毫米波基地台天线系统的制作方法

1.本发明是关于无线通信的天线架构的有关技术领域，涉及一种毫米波基地台天线系统。


背景技术：

2.已知，第五代行动通讯技术(5th generation mobile network，简称5g)为最新一代的行动通讯技术，其利用工作频率介于30ghz至300ghz之间的毫米波实现高数据传输速率的宽频带无线通信。目前，相控阵列天线(phased array antenna)、采用全数字大规模多输入/输出技术(fully digital massive mimo)的阵列天线、以及采用混合波束成型技术(hybrid beamforming)的阵列天线为5g基地台的主要搭配的天线架构。
3.就单端口相控阵列天线而言，阵列天线内的每个天线元件(antenna element)都连接到一信号收发模块(t/r module)，且该信号收发模块包含一收发切换器(t/r switch)、一低噪音放大器(low-noise amplifier，lna)、一功率放大器(power amplifier，pa)、以及一相移器(phase shifter)。实务经验表明，在单端口相控阵列天线正常工作时，相移器会造成额外的插入损失(insertion loss)及热损。需要说明的是，在一个新用户设备(user equipment，ue)出现在使用所述单端口相控阵列天线的5g基地台的毫米波覆盖范围之中以后，单端口相控阵列天线必须持续地使用信号负载(overhead)去搜寻和追踪该用户设备。另一方面，当多个用户设备透过正交频分多址(orthogonal frequency division multiple access，ofdma)在同一时间分享相同带宽资源之时，每个用户设备要在阵列天线的主波束的覆盖范围内，从而提升了系统在规划调配各个用户设备的带宽资源时的复杂度和困难度。举例而言，若所有用户设备都位于不同方位，则单端口相控阵列天线系统便无法让这些用户设备透过ofdma在同一时间分享相同带宽资源。由此可知，单端口相控阵列天线系统在实务应用上具有许多限制。
4.另一方面，采用全数字大规模多输入/输出技术的阵列天线系统每一天线元素具有一信号处理电路，该信号处理电路包括一信号收发模块、一混频器(mixer)、一模拟数字转换器、以及一数字模拟转换器。此阵列天线系统的建置成本相当高。并且，当信号传输带宽提升至数百兆赫兹时，大量的数据传输会使得信号处理电路有非常重的运算负载。
5.再者，采用混合波束成型技术的阵列天线系统具有至少两个子阵列以及一信号处理电路。其中，各所述子阵列包含至少两个天线元件以及一个信号传输端口，且该信号处理电路包括：与该信号传输端口电性连接的一混频器、一模拟数字转换器以及一数字模拟转换器。此外，子阵列中的每个天线元件被连接至一信号收发模块，且该信号收发模块包括一收发切换器、一低噪音放大器、一功率放大器、以及一相移器，从而利用该相移器调整该子阵列的一波束形状。因此，与全数字大规模多输入/多输出的阵列天线相比此种天线系统不仅使用少量的混频器、模拟数字转换器和数字模拟转换器，同时也减少了信号传输端口的没置数量。可惜的是，此种天线系统仍旧必须持续地去搜寻和追踪用户设备。因此，当多个用户设备透过ofdma在同一时间分享相同带宽资源之时，采用混合波束成型技术的阵列天
线系统在规划调配各个用户设备的带宽资源时的复杂度和困难度仍旧是相当高。
6.由上述说明可知，本领域亟需一种新式的毫米波基地台天线系统。


技术实现要素：

7.本发明的主要目的在于提供一种毫米波基地台天线系统，毫米波基地台天线系统，其包括m个固定场型的天线子阵列以及一信号处理电路；其特征在于，任两个彼此相邻的天线子阵列的天线辐射场型的相邻对准方向具有角度差：
[0008][0009]
其中δα
3db
代表子阵列的半功率波束宽，x代表相邻子阵列场型的重迭指数。x越大表示重迭度越高；并且，在令x≥2而使得任两个相邻的所述天线辐射场型具有高度重迭的情况下，各所述天线子阵列在一用户设备的方向上具有一方向性增益，通过最大比例合并信号处理后可使得所述m个天线子阵列的一等效增益为单一所述指向性增益的x倍。依此设计，只要用户设备进入该毫米波基地台天线系统的角度覆盖范围内，系统不需要消耗信号负载(overhead)去搜寻和追踪该用户设备，即可让多个用户设备透过ofdma分享相同的带宽资源，故而能够大幅简化基地台排程(scheduling)的复杂度与限制，同时还能减少用户设备联机的时间延迟。
[0010]
