DE102012009402B3 - Phased array antenna and method for processing received signals in a phased array antenna - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verarbeitung von Empfangssignalen in einer Phased-Array Antenne mit einer Mehrzahl von Empfangselementen mit jeweils einem zugeordneten Empfangspfad, wobei bei erstmaliger Durchführung des Verfahrens jedem Empfangselement der Phased-Array Antenne genau ein individueller aus einem Phasenbereich von –π bis +π normalverteiler Phasenwert einmalig und dauerhaft zugewiesen wird. Die Erfindung betrifft ferner eine Phased-Array Antenne umfassend eine Mehrzahl von Empfangselementen, einen Mischer zur Mischung des Oszillatorsignals mit entsprechend der von den Empfangselementen empfangenen Empfangssignalen und einen Oszillator zur Erzeugung eines Oszillatorsignals, wobei der Oszillator mit jedem Mischer über Signalleitungen verbunden ist, wobei entweder jeder Signalleitung eine gezielte additive Längenabweichung zugeordnet wird, deren Länge selbst normalverteilt ist, oder jeder LO eine gezielte additive Phasenverschiebung erhält, deren Wert ebenfalls normalverteilt ist.The invention relates to a method for processing received signals in a phased array antenna having a plurality of receiving elements each having an associated receiving path, wherein upon first implementation of the method each receiving element of the phased array antenna exactly one individual from a phase range of -π to + π normal distribution phase value is assigned once and permanently. The invention further relates to a phased array antenna comprising a plurality of receiving elements, a mixer for mixing the oscillator signal in accordance with the receiving signals received by the receiving elements and an oscillator for generating an oscillator signal, wherein the oscillator is connected to each mixer via signal lines, either each signal line is assigned a specific additive length deviation whose length is itself normally distributed, or each LO receives a targeted additive phase shift whose value is also normally distributed.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verarbeitung von Empfangssignalen in einer Phased-Array Antenne gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie eine Phased-Array Antenne gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 3.The invention relates to a method for processing received signals in a phased array antenna according to the features of
STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART
Aus
In
Wie für lineare Phased-Arrays theoretisch bekannt, erzeugt eine einfallende Signalwelle jeweils im n-ten Kanal eine richtungsabhängige Phasenverschiebung φn = n·2·π·fc·d/c·sin(Θ), wobei fc die Trägerfrequenz, d den Antennenabstand und Θ den Einfallswinkel darstellt. Zur weiteren Darstellung wird
Das vom lokalen LO1 zur Verfügung gestellte Signal LO1 wird aus dem zentralen Basisoszillator BO (Bezugszeichen
Die Gesamtheit aller angewendeten inversen Phasenverschiebungen lässt sich somit in einem Vektor Φinv = [φinv,2 φinv,3 φinv,4 φinv,5 ... φinv,N] und damit einem Zeigervektor R = Ataper·exp(jΦinv) ausdrücken, der durch Multiplikation den Mischereinheiten P1~Pn beaufschlagt wird. Wird keine Amplitudenwichtung vorgesehen ergibt sich ein Richtdiagramm nach G(Θ) = 10log10(sin2(N·π·d/λ·sin(Θ – Θ0))/(N2·sin2(π·d/λ·sin(Θ – Θ0)))), wobei Θ0 den tatsächlichen Einfallswinkel der elektromagnetischen Welle und Θ die eingestellte Vorzugsrichtung der digitalen Strahlformung.The totality of all applied inverse phase shifts can thus be in a vector Φ inv = [φ inv, 2 φ inv, 3 φ inv, 4 φ inv, 5 ... φ inv, N ] and thus a pointer vector R = A taper · exp (jΦ inv ), which is applied by multiplication to the mixer units P 1 ~ P n . If no amplitude weighting is provided The result is a directional diagram according to G (Θ) = 10 log 10 (sin 2 (N × π × d / λ × sin (Θ-Θ 0 )) / (N 2 × sin 2 (π × d / λ × sin (Θ - Θ 0 )))), where Θ 0 the actual angle of incidence of the electromagnetic wave and Θ the set preferred direction of digital beam forming.
