CN118018080A - 基于天线切换的相关波束形成装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于天线切换的相关波束形成装置及方法，属于导航定位技术领域，包括具有多个空间分布的天线阵列；与天线阵列连接的开关，用于选择性地在第一状态和第二状态之前切换天线元件；与开关连接的射频前端，与射频前端连接进行波束形成的相关器；在相关器中产生基准信号、混合接收信号与修改的基准信号产生混合信号，并在预定的积分周期上将混合信号求和产生累积信号。本发明采用一个射频前端，开关具有一致的延迟，保证了各元件的相位延迟一致，可以在后续操作中进行补偿，这也方便使用更多的天线元件来形成更为紧密的波束；元件之间的相互耦合可以通过将元件接地或开路来最小化；在每个相关器中可以同时独立地形成多光束。

Description

基于天线切换的相关波束形成装置及方法

技术领域

本发明涉及导航定位技术领域，具体涉及一种基于天线切换的相关波束形成装置及方法。

背景技术

全球卫星导航系统可以为大多数户外应用提供高精度定位、导航和授时服务，但越来越多的应用需要在全球卫星导航系统不可用的环境中获得高精度定位信息，在这些环境中，全球卫星导航系统的替代方案是许多射频方法，如蓝牙、射频识别、超宽带及无线局域网等，在这些射频定位应用中，多径效应是其最大的未建模误差源，多径是接收天线上直接路径信号与非直接路径信号相结合的结果，组合信号包括直接路径和间接路径，并会严重影响由此组合信号得出的最终测量结果。由于波束形成天线会抑制除期望方向以外所有信号的接收，从而减少定位信号多径损坏的影响，因此广泛应用于定位行业。

传统波束形成天线一般为模拟波束形成技术，为紧凑波束采用多个射频前端，每个射频前端负责形成天线波束中的一个子波束。这些子波束经过合理的组合，可以形成一个紧凑的整体波束。传统波束形成天线通常采用机械或电子扫描技术，通过改变每个射频前端的相位和幅度来实现波束的形成和指向。这种天线结构在雷达、通信系统等领域得到广泛应用。然而，传统波束形成天线存在尺寸较大、功耗较高等问题。

为解决传统波束形成天线的尺寸较大、功耗较高等问题，近年来逐渐出现了一些解决方案。其中之一是采用集成电路技术，将多个射频前端集成到一个芯片中，以减小天线的尺寸并降低功耗。另外，一些新型材料的应用也可以帮助减小天线的尺寸和重量，进而减小功耗。

在现有技术中，也可采用数字波束形成技术以及相控阵列天线来单独控制引导波束。

相比于模拟波束形成技术，数字波束形成技术在数字域实现对天线幅度和相位加权的控制，实质上是一种在时频实现的波束形成方法，利用数字信号处理技术来实现波束的形成和指向，能够实现多低副瓣地接收波束，具有灵活性强、波束形成精度高的优点；此外，利用数字波束形成技术，尽可能地将有用信息保持到数字处理端，具有抗干扰能力强的优点。

相控阵列天线利用大量个别控制的小型天线单元排列成天线阵面，每个天线单元都由独立的移相器，通过控制各个天线单元发射信号的相位，就能合成不同相位波束，相控阵各天线单元发射的电磁波以干涉原理合成一个接近笔直的雷达主瓣，波束控制灵活性显著提高，可以与微波集成电路技术以及新型移相器相结合，降低成本，减小体积与重量。

数字波束形成技术存在的问题主要在于其技术实现复杂、成本较高以及环境适应能力较弱。数字波束形成技术需要使用复杂的信号处理算法和硬件设施，尤其当系统所需的采样速率提高时，所需的运算能力大幅提高，电子器件的物理尺寸和所需的成本也存在问题。此外，在面对复杂多径传输环境和动态信号时，其性能可能会受到一定的影响，使定位的精度下降。

相控阵列天线主要有三种形式：固定波束形成、顺序波束形成和同时波束形成。固定波束形成天线阵列在元件之间具有固定的相位关系，只能将其波束定向到单一方向，不能单独用于跟踪定位系统中的移动信号源，必须与一些机械手段结合使用，将波束引向发射源。顺序波束形成相控阵列天线使用附加在各元件上的离散相位和增益电路在多个方向上顺序形成波束。每个元件必须有自己的一套电子设备，如移相器，可变增益放大器和相关的控制信号，导致其成本增加，且该方法一次只能定向单个波束，不适用于定位系统。同时波束形成相控阵列天线采用复杂电路的大型元件阵列，以同时沿多个方向形成波束。这些阵列需要使用各元件的射频前端和模数转换器，以及基带中非常复杂的数字逻辑阵列，以将所有元件信号组合在一起。这种阵列的尺寸、功耗和成本使其不适用于定位系统。

