CN114094319B - 一种单元级数字微系统天线稀疏布阵结构及阵列系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及有源相控阵雷达天线领域，特别涉及一种单元级数字微系统天线稀疏布阵结构及阵列系统，其包括：第一层的辐射阵列、第二层的数字化收发通道、第三层的供电与信号分配电路和第四层的框架与散热结构，辐射阵列具有8个双极化辐射单元，8个双极化辐射单元通过特定的方式布置在具有4行4列16个布置点的矩形板上；以此拓展单通道器件排布空间，实现多层三维堆叠架构下单元机数字收发链路集成；通过微系统选通单元的优化布置与微系统布阵策略设计，解决微系统周期性排布引发的周期副瓣等问题；减少双极化辐射单元的数量，而不减弱其必要的性能，有利于，利于散热设计与进一步复杂功能的集成，可将系统重量、成本、功耗缩减50％。

Description

一种单元级数字微系统天线稀疏布阵结构及阵列系统

技术领域

本申请涉及有源相控阵雷达天线领域，特别涉及一种单元级数字微系统天线稀疏布阵结构及阵列系统。

背景技术

随着应用需求的不断提升，要求有源相控阵雷达天线不断突破更宽的工作带宽、更灵活的极化选择、更轻的系统重量、更薄的剖面高度，还要求天线阵面具备一定的可重构、可拓展的特性，以适应不同平台、不同场景的应用需求，同时雷达要求具有多发多收功能，这也要求天线阵面具备多路独立的收发通道。随着系统集成技术的不断提升，基于子阵架构的天线系统得到了快速发展与应用，而能够一体化集成模拟、数字、供电等功能的微系统正是该架构实现的关键。

为保证天线良好的空间辐射特性，天线单元间距要求小于半波长，这就对射频和数字电路的排布产生尺寸限制，而对于双极化天线阵列，由于接口与控制电路的增加，尺寸压缩难度更大。因此，受限于芯片尺寸与集成工艺，现有微系统多为模拟收发微系统，各收发通道仅能够实现射频收发放大，难以实现全数字化收发通道，不能够支撑系统实现通道级MIMO。如果通过全阵稀疏阵列的方式，便难以实现标准化的微系统子阵设计，而若采用通道稀疏化的微系统，则会在天线方向图中产生周期性的副瓣，严重影响系统性能。

因此，为解决全数字收发通道微系统设计与实现，同时实现双极化阵列，使系统具备垂直/水平极化工作能力，本发明提出了一种基于稀疏阵的双极化单元级数字微系统天线阵，通过减少实际需要的收发通道，解决收发全链路器件难以在单元面积下集成的问题，同时通过微系统选通单元的优化布置与微系统布阵策略设计，实现天线阵列良好的低副瓣方向图特性。

发明内容

为了解决上述问题，本申请提供了一种单元级数字微系统天线稀疏布阵结构，包括：第一层的辐射阵列、第二层的数字化收发通道、第三层的供电与信号分配电路和第四层的框架与散热结构：

辐射阵列具有8个双极化辐射单元，8个双极化辐射单元布置在具有4行4列16个布置点的矩形板上；8个双极化辐射单元对应的所述布置点分别是第一行第二列，第一行第三列，第二行第一列，第二行第三列，第三行第二列，第三行第四列，第四行第一列，第四行第四列。

优选的是，辐射阵列还包括8个双极化虚元单元，8个双极化虚元单元分别布置在16个所述布置点中非双极化辐射单元所在的所述布置点上。

优选的是，双极化辐射单元与其同一行相邻的双极化虚元单元分别对应连接一个数字化收发通道。

优选的是，每一个数字化收发通道分布于其对应的双极化辐射单元与其同一行相邻的双极化虚元单元正下方。

优选的是，散热结构的散热方式包括液冷或者被动散热。

一种阵列系统，所述阵列系统包括所述的单元级数字微系统天线稀疏布阵结构，所述阵列系统包括：由所述单元级数字微系统天线稀疏布阵结构旋转0°的第一微系统，旋转90°的第二微系统，旋转180°的第三微系统，旋转270°的第四微系统，所述阵列系统由第一微系统，第二微系统，第三微系统与第四微系统仿真优化拼接而成。

优选的是，阵列系统的形状包括矩形。

优选的是，其具有8行8列共64个安装点，所述每个安装点具有一个第一微系统、第二微系统、第三微系统或者第四微系统

本申请的优点包括：

1、通过稀疏阵的方式，拓展单通道器件排布空间，实现多层三维堆叠架构下单元机数字收发链路集成；

2、通过微系统选通单元的优化布置与微系统布阵策略设计，解决微系统周期性排布引发的周期副瓣等问题；

3、减少双极化辐射单元的数量，而不减弱其必要的性能，有利于，利于散热设计与进一步复杂功能的集成，可将系统重量、成本、功耗缩减50%。

附图说明

图1是本申请单元级数字微系统天线稀疏布阵结构示意图；

图2是本申请单元级数字微系统天线稀疏布阵结构截面图；

图3本申请双极化辐射单元示意图；

图4是本申请辐射阵列与数字收发通道排布示意图；

图5本申请一种阵列系统及其组成部分的示意图；

图6是阵列系统低副瓣波束方位面方向图；

图7是阵列系统低副瓣波束俯仰面方向图；

其中，100-辐射阵列，110-非双极化辐射单元，120-双极化虚元单元，200-数字化收发通道，300-供电与信号分配电路，400-框架与散热结构，510-第一微系统520-第二微系统，530-第三微系统，540-第四微系统。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施方式是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施方式，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方式，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施方式进行详细说明。

