CN109643847A - 天线阵列校准系统和方法 - Google Patents

Abstract

本公开的各方面涉及使用设置在天线元件之间的探针的阵列校准系统和方法。在某些实施方案中，通过测量天线元件的近场相对相位和幅度测量并使用这种相对测量来调整连接到天线元件的收发器的幅度和相位来执行校准。在一些实施方案中，一组天线元件内的每个天线元件发送由单个探测器接收的信号，并且评估所接收的信号以确定相对相位或幅度测量值。在一些实施方案中，单个探测器发射由一组天线元件内的每个天线元件接收的信号，并且评估所接收的信号以确定相对相位和幅度测量。

Description

天线阵列校准系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2016年8月26日提交的题为“用于阵列校准的系统和方法”的美国专利申请No.62/380,328的优先权，其公开内容通过引用整体结合于此。

技术领域

本公开涉及用于相控天线阵列的结构及其校准方法。特别地，信号特性的近场测量用于使用设置在天线元件之间的耦合结构来校准天线系统。

背景技术

具有单个天线元件的天线通常将广播辐射图案，其在球面波前的所有方向上均等地辐射。相控天线阵列通常是指一组天线元件，其用于将电磁能量聚焦在特定方向上，从而产生主光束。相控天线阵列在各种不同的应用中被更频繁地使用，例如军事应用、移动技术、飞机雷达技术、汽车雷达、蜂窝电话和数据以及Wi-Fi技术。

相控天线阵列的各个天线元件可以以球形图案辐射，但是通过相长干涉和相消干涉共同地在特定方向上产生波前。在每个天线元件处发射的信号的相对相位可以是固定的或调整的，允许天线系统在不同方向上操纵波前。相控天线阵列通常包括振荡器、多个天线元件、相位调整器或移位器、可变增益放大器、接收器和控制处理器。相控天线阵列系统使用相位调节器或移位器来控制由天线元件发射的信号的相位。天线元件的辐射图案在特定方向上相长干涉，在称为主光束的那个方向上产生波前。相控阵可以实现增加的增益并改善主波束方向上的信号干扰加噪声比。辐射图案破坏性地干扰除主光束方向之外的其他几个方向，并且可以减少那些方向上的增益。

从天线元件发出的信号的幅度影响旁瓣电平，其中旁瓣是辐射图案的不在主瓣方向上的波瓣。通常优选的是降低旁瓣电平，使得天线系统可以将来自辐射图案的读数聚焦到特定的期望方向。这样，元件之间的相对相位和幅度的精度分别决定了光束方向和旁瓣电平的精度。因此，用于收集天线元件的相移和幅度控制的准确性对于相控阵的实现是重要的。

发明内容

权利要求中描述的创新各自具有若干方面，其中没有一个方面单独负责期望的属性。在不限制权利要求的范围的情况下，现在将简要描述本公开的一些突出特征。

本发明的一个实施例包括天线阵列校准的方法，其中该方法包括：使用所述天线阵列的第一探针确定第一校准组的第一近场幅度关系，其中所述第一校准组包括所述天线阵列的至少第一天线元件和所述天线阵列的第二天线元件，并且所述第一探针对称地设置在所述第一天线元件和所述第二天线元件之间；使用所述第一探针确定至少所述第一天线元件和所述第二天线元件之间的第一近场相位关系；和存储所述第一近场幅度关系和所述第一近场相位关系作为所述天线阵列的校准数据。

本发明的一个实施例包括在天线阵列上公开的实施例的应用(例如，多入多出天线技术)。

该方法还包括：使用所述天线阵列的第二探针确定第二校准组的第二近场幅度关系，其中所述第二校准组包括所述天线阵列的至少第二天线元件和第三天线元件，并且所述第二探针对称地设置在所述第二天线元件和所述第三天线元件之间；使用所述第二探针确定至少所述第二天线元件和所述第三天线元件之间的第二近场相位关系；和存储所述第二近场幅度关系和所述第二近场相位关系作为所述天线阵列的校准数据。

确定第一近场幅度关系还可包括：使用所述第一探针确定所述天线阵列的第一天线元件、所述第二天线元件、第三天线元件和所述天线阵列的第四天线元件之间的幅度关系，其中所述第一探针对称地设置在所述第一天线元件、所述第二天线元件、所述第三天线元件和所述第四天线元件之间；和其中确定第一近场相位关系还包括使用所述第一探针确定所述第一天线元件、所述第二天线元件、所述第三天线元件和所述第四天线元件之间的相位关系。

该方法还包括在校准该特定校准组期间停用未包括在所述特定校准组中的天线元件。

确定第一近场幅度关系还可包括：从第一探针接收的第一天线元件监测信号电平的发射器发射射频信号，其中所述天线阵列的所有其他发射器关闭；和从第一探针接收的第二天线元件监测信号电平的发射器发射射频信号，其中所述天线阵列的所有其他发射器关闭。

