CN104410430B - 一种Ka阵列接收组件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种Ka阵列接收组件，涉及高动态飞行目标测控领域，包括对多波束多馈源天线设计及Ka多信道接收组件设计。本发明由14×16阵列的多波束馈源阵列、转接安装板、Ka有源开关变频单元阵列等部件组成。多馈源天线通过208路波束可实现3°×3°的波束覆盖范围；Ka有源开关变频单元阵列可实现208路Ka信号的接收；下变频后交基带处理，基带通过先进的“多波束信号能量检测技术”，3ms内能完成一次波束覆盖范围内全空域的信号捕获。该Ka阵列接收组件主要为“高动态目标的快速角捕获”应用提供支撑。

Description

一种Ka阵列接收组件

技术领域

本发明涉及高动态飞行目标测控领域中的一种多波束馈源Ka阵列接收组件技术，尤其是一种适用于低信噪比下高动态飞行目标的快速捕获的Ka阵列接收组件。

背景技术

测控系统的发展十分迅速，使用需求急剧增加。目前的测控系统主要采用USB体制S频段测控网，USB体制因工作频段低、工作频带宽窄，无法满足测控领域高速数传、更高测轨精度、抗干扰等新的需求，已构成了制约其发展的瓶颈。

发明内容

本发明的目的在于避免上述背景技术中的不足，提出了一种在Ka频段测控通信系统中，满足高速数传、抗干扰、高测轨精度等需求的射频前端设备。

为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现的：一种Ka阵列接收组件，包括多波束馈源阵列1、转接安装板2、电源模块4和监控电路5，其特征在于：还包括Ka有源开关变频单元阵列3；所述的多波束馈源阵列1由M×N个单一波束馈源组成；转接安装板2有M×N个接口；Ka有源开关变频单元阵列3由Y个Ka有源开关变频单元组成，每个Ka有源开关变频单元有X个射频信号输入端口、1个本振信号输入端口、1个中频信号输出端口和1个控制信号输入输出端口；监控电路5有Y个控制信号输出输入端口和1个监控信号输入输出端口；

所述的M×N个单一波束馈源与转接安装板2一面上的M×N个端口一一对应相连；转接安装板2另一面上M×N个端口中的X×Y个端口与Ka有源开关变频单元阵列3的X×Y个射频信号输入端口一一对应相连；Ka有源开关变频单元的本振信号输入端与本振的本振信号输出端相连，Ka有源开关变频单元的中频信号输出端与基带的中频信号输入端相连，基带的监控信号输出输入端与监控电路5的监控信号输入输出端相连，监控电路5的Y个控制信号输出输入端与Ka有源开关变频单元阵列3的Y个控制信号输入输出端一一对应相连；

所述的单一波束馈源接收被测目标飞行器的射频信号，经转接安装板与Ka有源开关变频单元相连接；基带输出控制信号数据帧至监控电路，在监控电路中进行译码、解码生成新的控制数据帧广播输出至Y个Ka有源开关变频单元；Ka有源开关变频单元将新的控制数据帧进行译码、解码处理，同时将本身的工作状态和工作参数进行采集、编码处理形成回报数据帧并输出至监控电路；监控电路将回报数据帧进行译码、编码并生成新的回报数据帧输出至基带；本振输出本振信号至Ka有源开关变频单元；Ka有源开关变频单元在新的控制数据帧的控制下将接收的射频信号进行功率扫描和滤波处理，将接收的本振信号进行倍频处理，再将处理后的射频信号和倍频后的本振信号进行频率变换、信号电平放大和自动增益控制处理形成满足输出信噪比的中频信号输出至基带；

