CN106953658B - 高集成度有源相控阵收发组件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种高集成度有源相控阵收发组件，旨在一种体积小，集成度高的相控阵收发组件。本发明通过下述技术方案予以实现：相控阵T/R组件与和差器通过垂直互联射频印制板集成在一块高频印制板内，形成一个集成和差器的高密度相控阵T/R收发组件，相控阵T/R组件工作在接收模式R时，将每路天线传输过来的射频信号经矢量调制与合成，再经垂直互联射频印制板进行射频信号垂直过渡,最后经和差器将输入射频信号进行矢量叠加，传送给端机使用；T/R组件工作在发射模式T时，将端机传输过来的射频信号经和差器、垂直互联射频印制板与相控阵T/R组件进行矢量调制与放大，传输给天线作为激励源使用。

Description

高集成度有源相控阵收发组件
技术领域
本发明涉及一种主要用于飞机数据通信领域的收发组件，具体涉及到一种高密度有源相控阵收发组件。
技术背景
有源相控阵收发T/R组件是有源相控阵雷达系统的核心部件，T/R组件内部包含接收与发射链路，发射通道和接收通道集成在一个组件内部，共用移相器、衰减器、射频开关和发射、接收馈电网络。在典型的相控阵雷达系统中，每个天线辐射元后都接有一个固态相控阵T/R组件。相控阵T/R组件技术,利用计算机控制每个移相器的状态，从而控制到达每个天线辐射元的组件相位实现改变每个辐射天线单元的辐射能量分布，实现改变天线孔径上的相位分布来实现波束在空间扫描，调整辐射单元的能量加权增强阵列天线的定向性，从而达到在设定区域内辐射与接收电磁波，获得目标位置及其他电子设备信息的目的。在有源相控阵天线中，有源相控阵收发（T/R）组件是相控阵天线的重要组成部分。目前开发的TR组件专用芯片主要有两种形式，一种是收发多功能芯片（TRChip），一种是TR 组件“内核芯片”(CoreChip)。其实现方式是采用微型焊接与封装工艺，通过多层布线基板，将多块不同功能的裸芯片与各种电路元件组装起来，实现高密度互连，是当前相控阵天线高密度集成的主流技术之一。TRChip芯片集成了一个小信号RF 开关、一路发射驱动放大器、一路接收低噪声放大器，从而实现对发射信号的驱动放大，以及确保接收通道具有足够的增益，保证各级损耗不会大幅影响系统噪声；Corechip 集成了数字移相器、数字衰减器、电源调制等功能，是实现波束控制的关键器件，为简化芯片以及组件对外接口，还集成了串并转换器和寄存器，可实现收发分时波束串码加载。在 Corechip 的设计上，还可以进行多通道的集成设计，以适应更高频段的有源相控阵天线的高密度集成。大规模收发组件和辐射单元的低成本高一致性及多通道的高密度系统集成是制约有源相控阵雷达系统性能的关键因素。单一平面布局，各单元子电路逐级的实现手段，已逐渐成为制约相控阵收发组件向小型化、轻量化、高性能、高可靠性方向发展的技术瓶颈。
现有技术中，相控阵T/R组件均采用收发组件与和差器各自单独设计、单独模块化封装的技术，其实现方法有两种：一是对T/R组件射频通道进行小规模集成并封装，然后将多个这种小规模封装的组件并列在一起组成相控阵天线所需的组件阵列。当组件阵列工作在接收状态时，对天线接收的射频信号进行低噪声放大、滤波、移相、衰减、合成，得到放大后的射频信号传输给和差器，当组件阵列工作在发射状态时，对每路和差器馈入的射频信号进行功率分配、衰减、移相、滤波、功率放大，得到放大后的射频信号传输给天线；二是对T/R组件射频通道进行大规模集成并封装，然后将这个组件与辐射面阵列级联在一起组成相控阵收发天线系统。当组件阵列工作在接收状态时，对天线接收的射频信号进行低噪声放大、滤波、移相、衰减、合成，得到放大后的射频信号传输给和差器封装模块，当组件阵列工作在发射状态时，对每路和差器馈入的射频信号进行功率分配、衰减、移相、滤波、功率放大，得到放大后的射频信号传输给天线。但这两种方法都涉及到相控阵T/R组件与和差器之间的模块级联，需要将相控阵T/R组件与和差器分别进行模块化设计、各自单独封装及预留模块之间的射频接口。这样的设计使得模块集成度低，设计繁琐，各模块级联出来的体积大，射频接口之间对位要求高，重量和成本都不能突出优势，是相控阵T/R组件面临的一个重要问题。
