CN113507290B - 一种双向多极化方式收发系统及其收发方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双向多极化方式收发系统及其收发方法，收发系统包括双向放大单元PA1、1：2等功分网络W1、移相器N1、移相器N2、收发开关K1、收发开关K2、末级放大单元PA2、末级放大单元PA3、限幅低噪声放大单元LNA1、限幅低噪声放大单元LNA2、环行器W2、环行器W3、固定相差分配器F1、收发天线T1以及收发天线T2，双向放大单元PA1的发射输出端与1：2等功分网络W1的输入端口相连，1：2等功分网络W1的一个输出端口与移相器N1的输入端相连，1：2等功分网络W1的另一个输出端口与移相器N2的输入端相连；本发明的优点在于：实现收发信号双向多极化方式的灵活切换，使双输出收发系统得到广泛应用。

Description

一种双向多极化方式收发系统及其收发方法
技术领域
本发明涉及雷达、通讯、电子对抗系统中接收发射技术领域，更具体涉及一种双向多极化方式收发系统及其收发方法。
背景技术
收发系统是与天线连接的一种装置，一方面将一定工作频率和带宽的微弱射频小信号进行放大至大功率射频信号通过天线装置发射出去，另一方面将天线接收到的微弱回波信号进行低噪声放大、变频至ADC芯片可以处理的中频信号，从而实现对目标物的探测、测距、对抗、干扰等。收发系统与天线连接的前端通常包括驱动级放大单元、末级放大单元、环行器(或隔离器)、限幅低噪放等器件。
在某些场合的应用下，一套收发系统需要进行切换实现与两套天线装置的连接。为实现一对二的切换，传统方式是在发射的末级放大单元之后放置一个三端口的高功率微波开关，接收的限幅低噪放之后放置一个三端口的微波开关，通过控制微波开关的端口导通实现收发系统与其中一套天线的信号连接。
通过大功率微波开关实现天线的切换，当系统的输出功率越大、工作频率越高时，微波开关的损耗越大，开关切换时间越长，从而影响收发系统的工作效率和双天线分时工作的时间间隔。
针对这种传统方式带来的限制，中国专利申请号201520480994.1，公开了一种分时双输出发射系统，将切换开关前置到末级放大单元之前，通过固定相差分配器和固定相差合成器的共同作用，实现向双天线的输出切换。这种方式解决了大功率开关带来的系统效率损耗和切换时间，实现系统的高效高速切换。但是这种方式由于固定相差分配器和合成器存在的固定相位差关系，工作过程中只能分时选择一个天线，极化方式单一，并且只能用于发射模式。要实现接收模式下的极化方式选择，需要增加额外的切换电路。另外，由于四端口器件固定相差分配器和合成器在设计中需要增加电路板层数，不利于电路的集成设计。
极化方式单一，收发不能同时切换更多的极化方式，不利于电路集成设计，在一定程度上制约了双输出收发系统更广泛的应用。在此基础上，需要设计一种易集成可灵活切换输出的高速高效收发系统。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于现有技术收发系统极化方式单一，收发不能同时切换更多的极化方式，在一定程度上制约了双输出收发系统更广泛的应用。
本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：一种双向多极化方式收发系统，包括双向放大单元PA1、1：2等功分网络W1、移相器N1、移相器N2、收发开关K1、收发开关K2、末级放大单元PA2、末级放大单元PA3、限幅低噪声放大单元LNA1、限幅低噪声放大单元LNA2、环行器W2、环行器W3、固定相差分配器F1、收发天线T1以及收发天线T2，所述双向放大单元PA1的发射输出端与1：2等功分网络W1的输入端口相连，1：2等功分网络W1的一个输出端口与移相器N1的输入端相连，1：2等功分网络W1的另一个输出端口与移相器N2的输入端相连；
所述移相器N1的输出端与收发开关K1的第一端相连，移相器N2的输出端与收发开关K2的第一端相连；收发开关K1的第二端和第三端分别与末级放大单元PA2的输入端以及限幅低噪声放大单元LNA1的输出端相连，收发开关K2的第二端和第三端分别与末级放大单元PA3的输入端以及限幅低噪声放大单元LNA2的输出端相连；
