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TWI518993B - 具可調式相移陣列的多路徑切換系統 - Google Patents

具可調式相移陣列的多路徑切換系統 Download PDF

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TWI518993B
TWI518993B TW101143274A TW101143274A TWI518993B TW I518993 B TWI518993 B TW I518993B TW 101143274 A TW101143274 A TW 101143274A TW 101143274 A TW101143274 A TW 101143274A TW I518993 B TWI518993 B TW I518993B
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TW
Taiwan
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phase
phase shifter
coupler
switch
switching system
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Application number
TW101143274A
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TW201421804A (zh
Inventor
曾銘健
鄭名宏
林信標
張競仁
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財團法人工業技術研究院
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Description

具可調式相移陣列的多路徑切換系統
本揭露是有關於一種具可調式相移陣列的多路徑切換系統。
近年來無線通信系統進步快速，無線通信已在人們的生活中扮演不可或缺的角色。隨著各種通信理論與信號處理晶片的發展，目前通信收發機後端的技術已經愈趨於成熟。然而，目前在通信收發機之射頻前端的理論與技術的進展卻是有限。通信的材料與其物理特性之極限往往會造成射頻前端之相關系統有建置昂貴、系統複雜等缺點，而無法讓信號於射頻前端容易被處理。如此，只能於基頻電路中來進行相關的信號處理或運算。如何克服上述問題或是改變系統架構以讓射頻前端的訊號處理更得以實現，乃業界所致力的方向之一。
根據本揭露之一實施例，提出一種具可調式相移陣列的多路徑切換系統，包括一可調式相移陣列模組與一控制模組。可調式相移陣列模組用以接收一射頻訊號，可調式相移陣列模組包括至少一射頻開關、至少一耦合器與至少一相移器，至少一射頻開關、至少一耦合器與至少一相移器係形成多個傳送路徑，此些傳送路徑各自接收射頻訊 號，並分別輸出對應至不同相位之多個處理後之射頻訊號至一天線陣列。控制模組用以控制可調式相移陣列模組之至少一射頻開關與至少一相移器，以使天線陣列輸出對應至一特定空間極座標角度的無線訊號。
為讓本揭露之上述內容能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
請參照第1圖，其繪示依照本揭露之一實施例之具可調式相移陣列的多路徑切換系統的方塊圖。多路徑切換系統100包括一可調式相移陣列模組102與一控制模組104。可調式相移陣列模組102用以接收一射頻訊號Srf1。可調式相移陣列模組102包括至少一射頻開關、至少一耦合器與至少一相移器(phase shifter)。此至少一射頻開關、至少一耦合器與至少一相移器係形成多個傳送路徑。此些傳送路徑各自接收射頻訊號Srf1，並分別輸出對應至不同相位之多個處理後之射頻訊號Srf2至一天線陣列106。
控制模組104則是用以控制可調式相移陣列模組102之至少一射頻開關與至少一相移器，以使天線陣列106輸出對應至一特定空間極座標角度的無線訊號WL。
多路徑切換系統100例如係使用於通訊系統101中。上述之射頻訊號Srf1係由射頻訊號產生電路108所產生，並經由切換成傳送狀態之傳送/接收切換器110傳送給可調式相移陣列模組102。而射頻訊號產生電路108係基於來自於基頻數位訊號處理電路116的訊號來產生此射頻訊 號Srf1。
而當傳送/接收切換器110切換成接收狀態時，通訊系統101則可執行接收並處理無線訊號的功能。當天線陣列106接收到無線訊號WL’後，天線陣列106將接收的電磁波無線訊號WL’轉換成射頻訊號Srf2’。射頻訊號Srf2’經由可調式相移陣列模組102處理之後，產生之射頻訊號Srf1’係經由傳送/接收切換器110傳送至射頻訊號產生電路108及基頻數位訊號處理電路116，以進行後續之基頻訊號處理。
