CN113841296A - 使用孔径调谐技术的天线阵列方向图增强 - Google Patents

使用孔径调谐技术的天线阵列方向图增强 Download PDF

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Abstract

一种孔径天线调谐技术用于天线阵列中，以改进性能，且因此增强无线装置的总体系统效率。所述孔径调谐通过使用孔径调谐器而进行，以改变天线阵列辐射方向图的相位响应。所述孔径调谐通过在所要方向上增强阵列辐射方向图来改进信噪比(SNR)。

Description

使用孔径调谐技术的天线阵列方向图增强
技术领域
本公开的实施例大体涉及含有无线通信电路系统的装置。
背景技术
自1973年第一次移动电话呼叫以来，蜂窝和无线世界已经付出了巨大的努力并因此取得了进步，以向各种终端用户提供更高的服务质量(QoS)和体验质量(QoE)。在非常拥挤的频谱中提供高速数据速率是满足5G网络中预期的QoE的重要前提条件。例如，在密集的城市环境中，5G峰值下行链路吞吐量预期约为10Gbps。
满足5G网络要求在基站(BS)侧和用户设备(UE)侧都强加了具有挑战性的设计任务。由于能效、电池寿命和可用硬件尺寸的巨大限制，在UE侧实施无线设计比在BS侧困难得多。
包含在5G中的两个重要的启用技术是高阶(即大规模)多输入多输出(MIMO)和相控阵天线技术的使用。由于移动手持机物理设计的诸多限制，无论是MIMO还是相控阵天线技术的实施方案都非常具有挑战性。对于MIMO和相控阵天线技术，天线设计和优化在任何成功的设计过程中都起着重要作用。另一个挑战是集成天线系统，所述天线系统支持针对不同通信协议(例如蜂窝、WIFI、蓝牙、近场通信等)的多频带和多标准，所述通信协议占用的频率范围非常广泛(例如，600MHz到6GHz并进一步扩展到毫米波频率)。
针对5G天线设计要求的当前解决方案基于将常规的相控阵实施为波束成形(BF)模块，所述波束成形模块能够增加信噪比(SNR)并减少数据流中的信道干扰。在相控阵天线技术中，每一天线模块前面的移相器控制每一天线辐射方向图的相位。控制每一天线的振幅和相位使天线设计者能够朝向所要方向扫描波束(从而改进SNR)或控制空间中任何目标点的零位(从而减少信道干扰)。对于小型装置(例如，小型小区、CPE、路由器和移动电话)，没有足够的空间来支持相控阵的大量天线单元。更常见的配置可能只含有阵列中的四个元件。对于小阵列，移相器网络中的损耗将抵消阵列实施方案的益处。出于此原因，需要控制阵列元件相对相位的替代方法。
在MIMO实施方案方面，当前技术状态还没有充分展示在与UE形状因子兼容的上行链路和下行链路的维度方面的能力。
因此，本领域中需要有效地调谐天线。
发明内容
本公开大体上涉及一种孔径天线调谐技术，其用于天线阵列中以改进性能，且因此增强无线装置的总体系统效率。孔径调谐通过在阵列的每一天线上使用孔径调谐器而进行，其目的在于改变天线辐射方向图的相位响应。所述孔径调谐通过在所要方向上增强总阵列辐射方向图来改进SNR。
在一个实施例中，一种电子装置包括：天线阵列，其具有多个天线；及多个天线孔径调谐元件，其耦合到所述阵列中的所有天线。
本领域的技术人员将在结合附图阅读优选实施例的以下详细描述之后了解本公开的范围并且认识到本公开的另外的方面。
附图说明
并入本说明书中并且形成本说明书的一部分的附图示出了本公开的若干方面，并且与说明书一起用于解释本公开的原理。
图1是具有数字可变电容器(DVC)和天线的装置(在此实例中是蜂窝电话)的示意性图示。
图2是根据一个实施例的作为可变电抗的许多可能示例中的一个的DVC的示意性图示。
图3A到图3C是根据一个实施例的可用作可变电抗的微机电(MEMS)DVC装置的示意性横截面图示。
图4是孔径经调谐的相控阵的一个实施方案的示意图。
图5A展示天线辐射方向图的相位和对应的反射系数如何相对于调谐器设定(连接到孔径)改变的示意图。
