相控阵发送装置制造方法
相控阵发送装置制造方法
【专利摘要】相控阵发送装置设有：通过耦合器单元(161、162)抽取多个发送分支(101、102)的发送输出，对抽取出的各发送分支的信号电平分别进行检波的分支检波单元(121、122)；以及对由信号合成单元(110)合成来自抽取出的两个分支的输出后得到的输出进行检波的合成检波单元(130)，比较分支检波单元(121、122)的输出电平而检测并校正振幅误差，并根据合成检波单元(130)的输出电平来检测并校正相位误差。
【专利说明】相控阵发送装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及通过相控阵天线发送无线信号的相控阵发送装置。
【背景技术】
[0002]相控阵天线技术是在无线通信及雷达领域中广泛使用的技术，通过对发送装置应用本技术，可进行波束指向性的形成和波束的电子扫描。例如，可在无线通信领域中，形成波束而使天线增益提高来扩展通信区域的范围，或者根据基站中容纳用户数来动态地控制覆盖区域。此外，在对雷达的应用中，从发送装置对检测对象物发射通过相控阵天线形成的指向性尖锐的波束，可以抑制来自非检测对象物的反射(杂乱回波)，有提高检测精度的效果O
[0003]专利文献I的阵列天线发送装置中，使用了相控阵天线技术的发送装置通过将多个天线元件配置为阵列状，适当地控制对各天线元件馈电的多个并联发送系统(以下称为‘发送分支’)的各相位和振幅，得到作为天线期望的指向性增益。
[0004]在相控阵天线的无线发送中，作为校正相位误差及振幅误差的技术，例如有专利文献I中展示的以往例。专利文献I的阵列天线发送装置及接收装置是具备对多个天线分别馈电的射频(RF)发送单元并形成波束的结构，另外设有用于检测各发送分支的振幅相位误差的校准用射频接收单元、快速傅立叶变换单元、校准值测定单元。为了实现误差校正，通过依次接收处理由切换开关抽取的各发送分支的发送信号，计算用于误差检测和校正的校准值。然后，通过基于算出的校准值，反馈到各发送分支，来校正相位误差及振幅误差。
[0005]现有技术文献
[0006]专利文献
[0007]专利文献1:日本特开2005— 348236号公报
【发明内容】
[0008]发明要解决的问题
[0009]本发明人研究了与在各发送分支的相位和振幅上产生误差的情况对应的相控阵发送装置。但是，在以往的使用相控阵的方法中，在各发送分支的相位和振幅上产生了误差的情况下，难以得到充分应对的相控阵发送装置。
[0010]本发明鉴于上述情况而完成，其目的在于，在相控阵天线的无线发送中，抑制电路的增大或消耗功率的增加，通过简单的结构，可校正发送分支间的发送信号的相位误差及振幅误差。
[0011]解决问题的方案
[0012]本发明提供相控阵发送装置，具备第一发送分支及第二发送分支，所述第一发送分支及第二发送分支具有:发送单元，发送无线频率的发送信号；相位调整单元，调整所述发送信号的相位；振幅调整单元，调整所述发送信号的振幅；天线单元，将所述发送单元的输出信号发射到空间；以及耦合器单元，取出所述发送单元的一部分输出，所述相控阵发送装置包括:第一分支检波单元及第二分支检波单元，对来自所述第一发送分支及所述第二发送分支的各个耦合器单元的输出电平进行检波；信号合成单元，合成来自所述第一发送分支及第二发送分支的耦合器单元的输出；合成检波单元，对来自所述信号合成单元的输出电平进行检波；振幅控制单元，根据所述第一分支检波单元及第二分支检波单元的检波输出，控制所述振幅调整单元；以及相位控制单元，根据所述合成检波单元的检波输出，控制所述相位调整单元。
[0013]根据该结构，抑制电路的增大或消耗功率的增加，通过简单的结构，可以校正发送分支间的发送信号的相位误差及振幅误差，在相控阵天线中可形成精度高的发送波束。
[0014]发明的效果
[0015]根据本发明，在相控阵天线的无线发送中，抑制电路的增大或消耗功率的增加，通过简单的结构，可以校正发送分支间的发送信号的相位误差及振幅误差。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1是表示第I实施方式的相控阵发送装置的结构的方框图。
[0017]图2是表示第2实施方式的相控阵发送装置的结构的方框图。
[0018]图3是表示第3实施方式的相控阵发送装置的结构的方框图。
[0019]图4是表示第4实施方式的相控阵发送装置的结构的方框图。
[0020]图5是第4实施方式的合成分配单元的动作说明图，(A)是表示输入输出端子的图，(B)是表示一例各输入输出端子的振幅和相位的对应关系的图。
[0021]图6是表示第5实施方式的相控阵天线的分支间校正装置的内部结构的方框图。
[0022]图7是表示第I分支的延迟器中的相位延迟量和LPF的输出信号之间关系的模拟结果的曲线图。
[0023]图8是表示第6实施方式的相控阵天线的分支间校正装置的内部结构的方框图。
[0024]图9是表示第I分支的延迟器中的相位延迟量和LPF的输出信号之间关系的模拟结果的曲线图。
[0025]图10是表示第7实施方式的相控阵天线的分支间校正装置的内部结构的方框图。
[0026]图11是表示一例相位调整表的说明图。
[0027]图12是表示第8实施方式的相控阵天线的分支间校正装置的内部结构的方框图。
[0028]图13是表示第9实施方式的相控阵天线的分支间校正装置的内部结构的方框图。
[0029]图14是表示第10实施方式的相控阵天线的分支间校正装置的内部结构的方框图。
[0030]图15是表示将分别输入来自各分支的高频信号的电路元件使用非线性元件替代混频器的结构例的方框图。
[0031]图16是表示包括N个高频信号的环回路径(loopback path)和N个下变频用的混频器的N分支的发送装置的内部结构的方框图。
[0032]标号说明
[0033]11、12、13、14 天线单元
[0034]101U02U03U04 发送分支[0035]110,210信号合成单元
[0036]121、122分支检波单元
[0037]130、230、431、432 合成检波单元
[0038]140、240、440相位控制单元
[0039]150,250振幅控制单元
[0040]161、162、163、164 耦合器单元
[0041]171、172、173、174 发送单元
[0042]181、182、183、184 相位调整单元
[0043]191、192、193、194 振幅调整单元
[0044]331、332、333分支间误差检测单元
[0045]350相位振幅控制单元
[0046]410合成分配单元
[0047]1005,1011,1017 调制单元
[0048]1006、1006a、1006c、1006e、1012、1012a、1012c、1012e、1018、1018a、1018c、1018e
延迟器
[0049]1007、1013、1019 DAC
[0050]1008、1009、1014、1015、1020 混频器
[0051]1010、1010a、1010b、1010c、1010d、1010e、1016、1016a、1016b、1016c、1016d、1016eLPF
[0052]1021 开关(SW)
[0053]1022 ADC
[0054]1023、1023a、1023b、1023c、1023d、1023e 延迟控制单元
[0055]1024、1024d、1024e、1025、1025d、1025e、1026、1026d、1026e 调换单元
[0056]1040非线性元件
[0057]1000、1000a、1000b、1000c、1000d、IOOOe 相控阵天线的分支间校正装置
[0058]A、Aa、Ab、Ac、Ad、Ae 第 I 分支
[0059]Ant1、Ant2、Ant3 天线
[0060]B、Ba、Bb、Be、BcU Be 第 2 分支
[0061]C、Ca、Cb、Ce、Cd、Ce 第 3 分支
[0062]LoGen、LoGena、LoGenb、LoGenc、LoGencU LoGene 本地(local)信号生成单兀
[0063]M存储器
[0064]PTB相位调整表
【具体实施方式】
[0065]<获得实施方式I?4的经过>
[0066]各发送分支的相位和振幅被高精度地控制，但在它们中产生误差时，例如，由于波束的形状的变形，产生主波束以外的强波束，特性劣化。
[0067]因此，在相控阵天线的无线发送中，在发送分支间的振幅和相位的控制上产生误差的情况下，寻求校正误差的技术。就产生误差的原因来说，例如考虑到有电路组装上的使用部件的性能的不均、集成电路上的工艺(process)的不均、使用环境(例如，温度)造成的变化、各发送分支中使用的电源的性能的不均的各种各样的因素。
[0068]此外，例如在下列参考专利文献I中所示的相控阵发送装置中，具备:保存了校正相位信息的校正相位存储装置；以及获取有关各实际时间延迟相移器的延迟时间的信息，指示与各实际时间延迟相移器的延迟时间对应的校正相位的校正相位指示电路；通过相移器和延迟器校正各发送分支间的相位误差。
[0069](参考专利文献I)日本特开2002-76743号公报
[0070]但是，上述专利文献I所记载的以往例，是为了分别检测各发送分支的相位误差及振幅误差，附加设置了将发送系统的环回信号进行下变频处理，通过进行FFT运算来检测相位误差的校准用的接收系统的结构。因此，电路量及消耗功率增大。
[0071]以下，说明本发明的相控阵发送装置的实施方式。再有，在以下的实施方式中，对同一结构附加同一标号，其说明因重复而省略。这里，将使用了相控阵天线技术的无线发送装置(相控阵天线的无线发送装置)记载为“相控阵发送装置”。
[0072](第I实施方式)
[0073]图1是表示本发明的第I实施方式的相控阵发送装置的结构的方框图。在第I实施方式中，作为多个并联发送系统，表示具有两个发送分支的结构例。再有，在具有三个以上发送分支的结构中也可适用。
[0074]第I实施方式的相控阵发送装置具备:发送分支101、102 ;信号合成单元110 ;分支检波单元121、122 ;合成检波单元130 ;相位控制单元140 ;以及振幅控制单元150。
[0075]发送分支101、102具有在相控阵发送装置中对多个的各天线分别馈电发送信号，并进行发送信号的调制以及上变频到无线频率信号的功能。各发送分支101、102具有相同结构。
[0076]S卩，发送分支101包括天线单元11、耦合器单元161、发送单元171、相位调整单元181、以及振幅调整单元191，发送分支102包括天线单元12、耦合器单元162、发送单元172、相位调整单元182、以及振幅调整单元192。
[0077]天线单元11、12将发送信号发射到空间，通过多个天线的排列而构成阵列天线。在相控阵天线中，根据天线单体的指向性、多个天线的配置间隔、馈电给各天线的发送信号的电平和相位，发送波束的形状理论性地确定。
[0078]耦合器单元161、162设置在各天线单元11、12这一侧的天线端子附近，具有抽取一部分所馈电的发送信号的功能。考虑到发送信号的质量劣化，设定抽取电平，以使其相对于发送信号为十分之一左右或十分之一以下。对于高频的发送信号，例如，对于发送信号的传输路径，可以通过电场耦合或磁场耦合的分布耦合线路、或电容值比较小的电容器、电感器、变压器的无源电路来实现耦合器单元161、162。
[0079]发送单元171、172包括所谓功率放大器及混频器电路1711、1712的高频电路(RF电路)，具有进行发送信号的调制及上变频为无线频带的功能。
[0080]相位调整单元181、182具有在各发送分支101、102中调整发送信号的相位的功能，例如通过相移器来实现。在相控阵发送装置中，根据发送波束的形状及方向、旁瓣抑制量这类的要求规格，理论性地确定各发送分支中需要的相位，而通过相位调整单元181、182进行调整，以使其成为所需的相移量。[0081]再有，发送信号的相位调整不论对于基带信号和无线频率信号中的哪一个进行都可以。此外，对于在将基带信号上变频的情况下使用的本机振荡信号也可以进行相位调整。
[0082]S卩，相位调整单元181、182可以如图示例子那样设在基带的电路中，也可以设在无线频带的电路中。即，可以设在发送单元171、172的内部，或者，可以设在耦合器单元161,162和发送单元171、172之间，也可以设在未图示的本机振荡信号源和位于发送单元171,172中的上变频用的混频器电路1711、1712之间。
