CN208656779U - 有源阵列天线校准系统及有源阵列天线系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种有源阵列天线校准系统及有源阵列天线系统，该校准系统包括校准线缆、功分合路链路和校准检测模块，校准检测模块包括校准信号基带处理芯片和与校准信号基带处理芯片连接的射频收发单元，校准线缆，分别与各收发射频单板的收发链路连接，采集经过各收发射频单板的收发链路的校准信号；功分合路链路，连接校准线缆和校准检测模块，将校准线缆采集到的校准信号发送到校准信号基带处理芯片，由校准信号基带处理芯片进行校准处理；或将原始信号发送到各收发射频单板的天线基带处理芯片，由天线基带处理芯片进行校准处理。本实用新型通过设备内部链路实现了多通道天线阵列自校准功能，进而优化天线覆盖范围及效果。

Description

有源阵列天线校准系统及有源阵列天线系统

技术领域

本实用新型涉及移动通信技术领域，尤其涉及一种有源阵列天线校准系统及有源阵列天线系统。

背景技术

目前，第三代移动通信(3G)网络中，采用基带处理单元(BBU)和射频拉远单元(RRU)组成的通信系统架构，其中BBU和RRU之间采用光纤连接，一个BBU可以支持多个RRU。BBU通过光纤连接至RRU的光接口，RRU中光接口与数字中频连接，数字中频分别与收发信机阵列和收发校准单元连接，其中，收发信机阵列连接PA/LNA，该PA/LNA通过N路天线通道连接至无源天线阵列，且收发校准单元通过一路校准通道与无源天线阵列连接。可见，RRU和无源天线之间通过(N+1)路射频上跳线连接，射频上跳线的数量随着天线通道的数量N的增大而增大。大规模输入输出(Massive MIMO)通信系统中，天线通道的数量N大于等于64，即射频上跳线的个数大于64，为了减少天线和RRU之间的传输损耗，通常上跳线采用具有一定直径的射频线缆，数量较大的射频线缆在工程实现上相当困难，且难以提供可靠性保障。因此，现有的BBU和RRU以及无源天线组合的通信系统解决方案，在Massive MIMO通信系统中是不可行的。

随着技术的进步，收发信机向集成化、低成本方向发展，这为数字波束成形(Digital Beam-forming：DBF)的应用创造了条件，只要为每个振子都配一个收发信机，就能实现数字波束成形，这样就构成了收发信机阵列，这种形态的产品，通常称为有源天线。

有源天线系统为多收发通道系统。在有源天线产品中，多路收发通道通常对应设置有多路天线阵列，各路天线阵列为并列工作状态，每路天线阵列均对应收发通道和相应的数字基带处理部分。其中，所述收发通道包含很多模拟电路，由大量高电压、大功率、高电流的中射频元器件组成。这些元器件的工作环境温度很高，长时间运行容易产生老化现象，从而导致部分器件失效，影响系统的可靠性。因此，需要对收发通道的状态进行实时检测，使得系统能正常运行。

有源天线为了灵活调整天线覆盖范围，对各个天线振子附加上不同的幅度和相位值，使从各个振子发射出来的信号有着不同的幅度相位差。所有的振子的能量叠加形成天线的方向图。调整振子之间的相对幅度相位，可以有效改变天线辐射能量的场强分布。传统的电调天线改变天线振子的幅度相位权值是通过机械移相网络实现的，而有源天线可以在数字部分完成信号的幅度相位调整，因此有源天线比电调天线更加稳定和灵活。在有源天线系统中，由于各通道信号经过不同的物理链路，到达天线各个振子时其幅度相位必然存在比较大的差异。因此有源天线工作前必须对所有通道进行幅度相位进行校准，使信号到达各个振子时保持幅度相位一致。

目前，可通过专用校准通道对收发通道的状态进行实时检测，方法实现流程可为：实时检测多路收发通道各自的波束成形系数，以检测各路收发通道是否发生了失效；当检测到多路收发通道的任意一路发生失效时，获取当前与所有收发通道对应的当前组波束成形系数，以及与当前失效的收发通道对应的失效模式信息；采用预设的优化算法，对当前的一组波束成形系数进行优化处理，以计算得到相对于当前的一组波束成形系数，即更适配于失效模式信息的第一组波束成形系数；根据第一组波束成形系数，对应地对各路收发通道的波束成形系数进行更新。

实用新型内容

鉴于上述问题，提出了本实用新型以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的有源阵列天线校准系统及有源阵列天线系统。

