问组件190、资源管理组件192等各种其他组件。

尽管图1示出的示例波束成形电路111用于配置相控阵天线110的发射天线波束图，但是本文所述的系统和方法也可以用于形成相控阵天线110的接收天线波束图。通过这种方式，根据示例实施方式，参照图1和图2，波束成形电路111可以包括用于每个子阵列130的电路200(图2)。电路200包括正交信号信道203和正交信号信道205(即，通信路径或接收信道)，正交信号信道203和正交信号信道205耦合到接收信道211并耦合到子阵列130的各个天线单元134。如图2所示，对于此示例实施方式，信号信道203包括低噪声放大器(lownoise amplifier，LNA)204，LNA204的输入耦合到相关的天线单元134以接收由天线单元提供的信号，LNA 204的输出耦合到接收信道211以提供放大的同相信号。由于在接收信道211中设有固定九十度移相器208，信号信道205相对于接收信道211传送正交信号。信号信道205还包括LNA 206，LNA 206的输入从相关的天线单元134接收信号，LNA 206的输出将放大的信号提供给移相器208。

参照图1和图3，根据示例实施方式，无线站100可以执行技术300，技术300包括无线站100在信标间隔中与另一无线站执行(框304)波束成形通信以确定相控阵天线110的主瓣角θ₀。然后，无线站100可以为相控阵天线110的每个子阵列130的发射信道和接收信道设置(框308)放大器增益A_kcos(θ_k)和A_ksin(θ_k)，从而无线站100可以使用所配置的相控阵天线110在信标间隔的数据通信部分中与另一无线站进行数据通信。

更具体地，参照图1和图4，根据示例实施方式，无线站100的控制器168可以执行技术400，技术400包括接收(框404)指示相控阵天线110的主波瓣θ₀的请求。控制器确定(框408)具有主波瓣θ₀的天线波束图的幅度值A_k和相位值θ_k。取决于特定实施例，确定这些值可能涉及计算出这些值和/或从存储在存储器172中的一个或多个表中查找值。然后，控制器168可以通过应用等式1至等式2和/或从一个或多个表中查找值，以基于幅度值A_k和相位值θ_k来确定(框412)相控阵天线的子阵列的正交信号信道的放大器权重；然后，根据框416，控制器168可以设置放大器140和放大器142的增益。

根据示例实施方式，虽然放大器140和放大器142的增益可以部分地基于等式1和等式2中所给出的关系，但是由于校准调整，实际的增益可能会略有不同。根据示例实施方式，通过种方式，控制器168可以从表中查找放大器增益的校准值，控制器168可以查找校准因子以应用于增益的计算值，等等。在设置放大器140和放大器142的增益之后，根据框420，控制器168可以随后告知MAC层186已经配置了相控阵天线。

参照图5，根据其他示例实施方式，可以使用无线站500代替图1中的无线站100。一般地，无线站500可以具有与无线站100类似的设计，其中相同的附图标记用于表示共享的组件。对于无线站500，相控阵天线510替代了相控阵天线110。相控阵天线510类似于相控阵天线110，并且天线510的波束成形电路511类似于天线110的波束成形电路111。然而，无线站500的控制器168以不同的方式计算并应用放大器140和放大器142的增益，以减少旁瓣能量并使相控阵天线510随子阵列内的间隔l的变化较小(即使不是完全不随其变化)(并且相应地，不需要子阵列间的间距d远大于子阵列内的间距l)。

更具体地，根据示例实施方式，第k个子阵列130的放大器140和放大器142的增益可以描述为：

Gain_AMPLIFIER140＝A_kcos(θ_k-ε) 等式5

Gain_AMPLIFIER142＝A_ksin(θ_k+ε) 等式6

等式5和等式6中的相位偏移ε可以描述为：

需要注意的是，等式5和等式6描述了放大器增益与幅度值θ_k和相位偏移ε的一般关系；并且如果l<<d，则可以忽略相位偏移ε，并且可以将等式5和等式6分别简化成等式1和等式2。使用如等式5和等式6所描述的放大器140和放大器142的增益，天线增益P(θ₀)可以描述为：

图5的相控阵列天线510的特别的优点在于，与图1的相控阵列天线110的天线增益相比，天线增益的旁瓣能量(与主瓣能量相比)减少。此外，根据示例实施方式，相控阵列天线510的天线增益与子阵列内的间隔l无关。

参见图5和图6，根据示例实施方式，无线站500的控制器168可以执行图6所示的技术600。根据技术600，控制器168接收(框604)表示或指示主波瓣θ₀的数据。然后，控制器168基于主波瓣θ₀从(存储器172的)表520中检索(框608)幅度值A_k。可选地，根据其他示例实施方式，控制器168可以计算幅度值A_k。

然后，控制器168可以分别使用等式7和等式3确定(框612)ε值和θ_k值。然后，控制器168可以基于A_k、θ_k、ε的值(根据等式5和等式6)确定(框616)放大器140和放大器142的放大器权重，并根据框620设置放大器140和放大器142的增益。根据示例实施方式，确定放大器增益可能涉及控制器168从表中查找校准的增益和/或应用校准校正因子。最后，在设置放大器增益之后，根据框624，控制器168可以告知MAC层186已经配置了相控阵天线510。

尽管已经根据有限数量的实施例描述了本公开，但是受益于本公开的本领域技术人员将认识到其众多修改和变型。所附权利要求旨在覆盖所有这样的修改和变型。

Claims (14)

