CN101479885B - 天线阵列校准 - Google Patents

Abstract

一种天线阵列包含包括重复的导电轨道图案的表面，所述轨道定义了多个端口。多个天线位于分布在所述表面上的端口处。多个辐射收发器电连接到各自的(respective)天线。多个基准收发器电连接到位于各自端口的非辐射阻抗，以便每个基准收发器被一组天线围绕，并且通过所述轨道电耦合到所述一组天线。来自至少一组天线的至少一个天线属于另一组天线。校准电路系统包括与每个基准收发器相关联的控制器，每个控制器被布置来通过相关联的基准收发器发射校准信号以及接收并存储来自对于耦合到所述基准收发器的所述一组天线所选择的收发器的接收的校准信号。每个控制器还被布置来接收并存储来自对于耦合到所述基准收发器的所述一组天线所选择的收发器的校准信号。所述校准电路系统对于所述一组天线的每个其它收发器还包括相对于用于所选择的辐射收发器的所存储的校准信号而调节所述辐射收发器发射和接收的信号的相位和幅度的电路系统。

Description

天线阵列校准

技术领域

本发明涉及天线阵列，更具体地，涉及一种用于校准天线阵列的方法。

背景技术

天线阵列包括多个单元(element)，这里每个单元包括天线及相关联的收发器。以某种方式布置天线并且驱动收发器，以便可以电控制(steer)从该阵列发出的辐射(radiation)。这通常被称为射束形成(beamforming)。

采用天线阵列的困难在于：为了避免射束形成误差，每个单独的天线需要在正确的射频(RF)幅度和相位处激励(stimulation)。这要求收发器和天线单元之间的电路径是等效的。

天线阵列校准是这样的处理，通过该处理，建立了天线单元在正确幅度和相位处的操作。为了便利，我们将天线阵列校准方案分类为辐射系统(其中，由在自由空间中辐射的RF信号实现校准)或有线系统。

典型地，有线校准方案使用内部生成的校准信号，该校准信号被传送到内部的收发器。图1图示了有线校准方案的基本原理。发射器校准系统10假设在单个已知的精确频率上操作，并包括第一收发器12、第二收发器14、以及基准收发器16。来自第一收发器12的输出功率被耦合到基准收发器16，其执行并记录幅度及相位测量。来自第二收发器14的输出功率被耦合到基准收发器16，其执行幅度及相位测量。在第二收发器14的输入和基准收发器16之间提供反馈路径18，通过该路径，修改第二收发器14的幅度和相位，直到所述测量与所记录的第一收发器12的测量相同为止。

因此，如果在第一收发器12和基准收发器16之间的校准路径Cal Err 1、与在第二收发器14和基准收发器16之间的校准路径Cal Err 2相等，即Cal Err1-Cal Err 2＝0，则可以获得精确的幅度和相位控制。

US6339339公开了一种与图1的方案相类似的方案。采用公用的基准收发器来测量天线阵列的分布式天线单元收发器的幅度和相位，并应用校正系数，以便校准天线阵列的发射。

与有线校准方案相关联的缺点在于：对于大的天线阵列而言，由于需要将该阵列的所有单元连接回基准收发器，使用有线校准方案是不切实际的。因此，对于大阵列而言，常常实施手动的或辐射的校准技术。

辐射的校准方案包括向自由空间中发出(emission)RF能量以确保精确的单元幅度和定相(phasing)。

US5657023公开了一种辐射的校准方案，其中，采用阵列单元之间的互耦来得到误差信号。这包括收发器的交叉格(interleaved lattice)，其一旦被定相就形成可操作的天线。

