CN111095003A - 用于校准毫米波天线阵列的方法 - Google Patents

Abstract

提供了使用空中测量和优化算法来校准毫米波有源天线阵列的方法。可以分开优化传输路径和接收路径，并且可以分开或一起对幅值和相位执行优化。在一些实施例中，被优化的参数可以包括主瓣的接收功率或零位的位置处的接收功率。

Description

用于校准毫米波天线阵列的方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年9月20日提交的美国临时专利申请序列No.62/560,712的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及通信系统，并且更具体地涉及在毫米波谱中操作的无线通信系统。

背景技术

无线射频(“RF”)通信系统(诸如蜂窝通信系统、WiFi网络、微波回程系统等)在本领域中是众所周知的。这些系统中的一些系统(诸如蜂窝通信系统)在所谓的“许可的”频谱中操作，其中频带的使用被仔细规定为使得在任何给定地理区划中只有特定用户可以在频带的选定部分中进行操作以避免干扰，而其它系统(诸如WiFi)则在“非许可的”频谱中进行操作，该“非许可的”频谱对所有用户可用，虽然通常对传输功率有限制以减少干扰。

蜂窝通信系统现已广泛部署。在典型的蜂窝通信系统中，地理区域被划分为称为“小区”的一系列区域，并且每个小区由基站服务。基站可以包括基带装备、无线电装置和天线，天线被配置为与遍布小区定位的固定和移动订户提供双向RF通信。基站天线生成朝外指向的辐射波束(“天线波束”)，以服务于整个小区或其一部分。通常，基站天线包括辐射元件的一个或多个相控阵列。

对无线通信的需求已迅速增长，其中提出了许多新的应用，在这些新的应用中无线通信将取代以前通过铜通信电缆或光纤通信电缆执行的通信。按照惯例，大多数无线通信系统以低于6.0GHz的频率操作，其中有几个值得注意的例外，诸如微波回程系统、各种军事应用等。随着容量需求持续增加，正在考虑使用更高的频率，包括在许可的谱和非许可的谱二者中的频率。当考虑更高的频率时，包括从约25GHz到高达大约300GHz的频率的毫米波频谱是有潜力的候选，因为在这个频率范围内存在大的连续频带有潜力可用于新应用。还已设想将蜂窝技术用于所谓的“固定无线接入”应用，诸如通过无线“drop”链路将有线电视或其它光纤、同轴电缆或混合同轴电缆-光纤宽带网络连接到单独的订户场所。对于使用第五代(“5G”)蜂窝通信技术的此类固定无线接入应用，目前有兴趣潜在地部署在28GHz至60GHz(或甚至更高)频率范围内操作的通信系统。

发明内容

根据本发明的实施例，提供了校准有源天线阵列的方法，在该方法中，针对有源天线阵列的多个子阵列中的每一个子阵列确定第一幅值和相位设置，其中，第一幅值和相位设置被配置为生成具有主瓣的辐射方向图，该主瓣相对于有源天线阵列的视轴指向方向指向第一方向。使用幅值和相位设置的第一集合通过有源天线阵列传输第一毫米波信号。确定传输的第一毫米波信号在第一位置处的接收功率。使用优化算法来针对有源天线阵列的多个子阵列中的每一个子阵列确定第二幅值和相位设置。使用第二幅值和相位设置通过有源天线阵列传输第二毫米波信号。最终，确定传输的第二毫米波信号在第二位置处的接收功率。

在一些实施例中，第一位置在辐射方向图的主瓣内。在一些实施例中，第二位置可以与第一位置相同。优化算法可以被配置为针对有源天线阵列的多个子阵列中的每一个子阵列识别幅值和相位设置的集合，与第一毫米波信号的所确定的接收功率相比，该幅值和相位设置增加由有源天线阵列传输的毫米波信号在第一位置处的接收功率。

在一些实施例中，第一位置不沿着从有源天线阵列沿着第一方向延伸的向量。例如，第一位置可以在辐射方向图中的期望零位(null)的方向中。优化算法可以被配置为针对有源天线阵列的多个子阵列中的每一个子阵列识别幅值和相位设置的集合，与第一毫米波信号的所确定的接收功率相比，该幅值和相位设置减小由有源天线阵列传输的毫米波信号在第一位置处的接收功率。

在一些实施例中，方法还可以包括使用优化算法来确定幅值和相位设置的附加集合，每个附加集合包括针对有源天线阵列的多个子阵列中的每一个子阵列的幅值和相位设置，并且对于幅值和相位设置的附加集合中的每一个集合，通过有源天线阵列传输使用幅值和相位设置的附加集合生成的附加毫米波信号并且确定在第一位置处的来自每个传输的附加毫米波信号的接收功率。方法还可以包括识别针对从有源天线阵列传输的毫米波信号在沿着第一方向的一位置处具有最高或者最低的接收功率水平的幅值和相位设置的集合。

在一些实施例中，优化算法可以是共轭梯度优化算法、粒子群优化算法或蝙蝠优化算法之一。在一些实施例中，第一毫米波信号的中心频率可以在15GHz和90GHz之间。在一些实施例中，子阵列中的每一个可以包括单个辐射元件。

在一些实施例中，使用优化算法来针对有源天线阵列的多个子阵列中的每一个子阵列确定第二幅值和相位设置可以包括使用这样的优化算法：该优化算法改变针对多个子阵列中的每一个子阵列的幅值设置或者针对多个子阵列中的每一个子阵列的相位设置，以提供针对有源天线阵列的多个子阵列中的每一个子阵列的第二幅值和相位设置。在一些实施例中，使用优化算法来确定针对有源天线阵列的多个子阵列中的每一个子阵列的第二幅值和相位设置可以包括将传输的第一毫米波信号在第一位置处的所确定的接收功率输入到优化算法中。

根据本发明的另外的实施例，提供了现场校准有源天线阵列的方法，其中针对有源天线阵列的多个子阵列中的每一个子阵列确定第一幅值和相位设置，第一幅值和相位设置被配置为生成具有主瓣的辐射方向图，主瓣相对于有源天线阵列的视轴指向方向指向第一方向。使用第一幅值和相位设置通过有源天线阵列传输第一毫米波信号。接收第一信号，第一信号包括第一毫米波信号在接收器处的接收功率水平。使用优化算法来针对有源天线阵列的多个子阵列中的每一个子阵列确定第二幅值和相位设置。使用幅值和相位设置的第二集合通过有源天线阵列传输第二毫米波信号。接收第二信号，第二信号包括第二毫米波信号在接收器处的接收功率水平。然后，使用优化算法来确定幅值和相位设置的附加集合，幅值和相位设置的每个附加集合包括针对有源天线阵列的多个子阵列中的每一个子阵列的幅值和相位设置，使用确定的幅值和相位设置的附加集合中的相应集合通过有源天线阵列传输附加毫米波信号，并从接收器接收包括相应的附加毫米波信号在接收器处的接收功率水平的附加信号，直到优化算法针对有源天线阵列的多个子阵列中的每一个子阵列识别使由有源天线阵列传输的毫米波信号在接收器处的接收功率水平最大化的幅值和相位设置的集合为止。

在一些实施例中，优化算法被配置为针对有源天线阵列的多个子阵列中的每一个子阵列识别幅值和相位设置的集合，与第一毫米波信号的所确定的接收功率相比，该幅值和相位设置增加由有源天线阵列传输的毫米波信号在接收器处的接收功率。

