TWI652857B - 於毫米波無線電模組中操作相控陣列天線之技術 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種用於操作複數個輻射元件之方法及裝置。在一態樣中，該方法包括量測該複數個輻射元件之各者之一相位及一增益；基於一各自輻射元件之該所量測相位及該所量測增益針對該複數個輻射元件之各者判定一饋入增益及一饋入相位；及基於該所判定饋入增益及該饋入相位獨立地設定該複數個輻射元件之各者。

Description

於毫米波無線電模組中操作相控陣列天線之技術 【相關申請案之交叉參考】
本申請案主張2013年7月8日申請之美國臨時申請案第61/843,741號之權利。
本發明大體上係關於毫米波射頻(RF)系統且特定言之係關於在此等無線電模組中操作允許高效信號傳播之相控陣列天線。
60GHz之頻帶係以大量頻寬及一較大之全世界範圍內的重疊為特徵之一未授權頻帶。大頻寬意謂可無線傳輸容量極其高之資訊。因此，可開發多種應用(各要求傳輸大量資料)以允許60GHz頻帶附近之無線通信。此等應用之實例包含(但不限於)無線高清晰度TV(HDTV)、無線對接站、無線十億位元乙太網路及許多其他實例。
為促進此等應用，需要開發積體電路(IC)(諸如放大器、混頻器、射頻(RF)類比電路)及在60GHz之頻率範圍中操作之主動天線。一RF系統通常包括主動模組及被動模組。主動模組(例如，一相控陣列天線)需要控制信號及電源信號來進行其等之操作，被動模組(例如，濾波器)不需要控制信號及電源信號。各種模組係製造且封裝為可組裝於一印刷電路板(PCB)上之射頻積體電路(RFIC)。RFIC封裝之大小可具有自若干平方毫米至幾百平方毫米之範圍。
在消費型電子器件市場中，電子器件之設計及(因此)整合於其中之RF模組之設計應符合最小成本、大小、功率消耗及重量之約束。RF模組之設計亦應考量電子器件(及尤其手持器件，諸如膝上型電腦及平板電腦)之當前組裝組態以便實現毫米波信號之高效發射及接收。此外，RF模組之設計應考慮接收及發射RF信號之最小功率損耗及最大無線電覆蓋範圍。
在圖1中展示經設計以用於毫米波信號之發射及接收之一RF模組100之一示意圖。RF模組100包含連接至一RF電路或IC 120之主動天線110-1至110-N之一陣列。主動天線110-1至110-N之各者可操作為發射(TX)天線及/或接收(RX)天線。一主動天線可經控制以在一特定方向上接收/發射無線電信號，執行波束成型，及自接收模式切換至發射模式。舉例而言，一主動天線可為一相控陣列天線，其中可個別地且獨立地控制各輻射元件以實現波束成型技術之使用。
在發射模式中，RF電路120通常使用一混頻器(未在圖1中展示)執行升頻轉換以將中頻(IF)信號轉換為射頻(RF)信號。接著，RF電路120根據控制信號透過TX天線發射RF信號。在接收模式中，RF電路120透過主動RX天線接收RF信號且使用一混頻器執行至使用本地振盪器(LO)信號之IF信號之降頻轉換且將IF信號發送至一基頻模組(未在圖1中展示)。
在接收及發射兩個模式中，藉由基頻模組使用一控制信號控制RF電路120之操作。控制信號用於諸如增益控制、RX/TX切換、功率位準控制、波束操控操作等之功能。在某些組態中，基頻模組亦產生LO信號及電源信號且將此等信號傳送至RF電路120。電源信號係為RF電路120之各種組件供電之DC電壓信號。通常，亦在基頻模組與RF電路120之間傳送IF信號。
在常見設計技術中，主動天線110-1至110-N之陣列實施於其上亦 安裝RF電路120之IC之基板上。一IC係製造於一多層基板及在各種層之間進行連接之金屬通孔上。多層基板可為金屬及介電層之一組合且可由諸如層壓材料(例如，FR4玻璃環氧樹脂、雙馬來醯亞胺-三嗪)、陶瓷(例如，低溫共燒陶瓷LTCC)、聚合物(例如，聚酰亞胺)、基於PTFE(聚四氟乙烯)之組合物(例如，PTFE/陶瓷、PTFE/玻璃纖維織物)之材料及玻璃織物增強材料(例如，玻璃織物增強樹脂)、晶圓級封裝及其他封裝、技術及材料製成。多層基板之成本依據層之面積而定；層之面積愈大，基板之成本愈高。
通常藉由在一多層基板中具有金屬型樣來實施主動天線110-1至110-N之陣列之天線元件。各天線元件可利用若干基板層。在用於毫米波通信之習知實施方案中，天線元件經設計以佔據多層基板側之一單側。此經執行從而允許天線輻射適當地傳播。
在RF系統之習知設計中，主動天線110-1至110-N係相控陣列。相控陣列天線提供將許多天線元件之波束集中於一特定方向上之能力。即，相控陣列天線猶如其等係一單天線般起作用。
通常使用將來自所有天線元件之饋入結合為一單饋入之一加法器組件執行相控陣列天線元件之間的連接。加法器組件可在沿著饋入之各種位置中運行。自基頻至RF模組之饋入路徑如同沿著饋入路徑之信號頻率可自IF頻率改變為RF頻率。
相控陣列之一習知實施方案通常包含相同天線元件之一陣列。藉由調整天線元件之饋入以與剩餘的天線元件協調之一可調整控制來獨立地控制各天線元件。因此，全部波束集中於一特定方向上或產生一特定波束形狀。
由於天線元件相同，故已知可調整控制對於各元件饋入之獨立相位控制而言係最佳。
