CN105958214A - 一种可扩展高集成有源相控阵天线 - Google Patents

一种可扩展高集成有源相控阵天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种可扩展高集成有源相控阵天线，其基本结构包括天线阵面、热控结构、TR组件阵列、二级馈电网络、一级馈电网络、电源模块和波控模块，本发明通过下述方案予以实现：TR组件阵列采用砖块式线阵方式设计，以八通道TR组件作为线阵子阵并按八通道TR组件的整数倍进行扩展；天线阵面、热控结构、二级馈电网络、一级馈电网络、电源模块和波控模块采用瓦片形式堆叠设计；低频柔性连接器集成TR组件的电源供电及开关、移相、衰减等低频控制信号的馈电，实现TR组件与电源、波控模块之间低频馈电的高集成无电缆垂直互联。本发明在具有传统砖块式架构高功率、大扫描角优势的同时，具有瓦片式架构纵向剖面高度低、集成度高、插损小且可二维扩展的优势。

Description

一种可扩展高集成有源相控阵天线
技术领域
本发明涉及一种有源相控阵天线，尤其是一种可扩展高集成有源相控阵天线。
背景技术
有源相控阵天线作为相控阵雷达的核心部分，其集成水平决定了整个系统的性能与成本。工作频率越高，每个阵元的面积越小，集成度要求越高。有源相控阵天线集成的阵列结构有两种：基于瓦片式面子阵的横向集成纵向组装和基于砖块式线子阵的纵向集成横向组装。
瓦片式有源天线的高集成、低剖面、低质量面密度及电讯和结构上二维可扩充等特点，使其可适应于机载、星载等高密度集成、低质量面密度相控阵雷达的需求。不过，瓦片式有源天线受制于其纵向尺寸空间的限制，单元通道的发射功率较小，难以在使用空间狭小、阵面面积受到限制如弹载、机载火控等用途中达到天线单元间距小、单元通道发射功率大的要求，实现大扫描角度、大功率远距离探测的目的。
砖块式有源天线是最常用的阵列结构，元器件放置方向垂直于相控阵天线孔径平面。砖块式单通道功率可以做得更大，而单元间距可以做得更小，当系统要求的发射功率相同时，砖块式较瓦片式所需单元通道数少、阵面面积小、扫描角度大。因此，砖块式有源相控阵天线仍是目前最流行的相控阵天线集成方式之一。砖块式子阵集成的典型例子是AN/APG－77有源相控阵机载雷达，雷声公司开发的35GHz低成本相控阵导引头，俄罗斯的全球空间监视雷达等。
图1所示是一种现有技术砖块式有源相控阵天线的原理示意图。现有技术砖块式结构有源相控阵天线采用线阵做为子阵，每条线阵是一个相对独立的模块，由纵向设计的TR组件、波控模块、电源模块和列馈电网络组成。完成对每条线阵的单独调试后，将多个线阵子阵并排放置与热控结构和天线阵面安装在一起，并在所有线阵后面用行馈电网络连接各列馈电网络，形成一个先列馈后行馈的砖块式有源阵面。
这种现有技术的砖块式有源相控阵天线可以方便地拆卸任一线阵进行测试和维护，实现部件级的外场可更换维修。不过，这种现有技术的砖块式有源相控阵天线的不足之处在于：每个线阵需要独立的波控、电源等控制模块，导致系统所需波控、电源芯片数量庞大；列馈电网络纵向尺寸大，导致整个有源阵面的纵向剖面高度过大，对安装平台的纵向空间要求高；同时，垂直于阵面的纵向尺寸大，导致信号传输距离远、插损大。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供一种将现有线阵砖块式架构与瓦片式架构相结合的可扩展高集成有源相控阵天线，在具有砖块式高功率、大扫描角度优势的同时，具有瓦片式纵向剖面高度低、集成度高、插损小的特点。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：一种可扩展高集成有源相控阵天线，包括天线阵面、热控结构、TR组件阵列、二级馈电网络、一级馈电网络、电源模块和波控模块，TR组件阵列采用砖块式线阵方式，以八通道TR组件作为线阵子阵并按八通道TR组件的整数倍进行扩展；天线阵面、热控结构、二级馈电网络、一级馈电网络、电源模块和波控模块采用瓦片形式堆叠设计，TR组件阵列位于热控结构和二级馈电网络之间；波控模块和电源模块通过低频柔性连接器与TR组件阵列相连；一级馈电网络、二级馈电网络和TR组件阵列通过第一SMP盲配连接器相连，实现发射信号的功率分配和接收信号的功率合成功能；TR组件阵列的收发通道通过第二SMP盲配连接器与天线阵面的辐射单元相连，完成电磁波的辐射、接收和波束扫描功能；天线阵面采用微带贴片作为辐射单元；
