CN109495141B - 一种模数混合基带多波束形成方法及在无线通信系统应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种包括有源天线单元中发射接收阵列的模拟和数字混合基带多波束形成方法，在空间上产生二维独立多波束或二维阵列波束。也公开了利用这种方法的模数混合基带多波束无线通信系统的结构，可用于包括5G无线通信和基于卫星通信跳波束的天基互联网络。动态二维独立多波束或二维阵列波束使得通信容量大幅提升。与全数字波束形成的系统比较，该系统具有低成本、低功耗的优点，且易于实现。

Description

一种模数混合基带多波束形成方法及在无线通信系统应用
技术领域
本发明涉及微波和毫米波相控阵列、MIMO阵列的应用邻域，如5G无线通信、卫星通信等，如何在基带频率上形成二维多波束的问题。
背景技术
无线通信为了提高通信带宽，趋于使用更高的载频频率，如微波和毫米波频率，然而载频频率导致了传输损耗的增加。在5G无线通信中，由基站/微基站BS到用户终端设备UE的通信，利用了波束形成以提高通信的有效性和通信距离，克服由于传输衰减带来的链路损耗。由于才用了波束，也带来了空间复用的可能性，可以通过增加波束进一步增加通信容量。很明显，当无线基站/微基站BS或通信卫星能够产生的波束越多，其通信容量就越大。
能够低成本低功耗的动态的产生多个无线通信波束，一直是一个很具有挑战的课题。有很多方案被用来实现多波束形成。
一种是全数字化的波束形成方法，即在接收机射频前端将接收信号下变频到基带信号，然后经模数转换器变换成数字信号，在数字域上实现波束形成；而在发射机，也在数字域上实现波束形成，然后经数模转换器和上变频器产生射频信号。这种方法虽然比较灵活，但实现起来功耗较大，主要是模数转换器和数据传输接口的功耗太大。在没有空间滤波的前提下，天线接收来自各个不同方向的信号，也包含了可能幅度很大的干扰信号，而为了能使感兴趣的信号能无失真的被解调出来，必须要求模数转换器的动态范围足够大，这要求更高的量化比特，因此导致功耗大大增加。导致功耗大的另一个因素是高速数据接口用来传输由模数转化器得到的公司数据流。另外在很高的载频上，电磁干扰的问题也很难解决。
另一种是模数混合波束形成方法或者准确的说是射频和数字混合波束形成方法，因为大多的流行的解决方案具体在接收机实现都是在射频上先做一个移相和调幅，然后下变频再数字化，在数字基带上在做波束的形成；在发射机的实现，是在数字基带信号上做波束形成，然后上调到射频，在射频上再做移相和调幅。由于在射频上做移相和调幅，能够做到的移相和调幅精度不高，而且所需的功耗也很大。在接收时，往往噪声系数和线性度指标由于移相和调幅的功能引入而恶化，而且温度的影响也很难解决。除此之外，最主要的问题还在于很难做到接收时的多波束形成。
本发明披露一种模数混合基带多波束形成方法，其模拟多波束形成是在基带频率上实现。在接收阵列中，来自天线的射频信号被变换到基带，然后在模拟基带上完成多波束的形成，并通过波束形成网络完成空间滤波，因此大大减低干扰信号的幅度，也降低了对模数转换器的精度和线性度的要求，故而大大节省了所需的功率消耗。另外，该方法也不需要高速的数据通信接口，不会造成很大的开关电流脉冲和电磁干扰，因而易于物理实现。由于不需要高速的模式转换器和数据通信接口，故而对器件的要求不高，可以用低成本的如硅工艺CMOS实现。
该方法可产生二维独立多波束，也可产生二维阵列多波束，适合无线通信系统，如5G通信系统中的多用户的无线通信，能够大大扩展系统的通信容量。在卫星通信系统，可以利用该方法产生动态跳波束，更适合天基互联网的大容量的随机通信。该方法还可以用于雷达成像系统，快速对空间目标成像。
本发明披露模数混合基带多波束形成无线通信系统，具有成本低、功耗小、功能强、易于实现等优点。
发明内容
本发明提供了一种低功耗、低成本的模数混合基带多波束形成无线通信系统结构和波束形成方法，具体如下：
发明了一种无线通信阵列模数混合基带多波束生成方法,它在一个M行N列的有源天线阵列中的每个接收单元具有双通道射频低噪声放大器先将来自天线单元的接收双极化射频信号放大，再经极化加权滤波器进行极化加权和滤波，再经下变频器由本地时钟产生电路产生的本地时钟驱动下变频到接收模拟基带信号，再经K个并行的接收模拟移相调幅电路产生K个所需的模拟域上的波束基带信号输出。在模拟域上实现多波束可以实现空间滤波，大大降低了其它方向上的干扰信号幅度，降低了对模数转换器的动态范围的要求，因而大大降低了对模数转换器的线性度和精度要求，也节省了功耗。
该有源天线阵列中发射接收阵列中的多个接收单元所产生的K个波束基带信号输出，经K个接收模拟基带波束输出合成电路将相同波束的信号连接起来，形成K个模拟基带波束合成信号，组成接收模拟基带多波束信号，再经并行模数转换器单元转换成接收数字基带列多波束信号；接收数字基带列多波束信号再经数字接收多波束形成/控制器在数字域上做数字处理形成多组接收数据流，并通过接口送至无线通信设备主机。这种在基带信号上实现模拟波束形成的结构与流行的模数混合波束形成在射频上实现波束形成的方法有很大的差别，大大提高了移相和调幅的精度。
该有源天线阵列中的任意一个地址为(n,m)的阵列单元包括接收单元和发射单元，将所需要产生的在任意一个波束的二维移相角度分解成至少两个移相角度之和，其中至少一个移相角度的移相在基带频率模拟域上实现，至少一个移相角度的移相在基带频率数字域上实现，达到接收和发射阵列的全相参，并形成二维阵列波束。全相参是指信号在整个阵列上是完全相干的。
该有源天线阵列中的任意一个地址为(n,m)的阵列单元包括接收单元和发射单元，将需要产生的在任意一个波束的移相角度可以分解成至少两个移相角度之和，其中至少一个在列的方向上的移相角度在基带频率模拟域上实现，至少一个在行的方向上的移相角度在基带频率数字域上实现，达到接收和发射阵列的全相参，并形成接收和发射的二维阵列波束。