控制模組104例如包括一控制器112與一切換矩陣單元114。切換矩陣單元114係儲存有多個候選相位差所對應之上述之至少一射頻開關與至少一相移器之控制資訊。控制器112係參照切換矩陣單元114所儲存之內容來控制可調式相移陣列模組102。
更進一步來說，可調式相移陣列模組可具有多個射頻開關、多個耦合器與多個相移器。天線陣列106包括多個天線。控制模組104係從多個候選相位差中選擇其中之一，並根據所選擇之候選相位差來控制此些射頻開關與此些相移器，使兩兩些天線之間係具有所選擇之候選相位差，以使天線陣列106輸出對應至特定空間極座標角度的無線訊號。
請參照第2圖，其繪示第1圖之多路徑切換系統之可調式相移陣列模組102之一實施例的方塊圖。可調式相移陣列模組102包括3個射頻開關、3個耦合器與6個相移器。3個射頻開關包括射頻開關202_1~202_3、3個耦合器 包括耦合器204_1~204_3，6個相移器包括相移器206_1~206_6。天線陣列包括4個天線208_1~208_4。耦合器204_1之輸入端係與射頻開關202_1串接。相移器206_1與相移器206_2係與耦合器204_1之兩個輸出端分別耦接。射頻開關202_2係連接相移器206_1與耦合器204_2之輸入端。射頻開關202_3係連接相移器206_2與耦合器204_3之輸入端。相移器206_3與相移器206_4係與耦合器204_2之兩個輸出端分別耦接。相移器206_5與相移器206_6係與耦合器204_3之兩個輸出端分別耦接。
請參照第3圖，其繪示第2圖之可調式相移陣列模組102之詳細電路圖之一實施例。各個相移器係可選擇性地提供多個不同的相位位移。舉例來說，相移器206_1與206_2係可選擇性地提供四個不同的相位位移(phase shift)，例如是0度、-22.5度、-45度與-67.5度。相移器206_3~206_6係分別可選擇性地提供二種不同的相位位移，例如是0度與-45度。進一步來說，相移器206_1可具有3個串聯之相移器單元402_1~402_3，相移器206_2係具有3個串聯之相移器單元404_1~404_3。相移器206_3~206_6係分別具有一個相移器單元。各個相移器單元具有一微帶線與一開關元件，例如相移器單元402_1具有微帶線406_1與開關元件408_1。每個開關元件具有兩個開關，每個開關具有三個端點。例如開關元件408_1具有開關416與418。藉由使用不同幾何結構的微帶線，可以讓通過微帶線的訊號產生不同大小的相位延遲。本實施例係以相移器206_1與206_2為串聯型相移器為例做說 明，然本揭露並不限於此。
每個射頻開關則例如是由3個開關所組成。舉例來說，射頻開關202_1係包括開關410、412與414。開關410、412與414亦各具有3個端點。開關410之輸入端接收射頻訊號Srf1或輸出射頻訊號Srf1’。開關412與414的輸入端係分別與開關410的兩個輸出端耦接。開關412與414的輸出端則與耦合器204_1的兩個輸入端1與4耦接。
耦合器204_1、204_2、及204_3係各具有輸入端1與輸入端4、輸出端2與輸出端3。當一訊號由輸入端1輸入時，輸出端2與輸入端1的訊號相位差為-90度，輸出端3與輸入端1的訊號相位差為-180度。而當訊號由輸入端4輸入時，輸出端2與輸入端4的訊號相位差為-180度，輸出端3與輸入端4的訊號相位差為-90度。
請參照第4圖，其繪示多個候選相位差所對應之射頻開關與相移器之控制數位值之一實施例。假設多個候選相位差包括相位差-45°、45°、-135°、135°、-22.5°、22.5°、-67.5°、67.5°、-112.5°、112.5°、-157.5°、及157.5°。每個候選相位差係分別對應至19個位元之控制數位值，如第4圖之表格第一列所示之控制位元1~19。相位差157.5°、135°、112.5°、67.5°、45°、22.5°、-22.5°、-45°、-67.5°、-112.5°、-135°、及-157.5°分別用以使天線陣列106產生空間極座標角度為28.955°、41.409°、51.317°、67.975°、75.52°、82.819°、97.180°、104.47°、112.024°、128.682°、138.59°、 及151.044°之無線信號。
