CN102175998B - 多通道t/r组件耦合定标信号组件内合成技术 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对多通道T/R组件耦合定标信号在组件内进行完整合成的设计方法。该方法解决了传统设计中对超过两路的耦合定标信号在组件内合成时需要跨越收发通道的难题。传统的合成方式，无法在超过两通道的T/R组件上对耦合定标信号在组件内进行完整合成，因此常规设计中，需在组件外额外增加合成器对耦合定标信号进行合成；本发明创新之处在于：耦合定标信号的合成能够完全避免与收发通道的干扰问题，尤其是在超过两路收发通道的多通道T/R组件上，能够充分利用空间，无需增加额外的尺寸就能够对多路耦合定标信号在组件内进行完整合成。

Description

多通道T/R组件耦合定标信号组件内合成技术

技术领域

本发明涉及射频收发系统中多通道T/R组件的功能和电路上的改进，具体是对多通道T/R组件耦合定标信号进行组件内合成的技术。本发明可用于有源相控阵雷达的多通道T/R组件中，能够在采用有源相扫体制的各种类型的军用或民用雷达上得到应用。

背景技术

随着关键器件、设计手段及组装工艺的逐渐成熟，有源相控阵雷达成为当今的发展趋势，在军事上可以满足远距离侦察、高分辨目标成像、目标识别和跟踪、同时动目标和静止目标侦察、多数据链通信、不同侦察平台的情报互通、电子对抗等功能要求；在民用上，基于相控阵雷达的微波遥感观测等应用也越来越成熟。

有源相控阵雷达的核心是分布式发射与接收。有别于传统的集中式发射机，采用分布式发射与接收单元后，通过对每一路单元的收发信号进行调整，实现对每一路天线单元收发信号的幅度、相位的调节，因此，整个天线阵面能够根据需要改变发射和接收的波束指向，天线阵面以指令的方式驱动波束进行扫描。每一路发射与接收单元做成一体即成为T/R组件。

一部有源相控阵雷达的天线单元数量根据规模大小从几十到几万甚至几十万只不等，每一个天线单元都对应一个T/R组件（或收发通道），由于T/R组件之间因装配超差、器件不一致、温度漂移等原因会造成组件之间的一致性变差，因此各个T/R组件在实际工作状态下，其幅度、相位等信息也各不相同。为了解决这个问题，相控阵雷达设计中，需要加入对阵面进行定标、校正的功能。

为了避免干扰到主通道的正常工作，定标信号可以通过耦合的形式从定标网络馈入T/R组件。实际设计中，需要在T/R组件的天线端口设计一个弱耦合器，耦合输出端口与定标网络相连。该耦合器，在定标状态下可以将发射定标信号耦合给定标网络或从定标网络耦合定标信号至接收通道。 

随着应用频率的提高，天线的单元间距也会相应地缩小，这就要求T/R组件至少一个方向上的尺寸能够满足天线单元间距的安装要求。当单路T/R组件的尺寸缩小到一定程度以后，会因为受限于电路、器件、接口等原因而无法再缩小。因此，在较高频率的应用中，可以采用对多路收发通道进行整合形成一个多通道的T/R组件的方式来缩小单个收发通道的电路尺寸。

多通道T/R组件内部电路中，有些电路可以多个通道共用，能够节约部分电路尺寸；低频连接器的部分接口也可以共用；能够将多个通道的射频馈电网络进行集成；多通道T/R组件较大的整体尺寸，对连接器的选型要求更低。整体而言，多通道T/R组件解决了功能与集成度的难题，因此越来越多的相控阵雷达中，将会采用多通道T/R组件。

