TW202316824A - 類比式陣列天線波束成型器及其運作方法 - Google Patents

Abstract

一種類比式陣列天線波束成型器及其運作方法。類比式陣列天線波束成型器包括中頻放大電路、多個本地振盪器、多個混波器、多個射頻放大電路、以及頻率鎖定電路。中頻放大電路接收基頻訊號以提供中頻訊號。數個本地振盪器間彼此電源端或接地端連接一起，產生頻率同步。同時形成相位差異，且提供多個頻率一致但相位不相同之本地時脈訊號。混波器個別接收中頻訊號及本地時脈訊號的其中之一，以提供多個混波訊號。數個射頻放大電路接收混波訊號以提供多個頻率一致但相位不相同之射頻訊號至個別的天線，各天線幅射出之射頻訊號頻率一致但存在相位差異，因而形成指向性之射頻訊號發送或接收。頻率鎖定電路僅鎖定一個本地時脈訊號的頻率。

Description

類比式陣列天線波束成型器及其運作方法

本發明是有關於一種波束成型器，且特別是有關於一種類比式陣列天線波束成型器及其運作方法。

波束成型器為提供指向性發射電磁波能量之重要電路，在軍事用途之雷達已被廣泛運用，近來也拓展在行動通訊方面之使用。尤其在毫米波段以上，指向性發射有其必要性，隨之波束成型器成為短波長之行動通訊重點技術。

圖1A至圖1D為多種習知的陣列天線波束成型器架構的系統示意圖，其中數位訊號處理器（digital signal processor，DSP）及數位類比轉換器（Digital to Analog Converter，DAC）用以產生天線ANT ₁-ANT _n所要傳送的類比訊號。如圖1A至圖1D所示，陣列天線波束成型器架構中包含數個相移器（如PST1、PST2、PST3或PST4），使用相移器的缺點是：相移器之訊號損耗隨頻率的上升而變大，當來到5G毫米波波段時，訊號損耗可達5-6分貝（dB）；在圖1A所示陣列天線波束成型器架構中，饋入相移器的訊號為高頻頻段，且饋入訊號的相位易受饋送路徑長度差異而影響；在圖1B至圖1D所示陣列天線波束成型器架構中，增加使用多組混波器；在圖1B所示陣列天線波束成型器架構中，在分配本地時脈訊號給不同混波器之前，一般須要加上放大器，以達到混波器本地時脈端所需之功率大小；以及，在使用相移器的陣列天線波束成型器架構中，在以半導體製程進行積體化設計時，傳輸線長度及電感之加入將佔據不少晶片面積。

本發明提供一種不含相移器之類比式陣列天線波束成型器及其運作方法，可免除訊號流經相移器的功率消耗，並且可以有效避免相移器之振幅誤差及相位誤差，以利於避免參考符號接收功率（Reference Symbol Received Power，RSRP）的估計錯誤，以及在饋線上有利於實現毫米波段波束成型電路。

本發明的類比式陣列天線波束成型器，包括中頻放大電路、多個本地振盪器、多個混波器、多個射頻放大電路、以及頻率鎖定電路。中頻放大電路接收基頻訊號以提供中頻訊號。數個本地振盪器間彼此電源端或接地端連接一起，產生頻率同步。同時形成相位差異，且提供多個頻率一致但相位不相同之本地時脈訊號，其中本地振盪器分別接受不同的時脈頻率控制訊號。混波器個別接收中頻訊號及這些本地時脈訊號的其中之一，且混波器提供多個混波訊號。數個射頻放大電路接收混波訊號以提供多個頻率一致但相位不相同之射頻訊號到不同的天線。每一支天線接收的射頻訊號，頻率一致但存在相位差異，因而形成指向性之射頻訊號發送或接收。頻率鎖定電路僅耦接本地振盪器的其中之一，以鎖定所耦接本地振盪器的本地時脈訊號頻率。

