СПОСОБЫ КАЛИБРОВКИ КАНАЛОВ ФАЗИРОВАННОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ
METHODS FOR CALIBRATING CHANNELS OF PHASED ANTENNA ARRAY

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к радиотехнике, и, более конкретно, к способам калибровки каналов многоэлементных фазированных антенных решеток.
Уровень техники
Существующие системы беспроводной передачи данных/энергии разработаны для работы в свободном пространстве, в зоне прямой видимости (LOS). В этом случае имеется возможность управлять передающей антенной решеткой с помощью сканирования луча за счет регулирования фазы и амплитуды антенных элементов, чтобы обеспечивать максимальную мощность в заданном направлении и даже в заданной точке приема (фокусировка). Например, при беспроводной зарядке в зоне прямой видимости путем сканирования удается легко отыскать приемник и обеспечить максимум мощности в месте его нахождения. Соответственно, если приемников несколько, то все элементы передающей антенной решетки должны управляться синхронно для автофокусировки на каждом приемнике, и передатчик должен иметь возможность предоставлять канал одновременно для нескольких приемников.
Однако, если между передатчиком (TX) и приемником (RX) возникает какое-либо препятствие (например, преломляющее или отражающее), может возникнуть многолучевое распространение волн и искажение волнового фронта, эффективность передачи резко ухудшается, иногда вплоть до потери возможности поддерживать работу. При этом пропадает возможность углового сканирования и не удается обеспечивать фокусировку электромагнитного поля в нужной области пространства. Для поддержания высокой энергоэффективности системы иногда приходится перемещать приемник.
Следовательно, требуется разработать способ и устройство передачи, с помощью которых можно было бы эффективно и просто решать проблему наличия препятствий между передатчиком и приемником, то есть обеспечивать как можно большую мощность в приемнике, несмотря на возможные препятствия на пути прохождения сигнала. На случай, если препятствия являются движущимися, система управления антенной решеткой передатчика должна быть особенно быстрой, чтобы успевать обрабатывать информацию в соответствии со сменяющимися характеристиками среды распространения волн. С другой стороны, неизменной тенденцией последних лет является уменьшение габаритов электронных устройств и их компонентов, особенно на стороне пользователя, при сохранении и даже повышении их общей функциональности. Таким образом, существует потребность в способах и устройствах передачи, позволяющих уменьшить габариты устройств и при этом быстро и эффективно справляться с наличием препятствий. В уровне техники на данный момент отсутствуют средства, которые удовлетворяли бы этим требованиям.
Из уровня техники известен, например, передатчик энергии для беспроводного питания и зарядки интеллектуальных мобильных устройств (US 2016/0099614 A1), который отыскивает приемники в трехмерном пространстве с использованием средства связи (например, Bluetooth). Передатчик генерирует сигнал, чтобы создать электромагнитное поле вокруг каждого приемника. Передатчик использует определенный алгоритм для направления, фокусировки и управления формой волны в трех измерениях. Однако, зарядка множества приемников требует разделения передающей антенны на несколько подрешеток, что приводит к низкой эффективности передачи энергии. Т.е. такое решение неприменимо для одновременной зарядки нескольких приемников от одной передающей решетки без ее разделения на подрешетки, каждая из которых формирует электромагнитное поле вблизи отдельного приемника.
Передача высокочастотных сигналов с разделением известна, например, из документа US 5,572,219 A, в котором раскрывается способ и устройство для калибровки системы, имеющей множество N элементов, такой как система с фазированной решеткой. Способ включает в себя генерацию когерентных сигналов, таких как калибровочный сигнал и опорный сигнал, имеющих предварительно заданное спектральное соотношение между собой. Калибровочный сигнал, который применяется к каждому соответствующему одному из множества N элементов, может быть ортогонально закодирован на основе записей предварительно заданной обратимой матрицы кодирования, такой как бинарная матрица Адамара, для генерации первого и второго наборов ортогонально кодированных сигналов. Первый и второй наборы ортогонально кодированных сигналов и опорный сигнал передаются в удаленное местоположение. Переданные первый и второй наборы ортогонально кодированных сигналов когерентно детектируются в удаленном местоположении. Когерентно детектированные первый и второй наборы ортогонально кодированных сигналов затем декодируются с использованием инверсии предварительно заданной обратимой матрицы кодирования для генерации набора декодированных сигналов. Затем набор декодированных сигналов обрабатывается для формирования данных калибровки для каждого элемента системы. Проблема такого подхода заключается в том, что для его осуществления требуется наличие когерентного приемника и детектирование фазы, что повышает сложность и стоимость устройства.
Сущность изобретения
С целью устранения по меньшей мере некоторых из вышеупомянутых недостатков предшествующего уровня техники, настоящее изобретение направлено на снижение сложности и габаритов устройств в системе передачи при оптимизации энергоэффективности беспроводного канала между передатчиком с фазированной антенной решеткой и приемником.
Согласно первому аспекту настоящего изобретения предложен способ калибровки каналов передающей антенны, выполняемый в передатчике, содержащий этапы, на которых:
- передают на приемник опорный сигнал;
- принимают по обратной связи от приемника информацию об амплитуде опорного сигнала, измеренной амплитудным детектором приемника;
- для каждого из множества каналов передающей антенны передатчика:
передают на приемник сигнал текущего канала, по отношению к которому в данный момент должны быть произведены измерения;
принимают по обратной связи от приемника информацию об амплитуде сигнала текущего канала, измеренной амплитудным детектором приемника;
передают на приемник комбинированный сигнал, содержащий опорный сигнал и сигнал текущего канала;
принимают по обратной связи от приемника информацию об амплитуде комбинированного сигнала, измеренной амплитудным детектором приемника;
передают на приемник модифицированный комбинированный сигнал, содержащий опорный сигнал и модифицированный сигнал текущего канала, причем модифицированный сигнал текущего канала получают путем применения предварительно определенного сдвига фазы к сигналу текущего канала;
принимают по обратной связи от приемника информацию об амплитуде модифицированного комбинированного сигнала, измеренной амплитудным детектором приемника;
вычисляют первую пару фаз, которая соответствует комбинированному сигналу, с использованием информации об амплитуде опорного сигнала, информации об амплитуде сигнала текущего канала и информации об амплитуде комбинированного сигнала;
вычисляют вторую пару фаз, которая соответствует модифицированному комбинированному сигналу, с использованием информации об амплитуде опорного сигнала, амплитуде сигнала текущего канала, амплитуде модифицированного комбинированного сигнала и сдвиге фазы;
сравнивают каждую из первой пары фаз с каждой из второй пары фаз; и
определяют истинную фазу сигнала текущего канала на основе сравнения;
- определяют вектор-столбец комплексных амплитуд принятых сигналов на основе определенных истинных фаз и принятой информации об амплитудах для сигналов всех каналов;
- определяют матрицу состояний передатчика, содержащую множество векторов комплексных амплитуд переданных сигналов для различных фазовых состояний передатчика, на основе амплитуд и фаз для сигналов всех каналов, использованных при передаче;
- определяют вектор коэффициентов распространения от входа радиочастотного тракта каждого канала передатчика до приемника путем умножения вектора-столбца комплексных амплитуд принятых сигналов на матрицу, являющуюся обратной к матрице состояний передатчика;
- определяют вектор оптимального возбуждения как вектор, являющийся комплексно сопряженным вектору коэффициентов распространения; и
- используя блок управления передатчика, калибруют каналы посредством регулировки комплексных амплитуд сигналов в каждом канале передатчика на основе вектора оптимального возбуждения.
В одном из вариантов осуществления первую и вторую пару фаз вычисляют на основе геометрических представлений сигналов на комплексной плоскости с использованием следующих выражений:
где  - амплитуда опорного сигнала,
- амплитуда сигнала текущего канала,
- амплитуда комбинированного сигнала,
- амплитуда модифицированного комбинированного сигнала,
- сдвиг фазы.
