CN109193132B - 一种紧凑型低功耗Ka频段发射多波束相控阵天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种紧凑型低功耗Ka频段发射多波束相控阵天线，包括：天线阵面；四波束T模块，所述四波束T模块与所述天线阵面相连；波控分机，所述波控分机用于将SPI数字信号转换为IQ控制模拟信号；信道分机，所述信道分机用于完成信号由中频至射频的变频；以及电源分机，所述电源分机为各分机及模块提供电压。

Description

一种紧凑型低功耗Ka频段发射多波束相控阵天线

技术领域

本发明涉及卫星通讯技术领域，特别涉及一种紧凑型、基于瓦片式的低功耗Ka频段发射多波束相控阵天线。

背景技术

随着卫星技术、电子技术和新材料技术的迅猛发展，欧美发达国家纷纷提出卫星全球互联网、全球遥感网等计划，如Google投资Space X公司，特斯拉CEO艾伦马斯克正在推动WiFi全球化项目，计划首批发射4000颗卫星，构建天基互联网；OneWeb公司计划发射648颗卫星，构建天基互联网；三星公司拟发射4600颗微小卫星，提供覆盖全球的互联网接入。海量的数据、相片和视频传输对卫星通信速率、通道容量的要求日益提高，相应地对作为主载荷的星载相控阵多波束天线提出了更高的挑战。最主要表现为在有限功耗条件下如何实现天线的高增益及宽覆盖。

基于有限功耗条件下，高数据率通信的要求，当前实现高增益及宽覆盖的星载天线型式主要有二维多喇叭立体阵、波导缝隙阵天线方案、平面数字多波束(DBF)天线及模拟相控阵多波束天线等几大类，其相应的优缺点如下表1所示：

表1现有技术天线方案优缺点比较

由上表可知，常规二维多喇叭立体阵与波导缝隙阵天线具有结构简单、方案易实现、功耗低、可实时全覆盖等优点，其主要缺点是天线无源增益较低、全域覆盖有盲区；而平面数字多波束(DBF)天线尽管可实现等通量、全域无盲区覆盖，但因需采用高速的AD/DA，功耗较高；而常规的模拟相控阵多波束天线需可提供较高的无源增益，并通过波束扫描实现全域无盲区覆盖，但当前基于常规商用芯片及砖块式架构的相控阵天线，仍具有功耗较高、体积大与重量重等不足。

因此，急需一种新型的紧凑型低功耗Ka频段发射多波束相控阵天线来至少部分的解决上述现有相控阵天线功耗高、体积大及重量重等问题。

发明内容

针对现有相控阵天线功耗高、体积大及重量重等问题，根据本发明的一个实施例，提供一种紧凑型低功耗Ka频段发射多波束相控阵天线，包括：

天线阵面；

四波束T模块，所述四波束T模块与所述天线阵面相连；

波控分机，所述波控分机用于将SPI数字信号转换为IQ控制模拟信号；

信道分机，所述信道分机用于完成信号由中频至射频变频；以及

电源分机，所述电源分机为各分机及模块提供电压。

在本发明的一个实施例中，该紧凑型低功耗Ka频段发射多波束相控阵天线还包括：

馈电网络，所述馈电网络设置在所述四波束模块中；

结构与环控单元，所述结构与环控单元提供各分机、模块的安装固定接口，同时提供天线的力、热环境控制；以及

校准网络与校准天线，所述校准网络与校准天线用于天线的校准和自校准。

在本发明的一个实施例中，所述天线阵面为金属结构一体化加工而成，采用矩形布阵。

在本发明的一个实施例中，所述四波束模块为采用瓦片式集成的64通道的标准模块，模块内进一步包括：

射频芯片，所述射频芯片包含2路T通道，每个通道包括4个砷化镓SOC多功能芯片；

4套1分64的射频馈电网络；以及

4套供电/控制线。

在本发明的一个实施例中，所述发射波控分机采用CPU+FPGA架构，CPU与FPGA之间使用EMIF接口进行数据并行传输，其中：CPU用于通讯、组帧、解帧、模拟量采集、配电控制；FPGA用于发射天线波控码的解算与天线校正。

