CN105390814B - 具有内校准网络的有源相控阵天线 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种具有内校准网络的有源相控阵天线，旨在提供一种硬件设备量少，校准精度高，受外部环境影响小的有源相控阵天线。本发明通过下述技术方案予以实现：将每个天线阵元通道的幅相信息，通过封闭于多层带状线印制板内的一体化热压合成型内校准网络耦合提取出来，送入信号终端处理模块进行校准算法处理；相控阵的双通道内校准网络单元分别与每两路馈电传输线形成定向耦合的带状线耦合器，带状线耦合器从阵面射频前端的馈电传输线中耦合出天线各通道的能量，通过多个带调谐枝节的T型结进行功率合成为一个总的收发校准信号，该收发校准信号再经由信号处理模块进行校准算法处理后，返回对天线各通道进行幅度相位补偿，对有源相控阵天线各通道的信号的监测和校准。

Description

具有内校准网络的有源相控阵天线

技术领域

本发明涉及一种带有内校准网络的有源相控阵天线，以实现有源相控阵天线的各通道幅度和相位的监测校准功能。

技术背景

相控阵天线由若干天线单元或天线子阵构成，每个单元或子阵通道又接有移相器、衰减器、放大器、滤波器、混频器等微波器件。这些微波器件在生产制造以及安装过程中必然会存在一定的误差，长期工作时还可能出现器件的老化、热变形以及元件的替换，所以相控阵天线在工作时很难保证相控阵各通道之间的幅相一致性，在某些情况下还极有可能出现个别通道失效的情况，使得相控阵天线的波束指向精度下降、增益减小、低副瓣特性恶化等，严重的影响着相控阵天线的使用，因此在相控阵天线工作时必须对其各个通道的幅相特性进行监测和校准。而有源相控阵天线作为一个复杂的电子系统，在系统集成的阶段仍然可能引入各种误差。这就要求采取某种手段，在有源相控阵天线系统组成之后对其各通道校准。对于工程上应用最多的平面相控阵天线来说，近场测试系统可能是一种经常采用的选择，利用该系统不但能够完成口径面测试从而获得天线远场性能，还能利用它对相控阵各单元进行校准。不过目前的近场测试系统的缺点也是很明显的，首先用它进行天线校准的效率较低，时间成本太高。近场测试系统是一种机械电子系统，测试过程的大部分时间耗费在精确的机械定位上，而校准又需要进行多次迭代才能达到理想的精度，其次平面近场系统一般建造在暗室中，这使它可全天候使用，但投入很大建成后难以移动，这也决定了它主要适用于研制中或小批量测试。雷达在实际应用中生命周期比较长，在长期的使用中，相控阵天线各个通道之间的不一致性会逐渐积累。这也就是说系统误差会不断增大。当误差大到了一定的时候天线性能会有明显的下降对雷达整体性能有影响。此时就需要对天线性能进行评估或是进行校准。

现有技术中，关于相控阵天线通道的校准，其实现方法主要有“外校准”和“内校准”两种。内校准是在天线列线阵与耦合器端口接入高频矩阵开关,通过矩阵开关选通被测通道,其它通道处于隔离状态。矩阵开关、列线阵上的耦合器和列线阵的主通道构成校准通道。远场外校准方案,不需要矩阵开关,列线阵上的耦合器也不需要使用,只将辅助天线置于待测天线的远场。控制T/R组件的状态来选通校准通道。在实际应用中,这两种校准方法都有鲜明的技术特点,内校准方法能够不受环境等因素的影响准确地测出各通道的幅相误差值,从设备量上来看,要增加矩阵开关和高频耦合器，但是其缺点是没有把列线阵的幅相误差,以及列线阵之间互耦的影响考虑进去。“外校准”又分为“近场校准”和“远场校准”，“近场校准”是在阵列的周围或阵中的相应位置设置若干辅助校准单元,通过测试辅助校准单元和阵列单元之间的能量耦合来进行校准MCM法。远场外校准方案是一个理想方案,它能考虑包括列线阵之间幅相不一致及列线阵之间互耦的影响,但需要一个远场测试系统,通过测出天线总输出端口在多个预定的角度上的幅度和相位值,再经矩阵求逆运算从而得到天线口径分布的幅度和相位值(D.Dan法)。远场外校准方法的精度受到环境的影响。从校准原理上可以看到“外校准”受外部环境影响较大，实际工作环境中使用时校准精度相对较低。“内校准”通常是在阵列内部设置校准设备对系统进行实时监控，常用的校准设备有开关矩阵、行波耦合网络等。“内校准”技术成熟、性能相对稳定，适合实际工作环境的使用，但是目前所采用的“内校准”方法硬件的设备量普遍较大。

