CN105262527A - 一种天线轴校准装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种天线轴校准装置，包括：校准天线阵，包括N个天线阵子，用于将N个天线阵子接收的模拟信号进行放大，并转换为N个数字信号；数字信号处理器，用于接收来自校准天线阵的N个数字信号，根据N个数字信号确定N个天线阵子当前所处位置的电场强度；天线阵调整控制单元，用于根据N个天线阵子当前所处位置的电场强度确定校准天线阵的平移方向及平移位移和/或旋转方向，并控制所述校准天线阵的平移和/或旋转；以及轴向确定单元，用于根据所述平移和/或旋转后的校准天线阵确定发射天线的轴向。本发明还提供了对应的校准天线平移方法和旋转方法。通过本发明可以简单、灵活的完成收发天线之间的轴校准，且校准精度高。

Description

一种天线轴校准装置及方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术，特别涉及一种天线轴校准装置及进行天线的轴校准时对校准天线阵的平移和旋转方法。

背景技术

均匀圆形天线阵(UniformCircularArray，UCA)是一种新兴的智能天线阵。阵列中的各个天线阵子具有相同的极化。图1显示了一种具有8个天线阵子的UCA。如图1所示，8个天线阵子均匀的分布在一个圆上，无线通信系统在每个天线阵子上馈入的信号分别为其中，S为待发送的符号；l为轨道角动量(OAM)模式；m为天线编号，对于具有8个天线阵子的UCA来讲m∈[0,7]。如此，UCA就可以输出OAM波束。

矩阵论和多天线通信技术告诉我们，以自由空间传输为例，只有当一对UCA共轴的时候，也即两个UCA的轴线重合时，两个UCA之间的信道矩阵才可以表征为一个循环的托普利茨矩阵。此时，OAM传输为多天线信道的特征模式传输，能够最大化信道容量。因此，如何完成两个UCA之间的轴校准是目前无线通信系统使用UCA进行OAM传输时需要解决的关键问题之一。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的实施例提供了一种天线轴校准装置。

本发明实施例所述的天线轴校准装置包括：

校准天线阵，包括N个天线阵子，用于将N个天线阵子接收的模拟信号进行放大，并转换为N个数字信号；

数字信号处理器，用于接收来自校准天线阵的N个数字信号，根据所述N个数字信号确定所述N个天线阵子当前所处位置的电场强度；

天线阵调整控制单元，用于根据所述N个天线阵子当前所处位置的电场强度确定所述校准天线阵的平移方向及平移位移和/或旋转方向，并根据确定的所述校准天线阵的平移方向及平移位移和/或旋转方向控制所述校准天线阵的平移和/或旋转；以及

轴向确定单元，用于根据所述平移和/或旋转后的校准天线阵确定发射天线的轴向。

其中，校准天线阵中的N个天线阵子排列为两个均匀圆形天线阵UCA；作为发射天线的UCA当前使用的OAM模式为0；

此时，天线阵调整控制单元包括：

初始化模块，用于在进行轴校准之前初始化平移步长；

平移方向确定模块，用于在轴校准过程中，对所述校准天线阵中的两个UCA分别执行：确定所述UCA上电场强度最大的天线阵子的位置，并确定所述UCA的平移方向为所述UCA的圆心到所述UCA上电场强度最大的天线阵子的方向；

平移步长调整模块，用于在轴校准过程中，对所述校准天线阵中的两个UCA分别执行：针对所述UCA计算本次平移方向和上次平移方向的夹角，如果该夹角超过90度，则减小所述UCA对应的平移步长；否则，保持所述UCA对应的平移步长不变；以及

平移模块，用于在轴校准过程中，对所述校准天线阵中的两个UCA分别执行：判断所述UCA对应的平移步长是否小于预先确定的校准精度，如果是，则对于所述UCA的平移终止；如果所述UCA对应的平移步长大于或等于预先确定的校准精度，则控制所述UCA按照本次平移方向平移，平移的位移为所述UCA对应的平移步长。

若校准天线阵中的N个天线阵子排列为两个均匀圆形天线阵UCA；作为发射天线的UCA当前使用的OAM模式不为0；

此时，天线阵调整控制单元包括：

初始化模块，用于在进行轴校准之前初始化平移步长；

平移方向确定模块，用于在轴校准过程中，对所述校准天线阵中的两个UCA分别执行：确定所述UCA上电场强度最小的天线阵子的位置，并确定所述UCA的平移方向为所述UCA的圆心到所述UCA上电场强度最小的天线阵子的方向；

平移步长调整模块，用于在轴校准过程中，对所述校准天线阵中的两个UCA分别执行：针对所述UCA计算本次平移方向和上次平移方向的夹角，如果该夹角超过90度，则减小所述UCA对应的平移步长；否则，保持所述UCA对应的平移步长不变；以及

平移模块，用于在轴校准过程中，对所述校准天线阵中的两个UCA分别执行：判断所述UCA对应的平移步长是否小于预先确定的校准精度，如果是，则对于所述UCA的平移终止；如果所述UCA对应的平移步长大于或等于预先确定的校准精度，则控制所述UCA按照本次平移方向平移，平移的位移为所述UCA对应的平移步长。

