TW202203599A - 用於無線收發器用多波束波束成形前端架構的系統及方法 - Google Patents

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Abstract

一種用於發射及接收一或多個波束並包括有一射頻(RF)級、一中頻(IF)級、及一數位級中至少一個的前端天線系統包括一或多個波束網路，該等波束網路被組配成在該等一或多個波束上形成一或多個信號流，其中來自該等一或多個波束網路中的每一個波束網路包含一波束成形器網路、一開關網路、或其之一組合。該前端天線系統包含一天線陣列，該天線陣列被組配成從複數個空間區域之一選定空間區域中輸出該等波束的每一個，其中來自該天線陣列中的一或多個天線係多埠天線。該前端天線系統包含複數個收發器，該等複數個收發器把該天線陣列與該等一或多個波束網路進行電氣耦合。

Description

用於無線收發器用多波束波束成形前端架構的系統及方法
交叉引用到相關的申請
本申請優先於2020年6月11日所提交之美國臨時申請第63/038,043號並享有其權益。上述申請所揭露的內容被引入本文作為參考。本申請相關於同時提交審查中之申請，其標題為「 ANTENNA SYSTEM FOR A MULTI-BEAM BEAMFORMING FRONT-END WIRELESS TRANSCEIVER(多波束波束成形前端無線收發器用天線系統)」，其被共同歸屬於本申請而且其內容通過引用被併入到本文。 發明領域
本發明涉及無線電波收發器，並更具體地係涉及多波束波束成形前端天線系統。
發明背景
在本節中的陳述僅提供與本發明相關的背景資訊，並可能不構成現有技術。
無線電波無線技術無處不在並且被使用在各種應用中，包括但不侷限於：電信及衛星通訊行業、移動平台中的感測器及導航系統(例如在汽車工業中的自動駕駛汽車)、等等。
無線通訊技術正轉移到更高的毫米波頻段。這些頻段的優勢在於可以使用更寬的頻寬來解放更高的連接速度。然而，儘管有這些優勢，與傳統無線技術相比，當前的無線技術可能會實現複雜的方法及架構。
例如，無線電波無線裝置可以包括天線、射頻(RF)電路、類比及數位電路、以及控制各種組件之該等操作及連接的該系統架構。該無線前端系統共同定義了該無線裝置的該性能及功能。對於高資料速率無線通訊，尤其是在高毫米波頻帶，具有窄波束、在傳輸時具高功率位準、及在接收時具靈敏度位準的高增益前端系統係有需要的以補償在實際範圍上的信號傳播損耗。因此，可能需要具有先進波束成形機制的高增益前端系統來啟用這種無線通訊技術。
有多種方法可以在無線前端實現波束成形，其中相位陣列系統及可調諧超材料天線通常被認為是常見的方法。這兩種方法都基於輻射元件在一孔徑上的分配，並控制該等各個元件的相位及/或振幅以創建一所欲的波束成形特性。然而，該等相位陣列及超材料技術可能具有高頻譜效率低下、有限容量、以及高功率效率低下(尤其當使用大孔徑及/或大量元件時)等等的問題。更具體地說，當前類比相位陣列及超材料方法通常僅受限於用於信號發射及/或接收的單波束操作，這抑制了它們的容量、聚合吞吐量(用於通訊系統)、以及整體性能。此外，對於大孔徑，高RF損耗(尤其是在高增益前端中具有大量元件時)會導致在這些系統中的不良的功率效率。在另一方面，數位波束成形方法能夠進行多波束操作。但是，由於元件數量較多且工作頻寬較寬(尤其是在毫米波頻段)，這些方法可能無法被實施，因為在它們的數位及RF/類比電路(例如 DAC及ADC)中功耗過高及功率效率低下。
發明概要
本節提供了對本發明的一般概述，並不是對其全部範圍或所有特徵的一全面揭露。
本發明提供一種用於發射及接收一或多個波束並且包含有一射頻(RF)級、一中頻(IF)級、及一數位級中的至少一個的前端天線系統。該前端天線系統包含一或多個波束網路，該等波束網路被組配成在該等一或多個波束上形成一或多個信號流，其中在該等一或多個波束網路中的每一個波束網路包含一波束成形器網路、一開關網路、或其之一組合。該前端天線系統包含一天線陣列，該天線陣列被組配成從複數個空間區域之一選定空間區域中輸出該等波束的每一個，其中在該天線陣列中的一或多個天線係多埠天線。該前端天線系統包含把該天線陣列與一或多個波束網路進行電氣耦合的複數個收發器。
在一種形式中，該前端天線系統更包一含控制器，該控制器被組配成獨立地控制輻射參數及該等一或多個波束的一波束類型。該等輻射參數包含一方向、一場型、一功率、一極化、一相位角、頻帶，或其之一組合。該波束類型包括一發射型波束、一接收型波束、及一同時接收且發射型波束中的一個。
在一種形式中，該等一或多個波束包括複數個波束，並且該等多埠天線可操作來發射該等複數個波束、接收該等複數個波束、或其之一組合使得該等複數個波束具有一相同的極化、一相同頻帶、或其之一組合。
在一種形式中，該等一或多個波束網路包括該波束成形器網路，並且該波束成形器網路包括一或多個移相器、一或多個時間延遲電路、一或多個合併器、一或多個可變增益放大器、一或多個分流器，或其之一組合。
在一種形式中，該等一或多個波束網路被組配來在該RF級、該IF級、該數位級、一本地振盪器級、或其之一組合中形成該等一或多個波束。
在一種形式中，該等一或多個波束網路包括該開關網路。該開關網路被電氣耦合到該天線陣列及該等複數個收發器，並且該開關網路被組配成可選擇性地提供該等一或多個信號流給該等多埠天線的該等一或多個埠。
在一種形式中，該等一或多個波束網路包括複數個該等開關網路，並且該等複數個收發器的數量少於該多埠天線的埠數量。
在一種形式中，該等一或多個波束網路包括該開關網路。該開關網路包括一或多個開關、一或多個合併器，一或多個分離器、一或多條耦合線、一或多個濾波器，或其之一組合。
在一種形式中，該等一或多個波束包括至少兩個波束，並且該等一或多個波束網路包括複數個該等波束成形器網路。來自該等複數個波束成形器網路中的每一個波束成形器網路包括至少兩個延遲元件，其中該等至少兩個延遲元件包括一移相器、一時間延遲、或其之一組合。該等多埠天線的每一個天線埠被耦合到來自該等複數個波束成形器網路中一相應波束成形器網路的該等至少兩個延遲元件。
在一種形式中，該波束網路係具有一類比波束網路部分及一數位波束網路部分的一種混合型波束網路，並且該等複數個收發器包括一類比到數位轉換器及一數位到類比轉換器。在一發射模式下，(i)該數位波束網路部分被組配來分離該等一或多個信號流，(ii)該數位波束網路部分被組配來選擇該等一或多個信號流，(iii)該數位到類比轉換器被組配來把該等一或多個信號流轉換為該等一或多個類比信號流，並且該類比波束網路部分被組配來分離該等一或多個信號流、選擇該等一或多個信號流、或其之一組合，(iv)或(i)、(ii)、(iii)的一種組合。在一接收模式中，(ⅴ)該類比波束網路部分被組配成合併該等一或多個信號流，(vi)該類比波束網路部分被組配成選擇該等一或多個信號流，(vii)該類比到數位轉換器被組配來把該等一或多個信號流轉換為一或多個數位信號流，並且該數位波束網路部分被組配成合併該等一或多個信號流、選擇該等一或多個信號流、或其之一組合，(viii) 或(v)、(vi)、(vii)的一種組合。
在一種形式中，該前端天線系統更包含複數個子陣列。來自該等複數個子陣列的每一個子陣列包括：一或多個基片層、一或多個電子晶片、或其之一組合；來自該天線陣列中的一或多個天線、以及來自該等複數個收發器中的一組收發器。該等複數個子陣列經由信號分配網路、該等一或多個波束網路、該等複數個收發器、或其之一組合被彼此耦合。
在一種形式中，該等複數個子陣列具有一平面佈置及一非平面佈置中之一種。來自該等複數個子陣列中的一第一子陣列具有一第一組幾何參數，來自該等複數個子陣列中的一第二子陣列具有一第二組幾何參數，並且來自該第一組幾何參數中的至少一個幾何參數不同於來自該第二組幾何參數中的至少一個幾何參數。
在一種形式中，該等複數個子陣列具有一平面佈置及一非平面佈置中之一種。來自該等複數個子陣列中的一第一子陣列具有一第一組幾何參數，來自該等複數個子陣列中的一第二子陣列具有一第二組幾何參數，並且來自該第一組幾何參數中的每一個幾何參數相同於來自該第二組幾何參數中的每一個幾何參數。
