TWI646732B - 由多埠次陣列及基頻信號處理器所組成的天線架構 - Google Patents

Abstract

傳統的天線概念，總認為極高增益的天線都伴隨著極窄波束的特性。然而窄波束將造成方向對準的困難，亦容易受到諸如強風、地震、或震動的影響，使天線難以對準，而造成通訊的中斷。天線系統若能同時有高增益及寬廣的角度涵蓋範圍，將可使天線對準問題變為容易，且較不受外在環境變化的影響。

欲同時獲得高增益及寬角度涵蓋範圍，傳統的單埠天線是做不到的。然而，現代的行動通訊系統，除了傳送想傳的數據之外，也同時會傳送指標信號(pilot signal)，以利估測即時的通道響應(channel response)及協助信號的偵測。另外，經由基帶端的信號處理，多埠的次陣列輸出信號可以有效的結合，使得想要的信號可以大大的增強。

本發明將利用指標信號的這種資源，提出多埠次陣列及基帶信號處理器所組成的新天線架構設計方法，可以同時得到高增益及寬角度涵蓋範圍的特性，本發明尤適用於毫米波頻帶天線的應用。

Description

由多埠次陣列及基頻信號處理器所組成的天線架構

本發明提出使用多埠次陣列及基帶信號處理器所組成的新天線架構設計，可以同時獲得高增益及寬角度涵蓋範圍的特性，該新架構可以解決傳統高增益天線對準困難及易受強風或震動影響而造成通信中斷的問題，本發明特別適用於毫米波段的天線應用。

傳統的天線為單埠(single port)，只有一個輸入/輸出，對於孔徑天線(aperture antenna)，孔徑愈大，天線增益愈高，其波束(beamwidth)也愈窄。以一維的陣列天線為例，若元素間距維為半波長，元素個數為N，則最大陣列增益(array factor)為N，3dB的波束約為弧度，因此元素個數愈多，增益愈大，波束愈窄，波束對準愈不容易，受外界環境擾動的影響也就愈大。

本發明提出一種新的天線架構，包括高頻(RF)端的多埠次陣列(Multi-port subarrays)部分及基帶端的信號處理器部分，新架構的示意圖如圖1所示。

假設有M個次陣列，每個次陣列由N個元素所組成，第m個次陣列對準到角度為α _m 的方向。欲對準到α _m 的方向，可藉由調整相鄰元素的相位差來達成，相鄰元素間相位差△Ψ的調整量與對準方向α _m 的關係式為△Ψ=kdcosα _m ，其中k=2π/λ，λ為波長，d為元素間的間距，相位差的量可藉由調整傳輸線的長度來達成，每個次陣列埠的輸出端經降頻器(down-converter,DC)降到基頻(baseband)，再經類比轉數位(A/D converter) 轉成數位訊號y _m ，各埠的數位訊號y _m 各自乘上自己的權重w _m 後相加，而得到整個天線的總輸出y _T ，其表示式為

假設有一平面波從Φ的方向入射該天線陣列，第m個次陣列的輸出訊號y _m 可表示成

下面將說明如何決定每個次陣列所要乘的權重係數w _m 。現今的無線通訊系統，除了傳送想送的信號(desired signal)之外，都會伴隨著傳送指標訊號(pilot signal)，接收機可以藉由指標信號通道(pilot channel)來量測或估測通道的狀態訊息(channel state information)，及做信息的偵測(detection)。因此，每個次陣列埠端的通道響應y _m (Φ)可以經由指標信號通道(pilot channel)來獲得，而第m個次陣列埠的權重w _m 可以定為

當所要傳送的信號為x時，天線的總輸出信號y _T (Φ)為

其中n _m 為第m次陣列埠端接收機的雜訊。

實際上，式(4)的信號結合方式及式(3)所定義的權重方式，即為傳統所稱的最大比例結合(maximum ratio combining,MRC)。假設每個次陣列埠端接收機的雜訊變異數(variance)皆為E{|n _m |²}=σ ²，則第m個埠端的訊雜比(signal to noise ratio)為SNR _m =|y _m (Φ)|²/σ ²，而整個天線系統的 訊雜比將為

