用于波束形成器的系统和方法与流程

本公开一般地涉及电子设备，并且更具体地涉及用于波束形成器的系统和方法。

背景技术：

电子可操纵阵列天线是包括单独天线元件的阵列的天线系统，所述单独天线元件传输具有不同相对相位的相同射频（rf）信号。这些rf信号的相消和相长干涉可形成定向波束。通过调整由这些相应天线元件传输的信号之间的相位关系，波束的方向可使用本领域已知的电子可操纵阵列波束操纵方法进行调整。这样的波束形成和波束操纵方法可应用于例如具有单行天线元件的一维电子可操纵阵列天线，在该情况下可在单个方向上操纵波束。这些技术也可应用于二维天线阵列，在二维天线阵列中波束可在两个维度上进行电子操纵以调整波束的方位角和仰角两者。

使用电子可操纵阵列波束操纵技术的常见应用为雷达系统的应用。通过使用电子可操纵阵列天线，所传输和接收的雷达信号的方向可使用电子波束操纵技术而不是机械移动天线进行调整。电子可操纵阵列的另一应用是在蜂窝通信中。通过使用可操纵波束，空间多路复用通过使频谱效率增长而提高了网络容量。

技术实现要素：

依照实施例，波束形成电路具有射频（rf）前端和耦合到rf前端的多个波束形成延迟电路。多个波束形成延迟电路中的每个包括公共延迟电路和耦合到公共延迟电路的多个单独延迟电路。单独延迟电路中的每个被配置成耦合到波束形成阵列的天线元件。

附图说明

为了更完整地理解本发明及其优点，现在对结合附图进行的以下描述做出参考，在附图中：

图1图示了根据本发明实施例的电子可操纵阵列rf系统；

图2图示了常规实时延迟（ttd）电子可操纵rf系统；

图3图示了ttd电子可操纵rf系统的实施例；

图4图示了8x8电子可操纵rf系统的实施例的框图；

图5a-5b图示了电子可操纵阵列集成电路的实施例的框图；

图6a-6b图示了可编程放大器电路的实施例的示意图；

图7a-7b图示了使用滤波器结构的时间延迟电路的实施例的示意图；

图8a-8b图示了使用可选择延迟的时间延迟电路的实施例的示意图；并且

图9图示了波束形成方法的实施例的框图。

除非另有指示，否则不同图中的对应数字和符号一般指代对应的部件。图被绘制成清楚地图示优选实施例的相关方面且不一定按比例绘制。为了更清楚地图示某些实施例，指示同一结构、材料或工艺步骤的变型的字母可跟随图号。

具体实施方式

下面详细讨论当前优选实施例的制作和使用。然而，应当领会的是，本发明提供可体现在各种各样特定上下文中的许多适用的发明概念。所讨论的特定实施例仅仅说明制作和使用本发明的特定方式并且不限制本发明的范围。

将关于特定上下文（用于波束形成天线系统的系统和方法，波束形成天线系统可被用在诸如雷达系统和蜂窝通信系统之类的rf系统）中的优选实施例描述本发明。本发明的实施例也可应用于接收或传输定向rf信号的其他系统和应用。

传统上，使用相位操纵方法来实现电子可操纵天线系统，在相位操纵方法中移相器用来调整由电子可操纵阵列天线的单独天线元件传输的每个信号的相位。通过调整每个移相器的相位，波束的方向可在针对特定频率的特定方向上进行调整。然而，当传输的频率被改变时，rf信号与电子可操纵阵列天线的关系发生改变，从而引起波束方向的改变。这一方向改变有时被称为偏斜（squint）。

