JP2004096676A

JP2004096676A - Self-calibration method for array transmitter-receiver, and active switch antenna therefor

Info

Publication number: JP2004096676A
Application number: JP2002258637A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Sakaguchi; 阪口　啓
Original assignee: Rikogaku Shinkokai
Current assignee: Rikogaku Shinkokai
Priority date: 2002-09-04
Filing date: 2002-09-04
Publication date: 2004-03-25
Anticipated expiration: 2022-09-04
Also published as: JP4352164B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a calibration method for removing an influence of inter-coupling between antenna elements and an influence of inter-port characteristic differences in a transmitter and a receiver in an array transmitting-receiving system in which an array antenna and an array transmitter-receiver are mounted. <P>SOLUTION: A scattering matrix of the array transmitting-receiving system is measured, a scattering matrix S of the array antenna, a transfer matrix Hs of the array transmitter and a transfer matrix Hr of the array receiver are found based upon the scattering matrix and according to a predetermined expression, a compensation matrix Cs at transmission and a compensation matrix Cr at reception are operated and calibrated. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アレーアンテナを用いたアレー送受信機のための自己校正方法及びその自己校正に適したアクティブスイッチアンテナに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術を説明する前に、先ず本発明の前提となるアレー送受信システムの概略を説明する。図８に示すようなｍポートで成るアレー送受信システムを考える。例として、図８ではアレーアンテナ１０は３個のアンテナ１１〜１３で構成されている。信号受信時の場合はアレーアンテナ１０において、自己及び相互に係数Ｓ^１１，Ｓ^２２，Ｓ^３３，Ｓ^２１，Ｓ^３２，Ｓ^３１で表現される相互干渉を受け、アレーアンテナ１０からの信号はｍポートのアレー受信機２０で受信され、その出力ｖ_ｒ（ｔ）がＡ／Ｄ変換器３０でディジタル信号に変換されて信号処理部（図示せず）に入力され、コンピュータ等の機器で利用処理される。また、コンピュータ等の機器からの信号はＤ／Ａ変換器４０でＤ／Ａ変換され、そのＤ／Ａ変換されたアナログ信号ｖ_ｓ（ｔ）はｍポートのアレー送信機５０に入力され、アレー送信機５０からの信号がアレーアンテナ１０で送信される。このとき、ｍ×ｍ次のアレーアンテナ１０の散乱行列をＳ、ｍ×ｍ次のアレー送信機５０の伝達行列をＨｓ、ｍ×ｍ次のアレー受信機２０の伝達行列をＨｒとする。
【０００３】
（１）アレー送受信システムを送信機として使用する場合
アレー送受信システムへのｍ次の入力ベクトル、つまりＤ／Ａ変換器４０の出力をｖ_ｓ（ｔ）とすると、アレーアンテナ１０の出力ベクトルｖ^ａｎｔ（ｔ）は下記数１で与えられる。
【０００４】
【数１】

ここで、上記数１中の（Ｉ＋Ｓ）は送信時におけるアンテナ素子間相互結合の影響を表わしており、“Ｉ”はｍ×ｍ次の単位行列（対角が１で、他は全て０）を表わしている。これと送信機ポート間特性差との同時補償を行うには、下記数２の送信時補償行列Ｃｓが必要となる。なお、“^−１”は逆行列を表わしている。
【０００５】
【数２】

この送信時補償行列Ｃｓを用いることにより、下記数３に従って送信時アレー送受信システムの校正を行うことができる。
【０００６】
【数３】

（２）アレー送受信システムを受信機として使用する場合
アレーアンテナ１０へのｍ次の入力ベクトルを
【数４】

とすると、アレー送受信システムの出力ベクトル、つまりアレー受信機２０の出力ｖ_ｒ（ｔ）は下記数５で与えられる。
【０００７】
【数５】

ここで、数５中の（Ｉ−Ｓ）は、受信時におけるアンテナ素子間相互結合の影響を表わしており、これと受信機ポート間特性差との同時補償を行うには、下記数６の受信時補償行列Ｃｒが必要となる。
【０００８】
【数６】