为了使得形成的波束更为紧密，目前传统波束形成技术普遍采用多个射频前端，主要带来两方面的问题：一是天线和接收机硬件日益复杂和昂贵，其尺寸和功耗也限制了传统波束形成技术的应用；二是由于每个射频前端具有不同的滤波器延迟，所以对于多个射频前端，其精确的基于相位的定位是存在问题的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于天线切换的相关波束形成装置及方法，以解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

一方面，本发明提供一种基于天线切换的相关波束形成装置，包括：

具有多个空间分布的天线阵列；

与所述天线阵列连接的开关，用于选择性地在第一状态和第二状态之前切换天线元件；其中，只有切换到第一状态的天线元件被配置为接收进入的信号；

与所述开关连接的射频前端；

与所述射频前端连接进行波束形成的相关器；在相关器中产生基准信号、混合接收信号与修改的基准信号产生混合信号，并在预定的积分周期上将混合信号求和产生累积信号，其中，通过波束增益和相位控制修改基准信号，最终形成的累积信号表明天线阵列形成波束的方向和增益。

进一步的，包括射频部分和数字部分，其中，接收机的波束增益和相位控制完全包含于所述数字部分，只有定时信息发送到所述射频部分来控制所述开关。

进一步的，所述天线阵列包括具有多个空间分布的天线元件，开关以预定的模式在第一状态和第二状态之间选择性切换天线元件，其中，在第一状态中天线元件被配置为接收定位信号，并且在第二状态中天线元件被配置为不接收定位信号。

进一步的，定位接收器中至少包括一条接收通道，且接收通道中至少具有一个与天线阵列和接收机处理器操作相关的相关器，各相关器中具有用于产生内部基准信号的载波数字控制振荡器。

进一步的，所述内部基准信号在天线元件被切换到第一状态的同时被接收机处理器修改相位和/或增益，由此产生修改的基准信号，将接收的定位信号与该修改的基准信号混合以产生混合信号，随后在预定的积分周期上被累积，产生累计信号。

进一步的，得到的累计信号表明了天线阵列在相关器中形成的波束的方向和幅度，在预定的积分周期结束时，相关器锁环按照未被相位和/或增益操作扰动的正常的相关器操作而操作。

进一步的，在相关器中，产生两个内部基准信号；第一基准信号是通过载波NCO产生的载波基准信号；第二基准信号是通过码NCO产生的码基准信号；

接收定位信号在输入射频传输线上被接收，通过在第一混合器和第二混合器中将接收定位信号与载波基准信号的剥离成分进行混合产生同相和正交采样信号，载波基准信号在载波NCO中生成，其剥离成分在离散正弦映射函数和余弦映射函数中生成。

进一步的，通过载波锁环控制载波NCO，使得基准信号和接收定位信号之间的相位误差保持为零或尽可能接近零，当相位误差为零时，信号被认为是“相位锁定”，并且同相采样信号处于最大值，正交采样信号几乎为零，该操作被称为“锁相环”；同相采样信号和正交采样信号随后与码基准信号混合，码基准信号在码NCO中生成。

进一步的，在第三混合器和第四混合器中混合内部生成的码基准信号与进入的同相采样信号和正交采样信号，通过码锁环控制码NCO，使得内部产生的码基准信号与接收定位信号之间的时间误差保持为零或尽可能接近零，当时间误差为零时，信号被认为是“码锁定”，该操作被称为“延迟锁环”，当接收定位信号与码基准信号的相位对准时，获得最大相关性；

