CN116325366A - 多波束波束成形前端无线收发器用天线系统 - Google Patents

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Abstract

一种天线系统包括模块，该模块被电气耦合到前端电子电路层，该前端电子电路层被配置为处理一个或多个波束。该模块包括辐射层，该辐射层包括有一个或多个辐射组件，该辐射组件被配置为发射该一个或多个波束及接收该一个或多个波束中的至少一个；包括馈入层，该馈入层包括有一个或多个馈入组件，其中该一个或多个馈入组件被配置为激发该辐射层、发射该一个或多个波束、接收该一个或多个波束，或其任意组合。该模块还包括分配网络层，该分配网络层包括有波分配装置，其中该波分配装置被配置为把该一个或多个波束从该前端电子电路层分配到该馈入层。

Description

多波束波束成形前端无线收发器用天线系统
相关申请的交叉引用
本申请优先于2020年6月11日所提交的美国临时申请第63/038，043号并享有其权益。上述申请所揭露的内容被引入本文作为参考。本申请相关于同时提交的审查中的申请，其标题为“SYSTEM AND METHOD FOR AMULTI-BEAM BEAMFORMING FRONT-END ARCHITECTUREFOR WIRELESS TRANSCEIVERS(用于无线收发器用多波束波束成形前端架构的系统及方法)”，其被共同归属于本申请并且其内容通过引用被并入到本文。
技术领域
本发明涉及无线电波收发器，并更具体地涉及一种多波束波束成形前端天线系统。
背景技术
在本节中的陈述仅提供与本发明相关的背景信息，并可能不构成现有技术。
无线电波无线技术无处不在并且被使用在各种应用中，包括但不局限于：电信及卫星通信行业、移动平台中的传感器及导航系统(例如在汽车工业中的自动驾驶汽车)等。
无线通信技术正转移到更高的毫米波频段。这些频段的优势在于可以使用更宽的带宽来解放更高的连接速度。然而，尽管有这些优势，与传统无线技术相比，当前的无线技术可能会实现复杂的方法及架构。
例如，无线电波无线装置可以包括天线、射频(RF)电路、模拟及数字电路、以及控制各种组件的该操作及连接的该系统架构。该无线前端系统共同定义了该无线装置的该性能及功能。对于高数据速率无线通信，尤其是在高毫米波频带，具有窄波束、在传输时具高功率位准、及在接收时具灵敏度位准的高增益前端系统是有需要的以补偿在实际范围上的信号传播损耗。因此，可能需要具有先进波束成形机制的高增益前端系统来启用这种无线通信技术。
有多种方法可以在无线前端实现波束成形，其中相位数组系统及可调谐超材料天线通常被认为是常见的方法。这两种方法都基于辐射组件在孔径上的分布，并控制该各个组件的相位及/或振幅以创建所希望的波束成形特性。然而，该相位数组及超材料技术可能具有高频谱效率低下、有限容量、以及高功率效率低下(尤其当使用大孔径及/或大量组件时)等的问题。更具体地说，当前模拟相位数组及超材料方法通常仅受限于用于信号传输及/或接收的单波束操作，这抑制了它们的容量、聚合吞吐量(用于通讯系统)、以及整体性能。此外，对于大孔径，高RF损耗(尤其是在高增益前端中具有大量组件时)会导致在这些系统中的不良的功率效率。在另一方面，数字波束成形方法能够进行多波束操作。但是，由于组件数量较多且工作带宽较宽(尤其是在毫米波频段)，这些方法可能无法被实施，因为在它们的数字及RF/模拟电路(例如DAC及ADC)中功耗过高及功率效率低下。
发明内容
本节提供了对本发明的一般概述，并不是对其全部范围或所有特征的全面揭露。
本发明提供一种天线系统，其被配置成从多个空间区域的一个或多个空间区域中发射或接收一个或多个波束。该天线系统包含被电气耦合到前端电子电路层的模块，该前端电子电路层被配置为处理该一个或多个波束。该模块包括辐射层，该辐射层包含有一个或多个辐射组件，该辐射组件被配置为发射该一个或多个波束及接收该一个或多个波束中的至少一个，以及馈入层，该馈入层包含有一个或多个馈入组件，其中该一个或多个馈入组件被配置为激发该辐射层、发射该一个或多个波束、接收该一个或多个波束，或其任意组合。该模块包括分配网络层，该分配网络层包含有波分配装置，其中该波分配装置被配置为把该一个或多个波束从该前端电子电路层分配到该馈入层。
在一种形式中，该辐射层包括像素化的天线孔径、连续天线孔径、平面天线孔径、保角天线孔径、固定天线孔径、可调谐天线孔径、被动天线孔径、透射天线孔径、反射天线孔径、或其任意组合。
在一种形式中，该辐射层包含一个或多个超材料组件，该超材料组件被配置成发射该一个或多个波束及接收该一个或多个波束中的至少一个，其中该馈入层被配置成激发该一个或多个超材料组件来发射该一个或多个波束及接收该一个或多个波束中的至少一个。
在一种形式中，该辐射层包括可调谐天线孔径，并且该多个辐射组件包含修改装置，该修改装置被配置为修改信号的相位、该信号的振幅、该信号的极化、该信号的调变、或其任意组合。该修改装置包含可谐调装置、主动装置、被动装置、或其任意组合。
在一种形式中，该一个或多个辐射组件包含至少两层，并且来自该至少两层中的每一层包含介电基板、充气基板、图案化的金属层、背腔结构、可谐调装置、主动装置、或其任意组合。
在一种形式中，该一个或多个馈入组件包括平面天线、2.5D形状天线、3D形状天线、主动天线、被动天线、单端口天线、多端口天线、空气填充天线、电介质填充天线、或其任意组合。
在一种形式中，该波分配装置是一个或多个波导的网络、一条或多条传输线的网络、一个或多个分配器的网络、一个或多个合并器的网络、波束成形器的网络、透镜结构的网络，混合型耦合器的网络、或其任意组合。
在一种形式中，该一个或多个波导包括漏波波导、槽孔式波导、共面波导、背腔波导、平行板波导、或其任意组合。
在一种形式中，本发明提供了一种前端天线系统，其包含有控制器及如本文所提供的该天线系统，以从多个空间区域中的一个或多个空间区域中输出一个或多个波束。
在一种形式中，该前端天线系统还包含多个波束网络及多个收发器，其中来自该多个波束网络中的每一个波束网络包括多个波束成形电路、多个开关电路、或其任意组合。来自该一个或多个馈入组件中的每一个馈入组件包括一个或多个端口。来自该一个或多个端口中的每一个端口被电气耦合到来自该多个波束网络中的一个或多个波束网络。来自该多个波束网络中的每一个波束网络对应于发射极化及接收极化中的一个。
在一种形式中，来自该一个或多个模块中的每一个模块被设置在第一基片层，来自该一个或多个模块中的每一个模块经由多个连接器被电气耦合到第二基片层，其中该第二层包含有一个或多个信号分配网络、一个或多个电路、或其任意组合以把该一个或多个模块电气耦合在一起。
在一种形式中，该模块被配置成可在该一个或多个波束上同时发射及接收一个或多个信号流。
在一种形式中，该馈入层还包含隔离组件，该隔离组件被配置为从该一个或多个馈入组件隔离出一组馈入组件，并且该隔离组件包括多个通孔、人造边界平面、屏蔽、接地平面、寄生组件、腔体结构、滤波器网络、抵消网络、或其任意组合。
在一种形式中，来自该组馈入组件中的每一个馈入组件可在发射模式、接收模式、或其任意组合中操作，并且当来自该组馈入组件中的每一个馈入组件可同时在该发射模式及该接收模式中操作时，该组馈入组件包括一个馈入组件。
在一种形式中，当来自该组馈入组件中的每一个馈入组件可在该发射模式及该接收模式的一个中操作时，该组馈入组件包括两个或更多个馈入组件，并且该两个或更多个馈入组件具有平面排列及非平面排列中的一种。
在一种形式中，该馈入层还包含隔离组件，该隔离组件被配置为从该一个或多个馈入组件中隔离出一组馈入组件。该隔离组件包含抵消网络，该抵消网络被配置为针对该组馈入组件的一组端口、该组馈入组件的一组信号流、或其任意组合采样发射出的信号。对于发射出的信号，该隔离组件被配置为把辅助信号注入到接收信号链中，其中该辅助信号被配置为抑制该发射出的信号在该接收信号链上的干扰。
在一种形式中，该抵消网络包含一个或多个信号分离器、一个或多个滤波器电路、一个或多个延迟组件、一个或多个衰减器、一个或多个合并器、或其任意组合，并且该抵消网络的每一个组件被设置在射频(RF)级、中频(IF)级、数位级、本地振荡器(LO)级、或其任意组合处。
在一种形式中，本发明提供一种前端天线系统，其包括如本文所提供的该天线系统以从多个空间区域的一个或多个空间区域中输出一个或多个波束。该前端天线系统还包含多个波束网络及多个收发器。