图5B展示四个替代控制状态的单个天线辐射方向图和对应的反射系数(回波损耗)。
图6A是所提议概念的示意图。
图6B是图6A的阵列的辐射方向图对应物。
图7展示用于天线阵列的一个实施方案中的天线元件。
图8针对一个实施方案示出球形坐标中的phi＝0平面中的2×2天线阵列的实际增益。
图9展示有损孔径经调谐天线的实施方案相对于具有3dB插入损耗的移相器实施方案的最佳可达成实际增益的概率分布的比较。
图10针对一个实施方案展示来自2×2阵列的一对天线的相关系数相对于所有四个已连接调谐器的控制状态。
为了便于理解，在可能的情况下已经使用相同的元件符号表示图中共有的相同元件。经考虑，一个实施例的元件和特征可以有利地结合在其它实施例中而无需进一步的引述。
具体实施方式
下文阐述的实施例表示使本领域的技术人员能够实践实施例的必要信息，并且说明了实践实施例的最佳方式。在根据附图阅读以下描述时，本领域的技术人员将理解本公开的概念并且将认识到本文中未特别提出的这些概念的应用。应理解，这些概念和应用落入本公开和所附权利要求书的范围内。
应理解，尽管本文中可以使用术语第一、第二等来描述各种元件，但是这些元件不应受到这些术语的限制。这些术语仅用于将一个元件与另一个元件相区分。例如，在不偏离本公开的范围的情况下，第一元件可以被称为第二元件，并且类似地，第二元件可以被称为第一元件。如本文中所使用，术语“和/或”包含相关联列举项中的一个或多个的任何组合和全部组合。
应理解，当例如层、区或衬底等元件被称为“在另一个元件上”或延伸“到另一个元件上”时，其可以直接在另一个元件上或直接延伸到另一个元件上或者还可以存在中间元件。相比之下，当元件被称为“直接地在另一个元件上”或“直接地延伸到另一个元件上”时，不存在中间元件。同样，应理解，当例如层、区或衬底等元件被称为“在另一个元件之上”或“在另一个元件之上”延伸时，其可以直接在另一个元件之上或直接在另一个元件之上延伸，或者还可以存在中间元件。相比之下，当元件被称为“直接在另一个元件之上”或“直接在另一个元件之上延伸”时，不存在中间元件。还应理解，当元件被称为“连接”或“耦合”到另一个元件时，其可以直接地连接或耦合到另一个元件，或者可以存在中间元件。相比之下，当元件被称为“直接地连接”或“直接地耦合”到另一个元件时，不存在中间元件。
在本文中可以使用例如“下方”或“上方”或“上部”或“下部”或“水平”或“竖直”等相对术语来描述如图所示的一个元件、层或区与另一个元件、层或区的关系。应理解，除了图中描绘的定向之外，这些术语和上文所论述的那些术语旨在涵盖装置的不同定向。
本文中所使用的术语仅出于描述特定实施例的目的并且不旨在限制本公开。如本文中所使用，除非上下文另外清晰地指示，否则单数形式“一(a/an)”及“所述”也意图包含复数形式。应进一步理解，当在本文中使用时，术语“包括(comprises/comprising)”、“包含(includes和/或including)”指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或其群组的存在或添加。
除非另外定义，否则本文中所使用的所有术语(包含技术术语和科技术语)具有与本公开所属领域的普通技术人员通常所理解的相同的含义。应进一步理解，本文中所使用的术语应被解释为具有与其在本说明书和相关领域的上下文中的含义一致的含义，并且除非本文中明确地如此定义，否则将不会在理想化的或过度正式的意义上进行解释。
本公开大体上涉及一种孔径天线调谐技术，其用于天线阵列中以改进性能，且因此增强无线装置的总体系统效率。所述孔径调谐通过使用孔径调谐器而进行，以改变天线阵列辐射方向图的相位响应。所述孔径调谐通过在所要方向上增强阵列辐射方向图来改进SNR。
本公开将孔径经调谐天线用作天线阵列中的元件。通过改变天线阵列中的元件的频率调谐，可以实现元件之间的有效相移。相移发生时不会在每一天线的RF路径中引入额外的损耗。举例来说，基于MEMS的孔径调谐器的插入损耗是约0.2dB。然而，取决于所涵盖的带宽，移相器的插入损耗是在2dB与5dB之间。因此，相比于移相器实施方案，孔径调谐器解决方案具有低10倍以上的损耗。
