CN106229678A - 一种高集成度相控阵天线馈电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高集成度相控阵天线馈电系统，与波控机进行信号传输，该馈电系统包括数字信号网络、微波射频网络及电源供电网络，所述的数字信号网络实现数字信号的互联和传输，所述的微波射频网络实现射频信号的传输、功率合成及分配，电源供电网络负责对该馈电系统供电，所述的数字信号网络、微波射频网络及电源供电网络集成在多层电路印制板上，分别形成数字信号层、射频层及供电层，所述的射频层采用带状线形式，位于所述的多层电路印制板的中间层，所述的中间层上下为数字信号层和/或供电层。与现有技术相比，本发明可大幅减小相控阵天线的重量及安装体积，节省成本。

Description

一种高集成度相控阵天线馈电系统

技术领域

本发明属于雷达、天线技术领域，尤其涉及一种高集成度相控阵天线馈电系统。

背景技术

相控阵天线是一种通过控制阵列天线中辐射单元的馈电相位来改变方向图形状的天线，在商业或国防领域发挥着重要作用，已成为天线发展的大趋势。馈电系统是指天线阵面中天线单元、T/R组件、波控单元、电源系统等模块之间传输、分配和合成多种信号(射频信号，波控数字信号、电源信号、光信号等)的网络总称，其基本结构由微波馈电网络、波束控制网络和电源分配网络等组成。

一般的馈电系统中，各种网络结构上自成一体，各自分立，电缆、连接器等互联器件多，整个信号传输链路接口关系繁杂，这样的馈线系统往往占据了天线阵面较大比重的体积和重量。集成度低、体积大、质量重，严重影响相控阵天线的实用性。

发明内容

本发明的针对上述现有技术存在的问题，提供一种高集成度相控阵天线馈电系统，可大幅减小相控阵天线的重量及安装体积，节省成本。

为解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案来实现：一种高集成度相控阵天线馈电系统，与波控机进行信号传输，该馈电系统包括数字信号网络、微波射频网络及电源供电网络，所述的数字信号网络实现数字信号的互联和传输，所述的微波射频网络实现射频信号的传输、功率合成及分配，电源供电网络负责对该馈电系统供电，所述的数字信号网络、微波射频网络及电源供电网络集成在多层电路印制板上，分别形成数字信号层、射频层及供电层，形成有源馈线系统。所述的射频层采用带状线形式，位于所述的多层电路印制板的中间层，所述的中间层上下为数字信号层和/或供电层。所述的多层电路印制板为由Rogers4350板材制成的11层电路印制板，所述的射频层位于该11层电路印制板的第5—7层，所述的射频电路层位于第6层，所述的射频层位于第5层和第7层。微波射频网络通过射频接插件实现对外射频的输入输出。

所述的射频层包括射频电路层和射频地层，所述的射频电路层位于所述的射频地层之间，所述的射频电路层至少含一个由二功分器连接的两个八耦合功分器和至少两个一分八功分器。为保证微波射频网络的工作带内性能，带状线的线宽和变换段长度需经严格的计算仿真。

所述的二功分器、八耦合功分器及一分八功分器具有隔离功能，工作频段为4GHz～6GHz，采用埋薄膜电阻的方法解决多层电路电阻焊接的问题。

所述的多层电路印制板的顶层和底层通过金属化通孔设有射频出口，所述的微波射频网络的射频出口位于所述的多层电路印制板的顶层和底层，为方便和TR组件实现盲插对接，所述的微波射频网络的传输端口从多层电路印制板的底层引出，所述的微波射频网络的总口从多层电路印制板的顶层引出，所述的射频出口、传输端口及总口的均采用SMP接口形式。射频信号通过金属化通孔引到多层电路印制板的顶层和底层上的射频出口。

该馈电系统还包括至少一个T/R组件及至少一个延时组件，所述的数字信号网络中包括FPGA芯片、数据接收芯片、数据发送芯片，为提高数据传输的可靠性，所述的数据接收芯片和数据发送芯片采用具有差分电平的接口芯片，比如，数据接收芯片采用DS26C32，数据发送芯片采用DS26C31。FPGA芯片型号的选取需根据接口电平及所需管脚数目而定。