本發明的類比式陣列天線波束成型器的運作方法，至少包括下列步驟。經由中頻放大電路放大基頻訊號以產生中頻訊號。經由多個本地振盪器提供多個本地時脈訊號，不同之本地振盪器可受不同之時脈頻率控制訊號變動其自由振盪頻率。其中不同之本地振盪器間彼此的電源端或接地端連接一起，電源端或接地端連接之後，所有本地振盪器的本地時脈訊號頻率將與其中一個本地振盪器的頻率相同一致，而與原具有之自由振盪頻率不同。所有本地振盪器頻率趨於一致且偏離原具有之自由振盪頻率，但這些本地振盪器的本地時脈訊號間將存在相位差異。做為所有本地振盪器跟隨之本地振盪器，其時脈訊號頻率為經由頻率鎖定電路所鎖定。再經由多個混波器個別對中頻訊號及本地時脈訊號的其中之一進行混波以產生多個混波訊號的其中之一。經由多個射頻放大電路對這些混波訊號進行放大以提供多個相位不同之射頻訊號至多個天線。

在本發明實施例中，不同之本地振盪器間彼此的電源端或接地端連接之作法，可僅在電源端實施連接，或在接地端實施連接，或在電源端及接地端都實施連接。

基於上述，本發明實施例的類比式陣列天線波束成型器及其運作方法，經由連接本地振盪器的電源端或接地端所形成諧振相位鎖定網路來可達成相移器的相位調整功能。由於沒有使用相移器所帶來的缺點，可免除相移器的訊號傳輸功率損耗且有效避免相移器之振幅誤差及相位誤差，以利於避免參考符號接收功率的估計錯誤，並且本地振盪器較相移器簡單，因此電路面積會較小，有利於實現毫米波段波束成型電路。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

本發明針對基地台、行動端及雷達的陣列天線波束成型器進行設計，在目前，以類比技術實現波束成型功能時存在相移器損耗、振幅誤差及相位誤差等問題。並且，相移器前後之饋線安排影響著最後天線輻射訊號的相位，在毫米波以上頻段，相移器前後之饋線安排困難程度越來越高。

相對於目前文獻中大都以注入鎖定或耦合網路來實現，本發明提出全新無相移器架構之類比式陣列天線波束成型技術。

本發明的類比式陣列天線波束成型器除了減少功率消耗，亦有利於避免RSRP估計錯誤及利於毫米波段波束成型電路實現。並且，對於眾多天線數目時，更能顯現此方法之優勢，尤其在佈局（Layout）層面上。

圖2為依照本發明的實施例的類比式陣列天線波束成型器的系統示意圖。請參照圖2，在本實施例中，類比式陣列天線波束成型器100包括處理器110、數位類比轉換器120、頻率鎖定電路130、中頻放大電路VGA _IF、多個本地振盪器OSC ₁-OSC _n、第一電源端元件Eva、多個第二電源端元件EL ₁-EL _n、第一接地端元件EGa、多個第二接地端元件ER ₁-ER _n、多個射頻放大電路VGA ₁-VGA _n、多個混波器Mixer ₁-Mixer _n以及多個天線ANT ₁-ANT _n，其中n為正整數且大於等於2，處理器110例如為數位訊號處理器，且中頻放大電路VGA _IF及射頻放大電路VGA ₁-VGA _n例如為可變增益放大器（variable gain amplifier）。

處理器110接收待傳送資料D _TX以產生待傳送訊號S _TX，其中處理器110例如為數位訊號處理器。數位類比轉換器120耦接處理器110以接收待傳送訊號S _TX，並且轉換待傳送訊號S _TX以產生基頻訊號S _BB。中頻放大電路VGA _IF耦接數位類比轉換器120以接收基頻訊號S _BB，並基於基頻訊號S _BB提供中頻訊號S _IF。

本地振盪器OSC ₁-OSC _n經由第一電源端元件Eva、多個第二電源端元件EL ₁-EL _n、第一接地端元件EGa、多個第二接地端元件ER ₁-ER _n進行連接以形成諧振相位鎖定網路。本地振盪器OSC ₁-OSC _n提供多個本地時脈訊號CLKL ₁-CLKL _n，其中這些本地振盪器OSC ₁-OSC _n接收不同的時脈頻率控制訊號V _{Ctrl_1}-V _{Ctrl_n}以控制其自由振盪頻率。頻率鎖定電路130可耦接本地振盪器OSC ₁，以鎖定所耦接本地振盪器OSC ₁的本地時脈訊號CLKL ₁頻率，其中連接頻率鎖定電路130的本地振盪器OSC ₁可視為主振盪器，且本地振盪器OSC ₂-OSC _n可視為從振盪器且受主振盪器（如本地振盪器OSC ₁）控制其振盪頻率。主振盪器控制從振盪器的振盪頻率，從振盪器的本地時脈訊號的相位隨時脈頻率控制訊號V _{Ctrl_1}-V _{Ctrl_n}調整。

