TWI634759B - 在相位天線陣列中用以產生具有較寬波束寬度之波束場型的方法和裝置 - Google Patents

在相位天線陣列中用以產生具有較寬波束寬度之波束場型的方法和裝置 Download PDF

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Abstract

本發明提供波束賦型蜂巢系統中，引導波束方向以及使用相位天線陣列，形成方向性波束的波束寬度的方法以及裝置。相位天線陣列的N個天線元素應用有一組組合波束係數以引導波束之方向，以及形成期望寬度之波束寬度。特別地，除了原始常數相移數值，應用額外的相位調變以擴展波束到期望之寬度。應用有組合波束係數的相位天線陣列包含只有相移，不需要幅度調變，以及因此增加了波束賦型增益以及效率。

Description

在相位天線陣列中用以產生具有較寬波束寬度之波束場型的方法和裝置 【相關申請的交叉應用】
本申請依據35 U.S.C.§119，要求2016年5月11日遞交，申請號為62/334,475，標題為“在相位天線陣列中用以產生具有較寬波束寬度之波束場型的方法以及裝置(Methods and Apparatus for Generating Beam Pattern with Wider Beam Width in Phased Antenna Array)”之美國臨時申請之優先權，上述申請之標的在此組合作為參考。
所揭露實施例一般有關於無線通訊，以及更具體地，有關相位天線陣列(phased antenna array)中，產生具有較寬(wider)波束寬度(beam width)之波束場型(beam pattern)。
天線理論中，相位天線陣列通常意味著一個天線陣列，該天線陣列產生無線電波(radio wave)，該天線陣列可以不移動天線而被電子引導(steer)以指向不同方向。在相位天線陣列中，當前來自發送器的無線頻率，被送入到獨立的 天線中，該多個獨立天線具有正確(correct)相位關係，所以，來自分離天線的無線電波疊加在一起，增加了期望方向之輻射。在相位天線陣列中，透過被處理器控制的相移器(phase shifter)，來自發送器之功率送入到天線中，該處理器可以電子地改變相位，因此引導無線電波的波束到不同方向。
相位陣列天線可以形成窄(narrowly)聚焦波束。在最流行配置中，N個天線元素形成一個一致(uniform)線性陣列，具有一半(half)波長間隔(wavelength spacing)。從一個元素到另一個之常數(constant)相移，決定了波束指向的方向。波束寬度以及波束增益，為陣列配置的函數，包含：天線元素的數量N，相鄰元素的間隔，以及無線信號之載波頻率。一旦固定了配置，就決定了常數相移引導係數所形成之波束寬度。例如，波束寬度=103°/N。有時，期望以一個方式設定參數，這樣，波束寬度比這個傳統配置產生的較寬，例如，拓寬(broaden)波束的覆蓋範圍區域。在發送以及接收波束賦型中存在相同問題。
解決這個問題的簡單方式為只使用一個子集合的天線元素。使用天線元素的第一半，可能典型的形成二倍波束寬度的波束場型。但是，使用子集合天線元素可能降低發送功率。如果每一天線元素具有功率放大器，關閉天線元素意味著全部發送功率的降低。稍微複雜的方法為不只改變送入到天線元素的信號相位，也改變其幅度。跨天線元素的幅度有時候來自加窗函數(windowing function)，例如漢明窗(hamming window)。在送入到天線的信號幅度上應用加窗，需要每一個 天線元素具有一個功率放大器。幅度加窗實質上降低了陣列的發送/接收功率，以及不是高效的。
尋求解法。
在波束賦型蜂巢系統中，提出引導波束方向以及使用相位天線陣列形成方向性波束之波束寬度之方法。相位天線陣列的N個天線元素上應用一組組合波束參數，以引導波束方向，以及形成波束寬度到期望寬度。特別地，除了原始常數相移數值，應用額外相位調變以擴展波束到期望寬度。原始相移數值被稱作為波束引導係數，其為用於引導方向性波束的方向。額外相位調變被稱作為波束擴展係數，其被用於形成方向波束的寬度。相位天線陣列上應用有組合波束係數，只包含有相移，不需要幅度調變，以及因此增加了波束賦型增益以及效率。
