用于天线阵列的相位控制器、其通讯装置与相位控制方法与流程

本发明涉及天线阵列领域，特别是一种相位控制器及其通讯装置与用于天线阵列的相位控制方法。

背景技术：

现今，具有多个天线的天线阵列及相位控制器广泛设置于通信装置，通信装置例如收发器，发射器或接收器。其中用于天线阵列的相位控制器是通过多个移相器或多个锁相回路(phaselockedloop，pll)来实现，其中两两相邻的锁相回路彼此耦接，并通过相位控制器控制天线阵列的相位使辐射信号具有特定的主要辐射方向r。

如图1a所示，图1a是现有技术用于通讯装置的相位控制器的示意图。通讯装置包括多个移相器ps_1至ps_n，及多个天线ant_1至ant_n，其中n是大于1的整数。其中移相器ps_1至ps_n组成现有技术的相位控制器。天线ant_1至ant_n组成现有技术的天线阵列。两两相邻的天线ant_1至ant_n具有分隔距离d。

天线阵列接收初始信号及位移初始信号的相位φ0以产生不同相位φ1至φn的多个最终信号。其中天线ant_1至ant_n对应于不同相位φ1至φn的最终信号。天线阵列依据相位φ1至φn及分隔距离d决定主要辐射方向r与垂直轴y的夹角ψ，因此决定天线阵列的主要辐射方向r。故通过控制相位φ1至φn能决定天线阵列的辐射模式。

如图1b所示，图1b是另一种现有技术用于通讯装置的相位控制器的示意图。图1a中的通讯装置1的移相器ps_1至ps_n与图1b中的通讯装置1’的移相器pd_1至pd_n的配置不同，特别是通讯装置1’采用步进式配置的移相器pd_1至pd_n，移相器pd_1至pd_n从前一个移相器接收位移相位φ的传输信号。通过控制相位φ能决定天线阵列的辐射模式。

不同频率的移相器的相位位移量彼此不相同，并且移相器具有相位不平衡和增益不匹配的问题。因此，固定差分相位的传输信号可能具有相位误差和振幅误差而导致天线阵列的辐射模式不正确。

如上所述，天线阵列的另一种现有技术的相位控制器采用多个锁相回路，并且控制信号可以输入到锁相回路中的压控振荡电路(voltagecontrolledoscillators,vcos)以控制天线阵列的相位。然而，这种用于天线阵列的现有技术的控制器不具有高准确度和低相位噪声的参考信号源，由于使用压控振荡电路进行注入锁定，从而导致压控振荡电路的输出频率不准确并且输出信号中可能存在高相位噪音。

技术实现要素：

有鉴于此，在此提供一种相位控制器及其通讯装置与用于天线阵列的相位控制方法，藉以解决先前技术存在的问题。

依据一些实施例，一种用于天线阵列的相位控制器其特征在于，包括：判断电路，用于依据方向系数及同余模数方程式获得相位系数；切换电路，耦接所述判断电路，用于依据所述相位系数及多个第一相位组信号获得多个第二相位组信号，其中所述多个第一相位组信号及所述多个第二相位组信号的频率皆为第一频率；以及相位同调锁相回路频率合成电路，耦接所述切换电路，用于依据所述多个第二相位组信号产生多个第三相位组信号，其中所述多个第三相位组信号的频率皆为第二频率，并且所述第二频率大于所述第一频率。

依据一些实施例，相位控制器其特征在于，所述多个第一相位组信号的相位分别为0、δφ、2δφ、…、(k-1)δφ，所述多个第二相位组信号的相位分别为0、δθ、2δθ、…、(l-1)δθ，所述多个第三相位组信号的相位分别为0、δφ、2δφ、…、(l-1)δφ，所述同余模数方程式为ml≡k(modk)，其中δφ＝2π/k，δφ＝kδφ，δθ＝lδφ，δφ是相位解析度，m是频率因数，l是相位系数且为整数，k是方向系数且为整数，m及k是互质整数。