В одном из вариантов осуществления при передаче на приемник опорного сигнала, сигнала текущего канала, комбинированного сигнала и модифицированного комбинированного сигнала выключают все остальные каналы, которые не участвуют в передаче соответствующих сигналов.
В одном из вариантов осуществления опорный сигнал формируют с помощью отдельного генератора опорного сигнала.
В одном из вариантов осуществления опорный сигнал формируют с помощью группы излучающих элементов, отличных от текущего канала.
В одном из вариантов осуществления в качестве излучающих элементов, формирующих опорный сигнал, выбирают такую группу излучающих элементов, которая обеспечивает достаточно высокую ненулевую амплитуду опорного сигнала в рамках динамического диапазона амплитудного детектора приемника.
В одном из вариантов осуществления при регулировке комплексных амплитуд регулируют фазы сигнала каждого канала передатчика, в то время как значения амплитуд поддерживают равными.
В одном из вариантов осуществления фазу сигнала каждого канала в антенной решетке задают согласно фазе сигнала, имеющего соответствующий индекс в векторе оптимального возбуждения.
Согласно второму аспекту настоящего изобретения предложен способ способствования калибровке каналов передающей антенны, выполняемый в приемнике, содержащий этапы, на которых:
- принимают от передатчика только опорный сигнал;
- измеряют амплитуду опорного сигнала посредством амплитудного детектора приемника;
- передают по обратной связи к передатчику информацию об измеренной амплитуде опорного сигнала; и
- для каждого из множества каналов передающей антенны передатчика:
принимают от передатчика только сигнал текущего канала, по отношению к которому в данный момент должны быть произведены измерения;
измеряют амплитуду сигнала текущего канала посредством амплитудного детектора;
передают по обратной связи к передатчику информацию об измеренной амплитуде сигнала текущего канала;
принимают от передатчика только комбинированный сигнал, содержащий опорный сигнал и сигнал текущего канала;
измеряют амплитуду комбинированного сигнала посредством амплитудного детектора;
передают по обратной связи к передатчику информацию об измеренной амплитуде комбинированного сигнала;
принимают от передатчика только модифицированный комбинированный сигнал, содержащий опорный сигнал и модифицированный сигнал текущего канала, причем модифицированный сигнал текущего канала получен в передатчике путем применения предварительно определенного сдвига фазы к сигналу текущего канала;
измеряют амплитуду модифицированного комбинированного сигнала посредством амплитудного детектора; и
передают по обратной связи к передатчику информацию об измеренной амплитуде модифицированного комбинированного сигнала.
В одном из вариантов осуществления для обеспечения приема от передатчика только опорного сигнала, сигнала текущего канала, комбинированного сигнала или модифицированного комбинированного сигнала все остальные каналы, которые не участвуют в передаче соответствующих сигналов, выключены на стороне передатчика.
В одном из вариантов осуществления опорный сигнал сформирован с помощью отдельного генератора опорного сигнала.
В одном из вариантов осуществления опорный сигнал сформирован с помощью группы излучающих элементов передатчика, отличных от текущего канала.
В одном из вариантов осуществления в качестве излучающих элементов, формирующих опорный сигнал, выбрана такая группа излучающих элементов, которая обеспечивает достаточно высокую ненулевую амплитуду опорного сигнала в рамках динамического диапазона амплитудного детектора приемника.
Согласно третьему аспекту настоящего изобретения предложен способ калибровки каналов передающей антенны, выполняемый в системе передачи сигналов/энергии, содержащей:
передатчик с передающей антенной решеткой и блоком управления передатчика, и
приемник с амплитудным детектором,
причем способ содержит этапы, на которых:
- передают на приемник только опорный сигнал;
- измеряют амплитуду опорного сигнала посредством амплитудного детектора приемника;
- для каждого из множества каналов передающей антенны передатчика:
передают на приемник только сигнал текущего канала, по отношению к которому в данный момент должны быть произведены измерения;
измеряют амплитуду сигнала текущего канала посредством амплитудного детектора;
передают на приемник только комбинированный сигнал, содержащий опорный сигнал и сигнал текущего канала;
измеряют амплитуду комбинированного сигнала посредством амплитудного детектора;
передают на приемник только модифицированный комбинированный сигнал, содержащий опорный сигнал и модифицированный сигнал текущего канала, причем модифицированный сигнал текущего канала получают в передатчике путем применения предварительно определенного сдвига фазы к сигналу текущего канала;
измеряют амплитуду модифицированного комбинированного сигнала посредством амплитудного детектора;
определяют фазу сигнала текущего канала с использованием информации об амплитуде опорного сигнала, информации об амплитуде сигнала текущего канала, информации об амплитуде комбинированного сигнала, информации об амплитуде модифицированного комбинированного сигнала и информации об упомянутом сдвиге фазы;
- определяют вектор оптимального возбуждения на основе упомянутых определенных фаз и информации об амплитудах для принятых сигналов от всех каналов, а также на основе амплитуд и фаз для сигналов всех каналов, использованных при передаче; и
- используя блок управления передатчика, калибруют каналы посредством регулировки комплексных амплитуд сигналов в каждом канале передатчика на основе вектора оптимального возбуждения.
В одном из вариантов осуществления этапы определения фаз и определения вектора оптимального возбуждения выполняют в блоке управления передатчика, причем способ дополнительно содержит этапы, на которых:
- передают с приемника на передатчик информацию об амплитуде опорного сигнала, и
- для каждого из множества каналов передающей антенны передатчика:
передают с приемника на передатчик информацию об амплитуде сигнала текущего канала, информацию об амплитуде комбинированного сигнала, информацию об амплитуде модифицированного комбинированного сигнала.
В одном из вариантов осуществления этапы определения фаз и определения вектора оптимального возбуждения выполняют по меньшей мере в одном из блоков передатчика, приемника и одного или более отдельных блоков вычисления, причем способ дополнительно содержит этапы, на которых передают информацию об измерениях и при необходимости о промежуточных результатах вычислений на устройство, производящее последующий этап вычислений.
Согласно четвертому аспекту настоящего изобретения предложен способ калибровки каналов передающей антенны, выполняемый в системе передачи сигналов/энергии, содержащей:
передатчик с передающей антенной решеткой и блоком управления передатчика, и
приемник с амплитудным детектором,
причем способ содержит этапы, на которых:
- передают (S101) на приемник опорный сигнал;
- измеряют амплитуду опорного сигнала посредством амплитудного детектора приемника;
- для каждой строки () кодовой матрицы:
формируют (S102) пару модифицированных опорных сигналов в передатчике путем формирования первого и второго составных векторов () и () для каждого из модифицированных опорных сигналов, причем первый и второй составные векторы формируют путем применения, к каждому из первой и второй группы каналов передающей антенны, предварительно определенных сдвигов фазы относительно опорного сигнала, причем каналы разделяют на две группы в соответствии со значениями элементов в текущей строке кодовой матрицы;
передают на приемник упомянутую пару модифицированных опорных сигналов;
измеряют амплитуду каждого из упомянутой пары модифицированных опорных сигналов посредством амплитудного детектора;
вычисляют (S104) пару квадратов амплитуд составных векторов  и  для упомянутой пары модифицированных опорных сигналов с использованием амплитуды опорного сигнала и амплитуд первого и второго модифицированных опорных сигналов;
формируют (S105) и передают на приемник дополнительный опорный сигнал, соответствующий текущей строке кодовой матрицы;
измеряют амплитуду упомянутого дополнительного опорного сигнала посредством амплитудного детектора;
формируют (S106) пару модифицированных дополнительных опорных сигналов в передатчике путем формирования первого и второго составных векторов для каждого из модифицированных дополнительных опорных сигналов;
передают на приемник упомянутую пару модифицированных дополнительных опорных сигналов;
измеряют амплитуду каждого из упомянутой пары модифицированных дополнительных опорных сигналов посредством амплитудного детектора;
вычисляют (S108) пару квадратов амплитуд составных векторов для упомянутой пары модифицированных дополнительных опорных сигналов с использованием амплитуды дополнительного опорного сигнала и амплитуд первого и второго модифицированных дополнительных опорных сигналов;
определяют (S109) истинный квадрат амплитуды первого или второго составного вектора на основе выявления наиболее близких значений из вычисленных пар квадратов амплитуд составных векторов; и
вычисляют (S110) фазу соответствующего первого или второго составного вектора с использованием амплитуды первого или второго составного вектора;
- определяют (S112) вектор оптимального возбуждения на основе вычисленных фаз и амплитуд составных векторов для каждой строки кодовой матрицы; и
- используя блок управления передатчика, калибруют каналы посредством регулировки комплексных амплитуд сигналов в каждом канале передатчика на основе вектора оптимального возбуждения.
