TWI796828B - 天線陣列校正裝置與其方法 - Google Patents

Abstract

一種天線陣列校正裝置與其方法，其中該方法包含：量測天線陣列之總功率，控制主動元件以使天線自初始振幅轉變調整為最大振幅，控制移相器以使天線自初始相位調整為隨機相位，根據初始相位調整為隨機相位計算相位變化，根據初始振幅調整為最大振幅計算振幅變化，將相位變化、振幅變化以及總功率帶入振幅相位聯立方程式以計算是否存在實數解。若存在，則獲得天線之初始振幅與初始相位，且校正天線陣列之相位。反之，則調整天線陣列之相位至另一隨機相位以獲得實數解。

Description

天線陣列校正裝置與其方法

本發明係有關於一種天線陣列校正裝置與其方法，尤其是有關一種結合相位旋轉與振幅衰減而達到快速校正之天線陣列校正裝置與相關之方法。

當前相位陣列天線在行動通訊、衛星通訊系統、以及軍用雷達系統都是不可或缺的關鍵技術。要能夠實現精確之波束掃描，對於陣列天線端之各個輻射單之向量電場（振幅與相位）都必須精準掌握。然而，由於各個射頻鏈路上的振幅與相位無法達到完全一致，且相移器的初始振幅與相位相當於隨機變數，再加上天線間之電磁耦合問題等，導致各個輻射天線之振幅與相位隨機呈現。因此，如何利用電磁理論方法搭配功率量測，以精準地求得各輻射源之初始振幅與相位，實是相位陣列天線系統校正亟待研究之議題。

現有的文獻與目前實際做法中大都使用旋轉輻射單元電場向量法（Rotating Element Electric Field Vector，REV）進行相位補償。但由於旋轉輻射單元電場向量法必須調動每一個相移器（Phase Shifter），且同時量測一天線陣列中所有天線的總功率變化，因此所需量測時間非常長，尤其針對多變之操作環境與需要密集校正之相位陣列系統而言，這樣的校正方法相當不實際。

有鑑於先前技術的上述缺點，本發明之一態樣提供了一種天線陣列校正裝置，該天線陣列校正裝置應用於一天線陣列，該天線陣列包含多個天線。該天線陣列校正裝置係包含：一處理器，係用於分析與計算一振幅相位聯立方程式是否存在實數解；以及一控制器，係控制該些天線自一初始相位調整為一隨機相位，以及控制該些天線自一初始振幅調整為一最大振幅；其中，該處理器根據該初始相位調整為該隨機相位計算一相位變化，且根據該初始振幅調整為該最大振幅計算一振幅變化，並將該相位變化、該振幅變化以及該天線陣列之總功率帶入該振幅相位聯立方程式；若該振幅相位聯立方程式存在實數解，該控制器依據計算出之該些天線之該初始振幅與該初始相位，校正該天線陣列之相位；以及若該振幅相位聯立方程式不存在實數解，則該控制器控制該些天線調整為相異於該隨機相位之另一隨機相位，且該處理器根據該另一隨機相位重新計算該振幅相位聯立方程式 以獲得實數解。

本發明之另一態樣提供了一種天線陣列校正方法，該天線陣列校正方法應用於一天線陣列，該天線陣列係由多個天線、多個移相器以及多個主動元件組成，每一該些天線耦接於該些移相器中對應一者與該些主動元件中對應一者，該天線陣列校正方法包含以下步驟：量測該天線陣列之總功率；控制該些主動元件，以使該些天線自一初始振幅調整為一最大振幅；控制該些移相器，以使該些天線自一初始相位調整為一隨機相位；根據該初始相位調整為該隨機相位計算一相位變化，且根據該初始振幅調整為該最大振幅計算一振幅變化，並將該相位變化、該振幅變化以及該天線陣列之總功率帶入一振幅相位聯立方程式，計算該振幅相位聯立方程式是否存在實數解；若該振幅相位聯立方程式存在實數解，則獲得該些天線之該初始振幅與該初始相位，且校正該天線陣列之相位；以及若該振幅相位聯立方程式不存在實數解，則控制該移相器調整該天線陣列之相位為相異於該隨機相位之另一隨機相位，且根據該另一隨機相位重新計算該振幅相位聯立方程式 以獲得實數解。