混波器Mixer ₁-Mixer _n共同耦接中頻放大電路VGA _IF以同時接收中頻訊號S _IF，並且個別耦接至本地振盪器OSC ₁-OSC _n的其中之一，以接收相位不同之本地時脈訊號CLKL ₁-CLKL _n的其中之一，且混波器Mixer ₁-Mixer _n基於所接收的中頻訊號S _IF及所接收相位不同的本地時脈訊號（如CLKL ₁-CLKL _n）個別提供相位不同的混波訊號（如S _mx1-S _mxn）。

多個射頻放大電路VGA ₁-VGA _n個別耦接至相位不同的混波器Mixer ₁-Mixer _n的其中之一，以接收這些混波訊號S _mx1-S _mxn的其中之一，且基於所接收的混波訊號（如S _mx1-S _mxn）個別提供相位不同的射頻訊號（如S _RF1-S _RFn）。天線ANT ₁-ANT _n接收射頻訊號S _RF1-S _RFn。依據上述，本地振盪器OSC ₁-OSC _n的電源端及接地端連接一起而形成諧振網路，因此本地時脈訊號CLKL ₁-CLKL _n頻率會因電路的諧振而相同，並且由於不同的時脈頻率控制訊號V _{Ctrl_1}-V _{Ctrl_n}導致本地時脈訊號CLKL ₁-CLKL _n的自由振盪頻率的差異，於頻率同調之後，藉此達成相移器的功能。由於訊號的相移是透過本地振盪器OSC ₁-OSC _n來達成，因此沒有使用相移器的缺點，可減少功率消耗且避免相移器本身之振幅誤差及相位誤差，以利於避免參考訊號接收功率的估計錯誤。並且本地振盪器OSC ₁-OSC _n電路本身不像相移器使用較多之傳輸線，因此電路所佔面積會較小，有利於實現毫米波段波束成型電路之積體化。

在本發明實施例中，本地振盪器OSC1-OSCn經由第一電源端元件Eva及多個第二電源端元件EL ₁-EL _n耦接於電源電壓Vdd，或經由第一接地端元件EGa及多個第二接地端元件ER ₁-ER _n耦接於接地點。進一步來說，第一電源端元件EVa具有耦接電源電壓Vdd的一端，且第二電源端元件EL ₁-EL _n個別耦接於本地振盪器OSC ₁-OSC _n中對應的一者與第一電源端元件EVa的另一端之間。第一接地端元件EGa具有耦接接地電壓的一端，且第二接地端元件ER ₁-ER _n個別耦接於本地振盪器OSC ₁-OSC _n中對應的一者與第一接地端元件EGa的另一端之間。

在本發明實施例中，第一電源端元件EVa、這些第二電源端元件EL1-ELn、第一接地端元件EGa及這些第二接地端元件ER1-ERn實施方式個別包括電阻、電感、電容、微帶線、同軸電纜及波導管的其中之一，上述決定於射頻訊號S _RF1-S _RFn的載波的頻率。

在本發明實施例中，頻率鎖定電路130僅耦接本地振盪器OSC ₁，但在其他實施例中，頻率鎖定電路130可僅耦接本地振盪器OSC ₂-OSC _n的其中之一，此可依據電路佈局設計而定，本發明實施例不以此為限。

在本發明實施例中，類比式陣列天線波束成型器100更包括耦接至處理器110的低頻石英振盪器140及記憶體150，低頻石英振盪器140提供處理器110運作所需的時脈訊號，記憶體150儲存處理器110待處理的資料（例如待傳送資料D _TX）。

圖3為依照本發明實施例的類比式陣列天線波束成型器的電路板嵌接示意圖。請參照圖2及圖3，在本實施例中，每一個電路板可視為單一射頻通道，其至少配置有對應的本地振盪器（如OSC ₁-OSC _n）、對應的混波器（如Mixer ₁-Mixer _n）以及對應的射頻放大電路（如VGA ₁-VGA _n）並且接觸對應的天線（如ANT ₁-ANT _n）。

在本實施例中，電路板間的間隔可以為0.5λ _RF，亦即射頻訊號（如S _RF1-S _RFn）的波長的1/2，並且作為天線（如ANT ₁-ANT _n）的電極的中心點之間的間隔同樣可以為0.5λ _RF。