得到的混合信号在积分周期上在第一累积器和第二累积器中被积分，用于跟踪环的同相采样信号频率和正交采样信号频率提供给接收机处理器。

第二方面，本发明提供一种使用如上所述的基于天线切换的相关波束形成装置的波束形成，包括：

A、天线阵列中空间分布的某一天线元件被选择，且在第一个B时隙内被切换到第一状态；

B、被切换到第一状态的天线元件接收进入的信号；

C、进入的信号在天线阵列的射频前端上被采样；

D、在相关器内产生内部基准信号；

E、与步骤B同步地向基准信号施加预定的偏移，以产生修改的基准信号；

F、将接收信号与修改的基准信号混合以产生混合信号；

G、将混合信号在累加器中累积以产生累积信号；

H、将选择的元件切换到第二状态后从步骤11重新开始；

I、从积分周期结束时所有累积信号的值中获得波束增益图案；

J、相关器锁环按照未被相位和/或增益操作扰动的正常的相关器操作而操作。

本发明有益效果：接收机的波束增益和相位控制模块完全包含在数字部分，只有定时信息发送到射频部分用来控制开关；只采用一个射频前端，且高速开关具有一致的延迟，保证了各元件的相位延迟一致，可以在后续操作中进行补偿，这也方便使用更多的天线元件来形成更为紧密的波束；通过开关元件“开”和“关”，元件之间的相互耦合可以通过将元件接地或开路来最小化，这取决于天线设计；在每个相关器中可以同时独立地形成许多光束。独立光束的数量仅受相关器数量的限制。此外，每个积分周期可以形成一个新的光束。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所述的具有简单开关射频前端的相关波束形成系统结构图。

图2为本发明实施例所述的可以沿定位信号来波方向形成波束的装置结构图。

图3为本发明实施例所述的B时隙与积分周期之间的关系示意图。

图4为本发明实施例所述的波束形成流程图。

图5为本发明实施例所述的相关器结构示意图。

其中：1-波束；2-天线阵列；3-天线元件；4-开关；5-定位接收器；6-接收通道；7-相关器；8-接收机处理器；9-数据库；34-输入射频传输线；21-第一混合器；22-第二混合器；23-正弦映射函数；24-余弦映射函数；26-载波NCO；27-载波锁环；28-第三混合器；29-第四混合器；30-码NCO；31-码锁环；32-第一累积器；33-第二累积器。

具体实施方式

下面详细叙述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。

还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

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、元件和/或它们的组。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

在本说明书的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”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，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，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、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。

除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定相连、设置，也可以是可拆卸连接、设置，或一体地连接、设置。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。

为便于理解本发明，下面结合附图以具体实施例对本发明作进一步解释说明，且具体实施例并不构成对本发明实施例的限定。

本领域技术人员应该理解，附图只是实施例的示意图，附图中的部件并不一定是实施本发明所必须的。

波束形成天线会抑制除期望方向以外所有信号的接收，从而减少定位信号多径损坏的影响，因此广泛应用于定位行业，目前几乎所有波束形成天线都通过多个射频前端来形成波束，且使用的射频前端越多，形成的波束越紧密，这导致传统波束形成技术存在以下问题：采用多个射频前端来紧凑波束，使得天线和接收机硬件日益复杂昂贵；由于每个射频前端具有不同的滤波器延迟，所以其精确的基于相位的定位存在问题。

为了解决上述问题，本发明提出了一种相关波束形成技术，主要应用于定位系统，特别是用于接受定位信号的子系统，该技术的主要功能是，通过采用一种简单且不昂贵的天线设计，只使用一个开关和一个射频前端，在不需要复杂的电路和校准的情况下，在使系统复杂性最小化的同时，使用相对大量的天线元件(一般多于32个元件)沿不同的方向同时形成多个用于在多径环境中接收定位信号的相对较窄的波束，减少系统功耗、成本和复杂性，如果定位信号的来波方向确定，那么当天线阵列形成的波束方向与定位信号的来波方向一致时，定位信号的增益达到最大化，并且使得其他方向的信号衰减，由此减轻了定位信号多径损坏的影响。

在一个具体实施例中，提供的相关波束形成装置，其具有简单开关射频前端的相关波束形成系统结构，如图1所示，该装置主要包括：1)具有多个空间分布的天线阵列；2)用于选择性地在第一状态和第二状态之前切换天线元件的开关，其中，只有切换到第一状态的天线元件被配置为接收进入的信号；3)一个射频前端；4)进行波束形成的相关器，在相关器中产生基准信号、混合接收信号与修改的基准信号以产生混合信号，并在预定的积分周期上将混合信号求和以产生累积信号，其中通过波束增益和相位控制修改基准信号，最终形成的累积信号表明天线阵列形成波束的方向和增益。

如图1所示，相关波束形成装置分为射频部分和数字部分，其中接收机的波束增益和相位控制完全包含在数字部分，只有定时信息发送到射频部分来控制开关，系统只采用一个射频前端，且高速开关具有一致的延迟，保证了各元件的相位延迟一致，可以在后续操作中进行补偿，这也方便使用更多的天线元件来形成更为紧密的波束。