其中，轴向确定单元确定作为发射天线的UCA的轴向与所述两个UCA的圆心所确定的直线重合。

校准天线阵中的N个天线阵子排列为一个均匀圆形天线阵UCA；作为发射天线的UCA当前使用的OAM模式为0；

此时天线阵调整控制单元包括：

初始化模块，用于在进行轴校准之前初始化平移步长；

平移方向确定模块，用于在轴校准过程中，确定所述UCA上电场强度最大的天线阵子的位置，并确定所述UCA的平移方向为所述UCA的圆心到所述UCA上电场强度最大的天线阵子的方向；

平移步长调整模块，用于针对所述UCA计算本次平移方向和上次平移方向的夹角，如果该夹角超过90度，则减小所述UCA对应的平移步长；否则，保持所述UCA对应的平移步长不变；

平移模块，用于判断所述UCA对应的平移步长是否小于预先确定的校准精度，如果是，则对于所述UCA的平移终止；如果所述UCA对应的平移步长大于或等于预先确定的校准精度，则控制所述UCA按照本次平移方向平移，平移的位移为所述UCA对应的平移步长；

平面内旋转模块，用于找到所述UCA上电场强度最小的天线阵子A_l，并控制所述UCA在其平面内以所述UCA的轴向为轴心旋转，使得上述电场强度最小的天线阵子A_l在当前位置上的电场强度达到最小值；以及

平面旋转模块，用于以所述UCA的圆心O和上述天线阵子A_l所确定的直线OA_l为轴控制UCA旋转，直至所述UCA上各天线阵子的电场强度中的最大值与各天线阵子的电场强度中的最小值之差达到最小。

校准天线阵中的N个天线阵子排列为一个均匀圆形天线阵UCA；作为发射天线的UCA当前使用的OAM模式不为0；

此时，天线阵调整控制单元包括：

初始化模块，用于在进行轴校准之前初始化平移步长；

平移方向确定模块，用于在轴校准过程中，确定所述UCA上电场强度最大的天线阵子的位置，并确定所述UCA的平移方向为所述UCA的圆心到所述UCA上电场强度最小的天线阵子的方向；

平移步长调整模块，用于针对所述UCA计算本次平移方向和上次平移方向的夹角，如果该夹角超过90度，则减小所述UCA对应的平移步长；否则，保持所述UCA对应的平移步长不变；

平移模块，用于判断所述UCA对应的平移步长是否小于预先确定的校准精度，如果是，则对于所述UCA的平移终止；如果所述UCA对应的平移步长大于或等于预先确定的校准精度，则控制所述UCA按照本次平移方向平移，平移的位移为所述UCA对应的平移步长；

平面内旋转模块，用于找到所述UCA上电场强度最大的天线阵子A_l，并控制所述UCA在其平面内以所述UCA的轴向为轴心旋转，使得上述电场强度最大的天线阵子A_l在当前位置上的电场强度达到最大值；以及

平面旋转模块，用于以所述UCA的圆心O和上述天线阵子A_l所确定的直线OA_l为轴控制UCA旋转，直至所述UCA上各天线阵子的电场强度中的最大值与各天线阵子的电场强度中的最小值之差达到最小。

其中，轴向确定单元确定作为发射天线的UCA的轴向与所述校准天线阵中的UCA的垂直轴向重合。

校准天线阵中的N个天线阵子排列为两个多边形，满足条件：边的数量大于或等于4；有两对或两对以上的边相互平行；对于每对相互平行的边，其垂直平分线之间的距离应小于这对边长度和的一半。

作为发射天线的UCA当前使用的OAM模式为0；所述天线阵调整控制单元包括：

初始化模块，用于在进行轴校准之前初始化平移步长；

第二平移方向确定模块，用于确定所述多边形上电场强度最大的天线阵子的位置；如果所述多边形上电场强度最大的天线阵子的位置不为所述多边形的任何一个角，则平移终止；否则，确定所述多边形的平移方向为所述多边形的中心到所述多边形上电场强度最大的天线阵子的方向；以及

第二平移模块，用于控制所述多边形按照本次平移方向平移一个平移步长。

或者，作为发射天线的UCA当前使用的OAM模式不为0；所述天线阵调整控制单元包括：

初始化模块，用于在进行轴校准之前初始化平移步长；

第二平移方向确定模块，用于确定所述多边形上电场强度最小的天线阵子的位置；如果所述多边形上电场强度最小的天线阵子的位置不为所述多边形的任何一个角，则平移终止；否则，确定所述多边形的平移方向为所述多边形的中心到所述多边形上电场强度最小的天线阵子的方向；以及

第二平移模块，用于控制所述多边形按照本次平移方向平移一个平移步长。

轴向确定单元确定作为发射天线的UCA的轴向与所述校准天线阵中两个多边形每组对边上具有最大电场强度的天线阵子连线所确定的中心所确定的直线重合。

对应上述天线校准装置，本发明的实施例还提供了进行天线的轴校准时对校准天线阵的平移和旋转方法。

其中，若校准天线阵包括均匀圆形天线阵UCA，校准天线阵的平移方法包括：

A、根据所述UCA上各个天线阵子的接收信号确定所述UCA上各个天线阵子当前所处位置的电场强度；

根据所述UCA上各个天线阵子当前所处位置的电场强度确定所述UCA上电场强度最大或最小的天线阵子的位置；

确定所述UCA的平移方向为所述UCA的圆心到所述UCA上电场强度最大或最小的天线阵子的方向；

计算本次平移方向和上次平移方向的夹角，如果该夹角超过90度，则减小所述UCA对应的平移步长；否则，保持平所述UCA对应的平移步长不变；以及

判断所述UCA对应的平移步长是否小于预先确定的校准精度，如果是，则对于所述UCA的平移终止；如果所述UCA对应的平移步长大于或等于预先确定的校准精度，则控制所述UCA按照本次平移方向平移，平移的位移为上述平移步长，然后，返回A。

