多端口多天线元素的手机毫米波天线系统的制作方法

1.本发明系关于无线通信领域，特别是关于一种手机毫米波天线系统。


背景技术：

2.第五代行动通信系统(5g)包含两个频段，fri(sub 6g)及frii (millimeter wave)，也即5g的手机利用上述两个频段进行通信。毫米波的手机天线元素通常使用微带天线(patch antenna)，而目前手机毫米波天线使用数个阵列天线，每个阵列天线有四个天线元素，每一天线元素会连接一相移器(phase shifter)，通过调整各天线元素相移器的相位，使阵列天线的辐射场形会集中至某一方向，每一阵列可以个别做波束成形 (beamforming)至较佳的状况，再由数个阵列中选取一组最好的阵列来做上下行数据的传输。
3.因为每一天线元素会连接一相移器，而相移器会产生2～3db的插入损失(insertion loss)，另外，要从数个阵列中选取一个阵列，需要一个选择交换开关(selection switch)，而这种开关还会再产生1～2db的插入损失。
4.插入损失除了降低信号的电平外，还会产生额外的热及消耗手机电池的能源。另外，由于每一阵列天线均由四个天线元素所组成，每一阵列天线所占的空间为天线元素所占空间的四倍，因此，在手机上放置多个阵列天线，其弹性不如放置多个天线元素来的大。另外，就天线整合芯片 (antenna on chip)的技术而言，在芯片上整合天线元素比整合阵列天线容易的多。
5.在现有的阵列天线方案中，各天线元素的信号处理方式是将各天线元素的接收信号乘上相位后再做结合，且其结合是在射频(rf)端进行，而且接收信号的各子频率成分所乘的相位都是相同。另外，在rf端还设置选择开关以在多个阵列中选取一个最佳的阵列。此外，在rf端的单端口对应硬体元件(相移器及开关)并无法针对个别频率成分去做有效的补偿，因此其输出在某些频率成份可能会有严重的衰减现象，从而降低了整个信号频带的传输效能(transmission performance)。
6.为解决上述的问题，本领域亟需一新颖的多端口多天线元素的手机毫米波天线系统。
7.另外，5g毫米波有多输入多输出(multiple input multiple output；mimo) 的规格可以同时传送多组独立数据，而现有的单端口多阵列天线架构在同时间只能传送一组数据。相对地，本发明为多端口的架构，其配合基地台的多端口天线架构可以同时传送最多四组不同的数据，因而能够大幅提升无线通信系统的传输容量(transmission capacity)。


技术实现要素：

8.本发明的主要目的在于提供一种多端口多天线元素的手机毫米波天线系统，其可通过单一patch(微带天线)提供一端口以大幅降低天线系统在印刷电路板上的占据面积。另外，由于单一微带天线所占空间小，故其能放置的位置极富弹性，可摆在手机窄边的表面
上及背面的电路板上，不像阵列天线(含四个微带天线)能够摆置的地方较受限制。
9.另外，目前的手机毫米波天线系统有数个阵列天线，每个阵列由四个天线元素所组成，每个天线元素都接一相移器来改变相位。相移器会造成 2～3db的插入损失。另外，由于目前的手机毫米波天线系统会在数个阵列天线中选择一最佳的阵列天线作为发射和接收，因此需要一个选择开关，而选择开关会造成1～2db的插入损失，从而造成信号电平的下降，及产生额外的热及消耗手机电池。相对地，本发明的天线系统既无相移器也无选择开关，故无目前手机毫米波天线系统的上述问题。
10.另外，本发明尤适于有多路径波的室内环境及直接波被人体挡住的情况。当直接波被人体阻挡，进入手机的来向波缺乏主波时，阵列天线的波束成形功能就较难发挥作用，且多路径波相互干涉会使信号在不同频率有衰落的现象。本发明使用多端口架构，每端口信号的各频率成分经取样后馈入到基带信号处理器，依每个频率个别做有效的结合，因而可以有效消除前述的衰减现象。
11.另外，本发明使用的微带天线元素架构容易配合新进发展的antennaon chip技术整合在芯片上。
12.另外，虽然本发明的每一端口都需要一套收发模组，其会增加电路占据的空间和成本，但是由于收发模组的技术已很成熟，且可将多套模组整合在同一片芯片上，因此增加的空间和成本有限。
