宽带多功能阵列模块化校正技术

杨　晟，宫新保

(上海交通大学电子工程系，上海 200240)



宽带多功能阵列模块化校正技术

杨晟，宫新保

(上海交通大学电子工程系，上海 200240)

针对宽带多功能阵列一致性校正中的瓶颈问题，设计了一种串馈与并馈相结合的模块化同步校正方案，适应宽带阵列通道数多、布阵规模大的特点，兼具经济性与灵活性，既能够有效控制馈线网络规模，又便于天线阵列系统的模块化和标准化制造。

天线阵列；模块化；一致性校正

0　引言

宽带多功能天线阵列系统[1]相对于现有通信系统采用更多的辐射单元，在高频段实现有更多优势，可以数倍提高系统容量和提供灵活布阵，在通信、雷达、电子侦察领域都得到广泛的应用。但随着天线阵列通道规模和信号带宽的不断增长，校正系统的复杂度也迅速增大，传统阵列校正中的通道间一致性校正机制存在明显的瓶颈。传统的校正技术还会造成设计、制造和装配复杂度的大幅提升，并带来成本的迅速增长[2]。

本文针对宽带多功能天线阵列一致性校正中的瓶颈问题，提出了一种模块化的宽带阵列一致性校正方案，各个校正模块间的连接只与相邻模块有关，且校正系统的硬件开销随着阵列规模扩大仍旧保持在较低水平。这是一种串馈与并馈相结合的阵列校正机制，兼具经济性与灵活性，既能够有效控制馈线网络规模，又便于天线阵列系统的模块化和标准化制造。

1　宽带多功能阵列校正系统

针对多输入、多输出天线阵列的校正方法主要可以分为盲校正、基于注入参考信号的阵列校正和无线馈入校正方法[3]。基于注入参考信号的在线校正方法的优点在于：性能稳定，较容易工程实现。本文提出的模块化阵列校正方案正是基于注入参考信号的在线校正方法，同时适应灵活布阵、规模扩展需求，设计了模块化的多通道阵列校正系统，用于校正天线阵列射频器件特性导致的幅相一致性失调[4]。

模块化的多通道阵列校正系统如图1所示。将大规模天线阵列分解为多个子阵列，每个子阵列包含若干个通道，每个子阵列接入一个子阵列校正模块，与相邻的前级校正模块或后级校正模块之间通过串馈线级联而形成一个闭环。

图1　模块化的多通道阵列校正系统

上述子阵列校正模块的内部结构如图2所示，包括校正通道、多个耦合器、2个通路选择器和校正单元。通路选择器的3种连接方式如图3所示。在各个子阵列校正模块内部：1)通路选择器1、2均以方式a选通，则校正通道与本模块内通道1和通道M连通；2)通路选择器1、2分别以方式c、方式b选通，则各个子阵列通道1通过模块间馈线与前级子阵列的校正通道连通；3)通路选择器1、2分别以方式b、方式c选通，则各个子阵列通道M通过模块间馈线与后级子阵列的校正通道连通。

图2　子阵列校正模块内部结构

图3　通路选择器3种选通方式

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，通过改变2个通路选择器的选通方式，将每个模块内的校正通道分别和模块内参考通道、前/后级模块参考通道连接，逐步完成模块内幅相一致性校正和模块间幅相一致性校正。模块化校正方案流程如图4所示。

图4　模块化校正方案流程

2.2模块内校正

对于任一模块A内部的M通道天线阵的幅相一致性校正，采用模块内并馈的方式，通过校正通道分别发送校正信号馈送到各个接收通道，以及各个发送通道发送正交校正信号馈送到校正通道接收，从而分别完成收/发的校正。2个通路选择器均以方式a选通。

M个通道同时发送正交多音校正信号到校正通道，测量得到发送校正环路的信道响应XT,Am=HT,AmHR,Acal，其中m= 1, 2,…,M，XT,Am表示测量得到的模块A发送校正环路的信道响应，包括第m个通道的TX信道响应HT,Am和校正通道的RX信道响应HR,Acal。

再通过校正通道，发送校正信号到第1～M通道接收，用于测量得到接收校正环路的信道响应XR,Am=HT,AcalHR,Am，其中XR,Am表示测量得到的接收校正环路的信道响应，包括校正通道的TX信道响应HT,Acal和第m个通道的RX信道响应HR,Am。

若所有通道以通道1为参考通道，分别计算：

(1)

式中，kT,Am、kR,Am分别表示通道m与通道1之间的发通道差异与收通道差异。需要指出的是，此处得到的kT,Am、kR,Am是建立在不同通道间馈线导致的一致性误差相同的前提下。