[0083]振幅调整单元191、192具有在各发送分支101、102中调整发送信号的振幅的功能，例如通过可变增益放大器、可变衰减器这类的电路来实现。在相控阵发送装置中，根据发送波束的形状及方向、旁瓣抑制量这类的要求规格，各发送分支中需要的振幅是理论性地确定的，通过振幅调整单元191、192进行调整，以使其成为需要的信号电平(振幅)。
[0084]再有，发送信号的振幅调整对于基带信号和无线频率信号中的哪一个进行都可以。此外，也可以对于在将基带信号上变频的情况下使用的本机振荡信号进行振幅调整。
[0085]即，与相位调整单元181、182同样，振幅调整单元191、192可以如图示例子那样设在基带的电路中，或者也可以设在无线频带的电路中。即，可以设在发送单元171、172的内部，或者，可以设在耦合器单元161、162和发送单元171、172之间，也可以设在未图示的本机振荡信号源和位于发送单元171、172中的上变频用的混频器电路1711、1712之间。
[0086]此外，发送单元171、172、相位调整单元181、182、以及振幅调整单元191、192的配置顺序不限于图示的顺序，不论以哪个顺序排列、配置都可以。
[0087]信号合成单元110与耦合器单元161、162的抽取输出端连接，具有将耦合器单元161和耦合器单元162的抽取信号的输出相加的功能。信号合成单元110例如通过将两个信号进行功率合成的威尔金森型功率合成器这类的无源电路来实现。
[0088]在来自稱合器单兀161和稱合器单兀162的输入信号为同振幅且同相位时,信号合成单兀110的输出为振幅最大。另一方面，在来自稱合器单兀161、162的两个输入信号同振幅且反相位、即180度相位差时，信号合成单元110的输出为零。
[0089]分支检波单元121、122与耦合器单元161、162的抽取输出端子连接，具有通过对耦合器单元161、162的输出分别进行检波，测定各发送分支101、102的发送输出电平的功能。分支检波单元121、122例如通过二极管或FET的平方检波器这类简单并且低功率的电路来实现。此外，分支检波器121、122可以根据需要通过将放大器和检波器组合来提高检波性能。
[0090]合成检波单元130与信号合成单元110的输出端连接，具有对信号合成单元110的输出电平进行检波并测定的功能。与分支检波单元121、122同样，合成检波单元130例如通过二极管或FET的平方检波器这类的简单且低功率的电路来实现。此外，合成检波单元130可以根据需要通过将放大器和检波器组合来提高检波性能。
[0091]相位控制单元140与合成检波单元130的输出端及振幅控制单元150连接，具有根据合成检波单元130的输出，控制在各发送分支101、102中设置的相位调整单元181、182的功能。相位控制单元140主要根据基于期望的发送波束规格算出的相移量的信息，通过在相位调整单元181、182中调整相移量，调整各发送分支101、102的发送信号的相位。
[0092]此外，相位控制单元140基于来自合成检波单元130的输出信息和来自振幅控制单元150的振幅控制信息，对相位调整单元181、182进行微调整，以校正各发送分支间的相位误差。相位控制单元140具有保持相位调整单元181、182中的相移量的信息的相位校正表。再有，也可以在相位调整单元181、182中具备相位校正表。
[0093]振幅控制单元150与分支检波单元121、122的输出端连接，具有根据两个分支检波单元121、122的输出，控制在各发送分支101、102中设置的振幅调整单元191、192的功能。振幅控制单元150主要根据基于期望的发送波束规格算出的振幅量的信息，通过在振幅调整单元191、192中进行电平调整，调整各发送分支101、102的发送信号的电平(振幅)。
[0094]此外，振幅控制单元150基于来自分支检波单元121、122的输出信息，进行对振幅调整单元191、192进行微调整的动作，以校正各发送分支间的振幅误差。此外，振幅控制单元150与相位控制单元140之间，交换振幅控制信息、相位控制信息。振幅控制单元150具有保持振幅调整单元191、192中的振幅调整量的信息的振幅校正表。再有，也可以在振幅调整单元191、192中具备振幅校正表。
[0095]相位控制单元140及振幅控制单元150通过处理器、包括存储器的信息处理电路的数字信号处理来实现，在处理器中，通过使软件程序动作而执行规定的处理，可以实现各功能。
[0096]相位控制单元140中对来自合成检波单元130的检波器输出的电平检测的功能、以及振幅控制单元150中对来自分支检波单元121、122的检波器输出的电平检测的功能，例如通过ADC (A-D变换器)电路来实现，相位控制单元140及振幅控制单元150将数字变换后的检测电平的信息与例如预先保存的阈值进行比较，或者将输出的值存储固定期间，通过输出该期间内的最大值，进行电平检测。
[0097]下面说明本实施方式中的、有关各发送分支间的相位误差及振幅误差的误差校正的过程。
[0098]作为第一过程，振幅控制单元150对振幅调整单元191、192进行调整，以使发送分支101和发送分支102的发送输出电平相同。振幅控制单元150比较分支检波单元121和分支检波单元122的检波输出，从而检查是否相同。
[0099]再有，在两个检波输出不相同的情况下，由于在发送分支间有振幅特性的误差，所以振幅控制单元150对振幅调整单元191及振幅调整单元192的一方或双方进行微调整，以使两个检波输出电平相同，从而校正发送信号的振幅。振幅调整单元191、192例如在以一方为基准而固定的状态中，对另一方进行微调整。
[0100]作为第二过程，在使发送分支101及发送分支102的发送输出电平相同的状态下，相位控制单元140为了使两个发送分支的相位同相而调整相位调整单元181、182。
[0101]相位控制单元140对合成检波单元130的检波输出存储来自未图示的ADC的输出，对相位调整单元181和相位调整单元182的一方或双方进行微调整，选择合成检波单元130的检波输出为最大的调整量。
[0102]再有，合成检波单元130的检波输出为最大的调整量，相当于发送分支间的相位特性为相同的同相条件，也相当于各发送分支中的相位误差。
[0103]此外，相位调整单元181、182例如在将一方作为基准而固定的状态中，通过对另一方进行微调整，可以容易地进行调整。
[0104]作为第三过程，在使发送分支101和发送分支102的发送输出电平相同的状态下，相位控制单元140调整相位调整单元181、182，以使两个发送分支的相位为反相。
[0105]相位控制单元140对合成检波单元130的检波输出存储来自未图示的ADC的输出，对相位调整单元181和相位调整单元182的一方或双方进行微调整，选择合成检波单元130的检波输出为最小的调整量。
[0106]再有，合成检波单元130的检波输出为最小的调整量，相当于发送分支间的相位特性为180度差的反相条件，也相当于各发送分支中的相位误差。
[0107]此外，相位调整单元181、182，例如在将一方作为基准而固定的状态中，通过微调整另一方，可以容易地进行调整。
[0108]作为第四过程，相位控制单元140生成或更新用于调整各发送分支中的相位误差的相位校正表。相位控制单元140根据在第二及第三过程中求得的用于得到同相条件和反相条件的调整量，计算各发送分支中内在的相位误差，从而生成或更新相位校正表的校正数据。即，将调整量作为分支间相位误差并记录在校正表中，通过附加在设定任意的相移量的情况中，可以进行正确的相位的调整。
[0109]再有，在第二过程中求得的调整量与在第三过程中求得的调整量基本上为相同量。因此，可以用第三过程评价在第二过程中得到的调整量是否合适。例如，根据相位调整单元181、182的非线性的因素，在分支的相位误差不同的情况下是有效的。在该情况下，对于同相条件和反相条件的各个条件导出校正表，对于O度和180度之间的相位设定，可以通过以两个校正数据为基础来内插插值来计算校正数据。
[0110]此外，振幅控制单元150生成或更新用于调整各发送分支中的振幅误差的振幅校正表。振幅控制单元150基于在第一过程中的振幅的微调整结果求得的、各发送分支中内在的振幅误差，生成或更新振幅校正表的校正数据。
[0111]例如，在第一过程中，首先，振幅控制单元150对振幅调整单元191、192进行使发送分支101、102的发送输出电平相同的设定，但在分支检波单元121、122的输出不为相同的情况下，判断为在分支间产生了振幅误差。接着，振幅控制单元150确定调整振幅调整单元191、192的某一方或双方的调整量，以使分支检波单元121、122的输出相同。再有，该调整量成为振幅误差的校正数据。
[0112]通过以上过程，进行与各发送分支间的相位误差及振幅误差有关的误差校正。然后，对于各发送分支101、102，以相位校正表和振幅校正表作为基础，通过控制相位调整单元181、182及振幅调整单元191、192，在用于得到期望的波束指向性的相位及振幅的调整中，可以形成抑制了发送分支间的误差的发送波束。
[0113]再有，在实际的运用中，例如，考虑发送分支间的误差的值因环境的变化而变化的情况，定期地进行上述误差校正的过程是有效的。
[0114]再有，在发送分支101、102中，在相位误差因发送信号的振幅而不同的情况下，例如对实际使用时每个需要的振幅求相位误差并校正即可。此外，在相位调整单元181、182的相移器中的相移特性为非线性的情况下，例如对实际使用时每个需要的相移量求相位误差并校正即可。
[0115]此外，即使是进行了上述第二过程和第三过程的其中一方的情况，也可求振幅误差及相位误差并校正。但是，要提高校正表的信息精度，优选进行上述第二过程和第三过程的双方。[0116]如以上，在第I实施方式中，设有信号合成单元110、分支检波单元121、122及合成检波单元130的多个检波单元，进行多个发送分支间的相位误差及振幅误差的检测、调整。
[0117]因此，根据本实施方式，通过使用了小型且可低功率地组装的信号合成单元和检波单元的结构，可以检测两个发送分支间的振幅及相位特性的误差，并且通过简单的过程，可以校正相位误差及振幅误差。由此，作为整体，可以实现通过简易的结构检测并校正各发送分支中的振幅及相位的特性的误差的相控阵发送装置。
[0118]此外，通过耦合器单元161、162，从各发送分支抽取一部分发送信号，所以与通过开关切换要测定的发送分支的结构不同，对于高频的发送信号，可以抑制开关切换时的阻抗变化对发送波的特性的影响。
[0119]而且，由于不需要校准用接收系统，所以可以抑制高精度的接收电路造成的、电路的增大、消耗功率的增加、成本增加。
[0120]此外，由于不需要以某些方法预先获取发送系统中的相位误差的校正信息，储存在校正相位存储装置中，所以可以应对误差因环境(例如，温度)的变化而变化的动态变化。
[0121]此外，由于具有振幅调整单元191、192作为对于振幅误差的校正装置，所以与相位误差同样地可以抑制旁瓣劣化。
[0122]作为结果，在本实施方式中的相控阵发送装置中，通过校准发送分支间的振幅相位调整，可得到期望的波束指向性，可以抑制旁瓣抑制量的劣化。本实施方式的结构与具备将发送信号通过混频器而下变频的接收系统的以往方式的结构比较，以小型、低成本、低功率方式可组装校正上需要的附加电路，在电路的芯片化中也为组装性高的结构。
[0123](第2实施方式)
[0124]图2是表示本发明的第2实施方式的相控阵发送装置的结构的方框图。在第2实施方式中，表示从图1所示的第I实施方式的结构除去了分支检波单元的结构例。再有，在具有三个以上发送分支的结构中也可适用。
[0125]第2实施方式的相控阵发送装置是没有分支检波单元121、122的结构，合成检波单元230的输出端连接到相位控制单元240及振幅控制单元250，合成检波单元230的输出被输入到各控制单元。其他的结构与第I实施方式是同样的，省略说明。
[0126]合成检波单元230除了第I实施方式中的合成检波单元130的功能外，还具有分支检波单元121、122的功能。合成检波单元230在组装方面与第I实施方式同样，例如可以使用二极管或FET的检波器电路构成。
[0127]第2实施方式的基本动作与第I实施方式是同样的，这里以与第I实施方式不同的部分为中心进行说明。
[0128]在有关各发送分支间的相位误差及振幅误差的误差校正的过程中，作为第一过程，在检查各发送分支101、102的发送输出电平的情况下，振幅控制单元250使一个发送分支进行发送动作，参照来自合成检波单元230的输出，检测动作中的发送分支的信号电平。