如在圖2中展示，習知相控陣列天線使用相同元件210-1至210- 4(在下文中個別地稱為一元件210或統稱為元件210)。傳播信號之方向針對各元件210產生大約相同的增益，而元件210之相位係不同的。
在極高頻中(例如，在3GHz與300GHz之間)，使用與在低頻中相同之原理實施習知相控陣列天線。
對特高頻存在一基本限制以產生具有一接近全向輻射場型之一天線元件。此意謂一習知相控陣列天線之各元件以一窄波束寬度為特徵。舉例而言，具有大於4dBi之一貼片天線元件或具有大於2dBi之一偶極地上元件可能無法良好集中。具有帶有10log(N)+5dBi增益之N個相同元件之一習知相控陣列天線與可經組態以良好集中於個別5dBi之元件型樣內之一相控陣列有關聯。
高頻繞射波比低頻傳輸引入更多損耗。因此，在所有方向上高效發射之能力係在高頻中操作之天線陣列之一重要設計準則。因此，相控陣列天線之習知設計對於以(例如)60GHz頻帶發射毫米波信號而言係低效的。
因此，提供改良相控陣列天線之操作之一解決方案將係有利的。
本發明之若干實例態樣之一總結如下。提供此總結以方便為讀者提供對此等態樣之一基本理解且並不完全界定本發明之範圍。此總結並非所有預期態樣之一廣泛概觀，且並不旨在識別所有態樣之主要或關鍵元素亦不旨在描繪任意態樣或所有態樣之範疇。其唯一目的係以一簡化形式呈現一或多個態樣之一些概念以作為隨後呈現之更詳細描述之一前序。為方便起見，術語一些態樣可在本文中用於指代本發明之一單一態樣或多個態樣。
本發明在各種態樣中係關於一種用於操作複數個輻射元件之方法。在一些實施方案中，該方法包含：量測該複數個輻射元件之各者 之一相位及一增益；基於一各自輻射元件之該所量測相位及該所量測增益針對該複數個輻射元件之各者判定一饋入增益及一饋入相位；及基於該所判定饋入增益及該饋入相位獨立地設定該複數個輻射元件之各者。
本發明在各種態樣中進一步係關於一種經組態以用於通信之裝置。該裝置包括：複數個輻射元件；及一處理系統，其經組態以：量測該複數個輻射元件之各者之一相位及一增益；基於一各自輻射元件之該所量測相位及增益針對該複數個輻射元件之各者判定一饋入增益及一饋入相位；及基於該所判定饋入增益及該饋入相位獨立地設定該複數個輻射元件之各者之該饋入增益及該饋入相位。
本發明之各種態樣亦提供一種用於操作複數個輻射元件之裝置。該裝置包括：用於量測該複數個輻射元件之各者之一相位及一增益之構件；用於基於一各自輻射元件之該所量測相位及該所量測增益針對該複數個輻射元件之各者判定一饋入增益及一饋入相位之構件；及用於基於該所判定饋入增益及該饋入相位獨立地設定該複數個輻射元件之各者之構件。
本發明之各種態樣進一步提供一種存取終端，其包括：複數個輻射元件；一處理系統，其經組態以：量測該複數個輻射元件之各者之一相位及一增益；基於一各自輻射元件之該所量測相位及該所量測增益針對該複數個輻射元件之各者判定一饋入增益及一饋入相位；相對於該所判定饋入增益及該饋入相位獨立地設定該複數個輻射元件之各者；及一發射器，其經組態以經由該等設定輻射元件發射信號。
本發明之各種態樣進一步提供一種電腦程式產品，其包括：一電腦可讀媒體。該電腦可讀媒體包含指令，其等可經執行以量測該複數個輻射元件之各者之一相位及一增益；基於一各自輻射元件之該所量測相位及該所量測增益針對該複數個輻射元件之各者判定一饋入增 益及一饋入相位；基於該所判定饋入增益及該饋入相位獨立地設定該複數個輻射元件之各者。
100‧‧‧射頻(RF)模組
110-1‧‧‧主動天線
110-2‧‧‧主動天線
110-3‧‧‧主動天線
110-N‧‧‧主動天線
120‧‧‧射頻(RF)電路/積體電路(IC)
210-1‧‧‧元件
210-2‧‧‧元件
210-3‧‧‧元件
210-4‧‧‧元件
300‧‧‧射頻(RF)模組/模組
301‧‧‧射頻(RF)模組之側
302‧‧‧射頻(RF)模組之側
303‧‧‧射頻(RF)模組之側
304‧‧‧射頻(RF)模組之側
305‧‧‧上表面/向上方向
306‧‧‧下表面/向下方向
310‧‧‧多層基板/基板/天線子陣列
320‧‧‧射頻(RF)電路
330‧‧‧離散電子組件
411‧‧‧前層
412‧‧‧中層
413‧‧‧中層
414‧‧‧中層
415‧‧‧中層
416‧‧‧後層
417‧‧‧接地層
418‧‧‧接地層
421‧‧‧天線子陣列
422‧‧‧天線子陣列
423‧‧‧天線子陣列
424‧‧‧天線子陣列
425‧‧‧天線子陣列
426‧‧‧天線子陣列
440‧‧‧射頻電路(RFIC)
450‧‧‧離散電子組件/RF電路組件
500‧‧‧相控陣列天線/天線
510-1‧‧‧輻射元件
510-2‧‧‧輻射元件
510-N‧‧‧輻射元件
520-1‧‧‧低雜訊放大器(LNA)
520-2‧‧‧低雜訊放大器(LNA)
520-N‧‧‧低雜訊放大器(LNA)
525-1‧‧‧移相器
525-2‧‧‧移相器
525-N‧‧‧移相器
540-1‧‧‧功率放大器(PA)
540-2‧‧‧功率放大器(PA)
540-N‧‧‧功率放大器(PA)
545-1‧‧‧移相器
545-2‧‧‧移相器
