一种针对双极化毫米波相控阵的近场反馈系统

1.本发明涉及双极化相控阵、自校准和数字预失真技术领域，特别是涉及一种针对双极化毫米波相控阵的近场反馈系统。


背景技术：

2.与sub-6ghz相比，毫米波因为其大带宽可以支持更高的数据传输速率和更低的数据传输延迟，为了补偿毫米波的高路径损耗并实现灵活的波束成形，第五代(5g)标准提出了相应的相控阵系统。许多国家/地区已为5g频率范围(fr2)分配了商用通信频段。极化分集可以在不增加系统复杂性的情况下通过两束波束来轻松提高传输数据速率，比如发送水平(h)和垂直(v)极化两个波束。双极化毫米波相控阵发射机结合了两种技术的优点。为了提高双极化相控阵发射机的性能，需要应用阵列自校准和数字预失真(dpd)技术来提高发射机的整体性能。校准需要反馈信号来计算校准系数，类似的，数字预失真需要反馈信号来训练数字预失真系数。传统的相控阵校准方法，需要在暗室天线远场放置参考天线获取反馈信号，这种方法不仅无法实现现场校准还增加相控阵生产配套成本。同样的，传统的相控阵发射机数字预失真技术反馈架构根据位置可以分成两种，功率放大器端和远场天线端。前者会极大增加毫米波波束赋形芯片的设计成本，后者不利于相控阵的现场部署和高度集成。从天线的近场提取反馈信号就可以在实现成本和实现难度之间实现平衡。


技术实现要素：

3.技术问题：本发明的目的是提供一种针对双极化毫米波相控阵发射机的反馈结构，以解决现有的毫米波相控阵发射机的自校准和数字预失真很难实现反馈结构的集成问题，能够以较低的成本和较低的难度实现相控阵各通道的校准和线性化。
4.技术方案：为达到此目的，本发明的一种针对双极化毫米波相控阵的近场反馈系统由多层印制电路板组成，包括集成双极化辐射天线和双极化反馈架构，基于双极化反馈架构实现双极化毫米波相控阵近场校准和近场数字预失真系统；
5.所述的集成双极化反馈架构和双极化辐射天线的近场反馈系统从上往下依次通过第一层基板、第一层粘贴片、中间第一金属层、第二层基板、第二层粘贴片、中间第二金属层、底部基板、底部金属层顺序设置；
6.在第一层基板上设有顶部金属层包括顶层十字金属贴片、顶层圆形金属层贴片、顶层方形金属层贴片、h极化圆形贴片、v极化圆形贴片；
7.所述中间第一金属层为方形贴片；
8.所述双极化辐射天线从上往下依次通过第一层基板、第一层粘贴片、第二层基板、第二层粘贴片、底部基板、h极化接地共面波导、v极化接地共面波导；
9.在第一层基板上设有顶部金属层包括顶层十字金属贴片、顶层圆形金属层贴片、顶层方形金属层贴片、h极化圆形贴片、v极化圆形贴片。
10.双极化辐射天线中，所述顶层方形金属层贴片共有四片，每个顶层方形金属层贴
片蚀刻出两个圆形禁止敷铜区，分别是沿y方向的h极化圆形禁止敷铜区和沿x方向的v极化圆形禁止敷铜区；在每个圆形禁止敷铜区的正中央放置x方向的沿y方向的h极化圆形贴片、v极化圆形贴片；每个顶层方形金属层贴片和h极化圆形贴片、v极化圆形贴片的排布关于顶层十字金属贴片中心完全中心对称，所述的中间第一金属层共有四片方形金属片，通过h极化过孔、v极化过孔与顶层方形金属层贴片相连接。
11.所述双极化辐射天线中，所述h极化接地共面波导、v极化接地共面波导分别通过h极化过孔和v极化过孔连接到中间第一金属层、h极化圆形贴片、v极化圆形贴片，第三金属化过孔呈圆形形状均匀分布在h极化过孔和v极化过孔的周围。
12.所述的双极化反馈架构中，所述顶层十字金属贴片、顶层圆形金属层贴片均按照顶层十字金属贴片的中心完全中心对称，同时第二金属过孔相应也有四个，围绕双极化反馈架构的中心完全对称放置，且每一个顶层圆形金属层贴片都与中间第二金属层、底部金属层通过第二金属过孔相连接。
