CN112596114A - 一种有源毫米波太赫兹阵列 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有源毫米波太赫兹阵列，属于毫米波太赫兹技术领域，包括发射有源阵列和接收有源阵列、中频网络和控制系统，所述收发有源阵列均包括收发馈电网络、收发多通道多功能芯片和收发天线阵列，所述收发馈电网络、所述收发多通道多功能芯片、所述收发天线阵列依次连接。本发明相比于常见的开关矩阵，使用频段范围可以更高，可以实现高度集成化、小型化和产品化；在频段达到高频段时，可以将天线阵列和多通道多功能芯片集成在一起，进一步减小收发阵列的体积，可以在安检、医疗、雷达等各种领域内实现手持式系统，值得被推广使用。

Description

一种有源毫米波太赫兹阵列

技术领域

本发明涉及毫米波太赫兹技术领域，具体涉及一种有源毫米波太赫兹阵列。

背景技术

随着科学技术的发展，毫米波频段受到了越来越多的关注。毫米波太赫兹是频率从30GHz到300THz的电磁波，位于微波和远红外波相交叠的频率范围，所以毫米波兼有两种波谱的优点，

由于其具有较宽的绝对带宽、波长短、特殊的大气传播特性等优点，在通信、雷达等系统中的应用存在巨大潜力。毫米波因其对衣物的穿透性，使得毫米波安检仪成为近几年国内比较热门的行业。毫米波安检仪是未来人体安检的一种高效、文明的安检方式，通过毫米波人体安检仪可以快速地检查出人体是否携带非金属刀具、散装爆炸物等违禁物品。

目前市场常见毫米波安检仪分为被动式和主动式，被动式安检仪主要是接收人体辐射出的电磁波来检测人体，由于人体辐射出的电磁波能量弱，受环境影响大。主动式安检仪主要工作在毫米波的低频段部分，其收发阵列通道切换是通过开关矩阵的方式实现，但在高频段毫米波安检仪中这种收发阵列的系统体积大，成本高，内部连线多，不易于集成和产品化。因此，提出一种有源毫米波太赫兹阵列。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于：如何解决在高频段毫米波安检仪中收发阵列中存在的系统体积大，成本高，内部连线多，不易于集成和产品化等问题，提供了一种有源毫米波太赫兹阵列。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明包括发射有源阵列和接收有源阵列、中频网络和控制系统，所述发射有源阵列包括发射馈电网络、发射多通道多功能芯片和发射天线阵列，所述发射馈电网络、所述发射多通道多功能芯片、所述发射天线阵列依次连接，所述接收有源阵列包括接收馈电网络、接收多通道多功能芯片和接收天线阵列，所述接收馈电网络、所述接收多通道多功能芯片和所述接收天线阵列依次连接，所述中频网络为所述接收多通道多功能芯片混频后的中频信号连接到信号处理板的网络，所述控制系统通过特定接口分别与所述发射多通道多功能芯片、所述接收多通道多功能芯片、所述中频网络的控制接口连接，控制收发多通道多功能芯片和中频网络按一定的时序进行通道切换，所述有源毫米波太赫兹阵列工作频段为毫米波到太赫兹频段。

更进一步地，所述发射有源阵列包括发射馈电网络、M1(M1≥2)个发射多通道多功能芯片和发射天线阵列。

更进一步地，所述的发射馈电网络可以采用多级功分网络、多级开关矩阵或两者混合形式等给多个发射多通道多功能芯片提供射频信号。

更进一步地，所述发射多通道多功能芯片包含变频器、功率放大器、通道切换、移相器、衰减器等两种及两种以上的功能组件，发射多通道多功能芯片的输出通道数N1≥2。

更进一步地，所述发射天线阵列的天线单元是平面天线、喇叭天线、螺旋天线等形式，或是封装天线、片上天线等，发射天线阵列可以一维线阵、二维平面阵或多维阵等。

更进一步地，所述接收有源阵列包括接收馈电网络、M2(M2≥2)个接收多通道多功能芯片和接收天线阵列。

更进一步地，所述的接收馈电网络可以采用多级功分网络、多级开关矩阵或两者相结合的形式给多个接收多通道多功能芯片提供本振信号。

更进一步地，所述接收多通道多功能芯片包含低噪声放大器、功率放大器、混频器、变频器、移相器、衰减器、通道切换等三种及三种以上的功能模块，接收多通道多功能芯片的输入通道数N2≥2个。

