CN112383318A

CN112383318A - 一种用于一字线阵的串联式收发前端开关阵列

Info

Publication number: CN112383318A
Application number: CN202011250094.XA
Authority: CN
Inventors: 常进; 王栋; 周立学; 薛子鹏
Original assignee: Xian Electronic Engineering Research Institute
Current assignee: Xian Electronic Engineering Research Institute
Priority date: 2020-11-11
Filing date: 2020-11-11
Publication date: 2021-02-19

Abstract

本发明涉及一种一字线阵的串联式收发前端开关阵列，属于微波技术领域。将串联式的拓扑结构运用于收发前端，发射信号从主机箱送出到最近收发模块，再从最近收发模块转出送入较远的收发模块，最终将信号送入最远收发前端模块。接收时，信号从最远模块逐级送回主机箱中。本发明提出的串联式收发阵列方案，能够极大地缩短信号传输路径，降低信号走线复杂度，更易于实现超宽带、小体积和低成本的目标。

Description

一种用于一字线阵的串联式收发前端开关阵列

技术领域

本发明属于微波技术领域，涉及一种微波收发前端阵列的新型设计。

背景技术

微波收发前端是微波系统中的关键部件，尤其在阵列雷达、MIMO通信、微波成像等应用场景下，其性能指标尤为关键。查询文献发现，现有的收发前端都是通过功分器或者单刀多掷开关实现并行的收发前端拓扑结构。该结构运用在分布式天线系统时，特别是收发阵列模块为“一”字线阵且相邻模块间距离较远时，信号要从机箱送至整个阵面中心位置，再从中心位置通过多路功分器或开关分至其他支路。在此情况下，系统存在信号路径长，走线复杂的问题，从而造成整个系统体积大且成本高，同时在长路径下不易实现宽带化设计。

在阵列雷达、MIMO通信、微波成像等应用场景下，对收发前端性能指标提出了苛刻要求。现有收发前端设计带宽较窄，且在收发通道数过多时成本和体积增加很多。本发明提出了一种新颖的收发前端阵列设计方法，该方法基于目前器件水平，能够在一定发射功率范围内实现小体积和低成本的目标，尤其在分布式阵列前端中有独特优势。

发明内容

要解决的技术问题

为了解决现有技术中采用功分器或者单刀多掷开关导致信号路径长、走线复杂的问题，本发明提出一种一字线阵的串联式收发前端开关阵列。将串联式的拓扑结构运用于收发前端，发射信号从主机箱送出到最近收发模块，再从最近收发模块转出送入较远的收发模块，最终将信号送入最远收发前端模块。接收时，信号从最远模块逐级送回主机箱中。

技术方案

一种用于一字线阵的串联式收发前端开关阵列，其特征在于包括成一字线阵的N号收发阵列模块，1号收发阵列模块的一端分别通过发射信号传输电缆和接收信号传输电缆连接主机，两个收发阵列模块之间通过两根电缆分别进行发射和接收信号的传输，每个收发阵列模块设有M个收发通道，收发通道直接连接至天线，所述的M和N为大于1的整数。

本发明技术方案更进一步的说：所述的收发阵列模块包括发射信号输入电缆、发射选择开关、接收信号输出电缆、接收选择开关、第一收发切换开关、数控衰减网络、第二收发切换开关、第三收发切换开关、低噪声放大器、功率放大器、单刀M掷开关、收发传输线、接收电缆和发射电缆，发射信号输入电缆连接主机或上一级阵列模块；发射选择开关决定由该阵列模块发射还是将发射信号送往后级的阵列单元；接收信号输出电缆将接收信号送回主机或上一级阵列模块；接收选择开关决定由该阵列模块接收信号还是将下级模块接收的信号送回主机方向；发射链路时：发射选择开关依次连接第一收发切换开关、数控衰减网络、第二收发切换开关、功率放大器、第三收发切换开关、单刀M掷开关，接收链路时：单刀M掷开关依次连接第三收发切换开关、低噪声放大器、第二收发切换开关、数控衰减网络、第一收发切换开关、接收选择开关；收发传输线一端连接单刀M掷开关，另一端连接至天线；接收电缆连接下一级阵列模块的接收输出；发射电缆连接下一级阵列模块的发射输入。

本发明技术方案更进一步的说：所述的单刀M掷开关为单片开关或者级联开关网络；

有益效果

本发明提出的一种用于一字线阵的串联式收发前端开关阵列，该微波收发前端开关阵列采用串联式的设计方法，相对于传统单刀多掷或多路功分的并联式开关阵列来说，各个模块中由于信号链路长度不同，因此不适用在各个收发通道等相位的情况，链路增益也略有差别。对于链路增益差别的情况可以通过各个模块内置数控衰减器将各个收发模块的收发增益调整一致，来克服这一问题。

在各个收发模块距离较远，尤其在“一”字线阵中，采用串联式阵列的方案，发射信号由1号收发阵列模块送到2号收发阵列模块，直至到最远端N号收发阵列模块，同理接收信号从最远端N号收发模块逐级送回主机方向。从原理图中可以看出N号模块信号传输路径最远，1号模块信号传输路径最近。

而在并联式收发阵列中，信号从主机箱出发先送至中间模块位置，再通过单刀多掷或多路功分，将信号送入1至N号模块中，信号传输路径更长，同时单刀多掷开关或多路功分器需要另外集成到一个额外模块中，增加了系统体积。