13.所述双极化毫米波相控阵近场自校准系统，通过电磁仿真计算近场耦合系数，选择只开一个射频通道的近场输出信号作为参考信号，根据每次只开一个射频通道对应的近场反馈信号、近场耦合系数和参考信号得出校准系数，通过数字控制各个射频通道的幅度和相位实现毫米波相控阵的校准。
14.所述双极化毫米波相控阵近场自校准系统，所求的校准系数公式由下得到，
[0015][0016]
式(1)中，βi是第i个双极化辐射天线和双极化近场反馈结构的耦合系数，β
ref
参考射频通道对应的辐射天线和近场反馈结构的耦合系数，分别表示参考射频通道对应的辐射天线和第i个辐射天线的近场输出信号，就是第i个射频通道的幅度相位校准系数。
[0017]
所述双极化毫米波相控阵近场自校准系统包括：
[0018]
s1：通过对集成双极化反馈结构的双极化天线阵列进行电磁仿真获得第i个h极化或v极化辐射天线和反馈结构的近场信道系数；
[0019]
s2：通过矢量网络分析仪在阵列的h极化或v极化输入端口注入单音信号，选取一个合适的射频通道打开，其余通道处于关闭状态，功放需工作在线性状态，把从反馈结构获取的信号作为参考信号；
[0020]
s3：分别一次打开其余射频通道，得到对应不同h极化或v极化通道的输出信号，功放需要工作在线性状态，通过输入信号和近场反馈结构的输出信号得出近场校准系数；
[0021]
s4：根据第i个h极化或v极化射频通道的近场信道系数和对应近场校准系数得出射频通道的校准系数；
[0022]
s5：根据每个h极化或v极化通道的校准系数得出每个射频通道幅度和相位控制系数，通过控制各个射频通道的衰减器和移相器实现每个射频通道的校准。
[0023]
所述的双极化毫米波相控阵近场数字预失真系统，输入信号通过波束赋形网络和天线阵列形成波束，在远场主瓣方向采集相控阵发射机的非线性信号作为反馈信号进行数字预失真训练；在做完远场数字预失真后，在近场采集对应极化和扫描角度的理想预失真
信号，建立对应极化和扫描角的查找表；在实际工作状态中，使用迭代学习的方法训练数字预失真函数从而最小化实际近场非线性失真信号和近场理想预失真信号的差，根据近场和远场的相关性，从而实现远场对应极化和扫描角度波束的线性化。
[0024]
所述的双极化毫米波相控阵近场数字预失真系统，当在远场相控阵波束主瓣方向已经做完数字预失真后，得到：
[0025][0026]
式(2)中，是远场接收发射机的主瓣信号，n,m是阵列天线分别沿x轴和沿y轴的单元数量，是最佳的预失真信号，是基带信号的总非线性失真，就是期望的理想输入信号；
[0027]
进一步，所述的近场采集理想预失真信号为：
[0028][0029]
式(3)中,是理想的近场信号，是第n,m个射频通道和近场反馈结构直接的相位和幅度关系，是第n,m个射频通道的非线性失真。
[0030]
所述的双极化毫米波相控阵近场数字预失真系统，所述的迭代学习的方法训练数字预失真函数从而最小化实际近场非线性失真信号和近场理想预失真信号的差得为：
[0031][0032]
x
k+1
[n]＝xk[n]+γek[n]
ꢀꢀꢀ
(4)
[0033]
式(4)中，k为迭代次数，ek[n]是第k次迭代后理想的近场预失真信号和实际近场信号之间的差，是实际的近场输出信号，x
k+1
[n]，xk[n]是输入信号，γ是控制收敛速度的学习矩阵。
[0034]
进一步，所述的远场对应角度和极化的线性化为：
[0035][0036]
式(5)中，是远场主瓣方向接收的输出信号，通过近场数字失真消除原先相控阵发射机波束信号的非线性失真，能达到接近远场波束预失真的效果。
[0037]
所述的双极化毫米波相控阵近场数字预失真系统包括：
[0038]
