CN113437529B - 一种全极化有源相控阵天线阵列 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种全极化有源相控阵天线阵列，所述的全极化有源相控阵天线阵列包括全极化相控阵天线、全极化数字多通道收发模块；全极化相控阵天线由正交馈电的双线极化天线单元按阵列设计规则排列组成；全极化数字多通道收发模块包括双通道收发组件(T/R组件)、多功能收发数字板、数字传输及馈电网络。每个所述的正交馈电的双线极化天线单元有2个正交馈电端口分别与双通道收发组件(T/R组件)2个收发端口连接，通过控制T/R组件内的2个数字移相器相位关系，使天线辐射电场或接收电场实现水平或垂直线极化、左旋或右旋圆极化等任意极化功能。

Description

一种全极化有源相控阵天线阵列

技术领域

本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种全极化有源相控阵天线阵列。

背景技术

本部分的描述仅提供与本发明公开相关的背景信息，而不构成现有技术。

相控阵雷达扫描速度快、全空域监控探测能力强，不仅在各种军事目标探测中得到广泛应用，也在气象探测、测绘成像、交通管制等国民经济和社会生活密切相关的多个领域发挥重要作用。但由于各种探测目标对不同极化电磁波反射的特性各不相同，且不同极化电磁波在空间传输特性也存在差异，所以用多种极化电磁波探测，并把多种极化探测回波信息融合处理，有利于获取更多的目标信息。

常规相控阵天线阵列一般设计后不能改动，只能实现固定极化的电磁波探测，如大量装备水平极化的地面情报雷达、垂直极化的机载火控雷达。为了弥补单个极化电磁波探测信息的损失，科学工作者们又把水平极化的相控阵天气和垂直极化的相控阵天线堆叠起来，形成双线极化相控阵天线。这样虽然能同时获取2个极化的探测信息，但有源相控阵的设备量大幅增加，设备成本和研制难度、风险也指数级上升。如美国新一代大型地基相控阵雷达，周期长、成本极高，不利于大量生产和装备部署。在空间环境探测等部分特殊领域，圆极化相控阵雷达具有特殊的应用效果，但圆极化电磁波经目标反射后电磁场极化分量较多，用传统的固定极化天线接收都会存在能量损失。

随着电子信息和探测技术的高速发展，对相控阵雷达的探测能力、多种应用场、多种应用功能提出了更多的要求。因此对未来相控阵雷达和有源相控阵天线提出了多极化甚至全极化的要求：不仅能实现水平线极化、垂直线极化、左旋圆极化、右旋圆极化、椭圆极化等各种电磁波发射和接收，还能实现各种极化的快速切换，便于探测信息相干融合；并且设备量和成本不能大幅增加，便于生产和装备部署。

虽然目前已有双极化有源相控阵天线阵列、圆极化有源相控阵天线阵列的研制，但天线的极化形式基本固定不变，尚未见可实现全极化的有源相控阵天线阵列或雷达系统的研制和生产装备。有源相控阵天线阵列极化形式单一不变或无法做到全极化，在一定程度上限制了多功能、多任务相控阵系统的发展。

应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本发明的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本发明的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种全极化有源相控阵天线阵列。为了解决上述技术问题，本发明提供了一种全极化有源相控阵天线阵列，所述的全极化有源相控阵天线阵列包括全极化相控阵天线、全极化多通道数字收发模块及配套电源、骨架结构等，所述的全极化相控阵天线用于通过电磁波按指定形状辐射或接收空间电磁波能量，并实现水平、垂直、左旋/右旋圆极化中的任一极化的电磁波发射和接收；

所述的全极化多通道数字收发模块包括双通道T/R组件、多功能收发数字板、数字传输及馈电网络，所述的双通道T/R组件(21)包括发射通道、接收通道，所述的发射通道用于微波信号的激励、放大并为所述的全极化相控阵天线提供微波能量向空间辐射，所述的接收通道用于将所述的全极化相控阵天线接收到的微弱微波信号的放大并通过数字采样将模拟信号转化为数字信号，向后端的信息处理系统提供基带数字接收信号。优选地，所述的全极化相控阵天线包括多个按阵列设计规则排列的正交双极化天线单元，每个天线单元一般按工作频率和阵列扫描角度确定排列规则和排列单元间距。

优选地，正交双极化天线单元两个辐射臂分别按照斜-45°、斜+45°角相互垂直摆放，并且正交双极化天线单元两个辐射臂分别对应两个正交端口馈电。

优选地，所述的全极化相控阵天线可按照雷达系统设计要求，可采用一维或子阵级阵列组合、二维全有源阵列组合方式；若采用一维或子阵级阵列组合方式，先由多个正交双极化天线单元按照两个正交极化分别独立合成后再接双通道T/R组件；若采用二维全有源阵列组合方式，每个正交双极化天线单元分别接对应的双通道T/R组件。

