CN1207574C - 阵列天线校准装置和阵列天线校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种结构简单且不昂贵，而且能同时保证阵列天线精确校准的阵列天线校准装置。这种阵列天线校准装置包括供给源装置，用于提供原始的校准信号分别给一组组成天线阵列的天线单元，原始校准信号在天线单元间互相正交；相位和幅度特性计算装置，用于计算从天线单元发射并被邻近天线单元接收的校准信号和有关接收的校准信号的原始校准信号之间的相关；相关校准因子计算装置，用于根据各天线单元的相位和幅度特性获得构成阵列天线的所有天线单元间的相关校准因子；校准装置，根据相关校准因子将供给的发射信号校准到各天线单元。

Description

阵列天线校准装置和阵列天线校准方法

技术领域

本发明涉及用于无线电基站的阵列天线校准装置。

背景技术

为了用数字波束形成装置形成准确的发射波束，必须使从各天线单元辐射的信号相位特性和幅度特性均匀。

图5是常规阵列天线校准装置的方块图。常规技术的阵列天线校准装置包括分别对用户1至N的波束形成器13，用户信号多路传输部分12，乘法器10，加法器5，发射机3，耦合器17，天线1，功率合成器18，接收机7，校准因子计算部分9和校准信号发生器4。

每一波束形成器13形成对每一用户有一定方向性的波束。用户信号多路传输部分12对各用户1至N多路传输该波束，并对六个发射系统输出用户多路传输信号。每个乘法器10把用户多路传输信号与相应的校准因子相乘。校准信号发生器4产生相应于每个用户多路传输信号的校准信号。每一加法器5把相应的校准信号加到相应的乘以校准因子的用户多路传输信号。每一发射机发射相应的用户多路传输信号，该信号被相应的校准因子乘并加以相应的校准信号。耦合器17分流每一发射信号的一部分，并把分流的信号供给功率分成器18，剩下的信号送到天线1。每一天线1发射从耦合器17提供的信号。

功率合成器18合成从六个耦合器17供给的信号功率。接收机7接收功率合成的信号。根据接收机7接收的信号，校准因子计算部分9对每个用户多路传输信号计算校准因子，并把计算的校准因子送给相应的乘法器10。

校准信号的信号图形在发射系统中互相正交。由此，校准信号计算部分9对由功率合成器18合成和接收的信号作相关处理，从而，对各天线的校准信号的相位和幅度可被测量。校准因子计算部分9也根据测得的相位和幅度计算各发射系统的校准因子。

上述常规天线阵列校准装置的缺点是耦合器17和天线单元1-1至1-6的特性波动不能纠正。此外，虽然常规阵列天线校准装置能预先测量耦合器17和天线单元1-1至1-6的特性，并用一张表格来纠正其波动，但该装置的缺点是要求测量的高精度和特性的稳定性。此外，为了抑制电缆特性的波动，该电缆连接耦合器17与天线单元1-1至1-6，需要把耦合器17安排在相应天线单元1-1至1-6附近。为这样做，每一耦合器17需要防水结构，结果，耦合器变得很昂贵。

为了克服这些缺点，适合图6所示的装置的方法已提了出来。即，在视觉范围内安装包括接收机7和校准因子计算部9的校准信号接收站。接收机7接收从基站阵列天线1-1至1-6发射并互相正交图型的校准信号。校准因子计算部分9借助于测量的各信号的相位和幅度计算校准因子。但是，用这种结构，需要把获得的校准因子用电缆或无线电通讯装置通知每个基站的纠正因子接收部分20。结果，系统变得复杂而昂贵。此外，它的缺点是必须把校准信号接收站19安装在基站的视距范围内，也不利于掌握基站与信号发生站之间的精确位置关系。