在多通道T/R组件中，收发通道的射频馈电网络能够集成在T/R组件内部。这在实际应用中，大大简化了有源天线阵面的馈电。但是由于耦合定标信号在多路合成时需要跨越收发通道，这在常规设计中是无法实现的，因此当前的主流设计是将耦合定标信号直接输出，不在组件内部合成。这就需要在有源天线阵面上额外增加用于耦合定标信号的功分合成器及相应的电缆组件，这增加了有源天线阵面的布局难度，系统的馈电网络也更加复杂，有源天线阵面的总重量也会有所增加。对于机载、星载等载荷能力有限的应用中，这样的设计并没有达到设计的最优化。

发明内容

本发明目的在于：针对多通道T/R组件耦合定标信号的组件内合成的难题，本发明提供了一种对多通道T/R组件耦合定标信号在组件内进行完整合成的方法。该方法能够将多通道组件中的每一路耦合定标信号进行合成，同时还不会影响到收发通道电路的性能，不改变原先的收发通道电路布局、腔体尺寸；该合成方法，不受T/R组件通道数的制约，从两通道、四通道到16通道甚至更多通道的T/R组件均能适用。

由于收发通道电路基本上采用平行布局，传统的合成方式中，合成器电路与收发通道电路在同一个平面或空间内，在合成时势必要跨越收发通道，就无法对超过两通道的定标信号进行合成。本发明把耦合定标信号的合成网络转移至收发通道的背面，与收发通道共用T/R组件盒体，但与收发通道之间通过盒体底板进行物理隔离，从而实现了对多通道T/R组件中耦合定标信号的组件内完整合成。

收发通道电路最终是安装在T/R组件的盒体内，通道之间相互共用盒体的底板，因此，可以在T/R组件底板的背面相应位置加工出所需的腔体，该腔体与收发通道之间保留一定厚度的底板隔离，从而实现合成器腔体与收发通道的腔体完全隔离。耦合定标信号与合成器之间通过射频垂直过渡实现穿墙互连。

本发明所采取的技术路线如下：

在收发通道背面相应位置加工出合适的腔体，安装合成网络，将所需合成的耦合定标信号通过射频垂直过渡传输至收发通道的背面进行合成，这样耦合定标信号合成网络与收发通道不在一个平面上进行交叉走线，合成网络不占用收发通道的布局面积，合成网络与收发通道之间不互相影响，并且不受T/R组件通道数的制约，合成网络可采用多种形式的平面微带合成网络或波导合成器。

在收发通道背面的合成网络，其合成后的耦合定标信号可以采用射频垂直过渡传输回收发通道一面进行输出，也可以直接在收发通道背面的合成网络总口处直接对外输出。

射频垂直过渡可以采用垂直安装的射频绝缘子、射频电缆、射频连接器、波导耦合腔等多种实现方法。

平面微带电路的合成网络可采用威尔金森合成器、3dB带状电桥、兰格桥耦合器、基片集成波导等多种形式。

波导合成器可以直接利用T/R组件盒件的底板进行加工，在盒件的底板上直接加工出需要的波导腔体；这种形式的合成器在毫米波等较高频率的应用中具有更好的性能，同时该频段下波导的尺寸也可以做得更小。

从收发通道至波导合成网络的射频垂直过渡可采用射频绝缘子，同时该射频绝缘子也在合成波导的一端设计成合式的长度，直接用作波导内的激励探针。

可以直接将波导开口加工到收发通道的主传输线底部，通过合理设计主传输线微带，使得主传输线与底部的波导之间具备所需的耦合度，完成耦合定标信号的耦合，并直接传输到波导合成网络。

