TWI773620B - 多埠多天線元素的手機毫米波天線系統 - Google Patents

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Abstract

一種手機毫米波天線系統，具有：多個天線元素，各天線元素均具有一個埠或端口(port)；多個信號擷取單元，各具有一混波單元及一類比/數位轉換器(A/D converter)單元以產生各端口輸出的子載波信號的數位取樣信號；以及一基帶信號處理器，用以將各子載波信號的數位取樣信號乘上與一即時通道頻率響應(real time channel frequency response)相關的權重函數後再加總而得到系統的總輸出值。本發明之系統架構與目前手機毫米波天線系統架構的不同點在於：本發明採用天線元素而非天線陣列；及本發明之天線系統提供多端口之輸出信號以方便基帶端對接收信號進行適應性的結合(combining)，而非以單一端口輸出的數位信號至基帶端。亦即，本發明之天線系統之各子載波頻率的信號可以在基帶端個別做有效的結合，而相對地，現有的陣列天線在對整個信號頻寬做波束成形時，其各天線的信號是在射頻端固定乘上一相同的相位後做結合，因而無法對各子頻率個別做最佳的結合。此外，5G毫米波段有多輸入多輸出(multiple input multiple output；MIMO)的規格可以同時傳送多組獨立數據，而現有的單埠多陣列天線架構在同時間只能傳送一組數據。相對地，本發明為多埠的架構，其配合基地台的多埠天線架構可以同時傳送最多四組不同的數據，因而能夠大幅提升無線通信系統的傳輸容量(transmission capacity)。

Description

多埠多天線元素的手機毫米波天線系統
本發明係關於無線通信，特別是關於一種手機毫米波天線系統。
第五代行動通訊系統(5G)包含兩個頻段，FRI(sub 6G)及FRII(Millimeter Wave)，亦即5G的手機利用上述兩個頻段進行通信。毫米波的手機天線元素通常使用微帶天線(patch antenna)，而目前手機毫米波天線使用數個陣列天線，每個陣列天線有四個天線元素，每一天線元素會連接一相移器(phase shifter)，藉由調整各天線元素相移器的相位，使陣列天線的輻射場形會集中至某一方向，每一陣列可以個別做波束成形(beamforming)至較佳的狀況，再由數個陣列中選取一組最好的陣列來做上下行數據的傳輸。
因為每一天線元素會連接一相移器，而相移器會產生2~3dB的插入損失(insertion loss)，另外，要從數個陣列中選取一個陣列，需要一個選擇交換開關(Selection Switch)，而這種開關還會再產生1~2dB的插入損失。
插入損失除了降低信號的準位外，還會產生額外的熱及消耗手機電池的能源。另外，由於每一陣列天線均由四個天線元素所組成，每一陣列天線所佔的空間為天線元素所佔空間的四倍，因此，在手機上放置多個陣列天線，其彈性不如放置多個天線元素來的大。另外，就天線整合晶片(Antenna on chip)的技術而言，在晶片上整合天線元素比整合陣列天線容易的多。
在現有的陣列天線方案中，各天線元素的信號處理方式是將各天線元素的接收信號乘上相位後再做結合，且其結合是在射頻(RF)端進行，而且接收信號之各子頻率成分所乘的相位都是相同。另外，在RF端還設置選擇開關以在多個陣列中選取一個最佳的陣列。此外，在RF端的單端口對應硬體元件(相移器及開關)並無法針對個別頻率成分去做有效的補償，因此其輸出在某些頻率成份可能會有嚴重的衰減現象，從而降低了整個信號頻帶的傳輸效能(transmission performance)。
為解決上述的問題，本領域亟需一新穎的多埠多天線元素的手機毫米波天線系統。
另外，5G毫米波有多輸入多輸出(multiple input multiple output；MIMO)的規格可以同時傳送多組獨立數據，而現有的單埠多陣列天線架構在同時間只能傳送一組數據。相對地，本發明為多埠的架構，其配合基地台的多埠天線架構可以同時傳送最多四組不同的數據，因而能夠大幅提升無線通信系統的傳輸容量(transmission capacity)。
本發明之主要目的在於揭露一種多埠多天線元素的手機毫米波天線系統，其可藉由單一Patch(微帶天線)提供一端口以大幅降低天線系統在印刷電路板上的占據面積。另外，由於單一微帶天線所佔空間小，故其能放置之位置極富彈性，可擺在手機窄邊的表面上及背面的電路板上，不像陣列天線(含四個微帶天線)能夠擺置的地方較受限制。
