CN112072305B - 一种平面阵阵列天线馈线相位补偿方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及信号处理技术领域，提供了一种平面阵阵列天线馈线相位补偿方法及系统，其方法包括：S1：通过信号发射模块发射无线电射频信号；S2：通过阵列天线馈线相位补偿模块接收无线电射频信号，形成阵列天线接收信号；S3：阵列天线馈线相位补偿模块将阵列天线接收信号送入阵列天线馈线相位估计模块中，获取馈线相位估计；S4：当阵列天线馈线相位补偿模块获取到阵列天线馈线相位估计模块中的馈线相位估计后，将阵列天线接收信号送入阵列天线信号处理模块中进行后续处理。上述技术方案具有操作便捷、估计准确的技术特点，有利于快速进行平面阵阵列天线馈线相位补偿。

Description

一种平面阵阵列天线馈线相位补偿方法及系统

技术领域

本发明涉及信号处理的技术领域，尤其涉及一种平面阵阵列天线馈线相位补偿方法及系统。

背景技术

天线馈线是指连接天线与收、发信机传送射频能量的传输线。平面阵阵列天线各个通道之间由于馈线长度差异必然导致馈线相位各不相同，进而影响平面阵天线的测向准度。为了保障平面阵天线的测向准度，需要对各个通道馈线相位之间的相互关系予以补偿。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种平面阵阵列天线馈线相位补偿方法及系统，具有操作便捷、估计准确的技术特点，有利于快速进行平面阵阵列天线馈线相位补偿。

本发明的上述发明目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种平面阵阵列天线馈线相位补偿方法，包括以下步骤：

S1：建立信号发射模块，通过所述信号发射模块发射用于阵列天线馈线相位估计的无线电射频信号；

S2：建立阵列天线馈线相位补偿模块，通过所述阵列天线馈线相位补偿模块接收所述无线电射频信号，形成阵列天线接收信号；

S3：建立阵列天线馈线相位估计模块，所述阵列天线馈线相位补偿模块将所述阵列天线接收信号送入所述阵列天线馈线相位估计模块中，获取馈线相位估计；

S4：建立阵列天线信号处理模块，当所述阵列天线馈线相位补偿模块获取到所述阵列天线馈线相位估计模块中的所述馈线相位估计后，将所述阵列天线接收信号送入所述阵列天线信号处理模块中进行后续处理。

进一步地，在步骤S1中，所述无线电射频信号的波形为正弦波，所述无线电射频信号的频率点为阵列天线的中心频率点。

进一步地，在所述阵列天线馈线相位补偿模块上设置有一包含连通到所述阵列天线馈线相位估计模块与所述阵列天线信号处理模块两个位置的切换开关；

当需要将所述阵列天线接收信号送入所述阵列天线馈线相位估计模块中，获取所述馈线相位估计时，将所述切换开关切换到与所述阵列天线馈线相位估计模块连通的位置上；

当所述阵列天线馈线相位估计模块获取到所述阵列天线馈线相位估计模块中的所述馈线相位估计后，将所述切换开关切换到与所述阵列天线信号处理模块连通的位置上，将所述阵列天线接收信号送入所述阵列天线信号处理模块中进行后续处理。

进一步地，将所述信号发射模块，设置于平面阵的法线方向上。

进一步地，在步骤S3中，当所述阵列天线馈线相位补偿模块将所述阵列天线接收信号送入所述阵列天线馈线相位估计模块中，获取所述馈线相位估计时，阵列天线中各个馈线的相位补偿值默认为0。

进一步地，在步骤S4中，当所述阵列天线馈线相位估计模块获取到所述阵列天线馈线相位估计模块中的所述馈线相位估计后，将所述阵列天线接收信号送入所述阵列天线信号处理模块中进行后续处理时，阵列天线中各个馈线的相位补偿值设置为步骤S3中获取到的所述馈线相位估计的估计值。

