CN114865316A - 集成化毫米波有源相控阵天线控制系统及控制方法 - Google Patents

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CN114865316A CN202210156704.2A CN202210156704A CN114865316A CN 114865316 A CN114865316 A CN 114865316A CN 202210156704 A CN202210156704 A CN 202210156704A CN 114865316 A CN114865316 A CN 114865316A
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Abstract

本发明公开关于集成化毫米波有源相控阵天线控制系统及控制方法，所述系统包括：波束控制信号生成模块，所述波束控制信号生成模块生成当前TR组件的校准幅值和校准相位差，将所述校准幅值和校准相位差转换为TR组件的控制码；控制码输出模块，所述控制码输出模块将所述控制码发送给对应的TR组件实现所述TR组件中阵元的移相及调幅，所述TR组件包括天线单元。该控制系统及方法通过接收上位机或者端机传输的控制参数，在FPGA中实现毫米波有源集成化相控阵天线波束扫描。

Description

集成化毫米波有源相控阵天线控制系统及控制方法
技术领域
本发明涉及毫米波相控阵通信技术领域，具体涉及集成化毫米波有源相控阵天线控制系统及控制方法。
背景技术
随着5G毫米波通信和宽带低轨卫星通信的迅速崛起，毫米波有源相控阵天线开始了前所未有的发展，在卫星通信和雷达系统中都得到广泛的应用。毫米波有源相控阵天线波束控制主要是通过接收上位机传送过来的毫米波有源相控阵天线波束控制指令，通过波束赋形算法模块和校准模块计算得到控制TR组件的相位差和幅值，实现毫米波有源相控阵天线波束控制。随着大规模集成电路技术的发展，现场可编程逻辑器件FPGA为解决波束控制系统的小型化和快速化的问题提供了方案。FPGA具有集成度高、灵活性高、运算速度高、可反复烧写程序等诸多优点，且大大缩短了开发周期和开发成本，基于这些优点，使得FPGA在移动通信领域扮演着重要的角色。
目前存在的波束控制系统中并不是使用单个FPGA作为控制硬件实现波束赋形算法而是由外部传入了三角函数、除法等复杂计算的结果，舍整取余的计算也只是应用在乘加计算上，这种方式无法实现实时计算波束赋形结果增大了系统响应时间。且波束赋形算法模块不适用与普遍的面阵无法实现二维方向精确扫描，无法实现校准模块补偿参数实时更新，且仅用于稀疏阵列有源天线，无法实现宽波束扫描，无法实现波束快速扫描。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的缺陷，本发明提出了集成化毫米波有源相控阵天线控制系统及控制方法，通过接收上位机或者端机传输的控制参数，在FPGA中实现毫米波有源集成化相控阵天线波束扫描。
上述效果通过以下技术方案具体实现：
集成化毫米波有源相控阵天线控制系统，所述系统包括：
波束控制信号生成模块，所述波束控制信号生成模块生成当前TR组件的校准幅值和校准相位差，将所述校准幅值和校准相位差转换为TR组件的控制码；
控制码输出模块，所述控制码输出模块将所述控制码发送给对应的TR组件实现所述TR组件中阵元的移相及调幅，所述TR组件包括天线单元。
进一步的，所述波束控制信号生成模块包含波束赋形单元，所述波束赋形单元用于实时计算天线单元相对于基准单元的相位差，以及天线单元幅值；
所述波束控制信号生成模块包含校准单元，所述校准单元调用预设的相位及幅值补偿值，补偿至天线单元相对于基准单元的相位差及幅值上，得到校准相位差及校准幅值。
进一步的，所述系统还包括通信解码模块，所述通信解码模块接收解析端机或上位机发送的波束控制指令，所述波束控制信号生成模块根据所述波束控制指令生成控制码；
或者，所述通信解码模块接收解析端机或上位机发送的波束快速选择指令，所述波束控制信号生成模块根据所述波束快速选择指令读取对应波束文件，得到控制码实现波束快速切换。
