CN103780296A - 一种均匀圆形阵列天线的信号接收及失真矫正方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种均匀圆形阵列天线的信号接收及失真矫正方法，包括以下步骤：步骤1：接收链路天线阵的幅度/相位增益矩阵估计；步骤2：接收链路天线阵的互耦系数矩阵估计；步骤3：根据估计的接收链路天线阵的幅度/相位增益矩阵和互耦系数矩阵对接收链路进行矫正；步骤4：发射链路天线阵的增益矩阵估计；步骤5：利用估计的发射链路的增益矩阵和接收链路的互耦系数矩阵，对发射链路进行幅度/相位矫正和互耦矫正。与现有技术相比，本发明具有能够对均匀圆阵的接收、发射链路进行***级矫正，方案完备并且矫正效果好等优点。

Description

一种均匀圆形阵列天线的信号接收及失真矫正方法

技术领域

本发明涉及通信领域中智能天线的信号接收以及失真矫正技术，尤其是涉及一种均匀圆形阵列天线的信号接收及失真矫正方法。

背景技术

随着无线移动通信技术的发展，移动通讯的需求也日益增长，无线网络技术本身的限制使其不能继续满足高的通讯需求，用户在部署无线局域网络时，经常会有无线信号受干扰、信号穿透能力差，导致传输距离短的普遍问题。利用新技术提高有限频率资源的使用效率，成为人们日益关注的课题。

波束成形是天线技术与数字信号处理技术的结合，目的用于定向信号传输或接收使得***在有限的频谱内可以支持更多的用户，从而成倍的提高频谱使用效率。波束成形技术最早应用于相控阵雷达，通过多个天线单元形成窄波束进行扫描，后来应用到通信领域，主要应用于民用移动通信中的基站。其基本原理利用多天线技术对接收的各路信号进行加权合成，确定信号来波方向，对信号源进行精准定位，产生多路径高增益定向点波束，提供优秀的深度非视距功能。

在***采用阵列天线时，接收信号受到天线阵元本身的幅值/相位误差的影响，同时天线阵列的单元之间的距离通常小于二分之一个波长，使得阵列天线的阵元之间具有较强的耦合，这种耦合会使信号的发射和接收产生畸变，从而对天线阵的波束成形和来波方向估计产生较大的影响，使得接收信号失真严重，很大程度上的影响了波束成形接收机的性能。因此，通过计算或实验测量来获得天线阵的互耦系数，依此进行软件或硬件的互耦矫正具有非常重要的意义。而进行互耦矫正的关键依据是阵元间的互耦矫正系数矩阵。

目前国内外一些学者正致力于阵列误差矫正方法的研究，所提出的矫正方法主要分为自矫正方法和有源矫正方法两大类。有源矫正方法是通过在空间设置方位精确已知的辅助信源对阵列误差参数进行离线估计；而自矫正方法则同时给出阵列误差参数和信源方位的估计值。虽然自矫正方法无需借助已知位置的辅助源，进而也无需克服辅助源信号中携带的不确定因素，但通常处理非常复杂，对算法的实时性要求较高。在众多有源矫正方法中，See CMS等在IEE Proceedings-Radar，Sonarand Navigation的文献method forarray calibration in high-resolution sensor arrayprocessing提出了一种针对阵元互耦、幅相误差等阵列误差的有源矫正算法，该算法通过矩阵特征分解得到一组矫正源的方向矢量来估计阵列误差，为了简化问题的讨论，该文献还将互耦矩阵和幅相误差矩阵的乘积作为一个整体进行估计，但算法没有充分利用DOA估计对互耦系数估计的影响，迭代过程无法分离DOA误差和互耦系数误差的交织，计算过程仍有冗余。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种均匀圆形阵列天线的信号接收及失真矫正方法，能够对均匀圆阵的接收、发射链路进行***级矫正，方案完备并且矫正效果好。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种均匀圆形阵列天线的信号接收及失真矫正方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：接收链路天线阵的幅度/相位增益矩阵估计；