综上所述，在相控阵雷达领域的有源相控阵T/R组件中，需要将T/R组件与和差器分别模块化设计与各自单独封装，组件集成度低、体积大，从而限制了相控阵收发系统的小型化与低成本应用。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的不足之处，提供一种体积小，集成度高的相控阵收发组件。
本发明的上述目的可以通过以下措施来达到，种高集成度有源相控阵收发组件，包括：工作在发射模式或者接收模式的相控阵T/R组件、垂直互联射频印制板及和差器，其特征在于：在相控阵收发系统的相控阵T/R组件中，相控阵T/R组件与和差器通过垂直互联射频印制板集成在一块高频印制板内，形成一个集成和差器的高密度相控阵T/R收发组件，相控阵T/R组件工作在接收模式R时，沿接收模式射频信号传输方向，将每路天线传输过来的射频信号s（t），依次经过低噪声放大器、滤波器、移相器和衰减器，将该射频信号矢量调制为合成射频信号x（t）输出给垂直互联射频印制板进行射频信号垂直过渡，作为和差器输入端的接收模式射频信号y（t）；和差器将各路输入的接收模式射频信号y（t）送入多个90度微带分支电桥矢量叠加为和端口信号he（t）、方位差端口信号fwc（t）、俯仰差端口信号fyc（t）和双差端口信号sc（t），作为和差器网路的输出信号传送给端机；T/R组件工作在发射模式T时，沿发射模式射频信号传输方向将端机传输过来的和端口信号he（t），方位差端口信号fwc（t），俯仰差端口信号fyc（t）经多个90度微带分支电桥矢量调制为多路发射模式射频信号y（t），该发射模式射频信号y（t）经垂直互联射频印制板垂直过渡输出合成射频信号x（t）,相控阵T/R组件将垂直互联射频印制板各路输出的合成射频信号x（t）进行矢量调制，依次经衰减器、移相器、滤波器和功率放大器输出射频信号s（t），每路s（t）作为最终输出信号传输给天线作为激励源使用。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果。
体积小，集成度高。本发明在相控阵收发系统的T/R组件中，直接将T/R组件模块与和差器模块集成在一个高频印制板内，实现体积小与高集成度，避免了T/R组件与和差器分别模块化设计与各自单独封装，达到相控阵收发系统的小型化与低成本应用的目的。
本发明可以广泛应用于飞机数据通信领域的有源相控阵收发组件。
附图说明
图1是本发明高集成度相控阵收发组件主要结构框图。
图2是图1的和差器结构原理图。
图3是图1的接收模式结构原理框图。
图4是图1的发射模式结构原理框图。
图5是图1的垂直互联射频印制板结构框图。
具体实施方式