13.为达前述目的，一种手机毫米波天线系统被提出，其包括：
14.多个天线元素，各该天线元素各自提供一个端口；
15.多个混频单元，各用以对一该端口的输出信号进行一混频处理；
16.多个类比数字转换器单元，用以对应地对这些混频单元的输出信号进行一类比数字转换以产生多个基频数字信号；以及
17.一基带信号处理器，具有多个加权功能模组及一加总功能模组，其中，这些加权功能模组系用以对这些基频数字信号各乘上一对应之权重函数，及该加总功能模组系用以加总这些加权功能模组之输出值。
18.在一实施例中，该混频处理为一ofdm信号处理。
19.在一实施例中，该天线元素为一微带天线。
20.在一实施例中，与第m个所述之端口对应的所述权重函数表述如公式 (1)所示：
[0021][0022]
其中，wm(ωq)代表所述权重函数，ωq代表第q个子载波(subcarrier)， hm(ωq)代表第m个所述天线元素在子载波频率为ωq时的通道响应。
[0023]
在一实施例中，该加总功能模组之输出公式如公式(2)、公式(3) 和公式(4)所示：
[0024][0025]
|y0(ωq)|2＝∑m|hm(ωq)|2；(4)
[0026]
也即各个频率最后输出的功率是各端口在该频率的功率的总和。
[0027]
在一实施例中，在5g毫米波通信的应用中，基地台的相位阵列天线依序改变波束码来改变阵列天线场型波束的方向，并且重复传送广播信号给设有该手机毫米波天线系统的一手机，该手机接收不同所述波束码所传送的广播信号的rssi(radio signal strength indicator；接收信号的强度指示)，并回报该基地台哪个所述波束码最适合该手机，之后该基地台就以该波束码和该手机进行数据通讯。
[0028]
在实施例中，所述之手机毫米波天线系统可应用于fdd(frequencydivision duplex分频双工)系统或tdd(time division duplex分时双工) 系统。
[0029]
在一实施例中，在该分频双工系统的上行数据传输过程中，会自这些天线元素中选定一最佳天线元素来传输上行数据，该最佳天线元素m0根据公式(5)决定：
[0030]
m0＝max{r(i0，m)}；(5)
[0031]
其中，r(i0，m)是一基地台用波束码i0发射时4个天线元素中的第m 个天线元素接收到广播信号的rssi。
[0032]
为进一步解释本发明的结构、特征及其目的，现附以附图及优选具体实施例的详细说明如下。
附图说明
[0033]
图1示出了本发明的多端口多天线元素的手机毫米波天线系统的一实施例的方块图。
[0034]
图2a-2e示出了五种现有手机毫米波天线系统的方块图。
[0035]
图3示出了以平板模型模拟人体的示意图。
[0036]
图4示出了置于手机不同平面上的微带天线配置示意图。
[0037]
图5示出了设置有天线架构的一室内环境。
[0038]
图6a-6g示出了不同天线架构下行接收时传播损失(propagation loss) 频率响应图。
[0039]
图7示出了使用者在一房间内的位置分布。
[0040]
图8a-8f示出了图7的每个位置、面向的累积机率分布(cumulativedensity function，cdf)曲线。
[0041]
图8g示出了将单端口多阵列架构与多端口多元素架构从图8e和图8f 中提出来的比较曲线。
具体实施方式
[0042]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
[0043]
图1示出了本发明的多端口多天线元素的手机毫米波天线系统的一实施例的方块图。如图1所示，一手机毫米波天线系统100具有多个天线元素101、多个混频单元102、多个类比数字转换器单元103及一基带信号处理器104，其中，基带信号处理器104具有多个加权功能模组104a及一加总功能模组104b。
[0044]
在本发明的架构中，以每个天线元素101为一个端口，每一端口的输出信号hm(ω)，m代表端口的位置，经由一混频单元102及一类比数字转换器单元103处理后产生一基