更进一步的，所述波束控制信号生成模块中预设若干个波束文件，所述波波束文件中包含对TR组件天线波束角φ和θ调节信息。
更进一步的，所述天线波束角φ和θ的调节范围均为[-60°,60°]，所述天线波束角φ和θ均以10°为间隔。
作为本申请的一种优选实施方案，所述系统通过SPI接口将所述控制码发送至对应的TR组件实现对相控阵天线的波束控制。
本申请还提供集成化毫米波有源相控阵天线控制方法，所述方法包括：
波束控制信号生成模块生成当前TR组件的校准幅值和校准相位差，将所述校准幅值和校准相位差转换为TR组件的控制码；
控制码输出模块将所述控制码发送给对应的TR组件实现所述TR组件中阵元的移相及调幅，所述TR组件包括天线单元。
进一步的，通过所述波束控制信号生成模块中的波束赋形单元，实时计算天线单元相对于基准单元的相位差，以及天线单元幅值；
通过所述波束控制信号生成模块中的校准单元调用预设的相位及幅值补偿值，补偿至天线单元相对于基准单元的相位差及幅值上，得到校准相位差及校准幅值。
进一步的，所述方法还包括：
所述通信解码模块接收解析端机或上位机发送的波束控制指令，所述波束控制信号生成模块根据所述波束控制指令生成控制码；
或者，所述通信解码模块接收解析端机或上位机发送的波束快速选择指令，所述波束控制信号生成模块根据所述波束快速选择指令读取对应波束文件，得到控制码实现波束快速切换。
更进一步的，所述波束控制信号生成模块中预设若干个波束文件，所述波波束文件中包含对TR组件天线波束角φ和θ调节信息。
更进一步的，所述天线波束角φ和θ的调节范围均为[-60°,60°]，所述天线波束角φ和θ均以10°为间隔。
本发明与现有技术相比，本发明具有如下优点：
通过接收上位机或者基带处理模块传输的控制参数，在FPGA中毫米波有源集成化相控阵天线波束扫描。本发明与现有技术相比，还具有以下优点：
(1)波束控制响应速度快。采用FPGA实时波束赋形，提高计算速度和精度，且仅有一个FPGA进行波束控制，减少了多级之间的接口信号传输时间，缩短了波束控制时间，提升了波束控制响应速度。
(2)波束指向灵活，波束扫描精度高。采用FPGA实现二维面阵的波束赋形算法波束赋形算法，在FPGA中由CORDIC算法实现三角函数运算，利用定点和浮点计算结合的方式实现1°精度的二维波束扫描。
(3)可实现波束快速扫描。预制多个波束文件，通过预留的与基带信号处理模块之间的SPI接口，实现波束快速切换，发射接收模式快速切换以及VGA增益调节。
(4)可靠性强，通用性强。本发明控制系统采用FPGA进行接口实现，协议解析和波束赋形等功能，实时性高，控制灵活，上位机即可加载不同的校准参数而无需修改底层工程代码，上位机或端机配置不同的天线控制需求，即可实现不同的业务需求，通用性强。
附图说明
为了更清楚地说明本发明中的技术方案，下面将对本发明中所需要使用的附图进行简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其它附图。
图1是本发明主控系统示意图；
图2是本发明波束赋形算法示意图；
图3是本发明主控系统的工作流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例为集成化毫米波有源相控阵天线控制系统，实施例所指控制系统为采用FPGA为主控模块的集成化控制系统，如图1所示，该控制系统包括：
波束控制信号生成模块，所述波束控制信号生成模块生成当前TR组件的校准幅值和校准相位差，将所述校准幅值和校准相位差转换为TR组件的控制码；
控制码输出模块，所述控制码输出模块将所述控制码发送给对应的TR组件实现所述TR组件中阵元的移相及调幅，所述TR组件包括天线单元。
进一步的，所述波束控制信号生成模块包含波束赋形单元，所述波束赋形单元用于实时计算天线单元相对于基准单元的相位差，以及天线单元幅值；
所述波束控制信号生成模块包含校准单元，所述校准单元调用预设的相位及幅值补偿值，补偿至天线单元相对于基准单元的相位差及幅值上，得到校准相位差及校准幅值。
进一步的，所述系统还包括通信解码模块，本实施例所提供的控制系统能够实现两种方式的波束控制功能：
