CN111308462A - 一种毫米波探测通信一体化相控阵系统 - Google Patents

一种毫米波探测通信一体化相控阵系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种毫米波探测通信一体化相控阵系统，包括通信信号处理模块、雷达探测信号处理模块、本振模块、毫米波接收模块、毫米波发射模块，所述毫米波接收模块通过接收选择开关与所述通信信号处理模块以及所述雷达探测信号处理模块连接；所述通信信号处理模块以及所述雷达探测信号处理模块通过发射选择开关与所述毫米波发射模块连接；所述本振模块与所述毫米波接收模块以及所述毫米波发射模块连接。本发明通过各模块的连接关系和切换机制克服了无线通信系统和低小慢目标探测系统整合时的系统冗杂、信号干扰、成本高昂等问题，实现了无线通信系统和低小慢目标探测系统的有机整合。

Description

一种毫米波探测通信一体化相控阵系统
技术领域
本发明涉及毫米波技术领域，具体涉及一种毫米波探测通信一体化相控阵系统。
背景技术
极高频(“EHF”)是关于约28～300千兆赫兹(“GHz”)的电磁频谱中的射频频带的国际电信联盟(“ITU”)名称。该频带中的无线电波具有从10毫米到1毫米的波长，从而被称为毫米波(“mmWave”或者“mmWaves”)。
近年来，伴随着5G毫米波标准化和商用化进程的不断推进，基于毫米波相控阵的通信系统在热点覆盖、点对点传输、基站信号回传等领域获得了大量研究应用，毫米波相控阵因其紧凑的外形结构、灵活的波束指向、较高的空间功率密度、GHz以上的频率资源，可用于智慧城市、智慧交通领域的综合信息传输处理基础设施，可实现对智慧城市、智慧交通领域的关键数据和海量数据进行安全、灵活、可靠的传输。另一方面，毫米波相控阵天线因其波束窄、波束切换时间短、探测距离远的优势也逐步应用于低空无人机等低小慢目标的探测，实现对于空间安全威胁的预警，毫米波相控阵天线也可用于城市地面交通的监测，实时上报重点路段的拥堵情况。
目前基于毫米波相控阵的无线通信系统和低小慢目标探测系统大多采用各自独立的软件、硬件实现，只呈现出通信或者探测的一种功能。基于毫米波相控阵的无线通信系统和低小慢目标探测系统中，相控阵天线是难度最大、成本最高的部件，如果能构建一种毫米波探测通信一体化相控阵系统，则能更大程度的发挥相控阵的能力，提高硬件利用率，并降低成本。同时由于存在信号干扰的问题，很难将无线通信系统和低小慢目标探测系统进行整合。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供的一种毫米波探测通信一体化相控阵系统，通过各模块的连接关系和切换机制克服了无线通信系统和低小慢目标探测系统整合时的系统冗杂、信号干扰、成本高昂等问题，实现了无线通信系统和低小慢目标探测系统的有机整合。
为了实现以上目的，本发明采取的一种技术方案是：
一种毫米波探测通信一体化相控阵系统，包括通信信号处理模块、雷达探测信号处理模块、本振模块、毫米波接收模块以及毫米波发射模块，所述毫米波接收模块通过接收选择开关与所述通信信号处理模块以及所述雷达探测信号处理模块连接；所述通信信号处理模块以及所述雷达探测信号处理模块通过发射选择开关与所述毫米波发射模块连接；所述本振模块与所述毫米波接收模块以及所述毫米波发射模块连接。
进一步地，所述毫米波接收模块包括依次连接的毫米波接收相控阵天线阵列、接收组件阵列、接收下混频器以及接收选择开关；所述毫米波发射模块包括依次连接的毫米波发射相控阵天线阵列、发射组件阵列、功分器、发射驱放、发射上混频器以及发射选择开关；所述通信信号处理模块包括通信信号中频处理模块以及通信数字中频板卡，所述通信信号中频处理模块一端与所述接收选择开关相连，所述通信信号中频处理模块另一端与所述通信数字中频板卡连接，所述通信数字中频板卡输出端与所述发射选择开关相连；所述雷达探测信号处理模块包括FMCW中频处理模块以及雷达探测数字中频板卡，所述FMCW中频处理模块一端与所述接收选择开关相连，所述FMCW中频处理模块另一端与所述雷达探测数字中频板卡连接，所述雷达探测数字中频板卡输出端与所述发射选择开关相连；以及所述本振模块包括本振切换开关以及频率源模块，所述本振切换开关一端与所述接收下混频器连接，所述本振切换开关可选择端与所述频率源模块以及功分器连接，所述频率源模块与所述发射上混频器相连接。