綜上所述，本發明主要目的係藉由僅調整天線陣列中每一天線之相位變化、振幅變化以及上述天線陣列之總功率，透過振幅相位聯立方程式獲得實數解，即天線陣列中每一個天線之初始振幅與初始相位，藉以達到快速校正天線陣列之相位。若透過振幅相位聯立方程式無法獲得實數解時，僅需再次調整天線陣列中每一個天線之相位，直至振幅相位聯立方程式獲得實數解即可，亦達到提昇校正天線陣列之效率。

以下說明係為完成發明的較佳實現方式，其目的在於描述本發明的基本精神，但並不用以限定本發明。實際的發明內容必須參考之後的權利要求範圍。

必須了解的是，使用於本說明書中的“包含”、“包括”等詞，係用以表示存在特定的技術特徵、數值、方法步驟、作業處理、元件以及/或組件，但並不排除可加上更多的技術特徵、數值、方法步驟、作業處理、元件、組件，或以上的任意組合。

於權利要求中使用如“第一”、“第二”等詞係用來修飾權利要求中的元件，並非用來表示之間具有優先權順序，先行關係，或者是一個元件先於另一個元件，或者是執行方法步驟時的時間先後順序，僅用來區別具有相同名字的元件。

相位陣列（Phased Array）依據線性疊加的理論，一個天線陣列系統的輻射電場可由每一個單一天線的複數電場疊加而成。然而，由於每一個射頻鏈路之初始相位與初始振幅均不一致，同時天線之間的耦合效應，常導致在天線一端的初始電場差異甚大。本發明主要是利用數學方法，找出天線陣列中每一個天線之初始電場，並藉此利用可調相位與振幅之相移器（Phase Shifter）以及衰減器（Programmable Attenuator）來進行補償初始電場之誤差。

由於輻射電場是複數（Complex Number），因此具備有相位與振幅兩個變數，上述兩個變數必須由兩道方程式來求獲得振幅相位聯立方程式的聯立解。其中，相移器用以調整相位，可提供領先或延遲的相位；衰減器用以調整振幅，可產生放大或衰減的振幅。舉例來說，衰減器可根據不同的衰減因子來達到放大或衰減的效果。

請一併參閱圖1與圖2，圖1係依據本發明一實施例繪示一種天線陣列校正裝置之示意圖，圖2係依據本發明一實施例繪示一種天線陣列校正裝置之局部放大圖。

於一實施例中，如圖1所示，天線陣列校正裝置100應用於一天線陣列20，天線陣列20包含多個天線22。天線陣列校正裝置100包含一控制器30以及一處理器40。

於一些實施例中，天線陣列20中的天線22可以一維或二維的方式排列於該天線陣列20內，但天線22於天線陣列20中排列之維度不以此為限，本發明的技術手段亦可延伸至三維的架構。於一些實施例中，本揭露之天線陣列20可以單一組或多組實現於通訊裝置，上述通訊裝置可以是行動通訊裝置、行動運算裝置、電腦裝置、電信設備、基地台設備、無線橋接器設備、網路設備或電腦或網路的週邊設備等。於一些實施例中，天線陣列校正裝置100可包含一或多個天線陣列20，且天線陣列20內天線22的數量取決於實際設計需求，例如為圖1所示之天線陣列20可由 M × N 個天線22所組成，其中 M、N 係為一大於1或等於1之任意正整數。於一些實施例中，天線陣列20可由 256（16 × 16）個天線22所組成。

控制器30係控制天線22自一初始相位調整為一隨機相位，以及控制該些天線自一初始振幅調整為一最大振幅。

於一實施例中，天線陣列校正裝置100可以包含多個移相器24以及多個主動元件26。於一些實施例中，每一個天線22可耦接於移相器24中對應一者與主動元件26中對應一者，例如圖1的實施例示意了移相器24耦接於天線22與主動元件26之間，但在其他的實施例亦可置換為主動元件26耦接於天線22與移相器24之間。於一些實施例中，主動元件26可以是數位衰減器（Digital Attenuator，DSA）、類比衰減器（Analog Attenuator，VVA）、運算放大器以及可變增益放大器（Variable Gain Amplifier，VGA）中之至少一者。於一些實施例中，除了移相器24與主動元件26之外，天線22可另耦接於一或多個元件，例如驅動器、檢測器、分離器（分束器）、控溫器、濾波器、整流器、數位類比轉換器、另一移相器、另一主動元件、晶片、電路或反饋電路等，上述晶片或上述電路例如為電子電路、積體電路、微晶片、半導體主動/被動元件等。