第一种，通信解码模块接收解析端机或上位机发送的波束控制指令，所述波束控制信号生成模块根据所述波束控制指令生成控制码。
待FPGA接收到毫米波有源相控阵天线波束控制指令后，将参数传输至波束赋形算法模块和校准模块。根据平面相控阵天线扫描原理可知，在波束赋形模块中已知天线波束角度φ和θ，根据公式(1)，(2)和(3)计算天线之间的相位差。
Figure BDA0003513042150000061
Figure BDA0003513042150000062
式中，天线单元间距为d，λ为波束波长，
Figure BDA0003513042150000063
与
Figure BDA0003513042150000064
分别表示波束最大值指向的方向余弦。那么第(i，k)个单元与第(0，0)个参考单元之间的阵内相位差为ΔφBik＝iΔφBx+kΔφBy(3)。记α＝ΔφBx，β＝ΔφBy，则ΔφBik＝iα+kβ，α、β在此处表示简化的阵内相移值。校准模块是将每个通道的相位和幅值补偿值与波束赋形模块计算得到的相位和幅值相加即可得到最终每个通道的射频芯片配置参数。波束赋形算法模块可实现天线波束角度φ和θ皆为1°精度的二维角度扫描，波束指向灵活，波束扫描精度高，能够实现二维面阵的波束赋形算法波束赋形算法，在FPGA中由CORDIC算法实现三角函数运算，利用定点和浮点计算结合的方式实现1°精度的二维波束扫描。
第二种，所述通信解码模块接收解析端机或上位机发送的波束快速选择指令，所述波束控制信号生成模块根据所述波束快速选择指令读取对应波束文件，得到控制码实现波束快速切换。在该模式下，控制系统可以实现10°精度波束快速二维扫描模式，可用于通信中波束快速切换以实现波束跟踪。
更进一步的，所述波束控制信号生成模块中预设若干个波束文件，所述波波束文件中包含对TR组件天线波束角φ和θ调节信息。FPGA的Flash闪存中保存多个波形文件，此文件为每个通道移向和调幅的配置码，设备上电后，FPGA从Flash闪存中读取波形文件将其存储在RAM缓存中。基带处理模块通过SPI接口协议发送波束快速选择指令，指令包含波束号，T/R接收发射模式选择，VGA增益调节。FPGA接收到指令后，读取RAM中缓存波束文件将其送入控制码输出模块，控制码输出模块通过SPI接口将控制码输出至TR组件实现对相控阵天线的波束控制。此实施例可实现选择(φ和θ范围皆为[-60°,60°]，间隔为10°)169个波束，波束切换时间可精确至400ns。
更进一步的，所述天线波束角φ和θ的调节范围均为[-60°,60°]，所述天线波束角φ和θ均以10°为间隔，分为13个调节角度，可实现波束快速扫描。预制多个波束文件，通过预留的与基带信号处理模块之间的SPI接口，实现波束快速切换，发射接收模式快速切换以及VGA增益调节。
参照图1，相位幅值转码模块根据TR组件的工作机制实时将各个单元的相位差及幅值转化为对应阵列单元的相位及幅值控制码；控制码输出模块通过SPI接口将对应阵列单元的控制码输出至对应阵列的TR组件实现对相控阵天线的波束控制。
上述集成化毫米波有源相控阵天线控制系统波采用FPGA实时波束赋形，提高计算速度和精度，且仅有一个FPGA进行波束控制，减少了多级之间的接口信号传输时间，缩短了波束控制时间，提升了波束控制响应速度。
实施例2
本申请还提供集成化毫米波有源相控阵天线控制方法，所述方法包括：
波束控制信号生成模块生成当前TR组件的校准幅值和校准相位差，将所述校准幅值和校准相位差转换为TR组件的控制码；
控制码输出模块将所述控制码发送给对应的TR组件实现所述TR组件中阵元的移相及调幅，所述TR组件包括天线单元。
进一步的，通过所述波束控制信号生成模块中的波束赋形单元，实时计算天线单元相对于基准单元的相位差，以及天线单元幅值；
通过所述波束控制信号生成模块中的校准单元调用预设的相位及幅值补偿值，补偿至天线单元相对于基准单元的相位差及幅值上，得到校准相位差及校准幅值。
本实施例所提供的控制方法能够实现两种方式的波束控制过程：
第一种，通信解码模块接收解析端机或上位机发送的波束控制指令，所述波束控制信号生成模块根据所述波束控制指令生成控制码。
参照图3，上述方法按以下包含以下步骤：
