CN106207467A - 一种有源多波束相控阵天线系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种有源多波束相控阵天线系统，包括：多个相控天线模块、以及多个天线选择开关；每个相控天线模块包括阵列天线单元及与其相连的射频前端单元；各相控天线模块之间通过天线选择开关级联；其中，利用所述天线选择开关改变并联的相控天线模块的数量和接入主传输线的位置，以控制相控天线模块的输入相位组合。

Description

一种有源多波束相控阵天线系统

技术领域

本发明涉及微波工程领域，具体涉及一种有源多波束相控阵天线系统。

背景技术

相控阵天线由多个在平面或曲面上按一定规律布置的天线单元和信号分配/相加网络组成。典型的无源相控阵的天线单元由天线辐射单元、移相器、阵面波控和驱动、馈电网络、和差网络、波控运算单元、电源单元以及电缆等组成。有源相控阵天线阵面的每一个天线单元中均含有有源电路，对于收发合一的相控阵天线来说，有源电路则是T/R组件。其中T/R组件中包含功率放大器/低噪声放大器、移相器、衰减器和串并转换芯片等多种功能电路。

有源相控阵天线由于具有体积小、重量轻、易于共形、响应时间短等优点，目前被广泛使用。但由于普通的有源相控阵沿轴向的波束扫描范围只能达到±60°覆盖，不能满足对天线波束覆盖角域轴向±80°的低仰角覆盖需求；此外，对于载体为环形结构的情况，若采用传统的有源相控阵系统，则无法在载体结构上沿轴向30mm高度以内完成天线阵面、滤波器、T/R组件、波控电路和上/下变频器的安装。如何改进传统的有源相控阵天线，以满足载体轴向低仰角、周向宽角域扫描覆盖，并且很容易与环形载体集成安装，成为目前亟须解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种有源多波束相控阵天线系统，包括：

多个相控天线模块、以及多个天线选择开关；

每个相控天线模块包括阵列天线单元及与其相连的射频前端单元；

各相控天线模块之间通过天线选择开关级联；

其中，利用所述天线选择开关改变并联的相控天线模块的数量和接入主传输线的位置，以控制相控天线模块的输入相位组合。

进一步地，所述系统与圆环形载体共形设计。

进一步地，所述阵列天线单元沿所述载体周向均匀排布并与载体共形。

进一步地，所述射频前端单元以层叠方式安装在所述阵列天线单元的内侧。

进一步地，所述阵列天线单元采用背馈多层微带和带状线集成的形式，射频前端单元以内嵌方式安装于阵列天线单元背面的结构腔中。

进一步地，将所述系统划分为N个独立组装模块，每个组装模块包括若干个相控天线模块及相关联的天线选择开关；所述N个独立组装模块分别以内嵌方式安装，并沿所述载体周向排布且与载体共形。

所述N优选为4。

进一步地，通过多边形近似拟合所述圆环形载体的外形实现所述共形设计。

进一步地，所述射频前端单元包括以下至少一项：

功率放大器、低噪声放大器、上下变频器、发射通道、接收通道。

进一步地，若相控天线模块包括多个阵列天线单元，则该相控天线模块进一步包括天线选择单元，用于从所述多个阵列天线单元中选择其一与该相控天线模块内的射频前端单元相连。

本发明通过对传统的有源相控阵天线进行改进设计，能够满足载体轴向低仰角、周向宽角域扫描覆盖，并且很容易与环形载体集成安装，实现了有源相控阵天线的模块化、小型化、集成化。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。

图1是本实施例一所述的有源多波束相控阵天线系统结构框图；

图2是本实施例二所述的有源多波束相控阵天线系统结构框图；

图3是示例性的有源多波束相控阵天线系统的接收链路组成框图；

图4是图3所示的接收链路的布局框图；

图5是示例性的有源多波束相控阵天线系统的发射链路组成框图；

图6是图5所示的发射链路的布局框图；

图7是一个独立组装模块的示例性外形结构示意图；

图8是由4个独立组装模块构成的有源多波束相控阵天线系统整体结构示意图；

图9是各组装模块与环形载体的示例性安装结构示意图。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述，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，本领域技术人员在没有作出创造性劳动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。

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

图1是本实施例一所述的有源多波束相控阵天线系统结构框图。参见如图1所示，本实施例一所述的有源多波束相控阵天线系统10包括：多个相控天线模块101a、101b、101c(此处以三个为例)、以及多个天线选择开关102a、102b(此处以两个为例)；每个相控天线模块(101a、101b、101c)包括阵列天线单元(1011a、1011b、1011c)及与其相连的射频前端单元(1012a、1012b、1012c)；各相控天线模块之间通过天线选择开关(102a、102b)级联。其中，所述射频前端单元为功率放大器、低噪声放大器、上下变频器、发射通道、接收通道、或其他需要的电路部件。利用所述天线选择开关改变并联的相控天线模块的数量和接入主传输线的位置，可以控制相控天线模块的输入相位组合，从而达到控制天线波束指向的目的。

从本实施例可以看出，与传统的有源相控阵天线相比，本实施例中的阵列天线单元后并未级联常规的T/R组件，而是集成了用于进行天线选择及波束切换的电子开关，属于有源、无源组合相控阵天线。本实施例所述的有源多波束相控阵天线系统采用了有源射频开关和无源网络相结合的方案，射频开关实现天线波束选择功能，无源网络实现天线功率分配和移相功能，通过改变并联的支路数量和接入主传输线的位置即可得到天线单元不同的输入相位组合，从而控制天线波束的指向。该天线系统能够实现对天线波束覆盖角域轴向±80°的低仰角覆盖，克服了传统的有源相控阵沿轴向的波束扫描范围只能达到±60°覆盖的缺陷。

