CN111585669A - 一种用于天线阵列的接收发射通道同时校准方法 - Google Patents

一种用于天线阵列的接收发射通道同时校准方法 Download PDF

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CN111585669A CN202010354352.2A CN202010354352A CN111585669A CN 111585669 A CN111585669 A CN 111585669A CN 202010354352 A CN202010354352 A CN 202010354352A CN 111585669 A CN111585669 A CN 111585669A
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Abstract

本发明公开了一种用于天线阵列的接收发射通道同时校准方法，包括以下步骤：S1.对于包含N个收发单元的天线阵列，设定各个收发单元的发射信号；S2.分析天线阵列发射链路和接收链路的信道模型；S3.选择标定通道并进行标定；S4.预先测量保存天线阵列的互耦矩阵；S5.依次选择天线通道接入发射信号，测量相邻天线单元接收端口的接收信号；S6.将标定好数据，测量保存的互耦矩阵、测得的接收信号，以及已知的发射信号代入发射链路和接收链路的信道模型中，计算出各个收发单元的接收链路函数U和发射链路函数V；S7.进行收发通道校准。本发明提高了校准精度，并将通道函数分为了发射通道函数和接收通道函数，使得该方法可以对发射通道和接收通道同时进行校准。

Description

一种用于天线阵列的接收发射通道同时校准方法
技术领域
本发明涉及通信领域，特别是涉及一种用于天线阵列的接收发射通道同时校准方法。
背景技术
随着军用通信和民用通信对天线的要求越来越高，相控阵技术已经成为最核心的天线技术之一。相控阵雷达在研制过程中，其通道幅相校准可以借助于辅助设备，例如近场测试系统。而在服役期间，则难以借助于辅助设备，通常自身带有校准系统众所周知，相控阵雷达自身的通道幅相校准方法可分外校准法和内校准法两税外校准法又有远场和近场之分。远场校准需要一个远距离测试场、辅助天线和转台系统，基本原理是在多个预定的角度上，分别测出天线总输出端口的幅度和相位值，再通过矩阵求逆运算得到天线口径分布的幅度和相位值；近场方法是在天线阵的四周或阵中不同位置设置若干辅助单元，通过测试辅助单元和阵单元之间的相互耦合来进行校准:内校准法是在天线系统内利用附加设备实现校准，该方法通常在天线系统内设置开关矩阵、行波馈电网络。
以上传统方法在进行校准时，需限定在特定的环境下，且需对接收通道和发射通道分别校准，校准速度慢且繁琐。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于天线阵列的接收发射通道同时校准方法，对天线的阵面分析较为完备，提高了校准精度，并将通道函数分为了发射通道函数和接收通道函数，不仅将天线系统做了进一步分解，更使得该方法可以对各个收发单元发射通道和接收通道同时进行校准。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种用于天线阵列的接收发射通道同时校准方法，包括以下步骤：
S1.对于包含N个收发单元的天线阵列，设定各个收发单元的发射信号T＝[T1,T2,...,TN]，其中，Ti表示第i个收发单元的发射信号；
S2.分析天线阵列中各个收发单元的发射链路和接收链路的信道模型：
S201.在已知发射信号T＝[T1,T2,...,TN]的情况下，分析各个收发单元发射时，相邻收发单元接收到的信号：
收发单元1：
Figure BDA0002472967640000011
收发单元2：
Figure BDA0002472967640000012
收发单元3：
Figure BDA0002472967640000021
……
收发单元N：
Figure BDA0002472967640000022
其中，Ti表示第i个收发单元的发射信号；Ui是第i个收发单元的接收链路传输函数；Vi是第i个收发单元的发射链路传输函数；
Figure BDA0002472967640000023
是第i个收发单元发射时第j个收发单元接收的信号；
S202.将第2个收发单元发射时，第1个收发单元和第三个收发单元接收到的信号作比，得到：