在一种形式中，该馈入层还包含隔离组件，该隔离组件被配置为从该一个或多个馈入组件隔离出一组馈入组件，并且该隔离组件包括多个通孔、人造边界平面、屏蔽、接地平面、寄生组件、腔体结构、滤波器网络、抵消网络、或其任意组合。来自该组馈入组件中的每一个馈入组件可在发射模式、接收模式、或其任意组合中操作，并且当来自该组馈入组件中的每一个馈入组件可同时在该发射模式及该接收模式中操作时，该组馈入组件包括一个馈入组件。该抵消网络被设置在集成电路芯片上，并包括至少一个可调谐组件，并且该抵消网络的一个或多个部分被设置在该多个波束网络、该多个收发器，或其任意组合处。
本发明提供一种天线系统，其被配置成可从多个空间区域的一个或多个空间区域中发射或接收一个或多个波束。该天线系统包含被电气耦合到前端电子电路层的模块，该前端电子电路层被配置为处理该一个或多个波束。该模块包括辐射层，该辐射层包含有一个或多个辐射组件，该辐射组件被配置为发射该一个或多个波束及接收该一个或多个波束中的至少一个，以及馈入层，该馈入层包含有一个或多个馈入组件，其中该一个或多个馈入组件被配置为激发该辐射层、发射该一个或多个波束、接收该一个或多个波束，或其任意组合。该模块包括分配网络层，该分配网络层包含有波分配装置，其中该波分配装置被配置为把该一个或多个波束从该前端电子电路层分配到该馈入层。
在一种形式中，该馈入层还包含隔离组件，该隔离组件被配置为从该一个或多个馈入组件隔离出一组馈入组件，并且该隔离组件包括多个通孔、人造边界平面、屏蔽、接地平面、寄生组件、腔体结构、滤波器网络、抵消网络、或其任意组合。
在一种形式中，该一个或多个馈入组件包括平面天线、2.5D形状天线、3D形状天线、主动天线、被动天线、单端口天线、多端口天线、空气填充天线、电介质填充天线、或其任意组合。
本发明提供一种天线系统，其被配置成可在多个空间区域的一个或多个空间区域中发射或接收一个或多个波束。该天线系统包含被电气耦合到前端电子电路层的模块，该前端电子电路层被配置为处理该一个或多个波束。该模块包括辐射层，该辐射层包含有一个或多个辐射组件，该辐射组件被配置为发射该一个或多个波束及接收该一个或多个波束中的至少一个，其中该辐射层包括像素化的天线孔径、连续天线孔径、平面天线孔径、保角天线孔径、固定天线孔径、可调谐天线孔径、被动天线孔径、透射天线孔径、反射天线孔径、多个超材料组件、或其任意组合。该模块包括馈入层，该馈入层包含有一个或多个馈入组件，其中该一个或多个馈入组件被配置为激发该辐射层、发射该一个或多个波束、接收该一个或多个波束，或其任意组合，并且其中该一个或多个馈入组件包括平面天线、2.5D形状天线、3D形状天线、主动天线、被动天线、单端口天线、多端口天线、空气填充天线、电介质填充天线、或其任意组合。该馈入层包括隔离组件，该隔离组件被配置为从该一个或多个馈入组件隔离出一组馈入组件。该模块包括分配网络层，该分配网络层包含有波分配装置，其中该波分配装置被配置为把该一个或多个波束从该前端电子电路层分配到该馈入层，并且其中该波分配装置是一个或多个波导的网络、一条或多条传输线的网络、一个或多个分配器的网络、一个或多个合并器的网络、或其任意组合。
另外的适用领域将从本文所提供的描述中变得明显。应被理解的是，该描述及具体实例仅是用于说明的目的，并不旨在用于限制本发明的范围。
附图说明
为了使本发明可被良好地理解，现在将参考该附图通过实例的方式描述本发明的各种形式，其中：
图1根据本发明的教导是一实例实施例的前端天线系统的示意图；
图2A根据本发明的教导是在一种形式中所提供的前端天线系统的一个或多个模块的示意图；
图2B根据本发明的教导是在另外一种形式中所提供的前端天线系统的一个或多个模块的示意图；
图3根据本发明的教导是前端天线系统的模块的各种层的示意图；
图4根据本发明的教导是前端天线系统的模块的辐射层的示意图；
图5A根据本发明的教导是前端天线系统的模块的馈入层的示意图；
图5B根据本发明的教导是馈入层的发射及接收馈入组件的示意图；
图5C根据本发明的教导是馈入层的发射/接收馈入组件的示意图；
图5D根据本发明的教导是馈入层的重迭的发射及接收馈入组件的示意图；
图5E根据本发明的教导是隔离馈入层的发射及接收馈入组件的多个通孔的示意图；
图5F根据本发明的教导是隔离馈入层的发射及接收馈入组件的人工边界平面的示意图；
图5G根据本发明的教导是隔离馈入层的发射及接收馈入组件的隔离组件的示意图；
图5H根据本发明的教导是隔离馈入层的发射及接收馈入组件的多个寄生组件的示意图；
图5I根据本发明的教导是隔离馈入层的发射及接收馈入组件的滤波器网络的示意图；
图5J根据本发明的教导是隔离馈入层的发射及接收馈入组件的抵消网络的示意图；
图5K根据本发明的教导是隔离馈入层的发射及接收馈入组件的空腔的示意图；
图5L根据本发明的教导是该馈入层的多个隔离组件及多个馈入组件的示意图；
图6A根据本发明的教导是该前端天线系统的模块的电路层的示意图；
图6B根据本发明的教导是在另一种形式中该前端天线系统的模块的电路层的示意图；
图7A根据本发明的教导是该前端天线系统的模块的分配网络层的示意图；
图7B根据本发明的教导是该前端天线系统的模块的分配网络层的示意图；
图7C根据本发明的教导是该前端天线系统的模块的分配网络层的示意图；
图8根据本发明的教导是另一模块的示意图；
图9根据本发明的教导是另一实例模块的功能方块图；
图10根据本发明的教导是被配置成以全双工模式操作的前端天线系统的功能方块图；
图11根据本发明的教导是具有多端口天线被配置成以全双工模式操作的前端天线系统的功能方块图；
图12A根据本发明的教导是前端天线系统的功能方块图；
图12B根据本发明的教导是另一前端天线系统的功能方块图；
图12C根据本发明的教导是又一前端天线系统的功能方块图；以及
图13根据本发明的教导是前端天线系统及控制器的功能方块图。
在此描述的附图仅是用于说明目的，并不旨在以任何方式限制本发明的范围。
具体实施方式
以下的描述本质上仅是示例性的，并不旨在限制本发明、应用、或用途。应被理解的是，在所有附图中，对应的附图号码表示相同或对应的部件及特征。
本发明提供了一种用于无线前端收发器的天线系统架构，其提供了多波束波束成形、高功率效率、高频谱效率、以及在操作中频率与尺寸的可扩展性的独特组合。该天线系统可被使用作为前端天线系统的一部分，并且该前端天线系统操作为无线前端系统并且能够启用波束的产生及/或接收以及射频(RF)场型及波束的电子控制其中是以高精准度及独立的方式控制各种辐射参数，诸如该波束的方向、场型、功率、极化、及/或相位角。在一种形式中，该前端天线系统发射、接收、或同时发射及接收波束(例如，单波束操作/模式)或多个同时的波束(例如，多波束操作/模式)。
本发明该前端天线系统的该天线系统可被实现用于各种类型的信号或功率无线电波传输及/或接收，诸如前端天线系统、无线感测及成像系统、以及无线电力传输系统等。前端天线系统的实例包括但不局限于：卫星信令、网络运营商及因特网服务供货商(ISP)的无线通信、宽带、及/或通用电信。实例无线感测及成像感测系统包括但不局限于：汽车雷达传感器系统、安保及安全成像及筛选传感器系统、医学成像系统等。实例无线电力传输系统包括但不局限于：使用无线电波传输电力/能量以对电子及电气装置进行无线充电的系统。
在一种形式中，该前端天线系统可被实现来用于毫米波频带通讯(例如5G/6G电信)，其中使用大孔径及/或大量辐射组件(以及相关联的收发器及波束成形电路)来减轻大量的信号传播损失。由于大量的辐射组件，传统前端天线系统消耗过多的功率(例如，数字波束成形方法所产生的功率消耗)、其功能受到限制(例如波束数量、天线增益、波束成形能力等)、及/或需要限制孔径大小的复杂的波束成形网络(例如大晶粒尺寸及数量、在组件之间复杂的路由及同步等)。
本发明的该前端天线系统还可在包括中频带及/或低频带(5G信令频带)、卫星通讯频带(例如X频带、Ku频带、Ka频带、V频带、W频带)、汽车雷达频带(例如W频带)或其他经许可或未经许可的频带(例如60GHz)的电信频带中被实现。该前端天线系统也可以在其他的频带中被实现(例如，RF、微波、毫米波、次毫米波、兆赫等其他的频带中)。
