CN111193114B - 天线装置及校正天线装置的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种天线装置及校正天线装置的方法，所述方法包括：通过第一天线单元和第二天线单元来传送或接收信号。通过探测器以自第一天线单元及第二天线单元接收信号或传送信号至第一天线单元及第二天线单元，其中第一天线单元及第二天线单元分别与探测器相距第一距离。根据对应于第一距离的信号的差频来校正第一天线单元及第二天线单元。

Description

天线装置及校正天线装置的方法

技术领域

本公开涉及一种天线装置及校正天线装置的方法。

背景技术

随着科技的进步，使用毫米波(Millimeter Wave，简称mmWave)的无线通信技术依然存在一些技术困难。基本上，首先需要面对的问题在于，毫米波的传播过程中可能遇到波能严重衰减。上述问题跟毫米波通信系统操作于高频带并使用相当大的带宽进行通信有非常大的关联。进一步来说，相较于现今普遍使用的第三代(3G)或第四代(4G)通信系统，毫米波通信系统使用相对高频的频段来进行通信。可以知道的是，接收器所接收到的电磁波能量强弱会与信号传送距离的平方成反比并与电磁波信号的波长成正比，于是毫米波通信系统将会因为使用短波长的高频信号而大幅增加信号能量衰减的幅度。并且，高频信号的使用也将造成天线孔径骤降，并可能导致毫米波通信系统中的传送信号的信号能量递减。因此，为了确保通信质量，毫米波通信系统中的收发器通常需要使用到多天线波束成形技术来改善信号能量衰减用以增益收发信号的效能。

多天线波束成形技术是在基站/使用者设备上设置包括多个天线单元的天线装置(例如：主动式相位阵列天线(Active Phased Array Antenna))，藉由控制这些天线单元让基站/使用者设备可产生具有指向性的波束。藉由天线装置所达成的波束成形技术是影响毫米波无线通信系统的效能的关键因素之一。为了准确地调整波束的形状和方向，在调整对应天线单元的振幅和相位前，用以馈入射频信号至天线单元的路径上的电性差异(Electrical Difference)需被校正。传统上，可以使用近场探棒(Near-Field Probe)测量每一个天线单元的辐射功率密度以校正天线单元，亦或是竭尽式地(Exhaustively)测量每一天线单元在每一不同相位时的电压以制作查找表，并通过查找表来校正各个天线单元。然而，传统的校正方法存在许多缺点，例如，使用近场探棒的校正方法仅能在有限的场地(例如：合格的电子装置校正实验室)执行。另一方面，当天线单元总数过多时，使用查找表的校正方法将耗费大量的计算机运算量。

发明内容

为了更有效率地执行天线装置的在线校正(On-Line Calibration)，本公开提供一种天线装置及校正天线装置的方法。

本公开提供一种天线装置，包括天线阵列以及控制电路。天线阵列包括第一天线单元、第二天线单元以及探测器。第一天线单元以及第二天线单元用于传送或接收信号。探测器用于自第一天线单元及第二天线单元接收信号或传送信号至第一天线单元及第二天线单元，其中第一天线单元及第二天线单元分别与探测器相距第一距离。控制电路耦接天线阵列，并且根据对应于第一距离的信号的差频来校正第一天线单元及第二天线单元。

本公开的提供一种校正天线装置的方法，所述方法包括：通过第一天线单元和第二天线单元来传送或接收信号。通过探测器以自第一天线单元及第二天线单元接收信号或传送信号至第一天线单元及第二天线单元，其中第一天线单元及第二天线单元分别与探测器相距第一距离。根据对应于第一距离的信号的差频来校正第一天线单元及第二天线单元。

基于上述，本公开的校正天线装置的方法可以在具有背景信号噪声的场地执行，并且不需测量每一天线单元在每一不同相位时的电压以制作查找表，故该方法可节省大量的计算机运算量。