在一個實施例中，在波束賦型蜂巢網路中，無線裝置在方向性波束上使用相位天線陣列而發送無線信號，該相位天線陣列具有N個天線元素。相鄰天線元素具有一距離d，以及N為正整數。該無線裝置應用多個相移數值到多個天線元素上，每一天線元素應用一組合波束係數的相移數值。每一組合波束係數包含波束引導係數，加上波束擴展係數。無線裝置，透過使用一處理器控制組合波束係數，引導方向性波束之方向，以及形成一個方向波束之波束寬度。該波束引導係數用於引導該方向性波束的方向，而該波束擴展係數用於形成該方向性波束的波束寬度。
下面詳細描述本發明的其他實施例以及有益效果。發明內容不用於限定本發明。本發明保護範圍以申請專利範圍為準。
100‧‧‧波束賦型蜂巢移動通信網路
101‧‧‧基地台
110‧‧‧發送器
102,103‧‧‧使用者設備
120‧‧‧專用波束
130‧‧‧控制波束
201‧‧‧無線裝置
211‧‧‧相位天線陣列
220‧‧‧波束控制電路
221‧‧‧波束引導電路
222‧‧‧波束形成電路
230‧‧‧收發器
231‧‧‧收發器模組
232‧‧‧基頻處理單元
233‧‧‧處理器
234‧‧‧記憶體
235‧‧‧程式指令以及資料
236‧‧‧多天線預編碼器碼書
300‧‧‧相位天線陣列
410‧‧‧虛線
420‧‧‧短劃線
430‧‧‧實線
501-503‧‧‧步驟
附圖中相同數字表示相似元件，用於說明本發明的實施例。
第1圖為根據一新穎方面，在波束賦型蜂巢移動通信網路中，具有相位天線陣列的無線裝置的示意圖，該相位天線陣列用於發送或者接收具有較寬波束寬度的方向性波束。
第2圖為根據本發明的實施例，基地台或者UE的簡化方塊示意圖。
第3圖為根據本發明的實施例，具有N個天線元素的相位天線陣列的發送器或者接收器，發送或者接收方向性波束的一個實施例的示意圖，其中每一天線元素應用有組合波束係數以引導波束方向以及形成方向性波束的寬度。
第4圖為透過與傳統波束形成相比，具有波束擴展的波束形成，以及具有矩形(rectangular)視窗的波束賦型的相位天線陣列的陣列增益以及方位(azimuth)角度的示意圖。
第5圖為根據一新穎方面，在波束賦型蜂巢系統中，使用相位天線陣列的方向性波束，引導波束方向以及形成波束寬度的方法流程圖。
下面詳細參考本發明的一些實施例，伴隨附圖介紹本發明的例子。
第1圖為根據一新穎方面，在波束賦型蜂巢移動通信網路100中，具有相位天線陣列的無線裝置的示意圖，該相位天線陣列用於發送或者接收具有較寬波束寬度的方向性波束。波束賦型蜂巢移動通信網路100包含一個基地台BS 101，以及第一使用者設備UE 102，以及第二使用者設備，UE 103。蜂巢網路使用具有窄波束的方向性通信，以及可以支援多G資料率。方向性通信透過波束賦型(beamforming)而達成，其中相位天線陣列，具有多個天線元素，被應用有多組(set)波束賦型權重(相移數值)以形成多個波束場型。
在第1圖的例子中，BS 101為方向性配置有一組粗略TX/RX控制波束以及一組TX/RX資料波束以伺服移動台，包含UE 102以及UE 103。典型的，控制波束的集合，覆蓋一個伺服細胞的整個伺服區域，以及其中每一控制波束具有較寬(wider)以及更短的空間覆蓋範圍，具有更小的陣列增益(array gain)。每一控制波束依次被一組專用資料波束覆蓋。專用資料波束的集合覆蓋一個控制波束的一個伺服區域，以及其中每一專用資料波束具有更窄以及更長空間覆蓋範圍，具有更大陣列增益。該組控制波束提供低速率控制信令，以方便專用資料波束上的高速率資料通信。相似的，UE 102以及UE 103可以應用波束賦型以形成多個波束場型以發送以及接收無線信號。