在该多波束模式中，该相位数组前端天线系统可作为多重输入/多重输出(MIMO)信号系统，其使得可以同时及连续发射(及/或接收)多个RF波束，其中每一个波束能够包括独立或相关的信号，用于增强通讯及/或检测目的。该多个波束还可以对在无线电力传输系统中多个充电装置传输电力。该天线系统提供对每一个波束形状(例如场型)、指向方向、功率位准、极化等的高精确度整形及控制，从而使操作员能够独一无二地定义该所希望的特性。
该前端天线系统可提供各式各样的好处。但该系统及方法并不局限于总是提供这样的好处，并且仅是以该系统及方法可如何被投入使用的示例性表现方式来做呈现。该好处的列出并非意图是穷举性的，其他的好处可附加地或替代地存在。
作为一实例，该前端天线系统在无线通信中提供增加的信息负载容量(例如，聚合吞吐量或数据速率)。多个波束可以增加在特定频带上的信息传输，从而提该高频谱效率及功率效率。
作为另一个实例，该前端天线系统提供可以提供与多个节点进行连续及同时连接的多个波束，从而提高速率并实现复杂的多节点通讯或更有效的无线通信拓扑。
作为又一实例，该前端天线系统提供用于通讯的多波束MIMO操作，从而能够针对频率重复使用、该无线电链路的增加的容量、以及在该前端天线系统中改善频谱效率中启用了空间多任务的方法。
此外，传统的相位数组天线只有单一波束，与多个位置的信号传输需要波束跳换。因此，通过本发明的该相位数组天线所提供的该多波束功能，提供了与多个位置的连续的连接，从而使波束跳换变得没有必要。
本发明的该前端天线系统还提供了对移动信号源的追踪，诸如移动电话用户、飞机、卫星、以及汽车等。由本发明该前端天线系统所提供的连续的连接能够实现连续信号追踪并消除追踪任何信号所需的任何的延迟，从而最小化该连接性延迟。
本发明的该前端天线系统可以附加地在给定方向上或在通讯网络中给定节点之间提供重迭的信号波束。因此，该前端天线系统在该通讯网络中提供了额外的冗余。
作为另一实例，该前端天线系统向一个或多个节点提供同时的发射及接收，这又减少了该通讯系统的等待时间并增加了该通讯网络的数据速率。
对于成像系统，本发明的该前端天线系统增加检测分辨率(例如，角度及/或距离分辨率)。此外，例如与单一波束的波束控制系统相比，该前端天线系统的多波束操作能够实现更快的成像及检测。
对于无线电力传输系统，本发明该前端天线系统提供用于多个无线装置同时充电的多个波束的产生。因此，该前端天线系统减少了充电时间并提高了每一个装置的效率。
作为另一个实例，本发明的该前端天线系统降低了用于任何给定孔径尺寸以及用于单一波束及多波束操作的复杂性、尺寸、以及功率。此外，本发明的该前端天线系统减少了对于给定孔径尺寸的该整体晶粒电路尺寸及数量要求。结果，该前端天线系统在该系统中提供减小的尺寸、减少的重量、以及减少的功耗。
在一种形式中，该前端天线系统包括射频(RF)级、中频(IF)级、及数字级中的至少一个。虽然特定的级被提供，但该前端天线系统也可以包括其他的级诸如本地振荡器级。
在一种形式中，参考图1，前端天线系统1包括多个天线10(即，天线数组)、多个收发器30、以及多个波束网络50。在一种形式中，该收发器30把该天线10电气连接到该波束网络50。在一种形式中，该前端天线系统1可操作为提供多个同时波束的多重输入/多重输出(MIMO)系统并且可操作成独立地控制该信号波束辐射参数，诸如该波束的方向、场型、功率、极化、以及相位角。在一种形式中，该前端天线系统1可操作成独立地控制该波束的波束类型，诸如发射型波束、接收型波束、以及同时接收及发射型波束。该波束类型包括发射型波束、接收型波束、以及同时接收及发射型波束中的一种。在一种形式中，该前端天线系统1可被实现来用于数字及模拟的信令发射。
在一种形式中，该前端天线系统1被配置为发射及接收无线电波的波束。在一种形式中，该前端天线系统1发射及/或接收具有不同方向、场型、功率位准、以及由波束管理控制程序所限定的其他辐射参数的多个无线电波波束。在一种形式中，该前端天线系统1同时发射及接收一束或多束无线电波波束。
在一种形式中，该天线10被配置为控制该前端天线系统1的该辐射参数，诸如波/信号波束场型、方向、以及其他的辐射参数。实例天线10包括但不局限于：平面天线(诸如贴片、槽孔、环状、螺旋、领结形等)、背腔天线、以及薄膜天线。
在一种形式中，该天线10可以包括单一天线组件、一组辐射组件、或连续辐射孔径。作为一实例，该组天线10包括孔径天线、连续孔径天线、平面天线、透镜天线(例如，椭圆透镜、龙伯(Lunenberg)透镜等)、平面透镜天线(例如，罗特曼(Rotman)透镜)、导线天线、及/或反射器天线。作为另一实例，其可以包括超材料天线、漏波天线、法布里-珀罗(Fabry-Perot)天线、槽孔数组天线、波导天线等。作为一特定的实例，该经分组的组件可以包括超材料天线，该超材料天线具有被布置来为每个子集天线产生该所希望的场型及辐射特性的超材料组件或元像素。
在一种形式中，该组天线10可以包括单端口天线或多端口天线，并且可以包括任何数量/组合的单端口及多端口天线。作为一实例，对于该天线10的多端口实现方式，每一个端口可以在特定区域激发及产生波束，其中该波束共同展开选择的3D视场(FoV)空间。在一种形式中，多端口天线的该波束可以具有重迭区域/场型。该前端天线系统1的该多波束场型的产生可由经由该波束网络50由该多端口天线组、该天线数组组、或其任意组合来实现。
在一种形式中，该天线10可以是被动天线或主动天线。作为一实例，该天线10可以包括主动天线，该主动天线具有被整合在其中用于动态控制给定天线特性(例如天线场型、波束场型等)的可调谐组件(诸如变容器、二极管等)及/或可调谐材料(例如钛酸锶钡(BST)、液晶等)。在一些形式中，该主动天线是由控制器被电子式地控制以产生该所希望的辐射特性，如下文会被进一步详细描述的。
在一种形式中，该天线10可被配置为执行附加的波束成形操作。作为一实例，当该天线10是多端口天线时，该前端天线系统1可包括至少一组连接该组天线及其他系统组件的开关网络，从而启用该多端口天线的该端口的控制功能，如在下文会被更详细描述的。作为一实例，该多端口天线可操作以发射该多个波束、接收该多个波束、或其任意组合，使得该多个波束具有相同的极化、相同的频带、或其任意组合。下面会更详细地提供有关于该模块的额外细节。
在一种形式中，该收发器30被配置成通过把该天线10连接到该波束网络50来选择性地使该天线10能够发射/接收信号、方向性的波束、及/或多维度波束。在一种形式中，该收发器30被实现为多组收发器30，其中来自给定收发器组中的至少一个收发器30把来自该组天线中的一个天线10连接到一组波束网络50。在一种形式中，来自给定收发器组中的至少一个收发器30把来自该组天线中的一个天线10连接到一组波束网络50。在一种形式中，连接到每一个天线10的该收发器30的数量是等于该天线10的该端口数。在一个变型中，连接到每一个天线10的该收发器30的数量可能不等于该天线10的该端口数。
在一种形式中，该收发器30各自包括放大来讯及出讯信号的两个或更多个放大器，诸如功率放大器32及低噪声放大器34。在一种形式变型中，该收发器30可以包括一个或多个开关36，该开关能够在该功率放大器32与该低噪声放大器34之间进行切换，从而能够在接收与发射信号之间进行切换。或者，该功率放大器32及该低噪声放大器34可以在没有该开关36的情况下被连接到该天线10的该天线端口以实现同时的Tx/Rx及/或以省略与该开关36相关联的该损耗。
在一种形式中，该低噪声放大器34被配置成放大由该天线10所接收的信号，同时向该信号添加最小的噪声/失真。该低噪声放大器34可以具有各种增益、噪声指数、线性度、及阻抗匹配特性。该低噪声放大器34可以具有各种增益、噪声指数、线性度、及阻抗匹配特性。在一种形式中，该功率放大器32被配置成把该信号放大到用于该天线端口的给定的功率位准。因此，该功率放大器32可以具有增益及功率特性以根据在该给定方向/波束中该所希望的等效等方向性辐射功率(EIRP)来把该信号放大到该给定的功率位准。在一种形式中，该功率放大器32具有高线性及功率效率以支持各种调变信号，诸如正交分频多任务调变。在一些形式中，可以使用各种技术来增强该功率放大器32所输出的该功率，这些技术包括但不局限于阻抗变换方法、功率合并技术、以及晶体管堆栈。这些技术可以在芯片外或芯片上被实现，诸如先进基于硅的工序(例如，基体CMOS次微米、硅晶绝缘体(SOI)、及/或SiGeBiCMOS技术)。
