CN113204035A - 测量阵列天线的相位一致性补偿值的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种测量阵列天线的相位一致性补偿值的方法和系统，该方法包括：将待测阵列天线定位到期望测量位置，该期望测量位置包括第一测量位置，该第一测量位置指示待测阵列天线的第一辐射面与源天线的第二辐射面平行并且第一辐射面的第一物理中心与所述第二辐射面的第二物理中心对准的位置；以及基于待测阵列天线中的每一天线阵元从源天线接收到的测试信号，确定每一天线阵元在期望测量位置的相位一致性补偿值。通过本申请所述的方法和系统，使得可以准确地测量出阵列天线中的不同天线阵元在不同角度的相位一致性补偿值，进而使得可以提高通信定位系统的精度。

Description

测量阵列天线的相位一致性补偿值的方法和系统

技术领域

本申请涉及通信技术领域，尤其涉及一种用于测量阵列天线的相位一致性补偿值的方法和系统。

背景技术

随着移动通信技术的飞速发展，基于位置信息的服务和应用日益普及，因此无论是室内环境还是室外环境，都对快速准确地获得位置信息具有日益迫切的需求。目前常用的定位技术主要包括卫星导航定位技术和无线通信定位技术。诸如全球定位系统(GlobalPositioning System,GPS)之类的卫星导航定位技术由于其卫星导航易被遮挡，因此主要用于室外开阔环境下的定位，但无法在密集环境和室内环境提供精确的导航定位服务。目前主要使用的室内定位技术包括超带宽(Ultra Wide Band,UWB)、Wi-Fi、蓝牙等无线定位技术。

天线是无线定位通信系统中用于发射和接收电磁波的器件，为了确保通信定位系统的精度，其不仅需要满足常规通信指标的要求，还需满足无线定位系统对各天线阵元相位一致性的要求。

在现有技术中(例如，相控阵天线)，为了能够确定阵列天线中的每个天线阵元的相位，通常利用探头来测量每个天线阵元法线方向的相位偏差，但是这种测量方法无法测量各天线阵元由于信号的不同到达角度所引起的相位偏差。在实际使用中，由于存在互耦效应，阵列天线的各天线阵元间的相位偏差并不是确定的，而是会随着入射角度、频率的变化而变化。因此，这种现有的天线阵列探头测量方法只能对天线进行粗校准，但是却无法满足无线定位通信系统对各天线阵元在不同角度的相位一致性的要求。

由此，有必要提供一种用于测量阵列天线的相位一致性补偿值的技术，使得可以准确地测量出阵列天线中的不同天线阵元在不同角度的相位一致性补偿值。

发明内容

鉴于以上技术问题，本申请提供了一种用于测量阵列天线的相位一致性补偿值的方法和系统，使得可以准确地测量出阵列天线中的不同天线阵元在不同角度的相位一致性补偿值，进而使得可以提高通信定位系统的精度。

在本申请的第一方面，提供了一种用于测量阵列天线的相位一致性补偿值的方法，所述方法包括：将待测阵列天线定位到期望测量位置，所述期望测量位置包括标定测量位置，所述标定测量位置指示所述待测阵列天线的第一辐射面与源天线的第二辐射面平行并且第一辐射面的第一物理中心与所述第二辐射面的第二物理中心对准的位置；以及基于所述待测阵列天线中的每一天线阵元从所述源天线接收到的测试信号，确定每一天线阵元在所述期望测量位置的相位一致性补偿值。

在一种实现中，所述第一辐射面为所述待测阵列天线的水平辐射面或所述待测阵列天线的垂直辐射面。

在一种实现中，所述期望测量位置还包括第二测量位置，所述第二测量位置指示所述待测阵列天线绕所述第一物理中心从所述期望的初始测量位置逆时针转动了特定水平面角度的位置。