相位陣列天線可以形成窄聚焦波束。在一個最流行配置中，N個天線元素形成一個具有半波長間隔的一致線性陣列。從一個元素到下一個的常數相移，決定波束指向的方 向。波束寬度以及波束形成增益為陣列配置的函數，包含：天線元素的數量N，相鄰元素之間的間隔，以及無線信號的載波頻率。一旦固定了配置，就決定了常數相移引導係數所形成的波束寬度。例如，波束寬度=103°/N。有時候，以一個方式設定係數，這樣波束寬度比透過傳統配置而產生的較寬，例如，拓寬波束的覆蓋範圍區域。在發送以及接收波束賦型中發生相同問題。例如，期望BS 101配置有一組粗略控制波束，具有較寬波束寬度，所以，控制波束的集合可以覆蓋伺服細胞的全部伺服區域。
根據一新穎方面，提出在蜂巢波束賦型系統中，引導波束方向以及使用相位天線陣列形成方向性波束的波束寬度的方法。在第1圖的例子中，BS 101包含發送器TX 110，耦接到具有N個天線元素的相位天線陣列中，具有天線索引n=0,1,...N-1。N個天線元素形成一具有半波長間隔的一致線性陣列。N個天線元素應用有一組組合波束係數Φn，以引導波束方向以及形成期望寬度的波束寬度。特別地，除了原始常數相移數值φn，從一個天線元素到下一個天線元素，應用額外相位調變θn，以拓寬波束到期望寬度。原始相移數值φn被稱作波束引導係數，其用作引導波束方向。額外相位調變θn稱作波束擴展(expansion)係數。其用於形成波束的寬度。應用有組合波束係數Φn的相位天線陣列只包含相移，不需要幅度調變，以及因此增加了波束賦型增益以及效率。在一個例子中，應用有原始常數相移數值的天線陣列形成專用波束120，具有用於BS 101以及UE 102之間的資料通信的更窄波束寬 度。另一方面，應用有組合波束係數的天線陣列形成一個具有較寬波束寬度的控制波束130，其可以用於發送控制信令以及從BS 101到UE 102以及UE 103的系統資訊。
第2圖為實現本發明實施例的無線裝置201的簡化方塊示意圖。裝置201具有相位天線陣列211，具有發送以及接收無線信號的多個天線元素，收發器230，包含一個或者多個RF收發器模組231，以及基頻處理單元232，耦接到相位天線陣列，從天線211接收RF信號，將其轉換為基頻信號以及發送給處理器233。處理器233處理已接收基頻信號以及調用不同功能模組以及電路以實施BS201的功能。記憶體234存儲程式指令以及資料235以控制裝置201的運作。程式指令以及資料235，當被處理器233執行時，使能裝置201應用不同波束賦型權重到天線211的多個天線元素上以及形成不同的波束。
裝置201也包含多個功能模組以及電路，以根據本發明的實施例實施不同任務。功能模組以及電路可以透過硬體，韌體，軟體以及上述幾者的組合而實現以及配置。例如，裝置201包含波束控制電路220，其進一步包含波束方向引導電路221引導波束的方向，以及波束寬度形成電路222形成波束的波束寬度。波束控制電路220可以屬於RF鏈的一部分，該RF鏈應用多個波束賦型權重到天線211的多個天線元素上，以及因此形成多個波束。基於相位陣列互異性(reciprocity)或者通道互異性，相同的接收天線場型可以用於發送天線場型。在一個例子中，波束控制電路220應用額外相位調變到原 始相移數值上，以形成具有期望寬度的方向性波束場型。波束引導電路221應用原始相移數值，該原始相移數值形成一個方向性窄波束場型。波束形成電路222應用額外相位調變，該額外相位調變擴展窄波束場型到期望寬度。記憶體234存儲多天線預編碼器碼書236，基於參數化(parameterized)波束賦型權重，如波束控制電路220所產生。
第3圖為發送器或者接收器的一個實施例，其中，該發送器或者接收器具有N個天線元素的相位天線陣列300以發送或者接收一方向性波束，每一個天線元素應用有組合波束係數以引導波束方向，以及形成方向性波束的波束寬度。相位天線陣列300具有N個天線元素，索引為n=0,1,...N-1。在最流行配置中，N個天線元素形成一個一維一致線性陣列，具有半波長間隔。也就是說，每一個相鄰天線元素具有實體(physical)距離d=(1/2)λ。請注意，一維陣列可以容易擴展為二維陣列。N個天線元素應用一組組合波束係數Φn，以引導波束方向以及形成期望寬度的波束寬度。特別地，從一個天線元素到下一個天線元素除了原始常數相移數值φn，應用額外相位調變θn以擴展波束到期望寬度。