若校准天线阵包括多边形天线阵，且多边形天线阵满足条件：边的数量大于或等于4；有两对或两对以上的边相互平行；对于每对相互平行的边，其垂直平分线之间的距离应小于这对边长度和的一半；则校准天线阵的平移方法包括：

B、根据多边形天线阵的接收信号，确定所述多边形上各个天线阵子当前所处位置的电场强度；

确定所述多边形上电场强度最大或最小的天线阵子的位置；

若所述多边形上电场强度最大或最小的天线阵子的位置不为所述多边形的任何一个角，则平移终止；否则，确定本次所述多边形的平移方向为所述多边形的中心到所述多边形上电场强度最大或最小的天线阵子的方向；以及

控制所述多边形按照本次平移方向平移一个平移步长，并返回B。

此外，若校准天线阵包括均匀圆形天线阵UCA，校准天线阵的旋转方法包括：

找到所述UCA上电场强度最小或最大的天线阵子A_l，并控制所述UCA在其平面内以所述UCA的轴向为轴心旋转，使得上述电场强度最小或最大的天线阵子A_l在当前位置上的电场强度达到最小值或最大值；以及

以所述UCA的圆心O和上述天线阵子A_l所确定的直线OA_l为轴控制UCA旋转，直至该UCA上各天线阵子的电场强度中的最大值与各天线阵子的电场强度中的最小值之差最小。

从上述天线校准装置和方法可以看出，本发明的实施例不需要调整发射天线阵，而且不需要接收端向发送端反馈信号，属于开环处理，实现更为简单、智能和灵活。更进一步，通过实验仿真发现，本发明实施例给出的天线校准装置和方法具有很高的校准精度。

附图说明

图1为具有8个天线阵子的UCA结构示意图；

图2为自由空间中的UCA示意图；

图3为本发明实施例所述的天线轴校准装置的内部结构示意图；

图4为本发明一个示例所述的天线阵调整控制单元的内部结构示意图；

图5显示了本发明一个示例所述的控制校准天线阵中UCA平移的过程；

图6为本发明另一个示例所述的天线阵调整控制单元的内部结构示意图；

图7显示了本发明另一个示例所述的控制校准天线阵中UCA旋转的过程；

图8为本发明又一个示例所述的天线阵调整控制单元的内部结构示意图；

图9显示了本发明又一个示例所述的控制校准天线阵中平行四边形天线阵平移的过程。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

假设在一个如图2所示自由空间中，一个作为发射天线的UCA位于由X轴和Y轴确定的平面上，其圆心位于点(0,0,0)，且该UCA的半径为R。则通过研究可以发现该自由空间中的任意一点上的电场调度可以由如下的公式(1)表示：

$\left|\mathrm{\ϵ}\right|\≈\left|\frac{\mathrm{\λ\β}\sqrt{N}}{4\mathrm{\π}\sqrt{r^2+d^2}}{J}_l\left(\frac{k_{0}R\·r}{\sqrt{r^2+d^2}}\right)\right|---\left(1\right)$

其中，函数 λ为波长；β为常数；l为OAM模式编号；N为作为发射天线UCA的天线阵子数量；R为作为发射天线的UCA的半径。

从上述公式(1)可以看出，上述自由空间上任意一点的电场强度只与该点距离UCA所在平面的距离d和该点距离Z轴的距离r有关，而与角度无关。而且可以发现，如果固定d值不变，则作为发射天线的UCA无论在何种OAM模式下，上述自由空间上的电场强度都存在一个单调区，也即在该单调区内，电场强度将随着r的变化单调变化。例如，对于OAM模式为0时，如果固定d值不变，r＝0时电场强度最大，并且随着r值的增大，电场强度将逐渐减小，直至减小到0。此时，电场强度为0的点对应的r值，假设为r₁，即为单调区的边缘值。也就是说，在给定d值的情况下，电场强度的单调区为以轴线为圆心且垂直于轴线的半径为r₁的圆。类似的，在OAM模式不为0时，如果固定d值不变，r＝0时电场强度为0，并且随着r值得增加，电场强度将逐渐增大，直至增大到最大值。此时，电场强度最大的点对应的r值，假设为r₂，即为单调区的边缘值。也就是说，在给定d值的情况下，电场强度的单调区为以轴线为圆心且垂直于轴线的半径为r₂的圆。

基于以上研究，本发明的实施例给出了一种天线轴校准装置，用于确定发射天线的轴向。其中，在本发明的实施例中，发射天线为UCA，因此，本发明实施例给出的天线轴校准装置用于确定作为发射天线的UCA的轴向。该天线轴校准装置的内部结构如图3所示，主要包括：校准天线阵301、数字信号处理器(DSP)302、天线阵调整控制单元303以及轴向确定单元304。需要说明的是，在进行天线的轴校准之前应当将校准天线阵301放置在作为发射天线的UCA所确定的电场强度的单调区内。

其中，上述校准天线阵301连接到上述DSP302，包括N个天线阵子3011，用于将各个天线阵子接收的模拟信号进行放大，并转换为N个数字信号后，发送给DSP302。其中，上述N个天线阵子3011将按照固定的形状排列，例如排列成一个或两个UCA、两个矩形、两个平行四边形或两个多边形等等。