所述的M、N、X和Y为正整数，且满足X×Y≦M×N。

其中，所述的Y个Ka有源开关变频单元中每个Ka有源开关变频单元均包括波导滤波器组9、波导同轴转换组10、射频滤波器组11、低噪声放大模块组12、射频切换网络13、混频模块14、第一中频滤波器15、中频放大模块16、第二中频滤波器17、本振倍频模块18电源处理模块19和监控单元20，其中波导滤波器组9的X个射频信号输入端口一一对应接收转接安装板2的X×Y个射频信号输出端口中的X个射频信号输出端口输出的射频信号，在波导滤波器组9进行频率选择，经过频率选择后的信号由波导输出端一一对应输出至波导同轴转换组10的波导输入端；波导同轴转换组10将接收到的频率选择后的信号从波导传播转为同轴线传播后由同轴输出端一一对应输出至射频滤波器组11的输入端；射频滤波器组11将接收到的同轴线传播的信号进行滤波并由输出端一一对应输出至低噪声放大模块组12的输入端；低噪声放大模块组12在新的控制数据帧的控制下将接收到的滤波后的信号进行放大并由输出端一一对应输出至射频切换网络13的输入端；射频切换网络13在新的控制数据帧的控制下将接收到的放大后的信号进行功率扫描，选择出这几路信号中信噪比最优的一路信号并由扫描输出端输出至混频模块14；本振倍频模块18在新的控制数据帧的控制下接收本振输出的本振信号进行倍频处理并由倍频输出端输出至混频模块14的本振输入端；混频模块14将接收到功率选择后的射频信号和倍频处理后的本振信号进行频率变换并由中频输出端输出至第一中频滤波器15的中频输入端；第一中频滤波器15将接收到的频率变换后的中频信号滤除组合频率干扰并由中频输出端输出至中频放大模块16的中频输入端；中频放大模块16在新的控制数据帧的控制下将接收到的滤除组合频率干扰后的信号进行放大和自动增益控制并由中频输出端输出至第二中频滤波器17的中频输入端，第二中频滤波器17将接收到的放大和增益控制后的信号进行进一步频率选择处理并由中频输出端输出至基带的中频输入端；监控单元20接收监控电路5输出的新的控制数据帧，进行译码、解码并由输出端一一对应输出至低噪声放大模块组12、射频切换网络13、中频放大模块16和本振倍频模块18的控制输入端，同时监控单元20采集低噪声放大模块组12、射频切换网络13、中频放大模块16和本振倍频模块18的工作状态和工作参数，进行编码处理形成回报数据帧信号并输出至监控电路5。

本发明与背景技术相比有如下优点：

1.单一波束馈源波束窄，波束宽度θ_3dB＜0.2°，波束的指向精度高，具有较好的空间选择性，提高了系统的抗干扰的能力；

2.多波束馈源阵列，覆盖空域大，空域覆盖＞3°×3°，扩大了捕获目标视场范围及提高了目标的捕获性能；

3.工作频率高

a)提高了接收信噪比电平，减小系统测轨误差，满足高测轨精度需求；

b)信号频带宽，满足高速数需求；

c)减小“黑障”的影响。

4.结构简单，内部紧凑，具有体积小、可靠性高等优点。

附图说明

图1是本发明的电原理方框图；

图2是本发明实施例的电原理方框图；

图3是本发明实施例多波束馈源阵列的电原理图；

图4是本发明实施例Ka有源开关变频单元的电原理方框图；

图5是本发明实施例电源模块的电原理图；

图6是本发明实施例监控电路的电原理图；

图7是本发明实施例多波束馈源阵列模型示意图；

图8是本发明实施例多波束馈源阵列区域划分图；

图9是本发明实施例转接安装板模型示意图；

图10是本发明实施例Ka有源开关变频单元阵列模型示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。参照图1至图10，本发明由多波束馈源阵列1、转接安装板2、Ka有源开关变频单元阵列3、电源模块4和监控电路5组成。图1是本发明的电原理方框图。

图2是本发明实施例的电原理方框图，实施例按图2连接线路。本发明实施例的多波束馈源阵列1为14×16密集排列，根据仿真结果结合工程实际需要，将14×16排列分为26个区域，每区域为2×4排列，图7为本发明实施例多波束馈源阵列模型示意图，图8是本发明实施例多波束馈源阵列区域划分图。