Figure BDA0002472967640000024
因此,U1、U3的关系为：
Figure BDA0002472967640000025
同理，
Figure BDA0002472967640000026
根据
Figure BDA0002472967640000027
的关系，获得U5与U1的关系，也就是说，只要知道其中一个奇数号单元的接收链路函数，就能够推导出其他奇数号单元的接收链路函数表达式；同理，只要知道其中一个偶数号单元的接收链路函数，就能够推导出其他偶数号单元的接收链路函数表达式，具体地，
接收链路的表达式模型如下：
Figure BDA0002472967640000028
Figure BDA0002472967640000029
其中，U0N/2+1、U0N/2为第N/2+1和第N/2个收发单元的接收链路函数；
S203.将第1个收发单元发射时第2个收发单元接收到的信号
Figure BDA00024729676400000210
与第3个收发单元发射时第2个收发单元接收到的信号
Figure BDA00024729676400000211
作比，得到：
Figure BDA0002472967640000031
因此，V1与V3的关系为：
Figure BDA0002472967640000032
进而推导出发射链路的表达式模型如下：
Figure BDA0002472967640000033
Figure BDA0002472967640000034
V0N/2+1、V0N/2为第N/2+1和第N/2个收发单元的发射链路函数；
S3.选择第N/2和N/2+1个收发单元，分别对选择的两个收发单元的发射链路函数和接收链路函数进行标定；
S4.预先测量保存天线阵列的互耦矩阵[C]：
Figure BDA0002472967640000035
Figure BDA0002472967640000036
表示第i个收发单元对第j个收发单元间的耦合系数；
S5.依次选择天线通道接入发射信号，测量相邻天线单元接收端口的接收信号[R]：
Figure BDA0002472967640000037
其中，
Figure BDA0002472967640000038
是第i个收发单元发射时第j个收发单元接收的信号；
S6.将标定好的发射链路函数和接收链路函数、测量保存的互耦矩阵[C]、测得的接收信号[R]、以及已知的发射信号T代入发射链路和接收链路的信道模型中，计算出各个收发单元的接收链路函数U和发射链路函数V，其中U＝[U1,U2,...,UN]，V＝[V1,V2,...,VN]；
S7.进行收发通道的校准：天线阵列进行信号发射时，根据计算得到的发射链路函数V，调整各收发单元的发射信号，使其到达天线端口处更接近所需的理想值，完成各收发单元的发射链路校准；天线阵列进行信号接收时，根据计算好的各接收链路函数U，计算到达天线端口处的真实信号值，完成个收发单元的接收校准。
本发明的有益效果是：本发明对天线的阵面分析较为完备，提高了校准精度，并将通道函数分为了发射通道函数和接收通道函数，不仅将天线系统做了进一步分解，更使得该方法可以对发射通道和接收通道同时进行校准。
附图说明
图1为本发明的方法流程图；
图2为实施例中互耦矩阵的示意图。
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，一种用于天线阵列的接收发射通道同时校准方法，包括以下步骤：
S1.对于包含N个收发单元的天线阵列，设定各个收发单元的发射信号T＝[T1,T2,...,TN]，其中，Ti表示第i个收发单元的发射信号；
S2.分析天线阵列中各个收发单元的发射链路和接收链路的信道模型：
S201.在已知发射信号T＝[T1,T2,...,TN]的情况下，分析各个收发单元发射时，相邻收发单元接收到的信号：
收发单元1：
Figure BDA0002472967640000041
收发单元2：
Figure BDA0002472967640000042
收发单元3：
Figure BDA0002472967640000043
……
收发单元N：
Figure BDA0002472967640000044
其中，Ti表示第i个收发单元的发射信号；Ui是第i个收发单元的接收链路传输函数；Vi是第i个收发单元的发射链路传输函数；
Figure BDA0002472967640000045
