基于均匀矩形平面阵的幅相误差自校正装置及方法与流程
本发明涉及通信技术领域，特别涉及一种天线幅相误差自校正装置及方法。
背景技术：
天线作为通信系统的重要部分，其性能直接影响整个系统质量的优劣。在通信和角度测量应用中，天线波束的副瓣电平、波束指向、差波束零深等是系统的重要指标，波束副瓣电平的高低在很大程度上决定了通信系统是否具有降低空间复用信号的相互干扰、是否具有减少电磁污染的能力；波束指向和差波束零深直接影响测角精度。相比于机械伺服天线，影响相控阵天线实际性能的因素较多，比如，目前大多数的相控阵天线均采用数字移相器和数字衰减器，它们所能提供的相移值和衰减值仅为最小值的整数倍，导致幅度或相位量化误差，另外还有馈电网络误差、制造公差、装配误差、单元失效、天线在长期使用的过程中产生的热变形等等因素都会导致天线阵各通道间产生幅相误差，由此带来的问题是实际的波束指向偏离预期指向，副瓣电平抬高，零深变浅，使天线的实际性能难以达到理论设计值。
此外，当相控阵天线安装完毕之后，就需要依赖校正算法来校正通道的幅相误差。目前绝大多数的校正算法都集中在现场校正上。这些校正方法大致可以分为近场校正、内部校正和远场校正。其中，内部校正法为每一路通道设计专门的校正回路，并放置于每一个天线的附近，用于测量天线发射信号的输出功率。随后校正回路把测量信号传输给专门的处理单元，并得到所有通道的幅度和相位误差值。内部校正算法的最大问题在于需要大量的校正回路，这是一笔很大的开销，尤其对于大型相控阵列而言，将会增加整机系统的制造维护成本，同时校正链路不包含射频开关和天线，因此无法对天线和射频开关的幅相误差进行校正，而且硬件开销大。
技术实现要素：
为了解决以上技术问题，本发明提供一种基于均匀矩形平面阵的幅相误差自校正装置，本发明还提供一种基于均匀矩形平面阵的幅相误差自校正方法，本发明的技术方案如下：
基于均匀矩形平面阵的幅相误差自校正装置，包括：
复数个天线单元，每一所述天线单元包括一射频通道和一天线，每一所述射频通道连接一所述天线，所述天线单元可控制地于发送通道和接收通道之间切换，复数个所述天线单元的所述天线排列为m行n列的均匀矩形平面阵，其中m,n均为大于3的正整数；
一单音发送模块，用于生成单音信号；
一校正计算模块，用于计算所述天线单元的幅相误差；
复数个天线切换开关，每一所述天线切换开关可控制地连通一所述天线单元与所述校正计算模块或一所述天线单元与所述单音发送模块。
本发明的基于均匀矩形平面阵的幅相误差自校正装置，还包括复数个模数转换器模块，每一所述模数转换器模块连接于一所述天线切换开关和所述校正计算模块之间，用于将接收的模拟信号转换为数字信号。
本发明的基于均匀矩形平面阵的幅相误差自校正装置，还包括复数个数模转换器模块，每一所述数模转换器模块连接于所述天线切换开关和所述单音发送模块之间，用于将所述单音发送模块发送的数字单音信号转换为模拟信号。
本发明的基于均匀矩形平面阵的幅相误差自校正装置，每一所述天线切换开关包括第一端，第二端和第三端，每一所述天线切换开关可控制地导通所述第一端和所述第二端或所述第二端和所述第三端，所述第一端连接所述天线单元，所述第二端连接一所述模数转换器模块，所述第三端连接一所述数模转换器模块。
本发明的基于均匀矩形平面阵的幅相误差自校正装置，所述校正计算模块包括发送幅相误差计算模块，所述发送幅相误差计算模块依据以下公式获得：
本发明的基于均匀矩形平面阵的幅相误差自校正装置，所述校正计算模块包括接收幅相误差计算模块，所述接收幅相误差计算模块依据以下公式获得：
本发明还提供基于均匀矩形平面阵的幅相误差自校正方法，用于上述的幅相误差自校正装置，包括以下步骤：
步骤s11，沿所述均匀矩形平面阵中的逐行依次选择一天线txmi切换为发送通道，所述天线txmi连通所述单音发送模块，所述单音发送模块发送的单音信号s(t)经所述天线txmi发送，与所述天线txmi位于同一行的至少一天线txm(i-1)和天线txm(i+1)切换至接收通道，所述天线txm(i-1)和天线txm(i+1)连通所述校正计算模块，其中i为大于1小于n的整数，m为小于等于m的正整数；
步骤s12，所述校正计算模块依据所述天线txm(i-1)和所述天线txm(i+1)收到的矢量信号获得第m行天线之间的接收幅相误差：
步骤s13，沿所述均匀矩形平面阵中的逐列依次选择一天线txpn切换为发送通道，所述天线txpn连通所述单音发送模块，所述单音发送模块发送的单音信号s(t)经所述天线txpn发送，与所述天线txtxpn位于同一列的至少一天线tx(p-1)n和天线tx(p+1)n切换至接收通道，所述天线tx(p-1)n和天线tx(p+1)n连通所述校正计算模块，其中p为大于1小于m的整数，n为小于等于n的正整数；
