CN111048911A - 一种可实现任意极化切换的相控阵天线 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及相控阵天线领域，具体的说，是涉及一种可实现任意极化切换的相控阵天线，其包括相控阵辐射单元和TR通道模块，TR通道模块包括N个2*2的TR子阵，每个TR子阵含4个辐射单元，每个TR子阵的TR通道数为2*4个；每个相控阵辐射单元包括贴片和位于贴片上的馈点A和馈点B，每个相控阵辐射单元为双馈点馈电。本申请用一套相控阵天线设备，就可以实现以往需要3套相控阵天线设备所具备的功能，即线极化，左旋圆极化，右旋圆极化等，极大的降低了成本，结构尺寸，以及避免了使用有源器件产生的寄生效应。
Description
技术领域
本申请涉及相控阵天线领域，具体的说，是涉及一种可实现任意极化切换的相控阵天线。
背景技术
相控阵天线是由许多天线单元排阵所构成的阵列天线，通过调整各个天线单元的馈电相位实现波束扫描和波束赋形。它具有体积小、质量轻、容易形成多波束，能实现天线波束指向和波束形状快速变化的能力，能实现波束间通信容量的调整等优点，这些优点使其具有多个高速运动目标稳定跟踪的能力；此外，相控阵天线还可在空间实现信号功率的合成，从而获得拥有较大 EIRP（各向同性等效辐射功率），这为增大系统作用距离、提高系统测量精度以及观测包括隐身目标在内的各种低可观测目标提供了技术潜力。由于上述众多优点，使得相控阵天线技术成为近年来雷达，通信系统中发展很快的一项关键技术。
随着技术发展，对系统多功能要求也越来越高。对现有设备中，对于某一固定频段，需要实现不同的功能，就需要几种不同极化的相控阵天线，这将极大的增加了系统以及设备的体积和成本。
目前的极化可变技术方案中，部分使用可控二极管技术，通过直流偏置电压控制二极管的导通与开路，改变天线电流分布，从而实现极化、方向图或者频率重构。另外的是采用电机控制，实现圆极化辐射单元的极化角旋转实现左右旋重构。前者将增加损耗，以及一些由二极管引入的寄生效应，同时也增加天线的成本；后者将增大天线的剖面高度和复杂性。
发明内容
针对现有技术上的上述不足，本申请提出一种成本低、占用空间小，可实现任意极化切换的多功能相控阵天线。
为实现上述技术效果，本申请技术方案如下：
一种可实现任意极化切换的相控阵天线，其特征在于：包括TR通道模块，TR通道模块包括N个2*2 的TR子阵，每个TR子阵含4个相控阵辐射单元，每个TR子阵的TR通道数为2*4个；每个相控阵辐射单元包括贴片和位于贴片上的馈点A和馈点B，每个相控阵辐射单元为双馈点馈电。
进一步地，TR子阵的结构为瓦片式或砖块式。
进一步地，每个TR子阵的收发通道模块包括8个收发通道；每个收发通道模块包括子阵收发通道模块包含TR收发芯片、辐射单元、电源控制电路、波控控制电路和功分器网络；TR收发芯片包括收发放大电路和衰减移相放大多功能电路，TR收发芯片采用多功能芯片和砷化镓芯片；收发放大多功能电路实现发射信号的功率放大，接收信号的低噪声放大和收发切换的功能；衰减移相放大多功能电路实现对组件的衰减、移相控制和信号放大；波控控制电路实现将波控机发出的高速串行数据转换成并行控制码，控制衰减移相电路；电源控制电路实现通道接收、发射电源单独可控；功分器实现通道信号的功分或合成，通过控制多功能芯片的移相、衰减和放大功能，改变多功能芯片的幅度和相位，实现极化方式改变。
更进一步地，每个TR子阵的收发通道模块包括2个四合一多功能集成SOC芯片或者1个八合一多功能集成SOC芯片，分别驱动8个TR收发芯片，由波控子板实现幅度相位控制、收发电源控制和工作模式切换。