另外，目前的手機毫米波天線系統有數個陣列天線，每個陣列由四個天線元素所組成，每個天線元素都接一相移器來改變相位。相移器會造成2~3dB的插入損失。另外，由於目前的手機毫米波天線系統會在數個陣列天線中選擇一最佳的陣列天線作為發射和接收，因此需要一個選擇開關，而選擇開關會造成1~2dB的插入損失，從而造成信號準位的下降，及產生額外的熱及消耗手機電池。相對地，本發明的天線系統既無相移器亦無選擇開關，故無目前手機毫米波天線系統的上述問題。
另外，本發明尤適於有多路徑波的室內環境及直接波被人體擋住的情況。當直接波被人體阻擋，進入手機的來向波缺乏主波時，陣列天線的波束成形功能就較難發揮作用，且多路徑波相互干涉會使信號在不同頻率有衰落的現象。本發明使用多埠架構，每埠信號之各頻率成分經取樣後饋入到基帶信號處理器，依每個頻率個別做有效的結合，因而可以有效消除前述的衰減現象。
另外，本發明使用的微帶天線元素架構容易配合新進發展的Antenna on chip技術整合在晶片上。
另外，雖然本發明的每一埠都需要一套收發模組，其會增加電路佔據的空間和成本，但是由於收發模組的技術已很成熟，且可將多套模組整合在同一片晶片上，因此增加的空間和成本有限。
為達前述目的，一種手機毫米波天線系統乃被提出，其具有：
多個天線元素，各該天線元素各自提供一個埠；
多個混波單元，各用以對一該埠的輸出信號進行一混波處理；
多個類比數位轉換器單元，用以對應地對該些混波單元的輸出信號進行一類比數位轉換以產生多個基頻數位信號；以及
一基帶信號處理器，具有多個加權功能模組及一加總功能模組，其中，該些加權功能模組係用以對該些基頻數位信號各乘上一對應之權重函數，及該加總功能模組係用以加總該些加權功能模組之輸出值。
在一實施例中，該混波處理係一OFDM信號處理。
在一實施例中，該天線元素係一微帶天線。
在一實施例中，與第m個所述之埠對應之所述權重函數表述如下：
Figure 110149529-A0101-12-0003-1
，其中，w m (ω q )代表所述權重函數，ω q 代表第q個子載 波(subcarrier)，H m (ω q )代表第m個所述天線元素在子載波頻率為ω q 時的通道響應。
在一實施例中，該加總功能模組之輸出公式如下：
Figure 110149529-A0101-12-0003-3
|y 0 (ω q )| 2 =Σ m |H m (ω q )| 2 ； 亦即各個頻率最後輸出的功率是各埠在該頻率的功率的總和。
在一實施例中，在5G毫米波通訊的應用中，基地台之相位陣列天線依序改變波束碼來改變陣列天線場型波束的方向，並且重複傳送廣播信號給設有該手機毫米波天線系統之一手機，該手機接收不同所述波束碼所傳送的廣播信號的RSSI(radio signal strength indicator；接收信號的強度指示)，並回報該基地台哪個所述波束碼最適合該手機，之後該基地台就以該波束碼和該手機進行數據通訊。
在可能的實施例中，所述之手機毫米波天線系統可應用於FDD(Frequency division duplex分頻雙工)系統或TDD(Time division duplex分時雙工)系統。
在一實施例中，在該分頻雙工系統的上行數據傳輸過程中，會自該些天線元素中選定一最佳天線元素來傳輸上行數據，該最佳天線元素m 0 的決定如下：m 0 =max{R(i 0 ,m)}，其中，R(i 0 ,m)是一基地台用波束碼i 0 發射時4個天線元素中的第m個天線元素接收到廣播信號的RSSI。
為使 貴審查委員能進一步瞭解本發明之結構、特徵及其目的，茲附以圖式及較佳具體實施例之詳細說明如後。
100:手機毫米波天線系統
101:天線元素
102:混波單元
103:類比數位轉換器單元
104:基帶信號處理器
104a:加權功能模組
104b:加總功能模組
圖1繪示本發明之多埠多天線元素的手機毫米波天線系統之一實施例之方塊圖。
圖2a-2e繪示五種現有手機毫米波天線系統之方塊圖。
圖3為以平板模型模擬人體之示意圖。
圖4為置於手機不同平面上之微帶天線配置示意圖。
圖5為設置有天線架構之一室內環境。
圖6a-6g繪示不同天線架構下行接收時傳播損失(propagation loss)頻率響應圖。
圖7繪示使用者在一房間內之位置分佈。
圖8a-8f繪示圖7之每個位置、面向的累積機率分佈(Cumulative Density Function,CDF)曲線。
