本发明公开了一种用于校准的5G阵列天线非线性点测量方法，包括以下步骤：S1.建立测量模型；S2.调整天线阵列的初始相位，并使阵列总场强度大于每个天线单元场强度的两倍；S3.激励阵列天线的所有天线单元，测量得到阵列信号功率；S4.对于各个天线端口，依次激励其对应的天线单元，测量各天线端口到测量端口的传输系数矩阵作为先验信息；S5.依次测试各个天线单元在90度、180度相移情况下的阵列信号功率，并据此求解各个天线的归一化幅度和相位,得到中间向量的归一化表示；S6.根据测量模型，计算天线真实激励向量的归一化数据作为测量结果。本发明能够精确测量阵列天线各个天线单元的端口真实激励，为5G阵列天线的校准提供准确的依据。
1.一种用于校准的5G阵列天线非线性点测量方法，其特征在于：包括以下步骤：S1.建立测量模型：设阵列天线包括N个天线单元，每个天线单元对应于一个天线端口，建立阵列天线真实激励向量 的测量模型为：ai表示第i个天线端口的初始复激励，i＝1,2,...,N； Ei是其电场幅度，φi是其相位值，其中：表示传输系数矩阵：
式中，sN+1,i表示第i个天线端口到测量端口的传输系数,i＝1,2,...,N；
S2.调整天线阵列的初始相位，并使阵列总场强度大于每个天线单元场强度的两倍；
S3.激励阵列天线的所有天线单元，测量得到阵列信号功率P0；
S4.对于各个天线端口，依次激励其对应的天线单元，测量各天线端口到测量端口的传输系数矩阵 作为先验信息；
S5.依次测试各个天线单元在90度、180度相移情况下的阵列信号功率，并据此求解各个天线的归一化幅度和相位,得到中间向量 的归一化表示所述步骤S5包括以下子步骤：
S501.将第m个天线端口所对应的天线单元作为待测单元，并进行激活，测试该天线单元在90度、180度相移情况下的阵列信号功率Pπ/2，Pπ；
S502.根据P0、Pπ/2、Pπ建立电场强度和电场相位的方程式：式中， 表示除去待测单元外的阵列电场幅度， 表示除去待测单元外的电场相位；
Em表示待测单元电场幅度，φm表示待测单元电场相位；
根据满秩矩阵C和已知量P，求得Z＝[z1 z2 z3]；
由于步骤S2中预先调节，使得阵列总场强度大于每个天线单元场强度的两倍，所以较小的是|Em|即第m个天线单元的幅度值Em，较小|Em|所对应的解中另一个参数即为除去第m个单元外的阵列电场幅度S503.根据|Em|, 计算m个天线单元的归一化幅度km和归一化相位设E0是阵列总场的幅度值，φ0是阵列总场的相位值，由电磁场叠加定理，电阵列总场的值等于余下各个场值的和，所以有利用阵列总场的幅度值和相位值，对第m个天线单元的幅度和相位进行归一化：故得到：
S504.重复步骤S501～S503，依次求得每一天线端口所对应天线单元的归一化幅度和相位；
S505.根据各个天线单元的归一化幅度和相位，求解中间向量 对应的归一化向量为N维列矩阵， 代表第m个天线单元的归一化幅度和相位，m＝1，2，…，N；
S506.根据测量模型，计算天线真实激励向量 的归一化数据 作为测量结果：为步骤S4中计算得到的传输系数矩阵， 为步骤S505中计算得到的归一化向量；
S6.根据测量模型，计算天线真实激励向量 的归一化数据 作为测量结果：
2.根据权利要求1所述的一种用于校准的5G阵列天线非线性点测量方法，其特征在于：步骤S1中模型建立的过程如下：
S101.设阵列天线总的单元数量为N，外加一个测量点的端口，从微波网络的角度来看，天线阵列各天线端口和测量端口之间的相互电磁作用看作是一个个端口的微波网络；
在点频情况下，根据微波网络理论，得到所有端口输入信号和输出信号的关系：ai表示第i个天线端口的初始复激励，其中i＝1,2,...,N；aN+1为测量端口的初始复激励；bi代表第i个天线端口的输出复信号，i＝1，2，…，N；bN+1为测量端口的输出复信号；对于第i个天线单元， Ei是其电场幅度，φi是其相位值；
S102.根据端口输入信号和输出信号的关系，测量端口测量到的复信号为：设在第n次测量中，第i个天线端口激励的相移为ψi(n)，其中n＝1,2,...,M，i＝1,