在一些实施例中，优化算法是共轭梯度优化算法、粒子群优化算法或蝙蝠优化算法之一。

在一些实施例中，第一毫米波信号的中心频率在15GHz和90GHz之间。

根据本发明的又一些实施例，提供了校准有源天线阵列的方法，在该方法中，通过有源天线阵列传输一系列测试毫米波信号，该测试毫米波信号在相对于有源天线阵列以固定关系定位的接收器处被接收。优化算法被用于选择施加到通过有源天线阵列传输的测试毫米波信号的子分量的多个幅值和/或相位设置中的至少一些。优化算法被配置为识别使由有源天线阵列传输的毫米波信号在接收器的位置处的接收功率水平最大化或者最小化的幅值和/或相位设置。

根据本发明的其它实施例，提供了校准有源天线阵列的方法，在该方法中，针对有源天线阵列的多个子阵列中的每一个子阵列确定第一幅值和相位设置，其中，第一幅值和相位设置为被配置为生成具有主瓣的辐射方向图，主瓣相对于有源天线阵列的视轴指向方向指向第一方向。使用幅值和相位设置的第一集合在有源天线阵列处接收第一毫米波信号。确定第一毫米波信号的接收功率。使用优化算法来针对有源天线阵列的多个子阵列中的每一个子阵列确定第二幅值和相位设置。使用第二幅值和相位设置在有源天线阵列处接收第二毫米波信号，其中第一毫米波信号和第二毫米波信号二者均从第一位置传输到有源天线阵列。确定第二毫米波信号的接收功率。

在一些实施例中，第一位置在辐射方向图的主瓣内。

在一些实施例中，优化算法可以被配置为针对有源天线阵列的多个子阵列中的每一个子阵列识别幅值和相位设置的集合，与第一毫米波信号的所确定的接收功率相比，该幅值和相位设置增加在有源天线阵列处从第一位置处的源接收的毫米波信号的接收功率。

在一些实施例中，第一位置不沿着从有源天线阵列沿着第一方向延伸的向量。

在一些实施例中，优化算法被配置为针对有源天线阵列的多个子阵列中的每一个子阵列识别幅值和相位设置的集合，与第一毫米波信号的所确定的接收功率相比，该幅值和相位设置减小在有源天线阵列处从第一位置处的源接收的毫米波信号的功率。

在一些实施例中，方法还包括使用优化算法来确定幅值和相位设置的附加集合，每个附加集合包括针对有源天线阵列的多个子阵列中的每一个子阵列的幅值和相位设置，并且对于幅值和相位设置的附加集合中的每一个集合，使用幅值和相位设置的附加集合在有源天线阵列处接收从第一位置处传输的附加毫米波信号，并确定每个接收的附加毫米波信号的接收功率。

在一些实施例中，方法还包括识别与接收的附加毫米波信号中具有最高或最低的接收功率水平的一个附加毫米波信号对应的幅值和相位设置的集合。

附图说明

图1A是毫米波通信系统的示意图，该毫米波通信系统包括被配置用于RF波束形成的有源天线阵列。

图1B是图1A的有源天线阵列的示意性正视图。

图1C是另一个毫米波通信系统的示意图，该毫米波通信系统包括被配置用于RF波束形成的有源天线阵列。

图2是测试室的示意图。

图3是图示相位和振幅误差对有源天线阵列的天线方向图的影响的曲线图。

图4是图示根据本发明的实施例的校准技术可以如何减小幅值和相位误差的影响的曲线图。

图5是图示根据本发明的实施例的校准有源天线阵列的方法的流程图。

图6是图示根据本发明的另外的实施例的校准有源天线阵列的方法的流程图。

图7是根据本发明的实施例的有源天线阵列的示意图，该有源天线阵列被配置用于基带波束形成。

具体实施方式

相控阵列天线被用于各种无线通信系统中。相控阵列天线中辐射元件的尺寸以及相邻辐射元件之间的距离通常与“操作”频率成比例，辐射元件被设计为以该“操作”频率传输和接收信号，其中越高的操作频率与越小的辐射元件对应，并且辐射元件之间的距离越近。在低于1GHz的频率，偶极辐射元件可以为4-8英寸长。在60GHz，辐射元件可以小六十倍。当辐射元件这么小时，可以有可能在与通信系统的有源部件(例如，收发器、放大器等)相同的布线板(或其它安装基板或结构)上形成辐射元件。在一些情况下，甚至可以有可能在同一半导体集成电路芯片上形成辐射元件和有源部件(例如，放大器、混频器、本地振荡器等)，从而导致紧凑、低成本且易于组装的设备。在同一安装基板上实现有源部件和辐射元件还可以减少或消除对电缆和连接器的需求。这可以是有利的，因为电缆连接增加成本、引入传输损耗并增加制造复杂性，并且也可以是无源互调失真和天线故障(例如，不良的焊接点、断开的连接等)的来源。

对于高速无线数据通信，影响毫米波谱的使用的另一个重要考虑因素是自由空间传播损耗随频率增加而急剧增加。为了补偿大的传播损耗，在毫米波谱中操作的天线常常被设计为生成可以直接指向用户的窄的高增益天线波束，如在第五代(“5G”)蜂窝通信系统中允许的。产生这种窄的天线波束的实用方法是使用具有相对大量的辐射元件的二维阵列。通过具有辐射元件的行和列两者，有可能在方位角平面和仰角平面二者上缩小由阵列生成的天线波束的波束宽度。可以为二维阵列中的每个辐射元件(或者为称为“子阵列”的辐射元件的单独的子组)提供独立的收发器(无线电装置)，以提供完整的相位分布控制(即，收发器可以以协调的方式在任何给定的时隙期间传输相同的RF信号，其中由不同收发器输出的RF信号的子分量的振幅和/或相位被操纵以生成定向笔形波束辐射方向图)。

相控阵列天线被设计为使得从每个单独的辐射元件辐射的信号的幅值和相位可以被调整。可以向每个辐射元件馈送待传输的毫米波信号的子分量，其中，每个子分量的幅值和相位被设置为使得从相控阵列中的每个辐射元件辐射的信号在期望的方向中相干地相加。幅值和相位设置可以被调整以允许天线波束的主瓣在宽地理区域内转向。通常，可调的衰减器和移相器被用于动态地调整信号的从每个辐射元件辐射的子分量的幅值和相位。遗憾的是，即使在精心设计和制造的情况下，可调衰减器、可调移相器、传输线和各种其它电路部件也不会完美匹配。例如，当将第一可调移相器和第二可调移相器各自被编程为施加25°的相移时，由于制造差异，第一移相器实际上可能施加28°的相移，而第二移相器可能施加24°的相移。这些制造差异预期引起例如+/-5°的相位差异和+/-2dB的振幅差异。在信号的由每个辐射元件传输的子分量中的这种幅值的振幅和相位误差会降低单独的辐射元件相长地组合以在用户的方向中形成窄的、高增益的天线波束的程度。通过校准可调的移相器、衰减器和其它电路部件以补偿不匹配，可以减少这些缺陷的影响。

根据本发明的实施例，提供了用于使用空中(over-the-air)测量和优化算法来校准毫米波有源天线阵列的方法。在这些方法的一些实施例中，可以在RF(例如，传输频率)处进行相位和幅值调整。在其它实施例中，可以以数字方式在基带处进行相位和幅值调整。在还有其它实施例中，可以部分地在RF处以及部分地以数字方式在基带处进行相位和幅值调整。

