TW202021192A

TW202021192A - 天線裝置及校正天線裝置的方法

Info

Publication number: TW202021192A
Application number: TW107140521A
Authority: TW
Inventors: 郭芳銚; 姜哲揚; 陳文江
Original assignee: 財團法人工業技術研究院
Priority date: 2018-11-15
Filing date: 2018-11-15
Publication date: 2020-06-01
Also published as: CN111193114A; CN111193114B; TWI678846B; US10469183B1

Abstract

提供一種天線裝置及校正天線裝置的方法，所述方法包括：透過第一天線單元和第二天線單元來傳送或接收訊號。透過探測器以自第一天線單元及第二天線單元接收訊號或傳送訊號至第一天線單元及第二天線單元，其中第一天線單元及第二天線單元分別與探測器相距第一距離。根據對應於第一距離的訊號的差頻來校正第一天線單元及第二天線單元。

Description

天線裝置及校正天線裝置的方法

本揭露是有關於一種天線裝置及校正天線裝置的方法。

隨著科技的進步，使用毫米波（Millimeter Wave，簡稱mmWave）的無線通信技術依然存在一些技術困難。基本上，首先需要面對的問題在於，毫米波的傳播過程中可能遇到波能嚴重衰減。上述問題跟毫米波通訊系統操作於高頻帶並使用相當大的頻寬進行通訊有非常大的關聯。進一步來說，相較於現今普遍使用的第三代（3G）或第四代（4G）通訊系統，毫米波通訊系統使用相對高頻的頻段來進行通訊。可以知道的是，接收器所接收到的電磁波能量強弱會與訊號傳送距離的平方成反比並與電磁波訊號的波長成正比，於是毫米波通訊系統將會因為使用短波長的高頻訊號而大幅增加訊號能量衰減的幅度。並且，高頻訊號的使用也將造成天線孔徑驟降，並可能導致毫米波通訊系統中的傳送訊號的訊號能量遞減。因此，為了確保通訊品質，毫米波通訊系統中的收發器通常需要使用到多天線波束成形技術來改善訊號能量衰減用以增益收發訊號的效能。

多天線波束成形技術是在基地台/使用者設備上設置包括多個天線單元的天線裝置（例如：主動式相位陣列天線（Active Phased Array Antenna）），藉由控制這些天線單元讓基地台/使用者設備可產生具有指向性的波束。藉由天線裝置所達成的波束成形技術是影響毫米波無線通信系統之效能的關鍵因素之一。為了準確地調整波束的形狀和方向，在調整對應天線單元的振幅和相位前，用以饋入射頻訊號至天線單元的路徑上的電性差異（Electrical Difference）需被校正。傳統上，可以使用近場探棒（Near-Field Probe）測量每一個天線單元的輻射功率密度以校正天線單元，亦或是竭盡式地（Exhaustively）測量每一天線單元在每一不同相位時的電壓以製作查找表，並透過查找表來校正各個天線單元。然而，傳統的校正方法存在許多缺點，例如，使用近場探棒的校正方法僅能在有限的場地（例如：合格的電子裝置校正實驗室）執行。另一方面，當天線單元總數過多時，使用查找表的校正方法將耗費大量的電腦運算量。

為了更有效率地執行天線裝置的在線校正（On-Line Calibration），本揭露提供一種天線裝置及校正天線裝置的方法。

本揭露提供一種天線裝置，包括天線陣列以及控制電路。天線陣列包括第一天線單元、第二天線單元以及探測器。第一天線單元以及第二天線單元用於傳送或接收訊號。探測器用於自第一天線單元及第二天線單元接收訊號或傳送訊號至第一天線單元及第二天線單元，其中第一天線單元及第二天線單元分別與探測器相距第一距離。控制電路耦接天線陣列，並且根據對應於第一距離的訊號的差頻來校正第一天線單元及第二天線單元。