参阅图1、图2。在以下描述的一个最优实施例中，一种高集成度有源相控阵收发组件，包括：工作在发射模式或者接收模式的相控阵T/R组件、垂直互联射频印制板及和差器。在相控阵收发系统的T/R组件中，直接将T/R组件与和差器通过垂直互联射频印制板集成在一块高频印制板内，形成一个集成和差器的高密度相控阵T/R收发组件, 相控阵T/R组件工作在接收模式R时，沿接收模式射频信号传输方向，将每路天线传输过来的射频信号s（t），依次经过低噪声放大器、滤波器、移相器和衰减器，将该射频信号矢量调制为合成射频信号x（t）输出给垂直互联射频印制板进行射频信号垂直过渡，得到和差器输入端的接收模式射频信号y（t），和差器将各路输入的接收模式射频信号y（t）送入4个90度微带分支电桥矢量叠加为和端口信号he（t）、方位差端口信号fwc（t）、俯仰差端口信号fyc（t）和双差端口信号sc（t），作为4个和差器网路的输出信号，其中，双差端口信号sc（t）为端接匹配负载吸收无用信号，和端口信号he（t），方位差端口信号fwc（t）和俯仰差端口信号fyc（t）三个有用信号是作为传输给端机使用的最终输出信号。和差器包含四个90度微带分支电桥。
相控阵T/R组件工作在发射模式T时，沿发射模式射频信号传输方向，将端机传输过来的和端口信号he（t），方位差端口信号fwc（t），俯仰差端口信号fyc（t）经过和差器的4个90度微带分支电桥进行矢量调制后，得到8路发射模式射频信号y（t），输出给垂直互联射频印制板进行射频信号垂直过渡，过渡后输出x（t）给相控阵T/R组件作为输入信号。相控阵T/R组件将垂直互联射频印制板传输过来的合成射频信号x（t）进行矢量调制，把分配的信号依次经过衰减器、移相器、滤波器、功率放大器后，输出射频信号s（t），每路s（t）作为最终输出信号，传输给天线作为激励源使用。
相控阵T/R组件采取半双工的工作方式，在同一时刻，其只能工作在一个模式，即发射T或者接收R模式。相控阵T/R组件工作在发射模式或者接收模式，共用其内部无源器件与传输线，以及发射用的功率放大器与接收用的低噪声放大器组成的一款收发多功能芯片TRChip。
收发多功能芯片TRChip内部集成了2种放大器与控制该芯片工作在发射支路还是接收支路的射频开关。无源器件包括衰减器、移相器、滤波器、分配电路或合成电路和90度微带分支电桥。传输线包括带状传输线、带线到同轴线过渡和层间同轴传输线。
参阅图3。在接收状态下，相控阵T/R组件包含64路高密度并行的射频电路，每路射频电路由依次串联连接的低噪声放大器LNA、滤波器BPF、移相器PS和衰减器ATT组成。64路并行射频电路按8路划分为8个合成电路单元。由天线传输过来的射频信号s(t)经放大器LNA放大后，通过滤波器BPF滤除放大器LNA非线性产生的杂散信号及带外分量，将得到的信号送入移相器PS与衰减器ATT；8路并行射频电路合成为一个合成电路单元，8个合成电路单元将输出信号x(t)，输出信号x1(t)、输出信号x2(t)…输出信号x8(t)输出至垂直互联射频印制板。
参阅图4。在发射状态下，相控阵T/R组件包含64路高密度并行的射频电路，每路射频电路由依次串联连接的功率放大器PA、滤波器BPF、移相器PS和衰减器ATT组成，64路并行射频电路按8路划分为8个分配电路单元。由垂直互联射频印制板结构传输过来的射频信号x(t)经分配电路后，通过移相器PS与衰减器ATT，经滤波器BPF滤除带外分量，将得到的信号送入功率放大器PA放大；一个射频信号x(t)分配为8路并行射频电路单元，8个分配电路单元将输出信号s(t)，输出信号s1(t)、输出信号s2(t)…输出信号s64(t)输出给每路端接的天线单元。
参阅图5。垂直互联射频印制板由顺次串联的带状传输线、带线同轴线过渡、层间同轴传输线、同轴线带线过渡和带状传输线组成，射频信号经过上述垂直互联射频印制板后，能将相控阵T/R组件传输过来的合成射频信号x（t）转化为射频信号y（t）输出给和差器用，也能将和差器传输过来的信号射频y（t）转化为合成射频信号x（t）输出给高密度相控阵T/R组件用。