根据这些校准方法的一些实施例，确定幅值和相位设置的第一集合，该幅值和相位设置的第一集合包括针对有源天线阵列的多个子阵列中的每一个子阵列的幅值和相位设置。幅值和相位设置的第一集合被配置为生成具有主瓣的辐射方向图(即，天线波束)，该主瓣相对于有源天线阵列的视轴指向方向指向第一方向。然后，使用幅值和相位设置的第一集合通过有源天线阵列传输第一毫米波信号。然后确定传输的第一毫米波信号在第一位置处的接收功率。然后，使用优化算法来确定幅值和相位设置的第二集合，该幅值和相位设置的第二集合包括针对多个子阵列中的每一个子阵列的幅值和相位设置。然后，使用幅值和相位设置的第二集合通过有源天线阵列传输第二毫米波信号。然后，确定传输的第二毫米波信号在第二位置处的接收功率。

在一些实施例中，第一位置可以在辐射方向图的主瓣内。在此类实施例中，优化算法可以被配置为识别幅值和相位设置的集合，该幅值和相位设置的集合包括针对有源天线阵列的多个子阵列中的每一个子阵列的幅值和相位设置，该幅值和相位设置的集合最大化由有源天线阵列传输的毫米波信号在第一位置处的接收的功率，或者至少与第一毫米波信号的接收功率相比增加了接收功率。在其它实施例中，第一位置(诸如在辐射方向图中的期望零位的方向中的位置)可以与沿着第一方向从有源天线阵列延伸的向量间隔开。在这些实施例中，优化算法可以被配置为针对有源天线阵列的子阵列选择幅值和相位设置的集合，这些幅值和相位设置在维持主瓣中的功率的同时减小或最小化由有源天线阵列传输的毫米波信号在第一位置处的接收功率。

优化算法可以继续被用于针对有源天线阵列的多个子阵列确定幅值和相位设置的附加集合。附加毫米波信号可以使用幅值和相位设置的附加集合以及来自每个传输的附加毫米波信号在第一位置处的接收的功率通过有源天线阵列来传输，以便识别使从有源天线阵列传输的毫米波信号在沿着第一方向的位置处的接收功率水平最大化或者最小化的幅值和相位设置的集合。

根据本发明的另外的实施例，提供了现场校准有源天线阵列的方法。根据这些方法，针对有源天线阵列的多个子阵列中的每一个子阵列确定第一幅值和相位设置，其中第一幅值和相位设置被配置为生成具有主瓣的辐射方向图，主瓣相对于有源天线阵列的视轴指向方向指向第一方向。使用第一幅值和相位设置通过有源天线阵列传输第一毫米波信号。接收第一信号，第一信号包括第一毫米波信号在接收器处的接收功率水平。使用优化算法来针对有源天线阵列的多个子阵列中的每一个子阵列确定第二幅值和相位设置。使用幅值和相位设置的第二集合通过有源天线阵列传输第二毫米波信号。接收第二信号，第二信号包括第二毫米波信号在接收器处的接收功率水平。然后，优化算法被用于(1)确定幅值和相位设置的附加集合，幅值和相位设置的每个附加集合包括针对有源天线阵列的多个子阵列中每一个子阵列的幅值和相位设置，(2)使用所确定的幅值和相位设置的附加集合中的相应集合通过有源天线阵列传输附加毫米波信号，以及(3)接收包括相应附加毫米波信号在接收器处的接收功率水平的附加信号，直到优化算法针对有源天线阵列的多个子阵列中的每一个子阵列识别使由有源天线阵列传输的毫米波信号在接收器处的接收功率水平最大化的幅值和相位设置的集合为止。

根据本发明的又一些实施例，提供了校准有源天线阵列的方法，其中，通过有源天线阵列传输在相对于有源天线阵列以固定关系定位的接收器处接收的一系列测试毫米波信号。优化算法被用于选择施加到通过有源天线阵列传输的测试毫米波信号的子分量的多个幅值和/或相位设置中的至少一些。优化算法被配置为识别使由有源天线阵列传输的毫米波信号在接收器的位置处的接收功率水平最大化或者最小化的幅值和/或相位设置。

现在将参考附图更详细地描述本发明的实施例。

图1A是毫米波通信系统10的示意性框图，该毫米波通信系统10包括基带装备20和毫米波有源相控阵列天线(在本文中也称为“有源天线阵列”)100。如图1A中所示，有源天线阵列100包括多个辐射元件172。图1B是图1A的有源天线阵列100的正视图，图示了有源天线阵列100的示例配置，其中有源天线阵列100的辐射元件172以二维阵列布置。

首先参考图1A，有源天线阵列100可以连接到基带装备20。有源天线阵列100可以与基带装备20位于同一位置，或者可以不与基带装备20位于同一位置。基带装备20可以对要由有源天线阵列100传输或由有源天线阵列100接收的数据执行诸如数字编码、均衡和同步之类的功能。基带装备20可以包括到回程网络(未示出)的接口。

基带数据(例如，以0Hz为中心的100MHz频带中的数字数据)可以从基带装备20接收，并且通过有源天线阵列100向多个传输/接收路径102-1至102-8馈送。每条传输/接收路径102包括数模(“D/A”)转换器110。数模转换器110可以将从基带装备20接收的数字数据转换成中频模拟信号。在示例实施例中，中频信号可以是2GHz信号，但是将认识到的是，可以使用任何合适的中频，或者数模转换器110的输出可以处于基带。由数模转换器110输出的模拟信号被馈送到第一传输/接收开关120。提供第一传输/接收开关120是因为5G蜂窝通信系统通常是时分多路复用系统，其中可以在不同的时隙期间为不同的用户或用户的集合提供服务，并且在许多情况下相同的频率(但不同的时隙)可以被用于传输和接收信号。例如，每个10毫秒的时段(或某个其它合适的小的时间段)可以表示“帧”，该“帧”被进一步划分为几十个或几百个单独的时隙。可以为每个用户指派一个或多个时隙，并且毫米波通信系统10可以被配置为与不同的用户在每个帧的这些不同的用户的单独的时隙期间通信。利用完整的二维波束转向，毫米波有源天线阵列100可以在逐时隙的基础上生成小的、高度集中的天线波束。毫米波信号的馈送到每个辐射元件(或辐射元件组)的子分量的幅值和相位可以被调整，以便使窄的天线波束转向，从而该窄的天线波束在每个相应的时隙期间指向不同的用户。

再次参考图1A，传输/接收开关120可以被设置为沿着在数模转换器110和辐射元件172之间延伸的传输信号路径向下馈送要传输的数据，或者沿着在辐射元件172和模数转换器112之间延伸的接收信号路径向下馈送在辐射元件172处接收的信号。首先关注传输信号路径，要传输的信号(例如，由数模转换器110输出的IF信号)被传递通过传输/接收开关120，并且被输入到上/下变频器122。上/下变频器122可以从本地振荡器124接收较高频率的信号，诸如例如26GHz的本地振荡信号。上/下变频器122可以将通过传输/接收开关120输出的2GHz数据信号乘以26GHz本地振荡信号，以将2GHz中频信号上变频成28GHz。这个28GHz信号可以由上/下变频器122输出到第一环行器132(或者，替代地，另一个传输/接收开关)。第一环行器132将28GHz信号路由到放大器134，该放大器134将该信号升压到适合于驱动功率放大器156的电平。放大器134的输出被馈送到第二环行器136(或者，替代地，另一个传输/接收开关)，该第二环行器136将28GHz信号馈送到滤波器140。

