TWI479740B - 供移動式電信通訊用之主動天線陣列的校準 - Google Patents

Description

供移動式電信通訊用之主動天線陣列的校準

本發明係有關於一種使用於行動通訊系統中的天線陣列，特別是有關於在主動天線陣列中之RF訊號的相位及/或振幅校準。

在無線行動通訊中，被使用於波束操縱及波束形成應用的主動、或相控陣列(phased array)、天線系統係新興於市場上。主動天線系統允許在不增加基地台數量的情況下增加網路的容量，故因此有著高度的經濟利益。這樣的系統包含許多個別的天線元件，其中，每個個別的天線元件傳輸RF能量，但在相對於其他元件的相位上做調整，以便產生指向於所想要的方向上之波束。系統的功能性必須是可以量測、控制及調整發射自天線陣列之各種個別之天線元件的訊號之相位同調性。

圖1描述由幾個個別的收發器元件4所構成的已知之主動天線陣列。數位基帶單元6係耦合至每一個收發器元件，且每一個收發器元件包含發送路徑8及接收路徑10。每一個路徑係耦合至天線元件12。發送路徑8處理來自基帶單元6的訊號並且包括數位至類比轉換器DAC、功率放大器PA、及雙訊器/濾波器15。接收路徑10處理接收自天線元件12的訊號，並且包含雙訊器/濾波器15、低雜訊放大器LNA、及類比至數位轉換器ADC。

各個收發器元件產生RF訊號，該RF訊號相對於其他收發器元件而電子式地或藉由射頻相位移位器而相位偏移。各個天線元件因此形成區別性的相位及振幅輪廓(profile)14，以形成獨特的波束型樣16。因此，必須對於在由該等天線元件所傳送之點處，調準或校正來自個別收發器元件之所有訊號的相位及振幅。為了調準所有的收發器，需要共同的基準。所傳送之訊號的相位及振幅然後與此基準相比較。

為了提供相位及振幅基準，有兩種不同的方法已經被採用：

1.　使用陣列的一個元件之訊號作為基準並且調整所有其他的訊號以達成與此基準元件間所需要的同調性。此方法通常(視陣列的尺寸及精確度而)需要非常複雜的演算法以相互地調整該等元件，這是因為調整有賴於該等元件間的相互耦合效應，而該耦合效應對於較長距離的元件而言係微弱的。或者使用原廠校正，如果在例如陣列的操作期間發生有RF訊號的產生與傳輸上有任何的相位或振幅改變，則其重新校正係複雜的。此方法也需要能夠接收來自其他天線元件的發送訊號的專用接收器單元。如果也需要接收校正，需要專用發送器以供測試訊號用。額外的接收器及發送器增加成本並且相關的演算法需要額外的計算資源。

2.　星狀分佈網路，其中，基準係產生於中央單元中，其隨後被分佈至所有收發器，而每個收發器係以該基準來予以調準。此方法因為只需要較簡單的演算法而較適合於較小的陣列(元件的個數10)。中央基準產生校準法的關鍵在於基準分佈的精確性係高的。在基準中就相位或振幅而言個別之誤差將會被向前送至發送/接收訊號本身。為了精確地分佈相位基準，由中央所產生的基準訊號被分裂成預定數目的訊號路徑。各個此類的路徑藉由各自的傳輸線而被連接至該陣列的各個收發器單元之各自的基準訊號輸入，而該傳輸線在標稱上為等長。但此方法有三個缺點：

a)每條傳輸線必須至少為陣列大小的一半長度。這意指即使一元件係位於非常靠近基準訊號產生器，其仍需要長的電纜。此增加了不必要的成本及網路的體積及重量。

b)收發器元件的數量係受限於訊號路徑的預設數量。網路必須針對元件的特定數量來予以設計，其導致缺乏彈性。

c)在陣列本身的相位及振幅之精確度的需求方面，傳輸線長度的機械性精確度必須要很好，也就是容錯度必須要小。例如，對於具有8個至10個元件而操作於大約2GHz頻率之行動通訊基地台天線，其元件之間所需要的相位精確度為±3°的等級。這相當於具有約700mm之總長度之填充以鐵伏龍的50 Ohm-同軸電纜之±0.9mm總線長之大約精確度(陣列本身為大約1400mm長)。在大量生產環境中確保此種精確度是昂貴的，特別是，如果在例如天線操作時的熱膨脹以及天線結構內改變不同線路的彎曲半徑也被代入計算的話。