确定第一近场相位关系还可包括：从所述第一天线元件和所述第二天线元件的发射器发射相同幅度的信号；和相对于彼此相移所述信号以识别相位配置。

可使用相控移位器执行相移。

确定第一近场相位关系还可包括相对于彼此相移信号以识别相位配置之外的180度。

信号电平可以包括幅度测量和/或相位测量。

确定第一近场幅度关系还可包括从所述探针发射射频信号并监视在所述第一和第二天线元件处接收的信号电平。

确定第一近场相位关系还可包括：接收从所述探针发射的信号，其中发射的信号具有相同的幅度；和相对于彼此将接收的信号进行相移以在所述第一和第二天线元件处的相位配置中识别。

本发明的一个实施例包括设备，可包括：天线阵列的多个天线元件；天线阵列的多个探针，其中所述探针对称地设置在所述多个天线元件的天线元件组之间，其中每个组的编号至少为两个天线元件，其中所述探针能够接收射频(RF)信号，并且每个天线元件能够发射RF信号用于天线阵列的内置近场校准；和所述天线阵列的硬件处理器，被配置为通过观察通过使用多个探针获得的近场辐射来校准天线阵列。

每个组的编号可至少为四个天线元件。

硬件处理器还可被配置为调整至少一个天线元件的可变增益放大器以校准所述天线阵列。

硬件处理器还可被配置为调整至少一个天线元件的移相器以校准所述天线阵列。

一个实施例包括一种校准天线阵列的电子实现方法，该方法包括：通过对称地设置在天线阵列的天线单元组之间的探针，至少在天线单元组之间观察近场测量中的辐射图案，以获得阵列的天线单元之间的相对幅度和相位关系；至少部分地基于获得的相对幅度和相位关系和期望的天线图案产生幅度和相位调整；和应用产生的幅度和相位调整来获得期望的天线图案。

该方法还包括在包括不同频率的多个通道上重复观察辐射图案。

所述天线阵列的天线元件和探针可设置在单个或多个阵列面板中。

出于概述本公开的目的，本文已经描述了本发明的某些方面、优点和新颖特征。应该理解，根据任何特定实施例，不一定能够实现所有这些优点。因此，可以以实现或优化如本文所教导的一个优点或一组优点的方式实施或实施创新，而不必实现本文可能教导或建议的其他优点。

附图说明

提供这些附图和这里的相关描述是为了说明特定实施例，而不是限制性的。

图1A是根据实施例的4乘4天线阵列的对称路由示意图的示意性框图。

图1B是根据另一实施例的2乘8天线阵列的不对称路由示意图的示意性框图。

图2A是根据实施例的水平波阵面的图示。

图2B是根据一个实施例的成角度波阵面的图示。

图2C是根据实施例的一系列收发器的示意性框图。

图2D是根据一个实施例的平面阵列和相关联的电磁图案的图示。

图3A是根据一个实施例的探针的示意性框图，该探针具有设置在两个天线元件之间的功率检测器。

图3B-1和3B-2是根据一个实施例的使用探针进行校准的流程图，该探针具有设置在两个天线元件之间的功率检测器。

图3C是根据一个实施例的具有设置在两个天线元件之间的混频器的探针的示意性框图。

图3D是根据一个实施例的使用探针进行校准的流程图，该探针具有设置在两个天线元件之间的混合器。

图4是根据一个实施例的设置在四个天线元件之间的探针的示意性框图。

图5A是根据一个实施例的设置在三乘四天线元件阵列之间的探针的示意性框图。

图5B是根据一个实施例的使用设置在三乘四天线元件阵列之间的探针的校准的流程图。

图6A是根据一个实施例的探针的示意性框图，其中RF电源设置在两个天线元件之间。

图6B是根据一个实施例的使用探针进行校准的流程图，该探针具有设置在两个天线元件之间的RF电源。

具体实施方式

某些实施例的以下详细描述呈现了特定实施例的各种描述。然而，这里描述的创新可以以多种不同的方式实施，例如，如权利要求所定义和涵盖的。在本说明书中，参考附图，其中相同的附图标记可表示相同或功能相似的元件。应该理解，图中所示的元件不一定按比例绘制。此外，应当理解，某些实施例可以包括比图中所示的元件更多的元件和/或图中所示的元件的子集。此外，一些实施例可以结合来自两个或更多个附图的特征的任何合适组合。