本發明提供用於發射及接收一或多個波束並且包括有一射頻(RF)級、一中頻(IF)級、及一數位級中至少一個的前端天線系統。該前端天線系統包含：一或多個波束網路，該等波束網路被組配成在該等一或多個波束上形成一或多個信號流，其中來自該等一或多個波束網路中的每一個波束網路包含一波束成形器網路、一開關網路、或其之一組合。該前端天線系統包含一天線陣列，該天線陣列被組配成從複數個空間區域之一選定空間區域中輸出該等波束的每一個，其中來自該天線陣列中的一或多個天線係多埠天線。該前端天線系統包含把該天線陣列與一或多個波束網路進行電氣耦合的複數個收發器。
在一種形式中，該等單埠天線係被動天線，該等一或多個波束包括至少兩個波束，並且該等一或多個波束網路包括複數個波束成形器網路。來自該等複數個波束成形器的網路中的每一個波束成形器網路包括至少兩個延遲元件，其中該等至少兩個延遲元件包括一移相器、一時間延遲、或其之一組合。該等單埠天線被耦合到來自該等複數個波束成形器網路中一相應波束成形器網路的該等至少兩個延遲元件。
在一種形式中，該等單埠天線係包含有一或多個可調諧組件的主動天線。
在一種形式中，該等一或多個波束包括至少兩個波束，並且該等一或多個波束網路包括複數個該等波束成形器網路。來自該等複數個波束成形器的網路中的每一個波束成形器網路包括至少兩個延遲元件，其中該等至少兩個延遲元件包括一移相器、一時間延遲、或其之一組合。該單埠天線埠被耦合到來自該等複數個波束成形器網路中一相應波束成形器網路的該等至少兩個延遲元件。
在一種形式中，該前端天線系統更包一含控制器，該控制器被組配成獨立地控制輻射參數及該等一或多個波束的一波束類型。該等輻射參數包含一方向、一場型、一功率、一極化、一相位角、頻帶，或其之一組合。該波束類型包括一發射型波束、一接收型波束、及一同時接收且發射型波束中的一種。
在一種形式中，該等一或多個波束網路包括該開關網路，並且該開關網路包括一或多個開關、一或多個合併器，一或多個分離器、一或多個耦合線、一或多個濾波器，或其之一組合。
在一種形式中，該等一或多個波束網路被組配來在該RF級、該IF級、該數位級、一本地振盪器級、或其之一組合中形成該等一或多個波束。
另外的適用領域將從本文所提供的描述中變得明顯。應被理解的是，該描述及具體實例僅係用於說明的目的，並不旨在用於限制本發明的範圍。
較佳實施例之詳細說明 以下的描述本質上僅係示例性的，並不旨在限制本發明、應用、或用途。應被理解的是，在所有附圖中，對應的附圖號碼表示相同或對應的部件及特徵。
本發明提供了一種用於一無線前端收發器的前端天線系統架構技術，其提供了多波束波束成形、高功率效率、高頻譜效率以及操作頻率與尺寸之可擴展性的一獨特組合。該前端天線系統操作為一無線前端系統，該系統能夠啟用波束的產生及/或接收以及射頻(RF)場型及波束的電子控制其中係以高精準度及獨立的方式控制各種輻射參數，諸如該波束的一方向、一場型、一功率、一極化、及/或一相位角。在一種形式中，該前端天線系統發射、接收、或同時發射及接收一波束(例如，單波束操作/模式)或多個同時的波束(例如，多波束操作/模式)。在一種形式中，該前端天線系統包括一射頻(RF)級、一中頻(IF)級及一數位級中的至少一個。雖然特定的級被提供，但該前端天線系統也可以包括其他的級諸如一本地振盪器級。
本發明的該前端天線系統可被實現用於各種類型的信號或功率無線電波發射及/或接收，諸如前端天線系統、無線感測及成像系統、以及無線電力傳輸系統、等等。前端天線系統的實例包括但不侷限於：衛星信號發送、網路運營商及網際網路服務供應商(ISP)的無線通訊、寬頻、及/或通用電信。實例無線感測及成像感測系統包括但不侷限於：汽車雷達感測器系統、安保及安全成像及篩選感測器系統、醫學成像系統、等等。實例無線電力傳輸系統包括但不侷限於：使用無線電波傳輸電力/能量以對電子及電氣裝置進行無線充電的系統。
在一種形式中，該前端天線系統可被實現來用於毫米波頻帶通訊(例如5G/6G電信)，其中使用大孔徑及/或大量輻射元件(以及相關聯之收發器及波束成形電路)來減輕大量的信號傳播損失。由於大量的輻射元件，傳統前端天線系統消耗過多的功率(例如，數位波束成形方法所產生的功率消耗)、功能受到限制(例如波束數量、天線增益、波束成形能力、等等)、及/或需要限制孔徑尺寸之複雜的波束成形網路(例如大晶粒尺寸及數量、在元件之間複雜的路由及同步、等等)。
本發明的該前端天線系統更可在包括中頻帶及/或低頻帶(5G信令頻帶)、衛星通訊頻帶(例如X頻帶、Ku頻帶、Ka頻帶、V頻帶、W頻帶)、汽車雷達頻帶(例如 W頻帶)或其他經許可或未經許可的頻帶(例如 60 GHz)的電信頻帶中被實現。該前端天線系統也可以在其他的頻帶中被實現(例如，RF、微波、毫米波、次毫米波、兆赫、等等其他的頻帶中)。
在該多波束模式中，該相位陣列前端天線系統可作為一多重輸入/多重輸出(MIMO)信號系統，其使得可以同時及連續發射(及/或接收)多個RF波束，其中每一個波束能夠包括獨立或相關的信號，用於增強通訊及/或檢測目的。該等多個波束還可以對在一無線電力傳輸系統中多個充電裝置傳輸電力。該天線系統提供對每一個波束形狀(例如場型)、指向方向、功率位準、極化、等等之高精確度整形及控制，從而使一操作員能夠獨一無二地定義該等所欲的特性。
該前端天線系統可提供各式各樣的好處。該系統及方法並不侷限於總是提供這樣子的好處，並且僅係以該系統及方法可如何被投入使用的示例性表現方式來做呈現。該等好處的列出並非意圖係窮舉性的，其他的好處可附加地或替代地存在。
作為一實例，該前端天線系統在無線通訊中提供增加的資訊負載容量(例如，聚合吞吐量或資料速率)。多個波束可以增加在一特定頻帶上的資訊傳輸，從而提該高頻譜效率及功率效率。
作為另一個實例，該前端天線系統提供可以提供與多個節點進行連續及同時連接的多個波束，從而提高速率並實現複雜的多節點通訊或更有效的無線通訊拓撲。
作為又一實例，該前端天線系統提供用於通訊的多波束MIMO操作，從而能夠針對頻率重覆使用、該無線電鏈路之增加的容量、以及在該前端天線系統中改善頻譜效率中啟用了空間多工的方法。
此外，傳統的相位陣列天線只有一單一波束，與多個位置的信號傳輸需要波束跳換。因此，藉由本發明之該相位陣列天線所提供的該多波束功能，提供了與多個位置之連續的連接，從而使波束跳換變得沒有必要。
本發明的該前端天線系統還提供了對移動信號源的追蹤，諸如行動電話使用者、飛機、衛星、以及汽車、等等。由本發明該前端天線系統所提供之連續的連接能夠實現連續信號追蹤並消除追蹤任何信號所需之任何的延遲，從而最小化該連接延遲。
本發明的該前端天線系統可以附加地在一給定方向上或在一通訊網路中給定節點之間提供重疊的信號波束。因此，該前端天線系統在該通訊網路中提供了額外的冗餘。
作為另一實例，該前端天線系統向一或多個節點提供同時的發射及接收，這又減少了該通訊系統的等待時間並增加了該通訊網路的資料速率。
對於成像系統，本發明的該前端天線系統增加檢測解析度(例如，角度及/或距離解析度)。此外，例如與單一波束之波束控制系統相比，該前端天線系統的多波束操作能夠實現更快的成像及檢測。
對於無線電力傳輸系統，本發明該前端天線系統提供用於多個無線裝置同時充電之多個波束的產生。因此，該前端天線系統減少了充電時間並提高了每一個裝置的效率。
作為另一個實例，本發明的該前端天線系統降低了用於任何給定孔徑尺寸以及用於單一波束及多波束操作的複雜性、尺寸、以及功率。此外，本發明的該前端天線系統減少了對於給定孔徑尺寸的之該整體晶粒電路尺寸及數量要求。結果，該前端天線系統在該系統中提供減小的尺寸、減小的重量、以及減小的功耗。
在一種形式中，參考圖1，一前端天線系統1包括複數個天線10、複數個收發器30、以及複數個波束網路50。在一種形式中，該等收發器30把該等天線10電氣連接到該波束網路50。在一種形式中，該前端天線系統1可操作成提供多個同時波束的一多重輸入/多重輸出(MIMO)系統並且可操作成獨立地控制該等信號波束輻射參數，諸如該波束的一方向、一場型、一功率、一極化、以及一相位角。在一種形式中，該前端天線系統1可操作成獨立地控制該等波束的一波束類型，諸如一發射型波束、一接收型波束、以及一同時接收及發射型波束。該波束類型包括一發射型波束、一接收型波束、以及一同時接收及發射型波束中的一種。在一種形式中，該前端天線系統1可被實現來用於數位及類比的信令發射。
在一種形式中，該前端天線系統1被組配來發射及接收無線電波的波束。在一種形式中，該前端天線系統1發射及/或接收具有不同方向、場型、功率位準、以及由一波束管理控制程序所限定之其他輻射參數的多個無線電波波束。在一種形式中，該前端天線系統1同時發射及接收一或多束無線電波波束。
