CN113875165B - 使用天线阵列的波束成形和波束转向 - Google Patents

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Abstract

提供了天线系统。在一个示例中，天线系统包括具有多个第一天线元件的第一天线阵列。第一天线元件能够操作为在多输入多输出(MIMO)模式下经由通信协议通信一个或多个信号。天线系统包括具有多个第二天线元件的第二天线阵列。天线系统包括控制电路，该控制电路被配置为在第一模式或第二模式下控制第二天线阵列的第二天线元件中的一个或多个天线元件的操作。在第一模式中，第二天线元件中的一个或多个天线元件被配置为提供辅助功能以支持第一天线元件经由通信协议的通信。在第二模式中。第二天线元件中的一个或多个天线元件被配置为支持第一天线元件的波束成形或波束转向。

Description

使用天线阵列的波束成形和波束转向
优先权要求
本申请要求于2019年6月24日提交的标题为“Beam Forming and Beam SteeringUsing Antenna Arrays”的美国临时申请序列No.62/865,450的优先权，该申请通过引用并入本文。
技术领域
本公开大体上涉及用于无线通信系统的天线系统，诸如用于5G蜂窝通信系统的天线系统。
背景技术
电子设备(诸如膝上型电脑、平板电脑、智能手机、IoT(物联网)设备等)可以操作为通过蜂窝网络通信。在4G中操作的蜂窝网络被大量使用并且最近已经演进到在大区域上的稳定且可靠的网络中提供中到高数据速率的传输以及语音通信。通信系统正在向5G协议和网络过渡。5G网络可以提供基本更高的数据速率和更低的时延，并且可以应用于语音、数据和IoT应用。
发明内容
本公开的实施例的方面和优势将在以下描述中部分阐述，或可以从该描述中获知，或可以通过实施例的实践获知。
本公开的一个示例方面针对一种天线系统。该天线系统包括具有多个第一天线元件的第一天线阵列。第一天线元件能够操作为在多输入多输出(MIMO)模式下经由通信协议通信一个或多个信号。该天线系统包括具有多个第二天线元件的第二天线阵列。该天线系统包括控制电路，该控制电路被配置为在以第一模式或第二模式下控制第二天线阵列的第二天线元件中的一个或多个天线元件的操作。在第一模式中，第二天线元件中的一个或多个天线元件被配置为提供辅助功能，以支持第一天线元件经由通信协议的通信。在第二种模式中。第二天线元件中的一个或多个天线元件被配置为支持第一天线元件的波束成形或波束转向。
参照以下描述和所附的权利要求将变得更好地理解各种实施例的这些和其他的特征、方面及优点。并入本说明书并构成本说明书的一部分的附图示出了本公开的实施例，并且与描述一起用于解释相关的原理。
附图说明
参照附图，在说明书中阐述了针对本领域普通技术人员的对实施例的详细讨论，其中：
图1描绘了根据本公开的示例实施例的具有天线系统的移动设备；
图2描绘了根据本公开的示例实施例的天线系统中的(一个或多个)天线阵列的配置；
图3A、3B和3C描绘了根据本公开的示例实施例的示例波束成形和波束转向；
图4描绘了根据本公开的示例实施例的用于配置天线系统的示例控制电路；
图5描绘了根据本公开的示例实施例的示例方法的流程图。
具体实施方式
现在将详细参照实施例，将在附图中示出其一个或多个示例。通过对实施例的解释而不是对本公开的限制来提供每个示例。实际上，对于本领域技术人员来说显而易见的是，可以在不脱离本公开的范围或精神的情况下对实施例进行各种修改和变化。例如，作为一个实施例的一部分而示出或描述的特征可以与另一实施例一起使用以产生更进一步的实施例。因此，旨在本公开的各方面涵盖这些修改和变化。
本公开的示例方面针对用于在诸如5G通信系统之类的通信系统中使用(一个或多个)天线阵列进行波束成形和/或波束转向(steering)的系统和方法。例如，用于设备的天线系统可以包括多个不同的天线阵列。每个天线阵列可以具有多个不同的天线元件。天线元件可以在阵列之间共享，以提供辅助功能(例如，多输入多输出(MIMO)、分集)、经由通信协议(例如，5G通信协议)支持主通信，或者支持波束成形和/或波束转向。