請參照第5圖，其繪示候選相位差為相位差-45°時之可調式相移陣列模組102之電路狀態圖。於第5圖中，茲以括號中的數字代表每個開關所對應之控制位元。舉例來說，第4圖之相位差-45°所對應之控制位元1、2及3分別用以控制射頻開關202_1之開關410、412與414。而相移器206_1之相移器單元402_1~402_3之開關元件係分別由控制位元4、5及6所控制，例如控制位元4同時控制開關元件408_1的兩個開關416與418。與本例中，於相移器206_2與射頻開關202_5與202_6中，當控制位元的數位值為1時，開關之上方路徑導通；而當控制位元的數位值為0時，開關之下方路徑導通。而於其他的相移器與射頻開關中，當控制位元的數位值為0時，開關之上方路徑導通；而當控制位元的數位值為1時，開關之下方路徑導通。
由第5圖可知，射頻訊號Srf1經由射頻開關202_1傳送到耦合器204_1的輸入端1，耦合器204_1的輸出端2與3將分別輸出與射頻開關202_1輸入端之射頻訊號Srf1的相位差為-90度與-180度之射頻訊號。射頻訊號於相移器206_1中將經過兩個對應至相位22.5度之微帶線(累加起來為45度)，使得相移器206_1輸出相位差(亦即與射頻開關202_1輸入端之射頻訊號Srf1的相位差)為-90+(-45)度。相位差為-90+(-45)度的射頻訊號經由射頻開關202_2輸入至耦合器204_2的輸入端1之後，耦合器204_2的輸出端2與3將分別輸出相位差為-90+(-45)-90 度與-90+(-45)-180度的射頻訊號。相位差為-90+(-45)-90度的射頻訊號係經由相移器206_3(目前係對應至相位差0度)之後，係傳送給天線208_1。而相位差為-90+(-45)-180度的射頻訊號則經由相移器206_4(目前係對應至相位差0度)之後，係傳送給天線208_3。如此，天線208_1與天線208_3將分別輸出相位差為-90+(-45)-90=-225與-90+(-45)-180=-315度的無線訊號。
同理可以推得，天線208_2與天線208_4將分別輸出相位差為-180+0-90=-270與-180+0-180=-360度的無線訊號。如此，兩兩相鄰之天線的相位差(例如天線208_2與208_1之相位差)係為-45度。
第4圖之對射頻開關與相移器之控制資訊係可儲存於切換矩陣單元114中，控制器112係參照切換矩陣單元114所儲存之內容來控制可調式相移陣列模組102。而第4圖之控制資訊又可以進一步地簡化。
舉例來說，由於控制位元10~15的數位值只有(0 1 1 0 1 1)與(1 0 0 1 0 0)兩種態樣，因此控制位元10~15可以簡化成僅使用一個控制位元，用一個控制位元的0與1分別代表上述之兩種態樣。同理，控制位元1~3亦可簡化為1個控制位元，如第6圖所示。進一步地，由於控制位元4~6的數位值只有(0 0 1)、(1 1 1)、(0 0 0)、(0 1 1)四種態樣，因此控制位元4~6可以簡化成僅使用2個控制位元，用2個控制位元的(0 1)、(1 1)、(0 0)、(1 0)來分別代表上述之四種態樣。同樣地，由於控制位元7~9及16~19亦可分別簡化成使用兩個位元來表示。簡化後的控制數位值如第7 圖所示。如此，每個相位差僅需8個控制位元之控制數位值。亦即，儲存於切換矩陣單元114中之資料量可以減少。於實際操作時，控制器112可以參照儲存於切換矩陣單元114之簡化後的控制數位值，以對應地產生對應至第4圖之控制數位值，即可對所有的射頻開關與所有的相移器的開關進行控制。
雖然上述實施例係以相移器206_1與206_2分別具有如第8A圖所示之三個串聯的開關元件(六個開關)之串聯型相移器為例做說明，然本實施例並不限於此。上述實施例之相移器亦可使用並聯型相移器來實現。一種並聯型相移器的電路圖係如第8B圖所示，至少一個開關可以與兩個微帶線耦接。此外，上述實施例之相移器亦可使用串並聯型相移器來實現。串並聯型相移器係為串聯型相移器與並聯型相移器之組合，第8C圖係繪示了串並聯型相移器的一個例子。
此外，第8A~8C圖之相移器之微帶線所對應的相位差、微帶線的個數、開關的個數、微帶線與開關的連接方式亦可以視需要而調整，並不限於第8A~8C圖所示之例子。
上述之射頻開關可為微波高頻切換開關的組合。微波高頻切換開關可以為單擲雙切開關(Single Pole Double Throw,SPDT)、阻抗匹配式開關、或具有末端電阻式的開關組合。而上述之耦合器則可為枝幹耦合器(Branch line coupler)、環形耦合器、平行線耦合器、微帶線耦合器、或帶狀耦合器。不同的耦合器可以讓天線產生不同的相位。
上述之實施例適用於雙向之訊號傳輸，亦即，雖然上述實施例係以天線發射無線訊號為例做說明，然而本實施例亦可使用於使用天線來接收無線訊號時的情況。