虽然在例如雷达系统的单工系统中是实用的，这样的方案在全双工通信系统中却具有要求复杂的收发器硬件的缺点。

发明内容

本发明的目的在于减少与现有技术相关联的缺点。

本发明提供一种如权利要求1所要求的天线阵列。

本发明具有的优点是：通过采用低成本、硬连线的(hard-wired)且容易复制(easily replicated)的基准收发器，来避免现有技术的复杂度。

此外，多基准校准的组合和有线校准的采用导致增加的频谱效率。

因此，本发明使得能够产生在例如移动电话基站等中使用的、在频谱上有效的且可扩展的天线阵列。

附图说明

现在将参考附图，通过举例来描述本发明的实施例，在附图中：

图1图示了根据现有技术的有线校准系统；

图2示意性地图示了根据本发明实施例的、包括相互连接的3个阵列单元的天线阵列的一部分；

图3示出了通过包括图2的单元的阵列的一个示例校准路径；

图4示出了根据本发明的阵列单元的布置，其指示路径不平衡的影响的减轻；

图5a更详细地示出了根据本发明的阵列的频率校准部分；

图5b更详细地示出了图5a的阵列的校准处理器部分；

图6示出了用于在本发明优选实施例中使用的六端口EM耦合器单元；

图7示出了包括根据本发明的多个天线阵列的塔顶(tower top)；

图8示出了天线阵列的一部分的电路布局，在该部分中，复制了图6的EM耦合器元件。

具体实施方式

现在参考图2，示出了根据本发明实施例的天线阵列的一部分20。

该部分20包括第一和第二收发器21和22及它们的天线、分别用于第三和第四收发器23和24的天线，以及专用的非辐射的基准收发器26。

在优选实施例中，在第一收发器21和基准收发器26之间提供耦合的电磁校准路径28。类似地，在第二收发器22和基准收发器26之间提供耦合的电磁校准路径34。

另外，在第二、第三和第四收发器22、23和24、与基准收发器26之间提供反馈路径30。为了确保该阵列的所有单元是频率相干的，通过网络36在所有的阵列收发器之间分发单个信号生成器信号(Fref)。此信号驱动在每个收发器内的、随后更详细描述的频率转换单元。同样，采用用于数字定时的、使用单个数字时钟(Clk)的第二分布式网络38。仅参考收发器21、22和26示出了分布式网络36和38，但应理解分布式网络36和38扩展(未示出)以向第三和第四收发器23和24提供频率生成器(Fref)和时钟(Clk)。这些分布式网络确保该阵列可以被精确地校准，因为否则的话，频率或定时误差将影响该校准精度。重要的是注意到网络36和38内的路径长度不是关键的，因此简化了其生产(production)。

类似地，在第三收发器23和基准收发器26之间提供耦合的电磁校准路径29，并且在第四收发器24和基准收发器26之间提供耦合的电磁校准路径33。在优选实施例中，校准路径28、29、33和34每个包括非辐射的耦合RF路径。然而，该校准路径可以是任何非辐射的分离的(divided)、切换的(switched)或耦合的RF路径，或者是任何其它合适的反馈路径。此外，应理解反馈路径可以在包括微波的任何RF频率处操作。

在图2中，示出了基准收发器26，其通过开关25选择性地连接到四个耦合的电磁校准路径28、29、33和34之一。通过改变开关25的状态，接下来将基准收发器26连接到耦合的电磁路径34，从而当选择所述校准路径28时，基准收发器26接收、测量并存储来自第一收发器21的信号(未示出)。在本发明的优选实施例中，使用定向耦合器(directional coupler)(见图5、6和8)。从而例如，在发射校准的情况下，基准收发器26经由耦合的电磁路径34接收来自第二收发器22的信号(未示出)。误差信号(未示出)由基准收发器26生成，并且表示从收发器21和收发器22接收的信号之间的相位差及幅度差。此误差信号通过30反馈，以改变由收发器22的发射器部分发射的基带信号的幅度和相位。

这样，经由基准收发器26，天线阵列20的第二收发器22的相位和幅度可以与天线阵列20的第一收发器21的相位和幅度相匹配。

类似地，可以关于基准收发器26来校准第三和第四收发器23和24。

现在参考图3，图示了一种更完整的天线阵列20’，其包括多个复制的、如图2中描述的部分20。在此阵列中，每个基准收发器Ref1、Ref2、Ref3对应于图2的收发器26。基准收发器Ref1、Ref2、Ref3相互连接，以便它们从第一收发器(在该情况下Ref1)开始依序执行它们的校准。

