CN113992251B - 波束成形系统及波束产生器 - Google Patents

Abstract

本公开内容关于一种波束成形系统及波束产生器，其中波束成形系统包含收发电路、开关电路及波束产生器。开关电路电性连接于收发电路。波束产生器包含多个天线单元。该些天线单元是根据多个辐射角度收发信号，且每个天线单元的辐射角度各不相同。开关电路根据控制号选择性地将一个天线单元导通至收发电路。

Description

波束成形系统及波束产生器

技术领域

本公开内容关于一种波束成形系统，特别是通过多个天线单元收发无线信号的技术。

背景技术

波束成型(Beamforming)是一种通过天线阵列定向发送和接收无线信号的技术。天线阵列能在特定方向叠加发射或接收信号，形成精准的指向性传输。执行波束成形的电路结构众多，但不同的电路结构不仅会影响电功转换效率(PAE,Power AddedEfficiency)，也与生产成本息息相关。

发明内容

本公开内容的一实施例为一种波束成形系统，包含收发电路、开关电路及波束产生器。开关电路电性连接于收发电路。波束产生器包含多个天线单元。天线单元是根据多个辐射角度收发信号，且每个天线单元对应的辐射角度互不相同。开关电路是根据控制信号选择性地将一个天线单元导通至收发电路。

本公开内容的另一实施例为一种波束产生器，包含多个天线单元。天线单元电性连接于开关电路。该些天线单元是根据多个辐射角度收发信号，且每个天线单元对应的辐射角度互不相同。开关电路选择性将该些天线单元中的至少一个导通至收发电路，且波束产生器是根据被导通的该些天线单元中的其中之一，产生对应的辐射方向。

本公开内容的又一实施例为一种波束成形系统，包含相位调整电路及多个波束成形装置。相位调整电路包含多个相位增益调整器，用以调整无线信号在第一方向上的相位。该些波束成形装置的每一者包含收发电路、开关电路及波束产生器。收发电路电性连接于该些相位增益调整器的其中之一。波束产生器包含多个天线单元。该些天线单元是根据多个辐射角度收发无线信号，且每个天线单元对应的辐射角度互不相同。开关电路是根据控制信号，选择性地将一个天线单元导通至收发电路。

由于波束成形系统能通过开关电路的切换，改变与收发电路相导通的天线单元，进而调整波束产生器的辐射方向，因此，此“被动式”的波束成形系统将能兼顾生产成本与电功转换效率。

附图说明

图1为根据本公开内容的部分实施例的波束成形系统的示意图。

图2为根据本公开内容的部分实施例的波束产生器的示意图。

图3为根据本公开内容的部分实施例的波束成形系统的示意图。

图4为根据本公开内容的部分实施例的波束产生器的示意图。

附图标记说明：

100：波束成形系统

110：收发电路

111：第一切换电路

112：第二切换电路

113：接收电路

114：发送电路

120：开关电路

121：第一开关元件

122：第二开关元件

130：波束产生器

131A-131D：天线单元

200：波束成形装置

210：收发电路

211：第一切换电路

212：第二切换电路

213：发送电路

214：接收电路

300：波束成形系统

310：相位调整电路

311：相位增益调整器

320：驱动电路

430：波形产生器

431A-431H：天线单元

C：处理器

P：电路板

P10：馈入点

P11：导线

VP：垂直极化调整区段

HP：水平极化调整区段

具体实施方式

以下将以附图公开本发明的多个实施方式，为明确说明起见，许多实务上的细节将在以下叙述中一并说明。然而，应了解到，这些实务上的细节不应用以限制本发明。也就是说，在本公开内容的部分实施方式中，这些实务上的细节是非必要的。此外，为简化附图起见，一些现有惯用的结构与元件在附图中将以简单示意的方式示出。

于本文中，当一元件被称为“连接”或“耦接”时，可指“电性连接”或“电性耦接”。“连接”或“耦接”亦可用以表示二或多个元件间相互搭配操作或互动。此外，虽然本文中使用“第一”、“第二”……等用语描述不同元件，该用语仅是用以区别以相同技术用语描述的元件或操作。除非上下文清楚指明，否则该用语并非特别指称或暗示次序或顺位，亦非用以限定本发明。

请参阅图1，是根据本公开内容的部分实施例所示出的一种波束成形系统100。波束成形系统100包含收发电路110、开关电路120及波束产生器130。收发电路110用以接收无线信号，或将无线信号朝外发送。收发电路110电性连接于波束成形系统100的处理器C。处理器C用以执行各种运算，且亦可以被实施为微控制单元(microcontroller)、微处理器(microprocessor)、数字信号处理器(digital signal processor)、特殊应用集成电路(application specific integrated circuit，ASIC)或逻辑电路。

