CN112219315A - 用于移动设备的混合毫米波fem架构 - Google Patents

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Abstract

一种用于移动设备的电子电路，该电子电路包括功分器和混合天线阵列，所述混合天线阵列通过所述功分器耦合到收发器。所述混合天线阵列包括设置在前端模块上的转向波束相控阵列天线，和设置在所述前端模块上或分布在PCB上的固定波束天线。所述固定波束天线可以用于移动设备的空间限制区域，例如在所述设备的一侧的显示器附近的区域，而较大的转向波束相控阵列天线用于设备的背侧。

Description

用于移动设备的混合毫米波FEM架构
相关申请案交叉申请
本申请要求于2018年6月7日提交、申请号为16/002,212、发明名称为“用于移动设备的混合毫米波FEM架构”的美国非临时专利申请的优先权，该非临时专利申请的公开内容通过引用并入本文。
技术领域
本公开大体上涉及用于移动设备的第五代(fifth generation，5G)无线系统中的有源天线和前端模块(front-end module，FEM)配置。
背景技术
5G新空口(5G New Radio，5G NR)是5G无线系统的空中接口，并且包括移动设备与有源基站之间的电路的射频部分。5G NR使用sub-6GHz频率和毫米波(millimeterwavelength，mmWave)频率，毫米波频率通常被认为是大约在30GHz与300GHz之间频谱带。转向波束相控阵列通常用于5G新空口的毫米波移动通信和801.11ad和802.11ay的短程通信。转向波束相控阵列天线解决方案具有以下优点：天线波束窄和天线方向可主动转向、发射和接收天线阵列增益，以及发射(Tx)空间功率合并增益。但是，相控阵列解决方案不断增加尺寸(使用更多的天线阵元和更多的电路元件)来获得阵列增益和功率增益。在移动设备中，空间是非常宝贵的，传统的转向波束相控阵列天线解决方案在移动设备内的物理占地面积方面以及与基站或接入点保持链路方面都存在问题。
发明内容
根据本公开的一方面，提供了一种移动设备，该移动设备包括壳体。移动设备还包括设置在壳体中的调制解调器。移动设备还包括耦合到壳体中的调制解调器的毫米波收发器。移动设备还包括耦合到收发器的混合天线阵列，混合天线阵列包括至少一个转向波束相控阵列天线和至少一个固定波束天线。
实现方式可以包括以下特征中的一个或多个。可以将移动设备配置为混合天线阵列包括至少一个垂直极化的转向波束相控阵列天线或至少一个水平极化的转向波束相控阵列天线。可以将移动设备配置为混合天线阵列包括至少一个垂直极化的固定波束天线或至少一个水平极化的固定波束天线。可以将移动设备配置为混合天线阵列设置在单个设备中。可以将移动设备配置为壳体包括第一侧和第二侧，第一侧具有显示器，其中，至少一个固定波束天线设置在第一侧除显示器外的区域中。可以将移动设备配置为固定波束天线耦合到发射功率放大器和接收低噪声放大器，发射功率放大器和接收低噪声放大器耦合到天线，发射功率放大器的输出功率大于附接到转向波束相控阵列天线的阵元的输出功率放大器的输出功率。可以将移动设备配置为转向波束相控阵列天线包括移相器、输出功率放大器、接收低噪声放大器和开关元件，该开关元件将移相器耦合到低噪声放大器或输出功率放大器。可以将移动设备配置为收发器和天线阵列设置在单个模块中。
根据本公开的另一方面，提供了一种用于移动设备的电子电路，该电子电路包括功分器。电子电路还包括通过功分器耦合到毫米频谱收发器的混合天线阵列，混合天线阵列包括设置在前端模块上的至少一个转向波束相控阵列天线和至少一个固定波束天线。
实现方式可以包括以下特征中的一个或多个。可以将电子电路配置为固定波束天线包括发射功率放大器和接收低噪声放大器，发射功率放大器和接收低噪声放大器耦合到天线端口。可以将电子电路配置为所提供的至少一个转向波束相控阵列天线设置在前端模块上，并且至少一个固定波束天线设置在前端模块上。可以将电子电路配置为转向波束相控阵列天线包括移相器、输出功率放大器、接收低噪声放大器和开关元件，该开关元件将移相器耦合到低噪声放大器，发射功率放大器的输出功率大于附接到转向波束相控阵列天线的阵元的输出功率放大器的输出功率。可以将电子电路配置为混合天线阵列包括至少一个垂直极化的转向波束相控阵列天线或至少一个水平极化的转向波束相控阵列天线，以及至少一个垂直极化的固定波束天线或至少一个水平极化的固定波束天线。可以将电子电路配置为至少一个转向波束相控阵列天线设置在前端模块上，并且至少一个固定波束天线设置在第二前端模块上。可以将电子电路配置为混合天线阵列包括至少一个垂直极化的转向波束相控阵列天线或至少一个水平极化的转向波束相控阵列天线；可以将第二前端模块配置为混合天线阵列包括至少一个垂直极化的固定波束天线或至少一个水平极化的固定波束天线。可以将电子电路配置为至少一个转向波束相控阵列天线设置在前端模块上，并且至少一个固定波束天线设置在PCB板上。可以将电子电路配置为混合天线阵列包括至少一个垂直极化的转向波束相控阵列天线或至少一个水平极化的转向波束相控阵列天线，并且设置在PCB板上的固定波束天线包括至少一个垂直极化的固定波束天线或至少一个水平极化的固定波束天线。
根据本公开的又一个方面，提供了一种电子电路，该电子电路设置在模块中，该电子电路包括毫米波频谱调制解调器。该电子电路还包括耦合到调制解调器的毫米波收发器。该电子电路还包括耦合到收发器的混合天线阵列，该混合天线阵列包括至少一个转向波束相控阵列天线和至少一个固定波束天线。