於一些實施例中，每一個天線22可用於傳送或接收訊號，例如無線射頻訊號。於一些實施例中，每一個天線22可處理單一個訊號波束或多個訊號波束。於一些實施例中，天線陣列20可通過控制器30控制每一個天線22的一移相器24，以調整每一個天線22的相位，例如控制器30控制天線22自初始相位調整為隨機相位。於一些實施例中，上述隨機相位可以與上述初始相位之相位變化（差異）為任何角度，例如為1度、10度、15度、45度以及90度等。

於一實施例中，天線陣列20可通過控制器30控制每一個天線22的一主動元件26，以調整每一個天線22的振幅，例如控制器30控制天線22自初始振幅調整為最大振幅。

處理器40係用於分析與計算一振幅相位聯立方程式是否存在實數解。於一些實施例中，處理器40係指能夠執行編碼算術、邏輯和/或I/O操作指令之設備。於一些實施例中，處理器40可包括算術邏輯單元（ALU）、控制單元及/或暫存器，其中上述暫存器可以是一任何型態的固定式或可移動式的隨機存取記憶體（random access memory，RAM）、唯讀記憶體（read-only memory，ROM）、快閃記憶體（flash memory）、硬碟（hard disk drive，HDD）、固態硬碟（solid state drive，SSD）或類似元件或上述元件的組合。於一些實施例中，處理器40可以與控制器30整合於一相同晶片或容器內。於一些實施例中，天線陣列校正裝置100可包含一或多個處理器40。於一些實施例中，處理器40係包含能夠一次執行一條指令（或處理單一指令流水線）的單核處理器，或者可同時執行多條指令的多核處理器。於一些實施例中，處理器40可以是一或多個積體電路。於一些實施例中，處理器40可以是由中央處理單元（Central Processing Unit，CPU），或是其他可程式化之一般用途或特殊用途的微處理器（Microprocessor）、數位信號處理器（Digital Signal Processor，DSP）、可程式化控制器、特殊應用積體電路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC）或其他類似元件或上述任意元件之組合，本揭露不限於此。於一些實施例中，處理器可包含互連或傳輸功能，例如無線網絡功能或區域網絡功能。

於一些實施例中，上述振幅相位聯立方程式可表示為下列方程式一以及方程式二：

…方程式一

…方程式二

其中，方程式一、方程式二中的參數

係為天線陣列20中第 n 個天線之振幅調整（放大或衰減）了α的總功率（於線性座標），參數

係為於一初始條件下天線陣列20的總功率，參數

則係為天線陣列20之第 n 個天線之相位調整了

的總功率。

其中，方程式一、方程式二中的變數

、

分別是待計算之未知數，可再表示為下列方程式三以及方程式四：

…方程式三

…方程式四

其中，

和

即分別為第 n 個天線的初始振幅以及初始相位。

於一實施例中，如圖2所示，處理器40可根據上述初始相位調整為上述隨機相位計算一相位變化，例如為圖2所示之相位變化

，且根據上述初始振幅調整為上述最大振幅計算一振幅變化，並將上述相位變化、上述振幅變化以及天線陣列20之總功率，帶入上述振幅相位聯立方程式，以獲得實數解。

若上述振幅相位聯立方程式存在實數解，則獲得每一個天線22之上述初始振幅與上述初始相位，且控制器30可依據計算出之每一個天線22之上述初始振幅與上述初始相位，校正天線陣列20之相位，進行相位補償以使天線陣列20之主波束 A（請參見圖1、圖6）達到預定目標角度，例如為圖1所示之校正角度變化 θ。

