TW202133489A - 單波束掃描系統及多波束掃描系統 - Google Patents

單波束掃描系統及多波束掃描系統 Download PDF

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Abstract

一種單波束掃描系統，包含一精密波束調控器及一相位矩陣單元，該精密波束調控器包含至少一功率分配/合成器、複數之位準控制器及複數之可切換型反相器；該精密波束調控器係用以控制該相位矩陣單元之複數之相位矩陣訊號之間的相位差。一種多波束掃描系統，包含一N×N相位矩陣單元、複數之M通道功率分配/合成器及複數之上述之精密波束調控器，其中N為大於1之整數，M為大於1之整數；該些精密波束調控器係用以控制該N×N相位矩陣單元之複數之相位矩陣訊號之間的相位差。

Description

單波束掃描系統及多波束掃描系統
本發明係有關於一種波束掃描系統，特別是一種單波束掃描系統及一種多波束掃描系統。
波束成形（beamforming）技術為雷達與無線通訊的重要技術，而相關技術之相位陣列（phased array）技術則常用於波束成形技術；相關技術之相位陣列技術採用可調式相移器（tunable phase shifter）；在發射狀態時，控制傳送至天線陣列中每一個天線的訊號的相位，使相位陣列合成波束在一定角度範圍內，並執行波束掃描（beam steering），以發射不同方向的訊號；在接收狀態時，也可利用可調式相移器以控制相關技術之天線陣列中每一個天線接收的訊號的相位，並執行波束掃描，以接收不同方向的訊號。
上述相關技術之相位陣列技術需要複雜的元件結構與控制電路，且製作成本較高，因此其他較易實現的技術被採用，例如基於相關技術之巴特勒矩陣（Butler  matrix）的波束成形技術。相關技術之巴特勒矩陣是一種N×N的波束成形網絡（N為大於1之整數），通常包含複數之相關技術之90度混合器（quadrature hybrid coupler）、複數之相關技術之固定相移器（phase shifter）與複數之相關技術之傳輸線。
相關技術之巴特勒矩陣具有例如N個輸出端與N個輸入端；當一輸入訊號傳送至相關技術之巴特勒矩陣的輸入端的第n端（n為大於0之整數；n小於等於N）時，會在相關技術之巴特勒矩陣的N個輸出端產生N個具有固定相位差的輸出訊號；當輸出訊號個別地傳送至相連接的N個天線（天線陣列）時，不同天線會發射具有相位差的不同電磁波，該些不同電磁波可以結合成為一個具有固定方向的波束；因此，藉由切換相關技術之巴特勒矩陣的輸入端，即可切換數個具有不同方向的波束，而具有N個輸入端的相關技術之巴特勒矩陣可以產生N個波束方向。
雖然上述相關技術之巴特勒矩陣具有波束切換（beam switching）的功能，但相關技術之巴特勒矩陣僅能產生數量有限且方向固定的波束。
為解決上述問題，本發明之目的在於提供一種單波束掃描系統。
為達成本發明之上述目的，本發明之單波束掃描系統係應用於一天線矩陣單元，該天線矩陣單元包含複數之天線子單元，該單波束掃描系統包含：一精密波束調控器；及一相位矩陣單元，電性連接至該精密波束調控器及該些天線子單元。其中該精密波束調控器包含：至少一功率分配/合成器；複數之位準控制器，電性連接至該至少一功率分配/合成器；及複數之可切換型反相器，電性連接至該些位準控制器及該相位矩陣單元。其中該精密波束調控器係用以控制該相位矩陣單元之複數之相位矩陣訊號之間的相位差。
為解決上述問題，本發明之又一目的在於提供一種多波束掃描系統。
為達成本發明之上述又一目的，本發明之多波束掃描系統係應用於一天線矩陣單元，該天線矩陣單元包含N個天線子單元，該多波束掃描系統包含：一N×N相位矩陣單元，電性連接至該N個天線子單元；複數之M通道功率分配/合成器，電性連接至該N×N相位矩陣單元；及複數之精密波束調控器，電性連接至該些M通道功率分配/合成器。其中N為大於1之整數，M為大於1之整數。其中該些精密波束調控器的每一個包含：至少一功率分配/合成器；複數之位準控制器，電性連接至該至少一功率分配/合成器；及複數之可切換型反相器，電性連接至該些位準控制器及該些M通道功率分配/合成器。其中該些精密波束調控器係用以控制該N×N相位矩陣單元之複數之相位矩陣訊號之間的相位差。