实现方式可以包括以下特征中的一个或多个。可以将电子电路配置为固定波束天线包括功率放大器和低噪声放大器，功率放大器的输出功率大于附接到转向波束相控阵列天线的阵元的功率放大器的输出功率。可以将电子电路配置为电路设置在壳体中，该壳体包括第一侧和第二侧，第一侧具有显示器，其中，至少一个固定波束天线设置在第一侧除显示器外的区域中。
提供本发明内容是为了以简化的形式介绍在以下具体实施方式中进一步描述的一些概念。本发明内容不旨在识别所要求保护的主题的关键特征或基本特征，也不旨在用于帮助确定所要求保护的主题的范围。所要求保护的主题不限于解决背景技术中所指出的任何或所有缺点的实现方式。
附图说明
本公开的各个方面通过示例的方式示出，并且不由附图限制，附图中相同的附图标记表示相同的元件。
图1A示出了移动设备的第一前侧和位于设备的有限非屏幕区域中的天线结构。
图1B为沿图1A中的线1B-1B的截面，示出了移动处理设备的内部。
图2示出了图1的移动设备的第二背侧，以及相对于设备的第二侧定位的前端模块和天线结构。
图3为图1和2的移动设备的部件的框图。
图4为本技术提供的前端模块和天线结构的框图。
图5为转向波束相控阵列结构的示意图。
图6A为第一混合相控阵列和固定波束单振子天线结构的示意图。
图6B为第二混合相控阵列和固定波束天线结构的示意图。
图7为第三混合相控和固定波束结构的示意图。
具体实施方式
参考附图描述本公开，本公开大体上涉及用于移动设备的第五代(fifthgeneration，5G)无线系统或其它移动毫米波通信系统(包括但不限于802.11ad和802.11ay)中的天线和前端模块(front-end module，FEM)配置。如本文所使用的，前端可以包括一个或多个前端模块(front endmodule，FEM)，其中，模块被视为包括至少收发器和天线阵列的一组元件的任何物理封装。每个模块可以包括一个或多个转向波束相控阵列天线、混合天线阵列和一个或多个固定波束天线。该技术提供了一种前端模块，该前端模块将相控阵列天线、固定波束天线和混合天线阵列中的一个或多个组合在一起。使用不同天线技术的毫米波和天线前端(每个毫米波和天线前端用不同的半导体处理技术进行制造)使得所公开的解决方案能够满足5G或毫米波频谱中实现的其它技术所需的链路预算，同时保持整体解决方案的低成本。在因空间限制了性能的情况下，解决方案中使用固定波束天线，在空间不限制的情况下，解决方案中使用相控阵列天线。如本文中所描述的，混合天线阵列可以设置在单个模块(封装天线(Antenna in a Package，AIP))中、多个模块(AIP)，或者移动设备的印刷电路板(Printed Circuit Board，PCB)板上具有天线的模块(AIP)中。
为了应对毫米波频谱中信号站的损失，5G用户设备(User Equipment，UE)和毫米波基站(gNB)一般建立高度定向的传输链路，通常使用相控阵列天线。但是，定向链路要求发射机和接收机的波束精确对准，这通过称为波束管理的一组操作来实现。此外，相控阵列天线需要一个波束多个天线振子，以便增加增益并提供输入和输出波束转向。相控阵列天线要求不受阻碍地暴露在移动设备壳体区域，这样它们的输入和输出波束就不会受到干扰。这使得在移动设备中不利于使用相控阵列，因为移动设备的一个侧几乎完全由显示器占据。
将毫米波应用于移动设备的一个主要挑战是毫米波传播中的高衰减。在毫米波频段，功率放大器输出功率和效率较低，低噪声放大器的噪声系数一般较高。本技术提供一种包括混合天线的FEM，该FEM允许一个或多个固定波束元件定位在例如移动设备的显示器侧的空间限制的区域中，而比固定波束天线大的相控阵列天线可以定位在移动设备的空间限制较小的区域中。这在图1和图2中示出。图1A示出了具有壳体102的移动处理设备100。
图1示出了具有显示器区域150的移动处理设备100的第一前侧120。第一前侧120由四个边缘侧112、114、116、118限定，四个边缘侧可以形成为具有如图1B中所示出的弧形横截面。在另一替代方案中，边缘侧112、114、116和118可以具有平面横截面。显示器区域150可以包括移动处理设备中常用的触敏显示器。第一前侧120包括一个或多个非显示器区域125，非显示器区域125邻近并限定显示器区域150。图2中所示出的第二背侧130通常由非显示器区域组成。第二背侧130由四个边缘侧112、114、116、118限定，并且可以由与第二背侧130相同的材料或不同的材料形成。壳体102包括内腔105，内腔105容纳图3中所示出的和其它部件。
图1B是沿图1A中的线1B-1B的横截面。图1B结合图1A和图2示出了固定波束天线和相控阵列天线的放置。结合图4至图7公开了混合天线阵列的各种实施例。图7所示出的一个这种混合天线阵列包括固定波束天线422/424和相控阵列天线426/428。如图1B和图2所示，一个或多个毫米波相控阵列天线可以在非显示器区域中邻接或紧邻移动处理设备100的第二背侧130。如图1B所示，相控阵列天线设置在模块或封装422a中，该模块或封装422a邻接与壳体的背侧130相对的内腔表面。固定波束天线424包括一个或多个天线振子610a至610d。如图所示，固定波束天线422/424可以邻接或紧邻移动处理设备100的第一前表面设置在非显示器区域125中。在该图中，天线振子610a至610d定位在内腔105中，在非显示器区域125(第一侧除显示器外的区域)下方邻接或紧邻壳体的前侧120。固定波束天线振子610a至610d包括一个或几个天线振子，其占地面积通常小于较大的相控阵列天线。将这种固定波束天线和转向波束相控阵列组合成混合结构用于5G NR设备和其它类型的毫米波移动通信设备是有利的，因为它允许将固定波束天线振子放置在设备壳体的空间限制的区域中，同时允许在设备的空间限制较小的区域中使用相控阵列天线。
