CN109841956B - 一种基于龙伯透镜阵列的低剖面阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于龙伯透镜阵列的低剖面阵列天线，包括m个龙伯透镜、收发组件；m个龙伯透镜排列在同一水平面上；龙伯透镜包括龙伯透镜单元及固定于龙伯透镜单元表面的天线阵列,不同龙伯球透镜单元上指向角相同的天线单元为相同位置的天线单元；所述收发组件包括接收模块和发射模块；n个天线单元接收到n路信号；所述接收模块从n路信号中选择若干路信号，并将若干路信号合成一路信号输出给发射模块；所述发射模块将该路信号经过处理后实现多路信号输出。优点为：通过在单个龙伯透镜单元表面排布天线阵列，对每个龙伯透镜单元表面的天线阵列中的相同位置天线单元顺序馈电即可实现大角度波束扫描，降低了天线馈电网络的复杂度和设计难度。

Description

一种基于龙伯透镜阵列的低剖面阵列天线

技术领域

本发明涉及天线技术领域，具体来说是一种基于龙伯透镜阵列的低剖面阵列天线。

背景技术

阵列天线的波束扫描范围是其重要的性能指标。2005年，由ConstantineA.Balanis编写，美国新泽西约翰威利出版公司(John Wiley&Sons,Inc.,Hoboken,NewJersey)出版的《天线理论：分析和设计》(Constantine A.Balanis，Antenna Theory:Analysis and Design，John Wiley&Sons,Inc.,Hoboken,New Jersey:2005,Page(s):283-384)介绍了传统平面相控阵的特性和设计方法。传统的平面相控阵天线在扫描至较大角度时，由于天线阵列等效口径减小，会导致阵列辐射方向图增益降低，副瓣升高，其扫描角度通常不超过±40°，其有限的扫描角度限制了其应用。

1964年，由R.K.Luneburg编写，美国洛杉矶加利福尼亚大学出版社(Universityof California Press,Los Angeles,CA)出版的《光学的数学理论》(R.K.Luneburg，Mathematical Theory of Optics，University of California Press,Los Angeles,CA:1964)介绍了龙伯透镜(Luneburg lens)的结构和特性。龙伯透镜是一种球梯度折射率透镜，具有将沿任意方向入射的平面波聚焦于其表面一点，或使其表面馈源实现高定向性辐射的特性。将阵列天线单元置于龙伯透镜表面，可用于发射或接收来自各个方向的平面波束，且可以保证各个方向的波束具有相同的形状和增益，因此可用于实现大角度波束扫描。但龙伯透镜的球形结构导致这种阵列天线的剖面高度大于透镜直径，体积和重量较大，难以适用于对天线剖面高度和体积重量有严格限制的场合。

2000年，A.J.Parfitt等人在美国电子电气工程师协会主办的天线与传播国际会议上发表了“利用龙伯透镜作为射电望远镜单元”的论文(A.J.Parfitt,J.S.Kot andG.L.James,“The Luneburg lens as a radio telescope element”,IEEE Antennas andPropagation Society International Symposium,2000)。文章中提出利用多个具有较小直径的龙伯透镜组成阵列的设想，其剖面高度和体积重量均小于与透镜阵列口径面积相同的单个龙伯透镜。但文章中并未指出应以何种方式对上述龙伯透镜阵列馈电以实现大角度波束扫描。

上述文献表明，传统的相控阵天线波束扫描范围有限；基于单个龙伯透镜的阵列天线可实现大角度波束扫描，但剖面高度和体积重量均较大；由多个龙伯透镜单元组成的透镜阵列具有较低的剖面高度和体积重量，但其如何实现大角度波束扫描尚无相关报道。

目前尚无基于龙伯透镜阵列实现的、具有大角度扫描和通信功能的阵列天线的报道。

基于龙伯透镜阵列实现的、具有大角度扫描和通信功能的阵列天线，可以结合相控阵原理，实现波束合成和角度扫描。一个龙伯球下面的多个天线单元的方案，如采用一般的相控阵方案，即一个天线单元连接一路TR组件，需要的成本高体积和功耗大，限制了试用的场景。针对一个龙伯球下面的多个天线单元的方案，提出一种适合的TR组件组装架构，便于实现多波束并且便于裁剪，以降低成本、体积和功耗。

