CN1283901A - 一种校准智能天线阵的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种校准智能天线阵的方法和装置,用于实时校准智能天线阵。包括:设置由耦合结构、馈电电缆及信标收发信机连接构成的校准链路;利用矢量网络分析仪对耦合结构预先进行校准,分别记录其接收与发射传输系数;对智能天线阵进行接收校准,将每条接收链路与参考链路传输系数的幅度调整为相同,将相位差Φ记录储存在基带处理器中;进行发射校准,将每条发射链路与参考链路的传输系数的幅度调整为相同,将相位差Ψ记录在基带处理器中。

Description

一种校准智能天线阵的方法和装置
本发明涉及一种无线通信系统的智能天线技术，更确切地说是涉及一种校准智能天线阵的方法和装置。
在现代无线通信系统中，特别是在码分多址(CDMA)无线通信系统中，为了提高系统容量及灵敏度，和在较低的发射功率下获得尽量远的通信距离，一般都希望使用智能天线(Smart Antenna)技术。
在名称为“具有智能天线的时分双工同步码分多址无线通信系统”的发明专利申请中(97104039.7)，公开了一种采用现代智能天线的无线通信系统的基站结构，包括由一个或多个天线单元组成的天线阵列、相应的射频馈电电缆和一组相干的射频收发信机。根据天线阵列中各天线单元所接收到的来自用户终端的信号的不同反应，由基带处理器获得此信号的空间特征矢量和信号到达方向(DOA)，再使用相应的算法实现接收天线波束赋形。其中任一个天线单元、相应的射频馈电电缆及相干的射频收发信机组成一条链路。将从上行接收波束赋形中获得的每一条链路的权重用于下行发射波束赋形，在对称的电波传播条件下，可达到智能天线的全部功能。
在“具有智能天线的时分双工同步码分多址无线通信系统”的发明专利申请中，为了使智能天线能准确地合成接收及发射波束，必须要知道组成此智能天线阵的各天线单元、射频馈电电缆和射频收发信机之间的差别，即射频信号在通过各条链路后信号幅度及相位的变化之差，而求得此智能天线系统中各条链路之间差别的过程就是本发明所要涉及的智能天线的校准。
智能天线阵的校准是智能天线中的一项核心技术，由于在组成智能天线的射频系统中，所使用的各种电子元器件特别是有源元器件的特性，对工作频率、环境温度及使用时间等都是很敏感的，而且每一条链路的特性因上述原因所产生的变化也不可能相同，故对智能天线系统的校准应随时进行。
现有的智能天线的校准方法大致有两种：一种是使用直接测量方法，即对每一套射频收发信机进行测量，获得与其幅度、相位有关的数据，然后加上由测量获得的天线单元及馈电电缆的幅度、相位特性，以耦合成一组校准数据，该方法的校准过程非常复杂，所有测量都难以在现场进行，特别是对于已经投入业务运行的无线通信系统来说，更是一个复杂和难以保证实行的过程。另一种方法是用一只处于天线远场区域的信标收发信机来进行校准，该方法要求信标收发信机处于没有多径传播的远场区域，这在实际系统中也是难以实现的。因此，上述两种方法的缺点都是非常明显的。
本发明的目的是设计一种校准智能天线阵的方法和装置，以实现对智能天线的实时校准，从而使智能天线系统实用化，本发明的装置使本发明的方法能有效地工作。
本发明的目的是这样实现的：一种校准智能天线阵的方法，其特征在于包括：
1)设置由耦合结构、馈电电缆及信标收发信机连接构成的校准链路，耦合结构与智能天线阵的N个天线单元成耦合连接，信标收发信机通过数字总线连接基站的基带处理器；
2)利用矢量网络分析仪对耦合结构进行校准，分别记录其接收与发射传输系数；
3)进行接收校准，包括：由信标收发信机中的模拟发信机在给定的工作载波频率上发射有确定电平的信号，并使被校准基站N条接收链路均处于接收状态；由基站的基带处理器分别检测各接收链路的输出，并根据各接收链路的输出计算各链路在接收时的传输系数与参考链路的传输系数之比；通过控制各链路模拟收信机中的可变增益放大器来控制各接收链路的输出，使各链路在接收时的传输系数与参考链路的传输系数的幅度之比等于1；将每条接收链路与参考链路的相位差φ记录储存在基带处理器中；