综上所述，在相控阵天线校准中，“外校准”受外部环境影响较大，校准精度较低，“内校准”设备量大，硬件结构复杂。

发明内容

本发明目的是针对现有技术存在的不足之处，提供一种结构简单、硬件设备量少，校准精度高，受外部环境影响小，具有内校准网络的有源相控阵天线。

本发明的上述目的可以通过以下措施来达到，一种具有内校准网络的有源相控阵天线，包括：天线阵面、馈电传输线、内校准网络、T/R组件、射频馈电网络和信号处理模块，其特征在于，内校准网络封闭于多层带状线印制板夹层中，天线阵面、内校准网络、馈电传输线通过印制板热层压技术，层压为一体化的整体多层板结构，每个天线阵元通过一条带状线形式的馈电传输线连接T/R组件端口，T/R组件经馈电网络连接信号处理模块，在此基础上，每个天线阵元通道的幅相信息通过封闭于多层带状线印制板内的一体化热压合成型内校准网络，送入信号终端处理模块进行校准算法处理；相控阵双通道内校准网络单元分别与每一路馈电传输线形成定向耦合的带状线耦合器，带状线耦合器从阵面射频前端的馈电传输线中耦合出天线各通道的能量，从馈电传输线中耦合出天线阵面收发信号的幅度相位信息和各路天线阵元的幅度相位信息，通过多个带调谐枝节的T型结进行功率合成为一个总的收发校准信号，该收发校准信号再经由信号处理模块进行校准算法处理后，反过来再对天线各通道进行幅度相位补偿，从而完成对有源相控阵天线各通道的信号的监测和校准。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果。

小型化、结构简单、硬件设备量少。本发明采用多层带状线印制板热压合技术，将其与天线阵面、馈电传输线进行一体化压合成型，内校准网络封闭于多层带状线印制板夹层中，提供了天线工程领域中一种受外部环境影响较小，校准精度高。该内校准网络克服了传统“外校准”受外部环境影响较大，校准精度较低，“内校准”法设备量大，硬件结构复杂的缺点。由于内校准网络有效地利用起了馈电传输线之间的剩余空间，使得天线阵面整体结构简单、紧凑，具有小型化的特点。

校准精度高，受外部环境影响小。本发明通过带状线形式的定向耦合器从阵面射频前端的馈电传输线中耦合出天线各通道的能量，由于定向耦合器为弱耦合结构，对天线阵面各通道信号的影响几乎可以忽略。内校准网络采用结构简单带调谐枝节的T型结进行功率合成一路总的校准信号，避免了常规内校准法中大量矩阵开关的使用。由于校准网络封闭于多层板内，天线阵面、内校准网络、馈电传输线层压为一小型化的整体多层板结构，这样，不仅提高了校准精度，而且减小了天线阵面主通道和校准网络所受外部环境的影响，相对于已有的内校准网络结构简单、硬件设备量少。