上述校准天线阵301的内部还包括：N个低噪声放大器(LNA)3012以及N个模拟数字转换器(ADC)3013。其中，上述N个LNA3012将分别与上述N个天线阵子3011连接，分别对上述N个天线阵子3011接收的模拟信号进行低噪声放大。此外，上述N个ADC3013分别与上述N个LNA3012连接，分别将经过LNA放大的模拟信号转换为数字信号，并输出到上述DSP302。

上述DSP302主要用于接收N个数字信号，并根据所接收的N个数字信号确定上述校准天线阵301中N个天线阵子当前所处位置的电场强度，并将上述N个天线阵子当前所处位置的电场强度输出到上述天线阵调整控制单元303。

上述天线阵调整控制单元303主要用于根据上述N个天线阵子当前所处位置的电场强度确定上述校准天线阵301的平移方向及平移位移和/或旋转方向，并根据确定的上述校准天线阵301的平移方向及平移位移和/或旋转方向控制校准天线阵301的平移和/或旋转。

上述轴向确定单元304主要用于根据所述平移和/或旋转后的校准天线阵确定发射天线的轴向。

需要说明的是，上述平移是指在校准天线阵301所在的平面内平移；而上述旋转包括在校准天线阵所确定的平面内旋转和校准天线阵沿着确定轴的旋转。

如上所述上述校准天线阵301中的N个天线阵子3011可以排列成一个或两个UCA、两个矩形、两个平行四边形或两个多边形等等。通过研究发现，本发明的实施例对上述N个天线所排列的形状并没有严格的限制，任何满足如下三个条件的多边形都是可以的：

条件1，边的数量大于或等于4；

条件2，有两对或两对以上的边相互平行；

条件3，对于每对相互平行的边，他们的垂直平分线之间的距离应小于这对边长度和的一半。

下面将通过具体的示例详细描述本发明上述实施例所述的天线轴校准装置的实现方式。

示例1：

在本例中，天线轴校准装置将包括上述校准天线阵301、DSP302和天线阵调整控制单元303。且上述校准天线阵301中的N个天线阵子3011排列为两个UCA，假设作为发射天线的UCA当前使用的OAM模式为0。

在本示例的轴校准过程中，上述校准天线阵301将不断平移，实时将各个天线阵子接收到的模拟信号进行放大以及进行模拟到数字转换的处理，并将数字信号发送给DSP302。

DSP302在收到来自上述校准天线阵301中N个ADC的数字信号后，实时对上述数字信号进行处理，得到N个天线阵子当前所处位置的电场强度，并将上述N个天线阵子当前所处位置的电场强度输出到上述天线阵调整控制单元303。

天线阵调整控制单元303根据上述N个天线阵子当前所处位置的电场强度实时计算两个UCA平移的方向以及平移的位移，并控制校准天线阵301的平移。

具体而言，上述天线阵调整控制单元303的内部结构如图4所示，包括如下模块：

初始化模块3031，用于在进行轴校准之前初始化平移步长δ，例如，设置为δ＝r；

平移方向确定模块3032，用于在轴校准过程中，对校准天线阵301中的两个UCA分别执行如下操作：根据DSP上传的某个UCA上各个天线阵子当前所处位置的电场强度确定该UCA上电场强度最大的天线阵子的位置，并确定该UCA的平移方向为该UCA的圆心到该UCA上电场强度最大的天线阵子的方向；

平移步长调整模块3033，用于在轴校准过程中，对校准天线阵301中的两个UCA分别执行如下操作：针对一个UCA计算本次平移方向和上次平移方向的夹角，如果该夹角超过90度，则减小该UCA对应的平移步长，例如令δ＝δq，其中，0＜q＜1；否则，保持该UCA对应的平移步长不变；

平移模块3034，用于在轴校准过程中，对校准天线阵301中的两个UCA分别执行如下操作：判断某个UCA对应的平移步长是否小于预先确定的校准精度，如果是，则对于该UCA的平移终止；如果该UCA对应的平移步长大于或等于预先确定的校准精度，则控制该UCA按照本次平移方向平移，平移的位移为该UCA对应的平移步长。然后，由平移方向确定模块3032继续开始下一次的平移过程，直至两个UCA的平移都终止。

在本例中，当两个UCA的平移都终止了，上述轴向确定单元304则可以确定作为发射天线的UCA的轴向与上述校准天线阵301中两个UCA的圆心O1和O2所确定的直线重合。

对应上述天线轴校准装置，本发明的实施例还提供了天线轴校准方法，主要包括分别控制校准天线阵中两个UCA平移的过程。如图5所示，该控制UCA平移的过程包括：

步骤501，根据一个UCA上各个天线阵子的接收信号确定UCA上各个天线阵子当前所处位置的电场强度；

步骤502，根据UCA上各个天线阵子当前所处位置的电场强度确定该UCA上电场强度最大的天线阵子的位置；

步骤503，确定UCA的平移方向为该UCA的圆心到该UCA上电场强度最大的天线阵子的方向；

步骤504，计算本次平移方向和上次平移方向的夹角，如果该夹角超过90度，则减小该UCA对应的平移步长δ，例如令δ＝δq，其中，0＜q＜1；否则，保持平该UCA对应的平移步长不变；

步骤505，判断该UCA对应的平移步长是否小于预先确定的校准精度，如果是，则对于该UCA的平移终止；如果该UCA对应的平移步长大于或等于预先确定的校准精度，则控制该UCA按照本次平移方向平移，平移的位移为上述平移步长，然后，返回步骤501，继续执行轴校准过程。