天线阵列可以使波束形成器能够在特定方向上引导电磁辐射图案，其在该方向上产生主波束并且在其他方向上产生旁瓣。基于传输信号的相位，基于信号的建设性推断生成辐射图案的主波束。此外，天线元件的幅度确定旁瓣电平。波束形成器可以通过例如为天线元件提供移相器设置来生成期望的天线图案。然而，随着时间的推移，信号的幅度和天线元件之间的相对相位可能偏离天线最初校准时设定的值。漂移会导致天线图案降级，例如，可能会降低主瓣的增益。因此，所需要的是即使在天线阵列已经被部署之后也精确地测量和控制阵列系统中的天线元件的相位和幅度的方法。此外，校准过程本身可能是相对劳动密集的、耗时且昂贵的。因此，需要一种校准方法，而不需要昂贵的测试设备和设施，并且必须将天线重新定位到特定位置。这些公开的技术也适用于制造测试环境，并且可用于加速生产，从而降低成本。在一个实施例中，校准数据由波束形成器使用并与其他数据组合，例如预先计算或预先存储的天线图案数据，以产生用于波束成形的适当设置。

本公开使得天线阵列能够使用幅度的相位和/或绝对测量的相对测量来执行校准。探针放置在天线元件之间，并测量天线元件的相位和/或幅度。然后，可以评估相位或幅度以确定对连接到天线元件的发射器、接收器或收发器进行的调整。在一些实施方案中，天线元件可以发送信号，并且可以调整一个或多个天线元件的相位，直到达到相对高或最大和/或相对低或最小的功率电平。在确定相对高或最大功率电平时，相位调整器或移位器值被记录为对应于相位的那些，并且对于相对低或最小功率电平，相位值被记录为180度异相。尽管实施例描述了探针的使用，但是应当理解，也可以使用可以发送和/或接收信号的其他结构(例如导体)(例如，插槽、单极、小贴片、其他耦合结构等)。

在一些实施方案中，探针应对称地设置在天线元件之间。例如，如果存在两个天线元件，则探针可以放置在两个天线元件之间。在另一示例中，如果存在四个天线元件，则探针可以对角地放置在与四个天线元件中的每一个等距的四个天线元件之间。将探针对称地放置在天线元件之间减少或消除了辐射图案传播到探针和天线元件或从探针和天线元件传播时可能发生的变化。

在一些实施方案中，天线元件可用于将信号发送到探针，探针接收发送的信号。探针可以检测功率(例如通过使用功率检测器)或检测功率和相位(例如通过使用混频器)。或者，探针可以用作发射器，将信号发送到天线元件，其中天线元件接收发送的信号。

使用单个探针来校准多个天线是有利的。具有可用于发射到天线元件和/或从天线元件接收信号的单个探针本身可以引入信号的变化。然而，由于使用连接到探针(例如混频器)的相同探针和组件来测量信号，所以利用所公开的技术有利地没有部分到部分或信道到信道的变化。例如，探针和连接到探针的组件将对从第一和第二天线元件在探针处接收的信号引入相同的变化。

相比之下，用于测量信号的相位和幅度以校准天线元件的耦合器将引入变化。单独的耦合器将连接到每个天线元件的发射路径。然后，信号将沿信号路径传播到连接到每个耦合器的组件。从每个耦合器到其相关连接组件的路由路径将引入信道到信道的变化。每个耦合器可以连接到其自己的一组部件，尽管可能是相同类型的部件，但部件本身也引入部分可变性。此外，耦合器本身使用额外的硬件，如开关。通常由金属物质制成的耦合器本身可能干扰辐射信号，使得难以在天线元件之间获得更高的隔离。通过本发明的实施例减少或消除了这些缺点。

包括使用设置在天线元件之间的探针的本公开的实施例是有利的，因为探针可以用于基于近场辐射测量来校准阵列。因此，可以校准阵列而无需远场测量。通常，电磁消声室(也称为无回声室)可用于模拟开放空间情况。这些腔室中的时间和空间可能难以安排，可能昂贵且耗时。然而，本公开的实施例避免了必须将天线放置在消声室中的需要，因为使用近场测量而不是远场测量。此外，消声室对于初始校准可能是实用的，但是不适用于稍后的校准。可以在现场重复校准本公开的天线阵列的一些实施例。探针可以永久地放置在天线元件之间。天线阵列可以配置成允许探针在天线元件之间临时安装。本公开的近场校准的一些实施例也可以有助于小信号差异。

校准方法和系统可用于校准不同尺寸的阵列。例如，系统可以通过校准与一个探针等距的第一组天线元件(或校准组)来校准平面阵列，然后校准与另一探针等距的第二组天线元件，其中第一和第二组天线元件共用至少一个天线元件。然后，共用天线元件可以用作参考点以校准其他天线元件。

尽管本公开可以讨论某些实施例，其中探针作为接收器并且天线元件作为发射器，但是应当理解，探针可以用作发射器并且天线元件可以用作接收器，反之亦然。

图1A是根据实施例的对称路由示意图100的示意性框图。对称路由示意图100包括天线元件102A、102B、102C、102N、102E、102F、102G、102H、1021、102J、102K、102L、102M、102N、102O和102P(这里统称为102)。对称路由示意图100还包括芯片104A、104E、1041和104M(在此统称为104)。对称路由示意图100包括收发器110和从收发器110到天线元件102的路由路径106A、106B、106C、106D、106E、106F、106G、106H、1061、106J、106K、106L、106M、106N、106O、106P、108A、108E、1081、108M(在此统称为106)。

