CN102738598A - 一种毫米波相控阵天线及其波束扫描方法 - Google Patents

一种毫米波相控阵天线及其波束扫描方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种毫米波相控阵天线及其波束扫描方法，其中，毫米波相控阵天线包括平面微带天线阵面、有源通道网络以及波束控制单元，平面微带天线阵面与有源通道网络通过可拆卸的方式进行连接；有源通道网络包含正交矢量调制芯片，正交矢量调制芯片有I路和Q路两个控制电压，通过改变两路控制电压值来改变输入信号的幅度和相位。方法包括将平面微带天线阵面和有源通道网络拆卸，用矢量网络分析仪获取各有源通道网络的幅度和相位与控制电压的关系数据表；根据所需要的波束扫描角计算各有源通道网络所需的幅度和相位值，根据误差算法在得到的关系数据表中选择误差值最小的控制电压进行波束扫描。本发明可减小波束扫描误差。

Description

一种毫米波相控阵天线及其波束扫描方法
 
技术领域
本发明涉及米波相控阵的波束扫描技术领域，特别是涉及一种毫米波相控阵天线及其波束扫描方法。
背景技术
相控阵天线是从阵列天线发展起来的，通过改变阵列天线中每一个子阵的馈电幅度和相位来改变整个阵面天线波束指向。相控阵在军事和民用领域都得到广泛重视和迅速发展。特别是在近十年，毫米波波段的相控阵系统得到广泛的研究和应用。
有源相控阵天线的波束指向主要靠各个单元T/R的相位调制来实现，而波瓣特性特别是副瓣特性主要靠幅度调制部分来实现。现在大多数有源相控阵都采用基于数字移相器和数字衰减器的幅相独立调制技术，其幅度控制和相位控制都是量化的，只能阶跃变化。为了实现高精度的扫描波束指向控制以及低的副瓣特性，则需要多位的数字控制，而位数越多，数字移相器和数字衰减器也越复杂。此外传统的幅相独立调制T/R组件随着载波频率的提高，逐渐遇到了很多困难和瓶颈，这些难点多存在于移相器的设计。由于相位的变化与传输线的电长度相关，当频率逐渐提高，传输线长度很小的一点变化都会造成很大的相移量，因此解决相位调制问题是国内外T/R组件研究的热点。矢量调制技术的应用，可以利用一块芯片替代传统有源相控阵组件中的移相器和衰减器芯片，并且提高移相和衰减的灵活性。在毫米波波段这个技术带来了很多优势，因此易于将有源相控阵天线做到小型化和低成本。但是，与传统的数字移相和数字衰减的相控阵波束扫描技术相比，针对基于矢量调制技术的相控阵波束扫描方法仍然较少。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种毫米波相控阵天线及其波束扫描方法，可消除由于芯片差异以及装配引起的通道幅度和相位设置差异，从而减小波束扫描误差。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种毫米波相控阵天线，包括平面微带天线阵面、有源通道网络以及波束控制单元，其特征在于，所述平面微带天线阵面与有源通道网络通过可拆卸的方式进行连接；所述有源通道网络包含正交矢量调制芯片，所述正交矢量调制芯片有I路和Q路两个控制电压，通过改变两路控制电压值来改变输入信号的幅度和相位；所述波束控制单元的主控制器通过串行口控制多个多路DAC芯片，每两路DAC芯片输出作为一路所述正交矢量调制芯片的控制电压。
所述平面微带天线阵面与有源通道网络通过阴-阳连接器进行连接。
所述平面微带天线阵面装配阳型连接器，所述有源通道网络装配阴型连接器，所述阳型连接器和阴型连接器相互连接。
所述波束控制单元采用FPGA芯片作为主控制器。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：还提供一种毫米波相控阵天线的波束扫描方法，包括以下步骤：
（1）将平面微带天线阵面和有源通道网络拆卸，用矢量网络分析仪获取各有源通道网络的幅度和相位与控制电压的关系数据表；
（2）根据所需要的波束扫描角计算各有源通道网络所需的幅度和相位值，然后根据误差算法在得到的关系数据表中选择误差值最小的控制电压进行波束扫描。
所述步骤（1）中矢量网络分析仪的第一端口连接有源通道网络的输入端，第二端口连接需要检测的有源通道；所述波束控制单元每改变一组有源通道网络的I路和Q路控制电压，矢量网络分析仪即记录一次该有源通道网络的插入损耗值；在有效控制电压范围内按一定控制电压间隔进行多次采样，即可获得该有源通道网络的幅度和相位与控制电压的关系，并将该表格存储在波束控制单元的存储单元中。
所述步骤（2）中波束控制单元从主控计算机得到各有源通道网络需要设置的幅度和相位值，当需要设置第m行第n列的通道的幅度为Pm,n, 相位为Φm,n时，波束控制单元查找该通道的幅度和相位与对应控制电压的关系数据表，进行误差计算，采用的误差算法为                                                
Figure 2012102258466100002DEST_PATH_IMAGE001