圖8g繪示將單埠多陣列架構與多埠多元素架構從圖8e和圖8f中提出來之比較曲線。
請參照圖1，其為本發明之多埠多天線元素的手機毫米波天線系統之一實施例之方塊圖。如圖1所示，一手機毫米波天線系統100具有多個天線元素101、多個混波單元102、多個類比數位轉換器單元103及一基帶信號處理器104，其中，基帶信號處理器104具有多個加權功能模組104a及一加總功能模組104b。
在本發明的架構中，係以每個天線元素101為一個埠，每一埠的輸出信號H m (ω)，m代表埠的位置，經由一混波單元102及一類比數位轉換器單元103處理後產生一基頻數位信號H m (ω q )，各基頻數位信號H m (ω q )均經基帶信號處理器104內之一對應的加權功能模組104a乘上一權重函數W m (ω q )，然後加總功能模組104b會進行一加總計算以產生一系統輸出信號H M (ω q )，H M (ω q )=Σ m W m (ω q )．H m (ω q )。
另外，在上述的架構中，每一埠的輸出信號H m (ω)都有經過一T/R(傳送/接收)開關及一低雜訊放大器(low-noise amplifier)(未示於圖中)之處理，且混波單元102及類比數位轉換器單元103係合以提供一OFDM信號處理以產生基頻數位信號H m (ω q )，亦即，混波單元102係以相位差為90度的兩個本地振盪頻率信號分別對H m (ω)進行混波，而類比數位轉換器單元103則係用以對混波後之兩個正交信號分別進行類比數位轉換運算以產生基頻數位信號H m (ω q )。H m (ω q )代表第m個所述天線元素在子載波頻率為ω q 時的通道響應，該通道響應可由指標信號(pilot signal)或稱參考信號(reference signal)通道量得或估測而得，亦即即時(real time)的通道響應(frequency response)是可以獲得的。
另外，值得注意的是各個權重函數W m (ω q )是子載波的函數，亦即各埠信號的結合方式是依各子載波的情況來做最佳的結合，每個子載波有各 自的權重函數，不像天線陣列波束成形的方式，各元素所乘的相位，每個子載波所乘的相位皆相同。
另外，本發明提出多埠多天線元素架構選擇基地台波束碼的法則，以及作上、下行數據傳輸(downlink and uplink data transmission)時的信號處理法則。
在進行5G毫米波通訊時，基地台相位陣列天線依序改變波束碼來改變陣列天線場型波束的方向，並且重複傳送廣播信號給手機，手機接收不同波束碼所傳送廣播信號的RSSI(radio signal strength indicator；接收信號的強度指示)，並回報基地台哪個波束碼最適合本手機，之後基地台就以該波束碼和手機進行數據通訊。
本發明的波束碼選擇法則：
令R(i,m)是基地台用波束碼i發射時4個天線元素中的第m個天線元素接收到廣播信號的RSSI，則本發明提出決定波束碼i 0 的方法如下：
Figure 110149529-A0101-12-0006-4
 手機把波束碼i 0 回報給基地台後，基地台將以該波束碼和手機作上下行的數據傳輸。
另外，本發明提出多埠多天線元素架構在做下行數據傳輸和上行數據的信號處理法則。對於上行數據發送(uplink data transmitting)，本發明提出兩種系統：FDD(Frequency division duplex分頻雙工)及TDD(Time division duplex分時雙工)兩種系統。就分頻雙工系統而言，上行傳輸和下行傳輸的載波頻率不同，因此上、下行的通道響應不同。下行接收的權重函數不能用來做上行發送的權重函數。我們提出選擇一個元素來做上行數據傳輸的發送天線。該天線元素m 0 的決定如下：
m 0 =max{R(i 0 ,m)}。
至於TDD系統，上、下行使用相同頻率的載波，因此上、下行有相同樣的頻率響應，因此上行所得到的權重函數可以直接應用到下行的發射 上。各天線元素分別乘上權重w m (ω q )後發送，在基地台端的上行接收(uplink receiving)的接收性能可以和手機端的下行接收性能一樣，因此在TDD系統，對於基地台的上行接收性能，使用本發明的架構亦將優於單埠多陣列的架構。
以下為本發明與現有的手機毫米波天線系統之差異比較：
現有的手機毫米波天線架構有單埠單一天線元素架構、單埠單一線性陣列天線架構、單埠多天線元素架構、單埠多陣列天線架構及多埠多個線性陣列架構。