相位操纵方法的一个替换方案是实时延迟（tdd）方法，在该方法中时间延迟元件用于延迟到多元件天线阵列的相应元件的传输信号。通过使用ttd方法，传输波束的方向在针对用于时间延迟元件的一组给定延迟的变化频率上基本保持恒定。使用ttd方法允许诸如线性调频（chirp）雷达和脉冲雷达传输之类的宽带雷达信号的定向传输，以及宽带和多带通信信号的定向传输。然而，ttd方法的一个问题是实现用来延迟到多元件天线阵列的信号的相对大延迟中的每个所需的电路面积。在本发明的实施例中，用来实现ttd电子可操纵阵列系统的延迟电路系统的总量通过使用单独延迟元件和共享公共延迟元件的组合而被减小。例如，在一个实施例中，多个阵列元件被耦合到多个对应单独延迟电路的第一端口。这些延迟电路中的每个的第二端口被组合且耦合到单个公共延迟电路，使得针对天线元件路径的总延迟是相应单独延迟电路的延迟与公共延迟电路的延迟之和。在一些实施例中，每个单独延迟电路中的延迟仅需要对于相邻天线元件之间的波束形成的目的、而非对于完整天线而言是充足的。因此，这样的天线的尺寸与其中每个单独天线必须实现整个延迟的常规天线相比可在尺寸上被减小。

图1图示了包括控制器102、rf前端104、波束形成电路106和电子可操纵阵列天线108的电子可操纵阵列rf系统100的实施例。在操作期间，控制器102确定波束角θ，电子可操纵阵列天线108以该波束角θ经由波束角控制端口传输和接收rf波束110。在利用ttd技术的实施例中，控制器102可为波束形成电路106内的每个时间延迟电路或时间延迟电路群组提供全局相对时间延迟设置和/或时间延迟参数和设置。在一些实施例中，例如，在蜂窝通信系统中，控制器102可执行基带处理。rf前端104向波束形成电路106提供rf信号和/或从波束形成电路106接收rf信号。波束形成电路106向电子可操纵阵列天线108提供单独rf信号，该单独rf信号根据所请求的波束角和电子可操纵阵列天线108的天线元件之间的间距而被延迟。

虽然图1仅示出电子可操纵阵列天线108为具有布置为一维阵列的八个天线元件，但是在本发明的可替换实施例中，电子可操纵阵列天线108可具有多于或少于八个元件和/或可使其元件布置成多维阵列。例如，在一个特定实施例中，可使用具有总共64个天线元件的8x8天线阵列。

图2图示了具有n个天线元件130和波束形成电路的常规ttd电子可操纵阵列rf系统120，波束形成电路包括n个时间延迟元件122，每个时间延迟元件具有不同的时间延迟τ1到τn。在操作期间，收发机124向阵列天线元件130传输rf信号和从阵列天线元件130接收rf信号，该rf信号被单独延迟且经由时间延迟元件122。

如所示的，波前126的每个元件彼此间隔距离d，并且波前126相对于阵列天线元件130的水平方向形成角α。因此，每个相邻天线元件之间根据波前126的到达延迟的到达时间的差异为：

其中c为光速。因此，针对时间延迟元件122的时间延迟范围与阵列天线元件130的数目、天线节距和最大操纵角成比例。在一个示例中，该延迟范围对于具有n=8个天线元件、+/-60°的最大操纵角和每个天线元件之间15mm的距离d的电子可操纵阵列天线系统而言为约300ps。

图3图示了其中波束形成电路系统在公共延迟元件144与单独延迟元件142之间被分开的电子可操纵阵列rf系统140的实施例。如所示的，收发机124被耦合到具有时间延迟τc1到τcm的m=n/2个公共延迟元件144，每个公共延迟元件被耦合到另外的单独延迟元件142。因此，收发机124与每个天线元件130之间的总时间延迟具有由公共延迟元件144之一提供的其延迟的一部分和由单独延迟元件142之一提供的另一部分。在一些实施例中，由单独延迟元件之一提供的部分仅需对于相邻天线元件之间的波束形成的目的而言，而非对于完整天线而言是充足的，并且因此在尺寸上可被大大减小。

在实施例中，两个邻近天线被配置成具有1*d*sin(α)的最大延迟差，使得每个单独延迟元件142实现相对小的延迟范围。例如，公共调谐元件可实现主要延迟范围(n-1)*d*sin(α)，并且在两个天线之间共享，从而导致提供针对每个天线信号路径的总的合计总延迟约一半。在n=8和d=10mm的示例性实施例中，公共延迟元件144的延迟的范围在约0ps和约400ps之间。在另一方面，单独延迟元件142的延迟的范围在约0ps和约60ps之间，并且以小于1ps的步长是可编程的。在一些实施例中，单独延迟元件142和/或公共延迟元件144具有连续可编程延迟范围。

