CN112003655B - 一种数模混合相控阵天线系统校准方法 - Google Patents

一种数模混合相控阵天线系统校准方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种数模混合相控阵天线系统校准方法，属于通信技术领域。本发明首先通过TR组件的接收配置参数以及发射配置参数，分别对TR组件的接收通道和发射通道进行移相器的配置，完成TR组件的射频通道校准；然后，通过中频通道接收校准系数以及发射校准系数，对天线系统的中频通道进行校准补偿，最终实现整个数模混合相控阵天线系统的校准。本发明不需要在天线远场设置辅助校准源发射校准信号，校准过程简单。其将整个数模混合相控阵天线系统校准过程分为射频通道校准和中频校准，射频校准后可以形成固定参数，不需要重复校准，提高了天线校准的时效。此外，本发明在天线中频通道增加耦合器，支持天线系统上电后自动校准。

Description

一种数模混合相控阵天线系统校准方法
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种数模混合相控阵天线系统校准方法。
背景技术
数模混合相控阵天线同时包含模拟移相器和数字移相器，分别控制天线波束的俯仰角度和方位角度。在保留了数字相控阵天线波束控制灵活等优势的同时减少了天线系统的数字通道，降低了天线成本。
为了降低相控阵天线系统中信号的相位和幅度误差对整个系统的影响，需要对天线进行校准，数模混合相控阵天线需要对天线的模拟通道和数字通道的误差同时进行修正。
相控阵天线传统校准方法需要在天线远场设置辅助校准源发射校准信号，校准系统较为复杂，在相控阵天线系统使用过程中也不方便，无法对相控阵天线进行实时校准，不利于相控阵天线在通信系统中的进行应用。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种数模混合相控阵天线系统校准方法，该方法不需要设置辅助校准源就能够实现数模混合相控阵天线各个通道实时校准，可获得更好的校准系数。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种数模混合相控阵天线系统校准方法，用于对由M×N个天线单元组成的数模混合相控阵天线系统进行校准，该数模混合相控阵天线系统包括M个TR组件，每个TR组件包含N个射频通道，M≥2，N≥2；校准过程分为射频校准和中频校准，具体包括以下步骤：
(1)进行TR组件射频通道校准，初始化k＝1，i＝2，j＝1；
(2)将第k个TR组件的通道1作为校准通道，第i个TR组件的通道j作为待测通道，用线缆连接校准通道和待测通道，控制校准通道为发射状态，待测通道为接收状态，其它TR组件的射频通道为断开状态，校准通道产生校准信号S，待测通道接收信号Sij，计算接收信号与校准信号之间的幅相参数
Figure BDA0002678550990000021
(3)将幅相参数φij转换计算得到TR组件的接收配置参数Pij；
(4)控制校准通道为接收状态，待测通道为发射状态，其它TR组件的射频通道为断开状态，待测通道产生校准信号S'，校准通道接收信号S'ij，计算接收信号与校准信号之间的幅相参数
Figure BDA0002678550990000022
(5)将幅相参数φ'ij转换计算得到TR组件的发射配置参数P'ij；
(6)判断j是否等于N，若等于，转到步骤(7)，若不等于，将j加1，转到步骤(2)；
(7)判断k是否等于2，若等于，转到步骤(9)，若不等于，转到步骤(8)；
(8)判断i是否等于M，若等于，设置k＝2，i＝1，j＝1，转到步骤(2)，若不等于，将i加1，并令j＝1，转到步骤(2)；
(9)通过TR组件的接收配置参数Pij以及发射配置参数P'ij，i＝1,2,…,M，j＝1,2,…,N，分别对TR组件的接收通道和发射通道进行移相器的配置，完成TR组件的射频通道校准；
(10)进行天线中频通道接收校准，通过耦合器将中频校准通道与天线各中频通道连接，控制天线中频通道为接收状态，中频校准通道为发射状态；
(11)中频校准通道发射校准信号S0，天线中频通道接收信号Sn，n＝1,2,…,M，以中频通道1的接收信号S1为基准，计算得到天线中频通道的接收校准系数
Figure BDA0002678550990000031
(12)进行中频通道发射校准，初始化l＝1，开始校准中频通道l；
(13)控制天线中频通道l为发射状态，中频校准通道为接收状态，其它天线中频通道为断开状态；
(14)天线中频通道l发射信号S'0，中频校准通道接收信号为S'l，计算得到中频通道l的发射校准系数
Figure BDA0002678550990000032
(15)判断l是否等于M，若等于，转到步骤(16)，若不等于，将l加1，转到步骤(13)；
(16)通过中频通道接收校准系数
Figure BDA0002678550990000033
以及发射校准系数
Figure BDA0002678550990000034
对天线系统的中频通道进行校准补偿，从而实现整个数模混合相控阵天线系统的校准。
具体的，所述步骤(3)的具体方式为：根据表达式
Figure BDA0002678550990000035
得到幅度参数Aij和相位参数θij，按照TR组件的幅相配置格式得到参数Pij。
具体的，所述步骤(5)的具体方式为：根据表达式
Figure BDA0002678550990000036