作为一实例，该功率放大器32可以是Doherty功率放大器、异相功率放大器、Chireix异相功率放大器、或其任意组合。作为另一实例，该功率放大器32可以是线性型功率放大器(例如，A类放大器、B类放大器)或交换型功率放大器(例如，E类放大器、F-1类放大器)。作为一附加的实例，该功率放大器32是高功率放大器，当其在例如高频毫米波系统(即，高频包括30到300GHz)中被实现时，其补偿该前端天线系统1的信号传播衰减损耗及高RF损耗。
在一种形式中，该功率放大器32可以包括预失真电路以提高输出信号的线性度。该预失真电路可被实现在该数字级、该模拟级、或其任意组合中。在一个实例中，该预失真电路在该数字级中被实现并且是数字预失真电路(DPD电路)。在一种形式中，DPD电路可以基于无记忆性模型(例如，无记忆性多项式算法及/或基于查找表(LUT)的算法)或基于具有记忆性的模型(例如，记忆性多项式模型)。在另一个实例中，该DPD电路是基于来自该前端天线系统1的一个或多个波束的该信息来被实现，而非来自每一个功率放大器32的该信息。
在一种形式中，该波束网络50包括波束成形器网络51及/或开关网络58，它们被配置成通过对往/来于该天线10的该信号进行建设性及破坏性的合并、选择、及/或操纵，产生、提供、及/或改变信号流(来讯及出讯两者)。该波束网络50被配置为为来自每一个天线10及/或每一组天线10中的每一个信号路径中指定特定的信号相位、振幅、及/或选择交替用于为该所希望的信号流/波束进行波束成形合并/处理。虽然该波束网络50被展示成包括有该波束成形器网络51及该开关网络58两者，但应被理解的是，在一些变型中，该波束网络50可以仅包括该波束成形器网络51及该开关网络58中的一个。
在一种形式中，该波束网络50是成组地被提供。该波束网络50的每一组被配置为产生用于多波束、多流信号发射及/或接收的多方向的及/或多维度的波束。该组波束网络50经由该收发器30被连接到给定天线10组的每一个天线10。在一种形式中，该波束网络50及/或它们的该组件可能被实现在不同的级，包括有RF级、中频(IF)级、基频级、数位级、或其任意组合处。在一些形式中，当该天线10包括主动天线时，该波束网络50可以与用于混合型波束网络的该天线10合并。
在一种形式中，该波束成形器网络51包括移相器(PS)电路52的网络、时间延迟电路54的网络、放大器网络56、分离器、合并器、或其任意组合。在一种形式中，该移相器电路52网络(以下被称为“移相器52”)被配置为接收来讯信号并改变与该来讯信号相关的该波束的该相位及该振幅。在一种形式中，该移相器52可由模拟电路、数字电路、或其一种组合(例如，混合模型)来被实现。该移相器52可包括主动组件(例如，基于向量调变器的移相器52)、被动组件、或其任意组合。作为一实例，该移相器52可以包括反射型移相器(RTPS)、加载线路移相器、交换式传输线移相器(STPS)、基于加载线路的被动移相器、或其任意组合。
在一种形式中，该时间延迟电路54网络(以下被称为“时间延迟54”)还被配置为接收来讯信号并改变与该来讯信号相关的该波束的该相位。作为一实例，该时间延迟54被配置成把该信号延迟可控的时间延迟，该可控的时间延迟是由控制器来限定及/或动态地调整。在一种形式中，该时间延迟54可以通过模拟电路、数字电路、或其任意组合(例如，混合模型)来被实现。
在一种形式中，该移相器52及/或该时间延迟54被实现作为真实时间延迟(TTD)以最小化该波束成形器网络51的波束偏斜或失真。在一种形式中，该移相器52及该时间延迟器54在本文中可被统称为“延迟组件”。
在一种形式中，当该波束成形器网络51是由模拟电路来实现时，该波束成形器网络51包括该放大器网络56。该放大器网络56被配置成修改接收到或发射出信号的该振幅，使得该信号在信号合并、分离、及/或操纵被执行之前/之后，会有给定的强度。作为一实例，该放大器网络56可以包括一个或多个可变增益放大器，其被实现为模拟电路、数字电路、或其任意组合(例如，混合模型)。
在一些形式中，例如当该天线10包括多端口天线时，该波束网络50包括该开关网络58。作为一实例，对于每一个多端口天线，该前端天线系统1包括把该多端口天线的端口的子集连接到一组收发器30的开关网络58。另外或替代地，该前端天线系统1可以包括把该组收发器连接到该组波束成形器网络51的开关网络58。在一些形式中，该开关网络58无需任何开关电路就可以把该单端口/多端口天线的所有端口连接到该收发器30。该开关网络58被配置为提供不同级别的组件连接性/活动性，从而合并或分离波束并控制波束方向。该开关网络58可以简化该波束成形器的该复杂性及/或显著地增强该前端天线系统1波束成形多波束、多流的功能。该开关网络58可以在各级被实现，诸如该RF级、该IF级、该基频级、该数位级、或其任意组合处。在一种形式中，该开关网络58包括一个或多个开关、一个或多个合并器、一个或多个分离器、一个或多个滤波器、一条或多条耦合线、或其任意组合。
在一种形式中，该波束成形器网络51可以是模拟波束成形器、数字波束成形器、或其任意组合(例如，混合型波束成形器)。作为一实例，对于具有大量天线组件/组的大天线孔径，由于数字波束成形器的该过度功耗，该波束成形器网络51可以是模拟波束成形器或混合型波束成形器。作为另一个实例，在较高频带(例如，毫米波频带)，该波束成形器网络51可以包括在该IF级被提供的模拟波束成形器以抑制在较高频带处RF组件及分配/合并网络的损耗及/或RF组件的该尺寸。在采用IF实现方式或数字波束成形器的某些形式中，可以在所有的天线组件及/或天线组处执行本地振荡器(LO)信号的同步，伴随在天线组及/或子组层级处实现混频器。在一些形式中，该LO信号同步的实现可通过参考信号、锁相回路(PLL)电路、放大器电路、混频器、或其任意组合实现在天线组件、天线组、及/或天线子组层级处来达成。
在一些形式中，该前端天线系统1可以包括控制器90。该控制器90被配置为操作该前端天线系统1的该组件以实现所希望的输出。在一种形式中，该控制器90被连接到所有的主动组件并被配置为执行波束管理控制程序、波束追踪程序、用户管理程序等。作为一实例，该控制器90可以独立地设置功率位准、带宽、波束方向、波束宽度、极化、信号流/用户的数量、通讯范围及调变、以及用于一个或多个波束的其他的信号参数。在一种形式中，该控制器90可以是自动化的，使得该系统以特定方式响应于往来于该前端天线系统1的输入及输出信号。在一种形式中，该控制器90使得使用者能够管理任何及/或所有所希望的前端天线系统参数(例如信号放大位准、设置波束形及方向)。在一种形式中，该控制器90能够管理在通讯网络中的该信号流。
在一种形式中，该前端天线系统1可以被实现为数组(例如，动态数组、固定数组、主动数组、被动数组、数字数组、模拟数组、或混合型数组、以及其他数组类型)。作为一实例并如在图2A-2B中所示，该前端天线系统1可包括共同形成数组2的一个或多个模块70-1、70-2、70-3、…、70-n(在本文中它们被统称为模块70)。该模块70的每一个包括来自该多个天线10的一组天线10。作为一实例，该模块70-1可包括一组天线，其包括来自该多个天线10中的天线10-1、10-2、10-3。
在一种形式中，该一个或多个模块70可以彼此相同或不同。作为一实例，每一个模块70可以具有相同的几何参数(例如，形状、尺寸、方向、长度、宽度、深度等)，如在图2B中所示。作为另一个实例，该模块70中的两个或更多个可以具有一组彼此不同的几何参数，如在图2A中所示。在一种形式中，该模块70被随机排列或被排列成网格状或行。在一种形式中，该一个或多个模块70可具有各种平面、非平面、或保角形状(例如，矩形、圆形、六边形等)。此外，该一个或多个模块70可以以平面方式、非平面方式、或保角的方式被彼此整合。在一种形式中，该一个或多个模块70可以彼此交错或重迭。在一种形式中，该一个或多个模块70形成稀疏配置以扩大该前端孔径，并且该一个或多个模块70可以相对于彼此被旋转及移位以抑制旁瓣。
在一种形式中，该前端天线系统1的该尺寸及几何形状可基于数组天线的该数量、每一个天线的该组件数、及/或一连续孔径天线的尺寸。在一种形式中，该前端天线系统1的该尺寸及几何形状是基于所希望的信号强度、频率带宽、信号负载容量、来讯/出讯信号的数量、以及其他信号发射及/或接收参数。作为一实例，在5G实现方式中，该前端天线系统1包括具有236个组件(例如，16×16数组)或1024个组件(32×32数组)的数组2。作为另一个实例，在长距离通讯实现方式中，该数组2包括2000个组件(或者当等该天线10是由一连续孔径天线子数组来被实现时一相当于2000个组件的尺寸)。