在一種形式中，該前端天線系統1可以被實現為一陣列(例如，一動態陣列、一固定陣列、一主動陣列、一被動陣列、一數位陣列、一類比陣列、或一混合型陣列、以及其他陣列類型)。作為一實例並如在圖2中所示，該前端天線系統1可包括共同形成一陣列2的一或多個子陣列70-1、70-2、70-3、70-4、70-5、70-6(在本文中它們被統稱為子陣列70)。該等子陣列70的每一個包括一組來自該等複數個天線10之該等天線10中的一或多個。例如，該子陣列70 -1可包括一組天線，其包括來自該等複數個天線10中的天線10-1、10-2、10-3、10-4。在形式上，該等子陣列70經由信號分配網路(下面會進一步被詳細描述)、該等複數個波束網路50、該等複數個收發器30、或其之一組合被彼此耦合。
在一種形式中，該等一或多個陣列70可以彼此相同或不同。作為一實例，每個子陣列70可以具有相同的幾何參數(例如，形狀、尺寸、方向、長度、寬度、深度、等等)，如在圖2B中所示。作為另一個實例，該等陣列70中的兩個或更多個可以具有一組彼此不同的幾何參數，如在圖2A中所示。在一種形式中，該等子陣列70被隨機排列或被排列成一網格狀或一行。在一種形式中，該等一或多個子陣列70可具有各種平面、非平面、或保角形狀(例如，矩形、圓形、六邊形、等等)。此外，該等一或多個子陣列70可以以一平面方式、非平面方式、或一保角的方式被彼此整合。在一種形式中，該等一或多個子陣列70可以彼此交錯或重疊。在一種形式中，該等一或多個子陣列70形成一稀疏組配以擴大該前端孔徑，並且該等一或多個子陣列70可以相對於彼此被旋轉及移位以抑制旁瓣。
在一種形式中，該前端天線系統1的該尺寸及幾何形狀可基於該陣列天線的數量、每一個天線的該元件數、及/或一連續孔徑天線的尺寸。在一種形式中，該前端天線系統1的該尺寸及幾何形狀係基於一所欲的信號強度、頻率頻寬、信號負載容量、來訊/出訊信號的數量、以及其他信號發射及/或接收參數。作為一實例，在一5G實現方式中，該前端天線系統1包括具有236個元件(例如，16×16陣列)或1024個元件(32×32陣列)的陣列2。作為另一個實例，在一長距離通訊實現方式中，該陣列2包括2000個元件(或者當等該天線10係由一連續孔徑天線子陣列來被實現時相當於2000個元件的尺寸)。
參考圖1及圖2，該等天線10被組配來控制該前端天線系統1的該等輻射參數，諸如波/信號波束場型、方向、以及其他的輻射參數。實例天線10包括但不侷限於：平面天線(諸如貼片、槽孔、環狀、螺旋、領結形、等等)、背腔天線、以及薄膜天線。
在一種形式中，該子陣列70之該組天線10可以包括一單一天線元件、一組輻射元件、或一連續輻射孔徑。作為一實例，該組天線10包括孔徑天線、連續孔徑天線、平面天線、透鏡天線(例如，一橢圓透鏡、一龍伯(Lunenberg)透鏡、等等)、平面透鏡天線(例如，一羅特曼(Rotman)透鏡)、導線天線、及/或反射器天線。作為另一實例，其可以包括超材料天線、漏波天線、法布里-珀羅(Fabry-Perot)天線、槽孔陣列天線、波導天線、等等。作為一特定的實例，該等經分組的元件可以包括超材料天線，該等超材料天線具有被佈置來為每個子集天線產生該所欲場型及輻射特性的超材料元件或元像素。
在一種形式中，該組天線10更包括信號分配網路。實例信號分配網路包括但不侷限於：漏波或槽孔耦合波導結構(例如，空氣填充波導、基片整合式波導、等等)、腔體結構(例如具有定制形狀的空氣填充或電介質填充)、混合型耦合器結構(例如，一巴特勒(Butler)矩陣)、一H樹結構、等等。
在一種形式中，該組天線10可以包括一單埠天線或多埠天線，並且可以包括任何數量/組合的單埠及多埠天線。作為一實例，對於該天線10的一多埠實現方式，每一個埠可以在一特定區域激發及產生一波束，其中該等波束共同展開一選定的3D視場(FoV)空間。在一種形式中，一多埠天線的該等波束可以具有重疊區域/場型。該前端天線系統1之該多波束場型的產生可經由該波束網路50由該等多埠天線組、該等天線陣列組、或其之一組合來實現。
在一種形式中，該等天線10可以是被動天線或主動天線。作為一實例，該等天線10可以包括一主動天線，該主動天線具有被整合在其中用於動態控制一給定天線特性(例如天線場型、波束場型、等等)之可調諧組件(諸如變容器、二極體、等等)及/或可調諧材料(例如鈦酸鍶鋇(BT)、液晶、等等)。在一些形式中，該主動天線係由一控制器被電子式地控制以產生該所欲的輻射特性，如下文會進一步詳細描述的。
在一種形式中，該等天線10可被組配來執行附加的波束成形操作。作為一實例，當該等天線10係多埠天線時，該前端天線系統1可包括至少一組連接該組天線及其他系統組件的開關網路，從而啟用該等多埠天線之該等埠的控制功能，如下文會被更詳細描述的。作為一實例，該等多埠天線可操作以發射該等複數個波束、接收該等複數個波束、或其之一組合，使得該等複數個波束具有一相同的極化、一相同的頻帶、或其之一組合。該等天線10的一實例被提供在本申請人同時提交之審查中的申請中，其標題為「 ANTENNA SYSTEM FOR A MULTI-BEAM BEAMFORMING FRONT-END WIRELESS TRANSCEIVER(多波束波束成形前端無線收發器用天線系統)」，該實例與本發明共同擁有並且其完整內容以引用方式被併入本文。
參照圖1，該等收發器30被組配成藉由把該等天線10連接到該等波束網路50來選擇性地使該等天線10能夠發射/接收信號、方向性的波束、及/或多維度波束。在一種形式中，該等收發器30被實現為多組收發器30，其中來自一給定收發器組中的至少一個收發器30把來自該組天線中的一個天線10連接到一組波束網路50。在一種形式中，來自一給定收發器組中的至少一個收發器30把來自該組天線中的一個天線10連接到一組波束網路50。在一種形式中，連接到每一個天線10之收發器30的該數量等於該天線10的該埠數。在一個變型中，連接到每一個天線10之收發器30的該數量可能不等於該天線10的該埠數。
在一種形式中，該等收發器30各自包括放大來訊及出訊信號之兩個或更多個放大器，諸如一功率放大器32及一低雜訊放大器34。在一種形式變型中，該等收發器30可以包括一或多個開關36，該等開關能夠在該功率放大器32與該低雜訊放大器34之間進行切換，從而能夠在接收與發射信號之間進行切換。或者，該功率放大器32及該低雜訊放大器34可以在沒有該等開關36的情況下被連接到該等天線10的該等天線埠以實現同時的Tx/Rx及/或以省略與該等開關36相關聯的該等損耗。
在一種形式中，該低雜訊放大器34被組配成放大由該天線10所接收到的一信號，同時向該信號添加最小的雜訊/失真。該低雜訊放大器34可以具有各種增益、雜訊指數、線性度、及阻抗匹配特性。在一種形式中，該功率放大器32被組配成把該信號放大到用於該天線埠之一給定的功率位準。因此，該功率放大器32可以具有增益及功率特性以根據在該給定方向/波束中該所欲之等效等方向性輻射功率(EIRP)來把該信號放大到該給定的功率位準。在一種形式中，該功率放大器32具有高線性及功率效率以支援各種調變信號，諸如正交分頻多工調變。在一些形式中，可以使用各種技術來增強該等功率放大器32所輸出的功率，這些技術包括但不侷限於阻抗變換方法、功率合併技術、以及電晶體堆疊。這些技術可以在晶片外或晶片上被實現，諸如先進基於矽的工序(例如，基體CMOS次微米、矽晶絕緣體(SOI)、及/或SiGe BiCMOS技術)。
作為一實例，該功率放大器32可以是一Doherty功率放大器、一異相功率放大器、一Chireix異相功率放大器、或其之一組合。作為另一實例，該功率放大器32可以是一線性型功率放大器(例如，A類放大器、B類放大器)或一交換型功率放大器(例如，E類放大器、F-1 類放大器)。作為一附加的實例，該功率放大器32係一高功率放大器，當其在例如高頻毫米波系統(即，高頻包括30到300 GHz)中被實現時，其補償該前端天線系統1的信號傳播衰減損耗及高RF損耗。
在一種形式中，該功率放大器32可以包括一預失真電路以提高輸出信號的線性度。該預失真電路可被實現在該數位級、該類比級、或其之一組合中。在一個實例中，該預失真電路在該數位級中被實現並且係一數位預失真電路(DPD電路)。在一種形式中，DPD電路可以基於無記憶性模型(例如，無記憶性多項式演算法及/或基於查找表(LUT)的演算法)或基於具有記憶性的模型(例如，一記憶性多項式模型)。在另一個實例中，該DPD電路係基於來自該前端天線系統1之一或多個波束的該資訊來被實現，而非來自每一個功率放大器32的該資訊。