滤波器140可以包括带通滤波器，该带通滤波器滤除在上/下变频器122处生成的互调产物。例如，滤波器140可以包括28GHz带通滤波器。由滤波器140输出的经滤波的28GHz信号被馈送到第二传输/接收开关150。第二传输/接收开关150将信号传递到可变衰减器152，该可变衰减器152可以被用于减小传输信号的幅值。可变衰减器152可以包括例如可变电阻器，该可变电阻器具有可以通过施加控制信号来选择的多个不同的电阻值。每个可变衰减器152因此可以被用于使供应给其的信号的幅值减小由提供给可变衰减器152的控制信号确定的量。由可变衰减器152输出的信号被传递到可变移相器154，该可变移相器154可以被用于修改28GHz传输信号的相位。可变移相器154可以包括例如集成电路芯片，该集成电路芯片可以调整输入到其的毫米波信号的相位。供应给可变移相器154的控制信号可以选择多个相移之一。可变移相器154的输出被传递到高功率放大器156，该高功率放大器156将信号放大到适当的传输电平。然后，放大的传输信号被传递通过第三传输/接收开关158到例如辐射元件172(或到辐射元件172的子阵列170)，以进行空中传输。在图1A-图1B的示例中，每个放大的传输信号被传递到包括八个辐射元件172的子阵列170。当辐射元件172的子阵列170由有源天线阵列100的路径102之一馈送时，拆分器(splitter)/组合器网络(未示出)可以将要传输的信号分解为多个子分量，并且相应的子分量可以被馈送到子阵列170的每个辐射元件172。要注意的是，如本文所使用的，对辐射元件的“子阵列”的引用涵盖了包括单个辐射元件的子阵列。

当以接收模式操作时，可以在每个子阵列170的每个辐射元件172处接收毫米波信号(例如，28GHz信号)的子分量。可以是每个子阵列170的一部分的上面提到的拆分器/组合器网络(未示出)可以将在每个子阵列170的辐射元件172处接收的信号的子分量进行组合，并且使组合的接收信号通过第三传输/接收开关158传递到低噪声放大器160。低噪声放大器160放大接收信号，并将其传递到可调或“可变”的移相器162。可变移相器162的输出被传递到可变衰减器164，该可变衰减器164可以被用于减小接收信号的幅值。可变移相器162的输出被传递到第二传输/接收开关150，该第二传输/接收开关150将信号传递到滤波器140。

接收信号从滤波器140被传递到第二环行器136，该第二环行器136将接收信号路由到另一个低噪声放大器138。低噪声放大器138提高接收信号的电平，以维持可接受的信噪比。然后，接收信号通过第一环行器132被传递到上/下变频器122，该上/下变频器122使用本地振荡信号将接收信号下变频到中频(例如，2.0GHz)。这个经下变频的信号通过第一传输/接收开关120被传递到模数转换器112。由模数转换器112输出的数字数据流被传递到基带装备20。

如图1A-图1B中所示，在示例实施例中，有源天线阵列100中的辐射元件172的每一列可以被配置为子阵列170，该子阵列170连接到传输/接收路径102中的相应一个。在所描绘的实施例中，相同的传输信号被馈送到相应的列/子阵列170中的每个辐射元件172。在其它实施例中，每个辐射元件172可以包括其自己的传输/接收路径102(即，可调衰减器152、164，可调移相器154、162等)，或者辐射元件172的不同子集可以具有它们自己的传输/接收路径102(例如，每列辐射元件172可以提供两条路径，其中每条传输/接收路径102馈送四个辐射元件172)。

图1A中所示的实施例的替代方案是在有源天线阵列中包括单个收发器(数模转换器110和模数转换器112直至滤波器140)，并使用这个收发器来驱动拆分器/组合器，其中拆分器/组合器的每个输出/输入连接到传输和接收路径可变衰减器、移相器和放大器，传输和接收路径可变衰减器、移相器和放大器连接到子阵列。具有这种配置的毫米波通信系统11在图1C中示出。如可以看出的，在图1C的毫米波通信系统11中，其中包括的有源天线阵列101具有单个收发器105，该单个收发器105馈送拆分器/组合器142，该拆分器/组合器142将要传输的RF信号划分为八个分开的子分量，这八个分开的子分量然后被传递到传输路径可变衰减器和移相器152、154。拆分器/组合器142同样将在八个子阵列170中的每一个处接收的RF信号(在它们被传递通过接收路径可变衰减器和移相器162、164之后)进行组合，并将组合的接收信号馈送到收发器105。由于在毫米波频率处的收发器105的高成本，这个实施例在毫米波频率处更具成本效益。

其中要传输的RF信号的子分量的幅值和相位可以被分别调整的有源天线阵列在本领域中是已知的。如以上所讨论的，这些天线需要被校准，以调整部件中可能降低性能的不匹配。例如，如果包括在有源天线阵列中的可调移相器的误差为+/-5°量级，那么由有源天线阵列形成的实际天线波束在实践中将不会几乎和由被用于设置有源天线阵列的可调衰减器和移相器的波束形成算法所预测的天线波束一样好地相干组合。因此，天线波束的峰值增益可能低于预期；峰值增益的指向方向(天线波束指向方向)可能与期望的天线波束指向方向相差例如几度(或更多)，并且/或者天线波束的旁瓣可能大于所必需的。通过校准有源天线阵列以减少或消除期望的振幅和相位调整与实际调整之间的这些不匹配，可以显著改善有源天线阵列的性能。

在以传统蜂窝通信频率(例如，在600MHz至2.7GHz的频率范围内)操作的常规有源天线阵列中，可以以直截了当的方式执行校准过程。例如，可以沿着到每个辐射元件(或辐射元件的子阵列)的传输/接收路径包括拆分器/组合器。拆分器/组合器可以被配置为将传输或接收的信号能量的小部分传递到拆分器/组合器的分接头(tap)端口。拆分器/组合器的分接头端口可以被连接器化(connectorized)，并且这些连接器化的分接头端口可以连接到测试装备。然后，可以通过常规有源天线阵列传输已知的测试信号，并且测试装备可以测量在拆分器/组合器的每个分接头端口处输出的信号子分量的幅值和相位，这些信号子分量的幅值和相位与被供应给每个辐射元件(或辐射元件的子阵列)的信号子分量的幅值和相位对应。然后可以将测得的幅值和相位与预期的幅值和相位进行比较，以确定沿着每条传输路径的不匹配。通常，各种不同的已知测试信号将通过基站天线被传输，并且将为这些测试信号中的每一个测试信号确定不匹配，因为不匹配趋于非静态，而是代替地可以取决于沿着每条传输路径的相移量而变化。然后可以生成校准表，该校准表指定沿着每条传输路径的可调衰减器和移相器的设置，这些设置将导致不同量的衰减和相移。

遗憾的是，用于以例如低于3GHz频率范围的频率操作的有源天线阵列的校准技术可能不是轻易适用于毫米波有源天线阵列。如以上所讨论的，在毫米波频率，辐射元件可以小得多，并且可以与有源装备安装在同一安装基板上。当以这种方式实现时，辐射元件通常由在安装基板上形成的传输线馈送。虽然出于校准目的可以沿着每条这样的传输线实现定向耦合器以分接出(tap off)信号能量的一部分，但一般难以(例如，使用电缆和连接器)从分接头端口到测试装备进行连接，因为设备的小尺寸不会容易地允许通过这种电缆连接将每个分接头端口连接到测试装备将需要的大量连接器。而且，由于信号波长在毫米波频率处非常小，所以在校准过程期间可能引入相位测量的误差。照此，常规的校准技术可能对于许多毫米波有源天线阵列不实用。

根据本发明的实施例，提供了用于校准毫米波有源天线阵列的方法。根据这些方法，在微波暗室内通过毫米波有源天线阵列传输测试信号，并在各种位置(即，在与有源天线阵列视轴相距的不同方位角和仰角对应的一系列不同位置上)对接收信号的功率进行空中测量。对于每个位置，一种或多种优化算法可以被用于确定对每个辐射元件的可变移相器和衰减器设置进行的调整，这些调整优化了有源天线阵列的性能。