开关电路120电性连接于收发电路110。在部分实施例中，开关电路120包含第一开关元件121及多个第二开关元件122。第一开关元件121为一对二的开关，第二开关元件122则为两个一对二的开关。通过第一开关元件121及第二开关元件122，开关电路120将能具有一对四的选择性切换功能。开关电路120的电路结构并不以图1所示的电路为限，亦可使用一个一对八(如图1所示，开关电路120具有八个可选择导通的端点)的开关元件或其他开关电路。

请参阅图1及图2，其中图2是根据本公开内容的部分实施例所示出的波束产生器130示意图。波束产生器130包含多个天线单元131A～131D。天线单元131A～131D是根据多个辐射角度收发信号，且每个天线单元131A～131D对应的该辐射角度互不相同。天线单元131A～131D电性连接于开关电路120的四个端点，开关电路120根据处理器C发送的控制信号，选择性地将天线单元131A～131D中的其中一个导通至收发电路110。

当开关电路120将天线单元131A～131D导通至收发电路110时，收发电路110将可通过波束产生器130接收或发送无线信号。波束成形系统100通过开关电路120选择性地导通其中一个天线单元131，以调整波束产生器130整体的辐射方向。举例而言，天线131A的辐射角度是对应于水平方向的5度、天线131B的辐射角度是对应于水平方向的16度、天线131C的辐射角度是对应于水平方向的27度、天线131D的辐射角度是对应于水平方向的39度，但本公开内容并不以此为限。

举例而言，当开关电路120根据接收到的控制信号，将收发电路110导通至天线131A时，波束产生器130整体的辐射方向即为天线单元131A的辐射角度5度。同理，当当开关电路120根据接收到的控制信号，收发电路110导通至天线131B时，波束产生器130整体的辐射方向即为天线单元131B的辐射角度16度。

在实做上，收发电路110的工艺会对波束成形系统100的成本与电功转换效率产生明显影响。举例而言，若收发电路110是以硅锗(SiGe)工艺制作(即，内部晶体管为硅锗材料)，则生产成本较低，但电功转换效率(Power Added Efficiency，简称PAE)较不理想。另一方面，若收发电路110是以氮化镓(GaN)工艺制作(即，内部晶体管为氮化镓材料)，电功转换效率将明显提升，但成本亦非常高。

在一实施例中，收发电路110是使用氮化镓工艺，以确保良好的电功转换效率。如图1所示，由于波束成形系统100是通过开关电路120连接且选择性地导通多个天线单元131A～131D，因此收发电路110中可以只配置一个通道(channel)，即可产生高天线增益。

如图1所示，收发电路110、开关电路120及波形产生器130可作为一个“被动式”的波形成形装置200。“被动式”是指收发电路110无须设置一个用以调整信号的相位或强弱的调整电路。被动式波形成形装置200是通过开关电路120导通至不同天线单元131A～131D的切换状态，改变波形产生器130整体的辐射方向。据此，将可兼顾信号传输的精确性、电功转换效率以及生产成本。

在一实施例中，天线单元131A～131D可为贴片天线(Patch antenna)，且其导线的长度、面积(或导线宽度)或分布区域互不相同，使得每一个天线单元具有固定且互不相同的辐射角度及辐射场型。在部分实施例中，波束产生器130包含电路板P。天线单元131A～131D设于电路板P上。如图2所示，电路板P上包含多个馈入点P10。馈入点P10之间是通过导线P11相互连接，使得馈入点P10及导线P11用以形成天线单元131A～131D。每个天线单元131A～131D中的导线长度、面积及分布区域各不相同，因此具有不同的辐射角度(辐射场型)。

在一实施例中，收发电路110包含第一切换电路111、第二切换电路112、接收电路113及发送电路114。接收电路113及发送电路114电性连接于第一切换电路111及第二切换电路112之间。第一切换电路111的一端电性连接于开关电路120，以选择性地将开关电路120导通至接收电路113或发送电路114。第二切换电路112的一端则电性连接于处理器C，以选择性地将处理器C导通至接收电路112或发送电路113。换言之，收发电路110可通过第一切换电路111及第二切换电路112，选择性地将接收到的无线信号传递给处理器C，或者将处理器C传来的无线信号传递至开关电路120。