在一種形式中，該等波束網路50包括一波束成形器網路51及/或開關網路58，它們被組配成藉由對往/來於該等天線10之該等信號進行建設性及破壞性的合併、選擇、及/或操縱，產生、提供、及/或改變信號流(入訊及出訊兩者)。該波束網路50被組配成為來自每一個天線10及/或天線10組的每一個信號路徑中指定特定的信號相位、振幅、及/或選擇交替用於為該所欲的信號流/波束進行波束成形合併/處理。雖然該波束網路50被展示成包括有該波束成形器網路51及該開關網路58兩者，但應被理解的是，在一些變型中，該波束網路50可以僅包括該波束成形器網路51及該開關網路58中之一個。
在一種形式中，該波束網路50係成組地被提供。該等波束網路50的每一組被組配來產生用於多波束、多流信號發射及/或接收的多方向及/或多維度波束。該組波束網路50經由該等收發器30被連接到一組給定天線10中的每一個天線10。在一種形式中，該等波束網路50及/或它們的該等組件可能被實現在不同的級中，包括有該RF級、該IF級、該基頻級、該數位級、或其之一組合。在一些形式中，當該等天線10包括主動天線時，該等波束網路50可以與用於混合型波束網路的該等天線10做合併。
在一種形式中，該波束成形器網路51包括移相器(PS)電路52的一網路、時間延遲電路54的一網路、一放大器網路56、分離器、合併器、或其之一組合。在一種形式中，該移相器電路52網路(以下被稱為「移相器52」)被組配成接收一來訊信號並改變與該來訊信號相關之該波束的該相位及該振幅。在一種形式中，該等移相器52可由類比電路、數位電路、或其之一組合(例如，一混合模型)來被實現。該等移相器52可包括主動組件(例如，基於向量調變器的移相器52)、被動組件、或其之一組合。作為一實例，該等移相器52可以包括一反射型移相器(RTPS)、一加載線路移相器、一交換式傳輸線移相器(STPS)、一基於加載線路的被動移相器、或其之一組合。在一種形式中，可以實施延遲變化消除技術以抑制一給定比例頻寬(例如，大於或等於20%的一比例頻寬)上的延遲變化。
在一種形式中，該時間延遲電路54網路(以下被稱為「時間延遲54」)還更被組配來接收一來訊信號並改變與該來訊信號相關之該波束的該相位。作為一實例，該等時間延遲54被組配成把該信號延遲一可控的時間延遲，該可控的時間延遲係由一控制器來限定及/或動態地調整。在一種形式中，該等時間延遲54可以通過類比電路、數位電路、或其之一組合(例如，一混合模型)來被實現。
在一種形式中，該等移相器52及/或該等時間延遲54被實現作為一真實時間延遲(TTD)以最小化該等波束成形器網路51的波束偏斜或失真。在一種形式中，該等移相器52及該等時間延遲器54在本文中可被統稱為「延遲元件」。
在一種形式中，當該等波束成形器網路51係由類比電路來實現時，該等波束成形器網路51包括該放大器網路56。該放大器網路56被組配成修改一接收到或發射出信號的該振幅，使得該信號在信號合併、分離、及/或操縱被執行之前/之後，會有一給定的強度。作為一實例，該放大器網路56可以包括一或多個可變增益放大器，其被實現為一類比電路、一數位電路、或其之一組合(例如，一混合模型)。
在一些形式中，例如當該等天線10包括多埠天線時，該等波束網路50包括該開關網路58。作為一實例，對於每一個多埠天線，該前端天線系統1包括把該等多埠天線之埠的一子集連接到一組收發器30的一開關網路58。另外或替代地，該前端天線系統1可以包括把該組收發器連接到該組波束成形器網路51的一開關網路58 。在一些形式中，該開關網路58無需任何開關電路就可以把該等單埠/多埠天線的所有埠連接到該等收發器30。該開關網路58被組配來提供不同級別的組件連接性/活動性，從而合併或分離波束並控制波束方向。該開關網路58可以簡化該波束成形器的該複雜性及/或顯著地增加該前端天線系統1之該波束成形的多波束、多流功能。該開關網路58可以在各級處被實現，諸如該RF級、該IF級、該基頻級、該數位級、或其之一組合。在一種形式中，該開關網路58包括一或多個開關、一或多個合併器、一或多個分離器、一或多個濾波器、一或多條耦合線、或其之一組合。
在一種形式中，該波束成形器網路51可以是一類比波束成形器、數位波束成形器、或其之一組合(例如，一混合型波束成形器)。作為一實例，對於具有大數量天線元件/組的大天線孔徑，由於一數位波束成形器的該過度功耗，該波束成形器網路51可以是一類比波束成形器或一混合型波束成形器。作為另一個實例，在較高頻帶(例如，毫米波頻帶)，該波束成形器網路51可以包括在該IF級被提供的一類比波束成形器以抑制在較高頻帶處RF組件及分配/合併網路的損耗及/或RF組件的該尺寸。在採用一IF實現方式或數位波束成形器的某些形式中，可以在所有的天線元件及/或天線組處執行本地振盪器(LO)信號的同步，伴隨在天線組及/或子組層級處實現混頻器。在一些形式中，該LO信號同步的實現可藉由一參考信號、一鎖相迴路(PLL)電路、一放大器電路、一混頻器、或其之一組合實現在天線元件、天線組、及/或天線子組層級處來達成。
在一些形式中，該前端天線系統1可以包括一控制器90。該控制器90被組配來操作該前端天線系統1的該等組件以實現一所欲的輸出。在一種形式中，該控制器90被連接到所有的主動組件並被組配來執行波束管理控制程序、波束追蹤程序、使用者管理程序、等等。作為一實例，該控制器90可以獨立地設置一功率位準、頻寬、波束方向、波束寬度、極化、信號流/使用者的數量、通訊範圍及調變、以及用於一或多個波束之其他的信號參數。在一種形式中，該控制器 90 可以是自動化的，使得該系統以一特定方式響應於往來於該前端天線系統1的輸入及輸出信號。在一種形式中，該控制器90使得使用者能夠管理任何及/或所有所欲的前端天線系統參數(例如信號放大位準、設置波束形及方向)。在一種形式中，該控制器90能夠管理在一通訊網路中的該信號流。
在實例變型中，該前端天線系統1的該等組件(例如，該等天線10、該等收發器30、該等波束網路50、及/或該控制器90)被分配在一或多個電子晶片上(例如，一積體電路(IC)晶片)及/或其之一或多個基片層上。該IC晶片可以在一系統單晶片(SoC)組配中包括基頻、數位、調變解調器、及/或控制電路用於執行本文所描述的功能。在一種形式中，每一個IC晶片與一單一天線元件及/或天線10組相關聯。在一種形式中，每一個IC晶片與多個天線元件或子陣列70相關聯。在一種形式中，一個IC晶片與所有的天線元件或天線10組相關聯。
參照圖3，其圖示出前端天線系統1-1。該前端天線系統1-1類似於該前端天線系統1，但在本變型中，該前端天線系統1-1包含包括有一多埠天線10-5的一或多個子陣列72，該多埠天線10-5具有被連接到一組收發器30-1、30-2、... 30-k'的埠16-1、16-2、... 16-k。因此，每一個子陣列72包括具有k個埠的該多埠天線10-5，並且每一個子陣列72包括一組k'個收發器。
在一種形式中，每一個子陣列72被連接到該等波束網路50的該等波束成形器網路51-1、51-2、... 51-M。在一種形式中，該組收發器30被連接到該等波束成形器網路51的每一個以經由該開關網路58產生M個信號流，從而使得該前端天線系統1-1能夠執行波束合併、分離、以及切換程序。在一種形式中，該多埠天線10-5可以通過類似於該開關網路58的一開關網路110被連接到該組收發器30，從而使得該前端天線系統1-1能夠開關該多埠天線10-5之該等活動的埠(例如，以選擇該波束的該(等)方向)。
在一種形式中，每一個子陣列72基於該天線類型(例如，一超材料天線或連續孔徑天線)包括n個元件或等效件。當每一個子陣列72相同時，該前端天線系統1-1的總尺寸為N=n x m個元件(或相當於具有N個元件的一陣列系統)，其中m代表該前端天線系統1-1之子陣列72或天線組的數量。換言之，一N元件陣列可被分組成為每一個具有n個元件的子陣列72。對於系統製造，這些子陣列72可以有把一實例分組添加到該等陣列組件中的作用。例如，在一些實例變型中，用於該等子陣列72的該等驅動器可被組裝到一單一RFIC或一組RFIC上。
