CN115149970B

CN115149970B - 相控阵天线电路和天线接收装置

Info

Publication number: CN115149970B
Application number: CN202211081152.XA
Authority: CN
Inventors: 战吉超; 王曾祺; 陆建华
Original assignee: Shanghai Archiwave Electronic Technology Co ltd
Current assignee: Shanghai Archiwave Electronic Technology Co ltd
Priority date: 2022-09-06
Filing date: 2022-09-06
Publication date: 2022-11-22
Anticipated expiration: 2042-09-06
Also published as: CN115149970A

Abstract

本申请提供了一种相控阵天线电路和天线接收装置，包括：多个天线信号接收通道，将所述多个接收通道串联的多个有源功分器和多个馈线，其中，所述多个有源功分器与所述多个接收通道一一对应；所述有源功分器的第一输入端与上一级串联的有源功分器的输出端连接，所述有源功分器的第二输入端与对应的通道的输出端连接，所述有源功分器的输出端通过所述馈线与下一级串联的有源功分器的第一输入端连接。本申请采用有源功率功分器可以减小插损和接收装置的尺寸。

Description

相控阵天线电路和天线接收装置

技术领域

本发明涉及相控阵天线领域，特别涉及一种相控阵天线电路和天线接收装置。

背景技术

在相控阵技术中每个天线单元均配备有一个接收系统，任一个天线单元对应的通道出现故障对其它通道的影响很小，所以可靠性较高。但是由于每个天线单元均配备有接收系统，所以馈电网络较为复杂。

在相关技术中，在相控阵的接收系统中采用无源功率分配器进行功率合成，无源功率分配器通常采用PCB形式制成，其通过走线连接各个天线单元。这种结构面积大并且插损较大。同时为了提高天线单元的隔离度和带宽，需要采用多层设计，布线复杂，不利于系统的小型化。

发明内容

本申请提供了一种相控阵天线电路和天线接收装置，采用有源功率功分器以减小插损和接收装置的尺寸。

本申请的第一方面公开了一种相控阵天线电路，包括：多个天线信号接收通道，将所述多个天线信号接收通道串联的多个有源功分器和多个馈线，其中，所述多个有源功分器与所述多个天线信号接收通道一一对应；所述有源功分器的第一输入端与上一级串联的有源功分器的输出端连接，所述有源功分器的第二输入端与对应的接收通道的输出端连接，所述有源功分器的输出端通过所述馈线与下一级串联的有源功分器的第一输入端连接。

在上述第一方面的一种可能的实现中，所述有源功分器包括场效应晶体管。

在上述第一方面的一种可能的实现中，所述有源功分器包括双极性结型晶体管。

在上述第一方面的一种可能的实现中，所述场效应晶体管包括第一共源管，第二共源管，共栅管，其中，所述第一共源管的栅极对应于所述第一输入端，所述第二共源管的栅极对应于所述第二输入端，所述第一共源管的漏极和所述第二共源管的漏极与所述共栅管的源级连接，所述共栅管的漏极对应于所述输出端。

在上述第一方面的一种可能的实现中，所述双极性结型晶体管包括第一共射管，第二共射管，共基管，其中，所述第一共射管的基极对应于所述第一输入端，所述第二共射管的基极对应于所述第二输入端，所述第一共射管的集电极和所述第二共射管的集电极与所述共基管的发射极连接，所述共基管的集电极对应于所述输出端。

在上述第一方面的一种可能的实现中，所述接收通道中的每一个通道包括低噪声放大器和移相器。

在上述第一方面的一种可能的实现中，所述接收通道中的每一个通道还包括补偿衰减器。

在上述第一方面的一种可能的实现中，所述相控阵天线电路包括n个接收通道，n个有源功分器以及n-1个馈线， n为大于等于2的整数；其中，第1个有源功分器的第一输入端通过匹配负载接地，第n个有源功分器的输出端为所述相控阵天线电路的输出端。