4)进行发射校准，包括：使N条发射链路在一个时间内只有一条链路处于发射状态，而其它发射链路均处于关闭状态，由信标收发信机中的模拟收信机在给定的工作载波频率上分别接收来自各条发射链路的信号；由基站的基带处理器对检测到的结果进行处理，并计算各链路在发射时的传输系数与参考链路的传输系数之比；通过控制各链路模拟发信机中的可变增益放大器来控制各发射链路的输出，使各链路在发射时的传输系数与参考链路的传输系数的幅度之比等于1；将每条发射链路与参考链路的相位差Ψ记录在基带处理器中。
所述的利用矢量网络分析仪对耦合结构进行校准包括：设置信标天线及空间耦合方式；所述的矢量网络分析仪连接信标信号的馈线端和待校准链路的天线单元端口，非校准链路的天线单元端口接匹配负载，在所需的各工作载频下测量并记录待校准链路的传输系数；重复执行上述步骤，直至全部测量并记录完N条链路的传输系数。
所述的利用矢量网络分析仪对耦合结构进行校准包括：设置由N个耦合器和与N个耦合器连接的一个1∶N的无源分路/合路器构成的无源网络耦合结构，N个耦合器分别与所述智能天线阵的N个天线单元的天线端口连接，无源分路/合路器的输出端是信标信号的馈线端；所述的矢量网络分析仪连接信标信号的馈线端和待校准链路的天线单元端口，非校准链路的天线单元端口接匹配负载，在所需的各工作载频下测量并记录待校准链路的传输系数；重复执行上述步骤，直至全部测量并记录完N条链路的传输系数。
本发明的一种校准智能天线阵的装置，其特征在于：包括已校准的耦合结构、馈电电缆和信标收发信机；耦合结构与智能天线阵的N个天线单元耦合连接，馈电电缆连接耦合结构和信标收发信机，信标收发信机通过数字总线与基站的基带处理器连接。
所述的耦合结构是采用空间耦合方式的信标天线，该信标天线处于组成智能天线阵的N个天线单元辐射方向图的工作主瓣内，信标天线的天线端口是信标信号的馈线端。
在组成智能天线阵的N个天线单元是全向天线时，所述的信标天线处于包括各天线单元近场区域内的任何位置处。
所述的耦合结构是无源网络，包括与所述智能天线阵的N个天线单元相对应的N个耦合器和与N个耦合器连接的一个1∶N的无源分路/合路器；所述的N个耦合器分别与N个天线单元的天线端口连接，所述的无源分路/合路器的输出端是信标信号的馈线端。
所述的信标收发信机具有与基站的射频收发信机相同的结构，包括双工器、与双工器连接的模拟收信机、与双工器连接的模拟发信机、与模拟收信机连接的模拟至数字变换器和与模拟发信机连接的数字至模拟变换器；所述双工器的射频接口与耦合结构的馈电电缆连接，所述的模拟至数字变换器及数字至模拟变换器与所述的数字总线连接。
所述的模拟收信机中设置有用于控制增益并用程序软件控制的可变增益放大器；所述的模拟发信机中设置有用于控制输出功率并用程序软件控制的可变增益放大器。
由本发明所提供的校准智能天线阵的方法和装置，包括使用信标收发信机和一套与智能天线阵相耦合的耦合结构，其中的耦合结构包括有两种技术方案：其一是使用一个在几何结构上对称的、处于天线近场区域的信标天线来对智能天线系统进行校准的方法和实现此方法的天线阵列，其信标天线及相关的校准软件是无线基站的组成部分；其二是使用一个由耦合器与功分器组成的无源网络来实现耦合结构对智能天线阵列的馈电和校准。无论哪一种技术方案，都可使使用了智能天线的基站随时且方便地进行校准，随时更换射频部件和元器件，彻底解决智能天线系统的工程实用化问题。
下面结合实施例及附图进一步说明本发明的方法及装置。
图1是使用了本发明方法及装置的无线通信基站的结构原理框图
图2是图1中模拟收发信机的结构原理框图
图3是使用信标天线的耦合结构示意图
图4是由功分器和耦合器组成的耦合结构在智能天线阵中的连接结构示意图
图5是本发明另一种耦合结构示意图