在另一改进型实施例二中，如图2所示，有源多波束相控阵天线系统20包括：多个相控天线模块201a、201b(此处以两个为例)、以及多个天线选择开关202(此处以一个为例)，每个相控天线模块中包括射频前端单元(2012a、2012b)。与实施例一不同的是，本实施例二中，相控天线模块(201a、201b)中可以包括多个阵列天线单元。例如，相控天线模块201a中包括多个阵列天线单元2011a-1、2011a-2(此处以两个为例)；相控天线模块201b中包括多个阵列天线单元2011b-1、2011b-2(此处以两个为例)。该相控天线模块201a、201b进一步包括天线选择单元2013a、2013b，用于从所述多个阵列天线单元中选择其一与该相控天线模块内的射频前端单元2012a、2012b相连，如图所示。

上面两个实施例给出了如何实现天线波束覆盖角域达到轴向±80°的低仰角覆盖技术方案。图3-6给出了应用上述技术方案所实现的具体示例。如图3所示，给出了示例性的有源多波束相控阵天线系统的接收链路组成框图，相应地，图4给出了上述接收链路的布局框图；图5和图6则分别给出了示例性的发射链路组成框图和布局框图。具体可参见图中所示，在此不再赘述。

进一步地，对于载体为环形结构的情况，传统的有源相控阵系统无法在载体结构上沿轴向30mm高度以内完成天线阵面、滤波器、T/R组件、波控电路和上/下变频器的安装。对此，本发明对有源相控阵天线做进一步改进，以满足载体周向宽角域扫描覆盖，而且易于与环形载体集成安装。

具体而言，根据圆环形载体的外形结构要求，需将整个系统安装在与载体外形共形且轴向高度不超过30mm的空间内。可以通过多边形近似拟合所述圆环形载体的外形实现所述共形的设计。为了保证动态载体在周向360°的天线波束的覆盖，将阵列天线单元沿动态载体周向均匀排布并与动态载体共形，与阵列天线相连的射频前端(例如功率放大器、低噪声放大器、发射通道、接收通道等)以层叠方式安装在所述阵列天线单元内侧，并以内嵌方式安装在与动态载体共形的结构件上。为了达到结构上和集成化的要求，所述阵列天线单元采用背馈多层微带和带状线集成的形式，结构采用多层压合集成设计。射频前端单元的整体结构采用内嵌入设计，将其安装在对应阵列天线单元背面的结构腔中。

在整体结构上，可以将所述系统划分为N个独立组装模块，每个组装模块包括若干个相控天线模块及相关联的天线选择开关；所述N个独立组装模块分别以内嵌方式安装，并沿所述载体周向排布且与载体共形。优选地，所述N为4。示例性地，如图7-9所示，图7给出了一个独立组装模块的外形结构示意图；图8为N为4时，即系统由4个独立组装模块构成时的系统整体结构示意图；图9则给出了各组装模块与环形载体的安装结构示意图。

本发明结合动态载体本身的外形尺寸，将微带阵列天线、射频前端有效集成，形成一体化的共形结构。该结构采用各模块电性能级联、外部结构一体化的方式，达到了系统小型化集成设计的目的。其中，发射和接收相控阵天线由四层微带介质组成，自上而下，第一层为微带天线，第二层和第三层组成带状线馈电网络，第四层为过渡层。通过将多层板整体压合，与馈电网络和表贴电子开关相连，最后形成了具有高集成度的小型化有源天线阵列。将天线阵列在动态载体表面相应位置沿着载体外形依次安装，形成圆环共形结构。另外，为保证系统整体的EMC特性并避免由于高增益引起自激，保证各部分电路间良好的隔离，需要将射频前端的各个组成部分在结构中进行合理布局和布线。对于大功率器件需要良好散热的，在结构中设计相应的散热措施保证器件正常工作。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种有源多波束相控阵天线系统，其特征在于，包括：多个相控天线模块、以及多个天线选择开关；

每个相控天线模块包括阵列天线单元及与其相连的射频前端单元；

各相控天线模块之间通过天线选择开关级联；

其中，利用所述天线选择开关改变并联的相控天线模块的数量和接入主传输线的位置，以控制相控天线模块的输入相位组合。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统与圆环形载体共形设计。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述阵列天线单元沿所述载体周向均匀排布并与载体共形。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述射频前端单元以层叠方式安装在所述阵列天线单元的内侧。

5.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述阵列天线单元采用背馈多层微带和带状线集成的形式，射频前端单元以内嵌方式安装于阵列天线单元背面的结构腔中。

6.如权利要求2所述的系统，其特征在于，将所述系统划分为N个独立组装模块，每个组装模块包括若干个相控天线模块及相关联的天线选择开关；所述N个独立组装模块分别以内嵌方式安装，并沿所述载体周向排布且与载体共形。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述N为4。

8.如权利要求2所述的系统，其特征在于，通过多边形近似拟合所述圆环形载体的外形实现所述共形设计。

9.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述射频前端单元包括以下至少一项：

功率放大器、低噪声放大器、上下变频器、发射通道、接收通道。

10.如权利要求1所述的系统，其特征在于：若相控天线模块包括多个阵列天线单元，则该相控天线模块进一步包括天线选择单元，用于从所述多个阵列天线单元中选择其一与该相控天线模块内的射频前端单元相连。