本發明之功效在於基於相位矩陣、簡易結構與低成本以實現連續波束掃描，以及實現具有多波束的波束成形系統。
為了能更進一步瞭解本發明為達成預定目的所採取之技術、手段及功效，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，相信本發明之目的、特徵與特點，當可由此得到深入且具體之瞭解，然而所附圖式僅提供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。
在本揭露當中，提供了許多特定的細節，以提供對本發明之具體實施例之徹底瞭解；然而，本領域技術人員應當知曉，在沒有一個或更多個該些特定的細節的情況下，依然能實踐本發明；在其他情況下，則未顯示或描述眾所周知的細節以避免模糊了本發明之主要技術特徵。茲有關本發明之技術內容及詳細說明，配合圖式說明如下：
請參考圖1，其係為本發明之單波束掃描系統之一實施例方塊圖。本發明之一種單波束掃描系統10係應用於一天線矩陣單元20；該天線矩陣單元20包含複數之天線子單元202；該單波束掃描系統10包含一精密波束調控器102及一相位矩陣單元104；該精密波束調控器102包含至少一功率分配/合成器106、複數之位準控制器108及複數之可切換型反相器110；該相位矩陣單元104包含複數之3dB 90度混合器（hybrid coupler）118、複數之45度固定相移器（phase shifter）120、複數之輸入端A1 ～A4 及複數之輸出端B1 ～B4 ；上述該些元件彼此電性連接，且該相位矩陣單元104可為例如但本發明不限定為一巴特勒矩陣。
當該單波束掃描系統10處於發射狀態時：一第一訊號112被傳送至該至少一功率分配/合成器106，該至少一功率分配/合成器106係用以將該第一訊號112等功率地（亦即，平均地）分成複數之第二訊號114；在圖1的實施例中，包含了三個功率分配/合成器106，因此該些第二訊號114分別地被傳送至其他兩個功率分配/合成器106，以平均地分配該些第二訊號114成為複數之第二子訊號122。
該些第二子訊號122分別地被傳送至該些位準控制器108，該些位準控制器108係為可調衰減器或可調放大器，或是可調衰減器與可調放大器的組合，以基於使下述之複數之相位矩陣訊號126之間產生特定相位差的要求，衰減或放大該些第二子訊號122，以產生複數之第三訊號116。
該些第三訊號116分別地被傳送至該些可切換型反相器110，基於使下述之複數之相位矩陣訊號126之間產生特定相位差的要求，該些可切換型反相器110係用以控制及切換該些第三訊號116與複數之第四訊號124為同相（相位相差為0度）或是為反相（相位相差為180度），其中該些可切換型反相器110傳送該些第四訊號124至該相位矩陣單元104；亦即，基於使下述之複數之相位矩陣訊號126之間產生特定相位差的要求：該可切換型反相器110接收該第三訊號116且不進行反相該第三訊號116（即為同相，相位相差為0度）以得到該第四訊號124，或者是該可切換型反相器110接收該第三訊號116且進行反相該第三訊號116（相位相差為180度）以得到該第四訊號124。
該相位矩陣單元104之該些3dB 90度混合器118及該些45度固定相移器120處理該些第四訊號124以產生複數之相位矩陣訊號126，該相位矩陣單元104傳送該些相位矩陣訊號126至該些天線子單元202以無線地送出該些相位矩陣訊號126以形成波束。
也就是說，本發明之該精密波束調控器102係用以控制該相位矩陣單元104之該些相位矩陣訊號126之間的相位差以形成單波束。基於使該些相位矩陣訊號126之間產生特定相位差的要求：該位準控制器108決定衰減或放大該第二子訊號122，且該可切換型反相器110決定不進行反相或進行反相該第三訊號116。
該單波束掃描系統10處於接收狀態的描述與該單波束掃描系統10處於發射狀態的描述為相似而反向的，故於此不再贅述，其中該些功率分配/合成器106係用以將該些第二子訊號122合成為該第二訊號114，並將該些第二訊號114合成為該第一訊號112。