图2是图示依照根据本发明的实施例的测试方法可以被用于校准毫米波有源天线阵列的测试微波暗室200的示意图。如图2中所示，测试室200可以包括封闭的房间，该封闭的房间包括RF屏蔽，以在天线测试期间极大地减少或防止来自外部的RF能量传递到房间中。测试室200的墙壁、地板和天花板可以被覆盖有微波吸收材料210，该微波吸收材料210散射或吸收由受测试的天线220发射的足够的RF辐射，使得测试室200将模拟自由空间传输。受测试的天线220可以包括例如图1A-图1B的有源天线阵列100。测试室200可以被用于在短距离(例如，10米或更短)处测量来自受测试的天线220的RF发射，而不受外部RF发射或噪声的干扰。在一些实施例中，受测试的天线220可以被安装在可旋转天线安装座240上，从而可以容易地被切换为具有不同的视轴指向方向。可旋转天线安装座250还可以具有高度调整能力，以将受测试的天线220安装在室210的地板上方的不同高度处。

如图2中进一步所示，可以在测试室200中安装一个或多个天线230。在一些实施例中，天线230可以包括例如喇叭天线。测试装备(未示出)可以被连接到天线230，以测量在受测试的有源天线阵列220的测试期间接收的信号的特性。测试装备可以包括接收器。

图2的测试室200可以被用于校准受测试的毫米波有源天线220，如下。接收天线230相对于受测试的有源天线阵列220的视轴指向方向位于第一方向(即，方位指向角和仰角指向角)。一系列测试信号通过有源天线阵列220被传输。测试信号的幅值和相位被调整，以努力优化(即，最大化)在接收天线230处接收的信号功率。在示例实施例中，受测试的有源天线阵列220可以被配置为在第一测试信号的传输期间将每个辐射元件设置为理论上应当产生直接指向接收天线230(即，天线方向图中的最高增益处于接收天线230的方位角和仰角处)的天线波束的幅值和相位值。然后可以在第二测试信号和后续测试信号的传输期间修改沿着每条传输路径的幅值和/或相位设置。优化算法可以被用于为每个测试信号选择幅值和相位设置。优化算法可以促进快得多地识别与没有执行校准的情况相比在所选择的方向中增加传输功率水平的幅值和相位设置的集合，并且通常可以基本上最大化传输或接收的功率。优化算法可以将与具有最高功率水平的接收的测试信号对应的幅值和相位设置的集合识别为最优幅值和相位设置。可以在宽范围的天线波束方向内(例如，在有源天线阵列的整个视场中在方位角方向和仰角方向二者上以2°步长)执行这个过程。可调衰减器和移相器的被用于对于给定天线波束方向生成具有最高的接收功率的接收的测试信号的实际设置可以被输入到校准表，作为在向位于那个方向中的用户传输时使用的衰减器和移相器设置。

上述测试信号在微波暗室内部被传输和接收，以减少或消除杂散反射或外部RF噪声的影响。接收器距离有源天线阵列足够远地定位，以清楚地位于远场中，以便准确模拟在部署有源天线阵列时的实际性能。

如上所述，优化算法可以被用于选择在对于每个天线波束指向方向在传输测试信号时使用的幅值和相位设置。这些优化算法可以促进更快速地识别最优(或接近最优)解决方案，其中使在接收天线230处的接收功率最大化的可调衰减器和移相器设置被确定。存在可以使用的各种合适的优化算法。作为一个示例，可以使用共轭梯度优化算法。MagnusR.Hestenes和Eduard Stiefel的“Methods of Conjugate Gradients for SolvingLinear Systems”,Journal of Research of the National Bureau of Standards,Vol.49,No.6,1952年12月,pp.409-436中提供了示例共轭梯度优化算法的描述，其全部内容通过引用并入本文。作为另一个示例，可以使用粒子群优化算法。在J.Kennedy和R.C.Eberhart的“Particle Swarm Optimization”,Proc.IEEE Conf.Neural NetworksIV,Piscataway,New Jersey，1995中提供了示例粒子群优化算法的描述。作为又一个示例，可以使用蝙蝠优化算法。在X.S.Yang的“A New Metaheuristic Bat-InspiredAlgorithm”，Nature Inspired Cooperative Strategies for Optimization(NISCO2010)、Eds.J.R.Gonzales等人的“Studies in Computational Intelligence”,Springer Berlin,284,Springer,65–74(2010)中提供了示例蝙蝠优化算法的描述。

在一些实施例中，幅值和相位可以被同时优化。在其它实施例中，可以首先优化相位，然后是幅值，而在其它实施例中，可以首先优化幅值，然后是相位。在每种情况下，可以用这样的约束来优化幅值：该约束是由有源天线阵列220中的任何辐射元件传输的信号的幅值不能超过1(0dB)，这与每个天线元件的最大额定功率对应。在一些情况下，一起优化相位和幅值可以获得改善的结果，但也会使在被优化的变量的数量加倍，与独立优化两个参数相比，这会增加收敛时间。

图3是图示相位和幅值误差对有源天线阵列的辐射方向图(天线波束)的影响的曲线图。在图3中，实线曲线图示了针对有源阵列天线的计算出的辐射方向图，该有源阵列天线包括八个辐射元件的均匀线性阵列，这八个辐射元件各自间隔开半个波长，其中天线波束指向与有源天线阵列的视轴指向方向相距30°(即，天线波束的主瓣指向与有源天线阵列的视轴指向方向相距30°的方位角并且指向相同的仰角)。这个计算出的辐射方向图假设没有幅值或相位误差。图3中的虚线曲线图示了针对在相同的条件下操作的相同天线的辐射方向图，不同之处在于假设每个辐射元件具有在+/-5°范围内的正态分布的随机相位误差以及在范围+/-2dB内的正态分布的幅值误差。如通过比较图3中的实线与点线可以看出的，这些幅值和相位误差使主波束的幅值减小2dB以上，并增加了远旁瓣的幅值。

图4是图示相位和幅值误差的影响以及根据本发明的实施例的校准技术如何可以减小这些影响的曲线图。图4中的实线曲线与来自图3的实线曲线相同，并且再次示出了在假设没有幅值或相位误差的情况下的计算出的辐射方向图。图4中的虚线曲线图示了在蝙蝠优化算法被用于校准有源天线阵列以考虑幅值和相位误差之后的辐射方向图。因为所使用的蝙蝠算法试图使在被优化的参数(成本函数)最小化，所以在应用优化算法时，将在天线方向图的主波束的期望的指向方向中的功率的负值(negative)用作成本函数。如可以看出的，校准基本上消除了天线波束的主瓣的减少以及外部旁瓣的增加。可以看出，在校准之后，辐射方向图与计算出的方向图几乎相同。因此，优化单个参数，即在期望的波束指向方向中的接收信号的最大功率，导致整个辐射方向图被优化。在必要时使用求平均，功率可以被测量为有低方差，这使得优化之后的残差能够小得忽略不计。而且，因为优化算法仅需要相对值，所以无需测量绝对功率。

可以针对主瓣的(相对于有源天线阵列的视轴指向方向的)所有方位指向角和仰角指向角重复上述过程，因为幅值和相位的误差可以随相移的幅值而变化。通常，将以诸如例如方位角和仰角的两度的步长之类的步长执行校准。校准表中数据的插值可以被用于在校准过程中使用的指向方向之间的指向方向。