在一种实现中，基于所述待测阵列天线中的每一天线阵元从所述源天线接收到的测试信号，确定每一天线阵元在所述期望测量位置的相位一致性补偿值包括：获取每一天线阵元接收到的测试信号的相位，作为每一天线阵元的测量相位；计算每一天线阵元由信号传输路径引起的相位偏差，每一天线阵元的信号传输路径为所述天线阵元与所述源天线之间的信号传输路径；基于每一天线阵元的测量相位以及所述天线阵元由信号传输路径引起的相位偏差，获得所述天线阵元的实际相位；以及基于每一天线阵元的实际相位，获得所述天线阵元的相位一致性补偿值。

在一种实现中，计算每一天线阵元由信号传输路径引起的相位偏差包括：基于所述测试信号的频率、所述待测阵列天线与所述源天线之间的距离、天线阵元间距、以及所述待测阵列天线的水平面角度，计算每一天线阵元由信号传输路径引起的相位偏差。

在一种实现中，基于每一天线阵元的实际相位，获得所述天线阵元的相位一致性补偿值包括：计算各天线阵元的实际相位与第一天线阵元的实际相位之间的差值，并将所述差值取反，从而得到各天线阵元相对所述第一天线阵元的相位一致性补偿值。

在一种实现中，所述源天线为喇叭天线，并且所述第二辐射面的物理中心为所述喇叭天线的物理中心。

在本申请的第二方面，提供了一种用于测量阵列天线的相位一致性补偿值的系统，所述系统包括：待测阵列天线；源天线，所述源天线被配置成向所述待测阵列天线发送测试信号；定位装置，其中所述待测阵列天线放置在所述定位装置上，并且所述定位装置用于帮助将所述待测阵列天线定位到期望测量位置；测量控制装置，所述测量控制装置被配置成执行根据本申请的第一方面所述的方法。

在一种实现中，所述系统还包括微波暗室，其中所述待测阵列天线、所述源天线和所述定位装置均放置在所述微波暗室内，并且所述测量控制装置放置在所述微波暗室外。

在一种实现中，所述定位装置包括转台，所述待测阵列天线放置在所述转台上，并且所述转台被配置成在所述测量控制装置的控制下将待测阵列天线转动到期望的水平面角度。

附图说明

图1示出了根据本申请的实施例的用于测量阵列天线的相位一致性补偿值的方法的一部分的流程图；

图2示出了用于实现图1所示方法的步骤102的示例流程图；

图3示出了根据本申请的实施例的用于测量阵列天线的相位一致性补偿值的系统的示例结构框图；

图4示出了根据本申请的实施例的用于测量阵列天线的相位一致性补偿值的系统的示意性结构框图；

图5示出了根据本申请的实施例的阵列天线的示例性示意图；

图6示出了阵列天线相对于源天线处于期望的初始测量位置的示例示意图；并且

图7示出了阵列天线相对于源天线处于第二测量位置的示例示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

在本说明书的描述中，术语“第一”和“第二”等仅用于对不同的技术特征进行区分，而不能理解为指示或暗示所指示技术特征的相对重要性或顺序，也不能理解为暗示或指示技术特征的数量。此外，在本发明的描述中，“多个”或“至少一个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，“中心”，“垂直”、“水平”、“内”、“外”等与方位和位置关系有关的术语均是基于附图所示的方位或位置关系来说明的，其仅是为了便于叙述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定方位构造和操作，不能理解为限制本发明的具体保护范围。

在一个实施例中，如图1所示，示出了根据本申请的实施例的用于测量阵列天线的相位一致性补偿值的方法的流程图。在该实施例中，该方法包括步骤101-102。

在步骤101，将待测阵列天线相对于源天线定位到期望测量位置，该期望测量位置可包括第一测量位置，该第一测量位置指示待测阵列天线的第一辐射面与源天线的第二辐射面平行并且第一辐射面的第一物理中心与第二辐射面的第二物理中心对准的位置。