上述實施例雖以12個候選相位差，對應至天線陣列106之12個空間極座標角度為例做說明，然本揭露並不限於此。空間極座標角度的個數(對應至波束方向的個數)的設計可與2n有關。當n=2時，2n=22=4，候選相位差可為π/4、-π/4、3 π/4、及-3 π/4。此時在天線陣列106前方180度的範圍可以產生22=4個方向。當n=3時，2n=23=8，候選相位差可為π/8、-π/8、3 π/8、-3 π/8、5 π/8、-5 π/8、7 π/8、及-7 π/8。此時在天線陣列106前方180度的範圍可以產生22+23=12個方向(亦即對應至候選相位差π/4、-π/4、3 π/4、-3 π/4、π/8、-π/8、3 π/8、-3 π/8、5 π/8、-5 π/8、7 π/8、及-7 π/8)。當n=4時，24=16，候選相位差可為π/16、-π/16、3 π/16、-3 π/16、5 π/16、-5 π/16、7 π/16、-7 π/16、9 π/16、-9 π/16、11 π/16、-11 π/16、13 π/16、-13 π/16、15 π/16、及-15 π/16。此時在天線陣列106前方180度的範圍可以產生22+23+24=28個方向。也就是說，空間極座標角度的個數為2n+2n-1+2n-2...個。
以本實施例之產生12個波束方向來說，係使用四根全向性天線，排列成天線與天線距離為半波長的線型天線陣列。第9A~9L圖分別為此線型天線陣列之主波束方向於29°、41.4°、51.3°、68°、75.5°、83°、97°、104°、112°、129°、139°、及151°的模擬與實際量測結果的 極座標空間位置圖。
上述實施例之具可調式相移陣列的多路徑切換系統，於不同路徑上可以產生不同的相位，且同一條路徑上藉由控制開關的狀態，也可以產生不同的相位。藉由產生所需要的各個天線的相位角度，可以讓天線陣列可產生不同的主波束的空間方向角度。具有電路架構形式簡單、成本低廉、及控制容易等優點，且可在不需要改變無線通信站台的情況下可應用於無線通訊射頻前端，更可以有效地整合於現有架構中。
綜上所述，雖然本揭露已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本揭露。本揭露所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本揭露之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧多路徑切換系統
101‧‧‧通訊系統
102‧‧‧可調式相移陣列模組
104‧‧‧控制模組
106‧‧‧天線陣列
108‧‧‧射頻訊號產生電路
110‧‧‧傳送/接收切換器
112‧‧‧控制器
114‧‧‧切換矩陣單元
116‧‧‧基頻數位訊號處理電路
202_1~202_3‧‧‧射頻開關
204_1~204_3‧‧‧耦合器
206_1~206_6‧‧‧相移器
208_1~208_4‧‧‧天線
402_1~402_3、404_1~404_3‧‧‧相移器單元
406_1‧‧‧微帶線
408_1‧‧‧開關元件
410、412、414、416、418‧‧‧開關
第1圖繪示依照本揭露之一實施例之具可調式相移陣列的多路徑切換系統的方塊圖。
第2圖繪示第1圖之多路徑切換系統之可調式相移陣列模組之一實施例的方塊圖。
第3圖繪示第2圖之可調式相移陣列模組之詳細電路圖之一實施例。
第4圖繪示多個候選相位差所對應之射頻開關與相移器之控制數位值之一實施例。
第5圖繪示候選相位差為相位差-45°時之可調式相 移陣列模組之電路狀態圖。
第6圖繪示將第4圖之多個候選相位差所對應之射頻開關與相移器之控制數位值簡化後之結果。
第7圖繪示將第6圖之多個候選相位差所對應之射頻開關與相移器之控制數位值進一步簡化後之結果。
第8A圖繪示串聯型相移器之一實施例。
第8B圖繪示並聯型相移器之一實施例。
第8C圖繪示串並聯型相移器之一實施例。
第9A~9L圖分別為此線型天線陣列之主波束方向於29°、41.4°、51.3°、68°、75.5°、83°、97°、104°、112°、129°、139°、及151°的模擬與實際量測結果的極座標空間位置圖。
100‧‧‧多路徑切換系統
101‧‧‧通訊系統
102‧‧‧可調式相移陣列模組
104‧‧‧控制模組
106‧‧‧天線陣列
108‧‧‧射頻訊號產生電路
110‧‧‧傳送/接收切換器
112‧‧‧控制器
114‧‧‧切換矩陣單元
116‧‧‧基頻數位訊號處理電路

Claims (16)