图3示出了5G NR移动设备的典型架构的示例。移动处理设备100具有存储器310、物理连接器320、处理器340、输入/输出(input/output，I/O)控制器350、蜂窝无线信道370和功率控制器390。这些部件中的每一个通过一个或多个系统总线(未示出)连接。
耦合到处理器340的存储器310包括移动处理设备的操作系统312、应用程序314和天线控制器315。存储器310可以是任何种类的存储器存储介质类型，包括非易失性和易失性存储器。操作系统312处理移动处理设备100的不同操作，并且可以包含用于例如发出和接收电话、文本消息、检查语音邮件等操作的用户界面。应用程序314可以是任何种类的程序，例如用于照片和/或视频的相机应用程序、通讯录应用程序、日历应用程序、媒体播放器、互联网浏览器、游戏等。
操作系统312管理移动处理设备100的硬件，包括例如显示器/触摸屏150a(占据图1中的显示器区域150)、扬声器104、麦克风302等硬件。操作系统312还管理移动处理设备300上的软件(即，应用程序314)，用于执行用户所请求的任务并处理传入的数据。这通过操作系统对内存(即，RAM)、系统任务、系统资源、文件系统等的控制和分配来实现。处理器340根据这种控制和分配对移动处理设备执行操作。
移动处理设备100的功率控制器390将移动处理设备电源392的功率分配到用于操作移动处理设备100及其不同特征的不同移动处理设备部件的电路。
此外，物理连接器320可以用于将移动处理设备100连接到外部电源，例如AC适配器或受电扩展坞。
移动处理设备100还包含蜂窝无线信道370，用于接收和发送数据，例如电话、短信、电子邮件、网页数据等。蜂窝无线通信可以通过移动处理设备通信的任何标准网络协议(即，GSM、PCS、D-AMPS、UMTS、CDMA、WCDMA、LTE等)来实现。移动处理设备100还可以包含用于接收和发送数据的其它通信信道362，例如Wi-Fi、蓝牙等。移动处理设备100可以具有用于通信的其它功能元件364，例如GPS。通过移动处理设备100上的毫米波和天线前端366，或RF前端372与天线371来访问所描述的每个通信介质。用于移动处理设备100的操作的通信介质不限于所描述的介质，并且可以包括本领域已知的任何其它通信介质。
应认识到，任何合适的处理设备(移动的或其它的)都可以实现本技术。因此，尽管图3示出了移动设备，但类似于图3中所示出的部件可以设置在通用处理设备中，例如台式计算机、膝上型计算机或服务器中。
本文将蜂窝无线信道370示出为原有2G/3G/4G子系统和5G通信子系统的组合。该组合包括2G/3G/4G调制解调器376、耦合到调制解调器376的2G/3G/4G收发器374(可以具体体现为LTE RF集成电路(RF integrated circuit，RFIC))，以及sub-6GHz RF前端372。5G子系统包括NR调制解调器375、耦合到NR调制解调器375的NR收发器378，以及天线和前端366。2G/3G/4G子系统提供通信服务，以与原有系统兼容。
NR调制解调器375通过NR收发器378提供和接收数字基带中的数据。数字基带由处理器340提供给NR调制解调器375，进行处理后通过毫米波和天线前端366进行传输。类似地，数据由毫米波和天线前端366接收，并被提供给收发器，用于由NR调制解调器375变换为基带。NR调制解调器375和2G/3G/4G调制解调器共享一个连接，以便在与NR频率的连接丢失时，通过任一通道提供数据。NR收发器使用毫米波频率和/或传统sub-6GHz频率发送和接收数据，因此连接到sub-6GHz RF前端372和毫米波和天线前端366。在一些实现方式中，2G/3G/4G收发器374和NR收发器378可以物理地组合成单个芯片或模块，而2G/3G/4G调制解调器376和NR调制解调器375可以物理地组合成单个芯片或模块。
毫米波和天线前端366可以包括本文所描述的固定波束天线、相控阵列天线或混合天线阵列。每个前端366可以包括一个或多个FEM。每个模块可以包括一个或多个转向波束相控阵列天线、混合天线阵列和一个或多个固定波束天线。
存储器310中还示出了天线控制器315。天线控制器315可以执行本技术的相控阵列部件的一个或多个波束转向功能，以及如本文所描述的天线选择和功率管理功能。
图4示出了毫米波和天线前端366的一种配置，该配置可以包括一个或多个固定波束天线367、一个或多个相控阵列天线402和/或一个或多个混合天线阵列404。同样，毫米波和天线前端366可以包括一个或多个前端模块(front end module，FEM)，其中，模块被视为包括收发器和天线阵列的一组元件的任何物理封装，并且每个模块可以包括一个或多个转向波束相控阵列天线402、混合天线阵列404和一个或多个固定波束天线367。
如图4所示，NR收发器378耦合到一个或多个天线阵列或模块。如上所述，sub-6GHzRF前端372处理sub-6GHz频段的频率上的传输。在图4的配置中，示出了相控阵列天线402、混合天线阵列404和两个固定波束天线406和408。在各种实施例中，毫米波和天线前端366可以包括天线402、404、406和408中的一个或多个。固定波束天线406和408可以形成图4中所示出的波束天线367。相控阵列天线402可以包括一个或多个垂直极化的阵列412和一个或多个水平极化的阵列414。可以理解，任何毫米波和天线前端366中可以有多个相控阵列天线402。