本实用新型的一个方面，提供了一种有源阵列天线校准系统，包括校准线缆、功分合路链路和校准检测模块，所述校准检测模块包括校准信号基带处理芯片和与所述校准信号基带处理芯片连接的射频收发单元，所述射频收发单元包括校准信号接收链路、校准信号发射链路；

所述校准线缆，分别与有源阵列天线各收发射频单板的收发链路连接，构成各收发射频单板的校准环路，以采集经过各收发射频单板的收发链路的校准信号；

所述功分合路链路，用于连接所述校准线缆和校准检测模块，以通过所述校准信号接收链路将所述校准线缆采集到的校准信号发送到所述校准信号基带处理芯片，由所述校准信号基带处理芯片进行校准处理；或是，通过所述校准信号发射链路将所述校准信号基带处理芯片发出的原始信号发送到各收发射频单板的天线基带处理芯片，由所述天线基带处理芯片进行校准处理。

其中，所述系统还包括滤波器和开关模块；

所述开关模块连接所述功分合路链路和校准检测模块，用于在有源阵列天线的主控模块的控制下切换所述校准信号接收链路与所述功分合路链路的连接，以及所述校准信号发射链路与所述功分合路链路的连接；

所述滤波器连接在所述开关模块和所述功分合路链路之间。

其中，所述功分合路链路包括至少两级功分合路器，所述至少两级功分合路器级联连接。

其中，所述系统还包括耦合器，所述校准线缆通过耦合器与有源阵列天线各收发射频单板的收发链路连接。

本实用新型的另一个方面，提供了一种有源阵列天线系统，包括天线阵子阵列、与天线阵子阵列对应的多个收发射频单板、天线基带处理芯片以及如上所述的有源阵列天线校准系统。

其中，所述收发射频单板包括两路收发链路，每一收发链包括发射子模块、接收子模块、环形器、滤波器和校准口，所述发射子模块、接收子模块通过环形器与滤波器连接，所述滤波器与所述天线阵子阵列中的对应的天线阵子连接，所述有源阵列天线校准系统中的校准线缆通过所述校准口与所述收发链路连接。

其中，所述发射子模块包括依次连接的第一数字信号处理模块、DAC、第一低通滤波器、第一可变增益放大管、推动级功率放大器和末级功率放大器，所述末级功率放大器与所述环形器连接。

其中，所述DAC、第一低通滤波器、第一可变增益放大管、推动级功率放大器和末级功率放大器采用集成芯片实现。

其中，所述接收子模块包括依次连接的低噪声放大器、第二可变增益放大管、第二低通滤波器、ADC及第二数字信号处理模块，所述低噪声放大器与所述环形器连接。

其中，所述低噪声放大器、第二可变增益放大管、第二低通滤波器、ADC采用集成芯片实现。

本实用新型实施例提供的有源阵列天线校准系统及有源阵列天线系统，用设备内部链路实现了多通道天线阵列自校准功能，当有源天线在站点使用时，无需外部设备或现场调试人员在现场操作，即可远程控制有源天线多通道自校准，来优化天线覆盖范围及效果。

上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本实用新型的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本实用新型的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本实用新型的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本实用新型实施例的有源阵列天线校准系统的结构示意图；

图2为本实用新型实施例的有源阵列天线系统的结构示意图；

图3为本实用新型实施例中收发射频单板的收发链路的结构示意图；

图4为本实用新型实施例中发射子模块的结构示意图；

图5为本实用新型实施例中接收子模块的结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

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)，具有与本实用新型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，并且除非被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

基站天线普遍采用振子组阵的方式，以形成具有较高增益并满足一定赋形要求的电磁波束，用于传递无线通讯信号。当前，装备较多振子的基站天线逐渐成为主流，特别是TD-SCDMA智能天线和LTE系统的MIMO天线，不仅在天线垂直面组阵，同时还需要在水平面形成多列天线阵。

但是阵列各支路间存在着时变的幅相误差，导致真实的阵列流型与理想的有较大差异，而许多波束形成算法的性能与阵列流型紧密相关，阵列流型的误差将会影响零点的位置和陷零的深度，从而降低了算法的性能，将引起波束形状和功率控制精度的变化而降低系统容量、影响系统性能。

信号是通过空中接口进入不同的通道，那么其相位幅度就会存在一定的差别，而进行通道校正，需要保证的是进入阵列通道的信号基本一致，通道校正就是对接收和发射物理链路的数据进行补偿，这里的补偿使得多个通道之间保持幅度相位一致性，对单个通道而言并无意义。