虽然在以上描述中，通过优化期望的指向方向中的接收功率来执行校准，但是将认识到的是，可以优化其它参数。例如，在其它实施例中，接收器可以被放置在其中辐射方向图中的零位是期望的的位置处，并且可以使用优化算法来减小和/或最小化接收功率。最小化在某个方向中的接收功率可以被用于抵消从那个方向接收的干扰。

上述过程可以被用于在工厂设置中校准有源天线阵列。根据本发明的另外的实施例，类似的程序可以在有源天线阵列的正常操作期间在现场被用于校正随温度改变而发生的相位和幅值误差的改变，特别是在诸如其中用户始终位于同一物理位置的固定无线应用之类的应用中。在这种情况下，有源天线阵列可以被编程为在链路上存在额外带宽的时段期间偶然或周期性地向有源天线阵列与之通信的每个接收器发送一系列测试信号。上述优化程序可以被用于选择测试信号。接收器可以被设计为针对每个测试信号将接收的信号电平(或其它参数)传输回有源天线阵列。基于这个信息，有源天线阵列可以使用优化算法来生成并传输具有不同振幅和相位设置的新测试信号。这个过程可以重复，直到算法完成为止。然后，提供例如接收器处的最大接收功率的幅值和相位设置可以被存储在校准表中，并被用于向这个特定的接收器传输(和接收)信号，直到对这个接收器执行后续的校准测试为止。以这种方式，可以主动地校正由于温度改变、时间漂移等引起的有源天线阵列100的操作特性的改变。这种方法的一个显著优点是它可以消除对可能是耗时且昂贵的操作的在一系列温度内重复上述工厂校准测试的需要。

如上所述，常规的有源天线阵列校准技术通常要求添加诸如监测天线、耦合器和收发器之类的部件，所有这些部件增加了有源天线阵列的成本和体积。本文所述的校准技术可以减小或最小化有源天线阵列的尺寸和成本。虽然可能要求在工厂和/或现场进行某种校准测试，但使用优化算法可以减小测试的复杂性，并且在一些实施例中，通过简单地对有源天线阵列进行编程以执行测试例程并且对接收器进行编程以例如测量测试信号的幅值并将这种接收功率信息传输回有源天线阵列，测试可以自动化并且仅在现场执行。

将认识到的是，根据本发明的实施例的有源天线可以包括控制器，该控制器生成控制信号，这些控制信号被用于将可调衰减器和移相器设置为可以被存储在例如校准表中的相应的幅值和相位设置。为了方便起见，以上讨论有时涉及将幅值和相位设置应用于有源天线阵列。将认识到的是，至少在一些实施例中，在实践中，通过将使得可调的衰减器和移相器应用所选择的衰减水平和相移的控制信号传输到这些衰减器和移相器，这些幅值和相位设置被应用于有源天线阵列。

图5是图示根据本发明的实施例的校准有源天线阵列的方法的流程图。如图5中所示，操作可以开始于针对有源天线阵列的多个子阵列中的每一个子阵列确定第一幅值和相位设置(或“权重”)(方框300)。第一幅值和相位设置可以被配置为生成具有主瓣的天线方向图，该主瓣相对于有源天线阵列的视轴指向方向指向第一方向。然后，使用幅值和相位设置的第一集合通过有源天线阵列传输第一毫米波信号(方框310)。然后，确定传输的第一毫米波信号在第一位置处的接收功率(方框320)。然后，优化算法被用于确定用于激发有源天线阵列的多个子阵列的第二幅值和相位设置(方框330)。然后，使用第二幅值和相位设置通过有源天线阵列传输第二毫米波信号(方框340)。然后，确定第二传输的毫米波信号在第二位置处的接收功率(方框350)。第二位置通常与第一位置相同，但是不需要在所有情况下都相同。

然后，可以关于优化算法是否已经完成进行确定(方框360)。如果已经完成，那么由优化性能的优化算法识别的幅值和相位设置的集合被选择作为幅值和相位设置，以生成指向第一方向的天线波束(方框370)。然后可以将幅值和相位设置的这个集合存储在例如有源天线阵列的存储器中的校准表中(方框380)，并且操作可以结束。如果在方框360处确定优化算法尚未完成，那么操作可以返回到方框330，在方框330处确定用于激发有源天线阵列的多个子阵列的新的幅值和相位设置集合。

在一些情况下，第一位置可以是沿着相对于有源天线阵列的视轴指向方向与在没有校准误差的情况下主瓣的指向方向对应的方向的位置。换句话说，第一位置可以位于与有源天线阵列的视轴指向方向相距的方向中，在该方向中，接收功率应当(与任何其它方向相比)具有最大功率水平。但是，由于沿着传输/接收路径102的部件中的不匹配，在第一位置处的接收功率水平将小于所预测的。优化算法被用于相对快速地识别补偿不匹配的幅值和相位设置的经修改的集合，从而由有源天线阵列传输的信号在第一位置处将具有更高的接收功率水平。

在其它实施例中，第一位置可以不沿着从有源天线阵列沿着第一方向延伸的向量，而是代替地可以处于不同的位置，诸如例如在其中期望有天线方向图中的零位的方向中的位置。在这些实施例中，优化算法可以被配置为针对有源天线阵列的多个子阵列中的每一个子阵列选择减小由有源天线阵列传输的毫米波信号在第一位置处的接收功率的幅值和相位设置。

优化算法可以继续被用于针对有源天线阵列的多个子阵列中的每一个子阵列确定幅值和相位设置的附加集合，并且对于幅值和相位的每个附加集合，通过有源天线阵列传输使用幅值和相位设置的附加集合生成的附加毫米波信号，并且确定在接收器处的来自每个传输的附加毫米波信号的接收功率，以便识别使从有源天线阵列传输的毫米波信号在沿着第一方向的位置处的接收功率水平最大化或者最小化的幅值和相位设置的集合。

图6是图示根据本发明的又一个实施例的校准有源天线阵列的方法的流程图。如图6中所示，通过有源天线阵列传输一系列测试毫米波信号，该测试毫米波信号在相对于有源天线阵列以固定关系定位的接收器处被接收(方框400)。优化算法被用于选择施加到通过有源天线阵列传输的测试毫米波信号的子分量的多个幅值和/或相位设置中的至少一些(方框410)。优化算法被配置为识别使由有源天线阵列传输的毫米波信号在接收器的位置处的接收功率水平最大化或者最小化的幅值和/或相位设置。然后，识别出的幅值和相位设置可以以适当的格式被存储在校准表中，以当有源天线阵列在接收器的方向中传输或接收信号时控制有源天线阵列以应用这些幅值和相位权重(方框420)。

在以上参考图1A-图1B描述的有源天线阵列100中，在RF处进行相位和幅值调整。将认识到的是，本文公开的校准技术也可以关于在基带装备中以数字方式执行相位和幅值调整的有源天线阵列来使用。图7是毫米波通信系统12的示意图，该系统包括执行基带波束形成的有源天线阵列102。如通过将图7与图1A进行比较可以看出的，主要区别在于有源天线阵列102中省略了可调移相器152、164和可调衰减器154、162，并且代替地由基带装备21进行幅值和相位调整。同样将认识到的是，本文公开的技术可以与以中频执行波束形成或者使用其中波束形成部分地在基带处并且部分地在RF处或在中频处执行的混合方法的有源天线阵列一起使用。