频数字信号hm(ωq)，各基频数字信号h
m (ωq)均经基带信号处理器104内的一对应的加权功能模组104a乘上一权重函数wm(ωq)，然后加总功能模组104b会进行一加总计算以产生一系统输出信号hm(ωq)，hm(ωq)＝∑mwm(ωq)
·hm
(ωq)。
[0045]
另外，在上述的架构中，每一端口的输出信号hm(ω)都有经过一 t/r(传送/接收)开关及一低杂讯放大器(low-noise amplifier)(未示于图中)的处理，且混频单元102及类比数字转换器单元103系合以提供一 ofdm信号处理以产生基频数字信号hm(ωq)，也即，混频单元102系以相位差为90度的两个本地振荡频率信号分别对hm(ω)进行混频，而类比数字转换器单元103则用以对混频后的两个正交信号分别进行类比数字转换运算以产生基频数字信号hm(ωq)。hm(ωq)代表第m个所述天线元素在子载波频率为ωq时的通道响应，该通道响应可由指标信号(pilotsignal)或称参考信号(reference signal)通道量得或估测而得，也即即时 (real time)的通道响应(frequency response)是可以获得的。
[0046]
另外，值得注意的是各个权重函数wm(ωq)是子载波的函数，也即各端口信号的结合方式是依各子载波的情况来做最佳的结合，每个子载波有各自的权重函数，不像天线阵列波束成形的方式，各元素所乘的相位，每个子载波所乘的相位皆相同。
[0047]
另外，本发明提出多端口多天线元素架构选择基地台波束码的法则，以及作上、下行数据传输(downlink and uplink data transmission)时的信号处理法则。
[0048]
在进行5g毫米波通信时，基地台相位阵列天线依序改变波束码来改变阵列天线场型波束的方向，并且重复传送广播信号给手机，手机接收不同波束码所传送广播信号的rssi(radio signal strength indicator；接收信号的强度指示)，并回报基地台哪个波束码最适合本手机，之后基地台就以该波束码和手机进行数据通讯。
[0049]
本发明的波束码选择法则：
[0050]
令r(i，m)是基地台用波束码i发射时4个天线元素中的第m个天线元素接收到广播信号的rssi，则本发明提出决定波束码i0的方法如公式 (6)所示：
[0051][0052]
手机把波束码i0回报给基地台后，基地台将以该波束码和手机作上下行的数据传输。
[0053]
另外，本发明提出多端口多天线元素架构在做下行数据传输和上行数据的信号处理法则。对于上行数据发送(uplink data transmitting)，本发明提出两种系统：fdd(frequency division duplex分频双工)及tdd(time division duplex分时双工)两种系统。就分频双工系统而言，上行传输和下行传输的载波频率不同，因此上、下行的通道响应不同。下行接收的权重函数不能用来做上行发送的权重函数。我们提出选择一个元素来做上行数据传输的发送天线。该天线元素m0根据公式(5)决定：
[0054]
m0＝max{r(i0，m)}；(5)
[0055]
至于tdd系统，上、下行使用相同频率的载波，因此上、下行有相同样的频率响应，因此上行所得到的权重函数可以直接应用到下行的发射上。各天线元素分别乘上权重wm(ωq)后发送，在基地台端的上行接收 (uplink receiving)的接收性能可以和手机端的下行接收性能一样，因此在tdd系统，对于基地台的上行接收性能，使用本发明的架构亦将优于单端口多阵列的架构。
[0056]
以下为本发明与现有的手机毫米波天线系统的差异比较：
[0057]
现有的手机毫米波天线架构有单端口单一天线元素架构、单端口单一线性阵列天线架构、单端口多天线元素架构、单端口多阵列天线架构及多端口多个线性阵列架构。
[0058]
1、如图2a所示，单端口单一天线元素架构：天线的类比输出(analogoutput)记为h(ω)，经过混频器及a/d(类比数字转换)后，取样的子载波输出记为h(ωq)，ωq为第q个子载波频率。
[0059]