在一種形式中，該多埠天線10-5(或一單埠天線)具有各種功能性(例如，主動、被動、高增益或低增益、筆形波束或扇形波束或寬波束、等等)及/或類型(例如，超材料天線)。當該多埠天線10-5(或該單埠天線)為一被動天線時，每一個陣列的該元件數n可對應一天線埠數k。作為一實例，n及k可以相等或具有相同的數量級。作為另一個實例，k可以是
Figure 02_image001
的數量級。
在一種形式中，該前端天線系統1-1的該組收發器30包括一或多個收發器30。在一些形式中，該收發器30的數量小於或等於該天線埠數k。
參考圖4，其展示出該等波束成形器網路51及開關網路58-1、58-2、…58-M(其被統稱為「開關網路58」)。在一種形式中，該等波束成形器網路51及該等開關網路58被連接到k'個收發器30。在一種形式中，對於M個波束及k'個收發器30，該等開關網路58的每一個都包括開關60-1、60-2、…60-k'(它們被統稱為該等「開關 60」)。在一種形式中，每一個波束被連接到該等開關網路58中之一個，並且該等開關網路58中之該一個經由該等開關60被連接到該等k'個收發器30中的每一個。作為一實例，該開關網路58-1的該開關60-1被連接到收發器30-1、該開關網路58-1的該開關60-2被連接到收發器30-2、以及該開關網路58-1的該開關60-k'被連接到收發器30- k'。在一種形式中，該前端天線系統1可以包括k'個開關網路58，每一個開關網路具有M個開關60，並且該等開關網路58的每一個被連接到該等收發器30中之一個，其藉由位於其中的一開關被連接到所有的該等移相器52。
在一種形式中，該等波束成形器網路51可以在不同的級處具有不同的特性並且對於特定的頻帶(例如，毫米波頻帶)具有特定的適用性。作為一實例，該等類比波束成形器可在該射頻(RF)級、在該中頻(IF)級、該LO級、或在其之一組合處來被實現。
在一種形式中，當該等波束成形器網路 51在該RF級被實現時(即，RF波束成形)，該等移相器 52、該等時間延遲電路 54、一可變增益放大器62、以及一信號合併器 64中之一個可針對每一個信號路徑的每一個波束來被提供。在一種形式中，每一個移相器52及可變增益放大器62把一RF信號改變為在該RF頻帶內具一所欲相位及振幅的信號。該信號合併器64然後合併每一個波束及埠之該等修改後的信號。
在一種形式中，當該等波束成形器網路 51在該IF級被實現時(即，IF波束成形)，該等移相器 52、該等時間延遲電路 54、該可變增益放大器62、該信號合併器 64、以及一混頻器66中之一個可針對每一個信號路徑的每一個波束來被提供。該移相器52及該可變增益放大器62把由該RF信號轉換為該IF頻帶所產生的一IF信號改變為具一所欲相位及振幅的信號。該信號合併器64然後合併每一個波束及埠之該等修改後的信號，並且該混頻器66把該來訊信號與該LO信號混波以把該信號轉換到該IF頻帶。該LO信號針對所有的天線及/或波束成形器進行分配及同步。
在一種形式中，當該等波束成形器網路51在該LO級被實現時(即，LO波束成形)，該等移相器 52(例如，相位旋轉器或基於向量調變器的移相器)、該等時間延遲電路 54、該可變增益放大器62、以及該混頻器66中之一個可針對每一個信號路徑的每一個波束來被提供。該移相器52及該可變增益放大器62針對每一個埠的每一個波束改變該LO信號的該相位及/或振幅，並且該混頻器66把該RF信號與該修改後的LO信號混波並根據一所欲的相位及振幅把它轉換到該IF頻帶。在一種形式中，該可變增益放大器62被設置在該IF或LO路徑中。在一種形式中，該移相器52可以與該混頻器66整合。
在一種形式中，當該等波束成形器網路 51在該數位級被實現時(即，數位波束成形)，該等移相器 52、該等時間延遲電路 54、該可變增益放大器62、該信號合併器 64、一混頻器66、一數位到類比轉換器(DAC)68、以及一類比到數位轉換器(ADC)69中的一個可針對每一個信號路徑的每一個波束來被提供。在一種形式中，在一接收模式期間使用該ADC 69該IF信號從一類比信號被轉換為一數位信號，並且該移相器52 、該時間延遲電路54及該可變增益放大器62改變該數位信號的該相位、時間延遲、及/或振幅中的至少一個。該信號合併器64然後合併每一個波束及埠之該等修改後的數位信號。類似地，在一發射模式期間，該DAC 68把該數位信號轉換為一類比信號，並且該移相器52 、該時間延遲電路54、以及該可變增益放大器62改變該類比信號的該相位、時間延遲、及/或振幅中的至少一個。該信號合併器64然後合併每一個波束及埠之該等修改後的類比信號。
在一種形式中，當該等波束成形器網路51在一混合型波束成形器中該等IF及數位級的該組合處被實現時，該等移相器 52、該等時間延遲電路 54、該可變增益放大器62、該信號合併器 64、以及該混頻器66中之一個可針對在該IF級之每一個信號路徑的每一個波束來被提供。來自該等IF波束成形器的該等輸入/輸出被連接到數位波束成形器，以及該DAC 68、該ADC 69、該等移相器52、該可變增益放大器62、及/或該信號合併器64的中一個可針對每一個信號路徑的每一個波束來被提供。在該混合型波束成形器的每一級，該移相器52及該可變增益放大器62被組配來改變該信號之該相位、時間延遲、及/或振幅中的至少一個。該信號合併器64然後合併每一個波束及埠之該等修改後的信號。
參考圖5，該圖展示出包括有M個波束網路50及k'個收發器30的一RFIC 100。在一種形式中，該RFIC 100包括N個元件(或相當於該前端天線系統1的N個元件)。在一種形式中，該等M個波束網路50被連接到該等子陣列70之該等天線的該等埠及/或元件，從而提供一模組化、可拼接的前端天線系統，該系統係可定制的並可抑制複雜性及成本。
參考圖6，該圖展示由天線10-6所輸出之波束18、20、22的一示意圖，該天線10-6可以是具有埠16-1、16-2、…16-k(它們被統稱為「埠16」)的一被動多埠天線。在一種形式中，激發該等埠16中之一個會產生具有諸如一場型及方向之給定輻射參數的一對應波束。在一種形式中，該等波束18、20、22可以重疊，但應被理解的是，在其他形式中，該等波束18、20、22可能不重疊。在一種形式中，該等波束18、20、22展開一所欲的空間區域(例如，一2D或3D FOV)。在一種形式中，該等波束18、20、22 的該等輻射參數由該波束網路50及/或該控制器 90獨立地控制。應被理解的是，在其他的形式中，該天線10-6可以是一單埠天線，其總是產生具有的特定輻射參數的一單一波束。
參考圖7，該圖展示由天線10-7所輸出之波束24、26、28的一示意圖，該天線10-7可以是具有埠17-1、17-2、…17-k(它們被統稱為「埠17」)的一被動多埠天線。在一種形式中，該天線10-7包括電氣控制的可諧調機制，並且該控制器90被組配成藉由諧調該天線10-7的該可諧調機制來修改該等波束24、26、28的該等輻射參數。因此，該控制器90可以包括用於執行本文所描述之該功能性的外部及/或數位控制電路。在一種形式中，該天線10-7包括整合在其中的主動元件，從而使該控制器90能夠執行波束修改及控制程序。雖然只圖示出一個控制器90，但是應被理解的是，在其他的形式中，該前端天線系統1可以包括多個控制器90(例如，該等天線10的每一個都有一個控制器90)。
參考圖8A-8C，其圖示出該前端天線系統的各種實例波束網路50。具體地說，圖8A圖示出前端天線系統1-2作為該波束網路50的一數位波束網路；圖8B圖示出前端天線系統1-3作為該波束網路50的一混合型波束網路(例如，類比波束網路及數位波束網路)；以及圖8C圖示出前端天線系統1-4作為該波束網路50的一混合型波束網路(例如，類比波束網路及數位波束網路)。
參考圖8A，該前端天線系統1-2包括一組數位波束網路200(作為該波束網路50)、一轉換器網路202(例如，該DAC 68及/或ADC 69)、一中頻(IF)轉換器網路204、該組收發器30、以及一天線10陣列。在一種形式中，該前端天線系統1-2包括k個波束(其中每一個波束包括一或多個信號流)、k個數位波束網路200、以及N個天線10的一陣列。該數位波束網路200被耦合到該轉換器網路202，該轉換器網路202被耦合到該IF轉換器網路204(例如，一組上/下頻率轉換器)以把該波束轉換到該IF頻帶之一所欲的頻率。這裡所描述的該IF級可以對應於該IF轉換器網路204；這裡所描述的該數位波束網路200可以對應於該數位級；以級該RF級可以對應於該轉換器網路202。