该有源天线阵列中的任意一个地址为(n,m)的阵列单元包括接收单元和发射单元，将需要产生的在任意一个波束的移相角度可以分解成至少三个移相角度之和，其中至少一个在列的方向上的移相角度在基带频率模拟域上实现，至少个移相角度在列的方向上和至少个移相角度在行的方向在基带频率数字域上按模块结构分别分级实现，达到接收和发射阵列的全相参，并形成接收和发射的二维阵列波束。
该有源天线阵列中的任意一个地址为(n,m)的阵列单元包括接收单元和发射单元，所需要产生的在任意一个波束的移相角度在基带频率模拟域上实现，达到接收和发射阵列的全相参，并形成接收和发射的二维独立多波束。
该有源天线阵列中的接收单元中的模拟移相调幅电路中包括预失真校正电路来补偿模拟移相调幅电路存在的非线性失真。
该有源天线阵列中的任意一个地址为(n,m)的阵列单元中的发射单元，所需要产生的在任意一个波束的移相角度在基带频率数字域上实现，实现全相参发射子阵列，并形成发射的二维多波束。
该有源天线阵列包括多个全相参发射子阵列构成大的发射阵列并在空间上具有所有由全相参发射子阵列发射出的所有的波束。
本发明揭示了一种模数混合基带多波束形成无线通信系统结构，包括无线通信设备主机产生多波束控制信号，通过数字接收多波束形成/控制器和数字发射多波束形成/控制器，控制有源天线阵列中的所有接收单元和发射单元的多个接收和发射波束设置，按时间表节拍动态产生多个所需要在不同位置的二维跳波束。
模数混合基带多波束形成无线通信系统结构中的天线单元由一个或多个天线组合实现，最终合成有源天线阵列的总方向图由阵列方向图和组合天线方向图的乘积决定。
模数混合基带多波束形成无线通信系统结构中有源天线阵列在物理实现上分成两个独立的阵列，即全相参接收阵列和全相参子阵列构成的发射阵列，而所述的发射/接收芯片分别由位于不同物理位置上的接收芯片发射芯片代替，所述的天线单元分别由接收天线单元和发射天线单元代替，并由被动发射接收隔离分开以降低发射阵列在发射时对成全相参接收阵列的干扰。
模数混合基带多波束形成无线通信系统结构中的被动发射接收隔离可以由主动发射接收隔离电路代替，主动发射接收隔离电路产生与发射阵列泄露到接收阵列空间信号极性相反幅度相同，泄露残差信号由接收阵列提供，无线通信设备主机通过多波束控制信号，调整主动发射接收隔离电路的相位和幅度使得接收阵列产生的泄露残差信号最小。
模数混合基带多波束形成无线通信系统结构中发射基带多波束形成电路可以多种形式在数字域上实现。
模数混合基带多波束形成无线通信系统结构中的接收模拟基带移相调幅电路包括非线性补偿的预失真电路和在正交基带信号域上实现的由数字变量控制的输入和输出在模拟域的基带移相器和基带幅度控制器，形成接收模拟基带波束。
模数混合基带多波束形成无线通信系统结构中的接收模拟基带多波束输出合成电路和基带低通滤波器，在模拟域上由一个分布式线性网络中合并实现模拟域空间滤波。K个接收模拟基带波束在K个接收模拟基带多波束输出合成电路中合并，等同做空间滤波，其效果是增强了波束方向的信号，抑制了来自其它方向的包括干扰在内的其它信号，并形成接收模拟基带多波束信号。
模数混合基带多波束形成无线通信系统结构中的有源天线阵列的接收部分分解成由多个接收单元组成的接收子阵列，有源天线阵列的发射部分分解成由多个发射单元组成的发射子阵列，分别构成接收模块结构和发射模块结构。
模数混合基带多波束形成无线通信系统结构中的有源天线阵列中和接收子阵列和发射子阵列构成接收模块结构和发射模块结构，对每个组成多波束的波束所需的移相角度，按照模块的结构分解至少两个移相角度，分别在模拟域和数字域上实现。
模数混合基带多波束形成无线通信系统结构中的有源天线阵列所有的接收单元通过接收模拟基带移相调幅电路直接做模拟基带信号的多波束形成，再经模数转换器单元转换到数字多波束基带输出，形成接收的二维独立多波束。
模数混合基带多波束形成无线通信系统结构中的有源天线阵列所有的接收单元先沿列的方向上做模拟域的基带多波束形成，再经模数转换器单元转换得到沿列方向上数字基带多波束形成，然后再沿行方向上做数字域的数字多波束，形成接收的二维阵列波束。
模数混合基带多波束形成无线通信系统结构中的有源天线阵列所有的发射单元直接做数字的多波束形成，再经数模转换器单元转换到模拟域多波束输出，形成发射的二维独立多波束。
模数混合基带多波束形成无线通信系统结构中的有源天线阵列的发射通道可以分解成若干个子阵列的组合，每个子阵列形成全相参发射子阵列多波束，后者最终在空间形成所需的发射多波束，即二维独立多波束。
本发明还披露了包括模数混合基带多波束形成无线通信系统结构在通信系统中的几个应用实例：
一种无线通信系统，包括所述的具有模数混合基带多波束形成无线通信系统基站/微基站，移动中继设备和多个的用户设备，利用二维独立多波束方法，实现基站/微基站通过移动中继设备转接的和用户设备之间，及基站/微基站和用户设备之间的点到点的无线通信。
一种无线通信系统，包括所述的模数混合基带多波束形成无线通信系统基站/微基站，移动中继设备和多个的用户设备；基站/微基站在接收时利用二维阵列接收波束进行用户设备移动动态跟踪，在发射时利用二维独立多波束实现基站/微基站通过移动中继设备转接的和用户设备之间，及基站/微基站和用户设备之间的点到点的无线通信。
一种卫星通信系统，包括具有所述的模数混合基带多波束形成无线通信系统的卫星、卫星和地面设备群；利用二维独立多波束方法，通过星间信道实现卫星间无线通信；利用宽覆盖波束完成大面积覆盖，实现低速率的信道管理、信令系统通信、时间表制定的功能；利用二维独立多波束方法实现卫星和地面无线设备群之间的动态无线通信。
一种高速公路无线通信系统，包括路边的基于所述的模数混合基带多波束形成无线通信系统的路边基站/微基站和多个的车辆，路边基站/微基站在接收时利用二维阵列接收波束进行车辆位置动态跟踪与无线接收，在发射时利用二维独立多波束方法实现路边基站/微基站到车辆的点到点的无线通信。
