CN116472646B - 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 - Google Patents

Abstract

一种用于发射及接收一个或多个波束并包括有射频(RF)级、中频(IF)级、及数字级中至少一个的前端天线系统包括一个或多个波束网络，该波束网络被配置成在该一个或多个波束上形成一个或多个信号流，其中，来自该一个或多个波束网络中的每一个波束网络包含波束成形器网络、开关网络、或其任意组合。该前端天线系统包含天线阵列，该天线阵列被配置成从多个空间区域的一个选定空间区域中输出该波束的每一个，其中，来自该天线阵列中的一个或多个天线是多端口天线。该前端天线系统包含多个收发器，该多个收发器把该天线阵列与该一个或多个波束网络进行电气耦合。

Description

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

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审查中的申请，其标题为“ANTENNA SYSTEM FOR A MULTI-BEAM BEAMFORMING FRONT-END WIRELESSTRANSCEIVER(多波束波束成形前端无线收发器用天线系统)”，其被共同归属于本申请而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，并更具体地是涉及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，并且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：电信及卫星通讯行业、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配，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发射及/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。

本发明提供一种用于发射及接收一个或多个波束并且包含有射频(RF)级、中频(IF)级、及数字级中的至少一个的前端天线系统。该前端天线系统包含一个或多个波束网络，该波束网络被配置成在该一个或多个波束上形成一个或多个信号流，其中在该一个或多个波束网络中的每一个波束网络包含波束成形器网络、开关网络、或其任意组合。该前端天线系统包含天线数组，该天线数组被配置成从多个空间区域的一个选定空间区域中输出该波束的每一个，其中在该天线数组中的一个或多个天线是多端口天线。该前端天线系统包含把该天线数组与一个或多个波束网络进行电气耦合的多个收发器。

在一种形式中，该前端天线系统还包含控制器，该控制器被配置成独立地控制辐射参数及该一个或多个波束的波束类型。该辐射参数包含方向、场型、功率、极化、相位角、频带，或其任意组合。该波束类型包括发射型波束、接收型波束、及同时接收且发射型波束中的一个。

在一种形式中，该一个或多个波束包括多个波束，并且该多端口天线可操作来发射该多个波束、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、相同频带、或其任意组合。

在一种形式中，该一个或多个波束网络包括该波束成形器网络，并且该波束成形器网络包括一个或多个移相器、一个或多个时间延迟电路、一个或多个合并器、一个或多个可变增益放大器、一个或多个分流器，或其任意组合。

在一种形式中，该一个或多个波束网络被配置为在该RF级、该IF级、该数位级、本地振荡器级、或其任意组合中形成该一个或多个波束。

在一种形式中，该一个或多个波束网络包括该开关网络。该开关网络被电气耦合到该天线数组及该多个收发器，并且该开关网络被配置成可选择性地提供该一个或多个信号流给该多端口天线的该一个或多个端口。

在一种形式中，该一个或多个波束网络包括多个该开关网络，并且该多个收发器的数量少于该多端口天线的端口数量。

在一种形式中，该一个或多个波束网络包括该开关网络。该开关网络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、一条或多条耦合线、一个或多个滤波器，或其任意组合。

在一种形式中，该一个或多个波束包括至少两个波束，并且该一个或多个波束网络包括多个该波束成形器网络。来自该多个波束成形器网络中的每一个波束成形器网络包括至少两个延迟组件，其中该至少两个延迟组件包括移相器、时间延迟、或其任意组合。该多端口天线的每一个天线端口被耦合到来自该多个波束成形器网络中相应波束成形器网络的该至少两个延迟组件。

在一种形式中，该波束网络是具有模拟波束网络部分及数字波束网络部分的一种混合型波束网络，并且该多个收发器包括模拟到数字转换器及数字到模拟转换器。在发射模式下，(i)该数字波束网络部分被配置为分离该一个或多个信号流，(ii)该数字波束网络部分被配置为选择该一个或多个信号流，(iii)该数字到模拟转换器被配置为把该一个或多个信号流转换为该一个或多个模拟信号流，并且该模拟波束网络部分被配置为分离该一个或多个信号流、选择该一个或多个信号流、或其任意组合，(iv)或(i)、(ii)、(iii)的一种组合。在接收模式中，(v)该模拟波束网络部分被配置成合并该一个或多个信号流，(vi)该模拟波束网络部分被配置成选择该一个或多个信号流，(vii)该模拟到数字转换器被配置为把该一个或多个信号流转换为一个或多个数字信号流，并且该数字波束网络部分被配置成合并该一个或多个信号流、选择该一个或多个信号流、或其任意组合，(viii)或(v)、(vi)、(vii)的一种组合。