进一步地，在所述步骤S3中，获取所述馈线相位估计，具体包括如下步骤：

S31：根据阵列天线中各个阵元的位置(x_k,y_k,0)(k＝1,2,...,N)，得出导向矢量A与射频信号的入射角

的关系为：

其中，θ表示入射信号的俯仰角，即射频信号入射方向与XOY平面的夹角，

表示入射信号的方位角，即射频信号入射方向在XOY平面的投影与X轴正方向的夹角，w₀表示入射信号的中心频率点，c表示光速；

S32：分别将阵列天线中各个阵元通道接收到的正弦波射频信号通过同一个本地振荡器进行正交下变频，得到同相I与正交Q两路信号，合成复信号X(t)：

其中，θ_k,(k＝1,2,...,N)表示通道k引入的馈线相位，w_d表示入射信号正交下变频后的载波频率残差，θ₀表示入射信号的载波初始相位；

当所述信号发射模块置于平面阵的法线方上时，θ＝90°，

同时，

/>

S33：将阵元A_k,(k＝2,3,...,N)的接收信号x_k(t)分别与阵元A₁的接收信号x₁(t)做相关，得到

即阵元A_k馈线相位与阵元A₁馈线相位差为θ_k-θ₁，为了获得可靠的相位差估计值可以对接收时长内的观测值进行平均，从而，建立了平面阵各个通道馈线相位之间的关系；

S34：取θ₁＝0，确定其余各通道馈线相位θ_k,(k＝2,3,...,N)，并送入所述阵列天线馈线相位补偿模块进行抵消。

进一步地，在步骤S4中，将所述阵列天线接收信号送入所述阵列天线信号处理模块中进行后续处理，包括：对入射角度进行估计。

进一步地，平面阵阵列天线馈线相位补偿方法，还包括：引入射频开关采用等间隔电扫的方式减少通道数。

本发明还提供了与上述平面阵阵列天线馈线相位补偿方法相对应的平面阵阵列天线馈线相位补偿系统，包括：信号发射模块、阵列天线馈线相位补偿模块、阵列天线馈线相位估计模块和阵列天线信号处理模块；

所述信号发射模块，用于发射用于阵列天线馈线相位估计的无线电射频信号；

所述阵列天线馈线相位补偿模块，用于接收所述无线电射频信号，形成阵列天线接收信号，将所述阵列天线接收信号送入所述阵列天线馈线相位估计模块中，获取馈线相位估计，当获取到所述阵列天线馈线相位估计模块中的所述馈线相位估计后，将所述阵列天线接收信号送入所述阵列天线信号处理模块中进行后续处理；

所述阵列天线馈线相位估计模块，用于根据所述阵列天线馈线相位补偿模块送入的所述阵列天线接收信号，获取所述馈线相位估计；

所述阵列天线信号处理模块，用于在阵列天线馈线相位补偿模块将所述阵列天线接收信号送入所述阵列天线信号处理模块中进行后续处理。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果是：

通过提供了一种平面阵阵列天线馈线相位补偿方法，具体包括：S1：建立信号发射模块，通过所述信号发射模块发射用于阵列天线馈线相位估计的无线电射频信号；S2：建立阵列天线馈线相位补偿模块，通过所述阵列天线馈线相位补偿模块接收所述无线电射频信号，形成阵列天线接收信号；S3：建立阵列天线馈线相位估计模块，所述阵列天线馈线相位补偿模块将所述阵列天线接收信号送入所述阵列天线馈线相位估计模块中，获取馈线相位估计；

S4：建立阵列天线信号处理模块，当所述阵列天线馈线相位补偿模块获取到所述阵列天线馈线相位估计模块中的所述馈线相位估计后，将所述阵列天线接收信号送入所述阵列天线信号处理模块中进行后续处理。上述技术方案操作便捷、估计准确，有利于快速进行平面阵阵列天线馈线相位补偿。

附图说明

图1为本发明一种平面阵阵列天线馈线相位补偿方法的整体流程图；

图2为本发明一种平面阵阵列天线馈线相位补偿方法的结构图；

图3为本发明实施例中举例的高精度室内定位系统中基站平面阵阵列天线俯视图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。

实施例一

如图1的流程图与图2的结构图所示，本实施例提供了一种平面阵阵列天线馈线相位补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：建立信号发射模块，通过所述信号发射模块发射用于阵列天线馈线相位估计的无线电射频信号；

S2：建立阵列天线馈线相位补偿模块，通过所述阵列天线馈线相位补偿模块接收所述无线电射频信号，形成阵列天线接收信号；

S3：建立阵列天线馈线相位估计模块，所述阵列天线馈线相位补偿模块将所述阵列天线接收信号送入所述阵列天线馈线相位估计模块中，获取馈线相位估计；

S4：建立阵列天线信号处理模块，当所述阵列天线馈线相位补偿模块获取到所述阵列天线馈线相位估计模块中的所述馈线相位估计后，将所述阵列天线接收信号送入所述阵列天线信号处理模块中进行后续处理。