关于第一收发器1来校准基准收发器Ref1，该第一收发器1对应于例如图2中的21。然后，如上针对图2的22、23和24所述的，关于基准收发器Ref1依次校准收发器2、3和4。

然后，依据最新校准的收发器3来校准基准收发器Ref2，该最新校准的收发器3再次对应于图2的收发器21。然后，使用基准收发器Ref2来校准第四、第五和第六收发器4、5和6。类似地，依据最新校准的收发器2来校准基准收发器Ref3。然后，使用基准收发器Ref3来校准第四、第七和第八收发器4、7和8。

在整个阵列20’中继续此阵列校准过程，确保该阵列的精确的幅度和定相。在该阵列的范围(extent)上重复此过程，因此允许在需要例如排除有害的、由于加热引起的不稳定的短期效应以及例如由于老化引起的分量值漂移的长期效应时，校准及重新校准整个阵列。

在图5a中示出了带有图示校准方案的频率分布的额外细节的阵列20’的电子装置示例实施。这里，该校准方案允许静态射束形成，即从指向预定方向的阵列输出单个主瓣(lobe)。尽管经过较小的修改，该方案可以用于动态射束形成，其中可以控制来自该阵列的辐射。

虽然可以采用任何可能的收发器结构，校准方案的此实施例包括多个基准和辐射、直接转换(direct conversion)收发器单元。示出了用于两个辐射单元21和22的收发器电子装置以及用于非辐射基准单元26之一的收发器电子装置，该非辐射基准单元26的目的是校准信号生成与测量。每个辐射单元21和22具有天线单元51，而基准单元26使其天线端口终止于匹配阻抗47。

每个收发器21-24包括频率转换单元41，经由分路器(divider)43和其相关联的分布式子网络44给该频率转换单元41馈送信号Fref。尽管可以采用单个Fred源，但在此具体实施例中，采用第二源45、分布式子网络45以及一组(set)频率转换单元49用于发射链路。

在此示例中，在FPGA中实现校准处理器40连同相关联的数字基带处理系统。

更具体地，每个收发器21-24以及26包括双工器52，其实质上将频谱划分为发射波段和接收波段。注意：对于基准收发器26而言，将双工器颠倒配置，以便其接收波段对应于其它收发器21-24的发射波段，反之亦然。

对于收发器21-24，在将锁定于公用时钟Clk的转换器46提供的数据预滤波、放大、进一步滤波以及馈送到天线51之前，在转换单元49中，将该数据与信号Fref相混合。在收发器的接收路径中，在数据转换器46接收数据之前，将数据放大、利用信号Fref对数据进行解调、以及对数据进行滤波。

在基准收发器26的情况下，在接收时或者在相邻的耦合收发器21-24发射时，沿着校准路径28、29、33、34馈送或接收调制信号。

图5b更详细地图示了校准处理器40和数据转换器46的操作。这里，示出了公用定时信号Clk，其驱动数据转换器46的模数(AD)和数模(DA)单元。

在此实施例中，计算互耦，并且经由加法反馈将校正的幅度和相位权重施加到校准误差信号，由此补偿互耦误差。

对于每个基准收发器26，校准处理器包括控制器4，其选择性地控制信号生成器3，以产生处于该阵列单元要被校准到的频率处的基准信号。信号生成器3依次连接到基准收发器数据转换器46的DA端口。每个基准收发器的控制器相互连接(未示出)，以既相对于围绕给定基准收发器的收发器又在整个阵列上，适当地依序配置它们周围的收发器21-24。

被选为第一收发器21的收发器的数据转换器46经由受控制器4控制的多路复用器2’连接到数据总线。在本实施例中，分别对于围绕基准收发器的第二到第四收发器中的每个收发器，复制(duplicate)校准电路模块50(2)...50(4)。每个校准电路模块包括另一多路复用器2”，其用于选择性地将模块50连接到第二至第四收发器22-24中的任何一个收发器。因此，相对于任何所选第一收发器，可在围绕单个基准收发器的其它3个收发器上执行校准。这意味着可以任意选择第一收发器单元21以及此后校准剩余收发器。将看到：图5b的结构允许发射和接收路径的同时校准。