步骤2：接收链路天线阵的互耦系数矩阵估计；

步骤3：根据估计的接收链路天线阵的幅度/相位增益矩阵和互耦系数矩阵对接收链路进行矫正；

步骤4：发射链路天线阵的增益矩阵估计；

步骤5：利用估计的发射链路的增益矩阵和接收链路的互耦系数矩阵，对发射链路进行幅度/相位矫正和互耦矫正。

利用近场耦合天线和远场矫正源，依次对接收链路天线阵的幅度/相位增益矩阵和互耦系数矩阵。

所述的接收链路天线阵的互耦系数矩阵C估计具体为：

将互耦系数矩阵C估计简化为对互耦矩阵表征向量c的估计，

若n＝2k+1(k＝1，2，...)，c＝{1 c₁ c₂ … c_k c_k … c₂ c₁}；

若n＝2k(k＝1，2，..)，c＝{1 c₁ c₂ … c_k-1 c_k c_k-1 … c₂ c₁}。

其中c_i(i＝1，2，...，k)为到圆心角度差为(2π/n)i的两个阵元间的耦合系数；n为圆形天线阵元数，k为对应的独立元素个数。

所述的对接收链路进行矫正具体为：

首先进行幅度/相位增益误差校正，然后利用DOA估计结果估计互耦系数矩阵，矫正后的信号

其中Y_n×s为圆阵实际接收信号，C_n×n为n元圆阵的互耦系数矩阵，G_n×n为增益误差矩阵。

，所述的对发射链路进行幅度/相位矫正和互耦矫正具体为：

设天线阵拟发射信号X，在发射前进行幅相、互耦误差矫正，实际发送信号为 $X^{\′}={G_t}^{-1}{C}^{-1}X,$ 矫正后实际辐射到远场的信号为 $Y=\mathrm{AC}{G}_t{X}^{\′}={\mathrm{ACG}}_t{G_t}^{-1}{C}^{-1}X=\mathrm{AX},$ 其中A为方向向量、C为圆阵的互耦系数矩阵、G_t为发射链路增益误差矩阵。

与现有技术相比，本发明提供了一套完备的均匀圆形天线阵列发射链路、接收链路信号失真矫正方法，构成一个环路矫正***，它既可以对天线阵的接收链路进行失真矫正，又将互耦系数的估计应用到发射链路中，对发射链路进行失真矫正，其利用的辅助源少、估计准确度高。

附图说明

图1为本发明应用的阵列天线结构示意图；

图2为本发明的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，以15阵元的均匀圆形阵列天线为例，所有阵元为半波天线，工作在5GHz频率下，圆阵半径R＝6λ/2π。接收、发射链路失真矫正方法包括以下步骤：

步骤1：将近场矫正信号源设于均匀圆形阵列天线的圆心处，矫正源发送信号z_1×m＝{z₁，z₂，...，z_m}，m为矫正序列长度，天线接收信号

y_i(i＝1，...15)为第i个阵元的接收信号序列。幅值/相位矩阵G_15×15＝diag{g}，g＝{1 g₂ g₃ ... g₁₅}，则近场矫正估计出幅值/相位系数g_i＝avg{y_i./y₁}，i＝2，3...15；用g_i重构幅值/相位矩阵G_15×15＝diag{1 g₂ g₃ ... g₁₅}；

步骤2：远场信号源发送信号序列x_1×s，对接收信号进行幅值/相位误差矫正，将接收信号Y′_15×s矩阵左乘幅值/相位矩阵的逆矩阵，得到矫正后的信号阵

$Y_{15\×s}=G_{15\×15}^{-1}{Y}_{15\×s}^{\′}=\mathrm{diag}\left\{\begin{array}{ccccc}1& g_2^{-1}& g_3^{-1}& ...& g_{15}^{-1}\end{array}\right\}{Y}_{15\×s}^{\′}$

利用DOA算法对Y_15×s做波达方向估计，得到估计角度信息θ，根据角度信息以及均匀圆形阵列的拓扑结构，计算得到方向向量A_15×1(θ)。

将接收信号矩阵Y_15×s与第一阵元的接收信号进行相关，即

对接收信号的相关R_y和方向向量A_15×1(θ)分别做离散傅里叶变换，再将生成的两个频域向量进行点除，得到频域上耦合矩阵的表征向量c′

c′＝FFT[R_y]./FFT[A_15×1(θ)]