在本发明的可替换实施例中，公共延迟元件144可在大量单独延迟元件142之间共享。例如，四个单独延迟元件142可耦合到每个公共延迟元件144。本发明的实施例也可应用于在方位角和仰角上具有相同或不同操纵角的二维电子可操纵阵列系统。

图4图示了8x8电子可操纵阵列rf系统200，其包括经由16个四通道电子可操纵阵列ic2061到20616耦合到8x8电子可操纵阵列天线208的rf前端202和控制器204。在实施例中，每个电子可操纵阵列ic2061到20616包括经由功率分配器/组合器235耦合到四个单独延迟元件212的公共延迟元件210。公共延迟元件210的延迟τ2和单独延迟元件212的延迟τ1是可由控制器204经由电子可操纵阵列ic2061到20616中的每个上的串行外围接口（spi）电路214编程的。可替换地，可以使用其他类型的数字接口，诸如sci、i²c或以太网。

电子可操纵阵列天线208包括天线元件2091到20916以形成8x8阵列的64个天线元件。然而，在本发明的可替换实施例中，208可具有不同的维数并且电子可操纵阵列ic206的数目可不同于如所示的16。

图5a图示了可用来实现电子可操纵阵列ic2061到20616的电子可操纵阵列ic206的实施例的框图。如所示的，电子可操纵阵列ic206包括耦合到公共rf接口管脚rfio的公共延迟元件210和经由变压器224耦合到接口管脚rfio1、rfio2、rfio3和rfio4的单独延迟元件212。

如所示的，公共延迟元件210包括具有粗糙时间延迟电路234、236、238和240缓冲的可编程增益放大器228和226的双向路径。粗糙延迟元件234具有0ps、10ps和20ps的可选择延迟，粗糙时间延迟电路236具有0ps和20ps的可选择延迟，粗糙时间延迟电路238具有0ps和40ps的可选择延迟，并且粗糙时间延迟电路240具有0ps和80ps的可选择延迟。每个可选择延迟的延迟可经由数字控制电路215编程。应当理解的是，针对粗糙延迟元件234、236、238和240的各种延迟设置是示例延迟设置。在本发明的可替换实施例中，可以使用多于或少于四个粗糙延迟电路和/或其他延迟设置可与每个元件相关联。

每个单独延迟元件212包括经由可编程增益放大器230和232耦合到io管脚的粗糙时间延迟电路242。还在单独延迟元件212中包括精细时间延迟电路244，其具有可被编程为具有0ps和14ps之间的延迟的延迟。可替换地，可以使用其他时间延迟范围。而且在其他技术中或者在较低频率下，可使用开关而不是有源放大器来实现粗糙延迟选择。功率分配器235分开来自公共延迟元件210的传输功率并且组合来自单独延迟元件212的接收功率。可例如使用本领域已知的3db功分器电路（诸如wilkinson分配器/组合器）来实现功率分配器235。可替换地，可以使用其他无源或有源电路。

图5a还包括数字控制电路215，其包括数字接口、控制器和状态机。在一些实施例中，使用耦合到总线dbus的spi接口来实现数字接口。在可替换实施例中，数字接口可使用例如根据iic、rffe、sci、以太网、其他接口标准或非标准接口进行操作的其他串行和/或并行数字接口电路而被实现。在一些实施例中，可以省略数字控制电路215的数字接口功能。数字控制电路215也可用来根据从数字接口接收的命令控制单独精细和粗糙延迟电路。在一些实施例中，数字控制电路215基于存储在存储器和/或查找表（lut）中的映射将从总线dbus接收的延迟设置命令映射到单独精细和粗糙延迟设置中。