在一种形式中，该前端天线系统还包含多个子数组。来自该多个子数组的每一个子数组包括：一个或多个基片层、一个或多个电子芯片、或其任意组合；来自该天线数组中的一个或多个天线、以及来自该多个收发器中的一组收发器。该多个子数组经由信号分配网络、该一个或多个波束网络、该多个收发器、或其任意组合被彼此耦合。

在一种形式中，该多个子数组具有平面布置及非平面布置中的一种。来自该多个子数组中的第一子数组具有第一组几何参数，来自该多个子数组中的第二子数组具有第二组几何参数，并且来自该第一组几何参数中的至少一个几何参数不同于来自该第二组几何参数中的至少一个几何参数。

在一种形式中，该多个子数组具有平面布置及非平面布置中的一种。来自该多个子数组中的第一子数组具有第一组几何参数，来自该多个子数组中的第二子数组具有第二组几何参数，并且来自该第一组几何参数中的每一个几何参数相同于来自该第二组几何参数中的每一个几何参数。

本发明提供用于发射及接收一个或多个波束并且包括有射频(RF)级、中频(IF)级、及数字级中至少一个的前端天线系统。该前端天线系统包含：一个或多个波束网络，该波束网络被配置成在该一个或多个波束上形成一个或多个信号流，其中来自该一个或多个波束网络中的每一个波束网络包含波束成形器网络、开关网络、或其任意组合。该前端天线系统包含天线数组，该天线数组被配置成从多个空间区域的一个选定空间区域中输出该波束的每一个，其中来自该天线数组中的一个或多个天线是多端口天线。该前端天线系统包含把该天线数组与一个或多个波束网络进行电气耦合的多个收发器。

在一种形式中，该单端口天线是被动天线，该一个或多个波束包括至少两个波束，并且该一个或多个波束网络包括多个波束成形器网络。来自该多个波束成形器的网络中的每一个波束成形器网络包括至少两个延迟组件，其中该至少两个延迟组件包括移相器、时间延迟、或其任意组合。该单端口天线被耦合到来自该多个波束成形器网络中相应波束成形器网络的该至少两个延迟组件。

在一种形式中，该单端口天线是包含有一个或多个可调谐组件的主动天线。

在一种形式中，该一个或多个波束包括至少两个波束，并且该一个或多个波束网络包括多个该波束成形器网络。来自该多个波束成形器的网络中的每一个波束成形器网络包括至少两个延迟组件，其中该至少两个延迟组件包括移相器、时间延迟、或其任意组合。该单端口天线端口被耦合到来自该多个波束成形器网络中相应波束成形器网络的该至少两个延迟组件。

在一种形式中，该前端天线系统还包含控制器，该控制器被配置成独立地控制辐射参数及该一个或多个波束的波束类型。该辐射参数包含方向、场型、功率、极化、相位角、频带，或其任意组合。该波束类型包括发射型波束、接收型波束、及同时接收且发射型波束中的一种。

在一种形式中，该一个或多个波束网络包括该开关网络，并且该开关网络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、一个或多个耦合线、一个或多个滤波器，或其任意组合。

在一种形式中，该一个或多个波束网络被配置为在该RF级、该IF级、该数位级、本地振荡器级、或其任意组合中形成该一个或多个波束。

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，现在将参照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一个前端天线系统的示意图；

图2根据本发明的教导是该前端天线系统的一个子数组的示意图；

图3根据本发明的教导是另一个实例前端天线系统的示意图；

图4根据本发明的教导是被连接到一组波束成形器的一个实例开关网络的示意图；

图5根据本发明的教导是射频集成电路的示意图；

图6根据本发明的教导是一实例多端口天线的示意图；

图7根据本发明的教导是一实例主动天线的示意图；

图8A根据本发明的教导是前端天线系统的示意图；

图8B根据本发明的教导是前端天线系统的另一个示意图；

图8C根据本发明的教导是前端天线系统的另一个示意图；

图9A根据本发明的教导是一组实例天线的示意图；

图9B根据本发明的教导是另一组实例天线的示意图；

图9C根据本发明的教导是又一组实例天线的示意图；

图10根据本发明的教导是包括一组多端口天线的一个前端天线系统的示意图；

图11根据本发明的教导是包括一组天线的一个系统的示意图；

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前端天线系统架构技术，其提供了多波束波束成形、高功率效率、高频谱效率以及操作频率与尺寸的可扩展性的独特组合。该前端天线系统操作为一无线前端系统，该系统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)。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。

本发明的该前端天线系统可被实现用于各种类型的信号或功率无线电波发射及/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：卫星信号发送、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)、功能受到限制(例如波束数量、天线增益、波束成形能力等)、及/或需要限制孔径尺寸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。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、减小的重量、以及减小的功耗。

在一种形式中，参考图1，前端天线系统1包括多个天线10、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可操作成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2中所示，该前端天线系统1可包括共同形成数组2的一个或多个子数组70-1、70-2、70-3、70-4、70-5、70-6(在本文中它们被统称为子数组70)。该子数组70的每一个包括一组来自该多个天线10的该天线10中的一个或多个。例如，该子数组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、10-4。在形式上，该子数组70经由信号分配网络(下面会进一步被详细描述)、该多个波束网络50、该多个收发器30、或其任意组合被彼此耦合。

