TW202203594A

TW202203594A - 波束成形系統及波束產生器

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Publication number: TW202203594A
Application number: TW109123141A
Authority: TW
Inventors: 黃傑超; 陳彥廷
Original assignee: 台達電子工業股份有限公司
Priority date: 2020-07-09
Filing date: 2020-07-09
Publication date: 2022-01-16
Also published as: TWI742755B

Abstract

本揭示內容關於一種波束成形系統，包含收發電路、開關電路及波束產生器。開關電路係電性連接於收發電路。波束產生器包含複數個天線單元。該些天線單元係根據多個輻射角度收發訊號，且每個天線單元的輻射角度各不相同。開關電路根據控制號選擇性地將一個天線單元導通至收發電路。

Description

波束成形系統及波束產生器

本揭示內容關於一種波束成形系統，特別是透過多個天線單元收發無線訊號的技術。

波束成型（Beamforming）是一種透過天線陣列定向發送和接收無線訊號的技術。天線陣列能在特定方向疊加發射或接收訊號，形成精準的指向性傳輸。執行波束成形的電路結構眾多，但不同的電路結構不僅會影響電功轉換效率(PAE, Power Added Efficiency)，也與生產成本息息相關。

本揭示內容之一實施例為一種波束成形系統，包含收發電路、開關電路及波束產生器。開關電路電性連接於收發電路。波束產生器包含複數個天線單元。天線單元係根據複數個輻射角度收發訊號，且每個天線單元對應的輻射角度互不相同。開關電路係根據控制訊號選擇性地將一個天線單元導通至收發電路。

本揭示內容之另一實施例為一種波束產生器，包含複數個天線單元。天線單元電性連接於開關電路。該些天線單元係根據複數個輻射角度收發訊號，且每個天線單元對應的輻射角度互不相同。開關電路係選擇性將該些天線單元中的至少一個導通至收發電路，且波束產生器係根據被導通的該些天線單元中的其中之一，產生對應的輻射方向。

本揭示內容之又一實施例為一種波束成形系統，包含相位調整電路及複數個波束成形裝置。相位調整電路包含複數個相位增益調整器，用以調整無線訊號在第一方向上的相位。該些波束成形裝置的每一者包含收發電路、開關電路及波束產生器。收發電路電性連接於該些相位增益調整器之其中之一。波束產生器包含複數個天線單元。該些天線單元係根據複數個輻射角度收發無線訊號，且每個天線單元對應的輻射角度互不相同。開關電路係根據控制訊號，選擇性地將一個天線單元導通至收發電路。

由於波束成形系統能透過開關電路的切換，改變與收發電路相導通之天線單元，進而調整波束產生器的輻射方向，因此，此「被動式」的波束成形系統將能兼顧生產成本與電功轉換效率。

以下將以圖式揭露本發明之複數個實施方式，為明確說明起見，許多實務上的細節將在以下敘述中一併說明。然而，應瞭解到，這些實務上的細節不應用以限制本發明。也就是說，在本揭示內容之部分實施方式中，這些實務上的細節是非必要的。此外，為簡化圖式起見，一些習知慣用的結構與元件在圖式中將以簡單示意的方式繪示之。

於本文中，當一元件被稱為「連接」或「耦接」時，可指「電性連接」或「電性耦接」。「連接」或「耦接」亦可用以表示二或多個元件間相互搭配操作或互動。此外，雖然本文中使用「第一」、「第二」、…等用語描述不同元件，該用語僅是用以區別以相同技術用語描述的元件或操作。除非上下文清楚指明，否則該用語並非特別指稱或暗示次序或順位，亦非用以限定本發明。

請參閱第1圖，係根據本揭示內容之部份實施例所繪示之一種波束成形系統100。波束成形系統100包含收發電路110、開關電路120及波束產生器130。收發電路110用以接收無線訊號，或將無線訊號朝外發送。收發電路110電性連接於波束成形系統100的處理器C。處理器C用以執行各種運算，且亦可以被實施為微控制單元（microcontroller）、微處理器（microprocessor）、數位訊號處理器（digital signal processor）、特殊應用積體電路（application specific integrated circuit，ASIC）或邏輯電路。

開關電路120電性連接於收發電路110。在部份實施例中，開關電路120包含第一開關元件121及多個第二開關元件122。第一開關元件121為一對二的開關，第二開關元件122則為兩個一對二的開關。透過第一開關元件121及第二開關元件122，開關電路120將能具有一對四的選擇性切換功能。開關電路120的電路結構並不以第1圖所示之電路為限，亦可使用一個一對八（如第1圖所示，開關電路120具有八個可選擇導通的端點）的開關元件或其他開關電路。

