相控阵天线模块和包括相控阵天线模块的通信设备的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2018年5月24日在美国专利商标局递交的美国临时申请no.62/675,931和2018年6月29日在韩国知识产权局递交的韩国专利申请no.10-2018-0075949的权益，其全部公开内容通过引用合并于此。

本发明构思大体上涉及无线通信，更具体地，涉及相控阵天线模块和包括相控阵天线模块的通信设备。

背景技术：

无线通信设备可以支持多输入多输出(mimo)系统，以用于高吞吐量和/或改善的信号质量。这些系统可以支持分集方案，该分集方案包括根据信号环境选择最佳天线或波束方向。为此，设备可以包括天线模块，该天线模块包括形成相控阵的多个天线，其中天线之间的相对相位是波束方向的决定性因素，从而允许波束转向和以改善的信号的通信。mimo还可能需要多路复用以增加吞吐量，其中在不同的波束方向上同时发送/接收独立信息信号或表示比特流的不同部分的信号。

为了支持具有强线性特性的高频带(例如，毫米波(mmwave))，无线通信设备可以包括多个天线模块，其中在所述高频带中，波不能高效地在某些障碍物周围弯曲或通过某些障碍物。每个天线模块本身可以包括相控阵。天线模块彼此间隔开，使得通过所选择的一个天线模块或一组天线模块能够实现信号的通信。例如，当使用初始选择的天线模块的通信被障碍物中断或由于无线通信设备的改变的取向/面向方向而中断时，可以将通信切换到以更好的信号质量进行通信的不同的一个或多个天线模块。因此，期望一种用于高效地处理通过多个天线模块接收的信号和通过多个天线模块发送的信号的结构。

技术实现要素：

本发明构思的实施例提供了一种用于高效处理信号的天线模块、以及包括该天线模块的通信设备。

根据本发明构思的一个方面，提供了一种天线模块，包括：相控阵，包括多个天线，并且被配置为传送在不同方向上极化的第一rf信号和第二rf信号；前端射频集成电路(rfic)，包括被配置为处理或生成第一rf信号的第一rf电路和被配置为处理或生成第二rf信号的第二rf电路；以及开关电路，被配置为根据控制信号将第一rf电路和第二rf电路中的每一个连接到天线模块的第一端口或第二端口。第一端口和第二端口可以连接到后端rfic，后端rfic处理或生成基带信号。

根据本发明构思的另一方面，提供了一种通信设备，包括：第一信号线和第二信号线；后端射频集成电路(rfic)，被配置为处理或生成基带信号；以及第一天线模块，通过第一信号线和第二信号线连接到后端rfic，并包括被配置为传送在不同方向上极化的第一rf信号和第二rf信号的相控阵，其中第一天线模块被配置为与后端rfic通信，使得与第一rf信号相对应的第一内部信号和与第二rf信号相对应的第二内部信号均根据控制信号通过第一信号线或第二信号线。

根据本发明构思的另一方面，提供了一种通信设备，包括：后端射频集成电路(rfic)，被配置为处理或生成基带信号；以及第一天线模块至第三天线模块，第一天线模块至第三天线模块中的每一个天线模块包括被配置为传送在不同方向上极化的第一rf信号和第二rf信号的相控阵，其中后端rfic包括第一4路开关至第四4路开关，第一天线模块连接到第一4路开关的第二端口和第二4路开关的第一端口，第二个天线模块连接到第二4路开关的第二端口和第三4路开关的第一端口，并且第三天线模块连接第三4路开关的第二端口和第四4路开关的第二端口。

附图说明

根据以下结合附图进行的详细描述，将更清楚地理解本发明构思的实施例，在附图中，相似的附图标记表示相似的元件或操作，其中：

图1是根据实施例的包括通信设备的无线通信系统的框图；

图2是根据实施例的天线模块的透视图；

图3是根据实施例的沿图2中的线iii-iii截取的天线模块的一部分的横截面图；

图4是根据实施例的天线模块和后端射频集成电路(rfic)的框图；

图5a和图5b是示出了根据实施例的图4的开关电路的操作的各个开关状态的示意图；

图6a和图6b是示出了根据实施例的包括在前端rfic中的rf电路的各个示例的框图；

图7a和图7b是示出了根据实施例的后端rfic和数据处理器的各个示例的框图；

图8是示出了根据实施例的后端rfic和天线模块的框图；

图9是根据实施例的通信设备的框图；

图10是根据实施例的通信设备的操作方法的流程图；以及

图11是示出了根据实施例的包括天线模块的通信设备的示例的框图。

具体实施方式

现在将参考附图来描述本发明构思的示例性实施例。

在本文中，术语“相控阵”可以指代共同传送(即，发送和/或接收)一个或多个信息信号的至少两个天线。在相控阵中，连接到天线的信号路径的插入相位被设置或动态调整以生成指向期望方向的波束。本文中使用的术语“相控阵”还可以共同地指代设置在同一天线模块内的至少两个天线集，其中每个天线集包括多个天线元件。在这种情况下，相控阵的第一天线集可以用于传送在第一方向上极化的信号能量，第二天线集可以用于传送在第二方向上极化的信号能量。

在本文中，术语“天线元件”和“天线”可以互换使用。

在本文中，当天线被描述为传送信号时，天线发送和/或接收信号。

在本文中，术语“射频(rf)”用于涵盖范围从khz范围到毫米波频率的频率。

在本文中，词语“发送”和“接收”可以用作形容词。例如，“接收信号”是指正在接收的信号，“发送信号”是指正在发送的信号，“接收信号功率”是指接收信号的功率等。

图1是根据实施例的包括通信设备的无线通信系统5的框图。无线通信系统5可以包括使用蜂窝网络的无线通信系统，例如第5代无线(5g)系统、长期演进(lte)系统、lte高级系统、码分多址(cdma)系统、全球移动通信系统(gsm)系统、无线局域网(wlan)系统或其他类型的无线通信系统。在下文中，无线通信系统5将主要被描述为使用蜂窝网络的无线通信系统，但是涉及非蜂窝网络的实施例也是可能的。如图1所示，在无线通信系统5中，无线通信设备(即，基站(bs)3和用户设备(ue)100)可以彼此通信。在本文中，无线通信设备也可以称为通信设备。