例如，可以使用被配置用于MIMO通信和/或在更高频带(例如，在约24GHz到约86GHz范围的频带)通信的天线阵列来实现5G通信协议。这些天线阵列中的每个天线阵列都可以包括多个天线元件。可以单独和/或共同控制天线元件，以在MIMO模式(例如，4×4MIMO模式)下通信信号(例如，RF信号)。这可以在无线通信中提供更高的数据速率和更低的时延。
电子设备(例如，移动设备、IoT设备或其他电子设备)可以包括多个不同的天线阵列(例如，两个天线阵列、三个天线阵列、四个天线阵列)。天线阵列之一(例如，主天线阵列)可以用于经由通信协议(例如，诸如3G、4G(LTE)、5G协议之类的蜂窝通信协议)的主通信。一个或多个不同的天线阵列可以用于提供辅助功能，以支持主天线阵列的通信。例如，天线阵列可以用于进一步增强主天线阵列的MIMO和/或分集操作。
根据本公开的示例方面，从多个不同天线阵列中选定的天线元件可以用于支持主天线阵列的“波束成形”或“波束转向”。波束成形是指不同天线波束的组合，以增加特定方向(例如，基站的方向)上的信号强度，从而增强通信链路。“波束转向”是指动态转向天线波束，使得天线波束的高增益方向指向特定方向(例如，基站的方向)。
例如，主天线阵列的一个或多个天线元件可以从用于支持MIMO和/或分集切换到用于波束转向或波束成形。此外，和/或替代地，来自不同天线阵列的一个或多个附加天线元件可以从用于支持MIMO和/或分集切换到用于波束转向或波束成形。以这种方式，本公开的方面可以具有以下技术效果：允许不同天线阵列中的不同天线元件被共享用于支持MIMO/分集和/或用于波束转向或波束成形，以增强天线阵列内的可用资源的使用并增强无线电性能。
如本文所使用的，“移动设备”是能够无线地通信并且能够在正常操作时由用户的手携带的电子设备。示例移动设备包括智能手机、平板电脑、膝上型电脑、可穿戴设备、个人数字助理和便携式数字音乐播放器。如本文所用，结合数值对术语“约”的使用是指在所述数值的10％以内。
图1描绘了根据本公开的示例实施例的支持蜂窝通信并具有波束转向或波束成形能力的示例移动设备100。如图所示，移动设备包括壳体104。壳体104可以包括多个不同的表面(例如，边缘表面)。例如，壳体104具有第一表面107和第二表面109以及其他表面(未指出)。移动设备100可以包括接口元件(例如，触摸屏、触摸板、键盘、相机、麦克风)，以允许用户与移动设备100交互。
壳体104容纳三个天线阵列：第一天线阵列110、第二天线阵列120和第三天线阵列130。出于说明和讨论的目的，示出了三个天线阵列。使用本文所提供的公开，本领域普通技术人员将理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可以使用更多或更少的天线阵列。
第一天线阵列110、第二天线阵列120和第三天线阵列130中的每个可以包括多个天线元件。每个天线元件可以被配置成经由蜂窝通信协议(诸如5G通信协议)来通信一个或多个信号。每个天线元件可以被配置为在约24GHz到约86GHz范围的频带中通信一个或多个信号。在一些实施例中，每个天线阵列可以包括布置在基板(例如，电路板)上的多个天线元件(例如，辐射元件)。
第一天线阵列110和第二天线阵列120被示出为在移动设备100的相同表面(即，表面107)附近。第三天线阵列130被示出为相对于第一天线阵列110和第二天线阵列120在不同的表面(例如，表面109)上。以这种方式，天线阵列可以位于移动设备100的相同表面附近或者不同表面附近。
图2描绘了根据本公开的示例实施例的第一天线阵列110和第二天线阵列120的示例配置。更具体地，在配置202中，多个第一天线元件112被配置为支持经由通信协议(例如，5G通信协议)的主通信。多个第一天线元件112可以在MIMO模式下经由通信协议通信。例如，多个第一天线元件112可以被配置为在4×4MIMO模式下操作。