在一种形式中，该一个或多个数组70可以彼此相同或不同。作为一实例，每个子数组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，该数组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，该子数组70被随机排列或被排列成网格状或行。在一种形式中，该一个或多个子数组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，该一个或多个子数组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，该一个或多个子数组70可以彼此交错或重迭。在一种形式中，该一个或多个子数组70形成稀疏配置以扩大该前端孔径，并且该一个或多个子数组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该数组天线的数量、每一个天线的该组件数、及/或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(或者当该天线10是由一连续孔径天线子数组来被实现时相当于2000个组件的尺寸)。

参考图1及图2，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，该子数组70的该组天线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还包括信号分配网络。实例信号分配网络包括但不局限于：漏波或槽孔耦合波导结构(例如，空气填充波导、基片整合式波导等)、腔体结构(例如具有定制形状的空气填充或电介质填充)、混合型耦合器结构(例如，一巴特勒(Butler)矩阵)、H树结构等。

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定的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(BT)、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。该天线10的一实例被提供在本申请人同时提交的审查中的申请中，其标题为“ANTENNA SYSTEM FOR AMULTI-BEAMBEAMFORMING FRONT-END WIRELESS TRANSCEIVER(多波束波束成形前端无线收发器用天线系统)”，该实例与本发明共同拥有并且其完整内容以引用方式被并入本文。

参照图1，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的收发器30的该数量等于该天线10的该端口数。在一个变型中，连接到每一个天线10的收发器30的该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所接收到的信号，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。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一个给定的功率位准。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SiGe BiCMOS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(入讯及出讯两者)。该波束网络50被配置成为来自每一个天线10及/或天线10组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/或接收的多方向及/或多维度波束。该组波束网络50经由该收发器30被连接到一组给定天线10中的每一个天线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中，包括有该RF级、该IF级、该基频级、该数位级、或其任意组合。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做合并。

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”)被配置成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、或其任意组合(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，可以实施延迟变化消除技术以抑制给定比例带宽(例如，大于或等于20％的比例带宽)上的延迟变化。

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”)还更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/或显著地增加该前端天线系统1的该波束成形的多波束、多流功能。该开关网络58可以在各级处被实现，诸如该RF级、该IF级、该基频级、该数位级、或其任意组合。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，对于具有大数量天线组件/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。

在实例变型中，该前端天线系统1的该组件(例如，该天线10、该收发器30、该波束网络50、及/或该控制器90)被分配在一个或多个电子芯片上(例如，集成电路(IC)芯片)及/或其的一个或多个基片层上。该IC芯片可以在系统单芯片(SoC)配置中包括基频、数字、调变解调器、及/或控制电路用于执行本文所描述的功能。在一种形式中，每一个IC芯片与单一天线组件及/或天线10组相关联。在一种形式中，每一个IC芯片与多个天线组件或子数组70相关联。在一种形式中，一个IC芯片与所有的天线组件或天线10组相关联。

参照图3，其图标出前端天线系统1-1。该前端天线系统1-1类似于该前端天线系统1，但在本变型中，该前端天线系统1-1包含包括有多端口天线10-5的一个或多个子数组72，该多端口天线10-5具有被连接到一组收发器30-1、30-2、...30-k'的端口16-1、16-2、...16-k。因此，每一个子数组72包括具有k个端口的该多端口天线10-5，并且每一个子数组72包括一组k'个收发器。

在一种形式中，每一个子数组72被连接到该波束网络50的该波束成形器网络51-1、51-2、...51-M。在一种形式中，该组收发器30被连接到该波束成形器网络51的每一个以经由该开关网络58产生M个信号流，从而使得该前端天线系统1-1能够执行波束合并、分离、以及切换程序。在一种形式中，该多端口天线10-5可以通过类似于该开关网络58的开关网络110被连接到该组收发器30，从而使得该前端天线系统1-1能够开关该多端口天线10-5的该活动的端口(例如，以选择该波束的该(等)方向)。

在一种形式中，每一个子数组72基于该天线类型(例如，超材料天线或连续孔径天线)包括n个组件或等效件。当每一个子数组72相同时，该前端天线系统1-1的总尺寸为N＝nx m个组件(或相当于具有N个组件的数组系统)，其中m代表该前端天线系统1-1的子数组72或天线组的数量。换言之，N组件数组可被分组成为每一个具有n个组件的子数组72。对于系统制造，这些子数组72可以有把一实例分组添加到该数组组件中的作用。例如，在一些实例变型中，用于该子数组72的该驱动器可被组装到单一RFIC或一组RFIC上。