本文中所公开的装置可以是无线通信网络的基础设施的一部分，如基站、小型小区或用户端设备(CPE)，或被设计成由例如计算机、平板计算机或移动电话的终端用户使用。含有无线电路系统的装置可以支持需要多个天线和/或极高信噪比的高级通信协议，例如WiFi、LTE和5G。在如5G的高级通信系统的状况下，通信装置将需要用于天线调谐的架构，其可在空间中的任意方向上改进实际阵列增益(系统效率)且补偿当装置拿在手上或邻近头部时发生的改变。
图1是具有数字可变电容器(DVC)102和天线104的电子装置100的示意性图示，所述电子装置在此实例中是蜂窝电话。图2是根据一个实施例的基于微机电系统(MEMS)的DVC200的示意性图示，所述基于微机电系统的DVC可用以调谐天线阵列。MEMS DVC包含多个腔202，其各自具有耦合到共同RF凸块206的RF电极204。每一腔202具有一个或多个吸合或下拉电极208和一个或多个接地电极210。切换元件212从远离RF电极204的位置和接近RF电极204的位置移动以改变MEMS DVC 200中的电容。MEMS DVC 200具有多个切换元件212且因此具有可以施加/从天线孔径去除的较大可变电容范围，以便维持恒定的谐振频率且补偿受环境改变或头部/手效应影响的天线的电特性的改变。MEMS DVC 200本质上是多个个别受控的MEMS元件的集合。
图3A到图3C是根据一个实施例的单个MEMS元件300的示意性横截面图示，所述单个MEMS元件可在MEMS DVC 200中的多个腔202中产生多个切换元件212。MEMS元件300包含RF电极302、一个或多个下拉电极304、一个或多个上拉电极306、上覆于RF电极302和一个或多个下拉电极304的第一介电层308、上覆于一个或多个上拉电极306的第二介电层310，及可在第一介电层308与第二介电层310之间移动的切换元件312。切换元件312耦合到接地电极314。如图3B中所展示，当切换装置312最接近RF电极302时，MEMS元件300处于最大电容位置。如图3C中所展示，当切换装置312最远离RF电极302时，MEMS元件300处于最小电容位置。因此，MEMS元件300产生具有两个不同电容级的可变电容器，且将多个此类MEMS元件300集成到单个MEMS DVC 200中能够产生具有大粒度和电容范围的DVC，以实行维持恒定谐振频率且补偿受环境改变或头部/手效应影响的天线的电特性的改变所需的无功孔径调谐。
图4是用于一个实施方案的2×2天线阵列400中的一个所提议方法的示意图。在天线阵列400中，展示四个天线系统，其中每一天线包括天线402和元件404，例如孔径调谐元件。每一天线402(通常被称作天线孔径)连接到元件404，例如电容式调谐器。元件404电容性地加载天线402，因此影响阵列400的每一天线402的频率响应和辐射场两者。如图4中所展示，元件404可包含一个或多个电容器408、一个或多个可变电容器410、一个或多个电感器412及其组合。因此，应理解，元件404可包含多个电容器408、多个可变电容器410、多个电感器412及其组合。此外，开关406经展示为选择性地接合一个或多个电容器408、一个或多个可变电容器410和一个或多个电感器412。
应理解，虽然在图4中举例说明2×2天线阵列，但本公开不限于2×2天线阵列。确切地说，本公开可适用于天线阵列中的任何数目的天线系统。
图5A展示天线402的回波损耗如何相对于调谐器设定(连接到孔径)改变的示意图。对于图5B，就用于四个替代控制状态的辐射场的相位而言展示了单个天线402的辐射方向图。
如图6A中所说明，在本申请案中，四个单独辐射方向图的叠加产生了阵列400的增强的总辐射方向图。每一天线(E1，E2，E3，E4)的相矢量可以通过连接到每一天线孔径402的调谐器来改变以便合乎需要地调节总阵列辐射方向图。