依据一些实施例，相位控制器其特征在于，所述多个第一相位组信号的相位分别为0、δφ、2δφ、…、(k-1)δφ，所述多个第二相位组信号的相位分别为0、δθ、2δθ、…、(l-1)δθ，所述多个第三相位组信号的相位分别为0、δφ、2δφ、…、(l-1)δφ，所述同余模数方程式为pl≡qk(modqk)，其中δφ＝2π/k，δφ＝kδφ，δθ＝lδφ，m＝p/q，δφ是相位解析度，m是频率因数，l是相位系数且为整数，k是方向系数且为整数，p及q是互质整数。

依据一些实施例，相位控制器其特征在于，所述切换电路包括：多个输出线，分别用于输出对应的所述第二相位组信号；多个输入线，分别用于输入对应的所述第一相位组信号；以及多个开关，分别耦接于交错的所述输出线与所述输入线之间，所述多个开关分别用于依据相位系数而导通或断开以从所述多个第一相位组信号获得所述多个第二相位组信号。

依据一些实施例，相位控制器其特征在于，所述相位同调锁相回路频率合成电路包括多个锁相回路，所述锁相回路包括：混频电路，用于依据对应的所述第二相位组信号及第一分频信号产生第一混频信号；第一低通滤波电路，耦接混频电路，用于过滤所述第一混频信号为第一滤波信号；压控振荡电路，耦接所述第一低通滤波电路，用于依据所述第一滤波信号产生对应的所述第三相位组信号；以及第一分频电路，耦接所述混频电路及所述压控振荡电路，用于依据对应的所述第三相位组信号产生所述第一分频信号。

依据一些实施例，一种通讯装置其特征在于，包括：天线阵列；多阶信号产生电路，用于产生多个具有第一频率的第一相位组信号；以及用于天线阵列的相位控制器，耦接于所述多阶信号产生电路与所述天线阵列之间。

依据一些实施例，通讯装置其特征在于，所述多阶信号产生电路包括：相位侦测电路，用于依据参考时脉信号及延迟信号以产生比较信号；第二低通滤波电路，耦接所述相位侦测电路，用于过滤所述比较信号以产生控制信号；以及电压控制延迟电路，耦接所述相位侦测电路及所述第二低通滤波电路，用于依据所述参考时脉信号及所述控制信号产生对应的所述多个第一相位组信号。

依据一些实施例，通讯装置其特征在于，所述多阶信号产生电路包括：相频侦测电路，用于依据参考时脉信号及第二分频信号以产生比较信号；电荷泵，耦接所述相频侦测电路，提升比较信号的电压以产生升压信号；回路滤波电路，耦接所述电荷泵，用于过滤所述升压信号以产生第二滤波信号；四相位压控振荡器，耦接所述回路滤波电路，用于依据第二滤波信号以产生具有正交相位的多个振荡信号；第二分频电路，耦接于所述四相位压控振荡器与所述相位侦测电路之间，用于依据对应的所述振荡信号以产生所述第二分频信号；以及注入锁定分频电路，耦接所述四相位压控振荡器，用于依据所述多个振荡信号以产生所述多个第一相位组信号。

依据一些实施例，通讯装置其特征在于，还包括前端电路模块，所述前端电路模块包括：混频器，用于混频中频信号及对应的所述第三相位组信号以产生第二混频信号；滤波器，耦接所述混频器，过滤所述第二混频信号以产生第三滤波信号；以及放大器，耦接所述滤波器，放大所述滤波输出信号以产生输出信号。

依据一些实施例，一种用于天线阵列的相位控制方法其特征在于，包括：决定方向系数；依据方向系数及同余模数方程式获得相位系数；依据所述相位系数及多个第一相位组信号获得多个第二相位组信号，其中所述多个第一相位组信号及所述多个第二相位组信号的频率皆为第一频率；依据所述多个第二相位组信号产生多个第三相位组信号，其中所述多个第三相位组信号的频率皆为第二频率，并且所述第二频率大于所述第一频率；以及输出所述多个第三相位组信号。

综上，本发明提供一种相位控制器及其通讯装置与用于天线阵列的相位控制方法，其中天线阵列包括多个天线。因此本发明具有低相位误差、低振幅误差、高频率精确度及正确符合预期的辐射模式。