在本例中，当两个UCA的平移都终止了，则可以确定作为发射天线的UCA的轴向与上述校准天线阵301中两个UCA的圆心O1和O2所确定的直线重合。

需要说明的是，上述示例(天线轴校准装置和天线轴校准方法)均是以OAM模式为0为例进行说明的，而对于OAM模式非零的情况，上述装置以及方法也同样适用，区别仅在于平移方向确定模块3032在确定平移方向时以及在步骤402和403中，将根据DSP上传的该UCA上各个天线阵子当前所处位置的电场强度确定该UCA上电场强度最小的天线阵子的位置，并确定该UCA的平移方向为该UCA的圆心到该UCA上电场强度最小的天线阵子的方向。

示例2：

在本例中，天线轴校准装置将包括上述校准天线阵301、DSP302和天线阵调整控制单元303。上述校准天线阵301中的N个天线阵子3011排列为一个UCA，且假设作为发射天线的UCA当前的OAM模式为0。

在轴校准过程中，上述校准天线阵301将进行平移和旋转，并实时将各个天线阵子接收到的模拟信号进行放大以及模拟到数字转换的处理，并将数字信号发送给DSP302。

DSP302在收到来自上述校准天线阵301中N个ADC的数字信号后，实时对上述数字信号进行处理，得到N个天线阵子当前所处位置的电场强度，并将上述N个天线阵子当前所处位置的电场强度输出到上述天线阵调整控制单元303。

天线阵调整控制单元303根据上述N个天线阵子当前所处位置的电场强度实时计算该UCA平移的方向以及平移的位移，并控制校准天线阵301的平移。平移完成后，天线阵调整控制单元303还将进一步根据上述N个天线阵子当前所处位置的电场强度实时控制校准天线阵301的旋转。

在本例中，天线阵调整控制单元303的内部结构如图6所示。具体而言，为了完成校准天线阵301的平移，天线阵调整控制单元303也将包括示例1中的初始化模块3031、平移方向确定模块3032、平移步长调整模块3033以及平移模块3034。其各个模块的操作也基本相同，只是在本例中是对一个UCA上的天线阵子进行测量和平移控制。当该UCA的平移终止后，天线阵调整控制单元303将进一步控制校准天线阵301进行旋转。具体而言，上述天线阵调整控制单元303将进一步包括：

平面内旋转模块3035，用于找到该UCA上电场强度最小的天线阵子A_l，并控制该UCA在其平面内以该UCA的轴向为轴心旋转，使得上述电场强度最小的天线阵子A_l在当前位置上的电场强度达到最小值；以及

平面旋转模块3036，用于以该UCA的圆心O和上述天线阵子A_l所确定的直线OA_l为轴控制UCA旋转，直至该UCA上各天线阵子的电场强度中的最大值与各天线阵子的电场强度中的最小值之差达到最小。

需要说明的是，在上述平面内旋转和平面旋转的过程中，可以以预先确定的旋转角度步长来进行各次旋转。例如，假设预先确定的旋转角度步长为θ，则平面内旋转模块3035首先控制该UCA按照某个方向(例如顺时针)旋转θ度，若天线阵子A_l处的电场强度变大，则该旋转方向不正确，需要换个方向(例如逆时针)作为平面内旋转的方向；相反，若天线阵子A_l处的电场强度变小，则该旋转方向正确，该方向即作为平面内旋转的方向。在确定了平面内旋转的方向之后，可以在每次旋转θ度后监测天线阵子A_l处的电场强度是否持续减小，当发现天线阵子A_l处的电场强度变大时，即可确定天线阵子A_l在当前位置上的电场强度已达到最小值，从而完成平面内旋转。类似地，平面旋转模块3036可以首先控制该UCA按照某个方向旋转θ度，若该UCA上各天线阵子的电场强度中的最大值与各天线阵子的电场强度中的最小值之差变大，则该旋转方向不正确，需要换个方向作为平面旋转的方向；相反，若该UCA上各天线阵子的电场强度中的最大值与各天线阵子的电场强度中的最小值之差变小，则该旋转方向正确，该方向即作为平面旋转的方向。在确定了平面旋转的方向之后，可以在每次旋转θ度后监测该UCA上各天线阵子的电场强度中的最大值与各天线阵子的电场强度中的最小值之差是否持续减小，当发现该UCA上各天线阵子的电场强度中的最大值与各天线阵子的电场强度中的最小值之差为0或近似为0时，即可确定该UCA上各天线阵子的电场强度中的最大值与各天线阵子的电场强度中的最小值之差已达到最小，从而完成平面旋转。

经过上述平面内旋转和平面旋转后，则上述轴向确定单元304可以确定作为发射天线的UCA的轴向与该作为校准天线阵的UCA的垂直轴向重合。

对应上述天线轴校准装置，本示例还提供了天线的轴校准方法。该方法除了包括如图5所示的控制UCA平移的过程外，还进一步包括控制UCA旋转的过程。如图7所示，该控制UCA旋转的过程主要包括：

步骤701，找到该UCA上电场强度最小的天线阵子A_l，并控制该UCA在其平面内以该UCA的轴向为轴心旋转，使得上述电场强度最小的天线阵子A_l在当前位置上的电场强度达到最小值；以及