图6是耦合结构的校准过程流程框图
图7是本发明智能天线校准过程流程框图
参见图1，图中示出一个典型的使用了本发明方法及装置的具有智能天线的移动通信系统或无线用户环路系统等无线通信系统中的基站结构。除校准部分外的基站结构与“具有智能天线的时分双工同步码分多址无线通信系统(97104039.7)中介绍的基站相类似。主要包括N个全同的天线单元201A、201B、…、201N，N条接近全同的馈电电缆202A、202B、…、202N，N个射频收发信机203A、203B、…、203N，和相应的基带处理器204。所有射频收发信机203的基带输入、输出均为数字信号，即在所有的射频收发信机203内均设有模拟至数字变换器ADC及数字至模拟变换器DAC，它们与基带处理器204间用一条高速数字总线209连接，并使用同一个本振信号源208。
为实现智能天线的实时校准，本发明在此基站结构的基础上还根据所使用的不同天线阵增加由耦合结构205(耦合射频电路)、馈电电缆206及信标收发信机207构成的校准链路，耦合结构205与N条馈电电缆202A、202B、…、202N耦合连接，馈电电缆206用于连接耦合结构205与信标收发信机207，信标收发信机207连接高速数字总线209，并与所有的射频收发信机203共用同一个本振信号源208。
参见图2，图2示出图1中射频收发信机203或信标收发信机207的结构。包括双工器210、模拟收信机211、模拟至数字变换器212、模拟发信机213和数字至模拟变换器214。其中的模拟收信机211中设置有控制其增益的可变增益放大器215(可用程序软件控制)，模拟发信机213中设置有控制其增益的可变增益放大器216(可用程序软件控制)，双工器210的射频接口217直接与馈电电缆202及206连接，模拟至数字变换器212及数字至模拟变换器214通过高速数字总线209与基带处理器204连接。
在使用图1所示基站结构的智能天线系统中，共有N条收发信链路，其中任一条收发信链路都由天线单元(201A、201B、…、201N)、馈电电缆(202A、202B、…、202N)和射频收发信机(203A、203B、…、203N)构成，此外还有由信标收发信机207及相应的耦合结构(205、206)构成的校准链路。
若以第A条链路作为参考链路(可选择任一条链路作为参考链路)，则对智能天线系统进行校准就是在给定的工作载波频率上获得其它链路与此参考链路在接收与发射时的传输系数幅度及相位差，因此，本发明的智能天线的校准是对整个包括天线馈线和模拟收发信机系统的校准。
若将图1中天线远区场的A点及基站内各收发信机203基带接口BA、BB、…Bi、…、BN中的Bi作为观察参考点，此智能天线的传输特性用公式表示为：
接收通路的传输特性：Ari=Sri×Ri×br    …(1)
发射通路的传输特性：Bti=Sti×Ti×at    …(2)
式中，i=1、2、…、N，分别表示第一至第N条链路；式(1)中，Ari表示在A点发射时，第i链路在Bi点所接收的信号，Sri表示空间传播对i链路接收的衰耗，Ri表示第i链路接收时的传输系数，br表示在接收时A点的发射信号；式(2)中，Bti表示在Bi点发射时，在接收点A所接收到的来自第i链路的信号，Sti表示空间传播对第i链路发射的衰耗，Ti表示第i链路发射时的传输系数，at表示在发射时Bi点的发射信号。式中的br、at是数字信号，在校准过程中应保持不变。
本发明的校准工作就是通过实时测量，求得第i链路分别在接收及发射时的传输系数Ri、Ti与参考链路的传输系数之差。
实现本发明方法的基本手段就是将上述的参考点A移至天线内，即图1中馈电电缆206的输出端C点，于是式(1)、(2)将分别改写为：
接收通路的传输特性：ACri=Cri×Ri×br    …(3)
发射通路的传输特性：BCti=Cti×Ti×at    …(4)
