用于缓解宽带相控阵天线中波束偏斜效应的模拟波束成形方法技术

提供了一种波束控制方法，以解决发送宽带信号时相控阵天线中发生的偏斜效应。波束控制权重是基于优化而计算的，所述优化考虑了感兴趣带宽内的一组频率下的性能，所述一组频率至少包括所述带宽的端点和设计频率。少包括所述带宽的端点和设计频率。少包括所述带宽的端点和设计频率。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于缓解宽带相控阵天线中波束偏斜效应的模拟波束成形方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求序列号为17/066,615且于2020年10月9日提交的题为“用于缓解宽带相控阵天线中波束偏斜效应的模拟波束成形方法”的美国非临时专利申请的利益和优先权。


[0003]本申请大体上涉及无线通信，并且更具体地涉及模拟波束成形方法。

[0004][0005]本申请大体上涉及无线通信，并且更具体地涉及模拟波束成形方法。

技术介绍

[0006]毫米波(mmWave)通信被认为是一种有前途的技术，可以在5G和未来几代无线通信中支持非常高的数据速率。关于相控阵天线的模拟波束成形是一种低成本、低复杂度的毫米波频率无线通信技术。相控阵天线系统可以通过延时或移相器实现。当移相器用于波束控制时，波束的方向与频率有关。因此，在宽带系统中，不同频率的波束聚焦角度会有所不同，这种效应被称为“波束偏斜”。
[0007]在波束偏斜情况下，波束峰值仅在设计频率f0下被控制到所需角度。然而，对于高于f0的频率，波束峰值角度相对于所需角度减小，而对于低于f0的频率，波束峰值角度相对于所需角度增加。对于f0以外的频率，这会导致所需转向角下的功率损失。例如，考虑设计为f0＝25.85GHz、以θ0＝30
°
(仰角)和(方位角)控制、在f＝24.25
‑
27.45GHz下工作的32
×
32均匀矩形阵(uniform rectangular array，URA)。可以看出(通过数学等式和模拟)，在f
min
＝24.25GHz时，波束峰值角度增加到θ＝32.21
°
和此外，在f
max
＝27.45GHz时，波束峰值角度降低到θ＝28.09
°
和此波束偏斜导致所需角度下的14dB功率损耗，在f
min
和f
max
时，
[0008]波束偏斜随着带宽的增加而增加，还随着瞄准线所需转向角的增大而增大。真延时(true time delay，TTD)是一种常用于对抗相控阵雷达系统中波束偏斜效应的硬件解决方案。参见2012年7月的2012IEEE国家航空航天和电子会议(national aerospace and electronics conference，NAECON)中M.Longbrake的“雷达的真延时波束控制(True time
‑
delay beamsteering for radar)”。然而，由于电路比较复杂、实现成本高、体积大、功耗过高，这种解决方案在无线通信中是不受欢迎的。
[0009]已经提出了其它硬件方法而不是TTD来减少波束偏斜效应。在2013年8月的IEEE电路与系统汇刊I：(月刊)第60卷第8期中S.Kalia、S.A.Patnaik、B.Sadhu、M.Sturm、M.Elbadry和R.Harjani的“宽带相控阵的多波束空谱波束成形接收器(Multi
‑
beam spatio
‑
spectral beamforming receiver for wideband phased arrays)”中，已经提出
了一种空谱波束成形接收器，其中采用N点模拟快速傅里叶变换(fast fourier transform，FFT)方案将整个频段切成N等份，每个频率切片由专用移相器处理。波束控制的精度与频率切片(FFT点)的数量成正比。显然，所提出技术可以显著降低偏斜误差。然而，所需移相器的数量以频率切片的倍数增加；此外，实现模拟FFT电路给系统带来了额外的成本和复杂度。在2013年9月的IEEE第78届车辆技术会议(VTC 2013
‑
秋季)中Z.Liu、W.Ur Rehman、X.Xu和X.Tao的“60GHz毫米波通信系统的波束偏斜解决方案最小化(Minimize beam squint solutions for 60GHz millimeter
‑
wave communication system)”中，提出了相位改进方案，其中部署毫米波频率的带通滤波器组，以将信号分离到较小的子带中；在每个子带中添加额外的移相器，以减少每个子带的波束偏斜。该方法可以降低波束偏斜效应，但毫米波频率的额外移相器和带通滤波器增加了实现成本和复杂度。
[0010]在2016年12月的2016年IEEE全球通信会议(global communications conference，GLOBECOM)中M.Cai、K.Gao、D.Nie、B.Hochwald、J.N.Laneman、H.Huang和K.Liu的“宽带波束偏斜对相控阵无线系统码本设计的影响(Effect of wideband beam squint on codebook design in phased
‑
array wireless systems)”中，提出了另一种方法，该方法增加了波束成形码本的密度。考虑到切换式模拟波束成形，即由多个波束组成的离散码本，每个波束都聚焦在一定范围的角度上。显然，由于波束偏斜，每个波束的有效波束宽度减小。因此，码本中波束的数量必须增加，即需要更密集的码本来对抗这种影响。该方案的缺点之一在于，需要递归程序来导出最小码本大小和每个波束的聚焦角度。此外，更大的码本会增加波束成形时间，并导致延迟。此外，本文只考虑了1D均匀线阵(uniform linear array，ULA)，而2D平面阵常用于实际系统中。
[0011]现有的波束成形技术主要侧重于在设计频率的所需转向角下最大化阵列增益。这不能在宽带系统中有效地使用天线阵，因为由于偏斜效应，阵列增益没有在带中其它频率的所需角度下最大化。