；选择最小的误差值所对应的控制电压作为本次波束扫描该通道的控制电压值；其中，PS，ΦS分别为该有源通道的幅度和相位与控制电压关系数据表的一组数值；Q为幅度权重系数，取值为1-3之间。
当对相控阵天线波束扫描角精度要求高时，幅度权重系数Q值可取小值，当对相控阵天线副瓣要求高时，幅度权重系数Q值可取大值。
有益效果
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明的天线阵面可与有源通道网络分离拆卸，在需要改变某一路有源通道信号的幅度和相位时，只要主控制器改变其对应的DAC芯片的内部输出电压寄存器，并更新输出电压即可，并通过基于矢量调制技术的相控阵波束扫描方法，以查表计算最小误差的方法来进行波束扫描，如此可消除由于芯片差异以及装配引起的通道幅度和相位设置差异，从而减小波束扫描误差。
附图说明
图1是本发明的毫米波相控阵系统结构示意图；
图2是本发明中有源通道网络的信号流图；
图3是本发明中波束控制单元结构及信号流图；
图4是本发明的相控阵通道校准时仪器连接图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
如图1所示，基于正交矢量调试技术的毫米波相控阵由平面微带天线阵面11、有源通道网络12以及波束控制单元13组成。其中平面微带天线阵面11与有源通道网络12间通过阴-阳连接器进行连接。平面微带天线阵面11装配阳型连接器14，并且整个天线阵面11可与有源通道网络12分离拆卸，平面微带天线阵面11和有源通道网络12也可以采用其他的可拆卸方式进行连接。有源通道网络12总输入装配K型接头连接信号源，各通道输出装配阴型连接器15，每个通道有I、Q两路控制电压连接波束控制单元对应的DAC输出，整个有源通道网络信号流如图2所示。波束控制单元采用FPGA芯片作为主控制器131，也可以采用其他芯片作为主控制器。主控制器131通过串行口控制多个多路DAC芯片132，每两路DAC输出作为一路有源通道的正交矢量调制芯片控制电压。需要改变某一路有源通道信号的幅度和相位时，只要主控制器131改变其对应的DAC芯片132的内部输出电压寄存器，并更新输出电压即可。此外，外部主控计算机3还通过串行接口或USB接口与波束控制单元主控制器相连，发送波束扫描指令。整个波束控制单元的结构和信号流如图3所示。
本发明的波束扫描的步骤如下
1、将平面微带天线阵面11拆卸，与有源通道网络12分离。
2、将矢量网络分析仪2的1号端口连接有源通道网络12的输入端，2号端口装配与天线阵面11一样的阳型连接器14并连接第一个有源通道的阴型连接器15。外部主控计算机3通过GPIB连接线连接矢量网络分析仪2，通过串行通讯口或USB口连接波束控制单元13。仪器连接如图4所示。
3、假设每个正交矢量调制芯片的有效控制电压范围为[Vmax:Vmin]，最小控制电压步进为Vb。外部主控计算机3发送指令至波束控制单元13，设置控制第一路有源通道的I路和Q路DAC输出电压为Vmin。然后外部主控计算机控制矢量网络分析仪记录该有源通道的S21值并将该值存储到波束控制单元的存储单元中。
4、外部主控计算机依次该路有源通道的I路和Q路控制电压，步进为Vb，重复第3步的测试，将每组控制电压的对应的插入损耗值存入波束控制单元的存储单元中。一个有源通道的幅度和相位与控制电压关系表共有2×(Vmax-Vmin)/Vb组数值。
5、测试存储完第一个有源通道的幅度和相位与控制电压关系表后，将矢量网络分析仪的2号端口依次测量其余有源通道，按照第3步和第4步测试该有源通道的幅度和相位与控制电压关系表并存储到波束控制单元的存储单元中，直到存储完所有的有源通道的幅度和相位与控制电压关系表为止。
6、将平面微带天线装配回有源通道网络上。
7、进行波束扫描时，主控计算机3根据需要设置的波束扫描角计算出各有源通道需要设置的幅度和相位值，并发送给波束控制单元13。
8、波束控制单元13中的主控制器131从第1通道的幅度和相位与控制电压关系数据表获取第一个S21值，按照以下准则计算误差值。
Figure 236416DEST_PATH_IMAGE002
其中，PS，ΦS为该有源通道的幅度和相位与控制电压关系数据表的一组数值。Q为幅度权重系数，取值为1-3之间，当对相控阵天线波束扫描角精度要求高时，Q值可取小值，当对相控阵天线副瓣要求高时，Q值可取大值。
波束控制单元寄存当前的S21值（即插入损耗值）对应的I路和Q路控制电压作为该路有源通道的控制电压。
按照以上步骤，波束控制单元从第一通道的幅度和相位与控制电压关系数据表获取第二个S21值，并计算误差值，与第一个S21值的误差值进行比较，寄存误差值小的S21对应的I路和Q路控制电压。
按照以上步骤，依次计算并比较第一通道的幅度和相位与控制电压关系数据表中S21值的误差值，选取出误差值最小的S21值对应的I路和Q路控制电压作为该有源通道的控制电压。
9、与第8步骤相似，波束控制单元13并行计算各有源通道的控制电压值，最后更新各DAC的输出电压，完成一次波束扫描。

