CN108710034A - 一种用于校准的5g阵列天线近场面测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于校准的5G阵列天线近场面测量方法，包括以下步骤：S1.建立测量模型；S2.测量阵列天线的位置导引矩阵作为先验信息；S3.测量天线单元同时激励时的阵列场矩阵；S4.将阵列天线的位置导引矩阵与天线单元同时激励时的阵列场信息带入测量模型中，得到阵列天线的激励向量。本发明提供的5G阵列天线近场面测量方法，能够精确测量阵列天线各个天线单元激励所构成的向量，为5G阵列天线的校准提供准确的依据；并且，根据均匀圆环阵列或均匀直线阵列的位置导引矩阵特性，在进行位置导引矩阵测量时，只需要测量部分天线单元在每个测量点上的单元辐射场，就可以推导出对应的位置导引矩阵，减小了测试的复杂度，提高了测量速度。

Description

一种用于校准的5G阵列天线近场面测量方法

技术领域

本发明涉及天线校准，特别是涉及一种用于校准的5G阵列天线近场面测量方法。

背景技术

大规模MIMO(多输入多输出)通信技术是5G的关键技术之一。大规模MIMO技术是指在基站端配置远多于现有系统中天线数若干数量级的大规模天线阵列来同时服务于多个用户。

在4G通信中，MIMO天线数量较少，多为4个或8个，天线数量少就限制了4G网络的通信容量。5G在4G研究的基础上，提出了大规模MIMO的概念，MIMO天线数量可以是成百上千个，而理论上的通信容量则是无限的。大规模MIMO技术要求所有的复杂处理运算均放在基站处进行，这可以降低终端复杂度。大规模MIMO技术的优点还在于：消除用户间的干扰、缩短了等待延迟、提升了空间分辨率、降低系统部署成本、提升系统总能效等。

大规模MIMO依赖大规模阵列天线，大规模阵列天线的性能将是影响网络质量的一个重要因素。

随着大规模阵列天线在这样的大趋势下发展，其具体技术也在往更宽的带宽、更宽的扫描角度、更多的极化多样性和更低的成本方向发展。随着对大规模阵列天线性能要求的提高，同时始终与之伴随着阵列天线测量与校准技术的发展，因为一切阵列天线功能的实现都是基于对阵面各个单元激励的控制，对大规模阵列的要求越高，那么对激励控制的要求越高，测量与校准技术的重要性也越来越凸显出来。

对于已经加工出来的阵列天线，根据其设计原理，在理想情况下输入控制信号就能得到对应的幅相分布。但往往由于加工误差和阵列系统中的通道误差等，会导致阵列天线达不到理想辐射特性。这些因素最终都归结为阵列天线单元各个通道的馈电幅度与相位不一致性。通过精确测得各个阵列天线单元的激励幅度和相位，对于5G阵列天线校准具有重要的理论和实际价值。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于校准的5G阵列天线近场面测量方法，针对均匀圆环阵列和均匀直线阵列，能够准确地实现阵列天线的激励向量测量，为5G阵列天线的校准提供了准确的依据。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种用于校准的5G阵列天线近场面测量方法，包括以下步骤：

S1.建立测量模型：

设阵列天线的天线单元数量为N，测量点数量为M，每个天线单元被单独激励时形成的电磁场是一样的，不论是近场还是远场，某个天线单元在空间中某一点形成的电磁场只和这个空间点与天线单元的相对位置有关，在第i个测量点上的电场表示如下：

其中，E(r_i)为第i个测量点上的电场，a_l为第l个天线单元的激励，E(r_i，l)为第l个天线单元被单元激励时在第i个测量点上的产生的电场；r_i，l是坐标系中第l个天线单元到第i个测量点的位置矢量，i＝1，2，…，M，l＝1，2，…，N；

综合所有测量点上的场叠加方程，并且考虑到实际测试为测试天线的主极化，建立如下测量模型：

Y＝A_M×NX；

Y＝(E^μ(r₁) E^μ(r₂) … E^μ(r_M))^T

X＝(a₁ a₂ … a_N)^T；

其中，A_M×N为主极化下的位置导引矩阵，Y为主极化下阵列同时激励时的阵列场；X为待求的阵列天线激励向量；E^μ(r_i)为第i个测量点上电场在主极化e_μ方向上的分量，E^μ(r_i，l)为第l个天线单元单位激励时在第i个测量点上产生的电场在e_μ方向上的分量；