式中，i=1、2、…、N，分别表示第一至第N条链路；式(1)中，ACri表示在C点发射时，第i链路在Bi点所接收的信号，Cri表示耦合结构对第i链路在接收测试时的传输系数；式(2)中，BCti表示在Bi点发射时，在接收点C所接收到的来自第i链路的信号，Cti表示耦合结构对第i链路在发射测试时的传输系数。
若将耦合结构设计为一个无源网络，则该耦合结构将具有互易性，即：
Cri=Cti=Ci      …(5)
将式(5)代入式(3)及(4)中，可以获得：
接收链路：Ri=ACri/(Ci×br)    …(6)
发射链路：Ti=BCti/(Ci×at)    …(7)
本发明可以将任一条链路设定为参考链路，如果将第1条链路设定为参考链路，则上述(6)式及(7)式为：
接收链路：Ri/R1=ACri×C1/(Ci×ACr1)    …(8)
发射链路：Ti/T1=BCti×C1/(Ci×BCt1)    …(9)
式中，i=2，3，…，N，分别表示第2至第N条链路，其中的Acr1、BCt1、ACri及BCti都是可以实时测量的，C1及Ci是可以预先校准并由耦合结构确定的，故智能天线系统校准所需要获得的Ri/R1和Ti／T1就可以简单地计算出来。
参见图3，图中描述了本发明所采用的一种耦合结构，即使用信标天线230的空间耦合方式结构。信标天线230是一个在物理位置上和待校准的天线阵相对固定的天线，该信标天线230必须处于天线阵的各天线单元辐射方向图的工作主瓣内。当各天线单元采用全向天线时，则信标天线可置于任何位置，包括天线单元的近场区域内。
采用此耦合结构的校准方法是：将一矢量网络分析仪231与信标天线230的信标信号馈线端D及第i个被校准链路的天线端口Ei连接，同时被校准天线阵的其它天线端口，如E1、E2、…、EN则分别连接匹配负载232A，232B、…、232N，用此矢量网络分析仪231测量第i个被校准链路的传输系数Ci，并通过N次测试，而获得全部链路的传输系数C1，…，Ci…，CN之值。
该耦合结构的优点是简单，校准时考虑了每个天线单元的不一致性；其缺点是受到信标天线位置的限制。因为为了保证校准精度，应将信标天线设置在待校准智能天线阵工作范围的远场区域，这在实际工作环境中是很难实现的。因而只有在使用各向同性的全向天线作为天线阵元时，在其近场区域内设置信标天线，用其近场特性代替其远场特性并获得其校准。例如在使用环行天线阵时，可以将信标天线置于此环行天线阵的中心，以其几何结构的对称性来保证近场测试的可靠性。
参见图4，图中示出用功分器、耦合器组成无源网络240的耦合结构及其与智能天线阵201A、201B、…、201N的连接。该耦合结构包括与N个天线201对应的N只耦合器242A、242B、…、242N和一个1∶N的无源分路/合路器241，每只耦合器242处于各天线单元201A、201B、…、201N与其馈电电缆202A、202B、…、202N的连接点E1、E2、…、EN上。该耦合结构在安装进天线阵之前已独立进行过校准。
参见图5，采用图4所示的耦合结构时，其校准方法包括：将一矢量网络分析仪231与信标信号的馈线端D及第i个被校准链路的天线端口Ei连接，同时被校准天线阵的其它天线端口，如E1、E2、…、EN则分别连接匹配负载232A，232B、…、232N，用此矢量网络分析仪231测量第i个被校准链路的传输系数Ci，并通过N次测试，而获得全部链路的传输系数C1，…，Ci…，CN之值。图5所示的校准方法与图3所示的校准方法是相同的。
图4所示的无源网络耦合结构比图3所示的信标天线耦合结构复杂，且不能将各天线单元的不一致性校准进去，但它可方便地使用于任何一种智能天线阵的校准。
参见图6，图中示出耦合结构的校准过程，其校准方法通用于图3、图4所示的两种耦合结构。耦合结构在智能天线阵投入工作前已经进行了校准，所获得的传输系数C保存在基站内部。
