CN105680921B - 一种三维毫米波阵列收发系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三维毫米波阵列收发系统，主要解决了传统的毫米波集成电路的系统稳定性差、适用性差等问题。该三维毫米波阵列收发系统包括三维毫米波前端阵列和支撑系统，所述三维毫米波前端阵列包括一个向上的辐射面和四个侧向辐射面，每个辐射面由一个二维毫米波前端阵列构成，所述二维毫米波前端阵列由若干个一维线阵组成；所述一维线阵由若干系统收发单元构成，所述系统收发单元包括发射机集成电路模块、接收机集成电路模块、端射片载天线，各系统收发单元通过功分网络连接。本发明结构简单、设计合理、性能可靠。

Description

一种三维毫米波阵列收发系统
技术领域
本发明属于电子学、毫米波（波长1mm 到10mm）技术领域，具体的说，是涉及一种三维毫米波阵列收发系统。
背景技术
由于低频段越来越拥挤，在现代雷达和通信系统发展中，工作频段将向更高频率发展的趋势也越来越快，毫米波和太赫兹雷达的通信也取得了很大发展，尤其是微电子和高频集成电路为其发展提供了良好的基础。但是，由于频率越高，其工作波长越来越短，给阵列或相控阵通信和雷达系统组阵带来了新的挑战。同时，传统的毫米波集成电路系统封装采用昂贵的陶瓷工艺，芯片之间的互连可以极大地影响匹配，尤其是在毫米波这么高的频段，给系统性能带来不确定性，不能保证可重复性。
发明内容
本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种结构简单、设计合理、实现方便、稳定性高的三维毫米波阵列收发系统。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种三维毫米波阵列收发系统，包括三维毫米波前端阵列和支撑系统，所述三维毫米波前端阵列包括一个向上的辐射面和四个侧向辐射面，每个辐射面由一个二维毫米波前端阵列构成，所述二维毫米波前端阵列由若干个一维线阵组成；所述一维线阵由若干系统收发单元构成，所述系统收发单元包括发射机集成电路模块、接收机集成电路模块、端射片载天线，各系统收发单元通过功分网络连接。
进一步的，所述支撑系统包括电源模块、信号源模块、系统控制模块、信号处理模块及系统接口，所述系统收发单元通过所述系统接口与后端系统互连。
进一步的，所述三维毫米波阵列收发系统通过系统机械结构进行封装固定。
进一步的，若所述三维毫米波阵列收发系统用于相控阵系统，则：
所述发射机集成电路模块和所述接收机集成电路模块的电路总宽度小于0.5λ；
若发射机集成电路模块的输出端和接收机集成电路模块的输入端可以分别与一个端射片载天线连接组成收发系统的系统收发单元，则端射片载天线的宽度小于0.25λ；
若发射机集成电路模块的输出端和接收机集成电路模块的输入端可以与环形器连接再接同一个端射片载天线，则端射片载天线的宽度小于0.5λ，其中，λ为毫米波信号在真空中的波长。
进一步的，若所述三维毫米波阵列收发系统用于非相控阵系统，则：
所述发射机集成电路模块和所述接收机集成电路模块的电路总宽度小于λ；
若发射机集成电路模块的输出端和接收机集成电路模块的输入端可以分别与一个端射片载天线连接组成收发系统的系统收发单元，则端射天线的宽度小于0.5λ；
若发射机集成电路模块的输出端和接收机集成电路模块的输入端可以与环形器连接再接同一个端射片载天线，则要求天线的宽度小于λ，其中，λ为毫米波信号在真空中的波长。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
（1）本发明中发射机集成电路、接收机集成电路和端射片载天线并排集成在同一芯片上，从而省略了传统相控阵系统收发组件与外部天线的连接，减小该电气互连给系统带来的损耗和不确定性。
（2）与现有技术相比，本发明稳定性高，通过使用片载天线，减小系统尺寸，实现小型化。
（3）本发明通过控制各个阵元的通断及波束指向，可以实现三维毫米波收发阵列系统的全空间扫描。
附图说明
图1为三维毫米波阵列收发系统的三维结构示意图。
图2为三维毫米波阵列收发系统中单面的二维阵列结构示意图。
图3为三维毫米波阵列收发系统中单面的一维线阵结构示意图。
图4为三维毫米波阵列收发系统中片载收发系统框图。
其中，附图标记所对应的名称：1-三维毫米波前端阵列，2-支撑系统，3-系统机械结构，4-一维线阵，5-收发系统单元，6-端射片载天线，7-收发组件，8-功分网络，9-系统接口，10-发射机集成电路模块，11-发射机接口，12-上混频模块，13-功放模块，14-端射片载天线，15-接收机集成电路模块，16-片载天线，17-低噪声放大器模块，18-下混频模块，19-接收机接口。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。
实施例
如图1-3所示，本实施例提供了一种三维毫米波阵列收发系统，该收发系统是由毫米波电路及天线的一体化芯片电路组成的三维阵列结构，简单的讲，是一种砖块式的端面辐射阵列。
