CN109444561A - 一种用于阵列天线校准的天线面测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于阵列天线校准的天线面测量方法，包括以下步骤：S1.对于具有M个天线单元的阵列天线，选取M个测量点进行电场测量；S2.建立测量模型；S3.获取测量点与天线阵列之间的互耦系数矩阵；S4.同时激励所有天线单元，依次在每个测量点上测量得到电场；S5.根据测量模型求解天线阵列的天线单元激励。本发明提供了一种用于阵列天线校准的天线面测量方法，能够应用于任意形式的天线阵列进行天线单元激励测量，并且简化和测量步骤，节省了测量时间，为阵列天线的校准提供了依据。

Description

一种用于阵列天线校准的天线面测量方法

技术领域

本发明涉及天线测量与校准，特别是涉及一种用于阵列天线校准的天线面测量方法。

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，来得到天线单元的幅度和相位，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，提供一种用于阵列天线校准的天线面测量方法，能够应用于任意形式的天线阵列，并且简化了测量步骤，节省了测量时间。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种用于阵列天线校准的天线面测量方法，包括以下步骤：

S1.对于具有M个天线单元的阵列天线，选取M个测量点进行电场测量；

S2.建立测量模型：Y_M×1＝E_M×M·X_M×1，其中Y代表测量点上测量得到的数据，E_M×M代表测量点与阵列单元之间的互耦系数矩阵；X_M×1代表天线单元上的激励；

S3.获取测量点与天线阵列之间的互耦系数矩阵E_M×M；

S4.同时激励所有天线单元，依次在每个测量点上测量得到电场y_i，得到矩阵Y_M×1；

S5.根据测量模型求解天线阵列的天线单元激励：

X_M×1＝E^-1Y_M×1。

在近场测量的情况下，所述M个测量点位于不同的位置；在远场测量的情况下，所述M个测量点位于不同角度。

其中，所述步骤S2包括以下子步骤：

设阵列天线的M个天线单元同时被激励时，第i个测量点上的电场为y_i，则：

其中，x_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，其余天线单元接匹配负载时，在第i个测量点上的产生的电场，E(r_i，l)代表着一个天线单元的单元辐射电场，也就是天线单元与测量点之间的互耦系数；r_i，l表示坐标系中第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，…，M；

综合所有测量点上的场叠加方程，考虑到实际测试往往是测试天线的主极化，得到如下线性方程组：

Y_M×1＝E_M×MX_M×1；

Y_M×1＝(y₁ y₂ … y_M)^T；

X_M×1＝(a₁ a₂ … a_M)^T；

Y_M×1是主极化情况下测量点测得的数据；这里E_M×M就是主极化情况下的互耦系数矩阵；这里X_M×1为待求的天线单元的激励。

进一步地，所述步骤S3包括以下子步骤：

S301.选取第i个测量点，在该测量点上放置一个探头，发射已知信号大小的发射信号；

S302.对阵列天线接收到的信号进行处理，得到第i次测量过程中信号子空间的特征向量v₁；

S303.选取第一个天线单元，根据该单元接收到的信号与第i个测量点发射的信号，计算该单元与第i个测量点之间的互耦系数s_i，1，并据此计算出互耦系数s_i，1与特征向量v₁之间的关系系数k；

S304.计算阵列天线与第i个测量点之间的互耦系数s_i＝kv₁；

S305.对于每个天线的测量点，重复步骤S30l～步骤S304，得到每一个测量点与阵列天线之间互耦系数，形成互耦系数矩阵E_M×M。

其中，所述步骤S302包括：

建立阵列天线的接收信号与第i个测量点发射信号的关系：

B_i＝S_i·A_i+N

其中，A_i＝a_i表示第i个测量点发射的天线信号，B_i＝(b_i1，b_i2，…，b_iM)^T表示第i个测量点发射信号时阵列天线的接收信号；S_i＝(s_i1，_si2，…，s_iM)^T，表示第i个测量点和天线阵元之间的互耦系数，其中即S_i的转置与互耦系数矩阵E_N×M的第i行相等；N＝(n₁，n₂，…，n_M)，表示M个单元接收的噪声信号，噪声信号为高斯白噪声，与测量点无关；

计算B_i的协方差矩阵R_bi：

R_bi＝E[B_iB_i ^H]；

其中，B_i ^H是B_i的共轭转置；

B_i＝S_i·A_i+N

计算A_i，N的协方差矩阵：

R_ai＝E[A_iA_i ^H]，R_N＝E[NN^H]＝σ²I；

其中，σ是高斯分布的标准差，I是单位矩阵；因为R_ai是1×1维的矩阵，并且a_i＞0，所以其秩为1，即rank(R_ai)＝1，由矩阵理论，对于任意的S_i，都有rank(S_iR_aiS_i ^H)＝1；