本发明可以广泛应用于毫米波有源相控阵天线校准领域。

附图说明

图1是本发明具有内校准网络的有源相控阵天线的原理框图。

图2是本发明双通道校准单元的组成结构示意图。

图3是图1的单层带状线印制板结构内校准网络的实施例俯视图。

图4是图1的多层带状线印制板结构内校准网络的实施例俯视图。

图中：1.校准通道馈电传输线，2.校准网络能量耦合带状线，3.枝节，4.T型结，5.屏蔽孔，6.T/R与馈电传输线的接口，7.馈电传输线与天线阵面的接口，8.校准网络信号总出口。

具体实施方式

参阅图1。在以下描述的一个最佳实施例中，具有内校准网络的有源相控阵天线包括：天线阵面、馈电传输线、内校准网络、T/R组件、射频馈电网络和信号处理模块，其中，天线阵面是由N个微带贴片形式的天线阵元构成的天线阵列，每个天线阵元通过一条带状线形式的馈电传输线与T/R组件连接，T/R组件经馈电网络与信号处理模块连接，通过信号处理模块完成对整个系统的信号收发处理；内校准网络采用封闭形式的多层带状线结构，该内校准网络封闭于多层带状线印制板夹层中，天线阵面、内校准网络、馈电传输线通过印制板热层压技术，层压为一小型化的整体多层板结构。相控阵双通道内校准网络单元分别与每一路馈电传输线形成定向耦合的带状线耦合器，带状线耦合器从馈电传输线中耦合出天线阵面的收发信号的幅度相位信息，然后将各路天线阵元的幅度相位信息通过多个带调谐枝节的T型结进行功率合成，成为一个总的收发校准信号，该收发校准信号再经由信号处理模块的校准算法处理，反过来再对天线各通道进行幅度相位补偿，从而完成对有源相控阵天线各通道的信号的监测和校准。内校准网络封闭于该多层带状线印制板中，天线阵面、馈电传输线和校准网络采用多层带状线印制板热压合技术，进行一体化压合成型。校准时，被监测通道处于打开状态，其余阵元通道处于断开状态，每个通道逐一依次进行校准。

参阅图2。双通道校准单元包含两端带有金属化过孔的校准通道馈电传输线1、校准网络能量耦合带状线2、枝节3、T型结4、屏蔽孔5、T/R与馈电传输线的接口6、馈电传输线与天线阵面的接口7和校准网络信号总出口8，其中，校准通道馈电传输线以一条U型口延伸出斜面线形成馈电传输线1的形式布局在印制板上，另一条以平行上述斜面线和平行上述U型侧边Z型馈电传输线1的布局方式布局在印制板上；为减小耦合结构对主通道的影响，校准网络能量耦合带状线2采用弱耦合形式，以横折横竖弯再横折竖弯的布局方式围绕上述两条馈电传输线1形成校准网络；T型结4垂直于带状线2竖直边的中间，两个枝节3反向垂直于T型结4的两边。枝节3用于增加定向耦合器工作带宽的带调谐功能，T型结4对两路通道的校准耦合信号进行能量功率合成；T/R与馈电传输线的接口6分布在内校准网络的侧边上，馈电传输线与天线阵面的接口7在内校准网络中以等间距的方式排布，校准网络信号总出口8分布在与T/R与馈电传输线的接口6相对的另一侧；校准网络能量耦合带状线2与馈电传输线1的线与线之间分布有用于防止校准网络能量耦合带状线内的谐振模式以及线间相互干扰的屏蔽孔5。

在双通道的馈电传输线与内校准网络耦合结构中，相控阵双通道内校准网络单元与馈电传输线的能量耦合结构为一带状线耦合器，带状线耦合器的能量通过双通道馈电传输线1与校准网络的两条能量耦合带状线2进行耦合，从而分别提取出该双通道的幅度相位信息，再将两路校准网络能量耦合带状线2通过一个T型结4将带有该双通道幅度相位信息的能量合成到校准网络信号总出口8。在对相控阵天线的这两个通道进行校准时，通过T/R组件的控制，被校准通道处于打开状态，而另一个通道处于关断状态。