在一实施例中，根据发明人的实际测试，具有“被动式”的波形成形装置200的波束成形系统100，其功率消耗(power consumption)为2.4瓦。时下其他波束成形装置的功率消耗10～15瓦之间。波束成形系统100的有效等辐射功率(Effective Isotropic RadiatedPower，EIRP)亦达到符合标准的41dBm。此外，如前所述，由于收发电路110中可以只配置一个通道(channel)，故能节省氮化镓工艺的成本。

请参阅图3，是根据本公开内容的其他部分实施例所示出的波束成形系统300示意图。于图3中，与图1的实施例有关的相似元件是以相同的参考标号表示以便于理解，且相似元件的具体原理已于先前段落中详细说明，若非与图3的元件间具有协同运行关系而必要介绍者，于此不再赘述。

在该实施例中，波束成形系统300为“混合式(Hybrid)”架构，包含相位调整电路310及多个波束成形装置200。意即，相位调整电路310能主动调整无线信号的相位及强弱，而波束成形装置200则通过开关电路120被动式地实现切换辐射方向的目的。如图3所示，相位调整电路310电性连接于处理器及该些波束成形装置200，且包含多个相位增益调整器311。相位增益调整器311用以根据驱动电路320传来的调整指令，调整无线信号在第一方向上的相位。在部分实施例中，相位调整电路310用以调整“垂直方向”的信号相位。此外，在部分实施例中，相位调整电路310是由硅锗工艺制成，即包含硅锗材料的晶体管。由于本领域人士能理解相位调整电路310的运行原理，故在此不另赘述。波束成形装置200可为前述实施例中所述的“被动式”波束成形装置。波束成形装置200包含收发电路210、开关电路120及波形产生器130。由于开关电路120及波形产生器130的电路及运行方式已于前述实施例中说明，故在此即不再赘述。

具体而言，相位增益调整器311包含增益调整电路311a及相位调整电路311b，使得相位增益调整器311在接收到驱动电路320传来的调整指令后，先调整无线信号的增益，再调整无线信号的相位。由于本领域人士能理解相位增益调整器311的电路与运行原理，故在此不另赘述。

每个波束成形装置200的收发电路210分别电性连接于一个相位增益调整器311。波束成形装置200中的各波束产生器130则具有在第二方向上相异的辐射场型。因此，开关元件120可选择性地连接波形产生器130中的其中一个天线单元，以决定波形产生器130的在第二方向上的辐射方向。在一实施例中，波束成形装置200通过开关电路120调整波形产生器130在“水平方向”上的辐射方向。

如图3所示，相位调整电路310可通过相位增益调整器311，主动地调整收发的无线信号于第一方向的辐射角度。波束成形装置200则通过开关电路120，被动地调整无线信号于第二方向的辐射角度。据此，通过主动与被动、硅锗工艺与氮化镓工艺的配合，即可在兼顾成本的情况下，实现良好的功率转换效率。此外，由于波束成形系统300包含多个波束成形装置200，因此能让波束成形系统300在同样的耗电量下达到更远的传输距离。

如图3所示，在一实施例中，收发电路210包含第一切换电路211、一第二切换电路212、发送电路213及接收电路214。第一切换电路211的一端电性连接于开关电路120。发送电路213及接收电路214电性连接于第一切换电路211的另一端。第二切换电路212的两端电性连接于其中一个相位调整电路311、接收电路213及发送电路214。第一切换电路211选择性地将开关电路120导通至接收电路214或发送电路213。第二切换电路212选择性地将对应的相位调整电路311导通至接收电路214或发送电路213。

请参阅图4所示，是本公开内容的其他部分实施例的波形产生器430的示意图。为避免附图过于复杂而不易识别，在图4中省略馈入点、导线。在该实施例中，波形产生器430包含八个天线单元431A～431H。天线单元431A～431H还包含垂直极化调整区段VP及水平极化调整区段HP。意即，天线单元431A～431H的垂直极化调整区段VP用以收发垂直极化的信号。天线单元431A～431H的水平极化调整区段HP用以收发水平垂直极化的信号。在该实施例中，天线单元431A～431H的垂直极化调整区段VP、水平极化调整区段HP对应的辐射角度分别为“39、27、16、5、-5、-16、-27及-39”度，具有双极化天线的功能。

在一实施例中，“混合式”的波束成形系统300包含四个通道。即，具有四个波束产生器130。根据发明人的实际测试，波束成形系统300的有效等辐射功率可提升至约53dBm、功率消耗则为12瓦，而时下其他波束成形装置若要实现相同的有效等辐射功率，其功耗会高达约40～60瓦。