步骤601，开始校准；步骤602，对N条链路中的第一条链路进行校准，即设i=1；步骤603，按图3或图5所示的方式进行连接，对第一条链路进行校准；步骤604，将第一个校准频率设定为J个工作载频中的第一个工作载频，即表示为j=1；步骤605，将第一条链路的工作载频设定为该第一个工作载频；步骤606，用矢量网络分析仪测量第一链路、校准频率为第一个工作载频的传输系数Ci；步骤607，记录该测试结果；步骤608、609，通过判断i=J?和使j=j+1重复执行步骤605至608，使第一条链路分别在J个工作载频下进行传输系数的测试，获得并记录下传输系数Ci；步骤609、610，上述测试重复执行直至进行完全部工作载频的测试，通过判断i=N?和使i=i+1重复执行步骤604至608，对N条链路进行全部J个工作载频的传输系数的测试，并记录测试结果。
对每一条链路进行所需的各个载频下的测试，并记录所有的测试结果，就可完成耦合结构的校准，获得全部传输系数C。
参见图7，图中示出智能天线阵的校准全过程，而在智能天线阵投入工作以前，已经按图6所示的过程对其耦合结构进行了校准，所获得的接收及发射传输系数C已经保存在所在的基站内部。
步骤702，首先进行接收校准；步骤703，由信标收发信机的发射机在给定的工作载波频率上发射有确定电平的信号，以保证被校准的基站接收系统工作于正常工作电平；步骤704，被校准的基站接收系统中的所有收发信机均处于接收状态，即N条接收通路均处于接收状态；步骤705，由基带处理器分别检测各接收链路的输出，保证系统工作于给定的接收电平和使每个接收机工作在线性范围，基带处理器根据各链路接收机的输出并利用公式(8)计算Ri/R1；步骤706、707，根据计算的Ri/R1，再通过控制各接收机中的可变增益放大器(图2中的213、216)来控制每条接收链路的输出，直至|Ri/Rl|=1，将每条接收链路与参考链路的相位差φi记录储存在基带处理器中，供智能天线工作时使用；步骤708，在|Ri/R1|=1时转入发射校准；步骤709至715，在校准N条发射链路时，信标收发信机中的接收机将在给定的工作载波频率上分别接收来自每条发射链路的信号，此时上述N条发射链路在一个时间内只有一条链路处于发射状态，而其它发射链路处于关闭状态(步骤710)，因此在每个时间内，信标接收机只接收来自此链路的信号，此时参考发射链路必须预先测量和校准，以保证其发射功率是在额定电平下，在此条件下，信标收发信机中的接收机将分别接收来自每一条发射链路的信号(步骤711)，并由基带处理器对检测到的结果进行处理，并利用公式(9)计算Ti/Tl；(步骤714)，然后根据此值分别通过每个发射机的可变增益放大器(图2中211、215)来控制每条发射链路的输出，直至每条发射链路的|Ti/Tl|=1(步骤716)，同时将每条接收链路与参考链路的相位差Ψi记录在基带处理器中，至此即完成了智能天线的实时校准。
本发明的方法及装置，虽针对码分多址无线通信系统提出，但对其方法及装置经过简单改变，即可用于频分多址(FDMA)和时分多址(TDMA)的无线通信系统。任何从事无线通信系统研究开发的技术人员，在了解了智能天线的基本原理并参照本发明的方法及装置，就可实现智能天线的实时校准。

Claims (11)

1．一种校准智能天线阵的方法，其特征在于包括：
1)设置由耦合结构、馈电电缆及信标收发信机连接构成的校准链路，耦合结构与智能天线阵的N个天线单元成耦合连接，信标收发信机通过数字总线连接基站的基带处理器；
2)利用矢量网络分析仪对耦合结构进行校准，分别记录其接收与发射传输系数；
3)进行接收校准，包括：由信标收发信机中的模拟发信机在给定的工作载波频率上发射有确定电平的信号，并使被校准基站N条接收链路均处于接收状态；由基站的基带处理器分别检测各接收链路的输出，并根据各接收链路的输出计算各链路在接收时的传输系数与参考链路的传输系数之比；通过控制各链路模拟收信机中的可变增益放大器来控制各接收链路的输出，使各链路在接收时的传输系数与参考链路的传输系数的幅度之比等于1；将每条接收链路与参考链路的相位差φ记录储存在基带处理器中；