若上述振幅相位聯立方程式不存在實數解，則控制器30將重新控制天線22調整為相異於上述隨機相位之另一隨機相位，且處理器40根據上述另一隨機相位重新計算上述振幅相位聯立方程式，以獲得實數解。於一些實施例中，連續二隨機相位之相位差距可為固定，例如為1度、10度、15度、45度以及90度等。於一些實施例中，本發明最少僅需經過控制器30調整一次相位變化與一次振幅變化後，即可透過上述振幅相位聯立方程式獲得實數解，亦即獲得一個天線22之初始相位以及初始振幅。於一些實施例中，依據本發明實施於 256（16 × 16）個天線22組成之天線陣列20中，完成上述振幅相位聯立方程式最少僅需計算 256 × 2 = 512 次相位調變與功率量測，即可用以校正天線陣列20之相位。

請參閱圖3，圖3係依據本發明之一實施例繪示一種天線陣列校正方法之流程圖。

於一實施例中，如圖3所示，於步驟S1中，處理器40量測天線陣列20之總功率。

於步驟S3中，控制器30控制主動元件26，以使天線22自一初始振幅調整為一最大振幅。

於步驟S5中，控制器30控制移相器24，以使天線22自一初始相位調整為一隨機相位。

於步驟S7中，處理器40根據上述初始相位調整為上述隨機相位計算一相位變化，且處理器40根據上述初始振幅調整為上述最大振幅計算一振幅變化，並將上述相位變化、上述振幅變化以及天線陣列20之總功率帶入上述振幅相位聯立方程式中。於步驟S9中，判斷上述振幅相位聯立方程式是否存在實數解。

於步驟S11中，若上述振幅相位聯立方程式確實存在實數解，則處理器40獲得天線22之上述初始振幅與上述初始相位，且控制器30可依據上述初始振幅與上述初始相位來校正天線陣列20，以進行相位補償。

於步驟S13中，若上述振幅相位聯立方程式不存在實數解，則控制器30再次控制移相器24調整天線陣列20中每一個天線22為相異於上述隨機相位之另一隨機相位，且根據上述另一隨機相位重新計算上述振幅相位聯立方程式，直到獲得實數解。

請參閱圖4，圖4係依據本發明之振幅相位聯立方程式是否存在實數解之示意圖。

於一實施例中，如圖4所示，因天線22之上述初始相位以及上述初始振幅無法預估（即一隨機分布），根據上述振幅相位聯立方程式，於變數

作為X軸、

作為Y軸之一線性座標系中，其中方程式一可於振幅調整（放大或衰減）了α後得到第一功率圓42，而其中方程式二可分別於相移了

、

、

後得到第二功率圓44、第三功率圓46以及第四功率圓48。

當調整了不同角度（

、

、

），且調變相位所得之總功率小於調變衰減所得之總功率時，其中不恰當的相位（

）將造成實數解不存在，例如為第一功率圓42與第二功率圓44無交點（無實數解），而其中恰當的相位（

、

）將存在實數解，例如為第一功率圓42與第三功率圓46、第四功率圓48有交點（有實數解），故本發明提出根據隨機相位改變天線22之移相角度

（請參見圖2），即改變方程式二所轉換的功率圓之圓心位置，以獲得實數解。於一些實施例中，本發明可不斷產生隨機相位來產生不同的功率圓，直到有實數解產生。

請一併參閱圖5A、圖5B、圖5C以及圖5D，圖5A至圖5D係繪示一天線陣列（16 × 16）中每一天線對應的相位值，圖5A係繪示上述天線陣列之實際初始相位，圖5B係繪示上述天線陣列（16 × 16）依據本發明實施例計算後之初始相位，圖5C係繪示圖5A與圖5B之相位差異，圖5D係繪示上述天線陣列（16 × 16）依據本發明實施例移相器校正後之相位分布。

於一實施例中，如圖5A所示，以一個天線陣列20為例，上述天線陣列20係由 256（16 × 16）個天線22所組成，每一個天線22係有不同的初始相位，故以不同深淺之灰階表示，例如相同灰階之第一天線52、第二天線54均具有一隨機之初始相位 0 度。

若使用旋轉輻射單元電場向量法（Rotating Element Electric Field Vector，REV）而言，由於天線陣列20的總功率與天線22之移相器24之相位的餘弦變化一致，因此藉由循序調整每一個天線22之相移器24的相位，以得到總功率變化之餘弦曲線來計算每一個天線22的初始相位以及初始振幅，作為校正之依據，例如以 5-bit 數位相移器（Digital Phase Shifter）為例，使用旋轉輻射單元電場向量法（Rotating Element Electric Field Vector，REV）即需要改變每一個天線之相位 32 次，同時量測天線陣列之總功率 32 次，對於 256（16 × 16）個天線22組成之天線陣列20共需要完成 256 × 32 = 8192 次相位調變與功率量測。