[0129]然后，振幅控制单元250通过使所有的发送分支依次动作，进行信号电平的检测，通过进行所有发送分支的电平检测，比较全部发送分支的电平，可以检测分支间的振幅误差。然后，振幅控制单元250调整振幅调整单元191、192，以使发送分支101和发送分支102的发送输出电平相同。[0130]以后的第二?第四过程与第I实施方式是同样的，作为第二过程，在使发送分支101和发送分支102的发送输出电平相同的状态下，相位控制单元240调整相位调整单元181,182,以使两个发送分支的相位为同相。此外，作为第三过程，在使发送分支101和发送分支102的发送输出电平相同的状态下，相位控制单元240调整相位调整单元181、182，以使两个发送分支的相位为反相。而且，作为第四过程，相位控制单元240生成或更新用于相位调整的相位校正表，振幅控制单元250生成或更新用于振幅调整的振幅校正表。
[0131]在第2实施方式中，与可进行各发送分支的发送输出电平的同时检测的第I实施方式的结构比较，由于依次进行电平检测而在误差校正处理上会花费时间，但可以通过更少的检波器构成误差检测系统。因此，可通过更简单的结构，进行相位误差及振幅误差的检测、校正。
[0132]如以上那样，根据第2实施方式，相比第I实施方式，可通过更简单的结构，检测两个发送分支间的振幅及相位特性的误差，并且可通过简单的过程，校正相位误差及振幅误差。由此，作为整体，可实现通过简易的结构检测并校正各发送分支中的振幅及相位特性的误差的相控阵发送装置。
[0133](第3实施方式)
[0134]图3是表示本发明的第3实施方式的相控阵发送装置的结构的方框图。在第3实施方式中，表示将图1所示的第I实施方式的结构中的发送分支具备三个以上的结构例。
[0135]在图3中，表示了具备四个发送分支的结构例。即，各发送分支101?104分别具有天线单元101?104、耦合器单元161?164、发送单元171?174、相位调整单元181?184、以及振幅调整单元191?194。各发送分支101?104的结构与第I实施方式是同样的，省略说明。
[0136]此外，在两个发送分支之间，设有分支间误差检测单元331、332、333，具备控制各发送分支的相位调整单元181?184及振幅调整单元191?194的相位振幅控制单元350。相位振幅控制单元350具有相位控制单元和振幅控制单元的功能。
[0137]基本动作与第I实施方式是相同的。以下，说明第3实施方式中的分支间误差检测单元331?333和相位振幅控制单元350的动作。
[0138]分支间误差检测单元331、332、333是分别包括第I实施方式中的信号合成单元110、分支检波单元121、122、以及合成检波单元130的结构。分支间误差检测单元331?333将相邻的两个发送分支的抽取信号进行合成并检波，对相位振幅控制单元350输出合成检波输出。
[0139]例如，在有N个发送分支的情况下，对相位振幅控制单元350输出(N-1)个合成检波输出。此外，分支间误差检测单元331?333检波各个发送分支的抽取信号并输出到相位振幅控制单元350。例如，在有N个发送分支的情况下，对相位振幅控制单元350输出N个检波输出。
[0140]再有，与第2实施方式同样，分支间误差检测单元331?333也可以为以下结构:不设置分支检波单元，而依次输出一方的发送分支的发送信号并通过合成检波单元检波并输出各个发送分支的抽取信号。
[0141]相位振幅控制单元350基于分支间误差检测单元331?333输出的各发送分支的输出信号电平的信息、合成了相邻的发送分支间的信号后的信号电平的信息，按照在第I实施方式中说明的误差校正的过程，进行相位误差及振幅误差的检测和校正。
[0142]关于相位误差校正，通过依次检测相邻的发送分支间的相位误差，可以掌握全部的发送分支间的相位误差。因此，根据本实施方式，对于具有N个发送分支的相控阵发送系统，可以不对于全部的组合(ΝΧ(Ν-1)/2)设置信号合成单元及合成检波单元作为误差检测单元，而可通过(N-1)的信号合成单元及合成检波单元，校正相控阵发送系统整体的相位误差。再有，关于振幅误差校正，对于具有N个发送分支的相控阵发送系统，需要N个分支检波单元作为误差检测单元。
[0143]根据第3实施方式，在使用三个以上天线的相控阵发送装置中，与第I实施方式同样，可以检测全部的发送分支间的振幅及相位特性的误差，并且可以通过简单的过程，校正相位误差及振幅误差。由此，通过控制很多的天线，在进行指向性更高的波束成形的发送装置中，可以实现能够进行高精度的波束成形的相控阵发送装置。
[0144](第4实施方式)
[0145]图4是表示本发明的第4实施方式的相控阵发送装置的结构的方框图。在第4实施方式中，表示变更了图1所示的第I实施方式的结构中的发送分支间的误差检测单元的结构的例子。再有，在具有三个以上发送分支的结构中也可适用。
[0146]第4实施方式的相控阵发送装置是将图1结构中的信号合成单元110置换为合成分配单元410，变更信号合成单元的功能而具有两个输出，设置了对合成分配单元410的两个输出分别进行检波的两个合成检波单元431、432的结构。合成检波单元431、432的输出端连接到相位控制单元440，表示合成分配单元410的两个输出电平的检测信号被输入到相位控制单元440。其他的结构与第I实施方式是同样的，省略说明。
[0147]再有，与第2实施方式同样，也可以是以下结构:不设置分支检波单元，而依次输出一方的发送分支的发送信号 并通过合成检波单元检波并输出各个发送分支的抽取信号。
[0148]基本动作与第I实施方式相同。以下，说明有关第4实施方式中的合成分配单元410、合成检波单元431、432、以及相位控制单元440的动作。
[0149]合成分配单元410例如使用90度混合电路构成,具有两个输入A及B和两个输出C及D。有关90度混合电路的基本功能，例如在参考文献I ( ‘実用7 ^々口波回路設計力'^卜小西良弘著、総合電子出版社、1996年6月、第1版0 13~一 7)中有说明。
[0150]图5是90度混合电路进行的合成分配单元410的动作说明图，(A)表示输入输出端子的图，(B)表不一例各输入输出端子的振幅和相位之间的对应关系的图。对于90度混合电路，表示与输入了两个信号的情况下的输出信号之间的关系。
[0151]在输入A和输入B的振幅相同的情况下，因相位关系的不同在输出C和输出D中会发生变化。在输入A和输入B的相位同相时,输出C和输出D的振幅相同。此外,在输入A和输入B的相位错开的情况下，输出C和输出D的振幅不同。因此，输入A和输入B的两个信号的相位是否相同，可以根据输出C和输出D的振幅是否相同来判定。此外，在输入A和输入B的相位错开90度的情况下，两个输出中的一方为零。
[0152]合成检波单元431、432具有检波并测定合成分配单元410的两个输出C、D的输出电平的功能。
[0153]第4实施方式中的误差校正的过程，在以下方面与第I实施方式中表示的过程不同。[0154]在第4实施方式中，在第二过程中，相位控制单元440通过选择连接到合成分配单元410的两个合成检波单元431、432的输出为相同的调整量，找到发送分支间的相位相同的条件。接着，在第三过程中，相位控制单元440为了使两个发送分支的相位差为90度差而调整相位调整单元181、182，通过选择合成分配单元410的一方的输出为最小的调整量，找到发送分支间的相位特性为90度差的条件。
[0155]根据在这些过程中进行的相位调整单元181、182的调整量，可以检测并校正发送分支间的相位误差。相位控制单元440根据在第二及第三过程中求得的同相条件和得到90度差条件的相移量的信息，计算各发送分支中内在的相位误差，生成或更新相位校正表的校正数据。
[0156]再有，在第4实施方式的结构中，如在第I实施方式的第三过程中说明的，在进行设定以使两个发送分支间的相位为180度差的情况下，在图5中，由于合成分配单元410的两个输出C、D相等，所以与没有发送分支间相位差的情况没有区别。但是，由于合成分配单元410的两个输出有反相的关系，所以如果附加设置将合成分配单元410的两个输出信号进行合成并检波的结构，则还可进行在发送分支间成为180度相位差的情况的判定。
[0157]根据第4实施方式，与第I实施方式相比，可检测使发送分支间的相位差为90度的情况下的发送分支间的振幅及相位特性的误差。因此，对于第I实施方式中得到的同相及180度差条件时的相位校正表，可以追加90度差条件时的相位校正信息，所以特别在实施接近90度相位差的相位控制的情况下，可以实现可进行精度更高的校正的相控阵发送装置。
[0158]再有，在上述实施方式中，说明了在误差校正的过程中，进行第二过程和第三过程双方，从两个相位条件检测并校正发送分支间的相位误差的方法，但即使进行任何一方，也可以检测并校正发送分支间的相位误差。
[0159]再有，还考虑了上述实施方式中示出的、例如信号合成单元或合成分配单元有难以作为进行理想的动作的电路来设计，产生误差的情况。但是，由于上述电路的设计误差是可以预先估计的，所以只需考虑设计误差而控制、校正振幅调整单元及相位调整单元即可。
[0160]在本实施方式中，在通过使用了多个天线的相控阵天线形成波束并发射到空间的相控阵发送装置中，在校正各发送分支间的高频信号特性的振幅及相位误差的情况下，可检测、校正发送分支间的相位误差及振幅误差。
[0161]因此，抑制电路的增大或消耗功率的增加，通过简易的结构，即通过小的电路规模和消耗功率，可以检测并校正发送分支间的发送信号的相位误差及振幅误差。
[0162]通过校正发送分支间的相位误差及振幅误差，可形成精度高的发送波束，使主波束方向的指向性增益提高，可以抑制不需要方向的发射电平。由此，能够有效地控制无线通信中的通信区域、改善链路预算(link budget)、或者提高基于雷达中的来自不需要方向的杂乱回波或多路径抑制的检测精度。
[0163]此外，本实施方式的相控阵发送装置可以通过简单的无源电路组装检测误差的信号合成单元和检波单元。因此，可以实现电路的低消耗功率，对于毫米波频带这类的高频率的发送信号，也容易确保特性，可适用于利用高频的系统。而且，在对高频频带的适用中，信号合成单元、检波单元、耦合器单元这类的处理高频信号的电路部分，可以使用并组装集成化上兼容性高的电路，还可实现系统整体的小型组装。[0164]〈获得实施方式5?10的经过〉
[0165]此外，本发明涉及校正在构成相控阵天线的多个天线中对应设置的各分支系统中的高频信号间的误差的相控阵天线的分支间校正装置及相控阵天线的分支间校正方法。
[0166]〈【背景技术】〉
[0167]近来，相控阵技术不限于检测对象物(目标)的传感检测(sensing)的【技术领域】，在通信【技术领域】中也大范围地被使用。相控阵技术，是使用多个天线元件构成相控阵天线，高精度地控制与各天线元件对应设置的各分支系统(以下称为‘分支’)中的信号间的相位分量的技术。此外，相控阵技术通过高精度地控制各分支中的高频信号间的相位分量，可以形成期望的指向性。
[0168]在相控阵技术中，为了高精度地形成相对期望的发送信号的发送方向或接收信号的到来方向的指向性，需要校正相邻的各分支中的高频信号间的相位偏差。作为校正信号的相位偏差的文献，例如已知下列参考专利文献2。
[0169]下列参考专利文献2的阵列天线发送装置具备使用多个天线元件构成的阵列天线，将发送信号的带宽分割为多个块。阵列天线发送装置通过使用分割后的块内的发送信号进行平均，在相同块内的发送信号中计算共同的校准值。阵列天线发送装置基于算出的校准值，校正在与多个天线元件的各个天线元件对应设置的发送电路的分支间产生的相位偏差。由此，阵列天线发送装置，将装置结构简化，可实现高精度的校准。
[0170](参考专利文献2)日本特开2005-348236号公报
[0171]本发明人研究了与可进行高精度的检测的高频信号(例如，毫米波)对应的相控阵发送装置。但是，在以往的使用相控阵的方法中，难以得到与可进行高精度的检测的高频信号(例如，毫米波)充分对应的相控阵发送装置。
[0172]本发明鉴于上述以往的情况而完成，其目的在于，提供不增大电路规模，高精度地校正与构成相控阵天线的各天线对应设置的各分支中的高频信号间的相位误差的相控阵天线的分支间校正装置及相控阵天线的分支间校正方法。
[0173]<用于解决本发明的课题的方案>
[0174]本发明提供相控阵天线的分支间校正装置，所述相控阵天线具有多个分支，所述分支包括:调制单元，调制基带的发送信号；延迟单元，延迟所述调制后的所述发送信号的相位；混频器单元，将所述延迟后的所述发送信号变换为高频信号；以及天线，发送所述高频信号，该分支间校正装置具备:变频单元，基于从相邻的各个所述分支输出的两个所述高频信号进行变频；滤波器单元，基于来自所述变频单元的输出信号，提取DC分量；以及延迟控制单元，基于由所述滤波器单元提取出的所述DC分量，判定所述分支的所述延迟单元中的规定的相位延迟量，在所述相邻的各个所述分支中任何一个所述延迟单元中，所述延迟控制单元使在所述任何一个分支中调制后的所述发送信号的相位延迟所述判定的所述规定的延迟量。
