CN113054991A - 开关矩阵的实现方法、开关矩阵、模块及波束合成网络 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大规模毫米波开关矩阵实现方法及开关矩阵，所述方法包括步骤：S0，令M＝m1*m2..*mi，N＝n1*n2..*nj，其中m和n分别为一组大于1小于等于L的整数；S1，将M*N的开关矩阵网络分解为m1*n1个的
Figure DDA0002929532880000011
小矩阵；S2，检测
Figure DDA0002929532880000012
小矩阵是否能够完成L层电路的信号切换需求，如果能则分解结束；如果不能则根据上述分解关系继续对小矩阵
Figure DDA0002929532880000013
进行分解后继续检测，直至完成对整个M*N开关矩阵电路的实现，本发明有效降低微波或毫米波信号交叉对高频段多层电路层数的需求，降低设计难度，并且大大降低电路的体积和重量等。

Description

开关矩阵的实现方法、开关矩阵、模块及波束合成网络
技术领域
本发明涉及电子领域，更为具体的，涉及开关矩阵的实现方法、开关矩阵、模块及波束合成网络。
背景技术
在通信、雷达、电子战领域，随着技术的快速发展，系统功能越来越复杂，前端接收通道路数越来越多。但从系统的体积、成本等因素考虑，除数字波束形成系统(DBF)外，一般系统中后端处理通道的数量总是远小于前端接收通道数量。所以中间必须有波束形成网络进行通道合成或者开关矩阵进行通道选择。为了实现波束合成的功能，或者实现全部可能情况组合的切换(全路由)，需要M*N个微波通道。
从图1可以看出，为了实现M个接收前端通道到N个后端处理通道，需要有多层交叉电路。现有解决方法一般是如下3种：
1.在中频而非射频上应用大规模开关矩阵。由于频率比较低，信号可以在多层PCB之间来回穿行，而不会带来严重的插损或隔离问题，此时可以通过普通的多层PCB电路多层布线来实现多路交叉。
2.当系统功能要求不能在中频上进行信号通道切换，而必须在高频率的微波通道或者毫米波通道实现波束合成或信号切换时，现有的方法一般是通过电缆或硬连接的方法实现交叉互联。电缆连接的方法需要M*N根电缆，随着矩阵规模的增大，重量和装配难度都会急剧增加。硬连接的方法同样随着路数增多，重量会大大增加，同时当路数变多时硬连接的应力也会导致工艺装配上的困难。
3.通过微波多层电路的方法实现交叉互联。受工艺的限制，微波多层电路同样不能有很多的层数来实现多层微波或毫米波的传输。一般来说，该层数小于等于4层。因此直接用微波多层电路来实现波束形成网络或开关矩阵时，要求M或者N其中之一小于等于4。当M和N都大于4时，无法直接用微波多层电路直接实现所需要的电路。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种大规模毫米波开关矩阵实现方法及开关矩阵，有效降低微波或毫米波信号交叉对高频段多层电路层数的需求，降低设计难度，并且大大降低电路的体积和重量等。
本发明的目的是通过以下方案实现的：
一种开关矩阵的实现方法，对需求为M*N的开关矩阵网络，记其最大交叉层数为L；包括一个分解的步骤，在所述分解的步骤中，包括如下子步骤：
S0，令M＝m1*m2..*mi，N＝n1*n2..*nj，其中m和n分别为一组大于1小于等于L的整数；
S1，将M*N的开关矩阵网络分解为m1*n1个的
Figure BDA0002929532860000021
小矩阵；
S2，检测
Figure BDA0002929532860000022
小矩阵是否能够完成L层电路的信号切换需求，如果能则分解结束；如果不能则根据上述分解关系继续对小矩阵
Figure BDA0002929532860000023
进行分解后继续检测，直至完成对整个M*N开关矩阵电路的实现。
一种开关矩阵，采用如上所述方法实现。
一种多层互联的通用模块，采用如上所述方法实现。
进一步地，所述多层互联的通用模块，能够通过电缆或者硬连接组成开关矩阵模块。