图1A涉及用于4乘4天线阵列的对称路由示意图100。该示意图涉及对称路由，因为从收发器110到天线元件102的路由路径106上的路由具有相同的距离。例如，从收发器110到天线元件102A的路由路径是路由路径108A和106A的组合，而从收发器110到天线元件102B的路由路径是路由路径108A和106B的组合。产生路由路径以最小化信号从收发器110传播到天线元件102的距离的变化。这种类型的配置有助于减轻由于信号从收发器110传播到天线元件102的不同长度的路由路径可能导致校准困难的变化。

天线元件102可以是辐射元件或无源元件。例如，天线元件102可以包括偶极子、开放式波导、开槽波导、微带天线等。尽管一些实施例示出了一定数量的天线元件102，但是应当理解，一些实施例可以在两个或更多个天线元件的阵列上实现。

图1B是根据另一实施例的用于2乘4天线阵列的非对称路由示意图150的示意性框图。非对称路由示意图150包括天线元件152A、152B、152C、152D、152E、152F、152G和152H(在此统称为152)。非对称路由示意图150还包括芯片154。非对称路由示意图150包括从芯片154到天线元件152的路由路径156A、156B、156C和156D(在此统称为156)。图1B涉及非对称路由，因为从芯片154到天线元件152的布线路径156的长度不同。因此，相位和幅度在不同通道之间变化。例如，即使从芯片154发送相同的信号，天线元件152处的发送信号也可以不同于元件。在一些实施方案中，天线元件152处的接收信号可以是相同的，但是当由于路由路径156的不同长度而在芯片154处被接收时不同。

图2A是根据实施例的水平波阵面200的图示。每个天线元件102可以以球形辐射图案辐射。然而，辐射图案共同产生水平波阵面204。图示200包括天线元件102A、102B、102C、102N、102M-1和102M。天线元件102A、102B、102C和102N可以线性布置，其中元件在单个维度上布置在直线上。在这种配置中，光束可以在一个平面中转向。天线元件也可以平面布置，布置在二维平面(N方向和M方向)上。在该平面配置中，光束可以在两个平面中转向。天线元件也可以分布在非平面表面上。平面阵列可以是矩形、正方形、圆形等。应当理解，天线可以布置成其他配置、形状、尺寸、尺寸、类型、可以实现天线阵列的其他系统等。水平波阵面200的图示示出了每个天线元件102发送信号202A、202B、202C、202N、202M-1和202M(这里统称为202)，从而产生水平波前204。图2A的图示示出了产生指向上方的主光束的天线阵列，如水平波阵面204所示。来自天线元件102的相位在向上方向上相长干涉。

图2B是根据一个实施例的成角度波阵面220的图示。成角度波阵面220的图示包括天线元件102A、102B、102C、102N、102M-1和102M。天线元件可以与图2A所描述的类似地布置。成角度的波阵面220的图示示出了发射信号222A、222B、222C、222N、222M-1和222M(这里统称为222)的天线元件102，从而产生波前224，其以不同于图2A中的波阵面204的方向的角度传播。信号222的相位在成角度地干涉成角度波前220行进的方向(例如，右上方向)。这里，天线元件102的每个相位可以移位相同的程度以在特定方向上相长干涉。

天线元件102可以彼此等距间隔开。在一些实施方案中，天线元件102以彼此不同的距离间隔开，但具有与至少两个天线元件102等距的探针。

尽管本公开可以将某些实施例讨论为一种类型的天线阵列，但是应当理解，实施例可以在不同类型的天线阵列上实现，例如时域波束形成器、频域波束形成器、动态天线阵列、有源天线阵列、无源天线阵列等。

图2C是根据实施例的一系列收发器240A、240B、240N(在此统称为240)的示意性框图。在一些实施方案中，单个收发器240馈送到单个天线元件102。然而，应当理解，单个收发器240可以馈送到多个天线元件102，或者单个天线元件102可以连接到多个收发器240。此外，应当理解，天线元件102可以链接到接收器和/或发射器。

在一些实施方案中，收发器240可以包括开关242A、242B、242N(这里统称为242)，以将路径从天线元件102切换到接收器或发射器路径。收发器240包括另一个开关248A、248B、248N(这里统称为248)，其切换从信号处理器(未示出)到接收器或发射器路径的路径。发射器路径具有相位调整器244A、244B、244N(在此统称为244)和可变增益放大器246A、246B、246N(在此统称为246)。相位调整器244调整天线元件102处的发送信号的相位，并且可变增益放大器246调整天线元件102处的发送信号的幅度。尽管实施例描述了包括相位调整器244和可变增益放大器246的收发器240，但是可以使用其他组件来调整信号的幅度和/或信号的相位。此外，尽管示出了开关从发射器路径切换到接收路径，但是可以使用其他组件，例如双工器。