在没有噪声时，由于R_bi＝E[B_iB_i ^H]，所以R_bi是Hermite矩阵，它的特征值都是实数；又由于R_bi是正定的，所以矩阵S_iR_biS_i ^H是半正定的，它有1个正特征值和M-1个零特征值；

考虑有噪声存在的情况，R_bi＝S_iR_aiS_i ^H+σ²I，由于σ²＞0，R_bi为满秩矩阵，所以R_bi有M个正特征值，并对应M个特征向量，又因为R_bi是Hermite矩阵，所以各个特征向量是正交的，即v_p ^Hv_q＝0，p≠q；

计算R_bi的M个正特征值和对应的特征向量，将R_bi的特征值从大到小进行排序，得到λ₁≥λ₂≥…≥λ_M＞0；其中与信号有关的特征值只有1个，即第1个较大的特征值，等于矩阵S_iR_aiS_i ^H的特征值与σ²之和；其余M-1个特征值为σ₂；第一个特征值对应的特征向量就是v₁。

其中，所述步骤S303包括：

选取第一个天线单元，利用该单元接收到的信号b_i,1，计算该单元与第i个测量点之间的互耦系数s_i,1：

计算出互耦系数s_i,1与特征向量v₁之间的关系系数：

本发明的有益效果是：本发明在每个测量点与天线阵列之间进行互耦系数测量的时候，只需要获得整个天线阵列的接收信号与第一个天线单元的接收信号，即可计算得到该测量点与天线阵列之间的互耦系数，简化了测量步骤，节省了测量时间；依次测得各个测量点与天线阵列之间的互耦系数，即可得到所需的互耦系数矩阵，在进行天线激励测量时，通过测试各测量点上的电场，结合得到的互耦系数矩阵，即可求解出天线单元的激励，适用于任意形式的天线阵列。

附图说明

图1为本发明的方法流程图。

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，一种用于阵列天线校准的天线面测量方法，包括以下步骤：

S1.对于具有M个天线单元的阵列天线，选取M个测量点进行电场测量；

S2.建立测量模型：Y_M×1＝E_M×M·X_M×1，其中Y代表测量点上测量得到的数据，E_M×M代表测量点与阵列单元之间的互耦系数矩阵；X_M×1代表天线单元上的激励；具体地：

设阵列天线的M个天线单元同时被激励时，第i个测量点上的电场为y_i，则：

其中，x_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，其余天线单元接匹配负载时，在第i个测量点上的产生的电场，E(r_i，l)代表着一个天线单元的单元辐射电场，也就是天线单元与测量点之间的互耦系数；r_i，l表示坐标系中第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，…，M；

综合所有测量点上的场叠加方程，考虑到实际测试往往是测试天线的主极化，得到如下线性方程组：

Y_M×1＝E_M×MX_M×1；

Y_M×1＝(y₁ y₂ … y_M)^T；

X_M×1＝(a₁ a₂ … a_M)^T；

Y_M×1是主极化情况下测量点测得的数据；这里E_M×M就是主极化情况下的互耦系数矩阵；这里X_M×1为待求的天线单元的激励。

S3.获取测量点与天线阵列之间的互耦系数矩阵E_M×M；具体地，所述步骤S3包括以下子步骤：

S301.选取第i个测量点，在该测量点上放置一个探头，发射已知信号大小的发射信号；

S302.对阵列天线接收到的信号进行处理，得到第i次测量过程中信号子空间的特征向量v₁：

建立阵列天线的接收信号与第i个测量点发射信号的关系：

B_i＝S_i·A_i+N

其中，A_i＝a_i表示第i个测量点发射的天线信号，B_i＝(b_i1，b_i2，…，b_iM)^T表示第i个测量点发射信号时阵列天线的接收信号；S_i＝(s_i1，s_i2，…，s_iM)^T，表示第i个测量点和天线阵元之间的互耦系数，其中即S_i的转置与互耦系数矩阵E_N×M的第i行相等；N＝(n₁，n₂，…，n_M)，表示M个单元接收的噪声信号，与测量点无关，可假设噪声信号为高斯白噪声，；

计算B_i的协方差矩阵R_bi：

R_bi＝E[B_iB_i ^H]；

其中，B_i ^H是B_i的共轭转置；

B_i＝S_i·A_i+N

计算A_i，N的协方差矩阵：

R_ai＝E[A_iA_i ^H]，R_N＝E[NN^H]＝σ²I；

其中，σ是高斯分布的标准差，I是单位矩阵；因为R_ai是1×1维的矩阵，并且a_i＞0，所以其秩为1，即rank(R_ai)＝1，由矩阵理论，对于任意的S_i，都有rank(S_iR_aiS_i ^H)＝1；