在一种形式中，该多端口天线10-5(或单端口天线)具有各种功能性(例如，主动、被动、高增益或低增益、笔形波束或扇形波束或宽波束等)及/或类型(例如，超材料天线)。当该多端口天线10-5(或该单端口天线)为被动天线时，每一个数组的该组件数n可对应天线端口数k。作为一实例，n及k可以相等或具有相同的数量级。作为另一个实例，k可以是√n的数量级。

在一种形式中，该前端天线系统1-1的该组收发器30包括一个或多个收发器30。在一些形式中，该收发器30的数量小于或等于该天线端口数k。

参考图4，其展示出该波束成形器网络51及开关网络58-1、58-2、…58-M(其被统称为“开关网络58”)。在一种形式中，该波束成形器网络51及该开关网络58被连接到k'个收发器30。在一种形式中，对于M个波束及k'个收发器30，该开关网络58的每一个都包括开关60-1、60-2、…60-k'(它们被统称为该“开关60”)。在一种形式中，每一个波束被连接到该开关网络58中的一个，并且该开关网络58中的该一个经由该开关60被连接到该k'个收发器30中的每一个。作为一实例，该开关网络58-1的该开关60-1被连接到收发器30-1、该开关网络58-1的该开关60-2被连接到收发器30-2、以及该开关网络58-1的该开关60-k'被连接到收发器30-k'。在一种形式中，该前端天线系统1可以包括k'个开关网络58，每一个开关网络具有M个开关60，并且该开关网络58的每一个被连接到该收发器30中的一个，其通过位于其中的开关被连接到所有的该移相器52。

在一种形式中，该波束成形器网络51可以在不同的级处具有不同的特性并且对于特定的频带(例如，毫米波频带)具有特定的适用性。作为一实例，该模拟波束成形器可在该射频(RF)级、在该中频(IF)级、该LO级、或在其任意组合处来被实现。

在一种形式中，当该波束成形器网络51在该RF级被实现时(即，RF波束成形)，该移相器52、该时间延迟电路54、可变增益放大器62、以及信号合并器64中的一个可针对每一个信号路径的每一个波束来被提供。在一种形式中，每一个移相器52及可变增益放大器62把RF信号改变为在该RF频带内具所希望相位及振幅的信号。该信号合并器64然后合并每一个波束及端口的该修改后的信号。

在一种形式中，当该波束成形器网络51在该IF级被实现时(即，IF波束成形)，该移相器52、该时间延迟电路54、该可变增益放大器62、该信号合并器64、以及混频器66中的一个可针对每一个信号路径的每一个波束来被提供。该移相器52及该可变增益放大器62把由该RF信号转换为该IF频带所产生的IF信号改变为具所希望相位及振幅的信号。该信号合并器64然后合并每一个波束及端口的该修改后的信号，并且该混频器66把该来讯信号与该LO信号混波以把该信号转换到该IF频带。该LO信号针对所有的天线及/或波束成形器进行分配及同步。

在一种形式中，当该波束成形器网络51在该LO级被实现时(即，LO波束成形)，该移相器52(例如，相位旋转器或基于向量调变器的移相器)、该时间延迟电路54、该可变增益放大器62、以及该混频器66中的一个可针对每一个信号路径的每一个波束来被提供。该移相器52及该可变增益放大器62针对每一个端口的每一个波束改变该LO信号的该相位及/或振幅，并且该混频器66把该RF信号与该修改后的LO信号混波并根据一所希望的相位及振幅把它转换到该IF频带。在一种形式中，该可变增益放大器62被设置在该IF或LO路径中。在一种形式中，该移相器52可以与该混频器66整合。

在一种形式中，当该波束成形器网络51在该数字级被实现时(即，数字波束成形)，该移相器52、该时间延迟电路54、该可变增益放大器62、该信号合并器64、混频器66、数字到模拟转换器(DAC)68、以及模拟到数字转换器(ADC)69中的一个可针对每一个信号路径的每一个波束来被提供。在一种形式中，在接收模式期间使用该ADC 69该IF信号从模拟信号被转换为数字信号，并且该移相器52、该时间延迟电路54及该可变增益放大器62改变该数字信号的该相位、时间延迟、及/或振幅中的至少一个。该信号合并器64然后合并每一个波束及端口的该修改后的数字信号。类似地，在一发射模式期间，该DAC 68把该数字信号转换为模拟信号，并且该移相器52、该时间延迟电路54、以及该可变增益放大器62改变该模拟信号的该相位、时间延迟、及/或振幅中的至少一个。该信号合并器64然后合并每一个波束及端口的该修改后的模拟信号。