在上述第一方面的一种可能的实现中，所述有源功分器包括硅基电路和三五族电路中的一者或两者。

本申请的第二方面公开了一种天线接收装置，所述天线接收装置包括前述本申请第一方面的相控阵天线电路。

在上述第二方面的一种可能的实现中，所述天线接收装置采用SPI接口，Daisy-Chain控制模式。

在上述第二方面的一种可能的实现中，所述天线接收装置包括在所述多个天线信号接收通道中每一个通道的对应位置一次性烧录的内部EFUSE。

本申请提供的相控阵天线电路和天线接收装置通过有源功分器和馈线将相邻的两个接收通道的信号进行求和，并传递给下一个接收通道的有源功分器，即通过有源功分器实现了各个接收通道的信号的逐级串联，可以保证每一级的求和比例都能保持1:1的关系。这种逐级串联的方式能够避免相关技术中无源功分器单级相对带宽的不足，能保证更宽的带宽并降低插损；并且级联连接的结构使得布线更加灵活；此外电路结构的尺寸较小，易实现载体共形。

附图说明

图1为相关技术中的功率分配器实现合路的示意图；

图2为本申请一个实施例的功分器的示意图；

图3为本申请一个实施例的功分器的电路结构示意图；

图4为本申请一个实施例的功分器的电路结构示意图；

图5为本申请一个实施例的功分器的示意图；

图6为本申请一个实施例的天线接收装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本申请做进一步说明。可以理解的是，本公开的说明性实施例包括但不限于相控阵天线电路和天线接收装置，此处描述的具体实施例仅仅是为了解释本申请，而非对本申请的限定。此外，为了便于描述，附图中仅示出了与本申请相关的部分而非全部的结构或过程。

以下由特定的具体实施例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本申请的其他优点及功效。虽然本申请的描述将结合较佳实施例一起介绍，但这并不代表此发明的特征仅限于该实施方式。恰恰相反，结合实施方式作发明介绍的目的是为了覆盖基于本申请的权利要求而有可能延伸出的其它选择或改造。为了提供对本申请的深度了解，以下描述中将包含许多具体的细节。本申请也可以不使用这些细节实施。此外，为了避免混乱或模糊本申请的重点，有些具体细节将在描述中被省略。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

此外，各种操作将以最有助于理解说明性实施例的方式被描述为多个离散操作；然而，描述的顺序不应被解释为暗示这些操作必须依赖于顺序。特别是，这些操作不需要按呈现顺序执行。

除非上下文另有规定，否则术语“包含”，“具有”和“包括”是同义词。短语“A/B”表示“A或B”。短语“A和/或B”表示“（A和B）或者（A或B）”。

在附图中，以特定布置和/或顺序示出一些结构或方法特征。然而，应该理解，可以不需要这样的特定布置和/或排序。在一些实施例中，这些特征可以以不同于说明性附图中所示的方式和/或顺序来布置。另外，在特定图中包含结构或方法特征并不意味着暗示在所有实施例中都需要这样的特征，并且在一些实施例中，可以不包括这些特征或者可以与其他特征组合。

应当理解的是，虽然在这里可能使用了术语“第一”、“第二”等等来描述各个单元或是数据，但是这些单元或数据不应当受这些术语限制。使用这些术语仅仅是为了将一个特征与另一个特征进行区分。举例来说，在不背离示例性实施例的范围的情况下，第一特征可以被称为第二特征，并且类似地第二特征可以被称为第一特征。

应注意的是，在本说明书中，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定义和解释。

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请的实施方式作进一步地详细描述。

在相关技术中，为了提高天线接收系统的信噪比，通常采用提高接收系统的灵敏度和使用阵列天线的方法。为了提高接收系统的灵敏度，需提高其中的低噪声放大器（LNA）的性能参数，而受工艺的影响LNA的性能提高有限。使用阵列天线可以提高接收增益，在阵列天线中相控阵技术具有波束转换迅速，波束形状快速变化、抗干扰、可靠性高等特点。

在相控阵技术中每个天线单元均配备有一个接收系统然后再进行合成。这种结构配置中任一个天线单元对应的通道出现故障对其它通道的影响很小，所以可靠性较高。但是由于每个天线单元均配备有接收系统，所以馈电网络和普通的接收系统相比更为复杂。