圖4A為依照本發明實施例的類比式陣列天線波束成型器於時域產生的相位差的波形示意圖。請參照圖1及圖4A，在本實施例中，本地時脈訊號CLKL ₁-CLKL _n的頻率是由主振盪器的時脈訊號（如CLKL ₁）的頻率決定，而從振盪器的時脈訊號（如CLKL ₁-CLKL _n）的輸出相位決定於所接收的時脈頻率控制訊號（如V _{Ctrl_1}-V _{Ctrl_n}）的電壓準位。如圖4A的曲線410、420、430、440及450所示，從振盪器的時脈頻率控制訊號（如V _{Ctrl_1}-V _{Ctrl_n}）的電壓準位的調整將影響時脈訊號（如CLKL ₁-CLKL _n）的輸出相位。主振盪器之選擇不限於本地振盪器OSC ₁，也可以是本地振盪器OSC ₂-OSC _n的其中之一，此依據電路佈局考量而定，具有頻率鎖定電路130耦接之本地振盪器（如本地振盪器OSC ₁-OSC _n）即為主振盪器，其餘為從振盪器。

圖4B為依照本發明實施例的類比式陣列天線波束成型器的其中一個從振盪器調整時脈頻率控制訊號（如V _{Ctrl_2}）的電壓準位時，其他未改變時脈頻率控制訊號電壓準位的本地振盪器之相位差變動狀況。請參照圖1、圖4A及圖4B，在本實施例中，本地時脈訊號CLKL ₁-CLKL _n的頻率是由主振盪器的時脈訊號（如CLKL ₁）的頻率決定，而從振盪器的時脈訊號（如CLKL ₂-CLKL _n）的輸出相位決定於所接收的時脈頻率控制訊號（如V _{Ctrl_2}-V _{Ctrl_n}）的電壓準位。如圖4B的曲線460及470所示，從振盪器的時脈頻率控制訊號（如V _{Ctrl_2}-V _{Ctrl_n}）的電壓準位的改變可做為輸出的時脈訊號（如CLKL ₁-CLKL _n）的輸出相位的調整(如圖4B的曲線460所示)，但對於其他從振盪器所輸出的時脈訊號（如CLKL ₁-CLKL _n）的輸出相位的影響些微(如圖4B的曲線470所示)。

圖5A至圖5C為依照本發明實施例的類比式陣列天線波束成型器於不同輸出相位差的場型示意圖。請參照圖1及圖5A至圖5C，其中圖5A繪示射頻訊號S _RF1-S _RFn的輸出相位差為-60°之場型圖，圖5B繪示射頻訊號S _RF1-S _RFn的輸出相位差為-30°之場型圖，並且圖5C繪示射頻訊號S _RF1-S _RFn的輸出相位差為0°之場型圖。如圖5A至圖5C所示，上述場型圖的空間解析度是相類似的，但輸出相位差為-60°之場型圖會產生旁瓣輻射(Grating Lobe)的效應。

圖6A至圖6B為依照本發明實施例的類比式陣列天線波束成型器的主波瓣指向與輸出相位的關係示意圖。請參照圖1及圖6A，曲線610為所量測到由1x2陣列天線發射的射頻訊號的主波束方向與射頻訊號的輸出相位差的關係，曲線620為所計算的由1x2陣列天線發射的射頻訊號的主波束方向與射頻訊號的輸出相位差的關係。如曲線610及620所示，在輸出相位差60°至-30°的區間中，所量測到的關係大致與所計算的關係相符。

另一方面，請參照圖1及圖6B，曲線630為所量測到由1x3陣列天線發射的射頻訊號的主波束方向與射頻訊號的輸出相位差的關係，曲線640為所計算的由1x3陣列天線發射的射頻訊號的主波束方向與射頻訊號的輸出相位差的關係。如曲線630及640所示，所量測到的關係大致與所計算的關係相符。

圖7為依照本發明另一實施例的類比式陣列天線波束成型器的系統示意圖，其僅在電源端實施藉由元件的連接。請參照圖2及圖7，在本實施例中，類比式陣列天線波束成型器200大致相同於類比式陣列天線波束成型器100，其不同之處在於類比式陣列天線波束成型器200省略第一接地端元件EGa及多個第二接地端元件ER ₁-ER _n，亦即本地振盪器OSC ₁-OSC _n直接連接接地點。