本揭露的提供一種校正天線裝置的方法，所述方法包括：透過第一天線單元和第二天線單元來傳送或接收訊號。透過探測器以自第一天線單元及第二天線單元接收訊號或傳送訊號至第一天線單元及第二天線單元，其中第一天線單元及第二天線單元分別與探測器相距第一距離。根據對應於第一距離的訊號的差頻來校正第一天線單元及第二天線單元。

基於上述，本揭露的校正天線裝置的方法可以在具有背景訊號雜訊的場地執行，並且不需測量每一天線單元在每一不同相位時的電壓以製作查找表，故該方法可節省大量的電腦運算量。

為讓本揭露的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

為了更有效率地執行天線裝置的在線校正，本揭露提供一種天線裝置及校正天線裝置的方法，其可用以校正天線陣列上的一或多對天線單元。

圖1根據本揭露的實施例繪示天線裝置10的示意圖。天線裝置10可包括天線陣列100以及控制電路300，其中控制電路300耦接於天線陣列100。控制電路300可例如是由中央處理單元（Central Processing Unit，CPU），或是其他可程式化之一般用途或特殊用途的微處理器（Microprocessor）、數位信號處理器（Digital Signal Processor，DSP）、可程式化控制器、特殊應用積體電路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC）或其他類似元件或上述元件的組合實施，本揭露不限於此。

天線陣列100可包括第一天線單元110、第二天線單元120以及探測器200。天線陣列100上的天線單元的數量可由使用者視其所使用之波束成形的需求而調整，本揭露不限於此。第一天線單元110、第二天線單元120以及天線陣列100上的每一個天線單元可用於傳送或接收訊號（例如：無線射頻訊號）。探測器200可用於自第一天線單元110及第二天線單元120接收訊號或傳送訊號至第一天線單元110及第二天線單元120。

在本實施例中，天線單元以成對的方式被校正。以第一天線單元110和第二天線單元120為例，當進行天線裝置10的校正時，若第一天線單元110以及第二天線單元120被用於傳送校正用的訊號，則探測器200被用於自第一天線單元110及第二天線單元120接收校正用的訊號，而控制電路300則根據探測器200所接收到的訊號對第一天線單元110和第二天線單元120進行校正。反之，若第一天線單元110以及第二天線單元120被用於接收校正用的訊號，則探測器200被用於傳送校正用的訊號至第一天線單元110及第二天線單元120，而控制電路300則根據第一天線單元110和第二天線單元120所接收的訊號對第一天線單元110和第二天線單元120進行校正。為便於說明，以下的實施例中，第一天線單元110以及第二天線單元120將被用於傳送校正用的訊號，並且探測器200將被用於自第一天線單元110及第二天線單元120接收校正用的訊號，但本揭露不限於此。

圖2根據本揭露的實施例更進一步地繪示天線裝置10的示意圖。如圖2所示，控制電路300可包括基頻電路310，而基頻電路310與第一天線單元110或第二天線單元120之間還可能存在其他的電路，諸如收發器320以及多工器330等，本揭露不限於此。第一天線單元110及第二天線單元120分別與探測器200相距第一距離d。舉例來說，探測器200可設置於天線陣列100的中心位置，如圖3A、3B所示。圖3A、3B根據本揭露的實施例繪示校正一對天線單元（即：第一天線單元110和第二天線單元120）時的天線陣列100的示意圖。當進行校正時，天線裝置10可啟用（Enable）對稱於探測器200的一對天線單元（即：第一天線單元110和第二天線單元120）並且禁用（Disable）天線陣列100上的其他天線單元。換句話說，當進行校正時，天線裝置10可啟用分別與探測器200相距相同之距離（即：如圖2所示的第一距離d）的第一天線單元110和第二天線單元120，從而進行第一天線單元110和第二天線單元120的校正。

回到圖2，當使用天線陣列100的第一天線單元110和第二天線單元120傳送訊號時，由基頻電路310所傳送的基頻訊號可經由基頻電路310與第一天線單元110之間的路徑P1傳送至第一天線單元110，並可經由基頻電路310與第二天線單元120之間的路徑P2傳送至第二天線單元120。另一方面，當使用天線陣列100的第一天線單元110和第二天線單元120接收訊號時，由第一天線單元110所接收的射頻訊號可經由路徑P1傳送至基頻電路310，並且由第二天線單元120所接收的射頻訊號可經由路徑P2傳送至基頻電路310。