对于要精确校准的阵列收发器的接收部分而言，生成3与通信上行链路通常使用的信号正交(在此情况下是频率正交性，但是例如代码或时间正交性也是可行的)的信号。校准控制器4确定要使用的频率。通过校准路径28收听第一收发器单元21(如通过多路复用器2’选择的)处的校准信号。为第一收发器21存储5包含该信号的适当长的样本。当重新生成来自第一收发器21的所存储的信号时，通过利用可调谐信道选择滤波器14’对信号进行滤波、以及对滤波后的信号进行抽取(decimate)14”以降低校准例程的处理要求，来在期望的校准和不期望的通信流量之间进行辨别。接收由基准收发器22接收的并通过其校准电路模块50(2)馈送的信号，以与对第一收发器单元21接收的基准信号进行的处理相似的方式处理该信号，并且在幅度和相位上与来自第一单元21的重新生成的信号进行比较。使用这两者之间的差来生成数字基带误差信号(RxErr)，其然后可以被存储7并且随后被施加到收发器22的接收信号，以确保来自两个单元的所接收信号之间的精确的相位和幅度。在校准运行7之间存储校准误差信号，以确保仅有效的误差信号影响所接收的信号。对于两个相邻的接收器23、24，重复此过程。一旦所有收发器都已经对所需频率进行校准，则来自围绕所示出的基准收发器的第一到第四收发器的校准后的接收信号被加9’到一起，并且如果需要的话，被加到该阵列的其余收发器的接收信号。

利用互易性，发射校准是接收校准的颠倒(reverse)，原理区别在于：发射信号本身可以被用作(经过较小的修改)校准信号源9”，以及不可能同时校准共享基准收发器26的多个收发器单元。

更具体地，通过第一收发器21发射耦合到该阵列的发射信号9”，且由基准单元26通过所选择的校准路径28接收该发射信号，并且存储10该发射信号。当重新生成时，此信号随后被滤波并被抽取11。

随后，在T+1，由收发器单元22发射且由基准收发器26通过校准路径34接收的信号一旦经过滤波和抽取，便可将其与来自第一收发器21的重新生成的且被类似处理的基准信号进行比较12。由此比较生成的频率误差信号Tx Err然后被存储13并且被施加到基带信号9”，因此消除了一对辐射单元21、22之间的相位和幅度不平衡。然后，对于围绕该共享基准单元26的其它单元23、24，重复此过程。

上面的描述提供了一种频率正交校准方案，其允许在阵列操作期间进行校准，且对作为通信链路的阵列容量具有可忽略的影响。

使用该优选实施例，通过随后选择其它的基准收发器(不同的校准路径)、求平均或退火(annealing)技术，可以实现最佳的校准性能。

在该优选实施例中，为了提高方向性并帮助减轻互耦，利用包括平面微带线天线结构的电磁带隙(EBG)结构实施天线阵列的表面。图6示出了以带线(strip-line)(即，此结构夹在两层导电薄片之间，其中之一形成该天线的地平面)实现的单个阵列单元耦合器的内表面的实际(physical)实施例。这里，收发器21-24的I/O端口连接到端口TRX1，同时对应的天线51连接到端口ANT2。在基准收发器26的情况下，匹配阻抗47连接到端口ANT2。在端子R1-R9之间安装的是用于减小反射系数的匹配阻抗。解释(translate)并复制(replicate)此从TRX1到每一个端口CPL3-6的图案，允许定义所需大小的完整天线阵列表面。图8示出了如何对于多个耦合器复制此图案以形成如参考图2-5所述的、要校准的阵列的可扩展结构。这里，四个辐射收发器单元21-24连接到各个耦合器55，并且这些耦合器依次经由耦合器56连接到一个中央基准收发器26，耦合器56的端口57终止于匹配阻抗(未示出)，如前所述的。因此，四个单个耦合器至基准收发器26的单个中央耦合器的互连形成了天线阵列的基本单位(unit)。

