CN108429566A - 一种无人机反制系统的相控收发器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了无人机反制系统的相控收发器，发射干扰信号时，信号源的信号通过功率分配电路进入第二矢量调制器，通过输入电压改变每个收发单元输出信号的相位，该输出信号再经过第二功率放大器放大，而后通过相控阵列天线发射出去；接收信号时，环境中的射频信号通过相控阵列天线进入第一矢量调制器，通过改变输入电压从而改变输入信号的相位，该输入信号再经过第一功率放大器放大，最后被接收端接收。本发明采用了相控天线阵列的发射/接收原理，大大降低了对功率放大芯片及功率放大电路的要求，减少了不必要的散热模块，使系统本身更加稳定；大大降低了成本和产品的体积，减小不必要的噪声，使得设备的使用寿命更长，可安置区域更广。
Description
技术领域
本发明涉及一种无人机反制系统的收发器，具体涉及一种无人机反制系统的相控收发器，属于无人机技术领域。
背景技术
近年来，随着无人机技术的发展，无人机的研究和应用得到了广泛的发展，得到了大规模的应用。但是，由于相关的法律法规还不完善，监控手段及反制手段的缺失，使得无人机“黑飞”成为棘手的社会问题，给社会带来了重大的安全隐患和潜在威胁。为了解决这一问题，无人机反制系统应运而生。
现有技术中的无人机反制系统在干扰(发射)方面普遍遇到了干扰天线功率和散热难以兼得的问题，由于现有技术多采用八木天线、平板天线和锅形天线等体积较大的天线，单一天线要实现射频信号大功率的放大对功率放大芯片及功率放大电路的要求较高，对系统的散热也有着较高的要求。
在探测(接收)方面，现有的无人机反制系统信号接收器多采用360度旋转式的锅形天线来接收环境中相应的信号，从而使得侦测器本身的体积会比较大，接收信号进入系统后通过单独一路进行放大处理，对功率放大芯片要求比较高，由于必须通过天线旋转来采集环境中的信号，这样就必须加装驱动电机和相应的驱动电路及相关的导电滑环等，大大提升系统成本。此外，天线旋转时会产生一定程度的噪声对环境产生干扰，旋转式探测还会对本身的机械机构造成一定的损伤不利于长时间无间歇的工作。
因此，研制一种发射和接收采用一体化天线阵列、体积小而干扰射频信号强度足够大的无人机反制系统的相控收发器是非常必要的，并且该设备也有重要的应用前景。
发明内容
本发明针对上述现有技术存在的问题作出改进，公开一种无人机反制系统的相控收发器，发射和接收采用一体化天线阵列、体积小而干扰射频信号强度足够大。
为了实现上述目标，本发明所采用的技术方案是：
一种无人机反制系统的相控收发器，包括：信号源(1)、接收端(2)、收发器(3)和相控阵列天线(4)，所述信号源(1)和所述接收端(2)与所述收发器(3)连接，所述收发器(3)与所述相控阵列天线(4)连接，所述相控阵列天线(4)包括若干个短棒天线(41)，其特征在于，所述收发器(3)包括：若干路并联的收发单元(31)和功率分配电路(32)，每一路所述收发单元(31)包括：第一功率放大器(311)、第二功率放大器(312)、第一矢量调制器(313)、第二矢量调制器(314)和环形器(315)；
每一路所述收发单元(31)的所述第一功率放大器(311)的输出与所述第二矢量调制器(314)的输入并联，输入与所述第一矢量调制器(313)的输出串联，所述第二矢量调制器(314)的输出与所述第二功率放大器(312)的输入串联，所述第一矢量调制器(313)的输入与所述环形器(315)连接，所述第二功率放大器(312)的输出与所述环形器(315)连接，所述环形器(315)与所述相控阵列天线(4)的一路所述短棒天线(41)连接；
发射干扰信号时，干扰信号从所述信号源(1)经所述功率分配电路(32)分配至每路所述收发单元(31)，然后经所述第二功率放大器(312)放大和第二矢量调制器(314)改变相位，最后通过所述环形器(315)和所述相控阵列天线(4)的一路所述短棒天线(41)发射；
接收信号时，环境中的射频信号通过与每路所述收发单元(31)连接的所述短棒天线(41)和所述环形器(315)进入，然后通过所述第一矢量调制器(313)改变相位和所述第一功率放大器(311)放大，最后通过所述功率分配电路(32)汇集后接入所述接收端(2)。