請復參考圖1，相關技術之4×4巴特勒矩陣的結構即如圖1的該相位矩陣單元104所示，該些輸入端 A1 ～A4 的任一端的輸入訊號，會在該些輸出端B1 ～B4 輸出等相位差的訊號，輸出訊號經由該天線矩陣單元20發射，可以形成固定方向的波束，波束方向則如下述之表1所列。 表 1
輸入端 各輸入端輸入訊號大小 各輸出端輸出訊號相對輸入訊號之相位差 波束角度
A1 A2 A3 A4 B1 B2 B3 B4
A1 1 0 0 0 e^(-jπ/4) e^(-jπ/2) e^(-j3π/4) e^(-jπ) 14.5˚
A2 0 1 0 0 e^(-j3π/4) e^(-j0) e^(-j5π/4) e^(-jπ/2) -48.6˚
A3 0 0 1 0 e^(-jπ/2) e^(-j5π/4) e^(-j0) e^(-j3π/4) 48.6˚
A4 0 0 0 1 e^(-jπ) e^(-j3π/4) e^(-jπ/2) e^(-jπ/4) -14.5˚
因此，若切換該些輸入端 A1 ～A4 的訊號，則可以切換波束的方向。相關技術之4×4巴特勒矩陣有結構簡易的優點，但有波束過少與角度固定的缺點。若增加巴特勒矩陣的輸入端數量與輸出端數量，則可以切換更多的波束方向，然而卻會增加電路的複雜度，也仍然無法達到連續波束掃描的功能。因此，有些相關技術採用可調式相移器或主動元件，以改善相關技術之巴特勒矩陣的缺失或不足；然而，這些方法都會讓元件結構與控制電路複雜化，導致製作成本較高，而喪失相關技術之巴特勒矩陣結構簡易的優點。
本發明即在探討如何藉由控制相關技術之巴特勒矩陣的輸入訊號，而可以在相關技術之巴特勒矩陣輸出端得到所設定的訊號相位差。相關技術之巴特勒矩陣的輸入訊號與輸出訊號的關係，可以下述之式1表示：
Figure 02_image001
(式1)
其中cB 為一常數，表示訊號在巴特勒矩陣的傳輸損耗，假設每一路徑的傳輸損耗相同，因此視為常數。式1中的M為An 到Bn 的相位差矩陣，可以表示為下述之式2：
Figure 02_image003
(式2)
若設定輸出端之間的相位差為φ，則B可以表示為下述之式3：
Figure 02_image005
(式3)
由式1可以得到A為下述之式4：
Figure 02_image007
(式4)
其中 M-1 為M的反矩陣。將上述式4化解開，則可以得到A1 ～A4 為下述之式5～8：
Figure 02_image009
(式5)
Figure 02_image011
(式6)
Figure 02_image013
(式7)
Figure 02_image015
(式8)
由上述之式5～8，可以推導出A1 ～A4 的大小（magnitude）為下述之式9～12：
Figure 02_image017
(式9)
Figure 02_image019
(式10)
Figure 02_image021
(式11)
Figure 02_image023
(式12)
而A1 ～A4 的相位[−180°, 180°]，亦可由上述之式5～8，以及使用如下的atan2 function推導出來：
Figure 02_image025
(式13)
但在此不列出繁複的A1 ～A4 的相位方程式，因為A1 ～A4 的相位關係在本發明中更為重要。以θ1 與θ2 的關係為例，可以取其比值做比較，即b1 /a1 與b2 /a2 的比值，根據上述之式5與式6，經過繁複的推導，可以得到：
Figure 02_image027
(式14)
此結果顯示θ1 與 θ2 不是同相就是反相，根據式13取決於ai 與bi 的正負。因此，A1 ～A4 的相位並非獨立，其關係不是同相就是反相，因此本發明利用簡單的反相器（亦即，該些可切換型反相器110）控制所需要的相位，而不需要較複雜的可調式相移器進行可細調的相位控制；而關於上述之式4所計算出的A1 ～A4 大小，本發明係利用該些位準控制器108調控。亦即，本發明之該些位準控制器108與該些可切換型反相器110係依據上述之式4的計算結果分別調控各個輸入訊號的大小與相位，以控制巴特勒矩陣的輸出訊號至所設定的相位差。
