[发明专利]一种全数字波束成形阵列及实现收发通道幅度、相位自动校准方法

说明书

本发明公开了一种全数字波束成形阵列以及实现收发通道幅度、相位自动校准方法，在天线阵列口径面上嵌入一条传输线，传输线两端接有校准收发通道；发射校准时，依次激励每个发射通道，同时记录下两校准接收通道采样得到的信号幅度和相位值，计算可得所有发射通道相对于参考通道的幅度、相位差；接收校准时，系统所有接收通道处于工作状态，相继激励两侧的校准发射通道，记录所有接收通道采样得到的校准信号幅度、相位值，可推得所有接收通道相对于参考通道的幅度、相位差。本发明提供的全数字波束成形阵列收发通道自动校准的方法，没有场地和人力的限制，在硬件上减少了大量定向耦合器的引入，适合用于大规模全数字波束成形阵列的自校准。

技术领域

本发明属于微波毫米波通信系统的校准技术领域，尤其涉及一种全数字波束成形阵列及实现收发通道幅度、相位自动校准方法。

背景技术

移动通信技术经过2G，3G，4G时代的演变，如今将逐步进入5G时代。相较于4G技术，5G希望在网络容量上实现1000倍提升，同时实现小于1ms的数据传输延时。为了实现上述目标，将采用超密集组网(Ultra-densification)、毫米波(mm-Wave)、大规模天线阵(MassiveMIMO)等关键技术。其中，全数波束成形系统因为能在数字域内方便、快速地实现波束成形、多波束和下行数据的预编码，减少了模拟移相器的使用，所以是实现大规模MIMO最直接有效的系统方案。

数字波束成形系统是幅度、相位相参系统。为了实现精确的波束成形，除了要对整个系统进行频率相参和时钟同步考虑外，还需要对整个系统进行幅度、相位校准，简称通道的幅/相校准。由于通道数众多，如何实现系统快速、准确的幅/相校准值得研究。现有的校准技术大部分针对有源相控系统。由于全数字多波束系统有其固有的架构特点，在校准方式上会有所不同。数字波束成形系统中存在大量的有源器件。受温度、时间等外在因素的变化，会造成器件电特性的改变，从而改变系统收发通道的幅度和相位，影响波束赋形的精度。另一方面，对于架设于高处的基站，对系统再次进行暗室校准或地面校准不切实际。所以如何实现系统通道的幅/相自动校准，保证精确的波束成形，值得研究。

目前，常用的数字波束成形系统的自校准方式多针对接收通道的校准，对于发射通道或者收发通道同时校准的方式鲜有提及。同时在硬件上，通常在每个射频通道末级放置定向耦合器，耦合部分能量用来实现系统校准，增加了系统硬件的复杂性。

在天线阵列中嵌入传输线进行阵列通道的检测的方法早期被应用于大型相控阵校准中。由于全数字波束成形系统不需要通道合路，所以其在校准方法上与相控阵系统存在些许差异。利用阵列中嵌入传输线耦合通道能量的方式相较于通道末级加耦合器的方式在硬件上更为简单。同时，利用阵列路径的对称性和单元与传输线耦合的相似性，可以更好地完成全数字波束成形阵列通道的自动校准。

发明内容

发明目的：针对以上问题，本发明提出一种能实现全数字波束成形系统收发通道幅度、相位自动校准的方法，该方法针对收发通道均可以实现自动校准，并尽可能简化了校准硬件电路。

技术方案：本发明所述的一种全数字波束成形系统收发通道幅度、相位自动校准方案在硬件上需要在天线阵列口径面上加一条微带传输线。天线单元采用矩形贴片形式，每个单元结构相同且等间距排布成阵，整个阵列排布在一张印刷电路板上。耦合传输线采用微带传输线形式，同样印刷在该印刷电路板上，且与天线阵列有一定距离间隔，其到每个天线单元位置一定。天线结构对称，整个阵列结构是单元结构的重复排列。在耦合传输线两端接有相应的校准通道，校准通道具有收发模式，用开关进行切换。

本发明的天线阵列结构如下：一种全数字波束成形阵列，该阵列天线包括天线单元(1)、耦合传输线(2)、具有收发模式的校准通道(3)和(4)、阵列收发通道(5)，阵列规模为1×N，N为通道总数；所述天线单元(1)与收发通道(5)连接，且一一对应，并且天线单元(1)和收发通道(5)周期性重复排列；耦合传输线(2)位于阵列天线口径面上，耦合传输线(2)到每个天线单元(1)位置一定，且整个天线结构对称，在耦合传输线(2)两端均接有具有收发模式的校准通道(3)和(4)。