步骤514，所述校正计算模块获取第n列天线之间的接收幅相误差：
步骤515，所述校正计算模块依据所述第m行天线之间的接收幅相误差与所述第n列天线之间的接收幅相误差获得所述均匀矩形平面阵的接收幅相误差为：
步骤516，将上述步骤s11至步骤s14中的所述发送通道与所述接收通道互换以获得所述均匀矩形平面阵的发送幅相误差为：
本发明的基于均匀矩形平面阵的幅相误差自校正方法，于所述步骤s16之后，还包括s17，对所述均匀矩形平面阵中的每一天线的发送通道补偿相应的所述发送幅相误差，对所述均匀矩形平面阵中的每一天线的接收通道补偿相应的所述接收幅相误差。
本发明的基于均匀矩形平面阵的幅相误差自校正方法，所述步骤s11之前，还包括以下步骤：
将一天线tx11切换为发送通道，所述天线tx11连通所述单音发送模块，所述单音发送模块发送单音信号s(t)，将一天线tx12和一天线tx13切换为接收通道，所述天线tx12接收到的第一矢量信号为：
将所述天线tx12切换为发射通道，所述天线tx12发送单音信号s(t)，将所述天线tx13和所述天线tx14切换为接收通道，所述天线tx13接收到的第三矢量信号为：
将所述天线tx13切换为发射通道，所述天线tx13发送单音信号s(t)，将所述天线tx12和天线tx14切换为接收通道，所述天线tx12接收到的第五矢量信号为：
将所述天线tx12接收到的第一矢量信号除以所述天线tx13接收到的第二矢量信号记为第一比值，所述第一比值等于
将所述第一比值，所述第二比值以及第三比值相乘获得的乘积为：
本发明的基于均匀矩形平面阵的幅相误差自校正方法，所述步骤s12中，
当m＝1时，所述天线tx1(i-1)收到的第七矢量信号为：
其中，h1i(i-1)为所述天线tx1(i-1)与所述天线tx1i的实际距离产生的衰落信道因子，h1i(i+1)为所述天线tx1(i+1)与所述天线tx1i的实际距离产生的衰落信道因子，
所述校正计算模块将所述第七矢量信号与所述第八矢量信号相除获得所述天线tx1(i-1)与所述天线tx1(i+1)的接收通道的幅相误差为：
将所述乘积代入所述天线tx1(i-1)与所述天线tx1(i+1)的接收通道的幅相误差获得所述天线tx1i与所述天线tx1(i+1))的接收通道的幅相误差为：
有益效果：
本发明基于均匀矩形平面阵的幅相误差自校正装置及方法，简化了运算复杂度，提高了校正精度且易于工程实现。
附图说明
图1为本发明的基于均匀矩形平面阵的幅相误差自校正装置；
图2为均匀矩形平面阵的天线阵列图；
图3为本发明的基于均匀矩形平面阵的幅相误差自校正方法的流程图；
图4为未经过幅相校正的波束调向图；
图5为经过幅相校正的波束调向图；
图6为未经过幅相校正的到达角空间谱谱峰搜索图；
图7为经过幅相校正的到达角空间谱谱峰搜索图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
参见图1和图2，基于均匀矩形平面阵的幅相误差自校正装置，包括：
复数个天线单元1，每一天线单元包括一射频通道和一天线，每一射频通道连接一天线，天线单元可控制地于发送通道和接收通道之间切换，复数个天线单元1的天线排列为m行n列的均匀矩形平面阵，其中m,n均为大于3的正整数；如图2所示，m*n个天线tx11，tx12，tx13，…，txmn组成m行n列的均匀矩形平面阵。
一单音发送模块3，用于生成单音信号s(t)，单音信号s(t)作为校正用的参考信号，单音信号为单一频率的纯正弦信号；
一校正计算模块2，用于计算天线单元的幅相误差；
复数个天线切换开关4，每一天线切换开关可控制地连通一天线单元与校正计算模块或一天线单元与单音发送模块。
作为本发明的一种具体实施例，还包括复数个模数转换器模块a/d，连接于一天线切换开关4和校正计算模块2之间，用于将接收的模拟信号转换为数字信号。
作为本发明的一种具体实施例，还包括复数个数模转换器模块d/a，连接于天线切换开关4和单音发送模块3之间，用于将单音发送模块3发送的数字单音信号转换为模拟信号。
作为本发明的一种具体实施例，每一天线切换开关41包括第一端，第二端和第三端，每一天线切换开关41可控制地导通第一端和第二端或第二端和第三端，第一端连接天线单元，第二端连接一模数转换器模块a/d51，第三端连接一数模转换器模块d/a52。
图1中，以天线tx11为例，切换为发送通道时单音发送模式3发出的单音信号s(t)经数模转换器模块d/a52转换为模拟信号后经射频通道11a处理后通过天线11发射，切换为接收通道时，天线tx11接收的信号经射频通道11a进入模数转换器模块a/d51，经模数转换为离散的信号传给校正计算模块2。
本发明的基于均匀矩形平面阵的幅相误差自校正装置，校正计算模块包括发送幅相误差计算模块，发送幅相误差计算模块依据以下公式获得：
