[发明专利]一种天线阵列来波方向的到达角估计方法

说明书

本申请公开了一种天线阵列来波方向的到达角估计方法，通过基于子空间的自校准，根据接收天线阵列第一个阵元的相位中仅包含校准误差信息、相邻阵元的校准误差相互独立、且相位差中包含来波方向的到达角信息分量，构建最大重合子阵，并获得阵列相位校准误差、到达角较为准确的初始估计值，然后利用信号子空间与噪声子空间的正交性，设计迭代优化算法，实现到达角、相位校准误差的迭代更新估计，获得精确的角度估计。该发明可在阵元存在较大的相位校准误差时仍获得优异的角度估计性能。

技术领域

本发明涉及宽带无线通信的多天线领域，特别地，涉及一种天线阵列来波方向的到达角估计方法。

背景技术

为了缓解微波频段的频谱资源紧张，毫米波通信技术成为下一代移动通信的关键技术。毫米波频段拥有丰富的频谱资源，可实现Gbps级别的无线传输速率；其波长短的特性使其可在较小的物理尺寸上使用大规模天线阵列实现波束赋形，从而获得高增益以弥补高频段上的严重路损和衰落。由于波束赋形技术需要精确的方位信息，因此天线阵列来波方向的到达角估计成为毫米波通信的前提和基础。受工艺水平的限制，实际的天线阵列普遍存在较大的阵元初始相位误差，这将严重影响到达角估计与波束赋形的性能。

为了解决阵元初始相位误差对到达角估计性能的影响，近年来许多的专家学者做了大量的研究工作。从各自着重点的不同，可以分为两个研究方向：一是对现有算法不做处理，寻找对阵列误差不敏感或敏感度极小的算法，从而降低阵列对到达角估计的影响。但是，这一类算法通常以增加算法的复杂度且损失算法性能为代价；二是设计算法对阵列误差进行估计，通过估计值对相位误差进行校准。

在上述第二个研究方向中，阵列误差校准研究的方法有以下：

1、有源校准法。

有源校准法的核心思想是引入辅助定位源，借助此辅助定位源的精确到达角信息求解阵列误差，然后通过求得的误差值进行阵列误差校准，最后采用常规的到达角估计算法进行到达角估计。

论文“贾永康,保铮,吴洹.一种阵列天线阵元位置、幅度及相位误差的有源校准方法[J].电子学报,1996,(03):47-52.”提出了一种适用于不同阵列形式误差的有源校准算法，当信号源到达角已知时，采用最小均方误差准则求解阵列校准误差。

论文“张铭,朱兆达.无需准确已知校准源方向的阵列通道不一致的单源校准法[J]. 电子科学学刊,2009,(01):20-25.”提出了一种利用已知信源构造代价函数、通过代价函数最小实现幅相误差校准的算法，该算法不受阵列形式影响。

专利“孙奕髦,王立,樊荣,刘洋,胡泽鹏,邹麟,殷吉昊,万群.一种校准源位置未知的天线阵列幅相误差动中校方法.CN201610865202.1”利用外部环境中存在的信号源作为校准源，在校准源位置未知的情况下，利用天线阵列在空间位置精确已知的网格中重复测量校准源信号从而确定校准天线阵元幅相误差。

这类基于辅助定位源的方法通常需要精确的辅助定位源位置或者接收阵列位置，同时已知位置的细微偏差会引起到达角估计性能的显著下降。因此，有源校准算法要达到较好的性能，对制作工艺或施工技术等提出了较高要求，在实际工程中难以推广应用。

2、阵列自校准算法。

阵列自校准算法无需辅助定位源条件下完成天线阵列来波方向的到达角估计，但是阵列误差严重影响目标到达角估计，由于破坏了阵列流形的特性规律，使得到达角估计算法无法唯一辨识阵列误差信息和到达角信息。另外，联合估计方法通常对到达角、阵列误差的初始值敏感，导致算法性能不稳定。