545-N‧‧‧移相器
550‧‧‧加法器組件
570‧‧‧處理系統/控制器
600‧‧‧流程圖
S610‧‧‧步驟
S620‧‧‧步驟
S630‧‧‧步驟
S640‧‧‧步驟
S650‧‧‧步驟
A1‧‧‧饋入增益
A2‧‧‧饋入增益
AN‧‧‧饋入增益
d‧‧‧物理方向
θ1‧‧‧饋入相位
θ2‧‧‧饋入相位
θN‧‧‧饋入相位
在說明書之結論處之申請專利範圍中特別指出且清楚主張本文中揭示之標的。將自結合隨附圖式之以下詳細描述明白在本文中揭示之態樣之前述及其他目標、特徵及優勢。
圖1係圖解說明具有主動天線之一陣列之一RF模組之一圖式。
圖2係圖解說明在相控陣列天線之一習知實施方案中之信號傳播之一圖式。
圖3係圖解說明根據一態樣建構之一RFIC之一輻射場型之一圖式。
圖4係圖解說明根據一態樣之天線陣列之配置之RFIC之一橫截面視圖。
圖5係用於描述各種所揭示態樣之相控陣列天線之一示意圖。
圖6係圖解說明利用根據一態樣之不同元件之可調整饋入增益之一流程圖。
在下文中描述本發明之各種態樣。應明白，本文中之教示可體現為各式各樣之形式且在本文中揭示之任意特定結構、功能或其等二者僅係代表性的。基於本文中之教示，熟習此項技術者應暸解，可獨立於任意其他態樣實施在本文中揭示之一態樣且可以各種方式組合兩個或兩個以上此等態樣。舉例而言，可使用在本文中陳述之任意數目個態樣實施一裝置或實踐一方法。另外，可使用其他結構、功能性或除在本文中陳述之一或多個態樣以外或取而代之的結構及功能性實施此一裝置或實踐此一方法。此外，可藉由一技術方案之一或多個元素體現在本文中揭示之任意態樣。
作為上文之一實例，在一些態樣中，用於操作一相控陣列天線之一方法可包括量測相控陣列天線之複數個輻射元件之各者之一相位及一增益，基於一各自輻射元件之所量測相位及增益針對複數個輻射元件之各者判定一饋入增益及一饋入相位及獨立地設定相控陣列天線之複數個輻射元件之各者之饋入增益及饋入相位。另外，在一些態樣中，相控陣列天線之複數個輻射元件之各者皆不同。
所揭示之態樣係在本文中呈現之創新教示之許多可行的有利用途及實施方案之實例。一般言之，在申請案之說明書中作出之陳述未必限制各種所揭示態樣之任意者。再者，一些陳述可應用於一些發明特徵但不可應用於其他發明特徵。一般言之，除非另外指示，在不損失普遍性之情況下單數元件可為複數且反之亦然。在圖式中，遍及若干視圖中之相似數字指代相似零件。
提出之態樣藉由控制一天線陣列之不同天線元件來避免用於操作相控陣列天線之先前技術解決方案之缺點。此等態樣藉由進一步定制應用於各獨立元件之方向及功率而允許下伏不等陣列之高效效能。
根據在本文中揭示之各種態樣，一天線陣列之不同天線元件經獨立操作以在具有各種極化之所有方向上提供良好覆蓋範圍。所揭示技術可用於具有由複數個子陣列構成之主動天線之一陣列之一RF模組中。
圖3示意性地圖解說明可用於實行所揭示態樣之一RF模組300之輻射場型。RF模組300封裝至少六個天線子陣列(未在圖3中標記)、一RF電路(例如，呈一積體電路之一形式)320及離散電子組件330，所有此等皆製造於RF模組300之一多層基板310上。形成模組300之主動天線陣列之天線子陣列經設計以接收及發射自RF模組300之四個側301、302、303及304傳播之毫米波信號。另外，信號可向上傳播穿過RF模組300之上表面305及向下傳播穿過RF模組300之下表面306。
在一組態中，RF模組300安裝於電子器件中以提供具有60GHz頻帶之毫米波應用。此等應用之實例包含(但不限於)無線對接、無線視訊傳輸、至儲存電器之無線連接及類似物。該等電子器件可包含(例如)智慧型電話、行動電話、平板電腦、存取點、存取終端、存取閘道器、電子資訊站、膝上型電腦及類似物。
根據一實施方案，可藉由RF電路320獨立地控制各天線子陣列310中之各元件。此控制(如在下文進一步詳細討論)經執行以在具有各種極化之所有方向上提供良好覆蓋範圍。因此，可透過RF模組300中之六個天線子陣列之任意組合接收及/或發射信號。因此，可自任意方向組合接收此等信號。舉例而言，需要在基板310之上層及下層二者中之天線子陣列以容許透過向上及向下方向接收及發射信號等等。如將在下文中描述，在天線子陣列之任意者中之各輻射元件可經獨立控制以進一步改良及最佳化模組300中之天線陣列。應注意，各天線子陣列經組態以發射及接收毫米波信號。在一態樣中，各天線子陣列經組態而以60GHz頻帶發射及接收無線電信號。
圖4展示圖解說明根據一態樣之天線陣列之配置之RF模組300之一橫截面圖400。如在圖4中圖解說明，RF模組300之多層基板310含有六個天線子陣列421、422、423、424、425及426，其等包括該模組之主動天線陣列且實施於多層基板310之不同層上。樣本多層基板310包含8個層411至418。各此層包含具有介電質、金屬及半導體材料之黏附至彼此之子層。
特定言之，天線子陣列421實施(例如，印刷或製造)於基板310之一前層411上且在一向上方向(305)上輻射。天線子陣列422實施於基板310之一後層416中且在一向下方向(306)上輻射。天線子陣列423、424、425及426實施於基板310之任意中層412、413、414及415中。