[0175]此外，本发明提供分支间校正方法，该方法用于具有多个分支的相控阵天线的分支间校正装置，所述分支包括:调制单元，调制基带的发送信号；延迟单元，延迟所述调制后的所述发送信号的相位；混频器单元，将所述延迟后的所述发送信号变换为高频信号；以及天线，发送所述高频信号，该方法包括:基于从相邻的各个所述分支输出的两个所述高频信号进行变频的步骤；基于通过所述变频而输出的输出信号，提取DC分量的步骤；基于所述提取出的所述DC分量，判定所述分支的所述延迟单元中的规定的相位延迟量的步骤；以及在所述相邻的各个所述分支中任何一个所述延迟单元中，使在所述任何一个分支中调制后的所述发送信号的相位延迟所述判定的所述规定的延迟量的步骤。
[0176]〈本发明的效果〉
[0177]根据本发明，不需增大电路规模，就可以高精度地校正与构成相控阵天线的各天线对应设置的各分支中的高频信号间的相位误差。
[0178]〈获得本发明的经过〉
[0179]在上述专利文献I中使用可高精度检测的高频信号(例如，毫米波)时，由于是通过用于切换测定对象的分支的开关元件来反馈高频信号的结构，所以高频信号的相位极大地变化。因此，要在上述相控阵技术中使用高频信号(例如，毫米波)，难以高精度地校正各分支中的高频信号间的相位偏差。
[0180]为了高精度地校正相邻的各分支中高频信号(例如，毫米波)间的相位偏差，设想在输入高频信号的高频电路单元中不设置开关元件的参考专利文献2的结构。在图16所示的N分支(例如N = 3)的发送装置IlOOz中，成为包括用于将来自各分支的N个高频信号输入到开关1034的环回路径和N个下变频用的混频器1031?1033的结构。由此，可以高精度地校正相邻的各分支中高频信号(例如，毫米波)间产生的相位偏差。图16是表示包括N个高频信号的环回路径和N个下变频用的混频器的N分支的发送装置的内部结构的方框图。
[0181]可是，在图16的结构中，需要许多的混频器1008、1014、1020、1031?1033、用于生成在各混频器中使用的本地信号Lo的驱动缓冲器、以及用于分析各混频器1031?1033中下变频后的信号的FFT (Fast Fourier Transform ;快速傅立叶变换)处理单元1036。因此，发送装置IlOOz的电路规模增大，难以降低电路整体的消耗功率。
[0182]以下，参照【专利附图】
【附图说明】本发明的相控阵天线的分支间校正装置及相控阵天线的分支间校正方法的实施方式。
[0183](第5实施方式)
[0184]图6是表示第5实施方式的相控阵天线的分支间校正装置1100的内部结构的方框图。首先，说明相控阵天线的分支间校正装置1100的各单元的结构。
[0185]相控阵天线的分支间校正装置1100是具有多个(N个)发送分支系统(以下称为‘分支’)即第I分支A、第2分支B、第3分支C、混频器(MIX =Mixer) 1009、LPF(Low PassFilter ;低通滤波器)1010、混频器 1015、LPF1016、开关(Sff:Switch) 1021, ADC(AnalogDigital Converter ;模数变换器)1022、延迟控制单元1023及本地信号生成单元LoGen的结构。
[0186]在以下的各实施方式的相控阵天线的分支间校正装置中，表示了参数N = 3的结构，但只要参数N为2以上的自然数即可，在其他的各实施方式中也是同样。
[0187]第I分支A是包括调制单元1005、作为延迟单元的延迟器1006、DAC(DigitalAnalog Converter ;数模变换器)1007、作为混频器单元的混频器1008及天线Antl的结构。同样地，第2分支B是包括调制单元1011、作为延迟单元的延迟器1012、DAC1013、作为混频器单元的混频器1014及天线Ant2的结构。而且，第3分支C是包括调制单元1017、作为延迟单元的延迟器1018、DAC1019、作为混频器单元的混频器1020及天线Ant3的结构。[0188]在以下各实施方式中，由于各分支(第I分支A、第2分支B、第3分支C)的结构及动作是同样的，所以将第I分支A作为例示进行说明。
[0189]接着，说明有关相控阵天线的分支间校正装置1100的各单元的动作。
[0190]相控阵天线的分支间校正装置1100基于LPF1010的输出信号，在延迟控制单元1023中判定在从第I分支A及第2分支B输出的两个高频信号RFl、RF2间产生的相位误差。相控阵天线的分支间校正装置1100基于由延迟控制单元1023判定的相位误差，延迟发送信号的相位，作为第I分支A或第2分支B的基带的发送信号中的相位控制。由此，相控阵天线的分支间校正装置1100可以消除第I分支A、第2分支B间的相位误差。
[0191]相控阵天线的分支间校正装置1100在消除了第I分支A、第2分支B间的相位误差后，同样地，基于LPF1016的输出信号，在延迟控制单元1023中判定在从第2分支B及第3分支C输出的两个高频信号RF2、RF3间产生的相位误差。相控阵天线的分支间校正装置1100基于由延迟控制单元1023判定的相位误差，延迟发送信号的相位，作为第2分支B或第3分支C的基带的发送信号中的相位控制。由此，相控阵天线的分支间校正装置1100可以消除第2分支B、第3分支C间的相位误差。
[0192]作为第I分支A或第2分支B中的基带的发送信号的相位控制的延迟控制和作为第2分支B或第3分支C中的基带的发送信号的相位控制的延迟控制是同样的动作。在以下的各实施方式中，说明有关作为第I分支A或第2分支B中的基带的发送信号的相位控制的延迟控制，省略作为第2分支B或第3分支C中的基带的发送信号的相位控制的延迟控制的说明。
[0193]调制单元1005将用于相位的延迟控制的作为测试信号输入的基带的发送信号例如进行数字调制，数字调制的结果，将使用同相分量的同相信号(I信号)和正交分量的正交信号(Q信号)构成的基带的发送信号输出到延迟器1006。
[0194]作为延迟单元的延迟器1006使用一个或多个触发器(flip-flop)、或FIR(FiniteImpulse Response ;有限冲击响应)滤波器构成。延迟器1006在使用FIR滤波器构成的情况下，与使用一个或多个触发器构成的情况相比，可以高精度地控制延迟。
[0195]延迟器1006输入从调制单元1005输出的基带的发送信号，而且，基于从后述的延迟控制单元1023输出的延迟控制指示，将输入的发送信号的相位延迟规定量。再有，在延迟控制指示中，包含有在延迟器1006中被延迟的相位的延迟量。延迟器1006将延迟了相位后的发送信号输出到DAC1007。
[0196]DAC1007输入从延迟器1006输出的发送信号,将其从数字的发送信号变换为模拟的发送信号。DAC1007将模拟的发送信号输出到混频器1008。
[0197]作为混频器单元的混频器1008输入从DAC1007输出的模拟的发送信号，基于从本地信号生成单元LoGen供给的本地信号Lo，将输入的发送信号进行上变频。混频器1008将通过上变频生成的高频信号RFl (例如毫米波)分别输出到天线Antl及混频器1009。从混频器1008输出的高频信号RFl，通过天线Antl被发送。
[0198]作为变频单元的混频器1009输入从第I分支A的混频器1008输出的高频信号RFl和从第2分支B的混频器1014同样地输出的高频信号FR2。混频器1009将输入的两个高频信号RF1、RF2进行乘法处理，将乘法处理的输出信号Y输出到LPF1010。
[0199]有关混频器1009中的乘法处理，使用算式说明。在式⑴及式(2)中表示两个高频信号RF1、RF2。再有，从各分支(第I分支A、第2分支B、第3分支C)的调制单元(调制单元1005、调制单元1011、调制单元1017)输出的基带的发送信号是角速度ω中同相位的 Cff (Continuous Wave ;连续波)波。
[0200]
【权利要求】
1.相控阵发送装置，具备第一发送分支及第二发送分支，所述第一发送分支及第二发送分支具有: 发送单元，发送无线频率的发送信号； 相位调整单元，调整所述发送信号的相位； 振幅调整单元，调整所述发送信号的振幅； 天线单元，将所述发送单元的输出信号发射到空间；以及 耦合器单元，取出所述发送单元的一部分输出， 所述相控阵发送装置包括: 第一分支检波单元及第二分支检波单元，对来自所述第一发送分支及所述第二发送分支的各个耦合器单元的输出电平进行检波； 信号合成单元，合成来自所述第一发送分支及第二发送分支的耦合器单元的输出； 合成检波单元，对来自所述信号合成单元的输出电平进行检波； 振幅控制单元，根据所述第一分支检波单元及第二分支检波单元的检波输出，控制所述振幅调整单元；以及 相位控制单元，根据所述合成检波单元的检波输出，控制所述相位调整单元。
2.相控阵发送装置，具备第一发送分支及第二发送分支，所述第一发送分支及第二发送分支具有: 发送单元，发送无线频率的发送信号； 相位调整单元，调整所述发送信号的相位； 振幅调整单元，调整所述发送信号的振幅； 天线单元，将所述发送单元的输出信号发射到空间；以及 耦合器单元，取出所述发送单元的一部分输出， 所述相控阵发送装置包括: 信号合成单元，合成来自所述第一发送分支及第二发送分支的耦合器单元的输出； 合成检波单元，对来自所述信号合成单元的输出电平进行检波； 振幅控制单元，根据所述合成检波单元的检波输出，控制所述振幅调整单元；以及 相位控制单元，根据所述合成检波单元的检波输出，控制所述相位调整单元。
3.如权利要求1或2所述的相控阵发送装置， 在校正所述第一发送分支及第二发送分支间的相位误差及振幅误差的情况下， 所述振幅控制单元调整所述第一发送分支及所述第二发送分支的至少一方的振幅调整单元，以使所述第一发送分支及所述第二发送分支的发送输出电平相同， 在使所述第一发送分支及第二发送分支的发送输出电平相同的状态中，所述相位控制单元检测所述信号合成单元的合成输出电平为最大的同相条件、以及所述信号合成单元的合成输出电平为最小的反相条件的至少一方，并调整所述第一发送分支和所述第二发送分支的至少一方的相位调整单元。
4.如权利要求1或2所述的相控阵发送装置， 具备包括所述第一发送分支及第二发送分支的三个以上的发送分支， 具备包括所述信号合成单元及所述合成检波单元的分支间误差检测单元，将所述三个以上的发送分支中的两个作为所述第一发送分支及第二发送分支，用于检测所述第一发送分支及第二发送分支间的相位误差及振幅误差。
5.如权利要求1或2所述的相控阵发送装置， 所述信号合成单元具有用于输入来自所述第一发送分支及第二发送分支的耦合器单兀的输出的两个输入和对所述两个输入的输入信号进行合成及分配后输出的两个输出，并具有在来自所述第一发送分支和所述第二发送分支的各输入信号的振幅相同的情况下，当所述两个输入信号的相位相同时，从所述两个输出来输出相同振幅的信号，当所述两个输入信号的相位不同时，从所述两个输出来输出不同振幅的信号的合成分配单元的功能， 在校正所述第一发送分支及第二发送分支间的相位误差及振幅误差的情况下， 所述振幅控制单元调整所述第一发送分支和所述第二发送分支的至少一方的振幅调整单元，以使所述第一发送分支及所述第二发送分支的发送输出电平为相同振幅， 在所述第一发送分支及第二发送分支的发送输出电平为相同的状态下，所述相位控制单元检测所述合成分配单元的两个输出电平为相同的同相条件、以及使所述合成分配单元的两个振幅的输出电平的一方为零的90度差条件，并调整所述第一发送分支和所述第二发送分支的至少一方的相位调整单元。
6.如权利要求1至5中任意一项所述的相控阵发送装置，还具有: 相位校正表，具有用于调整所述第一发送分支及第二发送分支的各发送分支中的相位误差的校正数据；以及 振幅校正表，具有用于调整所述第一发送分支及第二发送分支的各发送分支中的振幅误差的校正数据， 所述相位控制单元生成或更新所述相位校正表，根据所述相位校正表的校正数据，调整所述相位调整单元， 所述振幅控制单元生成或更新所述振幅校正表，根据所述振幅校正表的校正数据，调整所述振幅调整单元。
【文档编号】G01S7/02GK103477570SQ201280018754
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2012年8月1日 优先权日:2011年8月2日
【发明者】松尾道明, 森田忠士, 岸上高明, 向井裕人 申请人:松下电器产业株式会社