一般來說，由於第一天線單元110及第二天線單元120兩者都與探測器200相距第一距離d，因此，當使用第一天線單元110及第二天線單元120傳送相同的基頻訊號（即：校正用的基頻訊號）時，探測器200自第一天線單元110所接收的訊號（校正用的射頻訊號）S1與探測器200自第二天線單元120所接收的訊號（校正用的射頻訊號）S1'的相位或振幅應該相同。然而，路徑P1和路徑P2可能分別具有不同的電子元件，而不同電子元件之間的差異會造成路徑P1和路徑P2之間的電性差異，從而導致第一天線單元110所輻射出的訊號之相位或振幅不同於第二天線單元120所輻射出的訊號之相位或振幅。因此，在天線裝置10未進行校正前，探測器200自第一天線單元110所接收的訊號S1可能與探測器200自第二天線單元120所接收的訊號S1'不同。

為了校正天線裝置10以使探測器200自第一天線單元110所接收的訊號S1與探測器200自第二天線單元120所接收的訊號S1'相同，本揭露提出了一種利用調頻連續波（Frequency-Modulated Continuous-Wave，FMCW）之差頻（Beat Frequency）的特性來校正第一天線單元110和第二天線單元120的方法。圖4根據本揭露的實施例繪示計算調頻連續波之差頻的示意圖。

根據圖4，假設一調頻連續波的週期為T、調頻連續波的掃描帶寬（Sweep Frequency）為B並且傳送端（例如：第一天線單元110或第二天線單元120）傳送所述調頻連續波的時間點與接收端（例如：探測器200）接收所述調頻連續波的時間點相距的時間間隔為t秒，則可根據以下的公式推導出調頻連續波的差頻fb： t = d / c …公式（1） t/T = fb / B …公式（2） d = (c*fb*T) / B …公式（3）其中c為光速、d為調頻連續波的傳送端（例如：第一天線單元110或第二天線單元120）和接收端（例如：探測器200）之間的距離（例如：第一距離d）。由公式（3）可知，在距離d不變且所使用的調頻連續波不變（即：調頻連續波的週期T和掃描帶寬B不變）的情況下，差頻fb並不會改變。據此，如圖1或圖2所示的控制電路300可基於上述差頻fb不變的特性，以根據對應於第一距離d的訊號的差頻來校正第一天線單元110及第二天線單元120。基於上述，本揭露的校正天線裝置的方法即使在具有背景訊號雜訊的情況下執行，也可基於差頻fb不變的特性而準確地進行校正。因此，本發明的方法可於任意的場地執行，不需將執行的地點限定為合格的電子裝置校正實驗室。

具體來說，由於第一天線單元110和第二天線單元120都與探測器200相距第一距離d，故在天線裝置10已經校正完成的情況下（即：使用第一天線單元110以及第二天線單元120傳送同一基頻訊號時，第一天線單元110所輻射出的射頻訊號與第二天線單元120所輻射出的射頻訊號兩者的相位或振幅相同），第一天線單元110所傳送至探測器200的訊號S1之相位和第二天線單元120所傳送至探測器200的訊號S1'之相位應相同。如此，訊號S1與訊號S1'可產生建設性干涉（Constructive Interference），並且訊號S1與訊號S1'在探測器200處所產生的干涉波訊號會在差頻fb處產生最大的振幅。換言之，若欲對天線裝置10進行校正，則控制電路300可調整第一天線單元110或第二天線單元120的相位（或振幅）以使得探測器200所接收之訊號（即：訊號S1與訊號S1'在探測器200處所產生的干涉波訊號）在差頻fb處達到一個預設最大值。