为让本公开的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。

附图说明

图1根据本公开的实施例绘示天线装置的示意图。

图2根据本公开的实施例更进一步地绘示天线装置的示意图。

图3A、3B根据本公开的实施例绘示校正一对天线单元时的天线阵列的示意图。

图4根据本公开的实施例绘示计算调频连续波的差频的示意图。

图5A根据本公开的实施例绘示干涉波信号的建设性干涉的示意图。

图5B根据本公开的实施例绘示干涉波信号的破坏性干涉的示意图。

图6A、6B根据本公开的实施例绘示同时校正两对天线单元时的天线阵列的示意图。

图7根据本公开的实施例绘示校正天线装置的方法的流程图。

【符号说明】

10：天线装置

100：天线阵列

110、120、130、140、150、160、170：天线单元

200：探测器

300：控制电路

310：基带电路

320：收发器

330：多工器

70：校正天线装置的方法

B：调频连续波的扫描带宽

d：第一距离

d2：第二距离

d3：第三距离

fb：差频

max：预设最大值

min：预设最小值

P1：基带电路至第一天线单元的路径

P2：基带电路至第二天线单元的路径

S1、S1'：信号

S2、S2'：第二信号

S3、S3'：第三信号

S710、S720、S730：步骤

T：调频连续波的周期

t：时间间隔

具体实施方式

为了更有效率地执行天线装置的在线校正，本公开提供一种天线装置及校正天线装置的方法，其可用以校正天线阵列上的一或多对天线单元。

图1根据本公开的实施例绘示天线装置10的示意图。天线装置10可包括天线阵列100以及控制电路300，其中控制电路300耦接于天线阵列100。控制电路300可例如是由中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，或是其他可编程的一般用途或特殊用途的微处理器(Microprocessor)、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、可编程控制器、特殊应用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)或其他类似元件或上述元件的组合实施，本公开不限于此。

天线阵列100可包括第一天线单元110、第二天线单元120以及探测器200。天线阵列100上的天线单元的数量可由使用者视其所使用的波束成形的需求而调整，本公开不限于此。第一天线单元110、第二天线单元120以及天线阵列100上的每一个天线单元可用于传送或接收信号(例如：无线射频信号)。探测器200可用于自第一天线单元110及第二天线单元120接收信号或传送信号至第一天线单元110及第二天线单元120。

在本实施例中，天线单元以成对的方式被校正。以第一天线单元110和第二天线单元120为例，当进行天线装置10的校正时，若第一天线单元110以及第二天线单元120被用于传送校正用的信号，则探测器200被用于自第一天线单元110及第二天线单元120接收校正用的信号，而控制电路300则根据探测器200所接收到的信号对第一天线单元110和第二天线单元120进行校正。反之，若第一天线单元110以及第二天线单元120被用于接收校正用的信号，则探测器200被用于传送校正用的信号至第一天线单元110及第二天线单元120，而控制电路300则根据第一天线单元110和第二天线单元120所接收的信号对第一天线单元110和第二天线单元120进行校正。为便于说明，以下的实施例中，第一天线单元110以及第二天线单元120将被用于传送校正用的信号，并且探测器200将被用于自第一天线单元110及第二天线单元120接收校正用的信号，但本公开不限于此。

图2根据本公开的实施例更进一步地绘示天线装置10的示意图。如图2所示，控制电路300可包括基带电路310，而基带电路310与第一天线单元110或第二天线单元120之间还可能存在其他的电路，诸如收发器320以及多工器330等，本公开不限于此。第一天线单元110及第二天线单元120分别与探测器200相距第一距离d。举例来说，探测器200可设置于天线阵列100的中心位置，如图3A、3B所示。图3A、3B根据本公开的实施例绘示校正一对天线单元(即：第一天线单元110和第二天线单元120)时的天线阵列100的示意图。当进行校正时，天线装置10可启用(Enable)对称于探测器200的一对天线单元(即：第一天线单元110和第二天线单元120)并且禁用(Disable)天线阵列100上的其他天线单元。换句话说，当进行校正时，天线装置10可启用分别与探测器200相距相同的距离(即：如图2所示的第一距离d)的第一天线单元110和第二天线单元120，从而进行第一天线单元110和第二天线单元120的校正。

回到图2，当使用天线阵列100的第一天线单元110和第二天线单元120传送信号时，由基带电路310所传送的基带信号可经由基带电路310与第一天线单元110之间的路径P1传送至第一天线单元110，并可经由基带电路310与第二天线单元120之间的路径P2传送至第二天线单元120。另一方面，当使用天线阵列100的第一天线单元110和第二天线单元120接收信号时，由第一天线单元110所接收的射频信号可经由路径P1传送至基带电路310，并且由第二天线单元120所接收的射频信号可经由路径P2传送至基带电路310。