从图6将看到：各个耦合器的布置不是对称的，并且可以认为路径不平衡的此源头和其它源头可以引起误差通过该阵列传播。然而，图4示出了在每个轴上的、该校准方案的每个单元的相位和幅度不平衡(Err1+Err2)是近似相同的。因此，使用本方案，由于校准路径的几何形状(geometry)，通过如所指示地分布误差增加了该阵列的幅度和相位平衡的精度，消除了该误差的重要部分，因此提高了该阵列的整体校准精度。

图7图示了在塔顶布置的、使用本发明校准的多个天线阵列20(1)、20(2)、20(3)。在此实施中，校准过程是完全独立的。通过基准单元(示例59)校准辐射天线单元(示例58)，以形成工作通信链路。通过光纤电缆从塔顶向塔底传送数据，因此消除了对同轴馈线电缆的需要。

将看到本发明不限于校准电信天线阵列。本发明可以同样被用于医疗成像、雷达或类似的EM成像技术。

本发明不限于这里描述的实施例，在不偏离本发明的范围的情况下，可以对其进行改进或修改。

Claims (15)

1.一种天线阵列，包括：

包括重复的导电轨道图案的表面，所述轨道定义了多个端口，

多个辐射天线，所述天线位于分布在所述表面上的端口处，

多个收发器，每个收发器电连接到各自的辐射天线；

多个基准收发器，每个收发器电连接到位于各自的端口处的非辐射阻抗，以便每个基准收发器被一组收发器围绕，并且通过所述轨道电耦合到所述一组辐射天线，来自至少一组收发器的至少一个天线属于另一组收发器；以及

校准电路，其包括与每个基准收发器相关联的控制器，每个所述控制器被布置来通过相关联的基准收发器发射校准信号，以及收听并存储对于耦合到所述基准收发器的所述一组收发器的所选择收发器所接收的校准信号；每个所述控制器还被布置来接收并存储从对于耦合到所述基准收发器的所述一组收发器的所选择收发器传送的校准信号，所述校准电路对于所述一组收发器的每个其它收发器还包括相对于用于所选择的收发器的所存储的校准信号而调节所述收发器传送和接收的信号的相位和幅度的电路。

2.如权利要求1所述的天线阵列，其中，每个所述控制器被互连且被编程来依序校准它们相关联的收发器组。

3.如权利要求1所述的天线阵列，其中，所述基准收发器和它们相关联的收发器组中的每一个包括双工器，该双工器具有第一和第二I/O端口以及用于连接到天线或非辐射阻抗之一的端口，所述基准收发器的所述第一I/O端口具有与它们相关联的收发器组的第二I/O端口的通带相对应的通带，反之亦然。

4.如权利要求3所述的天线阵列，包括用于驱动所述基准收发器的第一I/O端口和它们相关联的收发器组的第二I/O端口中每一个的公用频率源。

5.如权利要求3所述的天线阵列，包括用于驱动所述基准收发器的第二I/O端口和它们相关联的收发器组的第一I/O端口中每一个的公用频率源。

6.如权利要求1所述的天线阵列，其中，将收发器组的调节后的接收信号与从所选择的收发器接收的信号相加以提供天线输出。

7.如权利要求1所述的天线阵列，其中，所述基准收发器和它们相关联的收发器组中的每一个都连接到各自的数据转换器。

8.如权利要求7所述的天线阵列，其中，由公用时钟驱动每个所述数据转换器。

9.如权利要求1所述的天线阵列，其中，在为所述相关联的收发器组和所选择的收发器调节被提供给所述天线阵列的数据之前，划分该数据。

10.如权利要求7所述的天线阵列，其中，在将从数据转换器接收的信号相加之前，调节所述信号。

11.如权利要求10所述的天线阵列，其中，所述阵列被布置来通过光纤链路与公用数据源进行通信。

12.如权利要求1所述的天线阵列，其中，调节所述相位和幅度以提供静态射束。

13.如权利要求1所述的天线阵列，其中，调节所述相位和幅度以提供动态控制的射束。

14.如权利要求1所述的天线阵列，其中，所述表面包括位于所述端口处的平面微带线天线结构。

15.如权利要求1所述的天线阵列，其中，每个非辐射阻抗被它们相关联的辐射天线组围绕。

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