CN114460544B - 一种相控阵射频多波束形成网络及控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种相控阵射频多波束形成网络及控制方法，属于射频功分移相网络技术领域，解决现有波束形成网络集成度低、波束开关控制实时性差的问题；网络采用多个网络模块、多个合路模块进行模块化设计，易于扩展或缩减；采用了射频、数字混合技术，将射频通道与幅相控制电路集成于网络模块之内，避免了大量控制线的产生；通过设计负载态工作模式和对应的控制方法，使本机在系统中的应用更加便利；具备发射态和负载态两种工作模式，各网络模块及射频通道独立进行通道开关，在仅需关闭射频信号的情况下关闭对应波束或通道信号，减少因频繁开关机带来的浪涌电流，避免长期使用中频繁开关机对系统的或其它设备产生危害，提升了系统的可靠性。
Description
技术领域
本发明属于射频功分移相网络技术领域，涉及一种相控阵射频多波束形成网络及控制方法。
背景技术
在卫星通信系统中，由于高EIRP值、频率复用、大功率合成、干扰抑制等要求，多波束天线已在国内外新一代大容量通信卫星中普遍采用。相比机械扫描反射面天线，多波束相控阵天线系统通过控制阵列中各天线单元的相位和幅度变化，改变天线波束的指向，实现波束扫描覆盖。其具有高增益、高指向精度、高可靠性、实时响应、灵活性强等优点。
相控阵天线通过控制阵列单元的相位和幅值实现波束的电扫描和旁瓣的抑制，满足通信波束指向的快速迭变。新一代的通信卫星系统中，对多波束“空分+码分”的技术体制服务能力提出了明确的需求，采用射频波束形成技术的相控阵天线，其波束形成及“空分”能力需基于具备幅相调整功能的波束形成网络实现。
现有技术中，2009年公开的文献《基于相控阵雷达多波束形成网络的技术研究》(电子科技大学，程栋)，通过对相控阵雷达多波束形成网络的技术研究，从理论和实际两方面得出多波束形成网络的具体方案；申请公布日为2017年02年22日、申请公布号为CN106443591A的中国发明专利申请《一种相控阵雷达多功能子阵波束形成网络》公开了利用一个网络形成不同规模的子阵波束，实现子阵波束形成网络的多功能化的效果。但是上述文献均未解决传统的相控阵天线发射前端采用分立的功分网络、通道放大和移相等独立功能组件实现，设备数量多、集成度低、波束开关控制依赖于前级信号，使用上不够灵活，不方便应用于多波束共口径的相控阵天线的问题。
发明内容
本发明的目的在于设计一种相控阵射频多波束形成网络及控制方法，以解决现有波束形成网络集成度低、波束开关控制实时性差的问题。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：
一种相控阵射频多波束形成网络，用于多波束共口径的相控阵天线，为相控阵天线提供前向空分波束形成能力，包括：M个网络模块、N个合路模块、电源模块；每个所述的网络模块均包括：1个功分网络、N路射频通道、1个幅相控制电路、N个幅相控制电路接口模块；每路所述的射频通道均包括：1个数控衰减器、1个数控移相器、1个放大器；所述的功分网络的N路输出端分别与N个数控衰减器的输入端连接，N个所述的数控衰减器的输出端分别与N个数控移相器的输入端连接，N个所述的数控移相器的输出端分别与N个放大器的输入端连接，N个所述的放大器的输出端分别对应与N个合路模块的输入端连接；所述的幅相控制电路与N个幅相控制电路接口模块连接，每个所述的幅相控制电路接口模块分别对应与每路射频通道内的数控衰减器以及数控移相器连接；所述的幅相控制电路用于接收波束控制信号，将输入的TTL衰减信号通过驱动放大后输送给数控衰减器进行增益调整，同时将输入的RS422差分移相控制信号转换为单端信号送入数控移相器进行相位调整；所述的数控衰减器用于通道负载态衰减的最高位控制线与所述的数控移相器的RS422接口的任一控制线连接；所述的电源模块与网络模块连接，用于给网络模块中的有源电路供电；M为输入射频波束信号的数量，N为相控阵的阵元数量；