更进一步地，所述接收天线阵列的天线单元是平面天线、喇叭天线、螺旋天线等，或是封装天线、片上天线等，天线阵列可以一维线阵、二维面阵或多维阵等。

更进一步地，接收与发射多通道多功能芯片的数量可以不相同，接收与发射多通道多功能芯片的输出通道数也可以不相同。

更进一步地，所述中频网络有两种实现方式，一是所有中频信号直接连接信号处理板的输入接口，二是中频网络通过功分网络和开关矩阵相结合的形式与信号处理板的输入端口连接。

更进一步地，所述控制系统有电压转换功能，将外部提供的直流或交流电压转换成接收、发射多通道多功能芯片需要的工作电压。

更进一步地，所述控制系统有一定的存储功能，内部储存有源毫米波太赫兹收发阵列的时序真值表，通过外部的出发触发信号，控制接收、发射多通道多功能芯片和中频网络的控制信号电平按真值表输出高低电平，实现时序控制。控制系统外部包含一个初始状态的控制信号，可以将接收、发射多通道多功能芯片和中频网络的控制信号在任意时刻都可以强制恢复到原始状态。

更进一步地，所述有源毫米波收发阵列的波束扫描功能是通过控制系统调节接收、发射多通道多功能芯片中移相器和衰减器的相位和幅度，调整不同天线单元的合成权重系数，以实现波束方向的自动扫描。

更进一步地，所述有源毫米波收发阵列的发射信号通过发射馈电网络传输到发射多通道多功能芯片的输入端，外部触发信号通过控制系统打开相应的发射多通道多功能芯片，发射信号经过发射多通道多功能芯片变为更高频段的发射信号，传输到发射天线阵列的输入端，经过天线辐射到空间。

更进一步地，所述有源毫米波收发阵列的接收本振信号通过接收馈电网络传输到接收多通道多功能芯片，为接收多通道多功能芯片的混频功能提供本振信号。接收天线阵列接收到空间的反射信号，外部触发信号通过控制系统同时打开相应的接收多通道多功能芯片和中频网络的通道，反射信号经过接收多通道多功能芯片的放大、混频等功能变为中频信号。中频信号通道中频网络传输到信号处理板进行后续的数据处理。

本发明相比现有技术具有以下优点：该有源毫米波太赫兹阵列，相比于常见的开关矩阵，使用频段范围可以更高，可以实现高度集成化、小型化和产品化；在频段达到高频段时，可以将天线阵列和多通道多功能芯片集成在一起，进一步减小收发阵列的体积，可以在安检、医疗、雷达等各种领域内实现手持式系统，值得被推广使用。

附图说明

图1是本发明实施例中有源毫米波太赫兹收发阵列的结构示意图；

图2是本发明实施例中发射/接收馈电网络中的功分网络的示意图；

图3是本发明实施例中发射多通道多功能芯片的架构示意图；

图4是本发明实施例中接收多通道多功能芯片的架构示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例的有源毫米波太赫兹收发阵列包括：发射有源阵列100、接收有源阵列200、中频网络300和控制系统400。所述发射有源阵列100包括发射馈电网络110、发射多通道多功能芯片120和发射天线阵列130。所述接收有源阵列200包括接收馈电网络210、接收多通道多功能芯片220和接收天线阵列230。所述中频网络300是接收多通道多功能芯片220混频后的中频信号连接到信号处理板的网络，所述控制系统400包含供电和时序控制两部分功能模块，通过特定的接口与收发多通道多功能芯片(发射多通道多功能芯片120、接收多通道多功能芯片220)和中频网络300的控制接口相连，控制收发多通道多功能芯片和中频网络300按一定的时序进行通道切换。

作为较佳的，本实施案例中，所述发射馈电网络110选用多级功分网络级联，它有一个输入端口、M1(M1≥2)个输出端口，如图2所示，它是由一级功率分配器111、二级功率分配器112和三级功率分配器113等多级功率分配器级联而成。发射馈电网络110的每个输出端口连接一个发射多通道多功能芯片120，为每一个发射多通道多功能芯片120提供射频信号。

作为较佳的，本实施案例中，所述发射多通道多功能芯片120有通道切换、倍频器和功率放大器等功能组件，发射多通道多功能芯片120的优选架构如图3所示，发射多通道多功能芯片120的输出通道N1≥2，发射多通道多功能芯片120的每个输出通道与发射天线阵列130中的各发射天线单元连接，若要波束合成，发射多通道多功能芯片120需增加移相器和衰减器。

作为较佳的，本实施案例中，所述发射天线阵列130采用平面天线和喇叭天线混合形式的一维线阵。

作为较佳的，本实施案例中，所述接收馈电网络210选用多级功分网络级联，它有一个输入端口、M2(M2≥2)个输出端口，接收馈电网络210与发射馈电网络110形式相同，如图2所示，接收馈电网络210的输出端口连接接收多通道多功能芯片220，为接收多通道多功能芯片220提供本振信号。

作为较佳的，本实施案例中，如图4所示，所述接收多通道多功能芯片220包括通道切换、倍频器、功率放大器、混频器、低噪声放大器等功能组件，接收多通道多功能芯片220有N2+1个输入端口，N2个输出端口，其中N2≥2。N2+1个输入端口中有N2个端口连接接收天线阵列230，剩余1个输入端口给接收多通道多功能芯片220提供本振信号。N2个输出端口输出中频信号。