在一態樣中，天線子陣列423、424、425及426之各者實施於中 層412、413、414及415之一不同層處。在另一態樣中，天線子陣列423、424、425及426之兩者或兩者以上可共用中層412、413、414及415之相同層。在一樣本組態中，天線子陣列423、424、425及426分別輻射穿過RF模組300之側301、302、303及304。
在圖4中展示之示意圖中，層417及418係RF模組300之接地層。在一態樣中，所有天線子陣列共用接地層417及418。接地層之此共用容許RF模組300維持一緊湊堆疊並縮短垂直信號路由，藉此降低貫穿各種天線陣列之信號損耗。
天線子陣列421、422、423、424、425及426之各者可為一主動天線，諸如一相控陣列天線，其中可獨立地控制各輻射元件以實現波束成型技術之使用。另外，主動天線可為一相控陣列天線，其中可個別地且獨立地控制各輻射元件以實現波束成型技術之使用。在一特定態樣中，天線子陣列421、422、423、424、425及426之各者可用於在60GHz頻帶中接收及發射毫米波信號。如將在下文中詳細描述，「側」天線子陣列423、424、425及426之輻射元件通常不同於前層及後層(411、416)之天線子陣列421及422之輻射元件而建構。
如在圖4中描繪，RF電路(RFIC)440及離散電子組件450亦可實施於多層基板310上。RF電路440通常使用一混頻器(未在圖1中展示)執行升頻轉換以將中頻(IF)信號轉換為射頻(RF)信號。接著，RF電路440根據控制信號之控制透過TX天線發射RF信號。
在接收模式中，RF電路440透過主動RX天線接收RF信號且使用一混頻器執行至使用本地振盪器(LO)信號之IF信號之降頻轉換且將IF信號發送至一基頻模組。另外，根據一態樣，RF電路440可彼此獨立地控制天線子陣列421、422、423、424、425及426。此獨立控制允許達成在一特定方向上之較高天線分集及最佳覆蓋範圍。
作為一非限制實例，RF電路440可開啟天線子陣列421同時關斷 其他天線陣列及/或開啟側天線陣列等。應注意，除獨立地控制各天線子陣列以外，亦可獨立地控制各天線子陣列中之輻射元件。RF電路440亦控制各天線之相位以便建立對於相控陣列天線之波束成型操作。
離散電子組件450包含上文描述之組件。在一態樣中，RF電路440組件450封裝於RF模組300之一金屬屏蔽(未展示)內。金屬屏蔽黏附至前層411，使得RF電路440組件450亦安裝於前層上。應暸解，天線子陣列421至426之配置在不增大一毫米波RF模組之面積之情況下實現該RF模組中之天線之數目及(因此)主動天線陣列之大小之最大化。因此，在以此一配置為特徵之態樣中，儘管天線數目有所增加，然RF模組之面積可保持最小。
圖5係用於描述各種所揭示態樣之一相控陣列天線500之一圖式。在一態樣中，天線500可為在上文中關於圖4討論之天線子陣列421至426之任意者。在另一態樣中，天線500可含有六個子陣列之一或多者，藉此充當RF模組之一主動天線陣列。
相控陣列天線500包含N數目個輻射元件510-1至510-N，其等之各者經設計以(例如)在60GHz頻帶上接收及發射毫米波信號。應注意，可使用不同類型之天線元件建構形成天線500之不同子陣列421至426以及輻射元件510-1至510-N。舉例而言，一第一組輻射元件可為偶極，而一第二組輻射元件可為八木-宇田(Yagi-Uda)。
在接收方向上，輻射元件510-1至510-N之各者分別連接至一LNA 520-1至520-N(在下文中統稱為LNA 520或個別稱為一低雜訊放大器(LNA)520，此係僅為簡明起見且不限制所揭示態樣)及一移相器525-1至525-N(在下文中統稱為移相器525或個別稱為一移相器525，此係僅為簡明起見且不限制所揭示態樣)，且進一步連接至加總所接收信號之一加法器組件550。
在發射方向上，輻射元件510-1至510-N之各者分別連接至一功率放大器(PA)540-1至540-N(在下文中統稱為功率放大器540或個別稱為一功率放大器540，此係僅為簡明起見且不限制所揭示態樣)且連接至一移相器545-1至545-N(在下文中統稱為移相器545或個別稱為一移相器545)，且進一步連接至將一進入RF信號分配至輻射元件之一分配器560。
根據所揭示態樣，在接收或發射信號期間個別地或獨立地控制各移相器525或545之相位θi。另外，在接收或發射信號期間獨立地控制LNA 520或PA 540之各者之增益Ai。因此，根據所揭示態樣，個別地控制至元件之信號饋入之增益及相位(Ai；θi,i=1,...,N)，藉此最佳化相控陣列天線500在所有方向及所有極化上之效能。
在一態樣中，藉由一處理系統570控制可控制組件(即，放大器520及540及移相器525及545)。處理系統570經組態以藉由調整元件510之饋入增益及相位而操作天線500。在下文中參考圖6更詳細地討論依據方向及極化控制增益及相位(Ai；θi)之各種態樣及其他實施方案相依態樣。