以一個4 GHz 4×4巴特勒矩陣的連續波束掃描系統為實施例，設定的波束方向為0˚、10˚ 與-30˚，則根據上述式4的計算，該些位準控制器108與該些可切換型反相器110的設定如下列表2所列： 表 2
波束角度 位準控制(dB) 相位控制
LCU1 LCU2 LCU3 LCU4 Inverter 1 Inverter 2 Inverter 3 Inverter 4
0˚ -4 -11.5 -11.5 -4 1 1 1 1
-30˚ -11.5 -4 -11.5 -4 1 1 1 -1
10˚ -0.5 -19 -17 -15 1 1 1 1
上述表2的LCU表示為位準控制器，Inverter表示為可切換型反相器，”1” 表示為不進行反相處理，”-1”表示為進行反相處理。
請參考圖2，其係為本發明之波束場型的模擬與實際量測結果之一實施例示意圖（單波束掃描系統）；虛線表示為模擬，而實線表示為實際量測結果；Beam1 為第一波束，Beam2 為第二波束，Beam3 為第三波束。從圖2中可以看出波束場型的模擬與實際量測結果相當接近，因此可證實本發明單波束掃描系統的正確性。
請參考圖3，其係為本發明之多波束掃描系統之一實施例方塊圖；圖3所示之元件與圖1所示之元件相同者，為簡潔因素，故於此不再重複其敘述。本發明之一種多波束掃描系統30係應用於一天線矩陣單元20；該天線矩陣單元20包含N個天線子單元202，N為大於1之整數；該多波束掃描系統30包含一N×N相位矩陣單元302、複數之M通道功率分配/合成器304及複數之精密波束調控器102，M為大於1之整數；上述該些元件彼此電性連接，且該N×N相位矩陣單元302可為例如但本發明不限定為一N×N巴特勒矩陣；該N×N相位矩陣單元302包含複數之輸入端A1 ～AN 及複數之輸出端B1 ～BN 。
圖3的該N×N相位矩陣單元302（為N進N出）類似於圖1的該相位矩陣單元104（為4進4出），圖3的該些M通道功率分配/合成器304係用以分配或合成訊號，圖3的該精密波束調控器102類似於圖1的該精密波束調控器102，故於此不再贅述。其中，圖3的該些第四訊號124通過該些M通道功率分配/合成器304被傳送至該N×N相位矩陣單元302；該些精密波束調控器102係用以控制該N×N相位矩陣單元302之複數之相位矩陣訊號126之間的相位差以形成多波束。該些精密波束調控器102與該些M通道功率分配/合成器304共用一個N×N相位矩陣單元302與一個天線矩陣單元20將可大幅降低該多波束掃描系統30的複雜度與製作成本。
藉由該些M通道功率分配/合成器304，可以將M個單波束掃描系統架構成一個具有M個波束方向的多波束掃描系統，其架構即如圖3所示。以發射的狀態為例，圖3的架構係由M個輸入訊號I1 ～IM 與M個1×N精密波束調控器102控制N個輸出訊號的大小與相位，每一個精密波束調控器102的輸出訊號經由N個M通道功率分配/合成器304匯流以輸出至該N×N相位矩陣單元302（該N×N巴特勒矩陣），因此該N×N相位矩陣單元302的輸出訊號包含M組有固定相位差的N個訊號，因此可以同時形成M個波束。圖3的架構也可以作為接收機，此時該些M通道功率分配/合成器304的作用為功率合成器。再者，上述的N不一定要等於M（亦即，N可以等於M，或是N可以不等於M）。
以一個4 GHz 4×4巴特勒矩陣搭配2個輸入訊號（M=2）的多波束掃描系統為實施例，設定2個波束方向為18˚與-18˚，其相關參數設定值如下述表3所示： 表3：雙波束之精密波束調控器位準與相位設定
訊號輸入端 波束角度 位準控制(dB) 相位控制
LCU1 LCU2 LCU3 LCU4 Inverter 1 Inverter 2 Inverter 3 Inverter 4
1 -18 -18.5 -17 -20.75 -0.25 1 1 1 -1
2 18 -0.25 -20.75 -17 -18.5 -1 1 1 1
上述表3的LCU表示為位準控制器，Inverter表示為可切換型反相器，”1” 表示為不進行反相處理，”-1”表示為進行反相處理。