本发明的基于均匀矩形平面阵的幅相误差自校正装置，校正计算模块包括接收幅相误差计算模块，接收幅相误差计算模块依据以下公式获得：
上述的m为小于等于m的正整数；n为小于n的正整数。
本发明还提供基于均匀矩形平面阵的幅相误差自校正方法，用于上述的幅相误差自校正装置，参见图3，包括以下步骤：
步骤s11，沿均匀矩形平面阵1中的逐行依次选择一天线txmi切换为发送通道，天线txmi连通单音发送模块3，单音发送模块发送的单音信号s(t)经天线txmi发送，与天线txmi位于同一行的至少一天线txm(i-1)和天线txm(i+1)切换至接收通道，天线txm(i-1)和天线txm(i+1)连通校正计算模块，其中i为大于1小于n的整数，m为小于等于m的正整数；
步骤s12，校正计算模块2依据天线txm(i-1)和天线txm(i+1)收到的矢量信号获得第m行天线之间的接收幅相误差：
步骤s13，沿均匀矩形平面阵中的逐列依次选择一天线txpn切换为发送通道，天线txpn连通单音发送模块，单音发送模块发送的单音信号s(t)经天线txpn发送，与天线txpn位于同一列的至少一天线tx(p-1)n和天线tx(p+1)n切换至接收通道，天线tx(p-1)n和天线tx(p+1)n连通校正计算模块，其中p为大于1小于m的整数，n为小于等于n的正整数；
步骤s14，校正计算模块获取第n列天线之间的接收幅相误差：
步骤s15，校正计算模块依据第m行天线之间的接收幅相误差与第n列天线之间的接收幅相误差获得均匀矩形平面阵的接收幅相误差为：
步骤s16，将上述步骤s11至步骤s14中的发送通道与接收通道互换以获得均匀矩形平面阵的发送幅相误差为：
作为本发明的一种具体实施例，步骤s16的互换步骤为，
当确定第m行天线之间的发送幅相误差时，步骤s11中选择天线txmi切换为接收通道，与天线txmi位于同一行的至少一天线txm(i-1)和天线txm(i+1)切换至发送通道，被选为发送通道的天线依次发送单音信号；
当确定第n列天线之间的发送幅相误差时，步骤s13中选择天线txpn切换为接收通道，与天线txpn位于同一列的至少一天线tx(p-i)n和天线tx(p+1)n切换至发送通道，被选为发送通道的天线依次发送单音信号；
本发明的基于均匀矩形平面阵的幅相误差自校正方法，于步骤s16之后，还包括s17，对均匀矩形平面阵中的每一天线的发送通道补偿相应的发送幅相误差，对均匀矩形平面阵中的每一天线的接收通道补偿相应的接收幅相误差。
本发明的基于均匀矩形平面阵的幅相误差自校正方法，步骤s11之前，还包括以下步骤：
将一天线tx11切换为发送通道，天线tx11连通相应的单音发送模块，单音发送模块发送单音信号s(t)，将一天线tx12和一天线tx13切换为接收通道，天线tx12接收到的第一矢量信号为：
将天线tx12切换为发射通道，天线tx12发送单音信号s(t)，将天线tx13和天线tx14切换为接收通道，天线tx13接收到的第三矢量信号为：
将天线tx13切换为发射通道，天线tx13发送单音信号s(t)，将天线tx12和天线tx14切换为接收通道，天线tx12接收到的第五矢量信号为：
将天线tx12接收到的第一矢量信号除以天线tx13接收到的第二矢量信号记为第一比值，第一比值等于
将第一比值，第二比值以及第三比值相乘获得的乘积为：
由于均匀矩形平面阵中存在
将该乘积
同理，将发送天线与接收天线互换，可以得到天线tx12与天线tx13的发送幅相误差因子比值
本发明的基于均匀矩形平面阵的幅相误差自校正方法，步骤s12中，
当m＝1时，天线tx1(i-1)收到的第七矢量信号为：
其中，h1i(i-1)为天线tx1(i-1)与天线tx1i的实际距离产生的衰落信道因子，h1i(i+1)为天线tx1(i+1)与天线tx1i的实际距离产生的衰落信道因子，
校正计算模块将第七矢量信号与第八矢量信号相除，由于是均匀矩阵，
将在先获得的
本发明提供一种基于均匀矩形平面阵的幅相误差自校正实现装置及方法，简化了运算复杂度，提高了校正精度且易于工程实现。本发明对天线系统性能的影响，主要包括波束调向性能和到达角估计性能。图4为未经过幅相校正的波束调向图，图5为经过幅相校正后的波束调向图，对比图4和图5可以发现，经过幅相校正后波束具有更低的旁瓣同时波束方向更为准确。图6为未经过幅相校正的到达角空间谱谱峰搜索图，图7为经过幅相校正的到达角空间谱谱峰搜索图，对比图6和图7可以发现，经过幅相校正后的天线数据能更为准确地估计出到达角的方向。
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。
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