在一个具体实施例中，提供一种相关波束形成装置，可以沿定位信号来波方向形成波束，如果定位信号的来波方向确定，那么当天线阵列形成的波束方向与定位信号的来波方向一致时，定位信号的增益达到最大化，并且使得其他方向的信号衰减，由此减轻了定位信号多径损坏的影响。

由于用于形成波束所需电路的大部分已经是标准定位接收器架构的一部分，并且只需要较小的修改便可以同时形成波束，因此可以将本波束形成方法结合到标准定位接收器中。

如图2所示，可以沿定位信号来波方向形成相关波束的装置包括具有多个空间分布的天线元件3的天线阵列2，开关4以预定的模式在第一状态和第二状态之间选择性切换天线元件，其中，在第一状态中天线元件被配置为接收定位信号，并且在第二状态中天线元件被配置为不接收定位信号；定位接收器5中至少包括一条接收通道6，且接收通道6中至少具有一个与天线阵列2和接收机处理器8操作相关的相关器7，各相关器7中具有用于产生内部基准信号的载波数字控制振荡器(NCO)，该基准信号在天线元件3被切换到第一状态的同时被接收机处理器8修改相位和/或增益，由此产生修改的基准信号，将接收的定位信号与该修改的基准信号混合以产生混合信号，随后在预定的积分周期上被累积，以产生累计信号，得到的累计信号表明了天线阵列2在相关器7中形成的波束1的方向和幅度，在预定的积分周期结束时，相关器锁环按照未被相位和/或增益操作扰动的正常的相关器操作而操作。

在图2中使用了3×3阵列的贴片元件，但也可以使用单极、偶极或其他适当的天线，同样可以使用在具有多个维度的天线阵列中部署的天线元件。天线元件的在第一状态时接收信号，在第二状态时不接收信号，两个状态切换的实际实现需要根据具体使用的元件类型而改变，如1/4λ单极元件在第二状态中被切换为打开，贴片元件在第二状态中被切换为接地等。元件之间的相互耦合可以通过将元件“关”(接地或开路)来最小化。

在一个积分周期的任何瞬时上，一次仅有一个天线元件3处于第一状态，能够接收信号，其他所有元件都处于第二状态；各天线元件3在小于预定积分周期的子积分周期中被切换到第一状态，这些子积分周期称为“波束形成时隙”(B时隙)。

图3表示了B时隙与积分周期之间的关系。在图3的例子中，B时隙10的长度为1us，积分周期的长度为Nus，积分周期的长度被等分为大量的B时隙，在一个B时隙中，与之关联的一个天线元件被切换为第一状态，接收进入的信号，B时隙的数量与在天线阵列2上空间分布的天线元件3的数量对应。

例如十个元件在天线阵列中空间分布，每个B时隙分别用于一个天线阵列，共十个B时隙，假设积分周期为标准GPS接收器的典型积分周期1000us，元件以预定的方式(如依次地或伪随机地)在100us的B时隙中被切换到第一状态，当第一个元件被切换到第一状态时，接收机处理器根据第一个元件在阵列中的位置和需要形成的波束的方向确定需要施加到基准信号上的相位和/或增益偏移，并且在第一个元件所分配的B时隙的整个持续周期施加此偏移，在随后的100us的B时隙中，第二个元件被切换到第一状态，第一个元件和其他所有元件被切换到第二状态，接收机处理器根据第二个元件在阵列中的位置和需要形成的波束的方向确定相位和/或增益偏移，并且在第二个B时隙的整个持续周期施加该偏移，以此类推，在完成1000us积分周期后，所有的十个100usB时隙被累积，以产生定位接收器所需要的波束。