一种包括路基于所述的模数混合基带多波束形成无线通信系统(100)的雷达探测成像系统，在接收时利用二维阵列接收波束进行探测目标位置动态跟踪与无线接收，并根据目标移动轨迹在二维空间上成像。由于在接收是利用二维阵列波束，所以雷达探测的成像速度很快，而且空间积累的时间可以很长，大大提高了雷达的检测灵敏度。
该发明提供了具有功耗，明显优于其它的注入MIMO的解决方案。
附图说明
图1模数混合基带多波束形成无线通信系统示意图
图2发射接收芯片结构和基于TDD模式的发射接收芯片的发射接收结构
图3射频接收通道及基带电路结构
图4接收机模拟基带多波束形成电路
图5接收机模拟基带多波束输出合成电路和基带低通滤波器
图6基带电路和射频发射通道结构
图7发射射频多波束形成单元的实现方法
图8发射基带多波束形成单元
图9 FDD模式下接收多波束和发射子阵多波束
图10天线阵列和天线单元
图11阵列的方向图
图12在一个波束方向上的线性相位的分解
图13二维模拟数字混合基带多波束的示意图
图14无线通信系统与用户设备的通信
图15卫星通信系统动态跳波束通信
图16在高速公路边无线通信系统中的应用
具体实施方式
为使本发明的目的方法和结构能够表述的更加清楚，下文将结合附图对本发明的实施方式进行详尽的说明。
为了准确描述，定义文中所有术语。这里二维空间指的是由方位角和俯仰角组成的二维空间。二维波束可以指在二维空间射频波束，也可以指在变换到基带频率上的与之对应的基带信号波束，根据信号频率而定。这里二维波束包括二维阵列波束和二维独立多波束。二维阵列波束指的是二维并行平面波束群。二维独立波束指的是一个波束，二维独立多波束是多个二维独立波束。这里的阵列是线性相位多波束阵列，均匀排列，非均匀或非线性相位阵列不在讨论之列。
本发明披露一种模数混合基带多波束形成无线通信系统100，其结构见图1，包括一个M行N列的有源天线阵列200、并行模数转换器单元130、并行数模转换器135、数字接收多波束形成/控制器140、数字发射多波束形成/控制器145、无线通信设备主机150和数据接口170。
例如在实现中，一个M行N列的有源天线阵列200中的每个接收单元224具有双通道射频低噪声放大器302，它先将来自天线单元的接收双极化射频信号放大，放大的射频信号再经极化加权滤波器303进行极化加权和滤波，再经下变频器304由本地时钟产生电路209产生的本地时钟驱动下变频到接收模拟基带信号。双通道射频低噪声放大器302提供足够的放大增益和较低的噪声系数，使得后面电路的噪声贡献见到很低。极化加权滤波器可以是一个极化加权网络和带通滤波器的级联，也可以是一个输出是LC谐振回路的极化加权网络。极化加权网络可以是有源的也可以是无源的加权网络，完成a1*H+a2*V的加权，其中a1、a2是加权因子，而H和V分别是双通道射频低噪声放大器302的水平和垂直通道的输出。下变频器304可以是直接下变频(零中频)的一级下变频器304a，见图3(b)，也可以由一个二级下变频器304b来实现，见图3(c)，即由下变频器304b1、中频滤波器304b2和正交下变频器304b3组成的电路。
在另一种应用情况下，当水平极化和垂直极化波束同时携带不同信息时，则要求一个双极化天线单元连接两个接收单元224和两个发射单元225，而在实现时无需极化加权电路部分。
下变频后的接收模拟基带信号经K个并行的接收模拟移相调幅电路305产生K个所需的模拟域上的波束基带信号输出319。接收模拟移相调幅电路305的实现实例可见图4(a)，它有一个模拟基带移相器401和一个模拟基带幅度控制器402级联分别实现移相角度
Figure GDA0003009088780000131
和幅度因子α(m,n,k)，其中m,n是接收单元的物理位序，k是一个正整数，k＝1,2,…,K。K是模拟波束的数量。模拟移相调幅电路的信号流图见图4(b)，由一个移相旋转矩阵和一个因子构成。在实际实现中，由于这一模拟电路可能引入非线性失真410，如非线性函数F(γ)。非线性失真会引起干扰对信号的交叉调制，在解调后造成误码。为了避免非线性失真，加入一个预失真校正电路F-1(γ)，它是非线性函数F(γ)的反函数，见图4(d)。
在上述的M行N列有源天线阵列200中发射接收阵列202中的多个接收单元所产生的K个波束基带信号输出319，经K个接收模拟基带波束输出合成电路306将相同波束的信号连接起来，即k＝1,2,3,…K的顺序，形成K个模拟基带波束合成信号329，实现空间滤波抑制来自非所选择波束方向上的包括干扰的其它信号，组成接收模拟基带多波束信号122。模拟基带波束输出合成电路306的实现实例可见图5，它由具有分布式电容504和分布式电感503组成的分布式线性网络501构成。模拟基带波束输出合成电路306的输出连接到基带低通滤波器307，后者输入阻抗提供前者一个负载。基带低通滤波器307的另一个作用是和模拟基带波束输出合成电路306一起提供一个平坦的基带频率相应。基带低通滤波器307可以是有源的，也可以是无源的。基带低通滤波器307还可以设计成带宽可调的，按照接收信号频率带宽设置。
由上述产生的接收模拟基带多波束信号122经并行模数转换器单元130/308转换成接收数字基带列多波束信号131。接收数字基带列多波束信号131再经数字接收多波束形成/控制器140在数字域上做数字处理形成多组接收数据流142，并通过接口170送至无线通信设备主机150。
数字接收多波束形成/控制器140和数字发射多波束形成/控制器145可以有数字信号处理器DSP或图形处理器GPU或专用集成电路ASIC或FPGA硬件实现数字基带复数加权的功能。数字多波束形成/控制器硬件可以在不同的软件支持下运行，达到波束形成的目的。
来自无线通信设备主机150的多组待发射数据流160经数据接口170送至数字发射多波束形成/控制器145，在数字域上做数字处理形成发射数字基带列多波束信号132，再经并行数模转换器135生成发射模拟基带多波束信号121。