步骤702，以UCA的圆心O和上述天线阵子A_l所确定的直线OA_l为轴控制UCA旋转，直至该UCA上各天线阵子的电场强度中的最大值与各天线阵子的电场强度中的最小值之差最小。

如上所述，经过上述平面内旋转和平面旋转后，则可以确定作为发射天线的UCA的轴向与该作为校准天线阵的UCA的垂直轴向重合。

需要说明的是，上述示例(天线轴校准装置和天线轴校准方法)均是以OAM模式为0为例进行说明的，而对于OAM模式非零的情况，上述装置以及方法也同样适用。如前所述对于平移过程区别仅在于平移方向确定模块3032在确定平移方向时以及在步骤402和403中，将根据DSP上传的该UCA上各个天线阵子当前所处位置的电场强度确定该UCA上电场强度最小的天线阵子的位置，并确定该UCA的平移方向为该UCA的圆心到该UCA上电场强度最小的天线阵子的方向。而对于旋转过程，平面内旋转模块3035以及在步骤701中将寻找该UCA上电场强度最大的天线阵子A_l，并控制该UCA在其平面内以该UCA的轴向为轴心旋转，使得上述电场强度最大的天线阵子A_l在当前位置上的电场强度达到最大值。此后，再经过平面旋转后，即可以确定作为发射天线的UCA的轴向。

示例3：

在本例中上述校准天线阵301中的N个天线阵子3011排列为两个满足上述三个条件的多边形。为了描述方便，下面以平行四边形为例进行详细说明。现假设这两个平行四边形的中心分别为O1和O2，且假设当前的OAM模式为0。

在本例中，天线轴校准装置将包括上述校准天线阵301、DSP302和天线阵调整控制单元303。

在轴校准过程中，上述校准天线阵301将不断平移，并实时将各个天线阵子接收到的模拟信号进行放大以及模拟到数字转换的处理，并将数字信号发送给数字信号处理器302。

数字信号处理器302在收到来自校准天线阵301中N个ADC的数字信号后，实时对上述数字信号进行处理，得到N个天线阵子当前所处位置的电场强度，并将上述N个天线阵子当前所处位置的电场强度输出到上述天线阵调整控制单元303。

天线阵调整控制单元303根据上述N个天线阵子当前所处位置的电场强度实时计算两个平行四边形天线阵的平移的方向，并控制校准天线阵301的平移。

具体而言，在本例中，天线阵调整控制单元303的内部结构将如图8所示，主要包括：

初始化模块3031，用于在进行轴校准之前初始化平移步长δ，例如，设置为δ＝r；

第二平移方向确定模块801，用于根据DSP302上传的该平行四边形上各个天线阵子当前所处位置的电场强度，确定该平行四边形上电场强度最大的天线阵子的位置；如果该平行四边形上电场强度最大的天线阵子的位置不为该平行四边形的任何一个角，则平移终止；否则，确定该平行四边形的平移方向为该平行四边形的中心到该平行四边形上电场强度最大的天线阵子的方向；

第二平移模块802，用于控制该平行四边形按照本次平移方向平移一个平移步长。由第二平移方向确定模块801继续开始下一次的平移过程，直至两个平行四边形的平移都终止。

当两个平行四边形的平移都终止了，则上述轴向确定单元304可以确定作为发射天线的UCA的轴向与上述校准天线阵301中两个平行四边形每组对边上具有最大电场强度的天线阵子连线所确定的中心O1和O2所确定的直线重合。

对应上述天线轴校准装置，本发明的实施例还提供了天线轴校准方法，主要包括分别控制校准天线阵中两个平行四边形平移的过程。如图9所示，该控制平行四边形平移的过程包括：

步骤901，根据平行四边形天线阵的接收信号，确定该平行四边形上各个天线阵子当前所处位置的电场强度；

步骤902，确定该平行四边形上电场强度最大的天线阵子的位置；

步骤903，若该平行四边形上电场强度最大的天线阵子的位置不为该平行四边形的任何一个角，则平移终止；否则，执行步骤904；

步骤904，确定该平行四边形的平移方向为该平行四边形的中心到该平行四边形上电场强度最大的天线阵子的方向；

步骤905，控制该平行四边形按照本次平移方向平移一个平移步长，然后，返回步骤901，继续执行平移过程。

在本例中，当两个平行四边形的平移都终止了，则可以确定作为发射天线的UCA的轴向与上述校准天线阵301中两个平行四边形每组对边上具有最大电场强度的天线阵子连线所确定的中心O1和O2所确定的直线重合。

需要说明的是，上述示例是以OAM模式为0为例进行说明的，而对于OAM模式非零的情况，上述方法也同样适用，区别仅在于平移方向确定模块3032在确定平移方向时以及在步骤902和903中，将该平行四边形的平移方向确定为该平行四边形的中心到该平行四边形上电场强度最小的天线阵子的方向。

此外，考虑到节能的目的，作为上述示例3的一个变形，可以暂时关闭校准天线阵301中的部分天线阵子，然后在校准天线阵301的平移终止后，再次开启关闭的天线阵子，再次进行平移。

此外，作为上述示例3的另一个变形，可以使用可伸缩的校准天线阵301。首先，伸展可伸缩的校准天线阵301，进行校准天线阵301的首次平移。在首次平移终止后，收缩可伸缩的校准天线阵301，增加校准天线阵上天线阵子的密度，并再次进行平移，从而可以提高轴校准精度。