所述的相控阵射频多波束形成网络包括两种工作模式：发射态和负载态；
工作在发射态时：各模块处于通路状态，在波束信号输入时进行波束信号的功分、放大、增益调整、相位调整；
工作在负载态时：在不中断波束输入信号或不关机的情况下，对单个波束信号进行快速的通断切换，在此状态下射频通道通过开关由正常输出通路切换至负载，无法在空间形成有用波束；在测试过程中，独立开关单个通道，便于系统单通道测试。
本发明的相控阵射频多波束形成网络采用多个网络模块、多个合路模块进行模块化设计，对于不同波束数量、不同相控阵阵元数量的应用，仅需对对应的网络模块、合路模块进行扩展或缩减，即可满足应用需求，实现波束形成网络的“积木化”搭建，极大的简化了设计流程；采用了射频、数字混合技术，将射频通道与幅相控制电路集成于网络模块之内，避免了大量控制线的产生。同时，通过设计负载态工作模式和对应的控制方法，使本机在系统中的应用更加便利。
进一步地，每个所述的网络模块输入的波束信号经过功分网络均分为N路，每路信号再经过射频通道进行放大并根据波束控制信号进行增益、相位调整，再经过合路模块将多个经调整后的波束信号逐通道合成，使经过相控阵N个阵元辐射出的信号在空间形成具有指向性的射频波束。
进一步地，每路所述的射频通道还包括多个级间衰减器，所述的级间衰减器串接在射频通道的输入或级间或输出位置。
进一步地，所述的级间衰减器采用π型电阻网络。
进一步地，所述的网络模块采用多层混压PCB板。
进一步地，所述的多层混压PCB板包括：射频层(10)、射频地层(11)、数字地和电源层(12)、数字层(13)、高频介质板(14)、第一环氧玻璃布层压板(15)、第二环氧玻璃布层压板(16)；所述的射频层(10)、高频介质板(14)、射频地层(11)、第一环氧玻璃布层压板(15)、数字地和电源层(12)、第二环氧玻璃布层压板(16)、数字层(13)从上到下依次叠压在一起；所述的射频通道安装在射频层(10)的上，所述的幅相控制电路安装在数字层(13)上。
网络模块采用射频、数字混合设计，各射频通道通和幅相控制电路分布设计于PCB的两面对应位置，减少内部连线，同时，PCB采用高频介质板和环氧玻璃布层压板混合设计，兼顾射频性能与生产成本；
进一步地，所述的合路模块采用Wilkinson结构。
一种应用于所述的相控阵射频多波束形成网络的控制方法，采用RS422和TLL控制线复用方式，对于波束形成网络的发射态和负载态进行切换；
基于负载态切换方式，设计了一种RS422和TTL的控制线复用方法，在本实施实例中可减少了外部控制线数量。
当波束形成网络切换至发射态模式时，通过发送RS422控制信号将各通道移相器置于所需移相态，同时将移相器内射频开关设置为通路，并在RS422信号发送完毕时，将与衰减器最高位相连的RS422控制线默认电平拉至低电平状态，数控衰减器最高位衰减无效，射频通道呈正常通路状态，对外发射信号；
当波束形成网络切换至负载态模式时，通过发送RS422控制信号将移相器内射频开关切至负载通道，并在RS422信号发送完毕时，将与衰减器最高位相连的RS422控制线默认电平拉至高电平状态，数控衰减器最高位衰减生效，此时为负载态，负载态下的通道隔离度为射频开关隔离度与数控衰减器衰减量之和。
具备发射态和负载态两种工作模式，各网络模块及射频通道可独立进行通道开关，在仅需关闭射频信号的情况下关闭对应波束或通道信号，减少因频繁开关机带来的浪涌电流，避免长期使用中频繁开关机对本机或其它设备产生危害，提升可靠性。
本发明的优点在于：