需要强调的是，本发明的毫米波基地台天线系统不需要搭载任何的相移器，因此，在传/收毫米波无线信号的过程中，本发明的毫米波基地台天线系统不会有额外的插入损失及热损产生，故而能够提供稳定的无线通信质量。同时，由于本发明的毫米波基地台天线系统没有使用相移器，因此可以大幅减轻信号处理电路的计算负担。
[0011]
为达成上述目的，本发明提出所述毫米波基地台天线系统的一实施例，包括m个天线子阵列以及一信号处理电路，其中各所述天线子阵列具有一天线辐射场型和用以耦接该信号处理电路的一信号传输端口，且至少两个所述天线辐射场型具有至少两个对准方向；其特征在于：
[0012]
在所述m个天线子阵列之中，第m个所述天线子阵列的所述天线辐射场型和与其相邻的第m-1个所述天线子阵列的所述天线辐射场型之间具有一重迭程度，m和m都为正整数，且m≤m；
[0013]
在第m个所述天线子阵列的该对准方向为αm、第m-1个所述天线子阵列的该对准方向为α
m-1
、各所述天线子阵列的一半功率波束宽为δα
3db
、及第m个所述天线子阵列的该对准方向和第m-1个所述天线子阵列的该对准方向之间具有一角度差为δα＝α
m-α
m-1
的情况下，所述角度差
[0014]
x为一波束重迭指数；x越大，表示波束重迭度越高。
[0015]
在令x≥2而使得所述重迭程度为高度重迭的情况下，各所述天线子阵列在一用户设备的方向上具有一方向性增益(directional gain)，且在对各所述信号传输端口的一输出信号执行一最大比例合并(maximum ratio combining，mrc)信号处理后，所述m个天线子阵列的一等效增益(effective gain)约为单一所述指向性增益的x倍。
[0016]
在一实施例中，该信号处理电路具有一基频信号处理单元，且该基频信号处理单
元包括一上行基频信号处理器；其中，在存在n个所述用户设备同时共享所述毫米波基地台天线系统的一频率资源的情况下，各所述用户设备所传送的一载波信号表示为用户设备信号向量号向量且所述m个天线子阵列11在接收n个所述用户设备的所述载波信号后产生一天线信号向量传送至该上行基频信号处理器，该上行基频信号处理器产生一上行权重矩阵(wq，从而使该天线信号向量和该上行权重矩阵(wq的乘积为一估测信号向量且该估测信号向量在各所述用户设备传送每一所述载波信号的情况下都趋近于该用户设备信号向量
[0017]
在一实施例中，该基频信号处理单元包括一下行基频信号处理器；其中，在存在n个所述用户设备同时共享所述毫米波基地台天线系统的一频率资源的情况下，传送至n个所述用户设备的一载波信号表示为一第一用户设备信号向量由所述m个天线子阵列对应于所述载波信号的一输出信号表示为一天线信号向量且n个所述用户设备在接收所述载波信号后产生一第二用户设备信号向量该下行基频信号处理器产生一下行权重矩阵(w
′q)，从而使该第一用户设备信号向量和该下行权重矩阵(w
′q)的乘积为该天线信号向量使得第二用户设备信号向量能够趋近于第一设备所传送的信号向量
[0018]
所接收的一总和信号，xq为由所述用户设备所传送的一无线信号，且h
mq
为第m个所述天线子阵列与所述无线信号之间的一通道响应。
[0019]
在一实施例中，所述m个天线子阵列设置在一基板之上，且该基板可为一平面基板或和一曲面基板。
[0020]
在一实施例中，该信号处理电路还包括：
[0021]
m个射频与模拟信号处理模块，分别耦接所述m个信号传输端口，且各所述射频与模拟信号处理模块包括：耦接该信号传输端口的一信号收发单元、耦接该信号收发单元的一模拟基频信号处理单元、以及耦接该模拟基频信号处理单元的一第一信号转换单元；以及
[0022]
m个第二信号转换单元，分别耦接所述第一信号转换单元；
[0023]
其中，在一上行传输路径中，该信号收发单元透过所述天线子阵列接收传送自所述用户设备的该第一无线信号，从而传送一第一模拟基频信号至该模拟基频信号处理单元；该模拟基频信号处理单元对该第一模拟基频信号进行一第一信号处理，接着该第一信号转换单元将该第一模拟基频信号转换为一第一数字信号，且该第二信号转换单元将该第一数字信号转换为至少两个第一频域信号从而并行传送至该基频信号处理单元；
[0024]
其中，在一下行传输路径中，该第二信号转换单元自该基频信号处理单元并行接收至少两个第二频域信号，从而在将该第二频域信号转换成一第二数字信号之后，将该第二数字信号串行传送至该第一信号转换单元；该第一信号转换单元将串行输入的该第二数字信号转换为一第二模拟基频信号，接着该模拟基频信号处理单元对该第二模拟基频信号进行一第二信号处理；该信号收发单元将该第二模拟基频信号转换成一第二模拟信号之后，透过所述天线子阵列送出一第二无线信号。
[0025]
在一实施例中，该信号收发单元包括：
[0026]