Herkömmliche Verfahren weisen einen Nachteil bezüglich dem nutzbaren störungsfreien Dynamikbereich auf. Bei Anwendung von Strahlformung erfahren Verzerrungsprodukte (HD2, HD3 ... HDi = Harmonic Distortion, in nichtlinearen Systemen erzeugte Störsignale bei Vielfachen i der Signalfrequenz) einen dem Nutzsignal entsprechende inverse Phasenverschiebung. Die den Verzerrungsprodukten zugeordneten Phasen weisen einen vom Vektor Φinv abweichenden Faktor Ψ auf, z. B. Ψ = 2 für HD2. Dies führt in Abhängigkeit der Blickwinkel Θ zu zu einer teildestruktiven bzw. konstruktiven Überlagerung dieser Verzerrungsprodukte.Conventional methods have a drawback with respect to the useful noiseless dynamic range. When using beamforming, distortion products (HD 2 , HD 3 ... HD i = Harmonic Distortion, interfering signals generated in nonlinear systems at multiples i of the signal frequency) experience an inverse phase shift corresponding to the useful signal. The the Distorted products associated phases have a different vector Φ inv factor Ψ, z. Eg Ψ = 2 for HD2. Depending on the viewing angle Θ, this leads to a partially destructive or constructive superimposition of these distortion products.
Nachteil bei einer Signalverarbeitung gemäß dem Stand der Technik ist folglich, dass es bei der Addition zwar zu einer konstruktiven Interferenz des Eingangssignals kommt, bei den Verzerrungsprodukten allerdings neben einer teildestruktiven Interferenz ebenfalls zu einer konstruktiven Interferenz bei dem Blickwinkel Θ = 0° und größeren Winkeln gemäß den Nullstellen in der Funktion P(Θ) = 10log10(sin2(Ψ·N·π·d/λ·sin(Θ – Θ0))/(N2·sin2(Ψ·π·d/λ·sin(Θ – Θ0)))). Dadurch wird zwangsläufig der störungsfreie Dynamikbereich (= spurios-free dynamic range, SFDR), welcher in diesem Fall das Verhältnis aus dem leistungsmäßigen Betrag der größten Harmonischen zum leistungsmäßigen Betrag des Empfangssignals (Fundamentale) darstellt, verschlechtert. Die von der digitalen Strahlformung erwartete Dynamikbereichsvergrößerung 10log10(N) dB kann somit nicht garantiert werden, da Verzerrungsprodukte nicht bei allen Blickwinkeln Θ von Kanal zu Kanal dekorreliert sind und somit in gleicher Weise wie das Nutzsignal aufaddiert werden.The disadvantage of signal processing in accordance with the prior art is therefore that the addition results in a constructive interference of the input signal, but in the case of the distortion products, apart from a partially destructive interference, this also leads to a constructive interference at the viewing angle Θ = 0 ° and larger angles the zeros in the function P (Θ) = 10 log 10 (sin 2 (Ψ × N × π × d / λ × sin (Θ-Θ 0 )) / (N 2 × sin 2 (Ψ × π × d / λ × sin (Θ - Θ 0 )))). This inevitably worsens the spur-free dynamic range (SFDR), which in this case represents the ratio of the power magnitude of the largest harmonic to the power level of the received signal (fundamental). The dynamic range increase 10log 10 (N) dB expected by the digital beamforming can thus not be guaranteed, since distortion products are not decorrelated from channel to channel at all viewing angles Θ and thus are added up in the same way as the useful signal.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDESCRIPTION OF THE INVENTION
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, bei welchem im Empfänger auftretende Harmonische durch das gewählte Signalverarbeitungskonzept unterdrückt werden und der störungsfreie dynamische Bereich über allen Blickwinkeln Θ verbessert wird. Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine entsprechende Antenne zu schaffen.The object of the invention is to provide a method in which occurring in the receiver harmonics are suppressed by the selected signal processing concept and the trouble-free dynamic range is improved over all angles Θ. Another object is to provide a corresponding antenna.