В одном из вариантов осуществления этап, на котором вычисляют пару квадратов амплитуд составных векторов, содержит этапы, на которых:
вычисляют первую () и вторую () вспомогательные величины с помощью решения следующей системы уравнений:
где  - амплитуда опорного сигнала,
и  - амплитуды 1-го и 2-го модифицированных опорных сигналов;
вычисляют пару квадратов амплитуд составных векторов в соответствии со следующим выражением:
В одном из вариантов осуществления вычисляют (S110) фазу () составного вектора в соответствии со следующими выражениями:
причем в качестве фазы составного вектора выбирают значение, полученное в каждом из этих выражений.
В одном из вариантов осуществления этап, на котором определяют вектор оптимального возбуждения, содержит этапы, на которых:
вычисляют (S111) вектор комплексных коэффициентов распространения на основе вычисленных фаз и амплитуд составных векторов для каждой строки кодовой матрицы; и
определяют (S112) вектор оптимального возбуждения как вектор, являющийся комплексно сопряженным вектору коэффициентов распространения.
Согласно пятому аспекту настоящего изобретения предложен способ калибровки каналов передающей антенны, выполняемый в системе передачи сигналов/энергии, содержащей:
передатчик с передающей антенной решеткой и блоком управления передатчика, и
приемник с амплитудным детектором,
причем способ содержит этапы, на которых:
- для каждой строки или столбца () матрицы Адамара порядка :
формируют первый сигнал путем задания фазы сигнала каждого канала в антенной решетке согласно значению элемента матрицы, имеющего соответствующий индекс в текущей строке или столбце, и задания равных амплитуд сигналов на каждом канале,
передают на приемник сформированный первый сигнал,
измеряют амплитуду первого сигнала посредством амплитудного детектора приемника, и
вычисляют амплитуду -го коэффициента распространения с использованием амплитуды первого сигнала;
выбирают любые два произвольных не равных друг другу значения  в диапазоне от 1 до ;
- для всех значений , кроме :
- для каждого из выбранных значений :
формируют второй сигнал путем задания фаз и амплитуд сигнала каждого канала в антенной решетке согласно предварительно заданной линейной комбинации текущих строк или столбцов ( и ) матрицы Адамара,
передают на приемник сформированный второй сигнал, и
измеряют амплитуду второго сигнала для текущей комбинации значений  и  посредством амплитудного детектора приемника;
вычисляют предварительные значения первой и второй фаз коэффициента распространения для каждой комбинации значений  и  с использованием амплитуды второго сигнала для этой комбинации и амплитуды -го коэффициента распространения;
выбирают истинные значения фаз коэффициента распространения посредством выявления двух наиболее близких значений фаз из предварительно заданного набора значений фаз, составленного с использованием вычисленных предварительных значений фаз коэффициента распространения;
вычисляют вектор комплексных коэффициентов распространения на основе амплитуд и истинных фаз коэффициентов распространения;
определяют вектор оптимального возбуждения как вектор, являющийся комплексно сопряженным вектору коэффициентов распространения; и
используя блок управления передатчика, калибруют каналы посредством регулировки комплексных амплитуд сигналов в каждом канале передатчика на основе вектора оптимального возбуждения.
В одном из вариантов осуществления при формировании первого сигнала задают фазу канала равной 0 или 180 градусов, если элемент с соответствующим индексом в текущей строке или столбце матрицы Адамара имеет значение 1 или -1, соответственно.
В одном из вариантов осуществления вычисляют амплитуду -го коэффициента распространения посредством деления амплитуды первого сигнала на величину .
В одном из вариантов осуществления предварительно заданной линейной комбинацией является:
где  - вектор возбуждения,
и  - -я и -я строки или столбцы матрицы Адамара.
В одном из вариантов осуществления предварительные значения первой и второй фаз коэффициента распространения для каждой комбинации значений  и  вычисляют согласно следующим выражениям:
где  - амплитуда -го коэффициента распространения,
- амплитуда второго сигнала для комбинации  и .
В одном из вариантов осуществления предварительно заданным набором значений фаз является:
, , , , , ,
где , ,
причем  и  - выбранные значения .
В одном из вариантов осуществления вектор комплексных коэффициентов распространения вычисляют следующим образом:
где  - -й комплексный коэффициент распространения, вычисленный на основе амплитуды и истинных фаз -го коэффициента распространения,
- -я строка или столбец матрицы Адамара.
Технический результат
Настоящее изобретение позволяет обеспечить максимально достижимую энергоэффективность для радиочастотного канала и за счет этого максимизировать уровень сигнала в заданной точке приема (приемнике), несмотря на наличие препятствий между передатчиком и приемником. Более того, предложенный подход требует проведения лишь амплитудных измерений в приемнике для управления фазой в передатчике, что значительно снижает сложность системы.
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 показан пример системы беспроводной передачи сигналов/энергии.
На Фиг. 2 показан пример передачи трех сигналов с передатчика TX на приемник RX.
На Фиг. 3 изображено эквивалентное представление передачи сигналов.
На Фиг. 4 показан пример системы беспроводной передачи сигналов/энергии с использованием СВЧ-выключателей.
На Фиг. 5 изображено эквивалентное представление передачи сигналов в способе с использованием СВЧ-выключателей.
На Фиг. 6 показан пример формирования опорного сигнала из группы излучателей.
На Фиг. 7 показан алгоритм выполнения способа калибровки каналов передающей антенны с использованием кодовой матрицы.
На Фиг. 8-10 изображено эквивалентное представление передачи сигналов в способе с использованием кодовой матрицы.
На Фиг. 11 показан пример формирования дополнительных опорных сигналов для кодовой матрицы 16×16.
На Фиг. 12 показаны результаты тестирования предложенного способа.
Подробное описание
Обзор системы передачи сигналов/энергии с калибровкой каналов передающей антенны для оптимизации мощности на приемнике
На Фиг. 1 показан пример передачи сигналов в рамках системы беспроводной передачи сигналов/энергии. Система беспроводной передачи сигналов/энергии содержит передатчик и приемник.
Передатчик содержит фазированную антенную решетку, состоящую из N излучающих элементов. В примерном варианте осуществления элемент антенной решетки представляет собой полосковый излучающий элемент (патч-элемент). Альтернативно в качестве элемента антенной решетки могут использоваться симметричные и несимметричные вибраторы, волноводно-щелевые излучатели, другие печатные излучатели и т.п. Каждый излучающий элемент в решетке имеет управляемый фазовращатель. Управление фазой выполняется с помощью блока управления передатчика. Блоком управления передатчика может быть, например, контроллер передатчика или набор средств управления передатчиком.
Один или несколько излучающих антенных элементов в решетке вместе с фазовращателями этих элементов (в данном случае) образуют канал. Тем самым, антенна содержит несколько каналов. Например, если каждый антенный элемент представляет собой канал, то антенна содержит  каналов (по числу элементов решетки), а если в качестве канала рассматриваются 2 соседних излучающих элемента, то антенна содержит  каналов. Все элементы в рамках одного канала возбуждаются сигналом, имеющим одинаковую амплитуду и фазу.