进一步地，所述接收组件阵列为多通道有源阵列，每通道均包括依次连接的低噪声放大器、数控移相器以及数控衰减器；所述发射组件阵列为多通道有源阵列，每通道均包括依次连接的功率放大器、移相器、数控衰减器。
进一步地，所述接收组件阵列包括1-N合路器，所述1-N合路器与所述数控衰减器相连；所述发射组件阵列所述毫米波发射相控阵天线阵列包括1-N分路器，所述1-N分路器与所述数控衰减器相连。
进一步地，所述接收组件阵列以及所述发射组件阵列采用单功能集成电路、多功能集成电路或者系统封装芯片至少一种；所述毫米波接收相控阵天线阵列以及所述毫米波发射相控阵天线阵列采用CMOS、SiGe BiCMOS、GaAs或者GaN工艺至少一种。
进一步地，所述本振切换开关包括A3端口与B3端口，所述A3端口与所述频率源模块连接，所述B3端口与所述功分器连接。
进一步地，所述接收选择开关包括A1端口以及B1端口，所述A1端口与所述通信信号中频处理模块相连，所述B1端口与所述FMCW中频处理模块相连；所述发射选择开关包括A2端口以及B2端口，所述A2端口与所述通信数字中频板卡连接，所述B2端口与所述雷达探测数字中频板卡连接。
进一步地，所述本振切换开关为吸收式开关。
进一步地，所述毫米波接收相控阵天线阵列与所述毫米波发射相控阵天线阵列二维面阵或一维线阵，通道数量为4、8、16、32以及64中的一种。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
(1)本发明的毫米波探测通信一体化相控阵系统通过本振源的切换、雷达探测/通信数字中频板的切换实现相控阵系统在通信、探测两种体制之间的灵活切换，适合当前通信、探测一体化系统的需求，具有可重构、可扩展、集成度高的特点。
(2)通过各模块的合理的连接关系克服了无线通信系统和低小慢目标探测系统整合信号干扰问题，实现了无线通信系统和低小慢目标探测系统整合。无线通信系统和低小慢目标探测系统一体化集成，更大程度的发挥相控阵的能力，提高硬件利用率，并降低系统成本。
(3)通过毫米波探测和通信的一体化集成，还能进一步提升系统集成度，实现系统小型化。满足了智慧城市、智慧交通领域的综合信息传输处理要求。
附图说明
下面结合附图，通过对本发明的具体实施方式详细描述，将使本发明的技术方案及其有益效果显而易见。
图1所示为本发明一实施例的毫米波探测通信一体化相控阵系统结构示意图；
图2所示为本发明一实施例的接收组件阵列和接收相控阵天线阵列图；
图3所示为本发明一实施例的发射组件阵列和发射相控阵天线阵列图；
图4所示为本发明一实施例的通信模式下各部件的连接关系图；
图5所示为本发明一实施例的探测模式各下部件的连接关系图。
图中附图标记：
1-通信信号处理模块、2-雷达探测信号处理模块、3-本振模块、4-毫米波接收模块、5-毫米波发射模块
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种毫米波探测通信一体化相控阵系统，如图1所示，所述毫米波探测通信一体化相控阵系统包括通信信号处理模块1、雷达探测信号处理模块2、本振模块3、毫米波接收模块4以及毫米波发射模块5，所述毫米波接收模块4与通过接收选择开关与所述通信信号处理模块1以及所述雷达探测信号处理模块2连接；所述通信信号处理模块1以及所述雷达探测信号处理模块2通过发射选择开关与所述毫米波发射模块5连接；所述本振模块3与所述毫米波接收模块4以及所述毫米波发射模块5连接。
所述毫米波接收模块4包括依次连接的毫米波接收相控阵天线阵列、接收组件阵列、接收下混频器以及接收选择开关。所述毫米波发射模块5包括依次连接的毫米波发射相控阵天线阵列、发射组件阵列、功分器、发射驱放、发射上混频器以及发射选择开关。所述通信信号处理模块1包括通信信号中频处理模块以及通信数字中频板卡，所述通信信号中频处理模块一端与所述接收选择开关相连，所述通信信号中频处理模块另一端与所述通信数字中频板卡连接，所述通信数字中频板卡输出端与所述发射选择开关相连。所述雷达探测信号处理模块2包括FMCW中频处理模块以及雷达探测数字中频板卡，所述FMCW中频处理模块一端与所述接收选择开关相连，所述FMCW中频处理模块另一端与所述雷达探测数字中频板卡连接，所述雷达探测数字中频板卡输出端与所述发射选择开关相连。所述本振模块3包括本振切换开关以及频率源模块，所述本振切换开关一端与所述接收下混频器连接，所述本振切换开关可选择端与所述频率源模块以及功分器连接，所述频率源模块输出至所述发射上混频器。所述本振切换开关采用吸收式开关，可为发射支路的功分器提供稳定的负载阻抗。