この受信時補償行列Ｃｒを用いることにより、下記数７に従って受信時アレー送受信システムの校正を行うことができる。
【０００９】
【数７】

（３）補償行列を求める方法
ここにおいて、送信時補償行列Ｃｓ及び受信時補償行列Ｃｒを求める方法としては、従来最小二乗法に基づく方法が提案されている（（１）稲葉，　坂本，　大堂，　三浦，　“成層圏無線プラットフォーム搭載用ＤＢＦアンテナ送信アレーアンテナの素子間結合補償法”、　電子情報通信学会ソサイエティ大会，　Ｂ−１−１５２，　２００１年９月（非特許文献１）、（２）稲葉，　坂本，　荒木，　“受信アレーアンテナにおける素子間結合補償法の検討”、電子情報通信学会　技術報告，　Ａ・Ｐ２００１−５３，　２００１年７月（非特許文献２））。これら非特許文献１及び２ではいずれも別置きの参照アンテナ（外部基準アンテン）を使用しており、送信時の場合は、参照信号ｖ_ｓ（ｔ）に対するアレーアンテナ出力ｖ^ａｎｔ（ｔ）を既知の観測点で測定することによって送信時補償行列Ｃｓを求め、受信時の場合は、既知の到来方向からの参照信号
【数４】

に対するアレー送受信システムの出力ｖ_ｒ（ｔ）を測定することにより、受信時補償行列Ｃｒを求めている。これらの測定を実現するためには、アレーアンテナ１０との相対位置及びその間の電波伝搬環境が既知である複数の観測点（例えば電波暗室内における測定）が必要である。よって、校正のための大規模なハードウェアが必要であり、かつ物理的に精度の高い測定を要求されるという問題がある。また、電波暗室における測定を想定すると、オンサイト（アレー送受信システムを運用する一般的な環境）での校正には不向きである。
【００１０】
【非特許文献１】
稲葉，　坂本，　大堂，　三浦，　“成層圏無線プラットフォーム搭載用ＤＢＦアンテナ送信アレーアンテナの素子間結合補償法”、　電子情報通信学会ソサイエティ大会，Ｂ−１−１５２，　２００１年９月
【００１１】
【非特許文献２】
稲葉，　坂本，　荒木，　“受信アレーアンテナにおける素子間結合補償法の検討”、電子情報通信学会　技術報告，　Ａ・Ｐ２００１−５３，　２００１年７月
【００１２】
【非特許文献３】
西森，　長，　堀，“アンテナ間の信号帰還を利用したアダプティブアレーの自動校正法”、電子情報通信学会技術報告，　ＳＳＴ２０００−９２，　Ａ・Ｐ２０００−２２６，　ＲＣＳ２０００−２２６，ＭＷ２０００−２１７，　２００１年３月
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上記問題を解決する方法として、アレーアンテナ間のフィードバック信号（アレー送受信システムの散乱行列）を測定し、補償行列を推定する方法が提案されている（西森，　長，　堀，“アンテナ間の信号帰還を利用したアダプティブアレーの自動校正法”、電子情報通信学会技術報告，　ＳＳＴ２０００−９２，　Ａ・Ｐ２０００−２２６，　ＲＣＳ２０００−２２６，　ＭＷ２０００−２１７，　２００１年３月（非特許文献３））。しかし、この非特許文献３に記述された方法は、アレーアンテナの散乱行列Ｓの対角要素が同一であるという仮定の基に成り立っているため、送信機及び受信機におけるポート間特性差は補償できるが、アンテナ素子間相互結合の影響は取り除くことができない問題がある。つまり、アレーアンテナの間隔が大きい場合にはアンテナ素子間相互結合の影響が小さく、補償行列をほぼ正確に推定することができるが、アレーアンテナの間隔が小さい場合にはアンテナ素子間相互結合の影響が大きくなり、補償行列の推定を正確に行うことができない。
【００１４】
上述のようにアレーアンテナとアレー送受信機を搭載したアレー送受信システムでは、アンテナ素子間相互結合の影響、送信機及び受信機におけるポート間特性差が問題となる。実例としてアレー送受信システムを搭載したディジタルビームフォーマでは、これらの問題により所望したビームの形成が困難となる。また、アレー送受信システムを用いた到来方向の推定では、これらの問題により角度推定値に誤差が生じてしまう。
【００１５】
本発明は上述のような事情からなされたものであり、本発明の目的は、アレーアンテナとアレー送受信機を搭載したアレー送受信システムにおいて、アンテナ素子間相互結合の影響、送信機及び受信機におけるポート間特性差の影響を取り除く校正方法を提供することにある。特にオンサイト（アレー送受信システムを運用する一般的な環境）における自己校正機能を実現するためのアンテナ構成（アクティブスイッチアンテナ）及び補償アルゴリズムを提供する。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明はアレー送受信機のための自己校正方法に関し、本発明の上記目的は、アレー送受信システムの散乱行列を測定し、前記散乱行列に基づいてアレーアンテナの散乱行列Ｓ、アレー送信機の伝達行列Ｈｓ及びアレー受信機の伝達行列Ｈｒを求め、所定式に従って送信時補償行列Ｃｓ及び受信時補償行列Ｃｒを演算して校正することによって達成される。
【００１７】
また、本発明はアレーアンテナに関し、本発明の上記目的は、アンテナインピーダンスを短絡又は開放にするためのスイッチ手段を具備ことによって達成される。
【００１８】
本発明では、アレー送受信システムにおいてアンテナ素子間相互結合の影響、送信機及び受信機のポート間特性差を同時に、かつオンサイトで補償するに最適なアクティブスイッチアンテナ及び補償アルゴリズムを提案する。アレー送受信システムを多ポート回路と考えたときの散乱行列と、アレー給電部（面位置）から見たアンテナインピーダンスを短絡又は開放としたときの散乱行列を測定することによって、補償行列を同時にかつオンサイトで計算する。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明では、アレーアンテナとアレー送受信機を搭載したアレー送受信システムにおいて、アンテナ素子間相互結合の影響、送信機及び受信機におけるポート間特性差の影響を取り除く新しい校正方法を提案する。特に校正方法に適したアレーアンテナであるアクティブスイッチアンテナと、自己校正機能を実現するための補償アルゴリズムを提案する。本発明の自己校正機能をアレー送受信システムに搭載することにより、例えばディジタルビームフォーマのビーム形成精度や、到来方向推定の角度推定精度を飛躍的に向上させることができる。
【００２０】
オンサイトでの校正を考慮に入れると、アンテナ間のフィードバック信号を用いた前記非特許文献３の校正方法が最も適した方法であると考えられる。送受信機間のアイソレーションが充分に確保できているとすると、アンテナ間のフィードバック信号（アレー送受信システムの散乱行列）は一般に下記数８のように記述することができる。
【００２１】
【数８】