圖5A根據本揭露的實施例繪示干涉波的建設性干涉的示意圖。請同時參照圖2和圖5A。在本實施例中，假設第一天線單元110與第二天線單元120分別與探測器200相距第一距離d，且第一距離d對應的差頻fb為fb = 0.27MHz。因此，當控制電路300欲對第一天線單元110與第二天線單元120進行校正時，控制電路300可調整第一天線單元110或第二天線單元120的相位（或振幅）以使得探測器200所接收之訊號（即：訊號S1與訊號S1'在探測器200處所產生的干涉波訊號）在差頻fb = 0.27mHZ處達到一個預設最大值max。

在一些實施例中，控制電路300也可以對第一天線單元110和第二天線單元120進行校正，以使得第一天線單元110所輻射出的訊號與第二天線單元120所輻射出的訊號兩者的相位相反（即：相位差為180度）。如此，訊號S1與訊號S1'可產生破壞性干涉（Destructive Interference），並且訊號S1與訊號S1'在探測器200處所產生的干涉波訊號會在差頻fb處產生最小的振幅。亦即，控制電路300可調整第一天線單元110或第二天線單元120的相位（或振幅）以使得探測器200所接收之訊號（即：訊號S1與訊號S1'所產生的干涉波訊號）在差頻fb處達到一個預設最小值min。換言之，控制電路300可調整第一天線單元110或第二天線單元120的相位（或振幅）以使得探測器200所接收之訊號在差頻fb處達到一個任意的預設值。在一些實施例中，當控制電路300使探測器200所接收之訊號在差頻fb處達到的預設最大值max時，可代表天線裝置10欲將第一天線單元110及第二天線單元120校正為具有相同的相位。另一方面，當控制電路300使探測器200所接收之訊號在差頻fb處達到預設最小值min時，可代表天線裝置10欲將第一天線單元110及第二天線單元120校正為具有相反的相位。依此類推，使用者可以根據其需求而任意地設定所述預設值，以校正具有相同/不同相位的第一天線單元110及第二天線單元120。

圖5B根據本揭露的實施例繪示干涉波訊號的破壞性干涉的示意圖。請同時參照圖2和圖5B。在本實施例中，假設第一天線單元110與第二天線單元120分別與探測器200相距第一距離d，且第一距離d對應的差頻fb為fb = 0.27MHz。因此，當控制電路300欲對第一天線單元110與第二天線單元120進行校正以使得第一天線單元110所輻射出的訊號與第二天線單元120所輻射出的訊號兩者的相位相反時，控制電路300可調整第一天線單元110或第二天線單元120的相位（或振幅）以使得探測器200所接收之訊號（即：訊號S1與訊號S1'在探測器200處所產生的干涉波訊號）在差頻fb = 0.27MHz處達到一個預設最小值min。

在一些實施例中，天線裝置10可基於一定的順序對天線陣列100上的所有天線單元進行校正，以最小化校正整個天線陣列100所需耗費的流程。舉例來說，在校正第一天線單元110和第二天線單元120時，天線陣列100上的各個天線單元中，僅有第一天線單元110和第二天線單元120是被啟用的（如圖3A所示），其餘的天線單元則是被禁用的。在控制電路300校正完第一天線單元110和第二天線單元120後，控制電路300可禁用第二天線單元120並啟用與探測器200也相距第一距離d的第三天線單元130（即：第三天線單元130與探測器200之間的距離與第一天線單元110與探測器200之間的距離相同），以使天線陣列100上的天線單元中，僅有第一天線單元110和第三天線單元130是被啟用的（如圖3B所示）。如此，控制電路300可根據對應已校正的第一天線單元110和尚未校正的第三天線單元130的差頻來校正第三天線單元130。具體來說，控制電路300可調整第三天線單元130以使得由第三天線單元130所傳送的訊號S1'之相位與由第一天線單元110所傳送的訊號S1之相位相同。

