CN104145371B - 多元件天线校准技术 - Google Patents

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Abstract

利用分布式校准天线元件校准天线系统，该天线系统具有天线阵列，天线阵列具有多个子阵列，每一个子阵列具有一个或多个天线元件，分布式校准天线元件诸如跨至少两个和可能全部子阵列的漏泄同轴电缆。为了校准子阵列的发射(TX)路径，TX校准测试信号由子阵列发射，由分布式校准元件捕获，并且由相应的校准无线电设备处理。为了校准子阵列的接收(RX)路径，RX校准测试信号由校准无线电设备产生，由分布式校准元件发射，由子阵列捕获，并且由它们相应的无线电设备处理。执行校准和信号捕获信号之间的互相关以获得每个子阵列发射机和接收机的复增益，其提供用于对准天线阵列的不同的TX和RX路径的增益，相位和延时的信息。

Description

多元件天线校准技术
对相关申请的交叉引用
本申请要求于2012年1月24日提交的美国临时申请序列号61/590,099、代理机构卷号1052.101PROV的权益，其技术通过引用全部并入本文。
技术领域
本发明涉及通信系统，并且更具体地但非排外地涉及天线阵列，诸如用于蜂窝通信系统的天线阵列。
背景技术
本部分介绍可以有助于促进对本发明的更好理解的各方面。相应地，本部分中的记载应在此意义下阅读，而不应被理解是被承认为属于现有技术或者不属于现有技术。
有源天线包括辐射元件的阵列或者辐射元件的子阵列，它们被相关的振幅和相位激励的特殊集合激励，以产生理想的辐射图。对于具有元件列(或者子阵列)的源阵列，能够通过在子阵列级修正振幅和相位激励来调整诸如下倾角度、波束宽度和旁瓣电平之类的参数。相关激励由放大器、电子移相器、和数字无线电设备在每个子阵列或者元件处控制。
执行校准过程以定义一个收发器链相对于其他的响应，以在元件间建立基线参考。由于此参考可能因为温度、偏移、或者其它现象而随着时间发生改变，因此在产品的使用期限内应该容易地运用以及能够根据所需重复校准过程。校准过程的无源组件应该是时间不变量。实施方式的低成本和简单化是其它理想的特征。校准应该被独立地应用于下行链路上的发射路径和上行链路上的接收路径。
典型的校准电路可以包括在每一个元件或者子阵列级的定向耦合器，通过相互连接与n路分束器/组合器网络连接，所述n路分束器/组合器网络将耦合的信号组合至共同的校准端口。该方法具有需要附加的耦合器、功率分割器、电缆和相互连接的缺点，而这些对将信号传送至校准收发器具有优选地时间不变的响应，所有这些增加了复杂性和成本。
附图说明
根据以下详细的说明书、附属权利要求书和附图，本发明的其他实施例将会变得更加清晰，在附图中相似的附图标记表示类似或相同的元件。
图1是采用改进的校准技术的天线系统的示意结构图，其中提供附加的校准天线元件给孔隙；
图2是采用另一改进的校准技术的天线系统的示意结构图，其中提供分布式校准天线元件给孔隙；以及
图3和4是采用与图2的天线系统相同的校准技术的不同天线系统的示意结构图。
具体实施方式
图1是采用改进的校准技术的天线系统100的示意结构图，其中提供附加的校准天线元件102给孔隙，其中该技术依赖于在其它天线元件和校准元件的辐射图之间建立的相互耦合的时间不变的特性。
在该特定的示例性实施例中，天线系统100具有双极化的天线阵列110，其包括6个子阵列112(1)-112(6)，每一个子阵列具有两个或三个天线元件114。需要指出的是子阵列112(3)-112(4)和与这些子阵列相关的对应电子元件没有明确地显示在图1中，但属于示例性天线系统100的一部分。如图1所示，每个子阵列112(i)具有双收发器无线电设备116(i)，其能够同时(i)提供用于从子阵列112(i)的一个或多个对应的天线元件114辐射的一个或两个不同的下行链路信号和/或(ii)处理在那些对应的天线元件114中的一个或多个处接收的一个或两个不同上行链路信号。需要指出的是，对于给定的子阵列112(i)，下行链路发射涉及的一个或多个天线元件114可以是，但不必须是相同的上行链路接收涉及的一个或多个天线元件114。
