CN112332112B - 相控阵天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种相控阵天线，该相控阵天线包括控制板和至少一个天线板阵列，其中：所述天线板阵列包括多个天线板；所述多个天线板中的第N个天线板和第N+1个天线板之间通过差分通信线缆直接连接，令所述多个天线板形成串联在同一条差分信号传输通路上的天线板序列，其中N为大于零的正整数；所述控制板与所述天线板序列中的第1个天线板之间通过差分通信线缆直接连接，从所述控制板输出的差分控制信号通过所述差分信号传输通路依次输入至所述多个天线板中。

Description

相控阵天线
技术领域
本发明涉及相控阵天线设备的结构和电路设计领域，尤其涉及一种相控阵天线。
背景技术
现有的相控阵天线设备中，通常使用控制板来控制天线阵列中的天线板(即天线阵面)的工作，具体而言，所述控制板生成控制信号，并将该控制信号分别发送至与其连接的天线板，该控制信号用于控制所述天线板。在平面相控阵天线中，控制板与天线板两者之间常采用一对多并行的通信连接方式，也即多个天线板分别通过线缆直接连接至同一控制板，相应地，所述控制板上需要设置与所述天线板的数量相等的线缆接口。请参考图1，图1是现有技术中的平面相控阵天线的一种常见结构的示意图，其中天线阵列的数量为两个，分别排布在控制板的左右两侧，每一天线阵列是由9个天线板构成的9阵面结构，对应于两个天线阵列的天线板的总数，控制板上一共具有18个线缆接口，每一线缆接口连接一个对应的天线板。如图1示出的平面相控阵天线的常见结构中，控制板与天线板之间的接法虽然可以保证相控阵天线系统中的通信速度的需求，但其缺陷也是显而易见的，尤其是在天线阵列中天线板数量较多的情况下，这些缺陷所带来的负面影响更加明显：一方面，由于控制板上需要提供与天线板的总个数相等的接口，当天线板数量增加时，控制板的接口数随之增加，这导致控制板的体积也随之增加，并且控制板中的处理器会出现引脚资源不足的困境；另一方面，由于每一天线板都通过独立的线缆与控制板连接，这导致线束数量过多，使得相控阵天线的装机难度和复杂度较大，当天线板数量增加时，距离控制板较远的天线板需要使用较长的线缆来连接控制板，而线缆长度与通信速度呈反比，因而通信速度的下降约束了相控阵天线的工作性能。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种相控阵天线，该相控阵天线包括控制板和至少一个天线板阵列，其中：
所述天线板阵列包括多个天线板；
所述多个天线板中的第N个天线板和第N+1个天线板之间通过差分通信线缆直接连接，令所述多个天线板形成串联在同一条差分信号传输通路上的天线板序列，其中N为大于零的正整数；
所述控制板与所述天线板序列中的第1个天线板之间通过差分通信线缆直接连接，从所述控制板输出的差分控制信号通过所述差分信号传输通路依次输入至所述多个天线板中。
根据本发明的一个方面，所述相控阵天线中所述多个天线板矩阵状排布，所述天线板阵列为天线板矩阵。
根据本发明的另一个方面，所述相控阵天线中所述第1个天线板是设置在所述天线板矩阵中的行或列的起始位置处的天线板。
根据本发明的另一个方面，所述相控阵天线中所述第N个天线板和所述第N+1个天线板在所述天线板矩阵中相邻地排列。
根据本发明的另一个方面，所述相控阵天线中所述天线板阵列的数量为两个，分别为发射天线阵列和接收天线阵列。
根据本发明的另一个方面，所述相控阵天线中所述多个天线板中的每一所述天线板包括：输入接口芯片，用于输入所述差分控制信号，并将所述差分控制信号转换为单端控制信号后输出；输出接口芯片，该输出接口芯片通过单端通信线缆与所述输入接口芯片连接，用于将输入的所述单端控制信号转换为所述差分控制信号后输出；处理器，该处理器与所述单端通信线缆连接，用于接收和处理所述单端控制信号。
根据本发明的另一个方面，所述相控阵天线中所述多个天线板中的每一所述天线板还包括：与所述输入接口芯片的输入端连接的匹配电阻。
根据本发明的另一个方面，所述相控阵天线中所述输入接口芯片和所述输出接口芯片是RS-422接口芯片或RS-485接口芯片。
根据本发明的另一个方面，所述相控阵天线中所述差分通信线缆是屏蔽差分线缆。