在上述的M行N列的有源天线阵列200的每个发射单元225中，先将发射多波束信号121中的分量基带信号8200连接的发射基带多波束形成电路611，经过基带移相器801移相，再经基带幅度控制器802调幅，形成发射多波束基带信号输出811，再经上变频器613调制到射频，再经射频带通滤波器614滤波，再经射频放大器615放大，再经极化加权带通滤波器617做极化选择和滤波，再经射频功率放大器616放大，形成射频双极化多波束信号630。
一个实现实例是有源天线阵列200中的任意一个地址为(n,m)的阵列单元220包括接收单元224和发射单元225，将所需要产生的在任意一个波束的二维移相角度分解成至少两个移相角度之和，其中至少一个移相角度的移相在基带频率模拟域1320上实现，至少一个移相角度的移相在基带频率数字域1330上实现，达到接收和发射阵列的全相参，并形成二维阵列波束1310。例如，一个发射/接收芯片204集成4x2个发射和接收单元，而每个单元所需的针对第k个波束的移相角度为：
Figure GDA0003009088780000161
其中Ek和Ak分别是第k个波束的俯仰角相移和方位角相移。
Figure GDA0003009088780000162
是由于位于坐标(m,n)的单元的固有的相位误差，可以是由天线馈线时延失配，集成电路中的单元相位失配，参考时钟时延失配等造成的相位误差常量。可以将第k个波束的移相角度表述成
Figure GDA0003009088780000163
Figure GDA0003009088780000164
其中mod(x,y)是x模y的运算，int()是去整运算。如m＝11,n＝7可以表示成m＝m1+m2＝3+8,n＝n1+n2＝1+6,在这个例子里，m1Ek和n1Ak在模拟基带波束形成电路中实现，而m2Ek,n2Ak由数字基带波束形成电路实现。
另一个实现实例是有源天线阵列200任意一个地址为(n,m)的阵列单元220包括接收单元224和发射单元225，将需要产生的在任意一个波束的移相角度可以分解成至少两个移相角度之和，其中至少一个在列的方向上的移相角度在基带频率模拟域1320上实现，至少一个在行的方向上的移相角度在基带频率数字域1330上实现，达到接收和发射阵列的全相参，并形成接收和发射的二维阵列波束1310。例如，一个发射/接收芯片204集成8x1个发射和接收单元，而每个单元所需的针对第k个波束的移相角度为：
Figure GDA0003009088780000171
其中mEk可以在模拟基带波束形成电路中实现，而nAk则可以在数字基带波束形成电路实现。
另一个实现实例是有源天线阵列200任意一个地址为(n,m)的阵列单元220包括接收单元224和发射单元225，将需要产生的在任意一个波束的移相角度可以分解成至少三个移相角度之和，其中至少一个在列的方向上的移相角度在基带频率模拟域1320上实现，至少1个移相角度在列的方向上和至少1个移相角度在行的方向在基带频率数字域1330上按模块结构分别分级实现，达到接收和发射阵列的全相参，并形成接收和发射的二维阵列波束1310。如果有源天线阵列200是一个很大的阵列如256x256，可以将m和n分成如3个移相角度的和。如单元地址为m＝175,n＝63可以写作mEk＝47Ek+128Ek,其中47Ek在模拟基带波束形成电路中按列实现，128Ek在数字基带波束形成电路中按列实现，而63Ak在数字基带波束形成电路中按行实现。
另一个实现实例是有源天线阵列200任意一个地址为(n,m)的阵列单元220包括接收单元224和发射单元225，所需要产生的在任意一个波束的移相角度在基带频率模拟域1320上实现，达到接收和发射阵列的全相参，并形成接收和发射的二维独立多波束1300。在这个例子中，也就是所有的角度都由模拟基带波束形成电路实现。
对于接收阵列产生二维波束阵列可有一些有意义的应用，如利用产生二维波束阵列来实时分析和跟踪移动物体，并在移动中保持通信的稳定性。但在发射单元中，如果产生二维波束阵列则等效于把有效的能量撒向空间，并无太大的实际意义。然而产生足够多的二维独立多波束还是很有应用价值的。
根据不同的应用需要，有源天线阵列200在物理实现可以将发射和接收阵列集成在一起，如图2中的发射接收芯片204，每个芯片中包括若干个发射单元225和接收单元224，还包括数据接口电路212、指令控制器210、波束控制器208、控制信号接口电路207、本地时钟产生电路209。每个发射接收芯片可以通过天线收发转换开关226连接到多个天线单元201。这种结构适合TDD无线通信系统，当接收时其发射部分不工作，而在发射时接收部分不工作。而在FDD无线通信系统中，这种结构的发射部分会对接收部分形成巨大的影响，甚至可以毁坏接收部分。
对于FDD无线通信系统，上述的有源天线阵列200在物理实现必须要分成两个独立的阵列，见图9，即全相参接收阵列901和全相参子阵列构成的发射阵列902，而所述的发射/接收芯片224分别由位于不物理位置上的接收芯片912发射芯片930代替，所述的天线单元201分别由接收天线单元901和发射天线单元902代替，并由被动发射接收隔离920分开以降低发射阵列902在发射时对成全相参接收阵列901的干扰。
当然TDD无线通信系统也可以分成两个阵列来实现，其优点是可以省掉天线转换开关226，同时可以不必遭受由此开关引入的双向插入损耗，代价是需要两个天线阵列。
注意当讨论本发明的模数混合基带多波束形成方法时，它与物理实现联系不大，并不一定限定发射阵列和接收阵列是集成在一起的，还是分开实现的。而在表述模数混合基带多波束形成无线通信系统结构时，对于TDD和FDD的物理实现是有很大的不同点。
对于FDD无线通信系统上述的被动发射接收隔离920可以由主动发射接收隔离电路931代替，主动发射接收隔离电路931发送与发射阵列902相同的基带信号，产生与发射阵列902泄露到接收阵列901空间信号极性相反但幅度相同，泄露残差信号由接收阵列901接收到并提供给无线通信设备主机150，后者通过多波束控制信号180，调整主动发射接收隔离电路931的发射单元的相位和幅度使得接收阵列901产生的泄露残差信号最小。主动发射接收隔离电路931的发射方向是对着接收阵列的，与发射阵列902基本垂直。