Приемник содержит антенну с детектором. В случае беспроводной передачи энергии антенная цепь приемника может представлять собой ректенну (антенну с выпрямителем, который преобразует принимаемый сигнал в сигнал постоянного напряжения, подаваемый затем на аккумулятор приемника для осуществления зарядки). В данном примере в качестве антенны используется прямоугольная патч-антенна, однако могут использоваться и любые другие подходящие типы антенн. Таким образом, антенна приемника очень проста и легко может быть интегрирована в любое существующее мобильное устройство. Значение амплитуды и фазы детектированного сигнала определяется (например, измеряется или вычисляется) в приемнике, и информация об измерении отправляется через канал обратной связи (такой как BLE, ZigBee, Wi-Fi и т.д.) на контроллер передатчика, который управляет фазами каждого излучающего элемента антенной решетки так, чтобы максимизировать принимаемую мощность на стороне приемника.
Как только произведены все измерения и определены все оптимальные фазы всех излучающих элементов антенной решетки передатчика, данные об оптимальных фазах сохраняются в запоминающем устройстве передатчика, и в дальнейшем передача производится с использованием этих данных.
Система беспроводной передачи сигналов/энергии согласно настоящему изобретению также позволяет осуществлять передачу энергии даже при условии перемещения приемников. Передатчик может сделать вывод о перемещении приемника в процессе беспроводной передачи сигналов/энергии на основании изменения информации об уровне сигнала, принимаемого приемником, получаемой по каналам обратной связи. Кроме того, приемник на основании различных встроенных датчиков (акселерометр, GPS, гироскоп, магнитный датчик и т.д.) может сделать вывод о начавшемся перемещении и передать информацию об этом по каналу обратной связи в передатчик. В этом случае передатчик осуществляет процедуру поиска новых оптимальных значений фаз излучающих элементов антенной решетки передатчика.
В настоящем варианте осуществления для беспроводной передачи сигналов/энергии используется микроволновое излучение. Однако, альтернативно могут быть использованы любые диапазоны длин волн, для которых возможно осуществить излучение и управляемую фокусировку электромагнитных волн. Например, в качестве альтернативы может быть использовано коротковолновое, субмиллиметровое (терагерцовое) излучение и т.д.
На Фиг. 2 показан пример того, как от трех излучающих элементов с передатчика TX на приемник RX поступают соответствующие сигналы (показано слева). Каждый из этих сигналов можно представить в виде вектора с амплитудой  и фазой , наблюдаемого на входе приемника.
В частности, на Фиг. 2 изображены три вектора, исходящие от трех разных передатчиков (показано в центре). Первый вектор имеет первую амплитуду и фазу  относительно опорного сигнала, показанного прямой линией. Второй вектор имеет вторую амплитуду и фазу  относительно опорного сигнала, третий вектор имеет третью амплитуду и фазу  относительно опорного сигнала. Сумма этих трех векторов дает в результате вектор суммарного сигнала, поступающего на вход приемника. Процедура оптимизации состоит в том, чтобы все сигналы поступали на вход приемника с одинаковой фазой, то есть происходило синфазное сложение этих сигналов, и в результате обеспечивалась максимальная амплитуда вектора суммарного сигнала (показано справа). Для этого, например, фазы всех сигналов можно привести к 0 относительно опорного сигнала.
Соответственно, задачей оптимизации является управление фазой передаваемого сигнала так, чтобы придавать ему надлежащий сдвиг фазы с учетом информации об измерениях, полученной по обратной связи от приемника на передатчик. В настоящем изобретении процедура определения оптимальных параметров (например, фазы и/или амплитуды) для управления каналами фазированной антенной решетки для передачи сигналов/энергии может называться калибровкой каналов фазированной антенной решетки.
Далее на Фиг. 3 изображено эквивалентное представление производимой передачи сигналов от передатчика с  антенными элементами (которые для удобства показаны в виде линейной решетки) к приемнику RX.
Каждый -ый антенный элемент антенной решетки передатчика возбуждается сигналом . Полное возбуждение антенной решетки можно представить в виде вектора комплексных амплитуд в комплексном -мерном векторном пространстве:
По пути от передатчика к приемнику сигнал может встречаться с различными препятствиями и испытывать отражение, преломление и затухание. Коэффициенты передачи сигнала от всех элементов антенной решетки передатчика также можно представить в виде вектора комплексных коэффициентов распространения в -мерном векторном пространстве:
Вектор комплексных коэффициентов распространения, в сущности, характеризует собой условия среды распространения, по которой сигнал проходит от входа радиочастотного тракта каждого канала передатчика к приемнику. Также в общем случае коэффициенты заключают в себе неидентичность амплитудно-частотных характеристик каналов антенной решетки (для случая, когда все фазовращатели выставлены в нулевое состояние).
В конечном счете приемник на входе получает комплексный сигнал , являющийся суммой произведений комплексной амплитуды каждого антенного элемента и коэффициента распространения:
В этом выражении известны две величины: измеряемый на приемнике комплексный сигнал  и задаваемый на передатчике вектор комплексных амплитуд . Как указывалось выше, задачей оптимизации является управление фазами компонент вектора , чтобы максимизировать уровень сигнала на стороне приемника (то есть максимизировать модуль ). Чтобы правильно задать оптимальное значение вектора , необходимо найти вектор  и возбуждать антенные элементы комплексными амплитудами, соответствующими  (будет показано ниже). В свою очередь, для нахождения вектора  необходимо применить  (по числу антенных элементов передатчика) различных фазовых состояний передатчика, то есть  векторов комплексных амплитуд , .
Множество состояний передатчика, или иными словами, множество векторов комплексных амплитуд формируют матрицу состояний передатчика:
где - транспонированный столбец - строка координатного представления вектора .
Набор принятых сигналов в таком случае можно представить в виде вектора комплексных амплитуд :
В этом выражении  является -мерным неизвестным столбцом, тогда как известны матрица  размером  (поскольку известны амплитуды и фазы излучающих элементов) и вектор  размерности  (в том случае, когда на приемнике измеряются и/или вычисляются амплитуда и фаза принятого сигнала). Эта задача является разрешимой относительно , когда , то есть матрица  обратима (существует обратная матрица).
В результате, уровень принимаемого сигнала должен иметь максимальное значение (при фиксированной полной мощности возбуждения передатчика), когда , и знания  достаточно для максимизации энергоэффективности канала (максимизация достигается в соответствии с неравенством Коши-Буняковского в комплексном векторном пространстве, когда максимум скалярного произведения
при заданных нормах векторов соответствует равенству , где  - некоторая константа).
В общем случае, максимальному кпд передачи энергии соответствует вектор комплексных амплитуд с переменной амплитудой компонент. В настоящем описании подробно раскрывается фазовое управление, при котором возможно использовать только фазы вектора оптимального возбуждения. Несмотря на это, такое управление также будет рассматриваться как определение вектора оптимального возбуждения.
Способ калибровки каналов передающей антенны с использованием переключателей
S
В традиционной системе передачи сигналов, использующей калибровку каналов, применяются передатчик из  антенных элементов и приемник с генератором опорного сигнала. Разность фаз между сигналом опорного генератора и фазой принятого сигнала измеряется в приемнике фазовым детектором для каждой пары  (опорный сигнал+сигнал -го антенного элемента). Для проведения отдельного измерения каждой пары сигналов необходимо временно выключать все остальные сигналы, оставляя включенными лишь те, в отношении которых в данный момент производится измерение. Знание амплитуд и фаз в итоге позволяет построить  из отдельных измерений и максимизировать мощность на стороне приемника, применяя возбуждение .
Соответственно, в традиционном подходе для максимизации энергоэффективности канала используется измерение амплитуды и фазы на стороне приемника, а также управление амплитудой (включение/выключение) и управление фазой каждого элемента на стороне передатчика, то есть требуется наличие фазового детектора на приемнике и одно измерение фазы для каждого элемента. Однако, такие решения являются весьма громоздкими, сложными и дорогостоящими.
В данном изобретении применяется способ калибровки каналов с измерением разности фаз между сигналом антенного элемента и опорным сигналом с помощью только амплитудного детектора.