优选的，所述八通道TR组件集成八个通道的发射功率放大芯片、接收低噪声芯片和具有移相衰减及收发控制功能的多功能芯片并采用模块化封装；
优选的，所述低频柔性连接器与二级功分合成网络以瓦片形式设计在同一层，同时，低频柔性连接器集成64通道TR组件阵列的电源供电及开关、移相、衰减等低频控制信号的馈电，实现各八通道TR组件与电源模块、波控模块之间低频馈电的高集成无电缆垂直互联；
优选的，热控结构中的液冷微流道由中空的金属腔体组成封闭的管道，通过流经管道的液冷流体将热量带出有源阵面，实现冷却散热的功能；
优选的，所述第二SMP盲配连接器内嵌在热控结构中，实现TR组件阵列、热控结构和天线阵面的无缝对接；
优选的，天线阵面与第二SMP盲配连接器、TR组件阵列、第一SMP盲配连接器、二级功分合成网络、第三SMP盲配连接器、一级功分合成网络和射频总口组成射频信号收发通道，其中第三SMP盲配连接器用于连接一级功分合成网络和二级功分合成网络；
优选的，电源总口、电源模块和低频柔性连接器组成电源馈电通路，完成对TR组件阵列的供电；
优选的，波控总口、波控模块和低频柔性连接器组成控制信号传输通路，完成对TR组件阵列中开关、移相器和衰减器的控制；
阵面按八通道TR组件的整数倍进行扩展，利用八个并排放置的八通道TR组件形成8×8阵列，或利用16个并排放置的八通道TR组件形成8×16阵列；天线阵面中辐射单元的数量及平面布局与TR组件阵列的通道数目和平面布局一致，一级馈电网络和二级馈电网络的分口数量、电源模块的供电能力及波控模块输出的控制信号路数同比例增加。
本发明的有益效果是：
本发明的一种可扩展高集成有源相控阵天线的TR组件阵列以砖块式线阵为子阵实现，天线阵面、馈电网络、波控、电源等以瓦片式架构层层堆叠实现。本发明在具有传统砖块式架构高功率、大扫描角优势的同时，具有瓦片式纵向剖面高度低、集成度高、插损小的的特点，且二维可扩展；
本发明的馈电网络由两层瓦片式堆叠的一级馈电网络和二级馈电网络组成，有源天线的功分合成网络数量是现有砖块式线阵技术方案的一半，同时，避免了现有砖块式技术的馈电网络垂直于阵面方向导致纵向厚度难以降低、层间垂直互联距离远、插损大的缺点；
本发明的低频柔性连接器与二级功分合成网络以瓦片形式设计在同一层，节省了有源天线的纵向空间，同时，低频柔性连接器集成64通道TR组件的电源供电及开关、移相、衰减等低频控制信号的馈电，实现TR组件与电源、波控模块之间低频馈电的高集成无电缆垂直互联；
本发明电源、波控模块以瓦片形式堆叠设计，避免了现有技术每个线阵具有独立的电源波控模块导致系统设计复杂、所需元器件数量过多的缺点。
附图说明
图1是一种现有技术砖块式有源相控阵天线的原理示意图；
图2是本发明一种可扩展高集成有源相控阵天线的原理示意图；
图3是图2的一种可扩展高集成有源相控阵天线的三维透视图；
图4是图2的天线阵面的三维俯视图；
图5是图2的热控结构的三维俯视图；
图6是图2的TR组件阵列的三维俯视图；
图7是图2的二级馈电网络的三维俯视图；
图8是图2的一级馈电网络的三维俯视图；
图9是图2的电源模块和波控模块的三维俯视图；
图10是本发明一种可扩展高集成有源相控阵天线16GHz接收方位向-60度扫描方向图；
图11是本发明一种可扩展高集成有源相控阵天线16GHz发射方位向+60度扫描方向图；
图中：1、天线阵面，11、天线辐射单元，12、天线支撑层；2、热控结构，21、第二SMP盲配连接器，22、液冷微流道，221、液冷微流道进口，222、液冷微流道出口；3、TR组件阵列，31、八通道TR组件，32、TR组件分口，33、TR组件低频馈电口，34、TR组件总口；4、二级馈电网络，41、第一SMP盲配连接器，42、二级功分合成网络，421、二级馈电分口，422、二级馈电总口，43、低频柔性连接器，431、低频馈电分口，432、电源馈电总口，433、波控馈电总口；5、级馈电网络，51、第三SMP盲配连接器，52、一级功分合成网络，521、一级馈电分口，53、射频总口；6、电源模块，61、电源输出口，62、电源总口；7、波控模块，71、波控输出口，72、波控总口。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合实施例和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例参阅图2-9。在以下描述的实施例中，以一种可扩展高集成有源相控阵天线工作在16GHz为例，阵列规模取为8×8。该可扩展高集成有源相控阵天线由天线阵面1、热控结构2、TR组件阵列3、二级馈电网络4、一级馈电网络5、电源模块6和波控模块7组成。TR组件阵列3以砖块式线阵为子阵实现，二级馈电网络4、一级馈电网络5、电源模块6和波控模块7以瓦片式架构层层堆叠实现。