作为较佳的，本实施案例中，所述的中频网络300采用所有中频信号全部连接到信号处理板的输入接口的方式，部分中频信号同时接收通过时序控制实现。

作为较佳的，本实施案例中，所述控制系统400的电压转换方式是DC-DC和LDO的混合形式，将外部供给的直流高电压转为所需的直流电源。

作为较佳的，本实施案例中，所述控制系统400的控制平台选用FPGA，FPGA内部储存预存的真值表，通过外部触发信号不断读取真值表，并行输出到发射和接收多通道多功能芯片的控制线Ti、Ri，从而控制收发通道的切换。

综上所述，本实施例的有源毫米波太赫兹阵列，相比于常见的开关矩阵，使用频段范围可以更高，可以实现高度集成化、小型化和产品化；在频段达到高频段时，可以将天线阵列和多通道多功能芯片集成在一起，进一步减小收发阵列的体积，可以在安检、医疗、雷达等各种领域内实现手持式系统，值得被推广使用。

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 (10)

1.一种有源毫米波太赫兹阵列，其特征在于：包括发射有源阵列和接收有源阵列、中频网络和控制系统，所述发射有源阵列包括发射馈电网络、发射多通道多功能芯片和发射天线阵列，所述发射馈电网络、所述发射多通道多功能芯片、所述发射天线阵列依次连接，所述接收有源阵列包括接收馈电网络、接收多通道多功能芯片和接收天线阵列，所述接收馈电网络、所述接收多通道多功能芯片和所述接收天线阵列依次连接，所述中频网络为所述接收多通道多功能芯片混频后的中频信号连接到信号处理板的网络，所述控制系统通过特定接口分别与所述发射多通道多功能芯片、所述接收多通道多功能芯片、所述中频网络的控制接口连接，控制收发多通道多功能芯片和中频网络按一定的时序进行通道切换，所述有源毫米波太赫兹阵列工作频段为毫米波到太赫兹频段。

2.根据权利要求1所述的一种有源毫米波太赫兹阵列，其特征在于：所述发射馈电网络采用多级功分网络、多级开关矩阵中任一种或两者混合形式给多个所述发射多通道多功能芯片提供射频信号。

3.根据权利要求2所述的一种有源毫米波太赫兹阵列，其特征在于：所述发射多通道多功能芯片包括第一通道切换模块、多个第一变频器，多个第一所述变频器的一端分别与所述第一通道切换模块的各通道连接，另一端分别与发射天线阵列中的各发射天线连接，所述第一通道切换模块与所述发射馈电网络的输出端口连接，接收所述发射馈电网络的射频信号，所述发射多通道多功能芯片的输出通道数大于等于两个。

4.根据权利要求3所述的一种有源毫米波太赫兹阵列，其特征在于：所述发射天线阵列与所述接收天线阵列的天线单元均为平面天线、喇叭天线、螺旋天线、封装天线、片上天线中任一种或多种混合，所述发射天线阵列与所述接收天线阵列均为一维线阵、二维平面阵、多维阵中任一种。

5.根据权利要求4所述的一种有源毫米波太赫兹阵列，其特征在于：所述接收馈电网络采用多级功分网络、多级开关矩阵中任一种或两者相结合的形式给多个所述接收多通道多功能芯片提供本振信号。

6.根据权利要求5所述的一种有源毫米波太赫兹阵列，其特征在于：所述接收多通道多功能芯片包括第二通道切换模块、多个混频器、多个第二变频器，多个所述第二变频器的一端分别所述第二通道切换模块的各通道连接，另一端与各所述混频器连接，所述接收多通道多功能芯片的输入通道数大于等于两个。

7.根据权利要求6所述的一种有源毫米波太赫兹阵列，其特征在于：所述中频网络包括两种实现方式，一是所有中频信号直接连接信号处理板的输入接口，二是通过功分网络和开关矩阵相结合的形式与信号处理板的输入端口连接。

8.根据权利要求7所述的一种有源毫米波太赫兹阵列，其特征在于：所述控制系统包括电压转换模块，所述电压转换模块用于将外部提供的直流或交流电压转换成收、发多通道多功能芯片需要的工作电压。

9.根据权利要求8所述的一种有源毫米波太赫兹阵列，其特征在于：所述控制系统还包括存储模块，所述存储模块内部储存有源毫米波太赫兹收发阵列的时序真值表，通过外部的出发触发信号，控制接收、发射多功能芯片和中频网络的控制信号电平按真值表输出高低电平，实现时序控制。

10.根据权利要求9所述的一种有源毫米波太赫兹阵列，其特征在于：所述有源毫米波收发阵列的波束扫描功能通过所述控制系统调节所述接收、发射多功能芯片中设置的移相器的相位、衰减器的幅度，调整不同天线单元的合成权重系数，以实现波束方向的自动扫描。

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