优选地，所述的双通道T/R组件包括发射通道、接收通道及其他公共支路；所述的发射通道主要包括2个独立的末级发射功率放大器、2个独立控制的数字移相器、2个独立控制的数字衰减器、1个功分网络、1个变频放大模块，通过收发开关与正交双极化天线单元的两个极化馈电端口互联；所述的接收通道的链路与发射通道相反，通过收发开关切换，将正交双极化天线单元两个极化端口接收的信号分别经限幅低噪放、衰减器、移相器后合成，然后由变频放大模块接公共支路的收发开关。

优选地，所述的双通道T/R组件发射通道的上行激励信号、接收通道的下行接收信号都接公共支路的收发开关，由收发开关实现发射、接收工作状态切换。

优选地，所述的多功能收发数字板由8路收发开关、8通道数字ADC采用模块、1个FPGA处理模块、8通道数字波形生成DDS模块等组成，上述模块都集成在1块多功能收发数字板中；雷达系统所需多功能收发数字板数量由阵列规模确定。

优选地，所述的数字传输及馈电网络主要包括模拟信号传输网络和数字信号传输网络两部分，并分别通过连接器形成对外互联端口。

优选地，所述的每个双通道T/R组件的接收下行端口与多功能收发数字板中的1路数字A/D采样模块连接；每个双通道T/R组件的上行激励端口与多功能收发数字板中的1路数字激励信号连接。

优选地，所述的多功能收发数字板中8路或16路数字A/D采样模块的信号送入1块FPGA处理模块中进行信息处理后，由数字传输及馈电网络模块送入雷达后端处理。

优选地，所述的多功能收发数字板中发射数字激励信号由直接数字波束形成DDS模块产生，DDS模块产生的激励信号经过上变频和网络分配成8路或16路，分别与8路或16路T/R组件发射激励上行端口连接。

借由以上的技术方案，本发明的有益效果如下：

(1)提高有源相控阵系统执行多功能多任务的能力。与传统相控阵系统固定极化不同，通过全极化有源相控阵天线阵列的研制，可以通过电控数字移相器等模块来实现任一极化的电磁波发射和接收，进而可以为实现不同探测任务和需求在任务执行任一时间上快速变化相控阵系统极化特性，真实意义上提高有源相控阵系统的执行多功能多任务的能力；

(2)提高有源相控阵雷达系统多极化电磁波反射回波融合能力和目标识别能力。根据探测任务需求，设计不同极化电磁波分时发射和接收，利用不同极化电磁波对目标的不同散射特性，可以把各极化散射回波数据进行融合，获得更加全面、精确的目标信息，且特别有利于目标特性识别和隐身目标探测；

(3)减少探测目标散射回波损失。由于各种不规则或不确定的目标对电磁波散射复杂性，会扭转电磁波的极化特性。利用全极化有源相控阵天线阵列接收目标散射回波，可以接收到各种极化分量的回波信息，最大程度的收集目标散射回波能量，减少因极化不匹配造成的能量损失；

(4)提高有源相控阵系统抗干扰和抗杂波能力。无论实战对抗中各种干扰信号和非主动干扰信号，大多采用圆极化或其他固定极化电磁信号，采用全极化有源相控阵阵列系统可快速识别干扰信号极化特性，从而采取干扰抑制措施，提高系统抗干扰能力；地物或其他因素造成的杂波污染，也因不同极化电磁波呈现出不同特征，利用不同极化回波信息融合处理，也同样可以甄别出杂波信息，并可采取有效手段抑制或剔除杂波信息，提供相控阵系统性能。

附图说明

图1是本申请的全极化有源相控阵天线阵列的组成示意图；

图2是本申请的正交双极化天线单元的结构示意图；

图3是本申请的双通道T/R组件组成示意图；

图4是本申请的多功能收发数字板组成示意图；

图5是采用全极化有源相控阵天线空间任一极化合成及仿真示意图；

图6是天线圆极化轴比图，轴比：是天线圆极化的一个特征指标，指极化椭圆的长轴与短轴的比值；横坐标代表角度，单位deg，纵坐标代表轴比大小，单位dB。

其中：10、全极化相控阵天线；20、全极化多通道数字收发模块；11、正交双极化天线单元；21、双通道T/R组件；22、多功能收发数字板；23、数字传输及馈电网络。

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，本领域普通技术人员在没有做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。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的和区别类似的对象，两者之间并不存在先后顺序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