是第i个收发单元发射时第j个收发单元接收的信号；
S202.将第2个收发单元发射时，第1个收发单元和第三个收发单元接收到的信号作比，得到：
Figure BDA0002472967640000051
因此,U1、U3的关系为：
Figure BDA0002472967640000052
同理，
Figure BDA0002472967640000053
根据
Figure BDA0002472967640000054
的关系，即可获得U5与U1的关系，也就是说，只要知道其中一个奇数号单元的接收链路函数，就能够推导出其他奇数号单元的接收链路函数表达式；同理，只要知道其中一个偶数号单元的接收链路函数，就能够推导出其他偶数号单元的接收链路函数表达式，具体地，
接收链路的表达式模型如下：
Figure BDA0002472967640000055
Figure BDA0002472967640000056
其中，U0N/2+1、U0N/2为第N/2+1和第N/2个收发单元的接收链路函数；
S203.将第1个收发单元发射时第2个收发单元接收到的信号
Figure BDA0002472967640000057
与第3个收发单元发射时第2个收发单元接收到的信号
Figure BDA0002472967640000058
作比，得到：
Figure BDA0002472967640000059
因此，V1与V3的关系为：
Figure BDA00024729676400000510
同理，可以求得
Figure BDA00024729676400000511
根据
Figure BDA00024729676400000512
的关系，即可获得V5与V1的关系，也就是说，只要知道其中一个奇数号单元的发射链路函数，就能够推导出其他奇数号单元的发射链路函数表达式；同理，只要知道其中一个偶数号单元的发射链路函数，就能够推导出其他偶数号单元的发射链路函数表达式，具体地，
发射链路的表达式模型如下：
Figure BDA0002472967640000061
Figure BDA0002472967640000062
V0N/2+1、V0N/2为第N/2+1和第N/2个收发单元的发射链路函数；
S3.选择第N/2和N/2+1个收发单元，分别对选择的两个收发单元的发射链路函数和接收链路函数进行标定；
S4.预先测量保存天线阵列的互耦矩阵[C]：
Figure BDA0002472967640000063
Figure BDA0002472967640000064
表示第i个收发单元对第j个收发单元间的耦合系数；
在本申请的实施例中，互耦矩阵[C]的测量过程如下：
1.设天线各单元馈电信号为V馈电，天线单元由于耦合的存在的真实信号为V实际
C*V实际＝V馈电
其中C为互耦校准矩阵，如图2所示。
假设耦合产生的电流在单元上的分布与原单元上的电流分布相同，对所有单元孤立方向图及其处于阵列中的阵中方向图构成的矢量分别表示为如下向量形式：
Figure BDA0002472967640000065
Figure BDA0002472967640000071
两者的关系可表示为E＝C'Ei
Figure BDA0002472967640000072
又因，
Figure BDA0002472967640000073
INM表示由N单元馈电在M单元处的电流。
其中V馈电∝Ei，
Figure BDA0002472967640000074
不难证明,C＝(C'T)-1
2.单元方向图重建法
1)互耦校准矩阵C为一个N*N的复数矩阵，为了求解C矩阵中的各个参数，选取M(N<M)个方向上的电场值，那么可以建立如下的矩阵方程
Figure BDA0002472967640000075
针对互耦校准矩阵的求解，需要满足min||CE-Ei||
令f(C)＝(CE-Ei)(CE-Ei)H
Figure BDA0002472967640000076
得C＝EiEH(EEH)-1。
S5.依次选择天线通道接入发射信号，测量相邻天线单元接收端口的接收信号[R]：
Figure BDA0002472967640000081
其中，
Figure BDA0002472967640000082
是第i个收发单元发射时第j个收发单元接收的信号；
S6.将标定好的发射链路函数和接收链路函数、测量保存的互耦矩阵[C]、测得的接收信号[R]、以及已知的发射信号T代入发射链路和接收链路的信道模型中，计算出各个收发单元的接收链路函数U和发射链路函数V，其中U＝[U1,U2,...,UN]，V＝[V1,V2,...,VN]；