2.3模块间校正

对于模块间的收/发通道幅相一致性校正，通过模块间串馈方式来完成，需要进行两次校正过程。以任意两个相邻模块A、模块B的模块间校正为例：首先，将通路选择器1、2分别以方式c、方式b选通。模块B通道1发送校正信号到模块A的校正通道，测量得到模块间发送校正环路的信道响应YT,A=HT,B1HAB·HR,Acal，其中YT,A表示测量得到的发送校正环路的信道响应，包括模块B通道1的TX信道响应HT,B1和模块A、B间馈线信道响应HAB，以及模块A校正通道的RX信道响应HR,Acal。

再通过模块A校正通道发送校正信号到模块B通道1接收，用于测量得到模块间接收校正环路的信道响应YR,A=HT,AcalHABHR,B1，其中YR,A表示测量得到的接收校正环路的信道响应，包括模块A校正通道的TX信道响应HT,Acal和从模块A到B间馈线信道响应HAB，以及模块B通道1的RX信道响应HR,B1。

然后以模块A通道M为参考，比较模块B通道1与模块A通道M的收/发通道差异，这里的收/发通道包含了串馈线引入的差异无法消除。可以获得wR,A和wT,A：

(2)

式中，XT,Am、XR,Am已在内部校正时获取。

接下来将通路选择器1、2分别以方式b、方式c选通。模块A通道M发送校正信号到模块B校正通道，测量得到模块间发送校正环路的信道响应YT,B=HT,AMHABHR,Bcal，其中YT,B表示测量得到的发送校正环路的信道响应，包括模块A通道M的TX信道响应HT,AM和从模块A到B间馈线信道响应HAB，以及模块B校正通道的RX信道响应HR,Bcal。

再通过模块B校正通道发送校正信号到模块A通道M接收，用于测量得到模块间接收校正环路的信道响应YR,B=HT,BcalHABHR,AM，其中YR,B表示测量得到的接收校正环路的信道响应，包括模块B校正通道的TX信道响应HT,Bcal和从模块B到A间馈线信道响应HAB，以及模块A通道M的RX信道响应HR,AM。

然后以模块B通道1为参考，比较模块B通道1与模块A通道M的收/发通道差异，这里的收/发通道包含了串馈线引入的差异无法消除。由于内部校正时已经获取XT,Bm、XR,Bm，可以获得wR,B和wT,B：

(3)

至此，测量步骤结束，为消去AB间馈线的影响，下一步计算模块A、B间收/发参考通道的转换系数gR、gT：

(4)

如果所有模块均以模块A通道1为参考通道，将模块B各通道收/发与其校正，那么模块B各通道校正系数可以表示为：

(5)

2.4增加校正算法可靠性

将多个模块循环连接进行校正可以增加校正算法的可靠性。对于应用于K个模块的多模块校正，只需将模块1、模块2、…、模块K相邻模块用串馈线连接，并将模块K与模块1连接。将模块1、模块2串接即可将模块2与模块1校正，…，将模块K-1与模块K串接即可将模块K与K-1校正，这样理论上所有模块就都校正完毕了。在实际方案中，还需将模块K与模块1串接，这样形成闭环，可以由模块1与2，2与3，…，K-1与K模块间校正结果推算得到模块1与模块K的通道间一致性校正结果，再与直接进行模块1、K间的一致性校正差异进行比对，从而增加算法的可靠性。

3　硬件实现设计

对于校正系统的硬件实现，由于校正原理与目标不同，所需的校正电路的要求也不尽相同。

本文提出的校正方案中，影响通道间一致性校正的是各个通道间的收通道一致性差异以及各个通道间发通道的一致性差异。所以对于一致性校正，各个通道间的馈线、开关元件的差异就不能过大，否则校正效果就不能实现了。

对于馈线的要求：模块内部馈线间网络各通道间差异不能过大，需要保证馈线差异造成的误差相对于校正最小精度要更小。

对于开关元件的要求：开关元件需与馈线的特性相似，在校正步骤中的理论分析都是以其理想特性(相当于导线)来分析的，需要找到一种损耗低的元件来实现。通过一定的器件调研，MEMS开关是可取的元件之一，射频MEMS开关相较于PIN开关和FET开关可靠性更高、隔离度更好[5]，可以在本文提出的模块化校正方案的通路选择器硬件实现中得到应用。

4　结束语

本文提出了一种模块化的宽带多功能阵列通道间幅相一致性校正方案，以一个校正模块为一个基本单元，多个校正模块间通过馈线串联的方式连接在一起，组成大规模天线阵列的校正系统。各个校正模块间工作模式、校正机制均相同，这样的校正机制适用于标准化、模块化的生产制造，大大增加了布阵灵活性，降低了生产成本开销。■

[1]梁百川. 对MIMO雷达的电子侦察技术[J]. 舰船电子对抗, 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]谢玉堂. 宽带无线通信系统中的载波同步及天线校准研究[D]. 中国科学技术大学,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。

杨晟(1991-)，男，硕士研究生，主要研究方向为高速数字信号处理系统的软硬件实现。

TN971

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