處理系統570可包括或可為使用一或多個處理器實施之一較大處理系統之一組件。可使用以下之任意組合實施一或多個處理器：通用微處理器、微控制器、數位信號處理器(DSP)、場可程式化閘陣列(FPGA)、可程式化邏輯器件(PLD)、控制器、狀態機、閘控邏輯、離散硬體組件、專屬硬體有限狀態機或可執行資訊之計算或其他操縱之任意其他合適實體。
處理系統570亦可包含用於儲存軟體之機器可讀媒體。软体應廣義地解釋為意謂任意類型之指令，無論稱為軟體、韌體、中間體、微程式碼、硬體描述語言或其他。指令可包含程式碼(例如，以原始碼格式、二進制碼格式、可執行碼格式或任意其他合適碼格式)。在藉 由一或多個處理器執行時，該等指令致使處理系統執行在本文中描述之各種功能。
在一態樣中，處理系統570可整合於RF電路(例如，圖4之RF電路440)中。在另一態樣中，處理系統570可為一基頻模組(未展示)之部分。
在某些態樣中，輻射元件510-1至510-N係基於平衡饋入天線，諸如偶極天線或八木-宇田(Yagi-Uda)天線。通常，平衡饋入天線耦合至自待發射之一輸入信號產生平衡(差分)信號之一「平衡-不平衡轉換器」元件。接收操作係互易的，即，天線產生平衡信號，其等經由平衡至不平衡轉變而組合為一單線。
根據所揭示態樣，移相器525及545可經設定以執行平衡-不平衡轉換器功能。即，移相器525及545可經設定以藉由設定天線元件之兩個饋入(未在圖5中展示)之間的一180度相位差而產生平衡差分信號。特定言之，當需要一平衡-不平衡轉換器功能時，一第一饋入之相位饋入設定為θi同時另一饋入之相位饋入設定為θi+180°。應暸解，在此態樣中，不需要一明確平衡-不平衡轉換器來作為RF模組設計之部分。
圖6係圖解說明根據一態樣之操作相控陣列天線500之一方法之一流程圖600。該方法調整不同且不平衡之輻射元件之饋入增益及相位。
在S610中，量測各輻射元件510之增益Gi及相位Φi。在一態樣中，在一波束成型程序期間執行該量測。為量測增益Gi及相位Φi，一發射器連續發射一(重複序列)信號至具有待控制之相控陣列天線(例如，天線500)之接收器。可依據通信鏈路之另一側之物理方向D及極化量測增益Gi及相位Φi。物理方向D及極化歸因於發射器或接收器中之移動及旋轉而變化。
接收器開啟一輻射元件(例如，元件510-1)且關閉其他輻射元件(例如，510-2至510N)。此係針對各輻射元件而執行。對於開啟之各元件，接收器量測所接收信號之相位及振幅。所量測之資訊充當各自元件之增益Gi及相位Φi。在一態樣中，針對所有元件所量測之增益Gi及相位Φi保存於控制器570中。另外，此等量測亦可發送至發射器。
在2010年5月20日核准及發表之IEEE 802.11ad標準(亦稱為WiGi)之PHY/MAC規範中亦討論用於量測增益Gi及相位Φi之一樣本程序。在一態樣中，增益Gi及相位Φi用於在接收或發射信號期間控制各自元件之饋入。
在S620中，選擇兩個可組態參數α及β。參數α及β用於計算饋入增益及相位Ai及θi，其與所量測之天線增益Gi及相位Φi成比例。在一態樣中，隨機選擇α及β之值。在另一態樣中，α及β之值經判定以最小化相位量化誤差。通常，波束操控之精確性及輻射場型之其他性質取決於輻射元件之相位饋入。相位量化誤差影響相位饋入，且減少此誤差容許改良天線效能。
在一態樣中，α及β值經設定為一系列預組態值，且量測相位量化誤差。選擇提供最小誤差之該組α及β值。
在S630中，基於參數及所量測之天線增益及相位(Gi；Φi，i=1,..,N)個別地判定針對各輻射元件之饋入增益及相位(Ai；θi，i=1,...,N)。在一態樣中，使用可組態參數α及β判定饋入增益及相位。
在一態樣中，個別元件饋入增益及相位值Ai；θi可經判定為與針對該陣列之饋入增益及相位成比例。在一態樣中，可依據方向判定陣列饋入增益Ai及相位θi之最佳值。可(例如)使用預定方程式(諸如方程式1及2)完成此判定，如在下文展示：Ai=αGi 方程式1
θi=-Φi+β 方程式2 Gi、Φi、α及β如上定義。
就發射器中之最大功率效率及接收器處之最小雜訊而言，使用上文中展示之方程式1及2計算之饋入增益及相位提供一最佳指派。在一態樣中，可藉由以下不等式觀察相位： 在θi=-Φi+β時，方程式3達到相等。
可使用以下方程式判定設定Ai及θi之值之另一態樣：
若Ai=αGi，則方程式4達到相等。在一態樣中，使用方程式3或方程式4設定陣列增益最小化旁波瓣。在另一態樣中，可藉由(例如)非凸性最佳化演算法最小化輻射元件之旁波瓣。此等演算法可最大化所需方向之增益同時最小化其他方向或使其他特定方向無效。因為輻射元件(510)不同且因此其等各自增益Gi值不同，故非凸性最佳化及類似演算法之操作係有效的。另外，饋入增益Ai經獨立控制。
在另一態樣中，饋入增益Ai及相位θi之值可判定為最接近最佳值之可能值。可基於以下判定θi之最接近之可能最佳值：
可如下判定Ai之最接近之可能最佳值： 在一態樣中，一蒙特卡羅(Monte-Carlo)法或竭盡式搜尋可用於解答方程式5、方程式6或該等二者。