Для реализации такого метода требуются следующие элементы в системе передачи сигналов/энергии (см. Фиг. 4):
- Амплитудный детектор на стороне RX,
- Фазовращатель в каждом канале антенной решетки на стороне TX,
- Источник опорного сигнала (для задания нуля фазы).
Как источник опорного сигнала, так и излучатель, разность фаз которого с опорным сигналом необходимо найти на стороне приемника, должны быть оборудованы СВЧ-выключателем.
Разность фаз при этом не измеряется напрямую фазовым детектором (поскольку его наличие не предполагается), а находится согласно формуле:
где:
- значение  (фаза) -искомое значение;
- значение (амплитуда опорного сигнала) можно получить при измерении в амплитудном детекторе (для этого сигнал заданного излучающего элемента выключается, опорный сигнал включается);
- значение  (амплитуда сигнала заданного излучающего элемента) можно получить при измерении в амплитудном детекторе (для этого сигнал заданного излучающего элемента включается, опорный сигнал выключается);
- значение  (амплитуда комбинированного сигнала, содержащего опорный сигнал и сигнал заданного излучающего элемента) можно получить при измерении в амплитудном детекторе (для этого сигнал заданного излучающего элемента включается, опорный сигнал включается).
Геометрическое представление вышеуказанного множества векторов показано на Фиг. 5 слева.
Таким образом, все составляющие справа в выражении (1) можно получить, имея на стороне приемника лишь амплитудный детектор. При этом остается неопределенность в отношении знака фазы, поскольку в выражении (1) присутствует знак . Из-за этого требуется проведение еще одного измерения, на этот раз с использованием модифицированного сигнала заданного излучающего элемента, полученного путем применения сдвига фазы  к сигналу заданного излучающего элемента на фазовращателе на передающей стороне (Фиг. 5 справа).
В результате проведения этого дополнительного измерения можно получить следующее выражение:
где  - это амплитуда модифицированного комбинированного сигнала, содержащего опорный сигнал и модифицированный сигнал заданного излучающего элемента.
Как и в выражении (1), в выражении (2) решением будут являться два значения, но лишь одно из них совпадет с одним из решений выражения (1). Именно это совпавшее значение (максимально близкие значения) и будет являться истинной разностью фаз между опорным сигналом и сигналом заданного антенного элемента.
Аналогичным образом производится определение фазы каждого из оставшихся антенных элементов. Далее, имея значения амплитуд и фаз сигналов от каждого антенного элемента, наблюдаемых на входе приемника, определяют вектор-столбец . После этого вычисляется вектор , а на его основе определяется вектор оптимального возбуждения , задающий оптимальные параметры управления передачей сигналов (например, оптимальные фазы), то есть происходит калибровка антенных элементов передающей антенны.
Таким образом, обеспечивается возможность измерения разности фаз между сигналом антенного элемента и опорным сигналом, а за счет этого и возможность оптимизации передаваемого сигнала, без использования фазового детектора и опорного генератора в приемнике, что значительно упрощает и удешевляет его конструкцию.
Как указывалось ранее в настоящем описании, один или несколько антенных элементов могут рассматриваться в качестве канала передающей антенны. Поэтому в общем случае все вышеуказанные этапы применимы в отношении не отдельно взятых антенных элементов, а в отношении каналов, содержащих один или несколько антенных элементов, при условии, что все антенные элементы в канале возбуждаются сигналом, имеющим одинаковые амплитуды и фазы.
Следует понимать, что любые из вышеописанных вычислений, требуемых для выполнения способа калибровки каналов передающей антенны, могут производиться не только в передатчике, но также и в приемнике, в отдельном блоке вычисления или распределенным образом. Для этого информация об измерениях и при необходимости о промежуточных результатах вычислений передается на устройство, производящее последующий этап вычислений. В конечном счете контроллер передатчика, получив результаты вычислений самостоятельно (полностью или частично) и/или от внешних(его) устройств(а), имеет информацию для управления каналами передающей антенны путем регулирования комплексной амплитуды сигнала на каждом канале - например, путем регулирования фазы при поддержании равной амплитуды.
Порядок следования этапов передачи сигналов на приемник и этапов передачи обратной связи от приемника может быть различным и зависит от конкретного применения. Например, в одном варианте осуществления передача обратной связи от приемника происходит вслед за каждым измерением принятого сигнала. В другом варианте осуществления сначала на приемник передаются полностью все подлежащие измерению сигналы (например, непосредственно друг за другом с равной длительностью или в соответствии с каким-нибудь другим протоколом), а затем приемник передает по обратной связи всю информацию о результатах измерений принятых сигналов.
В одном из вариантов осуществления в качестве источника опорного сигнала в передатчике используется отдельный генератор опорного сигнала. В другом варианте осуществления вместо отдельного генератора опорного сигнала источником опорного сигнала на стороне передатчика могут служить сами излучатели - например, группа излучателей, отличных от того, по отношению к которому в данный момент проводятся измерения (пример этого показан на Фиг. 6). Они могут работать как одновременно, так и по отдельности.
Критериями выбора опорного сигнала являются достаточно высокая амплитуда опорного сигнала в рамках динамического диапазона детектора, а также то ограничение, что нулевой уровень опорного сигнала/сигнала излучателя будет приводить к делению на ноль в выражениях (1), (2) для вычисления фазы. Такой подход позволяет использовать унифицированную конструкцию для источников опорного сигнала и излучателей (поскольку все они могут размещаться в рамках одной антенной решетки) и дополнительно использовать источник опорного сигнала для передачи данных/передачи энергии (как часть единой антенной решетки).
Если при выбранном ранее опорном сигнале какой-либо из принятых сигналов в приемнике превышает верхний порог динамического диапазона амплитудного детектора, то для текущего канала, по которому в данный момент проводятся измерения, выбирается другой опорный сигнал, соответствующий вышеуказанным критериям, и этапы измерения и вычисления для текущего канала выполняются с применением этого другого опорного сигнала.
Также другой опорный сигнал выбирается в том случае, когда текущий подлежащий измерению канал входит в состав группы излучателей, выбранных ранее в качестве источника опорного сигнала. Целесообразно при этом для сокращения объема измерений выбирать такую группу излучателей для нового опорного сигнала, в которую не входит ни один излучатель из группы излучателей, являющихся источником предыдущего опорного сигнала.
Способ калибровки каналов антенной решетки с использованием матрицы Адамара
Как показано выше, в отличие от традиционного подхода, в настоящем изобретении требуется только измерять амплитуду на стороне приемника и управлять фазой каждого элемента на стороне передатчика, что значительно проще, компактнее и дешевле, поскольку не требуется фазовый детектор и опорный генератор на приемной стороне и отдельный опорный генератор на передающей стороне.
Более того, в одном из вариантов настоящего изобретения обеспечивается возможность отказаться и от применения СВЧ-переключателей на передающей стороне. Для этого предлагается использовать сигнал от всех элементов (всех включенных элементов) TX-антенны с фазами, заданными специальным образом на основе кодовой матрицы, такой как матрица Адамара.
Матрицей Адамара является квадратная матрица с элементами ±1 и удовлетворяющая следующему выражению:
где  - единичная матрица размерности .
Для матрицы размерностью  (такая матрица соответствует наиболее удобному и часто встречающемуся на практике случаю с антенной решеткой из  излучателей) существует следующая рекуррентная формула:
То есть для задания фаз излучателей предлагается использовать матрицу , основанную на матрице Адамара, с использованием  (если это позволяет количество элементов решетки).
Для процедуры расчета фазы необходимо получить вектор опорного возбуждения и амплитуду сигнала на приемнике при этом возбуждении. После этого применяется модификация опорного вектора согласно модифицированной матрице Адамара - кодовой матрице, где «1» заменяется на , а «-1» заменяется на . Соответственно, за счет свойств определителя эта модифицированная матрица все еще является обратимой. Модифицированная матрица  может быть выражена как:
где  - матрица размером nxn, состоящая из единиц. Последнее слагаемое в данной формуле может быть представлено как произведение  и, соответственно, с помощью теоремы об определителе матрицы и определения матрицы Адамара для  можно получить следующее выражение:
(4)
.