S7.进行收发通道的校准：天线阵列进行信号发射时，根据计算得到的发射链路函数V，调整各收发单元的发射信号，使其到达天线端口更接近所需的理想值，完成各收发单元的发射链路校准；天线阵列进行信号接收时，根据计算好的各接收链路函数U，计算到达天线端口处的真实信号值，完成个收发单元的接收校准。
在本申请的实施例中，对于任一收发单元i，i＝1,2,3,…,N；
当发射信号，设其天线端口处所需的理想值为Ti′，则只需要将其发射信号调整为Ti′/Vi，即可使得该发射信号到达天线端口更接近所需的理想值，完成该收发单元的发射链路校准；
当接收信号时，设接收到的信号为Ri′，则可计算出天线端口接收到的信号Ri′/Ui，完成该收发单元接收链路的校准。
在本申请的实施例中，所述步骤S1中每个收发单元均包括独立的发射和接收端口，每个收发单元的收发切换的单独控制，并且每一个收发单元在发射和接收模块上采用对称辐射模式。
在本申请的实施例中，所述步骤S3包括以下子步骤：
S301.对于第N/2个收发单元进行标定时，关闭其他收发单元；
在发射状态下，测量该收发单元到达天线端口的信号T0N/2，并与第N/2个收发单元的发射信号TN/2作比，得到的比值即标定的发射链路函数V0N/2：
Figure BDA0002472967640000083
在接收状态下，测量该收发单元到达天线端口的信号R0N/2与接收到的信号R′0N/2，两者的比值即为标定的接收链路函数U0N/2：
Figure BDA0002472967640000091
S302.同理，对于第N/2+1个收发单元进行标定时，关闭其他收发单元；
在发射状态下，测量该收发单元到达天线端口的信号T0N/2+1，并与第N/2+1个收发单元的发射信号TN/2+1作比，得到的比值即标定的发射链路函数V0N/2+1：
Figure BDA0002472967640000092
在接收状态下，测量该收发单元到达天线端口的信号R0N/2+1与接收到的信号R′0N/2+1，两者的比值即为标定的接收链路函数U0N/2+1：
Figure BDA0002472967640000093
以上所述是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应该看作是对其他实施例的排除，而可用于其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (3)

1.一种用于天线阵列的接收发射通道同时校准方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1.对于包含N个收发单元的天线阵列，设定各个收发单元的发射信号T＝[T1,T2,...,TN]，其中，Ti表示第i个收发单元的发射信号；
S2.分析天线阵列中各个收发单元的发射链路和接收链路的信道模型：
S201.在已知发射信号T＝[T1,T2,...,TN]的情况下，分析各个收发单元发射时，相邻收发单元接收到的信号：
收发单元1：
Figure FDA0002472967630000011
收发单元2：
Figure FDA0002472967630000012
收发单元3：
Figure FDA0002472967630000013
……
收发单元N：
Figure FDA0002472967630000014
其中，Ti表示第i个收发单元的发射信号；Ui是第i个收发单元的接收链路传输函数；Vi是第i个收发单元的发射链路传输函数；
Figure FDA0002472967630000015
是第i个收发单元发射时第j个收发单元接收的信号；
S202.将第2个收发单元发射时，第1个收发单元和第三个收发单元接收到的信号作比，得到：
Figure FDA0002472967630000016
因此,U1、U3的关系为：
Figure FDA0002472967630000017
同理，
Figure FDA0002472967630000018
根据
Figure FDA0002472967630000019
的关系，获得U5与U1的关系，也就是说，只要知道其中一个奇数号单元的接收链路函数，就能够推导出其他奇数号单元的接收链路函数表达式；同理，只要知道其中一个偶数号单元的接收链路函数，就能够推导出其他偶数号单元的接收链路函数表达式，具体地，