一种波束合成网络，包括多个所述多层互联的通用模块。
进一步地，所述波束合成网络包括微波波束合成网络。
进一步地，所述微波波束合成网络能够用平面集成电路实现。
进一步地，，多个用平面集成电路实现的微波波束合成网络能够互联。
本发明的有益效果是：
本发明实施例的方法，可以实现多层交叉微波波束合成网络或开关矩阵，有效降低微波或毫米波信号交叉对高频段多层电路层数的需求，降低设计难度，并且大大降低电路的体积和重量。对于更大规模系统，也可通过本发明实施例方法，设计小型的多层互联的通用模块，并可用硬件连接的实施方式将通用模块拼接成更大规模的微波波束合成网络或开关矩阵，可显著减小体积，同时提高输入输出数量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为开关矩阵的功能示意图；
图2为本发明实施例中M*N的矩阵分解示意图；
图3为本发明实施例中4*4开关矩阵分解示意图；
图4为本发明实施例中开关矩阵原理图；
图5为本发明实施例中8选4开关矩阵电路原理图；
图6为本发明实施例中8选4开关矩阵电路布局图；
图7为本发明实施例中开关矩阵测试结果图；
图8为本发明实施例中40选4开关矩阵应用模块的示意图。
具体实施方式
本说明书中所有实施例公开的所有特征，或隐含公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合和/或扩展、替换。
如图1～8所示，一种开关矩阵的实现方法，对需求为M*N的开关矩阵网络，记其最大交叉层数为L；包括一个分解的步骤，在所述分解的步骤中，包括如下子步骤：
S0，令M＝m1*m2..*mi，N＝n1*n2..*nj，其中m和n分别为一组大于1小于等于L的整数；
S1，将M*N的开关矩阵网络分解为m1*n1个的
Figure BDA0002929532860000041
小矩阵；
S2，检测
Figure BDA0002929532860000042
小矩阵是否能够完成L层电路的信号切换需求，如果能则分解结束；如果不能则根据上述分解关系继续对小矩阵
Figure BDA0002929532860000043
进行分解后继续检测，直至完成对整个M*N开关矩阵电路的实现。
一种开关矩阵，采用如上所述方法实现。
一种多层互联的通用模块，采用如上所述方法实现。
进一步地，所述多层互联的通用模块，能够通过电缆或者硬连接组成开关矩阵模块。
一种波束合成网络，包括多个所述多层互联的通用模块。
进一步地，所述波束合成网络包括微波波束合成网络。
进一步地，所述微波波束合成网络能够用平面集成电路实现。
进一步地，，多个用平面集成电路实现的微波波束合成网络能够互联。
在本发明的实施例中，设需求为实现M*N的矩阵，微波多层电路交叉层数限制为L；假设M＝m1*n2..*ni,N＝n1*n2..*nj；其中m和n为一组大于1小于等于L的整数。如M和N不能分解，可以向上取最接近的容易分解的数，根据实现的便利性也可以用不同的分解组合来实现电路。
则通过一次n1层的多层交叉电路，可将M*N的矩阵分解为m1*n1个的
Figure BDA0002929532860000051
小矩阵来实现。同理类推，如果
Figure BDA0002929532860000052
小矩阵的规模仍然不能直接通过多层完成，也可以根据上述分解继续对小矩阵进行分解，从而完成整个矩阵分解。
例如，当M＝N＝8，L为2时，可以分解为M＝2*4，N＝2*4。其实现方法如图2所示，将通过一次分解后，矩阵可以分解为4个4*4的开关矩阵来实现。而对于4*4开关，其分解如图3所示，可见经过2次分解，即可以在只有2层交叉的限制条件下，完成用多层电路实现的8*8开关矩阵。
通过对M*N矩阵的分解，将原本需要N层交叉的电路逐步分解为不超过L层的多层电路来实现，从而将大型开关矩阵通过微波平面集成电路实现，也可在单个模块输入输出数量受限的时候，先通过多层交叉的微波平面集成电路实现标准化的小型矩阵模块，然后再用电缆或者硬连接组成更大的开关矩阵模块。