在本申请中，第一测量位置可用于标定待测阵列天线相对于源天线的期望初始测量位置。将待测阵列天线定位到第一测量位置有助于在后续测量过程中更准确地定位待测阵列天线，并且有助于更精确地补偿各个天线阵元由相应的信号传输路径引起的相位偏差，从而保证对待测阵列天线在不同测量位置的相位的测量精度。图6示出了待测阵列天线相对于源天线被定位到第一测量位置后的示意图。在图6中可以看出，在第一测量位置处，待测阵列天线的第一辐射面与源天线的第二辐射面是相互平行的，并且第一辐射面的第一物理中心(即阵列天线的几何中心)与第二辐射面的第二物理中心(即，源天线的几何中心)是相互对准的。在一种实现中，第一辐射面为待测阵列天线的水平辐射面。在另一实现中，第一辐射面为待测阵列天线的垂直辐射面。为了便于理解，图5中示出了待测阵列天线的示例性示意图，在该图中，可以将待测阵列天线在水平方向上的辐射面称为水平辐射面，并将待测阵列天线在垂直方向上的辐射面称为垂直辐射面。在本申请中，当第一辐射面为待测阵列天线的水平辐射面的情况下，待测阵列天线可按水平方式放置在转台(下面将对转台作更详细的说明)上，而当第一辐射面为待测阵列天线的垂直辐射面的情况下，待测阵列天线可按垂直方式放置在转台上。在本申请中，源天线作为发射天线，一般选用具有高增益并且指向性强的天线，通常选择喇叭天线作为源天线，这时第二辐射面的物理中心为所述喇叭天线的喇叭中心。当然，喇叭天线只是源天线的一个具体示例，源天线也可以是任何其他具有高增益并且指向性强的天线。

在本申请中，待测阵列天线可以是任何阵列天线，例如为直线阵列天线、圆形阵列天线、L型阵列天线等等。待测阵列天线可以包括至少两个天线阵元，并且天线阵元间距可小于或等于该待测阵列天线的中心频点(或中心频率)的半个波长。

另外，在本申请中，为了确保能够准确地测量出待测阵列天线的相位一致性补偿值，还需将源天线的极化方式设置为与待测阵列天线的极化方式一致，以达到极化匹配。在测量相位和幅度的过程中，一般都会将发送天线和接收天线的极化方式调整为一致，这是经常会用到的步骤，因此本文中不再进行赘述。

在本申请中，该期望测量位置还可包括第二测量位置，该第二测量位置指示所述待测阵列天线绕所述第一物理中心从所述第一测量位置(例如，如图6所示的测量位置)逆时针转动了特定水平面角度的位置(例如，如图7所示的测量位置)。具体地，在图7中，待测阵列天线的第一辐射面在图7的平面中沿着绕其物理中心从第一测量位置逆时针转动了特定水平面角度，从而到达第二测量位置。

在步骤102，基于待测阵列天线中的每一天线阵元从源天线接收到的测试信号，确定每一天线阵元在该期望测量位置的相位一致性补偿值。该测试信号可具有预定的频率，该频率可在通过源天线向待测阵列天线发送该测试信号之前，根据实际的测量需求预先设置。

在待测阵列天线在步骤101被定位到第一测量位置的情况下，通过执行以上步骤102，可以确定天线阵元在水平面角度为零时的相位一致性补偿值，因为当待测阵列天线处于该期望的初始测量位置时，待测阵列天线的水平面角度为零。在待测阵列天线在步骤101被定位到该第二测量位置的情况下，通过执行步骤102，可以确定每一天线阵元在与第二测量位置相关联的水平面角度时的相位一致性补偿值。在本申请中，该特定的水平面角度可根据测量的实际需求来选取。