一个例子是在上述的有源天线阵列200任意一个地址为(n,m)的阵列单元220中的发射单元225，所需要产生的在任意一个波束的移相角度在基带频率数字域上实现，实现全相参发射子阵列905，见图9(a)，并形成发射的二维独立多波束。这要求在每个发射单元都要有数据通信接口，而且需要发射的部分数据要送达到每个发射单元，因而阵列单元不可能太多，否则数据通讯的负担会很大。
由多个全相参发射子阵列905构成大的发射阵列902并在空间上具有所有由全相参发射子阵列905发射出的所有的波束。见图9。
无论是TDD或FDD无线通信系统，有源天线阵列200由无线通信设备主机150产生多波束控制信号180，通过数字接收多波束形成/控制器140和数字发射多波束形成/控制器145，控制有源天线阵列200中的所有接收单元224和发射单元225的多个接收和发射波束设置，可按无线通信协议产生时间表节拍动态产生多个所需要在不同位置的二维跳波束。
有源天线阵列200天线单元201可以由一个或多个天线组合实现，最终合成有源天线阵列200的总方向图由阵列方向图和组合天线方向图的乘积决定。例如一个天线单元1001可以由2x2个子天线构成，见图10(a)，其中子天线是双极化贴片天线，间距为半个波长。天线单元1001也可以是双极化反射天线1005来构成。双极化反射天线1005还可以是微型抛物面或其它曲面的反射天线，其间距为d，一般大于一个波长。
无论是TDD或FDD模数混合基带多波束形成无线通信系统，其发射基带多波束形成电路可以有几种不同的方法实现。
一个例子见图7(b)基带多波束形成单元的功能可在数字域上实现，而连接在其输入端的并行数模转换器135则移到其输出端，完成在发射阵列上所有的波束形成都是在数字域上按两个步骤在数字发射多波束形成/控制器145和发射基带多波束形成电路611分别实现。还可以有另一种选择，发射基带多波束形成电路611和基带低通滤波器612的功能都在数字域上实现，见图7(c)，而连接在发射基带多波束形成电路输入端的并行数模转换器135则移到基带低通滤波器612的输出端，完成在发射阵列上所有的波束形成都是在数字域上按两个步骤在数字发射多波束形成/控制器145和发射基带多波束形成电路611分别实现。再一种选择是发射基带多波束形成电路611、基带低通滤波器612和上变频器613的功能都在数字域上实现，而连接在发射基带多波束形成电路输入端的并行数模转换器135则移到上变频器613的输出端，见图7(d)完成在发射阵列上所有的波束形成都是在数字域上按两个步骤在数字发射多波束形成/控制器145和发射基带多波束形成电路611分别实现。这类似所谓的RF-DAC的方法。
在模数混合基带多波束形成无线通信系统100有源天线阵列200的接收部分分解成由多个接收单元224组成的接收子阵列，有源天线阵列200的发射部分分解成由多个发射单元225组成的发射子阵列，分别构成接收模块结构和发射模块结构。当发射单元和接收单元集成在一个阵列中接收模块结构和发射模块结构最好有同一的结构。当发射单元和接收单元在两个阵列中实现，接收模块结构和发射模块结构可有不一样的结构。
上述的模数混合基带多波束形成无线通信系统100，在物理实现中可以加入由马达驱动的机械装置，使得有源天线阵列的法线方向在统计意义下与要通信的目标或目标群的中心一致。由于有源天线阵列的电子扫描角度不会覆盖360度的角度，为了解决这个问题，可以加入小功率的马达驱动的辅助机械装置，慢慢跟踪要通信的目标或目标群。另一种解决360度角度覆盖的方法是增加有源天线阵列数量，如3个阵列均分360度，但系统的成本会成倍增加。因此可以认为马达驱动的机械设备完成角度的粗调，而角度的动态控制是由精准的有源天线阵列的电子波束控制实现。
上述的模数混合基带多波束形成无线通信系统100中的波束控制器见图2中的208或图9中的208a/208b包括波束计算单元、存储单元和逻辑电路，在计算主波束和相邻波束时，波束移相值和幅度值先由无线通信设备主机150通过数据接口存入以角度和幅度因子分别于存储单元中，计算单元通过存储单元的地址的计算并在存储单元通过查表得到主波束和相邻波束移相值和幅度值。
当一个大的线性相位多波束阵列被分解成多个子阵列，可以将所需的每个波束分解成与模块结构相符的分模块的基带相位结构，一个例子可见图12，在K个波束中的一个波束(a)被分解成子阵列上的相位(b)和阵列层的相位(c)。
本发明可以用于无线移动通信系统，如已有的2/3/4G无线移动通信系统，和将要实施的5G无线移动通信系统，见图14。例如在5G无线移动通信系统应用，包括上述的具有模数混合基带多波束形成无线通信系统100的基站/微基站1400，移动中继设备1403和多个的用户设备1401，利用二维独立多波束方法，实现基站/微基站1400通过移动中继设备1403转接的和用户设备1401之间，以及基站/微基站1400和用户设备1401之间的点到点的无线通信。采用二维独立多波束方法，可以使无线通信系统的通信容量大幅增加。
另一种类似的应用，如用于5G无线移动通信，包括所述的模数混合基带多波束形成无线通信系统100基站/微基站1400，移动中继设备1403和多个的用户设备1401。见图14。基站/微基站1400在接收时利用二维阵列接收进行用户设备移动动态跟踪。当用户设备1401移动时，基站/微基站1400通过接收的二维阵列波束内信号强度的变化，准确的计算出用户设备的位置，在接收时通过波束间的转换，保持无线通信的畅通，并不断更新指向用户设备波束的方向信息。在发射时根据用户设备的波束方向信息，利用二维独立多波束实现基站/微基站1400通过移动中继设备1403转接的和用户设备1401之间，或者是基站/微基站1400和用户设备1401之间的点到点的无线通信。由于移动中继设备/用户设备的快速移动可以在二维阵列波束中检测到并可以根据移动轨迹做很好的预测，因此可以保证无线通信的通信质量。