此外，校准元件102具有它自己专用的单个收发器无线电设备120，其能够独立地提供用于从校准元件102辐射的外出的校准信号以及处理在校准元件102处接收的进入的校准信号。
根据一种可能的校准技术，为了校准天线阵列110的发射(TX)路径，唯一地和线性地独立的TX校准测试信号由所有不同的子阵列112同时辐射，并且校准无线电设备120处理由校准元件102捕获的信号，该信号对应于由与校准元件102无线地耦合的不同的子阵列112发射的校准测试信号的加权和。利用数字信号处理，已知的TX校准测试信号接着能够与组合的接收信号互相关，以获得每个TX路径的复增益。该信息应当提供对准天线阵列110中的每个TX路径的增益、相位和延迟所需的校正因子。
为了校准天线阵列110的接收(RX)路径，唯一的RX校准测试信号由校准无线电设备120生成，并从校准元件102发射，以及由不同的子阵列112捕获的结果的接收信号由对应的无线电设备116处理。利用数字信号处理，已知的RX校准测试信号能够接着与不同的接收信号互相关，以获得每一个RX路径的复增益。该信息应当提供对准天线阵列110中的每个RX路径的增益、相位和延迟所需的校正因子。
需要指出的是，如果恰当地设计TX和RX校准测试信号，则能够在由天线系统100同时处理正常的上行链路和下行链路无线业务的同时实现此校准技术。
图1的校准技术的难题在于找到提供在理想值范围内的、足够高于噪声门限的耦合电平以提供可接受的校准例程的校准元件102的合适的位置。在一个具有与天线系统100的校准元件102相似的中心、单极校准元件的天线系统的实施例中，天线阵列具有七个而不是六个子阵列，耦合值在大约-15dB和大约-60dB之间变化，具有近似45dB的动态范围。
图2是采用改进的校准技术的天线系统200的示意结构图，其中提供分布式校准天线元件202给孔隙，其中该技术依赖于在其它天线元件和分布式校准元件的辐射图之间建立的相互耦合的时间不变的特性。在一个实施例中，分布式天线元件202从辐射孔隙的一个端部延伸到另一个，以减小多个不同子阵列212经历的耦合值的动态范围。
在该特定的示例性实施例中并且与图1中的天线系统100相似，天线系统200具有双极化的天线阵列210，其包括6个子阵列212(1)-212(6)，每一个子阵列具有两个或三个天线元件214。如图1中，子阵列212(3)-212(4)和与这些子阵列相关的对应电子元件没有明确地显示在图2中，但属于示例性天线系统200的一部分。如图2所示，每个子阵列212(i)具有双收发器无线电设备216(i)，其能够同时(i)提供用于从子阵列212(i)的一个或多个对应的天线元件214辐射的一个或两个不同的下行链路信号和/或(ii)处理在那些对应的天线元件214中的一个或多个处接收的一个或两个不同的上行链路信号。需要指出的是，对于给定的子阵列212(i)，下行链路发射涉及的一个或多个天线元件214可以是，但不必须是上行链路接收涉及的相同的一个或多个天线元件214。
如图1中的天线系统100，分布式校准元件202具有它自己专用的单个收发器校准无线电设备220，其能够独立地提供用于从分布式校准元件202辐射的外出的校准信号以及处理在分布式校准元件202处接收的进入的校准信号。
在一个可能的实施例中，分布式校准元件202为沿天线阵列210的长度延伸的同轴电缆，同轴电缆沿其长度在外(接地)导体层中具有槽、孔、或其它形式的开口，这样使得当合适信号应用到同轴电缆的内导体时，同轴电缆形成沿其长度辐射无线信号的漏泄天线元件。此外，同轴电缆中的开口使同轴电缆能够实现作为分布式天线元件的功能，其能够捕获沿其长度进入的无线信号以在内导体上生成接收信号。