接收器路径还可以具有相位调整器250A、250B、250N(在此统称为250)，以及可变增益放大器252A、252B、252N(在此统称为252)。相位调整器250和可变增益放大器252可用于在去往信号处理器(未示出)之前调整来自天线元件102的接收信号。

图2D是根据一个实施例的平面相控阵列260和相关联的电磁图案的图示。图2D包括天线元件102A、102B、102N、102M-1和102M。图2D还包括具有主光束262和旁瓣264A、264B、264C的光束图案。天线元件102正在发送信号，其中信号的相位在主波束262的方向上相长干涉。天线元件102的幅度精度控制旁瓣电平。例如，来自天线元件102的发送信号的幅度越均匀，旁瓣电平将越低。天线元件102可以设置在单个管芯或多个管芯上。

图3A是根据一个实施例的探测器310A的示意性框图300，其中功率检测器312A设置在两个天线元件102A、102B之间。在该框图300中，探针在两个天线元件102A、102B之间等距离地设置。探针310A可以是槽、探针、耦合元件、可用于检测信号的任何组件等。探针可以用作发射器。

图3B-1和3B-2是根据一个实施例的使用探针进行校准的流程图，该探针具有设置在两个天线元件之间的功率检测器。

图3B-1示出了用于测量和比较两个天线元件102A、102B的所有功率电平的流程图320。在框322处，关闭连接到天线元件102B的发射器。在框324处，从第一天线元件102A发送信号。从混频器302A产生信号，由可变增益放大器246A放大，由相位调整器244A相移，并从天线元件102A发送。在方框326，探针310A检测来自天线元件102A的发送信号，功率检测器312A检测检测信号的功率值。在框327处，系统可以确定是否测量了所有功率和/或相位水平。如果是，则系统可以继续到块328。如果不是，则可以在块323中调整功率和/或相位，并且返回到块324。例如，可以测量每个功率水平和每个相位水平的组合。在一些实施方案中，相位和幅度被解耦，使得可以测量每个功率水平并且独立地测量每个相位水平，而不必测量每个功率水平和每个相位水平的每个组合。

在框328处，关闭连接到天线元件102A的发射器。在框330处，从第二天线元件102B发送信号。从混频器302B产生信号，由可变增益放大器246B放大，由相位调整器244B相移，并从天线元件102B发送。在块332，探测器310A检测来自天线元件102B的发送信号，并且功率检测器312A检测检测到的信号的功率值。

在方框334，一旦存储了来自天线元件102A和102B的发射信号的检测信号，就比较功率值以校准连接到天线元件102A的发射器相对于连接到天线元件102B的发射器，和/或反之亦然。通过调节可变增益放大器246A和/或246B的增益来校准功率值。在一些实施方案中，在图3B中的其他块期间、之前或之后执行校准。在框334处比较功率值以校准天线元件之后，流程可以继续到图3B-2。图3B-2示出了用于校准两个天线元件102A、102B的相位的流程图321。在框325处，从两个天线元件102A、102B发送相同功率电平的信号。这可以使用从图3B-1中的步骤获得的数据来实现。在框329处，改变第一天线元件102A的相位。然后在框335处，可以通过功率检测器312A测量总功率。系统在框336确定是否测量最大功率水平。如果不是，则系统继续改变第一天线元件102A的相位并且继续来自框329的流程图。如果在框336处测量最大功率水平，然后可以确定相位处于同相状态。在方框337，为方框336记录提供最大功率电平的相位。在方框338，改变第一天线元件102A的相位，并且在方框339，使用功率检测器312A测量总功率。在框340处，系统确定是否测量到最小功率水平。如果不是，则改变第一天线元件102A的相位，并且流程图从块338继续。如果测量到最小功率电平，则系统在块341记录天线元件的相位校准信息。这可以是被认为是180度异相条件。

图3C是根据一个实施例的探针310A的示意性框图330，其中混合器342A设置在两个天线元件102A、102B之间。探针310A可以与天线元件102A和102B等距地设置。探针310A连接到混合器342A。

图3D是根据一个实施例的使用探针进行校准的流程图360，其中混合器设置在两个天线元件之间。混频器可用于测量相位和/或幅度。在框362，关闭连接到天线元件102B的发射器。在框364处，从混频器302A生成信号，由可变增益放大器246A放大，由相位调整器244A相移，并由天线元件102A发送。在框366处，探针310A检测所发送的信号并使用混合器、信号处理器测量并记录幅度和相位值。在框367处，系统可以确定是否已经测量了所有功率和/或相位水平。如果是，则系统可以进行到框368。如果否，则系统可以在框363中调整功率和/或相位水平，并返回到框324。