Claims (8)

1.一种毫米波相控阵天线，包括平面微带天线阵面、有源通道网络以及波束控制单元，其特征在于，所述平面微带天线阵面与有源通道网络通过可拆卸的方式进行连接；所述有源通道网络包含正交矢量调制芯片，所述正交矢量调制芯片有I路和Q路两个控制电压，通过改变两路控制电压值来改变输入信号的幅度和相位；所述波束控制单元的主控制器通过串行口控制多个多路DAC芯片，每两路DAC芯片输出作为一路所述正交矢量调制芯片的控制电压。
2.根据权利要求1所述的毫米波相控阵天线，其特征在于，所述平面微带天线阵面与有源通道网络通过阴-阳连接器进行连接。
3.根据权利要求2所述的毫米波相控阵天线，其特征在于，所述平面微带天线阵面装配阳型连接器，所述有源通道网络装配阴型连接器，所述阳型连接器和阴型连接器相互连接。
4.根据权利要求1所述的毫米波相控阵天线，其特征在于，所述波束控制单元采用FPGA芯片作为主控制器。
5.一种如权利要求1所述毫米波相控阵天线的波束扫描方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将平面微带天线阵面和有源通道网络拆卸，用矢量网络分析仪获取各有源通道网络的幅度和相位与控制电压的关系数据表；
（2）根据所需要的波束扫描角计算各有源通道网络所需的幅度和相位值，然后根据误差算法在得到的关系数据表中选择误差值最小的控制电压进行波束扫描。
6.根据权利要求5所述的波束扫描方法，其特征在于，所述步骤（1）中矢量网络分析仪的第一端口连接有源通道网络的输入端，第二端口连接需要检测的有源通道；所述波束控制单元每改变一组有源通道网络的I路和Q路控制电压，矢量网络分析仪即记录一次该有源通道网络的插入损耗值；在有效控制电压范围内按一定控制电压间隔进行多次采样，即可获得该有源通道网络的幅度和相位与控制电压的关系，并将该表格存储在波束控制单元的存储单元中。
7.根据权利要求5所述的波束扫描方法，其特征在于，所述步骤（2）中波束控制单元从主控计算机得到各有源通道网络需要设置的幅度和相位值，当需要设置第m行第n列的通道的幅度为Pm,n, 相位为Φm,n时，波束控制单元查找该通道的幅度和相位与对应控制电压的关系数据表，进行误差计算，采用的误差算法为                                                
Figure 887288DEST_PATH_IMAGE001
；选择最小的误差值所对应的控制电压作为本次波束扫描该通道的控制电压值；其中，PS，ΦS分别为该有源通道的幅度和相位与控制电压关系数据表的一组数值；Q为幅度权重系数，取值为1-3之间。
8.根据权利要求7所述的波束扫描方法，其特征在于，当对相控阵天线波束扫描角精度要求高时，幅度权重系数Q值可取小值，当对相控阵天线副瓣要求高时，幅度权重系数Q值可取大值。
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