s1：基带信号处理单元产生的h极化或v极化5g nr宽带基带信号馈入双极化波束赋形网络并分别馈入双极化天线阵列；
[0039]
s2：基于远场空口的参考天线，在h极化或v极化发射波束的主瓣方向采集非线性信号，下变频得到远场反馈信号，并对输入信号进行数字预失真得到理想的预失真输入信号；
[0040]
s3：在双极化近场反馈端口采集预失真后的h极化或v极化发射波束方向的近场耦合信号作为近场理想预失真信号，并对应角度进行存储建立查找表；
[0041]
s4：基带信号处理单元产生的h极化或v极化5g nr宽带基带信号重新馈入双极化
波束赋形网络并对应馈入双极化天线阵列；
[0042]
s5：在双极化近场反馈端口采集预失真后的h极化或v极化发射波束方向的近场耦合信号作为近场非线性失真信号，使用迭代学习控制的方法训练dpd函数最小化近场非线性失真信号和近场理想预失真信号的差；
[0043]
s6：近场预失真处理完的h极化或v极化基带信号再次馈入5g毫米波有源相控阵天线阵列，从而对发射波束信号实现远场的线性化。
[0044]
有益效果：本发明公开了一种于双极化毫米波相控阵发射机的反馈结构，与现有技术相比，具有如下的有益效果：
[0045]
1)本发明所提供的双极化毫米波相控阵发射机的反馈结构采用十字贴片和圆型贴片结合的形式，双极化天线阵列采用同轴馈电的堆叠贴片的双极化天线，利用与辐射天线之间的耦合来获取反馈信号，在宽带(24-27ghz)范围内可以获取较稳定的垂直极化和水平极化耦合信号，这种近场反馈架构可以实现与天线结构的高度集成，其结构对原阵列天线的辐射性能几乎没有影响，这种硬件设计可以扩展到大规模的双极化毫米波相控阵上。
[0046]
2)本发明所提供的基于反馈架构的双极化毫米波相控阵发射机的近场自校准方案，通过近场反馈架构获取的反馈信号和电磁仿真得出的近场耦合系数提取射频通道的校准系数，根据校准系数数字控制各个射频通道的幅度相位实现相控阵的自校准。相比传统远场校准不仅不需要额外的测试天线，而且可以在现场随时重新校准，大大降低双极化毫米波相控阵的校准成本和时间。
[0047]
3)本发明所提供的基于反馈架构的双极化毫米波相控阵发射机的近场数字预失真方案，通过预先远场数字预失真在近场得到对应扫描角度和极化的理想预失真信号的查找表，借助迭代学习方法训练数字预失真函数实现相控阵发射机波束的线性化，提出的近场反馈结构相比传统的功放耦合大大降低射频端的设计成本和难度，相比传统的远场参考天线反馈只需要预先远场参考天线远场数字预失真，实际工作时不需要远场参考天线，这种反馈系统在设计复杂度较低的情况下能实现与毫米波相控阵的集成和比较好的线性化性能。
附图说明
[0048]
图1为本发明的双极化天线阵列和反馈架构的结构分层示意图；
[0049]
图2为本发明的双极化天线阵列和反馈架构的结构侧视图；
[0050]
图3为本发明的双极化天线阵列和反馈架构的顶部金属层的结构示意图；
[0051]
图4为本发明的双极化天线阵列和反馈架构的第一金属层的结构示意图；
[0052]
图5为本发明的双极化天线阵列和反馈架构的第二金属层的结构示意图；
[0053]
图6为本发明的双极化天线阵列和反馈架构的底部金属层的结构示意图；
[0054]
图7为本发明的双极化天线阵列单元的回波损耗曲线(h极化/v极化)；
[0055]
图8为本发明的双极化反馈架构的回波损耗曲线；
[0056]
图9为本发明的双极化反馈架构和各个天线单元直接的耦合系数(h极化/v极化)；
[0057]
图10为本发明垂直极化辐射天线阵列波束指向z方向在26ghz的xoz(e面)和yoz(h面)平面的仿真方向图(有无反馈结构)；
[0058]
图11为本发明水平极化辐射天线阵列波束指向z方向在26ghz的yoz(e面)和xoz(h