在一种形式中，当该波束成形器网络51在混合型波束成形器中该IF及数字级的该组合处被实现时，该移相器52、该时间延迟电路54、该可变增益放大器62、该信号合并器64、以及该混频器66中的一个可针对在该IF级的每一个信号路径的每一个波束来被提供。来自该IF波束成形器的该输入/输出被连接到数字波束成形器，以及该DAC 68、该ADC 69、该移相器52、该可变增益放大器62、及/或该信号合并器64的中一个可针对每一个信号路径的每一个波束来被提供。在该混合型波束成形器的每一级，该移相器52及该可变增益放大器62被配置为改变该信号的该相位、时间延迟、及/或振幅中的至少一个。该信号合并器64然后合并每一个波束及端口的该修改后的信号。

参考图5，该图展示出包括有M个波束网络50及k'个收发器30的RFIC 100。在一种形式中，该RFIC 100包括N个组件(或相当于该前端天线系统1的N个组件)。在一种形式中，该M个波束网络50被连接到该子数组70的该天线的该端口及/或组件，从而提供模块化、可拼接的前端天线系统，该系统是可定制的并可抑制复杂性及成本。

参考图6，该图展示由天线10-6所输出的波束18、20、22的一示意图，该天线10-6可以是具有端口16-1、16-2、…16-k(它们被统称为“端口16”)的被动多端口天线。在一种形式中，激发该端口16中的一个会产生具有诸如场型及方向的给定辐射参数的对应波束。在一种形式中，该波束18、20、22可以重迭，但应被理解的是，在其他形式中，该波束18、20、22可能不重迭。在一种形式中，该波束18、20、22展开所希望的空间区域(例如，2D或3D FOV)。在一种形式中，该波束18、20、22的该辐射参数由该波束网络50及/或该控制器90独立地控制。应被理解的是，在其他的形式中，该天线10-6可以是单端口天线，其总是产生具有的特定辐射参数的单一波束。

参考图7，该图展示由天线10-7所输出的波束24、26、28的示意图，该天线10-7可以是具有端口17-1、17-2、…17-k(它们被统称为“端口17”)的被动多端口天线。在一种形式中，该天线10-7包括电气控制的可谐调机制，并且该控制器90被配置成通过谐调该天线10-7的该可谐调机制来修改该波束24、26、28的该辐射参数。因此，该控制器90可以包括用于执行本文所描述的该功能性的外部及/或数字控制电路。在一种形式中，该天线10-7包括整合在其中的主动组件，从而使该控制器90能够执行波束修改及控制程序。虽然只图示出一个控制器90，但是应被理解的是，在其他的形式中，该前端天线系统1可以包括多个控制器90(例如，该天线10的每一个都有一个控制器90)。

参考图8A-8C，其图标出该前端天线系统的各种实例波束网络50。具体地说，图8A图标出前端天线系统1-2作为该波束网络50的数字波束网络；图8B图标出前端天线系统1-3作为该波束网络50的混合型波束网络(例如，模拟波束网络及数字波束网络)；以及图8C图标出前端天线系统1-4作为该波束网络50的混合型波束网络(例如，模拟波束网络及数字波束网络)。

参考图8A，该前端天线系统1-2包括一组数字波束网络200(作为该波束网络50)、转换器网络202(例如，该DAC 68及/或ADC 69)、中频(IF)转换器网络204、该组收发器30、以及天线10数组。在一种形式中，该前端天线系统1-2包括k个波束(其中每一个波束包括一个或多个信号流)、k个数字波束网络200、以及N个天线10的数组。该数字波束网络200被耦合到该转换器网络202，该转换器网络202被耦合到该IF转换器网络204(例如，一组上/下频率转换器)以把该波束转换到该IF频带的一个所希望的频率。这里所描述的该IF级可以对应于该IF转换器网络204；这里所描述的该数字波束网络200可以对应于该数字级；以级该RF级可以对应于该转换器网络202。

参考图8B，该前端天线系统1-3包括一组模拟波束网络206(作为该波束网络50)。该前端天线系统1-3还包括该转换器网络202、该IF转换器网络204、该组收发器30、及该天线10数组。在一种形式中，该前端天线系统1-3包括k个波束(其中每一个波束包括一个或多个信号流)、k个模拟波束网络206、及N个天线10的数组。该转换器网络202被耦合到该模拟波束网络206以产生该模拟信号。该模拟波束网络206被耦合到该IF转换器网络204(例如，一组上/下频率转换器)以把该波束转换到该IF频带的一个所希望的频率。应被理解的是，在其他形式中，该前端天线系统1-3的组件可以具有的不同布置。作为一实例，该转换器网络202可被耦合到该IF转换器网络204以把该波束转换为该RF频带的一个所希望的频率，并且该IF转换器网络204可被耦合到该组模拟波束网络206以产生该RF信号。