在本发明的一个实施例中，所述FPGA的门逻辑资源数不低于300万，I/O口不低于500个。

在本发明的一个实施例中，所述发射信道分机进一步包括：

2×4路业务发射通道；

1路信令发射通道；以及

1路发射校正反馈通道。

在本发明的一个实施例中，所述业务发射通道进一步包括本振频综链路、发射二次变频链路、点频源和跳频源；所述信令发射通道进一步包括射频功放、发射二次变频链路、点频源、跳频源和本振频综链路；所述发射校正反馈通道进一步包括校正通道、本振频综链路、点频源、跳频源和单刀四掷开关。

本发明提供一种紧凑型低功耗Ka频段发射多波束相控阵天线，该天线方案采用瓦片式二维有源相控阵天线架构，通过对各分组件进行高度集成化设计，采用瓦片式架构压缩相控阵纵向尺寸，用SOC芯片技术实现横向集成，实现了紧凑型、小型化、低功耗多波束相控阵天线技术效果。

附图说明

为了进一步阐明本发明的各实施例的以上和其它优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。

图1示出根据本发明的一个实施例提供的一种紧凑型低功耗Ka频段发射多波束相控阵天线100的组成原理框图。

图2示出根据本发明的具体实施例提供的一种紧凑型低功耗Ka频段发射多波束相控阵天线100的发射信道分机原理组成框图。

图3示出根据本发明的具体实施例提供的一种紧凑型低功耗Ka频段发射多波束相控阵天线100的发射波控分机系统框图。

图4示出根据本发明的具体实施例提供的一种紧凑型低功耗Ka频段发射多波束相控阵天线100的整体结构爆炸立体图。

具体实施方式

在以下的描述中，参考各实施例对本发明进行描述。然而，本领域的技术人员将认识到可在没有一个或多个特定细节的情况下或者与其它替换和/或附加方法、材料或组件一起实施各实施例。在其它情形中，未示出或未详细描述公知的结构、材料或操作以免使本发明的各实施例的诸方面晦涩。类似地，为了解释的目的，阐述了特定数量、材料和配置，以便提供对本发明的实施例的全面理解。然而，本发明可在没有特定细节的情况下实施。此外，应理解附图中示出的各实施例是说明性表示且不一定按比例绘制。

在本说明书中，对“一个实施例”或“该实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。在本说明书各处中出现的短语“在一个实施例中”并不一定全部指代同一实施例。

需要说明的是，本发明的实施例以特定顺序对工艺步骤进行描述，然而这只是为了方便区分各步骤，而并不是限定各步骤的先后顺序，在本发明的不同实施例中，可根据工艺的调节来调整各步骤的先后顺序。

本发明提供一种紧凑型低功耗Ka频段发射多波束相控阵天线，该天线方案采用瓦片式二维有源相控阵天线架构，通过对各分组件进行高度集成化设计，采用瓦片式架构压缩相控阵纵向尺寸，用SOC芯片技术实现横向集成，实现了紧凑型、小型化、低功耗多波束相控阵天线技术效果。

下面结合附图1来介绍基于本发明的一个实施例的一种紧凑型低功耗Ka频段发射多波束相控阵天线。图1示出根据本发明的一个实施例提供的一种紧凑型低功耗Ka频段发射多波束相控阵天线100的组成原理框图。

该紧凑型低功耗Ka频段发射多波束相控阵天线100规格为2×576阵(2付576阵)发射2×4波束，2付576阵元的发射天线并排放置，结构上一体化设计，每付576阵元同时提供4个发射波束。其组成原理框图如图1所示。整个发射天线阵主要由天线阵面、4波束T模块、发射信道分机、发射波控分机、馈电网络及电源分机等组成。