本发明的另一个应用是在卫星通信系统，如低轨卫星通信系统实现的天基互联网络，它包括具有上述的模数混合基带多波束形成无线通信系统100的卫星1501、卫星1502和地面设备群1530等，见图15。这种天基互联网的特点是卫星相对地面的移动速度很快，而地面设备的通信大多是突发的高速数据通信。它利用二维独立多波束方法，通过星间信道1503实现卫星1501和1502之间的动态的无线通信/卫星通信。在对地面设备的通信时，利用一个宽覆盖波束1505完成大面积覆盖，实现低速率的信道管理、信令系统通信、时间表制定的功能。这个宽覆盖波束1505可以在较低的载频上实现。利用二维独立多波束方法实现卫星和地面无线设备群1530之间的动态的、宽带的、精准的，点对点的多波束的高速无线/卫星通信。宽覆盖波束1505也可以与而维独立多波束采用相同的频率实现。
本发明的另一个应用是一种高速公路旁的5G无线通信系统，主要和移动的车辆进行高速的无线通信，这在未来的汽车的智能驾驶很重要。它包括路边的基于所述的模数混合基带多波束形成无线通信系统100的路边基站/微基站1600和多个的车辆1603，见图16。路边基站/微基站1600可以置于路的一边，见图16(a)，或者是路的两边(b)，或者是以一定的倾斜角置于路的两边(c)。高速公路可以是直线铺设的，或者是弯曲的道路(未画出)。路边基站/微基站1600在接收时利用二维阵列接收波束进行车辆1603位置动态跟踪与无线接收，估计或计算车辆1603的位置，得到最佳接收波束的角度。在发射时使用在接收时得到的最佳接收波束的角度，利用二维独立多波束方法实现路边基站/微基站1600到车辆1603的点到点的无线通信。
本发明的另一个应用是一种包括路基于所述的模数混合基带多波束形成无线通信系统(100)的雷达探测成像系统，在接收时利用二维阵列接收波束进行探测目标位置动态跟踪与无线接收，并根据目标移动轨迹在二维空间上成像。由于在接收是利用二维阵列波束，获取目标的速度很快，所以雷达探测的成像速度很快。而且由于采用二维阵列波束，目标在空间积累的时间可以很长，大大提高了雷达的检测灵敏度，同时解决了对于多个目标的跟踪成像问题。可以应用在雷达探测系统，如军事雷达包括单基地雷达和多基地雷达，各种民用探测雷达如汽车自动驾驶障碍检测雷达、探地雷达、太空探测雷达等。
以上所述的几个应用实例只是本发明的部分应用。本发明还可以应用在微波或毫米波成像系统中，如人体安全检查系统、医疗检测系统等其它方面。
依据本发明的基本方法和系统结构，进行其它的修改和变形也受到本专利的保护。

Claims (31)

1.一种无线通信阵列模数混合基带多波束生成方法，其特征在于，在一个M行N列的有源天线阵列(200)中的每个接收单元(224)中的双通道射频低噪声放大器(302)先将来自天线单元的接收双极化射频信号放大，再经极化加权滤波器(303)进行极化加权和滤波，再经由本地时钟产生电路(209)产生的本地时钟驱动的下变频器(304)下变频到接收模拟基带信号，再经K个并行的接收模拟移相调幅电路(305)产生K个所需的模拟域上的波束基带信号输出(319)；在所述的M行N列有源天线阵列(200)中的多个接收单元(224)所产生的K个波束基带信号输出(319)，经K个接收模拟基带波束输出合成电路(306)将相同波束的信号连接起来，形成K个模拟基带波束合成信号(329)，抑制非波束方向的其它信号，组成接收模拟基带多波束信号(122)，再经并行模数转换器单元(130)转换成接收数字基带列多波束信号(131)；接收数字基带列多波束信号(131)再经数字接收多波束形成/控制器(140)在数字域上做数字处理形成多组接收数据流(142)，并通过数据接口(170)送至无线通信设备主机(150)；来自无线通信设备主机(150)的多组待发射数据流(160)经数据接口(170)送至数字发射多波束形成/控制器(145)，在数字域上做数字处理形成发射数字基带列多波束信号(132)，再经并行数模转换器(135)生成发射模拟基带多波束信号(121)；在所述的M行N列的有源天线阵列(200)的每个发射单元(225)中，先将发射模拟基带多波束信号(121)中的分量基带信号(6200)连接的发射基带多波束形成电路(611)，经过基带移相器(801)移相，再经基带幅度控制器(802)调幅，形成发射多波束基带信号输出(811)，再经上变频器(613)调制到射频，再经射频带通滤波器(614)滤波，再经射频放大器(615)放大，再经极化加权带通滤波器(617)做极化选择和滤波，再经射频功率放大器(616)放大，形成射频双极化多波束信号(630)。
2.根据权利要求1所述的无线通信阵列模数混合基带多波束生成方法，其特征在于，任意一个地址为(n,m)的阵列单元(220)包括接收单元(224)和发射单元(225)，将所需要产生的在任意一个波束的二维移相角度分解成至少两个移相角度之和，其中至少一个移相角度的移相在基带频率模拟域(1320)上实现，至少一个移相角度的移相在基带频率数字域(1330)上实现，达到接收和发射阵列的全相参，并形成二维阵列波束(1310)。
3.根据权利要求1所述的无线通信阵列模数混合基带多波束生成方法，其特征在于，任意一个地址为(n,m)的阵列单元(220)包括接收单元(224)和发射单元(225)，将需要产生的在任意一个波束的移相角度可以分解成至少两个移相角度之和，其中至少一个在列的方向上的移相角度在基带频率模拟域(1320)上实现，至少一个在行的方向上的移相角度在基带频率数字域(1330)上实现，达到接收和发射阵列的全相参，并形成接收和发射的二维阵列波束(1310)。
4.根据权利要求1所述的无线通信阵列模数混合基带多波束生成方法，其特征在于，任意一个地址为(n,m)的阵列单元(220)包括接收单元(224)和发射单元(225)，将需要产生的在任意一个波束的移相角度可以分解成至少三个移相角度之和，其中至少一个在列的方向上的移相角度在基带频率模拟域(1320)上实现，至少1个移相角度在列的方向上和至少1个移相角度在行的方向在基带频率数字域(1330)上按模块结构分别分级实现，达到接收和发射阵列的全相参，并形成接收和发射的二维阵列波束(1310)。