本发明提出的串联式收发阵列方案，能够极大地缩短信号传输路径，降低信号走线复杂度，更易于实现超宽带、小体积和低成本的目标。

附图说明

图1串联式收发前端开关阵列

图2单个收发前端开关网络电路

图3 2-18GHz 64通道串联式收发前端开关阵列

图4 16通道收发前端开关网络电路

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

串联式收发前端开关阵列工作原理如图1所示。其中1是发射信号传输电缆，发射信号从主机送至阵列模块；2是接收信号传输电缆，接收信号从阵列模块送至主机；3是1号收发阵列模块；4是1号和2号收发阵列模块之间的2根收发电缆；6是第N-1个收发阵列模块；7是第N个收发阵列模块；8是M个收发通道。其中M和N为大于1的整数。在此发明中，共有N个收发阵列模块，其中每个收发阵列模块中具有M个收发通道。因此据此方案可以得到收发通道总数为M×N个，收发通道直接连接至天线。

单个收发前端开关阵列模块工作原理如图2所示。其中链路中箭头方向代表信号传输方向。9是发射信号输入电缆，信号来自主机或上一级阵列模块；10是发射选择开关，决定由该阵列模块发射还是将发射信号送往后级的阵列单元；11是接收信号输出电缆，将接收信号送回主机或上一级阵列模块；12是接收选择开关，决定由该阵列模块接收信号还是将下级模块接收的信号送回主机方向；13、15、18是收发切换开关，18作为末级功放后的开关，需具备大功率承受能力；14是数控衰减网络，用来调节接收和发射增益，并进行增益动态控制；16是低噪声放大器；17是功率放大器；19是单刀M掷开关，可以是单片开关，也可以是级联开关网络；20是收发传输线，直接连接至天线；21是接收电缆，来自下一级阵列模块；22是发射电缆，去往下一级阵列模块。

利用本发明提出的串联式收发前端开关阵列设计方法完成了2-18GHz超宽带64通道收发前端设计，该前端应用于分布式雷达线阵，下面举例说明。具体框图如图3和图4所示。

其中，1是来自主机的发射信号电缆；2是送往主机的接收信号电缆；4是阵列模块之间的接收和发射电缆；3、5、6、7分别是串联的4个阵列模块。

每个阵列模块中，9是发射信号电缆，来自主机或上一级阵列模块；10是发射选择开关，选择发射信号进入该阵列发射通道中或送往下一级阵列模块中，当该阵列模块为4号(末级)阵列模块时，发射选择开关只接通该阵列模块，同时发射输出(22)连接至负载。11是接收信号电缆，将接收信号送往主机或上一级阵列模块；12是接收选择开关，选择接收信号来自该阵列接收通道或下一级阵列模块中，当该阵列模块为4号(末级)阵列模块时，接收选择开关只接通该阵列模块，同时接收输入(21)连接至负载。

14是衰减网络，该实例中为3个30dB衰减器级联，可以实现90dB的发射和接收增益动态控制，同时可以调节四个阵列模块的收发增益，使其保持一致。16是1W功率放大器；18是PIN收发开关，最大承受功率35dBm；19是2级单刀四掷开关组成的单刀16掷开关网络，均是由PIN开关组成；20是阵列模块连接电缆，直接连接至收发天线，阵列模块发射功率为20dBm。

模块中选用的开关、衰减器、功率放大器、低噪声放大器等都是超宽带器件，覆盖频率2-18GHz。通过对所有通道测试，各个通道幅度一致性小于2dB，同时实现了90dB的发射增益动态范围，精度在2dB内。

该系统中各个收发模块之间的距离是3～5米，呈“一”字排列，采用串联式阵列的方案极大地缩短信号传输路径，降低信号走线复杂度，更易于实现超宽带、小体积和低成本的目标。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启发做出各种不脱离本发明实质的其他变形和组合，这些变形和组合仍在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种用于一字线阵的串联式收发前端开关阵列，其特征在于包括成一字线阵的N号收发阵列模块，1号收发阵列模块的一端分别通过发射信号传输电缆和接收信号传输电缆连接主机，两个收发阵列模块之间通过两根电缆分别进行发射和接收信号的传输，每个收发阵列模块设有M个收发通道，收发通道直接连接至天线，所述的M和N为大于1的整数。

2.根据权利要求1所述的一种用于一字线阵的串联式收发前端开关阵列，其特征在于所述的收发阵列模块包括发射信号输入电缆9、发射选择开关10、接收信号输出电缆11、接收选择开关12、第一收发切换开关13、数控衰减网络14、第二收发切换开关15、第三收发切换开关18、低噪声放大器16、功率放大器17、单刀M掷开关19、收发传输线20、接收电缆21和发射电缆22，发射信号输入电缆9连接主机或上一级阵列模块；发射选择开关10决定由该阵列模块发射还是将发射信号送往后级的阵列单元；接收信号输出电缆11将接收信号送回主机或上一级阵列模块；接收选择开关12决定由该阵列模块接收信号还是将下级模块接收的信号送回主机方向；发射链路时：发射选择开关10依次连接第一收发切换开关13、数控衰减网络14、第二收发切换开关15、功率放大器17、第三收发切换开关18、单刀M掷开关19，接收链路时：单刀M掷开关19依次连接第三收发切换开关18、低噪声放大器16、第二收发切换开关15、数控衰减网络14、第一收发切换开关13、接收选择开关12；收发传输线20一端连接单刀M掷开关19，另一端连接至天线；接收电缆21连接下一级阵列模块的接收输出；发射电缆22连接下一级阵列模块的发射输入。

3.根据权利要求3所述的一种用于一字线阵的串联式收发前端开关阵列，其特征在于所述的单刀M掷开关19为单片开关或者级联开关网络。