所述末级放大单元PA2的输出端与环行器W2的第一端连接，末级放大单元PA3的输出端与环行器W3的第一端连接，限幅低噪声放大单元LNA1的输入端与环行器W2的第三端连接，限幅低噪声放大单元LNA2的输入端与环行器W3的第三端连接；所述环行器W2的第二端与固定相差电桥F1的第一端相连，环行器W3的第二端与固定相差电桥F1的第三端相连，固定相差电桥F1的第三端与收发天线T1相连，固定相差电桥F1的第四端与收发天线T2相连。
本发明在发射工作模式下，通过移相器N1、移相器N2和固定相差电桥F1的不同相位组合，实现收发天线T1和收发天线T2的不同极化方式，接收工作模式为发射工作模式的逆过程，通过移相器N1和移相器N2的不同相移输出实现天线接收的不同极化方式，从而实现收发信号双向多极化方式的灵活切换，使得双输出收发系统得到更广泛的应用。
进一步地，所述双向放大单元PA1包括两路放大器和一组收发切换开关，接收、发射方向各一路放大器，通过收发切换开关来控制接收、发射工作方向。
进一步地，所述1：2等功分网络W1的两个输出端口为等幅同相输出，两个输出端口的相位与其输入端口同相。
进一步地，所述移相器N1和移相器N2的电路结构完全相同，均通过控制信号电平的变化，输出相应相移的信号，移相步进为360°的1/2n，其中，n大于等于1。
更进一步地，所述移相器N1和移相器N2用不同的信号电平控制输出不同的相移量，移相切换时间小于等于收发切换时间。
进一步地，所述收发开关K1和收发开关K2均为三端口的开关网络，均通过控制信号电平的变化控制第一端口和第二端连通，或者第一端和第三端连通，当第一端和第二端连通时，为发射工作状态；当第一端和第三端连通时，为接收工作状态，收发开关K1和收发开关K2的切换时间均为纳秒级。
进一步地，所述环行器W2和环行器W3均为单向传输的三端口器件，其第一端向第二端传输方向为发射工作状态，第二端向第三端传输方向为接收工作状态。
进一步地，所述固定相差电桥F1是四端口器件，四个端口之间存在固定的相位关系，固定相差电桥F1的第一端与第四端之间存在固定相差90°±5゜，固定相差电桥F1的第二端与第三端之间存在固定相差90°±5゜，固定相差电桥F1的第一端与第三端之间存在固定相差0°±5゜，固定相差电桥F1的第二端与第四端之间存在固定相差0°±5゜。
本发明还提供一种双向多极化方式收发系统的收发方法，所述方法包括：发射工作模式下，输入激励信号由双向放大单元送入1：2等功分网络W1，1：2等功分网络W1输出为等幅等相的两路信号，移相器N1、移相器N2分别接收1：2等功分网络W1的输出信号并选择相应的相移输出，分别经末级放大单元PA2和末级放大单元PA3放大后送入固定相差电桥F1，固定相差电桥F1输出的两端口具有固定的相位差，通过移相器N1、移相器N2和固定相差电桥F1的不同相位组合，实现收发天线T1和收发天线T2的不同极化方式。
进一步地，所述方法包括：接收工作模式为发射工作模式的逆过程，由收发开关K1、收发开关K2控制接收发射工作模式切换，通过移相器N1和移相器N2的不同相移输出实现天线接收的不同极化方式。
本发明的优点在于：
(1)本发明在发射工作模式下，通过移相器N1、移相器N2和固定相差电桥F1的不同相位组合，实现收发天线T1和收发天线T2的不同极化方式，接收工作模式为发射工作模式的逆过程，通过移相器N1和移相器N2的不同相移输出实现天线接收的不同极化方式，从而实现收发信号双向多极化方式的灵活切换，使得双输出收发系统得到更广泛的应用。
(2)本发明基于低插损固定相差电桥的作用实现天线指定端口的选择，与传统在末级功放之后加大功率开关切换相比，插入损耗更小，整机效率更高。
(3)本发明1：2等功分网络W1由单层微带电路实现，可与有源电路集成设计，由1：2等功分网络W1功分后的两路移相和输出收发的电路形式完全一致，可进行集成设计为一块多层多功能板；输出固定相差电桥F1可通过多层微带板实现，易于与双输出天线集成设计，提高了收发系统的集成度。