图1示出了在相关技术中的相控阵接收系统的示意图。图1中的多个101对应每个天线单元；与天线单元101对应的各个接收通道中，102为低噪声放大器（LNA），103为数控移相器。为了将各个接收通道接收的信号合成，相关技术中通常采用无源功率分配器（简称功分器）进行功率合成。功分器是一种将一路输入信号能量分成两路或多路输出相等或不相等能量的器件，也可反过来将多路信号能量合成一路输出，此时可称为合路器。

在相控阵接收系统中通常采用无源功分器进行功率合成。无源功分器通常采用PCB形式制成，其通过走线连接各个天线单元。图1中示出了隔离功分器（或者可以称为“Wilkinson功分器”）105，在隔离功分器105的端口之间通多应用隔离电阻104以实现较好的隔离度。采用这种隔离功分器的结构面积较大，并且插入损耗也较大。插入损耗为输出端口接收到的功率与输入端口的源功率之比。同时，为了提高隔离度和带宽需要采用多层，多级设计，不利于整个系统的小型化和低成本。

以图1为例，为了提高天线单元的隔离度和带宽，需要采用多层的隔离功分器105的设计，因此列馈射频走线复杂，插入损耗较大；并且随着天线单元101的数目增加，布线的复杂程度急剧提升，对列馈板的层数和尺寸有较高的要求，不利于减小成本；同时为了保证功分器105的隔离度要求，多级的设计会进一步增大接收系统的面积，不利于接收系统的小型化。

为了解决上述问题，本申请的一个实施例提供了一种包含有源功分器的相控阵天线电路。包括：多个天线信号接收通道，将所述多个接收通道串联的多个有源功分器和多个馈线，其中，所述多个有源功分器与所述多个接收通道一一对应；所述有源功分器的第一输入端与上一级串联的有源功分器的输出端连接，所述有源功分器的第二输入端与对应的通道的输出端连接，所述有源功分器的输出端通过所述馈线与下一级串联的有源功分器的第一输入端连接。

参见图2，相控阵天线电路200包括：多个接收通道i-1，i，i+1，分别对应于天线单元201_i-1，201_i和201_i+1，多个有源功分器204_i-1，204_i，204_i+1和馈线205_i-1，205_i，205_i+1。其中，通道之间通过有源功分器204和馈线205串联。

以有源功分器204_i为例，有源功分器204_i的第一输入端与有源功分器204_i-1的输出端连接，有源功分器204_i的第二输入端与通道i的输出端连接，有源功分器204_i的输出端与有源功分器204_i+1的第一输入端连接。有源功分器204_i-1、204_i、204_i+1之间通过馈线205_i-1和205_i连接。

图2中的天线电路200通过有源功分器204和馈线205将相邻的两个接收通道的信号进行求和，并传递给下一个接收通道的有源功分器，即通过有源功分器实现了各个接收通道的信号的逐级串联，可以保证每一级的求和比例都能保持1:1的关系。而在图1的天线电路的功分器中，如果遇到相加的两路信号幅度不相等时，部分的功率会被隔离电阻消耗，从而导致加合的比例始终在变化。天线电路200中逐级串联的方式能够避免相关技术中无源功分器单级相对带宽的不足，能保证更宽的带宽降低插损；并且级联连接的结构使得布线更加灵活；此外天线电路200的电路结构的尺寸较小，易实现载体共形。

在一些实施方式中，有源功分器包括场效应晶体管（FET）。在一些示例中，有源功分器的加工工艺不限于硅基电路，也可为三五族电路。

在一些实施方式中，当有源功分器包括场效应晶体管时，该结构中可以包括三个场效应晶体管，参见图3的有源功分器300。有源功分器300包括第一共源管301，第二共源管302和共栅管303。第一共源管301的栅极对应于第一输入端IN1，第二共源管302的栅极对应于第二输入端IN2，第一共源管301的漏极和第二共源管302的漏极与共栅管303的源级连接，共栅管303的漏极对应于输出端OUT。

304为第一共源管301的栅极偏置网络，305为施加于第一共源管301的栅极的输入匹配网络。相应地，307为第二共源管302的栅极偏置网络，306为施加于第二共源管302的栅极的输入匹配网络。308为共栅管303的栅极偏置网络，309为施加于第二共源管302的输出匹配网络。