本发明提供的相控阵天线中，通过将天线板阵列中的多个天线板的第N个天线板和第N+1个天线板之间通过差分通信线缆直接连接，令所述多个天线板形成串联在同一条差分信号传输通路上的天线板序列，同时所述相控阵天线的控制只需要与所述天线板序列中的第1个天线板之间通过差分通信线缆直接连接，即可实现从所述控制板输出的差分控制信号通过所述差分信号传输通路依次输入至所述多个天线板中，因此所述相控阵天线中所述控制板和所述天线板之间的连接布线方式在保证传输速度的前提下有效减少了所需的线束数量，基于该特性，所述相控阵天线具有如下优点：一方面，相比现有技术，本发明提供的相控阵天线中的控制板上的线缆接口数量大大减少，对于一个天线板阵列，所述控制板只需一个线缆接口即可实现对该天线板阵列中所有天线板的通信，因而有效减小了控制板的体积，同时避免了出现所述控制板中的处理器的引脚资源不足的问题；另一方面，线束数量的降低使得相控阵天线的装机难度和复杂度随之降低。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是现有技术中的平面相控阵天线的一种常见结构的示意图；
图2是根据本发明的相控阵天线的一个具体实施方式的结构示意图；
图3是根据本发明的相控阵天线中的天线板的一个具体实施方式的结构示意图；
附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。
具体实施方式
为了更好地理解和阐释本发明，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述。本发明并不仅仅局限于这些具体实施方式。相反，对本发明进行的修改或者等同替换，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
需要说明的是，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有这些具体细节，本发明同样可以实施。在下文给出的多个具体实施方式中，对于本领域熟知的结构和部件未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。
在本发明的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，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。
本发明提供了一种相控阵天线，请参考图2，图2是根据本发明的相控阵天线的一个具体实施方式的结构示意图，相控阵天线10包括控制板200和至少一个天线板阵列，其中：
所述天线板阵列包括多个天线板，具体地，所述天线板阵列例如是图1中的9阵面型天线板阵列110，天线板阵列110包括天线板101至天线板109。在本具体实施方式中，相控阵天线10所包括的所述天线板阵列的数量为两个，分别为天线板阵列110和天线板阵列120，典型地，天线板阵列110是用于发射射频信号的发射天线阵列，天线板阵列120是用于接收射频信号的接收天线阵列，在本具体实施方式中，天线板阵列110和天线板阵列120的结构镜可设置为像对称，该结构镜像对称不仅指的是两者所包含的多个天线板的排布方式镜像对称，还包括两者所包含的多个天线板之间的连接结构镜像对称。在其他的具体实施方式中，相控阵天线可能仅用作射频信号的发射或接收，则相应地该相控阵天线可能仅包括一个所述天线板阵列，例如相控阵天线10仅包括天线板阵列110或天线板阵列120。
优选地，为了节省所述天线板阵列所占用的面积，所述天线板阵列所包括的所述多个天线板通常采用矩阵状排布的布局方式，则相应地所述天线板阵列为天线板矩阵。如图1所示，天线板阵列110所包含的9个天线板按照M*M正方形矩阵的方式进行排布。由于本发明并不限定所述天线板阵列中包含的天线板的数量，本领域技术人员可理解，根据所述天线板阵列中所实际包含的天线板的个数，本发明的实施者可以采用任意一种合适的天线板布局方式来替代本具体实施方式中的矩阵状排布的布局方式，例如同心圆排布、蜂窝状排布等。
进一步地，所述多个天线板之间的连接关系满足如下要求：所述多个天线板中的第N个天线板和第N+1个天线板之间通过差分通信线缆直接连接，令所述多个天线板形成串联在同一条差分信号传输通路上的天线板序列，其中N为大于零的正整数，具体地，由于N为大于零的正整数，则N的取值依次为1、2、3……，根据该递归逻辑，所述多个天线板中第1个天线板与第2个天线板之间通过差分通信线缆直接连接，所述多个天线板中的所述第2个天线板与第3个天线板之间通过差分通信线缆直接连接，以此类推，直至所述多个天线板形成串联在同一条差分信号传输通路上的天线板序列。此处特别指出的是，前文中使用术语“第1个天线板”和“第N个天线板”等是为了清楚地描述使用所述多个天线板构建出所述天线板序列时各个天线板之间的先后顺序，并非限定或暗示所述多个天线板中特定的天线板一定为所述第1个天线板或所述第N个天线板。更具体而言，由于所述多个天线板可视为连通图中的各个节点，根据图形和几何拓扑学的研究，所述天线序板序列的构建的最优解等同于以所述多个天线板中某个天线板作为起始节点创建欧拉路径。