如之前提及的，利用像图2中的元件202的分布式校准元件，而不是像图1中的元件102的单个、单极的校准元件的动机是在天线阵列的校准元件和不同的天线元件之间提供更均匀的耦合。在一个实施例中，天线系统采用美国北卡罗来纳州(North Carolina)希柯利(Hickory)的CommScope公司提供的Radiax有槽同轴电缆，作为分布式校准元件，其中天线阵列具有七个子阵列而不是六个。结果得到的耦合值在大约-30dB和大约-55dB之间变化，具有近似25dB的动态范围，其与在相同的天线阵列的中心附近使用传统的单极校准元件所产生的近似45dB的动态范围相比，显著地更均匀。
漏泄同轴电缆仅仅是实现分布式校准元件202的一种方式。另一方式是将若干辐射元件在图中遍及天线阵列210分布以减少耦合级的范围。若干元件能够被以共同或串联馈电方式组合用于与校准无线电设备220的收发器端口连接。另一方式是将辐射源和互连的发射线路合并到单个的发射线路中，诸如安装在反射器表面上的空气微带。实现分布式校准元件202的其它的方式也是可能的，诸如(非限制性地)带槽波导，例如矩形或圆形的，或者在一个或两个接地平面上具有辐射槽的平面带线。
图3和4是采用与图2的天线系统200的相同的分布式校准技术的天线系统300的示意结构图，但是在该例中，对于具有一组n个天线元件314(1)-314(n)的天线阵列310来说，每个天线元件314(i)具有单个收发器无线电设备316(i)。需要指出的是，在天线系统300中，每个天线元件314(i)可以说与天线阵列300的不同的子阵列相对应，其中每个子阵列只有一个天线元件。如天线系统200，天线系统300具有分布式校准天线元件302，诸如沿着天线阵列310的长度延伸的漏泄同轴电缆，以及与图2的校准无线电设备220相类似的专用校准无线电设备320。
如图3和4所示，校准无线电设备320具有(i)带校准测试信号生成器322的校准发射(TX)路径，(ii)带下变频器324和模数转换器(ADC)326的校准接收(RX)路径，以及(iii)选择性地将分布式校准元件302连接到校准无线电设备320的TX路径或RX路径的开关矩阵328。天线系统300还具有配置成为提供支持天线系统300的校准的数字信号处理的数字信号处理器(DSP)330。图3显示配置成校准天线元件314的TX路径的天线系统300，图4显示配置成校准天线元件314的RX路径的天线系统300。
参考图3，为了校准天线元件314的TX路径，开关矩阵328配置成将分布式校准元件302连接到校准无线电设备320的RX路径。然后从所有不同的天线元件314同时辐射唯一且线性地独立的TX校准测试信号，分布式校准元件302沿其长度捕获耦合的无线信号，以及校准无线电设备320处理由分布式校准元件302捕获的结果的接收信号，该信号对应于由无线地耦合到分布式校准元件302的不同的天线元件314发射的校准测试信号的加权和。利用DSP 300的数字信号处理，已知的TX校准测试信号接着能够与组合的接收信号互相关，以获得天线阵列310中的每个TX路径的复增益。该信息应当提供对准天线阵列310的每个TX路径的增益、相位和延迟所需的校正因子。
参考图4，为了校准天线元件314的接收(RX)路径，开关矩阵328配置成将分布式校准元件302连接到校准无线电设备320的TX路径。唯一的RX校准测试信号由校准无线电设备320生成并且沿分布式校准元件302的长度无线地发射，以及被不同的天线元件314无线地捕获的结果的接收信号由对应的无线电设备316处理。利用DSP 300的数字信号处理，已知的RX校准测试信号接着能够与不同的接收信号互相关，以获得天线阵列310中的每个RX路径的复增益。该信息应当提供对准天线阵列310的每个RX路径的增益、相位和延迟所需的校正因子。
需要指出的是，如果恰当地设计TX和RX校准测试信号，则能够在由天线系统300同时处理正常的上行链路和下行链路无线业务的同时实现校准技术。
