公开了一种混合天线阵列(100)，包括：多个数字支路(145)，每个数字支路包括：模拟波束形成子阵列(例如，110-1)，每个子阵列具有多个天线单元(120)、适于对来自每个天线单元的信号施加相移的移相器(130)、以及适于将相移后的信号相组合的组合器(例如，135-1)。每个数字支路还包括：信号链(例如，140-1)，适于将子阵列的输出转换到基带。混合天线阵列还包括数字处理模块(150)，数字处理模块包括：到达角估计子模块(155)，适于估计天线单元处信号的到达角；相位控制子模块(170)，适于根据所估计的到达角来控制每个移相器施加的相移；以及数字波束形成器(165)，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(180)。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
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4(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；(b)确定来自每个数字支路和相邻的先前校准的数字支路的基带信号之间的预期相位差与实际相位差的差值，作为所述每个数字支路的相位偏差；以及(c)对来自相应数字支路的基带信号施加所确定的相位偏差。根据本公开的第四方面，提供了一种校准天线阵列的方法，所述天线阵列包括多个模拟支路，每个模拟支路包括天线单元和移相器，所述方法包括(a)将移相器对阵列的输入信号施加的相移最优化，以从阵列获得最大功率输出信号；(b)使用输入信号的到达角，来确定预期相移值；(c)针对阵列中的每个模拟支路，确定预期相移与最优化的相移之间的差值，作为所述每个模拟支路的相位偏差；(d)施加每个相位偏差，以调节由相应的移相器施加的相移。附图说明附图中图1示出了根据本专利技术一个实施例的接收混合天线阵列； 图加示出了图1的混合阵列的示例线性配置；图2b示出了图1的混合阵列的示例平面配置；以及图3是示出了图1的混合天线阵列所执行的到达角估计方法的流程图。具体实施例方式如果任何一幅或多幅附图中引用具有相同参考数字的步骤和/或特征，则所述步骤和/或特征出于在此说明的目的而具有相同的功能或操作，除非出现相反的意图。图1示出了根据一个实施例的接收混合天线阵列100。阵列100中的天线单元(例如，120)被分组为M个模拟波束形成子阵列110-1，110-2，... , IlO-M0如果所有子阵列都位于单个平面内，则称混合阵列具有平面配置(平面阵列)。线性配置(线性阵列)是平面配置的一种特殊情况，在线性配置中所有子阵列都位于单条线中。图加示出了图1的混合天线阵列100的示例线性配置200。示例线性阵列200包括并排布置的两个子阵列210-1和210-2，每个子阵列210-m包括沿直线布置的四个均勻间隔的单元，例如，220。图2b示出了图1的混合天线阵列100的示例平面配置230。示例平面阵列230包括布置成方形的子阵列240-1、240-2、240-3和M0-4，每个子阵列240_m包括 4X4的单元方格，例如，250。每个单元250的影线指示其所属的子阵列。图1中的每个子阵列110-m是以4个单元120示出的，这对于线性阵列而言是优选的子阵列尺寸，然而对于平面阵列而言优选的子阵列尺寸是4X4个单元。通常，不同的子阵列可以具有不同数目个单元。如果子阵列的数目M可以表示为M = Mx XMy，其中Mx和My分别是沿χ轴和y轴布置的子阵列的数目，则平面阵列被限定为是均勻间隔的。均勻间隔的平面阵列的子阵列m 中的第i单元位于坐标(Xi,m Yiiffl)处，使得Xhm = X1 + mxd{xs) ^mx = 0,1, ... Mx-IYim =Y1 +myd{;\my = 0,1, My_l其中m = !!！凡+叫，於)和分别是子阵列的水平和垂直间隔，(Xi, Yi)是编号为m =0的子阵列的第i个单元的位置。例如，在Mx = My = 2并且於)的情况下，平面阵列230是均勻间隔的。均勻间隔的线性阵列是均勻间隔的平面阵列的一种特殊情况，其中My = 1，因此Mx =M，my = 0，并且Yiim = Yi (与^·5)不相关)。例如，线性阵列220是均勻间隔的，其中Mx = 2并且My = 1。矩形子阵列具有N = NxXNy个单元，其中Nx本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种混合天线阵列，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。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：英杰·杰伊·郭，J·D·本顿，V·佳久科，小晶·黄，
申请(专利权)人：联邦科学技术研究组织，
类型：发明
国别省市：AU
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