2,...,N，M是总的测量次数，那么第n次测量得到的信号为：由于测量端口不会有输入信号并且端口反射系数很小，即aN+1＝0，且sN+1,N+1很小，所以上式变为：S103.将所有测量数据写为向量形式，将乘积sN+1,i·ai看作未知量得到：其中， 代表第n次测量时，第i个天线端口的相移量；bN+1(n)表示第n次测量时测量端口的输出信号，M为测量次数，n＝1,2,...,M；
S104.由于天线端口到测量端口的传输系数sN+1,i和相应的天线端口初始激励ai是以乘积sN+1,i·ai的形式一起计算的，处理测量端口得到的数据，能测量得到只是乘积sN+1，i·ai的值；无法通过测量数据直接获取待测的天线端口初始激励ai，要求得天线端口的真实激励ai的值，还需要测量得到天线各个端口到测量端口之间的传输系数sN+1，i,故建立模型：在模型中，通过测量阵列天线的传输系数矩阵 和中间向量 得到天线真实激励向量
3.根据权利要求1所述的一种用于校准的5G阵列天线非线性点测量方法，其特征在于：所述步骤S4包括：
S401.对于每一个天线端口i，i＝1,2,...,N，在激励其所对应的天线单元时，其余天线端口接匹配负载，据此测量出第i个天线端口到测量端口的传输系数sN+1,i；
S402.在所有天线端口到测量端口的传输系数均测量完成后，根据测量结果生成传输系数矩阵 作为先验信息：
一种用于校准的5G阵列天线非线性点测量方法
技术领域
[0001] 本发明涉及天线校准，特别是涉及一种用于校准的5G阵列天线非线性点测量方法。
背景技术
[0002] 大规模MIMO(多输入多输出)通信技术是5G的关键技术之一。大规模MIMO技术是指在基站端配置远多于现有系统中天线数若干数量级的大规模天线阵列来同时服务于多个用户。
[0003] 在4G通信中，MIMO天线数量较少，多为4个或8个，天线数量少就限制了4G网络的通信容量。5G在4G研究的基础上，提出了大规模MIMO的概念，MIMO天线数量可以是成百上千个，而理论上的通信容量则是无限的。大规模MIMO技术要求所有的复杂处理运算均放在基站处进行，这可以降低终端复杂度。大规模MIMO技术的优点还在于：消除用户间的干扰、缩短了等待延迟、提升了空间分辨率、降低系统部署成本、提升系统总能效等。
[0004] 大规模MIMO依赖大规模阵列天线，大规模阵列天线的性能将是影响网络质量的一个重要因素。
[0005] 随着大规模阵列天线在这样的大趋势下发展，其具体技术也在往更宽的带宽、更宽的扫描角度、更多的极化多样性和更低的成本方向发展。随着对大规模阵列天线性能要求的提高，同时始终与之伴随着阵列天线测量与校准技术的发展，因为一切阵列天线功能的实现都是基于对阵面各个单元激励的控制，对大规模阵列的要求越高，那么对激励控制的要求越高，测量与校准技术的重要性也越来越凸显出来。
[0006] 对于已经加工出来的阵列天线，根据其设计原理，在理想情况下输入控制信号就能得到对应的幅相分布。但往往由于加工误差和阵列系统中的通道误差等，会导致阵列天线达不到理想辐射特性。这些因素最终都归结为阵列天线单元各个通道的馈电幅度与相位不一致性。通过精确测得各个阵列天线单元的激励幅度和相位，对于5G阵列天线校准具有重要的理论和实际价值。
发明内容
[0007] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于校准的5G阵列天线非线性点测量方法，能够精确测量阵列天线各个天线单元的端口真实激励，为5G阵列天线的校准提供准确的依据。
[0008] 本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种用于校准的5G阵列天线非线性点测量方法，包括以下步骤：
[0009] S1.建立测量模型：设阵列天线包括N个天线单元，每个天线单元对应于一个天线端口，
[0010] 建立阵列天线真实激励向量 的测量模型为：
[0011]
[0012] ai表示第i个天线端口的初始复激励，i＝1,2,...,N； Ei是其电场幅度，φi是其相位值，其中：
[0013] 表示传输系数矩阵：
[0014]
[0015] 为计算天线真实激励的中间向量：