尽管校准技术已经在如下的情形背景下描述的，其中(i)天线阵列中的全部子阵列的TX路径被同时校准以及(ii)天线阵列中的全部子阵列的RX路径被同时校准，但通常情况下，能校准技术够在如下情形背景下实现，其中(i)一次校准一个或多个TX路径以及(ii)一次校准一个或多个RX路径。而且，只要适当地设计校准测试信号，无论是否存在正常无线业务都能够实现校准技术。
尽管校准技术已经在如下天线系统的背景下描述，其中分布式校准天线元件跨越天线阵列的整个长度，但通常情况下，校准技术能够在如下天线系统背景下实现，其中天线系统具有跨越天线阵列的至少两个子阵列的分布式天线元件。只要分布式校准元件跨越至少两个子阵列，在分布式校准元件和天线阵列中的全部子阵列之间的耦合的结果的动态范围就应该小于在单个单极校准元件和相同的天线阵列中的子阵列之间的耦合的动态范围。
尽管校准技术已经在如下特定天线系统背景下描述，其中该特定天线系统具有特定数量的子阵列和天线元件，但通常情况下，校准技术能够在具有若干子阵列的天线系统背景下实现，其中每个子阵列具有一个或多个天线元件。
尽管校准技术已经在如下天线系统背景下描述，该天线系统具有带共线的天线元件的线性天线阵列以及跨越线性天线阵列的长度的一维分布式校准天线元件，但公开并不局限于此。在替代的实施例中，天线系统可以具有二维或甚至三维天线阵列，其中天线元件以二维或三维布置来分布。依据耦合要求，这样的多维天线阵列可以具有一维，二维或甚至三维分布式校准天线元件，其以恰当的方式跨越天线阵列的一维，二维或甚至三维。
为了此说明书的目的，术语“耦合”、“耦合的”、“被耦合”、“连接”、“连接的”或者“被连接”指在本领域中已知或在以后发展的任何方式，其中允许在两个或更多元件之间传送能量，一个或多个其他元件的插入是预期的，尽管不需要插入。相反，术语“直接耦合”、“直接连接”等等意味着不存在这些其他元件。
本领域技术人员应当理解，此处的任何框图代表体现本发明的原理的说明性电路的概念视图。类似地，应当理解的是，任何流程图、流程框图、状态转移图、伪代码等表示可以基本上表示在计算机可读介质中并被计算机或者处理器执行的各种程序，不论这种计算机或者处理器是否被明确地示出。
除非另外明确规定，否则每个数值和范围应当被解释为是近似的，就好像词语“大约”或“近似”位于该值或范围的值之前。
能够进一步理解的是，对于为了解释本发明的实施例而描述或说明的部分的细节、材料和布置方面的各种变化可以在不偏离由下面的权利要求包含的发明的实施例的情况下由本领域技术人员得到。
在权利要求中使用附图编号和/或附图标记的目的是为了确认所要求保护的主题的一个或多个可能的实施例。这种使用不应当被理解为将那些权利要求的范围一定限定为对应附图中显示的实施例。
在这里对“一个实施例”或“实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性可被包括在本发明的至少一个实施例中。在说明书中各个地方出现的短语“在一个实施例中”并不一定是全部引用相同的实施例，也不是必定相互排除其他实施例的单独或替换实施例。同样的解释适用于术语“实施方式”。
本申请中的权利要求所覆盖的实施例被局限于(1)本说明书启用的实施例以及(2)与法定主题相对应的实施例。未启用的实施例和与非法定主题相对应的实施例即使落在权利要求的范围内也被明确地放弃保护。

Claims (11)

1.一种天线系统，其包括：
天线阵列，包括多个子阵列，每一个子阵列具有一个或多个天线元件；
用于每个子阵列的无线电设备，每一个无线电设备包括一个或多个收发器；
分布式校准天线元件，其跨该天线阵列的至少两个子阵列分布，其中：
在接收RX校准模式下，所述分布式校准天线元件经由到所述天线元件的直接无线上行链路沿着它的长度辐射外出的无线RX校准信号；以及