本發明提供一種供移動式電信通訊網路之主動天線陣列，包含複數個射頻元件，每個射頻元件包括：耦合至天線元件的發送路徑及/或接收路徑；且每個射頻元件包括將發送訊號或接收訊號的相位及/或振幅與基準值相比較以便調整天線波束之特性的比較機構；以及包括用以供應振幅及/或相位的基準訊號的饋送配置，該饋送配置包括：預定長度的導波管，該導波管係耦合至基準訊號源且該導波管的一端係終止的，以便沿著其長度而建構一駐波系統；以及位於沿著該導波管的長度的預定點處之複數個耦合點，每一個耦合點係耦合至個別之該射頻元件的該比較機構。

依據本發明，至少於較佳實施例中，可克服或至少減少上述的問題，以及提供相位及振幅基準訊號的準確分佈機制，以校準行動通訊之主動式天線陣列。該分佈機制另外於較佳實施中為機制健全且具成本效益的。

在本發明中，至少於較佳實施例中，相位及/或振幅的基準來源訊號係耦合至有限長度的傳輸線，該傳輸線被終止例如建構駐波於該傳輸線之長度內。如同所熟知的，於一段的傳輸線或於其一端終止以其特性阻抗的導波管中發射的行進波將會沿著該線而前進並且被吸收於終端阻抗中。然而，對於所有其他的終端而言，一些輻射將不會被吸收，但會自該末端被反射，且將建構一駐波系統，而在其中，合成波的振幅沿著導波管的長度而週期性地改變(由於波振盪/相位旋轉的結果，另外會造成在沿著該線的每一點處之電壓值隨時間而改變)。反射的量視終端阻抗而定，並且在短路及開路的限制情況中，將會有完全反射。而在其他的情況中，將會有部份反射及部份吸收。

駐波訊號可被取樣於沿著該線的長度之預定分接頭或耦合點處，其皆具有相同的振幅及相位關係或至少具有已知的相位和振幅之關係。而較佳地，這樣的耦合點發生在駐波內之電壓最大值/最小值處或附近，其中，電壓相對於線長度的改變係非常小的。因此，在耦合點之定位的機械性準確度的要求相較於上述的星狀分佈網路配置係大大地降低。

這些耦合點可藉由精確而言為已知長度之個別的可撓之短的線路長度而被連接至個別收發器元件(更一般而言，射頻元件)中的個別比較裝置。短長度的可撓電纜，其皆具有相同的長度，相較於上述之已知的星狀分佈網路可被非常準確地形成。

在較佳實施例中，該導波管可被形成為複數個區段之預定長度的導波管，並且藉由可拆卸的接頭(coupling)而相互連接；此允許按照任何所想要的天線尺寸而成比例地縮放。

本發明的應用係針對GHz之等級的頻率，通常高達至5GHz，而此等級為行動電話分配頻帶中的微波頻率，其中，通常使用同軸電纜作為傳輸線。然而，本發明可應用於其他更大或更小的頻率，並且同軸電纜可被置換成其他導波管及傳輸線結構，例如，中空的金屬導波管、印刷電路板上的線跡(track)、或任何其他的結構。

在下列描述中，在對發送路徑做成基準的方式下，將可領會到可以相同的方式使用本發明而提供基準給接收路徑。本發明能應用於發送及接收二者的情況。

參閱圖2，其係顯示分佈相位及振幅之基準訊號至主動天線陣列之個別收發器的方法。中央產生的基準訊號20(VCO PLL)被分裂於N向電力分配器22(1:N的分裂器)中以及藉由各自為等長度l之傳輸線26而被連接至每個收發器單元24的基準輸入。長度l標稱上等於陣列I_A 之長度的一半。這構成了已知的星狀分佈網路，且線長度的任何改變造成相位長度的改變，其提高上面所提及的缺點。這是因為線上之波傳遞的行進特性：相位改變Δ_φ 係與波沿著線而行進之長度Δl：Δ_φ =(360/λline)Δl成比例，其中，λ為在傳輸線中之輻射的波長。如果某人於以快拍(snap-shot)來觀看行進波，則相位沿著傳輸線的位置而改變(如圖3所示)。於圖3中，其顯示電壓值沿著線而存在於時間區間t₁ -t₄ 處。如同眾所周知的，量測到的電壓值係視電磁波的振幅A及相位φ而定，且在圖3的行進波中，所量測到的電壓在+A及-A間之線上的每一點將會隨時間而改變。在圖3中，線長度係終止有傳輸線之匹配阻抗，使得行進波的所有能量被吸收。然而，如果線長度係終止有與匹配阻抗不同的阻抗時，則可能會建立駐波系統。