如图2所示，所述接收组件阵列为多通道有源阵列，包含N个有源接收通道，每通道包含依次连接的低噪声放大器、数控移相器以及数控衰减器，以实现接收信号的低噪声放大和幅度相位调整；所述接收组件阵列还包含1-N合路器，所述1-N合路器与所述数控衰减器相连，实现信号的功率合成。
如图3所示，所述发射组件阵列为多通道有源阵列，包含N个有源发射通道，每通道包含依次连接的数控衰减器、数控移相器以及功率放大器，以实现信号功率放大和幅度相位调整；所述发射组件阵列还包含1-N分路器，所述1-N分路器一端与所述数控衰减器连接，所述1-N分路器另一端与所述驱动放大器相连，实现信号的驱动放大和功率分配。所述毫米波接收相控阵天线阵列与所述毫米波发射相控阵天线阵列二维面阵或一维线阵，通道数量为4、8、16、32以及64中的一种。
所述有源接收组件阵列以及所述有源发射组件阵列采用单功能集成电路、多功能集成电路或者系统封装芯片中的至少一种；所述有源接收组件阵列以及所述有源发射组件阵列采用CMOS、SiGe BiCMOS、GaAs或者GaN工艺中的至少一种。
所述接收选择开关包括A1端口以及B1端口，所述A1端口与所述通信信号中频处理模块相连，所述B1端口与所述FMCW中频处理模块相连；所述发射选择开关包括A2端口以及B2端口，所述A2端口与所述通信数字中频板卡连接，所述B2端口与所述雷达探测数字中频板卡连接。所述本振切换开关包括A3端口与B3端口，所述A3端口与所述频率源模块连接，所述B3端口与所述功分器连接。
所述一种通信探测一体化相控阵系统，可通过接收阵面下变频的本振源的切换、雷达探测/通信数字中频板的切换实现相控阵系统在通信、探测两种体制之间的灵活切换，适合当前通信、探测一体化系统的需求。所述一种通信探测一体化相控阵系统可用于轨道旁边的基站，实现与车载终端的无线互联。对于基站来讲，轨道交通的车地无线通信具有间歇性、时间可预测的特点，即通信链路只在列车到来时建立，在列车离开时通信链路不需要建立，进而基站可以用于目标探测等其他用途，可进一步增强轨道的安全性，及时对轨道上方出现的安全威胁进行预警。
所述通信探测一体化相控阵系统在通信、探测两种体制采用分时工作模式。下面结合图4和图5详细解释一毫米波探测通信有源相控阵系统在通信、探测两种模式下的配置方式。
如图4所示，在通信模式配置下本振切换开关切换到A3端口、接收选择开关切换到A1端口、发射选择开关切换到A2端口。所述的通信模式指的是FDD频分双工的通信方式。在所述通信模式下，接收信号通过毫米波接收相控阵天线阵列输出至接收下混频器的输入端，接收下混频器的本振切换开关选通A3端口，与频率源模块互连，采用频率源模块的输出信号fRX,LO作为本振信号；接收下混频器输出的中频信号输出至接收选择开关，接收选择开关选择A1端口使得下混频器输出的中频信号送入通信信号中频处理模块电路进行幅度相位调整，而后输出给通信数字中频板卡进行处理。同时，在所述的通信模式下，通信数字中频板卡输出的中频信号送入发射选择开关，发射选择开关选通A2端，发射中频信号送入发射上混频器，频率源模块输出发射本振频率fTX,LO给发射上混频器提供本振，上混频之后的通信模式毫米波信号经过发射驱放、功分器送入毫米波发射相控阵天线阵列实现通信模式下毫米波信号的空口辐射。
如图5所示，在雷达探测模式的配置下本振接收切换开关切换到B3端口、接收选择开关切换到B1端口、发射选择开关切换到B2端口。所述雷达探测模式指的是调频连续波(FMCW)雷达模式。在所述雷达探测模式下，雷达探测数字中频板卡输出的中频信号送入发射选择开关，发射选择开关选通B2端口，发射中频信号送入发射上混频器，频率源模块输出发射本振频率fTX,LO给发射上混频器提供本振，上混频之后的雷达探测毫米波信号经过发射驱放、功分器送入毫米波发射相控阵天线阵列实现毫米波信号的空口辐射。同时在所述雷达探测模式下，接收的目标回波信号通过毫米波接收相控阵天线阵列输出至接收下混频器的输入，接收下混频器的本振切换开关选通B3端口，与发射电路功分器的输出的发射信号进行混频；接收下混频器输出的中频信号输出至接收选择开关，接收选择开关选择B1端口使得下混频器输出的中频信号送入雷达探测信号中频处理电路进行幅度相位调整，而后输出给雷达探测信号数字中频板卡进行处理。