有关本发明的其它功效及实施例的详细内容，配合图式说明如下。

图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些图获得其它的图。

图1是现有技术用于通讯装置的相位控制器的示意图；

图1b是现有技术用于通讯装置的相位控制器的又一示意图；

图2是本发明实施例锁相回路的方块图；

图3是本发明实施例的通讯装置的方块图；

图4是本发明实施例的切换电路的电路图；

图5是本发明实施例的多阶信号产生电路的方块图；

图6是本发明实施例的多阶信号产生电路的又一方块图；

图7是本发明实施例的用于天线阵列的相位控制方法的流程图；

图8a是本发明实施例的天线阵列的辐射模式的示意图；

图8b是本发明实施例的天线阵列的辐射模式的又一示意图。

符号说明

1、1’、3通讯装置

ps_1至ps_n、pd_1至pd_n移相器

ant、ant_1至ant_n天线

ψ夹角y垂直轴

d分隔距离r主要辐射方向

2锁相回路21混频电路

22低通滤波电路23压控振荡电路

24第一分频电路31相位控制器

32前端电路模块33、5、6多阶信号产生电路

34天线阵列311切换电路

312相位同调锁相回路频率合成电路

313判断电路320前端电路

321混频器322滤波器

323放大器51电压控制延迟电路

52相位侦测电路53第二低通滤波电路

511延迟单元61相频侦测电路

62电荷泵63回路滤波电路

64四相位压控振荡器65第二分频电路

66注入锁定分频电路k方向系数

ωref第一频率ωrf第二频率

s1、bcos(ωreft)至bcos(ωreft+(k-1)δφ)第一相位组信号

s2、aicos(ωreft+θi)第二相位组信号

bcos(ωreft)至bcos(ωreft+(l-1)δθ)第二相位组信号

s3、aocos(ωrft+φi)第三相位组信号

acos(ωrft)至acos(ωrft+(l-1)δφ)第三相位组信号

smi1第一混频信号smi2第二混频信号

smi3第三混频信号sfi1第一滤波信号

sfi2第二滤波信号sfi3第三滤波信号

sdi1第一分频信号sdi2第二分频信号

sif中频信号sout输出信号

sref参考时脉信号sdel延迟信号

scon控制信号scom比较信号

sosc振荡信号sris升压信号

in输入线out输出线

sw开关vc(t)第一滤波信号

0°、90°、180°、270°相位s71至s75步骤

具体实施方式

为了使本发明的目的、特征及效果更容易理解，以下提供用于详细说明本发明的实施例及图。

请参阅图3，图3是本发明实施例的通讯装置3的方块图。在一些实施例，通讯装置3包括用於天線陣列的相位控制器31、天线阵列34、多阶信号产生电路(multi-phasesignalgeneratingcircuit)33。其中相位控制器31耦接于多阶信号产生电路33与天线阵列34之间。多阶信号产生电路33用于依据参考时脉信号sref以产生多个具有第一频率ωref的第一相位组信号s1。相位控制器31用于控制天线阵列34的相位，并使天线阵列34具有预期的辐射模式(例如预期的主要辐射方向r或预期的相位)。

在一些实施例，相位控制器31包括切换电路311、相位同调锁相回路频率合成电路(phase-coherentphaselockedloopfrequencysynthesizer)312、判断电路313。其中切换电路311耦接判断电路313。相位同调锁相回路频率合成电路312耦接切换电路311。判断电路313用于依据方向系数k及同余模数方程式获得相位系数l。切换电路311用于依据相位系数l及多个第一相位组信号s1获得多个第二相位组信号s2。相位同调锁相回路频率合成电路312用于依据多个第二相位组信号s2产生多个第三相位组信号s3。其中多个第一相位组信号及多个第二相位组信号的频率皆为第一频率ωref，多个第三相位组信号s3的频率皆为第二频率ωrf，并且第二频率ωrf大于第一频率ωref。依据一些实施例，方向系数k与天线阵列34的相位、主要辐射方向r以及辐射场模式有关。