在发射TX校准模式下，所述分布式校准天线元件经由从所述天线元件的直接无线下行链路沿着它的长度捕获进入的无线TX校准信号；以及
用于分布式校准天线元件的校准无线电设备。
2.根据权利要求1的天线系统，其中分布式校准天线元件跨天线阵列的所有子阵列分布。
3.根据权利要求1的天线系统，其中校准无线电设备包括：
发射路径，其配置成产生用于从分布式校准天线元件发射到天线阵列以校准天线系统的接收RX路径的RX校准信号；
接收路径，其配置成用于处理由分布式校准天线元件从天线阵列捕获的发射TX校准信号以校准天线系统的TX路径；以及
开关矩阵，其配置成选择地将分布式校准天线元件连接到校准无线电设备的发射路径或接收路径。
4.根据权利要求1的天线系统，其中分布式校准天线元件是漏泄同轴电缆，所述漏泄同轴电缆沿着所述同轴电缆的长度在所述同轴电缆的外导体层中具有开口，所述开口允许(i)从所述同轴电缆的内导体辐射所述外出的无线RX校准信号，以及(ii)通过所述内导体捕获所述进入的无线TX校准信号。
5.一种校准天线系统的发射TX路径的方法，该天线系统包括(i)具有多个子阵列的天线阵列，每一个子阵列具有一个或多个天线元件，和(ii)用于每一个子阵列的无线电设备，每一个无线电设备包括一个或多个收发器，所述方法包括：
(a)从一个或多个子阵列发射一个或多个TX校准测试信号；
(b)利用分布式校准天线元件捕获与一个或多个TX校准测试信号相对应的进入的无线TX接收信号，其中分布式校准天线元件跨天线阵列的至少两个子阵列分布，其中所述分布式校准天线元件经由从所述天线元件的直接无线下行链路沿着它的长度捕获进入的无线TX接收信号；
(c)利用用于分布式校准天线元件的校准无线电设备处理捕获的TX接收信号以生成TX数字信号；以及
(d)处理TX数字信号以校准天线系统的TX路径。
6.根据权利要求5的方法，进一步包括：
(e)从分布式校准天线元件发射外出的无线RX校准测试信号，其中所述分布式校准天线元件经由到所述天线元件的直接无线上行链路沿着它的长度辐射外出的无线RX校准测试信号；
(f)利用天线阵列的一个或多个子阵列捕获与RX校准测试信号相对应的一个或多个RX接收信号；
(g)利用用于一个或多个子阵列的对应的无线电设备处理一个或多个RX接收信号以产生RX数字信号；以及
(h)处理RX数字信号以校准天线系统的RX路径。
7.根据权利要求5的方法，其中分布式校准天线元件跨天线阵列的所有子阵列分布。
8.根据权利要求5的方法，其中分布式校准天线元件是漏泄同轴电缆，所述漏泄同轴电缆沿着所述同轴电缆的长度在所述同轴电缆的外导体层中具有开口，所述开口允许通过所述同轴电缆的内导体捕获所述进入的无线TX接收信号。
9.一种校准天线系统的接收RX路径的方法，所述天线系统包括(i)具有多个子阵列的天线阵列，每一个子阵列具有一个或多个天线元件，和(ii)用于每一个子阵列的无线电设备，每一个无线电设备包括一个或多个收发器，所述方法包括：
(a)从分布式校准天线元件发射外出的无线RX校准测试信号，分布式校准天线元件跨天线阵列的至少两个子阵列分布，其中所述分布式校准天线元件经由到所述天线元件的直接无线上行链路沿着它的长度辐射外出的无线RX校准测试信号；
(b)利用天线阵列的一个或多个子阵列捕获与所述外出的无线RX校准测试信号相对应的一个或多个RX接收信号；
(c)利用用于一个或多个子阵列的对应的无线电设备处理一个或多个RX接收信号以生成RX数字信号；以及
(d)处理RX数字信号以校准天线系统的RX路径。
10.根据权利要求9的方法，其中分布式校准天线元件跨天线阵列的所有子阵列分布。
11.根据权利要求9的方法，其中分布式校准天线元件是漏泄同轴电缆，所述漏泄同轴电缆沿着所述同轴电缆的长度在所述同轴电缆的外导体层中具有开口，所述开口允许从所述同轴电缆的内导体辐射所述外出的无线RX校准测试信号。
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