在框368，关闭连接到天线元件102A的发射器。在块370，从混合器302B产生信号，由可变增益放大器246B放大，由相位调整器244B相移，并由天线元件102B发送。在块372，探针310A检测信号，混频器混合信号，并且信号处理器测量并记录相位和幅度值。在框373处，系统可以确定是否已经测量了所有功率和/或相位水平。如果是，则系统可以进行到框374。如果否，则系统可以在框369中调整功率和/或相位水平，并返回到框370。

在框374，基于由天线元件102A和102B发送的信号的幅度之间的比较，调整可变增益放大器246A、246B，使得振幅被校准为基于产生的相同信号传输基本相同的功率。此外，基于由天线元件102A和102B发送的信号的相位之间的相关性，调整相位调整器244A和244B，使得相位被校准为在相同的生成信号的基本相同的相位上发送。

可以使用通过波束控制接口发送的数字命令(例如波束控制芯片或信号处理器)来控制可变增益放大器246A、246B和/或相位调整器244A、244B的值。相位调整器可以是n位相位调整器，其提供对总共特定数量的相位度的相位的控制。因此，校准过程可以被校准为允许最接近的相位值的状态。在一些实施方案中，在图3D中的其他块期间、之前或之后执行校准。

图4是根据一个实施例的设置在四个天线元件102A、102B、102C、102N之间的探针310A、310B、310C的示意性框图400。在框图400中，探针310A与天线元件102A和天线元件102B等距地设置。探针310B与天线元件102B和天线元件102C等距设置。探针310C与天线元件102C和天线元件102N等距设置。天线元件102A、102B、102C和102N线性设置。

在该实施例中，首先校准天线元件102A和102B。连接到天线元件102B、102C和102N的发射器被关闭。混频器302A产生信号，信号由相位调整器244A相移，信号由可变增益放大器246A放大，并从天线元件102A发送。探针310A接收信号。接下来，天线102B发送相同探针310A检测到的信号。在该实施例中，探针310A连接到功率检测器312A。天线元件102A和102B的校准类似于图3A中描述的过程。然而，探针310A可以连接到混合器并且可以类似于图3B中描述的过程进行校准。其他校准方法也是可行的。例如，其他组件可以连接到探针310A以测量相位和/或幅度。此外，可以使用相位和/或幅度的相对测量来使用其他校准方法。

接下来，校准天线元件102B和102C。然后，校准102C和102N。在该实施例中，校准连续发生。但是，校准可能在不同的时间步骤中发生。例如，当天线元件102B正在发送用天线102A校准的信号时，探针310A不仅可以检测信号，而且探针310B也可以检测该信号。因此，在校准天线元件102A和102B时，天线元件102B和102C之间的校准可以并行开始。在该实施例中，正在校准相邻的天线元件。然而，应当理解，可以校准与探针等距的任何一组天线元件。例如，第一和第四天线元件102A、102N可以用第二和第三天线元件102B、102C之间的探针310B校准。

图5A是根据一个实施例的设置在三乘四天线元件阵列之间的探针的示意性框图。探针310A、310B、310C......310M(在此统称为310)对称地设置在一组四个天线元件102之间。在该实施例中，探针310与四个天线元件组中的每个天线元件102等距。然而，应当理解，探针310可以放置在与至少两个天线元件102等距的某个距离处。

图5B是根据一个实施例的使用设置在三乘四天线元件阵列之间的探针的校准的流程图。

在框522，关闭连接到所有天线元件102的所有发射器。在框524，一起校准第一组四个天线元件。然后，第一天线元件102A发送信号。探针310A接收该信号，使用功率检测器312A测量功率，并记录功率。对于与第一探针310A等距的其他三个天线元件102重复这一过程。然后，调整该组四个天线元件内的每个天线元件102的增益以相对于彼此进行校准。然后，所有四个天线元件102发送信号，调整相位，并记录相位以识别提供最大功率的相位配置(例如，相位值相等)。当功率最小化时(例如，相位相隔180度)，执行相同的测试。可以以与图3A、3B中描述的方式类似的方式以及本公开中描述的其他方式来执行校准。

尽管本公开可以将某些实施例讨论为一次校准四个天线，但是应该理解，可以使用不同数量的发射器、天线元件、探针等来实现这些实施例。例如，可以同时为四个天线元件校准功率(例如，一旦为四个天线元件记录功率，可以调整四个天线元件中的每一个的增益以满足参考增益值)，而相位可以成对校准(例如，首先校准天线元件102A和102B，然后接着校准天线元件102A和102M-1)。