在第3圖的例子中，原始相移數值φn形成方向性窄波束場型以及決定該波束指向的一般方向。形成窄波束場型的原始相位調變項(term)的集合，稱作波束引導係數。在一個實施例中，φn=n*φs,，其中n為天線元素索引，以及φs為用於引導波束方向的參數。典型的，以弧度為單位φs具有一個在0到2π之間的一個數值。
額外相位調變項，θn將波束擴展到期望寬度。額外相位調變詞的集項，被稱作波束擴展係數。天線元素中每一個的波束擴展係數，從一個公式得到，該公式為天線元素的索引的函數，以及控制成形(shape)以及波束寬度的參數。在一個實施例中，θn=ε*|n-(N-1)/2|ρ，其中，n為天線元素索引，第一參數ε為用於形成專用波束的波束寬度，以及第二參數ρ用於控制方向性波束的通帶(passband)波紋(ripple)。典型的，參數ε的更大數值導致了較寬的波束寬度，以及ε=π大致加倍了ε=0的波束寬度。用於參數ρ的典型數值，設定為ρ=2。可以看出，額外相移數值θn，用於天線元素n，與天線元素n以及相位天線陣列的中點之間的距離以指數方式成比例。
組合波束係數給出如Φn=φn+θn。組合波束係數可以進一步根據處理器而量化，該處理器控制天線陣列。N元素天線陣列的波束賦型權重向量Φ=[Φ1,Φ2...ΦN]為Φn=n*φs+ε*|n-(N-1)/2|ρ。基於上述已參數化波束賦型權重設計，可以生成多天線預編碼器碼書以及存儲在無線裝置的記憶體中。碼書包含一組M個波束賦型加權向量[Φ 1,Φ 2...Φ M]，從有限數量參數[(φs,1,ε1，ρ1),(φs,2,ε2，ρ2)...(φs,M,εM，ρM)]而產生。M個波束賦型加權向量中的每一個表示與一個波束場型關聯的一個權重設計，該波束場型具有一個波束方向，一個形狀(shape)，以及一個寬度。換言之，存儲一有限組波束賦型權重之一多天線預編碼器碼書，其中該有限組波束賦型權重為基於該組合波束係數。
第4圖為透過比較傳輸的波束賦型，具有波束擴 展的波束賦型，以及具有舉行視窗的波束賦型的相位天線陣列，陣列增益以及方位(azimuth)角的示意圖。如第4圖所示，8個波束形成一個120度扇形區域，透過32元素天線陣列。水平(horizontal)軸表示方位(azimuth)角度，其與波束引導參數φs關聯。垂直軸表示天線陣列增加(dB)。虛線(dotted line)410表示傳統的波束賦型(beamforming)，只應用有波束引導係數，其創建了具有很大峰值增益的8個波束，但是也留下了很多區域沒有覆蓋。短劃線(Dashed line)420表示應用有相移調變以及幅度調變的波束形成(例如，跨天線元素的幅度為從矩形視窗函數得到)--峰值增益降低6dB，但是覆蓋範圍微微增加。實線430描述應用有組合波束係數，包含波束引導係數以及波束擴展係數的波束賦型(例如，具有擴展係數ε=1.125π以及ρ=2)--覆蓋範圍更加一致(uniform)，而峰值增益與幅度視窗波束賦型相同。
可以看出，應用有組合波束係數的波束賦型的好處如下：首先，波束場型的形成，可以調整為具有期望波束寬度，用於具有多個天線元素的相位天線陣列。第二，波束場型的波束寬度，可以透過只改變一些參數而調整。第三，相位天線陣列，應用有組合波束係數，只包含相移，不需要幅度調變，以及因此增加了波束賦型增益以及效率。
第5圖為根據一新穎方面，在波束賦型蜂巢系統中，使用相位天線陣列的方向性波束的，引導波束方向以及形成波束寬度的方法流程圖。步驟501中，在一波束賦型蜂巢系統中，在具有N個天線元素之一相位天線陣列上之一方向性波 束上，一無線裝置發送或者接收一無線信號。每一相鄰天線元素具有距離d，以及N為正整數。步驟502中，該無線裝置應用多個相移數值到該多個天線元素上，每一個天線元素應用有一具有組合波束係數之一相移數值。每一組合波束係數包含一波束引導係數，加上一波束擴展係數。步驟503中，該無線裝置引導該方向性波束之一方向以及透過處理器控制該組合波束係數，而形成該方向性波束之一波束寬度。