參考圖8B，該前端天線系統1-3包括一組類比波束網路206(作為該波束網路50)。該前端天線系統1-3更包括該轉換器網路202、該IF轉換器網路204、該組收發器30、及該天線10陣列。在一種形式中，該前端天線系統1-3包括k個波束(其中每一個波束包括一或多個信號流)、k個類比波束網路206、及N個天線10的一陣列。該轉換器網路202被耦合到該類比波束網路206以產生該類比信號。該類比波束網路206被耦合到該IF轉換器網路204 (例如，一組上/下頻率轉換器)以把該波束轉換到該IF頻帶之一所欲的頻率。應被理解的是，在其他形式中，該前端天線系統1-3的組件可以具有的不同佈置。作為一實例，該轉換器網路202可被耦合到該IF轉換器網路204以把該波束轉換為該RF頻帶之一所欲的頻率，並且該IF轉換器網路204可被耦合到該組類比波束網路206以產生該RF信號。
參考圖8C，該前端天線系統1-4包括該組數位波束網路200及該組類比波束網路206(作為該波束成形器網路50 )。該前端天線系統1-4更包括轉換器網路202、該IF轉換器網路204、該收發器組30、該天線10陣列、以及一天線陣列208 (例如，一主動天線陣列)。在一種形式中，該前端天線系統1-4包括k個波束(其中每一個波束包含一或多個信號流)、k個數位波束網路200、M個類比波束網路206、N個天線208的一陣列、以及N'個耦合該等天線208之該等埠的連接。在一種形式中，該等N'個連接可以包括到多埠天線組或單埠天線組之埠的連接，如下面參照圖9A-9C被進一步被詳細描述的。在一種形式中，連接的該數量(N')小於或等於該陣列之天線208的數量(N)。在一種形式中，波束的該數量(k)小於或等於類比波束網路206的該數量(M)。
在一種形式中，該數位波束網路200被耦合到該轉換器網路202，該轉換器網路202被耦合到該等類比波束網路206以產生該類比信號。該等類比波束網路206被耦合到該IF轉換器網路204 (例如，一組上/下頻率轉換器)以把該波束轉換到該IF頻帶之一所欲的頻率。應被理解的是，在其他形式中該前端天線系統1-4的組件可以具有不同的佈置。作為一實例，該轉換器網路202可被耦合到該IF轉換器網路204以把該波束轉換到該RF頻帶之一所欲的頻率，並且該IF轉換器網路204可被耦合到該組類比波束網路206以產生該RF信號。
在一種形式中，該前端天線系統1-4可在一發射模式、一接收模式下操作，或同時在該等發射及接收模式下操作。作為一實例，在一發射模式中，該數位波束網路200被組配來分離及/或選擇該等一或多個信號流、該DAC 68被組配來把該等一或多個信號流轉換為一或多個類比信號流、該類比波束網路206被組配來分離及/或選擇該等一或多個信號流、或其之一組合。作為另一個實例，在一接收模式中，該類比波束網路206被組配來合併及/或選擇該等一或多個信號流、該ADC 69被組配來把該等一或多個信號流轉換為一或多個數位信號流、該數位波束網路200被組配來合併及/或選擇該等一或多個信號流、或其之一組合。
參考圖9A，其圖示出該前端天線系統1-4的一組實例天線208-1(作為天線208)。在一種形式中，該組天線208-1包括具有x'個埠的一多埠天線210並且可耦合到該開關網路58。在一種形式中，該開關網路58被組配成獨立地控制該多埠天線210的該等x'個埠並因此控制該多埠天線210的各種輻射參數，諸如該波束方向、極化、功率、等等。該開關網路58可在該前端天線系統1-4之一或多個級被實現，諸如該數位級、該IF級、該RF級、或其之一組合處。在一種形式中，該組波束成形器網路51可以在該前端天線系統1-4的一或多個級被實施，諸如該數位級(DBF)、該類比級(ABF)、或其之一組合處。
參考圖9B，其展示出該前端天線系統1-4的一組實例天線208-2(作為天線208)。在一種形式中，該組天線208-2包括共同形成y'個埠的複數個多埠天線212-1、…212-n(它們被統稱為多埠天線212)。應被理解的是，該等多埠天線212的每一個可以具有相同或不同數量的埠。在一種形式中，埠的數量(y')等於連接到天線208-2的連接數(J)。應被理解的是，該組天線208-2可以耦合到該開關網路58以獨立地控制該等多埠天線212的該等y'個埠，從而控制該等多埠天線212的各種輻射參數，諸如該波束方向、極化、功率、等等。在一種形式中，該組開關網路58可在該前端天線系統1-4的一或多個級被實現，諸如該數位級、該IF級、該RF級、或其之一組合處。類似地，該組波束成形器網路51可以在該前端天線系統1-4的一或多個級被實現，諸如該DBF、ABF、或其之一組合處。
參考圖9C，其展示出該前端天線系統1-4的一組實例天線208-3(作為天線208)。在一種形式中，該組天線208-3包括複數個主動天線 214-1、…214-n(它們被統稱為主動天線 214)，其共同形成可耦合到一開關網路58的z'個埠，其中該開關網路58具有多個開關60。該開關網路58被組配成獨立地控制該等主動天線214的該等z'個埠，從而控制各種輻射參數，諸如該波束方向、功率、極化、該該波束形狀、等等。在一種形式中，該組開關網路58可在該前端天線系統1-4的一或多個級被實現，諸如該數位級、該IF級、RF級、或其之一組合處。類似地，該組波束成形器網路51可以在該前端天線系統1-4的一或多個級被實現，諸如該DBF、ABF、或其之一組合處。
參考圖10，該圖展示出實例多埠天線220-1、220-2、…220-n(作為在圖9A-9B中所示的該等多埠天線210、212中之一個；它們被統稱為「多埠天線220」)。在一種形式中，每一個多埠天線220包括k'個埠並且被連接到一組k''個波束成形器網路51。在一種形式中，每一個多埠天線220被連接到一給定的收發器30，但是應被理解的是，每一個多埠天線 220可被連接到來自該組收發器30中一個以上的收發器30。在一種形式中，該組收發器30被連接到該組k''個波束成形器網路51。因此，該等k''個波束成形器網路51可以形成k個波束，其中k＝k′*k''。在一種形式中，該多埠天線220的每一個天線埠被耦合到一給定波束成形器網路51的至少兩個延遲元件(即，該移相器52及/或該時間延遲54)。
參考圖11，該圖展示出N'個主動天線214(作為該天線208)。在一種形式中，在一種形式中，該等主動天線214包括一單埠天線、多埠天線、或其之一組合，並且該等主動天線214共同形成k'個埠。在一種形式中，每一個主動天線 214 被連接到一組 k''個波束成形器網路 51及一給定的收發器30，但是應被理解的是，每一個主動天線214可被連接到來自該組收發器30中一個以上的收發器30。在一種形式中，該組收發器30被連接到該組k''個波束成形器網路51。因此，該等k''個波束成形器網路51可以形成k個波束，其中k=k''、k=k'*k''、或k''≤k≤k'*k''。在一種形式中，該等主動天線 214的每一個天線埠被耦合到一給定波束成形器網路51的至少兩個延遲元件(即，該移相器52及/或該時間延遲54)。
參考圖12A，其圖示出被組配來執行混合型波束網路處理之該等前端天線系統(例如，該前端天線系統1-4)的一實例功能方塊圖。在一種形式中，該功能方塊圖的該等層對應於該等前端天線系統1-4的各級/功能。雖然這些層都被個別地展示出的，但是應被理解的是，在其他的形式中，該等層的任何一層都可被彼此合併在一起，並且不侷限於在這裡所描述的該佈置。
在一種形式中，該前端天線系統1-4包括一天線層300、一類比層310 (在這裡可互換地被稱為該RF層310)以及一數位層320。在一種形式中，該天線層300包含包括天線介面/埠的一分配網路層302、包括該天線結構的一饋入層304、以及包括該等天線10之該等可諧調組件的一輻射層306。在一種形式中，該類比層310包括一IF波束網路層312、一RF波束網路層314、及一TRX層316用於執行本文所描述的該功能。在一種形式中，該數位層320包括用於執行基頻處理的一基頻層322、一數位波束網路層324、以及用於執行該類比到數位/數位到類比轉換的一DAC/ADC層326。應被理解的是，該數位層320可以包括調變解調器及其他數位系統組件。在一種形式中，該類比及數位分組的該分離可以提供該等類比電路及方塊在使用相同技術節點之一單一晶粒或一組晶粒上的該整合。