駐波配置係顯示於圖4中。藉由自線40的一端饋以訊號42並在其另一端44使該訊號短路(shorting)，可沿著線40而產生此種駐波。此短路迫使於該線之末端的電壓為零。沿著線而行進之相同能量在該短路處被完全地反射且朝向該來源而行進回去。如果該線係無損失的(或為合理的低損失)，則這會導致線上的駐波。因此，沿著線的任何一點的電壓值現在將視時間而定，但是波的相位並不會沿著線而改變，反而是電磁波的振幅A沿著線的長度而在最大值與最小值之間(正波峰與負波峰)週期性地變化，最大值係間隔開該波的一個波長λ，如圖所示。第一最小值發生於離開短路端之λ/4的距離處。在沿著該線之任何的給定點處(例如，x1以及x2)，振幅不同。最大電壓與最小電壓發生於同一時間點。

如果線上之電壓現在藉由具有低耦合係數之耦合器46來予以取樣以便不與駐波相干擾，則在每一個耦合器輸出處的最大值發生於同一時間(即使它們的振幅可能不同)。如果確保每個耦合器係間隔1λ的距離，其中，λ為於傳輸線中之輻射的波長，則也確保在每個耦合器的輸出處之振幅是相同的。如果想要有不同的振幅(不需要相等)，則可以選擇不同於λ的其他距離。

依據本發明，將耦合器附接於具有駐波之線的此一設置可以被使用來發送振幅及相位基準訊號至主動陣列系統的個別之天線元件。每一個耦合器係藉由準確已知長度之短長度的電纜而被附接至各自的收發器。此配置之主要優點為避免圖2之星狀分佈配置之嚴格的機械性精確度需求。為了使耦合點或分接點間之振幅差最小化，希望使接頭(couplings)與該短路端間隔d=(Nλ+λ/4)的距離；這將耦合點係放置在駐波的電壓峰值中。因為沿著該線的電壓分佈遵循正弦函數，並且最大/最小值附近之正弦函數之導數為零，所以耦合訊號之振幅對於耦合點之實際位置的敏感度為最小。

此配置克服星狀分佈配置的缺點，這是因為當與星狀分佈相比較，依據本發明之相位基準對在沿著該線之耦合點的實際位置之降低的依賴性將使製造成本減少且增加系統的精確度。訊號可藉由更短的電纜(例如，以數個cm做為等級，而非星狀網路之以數個10cm做為等級)而自耦合埠被傳送至各自的收發器中之基準比較器，且因此而可被更精確地製造。由於更短的電纜長度，所以基準線與比較器間之電纜/線的成本也被降低。藉由在距離d=(Nλ+λ/4)處放置耦合埠而使耦合訊號之振幅的依存性最小化。例如，於2 GHz且填充以鐵伏龍的線，耦合點與電壓最大值之+/-5mm的錯位(misplacement)相當於16.8°的偏移。因為cos(16.8°)=0.95，所以這使耦合振幅降低20*log(0.95)=0.38dB，其約為在行動通訊天線的振幅準確度上所允許之容錯度的一半。因此，所需要之機械性準確度已從次毫米等級(sub-mm-level)的容錯度降低至數mm等級的容錯度。在駐波線與收發器間之短連接線上遠比如同在星狀網路中為數值等級更長的線上，更容易達成次mm或mm等級之準確度。