bs3通常可以表示与ue和/或另一bs通信的固定站，并且可以通过与ue和/或另一bs通信来交换数据和控制信息。例如，bs3可以是节点b、演进节点b(enb)、扇区、站点、基站收发机系统(bts)、接入点(ap)、中继节点、远程无线电头端(rrh)、无线电单元(ru)或小小区。在本公开中，“小区”具有指示例如由cdma中的基站控制器(bsc)、wcdma中的节点b、lte中的enb或扇区(站点)覆盖的部分区域或功能的综合含义。小区范围的示例包括各种覆盖区域，例如兆小区通信范围、宏小区通信范围、微小区通信范围、微微小区通信范围、毫微微小区通信范围、中继节点通信范围、rrh通信范围、ru通信范围和小小区通信范围。

ue100可以是固定的或移动的，并且表示能够通过与bs3通信来发送或接收数据和/或控制信息的任何设备。例如，ue100可以是终端设备、移动站(ms)、移动终端(mt)、用户终端(ut)、订户站(ss)、无线设备或手持设备。

ue100和bs3之间的无线通信网络可以通过共享可用网络资源来支持用户之间的通信。例如，在无线通信网络中，可以通过各种多址方法来传送信息，各种多址方法例如是cdma、频分多址(fdma)、时分多址(tdma)、正交频分多址(ofdma)、单载波频分多址(sc-fdma)、ofdm-fdma、ofdm-tdma和ofdm-cdma。如图1所示，ue100和bs3可以通过上行链路ul和下行链路dl彼此通信。根据一些实施例，用户设备可以如在设备到设备(d2d)中那样通过侧链路(sidelink)彼此通信。

如图1所示，ue100可以包括多个天线模块110、120、130和140、后端射频集成电路(rfic)150和数据处理器160。天线模块110至140可以与后端rfic150通信，并且后端rfic150可以与数据处理器160通信。在图1中，ue100包括四个天线模块110至140，但是在备选示例中可以采用更多或更少的天线模块。

具有短波长的信号可以在诸如毫米波波段的高频带中具有强线性，因此可能容易地被障碍物衰减。对于短波长信号，当天线指向方向或取向/极化与输入信号的方向或取向/极化未对准时，通过天线接收的信号功率可能会减小。在发送时可能发生互易情况。ue100可以包括多个天线模块110至140，其可以彼此间隔开，如图1所示。接收功率可以在天线模块110至140的相应位置处不同。接收功率的差异可能是由于天线模块的不同相应位置处的多径反射的差异(例如，这导致输入信号的极化改变)引起的。此外，可以对每个天线模块进行预设以在不同的相应方向上形成波束，使得所有天线模块110至140一起覆盖更宽的区域。通过动态地选择天线模块110至140中的具有高质量信号的一个或多个天线模块，尽管ue100的非最佳指向方向或障碍物(例如，用户的身体)的接近，仍然可以与bs3进行通信。在示例中，天线模块110至140可以沿着ue100的边缘彼此间隔开。例如，如果ue100具有大致矩形形状的轮廓，则天线模块110至140均可以安装在矩形的相应角落处。

天线模块110至140中的每一个可以包括相控阵。例如，天线模块110可以包括由多个天线集构成的相控阵111。根据一些实施例，相控阵111的多个天线可以用于共同形成波束，并且可以用于基于mimo的通信方案。例如，通过使用mimo，天线模块110至140可以一起用于同时传送占据相同频带但在不同方向上传播的多个独立信号，从而增加吞吐量。此外，根据一些实施例，相控阵111可以包括被配置为传送在预定方向上极化的信号的天线，或者可以包括被配置为同时发送或接收在不同方向上极化的至少两个信号的天线。

天线模块110至140中的每一个可以包括前端rfic。例如，天线模块110可以包括前端rfic112，其可以耦合到相控阵111的多个天线。前端rfic112可以向后端rfic150提供通过处理在接收模式下从相控阵111接收的信号而生成的信号，或者向相控阵111提供通过处理在发送模式下从后端rfic150接收的信号而生成的信号。

后端rfic150可以处理或生成基带信号。例如，后端rfic150可以从数据处理器160接收基带信号，并且将通过处理基带信号而生成的信号提供给天线模块110至140中的至少一个。此外，后端rfic150可以将通过处理从天线模块110至140中的至少一个接收的信号而生成的基带信号提供给数据处理器160。

数据处理器160可以基于要发送给bs3的数据生成基带信号，并且将基带信号提供给后端rfic150，或者可以从接收自后端rfic150的基带信号中提取从bs3接收的数据。例如，数据处理器160可以包括至少一个数模转换器(dac)，其通过转换从要发送给bs3的数据调制而来的数字数据来输出基带信号。数据处理器160还可以包括至少一个模数转换器(adc)，其中至少一个adc可以通过转换基带信号来输出数字数据。根据一些实施例，数据处理器160可以包括执行一系列指令的至少一个内核，并且可以称为调制解调器。

如上所述，包括在一个天线模块中的相控阵(例如，相控阵111)可以传送诸如具有不同极化的信号的多个信号，并且由于ue100可以包括多个天线模块110至140，因此这可以增加多个天线模块110至140与后端rfic150之间的连接的数量。当后端rfic150由于增加的连接数量而具有增加的引脚数量时，后端rfic150的大小可以增加，并且可以提供与连接相对应的更高数量的组件。此外，当在多个天线模块110至140和后端rfic150之间增加信号线的数量时，ue100的结构可能变得复杂，并且ue100的空间效率可能由于用于信号线的布置的空间分配而受到影响。结果，可能限制ue100的小型化。根据下面进一步解释的发明构思，可以缓解连接和组件的数量的这种增加。

与天线模块110至140的相控阵相对应的多个信号中的一些信号可以用于与bs3的通信。例如，天线模块110至140中的由于障碍物和/或ue100的面向方向而提供不令人满意的通信的天线模块可以被排除在与bs3的通信之外。此外，当通过在某个方向上极化的信号的通信不令人满意时，可以排除该信号的通信。如下所述，天线模块110至140和后端rfic150可以在ue100中彼此连接，使得在处理被选择用于通信的信号时省略与天线模块110至140相对应的多个信号中的一些信号。例如，省略的信号不被路由到后端rfic150/不从后端rfic150路由省略的信号。因此，在ue100中可以减少天线模块110至140和后端rfic150之间的连接(否则所述连接专用于始终路由每个信号)的数量，并且ue100可以具有更简单的结构。此外，对于给定数量的连接，ue100可以支持增加数量的mimo流，因此ue100可以提供更高的数据传输速率。在下文中，将主要描述作为通信设备的示例的ue100的一个或多个实施例，但是将理解的是，其他实施例可以应用于不同类型的通信设备，例如bs3。