在此一態樣中，若所實施之控制低效或無法達成饋入增益Ai及相位θi之最佳值，則饋入增益Ai及相位θi之值可判定為最接近最佳值 之可能值。可歸因於(例如)控制量化、放大器結構、一鏈中之增益失配等等而發生此無法達成最佳值之情況。
在又另一態樣中，為保存電力，可關閉陣列中之一或多個完整鏈。較佳地，此關閉之鏈係具有最低增益值Gi之鏈。關閉具有較低增益之某些鏈允許保存電力同時使效能最低程度地降級。在此一態樣中，在S640中，判定哪個鏈或哪些鏈將被關閉。可藉由(但不限於)具有最低增益值Gi之一預定數目個鏈、具有低於一臨限值之總增益值之任意數目個鏈等等判定將被關閉之鏈。
在又另一態樣中，任意或所有元件中之饋入增益Ai可藉由改變所修改元件之任意增益常數α來修改。此修改可藉由(例如)改變元件之增益之放大率而發生。在此一態樣中，因為放大器傾向於針對較低增益值消耗較少功率，故降低參數α將降低陣列中之功率消耗。
在S650中，基於陣列中之各元件之饋入增益值Ai及相位值θi獨立設定各元件之增益及相位。應注意，在所有上述態樣中，在應實施一平衡-不平衡轉換器功能時，天線之饋入之一者設定為θi，同時另一者設定為θi+180°。
重要的是注意此等態樣係本文中之創新教示之許多有利用法之實例。特定言之，可在其中需要接收及發射毫米波信號之任意類型之消費型電子器件中調適在本文中揭示之創新教示。再者，一些陳述可應用於一些發明特徵但不可應用於其他發明特徵。一般言之，除非另外指示，否則應理解，在不損失普遍性之情況下單數元件可為複數且反之亦然。
可使用任意合適方法實施在本文中描述所表示之各種組件及功能。至少部分使用如本文中教示之對應結構實施此等方法。舉例而言，上文中結合處理系統570描述之組件對應於類似指示之「用於功能性之方法」。因此，使用處理器組件、積體電路或如在本文中之一 些實施方案中教示之其他合適結構之一或多者實施此等方法之一或多者。
在一些實施方案中，諸如一收發器或一RF模組之一通信器件結構經組態以體現用於接收及發射任意信號(諸如毫米波信號)之一構件之功能性。舉例而言，在一些實施方案中，此結構經程式化或設計以接收及處理由於接收操作所接收之任意信號。另外，在一些實施方案中，此結構經程式化或設計以處理及發射由於發射操作所發射之任意信號。通常，通信器件結構包括一基於無線之收發器器件。
在一些實施方案中，諸如一ASIC或一可程式化處理器之一處理系統結構經組態以體現用於量測各輻射元件之增益及相位之一構件之功能性。在一些實施方案中，此結構經進一步程式化或設計以基於各輻射元件之各自所量測增益及相位判定各輻射元件之饋入增益及相位。在一些實施方案中，此結構經進一步程式化或設計以獨立設定各輻射元件之饋入增益及相位。
結合本文中揭示之態樣描述之一方法或演算法之步驟可直接體現於硬體、由一處理器執行之一軟體模組或二者之一組合中。一軟體模組(例如，包含可執行指令及相關資料)及其他資料可駐留於一記憶體中，諸如RAM記憶體、閃存記憶體、ROM記憶體、EPROM記憶體、EEPROM記憶體、暫存器、一硬碟、一可卸除式磁碟、一CD-ROM或在技術中已知之任意其他形式之電腦可讀儲存媒體。一樣本儲存媒體可耦合至，諸如(例如)一電腦/處理器(為方便起見，其在本文中可稱為一「處理器」)之一機器，如此處理器可讀取來自儲存媒體之資訊(例如，程式碼)且將資訊寫入儲存媒體。一樣本儲存媒體可整合至處理器。處理器及儲存媒體可駐留於一ASIC中。ASIC可駐留於使用者設備中。在替代方案中，處理器及儲存媒體可駐留為使用者設備中之離散組件。再者，在一些態樣中，任意合適電腦程式產品可 包括一電腦可讀媒體，其包括可經執行(例如，可藉由至少一電腦執行)以提供有關於本發明之態樣之一或多者之功能性之程式碼。在一些態樣中，一電腦程式產品可包括封裝材料。此外，一非暫時性電腦可讀媒體係除一暫時性傳播信號以外之任意電腦可讀媒體。
在一或多個例示性態樣中，所描述之功能可實施於硬體、軟體、韌體或其等之任意組合中。若實施於軟體中，功能可作為一電腦可讀媒體上之一或多個指令或程式碼儲存或發射。電腦可讀媒體包含電腦儲存媒體及通信媒體，通信媒體包含促進一電腦程式自一位置轉移至另一位置之任意媒體。一電腦可讀媒體可為可由一電腦存取之任意可用媒體。藉由實例且並非限制，此等電腦可讀媒體可包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其他光碟儲存裝置、磁碟儲存裝置或其他磁性儲存器件或可用於攜載或儲存呈指令或資料結構之形式之所要程式碼且可由一電腦存取之任意其他媒體。而且，任意連接適當地被稱為一電腦可讀媒體。舉例而言，若使用一同軸電纜、光纖電纜、雙絞線、數位用戶線(DSL)或諸如紅外線、無線電及微波之無線技術自一網站、伺服器或其他遠程源傳輸軟體，則同軸電纜、光纖電纜、雙絞線、DSL或諸如紅外線、無線電及微波之無線技術包含於媒體之定義中。如在本文中使用之磁碟及光碟包含光碟(CD)、雷射光碟、光碟(optical disc)、數位多功能光碟(DVD)、軟磁碟及藍光光碟，其中磁碟通常磁性地重現資料，而光碟使用雷射光學地重現資料。因此，在一些態樣中，電腦可讀媒體可包括非暫時性電腦可讀媒體(例如，有形媒體、電腦可讀儲存媒體、電腦可讀儲存器件等)。此一非暫時性電腦可讀媒體(例如，電腦可讀儲存器件)可包括在本文中描述或原本已知之有形形式之媒體之任意者(例如，一記憶體器件、一媒體磁碟等)。另外，在一些態樣中，電腦可讀媒體可包括暫時性電腦可讀媒體(例如，包括一信號)。上文之組合亦應包含於電腦可讀 媒體之範疇內。應暸解，一電腦可讀媒體可實施於任意合適電腦程式產品中。儘管在本文中描述特定態樣，但此等態樣之許多變更及置換歸屬於本發明之範疇內。