參考圖12B，其圖示出該前端天線系統1-4的另一個實例功能方塊圖。除了係在該數位層320內提供該IF波束成形層312之外，在圖12B中所示的該功能方塊圖與在圖12A中所示的功能方塊圖類似。
參考圖12C，其圖示出該前端天線系統1-4之一額外的實例功能方塊圖。除了該RF層310及該數位層320係被設置在一積體電路層330內之外，在圖12C中所示的該功能方塊圖與在圖12C中所示的功能方塊圖類似。
在一種形式中，該天線層300、該類比層310、該數位層320、及/或該積體電路層330可被設置在其上及/或包括其：一印刷電路板(PCB)；3D或2.5D模製及/或機器加工結構；電介質、金屬、及/或充氣結構及材料；被動及主動或電子裝置(例如可變電抗器、二極體、電晶體、薄膜電晶體(TFT)、等等)、可調諧材料(例如鈦酸鍶鋇(BST)基的材料、液晶、等等)、及或結構；等等。在一種形式中，該天線層300、該類比層310、該數位層320、及/或該積體電路層330可被設置在其上及/或包括其：RFIC、特定應用積體電路(ASIC)、SoC、及/或整合在該PCB上之一組此類的方塊(以及其他的方塊、組件、連接線、等等)。
參考圖13，其展示出一運算系統1000及該前端天線系統1之一種實現方式的一實例電腦架構圖。在一些實現方式中，該運算系統1000被實現在經由一通訊通道及/或網路被可通訊耦合之複數個裝置中。在一些形式中，該運算系統1000的該等組件被實現在分開的運算及或感測器裝置中。在一些形式中，該運算系統1000兩個或更多的組件被實現在該等相同的裝置中。該運算系統1000及其部件可以被整合到一運算及/或無線裝置中。
在一種形式中，一通訊通道1001介接處理器1002A-1002N、一記憶體組件(例如，一隨機存取記憶體(RAM)1003、一唯讀記憶體(ROM)1004、及/或一處理器可讀取儲存媒體1005)、一顯示器裝置1006、一使用者輸入裝置1007、一網路裝置1008、本文所描述的該前端天線系統1、及/或其他合適的運算裝置。
在一種形式中，該等處理器1002A-1002N可以包括中央處理單元(CPU)、一圖形處理單元(GPU)、微處理器、機器學習/深度學習(ML/DL)處理單元(例如，一張量處理單元)、FPGA(現場可規劃閘陣列、定制處理器、及/或任何合適類型的處理器。
在一種形式中，該等處理器1002A-1002N及該等記憶體組件1003共同形成一處理單元1010。在一些實施例中，該處理單元1010包括經由一匯流排被通訊耦合到該等記憶體組件1003、該ROM 1004、以及該處理器可讀取儲存媒體1005中一或多個的一或多個處理器以執行儲存在其中的指令。在一種形式中，該處理單元1010係一ASIC 、SoC、或其之一組合。
在一種形式中，該網路裝置1008提供一或多個有線或無線介面，用於在該運算系統1000及/或諸如外部裝置之類的其他裝置之間交換資訊。實例網路裝置1008包括，但不侷限於：一通用串列匯流排(USB)介面、一藍牙介面、無線保真(Wi-Fi)介面、一以太網路介面、一近場通訊(NFC)介面、一蜂巢式介面、等等。
在一種形式中，該處理器可讀取儲存媒體1005係一硬碟、一快閃碟、一DVD、一CD、一光碟、一軟碟、一快閃儲存器、一固態碟、一ROM、 一EEPROM、一電子電路、一半導體記憶體裝置、或其之一組合。該處理器可讀取儲存媒體1005可以包括一作業系統、軟體程式、裝置驅動器、及/或其他合適的子系統或軟體。
在描述本發明的範圍時，除非本文另有明確的說明，所有表示機械/熱性能、組成百分比、尺寸及/或公差、或其他特徵的數值都應被理解為由用詞「大約」或「大概」來修飾。由於各種原因，包括工業實踐、材料、製造、組裝公差、以及測試能力這種修飾係所欲的。
如在本文中所使用的，短語「 A、B、及C中的至少一個」及「其之一組合」應被解釋為意指邏輯(A或B或C)，使用一種非排他性的邏輯或，並且不應該被解釋為意指「A中的至少一個、B中的至少一個、以及C中的至少一個」。
在本申請中，術語「控制器」及/或「模組」可意指其、為其之一部分、或包括其：一特定應用積體電路(ASIC)；一數位、類比或混合類比/數位分立電路；一數位、類比或混合類比/數位積體電路；一組合邏輯電路；一現場可規劃閘陣列(FPGA)；執行代碼的一處理器電路(共享、專用、或群組)；儲存由該處理器電路所執行之代碼的一記憶體電路(共享、專用、或群組)；提供所描述功能之其他合適的硬體組件；或以上之部分或全部的一種組合，例如在一系統單晶片中。
該術語記憶體係該術語電腦可讀取媒體的一子集。此處所使用的該術語電腦可讀取媒體不包括透過一媒體(例如在一載波上)傳播之瞬時的電氣或電磁信號；因此，該術語電腦可讀取媒體可被認為是有形的且非暫時性的。一非暫時性、有形的電腦可讀取媒體的非限制性實例係非依電性記憶體電路(諸如一快閃記憶體電路、一可抹除式可規劃唯讀記憶體電路、或遮罩唯讀電路)、依電性記憶體電路(諸如一靜態隨機存取記憶體電路或一動態隨機存取記憶體電路)、磁性儲存媒體(諸如一類比或數位磁帶或一硬碟驅動器)、以及光儲存媒體(諸如一CD、一DVD、或一藍光光碟)。
本申請中所描述的該等裝置及方法可以部分地或完全的由一專用電腦來實現，該專用電腦的創建係藉由組配一通用電腦使之執行被體現在電腦程式中之一或多個特定的功能來達成的。上面所描述的該等功能方塊、流程圖成分、及其他元素可充當作為軟體規格，可由一熟練的技術人員或程式設計師的日常工作把該軟體規格翻譯成為該等電腦程式。
本發明的該描述本質上僅係示例性的，因此，不脫離本發明本質的變化旨在落入在本發明的範圍內。這種變化不應被視為脫離本發明的精神及範圍。
1,1-1,1-2,1-3,1-4:前端天線系統 2:陣列 10,10-1,10-2,10-3,10-4,10-5,10-6,10-7:天線 16-1,16-2,16-3,17-1,17-2,...,17-k:埠 18,20,22,24,26,28:波束 30,30-1,30-2,...,30- k':收發器 32:功率放大器 34:低雜訊放大器 36:開關 50,50-1,50-2,...,50-M:波束網路 51,51-1,51-2,...,51-M:波束成形器網路 52:移相器電路網路 54:時間延遲電路網路 56:放大器網路 58,58-1,58-2,...,58-M,110:開關網路 60-1,60-2,…,60-k':開關 70-1,70-2,70-3,70-4,70-5,70-6,72：子陣列 90:控制器 100:RFIC 200:DBN 202:DAC/ADC 204:IF轉換器 206:ABN 208,208-1,208-2,208-3:ANT 210,212-1,…,212-n,220-1,220-2,…,220-n:多埠天線 214-1,…,214-n:主動天線 300:天線層 302:分配網路層 304:饋入層 306:輻射層 310:類比層 312: IF波束網路層 314:RF波束網路層 316:TRX層 320:數位層 322:基頻層 342:數位波束網路層 326:DAC/ADC層 330:IC層 1001:通訊通道 1002A-1002N:處理器 1003:記憶體 1004:ROM 1005:儲存媒體 1006:顯示器裝置 1007:使用者輸入裝置 1008:網路裝置
為了使本發明可被良好地理解，現在將參照該等附圖通過實例的方式描述本發明的各種形式，其中：
圖1根據本發明的教導係一實例實施例之一前端天線系統的一示意圖；
圖2根據本發明的教導係該前端天線系統之一子陣列的一示意圖；
圖3根據本發明的教導係另一個實例前端天線系統的一示意圖；
圖4根據本發明的教導係被連接到一組波束成形器之一實例開關網路的一示意圖；
圖5根據本發明的教導係一射頻積體電路的一示意圖；
圖6根據本發明的教導係一實例多埠天線的一示意圖；
圖7根據本發明的教導係一實例主動天線的一示意圖；
圖8A根據本發明的教導係一前端天線系統的一示意圖；
圖8B根據本發明的教導係一前端天線系統的另一個示意圖；
圖8C根據本發明的教導係一前端天線系統的另一個示意圖；
圖9A根據本發明的教導係一組實例天線的一示意圖；
圖9B根據本發明的教導係另一組實例天線的一示意圖；
圖9C根據本發明的教導係又另一組實例天線的一示意圖；
圖10根據本發明的教導係包括一組多埠天線之一前端天線系統的一示意圖；