2、如图2b所示，单端口单一线性阵列架构：线性阵列有四个天线元素，每一天线元素都连接一个可调相位的相移器，第p个元素的输出信号记为h
p
(ω)，所连接的相移器会产生四个元素经相移器再做结合后的输出记为对于线性阵列，线性阵列，是要找寻的相角，对一窄频系统，是可以得到最大输出的相位角，也即至于宽频的系统，不同的子载波可能会有不同的因此就由平均功率来决定，也即各天线元素乘上相角再做相加的功能就称为波束成形器(beamformer)，波束成形器的输出记为hb(ω)，经a/d转换器后各子载波ωq的输出记为h
b (ωq)。
[0060]
3、如图2c所示，单端口多天线元素架构：第m个元素的输出记为h
m (ω)，此架构比较所有元素的输出平均功率，并选取有最大平均功率的元素m0，也即作为未来做数据传输时的唯一元素，经a/d后的输出记为
[0061]
4、如图2d所示，单端口多天线阵列架构：第m个阵列经波束成形之后的输出记为h
mb
(ω)，比较各阵列输出的平均功率并取有最大平均功率的阵列，记为m0阵列，m0阵列将作为未来数据传输的唯一阵列，经过a/d转换器后，天线系统的输出记为
[0062]
5、如图2e所示，多端口多阵列架构：具有m个端口及m个波束成形阵列，第m个阵列经波束成形后的输出记为h
mb
(ω)，经a/d之后的h
mb (ωq)馈入到基带信号处理器，各端口的h
mb
(ωq)再各自乘上wm(ωq)，最后的总输出信号为h
bm
(ωq)＝∑mwm(ωq)
·hmb
(ωq)。
[0063]
不同的天线架构有不同的复杂度，也会有不同的传输性能，尤其在室内有多路径波的环境以及在毫米波频段，信号有较大频宽的特性。
[0064]
手机毫米波不同天线架构的接收特性
[0065]
射线追踪(ray-tracing)技术是研究室内或室外电波传波特性的主要工具。给予室内的尺寸、摆置、材料组成、收发天线位置，射线追踪技术可以追踪电磁射线从发射天线经过墙壁、天花板、地板、家俱等多重反射到达接收天线的多路径波的时间延迟、出发角度(angle of departure)、到达角度(angle of arrival)，以及路径波的复数大小(complex amplitude)。
[0066]
手机的使用经常伴随人体，手机使用最常见的情况是听讲电话、查看讯息。我们使
用简单的平板模型来模拟人体，模型的尺寸及组成示于图3。
[0067]
本发明的重点不在天线本体的详细设计，在此我们只把它当成一般的微带天线(patch antenna)。
[0068]
微带天线可以有多种的配置方式，例如它可以是一个天线元素、一线性阵列或平面阵列，它可以置于手机不同平面上，如图4所示。
[0069]
以下将使用射线追踪软体来探讨不同的天线架构在室内环境的毫米波通道特性。
[0070]
考虑室内空间如图5所示，基地台置于tx的位置，空间座标为 (x
t
，y
t
，z
t
)，手机位于(xr，yr，zr)，有数个微带天线元素位于手机不同的表面上，patch1位于窄边的上方，patch2和patch3分别置于手机左右两边的窄面上，patch 4则置于荧幕反面的电路板上，这四个微带天线皆有相同的尺寸，patch的参数为长＝0.35cm，宽＝0.34cm，厚度＝0.1em，介质板介电系数＝2.2，手机中心位置及各patch中心与手机中心相对的座标也示于图上，人和手机视为一体，当人体面对不同方向，手机也跟着人体旋转，在人体任何位置及面对的方向，各天线的中心位置及辐射场型，软件都可精确的计算，我们亦可算出基地台天线和手机天线的连线(line of sight， los)的仰角和方位角，在以下的模拟，我们假设手机的倾斜角为30
°
。
[0071]
假设基地台天线是一个8x8的相位阵列天线。该阵列在垂直方向是固定的场型，最大方向是θ0＝90
°
，其天线场型可通过公式(7)表示。
[0072][0073]
其中，为要对准的方位角度，是阵列天线元素的场型，若是阵列天线元素的场型，若所对应的场型称为波束码(beam number)i，阵列天线可使用不同的波束码i来和手机通信，手机可以选择最佳的波束 i，然后回报给基地台，之后基地台就用这个波束码来和手机做数据通信。下面将简述不同手机天线架构选择波束码的法则。