圖8為依照本發明另一實施例的類比式陣列天線波束成型器的系統示意圖，其僅在接地端實施藉由元件的連接。請參照圖2及圖8，在本實施例中，類比式陣列天線波束成型器300大致相同於類比式陣列天線波束成型器100，其不同之處在於類比式陣列天線波束成型器300省略第一電源端元件Eva及多個第二電源端元件EL ₁-EL _n，亦即本地振盪器OSC ₁-OSC _n直接分別接收電源電壓Vdd。

圖9A為依照本發明在電源端及接地端都施加藉由元件的連接之一實施例的波束成型器單一積體電路的系統示意圖。請參照圖2及圖9A，其中相似或相同的元件使用相似或相同的標號。在本實施例中，每個本地振盪器OSC _x與所耦接的第二電源端元件EL _x、所耦接的第二接地端元件ER _x、所耦接的混波器Mixer _x、以及相應的射頻放大電路VGA _x包封為單一積體電路chip ₁，其中x為指引數。積體電路chip ₁具有接腳P _IF、P _{V_OSC}、P _Locking、P _Ctrl、P _{GND_OSC}、P _{GND_Others}、P_ANT、P _{V_VGA}、以及P _{V_mixer}。

接腳P _IF耦接混波器Mixer _x的輸入端。第二電源端元件EL _x耦接接腳P _{V_OSC}與本地振盪器OSC _x的電源端之間。接腳P _Locking耦接本地振盪器OSC _x的參考頻率端。接腳P _Ctrl耦接本地振盪器OSC _x的自由振盪頻率控制端。第二接地端元件ER _x耦接於接腳P _{GND_OSC}與本地振盪器OSC _x的接地端之間。接腳P _{GND_Others}耦接混波器Mixer _x及射頻放大電路VGA _x的接地端。接腳P_ANT耦接射頻放大電路VGA _x的輸出端。接腳P _{V_VGA}耦接射頻放大電路VGA _x的電源端。接腳以及P _{V_mixer}耦接混波器Mixer _xx的電源端。

圖9B為依照本發明一實施例使用圖9A所示單一積體電路的類比式陣列天線波束成型器系統示意圖。請參照圖2、圖9A及圖9B，在本實施例中，相似或相同的元件使用相似或相同的標號。在類比式陣列天線波束成型器400中，積體電路chip ₁₁-chip _1n相同於積體電路chip ₁。積體電路chip ₁₁-chip _1n的接腳P _IF皆耦接至中頻放大電路VGA _IF的輸出端。積體電路chip ₁₁-chip _1n的接腳P _{V_OSC}皆耦接至第一電源端元件EVa的一端。僅積體電路chip ₁₁的接腳P _Locking耦接頻率鎖定電路130。積體電路chip ₁₁-chip _1n的接腳P _{GND_OSC}皆耦接至第一接地端元件EGa的一端。積體電路chip ₁₁-chip _1n的接腳P _{GND_Others}獨立連接接地點。積體電路chip ₁₁-chip _1n的接腳P_ANT分別耦接天線ANT ₁-ANT _n。此外，圖9B雖未示出，但積體電路chip ₁₁-chip _1n的P _{V_mixer}及P _{V_VGA}應接收對應的電源電壓，以驅動混波器Mixer _x及射頻放大電路VGA _x進行操作。

圖10A為依照本發明僅在電源端施加藉由元件的連接之一實施例的波束成型器中單一積體電路的系統示意圖。請參照圖9A及圖10A，積體電路chip ₂大致相同於積體電路chip ₁，其不同之處在省略第二接地端元件ER _x。亦即，每個本地振盪器OSC _x與所耦接的第二電源端元件EL _x、所耦接的混波器Mixer _x、以及相應的射頻放大電路VGA _x包封為單一積體電路chip ₂。其中，接腳P _{GND_OSC}耦接本地振盪器OSC _x的接地端，提供獨立接地點。

圖10B為依照本發明一實施例使用圖10A所示單一積體電路的類比式陣列天線波束成型器系統示意圖。請參照圖9B、圖10A及圖10B，在本實施例中，相似或相同的元件使用相似或相同的標號。在類比式陣列天線波束成型器500中，積體電路chip ₂₁-chip _2n相同於積體電路chip ₂，並且類比式陣列天線波束成型器500與類比式陣列天線波束成型器400不同之處在於積體電路chip ₂₁-chip _2n的接腳P _{GND_OSC}直接獨立連接接地點。