下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，图1为本实用新型实施例的有源阵列天线校准系统的结构示意图。参照图1，本实用新型实施例的有源阵列天线校准系统包括校准线缆21、功分合路链路22和校准检测模块23。具体的，校准检测模块23包括校准信号基带处理芯片231和与校准信号基带处理芯片231连接的射频收发单元232，射频收发单元232包括校准信号接收链路2321、校准信号发射链路2322；

其中，校准线缆21，包括有多条连接线缆，分别与有源阵列天线各收发射频单板的收发链路连接，构成各收发射频单板的校准环路，以采集经过各收发射频单板的收发链路的校准信号；

功分合路链路22，用于连接校准线缆21和校准检测模块23，以通过所述校准信号接收链路2321将所述校准线缆21采集到的校准信号发送到所述校准信号基带处理芯片231，由所述校准信号基带处理芯片231进行校准处理；或是，通过所述校准信号发射链路2322将所述校准信号基带处理芯片231发出的原始信号发送到各收发射频单板的天线基带处理芯片，由所述天线基带处理芯片进行校准处理。

校准信号接收链路2321和校准信号发射链路2322均通过Balun巴伦与校准信号基带处理芯片231连接。

在实施例中，所述有源阵列天线校准系统还包括滤波器24和开关模块25，开关模块25连接功分合路链路22和校准检测模块23的校准信号接收链路2321、校准信号发射链路2322，用于在有源阵列天线的主控模块的控制下切换所述校准信号接收链路2321与所述功分合路链路22的连接，以及所述校准信号发射链路2322与所述功分合路链路22的连接，以实现上下行校准。

滤波器24连接在开关模块25和功分合路链路22之间。

在实施例中，功分合路链路22包括至少两级功分合路器，所述至少两级功分合路器级联连接，以满足对有源阵列天线中所有收发射频单板的收发链路进行校准的要求。

在实施例中，所述有源阵列天线校准系统还包括附图中未示出的耦合器，校准线缆21通过耦合器与有源阵列天线各收发射频单板的收发链路连接。

本实用新型是采用单独的校准线缆来实现各通道的校准，通过使用有线连接方式进行有源天线校准，有效避免出现空口干扰影响校准精度。而且，本实用新型是利用设备自身有线链路进行发射和接收通道校准，可以实时在线进行校准。不需要采用独立于设备以外的校准工装进行辅助校准。

本实施例提供了一种有源阵列天线校准系统，以实现对布置在不同单板上的收发信机进行校准，有源阵列天线的收发信机分别相应设置在第1至第N单板上，每个单板有收发2路对应2个天线通道，每个通道连接1个天线阵子。其中，校准检测模块设置在第N+1块单板上，校准检测模块的收发通道连接到N块单板中每个校准链路上。每路收发信机单元包含一路接收通道和一路发射通道及对应的基带处理芯片。当有源天线在站点使用时，无需外部设备或现场调试人员在现场操作，通过远程软件控制有源天线多通道自校准，来优化天线覆盖范围及效果。

图2为本实用新型实施例的有源阵列天线系统的结构示意图。参照图2，本实用新型实施例的有源阵列天线系统包括天线阵子阵列、射频通道、天线基带处理芯片以及如上所述的有源阵列天线校准系统，其中射频通道包括天馈网络和与天线阵子阵列对应的多个收发射频单板。

本实施例中原始信号是有线馈入的，从有源阵列天线校准系统中的校准检测模块的射频收发单元通过有线连接阵列天线的射频通道，然后再将信号耦合进2N路不同的通道；在下行中，2N路通道分时通过有线将信号传入校准检测模块，在其基带部分计算校正因子。从校准检测模块到阵列天线通过一根馈线连接，在阵列天线处耦合分成2N路，这2N路实际物理线路等长，以避免不同通道之间产生的初始相位、幅度差。但是由于工艺等的原因，等长物理线路还是会产生一定的幅度、相位差。需要准确测量出进入不同通道的信号，在后端基带处理芯片进行补偿。

在一个具体实施例中，如图3所示，每一收发射频单板包括两路收发链路，每一收发链包括发射子模块11、接收子模块10、环形器9、滤波器8和校准口12，所述发射子模块11、接收子模块10通过环形器9与滤波器8连接，所述滤波器8与所述天线阵子阵列中的对应的天线阵子连接，所述有源阵列天线校准系统中的校准线缆21通过所述校准口12与收发射频单板的收发链路连接，其组成框架如附图3所示。