而且，應理解，使用諸如「第一」、「第二」等等之一指示之對本文中之一元件之任意參考一般並不限制該等元件之數量或順序。實情係，此等指示在本文中一般用作區分兩個或兩個以上元件或一元件之兩個或兩個以上例項之一便捷方法。因此，對第一元件及第二元件之一參考並不意謂在該處僅可採用兩個元件或第一元件必須以某種方式位於第二元件之前。而且，除非另外陳述，否則一組元件包括一或多個元件。另外，在描述或申請專利範圍中使用之術語形式「A、B或C之至少一者」或「A、B或C之一或多者」或「構成A、B及C之群組之至少一者」或「A、B及C之至少一者」意謂「A或B或C或此等元件之任意組合」。舉例而言，此術語可包含A、或B、或C、或A及B、或A及C、或A及B及C、或2A、或2B、或2C等等。
儘管提及較佳態樣之一些益處及優勢，但本發明之範疇不旨在限於特定益處、用途或目標。實情係，本發明之態樣旨在可廣泛地應用於不同無線技術、系統組態、網路及傳輸協定，其等之一些藉由圖式中及描述中之實例圖解說明。
提供所揭示態樣之先前描述以使任意熟習此項技術者能夠製成或使用本發明。熟習此項技術者可容易地明白對於此等態樣之各種修改，且在不背離本發明之範疇之情況下，在本文中界定之通用原理可應用於其他態樣。因此，本發明並不旨在限於在本文中展示之態樣，而應被給予與本文中揭示之原理及新穎特徵一致之最廣泛範疇。

Claims (16)

  1. 一種用於操作一裝置之複數個輻射元件之方法，其包括：從另一裝置接收一信號；基於該信號量測該複數個輻射元件之各者之一相位及一增益；基於一各自輻射元件之該所量測相位及該所量測增益針對該複數個輻射元件之各者判定一饋入增益及一饋入相位，其中依據相對於該裝置之該另一裝置之一物理方向及該信號之一極化量測該複數個輻射元件之各者之該增益及該相位；及基於該所判定饋入增益及該饋入相位獨立地設定一放大器之一增益及耦合至該複數個輻射元件之各者之一移相器之一相位。
  2. 如請求項1之方法，其中該複數個輻射元件具有不同之特性。
  3. 如請求項1之方法，其中各饋入增益與所量測增益成比例且各饋入相位具有與各各自輻射元件之該所量測相位相反之極性。
  4. 如請求項1之方法，其中該判定包括：將該饋入增益(Ai)設定為Ai=αGi且將該饋入相位(θi)設定為θi=-Φi+β，其中α及β係可組態參數且Gi及Φi分別係該各自輻射元件之該所量測增益及該所量測相位。
  5. 如請求項4之方法，其進一步包括：隨機選擇該等可組態參數之值。
  6. 如請求項4之方法，其進一步包括：基於與無線電信號之發射或無線電信號之接收相關聯之一量化誤差選擇該等可組態參數之值。
  7. 如請求項1之方法，其中該複數個輻射元件係配置於一多層基板之不同層上。
  8. 一種用於通信之裝置，其包括：複數個輻射元件，其等經組態以從另一裝置接收一信號；及一處理系統，其經組態以：基於該信號量測該複數個輻射元件之各者之一相位及一增益；基於一各自輻射元件之該所量測相位及增益針對該複數個輻射元件之各者判定一饋入增益及一饋入相位，其中依據相對於該裝置之該另一裝置之一物理方向及該信號之一極化量測該複數個輻射元件之各者之該增益及該相位；及基於該所判定饋入增益及該饋入相位獨立地設定一放大器之一增益及耦合至該複數個輻射元件之各者之一移相器之一相位。
  9. 如請求項8之裝置，其中該複數個輻射元件具有不同之特性。
  10. 如請求項8之裝置，其中各饋入增益與所量測增益成比例且各饋入相位具有與各各自輻射元件之該所量測相位相反之極性。
  11. 如請求項8之裝置，其中處理系統經進一步組態以將該饋入增益(Ai)設定為Ai=α*Gi；且將該饋入相位(θi)設定為θi=-Φi+β，其中α及β係可組態參數，且Gi及Φi分別係該各自輻射元件之該所量測增益及該所量測相位。
  12. 如請求項11之裝置，其中該處理系統經進一步組態以隨機選擇該等可組態參數之值。
  13. 如請求項11之裝置，其中該處理系統經進一步組態以基於與無線電信號之發射或接收之任一者相關聯之一量化誤差選擇該等可組態參數之值。
  14. 如請求項8之裝置，其中該複數個輻射元件係配置於一多層基板之不同層上。
  15. 一種非暫時性電腦可讀媒體，可由一裝置執行該等指令以：從另一裝置接收一信號；基於該信號量測該複數個輻射元件之各者之一相位及一增益；基於一各自輻射元件之該所量測相位及該所量測增益針對該複數個輻射元件之各者判定一饋入增益及一饋入相位，其中依據相對於該裝置之該另一裝置之一物理方向及該信號之一極化量測該複數個輻射元件之各者之該增益及該相位；及基於該所判定饋入增益及該饋入相位獨立地設定一放大器之一增益及耦合至該複數個輻射元件之一移相器之一相位。
