CN1181641A - 相控阵天线的稳定方法 - Google Patents

Abstract

一种用以稳定相控阵天线系统的反应的方法,其中,施加到或产生于该天线诸单元的诸信号的振幅和相位被监测,诸偏差被检出,适当的诸加权因子被确定和应用,以使去除所述诸信号中诸振幅以及诸相位之间的偏差。本文说明了发射与接收天线诸系统。

Description

相控阵天线的稳定方法

本发明涉及相控阵或自适应天线系统，特别是涉及连接于蜂窝无线电通信系统的天线系统。

相控阵或自适应天线系统具有很多单元，在发射方式中，这些单元由具有一种预定的振幅与相位关系的诸输出信号向其馈送能量。该天线中每一个单元所辐射的诸信号通过交互作用，形成具有一种固定方向或可以进行扫描的辐射波束，这取决于施加到该天线诸单元的诸输出信号彼此之间的相位关系。为了使这样一种天线能满意地发挥作用，对该天线系统的每一个分支中的诸信号的振幅和相对相位来说，尽可能地保持稳定是完全必要的。

迄今为止，人们采取了各种方法来做到这一点，例如在天线被建造起来之后，物理地调整该天线的诸部件，或者借助于一个闭环模拟反馈控制系统，使用附加的射频有源单元，去调整该天线诸单元之间的增益与相位的失配。

本发明的目的是提供一种用以稳定一个相控阵天线系统的动作的改进的方法与装置。虽然本发明主要地涉及发射天线，但它也能应用于在接收方式下的相控阵天线。

按照本发明，提供了一种稳定相控阵天线系统的动作的方法，包括下列操作：其一是监测施加到或产生于该天线诸单元的诸信号的振幅与相位，其二是检出所述诸信号的振幅与相位时标准值的偏离，其三是导出有关的校正信号，并使用该校正信号去改变跟该天线诸单元有关的一个信号处理网络的反应以便使施加到或产生于该天线诸单元的诸信号的振幅与相位恢复到标准值。

上述的监测施加到或产生于该天线诸单元的振幅与相位，检出所述诸信号对标准值的偏离，以及产生有关的校正信号等操作又可包括下列操作：其一是在所述诸信号中按同样的比例进行抽样，其二是将抽样信号跟一个参考信号进行比较，其三是产生一个跟诸抽样信号的幅度与相位对从参考信号导出的诸数值的偏离有关的一个误差函数信号。

诸抽样信号跟该参考信号的比较可以这样进行：其一是每一个抽样信号相对于其原状都延时一个已知的数值，其二是将该延时后的抽样信号相加，以产生一个合成的复数信号，并计算该信号跟该参考信号在时间上反序的共轭复数(序列)的卷积。

诸抽样信号跟该参考信号进行比较还有另一种方法，那就是顺序地将每一个抽样信号跟该参考信号在时间上反序的共轭复数(序列)进行比较。

当该天线被用于发射方式时，该所述诸信号可以包括施加到该天线诸元件上的输出信号，并且该参考信号可以从准备从该天线发射的该信号中的一部分导出。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于稳定相控阵发射天线的动作的装置，其中包括将具有预定的振幅与相位关系的输出信号施加到该天线的诸辐射单元的装置，在所述诸输出信号中按同样的比例进行抽样的装置，将该抽样信号跟一个参考信号进行比较的装置，产生跟诸抽样信号与该参考信号之间的诸差值有关的一个误差函数信号的装置，以及使用该误差函数信号去改变将诸输出信号施加到该天线诸辐射单元的装置的动作，以保持所述诸输出信号的预定的振幅与相位关系的装置。

根据本发明的第三方面，提供了一种用于稳定相控阵接收天线的动作的装置，其中包括许多接收机，每一部接收机都跟该天线的一个单元连接，此外还包括：从该天线诸单元产生并施加于诸接收机的诸输入信号中抽取一个指定部分的装置，将该抽样信号跟一个参考信号进行比较的装置，产生跟诸抽样信号与该参考信号之间的诸差值有关的一个误差函数信号的装置，以及使用该误差函数信号对来自诸接收机的诸输出信号进行加工使来自诸接收机的诸输出信号在幅度与相位上达到均衡的装置。

将诸抽样信号跟该参考信号进行比较的装置可以包括一系列的延时器件，它们被这样安排，使得每一个抽样信号相对于其原状都被延时了相同的数值，此外还包括将相继的被延时的诸抽样信号相加、并产生一个复数的合成信号的装置，一个比较器包括将该合成信号跟一个在时间上反序的该参考信号的共轭复数(序列)进行卷积运算的装置，以及导出一个跟该合成信号与该参考信号之间的诸差值有关的误差函数信号。