还将认识到的是，可以针对传输路径和接收路径两者执行上述校准技术，因为沿着每条路径的差异可能是不同的。

针对接收路径的校准程序可以类似于上述针对传输路径的校准程序。例如，在一些实施例中，图2的测试室200可以被用于校准受测试的毫米波有源天线220的接收路径，如下。天线230连接到发送器(图2中未示出)，并且相对于有源天线阵列220的视轴指向方向沿着第一方向(即，方位指向角和仰角指向角)定位。通过天线230传输一系列测试信号，并且测量在有源天线阵列220处接收的每个测试信号的功率。沿着有源天线阵列220的每条接收路径的幅值和相位设置被调整，以努力优化(即，最大化)在有源天线阵列220处接收的信号功率。在示例实施例中，有源天线阵列220可以被配置为在第一测试信号的接收期间将每个辐射元件设置为在理论上应当产生直接指向天线230的天线波束的幅值和相位值(即，天线方向图中的最高增益处于天线230的方位角和仰角处)。然后可以在第二测试信号和后续测试信号的接收期间修改沿着每条接收路径的幅值和/或相位设置。可以使用优化算法来选择在每个测试信号的接收期间使用的幅值和相位设置。优化算法可以促进快得多地识别与没有执行校准的情况相比在所选择的方向中增加接收信号的功率水平的幅值和相位设置的集合。优化算法可以将与具有最高功率水平的接收的测试信号对应的幅值和相位设置的集合识别为最优幅值和相位设置。可以在宽范围的天线波束方向内(例如，在有源天线阵列200的整个视场中在方位角方向和仰角方向二者中以2°的步长)执行这个过程。还将理解的是，在其它实施例中，优化算法可以被设置为使接收的测试信号的功率最小化。在此类实施例中，仅相位可以被调整(因为也可以通过设置衰减器以使接收的信号完全衰减来使接收的信号功率最小化)。

因此，在一些实施例中，提供了校准有源天线阵列的方法，其中针对有源天线阵列的多个子阵列中的每一个子阵列确定第一幅值和相位设置，其中，第一幅值和相位设置被配置为生成具有主瓣的辐射方向图，主瓣相对于有源天线阵列的视轴指向方向指向第一方向。使用幅值和相位设置的第一集合在有源天线阵列处接收第一毫米波信号，并且确定第一毫米波信号的接收功率。然后，使用优化算法来针对有源天线阵列的多个子阵列中的每一个子阵列确定第二幅值和相位设置。使用第二幅值和相位设置在有源天线阵列处接收第二毫米波信号，并且确定第二毫米波信号的接收功率。第一毫米波信号和第二毫米波信号二者都可以从第一位置传输到有源天线阵列。

在一些实施例中，第一位置可以在辐射方向图的主瓣内。在这样的实施例中，优化算法可以被配置为针对有源天线阵列的多个子阵列中的每一个子阵列识别幅值和相位设置的集合，与第一毫米波信号的所确定的接收功率相比，该幅值和相位设置增加在有源天线阵列处从第一位置处的源接收的毫米波信号的接收功率。在其它实施例中，第一位置可以不沿着从有源天线阵列沿着第一方向延伸的向量。在这些实施例中，优化算法可以被配置为针对有源天线阵列的多个子阵列中的每一个子阵列识别幅值和相位设置的集合，与第一毫米波信号的所确定的接收功率相比，该幅值和相位设置减小在有源天线阵列处从第一位置处的源接收的毫米波信号的接收功率。

优化算法可以被用于确定幅值和相位设置的附加集合，每个附加集合包括针对有源天线阵列的多个子阵列中的每一个子阵列的幅值和相位设置。对于幅值和相位设置的附加集合中的每一个集合，使用幅值和相位设置的附加集合在有源天线阵列处接收从第一位置传输的附加毫米波信号，并且确定每个这种接收的附加毫米波信号的接收功率。可以将与接收的附加毫米波信号中具有最高或最低的接收功率水平的一个附加毫米波信号对应的幅值和相位设置的集合识别为当从沿着第一方向的源接收信号时要使用的幅值和相位设置的集合。

在美国专利No.9,553,363(“'363专利”)中描述了粒子群优化算法的使用。但是，在'363专利中，与使用优化算法来确定校准相反，优化算法被用于补偿系统的辐射元件或其它部件的故障或预计的故障。此外，在'363专利中，优化算法使用最大旁瓣水平、平均旁瓣水平、累积差、波束宽度或指向精确性之一作为成本函数。相反，在本发明的示例实施例中，优化算法被用于校准有源天线阵列，以减少或消除传输/接收路径中的不匹配的影响，并且所选择的方向(例如，期望的指向方向)中的波束功率被用于优化整个辐射方向图。

在一些实施例中，有源天线阵列可以执行完整的二维波束形成，其中天线波束可以在方位角平面和仰角平面二者中转向。在其它实施例中，有源天线阵列可以执行一维波束形成，诸如例如仅在方位角平面中进行波束形成。本文公开的校准技术可以与两种类型的有源阵列天线一起使用。在一些实施例中，有源阵列天线可以包括在方位角平面中执行波束形成并且在仰角平面中执行波束宽度切换的有源阵列天线。具有这种设计的有源阵列天线例如在2017年5月15日提交的美国临时专利申请序列号62/506,100中公开，其全部内容通过引用并入本文，如同在本文中完全阐述一样。

以上已经参考附图描述了本发明。本发明不限于所图示的实施例；相反，这些实施例旨在向本领域技术人员充分和完全地公开本发明。在附图中，相同的标号通篇指代相同的元件。一些元件的厚度和尺寸可能不是成比例的。

为了便于描述，可以在本文使用诸如“在...下方”、“在...之下”、“下”、“在...之上”、“上”、“顶部”、“底部”等的空间相对术语，以描述一个元件或特征与另外的(一个或多个)元素或特征的关系，如图所示。将理解的是，空间相对术语旨在除了图中描绘的朝向之外还包括使用或操作中的设备的不同朝向。例如，如果附图中的设备翻转，那么被描述为“在”其它元件或特征“下方”或“下面”的元件将朝向为“在”其它元件或特征“之上”。因此，示例性术语“在...之下”可以涵盖之上和之下两种朝向。设备可以以其它方式朝向(旋转90度或以其它朝向)并且可以相应地解释本文中使用的空间相对描述符。

为了简洁和/或清楚起见，可能没有详细描述众所周知的功能或构造。如本文所使用的，表述“和/或”包括相关联的所列项目中的一个或多个的任何和所有组合。

将理解的是，虽然本文中可能使用术语第一、第二等来描述各种元件，但是这些元件不应该被这些术语限制。这些术语仅用于区分一个元件和另一个元件。例如，第一元件可以被称为第二元件，并且类似地，第二元件可以被称为第一元件，而不脱离本发明的范围。

Claims (26)

1.一种校准有源天线阵列的方法，所述方法包括：

针对所述有源天线阵列的多个子阵列中的每一个子阵列确定第一幅值和相位设置，其中，所述第一幅值和相位设置被配置为生成具有主瓣的辐射方向图，所述主瓣相对于有源天线阵列的视轴指向方向指向第一方向；

使用幅值和相位设置的第一集合通过有源天线阵列传输第一毫米波信号；

确定传输的第一毫米波信号在第一位置处的接收功率；

使用优化算法来针对有源天线阵列的所述多个子阵列中的每一个子阵列确定第二幅值和相位设置；

使用所述第二幅值和相位设置通过有源天线阵列传输第二毫米波信号；以及

确定传输的第二毫米波信号在第二位置处的接收功率。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一位置在辐射方向图的主瓣内。

3.如权利要求2所述的方法，其中，所述第二位置与所述第一位置相同。

4.如权利要求3所述的方法，其中，所述优化算法被配置为针对有源天线阵列的所述多个子阵列中的每一个子阵列识别幅值和相位设置的集合，与所述第一毫米波信号的所确定的接收功率相比，所述幅值和相位设置增加由有源天线阵列传输的毫米波信号在所述第一位置处的接收功率。

