CN117278063B - 一种可同时检测来波方向与干扰方向的波束追踪电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可同时检测来波方向与干扰方向的波束追踪电路，在相控阵接收链路末端利用耦合网络提取出耦合端信号与PD端信号，耦合端信号经过减法器滤除共模信号，通过PD将信号功率与相位信息转化为直流电压信息。PD端信号经过耦合相移网络同时对两路信号进行处理，分别使一路信号经过相移后与未相移的另一路信号进行叠加，输出两路新信号转化为直流电压信息。通过三个PD输出的电压信号即可反推出来波方向与干扰方向，达到同时检测这两者的目的。本申请无须改变传统射频移相型接收机接收链路设计。可以十分方便地升级以往传统接收机架构，为其提供波束追踪能力。有助于解决以往波束追踪链路复杂度高、难以集成的缺点。

Description

一种可同时检测来波方向与干扰方向的波束追踪电路

技术领域

本发明涉及毫米波通信系统领域，具体涉及一种可同时检测来波方向与干扰方向的波束追踪电路。

背景技术

随着5G通信技术的普及，各类智能设备相继出现并且移动互联网服务的不断普及，用户基数飞速上升，基站数量也不断增加，这对通信系统的并行处理能力提出了更加苛刻的条件，原有的Sub-6G频段已经不能满足这日益增长的需求，整个学术界与工业界期望高宽带技术的出现。毫米波频段作为5G通信的关键频段之一，因其带宽大、速度快的特点得到了学术界和工业界的广泛关注。相比于Sub-6G来说，毫米波频段带宽更大，拥有更多频带划分，允许同时传输更多数据，但如此多传输信号之间的相互干扰是一个非常严重的问题。为了实现更窄的波束范围和灵活的空间扫描，相控阵技术被提出。相控阵技术的波束赋形能力，可以对发射或接收的信号传输方向进行选择，以减少对其他信号的影响或是被其他无用信号干扰。但这种波束赋形技术仍然有局限性，传统的波束赋形技术在每次使用前需要根据来波方向设置窗函数，操作十分繁琐。因此传统波束赋形技术不能应用在信号方向快速变化的使用场景中，例如无人机以及自动驾驶。波束追踪技术可以解决这个问题，其可以在高动态环境中，快速进行波束对准，建立稳定可靠的毫米波通信。因此在复杂多变的通信环境中应用波束追踪技术已经成为了当下的研究趋势。

如图1所示假设有一线型天线阵列，较远处的电磁波斜入射到天线端角度为，因为电磁波从源到天线所走路程不同，每个天线接收到的信号相位都不相同。当信号源足够远时，可以假定电磁波传递方向相互平行，因此相邻天线之间的相位差是恒定的，设每个天线之间接收到的信号相位差为/>。在每个天线之后级联一个PS，每个PS根据天线之间的相位差进行对应移相，即可将信号相位调整到相同，在经过多路合成后即可输出所需信号。

从以上描述不难发现，当PS相移固定时，只有特定方向的电磁波在经过处理后才能得到相位相同的信号并正常合成，而其他方向的来波则会在合成处由于相位存在差异而相互抵消。因此相控阵可以选择来波方向，具有波束扫描的作用。

目前已有的波束追踪架构中，天线接收信号之后经过LNA、PS，之后部分信号被耦合到PD，PD可以检测出两信号之间的相位差，并产生相应的差分直流控制电压，该电压可以反馈给移相器来调节相移大小。因此该电路实现了波束追踪功能。通过合成器（减法器）后可输出到下一级进行信号处理。但该电路只能追踪功率最大的信号，且每次处理都将减小一半的通道数量，不适用于级联处理。

另一种波束追踪架构具有更好的扩展性，天线信号经过LNA接收后，通过混频器下变频到中频经过多级MIMO ASF进行处理。在ASF中，每路信号首先经过一个压控移相器分别进行独立的相位变化，中间两路信号则耦合一部分进入自主波束赋形器。在波束赋形器中两路信号首先经过差分Hybrid结构，将相位信息转换为幅度信息，之后信号输入到一个功率感知的PD。因此PD可以检测两通道信号之间的相位差，并根据该相位差产生多个差分控制信号分别控制不同通道的移相器产生相应的相移。自主波束赋形器与PS组合形成相位负反馈回路，实现了波束对准。

每个通道的主路信号在经过移相器后耦合出一部分进入辅路，并进行合成，本质上是对主路耦合出的信号进行了波束赋形。随后经过VGA后与同样经过VGA的主路信号进行求和或求差。求差代表着主路信号与波束赋形后的信号抵消，最终抑制该方向的信号。主路上信号在各个方向上都是等功率的，而辅路进行合成之后的信号则进行了波束赋形，信号功率随方向角而改变。两者求差后，在输出信号方向图上会形成阻带，即形成了空间滤波效果。而求和则代表主路信号与波束赋形后的信号相加，实现了该方向的信号增强。VGA的作用是调整信号幅度，使信号能更精确的抵消或增强。