如图4所示，给出了波束形成的方法步骤，包括：

A)在步骤11中，天线阵列中空间分布的某一元件被选择，且在第一个B时隙内被切换到第一状态；

B)在步骤12中，被切换到第一状态的天线元件接收进入的信号；

C)在步骤13中，进入的信号在天线阵列的射频前端上被采样；

D)在步骤15中，在相关器内产生内部基准信号；

E)在步骤16中，与步骤12同步地向基准信号施加预定的偏移，以产生修改的基准信号；

F)在步骤17中，将接收信号与修改的基准信号混合以产生混合信号；

G)在步骤18中，将混合信号在累加器中累积以产生累积信号；

H)在步骤14中，将选择的元件切换到第二状态后从步骤11重新开始；

I)在步骤19中，从积分周期结束时所有累积信号的值中获得波束增益图案；

J)在步骤20中，相关器锁环按照未被相位和/或增益操作扰动的正常的相关器操作而操作。

如图5所示，表示了定位接收器的单个接收通道，一般来说，接收器包含多个接收通道。如图5所示，在相关器7中，产生两个内部基准信号。第一基准信号是通过载波NCO26产生的载波基准信号；第二基准信号是通过码NCO30产生的码基准信号。接收定位信号在输入射频传输线34上被接收，通过在第一混合器21和第二混合器22中将接收定位信号与载波基准信号的剥离成分进行混合产生同相(I)和正交(Q)采样数据，载波基准信号在载波NCO26中生成，其剥离成分在离散正弦映射函数23和余弦映射函数24中生成。通过载波锁环27控制载波NCO26，使得基准信号和接收定位信号之间的相位误差保持为零或尽可能接近零，当相位误差为零时，信号被认为是“相位锁定”，并且I信号处于最大值，Q信号几乎为零，该操作被称为“锁相环”。I信号和Q信号随后与码基准信号混合，码基准信号在码NCO30中生成，图5中只生成了一个码基准信号，但在大多数的定位接收器中，一般生成多于一个的码基准信号，如生成三个码基准信号(早期信号、即时信号和晚期信号)并单独与I信号和Q信号混合。

在第三混合器28和第四混合器29中混合内部生成的码基准信号与进入的I信号和Q信号，通过码锁环31控制码NCO30，使得内部产生的码基准信号与接收定位信号之间的时间误差保持为零或尽可能接近零，当时间误差为零时，信号被认为是“码锁定”，该操作被称为“延迟锁环”，当接收定位信号与码基准信号的相位对准时，获得最大相关性。得到的混合信号在积分周期上在第一累积器32和第二累积器33中被积分，将用于跟踪环的I_P和Q_P信号提供给接收机处理器8。

通过在相关器的积分周期中修改合成的基准信号，实现对进入的定位信号的操纵，其中相位偏移与基准信号相加，增益偏移与基准信号相乘，此操作不干扰载波NCO26或载波锁环27的正常操作。随后修改的基准信号与接收定位信号混合，混合信号在积分周期上累加产生累加信号。

上述操作中对于波形信号的积分只是在给定时间周期上对该信号采样的叠加，例如，接收定位信号通过射频前端以60MHz的速率被采样，然后与同样在60MHz下生成的基准信号混合，对于积分周期包含10各B时隙的1us的假定系统，各B时隙的持续期为0.1us，包含接受定位信号的6个采样，这6个采样中的每一个依次与修改的基准信号混合以生成混合信号，这些混合信号按照正常的相关器操作通过码NCO混合器，然后在累加器中相加形成累积信号，因此，在1us的整个积分周期上，包含10个B时隙(每个6个修改样本)的60个样本被求和并存储在累加器中，代表了期望的波束方向。通过相关器通道唯一控制波束的方向和宽度，因此允许同时形成多个波束，其中波束的数量等于可用的相关器通道的数量，此外，每个积分周期可以形成一个新的光束。

如图5所示，可以将沿任意给定方向形成波束的相位和/或增益偏移存储于数据库9中，并允许接收机处理器8访问，接收机处理器8根据需要的波束方向访问数据库9，以在积分周期的各个B时隙中获得各元件正确的相位和/或增益偏移，并在载波NCO26后插入必要的偏移，使得沿期望的方向形成波束。上述添加数据库的操作使所需要的处理功率最小化，但接收机处理器8也可被配置为在需要偏移时计算相位和/或增益偏移。

综上所述，本发明实施例所述的相关波束形成技术，具有简单开关射频前端的天线结构，只使用一个开关和一个射频前端，解决了传统波束形成技术由于包含多个射频前端所导致的基于相位的定位存在问题以及其硬件设备昂贵的问题。基于时分复用的传输方案，通过开关选通天线，达到时分复用的目的，后续可以对每个时隙内的信号进行波束方向和增益控制，以形成波束。通过在相关器中输出接收信号与修改后的基准信号的互相关结果来形成波束。结合到标准定位接收器中，通过对传统GPS相关器较小的修改，相关波束形成技术可以有效地适用于GPS抗干扰应用等，可以应用于GPS和其他卫星导航系统。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域技术人员在不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于天线切换的相关波束形成装置，其特征在于，包括：