在各种实施例中，如图5a中描绘的ic206可用来支持例如在具有5mm（1/2λ）的节距的8x8ttd天线阵列上的28ghz无线通信。在另外的实施例中，可通过调整各种延迟范围来支持其他频率和天线阵列维数。

图5b图示了可用来实现电子可操纵阵列ic2061到20616的电子可操纵阵列ic207的实施例的框图，其示出了可实现粗糙时间延迟元件的一种方式。如所示的，使用具有包括0ps、10ps、20ps、40ps和80ps的各种延迟时间的多个缓冲固定延迟电路来实现公共延迟元件210。在实施例中，具有约0ps、10ps和20ps的固定延迟的三个并行延迟元件被耦合到输入commonio。在操作期间，0ps、10ps和20ps固定延迟元件之一被激活，而其余两个固定延迟元件被禁用。因此，可选择0ps、10ps或20ps的可选择延迟。类似地，在公共延迟元件210的第二级中，可选择0ps或20ps的固定延迟，在第三级中，可选择0ps或40ps的固定延迟，并且在第四级中，可选择0ps或80ps的固定延迟。因此公共延迟元件210可具有约0ps到约160ps之间的延迟，该延迟通过启用和禁用适当的缓冲延迟元件进行选择。

类似地，粗糙延迟电路单独延迟元件212包括并行耦合的具有0ps、10ps、20ps和30ps的单独延迟的四个缓冲延迟元件，使得可通过激活和去激活适当的级来选择0ps、10ps、20ps和30ps的延迟。应当理解的是，图5a和5b中的延迟电路的划分和单独值仅仅是许多可能实施例实现方式的示例。在可替换实施例中，可以使用具有不同延迟值的更多和更少延迟元件。

图6a和6b图示了可用来实现可编程增益放大器226、228、230和232的可编程增益放大器。如图6a中所示，可编程增益放大器260包括电阻器退化差分对，其由电阻器re和具有耦合到可变增益级的集电极的双极结型晶体管（bjt）qa和qb制成，可变增益级由bjtq3、q4、q5和q6制成。随着可编程增益偏置电压vb增大，更多信号电流被路由到负载电阻器rl并且增益相应地增大。在另一方面，随着可编程增益偏置电压减小，更少信号电流被路由到负载电阻器rl并且增益减小。在一些实施例中，可编程增益偏置电压vb是可经由图4中所示的spi电路214编程的。

图6b图示了具有由电阻器re和双极结型晶体管（bjt）qa和q2b制成的电阻器退化差分对的可编程增益放大器262，双极结型晶体管（bjt）qa和q2b具有耦合到由bjtq3、q4、q5和q6制成的四象限可变增益级的集电极。通过将q1和q3的集电极耦合到一个输出电阻器rl并且将q2和q4的集电极耦合到另一个输出电阻器rl，可调整可编程放大器262的增益和极性两者。在本发明的可替换实施例中，除bjt晶体管之外的其他晶体管类型可用于可编程放大器260和262。例如可使用mosfet、jfet和其他晶体管类型。另外，在另外的可替换实施例中，取决于特定实施例及其规范，除图6a和6b中所示的电路之外，或者也可使用本领域已知的可变增益放大器结构。例如，在一个实施例中，耦合到图5a和5b中所示的电子可操纵阵列ic206的rfio端口的可编程增益放大器232可使用较低噪声电路来实现，较低噪声电路诸如可变增益级之前的lna、类似于可编程增益放大器260和262而没有退化电阻器re的电路或其组合。

图7a图示了可用来实现图5a和5b中所示的精细时间延迟电路244以及本发明的其他实施例中的时间延迟电路的无源滤波器电路270、272和274的示意图。如所示的，滤波器电路270是包括两个电感器l和两个电容器c1的低通梯型滤波器。滤波器270具有随频率而增大的群延迟。在另一方面，滤波器272是具有电感器l和电容器c2、且展示出其中群延迟随频率减小的全通频率响应的格型滤波器。通过将电路270的低通拓扑与滤波器272的全通拓扑相组合，形成混合单元拓扑，取决于c1与c2的比率，该混合单元拓扑具有在频率上更平坦的群延迟特性。滤波器电路274的阻抗可表达为：