发明内容

本发明提出了克服上述缺点的方法，本发明的目的在于提供结构简单且不昂贵，而且能同时保证阵列天线精确校准的阵列天线校准装置和阵列天线校准方法。

按照本发明的一方面，一种阵列天线校准装置，包括：

供给源装置，用于提供原始的校准信号分别给一组组成阵列天线的天线单元，原始校准信号在天线单元间互相正交；

相位和幅度特性计算装置，用于计算从天线单元发射并被邻近天线单元接收的校准信号和接收的校准信号的原始校准信号之间的相关；

构成阵列天线的天线单元分成第一组和第二组，

相关校准因子计算装置包括：

第一相关校准因子计算装置，用来根据第一组的所有天线单元的相位和幅度特性获得第一组的所有天线单元间的相关校准因子；

第二相关校准因子计算装置，用来根据第二组的所有天线单元的相位和幅度特性获得第二组的所有天线单元间的相关校准因子；

第三相关校准因子计算装置，用于根据第一组的一个天线单元的相位和幅度特性和第二组的一个天线单元的相位和幅度特性获得第一组与第二组之间的相关校准因子；

第四相关校准因子计算装置，用于根据第一组的所有天线单元间的相关校准因子，第二组的所有天线单元间的相关校准因子，和第一组与第二组之间的相关校准因子获得构成阵列天线的所有天线单元间的相关校准因子；

校准装置，根据相关校准因子将供给的发射信号校准到各天线单元。

本发明的阵列天线校准装置，包括：

合成装置，把第二组的一个天线单元从第一组的一个天线单元接收到的校准信号与第一组的一个天线单元从第二组的一个天线单元接收到的校准信号进行合成；其中

第三相关校准因子计算装置，根据相位和幅度特性计算装置基于合成的校准信号获得的相位和幅度特性获得第一组与第二组之间的相关校准因子。

按照本发明的另一方面，一种阵列天线校准方法，包括：

供给源步骤，把原始校准信号分别供给构成阵列天线的一组天线单元，原始校准信号在天线单元间互相正交；

相位和幅度特性计算步骤，计算从天线单元发射由邻近天线单元接收的校准信号与接收的校准信号的原始校准信号间的相关；

构成阵列天线的天线单元分成第一组和第二组，

相关校准因子计算步骤包括：

第一相关校准因子计算步骤，根据第一组的所有天线单元的相位和幅度特性获得第一组的所有天线单元间的相关校准因子；

第二相关校准因子计算步骤，根据第二组的所有天线单元的相位和幅度特性获得第二组的所有天线单元间的相关校准因子；

第三相关校准因子计算步骤，根据第一组的一个天线单元的相位和幅度特性和第二组的一个天线单元的相位和幅度特性获得第一组与第二组之间的相关校准因子；

第四相关校准因子计算步骤，根据第一组的所有天线单元间的相关校准因子，第二组的所有天线单元间的相关校准因子，和第一组与第二组之间的相关校准因子获得构成阵列天线的所有天线单元间的相关校准因子；

校准步骤，根据相关校准因子将供给的发射信号校准到各天线单元。

本发明的阵列天线校准方法包括：

合成步骤，把第二组的一个天线单元从第一组的一个天线单元收到的校准信号与第一组的一个天线单元从第二组的一个天线单元收到的校准信号进行合成；其中

第三相关校准因子计算步骤中，第一组与第二组间的相关校准因子是根据在相位和幅度特性计算中基于合成的校准信号获得的相位和幅度特性来获得的。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的阵列天线校准装置方块图；