参阅图3。对于阵元数目较多的有源相控阵天线，例如具有4×3共12个阵元的相控阵天线的内校准网络，根据图2所示的基本双通道校准网络单元可与T型结组成的功率合成网络进行连接，首先T型结将相邻基本双通道校准网络单元中的校准信号端口进行两两之间进行连接，然后以此类推，将整个阵面12个通道的校准信号最终合成一路总信号。两两平行的双通道校准单元通过两者的T型结4组成并联双通道校准单元。在两T型结4的连接线上反向垂直有两个平行的枝节3，两个并联双通道校准单元通过两T型结4连接线上垂直的T型结4相向对称，以U型连线的方式组合连接两个相互串联的双通道校准单元，从而构成一个单层带状线印制板结构的内校准网络。该校准网络通过所述U型连线上的T型结4将整个阵面12个通道的校准信号最终合成一路总信号，送入信号处理模块进行相应的校准算法处理。该内校准网络有效地利用起了馈电传输线之间的剩余空间，使得天线阵面整体结构简单、紧凑，十分适合于有源相控阵天线校准过程中硬件设备的小型化。

参阅图4。对于更大规模的阵列，例如具有4×6共24个阵元的相控阵天线的内校准网络，该网络为多层带状线印制板结构。同样可通过图2所示的基本双通道校准单元与多个T型结功率合成结构进行连接，构成多层带状线印制板结构的内校准网络。这里的多层带状线印制板结构的内校准网络，是由图3所示单层带状线印制板结构的内校准网络U型连线上的T型结4并联构成的，该多层带状线印制板结构的内校准网络功率合成结构克服了馈电传输线之间的剩余空间不足的缺点，此时的内校准网络只需采用多层带状线印制板结构，整个阵面24个通道的校准信号最终也能合成一路总信号。该内校准网络只是比图3多了一层带状线结构，同样具有结构简单、紧凑，便于小型化的特点。整个校准网络处于多层板的内部封闭状态，因此受外部环境影响较小，校准精度高。

本发明通过采用带状线形式的弱定向耦合器从阵面射频前端的馈电传输线中耦合出天线各通道的能量，并由带调谐枝节的T型结，进行功率合成为一路总的校准信号，从而对毫米波有源相控阵天线进行监测校准。不局限于上述3×4共12或者4×6共24个阵元的组成形式，还可以是10、20、50、……阵元的组成形式，多层带状线印制板的层数也不局限于3层或5层，也可以是其它层数，这些变更和改变应视为属于本发明的保护范围。

以上，向熟悉本技术领域的人员提供本发明的描述以使他们易于理解与运用本发明。对于熟悉本技术领域的人员，对这些实施例的各种变更是显而易见的，而无需创造性的劳动。因此，本发明并不仅限定在这里所述的方案，而是与所述的权利要求一致的范围。

Claims (10)