一种采用射频绝缘子型垂直过渡和威尔金森型平面微带合成网络的多通道T/R组件耦合定标信号内合成技术的设计步骤如下：

1）将各通道定标耦合器输出端微带线向偏离收发通道射频传输线的方向延伸，延伸的长度以射频垂直过渡绝缘子的安装不影响收发通道传输为准；

2）在各耦合输出端确定射频绝缘子的安装位置；

3）在T/R组件的天线端相应位置预留合成后的输出端口位置；

4）根据各收发通道耦合信号的绝缘子位置及合成输出端口位置，进行合成器的初步布板设计，合成器的具体电路设计需要结合T/R组件所能提供的结构尺寸进行统筹考虑；

5）根据合成器的初步设计版图，设计T/R组件盒体底部需要加工出的腔体位置及尺寸，该步骤需结合第4步进行统筹考虑；

6）根据第5步设计的合成器腔体，对合成器结合腔体结构进行整体仿真；

7）根据仿真的需要，必要时对腔体进行适当修正，以去除合成器的腔体谐振。

本发明的积极效果是：耦合定标信号的合成能够完全避免与收发通道的干扰问题，尤其是在超过两路收发通道的多通道T/R组件上，能够充分利用空间，无需增加额外的尺寸就能够对多路耦合定标信号在组件内进行完整合成。

附图说明

图1是本发明某四通道T/R组件及待合成的四路耦合定标信号。 

图2是本发明未应用本发明前的 T/R组件盒体的剖面图。

图3是本发明耦合定标信号合成器的安装腔体位置的示意图。 

图4是本发明确定耦合输出端口的射频垂直过渡位置示意图。

图5是本发明背面安装的四路耦合定标信号合成器微带板图。

图6是本发明耦合定标信号合成器与收发通道的安装位置对比图。 

图7是本发明耦合定标信号合成器的组装剖面图。

图8是本发明成功应用本发明设计的四通道T/R组件图。

具体实施方式

由于射频垂直过渡的形式及合成网络的电路有多种，以典型的射频绝缘子型垂直过渡及威尔金森型平面微带合成网络为例，对本发明的设计流程分析如下：

1）   将各通道定标耦合器输出端微带线向偏离收发通道射频传输线的方向延伸，延伸的长度以射频垂直过渡绝缘子的安装不影响收发通道传输为准；

2）   在各耦合输出端确定射频绝缘子的安装位置；

3）   在T/R组件的天线端相应位置预留合成后的输出端口位置；

4）   根据各收发通道耦合信号的绝缘子位置及合成输出端口位置，进行合成器的初步布板设计，合成器的具体电路设计需要结合T/R组件所能提供的结构尺寸进行统筹考虑；

5）   根据合成器的初步设计版图，设计T/R组件盒体底部需要加工出的腔体位置及尺寸，该步骤需结合第4步进行统筹考虑；

6）   根据第5步设计的合成器腔体，对合成器结合腔体结构进行整体仿真；

7）   根据仿真的需要，必要时对腔体进行适当修正，以去除合成器的腔体谐振；

以上几个步骤就是一个完整的多通道T/R组件耦合定标信号合成的解决方案。下面结合附图，通过实例对本发明作进一步的说明。

典型实例：实现四通道T/R组件耦合定标信号的组件内完整合成

某四通道T/R组件，工作于X波段，T/R组件的四路收发通道及耦合器位置如图1所示。由于四路收发通道之间均相互隔离，因此使用传统的合成方式，将无法在组件内对四路耦合口进行合成。应用本发明的技术，该四通道T/R组件的耦合定标信号合成设计过程如下：

1）在未应用本发明设计合成网络之前，该四通道T/R组件的盒体剖面图如图2所示，T/R组件的底板为实体金属板；

2）根据本发明的设计方法，在收发通道耦合器的盒体底部相应位置，规划出合成器的安装腔体，如图3所示；

3）对耦合器的输出端口位置进行微调，以便于射频绝缘子的安装；增加合成后的输出端口位置；

如图4所示，调整后的四路通道耦合器输出的射频绝缘子位置确定为P1~P4，待合成的四路耦合信号将通过P1~P4绝缘子传输至背面的合成器进行合成；P5为合成后从背面输出的绝缘子；

4）根据P1~P5的功能和位置，进行4：1合成器设计；

本例中根据需要，采用的是等幅同相合成的威尔金森合成器模型，如图5所示，为了避免合成器在工作带内产生谐振，对合成器的腔体结构进行了相应调整，以抑制工作带内的腔体谐振；