在圖5A、5B及5C中，顯示同軸線之較佳形式，其併入依據本發明的振幅及相位基準訊號之分佈配置。在圖5A中，為具有短路之自由端52的同軸線50之傳輸線係耦合至基準源54。該線具有一連串間隔開的電容性耦合同軸耦合或分接埠56。圖5B顯示耦合埠之透視圖。在圖5C中，顯示該傳輸線的實際實施之部份剖面視圖，其包含一段充填空氣的同軸線60，該同軸線60具有等於傳輸訊號之一個波長λ(2GHz訊號在自由空間上具有15 cm等級的波長)的長度。其一端具有公耦合連接器62，而其另一端具有母耦合連接器64，用以耦合至同軸線的相同區段，以便提供想要之長度的複合線。該段同軸線60具有電容性耦合埠66，該電容性耦合埠66具有可調整其與中心導體70之間距的電極接腳68。耦合係數可藉由耦合接腳突伸入駐波線的長度而被調整至所想要的值。

在所述之充填有空氣的駐波線的情況中，埠56之間的距離為λ0=c0/f，其中，λ0為自由空間中的波長。在天線陣列中，天線元件的距離通常為介於0.5 λ0與1λ0之間，使得於陣列型樣中並未出現光柵波瓣。在行動通訊天線陣列中，此距離通常為~0.9λ0之等級。基準訊號用之耦合埠間的距離與元件的距離相匹配係有利的，使得光導管之連接耦合埠與比較器輸入的長度最小化。這對本發明而言是有可能的，藉由調適駐波線中所使用之有效介電係數εeff而使得接頭間之實際長度1c約等於天線元件間的距離d:0.9λ0=dλ0/(均方根(εeff))。藉由使用例如發泡體之材料於同軸線中作為電介質並且藉由發泡體的密度來調整介電容率，這是有可能的。

圖6顯示饋至主動天線系統之相位及振幅之基準訊號的分佈配置之較佳實施例。本實施例結合圖5的同軸線，並且與先前圖示中相似的部分以相同的參考數字來予以標示。在本實施例中，接頭或耦合埠56係分離一段0.9λ的有效距離，並且每一個耦合埠56藉由短的(數cm等級，且相關於線50之長度為短的)可撓性同軸電纜72而被連接至各自的收發器(射頻)元件4，而各自的收發器(射頻)元件4包含比較器100且係耦合至天線元件12。電纜72的長度被精確製造成相等的。

在收發器(射頻)元件內之用以處理相位及振幅基準訊號的配置係顯示於圖7中。數位基帶單元80提供包括數位調整資料的訊號至DAC 81，而DAC 81提供傳輸訊號以供包括有低通濾波器82、VCO 84、混頻器86、以及帶通濾波器88的配置中之升頻用。此經升頻的訊號藉由功率放大器90來予以放大，在帶通濾波器92中被濾波，並經由SMA連接器96而被饋送至天線元件94。為了達成相位校準及調整，方向性耦合器98感測輸出訊號的相位及振幅A、Ψ。這些於比較器100中與位於SMA連接器102處的相位及振幅基準A_ref 、Ψ_ref 做比較，以提供調整值104至基帶單元80。或者，如果需要類比調整，於傳輸路徑中提供向量調變單元106。因此，比較器輸出104被饋送回到數位相位偏移器及可調整的增益方塊80，或被饋送至類比相位偏移器及增益方塊106，以便調整傳輸訊號單元之相位及振幅直到其相位及振幅與基準值相匹配為止。

圖5的電容性耦合點的配置，其為供駐波偵測用之簡單的包絡偵測器，會留下180°相位不確定性。此不確定性可藉由使用二個以相同的頻率訊號作動，但是饋以例如90°相位差(亦即，T/4時間差)之相似的駐波線來予以解決。然後，偵測可以包含使用二個對抗接地的偵測器，或者使用一個在二線之間的偵測器。

本發明之較佳實施例之分佈方法的優點為其係可縮放的：線可以被設計為單一機械實體或由數個可以互相連接之相似元件所組成的模組化系統。如果需要更多的耦合點，則藉由簡單地增加更多的分段而增加線長度。

在調變中，提供2維陣列的分佈系統。其被顯示於圖8中，其中，第一線110，如圖5所示，在每一個耦合點112被耦合至其他的同軸線114，每一條線114係呈直角地配置於線110，且每一條線114係如圖5所示且具有另外的耦合點116。耦合點116被連接至二維主動陣列之個別的收發器元件。