图2是根据实施例的天线模块200的透视图。图3是根据实施例的沿图2中的线iii-iii截取的天线模块200的一部分的横截面图。具体地，图3是在z-y平面中截取图2的天线模块200的横截面图，其中z轴垂直于天线模块200的主表面。

例如，参考图1和图2，天线模块200是天线模块110至140中的任何一个的示例，并且可以安装在ue100内，使得其顶表面(主表面)平行于ue100的主表面(例如，正面)。天线模块200的厚度方向可以与ue100的厚度方向一致。在这种情况下，如果用户握持设备同时设备的正面面向竖直方向(例如，ue面朝上放置在平坦表面上)，则以下约定可以对应于该取向状态：彼此垂直的x轴方向和y轴方向可以分别被称为第一水平方向和第二水平方向，并且x-y平面可以被称为水平平面。此外，垂直于水平面的方向，即z轴方向，可以被称为竖直方向，其中相对于其他组件在+z轴方向上布置的组件可以被称为在其他组件上方，并且相对于其他组件在-z轴方向上布置的组件可以被称为在其他组件下方。在组件的表面中，+z轴方向上的表面可以被称为顶表面，-z轴方向上的表面可以被称为底表面。注意，图2和图3中的天线模块200仅是示例，并且可以替换为其他合适的配置。

如上面参考图1所述，天线模块200可以包括包含多个天线的相控阵220和前端rfic210。根据一些实施例，可以通过半导体工艺制造天线模块200，并且如图2所示，相控阵220可以设置在前端rfic210上。例如，天线模块200可以包括处于堆叠配置的第一基板和第二基板。相控阵220可以设置在第一基板上或第一基板内，并且前端rfic210可以设置在第二基板上或第二基板内。由于大多数损耗参数可能在高频带(例如毫米波段)中劣化，因此可能难以在内部封装在相对低频带(例如低于6ghz的频带)中使用的天线模块的布局。具体地，相控阵220和前端rfic210可以布置成夹层结构，如图2所示，以便减少由于向天线提供信号或从天线提取信号的馈电线引起的信号衰减。如图2所示，天线(即，相控阵220)布置在前端rfic210上的结构可以被称为系统级封装(sip)结构。

参考图2，相控阵220可以包括贴片222(也称为“贴片天线”)和偶极天线221a、221b、221c和221d。例如，贴片222中的每一个可以在+z轴方向上辐射电磁波或者在-z轴方向上吸收电磁波，而偶极天线221a至221d可以扩展相控阵220的覆盖范围。图2中的贴片天线和偶极天线的布置仅是示例。作为最低限度，每个相控阵220包括至少两个天线元件，使得可以利用天线元件之间的相位关系来在期望的方向上形成波束。此外，每个相控阵220的至少一个天线元件可以被驱动或布置成具有与该相控阵220的至少一个其他天线元件的极化不同的极化。如前所述，天线模块110至140中的每一个可以被设计为在不同的相应方向上形成波束，这可以通过天线元件之间的不同的相对相位关系来实现。

例如，在图1和图2的示例中，可以在贴片的第一侧边的边缘附近的第一馈电点228处驱动贴片222中的任何一个，以生成具有y方向上的第一极化的波束。如果在贴片的第二侧边(第二侧边垂直于第一侧边)的边缘附近的第二馈电点229处驱动贴片，则所得到的波束可以具有x方向(正交方向)上的第二极化。可以驱动给定相控阵220的贴片222中的至少一个以便以第一极化发送/接收，同时可以驱动其他贴片222中的至少一个以便以第二极化发送/接收。如稍后所解释的，每个天线模块200可以包括功率检测器(例如，图9的功率检测器911)，以测量在第一极化和第二极化中的每一个处接收的rf功率。然后，可以选择关于较好信号的极化以为该天线模块200提供接收和/或发送信号，同时可以不使用用于非选择的极化的信号。注意，第一极化和第二极化可以是正交极化，如在上面的示例中那样，但是在其他实施例中它们可以是非正交的。

在天线模块200的示例结构中，偶极子221a、221b平行于第一轴(例如，y轴)定向，并且偶极子221c、221d沿第二轴(例如，x轴)定向。在示例中，如果ue100由用户握持同时ue100的正面大致面向水平方向，则天线模块200的顶表面可以面向水平方向。如果天线模块200安装在ue100的角落处，则偶极子221a和221b可以水平定向，从而生成水平极化，同时偶极子221c、221d竖直定向，从而产生竖直极化。因此，在这种类型的布置中可以使用偶极子221a至221d实现极化分集。

参考图3，在相控阵220中，每个贴片222可以是顶部贴片，其通过底部贴片223被电磁驱动。备选地，可以仅包括单个顶部贴片，并且该单个顶部贴片由直接延伸到其的天线馈电225直接驱动(其中这种直接连接实施例未在图3中示出)。在图3的情况下，顶部贴片222和底部贴片223可以在z轴方向上彼此平行地间隔开，并且可以在+z轴方向上辐射电磁波。顶部贴片222和底部贴片223可以包括导电材料，例如金属，并且可以具有矩形形状，如图2所示，或可具有圆形或其他形状。如图3所示，根据一些实施例，相控阵220还可以包括位于底部贴片223下方的接地板224。此外，相控阵220可以包括馈电线225和多个埋设通孔226。馈电线225可以连接到底部贴片223，而多个埋设通孔226可以被配置为使得恒定电位施加到其上并且可以连接到例如接地板224，如图3所示。

前端rfic210可以安装在相控阵220的底表面上，并且前端rfic210可以通过馈电线225电连接到底部贴片223。根据一些实施例，相控阵220和前端rfic210可以通过受控塌陷(collapse)芯片连接(c4)彼此连接。图2和图3的天线模块200的结构仅是示例；其他合适的结构可以替代它们。