[0016]
[0017] 式中，sN+1,i表示第i个天线端口到测量端口的传输系数,i＝1,2,...,N；
[0018] S2.调整天线阵列的初始相位，并使阵列总场强度大于每个天线单元场强度的两倍；
[0019] S3.激励阵列天线的所有天线单元，测量得到阵列信号功率P0；
[0020] S4.对于各个天线端口，依次激励其对应的天线单元，测量各天线端口到测量端口的传输系数矩阵 作为先验信息；
[0021] S5.依次测试各个天线单元在90度、180度相移情况下的阵列信号功率，并据此求解各个天线的归一化幅度和相位,得到中间向量 的归一化表示
[0022] S6.根据测量模型，计算天线真实激励向量 的归一化数据 作为测量结果：
[0023]
[0024] 其中，步骤S1中模型建立的过程如下：
[0025] S101.设阵列天线总的单元数量为N，外加一个测量点的端口，从微波网络的角度来看，天线阵列各天线端口和测量端口之间的相互电磁作用看作是一个个端口的微波网络；
[0026] 在点频情况下，根据微波网络理论，得到所有端口输入信号和输出信号的关系：
[0027]
[0028] ai表示第i个天线端口的初始复激励，其中i＝1,2,...,N；aN+1为测量端口的初始复激励；bi代表第i个天线端口的输出复信号，i＝1，2，…，N；bN+1为测量端口的输出复信号；对于第i个天线单元， Ei是其电场幅度，φi是其相位值；
[0029] S102.根据端口输入信号和输出信号的关系，测量端口测量到的复信号为：
[0030]
[0031] 设在第n次测量中，第i个天线端口激励的相移为ψi(n)，其中n＝1,2,...,M，i＝1,2,...,N，M是总的测量次数，那么第n次测量得到的信号为：
[0032]
[0033] 由于测量端口不会有输入信号并且端口反射系数很小，即aN+1＝0，且sN+1,N+1很小，所以上式变为：
[0034]
[0035] S103.将所有测量数据写为向量形式，将乘积sN+1,i·ai看作未知量得到：
[0036]
[0037] 其中， 代表第n次测量时，第i个天线端口的相移量；bN+1(n)表示第n次测量时测量端口的输出信号，M为测量次数，n＝1,2,...,M；
[0038] S104.由于天线端口到测量端口的传输系数sN+1,i和相应的天线端口初始激励ai是以乘积sN+1,i·ai的形式一起计算的，处理测量端口得到的数据，能测量得到只是乘积sN+1，i·ai的值；无法通过测量数据直接获取待测的天线端口初始激励ai，要求得天线端口的真实激励ai的值，还需要测量得到天线各个端口到测量端口之间的传输系数sN+1，i,故建立模型：
[0039]
[0040]
[0041]
[0042] 在模型中，通过测量阵列天线的传输系数矩阵 和中间向量 得到天线真实激励向量
[0043] 其中，所述步骤S4包括：
[0044] S401.对于每一个天线端口i，i＝1,2,...,N，在激励其所对应的天线单元时，其余天线端口接匹配负载，据此测量出第i个天线端口到测量端口的传输系数sN+1,i；
[0045] S402.在所有天线端口到测量端口的传输系数均测量完成后，根据测量结果生成传输系数矩阵 作为先验信息：
[0046]
[0047] 其中，所述步骤S5包括以下子步骤：
[0048] S501.将第m个天线端口所对应的天线单元作为待测单元，并进行激活，测试该天线单元在90度、180度相移情况下的阵列信号功率Pπ/2，Pπ；
[0049] S502.根据P0、Pπ/2、Pπ建立电场强度和电场相位的方程式：
[0050]
[0051]
[0052]
[0053] 式中， 表示除去待测单元外的阵列电场幅度， 表示除去待测单元外的电场相位；Em表示待测单元电场幅度，φm表示待测单元电场相位；
[0054] 由上面三个方程式建立方程CZ＝P，其中
[0055]
[0056]
[0057] P＝[P0 Pπ/2 Pπ]T；
[0058] 根据满秩矩阵C和已知量P，求得Z＝[z1 z2 z3]T；
[0059] 由于Z的定义式子，得到 故：
[0060]
[0061] 从z1，z2的定义，得到：