发明内容

本发明所要解决的技术问题为如何实现较低的剖面高度和体积重量，同时实现大角度、高增益的波束扫描。

为解决上述问题，本发明的技术方案如下：

一种基于龙伯透镜阵列的低剖面阵列天线，包括m个龙伯透镜、收发组件；m个龙伯透镜排列在同一水平面上；所述龙伯透镜包括龙伯透镜单元及固定于龙伯透镜单元表面的天线阵列；所述天线阵列通过n个天线单元沿龙伯透镜单元表面呈一维弧线或二维弧面排布在多个同心圆的圆周上,不同龙伯球透镜单元上指向角相同的天线单元为相同位置的天线单元；

所述收发组件包括接收模块和发射模块；n个天线单元接收到n路信号；所述接收模块从n路信号中选择若干路信号，并将若干路信号合成一路信号输出给发射模块；

所述发射模块接受到一路信号后，将该路信号经过处理后实现多路信号输出。

优选的，所述接收模块包括n个第一信号处理单元、合成器、第一衰减控制器、第一移相控制器；每个第一信号处理单元包括n个第一滤波器、n个第一低噪声放大器、1个第一多路选择器、若干个第一可调衰减器、若干个第一移相器，第一可调衰减器与第一移相器数量相等；n个第一滤波器输入端分别与1个龙伯透镜中的n个天线单元输出端连接，输出端分别与n个第一低噪声放大器输入端连接，n个第一低噪声放大器输出端均与第一多路选择器输入端连接，第一多路选择器输出端均与若干个第一可调衰减器输入端连接，若干个第一可调衰减器输出端分别与若干个第一移相器输入端连接，若干个第一移相器输出端均与合成器连接；第一衰减控制器与第一可调衰减器连接、第一移相控制器与第一移相器连接。

优选的，将m个第一信号处理单元分为k组；每组集成为一个接收子模块；所述第一衰减控制器为k个，所述第一移相控制器为k个，每个第一衰减控制器分别控制一个接收子模块中的所有第一可调衰减器；每个第一移相控制器控制一个接收子模块中的所有第一移相器。

优选的，所述合成器为k个；k组接收子模块中接收相同信号的第一移相器分别与1个合成器连接，k个合成器均与第三多路选择器连接。

优选的，所述合成器为1个，k组接收子模块所有第一移相器均与合成器连接。

优选的，所述发射模块包括m个第二信号处理单元、功分器、第二衰减控制器、第二移相控制器；每个第二信号处理单元包括n个第二滤波器、n个第二低噪声放大器、1个第二多路选择器、若干个第二可调衰减器、若干个第二移相器，第二可调衰减器与第二移相器数量相等；功分器输入端与合成器输出端连接，输出端分别与若干个第二移相器输入端连接，若干个第二移相器输出端分别与若干个第二可调衰减器输入端连接，若干个第二可调衰减器输出端均与第二多路选择器输入端连接，第二多路选择器输出端分别与n个第二低噪声放大器输入端连接，n个第二低噪声放大器输出端分别与n个滤波器输入端连接，n个滤波器输出端别与1个龙伯透镜中的n个天线单元输入端连接；第二衰减控制器与可调衰减器连接，第二移相控制器与移相器连接。

优选的，将m个第二信号处理单元分为k组，每组集成为一个发射子模块；所述第二衰减控制器为k个，所述第二移相控制器为k个，每个第二衰减控制器分别控制1组第二信号处理单元一个发射子模块中的所有第二可调衰减器；每个第一移相控制器控制一个发射子模块中的所有第二移相器。

优选的，所述功分器为k+1个，其中一个功分器将信号功分为k路，然后分别由其余k个功分器分为若干路。

本发明的优点为：

通过在单个龙伯透镜单元表面排布天线阵列，对每个龙伯透镜单元表面的天线阵列中的相同位置天线单元顺序馈电即可实现大角度波束扫描，降低了天线馈电网络的复杂度和设计难度。如只需要覆盖某一个角度或者某一个方向，可以裁剪其他指向的天线单元，以此简化天线阵列，同时简化馈电网络，易于控制成本，可获得多种不同扫描标准的天线产品，市场适应性强。

通过将多个龙伯透镜组阵，该阵列天线利用多个具有较小直径的龙伯透镜组成阵列，在保持基于龙伯透镜的阵列天线大角度扫描能力的基础上，具有高增益，大大降低其剖面高度和体积重量。