在图1示出的具体实施方式中，将图1中的天线板101作为所述第1个天线板，出于减少天线板阵列110中的线束长度的考虑，优选地，所述第N个天线板和所述第N+1个天线板在所述天线板矩阵中相邻地排列，例如将天线板阵列110中与天线板101相邻的天线板102作为第2个天线板，将与天线板102相邻的天线板103作为第3个天线板，将与天线板103相邻的天线板106作为第4个天线板等。照前文中所限定的天线板阵列110中各个天线板之间的连接关系，则使用天线板阵列110所包含的9个天线板来构建的天线板序列中，各个天线板的排列顺序依次为：天线板101、天线板102、天线板103、天线板106、天线板109、天线板108、天线板107、天线板104、天线板105。
继续参考图1，控制板200与所述天线板序列中的第1个天线板之间通过差分通信线缆直接连接，也即控制板200与天线板101之间通过所述差分通信线缆直接连接。由于所述天线板序列中各个天线板串联在同一条差分信号传输通路上，从控制板200输出的差分控制信号通过所述差分信号传输通路依次输入至天线板阵列110所包含的所述多个天线板中，具体地，所述差分控制信号从控制板200输出后，首先输入至天线板101，然后按照所述天线板序列中各个天线板的排列顺序，依次输入至天线板102、天线板103、天线板106、天线板109、天线板108、天线板107、天线板104和天线板105，这使得天线板阵列110中包括的所有天线板都可以接收到所述差分控制信号。
为了便于创建所述天线板序列，通常所述第1个天线板是设置在所述天线板矩阵中的行或列的起始位置处的天线板，例如天线板阵列110中符合该第1个天线板的位置特征的天线板可以选用天线板101、天线板107、天线板103和天线板109，进一步地，天线板101和天线板107在空间位置上更靠近控制板200，出于减少天线板阵列110中的线束长度的考虑，天线板101和天线板107优选地更适合于作为所述第1个天线板。在其他的具体实施方式中，天线板105也可以作为所述第1个天线板，仍然可以满足创建所述天线板序列的需求。总体而言，在选择天线板阵列110中的哪个天线板作为所述第1个天线板时，可以从减少相控阵天线10中的线束长度的角度出发，以避免线束过长导致的通信速率衰减。
优选地，为了进一步提升所述差分控制信号在传输过程中的抗干扰性，所述差分通信线缆可以考虑选用屏蔽差分线缆。
为了保证相控阵天线的工作性能，通常期望所述差分控制信号在所述差分信号传输通路保持高速率传输，因此，当本发明提供的相控阵天线中的所述天线板阵列所包含的天线板的数量较多时，需要考虑综合考虑所述差分控制信号的传输距离和传输速率这些因素，更具体而言，需要考虑使所述差分控制信号能以基本相同的传输工况输入至所述天线板序列中的各个天线板内。因此,在图2示出的相控阵天线的具体实施方式的基础上，考虑提供一种天线板的结构，将其用于至图2示出的具体实施方式或其等价、变形的具体实施方式中。请参考图3，图3是根据本发明的相控阵天线中的天线板的一个具体实施方式的结构示意图，所述天线板包括：
输入接口芯片310，用于输入所述差分控制信号，并将所述差分控制信号转换为单端控制信号后输出；
输出接口芯片320，该输出接口芯片320通过单端通信线缆与输入接口芯片310连接，用于将输入的所述单端控制信号转换为所述差分控制信号后输出；
处理器330，该处理器330与所述单端通信线缆连接，用于接收和处理所述单端控制信号。
具体地，由于所述差分控制信号需要通过差分通信线缆进行传输，输入接口芯片310通过差分通信线缆与外部器件连接，以及输出接口芯片320通过差分通信线缆与下一级的天线板连接，又因为所述天线板的处理器330通常只能处理单端信号，输入接口芯片310和输出接口芯片320之间使用单端通信线缆连接，处理器330设置为与所述单端通信线缆连接。所述外部器件产生的所述差分控制信号通过差分通信线缆输入至该输入接口芯片310内，输入接口芯片310将所述差分控制信号转换为能被处理器330所接收和处理的单端控制信号，所述单端控制信号具有两个传输方向，一方面，所述单端控制信号通过所述单端通信线缆输入至处理器330，处理器330接收并处理该单端控制信号；另一方面，所述单端控制信号通过所述单端通信线缆输入至输出接口芯片320，该输出接口芯片320将输入的所述单端控制信号转换复原为所述差分控制信号后由差分通信线缆输出。