在配置202中，与第二天线阵列120相关联的多个第二天线元件122被配置为提供辅助功能，以支持第一天线阵列110中的第一天线元件112的主通信。例如，第二天线阵列120的多个第二天线元件122可以为第一天线阵列110中的第一天线元件112提供附加的MIMO能力和/或分集。
在配置202中，第二天线元件122的第一子集126被配置为提供辅助功能，以支持第一天线阵列110的第一天线元件112。第一子集126包括第二天线阵列120中的所有第二天线元件122。第二天线阵列120的第二子集(没有天线元件)被配置为支持第一天线阵列110的第一天线元件112的波束转向或波束成形。
根据本公开的示例方面，控制电路可以将第一天线阵列110和第二天线阵列120的配置从配置202调整到配置204。在配置204中，第二天线元件122的子集124已经被配置为支持第一天线阵列110的第一天线元件112的波束转向或波束成形。第二天线元件122的子集126保持被配置为支持第一天线阵列110的第一天线元件112的辅助功能(例如，MIMO、分集)。
出于说明和讨论的目的，图2的示例讨论了跨两个天线阵列的天线元件的配置。使用本文所提供的公开，本领域普通技术人员将理解，天线元件可以与单个天线阵列或多于两个的天线阵列相关联，而不脱离本公开的范围。例如，天线元件112和122可以是单个天线阵列的所有部分，而不脱离本公开的范围。作为另一个示例，可以使用跨第一天线阵列110、第二天线阵列120和第三天线阵列130的天线元件，而不脱离本公开的范围。
在一些实施例中，用于在该示例中配置天线元件进行波束成形或波束转向的机制可以例如通过在通信到天线元件的信号中引入相移来实现。在一些实施方式中，可以使用延迟线来实现相移，该延迟线在使用延迟线通信的信号中引入时间延迟。在一些实施例中，可以使用移相器来实现相移。
图3A-3C示出了对应于在天线元件之间实现的三种不同相移的三种不同辐射图案(pattern)的示例。在该示例中，移动设备被配置为包括：第一天线阵列或第一天线阵列的一个或多个第一天线元件，其产生在Y方向上具有最高增益的第一辐射图案；以及第二天线阵列或第二天线阵列的一个或多个第二天线元件，其产生在Z方向上具有最高增益的第二辐射图案。图3A示出了第一模式，在该第一模式中时间延迟或相移被设置为使得来自第二辐射图案的贡献几乎可以忽略，从而导致在Y方向上具有最高增益的组合辐射图案。图3B示出了第二模式，在第二模式中时间延迟或相移被设置为使得第一辐射图案和第二辐射图案在相位上共存，从而导致在Y+Z方向上具有最高增益的组合辐射图案。图3C示出了第三模式，在第三模式中时间延迟或相移被设置为使得来自第一辐射图案的贡献几乎可以忽略，从而导致在Z方向上具有最高增益的组合辐射图案。
图4描绘了根据本公开的示例实施例的被配置为配置天线阵列的示例控制电路200的示意图。该示例示出了包括5G通信协议的第一到第N协议支持具有多个天线元件的第一天线110的情况。第一天线阵列110可以类似于图1和2所示出的第一天线阵列110。具有多个天线元件的第二天线阵列120可以通过被配置用于辅助功能(例如，MIMO、分集)或者被配置用于波束转向或波束成形而被用于支持第一天线阵列110的通信。第二天线阵列120可以类似于图1和2所示的第二天线阵列120。
控制电路200可操作为在支持辅助功能和支持波束成形或波束转向之间配置第一天线阵列110和第二天线阵列120中的天线元件。
第一到第N收发器302与第一天线阵列110相关联，以用于根据第一到第N协议(包括5G通信协议)来处理信号。收发器302支持的其他协议可以包括2G协议、3G协议、4G协议等。第(N+1)到第(N+M)收发器304与第二天线阵列120相关联，以用于结合第一到第N协议中的一个或多个协议(包括5G通信协议)来执行最初预期的功能。收发器304支持的其他协议可以包括2G协议、3G协议、4G协议等。