附图说明

图1为本发明实施例1中每个龙伯透镜及对其馈电的天线阵列结构侧视示意图。

图2为本发明实施例1中每个龙伯透镜及对其馈电的天线阵列结构俯视示意图。

图3为本发明实施例1中每个龙伯透镜单元表面的天线阵列结构俯视示意图。

图4为本发明实施例1的阵列天线整体结构三维示意图。

图5为本发明中馈电网络的结构框图。

图6为本发明中基于移相器的相控馈电网络结构框图。

图7为本发明中选择网络的结构框图。

图8为本发明实施例1中每个龙伯透镜单元表面的天线阵列的回波损耗图。

图9为本发明实施例1中对其中一个龙伯透镜单元表面的天线阵列馈电的波束扫描方向图。

图10为本发明实施例1中对所有龙伯透镜单元表面的天线阵列馈电的波束扫描方向图。

图11为本发明实施例2中每个龙伯透镜单元表面的天线阵列结构俯视示意图。

图12为本发明实施例2中每个龙伯透镜及对其馈电的天线阵列结构俯视示意图。

图13为本发明实施例2中每个龙伯透镜及对其馈电的天线阵列结构侧视示意图。

图14为本发明实施例2中阵列天线整体结构三维示意图。

图15为本发明实施例2中每个龙伯透镜单元表面的天线阵列的回波损耗图。

图16为本发明实施例2中对其中一个龙伯透镜单元表面的天线阵列馈电的E面和H面波束扫描方向图。

图17为本发明实施例2中对所有龙伯透镜单元表面的天线阵列馈电的E面和H面波束扫描方向图；

图18为本发明实施例3中天线的馈电结构示意图；

图19为本发明实施例3中一种接收子模块的控制结构示意图；

图20为本发明实施例3中另一种接收子模块的控制结构示意图；

图21为本发明实施例3中一种发射子模块的控制结构示意图；

图22为本发明实施例3中另一种接发射模块的控制结构示意图；

图23为本发明实施例3中接收模块的实现方式结构示意图；

图24为本发明实施例3中发射模块的实现方式结构示意图；

图25为本发明实施例1中天线单元的爆炸结构示意图；

图26为本发明实施例1中天线单元的整体结构示意图；

图27为本发明实施例1中天线单元中上pcb基板的俯视结构示意图；

图28为本发明实施例1中天线单元中介质基板的俯视结构示意图；

图29为本发明实施例1中天线单元中下pcb基板的俯视结构示意图；

图30为本发明实施例1中天线单元中匹配套筒与SMA接头的结构示意图；

图31为本发明实施例3中接收子模块的结构示意图；

图32为本发明实施例3中发射子模块的结构示意图；

图33为本发明实施例3中滤波放大模块的结构示意图。

具体实施方式

为使对本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，用以较佳的实施例及附图配合详细的说明，说明如下：

实施例1

龙伯透镜单元10，如图1、图2、图3所示，为直径140mm的球体，由上下对称的上半球和下半球组成，每个半球被分为多层，层数越多，性能越好，但是考虑加工难度，本实施例给出12层的结构，每层都由立体十字单元结构组合而成。每个十字单元的中心为一立方体，从球体外缘至中心，立方体体积越来越大，从而使龙伯透镜单元10为具有梯度介电常数结构的介质球天线，能够将各个方向传来的微波信号汇聚到透镜表面的一点，可以实现电磁波的会聚和定向发射。其介电常数分布满足球形龙伯透镜的介电常数分布：球体边缘是2，中心是1，中间渐变，公式是：

介电常数＝2-(位置半径/球体半径)²

天线单元，本实施里的天线单元为微带天线单元。如图3、图25、图26所示，一种双频段双极化微带天线，包括反射地板7、3层微带天线(图未标示)、2个匹配套筒8、4个非金属固定螺丝9。反射地板7、3层微带天线均为矩形结构，3层微带天线位于反射地板的上方，反射地板7和3层微带天线的四个拐角处均开设有安装孔，4个非金属固定螺丝9依次穿过各安装孔将反射地板7和3层微带天线固定成整体。

3层微带天线包括上pcb基板2、下pcb基板4、以及处于上pcb基板2和下pcb基板4中间的介质基板30；上pcb基板2、下pcb基板4一般采用Rogers5880板材。