参阅图3和图4。天线阵面1由8×8个矩阵排列的微带形式天线辐射单元11和天线支撑层12组成；64个天线辐射单元11由微带贴片组成，以0.48个波长作为辐射单元间距，实现方位向和俯仰向正负60度波束扫描；天线支撑层12为背面镀铜的介质层，起到接地和支撑天线辐射单元的作用。
参阅图3和图5。热控结构2由液冷微流道22和8×8个矩阵排列的第二SMP盲配连接器21组成；液冷微流道22由中空的金属腔体组成封闭的管道，液冷流体由液冷微流道进口221进入管道再由液冷微流道出口222流出，将热量带出有源阵面，实现冷却散热的功能；第二SMP盲配连接器21内嵌在液冷微流道22的空隙中，起到连接天线辐射单元11和TR组件分口32的作用。
参阅图3和图6。TR组件阵列3由8个八通道TR组件31并排放置而成，形成以八通道砖块式线阵为子阵的面阵；八通道TR组件31包含8个通道的发射功率放大芯片、接收低噪声芯片和具有移相衰减及收发控制功能的多功能芯片并采用模块化封装；八通道TR组件31的上下两段分别布置有8个TR组件分口32、2个TR组件总口34和1个TR组件低频馈电口33；8×8个矩阵排列的TR组件分口32向上通过64个第二SMP盲配连接器21与8×8个矩阵排列的天线辐射单元11一一对应相连接。
参阅图3和图7。二级馈电网络4由16个第一SMP盲配连接器41、4个一分四的二级功分合成网络42和1个低频柔性连接器43组成；4个二级功分合成网络42对称分布在1个低频柔性连接器43的左右两边；每个二级功分合成网络42有4个二级馈电分口421和1个二级馈电总口422，共16个二级馈电分口421向上通过16个第一SMP盲配连接器41与16个TR组件总口34一一对应相连接；8个低频馈电分口431为低频柔性连接器43的输出端口，向上与8个TR组件低频馈电口33一一对应相连接，实现64个通道TR组件的电源和控制信号的输入。
参阅图3和图8。一级馈电网络5由4个第三SMP盲配连接器51、一分四的一级功分合成网络52和射频总口53组成；4个一级馈电分口521向上通过4个第三SMP盲配连接器51与4个二级馈电总口422一一对应相连接；射频总口53为50欧姆的射频同轴电缆，向上与一级功分合成网络52的总口焊接在一起。
参阅图3和图9。电源模块6由一个正八伏输出的Vicor电源芯片、一个正五伏输出的Vicor电源芯片、一个负五伏的Vicor电源芯片和10毫法以上的储能电容组成；电源总口62由两根导线双绞而成并焊接在电源模块6的输入口上，电源输出口61与电源馈电总口432相连；波控总口72由4根导线组成两对双绞线，其中一对双绞线作为计算机波控信号的输入线，另一对双绞线作为波控模块的供电导线；
外部电源由电源总口62输入，经电源模块6变压、稳压处理后，通过电源输出口61、电源馈电总口432进入低频柔性连接器43，最后由8个低频馈电分口431分配给8个八通道TR组件31，实现对64个通道TR组件的供电。
计算机发出的波控指令由波控模块7处理并输出32位串行的二进制控制码，再经波控输出口71、波控馈电总口433进入低频柔性连接器43，最后由8个低频馈电分口431分配给8个八通道TR组件31，实现对64个通道TR组件的开关、移相和衰减的控制。
信号源发出的射频信号由射频总口53进入一级功分合成网络52分成4路射频信号；4路射频信号分别经4个一级馈电分口521、4个第三SMP盲配连接器51和4个二级馈电总口422进入4个一分四的二级功分合成网络42分成16路射频信号；16路射频信号再经16个二级馈电分口421、16个第一SMP盲配连接器41和16个TR组件总口34进入8个八通道TR组件31并被分成64路射频信号；64路射频信号经64路TR组件的移相和放大后，再经64个第二SMP盲配连接器21进入8×8个矩阵排列的天线辐射单元11，实现射频信号的发射。
8×8个矩阵排列的天线辐射单元11接收到的空间射频信号通过64个第二SMP盲配连接器21进入64路TR组件，经放大、移相和衰减后，合并成16路射频信号；16路射频信号经16个TR组件总口34、16个第一SMP盲配连接器41和二级馈电分口421进入二级功分合成网络42，合并成4路射频信号；4路射频信号经4个二级馈电总口422、4个第三SMP盲配连接器51和4个一级馈电分口521进入一级功分合成网络52，合并成1路射频信号，最后经射频总口53输出，实现射频信号的接收。