所述的FPGA芯片通过所述的数据接收芯片接收来自波控机的地址、波控码、移相码及延时码数据后，译码、组帧处理后按照设定格式发送给T/R组件和/或延时组件，从而实现T/R组件的接收通道和发射通道开关控制及射频信号的衰减、移相控制，同时实现延时组件的接收通道和发射通道开关控制及射频信号的延时控制；

所述的FPGA芯片接收来自T/R组件和延时组件的开关状态信息及该馈电系统自身的遥测信息，组帧后通过数据发送芯片传送至波控机。T/R组件及延时组件至少设有一个。

每个所述的T/R组件通过金手指焊接等方式连接至所述的多层电路印制板，所述的金手指上设有数字信号接口、射频接口及供电接口，所述的T/R组件及延时组件通过所述的数字接口接收来自FPGA芯片的控制信号，实现T/R组件的接收通道和发射通道开关控制及射频信号的衰减、移相控制，射频信号经T/R组件内部处理后由射频接口输出，所述的T/R组件的供电由供电接口输入。

每个所述的延时组件通过金手指焊接等方式连接至所述的多层电路印制板，所述的金手指上设有数字信号接口、射频接口及供电接口，所述的延时组件通过所述的数字接口接收来自FPGA芯片的控制信号，实现延时组件的接收通道和发射通道开关控制及射频信号的延时控制，射频信号经延时组件内部处理后由射频接口输出，所述的延时组件的供电由供电接口输入。

微波射频网络对外接口有一分八功分器的总口及八耦合功分器与天线单元的连接，一分八功分器的出口及八耦合功分器与TR组件连接处采用类似金手指的形式。

与现有技术相比，本发明设计多层电路印制板实现相控阵天线馈电系统数字信号网络与微波射频网络的混合集成，通过金手指焊接或其他方式实现延时组件、T/R组件等与馈电系统的连接，FPGA芯片接收波控机控制数据后按特定格式转发给相应组件。射频层位于多层电路印制板的中间层，防止信号干扰，其中射频电路层设置在射频地层之间，进一步防止信号干扰，该发明设计可大幅减小相控阵天线的重量及安装体积，节省成本。经过实践应用表明，该发明具有较好的应用前景。

附图说明

图1是本发明11层电路印制板的剖视图；

图2是本发明的信息流图；

图3是本发明的俯视图；

图4是金手指的结构示意图；

图中，1—馈电系统，2—FPGA芯片，3—数据接收芯片，4—数据发送芯片，5—微波射频网络，6—T/R组件，7—延时组件，8—波控机，9—射频接口，10—数据传输口，11—供电接口。

具体实施方式

以下将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述和讨论，显然，这里所描述的仅仅是本发明的一部分实例，并不是全部的实例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

为了便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例作进一步的解释说明，且各个实施例不构成对本发明实施例的限定。

如图1和图3所示，一种高集成度相控阵天线馈电系统，与波控机8进行信号传输，该馈电系统1包括数字信号网络、微波射频网络5及电源供电网络，数字信号网络实现数字信号的互联和传输，微波射频网络5实现射频信号的传输、功率合成及分配，电源供电网络负责对该馈电系统1供电，数字信号网络、微波射频网络5及电源供电网络混合集成在多层电路印制板上，分别形成数字信号层、射频层及供电层，数字信号层引出数据传输口10，射频层引出射频接口9，供电层引出供电接口11，射频层采用带状线形式，位于多层电路印制板的中间层，上下为数字信号层和/或供电层，形成有源馈线系统。即射频层设置在数字信号层或供电层之间，能有效防止外界信号干扰。

射频层包括射频电路层和射频地层，射频电路层位于射频地层之间，射频电路层至少含一个由二功分器连接的两个八耦合功分器和至少两个一分八功分器。将射频电路层设置在射频地层之间，能进一步防止射频信号受到外界信号的干扰。