圖11A為依照本發明一實施例，僅在接地端施加藉由元件的連接的波束成型器的單一積體電路的系統示意圖。請參照圖9A及圖11A，積體電路chip ₃大致相同於積體電路chip ₁，其不同之處在省略第二電源端元件EL _x。亦即，每個本地振盪器OSC _x與所耦接的第二接地端元件ER _x、所耦接的混波器Mixer _x、以及相應的射頻放大電路VGA _x包封為單一積體電路chip ₃。其中，接腳P _{V_OSC}作為分別耦接本地振盪器OSC _x的電源端至外部電源。

圖11B為依照本發明一實施例使用圖11A所示單一積體電路的類比式陣列天線波束成型器系統示意圖。請參照圖9B、圖11A及圖11B，在本實施例中，相似或相同的元件使用相似或相同的標號。在類比式陣列天線波束成型器600中，積體電路chip ₃₁-chip _3n相同於積體電路chip ₃，並且類比式陣列天線波束成型器600與類比式陣列天線波束成型器400不同之處在於積體電路chip ₂₁-chip _2n的接腳P _{V_OSC}直接獨立接收電源電壓Vdd。

圖12為依照本發明實施例的類比式陣列天線波束成型器的運作方法的流程示意圖。請參照圖12，在本實施例中，類比式陣列天線波束成型器的運作方法至少包括下列步驟。在步驟S110中，經由中頻放大電路放大基頻訊號以產生中頻訊號。在步驟S120中，經由多個本地振盪器提供多個本地時脈訊號，其中本地振盪器的電源端或接地端連接一起，以形成諧振相位鎖定網路，當中本地振盪器接收不同的多個時脈頻率控制訊號，且本地振盪器的其中之一的本地時脈訊號的頻率經由頻率鎖定電路而鎖定。在步驟S130中，經由多個混波器個別對中頻訊號及本地時脈訊號的其中之一進行混波以產生多個相位不同的混波訊號的其中之一。在步驟S140中，經由多個射頻放大電路對這些相位不同的混波訊號進行放大以提供多個相位不同的射頻訊號至多個天線。其中，步驟S110、S120、S130、S140的順序為用以說明，本發明實施例不以此為限。並且步驟S110、S120、S130、S140的細節可參照圖2、圖3、圖4A、圖4B、圖5A至圖5C、圖6A、圖6B、圖7、圖8、圖9A、圖9B、圖10A、圖10B、圖11A、圖11B的實施例所示，在此則不再贅述。

綜上所述，本發明實施例的類比式陣列天線波束成型器及其運作方法，經由連接本地振盪器所形成諧振相位鎖定網路來可達成相移器的功能。由於沒有使用相移器所帶來的缺點，可減少功率消耗且有效避免相移器之振幅誤差及相位誤差，以利於避免參考符號接收功率的估計錯誤，並且本地振盪器較相移器簡單，因此電路面積會較小，有利於實現毫米波段波束成型電路。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100、200、300、400、500、600:類比式陣列天線波束成型器 110:處理器 120:數位類比轉換器 130:頻率鎖定電路 140:低頻石英振盪器 150:記憶體 410、420、430、440、450、460、470、610、620、630、640:曲線 ANT ₁-ANT _n:天線 chip ₁、chip ₁₁-chip _1n、chip ₂、chip ₂₁-chip _2n、chip ₃、chip ₃₁-chip _3n:積體電路 CLKL ₁-CLKL _n:本地時脈訊號 D _TX:待傳送資料 EGa:第一接地端元件 EL ₁-EL _n、EL _x:第二電源端元件 ER ₁-ER _n、ER _x:第二接地端元件 Eva:第一電源端元件 Mixer ₁-Mixer _n、Mixer _x:混波器 OSC ₁-OSC _n、OSC _x:本地振盪器 P _IF、P _{V_OSC}、P _Locking、P _Ctrl、P _{GND_OSC}、P _{GND_Others}、P_ANT、P _{V_VGA}、P _{V_mixer}:接腳 PST1、PST2、PST3、PST4:相移器 S _BB:基頻訊號 S _IF:中頻訊號 S _mx1-S _mxn:混波訊號 S _RF1-S _RFn:射頻訊號 S _TX:待傳送訊號 V _{Ctrl_1}-V _{Ctrl_n}:時脈頻率控制訊號 Vdd:電源電壓 VGA ₁-VGA _n、VGA _x:射頻放大電路 VGA _IF:中頻放大電路 S110、S120、S130、S140:步驟