【专利摘要】相控阵发送装置设有：通过耦合器单元(161、162)抽取多个发送分支(101、102)的发送输出，对抽取出的各发送分支的信号电平分别进行检波的分支检波单元(121、122)；以及对由信号合成单元(110)合成来自抽取出的两个分支的输出后得到的输出进行检波的合成检波单元(130)，比较分支检波单元(121、122)的输出电平而检测并校正振幅误差，并根据合成检波单元(130)的输出电平来检测并校正相位误差。
【专利说明】相控阵发送装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及通过相控阵天线发送无线信号的相控阵发送装置。
【背景技术】
[0002]相控阵天线技术是在无线通信及雷达领域中广泛使用的技术，通过对发送装置应用本技术，可进行波束指向性的形成和波束的电子扫描。例如，可在无线通信领域中，形成波束而使天线增益提高来扩展通信区域的范围，或者根据基站中容纳用户数来动态地控制覆盖区域。此外，在对雷达的应用中，从发送装置对检测对象物发射通过相控阵天线形成的指向性尖锐的波束，可以抑制来自非检测对象物的反射(杂乱回波)，有提高检测精度的效果O
[0003]专利文献I的阵列天线发送装置中，使用了相控阵天线技术的发送装置通过将多个天线元件配置为阵列状，适当地控制对各天线元件馈电的多个并联发送系统(以下称为‘发送分支’)的各相位和振幅，得到作为天线期望的指向性增益。
[0004]在相控阵天线的无线发送中，作为校正相位误差及振幅误差的技术，例如有专利文献I中展示的以往例。专利文献I的阵列天线发送装置及接收装置是具备对多个天线分别馈电的射频(RF)发送单元并形成波束的结构，另外设有用于检测各发送分支的振幅相位误差的校准用射频接收单元、快速傅立叶变换单元、校准值测定单元。为了实现误差校正，通过依次接收处理由切换开关抽取的各发送分支的发送信号，计算用于误差检测和校正的校准值。然后，通过基于算出的校准值，反馈到各发送分支，来校正相位误差及振幅误差。
[0005]现有技术文献
[0006]专利文献
[0007]专利文献1:日本特开2005— 348236号公报
【发明内容】
[0008]发明要解决的问题
[0009]本发明人研究了与在各发送分支的相位和振幅上产生误差的情况对应的相控阵发送装置。但是，在以往的使用相控阵的方法中，在各发送分支的相位和振幅上产生了误差的情况下，难以得到充分应对的相控阵发送装置。
[0010]本发明鉴于上述情况而完成，其目的在于，在相控阵天线的无线发送中，抑制电路的增大或消耗功率的增加，通过简单的结构，可校正发送分支间的发送信号的相位误差及振幅误差。
[0011]解决问题的方案
[0012]本发明提供相控阵发送装置，具备第一发送分支及第二发送分支，所述第一发送分支及第二发送分支具有:发送单元，发送无线频率的发送信号；相位调整单元，调整所述发送信号的相位；振幅调整单元，调整所述发送信号的振幅；天线单元，将所述发送单元的输出信号发射到空间；以及耦合器单元，取出所述发送单元的一部分输出，所述相控阵发送装置包括:第一分支检波单元及第二分支检波单元，对来自所述第一发送分支及所述第二发送分支的各个耦合器单元的输出电平进行检波；信号合成单元，合成来自所述第一发送分支及第二发送分支的耦合器单元的输出；合成检波单元，对来自所述信号合成单元的输出电平进行检波；振幅控制单元，根据所述第一分支检波单元及第二分支检波单元的检波输出，控制所述振幅调整单元；以及相位控制单元，根据所述合成检波单元的检波输出，控制所述相位调整单元。
[0013]根据该结构，抑制电路的增大或消耗功率的增加，通过简单的结构，可以校正发送分支间的发送信号的相位误差及振幅误差，在相控阵天线中可形成精度高的发送波束。
[0014]发明的效果
[0015]根据本发明，在相控阵天线的无线发送中，抑制电路的增大或消耗功率的增加，通过简单的结构，可以校正发送分支间的发送信号的相位误差及振幅误差。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1是表示第I实施方式的相控阵发送装置的结构的方框图。
[0017]图2是表示第2实施方式的相控阵发送装置的结构的方框图。
[0018]图3是表示第3实施方式的相控阵发送装置的结构的方框图。
[0019]图4是表示第4实施方式的相控阵发送装置的结构的方框图。
[0020]图5是第4实施方式的合成分配单元的动作说明图，(A)是表示输入输出端子的图，(B)是表示一例各输入输出端子的振幅和相位的对应关系的图。
[0021]图6是表示第5实施方式的相控阵天线的分支间校正装置的内部结构的方框图。
[0022]图7是表示第I分支的延迟器中的相位延迟量和LPF的输出信号之间关系的模拟结果的曲线图。
[0023]图8是表示第6实施方式的相控阵天线的分支间校正装置的内部结构的方框图。
[0024]图9是表示第I分支的延迟器中的相位延迟量和LPF的输出信号之间关系的模拟结果的曲线图。
[0025]图10是表示第7实施方式的相控阵天线的分支间校正装置的内部结构的方框图。
[0026]图11是表示一例相位调整表的说明图。
[0027]图12是表示第8实施方式的相控阵天线的分支间校正装置的内部结构的方框图。
[0028]图13是表示第9实施方式的相控阵天线的分支间校正装置的内部结构的方框图。
[0029]图14是表示第10实施方式的相控阵天线的分支间校正装置的内部结构的方框图。
[0030]图15是表示将分别输入来自各分支的高频信号的电路元件使用非线性元件替代混频器的结构例的方框图。
[0031]图16是表示包括N个高频信号的环回路径(loopback path)和N个下变频用的混频器的N分支的发送装置的内部结构的方框图。
[0032]标号说明
[0033]11、12、13、14 天线单元
[0034]101U02U03U04 发送分支[0035]110,210信号合成单元
[0036]121、122分支检波单元
[0037]130、230、431、432 合成检波单元
[0038]140、240、440相位控制单元
[0039]150,250振幅控制单元
[0040]161、162、163、164 耦合器单元
[0041]171、172、173、174 发送单元
[0042]181、182、183、184 相位调整单元
[0043]191、192、193、194 振幅调整单元
[0044]331、332、333分支间误差检测单元
[0045]350相位振幅控制单元
[0046]410合成分配单元
[0047]1005,1011,1017 调制单元
[0048]1006、1006a、1006c、1006e、1012、1012a、1012c、1012e、1018、1018a、1018c、1018e
延迟器
[0049]1007、1013、1019 DAC
[0050]1008、1009、1014、1015、1020 混频器
[0051]1010、1010a、1010b、1010c、1010d、1010e、1016、1016a、1016b、1016c、1016d、1016eLPF
[0052]1021 开关(SW)
[0053]1022 ADC
[0054]1023、1023a、1023b、1023c、1023d、1023e 延迟控制单元
[0055]1024、1024d、1024e、1025、1025d、1025e、1026、1026d、1026e 调换单元
[0056]1040非线性元件
[0057]1000、1000a、1000b、1000c、1000d、IOOOe 相控阵天线的分支间校正装置
[0058]A、Aa、Ab、Ac、Ad、Ae 第 I 分支
[0059]Ant1、Ant2、Ant3 天线
[0060]B、Ba、Bb、Be、BcU Be 第 2 分支
[0061]C、Ca、Cb、Ce、Cd、Ce 第 3 分支
[0062]LoGen、LoGena、LoGenb、LoGenc、LoGencU LoGene 本地(local)信号生成单兀
[0063]M存储器
[0064]PTB相位调整表
【具体实施方式】
[0065]<获得实施方式I?4的经过>
[0066]各发送分支的相位和振幅被高精度地控制，但在它们中产生误差时，例如，由于波束的形状的变形，产生主波束以外的强波束，特性劣化。
[0067]因此，在相控阵天线的无线发送中，在发送分支间的振幅和相位的控制上产生误差的情况下，寻求校正误差的技术。就产生误差的原因来说，例如考虑到有电路组装上的使用部件的性能的不均、集成电路上的工艺(process)的不均、使用环境(例如，温度)造成的变化、各发送分支中使用的电源的性能的不均的各种各样的因素。
[0068]此外，例如在下列参考专利文献I中所示的相控阵发送装置中，具备:保存了校正相位信息的校正相位存储装置；以及获取有关各实际时间延迟相移器的延迟时间的信息，指示与各实际时间延迟相移器的延迟时间对应的校正相位的校正相位指示电路；通过相移器和延迟器校正各发送分支间的相位误差。
[0069](参考专利文献I)日本特开2002-76743号公报
[0070]但是，上述专利文献I所记载的以往例，是为了分别检测各发送分支的相位误差及振幅误差，附加设置了将发送系统的环回信号进行下变频处理，通过进行FFT运算来检测相位误差的校准用的接收系统的结构。因此，电路量及消耗功率增大。
[0071]以下，说明本发明的相控阵发送装置的实施方式。再有，在以下的实施方式中，对同一结构附加同一标号，其说明因重复而省略。这里，将使用了相控阵天线技术的无线发送装置(相控阵天线的无线发送装置)记载为“相控阵发送装置”。
[0072](第I实施方式)
[0073]图1是表示本发明的第I实施方式的相控阵发送装置的结构的方框图。在第I实施方式中，作为多个并联发送系统，表示具有两个发送分支的结构例。再有，在具有三个以上发送分支的结构中也可适用。
[0074]第I实施方式的相控阵发送装置具备:发送分支101、102 ;信号合成单元110 ;分支检波单元121、122 ;合成检波单元130 ;相位控制单元140 ;以及振幅控制单元150。
[0075]发送分支101、102具有在相控阵发送装置中对多个的各天线分别馈电发送信号，并进行发送信号的调制以及上变频到无线频率信号的功能。各发送分支101、102具有相同结构。
[0076]S卩，发送分支101包括天线单元11、耦合器单元161、发送单元171、相位调整单元181、以及振幅调整单元191，发送分支102包括天线单元12、耦合器单元162、发送单元172、相位调整单元182、以及振幅调整单元192。
[0077]天线单元11、12将发送信号发射到空间，通过多个天线的排列而构成阵列天线。在相控阵天线中，根据天线单体的指向性、多个天线的配置间隔、馈电给各天线的发送信号的电平和相位，发送波束的形状理论性地确定。
[0078]耦合器单元161、162设置在各天线单元11、12这一侧的天线端子附近，具有抽取一部分所馈电的发送信号的功能。考虑到发送信号的质量劣化，设定抽取电平，以使其相对于发送信号为十分之一左右或十分之一以下。对于高频的发送信号，例如，对于发送信号的传输路径，可以通过电场耦合或磁场耦合的分布耦合线路、或电容值比较小的电容器、电感器、变压器的无源电路来实现耦合器单元161、162。
[0079]发送单元171、172包括所谓功率放大器及混频器电路1711、1712的高频电路(RF电路)，具有进行发送信号的调制及上变频为无线频带的功能。
[0080]相位调整单元181、182具有在各发送分支101、102中调整发送信号的相位的功能，例如通过相移器来实现。在相控阵发送装置中，根据发送波束的形状及方向、旁瓣抑制量这类的要求规格，理论性地确定各发送分支中需要的相位，而通过相位调整单元181、182进行调整，以使其成为所需的相移量。[0081]再有，发送信号的相位调整不论对于基带信号和无线频率信号中的哪一个进行都可以。此外，对于在将基带信号上变频的情况下使用的本机振荡信号也可以进行相位调整。
[0082]S卩，相位调整单元181、182可以如图示例子那样设在基带的电路中，也可以设在无线频带的电路中。即，可以设在发送单元171、172的内部，或者，可以设在耦合器单元161,162和发送单元171、172之间，也可以设在未图示的本机振荡信号源和位于发送单元171,172中的上变频用的混频器电路1711、1712之间。
[0083]振幅调整单元191、192具有在各发送分支101、102中调整发送信号的振幅的功能，例如通过可变增益放大器、可变衰减器这类的电路来实现。在相控阵发送装置中，根据发送波束的形状及方向、旁瓣抑制量这类的要求规格，各发送分支中需要的振幅是理论性地确定的，通过振幅调整单元191、192进行调整，以使其成为需要的信号电平(振幅)。