如图2所示，图1中的步骤102可具体包括步骤201-204。

在步骤201，获取每一天线阵元接收到的测试信号的相位，作为每一天线阵元的测量相位。

在步骤202，计算每一天线阵元由信号传输路径引起的相位偏差，每一天线阵元的信号传输路径为该天线阵元与源天线之间的信号传输路径。

在一种实现中，可基于测试信号的频率、待测阵列天线与源天线之间的距离、天线阵元间距、以及待测阵列天线的水平面角度，计算每一天线阵元由信号传输路径引起的相位偏差。如前面所提到的，测试信号的频率可在通过源天线向待测阵列天线发送测试信号之前，根据实际的测量需求预先设置。在图6所示的示例中，待测阵列天线处于第一测量位置，这时，待测阵列天线与源天线之间的距离为r，天线阵元间距为d，并且待测阵列天线的水平面角度为0。在图7所示的示例中，待测阵列天线处于第二测量位置，这时，待测阵列天线与源天线之间的距离为r，天线阵元间距为d，并且待测阵列天线的水平面角度为图7所示的水平面角度。

例如，仅作为示例，对于一个具有四个天线阵元的待测阵列天线，每一天线阵元由信号传输路径引起的相位偏差可例如分别使用以下公式(1)-(4)来计算：

Ant1ph_path＝sqrt((-1.5*d*cos(az_angle))^2+(-1.5*d*sin(az_angle)-r)^2))/lamda*360 (1)

Ant2ph_path＝sqrt((-0.5*d*cos(az_angle))^2+(-0.5*d*sin(az_angle)-r)^2))/lamda*360 (2)

Ant3ph_path＝sqrt((0.5*d*cos(az_angle))^2+(0.5*d*sin(az_angle)-r)^2))/lamda*360 (3)

Ant4ph_path＝sqrt((1.5*d*cos(az_angle))^2+(1.5*d*sin(az_angle)-r)^2))/lamda*360 (4)

在以上公式中，Ant1ph_path为天线阵元1由其与源天线之间的信号传输路径引起的相位偏差，Ant2ph_path为天线阵元2由其与源天线之间的信号传输路径引起的相位偏差，Ant3ph_path为天线阵元3由其与源天线之间的信号传输路径引起的相位偏差，并且Ant4ph_path为由其与源天线之间的信号传输路径引起的相位偏差，r为待测阵列天线与源天线之间的距离(单位一般为cm)，d为天线阵元间距(单位一般为cm)，lamda为测试频点的真空波长(单位一般为cm)，az_angle为待测阵列天线的水平面角度。应了解，测试频点的真空波长lamda可以通过用光速除以测试信号的频率来计算得到。

在步骤203，基于每一天线阵元的测量相位以及该天线阵元由信号传输路径引起的相位偏差，获得该天线阵元的实际相位。

在一种实现中，可通过将每一天线阵元的测量相位减去该天线阵元由信号传输路径引起的相位偏差来获得该天线阵元的实际相位。

例如，继续以上的示例，可分别基于以下公式(5)-(8)来获得每一天线阵元的实际相位：

Ant1ph_deta＝Ant1ph-Ant1ph_path (5)

Ant2ph_deta＝Ant2ph-Ant2ph_path (6)

Ant3ph_deta＝Ant3ph-Ant3ph_path (7)

Ant4ph_deta＝Ant4ph-Ant4ph_path (8)

其中，Ant1ph_deta为天线阵元1的实际相位，Ant2ph_deta为天线阵元2的实际相位，Ant3ph_deta为天线阵元3的实际相位，Ant4ph_deta为天线阵元4的实际相位，Ant1ph为天线阵元1的测量相位，Ant2ph为天线阵元2的测量相位，Ant3ph为天线阵元3的测量相位，Ant4ph为天线阵元4的测量相位。

在步骤204，基于每一天线阵元的实际相位，获得该天线阵元的相位一致性补偿值。

在一种实现中，可以通过计算各天线阵元的实际相位与第一天线阵元的实际相位之间的差值，并将所述差值取反，来得到各天线阵元相对所述第一天线阵元的相位一致性补偿值。

例如，再继续以上示例，可分别利用以下公式(9)-(11)来计算每一天线阵元的相位一致性补偿值：

ΔΦ1＝Ant2ph_deta-Ant1ph_deta (9)