转接安装板2每个区域入端口1至8与多波束馈源阵列1每个区域出端口9至16一一对应连接；转接安装板2每个区域出端口9至16与Ka有源开关变频单元阵列3的每个Ka有源开关变频单元入端口1至8一一对应连接。

Ka有源开关变频单元阵列3的每个Ka有源开关变频单元入端口9与本振出端口1至26一一对应连接；每个Ka有源开关变频单元入端口11与电源模块4出端口V1至V26一一对应连接；每个Ka有源开关变频单元入端口12与电源模块4出端口G1至G26一一对应连接；每个Ka有源开关变频单元入端口13与监控电路5每个出端口组的C1端子一一对应连接；每个Ka有源开关变频单元入端口14与监控电路5每个出端口组的C2端子一一对应连接；每个Ka有源开关变频单元入端口15与监控电路5每个出端口组的C3端子一一对应连接；每个Ka有源开关变频单元入端口16与监控电路5每个出端口组的C4端子一一对应连接；每个Ka有源开关变频单元出端口10与基带入端口1至26一一对应连接；图10是本发明实施例Ka有源开关变频单元阵列模型示意图。

图3是本发明多波束馈源阵列1电原理图，实施例按图3连接线路。多波束馈源阵列1的作用是接收指定空域被测目标飞行器的射频信号。单一波束馈源包括方角锥喇叭和隔板移相器。其中，每个方角锥喇叭入端口接收被测目标飞行器的射频信号，方角锥喇叭出端口与隔板移相器入端口连接；隔板移相器7出端口与转接安装板2对应入端口连接。馈源采用方角锥喇叭形式是为了实现馈源阵列的紧密排列，方角锥喇叭入端口尺寸为：6.842mm*6.824mm，出端口尺寸为：6.842mm*3.271mm。

图9是本发明转接安装板模型示意图。转接安装板2的作用是将Ka有源开关变频单元阵列3与多波束馈源阵列1可靠、快捷、无缝的连接。转接安装板2端口为14×16密集排列，端口大小、排列和区域划分与多波束馈源阵列1完全一致。转接安装板2采用精密的机加工工艺，板材厚度为λ/2，入端口和出端口的大小与多波束馈源阵列1出端口的大小完全一致，为6.842mm*3.271mm。

Ka有源开关变频单元阵列3的作用是将多波束馈源阵列1接收到的信号经频率变换、信号电平放大等处理后，将满足一定输出信噪比条件的中频信号交基带处理。Ka有源开关变频单元阵列3包括26支Ka有源开关变频单元，图4为是本发明实施例Ka有源开关变频单元的电原理方框图。每单支Ka有源开关变频单元包括波导滤波器组9、波导同轴转换组10、射频滤波器组11、低噪声放大模块组12、射频切换网络13、混频模块14、第一中频滤波器15、中频放大模块16、第二中频滤波器17、本振倍频模块18、电源处理模块19和监控单元20。其中波导滤波器组9入端口1至8与安装板2对应区域的出端口9至16连接；波导滤波器组9出端口9至16与波导同轴转换组10对应的入端口1至8连接；波导同轴转换组10出端口9至16与低噪声放大模块组11对应的入端口1至8连接；低噪声放大模块组11出端口9至16与射频滤波器组12对应的入端口1至8连接；射频滤波器组12出端口9至16与射频切换网络13对应的入端口1至8连接；射频切换网络13出端口9与混频模块14入端口1连接；混频模块14入端口2与本振倍频模块18出端口2连接，出端口3与第一中频滤波器15入端口1连接；第一中频滤波器15出端口2与中频放大模块16入端口1连接；中频放大模块16出端口2与第二中频滤波器17入端口1连接；第二中频滤波器17出端口2与基带对应该单元的入口端连接；本振倍频模块18入端口1与本振对应该单元的出端口连接；电源处理模块19入端口1与电源模块4对应该单元的出端口连接，出端口V3、V4各电压端与低噪声放大模块11、射频切换网络13、中频放大模块16、本振倍频模块18、监控单元20等对应的电源端连接；监控单元20入端口1与监控电路5对应该单元的出端口1连接，出端口a、b和c分别与低噪声放大模块组12、射频切换网络13、中频放大模块16和本振倍频模块18等对应的控制端相连。