图2是图1所示的校准装置的重要部分方块图和它的工作；

图3是本发明的另一实施例的阵列天线校准装置的结构方块图；

图4是另一实施例中校准装置的主要部分方块图和它的工作；

图5是第一种常规技术的阵列天线校准装置结构方块图；

图6是第二种常规技术的阵列天线校准装置结构方块图。

具体实施方式

本发明的实施例将结合附图在下面详细描述。

图1是本发明的阵列天线校准装置的结构方块图。

参见图1，本实施例中的阵列天线校准装置包括校准信号发生器4，它产生校准信号，用来使天线单元1-1至1-6辐射信号的相位和幅度特性均匀，这些天线单元组成线性排列的阵列天线；相加器5，它把校准信号加到各个用户多路传输信号中；环形器6，它从相邻的天线单元取出电磁耦合的信号；接收机7，它接收由各环形器6取出的信号；射频开关8，它开关接收机7的输入信号；校准因子计算部分9，它从接收机7的输出检测校准信号并计算校准因子；乘法器10，它把用户多路传输信号乘以由校准因子计算部分9计算的校准因子；功率合成器11，它合成从邻近线性阵列天线两端的天线单元1-1至1-6的天线单元的电磁耦合信号。各发射系统包括采用正交信号图型，它们相互之间不相关。

本实施例的校正方法将参考图2进行说明。校准信号C1至C6互相正交，校准信号C1至C6以同样的幅度和相位叠加在用户多路传输信号上，并输入到发射机3，并从天线单元1-1至1-6发射。借助于把用户多路传输信号处理成频分多路(FDM)，时分多路(TDM)或码分多路(CDM)，校准信号C1至C6可以没有用户多路传输信号的干涉而提取。此外，由于所用信号图型相互正交，而彼此不相关，各校准信号C1至C6可互相独立地提取。

现在，只注意校准信号来描述校准方法。从天线单元1-1至1-3发射的校准信号C1和C3由于天线单元之间的耦合分别由天线单元1-2接收。接收的信号C1+C3由环形器6提取，并输入到射频开关8的P1端。同样，信号C2+C4，C3+C5，和C4+C6分别输入到射频开关8的P2端，P3端和P4端。由于电磁耦合，校准信号C2由天线单元1-1的环形器6提取，校准信号C5由天线单元1-6的环形器6提取。这些校准信号C2和C5由功率合成器11相互合成，并输入到射频开关8的P5端。

射频开关8的端口顺序转换，P1至P5端的输入信号被解调并由接收机7变换成基带信号。校准因子计算部分9测量各校准信号的相位和幅度并计算校准因子。当P1端连到接收机7时，校准信号C1+C3由接收机7接收，校准信号C1和C3具有互相正交的信号图型，且相互之间没有相关，于此，根据各信号图型进行相关处理，从而获得校准信号C1和C3的相位和幅度，并获得使信号C1和C3的幅度和相位的均匀的因子。同样，借助于转换射频开关8的端口，获得使信号C2和C4，C3和C5，C4和C6，C2和C5的幅度和相位均匀的因子。由于采用这样获得的因子，获得了使所有信号C1至C6均匀的校准因子。因为校准信号C1至C6以同样幅度和相位输入到各发射机3，测得的C1至C6的幅度和相位指明相应于各天线单元和电缆的幅度和相位特性的波动。因此，借助于从测量值获得的校准因子乘以输入信号，就可能使各发射系统的幅度和相位特性均匀。

参考图3描述本发明的实施例。图3表示CDMA通讯系统基站的结构，它采用线性阵列天线。每一用户的发射信号由用户的波束形成器13作复杂的加权处理，因而产生从天线单元向用户发射的信号。由波束形成器13产生的天线单元发射信号由码多路部分14的扩展器15扩展，所有用户的扩展信号由信号合成器16多路向每一天线单元传输。

每一天线单元从码多路部分14输出的用户多路传输的扩展信号由乘法器10乘以校准因子，它是由校准因子计算部分9计算的。由校准信号产生器产生的校准信号由加法器5加到每个被乘的信，校准信号-被加信号由发射机3调制并从每一天线单元1-1至1-6发射。相互不关联的正交信号图型由校准信号产生器4产生，并分别加到各天线单元1-1至1-6。

从每一天线单元辐射的部分射频信号与相邻天线单元电磁耦合，并由相邻天线单元的环形器6提取。借助于转换射频开关8，从相邻天线单元耦合的信号可顺序由接收机7接收。

由接收机7接收的信号被解调，然后变换成基带数字信号。校准因子计算部分9计算校准因子，用于纠正各天线单元的发射系统的相位和幅度特性。因为接收机7并不执行逆扩展处理，用户多路扩展信号被抑制，并只有校准信号能被提取。