面)平面的仿真方向图(有无反馈结构)；
[0059]
图12为本发明具体实施过程中的系统框图(双极化毫米波相控阵近场校准和数字预失真系统)；
[0060]
图13为本发明具体实施过程中垂直极化辐射天线阵列波束指向-30
°
、0
°
和+30
°
方向在26ghz的xoz的方向图(远场校准和近场校准)；
[0061]
图14为本发明具体实施过程中水平极化辐射天线阵列波束指向-30
°
、0
°
和+30
°
方向在26ghz的yoz的方向图(远场校准和近场校准)；
[0062]
图15为本发明具体实施过程中h极化和v极化在26ghz分别对应三个方位扫描角度上的功率谱密度曲线；其中：a为波束扫描和观测角度为-30
°
时h极化的曲线图；b为波束扫描和观测角度为-30
°
时v极化的曲线图；c为波束扫描和观测角度为0
°
时h极化的曲线图；d为波束扫描和观测角度为0
°
时v极化的曲线图；e为波束扫描和观测角度为+30
°
时h极化的曲线图；f为波束扫描和观测角度为+30
°
时v极化的曲线图。
[0063]
图中标记有：顶层十字金属贴片1、顶层圆形金属层贴片2、顶层方形金属层贴片3、h极化圆形贴片4、v极化圆形贴片5、第一层基板6、第一层粘贴片7、中间第一金属层8、h极化过孔9、v极化过孔10、第二层基板11、第二层粘贴片12、第一金属过孔13、第二金属过孔14、中间第二金属层15、底部基板16、h极化圆形金属孔环17、v极化圆形金属孔环18、第三金属过孔19、第四金属过孔20、方形金属孔21、圆形金属孔22、h极化接地共面波导23、v极化接地共面波导24、底部金属层25。
具体实施方式
[0064]
为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明中一种集成双极化反馈结构的双极化相控阵做进一步详细的描述。
[0065]
本发明的一种针对双极化毫米波相控阵的近场反馈系统，由多层印制电路板组成，包括集成双极化辐射天线和双极化反馈架构，基于双极化反馈架构实现双极化毫米波相控阵近场校准和近场数字预失真系统；
[0066]
所述的集成双极化反馈架构和双极化辐射天线的近场反馈系统从上往下依次通过第一层基板6、第一层粘贴片7、中间第一金属层8、第二层基板11、第二层粘贴片12、中间第二金属层15、底部基板16、底部金属层25顺序设置；
[0067]
在第一层基板6上设有顶部金属层包括顶层十字金属贴片1、顶层圆形金属层贴片2、顶层方形金属层贴片3、h极化圆形贴片4、v极化圆形贴片5；
[0068]
所述中间第一金属层8为方形贴片；
[0069]
所述双极化辐射天线从上往下依次通过第一层基板6、第一层粘贴片7、第二层基板11、第二层粘贴片12、底部基板16、h极化接地共面波导23、v极化接地共面波导24；
[0070]
在第一层基板6上设有顶部金属层包括顶层十字金属贴片1、顶层圆形金属层贴片2、顶层方形金属层贴片3、h极化圆形贴片4、v极化圆形贴片5。
[0071]
进一步的，所述的顶层方形金属片共有四片，每个方形金属片蚀刻出两个圆形禁止敷铜区，分别是沿y方向的h极化圆形禁止敷铜区和沿x方向的v极化圆形禁止敷铜区。在每个圆形禁止敷铜区的正中央放置沿y方向的h极化圆形金属片和x方向的v极化圆形金属片。每个方形贴片和圆形金属片的排布关于十字金属贴片中心完全中心对称。
[0072]
进一步的，所述的中间第一金属层共有四片方形金属片，通过h极化金属化过孔和v极化金属过孔与顶层方形金属片相连接。
[0073]
进一步的，所述底部金属层上设有h极化和v极化接地共面波导分别作为h极化和v极化的激励馈电线，其通过h极化和v极化金属化过孔和h极化和v极化辐射天线相连接。