本发明涉及一种双极化单元级数字微系统天线稀疏布阵的方法。所述微系统双极化单元级数字微系统原理框图与层间排布如图1所示，微系统主要由辐射阵列100、数字化收发通道200、供电与信号分配电路300和框架与散热结构400组成。所述辐射阵列100，由8个双极化辐射单元110和8个双极化虚元单元组成120，8个辐射单元呈稀疏分布状态，可实现空间信号接收和辐射。所述数字化收发通道200，由8路独立的数字收发通道组成，可以实现8路接收信号放大、数字下变频，发射信号的产生、变频和放大；所述供电与信号分配电路300可为数字化收发通道200提供所需的供电、本振、时钟等信号。所述框架与散热结构400可为所述微系统提供液冷散热与结构支撑。

所述数字化收发通道200由开关电路210、数字发射通道220、数字接收通道230和控制与接口电路240组成，开关电路210可实现对辐射阵列水平与垂直极化选通；数字发射通道220实现发射信号数模转换、上变频与功率放大；数字接收通道230实现接收信号低噪声放大、下变频与数字采样；控制与接口电路240实现发射信号产生、接收信号下变频、微系统工作状态控制与接口数据处理。

所述辐射阵列100的8个双极化辐射单元与所述数字化收发通道200的8路收发通道一一对应，通过单元位置的优化仿真，得到辐射单元与收发通道排布如图3所示。通过这种稀疏布阵的方式，拓展单通道排布空间，实现轻薄架构下微系统的单元级数字收发链路集成，并且利于散热设计与进一步复杂功能的集成，可将系统重量、成本、功耗缩减50%。

双极化辐射单元110如图2所示，其共包含两个馈电接口，分别为垂直极化馈电接口与水平极化馈电接口，与数字化收发通道中的开关电路210互联。

所述射频微系统通过一定的布阵策略可以消除其周期性排布引发的副瓣恶化问题，对于8×8微系统阵列，通过旋转布阵优化得到如图4-图5所示阵面排布，其中510状态为旋转0°安装的第一微系统，其中520状态为旋转90°安装的第二微系统，其中530状态为旋转180°安装的第三微系统，其中540状态为旋转270°安装的第四微系统。该旋转布阵成立的基础在于辐射单元110为双极化辐射单元，结合数字化收发通道200由开关电路210，可实现各微系统水平与垂直极化工作模式的切换选通。

图6~图7为阵列低副瓣波束方向图仿真结果，可见主极化平面方向图具备低于-30dB的低副瓣特性，并且波束宽度与同等口径满阵天线基本一致，因此该排布下的微系统阵列具备良好的方向图特性。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种单元级数字微系统天线稀疏布阵结构，包括：第一层的辐射阵列（100）、第二层的数字化收发通道（200）、第三层的供电与信号分配电路（300）和第四层的框架与散热结构（400），其特征在于：

辐射阵列（100）具有8个双极化辐射单元（110），8个双极化辐射单元（110）布置在具有4行4列16个布置点的矩形板上；8个双极化辐射单元（110）对应的所述布置点分别是第一行第二列，第一行第三列，第二行第一列，第二行第三列，第三行第二列，第三行第四列，第四行第一列，第四行第四列；

双极化辐射单元（110）与其同一行相邻的双极化虚元单元（120）分别对应连接一个数字化收发通道（200）；

每一个数字化收发通道（200）分布于其对应的双极化辐射单元（110）与其同一行相邻的双极化虚元单元（120）正下方；

辐射阵列（100）还包括8个双极化虚元单元（120），8个双极化虚元单元（120）分别布置在16个所述布置点中非双极化辐射单元（110）所在的所述布置点上。

2.如权利要求1所述的单元级数字微系统天线稀疏布阵结构，其特征在于，散热结构（400）的散热方式包括液冷或者被动散热。

3.一种阵列系统，所述阵列系统包括如权利要求1~2任意一项权利要求所述的单元级数字微系统天线稀疏布阵结构，其特征在于，所述阵列系统包括：由所述单元级数字微系统天线稀疏布阵结构旋转0°的第一微系统（510），旋转90°的第二微系统（520），旋转180°的第三微系统（530），旋转270°的第四微系统（540），所述阵列系统由第一微系统（510），第二微系统（520），第三微系统（530）与第四微系统（540）仿真优化拼接而成。

4.如权利要求3所述的阵列系统，其特征在于，所述阵列系统形状包括矩形。

5.如权利要求3所述的阵列系统，其特征在于，其具有8行8列共64个安装点，所述每个安装点具有一个第一微系统（510）、第二微系统（520）、第三微系统（530）或者第四微系统（540）。