4)进行发射校准，包括：使N条发射链路在一个时间内只有一条链路处于发射状态，而其它发射链路均处于关闭状态，由信标收发信机中的模拟收信机在给定的工作载波频率上分别接收来自各条发射链路的信号；由基站的基带处理器对检测到的结果进行处理，并计算各链路在发射时的传输系数与参考链路的传输系数之比；通过控制各链路模拟发信机中的可变增益放大器来控制各发射链路的输出，使各链路在发射时的传输系数与参考链路的传输系数的幅度之比等于1；将每条发射链路与参考链路的相位差Ψ记录在基带处理器中。
2．根据权利要求1所述的校准智能天线阵的方法，其特征在于：所述的利用矢量网络分析仪对耦合结构进行校准包括：设置信标天线及空间耦合方式；所述的矢量网络分析仪连接信标信号的馈线端和待校准链路的天线单元端口，非校准链路的天线单元端口接匹配负载，在所需的各工作载频下测量并记录待校准链路的输系数；重复执行上述步骤，直至全部测量并记录完N条链路的传输系数。
3．根据权利要求2所述的校准智能天线阵的方法，其特征在于：所述的信标天线处于组成智能天线阵的N个天线单元辐射方向图的工作主瓣内，信标天线的天线端口是信标信号的馈线端。
4．根据权利要求2所述的校准智能天线阵的方法，其特征在于：在组成智能天线阵的N个天线单元是全向天线时，所述的信标天线处于包括各天线单元近场区域内的任何位置处。
5．根据权利要求1所述的校准智能天线阵的方法，其特征在于：所述的利用矢量网络分析仪对耦合结构进行校准包括：设置由N个耦合器和与N个耦合器连接的一个1∶N的无源分路/合路器构成的无源网络耦合结构，N个耦合器分别与所述智能天线阵的N个天线单元的天线端口连接，无源分路/合路器的输出端是信标信号的馈线端；所述的矢量网络分析仪连接信标信号的馈线端和待校准链路的天线单元端口，非校准链路的天线单元端口接匹配负载，在所需的各工作载频下测量并记录待校准链路的传输系数；重复执行上述步骤，直至全部测量并记录完N条链路的传输系数。
6．一种校准智能天线阵的装置，其特征在于：包括已校准的耦合结构、馈电电缆和信标收发信机；耦合结构与智能天线阵的N个天线单元耦合连接，馈电电缆连接耦合结构和信标收发信机，信标收发信机通过数字总线与基站的基带处理器连接。
7．根据权利要求6所述的一种校准智能天线阵的装置，其特征在于：所述的耦合结构是采用空间耦合方式的信标天线，该信标天线处于组成智能天线阵的N个天线单元辐射方向图的工作主瓣内，信标天线的天线端口是信标信号的馈线端。
8．根据权利要求7所述的一种校准智能天线阵的装置，其特征在于：在组成智能天线阵的N个天线单元是全向天线时，所述的信标天线处于包括各天线单元近场区域内的任何位置处。
9．根据权利要求6所述的一种校准智能天线阵的装置，其特征在于：所述的耦合结构是无源网络，包括与所述智能天线阵的N个天线单元相对应的N个耦合器和与N个耦合器连接的一个1∶N的无源分路/合路器；所述的N个耦合器分别与N个天线单元的天线端口连接，所述的无源分路/合路器的输出端是信标信号的馈线端。
10．根据权利要求6所述的一种校准智能天线阵的装置，其特征在于：所述的信标收发信机具有与基站的射频收发信机相同的结构，包括双工器、与双工器连接的模拟收信机、与双工器连接的模拟发信机、与模拟收信机连接的模拟至数字变换器和与模拟发信机连接的数字至模拟变换器；所述双工器的射频接口与耦合结构的馈电电缆连接，所述的模拟至数字变换器及数字至模拟变换器与所述的数字总线连接。
11．根据权利要求10所述的一种校准智能天线阵的装置，其特征在于：所述的模拟收信机中设置有用于控制增益并用程序软件控制的可变增益放大器；所述的模拟发信机中设置有用于控制输出功率并用程序软件控制的可变增益放大器。
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