一收发切换器，具有一第一端、一第二端和一第三端，且以其所述一第一端耦接至该天线子阵列的该信号传输端口；
[0027]
一低噪音放大器，耦接该收发切换器的该第二端，从而透过该收发切换器和该天线子阵列接收由所述用户设备所发出的该第一无线信号，且对该第一无线信号执行一信号放大处理；
[0028]
一降频器，耦接该低噪音放大器、该模拟基频信号处理单元以及由一本地振荡器(local oscillator，lo)所产生的一同相信号(in-phase signal)和一正交信号(quadrature signal)，从而依据该同相信号和该正交信号对该第一无线信号执行一降频处理，接着输出所述第二模拟基频信号；
[0029]
一功率放大器，耦接该收发切换器的该第三端；以及
[0030]
一升频器，耦接于该功率放大器与该模拟基频信号处理单元之间，且同时耦接由该本地振荡器所产生的该同相信号和该正交信号；其中，该升频器接收由该模拟基频信号处理单元所传送的该第二模拟基频信号，从而依据该同相信号和该正交信号对该第二模拟基频信号执行一升频处理，接着传送一第二模拟信号至该功率放大器，该功率放大器对该第二模拟信号执行一功率放大处理后，透过所述天线子阵列送出该第二无线信号。
[0031]
在一实施例中，该模拟基频信号处理单元包括：
[0032]
一转阻放大器，耦接该降频器以接收所述第一模拟基频信号，从而对该第一模拟基频信号执行一转阻放大处理；
[0033]
一第一低通滤波器，耦接该转阻放大器以接收完成所述转阻放大处理的该第一模拟基频信号，从而对该第一模拟基频信号执行一低通滤波处理；
[0034]
一第一可变增益放大器，耦接该第一低通滤波器以接收完成所述低通滤波处理的该第一模拟基频信号，从而对该第一模拟基频信号执行一增益调变处理后将其输出至该第一信号转换单元；
[0035]
一第一缓冲器，耦接该第一信号转换单元；
[0036]
一第二低通滤波器，耦接该第一缓冲器，从而透过该第一缓冲器自该第一信号转换单元接收所述第二模拟基频信号，进而对该第二模拟基频信号执行一低通滤波处理；以及
[0037]
一第二可变增益放大器，耦接在该第二低通滤波器以接收完成所述低通滤波处理的该第二模拟基频信号，从而对该第二模拟基频信号执行一增益调变处理后将其输出至该升频器。
[0038]
在一实施例中，该第一信号转换单元包括：
[0039]
一第二缓冲器1，耦接该第一可变增益放大器；
[0040]
一模拟数字转换器，耦接在该第二缓冲器与该第二信号转换单元之间，从而透过该第二缓冲器自该第一可变增益放大器接收已完成所述增益调变处理的该第一模拟基频信号，进而将该第一模拟基频信号转换成所述第一数字信号；以及
[0041]
一数字模拟转换器，耦接在该第二信号转换单元与该第一缓冲器之间，从而自该第二信号转换单元接收串行输入的该第二数字信号，进而将该第二数字信号转换成所述第二模拟基频信号。
[0042]
在一实施例中，该第二信号转换单元包括：
[0043]
一循环前缀移除器，耦接该模拟数字转换器以接收所述第一数字信号，从而对该第一数字信号执行一循环前缀移除处理；
[0044]
一串行-并行转换器，耦接该循环前缀移除器，用以将以完成所述循环前缀移除处理的该第一数字信号转换成至少两个第一时域信号；
[0045]
一快速傅立叶转换器，耦接该串行-并行转换器以并行接收所述至少两个第一时域信号，从而将其转换成所述至少两个第一频域信号；
[0046]
一反快速傅立叶转换器，耦接该基频信号处理单元以串行接收所述至少两个第二频域信号，从而将其转换至少两个第二时域信号；
[0047]
一并行-串行转换器，耦接该反快速傅立叶转换器以并行接收所述至少两个第二时域信号，从而将所述至少两个第二时域信号转换成串行传送的该第二数字信号；以及
[0048]
一循环前缀插入器，耦接该并行-串行转换器以串行接收所述第二数字信号，从而对该第二数字信号执行一循环前缀插入处理之后，将该第二数字信号传送至该数字模拟转换器。
附图说明
[0049]
图1是本发明的一种毫米波基地台天线系统的方块图；
[0050]
图2a是本发明的毫米波基地台天线系统的天线模块的第一架构图，且图2b是本发明的毫米波基地台天线系统的天线模块的第二架构图；
[0051]
图3是本发明的毫米波基地台天线系统的射频与模拟信号处理模块的方块图；
[0052]
图4是本发明的毫米波基地台天线系统的第二信号转换单元的方块图；
[0053]
图5a是本发明的基频信号处理单元的上行基频信号处理器的方块图；
[0054]
图5b是本发明的基频信号处理单元的下行基频信号处理器的方块图；
[0055]
