毫米波系统中相控阵天线与射频集成电路间的迹线技术方案

本文公开了用于改进相控阵天线的波束成形的系统和相关方法。在一个实施方式中，用于无线信号的通信系统具有相控阵天线，该相控阵天线具有多个单独的天线和多个导电迹线。各个迹线将相应的各个天线与发射器电连接。各个迹线的长度Ti、Tk满足公式Abs((Ti‑Tk)mod(λ))

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】毫米波系统中相控阵天线与射频集成电路间的迹线
本技术总体涉及相控阵天线领域，更具体地，涉及降低相控阵天线的功率损耗和改善相控阵天线的信噪比(SNR)领域。
技术介绍
天线(例如，偶极子天线)通常以具有优选方向的模式(即，所产生的模式在某些方向上较强而在其他方向上较弱)产生辐射。当接收电磁信号时，天线具有相同的优选方向，即，在优选方向上接收的信号最强。因此，通过使天线的优选方向与目标接收器或信号源对准，可以改善信号质量(例如，信噪比)。然而，物理地重新定向天线和/或可能不知道目标的精确位置通常是不切实际的。为了克服天线的一些上述缺点，可以由一组天线形成相控阵天线以模拟大型定向天线。相控阵天线的优点在于其在优选方向上发射/接收信号的能力(即，其波束成形能力)，而无需物理地重新定位或重新定向天线。图1是根据现有技术的相控阵天线系统10的示意图。所示系统具有相控阵天线14，相控阵天线14包括以发射信号的半波长(λ/2)间隔设置的四个单独的天线14i。发射器12产生用于相控阵天线10的信号。发射器12包括调制器，调制器接收两个输入(基带信号和载波振荡器)并输出调制射频(RF)信号。例如，具有相对低频的基带信号可以由具有相对高频的载波振荡器调制以产生调制的RF信号。所得到的调制的RF信号通过波束成形器20发射，波束成形器20通过对RF信号施加幅度调整(ai)和相移(θi)来调整RF信号的幅度和相位。每个单独的天线14i的幅度和相位调整的组合被称为该天线的复权重(wi)。由于所得到的调整的RF信号(即，通过施加复权重而调整的)通常是低功率信号，所以功率放大器38i放大离开波束成形器34的RF信号。放大的RF信号到达各个天线14i，并作为无线信号发送到周围空间。在图1所示的示例中，在方向D(即，无线信号的前端F相对于天线14i的平面成角度α(天线角度或AoA))上发射无线信号。例如，可以通过对波束成形器20进行编程，使得θ1>θ2>θ3>θ4乘以适当的Δθ，使得前端F与天线14i的平面成角度α(AoA)，来实现无线信号的期望方向D。类似地，如果相控阵天线14是接收器并且RF信号源(即，发射器)位于AoAD'处，则θi的分布可以被调整，使得相控阵天线在方向D'上具有最大灵敏度。然而，除了对单个天线14i的相位θi的期望的、受控的改变之外，系统还可以对相位θi引入不期望的改变。例如，高频RF信号(例如，GHz范围)的特征在于短波长(例如，mm范围波长)。因此，即使传输线19i的长度Ti之间的相对小的差(例如，mm或亚mm差)也可以导致明显偏离θi的期望分布，这进而导致AoA中的误差、灵敏度的损失、围绕AoA的杂散/不期望的瓣以及其他问题。下面结合图2描述最小化这些问题的一种方法。图2是根据现有技术的相控阵天线系统200的示意图。所示的相控阵天线14包括以发射信号的半波长(λ/2)间隔开的七个单独的天线14i。发射器12产生通过迹线29i路由到天线14i的RF信号。各个迹线29i中的信号可以被相移以产生输出无线信号的期望AoA。如上所述，各个迹线29i之间的长度Ti的差可能在各个天线14i的相移(θi的)中，特别是对于GHz频率范围中的信号引入不期望的变化。因此，在所示的传统系统中，所有迹线29i具有均匀长度，以消除/最小化通过迹线发射的信号的相位的不需要的变化。然而，这种均匀长度必须至少对应于从发射器12到外围天线14i的距离。因此，连接发射器12与位于中心的天线14i的迹线29i比需要的长，这导致这些迹线中额外的信号功率损耗。因此，有利的是提供连接发射器/接收器与天线的迹线，使得最小化由迹线引起的相位θ'的变化，同时不引入不期望的功率损耗。附图说明图1示出了根据现有技术的相控阵天线10。图2是根据现有技术的相控阵天线200的示意图。图3A是根据本技术的实施方式的相控阵天线300的示意图。图3B是根据本技术的实施方式的迹线长度的简化图。图4是根据本技术的实施方式的平铺相控阵天线400的示意图。图5A和图5B是根据本技术的实施方式的收发器的示意图。图6A是迹线损耗为0.25dB/cm时，等长和不等长迹线的以dB为单位的信号增益图。图6B是迹线损耗为0.5dB/cm时，等长和不等长迹线的以dB为单位的信号增益图。具体实施方式下面的公开描述了用于最小化相控阵天线中各个天线的信号相位(θ)的不需要的变化的系统和相关方法的各种实施方式。大多数相控阵天线需要精确控制的各个天线的信号相位之间的差，以产生相控阵天线的无线信号的期望方向性(即天线角度或AoA)。θ的不需要的变化导致误差和/或增加相控阵天线的方向性的噪声。为了实现这种一致性，通常使到相控阵元件的迹线具有相等的长度，由到阵列最远的元件的迹线的长度决定，即所有迹线必须与最长迹线一样长。因此，传统方法对位于中心的迹线造成不期望的功率损耗，而这些位于中心的迹线本可以使用更短的迹线。在本技术的一些实施方式中，射频集成电路(RFIC)芯片的输出引脚通过迹线连接到相控阵天线的各个天线。