图4是根据实施例的天线模块400和后端rfic300的框图。天线模块400是天线模块110至140和200中的任何一个的示例，并且后端rfic300是rfic150的示例。如图4所示，天线模块400和后端rfic300可以通过第一信号线301和第二信号线302彼此通信，并且根据一些实施例，第一信号线301和第二信号线302中的每一个可以包括用于发送差分信号的差分线。第一信号线301和第二信号线302中的每一个可以是传输线(例如，微带或带状线)的一个导体(另一个导体是接地平面)，其中信号能量在天线模块400和后端rfic300之间的传输线内传播。(在微带线或其他传输线的情况下，尽管信号能量通常在信号线与传输线的另一导体(例如，微带的接地平面)之间的介电材料内传播，但是在本文中可以将信号描述为通过“经过”信号线在传输线两端上的组件之间行进。)

天线模块400可以包括连接到第一线301的第一端口441和连接到第二线302的第二端口442。通过第一端口441和第一线301发送的信号可以被称为第一内部信号int1，并且通过第二端口442和第二线302发送的信号可以被称为第二内部信号int2。根据一些实施例，第一内部信号int1和第二内部信号int2中的每一个可以是差分信号，并且第一端口441和第二端口442中的每一个可以是用于差分信号的差分端口。如上面参考图1所述，天线模块400可以包括相控阵410(相控阵111或220的示例)和前端rfic420(前端rfic112或210的示例)，并且还可以包括开关电路430。根据一些实施例，当天线模块400具有参考图2和图3描述的sip结构时，开关电路430可以与图2的前端rfic210一起布置在相控阵220下方。在本文中，开关电路可以互换地称为开关。此外，天线模块400可以包括第一端口441和第二端口442，并且可以通过第一端口441和第二端口442连接到后端rfic300。

相控阵410包括多个天线，并且可以传送在第一方向上极化的第一rf信号rf1和在第二方向上极化的第二rf信号rf2。在随后的讨论中，为简单起见，第一方向可以被称为水平方向，第一rf信号rf1可以被称为水平(h)波；并且第二方向可以被称为竖直方向，第二rf信号rf2可以被称为竖直(v)波。第一rf信号rf1和第二rf信号rf2中的每一个可以是占据相同rf频带的调制的载波。(此后，标签rf1和rf2均可以指代接收信号或发送信号，如通过在其中使用它们的上下文所理解的那样。)

前端rfic420可以包括第一rf电路421和第二rf电路422。第一rf电路421可以通过处理在接收模式下从相控阵410接收的第一rf信号rf1来生成第一前端接收信号fe1-r，并且通过处理在发送模式下从开关电路430接收的第一发送前端信号fe1-t来生成第一rf信号rf1。类似地，第二rf电路422可以通过处理在接收模式下从相控阵410接收的第二rf信号rf2来生成第二接收前端信号fe2-r，并通过处理在发送模式下从开关电路430接收的第二前端信号fe2-t来生成第二rf信号rf2。稍后将参考图6a和图6b描述前端rfic420的示例。此后，为简单起见，“fe1”将用于指代发送信号fe1-t或接收信号fe1-r，或指代这两个信号；并且“fe2”将用于指代发送信号fe2-t或接收信号fe2-r，或指代这两个信号。

开关电路430可以根据控制信号将第一rf电路421和第二rf电路422中的每一个连接到第一端口441或第二端口442。根据一些实施例，开关电路430可以根据控制信号将第一rf电路421和第二rf电路422相互排他地连接到第一端口441和第二端口442。例如，开关电路430可以包括4路开关，其可以是具有两个开关状态的开关。在4路开关的第一开关状态(“直路状态”)下，提供给第一rf电路421/从第一rf电路421输出的第一前端信号fe1通过第一端口441，并且提供给第二rf电路422/从第二rf电路422输出的第二前端信号fe2通过第二端口442。在4路开关的第二开关状态(“交叉状态”)下，开关电路430的输入和输出交叉，使得第一前端信号fe1通过第二端口442，并且第二前端信号fe2通过第一端口441。开关电路430的第一开关状态和第二开关状态可以分别由控制信号的第一控制状态和第二控制状态产生。稍后将参考图5a和图5b描述开关电路430的操作的示例。根据一些实施例，4路开关可以包括分层连接的多个2路开关。可选地，开关电路430可以另外被配置为具有第三开关状态和第四开关状态，第三开关状态和第四开关状态分别对应于控制信号的第三控制状态和第四控制状态。在这些状态中的每一个下，信号路径之一是打开的而另一个是闭合的。在第三开关状态下，第一前端信号fe1通过第一端口441，而信号fe2不通过开关。在第四开关状态下，信号fe2传递到第二端口442，而信号fe1不通过开关。还可以配置第五状态和第六状态，其中信号fe1传递到第二端口442，而信号fe2不通过开关(第五状态)；在第六状态下，信号fe2传递到第一端口441，而信号fe1不通过开关。

如上所述，在某个方向上极化的信号可以根据控制信号通过不同的线路发送，而不是通过连接到天线模块400和后端rfic300的线路中预定的线路发送，并且因此天线模块400和后端rfic300可以通过有限数量的线路高效地彼此通信。例如，可以(例如，通过终止不想要的信号)防止在天线模块400和后端rfic300之间交换被确定为低效地接收(或将被低效地发送)的极化信号。与现有设计相比，利用这种方法，可以减少信号线的数量，其中在现有设计中，持续地与后端rfic交换来自/去往每个天线的每个信号。开关电路430可以包括多个晶体管，并且可以具有根据控制信号改变信号路径的任意结构。如稍后将参考图9描述的那样，用于控制开关电路430的控制信号可以由数据处理器(例如，图1的数据处理器160)提供。

在图4中，天线模块400和后端rfic300可以处理在两个不同方向上极化的第一rf信号rf1和第二rf信号rf2。在其他实施例中，天线模块400和后端rfic300可以处理在不同方向上极化的至少三个rf信号。例如，为了处理在不同方向上极化的至少三个rf信号，前端rfic420可以包括三个独立的rf电路，并且开关电路430可以根据控制信号将三个rf电路中的每一个连接到与后端rfic300相连的三个端口中的一个。