技术实现思路

[0012]提供一种新的模拟波束成形技术，该技术可以在不增加额外硬件的情况下缓解宽带系统中的波束偏斜效应。所提供方法根据偏斜值改变波束的原始形状，以补偿其损害效应。例如，所提供方法可以部署在1D ULA或包括矩形阵和圆形阵的2D均匀平面阵(uniform planar array，UPA)中。
[0013]所提出方法通过在所需角度下最大化天线阵在整个带宽中的增益来有效地使用天线阵：
[0014][0015]其中K是表示波束偏斜补偿与设计波束的半功率波束宽度之间的平衡点的设计参数。
[0016]为了解决所提出的多目标优化问题，使用加权和法：
[0017][0018]其中γ
i
是实正的加权系数，满足：γ
i
的值表示为每个频率分配的优先级。当所有频率都具有相同的优先级时(这在实际系统中很常见)，等加权和(即
)是适当的选择。
[0019]针对偏斜提供一种闭合形式等式，用于缓解波束成形权重向量，该波束成形权重向量是不同频率下的阵列响应向量的复共轭的加权和：
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种方法，包括：使用具有多个天线振子的均匀相控阵天线进行发送或接收，其中，所述多个天线振子使用波束成形权重向量，所述波束成形权重向量包含所述多个天线振子各自的波束成形权重；其中针对给定转向角和给定带宽f
min
≤f≤f
max
确定所述波束成形权重，使得分布在所述给定带宽内的K个频率点集合上的天线阵因子之和最大化，其中K至少为3，所述K个频率点集合包括f
min
、f
max
和设计频率f0。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述波束成形权重包括波束成形权重向量所述波束成形权重向量是在所述频率点f
i
,i＝1,...,K下计算出的天线阵因子之和的复共轭，其中所述给定转向角具有仰角θ和方位角3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述和是由以下等式给出的等权和：4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述天线阵因子的所述和是加权和，每个天线阵因子具有相应的权重。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述波束成形权重向量5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述波束成形权重向量是在所述频率点f
i
,i＝1,...,K下计算出的阵列响应向量之加权和的复共轭，其中所述给定转向角具有仰角θ和方位角6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述波束成形权重向量由以下等式给出：其中所述波束成形权重向量是以所述转向角在所述频率点f
i
下计算出的阵列响应向量的复共轭的加权和。7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，所述均匀相控阵是均匀线阵或二维均匀平面阵。8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，还包括以下中的一者或两者：从查找表中获取给定转向角的所述波束成形权重，当所述转向角改变时，从所述查找表中获取新的波束成形权重；从查找表中获取给定设计频率的所述波束成形权重，当所述转向角改变时，从所述查找表中获取新的波束成形权重。9.一种装置，包括：具有多个天线振子的均匀相控阵天线；处理器和存储器，其中所述存储器存储波束成形权重集合，所述波束成形权重集合包含所述多个天线振子各自的波束成形权重，所述处理器用于将所述波束成形权重应用于所述相控阵天线，以通过所述波束成形权重集合配置所述相控阵天线；其中所述装置用于使用通过所述波束成形权重集合配置的所述均匀相控阵天线进行发送或接收；其中针对给定转向角和给定带宽f
min
≤f≤f
max
确定所述波束成形权重，使得分布在所述给定带宽内的K个频率点集合上的天线阵因子之和最大化，其中K至少为3，所述K个频率
点集合包括f
min
、f
max
和设计频率。10.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：萨哈尔，
申请(专利权)人：华为技术有限公司，
类型：发明
国别省市：