CN114142875A - 一种毫米波相控阵发射组件及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种毫米波相控阵发射组件及装置，其中相控阵发射组件包括：多层的射频板；FPGA控制单元，设置在所述射频板的一侧表面，与射频发射单元电连接，用于控制天线单元极化的幅度以及相位的权值；天线阵列，设置在所述射频板的另一侧，所述天线阵列包括多个天线单元，所述多个天线单元采用双线极化的方式设置，每个天线单元通过馈电金属孔与所述射频发射单元的两个且独立的发射通道电连接；通过在射频板的一侧设置天线阵列，另一侧设置射频发射单元，两者之间通过馈电金属孔进行馈电，通过FPGA控制射频发射单元各通道输出射频信号的幅度和相位，能够兼顾毫米波电路布局及加工同时实现阵列的多极化、多波束、宽角扫描。

Description

一种毫米波相控阵发射组件及装置
技术领域
本发明涉及通信设备领域，特别涉及一种多极化的宽角扫描的毫米波相控阵发射组件及装置。
背景技术
近年来毫米波相控阵天线领域技术蓬勃发展，由于在此频段常规阵列要求的半波长间距与电路芯片尺寸相当，造成电路布局空间有限，给电路布局设计和加工制造带来非常大的困难，为了兼顾毫米波电路布局及加工，工程界将一些相控阵列的维度间距设计为大于半波长，造成此维度扫描角度范围较小。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种频带宽、多极化、可实现宽波束扫描的毫米波数字相控阵发射组件及装置。
为了实现上述目的，本发明实现一种毫米波相控阵发射组件，包括：多层的射频板；FPGA控制单元，设置在所述射频板的一侧表面，与射频发射单元电连接，用于控制天线单元极化的幅度以及相位的权值；天线阵列，设置在所述射频板的另一侧，所述天线阵列包括多个天线单元，所述多个天线单元采用双线极化的方式设置，每个天线单元通过馈电金属孔与所述射频发射单元的两个且独立的发射通道电连接。
作为优选的一种技术方案，所述射频发射单元包括多个发射通道，每个通道包括相应的幅度相位控制电路、放大器和功分器，所述功分器将控制信号传输到所述幅度相位控制电路，最后经过所述放大器放大后发送到所述天线单元中。
作为优选的一种技术方案，所述天线单元为微带贴片天线，所述微带贴片天线的上方设置有寄生贴片。
作为优选的一种技术方案，所述微带贴片天线相邻的两个边上开设有V形槽，在所述微带贴片天线的中心开设有T形槽。
作为优选的一种技术方案，所述寄生贴片的四个角为不对称切角微扰结构。
作为优选的一种技术方案，所述天线单元的边长为0.5λ0，其中，λ0是中心工作频率波长。
作为优选的一种技术方案，所述子阵列周围设置有多个不工作的哑元。
作为优选的一种技术方案，在所述馈电金属孔周围设置接地金属孔。
作为优选的一种技术方案，所述多层的射频板的靠近所述射频发射单元的一层用于信号走线，所有走线采用基片集成波导同轴设置。
作为优选的一种技术方案，所述多层的射频板的靠近所述射频发射单元的另一层用于控制及电源走线。
作为优选的一种技术方案，所述射频板由陶瓷制成。
另一方面，本发明还提供一种毫米波相控阵发射装置，包括多个上述任意一技术方案中记载的相控阵发射组件，所有的相控阵发射组件呈阵列分布。
本发明相对于现有技术的有益效果是：本发明提供的毫米波相控阵发射组件通过在射频板的一侧设置天线阵列，另一侧设置射频发射单元，天线阵列中的天线单元通过馈电金属孔与射频发射单元的发射通道电连接，充分利用发射组件的空间，从而使得整个发射组件的布局非常紧凑，同时通过FPGA控制射频发射单元各通道输出射频信号的幅度和相位，使得天线阵列的能够多极化、多波束、宽角度扫描。
附图说明
图1是本发明提供的一种毫米波相控阵发射组件的结构框架图；
图2是本发明提供的一种毫米波相控阵发射组件的结构图；
图3是本发明提供的一种毫米波相控阵发射组件的剖视图；
图4是本发明提供的天线单元的阵列排布及子阵列与发射芯片连接示意图；
图5是本发明提供的微带天线贴片的结构图；
图6是本发明提供的8×8 64元阵列方位面及俯仰面的多波束测试合成图；
图7是本发明提供的8×8 64元阵列方位面及俯仰面波束扫描到±45°的主极化、交叉极化方向图；
图8是本发明提供由上述发射组件拓展而成的8×8 64元阵列结构图。
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，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，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。
