CN113726452B - 一种数模混合相控阵天线自动校准方法 - Google Patents

一种数模混合相控阵天线自动校准方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种数模混合相控阵天线自动校准方法，属于通信技术领域。本发明方法用于对由M×N个天线单元组成的相控阵天线系统进行校准，校准过程分为接收校准和发射校准。本发明方法可以通过自适应调整采集通道与校准通道的增益或衰减改善通道信噪比，以满足校准要求从而保证校准精度，可同时对数模混合相控阵天线中频通道和射频通道进行校准，避免分步校准可能带来的累计误差。此外，本发明通过调整校准通道发射衰减和接收增益，可剔除故障通道，从而保证系统性能，增强系统稳定性。

Description

一种数模混合相控阵天线自动校准方法
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自动校准方法。
背景技术
由于硬件、环境等因素，相控阵天线系统不可避免地会存在一些通道误差，包括幅度误差和相位误差，当幅相误差较大时会严重影响相控阵天线波束形成与波束跟踪性能，为了减小甚至消除通道误差对系统的影响，需要对相控阵天线系统进行通道校准。
现有的相控阵天线校准算法中，离线校准算法操作步骤复杂，灵活性、实时性差，且需要占用较多的逻辑资源。此外，离线/在线组合校准算法对中频和射频分别进行校准，校准精度难以保证。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种数模混合相控阵天线自动校准方法，该方法操作简便，通过自适应调整采集通道与校准通道的增益或衰减改善校准信号的信噪比，能保证极高的校准精度，并且可同时对数模混合相控阵天线中频通道和射频通道进行校准，避免了分步校准可能带来的累计误差。
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自动校准方法，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，所述数模混合相控阵天线系统包含M个TR组件，每个TR组件包含N个射频通道，校准过程分为接收校准和发射校准，具体包含以下步骤：
(1)校准通道与采集通道配置完成，开始校准；
(2)采集校准通道信噪比，若信噪比不小于40dB，进行下一步；若信噪比小于40dB，则调整校准通道发射衰减和接收增益，使信噪比大于40dB；若校准通道发射衰减已设置为最小或接收增益已设置为最大，仍无法满足信噪比要求，则系统告警，校准失败；
(3)对数模混合相控阵天线系统进行接收校准，共计K个不同频点，初始化k＝1，n＝2；
(4)跳频本振设置为频点k；
(5)将校准通道中频开关设置为发射，采集通道中频开关1～M设置为接收，TR组件1～M通道1接收，其余通道关断；校准通道发射1MHz单频校准信号，单通道内采样16个点并求平均，得到待校准信号，存储TR组件1～M通道1中频采集数据，以预先选定的基准对TR组件1～M通道1进行校准，得到校准系数
Figure GDA0003726317660000021
并存储，其中I0+jQ0为基准信号，Ik+jQk为待校准信号；
(6)将校准通道中频开关设置为发射，采集通道中频开关1～M设置为接收，TR组件1～M通道n接收，其余通道关断；校准通道发射1MHz单频校准信号，以TR组件1～M各自通道1为基准对通道n进行校准，得到校准系数
Figure GDA0003726317660000022
校准系数转化为TR组件幅相配置参数并存储；
(7)判断n是否等于N，若等于，转到步骤(8)；若不等于，设置n＝n+1，转到步骤(6)；
(8)判断k是否等于K，若等于，接收校准完成；若不等于，设置k＝k+1，转到步骤(4)；
(9)对数模混合相控阵天线系统进行发射校准，共计K个不同频点，初始化k＝1，m＝1，n＝2；
(10)跳频本振设置为频点k；
(11)将校准通道中频开关设置为接收，采集通道m中频开关设置为发射，其余中频开关设置为接收，第m个TR组件通道1发射，其余通道关断，其余TR组件关断；采集通道m发射1MHz单频校准信号，单通道内采样16个点并求平均，得到待校准信号，校准通道接收，存储第m个TR组件通道1中频采集数据，以预先选定的基准对第m个TR组件通道1进行校准，得到校准系数
Figure GDA0003726317660000031
并存储，其中I0+jQ0为基准信号，Ik+jQk为待校准信号；
(12)将校准通道中频开关设置为接收，采集通道m中频开关设置为发射，其余中频开关设置为接收，第m个TR组件通道n发射，其余通道关断，其余TR组件关断；采集通道m发射1MHz单频校准信号，单通道内采样16个点并求平均，校准通道接收，以第m个TR组件通道1为基准对通道n进行校准，得到校准系数
Figure GDA0003726317660000032
并存储，校准系数转化为TR组件幅相配置参数并存储；
(13)判断n是否等于N，若等于，转到步骤(14)；若不等于，设置n＝n+1，转到步骤(12)；
(14)判断m是否等于M，若等于，转到步骤(15)；若不等于，设置m＝m+1，转到步骤(11)；
(15)判断k是否等于K，若等于，发射校准完成；若不等于，设置k＝k+1，转到步骤(10)。
本发明的有益效果在于：
1、本发明方法可以通过自适应调整采集通道与校准通道的增益或衰减改善通道信噪比，以满足校准要求，从而保证校准精度。
2、本发明可同时对数模混合相控阵天线中频通道和射频通道进行校准，避免分步校准可能带来的累计误差。