耦合矩阵C_15×15是具有循环特性的对称toeplitz矩阵，且对角线元素为1。C_15×15可以用其第一行/列c进行表征，

c＝{1 c₁ c₂ … c₇ c₇ … c₂ c₁}；

其中c_i(i＝1，2，...，7)为到圆心角度差为(2π/n)i的两个阵元间的耦合系数。

对耦合系数频域表征向量c′做傅里叶反变换得到c″，c″＝{c″₁ c″₂ … c″₁₅}，将c″向量根据的第一个分量归一化，得到对称toeplitz耦合矩阵的表征向量c，

c″＝IFFT(c′)

c＝c″/c″₁

利用c重构得到互耦系数矩阵C_15×15。

步骤3：根据幅/相增益矩阵和互耦系数矩阵对接收链路进行矫正，

${Y^{\′}}_{n\×s}=C_{n\×n}^{-1}{G}_{n\×n}^{-1}{Y}_{n\×s}.$

步骤4：发射链路圆形天线发送m组快拍向量对于一特定的k(k＝1，2...15)，向量的分量x_i

$x_i=\left\{\begin{array}{cc}1& i=k\\ 0& i\≠k\end{array}\right.$

令对于m组x^k，求出

的平均值，从而可以得到发送端幅相增益矩阵的估计值 $G_t=\mathrm{diag}\left\{\begin{array}{ccccc}1& g_{t_2}& g_{t_3}& ...& g_{t_n}\end{array}\right\}.$

步骤5：对天线阵的发射信号进行矫正。设天线阵拟发射信号X，应在发射前进行幅相、互耦误差矫正，实际发送信号为

这样，实际辐射到远场的信号为 $Y=\mathrm{ACG}{X}^{\′}={\mathrm{ACG}}_t{G_t}^{-1}{C}^{-1}X=\mathrm{AX}.$

Claims (5)

1.一种均匀圆形阵列天线的信号接收及失真矫正方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：接收链路天线阵的幅度/相位增益矩阵估计；

步骤2：接收链路天线阵的互耦系数矩阵估计；

步骤3：根据估计的接收链路天线阵的幅度/相位增益矩阵和互耦系数矩阵对接收链路进行矫正；

步骤4：发射链路天线阵的增益矩阵估计：

步骤5：利用估计的发射链路的增益矩阵和接收链路的互耦系数矩阵，对发射链路进行幅度/相位矫正和互耦矫正。

2.根据权利要求1所述的一种信号接收及失真矫正方法，其特征在于，利用近场耦合天线和远场矫正源，依次对接收链路天线阵的幅度/相位增益矩阵和互耦系数矩阵。

3.根据权利要求1所述的一种信号接收及失真矫正方法，其特征在于，所述的接收链路天线阵的互耦系数矩阵C估计具体为：

将互耦系数矩阵C估计简化为对互耦矩阵表征向量c的估计，

若n＝2k+1(k＝1，2，...)，c＝{1 c₁ c₂ … c_k c_k … c₂ c₁}；

若n＝2k(k＝1，2，..)，c＝{1 c₁ c₂ … c_k-1 c_k c_k-1 … c₂ c₁}。

其中c_i(i＝1，2，...，k)为到圆心角度差为(2π/n)i的两个阵元间的耦合系数；n为圆形天线阵元数，k为对应的独立元素个数。

4.根据权利要求1所述的一种信号接收及失真矫正方法，其特征在于，所述的对接收链路进行矫正具体为：

首先进行幅度/相位增益误差校正，然后利用DOA估计结果估计互耦系数矩阵，矫正后的信号

其中Y_n×s为圆阵实际接收信号，C_n×n为n元圆阵的互耦系数矩阵，G_n×n为增益误差矩阵。

5.根据权利要求1所述的一种信号接收及失真矫正方法，其特征在于，所述的对发射链路进行幅度/相位矫正和互耦矫正具体为：

设天线阵拟发射信号X，在发射前进行幅相、互耦误差矫正，实际发送信号为X′＝C_t ^-1C^-1X，矫正后实际辐射到远场的信号为

其中A为方向向量、C为圆阵的互耦系数矩阵、G_t为发射链路增益误差矩阵。

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