CN110690583A

CN110690583A - 一种有源相控阵列天线

Info

Publication number: CN110690583A
Application number: CN201911094516.6A
Authority: CN
Inventors: 赵熠明; 符友; 丁钟鸣
Original assignee: Yangzhou Baojun Electronic Co Ltd Zhongdian Science & Technology
Current assignee: Yangzhou Baojun Electronic Co Ltd Zhongdian Science & Technology; CETC Yangzhou Baojun Electronic Co Ltd
Priority date: 2019-11-11
Filing date: 2019-11-11
Publication date: 2020-01-14

Abstract

本发明公开了通信领域内的一种有源相控阵列天线。该种有源相控阵列天线包括天线阵面和内部有源网络，天线阵面包括圆周均匀分布的多个天线单元，内部有源网络包括功分/合路模块、多个发射接收组件、波控单元和电源单元，功分/合路模块与多个发射接收组件连接，发射接收组件与多个天线单元连接，波控单元与发射接收组件连接。该种有源相控阵列天线有效的降低了成本同时可以实现方位面上360°快速电扫；省去了伺服转台，使整机系统减轻了重量，节约了功耗；克服了平面相控阵组合带来的电扫大角度时指标恶化等缺点，性能优良，成本低廉，应用场景广泛。

Description

一种有源相控阵列天线

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别涉及一种有源相控阵列天线。

背景技术

有源相控阵天线因为其天线波束可以微秒级的快速扫描、天线波束波形捷变能力、空间功率合成能力、易于安装平台共形等种种优点，在各种场合得到了大量的应用。而平面有源相控阵天线因理论成熟、制造工艺相对简便，性能可靠，成为有源相控阵天线主要的采用形式。当有源相控阵天线需对空域进行全方位360°波束扫描时，目前主要有两种扫描工作方式：一是有源相控阵天线安装于一个可以进行方位面360°转动的伺服转台，通过电扫和机扫结合，在一定的角度内(一般±45°)可以快速的电扫描，当扫描角度跨度较大(大于45°)，通过转台转动到相应角度后再进行电扫；二是当没有伺服机构时，通过三个或以上数目的平面有源相控阵天线在方位面上按三角形或多边形拼接组成，每个有源相控阵天线阵面负责扫描一定角度的空域，通过组合实现空域方位面360°的扫描覆盖。

当有源相控阵天线通过伺服转台，以电扫和机扫相结合的方式对空域进行全方位360°波束扫描时，一般承载大型、较重的有源相控阵天线的伺服转台扫描周期最快为5s一圈；承载小型、轻型的有源相控阵天线的伺服转台扫描速度可以达到1s一圈。当进行大角度跨度进行扫描时，转台角速度影响了天线的波束指向扫描速度，波束转换时间达到了几百毫秒以上，对于系统应用来说仍然较慢；同时因为采用了伺服转台，增加了天线平台的重量、功耗，操控复杂、降低了平台的可靠性，带来了一系列的缺点；当采用平面相控阵组合形式扫描时，天线波束的扫描速度高，对空域方位面360°扫描一圈的速度可以达到几十微秒以内，但是平面相控阵天线的性能随波束扫描角度的增大而迅速下降，一般波束扫描±60°时，天线增益下降3dB～5dB，波束宽度增加2～3倍，副瓣电平提高5dB～10dB，并同时伴随波瓣形状严重畸变，这些变化都直接影响了天线在方位面360°扫描时一些特定角度范围上的指标性能。

当有源相控天线要求进行方位面360度扫描覆盖，同时又需要保持天线波束性能稳定，波束扫描速度快时，采用上述的两种办法不能实现。

发明内容

本发明的目的是提供一种有源相控阵列天线。

为了实现上述发明目的，本发明一种有源相控阵列天线采用的如下技术方案：

一种有源相控阵列天线，包括天线阵面和内部有源网络，所述天线阵面包括圆周均匀分布的多个天线单元，所述内部有源网络包括功分/合路模块、多个发射接收组件、波控单元和电源单元，所述功分/合路模块与多个发射接收组件连接，所述发射接收组件与多个天线单元连接，所述波控单元与所述发射接收组件连接并发送波控指令至所述发射接收组件；

所述功分/合路模块与外部主机连接并将外部主机发射的信号分成多路并分别送至各个所述发射接收组件处理，或者接收各个所述发射接收组件的信号并将多路信号整合成后传递给外部主机；

所述发射接收组件根据所述波控指令将处理后的信号送至对应的天线单元，或者接收处理对应天线单元传递的信号并将处理后的信号送至所述功分/合路模块；

所述天线单元向目标区域发送信号并接收到目标区域内回复的信号后，送至对应的发射接收组件处理；

所述电源单元为所述功分/合路模块、发射接收组件、波控单元以及天线单元供电。本天线采用了单脉冲和差体制，工作于L波段，通过波控单元控制发射接收组件选择不同的天线单元发射或接收信号，采用圆形相控阵列天线可在目标区域上快速的进行波束扫描；同时，不同方位上的天线波束的性能指标基本保持一致，克服了采用平面相扫组合技术在大角度电扫偏移时指标明显恶化的缺点。