(4)本发明通过控制移相器的相移输出，从而控制两路收发电路的相位差输出，可实现收发天线T1极化收发、收发天线T2极化收发、收发天线T1+T2组合极化收发等多种工作模式。
(5)本发明通过快速控制两个移相器的相移输出，接收工作模式同样可以实现多极化方式的切换与组合。
附图说明
图1为本发明实施例所提供的一种双向多极化方式收发系统的结构原理图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，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作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。
如图1所示，一种双向多极化方式收发系统，包括双向放大单元PA1、1：2等功分网络W1、移相器N1、移相器N2、收发开关K1、收发开关K2、末级放大单元PA2、末级放大单元PA3、限幅低噪声放大单元LNA1、限幅低噪声放大单元LNA2、环行器W2、环行器W3、固定相差分配器F1、收发天线T1以及收发天线T2，所述双向放大单元PA1的发射输出端与1：2等功分网络W1的输入端口相连，1：2等功分网络W1的一个输出端口与移相器N1的输入端相连，1：2等功分网络W1的另一个输出端口与移相器N2的输入端相连；
所述移相器N1的输出端与收发开关K1的第一端相连，移相器N2的输出端与收发开关K2的第一端相连；收发开关K1的第二端和第三端分别与末级放大单元PA2的输入端以及限幅低噪声放大单元LNA1的输出端相连，收发开关K2的第二端和第三端分别与末级放大单元PA3的输入端以及限幅低噪声放大单元LNA2的输出端相连；
所述末级放大单元PA2的输出端与环行器W2的第一端连接，末级放大单元PA3的输出端与环行器W3的第一端连接，限幅低噪声放大单元LNA1的输入端与环行器W2的第三端连接，限幅低噪声放大单元LNA2的输入端与环行器W3的第三端连接；所述环行器W2的第二端与固定相差电桥F1的第一端相连，环行器W3的第二端与固定相差电桥F1的第三端相连，固定相差电桥F1的第三端与收发天线T1相连，固定相差电桥F1的第四端与收发天线T2相连。
所述双向放大单元PA1包括两路放大器和一组收发切换开关，接收、发射方向各一路放大器，通过收发切换开关来控制接收、发射工作方向。所述1：2等功分网络W1的两个输出端口为等幅同相输出，两个输出端口的相位与其输入端口同相。所述移相器N1和移相器N2的电路结构完全相同，均通过控制信号电平的变化，输出相应相移的信号，移相步进为360°的1/2n，其中，n大于等于1。所述移相器N1和移相器N2用不同的信号电平控制输出不同的相移量，移相切换时间小于等于收发切换时间。所述收发开关K1和收发开关K2均为三端口的开关网络，均通过控制信号电平的变化控制第一端口和第二端连通，或者第一端和第三端连通，当第一端和第二端连通时，为发射工作状态；当第一端和第三端连通时，为接收工作状态，收发开关K1和收发开关K2的切换时间均为纳秒级。所述环行器W2和环行器W3均为单向传输的三端口器件，其第一端向第二端传输方向为发射工作状态，第二端向第三端传输方向为接收工作状态。所述固定相差电桥F1是四端口器件，四个端口之间存在固定的相位关系，固定相差电桥F1的第一端与第四端之间存在固定相差90°±5゜，固定相差电桥F1的第二端与第三端之间存在固定相差90°±5゜，固定相差电桥F1的第一端与第三端之间存在固定相差0°±5゜，固定相差电桥F1的第二端与第四端之间存在固定相差0°±5゜。
本发明还提供一种双向多极化方式收发系统的收发方法，所述方法包括：发射工作模式下，输入激励信号由双向放大单元送入1：2等功分网络W1，1：2等功分网络W1输出为等幅等相的两路信号，移相器N1、移相器N2分别接收1：2等功分网络W1的输出信号并选择相应的相移输出，分别经末级放大单元PA2和末级放大单元PA3放大后送入固定相差电桥F1，固定相差电桥F1输出的两端口具有固定的相位差，通过移相器N1、移相器N2和固定相差电桥F1的不同相位组合，实现收发天线T1和收发天线T2的不同极化方式。