图7展示用于2×2阵列的一个实施方案中的天线系统700。天线系统700包含天线702(其可以是图4的天线402)和孔径调谐元件704(其可以是图4的元件404)。天线702包含第一辐射器部分710、一个RF输入706和一个接地支脚708。应理解，可存在多于一个RF输入，而接地支脚也可不存在，或可存在多于一个接地支脚。第一辐射器部分710可包括金属板。孔径调谐元件704包含第二导电部分712。第二导电部分712可包括金属板。还展示柱部分714，但可去除柱部分714。调谐元件704还包含分路调谐器716。分路调谐器716在一侧耦合到第二导电部分712，以将电场电容性地耦合到天线孔径。分路调谐器716的另一侧连接到装置的接地平面。波束部分710及导电部分712彼此平行。图7展示天线元件的一个可能实施方案。此天线元件的重要特征是调谐器耦合到天线孔径而非RF输入馈线。调谐器元件不在天线与无线电系统的其余部分之间的直接馈送路径中。
可以将天线实际增益的定义用作相关品质因数以评估所取得的结果。天线的实际增益定义如下：
Figure BDA0003362328740000071
其中U是天线的辐射强度(以瓦特/球面度表示)，且Pinc是天线的入射功率(以瓦特表示)。使用Pinc代替总辐射功率，以便还将不匹配损耗和天线损耗考虑在内。
图8针对一个实施方案展示球形坐标中的phi＝0平面中的2×2阵列的实际增益，其是针对4个单独元件404的81个不同状态组合来计算。可能注意到，在x轴(空间方向θ)的每一值中，叠加的辐射方向图具有不同值，取决于4个已连接调谐器的4个状态。
更有趣的是在3D空间中的所有方向上代替沿着单个切割平面来评估天线增益。这是通过在
Figure BDA0003362328740000072
和θ中每10度分析辐射方向图来完成的，以覆盖具有总共648个空间方向的整个球体。图9针对此实施例展示覆盖效率曲线图。每一数据点量化跨越四个调谐器的所有81个可能设定的最大实际增益，所述四个调谐器连接到四个天线单元。
从系统设计视角来看，将这些结果与未调谐天线进行比较以更好地理解潜在优势是有意义的。在表1中概述此比较。通过采用孔径经调谐方法，天线系统的实际增益平均提高了接近1dB的值，最佳的情况是大于5dB。100％的所分析的空间方向显示出改进，如由表中的最后一行所指示。
参数 值
平均增强 1.19dB
最小增强 -0.52dB
最大增强 6.54dB
增强百分比 96
表1：本公开与未调谐天线的比较结果
必须强调的是，使用孔径经调谐天线元件实现的波束成形性能如何超越使用移相器的传统方法，因为这些移相器会增加不可避免且相当大的功率损耗(通常为几个dB，此取决于所关注频率)。
图9[已替换]展示孔径经调谐天线阵列实施方案(包含损耗)与使用具有3dB插入损耗的移相器的传统实施方案之间覆盖效率的比较，这是最先进移相器的典型的值。本公开中所提议的技术在空间中所有模拟方向的几乎80％上改进了天线阵列的实际增益。
图4中的2×2所提议阵列还可用作MIMO阵列。当天线在MIMO配置中独立使用时，避免使用移相器进行波束成形也会带来直接优势。此外，在MIMO应用中使用孔径经调谐天线元件还有更多优势。
用于MIMO天线的众所周知的品质因数(FOM)被称作相关系数(CC)。此数量在0到1之间变化，且其指示任何一对天线的辐射方向图不相关的程度：0表示不相关，1表示完全相关。图9展示来自2×2阵列的一对天线的相关系数相对于四个已连接调谐器的控制状态。从天线设计者视角来看，通过改变调谐器控制状态控制CC向天线设计空间增加了一个所要自由度。
图10针对图4中的所呈现公开内容的一个实施方案展示来自2×2阵列的一对天线的相关系数相对于所有四个已连接调谐器的控制状态。