其中

。

在本发明的实施例中，电路270、272和/或274可用来通过对电感器l和/或电容器c1和/或c2的值进行编程而实现可编程延迟元件。无源滤波器电路270、272和274中所示的电容器可使用可调整电容器电路来实现，可调整电容器电路诸如针对离散电容设置的可切换电容器或针对连续可调整设置的变容器。

图7b图示了可用来实现精细时间延迟电路244的可编程滤波器结构280。可编程滤波器结构280具有电感器l和变容器282，电感器l和变容器282每个都使用两个mosfet晶体管来实现，mosfet晶体管的电容通过改变mosfet的栅极电压而可调整。mosfet的电容在累积模式或耗尽模式下可以是可调整的。电感器l可使用本领域已知的片上电感器结构来实现。例如，可在第一金属层中实现螺旋电感器和/或可在在第一金属层之上或之下的第二金属层上实现第二螺旋电感器。虽然可编程滤波器结构280被示出为具有六个级，但是取决于特定实施例及其规范，实施例可编程滤波器结构280可具有多于或少于六个级。

图8a图示了可用来实现包括图5a和5b中所示的粗糙延迟电路234、236、238、240和242的实施例延迟电路的粗糙延迟电路286的框图。如所示的，粗糙延迟电路286包括具有延迟τ0的第一延迟路径287和具有延迟τ0+xxps的第二延迟路径288。在实施例中，第一和第二延迟路径287和288是使用由选择信号sel控制的开关279和289可选择的。第一和第二延迟路径287和288可使用本文中公开的延迟电路或使用本领域已知的其他延迟电路的其他延迟电路来实现。虽然出于图示方便在图8a中仅示出了两个延迟路径，但是针对选择多个延迟的能力，粗糙延迟电路286可包括多于两个延迟路径。

图8b图示了可用来实现包括图5a和5b中所示的粗糙延迟电路234、236、238、240和242的实施例延迟电路的粗糙延迟电路290的框图。如所示的，粗糙延迟电路290包括由电阻器r终止的五个分接传输线分段292。放大器293、294和295耦合在各种传输分段292之间以便分别提供0ps、10ps和20ps的相对延迟。放大器293、294和295中的每个可通过接通对应于所选择的传输线分段的放大器的偏置电流并且关闭对应于未选择的传输线分支接头的放大器的偏置电流来选择。可替换地，本领域已知的其他放大器激活和去激活方法可用来从放大器293、294和295之一中选择。在可替换实施例中，可以使用多于或少于五个传输线分段和三个放大器。而且，可通过调整传输线分段292的长度和数目来提供除0ps、10ps和20ps之外的其他可选择延迟。在一些实施例中，可复制粗糙延迟电路290以便在传输方向上和在接收方向上提供分离的延迟路径。

图9图示了包括向多元件天线阵列传输第一射频信号的实施例波束形成方法的框图300。在步骤302中，第一射频信号使用多个公共延迟电路来传输以形成公共延迟的传输信号。接着，在步骤304中，使用单独延迟电路延迟公共延迟的传输信号中的每个以形成单独延迟的传输信号。在一些实施例中，每个公共延迟的传输信号与至少两个单独延迟电路相关联。在步骤306中，将单独延迟的传输信号中的每个应用于多元件天线阵列的相应元件。在各种实施例中，公共延迟电路和单独延迟电路可使用本文中描述的电路和方法来实现。

本发明的实施例总结于此。其他实施例也可被理解以形成本文中提交的说明书和权利要求的完整性。一个一般方面包括一种波束形成电路，其包括射频（rf）前端和耦合到rf前端的多个波束形成延迟电路。多个波束形成延迟电路中的每个包括公共延迟电路和耦合到公共延迟电路的多个单独延迟电路。单独延迟电路中的每个被配置成耦合到波束形成阵列的天线元件。