进一步地，所述天线阵面包括16个天线单元，所述天线单元之间按22.5°的间隔均匀圆周排列，所述内部有源网络包括1个功分/合路模块,4个发射接收组件，每个所述发射接收组件分别与4个等距间隔的所述天线单元通过射频电缆连接。由于圆形的对称性，使本有源相控天线在进行方位面360°扫描时，保证了各个方位角上电性能指标保持稳定。

进一步地，所述发射接收组件包括依次顺序连接的移相器一、一选二开关、功率放大器、环形器、低噪放大器、一分二等功分器、移相器二，所述一分二等功分器的其中一个输出端还与所述一选二开关连接，所述环形器还与一选四开关连接，所述一选四开关与四个所述天线单元连接。由于在发射接收组件内部增加了一个一选四开关，通过4个发射接收组件的切换选择就可以实现在方位面上360°的空域覆盖，而采用传统的有源相控天线设计方法需要16个发射接收组件，相较而言这样使设备的成本显著降低。

进一步地，所述一选四开关根据所述波控单元的波控指令选择对应的天线单元。

进一步地，所述波控单元包括顺序连接的网络芯片、ARM和FPGA，所述网络芯片还与外部主机连接并接收主机指令，所述网络芯片将信息传递给所述ARM，所述ARM接收网络芯片传递的控制信息并将控制信息解析处理后送至所述FPGA，所述FPGA根据所述ARM送来的指令产生相应工作参数下发至所述发射接收组件并控制所述发射接收组件形成外部主机需要的波束，所述ARM还连接有EEPROM并调用EEPROM芯片内的修正数据。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：有效的降低了成本同时可以实现方位面上360°快速电扫；省去了伺服转台，使整机系统减轻了重量，节约了功耗；克服了平面相控阵组合带来的电扫大角度时指标恶化等缺点，性能优良，成本低廉，应用场景广泛。

附图说明

图1为本发明的结构示意框图；

图2为发射和接收组件组成示意框图；

图3为波控单元原理框图；

图4为天线波束扫描示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解这些实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“竖直”、“外周面”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本发明描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

实施例：如图1-3所示，一种有源相控阵列天线包括天线阵面和内部有源网络，天线阵面包括圆周均匀分布的16个天线单元，天线单元相互之间按22.5°的间隔均匀圆周排列，内部有源网络包括1个功分/合路模块、4个发射接收组件、波控单元和电源单元，该功分/合路模块同时与4个发射接收组件连接，每个发射接收组件分别与4个相互等距间隔的天线单元通过射频电缆连接，波控单元与4个发射接收组件连接并控制4个发射接收组件的移相值和发射、接收输出功率值，电源部分将外部输入电源稳压、保护后提供设备内部的供电；发射接收组件包括依次顺序连接的移相器一、一选二开关、功率放大器、环形器、低噪放大器、一分二等功分器、移相器二，一分二等功分器的其中一个输出端还与一选二开关连接，环形器还与一选四开关连接，一选四开关与四个相互等距间隔的天线单元连接，一选四开关根据波控单元的波控指令选择对应的天线单元。

移相器一,移相器二都采用了6位的射频移相器，开关采用了开关速度100ns以内的射频开关，功率放大采用了输出最大功率4W的功放管，一选四开关采用了中功率快速开关，低噪放采用了低噪声的场效应管，功分器采用了射频等功分器。

4个发射接收组件的和、差两路端口与功分/合路模块连接，模块采用了两个一分四功分/合路芯片，分别负责和、差两路通道。其中发射和路信号由外部主机产生送至一分四功分/合路器后功率等分为四路信号送至各个发射接收组件；和路接收信号由4个发射接收组件的和路接收信号送至一分四功分/合路器进行功率合成为一路后送至外部主机；差路接收信号由4个发射接收组件的差路接收信号送至一分四功分/合路器进行功率合成为一路后送至主机。

波控单元由ARM、FPGA、网络芯片、EEPROM等组成，波控单元包括顺序连接的网络芯片、ARM和FPGA，网络芯片还与外部主机连接并接收主机指令，网络芯片将信息传递给ARM，ARM接收网络芯片传递的控制信息并将控制信息解析处理后送至FPGA，FPGA根据ARM送来的指令产生相应工作参数下发至发射接收组件并控制发射接收组件形成外部主机需要的波束，ARM还连接有EEPROM并调用EEPROM芯片内的修正数据。