在另一調變中，藉由選擇耦合點相關於駐波線之中間點的對稱實施，可進一步改善準確度。發生於相位或振幅上的任何誤差現在係對稱於陣列的中央。如果現在沿著基準耦合點而發生任何相位或振幅的誤差(例如，由於線的老化影響)，所產生的波束之對稱性仍然被確保，並且沒有不想要的波束偏斜影響發生。此外，沿著主動天線陣列的溫度梯度並不影響分佈於各自的天線輻射模組之訊號的相位準確度。在實際的操作中，最上面的天線能夠輕易的經歷比最低之元件的溫度還高20至30度之周圍溫度。這能在同軸電纜中造成些許電工角度的相位偏移差異。

因此，本發明的機制，至少在其較佳實施例中，克服先前技術之顯著的缺點並且可提供下列優點：

可縮放性(在一維及二維上)。視系統之需要的增益、輸出功率、及波束寬度而定，因此，本發明對於不同尺寸之天線陣列的設計而言係理想的。

如果被使用於相位基準分布，則所需要的機械準確度在理論上可完全被降低。在也被使用作為振幅基準的情況中，所需要的機械準確度可從次mm等級降低至數mm等級。

相較於先前技術，已降低本發明的基準分布的較佳形式之成本、重量及體積。

實施方式及圖式只闡明本發明的原理。儘管於此沒有明確地描述或顯示，但舉凡熟悉此技藝者可以設計出具體表達本發明原理且屬於本發明的精神和範圍之內的各種配置。此外，於此所述的所有例子主要意欲為表達只供教示之目的以幫助讀者了解本發明的原理以及發明人對於促進技術所貢獻的概念，因此解釋為不受限於這類具體描述的例子及狀況。此外，所有描述原理、態樣、及本發明的實施例以及在此的特殊例子的述語意謂著包含等效者。

10．．．接收路徑

12．．．天線元件

14．．．振幅輪廓

15．．．雙訊器/濾波器

16．．．波束型樣

20．．．基準訊號

22．．．N通道電力分配器

24．．．收發器單元

26．．．傳輸線

4．．．收發器元件

4．．．射頻元件

40．．．線

42．．．訊號

44．．．末端

46．．．耦合器

50．．．導波管

50．．．同軸線

52．．．自由端

54．．．基準訊號源

56．．．耦合埠

6．．．基帶單元

60．．．同軸線

60．．．導波管區段

62．．．公耦合連接器

64．．．母耦合連接器

66．．．電容性耦合埠

68．．．電極接腳

70．．．中心導體

72．．．同軸電纜

8．．．發送路徑

80．．．基帶單元

80．．．增益方塊

81．．．DAC

82．．．低通濾波器

84．．．VCO

86．．．混頻器

88．．．帶通濾波器

90．．．功率放大器

92．．．帶通濾波器

94．．．天線元件

96．．．SMA連接器

98．．．方向性耦合器

100．．．比較器

102．．．SMA連接器

104．．．調整值

104．．．比較器輸出

106．．．向量調變單元

106．．．增益方塊

110．．．線

112．．．耦合點

114．．．同軸線

114．．．導波管

116．．．耦合點

現將參考隨附圖式而僅以例示方式來描述本發明之較佳實施例，其中：

圖1係包含許多收發器元件的已知主動天線陣列之概要圖；

圖2係結合已知之星狀分佈網路之分佈基準訊號至主動天線陣列之各自的收發器之方法的概要圖；

圖3係行進之電磁波沿著傳輸線長度而前進之概要圖，其具有終止有匹配阻抗的自由端；

圖4係沿著傳輸線的電磁駐波之概要圖，其具有終止有短路電路的自由端；

圖5A、5B及5C係具有由電容性耦合埠所形成之耦合點的一段傳輸線之圖示，其被使用於本發明之較佳實施例中；

圖6係依據本發明之較佳實施例的基準訊號至主動天線的收發器元件的饋送配置之概要圖；

圖7係在圖6之主動陣列的收發器元件中相位及振幅調整用機構之概要方塊圖；及

圖8係構成2-D陣列之分佈配置的較佳實施例之調變之概要圖。

4．．．收發器元件

12．．．天線元件

50．．．同軸線

52．．．自由端

54．．．基準訊號源

56．．．耦合埠

72．．．同軸電纜

100．．．比較器

Claims (15)