5.如权利要求1-4中的任一项所述的方法，其中，所述第一位置不沿着从有源天线阵列沿着所述第一方向延伸的向量。

6.如权利要求5所述的方法，其中，所述第一位置在辐射方向图中的期望零位的方向中。

7.如权利要求5所述的方法，其中，所述优化算法被配置为针对有源天线阵列的所述多个子阵列中的每一个子阵列识别幅值和相位设置的集合，与所述第一毫米波信号的所确定的接收功率相比，所述幅值和相位设置减小由有源天线阵列传输的毫米波信号在所述第一位置处的接收功率。

8.如权利要求1至7中的任一项所述的方法，还包括使用优化算法来确定幅值和相位设置的附加集合，每个附加集合包括针对有源天线阵列的所述多个子阵列中的每一个子阵列的幅值和相位设置，并且对于幅值和相位设置的附加集合中的每一个附加集合，通过有源天线阵列传输使用幅值和相位设置的所述附加集合生成的附加毫米波信号并且确定在所述第一位置处的来自每个传输的附加毫米波信号的接收功率。

9.如权利要求8所述的方法，还包括识别针对从有源天线阵列传输的毫米波信号在沿着所述第一方向的位置处具有最高或者最低的接收功率水平的幅值和相位设置的集合。

10.如权利要求1至9中的任一项所述的方法，其中，所述优化算法是共轭梯度优化算法、粒子群优化算法或蝙蝠优化算法之一。

11.如权利要求1-10中的任一项所述的方法，其中，所述第一毫米波信号的中心频率在15GHz和90GHz之间。

12.如权利要求1-11中的任一项所述的方法，其中，子阵列中的每一个子阵列包括单个辐射元件。

13.如权利要求1-12中的任一项所述的方法，其中，使用优化算法来针对有源天线阵列的所述多个子阵列中的每一个子阵列确定第二幅值和相位设置包括使用一优化算法，该优化算法改变针对所述多个子阵列中的每一个子阵列的幅值设置或者针对所述多个子阵列中的每一个子阵列的相位设置，以提供针对有源天线阵列的所述多个子阵列中的每一个子阵列的所述第二幅值和相位设置。

14.如权利要求1-13中的任一项所述的方法，其中，使用优化算法来针对有源天线阵列的所述多个子阵列中的每一个子阵列确定第二幅值和相位设置包括将传输的第一毫米波信号在第一位置处的所确定的接收功率输入到优化算法中。

15.一种现场校准有源天线阵列的方法，所述方法包括：

针对有源天线阵列的多个子阵列中的每一个子阵列确定第一幅值和相位设置，所述第一幅值和相位设置被配置为生成具有主瓣的辐射方向图，所述主瓣相对于有源天线阵列的视轴指向方向指向第一方向；

使用所述第一幅值和相位设置通过有源天线阵列传输第一毫米波信号；

接收第一信号，所述第一信号包括所述第一毫米波信号在接收器处的接收功率水平；

使用优化算法来针对有源天线阵列的所述多个子阵列中的每一个子阵列确定第二幅值和相位设置；

使用幅值和相位设置的第二集合通过有源天线阵列传输第二毫米波信号；以及

接收第二信号，所述第二信号包括所述第二毫米波信号在接收器处的接收功率水平；以及

继续使用优化算法来确定幅值和相位设置的附加集合，幅值和相位设置的每个附加集合包括针对有源天线阵列的所述多个子阵列中的每一个子阵列的幅值和相位设置，使用所确定的幅值和相位设置的附加集合中的相应附加集合通过有源天线阵列传输附加毫米波信号，并从接收器接收包括相应的附加毫米波信号在接收器处的接收功率水平的附加信号，直到优化算法针对有源天线阵列的所述多个子阵列中的每一个子阵列识别使由有源天线阵列传输的毫米波信号在接收器处的接收功率水平最大化的幅值和相位设置的集合为止。

16.如权利要求15所述的方法，其中，优化算法被配置为针对有源天线阵列的所述多个子阵列中的每一个子阵列识别幅值和相位设置的集合，与所述第一毫米波信号的所确定的接收功率相比，所述幅值和相位设置增加由有源天线阵列传输的毫米波信号在接收器处的接收功率。

17.如权利要求15-16中的任一项所述的方法，其中，优化算法是共轭梯度优化算法、粒子群优化算法或蝙蝠优化算法之一。

18.如权利要求15-17中的任一项所述的方法，其中，所述第一毫米波信号的中心频率在15GHz和90GHz之间。

19.一种校准有源天线阵列的方法，所述方法包括：

通过有源天线阵列传输一系列测试毫米波信号，所述一系列测试毫米波信号在相对于有源天线阵列以固定关系定位的接收器处被接收，其中，优化算法被用于选择施加到通过有源天线阵列传输的测试毫米波信号的子分量的多个幅值和/或相位设置中的至少一些，

其中，优化算法被配置为识别使由有源天线阵列传输的毫米波信号在接收器的位置处的接收功率水平最大化或者最小化的幅值和/或相位设置。

20.一种校准有源天线阵列的方法，所述方法包括：

针对有源天线阵列的多个子阵列中的每一个子阵列确定第一幅值和相位设置，其中，所述第一幅值和相位设置为被配置为生成具有主瓣的辐射方向图，所述主瓣相对于有源天线阵列的视轴指向方向指向第一方向；

使用幅值和相位设置的第一集合在有源天线阵列处接收第一毫米波信号；

确定所述第一毫米波信号的接收功率；

使用优化算法来针对有源天线阵列的所述多个子阵列中的每一个子阵列确定第二幅值和相位设置；

使用所述第二幅值和相位设置在有源天线阵列处接收第二毫米波信号，其中，所述第一毫米波信号和所述第二毫米波信号二者均从第一位置传输到有源天线阵列；以及

确定所述第二毫米波信号的接收功率。

21.如权利要求20所述的方法，其中，所述第一位置在辐射方向图的主瓣内。

22.如权利要求21所述的方法，其中，优化算法被配置为针对有源天线阵列的所述多个子阵列中的每一个子阵列识别幅值和相位设置的集合，与所述第一毫米波信号的所确定的接收功率相比，所述幅值和相位设置增加在有源天线阵列处从所述第一位置处的源接收的毫米波信号的接收功率。

23.如权利要求20所述的方法，其中，所述第一位置不沿着从有源天线阵列沿着所述第一方向延伸的向量。

24.如权利要求23所述的方法，其中，优化算法被配置为针对有源天线阵列的所述多个子阵列中的每一个子阵列识别幅值和相位设置的集合，与所述第一毫米波信号的所确定的接收功率相比，所述幅值和相位设置减小在有源天线阵列处从所述第一位置处的源接收的毫米波信号的功率。

25.如权利要求20-24中的任一项所述的方法，还包括使用优化算法来确定幅值和相位设置的附加集合，每个附加集合包括针对有源天线阵列的所述多个子阵列中的每一个子阵列的幅值和相位设置，并且对于幅值和相位设置的附加集合中的每一个附加集合，使用幅值和相位设置的所述附加集合在有源天线阵列处接收从所述第一位置处传输的附加毫米波信号，并确定每个接收的附加毫米波信号的接收功率。

26.如权利要求25所述的方法，还包括识别与接收的附加毫米波信号中具有最高或最低的接收功率水平的一个附加毫米波信号对应的幅值和相位设置的集合。

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