以图3示出的天线板是图2对应的具体实施方式中的所述第1个天线板(也即天线板101)为例，结合图2和图3进行解释，输入接口芯片310与控制板200通过差分通信线缆直接连接，输入至该输入接口芯片310的差分控制信号由控制板200产生。输出接口芯片320通过差分通信线缆与天线板102的输入接口芯片直接连接，从输出接口芯片320中输出的所述差分控制信号流向天线板102。若图3示出的天线板是图2对应的具体实施方式中的所述第N+1个天线板，例如图2中的天线板102，输入接口芯片310通过差分通信线缆与天线板101的输出接口芯片直接连接，输出接口芯片320通过差分通信线缆与天线板103的输入接口芯片直接连接。
优选地，如图3所示，为了抑制信号反射，所述天线板还包括与输入接口芯片310的输入端连接的匹配电阻340，匹配电阻340设置在与输入接口芯片310的输入端连接的差分通信线缆上，更具体而言，匹配电阻340的两端分别连接在所述差分通信线缆中的每一通信线上。
本领域技术人员可以理解，将图3示出的天线板的具体实施方式与图2示出的相控阵天线的具体实施方式相结合，在相控阵天线中的天线板阵列包含数量较多的天线板的情况下，仍然能保证所述差分控制信号在所述天线板阵列中的传输速率和传输距离。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化均涵括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他部件、单元或步骤，单数不排除复数。
本发明提供的相控阵天线中，通过将天线板阵列中的多个天线板的第N个天线板和第N+1个天线板之间通过差分通信线缆直接连接，令所述多个天线板形成串联在同一条差分信号传输通路上的天线板序列，同时所述相控阵天线的控制只需要与所述天线板序列中的第1个天线板之间通过差分通信线缆直接连接，即可实现从所述控制板输出的差分控制信号通过所述差分信号传输通路依次输入至所述多个天线板中，因此所述相控阵天线中所述控制板和所述天线板之间的连接布线方式在保证传输速度的前提下有效减少了所需的线束数量，基于该特性，所述相控阵天线具有如下优点：一方面，相比现有技术，本发明提供的相控阵天线中的控制板上的线缆接口数量大大减少，对于一个天线板阵列，所述控制板只需一个线缆接口即可实现对该天线板阵列中所有天线板的通信，因而有效减小了控制板的体积，同时避免了出现所述控制板中的处理器的引脚资源不足的问题；另一方面，线束数量的降低使得相控阵天线的装机难度和复杂度随之降低。
以上所披露的仅为本发明的一些较佳具体实施方式，不能以此来限定本发明之权利范围，依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (9)

1.一种相控阵天线，该相控阵天线包括控制板和至少一个天线板阵列，其中：
所述天线板阵列包括多个天线板；
所述多个天线板中的第N个天线板和第N+1个天线板之间通过差分通信线缆直接连接，令所述多个天线板形成串联在同一条差分信号传输通路上的天线板序列，其中N为大于零的正整数；
所述控制板与所述天线板序列中的第1个天线板之间通过差分通信线缆直接连接，从所述控制板输出的差分控制信号通过所述差分信号传输通路依次输入至所述多个天线板中。
2.根据权利要求1所述的相控阵天线，其中：
所述多个天线板矩阵状排布，所述天线板阵列为天线板矩阵。
3.根据权利要求2所述的相控阵天线，其中：
所述第1个天线板是设置在所述天线板矩阵中的行或列的起始位置处的天线板。
4.根据权利要求2所述的相控阵天线，其中：
所述第N个天线板和所述第N+1个天线板在所述天线板矩阵中相邻地排列。
5.根据权利要求1所述的相控阵天线，其中：
所述天线板阵列的数量为两个，分别为发射天线阵列和接收天线阵列。
6.根据权利要求1所述的相控阵天线，其中，所述多个天线板中的每一所述天线板包括：
输入接口芯片，用于输入所述差分控制信号，并将所述差分控制信号转换为单端控制信号后输出；
输出接口芯片，该输出接口芯片通过单端通信线缆与所述输入接口芯片连接，用于将输入的所述单端控制信号转换为所述差分控制信号后输出；
处理器，该处理器与所述单端通信线缆连接，用于接收和处理所述单端控制信号。
7.根据权利要求6所述的相控阵天线，其中，所述多个天线板中的每一所述天线板还包括：
与所述输入接口芯片的输入端串联的匹配电阻。
8.根据权利要求6所述的相控阵天线，其中：
所述输入接口芯片和所述输出接口芯片是RS-422接口芯片或RS-485接口芯片。
9.根据权利要求1所述的相控阵天线，其中：
所述差分通信线缆是屏蔽差分线缆。
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