参考图3，其展示出给定模块70的各种层。在一种形式中，该模块70包括辐射层72、馈入层74、以及分配网络层78。在一种形式中，该辐射层72被配置成发射及/或接收一个或多个波束。在一种形式中，该馈入层74被配置成激发该辐射层72以发射及/或接收该一个或多个波束。应被理解的是，当该辐射层72与该馈入层74合并时，该馈入层74被配置成发射及/或接收该一个或多个。因此，当该辐射层72与该馈入层74被合并为单一物理层时，该辐射层72及该馈入层74的该功能可以使用类似的组件来执行。虽然该辐射层72被展示成被设置在该馈入层74上，但应被理解的是，当该辐射层72包括反射材料时，该馈入层74可被设置在该辐射层72上。
在一种形式中，该模块70被电气耦合到前端电子电路层76。在一种形式中，该前端电子电路层76被配置为形成该一个或多个波束。在一种形式中，该分配网络层78被配置成把该一个或多个波束从该前端电子电路层76分配到该馈入层74。在一种形式中，该分配网络层78被配置为形成该多个波束。应被理解的是，在其他的形式中，该层的该顺序、合并、及定位可以做变化。
在一种形式中，该前端电子电路层76包含发射器或接收器。在一种形式中，该前端电子电路层76产生并放大一个或多个发射信号。在另一种形式中，该前端电子电路层76接收、放大、及重建一个或多个接收到的信号。在另一个实例中，该前端电子电路层76处理并改变被耦合到该天线10的一个或多个天线端口的一个或多个信号流。
为了执行本文所描述的功能，该前端电子电路层76可以包括频率转换器、数字到模拟转换器(DAC)、模拟到数字转换器(ADC)、功率放大器(PA)(例如，该功率放大器32)、低噪声放大器(LNA)(例如，该低噪声放大器34)、混频器、开关、移相器(例如，该移相器52)、延迟线、可变增益放大器(VGA)、锁相回路(PLL)、参考信号、双工器、或其任意组合。在一些形式中，该前端电子电路层76包含波束成形器网络、开关网络、收发器、或其任意组合。
在一些形式中，该前端电子电路层76包含波束网络(例如该波束网络50)、收发器(例如，该收发器30)、或其任意组合。在一些形式中，该前端电子电路层76包含一个或多个输入端口、一个或多个输出端口、或其任意组合。在一些形式中，该前端电子电路层76包括一个或多个电路芯片、一个或多个集成电路(IC)芯片、一个或多个射频集成电路(RFIC)芯片、一个或多个特定应用集成电路(ASIC)、一个或多个系统单芯片(SoC)等。在一种形式中，该前端电子电路层76层包含被安装在基片上的一个或多个芯片。在一些形式中，该前端电子电路层76被配置成提供RF级、IF级、数字级、LO级、或其任意组合。
参考图4，其图示出该辐射层72的示意图。在一种形式中，该辐射层72包括一个或多个辐射组件82A，其被配置为发射及/或接收该一个或多个波束。因此，该馈入层74被配置为激发该辐射组件82A以发射及/或接收一个或多个波束。作为一实例，该辐射组件82A可以包括但不局限于：像素化的天线孔径、连续天线孔径、平面天线孔径、保角天线孔径、固定天线孔径、可谐调天线孔径、被动天线孔径、透射天线孔径、反射天线孔径、或其任意组合。作为另一个实例，该辐射组件82A可以包括多个超材料组件及/或元像素，其被配置为为每一个模块70产生该所希望的场型及辐射特性。
在一种形式中，该辐射组件82A可具有多个层(即，两层或更多层)。在一种形式中，每一层可包括但不局限于：介电基片、充气基片、图案化金属层、背腔结构、可谐调装置、主动装置、或其任意组合。
在一种形式中，该辐射组件82A还包含修改装置82B，该修改装置82B被配置为修改该多个波束的相位、振幅、极化、调变、或其任意组合。实例修改装置82B包括但不局限于：可谐调装置/材料、主动装置、或其任意组合。
在一种形式中，该辐射组件82A是多层结构(例如，两层或更多层)，其中每一层包含介电层、充气层、图案化金属层、图案化介电层、主动装置、被动装置、可谐调装置、或其任意组合。在一种形式中，该层数、每一层的该结构、该层的整体形状及尺寸、及/或该可谐调装置增强了该带宽(例如，宽带宽、窄带宽、多频带、带宽选择或抑制等)、该调谐范围(例如调谐该相位变化、振幅变化、极化变化、频率变化、调变变化等)，或该辐射信号的其他参数。
参考图5A，该馈入层74的示意图被示出。在一种形式中，该馈入层74包括多个馈入组件84，其被配置为激发该辐射层72的该辐射组件82A及/或发射/接收该波束。例如，该馈入组件84可以包括但不局限于：平面天线、2.5D形状天线、3D形状天线、主动天线、被动天线、单端口天线、多端口天线、空气填充天线、电介质填充天线、或其任意组合。
此外，该馈入组件84具有各种空间布置并可以在发射模式、接收模式、或两者中操作。作为一实例，如在图5B中所示，馈入组件84-1、84-2被布置在给定的平面上，该馈入组件84-1可在该发射模式中操作，而该馈入组件84-2可在该接收模式中操作。作为另一实例并如在图5C中所示，该馈入组件84-3可同时在该接收模式及发该射模式中操作。作为又另一个实例，如在图5D中所示，馈入组件84-4、84-5实体上彼此重迭并且具有非平面布置使得该馈入组件84-4、84-5中的一个被定位在另外一个馈入组件84-4、84-5的辐射方向上。此外，该馈入组件84-4可操作在该发射模式中，并且该馈入组件84-5可操作在该接收模式中(或反之亦然)。
在一种形式中，可在发射模式及接收模式的一个中操作的一对馈入组件84可以经由隔离组件被隔离。作为一实例并如在图5E中所示，馈入组件84-6、84-7是由多个通孔85-1来隔离，该通孔延伸穿透过该馈入层74并且共同地形成通孔围栏以抑制在该馈入组件84-6、84-7之间的电磁耦合。作为另一个实例并如在图5F中所示，馈入组件84-8、84-9是由人工边界平面85-2(例如，理想磁导体(PMC)壁、理想电导体(PEC)壁等)来被隔离以抑制在该馈入组件84-8、84-9之间的电磁耦合。作为一附加的实例并如在图5G所示，馈入组件84-10、84-11是由接地屏蔽件(或接地平面)85-3来被隔离以抑制在该馈入组件84-10、84-11之间的电磁耦合。
作为另一个实例并如在图5H中所示，馈入组件84-12、84-13是由寄生组件85-4来被隔离，该寄生组件被配置成控制由该馈入组件84-12、84-13所发射及接收的该信号的泄漏。具体地说，该寄生组件85-4，其可操作为被动式或主动式谐振器，可以控制由该馈入组件84-12、84-13所发射及接收的该信号使得该干扰被改变、抑制、或抵消。在一种形式中，该寄生组件85-4改变来自该馈入组件84-12、84-13的该耦合信号的该相位及/或振幅。在一种形式中，该寄生组件85-4透过来自该馈入组件84-12、84-13的特定耦合路径来改变该被耦合信号的该相位及/或振幅。
作为一另外的实例并如在图5I中所示，馈入组件84-14、84-15是由滤波器网络85-5被隔离。在一种形式中，该滤波器网络85-5包括电容器及/或电感器，它们共同形成PI型网络，T型网络、L型网络、或其任意组合，以抑制谐波及抑制在该馈入组件84-14、84-15之间的电磁耦合。在一种形式中，该滤波器网络85-5包括寄生组件，该寄生组件具有电容器及/或电感器的等效电路模型，它们共同形成PI型网络，T型网络、L型网络、或其任意组合，以抑制谐波及抑制在该馈入组件84-14、84-15之间的电磁耦合。在一种形式中，该寄生组件及/或滤波器被提供及/或被整合在该天线10、该天线端口或、或其任意组合中。
作为又另一个实例并如在图5K中所示，馈入组件84-20、84-21是以空腔85-7被隔离以抑制在该馈入组件84-20、84-21之间的电磁耦合。虽然在图5E-5K中所示的该馈入组件84是以一种平面布置被示出，但应被理解的是，在其他的形式中，该各个馈入组件84中的任一个都可以具有非平面布置。
在一种形式中并如在图5J中所示，馈入组件84-16、84-17是以抵消网络85-6来被隔离。虽然该抵消网络85-6被展示成隔离该馈入组件84-16、84-17，但应被理解的是，该抵消网络85-6可隔离可在该发射/接收模式的一个中操作的多对馈送组件84(例如，该抵消网络85-6把每一个发射模式馈入组件与每一个相应的接收模式馈入组件隔离，反之亦然)。