圖1A至圖1D為多種習知的陣列天線波束成型器架構的系統示意圖。 圖2為依照本發明的實施例，在電源端及接地端都實施連接的類比式陣列天線波束成型器系統示意圖。 圖3為依照本發明實施例本地振盪器間接地端連接狀態的類比式陣列天線波束成型器的電路板嵌接示意圖。 圖4A為依照本發明實施例的類比式陣列天線波束成型器於時域產生的相位差的波形示意圖。 圖4B為依照本發明實施例的類比式陣列天線波束成型器的本地振盪器時脈頻率控制訊號變動調整時的相位改變狀況，對比其他時脈頻率控制訊號未變動的另一本地振盪器僅有些微相位差變動的示意圖。 圖5A至圖5C為依照本發明實施例的類比式陣列天線波束成型器於不同輸出相位差的場型示意圖。 圖6A至圖6B為依照本發明實施例的類比式陣列天線波束成型器的主波瓣指向與輸出相位的關係示意圖。 圖7為依照本發明另一實施例，僅在電源端實施藉由元件的連接的類比式陣列天線波束成型器系統示意圖。 圖8為依照本發明另一實施例，僅在接地端實施藉由元件的連接的類比式陣列天線波束成型器系統示意圖。 圖9A為配合本發明在電源端及接地端都施加藉由元件的連接實施例的單一波束成型器積體電路系統方塊示意圖。 圖9B為依照本發明在電源端及接地端都施加藉由元件的連接實施例，使用圖9A所示單一積體電路的類比式陣列天線波束成型器系統示意圖。 圖10A為配合本發明僅在電源端施加藉由元件的連接實施例的單一波束成型器積體電路系統方塊示意圖。 圖10B為依照本發明僅在電源端施加藉由元件的連接實施例，使用圖10A所示單一積體電路的類比式陣列天線波束成型器系統示意圖。 圖11A為配合本發明僅在接地端施加藉由元件的連接實施例的單一波束成型器積體電路系統方塊示意圖。 圖11B為依照本發明僅在接地端施加藉由元件的連接實施例，使用圖11A所示單一積體電路的類比式陣列天線波束成型器系統示意圖。 圖12為依照本發明實施例的類比式陣列天線波束成型器的運作方法的流程示意圖。

100:類比式陣列天線波束成型器

110:處理器

120:數位類比轉換器

130:頻率鎖定電路

140:振盪器

150:記憶體

ANT₁-ANT_n:天線

CLKL₁-CLKL_n:本地時脈訊號

D_TX:待傳送資料

EGa:第一接地端元件

EL₁-EL_n:第二電源端元件

ER₁-ER_n:第二接地端元件

Eva:第一電源端元件

Mixer₁-Mixer_n:混波器

OSC₁-OSC_n:本地振盪器

S_BB:基頻訊號

S_IF:中頻訊號

S_mx1-S_mxn:混波訊號

S_RF1-S_RFn:射頻訊號

S_TX:待傳送訊號

V_{Ctrl_1}-V_{Ctrl_n}:時脈頻率控制訊號

Vdd:電源電壓

VGA₁-VGA_n:射頻放大電路

VGA_IF:中頻放大電路

Claims (19)