ΔΦ2＝Ant3ph_deta-Ant1ph_deta (10)

ΔΦ3＝Ant4ph_deta-Ant1ph_deta (11)

其中，ΔΦ1为天线阵元2的实际相位Ant2ph_deta与天线阵元1的实际相位Ant1ph_deta之间的差值，ΔΦ2为天线阵元3的实际相位Ant3ph_deta与天线阵元1的实际相位Ant1ph_deta之间的差值，ΔΦ3为天线阵元4的实际相位Ant4ph_deta与天线阵元1的实际相位Ant1ph_deta之间的差值，分别将ΔΦ1、ΔΦ2、ΔΦ3取反后就可得到天线阵元2、天线阵元3和天线阵元4相对于天线阵元1的相位一致性补偿值。

利用以上方法，可准确地测量出阵列天线中的不同天线阵元在不同角度的相位一致性补偿值，进而使得可以提高通信定位系统的精度。

图3和4示出了根据本申请的实施例的用于测量阵列天线的相位一致性补偿值的系统。在一种实现中，如图3和4所示，该用于测量阵列天线的相位一致性补偿值的系统可包括待测阵列天线301、源天线302、定位装置303和测量控制装置304，其中待测阵列天线301、源天线302和定位装置303均与测量控制装置304连接(直接连接或间接连接)。为了测量待测阵列天线的相位一致性补偿值，待测阵列天线301可用作接收天线，源天线302可用作发射天线。

在本申请中，待测阵列天线301就是需要测量其相位一致性补偿值的阵列天线。

源天线302被配置成在测量控制装置304的控制下，向待测阵列天线301发送测试信号。例如，在需要测量待测阵列天线301的相位一致性补偿值时，测量控制装置304会指令源天线302向待测阵列天线301发送测试信号。源天线302在接收到该测试信号后，可将该测试信号发送给待测阵列天线301。一般选用具有高增益并且指向性强的天线作为源天线302，例如可选择如图4-7中示出的喇叭天线作为源天线302。当然，喇叭天线只是源天线的一个具体示例，源天线302也可以是任何其他具有高增益并且指向性强的天线。在一种实现中，测量控制装置304可经由矢量网络分析仪(图中未示出)来设置需由源天线302发送的测试信号(包括该测试信号的相位、幅度和频率等)，并经由矢量网络分析仪来获取待测阵列天线的每一天线阵元从源天线302接收到的测试信号(包括各天线阵元接收到的测试信号的相位和幅度等)。测量控制装置304可经由局域网之类的网络与矢量网络分析仪连接。矢量网络分析仪是本领域公知的设备，因此为了简要起见，本申请将不再对此进行进一步详细的描述。

定位装置303可被配置成在测量控制装置304的控制下，将待测阵列天线301定位到期望测量位置。在一种实现中，如图4所示，定位装置303可包括转台，待测阵列天线可放置在转台上，转台被配置成在所述测量控制装置的控制下将待测阵列天线转动到期望的水平面角度。待测阵列天线可按水平方式放置在转台上，这时待测阵列天线的第一辐射面为待测阵列天线的水平辐射。待测阵列天线也可按垂直方式放置在转台上，这时待测阵列天线的第一辐射面为待测阵列天线的垂直辐射。转台的转动速度和转动的角度均可通过测量控制装置304来进行控制。在一种实现中，测量控制装置304可通过向转台控制箱(图中未示出)发送控制指令来对转台进行控制，转台控制箱可连接在测量控制装置404和转台之间，或者转台控制箱可与设置在转台的底座上。转台控制箱可以是本领域常用的设备，因此为了简要起见，本申请将不再对此进行进一步详细的描述。