以上所述仅为本发明的示例性实施例，并非因此限制本发明专利保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种毫米波探测通信一体化相控阵系统，其特征在于，包括通信信号处理模块(1)、雷达探测信号处理模块(2)、本振模块(3)、毫米波接收模块(4)以及毫米波发射模块(5)，所述毫米波接收模块(4)通过接收选择开关与所述通信信号处理模块(1)以及所述雷达探测信号处理模块(2)连接；所述通信信号处理模块(1)以及所述雷达探测信号处理模块(2)通过发射选择开关与所述毫米波发射模块(5)连接；所述本振模块(3)与所述毫米波接收模块(4)以及所述毫米波发射模块(5)连接。
2.根据权利要求1所述的毫米波探测通信一体化相控阵系统，其特征在于，
所述毫米波接收模块(4)包括依次连接的毫米波接收相控阵天线阵列、接收组件阵列、接收下混频器以及接收选择开关；
所述毫米波发射模块(5)包括依次连接的毫米波发射相控阵天线阵列、发射组件阵列、功分器、发射驱放、发射上混频器以及发射选择开关；
所述通信信号处理模块(1)包括通信信号中频处理模块以及通信数字中频板卡，所述通信信号中频处理模块一端与所述接收选择开关相连，所述通信信号中频处理模块另一端与所述通信数字中频板卡连接，所述通信数字中频板卡输出端与所述发射选择开关相连；
所述雷达探测信号处理模块(2)包括FMCW中频处理模块以及雷达探测数字中频板卡，所述FMCW中频处理模块一端与所述接收选择开关相连，所述FMCW中频处理模块另一端与所述雷达探测数字中频板卡连接，所述雷达探测数字中频板卡输出端与所述发射选择开关相连；以及
所述本振模块(3)包括本振切换开关以及频率源模块，所述本振切换开关一端与所述接收下混频器连接，所述本振切换开关可选择端与所述频率源模块以及功分器连接，所述频率源模块与所述发射上混频器相连接。
3.根据权利要求2所述的毫米波探测通信一体化相控阵系统，其特征在于，所述接收组件阵列为多通道有源阵列，每通道均包括依次连接的低噪声放大器、数控移相器以及数控衰减器；所述发射组件阵列为多通道有源阵列，每通道均包括依次连接的功率放大器、移相器、数控衰减器。
4.根据权利要求3所述的毫米波探测通信一体化相控阵系统，其特征在于，所述接收组件阵列包括1-N合路器，所述1-N合路器与所述数控衰减器相连；所述发射组件阵列所述毫米波发射相控阵天线阵列包括1-N分路器，所述1-N分路器与所述数控衰减器相连。
5.根据权利要求2所述的毫米波探测通信一体化相控阵系统，其特征在于，所述接收组件阵列以及所述发射组件阵列采用单功能集成电路、多功能集成电路或者系统封装芯片至少一种；所述毫米波接收相控阵天线阵列以及所述毫米波发射相控阵天线阵列采用CMOS、SiGe、BiCMOS、GaAs或者GaN工艺至少一种。
6.根据权利要求2所述的毫米波探测通信一体化相控阵系统，其特征在于，所述本振切换开关包括A3端口与B3端口，所述A3端口与所述频率源模块连接，所述B3端口与所述功分器连接。
7.根据权利要求2所述的毫米波探测通信一体化相控阵系统，其特征在于，
所述接收选择开关包括A1端口以及B1端口，所述A1端口与所述通信信号中频处理模块相连，所述B1端口与所述FMCW中频处理模块相连；
所述发射选择开关包括A2端口以及B2端口，所述A2端口与所述通信数字中频板卡连接，所述B2端口与所述雷达探测数字中频板卡连接。
8.根据权利要求2所述的毫米波探测通信一体化相控阵系统，其特征在于，所述本振切换开关为吸收式开关。
9.根据权利要求2所述的毫米波探测通信一体化相控阵系统，其特征在于，所述毫米波接收相控阵天线阵列与所述毫米波发射相控阵天线阵列二维面阵或一维线阵，通道数量为4、8、16、32以及64中的一种。
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