参考图8C，该前端天线系统1-4包括该组数字波束网络200及该组模拟波束网络206(作为该波束成形器网络50)。该前端天线系统1-4还包括转换器网络202、该IF转换器网络204、该收发器组30、该天线10数组、以及天线数组208(例如，主动天线数组)。在一种形式中，该前端天线系统1-4包括k个波束(其中每一个波束包含一个或多个信号流)、k个数字波束网络200、M个模拟波束网络206、N个天线208的数组、以及N'个耦合该天线208的该端口的连接。在一种形式中，该N'个连接可以包括到多端口天线组或单端口天线组的端口的连接，如下面参照图9A-9C被进一步被详细描述的。在一种形式中，连接的该数量(N')小于或等于该数组的天线208的数量(N)。在一种形式中，波束的该数量(k)小于或等于模拟波束网络206的该数量(M)。

在一种形式中，该数字波束网络200被耦合到该转换器网络202，该转换器网络202被耦合到该模拟波束网络206以产生该模拟信号。该模拟波束网络206被耦合到该IF转换器网络204(例如，一组上/下频率转换器)以把该波束转换到该IF频带的一个所希望的频率。应被理解的是，在其他形式中该前端天线系统1-4的组件可以具有不同的布置。作为一实例，该转换器网络202可被耦合到该IF转换器网络204以把该波束转换到该RF频带的一个所希望的频率，并且该IF转换器网络204可被耦合到该组模拟波束网络206以产生该RF信号。

在一种形式中，该前端天线系统1-4可在发射模式、接收模式下操作，或同时在该发射及接收模式下操作。作为一实例，在发射模式中，该数字波束网络200被配置为分离及/或选择该一个或多个信号流、该DAC 68被配置为把该一个或多个信号流转换为一个或多个模拟信号流、该模拟波束网络206被配置为分离及/或选择该一个或多个信号流、或其任意组合。作为另一个实例，在接收模式中，该模拟波束网络206被配置为合并及/或选择该一个或多个信号流、该ADC 69被配置为把该一个或多个信号流转换为一个或多个数字信号流、该数字波束网络200被配置为合并及/或选择该一个或多个信号流、或其任意组合。

参考图9A，其图标出该前端天线系统1-4的一组实例天线208-1(作为天线208)。在一种形式中，该组天线208-1包括具有x'个端口的多端口天线210并且可耦合到该开关网络58。在一种形式中，该开关网络58被配置成独立地控制该多端口天线210的该x'个端口并因此控制该多端口天线210的各种辐射参数，诸如该波束方向、极化、功率等。该开关网络58可在该前端天线系统1-4的一个或多个级被实现，诸如该数字级、该IF级、该RF级、或其任意组合处。在一种形式中，该组波束成形器网络51可以在该前端天线系统1-4的一个或多个级被实施，诸如该数字级(DBF)、该模拟级(ABF)、或其任意组合处。

参考图9B，其展示出该前端天线系统1-4的一组实例天线208-2(作为天线208)。在一种形式中，该组天线208-2包括共同形成y'个端口的多个多端口天线212-1、…212-n(它们被统称为多端口天线212)。应被理解的是，该多端口天线212的每一个可以具有相同或不同数量的端口。在一种形式中，端口的数量(y')等于连接到天线208-2的连接数(J)。应被理解的是，该组天线208-2可以耦合到该开关网络58以独立地控制该多端口天线212的该y'个端口，从而控制该多端口天线212的各种辐射参数，诸如该波束方向、极化、功率等。在一种形式中，该组开关网络58可在该前端天线系统1-4的一个或多个级被实现，诸如该数字级、该IF级、该RF级、或其任意组合处。类似地，该组波束成形器网络51可以在该前端天线系统1-4的一个或多个级被实现，诸如该DBF、ABF、或其任意组合处。

参考图9C，其展示出该前端天线系统1-4的一组实例天线208-3(作为天线208)。在一种形式中，该组天线208-3包括多个主动天线214-1、…214-n(它们被统称为主动天线214)，其共同形成可耦合到开关网络58的z'个端口，其中该开关网络58具有多个开关60。该开关网络58被配置成独立地控制该主动天线214的该z'个端口，从而控制各种辐射参数，诸如该波束方向、功率、极化、该该波束形状等。在一种形式中，该组开关网络58可在该前端天线系统1-4的一个或多个级被实现，诸如该数字级、该IF级、RF级、或其任意组合处。类似地，该组波束成形器网络51可以在该前端天线系统1-4的一个或多个级被实现，诸如该DBF、ABF、或其任意组合处。

参考图10，该图展示出实例多端口天线220-1、220-2、…220-n(作为在图9A-9B中所示的该多端口天线210、212中的一个；它们被统称为“多端口天线220”)。在一种形式中，每一个多端口天线220包括k'个端口并且被连接到一组k”个波束成形器网络51。在一种形式中，每一个多端口天线220被连接到给定的收发器30，但是应被理解的是，每一个多端口天线220可被连接到来自该组收发器30中一个以上的收发器30。在一种形式中，该组收发器30被连接到该组k”个波束成形器网络51。因此，该k”个波束成形器网络51可以形成k个波束，其中k＝k'*k”。在一种形式中，该多端口天线220的每一个天线端口被耦合到给定波束成形器网络51的至少两个延迟组件(即，该移相器52及/或该时间延迟54)。

