寬帶多功能陣列模塊化校正技術(shù)

楊　晟，宮新保

(上海交通大學(xué)電子工程系，上海 200240)

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寬帶多功能陣列模塊化校正技術(shù)

楊晟，宮新保

(上海交通大學(xué)電子工程系，上海 200240)

針對寬帶多功能陣列一致性校正中的瓶頸問題，設(shè)計(jì)了一種串饋與并饋相結(jié)合的模塊化同步校正方案，適應(yīng)寬帶陣列通道數(shù)多、布陣規(guī)模大的特點(diǎn)，兼具經(jīng)濟(jì)性與靈活性，既能夠有效控制饋線網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，又便于天線陣列系統(tǒng)的模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化制造。

天線陣列；模塊化；一致性校正

0　引言

寬帶多功能天線陣列系統(tǒng)[1]相對于現(xiàn)有通信系統(tǒng)采用更多的輻射單元，在高頻段實(shí)現(xiàn)有更多優(yōu)勢，可以數(shù)倍提高系統(tǒng)容量和提供靈活布陣，在通信、雷達(dá)、電子偵察領(lǐng)域都得到廣泛的應(yīng)用。但隨著天線陣列通道規(guī)模和信號帶寬的不斷增長，校正系統(tǒng)的復(fù)雜度也迅速增大，傳統(tǒng)陣列校正中的通道間一致性校正機(jī)制存在明顯的瓶頸。傳統(tǒng)的校正技術(shù)還會造成設(shè)計(jì)、制造和裝配復(fù)雜度的大幅提升，并帶來成本的迅速增長[2]。

本文針對寬帶多功能天線陣列一致性校正中的瓶頸問題，提出了一種模塊化的寬帶陣列一致性校正方案，各個校正模塊間的連接只與相鄰模塊有關(guān)，且校正系統(tǒng)的硬件開銷隨著陣列規(guī)模擴(kuò)大仍舊保持在較低水平。這是一種串饋與并饋相結(jié)合的陣列校正機(jī)制，兼具經(jīng)濟(jì)性與靈活性，既能夠有效控制饋線網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，又便于天線陣列系統(tǒng)的模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化制造。

1　寬帶多功能陣列校正系統(tǒng)

針對多輸入、多輸出天線陣列的校正方法主要可以分為盲校正、基于注入?yún)⒖夹盘柕年嚵行Ｕ蜔o線饋入校正方法[3]?；谧⑷?yún)⒖夹盘柕脑诰€校正方法的優(yōu)點(diǎn)在于：性能穩(wěn)定，較容易工程實(shí)現(xiàn)。本文提出的模塊化陣列校正方案正是基于注入?yún)⒖夹盘柕脑诰€校正方法，同時適應(yīng)靈活布陣、規(guī)模擴(kuò)展需求，設(shè)計(jì)了模塊化的多通道陣列校正系統(tǒng)，用于校正天線陣列射頻器件特性導(dǎo)致的幅相一致性失調(diào)[4]。

模塊化的多通道陣列校正系統(tǒng)如圖1所示。將大規(guī)模天線陣列分解為多個子陣列，每個子陣列包含若干個通道，每個子陣列接入一個子陣列校正模塊，與相鄰的前級校正模塊或后級校正模塊之間通過串饋線級聯(lián)而形成一個閉環(huán)。

圖1　模塊化的多通道陣列校正系統(tǒng)

上述子陣列校正模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括校正通道、多個耦合器、2個通路選擇器和校正單元。通路選擇器的3種連接方式如圖3所示。在各個子陣列校正模塊內(nèi)部：1)通路選擇器1、2均以方式a選通，則校正通道與本模塊內(nèi)通道1和通道M連通；2)通路選擇器1、2分別以方式c、方式b選通，則各個子陣列通道1通過模塊間饋線與前級子陣列的校正通道連通；3)通路選擇器1、2分別以方式b、方式c選通，則各個子陣列通道M通過模塊間饋線與后級子陣列的校正通道連通。

圖2　子陣列校正模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖3　通路選擇器3種選通方式

2　一致性校正方案

2.1校正方案概述

本文提出的一致性校正方案，通過改變2個通路選擇器的選通方式，將每個模塊內(nèi)的校正通道分別和模塊內(nèi)參考通道、前/后級模塊參考通道連接，逐步完成模塊內(nèi)幅相一致性校正和模塊間幅相一致性校正。模塊化校正方案流程如圖4所示。