前記数２及び数６より送信時補償行列Ｃｓ及び受信時補償行列Ｃｒを求めるためには、上記数８においてアレーアンテナ１０の散乱行列Ｓ、アレー送信機５０の伝達行列Ｈｓ及びアレー受信機２０の伝達行列Ｈｒを分離する必要があるが、測定可能な観測量より未知数が多すぎるため求めることができない。そこで、非特許文献３では散乱行列Ｓの対角要素が同一であるという仮定をおき、その条件の基に送信機の伝達行列Ｈｓ及び受信機の伝達行列Ｈｒを相対的に求める方法を採用している。よって、非特許文献３の方法は、アンテナ素子間相互結合の影響が小さいアレーアンテナ（例えば素子間隔が充分に広いアレーアンテナ）では有効であるが、ディジタルビームフォーマや到来方向推定に用いられるようなアンテナ素子間隔が狭い素子間相互結合の影響の大きいアレーアンテナにおいては、充分な補償を得ることができない。
【００２２】
そこで、本発明では、アレーアンテナ１０自体にアレー給電部（面位置）から見たアンテナインピーダンスが短絡又は開放となるスイッチ手段（例えばピン・ダイオード・スイッチ、ＲＦスイッチ等）を実装し、そのときアレー送受信システムの散乱行列を測定することで観測量を増やし、アレーアンテナの散乱行列Ｓ、アレー送信機５０の伝達行列Ｈｓ及びアレー受信機２０の伝達行列Ｈｒを同時に求めるようにしている。
【００２３】
アレー給電部（面位置）から見たアンテナインピーダンスが短絡又は開放となるスイッチ機能を、アンテナ１００に装着した例（第１実施例〜第４実施例）を図１〜図４に示す。
【００２４】
図１の第１実施例は、アンテナ端部より波長λ／４位置にスイッチ手段１０１を並列に設けた例であり、スイッチオンはアレー給電部から見たインピーダンス無限大状態（開放状態）、スイッチオフはアンテナ自体のインピーダンス状態を表わす。図２の第２実施例は、アンテナ一端部より波長λ／４位置にスイッチ手段１０２を直列に設けた例であり、スイッチオフは短絡状態、スイッチオンはアンテナ自体のインピーダンス状態を表わす。これら第１実施例及び第２実施例では、スイッチ手段１０１及び１０２の配設位置が端部より波長λ／４に限定されるため、波長λが変化した場合にはその波長に基づいてスイッチ配設位置も変える必要がある。
【００２５】
また、図３の第３実施例はアンテナ一端部にスイッチ手段１０３を直列に設けた例であり、スイッチオフは開放状態、スイッチオンはアンテナ自体のインピーダンス状態を表わす。図４の第４実施例はアンテナ端部にスイッチ手段１０４を並列に設けた例であり、スイッチオンは短絡状態、スイッチオフはアンテナ自体のインピーダンス状態を表わす。上述のような機能を有したアンテナを、本発明ではアクティブスイッチアンテナと呼ぶ。
上述のようなアクティブスイッチアンテナの機能を用いると、スイッチ手段のオン／オフ状態に応じて、例えば第１実施例の場合は次の２つの情報（数９及び数１０）を観測することができる。
【００２６】
【数９】