图5a和图5b是示出了根据实施例的图4的开关电路430的操作的各个开关状态的示意图。具体地，图5a和图5b示出了根据控制信号通过开关电路430的信号。如上面参考图4所述，开关电路430可以根据控制信号将第一rf电路421和第二rf电路422中的每一个连接到第一端口441或第二端口442。在下文中，参考图4来描述图5a和图5b。

根据一些实施例，开关电路430可以根据控制信号将第一rf电路421和第二rf电路422相互排他地连接到第一端口441和第二端口442。参考图5a，在开关电路430的第一开关状态(直路状态)下，可以形成信号路径，使得第一前端信号fe1和第一内部信号int1彼此对应，并且第二前端信号fe2和第二内部信号int2彼此对应。因此，第一rf电路421可以连接到第一端口441，同时第二rf电路422可以连接到第二端口442。同时，参考图5b，在开关电路430的第二开关状态(交叉状态)下，形成信号路径，使得第一前端信号fe1和第二内部信号int2彼此对应，并且第二前端信号fe2和第一内部信号int1彼此对应。因此，根据施加到开关电路430的控制信号，第一前端信号fe1可以分别对应于第一内部信号int1或第二内部信号int2，并且与此同时，第二前端信号fe2可以分别对应于第二内部信号int2或第一内部信号int1。如上所述，开关电路430可以另外被配置为具有第三开关状态、第四开关状态、第五开关状态和/或第六开关状态，在这些开关状态下，输入信号fe1或fe2中仅一个通过开关到达所选择的输出端口，而另一个信号不通过开关，其中所选择的通过的信号和所选择的输出端口可以由控制信号的另一个控制状态确定。

图6a和图6b是示出了根据实施例的包括在前端rfic中的第一rf电路600a和600b的各个示例的框图。具体地，图6a和图6b示出了图4中处理或生成在第一方向上极化的第一rf信号rf1的第一rf电路421的示例。根据一些实施例，处理或生成在第二方向上极化的第二rf信号rf2的第二rf电路422可以具有与图6a和图6b中所示的结构类似的结构。在图6a和图6b中，第一rf电路600a和600b可以与包括在相控阵中的四个天线通信，因此第一rf信号rf1可以包括在第一方向上极化的四个rf信号rf11至rf14。在下文中，参考图4描述图6a和图6b，并将省略参考图4的冗余描述。

参考图6a，第一rf电路600a可以包括四个前端rf电路610a、620a、630a和640a、rx缓冲器650a和tx缓冲器660a、以及发送/接收(t/r)开关670a。四个前端rf电路610a至640a可以分别处理或生成四个rf信号rf11至rf14，并且可以连接到缓冲器650a和660a。根据一些实施例，四个前端rf电路610a至640a均可以具有相同的结构。将参考图6a描述前端rf电路610a。

如图6a所示，前端rf电路610a可以发送或接收第一rf信号rf1中的rf信号rf11，并且可以包括t/r开关611a、低噪声放大器(lna)612a、rx移相器613a、功率放大器(pa)615a和tx移相器616a。虽然未示出，但是根据一些实施例，前端rf电路610a还可以包括至少一个滤波器。

t/r开关611a可以在接收模式下将rf信号rf11提供给lna612a，而在发送模式下将pa615a的输出信号作为rf信号rf11输出。图6a示出了处于发送模式的开关位置的t/r开关611a的示例，并且根据一些实施例，开关611a可以具有单刀双掷(spdt)结构。在接收模式下，lna612a可以放大从t/r开关611a接收的rf信号rf11，并且rx移相器613a可以对lna612a的输出信号进行移相。可以将rx移相器613a的输出信号提供给rx缓冲器650a。在发送模式下，tx移相器616a可以对从tx缓冲器660a接收的信号进行移相，并且pa615a可以放大tx移相器616a的输出信号。pa615a的输出信号可以通过t/r开关611a作为rf信号rf11输出。

在接收模式下，rx缓冲器650a可以缓冲(或放大)从四个前端rf电路610a至640a提供的输出信号，并且rf缓冲器650a的输出信号可以被提供给开关670a。在发送模式下，tx缓冲器660a可以缓冲(或放大)从t/r开关670a提供的信号，并且tx缓冲器660a的输出信号可以被提供给四个前端rf电路610a至640a。类似于包括在前端rf电路610a中的t/r开关611a，开关670a可以根据发送信号和接收信号提供不同信号的路径。例如，t/r开关670a可以在接收模式下将rx缓冲器650a的输出信号作为第一前端信号fe1输出，而在发送模式下将第一前端信号fe1提供给tx缓冲器660a。

第一rf电路600a可以处理或生成rf频带中的第一前端信号fe1。例如，第一rf电路600a可以通过在接收模式下处理rf频带中的第一rf信号rf1来生成rf频带中的第一前端信号fe1，而通过在发送模式下处理rf频带中的第一前端信号fe1来生成rf频带中的第一rf信号rf1。因此，在包括图6a的第一rf电路600a的天线模块(例如，图4的天线模块400)和后端rfic(例如，图4的后端rfic300)之间传送的内部信号(例如，图4的第一内部信号int1和第二内部信号int2)可以处于rf频带中。

参考图6b，第一rf电路600b可以包括四个前端rf电路610b至640b、rx缓冲器650b和tx缓冲器660b以及t/r开关670b。前端rf电路610b可以发送或接收第一rf信号rf1中的rf信号rf11，并且可以包括t/r开关611b、lna612b、rx移相器613b、rx混频器614b、pa615b、tx移相器616b和tx混频器617b。与图6a的前端rf电路610a相比，图6b的前端rf电路610b还包括rx混频器614b和tx混频器617b。尽管未示出，但是根据一些实施例，前端rf电路610b还可以包括至少一个滤波器。

在接收模式下，rf信号rf11可以通过开关611b提供给lna612b，并由lna612b、rx移相器613b和rx混频器614b顺序处理。根据一些实施例，rx混频器614b可以将rf频带中的rx移相器613b的输出信号下变频为中频(if)频带中的信号。if频带可以表示rf频带和基带之间的任意频带。可以将rx混频器614b的输出信号提供给rx缓冲器650b，并且可以通过开关670b将rx缓冲器650b的输出信号作为第一前端信号fe1输出。因此，第一前端信号fe1可以在接收模式下处于if频带中。