1、單埠單一天線元素架構(請參照圖2a)：天線的類比輸出(Analog output)記為H(ω)，經過混波器及A/D(類比數位轉換)後，取樣的子載波輸出記為H(ω q )，ω q 為第q個子載波頻率。
2、單埠單一線性陣列架構(請參照圖2b)：線性陣列有四個天線元素，每一天線元素都連接一個可調相位的相移器，第p個元素的輸出信號記為H p (ω)，所連接的相移器會產生e jφp ，四個元素經相移器再做結合後的輸出記為H B (ω,φ)=Σ p H p (ω)．e jφp 。對於線性陣列，φ p =(p-1)φ，φ是要找尋的相角，對一窄頻系統，φ 0 是可以得到最大輸出的相位角，亦即φ 0 =max φ {H B (ω,φ)}，至於寬頻的系統，不同的子載波可能會有不同的φ 0 ，因此φ 0 就由平均功率來決 定，亦即
Figure 110149529-A0101-12-0007-5
，各天線元素乘上相角再做相加的功能就稱為 波束成形器(beamformer)，波束成形器的輸出記為H B (ω)，經A/D轉換器後各子載波ω q 的輸出記為H B (ω q )。
3、單埠多天線元素架構(請參照圖2c)：第m個元素的輸出記為H m (ω)，此架構比較所有元素的輸出平均功率，並選取有最大平均功率的元素 m 0 ，亦即
Figure 110149529-A0101-12-0007-8
，作為未來做數據傳輸時的唯一元素，經A/D 後的輸出記為
Figure 110149529-A0101-12-0007-61
(ω q )。
4、單埠多天線陣列架構(請參照圖2d)：第m個陣列經波束成形 之後的輸出記為H mB (ω)，比較各陣列輸出的平均功導
Figure 110149529-A0101-12-0007-10
，並取有最大 平均功率的陣列，記為m 0 陣列，
Figure 110149529-A0101-12-0007-9
，m 0 陣列將作為未來數 據傳輸的唯一陣列，經過A/D轉換器後，天線系統的輸出記為
Figure 110149529-A0101-12-0007-62
(ω q )。
5、多埠多陣列架構(請參照圖2e)：具有M個埠及M個波束成形陣列，第m個陣列經波束成形後的輸出記為H mB (ω)，經A/D之後的H mB (ω q )饋入到基帶信號處理器，各埠的H mB (ω q )再各自乘上W m (ω q )，最後的總輸出信號為H BM (ω q )=Σ m W m (ω q )．H mB (ω q )。
不同的天線架構有不同的複雜度，也會有不同的傳輸性能，尤其在室內有多路徑波的環境以及在毫米波頻段，信號有較大頻寬的特性。
手機毫米波不同天線架構的接收特性
射線追蹤(Ray-Tracing)技術是研究室內或室外電波傳波特性的主要工具。給予室內的尺寸、擺置、材料組成、收發天線位置，射線追蹤技術可以追蹤電磁射線從發射天線經過牆壁、天花板、地板、傢俱等多重反射到達接收天線的多路徑波的時間延遲、出發角度(Angle of departure)、到達角度(Angle of arrival)，以及路徑波的複數大小(complex amplitude)。
手機的使用經常伴隨人體，手機使用最常見的情況是聽講電話、查看訊息。我們使用簡單的平板模型來模擬人體，模型的尺寸及組成示於圖3。
本發明的重點不在天線本體的詳細設計，在此我們只把它當成一般的微帶天線(patch antenna)。
微帶天線可以有多種的配置方式，例如它可以是一個天線元素、一線性陣列或平面陣列，它可以置於手機不同平面上，如圖4所示。
以下將使用射線追蹤軟體來探討不同的天線架構在室內環境的毫米波通道特性。
考慮室內空間如圖5所示，基地台置於Tx的位置，空間座標為(x t ,y t ,z t )，手機位於(x r ,y r ,z r )，有數個微帶天線元素位於手機不同的表面上，Patch 1位於窄邊的上方，Patch 2和Patch 3分別置於手機左右兩邊的窄面上，Patch 4則置於螢幕反面的電路板上，這四個微帶天線皆有相同的尺寸，Patch的參數為長=0.35cm，寬=0.34cm，厚度=0.1cm，介質板介電系數=2.2，手機中心位置及各Patch中心與手機中心相對的座標亦示於圖上，人和手機視為一體，當人體面對不同方向，手機亦跟著人體旋轉，在人體任何位置及面對的方向， 各天線的中心位置及輻射場型，軟體都可精確的計算，我們亦可算出基地台天線和手機天線的連線(line of sight,LOS)的仰角和方位角，在以下的模擬，我們假設手機的傾斜角為30°。