請參考圖4，其係為本發明之波束場型的模擬與實際量測結果之另一實施例示意圖（多波束掃描系統）；虛線表示為模擬，而實線表示為實際量測結果，Port1表示第一輸入端造成的場型，Port2表示第二輸入端造成的場型。從圖4可以看出模擬與實際量測結果相當接近，因此可證實本發明多波束掃描系統的正確性。
請參考圖5，其係為本發明之精密波束調控器之另一具體實施例方塊圖；圖5所示之元件與圖1所示之元件相同者，為簡潔因素，故於此不再重複其敘述。再者，該精密波束調控器102更包含一微控制器128；該微控制器128電性連接至該些位準控制器108及該些可切換型反相器110。基於使前述之該些相位矩陣訊號126（如圖1或圖3所示）之間產生特定相位差的要求，該微控制器128係用以控制該些位準控制器108衰減或放大該些第二子訊號122以產生該些第三訊號116，並控制該些可切換型反相器110不進行反相該第三訊號116或進行反相該第三訊號116以得到該第四訊號124。
再者，該些可切換型反相器110的每一個可包含一反相器130及一旁路132，該反相器130電性連接至該些位準控制器108的其中之一，該旁路132電性連接至該些位準控制器108的其中之一以及該微控制器128。當該微控制器128控制該可切換型反相器110不進行反相該第三訊號116時，該微控制器128係導通該旁路132，使得該第三訊號116通過該旁路132以成為該第四訊號124；當該微控制器128控制該可切換型反相器110進行反相該第三訊號116時，該微控制器128係不導通該旁路132，使得該反相器130進行反相該第三訊號116以得到該第四訊號124。
綜上所述，本發明係利用該精密波束調控器102以控制相位矩陣（例如，巴特勒矩陣）的輸入訊號的大小與相位，以調控相位矩陣的輸出端訊號的相位差，以實現一個可進行連續波束掃描的合成波束系統。該精密波束調控器102包含該至少一功率分配/合成器106、該些位準控制器108以及該些可切換型反相器110；基於發射或接收，該至少一功率分配/合成器106可以將輸入訊號等功率地分成多個輸出訊號，或是將多個輸入訊號合成一個輸出訊號；基於演算法，該些位準控制器108以及該些可切換型反相器110分別調控相位矩陣的輸入訊號的大小與相位，以控制相位矩陣的輸出訊號，以具有設定的相位差。再者，基於共用一個N×N相位矩陣單元302與一個天線矩陣單元20，利用該些精密波束調控器102與該些M通道功率分配/合成器304也可以建構一個多波束掃描系統。本發明不採用可調式相移器或是主動式相移器以控制訊號的相位，因此本發明易於實現，且具有較低的成本，以實現一個可進行連續波束掃描的波束成形系統。
本發明之功效在於基於相位矩陣、簡易結構與低成本以實現連續波束掃描，以及實現具有多波束的波束成形系統。
然以上所述者，僅為本發明之較佳實施例，當不能限定本發明實施之範圍，即凡依本發明申請專利範圍所作之均等變化與修飾等，皆應仍屬本發明之專利涵蓋範圍意圖保護之範疇。本發明還可有其它多種實施例，在不背離本發明精神及其實質的情況下，熟悉本領域的技術人員當可根據本發明作出各種相應的改變和變形，但這些相應的改變和變形都應屬於本發明所附的申請專利範圍的保護範圍。綜上所述，當知本發明已具有產業利用性、新穎性與進步性，又本發明之構造亦未曾見於同類產品及公開使用，完全符合發明專利申請要件，爰依專利法提出申請。
10:單波束掃描系統
20:天線矩陣單元
30:多波束掃描系統
102:精密波束調控器
104:相位矩陣單元
106:功率分配/合成器
108:位準控制器
110:可切換型反相器
112:第一訊號
114:第二訊號
116:第三訊號
118:3dB 90度混合器
120:45度固定相移器
122:第二子訊號
124:第四訊號
126:相位矩陣訊號
128:微控制器
130:反相器
132:旁路
202:天線子單元
302:N×N相位矩陣單元
304:M通道功率分配/合成器
A1 ～A4 :輸入端
A1 ～AN :輸入端
B1 ～B4 :輸出端
B1 ～BN :輸出端
Beam1 :第一波束
Beam:2 :第二波束
Beam3 :第三波束
輸入訊號I1 ～IM
M:數量
N:數量
Port1:第一輸入端造成的場型
Port2:第二輸入端造成的場型