在发送模式下，第一前端信号fe1可以通过开关670b提供给前端rf电路610b的tx混频器617b，并且可以由tx混频器617b、tx移相器616b和pa615b顺序地处理。根据一些实施例，提供给开关670b的第一前端信号fe1可以处于if频带中，并且tx混频器617b可以将if频带中的tx缓冲器660b的输出信号上变频为rf频带中的信号。可以通过开关611b将pa615b的输出信号作为rf信号rf11输出。

如上所述，与图6a的第一rf电路600b不同，第一rf电路600b可以处理或生成if频带中的第一前端信号fe1。例如，第一rf电路600b可以通过在接收模式下处理rf频带中的第一rf信号rf1来生成if频带中的第一前端信号fe1，而通过在发送模式下处理if频带中的第一前端信号fe1来生成rf频带中的第一rf信号rf1。因此，在包括图6b的第一rf电路600b的天线模块(例如，图4的天线模块400)和后端rfic(例如，图4的后端rfic300)之间传送的内部信号(例如，图4的第一内部信号int1和第二内部信号int2)可以处于if频带中。

图7a和图7b是示出了根据实施例的后端rfic700a和700b以及数据处理器500a和500b的各个示例的框图。在图7a和图7b中，可以在后端rfic700a、700b和数据处理器500a、500b之间发送/接收基带信号。在下文中，在描述图7a和图7b时将省略冗余的描述。

参考图7a，后端rfic700a可以包括四个端口对，即第一端口对p10至第四端口对p40，以用于连接到天线模块。例如，第一端口对p10可以包括第一端口p11和第二端口p12，其可以分别连接到天线模块的端口(例如，图4的第一端口441和第二端口442)。根据一些实施例，第一端口p11和第二端口p12可以是用于差分信号的差分端口。类似地，第二端口对p20可以包括第一端口p21和第二端口p22，第三端口对p30可以包括第一端口p31和第二端口p32，第四端口对p40可以包括第一端口p41和第二端口p42。在实施例中，端口p11、p12等可以与诸如微带的rf或if传输线接口连接。

后端rfic700a可以包括与第一端口对p10至第四端口对p40相对应的四个电路组。如图7a所示，后端rfic700a可以包括分别连接到第一端口对至第四端口对p10、p20、p30和p40的第一开关至第四开关710a、720a、730a、740a，并且可以包括用于处理第一开关710a至第四开关740a和数据处理器500a之间的信号的电路。例如，从数据处理器500a的dac522a接收的基带信号可以由tx滤波器711a、tx混频器712a和放大器713a处理，并且放大器713a的输出信号可以提供给第一开关710a。根据一些实施例，放大器713a可以包括可变增益放大器(vga)。此外，从第一开关710a接收的信号可以由rx混频器714a和rx滤波器715a处理，并且rx滤波器715a的输出信号可以提供给数据处理器500a的adc513a。虽然未示出，但是根据一些实施例，后端rfic700a可以包括电路，例如，锁相环(pll)，其向rx滤波器715a和tx混频器712a提供振荡信号。此外，数据处理器500a、500b可以被配置为对第一rf信号rf1和第二rf信号rf2中的至少一个执行mimo处理。

根据一些实施例，如上面参考图6a所述，当后端rfic700a从天线模块接收rf频带中的内部信号或者将rf频带中的内部信号提供给天线模块时，tx混频器712a可以将基带中的信号上变频到rf频带，并且rx混频器714a可以将rf频带中的信号下变频到基带。另一方面，根据一些实施例，如上面参考图7b所述，当后端rfic700a从天线模块接收if频带中的内部信号或者将if频带中的内部信号提供给天线模块时，tx混频器712a可以将基带中的信号上变频到if频带，并且rx混频器714a可以将if频带中的信号下变频到基带。

根据一些实施例，第一开关710a至第四开关740a中的每一个可以是如上结合图4、图5a和图5b所述的4路开关。例如，第一开关710a可以根据控制信号将第一端口p11和第二端口p12中的每一个连接到放大器713a或rx混频器714a。此外，根据一些实施例，类似于参考图5a和图5b描述的图4的开关电路430，第一开关710a可以根据控制信号相互排他地将第一端口p11和第二端口p12连接到放大器713a和rx混频器714a。因此，后端rfic700a从天线模块接收的信号可以在通过第一端口p11和第二端口p12中的任何一个之后被处理，并且从后端rfic700a发送给天线模块的信号也可以通过第一端口p11和第二端口p12中的任何一个。根据一些实施例，4路开关可以包括以已知方式分层连接的多个2路开关。此外，如果开关710a至740a中的任何一个被配置为具有如上所述的第三开关状态、第四开关状态、第五开关状态和/或第六开关状态，则根据控制信号状态，通过开关的开关路径中的一个可以被控制为打开，而另一个可以被控制为闭合。

数据处理器500a可以包括多个adc511a、512a、513a和514a、多个dac521a、522a、523a和524a以及控制器550a。adc511a至514a中的每一个可以从后端rfic700a接收基带信号并将基带信号转换为数字信号。dac521a至524a中的每一个可以通过对数字信号进行转换来生成基带信号，并将基带信号提供给后端rfic700a。在图7a中，数据处理器500a可以包括四个adc511a至514a和四个dac521a至524a，它们分别对应于第二端口对p20、第一端口对p10、第四端口对p40和第三端口对p30。

控制器550a可以生成至少一个控制信号，并且不仅将控制信号提供给后端rfic700a，还将控制信号提供给多个天线模块(例如，图1的天线模块110至140)。例如，控制器550a可以生成指示发送模式或接收模式的控制信号，并且天线模块的t/r开关(例如，图6a的t/r开关611a和/或670a)可以响应于控制信号来设置信号路径。此外，控制器550a可以生成控制信号，使得信号路径形成有多个天线模块中的提供令人满意的通信的天线模块，并且天线模块的开关(例如，图4的开关电路430)和后端rfic700a的开关(例如，开关710a)可以响应于控制信号来设置信号路径。稍后将参考图9和图10描述控制器550a的操作的示例。