圖4　模塊化校正方案流程

2.2模塊內(nèi)校正

對于任一模塊A內(nèi)部的M通道天線陣的幅相一致性校正，采用模塊內(nèi)并饋的方式，通過校正通道分別發(fā)送校正信號饋送到各個接收通道，以及各個發(fā)送通道發(fā)送正交校正信號饋送到校正通道接收，從而分別完成收/發(fā)的校正。2個通路選擇器均以方式a選通。

M個通道同時發(fā)送正交多音校正信號到校正通道，測量得到發(fā)送校正環(huán)路的信道響應(yīng)XT,Am=HT,AmHR,Acal，其中m= 1, 2,…,M，XT,Am表示測量得到的模塊A發(fā)送校正環(huán)路的信道響應(yīng)，包括第m個通道的TX信道響應(yīng)HT,Am和校正通道的RX信道響應(yīng)HR,Acal。

再通過校正通道，發(fā)送校正信號到第1～M通道接收，用于測量得到接收校正環(huán)路的信道響應(yīng)XR,Am=HT,AcalHR,Am，其中XR,Am表示測量得到的接收校正環(huán)路的信道響應(yīng)，包括校正通道的TX信道響應(yīng)HT,Acal和第m個通道的RX信道響應(yīng)HR,Am。

若所有通道以通道1為參考通道，分別計(jì)算：

(1)

式中，kT,Am、kR,Am分別表示通道m(xù)與通道1之間的發(fā)通道差異與收通道差異。需要指出的是，此處得到的kT,Am、kR,Am是建立在不同通道間饋線導(dǎo)致的一致性誤差相同的前提下。

2.3模塊間校正

對于模塊間的收/發(fā)通道幅相一致性校正，通過模塊間串饋方式來完成，需要進(jìn)行兩次校正過程。以任意兩個相鄰模塊A、模塊B的模塊間校正為例：首先，將通路選擇器1、2分別以方式c、方式b選通。模塊B通道1發(fā)送校正信號到模塊A的校正通道，測量得到模塊間發(fā)送校正環(huán)路的信道響應(yīng)YT,A=HT,B1HAB·HR,Acal，其中YT,A表示測量得到的發(fā)送校正環(huán)路的信道響應(yīng)，包括模塊B通道1的TX信道響應(yīng)HT,B1和模塊A、B間饋線信道響應(yīng)HAB，以及模塊A校正通道的RX信道響應(yīng)HR,Acal。

再通過模塊A校正通道發(fā)送校正信號到模塊B通道1接收，用于測量得到模塊間接收校正環(huán)路的信道響應(yīng)YR,A=HT,AcalHABHR,B1，其中YR,A表示測量得到的接收校正環(huán)路的信道響應(yīng)，包括模塊A校正通道的TX信道響應(yīng)HT,Acal和從模塊A到B間饋線信道響應(yīng)HAB，以及模塊B通道1的RX信道響應(yīng)HR,B1。

然后以模塊A通道M為參考，比較模塊B通道1與模塊A通道M的收/發(fā)通道差異，這里的收/發(fā)通道包含了串饋線引入的差異無法消除?？梢垣@得wR,A和wT,A：

(2)

式中，XT,Am、XR,Am已在內(nèi)部校正時獲取。

接下來將通路選擇器1、2分別以方式b、方式c選通。模塊A通道M發(fā)送校正信號到模塊B校正通道，測量得到模塊間發(fā)送校正環(huán)路的信道響應(yīng)YT,B=HT,AMHABHR,Bcal，其中YT,B表示測量得到的發(fā)送校正環(huán)路的信道響應(yīng)，包括模塊A通道M的TX信道響應(yīng)HT,AM和從模塊A到B間饋線信道響應(yīng)HAB，以及模塊B校正通道的RX信道響應(yīng)HR,Bcal。

再通過模塊B校正通道發(fā)送校正信號到模塊A通道M接收，用于測量得到模塊間接收校正環(huán)路的信道響應(yīng)YR,B=HT,BcalHABHR,AM，其中YR,B表示測量得到的接收校正環(huán)路的信道響應(yīng)，包括模塊B校正通道的TX信道響應(yīng)HT,Bcal和從模塊B到A間饋線信道響應(yīng)HAB，以及模塊A通道M的RX信道響應(yīng)HR,AM。

然后以模塊B通道1為參考，比較模塊B通道1與模塊A通道M的收/發(fā)通道差異，這里的收/發(fā)通道包含了串饋線引入的差異無法消除。由于內(nèi)部校正時已經(jīng)獲取XT,Bm、XR,Bm，可以獲得wR,B和wT,B：

(3)