图6a是在高度重迭的情况下各所述天线子阵列在一用户设备的方向上所具有的方向性增益(directional gain)以及m个天线子阵列的一等效增益(effective gain)的量测数据图；
[0056]
图6b是在低度重迭的情况下各所述天线子阵列在一用户设备的方向上所具有的方向性增益(directional gain)以及m个天线子阵列的一等效增益(effective gain)的量测数据图；以及
[0057]
图6c是当m＝18，低度重迭时，各所述天线子阵列在一用户设备的方向上所具有的方向性增益以及m个天线子阵列的一等效增益的量测数据图。
具体实施方式
[0058]
为使能进一步了解本发明的结构、特征、目的、优点，现附以图示及优选具体实施例的详细说明。
[0059]
图1是本发明的一种毫米波基地台天线系统的方块图。如图1所示，本发明的毫米波基地台天线系统1包括三个主要部分：包含m个天线子阵列11的天线结构1a、包含一信号收发单元121、一模拟基频信号处理单元122及一第一信号转换单元123的射频与模拟信号处理模块1b、以及包含m个第二信号转换单元13与一基频信号处理单元14的一基频信号处理模块1c。
[0060]
天线模块1a
[0061]
继续地参照图1，并请同时参照图2a和图2b。其中，图2a是本发明的毫米波基地台天线系统的天线模块的第一架构图，且图2b是本发明的毫米波基地台天线系统的天线模块的第二架构图。依据本发明之设计，如图1与图2a所示，所述天线模块1a包含m个天线子阵列(subarrays)11，且所述m个天线子阵列11设置在一基板11s之上，该基板11s为一平面基板。其中，每个天线子阵列11包含至少两个天线元件(antenna element)，并具有一天线辐射场型(radiation pattern)和一信号传输端口11p，且各所述天线辐射场型都具有对应的一对准方向。实施本发明时，可使该天线元件具有一开口(aperture)，或是以一号角天线(horn antenna)作为所述天线元件。并且，在另一可行实施例中，如图2b所示，所述m个天线子阵列11设置在一基板11s之上，且该基板11s为一曲面基板。
[0062]
更详细地说明，本发明令每个天线子阵列11的天线辐射场型各自对准一方向，也就是，所述天线辐射场型的对准方向(steering angle)为固定的。依此设计，在信号处理电路设置用以调整波束形状以改变天线辐射场型的对准方向的相移器即显得没有意义。简单地说，本发明的毫米波基地台天线系统1的信号处理电路不需要搭载任何的相移器。因此，在传/收毫米波无线信号的过程中，本发明的毫米波基地台天线系统1不会有额外的插入损失及热损产生，故而能够提供稳定的无线通信质量。同时，由于信号处理电路没有搭载相移器，因此其计算负担也得以大幅减轻。
[0063]
如图1与图2a所示，在所述m个天线子阵列11之中，第m个所述天线子阵列11的所述天线辐射场型和与其相邻的第m-1个所述天线子阵列11的所述天线辐射场型之间具有一重迭程度，m和m都为正整数，且m≤m。换句话说，在设计让每个天线子阵列11的天线辐射场型各自具有一对准方向(steering angle)时，必须同时使得相邻的两个所述天线辐射场型的主波束具有一重迭程度。依此设计，在第m个所述天线子阵列11的对准方向为αm、第m-1个所述天线子阵列11的对准方向为α
m-1
、各所述天线子阵列11的一半功率波束宽为δα
3db
、及第m个所述天线子阵列11的对准方向和第m-1个所述天线子阵列11的该对准方向之间具有一角度差为δα＝α
m-α
m-1
的情况下，所述角度差可以下式(1)表示。
[0064][0065]
在上式(1)中，x为波束重迭指数，且变化波束重迭指数(即，x)的值可以调整所述重迭程度。更详细地说明，当x≤1时，所述重迭程度为低度重迭(loosely overlapping)；相反地，当x≥2时，所述重迭程度为高度重迭(highly overlapping)。因此，本发明的技术特征在于，在令x≥2而使得所述重迭程度为高度重迭的情况下，各所述天线子阵列11会在用
户设备的方向上具有一方向性增益(directional gain)，且在对各所述信号传输端口11p的一输出信号执行一最大比例合并(maximum ratio combining，mrc)信号处理后，所述m个天线子阵列11的一等效增益(effective gain)为单一所述指向性增益的x倍。
[0066]
射频与模拟信号处理模块1b和基频信号处理模块1c
[0067]