請參閱第1及2圖，其中第2圖係根據本揭示內容之部份實施例所繪示的波束產生器130示意圖。波束產生器130包含複數個天線單元131A～131D。天線單元131A～131D係根據複數個輻射角度收發訊號，且每個天線單元131A～131D對應的該輻射角度互不相同。天線單元131A～131D係電性連接於開關電路120的四個端點，開關電路120根據處理器C發送的控制訊號，選擇性地將天線單元131A～131D中的其中一個導通至收發電路110。

當開關電路120將天線單元131A～131D導通至收發電路110時，收發電路110將可透過波束產生器130接收或發送無線訊號。波束成形系統100透過開關電路120選擇性地導通其中一個天線單元131，以調整波束產生器130整體的輻射方向。舉例而言，天線131A的輻射角度是對應於水平方向的5度、天線131B的輻射角度是對應於水平方向的16度、天線131C的輻射角度是對應於水平方向的27度、天線131D的輻射角度是對應於水平方向的39度，但本揭示內容並不以此為限。

舉例而言，當開關電路120根據接收到的控制訊號，將收發電路110導通至天線131A時，波束產生器130整體的輻射方向即為天線單元131A的輻射角度5度。同理，當當開關電路120根據接收到的控制訊號，收發電路110導通至天線131B時，波束產生器130整體的輻射方向即為天線單元131B的輻射角度16度。。

在實做上，收發電路110之製程會對波束成形系統100的成本與電功轉換效率產生明顯影響。舉例而言，若收發電路110係以矽鍺（SiGe）製程製作（即，內部電晶體為矽鍺材料），則生產成本較低，但電功轉換效率（Power Added Efficiency，簡稱PAE）較不理想。另一方面，若收發電路110係以氮化鎵（GaN）製程製作（即，內部電晶體為氮化鎵材料），電功轉換效率將明顯提昇，但成本亦非常高。

在一實施例中，收發電路110係使用氮化鎵製程，以確保良好的電功轉換效率。如第1圖所示，由於波束成形系統100係透過開關電路120連接且選擇性地導通多個天線單元131A～131D，因此收發電路110中可以只配置一個通道（channel），即可產生高天線增益。

如第1圖所示，收發電路110、開關電路120及波形產生器130可作為一個「被動式」之波形成形裝置200。「被動式」係指收發電路110無須設置一個用以調整訊號之相位或強弱的調整電路。被動式波形成形裝置200係透過開關電路120導通至不同天線單元131A～131D的切換狀態，改變波形產生器130整體的輻射方向。據此，將可兼顧訊號傳輸的精確性、電功轉換效率以及生產成本。

在一實施例中，天線單元131A～131D可為貼片天線（Patch antenna），且其導線的長度、面積（或導線寬度）或分佈區域互不相同，使得每一個天線單元具有固定且互不相同的輻射角度及輻射場型。在部份實施例中，波束產生器130包含電路板P。天線單元131A～131D係設於電路板P上。如第2圖所示，電路板P上包含複數個饋入點P10。饋入點P10之間係透過導線P11相互連接，使得饋入點P10及導線P11用以形成天線單元131A～131D。每個天線單元131A～131D中的導線長度、面積及分佈區域各不相同，因此具有不同的輻射角度（輻射場型）。

在一實施例中，收發電路110包含第一切換電路111、第二切換電路112、接收電路113及發送電路114。接收電路113及發送電路114電性連接於第一切換電路111及第二切換電路112之間。第一切換電路111之一端電性連接於開關電路120，以選擇性地將開關電路120導通至接收電路113或發送電路114。第二切換電路112之一端則電性連接於處理器C，以選擇性地將處理器C導通至接收電路112或發送電路113。換言之，收發電路110可透過第一切換電路111及第二切換電路112，選擇性地將接收到的無線訊號傳遞給處理器C，或者將處理器C傳來的無線訊號傳遞至開關電路120。。。

在一實施例中，根據發明人的實際測試，具有「被動式」之波形成形裝置200的波束成形系統100，其功率消耗（power consumption）為2.4瓦。時下其他波束成形裝置的功率消耗10～15瓦之間。波束成形系統100之有效等輻射功率（Effective Isotropic Radiated Power，EIRP）亦達到符合標準的41dBm。此外，如前所述，由於收發電路110中可以只配置一個通道（channel），故能節省氮化鎵製程之成本。

請參閱第3圖，係根據本揭示內容之其他部份實施例所繪示的波束成形系統300示意圖。於第3圖中，與第1圖之實施例有關的相似元件係以相同的參考標號表示以便於理解，且相似元件之具體原理已於先前段落中詳細說明，若非與第3圖之元件間具有協同運作關係而必要介紹者，於此不再贅述。