如图27所示(图1为轴测图，与图3-图5的视角不对应)，上pcb基板2的上表面中间位置固定有方形辐射贴片20，辐射贴片20为金属铜片，辐射贴片20的四边可以与上pcb基板的四边平行，实现线极化，也可以将辐射贴片20旋转一定角度，实现圆极化。在上pcb基板2上设置有馈电端口50、60，分别处于辐射贴片20的相邻两条边的位置，2个馈电端口正交。在每个馈电端口沿辐射贴片20边长方向的两侧分别设置有接地焊盘21。在上pcb基板2的下表面的四周分别敷有第一金属片22，第一金属片22为长方形铜片。改变辐射贴片20的尺寸，可以实现调整天线收发的谐振频率，例如，当辐射贴片的尺寸为5.2*6.9mm时。收发谐振频点分别为12.5GHz和14.25GHz，当辐射贴片的尺寸为5.4*7.2mm时。收发谐振频点分别为13GHz和14.5GHz；改变第一金属片22的尺寸，当然，下文介绍的第二金属片、第三金属片、第四金属片的尺寸与第一金属片保持一致，可以实现调节天线的增益和波宽，例如，当金属片为8*2mm时，接收增益为8.5dB,波宽为64°，当金属片为13*2mm时，增益为9.4dB,波宽为55°。若用于组阵，便可以按需调节天线单元的方向图。

如图28所示，介质基板30为介电常数10.2的矩形Rogers RT/duroid 6010介质板，厚度为8mm，尺寸为23.8mm×50mm。其四周上、下表面分别敷有第二金属片31和第三金属片32，中间与辐射贴片20竖向对应的位置为上下贯通的空腔区33，通过该空腔区33，可以提高天线的带宽；空腔区33的大小还会影响天线的谐振频率，例如当空腔区尺寸为5.2*6.9mm时，收发谐振频点分别为12.5GHz和14.25GHz，当空腔区尺寸为5*6mm时，收发谐振频点分别为13.2GHz和14.3GHz。在与馈电端口50、60以及接地焊盘21竖向相对应的位置，开设有第一通孔34和第二通孔35。

如图29所示，下pcb基板4的上表面四周均敷有与第三金属片32数量位置相对应的第四金属片41，同样的，第二金属片31、第三金属片32、第四金属片41均与第一金属片22相同尺寸，相同材质。上pcb基板2与介质基板30通过4块第一金属片22与4块第二金属片31一一对应焊接固定，同理，介质基板30与下pcb基板4通过4块第三金属片32、4块第四金属片41一一对应焊接固定，从而使3块基板电性连接成整体。

下pcb基板4的上表面中间位置敷有馈电金属片40，为矩形铜片，厚度为0.018mm，尺寸为23.8mm×50mm。馈电金属片40上开设有2个H形槽，在馈电金属片40的下表面设置有两正交的传输线42，两传输线42的一端分别与两H形槽电性连接，另一端分别电性连接SMA接头1，通过SMA接头1与馈电端口电性连接，从而实现向辐射贴片20馈电。在馈电金属片40上与接地焊盘21、馈电端口50、60竖向对应的位置开设有第三通孔43、第四通孔44。

如图30所示，匹配套筒8为筒状结构，为铜质材料，其底端与反射地板7电性连接，顶端向上伸出两个引脚81，两个引脚81依次穿过第三通孔43(下pcb基板相应位置同样开设有通孔供引脚81穿过)、第二通孔35，与上pcb基板2上的焊盘21电性连接，调节匹配套筒的高度和内径可以调节微带天线的回波损耗(驻波比)，伸出的两引脚起到接地作用，同时改善天线的隔离度。

SMA接头1套设在匹配套筒8内，并与匹配套筒8同轴，其底端与反射地板7上电性连接，实现接地，其传输芯穿过匹配套筒8与传输线42电性连接，并穿过第四通孔44、第一通过34与馈电端口电性连接，以实现同轴馈电。

本实施例提供的微带天线适用于任意频段，具体为：

根据传输线理论，

其中，L为辐射贴片的长度，W为辐射贴片的宽度，△L为修正因子，ε为介电常数，u为磁导率，c₀为自由空间中光速，f为工作频率。对于此微带天线，按照工作频率调节模型的比例，可以适用于任何频段，尤其是对于较低的工作频率，由于双发共用一辐射贴片，可以极大的减少天线的尺寸，并采用背向馈电的方式，同时会使得组阵成相控阵更加具有优势，馈电方便，尺寸更小。