控制电路200可以包括第一开关组件220和第二开关组件224。第一开关组件220和第二开关组件224可以经由移相组件227彼此耦合。移相组件227可以被配置为在第一阵列110和120的天线元件之间通信的信号之间提供多个相移，以实现波束转向和/或波束成形功能。
例如，移相组件227可以包括多个不同电长度的可以用作延迟线的传输线，其可以使用第一开关组件220和第二开关组件224选择性地耦合到一个或多个天线元件。此外和/或替代地，移相组件227可以包括一个或多个移相器，其被配置为在经由移相组件227通信的信号中实现相移。
第一开关组件220可以包括多个第一开关(例如，晶体管或其他开关设备)，其被配置为选择性地将第一天线阵列110的各个天线元件耦合到移相组件227。第二开关组件224可以包括多个第二开关(例如，晶体管或其他开关设备)，其被配置为选择性地将第二天线阵列120的各个天线元件耦合到移相组件227。如框236所示，第一开关组件224可以包括与系统中的组件或模块断开、接地或短路的路径。
控制电路200可以包括模块240，该模块240被配置为在时间段期间选择收发器302中的要耦合到第一天线阵列110的各个天线元件的一个或多个收发器。可以将模块240耦合到功率组合器/分路器242，功率组合器/分路器242可以被配置为在向天线阵列110和/或第一开关组件220提供信号之间进行选择。控制电路200可以包括模块245，该模块245被配置为在时间段期间选择收发器304中的要耦合到第二天线阵列120的各个天线元件的一个或多个收发器。
可以将控制器244(例如，处理器、微处理器等，其被配置为执行存储在一个或多个存储器设备中的计算机可读指令)耦合到控制电路200的各种组件，诸如第一开关组件220、第二开关组件224、移相组件227、模块240、模块245和功率组合器/分路器242，以控制对路径/相移的选择。
控制电路200可以通过控制模块240将收发器302中的选定收发器耦合到第一天线阵列110中的一个或多个天线元件，来控制元件经由通信协议通信一个或多个信号。通信协议可以是，例如5G通信协议。第一天线阵列110中的天线元件中的一个或多个天线元件可以被配置为在MIMO模式下经由通信协议通信信号。
控制电路200可以将第二天线阵列120中的天线元件中的一个或多个天线元件配置为处于第一模式或第二模式。在第一模式中，第二天线元件中的一个或多个天线元件被配置为提供辅助功能(例如，MIMO、分集)，以支持第一天线元件经由通信协议的通信。
更具体地，当第二天线阵列120的一个或多个天线元件用于MIMO或分集时，控制器244可以控制第二开关组件224和模块245选择性地将第二天线阵列120的天线元件中的一个或多个天线元件耦合到收发器304中的适当收发器。此外，控制器244可以控制第一开关组件224选择性地将第一天线阵列110的天线元件中的一个或多个天线元件耦合到块236(例如，开路、接地、短路等)。控制器244还可以控制组件以另外方式将第一天线阵列110的一个或多个天线元件与第二天线阵列120的一个或多个天线元件去耦合。
当处于第二模式时，控制电路200可以控制第二天线阵列120和/或第一天线阵列110的天线元件中的一个或多个天线元件，以支持第一天线元件的波束成形或波束转向。例如，第一开关组件220和第二开关组件240可以由控制器244控制，以将(一个或多个)路径连接到移相组件227，以便耦合第一天线阵列110和/或第二天线阵列120中的两个或更多个天线元件。移相组件227可以是在与用于波束成形或波束转向的天线元件相关联的辐射图案之间的相移。
图5描绘了根据本公开的示例实施例的示例方法(400)的流程图。例如，可以使用图1-4所示的(一个或多个)天线系统来实现方法(400)。出于说明和讨论的目的，图5描绘了以特定顺序执行的步骤。使用本文所提供的公开，本领域普通技术人员将理解，本文所描述的任何方法的各种步骤可以被调整、省略、重新排列、包括未示出的步骤、同时执行的步骤和/或以各种方式修改的步骤，而不脱离本公开的范围。