测量控制装置304被配置成执行前面结合图1-2描述的用于测量待测阵列天线301的相位一致性补偿值的方法。测量控制装置304可以采用电子设备实现，该电子设备旨在表示各种形式的数字计算机，诸如，膝上型计算机、台式计算机、工作台、个人数字助理、服务器、刀片式服务器、大型计算机、和其它适合的计算机。电子设备还可以表示各种形式的移动装置，诸如，个人数字处理、蜂窝电话、智能电话、可穿戴设备和其它类似的计算装置。

在另一实现中，如图4所示，该用于测量阵列天线的相位一致性补偿值的系统还可包括微波暗室305，其中待测阵列天线301、源天线302和定位装置303均放置在该微波暗室305内，而测量控制装置304放置在微波暗室305外。微波暗室305能吸收电磁波信号，以避免杂波干扰，进而提高测量的精准度和效率。

以上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。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种用于测量阵列天线的相位一致性补偿值的方法，其特征在于，所述方法包括：

将待测阵列天线定位到期望测量位置，所述期望测量位置包括第一测量位置，所述第一测量位置指示所述待测阵列天线的第一辐射面与源天线的第二辐射面平行并且第一辐射面的第一物理中心与所述第二辐射面的第二物理中心对准的位置；以及

基于所述待测阵列天线中的每一天线阵元从所述源天线接收到的测试信号，确定每一天线阵元在所述期望测量位置的相位一致性补偿值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一辐射面为所述待测阵列天线的水平辐射面或所述待测阵列天线的垂直辐射面。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述期望测量位置还包括第二测量位置，所述第二测量位置指示所述待测阵列天线绕所述第一物理中心从所述第一测量位置逆时针转动了特定水平面角度的位置。

4.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于，基于所述待测阵列天线中的每一天线阵元从所述源天线接收到的测试信号，确定每一天线阵元在所述期望测量位置的相位一致性补偿值包括：

获取每一天线阵元接收到的测试信号的相位，作为每一天线阵元的测量相位；

计算每一天线阵元由信号传输路径引起的相位偏差，每一天线阵元的信号传输路径为所述天线阵元与所述源天线之间的信号传输路径；

基于每一天线阵元的测量相位以及所述天线阵元由信号传输路径引起的相位偏差，获得所述天线阵元的实际相位；以及

基于每一天线阵元的实际相位，获得所述天线阵元的相位一致性补偿值。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，计算每一天线阵元由信号传输路径引起的相位偏差包括：

基于所述测试信号的频率、所述待测阵列天线与所述源天线之间的距离、天线阵元间距、以及所述待测阵列天线的水平面角度，计算每一天线阵元由信号传输路径引起的相位偏差。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，基于每一天线阵元的实际相位，获得所述天线阵元的相位一致性补偿值包括：

计算各天线阵元的实际相位与第一天线阵元的实际相位之间的差值，并将所述差值取反，从而得到各天线阵元相对所述第一天线阵元的相位一致性补偿值。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述源天线为喇叭天线，并且所述第二辐射面的物理中心为所述喇叭天线的物理中心。

8.一种用于测量阵列天线的相位一致性补偿值的系统，其特征在于，所述系统包括待测阵列天线、源天线、定位装置和测量控制装置，所述待测阵列天线、所述源天线和所述定位装置均与所述测量可控制装置连接，

其中，所述源天线被配置成在所述测量控制装置的控制下，向所述待测阵列天线发送测试信号；

所述定位装置被配置成在测量控制装置的控制下，将所述待测阵列天线定位到期望测量位置；

所述测量控制装置被配置成执行根据权利要求1-7中的任一项所述的方法。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述系统还包括微波暗室，其中所述待测阵列天线、所述源天线和所述定位装置均放置在所述微波暗室内，并且所述测量控制装置放置在所述微波暗室外。

10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述定位装置包括转台，其中所述待测阵列天线放置在所述转台上，并且所述转台被配置成在所述测量控制装置的控制下将待测阵列天线转动到期望的水平面角度。

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