继续地参照图1，并请同时参照图3，其是本发明的毫米波基地台天线系统的射频与模拟信号处理模块的方块图。如图1与图3所示，所述射频与模拟信号处理模块1b包含一信号收发单元121、一模拟基频信号处理单元122及一第一信号转换单元123，且所述基频信号处理模块1c包含m个第二信号转换单元13及一基频信号处理单元14。其中，该信号收发单元121耦接该信号传输端口11p，该模拟基频信号处理单元122耦接该信号收发单元121，且该第一信号转换单元123耦接该模拟基频信号处理单元122。并且，该m个第二信号转换单元13分别耦接所述第一信号转换单元123，而该基频信号处理单元14耦接该m个第二信号转换单元13。
[0068]
在一上行传输路径(uplink path)中，该信号收发单元121透过所述天线子阵列11接收传送自所述用户设备的第一无线信号，接着传送一第一模拟基频信号(analog baseband signal)至该模拟基频信号处理单元122。继续地，该模拟基频信号处理单元122对该第一模拟基频信号进行一第一信号处理，而后该第一信号转换单元123将完成所述第一信号处理的该第一模拟基频信号转换为一第一数字信号，且该第二信号转换单元13将该第一数字信号转换为并行传送的至少两个第一频域信号(frequency-domain signal)，最终该基频信号处理单元14并行接收该至少两个第一频域信号。
[0069]
在一下行传输路径(downlink path)中，该第二信号转换单元13自该基频信号处理单元14并行接收至少两个第二频域信号，从而在将该第二频域信号转换成串行传送的一第二数字信号之后，由该第一信号转换单元123串行接收该第二数字信号。继续地，该第一信号转换单元123将串行输入的该第二数字信号转换为一第二模拟基频信号。接着，该模拟基频信号处理单元122对该第二模拟基频信号进行一第二信号处理，且该信号收发单元121将该第二模拟基频信号转换成一第二模拟信号之后，最终透过所述天线子阵列11送出一第二无线信号。
[0070]
更详细地说明，如图1与图3所示，该信号收发单元121包括：一收发切换器1210、一低噪音放大器1211、一降频器1212、一功率放大器1213、以及一升频器1214。其中，该收发切换器1210具有一第一端t1、一第二端t2和一第三端t3，且以其所述一第一端t1耦接至该天线子阵列11的该信号传输端口11p。另一方面，该低噪音放大器(low-noise amplifier，lna)1211耦接该收发切换器1210的该第二端t2，从而透过该收发切换器1210和该天线子阵列11接收由所述用户设备所发出的该第一无线信号，且对该第一无线信号执行一信号放大处理。并且，该降频器1212耦接该低噪音放大器(lna)1211、该模拟基频信号处理单元122以及由一本地振荡器(local oscillator，lo)所产生的一同相信号(in-phase signal)i和一正交信号(quadrature signal)q，从而依据该同相信号i和该正交信号q对该第一无线信号执行一降频处理，接着输出所述第二模拟基频信号至该模拟基频信号处理单元122。
[0071]
该功率放大器(power amplifier，pa)1213耦接该收发切换器1210的该第三端t3。并且，该升频器1214耦接在该功率放大器1213与该模拟基频信号处理单元122之间，且同时耦接由该本地振荡器所产生的该同相信号i和该正交信号q。就电路功能而言，该升频器
1214接收由该模拟基频信号处理单元122所传送的该第二模拟基频信号，从而依据该同相信号i和该正交信号q对该第二模拟基频信号执行一升频处理，接着产生一第二模拟信号从而传送至该功率放大器1213。最终，该功率放大器1213对该第二模拟信号执行一功率放大处理后，透过所述天线子阵列11送出该第二无线信号。
[0072]
如图3所示，该模拟基频信号处理单元122包括：一转阻放大器(transimpedance amplifier，tia)1221、一第一低通滤波器1222、一第一可变增益放大器(variable gain amplifier，vga)1223、一第一缓冲器1224、一第二低通滤波器1225、以及一第二可变增益放大器(vga)1226。其中，该转阻放大器1221耦接该降频器1212以接收所述第一模拟基频信号，从而对该第一模拟基频信号执行一转阻放大处理。该第一低通滤波器1222耦接该转阻放大器1221以接收完成所述转阻放大处理的该第一模拟基频信号，从而对该第一模拟基频信号执行一低通滤波处理。该第一可变增益放大器1223耦接该第一低通滤波器1222以接收完成所述低通滤波处理的该第一模拟基频信号，从而对该第一模拟基频信号执行一增益调变处理后将其输出至该第一信号转换单元123，由该第一信号转换单元123将该第一模拟基频信号转换为一第一数字信号。