进一步地，在步骤S1中，所述无线电射频信号的波形为正弦波，所述无线电射频信号的频率点为阵列天线的中心频率点。

进一步地，在所述阵列天线馈线相位补偿模块上设置有一包含连通到所述阵列天线馈线相位估计模块与所述阵列天线信号处理模块两个位置的切换开关，与所述阵列天线馈线相位估计模块的连接位置记为1，与阵列天线信号处理模块的连接位置记为2；

当需要将所述阵列天线接收信号送入所述阵列天线馈线相位估计模块中，获取所述馈线相位估计时，将所述切换开关切换到与所述阵列天线馈线相位估计模块连通的位置1上；

当所述阵列天线馈线相位估计模块获取到所述阵列天线馈线相位估计模块中的所述馈线相位估计后，将所述切换开关切换到与所述阵列天线信号处理模块连通的位置2上，将所述阵列天线接收信号送入所述阵列天线信号处理模块中进行后续处理。

进一步地，将所述信号发射模块，设置于平面阵的法线方向上。

进一步地，在步骤S3中，当所述阵列天线馈线相位补偿模块将所述阵列天线接收信号送入所述阵列天线馈线相位估计模块中，获取所述馈线相位估计时，阵列天线中各个馈线的相位补偿值默认为0。

进一步地，在步骤S4中，当所述阵列天线馈线相位估计模块获取到所述阵列天线馈线相位估计模块中的所述馈线相位估计后，将所述阵列天线接收信号送入所述阵列天线信号处理模块中进行后续处理时，阵列天线中各个馈线的相位补偿值设置为步骤S3中获取到的所述馈线相位估计的估计值。

进一步地，在所述步骤S3中，获取所述馈线相位估计，具体包括如下步骤：

S31：根据阵列天线中各个阵元的位置(x_k,y_k,0)(k＝1,2,...,N)，得出导向矢量A与射频信号的入射角

的关系为：

其中，θ表示入射信号的俯仰角，即射频信号入射方向与XOY平面的夹角，

表示入射信号的方位角，即射频信号入射方向在XOY平面的投影与X轴正方向的夹角，w₀表示入射信号的中心频率点，c表示光速；

S32：分别将阵列天线中各个阵元通道接收到的正弦波射频信号通过同一个本地振荡器进行正交下变频，得到同相I与正交Q两路信号，合成复信号X(t)：

其中，θ_k,(k＝1,2,...,N)表示通道k引入的馈线相位，w_d表示入射信号正交下变频后的载波频率残差，θ₀表示入射信号的载波初始相位；

当所述信号发射模块置于平面阵的法线方上时，θ＝90°，

同时，

S33：平面阵进行测向时并不需要各个通道精确的馈线相位，只需要获得相互之间的相位差即可。因而，将阵元A_k,(k＝2,3,...,N)的接收信号x_k(t)分别与阵元A₁的接收信号x₁(t)做相关，得到

即阵元A_k馈线相位与阵元A₁馈线相位差为θ_k-θ₁，为了获得可靠的相位差估计值可以对接收时长内的观测值进行平均，从而，建立了平面阵各个通道馈线相位之间的关系；

S34：取θ₁＝0，确定其余各通道馈线相位θ_k,(k＝2,3,...,N)，并送入所述阵列天线馈线相位补偿模块进行抵消。

进一步地，在步骤S4中，将所述阵列天线接收信号送入所述阵列天线信号处理模块中进行后续处理，包括：对入射角度进行估计。

进一步地，平面阵阵列天线馈线相位补偿方法，还包括：引入射频开关采用等间隔电扫的方式减少通道数。

实施例二

本实施例提供一种能够执行实施例一中的平面阵阵列天线馈线相位补偿方法的系统，包括：信号发射模块1、阵列天线馈线相位补偿模块2、阵列天线馈线相位估计模块3和阵列天线信号处理模块4；

所述信号发射模块1，用于发射用于阵列天线馈线相位估计的无线电射频信号；

所述阵列天线馈线相位补偿模块2，用于接收所述无线电射频信号，形成阵列天线接收信号，将所述阵列天线接收信号送入所述阵列天线馈线相位估计模块中，获取馈线相位估计，当获取到所述阵列天线馈线相位估计模块中的所述馈线相位估计后，将所述阵列天线接收信号送入所述阵列天线信号处理模块中进行后续处理；