[0084]再有，发送信号的振幅调整对于基带信号和无线频率信号中的哪一个进行都可以。此外，也可以对于在将基带信号上变频的情况下使用的本机振荡信号进行振幅调整。
[0085]即，与相位调整单元181、182同样，振幅调整单元191、192可以如图示例子那样设在基带的电路中，或者也可以设在无线频带的电路中。即，可以设在发送单元171、172的内部，或者，可以设在耦合器单元161、162和发送单元171、172之间，也可以设在未图示的本机振荡信号源和位于发送单元171、172中的上变频用的混频器电路1711、1712之间。
[0086]此外，发送单元171、172、相位调整单元181、182、以及振幅调整单元191、192的配置顺序不限于图示的顺序，不论以哪个顺序排列、配置都可以。
[0087]信号合成单元110与耦合器单元161、162的抽取输出端连接，具有将耦合器单元161和耦合器单元162的抽取信号的输出相加的功能。信号合成单元110例如通过将两个信号进行功率合成的威尔金森型功率合成器这类的无源电路来实现。
[0088]在来自稱合器单兀161和稱合器单兀162的输入信号为同振幅且同相位时,信号合成单兀110的输出为振幅最大。另一方面，在来自稱合器单兀161、162的两个输入信号同振幅且反相位、即180度相位差时，信号合成单元110的输出为零。
[0089]分支检波单元121、122与耦合器单元161、162的抽取输出端子连接，具有通过对耦合器单元161、162的输出分别进行检波，测定各发送分支101、102的发送输出电平的功能。分支检波单元121、122例如通过二极管或FET的平方检波器这类简单并且低功率的电路来实现。此外，分支检波器121、122可以根据需要通过将放大器和检波器组合来提高检波性能。
[0090]合成检波单元130与信号合成单元110的输出端连接，具有对信号合成单元110的输出电平进行检波并测定的功能。与分支检波单元121、122同样，合成检波单元130例如通过二极管或FET的平方检波器这类的简单且低功率的电路来实现。此外，合成检波单元130可以根据需要通过将放大器和检波器组合来提高检波性能。
[0091]相位控制单元140与合成检波单元130的输出端及振幅控制单元150连接，具有根据合成检波单元130的输出，控制在各发送分支101、102中设置的相位调整单元181、182的功能。相位控制单元140主要根据基于期望的发送波束规格算出的相移量的信息，通过在相位调整单元181、182中调整相移量，调整各发送分支101、102的发送信号的相位。
[0092]此外，相位控制单元140基于来自合成检波单元130的输出信息和来自振幅控制单元150的振幅控制信息，对相位调整单元181、182进行微调整，以校正各发送分支间的相位误差。相位控制单元140具有保持相位调整单元181、182中的相移量的信息的相位校正表。再有，也可以在相位调整单元181、182中具备相位校正表。
[0093]振幅控制单元150与分支检波单元121、122的输出端连接，具有根据两个分支检波单元121、122的输出，控制在各发送分支101、102中设置的振幅调整单元191、192的功能。振幅控制单元150主要根据基于期望的发送波束规格算出的振幅量的信息，通过在振幅调整单元191、192中进行电平调整，调整各发送分支101、102的发送信号的电平(振幅)。
[0094]此外，振幅控制单元150基于来自分支检波单元121、122的输出信息，进行对振幅调整单元191、192进行微调整的动作，以校正各发送分支间的振幅误差。此外，振幅控制单元150与相位控制单元140之间，交换振幅控制信息、相位控制信息。振幅控制单元150具有保持振幅调整单元191、192中的振幅调整量的信息的振幅校正表。再有，也可以在振幅调整单元191、192中具备振幅校正表。
[0095]相位控制单元140及振幅控制单元150通过处理器、包括存储器的信息处理电路的数字信号处理来实现，在处理器中，通过使软件程序动作而执行规定的处理，可以实现各功能。
[0096]相位控制单元140中对来自合成检波单元130的检波器输出的电平检测的功能、以及振幅控制单元150中对来自分支检波单元121、122的检波器输出的电平检测的功能，例如通过ADC (A-D变换器)电路来实现，相位控制单元140及振幅控制单元150将数字变换后的检测电平的信息与例如预先保存的阈值进行比较，或者将输出的值存储固定期间，通过输出该期间内的最大值，进行电平检测。
[0097]下面说明本实施方式中的、有关各发送分支间的相位误差及振幅误差的误差校正的过程。
[0098]作为第一过程，振幅控制单元150对振幅调整单元191、192进行调整，以使发送分支101和发送分支102的发送输出电平相同。振幅控制单元150比较分支检波单元121和分支检波单元122的检波输出，从而检查是否相同。
[0099]再有，在两个检波输出不相同的情况下，由于在发送分支间有振幅特性的误差，所以振幅控制单元150对振幅调整单元191及振幅调整单元192的一方或双方进行微调整，以使两个检波输出电平相同，从而校正发送信号的振幅。振幅调整单元191、192例如在以一方为基准而固定的状态中，对另一方进行微调整。
[0100]作为第二过程，在使发送分支101及发送分支102的发送输出电平相同的状态下，相位控制单元140为了使两个发送分支的相位同相而调整相位调整单元181、182。
[0101]相位控制单元140对合成检波单元130的检波输出存储来自未图示的ADC的输出，对相位调整单元181和相位调整单元182的一方或双方进行微调整，选择合成检波单元130的检波输出为最大的调整量。
[0102]再有，合成检波单元130的检波输出为最大的调整量，相当于发送分支间的相位特性为相同的同相条件，也相当于各发送分支中的相位误差。
[0103]此外，相位调整单元181、182例如在将一方作为基准而固定的状态中，通过对另一方进行微调整，可以容易地进行调整。
[0104]作为第三过程，在使发送分支101和发送分支102的发送输出电平相同的状态下，相位控制单元140调整相位调整单元181、182，以使两个发送分支的相位为反相。
[0105]相位控制单元140对合成检波单元130的检波输出存储来自未图示的ADC的输出，对相位调整单元181和相位调整单元182的一方或双方进行微调整，选择合成检波单元130的检波输出为最小的调整量。
[0106]再有，合成检波单元130的检波输出为最小的调整量，相当于发送分支间的相位特性为180度差的反相条件，也相当于各发送分支中的相位误差。
[0107]此外，相位调整单元181、182，例如在将一方作为基准而固定的状态中，通过微调整另一方，可以容易地进行调整。
[0108]作为第四过程，相位控制单元140生成或更新用于调整各发送分支中的相位误差的相位校正表。相位控制单元140根据在第二及第三过程中求得的用于得到同相条件和反相条件的调整量，计算各发送分支中内在的相位误差，从而生成或更新相位校正表的校正数据。即，将调整量作为分支间相位误差并记录在校正表中，通过附加在设定任意的相移量的情况中，可以进行正确的相位的调整。
[0109]再有，在第二过程中求得的调整量与在第三过程中求得的调整量基本上为相同量。因此，可以用第三过程评价在第二过程中得到的调整量是否合适。例如，根据相位调整单元181、182的非线性的因素，在分支的相位误差不同的情况下是有效的。在该情况下，对于同相条件和反相条件的各个条件导出校正表，对于O度和180度之间的相位设定，可以通过以两个校正数据为基础来内插插值来计算校正数据。
[0110]此外，振幅控制单元150生成或更新用于调整各发送分支中的振幅误差的振幅校正表。振幅控制单元150基于在第一过程中的振幅的微调整结果求得的、各发送分支中内在的振幅误差，生成或更新振幅校正表的校正数据。
[0111]例如，在第一过程中，首先，振幅控制单元150对振幅调整单元191、192进行使发送分支101、102的发送输出电平相同的设定，但在分支检波单元121、122的输出不为相同的情况下，判断为在分支间产生了振幅误差。接着，振幅控制单元150确定调整振幅调整单元191、192的某一方或双方的调整量，以使分支检波单元121、122的输出相同。再有，该调整量成为振幅误差的校正数据。
[0112]通过以上过程，进行与各发送分支间的相位误差及振幅误差有关的误差校正。然后，对于各发送分支101、102，以相位校正表和振幅校正表作为基础，通过控制相位调整单元181、182及振幅调整单元191、192，在用于得到期望的波束指向性的相位及振幅的调整中，可以形成抑制了发送分支间的误差的发送波束。
[0113]再有，在实际的运用中，例如，考虑发送分支间的误差的值因环境的变化而变化的情况，定期地进行上述误差校正的过程是有效的。
[0114]再有，在发送分支101、102中，在相位误差因发送信号的振幅而不同的情况下，例如对实际使用时每个需要的振幅求相位误差并校正即可。此外，在相位调整单元181、182的相移器中的相移特性为非线性的情况下，例如对实际使用时每个需要的相移量求相位误差并校正即可。
[0115]此外，即使是进行了上述第二过程和第三过程的其中一方的情况，也可求振幅误差及相位误差并校正。但是，要提高校正表的信息精度，优选进行上述第二过程和第三过程的双方。[0116]如以上，在第I实施方式中，设有信号合成单元110、分支检波单元121、122及合成检波单元130的多个检波单元，进行多个发送分支间的相位误差及振幅误差的检测、调整。
[0117]因此，根据本实施方式，通过使用了小型且可低功率地组装的信号合成单元和检波单元的结构，可以检测两个发送分支间的振幅及相位特性的误差，并且通过简单的过程，可以校正相位误差及振幅误差。由此，作为整体，可以实现通过简易的结构检测并校正各发送分支中的振幅及相位的特性的误差的相控阵发送装置。
[0118]此外，通过耦合器单元161、162，从各发送分支抽取一部分发送信号，所以与通过开关切换要测定的发送分支的结构不同，对于高频的发送信号，可以抑制开关切换时的阻抗变化对发送波的特性的影响。
[0119]而且，由于不需要校准用接收系统，所以可以抑制高精度的接收电路造成的、电路的增大、消耗功率的增加、成本增加。
[0120]此外，由于不需要以某些方法预先获取发送系统中的相位误差的校正信息，储存在校正相位存储装置中，所以可以应对误差因环境(例如，温度)的变化而变化的动态变化。
[0121]此外，由于具有振幅调整单元191、192作为对于振幅误差的校正装置，所以与相位误差同样地可以抑制旁瓣劣化。
[0122]作为结果，在本实施方式中的相控阵发送装置中，通过校准发送分支间的振幅相位调整，可得到期望的波束指向性，可以抑制旁瓣抑制量的劣化。本实施方式的结构与具备将发送信号通过混频器而下变频的接收系统的以往方式的结构比较，以小型、低成本、低功率方式可组装校正上需要的附加电路，在电路的芯片化中也为组装性高的结构。
[0123](第2实施方式)
[0124]图2是表示本发明的第2实施方式的相控阵发送装置的结构的方框图。在第2实施方式中，表示从图1所示的第I实施方式的结构除去了分支检波单元的结构例。再有，在具有三个以上发送分支的结构中也可适用。
[0125]第2实施方式的相控阵发送装置是没有分支检波单元121、122的结构，合成检波单元230的输出端连接到相位控制单元240及振幅控制单元250，合成检波单元230的输出被输入到各控制单元。其他的结构与第I实施方式是同样的，省略说明。
[0126]合成检波单元230除了第I实施方式中的合成检波单元130的功能外，还具有分支检波单元121、122的功能。合成检波单元230在组装方面与第I实施方式同样，例如可以使用二极管或FET的检波器电路构成。
[0127]第2实施方式的基本动作与第I实施方式是同样的，这里以与第I实施方式不同的部分为中心进行说明。
[0128]在有关各发送分支间的相位误差及振幅误差的误差校正的过程中，作为第一过程，在检查各发送分支101、102的发送输出电平的情况下，振幅控制单元250使一个发送分支进行发送动作，参照来自合成检波单元230的输出，检测动作中的发送分支的信号电平。