Die Aufgaben werden mit dem Verfahren gemäß den Merkmalen des geltenden Patentanspruchs 1 sowie der Vorrichtung gemäß Patentanspruch 3 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.The objects are achieved by the method according to the features of the
Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden im Weiteren anhand von Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:The invention and further advantageous embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to the drawing. Show it:
Die erste Dekorrelationseinheit
Bei der Anwendung der Phasenverschiebung φrx,1, ..., φrx,N auf das komplexe Basisband-Signal IQ1, ..., IQN kann zusätzlich eine Amplitudenwichtung durchgeführt werden, die Anwendung einer Wichtungsfunktion berührt den Gegenstand dieser Erfindung nicht.When applying the phase shift φ rx, 1 , ..., φ rx, N to the complex baseband signal IQ 1 , ..., IQ N , an amplitude weighting can additionally be performed, the application of a Weighting function does not affect the subject of this invention.
Der der Erfindung zugrundeliegende digitalseitig applizierte Phasenvektor in der zweiten Dekorrelationseinheit
Die Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion des Φrx zugrundeliegenden Zufallsprozesses lässt sich ausdrücken als f(x) = 1/(σ·sqrt(2·π)·exp(–0.5·(((x – μ)/σ)2), wobei μ den Erwartungswert und σ die Standardabweichung repräsentiert. Die Multiplikation der komplexen Basisband-Signale IQ1, ..., IQN mit dem komplexen Rdekorr führt damit zum einen zur korrekten Strahlformung aufgrund Φinv = –Φ, wobei Φ = [φ1 φ2 φ3 ... φN] die richtungsabhängigen Phasenverschiebungen φn gemäß
Eine beispielhafte Vektorbelegung für Φinv und Φrx für einen Blickwinkel in rad von Θ = 30°, d = λ/2 und N = 100 ist in
- Φ
- richtungsabhängig auftretenden Phasenverschiebungen, analogseitig, wobei Φ =[φ1 φ2 φ3 ... φN] mit φn = n·2·π·fc·d/c·sin(Θ) im n-ten Kanal.
- Φinv
- inverse Phasenverschiebungen für korrekte Strahlformung, digitalseitig, wobei Φinv = [φinv,2 φinv,3 ... φinv,N] = –Φ.
- Φr
- normalverteilte Phasenverschiebungen, gezielt analogseitig appliziert in der ersten Dekorrelationseinheit
8 wobei Φr = [φr,1 φr,2 φr,3 ... φr,N] mit entnommenen Einzelwerten aus f(x) = 1/(σ·sqrt(2·π)·exp(–0.5·(((x – μ)/σ)2). - Φrx
- normalverteilte Phasenverschiebungen, gezielt digitalseitig appliziert in der zweiten Dekorrelationseinheit
9 , wobei Φrx = [φrx,1 φrx,2 φrx,3 ... φrx,N] = –Φr. - Φdekorr
- effektiv angewandte Phasenverschiebungen wobei Φdekorr = Φinv + Φrx.
- R
- Zeigervektor exp(jΦinv), digitalseitig appliziert, sorgt für korrekte Strahlformung.
- Rdekorr
- Zeigervektor exp(jΦdekorr), digitalseitig appliziert, sorgt für korrekte Strahlformung und Dekorrelation von Harmonischen.
- LO
- Signalvektor für analogseitige Mischersignale.
- LOdekorr
- Signalvektor für analogseitige Mischersignale mit Phasenterm exp(jΦr).
- Φ
- direction-dependent occurring phase shifts, analog side, where Φ = [φ 1 φ 2 φ 3 ... φ N ] with φ n = n · 2 · π · f c · d / c · sin (Θ) in the n-th channel.
- Φ inv
- inverse phase shifts for correct beam shaping, digitally, where Φinv = [φ inv, 2 φ inv, 3 ... φ inv, N ] = -Φ.
- Φ r
- normally distributed phase shifts, specifically applied on the analog side in the first decorrelation unit
8th where Φ r = [φ r, 1 φ r, 2 φ r, 3 ... φ r, N ] with extracted individual values from f (x) = 1 / (σ · sqrt (2 · π) · exp (-0.5 · (((X - μ) / σ) 2 ). - Φ rx
- normally distributed phase shifts, specifically applied digitally in the
second decorrelation unit 9 where φ rx = [φ rx, 1 φ rx, 2 φ rx, 3 ... φ rx, N ] = -φ r . - Φ decorr
- effectively applied phase shifts where Φ decorr = Φ inv + Φ rx .