一般来说，由于第一天线单元110及第二天线单元120两者都与探测器200相距第一距离d，因此，当使用第一天线单元110及第二天线单元120传送相同的基带信号(即：校正用的基带信号)时，探测器200自第一天线单元110所接收的信号(校正用的射频信号)S1与探测器200自第二天线单元120所接收的信号(校正用的射频信号)S1'的相位或振幅应该相同。然而，路径P1和路径P2可能分别具有不同的电子元件，而不同电子元件之间的差异会造成路径P1和路径P2之间的电性差异，从而导致第一天线单元110所辐射出的信号的相位或振幅不同于第二天线单元120所辐射出的信号的相位或振幅。因此，在天线装置10未进行校正前，探测器200自第一天线单元110所接收的信号S1可能与探测器200自第二天线单元120所接收的信号S1'不同。

为了校正天线装置10以使探测器200自第一天线单元110所接收的信号S1与探测器200自第二天线单元120所接收的信号S1'相同，本公开提出了一种利用调频连续波(Frequency-Modulated Continuous-Wave，FMCW)的差频(Beat Frequency)的特性来校正第一天线单元110和第二天线单元120的方法。图4根据本公开的实施例绘示计算调频连续波的差频的示意图。

根据图4，假设一调频连续波的周期为T、调频连续波的扫描带宽(SweepFrequency)为B并且传送端(例如：第一天线单元110或第二天线单元120)传送所述调频连续波的时间点与接收端(例如：探测器200)接收所述调频连续波的时间点相距的时间间隔为t秒，则可根据以下的公式推导出调频连续波的差频fb：

t＝d/c…公式(1)

t/T＝fb/B…公式(2)

fb＝(B*d)/(c*T)…公式(3)

其中c为光速、d为调频连续波的传送端(例如：第一天线单元110或第二天线单元120)和接收端(例如：探测器200)之间的距离(例如：第一距离d)。由公式(3)可知，在距离d不变且所使用的调频连续波不变(即：调频连续波的周期T和扫描带宽B不变)的情况下，差频fb并不会改变。据此，如图1或图2所示的控制电路300可基于上述差频fb不变的特性，以根据对应于第一距离d的信号的差频来校正第一天线单元110及第二天线单元120。基于上述，本公开的校正天线装置的方法即使在具有背景信号噪声的情况下执行，也可基于差频fb不变的特性而准确地进行校正。因此，本发明的方法可在任意的场地执行，不需将执行的地点限定为合格的电子装置校正实验室。

具体来说，由于第一天线单元110和第二天线单元120都与探测器200相距第一距离d，故在天线装置10已经校正完成的情况下(即：使用第一天线单元110以及第二天线单元120传送同一基带信号时，第一天线单元110所辐射出的射频信号与第二天线单元120所辐射出的射频信号两者的相位或振幅相同)，第一天线单元110所传送至探测器200的信号S1的相位和第二天线单元120所传送至探测器200的信号S1'的相位应相同。如此，信号S1与信号S1'可产生建设性干涉(Constructive Interference)，并且信号S1与信号S1'在探测器200处所产生的干涉波信号会在差频fb处产生最大的振幅。换句话说，若欲对天线装置10进行校正，则控制电路300可调整第一天线单元110或第二天线单元120的相位(或振幅)以使得探测器200所接收的信号(即：信号S1与信号S1'在探测器200处所产生的干涉波信号)在差频fb处达到一个预设最大值。

图5A根据本公开的实施例绘示干涉波的建设性干涉的示意图。请同时参照图2和图5A。在本实施例中，假设第一天线单元110与第二天线单元120分别与探测器200相距第一距离d，且第一距离d对应的差频fb为fb＝0.27MHz。因此，当控制电路300欲对第一天线单元110与第二天线单元120进行校正时，控制电路300可调整第一天线单元110或第二天线单元120的相位(或振幅)以使得探测器200所接收的信号(即：信号S1与信号S1'在探测器200处所产生的干涉波信号)在差频fb＝0.27mHZ处达到一个预设最大值max。

在一些实施例中，控制电路300也可以对第一天线单元110和第二天线单元120进行校正，以使得第一天线单元110所辐射出的信号与第二天线单元120所辐射出的信号两者的相位相反(即：相位差为180度)。如此，信号S1与信号S1'可产生破坏性干涉(DestructiveInterference)，并且信号S1与信号S1'在探测器200处所产生的干涉波信号会在差频fb处产生最小的振幅。亦即，控制电路300可调整第一天线单元110或第二天线单元120的相位(或振幅)以使得探测器200所接收的信号(即：信号S1与信号S1'所产生的干涉波信号)在差频fb处达到一个预设最小值min。换句话说，控制电路300可调整第一天线单元110或第二天线单元120的相位(或振幅)以使得探测器200所接收的信号在差频fb处达到一个任意的预设值。在一些实施例中，当控制电路300使探测器200所接收的信号在差频fb处达到的预设最大值max时，可代表天线装置10欲将第一天线单元110及第二天线单元120校正为具有相同的相位。另一方面，当控制电路300使探测器200所接收的信号在差频fb处达到预设最小值min时，可代表天线装置10欲将第一天线单元110及第二天线单元120校正为具有相反的相位。依此类推，使用者可以根据其需求而任意地设定所述预设值，以校正具有相同/不同相位的第一天线单元110及第二天线单元120。