从如上示例可以看出，本发明实施例给出的天线校准装置和方法调整的是安装在接收天线端，不需要调整发射天线，而且不需要接收端向发送端反馈信号，属于开环处理，实现更为简单、智能和灵活。更进一步，通过实验仿真发现，本发明实施例给出的天线校准装置和方法具有很高的轴校准精度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (14)

1.一种天线轴校准装置，其特征在于，包括：

校准天线阵，包括N个天线阵子，用于将N个天线阵子接收的模拟信号进行放大，并转换为N个数字信号；

数字信号处理器，用于接收来自校准天线阵的N个数字信号，根据所述N个数字信号确定所述N个天线阵子当前所处位置的电场强度；

天线阵调整控制单元，用于根据所述N个天线阵子当前所处位置的电场强度确定所述校准天线阵的平移方向及平移位移和/或旋转方向，并根据确定的所述校准天线阵的平移方向及平移位移和/或旋转方向控制所述校准天线阵的平移和/或旋转；以及

轴向确定单元，用于根据所述平移和/或旋转后的校准天线阵确定发射天线的轴向。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述校准天线阵中的N个天线阵子排列为两个均匀圆形天线阵UCA；作为发射天线的UCA当前使用的OAM模式为0；

所述天线阵调整控制单元包括：

初始化模块，用于在进行轴校准之前初始化平移步长；

平移方向确定模块，用于在轴校准过程中，对所述校准天线阵中的两个UCA分别执行：确定所述UCA上电场强度最大的天线阵子的位置，并确定所述UCA的平移方向为所述UCA的圆心到所述UCA上电场强度最大的天线阵子的方向；

平移步长调整模块，用于在轴校准过程中，对所述校准天线阵中的两个UCA分别执行：针对所述UCA计算本次平移方向和上次平移方向的夹角，如果该夹角超过90度，则减小所述UCA对应的平移步长；否则，保持所述UCA对应的平移步长不变；以及

平移模块，用于在轴校准过程中，对所述校准天线阵中的两个UCA分别执行：判断所述UCA对应的平移步长是否小于预先确定的校准精度，如果是，则对于所述UCA的平移终止；如果所述UCA对应的平移步长大于或等于预先确定的校准精度，则控制所述UCA按照本次平移方向平移，平移的位移为所述UCA对应的平移步长。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述校准天线阵中的N个天线阵子排列为两个均匀圆形天线阵UCA；作为发射天线的UCA当前使用的OAM模式不为0；

所述天线阵调整控制单元包括：

初始化模块，用于在进行轴校准之前初始化平移步长；

平移方向确定模块，用于在轴校准过程中，对所述校准天线阵中的两个UCA分别执行：确定所述UCA上电场强度最小的天线阵子的位置，并确定所述UCA的平移方向为所述UCA的圆心到所述UCA上电场强度最小的天线阵子的方向；

平移步长调整模块，用于在轴校准过程中，对所述校准天线阵中的两个UCA分别执行：针对所述UCA计算本次平移方向和上次平移方向的夹角，如果该夹角超过90度，则减小所述UCA对应的平移步长；否则，保持所述UCA对应的平移步长不变；以及

平移模块，用于在轴校准过程中，对所述校准天线阵中的两个UCA分别执行：判断所述UCA对应的平移步长是否小于预先确定的校准精度，如果是，则对于所述UCA的平移终止；如果所述UCA对应的平移步长大于或等于预先确定的校准精度，则控制所述UCA按照本次平移方向平移，平移的位移为所述UCA对应的平移步长。

4.根据权利要求2或3所述的装置，其特征在于，所述轴向确定单元确定作为发射天线的UCA的轴向与所述两个UCA的圆心所确定的直线重合。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述校准天线阵中的N个天线阵子排列为一个均匀圆形天线阵UCA；作为发射天线的UCA当前使用的OAM模式为0；

所述天线阵调整控制单元包括：

初始化模块，用于在进行轴校准之前初始化平移步长；

平移方向确定模块，用于在轴校准过程中，确定所述UCA上电场强度最大的天线阵子的位置，并确定所述UCA的平移方向为所述UCA的圆心到所述UCA上电场强度最大的天线阵子的方向；

平移步长调整模块，用于针对所述UCA计算本次平移方向和上次平移方向的夹角，如果该夹角超过90度，则减小所述UCA对应的平移步长；否则，保持所述UCA对应的平移步长不变；

平移模块，用于判断所述UCA对应的平移步长是否小于预先确定的校准精度，如果是，则对于所述UCA的平移终止；如果所述UCA对应的平移步长大于或等于预先确定的校准精度，则控制所述UCA按照本次平移方向平移，平移的位移为所述UCA对应的平移步长；

平面内旋转模块，用于找到所述UCA上电场强度最小的天线阵子A_l，并控制所述UCA在其平面内以所述UCA的轴向为轴心旋转，使得上述电场强度最小的天线阵子A_l在当前位置上的电场强度达到最小值；以及

平面旋转模块，用于以所述UCA的圆心O和上述天线阵子A_l所确定的直线OA_l为轴控制UCA旋转，直至所述UCA上各天线阵子的电场强度中的最大值与各天线阵子的电场强度中的最小值之差达到最小。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述校准天线阵中的N个天线阵子排列为一个均匀圆形天线阵UCA；作为发射天线的UCA当前使用的OAM模式不为0；

所述天线阵调整控制单元包括：

初始化模块，用于在进行轴校准之前初始化平移步长；

平移方向确定模块，用于在轴校准过程中，确定所述UCA上电场强度最大的天线阵子的位置，并确定所述UCA的平移方向为所述UCA的圆心到所述UCA上电场强度最小的天线阵子的方向；