类似地，可以有一个或多个垂直极化的固定波束天线406和一个或多个水平极化的固定波束天线408。
混合天线阵列404可以包括一个或多个垂直极化的固定波束天线422、一个或多个水平极化的固定波束天线424、一个或多个垂直极化的相控阵列426和一个或多个水平极化的相控阵列428。
一方面，使用相控阵列天线定向地执行毫米波通信，这节省了功率并在设备的一侧实现了良好的覆盖。转向波束相控阵列天线提供了这种定向能力，为发射通道和接收通道提供了足够的阵列增益，为发射通道提供了良好的功率增益。如图4所示，相控阵列产生相对聚焦的波束490a至490d。应理解，所示出的波束仅用于说明，并不相对于由固定波束天线形成的波束成比例，也不表示可能从所示出的相控阵列天线发出的所有波束。如图5和图6所示，每个转向波束相控阵列天线由多个辐射元件组成，每个辐射元件都具有移相器。通过改变从每个辐射元件发射的信号的相位来形成波束，以提供相长/相消干扰，从而将波束转向期望的方向。主聚焦方向的相长干扰放大了信号，相消干扰提高了波束的锐度。波束方向在天线控制器315的控制下可电子调整。因此，相位阵列形成具有良好空间能量效率和接收灵敏度的定向毫米波束，但是它们在移动设备应用中受到的球面覆盖较差，并且需要天线控制器与基站一起实现波束跟踪技术。
相控阵列在物理尺寸上相对较大，并且包括多个电路元件。相控阵列解决方案对性能要求较低，RF前端可以采用CMOS、SOI、SiGe等技术，以满足当前移动设备的链路预算约束。因此，相控阵列和/或混合阵列(如下所述，其一部分包括相控阵列)可以用于移动设备的第二侧或背侧，其中，尺寸不受约束。
为了在移动设备的第一前侧(显示器侧)或其它空间限制侧接收无线信号，使用一个或多个固定波束天线422、424、406、408。如下所示，固定波束天线可以作为NR收发器378的分支(如天线406和天线408)提供，或者作为相控阵列天线426的分支(如天线422)提供。固定波束天线提供宽的固定波束(示出为波束492a至492d)，并且可以布置成通过多个波束的组合来覆盖球面空间。可以将固定波束天线配置为单极化的或双极化的。虽然天线孔径非常小，但是固定波束天线(包括一个或有限数量的元件)不具有转向波束相控阵列的高天线合并增益和功率增益的优点。因此，使用大功率放大器来实现类似的EIRP(有效(或等效)各向同性辐射功率)。例如，可以使用1dB压缩点为20至28dBm的功率放大器来代替转向波束相控阵列中常用的P1dB为11至16dBm的CMOS功率放大器。此外，例如，由于在接收信道上没有阵列增益或阵列增益有限，所以应使用低噪声系数为1至3dB的低噪声放大器(以替换高噪声系数为4至7dB的低噪声放大器)。但是，由于没有移相器与天线相关联，因此不需要波束相关校准，所以固定波束天线的操作更简单。在毫米波通信的波束管理中，尤其在高速移动环境中和角速度变化较大的应用中，还具有复杂度低的优点。
图5为相控阵列天线402的一个实施例的示意图。示出了两个相控阵列412和414，每个极化对应一个相控阵列，但是每个极化可以包括两个以上的相控阵列。将阵列412配置为垂直极化的阵列，将阵列414配置为水平极化的阵列。在本说明书中，相同整数值的附图标记表示相同的部分。输入IF_1和IF_2表示从NR收发器378输出的中频信号。IF_1和IF_2是超外差架构中的中频信号，但应理解，本技术的原理可以应用于其它类型的架构，例如直接变换架构，其中，根据混频器(上变频器/下变频器)的划分，将RF或基带信号提供给FEM。
每个垂直极化的阵列包括初始发射和接收混合级，初始发射和接收混合级包括开关510a和510b，开关510a和510b控制放大器502a的发射元件、混频器504a和带通滤波器506a与放大器502b的接收信道元件、混频器504b和带通滤波器506b之间的切换。本振(local oscillating，LO)信号(由电压控制器振荡器508a产生)耦合到混频器504a和504b。相似的元件(开关510c和510d、放大器502c和502d、乘法器504c和504d)、电压控制器振荡器508b的LO信号，以及带通滤波器506c和506d组成阵列414的混合级。
在如图所示的系统中，模拟基带经调制解调器转换为连续时间模拟信号，并且随后进行过滤，以去掉不需要的高频频谱内容。滤波信号用于调制高频载波信号。在超外差发射机中，在与最终RF载波频率不同的中频上进行调制。然后，调制信号由混频级590a、590c进行频率转换。超外差发射机在上变频混频级之后使用带通滤波器(506a、506c)，因为混频器产生不希望的频谱内容。在一个步骤中，直接变换发射机将基带信号转换成RF信号，其中，IF1、IF2相应地成为基带信号。可以理解，混频器级可以集成到收发器中，也可以集成到前端模块中，根据架构的不同，可以有一个或两个混频器级。接收侧与发送侧类似，信号从天线传输到调制解调器。