亦即整個天線系統的訊雜比為各個次陣列埠端的雜訊比的總和。若使用圖1的次陣列方式，整個天線系統的天線增益場型(gain pattern)可變成

在本架構中，各天線元素所需的相位差Ψ _n =nkdcosα _m 可以藉由調整連結到各元素的傳輸線長度來達成，因此對整個天線系統的製作成本並沒有什麼增加。本系統尤其適合於毫米波段的應用，因為毫米波段波長小，增加天線元素的個數或次陣列的個數，對於天線尺寸大小的增加，不是一件大問題，然而在高增益的需求下，對準方位調整的方便性及對於外在擾動的容忍性，反而更是需要考慮的，本架構可以使天線的對準及對於抗拒外在環境擾動的要求大幅的降低。

100‧‧‧次陣列

110‧‧‧天線

120‧‧‧相位差傳輸線單元

130‧‧‧第二加法器

140‧‧‧降頻器

150‧‧‧權重乘法器單元

160‧‧‧第一加法器

M‧‧‧次陣列總數

N‧‧‧次陣列天線元素數量

△α‧‧‧相鄰次陣列的對準角度間距

△β‧‧‧涵蓋角度範圍

k=2π/λ‧‧‧為波數

d‧‧‧為元素之間的間隔

λ‧‧‧為波長

G_０‧‧‧天線系統的最低增益

ω _n ‧‧‧第n個次陣列的權重

圖1為本發明的由多埠次陣列及基帶信號處理器所組成的天線架構的一實施例，其可同時獲得高增益及寬角度涵蓋範圍。

圖2使用本發明設計之各次陣列增益範例。

圖3使用本發明設計之整體天線增益範例。

圖4使用本發明設計與傳統方法之增益比較。

為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，並參照附圖，對本發明進一步詳細說明。

如圖1所示，本發明的由多埠次陣列及基帶信號處理器所組成的天線架構具有多個次陣列100、多個降頻器140、多個權重乘法器單元150及一第一加法器160，各次陣列100均具有多個天線110、多個相位差傳輸線單元120、一第二加法器130及一次陣列輸出埠，其中，各天線110 均經由一相位差傳輸線單元120與第二加法器130的一輸入端耦接，且第二加法器130具有一輸出端以與該次陣列輸出埠耦接；各所述次陣列輸出埠均與一降頻器140的一輸入端耦接，各降頻器140均具有一輸出端以提供一次陣列輸出信號，各所述次陣列輸出信號均經一權重乘法器單元150乘上一權重值而產生一加權信號，且第一加法器160用以加總各所述加權信號而提供一整體天線輸出信號；所述多個次陣列110在一預定的角度範圍內有多個不同的對準方向，且每兩個相鄰次陣列110的增益場型均有重疊；以及各所述權重值係和一所述次陣列輸出埠在一指標信號通道量得的一通道響應的共軛複數成正比。

在圖1的的架構中，主要的設計參數包含：次陣列的個數M，每個次陣列的元素個數N，及每個次陣列的對準角度方位α_m；而這些參數又與設計需求相關，假設設計需求定義為：在某個角度範圍β₀內，天線系統的最低增益為G₀。在次陣列的對準角度方面，假設相鄰對準角度的角度差都是相同，皆為△α，因此我們要決定的參數為(M,N,△α)

每一個次陣列的增益場型為

由(7)式，可知每個次陣列的最大增益為N，由式(6)亦可知整個天線在各方向的增益場型為各個次陣列增益場型的總和。如果元素間距d=^λ/₂，則次陣列的零點到零點的波束寬(null-to-null beamwidth)，3dB的波束寬約為△Φ3dBsin^-1 ，當電波來向Φ愈遠離α_m，第m個次陣列的增益會越小，如果相鄰次陣列對準角度的間距△α愈大，則天線的總增益增加幅度較為有限，因為角度距離愈遠的次陣列，其方向增益的貢獻度愈小。反之，若△α愈小，總增益會增加的較多。根據這種特性，我們提出如下的設計法則：設計目標：在△β的角度範圍內，天線的總增益要大於G₀。