[0073]
上述说明，该第一缓冲器1224耦接该第一信号转换单元123，且该第二低通滤波器1225耦接该第一缓冲器1224，从而透过该第一缓冲器1224自该第一信号转换单元123接收所述第二模拟基频信号，进而对该第二模拟基频信号执行一低通滤波处理。并且，该第二可变增益放大器1226耦接在该第二低通滤波器1225以接收完成所述低通滤波处理的该第二模拟基频信号，从而对该第二模拟基频信号执行一增益调变处理后将其输出至该升频器1214，由该依据该同相信号i和该正交信号q对该第二模拟基频信号执行一升频处理，接着传送一第二模拟信号至该功率放大器1213。
[0074]
如图3所示，该第一信号转换单元123包括一模拟数字转换器1232以及一数字模拟转换器1233。其中，该模拟数字转换器1232耦接在该第二缓冲器1231和与该第二信号转换单元13之间，从而透过该第二缓冲器1231自该第一可变增益放大器1223接收已完成所述增益调变处理的该第一模拟基频信号，进而将该第一模拟基频信号转换成所述第一数字信号。并且，该数字模拟转换器1233耦接在该第二信号转换单元13与该第一缓冲器1224之间，从而自该第二信号转换单元13接收串行输入的该第二数字信号，进而将该第二数字信号转换成所述第二模拟基频信号。
[0075]
继续地参照图1与图3，并请同时参照图4，其显示本发明的毫米波基地台天线系统的第二信号转换单元的方块图。依据本发明的设计，该第二信号转换单元13包括：一循环前缀移除器(cyclic prefix removing unit)131、一串行-并行转换器(serial-to-parallel signal converter)132、一快速傅立叶转换器(fft conversion unit)133、一反快速傅立叶转换器(ifft conversion unit)134、一并行-串行转换器(parallel-to-serial signal converter)135、以及一循环前缀插入器(cyclic prefix inserting unit)136。更详细地说明，该循环前缀移除器131耦接该模拟数字转换器1232以接收所述第一数字信号，从而对该第一数字信号执行一循环前缀移除处理。并且，该串行-并行转换器132耦接该循环前缀移除器131，用以将以完成所述循环前缀移除处理的该第一数字信号转换成至少两个第一时域信号。进一步地，该快速傅立叶转换器133耦接该串行-并行转换器132以并行接收所述至少两个第一时域信号，从而将其转换成所述至少两个第一频域信号，由该基频信号处理
单元14并行接收该至少两个第一频域信号。
[0076]
上述说明，该反快速傅立叶转换器134耦接该基频信号处理单元14以串行接收至少两个第二频域信号，从而将其转换至少两个第二时域信号。并且，该并行-串行转换器135耦接该反快速傅立叶转换器134以并行接收所述至少两个第二时域信号，从而将所述至少两个第二时域信号转换成串行传送的该第二数字信号。进一步地，该循环前缀插入器136耦接该并行-串行转换器135以串行接收所述第二数字信号，从而对该第二数字信号执行一循环前缀插入处理之后，将该第二数字信号传送至该数字模拟转换器1233，由该数字模拟转换器1233将该第二数字信号转换成一第二模拟基频信号。最终，该信号收发单元121将该第二模拟基频信号进行升频处理后，传送一第二模拟信号至该天线子阵列11，由该天线子阵列11发送一第二无线信号出去。
[0077]
依据本发明的设计，该基频信号处理单元14包括一上行基频信号处理器。图5a是本发明的基频信号处理单元的上行基频信号处理器的方块图。如图1与图5a所示，在存在n个所述用户设备同时共享所述毫米波基地台天线系统1的一带宽资源的情况下，第m个天线子阵列11接收n个所述用户设备所传送的第一无线信号，该第一无线信号经过信号收发单元121、模拟基频信号处理单元122、第一信号转换单元123、以及第二信号转换单元13的相关信号处理之后，由该基频信号处理单元14的上行基频信号处理器14u接收至少两个第一频域信号。基于一载波频率，该至少两个第一频域信号表示为一用户设备信号向量同时，令所述m个天线子阵列11在接收n个所述用户设备所传送的第一无线信号之后，以其所述信号传输端口11p传送一天线信号向量第一无线信号之后，以其所述信号传输端口11p传送一天线信号向量至该上行基频信号处理器。依此，必须设计让所述上行基频信号处理器14u能够自适应地产生一上行权重矩阵wq，从而使该天线信号向量和该上行权重矩阵wq的乘积为一估测信号向量也就是，满足下式(2)。
[0078][0079]