前述的无人机反制系统的相控收发器，其特征在于，所述收发器(3)包括4路至32路所述收发单元(31)。。
前述的无人机反制系统的相控收发器，其特征在于，所述第一矢量调制器(313)与所述第二矢量调制器(313)输出信号的相位受输入控制电压的控制。
前述的无人机反制系统的相控收发器，其特征在于，所述第一矢量调制器(313)和所述第二矢量调制器(314)的电路结构相同，所述第一矢量调制器(313)包括：电容C1、电容C2，电容C3、电容C4、电容C6、电容C7、电容C12、电容C17、电容C18和电容C22，电感L1和电感L2；矢量调制芯片H1和射频放大芯片U1，平衡/不平衡转换器B1；
电容C6的一端接输入的射频信号，另一端与射频放大芯片U1的管脚1连接，射频放大芯片U1的管脚2接地，电容C1、电容C2和电容C3的一端同时与正5伏电源和电感L1一端连接，电容C1、电容C2和电容C3的另一端分别接地，电感L1的另一端同时与电容C4和射频放大芯片U1的管脚3连接；
电容C4的另一端与平衡/不平衡转换器B1的管脚1连接，平衡/不平衡转换器B1的管脚5接地，管脚2与电容C18连接，管脚3与电容C18的另一端接地，管脚4和管脚3分别与矢量调制芯片H1的管脚2和管脚3连接，电容C18的另一端接地，矢量调制芯片H1的管脚7和管脚8同时与电容C22连接，电容C22的另一端接地，管脚17接地，管脚13和管脚14同时与电感L2和电容C12连接，电容C12的另一端接地，电感L2的另一端同时与正8伏电源和电容C7连接，电容C7的另一端接地；管脚9与电容C17连接，电容C17的另一端输出调制后的射频信号。
前述的无人机反制系统的相控收发器，其特征在于，所述第一功率放大器(311)和所述第二功率放大器(312)的电路结构相同，所述第一功率放大器(311)包括：电容C5、电容C8、电容C9、电容C10、电容C11、电容C13、电容C14、电容C15、电容C19、电容C20和电容C21，电感L3，射频接口RF_OUT1，高线性射频放大器芯片U2和射频放大芯片U3；
射频放大芯片U3的管脚1接输入的射频信号，管脚2接地，管脚3同时与电感L3和电容C16连接，电感L3的另一端同时与电容C5、电容C8、电容C13和正5伏电源同时连接，电容C5、电容C8和电容C13的另一端分别接地；
电容C16的另一端与高线性射频放大器芯片U2的管脚1连接，高线性射频放大器芯片U2的管脚的管脚7接地，管脚3同时与正5伏电源、电容C19、电容C20和电容C21连接，电容C19、电容C20和电容C21的另一端分别接地，管脚6同时与管脚5、正5伏电源、电容C14、电容C15、电容C9、电容C10和电容C11连接，电容C9、电容C10、电容C11、电容C14和电容C15的另一端分别接地；
高线性射频放大器芯片U2的管脚4输出放大后的射频信号。
前述的无人机反制系统的相控收发器，其特征在于，所述功率分配电路(32)包括若干个与所述收发单元(31)对应的传输线(321)，所述传输线(321)对称式分布，所述传输线(321)自所述信号源(1)射频信号输入接口开始一段为50欧姆，经过四分之一波长后阻抗变换为100欧姆并分为两路，再经过四分之一波长后阻抗转换回50欧姆至射频信号输出接口。
前述的无人机反制系统的相控收发器，其特征在于，所述相控阵列天线(4)的每个所述短棒天线(41)之间间隔距离为传输信号在空气中的半个波长。
与现有技术相比，本发明的有益之处在于：
(1)采用了相控天线阵列的发射/接收原理，大大降低了对功率放大芯片及功率放大电路的要求，减少了很多不必要的散热模块，使系统本身更加稳定；
(2)舍弃了传统的旋转式被动接收环境中的射频信号时因为需要旋转而带来的对步进电机的和相应导电滑环需求，大大降低了成本和产品的体积；
(3)减小不必要的噪声，不用过多的考虑机械结构因长时间持续旋转而带来的损耗，使得设备的使用寿命更长，可安置区域更广。
附图说明
图1是本发明的无人机反制系统的相控收发器的一个具体实施例的8路收发单元的组成原理框图；
图2是图1中无人机反制系统的相控收发器的一个具体实施例的矢量调制器的电路原理图；
图3是图1中无人机反制系统的相控收发器的一个具体实施例的功率放大器的电路原理图；