如本申请和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
参照图1和2，本实施例提供一种毫米波相控阵发射组件，包括：多层的射频板10；在本实施例中，射频板的板材采用Rogers 4350B陶瓷板，介电常数3.66，介电常数较低，板材较硬，多层多次压合不易变形。
在射频板10的一侧表面设置有FPGA控制单元20，FPGA控制单元20与射频发射单元30电连接，用于控制天线单元40极化的幅度以及相位的权值；在本实施例中，射频发射单元30集成了8个发射通道，每个通道由相应的幅度相位控制电路、放大器和功分器构成。芯片工作频率27.5GHz-30GHz，5bit相位控制位，最小变化相位11.25°；5bit幅度控制位，最小变化幅度0.5dB，最大幅度控制15.5dB。
进一步的，天线阵列40设置在射频板10的另一侧，天线阵列包括多个天线单元401，在本实施例中，天线单元的数量为四个，与发射芯片的八个发射通道想配合，每个天线单元采用双线极化的方式设置，如图3和图4所示，每个天线单元401通过馈电金属孔101与射频发射单元30的两个且不重复的发射通道电连接，为进一步提高极化隔离度(交叉极化抑制)，采用天线子阵技术，将每个天线单元401依次旋转90度(馈电孔位于天线外边界)，组成四元双线极化子阵，恰好用一个8通道的芯片进行馈电，如此能够最大化的利用空间，同时提高极化隔离度；另外子阵馈电间距增大，便于芯片微带馈电连接，避免了馈电点被芯片遮盖。
另外，在四个子阵列401周围设置有十二个不工作的哑元402，如图4所示，哑元的设置，不需要考虑不同位置单元的隔离情况，既减小了仿真阶段的工作量，又使天线子阵扩展性增强。另外需要说明的是，虽然在本实施例设置的哑元数量为十二个，但本发明的保护范围不局限于此，其他数量的哑元也在本发明的保护范围内，例如可以以子阵为单位扩展为所需大小的面阵，增加周围哑元数目。
在一些实施例中，天线单元40采用正方形微带贴片天线的形式，其上设置正方形寄生贴片50。为保证天线具有良好的极化隔离度(交叉极化抑制)，如图5所示，微带天线贴片四个角进行对称切角微扰，同时在相邻的两个边上开V形槽，在微带天线贴片的中心开T形槽；同时，寄生贴片50的四个角进行不对称切角微扰。
在一些实施例中，天线单元40的边长采用0.5λ0，其中，λ0是天线单元中心工作频率波长，这样能够保证阵列单元间距为0.5λ0，使波束在方位面和俯仰面内扫描时不会出现栅瓣。
如图3所示，天线单元401与射频发射单元30通过馈电金属孔101进行馈电，在馈电金属孔101旁有隔离金属孔102，由于馈电金属孔101与隔离金属孔102有交叉，加工工艺不能实现，因此在加工过程中将馈电金属孔101纵贯整个模块，镀铜完成后再将多余的金属孔背钻103消除。另外，为了保证馈电的有效性，减小端口间的耦合，提高端口间的隔离度，在馈电金属孔101周围设置接地金属孔104。
在一些实施例中，为了尽量减少射频发射单元30的芯片输出到天线馈电孔之间的微带走线，将其多余的走线放到其中一层射频板中，在本实施例中，放到第七层，所有走线采用SIW(基片集成波导)同轴，射频信号被限定在SIW腔体中，避免了干扰，减小不同通道间自激的可能；另外，在本实施中，第九层为控制及电源走线，与其他层分离，减小了相互影响。
本发明提供的相控阵发射组件的两个线极化在P1dB的等效全向辐射功率(EIRP)@28GHz分别为31.2dBm、32.1dBm；测试数值见表1。按照本相控阵发射组件测量值估算，阵列扩展到64通道时，其EIRP@28GHz分别为56.1dBm、55.2dBm。
表一
Figure BDA0003342889440000041
另外，通过FPGA控制天线单元两个极化的幅度相位权值，可以实现独立可控的两种线极化和两种圆极化(左旋圆极化、右旋圆极化)。
图6是本发明提供的8×8 64元阵列方位面及俯仰面的多波束测试合成图，左图中横坐标表示方位角，范围±90°，纵坐标为测试时仪表接收信号电平，图中分别给出方位面扫描时扫描角度分别为0°、±15°、±20°、±30°、±45°、±60°时的方向图，右图中横坐标表示俯仰角，范围±90°，纵坐标为测试时仪表接收信号电平，图中分别给出俯仰面扫描时扫描角度分别为0°、±15°、±20°、±30°、±45°时的方向图，由图可见阵列方位面可以实现±60°扫描，俯仰面可以实现±45°扫描。