随着相控阵技术的发展，其应用场景更加多样化。相控阵系统的性能非常容易受到复杂多变环境的影响，因此在实际使用过程中常常需要对相控阵进行校准。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种可同时检测来波方向与干扰方向的波束追踪电路。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种可同时检测来波方向与干扰方向的波束追踪电路，在相控阵接收链路末端利用信号耦合网络提取信号，提取出的其中一路信号依次通过减法器和幅相控制网络连接至第一功率检测计，另一路信号依次通过耦合相移网络输出至第二功率检测计和第三功率检测计；利用第一功率检测计、第二功率检测计和第三功率检测计中包含的相位信息对来波方向与干扰方向进行识别。

进一步的，所述信号耦合网络包括位于相控阵两个单通道末端的结构相同的两个信号耦合电路，两个耦合电路同时存在并共同作用，以提取两路相控阵接收链路传输至末端的有用信号与干扰信号，所述耦合电路包括耦合端和功率检测端，其中，所述耦合端通过匹配网络连接至减法器，所述功率检测端通过匹配网络连接至耦合相移网络。

进一步的，所述减法器位于两条相控阵接收链路之间，通过信号耦合网络提取出的一路信号经过阻抗匹配后与减法器进行电路连接，实现差模信号的提取。

进一步的，所述减法器为射频信号减法器，其输出依次连接幅相控制网络、第一功率检测计，利用第一功率检测计输出电压中包含的相位信息对干扰方向进行识别。

进一步的，所述耦合相移网络包括输入匹配电路、hybrid和输出匹配电路，其中，所述功率检测端输出的信号依次通过输入匹配电路、hybrid和输出匹配电路，输出分别连接至第二功率检测计和第三功率检测计。

进一步的，所述hybrid为二输入二输出的耦合相移结构，耦合电路的功率检测端连接输入匹配电路后，连接至hybrid的两个输入端，hybrid的两个输出端连接输出匹配电路后，分别与第二功率检测计与第三功率检测计相连，信号经过hybrid处理后将来波的相位信息转化为了幅度信息。

本发明具有以下有益效果：

本发明针对之前波束追踪链路只能对单一信号进行波束检测的缺点，设计了一款架构简单、便于级联，并且可同时检测有用信号方向与干扰信号方向的波束追踪架构。这种架构无须改变传统射频移相型接收机接收链路设计，可以仅从接收链路输出部分耦合出一部分小信号进行检测。

运用本发明可以十分方便地升级以往传统接收机架构，为其提供波束追踪能力。有助于解决以往波束追踪链路复杂度高、难以集成的缺点。对解决传统相控阵波束追踪接收机面积大、成本高等缺点有重要意义。

附图说明

图1为相控阵相关原理示意图。

图2为同时具备相位检测和功率检测功能的功率检测计原理示意图。

图3为本发明整体系统拓扑图。

图4为本发明实施例耦合电路原理图。

图5为本发明实施例耦合电路的第一种等效原理图。

图6为本发明实施例耦合电路的第二种等效原理图。

图7为本发明实施例耦合电路的第三种等效原理图。

图8为本发明实施例减法器等效电路。

图9为本发明实施例hybrid结构示意图。

图10为本发明实施例耦合相移网络原理图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

一种可同时检测来波方向与干扰方向的波束追踪电路，如图3所示，在相控阵接收链路末端利用信号耦合网络提取信号，提取出的其中一路信号依次通过减法器和幅相控制网络连接至第一功率检测计，另一路信号依次通过耦合相移网络输出至第二功率检测计和第三功率检测计；利用第一功率检测计、第二功率检测计和第三功率检测计中包含的相位信息对来波方向与干扰方向进行识别。

本发明所使用的功率检测计如图2所示，当功率检测计工作在相位检测状态时，MOS管Q1、Q2开启。当信号输入Q1时，信号的幅度信息转换为电流；同时Q2工作在相同的直流工作点，产生电流/>。因此将/>与/>相减即可得到包含幅度信息的电流，经过负载电阻R2后转变为电压信号并可被检测。相关证明如下：

设输入信号为，其中/>为输入信号的幅值，/>为输入信号的相位，/>为信号角频率，t为时间。

经过MOS管后，Q1输出电流为：

其中为/>经过MOS管产生的电流响应,/>为晶体管栅源电压，/>为晶体管阈值电压。K为MOS管I-V特性曲线公式系数，W为沟道宽度，L为沟道长度，/>为电子迁移率，/>为单位面积电容。