参考图11，该图展示出N'个主动天线214(作为该天线208)。在一种形式中，该主动天线214包括单端口天线、多端口天线、或其任意组合，并且该主动天线214共同形成k'个端口。在一种形式中，每一个主动天线214被连接到一组k”个波束成形器网络51及给定的收发器30，但是应被理解的是，每一个主动天线214可被连接到来自该组收发器30中一个以上的收发器30。在一种形式中，该组收发器30被连接到该组k”个波束成形器网络51。因此，该k”个波束成形器网络51可以形成k个波束，其中k＝k”、k＝k'*k”、或k”≤k≤k'*k”。在一种形式中，该主动天线214的每一个天线端口被耦合到给定波束成形器网络51的至少两个延迟组件(即，该移相器52及/或该时间延迟54)。

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(例如，该前端天线系统1-4)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1-4的各级/功能。虽然这些层都被个别地展示出的，但是应被理解的是，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1-4包括天线层300、模拟层310(在这里可互换地被称为该RF层310)以及数字层320。在一种形式中，该天线层300包含包括天线接口/端口的一分配网络层302、包括该天线结构的馈入层304、以及包括该天线10的该可谐调组件的辐射层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、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一个单一晶粒或一组晶粒上的该整合。

参考图12B，其图标出该前端天线系统1-4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1-4的一个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12C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 (20)

1.一种用于发射及接收一个或多个波束并且包括有射频(RF)级、中频(IF)级、及数字级中至少一个的前端天线系统，所述前端天线系统包含有：

一个或多个波束网络，所述波束网络被配置成在所述一个或多个波束上形成一个或多个信号流，其中，来自所述一个或多个波束网络中的每一个波束网络包含波束成形器网络和开关网络；

多端口天线的数组，所述多端口天线的数组被配置成从多个波束方向的一个选定波束方向中、以及从一个或多个极化的一个选定极化中输出或接收所述波束的每一个，其中：

所述多端口天线的数组中的每一个多端口天线包括多个端口，

所述多个端口中的至少两个端口被提供用于所述一个或多个极化中的至少一个极化，

所述多端口天线的每一个端口能够操作以在所述多个波束方向中的一个指定波束方向上从一个或多个波束输出或接收波束，

所述多个端口中的端口的所述指定波束方向至少基于所述波束的极化，

多个收发器，所述多个收发器把所述多端口天线的数组与所述一个或多个波束网络进行电气耦合；其中：

所述开关网络选择性地将所述波束成形器网络耦合到所述多端口天线的数组中的至少两个多端口天线的所述多个端口中的选定端口。

2.根据权利要求1所述的前端天线系统，其还包含有控制器，所述控制器被配置成独立地控制数个辐射参数及所述一个或多个波束的波束类型，其中：

所述辐射参数包含所述多个波束方向中的波束方向、场型、功率、所述一个或多个极化中的极化、相位角、频带、或其任意组合；并且

所述波束类型包括发射型波束、接收型波束、及同时接收且发射型波束中的一种。

3.根据权利要求1所述的前端天线系统，其中：

所述一个或多个波束包括至少两个具有相同极化的波束；并且

所述多端口天线的数组中的多端口天线能够操作以从所述多个端口中的至少两个端口将所述至少两个具有相同极化的波束进行发射、接收、或其任意组合，其中，所述至少两个端口与所述多个波束方向中的不同波束方向相关联。

4.根据权利要求1所述的前端天线系统，其中，所述波束成形器网络包括一个或多个移相器、一个或多个时间延迟电路、一个或多个合并器、一个或多个可变增益放大器、一个或多个分离器、或其任意组合。

5.根据权利要求1所述的前端天线系统，其中，所述一个或多个波束网络被配置成在所述射频级、所述中频级、所述数字级、本地振荡器级、或其任意组合处形成所述一个或多个波束。

6.根据权利要求1所述的前端天线系统，其中，所述多个收发器的数量少于所述多端口天线的数组中的所述多端口天线的数个端口的数量。

7.根据权利要求1所述的前端天线系统，其中，所述开关网络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、一个或多个耦合线、一个或多个滤波器、或其任意组合。

8.根据权利要求1所述的前端天线系统，其中：

所述一个或多个波束包括至少两个波束；

所述一个或多个波束网络包括多个所述波束成形器网络，以输出多个信号流；并且

经由所述多个收发器中的收发器和所述多端口天线的数组中的多端口天线，将由所述多个波束成形器网络中的至少两个波束成形器网络输出的所述多个信号流中的至少两个信号流进行组合并发射、或接收并分离。