代替地，比较抽取信号与参考信号的装置可能包括把抽取的信号相继地与比较器连接的装置。

当天线用于发射模式时，把输出信号加到天线辐射单元上的装置可能由一种输出信号分配网络组成，该网络包括与天线各辐射单元关联的加权电路，还包括有响应误差函数信号来改变加权电路的反应以保持天线辐射单元上予定的幅度和相位关系的装置。

当该天线被用于接收方式时，或者来自一个天线单元的该接收信号可以被用来产生一个参考信号，或者倘若该接收信号的形式为已知，例如倘若该信号是包含一个参考部分的无线电通信信号，那么该信号的这一部分可以被本地产生以提供该参考信号。

现在，借助于例子并参考诸附图，对本发明进行说明，在附图中，

图1是实施本发明的一个相控阵发射天线系统的方框线路图。

图2以图解方式表示一个理想化的比较信号。

图3以图解方式表示当图1中的天线系统处于不平衡状态时的一个理想化的比较信号。

图4表示本发明在一个时分多址蜂窝无线电通信系统中的应用。

图5是实施本发明的第二个相控阵发射系统的方框线路图，以及

图6是实施本发明的一个相控阵接收天线系统的方框线路图。

参看图1，相控阵发射天线系统101包括许多辐射单元102，其中的每一个单元都被连接到一个波束形成加权电路103、一个变频器104、一个功率放大器105以及一个信号分压器106。由上述方框组成的每一个分组形成输出信号分配网络108的一个分支107，来自一个调制器109的输出信号施加于分配网络108。

连接到输出信号分配网络108的是含有许多延时器件111的稳定网络110，按照设计安排，使得每一个延时器件111都被连接到一个有关的信号分压器106。诸延时器件111被连接到一个合成器112、一个变频器113、一个采取数字匹配滤波器形式的比较器114、一个复数误差计算器115以及一个校正系数计算器116。一个参考信号源117被连接到该数字匹配滤波器114。该校正系数计算器116被连接到每一个加权电路103。

一个天线收发转换开关118被连接于每一个信号分压器106和与之相关的辐射单元102之间，使该单元被用于接收方式，这一点将在后面加以说明。

示于图1的这种结构是专门为用于一个数字式蜂窝无线电通信系统而设计的。从参考信号源117送往数字匹配滤波器114的该参考信号，是从用于该系统的诸信号的每一个脉冲序列中已知作为标志的那一部分导出的。

该系统的工作流程如下：由调制器电路109产生一个公共的输出信号并施加于每一个加权电路103。每一个加权电路都可以独立于其他加权电路进行工作，并且为即将从与它相关的天线单元102发射出去的信号建立所需的振幅与相位关系。该信号分压器106从由该输出功率放大器105施加于诸天线单元的诸信号中各抽取一个相同的部分送到天线单元102。诸抽样信号被施加到各自的延时器件111。诸延时器件111被这样安排，使得第n个抽样信号的延时量等于来自诸信号脉冲序列的标志的重复率的倒数的n倍。该延时后的抽样信号被施加到产生一个合成信号的合成器，该合成信号的波形具有跟在一个时间弥散通信信道中的波形相似的特性。借助于变频器113将诸抽样信号的频率降低到一个方便的数值并使之数字化。该合成信号被变频和数字化之后，它被再一次地下变频，以产生一个由下列方程式表示的复数信号： $\tilde{y}\left(t\right)=\underset{n=1}{\overset{n=N}{\mathrm{\Σ}{a}_{n}r}}\left(\mathrm{tn}{T}_m\right)\exp (\mathrm{j\φ}(t-n{T}_m)+{\mathrm{\φ}}_n).............................\left(1\right)$

式中，N为该信号分配网络101中的诸分支107的总数

a_n为第n个波束形成权系数的振幅

φ_n为第n个波束形成权系数的相位

r(t)为该调制信号的包络

φ(t)为该调制信号的相位

Tm为该标志的重复率的倒数

该数字匹配滤波器114实质上是一个具有M个抽头的复数有限冲击响应滤波器，其中M等于在该调制域中复数相关位的数目，并且每一个抽头的加权因子取决于所发射的调制域标志的在时间上反序的共轭复数(序列)。来自该数字匹配滤波器114的该输出信号由下列方程式给出： $\widetilde{z\left(t\right)}=\underset{\text{n=1}}{\overset{n=M}{\mathrm{\Σ}{a}_n}}r(t-n{T}_m)\exp \{\mathrm{j\φ}\left({t-\mathrm{nT}}_m\right)+{\mathrm{\φ}}_n\}\⊗$

                      r(-t)exp{-j(-t)}……………………(2)