設計步驟

步驟1：決定各次陣列的天線個數N

方法：令N

步驟2：決定相鄰次陣列的對準角度間距△α

方法：令(假設)

步驟3：決定次陣列的數量M

方法：令

依據上面的設計步驟，可以證明所設計出來的次陣列架構可以滿足設計目標的要求。

範例說明及模擬結果： 假設我們要設計一天線系統，其主方向為90°，在90°±10°，亦即△β=20°的範圍內，整個陣列的總增益都要大於24，亦即G₀=24。

依據前述的設計準則，各參數值的決定如下：

各次陣列的對準方向分別為：α₁=80.5°,α₂=82.89°,α₃=85.28°,α₄=87.67°,α₅=92.45°,α₆=94.84°,α₇=97.23°,α₈=99.62°,其中我們忽略了α=90.06°的次陣列，因為鄰近次陣列的方向增益貢獻度已經足夠。依據以上的參數，各個次陣列的增益場型，整個天線的總增益場型，分別示於圖2和圖3，圖2顯示各次陣列有不同的對準方向，圖3顯示整個天線的增益在20°的範圍內都高於24。

我們將本架構所得的場型與數種不同元素個數的單埠陣列 天線的場型相比較，所使用的參數列於表1，場型的模擬結果則示於圖4，圖4顯示當單埠陣列的元素個數越多其增益愈大，波束寬愈窄，而本發明的架構，則可以同時獲得高增益及寬廣角度範圍。

上面次陣列對準方向雖然是用調整相鄰天線元素相位差，並用調整傳輸線長度來達成，但是也可以令各個次陣列天線的主波束方向都與天線面垂直(broadside)，我們可以調整天線面的垂直方向，使其朝向擬對準的方向。本發明中所謂的次陣列，亦可推廣至孔徑天線(aperture antenna)，如號角型天線，每個號角型天線有一埠端，各號角天線對準到不同方向，其工作原理與訊號處理方式都與前面所述相同。

Claims (2)

1. 本發明所提新的架構設計，申請專利範圍包括：一種由多埠次陣列及基頻信號處理器所組成的天線架構，其具有M個次陣列、M個降頻器、M個權重乘法器單元及一第一加法器，各所述次陣列均具有N個天線、N個相位差傳輸線單元、一第二加法器及一次陣列輸出埠，M和N均為正整數，其中，各所述天線均經由一所述相位差傳輸線單元與該第二加法器的一輸入端耦接，且該第二加法器具有一輸出端以與該次陣列輸出埠耦接；各所述次陣列輸出埠均與一所述降頻器的一輸入端耦接，各所述降頻器均具有一輸出端以提供一次陣列輸出信號，各所述次陣列輸出信號均經一所述權重乘法器單元乘上一權重值w _m (Φ)而產生一加權信號，m為介於1至M之間的正整數，Φ為一平面波的入射方向，且該第一加法器用以加總各所述加權信號而提供一整體天線輸出信號，其特徵在於：所述M個次陣列在一預定的角度範圍內有M個不同的對準方向；以及所述權重值w _m (Φ)係由一所述次陣列輸出埠在一指標信號通道量得的一通道響應的共軛複數y _m ^*(Φ)的一線性公式決定，m為介於1至M之間的正整數，且該線性公式為

   

   ，其中

   

   為M個所述次陣列輸出埠的通道響應的大小的平方和的平方根。
2. 如申請專利範圍第1項所述之由多埠次陣列及基頻信號處理器所組成的天線架構，其中，各所述次陣列包含與主波束方向相垂直的橫列陣列或孔徑天線，且所述孔徑天線包含號角型天線。