[0074]
进一步的，所述的顶部十字金属片放在2
×
2双极化相控阵几何中心，通过金属化过孔和馈电结构连接，十字金属片的周围有四个圆形金属片通过金属化过孔与中间第一金属层和底部金属层相连接。
[0075]
本发明基于双极化近场反馈结构分别提出双极化毫米波相控阵近场校准系统和双极化毫米波相控阵近场数字预失真系统；
[0076]
本发明所述的双极化毫米波相控阵近场校准系统，包括电磁仿真近场信道系数、选取参考通道、计算校准系数和数字控制幅相。
[0077]
进一步的，通过hfss电磁仿真得到第i个辐射天线和近场反馈结构的耦合系数βi。
[0078]
进一步的，选取一个合适的射频通道打开(其余通道处于关闭状态)，功放需要工作在线性状态，把从反馈结构获取的信号作为参考输出信号记录其中a表示幅度，表示相位。
[0079]
进一步的，分别一次打开其余射频通道(其余通道处于关闭状态)，得到对应不同通道的输出信号，功放需要工作在线性状态，通过输入信号和近场反馈结构的输出信号得出近场校准系数。
[0080][0081]
式(2)中，βi是第i个辐射天线和近场反馈结构的耦合系数，β
ref
参考通道对应的辐射天线和近场反馈结构的耦合系数，分别表示参考通道对应的辐射天线和第i个辐射天线的输出信号，就是每个通道的幅度相位校准系数。
[0082]
进一步的，根据校准系数分别数字控制各个射频通道的幅度和相位，以实现双极化毫米波相控阵各射频通道的自校准。
[0083]
本发明所述的双极化毫米波相控阵近场校准系统包括以下步骤：
[0084]
s1：通过对集成双极化反馈结构的双极化天线阵列进行电磁仿真获得第i个辐射天线(h极化/v极化)和双极化反馈结构的近场信道系数；
[0085]
s2：通过矢量网络分析仪在阵列的输入端口(h极化/v极化)注入单音信号，选取一个合适的射频通道打开(其余通道处于关闭状态)，把从反馈结构获取的信号作为参考信号；
[0086]
s3：分别一次打开其余射频通道(其余通道处于关闭状态)，得到对应不同通道的输出信号，通过输入信号和近场反馈结构的输出信号得出近场校准系数；
[0087]
s4：根据第i个射频通道(h极化/v极化)的近场信道系数和对应近场校准系数得出射频通道的校准系数；
[0088]
s5：根据每个通道的校准系数(h极化/v极化)得出每个射频通道幅度和相位控制系数，通过控制各个射频通道的衰减器和移相器实现每个射频通道的校准；
[0089]
针对双极化相控阵发射机的双极化相控阵近场数字预失真系统，包括远场数字预
失真训练，近场理想预失真信号提取和近场数字预失真训练三部分。输入信号通过波束赋形网络和天线阵列形成自由空间的波束，在远场主瓣方向采集发射机的非线性信号作为反馈信号进行数字预失真训练。在做完远场数字预失真后，在近场采集对应极化和扫描角度的理想预失真信号，建立对应极化和扫描角的查找表。在实际工作状态中，使用迭代学习的方法训练dpd函数从而最小化近场非线性失真信号和近场理想预失真信号的差，从而实现远场对应极化和扫描角度波束的线性化。
[0090]
进一步，所述的在远场主瓣方向采集发射机的非线性信号作为反馈信号进行数字预失真得到：
[0091][0092]
式(2)中，是远场接收发射机的主瓣信号，n,m是阵列天线分别沿x轴和沿y轴的单元数量，是最佳的预失真信号，是基带信号的总非线性失真，就是期望的理想输入信号。
[0093]
进一步，所述的近场采集理想预失真信号为：
[0094][0095]
式(3)中,是理想的近场信号，是第n,m个射频通道和近场反馈结构直接的相位和幅度关系，是第n,m个射频通道的非线性失真。
[0096]