S2.测量阵列天线的位置导引矩阵A_M×N作为先验信息；

S3.测量天线单元同时激励时的阵列场矩阵Y；

S4.将阵列天线的位置导引矩阵A_M×N与天线单元同时激励时的阵列场信息Y带入测量模型中，得到阵列天线的激励向量X。

进一步地，所述阵列天线为均匀圆环阵列或均匀直线阵列。

进一步地，所述天线单元数量为N与测量点数量为M相等。

其中，阵列天线为均匀圆环阵列时，所述步骤S2包括：

建立均匀圆环阵列的位置导引矩阵A_M×N求解模型：

在该矩阵中，每一列是前一列把最后一项放在第一项地，形成循环矩阵，对于N维的循环矩阵，只要知道它其中任意一行或是一列，就能求出整个矩阵；

对于第一个天线单元，分别在r₁，r₂，…，r_N这N个测量点进行测量，得到第一个天线单元在N个测量点上的单元辐射场E^μ(r₁)，E^μ(r₂)，…，E^μ(r_N)；

根据均匀圆环阵列位置导引矩阵的循环特性，从第一列开始，依次推导出位置导引矩阵各列的单元辐射场信息，生成位置导引矩阵A_M×N作为先验信息。

其中，阵列天线为均匀直线阵列时，所述步骤S2包括：

建立均匀直线阵列的位置导引矩阵A_M×N求解模型：

该矩阵中每个元素与它左上角的元素一样，但列与列之间不具有循环性，这种矩阵是Toeplitz矩阵，对于N维的Toeplitz矩阵，求出它的第一列和最后一列，就能求得整个矩阵；

测量阵列最左边天线单元在每一个测量点上的单元辐射场E^μ(r₀)，E^μ(r₁)，…，E^μ(r_N-1)，并将其作为位置导引矩阵的第一列；

测量阵列最左边天线单元在每一个测量点上的单元辐射场并将其作为位置导引矩阵的最后一列；

根据均匀直线阵列位置导引矩阵的特性，推导出各列的单元辐射场信息，生成位置导引矩阵A_M×N作为先验信息。

其中，所述步骤S3包括：

同时激励每个天线单元，测量得到每个测量点上的电场幅度和相位，并形成阵列场矩阵Y：

Y＝(E^μ(r₁)E^μ(r₂)…E^μ(r_M))^T。

本发明的有益效果是：本发明提供的5G阵列天线近场面测量方法，能够精确测量阵列天线各个天线单元激励所构成的向量，为5G阵列天线的校准提供准确的依据；并且，根据均匀圆环阵列或均匀直线阵列的位置导引矩阵特性，在进行位置导引矩阵测量时，只需要测量部分天线单元在每个测量点上的单元辐射场，就可以推导出对应的位置导引矩阵，减小了测试的复杂度，提高了测量速度。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为均匀圆环阵列测量点示意图；

图3为均匀直线阵列测量点示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1所示，一种用于校准的5G阵列天线近场面测量方法，包括以下步骤：

S1.建立测量模型：

设阵列天线的天线单元数量为N，测量点数量为M，每个天线单元被单独激励时形成的电磁场是一样的，不论是近场还是远场，某个天线单元在空间中某一点形成的电磁场只和这个空间点与天线单元的相对位置有关，在第i个测量点上的电场表示如下：

其中，E(r_i)为第i个测量点上的电场，a_l为第l个天线单元的激励，E(r_i，l)为第l个天线单元被单元激励时在第i个测量点上的产生的电场；r_i，l是坐标系中第l个天线单元到第i个测量点的位置矢量，i＝1，2，…，M，l＝1，2，…，N；