在一组四个天线元件内的天线元件102已经相对于彼此校准之后，校准过程可以校准下一组四个天线元件102。在框526，关闭除下一组中的天线元件之外的天线元件。在框528，识别处于第一组和第二组中的天线元件。然后在框530处，利用所识别的天线元件作为参考来校准下一组天线元件。下一组四个天线元件102可以与下一个探针310B等距。相同或不同的校准方法可以用于下一组四个天线元件102。在计算跨越该元件行的天线元件组102之后，可以对一组四个天线元件102的下一列重复该过程。例如，在使用探针310A、310B和310C校准了一组天线元件102之后，然后，待校准的下一组四个天线元件102可以是与探针310M等距的那些。

一旦校准了功率值，连接到天线元件102A的发射器和连接到天线元件102B的发射器就接通。基于功率校准，天线元件102A和102B以基本相同的功率电平发送信号。调节相位调节器244A或244B中的一个或两个。探针310A将接收来自天线元件102A和102B的两个信号，并检测功率检测器312A处的功率值。当功率最大化时，相位调整器244A和244B对准(例如，相位值相等)。当功率最小化时，相位调节器244A和244B相反(例如，一相的相位等于另一相的相位加180度)。使用该相对关系，系统可以校准一个天线元件相对于另一个天线元件的相位。

图6A是根据一个实施例的探针310A的示意性框图，其中RF电源610设置在两个天线元件102A、102B之间。在该框图600中，探针310A在两个天线元件102A、102B之间等距离地设置。探针310A可以发送用于天线元件102A和102B接收的信号。

图6B是根据一个实施例的使用探针进行校准的流程图，该探针具有设置在两个天线元件之间的RF电源。在框622处，探针310A是发射信号的辐射元件。探针310A可以连接到RF电源610。在块624，天线元件102A、102B接收从探针310A发送的信号。天线元件102A、102B可以连接到相位调整器604A和604B、可变增益放大器606A、606B和I/Q混合器602A、602B。天线元件102A、102B接收信号并使用I/Q混合器602A、602B检测相位和幅度。在框626处，基于检测到的相位和幅度测量的比较来校准天线元件。

这里讨论的任何原理和优点可以应用于其他系统，而不仅仅是上述系统。一些实施例可包括本文阐述的特征和/或优点的子集。可以组合上述各种实施例的元件和操作以提供进一步的实施例。这里讨论的方法的动作可以适当地以任何顺序执行。此外，这里讨论的方法的动作可以适当地串行或并行地执行。虽然以特定布置示出了电路，但是其他等效布置也是可能的。

本文讨论的任何原理和优点可以结合可以从本文的任何教导中受益的任何其他系统、设备或方法来实现。例如，这里讨论的任何原理和优点可以结合需要调整相控阵的幅度或相位的任何设备来实现。

本公开的各方面可以在各种电子设备中实现。例如，可以根据本文所讨论的任何原理和优点实现的上述相控阵列实施例中的一个或多个可以包括在各种电子设备中。电子设备的示例可以包括但不限于手机基站、雷达系统、雷达检测器、消费电子产品、诸如半导体芯片和/或封装模块的消费电子产品的部件、电子测试设备等。电子设备的示例还可以包括通信网络。消费电子产品可以包括但不限于诸如智能电话之类的电话、膝上型计算机、平板计算机、诸如智能手表或耳机之类的可穿戴计算设备、汽车、便携式摄像机、相机、数码相机、便携式存储芯片、洗衣机、烘干机、洗衣机/干衣机、复印机、传真机、扫描仪、多功能外围设备、无线接入点、路由器等。此外，电子设备可以包括未完成的产品，包括用于工业和/或医疗应用的产品。

除非上下文明确要求，否则在整个说明书和权利要求书中，词语“包括”、“包含”、“含有”、“具有”等应以包含性的意义解释，而不是排他性的或详尽的意思；也就是说，在“包括但不限于”的意义上。如本文通常使用的，词语“耦合”或“连接”是指可以直接连接或通过一个或多个中间元件连接的两个或更多个元件。因此，尽管图中所示的各种示意图描绘了元件和组件的示例性布置，在实际实施例中可以存在附加的中间元件、设备、特征或组件(假设所描述的电路的功能不会受到不利影响)。另外，当在本申请中使用时，词语“此处”、“上方”、“下方”和类似含义的词语应当指代本申请的整体而不是指本申请的任何特定部分。在上下文允许的情况下，使用单数或复数的某些实施例的详细描述中的词语也可以分别包括复数或单数。关于两个或更多个项目的列表的“或”一词旨在涵盖对该词的所有以下解释：列表中的任何项目，列表中的所有项目以及列表中项目的任何组合。本文提供的所有数值或距离旨在包括测量误差内的类似值。

