[发明专利]混合自适应天线阵列

说明书

技术领域

本发明总体上涉及天线设计，具体涉及自适应天线阵列的架构和方 法。

背景技术

自适应天线对于长距离、移动和ad hoc无线通信和感测网络而言是 重要的子系统。最强大的自适应天线架构是数字波束形成阵列，其中每 个天线单元具有相关的信号链以将接收到的信号从RF(射频)转换到基 带，数字波束形成器使用自适应滤波技术对基带信号进行处理。数字波 束形成天线阵列具有以下能力：同时产生多个天线方向图，执行诸如指 零(nulling)之类的高精度波束形成，以及产生具有最大信号噪声干扰 比(SNIR)的输出信号。数字波束形成阵列架构的另一优点是不同支路 的在线校准可以由数字波束形成器自动处理。然而，纯数字波束形成天 线阵列也具有主要缺点。由于处理数字数据的成本与带宽成正比，并且 数字信号处理所需的计算量至少线性地随着单元数目的增大而增大，因 此用于宽带操作的大数字波束形成天线阵列成本过高并且对于大多数应 用而言是不可实现的。数字波束形成阵列的另一问题是，由于阵列单元 间隔所限定的物理空间的限制，在超过大约55GHz的毫米波频率下纯数 字波束形成是不可实现的。分别在55和95GHz的工作频率下，在60度以 内的扫描角下抑制栅瓣所需的单元间隔被限制为2.9和1.7mm，因此物理 上将信号链置于天线单元后面是非常困难的。

另一种原理自适应阵列架构是模拟波束形成器，其中，使用阵列中 每个天线单元上的RF或IF移相器，来形成“智能波束”。在纯模拟系统中， 成本与带宽之间的关系很小。因此，对于具有大量单元的宽带自适应天 线系统，模拟自适应天线阵列比纯数字自适应阵列要经济得多。然而， 模拟波束形成器具有特定的缺点。首先，大模拟阵列的校准是耗费劳力 的，并且在线校准尤为困难。第二，必须采用特殊装置来实现波束跟踪， 因此提高了复杂度和成本。第三，由于相移后的IF或RF信号在转换到基 带之前就被组合，使得无法访问独立模拟支路的基带信号，从而限制了 形成选择性波束方向图的能力。这些问题对于大模拟阵列而言尤为严重， 其中，组件的缺陷和老化会使天线性能严重劣化。

发明内容

公开了试图利用一种混合自适应天线阵列来改善上述缺点的布置， 所述混合天线阵列包括：分成多个模拟波束形成子阵列的天线单元阵列； 以及在子阵列输出上的数字波束形成器，数字波束形成器具有回到模拟 移相器的控制路径。这减小了数字波束形成器的尺寸，减小的因子等于 每个子阵列中元件的平均数。还公开了一种针对混合自适应阵列中的模 拟波束形成器和数字波束形成器的校准方法。此外，公开了针对模拟自 适应阵列的搜索和跟踪方法。所公开的混合阵列提供了有效的途径来以 相对低的成本生产较大的、高增益的自适应天线阵列。

根据本公开的一方面，提供了一种混合天线阵列，包括：

(a)多个数字支路，每个数字支路包括：

(i)模拟波束形成子阵列，每个子阵列具有多个天线单元、 适于对来自每个天线单元的信号施加相移的移相器、以及适于将相 移后的信号相组合的组合器；

(ii)信号链，适于将子阵列的输出转换到基带；以及

(b)数字处理模块，包括：

(i)到达角估计子模块，适于估计天线单元处信号的到达角；

(ii)相位控制子模块，适于根据所估计的到达角来控制每个 移相器施加的相移；以及

(iii)数字波束形成器，适于使用权重矢量将来自数字支路的 基带信号相组合，以形成输出信号。

根据本公开的第二方面，提供了一种估计天线阵列处信号的到达角 的方法，所述天线阵列包括多个数字支路和数字波束形成器，所述方法 包括：

(a)使来自相邻数字支路的基带信号互相关；

(b)对于多个候选波束，

(i)使用互相关值的自变量(argument)来设置相移；以及

(ii)计算数字波束形成器的输出信号的功率；以及

(c)确定给出最大输出功率的候选波束；以及

(d)根据所确定的候选波束的互相关值来估计到达角。

根据本公开的第三方面，提供了一种校准天线阵列的方法，所述天 线阵列包括多个数字支路和数字波束形成器，所述方法包括：

(a)估计来自相邻数字支路的基带信号之间的预期相位差；