[0074]
波束码的选择法则
[0075]
在毫米波行动通讯系统中，基地台通常会使用广播通道(broadcastchannel)，并依序使用不同的波束码传送广播信号给使用者，使用者量测广播信号的电波强度(radio signal strength indicator，rssi)，然后回报给基地台那个波束码的rssi最强，之后基地台就用这个波束码来和手机作数据通信，因此手机和基地台之间，第一个要务就是选取基地台相位阵列天线的波束码。下面将就不同的天线架构，提出波束码选取的法则。
[0076]
无线电波强度(rssi)是可以即时量测的，广播信号的信号频宽远小于数据信号(data signal)的频宽，要模拟广播信号的rssi，我们用通道响应在广播信号频宽范围内的平均通道功率响应来做近似，即可以通过公式(8)表示无线电波强度。
[0077][0078]
假设基地台相位阵列天线会依序地改变波束码，使主波束(mainbeam) 依序地改变到不同的方向，令可以改变的主波方向有i＝2m个方向，其中 m为天线在横向的元素个素，第i个方向所对应的相位角为为对于每一对准的相位角度(steering phase angle)我们可以用射线追踪软件来获得手机每个天线元素的通道响
应。
[0079]
对于手机不同天线架构的波束码选取法则，简述如下：
[0080]
a).单端口单元素架构
[0081]
令单一元素为patch m，m＝1，2，3，4，第ith波束码发射时，patch m所量得的rssi记为r(i，m)，手机所要选择的波束码记为i
0m
，i
0m
的值由公式(9)求得
[0082]i0m
＝maxi{r(i，m)}，m＝1，2，3，4(9)。
[0083]
b).单端口单阵列架构
[0084]
单一阵列可以是patch m的阵列，m＝1，2，3，4，第m个阵列的第p 个元素对于波束码i的频率响应，记为h
mp
(i，ω)，p＝1，2，3，4，阵列经波束成形到相位后的输出值通过公式(10)表示。
[0085][0086]
令rm(i，s)为阵列m，当波束码为i，经波束成形至第s相位角时的值，定义(i
0m
，s
0m
)的值由公式(11)获得
[0087]i0m
，s
0m
＝max
i，s
{rm(i，s)}；(11)
[0088]
则i
0m
是阵列m所要选取的波束码，而s
0m
是阵列m做波束成形所要选取的第s
0m
相位角，在做上行(uplink)的数据传输时，s
0m
也是阵列m 所要选取的第s
0m
个相位角。
[0089]
c).单端口多元素架构
[0090]
令r(i，m)是波束码为i，patch m所量得的rssi值，与架构(a)的不同，此时四个patch全都同时使用，所要选取的波束码i0及所要选取的 patch码m0，由公式(12)决定
[0091]
i0，m0＝max
i，m
{r(i，m)}；(12)
[0092]
则patch m0将为上下行做数据通讯时所使用的元素。
[0093]
d).单端口多阵列架构
[0094]
每一patch阵列都有四个元素，令h
mp
(i，ω)为第m个阵列的第p 个元素当波束码为i时的频率响应，当第m个阵列，使用相位角做波束成形的输出值如公式(13)所示。
[0095][0096]
令r(i，m，s)为当波束码为i，第m个阵列，第s个相位角做波束成形时所量得的rssi，则选取的波束码，阵列码以及相角码，由公式(14) 决定。
[0097]
i0，m0，s0＝max
i，m，s
{r(i，m，s)}；(14)
[0098]
第m0阵列及对应的相角码s0，将做为上下行数据通讯的阵列和相位码。
[0099]
e).本发明所采用的多端口多元素架构
[0100]
令hm(i，ω)为当波束码为i，第m个patch元素的通道响应，所选取的波束码由公式(6)决定
[0101][0102]
做下行数据传输接收时，所有的元素都用来接收，当做上行传送时，如果是tdd(time division duplex)系统时，上行及下行使用相同的载波频率，上下行有相同的通道响应，则所有的天线元素都用来做数据传输，但是在fdd(frequency division duplex)系统时，上下行的载波频率不同，因此上下行通道响应不同，因此只能用一个元素来做上行的