综合所有测量点上的场叠加方程，并且考虑到实际测试为测试天线的主极化，建立如下测量模型：

Y＝A_M×NX；

Y＝(E^μ(r₁) E^μ(r₂) … E^μ(r_M))^T

X＝(a₁ a₂ … a_N)^T；

其中，A_M×N为主极化下的位置导引矩阵，Y为主极化下阵列同时激励时的阵列场；X为待求的阵列天线激励向量；E^μ(r_i)为第i个测量点上电场在主极化e_μ方向上的分量，E^μ(r^{i ，l})为第l个天线单元单位激励时在第i个测量点上产生的电场在e_μ方向上的分量；

可以看出，如果位置导引A_M×N矩阵中的M×N个位置矢量相互都不相同，那么要得到矩阵A_M×N就需要知道每个天线单元单独激励时在每个测量点的上的电场。但对于较大规模的阵列，这样的工作基本是无法实现的；因此本测量方法主要针对两种排布形式比较规则的阵列：均匀圆环阵列和均匀直线阵列。

S2.测量阵列天线的位置导引矩阵A_M×N作为先验信息；

S3.测量天线单元同时激励时的阵列场矩阵Y；

S4.将阵列天线的位置导引矩阵A_M×N与天线单元同时激励时的阵列场信息Y带入测量模型中，得到阵列天线的激励向量X。

所述天线单元数量为N与测量点数量为M相等。

在本申请的实施例中，当阵列天线为均匀圆环阵列时，阵列关于环轴按(360/N)度旋转对称，在这种情况下，各个天线单元的环境完全一致，相互之间只是关于环轴有一定角度的旋转，所以它们的辐射场关于环轴旋转对称，而在以各自结构建立的坐标系中则是相同的，如图2所示，均匀圆环阵列测量点示意图，该示意图中每个测量点都位于天线的正上方距离r₁处；天线和测量点的编号都从中间最上面开始沿顺时针方向；

建立均匀圆环阵列的位置导引矩阵A_M×N求解模型为：

在该矩阵中，每一列是前一列把最后一项放在第一项地，形成循环矩阵，对于N维的循环矩阵，只要知道它其中任意一行或是一列，就能求出整个矩阵；

对于第一个天线单元，分别在r₁，r₂，…，r_N这N个测量点进行测量，得到第一个天线单元在N个测量点上的单元辐射场E^μ(r₁)，E^μ(r₂)，…，E^μ(r_N)；

根据均匀圆环阵列位置导引矩阵的循环特性，从第一列开始，依次推导出位置导引矩阵各列的单元辐射场信息，生成位置导引矩阵A_M×N作为先验信息。

在本申请的实施例中，当阵列天线为均匀直线阵列时，测量点排布间距和天线单元的排布间距一样，每个测量点都位于天线的正上方距离r₀处，均匀直线阵列测量点示意图如图3所示；

建立均匀直线阵列的位置导引矩阵A_M×N求解模型为：

该矩阵中每个元素与它左上角的元素一样，但列与列之间不具有循环性，这种矩阵是Toeplitz矩阵，对于N维的Toeplitz矩阵，求出它的第一列和最后一列，就能求得整个矩阵；

测量阵列最左边天线单元在每一个测量点上的单元辐射场E^μ(r₀)，E^μ(r₁)，…，E^μ(r_N-1)，并将其作为位置导引矩阵的第一列；

测量阵列最左边天线单元在每一个测量点上的单元辐射场并将其作为位置导引矩阵的最后一列；

根据均匀直线阵列位置导引矩阵的特性，推导出各列的单元辐射场信息，生成位置导引矩阵A_M×N作为先验信息。

在本申请的实施例中，所述步骤S3包括：

同时激励每个天线单元，测量得到每个测量点上的电场幅度和相位，并形成阵列场矩阵Y：

Y＝(E^μ(r₁) E^μ(r₂) … E^μ(r_M))^T。

综上所述，本发明提供的5G阵列天线近场面测量方法，能够精确测量阵列天线各个天线单元激励所构成的向量，为5G阵列天线的校准提供准确的依据；并且，根据均匀圆环阵列或均匀直线阵列的位置导引矩阵特性，在进行位置导引矩阵测量时，只需要测量部分天线单元在每个测量点上的单元辐射场，就可以推导出对应的位置导引矩阵，减小了测试的复杂度，提高了测量速度。