【数１０】

これら２つの情報より、アレーアンテナ１０の散乱行列Ｓを絶対的に、アレー送信機５０の伝達行列Ｈｓ及びアレー受信機２０の伝達行列Ｈｒを相対的に求めることができる。始めに、説明の便宜上次の２つの行列を定義する。
【００２７】
【数１１】

【数１２】

ここで、“ｄｉａｇ”　は行列の対角要素を抽出し、ベクトルに納める関数である。これらチルドＨｓ及びＨｒは、アレー送信機５０の伝達行列Ｈｓ及びアレー受信機２０の伝達行列Ｈｒの全てのポート間の相対値を表わす行列であり、これらを求めることによって伝達行列Ｈｓ及びＨｒの相対値ハットＨｓ及びＨｒを求めることができる。また、チルドＨｓ及びＨｒは次式を満たしている。
【００２８】
【数１３】

【数１４】

ここで　、“．√”、“．×”、“．／”　はそれぞれ要素毎の演算を表わしている。またＭ_１及びＭ_２は次式で定義される。
【００２９】
【数１５】

【数１６】

求められた伝達行列Ｈｓ及びＨｒの相対値ハットＨｓ及び相対値ハットＨｒを用いて、アレーアンテナ１０の散乱行列Ｓを次式により求める。
【００３０】
【数１７】

最後にアレーアンテナ１０の散乱行列をＳ、アレー送信機５０の伝達行列ハットＨｓ及びアレー受信機２０の伝達行列ハットＨｒより、前記数２に従って送信時補償行列Ｃｓを、前記数６に従って受信時補償行列Ｃｒをそれぞれ求めることが可能である。
【００３１】
次に、アレー送受信システムを用いた到来方向推定に本発明を適用した例を示す。　図８に示すアレー送受信システムにおいて、アレーアンテナ１０としては８素子半波長間隔線形アレーアンテナ１４を用いている。各素子は同一の半波長ダイポールアンテナから成り、この８素子半波長間隔線形アレーアンテナ１４の散乱行列Ｓをイメージ表現したものを図５に示す。図５において、右図の棒グラフはアンテナ間の散乱行列Ｓの大きさをｄＢで表わしており、左図のパワー図より、対角要素は類似しているが同一ではないので、これからも非特許文献３の校正方法は正確には成り立たないことが分かる。アレー送信機５０及びアレー受信機２０のポート間特性差は振幅で±３［ｄＢ］以内、位相で±５［ｄｅｇ］以内の一様乱数としている。到来方向推定の環境は、図６に示すように１つの平面波のみが到来する環境を考えている。到来方向推定アルゴリズムとしてはＥＳＰＲＩＴ法を採用している。この環境において、到来角度を変化させたとき（図６では９０度から−９０度）の到来方向推定の誤差を評価する。
【００３２】
比較対象としては補償を何も行わなかった場合（破線）と、非特許文献３と同様にアンテナ素子間相互結合の影響を考慮せず、受信機ポート間特性差のみを補償した場合（一点鎖線）と、本発明のような補償を行った場合（実線）とを比較して、図７に示す。これより本発明の有効性を確認することができる。なお、図７の“ＤＯＡ”は”Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ　Ｏｆ　Ａｒｒｉｖｅ”を示している。
【００３３】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、アレー送受信システムにおけるアンテナ素子間相互結合の影響、送信機及び受信機のポート間特性差を同時に、かつオンサイトで補償することが可能となる。本発明の効果は、図７に示す到来方向推定誤差の評価からも明かである。
【００３４】
本発明はオンサイトでの校正が可能なため、例えば電波暗室における大規模な測定系及び物理的に精度の良い測定などが必要ない。また、送受信機などの温度特性及び経時変化などにも追従可能である。更に、本発明のようなスイッチ手段を具備したアクティブスイッチアンテナによれば、アレー送受信システムにおける自己校正に最適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のアクティブスイッチアンテナの構成例（第１実施例）を示す模式図である。
【図２】本発明のアクティブスイッチアンテナの構成例（第２実施例）を示す模式図である。
【図３】本発明のアクティブスイッチアンテナの構成例（第３実施例）を示す模式図である。
【図４】本発明のアクティブスイッチアンテナの構成例（第４実施例）を示す模式図である。
【図５】本発明に用いるアレーアンテナの散乱行列のイメージ図である。
【図６】到来方向推定の環境を示す図である。
【図７】到来方向推定誤差の評価結果を示す図である。
【図８】アレー送受信システムの校正を説明するためのブロック構成図である。
【符号の説明】
１０　　　　アレーアンテナ
２０　　　　アレー受信機
３０　　　　Ａ／Ｄ変換器
４０　　　　Ｄ／Ａ変換器
５０　　　　アレー送信機
１００　　　アンテナ
１０１〜１０４　　スイッチ手段[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a self-calibration method for an array transceiver using an array antenna and an active switch antenna suitable for the self-calibration.
[0002]
[Prior art]
Before describing the related art, first, an outline of an array transmission / reception system on which the present invention is based will be described. Consider an array transmitting / receiving system having m ports as shown in FIG. As an example, in FIG. 8, the array antenna 10 includes three antennas 11 to 13. At the time of signal reception, the array antenna 10 receives mutual interference represented by the coefficients S ¹¹ , S ²² , S ³³ , S ²¹ , S ³² , and S ³¹ with each other and the signal from the array antenna 10 is m The output v _r (t) received by the array receiver 20 of the port is converted into a digital signal by the A / D converter 30 and input to a signal processing unit (not shown), and is used by a device such as a computer. Is done. A signal from a device such as a computer is D / A converted by a D / A converter 40, and the D / A converted analog signal v _s (t) is input to an m-port array transmitter 50, and A signal from the transmitter 50 is transmitted by the array antenna 10. At this time, the scattering matrix of the m × m order array antenna 10 is S, the transfer matrix of the m × m order array transmitter 50 is Hs, and the transfer matrix of the m × m order array receiver 20 is Hr.
[0003]
(1) When the array transmitting / receiving system is used as a transmitter When an m-th order input vector to the array transmitting / receiving system, that is, the output of the D / A converter 40 is represented by v _s (t), the output vector v ^{ant of the} array antenna 10 is given. (T) is given by the following equation (1).
[0004]
(Equation 1)