假設基地台天線是一個8x8的相位陣列天線。該陣列在垂直方向是固定的場型，最大方向是θ 0 =90°，其天線場型可表示成
Figure 110149529-A0101-12-0009-12
其中φ 0 為要對準的方位角度，P e (θ,φ)是陣列天線元素的場型， 若
Figure 110149529-A0101-12-0009-13
，i=1,…,2M，φ i 所對應的場型稱為波束碼(beam number)i，陣列天 線可使用不同的波束碼i來和手機通信，手機可以選擇最佳的波束i，然後回報給基地台，之後基地台就用這個波束碼來和手機做數據通訊。下面將簡述不同手機天線架構選擇波束碼的法則。
波束碼的選擇法則
在毫米波行動通訊系統中，基地台通常會使用廣播通道(broadcast channel)，並依序使用不同的波束碼傳送廣播信號給使用者，使用者量測廣播信號的電波強度(Radio Signal Strength Indicator,RSSI)，然後回報給基地台那個波束碼的RSSI最強，之後基地台就用這個波束碼來和手機作數據通訊，因此手機和基地台之間，第一個要務就是選取基地台相位陣列天線的波束碼。下面將就不同的天線架構，提出波束碼選取的法則。
無線電波強度(RSSI)是可以即時量測的，廣播信號的信號頻寬遠小於數據信號(data signal)的頻寬，要模擬廣播信號的RSSI，我們用通道響應在廣播信號頻寬範圍內的平均通道功率響應來做近似
Figure 110149529-A0101-12-0009-11
假設基地台相位陣列天線會依序地改變波束碼，使主波束(mainheam)依序地改變到不同的方向，令可以改變的主波方向有I=2M個方向， 其中M為天線在橫向的元素個素，第i個方向所對應的相位角φ i 為
Figure 110149529-A0101-12-0009-15
， i=1,2,…2M，對於每一對準的相位角度(Steering Phase angle)φ i ，我們可以用射線追蹤軟體來獲得手機每個天線元素的通道響應。
對於手機不同天線架構的波束碼選取法則，簡述如下：
a).單埠單元素架構
令單一元素為Patch m，m=1,2,3,4，第ith波束碼發射時，Patch m所量得的RSSI記為R(i,m)，手機所要選擇的波束碼記為i 0m ，i 0m 的值由下式求得
i 0m =max i {R(i,m)}，m=1,2,3,4。
b).單埠單陣列架構
單一陣列可以是Patch m的陣列，m=1,2,3,4，第m個陣列的第p個元素對於波束碼i的頻率響應，記為H mp (i,ω)，p=1,2,3,4，陣列經波束成形到相位φ s 後的輸出值為
Figure 110149529-A0101-12-0010-17
，
Figure 110149529-A0101-12-0010-18
，s=1,…,8，
令R m (i,s)為陣列m，當波束碼為i，經波束成形至第s相位角時的值，定義(i 0m ,s 0m )的值由下式獲得
i 0m ,s 0m =max i,s {R m (i,s)}，
則i 0m 是陣列m所要選取的波束碼，而s 0m 是陣列m做波束成形所要選取的第s 0m 相位角，在做上行(uplink)的數據傳輸時，s 0m 也是陣列m所要選取的第s 0m 個相位角。
c).單埠多元素架構
令R(i,m)是波束碼為i，Patch m所量得的RSSI值，與架構(a)的不同，此時四個patch全都同時使用，所要選取的波束碼i 0 及所要選取的Patch碼m 0 ，由下式決定
i 0 ,m 0 =max i,m {R(i,m)}， 則Patch m 0 將為上下行做數據通訊時所使用的元素。
d).單埠多陣列架構
每一Patch陣列都有四個元素，令H mp (i,ω)為第m個陣列的第p個元素當波束碼為i時的頻率響應，當第m個陣列，使用φ s 相位角做波束成形的輸出值如下
Figure 110149529-A0101-12-0011-21
，
Figure 110149529-A0101-12-0011-22
，s=1,…,8；
令R(i,m,s)為當波束碼為i，第m個陣列，第s個相位角做波束成形時所量得的RSSI，則選取的波束碼，陣列碼以及相角碼，由下式決定
i 0 ,m 0 ,s 0 =max i,m,s {R(i,m,s)}，
第m 0 陣列及對應的相角碼s 0 ，將做為上下行數據通訊的陣列和相位碼。