在一个具体实施例中，原始信号为PN序列，PN序列长度定为127个chip，仿真时在序列两边各加10个chip的保护比特，因此参考序列的长度为147个chip，占用的时间为147Ts。考虑协议中最短GP，即占用1个symbol时间，也就是有2192Ts，因此参考序列长度和开关延时占用的时间，和2192Ts相比，可知对切换没有影响。本实用新型实现的是TDD时分复用模式，设备使用过程中利用收发时隙中的保护间隙来进行校准，不影响正常业务数据传输。

本实施例中，收发射频单板一路下行校准，是由发射子模块11将PN序列发出，经过功放放大后通过环行器9进入到滤波器8中，经过耦合器将PN序列发送到AE校准口12。校准口12通过有线校准线缆21连接到功分合路链路22，经过功分合路链路22进入到校准信号接收链路2321，通过校准信号接收链路2321进入到校准信号基带处理芯片231，来分析接收的PN序列与原始PN序列之间的特征差异。

本实施例中，收发射频单板一路上行校准，是由校准信号基带处理芯片231将PN序列发出，经过校准信号发射链路2322到达功分合路链路22中，通过有线校准线缆21连接到收发射频单板的AE校准口12。PN序列通过AE校准口12经过耦合器进入到滤波器8。通过滤波器8进入到环行器9中，到达接收子模块10中，来分析接收的PN序列与原始PN序列之间的特征差异。

本实施例中的发射子模块11包括依次连接的第一数字信号处理模块13、DAC14、第一低通滤波器15、第一可变增益放大管16以及两个功率放大器，即推动级功率放大器17和末级功率放大器18，所述末级功率放大器18与所述环形器9连接。为了减小体积，其中DAC14、第一低通滤波器15、第一可变增益放大管16采用集成芯片。当电路发射信号时，信号在该发射子模块中的传播路径都是相同的：第一数字信号处理模块13→DAC 14→第一低通滤波器15→第一可变增益放大管16→推动级放大管17→末级放大管18。该发射子模块结构及信号流图如附图4所示。

本实施例中的接收子模块10包括依次连接的低噪声放大器19、第二可变增益放大管30、第二低通滤波器31、ADC32及第二数字信号处理模块33，所述低噪声放大器19与所述环形器9连接。同样为了减小体积，其中低噪放19、第二可变增益放大管30、第二低通滤波器31、ADC 32采用集成芯片。当电路接收信号时，信号在该接收子模块10中的传播路径为：低噪放19→第二可变增益放大管30→第二低通滤波器31→ADC32→第二数字信号处理模块33。该接收子模块结构及信号流图如附图5所示。

本实施例中的第一数字信号处理模块和第二数字信号处理模块均可采用现有的数字信号处理电路或芯片实现。

下面对本本实用新型实施例的有源阵列天线系统的校准工作原理进行具体说明。

具体的，有源天线上行校准主要是，第N+1块单板将原始校准信号进行数字基带处理后变为IQ数字信号，通过混频上变频为射频信号，通过放大器将信号放大，通过本板的2N路功分合路链路分出2N个原始校准信号。2N个原始校准信号通过射频线缆传输的N个单板的2N个接收链路上，经过上行耦合器、滤波器、环行器、低噪放、A/D等器件，进入到上行基带处理将信号下变频解调为IQ数字信号，来得到经过所述有源天线的每个上行校准链路的校准信号数字域的特征值。比较两种校准信号之间的特征差异，得到特征差异值。通过校准算法不断调整这个特征差异值，使其越来越满足校准幅度和相位要求。

有源天线下行校准主要是，N块单板的2N路下行中每1路基带处理芯片发送原始校准信号的IQ数字信号，通过混频上变频为射频信号，通过预放大器、推动级放大器、功率放大器等将信号放大到标称功率。再经过环行器、滤波器、下行耦合器，进入到第N+1块单板的2N路功分合路链路，通过功分合路链路合路到第N+1块单板的接收链路，经过滤波器、低噪放等器件，进入到上行基带处理将信号下变频解调为IQ数字信号，来得到经过所述有源天线的每个下行校准链路的校准信号数字域的特征值。比较两种校准信号之间的特征差异，得到特征差异值。通过校准算法不断调整这个特征差异值，使其越来越满足校准幅度和相位要求。