参考图2描述本实施例的工作。从各天线单元1-1至1-6发射的信号接收发射机、天线单元1-1至1-6，环形器6和连接电缆特性的波动，且这些信号可表示如下：

x_i＝(C_i(t)·U_i(t))·a_i(t)exp(jφ_i(t))    (1)

其中：

C_i(t)：天线单元1-i的校准信号

U_i(t)：用户多路扩展信号

a_i：天线单元1-i的发射系统的幅度波动

_i：天线单元1-i的发射系统的相位波动

从两端的相邻天线单元发射的信号电磁耦合到天线单元1-i(i＝2至5)，而信号xi-1(t)+xi+1(t)由天线单元1-i的环形器6提取，并通过射频开关8被接收机7接收。校准信号C1至C6是未被扩展的信号，用户多路扩展信号是已经扩展的信号，接收机7并不执行逆扩展处理。因此，用户多路扩展信号被抑制，只有校准信号可被接收机7提取如下：

y_i(t)＝C_i-1(t)·a_i-1(t)exp(j·φ_i-1(t))+C_i+1(t)·a_I+1(t)exp(j·φ_i+1(t))    (2)

校准信号C1至C6采用下面的正交信号图型，它们互相不相关。

$\frac{1}{T}\underset{i=\mathrm{nT}}{\overset{(n+1)T}{\mathrm{\Σ}}}{C}_i\left(t\right)\·C_j\left(t\right)=(i=j)$

$=0(i\≠j)-------\left(3\right)$

因此，如果每一天线单元的特性波动足够缓慢，使在校准信号图型周期T内，可近似为常数，分量C_i+1(t)可消去，天线单元1-(i-1)的发射系统的相位和幅度特性，通过校准信号图型的传递，能被获得的校准信号yi(t)和校准信号图型C_i-1(t)的相关关系来测量。

$h_{i-1}\left(n\right)=\underset{t=\mathrm{nT}}{\overset{(n+1)T}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i\left(t\right)\·C_{i-1}\left(t\right)\≅\underset{t=\mathrm{nT}}{\overset{(n+1)T}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{i-1}\left(t\right)\·\exp \left({\mathrm{j\φ}}_{i-1}(t\right)---\left(4\right)$

同样，由于获得校准信号yi(t)与校准信号图型C_i+1(t)的相关关系，分量C_i-1(t)可消除，天线单元1-(i+1)的发射系统的相位和幅度特性hi+1通过分量C_i-1(t)传递可被测量。

因此，使邻近天线单元1-i的天线单元1-(i-1)和1-(i+1)的相位和幅度特性均匀的校准因子corr_i可获得如下：

    hi₊₁(n)＝corr_i(n)·h_i-1(n)                  (5)

图2所示的六个天线单元的校准因子表示如下：

    h₃(n)＝corr₁(n)·h₁(n)

    h₄(n)＝corr₂(n)·h₂(n)

    h₅(n)＝corr₃(n)·h₃(n)

    h₆(n)＝corr₄(n)·h₄(n)                      (6)

如图2的结构所示，天线单元1-1至1-6的环形器输出由功率合成器11相互合成。功率合成器11的输出由接收机7解调，信号C2+C5被提取。校准因子计算部分9根据校准信号图型用上面所述的方法执行相关处理，从而可测量校准信号C2和C5的幅度和相位特性。如果功率合成器11和各环形器6的幅度和相位预先做好均匀，则校准因子可从校准信号C2和C5测量的幅度和相位特性获得如下：

        h₂(n)＝corr₅(n)·h₅(n)                  (7)