天线阵面为金属结构一体化加工而成，采用矩形布阵，2付576阵元的发射天线并排放置，天线单元间距设计满足±60°扫描范围内无栅瓣要求。

四波束T模块为64通道的标准模块，采用瓦片式集成，实现模块的系列化标准化，同时大幅降低天线尺寸及重量。模块内的射频芯片设计为GaAs的SOC多功能芯片，2路T通道集成在一个SOC芯片内部，包括8个VM芯片，每个通道包含4个VM芯片以形成四个扫描波束。模块内包含4套1分64的射频馈电网络和4套供电/控制线，高密度集成在LTCC基材上。每个576阵需9个4波束T模块，2付576阵元共需18个标准T模块。

发射信道分机主要完成信号中频至射频的变频功能，其收发链路具有中频放大、混频、滤波及末级放大的功能。

图2示出根据本发明的具体实施例提供的一种紧凑型低功耗Ka频段发射多波束相控阵天线100的发射信道分机原理组成框图，如图2所示，发射信道分机主要实现天线同后端的变频收发互连，将天线接收的射频信号变频至中频信号给接入分机，或由接入分机产生的中频信号变频至射频信号由天线发送。发射信道单机由2×4路业务发射通道、1路信令发射通道，1路发射校正反馈通道组成。业务发射通道又主要包括本振频综链路、发射二次变频链路、点频源及跳频源组成；信令校正反馈通道主要包括校正通道、本振频综链路、点频源、跳频源、单刀四掷开关；信令发射通道由射频功放、发射二次变频链路、点频源、跳频源及本振频综链路等组成。

发射波控分机采用CPU+FPGA架构，将SPI数字信号转换为SOC芯片上的VM所需IQ控制模拟信号，实现阵面高精度的幅相控制功能。

图3示出根据本发明的具体实施例提供的一种紧凑型低功耗Ka频段发射多波束相控阵天线100的发射波控分机系统框图，如图3所示，该发射波控分机采用“CPU+FPGA”设计架构，由CPU负责完成通讯、组帧、解帧、模拟量采集、配电控制。FPGA主要完成发射天线波控码的解算与天线校正。CPU与FPGA之间使用EMIF接口进行数据并行传输。

CPU承担发射波控分机的信息处理、通讯等任务，需具备丰富的片上外设和处理资源。此外，其对空间环境的适应性也尤为重要，主要是耐高低温性能和抗单粒子翻转的能力。根据多媒体卫星的任务特点和寿命要求，兼顾安全性和经济性，选用TI公司面向安全关键系统推出的高可靠性工业级处理器的Hercules系列微控制器TMS570LS3137。TMS5703137为双处理器结构，32位浮点运算，内含3M程序存储器、256K数据存储器、5个SPI口、3路CAN口、2路UART口、最高支持24个通道的AD口、1路I2C口、多达几十个GPIO口可与外设通过EMIF口进行并行通信。

FPGA选用MICROSEMI公司的FLASH型A3PE3000L，300万门逻辑资源，620个I/O口，波控板实际需要使用I/O约500个，可以满足波控码解算及控制输出需求。

波控板需要记录大量数据，且有备份和加快查表速度的需求，因此为其配置2片大容量QSPI Flash芯片，拟采用CYPRSS公司的S70FL01GSAGMFI010芯片，容量为1Gbits，最快访问速度为100ns。

单个TR基础模块有64个通道，且因为4波束的原因，需要的DAC数量很多，可供布板的面积很小，因此为了满足面积的苛刻要求，选择型号为3211的DAC。3211有32个通道，采用了低功耗设计，且面积很小。