在該實施例中，波束成形系統300為「混合式（Hybrid）」架構，包含相位調整電路310及複數個波束成形裝置200。意即，相位調整電路310能主動調整無線訊號的相位及強弱，而波束成形裝置200則透過開關電路120被動式地達成切換輻射方向之目的。如第3圖所示，相位調整電路310電性連接於處理器及該些波束成形裝置200，且包含複數個相位增益調整器311。相位增益調整器311用以根據驅動電路320傳來的調整指令，調整無線訊號在第一方向上的相位。在部份實施例中，相位調整電路310用以調整「垂直方向」的訊號相位。此外，在部份實施例中，相位調整電路310係由矽鍺製程製成，即包含矽鍺材料之電晶體。由於本領域人士能理解相位調整電路310的運作原理，故在此不另贅述。波束成形裝置200可為前述實施例中所述之「被動式」波束成形裝置。波束成形裝置200包含收發電路210、開關電路120及波形產生器130。由於開關電路120及波形產生器130之電路及運作方式已於前述實施例中說明，故在此即不再贅述。

具體而言，相位增益調整器311包含增益調整電路311a及相位調整電路311b，使得相位增益調整器311在接收到驅動電路320傳來的調整指令後，先調整無線訊號之增益，再調整無線訊號的相位。由於本領域人士能理解相位增益調整器311的電路與運作原理，故在此不另贅述。

每個波束成形裝置200之收發電路210分別電性連接於一個相位增益調整器311。波束成形裝置200中的各波束產生器130則具有在第二方向上相異的輻射場型。因此，開關元件120可選擇性地連接波形產生器130中的其中一個天線單元，以決定波形產生器130的在第二方向上的輻射方向。在一實施例中，波束成形裝置200透過開關電路120調整波形產生器130在「水平方向」上的輻射方向。

如第3圖所示，相位調整電路310係可透過相位增益調整器311，主動地調整收發之無線訊號於第一方向的輻射角度。波束成形裝置200則透過開關電路120，被動地調整無線訊號於第二方向的輻射角度。據此，透過主動與被動、矽鍺製程與氮化鎵製程的配合，即可在兼顧成本的情況下，實現良好的功率轉換效率。此外，由於波束成形系統300係包含複數個波束成形裝置200，因此能讓波束成形系統300在同樣的耗電量下達到更遠的傳輸距離。

如第3圖所示，在一實施例中，收發電路210包含第一切換電路211、一第二切換電路212、發送電路213及接收電路214。第一切換電路211之一端電性連接於開關電路120。發送電路213及接收電路214電性連接於第一切換電路211之另一端。第二切換電路212之兩端電性連接於其中一個相位調整電路311、接收電路213及發送電路214。第一切換電路211係選擇性地將開關電路120導通至接收電路214或發送電路213。第二切換電路212係選擇性地將對應之相位調整電路311導通至接收電路214或發送電路213。

請參閱第4圖所示，係本揭示內容之其他部份實施例的波形產生器430的示意圖。為避免圖式過於複雜而不易辨識，在第4圖中係省略饋入點、導線。在該實施例中，波形產生器430包含八個天線單元431A～431H。天線單元431A～431H還包含垂直極化調整區段VP及水平極化調整區段HP。意即，天線單元431A～431H之垂直極化調整區段VP用以收發垂直極化的訊號。天線單元431A～431H之水平極化調整區段HP用以收發水平垂直極化的訊號。在該實施例中，天線單元431A～431H 之垂直極化調整區段VP、水平極化調整區段HP對應之輻射角度分別為「39、27、16、5、-5、-16、-27及-39」度，具有雙極化天線的功能。

在一實施例中，「混合式」之波束成形系統300包含四個通道。即，具有四個波束產生器130。根據發明人的實際測試，波束成形系統300的有效等輻射功率可提昇至約53dBm、功率消耗則為12瓦，而時下其他波束成形裝置若要實現相同的有效等輻射功率，其功耗會高達約40～60瓦。

在其他部份實施例中，「混合式」之波束成形系統300包含八個通道。即，具有八個波束產生器130。根據測試，波束成形系統300的有效等輻射功率可提昇至約59dBm、功率消耗則為24瓦，而時下其他波束成形裝置若要實現相同的有效等輻射功率，其功耗會高達約75～100瓦，遠高於本揭示內容。

前述各實施例中的各項元件、方法步驟或技術特徵，係可相互結合，而不以本揭示內容中的文字描述順序或圖式呈現順序為限。

雖然本揭示內容已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本揭示內容，任何熟習此技藝者，在不脫離本揭示內容之精神和範圍內，當可作各種更動與潤飾，因此本揭示內容之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100:波束成形系統 110:收發電路 111:第一切換電路 112:第二切換電路 113:接收電路 114:發送電路 120:開關電路 121:第一開關元件 122:第二開關元件 130:波束產生器 131A-131D:天線單元 200:波束成形裝置 210:收發電路 211:第一切換電路 212:第二切換電路 213:發送電路 214:接收電路 300:波束成形系統 310:相位調整電路 311:相位增益調整器 320:驅動電路 430:波形產生器 431A-431H:天線單元 C:處理器 P:電路板 P10:饋入點 P11:導線 VP:垂直極化調整區段 HP:水平極化調整區段