本发明提供了一种全极化有源相控阵天线阵列，所述的一种全极化有源相控阵天线阵列包括全极化相控阵天线10、全极化多通道数字收发模块20及配套电源、骨架结构等。所述的全极化相控阵天线10包括多个按阵列设计规则排列的正交双极化天线单元11，每个天线单元一般按工作频率和阵列扫描角度确定排列规则和排列单元间距。正交双极化天线单元11两个辐射臂分别按照斜-45°、斜+45°角相互垂直摆放，并且正交双极化天线单元11两个辐射臂分别对应两个正交端口馈电。

所述的全极化相控阵天线10由256个正交双极化天线单元11按照16行、16列等间距规则矩形排列组成，每个正交双极化天线单元11的两个正交馈电分别与双通道T/R组件H、V，构建二维扫描的全有源全极化相控阵天线阵列。根据工作频率和二维扫描的最大角度，确定天线阵列的排列间距，保证天线阵列的在扫描区域内的综合性能。

正交双极化天线单元11形式需要根据不同的频段选择最恰当的形式。在频率小于500MHz以下频段范围内，建议选择金属臂的正交偶极子单元；频率高于500MHz以上的频段范围，建议选择微带正交偶极子单元；其他特殊情况下，也可以选择有八木天线或对数周期天线组成正交双极化天线单元。本实施案例中，选择工作频率为S波段，选择两个微带偶极子组成正交双极化天线单元。两个微带偶极子辐射臂分别按照斜-45°、斜+45°角相互垂直摆放；由于偶极子天线辐射电场方向与辐射臂平行，两个微带偶极子组成正交双极化天线单元辐射电场也分别呈斜-45°、斜+45°角相互垂直。

所述的全极化多通道数字收发模块20包括双通道T/R组件21、多功能收发数字板22、数字传输及馈电网络23等几个主要模块。

双通道T/R组件21与正交双极化天线单元11对应，按照16行、16列规则排列。双通道T/R组件21的H、V端口分别与正交双极化天线单元11的两个正交微带偶极子连接。为了保证系统损耗最小、综合性能最优，一般双通道T/R组件21直接放置在天线阵列的后方，通过较短的射频电缆即可与天线单元连接。

双通道T/R组件21包括发射通道、接收通道及公共支路、供电与控制模块，所述的发射通道包括1个激励功率分配器、2个独立的数控衰减器、2个独立的数控移相器及2个独立的末级发射功率管，通过公共支路的收发开关与天线单元的两个正交极化馈电端口互联；所述的接收通道的链路与发射通道相反，包括2个独立的低噪声放大器、2个独立的数控衰减器、2个独立的数控移相器及、1个接收功率合成器，同样通过收发开关切换，将正交双极化天线单元11两个正交极化端口接收的信号分别合成、下变频、放大后接到多功能收发数字板22。

多功能收发数字板22同样需要和相控阵天线规模匹配，与双通道T/R组件21与正交双极化天线单元11对应。本案例中256个双通道T/R组件21、256个正交双极化天线单元11对应32个多功能收发数字板22。每个多功能收发数字板22由8路收发开关、8通道数字A/D采样模块、1个FPGA处理模块、8通道数字波形生成DDS模块等组成。8路收发开关分别与8个双通道T/R组件21连接，实现接收信号采集送A/D采样模块和DDS模块发射激励信号切换。

8通道数字A/D采样模块可以根据系统设计需求，采用单芯片或双芯片方案，实现接收模拟信号的数字化采样；数字信号经A/D后送FPGA处理模块，完成接收信号的快速傅里叶变换FFT、脉冲积累等基本运算，数据打包后经光纤送到相控阵雷达后端信息处理设备(数字波束形成DBF、信号处理等)。

8通道数字波形生成DDS模块可直接生产频率较低的各种波形，通过双通道T/R组件内变频模块形成发射激励信号。

同时，为了保证相控阵雷达探测威力和精度，有源相控阵天线阵列还需要窄波束、低副瓣。窄波束通过增加阵列规模和辐射单元数量实现，低副瓣则通过经典的幅度加权实现。泰勒加权可以提供电平几乎相等的前n个副瓣和衰减的远副瓣，是相控阵中使用比较广泛的一种幅度加权方式。通过控制双通道T/R组件20的接收通道的数控衰减器实现相控阵天线阵列的幅度按照泰勒加权进行量化，通过控制双通道T/R组件20的数控移相器实现相位补偿、校准及波束扫描。