5.根据权利要求1所述的无线通信阵列模数混合基带多波束生成方法，其特征在于，任意一个地址为(n,m)的阵列单元(220)包括接收单元(224)和发射单元(225)，所需要产生的在任意一个波束的移相角度在基带频率模拟域(1320)上实现，达到接收和发射阵列的全相参，并形成接收和发射的二维独立多波束(1300)。
6.根据权利要求1所述的无线通信阵列模数混合基带多波束生成方法，其特征在于，接收模拟移相调幅电路(305)包括预失真校正电路(415)来补偿模拟移相调幅电路存在的非线性失真。
7.根据权利要求1所述的无线通信阵列模数混合基带多波束生成方法，其特征在于，任意一个地址为(n,m)的阵列单元(220)中的发射单元(225)，所需要产生的在任意一个波束的移相角度在基带频率数字域上实现，实现全相参发射子阵列(905)，并形成发射的二维独立多波束。
8.根据权利要求1所述的无线通信阵列模数混合基带多波束生成方法，其特征在于，包括多个全相参发射子阵列(905)构成大的发射阵列(902)并在空间上具有所有由全相参发射子阵列(905)发射出的所有的波束。
9.根据权利要求1所述的无线通信阵列模数混合基带多波束生成方法，其特征在于，由无线通信设备主机(150)产生多波束控制信号(180)，通过数字接收多波束形成/控制器(140)和数字发射多波束形成/控制器(145)，控制有源天线阵列(200)中的所有接收单元(224)和发射单元(225)的多个接收和发射波束设置，按时间表节拍动态产生多个所需要在不同位置的二维跳波束。
10.根据权利要求1所述的无线通信阵列模数混合基带多波束生成方法，其特征在于，天线单元(201)由一个或多个天线组合实现，最终合成有源天线阵列(200)的总方向图由阵列方向图和组合天线方向图的乘积决定。
11.一种模数混合基带多波束形成无线通信系统(100)，其特征在于，至少包括一个M行N列的有源天线阵列(200)、并行模数转换器单元(130)、并行数模转换器(135)、数字接收多波束形成/控制器(140)、数字发射多波束形成/控制器(145)、数据接口(170)和无线通信设备主机(150)；所述的M行N列的有源天线阵列(200)至少包括M行N列个天线单元(201)、多个发射/接收芯片(204)共集成M行N列个接收单元(224)和M行N列个发射单元(225)；每个发射/接收芯片(204)包括多个接收单元(224)和发射单元(225)、数据接口电路(212)、指令控制器(210)、波束控制器(208)、本地时钟产生电路(209)、控制信号接口电路(207)和多波束信号总线(211)；每个接收单元(224)包括双通道射频低噪声放大器(302)、极化加权滤波器(303)、下变频器(304)、并行的接收模拟移相调幅电路(305)产生K个所需的模拟域上的波束基带信号输出(319)、连接多个接收单元(224)相同波束基带信号输出(319)的接收模拟基带波束输出合成电路(306)、接收基带低通滤波器(307)；每个发射单元(225)包含发射基带多波束形成电路(611)、基带低通滤波器(612)、上变频器(613)、射频带通滤波器(614)、射频放大器(615)、极化加权带通滤波器(617)、射频功率放大器(616)。
12.根据权利要求11所述的模数混合基带多波束形成无线通信系统(100)，其特征在于所述的M行N列的有源天线阵列(200)在物理实现上分成两个独立的阵列，即全相参接收阵列(901)和全相参子阵列构成的发射阵列(902)，而所述的发射/接收芯片(204)分别由位于不同物理位置上的接收芯片(912)发射芯片(930)代替，所述的天线单元(201)分别由接收天线单元(903)和发射天线单元(904)代替，并由被动发射接收隔离(920)分开以降低发射阵列(902)在发射时对成全相参接收阵列(901)的干扰。
13.根据权利要求12所述的模数混合基带多波束形成无线通信系统(100)，其特征在于所述的被动发射接收隔离(920)可以由主动发射接收隔离电路(931)代替，主动发射接收隔离电路(931)产生与发射阵列(902)泄露到接收阵列(901)空间信号极性相反幅度相同，泄露残差信号由接收阵列(901)提供，无线通信设备主机(150)通过多波束控制信号(180)，调整主动发射接收隔离电路(931)的相位和幅度使得接收阵列(901)产生的泄露残差信号最小。
14.根据权利要求11所述的模数混合基带多波束形成无线通信系统(100)，其特征在于发射基带多波束形成电路(611)的功能在数字域上实现，而连接在其输入端的并行数模转换器(135)则移到其输出端，完成在发射阵列上所有的波束形成都是在数字域上按两个步骤在数字发射多波束形成/控制器(145)和发射基带多波束形成电路(611)分别实现。
15.根据权利要求11所述的模数混合基带多波束形成无线通信系统(100)，其特征在于发射基带多波束形成电路(611)和基带低通滤波器(612)的功能都在数字域上实现，而连接在发射基带多波束形成电路输入端的并行数模转换器(135)则移到基带低通滤波器(612)的输出端，完成在发射阵列上所有的波束形成都是在数字域上按两个步骤在数字发射多波束形成/控制器(145)和发射基带多波束形成电路(611)分别实现。
16.根据权利要求11所述的模数混合基带多波束形成无线通信系统(100)，其特征在于发射基带多波束形成电路(611)、基带低通滤波器(612)和上变频器(613)的功能都在数字域上实现，而连接在发射基带多波束形成电路输入端的并行数模转换器(135)则移到上变频器(613)的输出端，完成在发射阵列上所有的波束形成都是在数字域上按两个步骤在数字发射多波束形成/控制器(145)和发射基带多波束形成电路(611)分别实现。