图5B根据本公开的实施例绘示干涉波信号的破坏性干涉的示意图。请同时参照图2和图5B。在本实施例中，假设第一天线单元110与第二天线单元120分别与探测器200相距第一距离d，且第一距离d对应的差频fb为fb＝0.27MHz。因此，当控制电路300欲对第一天线单元110与第二天线单元120进行校正以使得第一天线单元110所辐射出的信号与第二天线单元120所辐射出的信号两者的相位相反时，控制电路300可调整第一天线单元110或第二天线单元120的相位(或振幅)以使得探测器200所接收的信号(即：信号S1与信号S1'在探测器200处所产生的干涉波信号)在差频fb＝0.27MHz处达到一个预设最小值min。

在一些实施例中，天线装置10可基于一定的顺序对天线阵列100上的所有天线单元进行校正，以最小化校正整个天线阵列100所需耗费的流程。举例来说，在校正第一天线单元110和第二天线单元120时，天线阵列100上的各个天线单元中，仅有第一天线单元110和第二天线单元120是被启用的(如图3A所示)，其余的天线单元则是被禁用的。在控制电路300校正完第一天线单元110和第二天线单元120后，控制电路300可禁用第二天线单元120并启用与探测器200也相距第一距离d的第三天线单元130(即：第三天线单元130与探测器200之间的距离与第一天线单元110与探测器200之间的距离相同)，以使天线阵列100上的天线单元中，仅有第一天线单元110和第三天线单元130是被启用的(如图3B所示)。如此，控制电路300可根据对应已校正的第一天线单元110和尚未校正的第三天线单元130的差频来校正第三天线单元130。具体来说，控制电路300可调整第三天线单元130以使得由第三天线单元130所传送的信号S1'的相位与由第一天线单元110所传送的信号S1的相位相同。

在一些实施例中，控制电路300可同时针对天线阵列100上的两对(或以上)天线单元进行校正。如先前所述，在第一天线单元110和第二天线单元120分别与探测器200相距相同的距离(即：第一距离d)时，控制电路300可藉由调整第一天线单元110和第二天线单元120的相位(或振幅)以使信号S1和信号S1'在探测器200处所产生的干涉波信号在对应第一距离d的差频fb处达到一个预设最大值。因此，若有第一对天线单元分别与探测器200相距第一距离d，则控制电路300便可利用对应于第一距离d的差频fb对第一对天线单元进行校正。换句话说，若有第二对天线单元分别与探测器200相距不同于第一距离d的第二距离d2时，则控制电路300可以在利用对应于第一距离d的差频fb对第一对天线单元进行校正的同时，利用对应于第二距离d2的差频(其不同于对应第一距离d的差频fb)对第二对天线单元进行校正。

图6A、6B根据本公开的实施例绘示同时校正两对天线单元时的天线阵列100的示意图。请参考图6A，在本实施例中，天线阵列100还包括用于传送(或接收)第二信号S2及S2'的第四天线单元140以及第五天线单元150，其中在对第四天线单元140以及第五天线单元150进行校正前，第二信号S2与第二信号S2'可能不相同。第四天线单元140以及第五天线单元150分别与探测器200相距第二距离d2，并且第二距离d2不同于第一距离d。控制电路300可在校正第一天线单元110和第二天线单元120的同时，根据对应于第二距离d2的第二信号(即：第二信号S2及第二信号S2')的第二差频来校正第四天线单元140以及第五天线单元150，其中对应于第二距离d2的第二信号的第二差频不同于对应于第一距离d的信号的差频fb。

在图6B中，天线阵列100还包括用于传送(或接收)第三信号S3及S3'的第六天线单元160以及第七天线单元170，其中第六天线单元160以及第七天线单元170分别与探测器200相距第三距离d3，并且第三距离d3不同于第一距离d。类似于图6A的实施例，控制电路300可在校正第一天线单元110和第二天线单元120的同时，根据对应于第三距离d3的第三信号(即：第三信号S3及第三信号S3')的第三差频来校正第六天线单元160以及第七天线单元170，其中对应于第三距离d3的第三信号的第三差频不同于对应于第一距离d的信号的差频fb。