(1)本发明的相控阵射频多波束形成网络采用多个网络模块、多个合路模块进行模块化设计，对于不同波束数量、不同相控阵阵元数量的应用，仅需对对应的网络模块、合路模块进行扩展或缩减，即可满足应用需求，实现波束形成网络的“积木化”搭建，极大的简化了设计流程；采用了射频、数字混合技术，将射频通道与幅相控制电路集成于网络模块之内，避免了大量控制线的产生。同时，通过设计负载态工作模式和对应的控制方法，使本机在系统中的应用更加便利。
(2)网络模块采用射频、数字混合设计，各射频通道通和幅相控制电路分布设计于PCB的两面对应位置，减少内部连线，同时，PCB采用高频介质板和环氧玻璃布层压板混合设计，兼顾射频性能与生产成本；
(3)具备发射态和负载态两种工作模式，各网络模块及射频通道可独立进行通道开关，在仅需关闭射频信号的情况下关闭对应波束或通道信号，减少因频繁开关机带来的浪涌电流，避免长期使用中频繁开关机对本机或其它设备产生危害，提升可靠性；
(4)基于负载态切换方式，设计了一种RS422和TTL的控制线复用方法，在本实施实例中可减少外部控制线数量，并通过数控衰减器复用和与射频开关组合控制方式实现负载态下的通道隔离度增加，替代了常规设计中为满足隔离度要求增加开关数量的设计方式，减少开关用量。
附图说明
图1为本发明实施例提供的波束形成网络框图；
图2为本发明实施例提供的网络模块的多层混压板PCB设计示意图；
图3为本发明实施例提供的波束形成网络工作模式控制时序图。
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。
下面结合说明书附图以及具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述：
实施例一
如图1所示，一种相控阵射频多波束形成网络，用于多波束共口径的相控阵天线，为相控阵天线提供前向空分波束形成能力，包括：M个网络模块、N个合路模块和电源模块。
所述的网络模块包括：1个功分网络、N路射频通道、1个幅相控制电路、N个幅相控制电路接口模块；网络模块用于对单个波束输入射频信号进行功分、放大、增益调整、相位调整。
每路所述的射频通道均包括：1个数控衰减器、1个数控移相器、1个放大器、多个级间衰减器；所述的功分网络用于将每个波束输入信号均分为N路通道信号，功分网络采用多级0°两路功分器级联组合构成，可根据阵元数量N进行扩展；功分网络的N路输出端分别与N个数控衰减器的输入端连接，N个所述的数控衰减器的输出端分别与N个数控移相器的输入端连接，N个所述的数控移相器的输出端分别与N个放大器的输入端连接，N个所述的放大器的输出端分别对应与N个合路模块的输入端连接；所述的级间衰减器采用π型电阻网络，所述的级间衰减器串接在射频通道的输入或级间或输出位置。所述的幅相控制电路与N个幅相控制电路接口模块连接，每个所述的幅相控制电路接口模块分别对应与每路射频通道内的数控衰减器以及数控移相器连接；幅相控制电路用于接收波束控制信号，将输入的TTL衰减信号通过驱动放大后输送给数控衰减器进行增益调整，同时将输入的RS422差分移相控制信号转换为单端信号送入数控移相器进行相位调整；在硬件上将数控衰减器最高位控制线与数控移相器RS422接口的DATA线连接，用于实现在负载态模式下的组合控制，减少外部控制线。所述的数控衰减器用于通道负载态衰减的最高位控制线与所述的数控移相器的RS422接口的任一控制线连接；每个所述的网络模块输入的波束信号经过功分网络均分为N路，每路信号再经过射频通道进行放大并根据波束控制信号进行增益、相位调整，再经过合路模块将多个经调整后的波束信号逐通道合成，使经过相控阵N个阵元辐射出的信号在空间形成具有指向性的射频波束。
所述的合路模块用于将M个波束经幅相调整后的信号逐通道合成，合成后的各通道信号通过相控阵各天线阵元辐射，在空间形成多波束发射信号。合路模块采用Wilkinson结构设计，可根据波束数量进行级数扩展，相控阵每阵元对应的合路模块均采用相同的独立模块化设计，可根据相控阵阵元数量进行复制扩展。