[0129]然后，振幅控制单元250通过使所有的发送分支依次动作，进行信号电平的检测，通过进行所有发送分支的电平检测，比较全部发送分支的电平，可以检测分支间的振幅误差。然后，振幅控制单元250调整振幅调整单元191、192，以使发送分支101和发送分支102的发送输出电平相同。[0130]以后的第二?第四过程与第I实施方式是同样的，作为第二过程，在使发送分支101和发送分支102的发送输出电平相同的状态下，相位控制单元240调整相位调整单元181,182,以使两个发送分支的相位为同相。此外，作为第三过程，在使发送分支101和发送分支102的发送输出电平相同的状态下，相位控制单元240调整相位调整单元181、182，以使两个发送分支的相位为反相。而且，作为第四过程，相位控制单元240生成或更新用于相位调整的相位校正表，振幅控制单元250生成或更新用于振幅调整的振幅校正表。
[0131]在第2实施方式中，与可进行各发送分支的发送输出电平的同时检测的第I实施方式的结构比较，由于依次进行电平检测而在误差校正处理上会花费时间，但可以通过更少的检波器构成误差检测系统。因此，可通过更简单的结构，进行相位误差及振幅误差的检测、校正。
[0132]如以上那样，根据第2实施方式，相比第I实施方式，可通过更简单的结构，检测两个发送分支间的振幅及相位特性的误差，并且可通过简单的过程，校正相位误差及振幅误差。由此，作为整体，可实现通过简易的结构检测并校正各发送分支中的振幅及相位特性的误差的相控阵发送装置。
[0133](第3实施方式)
[0134]图3是表示本发明的第3实施方式的相控阵发送装置的结构的方框图。在第3实施方式中，表示将图1所示的第I实施方式的结构中的发送分支具备三个以上的结构例。
[0135]在图3中，表示了具备四个发送分支的结构例。即，各发送分支101?104分别具有天线单元101?104、耦合器单元161?164、发送单元171?174、相位调整单元181?184、以及振幅调整单元191?194。各发送分支101?104的结构与第I实施方式是同样的，省略说明。
[0136]此外，在两个发送分支之间，设有分支间误差检测单元331、332、333，具备控制各发送分支的相位调整单元181?184及振幅调整单元191?194的相位振幅控制单元350。相位振幅控制单元350具有相位控制单元和振幅控制单元的功能。
[0137]基本动作与第I实施方式是相同的。以下，说明第3实施方式中的分支间误差检测单元331?333和相位振幅控制单元350的动作。
[0138]分支间误差检测单元331、332、333是分别包括第I实施方式中的信号合成单元110、分支检波单元121、122、以及合成检波单元130的结构。分支间误差检测单元331?333将相邻的两个发送分支的抽取信号进行合成并检波，对相位振幅控制单元350输出合成检波输出。
[0139]例如，在有N个发送分支的情况下，对相位振幅控制单元350输出(N-1)个合成检波输出。此外，分支间误差检测单元331?333检波各个发送分支的抽取信号并输出到相位振幅控制单元350。例如，在有N个发送分支的情况下，对相位振幅控制单元350输出N个检波输出。
[0140]再有，与第2实施方式同样，分支间误差检测单元331?333也可以为以下结构:不设置分支检波单元，而依次输出一方的发送分支的发送信号并通过合成检波单元检波并输出各个发送分支的抽取信号。
[0141]相位振幅控制单元350基于分支间误差检测单元331?333输出的各发送分支的输出信号电平的信息、合成了相邻的发送分支间的信号后的信号电平的信息，按照在第I实施方式中说明的误差校正的过程，进行相位误差及振幅误差的检测和校正。
[0142]关于相位误差校正，通过依次检测相邻的发送分支间的相位误差，可以掌握全部的发送分支间的相位误差。因此，根据本实施方式，对于具有N个发送分支的相控阵发送系统，可以不对于全部的组合(ΝΧ(Ν-1)/2)设置信号合成单元及合成检波单元作为误差检测单元，而可通过(N-1)的信号合成单元及合成检波单元，校正相控阵发送系统整体的相位误差。再有，关于振幅误差校正，对于具有N个发送分支的相控阵发送系统，需要N个分支检波单元作为误差检测单元。
[0143]根据第3实施方式，在使用三个以上天线的相控阵发送装置中，与第I实施方式同样，可以检测全部的发送分支间的振幅及相位特性的误差，并且可以通过简单的过程，校正相位误差及振幅误差。由此，通过控制很多的天线，在进行指向性更高的波束成形的发送装置中，可以实现能够进行高精度的波束成形的相控阵发送装置。
[0144](第4实施方式)
[0145]图4是表示本发明的第4实施方式的相控阵发送装置的结构的方框图。在第4实施方式中，表示变更了图1所示的第I实施方式的结构中的发送分支间的误差检测单元的结构的例子。再有，在具有三个以上发送分支的结构中也可适用。
[0146]第4实施方式的相控阵发送装置是将图1结构中的信号合成单元110置换为合成分配单元410，变更信号合成单元的功能而具有两个输出，设置了对合成分配单元410的两个输出分别进行检波的两个合成检波单元431、432的结构。合成检波单元431、432的输出端连接到相位控制单元440，表示合成分配单元410的两个输出电平的检测信号被输入到相位控制单元440。其他的结构与第I实施方式是同样的，省略说明。
[0147]再有，与第2实施方式同样，也可以是以下结构:不设置分支检波单元，而依次输出一方的发送分支的发送信号 并通过合成检波单元检波并输出各个发送分支的抽取信号。
[0148]基本动作与第I实施方式相同。以下，说明有关第4实施方式中的合成分配单元410、合成检波单元431、432、以及相位控制单元440的动作。
[0149]合成分配单元410例如使用90度混合电路构成,具有两个输入A及B和两个输出C及D。有关90度混合电路的基本功能，例如在参考文献I ( ‘実用7 ^々口波回路設計力'^卜小西良弘著、総合電子出版社、1996年6月、第1版0 13~一 7)中有说明。
[0150]图5是90度混合电路进行的合成分配单元410的动作说明图，(A)表示输入输出端子的图，(B)表不一例各输入输出端子的振幅和相位之间的对应关系的图。对于90度混合电路，表示与输入了两个信号的情况下的输出信号之间的关系。
[0151]在输入A和输入B的振幅相同的情况下，因相位关系的不同在输出C和输出D中会发生变化。在输入A和输入B的相位同相时,输出C和输出D的振幅相同。此外,在输入A和输入B的相位错开的情况下，输出C和输出D的振幅不同。因此，输入A和输入B的两个信号的相位是否相同，可以根据输出C和输出D的振幅是否相同来判定。此外，在输入A和输入B的相位错开90度的情况下，两个输出中的一方为零。
[0152]合成检波单元431、432具有检波并测定合成分配单元410的两个输出C、D的输出电平的功能。
[0153]第4实施方式中的误差校正的过程，在以下方面与第I实施方式中表示的过程不同。[0154]在第4实施方式中，在第二过程中，相位控制单元440通过选择连接到合成分配单元410的两个合成检波单元431、432的输出为相同的调整量，找到发送分支间的相位相同的条件。接着，在第三过程中，相位控制单元440为了使两个发送分支的相位差为90度差而调整相位调整单元181、182，通过选择合成分配单元410的一方的输出为最小的调整量，找到发送分支间的相位特性为90度差的条件。
[0155]根据在这些过程中进行的相位调整单元181、182的调整量，可以检测并校正发送分支间的相位误差。相位控制单元440根据在第二及第三过程中求得的同相条件和得到90度差条件的相移量的信息，计算各发送分支中内在的相位误差，生成或更新相位校正表的校正数据。
[0156]再有，在第4实施方式的结构中，如在第I实施方式的第三过程中说明的，在进行设定以使两个发送分支间的相位为180度差的情况下，在图5中，由于合成分配单元410的两个输出C、D相等，所以与没有发送分支间相位差的情况没有区别。但是，由于合成分配单元410的两个输出有反相的关系，所以如果附加设置将合成分配单元410的两个输出信号进行合成并检波的结构，则还可进行在发送分支间成为180度相位差的情况的判定。
[0157]根据第4实施方式，与第I实施方式相比，可检测使发送分支间的相位差为90度的情况下的发送分支间的振幅及相位特性的误差。因此，对于第I实施方式中得到的同相及180度差条件时的相位校正表，可以追加90度差条件时的相位校正信息，所以特别在实施接近90度相位差的相位控制的情况下，可以实现可进行精度更高的校正的相控阵发送装置。
[0158]再有，在上述实施方式中，说明了在误差校正的过程中，进行第二过程和第三过程双方，从两个相位条件检测并校正发送分支间的相位误差的方法，但即使进行任何一方，也可以检测并校正发送分支间的相位误差。
[0159]再有，还考虑了上述实施方式中示出的、例如信号合成单元或合成分配单元有难以作为进行理想的动作的电路来设计，产生误差的情况。但是，由于上述电路的设计误差是可以预先估计的，所以只需考虑设计误差而控制、校正振幅调整单元及相位调整单元即可。
[0160]在本实施方式中，在通过使用了多个天线的相控阵天线形成波束并发射到空间的相控阵发送装置中，在校正各发送分支间的高频信号特性的振幅及相位误差的情况下，可检测、校正发送分支间的相位误差及振幅误差。
[0161]因此，抑制电路的增大或消耗功率的增加，通过简易的结构，即通过小的电路规模和消耗功率，可以检测并校正发送分支间的发送信号的相位误差及振幅误差。
[0162]通过校正发送分支间的相位误差及振幅误差，可形成精度高的发送波束，使主波束方向的指向性增益提高，可以抑制不需要方向的发射电平。由此，能够有效地控制无线通信中的通信区域、改善链路预算(link budget)、或者提高基于雷达中的来自不需要方向的杂乱回波或多路径抑制的检测精度。
[0163]此外，本实施方式的相控阵发送装置可以通过简单的无源电路组装检测误差的信号合成单元和检波单元。因此，可以实现电路的低消耗功率，对于毫米波频带这类的高频率的发送信号，也容易确保特性，可适用于利用高频的系统。而且，在对高频频带的适用中，信号合成单元、检波单元、耦合器单元这类的处理高频信号的电路部分，可以使用并组装集成化上兼容性高的电路，还可实现系统整体的小型组装。[0164]〈获得实施方式5?10的经过〉
[0165]此外，本发明涉及校正在构成相控阵天线的多个天线中对应设置的各分支系统中的高频信号间的误差的相控阵天线的分支间校正装置及相控阵天线的分支间校正方法。
[0166]〈【背景技术】〉
[0167]近来，相控阵技术不限于检测对象物(目标)的传感检测(sensing)的【技术领域】，在通信【技术领域】中也大范围地被使用。相控阵技术，是使用多个天线元件构成相控阵天线，高精度地控制与各天线元件对应设置的各分支系统(以下称为‘分支’)中的信号间的相位分量的技术。此外，相控阵技术通过高精度地控制各分支中的高频信号间的相位分量，可以形成期望的指向性。
[0168]在相控阵技术中，为了高精度地形成相对期望的发送信号的发送方向或接收信号的到来方向的指向性，需要校正相邻的各分支中的高频信号间的相位偏差。作为校正信号的相位偏差的文献，例如已知下列参考专利文献2。
[0169]下列参考专利文献2的阵列天线发送装置具备使用多个天线元件构成的阵列天线，将发送信号的带宽分割为多个块。阵列天线发送装置通过使用分割后的块内的发送信号进行平均，在相同块内的发送信号中计算共同的校准值。阵列天线发送装置基于算出的校准值，校正在与多个天线元件的各个天线元件对应设置的发送电路的分支间产生的相位偏差。由此，阵列天线发送装置，将装置结构简化，可实现高精度的校准。
[0170](参考专利文献2)日本特开2005-348236号公报
[0171]本发明人研究了与可进行高精度的检测的高频信号(例如，毫米波)对应的相控阵发送装置。但是，在以往的使用相控阵的方法中，难以得到与可进行高精度的检测的高频信号(例如，毫米波)充分对应的相控阵发送装置。
[0172]本发明鉴于上述以往的情况而完成，其目的在于，提供不增大电路规模，高精度地校正与构成相控阵天线的各天线对应设置的各分支中的高频信号间的相位误差的相控阵天线的分支间校正装置及相控阵天线的分支间校正方法。
[0173]<用于解决本发明的课题的方案>
[0174]本发明提供相控阵天线的分支间校正装置，所述相控阵天线具有多个分支，所述分支包括:调制单元，调制基带的发送信号；延迟单元，延迟所述调制后的所述发送信号的相位；混频器单元，将所述延迟后的所述发送信号变换为高频信号；以及天线，发送所述高频信号，该分支间校正装置具备:变频单元，基于从相邻的各个所述分支输出的两个所述高频信号进行变频；滤波器单元，基于来自所述变频单元的输出信号，提取DC分量；以及延迟控制单元，基于由所述滤波器单元提取出的所述DC分量，判定所述分支的所述延迟单元中的规定的相位延迟量，在所述相邻的各个所述分支中任何一个所述延迟单元中，所述延迟控制单元使在所述任何一个分支中调制后的所述发送信号的相位延迟所述判定的所述规定的延迟量。