弧线天线阵列，如图3所示，9个微带天线单元沿短边并排呈1×9一维弧线排布，其弧度与龙伯透镜单元10的直径有关。

龙伯透镜，如图1、图2所示，将1×9一维弧线天线阵列排布在龙伯透镜单元10的表面。天线阵列在龙伯透镜单元表面的排布原则为：以天线阵列中间第5个天线单元为对称单元，两侧相互对称的天线单元为相同位置的天线单元。龙伯透镜表面天线阵列可以裁剪，如只需要覆盖某一个角度或者某一个方向，可以将其他指向的天线单元去掉，以此简化天线阵列单元，同时简化馈电网络，节约成本。如一维排布可以看做为二维排布的裁剪，更进一步的，如果只要求法线方向的增益，那就可以裁剪到只有最底部一个天线单元。

天线单元与龙伯球单元的固定方式可以为胶粘或者整体打泡沫固定。

阵列天线，如图4所示，由3×3个龙伯透镜组阵而得，相邻龙伯透镜单元10的球心间距为158mm。相邻天线单元中心与龙伯透镜单元10的球心构成的夹角均为17°。9个龙伯球透镜单元10上指向角相同的天线单元为相同位置的天线单元，如图5所示，9个相同位置的天线单元通过馈电网络形成一个合成馈电端口，因此天线阵列具有多个合成馈电端口，通过一个合成馈电端口可以实现一个高增益固定指向波束。如图7所示，选择馈电网络在多个这样的合成馈电端口中进行选择，实现阵列天线的大角度高增益的波束扫描。对每个龙伯透镜单元表面的天线阵列中的相同位置天线单元顺序馈电即可实现大角度波束扫描。如图6所示，如果采用基于移相器的相控馈电网络实现合成馈电端口，在工作时候可以动态的调整相位关系，可以实现在一定范围内的一维小角度波束扫描的高增益动态指向波束。

在阵列天线中，多个龙伯透镜单元10的直径可以不同，对于增益要求低的位置可以选择小直径球体，组成的透镜阵列可以的排列方式包括直线排列、矩形排列或者其他赋形排列方式。为实现高增益和大角度，多个龙伯透镜单元10之间的距离应使最大覆盖角度方向处的电磁波不被遮挡，或者遮挡尽可能少。

图8为此实施例每个龙伯透镜单元10表面的微带天线阵列的回波损耗图，由图可见，在2.15-2.35GHz频率范围内，天线阵列的回波损耗小于-10dB，体现出谐振特性。图中S11到S99，本别表示天线单元1到9的回波损耗。

图9为此实施例对其中一个龙伯透镜单元10表面的天线阵列馈电的9条波束扫描方向图，工作频率为2.25GHz。由图可见，当波束5指向0°时，其增益为8.6dB；当波束1指向-72°时，其增益为9.4dB；当波束9指向72°时，其增益为9.7dB；由此波束扫描范围为±72°，扫面范围大。

图10为此实施例对所有龙伯透镜单元10表面的天线阵列馈电的9条波束扫描方向图，工作频率为2.25GHz。由图可见，当波束5指向0°时，其增益为17.2dB；当波束1指向-72°时，其增益为15.1dB；当波束9指向72°时，其增益为15.1dB；波束扫描范围为±72°，扫面范围大。

从以上实验结果可以看出，通过多个龙伯透镜组阵后得到的阵列天线，可以实现大角度，高增益的波束扫描。

实施例2

本实施例与实施例1相比，存在以下区别：

天线单元，上表面金属层20和下表面金属层40为金属导体铜，厚度为0.018mm。下表面金属层构成天线的地，尺寸为28mm×28mm。介质基板30为介电常数10.2的矩形RogersRT/duroid6010介质板，厚度为8mm，尺寸为28mm×28mm。

弧面天线阵列，如图11所示，置于每个龙伯透镜单元10表面的微带天线阵列由25个微带天线单元沿圆弧面排布而成，具体为：25个天线单元中的7个并排布置呈弧线，在其两侧向外依次排布有5个天线单元、3个天线单元、1个天线单元，最终形成弧面(呈碗状)结构。

龙伯透镜，如图12、图13所示，每个龙伯透镜单元10为直径140mm的球体，其介电常数分布满足球形龙伯透镜的介电常数分布。二维弧面天线阵列固定在龙伯透镜单元10的表面，用于实现二维大角度波束扫描。