进一步，所述的迭代学习的方法练dpd函数从而最小化近场非线性失真信号和近场理想预失真信号的差得为：
[0097][0098]
x
k+1
[n]＝xk[n]+γek[n]
ꢀꢀꢀ
(4)
[0099]
式(4)中，k为迭代次数，ek[n]是第k次迭代后理想的近场预失真信号和实际近场信号之间的差，是实际的近场输出信号，x
k+1
[n]，xk[n]是输入信号，γ是控制收敛速度的学习矩阵。
[0100]
进一步，所述的远场对应角度和极化的线性化为：
[0101][0102]
式(5)中，是远场主瓣方向接收的输出信号，通过近场数字失真消除原先波束信号的非线性失真，能达到接近远场波束预失真的效果。
[0103]
本发明所述的双极化毫米波相控阵近场数字预失真方案系统，包括双极化波束赋形网络、集成双极化反馈结构的双极化天线阵列、具有实现发射非线性建模和数字预失真的基带信号处理单元和远场空口的参考天线，其方案包括以下步骤：
[0104]
s1：基带信号处理单元产生的(h极化/v极化)5g nr宽带基带信号馈入双极化波束赋形网络并对应馈入双极化天线阵列，
[0105]
s2：基于远场空口的参考天线，在发射波束的主瓣方向采集(h极化/v极化)非线性信号，下变频得到远场反馈信号，并进行数字预失真得到理想的预失真输入信号；
[0106]
s3：在双极化近场反馈端口采集预失真后的发射波束方向的(h极化/v极化)近场耦合信号作为近场理想预失真信号，并对应角度和极化进行存储；
[0107]
s4：基带信号处理单元产生的(h极化/v极化)5g nr宽带基带信号重新馈入双极化波束赋形网络并对应馈入双极化天线阵列；
[0108]
s5：在双极化近场反馈端口采集预失真后的发射波束方向的(h极化/v极化)近场耦合信号作为近场非线性失真信号，使用迭代学习的方法训练数字预失真函数最小化近场非线性失真信号和近场理想预失真信号的差；
[0109]
s6：近场预失真处理完的基带信号(h极化/v极化)再次馈入5g毫米波有源相控阵天线阵列，从而对发射波束信号实现远场的线性化。
[0110]
本发明公布的是一种集成双极化反馈结构的双极化相控阵，如图1和图2所示，该双极化天线单元包括上方的辐射结构和下方的单元馈电结构。双极化反馈结构包括上方的耦合结构和下方的馈电结构。
[0111]
如图3所示，在顶部金属层上，沿顶层十字金属贴片1的几何中心对称分布四个顶层圆形金属层贴片2，每个方形金属片蚀刻出两个圆形禁止敷铜区，分别是沿y方向的h极化圆形禁止敷铜区和沿x方向的v极化圆形禁止敷铜区。在每个圆形禁止敷铜区的正中央放置y方向的h极化圆形贴片4和沿x方向的v极化圆形贴片5。两种极化辐射的被激励分别由h极化过孔9和v极化过孔10来实现。旋转馈源的子阵结构可以抑制远场波束的交叉极化。在阵列的几何中心分布顶层十字金属贴片1，在中心附近蚀刻出弧形以调整谐振点。通过第一金属过孔13和圆形金属孔22连接，十字金属片的周围有四个顶层圆形金属层贴片2通过第二金属过孔14与第二金属层和底部金属层连接，顶层圆形金属层贴片2的设置有利于在宽带保持耦合的稳定和调整反馈结构的回波损耗，这是实现宽带反馈的关键点之一。
[0112]
如图4所示，在中间第一金属层上，顶层十字金属贴片1的几何中心对称分布四个方形中间第一金属层8,分别由h极化过孔9、v极化过孔10与放置y方向的h极化圆形贴片4和沿x方向的v极化圆形贴片5相连，也与分别由h极化接地共面波导23、v极化接地共面波导24相连。
[0113]
如图5和图6所示，在第二金属层蚀刻出8个圆形禁止敷铜区，分布在四周的8个禁止敷铜区分别是沿y方向的h极化圆形金属孔环17和沿x方向的v极化圆形金属孔环18。在底部金属层分别设置h极化接地共面波导23、v极化接地共面波导24分别通过h极化过孔9、v极化过孔10传输电磁能量。反馈结构通过第一金属过孔13直接馈电圆形金属孔22，第二金属过孔14连接顶层金属层和底层金属层，方形金属孔21和圆形金属孔22用于调整输出反馈信号的阻抗匹配。