e).本發明所採用的多埠多元素架構
令H m (i,ω)為當波束碼為i，第m個Patch元素的通道響應，所選取的波束碼由下式決定
Figure 110149529-A0101-12-0011-19
做下行數據傳輸接收時，所有的元素都用來接收，當做上行傳送時，如果是TDD(Time division duplex)系統時，上行及下行使用相同的載波頻率，上下行有相同的通道響應，則所有的天線元素都用來做數據傳輸，但是在FDD(Frequency division duplex)系統時，上下行的載波頻率不同，因此上下行通道響應不同，因此只能用一個元素來做上行的數據傳輸，由哪一元素做上行數據信號的發射，由下式決定
m 0 =max m {R(i 0 ,m)}。
f).多埠多陣列架構
一些符號的定義與(d)相同，令s 0im 為
s 0im =max s {R(i,m,s)}，
則R(i,m,s 0im )為當波束碼為i，第m個陣列經波束成形至第s 0im 相角時的RSSI值，令
Figure 110149529-A0101-12-0012-24
 所選取的波束碼i 0 由下式決定
i 0 =max i {R iT }，做下行數據傳輸時，s 0im 將做為第m個陣列做波束成形的相位碼，四個陣列都用來做接收，在做上行數據傳輸時，如果是TDD系統，四個陣列都將做為發射天線，若是FDD系統，則僅選一個陣列來傳送數據信號，陣列碼由下式來決定
m 0 =max m {R(i 0 ,m,s 0im )}。
當波束碼、元素/陣列碼及相角碼決定之後各種天線架構輸出值計算方法如下：
a).單埠單元素架構
令H m (i,ω q )為波束碼為i，Patch m的通道響應，則Patch m的輸出值為
y m (ω q )=H m (i 0 ,ω q )。
b).單埠單陣列架構
令H mp (i,ω q )為陣列m的第p個元素，波束碼為i的通道響應，陣列m的輸出值為
Figure 110149529-A0101-12-0012-23
c).單埠多元素架構
該系統的輸出值為
Figure 110149529-A0101-12-0012-63
d).單埠多陣列架構
Figure 110149529-A0101-12-0013-25
e).本發明所採用的多埠多元素架構
令w m (ω q )是第m個元素在ω q 時的權重函數，使用MRC(Maximum Ratio Combining)法則做結合時，權重函數w m (ω q )為
Figure 110149529-A0101-12-0013-26
 經過MRC之後的輸出值為
Figure 110149529-A0101-12-0013-27
在TDD系統，上、下行有相同的載波頻率，因此也有相同的通道響應。在做上行數據傳輸時，四個元素都做為發射天線，且每個元素都要乘以上述之權重函數。基地台天線的上行接收，亦有上述的輸出值。
f).多埠多陣列架構
第m個陣列的權重函數為
Figure 110149529-A0101-12-0013-29
 其中
Figure 110149529-A0101-12-0013-31
，最後的總輸出信號是
Figure 110149529-A0101-12-0013-30
在TDD系統，做上行數據傳輸時，四個陣列同時都做為發射天線，每個陣列都乘以上述的權重函數。基地台上行的接收響應，亦如上述。
模擬結果
令基地台天線置於(x t =10m,y t =1m,z t =2.5m)，手機的中心座標為(x r =16m,y r =5m,z r =1.3m)，手機的傾斜角度為30°。
表1是用射線追蹤軟體模擬室內基地台和手機間，利用廣播信號，各種天線架構利用所量測的RSSI，來選取波束碼、元素/陣列碼以及相角碼的結果。人體面對的角度有兩種，一是面對基地台，此時LOS沒被人體阻擋，一是背對基地台，此時LOS被人體阻擋，表1的結果顯示當LOS未被人體阻擋時，各種天線架構所選取的波束碼是2或3，這兩個波束碼所對應的方向角度最接近直接波的方位角度，當LOS被阻擋後，各元素碼及陣列碼所選取的波束碼則不盡相同，且所選取的波束碼與未被阻擋時所選取的波束碼不盡相同。
Figure 110149529-A0101-12-0014-32
Figure 110149529-A0101-12-0015-33