以上所述的仅是本发明的优选实施例。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些变更和改变应视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种高集成度有源相控阵收发组件，包括：工作在发射模式或者接收模式的相控阵T/R组件、垂直互联射频印制板及和差器，其特征在于：在相控阵收发系统的相控阵T/R组件中，相控阵T/R组件与和差器通过垂直互联射频印制板集成在一块高频印制板内，形成一个集成和差器的高密度相控阵T/R收发组件，相控阵T/R组件工作在接收模式R时，沿接收模式射频信号传输方向，将每路天线传输过来的射频信号s（t），依次经过低噪声放大器、滤波器、移相器和衰减器，将该射频信号矢量调制为合成射频信号x（t）输出给垂直互联射频印制板进行射频信号垂直过渡，作为和差器输入端的接收模式射频信号y（t）；和差器将各路输入的接收模式射频信号y（t）送入多个90度微带分支电桥矢量叠加为和端口信号he（t）、方位差端口信号fwc（t）、俯仰差端口信号fyc（t）和双差端口信号sc（t），作为和差器网路的输出信号传送给端机；T/R组件工作在发射模式T时，沿发射模式射频信号传输方向将端机传输过来的和端口信号he（t）、方位差端口信号fwc（t）、俯仰差端口信号fyc（t）经多个90度微带分支电桥矢量调制为多路发射模式射频信号y（t），该发射模式射频信号y（t）经垂直互联射频印制板垂直过渡输出合成射频信号x（t）,相控阵T/R组件将垂直互联射频印制板各路输出的合成射频信号x（t）进行矢量调制，依次经衰减器、移相器、滤波器和功率放大器输出射频信号s（t），每路s（t）作为最终输出信号传输给天线作为激励源使用。
2.如权利要求1所述的高集成度有源相控阵收发组件，其特征在于：相控阵T/R组件工作在发射模式或者接收模式，共用其内部无源器件与传输线，以及发射用的功率放大器与接收用的低噪声放大器组成的收发多功能芯片TRChip。
3.如权利要求1所述的高集成度有源相控阵收发组件，其特征在于：衰减器、移相器、滤波器和90度微带分支电桥是无源器件。
4.如权利要求1所述的高集成度有源相控阵收发组件，其特征在于：在接收状态下，相控阵T/R组件包含64路高密度并行的射频电路，64路并行射频电路按8路划分为8个合成电路单元，并且每路射频电路由依次串联连接的低噪声放大器LNA、滤波器BPF、移相器PS和衰减器ATT组成。
5.如权利要求4所述的高集成度有源相控阵收发组件，其特征在于：由天线传输过来的射频信号s(t)经放大器LNA放大后，通过滤波器BPF滤除放大器LNA非线性产生的杂散信号及带外分量，将得到的信号送入移相器PS与衰减器ATT。
6.如权利要求1所述的高集成度有源相控阵收发组件，其特征在于：在发射状态下，相控阵T/R组件包含64路高密度并行的射频电路，64路并行射频电路按8路划分为8个分配电路单元，在分配电路单元中，每路射频电路由依次串联连接的功率放大器PA、滤波器BPF、移相器PS和衰减器ATT组成。
7.如权利要求6所述的高集成度有源相控阵收发组件，其特征在于：由垂直互联射频印制板结构传输过来的射频信号x(t)经分配电路后，通过移相器PS与衰减器ATT，经滤波器BPF滤除带外分量，将得到的信号送入功率放大器PA放大。
8.如权利要求1所述的高集成度有源相控阵收发组件，其特征在于：垂直互联射频印制板由顺次串联的带状传输线、带线同轴线过渡、层间同轴传输线、同轴线带线过渡和带状传输线组成，射频信号经过上述垂直互联射频印制板后，能将相控阵T/R组件传输过来的合成射频信号x（t）转化为射频信号y（t）输出给和差器用，也能将和差器传输过来的信号射频y（t）转化为合成射频信号x（t）输出给高密度相控阵T/R组件用。
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