  1. 一種具可調式相移陣列的多路徑切換系統，包括：一可調式相移陣列模組，用以接收一射頻訊號，該可調式相移陣列模組包括至少一射頻開關、至少一耦合器與至少二相移器，該至少一射頻開關、該至少一耦合器與該至少二相移器係形成至少二個傳送路徑，該至少一射頻開關用以切換該射頻訊號於該些傳送路徑之間，該些傳送路徑各自接收該射頻訊號，並分別輸出對應至不同相位之多個處理後之射頻訊號至一天線陣列；以及一控制模組，用以控制該可調式相移陣列模組之該至少一射頻開關與該至少一相移器，以使該天線陣列輸出對應至一特定空間極座標角度的無線訊號，其中，該天線陣列的多個天線中，兩兩該些天線之間係具有一所選擇候選相位差。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之多路徑切換系統，其中，該可調式相移陣列模組包括多個射頻開關、多個耦合器與多個相移器，該天線陣列包括多個天線，該控制模組係從多個候選相位差中選擇其中之一，並根據所選擇之候選相位差來控制該些射頻開關與該些相移器，使兩兩該些天線之間係具有所選擇之該候選相位差，以使該天線陣列輸出對應至該特定空間極座標角度的無線訊號。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之多路徑切換系統，其中，該可調式相移陣列模組包括3個射頻開關、3個耦合 器與6個相移器，該3個射頻開關包括一第一至一第三射頻開關、該3個耦合器包括一第一至一第三耦合器，該6個相移器包括一第一至第六相移器，該天線陣列包括4個天線，該第一耦合器之輸入端係與該第一射頻開關串接，該第一相移器與該第二相移器係與該第一耦合器之兩個輸出端分別耦接，該第二射頻開關係連接該第一相移器與該第二耦合器之輸入端，該第三射頻開關係連接該第二相移器與該第三耦合器之輸入端，該第三相移器與該第四相移器係與該第二耦合器之兩個輸出端分別耦接，該第五相移器與該第六相移器係與該第三耦合器之兩個輸出端分別耦接。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之多路徑切換系統，其中，該第一與該第二相移器係可選擇性地提供四個不同的相位位移，第三至第六相移器係分別可選擇性地提供二種不同的相位位移。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之多路徑切換系統，其中，該第一與該第二相移器係分別具有3個串聯之相移器單元，該第三至第六相移器係分別具有一個相移器單元，各個相移器單元具有一微帶線與一開關元件。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之多路徑切換系統，其中，各該至少一相移器係可選擇性地提供多個不同的相位位移。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之多路徑切換系統，其中，各該至少一相移器係具有至少一微帶線與至少一開關元件。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之多路徑切換系統，其中，該至少一相移器係為並聯型相移器。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之多路徑切換系統，其中，該至少一相移器係為串聯型相移器。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之多路徑切換系統，其中，該至少一相移器係為串並聯型相移器。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之多路徑切換系統，其中，該至少一耦合器各具有一第一輸入端、一第二輸入端、一第一輸出端與一第二輸出端，當一訊號由該第一輸入端輸入時，該第一輸出端與該第一輸入端的訊號相位差為-90度，該第二輸出端與該第一輸入端的訊號相位差為-180度，而當該訊號由該第二輸入端輸入時，該第一輸出端與該第二輸入端的訊號相位差為-180度，該第二輸出端與該第二輸入端的訊號相位差為-90度。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之多路徑切換系統，其中，該控制模組包括一控制器與一切換矩陣單元，該切 換矩陣單元係儲存有多個候選相位差所對應之該至少一射頻開關與該至少一相移器之控制資訊，該控制器係參照該切換矩陣單元所儲存之內容來控制該可調式相移陣列模組。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之多路徑切換系統，其中，該切換矩陣單元係儲存該可調式相移陣列模組之該至少一射頻開關與該至少一相移器之簡化後的控制數位值。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之多路徑切換系統，其中該至少一射頻開關係為微波高頻切換開關的組合。
  15. 如申請專利範圍第1項所述之多路徑切換系統，其中該至少一射頻開關係為單擲雙切開關(Single Pole Double Throw,SPDT)、阻抗匹配式開關、或具有末端電阻式的開關組合。
  16. 如申請專利範圍第1項所述之多路徑切換系統，其中該至少一耦合器係為枝幹耦合器(Branch line coupler)、環形耦合器、平行線耦合器、微帶線耦合器、或帶狀耦合器。
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