圖1為本發明之單波束掃描系統之一實施例方塊圖。
圖2為本發明之波束場型的模擬與實際量測結果之一實施例示意圖（單波束掃描系統）。
圖3為本發明之多波束掃描系統之一實施例方塊圖。
圖4為本發明之波束場型的模擬與實際量測結果之另一實施例示意圖（多波束掃描系統）。
圖5為本發明之精密波束調控器之另一具體實施例方塊圖。
10:單波束掃描系統
20:天線矩陣單元
102:精密波束調控器
104:相位矩陣單元
106:功率分配/合成器
108:位準控制器
110:可切換型反相器
112:第一訊號
114:第二訊號
116:第三訊號
118:3dB 90度混合器
120:45度固定相移器
122:第二子訊號
124:第四訊號
126:相位矩陣訊號
202:天線子單元
A1 ~A4 :輸入端
B1 ~B4 :輸出端

Claims (10)

  1. 一種單波束掃描系統，係應用於一天線矩陣單元，該天線矩陣單元包含複數之天線子單元，該單波束掃描系統包含： 一精密波束調控器；及 一相位矩陣單元，電性連接至該精密波束調控器及該些天線子單元， 其中該精密波束調控器包含： 至少一功率分配/合成器； 複數之位準控制器，電性連接至該至少一功率分配/合成器；及 複數之可切換型反相器，電性連接至該些位準控制器及該相位矩陣單元， 其中該精密波束調控器係用以控制該相位矩陣單元之複數之相位矩陣訊號之間的相位差。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之單波束掃描系統，其中該相位矩陣單元係為一巴特勒矩陣。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之單波束掃描系統，其中該至少一功率分配/合成器係用以將一第一訊號等功率地分成複數之第二訊號，或是將該些第二訊號合成為該第一訊號。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之單波束掃描系統，其中該些位準控制器係為可調衰減器或可調放大器，或是可調衰減器與可調放大器的組合。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之單波束掃描系統，其中該些可切換型反相器係用以控制及切換一第三訊號與一第四訊號為同相或是為反相。
  6. 一種多波束掃描系統，係應用於一天線矩陣單元，該天線矩陣單元包含N個天線子單元，該多波束掃描系統包含： 一N×N相位矩陣單元，電性連接至該N個天線子單元； 複數之M通道功率分配/合成器，電性連接至該N×N相位矩陣單元；及 複數之精密波束調控器，電性連接至該些M通道功率分配/合成器， 其中N為大於1之整數，M為大於1之整數； 其中該些精密波束調控器的每一個包含： 至少一功率分配/合成器； 複數之位準控制器，電性連接至該至少一功率分配/合成器；及 複數之可切換型反相器，電性連接至該些位準控制器及該些M通道功率分配/合成器， 其中該些精密波束調控器係用以控制該N×N相位矩陣單元之複數之相位矩陣訊號之間的相位差。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之多波束掃描系統，其中該N×N相位矩陣單元係為一N×N巴特勒矩陣。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之多波束掃描系統，其中該至少一功率分配/合成器係用以將一第一訊號等功率地分成複數之第二訊號，或是將該些第二訊號合成為該第一訊號。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之多波束掃描系統，其中該些位準控制器係為可調衰減器或可調放大器，或是可調衰減器與可調放大器的組合。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之多波束掃描系統，其中該些可切換型反相器係用以控制及切換一第三訊號與一第四訊號為同相或是為反相。
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