在其他部分实施例中，“混合式”的波束成形系统300包含八个通道。即，具有八个波束产生器130。根据测试，波束成形系统300的有效等辐射功率可提升至约59dBm、功率消耗则为24瓦，而时下其他波束成形装置若要实现相同的有效等辐射功率，其功耗会高达约75～100瓦，远高于本公开内容。

前述各实施例中的各项元件、方法步骤或技术特征，可相互结合，而不以本公开内容中的文字描述顺序或附图呈现顺序为限。

虽然本公开内容已以实施方式公开如上，然其并非用以限定本公开内容，任何本领域技术人员，在不脱离本公开内容的构思和范围内，当可作各种变动与润饰，因此本公开内容的保护范围当视权利要求所界定者为准。

Claims (7)

1.一种波束成形系统，包含：

一收发电路；

一开关电路，电性连接于该收发电路；以及

一波束产生器，包含多个天线单元，其中所述多个天线单元是根据多个辐射角度收发信号，且每个天线单元对应的该辐射角度互不相同，该开关电路是根据一控制信号，选择性地将所述多个天线单元的其中一个导通至该收发电路；

其中，所述波束产生器还包括一电路板，包含多个馈入点，其中所述多个馈入点间是通过多条导线相连接，所述多个馈入点及所述多条导线用以形成所述多个天线单元，

其中，所述多个天线单元的导线长度、面积或分布区域互不相同，

其中，所述波束成形系统还包括一相位调整电路，包含多个相位增益调整器，用以调整一无线信号在一第一方向上的相位，

其中该波束成形系统是通过该开关电路选择性地导通所述多个天线单元的其中一个，以调整该无线信号在一第二方向上的相位。

2.如权利要求1所述的波束成形系统，其中该收发电路是用以接收一无线信号，或将该无线信号通过该波束产生器向外发送；该波束成形系统是通过该开关电路选择性地导通所述多个天线单元的其中一个，以调整该波束产生器的一辐射方向。

3.如权利要求1所述的波束成形系统，其中该收发电路通过一第一切换电路电性连接于该开关电路，且通过一第二切换电路电性连接于一处理器。

4.如权利要求1所述的波束成形系统，其中该收发电路还包含：

一切换电路，电性连接于该开关电路；

一接收电路，电性连接于该切换电路及一处理器；以及

一发送电路，电性连接于该切换电路及该处理器，其中该切换电路选择性地将该开关电路导通至该接收电路或该发送电路。

5.一种波束产生器，包含：

多个天线单元，电性连接于一开关电路，其中所述多个天线单元是根据多个辐射角度收发信号，且每个天线单元对应的该辐射角度互不相同；该开关电路选择性将所述多个天线单元中的其中一个导通至一收发电路，且该波束产生器是根据被导通的所述多个天线单元中的其中一个，产生对应的一辐射方向；

一电路板，包含多个馈入点，其中所述多个馈入点间是通过多条导线相连接，所述多个馈入点及所述多条导线用以形成所述多个天线单元，

其中所述多个天线单元的导线长度互不相同。

6.一种波束成形系统，包含：

一相位调整电路，包含多个相位增益调整器，用以调整一无线信号在一第一方向上的相位；以及

多个波束成形装置，其中所述多个波束成形装置的每一者包含：

一收发电路，电性连接于所述多个相位增益调整器的其中之一；

一开关电路，电性连接于该收发电路；以及

一波束产生器，包含多个天线单元和一电路板，该电路板包含多个馈入点，其中所述多个馈入点间是通过多条导线相连接，所述多个馈入点及所述多条导线用以形成所述多个天线单元，其中所述多个天线单元是根据多个辐射角度收发该无线信号，且每个天线单元对应的该辐射角度互不相同，该开关电路是根据一控制信号，选择性地将所述多个天线单元的其中一个导通至该收发电路，

其中该波束成形系统是通过该开关电路选择性地导通所述多个天线单元的其中一个，以调整该无线信号在一第二方向上的相位，

其中所述多个天线单元的导线长度、面积或分布区域互不相同。

7.如权利要求6所述的波束成形系统，其中该收发电路还包含：

一第一切换电路，电性连接于该开关电路；

一接收电路，电性连接于该第一切换电路；

一发送电路，电性连接于该第一切换电路；以及

一第二切换电路，电性连接于所述多个相位增益调整器的其中之一、该接收电路及该发送电路；其中该第一切换电路选择性地将该开关电路导通至该接收电路或该发送电路；该第二切换电路选择性地将所述多个相位增益调整器的其中之一导通至该接收电路或该发送电路。