Когда определитель матрицы отличен от нуля, линейная система  разрешима относительно
Перейдем к более подробному описанию этапов предлагаемого способа.
Алгоритм выполнения способа калибровки каналов передающей антенной решетки показан на Фиг. 7 и заключается в следующем.
Сначала, на этапе S101, выполняется выбор опорного сигнала. Поскольку СВЧ-выключатели отсутствуют, в любой момент времени задействованы все имеющиеся антенные элементы, и опорный сигнал является суммой сигналов от всех элементов, возбуждаемых с известными фазами:
где
- комплексный опорный сигнал в приемнике,
- коэффициент распространения для
-го элемента,
- фаза
-го антенного элемента при возбуждении передающей антенны опорным сигналом,
,
- число используемых опорных сигналов (число
будет определено далее по тексту).
В данном варианте осуществления для удобства подразумевается, что антенные элементы возбуждаются сигналом единичной амплитуды, поэтому амплитуда -го антенного элемента при возбуждении передающей антенны опорным сигналом в выражении (5) принимается условно равной единице и не указана, то есть для возбуждения опорным сигналом необходимо задавать только фазу для каждого элемента антенной системы.
Как и в предыдущем варианте осуществления, фазы антенных элементов для получения опорного сигнала выбираются таким образом, чтобы обеспечить достаточно высокую амплитуду опорного сигнала в рамках динамического диапазона детектора приемника.
Выше описывается общий случай, в котором любой опорный сигнал может быть обозначен как . Тем не менее, на этапе S110 выбирается только первый опорный сигнал , т.е. .
Данные об уровне опорного сигнала  измеряются в амплитудном детекторе приемника и сохраняются.
Для примера на Фиг. 8 изображено 6 векторов (по одному для каждого антенного элемента), которые дают в сумме вектор опорного сигнала . Для удобства понимания изобретения на чертежах некоторые индексы в обозначениях векторов, углов и фаз могут быть опущены - например, на Фиг. 8 вектор опорного сигнала  обозначен просто как вектор . Здесь и далее в случаях, когда единичный сигнал называется вектором, подразумевается, что вектор - это комплексное число, представленное на комплексной плоскости. Для этого вектора применяются операции сложения и поворота (умножение на комплексную экспоненту).
Затем, на этапе S102, получают пару векторов модифицированных опорных сигналов.
,
А именно, чтобы получить вектор модифицированного опорного сигнала, антенные элементы разделяются на две группы в соответствии с кодовой матрицей, например, матрицей Адамара, в которой значения «1» заменяются на , а значения «-1» заменяются на затем строка такой матрицы поэлементно умножается на , и получается новый набор фаз сигналов, возбуждающих антенную систему. Для примера, -й антенный элемент в решетке возбуждается сигналом с фазой , если -й элемент в строке матрицы Адамара имеет значение «1», и возбуждается сигналом с фазой , если этот элемент соответствует значению «-1». В качестве фаз  и  выбираются любые произвольные не равные друг другу значения в диапазоне [0; 2π].
На Фиг. 9 изображены те же векторы, что и на Фиг. 8, но теперь они разделены на две группы, к которым впоследствии будет применена модификация. Первая группа векторов представляет собой антенные элементы, которым соответствует значение «1» в текущей (например, в первой) строке матрицы Адамара, а вторая группа векторов представляет собой антенные элементы, которым соответствует значение «-1» в строке матрицы Адамара. Обозначим вектор суммы первой группы векторов как первый составной вектор , отклоненный на некоторый угол  относительно опорного сигнала , а вторая группа векторов образует в сумме второй составной вектор , который образует угол  относительно опорного сигнала :
-
-
,
где ыйэлемент -ой строки кодовой матрицы.
На следующей Фиг. 10 показан результат модификации опорного сигнала (то есть результат применения фаз  и  к первой и второй группам антенных элементов). Первая группа модифицированных векторов образует в сумме вектор , отклоненный на угол  относительно опорного сигнала , а вторая группа модифицированных векторов образует в сумме вектор , который образует угол  относительно опорного сигнала :
Таким образом, модифицированный опорный сигнал представляет собой комплексную сумму сигналов отдельных антенных элементов, для возбуждения которых использован сигнал с амплитудой и фазой, измененными в соответствии с кодовой матрицей (в частности, для случая, когда выполняется управление только фазой, модифицированный опорный сигнал представляет собой вектор комплексных экспонент).
Далее в настоящем описании считается, что обозначения , , то есть без указания явной зависимости от фазы, соответствуют выражениям (6.а-6.б), или нулевому значению фаз.
Вернемся к описанию алгоритма.
Как показано выше, после применения фаз  и  к антенным элементам относительно опорного вектора  получается первый модифицированный опорный сигнал. Данные об уровне (амплитуде) текущего модифицированного опорного сигнала:
,,
измеряются и сохраняются.
Далее к каждому антенному элементу из 1-й и 2-й группы, соответственно, применяется заданный сдвиг фазы  и  относительно опорного вектора , вместо ранее примененного сдвига  и . В качестве фаз  и  выбираются любые произвольные не равные друг другу значения в диапазоне [0; 2π]. Кроме того, разность фаз  не должна быть равна разности фаз , а также определитель следующей матрицы, составленной с использованием этих фаз, не должен быть равен нулю:
.
Тем самым, получается второй модифицированный опорный сигнал. Данные об уровне (амплитуде) текущего модифицированного опорного сигнала:
,,
измеряются и сохраняются.
Следует отметить, что в данном варианте осуществления показывается только управление фазой, тогда как в других вариантах осуществления дополнительно может выполняться и управление амплитудой сигналов, возбуждающих антенные элементы.
Возвращаясь вновь к изображенному на Фиг. 7 алгоритму калибровки элементов антенной решетки, после этапов S101 и S102 способ переходит к этапу S103, на котором вычисляются первая и вторая вспомогательные величины ( и ) для дальнейшего определения амплитуд и фаз составных векторов  и  относительно опорного сигнала .
Для этого, воспользовавшись геометрическими представлениями сигналов на комплексной плоскости (в частности, теоремой косинусов), можно получить соотношение между фазами  и , измеренными амплитудами и амплитудами и углами, подлежащими вычислению:
,
где
,  (8)
- это первая вспомогательная величина,
,  (9)
- это вторая вспомогательная величина.
В этом выражении:
- переменные  и ,, являются величинами, измеряемыми, соответственно, на этапах S101 и S102, то есть они известны;
- первая пара фаз  и  задаются на этапе S102 для управления антенными элементами, то есть тоже является известной;
- вспомогательные величины  и  являются неизвестными.
Соответственно, именно чтобы вычислить эти величины, необходимо было произвести измерения со второй парой фаз  и . Далее требуется решить систему линейных уравнений относительно  и .
(10)
Решением этой системы уравнений и являются требуемые вспомогательные величины  и .
После этого способ переходит к этапу S104, на котором в соответствии со следующим выражением вычисляются величины  (квадраты амплитуд составных векторов) для дальнейшего определения амплитуды и фазы составного вектора  относительно опорного сигнала :
.
где - это номер строки кодовой матрицы Все величины в правой части выражения (11) были либо измерены, либо вычислены на предыдущих этапах, но, как можно заметить, в соответствии с данной формулой невозможно однозначно определить величину , так как знак «±» вносит в вычисления неопределенность. Данное выражение имеет два решения: одно из решений (либо при подстановке знака «+», либо при подстановке знака «-») действительно соответствует значениям , тогда как второе решение (при подстановке обратного знака) соответствует значениям . Соответственно, результатом выполнения этапа S104 являются вычисленные пары величин  и , , выделить значения каждой из которых на данном этапе не представляется возможным.
,
.