- R
- Pointer vector exp (jΦ inv ), applied on the digital side, ensures correct beam shaping.
- R decorr
- Pointer vector exp (jΦ decorr ), applied on the digital side, ensures correct beam shaping and decorrelation of harmonics.
- LO
- Signal vector for analog-side mixer signals.
- LO decorr
- Signal vector for analog mixer signals with phase term exp (jΦ r ).
Die erfindungsgemäße Phased-Array Antenne umfasst eine Mehrzahl von Empfangselementen E1, ..., EN, N Lokaloszillatoren, welche z. B. mit einem Basisoszillator verbunden sein können, zur Erzeugung der Oszillatorsignale, Mischer zur Mischung der Oszillatorsignale LO1, ..., LON mit entsprechend von den Empfangselementen E1, ..., EN empfangenen Empfangssignalen, Analog-Digital-Wandlerschaltungen und einen Signalprozessor, wobei jedem Empfangselement E1, ..., EN ein Mischer LO1, ..., LON zugeordnet ist. Die erfindungsgemäße Phased-Array Antenne zeichnet sich in einem Ausführungsbeispiel dadurch aus, dass der Oszillator LO1, ..., LON mit jedem Mischer LO1, ..., LON über Signalleitungen verbunden ist, wobei jeder Signalleitung eine gezielte additive Längenabweichung zugeordnet wird, deren Länge selbst normalverteilt ist.The inventive phased array antenna comprises a plurality of receiving elements E1, ..., EN, N local oscillators, which z. B. can be connected to a basic oscillator, for generating the oscillator signals, mixers for mixing the oscillator signals LO 1 , ..., LO N with correspondingly received by the receiving elements E 1 , ..., E N received signals, analog-to-digital converter circuits and a signal processor, wherein each receiving element E 1 , ..., E N, a mixer LO 1 , ..., LO N is assigned. The inventive phased array antenna is characterized in an embodiment in that the oscillator LO 1 , ..., LO N with each mixer LO 1 , ..., LO N is connected via signal lines, each signal line a targeted additive length deviation whose length is itself normally distributed.
Eine Phased-Array Antenne gemäß der Erfindung kann somit derart aufgebaut sein, dass entweder jeder Signalleitung eine gezielte additive Längenabweichung zugeordnet wird, deren Länge selbst normalverteilt ist, oder jeder Oszillator erhält eine gezielte additive Phasenverschiebung, deren Wert ebenfalls normalverteilt ist.A phased array antenna according to the invention can thus be constructed such that either each signal line is assigned a specific additive length deviation whose length is itself normally distributed, or each oscillator receives a targeted additive phase shift whose value is also normally distributed.
De Längen der einzelnen Signalleitungen können aus einer Normalverteilung eines Phasenbereiches von –π bis +π bei vorgegebener Trägerfrequenz des Empfangssignals abgeleitet werden.The lengths of the individual signal lines can be derived from a normal distribution of a phase range from -π to + π for a given carrier frequency of the received signal.
Der Zusammenhang zwischen den Längen der Signalleitungen und den erzeugten Phasenverschiebungen ist über I = φ/(2·π)·λ gegeben. Dabei gilt λ = c0/(fc·r), wobei fc die Trägerfrequenz und n die Brechzahl des Mediums darstellt. Am Beispiel von fc = 5 GHz, n = 1 und λ = 6 cm entspricht eine Leitungslängenabweichung von +/–3 cm dem geforderten Phasenintervall von +/–π.The relationship between the lengths of the signal lines and the phase shifts generated is given by I = φ / (2 · π) · λ. In this case, λ = c 0 / (f c * r), where f c represents the carrier frequency and n the refractive index of the medium. Using the example of f c = 5 GHz, n = 1 and λ = 6 cm, a line length deviation of +/- 3 cm corresponds to the required phase interval of +/- π.
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