Q2的输出电流为：

因此，差分输出电流为：

因为输出带有滤波电容，因此只取输出中的直流分量。

其中DC代表公式中的直流分量。

在相控阵接收链路末端利用耦合电路提取出少部分信号，以求对后级主路信号造成最小影响。提取出的信号可分为耦合端与PD端，耦合端信号经过减法器滤除共模信号、只保留差分信号，并经过PS、VGA、DA结构进行信号的幅相控制，最终通过PD将信号功率信息转化为直流电压信息。另一部分，PD端信号经过耦合相移网络，同时对两路信号进行处理，使输出信号达成一定相移角θ，将相位信息转化为幅度信息，并利用两个PD进行检测。通过这三个PD输出电压中包含的相位信息，即可反推出波束方向与干扰方向，达到同时检测这两者的作用。对于多干扰信号源，利用多元相控阵即可实现对多种干扰的信号识别。

当不存在干扰信号时，假设两路输入信号分别为、，其中/>为有用信号的幅值。设信号经过耦合相移网络产生的相对相移为θ，则两路输出信号分别为：

根据上文PD的输出电压表达式，可以得到：

与/>为PD2、PD3的输出电平。

选定求解此方程组，消去/>可以得到：

即为有用信号在相控阵接收机两通道之间的相位差，通过其与相控阵波束方向Ɵ的关系可以得到：

其中为空间中信号波长，d为天线单元间距。

当存在干扰信号时，两路信号输入为、，经过hybrid后，输入到PD2、PD3两信号分别为：

信号进入Q1后，产生的电流为：

Q2的输出电流为：

因此，差分输出电流为：

取其中直流分量，最终可得PD2输出电压：

同理，可得PD3输出电压：

信号耦合网络的耦合端输出信号通过减法器后，呈现共模的有用信号抵消，而干扰信号经过幅相控制网络调整到与进入hybrid后输入到PD1的链路增益一致。因此PD1的输入信号为：

则PD1的输出电平为：

联立求解即可得到干扰信号的幅度/>及相位/>，通过其与相控阵波束方向Ɵ的关系可以得到来波方向。

因此最终求解出了可用信号与有用信号的幅度及方向。

以下部分是电路设计细节分析。

如图3和图4所示，所述信号耦合网络包括位于相控阵两个单通道末端的结构相同的两个信号耦合电路，这两个耦合电路同时存在并共同作用，以提取两路相控阵接收链路传输至末端的有用信号与干扰信号，所述耦合电路包括耦合端和功率检测端，其中，所述耦合端通过匹配网络连接至减法器，所述功率检测端通过匹配网络连接至耦合相移网络。

信号提取电路通过两个大小合适的电阻耦合出部分信号，同时对主路信号影响较小。证明如下：

该网络为一个4端口网络，需要构建四端传输矩阵求解四端口S矩阵。为方便计算，可以只考虑两个端口时假设其他端口都接入匹配负载，将四阶矩阵降阶为2阶。

首先分析1至2端口的网络参量，因为R1、R2较大，因此3、4端口看到的电阻基本等于R1、R2，当3、4端口匹配时，等效电路如图5所示。

因此该电路网络参量为

取R1=80Ω，R2=110Ω，可计算得：

其中，/>分别代表上述二端口网络的1、2端口回波损耗以及1至2端口的增益。

接下来分析1至3端口的网络，忽略掉传输线等效电路如图4所示

因此该电路网络参量为:

取R1=80Ω，R2=110Ω，可计算得：

其中代表上述二端口网络的1端口回波损耗。/>代表原本整体电路中1至3端口的增益，但在独立分析中为上述二端口网络的1至2端口增益，因此使用/>表示。

之后分析1至4端口，忽略掉传输线等效电路如图7所示

该电路网络参量为:

因此取R1=80Ω，R2=110Ω，可计算得：

其中代表上述二端口网络的1端口回波损耗。/>代表原本整体电路中1至4端口的增益，但在独立分析中为上述二端口网络的1至2端口增益，因此使用/>表示。

从上述分析来看，信号提取电路基本不影响主路匹配，对主路信号的传输影响很小，同时又提取出了足够的信号用于后级处理。

如图8所示，减法器采用双端巴伦结构，位于相控阵接收链路之间，通过信号耦合电路提取出的一路信号经过微带线结构在进行阻抗匹配的同时进行电路连接，耦合出的信号经过微带线结构后通过电感电容组与双端巴伦结构进行阻抗匹配。