在没有噪声时，由于R_bi＝E[B_iB_i ^H]，所以R_bi是Hermite矩阵，它的特征值都是实数；又由于R_bi是正定的，所以矩阵S_iR_biS_i ^H是半正定的，它有1个正特征值和M-1个零特征值；

考虑有噪声存在的情况，R_bi＝S_iR_aiS_i ^H+σ²I，由于σ²＞0，R_bi为满秩矩阵，所以R_bi有M个正特征值λ₁，λ₂，…，λ_M，分别对应M个特征向量v₁，v₂，…，v_M。又因为R_bi是Hermite矩阵，所以各个特征向量是正交的，即v_p ^Hv_q＝0，p≠q。

计算R_bi的M个正特征值和对应的特征向量，将R_bi的特征值从大到小进行排序，得到λ₁≥λ₂≥…≥λ_M＞0；其中与信号有关的特征值只有1个，即第1个较大的特征值，等于矩阵S_iR_aiS_i ^H的特征值与σ²之和；其余M-1个特征值为σ²；第一个特征值对应的特征向量就是v₁。

S303.选取第一个天线单元，根据该单元接收到的信号与第i个测量点发射的信号，计算该单元与第i个测量点之间的互耦系数s_i,1，并据此计算出互耦系数s_i,1与特征向量v₁之间的关系系数k：

由于v_p是与λ_p相对应的特征向量，则有R_biv_p＝λ_pv_p，p＝2，3，…，M即R_biv_p＝σ²v_p，p＝2，3，…，M；代入R_bi＝S_iR_aiS_i ^H+σ²I，可得σ²v_p＝S_iR_aiS_i ^Hv_p+σ²v_p，即S_iR_aiS_i ^Hv_p＝0，S_i ^HS_i实质是一个1×1维的矩阵，且其一定是正定的(互耦系数一定是大于零的)，所以(SiHSi)-1存在，R_ai ^-1同样存在，则上式两边同乘R_ai ^-1(S_i ^HS_i)^-1S_i ^H可得R_ai ^-1(S_i ^HS_i)^-1S_i ^HS_iR_aiS_i ^Hv_p＝0，即

S_i ^Hv_p＝0，p＝2，3，…，M；

从上式可以得到，互耦系数S_i与噪声子空间的每一个特征向量都是正交的，那么S必定可以由信号子空间的特征向量v₁线性表出。即存在关系式

故只要计算出关系系数k，即可得到阵列天线与第i个测量点之间的互耦系数s_i：

选取第一个天线单元，利用该单元接收到的信号b_i,1，计算该单元与第i个测量点之间的互耦系数s_i,1：

计算出互耦系数s_i,1与特征向量v₁之间的关系系数：

S304.计算阵列天线与第i个测量点之间的互耦系数s_i＝kv₁；

S305.对于每个天线的测量点，重复步骤S301～步骤S304，得到每一个测量点与阵列天线之间互耦系数，形成互耦系数矩阵E_M×M。

S4.同时激励所有天线单元，依次在每个测量点上测量得到电场y_i，得到矩阵Y_M×1；

S5.根据测量模型求解天线阵列的天线单元激励：

X_M×1＝E^-1Y_M×1。

在本申请的实施例中，在近场测量的情况下，所述M个测量点位于不同的位置；在远场测量的情况下，所述M个测量点位于不同角度。

本发明不需要移相器即可实现天线单元的激励检测，在每个测量点与天线阵列之间进行互耦系数测量的时候，只需要获得整个天线阵列的接收信号与第一个天线单元的接收信号，即可计算得到该测量点与天线阵列之间的互耦系数，简化了测量步骤，节省了测量时间；依次测得各个测量点与天线阵列之间的互耦系数，即可得到所需的互耦系数矩阵，在进行天线激励测量时，通过测试各测量点上的电场，结合得到的互耦系数矩阵，即可求解出天线单元的激励，适用于任意形式的天线阵列，为阵列天线的校准提供了有效的依据；

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)

1.一种用于阵列天线校准的天线面测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1.对于具有M个天线单元的阵列天线，选取M个测量点进行电场测量；

S2.建立测量模型：Y_M×1＝E_M×M·X_M×1，其中Y代表测量点上测量得到的数据，E_M×M代表测量点与阵列单元之间的互耦系数矩阵；X_M×1代表天线单元上的激励；

S3.获取测量点与天线阵列之间的互耦系数矩阵E_M×M；

S4.同时激励所有天线单元，依次在每个测量点上测量得到电场y_i，得到矩阵Y_M×1；

S5.根据测量模型求解天线阵列的天线单元激励：

X_M×1＝E^-1Y_M×1。

2.根据权利要求1所述的一种用于阵列天线校准的天线面测量方法，其特征在于：在近场测量的情况下，所述M个测量点位于不同的位置；在远场测量的情况下，所述M个测量点位于不同角度。