,
Для проведения дальнейших вычислений требуется разрешить эту неопределенность. С этой целью способ переходит к этапам S105-S108, в результате выполнения которых вычисляются пары величин  и  с использованием дополнительных опорных сигналов , где  принимает значения в диапазоне , выбранных специальным образом. Поскольку вычислять потребуется только одну из величин для каждой пары  или , , то на этапе S105 формируется такой дополнительный опорный сигнал, при использовании которого одна из частей  или , остается неизменной, причем разным (строкам кодовой матрицы) могут соответствоватьразличныеДля того, чтобы оставить одну из частей опорного сигнала неизменной для данного по меньшей мере одна изфаз антенных элементов в опорном сигнале должна быть изменена, т.е. , при этом необходимо, чтобы , тогда , или необходимо, чтобы , тогда .
Данные об уровне (амплитуде) текущего дополнительного опорного сигнала ,, соответствующего текущей строке кодовой матрицы, измеряются и сохраняются.
,
Далее на этапе S106 аналогично этапу S102 изменяют сигналы возбуждения антенных элементов с использованием пары фаз  и  и пары фаз  и  относительно опорного сигнала , соответствующего текущей строке кодовой матрицы, и измеряют амплитуды принятых сигналов  и .
Затем на этапе S107 аналогично этапу S103 вычисляют вспомогательные величины  и  для полученной на предыдущем этапе пары модифицированных дополнительных опорных сигналов  и .
.
После этого на этапе S108 аналогично этапу S104 определяют пары квадратов амплитуд составных векторов  и , ,
,
,
,
Вслед за этим способ переходит к этапу S109, на котором определяются истинные величины  и . Для этого одна из величин каждой пары , ,  полученной на этапе S104, которая, для конкретного значения  оставалась постоянной при замене опорного сигнала на этапе S105, сравнивается с парой величин  и , полученных на этапе S108. Для каждого  одно значение из пары  в идеальном случае совпадает с одним из значений пары  (или на практике является очень близким в силу неидеальности элементов передатчика и средств измерений и изменчивости среды распространения). Такое совпадение является решением для неизменной части опорного сигнала.
В случае, когда неизменной частью опорного вектора на этапе S105 была часть , именно квадрат модуля этой величины станет результатом совпадения при сравнении на этапе S109, и его необходимо рассматривать в качестве истинной величины. В случае же, когда неизменной частью опорного вектора на этапе S105 была часть , результатом совпадения станет квадрат модуля этой величины.
,
,
,
,
,
,
,
Например, имеется кодовая матрица 16×16 (на рисунке матрица Адамара 16 порядка) (см. Фиг. 11), заполненная «1» и «-1», а в качестве первого опорного сигнала используется сигнал [-1 -1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 -1 -1]. В кодовой матрице выбирается строка (строки) или столбец (столбцы), в котором есть несколько одинаковых соседних элементов. В данном случае это 8 соседних элементов 9-го столбца кодовой матрицы, затем 4 элемента 5-го столбца и 4 элемента 13-го столбца, все из которых имеют значение «1». Элементы, имеющие соответствующие номера, заменяются в опорном сигнале на противоположные. В приведенном примере 9-й элемент опорного сигнала заменяется на «-1» для получения (дополнительного) опорного сигнала #2, 5-й элемент опорного сигнала заменяется на «-1» для получения (дополнительного) опорного сигнала #3, а 13-й элемент опорного сигнала заменяется на «-1» для получения (дополнительного) опорного сигнала #4. После подстановки этих значений вектор ,  остался неизменным , тогда как из-за смены знака у заданного элемента в строке кодовой матрицы один из сигналов антенных элементов первой группы получил другой сдвиг фазы, вследствие чего изменился и вектор ,.
Следует отметить, что численное моделирование этого примера продемонстрировало, что выбранный подход пригоден для практического применения.
Вернемся вновь к описанию этапов способа. В рамках этапа S109, зная истинную величину квадратов амплитуд  или , можно найти  и , соответственно, выбрав противоположный знак в (11). Таким образом, амплитуды обеих составных частей первого опорного сигнала становятся известны для всех . С помощью операции извлечения корня вычисляют амплитуды векторов  - результирующего сигнала от антенных элементов первой группы, соответствующих значению «1» в строке матрицы Адамара.
,
Далее способ переходит к этапу S110, на котором вычисляется фаза  для векторов ,  относительно опорного вектора  согласно следующим выражениям:
Угол  определяется в диапазоне от 0 до 2π, в рамках которого арксинус и арккосинус дают по два решения. Эти пары решений сравниваются между собой, и результат совпадения выбирается в качестве требуемого угла .
Следует отметить, что вышеприведенная процедура согласно этапам S102-S110 проводится для каждой строки кодовой матрицы.
Как можно заметить, кодовая матрица на Фиг. 11 содержит строку, в которой все элементы равны друг другу - в частности, это первая строка, состоящая исключительно из элементов «1». Для этого случая заранее известно, что , , . Поэтому измерения и вычисления для такой строки из равных элементов проводить нецелесообразно, и их можно пропустить.
,
В описанном выше применительно к Фиг. 11 варианте осуществления этапа S105 принцип подбора дополнительных опорных сигналов , позволяет использовать один и тот же дополнительный опорный сигнал для нескольких строк кодовой матрицы, что сокращает количество измерений. Кроме того, такой принцип позволяет всякий раз изменять только одну определенную часть опорного сигнала - либо менять только часть  для всех строк кодовой матрицы, либо только часть .
Между тем, возможны и другие варианты осуществления этапа S105, в которых одна из частей опорного сигнала изменяется иным образом, отличным от вышеуказанного, и в таком случае а) может потребоваться подбор и измерение дополнительного опорного сигнала для каждой строки кодовой матрицы (то есть число  окажется равным числу ), и б) может потребоваться контроль того, какая именно часть опорного сигнала изменена в текущей итерации, и в соответствии с этим подстройка последующих вычислений на этапах S106-S110.
Затем способ переходит к этапу S111, на котором вычисляется вектор  комплексных коэффициентов распространения:
В самом деле, на этапе S109 были получены амплитуды всех составных векторов , , а на этапе S110 были получены фазы всех составных векторов , .
В результате из приведенных ранее соотношений не составляет труда восстановить комплекснозначный вектор  при заданном наборе векторов возбуждения , формирующих матрицу , которая для данного случая равна матрице . В свою очередь, матрица  была заранее известна (см. ранее). Таким образом, можно вычислить вектор .
Как указывалось ранее, для вычислений можно применять модифицированную матрицу Адамара в качестве кодовой матрицы . Например, согласно (3)-(4), если , , то для вычисления  достаточно только знания  и для каждой строки кодовой матрицы.
Далее способ переходит к этапу S112, на котором с использованием вычисленного вектора  определяются оптимальные фазы, которые требуется применить к антенной системе для получения требуемого вектора A, обеспечивающего максимальную энергоэффективность передачи от TX к RX:
Таким образом, предложенный способ передачи сигналов позволяет обеспечить максимально достижимую энергоэффективность для радиочастотного канала и за счет этого максимизировать уровень сигнала в заданной точке приема (приемнике), несмотря на наличие препятствий между передатчиком и приемником. Более того, предложенный подход требует проведения лишь амплитудных измерений в приемнике для управления фазой в передатчике, при том что не требуются ни фазовый детектор и опорный генератор на приемной стороне, ни отдельный опорный генератор и СВЧ-переключатели на передающей стороне, что значительно снижает сложность системы.
,
Следует отметить, что в описанном выше способе раскрывается вычисление амплитуд и фаз на основе величин  и ,однако подобные вычисления можно произвести и на основе величин  и , применив аналогичные математические выражения, полученные с применением геометрии.
Дополнительные варианты осуществления
В дополнительном варианте осуществления рассматривается использование свойства ортогональности матрицы Адамара.
Как известно, матрица Адамара удовлетворяет условию ортогональности, то есть
где  - -й столбец матрицы Адамара,  - порядок матрицы,  - символ Кронекера, a  - скалярное произведение в -мерном комплексном векторном пространстве. Другими словами, система векторов … образует ортогональный базис.
(вектор комплексных коэффициентов распространения) может быть представлен в данном базисе как
где  - неизвестные комплексные коэффициенты (координаты вектора  в базисе), которые должны быть определены во время процедуры измерения.