图10给出了本发明一种可扩展高集成有源相控阵天线16GHz接收方位向-60度扫描方向图。图11给出了本发明一种可扩展高集成有源相控阵天线16GHz发射方位向+60度扫描方向图。由这两个曲线图形，可以看出接收和发射方向图无明显恶化，能实现正负60度的大角度扫描。
总之，本发明提出的一种可扩展高集成有源相控阵天线在具有传统砖块式架构高功率、大扫描角优势的同时，具有瓦片式纵向剖面高度低、集成度高、插损小的的特点，且二维可扩展。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种可扩展高集成有源相控阵天线，包括天线阵面(1)、热控结构(2)、TR组件阵列(3)、二级馈电网络(4)、一级馈电网络(5)、电源模块(6)和波控模块(7)，其特征在于：TR组件阵列(3)采用砖块式线阵方式，以八通道TR组件(31)作为线阵子阵并按八通道TR组件(31)的整数倍进行扩展；天线阵面(1)、热控结构(2)、二级馈电网络(4)、一级馈电网络(5)、电源模块(6)和波控模块(7)采用瓦片形式堆叠设计，TR组件阵列(3)位于热控结构(2)和二级馈电网络(4)之间；波控模块(7)和电源模块(6)通过低频柔性连接器(43)与TR组件阵列(3)相连；一级馈电网络(5)、二级馈电网络(4)和TR组件阵列(3)通过第一SMP盲配连接器(41)相连，实现发射信号的功率分配和接收信号的功率合成功能；TR组件阵列(3)的收发通道通过第二SMP盲配连接器(21)与天线阵面(1)的辐射单元相连，完成电磁波的辐射、接收和波束扫描功能；天线阵面(1)采用微带贴片作为辐射单元。
2.根据权利要求1所述的一种可扩展高集成有源相控阵天线，其特征在于：所述八通道TR组件(31)集成八个通道的发射功率放大芯片、接收低噪声芯片和具有移相衰减及收发控制功能的多功能芯片并采用模块化封装。
3.根据权利要求1所述的一种可扩展高集成有源相控阵天线，其特征在于：所述低频柔性连接器(43)与二级功分合成网络以瓦片形式设计在同一层，同时，低频柔性连接器(43)集成64通道TR组件阵列的电源供电及开关、移相、衰减等低频控制信号的馈电，实现各八通道TR组件(31)与电源模块(6)、波控模块(7)之间低频馈电的高集成无电缆垂直互联。
4.如权利要求1所述的一种可扩展高集成有源相控阵天线，其特征在于：热控结构(2)中的液冷微流道(22)由中空的金属腔体组成封闭的管道，通过流经管道的液冷流体将热量带出有源阵面，实现冷却散热的功能。
5.如权利要求1所述的一种可扩展高集成有源相控阵天线，其特征在于：所述第二SMP盲配连接器(21)内嵌在热控结构(2)中，实现TR组件阵列(3)、热控结构(2)和天线阵面(1)的无缝对接。
6.如权利要求1所述的一种可扩展高集成有源相控阵天线，其特征在于：天线阵面(1)与第二SMP盲配连接器(21)、TR组件阵列(3)、第一SMP盲配连接器(41)、二级功分合成网络(42)、第三SMP盲配连接器(51)、一级功分合成网络(52)和射频总口(53)组成射频信号收发通道，其中第三SMP盲配连接器(51)用于连接一级功分合成网络(52)和二级功分合成网络(42)。
7.如权利要求1所述的一种可扩展高集成有源相控阵天线，其特征在于：电源总口(62)、电源模块(6)和低频柔性连接器(43)组成电源馈电通路，完成对TR组件阵列(3)的供电。
8.如权利要求1所述的一种可扩展高集成有源相控阵天线，其特征在于：波控总口(72)、波控模块(7)和低频柔性连接器(43)组成控制信号传输通路，完成对TR组件阵列(3)中开关、移相器和衰减器的控制。
9.如权利要求1所述的一种可扩展高集成有源相控阵天线，其特征在于：阵面按八通道TR组件(31)的整数倍进行扩展，利用八个并排放置的八通道TR组件(31)形成8×8阵列，或利用16个并排放置的八通道TR组件(31)形成8×16阵列；天线阵面(1)中辐射单元的数量及平面布局与TR组件阵列(3)的通道数目和平面布局一致，一级馈电网络(5)和二级馈电网络(4)的分口数量、电源模块(6)的供电能力及波控模块(7)输出的控制信号路数同比例增加。
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