[0114]
如图7-图11所示，图7显示h极化和v极化辐射天线分别具有24-28ghz的阻抗带宽(|s11|＜-10db)，覆盖5g n258频段(24.25-27.5ghz)。图8到图9显示反馈架构对于h极化信号和v极化信号能在24-27ghz的带宽内保持-13.5
‑‑
15.5db的耦合度，在带宽内的耦合波动较小。图10-图11显示该反馈结构对阵列的辐射性能有轻微影响，不影响辐射天线的正常工作。结合整体系统的多层pcb集成馈电方式，可以预见其应用于双极化毫米波相控阵的潜力，特别是其相对简单的设计实现能在大带宽以内保持稳定的耦合，可预见其设计可以应用在其余频段的双极化毫米波相控阵通信技术。
[0115]
反馈系统的框图如图12所示，以2
×
2双极化毫米波相控阵射频前端为例演示反馈
系统，反馈信号通过双极化反馈结构采集下变频后进行信号处理以优化毫米波相控阵系统性性能，为了进一步说明反馈系统的意义，通过两个具体实施事例进行描述，分别是双极化毫米波相控阵的近场校准系统和双极化毫米波相控阵发射机的数字预失真系统。
[0116]
本具体实施方案公开了一种基于双极化反馈结构的双极化毫米波相控阵的近场校准系统，如图12所示，包括电磁仿真近场信道系数、选取参考通道、计算校准系数和数字控制幅相。电磁仿真得到第i个射频通道和反馈端的耦合系数βi，选择合适的通道作为参考射频通道并确保功放工作在线性状态，输出信号作为参考信号记录分别打开(h极化/v极化)的各个射频通道，根据各个射频通道的输出信号和参考信号以及近场耦合系数求出每个射频通道的校准系数，根据校准系数数字控制每个通道的幅度相位实现通道的校准，即如下，
[0117][0118]
具体方法包括以下步骤：
[0119]
s1：通过对集成双极化反馈结构的双极化天线阵列进行电磁仿真获得第i个辐射天线(h极化/v极化)和反馈结构的近场信道系数；
[0120]
s2：通过矢量网络分析仪在阵列的输入端口(h极化/v极化)注入单音信号，选取一个合适的射频通道打开(其余通道处于关闭状态)，把从反馈结构获取的信号作为参考信号；
[0121]
s3：分别一次打开其余射频通道(其余通道处于关闭状态)，得到对应不同通道(h极化/v极化)的输出信号，通过输入信号和近场反馈结构的输出信号得出近场校准系数；
[0122]
s4：根据第i个射频通道(h极化/v极化)的近场信道系数和对应近场校准系数得出射频通道的校准系数；
[0123]
s5：根据每个通道的校准系数(h极化/v极化)得出每个射频通道幅度和相位控制系数，通过控制各个射频通道的衰减器和移相器实现每个射频通道的校准。
[0124]
以传统的远场校准方法作为对比来比较双极化近场校准的效果。采用本发明提出的双极化近场校准方法可以实现接近传统远场校准的表现，在实施近场校准的过程完全不需要远场的参考天线，解决了传统校准昂贵、费时和无法现场校准的痛点问题，从而极大降低与毫米波相控阵的校准成本，对于未来商用毫米波相控阵有极为重要的意义。近场校准和远场校准的方向图比较如图13-图14表示。
[0125]
本具体实施方案还公开了一种针对双极化相控阵发射机的双极化相控阵近场数字预失真方案，包括远场数字预失真训练，近场理想预失真信号提取和近场失真预失真训练三部分。输入信号通过波束赋形网络和天线阵列形成波束，在远场主瓣方向采集发射机的非线性信号作为反馈信号进行数字预失真训练。在做完远场数字预失真后，在近场采集对应极化和扫描角度的理想预失真信号，建立对应极化和扫描角的查找表。在实际工作状态中，使用迭代学习的方法训练数字预失真函数从而最小化近场非线性失真信号和近场理想预失真信号的差，从而实现远场对应极化和扫描角度波束的线性化。