由于采用式(6)和(7)获得的校准因子，以校准因子h1作参考，各标准因子可表示如下：

h₂(n)＝corr₅(n)·h₅(n)＝corr₅(n)·corr₃(n)·corr₁(n)·h₁(n)

h₃(n)＝corr₁(n)·h₁(n)

h₄(n)＝corr₂(n)·h₂(n)＝corr₂(n)·corr₅(n)·corr₃(n)·corr₁(n)·h₁(n)

h₅(n)＝corr₃(n)·h₃(n)＝corr₃(n)·corr₁(n)·h₁(n)

h₆(n)＝corr₄(n)·h₄(n)＝corr₄(n)·corr₂(n)·corr₅(n)·corr₃(n)·corr₁(n)·h₁(n)

                                                                                        (8)

因此，以天线单元1-i为参考的校准因子可获得如下：

Corr₁(n)＝1

Corr₂(n)＝1/(corr₅(n)·corr₃(n)·corr₁(n))

Corr₃(n)＝1/corr₁(n)

Corr₄(n)＝1/(corr₂(n)·corr₅(n)·corr₃(n)·corr₁(n))

Corr₅(n)＝1/(corr₃(n)·h₃(n)＝corr₃(n)·corr₁(n))

Corr₆(n)＝1/(corr₄(n)·corr₂(n)·corr₅(n)·corr₃(n)·corr₁(n))    (9)

图4表示本发明的另一实施例，天线单元1-7和1-8的输出(图2中的无反射发射单元2与该天线单元相连)由功率合成器11合成。由于天线单元1-7和1-8与天线单元1-1至1-6耦合的信号分别由接收机7接收。于是，校准信号C1+C6被提取，校准因子计算部分9可获得校准信号C1和C6之间的校准因子。与前面的实施例相同，天线单元1-2至1-5的环形器的输出由接收机7接收，从而提取校准信号C1+C3，C4+C2，C3+C5和C4+C6，校准因子计算部分9可获得对各校准信号对的校准因子。结果，如同前一实施例的情况，以天线单元1-1为参考的校准因子获得如下：

    h₆＝corr₅·h₁

    h₃＝corr₁·h₁

    h₄＝corr₂·h₂

    h₅＝corr₃·h₃＝corr₃·corr₁·h₁

    h₆＝corr₄·h₄

    h₄＝corr₅/corr₄·h₁

    h₂＝corr₅/(＝corr₄·corr₂)·h₁                     (10)

    Corr1(n)＝1

    Corr2(n)＝Corr4·Corr2/Corr5

    Corr3(n)＝1/Corr1

    Corr4(n)＝Corr4/Corr5

    Corr5(n)＝1/(Corr3·Corr1)

    Corr6(n)＝1/Corr4                                  (11)

本发明也可应用于TDMA通信系统的基站和FDMA通讯系统的基站。如果用TDMA通讯系统，校准信号用分配的校准信号时隙或空时隙输入并被测量。如果用于FDMA通讯系统，校准信号用分配的校准信号频率通道或空频率通道输入并被测量。

此外，本发明能应用于圆形阵列天线，其中示于实施例中的线性天线的天线单元布置在圆周上，除了无反射发射天线单元之外。

还有，在图1所示的实施例中，由两个天线1-1和1-5接收的信号由功率合成器11互相合成，合成信号送给射频开关8。另一方面，射频开关的输入端数可增加而不提供功率合成器11，由天线单元1-1接收的信号和由天线单元1-5接收的信号可分别送给射频开关8。在这种情况下，根据与(4)式同样的表示，可获得天线单元发射系统的相位和幅度特性。

在图4的实施例中，由两个天线单元1-7和1-8接收的信号由功率合成器11互相合成，合成的信号送到射频开关8。另一方面，射频开关的输入端数可以增加而没有提供功率合成器11，由天线单元1-7接收的信号和由天线单元1-8接收的信号可分别供给射频开关8。在这种情况下，根据与(4)式相同的表示式，可获得天线单元发射系统的相位和幅度特性。