波束方向性係數φn用於引導方向性波束的方向，而波束擴展係數θn用於形成方向性波束的波束寬度。組合波束係數Φn=φn+θn。在一個實施例中，φn=n*φs，其中n為天線元素索引，以及φs為用於引導波束的方向的參數。典型的，φs具有以弧度為單位的範圍內0到2π之間的數值。θn=ε*|n-(N-1)/2|ρ,，其中，n為天線元素索引，第一參數ε用於形成方向性波束的波束寬度，以及第二參數ρ為用於控制方向性波束的通帶波紋。典型的，參數ε的更大數值指向較寬波束寬度，以及ε=π大致加倍ε=0的波束寬度。參數ρ的典型數值設定為ρ=2。
雖然結合特定實施例，用於說明目的描述本發明，本發明不以此為限。相應地，所屬領域習知技藝者在不脫離本發明精神範圍內可以隨所揭示的實施例多個特徵進行潤飾、修改以及組合，本發明保護範圍以申請專利範圍為準。

Claims (9)

  1. 一種用以產生波束場型之方法，包含：在一波束賦型蜂巢網路中，在使用具有N天線元素之一相位天線陣列之一方向性波束上，發送或者接收一無線信號，其中，相鄰天線元素具有一距離d，其中N為一正整數；應用多個相移數值到該多個天線元素上，其中每一天線元素應用一相移數值，該相移數值具有一組合波束係數，以及其中，每一組合波束係數包含一波束引導係數加上一波束擴展係數，其中，該波束擴展係數θn=ε*|n-(N-1)/2|ρ，其中n為一天線元素索引，其中ε為用於形成該方向性波束之該波束寬度之第一參數，ρ為用於控制該方向性波束之通帶波紋之第二參數；以及引導該方向性波束之一方向，以及透過一處理器控制該組合波束係數而形成該方向性波束之一波束寬度。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該距離等於該無線信號之一波長的一半。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該波束引導係數為用於引導該方向性波束之該方向。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之方法，其中，該波束引導係數φn=nφs，其中n為一天線元素索引，其中φs為0以及2π弧度之間之一數值。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該波束擴展係數用於形成該方向性波束之該波束寬度。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，更大ε導致較寬 波束寬度，以及其中ε=π大大致加倍了ε=0之該波束寬度。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該處理器不調整該N個天線元素之幅度，以最大化該相位天線陣列之一陣列增益。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之方法，進一步包含：存儲一有限組波束賦型權重之一多天線預編碼器碼書，其中，該有限組波束賦型權重為基於該組合波束係數。
  9. 一種用以產生波束場型之無線裝置，包含：一相位天線陣列，具有N天線元素，該相位天線陣列，用於在一波束賦型蜂巢網路中一方向性波束上，發送或者接收一無線信號，其中，相鄰天線元素具有一距離d，其中N為一正整數；多個相移器，該多個相移器耦接到該多個天線元素上，其中，每一天線元素被應用一相移，該相移具有一組合波束係數，以及其中，每一組合波束係數包含一波束引導係數加上一波束擴展係數，其中，該波束擴展係數θn=ε*|n-(N-1)/2|ρ，其中n為一天線元素索引，其中ε為用於形成該方向性波束之該波束寬度之第一參數，ρ為用於控制該方向性波束之通帶波紋之第二參數；以及一處理器，透過控制該組合波束係數以引導該方向性波束之一方向，以及形成一波束寬度。
TW106115264A 2016-05-11 2017-05-09 在相位天線陣列中用以產生具有較寬波束寬度之波束場型的方法和裝置 TWI634759B (zh)

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