图4是图1中无人机反制系统的相控收发器的一个具体实施例的8路收发单元相控阵列天线的结构示意图；
图5是图1中无人机反制系统的相控收发器的一个具体实施例的单单元信号发射流程示意图；
图6是图1中无人机反制系统的相控收发器的一个具体实施例的单单元信号接收流程示意图；
图7是图1中无人机反制系统的功率分配电路的一个具体实施例的示意图。
其中：
1-信号源 2-接收端
3-收发器 31-收发单元
311-第一功率放大器 312-第二功率放大器
313-第一矢量调制器 314-第二矢量调制器
315-环形器 32-功率分配电路
321-传输线 4-相控阵列天线
41-短棒天线。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
参照图1,本发明的无人机反制系统的相控收发器，包括：信号源1、接收端2、收发器3和相控阵列天线4，信号源1和接收端2与收发器3连接，收发器3与相控阵列天线4连接，相控阵列天线4包括8个短棒天线41，收发器3包括：8路并联的收发单元31和功率分配电路32，每一路收发单元31包括：第一功率放大器311、第二功率放大器312、第一矢量调制器313、第二矢量调制器314和环形器315；
每一路所收发单元31的第一功率放大器311的输出与第二矢量调制器314的输入并联，输入与第一矢量调制器313的输出串联，第二矢量调制器314的输出与第二功率放大器312的输入串联，第一矢量调制器313的输入与环形器315连接，第二功率放大器312的输出与环形器315连接，环形器315与相控阵列天线4的一路短棒天线41连接；
发射干扰信号时，干扰信号从信号源1经功率分配电路32分配至每路收发单元31，然后经第二功率放大器312放大和第二矢量调制器314改变相位，最后通过环形器315和相控阵列天线4的一路短棒天线41发射；
接收信号时，环境中的射频信号通过与每路收发单元31连接的短棒天线41和环形器315进入，然后通过第一矢量调制器313改变相位和第一功率放大器311放大，最后通过功率分配电路32汇集后接入接收端2。
作为一种优选的方案，收发器3包括4路至32路收发单元31，优选8路，可以通过增减收发单元31的数量来调节收发信号能控制的角度范围。
参照图2，作为一种优选的方案，第一矢量调制器313与第二矢量调制器313输出信号的相位受输入控制电压的控制。
作为一种优选的方案，第一矢量调制器313和第二矢量调制器314的电路结构相同，第一矢量调制器313包括：电容C1、电容C2，电容C3、电容C4、电容C6、电容C7、电容C12、电容C17、电容C18和电容C22，电感L1和电感L2；矢量调制芯片H1和射频放大芯片U1，平衡/不平衡转换器B1，矢量调制芯片H1优选HMC631，射频放大芯片U1优选ADL5611；
电容C6的一端接输入的射频信号，另一端与射频放大芯片U1的管脚1连接，射频放大芯片U1的管脚2接地，电容C1、电容C2和电容C3的一端同时与正5伏电源和电感L1一端连接，电容C1、电容C2和电容C3的另一端分别接地，电感L1的另一端同时与电容C4和射频放大芯片U1的管脚3连接；
电容C4的另一端与平衡/不平衡转换器B1的管脚1连接，平衡/不平衡转换器B1的管脚5接地，管脚2与电容C18连接，管脚3与电容C18的另一端接地，管脚4和管脚3分别与矢量调制芯片H1的管脚2和管脚3连接，电容C18的另一端接地，矢量调制芯片H1的管脚7和管脚8同时与电容C22连接，电容C22的另一端接地，管脚17接地，管脚13和管脚14同时与电感L2和电容C12连接，电容C12的另一端接地，电感L2的另一端同时与正8伏电源和电容C7连接，电容C7的另一端接地；管脚9与电容C17连接，电容C17的另一端输出调制后的射频信号；
参照图5，首先是射频放大芯片U1(ADL5611)将经过功率匹配电路32后弱化的射频信号进行放大处理，使得信号的强度足以被后续的第一矢量调制器313或第二矢量调制器314识别并进行相应的矢量调节处理；其次，信号经过平衡/不平衡转换器B1，将处理后的单端射频信号转换为差分射频信号，以满足矢量调制芯片H1(HMC631)的输入；最后，通过控制电平的输入，由矢量调制芯片H1(HMC631)进行相位调节，输出相应更改了相位的射频信号。