在(402)，方法可以包括选择用于与天线系统进行通信的通信协议。通信协议可以是，例如5G通信协议。5G通信协议可以需要天线的MIMO操作和/或在更高的频带(诸如在约24GHz到约86GHz范围内的频带)中的通信。
在(404)，方法可以包括将第一天线元件配置为经由通信协议通信。例如，移动设备中的跨一个或多个天线阵列的多个天线元件可以被耦合到收发器，以例如在多输入多输出模式下经由5G通信协议来通信信号。
在(406)，方法可以包括操作一个或多个第二天线元件来提供辅助功能，以支持第一天线元件经由通信协议对一个或多个信号的通信。辅助功能可以包括将第二天线元件配置为支持经由通信协议的MIMO通信。辅助功能可以包括操作一个或多个第二天线元件以充当分集天线元件。一个或多个第二天线元件可以是与第一天线元件相同的天线阵列的部分和/或不同天线阵列的部分。
在(408)，方法可以包括接收信号来调整第二天线元件的操作模式，以支持波束转向或波束成形。在一些实施例中，用以调整操作模式的信号可以基于与天线系统和基站之间的通信链路相关联的信道质量指示符(CQI)。例如，用以调整操作模式的信号可以被实现来增加通信链路的CQI。示例CQI包括信噪比(SNR)、信号对干扰加噪声比(SINR)、接收信号强度指示符(RSSI)、比特错误率(BER)和其他度量中的一个或多个，它们被称为信道质量指示符(CQI)。其他触发器/信号可以用于调整(一个或多个)第二天线元件的操作模式，诸如在与某些基站通信时以规律的间隔的时间段到期等等。
在(410)，方法可以包括操作一个或多个第二天线元件来支持波束转向或波束成形，如上面详细描述的。例如，信号可以穿过包括一个或多个延迟线、移相器等的移相器模块，以用第二天线元件实现波束转向和/或波束成形。
在(412)，方法可以包括接收信号来调整第二天线元件的操作模式，以支持辅助功能。在一些实施例中，用以调整操作模式的信号可以基于与天线系统和基站之间的通信链路相关联的CQI。例如，调整操作模式的信号可以被实现来增加通信链路的CQI。其他触发器/信号可以用于调整(一个或多个)第二天线元件的操作模式，诸如在与某些基站通信时以规律的间隔的时间段到期等等。
在(412)接收到信号时，方法可以返回(406)并在提供辅助功能的模式下操作一个或多个第二天线元件，以支持第一天线元件经由通信协议的通信。以这种方式，可以通过对第二天线元件在辅助功能支持(例如，MIMO、分集)和波束转向或波束成形支持之间的的动态调整来增强通信链路质量。
虽然已经参照本公开的具体示例实施例详细描述了本主题，但是应当理解，本领域技术人员在理解了前述内容之后，可以容易地产生针对这些实施例的变更、变化和等同。因此，本公开的范围是示例性的而非限制性的，并且本主题公开不排除对本主题的这种修改、变化和/或添加，如对于本领域普通技术人员来说将是显而易见的。

Claims (18)

1.一种天线系统，包括：
第一天线阵列，所述第一天线阵列具有多个第一天线元件，所述第一天线元件能够操作为在多输入多输出(MIMO)模式下经由通信协议通信一个或多个信号；
第二天线阵列，所述第二天线阵列具有多个第二天线元件；以及
控制电路，所述控制电路被配置为在第一模式或第二模式下控制所述第二天线阵列的所述第二天线元件中的一个或多个天线元件的操作；
其中在所述第一模式中，所述第二天线元件的第一子集被配置为提供辅助功能以支持所述第一天线元件经由所述通信协议的通信，并且所述第二天线元件的第二子集被配置为支持所述第一天线元件的波束成形或波束转向；以及
其中在所述第二模式中，所述第二天线元件的第三子集被配置为支持所述第一天线元件的波束成形或波束转向，其中所述第三子集相对于所述第二子集具有一个或多个附加第二天线元件。
2.根据权利要求1所述的天线系统，其中所述通信协议是5G通信协议。
3.根据权利要求1所述的天线系统，其中所述辅助功能包括提供一个或多个附加天线元件，以支持经由所述通信协议的多输入多输出(MIMO)模式通信。
4.根据权利要求1所述的天线系统，其中所述辅助功能包括提供一个或多个附加天线元件以充当分集天线元件。