在一些实施方式中，天线接收的信号为射频信号，305和306为射频输入匹配网络，第一输入端IN1和第二输入端IN2接收两路射频信号进入天线电路进行合成，合成后的信号通过共栅管303输出。

在图3的实施方式中，第一共源管301和第二共源管302为单级场效应晶体管的结构。在其它的一些实施方式中，第一共源管301和第二共源管302可以为共源共栅结构（cascode structure, CSCG）以提高有源功分器300的隔离度。

下面参考图4，图4示出了有源功分器包括双极性结型晶体管（BJT）时的结构400，包括三个BJT管，分别为第一共射管401，第二共射管402和共基管403。第一共射管401的基极对应于第一输入端IN1，第二共射管402的基极对应于所述第二输入端IN2，第一共射管401的集电极和第二共射管402的集电极与共基管403的发射极连接，共基管403的集电极对应于输出端OUT。

404为第一共射管401的基极偏置网络，405为施加于第一共射管401的基极的输入匹配网络。相应地，407为第二共射管402的基极偏置网络，406为施加于第二共射管402的基极的输入匹配网络。408为共基管403的基极偏置网络，409为施加于第二共射管402的输出匹配网络。

在一些实施方式中，天线接收的信号为射频信号，405和406为射频输入匹配网络，第一输入端IN1和第二输入端IN2接收两路射频信号进入天线电路进行合成，合成后的信号通过共基管403输出。

在图4的实施方式中，第一共射管401和第二共射管402为单级BJT结构。在其它的一些实施方式中，第一共射管401和第二共射管402可以为共源共栅结构（cascodestructure, CSCG）以提高有源功分器400的隔离度。

在一些实施方式中，接收通道中的每一个通道包括低噪声放大器和移相器。例如图2中的每个接收通道包括低噪声放大器202，移相器203。

在一些实施方式中，每个通道中还包括补偿动态衰减器。天线电路200中引入的馈线205会引入额外的插入损耗

和额外相移

。对于

，可利用一定动态范围的补偿衰减器通过校准消除。

也可以通过校准消除。

在一些实施方式中，相控阵天线电路包括n个接收通道，n个有源功分器以及n-1个馈线， n为大于等于2的整数；其中，第1个有源功分器的第一输入端通过匹配负载接地，第n个有源功分器的输出端为所述相控阵天线电路的输出端。

以图5为例，图5示出了本申请一个实施例的相控阵天线电路500，包括位于串联的首位的通道1和末尾的通道n，通道1-n分别对应于天线单元501_1-501_n。在每个通道中，可以包括低噪声放大器502、移相器503和补偿衰减器506。通道之间通过有源功分器504和馈线505串联。首位的通道1具有对应的有源功分器504_1，末尾的通道n具有对应的有源功分器504_n。有源功分器504_1的第一输入端通过匹配负载507接地，有源功分器504_1的第二输入端与首位的通道1的输出端连接，有源功分器504_1的输出端与天线电路中的串联的第二个有源功分器504_2的第一输入端连接。有源功分器504_n的第一输入端与天线电路中的串联的倒数第二个有源功分器504_n-1的输出端连接，有源功分器504_n的第二输入端与末尾的通道n的输出端连接。有源功分器504_n的输出端为整个天线电路的输出端（COM端）。在一些实施方式中，匹配负载507的电阻为50欧姆。

本申请的一个实施例公开了一种天线接收装置，包括前述的本申请任一实施方式的天线电路。

本申请提供的天线接收装置通过有源功分器和馈线将相邻的两个接收通道的信号进行求和，并传递给下一个接收通道的有源功分器，即通过有源功分器实现了各个接收通道的信号的逐级串联，可以保证每一级的求和比例都能保持1:1的关系。这种逐级串联的方式能够避免相关技术中无源功分器单级相对带宽的不足，多级设计的面积较大的问题。