於一實施例中，如圖5B所示，依據本發明實施於 256（16 × 16）個天線22組成之天線陣列20，完成上述振幅相位聯立方程式僅需最少計算 256 × 2 = 512 次相位調變與功率量測，即可快速校正，大幅降低天線陣列20校正上的耗時，並提昇其效能。舉例而言，第一天線52依據本發明之另一實施例計算後所得之初始相位接近 0 度，第二天線54經過本發明之另一實施例計算後所得之初始相位接近 359 度。

於一實施例中，如圖5C所示，圖5A所示之實際初始相位以及圖5B所示依據本發明之另一實施例計算後所得之初始相位具有一相位誤差。例如第一天線52所得之相位誤差接近 0 度，第二天線54所得之相位誤差接近 -1 度。

於一實施例中，如圖5D所示，依據處理器40計算振幅相位聯立方程式之結果，控制器30將調整每一個天線22之移相器24進行校正。舉例而言，透過圖5D中校正後之天線陣列20的相位分布，可使天線陣列20之主波束 A（請參見圖1、圖6）達到預定目標角度（例如 41.05 度），其中第一天線52依據本發明之另一實施例校正後之相位接近 60 度，第二天線54依據本發明之另一實施例校正後之相位接近 60 度。

請參閱圖6，圖6係依據本發明之另一實施例校正前後之相位變化之示意圖。

於一實施例中，如圖6所示， X 軸係為天線陣列20之波束角度，Y軸係為陣列因子（Array Factor）之大小，單位為 dB。於一實施例中，圖5A至圖5D中 256（16 × 16）個天線22組成之天線陣列20，天線陣列20經校前之波束62如圖6的虛線所示。為了使主波束A達到預定目標角度（例如 41.05 度），控制器30調整每一個天線22之移相器24之角度，同時依據旁瓣為 -30 dB （side lobe level -30 dB）以下之條件，使控制器30調整每一個天線22之衰減器26，天線陣列20經校正後之波束64即如圖6的實線所示。同時，校正後之波束64可具有一最大旁波瓣66，係於 -30 dB 以下之規格。以上旁瓣設定為 -30 dB 僅為舉例之用，並非對本發明範疇的限制。

本發明對於任一天線陣列可藉由調整天線陣列中每一個天線之相位變化、振幅變化以及天線陣列之總功率，帶入振幅相位聯立方程式獲得實數解，即獲得每一個天線之初始振幅與初始相位，藉以達到快速校正天線陣列。若振幅相位聯立方程式無法獲得實數解時，本發明透過再次調整上述天線陣列中每一個天線之相位至另一隨機角度，直至上述振幅相位聯立方程式獲得實數解，如此一來便能大幅提昇校正天線之效率。換言之，本發明能夠在低操作複雜度下，對天線陣列進行妥善之校正。

惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

100:天線陣列校正裝置 300:天線陣列校正方法 400:振幅相位聯立方程式產生之功率圓之示意圖 600:校正前後之相位變化之示意圖 20:天線陣列 22:天線 24:移相器 26:主動元件 30:控制器 40:處理器 42:第一功率圓 44:第二功率圓 46:第三功率圓 48:第四功率圓 52:第一天線 54:第二天線 62:校正前之波束 64:校正後之波束 66:最大旁波瓣 S1~S13:步驟 A:主波束 θ:校正角度

:移相角度

圖1係依據本發明一實施例繪示一種天線陣列校正裝置之示意圖。 圖2係依據本發明一實施例繪示一種天線陣列校正裝置之局部放大圖。 圖3係依據本發明之一實施例繪示一種天線陣列校正方法之流程圖。 圖4係依據本發明之振幅相位聯立方程式產生之功率圓之示意圖。 圖5A係繪示一天線陣列（16 × 16）之實際初始相位之示意圖。 圖5B係繪示圖5A之天線陣列（16 × 16）依據本發明之另一實施例計算後之初始相位之示意圖。 圖5C係繪示圖5A與圖5B之相位差異之示意圖。 圖5D係繪示圖5A之天線陣列（16 × 16）依據本發明另一實施例移相器校正後之相位分布之示意圖。 圖6係依據本發明之另一實施例校正前後之相位變化之示意圖。