步骤1，在此实施例中，FPGA硬件上电后，先进行中断初始化和外设接口初始化，然后CPU进入检测RF上电循环；当检测到RF上电后，将加载flash存储的波形文件和flash中存储的校准文件。同时，CPU中设置系统状态监测中断，当系统状态运行异常时，打印错误，并进行软复位。
步骤2，参照图1上位机通过千兆以太网口通过TCP/IP协议(UART串口作为备用接口)发送毫米波有源相控阵天线波束控制指令，其中包括TR模式切换、天线指向角、天线频点、天线单元间距、幅值以及波束校准文件。CPU将接收到的波束控制指令参数通过AXI4-Lite接口传输至FPGA端并由Bram模块进行缓存。
步骤3，参照图2，待FPGA接收到毫米波有源相控阵天线波束控制指令后，将参数传输至波束赋形算法模块和校准模块。根据平面相控阵天线扫描原理可知，在波束赋形模块中已知天线波束角度φ和θ，根据公式(1)，(2)和(3)计算天线之间的相位差。
Figure BDA0003513042150000091
Figure BDA0003513042150000092
式中，天线单元间距为d，λ为波束波长，
Figure BDA0003513042150000093
与
Figure BDA0003513042150000094
分别表示波束最大值指向的方向余弦。那么第(i，k)个单元与第(0，0)个参考单元之间的阵内相位差为ΔφBik＝iΔφBx+kΔφBy(3)。记α＝ΔφBx，β＝ΔφBy，则ΔφBik＝iα+kβ，α、β在此处表示简化的阵内相移值。校准模块是将每个通道的相位和幅值补偿值与波束赋形模块计算得到的相位和幅值相加即可得到最终每个通道的射频芯片配置参数。波束赋形算法模块可实现天线波束角度φ和θ皆为1°精度的二维角度扫描。
步骤4，参照图1，相位幅值转码模块根据TR组件的工作机制实时将各个单元的相位差及幅值转化为对应阵列单元的相位及幅值控制码；控制码输出模块通过SPI接口将对应阵列单元的控制码输出至对应阵列的TR组件实现对相控阵天线的波束控制。
第二种，所述通信解码模块接收解析端机或上位机发送的波束快速选择指令，所述波束控制信号生成模块根据所述波束快速选择指令读取对应波束文件，得到控制码实现波束快速切换。所述波束控制信号生成模块中预设若干个波束文件，所述波波束文件中包含对TR组件天线波束角φ和θ调节信息。
参照图3，上述方法按以下包含以下步骤：
步骤1，在此实施例中，FPGA硬件上电后，先进行中断初始化和外设接口初始化，然后CPU进入检测RF上电循环；当检测到RF上电后，将加载flash存储的波形文件和flash中存储的校准文件，系统设置为快速切换发射模式。同时，CPU中设置系统状态监测中断，当系统状态运行异常时，打印错误，并进行软复位。
步骤2，参照图1基带处理模块可通过SPI接口协议发送波束快速选择指令，其中包含的信息有波束号，T/R接收/发射选择，VGA调节增益，可实现选择(φ和θ范围皆为[-60°,60°]，间隔为10°)169个波束，波束切换时间可精确至400ns。
首先，根据天线的扫描角度范围，其中φ和θ范围皆为[-60°,60°]，φ和θ均以10°间隔皆可分为13个角度，那么按照二维分布即得到(13*13＝169)169个波束，那么将169个波束对应的波束文件预存在FPGA的Flash闪存中，此文件为毫米波有源相控阵天线阵列对应不同波束每个通道的移向和调幅控制码。
FPGA设备上电后，FPGA将Flash闪存中预存的多个波形文件加载至RAM缓存中，此时设备处于待机状态，等待基带处理模块发送波束快速选择指令。
基带处理模块通过SPI接口协议将波束快速选择指令发送至FPGA设备。
FPGA设备从基带处理模块发送的波束快速选择指令中解析出波束号，T/R发射/接受选择，VGA增益调节等指令。按照波束号指令从预存的169波束文件中调取波束号对应的波束文件，并将其加载至控制码输出模块通过SPI接口发送至对应的TR组件实现对相控阵天线的波束控制。按照T/R发射/接受选择指令切换TR组件的发射/接受模式。按照VGA增益调节指令调节TR组件的射频信号增益。10°精度波束快速二维扫描模式，可用于移动通信中基站设备的波束快速切换以实现波束跟踪。