平移步长调整模块，用于针对所述UCA计算本次平移方向和上次平移方向的夹角，如果该夹角超过90度，则减小所述UCA对应的平移步长；否则，保持所述UCA对应的平移步长不变；

平移模块，用于判断所述UCA对应的平移步长是否小于预先确定的校准精度，如果是，则对于所述UCA的平移终止；如果所述UCA对应的平移步长大于或等于预先确定的校准精度，则控制所述UCA按照本次平移方向平移，平移的位移为所述UCA对应的平移步长；

平面内旋转模块，用于找到所述UCA上电场强度最大的天线阵子A_l，并控制所述UCA在其平面内以所述UCA的轴向为轴心旋转，使得上述电场强度最大的天线阵子A_l在当前位置上的电场强度达到最大值；以及

平面旋转模块，用于以所述UCA的圆心O和上述天线阵子A_l所确定的直线OA_l为轴控制UCA旋转，直至所述UCA上各天线阵子的电场强度中的最大值与各天线阵子的电场强度中的最小值之差达到最小。

7.根据权利要求5或6所述的装置，其特征在于，所述轴向确定单元确定作为发射天线的UCA的轴向与所述校准天线阵中的UCA的垂直轴向重合。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述校准天线阵中的N个天线阵子排列为两个多边形，满足条件：边的数量大于或等于4；有两对或两对以上的边相互平行；对于每对相互平行的边，其垂直平分线之间的距离应小于这对边长度和的一半。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，作为发射天线的UCA当前使用的OAM模式为0；所述天线阵调整控制单元包括：

初始化模块，用于在进行轴校准之前初始化平移步长；

第二平移方向确定模块，用于确定所述多边形上电场强度最大的天线阵子的位置；如果所述多边形上电场强度最大的天线阵子的位置不为所述多边形的任何一个角，则平移终止；否则，确定所述多边形的平移方向为所述多边形的中心到所述多边形上电场强度最大的天线阵子的方向；以及

第二平移模块，用于控制所述多边形按照本次平移方向平移一个平移步长。

10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，作为发射天线的UCA当前使用的OAM模式不为0；所述天线阵调整控制单元包括：

初始化模块，用于在进行轴校准之前初始化平移步长；

第二平移方向确定模块，用于确定所述多边形上电场强度最小的天线阵子的位置；如果所述多边形上电场强度最小的天线阵子的位置不为所述多边形的任何一个角，则平移终止；否则，确定所述多边形的平移方向为所述多边形的中心到所述多边形上电场强度最小的天线阵子的方向；以及

第二平移模块，用于控制所述多边形按照本次平移方向平移一个平移步长。

11.根据权利要求9或10所述的装置，其特征在于，所述轴向确定单元确定作为发射天线的UCA的轴向与所述校准天线阵中两个多边形每组对边上具有最大电场强度的天线阵子连线所确定的中心所确定的直线重合。

12.一种校准天线阵的平移方法，其特征在于，所述校准天线阵包括均匀圆形天线阵UCA；所述方法包括：

A、根据所述UCA上各个天线阵子的接收信号确定所述UCA上各个天线阵子当前所处位置的电场强度；

根据所述UCA上各个天线阵子当前所处位置的电场强度确定所述UCA上电场强度最大或最小的天线阵子的位置；

确定所述UCA的平移方向为所述UCA的圆心到所述UCA上电场强度最大或最小的天线阵子的方向；

计算本次平移方向和上次平移方向的夹角，如果该夹角超过90度，则减小所述UCA对应的平移步长；否则，保持平所述UCA对应的平移步长不变；以及

判断所述UCA对应的平移步长是否小于预先确定的校准精度，如果是，则对于所述UCA的平移终止；如果所述UCA对应的平移步长大于或等于预先确定的校准精度，则控制所述UCA按照本次平移方向平移，平移的位移为上述平移步长，然后，返回A。

13.一种校准天线阵的平移方法，其特征在于，所述校准天线阵包括多边形天线阵，所述多边形天线阵满足条件：边的数量大于或等于4；有两对或两对以上的边相互平行；对于每对相互平行的边，其垂直平分线之间的距离应小于这对边长度和的一半；所述方法包括：

B、根据多边形天线阵的接收信号，确定所述多边形上各个天线阵子当前所处位置的电场强度；

确定所述多边形上电场强度最大或最小的天线阵子的位置；

若所述多边形上电场强度最大或最小的天线阵子的位置不为所述多边形的任何一个角，则平移终止；否则，确定本次所述多边形的平移方向为所述多边形的中心到所述多边形上电场强度最大或最小的天线阵子的方向；以及

控制所述多边形按照本次平移方向平移一个平移步长，并返回B。

14.一种校准天线阵的旋转方法，其特征在于，所述校准天线阵包括均匀圆形天线阵UCA；所述方法包括：

找到所述UCA上电场强度最小或最大的天线阵子A_l，并控制所述UCA在其平面内以所述UCA的轴向为轴心旋转，使得上述电场强度最小或最大的天线阵子A_l在当前位置上的电场强度达到最小值或最大值；以及

以所述UCA的圆心O和上述天线阵子A_l所确定的直线OA_l为轴控制UCA旋转，直至该UCA上各天线阵子的电场强度中的最大值与各天线阵子的电场强度中的最小值之差最小。