  16. 一種存取終端，其包括：複數個輻射元件，其等經組態以從一裝置接收一信號；一處理系統，其經組態以：基於該信號量測該複數個輻射元件之各者之一相位及一增益；基於一各自輻射元件之該所量測相位及該所量測增益針對該複數個輻射元件之各者判定一饋入增益及一饋入相位，其中依據相對於該裝置之該另一裝置之一物理方向及該信號之一極化量測該複數個輻射元件之各者之該增益及該相位；及基於該所判定饋入增益及該饋入相位獨立地設定一放大器之一增益及耦合至該複數個輻射元件之一移相器之一相位；及一發射器，其經組態以經由該等輻射元件發射信號。
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Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11296745B2 (en) 2016-12-12 2022-04-05 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Mobile station, RF front-end module for mobile station, and front-end integrated circuit
US10581177B2 (en) 2016-12-15 2020-03-03 Raytheon Company High frequency polymer on metal radiator
US11088467B2 (en) 2016-12-15 2021-08-10 Raytheon Company Printed wiring board with radiator and feed circuit
US10541461B2 (en) * 2016-12-16 2020-01-21 Ratheon Company Tile for an active electronically scanned array (AESA)
CN110447146A (zh) 2016-12-21 2019-11-12 英特尔公司 无线通信技术、装置和方法
US10361485B2 (en) 2017-08-04 2019-07-23 Raytheon Company Tripole current loop radiating element with integrated circularly polarized feed
KR102410799B1 (ko) 2017-11-28 2022-06-21 삼성전자주식회사 밀리미터 웨이브 신호를 송/수신하기 위한 통신 장치 및 그 통신 장치를 포함하는 전자 장치
US11024981B2 (en) * 2018-04-13 2021-06-01 Mediatek Inc. Multi-band endfire antennas and arrays
US20190379427A1 (en) * 2018-06-12 2019-12-12 Qualcomm Incorporated Antenna element feed path component management for 5g-nr millimeter wave

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2626514B2 (ja) * 1993-11-08 1997-07-02 日本電気株式会社 基地局送受信装置
US7830312B2 (en) * 2008-03-11 2010-11-09 Intel Corporation Wireless antenna array system architecture and methods to achieve 3D beam coverage
US8618983B2 (en) * 2009-09-13 2013-12-31 International Business Machines Corporation Phased-array transceiver for millimeter-wave frequencies
CN103229354A (zh) * 2010-12-01 2013-07-31 瑞典爱立信有限公司 获得至少一个校准参数的方法、天线阵列、计算机程序和计算机程序产品
US9742077B2 (en) * 2011-03-15 2017-08-22 Intel Corporation Mm-wave phased array antenna with beam tilting radiation pattern

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EP3020091A1 (en) 2016-05-18
JP2016528794A (ja) 2016-09-15
JP6580561B2 (ja) 2019-09-25

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