多端口次阵列及基频信号处理器所组成的天线架构制造技术

欲同时获得高增益及宽角度涵盖范围，传统的单端口天线是做不到的。然而，现代的行动通讯系统，除了传送想传的数据之外，也同时会传送指针信号(pilot signal)，以便于估测实时的通道响应(channel response)及协助信号的侦测。另外，经由基带端的信号处理，多端口的次阵列输出信号可以有效的结合，使得想要的信号可以大大的增强。本发明专利技术将利用指针信号的这种资源，提出多端口次阵列及基带信号处理器所组成的新天线架构，可以同时得到高增益及宽角度涵盖范围的特性，本发明专利技术尤适用于毫米波频带天线的应用。

【技术实现步骤摘要】
多端口次阵列及基频信号处理器所组成的天线架构
本专利技术属于天线架构
，涉及一种多端口次阵列及基频信号处理器所组成的天线架构。本专利技术提出使用多端口次阵列及基带信号处理器所组成的新天线架构，可以同时获得高增益及宽角度涵盖范围的特性，该新架构可以解决传统高增益天线对准困难及易受强风或震动影响而造成通信中断的问题，本专利技术特别适用于毫米波段的天线应用。
技术介绍
传统的天线概念中极高增益的天线都伴随着极窄波束的特性，然而窄波束将造成方向对准的困难，也容易受到诸如强风、地震、或震动的影响，使天线难以对准，而造成通讯的中断。天线系统若能同时有高增益及宽广的角度涵盖范围，将可使天线对准问题变得容易，且不容易受外在环境变化的影响。欲同时获得高增益及宽角度涵盖范围，传统的单端口天线是做不到的。然而，现代的行动通讯系统，除了传送想传的数据之外，也同时会传送指针信号(pilotsignal)，以便于估测实时的通道响应(channelresponse)及协助信号的侦测。另外，经由基带端的信号处理，多端口的次阵列输出信号可以有效的结合，使得想要的信号可以大大的增强。传统的天线为单端口(singleport)，只有一个输入/输出，对于孔径天线(apertureantenna)，孔径愈大，天线增益愈高，其波束(beamwidth)也愈窄。以一维的阵列天线为例，若元素间距为半波长，元素个数为N，则最大阵列增益(arrayfactor)为N，3dB的波束约为sin-1(1/N)弧度，因此元素个数愈多，增益愈大，波束愈窄，波束对准愈不容易，受外界环境扰动的影响也就愈大。专利技术内容本专利技术提出一种新的天线架构，包括高频(RF)端的多端口次阵列(Multi-portsubarray)部分及基带端的信号处理器部分，新架构的示意图如图1所示。假设有M个次阵列，每个次阵列由N个元素所组成，第m个次阵列对准到角度为αm的方向。欲对准到αm的方向，可通过调整相邻元素的相位差来达成，相邻元素间相位差ΔΨ的调整量与对准方向αm的关系式为ΔΨ＝kdcosαm，其中k＝2π/λ，λ为波长，d为元素间的间距，相位差的量可通过调整传输线的长度来达成，每个次阵列端口的输出端经降频器(down-converter，DC)降到基频(baseband)，再经模拟转数字(A/Dconverter)转成数字信号ym，各端口的数字信号ym各自乘上自己的权重wm后相加，而得到整个天线的总输出ym，其表示式为假设有一平面波从Φ的方向入射该天线阵列，第m个次阵列的输出信号ym可表示成下面将说明如何决定每个次阵列所要乘的权重系数wm。现今的无线通信系统，除了传送想送的信号(desiredsignal)之外，都会伴随着传送指针信号(pilotsignal)，接收机可以通过指针信号通道(pilotchannel)来测量或估测通道的状态消息(channelstateinformation)，及做信息的侦测(detection)。因此，每个次阵列端口端的通道响应ym(Φ)可以经由指针信号通道(pilotchannel)来获得，而第m个次阵列端口的权重wm可以定为当所要传送的信号为x时，天线的总输出信号yT(Φ)为其中nm为第m个次阵列端口端接收机的噪声。实际上，式(4)的信号结合方式及式(3)所定义的权重方式，即为传统所称的最大比例结合(maximumratiocombining，MRC)。假设每个次阵列端口端接收机的噪声变异数(variance)皆为E{|nm|2}＝σ2，则第m个埠端的信噪比(signaltonoiseratio)为SNRm＝|ym(Φ)|2/σ2，而整个天线系统的信噪比将为亦即整个天线系统的信噪比为各个次阵列端口端的噪声比的总和。若使用图1的次阵列方式，整个天线系统的天线增益场型(gainpattern)可变成在本架构中，各天线元素所需的相位差Ψn＝nkdcosαm可以通过调整链接到各元素的传输线长度来达成，因此对整个天线系统的制作成本并没有什么增加。本系统尤其适合于毫米波段的应用，因为毫米波段波长小，增加天线元素的个数或次阵列的个数，对于天线尺寸大小的增加，不是一件大问题，然而在高增益的需求下，对准方位调整的方便性及对于外在扰动的容忍性，反而更是需要考虑的，本架构可以使天线的对准及对于抗拒外在环境扰动的要求大幅的降低。附图说明图1为本专利技术的由多端口次阵列及基带信号处理器所组成的天线架构的一实施例，其可同时获得高增益及宽角度涵盖范围。图2为使用本专利技术设计的各次阵列增益的实施例。图3为使用本专利技术设计的整体天线增益的实施例。图4为使用本专利技术设计与传统方法的增益比较。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术进一步详细说明。如图1所示，本专利技术的由多端口次阵列及基带信号处理器所组成的天线架构具有多个次阵列100、多个降频器140、多个权重乘法器单元150及一第一加法器160，各次阵列100均具有多个天线110、多个相位差传输线单元120、一第二加法器130及一次阵列输出端口，其中，各天线110均经由一相位差传输线单元120与第二加法器130的一输入端耦接，且第二加法器130具有一输出端以与该次阵列输出端口耦接；各所述次阵列输出端口均与一降频器140的一输入端耦接，各降频器140均具有一输出端以提供一次阵列输出信号，各所述次阵列输出信号均经一权重乘法器单元150乘上一权重值而产生一加权信号，且第一加法器160用以加总各所述加权信号而提供一整体天线输出信号；所述多个次阵列110在一预定的角度范围内有多个不同的对准方向，且每两个相邻次阵列110的增益场型均有重叠；以及各所述权重值是和一所述次阵列输出端口在一指针信号通道量得的一通道响应的共轭复数成正比。在图1的架构中，主要的设计参数包含：次阵列100的个数M，每个次阵列100的元素个数N，及每个次阵列100的对准角度方位αm；而这些参数又与设计需求相关，假设设计需求定义为：在某个角度范围β0内，天线系统的最低增益为G0。在次阵列100的对准角度方面，假设相邻对准角度的角度差都是相同，皆为Δα，因此我们要决定的参数为(M，N，Δα)每一个次阵列100的增益场型为由式(7)可知，每个次阵列100的最大增益为N，由式(6)也可知整个天线在各方向的增益场型为各个次阵列100增益场型的总和。如果元素间距d＝λ/2，则次阵列100的零点到零点的波束宽(null-to-nullbeamwidth)Δφ＝2sin-1(1/N)，3dB的波束宽约为当电波来向Φ愈远离αm，第m个次阵列100的增益会越小，如果相邻次阵列100对准角度的间距Δα愈大，则天线的总增益增加幅度较为有限，因为角度距离愈远的次阵列100，其方向增益的贡献度愈小。反之，若Δα愈小，总增益会增加的较多。根据这种特性，我们提出如下的设计法则：设计目标：在Δβ的角度范围内，天线的总增益要大于G0。设计步骤步骤1：决定各次阵列100的天线110的个数N方法：令步骤2：决定相邻次阵列100的对准角度间距Δα方法：令(假设)步骤3：决定次阵列100的数量M方法：令依据上面的设计步骤，可以证明所设计出来的次阵列架构可以满足设计本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多端口次阵列及基频信号处理器所组成的天线架构，其具有多个次阵列、多个降频器、多个权重乘法器单元及一第一加法器，各所述次阵列均具有多个天线、多个相位差传输线单元、一第二加法器及一次阵列输出端口，其中，各所述天线均经由一所述相位差传输线单元与该第二加法器的一输入端耦接，且该第二加法器具有一输出端以与该次阵列输出端口耦接；各所述次阵列输出端口均与一所述降频器的一输入端耦接，各所述降频器均具有一输出端以提供一次阵列输出信号，各所述次阵列输出信号均经一所述权重乘法器单元乘上一权重值而产生一加权信号，且该第一加法器用以加总各所述加权信号而提供一整体天线输出信号，其特征在于：所述多个次阵列在一预定的角度范围内有多个不同的对准方向，且每两个相邻所述次阵列的增益场型均有重叠；以及各所述权重值是和一所述次阵列输出端口在一指针信号通道量得的一通道响应的共轭复数成正比。