當波束碼一經選定之後，基地台就使用該波束與手機做數據傳輸，手機將使用對應的元素/陣列及相角碼來做下行數據接收及上行的數據發射，圖6a到圖6g是不同天線架構下行接收時傳播損失(propagation loss)頻率響應。細觀這些頻率響應圖，可以發現在該位置，不管是LOS有無被阻擋，陣列架構的傳播損失響應性能不一定就比元素架構的性能好。某些Patch型式，元素架構性能優於陣列架構，而在一些情況下，陣列架構性能則優於元素架構，而有些情況，則兩者差不多。換句話說，在室內環境下，陣列架構經波束成形後，其傳輸性能不一定就比單一元素好。波束成形可增強信號，但是它的條件是要有一主要來向波。當有許多路徑波來自不同方向，則波束成形的功能將大 打折扣。
另一方面，可以發現多埠多元素/多陣列架構經過MRC結合後，可以有效地提升傳輸性能，它不需要去選取哪一元素哪一陣列來作接收。依照MRC的原理，可以證明經MRC結合後，總輸出的SNR(signal to noise，信雜比)是個別端口的SNR的總和。
為更清楚地比較本發明的多埠多元素架構和現有單埠多陣列架構的傳播損失響應，我們從圖6e和圖6f抽出對應的曲線，而將兩者共同畫在圖6g以做比較，我們更可以看出多埠多元素架構的優越性。
另外，波束碼、元素碼/陣列碼及相角碼的選定，是依據所量得的RSSI來決定，因為廣播信號的頻寬較數據信號的頻寬小很多，在室內環境下，不同來向、不同時間到達的多路徑波會相互干擾，有時在頻率軸上會有嚴重的衰減現象。RSSI的量得僅能代表廣播信號頻寬內的電波強度，但無法反應整個數據信號頻寬的性能，因此所選取的波束碼、元素碼/陣列碼及相角碼不一定是最好的選擇，可是我們如果使用多埠加上MRC結合的架構後，多路徑波造成的嚴重衰落現象就可以有效的消除，讓總輸出的位準值比較平穩。
整個房間不同天線架構通道響應的統計特性
前面我們所展示的是一個特定位置，兩個特定面向(面對基地台和背對基地台)的結果。下面我們將展示多個位置多個面向，各種天線架構傳輸性能統計的特性。
使用者在房間分佈如圖7所示，共有16個位置，每個位置各取六個面向，令第j個位置對基地台中心的球座標為(r j ,θ j ,φ j )，當使用者面對φ j 方向時。手機被人體阻擋，人體面對φ j -180°，亦即面對BS時，LOS是清空(clear)狀態，由於身體的寬度及手機與人體的距離關係，當人體面對φ j ±40°範圍內，LOS會被人體阻擋，面對其他角度，LOS則不會被阻擋。然而面對不同角度，各個Patch元素的輻射場型及極化也會跟著變化。每一個位置，我們各朝六個面向，分別是φ j ，φ j -20°，φ j +30°，φ j -70°，φ j +80°，φ j -180°，前面三個面向，LOS會被人體阻擋，後面三個面向，LOS沒被人體阻擋。
對每個位置，每個面向，我們都依前面所述的步驟，且對於每種天線系架構我們先選定波束碼、元素碼/陣列碼、相角碼，再計算各種天線架構輸出端的傳播損失響應，將16個位置，6個面向，分成LOS-clear及LOS-obstructed兩類，作累積機率分佈(Cumulative Density Function,CDF)曲線，結果示於圖8a~圖8f。由圖可知，單埠單元素/單陣列，頻率響應變化範圍大，雖然已經過波束碼的選擇，仍有一些機率，傳播損失大於100dB，這表示有嚴重衰落(deep fading)的現象。單埠多元素/多陣列，經過選擇最佳的元素或陣列後，雖然效能有所提升，但在有人體阻擋情況下，仍有部分機率傳播損失會高於95dB。反觀多埠多元素/多陣列的架購，經MRC結合後，傳播損失的變化範圍減小許多，且皆小於86dB。我們將單埠多陣列架構與多埠多元素架構從圖8e和圖8f中提出來比較，其結果示於圖8g，結果顯示，多埠多元素的架構的性能比單埠多陣列架構的性能提高許多。在CDF=10 -2 時提升了7dB，在CDF=10 -3 時則提升了12dB。
藉由前述所揭露的設計，本發明乃具有以下的優點：
一、每一端口僅含單一Patch元素。單一Patch元素所佔空間小，能放置之位置極富彈性，可擺在手機窄邊的表面上及背面的電路板上，不像陣列天線(含四個Patch元素)能夠擺置的地方較受限制。
二、本發明的天線元素沒有接相移器。目前手機毫米波天線有數個陣列天線，每個陣列由四個天線元素所組成，每個天線元素都接一相移器來改變相位。相移器會造成2~3dB的插入損失。另外數個陣列天線會選一最佳的陣列天線作為發射和接收，因此需要一個選擇開關，選擇開關會造成1~2dB的插入損失，插入損失會造成信號準位的下降，亦會產生額外的熱及消耗手機電池。本發明所提出的架構則無此顧慮。