式中， 为第二个跟时间有关的复数信号，表示卷积运算，其他诸符号的意义与方程式(1)相同。

来自数字匹配滤波器114的该输出信号函数具有N个相关峰值，分别对应于该信号分配网络108的每一个分支107，以nTm的间隔把它们彼此分开。

若施加于该复数误差计算器115的该函数

被归一化为M，则其输出可用一个误差函数给出：∈( nT_m)＝M-1_z′( nT_m)-a_nexp(j_n)……………………(3)

式中，Z′( nTm)是含有在该信号分配网络108中第n个分支107所产生的复数误差的修正的相关峰值。

该误差函数

被施加到该系数计算器116，后者产生加权函数的诸数值，例如产生适当的an和φn诸数值，以便使该信号分配网络108中诸分支107之间保持平衡。

每一个延时单元的分隔至少应等于该标志周期的宽度，以便在该数字匹配滤波器114的输出端，对来自该信号分配网络所有N个107分支的诸信号的振幅和相位能够分辨出来。如果不是这样的情况，那么，在各个相关函数之间将会发生干扰。

图2表示当该信号分配网络108的诸分支107完全匹配时，来自该数字匹配滤波器114的该复数输出信号的形式。诸相关峰值的不同大小反映了这样一个事实，即：在该信号分配网络108的诸分支107中，组成诸单元103、104、105和106的诸元件存在着固有的差异。

当该信号分配网络108中的第n个分支107相对于图2所示的初始状态出现一个振幅与相位误差时，与之相关的校正函数将相应地被修改。图3通过一个例子说明，当该信号分配网络108中的分支2出现误差时的情况。所发生的变化用虚线表示。

如果应用本发明的蜂窝无线电通信系统是一个时分多址系统，例如人们所知晓的用首字母缩略词GSM来表示的系统，那么，其中的每一个时隙都将具有与之相关的波束形成诸权系数，而在一个时间帧中所计算的修正的诸权系数必须加以存储，直到在下一个时间帧中出现适当的时隙为止。图4对此作了说明，该图示出了在帧1的时隙0中的N个相关系数的获得，以及在帧2的时隙0前面的防护间隔期间该修正的波束形成诸系数的应用。

图5表示本发明第二个实施例的方框线路图。在图5中，该实施例所使用的诸元件跟第一个实施例相比并无改变，具有相同的参考数值。参看图5，诸延时器件111以及合成器112都被一个多路开关501所取代，后者顺序地将每一路抽样信号连接到变频器113。该系统其余部分的工作跟第一个实施例相同。

图6为将本发明应用于接收方式下的相控阵天线系统的方块线路图。还有，那些为诸发射与接收系统所共用的诸元件具有相同的参考数值。参看图6，这里示出了实施本发明的一个收发两用机的接收部分。一个由N个无线电接收机602组成的网络601，相当于该天线系统发射部分的信号分配网络108中的诸分支107。跟上面一样，每一个接收机602都被连接到一个波束加权电路603。一个稳定网络604，作为该发射机的稳定网络110的镜像，经过诸信号分压电路605，被连接到诸天线单元102。跟上面一样，该稳定网络604包括N个连接于合成器607的延时器件606、一个变频器608、一个数字匹配滤波器(该接收信号的标志被施加于其输入端)、以及一个复数误差计算器610，在本例中，它包括一个等效于该校正系数计算器116的校正系数计算器。

该稳定网络604的工作类似于该天线系统发射部分的稳定网络。信号分压器605从诸接收信号中的每一个分别按一定比例进行抽样，并施加到各自的延时器件606，然后从那里施加到合成器607。跟上面一样，该复合信号被变频、数字化并施加到该数字匹配滤波器609，同时被施加到该数字匹配滤波器609的还有一个参考信号(在应用于GSM数字无线电通信系统的情况下，它是来自一个信号脉冲序列的标志)。如同在发射方式下那样，该数字匹配滤波器609产生一个复数输出信号，它具有分别对应于来自每一个天线单元102的诸信号的振幅和相位的诸相关峰值。来自该匹配数字滤波器609的该复数输出信号，作为一个参考信号，被施加到该复数误差函数计算器610。来自网络601中的诸接收机602的各个输出信号的一个成比例的部分，也被施加到该复数误差函数计算器610。这些信号的振幅与相位跟来自该数字匹配滤波器609的该输出信号的相应的峰值进行比较，产生诸校正系数信号并施加于诸加权电路603。最终输出的诸信号被合成并施加于解调器电路611。诸收发转换开关612按照需要将诸天线单元连接到该发射或接收网络。