参照图3，作为一种优选的方案，第一功率放大器311和第二功率放大器312的电路结构相同，第一功率放大器311包括：电容C5、电容C8、电容C9、电容C10、电容C11、电容C13、电容C14、电容C15、电容C19、电容C20和电容C21，电感L3，射频接口RF_OUT1，高线性射频放大器芯片U2和射频放大芯片U3，射频放大芯片U3优选ADL5611，高线性射频放大器芯片U2优选ALM32220；
射频放大芯片U3的管脚1接输入的射频信号，管脚2接地，管脚3同时与电感L3和电容C16连接，电感L3的另一端同时与电容C5、电容C8、电容C13和正5伏电源同时连接，电容C5、电容C8和电容C13的另一端分别接地；
电容C16的另一端与高线性射频放大器芯片U2的管脚1连接，高线性射频放大器芯片U2的管脚的管脚7接地，管脚3同时与正5伏电源、电容C19、电容C20和电容C21连接，电容C19、电容C20和电容C21的另一端分别接地，管脚6同时与管脚5、正5伏电源、电容C14、电容C15、电容C9、电容C10和电容C11连接，电容C9、电容C10、电容C11、电容C14和电容C15的另一端分别接地；
高线性射频放大器芯片U2的管脚4输出放大后的射频信号；
参照图6，第一功率放大器311和第二功率放大器312使用两级放大，首先是射频放大芯片U3将第一矢量调制器313或第二矢量调制器314调制后的射频信号放大到20dBm，然后再通过高线性射频放大器芯片U2将射频信号最终放大至33dBm后通过棒状天线41输出。
参照图7，作为一种优选的方案，功率分配电路(32)包括八个与所述收发单元31对应的传输线321，传输线321对称式分布，确保每个端口的信号强度一致，传输线321自信号源1射频信号输入接口开始一段为50欧姆(直径1.4毫米)，经过四分之一波长后(即16.41毫米)阻抗变换为100欧姆(直径2.8毫米)并分为两路，再经过四分之一波长(16.41毫米)后阻抗转换回50欧姆(直径1.4毫米)至射频信号输出接口。
参照图4，作为一种优选的方案，相控阵列天线4的每个短棒天线41之间间隔距离为传输信号在空气中的半个波长，对于工作频率在2.4GHz的相控阵列天线4，每个短棒天线41之间间隔6厘米。
综上所述，本发明的无人机反制系统的相控收发器发射干扰信号时，信号源1的信号通过功率分配电路32进入第二矢量调制器314，通过改变第二矢量调制器314的输入电压改变每个收发单元31输出信号的相位，该输出信号再经过第二功率放大器312，使每个收发单元31中已经改变相位的信号单独放大，而后通过环形器315再由相控阵列天线4发射出去，从而实现射频信号的发送；
接收信号时，环境中的相应的射频信号通过相控阵列天线4和环形器315进入第一矢量调制器313，通过改变第一矢量调制器313的输入电压，从而改变每个收发单元31输入信号的相位，该输入信号再经过第一功率放大器311，使每个收发单元31中已经改变相位的信号单独放大，最后通过功率分配电路32被接收端2接收。
需要说明的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种无人机反制系统的相控收发器，包括：信号源(1)、接收端(2)、收发器(3)和相控阵列天线(4)，所述信号源(1)和所述接收端(2)与所述收发器(3)连接，所述收发器(3)与所述相控阵列天线(4)连接，所述相控阵列天线(4)包括若干个短棒天线(41)，其特征在于，所述收发器(3)包括：若干路并联的收发单元(31)和功率分配电路(32)，每一路所述收发单元(31)包括：第一功率放大器(311)、第二功率放大器(312)、第一矢量调制器(313)、第二矢量调制器(314)和环形器(315)；
每一路所述收发单元(31)的所述第一功率放大器(311)的输出与所述第二矢量调制器(314)的输入并联，输入与所述第一矢量调制器(313)的输出串联，所述第二矢量调制器(314)的输出与所述第二功率放大器(312)的输入串联，所述第一矢量调制器(313)的输入与所述环形器(315)连接，所述第二功率放大器(312)的输出与所述环形器(315)连接，所述环形器(315)与所述相控阵列天线(4)的一路所述短棒天线(41)连接；