[0126]
进一步，所述的在远场主瓣方向采集发射机的非线性信号作为反馈信号进行数字预失真得到：
[0127][0128]
式(2)中，是远场接收发射机的主瓣信号，n,m是阵列天线分别沿x轴和沿y轴的单元数量，是最佳的预失真信号，是基带信号的总非线性失真，就是期望的理想输入信号。
[0129]
进一步，所述的近场采集理想预失真信号为：
[0130][0131]
式(3)中,是理想的近场信号，是第n,m个射频通道和近场反馈结构直接的相位和幅度关系，是第n,m个射频通道的非线性失真。
[0132]
进一步，所述的迭代学习的方法练dpd函数从而最小化近场非线性失真信号和近场理想预失真信号的差得为：
[0133][0134]
x
k+1
[n]＝xk[n]+γek[n]
ꢀꢀꢀ
(4)
[0135]
式(4)中，k为迭代次数，ek[n]是第k次迭代后理想的近场信号和实际近场信号直接的差，是实际的近场输出信号，x
k+1
[n]，xk[n]是输入信号，γ是控制收敛速度的学习矩阵。
[0136]
进一步，所述的远场对应角度和极化的线性化为：
[0137][0138]
式(5)中，是远场主瓣方向接收的输出信号，通过近场数字失真消除原先波束信号的非线性失真，能达到接近远场波束预失真的效果。
[0139]
本发明所述的双极化相控阵近场数字预失真方案方法，包括双极化波束赋形网络、集成双极化反馈结构的双极化天线阵列、具有实现发射射频通道非线性建模和数字预失真的基带信号处理单元和远场空口的参考天线，其方案包括以下步骤：
[0140]
s1：基带信号处理单元产生的(h极化/v极化)5g nr宽带基带信号馈入双极化波束赋形网络并对应馈入双极化天线阵列，
[0141]
s2：基于远场空口的参考天线，在发射波束的主瓣方向采集(h极化/v极化)非线性信号，下变频得到远场反馈信号，并对输入信号数字预失真处理得到理想的预失真输入信号；
[0142]
s3：在双极化近场反馈端口采集预失真后的发射波束方向的(h极化/v极化)近场耦合信号作为近场理想预失真信号，并对应角度进行存储；
[0143]
s4：基带信号处理单元产生的(h极化/v极化)5g nr宽带基带信号重新馈入双极化波束赋形网络并对应馈入双极化天线阵列；
[0144]
s5：在双极化近场反馈端口采集预失真后的发射波束方向的(h极化/v极化)近场耦合信号作为近场非线性失真信号，使用迭代学习的方法训练数字预失真函数最小化近场非线性失真信号和近场理想预失真信号的差；
[0145]
s6：近场预失真处理完的基带信号(h极化/v极化)再次馈入5g毫米波有源相控阵天线阵列，从而对发射波束信号实现远场的线性化。
[0146]
以带宽为100mhz的5g nr输入信号为例，采用本发明提出的双极化近场数字预失真技术实现很好的波束线性化效果。其中h极化和v极化阵列在不同方位扫描角(-30
°
，0
°
，+30
°
)线性化前后的远场波束主瓣方向的功率谱密度如图14所示，可以看出双极化近场数字预失真技术能够实现比较好的线性化效果。相比传统的毫米波相控阵线性化方法，能够在较低设计难度的情况下实现反馈架构和毫米波相控阵发射机的集成，由此可以应用于更大规模的双极化毫米波相控阵通信系统。
[0147]
可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本技术的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。