[发明专利]一种基于数字开关矩阵的射频链路系统及其波束形成方法

说明书

本发明公开了一种基于数字开关矩阵的射频链路系统及其波束形成方法，涉及雷达工程的技术领域，所述系统包括射频链路系统发射端和射频链路系统接收端；射频链路系统发射/接收端包括Q₁/Q₂个发射/接收端数字信号形成器、发射/接收端信号处理模块和P₁/P₂个发射/接收天线，满足Q₁P₁，Q₂P₂。通过引入数字开关矩阵单元，使发射/接收端数字开关矩阵单元和发射/接收端数字信号形成器之间的射频链路元件数量远小于发射天线/接收天线的数量，降低了系统的制造成本和运行功耗；设置数字开关矩阵单元的选通参数，保证了系统的精度；并且数字开关矩阵单元的输入端和输出端的数量保留自由度，满足不同精度的系统性能要求。

技术领域

本发明涉及雷达工程技术领域，更具体地，涉及一种基于数字开关矩阵的射频链路系统及其波束形成方法。

背景技术

随着5G技术的大规模应用，在不同场景下对超高速数据传输具有强烈的需求，这极大的促进了毫米波通信的研究和发展。毫米波通信存在着严重的路径损失和穿透损失，需要结合多输入多输出系统(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)，提供足够大的波束增益和高精准度的波束方向。由于对硬件制造成本和系统运行功率的严格限制，传统小规模全数字MIMO系统的硬件结构难以在大规模MIMO系统中实现，混合波束形成作为全数字波束形成的替代性技术成为了解决大规模MIMO系统所面临难题的主要研究方向。在雷达领域，相控阵雷达正大放异彩，广泛地被应用于陆基、海基等几乎所有的民用和军用领域，并且呈增长的态势；相控阵系统的一般特点是体积大、重量大、天线的重复精度要求高、系统集成度高，系统的可靠性的要求较高。有源相控阵系统中主要的元件是T/R组件，其成本通常占整部雷达的50％～60％，剩余主要是数字后端处理器等。T/R组件主要包含：本振、上下变频、滤波器、功率放大器、低噪声放大器、移相器和衰减器。将T/R组件和数模转换器、模数转换器、单个链路的其余模块统称为射频链路。随着相控阵的规模越来越大，越来越多的射频链路成为了限制相控阵系统发展的主要因素，为了解决相控阵系统的硬件制造成本和运行功耗问题，也可以借鉴混合波束形成的相关技术。目前混合波束形成主要有两种典型的结构，包括全连接结构和部分连接结构。在全连接结构中，射频链路减少的条件下，为了充分利用射频链路所提供的波束形成自由度，射频链路连接至每一个阵元天线，并且每一个射频和天线组成的链路中都含有1个模拟移相器。现有的优化算法可以充分利用这一结构，逼近相应的全数字波束形成矢量，其中最典型的是基于流行优化的交替迭代算法(MO-AltMin Algorithm)。全连接结构和全数字结构对比，虽然射频链路的数量有了大幅度的减少，但是系统中会额外引入数量巨大的模拟移相器，特别是天线阵元数量较大的情况，不仅仅需要对现有结构进行较大改动，而且还会存在模拟器件过多带来的精度问题，工程实现比较困难。在部分连接结构中，一条射频链连接固定的天线子阵，这种结构能够较好的降低大规模MIMO和有源相控阵的硬件制造的成本，但是由于射频链路连接固定天线的子阵，所以一条射频链路及其连接的子阵模拟移相器难以准确的替代全数字波束形成中多个射频链路的矢量效果，存在较大的性能损失，射频链路减少的越多，其性能损失越严重。此外，针对混合波束形成的大部分研究都是以最大化频谱利用效率为目的，而在雷达领域则主要是以波束形成精度和系统增益为目的。从一定程度上来讲，单独考虑某一性能指标开发出的算法具有应用局限性，提出的解决方案针对其它性能时并不能够保证仍然具有良好的表现，所以现有的解决方案还不能够有效的平衡硬件成本和系统性能的要求。