在本发明的其他实施例中，设需求为40选4开关矩阵，由于工艺限制，交叉层数最大为2层。根据模块大小的限制，利用本发明实施例的方法，首先将40分解为8*5，即将40*4的开关矩阵分解为5个8*4开关矩阵模块和4个5选1开关。如图4所示，其中8*4开关矩阵模块与5选1开关之间的连接是跨模块连接，8*4开关模块和5选1开关互联结合之后，即可实现任意的40选4输出。
图5为8选4开关矩阵的原理图，每路信号进入后功分4路，再通过8选1开关选择输出4路，功分器与开关之间的交叉互联通过微波多层微印电路实现。
8选4开关的电路布局如图6所示，可见在实际布局时，对8选4开关进行2次分解，最终在交叉层数小于2的限制下，实现了8*4的开关矩阵。
在本发明的其他实施例中，可以是一种应用在毫米波频段的40选4开关矩阵，由于工艺限制交叉层数不能大于2，同时考虑模块体积限制一个模块输入限制为8路。为了满足工作频率、体积、重量的要求，从功能原理上面考虑，将40选4的开关矩阵先分解为5个8选4的开关矩阵模块和4组5选1开关两级模块实现4路输出。两级模块之间通过毫米波电缆级联，最终实现任意选择的40选4开关矩阵。在实际工程应用设计中，这种设计方式可以通过8选4开关内部多层交叉互联以及两级模块电缆立体互联实现多层交叉的功能。
本发明实施例能保证在功能、指标、装配便利性，以及满足多层交叉工艺限制的前提下，最大限度地减少毫米波模块之间的互联电缆或硬连接，可以有效降低集成模块的设计难度，满足大规模系统的小型化设计和体积重量约束，在毫米波频段工艺限制严格的情况下应用更为广泛。
本发明实施例可以实现减重以及可靠性的提升，开关矩阵实际测试结果如图2所示，利用本发明实施例设计的开关矩阵，可以实现在毫米波频段的波动有效控制在3.5dB以内。
本发明功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，在一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)以及相应的软件中执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、或者光盘等各种可以存储程序代码的介质，进行测试或者实际的数据在程序实现中存在于只读存储器(Random Access Memory，RAM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)等。

Claims (8)

1.一种开关矩阵的实现方法，对需求为M*N的开关矩阵网络，记其最大交叉层数为L；其特征在于，包括一个分解的步骤，在所述分解的步骤中，包括如下子步骤：
S0，令M＝m1*m2..*mi，N＝n1*n2..*nj，其中m和n分别为一组大于1小于等于L的整数；
S1，将M*N的开关矩阵网络分解为m1*n1个的
Figure FDA0002929532850000011
小矩阵；
S2，检测
Figure FDA0002929532850000012
小矩阵是否能够完成L层电路的信号切换需求，如果能则分解结束；如果不能则根据上述分解关系继续对小矩阵
Figure FDA0002929532850000013
进行分解后继续检测，直至完成对整个M*N开关矩阵电路的实现。
2.一种开关矩阵，其特征在于，采用如上所述方法实现。
3.一种多层互联的通用模块，其特征在于，采用如上所述方法实现。
4.根据权利要求3所述的一种多层互联的通用模块，其特征在于，所述多层互联的通用模块，能够连接组成开关矩阵模块。
5.一种波束合成网络，其特征在于，包括多个所述多层互联的通用模块。
6.根据权利要求5所述的一种波束合成网络，其特征在于，所述波束合成网络包括微波波束合成网络。
7.根据权利要求5或6任一所述的一种波束合成网络，其特征在于，所述微波波束合成网络能够用平面集成电路实现。
8.根据权利要求7所述的一种波束合成网络，其特征在于，多个用平面集成电路实现的微波波束合成网络能够互联。
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