步骤3，参照图1，控制码输出模块通过SPI接口将对应阵列单元的控制码输出至对应阵列的TR组件实现对相控阵天线的波束控制。
上述集成化毫米波有源相控阵天线控制方法波采用FPGA实时波束赋形，提高计算速度和精度，且仅有一个FPGA进行波束控制，减少了多级之间的接口信号传输时间，缩短了波束控制时间，提升了波束控制响应速度。采用快速切换和二维扫描两种方式对天线阵列进行波束控制，实时性高，控制灵活。
上述仅为本申请的较佳实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (11)

1.集成化毫米波有源相控阵天线控制系统，其特征在于，所述系统包括：
波束控制信号生成模块，所述波束控制信号生成模块生成当前TR组件的校准幅值和校准相位差，将所述校准幅值和校准相位差转换为TR组件的控制码；
控制码输出模块，所述控制码输出模块将所述控制码发送给对应的TR组件实现所述TR组件中阵元的移相及调幅，所述TR组件包括天线单元。
2.根据权利要求1所述的集成化毫米波有源相控阵天线控制系统，其特征在于，
所述波束控制信号生成模块包含波束赋形单元，所述波束赋形单元用于实时计算天线单元相对于基准单元的相位差，以及天线单元幅值；
所述波束控制信号生成模块包含校准单元，所述校准单元调用预设的相位及幅值补偿值，补偿至天线单元相对于基准单元的相位差及幅值上，得到校准相位差及校准幅值。
3.根据权利要求1所述的集成化毫米波有源相控阵天线控制系统，其特征在于，所述系统还包括通信解码模块，所述通信解码模块接收解析端机或上位机发送的波束控制指令，所述波束控制信号生成模块根据所述波束控制指令生成控制码；
或者，所述通信解码模块接收解析端机或上位机发送的波束快速选择指令，所述波束控制信号生成模块根据所述波束快速选择指令读取对应波束文件，得到控制码实现波束快速切换。
4.根据权利要求3所述的集成化毫米波有源相控阵天线控制系统，其特征在于，所述波束控制信号生成模块中预设若干个波束文件，所述波波束文件中包含对TR组件天线波束角φ和θ调节信息。
5.根据权利要求4所述的集成化毫米波有源相控阵天线控制系统，其特征在于，所述天线波束角φ和θ的调节范围均为[-60°,60°]，所述天线波束角φ和θ均以10°为间隔。
6.根据权利要求1至5任一项所述的集成化毫米波有源相控阵天线控制系统，其特征在于，所述系统通过SPI接口将所述控制码发送至对应的TR组件实现对相控阵天线的波束控制。
7.集成化毫米波有源相控阵天线控制方法，其特征在于，所述方法包括：
波束控制信号生成模块生成当前TR组件的校准幅值和校准相位差，将所述校准幅值和校准相位差转换为TR组件的控制码；
控制码输出模块将所述控制码发送给对应的TR组件实现所述TR组件中阵元的移相及调幅，所述TR组件包括天线单元。
8.根据权利要求7所述的集成化毫米波有源相控阵天线控制方法，其特征在于，
通过所述波束控制信号生成模块中的波束赋形单元，实时计算天线单元相对于基准单元的相位差，以及天线单元幅值；
通过所述波束控制信号生成模块中的校准单元调用预设的相位及幅值补偿值，补偿至天线单元相对于基准单元的相位差及幅值上，得到校准相位差及校准幅值。
9.根据权利要求7所述的集成化毫米波有源相控阵天线控制方法，其特征在于，所述方法还包括：
所述通信解码模块接收解析端机或上位机发送的波束控制指令，所述波束控制信号生成模块根据所述波束控制指令生成控制码；
或者，所述通信解码模块接收解析端机或上位机发送的波束快速选择指令，所述波束控制信号生成模块根据所述波束快速选择指令读取对应波束文件，得到控制码实现波束快速切换。
10.根据权利要求9所述的集成化毫米波有源相控阵天线控制方法，其特征在于，所述波束控制信号生成模块中预设若干个波束文件，所述波波束文件中包含对TR组件天线波束角φ和θ调节信息。
11.根据权利要求10所述的集成化毫米波有源相控阵天线控制方法，其特征在于，所述天线波束角φ和θ的调节范围均为[-60°,60°]，所述天线波束角φ和θ均以10°为间隔。
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