在一些實施例中，控制電路300可同時針對天線陣列100上的兩對（或以上）天線單元進行校正。如先前所述，在第一天線單元110和第二天線單元120分別與探測器200相距相同的距離（即：第一距離d）時，控制電路300可藉由調整第一天線單元110和第二天線單元120的相位（或振幅）以使訊號S1和訊號S1'在探測器200處所產生之干涉波訊號在對應第一距離d的差頻fb處達到一個預設最大值。因此，若有第一對天線單元分別與探測器200相距第一距離d，則控制電路300便可利用對應於第一距離d的差頻fb對第一對天線單元進行校正。換言之，若有第二對天線單元分別與探測器200相距不同於第一距離d的第二距離d2時，則控制電路300可以在利用對應於第一距離d的差頻fb對第一對天線單元進行校正的同時，利用對應於第二距離d2的差頻（其不同於對應第一距離d的差頻fb）對第二對天線單元進行校正。

圖6A、6B根據本揭露的實施例繪示同時校正兩對天線單元時的天線陣列100的示意圖。請參考圖6A，在本實施例中，天線陣列100更包括用於傳送（或接收）第二訊號S2及S2'的第四天線單元140以及第五天線單元150，其中在對第四天線單元140以及第五天線單元150進行校正前，第二訊號S2與第二訊號S2'可能不相同。第四天線單元140以及第五天線單元150分別與探測器200相距第二距離d2，並且第二距離d2不同於第一距離d。控制電路300可在校正第一天線單元110和第二天線單元120的同時，根據對應於第二距離d2的第二訊號（即：第二訊號S2及第二訊號S2'）的第二差頻來校正第四天線單元140以及第五天線單元150，其中對應於第二距離d2的第二訊號的第二差頻不同於對應於第一距離d的訊號的差頻fb。

在圖6B中，天線陣列100更包括用於傳送（或接收）第三訊號S3及S3'的第六天線單元160以及第七天線單元170，其中第六天線單元160以及第七天線單元170分別與探測器200相距第三距離d3，並且第三距離d3不同於第一距離d。類似於圖6A的實施例，控制電路300可在校正第一天線單元110和第二天線單元120的同時，根據對應於第三距離d3的第三訊號（即：第三訊號S3及第三訊號S3'）的第三差頻來校正第六天線單元160以及第七天線單元170，其中對應於第三距離d3的第三訊號的第三差頻不同於對應於第一距離d的訊號的差頻fb。

圖7根據本揭露的實施例繪示校正天線裝置的方法70的流程圖，其中方法70可由如圖1或圖2所示的天線裝置10實施。在步驟S710，透過第一天線單元和第二天線單元來傳送或接收訊號。在步驟S720，透過探測器以自第一天線單元及第二天線單元接收訊號或傳送訊號至第一天線單元及第二天線單元，其中第一天線單元及第二天線單元分別與探測器相距第一距離。在步驟S730，根據對應於第一距離的訊號的差頻來校正第一天線單元及第二天線單元。

綜上所述，本揭露可根據天線單元之訊號與探測器之訊號的差頻來校正天線陣列中的成對天線單元的相位。當天線陣列具有多對天線單元時，本揭露可同在同一時間校正多對天線單元，藉以加快校正過程。本揭露的方法可以在具有背景訊號雜訊的場地執行，並且可節省大量的電腦運算量。

雖然本揭露已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本揭露，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本揭露的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本揭露的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

10:天線裝置100:天線陣列110、120、130、140、150、160、170:天線單元200:探測器300:控制電路310:基頻電路320:收發器330:多工器70:校正天線裝置的方法B:調頻連續波的掃描帶寬d:第一距離d2:第二距離d3:第三距離fb:差頻max:預設最大值min:預設最小值P1:基頻電路至第一天線單元的路徑P2:基頻電路至第二天線單元的路徑S1、S1':訊號S2、S2':第二訊號S3、S3':第三訊號S710、S720、S730:步驟T:調頻連續波的週期t:時間間隔