为保证微波射频网络5的工作带内性能，带状线的线宽和变换段长度需经严格的计算仿真。二功分器、八耦合功分器及一分八功分器具有隔离功能，工作频段为4GHz～6GHz，采用埋薄膜电阻的方法解决多层电路电阻焊接的问题。多层电路印制板的顶层和底层通过金属化通孔设有射频出口，微波射频网络5的射频出口位于多层电路印制板的顶层和底层，为方便和TR组件实现盲插对接，微波射频网络5的传输端口从多层电路印制板的底层引出，微波射频网络5的总口从多层电路印制板的顶层引出，射频出口、传输端口及总口的均采用SMP接口形式。射频信号通过金属化通孔引到多层电路印制板的顶层和底层上的射频出口。微波射频网络5通过射频接插件实现对外射频的输入输出。

如图2所示，该馈电系统1还包括T/R组件6及延时组件7，数字信号网络中包括FPGA芯片2(也可采用具有相同功能的主控芯片)、数据接收芯片3、数据发送芯片4，为提高数据传输的可靠性，数据接收芯片3和数据发送芯片4采用具有差分电平的接口芯片，比如，数据接收芯片3采用DS26C32，数据发送芯片4采用DS26C31。FPGA芯片2的型号需根据接口电平及所需管脚数目而定。

FPGA芯片2通过数据接收芯片3接收来自波控机8的地址、波控码、移相码及延时码数据后，译码、组帧处理后按照设定格式发送给T/R组件6和/或延时组件7，从而实现T/R组件6的接收通道和发射通道开关控制及射频信号的衰减、移相控制，同时实现延时组件7的接收通道和发射通道开关控制及射频信号的延时控制；

FPGA芯片2接收来自T/R组件6和延时组件7的开关状态信息及该馈电系统1自身的遥测信息，组帧后通过数据发送芯片4传送至波控机8。T/R组件6及延时组件7至少设有一个。

FPGA芯片2与波控机8交互的主要信号有：接收支路选通信号、发射支路选通信号、串行输入时钟、串行输入数据、锁存信号、齐步走信号、数据返回信号。为提高数据传输的可靠性，接口芯片、多选用具有差分功能的芯片，例如RS422接口、LVDS信号。齐步走信号实现T/R组件6和延时组件7波控码的同时更新。接收选通信号和发射选通信号控制组件的接收与发射支路切换；

如图4所示，金手指的尺寸大小及接口定义应与所连接的组件相对应，主要信号接口有射频信号、射频地、供电信号、地信号、数据线、时钟线、锁存线。

T/R组件6通过金手指焊接等方式连接至多层电路印制板，金手指上设有数字信号接口、射频接口9及供电接口11，T/R组件6及延时组件7通过数字接口接收来自FPGA芯片2的控制信号，实现T/R组件6的接收通道和发射通道开关控制及射频信号的衰减、移相控制，射频信号经T/R组件6内部处理后由射频接口9输出，T/R组件6的供电由供电接口11输入。

延时组件7通过金手指焊接等方式连接至多层电路印制板，金手指上设有数字信号接口、射频接口9及供电接口11，延时组件7通过数字接口接收来自FPGA芯片2的控制信号，实现延时组件7的接收通道和发射通道开关控制及射频信号的延时控制，用以补偿由于天线阵面过大引起的孔径渡越效应，射频信号经延时组件7内部处理后由射频接口9输出，延时组件7的供电由供电接口11输入。

本发明的多层电路印制板的层数根据实际使用需要而定。

如图1所示，本实施例中多层电路印制板为由Rogers4350板材制成的11层电路印制板，射频层位于该11层电路印制板的第5—7层，射频电路层位于第6层，射频地层位于第5层和第7层，其他层分布数字信号层和供电层。