在一种形式中，该抵消网络85-6被配置成选择性地把辅助信号注入到接收(Rx)信号链174-1上以抑制在发射(Tx)信号链174-2上由信号所引起的该Rx信号链174-1的干扰。在一种形式中，该Rx信号链174-1包括该前端天线系统1的各种组件，其被利用来在一个或多个信号波束上接收该一个或多个信号流，并且该Tx信号链174-2包括该前端天线系统1的各种的组件，其被利来在多个波束上发射多个信号流。在一种形式中，该抵消网络85-6被配置为对该馈入组件84-16的每一个端口及信号流的发射信号进行采样。对于一个或多个发射信号，该抵消网络85-6被配置为把辅助信号注入到该Rx信号链174-1上以抵消在该Rx信号链上由该发射出的信号所引起的该干扰。在一种形式中，抵消网络85-6是可谐调网络，其中它控制及调整该被采样及/或被注入信号的该参数。
为了执行本文所描述的该功能，该抵消网络85-6可以包括一个或多个信号分离器、一个或多个滤波器电路、一个或多个移相器及/或时间延迟器、一个或多个衰减器、一个或多个合并器、一个或多个可谐调组件、或其任意组合。在一种形式中，该抵消网络85-6被实现在集成电路芯片中，其中该抵消网络85-6被设置在射频(RF)级、中频(IF)级、数位级、本地振荡器(LO)级、或其任意组合处。在一种形式中，该抵消网络85-6共享在该波束网络50及/或该收发器30中该组件、电路、或其任意组合的一部分。在一种形式中，来自该信号链的该采样信号及/或注入信号被耦合到该波束网络50的一个或多个端口以透过该波束网络50来实现该抵消网络85-6。
应被理解的是，该隔离组件(即，该多个通孔85-1、该人工边界平面85-2、该接地屏蔽件85-3、该寄生组件85-4、该滤波器网络85-5、该抵消网络85-6、以及该空腔86-7)的任何组合可被设置在一对馈入组件84及/或多个馈入组件84之间。作为一实例并如在图5K中所示，该馈入层74包括该多个通孔85-1、该人工边界平面85-2、该接地屏蔽件85-3、该寄生组件85-4、滤波器网络85-5、该抵消网络85-6、以及该空腔86-7的每一个以把各对该馈入组件84彼此隔离。
参考图6A-6B，其图标出该模块70的一示意图。在一种形式中，该辐射层72包括该一个或多个辐射组件82A，其被耦合到该馈入层74的一个或多个馈入组件84。如上所述，该辐射层72及该馈入层74可以以某些形式被合并。在一种形式中，该前端电子电路层76包括被配置为产生该多个波束的一个或多个电路86(例如，集成电路(IC)、射频IC(RFIC)等)。因此，该一个或多个电路86可以包括该前端天线系统1的各种组件，诸如该收发器30、该波束成形器网络50、及/或该控制器90。在一种形式中，该一个或多个电路86可以包括在系统单芯片(SoC)配置中的基频、数位、调变解调器、及/或控制电路用于执行本文所描述的该功能。在一种形式中，该一个或多个电路86中的每一个与该给定的模块70相关联(即，该一个或多个电路86被电气耦合到该给定模块70的该馈入层74)。应被理解的是，该一个或多个电路86可以与多个模块70相关联(例如，单一IC 86被提供给多个模块70)。在一种形式中，该模块70包括一个或多个印刷电路板(PCB)层。
参考图7A，多个模块70-1、70-2与第二层160的该整合被示意性地展示出。在一种形式中，该模块70-1、70-2包括一个或多个连接组件150。在一种形式中，该连接组件150被配置成把被设置在第一基片层上的该模块70-1、70-2中的每一个电气耦合到该第二层160，从而把该模块70-1、70-2的该各种组件彼此地电气耦合。在一种形式中，该连接组件150被设置在该第二层160上。在一种形式中，该第二层160是印刷电路板(PCB)层。
在一种形式中，该第二层160包括第一分配网络层78A、第二分配网络层78B、该前端天线系统1的电路、或其任意组合。在一种形式中，该前端天线系统1的该电路包括该波束网络50、该收发器30、或其任意组合。在一种形式中，该第二分配网络层78B包括该一个或多个波分配装置88，该波分配装置88包括一个或多个波导、一条或多条传输线、一个或多个分配器、一个或多个合并器、或其任意组合。实例波分配装置88包括但不局限于：漏波波导、槽孔式波导(例如，充气波导、基片整合式波导等)、共面波导、背腔波导(例如具有自定形状的空气填充或电介质填充)、平行板波导、透镜结构(平面透镜结构、龙伯(Lunenberg)透镜馈入网络、罗特曼(Rotman)透镜等)、混合型耦合器(例如，巴特勒(Butler)矩阵、波束成型矩阵等)、微带结构、H树结构、或其任意组合。
参考图3、图6A-6B、以及图7A，该分配网络层78、78A包括波分配装置88，其被配置为把该多个波束从该RFIC层76分配到该馈入层74。在一种形式中，该波分配装置88包括一个或多个波导、一条或多条传输线、一个或多个分配器、一个或多个合并器、或其任意组合。实例波分配装置88包括但不局限于：漏波波导、槽孔式波导(例如，充气波导、基片整合式波导等)、共面波导、背腔波导(例如具有自定形状的空气填充或电介质填充)、平行板波导、透镜结构(平面透镜结构、龙伯(Lunenberg)透镜馈入网络、罗特曼(Rotman)透镜等)、混合型耦合器(例如，巴特勒(Butler)矩阵、波束成型矩阵等)、微带结构、H树结构、或其任意组合。作为一个具体的实例并如在图7B中所示，该波分配装置88可以是一个或多个矩形波导88A的网络。作为另一个具体的实例并如图在7C中所示，该波分配装置88可以是平行板波导88B。
参考图8，其图标出另一个实例模块70-3的横截面图。在一种形式中，该模块70-3包括该辐射层72、该馈入层74、该分配网络层78、及转移层180。在一种形式中，该辐射层72的该辐射组件82A包括多个超材料组件，并且该馈入层74的该馈入组件84包括多个槽孔天线。在一种形式中，该辐射层72与该馈入层74是由空气隙来被隔开。在一种形式中，该馈入组件84被设置在该波分配装置88(例如，该矩形波导88A及该平行板波导88B的一个)上。在一种形式中，该前端电子电路层76的该分配网络层78及该RFIC 86是通过该转移层180来被耦合。在一种形式中，该转移层是共面波导(CPW)到波导转移、微带到波导转移、平面转移、2.5D转移、阶梯式转移、波导探针转移、或其任意组合。
参考图9，其图标出另一个实例模块70-4的横截面图。在一种形式中，该模块70-4包括该辐射层72、该馈入层74、及该分配网络层78。在一种形式中，该辐射层72的辐射组件82A包括多个超材料组件，并且该馈入层74的该馈入组件84包括多个平面天线、微带天线、线状天线、槽孔天线、2.5D形状天线、3D形状天线、充气天线、电介质天线、孔径天线等。在一种形式中，该辐射层72与该馈入层74是由空气隙被隔开。在一种形式中，该馈入组件84经由该分配网络层78的传输线88C(作为该波分配装置88)被电气耦合到该前端电子电路层76的该一个或多个电路86。
参考图10，操作在多波束模式中的该前端天线系统1的功能方块图被展示出。在一种形式中，每一个天线10-5包括一个或多个端口18-1、18-2、…18-n(它们被统称为“端口18”)，并且该端口18的每一个被耦合到一组该开关网络58(例如，开关网络58-1、58-2、58-3、58-4)。在一种形式中，该组开关网络58被连接到一组该收发器30，其可以包括包含有功率放大器32-1及低噪声放大器34-1的第一收发器30-1，以及包含有功率放大器32-2及低噪声放大器34-2的第二收发器30-2。在一种形式中，该天线10-5的每一个端口18以全双工模式(即，同时操作在发射/接收模式中)被连接到一组该收发器30。在这种形式中，该隔离组件85(在图10中未被示出)可被提供以隔离该天线10的该发射及接收端口、该天线10的该发射及接收链、或其任意组合。