以中间天线单元为圆心，其四周处于同一圆周上的天线单元为相同位置的天线单元，相同位置的天线单元指向角度的绝对值相同。如图5所示，多个相同位置的天线单元通过馈电网络形成一个合成馈电端口，因此天线阵列具有多个合成馈电端口，通过一个合成馈电端口可以实现一个高增益固定指向波束。如图6所示，如果采用基于移相器的相控馈电网络实现合成馈电端口，在工作时候可以动态的调整相位关系，可以实现在一定范围内的二维小角度波束扫描的高增益动态指向波束。

龙伯透镜表面天线阵列可以裁剪，如只需要覆盖某一个角度或者某一个方向，可以将其他指向的天线单元去掉，以此简化天线阵列单元，同时简化馈电网络，节约成本。

阵列天线，如图14所示，由3×3个龙伯透镜组阵而得，相邻龙伯透镜单元10的球心间的距离为158mm。相邻天线单元中心与龙伯透镜单元10球心构成的夹角均为22°。

图15为此实施例每个龙伯透镜单元10表面的微带天线阵列的回波损耗图，由图可见，在2.15-2.35GHz频率范围内，天线阵列的回波损耗小于-10dB，体现出谐振特性，图中S11到S99，分别表示天线单元1到9的回波损耗。

图16为此实施例对其中一个龙伯透镜单元10表面的天线阵列馈电的E面和H面束波束扫描方向图，工作频率为2.25GHz。由图可见，当波束4指向0°时，其增益为9.9dB；当波束1指向-71°时，其增益为9.8dB；当波束7指向71°时，其增益为9.8dB；波束扫描范围为±71°。

图17为此实施例对所有龙伯透镜单元10表面的天线阵列馈电的E面和H面波束扫描方向图，工作频率为2.25GHz。由图可见，当波束4指向0°时，其增益为19.2dB；当波束1指向-71°时，其增益为16.8dB；当波束7指向71°时，其增益为17.0dB；波束扫描范围为±71°。

从以上实验结果可以看出，通过多个龙伯透镜组阵后得到的阵列天线，可以实现大角度，高增益的波束扫描。

实施例3

如图18所示，一种基于龙伯透镜阵列的低剖面阵列天线，包括16个龙伯透镜、收发组件；16个龙伯透镜排列在同一水平面上；龙伯透镜包括龙伯透镜单元及固定于龙伯透镜单元表面的天线阵列；天线阵列由16个天线单元组成。

收发组件包括接收模块和发射模块：

接收模块包括16个第一信号处理单元、合成器、第一衰减控制器、第一移相控制器；每个第一信号处理单元包括16个第一滤波器、16个第一低噪声放大器、1个第一多路选择器、若干个第一可调衰减器、若干个第一移相器；第一可调衰减器与第一移相器数量相同，根据需要，第一多路选择器可从16路信号中选择1路或者多路符合要求的信号，匹配的，第一可调衰减器与第一移相器数量为1个或多个，本实施例中，第一多路选择器可从16路信号中选择2路符合要求的信号，第一可调衰减器与第一移相器数量分别为2个。具体连接关系为：16个第一滤波器输入端分别与1个龙伯透镜中的16个天线单元输出端连接，输出端分别与16个第一低噪声放大器输入端连接，16个第一低噪声放大器输出端均与第一多路选择器输入端连接，第一多路选择器输出端均与2第一可调衰减器输入端连接，2第一可调衰减器输出端分别与2个第一移相器输入端连接，2个第一移相器输出端均与合成器连接；第一衰减控制器与第一可调衰减器连接、第一移相控制器与第一移相器连接。

如图18、图19、图20、图23所示，为了利于系统集成和维护，本实施例将16个第一信号处理单元分为4组；每组集成为一个接收子模块100，如图31所示，这样可以将每组中的所有元器件集成在一个模块内，便于维护，有利于空间位置的合理分配，减小尺寸。每组通过1个第一衰减控制器和1个第一移相控制器来控制，每个第一衰减控制器分别控制1组第一信号处理单元中的所有第一可调衰减器；每个第一移相控制器控制1组第一信号处理单元中的所有第一移相器。每个接收子模块100的通道数可以根据相控阵的合成增益的需求灵活增加、减少通道数。同样，将每个单元中的第一低噪声放大器和第一滤波器设计成一个小尺寸放大滤波模块300，如图33所示，其尺寸为53.4×14×11.5(长×宽×高)，利于放置到贴近天线单元的位置，利于系统的信噪比提高。低噪声放大器的供电可以从输出端的同轴电缆馈入，不需要另外的供电端口，简化系统的连线。