数据传输，由哪一元素做上行数据信号的发射，由公式(5)决定
[0103]
m0＝maxm{r(i0，m)}；(5)
[0104]
f).多端口多阵列架构
[0105]
一些符号的定义与(d)相同，令s
0im
通过公式(15)表示。
[0106]s0im
＝maxs{r(i，m，s)}；(15)
[0107]
则r(i，m，s
0im
)为当波束码为i，第m个阵列经波束成形至第s
0im
相角时的rssi值通过公式(16)表示。
[0108][0109]
所选取的波束码i0由公式(17)决定
[0110]
i0＝maxi{r
it
}；(17)
[0111]
做下行数据传输时，s
0im
将做为第m个阵列做波束成形的相位码，四个阵列都用来做接收，在做上行数据传输时，如果是tdd系统，四个阵列都将做为发射天线，若是fdd系统，则仅选一个阵列来传送数据信号，阵列码由公式(18)来决定
[0112]
m0＝maxm{r(i0，m，s
0im
)}；(18)
[0113]
当波束码、元素/阵列码及相角码决定之后各种天线架构输出值计算方法如下：
[0114]
a).单端口单元素架构
[0115]
令hm(i，ωq)为波束码为i，patch m的通道响应，则patch m的输出值通过公式(19)表示。
[0116]
ym(ωq)＝hm(i0，ωq)；(19)
[0117]
b).单端口单阵列架构
[0118]
令h
mp
(i，ωq)为阵列m的第p个元素，波束码为i的通道响应，阵列m的输出值通过公式(20)表示。
[0119][0120]
c).单端口多元素架构
[0121]
该系统的输出值通过公式(21)表示。
[0122][0123]
d).单端口多阵列架构
[0124][0125]
e).本发明所采用的多端口多元素架构
[0126]
令wm(ωq)是第m个元素在ωq时的权重函数，使用mrc(maximumratio combining)法则做结合时，权重函数wm(ωq)通过公式(23)表示。
[0127][0128]
经过mrc之后的输出值通过公式(24)表示。
[0129]
在tdd系统，上、下行有相同的载波频率，因此也有相同的通道响应。在做上行数据传输时，四个元素都做为发射天线，且每个元素都要乘以上述之权重函数。基地台天线的上行接收，亦有上述的输出值。
[0130]
f).多端口多阵列架构
[0131]
第m个阵列的权重函数通过公式(25)表示。
[0132][0133]
其中最后的总输出信号通过公式(26)表示。
[0134][0135]
在tdd系统，做上行数据传输时，四个阵列同时都做为发射天线，每个阵列都乘以上述的权重函数。基地台上行的接收响应，也如上述。
[0136]
模拟结果
[0137]
令基地台天线置于(x
t
＝10m，y
t
＝1m，z
t
＝2.5m)，手机的中心座标为 (xr＝16m，yr＝5m，zr＝1.3m)，手机的倾斜角度为30
°
。
[0138]
表1是用射线追踪软件模拟室内基地台和手机间，利用广播信号，各种天线架构利用所量测的rssi，来选取波束码、元素/阵列码以及相角码的结果。人体面对的角度有两种，一是面对基地台，此时los没被人体阻挡，一是背对基地台，此时los被人体阻挡，表1的结果显示当los 未被人体阻挡时，各种天线架构所选取的波束码是2或3，这两个波束码所对应的方向角度最接近直接波的方位角度，当los被阻挡后，各元素码及阵列码所选取的波束码则不尽相同，且所选取的波束码与未被阻挡时所选取的波束码不尽相同。
[0139]
表1
[0140]
[0141][0142]
当波束码一经选定之后，基地台就使用该波束与手机做数据传输，手机将使用对应的元素/阵列及相角码来做下行数据接收及上行的数据发射，图6a到图6g是不同天线架构下行接收时传播损失(propagation loss)频率响应。细观这些频率响应图，可以发现在该位置，不管是los有无被阻挡，阵列架构的传播损失响应性能不一定就比元素架构的性能好。某些 patch型式，元素架构性能优于阵列架构，而在一些情况下，阵列架构性能则优于元素架构，而有些情况，则两者差不多。换句话说，在室内环境下，阵列架构经波束成形后，其传输性能不一定就比单一元素好。波束成形可增强信号，但是它的条件是要有一主要来向波。当有许多路径波来自不同方向，则波束成形的功能将大打折扣。