1. 一種類比式陣列天線波束成型器，包括： 一中頻放大電路，接收一基頻訊號以提供一中頻訊號； 多個本地振盪器，該些本地振盪器的電源端或接地端連接一起以形成一諧振相位鎖定網路，且提供多個本地時脈訊號，其中該些本地振盪器接收不同的多個時脈頻率控制訊號； 多個混波器，個別接收該中頻訊號及該些本地時脈訊號的其中之一，且該些混波器提供多個相位不同的混波訊號； 多個射頻放大電路，接收該些相位不同的混波訊號以提供多個相位不同的射頻訊號； 多個天線，接收該些相位不同的射頻訊號；以及 一頻率鎖定電路，耦接該些本地振盪器的其中之一，以鎖定所耦接的本地振盪器的本地時脈訊號的頻率。
2. 如請求項1所述的類比式陣列天線波束成型器，其中該些本地振盪器耦接於一電源電壓及一接地電壓之間。
3. 如請求項2所述的類比式陣列天線波束成型器，其中該諧振相位鎖定網路更包括： 一第一電源端元件，具有耦接該電源電壓的一端；以及 多個第二電源端元件，個別耦接於該些本地振盪器中對應的一者與該第一電源端元件的另一端之間。
4. 如請求項3所述的類比式陣列天線波束成型器，其中該第一電源端元件及該些第二電源端元件個別包括一電阻、一電感、一電容、一微帶線、一同軸電纜及一波導管的其中之一。
5. 如請求項3所述的類比式陣列天線波束成型器，其中每一該些本地振盪器與所耦接的第二電源端元件、所耦接的混波器、以及相應的射頻放大電路包封為單一積體電路。
6. 如請求項2所述的類比式陣列天線波束成型器，其中該諧振相位鎖定網路更包括： 一第一接地端元件，具有耦接該接地電壓的一端；以及 多個第二接地端元件，個別耦接於該些本地振盪器中對應的一者與該第一接地端元件的另一端之間。
7. 如請求項6所述的類比式陣列天線波束成型器，其中該第一接地端元件及該些第二接地端元件個別包括一電阻、一電感、一電容、一微帶線、一同軸電纜及一波導管的其中之一。
8. 如請求項6所述的類比式陣列天線波束成型器，其中每一該些本地振盪器與所耦接的第二接地端元件、所耦接的混波器、以及相應的射頻放大電路包封為單一積體電路。
9. 如請求項1所述的類比式陣列天線波束成型器，其中該諧振相位鎖定網路更包括： 一第一電源端元件，具有耦接該電源電壓的一端； 多個第二電源端元件，個別耦接於該些本地振盪器中對應的一者與該第一電源端元件的另一端之間； 一第一接地端元件，具有耦接該接地電壓的一端；以及 多個第二接地端元件，個別耦接於該些本地振盪器中對應的一者與該第一接地端元件的另一端之間。
10. 如請求項9所述的類比式陣列天線波束成型器，其中該第一電源端元件、該些第二電源端元件、該第一接地端元件及該些第二接地端元件個別包括一電阻、一電感、一電容、一微帶線、一同軸電纜及一波導管的其中之一。
11. 如請求項9所述的類比式陣列天線波束成型器，其中每一該些本地振盪器與所耦接的第二電源端元件、所耦接的第二接地端元件、所耦接的混波器、以及相應的射頻放大電路包封為單一積體電路。
12. 如請求項1所述的類比式陣列天線波束成型器，更包括： 一處理器，接收一待傳送資料以產生一待傳送訊號；以及 一數位類比轉換器，轉換該待傳送訊號以產生該基頻訊號。
13. 一種類比式陣列天線波束成型器的運作方法，包括： 經由一中頻放大電路放大一基頻訊號以產生一中頻訊號； 經由多個本地振盪器提供多個本地時脈訊號，其中該些本地振盪器經由與該些本地振盪器的電源端及/或接地端耦接的元件進行連接以形成一諧振相位鎖定網路，該些本地振盪器接收不同的多個時脈頻率控制訊號，且該些本地振盪器的其中之一的本地時脈訊號的頻率經由一頻率鎖定電路而鎖定； 經由多個混波器個別對該中頻訊號及該些本地時脈訊號的其中之一進行混波以產生多個相位不同的混波訊號的其中之一；以及 經由多個射頻放大電路對該些相位不同的混波訊號進行放大以提供多個相位不同的射頻訊號至多個天線。
14. 如請求項13所述的運作方法，其中該些本地振盪器經由該些本地振盪器與一電源電壓之間的多個電源端元件而連接。
15. 如請求項13所述的運作方法，其中該些本地振盪器經由該些本地振盪器與一接地電壓之間的多個接地端元件而連接。
16. 如請求項13所述的運作方法，其中該些本地振盪器經由該些本地振盪器與一電源電壓之間的多個電源端元件及該些本地振盪器與一接地電壓之間的多個接地端元件而連接。
17. 如請求項14至16中的一者所述的運作方法，其中僅對該些本地振盪器中的一者進行頻率鎖定，以使該些本地振盪器的該些本地時脈訊號有相同一致的頻率。
18. 如請求項17所述的運作方法，更包括：藉由改變該些本地振盪器所接收的該些時脈頻率控制訊號，達成頻率一致的該些本地振盪器輸出的該些本地時脈訊號具有不同相位。
19. 如請求項13所述的運作方法，更包括： 經由一處理器處理一待傳送資料以產生一待傳送訊號；以及 經由一數位類比轉換器轉換該待傳送訊號以產生該基頻訊號。

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