Here, (I + S) in the above equation (1) represents the influence of mutual coupling between antenna elements at the time of transmission, and “I” is an m × m unit matrix (diagonal is 1, all others are 0). Is represented. To simultaneously compensate for this and the characteristic difference between transmitter ports, a transmission-time compensation matrix Cs of the following equation 2 is required. Note that " ^-1 " represents an inverse matrix.
[0005]
(Equation 2)

By using the transmission-time compensation matrix Cs, it is possible to calibrate the transmission-time array transmission / reception system according to the following equation (3).
[0006]
[Equation 3]

(2) When an array transmitting / receiving system is used as a receiver: An m-th order input vector to the array antenna 10 is given by

Then, the output vector of the array transmitting / receiving system, that is, the output v _r (t) of the array receiver 20 is given by the following equation (5).
[0007]
(Equation 5)

Here, (IS) in Equation 5 represents the influence of mutual coupling between antenna elements at the time of reception. To perform simultaneous compensation of this and the characteristic difference between receiver ports, the following Equation 6 is used. A reception-time compensation matrix Cr is required.
[0008]
(Equation 6)

By using the reception-time compensation matrix Cr, it is possible to calibrate the reception-time array transmitting / receiving system according to the following equation (7).
[0009]
(Equation 7)

(3) Method of Determining Compensation Matrix Here, as a method of calculating the transmission compensation matrix Cs and the reception compensation matrix Cr, a method based on the least-squares method has been conventionally proposed ((1) Inaba, Sakamoto, Odo, Miura, "Method of Compensating Coupling Between Elements of DBF Antenna Transmit Array Antenna Mounted on Stratospheric Wireless Platform", IEICE Society Conference, B-1-152, September 2001 (Non-Patent Document 1), (2) Inaba, Sakamoto and Araki, "Study of Element Coupling Compensation Method in Receiving Array Antenna", IEICE Technical Report, A. P 2001-53, July 2001 (Non-Patent Document 2). Both

Non-Patent Documents

1 and 2 use a separate reference antenna (external reference antenna), and at the time of transmission, an array antenna output v ^ant (t) with respect to the reference signal v _s (t) is known. , The transmission-time compensation matrix Cs is obtained by measuring at the observation point, and in the case of reception, a reference signal from a known arrival direction is obtained.