圖1根據本揭露的實施例繪示天線裝置的示意圖。圖2根據本揭露的實施例更進一步地繪示天線裝置的示意圖。圖3A、3B根據本揭露的實施例繪示校正一對天線單元時的天線陣列的示意圖。圖4根據本揭露的實施例繪示計算調頻連續波之差頻的示意圖。圖5A根據本揭露的實施例繪示干涉波訊號的建設性干涉的示意圖。圖5B根據本揭露的實施例繪示干涉波訊號的破壞性干涉的示意圖。圖6A、6B根據本揭露的實施例繪示同時校正兩對天線單元時的天線陣列的示意圖。圖7根據本揭露的實施例繪示校正天線裝置的方法的流程圖。

70:校正天線裝置的方法

S710、S720、S730:步驟

Claims

一種天線裝置，包括：天線陣列，包括：第一天線單元以及第二天線單元，用於傳送或接收訊號；以及探測器，用於自所述第一天線單元及所述第二天線單元接收所述訊號或傳送所述訊號至所述第一天線單元及所述第二天線單元，其中所述第一天線單元及所述第二天線單元分別與所述探測器相距第一距離；以及控制電路，耦接所述天線陣列，所述控制電路根據對應於所述第一距離的所述訊號的差頻來校正所述第一天線單元及所述第二天線單元。
如申請專利範圍第1項所述的天線裝置，其中所述訊號為調頻連續波。
如申請專利範圍第1項所述的天線裝置，其中根據對應於所述第一距離的所述訊號的差頻來校正所述第一天線單元及所述第二天線單元的步驟包括：調整所述訊號以使所述訊號在所述差頻達到預設最大值及預設最小值的其中之一。
如申請專利範圍第1項所述的天線裝置，其中所述天線陣列更包括與所述探測器相距所述第一距離且用於傳送或接收所述訊號的第三天線單元，並且所述控制電路更經配置以執行：在校正完所述第一天線單元和所述第二天線單元後禁用所述第二天線單元；以及根據對應所述第一天線單元和所述第三天線單元的所述差頻來校正所述第三天線單元。
如申請專利範圍第1項所述的天線裝置，其中所述天線陣列更包括：第四天線單元，用於傳送或接收第二訊號；以及第五天線單元，用於傳送或接收所述第二訊號，其中所述第四天線單元和所述第五天線單元分別與所述探測器相距第二距離，並且所述第二距離不同於所述第一距離，其中所述控制電路在校正所述第一天線單元及所述第二天線單元的同時，根據對應於所述第二距離的所述第二訊號的第二差頻來校正所述第四天線單元及所述第五天線單元。
一種校正天線裝置的方法，包括：透過第一天線單元和第二天線單元來傳送或接收訊號；透過探測器以自所述第一天線單元及所述第二天線單元接收所述訊號或傳送所述訊號至所述第一天線單元及所述第二天線單元，其中所述第一天線單元及所述第二天線單元分別與所述探測器相距第一距離；以及根據對應於所述第一距離的所述訊號的差頻來校正所述第一天線單元及所述第二天線單元。
如申請專利範圍第6項所述的方法，其中所述訊號為調頻連續波。
如申請專利範圍第6項所述的方法，其中根據對應於所述第一距離的所述訊號的差頻來校正所述第一天線單元及所述第二天線單元的步驟包括：調整所述訊號以使所述訊號在所述差頻達到預設最大值。
如申請專利範圍第6項所述的方法，更包括：在校正完所述第一天線單元和所述第二天線單元後禁用所述第二天線單元；透過第三天線單元來傳送或接收所述訊號；以及根據對應所述第一天線單元和所述第三天線單元的所述差頻來校正所述第三天線單元。
如申請專利範圍第6項所述的方法，更包括：透過第四天線單元和第五天線單元來傳送或接收第二訊號，其中所述第四天線單元及所述第五天線單元分別與所述探測器相距第二距離，並且所述第二距離不同於所述第一距離；以及在校正所述第一天線單元及所述第二天線單元的同時，根據對應於所述第二距離的所述第二訊號的第二差頻來校正所述第四天線單元及所述第五天線單元。