在一种形式中，该波束成形器网络51(在图10中未被示出)、该开关网络58-1、及该功率放大器32-1被配置为针对该前端天线系统1的每一个天线10-5的每一个端口18控制该波束的发射水平极化。在一种形式中，该波束成形器网络50、该开关网络58-3、以及该功率放大器32-2被配置为针对该前端天线系统1的每一个天线10-5的每一个端口18控制该波束的发射垂直极化。在一种形式中，该波束成形器网络50、该开关网络58-2、以及该低噪声放大器34-1被配置为针对该前端天线系统1的每一个天线10-5的每一个端口18控制该波束的接收水平极化。在一种形式中，该波束成形器网络50、该开关网络58-4、以及该低噪声放大器34-2被配置为针对该前端天线系统1的每一个天线10-5的每一个端口18控制该波束的接收垂直极化。应被理解的是，该开关网络58-3、该功率放大器32-2、该低噪声放大器34-3、该天线10-5、以及该端口18可被配置成用于圆形极化、椭圆形极化、线性极化、或其任意组合。
参考图11，其展示出该前端天线系统1的功能方块图，其包括以全双工模式来操作的多个多端口天线10-6。如以上所述并如在图11中所示，该波束成形器网络50及/或其组件可以在各级被实现，包括有RF级190、中频(IF)级192、及/或数位级194。图11的该功能方块图类似于如在图10中所示的该功能方块图，但在这种形式中，每一个多端口天线10-6包括多个端口19，其中每一个端口19可以发射及/或接收多个有相同极化、相同频带、相同调变、或其任意组合的多个波束。此外，在这种形式中，每一个端口19被耦合到该开关网络58中的一个及该收发器30中的一个。
参考图12A，其图示出被配置为执行混合型波束网络处理的该前端天线系统1的实例功能方块图。在一种形式中，该功能方块图的该层对应于该前端天线系统1的各种级/功能。虽然这些层各自地被展示出，但应被理解的是，在其他的形式中，该层的任何一层都可被彼此合并在一起，并且不局限于在这里所描述的该布置。
在一种形式中，该前端天线系统1包括天线层300、模拟层310、以及数字层320。在一种形式中，该天线层300包括该天线10的分布层302、天线馈入层304、以及辐射层306。在一种形式中，该模拟层310包括IF波束网络层312、RF波束网络层314、以及TRX层316用于执行本文所描述的该功能。在一种形式中，该数字层320包括用于执行基频处理的基频层322、数字波束网络层324、以及用于执行该模拟到数字/数字到模拟转换的DAC/ADC层326。应被理解的是，该数字层320可以包括调变解调器及其他数字系统组件。在一种形式中，该模拟及数字分组的该分离可以提供该模拟电路及方块在使用相同技术节点的单一晶粒或一组晶粒上的整合。
参考图12B，其图标出该前端天线系统1的另一个实例功能方块图。除了是在该数字层320内提供该IF波束成形层312之外，在图12B中所示的该功能方块图与在图12A中所示的功能方块图类似。
参考图12C，其图标出该前端天线系统1的额外的实例功能方块图。除了该RF层310及该数字层320是被设置在集成电路层330内之外，在图12C中所示的该功能方块图与在图12A-12B中所示的功能方块图类似。
在一种形式中，该天线层300、该模拟层310、该数字层320、及/或该集成电路层330可被设置在其上及/或包括其：印刷电路板(PCB)；3D或2.5D模制及/或机器加工结构；电介质、金属、及/或充气结构及材料；被动及主动或电子装置(例如可变电抗器、二极管、晶体管、薄膜晶体管(TFT)等)、可调谐材料(例如钛酸锶钡(BST)基的材料、液晶等)、及或结构等。在一种形式中，该天线层300、该模拟层310、该数字层320、及/或该集成电路层330可被设置在其上及/或包括其：RFIC、特定应用集成电路(ASIC)、SoC、及/或整合在该PCB上的一组此类的方块(以及其他的方块、组件、连接线等)。
参考图13，其展示出运算系统1000及该前端天线系统1的一种实现方式的实例计算机架构图。在一些实现方式中，该运算系统1000被实现在经由信道及/或网络被可通讯耦合的多个装置中。在一些形式中，该运算系统1000的该组件被实现在分开的运算及或传感器装置中。在一些形式中，该运算系统1000两个或更多的组件被实现在该相同的装置中。该运算系统1000及其部件可以被整合到运算及/或无线装置中。
在一种形式中，信道1001介接处理器1002A-1002N、内存组件(例如，随机存取内存(RAM)1003、只读存储器(ROM)1004、及/或处理器可读取储存媒体1005)、显示器装置1006、用户输入设备1007、网络装置1008、本文所描述的该前端天线系统1、及/或其他合适的运算装置。
在一种形式中，该处理器1002A-1002N可以包括中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)、微处理器、机器学习/深度学习(ML/DL)处理单元(例如，张量处理单元)、FPGA(现场可规划门阵列、定制处理器、及/或任何合适类型的处理器)。
在一种形式中，该处理器1002A-1002N及该内存组件1003共同形成处理单元1010。在一些实施例中，该处理单元1010包括经由总线被通讯耦合到该内存组件1003、该ROM1004、以及该处理器可读取储存媒体1005中一个或多个的一个或多个处理器以执行储存在其中的指令。在一种形式中，该处理单元1010是ASIC、SoC、或其任意组合。
在一种形式中，该网络装置1008提供一个或多个有线或无线接口，用于在该运算系统1000及/或诸如外部装置之类的其他装置之间交换信息。实例网络装置1008包括，但不局限于：通用串行总线(USB)接口、蓝牙接口、无线保真(Wi-Fi)接口、以太网络接口、近场通讯(NFC)接口、蜂巢式接口等。
在一种形式中，该处理器可读取储存媒体1005是硬盘、快闪碟、DVD、CD、光盘、软盘、快闪储存器、固态碟、ROM、EEPROM、电子电路、半导体内存装置、或其任意组合。该处理器可读取储存媒体1005可以包括操作系统、软件程序、装置驱动器、及/或其他合适的子系统或软件。
在描述本发明的范围时，除非本文另有明确的说明，所有表示机械/热性能、组成百分比、尺寸及/或公差、或其他特征的数值都应被理解为由用词“大约”或“大概”来修饰。由于各种原因，包括工业实践、材料、制造、组装公差、以及测试能力这种修饰是所希望的。
如在本文中所使用的，短语“A、B、及C中的至少一个”及“其任意组合”应被解释为意指逻辑(A或B或C)，使用一种非排他性的逻辑或，并且不应该被解释为意指“A中的至少一个、B中的至少一个、以及C中的至少一个”。
在本申请中，术语“控制器”及/或“模块”可意指其、为其的一部分、或包括其：特定应用集成电路(ASIC)；数字、模拟或混合模拟/数字分立电路；数字、模拟或混合模拟/数字集成电路；组合逻辑电路；现场可规划门阵列(FPGA)；执行代码的处理器电路(共享、专用、或群组)；储存由该处理器电路所执行的代码的内存电路(共享、专用、或群组)；提供所描述功能的其他合适的硬件组件；或以上的部分或全部的一种组合，例如在系统单芯片中。
该术语内存是该术语计算机可读取媒体的子集。此处所使用的该术语计算机可读取媒体不包括透过媒体(例如在载波上)传播的瞬时的电气或电磁信号；因此，该术语计算机可读取媒体可被认为是有形的且非暂时性的。非暂时性、有形的计算机可读取媒体的非限制性实例是非依电性内存电路(诸如闪存电路、可抹除式可规划只读存储器电路、或屏蔽只读电路)、依电性内存电路(诸如静态随机存取内存电路或动态随机存取内存电路)、磁性储存媒体(诸如模拟或数字磁带或硬盘驱动器)、以及光储存媒体(诸如CD、DVD、或蓝光光盘)。
本申请中所描述的该装置及方法可以部分地或完全的由专用计算机来实现，该专用计算机的创建是通过配置通用计算机使其执行被体现在计算机程序中的一个或多个特定的功能来达成的。上面所描述的该功能方块、流程图成分、及其他元素可充当作为软件规格，可由熟练的技术人员或程序设计师的日常工作把该软件规格翻译成为该计算机程序。
本发明的该描述本质上仅是示例性的，因此，不脱离本发明本质的变化旨在落入在本发明的范围内。这种变化不应被视为脱离本发明的精神及范围。

Claims (22)

1.一种天线系统，其被配置成从多个空间区域的一个或多个空间区域中发射或接收一个或多个波束，所述天线系统包含有：
模块，所述模块被电气耦合到前端电子电路层，所述前端电子电路层被配置为处理所述一个或多个波束，所述模块包含有：
辐射层，所述辐射层包含有一个或多个辐射组件，所述辐射组件被配置为发射所述一个或多个波束及接收所述一个或多个波束中的至少一个；