[0175]此外，本发明提供分支间校正方法，该方法用于具有多个分支的相控阵天线的分支间校正装置，所述分支包括:调制单元，调制基带的发送信号；延迟单元，延迟所述调制后的所述发送信号的相位；混频器单元，将所述延迟后的所述发送信号变换为高频信号；以及天线，发送所述高频信号，该方法包括:基于从相邻的各个所述分支输出的两个所述高频信号进行变频的步骤；基于通过所述变频而输出的输出信号，提取DC分量的步骤；基于所述提取出的所述DC分量，判定所述分支的所述延迟单元中的规定的相位延迟量的步骤；以及在所述相邻的各个所述分支中任何一个所述延迟单元中，使在所述任何一个分支中调制后的所述发送信号的相位延迟所述判定的所述规定的延迟量的步骤。
[0176]〈本发明的效果〉
[0177]根据本发明，不需增大电路规模，就可以高精度地校正与构成相控阵天线的各天线对应设置的各分支中的高频信号间的相位误差。
[0178]〈获得本发明的经过〉
[0179]在上述专利文献I中使用可高精度检测的高频信号(例如，毫米波)时，由于是通过用于切换测定对象的分支的开关元件来反馈高频信号的结构，所以高频信号的相位极大地变化。因此，要在上述相控阵技术中使用高频信号(例如，毫米波)，难以高精度地校正各分支中的高频信号间的相位偏差。
[0180]为了高精度地校正相邻的各分支中高频信号(例如，毫米波)间的相位偏差，设想在输入高频信号的高频电路单元中不设置开关元件的参考专利文献2的结构。在图16所示的N分支(例如N = 3)的发送装置IlOOz中，成为包括用于将来自各分支的N个高频信号输入到开关1034的环回路径和N个下变频用的混频器1031?1033的结构。由此，可以高精度地校正相邻的各分支中高频信号(例如，毫米波)间产生的相位偏差。图16是表示包括N个高频信号的环回路径和N个下变频用的混频器的N分支的发送装置的内部结构的方框图。
[0181]可是，在图16的结构中，需要许多的混频器1008、1014、1020、1031?1033、用于生成在各混频器中使用的本地信号Lo的驱动缓冲器、以及用于分析各混频器1031?1033中下变频后的信号的FFT (Fast Fourier Transform ;快速傅立叶变换)处理单元1036。因此，发送装置IlOOz的电路规模增大，难以降低电路整体的消耗功率。
[0182]以下，参照【专利附图】
【附图说明】本发明的相控阵天线的分支间校正装置及相控阵天线的分支间校正方法的实施方式。
[0183](第5实施方式)
[0184]图6是表示第5实施方式的相控阵天线的分支间校正装置1100的内部结构的方框图。首先，说明相控阵天线的分支间校正装置1100的各单元的结构。
[0185]相控阵天线的分支间校正装置1100是具有多个(N个)发送分支系统(以下称为‘分支’)即第I分支A、第2分支B、第3分支C、混频器(MIX =Mixer) 1009、LPF(Low PassFilter ;低通滤波器)1010、混频器 1015、LPF1016、开关(Sff:Switch) 1021, ADC(AnalogDigital Converter ;模数变换器)1022、延迟控制单元1023及本地信号生成单元LoGen的结构。
[0186]在以下的各实施方式的相控阵天线的分支间校正装置中，表示了参数N = 3的结构，但只要参数N为2以上的自然数即可，在其他的各实施方式中也是同样。
[0187]第I分支A是包括调制单元1005、作为延迟单元的延迟器1006、DAC(DigitalAnalog Converter ;数模变换器)1007、作为混频器单元的混频器1008及天线Antl的结构。同样地，第2分支B是包括调制单元1011、作为延迟单元的延迟器1012、DAC1013、作为混频器单元的混频器1014及天线Ant2的结构。而且，第3分支C是包括调制单元1017、作为延迟单元的延迟器1018、DAC1019、作为混频器单元的混频器1020及天线Ant3的结构。[0188]在以下各实施方式中，由于各分支(第I分支A、第2分支B、第3分支C)的结构及动作是同样的，所以将第I分支A作为例示进行说明。
[0189]接着，说明有关相控阵天线的分支间校正装置1100的各单元的动作。
[0190]相控阵天线的分支间校正装置1100基于LPF1010的输出信号，在延迟控制单元1023中判定在从第I分支A及第2分支B输出的两个高频信号RFl、RF2间产生的相位误差。相控阵天线的分支间校正装置1100基于由延迟控制单元1023判定的相位误差，延迟发送信号的相位，作为第I分支A或第2分支B的基带的发送信号中的相位控制。由此，相控阵天线的分支间校正装置1100可以消除第I分支A、第2分支B间的相位误差。
[0191]相控阵天线的分支间校正装置1100在消除了第I分支A、第2分支B间的相位误差后，同样地，基于LPF1016的输出信号，在延迟控制单元1023中判定在从第2分支B及第3分支C输出的两个高频信号RF2、RF3间产生的相位误差。相控阵天线的分支间校正装置1100基于由延迟控制单元1023判定的相位误差，延迟发送信号的相位，作为第2分支B或第3分支C的基带的发送信号中的相位控制。由此，相控阵天线的分支间校正装置1100可以消除第2分支B、第3分支C间的相位误差。
[0192]作为第I分支A或第2分支B中的基带的发送信号的相位控制的延迟控制和作为第2分支B或第3分支C中的基带的发送信号的相位控制的延迟控制是同样的动作。在以下的各实施方式中，说明有关作为第I分支A或第2分支B中的基带的发送信号的相位控制的延迟控制，省略作为第2分支B或第3分支C中的基带的发送信号的相位控制的延迟控制的说明。
[0193]调制单元1005将用于相位的延迟控制的作为测试信号输入的基带的发送信号例如进行数字调制，数字调制的结果，将使用同相分量的同相信号(I信号)和正交分量的正交信号(Q信号)构成的基带的发送信号输出到延迟器1006。
[0194]作为延迟单元的延迟器1006使用一个或多个触发器(flip-flop)、或FIR(FiniteImpulse Response ;有限冲击响应)滤波器构成。延迟器1006在使用FIR滤波器构成的情况下，与使用一个或多个触发器构成的情况相比，可以高精度地控制延迟。
[0195]延迟器1006输入从调制单元1005输出的基带的发送信号，而且，基于从后述的延迟控制单元1023输出的延迟控制指示，将输入的发送信号的相位延迟规定量。再有，在延迟控制指示中，包含有在延迟器1006中被延迟的相位的延迟量。延迟器1006将延迟了相位后的发送信号输出到DAC1007。
[0196]DAC1007输入从延迟器1006输出的发送信号,将其从数字的发送信号变换为模拟的发送信号。DAC1007将模拟的发送信号输出到混频器1008。
[0197]作为混频器单元的混频器1008输入从DAC1007输出的模拟的发送信号，基于从本地信号生成单元LoGen供给的本地信号Lo，将输入的发送信号进行上变频。混频器1008将通过上变频生成的高频信号RFl (例如毫米波)分别输出到天线Antl及混频器1009。从混频器1008输出的高频信号RFl，通过天线Antl被发送。
[0198]作为变频单元的混频器1009输入从第I分支A的混频器1008输出的高频信号RFl和从第2分支B的混频器1014同样地输出的高频信号FR2。混频器1009将输入的两个高频信号RF1、RF2进行乘法处理，将乘法处理的输出信号Y输出到LPF1010。
[0199]有关混频器1009中的乘法处理，使用算式说明。在式⑴及式(2)中表示两个高频信号RF1、RF2。再有，从各分支(第I分支A、第2分支B、第3分支C)的调制单元(调制单元1005、调制单元1011、调制单元1017)输出的基带的发送信号是角速度ω中同相位的 Cff (Continuous Wave ;连续波)波。
[0200]
【权利要求】
1.相控阵发送装置，具备第一发送分支及第二发送分支，所述第一发送分支及第二发送分支具有: 发送单元，发送无线频率的发送信号； 相位调整单元，调整所述发送信号的相位； 振幅调整单元，调整所述发送信号的振幅； 天线单元，将所述发送单元的输出信号发射到空间；以及 耦合器单元，取出所述发送单元的一部分输出， 所述相控阵发送装置包括: 第一分支检波单元及第二分支检波单元，对来自所述第一发送分支及所述第二发送分支的各个耦合器单元的输出电平进行检波； 信号合成单元，合成来自所述第一发送分支及第二发送分支的耦合器单元的输出； 合成检波单元，对来自所述信号合成单元的输出电平进行检波； 振幅控制单元，根据所述第一分支检波单元及第二分支检波单元的检波输出，控制所述振幅调整单元；以及 相位控制单元，根据所述合成检波单元的检波输出，控制所述相位调整单元。
2.相控阵发送装置，具备第一发送分支及第二发送分支，所述第一发送分支及第二发送分支具有: 发送单元，发送无线频率的发送信号； 相位调整单元，调整所述发送信号的相位； 振幅调整单元，调整所述发送信号的振幅； 天线单元，将所述发送单元的输出信号发射到空间；以及 耦合器单元，取出所述发送单元的一部分输出， 所述相控阵发送装置包括: 信号合成单元，合成来自所述第一发送分支及第二发送分支的耦合器单元的输出； 合成检波单元，对来自所述信号合成单元的输出电平进行检波； 振幅控制单元，根据所述合成检波单元的检波输出，控制所述振幅调整单元；以及 相位控制单元，根据所述合成检波单元的检波输出，控制所述相位调整单元。
3.如权利要求1或2所述的相控阵发送装置， 在校正所述第一发送分支及第二发送分支间的相位误差及振幅误差的情况下， 所述振幅控制单元调整所述第一发送分支及所述第二发送分支的至少一方的振幅调整单元，以使所述第一发送分支及所述第二发送分支的发送输出电平相同， 在使所述第一发送分支及第二发送分支的发送输出电平相同的状态中，所述相位控制单元检测所述信号合成单元的合成输出电平为最大的同相条件、以及所述信号合成单元的合成输出电平为最小的反相条件的至少一方，并调整所述第一发送分支和所述第二发送分支的至少一方的相位调整单元。
4.如权利要求1或2所述的相控阵发送装置， 具备包括所述第一发送分支及第二发送分支的三个以上的发送分支， 具备包括所述信号合成单元及所述合成检波单元的分支间误差检测单元，将所述三个以上的发送分支中的两个作为所述第一发送分支及第二发送分支，用于检测所述第一发送分支及第二发送分支间的相位误差及振幅误差。
5.如权利要求1或2所述的相控阵发送装置， 所述信号合成单元具有用于输入来自所述第一发送分支及第二发送分支的耦合器单兀的输出的两个输入和对所述两个输入的输入信号进行合成及分配后输出的两个输出，并具有在来自所述第一发送分支和所述第二发送分支的各输入信号的振幅相同的情况下，当所述两个输入信号的相位相同时，从所述两个输出来输出相同振幅的信号，当所述两个输入信号的相位不同时，从所述两个输出来输出不同振幅的信号的合成分配单元的功能， 在校正所述第一发送分支及第二发送分支间的相位误差及振幅误差的情况下， 所述振幅控制单元调整所述第一发送分支和所述第二发送分支的至少一方的振幅调整单元，以使所述第一发送分支及所述第二发送分支的发送输出电平为相同振幅， 在所述第一发送分支及第二发送分支的发送输出电平为相同的状态下，所述相位控制单元检测所述合成分配单元的两个输出电平为相同的同相条件、以及使所述合成分配单元的两个振幅的输出电平的一方为零的90度差条件，并调整所述第一发送分支和所述第二发送分支的至少一方的相位调整单元。
6.如权利要求1至5中任意一项所述的相控阵发送装置，还具有: 相位校正表，具有用于调整所述第一发送分支及第二发送分支的各发送分支中的相位误差的校正数据；以及 振幅校正表，具有用于调整所述第一发送分支及第二发送分支的各发送分支中的振幅误差的校正数据， 所述相位控制单元生成或更新所述相位校正表，根据所述相位校正表的校正数据，调整所述相位调整单元， 所述振幅控制单元生成或更新所述振幅校正表，根据所述振幅校正表的校正数据，调整所述振幅调整单元。
【文档编号】G01S7/02GK103477570SQ201280018754
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2012年8月1日 优先权日:2011年8月2日
【发明者】松尾道明, 森田忠士, 岸上高明, 向井裕人 申请人:松下电器产业株式会社
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