1. 一種供移動式電信通訊網路用之主動天線陣列，包含複數個射頻元件(4)，每一個射頻元件包括：耦合至個別天線元件(12)的發送及/或接收路徑(8,10)；且包括將發送訊號或接收訊號的相位及/或振幅與基準值相比較以調整該天線波束的特性之比較器(100)；以及包括用以供應振幅及/或相位的基準訊號的饋送配置，該饋送配置包括：預定長度的導波管(50)，該導波管(50)係耦合至基準訊號源(54)且該導波管(50)係終止於一個末端(52)以便沿著其長度而建構駐波系統；以及位於沿著該導波管之長度的預定點之複數個耦合點(56)，每一個耦合點係耦合至個別之該射頻元件的該比較器。
2. 如申請專利範圍第1項所述之供移動式電信通訊網路用之主動天線陣列，其中，該導波管包括一段同軸電纜。
3. 如申請專利範圍第2項所述之供移動式電信通訊網路用之主動天線陣列，其中，該等耦合點各自包括電容性耦合埠(66)。
4. 如申請專利範圍第3項所述之供移動式電信通訊網路用之主動天線陣列，其中，每一個電容性耦合埠為可調整的(68)，以便調整與該同軸電纜之中心導體(70)的耦合係數。
5. 如申請專利範圍第2、3或4項所述之供移動式電 信通訊網路用之主動天線陣列，其中，該同軸電纜具有電介質填充物，其特性可被調整以改變該線中之輻射的波長。
6. 如申請專利範圍第1項所述之供移動式電信通訊網路用之主動天線陣列，其中，該等耦合點係間隔開一段等於或小於1λ的距離，其中，λ為在該基準訊號的在自由空間中的波長。
7. 如申請專利範圍第6項所述之供移動式電信通訊網路用之主動天線陣列，其中，該等耦合點係間隔開約0.9λ的距離，其中，λ為在自由空間中的波長。
8. 如申請專利範圍第1項所述之供移動式電信通訊網路用之主動天線陣列，其中，該導波管包括藉由可釋放之接頭(62、64)而互相連接之複數個預定長度的導波管區段(60)。
9. 如申請專利範圍第1項所述之供移動式電信通訊網路用之主動天線陣列，其中，每一個耦合點係位在該駐波系統中的電壓最大值或最小值處或鄰近於該駐波系統中的電壓最大值或最小值。
10. 如申請專利範圍第1項所述之供移動式電信通訊網路用之主動天線陣列，其中，該耦合點係與該終止之末端間隔開d=(Nλ+λ/4)的距離，其中，λ為該導波管中的波長。
11. 如申請專利範圍第1項所述之供移動式電信通訊網路用之主動天線陣列，其中，該終止之末端包括短路電 路。
12. 如申請專利範圍第1項所述之供移動式電信通訊網路用之主動天線陣列，其中，每一個耦合點係藉由一段導波管而被連接至該比較器，而該段導波管相較於該第一次提及之導波管的長度為短的。
13. 如申請專利範圍第1項所述之供移動式電信通訊網路用之主動天線陣列，其中，該陣列係二維的且包括另外之複數個導波管(114)，該複數個導波管(114)各自為如申請專利範圍第1項所述之導波管，其中，該另外之複數個導波管(114)的每一個導波管具有未被終止之耦合至該第一次提及的導波管之個別耦合點(112)的末端，該第一次提及的導波管延伸於與該另外之複數個導波管(114)之方向不同的方向上。
14. 如申請專利範圍第1項所述之供移動式電信通訊網路用之主動天線陣列，其中，該饋送配置包括：預定長度的第二導波管，其係終止於一個末端以便沿著其長度而建構駐波系統；以及複數個耦合點，在沿著該導波管之長度的預定點處，每一個耦合點係耦合至個別之該射頻元件的該比較器，其中，在該第一及第二導波管中的波具有預定的時間相位差。
15. 如申請專利範圍第1項所述之供移動式電信通訊網路用之主動天線陣列，其中，該導波管的耦合點係相關於該導波管之長度的中點而被對稱地排列。