接收链路的表达式模型如下：
Figure FDA0002472967630000021
Figure FDA0002472967630000022
其中，U0N/2+1、U0N/2为第N/2+1和第N/2个收发单元的接收链路函数；
S203.将第1个收发单元发射时第2个收发单元接收到的信号
Figure FDA0002472967630000023
与第3个收发单元发射时第2个收发单元接收到的信号
Figure FDA0002472967630000024
作比，得到：
Figure FDA0002472967630000025
因此，V1与V3的关系为：
Figure FDA0002472967630000026
同理，求得
Figure FDA0002472967630000027
根据
Figure FDA0002472967630000028
的关系，即可获得V5与V1的关系，也就是说，只要知道其中一个奇数号单元的发射链路函数，就能够推导出其他奇数号单元的发射链路函数表达式；同理，只要知道其中一个偶数号单元的发射链路函数，就能够推导出其他偶数号单元的发射链路函数表达式，具体地，
发射链路的表达式模型如下：
Figure FDA0002472967630000029
Figure FDA00024729676300000210
V0N/2+1、V0N/2为第N/2+1和第N/2个收发单元的发射链路函数；
S3.选择第N/2和N/2+1个收发单元，分别对选择的两个收发单元的发射链路函数和接收链路函数进行标定；
S4.预先测量保存天线阵列的互耦矩阵[C]：
Figure FDA0002472967630000031
Figure FDA0002472967630000032
表示第i个收发单元对第j个收发单元间的耦合系数；
S5.依次选择天线通道接入发射信号，测量相邻天线单元接收端口的接收信号[R]：
Figure FDA0002472967630000033
其中，
Figure FDA0002472967630000034
是第i个收发单元发射时第j个收发单元接收的信号；
S6.将标定好的发射链路函数和接收链路函数、测量保存的互耦矩阵[C]、测得的接收信号[R]、以及已知的发射信号T代入发射链路和接收链路的信道模型中，计算出各个收发单元的接收链路函数U和发射链路函数V，其中U＝[U1,U2,...,UN]，V＝[V1,V2,...,VN]；
S7.进行收发通道的校准：天线阵列进行信号发射时，根据计算得到的发射链路函数V，调整各收发单元的发射信号，使其到达天线端口处更接近所需的理想值，完成各收发单元的发射链路校准；天线阵列进行信号接收时，根据计算好的各接收链路函数U，计算到达天线端口处的真实信号值，完成个收发单元的接收校准。
2.根据权利要求1所述的一种用于天线阵列的接收发射通道同时校准方法，其特征在于：所述步骤S1中每个收发单元均包括独立的发射和接收端口，每个收发单元的收发切换的单独控制，并且每一个收发单元在发射和接收模块上采用对称辐射模式。
3.根据权利要求1所述的一种用于天线阵列的接收发射通道同时校准方法，其特征在于：所述步骤S3包括以下子步骤：
S301.对于第N/2个收发单元进行标定时，关闭其他收发单元；
在发射状态下，测量该收发单元到达天线端口的信号T0N/2，并与第N/2个收发单元的发射信号TN/2作比，得到的比值即标定的发射链路函数V0N/2：
Figure FDA0002472967630000041
在接收状态下，测量该收发单元到达天线端口的信号R0N/2与接收到的信号R′0N/2，两者的比值即为标定的接收链路函数U0N/2：
Figure FDA0002472967630000042
S302.同理，对于第N/2+1个收发单元进行标定时，关闭其他收发单元；
在发射状态下，测量该收发单元到达天线端口的信号T0N/2+1，并与第N/2+1个收发单元的发射信号TN/2+1作比，得到的比值即标定的发射链路函数V0N/2+1：
Figure FDA0002472967630000043
在接收状态下，测量该收发单元到达天线端口的信号R0N/2+1与接收到的信号R′0N/2+1，两者的比值即为标定的接收链路函数U0N/2+1：
Figure FDA0002472967630000044
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