第1圖為根據本揭示內容之部份實施例之波束成形系統的示意圖。第2圖為根據本揭示內容之部份實施例之波束產生器的示意圖。第3圖為根據本揭示內容之部份實施例之波束成形系統的示意圖。第4圖為根據本揭示內容之部份實施例之波束產生器的示意圖。

國內寄存資訊(請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無國外寄存資訊(請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無

100:波束成形系統

110:收發電路

111:切換電路

112:接收電路

113:發送電路

114:發送電路

120:開關電路

121:第一開關元件

122:第二開關元件

130:波束產生器

131A-131D:天線單元

200:波束成形裝置

C:處理器

Claims

一種波束成形系統，包含：一收發電路；一開關電路，電性連接於該收發電路；以及一波束產生器，包含複數個天線單元，其中該些天線單元係根據複數個輻射角度收發訊號，且每個天線單元對應的該輻射角度互不相同，該開關電路係根據一控制訊號，選擇性地將該些天線單元的其中一個導通至該收發電路。
如請求項1所述之波束成形系統，其中該收發電路係用以接收一無線訊號，或將該無線訊號透過該波束產生器向外發送；該波束成形系統係透過該開關電路選擇性地導通該些天線單元的其中一個，以調整該波束產生器的一輻射方向。
如請求項1所述之波束成形系統，其中該收發電路透過一第一切換電路電性連接於該開關電路，且透過一第二切換電路電性連接於一處理器。
如請求項1所述之波束成形系統，其中該些天線單元的導線長度、面積或分佈區域互不相同。
如請求項4所述之波束成形系統，其中該波束產生器還包含：一電路板，包含複數個饋入點，其中該些饋入點間係透過複數條導線相連接，該些饋入點及該些導線用以形成該些天線單元。
如請求項1所述之波束成形系統，其中該收發電路還包含：一切換電路，電性連接於該開關電路；一接收電路，電性連接於該切換電路及一處理器；以及一發送電路，電性連接於該切換電路及該處理器，其中該切換電路係選擇性地將該開關電路導通至該接收電路或該發送電路。
一種波束產生器，包含：複數個天線單元，電性連接於一開關電路，其中該些天線單元係根據複數個輻射角度收發訊號，且每個天線單元對應的該輻射角度互不相同；該開關電路係選擇性將該些天線單元中的其中一個導通至一收發電路，且該波束產生器係根據被導通的該些天線單元中的其中一個，產生對應的一輻射方向。
如請求項7所述之波束產生器，其中該些天線單元的導線長度互不相同。
如請求項8所述之波束產生器，還包含：一電路板，包含複數個饋入點，其中該些饋入點間係透過複數條導線相連接，該些饋入點及該些導線用以形成該些天線單元。
一種波束成形系統，包含：一相位調整電路，包含複數個相位增益調整器，用以調整一無線訊號在一第一方向上的相位；以及複數個波束成形裝置，其中該些波束成形裝置的每一者包含：一收發電路，電性連接於該些相位增益調整器之其中之一；一開關電路，電性連接於該收發電路；以及一波束產生器，包含複數個天線單元，其中該些天線單元係根據複數個輻射角度收發該無線訊號，且每個天線單元對應的該輻射角度互不相同，該開關電路係根據一控制訊號，選擇性地將該些天線單元的其中一個導通至該收發電路。
如請求項10所述之波束成形系統，其中該波束成形系統係透過該開關電路選擇性地導通該些天線單元的其中一個，以調整該無線訊號在一第二方向上的相位。
如請求項10所述之波束成形系統，其中該些天線單元131的導線長度、面積或分佈區域互不相同。
如請求項12所述之波束成形系統，其中該波束產生器還包含：一電路板，包含複數個饋入點，其中該些饋入點間係透過複數條導線相連接，該些饋入點及該些導線用以形成該些天線單元。
如請求項10所述之波束成形系統，其中該收發電路還包含：一第一切換電路，電性連接於該開關電路；一接收電路，電性連接於該第一切換電路；一發送電路，電性連接於該第一切換電路；以及一第二切換電路，電性連接於該些相位增益調整器之其中之一、該接收電路及該發送電路；其中該第一切換電路係選擇性地將該開關電路導通至該接收電路或該發送電路；該第二切換電路係選擇性地將該些相位增益調整器之其中之一導通至該接收電路或該發送電路。