本发明设计多层电路印制板实现相控阵天线馈电系统数字信号网络与微波射频网络的混合集成(本发明的重点)，通过金手指焊接或其他方式实现延时组件、T/R组件等与馈电系统的连接，FPGA芯片接收波控机控制数据后按特定格式转发给相应组件。射频层位于多层电路印制板的中间层，防止信号干扰，其中射频电路层设置在射频地层之间，进一步防止信号干扰，该发明设计可大幅减小相控阵天线的重量及安装体积，节省成本。经过实践应用表明，该发明具有较好的应用前景。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种高集成度相控阵天线馈电系统，与波控机进行信号传输，该馈电系统包括数字信号网络、微波射频网络及电源供电网络，所述的数字信号网络实现数字信号的互联和传输，所述的微波射频网络实现射频信号的传输、功率合成及分配，电源供电网络负责对该馈电系统供电，其特征在于，所述的数字信号网络、微波射频网络及电源供电网络集成在多层电路印制板上，分别形成数字信号层、射频层及供电层，所述的射频层采用带状线形式，位于所述的多层电路印制板的中间层，所述的中间层上下为数字信号层和/或供电层。

2.如权利要求1所述的一种高集成度相控阵天线馈电系统，其特征在于，所述的射频层包括射频电路层和射频地层，所述的射频电路层位于所述的射频地层之间，所述的射频电路层至少含一个由二功分器连接的两个八耦合功分器和至少两个一分八功分器。

3.如权利要求2所述的一种高集成度相控阵天线馈电系统，其特征在于，所述的二功分器、八耦合功分器及一分八功分器具有隔离功能，采用埋薄膜电阻的方法焊接电阻。

4.如权利要求1所述的一种高集成度相控阵天线馈电系统，其特征在于，所述的多层电路印制板的顶层和底层通过金属化通孔设有射频出口，所述的微波射频网络的射频出口位于所述的多层电路印制板的顶层和底层，所述的微波射频网络的传输端口从多层电路印制板的底层引出，所述的微波射频网络的总口从多层电路印制板的顶层引出，所述的射频出口、传输端口及总口的均采用SMP接口形式。

5.如权利要求1所述的一种高集成度相控阵天线馈电系统，其特征在于，该馈电系统还包括至少一个T/R组件及至少一个延时组件，所述的数字信号网络中包括FPGA芯片、数据接收芯片及数据发送芯片，所述的数据接收芯片和数据发送芯片采用具有差分电平的接口芯片，所述的FPGA芯片通过所述的数据接收芯片接收来自波控机的地址、波控码、移相码及延时码数据后，译码、组帧处理后按照设定格式发送给T/R组件和/或延时组件，所述的FPGA芯片接收来自T/R组件和延时组件的开关状态信息及该馈电系统自身的遥测信息，组帧后通过数据发送芯片传送至波控机。

6.如权利要求5所述的一种高集成度相控阵天线馈电系统，其特征在于，每个所述的T/R组件通过金手指连接至所述的多层电路印制板，所述的金手指上设有数字信号接口、射频接口及供电接口，所述的T/R组件及延时组件通过所述的数字接口接收来自FPGA芯片的控制信号，实现T/R组件的接收通道和发射通道开关控制及射频信号的衰减、移相控制，射频信号经T/R组件内部处理后由射频接口输出，所述的T/R组件的供电由供电接口输入。

7.如权利要求5所述的一种高集成度相控阵天线馈电系统，其特征在于，每个所述的延时组件通过金手指连接至所述的多层电路印制板，所述的金手指上设有数字信号接口、射频接口及供电接口，所述的延时组件通过所述的数字接口接收来自FPGA芯片的控制信号，实现延时组件的接收通道和发射通道开关控制及射频信号的延时控制，射频信号经延时组件内部处理后由射频接口输出，所述的延时组件的供电由供电接口输入。

8.如权利要求1所述的一种高集成度相控阵天线馈电系统，其特征在于，所述的多层电路印制板为11层电路印制板，所述的射频位于该11层电路印制板的第5—7层，所述的射频电路层位于第6层，所述的射频地层位于第5层和第7层。