最后需要说明的是，以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种用于校准的5G阵列天线近场面测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1.建立测量模型：

设阵列天线的天线单元数量为N，测量点数量为M，每个天线单元被单独激励时形成的电磁场是一样的，不论是近场还是远场，某个天线单元在空间中某一点形成的电磁场只和这个空间点与天线单元的相对位置有关，在第i个测量点上的电场表示如下：

其中，E(r_i)为第i个测量点上的电场，a_l为第l个天线单元的激励，E(r_i，l)为第l个天线单元被单元激励时在第i个测量点上的产生的电场；r_i，l是坐标系中第l个天线单元到第i个测量点的位置矢量，i＝1，2，…，N，l＝1，2，…，N；

综合所有测量点上的场叠加方程，并且考虑到实际测试为测试天线的主极化，建立如下测量模型：

Y＝A_M×NX；

Y＝(E^μ(r₁) E^μ(r₂) … E^μ(r_M))^T

X＝(a₁ a₂ … a_N)^T；

其中，A_M×N为主极化下的位置导引矩阵，Y为主极化下阵列同时激励时的阵列场；X为待求的阵列天线激励向量；E^μ(r_i)为第i个测量点上电场在主极化e_μ方向上的分量，E^μ(r_i，l)为第l个天线单元单位激励时在第i个测量点上产生的电场在e_μ方向上的分量；

S2.测量阵列天线的位置导引矩阵A_M×N作为先验信息；

S3.测量天线单元同时激励时的阵列场矩阵Y；

S4.将阵列天线的位置导引矩阵A_M×N与天线单元同时激励时的阵列场信息Y带入测量模型中，得到阵列天线的激励向量X。

2.根据权利要求1所述的一种用于校准的5G阵列天线近场面测量方法，其特征在于：所述阵列天线为均匀圆环阵列或均匀直线阵列。

3.根据权利要求2所述的一种用于校准的5G阵列天线近场面测量方法，其特征在于：所述天线单元数量为N与测量点数量为M相等。

4.根据权利要求3所述的一种用于校准的5G阵列天线近场面测量方法，其特征在于：阵列天线为均匀圆环阵列时，所述步骤S2包括：

建立均匀圆环阵列的位置导引矩阵A_M×N求解模型：

在该矩阵中，每一列是前一列把最后一项放在第一项地，形成循环矩阵，对于N维的循环矩阵，只要知道它其中任意一行或是一列，就能求出整个矩阵；

对于第一个天线单元，分别在r₁，r₂，…，r_N这N个测量点进行测量，得到第一个天线单元在N个测量点上的单元辐射场E^μ(r₁)，E^μ(r₂)，…，E^μ(r_N)；

根据均匀圆环阵列位置导引矩阵的循环特性，从第一列开始，依次推导出位置导引矩阵各列的单元辐射场信息，生成位置导引矩阵A_M×N作为先验信息。

5.根据权利要求3所述的一种用于校准的5G阵列天线近场面测量方法，其特征在于：阵列天线为均匀直线阵列时，所述步骤S2包括：

建立均匀直线阵列的位置导引矩阵A_M×N求解模型：

该矩阵中每个元素与它左上角的元素一样，但列与列之间不具有循环性，这种矩阵是Toeplitz矩阵，对于N维的Toeplitz矩阵，求出它的第一列和最后一列，就能求得整个矩阵；

测量阵列最左边天线单元在每一个测量点上的单元辐射场E^μ(r₀)，E^μ(r₁)，…，E^μ(r_N-1)，并将其作为位置导引矩阵的第一列；

测量阵列最左边天线单元在每一个测量点上的单元辐射场并将其作为位置导引矩阵的最后一列；

根据均匀直线阵列位置导引矩阵的特性，推导出各列的单元辐射场信息，生成位置导引矩阵A_M×N作为先验信息。

6.根据权利要求1所述的一种用于校准的5G阵列天线近场面测量方法，其特征在于：所述步骤S3包括：

同时激励每个天线单元，测量得到每个测量点上的电场幅度和相位，并形成阵列场矩阵Y：

Y＝(E^μ(r₁) E^μ(r₂)…E^μ(r_M))^T。