所述阵列天线馈线相位估计模块3，用于根据所述阵列天线馈线相位补偿模块送入的所述阵列天线接收信号，获取所述馈线相位估计；

所述阵列天线信号处理模块4，用于在阵列天线馈线相位补偿模块将所述阵列天线接收信号送入所述阵列天线信号处理模块中进行后续处理。

实施例三

根据本发明提出的平面阵阵列天线馈线相位补偿方法的步骤，本实施例提供了一个具体的实施例用于解释本发明的方法，具体如下：

以高精度室内定位系统中实现蓝牙广播信号入射方向估计的基站为例。基站采用如图3所示的平面阵阵列天线。以A1为原点，A1A2为X轴正方向，以过原点A1垂直于阵面往里方向为Z轴正方向，根据右手螺旋规则确定Y轴及其正方向。由于信号载波频率为2.4GHz，载波波长为λ＝0.125m，天线阵元均匀排布在以A1为圆心，半波长为半径的圆周上。从而，可以得到各个阵元在阵列天线坐标系中的坐标。由于各天线通道馈线长度不一致，为了保障基站测向准度，需要对馈线相位进行补偿。

将蓝牙信号发射模块的广播信号按要求调整为正弦波，并置于平面阵的法线(Z轴)方向上。把开关拨到位置“1”，将阵列天线接收信号送入阵列天线馈线相位估计模块。

根据阵列天线各个阵元的位置：

得出导向矢量A与射频信号入射角

的关系为：

其中：θ表示入射信号的俯仰角，即射频信号入射方向与XOY平面的夹角。

表示入射信号的方位角，即射频信号入射方向在XOY平面的投影与X轴正方向的夹角。f₀表示入射信号的中心频率点2.4GHz。c表示光速。

分别将阵列天线各个阵元通道接收到的正弦波射频信号进行正交下变频(同一个本地振荡器)，得到同相I与正交Q两路信号，合成复信号X(t)：

其中：θ_k,(k＝1,2,...,7)表示通道k引入的馈线相位。f_d表示入射信号正交下变频后的载波频率残差。θ₀表示入射信号的载波初始相位。

当信号发射模块置于平面阵的法线(Z轴)方向上时，θ＝90°，

同时，/>

阵元A_k,(k＝2,3,...,7)的接收信号x_k(t)分别与阵元A₁的接收信号x₁(t)做相关，得到

即阵元A_k馈线相位与阵元A₁馈线相位差为θ_k-θ₁，为了获得可靠的相位差估计值可以对接收时长内的观测值进行平均。从而，建立了平面阵各个通道馈线相位之间的关系。取θ₁＝0，确定其余各通道馈线相位θ_k,(k＝2,3,...,7)，并将-θ_k,(k＝1,2,...,7)送入阵列天线馈线相位补偿模块进行抵消。

将开关拨到位置“2”，将馈线相位补偿后的信号送入阵列天线信号处理模块进行入射角度估计。

另外，为了降低基站成本，可以引入射频开关采用等间隔电扫的方式减少通道数，例如：采用“A1-A2-A1-A3-A1-A4-A1-A5-A1-A6-A1-A7”的电扫模式，间隔为T。尽管各个阵元共用的馈线长度变长的，但各个阵元馈线相位依然会存在不一致。同时，由于各个阵元通道不再保持开启，上述方法需要修正。阵元A_k,(k＝2,3,...,7)的接收信号x_k(t)分别与最近的阵元A₁的接收信号x₁(t)做相关，得到

即阵元A_k馈线相位与阵元A₁馈线相位差为2πf_dT+θ_k-θ₁。由于2πf_dT为一个相位常量，不会影响平面阵各个通道馈线相位之间的关系。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种平面阵阵列天线馈线相位补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：建立信号发射模块，通过所述信号发射模块发射用于阵列天线馈线相位估计的无线电射频信号；