一个或多个功分器520a至520d耦合在混合级与阵列级之间。在一个实施例中，功分器520b示出为耦合到四个发射和接收元件，每个发射和接收元件包括移相器530、发射功率放大器540、接收低噪声放大器542和天线550。(其它元件可以连接到功分器520a和520c，但是为了说明清楚起见，在图中省略了其它元件。可选地，功分器可以包括天线控制器315控制下的开关)。开关560和562在每个阵元的发送路径和接收路径之间进行选择。例如，移相器530a、开关560a、低噪声放大器540a、开关562a和天线550a包括用于一个元件的发射路径，并且天线550a、开关562a、低噪声放大器542a、开关560a和移相器530a包括用于同一元件的接收路径。在其它实现方式中，移相器可以针对发射路径和接收路径分别实现，相应地，开关560移动到功分器520与移相器530之间的位置。垂直极化的阵列412和水平极化的阵列414中的每一个示出了四个元件。在一个示例中，相控阵列中的部件通过CMOS制造技术制造，为由开关562、低噪声放大器542和开关560组成的接收路径提供6至7dB的噪声系数，以及14至15dBm的P1dB输出功率(在P1dB压缩点)，因此总P1dB输出功率为20至21dBm(对于2×2的四元件阵列)。给出的噪声系数和输出功率仅为示例。
图6A示出了包括固定波束天线422和转向波束相控阵列426的垂直极化的混合前端模块和混合天线阵列的一个实施例。此处，混合级包括在前端模块中。如图6A所示，除了第一阵元的移相器530a与功分器520b之间设置有开关620，且固定波束天线422通过开关620从功分器520b分支之外，转向波束相控阵列426包括与图5所示相同的元件。应理解，尽管仅示出了固定波束天线422，但转向波束相控阵列426中的四个元件中的任一个或多个可以用相应的固定波束天线(从而提供多达四个固定波束天线)来切换。每个固定波束天线包括用于选择发射路径或接收路径的开关、功率放大器602a和低噪声放大器602b，功率放大器602a和低噪声放大器602b耦合到每个天线振子610a。固定波束天线的Tx/Rx信号可以从相控阵列天线模块传送出去或传送到相控阵列天线模块，从而传送到毫米波前端，现有的毫米波前端电路可以重复使用。在另一实施例中，开关620由功分器取代，使得转向波束相控阵列426和固定波束天线422能够同时操作。在另一实施例中，开关620放置在开关562与天线550之间，为具有固定波束天线422的路径提供额外的增益。
图6B示出了混合天线阵列的另一替代方案。如上所示。两个固定波束天线422与相控阵列天线426相组合，并直接耦合到功分器520b。基于天线控制器315的控制，功分器520b用于将信号引导到相控阵列和固定波束天线，以及用于引导相控阵列和固定波束天线的信号。
在图6A和图6B的每个实施例中，使用最大输出功率较大的功率放大器和噪声系数较低的低噪声放大器。毫米波信号传送到相控阵列天线模块或从相控阵列天线模块传送出去。可以使用单极化或双极化。
为了克服固定波束天线的增益损失，使用低噪声放大器602b和功率放大器602a的级来降低噪声系数并提高输出功率。希望低噪声放大器噪声系数足够低以补偿相控阵列天线解决方案与固定波束天线解决方案之间的噪声系数差异。功率放大器的原理相同。
目前，基于SiGe HBT或GaAs pHEMT的制造技术用于制造毫米波频段的功率放大器和低噪声放大器。结果，传导功率可以提高6至10dB，噪声系数可以降低3dB。采用SiGe HBT或GaAs pHEMT技术制造的PA可以获得比采用CMOS高得多(高6dB或更多)的输出功率，采用SiGe或GaAs(而不是CMOS制造的低噪声放大器)可以获得低得多(低3dB左右)的噪声系数。
在功率放大器602a的一个示例中，使用GaAs pHEMT制造技术来制造输出功率为24dBm且峰值功率相加效率(PowerAdded Efficiency，PAE)超过50％的功率放大器。当用pHEMT制造时，对应的低噪声放大器602b具有1.8dB的噪声系数，开关(例如开关620)具有1.2dB的插入损耗(总噪声系数为3dB)。相比之下，低噪声放大器和开关的组合噪声系数为6至7dB，基于CMOS技术的功率放大器的P1dB为14至15dBm，峰值PAE为30％。
图7示出了混合布置的另一实施例。在图7中，一个或多个单振子天线(422/424)可耦合到功分器520b和混合级，该混合级包括开关510c和510d、功率放大器502c和502d、乘法器504c和504d、信号参考508b，以及带通滤波器506c和506d。一个或多个相控阵列天线(426/428)可以耦合到功分器520b和混合级，该混合级包括开关510a和510b、功率放大器502a和502b、乘法器504a和504b、信号参考508a，以及带通滤波器506a和506b。边界线426a表示可以包含相控阵列天线的物理封装。边界线422a表示可以包含固定波束天线或天线阵列的物理封装。应理解，相控阵列天线和固定波束天线可以如图所示设置在单个模块404中。
在操作中，按照波束管理协议，固定波束天线被等同地视为相控阵列天线，但操作更简单。固定波束天线可以用于利用固定波束天线的单波束进行波束搜索。使用固定波束时，没有接收波束调整或发射波束训练。可以将所示出的固定波束天线配置为与具有不同极化或相同极化的相控阵列天线或其它固定波束天线同时工作。
对于具有足够大的电介质天线窗口设备设计，可以使用相控阵列天线来获得较佳的输出功率、更低的噪声系数和更低的成本。而对于毫米波天线剩余空间非常小其它情况，则优选小孔径毫米波天线，以覆盖这些预定方向。固定波束天线具有较小的天线孔径，可以放置于有大量限制的地方。固定波束天线与相控阵列天线的组合实现了性能与成本之间的良好平衡。本技术实现了两种架构的优点：小天线孔径(～λ/4)，便于在空间限制的移动设备设计中放置天线；以及在空间充足时，可以使用具有高阵列增益的大天线孔径(对于2×2阵列为～λ)。该技术在成本和性能方面提供了最佳的权衡，因为CMOS便宜但性能低，而SiGe/GaAs通常成本较高但提供的器件性能更好。