在一个实施例中，电子装置包括：具有多个天线的天线阵列；及耦合到天线的多个孔径调谐元件。多个孔径调谐元件中的孔径调谐元件的数量等于多个天线中的天线的数量。至少一个孔径调谐元件是数字可变电容器。数字可变电容器包含至少一个MEMS元件。多个孔径调谐元件中的至少一个孔径调谐元件是电容式调谐器。在一个实施例中，天线阵列是2×2阵列。多个天线中的至少一个天线包含第一辐射器部分及至少一个RF输入。多个天线中的至少一个天线包含至少一个RF输入。多个孔径调谐元件中的至少一个孔径调谐元件包含第二导电部分，其中第二导电部分平行于第一辐射器部分。至少一个孔径调谐元件包含电容式调谐器。至少一个孔径调谐元件是数字可变电容器。数字可变电容器包含至少一个MEMS装置。电子装置利用波束成形能力。电子装置利用MIMO能力。
通过在天线阵列的每一天线处具有调谐元件，实现以下项。通过在所要方向上增强阵列辐射方向图来改进天线系统的SNR。通过调节阵列辐射方向图来降低信道干扰。相较于移相器实施方案，所需物理尺寸大幅减小。通过调节孔径调谐器控制状态(减小相关系数)来改进MIMO能力。在波束成形应用或MIMO应用中的任一个中避免移相器的较大插入损耗。具有通过改变每一天线元件的控制状态来补偿头部和手效应的能力。在阵列实施方案中大幅降低成本。
本领域的技术人员将认识到对本公开的优选实施例的改进和修改。所有此类改进和修改都认为是在本文中所公开的概念和以下权利要求书的范围内。

Claims (15)

1.一种电子装置(100)，包括：
天线阵列(400)，具有多个天线(402)；以及
至少一个元件(404)，耦合到多个所述天线(402)中的至少一个天线(402)，至少一个所述元件能改变谐振频率并且由此能改变多个所述天线(402)中的天线(402)之间的相对相位。
2.根据权利要求1所述的电子装置(100)，其中，至少一个所述元件(404)是能够合成任意和可调谐阻抗的网络。
3.根据权利要求1所述的电子装置(100)，进一步包括耦合到至少一个所述元件(404)的产生相移的阻抗匹配器。
4.根据权利要求1所述的电子装置(100)，其中，至少一个所述元件(404)选自由以下组成的群组：具有被耦合一个或多个电感器(412)的开关、具有被耦合一个或多个电容器(408，410)的开关，及所述开关的组合。
5.根据权利要求1所述的电子装置(100)，其中，至少一个所述元件(404)中的元件(404)的数量等于多个所述天线(402)中的天线(402)的数量。
6.根据权利要求5所述的电子装置(100)，其中，至少一个所述元件(404)是数字可变电容器(200)。
7.根据权利要求6所述的电子装置(100)，其中，所述数字可变电容器(200)包含至少一个微机电(MEMS)元件(300)。
8.根据权利要求1所述的电子装置(100)，其中，所述天线阵列(400)是2×2阵列。
9.根据权利要求1所述的电子装置(100)，其中，多个所述天线(402)中的至少一个天线(502)包含第一波束部分(710)及至少一个RF输入(706，708)。
10.根据权利要求1所述的电子装置(100)，其中，多个所述天线(402)中的至少一个所述天线(402)包含至少一个RF输入(706，708)。
11.根据权利要求9所述的电子装置(100)，其中，至少一个所述元件(404)包含第二波束部分(712)，其中，所述第二波束部分(712)平行于所述第一波束部分(710)并且在所述第一波束部分附近。
12.根据权利要求11所述的电子装置(100)，其中，至少一个所述元件(404)包含电容式调谐器。
13.根据权利要求11所述的电子装置(100)，其中，至少一个所述元件(404)是数字可变电容器(200)。
14.根据权利要求13所述的电子装置(100)，其中，所述数字可变电容器(200)包含至少一个微机电(MEMS)装置(300)。
15.根据权利要求1所述的电子装置(100)，其中，所述电子装置利用多输入多输出(MIMO)能力。
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