S2：建立阵列天线馈线相位补偿模块，通过所述阵列天线馈线相位补偿模块接收所述无线电射频信号，形成阵列天线接收信号；

S3：建立阵列天线馈线相位估计模块，所述阵列天线馈线相位补偿模块将所述阵列天线接收信号送入所述阵列天线馈线相位估计模块中，获取馈线相位估计；

获取所述馈线相位估计，具体包括如下步骤：

S31：根据阵列天线中各个阵元的位置(x_k,y_k,0)(k＝1,2,...,N)，得出导向矢量A与射频信号的入射角

的关系为：

其中，θ表示入射信号的俯仰角，即射频信号入射方向与XOY平面的夹角，

表示入射信号的方位角，即射频信号入射方向在XOY平面的投影与X轴正方向的夹角，w₀表示入射信号的中心频率点，c表示光速；

S32：分别将阵列天线中各个阵元通道接收到的正弦波射频信号通过同一个本地振荡器进行正交下变频，得到同相I与正交Q两路信号，合成复信号X(t)：

其中，θ_k,(k＝1,2,...,N)表示通道k引入的馈线相位，w_d表示入射信号正交下变频后的载波频率残差，θ₀表示入射信号的载波初始相位；

当所述信号发射模块置于平面阵的法线方上时，θ＝90°，

同时，

/>

S33：将阵元A_k,(k＝2,3,...,N)的接收信号x_k(t)分别与阵元A₁的接收信号x₁(t)做相关，得到

即阵元A_k馈线相位与阵元A₁馈线相位差为θ_k-θ₁，为了获得可靠的相位差估计值对接收时长内的观测值进行平均，从而，建立了平面阵各个通道馈线相位之间的关系；

S34：取θ₁＝0，确定其余各通道馈线相位θ_k,(k＝2,3,...,N)，并送入所述阵列天线馈线相位补偿模块进行抵消；

S4：建立阵列天线信号处理模块，当所述阵列天线馈线相位补偿模块获取到所述阵列天线馈线相位估计模块中的所述馈线相位估计后，将所述阵列天线接收信号送入所述阵列天线信号处理模块中进行后续处理。

2.根据权利要求1所述的平面阵阵列天线馈线相位补偿方法，其特征在于，在步骤S1中，所述无线电射频信号的波形为正弦波，所述无线电射频信号的频率点为阵列天线的中心频率点。

3.根据权利要求1所述的平面阵阵列天线馈线相位补偿方法，其特征在于，在所述阵列天线馈线相位补偿模块上设置有一包含连通到所述阵列天线馈线相位估计模块与所述阵列天线信号处理模块两个位置的切换开关；

当需要将所述阵列天线接收信号送入所述阵列天线馈线相位估计模块中，获取所述馈线相位估计时，将所述切换开关切换到与所述阵列天线馈线相位估计模块连通的位置上；

当所述阵列天线馈线相位估计模块获取到所述阵列天线馈线相位估计模块中的所述馈线相位估计后，将所述切换开关切换到与所述阵列天线信号处理模块连通的位置上，将所述阵列天线接收信号送入所述阵列天线信号处理模块中进行后续处理。

4.根据权利要求1所述的平面阵阵列天线馈线相位补偿方法，其特征在于，将所述信号发射模块，设置于平面阵的法线方向上。

5.根据权利要求1所述的平面阵阵列天线馈线相位补偿方法，其特征在于，在步骤S3中，当所述阵列天线馈线相位补偿模块将所述阵列天线接收信号送入所述阵列天线馈线相位估计模块中，获取所述馈线相位估计时，阵列天线中各个馈线的相位补偿值默认为0。

6.根据权利要求1所述的平面阵阵列天线馈线相位补偿方法，其特征在于，在步骤S4中，当所述阵列天线馈线相位估计模块获取到所述阵列天线馈线相位估计模块中的所述馈线相位估计后，将所述阵列天线接收信号送入所述阵列天线信号处理模块中进行后续处理时，阵列天线中各个馈线的相位补偿值设置为步骤S3中获取到的所述馈线相位估计的估计值。

7.根据权利要求1所述的平面阵阵列天线馈线相位补偿方法，其特征在于，在步骤S4中，将所述阵列天线接收信号送入所述阵列天线信号处理模块中进行后续处理，包括：对入射角度进行估计。

8.根据权利要求1所述的平面阵阵列天线馈线相位补偿方法，其特征在于，还包括：引入射频开关采用等间隔电扫的方式减少通道数。

9.一种执行如权利要求1-8所述的平面阵阵列天线馈线相位补偿方法的系统，包括：信号发射模块、阵列天线馈线相位补偿模块、阵列天线馈线相位估计模块和阵列天线信号处理模块；

所述信号发射模块，用于发射用于阵列天线馈线相位估计的无线电射频信号；

所述阵列天线馈线相位补偿模块，用于接收所述无线电射频信号，形成阵列天线接收信号，将所述阵列天线接收信号送入所述阵列天线馈线相位估计模块中，获取馈线相位估计，当获取到所述阵列天线馈线相位估计模块中的所述馈线相位估计后，将所述阵列天线接收信号送入所述阵列天线信号处理模块中进行后续处理；

所述阵列天线馈线相位估计模块，用于根据所述阵列天线馈线相位补偿模块送入的所述阵列天线接收信号，获取所述馈线相位估计；

所述阵列天线信号处理模块，用于在阵列天线馈线相位补偿模块将所述阵列天线接收信号送入所述阵列天线信号处理模块中进行后续处理。

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