双端balun电路其位于两主路之间并接近主路输入端，以减少整体系统横向长度，通过电阻耦合出的信号首先经过一段长微带线结构，在进行阻抗匹配的同时进行电路连接。信号经过微带线后通过电感电容组与balun进行阻抗匹配。此处电容要求电容值较小且精确度较高，因此采用MIM电容结构，其与MOM电容相比，容值随频率变化较小。MIM电容利用多层金属实现。Balun输出端并联电容的目的是为了使balun与后级PS进行更好的匹配，提高增益，该电容同时采用MIM电容。在实际设计时balun需要考虑与前级耦合线以及后级PS同时匹配，因此采用变压器结构，在匹配的同时可以滤除共模信号，提取出有用的差模信息。

如图8所示，对于单独一个Balun结构，其作用为将信号耦合到差分端，设其耦合到“+”端的信号相位为；而对于下方的Balun，其也将信号耦合到差分端，设其耦合到“+”端的信号相位为/>。两路信号在耦合之前对于相控阵接收到的主瓣信号是完全相同的两个等幅等相信号，因此在耦合到差分端之后，/>。故主瓣信号在此处完全抑制，输出到差分端的信号为未被抑制的干扰信号，此信号经过PS、VGA后，通过PD检测相位，同时与主路进行合成可达到干扰抑制的效果。根据奇偶分析，两个Balun结构的非平衡端接地端可以连接到一起，而与之前结构等效，如图8所示。通过这种方法可以简化电路结构，同时便于进行阻抗匹配。

如图7所示，耦合相移网络包括输入匹配电路、hybrid和输出匹配电路，利用耦合线原理可分别使对位信号产生一定的相移，同时与另一路信号矢量叠加，其中，所述功率检测端输出的信号依次通过输入匹配电路、hybrid和输出匹配电路，输出分别连接至第二功率检测计和第三功率检测计。信号经过hybrid处理后将来波的相位信息转化为了幅度信息，进而可以利用功率检测器测量，最终逆推出信号相位。

经典的hybrid电路采用四分之一波长传输线制作，其带宽较小同时所占面积巨大，不利于系统布局。因此本发明采用变压器结构hybrid，利用金属线之间的耦合作用调整两路信号相位差，具有相比于分布式变压器非常小的版图面积，如图9所示。

信号同样在主路通过电阻耦合提取后经过微带线结构，实现阻抗变换与电路连接。在微带线与hybrid之间加入电感电容，以同时实现阻抗匹配和对信号幅相平衡的调整。由于PD输入阻抗较低，难与hybrid进行匹配，因此利用四分之一波长低特征阻抗传输线对PD的输入阻抗进行阻抗变换。进行阻抗变换后，利用hybird与PD之间的电容电感继续进行二次阻抗变换。整体正交信号网络需要精细设计以保证信号相位与幅度平衡达到设计要求。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种可同时检测来波方向与干扰方向的波束追踪电路，其特征在于，在相控阵接收链路末端利用信号耦合网络提取信号，提取出的其中一路信号依次通过减法器和幅相控制网络连接至第一功率检测计，另一路信号依次通过耦合相移网络输出至第二功率检测计和第三功率检测计；利用第一功率检测计、第二功率检测计和第三功率检测计中包含的相位信息对来波方向与干扰方向进行识别，其中，所述信号耦合网络包括位于相控阵两个单通道末端的结构相同的两个信号耦合电路，两个耦合电路同时存在并共同作用，以提取两路相控阵接收链路传输至末端的有用信号与干扰信号，所述耦合电路包括耦合端和功率检测端，其中，所述耦合端通过匹配网络连接至减法器，所述功率检测端通过匹配网络连接至耦合相移网络；所述耦合相移网络包括输入匹配电路、hybrid和输出匹配电路，其中，所述功率检测端输出的信号依次通过输入匹配电路、hybrid和输出匹配电路，输出分别连接至第二功率检测计和第三功率检测计。

2.根据权利要求1所述的一种可同时检测来波方向与干扰方向的波束追踪电路，其特征在于，所述减法器位于两条相控阵接收链路之间，通过信号耦合网络提取出的一路信号经过阻抗匹配后与减法器进行电路连接实现差模信号的提取。

3.根据权利要求2所述的一种可同时检测来波方向与干扰方向的波束追踪电路，其特征在于，所述减法器为射频信号减法器，其输出依次连接幅相控制网络、第一功率检测计，利用第一功率检测计输出电压中包含的相位信息对干扰方向进行识别。

4.根据权利要求3所述的一种可同时检测来波方向与干扰方向的波束追踪电路，其特征在于，所述hybrid为二输入二输出的耦合相移结构，耦合电路的功率检测端连接输入匹配电路后，连接至hybrid的两个输入端，hybrid的两个输出端连接输出匹配电路后，分别与第二功率检测计与第三功率检测计相连。