合成器可以为1个，也可以为4个(与接收子模块100数量相同)，具体为：

如图20所示，当合成器为1个，4组第一信号处理单元所有第一移相器均与合成器连接。

如图19所示，当合成器为4个时，4组第一信号处理单元中的接收相同信号的第一移相器连接分别与1个合成器连接，最后4个合成器通过第三多路选择器连接，通过第三多路选择器选择出1路信号输出。根据接收子模块100数量不同，合成器数量也不同，以此类推。

发射模块，如图18所示，包括16个第二信号处理单元、功分器、第二衰减控制器、第二移相控制器；每个第二信号处理单元包括16个第二滤波器、16个第二低噪声放大器、1个第二多路选择器、2个第二可调衰减器、2个第二移相器，第二可调衰减器与第二移相器数量相等，功分器将接收到的一路信号功分为多路，匹配的，第二可调衰减器与第二移相器数量为1个或多个不等。功分器输入端与合成器B输出端连接，输出端分别与2个第二移相器输入端连接，2个第二移相器输出端分别与2个第二可调衰减器输入端连接，2个第二可调衰减器输出端均与第二多路选择器输入端连接，第二多路选择器输出端分别与16个第二低噪声放大器输入端连接，16个第二低噪声放大器输出端分别与16个滤波器输入端连接，16个滤波器输出端别与1个龙伯透镜中的16个天线单元输入端连接；第二衰减控制器与可调衰减器连接、第二移相控制器与移相器连接。

如图21、图22、图24所示，同样，为了利于系统集成和维护，本实施例将16个第二信号处理单元分为4组；每组集成为一个发射子模块200，如图32所示，第二衰减控制器和第二移相控制器均为4个，每个第二衰减控制器分别控制发射子模块200中的所有第二可调衰减器；每个第二移相控制器控制发射子模块200中的所有第二移相器。

功分器为5个，先通过1个功分器将1路信号分为4路，然后分别由其余4个功分器分为4路。根据发送子模块数量不同，功分器数量也不同，以此类推。

本实施例Ku波段微波收发组件由16路接收通道和16路发射通道组成。接收模块可以实现将接收到的16路信号经过调幅、调相合成1路信号输出。发射模块可以实现将1路信号经过功分、调相、调幅、放大后实现16路信号输出。

本实施例的技术指标

低噪声放大器技术指标：

工作频率：12500±250MHz；

增益：≥20dB；

增益带内波动：≤1.3dB；

各模块间同频点增益一致性：≤1dB；

噪声系数：≤2.0dB(常温)、≤2.5dB(全温)；

抑制：≥40dBc(@14GHz～14.5GHz)；

输入驻波：≤1.5；

输出驻波：≤2.0(设计保证)；

输入连接器：SMA-K；

输出连接器：SMA-K；

接收子模块100指标：

4路信号输入(通道代号：R-A、R-B、R-C、R-D)，1路信号输出；

工作频率：12500±250MHz；

插损：≤24dB(单路信号输入)；

带内波动：≤2.5dB；

各通道间同频点插损一致性：≤1.5dB；

数控衰减指标：步进：1dB，最大衰减量：32dB，衰减精度：±(0.5dB+5％当前衰减量)，衰减响应延时：≤1ms(设计保证)，5bit LVTTL并口控制(低电平衰减，高电平不衰减)，4路单独控制；

数控移相指标：步进：8°，最大移相量：360°，移相精度：±(3°+5％当前相移量)，每次通电测试的相对相位偏差≤±3°(相同测试环境)，移相响应延时：≤200ns(设计保证)，6bit LVTTL并口控制(高电平移相，低电平不移相)，4路单独控制；

输入连接器：SMA-K；

输出连接器：SMA-K；

控制及供电连接器：J30J-51ZKWP，连接器定义见表1；

表1接收子模块100控制及供电定义

发射子模块200模块指标

1路信号输入，4路信号输出(通道代号：T-A、T-B、T-C、T-D)；

工作频率：14250±250MHz；

插损：≤3dB(单路信号输出)；

P-1：≥23dBm(单路信号输出)；

带内波动：≤2.5dB；

各通道间同频点插损一致性：≤2dB；

数控衰减指标：步进：1dB，最大衰减量：32dB，衰减精度：±(0.5dB+5％当前衰减量)，衰减响应延时：≤200ns，5bitLVTTL并口控制(低电平衰减，高电平不衰减)，4路单独控制；