1.一种波束成形的方法，包括：

与天线阵列进行正交信号的通信，其中，所述天线阵列包括多个天线单元对，进行正交信号的通信还包括使用包括固定移相器和第一放大器的第一通信路径进行所述正交信号中的第一信号的通信，以及使用包括第二放大器的第二通信路径进行所述正交信号中的第二信号的通信；

放大所述正交信号；以及

控制对所述正交信号的所述放大，以调节所述天线阵列的波束图的方向性；

使用所述第一通信路径进行所述第一信号的通信包括基于幅度与cos(θ_k-ε)的乘积设置所述第一放大器的增益，以及使用所述第二通信路径进行所述第二信号的通信包括基于所述幅度与sin(θ_k+ε)的乘积设置所述第二放大器的增益，其中，ε表示π·l·sin(θ₀)/λ，θ_k表示2π·(k-1)·d·sin(θ₀)/λ；

其中，给定的天线单元对中的天线单元之间的间隔为l，所述多个天线单元对中的相邻天线单元对之间的间隔为d，θ₀表示所述波束图的主瓣，λ表示与所述第一信号和所述第二信号相关的波长，k表示整数。

2.根据权利要求1所述的方法，其中：

进行所述第一信号的通信包括从所述给定的天线单元对中的第一天线单元接收所述第一信号并将所述第一信号提供给所述第一通信路径；以及

进行所述第二信号的通信包括从所述给定的天线单元对中的第二天线单元接收所述第二信号并将所述第二信号提供给所述第二通信路径。

3.根据权利要求1所述的方法，其中：

进行所述第一信号的通信包括从所述第一通信路径接收所述第一信号并将所述第一信号提供给所述给定的天线单元对中的第一天线单元；以及

进行所述第二信号的通信包括从所述第二通信路径接收所述第二信号并将所述第二信号提供给所述给定的天线单元对中的第二天线单元。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述波束图包括接收波束图或发射波束图。

5.一种用于波束成形的设备，包括：

天线单元的平面阵列，其中，所述天线单元被分组成多个子阵列；

波束成形电路，包括多个放大器，对于所述多个子阵列中的每个子阵列，所述波束成形电路用于与所述子阵列中的第一天线单元进行第一信号的通信以及与所述子阵列中的第二天线单元进行第二信号的通信，其中，所述第一信号和所述第二信号相互正交；以及

控制器，用于调节所述多个放大器的增益，以调节与所述阵列相关的波束图的方向性；

所述多个放大器包括第一放大器和第二放大器，其中，所述第一放大器具有第一增益，所述第二放大器具有第二增益；

所述第一增益基于幅度与cos(θ_k-ε)的乘积，所述第二增益基于所述幅度与sin(θ_k+ε)的乘积，其中，ε表示π·l·sin(θ₀)/λ，θ_k表示2π(k-1)dsin(θ₀)/λ；

其中，给定的子阵列中的天线单元之间的间隔为l，相邻的子阵列之间的间隔为d，θ₀表示所述波束图的主瓣，λ表示与所述第一信号和所述第二信号相关的波长，以及k表示整数。

6.根据权利要求5所述的设备，其中，所述多个放大器包括功率放大器。

7.根据权利要求5所述的设备，其中，所述多个放大器包括低噪声放大器。

8.根据权利要求5至7中任一项所述的设备，其中，对于所述多个子阵列中的每个子阵列，所述波束成形电路还包括：

相关的固定移相器。

9.根据权利要求8所述的设备，其中，所述固定移相器包括九十度固定移相器。

10.一种用于波束成形的设备，包括：

无线电装置；

耦合到所述无线电装置的相控阵天线，所述相控阵天线用于辐射电磁能以及感测辐射的电磁能，所述相控阵天线包括：

成对布置的天线单元的平面阵列，其中，每个天线单元对与幅度值和相位值相关，所述幅度值和所述相位值与天线波束图相关；

波束成形电路，对于所述天线单元中给定的天线单元对，所述波束成形电路包括：

第一通信路径，用于与所述给定的天线单元对中的第一单元进行第一信号的通信，

所述第一通信路径包括第一放大器；

第二通信路径，用于与所述给定的天线单元对中的第二单元进行第二信号的通信，

所述第二通信路径包括第二放大器；以及

至少一个固定移相器，布置在所述第一通信路径和所述第二通信路径之一中，所述至少一个固定移相器用于使所述第一信号和所述第二信号相互正交；以及

控制器，对于所述给定的天线单元对，所述控制器用于设置所述第一放大器的第一增益以及设置所述第二放大器的第二增益，以调节所述天线波束图的方向性；

所述第一增益与所述第二增益之比为cos(θ_k-ε)/sin(θ_k+ε)，其中，ε表示π·l·sin(θ₀)/λ，θ_k表示2π(k-1)dsin(θ₀)/λ；

其中，所述给定的天线单元对中的天线单元之间的距离为l，相邻的天线单元对之间的间隔为d，θ₀表示所述波束图的主瓣，λ表示与所述第一信号和所述第二信号相关的波长，以及k表示整数。

11.根据权利要求10所述的设备，其中，所述天线波束图包括发射波束图或接收波束图。

12.根据权利要求10所述的设备，还包括：

波束成形引擎，用于在信标间隔的第一部分中使用相控天线阵列与无线站进行通信，以确定将在所述信标间隔的第二部分中使用的所述天线波束图的主瓣。

13.根据权利要求10所述的设备，其中，所述至少一个固定移相器包括固定九十度移相器。

14.根据权利要求10至13中任一项所述的设备，其中，所述相控阵天线包括连续相控阵天线或数字相控阵天线。

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