波导滤波器组9的作用是频率选择，将有用信号从复杂的电磁环境中提取出来。波导同轴转换组10的作用是将波导滤波器组9输出的信号从波导传播转为同轴线传播，利于设备的小型化。射频滤波器组11的作用是对频带外信号，特别是发射信号进行滤除，以免大功率信号进入低噪声放大模块组12，引起链路堵塞，甚至烧毁低噪声放大芯片。低噪声放大模块组12的作用是将有用信号从噪声淹没中提取出来，以提高信号的输出信噪比。射频切换网络13的作用是将输入的八路射频信号进行功率扫描，根据需要选择信号。混频模块14的作用是将射频信号进行频率变换，下变频至合适于基带处理的中频信号。第一中频滤波器15的作用是滤除混频模块14产生的组合频率干扰，选择需要输出的中频信号。中频放大模块16的作用是将中频信号放大，是中频信号电平达到基带所要求的电平。第二中频滤波器17的作用是进一步对中频信号进行选择，使Ka有源开关变频单元输出频谱更纯、输出信噪比更高的中频信号交基带处理。本振倍频模块18的作用为混频模块14提供所需的本振，由于工作频率高，混频器使用谐波混频器，为了降低本振的实施难度，本振出端口送出的本振，经本振倍频模块18倍频后输出到混频模块14。电源处理模块19的作用是将电源模块4输入的电压，经稳压、滤波处理后，提供给Ka有源开关变频单元8使用。监控单元20的作用将监控电路5出端口1的C1～C4端子输入的监控信号，经译码、编码后，为低噪声放大模块组12、射频切换网络13、中频放大模块16和本振倍频模块18提供相应的控制与监视。

图5是本发明实施例电源模块的电原理图，如图5所示，电源模块4入端口27与220V市电连接，本发明电源模块4的作用是将输入的～220V交流电经滤波、AC/DC变换滤波后，交本发明Ka有源开关变频单元阵列3处理，有利于降低Ka有源开关变频单元阵列3的功耗并利于Ka有源开关变频单元阵列3小型化的实现。

图6是本发明实施例监控电路的电原理图，如图6所示，监控电路5入端口与基带连接。本发明监控电路5的作用是将基带输入的控制信号数据帧译码、编码后，输出至本发明Ka有源开关变频单元阵列3处理。

本发明简要工作原理如下：

多波束馈源阵列接收射频信号，经低噪声放大后，在基带的控制下，选择阵列中的26路射频信号，与本振提供的本振信号进行频率变换，经滤波、放大等处理后，将满足一定输出信噪比条件的26路中频信号交基带处理。

Claims (1)

1.一种Ka阵列接收组件，包括多波束馈源阵列(1)、转接安装板(2)、电源模块(4)和监控电路(5)，其特征在于：还包括Ka有源开关变频单元阵列(3)；所述的多波束馈源阵列(1)由M×N个单一波束馈源组成；转接安装板(2)有M×N个接口；Ka有源开关变频单元阵列(3)由Y个Ka有源开关变频单元组成，每个Ka有源开关变频单元有X个射频信号输入端口、1个本振信号输入端口、1个中频信号输出端口和1个控制信号输入输出端口；监控电路(5)有Y个控制信号输出输入端口和1个监控信号输入输出端口；

所述的M×N个单一波束馈源与转接安装板(2)一面上的M×N个端口一一对应相连；转接安装板(2)另一面上M×N个端口中的X×Y个端口与Ka有源开关变频单元阵列(3)的X×Y个射频信号输入端口一一对应相连；Ka有源开关变频单元的本振信号输入端与本振的本振信号输出端相连，Ka有源开关变频单元的中频信号输出端与基带的中频信号输入端相连，基带的监控信号输出输入端与监控电路(5)的监控信号输入输出端相连，监控电路(5)的Y个控制信号输出输入端与Ka有源开关变频单元阵列(3)的Y个控制信号输入输出端一一对应相连；