由于中频为720M单音信号，AD芯片选择AD9254芯片；CAN总线的接口芯片选择使用NXP公司的TJA1042。

此外，电源分机为各模块及分机的提供电压。天线各分部件采用层叠式架构，尽量减少周向布线，提高整机集成度，减少尺寸重量，并优化热导路径充分散热。

图4示出根据本发明的具体实施例提供的一种紧凑型低功耗Ka频段发射多波束相控阵天线100的整体结构爆炸图，如图4所示，发射天线整机采用了垂直互联结构，结合平行布局的装配形式，实现整机低剖面、高密度集成。天线整机由天线阵、校正天线、导热板、KK接头、4波束发射模块、波导馈电网络、馈电合成网络盒体、波控分机、信道分机、电源分机以及盒体组成。天线每个子阵包含64个圆极化天线单元，模块内含32个SOC多功能芯片，每个芯片为2个发射通道8个VM芯片高集成，天线全阵共包括18个天线子阵，即1152个圆极化天线单元。

基于本发明提供的该种紧凑型低功耗Ka频段发射多波束相控阵天线采用瓦片式二维有源相控阵天线架构，通过对各分组件进行高度集成化设计，采用瓦片式架构压缩相控阵纵向尺寸，用SOC芯片技术实现横向集成，实现了紧凑型、小型化、低功耗多波束相控阵天线技术效果。

尽管上文描述了本发明的各实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可以对其做出各种组合、变型和改变而不背离本发明的精神和范围。因此，此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。

Claims (7)

1.一种紧凑型低功耗Ka频段发射多波束相控阵天线，包括：

天线阵面，所述天线阵面为2付576阵元的发射天线，每付576阵元同时提供4个发射波束；

四波束T模块，所述四波束T模块与所述天线阵面相连，所述四波束T模块为采用瓦片式集成的64通道的标准模块，模块内进一步包括：射频芯片，所述射频芯片包含2路T通道，每个通道包括4个砷化镓SOC多功能芯片；4套1分64的射频馈电网络；以及4套供电/控制线，其中每付576阵元需9个四波束T模块，2付576阵元共需18个标准T模块；

波控分机，所述波控分机用于将SPI数字信号转换为IQ控制模拟信号；

信道分机，所述信道分机用于完成信号由中频至射频的变频；以及

电源分机，所述电源分机为各分机及模块提供电压。

2.如权利要求1所述的紧凑型低功耗Ka频段发射多波束相控阵天线，其特征在于，还包括：

结构与环控单元，所述结构与环控单元提供各分机、模块的安装固定接口，同时提供天线的力、热环境控制；以及

校准网络与校准天线，所述校准网络与校准天线用于天线的校准和自校准。

3.如权利要求1所述的紧凑型低功耗Ka频段发射多波束相控阵天线，其特征在于，所述天线阵面为金属结构一体化加工而成，采用矩形布阵。

4.如权利要求1所述的紧凑型低功耗Ka频段发射多波束相控阵天线，其特征在于，所述波控分机采用CPU+FPGA架构，CPU与FPGA之间使用EMIF接口进行数据并行传输，其中：CPU用于通讯、组帧、解帧、模拟量采集、配电控制；FPGA用于发射天线波控码的解算与天线校正。

5.如权利要求4所述的紧凑型低功耗Ka频段发射多波束相控阵天线，其特征在于，所述FPGA的门逻辑资源数不低于300万，I/O口不低于500个。

6.如权利要求1所述的紧凑型低功耗Ka频段发射多波束相控阵天线，其特征在于，所述信道分机进一步包括：

2×4路业务发射通道；

1路信令发射通道；以及

1路发射校正反馈通道。

7.如权利要求6所述的紧凑型低功耗Ka频段发射多波束相控阵天线，其特征在于：所述业务发射通道进一步包括本振频综链路、发射二次变频链路、点频源和跳频源；所述信令发射通道进一步包括射频功放、发射二次变频链路、点频源、跳频源和本振频综链路；所述发射校正反馈通道进一步包括校正通道、本振频综链路、点频源、跳频源和单刀四掷开关。

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