具体而言，收发通道模块为一块射频集成板，包括多通道多功能集成SOC芯片、射频通道馈电网络、控制和电源馈线网络，射频集成板由多层微波板设计，多层微波板为射频集成板与FR4混压结构，集成射频通道馈电网络、控制和电源馈线网络，多功能集成SOC芯片与多层微波板由金丝键合方式互联。
进一步地，TR通道模块的各区域块并行控制，每个区域的4个通道串行读写。
进一步地，整个TR通道模块共用时钟信号、片选信号、锁存信号和收发开关信号，每个通道的控制数据采用并行收发方式，实现高速的相位和幅度控制以及每个通道多功能芯片上工作状态控制。
进一步的，对相控阵天线的极化波包括线极化，左旋圆极化、右旋圆极化，左旋椭圆极化以及右旋椭圆极化。
进一步的，相控阵天线为三角矩形栅格布阵或为三角栅格布阵。
进一步的，辐射单元的每个馈点后接一个移相器，即每个辐射单元使用两个移相器。
本申请的工作原理为：
发射时，信号由公共端口输入到64通道子阵，经1分8功分器等分成8路，分别输入到8个多功能集成SOC芯片，再由多功能集成SOC芯片等分成8路，输送到TR收发芯片进行功率放大，最后输出到天线端口。
接收时，信号由天线端口输入，经TR收发芯片的低噪声放大后输入到多功能集成SOC芯片，经驱动放大、移相和衰减后，8路合成1路，由SMP总端口输出，在子阵上再进行4路合成，由子阵的总端口输出。
本发明的有益效果：
1、本申请通过n合1多功能芯片，结合相控阵天线布局，仅用一套相控阵天线设备，就可以实现以往需要3套相控阵天线设备所具备的功能，即线极化，左旋圆极化，右旋圆极化等，极大的降低了成本，结构尺寸，以及避免了使用有源器件产生的寄生效应。
2、本发明的任意极化切花的相控阵天线，不需要调整天线结构方式，仅通过电子控制移相器的相位，就能使天线在不同的极化方式中工作，与现有的需要分别独立的准备不同极化天线相比，本发明的相控阵天线使用方便，极化切换时间短，尺寸小，损耗小。
3、本发明的任意极化切花的相控阵天线，不需要在辐射单元或者馈电网络上增加其他电子器件，仅通过电子控制移相器的相位，就能使天线在不同的极化方式中工作，与现有需要增加PIN开关，变容二极管等相比，本发明的相控阵天线损耗小，使用稳定，不会因电子器件带来电容电感效应，影响天线单元性能。
4、本发明多功能CMOS芯片和砷化镓TR芯片相结合的方式，不仅利用砷化镓工艺获得较好的功率和噪声性能的同时，又利用硅基工艺集成度高的特点实现移相器和衰减器的小型化、一体化的设计，此外硅基芯片内部可集成数字控制电路，控制接口采用串行信号控制移相和衰减状态，从而降低外部电路的设计复杂度和尺寸，使得射频通道的集成度大大提高。
附图说明
图1为本发明64阵元矩形布阵示意图。
图2为本发明64阵元TR通道模块中8合1多功能芯片放置示意图。
图3为本发明8合1多功能芯片外形示意图，内含移相器和衰减器。
图4为本发明相控阵天线的配相布局。
图5为本发明相控阵天线为线极化的相位补偿表。
图6为本发明相控阵天线为右旋圆极化的相位补偿表。
图7为本发明相控阵天线为左旋圆极线的相位补偿表。
图8为本发明相控阵天线合成线极化时的扫描方向图。
图9为本发明相控阵天线合成右旋圆极化时的扫描方向图。
图10为本发明相控阵天线合成左旋圆极化时的扫描方向图。
图8-图10为三维软件均以0°剖面进行全波仿真扫描验证，其中横坐标为角度，纵坐标为归一化增益。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，结合附图及实施例，对本发明进一步详细说，应当理解，此处所描述的具体实施案列仅用以解释本发明示例，并不限定于本发明。
实施例1