3、本发明通过调整校准通道发射衰减和接收增益，可剔除故障通道，从而保证系统性能，增强系统稳定性。
附图说明
图1为本发明实施例中TR组件与耦合模块连接示意图。
图2为本发明实施例中的校准总流程示意图。
具体实施方式
在以下实施例的具体描述中，将参考构成本发明附图。所附的附图通过示例的方式示出了能够实现本发明的特定的实施例。示例的实施例并不旨在穷尽根据本发明的所有实施例。需要说明的是，尽管附图中以特定顺序描述了本发明中有关方法的步骤，但这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些操作，或是必须执行全部所示的操作才能实现期望的结果。
一种数模混合相控阵天线自动校准方法，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，所述数模混合相控阵天线系统包含M个TR组件，每个TR组件包含N个射频通道。
本实施例中，TR组件与耦合模块的连接关系如图1所示，一个TR组件连接一路中频通道和三路射频通道，三路射频通道输入耦合器，耦合器输出三路信号连接天线，同时输出一路采集信号，12路采集信号连接至合路器。
如图2所示，校准过程分为接收校准和发射校准，具体包含以下步骤：
(1)校准通道与采集通道配置完成，开始校准；
(2)采集校准通道信噪比(接收校准/发射校准)，若信噪比不小于40dB，进行下一步；若信噪比小于40dB，调整校准通道发射衰减和接收增益，使信噪比大于40dB。若校准通道发射衰减已设置为最小或接收增益已设置为最大，仍无法满足信噪比要求，系统告警，校准失败；
(3)进行天线系统接收校准，共计11个不同频点，初始化k＝1，n＝2；
(4)跳频本振设置为频点k；
(5)校准通道中频开关设置为发射，采集通道中频开关1～12设置为接收，TR组件1～12通道1接收，其余通道关断；校准通道发射1MHz单频校准信号S，单通道内采样16个点并求平均，存储TR组件1～12通道1中频采集数据，以预先选定的基准对TR组件1～12通道1进行校准，得到校准系数
Figure GDA0003726317660000051
其中I0+jQ0为基准信号，Ik+jQk为待校准信号，并存储校准系数Pk(i)(i＝1～12)；
(6)校准通道中频开关设置为发射，采集通道中频开关1～12设置为接收，TR组件1～12通道n接收，其余通道关断；校准通道发射1MHz单频校准信号S，单通道内采样16个点并求平均，以TR组件1～12各自通道1为基准对通道n进行校准，得到校准系数
Figure GDA0003726317660000061
校准系数转化为TR组件幅相配置参数Pkn(i)(i＝1～12)并存储；
(7)判断n是否等于3，若等于，转到步骤(8)，若不等于，设置n＝n+1，转到步骤(6)；
(8)判断k是否等于11，若等于，接收校准完成，若不等于，设置k＝k+1，转到步骤(4)；
(9)进行天线系统发射校准，共计11个不同频点，初始化k＝1，m＝1，n＝2；
(10)跳频本振设置为频点k；
(11)校准通道中频开关设置为接收，采集通道m中频开关设置为发射，其余中频开关设置为接收，第m个TR组件通道1发射，其余通道关断，其余TR组件关断；采集通道m发射1MHz单频校准信号S，单通道内采样16个点并求平均，校准通道接收，存储第m个TR组件的通道1中频采集数据，以预先选定的基准对第m个TR组件的通道1进行校准，得到校准系数
Figure GDA0003726317660000062
其中I0+jQ0为基准信号，Ik+jQk为待校准信号，并存储校准系数Pkm；
(12)校准通道中频开关设置为接收，采集通道m中频开关设置为发射，其余中频开关设置为接收，第m个TR组件通道n发射，其余通道关断，其余TR组件关断；采集通道m发射1MHz单频校准信号S，单通道内采样16个点并求平均，校准通道接收，以第m个TR组件通道1为基准对通道n进行校准，得到校准系数
Figure GDA0003726317660000071
校准系数转化为TR组件幅相配置参数Pkmn并存储；
(13)判断n是否等于3，若等于，转到步骤(14)，若不等于，设置n＝n+1，转到步骤(12)；
(14)判断m是否等于12，若等于，转到步骤(15)，若不等于，设置m＝m+1，转到步骤(11)；
(15)判断k是否等于11，若等于，校准结束，若不等于，设置k＝k+1，转到步骤(10)。
本方法的步骤(2)中，根据采集校准通道信噪比判定是否进行校准，同时可以自适应调整校准通道发射衰减和接受增益来改变信噪比。
步骤(5)中，根据通道内16个采样点叠加再平均得到待校准信号,从而由计算式
Figure GDA0003726317660000072
得到校准系数。
步骤(6)中，以TR组件1～M各自通道1为基准，由校准系数表达式得到幅相配置参数，对其余通道射频和中频同时进行校准,使得TR组件内各个通道幅相一致,避免中频射频通道分步校准带来的误差。
步骤(11)和(12)同理。
总之，本发明方法可以通过自适应调整采集通道与校准通道的增益或衰减改善通道信噪比，以满足校准要求，从而保证校准精度。还可同时对数模混合相控阵天线中频通道和射频通道进行校准，避免分步校准可能带来的累计误差。此外，本发明通过调整校准通道发射衰减和接收增益，可剔除故障通道，从而保证系统性能，增强系统稳定性。
本公开的以上描述用于使本领域的任何普通技术人员能够实现或使用本发明。对于本领域普通技术人员来说，本公开的各种修改都是显而易见的，并且本文定义的一般性原理也可以在不脱离本发明的精神和保护范围的情况下应用于其他变形。因此，本发明并不限于本文所述的实例和设计，而是与本文公开的原理和新颖性特性的最广范围相一致。