实现方式可包括以下特征中的一个或多个。波束形成电路，其中多个单独延迟电路中的每个单独延迟电路出于仅在相邻天线元件之间进行波束形成的目的而提供充足延迟。在一些实施例中，公共延迟电路包括具有离散可选择时间延迟步长的粗糙延迟电路。该粗糙延迟电路可包括例如多个可选择传输线。多个可选择传输线可包括针对传输方向的第一组传输线和针对接收方向的第二组传输线。

在一些实施例中，粗糙延迟电路包括多个可选择全通电路。多个全通电路可包括针对传输方向的第一组全通电路和针对接收方向的第二组全通电路。在一些实施例中，每个单独延迟电路包括具有连续可变延迟的精细延迟电路。精细延迟电路可包括可调谐全通滤波器。每个单独延迟电路可例如使用具有数字可编程延迟的精细延迟电路来实现。在一些实施例中，波束形成延迟电路包括多个波束形成延迟电路。

在实施例中，波束形成电路还包括多个天线接口电路，其中多个天线接口电路中的每个被耦合到多个波束形成延迟电路中的对应单独延迟电路。每个天线接口电路包括例如传输放大器和接收放大器。在一些实施例中，rf前端包括雷达收发机。波束形成电路还可包括天线阵列，其具有耦合到多个波束形成延迟电路中的对应单独延迟电路的单独天线元件。

另一一般方面包括一种波束形成的方法，其包括向多元件天线阵列传输第一射频信号的步骤，其中传输包括使用多个公共延迟电路来延迟第一射频信号以形成公共延迟的传输信号。该方法还包括使用单独延迟电路来延迟公共延迟的传输信号中的每个以形成单独延迟的传输信号以及将单独延迟的传输信号中的每个应用于多元件天线阵列中的相应元件。每个公共延迟的传输信号可与至少两个单独延迟电路相关联。

实现方式可包括以下特征中的一个或多个。该方法还包括经由多元件天线阵列接收第二射频信号，其中接收包括：接收来自多元件阵列的单独元件的多个第二射频信号，使用对应的单独延迟电路来延迟多个第二射频信号以形成单独延迟的接收信号，组合单独延迟的接收信号的子集以形成多个组合的单独延迟的接收信号，使用多个公共延迟电路来延迟多个组合的单独延迟的接收信号中的每个以形成公共延迟的接收信号，以及组合公共延迟的接收信号以形成组合的第二射频信号。该方法还可包括使用射频前端电路生成第一射频信号和使用射频前端信号接收组合的第二射频信号。

在一些实施例中，生成第一射频信号包括生成雷达信号。该方法也可包括调整多个公共延迟电路的延迟和调整单独延迟电路的延迟。在一些实施例中，调整多个公共延迟电路的延迟包括在多个可选择传输线之间选择传输路径，并且调整单独延迟电路的延迟包括调整全通滤波器的频率。

另一一般方面包括一种射频系统，其包括射频前端电路、多元件天线阵列、以及耦合到射频前端电路的接口端口的多个实时延迟波束形成电路。每个实时延迟波束形成电路包括具有耦合到射频前端电路的接口端口的第一端口的第一延迟电路和耦合在第一延迟电路的第二端口与多元件阵列中的对应元件之间的多个第二延迟电路。

实现方式可包括以下特征中的一个或多个。射频系统，其中多个实时延迟电路中的每个被安置在集成电路上。多元件阵列可包括例如8x8阵列。在一些实施例中，由多个实时延迟波束形成电路和多元件天线阵列产生的波束的方向基本上与频率无关。

一些实施例定向耦合器的优点包括这样的能力：在实时延迟（ttd）电子可操纵阵列系统中提供可操纵波束，该系统比起仅使用用于电子可操纵阵列天线的每个天线元件的单独时间延迟的ttd系统而言使用更少电路系统和更少功率。一些实施例的另外的优点包括提供成本高效的ttd集成电路，其比使用带状线和rf开关的常规基于板的实现而言使用更少的电路。

虽然已经参考说明性实施例描述了本发明，但是本描述并不意图在限制意义上进行解释。在参考本描述时，说明性实施例的各种修改和组合以及本发明的其他实施例对于本领域技术人员而言将是显而易见的。