一种可实现任意极化切换的相控阵天线，其特征在于：包括TR通道模块，TR通道模块包括N个2*2 的TR子阵，每个TR子阵含4个相控阵辐射单元，每个TR子阵的TR通道数为2*4个；每个相控阵辐射单元包括贴片和位于贴片上的馈点A和馈点B，每个相控阵辐射单元为双馈点馈电。
进一步地，TR子阵的结构为瓦片式或砖块式。
进一步地，每个TR子阵的收发通道模块包括8个收发通道；每个收发通道模块包括子阵收发通道模块包含TR收发芯片、辐射单元、电源控制电路、波控控制电路和功分器网络；TR收发芯片包括收发放大电路和衰减移相放大多功能电路，TR收发芯片采用多功能芯片和砷化镓芯片；收发放大多功能电路实现发射信号的功率放大，接收信号的低噪声放大和收发切换的功能；衰减移相放大多功能电路实现对组件的衰减、移相控制和信号放大；波控控制电路实现将波控机发出的高速串行数据转换成并行控制码，控制衰减移相电路；电源控制电路实现通道接收、发射电源单独可控；功分器实现通道信号的功分或合成，通过控制多功能芯片的移相、衰减和放大功能，改变多功能芯片的幅度和相位，实现极化方式改变。
更进一步地，每个TR子阵的收发通道模块包括2个四合一多功能集成SOC芯片或者1个八合一多功能集成SOC芯片，分别驱动8个TR收发芯片，由波控子板实现幅度相位控制、收发电源控制和工作模式切换。
具体而言，收发通道模块为一块射频集成板，包括多通道多功能集成SOC芯片、射频通道馈电网络、控制和电源馈线网络，射频集成板由多层微波板设计，多层微波板为射频集成板与FR4混压结构，集成射频通道馈电网络、控制和电源馈线网络，多功能集成SOC芯片与多层微波板由金丝键合方式互联。
进一步地，TR通道模块的各区域块并行控制，每个区域的4个通道串行读写。
进一步地，整个TR通道模块共用时钟信号、片选信号、锁存信号和收发开关信号，每个通道的控制数据采用并行收发方式，实现高速的相位和幅度控制以及每个通道多功能芯片上工作状态控制。
进一步的，对相控阵天线的极化波包括线极化，左旋圆极化、右旋圆极化，左旋椭圆极化以及右旋椭圆极化。
进一步的，相控阵天线为三角矩形栅格布阵或为三角栅格布阵。
进一步的，辐射单元的每个馈点后接一个移相器，即每个辐射单元使用两个移相器。
发射时，信号由公共端口输入到64通道子阵，经1分8功分器等分成8路，分别输入到8个多功能集成SOC芯片，再由多功能集成SOC芯片等分成8路，输送到TR收发芯片进行功率放大，最后输出到天线端口。
接收时，信号由天线端口输入，经TR收发芯片的低噪声放大后输入到多功能集成SOC芯片，经驱动放大、移相和衰减后，8路合成1路，由SMP总端口输出，在子阵上再进行4路合成，由子阵的总端口输出。
实施例2
在实施例1的基础上，TR通道模块采用CMOS多功能芯片和与砷化镓芯片相结合的方式，相控阵辐射单元使用双馈点激励，每个馈点后接一个移相器，因此一个相控阵辐射单元对应2个TR通道，以四个辐射单元为一个TR子阵，每个TR子阵通道数为4*2，共8个通道。砷化镓TR芯片主要完成极化切换、收发切换、接收链路低噪声放大、发射链路功率放大的功能，因此砷化镓 TR芯片由开关、低噪放和功放三部分组成。硅基多功能芯片则主要完成对信号的移相、衰减和放大功能，因此硅基多功能芯片由放大器、衰减器、移相器、数字控制电路、电源控制电路等部分组成。采用此技术方案，在利用砷化镓工艺获得较好的功率和噪声性能的同时，又利用硅基工艺集成度高的特点实现移相器和衰减器的小型化、一体化的设计，此外硅基芯片内部可集成数字控制电路，控制接口采用串行信号控制移相和衰减状态，从而降低外部电路的设计复杂度和尺寸。
TR通道模块包括；N个TR子阵，其中每个收发通道模块包括收发放大多功能电路、衰减移相放大多功能电路、电源控制电路、波控控制电路和功分器网络。收发放大多功能电路实现发射信号的功率放大，接收信号的低噪声放大和收发切换的功能；衰减移相放大多功能电路实现对组件的衰减、移相控制和信号放大；波控控制电路实现将波控机发出的高速串行数据转换成并行控制码，控制衰减移相电路；电源控制电路实现通道接收、发射电源单独可控；功分器实现通道信号的功分或合成。