数控移相指标：步进：8°，最大移相量：360°移相精度：±(3°+5％当前相移量)，每次通电测试的相对相位偏差≤±3°(相同测试环境)，衰移相应延时：≤200ns，6bit LVTTL并口控制(高电平移相，低电平不移相)，4路单独控制；

输入连接器：SMA-K；

输出连接器：SMA-K；

控制及供电连接器：J30J-51ZKWP，连接器定义见表2；

表2发射子模块200控制及供电定义

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (7)

1.一种基于龙伯透镜阵列的低剖面阵列天线，其特征在于：包括m个龙伯透镜、收发组件；m个龙伯透镜排列在同一水平面上；单个所述龙伯透镜包括龙伯透镜单元及固定于龙伯透镜单元表面的天线阵列；所述天线阵列通过n个天线单元沿龙伯透镜单元表面呈一维弧线或二维弧面排布在多个同心圆的圆周上,不同龙伯球透镜单元上指向角相同的天线单元为相同位置的天线单元；

所述收发组件包括接收模块和发射模块；n个天线单元接收到n路信号；所述接收模块从n路信号中选择若干路信号，并将若干路信号合成一路信号输出给发射模块；

所述发射模块接受到一路信号后，将该路信号经过处理后实现多路信号输出；

所述接收模块包括n个第一信号处理单元、合成器、第一衰减控制器、第一移相控制器；每个第一信号处理单元包括n个第一滤波器、n个第一低噪声放大器、1个第一多路选择器、若干个第一可调衰减器、若干个第一移相器，第一可调衰减器与第一移相器数量相等；n个第一滤波器输入端分别与1个龙伯透镜中的n个天线单元输出端连接，输出端分别与n个第一低噪声放大器输入端连接，n个第一低噪声放大器输出端均与第一多路选择器输入端连接，第一多路选择器输出端均与若干个第一可调衰减器输入端连接，若干个第一可调衰减器输出端分别与若干个第一移相器输入端连接，若干个第一移相器输出端均与合成器连接；第一衰减控制器与第一可调衰减器连接、第一移相控制器与第一移相器连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于龙伯透镜阵列的低剖面阵列天线，其特征在于：将m个第一信号处理单元分为k组；每组集成为一个接收子模块；所述第一衰减控制器为k个，所述第一移相控制器为k个，每个第一衰减控制器分别控制一个接收子模块中的所有第一可调衰减器；每个第一移相控制器控制一个接收子模块中的所有第一移相器。

3.根据权利要求2所述的一种基于龙伯透镜阵列的低剖面阵列天线，其特征在于：所述合成器为k个；k组接收子模块中接收相同信号的第一移相器分别与1个合成器连接，k个合成器均与第三多路选择器连接。

4.根据权利要求2所述的一种基于龙伯透镜阵列的低剖面阵列天线，其特征在于：所述合成器为1个，k组接收子模块所有第一移相器均与合成器连接。

5.根据权利要求2所述的一种基于龙伯透镜阵列的低剖面阵列天线，其特征在于：所述发射模块包括m个第二信号处理单元、功分器、第二衰减控制器、第二移相控制器；每个第二信号处理单元包括n个第二滤波器、n个第二低噪声放大器、1个第二多路选择器、若干个第二可调衰减器、若干个第二移相器，第二可调衰减器与第二移相器数量相等；功分器输入端与合成器输出端连接，输出端分别与若干个第二移相器输入端连接，若干个第二移相器输出端分别与若干个第二可调衰减器输入端连接，若干个第二可调衰减器输出端均与第二多路选择器输入端连接，第二多路选择器输出端分别与n个第二低噪声放大器输入端连接，n个第二低噪声放大器输出端分别与n个滤波器输入端连接，n个滤波器输出端别与1个龙伯透镜中的n个天线单元输入端连接；第二衰减控制器与可调衰减器连接，第二移相控制器与移相器连接。

6.根据权利要求5所述的一种基于龙伯透镜阵列的低剖面阵列天线，其特征在于：将m个第二信号处理单元分为k组，每组集成为一个发射子模块；所述第二衰减控制器为k个，所述第二移相控制器为k个，每个第二衰减控制器分别控制1组第二信号处理单元一个发射子模块中的所有第二可调衰减器；每个第一移相控制器控制一个发射子模块中的所有第二移相器。

7.根据权利要求6所述的一种基于龙伯透镜阵列的低剖面阵列天线，其特征在于：所述功分器为k+1个，其中一个功分器将信号功分为k路，然后分别由其余k个功分器分为若干路。

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