無

300:天線陣列校正方法

S1~S13:步驟

Claims (10)

1. 一種天線陣列校正裝置，應用於一天線陣列，該天線陣列包含多個天線，該天線陣列校正裝置係包含：一處理器，係用於分析與計算一振幅相位聯立方程式是否存在實數解；以及一控制器，係控制該些天線自一初始相位調整為一隨機相位，以及控制該些天線自一初始振幅調整為一最大振幅；其中，該處理器根據該初始相位調整為該隨機相位計算一相位變化，且根據該初始振幅調整為該最大振幅計算一振幅變化，並將該相位變化、該振幅變化以及該天線陣列之總功率帶入該振幅相位聯立方程式；若該振幅相位聯立方程式存在實數解，該控制器獲得該些天線之該初始振幅與該初始相位，校正該天線陣列之相位；以及若該振幅相位聯立方程式不存在實數解，則該控制器控制該些天線調整為相異於該隨機相位之另一隨機相位，且該處理器根據該另一隨機相位重新計算該振幅相位聯立方程式以獲得實數解。
2. 如請求項1之該天線陣列校正裝置，另包含多個移相器以及多個主動元件，其中每一該些天線耦接於該些移相器中對應一者與該些主動元件中對應一者。
3. 如請求項2之該天線陣列校正裝置，其中：該控制器控制該些移相器，以使該些天線自該初始相位調整為該隨機相位。
4. 如請求項2之該天線陣列校正裝置，其中該控制器控制該些天線調整為相異於該隨機相位之該另一隨機相位係為：該控制器控制該些移相器，以使該些天線調整為相異於該隨機相位之該另一隨機相位。
5. 如請求項2之該天線陣列校正裝置，其中該控制器控制該些天線自該初始振幅調整為該最大振幅係為：該控制器控制該些主動元件，以使該些天線自該初始振幅調整為該最大振幅。
6. 如請求項2之該天線陣列校正裝置，其中該些主動元件進一步包含：一數位衰減器(Digital Attenuator，DSA)、一類比衰減器(Analog Attenuator，VVA)、一運算放大器以及一可變增益放大器(Variable Gain Amplifier，VGA)中之至少一者。
7. 如請求項1之該天線陣列校正裝置，其中該天線陣列進一步包含：該些天線係以一維或二維排列於該天線陣列。
8. 一種天線陣列校正方法，應用於一天線陣列，該天線陣列係由多個天線、多個移相器以及多個主動元件組成，每一該些天線耦接於該些移相器中對應一者與該些主動元件中對應一者，該天線陣列校正方法包含以下步驟：量測該天線陣列之總功率；控制該些主動元件，以使該些天線自一初始振幅調整為一最大振幅；控制該些移相器，以使該些天線自一初始相位調整為一隨機相位；根據該初始相位調整為該隨機相位計算一相位變化，且根據該初始振幅調整為該最大振幅計算一振幅變化，並將該相位變化、該振幅變化以及該天線陣列之總功率帶入一振幅相位聯立方程式，計算該振幅相位聯立方程式是否存在實數解； 若該振幅相位聯立方程式存在實數解，則獲得該些天線之該初始振幅與該初始相位，且校正該天線陣列之相位；以及若該振幅相位聯立方程式不存在實數解，則控制該移相器調整該天線陣列之相位為相異於該隨機相位之另一隨機相位，且根據該另一隨機相位重新計算該振幅相位聯立方程式以獲得實數解。
9. 如請求項8之該天線陣列校正方法，其中該些主動元件進一步包含：一數位衰減器(Digital Attenuator，DSA)、一類比衰減器(Analog Attenuator，VVA)、一運算放大器以及一可變增益放大器(Variable Gain Amplifier，VGA)中之至少一者。
10. 如請求項8之該天線陣列校正方法，其中該天線陣列進一步包含：該些天線係以一維或二維排列於該天線陣列。

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