所述的电源模块与网络模块连接，用于给网络模块中的有源电路供电；M为输入射频波束信号的数量，N为相控阵的阵元数量。
如图2所示，所述的网络模块采用多层混压PCB板，包括：射频层10、射频地层11、数字地和电源层12、数字层13、高频介质板14、第一环氧玻璃布层压板15、第二环氧玻璃布层压板16；所述的射频层10、高频介质板14、射频地层11、第一环氧玻璃布层压板15、数字地和电源层12、第二环氧玻璃布层压板16、数字层13从上到下依次叠压在一起；所述的射频通道安装在射频层10的上，所述的幅相控制电路安装在数字层13上；控制线各层之间通孔及印制线连接。
所述的相控阵射频多波束形成网络设计了两种工作模式：发射态和负载态。
(1)发射态，即正常工作状态，在此状态下，各模块处于通路状态，在有波束信号输入的情况下，可正常进行波束信号的功分、放大、增益调整、相位调整；
(2)负载态，用于在不中断波束输入信号或不关机的情况下，对单个波束信号进行快速的通断切换，在此状态下，射频通道通过开关由正常输出通路切换至负载，无法在空间形成有用波束；以及在测试过程中，独立开关单个通道，便于系统单通道测试。
具体参数设计：
要求通道移相步进为11.25°，通道负载态具备60dB通道隔离度，衰减精度0.5dB，衰减可调范围为0～15.5dB。据此，选用的移相器为集成的射频开关的5位移相器，开关隔离度为50dB，选用衰减器为6位并行衰减器，最低位衰减量为0.5dB，最高位衰减量为16dB，在负载态模式下通过开关与衰减器高位组合控制，通道隔离度为50+16＝66dB。
根据相控阵系统对波束指向精度及发射功率影响因素的分析，所述的波束形成网络各通道相位一致性需控制在17°范围内。选用的5位移相器移相步进为11.25°，其归一化移相精度为4°，因此其各通道的补偿后相位一致性理论值优于15.25°，经实测优于12°。
一种应用于所述的相控阵射频多波束形成网络的控制方法，采用RS422和TLL控制线复用方式，对于波束形成网络的发射态和负载态进行切换。
本实施例中的复用线为数控移相器的DATA线与数控衰减器的VT6(16dB衰减位)；如图3所示，在T0时刻开始发射态模式设置，其中DATA线数据包含了各通道相位信息及开关通路状态设置数据，并在信号发送完毕时，将VT6/DATA线拉低电平状态，衰减量置为0；
在T1时刻进行数据加载，控制数据生效，将移相器置于所需移相态，射频开关置于通路，通道处于发射态；
在T2时刻开始负载态模式设置，其中DATA线数据包含了各通道相位信息及开关断路状态设置数据，并在信号发送完毕时，将VT6/DATA线拉高电平状态，衰减量置为16dB；
在T3时刻进行数据加载，控制数据生效，将移相器置于所需移相态，射频开关置于断路(50dB隔离度)，负载态切换完成，具备66dB隔离度。
上述工作模式切换过程中，由于未产生加载信号，VT6/DATA线上数据之外的高低电平的变化不会使移相器发生额外动作，同时，在工作模式切换完成前，VT6/DATA线已完成了状态变换，故对通道状态切换完成后的工作态和负载态工作状态无影响。
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 (7)
1.一种相控阵射频多波束形成网络，其特征在于，用于多波束共口径的相控阵天线，为相控阵天线提供前向空分波束形成能力，包括：M个网络模块、N个合路模块、电源模块；每个所述的网络模块均包括：1个功分网络、N路射频通道、1个幅相控制电路、N个幅相控制电路接口模块；每路所述的射频通道均包括：1个数控衰减器、1个数控移相器、1个放大器；所述的功分网络的N路输出端分别与N个数控衰减器的输入端连接，N个所述的数控衰减器的输出端分别与N个数控移相器的输入端连接，N个所述的数控移相器的输出端分别与N个放大器的输入端连接，N个所述的