By measuring the output v _r (t) of the array transmission / reception system with respect to, the reception-time compensation matrix Cr is obtained. In order to implement these measurements, a plurality of observation points (for example, measurements in an anechoic chamber) where the relative position to the array antenna 10 and the radio wave propagation environment therebetween are known are required. Therefore, there is a problem that large-scale hardware for calibration is required, and measurement with high physical accuracy is required. Further, assuming measurement in an anechoic chamber, it is not suitable for on-site calibration (a general environment for operating an array transmission / reception system).
[0010]
[Non-patent document 1]
Inaba, Sakamoto, Odo, Miura, "Method of Compensating Inter-element Coupling of DBF Antenna Transmit Array Antenna for Stratospheric Wireless Platform", IEICE Society Conference, B-1-152, September 2001. [0011]
[Non-patent document 2]
Inaba, Sakamoto, Araki, "Study on Compensation Method for Inter-element Coupling in Received Array Antenna", IEICE Technical Report, A-P2001-53, July 2001 [0012]
[Non-Patent Document 3]
Nishimori, Cho, Hori, "Automatic calibration of adaptive array using signal feedback between antennas", IEICE Technical Report, SST2000-92, AP2000-226, RCS2000-226, MW2000-217, 2001 March [0013]
[Problems to be solved by the invention]
As a method for solving the above problem, a method has been proposed in which a feedback signal (scattering matrix of an array transmission / reception system) between array antennas is measured and a compensation matrix is estimated (Nishimori, Cho, Hori, "Signal feedback between antennas"). Automatic Calibration Method of Adaptive Array Utilizing "", IEICE Technical Report, SST2000-92, AP2000-226, RCS2000-226, MW2000-217, March 2001 (Non-Patent Document 3). However, since the method described in Non-Patent Document 3 is based on the assumption that the diagonal elements of the scattering matrix S of the array antenna are the same, the inter-port characteristic difference between the transmitter and the receiver is compensated. However, there is a problem that the influence of mutual coupling between antenna elements cannot be removed. In other words, when the distance between the array antennas is large, the influence of mutual coupling between antenna elements is small, and the compensation matrix can be estimated almost accurately. However, when the distance between array antennas is small, the influence of mutual coupling between antenna elements is small. Becomes large, and the compensation matrix cannot be accurately estimated.
[0014]
As described above, in the array transmission / reception system equipped with the array antenna and the array transmission / reception device, the influence of mutual coupling between antenna elements and the difference in characteristics between ports in the transmission device and the reception device become problems. As a practical example, in a digital beamformer equipped with an array transmission / reception system, these problems make it difficult to form a desired beam. Further, in the estimation of the direction of arrival using the array transmission / reception system, an error occurs in the angle estimation value due to these problems.
[0015]
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide an array transmission / reception system equipped with an array antenna and an array transmission / reception apparatus, which has an effect of mutual coupling between antenna elements, a port in a transmitter and a receiver. It is an object of the present invention to provide a calibration method for removing the influence of the characteristic difference between the two. In particular, the present invention provides an antenna configuration (active switch antenna) and a compensation algorithm for realizing a self-calibration function on-site (a general environment for operating an array transmission / reception system).
[0016]
[Means for Solving the Problems]
The present invention relates to a self-calibration method for an array transceiver, and the object of the present invention is to measure a scattering matrix of an array transceiver system, and based on the scattering matrix, a scattering matrix S of an array antenna, a transmission matrix of an array transmitter. This is achieved by determining Hs and the transfer matrix Hr of the array receiver, and calculating and calibrating the transmission compensation matrix Cs and the reception compensation matrix Cr according to a predetermined formula.
[0017]
The present invention also relates to an array antenna, and the above object of the present invention is attained by providing a switch for short-circuiting or opening the antenna impedance.
[0018]
The present invention proposes an active switch antenna and a compensation algorithm that are optimal for simultaneously and on-site compensating for the influence of mutual coupling between antenna elements and the difference in characteristics between ports of a transmitter and a receiver in an array transmission / reception system. By measuring the scattering matrix when the array transmitting / receiving system is considered as a multi-port circuit and the scattering matrix when the antenna impedance viewed from the array feeder (surface position) is shorted or opened, the compensation matrix is turned on and turned on at the same time. Calculate on site.
[0019]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The present invention proposes a new calibration method for an array transmission / reception system equipped with an array antenna and an array transmission / reception, which eliminates the effects of mutual coupling between antenna elements and the effects of differences in characteristics between ports in a transmitter and a receiver. In particular, we propose an active switch antenna, which is an array antenna suitable for the calibration method, and a compensation algorithm for realizing the self-calibration function. By mounting the self-calibration function of the present invention in an array transmission / reception system, for example, the beam forming accuracy of a digital beamformer and the angle estimation accuracy of arrival direction estimation can be drastically improved.
[0020]
Taking into account on-site calibration, the calibration method of Non-Patent Document 3 using a feedback signal between antennas is considered to be the most suitable method. Assuming that the isolation between the transmitter and the receiver is sufficiently ensured, the feedback signal between the antennas (scattering matrix of the array transmission and reception system) can be generally described as the following equation 8.
[0021]
(Equation 8)