[0062] 由二次方程组的求根公式得到如下两个解:
[0063]
[0064] 由于步骤S2中预先调节，使得阵列总场强度大于每个天线单元场强度的两倍，所以较小的是|Em|即第m个天线单元的幅度值Em，较小|Em|所对应的解中另一个参数即为除去第m个单元外的阵列电场幅度
[0065] S503.根据 计算m个天线单元的归一化幅度km和归一化相位
[0066] 设E0是阵列总场的幅度值，φ0是阵列总场的相位值，由电磁场叠加定理，电阵列总场的值等于余下各个场值的和，所以有
[0067] 利用阵列总场的幅度值和相位值，对第m个天线单元的幅度和相位进行归一化：
[0068]
[0069] 故得到：
[0070]
[0071] S504.重复步骤S501～S503，依次求得每一天线端口所对应天线单元的归一化幅度和相位；
[0072] S505.根据各个天线单元的归一化幅度和相位，求解中间向量 对应的归一化向量
[0073]
[0074] 为N维列矩阵， 代表第m个天线单元的归一化幅度和相位，m＝1，2，…，N；
[0075] S506.根据测量模型，计算天线真实激励向量 的归一化数据 作为测量结果：
[0076]
[0077] 为步骤S4中计算得到的传输系数矩阵， 为步骤S505中计算得到的归一化向量。
[0078] 本发明的有益效果是：本发明提供的5G阵列天线非线性点测量方法，能够精确测量阵列天线各个天线单元的端口真实激励，为5G阵列天线的校准提供准确的依据。
附图说明
[0079] 图1为本发明的方法流程图；
[0080] 图2为阵列天线网络端口示意图。
具体实施方式
[0081] 下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
[0082] 如图1所示，一种用于校准的5G阵列天线非线性点测量方法，包括以下步骤：
[0083] S1.建立测量模型：设阵列天线包括N个天线单元，每个天线单元对应于一个天线端口，
[0084] 建立阵列天线真实激励向量 的测量模型为：
[0085]
[0086] ai表示第i个天线端口的初始复激励，i＝1,2,...,N； Ei是其电场幅度，φi是其相位值，其中：
[0087] 表示传输系数矩阵：
[0088]
[0089] 为计算天线真实激励的中间向量：
[0090]
[0091] 式中，sN+1,i表示第i个天线端口到测量端口的传输系数,i＝1,2,...,N；
[0092] S2.调整天线阵列的初始相位，并使阵列总场强度大于每个天线单元场强度的两倍；
[0093] S3.激励阵列天线的所有天线单元，测量得到阵列信号功率P0；
[0094] S4.对于各个天线端口，依次激励其对应的天线单元，测量各天线端口到测量端口的传输系数矩阵 作为先验信息；
[0095] S5.依次测试各个天线单元在90度、180度相移情况下的阵列信号功率，并据此求解各个天线的归一化幅度和相位,得到中间向量 的归一化表示
[0096] S6.根据测量模型，计算天线真实激励向量 的归一化数据 作为测量结果：
[0097]
[0098] 其中，步骤S1中模型建立的过程如下：
[0099] S101.设阵列天线总的单元数量为N，外加一个测量点的端口，从微波网络的角度来看，天线阵列各天线端口和测量端口之间的相互电磁作用看作是一个个端口的微波网络；
[0100] 如图2所示，网络端口1到N端口分别对应天线端口1到天线端口N，网络端口N+1对应测量点的端口；
[0101] 在点频情况下，根据微波网络理论，得到所有端口输入信号和输出信号的关系：
[0102]
[0103] ai表示第i个天线端口的初始复激励，其中i＝1,2,...,N；aN+1为测量端口的初始复激励；bi代表第i个天线端口的输出复信号，i＝1，2，…，N；bN+1为测量端口的输出复信号；对于第i个天线单元， Ei是其电场幅度，φi是其相位值；
[0104] S102.根据端口输入信号和输出信号的关系，测量端口测量到的复信号为：
[0105]
[0106] 设在第n次测量中，第i个天线端口激励的相移为ψi(n)，其中n＝1,2,...,M，i＝1,2,...,N，M是总的测量次数，那么第n次测量得到的信号为：