三、本發明尤適於有多路徑波的室內環境及直接波被人體擋住的情況。當直接波被人體阻擋，進入手機的來向波缺乏主波時，陣列天線的波束成形功能就較難發揮功能，且多路徑波相互干涉，會使信號在不同頻率會有衰減的現象。本發明使用多埠的結合，每埠信號各頻率成分經取樣後饋入到基帶 信號處理器，依每個頻率個別做有效的結合。因此在頻率方向的衰減現象可以有效的消除。
四、本發明所使用的微帶天線元素架構，容易配合新進發展的技術Antenna on chip技術，改進手機的製程技術。
五、本發明的天線架構為多埠架構，其配合基地台的多埠天線架構可以用MIMO的傳輸方式同時傳送最多四組的獨立數據；反觀現有的單埠多陣列天線架構則沒有MIMO的功能。
本案所揭示者，乃較佳實施例，舉凡局部之變更或修飾而源於本案之技術思想而為熟習該項技藝之人所易於推知者，俱不脫本案之專利權範疇。
綜上所陳，本案無論目的、手段與功效，皆顯示其迥異於習知技術，且其首先發明合於實用，確實符合發明之專利要件，懇請 貴審查委員明察，並早日賜予專利俾嘉惠社會，是為至禱。
100:手機毫米波天線系統
101:天線元素
102:混波單元
103:類比數位轉換器單元
104:基帶信號處理器
104a:加權功能模組
104b:加總功能模組

Claims (7)

  1. 一種手機毫米波天線系統，其具有：多個天線元素，各該天線元素各自提供一個埠；多個混波單元，各用以對一該埠的輸出信號進行一混波處理；多個類比數位轉換器單元，用以對應地對該些混波單元的輸出信號進行一類比數位轉換以產生多個基頻數位信號；以及一基帶信號處理器，具有多個加權功能模組及一加總功能模組，其中，該些加權功能模組係用以對該些基頻數位信號各乘上一對應之權重函數，及該加總功能模組係用以加總該些加權功能模組之輸出值；其中，與第m個所述之埠對應之所述權重函數表述如下：
    Figure 110149529-A0305-02-0021-1
    ，其中，m為正整數，wm(ωq)代表所述權重函數，ωq代 表第q個子載波(subcarrier)，Hm(ωq)代表第m個所述天線元素在子載波頻率為ωq時的通道響應。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之手機毫米波天線系統，其中，該混波處理係一OFDM信號處理。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之手機毫米波天線系統，其中，該天線元素係一微帶天線。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之手機毫米波天線系統，其中，該加總功能模組之輸出公式如下：
    Figure 110149529-A0305-02-0021-2
     |y0(ωq)|2=Σm|Hm(ωq)|2；亦即各個頻率最後輸出的功率是各埠在該頻率的功率的總和，其中，ym(ωq)代表由第m個所述天線元素在子載波頻率為ωq時所產生的所述基頻數位信號，且y0(ωq)代表該加總功能模組在子載波頻率為ωq時之輸出值。
  5. 如申請專利範圍1項所述之手機毫米波天線系統，其中，在5G毫米波通訊的應用中，基地台之相位陣列天線依序改變波束碼來改變陣列天線場型波束的方向，並且重複傳送廣播信號給設有該手機毫米波天線系統之一手機，該手機接收不同所述波束碼所傳送的廣播信號的RSSI(radio signal strength indicator；接收信號的強度指示)，並回報該基地台哪個所述波束碼最適合該手機，之後該基地台就以該波束碼和該手機進行數據通訊。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之手機毫米波天線系統，其係應用於FDD(Frequency division duplex分頻雙工)系統或TDD(Time division duplex分時雙工)系統。
  7. 如申請專利範圍第7項所述之手機毫米波天線系統，其中，在該分頻雙工系統的上行數據傳輸過程中，會自該些天線元素中選定一最佳天線元素來傳輸上行數據，該最佳天線元素m0的決定如下：m0=max{R(i0,m)}，其中，R(i0,m)是一基地台用波束碼i0發射時4個天線元素中的第m個天線元素接收到廣播信號的RSSI。
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