[0143]
另一方面，可以发现多端口多元素/多阵列架构经过mrc结合后，可以有效地提升传输性能，它不需要去选取哪一元素哪一阵列来作接收。依照mrc的原理，可以证明经mrc结
合后，总输出的snr(signal to noise，信杂比)是个别端口的snr的总和。
[0144]
为更清楚地比较本发明的多端口多元素架构和现有单端口多阵列架构的传播损失响应，我们从图6e和图6f抽出对应的曲线，而将两者共同画在图6g以做比较，我们更可以看出多端口多元素架构的优越性。
[0145]
另外，波束码、元素码/阵列码及相角码的选定，是依据所量得的rssi 来决定，因为广播信号的频宽较数据信号的频宽小很多，在室内环境下，不同来向、不同时间到达的多路径波会相互干扰，有时在频率轴上会有严重的衰减现象。rssi的量得仅能代表广播信号频宽内的电波强度，但无法反应整个数据信号频宽的性能，因此所选取的波束码、元素码/阵列码及相角码不一定是最好的选择，可是我们如果使用多端口加上mrc结合的架构后，多路径波造成的严重衰落现象就可以有效的消除，让总输出的位准值比较平稳。
[0146]
整个房间不同天线架构通道响应的统计特性
[0147]
前面我们所展示的是一个特定位置，两个特定面向(面对基地台和背对基地台)的结果。下面我们将展示多个位置多个面向，各种天线架构传输性能统计的特性。
[0148]
使用者在房间分布如图7所示，共有16个位置，每个位置各取六个面向，令第j个位置对基地台中心的球座标为当使用者面对方向时。手机被人体阻挡，人体面对也即面对bs时，los是清空(clear)状态，由于身体的宽度及手机与人体的距离关系，当人体面对范围内，los会被人体阻挡，面对其他角度，los则不会被阻挡。然而面对不同角度，各个patch元素的辐射场型及极化也会跟着变化。每一个位置，我们各朝六个面向，分别是分别是前面三个面向，los会被人体阻挡，后面三个面向，los没被人体阻挡。
[0149]
对每个位置，每个面向，我们都依前面所述的步骤，且对于每种天线系架构我们先选定波束码、元素码/阵列码、相角码，再计算各种天线架构输出端的传播损失响应，将16个位置，6个面向，分成los-clear及los-obstructed两类，作累积机率分布(cumulative density function，cdf) 曲线，结果示于图8a～图8f。由图可知，单端口单元素/单阵列，频率响应变化范围大，虽然已经过波束码的选择，仍有丨些机率，传播损失大于 100db，这表示有严重衰落(deep fading)的现象。单端口多元素/多阵列，经过选择最佳的元素或阵列后，虽然效能有所提升，但在有人体阻挡情况下，仍有部分机率传播损失会高于95db。反观多端口多元素/多阵列的架购，经mrc结合后，传播损失的变化范围减小许多，且皆小于86db。我们将单端口多阵列架构与多端口多元素架构从图8e和图8f中提出来比较，其结果示于图8g，结果显示，多端口多元素的架构的性能比单端口多阵列架构的性能提高许多。在cdf＝10-2
时提升了7db，在cdf＝10-3时则提
升了12db。
[0150]
通过前述所提供的设计，本发明乃具有以下的优点：
[0151]
一、每一端口仅含单一patch元素。单一patch元素所占空间小，能放置之位置极富弹性，可摆在手机窄边的表面上及背面的电路板上，不像阵列天线(含四个patch元素)能够摆置的地方较受限制。
[0152]
二、本发明的天线元素没有接相移器。目前手机毫米波天线有数个阵列天线，每个阵列由四个天线元素所组成，每个天线元素都接一相移器来改变相位。相移器会造成2～
3db的插入损失。另外数个阵列天线会选一最佳的阵列天线作为发射和接收，因此需要一个选择开关，选择开关会造成 1～2db的插入损失，插入损失会造成信号电平的下降，也会产生额外的热及消耗手机电池。本发明所提出的架构则无此顾虑。