In order to obtain the transmission compensation matrix Cs and the reception compensation matrix Cr from

Equations

2 and 6, the scattering matrix S of the array antenna 10, the transfer matrix Hs of the array transmitter 50, and the Although it is necessary to separate the transfer matrix Hr, the transfer matrix Hr cannot be obtained because there are too many unknowns than measurable observables. Therefore, Non-Patent Document 3 assumes that the diagonal elements of the scattering matrix S are the same, and adopts a method of relatively calculating the transfer matrix Hs of the transmitter and the transfer matrix Hr of the receiver based on the conditions. ing. Therefore, the method of Non-Patent Document 3 is effective for an array antenna in which the influence of mutual coupling between antenna elements is small (for example, an array antenna having a sufficiently large element interval). Sufficient compensation cannot be obtained in an array antenna in which the mutual influence between elements is small and the antenna element spacing is small.
[0022]
Therefore, in the present invention, a switch means (for example, a pin diode switch, an RF switch, or the like) for short-circuiting or opening the antenna impedance as viewed from the array power supply unit (surface position) is mounted on the array antenna 10 itself. The amount of observation is increased by measuring the scattering matrix of the transmission / reception system, and the scattering matrix S of the array antenna, the transfer matrix Hs of the array transmitter 50, and the transfer matrix Hr of the array receiver 20 are simultaneously obtained.
[0023]
FIGS. 1 to 4 show examples (first to fourth embodiments) in which a switch function for short-circuiting or opening the antenna impedance as viewed from the array feeder (surface position) is mounted on the antenna 100.
[0024]
The first embodiment of FIG. 1 is an example in which switch means 101 are provided in parallel at a wavelength of λ / 4 from the end of the antenna. When the switch is turned on, the impedance is infinite (open state) as viewed from the array feeder, and the switch is turned on. Off indicates the impedance state of the antenna itself. The second embodiment shown in FIG. 2 is an example in which the switch means 102 is provided in series at a wavelength λ / 4 from one end of the antenna, where switch-off indicates a short-circuit state and switch-on indicates the impedance state of the antenna itself. In the first and second embodiments, the arrangement positions of the switch means 101 and 102 are limited to the wavelength λ / 4 from the ends, so when the wavelength λ changes, the switch arrangement is performed based on the wavelength. The installation position also needs to be changed.
[0025]
Further, the third embodiment of FIG. 3 is an example in which the switch means 103 is provided in series at one end of the antenna, where switch-off indicates an open state and switch-on indicates the impedance state of the antenna itself. The fourth embodiment of FIG. 4 is an example in which the switch means 104 is provided in parallel at the end of the antenna, where switch-on indicates a short-circuit state and switch-off indicates the impedance state of the antenna itself. An antenna having the above-described function is referred to as an active switch antenna in the present invention.
By using the function of the active switch antenna as described above, for example, in the case of the first embodiment, the following two pieces of information (Equation 9 and Equation 10) can be observed according to the on / off state of the switch means. .
[0026]
(Equation 9)

(Equation 10)

From these two pieces of information, the scattering matrix S of the array antenna 10 can be absolutely determined, and the transfer matrix Hs of the array transmitter 50 and the transfer matrix Hr of the array receiver 20 can be relatively determined. First, the following two matrices are defined for convenience of explanation.
[0027]
[Equation 11]

(Equation 12)

Here, “diag” is a function that extracts diagonal elements of a matrix and stores them in a vector. These chilled Hs and Hr are matrices representing the relative values between all the ports of the transfer matrix Hs of the array transmitter 50 and the transfer matrix Hr of the array receiver 20, and by calculating these, the relative values of the transfer matrices Hs and Hr are obtained. The values hats Hs and Hr can be determined. Further, chilled Hs and Hr satisfy the following equations.
[0028]
(Equation 13)

[Equation 14]

Here, “.√”, “. ×”, and “./” represent operations for each element. M ₁ and M ₂ are defined by the following equations.
[0029]
[Equation 15]

(Equation 16)