接收工作模式为发射工作模式的逆过程，由收发开关K1、收发开关K2控制接收发射工作模式切换，通过移相器N1和移相器N2的不同相移输出实现天线接收的不同极化方式。
以下以具体实例详细介绍本发明的工作过程：工作在发射状态时，收发开关K1的第一端与第二端接通，收发开关K2的第一端与第二端接通。发射小信号经双向放大单元PA1进行初步功率放大，从1：2等功分网络W1的第一端输入，由1：2等功分网络W1进行等功率分配后分别从其第二端与第三端输出。
设到达1：2等功分网络W1的第一端的发射信号为2*P0，因1：2等功分网络W1为等幅同相分配网络，则理论上，从1：2等功分网络W1的第二端与第三端出来的信号完全相同，可表示为：
P2＝P3＝P0
设移相器N1相移量为θ、移相器N2相移量为
Figure BDA0003150789860000091
由1：2等功分网络W1等功分出来的两路信号P2、P3，经移相器N1、移相器N2后分别会产生θ与
Figure BDA0003150789860000092
的相移量，通过末级放大单元PA2，末级放大单元PA3进行功率放大后，通过环形器W2，环形器W3实现单向传输。假定末级放大单元PA2，末级放大单元PA3的功率放大倍数为A，则到达固定相差电桥F1的第一端和第二端的信号分别为：
P2,1＝P0*(cosθ+j sinθ)*A
Figure BDA0003150789860000093
其中，j表示90度相位差。
因固定相差电桥F1的第一端、第四端之间和第二端、第三端之间存在固定相差90°±5゜，端口1、3之间和端口2、4之间存在固定相差0°±5゜。则到达固定相差电桥F1的3端口、4端口的出射波的信号分别为：
Figure BDA0003150789860000094
Figure BDA0003150789860000095
由上可见：
(1)当移相器N1相移量为0°、N2相移量为90°，即θ＝0°、
Figure BDA0003150789860000101
时：
P3’＝[(1-1)+j*(0+0)]*P0*A＝0
P4’＝[(0-0)+j*(1+1)]*P0*A＝j*2P0*A
信号将从固定相差电桥F1的输出端口4传输到收发天线T2进行发射，而收发天线T1无信号输出。
(2)当移相器N1相移量为90°、移相器N2相移量为0°，即θ＝90°、
Figure BDA0003150789860000102
时：
P3’＝[(0-0)+j*(1+1)]*P0*A＝j*2P0*A
P4’＝[(1-1)+j*(0+0)]*P0*A＝0
信号将从固定相差电桥F1的输出端口3传输到收发天线T1进行发射，而收发天线T2无信号输出。
(3)当以360°的1/2n为步进分别控制移相器N1、移相器N2的输出相移量θ、
Figure BDA0003150789860000103
时，根据公式1、2计算，将会产生任意极化角度的发射信号到收发天线T1、收发天线T2，从而灵活切换天线的极化方式。
(4)工作在接收状态时，信号传输流程为发射工作状态的逆过程，同样由移相器N1、移相器N2产生的相移量实现任意极化角度天线的接收。
通过以上技术方案，本发明在发射工作模式下，通过移相器N1、移相器N2和固定相差电桥F1的不同相位组合，实现收发天线T1和收发天线T2的不同极化方式，接收工作模式为发射工作模式的逆过程，通过移相器N1和移相器N2的不同相移输出实现天线接收的不同极化方式，从而实现收发信号双向多极化方式的灵活切换，使得双输出收发系统得到更广泛的应用。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种双向多极化方式收发系统，其特征在于，包括双向放大单元PA1、1：2等功分网络W1、移相器N1、移相器N2、收发开关K1、收发开关K2、末级放大单元PA2、末级放大单元PA3、限幅低噪声放大单元LNA1、限幅低噪声放大单元LNA2、环行器W2、环行器W3、固定相差电桥F1、收发天线T1以及收发天线T2，所述双向放大单元PA1的发射输出端与1：2等功分网络W1的输入端口相连，1：2等功分网络W1的一个输出端口与移相器N1的输入端相连，1：2等功分网络W1的另一个输出端口与移相器N2的输入端相连；