圖11根據本發明的教導係包括一組天線之一系統的一示意圖；
圖12A根據本發明的教導係一前端天線系統的一功能方塊圖；
圖12B根據本發明的教導係另一前端天線系統的一功能方塊圖；
圖12C根據本發明的教導係又另一前端天線系統的一功能方塊圖；以及
圖13根據本發明的教導係一前端天線系統及一控制器的一功能方塊圖。
在此描述的附圖僅係用於說明目的，並不旨在以任何方式限制本發明的範圍。
1:前端天線系統
10:天線
30:收發器
32:功率放大器
34:低雜訊放大器
36:開關
50:波束網路
51:波束成形器網路
52:移相器電路網路
54:時間延遲電路網路
56:放大器網路
58:開關網路
90:控制器

Claims (20)

  1. 一種用於發射及接收一或多個波束並且包括有一射頻(RF)級、一中頻(IF)級、及一數位級中至少一個的前端天線系統，該前端天線系統包含有： 一或多個波束網路，該等波束網路被組配成在該等一或多個波束上形成一或多個信號流，其中來自該等一或多個波束網路中的每一個波束網路包含一波束成形器網路、一開關網路、或其之一組合； 一天線陣列，該天線陣列被組配成從複數個空間區域之一選定空間區域中輸出該等波束的每一個，其中來自該天線陣列中的一或多個天線係多埠天線；以及 複數個收發器，該等複數個收發器把該天線陣列與該等一或多個波束網路進行電氣耦合。
  2. 如請求項1之前端天線系統，其更包含有一控制器，該控制器被組配成獨立地控制數個輻射參數及該等一或多個波束的一波束類型，其中： 該等輻射參數包含一方向、一場型、一功率、一極化、一相位角、頻帶、或其之一組合；以及 該波束類型包括一發射型波束、一接收型波束、及一同時接收且發射型波束中的一種。
  3. 如請求項1之前端天線系統，其中： 該等一或多個波束包括複數個波束；以及 該等多埠天線可操作來發射該等複數個波束、接收該等複數個波束、或其之一組合，使得該等複數個波束具有一相同的極化、一相同的頻帶、或其之一組合。
  4. 如請求項1之前端天線系統，其中： 該等一或多個波束網路包括該波束成形器網路；以及 該波束成形器網路包括一或多個移相器、一或多個時間延遲電路、一或多個合併器、一或多個可變增益放大器、一或多個分離器，或其之一組合。
  5. 如請求項1之前端天線系統，其中該等一或多個波束網路被組配成在該RF級、該IF級、該數位級、一本地振盪器級、或其之一組合處形成該等一或多個波束。
  6. 如請求項1之前端天線系統，其中： 該等一或多個波束網路包括該開關網路； 該開關網路被電氣耦合到該天線陣列及該等複數個收發器；以及 該開關網路被組配成可選擇性地提供該等一或多個信號流給該等多埠天線的該等一或多個埠。
  7. 如請求項1之前端天線系統，其中： 該等一或多個波束網路包括複數個該等開關網路；以及 該等複數個收發器的一數量少於該多埠天線之數個埠的一數量。
  8. 如請求項1之前端天線系統，其中： 該等一或多個波束網路包括該開關網路；以及 該開關網路包括一或多個開關、一或多個合併器，一或多個分離器、一或多個耦合線、一或多個濾波器，或其之一組合。
  9. 如請求項1之前端天線系統，其中： 該等一或多個波束包括至少兩個波束； 該等一或多個波束網路包括複數個該等波束成形器網路； 來自該等複數個波束成形器網路中的每一個波束成形器網路包括至少兩個延遲元件，其中該等至少兩個延遲元件包括一移相器、一時間延遲、或其之一組合；以及 該等多埠天線的每一個天線埠被耦合到來自該等複數個波束成形器網路中一相應波束成形器網路的該等至少兩個延遲元件。
  10. 如請求項1之前端天線系統，其中： 該波束網路係具有一類比波束網路部分及一數位波束網路部分的一種混合型波束網路； 該等複數個收發器包括一類比到數位轉換器及一數位到類比轉換器； 在一發射模式中，(i)該數位波束網路部分被組配來分離該等一或多個信號流，(ii)該數位波束網路部分被組配來選擇該等一或多個信號流，(iii)該數位到類比轉換器被組配來把該等一或多個信號流轉換為一或多個類比信號流，並且該類比波束網路部分被組配來分離該等一或多個信號流、選擇該等一或多個信號流、或其之一組合，(iv)或(i)、(ii)、(iii)的一種組合；以及 在一接收模式中，(ⅴ)該類比波束網路部分被組配來合併該等一或多個信號流，(vi)該類比波束網路部分被組配來選擇該等一或多個信號流，(vii)該類比到數位轉換器被組配來把該等一或多個信號流轉換為一或多個數位信號流，並且該數位波束網路部分被組配來合併該等一或多個信號流、選擇該等一或多個信號流、或其之一組合，(viii) 或(v)、(vi)、(vii)的一種組合。
  11. 如請求項1之前端天線系統，其更包含有複數個子陣列，其中： 來自該等複數個子陣列中的每一個子陣列包括： 一或多個基片層、一或多個電子晶片、或其之一組合； 來自該天線陣列中的一或多個天線；及 來自該等複數個收發器中的一組收發器；以及 該等複數個子陣列經由數個信號分配網路、該等一或多個波束網路、該等複數個收發器、或其之一組合被彼此地耦合。
  12. 如請求項11之前端天線系統，其中： 該等複數個子陣列具有一平面佈置及一非平面佈置中之一種； 來自該等複數個子陣列中的一第一子陣列具有一第一組幾何參數； 來自該等複數個子陣列中的一第二子陣列具有一第二組幾何參數；以及 來自該第一組幾何參數中的至少一個幾何參數不同於來自該第二組幾何參數中的至少一個幾何參數。
  13. 如請求項11之前端天線系統，其中： 該等複數個子陣列具有一平面佈置及一非平面佈置中之一種； 來自該等複數個子陣列中的一第一子陣列具有一第一組幾何參數； 來自該等複數個子陣列中的一第二子陣列具有一第二組幾何參數；以及 來自該第一組幾何參數中的每一個幾何參數相同於來自該第二組幾何參數中的每一個幾何參數。
  14. 一種用於發射及接收一或多個波束並且包括有一射頻(RF)級、一中頻(IF)級、及一數位級中至少一個的前端天線系統，該前端天線系統包含有： 一或多個波束網路，該等一或多個波束網路被組配成在該等一或多個波束上形成一或多個信號流，其中來自該等一或多個波束網路中的每一個波束網路包含一波束成形器網路、一開關網路、或其之一組合； 一天線陣列，該天線陣列被組配成從複數個空間區域之一選定空間區域中輸出該等波束的每一個，其中來自該天線陣列中的一或多個天線係單埠天線；以及 複數個收發器，該等複數個收發器把該天線陣列與該等一或多個波束網路進行電氣耦合。
  15. 如請求項14之前端天線系統，其中： 該等單埠天線係被動天線； 該等一或多個波束包括至少兩個波束； 該等一或多個波束網路包括複數個該等波束成形器網路； 來自該等複數個該等波束成形器網路中的每一個波束成形器網路包括至少兩個延遲元件，其中該等至少兩個延遲元件包括一移相器、一時間延遲、或其之一組合；以及 該等單埠天線被耦合到來自該等複數個波束成形器網路中一相應波束成形器網路的該等至少兩個延遲元件。
  16. 如請求項14之前端天線系統，其中該等單埠天線係包含有一或多個可調諧組件的數個主動天線。
  17. 如請求項16之前端天線系統，其中： 該等一或多個波束包括至少兩個波束； 該等一或多個波束網路包括複數個該等波束成形器網路； 來自該等複數個該等波束成形器網路中的每一個波束成形器網路包括至少兩個延遲元件，其中該等至少兩個延遲元件包括一移相器、一時間延遲、或其之一組合；以及 該單埠天線埠被耦合到來自該等複數個波束成形器網路中一相應波束成形器網路的該等至少兩個延遲元件。
  18. 如請求項14之前端天線系統，其更包含有一控制器，該控制器被組配成獨立地控制數個輻射參數及該等波束的一波束類型，其中： 該等輻射參數包含一方向、一場型、一功率、一極化、一相位角、頻帶、或其之一組合；以及 該波束類型包括一發射型波束、一接收型波束、及一同時接收且發射型波束中的一種。
  19. 如請求項14之前端天線系統，其中： 該等一或多個波束網路包括該開關網路；以及 該開關網路包括一或多個開關、一或多個合併器，一或多個分離器、一或多條耦合線、一或多個濾波器，或其之一組合。
  20. 如請求項14之前端天線系統，其中該等一或多個波束網路被組配來在該RF級、該IF級、該數位級、一本地振盪器級、或其之一組合處形成該等一或多個波束。
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