在图7a的实施例中，提供了四个接收路径并且提供了四个发送路径，以操控可以由四个天线模块110至140选择性地提供的总共八个接收信号和可以提供给天线模块110至140的八个潜在的发送信号。这是因为天线模块110至140中的每一个可以在接收模式期间仅提供一个所选择的极化的rf信号，并且在发送模式下发送一个所选择的极化的信号。以这种方式，天线模块110至140与后端rfic150(或300)之间的连接的数量可以减少一半(与所有极化的信号在接收时持续地路由到解调器并且在发送时持续地提供给天线模块110至140的情况相比)。

例如，参考图1、图4和图7a，考虑具有天线模块400的配置的天线模块110通过端口441到端口p11和端口440到端口p12的连接而连接到端口对p10。在接收模式下，如果选择第一极化的接收信号，例如，信号rf1，并且开关电路430处于直路开关状态，则信号rf1作为信号int1输出，其被施加到端口p11。如果开关710a处于第五开关状态，则信号int1将在包括混频器714a、滤波器715a和adc512a的接收路径中被路由，从而被路由以用于解调。同时，第二极化的接收信号rf2的信号能量将不通过开关710a。另一方面，如果选择第二极化的信号，例如信号rf2，则开关430可以保持在直路状态下，而开关710a的状态可以改变到第四开关状态，在第四开关状态下，信号int2(对应于信号rf2)传递到具有混频器714a的接收路径，而信号int1不通过开关710a。可以在发送模式下应用类似的开关方案。

参考图7b，后端rfic700b可以包括具有与图7a的后端rfic700a的布置类似的布置的第一端口对p10至第四端口对p40。此外，后端rfic700b可以包括分别对应于第一端口对p10至第四端口对p40的四个开关710b至740b。与图7a的后端rfic700a相比，后端rfic700b还可以包括spdt开关750。如图7b所示，spdt开关750可以从数据处理器500b的dac522b接收基带信号，并且可以根据控制信号将接收的基带信号提供给与第一端口对p10相对应的tx滤波器711b或者与第四端口对p40相对应的tx滤波器741b。

如图7a的数据处理器500a一样，数据处理器500b可以包括四个adc511b至514b和控制器550b，并且与图7a的数据处理器500a不同，数据处理器500b可以包括三个dac521b至523b。换句话说，由图7b的dac523b输出的基带信号可以由后端rfic700b处理并且通过第一端口对p10或第四端口对p40输出。此外，控制器550b可以向后端rfic700b的spdt开关750提供控制信号。

在图7b的示例中，从spdt750到开关740b的路径被示出为包括滤波器741b、混频器742b和放大器743b；并且从spdt750到开关710b的路径被示出为包括滤波器711b、混频器712b和放大器713b。在备选实施例中，来自dac522b的路径可以直接连接到滤波器711b的输入端，并且spdt开关750可以放置在放大器713b的输出端与开关710b的输入端之间。然后，开关750的输入端将连接到放大器713b的输出端；spdt开关750的第一输出端将连接到开关710b的一个输入端；并且然后，spdt开关750的第二输出端可以直接连接到开关740b的一个输入端。在这种情况下，可以省略滤波器741b、混频器742b和放大器743b(对于这些组件以其它方式设计成具有与滤波器711b、混频器712b和放大器713b相同的特性的情况)。类似地，如果开关750要连接在放大器743b的输出端和开关740b的一个输入端之间，则可以替代地省略左侧元件711b、712b和713b，同时保留右侧元件。

图8是示出了根据实施例的后端rfic810和第一天线模块821至第三天线模块823的框图。具体地，如上面参考图7a和图7b所述，图8示出了第一天线模块至第三天线模块821、822和823以及包括四个端口对的后端rfic810，并且示出了第一开关811至第四开关814，其中在接收模式下根据控制信号来设置信号路径。后端rfic810是图1的后端rfic150的示例；并且天线模块821、822和823是天线模块110、120、130和140中的任何三个的示例。在图8的实施例中，可以从其中包括后端rfic810和天线模块821至823的用户设备(ue)中省略第四天线模块(因此，ue可以具有恰好三个天线模块)。

参考图8，后端rfic810可以包括四个端口对(即，八个端口)以及第一开关811至第四开关814。根据一些实施例，第一开关811至第四开关814中的每一个可以是4路开关，并且可以连接到一对端口。在图8中，八个端口可以是第一开关811的第一端口p11和第二端口p12、第二开关812的第一端口p21和第二端口p22、第三开关813的第一端口p31和第二端口p32以及第四开关814的第一端口p41和第二端口p42。在图8中，针对接收模式示出了开关811至814的示例开关状态。

第一天线模块821至第三天线模块823中的每一个可以包括相控阵和前端rfic，其中相控阵可以传送在第一方向(例如，水平方向)上极化的信号和在第二方向(例如，竖直方向)上极化的信号。因此，第一天线模块821至第三天线模块823中的每一个可以针对在水平(h)方向上极化的信号通过线路301a、301b或301c连接到后端rfic810，并且针对在竖直(v)方向上极化的信号通过线路302a、302b或302c连接到后端rfic810。(如果例如由于下面讨论的信号功率测量在天线模块821至823中的任何一个中改变图4中的4路开关430的开关状态，则h可以在相应线路301、302上与v交换。)

根据一些实施例，第一天线模块821至第三天线模块823中的每一个可以通过不同端口对的端口连接到后端rfic810。例如，如图8所示，第一天线模块821可以连接到第一开关811的第二端口p12和第二开关812的第一端口p21，第二天线模块822可以连接到第二开关812的第二端口p22和第三开关813的第一端口p31，并且第三天线模块823可以连接到第三开关813的第一端口p31和第四开关814的第二端口p42。因此，如图8所示，可以从第一天线模块821和第三天线模块823接收在水平方向上极化的信号，同时可以从第二天线模块822接收在竖直方向上极化的信号和在水平方向上极化的信号。

根据一些实施例，第一天线模块821至第三天线模块823中的每一个可以包括开关电路(例如，图4的开关电路430)。因此，第一天线模块821至第三天线模块823中的每一个可以与后端rfic810通信，使得与在水平方向上极化的信号相对应的内部信号和与在竖直方向上极化的信号相对应的内部信号中的每一个根据控制信号通过后端rfic810的不同开关。