所述移相器N1的输出端与收发开关K1的第一端相连，移相器N2的输出端与收发开关K2的第一端相连；收发开关K1的第二端和第三端分别与末级放大单元PA2的输入端以及限幅低噪声放大单元LNA1的输出端相连，收发开关K2的第二端和第三端分别与末级放大单元PA3的输入端以及限幅低噪声放大单元LNA2的输出端相连；
所述末级放大单元PA2的输出端与环行器W2的第一端连接，末级放大单元PA3的输出端与环行器W3的第一端连接，限幅低噪声放大单元LNA1的输入端与环行器W2的第三端连接，限幅低噪声放大单元LNA2的输入端与环行器W3的第三端连接；所述环行器W2的第二端与固定相差电桥F1的第一端相连，环行器W3的第二端与固定相差电桥F1的第二 端相连，固定相差电桥F1的第三端与收发天线T1相连，固定相差电桥F1的第四端与收发天线T2相连；
所述固定相差电桥F1是四端口器件，四个端口之间存在固定的相位关系，固定相差电桥F1的第一端与第四端之间存在固定相差90°±5゜，固定相差电桥F1的第二端与第三端之间存在固定相差90°±5゜，固定相差电桥F1的第一端与第三端之间存在固定相差0°±5゜，固定相差电桥F1的第二端与第四端之间存在固定相差0°±5゜。
2.根据权利要求1所述的一种双向多极化方式收发系统，其特征在于，所述双向放大单元PA1包括两路放大器和一组收发切换开关，接收、发射方向各一路放大器，通过收发切换开关来控制接收、发射工作方向。
3.根据权利要求1所述的一种双向多极化方式收发系统，其特征在于，所述1：2等功分网络W1的两个输出端口为等幅同相输出，两个输出端口的相位与其输入端口同相。
4.根据权利要求1所述的一种双向多极化方式收发系统，其特征在于，所述移相器N1和移相器N2的电路结构完全相同，均通过控制信号电平的变化，输出相应相移的信号，移相步进为360°的1/2n，其中，n大于等于1。
5.根据权利要求4所述的一种双向多极化方式收发系统，其特征在于，所述移相器N1和移相器N2用不同的信号电平控制输出不同的相移量，移相切换时间小于等于收发切换时间。
6.根据权利要求1所述的一种双向多极化方式收发系统，其特征在于，所述收发开关K1和收发开关K2均为三端口的开关网络，均通过控制信号电平的变化控制第一端口和第二端连通，或者第一端和第三端连通，当第一端和第二端连通时，为发射工作状态；当第一端和第三端连通时，为接收工作状态，收发开关K1和收发开关K2的切换时间均为纳秒级。
7.根据权利要求1所述的一种双向多极化方式收发系统，其特征在于，所述环行器W2和环行器W3均为单向传输的三端口器件，其第一端向第二端传输方向为发射工作状态，第二端向第三端传输方向为接收工作状态。
8.根据权利要求1-7任一项所述的一种双向多极化方式收发系统的收发方法，其特征在于，所述方法包括：发射工作模式下，输入激励信号由双向放大单元送入1：2等功分网络W1，1：2等功分网络W1输出为等幅等相的两路信号，移相器N1、移相器N2分别接收1：2等功分网络W1的输出信号并选择相应的相移输出，分别经末级放大单元PA2和末级放大单元PA3放大后送入固定相差电桥F1，固定相差电桥F1输出的两端口具有固定的相位差，通过移相器N1、移相器N2和固定相差电桥F1的不同相位组合，实现收发天线T1和收发天线T2的不同极化方式。
9.根据权利要求8所述的一种双向多极化方式收发系统的收发方法，其特征在于，所述方法包括：接收工作模式为发射工作模式的逆过程，由收发开关K1、收发开关K2控制接收发射工作模式切换，通过移相器N1和移相器N2的不同相移输出实现天线接收的不同极化方式。
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