放大器的输出端分别对应与N个合路模块的输入端连接；所述的幅相控制电路与N个幅相控制电路接口模块连接，每个所述的幅相控制电路接口模块分别对应与每路射频通道内的数控衰减器以及数控移相器连接；所述的幅相控制电路用于接收波束控制信号，将输入的TTL衰减信号通过驱动放大后输送给数控衰减器进行增益调整，同时将输入的RS422差分移相控制信号转换为单端信号送入数控移相器进行相位调整；所述的数控衰减器用于通道负载态衰减的最高位控制线与所述的数控移相器的RS422接口的任一控制线连接；所述的电源模块与网络模块连接，用于给网络模块中的有源电路供电；M为输入射频波束信号的数量，N为相控阵的阵元数量；
所述的相控阵射频多波束形成网络，包括两种工作模式：发射态和负载态；
采用RS422和TLL控制线复用方式，对于波束形成网络的发射态和负载态进行切换；
工作在发射态时：各模块处于通路状态，在波束信号输入时进行波束信号的功分、放大、增益调整、相位调整；
当波束形成网络切换至发射态模式时，通过发送RS422控制信号将各通道移相器置于所需移相态，同时将移相器内射频开关设置为通路，并在RS422信号发送完毕时，将与衰减器最高位相连的RS422控制线默认电平拉至低电平状态，数控衰减器最高位衰减无效，射频通道呈正常通路状态，对外发射信号；
工作在负载态时：在不中断波束输入信号或不关机的情况下，对单个波束信号进行快速的通断切换，在此状态下射频通道通过开关由正常输出通路切换至负载，无法在空间形成有用波束；在测试过程中，独立开关单个通道，便于系统单通道测试；
当波束形成网络切换至负载态模式时，通过发送RS422控制信号将移相器内射频开关切至负载通道，并在RS422信号发送完毕时，将与衰减器最高位相连的RS422控制线默认电平拉至高电平状态，数控衰减器最高位衰减生效，此时为负载态，负载态下的通道隔离度为射频开关隔离度与数控衰减器衰减量之和。
2.根据权利要求1所述的一种相控阵射频多波束形成网络，其特征在于，每个所述的网络模块输入的波束信号经过功分网络均分为N路，每路信号再经过射频通道进行放大并根据波束控制信号进行增益、相位调整，再经过合路模块将多个经调整后的波束信号逐通道合成，使经过相控阵N个阵元辐射出的信号在空间形成具有指向性的射频波束。
3.根据权利要求1所述的一种相控阵射频多波束形成网络，其特征在于，每路所述的射频通道还包括多个级间衰减器，所述的级间衰减器串接在射频通道的输入或级间或输出位置。
4.根据权利要求3所述的一种相控阵射频多波束形成网络，其特征在于，所述的级间衰减器采用π型电阻网络。
5.根据权利要求1所述的一种相控阵射频多波束形成网络，其特征在于，所述的网络模块采用多层混压PCB板。
6.根据权利要求5所述的一种相控阵射频多波束形成网络，其特征在于，所述的多层混压PCB板包括：射频层（10）、射频地层（11）、数字地和电源层（12）、数字层（13）、高频介质板（14）、第一环氧玻璃布层压板（15）、第二环氧玻璃布层压板（16）；所述的射频层（10）、高频介质板（14）、射频地层（11）、第一环氧玻璃布层压板（15）、数字地和电源层（12）、第二环氧玻璃布层压板（16）、数字层（13）从上到下依次叠压在一起；所述的射频通道安装在射频层（10）的上，所述的幅相控制电路安装在数字层（13）上。
7.根据权利要求1所述的一种相控阵射频多波束形成网络，其特征在于，所述的合路模块采用Wilkinson结构。
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- 2022-01-25 CN CN202210087831.1A patent/CN114460544B/zh active Active
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