5.根据权利要求1所述的天线系统，其中所述第一天线阵列包括4×4MIMO天线阵列。
6.根据权利要求1所述的天线系统，其中所述第二天线阵列包括4×4MIMO天线阵列。
7.根据权利要求1所述的天线系统，其中所述第一天线阵列和所述第二天线阵列能够操作为在从约24GHz到约86GHz范围的频带中通信。
8.根据权利要求1所述的天线系统，还包括具有多个第三天线元件的第三天线阵列，其中所述控制电路被配置为在所述第一模式或所述第二模式下控制所述第三天线阵列中的所述第三天线元件中的一个或多个天线元件的操作，其中在所述第一模式下，所述第三天线元件中的一个或多个天线元件提供辅助功能，以支持所述第一天线元件经由所述通信协议的通信，其中在所述第二模式中，所述第三天线元件中的一个或多个天线元件支持所述第一天线元件的波束成形或波束转向。
9.根据权利要求1所述的天线系统，其中所述控制电路包括：
第一开关组件，所述第一开关组件具有耦合到所述第一天线阵列的一个或多个第一开关；
第二开关组件，所述第二开关组件具有耦合到所述第二天线阵列的一个或多个第二开关；以及
移相组件，所述移相组件耦合在所述第一开关组件和所述第二开关组件之间。
10.根据权利要求9所述的天线系统，其中所述移相组件包括一个或多个移相器。
11.根据权利要求9所述的天线系统，其中所述移相组件包括一个或多个不同电长度的传输线。
12.一种移动设备，包括：
第一天线阵列，所述第一天线阵列具有多个第一天线元件，所述第一天线元件能够操作为在多输入多输出(MIMO)模式下经由通信协议通信一个或多个信号；
第二天线阵列，所述第二天线阵列具有多个第二天线元件；以及
控制电路，所述控制电路被配置为在第一模式或第二模式下控制所述第二天线阵列的所述第二天线元件中的一个或多个天线元件的操作；
其中在所述第一模式中，所述第二天线元件的第一子集被配置为提供辅助功能以支持所述第一天线元件经由所述通信协议的通信，并且所述第二天线元件的第二子集被配置为支持所述第一天线元件的波束成形或波束转向；以及
其中在所述第二模式中，所述第二天线元件的第三子集被配置为支持所述第一天线元件的波束成形或波束转向，其中所述第三子集相对于所述第二子集具有一个或多个附加第二天线元件。
13.根据权利要求12所述的移动设备，其中所述第一天线阵列和所述第二天线阵列位于所述移动设备的不同表面附近。
14.根据权利要求12所述的移动设备，其中所述第一天线阵列和所述第二天线阵列位于所述移动设备的同一表面附近。
15.一种配置天线系统的方法，所述天线系统包括具有多个第一天线元件的第一天线阵列和具有多个第二天线元件的第二天线阵列，所述方法包括：
操作所述第一天线阵列的所述多个第一天线元件在多输入多输出模式下经由通信协议通信一个或多个信号；
在第一模式下操作所述第二天线阵列，其中，所述多个第二天线元件的第一子集被配置为提供辅助功能以支持所述第一天线元件经由所述通信协议的通信，并且所述多个第二天线元件的第二子集被配置为支持所述第一天线元件的波束成形或波束转向；以及
将所述第二天线阵列的操作从所述第一模式调整到第二模式，其中，所述多个第二天线元件的第三子集被配置为提供所述多个第一天线元件的波束成形或波束转向，其中所述第三子集相对于所述第二子集具有一个或多个附加第二天线元件。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述辅助功能包括操作被包括在所述多个第二天线元件的所述第一子集中的一个或多个第二天线元件以支持经由所述通信协议的多输入多输出(MIMO)模式通信。
17.根据权利要求15所述的方法，其中所述辅助功能包括操作被包括在所述多个第二天线元件的所述第一子集中的一个或多个第二天线元件以充当分集天线元件。
18.根据权利要求15所述的方法，其中所述通信协议是5G通信协议，并且所述一个或多个信号在约24GHz到约86GHz范围的频带中。
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