例如，共同参考图4和图8，考虑到具体实现为天线模块400的天线模块821，端口441可以经由线路301a连接到端口p12，并且端口442可以经由线路302a连接到端口p21。如图8所示，如果内部信号int1是h(与接收信号rf1和开关430的直路连接状态相对应)，则可以对信号rf1进行路由以由后端rfic810进行解调，而接收信号rf2(与内部信号int2相对应)不被路由以用于解调。另一方面，如果开关430的开关状态改变为“交叉状态”，则可以对信号rf2进行路由以进行解调，而信号rf1不被路由以用于解调。可以在天线模块823内执行类似的开关操作。

图9是根据实施例的通信设备900的框图。如图9所示，通信设备900可以包括多个天线模块910、后端rfic920和数据处理器930。

多个天线模块910均可以包括相控阵和前端rfic，如上参考图1所述，并且可以在通信设备900的边缘处彼此间隔开。此外，多个天线模块910可以通过多个内部信号ints与后端rfic920通信。根据一些实施例，如图9所示，多个天线模块910均可以包括功率检测器911。功率检测器911可以并联连接到天线模块910中的信号路径，检测移动通过信号路径的信号的功率，并基于检测到的功率将第一检测信号det1提供给数据处理器930。

后端rfic920可以通过多个内部信号ints与多个天线模块910通信，并且通过基带信号bb与数据处理器930通信。根据一些实施例，如图9所示，后端rfic920可以包括功率检测器921。功率检测器921可以并联连接到后端rfic920中的信号路径，并且通过检测移动通过信号路径的信号的功率将第二检测信号det2提供给数据处理器930。

数据处理器930可以通过基带信号bb与后端rfic920通信，并且分别从多个天线模块910和后端rfic920接收第一检测信号det1和第二检测信号det2。控制器931可以基于第一检测信号det1和第二检测信号det2生成控制信号ctrl。下面将参考图10描述控制器931生成控制信号ctrl的操作。

根据一些实施例，控制信号ctrl可以通过线路中的至少一个线路提供给多个天线模块910和后端rfic920，其中通过该线路传输多个内部信号ints和基带信号bb。例如，当基带信号bb不在后端rfic920和数据处理器930之间进行传输时，控制信号ctrl可以通过与基带信号bb相同的线路提供给后端rfic920中包括的开关(例如，图7a的开关710a等)。此外，在控制信号ctrl通过与基带信号bb相同的线路发送给后端rfic920之后，在多个内部信号ints不在多个天线模块910和后端rfic920之间进行传输时，控制信号ctrl可以通过与多个内部信号ints相同的线路提供给包括在多个天线模块910和/或开关电路(例如，图4的开关电路430)中的开关(例如，图6a的开关611a等)。例如，包括在图4的天线模块400中的开关电路430可以通过第一端口441和/或第二端口442接收控制信号ctrl。(这些端口可以连接到rf或if传输线的信号导体。)

根据一些实施例，第一检测信号det1和第二检测信号det2可以通过线路中的至少一个线路提供给数据处理器930，其中通过该线路传输多个内部信号ints和基带信号bb。例如，在基带信号bb不在后端rfic920和数据处理器930之间进行传输时，由包括在后端rfic920中的功率检测器921生成的第二检测信号det2可以通过与基带信号bb相同的线路提供给数据处理器930。此外，在多个内部信号ints不在多个天线模块910和后端rfic920之间进行传输时，由包括在天线模块910中的功率检测器911生成的第一检测信号det1可以通过与多个内部信号ints相同的线路提供给后端rfic920，并且如第二检测信号det2一样通过与基带信号bb相同的线路提供给数据处理器930。

图10是根据实施例的通信设备的操作方法的流程图。具体地，图10示出了包括多个天线模块和后端rfic的通信设备的操作方法。例如，图10的操作方法可以由图9的通信设备900执行，并将参考图9描述图10的操作方法。

参考图10，在操作s20中，可以检测路径的功率。例如，包括在天线模块910中的功率检测器911可以检测天线模块910中的信号路径(例如，在第一方向上极化的信号通过其传播的路径、在第二方向上极化的信号通过其传播的路径以及与相控阵的多个天线相对应的路径)内的信号功率。此外，包括在后端rfic920中的功率检测器921可以检测后端rfic920中的信号路径(例如，与多个天线模块910相对应的信号路径)内的功率。通过检测功率生成的第一检测信号det1和第二检测信号det2可以提供给数据处理器930的控制器931。

在操作s40中，可以评估信号质量。例如，控制器931可以基于第一检测信号det1和第二检测信号det2来评估通过该路径传播的信号的质量。根据一些实施例，控制器931可以计算信噪比(snr)并基于snr确定哪个路径携带具有令人满意的质量的信号。

在操作s60中，可以控制开关。例如，控制器931可以生成至少一个控制信号，使得经由具有令人满意的质量的信号移动通过的路径来执行通信，同时阻挡经由具有不令人满意的质量的信号移动通过的路径的通信。因此，可以控制包括在多个天线模块910和/或开关电路(例如，图4的开关电路430)中的开关(例如，图6a的开关611a等)，并且可以控制包括在后端rfic920中的开关(例如，图7a的开关710a等)。

图11是示出了根据实施例的包括多个天线模块的通信设备的示例的框图。具体地，图11示出了在无线通信系统中各种无线通信设备使用wlan彼此通信的示例。与使用蜂窝网络的图1的无线通信系统5不同，图11的无线通信设备可以通过wlan彼此通信。

根据一些实施例，家用小配件31、家用电器32、娱乐设备33和接入点(ap)20可以形成物联网(iot)网络系统。根据一个或多个实施例，家用小配件31、家用电器32、娱乐设备33和ap20中的每一个可以包括多个天线模块和后端rfic。家用小配件31、家用电器32和娱乐设备33可以无线地与ap20通信，并且家用小配件31、家用电器32和娱乐设备33可以彼此通信。

本说明书中使用的术语仅用于描述特定实施例，而不旨在限制本发明构思的范围。尽管已经参考本发明构思的实施例具体示出和描述了本发明构思，但是将理解，在不脱离所附权利要求的精神和范围的情况下，可以在其中进行形式和细节上的各种改变。