在一些实施例，天线阵列34包括多个天线ant，各个天线ant分别耦接相位控制器31。各个天线ant依据对应的第三相位组信号s3使天线阵列34具有对应的辐射模式。

在一些实施例，通讯装置还包括前端电路模块32，前端电路模块32耦接于相位控制器31与天线阵列34之间。前端电路模块32包括多个前端电路320，各个前端电路320包括混频器321、滤波器322以及放大器(poweramplifier,pa)323。其中滤波器322耦接混频器321，放大器323耦接于滤波器322及对应的天线ant之间。混频器321用于混频中频信号(intermediatefrequency)sif及对应的第三相位组信号s3以產生第二混頻信號smi2。滤波器322过滤第二混頻信號smi2以产生第三滤波信号sfi3。放大器323放大第三滤波信号sfi3以产生输出信号sout。各个天线ant接收对应的输出信号sout使天线阵列34具有对应的辐射模式。在一些实施例中，通讯装置3并不需要使用中频信号sif的位移，前端电路模块32能被从通讯装置3之中移除。

请参阅图5,图5是本发明实施例的多阶信号产生电路5的方块图。在一些实施例，多阶信号产生电路5包括电压控制延迟电路51、相位侦测电路(phasedetector)52及第二低通滤波电路(lowpassfilter,lpf)53。其中电压控制延迟电路(voltagecontrolleddelayline)51耦接相位侦测电路52及第二低通滤波电路53，相位侦测电路52耦接第二低通滤波电路53。具体而言，电压控制延迟电路51包括多个彼此串联的延迟单元511，而各个延迟单元511被第二低通滤波电路53输出的控制信号scon所控制。电压控制延迟电路51用于接收参考时脉信号sref及依据控制信号scon产生对应的多个第一相位组信号s1，并且由最后一个延迟单元511输出延迟信号sdel至相位侦测电路52。相位侦测电路52用于比较参考时脉信号sref及延迟信号sdel的相位差以产生比较信号scom。第二低通滤波电路53用于过滤比较信号scom之中的高频部分以产生控制信号scon。需特别说明的是，电压控制延迟电路51输出的各个第一相位组信号s1分别等于对应的各个延迟单元511所接收的信号。其中第一个延迟单元511接收参考时脉信号sref，其他延迟单元511则接收前一个延迟单元511的输出信号。

请参阅图6,图6是本发明实施例的多阶信号产生电路6的又一方块图。在一些实施例，多阶信号产生电路6包括相频侦测电路(phase-frequencydetector，pfd)61、电荷泵62、迴路滤波电路63、四相位压控振盪器(quadraturevoltagecontrolledoscillator,qvco)64、第二分频电路65及注入锁定分频电路(injection-lock-frequencydivider，ilfd)66。其中电荷泵62耦接相频侦测电路(phase-frequencydetector，pfd)61。迴路滤波电路63耦接电荷泵62。四相位压控振盪器64耦接迴路滤波电路63。第二分频电路65耦接于四相位压控振盪器64。第二分频电路65耦接于四相位压控振盪器64与相位侦测电路之间61。注入锁定分频电路66耦接四相位压控振盪器64。具体而言，相频侦测电路61接收参考时脉信号sref以及从第二分频电路65接收第二分频信号sdi2。相频侦测电路61比较参考时脉信号sref及第二分频信号sdi2的频率差及相位差，并据以输出比较信号scom至电荷泵62。电荷泵62用于提升比较信号scom的电压以输出升压信号sris至迴路滤波电路63。迴路滤波电路63用于过滤升压信号sris以输出第二滤波信号sfi2至四相位压控振盪器64。四相位压控振盪器64用于依据第二滤波信号sfi2以产生具有正交相位的多个振盪信号sosc。第二分频电路65接收对应的振盪信号sosc(在一些实施例中，对应的振盪信号sosc是具有正交相位的多个振盪信号sosc之一)，并依据除数为k/4的方式分频振盪信号sosc以产生第二分频信号sdi2。注入锁定分频电路66接收具有正交相位的多个振盪信号sosc，并据以产生多个第一相位组信号s1。在一些实施例中，正交相位的多个振盪信号sosc共有四个信号，这四个信号的相位分别为0°、90°、180°及270°。

请参阅图4，图4是本发明实施例的切换电路311的电路图。在一些实施例，切换电路311例如但不限于只读存储器(read-onlymemory,rom)。切换电路311包括多个输出线out、多个输入线in及多个开关sw。多个输出线out分别用于输出对应的第二相位组信号s2。多个输入线in分别用于输入对应的第一相位组信号s1。多个开关sw，分别耦接于交错的输出线与输入线之间。各个开关sw分别用于依据相位系数而导通或断开。通过导通或断开各个开关sw，使切换电路311从多个第一相位组信号s1获得多个第二相位组信号s2。