该技术允许对相控阵列天线重复使用当前毫米波波束管理，减少了波束搜索和对准时间，同时简化了对固定波束天线的波束跟踪。
可以理解，在本发明的范围内，可以考虑图5至图7的实施例的一个或多个组合，包括耦合到但不限于NR收发器的以下元件：
(1)具有两个至多个极化的元件的相控天线阵列；
(2)具有两个至多个水平极化的元件的相控天线阵列；
(3)具有两个至多个垂直极化的元件的相控天线阵列；
(4)具有两个至多个垂直极化的元件的相控天线阵列，该相控天线阵列与具有两个至多个水平极化的元件的相控天线阵列相结合；
(5)直接耦合到极化的NR收发器的一个至多个固定波束天线；
(6)直接耦合到水平极化的NR收发器元件的一个至多个固定波束天线；
(7)直接耦合到具有垂直极化的NR收发器的一个至多个固定波束天线；
(8)直耦合到NR收发器的一个至多个固定波束天线，其与水平极化的一个至多个固定波束天线相结合；
(9)通过开关耦合到功分器的一个至多个极化的固定波束天线，该功分器耦合到第(1)项至第(4)项所列出的上述相控阵列的任何组合；
(10)通过开关耦合到功分器的一个至多个水平极化的固定波束天线，该功分器耦合到第(1)项至第(4)项所列出的上述相控阵列的任何组合；
(11)通过开关耦合到功分器的一个至多个垂直极化的固定波束天线，该功分器耦合到第(1)项至第(4)项所列出的上述相控阵列的任何组合；
(12)一个至多个水平极化的固定波束天线，其与具有水平极化的一个至多个固定波束天线相组合，每个固定波束天线通过开关耦合到功分器，该功分器耦合到第(1)项至第(4)项所列出的上述相控阵列的任何组合；
(13)第(1)项至第(4)项所列出的任何一个或多个相控阵列天线，其与第(5)项至第(12)项的任何一个或多个固定波束天线配置组合。
(14)上述实施例中的任何一个或多个，其中，使用圆极化代替固定波束天线或相控阵列天线的水平或垂直极化。
应理解，本公开实施例可以以多种不同的形式实现，并且权利要求的范围不应被解释为限于本文中阐述的实施例。相反，提供这些实施例是为了使本公开透彻和完整，并且向本领域技术人员充分传达本发明实施例概念。事实上，本公开旨在覆盖包括在由所附权利要求书限定的本公开的精神和范围内的这些实施例的替代物、修改和等同物。此外，在以下对本公开实施例的详细描述中，为了提供透彻的理解，阐述了许多具体细节。但是，本领域普通技术人员应理解，在没有这些具体细节的情况下，可以实践本公开的本实施例。
应理解，本主题可以具体体现为许多不同的形式，且不应被解释为仅限于本文所阐述的实施例。相反，提供这些实施例是为了使本主题透彻和完整，并且向本领域技术人员充分传达本公开。事实上，本主题旨在覆盖包括在由所附权利要求书限定的本主题的精神和范围内的这些实施例的替代物、修改和等同物。此外，在以下本主题的详细描述中，为了提供对本主题的透彻理解，阐述了许多具体细节。但是，本领域普通技术人员应理解，可以在没有这些具体细节的情况下实践本主题。
本文参考根据本公开实施例的方法、装置(系统)和计算机程序产品的框图来描述本公开的各方面。应理解，框图的每个块以及块的组合可以通过计算机程序指令实现。可以将这些计算机程序指令提供给通用计算机、专用计算机或其它可编程数据处理装置的处理器以生产机器，使得通过计算机或其它可编程指令执行装置的处理器执行的指令可以创建用于实现流程图和/或方框图中指定的功能/动作的机制。
计算机可读非瞬时性介质包括各种类型的计算机可读介质，包括磁存储介质、光存储介质和固态存储介质，具体地，不包括信号。应理解，软件可以安装在设备中并随该设备销售。或者，可以获取软件并将其加载到设备中，包括经由光盘介质或从网络或分发系统的任何方式获取软件，包括例如从软件创建者拥有的服务器或从软件创建者不拥有但使用的服务器获取软件。例如，软件可以存储在服务器上，以便通过因特网分发。
计算机可读存储介质不包括传播信号，可由计算机和/或处理器访问，并且包括易失性和非易失性的可移动和/或不可移动的内部和/或外部介质。对于计算机来说，各种类型的存储介质容纳任何合适的数字格式的存储数据。本领域的技术人员应理解，可以使用其它类型的计算机可读介质，例如压缩驱动器、固态驱动器、磁带、闪存卡、闪存驱动器、盒等，用于存储用于执行所公开架构的新颖方法(动作)的计算机可执行指令。
本文中所用的术语仅仅是出于描述特定方面的目的，并不旨在限制本公开。除非上下文清楚说明，否则本文所使用的单数形式“一”、“一个”和“该”包括多个。还应理解，本说明书中所使用的术语“包括”和/或“包含”用于说明存在所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但并不排除存在或添加一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组合。
出于说明和描述的目的，呈现了本公开的描述，但本公开的描述并不旨在为穷举性的或限于所公开的形式。在不偏离本公开的范围和精神的前提下，多种修改和改变对本领域技术人员而言是显而易见的。选择和描述本公开的各方面，以便更好地解释本公开的原理和实际应用，并且使本领域普通技术人员能够理解本公开以及适合于预期的特定用途的各种修改。
为了本文的目的，与所公开技术相关联的每个流程可以由一个或多个计算设备连续地执行。流程中的每个步骤可以由与其它步骤中使用的相同或不同的计算设备执行，并且每个步骤不必由单个计算设备执行。