现在参考图6，图6示出了本申请一个实施例的天线接收装置600。天线接收装置600包括相控阵天线电路，该电路包括串联的首位的通道1和末尾的通道n，通道1-n分别对应于天线单元601_1-601_n。在每个通道中，可以包括低噪声放大器602、移相器603和补偿衰减器606。通道之间通过有源功分器604和馈线605串联。首位的通道1具有对应的有源功分器604_1，末尾的通道n具有对应的有源功分器604_n。有源功分器604_1的第一输入端通过匹配负载607接地，有源功分器604_1的第二输入端与首位的通道1的输出端连接，有源功分器604_1的输出端与天线电路中的串联的第二个有源功分器604_2的第一输入端连接。有源功分器604_n的第二输入端与末尾的通道n的输出端连接。有源功分器604_n的输出端为整个天线电路的输出端OUT。在一些实施方式中，匹配负载607的电阻为50欧姆。

在一个实施方式中，天线接收装置600位于电路板上。在一些示例中，电路板可以为普通电路板，在其它的一些示例中，电路板为柔性电路板，可与载体共形。

在一些实施方式中，天线接收装置600采用SPI接口，Daisy-Chain（菊链）控制模式。Daisy-Chain是一种沿总线传输信号的方法，其中的各个设备串联，而信号则从一台设备传向下一台设备。

在一些实施方式中，当电路板安装后，对应于每个通道的对应位置，可以一次性烧录的内部EFUSE，以实现芯片补偿码的固化。EFUSE是一次性可编程存储器，可以保存芯片的相关信息。

虽然通过参照本发明的某些优选实施例，已经对本发明进行了图示和描述，但本领域的普通技术人员应该明白，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims

1.一种相控阵天线电路，其特征在于，包括：多个天线信号接收通道，将所述多个天线信号接收通道串联的多个有源功分器和多个馈线，其中，

所述多个有源功分器与所述多个天线信号接收通道一一对应；

所述有源功分器的第一输入端与上一级串联的有源功分器的输出端连接，所述有源功分器的第二输入端与对应的接收通道的输出端连接，所述有源功分器的输出端通过所述馈线与下一级串联的有源功分器的第一输入端连接。

2.根据权利要求1所述的相控阵天线电路，其特征在于，所述有源功分器包括场效应晶体管。

3.根据权利要求1所述的相控阵天线电路，其特征在于，所述有源功分器包括双极性结型晶体管。

4.根据权利要求2所述的相控阵天线电路，其特征在于，所述场效应晶体管包括第一共源管，第二共源管，共栅管，其中，所述第一共源管的栅极对应于所述第一输入端，所述第二共源管的栅极对应于所述第二输入端，所述第一共源管的漏极和所述第二共源管的漏极与所述共栅管的源级连接，所述共栅管的漏极对应于所述输出端。

5.根据权利要求3所述的相控阵天线电路，其特征在于，所述双极性结型晶体管包括第一共射管，第二共射管，共基管，其中，所述第一共射管的基极对应于所述第一输入端，所述第二共射管的基极对应于所述第二输入端，所述第一共射管的集电极和所述第二共射管的集电极与所述共基管的发射极连接，所述共基管的集电极对应于所述输出端。

6.根据权利要求1所述的相控阵天线电路，其特征在于，所述接收通道中的每一个通道包括低噪声放大器和移相器。

7.根据权利要求1所述的相控阵天线电路，其特征在于，所述接收通道中的每一个通道还包括补偿衰减器。

8.根据权利要求1所述的相控阵天线电路，其特征在于，包括n个接收通道，n个有源功分器以及n-1个馈线， n为大于等于2的整数；其中，

第1个有源功分器的第一输入端通过匹配负载接地，

第n个有源功分器的输出端为所述相控阵天线电路的输出端。

9.根据权利要求1所述的相控阵天线电路，其特征在于，所述有源功分器包括硅基电路和三五族电路中的一者或两者。

10.一种天线接收装置，其特征在于，所述天线接收装置包括前述任一项权利要求的相控阵天线电路。

11.根据权利要求10所述的天线接收装置，其特征在于，所述天线接收装置采用SPI接口，Daisy-Chain控制模式。

12.根据权利要求10所述的天线接收装置，其特征在于，所述天线接收装置包括在所述多个天线信号接收通道中每一个通道的对应位置一次性烧录的内部EFUSE。