得到幅度参数A'ij和相位参数θ'ij，按照TR组件的幅相配置格式得到参数P'ij。
具体的，步骤(10)中所述的耦合器为M路通道耦合器，耦合器的输入口与天线中频接口连接，直连口与TR组件的中频接口连接，耦合口与中频校准通道连接。
本发明与背景技术相比所取得的有益效果在于：
(1)本发明在进行数模混合相控阵天线校准时不需要在天线远场设置辅助校准源发射校准信号，校准过程简单。
(2)本发明将整个数模混合相控阵天线系统校准过程分为射频通道校准和中频校准，射频校准后可以形成固定参数，不需要重复校准，提高了天线校准的时效。
(3)本发明在天线中频通道增加耦合器，支持天线系统上电后自动校准，不需要人为干预，简化了天线校准的操作流程。
附图说明
图1是本发明实施例中12×3阵元数模混合相控阵天线阵元排列示意图。
图2是本发明实施例中的TR组件连接示意图。
图3是本发明实施例中的中频通道耦合器连接示意图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。
图1所示为12×3阵元数模混合相控阵天线阵元排列示意图，每一列天线阵元连接同一个TR组件的三个射频通道。
图2所示为TR组件连接示意图，每一个TR组件包含3个射频通道和一个中频通道，其中射频通道与对应天线单元连接，中频通道与对应天线的中频通道连接。
图3所示为中频通道耦合器连接示意图，耦合器包括12路输入口，12路直连口和1个耦合口，其中输入口分别与对应的天线中频通道连接，直连口与TR组件的中频通道连接，耦合口与中频校准通道连接。
对于图1所示的12×3个阵元数模混合相控阵天线系统，校准方法包括以下步骤：
(1)首先进行12个TR组件的射频通道校准；
(2)设置i＝2,j＝1；
(3)将第1个TR组件通道1作为校准通道，第i个TR组件的通道j作为为待测通道，控制校准通道产生校准信号S，校准信号经过待测通道得到接收信号Sij；
(4)计算接收信号与校准信号之间的幅相参数
Figure BDA0002678550990000051
通过转换计算得到TR组件的接收配置参数Pij；
(5)控制待测通道产生校准信号S'，校准信号经过校准通道得到接收信号S'ij；
(6)计算接收信号与校准信号之间的幅相参数
Figure BDA0002678550990000052
通过转换计算得到TR组件的发射配置参数P'ij；
(7)判断j是否等于3，若等于，转到步骤(8)，若不等于，将j加1，转到步骤(3)；
(8)判断i是否等于12，若等于，转到步骤(9)，若不等于，将i加1，j＝1，转到步骤(3)；
(9)设置j＝1；
(10)将第2个TR组件通道1作为校准通道，第1个TR组件的通道j作为为待测通道，控制校准通道产生校准信号S，校准信号经过待测通道得到接收信号S1j；
(11)计算接收信号与校准信号之间的幅相参数
Figure BDA0002678550990000053
通过转换计算得到TR组件的接收配置参数P1j；
(12)控制待测通道产生校准信号S'，校准信号经过校准通道得到接收信号S'1j；
(13)计算接收信号与校准信号之间的幅相参数
Figure BDA0002678550990000061
通过转换计算得到TR组件的发射配置参数P'1j；
(14)判断j是否等于3，若等于，转到步骤(15)，若不等于，将j加1，转到步骤(10)；
(15)通过TR组件的接收配置参数Pij,(i＝1,2,…,12j＝1,2,3)以及发射配置参数P'ij,(i＝1,2,…,12j＝1,2,3)分别对TR组件的接收通道和发射通道进行移相器的配置，完成TR组件的通道校准；
(16)进行中频通道接收校准，通过耦合器将中频校准通道与天线各中频通道连接，控制中频校准通道发射校准信号S0，同时得到天线各个中频通道的接收信号Sn(n＝1,2,…,12)；
(17)以中频通道1的接收信号S1为基准，计算得到天线中频通道的接收校准系数
Figure BDA0002678550990000062
(n＝1,2,…,12)；
(18)进行中频通道发射校准，开始校准中频通道l，设置l＝1；
(19)控制天线中频通道l发射信号S'0，中频校准通道得到接收信号为S'l；
(20)计算得到中频通道l的发射校准系数
Figure BDA0002678550990000063
(21)判断l是否等于12，若等于，转到步骤(22)，若不等于，将l加1，转到步骤(19)；
(22)通过中频通道接收校准系数
Figure BDA0002678550990000064
(n＝1,2,…,12)，以及发射校准系数
Figure BDA0002678550990000065
(l＝1,2,…,12)，对天线系统的中频通道进行校准补偿，即可实现整个数模混合相控阵天线系统的校准。
总之，本发明的校准过程分为射频校准和中频校准。首先，通过TR组件的接收配置参数以及发射配置参数，分别对TR组件的接收通道和发射通道进行移相器的配置，完成TR组件的射频通道校准。然后，通过中频通道接收校准系数以及发射校准系数，对天线系统的中频通道进行校准补偿，最终实现整个数模混合相控阵天线系统的校准。
通过上述描述可见，本发明在进行数模混合相控阵天线校准时不需要在天线远场设置辅助校准源发射校准信号，校准过程简单。本发明将整个数模混合相控阵天线系统校准过程分为射频通道校准和中频校准，射频校准后可以形成固定参数，不需要重复校准，提高了天线校准的时效。此外，本发明在天线中频通道增加耦合器，支持天线系统上电后自动校准，不需要人为干预，简化了天线校准的操作流程。