由于有源天线采用TD模式工作，收发链路要进行切换工作，在切换过程中有个特殊时隙叫GP。GP为特殊时隙中的保护时隙，保护上行开关打开时不会受下行开关关闭信号功率的影响。本实用新型实施例中利用GP时段执行有源阵列天线链路的校准，并不占用业务时频资源，所以不管是网络忙时或闲时都能够进行通道的校准，并不影响阵列天线与UE用户的业务交互，给用户良好的使用体验。

本实施例中，可以在一个GP时间内完成上下行通道校正。但是此时需要存储更多的数据，还要考虑校正是离线校正，还是在线校正，如果是离线校正，可以把数据保存下来，然后再计算参数进行校正；如果是在线校正，则需要考虑参数计算占用的时间。在计算各通道特征值的时候，需要标记补偿因子对应的通道号，每次业务信号(非GP时段校正参考信号)从射频单元进入汇集/分发模块时，先对业务信号进行通道不一致性补偿，然后进行汇集，最后传入基带校准处理模块进行校准算法计算。

本实用新型实施例提供的有源阵列天线校准系统及有源阵列天线系统，用设备内部链路实现了多通道天线阵列自校准功能，当有源天线在站点使用时，无需外部设备或现场调试人员在现场操作，即可远程控制有源天线多通道自校准，来优化天线覆盖范围及效果。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，仅仅参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明。本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种有源阵列天线校准系统，其特征在于，包括校准线缆、功分合路链路和校准检测模块，所述校准检测模块包括校准信号基带处理芯片和与所述校准信号基带处理芯片连接的射频收发单元，所述射频收发单元包括校准信号接收链路、校准信号发射链路；

所述校准线缆，分别与有源阵列天线各收发射频单板的收发链路连接，构成各收发射频单板的校准环路，以采集经过各收发射频单板的收发链路的校准信号；

所述功分合路链路，用于连接所述校准线缆和校准检测模块，以通过所述校准信号接收链路将所述校准线缆采集到的校准信号发送到所述校准信号基带处理芯片，由所述校准信号基带处理芯片进行校准处理；或是，通过所述校准信号发射链路将所述校准信号基带处理芯片发出的原始信号发送到各收发射频单板的天线基带处理芯片，由所述天线基带处理芯片进行校准处理。

2.根据权利要求1所述的有源阵列天线校准系统，其特征在于，所述系统还包括滤波器和开关模块；

所述开关模块连接所述功分合路链路和校准检测模块，用于在有源阵列天线的主控模块的控制下切换所述校准信号接收链路与所述功分合路链路的连接，以及所述校准信号发射链路与所述功分合路链路的连接；

所述滤波器连接在所述开关模块和所述功分合路链路之间。

3.根据权利要求1所述的有源阵列天线校准系统，其特征在于，所述功分合路链路包括至少两级功分合路器，所述至少两级功分合路器级联连接。

4.根据权利要求1所述的有源阵列天线校准系统，其特征在于，所述系统还包括耦合器，所述校准线缆通过耦合器与有源阵列天线各收发射频单板的收发链路连接。

5.一种有源阵列天线系统，其特征在于，包括天线阵子阵列、与天线阵子阵列对应的多个收发射频单板、天线基带处理芯片以及如权利要求1-4任一项所述的有源阵列天线校准系统。

6.根据权利要求5所述的有源阵列天线系统，其特征在于，所述收发射频单板包括两路收发链路，每一收发链包括发射子模块、接收子模块、环形器、滤波器和校准口，所述发射子模块、接收子模块通过环形器与滤波器连接，所述滤波器与所述天线阵子阵列中的对应的天线阵子连接，所述有源阵列天线校准系统中的校准线缆通过所述校准口与所述收发链路连接。

7.根据权利要求6所述的有源阵列天线系统，其特征在于，所述发射子模块包括依次连接的第一数字信号处理模块、DAC、第一低通滤波器、第一可变增益放大管、推动级功率放大器和末级功率放大器，所述末级功率放大器与所述环形器连接。

8.根据权利要求7所述的有源阵列天线系统，其特征在于，所述DAC、第一低通滤波器、第一可变增益放大管、推动级功率放大器和末级功率放大器采用集成芯片实现。

9.根据权利要求6所述的有源阵列天线系统，其特征在于，所述接收子模块包括依次连接的低噪声放大器、第二可变增益放大管、第二低通滤波器、ADC及第二数字信号处理模块，所述低噪声放大器与所述环形器连接。

10.根据权利要求9所述的有源阵列天线系统，其特征在于，所述低噪声放大器、第二可变增益放大管、第二低通滤波器、ADC采用集成芯片实现。