在一些实施例，各个输出线out以横向排列，各个输入线in以竖向排列，切换电路311呈现阵列形式排列。其中各个输出线out会分别与各个输入线in交错，开关sw设置于输出线out与输入线in交错的位置。

承上，在一些实施例，输出线out共有l条，输出线out分别为out_0至out_l-1。输入线in共有k条，输入线in分别为in_0至in_k-1。切换电路311从k个具有第一频率ωref的第一相位组信号s1获得l个具有第一频率ωref的第二相位组信号s2。相位同调锁相回路频率合成电路312接收l个第二相位组信号s2，并产生l个第三相位组信号s3。其中k及l皆为整数，并且l不大于k。在一些实施例，在切换电路311于操作上，同一条输出线out之中最多只有一个开关sw导通，其余开关sw皆为断开。

请同时参阅图2及图3，图2是本发明实施例锁相回路2的方块图。在一些实施例，相位同调锁相回路频率合成电路312包括多个锁相回路2。各个锁相回路2包括混频电路21、第一低通滤波电路22、压控振盪电路(voltagecontrolledoscillator，vco)23及第一分频电路24。其中第一低通滤波电路22耦接混频电路21。压控振盪电路23耦接第一低通滤波电路22。第一分频电路24耦接混频电路21及压控振盪电路23。具体而言，混频电路21从切换电路311接收对应的第二相位组信号s2以及从第一分频电路24接收第一分频信号sdi1，并据以混频产生第一混频信号smi1。第一低通滤波电路用于接收滤第一混频信号smi1，并过滤第一混频信号smi1为第一滤波信号sfi1。压控振盪电路用于接收第一滤波信号sfi1，并依据第一滤波信号sfi1产生对应的第三相位组信号s3。第一分频电路24接收对应的第三相位组信号s3产生第一分频信号sdi1。

承上，在一些实施例，第二相位组信号s2為aicos(ωreft+θi)，第一滤波信号sfi1為控制电压vc(t)。第三相位组信号s3為aocos(ωrft+φi)。而第一分频电路24依据除数为m的方式分频产生第一分频信号sdi1為gdaocos(ωrft/m+φi/m)。其中m是第一分频电路24的频率因数，ai是第二相位组信号s2的振幅，θi是第二相位组信号s2的相位，ao第三相位组信号s3的振幅，φi是第三相位组信号s3的相位。

需特别说明的是，cos(ωrft+φi)等于cos(ωrft+φi+2πh)，其中h是整数。當第一频率ωref等于ωrf/m(即ωref＝ωrf/m)以及mθi等于φi+2πh(即mθi＝φi+2πh)时，锁相回路2能执行相位锁定。而用来表示相位锁定条件的同余模数方程式为mθi≡φi(mod2π)，其中此同余模数方程式代表mθi及φi除以2π的余数相同。

请续参阅图3,依据一些实施例，第一相位组信号s1共有k个信号，第一相位组信号s1的相位也共有k个。各个第一相位组信号s1分别为bcos(ωreft)、bcos(ωreft+δφ)、bcos(ωreft+2δφ)、…、bcos(ωreft+(k-1)δφ)。各个第一相位组信号s1的相位分别为0、δφ、2δφ、…、(k-1)δφ。其中b为第一相位组信号s1的振幅，t为时间，δφ为相位解析度。

第二相位组信号s2共有l个信号，第一相位组信号s2的相位也共有l个。各个第二相位组信号s2分别为bcos(ωreft)、bcos(ωreft+δθ)、bcos(ωreft+2δθ)、…、bcos(ωreft+(l-1)δθ)。各个第二相位组信号s2的相位分别为0、δθ、2δθ、…、(l-1)δθ。其中b也为第二相位组信号s2的振幅，δθ为相位解析度。

第三相位组信号s3共有l个信号，第三相位组信号s3的相位也共有l个。各个第三相位组信号s3分别为acos(ωrft)、acos(ωrft+δφ)、acos(ωrft+2δφ)、…、acos(ωrft+(l-1)δφ)。各个第三相位组信号s3的相位分别为0、δφ、2δφ、…、(l-1)δφ。其中a为第三相位组信号s3的振幅，δφ为相位解析度。