具有多个空间分布的天线阵列；

与所述天线阵列连接的开关，用于选择性地在第一状态和第二状态之前切换天线元件；其中，只有切换到第一状态的天线元件被配置为接收进入的信号；

与所述开关连接的射频前端；

与所述射频前端连接进行波束形成的相关器；在相关器中产生基准信号、混合接收信号与修改的基准信号产生混合信号，并在预定的积分周期上将混合信号求和产生累积信号，其中，通过波束增益和相位控制修改基准信号，最终形成的累积信号表明天线阵列形成波束的方向和增益。

2.根据权利要求1所述的基于天线切换的相关波束形成装置，其特征在于，包括射频部分和数字部分，其中，接收机的波束增益和相位控制完全包含于所述数字部分，只有定时信息发送到所述射频部分来控制所述开关。

3.根据权利要求2所述的基于天线切换的相关波束形成装置，其特征在于，所述天线阵列包括具有多个空间分布的天线元件，开关以预定的模式在第一状态和第二状态之间选择性切换天线元件，其中，在第一状态中天线元件被配置为接收定位信号，并且在第二状态中天线元件被配置为不接收定位信号。

4.根据权利要求3所述的基于天线切换的相关波束形成装置，其特征在于，定位接收器中至少包括一条接收通道，且接收通道中至少具有一个与天线阵列和接收机处理器操作相关的相关器，各相关器中具有用于产生内部基准信号的载波数字控制振荡器。

5.根据权利要求4所述的基于天线切换的相关波束形成装置，其特征在于，所述内部基准信号在天线元件被切换到第一状态的同时被接收机处理器修改相位和/或增益，由此产生修改的基准信号，将接收的定位信号与该修改的基准信号混合以产生混合信号，随后在预定的积分周期上被累积，产生累计信号。

6.根据权利要求5所述的基于天线切换的相关波束形成装置，其特征在于，得到的累计信号表明了天线阵列在相关器中形成的波束的方向和幅度，在预定的积分周期结束时，相关器锁环按照未被相位和/或增益操作扰动的正常的相关器操作而操作。

7.根据权利要求4所述的基于天线切换的相关波束形成装置，其特征在于，在相关器中，产生两个内部基准信号；第一基准信号是通过载波NCO产生的载波基准信号；第二基准信号是通过码NCO产生的码基准信号；

接收定位信号在输入射频传输线上被接收，通过在第一混合器和第二混合器中将接收定位信号与载波基准信号的剥离成分进行混合产生同相和正交采样信号，载波基准信号在载波NCO中生成，其剥离成分在离散正弦映射函数和余弦映射函数中生成。

8.根据权利要求7所述的基于天线切换的相关波束形成装置，其特征在于，通过载波锁环控制载波NCO，使得基准信号和接收定位信号之间的相位误差保持为零或尽可能接近零，当相位误差为零时，信号被认为是“相位锁定”，并且同相采样信号处于最大值，正交采样信号几乎为零，该操作被称为“锁相环”；同相采样信号和正交采样信号随后与码基准信号混合，码基准信号在码NCO中生成。

9.根据权利要求8所述的基于天线切换的相关波束形成装置，其特征在于，在第三混合器和第四混合器中混合内部生成的码基准信号与进入的同相采样信号和正交采样信号，通过码锁环控制码NCO，使得内部产生的码基准信号与接收定位信号之间的时间误差保持为零或尽可能接近零，当时间误差为零时，信号被认为是“码锁定”，该操作被称为“延迟锁环”，当接收定位信号与码基准信号的相位对准时，获得最大相关性；

得到的混合信号在积分周期上在第一累积器和第二累积器中被积分，用于跟踪环的同相采样信号频率和正交采样信号频率提供给接收机处理器。

10.一种使用如权利要求1-9任一项所述的基于天线切换的相关波束形成装置的波束形成，其特征在于，包括：

A、天线阵列中空间分布的某一天线元件被选择，且在第一个B时隙内被切换到第一状态；

B、被切换到第一状态的天线元件接收进入的信号；

C、进入的信号在天线阵列的射频前端上被采样；

D、在相关器内产生内部基准信号；

E、与步骤B同步地向基准信号施加预定的偏移，以产生修改的基准信号；

F、将接收信号与修改的基准信号混合以产生混合信号；

G、将混合信号在累加器中累积以产生累积信号；

H、将选择的元件切换到第二状态后从步骤11重新开始；

I、从积分周期结束时所有累积信号的值中获得波束增益图案；

J、相关器锁环按照未被相位和/或增益操作扰动的正常的相关器操作而操作。