虽然已经描述了某些实施例，但是这些实施例仅作为示例呈现，并且不旨在限制本公开的范围。实际上，这里描述的新颖设备、系统和方法可以以各种其他形式体现。此外，在不脱离本公开的精神的情况下，可以对这里描述的方法和系统的形式进行各种省略、替换和改变。所附权利要求及其等同物旨在覆盖落入本公开的范围和精神内的这些形式或修改。

Claims (19)

1.一种天线阵列校准的电子实现方法，包括：

使用所述天线阵列的第一探针确定第一校准组的第一近场幅度关系，其中所述第一校准组包括所述天线阵列的至少第一天线元件和所述天线阵列的第二天线元件，并且所述第一探针对称地设置在所述第一天线元件和所述第二天线元件之间；

使用所述第一探针确定至少所述第一天线元件和所述第二天线元件之间的第一近场相位关系；和

存储所述第一近场幅度关系和所述第一近场相位关系作为所述天线阵列的校准数据。

2.权利要求1所述的方法，还包括：

使用所述天线阵列的第二探针确定第二校准组的第二近场幅度关系，其中所述第二校准组包括所述天线阵列的至少第二天线元件和第三天线元件，并且所述第二探针对称地设置在所述第二天线元件和所述第三天线元件之间；

使用所述第二探针确定至少所述第二天线元件和所述第三天线元件之间的第二近场相位关系；和

存储所述第二近场幅度关系和所述第二近场相位关系作为所述天线阵列的校准数据。

3.权利要求1所述的方法，其中确定第一近场幅度关系还包括使用所述第一探针确定所述天线阵列的第一天线元件、所述第二天线元件、第三天线元件和所述天线阵列的第四天线元件之间的幅度关系，其中所述第一探针对称地设置在所述第一天线元件、所述第二天线元件、所述第三天线元件和所述第四天线元件之间；和

其中确定第一近场相位关系还包括使用所述第一探针确定所述第一天线元件、所述第二天线元件、所述第三天线元件和所述第四天线元件之间的相位关系。

4.权利要求1所述的方法，还包括在校准该特定校准组期间停用未包括在所述特定校准组中的天线元件。

5.权利要求1所述的方法，其中确定第一近场幅度关系还包括：

从第一探针接收的第一天线元件监测信号电平的发射器发射射频信号，其中所述天线阵列的所有其他发射器关闭；和

从第一探针接收的第二天线元件监测信号电平的发射器发射射频信号，其中所述天线阵列的所有其他发射器关闭。

6.权利要求5所述的方法，其中确定第一近场相位关系还包括：

从所述第一天线元件和所述第二天线元件的发射器发射相同幅度的信号；和

相对于彼此相移所述信号以识别相位配置。

7.权利要求6所述的方法，其中使用相控移位器执行相移。

8.权利要求6所述的方法，其中确定第一近场相位关系还包括：

相对于彼此相移信号以识别相位配置之外的180度。

9.权利要求5所述的方法，其中信号电平包括幅度测量。

10.权利要求5所述的方法，其中所述信号电平包括相位测量。

11.权利要求1所述的方法，其中确定第一近场幅度关系还包括从所述探针发射射频信号并监视在所述第一和第二天线元件处接收的信号电平。

12.权利要求11所述的方法，其中确定第一近场相位关系还包括：

接收从所述探针发射的信号，其中发射的信号具有相同的幅度；和

相对于彼此将接收的信号进行相移以在所述第一和第二天线元件处的相位配置中识别。

13.一种具有内置校准组件的设备，包括：

天线阵列的多个天线元件；

天线阵列的多个探针，其中所述探针对称地设置在所述多个天线元件的天线元件组之间，其中每个组的编号至少为两个天线元件，其中所述探针能够接收射频(RF)信号，并且每个天线元件能够发射RF信号用于天线阵列的内置近场校准；和

所述天线阵列的硬件处理器，被配置为通过观察通过使用多个探针获得的近场辐射来校准天线阵列。

14.权利要求13所述的设备，其中每个组的编号至少为四个天线元件。

15.权利要求13所述的设备，其中所述硬件处理器还被配置为调整至少一个天线元件的可变增益放大器以校准所述天线阵列。

16.权利要求13所述的设备，其中所述硬件处理器还被配置为调整至少一个天线元件的移相器以校准所述天线阵列。

17.一种校准天线阵列的电子实现方法，该方法包括：

通过对称地设置在天线阵列的天线单元组之间的探针，至少在天线单元组之间观察近场测量中的辐射图案，以获得阵列的天线单元之间的相对幅度和相位关系；

至少部分地基于获得的相对幅度和相位关系和期望的天线图案产生幅度和相位调整；和

应用产生的幅度和相位调整来获得期望的天线图案。

18.权利要求17所述的方法，还包括在包括不同频率的多个通道上重复观察辐射图案。

19.权利要求17所述的方法，其中所述天线阵列的天线元件和探针设置在单个或多个阵列面板中。