Claims (3)

1.一种数模混合相控阵天线系统校准方法，其特征在于，用于对由M×N个天线单元组成的数模混合相控阵天线系统进行校准，该数模混合相控阵天线系统包括M个TR组件，每个TR组件包含N个射频通道，M≥2，N≥2；校准过程分为射频校准和中频校准，具体包括以下步骤：
(1)进行TR组件射频通道校准，初始化k＝1，i＝2，j＝1；
(2)将第k个TR组件的通道1作为校准通道，第i个TR组件的通道j作为待测通道，用线缆连接校准通道和待测通道，控制校准通道为发射状态，待测通道为接收状态，其它TR组件的射频通道为断开状态，校准通道产生校准信号S，待测通道接收信号Sij，计算接收信号与校准信号之间的幅相参数
Figure FDA0003537757140000011
(3)将幅相参数φij转换计算得到TR组件的接收配置参数Pij；具体方式为：根据表达式
Figure FDA0003537757140000012
得到幅度参数Aij和相位参数θij，按照TR组件的幅相配置格式得到参数Pij；
(4)控制校准通道为接收状态，待测通道为发射状态，其它TR组件的射频通道为断开状态，待测通道产生校准信号S'，校准通道接收信号S'ij，计算接收信号与校准信号之间的幅相参数
Figure FDA0003537757140000013
(5)将幅相参数φ'ij转换计算得到TR组件的发射配置参数P'ij；
(6)判断j是否等于N，若等于，转到步骤(7)，若不等于，将j加1，转到步骤(2)；
(7)判断k是否等于2，若等于，转到步骤(9)，若不等于，转到步骤(8)；
(8)判断i是否等于M，若等于，设置k＝2，i＝1，j＝1，转到步骤(2)，若不等于，将i加1，并令j＝1，转到步骤(2)；
(9)通过TR组件的接收配置参数Pij以及发射配置参数P'ij，i＝1,2,…,M，j＝1,2,…,N，分别对TR组件的接收通道和发射通道进行移相器的配置，完成TR组件的射频通道校准；
(10)进行天线中频通道接收校准，通过耦合器将中频校准通道与天线各中频通道连接，控制天线中频通道为接收状态，中频校准通道为发射状态；
(11)中频校准通道发射校准信号S0，天线中频通道接收信号Sn，n＝1,2,…,M，以中频通道1的接收信号S1为基准，计算得到天线中频通道的接收校准系数
Figure FDA0003537757140000021
(12)进行中频通道发射校准，初始化l＝1，开始校准中频通道l；
(13)控制天线中频通道l为发射状态，中频校准通道为接收状态，其它天线中频通道为断开状态；
(14)天线中频通道l发射信号S'0，中频校准通道接收信号为S'l，计算得到中频通道l的发射校准系数
Figure FDA0003537757140000022
(15)判断l是否等于M，若等于，转到步骤(16)，若不等于，将l加1，转到步骤(13)；
(16)通过中频通道接收校准系数
Figure FDA0003537757140000023
以及发射校准系数
Figure FDA0003537757140000024
对天线系统的中频通道进行校准补偿，从而实现整个数模混合相控阵天线系统的校准。
2.根据权利要求1所述的一种数模混合相控阵天线系统校准方法，其特征在于，所述步骤(5)的具体方式为：根据表达式
Figure FDA0003537757140000025
得到幅度参数A'ij和相位参数θ'ij，按照TR组件的幅相配置格式得到参数P'ij。
3.根据权利要求1所述的一种数模混合相控阵天线系统校准方法，其特征在于，步骤(10)中所述的耦合器为M路通道耦合器，耦合器的输入口与天线中频接口连接，直连口与TR组件的中频接口连接，耦合口与中频校准通道连接。
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