3.根据权利要求1所述的一种用于阵列天线校准的天线面测量方法，其特征在于：所述步骤S2包括以下子步骤：

设阵列天线的M个天线单元同时被激励时，第i个测量点上的电场为y_i，则：

其中，x_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，其余天线单元接匹配负载时，在第i个测量点上的产生的电场，E(r_i，l)代表着一个天线单元的单元辐射电场，也就是天线单元与测量点之间的互耦系数；r_i，l表示坐标系中第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，…，M；

综合所有测量点上的场叠加方程，考虑到实际测试往往是测试天线的主极化，得到如下线性方程组：

Y_M×1＝E_M×MX_M×1；

Y_M×1＝(y₁ y₂ … y_M)^T；

X_M×1＝(a₁ a₂ … a_M)^T；

Y_M×1是主极化情况下测量点测得的数据；这里E_M×M就是主极化情况下的互耦系数矩阵；这里X_M×1为待求的天线单元的激励。

4.根据权利要求1所述的一种用于阵列天线校准的天线面测量方法，其特征在于：所述步骤S3包括以下子步骤：

S301.选取第i个测量点，在该测量点上放置一个探头，发射已知信号大小的发射信号；

S302.对阵列天线接收到的信号进行处理，得到第i次测量过程中信号子空间的特征向量v₁；

S303.选取第一个天线单元，根据该单元接收到的信号与第i个测量点发射的信号，计算该单元与第i个测量点之间的互耦系数s_i,1，并据此计算出互耦系数s_i,1与特征向量v₁之间的关系系数k；

S304.计算阵列天线与第i个测量点之间的互耦系数s_i＝kv₁；

S305.对于每个天线的测量点，重复步骤S301～步骤S304，得到每一个测量点与阵列天线之间互耦系数，形成互耦系数矩阵E_M×M。

5.根据权利要求4所述的一种用于阵列天线校准的天线面测量方法，其特征在于：所述步骤S302包括：

建立阵列天线的接收信号与第i个测量点发射信号的关系：

B_i＝S_i·A_i+N

其中，A_i＝a_i表示第i个测量点发射的天线信号，B_i＝(b_i1，b_i2，…，b_iM)^T表示第i个测量点发射信号时阵列天线的接收信号；S_i＝(s_i1，s_i2，…，s_iM)^T，表示第i个测量点和天线阵元之间的互耦系数，其中即S_i的转置与互耦系数矩阵E_N×M的第i行相等；N＝(n₁，n₂，…，n_M)，表示M个单元接收的噪声信号，噪声信号为高斯白噪声，与测量点无关；

计算B_i的协方差矩阵R_bi：

R_bi＝E[B_iB_i ^H]；

其中，B_i ^H是B_i的共轭转置；

计算A_i，N的协方差矩阵：

R_ai＝E[A_iA_i ^H]，R_N＝E[NN^H]＝σ²I；

其中，σ是高斯分布的标准差，I是单位矩阵；因为R_ai是1×1维的矩阵，并且a_i＞0，所以其秩为1，即rank(R_ai)＝1，由矩阵理论，对于任意的S_i，都有rank(S_iR_aiS_i ^H)＝1；

在没有噪声时，由于R_bi＝E[B_iB_i ^H]，所以R_bi是Hermite矩阵，它的特征值都是实数；又由于R_bi是正定的，所以矩阵S_iR_biS_i ^H是半正定的，它有1个正特征值和M-1个零特征值；

考虑有噪声存在的情况，R_bi＝S_iR_aiS_i ^H+σ²I，由于σ²＞0，R_bi为满秩矩阵，所以R_bi有M个正特征值，并对应M个特征向量，又因为R_bi是Hermite矩阵，所以各个特征向量是正交的，即v_p ^Hv_q＝0，p≠q；

计算R_bi的M个正特征值和对应的特征向量，将R_bi的特征值从大到小进行排序，得到λ₁≥λ₂≥…≥λ_M＞0；其中与信号有关的特征值只有1个，即第1个较大的特征值，等于矩阵S_iR_aiS_i ^H的特征值与σ²之和；其余M-1个特征值为σ²；第一个特征值对应的特征向量就是ν₁。

6.根据权利要求1所述的一种用于阵列天线校准的天线面测量方法，其特征在于：所述步骤S303包括：

选取第一个天线单元，利用该单元接收到的信号b_i,1，计算该单元与第i个测量点之间的互耦系数s_i,1：

计算出互耦系数s_i,1与特征向量ν₁之间的关系系数：