5）根据合成器的仿真结果，设计T/R组件盒体底部的合成器腔体；

如图6中虚线所示，合成器的腔体位于收发通道定标耦合电路的下方；

6）按图7的组装方式组装完成后的最终组件示意图如图8所示；

组件正面开盖后，只能看到耦合器，耦合输出端直接与射频绝缘子焊接在一起；在组件的背面会有一小块盖板，该盖板开启后可以看到4：1合成器，该合成器的输入输出均直接与射频绝缘焊接在一起。

以上就完成了该四通道T/R组件耦合定标信号的组件内完整合成。

该实例是结合具体的优选实施方式对本发明所作的详细说明，不能认定本发明具体实施仅限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，如射频垂直过渡采用射频连接器、射频电缆等其它过渡方法，或改用其它类型的合成器等等，都应当视为属于本发明所提交的权利要求书确定的发明保护范围。

Claims (5)

1.多通道T/R组件耦合定标信号组件内合成方法，其特征在于：在收发通道背面相应位置加工出合适的腔体，安装合成网络，将所需合成的耦合定标信号通过射频垂直过渡传输至收发通道的背面进行合成，合成后的耦合定标信号采用射频垂直过渡传输回收发通道一面进行输出，或直接在收发通道背面的合成网络总口处直接对外输出；这样耦合定标信号合成网络与收发通道不在一个平面上进行交叉走线，合成网络不占用收发通道的布局面积，合成网络与收发通道之间不互相影响，并且不受T/R组件通道数的制约，合成网络采用多种形式的平面微带合成网络或波导合成器;

所述射频垂直过渡采用垂直安装的射频绝缘子或波导耦合腔；

所述平面微带合成网络采用威尔金森合成器、3dB带状电桥、兰格桥耦合器、基片集成波导。

2.根据权利要求1所述的多通道T/R组件耦合定标信号组件内合成方法，其特征在于：波导合成器直接利用T/R组件盒件的底板进行加工，在盒件的底板上直接加工出需要的波导腔体；这种形式的合成器在毫米波较高频率的应用中具有更好的性能，同时波导的尺寸也做得更小。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的多通道T/R组件耦合定标信号组件内合成方法，其特征在于：从收发通道至波导合成器的射频垂直过渡采用射频绝缘子，同时该射频绝缘子也在波导合成器的一端设计成合适的长度，直接用作波导内的激励探针。

4.根据权利要求1或权利要求2所述的多通道T/R组件耦合定标信号组件内合成方法，其特征在于：直接将波导开口加工到收发通道的主传输线底部，通过合理设计主传输线微带，使得主传输线与底部的波导之间具备所需的耦合度，完成耦合定标信号的耦合，并直接传输到波导合成器。

5.根据权利要求1所述的多通道T/R组件耦合定标信号组件内合成方法，其特征在于：采用射频绝缘子型垂直过渡和威尔金森型平面微带合成网络实现耦合定标信号组件内合成，具体方法步骤如下：

1）将各通道定标耦合器输出端微带线向偏离收发通道射频传输线的方向延伸，延伸的长度以射频垂直过渡绝缘子的安装不影响收发通道传输为准；

2）在各耦合器输出端确定射频绝缘子的安装位置；

3）在T/R组件的天线端相应位置预留合成后的输出端口位置；

4）根据各收发通道耦合信号的绝缘子位置及合成输出端口位置，进行合成器的初步布板设计，合成器的具体电路设计需要结合T/R组件所能提供的结构尺寸进行统筹考虑；

5）根据合成器的初步设计版图，设计T/R组件盒体底部需要加工出的腔体位置及尺寸，该步骤需结合第4步进行统筹考虑；

6）根据第5步设计的合成器腔体，对合成器结合腔体结构进行整体仿真；

7）根据仿真的需要，对腔体进行适当修正，以去除合成器的腔体谐振。

Images