在自适应生成所述上行权重矩阵(wq)之后，即使各所述用户设备所传送的无线信号的载波频率改变(即，q值改变)，该估测信号向量皆会趋近于该用户设备信号向量
[0080]
依据本发明的设计，该基频信号处理单元14还包括一下行基频信号处理器。图5b是本发明的基频信号处理单元的下行基频信号处理器的方块图。如图1与图5b所示，在存在n个所述用户设备同时共享所述毫米波基地台天线系统1的一带宽资源的情况下，在该基频信号处理单元14的一下行基频信号处理器14d之中，准备用以传送至n个所述用户设备的一载波信号表示为一第一用户设备信号向量所述m个天线子阵列11对应于所述载波信号的一输出信号表示为一天线信号向量且所述载波信号由n个所述用户设备接收后表示为一第二用户设备信号向量依此，必须设计让所述下行基频信号处
理器14d能够自适应地产生一下行权重矩阵w
′q，从而使该第一用户设备信号向量和该下行权重矩阵w
′q的乘积为该天线信号向量也就是，满足下式(3)。
[0081][0082]
在自适应生成所述下行权重矩阵w
′q之后，该第一用户设备信号向量在各个载波频率下都会趋近于该第二用户设备信号向量
[0083]
最大比例合并(maximum ratio combining，mrc)信号处理
[0084]
由前述说明可知，本发明的技术特征在于，在令x≥2而使得所述重迭程度为高度重迭的情况下，各所述天线子阵列11在用户设备的方向上具有一方向性增益(directional gain)，且在对各所述信号传输端口11p的一输出信号执行一最大比例合并(mrc)信号处理后，所述m个天线子阵列11之一等效增益(effective gain)为单一所述指向性增益的x倍。如图1所示，该第二信号转换单元13将由该第一信号转换单元123所传送的第一数字信号转换为至少两个第一频域信号从而并行传送至该基频信号处理单元14。因此，可将所述第一频域信号表示为y
mq
，其中m表示第m个天线子阵列11。故而，第m个天线子阵列11接收由用户设备所传送的一领航信号(pilot signal)之后，所述第一频域信号表示为y
mq
即由下式(4)所表示。
[0085]ymq
＝h
mq
x
pq
………………………
(4)
[0086]
在上式(4)中，h
mq
为第m个所述天线子阵列11与用户设备所传送的领航信号之间的一通道响应矩阵。由于x
pq
为已知，且y
mq
为可量(估)测，故而利用式(4)可以获得通道响应h
mq
。之后，用户设备传送一未知无线信号xq，基频信号处理单元14自第m个天线子阵列11的信号传输端口11p所接收的一输出信号可以由下式(5)表示。
[0087]ymq
＝h
mq
xq………………………
(5)
[0088]
进一步地，可以将由该基频信号处理单元14所接收的一总和信号y
tq
以下式(6)表示。
[0089][0090]
进一步地，以下式(7)代入上式(6)之后，即可获得下式(8)。
[0091][0092][0093]
因此，所述最大比例合并信号处理可利用上式(8)实现；其中，y
tq
为由该基频信号处理单元14所接收的一总和信号，xq为由所述用户设备所传送的一无线信号(经转换成频域信号后表示为xq)，且h
mq
为第m个所述天线子阵列11与所述无线信号之间的一通道响应。并且，经过mrc处理后所述m个天线子阵列11的一等效增益(effective gain)可由下式(9)表示。
[0094][0095]
在上式(9)中，g
t
为所述等效增益，且gm为所述天线子阵列11在用户设备方向上所具有的一方向性增益(directional gain)。应可理解，想要让相邻的两个所述(天线辐射场型)主波束的重迭程度越高，子阵列的个数就更多，整个天线的开口(aperture size)就更大。在一实施例中，令天线子阵列11包含六个天线元件，
[0096]
且所有天线元件之间具有一间距，该间距为依此，可以将第m个天线子阵列11的天线辐射场型以下式(10)表示。
[0097][0098]
令则可以计算零零波束宽(null-to-null beamwidth)为且半功率波束宽(亦称为3db波束宽)为
[0099]
因此，在令x＝3而使得所述重迭程度为高度重迭(highly overlapping)的情况下，可以计算出第m个天线子阵列11的对准方向和第m-1个天线子阵列11的该对准方向之间的角度差为
[0100][0101]
相反地，在令x＝1而使得所述重迭程度为低度重迭(loosely overlapping)的情况下，可以计算出第m个天线子阵列11的对准方向和第m-1个天线子阵列11的该对准方向之间的角度差为
[0102][0103]