本文公开了一种移动设备，该移动设备包括：调制解调器；耦合到调制解调器的毫米波收发器；包括转向波束相控阵列天线和固定波束天线的混合天线阵列。
移动设备可以包括上述移动设备，其中，混合天线阵列包括垂直极化的转向波束相控阵列天线或水平极化的转向波束相控阵列天线。
移动设备可以包括上述移动处理设备100中的任一种，其中，混合天线阵列包括垂直极化的固定波束天线或水平极化的固定波束天线。
移动设备可以包括上述移动设备中的任一种，其中，混合天线阵列和收发器设置在前端模块中。
移动设备可以包括上述移动设备中的任一种，其中，壳体包括第一侧和第二侧，第一侧具有显示器，其中，固定波束天线设置在第一侧除显示器外的区域中。
移动设备可以包括上述移动设备中的任一种，其中，固定波束天线耦合到发射功率放大器和接收低噪声放大器，发射功率放大器和接收低噪声放大器耦合到天线，发射功率放大器的输出功率大于附接到转向波束相控阵列天线的阵元的输出功率放大器的输出功率。
移动设备可以包括上述移动设备中的任一种，其中，转向波束相控阵列天线包括移相器、输出功率放大器、接收低噪声放大器和开关元件，该开关元件将移相器耦合到低噪声放大器或输出功率放大器。
移动设备可以包括上述移动设备中的任一种，其中，收发器和天线阵列设置在单个模块中。
还公开了一种用于移动设备的电子电路，该电子电路包括功分器和混合天线阵列，该混合天线阵列通过功分器耦合到毫米频谱收发器，该混合天线阵列包括设置在前端模块上的转向波束相控阵列天线和固定波束天线。
电子电路可以包括上述电子电路，其中，固定波束天线包括发射功率放大器和接收低噪声放大器，发射功率放大器和接收低噪声放大器耦合到天线端口。
电子电路可以包括上述电子电路中的任一种，其中，转向波束相控阵列天线设置在前端模块上，固定波束天线设置在前端模块上。
电子电路可以包括上述电子电路中的任一种，其中，转向波束相控阵列天线包括移相器、输出功率放大器、接收低噪声放大器和开关元件，该开关元件将移相器耦合到低噪声放大器，发射功率放大器的输出功率大于附接到转向波束相控阵列天线的阵元的输出功率放大器的输出功率。
电子电路可以包括上述电子电路中的任一种，其中，混合天线阵列包括垂直极化的转向波束相控阵列天线或水平极化的转向波束相控阵列天线，以及垂直极化的固定波束天线或水平极化的固定波束天线。
电子电路可以包括上述电子电路中的任一种，其中，转向波束相控阵列天线设置在前端模块上，固定波束天线设置在第二前端模块上。
电子电路可以包括上述电子电路中的任一种，其中，混合天线阵列包括垂直极化的转向波束相控阵列天线或水平极化的转向波束相控阵列天线，混合天线阵列包括垂直极化的固定波束天线或水平极化的固定波束天线。
电子电路可以包括上述电子电路中的任一种，其中，转向波束相控阵列天线设置在前端模块上，固定波束天线设置在PCB板上。
电子电路可以包括上述电子电路中的任一种，其中，混合天线阵列包括垂直极化的转向波束相控阵列天线或水平极化的转向波束相控阵列天线，设置在PCB板上的固定波束天线包括垂直极化的固定波束天线或水平极化的固定波束天线。
还公开了一种设置在模块中的电子电路，该电子电路包括：毫米波频谱调制解调器；毫米波收发器，该毫米波收发器耦合到调制解调器；混合天线阵列，该混合天线阵列耦合到收发器，该混合天线阵列包括转向波束相控阵列天线和固定波束天线。
电子电路可以包括上述电子电路，其中，固定波束天线包括功率放大器和低噪声放大器，功率放大器的输出功率大于附接到转向波束相控阵列天线的阵元的功率放大器的输出功率。
电子电路可以包括上述电子电路中的任一种，其中，电路设置在壳体中，壳体包括第一侧和第二侧，第一侧具有显示器，其中，固定波束天线设置在第一侧除显示器外的区域中。
应理解，本主题可以具体体现为许多不同的形式且不应被解释为仅限于本文所阐述的实施例。相反，提供这些实施例是为了使本主题透彻和完整，并且向本领域技术人员充分传达本公开。事实上，本主题旨在覆盖包括在由所附权利要求书限定的本主题的精神和范围内的这些实施例的替代物、修改和等同物。此外，在以下本主题的详细描述中，为了提供对本主题的透彻理解，阐述了许多具体细节。但是，本领域普通技术人员应理解，可以在没有这些具体细节的情况下实践本主题。
本文参考根据本公开实施例的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图和/或框图来描述本公开的各方面。应理解，流程图和/或框图的每个框，以及流程图和/或框图中的框的组合可以通过计算机程序指令实现。可以将这些计算机程序指令提供给通用计算机、专用计算机或其它可编程数据处理装置的处理器以生产机器，使得通过计算机或其它可编程指令执行装置的处理器执行的指令可以创建用于实现流程图和/或方框图中指定的功能/动作的机制。
出于说明和描述的目的，呈现了本公开的描述，但本公开的描述并不旨在为穷举性的或限于所公开的形式。在不偏离本公开的范围和精神的前提下，多种修改和改变对本领域技术人员而言是显而易见的。选择和描述本公开的各方面，以便更好地解释本公开的原理和实际应用，并且使本领域普通技术人员能够理解本公开以及适合于预期的特定用途的各种修改。
为了本文的目的，与所公开技术相关联的每个流程可以由一个或多个计算设备连续地执行。流程中的每个步骤可以由与其它步骤中使用的相同或不同的计算设备执行，并且每个步骤不必由单个计算设备执行。
虽然已经以特定于结构特征和/或方法动作的语言描述了本主题，但应理解，所附权利要求书中限定的主题不必局限于上文所描述的具体特征或动作。相反，上文所描述的具体特征和动作被公开为实现权利要求的示例形式。