TR通道模块为一块射频集成板，包括多通道多功能集成SOC芯片、射频通道馈电网络、控制和电源馈线网络，射频集成板由多层微波板设计，多层微波板为射频集成板与FR4混压结构，集成射频通道馈电网络、控制和电源馈线网络，多功能集成SOC芯片与多层微波板由金丝键合或者球焊等方式互联。
收发通道模块包括m个多功能集成SOC芯片，分别驱动m*8个TR收发芯片，由波控子板实现幅度相位控制、收发电源控制和工作模式切换，每个通道包含末级功率放大、接收低噪声放大、收发驱动放大、收发移相、接收衰减、收发开关和模式切换开关功能，其中TR收发芯片集成末级功放、接收低噪放、收发开关和模式选择开关，多功能集成SOC芯片集成收发移相、接收衰减、收发开关和收发驱动放大。
发射时，信号由公共端口输入到64通道子阵，经1分8功分器等分成8路，分别输入到8个多功能集成SOC芯片，再由多功能集成SOC芯片等分成8路，输送到TR收发芯片进行功率放大，最后输出到天线端口。
接收时，信号由天线端口输入，经TR收发芯片的低噪声放大后输入到多功能集成SOC芯片，经驱动放大、移相和衰减后，8路合成1路，由SMP总端口输出，在子阵上再进行4路合成，由子阵的总端口输出。
控制模块接收来自上级母板的波控指令，完成波控指令解析、通过SPI协议对多功能芯片进行幅度和相位的读写。在这样的工作模式下，TR模块包括4个多功能集成SOC芯片区域，各区域块并行控制，每个区域的4个通道串行读写。这样，波控指令很快的得到执行。
整个TR通道模块共用时钟信号、片选信号、锁存信号和收发开关信号，每个通道的控制数据采用并行收发方式，实现高速的相位和幅度控制以及每个通道多功能芯片上工作状态控制。
进一步的，所述的对应工作的相控阵天线极化波包括线极化，左旋圆极化、右旋圆极化，左旋椭圆极化以及右旋椭圆极化。
进一步的，所述的对应工作的相控阵天线包括或为三角矩形栅格布阵或为三角栅格布阵等。
进一步的，所述的对应工作的相控阵天线为N个子阵，每个子阵含4个辐射单元。
进一步的，所述的对应工作的相控阵天线为阵面辐射单元均相同，放置方式或一致，或为镜像关系。
进一步的，所述的对应工作的相控阵天线单元使用双馈点对辐射单元进行激励。
进一步的，所述的对应工作的相控阵天线的辐射单元每个馈点（激励）后接一个移相器，即每个辐射单元使用两个移相器。
进一步的，所述的对应工作的相控阵天线的子阵的TR通道模块采用8合一多功能CMOS芯片或者4合一多功能CMOS芯片。
进一步的，所述的对应工作的相控阵天线的子阵使用CMOS芯片驱动8颗砷化镓TR芯片。
进一步的，所述的对应工作的相控阵天线的通过控制多功能芯片的移相、衰减和放大功能，改变多功能芯片的幅度和相位，实现极化方式改变。
实施例3
以8*8=64阵元的相控阵天线为例，子阵含2*2阵元，阵面为16个子阵。每个阵元采用双馈点激励，每个馈点后接一个移相器和衰减器。通过控制移相器和衰减器的幅度和相位，可以实现不同极化的电磁波
所述的对应工作的极化波包括线极化，左旋圆极化、右旋圆极化，左旋椭圆极化以及右旋椭圆极化。
所述的对应工作的相控阵天线为阵面辐射单元均相同，放置方式一致。
所述的对应工作的相控阵天线使用双馈点对辐射单元进行激励。
所述的对应工作的相控阵天线每个激励后接一个移相器，每个辐射单元使用两个移相器。
所述的对应工作的相控阵天线的TR通道模块采用8合一多功能CMOS芯片，每颗CMOS芯片驱动8颗砷化镓TR芯片。