发射干扰信号时，干扰信号从所述信号源(1)经所述功率分配电路(32)分配至每路所述收发单元(31)，然后经所述第二功率放大器(312)放大和第二矢量调制器(314)改变相位，最后通过所述环形器(315)和所述相控阵列天线(4)的一路所述短棒天线(41)发射；
接收信号时，环境中的射频信号通过与每路所述收发单元(31)连接的所述短棒天线(41)和所述环形器(315)进入，然后通过所述第一矢量调制器(313)改变相位和所述第一功率放大器(311)放大，最后通过所述功率分配电路(32)汇集后接入所述接收端(2)。
2.根据权利要求1所述的无人机反制系统的相控收发器，其特征在于，所述收发器(3)包括4路至32路所述收发单元(31)。
3.根据权利要求1所述的无人机反制系统的相控收发器，其特征在于，所述第一矢量调制器(313)与所述第二矢量调制器(313)输出信号的相位受输入控制电压的控制。
4.根据权利要求1所述的无人机反制系统的相控收发器，其特征在于，所述第一矢量调制器(313)和所述第二矢量调制器(314)的电路结构相同，所述第一矢量调制器(313)包括：电容C1、电容C2，电容C3、电容C4、电容C6、电容C7、电容C12、电容C17、电容C18和电容C22，电感L1和电感L2；矢量调制芯片H1和射频放大芯片U1，平衡/不平衡转换器B1；
电容C6的一端接输入的射频信号，另一端与射频放大芯片U1的管脚1连接，射频放大芯片U1的管脚2接地，电容C1、电容C2和电容C3的一端同时与正5伏电源和电感L1一端连接，电容C1、电容C2和电容C3的另一端分别接地，电感L1的另一端同时与电容C4和射频放大芯片U1的管脚3连接；
电容C4的另一端与平衡/不平衡转换器B1的管脚1连接，平衡/不平衡转换器B1的管脚5接地，管脚2与电容C18连接，管脚3与电容C18的另一端接地，管脚4和管脚3分别与矢量调制芯片H1的管脚2和管脚3连接，电容C18的另一端接地，矢量调制芯片H1的管脚7和管脚8同时与电容C22连接，电容C22的另一端接地，管脚17接地，管脚13和管脚14同时与电感L2和电容C12连接，电容C12的另一端接地，电感L2的另一端同时与正8伏电源和电容C7连接，电容C7的另一端接地；管脚9与电容C17连接，电容C17的另一端输出调制后的射频信号。
5.根据权利要求1所述的无人机反制系统的相控收发器，其特征在于，所述第一功率放大器(311)和所述第二功率放大器(312)的电路结构相同，所述第一功率放大器(311)包括：电容C5、电容C8、电容C9、电容C10、电容C11、电容C13、电容C14、电容C15、电容C19、电容C20和电容C21，电感L3，射频接口RF_OUT1，高线性射频放大器芯片U2和射频放大芯片U3；
射频放大芯片U3的管脚1接输入的射频信号，管脚2接地，管脚3同时与电感L3和电容C16连接，电感L3的另一端同时与电容C5、电容C8、电容C13和正5伏电源同时连接，电容C5、电容C8和电容C13的另一端分别接地；
电容C16的另一端与高线性射频放大器芯片U2的管脚1连接，高线性射频放大器芯片U2的管脚的管脚7接地，管脚3同时与正5伏电源、电容C19、电容C20和电容C21连接，电容C19、电容C20和电容C21的另一端分别接地，管脚6同时与管脚5、正5伏电源、电容C14、电容C15、电容C9、电容C10和电容C11连接，电容C9、电容C10、电容C11、电容C14和电容C15的另一端分别接地；
高线性射频放大器芯片U2的管脚4输出放大后的射频信号。
6.根据权利要求1所述的无人机反制系统的相控收发器，其特征在于，所述功率分配电路(32)包括若干个与所述收发单元(31)对应的传输线(321)，所述传输线(321)对称式分布，所述传输线(321)自所述信号源(1)射频信号输入接口开始一段为50欧姆，经过四分之一波长后阻抗变换为100欧姆并分为两路，再经过四分之一波长后阻抗转换回50欧姆至射频信号输出接口。
7.根据权利要求1所述的无人机反制系统的相控收发器，其特征在于，所述相控阵列天线(4)的每个所述短棒天线(41)之间间隔距离为传输信号在空气中的半个波长。
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