所述的单一波束馈源接收被测目标飞行器的射频信号，经转接安装板与Ka有源开关变频单元相连接；基带输出控制信号数据帧至监控电路，在监控电路中进行译码、解码生成新的控制数据帧广播输出至Y个Ka有源开关变频单元；Ka有源开关变频单元将新的控制数据帧进行译码、解码处理，同时将本身的工作状态和工作参数进行采集、编码处理形成回报数据帧并输出至监控电路；监控电路将回报数据帧进行译码、编码并生成新的回报数据帧输出至基带；本振输出本振信号至Ka有源开关变频单元；Ka有源开关变频单元在新的控制数据帧 的控制下将接收的射频信号进行功率扫描和滤波处理，将接收的本振信号进行倍频处理，再将处理后的射频信号和倍频后的本振信号进行频率变换、信号电平放大和自动增益控制处理形成满足输出信噪比的中频信号输出至基带；

所述的M、N、X和Y为正整数，且满足X×Y≦M×N；

其中，所述的Y个Ka有源开关变频单元中每个Ka有源开关变频单元均包括波导滤波器组(9)、波导同轴转换组(10)、射频滤波器组(11)、低噪声放大模块组(12)、射频切换网络(13)、混频模块(14)、第一中频滤波器(15)、中频放大模块(16)、第二中频滤波器(17)、本振倍频模块(18)、电源处理模块(19)和监控单元(20)，其中波导滤波器组(9)的X个射频信号输入端口一一对应接收转接安装板(2)的X×Y个射频信号输出端口中的X个射频信号输出端口输出的射频信号，在波导滤波器组(9)进行频率选择，经过频率选择后的信号由波导输出端一一对应输出至波导同轴转换组(10)的波导输入端；波导同轴转换组(10)将接收到的频率选择后的信号从波导传播转为同轴线传播后由同轴输出端一一对应输出至射频滤波器组(11)的输入端；射频滤波器组(11)将接收到的同轴线传播的信号进行滤波并由输出端一一对应输出至低噪声放大模块组(12)的输入端；低噪声放大模块组(12)在新的控制数据帧的控制下将接收到的滤波后的信号进行放大并由输出端一一对应输出至射频切换网络(13)的输入端；射频切换网络(13)在新的控制数据帧的控制下将接收到的放大后的信号进行功率扫描，选择出这几路信号中信噪比最优的一路信号并由扫描输出端输出至混频模块(14)；本振倍频模块(18)在新的控制数据帧的控制下接收本振输出的本振信号进行倍频处理并由倍频输出端输出至混频模块(14)的本振输入端；混频模块 (14)将接收到功率选择后的射频信号和倍频处理后的本振信号进行频率变换并由中频输出端输出至第一中频滤波器(15)的中频输入端；第一中频滤波器(15)将接收到的频率变换后的中频信号滤除组合频率干扰并由中频输出端输出至中频放大模块(16)的中频输入端；中频放大模块(16)在新的控制数据帧的控制下将接收到的滤除组合频率干扰后的信号进行放大和自动增益控制并由中频输出端输出至第二中频滤波器(17)的中频输入端，第二中频滤波器(17)将接收到的放大和增益控制后的信号进行进一步频率选择处理并由中频输出端输出至基带的中频输入端；监控单元(20)接收监控电路(5)输出的新的控制数据帧，进行译码、解码并由输出端一一对应输出至低噪声放大模块组(12)、射频切换网络(13)、中频放大模块(16)和本振倍频模块(18)的控制输入端，同时监控单元(20)采集低噪声放大模块组(12)、射频切换网络(13)、中频放大模块(16)和本振倍频模块(18)的工作状态和工作参数，进行编码处理形成回报数据帧信号并输出至监控电路(5)。