跟上面一样，可以用一个连接到每一个线路分压器605的顺序开关去取代诸延时器件606以及合成器607，因此，它的抽样信号就能直接地送往变频器608。

Claims (11)

1.一种稳定相控阵天线系统的动作的方法，包括下列诸操作：

通过按相同的比例对所述诸信号进行抽样以形成抽样信号的方法，监测施加到或产生于该天线诸单元的诸信号的振幅和相位；

检出所述诸信号在振幅和相位上对标准值的偏离，此项操作包括下列诸步骤：

比较抽样信号与参考信号，是通过将每一个抽样信号相对于其原状各延时一个预定数值，将经过延时的诸抽样信号相加以产生一个复数合成信号，并计算该信号跟该参考信号在时间上反序的共轭复数(序列)的卷积，以及

导出一个跟诸抽样信号的振幅与相位数值相对于该参考信号的相同参数诸数值的偏离有关的误差函数信号；还导出有关的清理校正信号；以及

使用该清理校正信号去改变跟该天线诸单元相连接的信号处理网络的响应，以便使施加到或产生于诸单元的所述诸信号的振幅与相位恢复到该标准值。

2.在根据权利要求1所述的方法中，将诸抽样信号跟该参考信号进行比较的操作包括以下诸步骤，即：顺序地将每一个抽样信号跟该参考信号在时间上反序的共轭复数(序列)进行比较。

3.在根据权利要求1所述的方法中，该天线构成发射机的一部分，并且从准备由该天线发射的输出信号中导出该参考信号。

4.在根据权利要求3所述的方法中，包括以下操作，即：从该误差函数导出诸校正系数，并分别地将诸校正系数施加到诸加权电路，适配地控制施加到该天线的一个相关的辐射单元的诸输出信号的振幅和相位。

5.在根据权利要求3所述的方法中，该天线构成一个时分多址蜂窝无线电通信系统的一部分，并且该参考信号是一台接有天线的发射机所产生的诸信号脉冲序列的标志，其中该输出信号采取若干时间帧的形式，在该时间帧中，诸信号发射周期被诸保护间隔分隔开，并且跟诸给定的信号发射周期有关的诸校正系数在一个时间帧之内进行计算与存储，并且在该复位时间帧中的相同的发射周期前面的保护间隔期间，施加到诸加权电路。

6.一种用于稳定相控阵接收天线的动作的装置，包括：

多个接收机，每一个接收机都被连接到该天线的一个单元；

从该天线的诸单元所产生的并施加到诸接收机的诸输入信号中按指定的比例进行抽样的装置；

将诸抽样信号跟一个参考信号进行比较并产生一个跟诸抽样信号与该参考信号之间的诸差值有关的误差函数信号的装置，其中包括：

一系列的延时器件，它们被这样安排，使得每一个抽样信号相对于其原状都被延时相同的数值，

将相继地被延时的诸抽样信号相加、并产生一个相关的复数合成信号，以及

将该参考信号施加于其上的一个比较器；

使用该误差函数信号去处理来自诸接收机的诸输出信号，以均衡来自诸接收机的诸输出信号的振幅与相位的装置；以及对来自诸接收机的诸均衡信号进行合成的装置。

7.在根据权利要求6所述的装置中，将诸抽样信号跟诸参考信号进行比较的装置包括：一个适于将诸抽样信号相继适配地连接到一个比较器的开关，同时被施加到该比较器的还有该参考信号。

8.在根据权利要求6所述的装置中，该参考信号是由该天线待接收的信号中至少其中一部分的在时间上反序的共轭复数(序列)，并且该比较器适于计算该合成信号与该参考信号的卷积。

9.在根据权利要求6所述的装置中，该参考信号是由该天线待反射的信号中至少其中一部分的在时间上反序的共轭复数(序列)，并且该比较器适于直接地计算每一个抽样信号跟该参考信号的卷积。

10.在根据权利要求6所述的装置中，该参考信号以及准备与之比较的一个或多个信号都是数字信号，并且该比较器包括一个数字匹配滤波器。

11.一个根据权利要求10所述的、并已纳入时分多址数字蜂窝无线电通信系统的装置，在该通信系统中，诸信号采取诸信号脉冲序列的形式，彼此之间由诸保护间隔分隔开，每一个信号脉冲序列包括一个标志参考信号；该匹配滤波器起到有限冲击响应滤波器的作用，它所具有的抽头的数目等于在每一个信号脉冲序列中的复数相关位的数目；并且诸抽头具有从诸信号脉冲序列的该标志的在时间上反序的共轭复数(序列)中导出的诸权系数。

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