1.一种具有内校准网络的有源相控阵天线，包括：天线阵面、馈电传输线、内校准网络、T/R组件、射频馈电网络和信号处理模块，其特征在于，内校准网络封闭于多层带状线印制板夹层中，天线阵面、内校准网络、馈电传输线通过印制板热层压技术，层压为一体化的多层带状线印制板结构，多层带状线印制板结构通过双通道校准单元与多个T型结功率合成结构进行连接，构成多层带状线印制板结构的内校准网络，单层带状线印制板结构的内校准网络是由U型连线上的T型结（4）并联构成的，其中，校准网络能量耦合带状线（2）以横折横竖弯再横折竖弯的布局方式围绕两条馈电传输线（1），T型结（4）垂直于校准网络能量耦合带状线（2）竖直边的中间，两个枝节（3）反向垂直于T型结（4）的两边，带调谐功能枝节（3）增加定向耦合器工作带宽，T型结（4）对两路通道的校准耦合信号进行能量功率合成；而且校准通道馈电传输线以一条U型口延伸出斜面线形成馈电传输线（1）的形式布局在印制板上，另一条以平行上述斜面线和平行U型侧边Z型馈电传输线（1）的布局方式布局在印制板上，并且每个天线阵元通过一条带状线形式的馈电传输线连接T/R组件端口，T/R组件经馈电网络连接信号处理模块，在此基础上，每个天线阵元通道的幅相信息通过封闭于多层带状线印制板内的一体化热压合成型内校准网络，送入信号终端处理模块进行校准算法处理；相控阵双通道内校准网络单元分别与每一路馈电传输线形成定向耦合的带状线耦合器，带状线耦合器从阵面射频前端的馈电传输线中耦合出天线各通道的能量，从馈电传输线中耦合出天线阵面收发信号的幅度相位信息和各路天线阵元的幅度相位信息，通过多个带调谐枝节的T型结（4）进行功率合成为一个总的收发校准信号，该收发校准信号再经由信号处理模块进行校准算法处理后，反过来再对天线各通道进行幅度相位补偿，从而完成对有源相控阵天线各通道的信号的监测和校准。

2.如权利要求1所述的具有内校准网络的有源相控阵天线，其特征在于：双通道校准单元包含两端带有金属化过孔的校准通道馈电传输线（1）、校准网络能量耦合带状线（2）、枝节（3）、T型结（4）、屏蔽孔（5）、T/R与馈电传输线的接口（6）、馈电传输线与天线阵面的接口（7）和校准网络信号总出口（8）。

3.如权利要求2所述的具有内校准网络的有源相控阵天线，其特征在于：带状线耦合器的能量通过双通道馈电传输线（1）与校准网络的两条校准网络能量耦合带状线（2）进行耦合，分别提取出双通道的幅度相位信息，再将两路校准网络能量耦合带状线（2）通过一个T型结（4）将带有该双通道幅度相位信息的能量合成到校准网络信号总出口（8）。

4.如权利要求3所述的具有内校准网络的有源相控阵天线，其特征在于： T/R与馈电传输线的接口（6）分布在内校准网络的侧边上，馈电传输线与天线阵面的接口（7）在内校准网络中以等间距的方式排布，校准网络信号总出口（8）分布在与T/R与馈电传输线的接口（6）相对的另一侧。

5.如权利要求3所述的具有内校准网络的有源相控阵天线，其特征在于：能量耦合带状线（2）与馈电传输线（1）的线与线之间分布有用于防止校准网络能量耦合带状线内的谐振模式以及线间相互干扰的屏蔽孔（5）。

6.如权利要求1所述的具有内校准网络的有源相控阵天线，其特征在于：在对相控阵天线的这两个通道进行校准时，通过T/R组件的控制，被校准通道处于打开状态，而另一个通道处于关断状态。

7.如权利要求1所述的具有内校准网络的有源相控阵天线，其特征在于：双通道校准网络单元与T型结（4）组成的功率合成网络进行连接，T型结（4）将相邻基本双通道校准网络单元中的校准信号端口进行两两之间进行连接，以此类推，将整个阵面多通道的校准信号最终合成一路总信号。

8.如权利要求7所述的具有内校准网络的有源相控阵天线，其特征在于：两两平行的双通道校准单元通过两个T型结（4）组成并联双通道校准单元。

9.如权利要求8所述的具有内校准网络的有源相控阵天线，其特征在于：在两T型结（4）的连接线上反向垂直有两个平行的枝节（3），两个并联双通道校准单元通过两T型结（4）连接线上垂直的T型结（4）相向对称，以U型连线的方式组合连接两个相互串联的双通道校准单元，从而构成一个单层带状线印制板结构的内校准网络。

10.如权利要求1所述的具有内校准网络的有源相控阵天线，其特征在于：多层带状线印制板结构的内校准网络是由单层带状线印制板结构的内校准网络U型连线上的T型结（4）并联构成的。