【技术特征摘要】
2017.06.05 TW 1061185021.一种多端口次阵列及基频信号处理器所组成的天线架构，其具有多个次阵列、多个降频器、多个权重乘法器单元及一第一加法器，各所述次阵列均具有多个天线、多个相位差传输线单元、一第二加法器及一次阵列输出端口，其中，各所述天线均经由一所述相位差传输线单元与该第二加法器的一输入端耦接，且该第二加法器具有一输出端以与该次阵列输出端口耦接；各所述次阵列输出端口均与一所述降频器的一输入端耦接，各所述降频器均具有一输出端以提供一次阵列输出信号，各所述次阵列输出信号均经一所述权重乘法器单元乘上一权重值而产生一加权信号，且该第一加法器用以加总各所述加权信号而提供一整体天线输出信号，其特征在于：所述多个次阵列在一预定的角度范围内有多个不同的对准方向，且每两个相邻所述次阵列的增益场型均有重叠；以及各所述权重值是和一所述次阵列输出端口在一指针信号通道量得的一通道响应的共轭复数成正比。2.根据权利要求1所述的多端口次阵列及基频信号处理器所组成的天线架构，其特征在于：所述次阵列具有一第一数量个所述天线，且所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：李学智，李启民，王柏仁，
申请(专利权)人：李学智，
类型：发明
国别省市：中国台湾,71