9.根据权利要求1所述的前端天线系统，其中：

所述波束网络是具有模拟波束网络部分及数字波束网络部分的一种混合型波束网络；

所述多个收发器包括模拟到数字转换器及数字到模拟转换器；

在发射模式中，(i)所述数字波束网络部分被配置为分离所述一个或多个信号流，(ii)所述数字波束网络部分被配置为选择所述一个或多个信号流，(iii)所述数字到模拟转换器被配置为把所述一个或多个信号流转换为一个或多个模拟信号流，并且所述模拟波束网络部分被配置为分离所述一个或多个信号流、选择所述一个或多个信号流、或其任意组合，(iv)或(i)、(ii)、(iii)的一种组合；并且

在接收模式中，(v)所述模拟波束网络部分被配置为合并所述一个或多个信号流，(vi)所述模拟波束网络部分被配置为选择所述一个或多个信号流，(vii)所述模拟到数字转换器被配置为把所述一个或多个信号流转换为一个或多个数字信号流，并且所述数字波束网络部分被配置为合并所述一个或多个信号流、选择所述一个或多个信号流、或其任意组合，(viii)或(v)、(vi)、(vii)的一种组合。

10.根据权利要求1所述的前端天线系统，其还包含有多个子数组，其中：

来自所述多个子数组中的每一个子数组包括：

一个或多个基片层、一个或多个电子芯片、或其任意组合；

来自所述多端口天线的数组中的一个或多个多端口天线；及

来自所述多个收发器中的一组收发器；并且

所述多个子数组经由数个信号分配网络、所述一个或多个波束网络、所述多个收发器、或其任意组合被彼此地耦合。

11.根据权利要求10所述的前端天线系统，其中：

所述多个子数组具有平面布置及非平面布置中的一种；

来自所述多个子数组中的第一子数组具有第一组几何参数；

来自所述多个子数组中的第二子数组具有第二组几何参数；并且

来自所述第一组几何参数中的至少一个几何参数不同于来自所述第二组几何参数中的至少一个几何参数。

12.根据权利要求1所述的前端天线系统，其中，所述多端口天线的数组中的至少一个多端口天线为包括一个或多个可调谐组件的主动天线。

13.根据权利要求1所述的前端天线系统，其中，所述开关网络选择性地将所述波束成形器网络耦合到所述多端口天线的数组中的至少一个多端口天线的所述多个端口中的两个或多个选定端口。

14.一种用于发射及接收两个或多个波束并且包括有射频(RF)级、中频(IF)级、及数字级中至少一个的前端天线系统，所述前端天线系统包含有：

一个或多个波束网络，所述一个或多个波束网络被配置成在所述一个或多个波束上形成两个或多个信号流，其中，来自所述一个或多个波束网络中的每一个波束网络包含多个波束成形器网络，其中，每一个波束成形器网络输出所述两个或多个信号流中的信号流，所述信号流表示与所述两个或多个信号流中的其他信号流不同的数据，其中，所述多个波束成形器网络为模拟波束成形器；

天线数组，所述天线数组被配置成从多个空间区域的一个选定空间区域中输出所述波束的每一个，其中，所述天线数组中的每一个天线包括一个或多个端口；以及

多个收发器，所述多个收发器把所述天线数组与所述一个或多个波束网络的所述多个波束成形器网络进行电气耦合，其中：

经由所述多个收发器中的收发器和所述天线数组中的天线，将由所述多个波束成形器网络中的至少两个波束成形器网络输出的所述多个信号流中的至少两个信号流进行组合并发射、或接收并分离。

15.根据权利要求14所述的前端天线系统，其中：

来自所述多个所述波束成形器网络中的每一个波束成形器网络包括移相器、时间延迟电路、合并器、可变增益放大器、分离器、或其任意组合。

16.根据权利要求14所述的前端天线系统，其中，所述天线是包含有一个或多个可调谐组件的数个主动天线。

17.根据权利要求14所述的前端天线系统，其还包含有控制器，所述控制器被配置成独立地控制数个辐射参数及所述波束的波束类型，其中：

所述辐射参数包含波束方向、场型、功率、极化、相位角、频带、或其任意组合；并且

所述波束类型包括发射型波束、接收型波束、及同时接收且发射型波束中的一种。

18.根据权利要求14所述的前端天线系统，其中：

所述一个或多个波束网络包括开关网络；并且

所述开关网络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、一条或多条耦合线、一个或多个滤波器、或其任意组合。

19.根据权利要求14所述的前端天线系统，其中，所述一个或多个波束网络被配置为在所述射频级、所述中频级、所述数字级、本地振荡器级、或其任意组合处形成所述一个或多个波束。

20.根据权利要求14所述的前端天线系统，其中，所述一个或多个波束网络还包括至少一个数字波束成形器，所述至少一个数字波束成形器耦合到所述多个波束成形器网络中的至少一个波束成形器网络的至少一个模拟波束成形器。