馈入层，所述馈入层包含有一个或多个馈入组件，其中，所述一个或多个馈入组件被配置为激发所述辐射层、发射所述一个或多个波束、接收所述一个或多个波束，或其任意组合；以及
分配网络层，所述分配网络层包含有波分配装置，其中，所述波分配装置被配置为把所述一个或多个波束从所述前端电子电路层分配到所述馈入层。
2.根据权利要求1所述的天线系统，其中，所述辐射层包括像素化的天线孔径、连续天线孔径、平面天线孔径、保角天线孔径、固定天线孔径、可调谐天线孔径、被动天线孔径、透射天线孔径、反射天线孔径、或其任意组合。
3.根据权利要求1所述的天线系统，其中，所述辐射层包含一个或多个超材料组件，所述超材料组件被配置为发射所述一个或多个波束及接收所述一个或多个波束中的至少一个，其中，所述馈入层被配置成激发所述一个或多个超材料组件以发射所述一个或多个波束及接收所述一个或多个波束中的至少一个。
4.根据权利要求1所述的天线系统，其中：
所述辐射层包括可调谐天线孔径；
所述多个辐射组件包含修改装置，所述修改装置被配置为修改信号的相位、所述信号的振幅、所述信号的极化、所述信号的调变、或其任意组合；并且
所述修改装置包含可谐调装置、主动装置、被动装置、或其任意组合。
5.根据权利要求1所述的天线系统，其中：
所述一个或多个辐射组件包含至少两层；并且
来自所述至少两层中的每一层包含介电基板、充气基板、图案化的金属层、背腔结构、可谐调装置、主动装置、或其任意组合。
6.根据权利要求1所述的天线系统，其中，所述一个或多个馈入组件包括平面天线、2.5D形状天线、3D形状天线、主动天线、被动天线、单端口天线、多端口天线、空气填充天线、电介质填充天线、或其任意组合。
7.根据权利要求1所述的天线系统，其中，所述波分配装置是一个或多个波导的网络、一条或多条传输线的网络、一个或多个分配器的网络、一个或多个合并器的网络、数个波束成形器的网络、数个透镜结构的网络、数个混合型耦合器的网络、或其任意组合。
8.根据权利要求7所述的天线系统，其中，所述一个或多个波导包括漏波波导、槽孔式波导、共面波导、背腔波导、平行板波导、或其任意组合。
9.一种前端天线系统，其包含有控制器及根据权利要求1所述的天线系统，其中，所述控制器被配置成基于数个辐射参数控制所述天线系统以发射所述一个或多个波束、接收所述一个或多个波束、或其任意组合。
10.根据权利要求9所述的前端天线系统，其还包含有多个波束网络及多个收发器，其中，来自所述多个波束网络中的每一个波束网络包括多个波束成形电路、多个开关电路、或其任意组合，并且其中：
来自所述一个或多个馈入组件中的每一个馈入组件包括一个或多个端口；
来自所述一个或多个端口中的每一个端口被电气耦合到来自所述多个波束网络中的一个或多个波束网络；并且
来自所述多个波束网络中的每一个波束网络对应于发射极化及接收极化中的一个。
11.根据权利要求1所述的天线系统，其中：
来自所述一个或多个模块中的每一个模块被提供在第一基片层上；
来自所述一个或多个模块中的每一个模块经由多个连接器被电气耦合到第二基片层；并且
其中，所述第二层包含有一个或多个信号分配网络、一个或多个电路、或其任意组合，以把所述一个或多个模块电气耦合在一起。
12.根据权利要求1所述的天线系统，其中，所述模块被配置成可在所述一个或多个波束上同时发射及接收一个或多个信号流。
13.根据权利要求1所述的天线系统，其中：
所述馈入层还包含隔离组件，所述隔离组件被配置成从所述一个或多个馈入组件中隔离出一组馈入组件；并且
所述隔离组件包含多个通孔、人造边界平面、屏蔽件、接地平面、寄生组件、腔体结构、滤波器网络、抵消网络、或其任意组合。
14.根据权利要求13所述的天线系统，其中：
来自所述组馈入组件中的每一个馈入组件可操作在发射模式中、接收模式中、或其任意组合中；并且
当来自所述组馈入组件中的每一个馈入组件在所述发射模式中及所述接收模式中均可操作时，所述组馈入组件包括一个馈入组件。
15.根据权利要求13所述的天线系统，其中：
当来自所述组馈入组件中的每一个馈入组件可在所述发射模式及所述接收模式其中的一个中操作时，所述组馈入组件包括两个或更多个馈入组件；并且
所述两个或更多个馈入组件具有平面排列及非平面排列中的一种。
16.根据权利要求1所述的天线系统，其中：
所述馈入层还包含隔离组件，所述隔离组件被配置为从所述一个或多个馈入组件中隔离出一组馈入组件；
所述隔离组件包含抵消网络，所述抵消网络被配置为为所述组馈入组件的一组端口、所述组馈入组件的一组信号流、或其任意组合采样发射出的信号；并且
对于发射出的信号，所述隔离组件被配置为把辅助信号注入到接收信号链中，其中，所述辅助信号被配置为在所述接收信号链上抑制所述发射出的信号的干扰。
17.根据权利要求16所述的天线系统，其中：
所述抵消网络包含一个或多个信号分离器、一个或多个滤波器电路、一个或多个延迟组件、一个或多个衰减器、一个或多个合并器、或其任意组合；并且
所述抵消网络的每一个组件被提供在射频(RF)级、中频(IF)级、数位级、本地振荡器(LO)级、或其任意组合处。
18.一种前端天线系统，其包含有多个波束网络、多个收发器、以及根据权利要求16所述的天线系统，其中：
所述抵消网络被提供在集成电路芯片上并包括至少一个可谐调组件；并且
所述抵消网络的一个或多个部分被提供在所述多个波束网络、所述多个收发器、或其任意组合处。
19.一种天线系统，其被配置成可在多个空间区域的一个或多个空间区域中输出一个或多个波束，所述天线系统包含有：
模块，所述模块被电气耦合到前端电子电路层，所述前端电子电路层被配置为处理所述一个或多个波束，所述模块被配置为在所述一个或多个波束上同时发射及接收一个或多个信号流，所述模块包含有：
辐射层，所述辐射层包含有一个或多个辐射组件，所述辐射组件被配置为发射所述一个或多个波束及接收所述一个或多个波束中的至少一个；
馈入层，所述馈入层包含有一个或多个馈入组件，其中，所述一个或多个馈入组件被配置为激发所述辐射层、发射所述一个或多个波束、接收所述一个或多个波束，或其任意组合；以及
分配网络层，所述分配网络层包含有波分配装置，其中，所述波分配装置被配置为把所述一个或多个波束从所述前端电子电路层分配到所述馈入层。
20.根据权利要求19所述的天线系统，其中：
所述馈入层还包含隔离组件，所述隔离组件被配置为从所述一个或多个馈入组件中隔离出一组馈入组件；并且
所述隔离组件包含多个通孔、人造边界平面、屏蔽件、接地平面、寄生组件、滤波器网络、腔体结构、抵消网络、或其任意组合。
21.根据权利要求19所述的天线系统，其中，所述一个或多个馈入组件包括平面天线、2.5D形状天线、3D形状天线、主动天线、被动天线、单端口天线、多端口天线、空气填充天线、电介质填充天线、或其任意组合。
22.一种天线系统，其被配置成可从多个空间区域的一个或多个空间区域中输出一个或多个波束，所述天线系统包含有：
模块，所述模块被电气耦合到前端电子电路层，所述前端电子电路层被配置为处理所述一个或多个波束，所述模块被配置为在所述一个或多个波束上同时发射及接收一个或多个信号流，所述模块包含有：
辐射层，所述辐射层包含有一个或多个辐射组件，所述辐射组件被配置为发射所述一个或多个波束及接收所述一个或多个波束中的至少一个，其中，所述辐射层包括像素化的天线孔径、连续天线孔径、平面天线孔径、保角天线孔径、固定天线孔径、可调谐天线孔径、被动天线孔径、透射天线孔径、反射天线孔径、多个超材料组件、或其任意组合；
馈入层，所述馈入层包含有一个或多个馈入组件，其中：
所述一个或多个馈入组件被配置为激发所述辐射层、发射所述一个或多个波束、接收所述一个或多个波束，或其任意组合；
所述一个或多个馈入组件包括平面天线、2.5D形状天线、3D形状天线、主动天线、被动天线、单端口天线、多端口天线、空气填充天线、电介质填充天线、或其任意组合；并且
所述馈入层包括隔离组件，所述隔离组件被配置为从所述一个或多个馈入组件中隔离出一组馈入组件；以及
分配网络层，所述分配网络层包含有波分配装置，其中，所述波分配装置被配置为把所述一个或多个波束从所述电路层分配到所述馈入层，并且其中，所述波分配装置是一个或多个波导的网络、一条或多条传输线的网络、一个或多个分配器的网络、一个或多个合并器的网络、或其任意组合。
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