图7是本发明提供的8×8 64元阵列方位面及俯仰面波束扫描到±45°时的主极化、交叉极化方向图，图中实现表示主极化方向图，虚线表示交叉极化方向图。图a、b中横坐标表示方位角，范围±180°，纵坐标为测试时仪表接收信号电平。图a为波束方位角扫描到45°时的主极化、交叉极化方向图，最大辐射方向交叉极化抑制度达到55dB；图b为波束方位角扫描到-45°时的主极化、交叉极化方向图，最大辐射方向交叉极化抑制度达到61.5dB；图c、d中横坐标表示俯仰角，范围±180°，纵坐标为测试时仪表接收信号电平。图c为波束俯仰角扫描到45°时的主极化、交叉极化方向图，最大辐射方向交叉极化抑制度达到66.5dB；图d为波束俯仰角扫描到-45°时的主极化、交叉极化方向图，最大辐射方向交叉极化抑制度达到62.5dB；由图可见，采用子阵技术，可以有效抑制交叉极化，交叉极化抑制度达到60dB。可以预见，利用本相控阵发射组件组成64通道大规模相控阵列，通过相位加权可实现方位面±60°扫描、俯仰面±45°扫描的宽角扫描，同时阵列交叉极化抑制在扫描角度范围内均大于55dB。
由以上数据可知，本实施例提供的相控阵发射组件结构紧凑合理、连接关系简单清晰，通过采用模块化设计理念有效地提高了集成度。以此相控阵发射组件可以进行多通道模块化集成，系统的可拓展性强、继承性好。
因此，在另外一实施例中，如图8所示，本发明还提供一种毫米波相控阵发射装置，包括4X4个上述任意一实施例中记载的相控阵发射组件，所有的相控阵发射组件呈阵列分布，采用串联或者并联的的方式连接，需要说明的是，虽然本实施例提供的是4X4的相控阵发射装置，但本发明的保护范围不局限于此，其他的例如mnX2n都在本发明的保护范围内。
应当理解的是，由于相控阵发射组件之间的具体连接关系以及结构需要根据实际需要作出具体的设计，且这属于本领域的常规技术手段，不在本发明的保护范围内，故在此不再赘述。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (13)

1.一种毫米波相控阵发射组件，其特征在于：包括：
多层的射频板；
FPGA控制单元，设置在所述射频板的一侧表面，与射频发射单元电连接，用于控制天线单元极化的幅度以及相位的权值；所述射频发射单元包括多个发射通道，用于发射射频信号；
天线阵列，设置在所述射频板的另一侧，所述天线阵列包括多个天线单元，所述多个天线单元采用双线极化的方式设置，每个天线单元通过馈电金属孔与所述射频发射单元的发射通道电连接。
2.根据权利要求1所述的毫米波相控阵发射组件，其特征在于：所述发射通道包括幅度相位控制电路、放大器和功分器，所述功分器将射频信号传输到所述幅度相位控制电路，最后经过所述放大器放大后发送到所述天线阵列中。
3.根据权利要求1所述的相控阵发射组件，其特征在于：所述天线单元为微带贴片天线，所述微带贴片天线的上方设置有寄生贴片。
4.根据权利要求3所述的毫米波相控阵发射组件，其特征在于：所述微带贴片天线相邻的两个边上开设有V形槽，在所述微带贴片天线的中心开设有T形槽。
5.根据权利要求3所述的毫米波相控阵发射组件，其特征在于：所述寄生贴片的四个角为不对称切角微扰结构。
6.根据权利要求1所述的毫米波相控阵发射组件，其特征在于：所述天线单元的边长为0.5λ0，其中，λ0是所述天线单元的中心工作频率波长。
7.根据权利要求1所述的毫米波相控阵发射组件，其特征在于：所述天线单元的数量为四个，且每个天线单元上的馈电孔位于天线单元的外边界从而组成四元双线极化子阵。
8.根据权利要求1或7所述的毫米波相控阵发射组件，其特征在于：所述天线阵列周围设置有多个不工作的哑元。
9.根据权利要求1所述的毫米波相控阵发射组件，其特征在于：在所述馈电金属孔周围设置接地金属孔。
10.根据权利要求1所述的毫米波相控阵发射组件，其特征在于：所述多层的射频板的靠近所述射频发射单元的一层用于信号走线，所有走线采用基片集成波导同轴设置。
11.根据权利要求10所述的毫米波相控阵发射组件，其特征在于：所述多层的射频板的靠近所述射频发射单元的另一层用于控制及电源走线。
12.根据权利要求1所述的毫米波相控阵发射组件，其特征在于：所述射频板由陶瓷制成。
13.一种毫米波相控阵发射装置，其特征在于，包括多个如权利要求1-12中任意一项所述的相控阵发射组件，所有的相控阵发射组件呈阵列分布。
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