本实施例中，三维毫米波阵列收发系统主要包括两部分：三维毫米波前端阵列和支撑系统。三维毫米波前端阵列包括一个向上的辐射面和四个侧向辐射面。每个辐射面由为一个二维毫米波前端阵列并系统机械结构进行固定，二维前端阵列由若干个一维线阵组成。一维线阵包括若干收发系统单元，每个收发系统单元都集成片载端射天线与收发组件，各系统单元通过功分网络连接，并通过系统接口与后端系统互连。每个收发组件又包括发射机集成电路模、接收机集成电路模块；支撑系统包括电源模块，信号源模块，系统控制模块，信号处理模块及系统接口。其中：
发射机集成电路模块、接收机集成电路模块、端射片载天线组成阵列收发系统的核心部分，集成在同一芯片上，从而省略传统相控阵系统收发组件与外部天线的连接，减小该电气互连给系统带来的损耗和不确定性。
本实施例中，发射机集成电路模块和接收机集成电路模块的电路总宽度和端射片载天线的宽度的参数要求分为两种情况：
其一
若三维毫米波阵列收发系统用于相控阵系统：发射机集成电路模块和接收机集成电路模块的电路总宽度小于0.5λ。端射片载天线宽度：（1）若发射机集成电路模块的输出端和接收机集成电路模块的输入端可以分别与一个端射片载天线连接组成收发系统的片上部分，即系统收发单元，则端射片载天线的宽度小于0.25λ；（2）若发射机集成电路模块的输出端和接收机集成电路模块的输入端可以与环形器连接再接同一个端射片载天线，则端射片载天线的宽度小于0.5λ，其中，λ为毫米波信号在真空中的波长。
其二
若三维毫米波阵列收发系统用于非相控阵系统，发射机集成电路模块和接收机集成电路模块的电路总宽度小于λ；端射片载天线宽度：（1）若发射机集成电路模块的输出端和接收机集成电路模块的输入端可以分别与一个端射片载天线连接组成收发系统的系统收发单元，则端射天线的宽度小于0.5λ；（2）若发射机集成电路模块的输出端和接收机集成电路模块的输入端可以与环形器连接再接同一个端射片载天线，则要求天线的宽度小于λ，其中，λ为毫米波信号在真空中的波长。
如图4所示，以140GHz作为工作频率，系统为非相控阵列收发系统。发射机集成电路模块、接收机集成电路模块的总宽度为2mm。发射机集成电路模块、接收机集成电路模块分别与一个端射片载天线和片载天线相连，为端射的准八木天线，该天线的宽度为1mm，收发天线之间的隔离度为35dB以上。发射机集成电路模块包括上混频模块和功放模块，接收机集成电路模块包括低噪声放大器模块和下混频模块，收发共用同一个频率为34.5GHz的本振信号LO，发射中频信号以及接收中频信号频率为2GHz，系统片上部分采用标准的0.13-µm SiGe BiCMOS工艺。集成本振信号LO，控制信号，发射中频信号以及接收中频信号均通过发射机接口和接收机接口与后端系统相连。系统机械结构的具体形状等不做特别限定，其采用紫铜作为机械材料，起到固定三维阵列的作用，并具有良好的散热特性。
按照上述实施例，便可很好地实现本发明。值得说明的是，基于上述设计原理的前提下，为解决同样的技术问题，即使在本发明所公开的结构基础上做出的一些无实质性的改动或润色，所采用的技术方案的实质仍然与本发明一样，故其也应当在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种三维毫米波阵列收发系统，其特征在于，包括三维毫米波前端阵列和支撑系统，所述三维毫米波前端阵列包括一个向上的辐射面和四个侧向辐射面，每个辐射面由一个二维毫米波前端阵列构成，所述二维毫米波前端阵列由若干个一维线阵组成；所述一维线阵由若干系统收发单元构成，所述系统收发单元包括发射机集成电路模块、接收机集成电路模块、端射片载天线，各系统收发单元通过功分网络连接；
其中，发射机集成电路模块和接收机集成电路模块的电路总宽度，以及端射片载天线的宽度根据以下情况确定：
(1)若所述三维毫米波阵列收发系统用于相控阵系统，则：
所述发射机集成电路模块和所述接收机集成电路模块的电路总宽度小于0.5λ；
若发射机集成电路模块的输出端和接收机集成电路模块的输入端可以分别与一个端射片载天线连接组成系统收发单元，则端射片载天线的宽度小于0.25λ；
若发射机集成电路模块的输出端和接收机集成电路模块的输入端可以与环形器连接再接同一个端射片载天线，则端射片载天线的宽度小于0.5λ；
(2)若所述三维毫米波阵列收发系统用于非相控阵系统，则：
所述发射机集成电路模块和所述接收机集成电路模块的电路总宽度小于λ；
若发射机集成电路模块的输出端和接收机集成电路模块的输入端可以分别与一个端射片载天线连接组成系统收发单元，则端射天线的宽度小于0.5λ；
若发射机集成电路模块的输出端和接收机集成电路模块的输入端可以与环形器连接再接同一个端射片载天线，则要求天线的宽度小于λ；
其中，λ为毫米波信号在真空中的波长。
2.根据权利要求1所述的一种三维毫米波阵列收发系统，其特征在于，所述支撑系统包括电源模块、信号源模块、系统控制模块、信号处理模块及系统接口，所述系统收发单元通过所述系统接口与后端系统互连。
3.根据权利要求2所述的一种三维毫米波阵列收发系统，其特征在于，所述三维毫米波阵列收发系统通过系统机械结构进行封装固定。
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