根据电磁场理论，对于合成电场的两个垂直分量Ex和Ey，有以下定义:
当电场的分量Ex和Ey的相位相同或相差π，即ɸx-ɸy=0或者±π时，则合成波为线极化波。
当电场的分量Ex和Ey的幅度相同，相位相差π/2，即Ex=Ey，ɸx-ɸy=±π/2时，则合成波为圆极化波。沿波的传播方向看过去，若波的传播方向随着时间变化呈现右手螺旋法则，则为右旋圆极化波；反之若符合左手螺旋法则，则为左旋圆极化波。
当电场的分量Ex和Ey的相位和相位都不等，则合成波为椭圆极化波。沿波的传播方向看过去，若波的传播方向随着时间变化呈现右手螺旋法则，则为右旋椭圆极化波；反之若符合左手螺旋法则，则为左旋椭圆极化波。
图2中，以8x8阵列为例，每个单元为双馈点激励，每个馈点后接一个移相器，以单元1为例子，后接两个移相器分别命名为ɸx1和ɸy1，单元2的两个移相器为ɸx2和ɸy2，其他单元依此类推。
Claims (8)
1. 一种可实现任意极化切换的相控阵天线，其特征在于：包括TR通道模块，TR通道模块包括N个2*2 的TR子阵，每个TR子阵含4个相控阵辐射单元，每个TR子阵的TR通道数为2*4个；每个相控阵辐射单元包括贴片和位于贴片上的馈点A和馈点B，每个相控阵辐射单元为双馈点馈电；
TR子阵的结构为瓦片式或砖块式；
辐射单元的每个馈点后接一个移相器。
2.根据权利要求1所述的一种可实现任意极化切换的相控阵天线，其特征在于：每个TR子阵的收发通道模块包括8个收发通道；每个收发通道模块包括子阵收发通道模块包含TR收发芯片、辐射单元、电源控制电路、波控控制电路和功分器网络；TR收发芯片包括收发放大电路和衰减移相放大多功能电路，TR收发芯片采用多功能芯片和砷化镓芯片；收发放大多功能电路实现发射信号的功率放大，接收信号的低噪声放大和收发切换的功能；衰减移相放大多功能电路实现对组件的衰减、移相控制和信号放大；波控控制电路实现将波控机发出的高速串行数据转换成并行控制码，控制衰减移相电路；电源控制电路实现通道接收、发射电源单独可控；功分器实现通道信号的功分或合成，通过控制多功能芯片的移相、衰减和放大功能，改变多功能芯片的幅度和相位，实现极化方式改变。
3.根据权利要求2所述的一种可实现任意极化切换的相控阵天线，其特征在于：每个TR子阵的收发通道模块包括2个四合一多功能集成SOC芯片或者1个八合一多功能集成SOC芯片，分别驱动8个TR收发芯片，由波控子板实现幅度相位控制、收发电源控制和工作模式切换。
4.根据权利要求2所述的一种可实现任意极化切换的相控阵天线，其特征在于：收发通道模块为一块射频集成板，包括多通道多功能集成SOC芯片、射频通道馈电网络、控制和电源馈线网络，射频集成板由多层微波板设计，多层微波板为射频集成板与FR4混压结构，集成射频通道馈电网络、控制和电源馈线网络，多功能集成SOC芯片与多层微波板由金丝键合方式互联。
5.根据权利要求1所述的一种可实现任意极化切换的相控阵天线，其特征在于：TR通道模块的各区域块并行控制，每个区域的4个通道串行读写。
6.根据权利要求1所述的一种可实现任意极化切换的相控阵天线，其特征在于：整个TR通道模块共用时钟信号、片选信号、锁存信号和收发开关信号，每个通道的控制数据采用并行收发方式，实现高速的相位和幅度控制以及每个通道多功能芯片上工作状态控制。
7.根据权利要求1所述的一种可实现任意极化切换的相控阵天线，其特征在于：对相控阵天线的极化波包括线极化，左旋圆极化、右旋圆极化，左旋椭圆极化以及右旋椭圆极化。
8.根据权利要求1所述的一种可实现任意极化切换的相控阵天线，其特征在于：相控阵天线为三角矩形栅格布阵或为三角栅格布阵。
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