进一步地，在令方位覆盖角度δβ＝60
°
的情况下，可以计算出本发明的毫米波基地台天线系统1所包含的天线子阵列11的组数
[0104][0105]
简单地说，当本发明的毫米波基地台天线系统1包含10组天线子阵列11时，任两个相邻的所述天线辐射场型具有高度重迭。同时，也可计算各所述天线子阵列11的天线辐射场型的对准方向(steering angle)为
[0106][0107]
请参照图6a，其是在高度重迭的情况下各所述天线子阵列11在用户设备的方向上所具有的方向性增益(directional gain)以及m个天线子阵列11经mrc结合后的一等效增益(effective gain)的量测数据图。从图3a的实验数据可以发现，在令x＝3而使得任两个相邻的所述天线辐射场型具有高度重迭的情况下，各所述天线子阵列11在用户设备的方向上具有一方向性增益，且通过最大比例合并信号处理可使得所述m个天线子阵列11的一等
效增益为单一所述指向性增益的3倍。
[0108]
同样地，在令方位覆盖角度δβ＝60
°
的情况下，可以计算出低重迭度毫米波基地台天线系统1所包含的天线子阵列11的数量
[0109][0110]
简单地说，当毫米波基地台天线系统1包含4组天线子阵列11时，任两个相邻的所述天线辐射场型具有低度重迭。同时，还可计算出各所述天线子阵列11的天线辐射场型的对准方向(steering angle)为angle)为
[0111]
请参照图6b，其是在低度重迭的情况下各所述天线子阵列11在用户设备的方向上所具有的方向性增益(directional gain)以及m个天线子阵列11的一等效增益(effective gain)的量测数据图。
[0112]
从图6b的实验数据可以发现，在令x＝1而使得所述重迭程度为低度重迭(loosely overlapping)的情况下，所述m个天线子阵列11的一等效增益约为各所述天线子阵列11的指向性增益的1倍。换句话说，在令所述重迭程度为低度重迭的情况下，所述m个天线子阵列11的等效增益并没有增加。即使如此，还是可以透过增设天线子阵列11的数量以及每个天线子阵列11所包含的天线元件的数量的方式，提升各个天线子阵列11指向性增益以及m个天线子阵列11的等效增益(effective gain)。图6c是各所述天线子阵列11在用户设备的方向上所具有的方向性增益以及m个子阵列阵列天线子阵列11的一等效增益的量测数据图。如图6c所示，在所述重迭程度为低度重迭的情况下将天线子阵列11以及天线元件的数量分别提升至10组及18个之后，该指向性增益和该等效增益都获得显著提升。然而，应可理解，将天线子阵列11以及天线元件的数量分别提升至10组及18个会使得毫米波基地台天线系统的整体的尺寸及建置成本增加许多。
[0113]
如此，上述已完整且清楚地说明本发明的一种毫米波基地台天线系统；并且，经由上述可得知本发明具有下列的优点：
[0114]
(1)本发明公开一种毫米波基地台天线系统，其包括m个天线子阵列以及一信号处理电路；其特征在于，任两个彼此相邻的天线子阵列的天线辐射场型的对准方向具有角度差：
[0115][0116]
并且，在令x≥2而使得任两个相邻的所述主波束具高度重迭的情况下，各所述天线子阵列在用户设备的方向上具有一方向性增益，且通过最大比例合并信号处理可使得所述m个天线子阵列的一等效增益为单一所述指向性增益的x倍。依此设计概念，只要用户设备进入该毫米波基地台天线系统的毫米波覆盖范围内，系统不需要消耗信号负载(overhead)去搜寻和追踪该用户设备，即可让多个用户设备透过ofdma分享相同的带宽资源，故而能够大幅简化基地台排程(scheduling)的复杂度与限制，同时还能减少用户设备联机的时间延迟。也就是，本发明的毫米波基地台天线系统在m个天线子阵列的主波束高度重迭的情况下，可让位于在一通信覆盖角度θ范围内的多个随机分布的用户获得良好的通
信服务。
[0117]
(2)需要强调的是，本发明的毫米波基地台天线系统不需要搭载任何的相移器，因此，在传/收毫米波无线信号的过程中，本发明的毫米波基地台天线系统不会有额外的插入损失及热损产生，故而能够提供稳定的无线通信质量。同时，由于本发明的毫米波基地台天线系统没有使用相移器，因此可以大幅减轻信号处理电路的计算负担及硬件建置成本。
[0118]
必须加以强调的是，前述本发明所公开的是优选实施例，凡局部的修改或改进而源于本发明的技术启示而被熟知该技术的技术人员容易推导出来的，均应包含在本发明的保护范围之内。
[0119]
综上所陈，本发明无论目的、手段与效果，都表明其不同于现有技术，且该发明适合实际应用，确实符合发明的专利要件，并希望能早日授予专利权。