Claims (1)

1.一种数模混合相控阵天线自动校准方法，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，所述数模混合相控阵天线系统包含M个TR组件，每个TR组件包含N个射频通道，校准过程分为接收校准和发射校准，具体包含以下步骤：
(1)校准通道与采集通道配置完成，开始校准；
(2)采集校准通道信噪比，若信噪比不小于40dB，进行下一步；若信噪比小于40dB，则调整校准通道发射衰减和接收增益，使信噪比大于40dB；若校准通道发射衰减已设置为最小或接收增益已设置为最大，仍无法满足信噪比要求，则系统告警，校准失败；
(3)对数模混合相控阵天线系统进行接收校准，共计K个不同频点，初始化k＝1，n＝2；
(4)跳频本振设置为频点k；
(5)将校准通道中频开关设置为发射，采集通道中频开关1～M设置为接收，TR组件1～M通道1接收，其余通道关断；校准通道发射1MHz单频校准信号，单通道内采样16个点并求平均，得到待校准信号，存储TR组件1～M通道1中频采集数据，以预先选定的基准对TR组件1～M通道1进行校准，得到校准系数并存储；
(6)将校准通道中频开关设置为发射，采集通道中频开关1～M设置为接收，TR组件1～M通道n接收，其余通道关断；校准通道发射1MHz单频校准信号，单通道内采样16个点并求平均，得到待校准信号，以TR组件1～M各自通道1为基准对通道n进行校准，得到校准系数，校准系数转化为TR组件幅相配置参数并存储；
(7)判断n是否等于N，若等于，转到步骤(8)；若不等于，设置n＝n+1，转到步骤(6)；
(8)判断k是否等于K，若等于，接收校准完成；若不等于，设置k＝k+1，转到步骤(4)；
(9)对数模混合相控阵天线系统进行发射校准，共计K个不同频点，初始化k＝1，m＝1，n＝2；
(10)跳频本振设置为频点k；
(11)将校准通道中频开关设置为接收，采集通道m中频开关设置为发射，其余中频开关设置为接收，第m个TR组件通道1发射，其余通道关断，其余TR组件关断；采集通道m发射1MHz单频校准信号，单通道内采样16个点并求平均，得到待校准信号，校准通道接收，存储第m个TR组件通道1中频采集数据，以预先选定的基准对第m个TR组件通道1进行校准，得到校准系数并存储；
(12)将校准通道中频开关设置为接收，采集通道m中频开关设置为发射，其余中频开关设置为接收，第m个TR组件通道n发射，其余通道关断，其余TR组件关断；采集通道m发射1MHz单频校准信号，单通道内采样16个点并求平均，得到待校准信号，校准通道接收，以第m个TR组件通道1为基准对通道n进行校准，得到校准系数并存储，校准系数转化为TR组件幅相配置参数并存储；
步骤(5)、步骤(6)、步骤(11)、步骤(12)中所述的校准系数为
Figure FDA0003726317650000021
其中，I0+jQ0为每次校准的基准信号，Ik+jQk为每次校准的待校准信号；
(13)判断n是否等于N，若等于，转到步骤(14)；若不等于，设置n＝n+1，转到步骤(12)；
(14)判断m是否等于M，若等于，转到步骤(15)；若不等于，设置m＝m+1，转到步骤(11)；
(15)判断k是否等于K，若等于，发射校准完成；若不等于，设置k＝k+1，转到步骤(10)。
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