全极化相控阵天线10、全极化多通道数字收发模块20及配套伺服、电源、骨架结构等模块，用于构建完整的有源相控阵系统。

借由以上的技术方案，本发明的有益效果如下：

(1)提高有源相控阵系统执行多功能多任务的能力。与传统相控阵系统固定极化不同，通过全极化有源相控阵天线阵列的研制，可以通过电控数字移相器等模块来实现任一极化的电磁波发射和接收，进而可以为实现不同探测任务和需求在任务执行任一时间上快速变化相控阵系统极化特性，真实意义上提高有源相控阵系统的执行多功能多任务的能力；

(2)提高有源相控阵雷达系统多极化电磁波反射回波融合能力和目标识别能力。根据探测任务需求，设计不同极化电磁波分时发射和接收，利用不同极化电磁波对目标的不同散射特性，可以把各极化散射回波数据进行融合，获得更加全面、精确的目标信息，且特别有利于目标特性识别和隐身目标探测；

(3)减少探测目标散射回波损失。由于各种不规则或不确定的目标对电磁波散射复杂性，会扭转电磁波的极化特性。利用全极化有源相控阵天线阵列接收目标散射回波，可以接收到各种极化分量的回波信息，最大程度的收集目标散射回波能量，减少因极化不匹配造成的能量损失；

(4)提高有源相控阵系统抗干扰和抗杂波能力。无论实战对抗中各种干扰信号和非主动干扰信号，大多采用圆极化或其他固定极化电磁信号，采用全极化有源相控阵阵列系统可快速识别干扰信号极化特性，从而采取干扰抑制措施，提高系统抗干扰能力；地物或其他因素造成的杂波污染，也因不同极化电磁波呈现出不同特征，利用不同极化回波信息融合处理，也同样可以甄别出杂波信息，并可采取有效手段抑制或剔除杂波信息，提供相控阵系统性能。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (7)

1.一种全极化有源相控阵天线阵列，其特征在于，所述的全极化有源相控阵天线阵列包括全极化相控阵天线、全极化多通道数字收发模块及配套电源、骨架结构，

所述的全极化相控阵天线用于通过电磁波按指定形状辐射或接收空间电磁波能量，并实现水平、垂直、左旋/右旋圆极化中的任一极化的电磁波发射和接收；

所述的全极化多通道数字收发模块包括双通道T/R组件、多功能收发数字板、数字传输及馈电网络，所述的双通道T/R组件包括发射通道、接收通道，所述的发射通道用于微波信号的激励、放大并为所述的全极化相控阵天线提供微波能量向空间辐射，所述的接收通道用于将所述的全极化相控阵天线接收到的微弱微波信号的放大并通过数字采样将模拟信号转化为数字信号，向后端的信息处理系统提供基带数字接收信号，

所述的全极化相控阵天线包括多个按阵列设计规则排列的正交双极化天线单元，每个天线单元按工作频率和阵列扫描角度确定排列规则和排列单元间距，

所述的正交双极化天线单元的两个天线按照斜-45°、斜+45°角相互垂直摆放，并分别通过两个正交端口馈电。

2.根据权利要求1所述的全极化有源相控阵天线阵列，其特征在于，每个所述的正交双极化天线单元对应一个双通道T/R组件，正交双极化天线单元的两个正交端口馈电分别接双通道T/R组件的H、V馈电端口，通过控制双通道T/R组件内的两路数字移相器，控制馈电相位和天线空间辐射电场，实现水平、垂直双线极化及左旋圆极化、右旋圆极化性能，并拓展实现椭圆极化。

3.根据权利要求2所述的全极化有源相控阵天线阵列，其特征在于，所述的双通道T/R组件的H、V端口分别对应1套独立的收发通道，每个收发通道中都包含数控移相器和数控衰减器，用于通道的幅度相位控制。

4.根据权利要求3所述的全极化有源相控阵天线阵列，其特征在于，每个所述的双通道T/R组件内的2套独立的接收通道合成一个公共的接收下行端口，2套独立的发射通道共用一个上行激励端口。

5.根据权利要求4所述的全极化有源相控阵天线阵列，其特征在于，每个所述的双通道T/R组件的接收下行端口与多功能收发数字板中的1路数字A/D采样模块连接；每个双通道T/R组件的上行激励端口与多功能收发数字板中的1路数字激励信号连接。

6.根据权利要求5所述的全极化有源相控阵天线阵列，其特征在于，所述的多功能收发数字板中8路或16路数字A/D采样模块的信号送入1块FPGA处理模块中进行信息处理后，由数字传输及馈电网络模块送入雷达后端处理。

7.根据权利要求6所述的全极化有源相控阵天线阵列，其特征在于，所述的多功能收发数字板中发射数字激励信号由直接数字波束形成DDS模块产生，DDS模块产生的激励信号经过上变频和网络分配成8路或16路，分别与8路或16路T/R组件发射激励上行端口连接。

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