在一些实施例，第二相位组信号s2的相位θi是δθ，而期望的第三相位组信号s3的相位φi是δφ，因此同余模数方程式为mδθ≡δφ(mod2π)。当相位解析度δφ是能够整除2π(即δφ＝2π/k)时，期望的第三相位组信号s3的相位δφ为kδφ(即δφ＝kδφ，其中k是方向系数并且为整数)，而第二相位组信号s2的相位δθ被解为lδφ(即δθ＝lδφ，其中l是相位系数并且为整数)，因此同余模数方程式为ml≡k(modk)，其中m及k是互质整数。

依据一些实施例，m及k是互质整数。也就是说，当方向系数k已经由期望的第三相位组信号s3的相位δφ决定时，能从同余模数方程式为ml≡k(modk)获得相位系数l。

依据一些实施例，m不是整数(即相位同调锁相回路频率合成电路312是非整数锁相回路合成电路)。同余模数方程式能表示为pl≡qk(modqk)，其中m等于p/q(即m＝p/q)，p及q是互质整数。也就是说，如果m＝p/q且p及q是互质整数，当方向系数k已经由期望的第三相位组信号s3的相位δφ决定时，能从同余模数方程式为pl≡qk(modqk)获得相位系数l。

依据一些实施例，相位系数l已获得并且δθ＝lδφ，因此第二相位组信号s2的相位δθ也被获得。由于相位系数l被获得，切换电路311能依据相位系数l从多个第一相位组信号s1之中选择出多个第二相位组信号s2。

请参阅图7，图7是本发明实施例的用于天线阵列34的相位控制方法的流程图。在一些实施例中，天线阵列的相位控制方法能执行于通讯装置3，通信装置3可以是收发器，发射器或接收器。天线阵列的相位控制方法包括以下步骤：

步骤s71：决定方向系数k；

步骤s72：依据方向系数k及同余模数方程式获得相位系数l；

步骤s73：依据相位系数l及多个第一相位组信号s1获得多个第二相位组信号s2，其中多个第一相位组信号s1及所述多个第二相位组信号s2的频率皆为第一频率ωref；

步骤s74：依据多个第二相位组信号s2产生多个第三相位组信号s3，其中多个第三相位组信号s3的频率皆为第二频率ωrf，第二频率ωrf大于所述第一频率ωref；以及

步骤s75：输出多个第三相位组信号s3。

请参阅图8a，图8a是本发明实施例的天线阵列34的辐射模式的一示意图。在一些实施例，m＝181,k＝64,l＝16,k＝14。因为方向系数k是14,依据同余模数方程式为ml≡k(modk)获得相位系数l为22。从而选取的16个第二相位组信号s2的相位φin及16个第三相位组信号s3的相位φout如表1中所列，其中表1所列的相位φin及φout皆表示为除以2π的余数。在图8a所示的辐射模式天线阵列34的相位是60度。

表1：

请参阅图8b，图8b是本发明实施例的天线阵列34的辐射模式的又一示意图。在一些实施例，m＝181,k＝64,l＝16,k＝-14或50。因为方向系數k是-14或50,依据同余模数方程式为ml≡k(modk)获得相位系数l为-22。从而选取的16个第二相位組信號s2的相位φin及16个第三相位組信號s3的相位φout如表2中所列，其中表2所列的相位φin及φout皆表示为除以2π的余数。在图8b所示的辐射模式天线阵列34的相位是300度。

表2：

综上，本发明提供一种相位控制器及其通讯装置与用于天线阵列的相位控制方法，其中天线阵列包括多个天线。因此本发明具有低相位误差、低振幅误差、高频率精确度及正确符合预期的辐射模式。

以上所述的实施例及/或实施方式，仅是用以说明实现本发明技术的较佳实施例及/或实施方式，并非对本发明技术的实施方式作任何形式上的限制，任何本领域技术人员，在不脱离本发明内容所公开的技术手段的范围，当可作些许的更动或修饰为其它等效的实施例，但仍应视为与本发明实质相同的技术或实施例。