Claims (20)

1.一种移动设备，其特征在于，所述移动设备包括：
调制解调器；
毫米波收发器，所述毫米波收发器耦合到所述调制解调器；
混合天线阵列，所述混合天线阵列耦合到所述收发器，所述混合天线阵列包括：
混频级，所述混频级包括至少一个放大器；
开关元件，所述开关元件耦合到所述混频级；
转向波束相控阵列天线，所述转向波束相控阵列天线耦合到所述开关元件，所述阵列包括多个阵元，每个阵元耦合到输出功率放大器和接收低噪声放大器；
固定波束天线，所述固定波束天线包括耦合到所述开关元件的发射功率放大器和接收低噪声放大器。
2.根据权利要求1所述的移动设备，其特征在于，所述混合天线阵列包括垂直极化的转向波束相控阵列天线或水平极化的转向波束相控阵列天线。
3.根据权利要求1或2所述的移动设备，其特征在于，所述混合天线阵列包括垂直极化的固定波束天线或水平极化的固定波束天线。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的移动设备，其特征在于，所述混合天线阵列和所述毫米波收发器设置在前端模块中。
5.根据权利要求4所述的移动设备，其特征在于，所述移动设备包括壳体，所述壳体包括第一侧和与所述第一侧相对的第二侧，所述第一侧具有显示器，其中，所述固定波束天线在所述第一侧除所述显示器外的区域中邻接所述第一侧，所述多个阵元中的至少一部分阵元邻接所述第二侧。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的移动设备，其特征在于，耦合到所述固定波束天线的所述发射功率放大器的输出功率大于所述输出功率放大器的输出功率。
7.根据权利要求6所述的移动设备，其特征在于，所述转向波束相控阵列天线的每个元件包括移相器、所述输出功率放大器、所述接收低噪声放大器和第二开关元件，所述第二开关元件将所述移相器耦合到所述低噪声放大器或所述输出功率放大器。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的移动设备，其特征在于，所述收发器和所述天线阵列设置在单个模块中。
9.一种用于移动设备的电子电路，其特征在于，所述电子电路包括：
混频级，所述混频级包括至少一个放大器；
功分器，所述功分器耦合到所述混频级；
转向波束相控阵列天线，所述转向波束相控阵列天线耦合到所述功分器，所述相控阵列天线包括多个阵元，每个阵元耦合到输出功率放大器和接收低噪声放大器；
固定波束天线，所述固定波束天线具有耦合在天线振子与所述功分器之间的发射功率放大器和接收低噪声放大器。
10.根据权利要求9所述的电子电路，其特征在于，所述固定波束天线包括都耦合到天线端口的发射功率放大器和接收低噪声放大器。
11.根据权利要求9至10中任一项所述的电子电路，其特征在于，所述转向波束相控阵列天线设置在前端模块上，所述固定波束天线设置在所述前端模块上。
12.根据权利要求11所述的电子电路，其特征在于，对于每个天线振子，每个转向波束相控阵列天线包括移相器、所述输出功率放大器、所述接收低噪声放大器和开关元件，所述开关元件将所述移相器耦合到所述低噪声放大器和所述输出功率放大器，所述发射功率放大器的输出功率大于所述输出功率放大器的输出功率。
13.根据权利要求11所述的电子电路，其特征在于，所述混合天线阵列包括垂直极化的转向波束相控阵列天线或水平极化的转向波束相控阵列天线，以及垂直极化的固定波束天线或水平极化的固定波束天线。
14.根据权利要求9至13中任一项所述的电子电路，其特征在于，所述转向波束相控阵列天线设置在所述前端模块上，所述固定波束天线设置在第二前端模块上。
15.根据权利要求14所述的电子电路，其特征在于，所述混合天线阵列包括垂直极化的转向波束相控阵列天线或水平极化的转向波束相控阵列天线，所述混合天线阵列包括垂直极化的固定波束天线或水平极化的固定波束天线。
16.根据权利要求9至15中任一项所述的电子电路，其特征在于，所述转向波束相控阵列天线设置在前端模块上，所述固定波束天线设置在PCB板上。
17.根据权利要求16所述的电子电路，其特征在于，所述混合天线阵列包括垂直极化的转向波束相控阵列天线或水平极化的转向波束相控阵列天线，设置在PCB板上的所述固定波束天线包括垂直极化的固定波束天线或水平极化的固定波束天线。
18.一种电子电路，其特征在于，所述电子电路包括：
毫米波频谱调制解调器；
毫米波收发器，所述毫米波收发器耦合到所述调制解调器；
混合天线阵列，所述混合天线阵列耦合到所述收发器，所述混合天线阵列包括：
混频级，所述混频级包括至少一个放大器；
开关元件；
转向波束相控阵列天线，所述转向波束相控阵列天线设置在模块中并耦合到功分器，所述相控阵列天线包括多个阵元，每个阵元耦合到输出功率放大器和接收低噪声放大器；
固定波束天线，所述固定波束天线具有耦合在天线振子与所述功分器之间的发射功率放大器和接收低噪声放大器。
19.根据权利要求18所述的电子电路，其特征在于，所述发射功率放大器的输出功率大于任一所述输出功率放大器的输出功率。
20.根据权利要求19所述的电子电路，其特征在于，所述电路设置在壳体中，所述壳体包括第一侧和与所述第一侧相对的第二侧，所述第一侧具有显示器，其中，所述固定波束天线在所述第一侧除所述显示器外的区域中邻接所述第一侧，所述多个阵元中的至少一部分阵元邻接所述第二侧。
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