Векторы возбуждения  могут быть установлены в значения строк матрицы Адамара с фазами 0/180 градусов с помощью фазовращателя, где значение фазы 0 градусов соответствует значению 1 элемента матрицы, а значение фазы 180 градусов соответствует значению -1 соответствующего элемента матрицы, то есть . В этом случае комплексный сигнал на входе приемника может быть представлен как
, (15)
где  - амплитудные значения коэффициентов разложения вектора , измеряемые на первом этапе алгоритма. Векторы возбуждения  могут быть установлены в линейную комбинацию строк матрицы Адамара специального типа: . В этом случае возбуждение соответствует фазам 45/135/225/315 градусов (при этом модуляция амплитуды отсутствует). Фазу коэффициента  относительно коэффициента , который в данном случае будет считаться опорным или референсным, можно найти по формулам:
где  - комплексный сигнал на входе приемника при измерении с передающей антенной, возбужденной вектором .
Чтобы избежать неопределенности в определении фазы, необходимо выполнить два набора измерений с двумя различными опорными сигналами: , и тогда , а также , и тогда . При этом . То есть, ,  являются опорными векторами для данного примера. После измерений необходимо сделать сортировку данных, чтобы исключить неправильные значения, между значениями фаз. Критерии для значения истинности - два равных (ближайших в реальном случае) среди следующих:
, , , , , ,
где , .
После определения комплексных коэффициентов разложения  вычисляется вектор :
В конечном итоге, на основе предыдущих расчетов вычисляются оптимальные фазы, которые применяются к антенной системе для получения требуемого вектора, обеспечивающего максимальную энергоэффективность передачи от TX к RX:
0
Результаты тестирования предложенного подхода показаны на Фиг. 12. Для тестирования применялась модель с 16-элементной передающей антенной решеткой и с приемником, размещенным в горизонтальной плоскости TX решетки с углом 15 от нормали к плоскости TX решетки в ее дальней зоне. Чтобы оценить влияние неидеальности практической реализации, в работу излучателей внесена вариация амплитуды, то есть зависимость амплитуды сигнала от фазы, возникающая при работе фазовращателя. Показаны диаграммы направленности TX решетки, полученные после выполнения вышеописанной процедуры калибровки каналов. При этом результаты приведены для двух значений вариации амплитуды: график 1 при 0 дБ (идеальная работа фазовращателя), график 2 при 3 дБ. Как можно заметить, предложенный способ является довольно устойчивым к колебаниям амплитуды. Поскольку в реальных условиях обеспечение вариации амплитуды в пределах не более 2 дБ является вполне достижимым, то в таком случае расчетные значения фазы будут достаточно близки к фактическим, а уровень боковых лепестков не будет превышать допустимые пределы.
Применение
Настоящее изобретение может найти применение в адаптивных системах связи (5G, WiGig, Wi-Fi), адаптивном поиске направления излучения для беспроводной зарядки, в сетях 5G в условиях жилых и офисных помещений, в системах «умный дом», в Интернете вещей (IoT) и т.д.
Настоящее изобретение обеспечивает такие преимущества, как автофокусировка для перемещающегося или статического приемного устройства, повышенная эффективность работы в условиях многолучевого распространения, поддержка быстрой передачи данных, повышенная стабильность передачи энергии во всех направлениях, энергосбережение за счет оптимизации приема/передачи сигнала, повышенная эффективность LWPT (беспроводной передачи энергии на большие расстояния) при наличии препятствий.
В частности, при использовании в сети 5G, с помощью принципов, изложенных в настоящем раскрытии, ретранслятор, расположенный внутри помещения, имеющего множество стен, перегородок, мебели и иных объектов, влияющих на распространение сигнала, обеспечивает стабильный сигнал между базовой станцией и пользователем, находящимся в любом местоположении в рамках этого помещения, без ухудшения характеристик сигнала. При этом поддерживается угол обзора 360 градусов без механического вращения.
При использовании для LWPT можно обеспечить стабильный уровень принимаемой мощности в помещении в условиях присутствия препятствий.
При использовании в сети Wi-Fi можно объединять сигналы от разных существующих точек доступа Wi-Fi, чтобы повысить уровень сигнала в местоположении пользователя. Такой подход удобен, например, для сетей Wi-Fi с препятствиями между передатчиком и приемником, особенно когда пользователь перемещается. Тем самым, происходит увеличение скорости передачи данных и снижение энергопотребления пользовательского оборудования.
Предложенные методы могут быть использованы для калибровки радиотрактов фазированных антенных решеток, работающих в дальней зоне (радиолокационных, связных), например, путем размещения приемника в предварительно определенном положении относительно передатчика.
Следует понимать, что хотя в настоящем документе для описания различных элементов, компонентов, областей, слоев и/или секций, могут использоваться такие термины, как "первый", "второй", "третий" и т.п., эти элементы, компоненты, области, слои и/или секции не должны ограничиваться этими терминами. Эти термины используются только для того, чтобы отличить один элемент, компонент, область, слой или секцию от другого элемента, компонента, области, слоя или секции. Так, первый элемент, компонент, область, слой или секция может быть назван вторым элементом, компонентом, областью, слоем или секцией без выхода за рамки объема настоящего изобретения. В настоящем описании термин "и/или" включает любые и все комбинации из одной или более из соответствующих перечисленных позиций. Элементы, упомянутые в единственном числе, не исключают множественности элементов, если отдельно не указано иное.
Функциональность элемента, указанного в описании или формуле изобретения как единый элемент, может быть реализована на практике посредством нескольких компонентов устройства, и наоборот, функциональность элементов, указанных в описании или формуле изобретения как несколько отдельных элементов, может быть реализована на практике посредством единого компонента.
В одном варианте осуществления элементы/блоки устройства передатчика и/или приемника находятся в общем корпусе, размещены на одной раме/конструкции/печатной плате и связаны друг с другом конструктивно посредством монтажных (сборочных) операций и функционально посредством линий связи. Упомянутые линии или каналы связи, если не указано иное, являются стандартными, известными специалистам линиями связи, материальная реализация которых не требует творческих усилий. Линией связи может быть провод, набор проводов, шина, дорожка, беспроводная линия связи (индуктивная, радиочастотная, инфракрасная, ультразвуковая и т.д.). Протоколы связи по линиям связи известны специалистам и не раскрываются отдельно.
Под функциональной связью элементов следует понимать связь, обеспечивающую корректное взаимодействие этих элементов друг с другом и реализацию той или иной функциональности элементов. Частными примерами функциональной связи может быть связь с возможностью обмена информацией, связь с возможностью передачи электрического тока, связь с возможностью передачи механического движения, связь с возможностью передачи света, звука, электромагнитных или механических колебаний и т.д. Конкретный вид функциональной связи определяется характером взаимодействия упомянутых элементов, и, если не указано иное, обеспечивается широко известными средствами, используя широко известные в технике принципы.
Конструктивное исполнение элементов устройства передатчика и/или приемника является известным для специалистов в данной области техники и не описывается отдельно в данном документе, если не указано иное. Элементы устройства могут быть выполнены из любого подходящего материала. Эти составные части могут быть изготовлены с использованием известных способов, включая, лишь в качестве примера, механическую обработку на станках, литье по выплавляемой модели, наращивание кристаллов. Операции сборки, соединения и иные операции в соответствии с приведенным описанием также соответствуют знаниям специалиста в данной области и, таким образом, более подробно поясняться здесь не будут.
Несмотря на то, что примерные варианты осуществления были подробно описаны и показаны на сопроводительных чертежах, следует понимать, что такие варианты осуществления являются лишь иллюстративными и не предназначены ограничивать настоящее изобретение, и что данное изобретение не должно ограничиваться конкретными показанными и описанными компоновками и конструкциями, поскольку специалисту в данной области техники на основе информации, изложенной в описании, и знаний уровня техники могут быть очевидны различные другие модификации и варианты осуществления изобретения, не выходящие за пределы сущности и объема данного изобретения.