Using the obtained relative value hat Hs and relative value hat Hr of the transfer matrices Hs and Hr, the scattering matrix S of the array antenna 10 is obtained by the following equation.
[0030]
[Equation 17]

Finally, based on the scattering matrix of the array antenna 10 as S, the transfer matrix hat Hs of the array transmitter 50 and the transfer matrix hat Hr of the array receiver 20, a transmission compensation matrix Cs according to the above equation (2), and a reception compensation according to the above equation (6) It is possible to determine the matrix Cr.
[0031]
Next, an example in which the present invention is applied to DOA estimation using an array transmission / reception system will be described. In the array transmitting / receiving system shown in FIG. 8, an 8-element half-wavelength linear array antenna 14 is used as the array antenna 10. Each element is composed of the same half-wavelength dipole antenna, and FIG. 5 shows an image representation of the scattering matrix S of the eight-element half-wavelength linear array antenna 14. In FIG. 5, the bar graph on the right shows the magnitude of the scattering matrix S between the antennas in dB, and the power diagram on the left shows that the diagonal elements are similar but not identical. It can be seen that the calibration method of Reference 3 does not work accurately. The characteristic difference between the ports of the array transmitter 50 and the array receiver 20 is a uniform random number within ± 3 [dB] in amplitude and within ± 5 [deg] in phase. As an environment for arrival direction estimation, an environment in which only one plane wave arrives is considered as shown in FIG. The ESPRIT method is used as an arrival direction estimation algorithm. In this environment, the error of the arrival direction estimation when the angle of arrival is changed (from 90 degrees to -90 degrees in FIG. 6) is evaluated.
[0032]
As a comparison object, no compensation is performed (dashed line), and as in Non-Patent Document 3, a case where only the characteristic difference between receiver ports is compensated without considering the influence of mutual coupling between antenna elements (dashed-dotted line) FIG. 7 shows a comparison between the case where the compensation is performed as in the present invention (solid line). Thus, the effectiveness of the present invention can be confirmed. Note that “DOA” in FIG. 7 indicates “Direction of Arrival”.
[0033]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to simultaneously and on-site compensate for the influence of mutual coupling between antenna elements and the difference in characteristics between ports of a transmitter and a receiver in an array transmission / reception system. The effect of the present invention is apparent from the evaluation of the DOA estimation error shown in FIG.
[0034]
Since the present invention enables on-site calibration, there is no need for a large-scale measurement system and physically accurate measurement, for example, in an anechoic chamber. In addition, it is possible to follow the temperature characteristics of the transceiver and the change with time. Further, according to the active switch antenna having the switch means as in the present invention, it is most suitable for self-calibration in an array transmitting / receiving system.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration example (first embodiment) of an active switch antenna of the present invention.
FIG. 2 is a schematic diagram showing a configuration example (second embodiment) of an active switch antenna of the present invention.
FIG. 3 is a schematic diagram showing a configuration example (third embodiment) of an active switch antenna of the present invention.
FIG. 4 is a schematic diagram showing a configuration example (fourth embodiment) of an active switch antenna according to the present invention.
FIG. 5 is an image diagram of a scattering matrix of an array antenna used in the present invention.
FIG. 6 is a diagram illustrating an environment of arrival direction estimation.
FIG. 7 is a diagram showing an evaluation result of an arrival direction estimation error.
FIG. 8 is a block diagram illustrating the calibration of the array transmission / reception system.
[Explanation of symbols]
Reference Signs List 10 array antenna 20 array receiver 30 A / D converter 40 D / A converter 50 array transmitter 100 antennas 101 to 104 switch means

Claims

The scattering matrix of the array transmission / reception system is measured, and the scattering matrix S of the array antenna, the transfer matrix Hs of the array transmitter, and the transfer matrix Hr of the array receiver are obtained based on the scattering matrix. A self-calibration method for an array transmitter / receiver, wherein a calibration matrix Cr at the time of reception is calculated and calibrated.

The self-calibration method for an array transmitter according to claim 1, wherein one of the predetermined equations is Cs = Hs ⁻¹ (I + S) ⁻¹ .

The self-calibration method for an array receiver according to claim 1, wherein one of the predetermined expressions is Cr = (I−S) ⁻¹ Hr ⁻¹ .

An active switch antenna, comprising an array antenna, comprising a switch for short-circuiting or opening the antenna impedance.

5. The active switch array antenna according to claim 4, wherein said switch means is provided at a wavelength / 4 position from an end.

5. The active switch array antenna according to claim 4, wherein said switch means is provided at an end portion in series or in parallel.