图7根据本公开的实施例绘示校正天线装置的方法70的流程图，其中方法70可由如图1或图2所示的天线装置10实施。在步骤S710，通过第一天线单元和第二天线单元来传送或接收信号。在步骤S720，通过探测器以自第一天线单元及第二天线单元接收信号或传送信号至第一天线单元及第二天线单元，其中第一天线单元及第二天线单元分别与探测器相距第一距离。在步骤S730，根据对应于第一距离的信号的差频来校正第一天线单元及第二天线单元。

综上所述，本公开可根据天线单元的信号与探测器的信号的差频来校正天线阵列中的成对天线单元的相位。当天线阵列具有多对天线单元时，本公开可同在同一时间校正多对天线单元，藉以加快校正过程。本公开的方法可以在具有背景信号噪声的场地执行，并且可节省大量的计算机运算量。

虽然本公开已以实施例公开如上，然其并非用以限定本公开，本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本公开的保护范围当视所附权利要求书界定范围为准。

Claims (10)

1.一种天线装置，其特征在于，包括：

天线阵列，包括：

第一天线单元以及第二天线单元，用于传送或接收第一信号，其中所述第一信号为调频连续波；以及

探测器，用于自所述第一天线单元及所述第二天线单元接收所述第一信号或传送所述第一信号至所述第一天线单元及所述第二天线单元，其中所述第一天线单元及所述第二天线单元分别与所述探测器相距第一距离；以及

控制电路，耦接所述天线阵列，所述控制电路根据对应于所述第一距离的所述第一信号的第一差频来校正所述第一天线单元及所述第二天线单元。

2.如权利要求1所述的天线装置，其中根据对应于所述第一距离的所述第一信号的第一差频来校正所述第一天线单元及所述第二天线单元的步骤包括：

调整所述第一信号以使所述第一信号在所述第一差频达到预设最大值及预设最小值的其中之一。

3.如权利要求1所述的天线装置，其中所述天线阵列还包括与所述探测器相距所述第一距离且用于传送或接收所述第一信号的第三天线单元，并且所述控制电路还经配置以执行：

在校正完所述第一天线单元和所述第二天线单元后禁用所述第二天线单元；以及

根据对应所述第一天线单元和所述第三天线单元的所述第一差频来校正所述第三天线单元。

4.如权利要求1所述的天线装置，其中所述天线阵列还包括：

第四天线单元，用于传送或接收第二信号；以及

第五天线单元，用于传送或接收所述第二信号，其中所述第四天线单元和所述第五天线单元分别与所述探测器相距第二距离，并且所述第二距离不同于所述第一距离，其中

所述控制电路在校正所述第一天线单元及所述第二天线单元的同时，根据对应于所述第二距离的所述第二信号的第二差频来校正所述第四天线单元及所述第五天线单元。

5.如权利要求4所述的天线装置，其中所述第二信号为调频连续波。

6.一种校正天线装置的方法，其特征在于，包括：

通过第一天线单元和第二天线单元来传送或接收第一信号，其中所述第一信号为调频连续波；

通过探测器以自所述第一天线单元及所述第二天线单元接收所述第一信号或传送所述第一信号至所述第一天线单元及所述第二天线单元，其中所述第一天线单元及所述第二天线单元分别与所述探测器相距第一距离；以及

根据对应于所述第一距离的所述第一信号的第一差频来校正所述第一天线单元及所述第二天线单元。

7.如权利要求6所述的方法，其中根据对应于所述第一距离的所述第一信号的第一差频来校正所述第一天线单元及所述第二天线单元的步骤包括：

调整所述第一信号以使所述第一信号在所述第一差频达到预设最大值。

8.如权利要求6所述的方法，还包括：

在校正完所述第一天线单元和所述第二天线单元后禁用所述第二天线单元；

通过第三天线单元来传送或接收所述第一信号；以及

根据对应所述第一天线单元和所述第三天线单元的所述第一差频来校正所述第三天线单元。

9.如权利要求6所述的方法，还包括：

通过第四天线单元和第五天线单元来传送或接收第二信号，其中所述第四天线单元及所述第五天线单元分别与所述探测器相距第二距离，并且所述第二距离不同于所述第一距离；以及

在校正所述第一天线单元及所述第二天线单元的同时，根据对应于所述第二距离的所述第二信号的第二差频来校正所述第四天线单元及所述第五天线单元。

10.如权利要求9所述的方法，其中所述第二信号为调频连续波。

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