[0153]
三、本发明尤适于有多路径波的室内环境及直接波被人体挡住的情况。当直接波被人体阻挡，进入手机的来向波缺乏主波时，阵列天线的波束成形功能就较难发挥功能，且多路径波相互干涉，会使信号在不同频率会有衰减的现象。本发明使用多端口的结合，每端口信号各频率成分经取样后馈入到基带信号处理器，依每个频率个别做有效的结合。因此在频率方向的衰减现象可以有效的消除。
[0154]
四、本发明所使用的微带天线元素架构，容易配合新进发展的技术 antenna on chip技术，改进手机的制程技术。
[0155]
五、本发明的天线架构为多端口架构，其配合基地台的多端口天线架构可以用mimo的传输方式同时传送最多四组的独立数据；反观现有的单端口多阵列天线架构则没有mimo的功能。
[0156]
本发明说明书记载部分，是优选的实施例，举凡局部的变更或修饰而源于发明的技术思想而为本领域技术人员所易于推知，均不脱离发明的专利权范畴。
[0157]
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种手机毫米波天线系统，包括：多个天线元素，各该天线元素各自提供一个端口；多个混频单元，各用以对一该端口的输出信号进行一混频处理；多个类比数字转换器单元，用以对应地对该些混频单元的输出信号进行一类比数字转换以产生多个基频数字信号；以及一基带信号处理器，具有多个加权功能模组及一加总功能模组，其中，该些加权功能模组系用以对该些基频数字信号各乘上一对应的权重函数，及该加总功能模组系用以加总该些加权功能模组的输出值；其中，与第m个所述的端口对应的所述权重函数表述如公式(1)所示：其中，m为正整数，w
m
(ω
q
)代表所述权重函数，ω
q
代表第q个子载波，h
m
(ω
q
)代表第m个所述天线元素在子载波频率为ω
q
时的通道响应。2.根据权利要求1所述的手机毫米波天线系统，其中，该混频处理为一ofdm信号处理。3.根据权利要求1所述的手机毫米波天线系统，其中，该天线元素为一微带天线。4.根据权利要求1所述的手机毫米波天线系统，其中，该加总功能模组的输出公式如公式(2)、公式(3)和公式(4)所示：|y0(ω
q
)|2＝∑
m
|h
m
(ω
q
)|2；
ꢀꢀꢀꢀ
(4)也即各个频率最后输出的功率是各端口在该频率的功率的总和，其中，y
m
(ω
q
)代表由第m个所述天线元素在子载波频率为ω
q
时所产生的所述基频数字信号，且y0(ω
q
)代表该加总功能模组在子载波频率为ω
q
时的输出值。5.根据权利要求1所述的手机毫米波天线系统，其中，在5g毫米波通讯的应用中，基地台的相位阵列天线依序改变波束码来改变阵列天线场型波束的方向，并且重复传送广播信号给设有该手机毫米波天线系统的一手机，该手机接收不同所述波束码所传送的广播信号的rssi，并回报该基地台哪个所述波束码最适合该手机，之后该基地台就以该波束码和该手机进行数据通信。6.根据权利要求1所述的手机毫米波天线系统，其系应用于分频双工系统或分时双工系统。7.根据权利要求6所述的手机毫米波天线系统，其中，在该分频双工系统的上行数据传输过程中，会自该些天线元素中选定一最佳天线元素来传输上行数据，该最佳天线元素m0根据公式(5)决定：m0＝max{r(i0，m)}；
ꢀꢀꢀꢀ
(5)其中，r(i0，m)是一基地台用波束码i0发射时4个天线元素中的第m个天线元素接收到广播信号的rssi。

技术总结
本发明公开了一种手机毫米波天线系统，包括：多个天线元素，各该天线元素各自提供一个端口；多个混频单元，各用以对一该端口的输出信号进行一混频处理；多个类比数字转换器单元，用以对应地对该些混频单元的输出信号进行一类比数字转换以产生多个基频数字信号；以及一基带信号处理器，具有多个加权功能模组及一加总功能模组，其中，该些加权功能模组用以对该些基频数字信号各乘上一对应的权重函数，及该加总功能模组用以加总该些加权功能模组的输出值。输出值。输出值。


技术研发人员：李学智 李启民 王柏仁 吕佩珊
受保护的技术使用者：李学智
技术研发日：2022.10.27
技术公布日：2023/7/11