17.根据权利要求11所述的模数混合基带多波束形成无线通信系统(100)，其特征在于，接收模拟移相调幅电路(305)包括非线性补偿的预失真校正电路(415)和在正交基带信号域上实现的由数字变量控制的输入和输出在模拟域的基带移相器(401)和基带幅度控制器(402)，形成接收模拟的波束基带信号输出(319)。
18.根据权利要求11所述的模数混合基带多波束形成无线通信系统(100)，其特征在于，K个模拟的波束基带信号输出(319)，经接收模拟基带多波束输出合成电路(306)和基带低通滤波器(307)，在模拟域上由一个接收模拟基带多波束输出合成电路(306)中的分布式线性网络中(501)合并，实现模拟域空间滤波，并形成接收模拟基带多波束信号(122)。
19.根据权利要求11所述的模数混合基带多波束形成无线通信系统(100)，其特征在于，有源天线阵列(200)的接收部分分解成由多个接收单元(224)组成的接收子阵列，有源天线阵列(200)的发射部分分解成由多个发射单元(225)组成的发射子阵列，分别构成接收模块结构和发射模块结构。
20.根据权利要求11所述的模数混合基带多波束形成无线通信系统(100)，其特征在于，有源天线阵列(200)中和接收子阵列和发射子阵列构成接收模块结构和发射模块结构，对每个组成多波束的波束所需的移相角度，按照模块的结构分解至少两个移相角度，分别在模拟域和数字域上实现。
21.根据权利要求11所述的模数混合基带多波束形成无线通信系统(100)，其特征在于，有源天线阵列(200)所有的接收单元通过接收模拟移相调幅电路(305)直接做模拟基带信号的多波束形成，再经模数转换器单元(308)转换到数字多波束基带输出，形成接收的二维独立多波束(1300)。
22.根据权利要求11所述的模数混合基带多波束形成无线通信系统(100)，其特征在于，有源天线阵列(200)所有的接收单元先沿列的方向上做模拟域的基带多波束形成(1320)，再经模数转换器单元(308)转换得到沿列方向上数字基带多波束形成(1325)，然后再沿行方向上做数字域的数字多波束(1330)，形成接收的二维阵列波束(1310)。
23.根据权利要求11所述的模数混合基带多波束形成无线通信系统(100)，其特征在于，有源天线阵列(200)所有的发射单元直接做数字的多波束形成，再经并行数模转换器(135)转换到模拟域多波束输出，形成发射的二维独立多波束(1300)。
24.根据权利要求11所述的模数混合基带多波束形成无线通信系统(100)，其特征在于，有源天线阵列(200)的发射通道可以分解成若干个子阵列的组合，每个子阵列形成全相参子阵多波束(911)，而所述的全相参子阵多波束(911)最终在空间中形成所需的发射多波束。
25.根据权利要求11所述的模数混合基带多波束形成无线通信系统(100)，其特征在于，在物理实现中加入由马达驱动的机械装置，使得有源天线阵列的法线方向在统计意义下与要通信的目标或目标群的中心一致。
26.根据权利要求11所述模数混合基带多波束形成无线通信系统(100)，其特征在于，波束控制器(208)包括波束计算单元、存储单元和逻辑电路；波束移相值和幅度值分别预先存储于以角度和幅度因子为地址的存储单元中；在计算主波束和相邻波束时，计算单元通过存储单元的地址的计算并在存储单元通过查表得到主波束和相邻波束移相值和幅度值。
27.一种无线通信系统，包括具有权利要求11所述的具有模数混合基带多波束形成无线通信系统(100)的基站/微基站(1400)，具有权利要求11所述的具有模数混合基带多波束形成无线通信系统(100)的移动中继设备(1403)和具有权利要求11所述的具有模数混合基带多波束形成无线通信系统(100)的用户设备(1401)，利用二维多独立多波束方法，实现基站/微基站(1400)通过移动中继设备(1403)转接的和用户设备(1401)之间，及基站/微基站(1400)和用户设备(1401)之间的点到点的无线通信。
28.一种无线通信系统，包括具有权利要求11所述的模数混合基带多波束形成无线通信系统(100)的基站/微基站(1400)，具有权利要求11所述的模数混合基带多波束形成无线通信系统(100)的移动中继设备(1403)和具有权利要求11所述的模数混合基带多波束形成无线通信系统(100)的用户设备(1401)；基站/微基站(1400)在接收时利用二维阵列接收波束进行用户设备移动动态跟踪，在发射时利用二维独立多波束实现基站/微基站(1400)通过移动中继设备(1403)转接的和用户设备(1401)之间，及基站/微基站(1400)和用户设备(1401)之间的点到点的无线通信。
29.一种卫星通信系统，包括具有权利要求11所述的模数混合基带多波束形成无线通信系统(100)的第一卫星(1501)，具有权利要求11所述的模数混合基带多波束形成无线通信系统(100)的第二卫星(1502)和具有权利要求11所述的模数混合基带多波束形成无线通信系统(100)的地面设备群(1530)；利用二维独立多波束方法，通过星间信道(1503)实现卫星间无线通信；利用宽覆盖波束(1505)完成大面积覆盖，实现低速率的信道管理、信令系统通信、时间表制定的功能；利用二维多独立多波束方法实现卫星和地面无线设备群(1530)之间的动态无线通信。
30.一种高速公路无线通信系统，包括基于具有权利要求11所述的模数混合基带多波束形成无线通信系统(100)的路边基站/微基站(1600)和基于具有权利要求11所述的模数混合基带多波束形成无线通信系统(100)的车辆(1603)，路边基站/微基站(1600)在接收时利用二维阵列接收波束进行车辆(1603)位置动态跟踪与无线接收，在发射时利用二维独立多波束方法实现路边基站/微基站(1600)到车辆(1603)的点到点的无线通信。
31.一种包括具有权利要求11所述的模数混合基带多波束形成无线通信系统(100)的雷达探测成像系统，在接收时利用二维阵列接收波束进行探测目标位置动态跟踪与无线接收，并根据目标移动轨迹在二维空间上成像。
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