迹线的长度被设置为使得任何两条迹线的迹线长度差对应于信号波长的倍数。因此，导致位于相控阵天线内中心的元件(即，单个天线)的迹线较短，而到相控阵天线的外围和较远元件的迹线较长。然而，有时相控阵天线工作在可变的信号波长上，并且迹线长度差不能精确地设置为波长的倍数。取而代之，可以允许迹线长度的变化达到某一值，例如，达到四分之一波长或达到八分之一波长(即λ/4或λ/8)。可以通过利用考虑迹线长度失配的波束成形(例如，使用最佳DFT矢量的最优波束成形器)来校正所得到的误差。图3A是根据本技术的实施方式的相控阵天线系统300的示意图。所示的相控阵天线14的实施方式包括以λ/2间隔开的九个天线14i，但是也可以有其它数量的天线14i和各个天线之间的其它距离。通常，当各个天线之间的距离约为λ/2时，对于相位天线阵的方向性可以消除不期望的旁瓣。可以选择将发射器32(例如，RFIC芯片)连接到各个天线14i的迹线39i，使得任何两个迹线39i之间的长度Ti的差是信号波长λ的整数倍。这种情况可以表示为：(Ti-Tk)mod(λ)＝0(公式1)，其中“mod”是一个模操作数，它计算一个数除以另一个数后的余数(R)。当模操作数结果为零时，运算符左侧的参数是操作数左侧参数的整数倍。在实际应用中，足够接近于零的余数可以被认为是零。例如，在本技术的一些实施方式中，小于λ/10或λ/100的余数可以被认为接近于零或基本上为零。在一些实施方式中，发射器32(例如，RFIC芯片)可以包括波束成形器(为了简化未示出)。然而，如果λ不是常数(例如，对于频率分别为58.32、60.48、62.64、64.80GHz的信号，λ＝5.1、5.0、4.8、4.6mm)，则对于至少一些λ的操作，(Ti-Tk)mod(λ)将是非零的。因此，在本技术的一些实施方式中，可以选择迹线长度Ti，使得余数R的值不超过定义的限制。例如，余数R的值可以定义为波长λ的分数(fraction，部分)，对于任何一对迹线Ti和Tk都不超过该分数，如下面的公式2所示。Abs((Ti-Tk)mod(λ))<λ/B(公式2)，其中Abs是绝对值运本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于无线信号的通信系统，包括：相控阵天线，具有多个单独天线；以及多个导电迹线，其中，单独迹线将相应的单独天线与发射器电连接，其中，单独迹线的长度Ti、Tk满足公式：Abs((Ti‑Tk)mod(λ))<λ/B，其中λ是要施加到所述天线的无线信号的波长，并且λ/B是λ的分数。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于无线信号的通信系统，包括：相控阵天线，具有多个单独天线；以及多个导电迹线，其中，单独迹线将相应的单独天线与发射器电连接，其中，单独迹线的长度Ti、Tk满足公式：Abs((Ti-Tk)mod(λ))<λ/B，其中λ是要施加到所述天线的无线信号的波长，并且λ/B是λ的分数。2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述相控阵天线的单独天线间隔λ/2。3.根据权利要求1所述的系统，还包括所述发射器，所述发射器能够通过所述迹线将信号发射到所述相控阵天线。4.根据权利要求1所述的系统，其中，λ/B接近于零。5.根据权利要求1所述的系统，其中，B选自由2、4、8和16组成的组。6.根据权利要求1所述的系统，还包括波束成形器，所述波束成形器能够对要施加到单独导电迹线的无线信号执行幅度和/或相位调整。7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述波束成形器是能够消除由不等迹线长度产生的相位偏移的最优波束成形器。8.根据权利要求6所述的系统，其中，所述波束成形器施加复权重wi，所述复权重wi满足：wi＝exp(j*2πTi/λ)*w'i，其中w'i是对应于具有均匀长度的所述导电迹线的复权重，并且j是单位虚数。9.根据权利要求6所述的系统，还包括能够向所述波束成形器发送信号的射频集成电路(RFIC)。10.一种用于无线信号的通信系统，包括：相控阵天线，具有多个单独天线；多个导电迹线，其中，单独迹线将相应的单独天线与发射器电连接，其中，单独迹线的长度Ti、Tk具有不等迹线长度，所述不等迹线长度在所述相控阵天线的所述单独天线之间引起相位偏移误差；以及波束成形器，被配置为对要施加到单独导电迹线的无线信号执行幅度和/或相位调整，其中，所述波束成形器是被配置为消除所述相控阵天线的所述单独天线之间的相位偏移的最优波束成形器。11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述最优波束成形器施加复权重wi，所述复权重wi满足：wi＝exp(j*2πTi/λ)*w'i，其中w'i是对应于具有均匀长度的所述导电迹线的复权重，并且j是单位虚数。12.根据权利要求10所述的系统，其中，单独迹线的长度Ti、Tk满足公式：Abs((Ti-Tk)mod(λ))<λ/B其中λ是要施加到所述天线的无线信号的波长，并且λ/B是λ的分数。...

【专利技术属性】
技术研发人员：克里希纳·S·戈马达姆，乔尔杰·图吉口维克，桑贾伊·科利，
申请(专利权)人：脸谱公司，
类型：发明
国别省市：美国,US