本发明的具体工作过程与原理：

发射时，当外部主机的发射和路信号输入天线后，首先经过功分/合路模块，将一路发射和路信号等分成和路1、和路2、和路3、和路4信号，分别送至发射接收组件1、2、3、4，各路和信号输入发射接收组件后首先经过移相器一进行移相处理，再经过一选二开关选择进行信号功率放大，后经环形器送至一选四开关，根据波控指令通过射频电缆送至选中的天线单元进行发射。

其中，发射接收组件1通过一选四开关选择可以与天线单元1、5、9、13中的任一个单元相连；发射接收组件2通过一选四开关选择可以与天线单元2、6、10、14中的任一个单元相连；发射接收组件3通过一选四开关选择可以与天线单元3、7、11、15中的任一个单元相连；发射接收组件4通过一选四开关选择可以与天线单元4、8、12、16中的任一个单元相连。这样四路发射和路信号经过开关选择可送至天线单元1～单元4；单元2～单元5；单元3～单元6；……单元13～单元16；……单元14～单元1；单元15～单元2；单元16～单元3；共16种组合。如图4所示，当扫描角为0°时，波控单元控制四路发射接收组件内的一选四开关，选择15号，16号，1号，2号天线单元工作，当扫描角为90°时，只需选择3号，4号，5号，6号天线单元工作。这样仅仅通过选择天线单元是否工作就可实现在方位面22.5°的扫描步进，当天线波束需要在-11.25°～+11.25°进行扫描时，只需改变调整4个发射接收组件内移相器一的移相值即可实现。以此类推每4个天线单元合成的波束只需在偏移法线方向±11.25°内实现扫描，同时结合发射接收组件内的一选四开关即可实现天线方位面360°扫描覆盖。

接收时，自由空间中的信号被发射时选中的4个天线单元接收后，通过射频电缆进入4路发射接收组件，信号经过一选四开关后，用低噪放将信号放大，再通过一分二等功分器分为两路信号，各自经过移相器一、二进行移相后生成相应的接收和路与差路信号，四路发射接收组件输出的接收和路1、2、3、4信号和接收差路1、2、3、4信号传输至功分/合路模块进行功率合成后输出一路接收和信号、一路接收差信号，将这两路信号传输至外部主机进行接收处理。与发射同理，接收时天线的波束扫描也是通过偏移法线方向±11.25°内实现电扫描，同时结合发射接收组件内的一选四开关即可实现天线方位面360°扫描覆盖。

由波控单元根据主机发送的天线波束指向命令控制发射接收组件内部移相器的移相值和输出幅度。

波控单元工作过程：外部主机的控制指令(波束指向信息)通过RJ45接口送至网络芯片，网络芯片采用了W5300，从16位并行总线连接到ARM芯片，ARM将控制信息解析后调用EEPROM芯片内的修正数据进行处理后送至FPGA芯片，FPGA根据ARM送来的指令产生相应工作参数(移相、衰减、开关状态)通过并口下发至四个发射接收组件，控制发射接收组件形成主机需要的波束。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims

1.一种有源相控阵列天线，包括天线阵面和内部有源网络，其特征在于：所述天线阵面包括圆周均匀分布的多个天线单元，所述内部有源网络包括功分/合路模块、多个发射接收组件、波控单元和电源单元，所述功分/合路模块与多个发射接收组件连接，所述发射接收组件与多个天线单元连接，所述波控单元与所述发射接收组件连接并发送波控指令至所述发射接收组件；

所述电源单元为所述功分/合路模块、发射接收组件、波控单元以及天线单元供电。

2.根据权利要求1所述的一种有源相控阵列天线，其特征在于：所述天线阵面包括16个天线单元，所述天线单元之间按22.5°的间隔均匀圆周排列。

3.根据权利要求2所述的一种有源相控阵列天线，其特征在于：所述内部有源网络包括1个功分/合路模块,4个发射接收组件，每个所述发射接收组件分别与4个等距间隔的所述天线单元通过射频电缆连接。

4.根据权利要求3所述的一种有源相控阵列天线，其特征在于：所述发射接收组件包括依次顺序连接的移相器一、一选二开关、功率放大器、环形器、低噪放大器、一分二等功分器、移相器二，所述一分二等功分器的其中一个输出端还与所述一选二开关连接，所述环形器还与一选四开关连接，所述一选四开关与四个所述天线单元连接。

5.根据权利要求4所述的一种有源相控阵列天线，其特征在于：所述一选四开关根据所述波控单元的波控指令选择对应的天线单元。

6.根据权利要求1所述的一种有源相控阵列天线，其特征在于：所述波控单元包括顺序连接的网络芯片、ARM和FPGA，所述网络芯片还与外部主机连接并接收主机指令，所述网络芯片将信息传递给所述ARM，所述ARM接收网络芯片传递的控制信息并将控制信息解析处理后送至所述FPGA，所述FPGA根据所述ARM送来的指令产生相应工作参数下发至所述发射接收组件并控制所述发射接收组件形成外部主机需要的波束，所述ARM还连接有EEPROM并调用EEPROM芯片内的修正数据。