根据本发明的这种描述，可很方便地校准幅度和相位的波动，包括天线单元的辐射特性，而无需提供外部校准信号接收站。

此外，因为它可校准包括提取校准信号的环形器和连接环形器与天线单元的电缆的特性，因此，每个环形器可在发射机和天线单元间的任意位置布置，因此，不同于常规技术，环形器不必布置在相应天线单元的附近，以抑制提取校准信号的耦合器与天线单元之间电缆的特性波动，不必为环形器提供防水结构，不必提供把校准信号送入屋内的电缆。

还有，它也不需要提取除了由功率合成器合成的校准信号之外的校准信号的环形器具有同样的特性。因此，可采用不昂贵的环形器。

更有，因为要求使特性均匀的功率合成器是双支功率合成器，所以比常规的多支功率合成器很容易使特性均匀。

Claims (4)

1.一种阵列天线校准装置，包括：

供给源装置，用于提供原始的校准信号分别给一组组成阵列天线的天线单元，原始校准信号在天线单元间互相正交；

相位和幅度特性计算装置，用于计算从天线单元发射并被邻近天线单元接收的校准信号和接收的校准信号的原始校准信号之间的相关；

构成阵列天线的天线单元分成第一组和第二组，

相关校准因子计算装置包括：

第一相关校准因子计算装置，用来根据第一组的所有天线单元的相位和幅度特性获得第一组的所有天线单元间的相关校准因子；

第二相关校准因子计算装置，用来根据第二组的所有天线单元的相位和幅度特性获得第二组的所有天线单元间的相关校准因子；

第三相关校准因子计算装置，用于根据第一组的一个天线单元的相位和幅度特性和第二组的一个天线单元的相位和幅度特性获得第一组与第二组之间的相关校准因子；

第四相关校准因子计算装置，用于根据第一组的所有天线单元间的相关校准因子，第二组的所有天线单元间的相关校准因子，和第一组与第二组之间的相关校准因子获得构成阵列天线的所有天线单元间的相关校准因子；

校准装置，根据相关校准因子将供给的发射信号校准到各天线单元。

2.根据权利要求1所述的阵列天线校准装置，其特征在于包括：

合成装置，把第二组的一个天线单元从第一组的一个天线单元接收到的校准信号与第一组的一个天线单元从第二组的一个天线单元接收到的校准信号进行合成；其中

第三相关校准因子计算装置，根据相位和幅度特性计算装置基于合成的校准信号获得的相位和幅度特性获得第一组与第二组之间的相关校准因子。

3.一种阵列天线校准方法，包括：

供给源步骤，把原始校准信号分别供给构成阵列天线的一组天线单元，原始校准信号在天线单元间互相正交；

相位和幅度特性计算步骤，计算从天线单元发射由邻近天线单元接收的校准信号与接收的校准信号的原始校准信号间的相关；

构成阵列天线的天线单元分成第一组和第二组，

相关校准因子计算步骤包括：

第一相关校准因子计算步骤，根据第一组的所有天线单元的相位和幅度特性获得第一组的所有天线单元间的相关校准因子；

第二相关校准因子计算步骤，根据第二组的所有天线单元的相位和幅度特性获得第二组的所有天线单元间的相关校准因子；

第三相关校准因子计算步骤，根据第一组的一个天线单元的相位和幅度特性和第二组的一个天线单元的相位和幅度特性获得第一组与第二组之间的相关校准因子；

第四相关校准因子计算步骤，根据第一组的所有天线单元间的相关校准因子，第二组的所有天线单元间的相关校准因子，和第一组与第二组之间的相关校准因子获得构成阵列天线的所有天线单元间的相关校准因子；

校准步骤，根据相关校准因子将供给的发射信号校准到各天线单元。

4.根据权利要求3所述的阵列天线校准方法，其特征在于：

合成步骤，把第二组的一个天线单元从第一组的一个天线单元收到的校准信号与第一组的一个天线单元从第二组的一个天线单元收到的校准信号进行合成；其中

第三相关校准因子计算步骤中，第一组与第二组间的相关校准因子是根据在相位和幅度特性计算中基于合成的校准信号获得的相位和幅度特性来获得的。

Images