至此，測量步驟結(jié)束，為消去AB間饋線的影響，下一步計(jì)算模塊A、B間收/發(fā)參考通道的轉(zhuǎn)換系數(shù)gR、gT：

(4)

如果所有模塊均以模塊A通道1為參考通道，將模塊B各通道收/發(fā)與其校正，那么模塊B各通道校正系數(shù)可以表示為：

(5)

2.4增加校正算法可靠性

將多個模塊循環(huán)連接進(jìn)行校正可以增加校正算法的可靠性。對于應(yīng)用于K個模塊的多模塊校正，只需將模塊1、模塊2、…、模塊K相鄰模塊用串饋線連接，并將模塊K與模塊1連接。將模塊1、模塊2串接即可將模塊2與模塊1校正，…，將模塊K-1與模塊K串接即可將模塊K與K-1校正，這樣理論上所有模塊就都校正完畢了。在實(shí)際方案中，還需將模塊K與模塊1串接，這樣形成閉環(huán)，可以由模塊1與2，2與3，…，K-1與K模塊間校正結(jié)果推算得到模塊1與模塊K的通道間一致性校正結(jié)果，再與直接進(jìn)行模塊1、K間的一致性校正差異進(jìn)行比對，從而增加算法的可靠性。

3　硬件實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)

對于校正系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)，由于校正原理與目標(biāo)不同，所需的校正電路的要求也不盡相同。

本文提出的校正方案中，影響通道間一致性校正的是各個通道間的收通道一致性差異以及各個通道間發(fā)通道的一致性差異。所以對于一致性校正，各個通道間的饋線、開關(guān)元件的差異就不能過大，否則校正效果就不能實(shí)現(xiàn)了。

對于饋線的要求：模塊內(nèi)部饋線間網(wǎng)絡(luò)各通道間差異不能過大，需要保證饋線差異造成的誤差相對于校正最小精度要更小。

對于開關(guān)元件的要求：開關(guān)元件需與饋線的特性相似，在校正步驟中的理論分析都是以其理想特性(相當(dāng)于導(dǎo)線)來分析的，需要找到一種損耗低的元件來實(shí)現(xiàn)。通過一定的器件調(diào)研，MEMS開關(guān)是可取的元件之一，射頻MEMS開關(guān)相較于PIN開關(guān)和FET開關(guān)可靠性更高、隔離度更好[5]，可以在本文提出的模塊化校正方案的通路選擇器硬件實(shí)現(xiàn)中得到應(yīng)用。

4　結(jié)束語

本文提出了一種模塊化的寬帶多功能陣列通道間幅相一致性校正方案，以一個校正模塊為一個基本單元，多個校正模塊間通過饋線串聯(lián)的方式連接在一起，組成大規(guī)模天線陣列的校正系統(tǒng)。各個校正模塊間工作模式、校正機(jī)制均相同，這樣的校正機(jī)制適用于標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的生產(chǎn)制造，大大增加了布陣靈活性，降低了生產(chǎn)成本開銷?！?/p>

[1]梁百川. 對MIMO雷達(dá)的電子偵察技術(shù)[J]. 艦船電子對抗, 2008,31(5):17-19.

[2]Rogalin R,Bursalioglu OY, Papadopoulos H,et al. Scalable synchronization and reciprocity calibration for distributed multiuser MIMO[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2013,13(4):1815-1831.

[3]謝玉堂. 寬帶無線通信系統(tǒng)中的載波同步及天線校準(zhǔn)研究[D]. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué),2006.

[4]Rogalin R, Bursalioglu OY, Papadopoulos HC, et al. Hardware-impairment compensation for enabling distributed large-scale MIMO[C]. Information Theory and Applications Workshop, 2013:1-10.

[5]Rebeiz GM, Muldavin JB. RF MEMS switches and switch circuits[J]. IEEE Microwave Magazine, 2002,2(4):59-71.

Coherence calibration for wide-band multifunctional antenna array

Yang Sheng, Gong Xinbao

(Department of Electronic Engineering, Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240,China)

In order to solve the bottleneck problems of coherence calibration for wide-band multifunctional array, a modular coherence calibration scheme is proposed, with a combination of serial-fed and parallel-fed. The scheme is designed to adapt to multiple channels and large scale. Both economy and flexibility are taken into consideration. The complexity and consumption on feeder network is effectively controlled, which is convenient for the modularization and standardization of the antenna array system manufacturing.

antenna array; modularization; coherence calibration

2016-06-01；2016-07-04修回。

楊晟(1991-)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楦咚贁?shù)字信號處理系統(tǒng)的軟硬件實(shí)現(xiàn)。

TN971

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