[0107]
[0108] 由于测量端口不会有输入信号并且端口反射系数很小，即aN+1＝0，且sN+1,N+1很小，所以上式变为：
[0109]
[0110] S103.将所有测量数据写为向量形式，将乘积sN+1,i·ai看作未知量得到：
[0111]
[0112] 其中， 代表第n次测量时，第i个天线端口的相移量；bN+1(n)表示第n次测量时测量端口的输出信号，M为测量次数，n＝1,2,...,M；
[0113] S104.由于天线端口到测量端口的传输系数sN+1,i和相应的天线端口初始激励ai是以乘积sN+1,i·ai的形式一起计算的，处理测量端口得到的数据，能测量得到只是乘积sN+1，i·ai的值；无法通过测量数据直接获取待测的天线端口初始激励ai，要求得天线端口的真实激励ai的值，还需要测量得到天线各个端口到测量端口之间的传输系数sN+1，i,故建立模型：
[0114]
[0115]
[0116]
[0117] 在模型中，通过测量阵列天线的传输系数矩阵 和中间向量 得到天线真实激励向量
[0118] 其中，所述步骤S4包括：
[0119] S401.对于每一个天线端口i，i＝1,2,...,N，在激励其所对应的天线单元时，其余天线端口接匹配负载，据此测量出第i个天线端口到测量端口的传输系数sN+1,i；
[0120] S402.在所有天线端口到测量端口的传输系数均测量完成后，根据测量结果生成传输系数矩阵 作为先验信息：
[0121]
[0122] 其中，所述步骤S5包括以下子步骤：
[0123] S501.将第m个天线端口所对应的天线单元作为待测单元，并进行激活，测试该天线单元在90度、180度相移情况下的阵列信号功率Pπ/2，Pπ；
[0124] S502.根据P0、Pπ/2、Pπ建立电场强度和电场相位的方程式：
[0125]
[0126]
[0127]
[0128] 式中， 表示除去待测单元外的阵列电场幅度， 表示除去待测单元外的电场相位；Em表示待测单元电场幅度，φm表示待测单元电场相位；
[0129] 由上面三个方程式建立方程CZ＝P，其中
[0130]
[0131]
[0132] P＝[P0 Pπ/2 Pπ]T；
[0133] 根据满秩矩阵C和已知量P，求得Z＝[z1 z2 z3]T；
[0134] 由于Z的定义式子，得到 故：
[0135]
[0136] 从z1，z2的定义，得到：
[0137] 由二次方程组的求根公式得到如下两个解:
[0138]
[0139] 由于步骤S2中预先调节，使得阵列总场强度大于每个天线单元场强度的两倍，所以较小的是|Em|即第m个天线单元的幅度值Em，较小|Em|所对应的解中另一个参数即为除去第m个单元外的阵列电场幅度
[0140] S503.根据 计算m个天线单元的归一化幅度km和归一化相位
[0141] 设E0是阵列总场的幅度值，φ0是阵列总场的相位值，由电磁场叠加定理，电阵列总场的值等于余下各个场值的和，所以有
[0142] 利用阵列总场的幅度值和相位值，对第m个天线单元的幅度和相位进行归一化：
[0143]
[0144] 故得到：
[0145]
[0146] S504.重复步骤S501～S503，依次求得每一天线端口所对应天线单元的归一化幅度和相位；
[0147] S505.根据各个天线单元的归一化幅度和相位，求解中间向量 对应的归一化向量
[0148]
[0149] 为N维列矩阵， 代表第m个天线单元的归一化幅度和相位，m＝1，2，…，N；
[0150] S506.根据测量模型，计算天线真实激励向量 的归一化数据 作为测量结果：
[0151]
[0152] 为步骤S4中计算得到的传输系数矩阵， 为步骤S505中计算得到的归一化向量。
[0153] 综上，本发明精确了测量阵列天线各个天线单元的端口真实激励，为5G阵列天线的校准提供准确的依据，对于5G阵列天线校准具有重要的理论和实际价值。
[0154] 最后需要说明的是，以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
