CN115425412B - 一种具有极化方式调节功能的相控阵天线及相位配置方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有极化方式调节功能的相控阵天线及相位配置方法，本发明采用线极化阵元，并结合具有空间相位差的阵元布局，使得每个阵元仅需一个TR通道即可实现相位配置，同时，以各阵元的相位差为补偿基础，可基于各阵元的相位差来满足天线不同极化方式所对应的相位配置要求，由此，该方式可在线极化、斜极化、左旋圆极化、右旋圆极化等极化方式之间任意进行切换，交叉极化隔离度高，并且控制简单；而由于每个天线单元仅需对接一个TR通道，使得电路的芯片、器件规模小，也无需对不同极化通道进行开关切换，结构简洁、控制便捷，利于毫米波频段有限面积空间内的器件布局与布线，能够满足雷达、探测、干扰、通信、数据链等领域的应用需求。

Description

一种具有极化方式调节功能的相控阵天线及相位配置方法
技术领域
本发明属于相控阵天线技术领域，具体涉及一种具有极化方式调节功能的相控阵天线及相位配置方法。
背景技术
现有的卫星通信终端相控阵天线为了兼容适应对接不同轨道高度的通信卫星，通常应具备左旋圆极化和右旋圆极化可根据需求进行切换的功能，其实现方式为天线单元设计为双馈点圆极化天线，两个馈点之间具备90°的相位差，根据两个馈点的相位差的先后顺序不同，决定此时圆极化天线的极化旋向不同。
目前，在相控阵天线的TR组件内，设计实现能够产生两个馈点不同顺序90°相位差的电路，大多采用的方式有两种：方式一是：两个馈点接1个90°的电桥，对电桥的输入口和隔离口通过开关进行切换；方式二是：两个馈点直接各自接入一个TR通道，根据当前对极化旋向的要求，利用两个TR通道内的移相器进行各自TR通道的相位配置，形成两个通道间的90°或-90°相位差，分别对应实现右旋或左旋圆极化；但是，前述布置方式存在以下不足：
方式一在TR通道与90°电桥之间，还需加载2路用于极化旋向切换使用的开关，不仅硬件电路复杂，还需增加开关控制程序，从而导致在TR通道的发射功放与天线之间引入损耗；而若通过提高输出功率来补偿，则将引入功耗增加的问题，若增加通道数量则会增加物料成本；同样，前述布置方式也会在TR通道的接收低噪放与天线之间引入损耗，这将直接导致整个阵面的通道噪声系数恶化，使得不得不通过增加通道数量，提高无源增益来进行补偿，由此，也会造成物料成本增加的问题。
方式二虽然无需采用开关，未引入损耗，但其对TR通道内的移相器配置较为复杂，除了需要根据不同旋向设置不同的90°相位差，还需要补偿空间相位差，并且在最终每颗移相器处还需要根据波束指向的需求进行相位控制，增加了控制软件的复杂度；此外，对一个天线单元的2个TR通道自身的相位一致性要求也较高，对硬件电路的布局布线设计提出了高要求，否则形成的圆极化轴比性能较差，交叉极化隔离度差，造成天线性能较差。
另外，无论是方式一还是方式二，相控阵天线中每个天线单元必须具备双圆极化特性，因此均必须配备2个TR通道，一方面将使TR组件的集成度要求提升1倍，而对于Ka频段卫星通信这样的毫米波频段，相邻天线单元的间距本身就比较小，TR组件的布局空间已受到极大的约束和限制，而一个天线单元下布局2个TR通道，更增加了复杂度与难度；另一方面，增加了1倍的通道数，意味着增加1倍的元器件，尽管现已采用了多通道多功能集成芯片技术，通过在1颗芯片上集成多个TR通道，减少了芯片数量，但仍会导致芯片数量规模较大，引入物料和生产制造成本增加的问题；由此，提供一种电路简单、成本低、布置结构简单，无需进行开关切换的线极化方式可调的相控阵天线迫在眉睫。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有极化方式调节功能的相控阵天线，用以解决现有技术中实现极化方式调节需要配置两个通道所带来的电路复杂、会引入损耗、移相器配置较为复杂、增加了天线的复杂度、难度以及增加了制造成本的问题。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，提供了一种具有极化方式调节功能的相控阵天线，包括：多个天线子阵，其中，每个天线子阵均包括t个天线阵元，所述多个天线子阵内的天线阵元的极化方向与其余各个天线子阵内天线阵元的极化方向相同，且t为正整数；
对于任一天线子阵中的t个天线阵元，所述t个天线阵元中的每个天线阵元的极化方式均为线极化方式，其中，所述t个天线阵元中的每个天线阵元的极化方向不同，以使t个天线阵元中任意两天线阵元之间形成空间相位差；
所述t个天线阵元中的每个天线阵元分别连接有一TR通道，其中，每个TR通道内设置有一移相器，且每个移相器电连接有相位控制设备。
基于上述公开的内容，本发明所提供的相控阵天线，相比于传统天线，采用线极化天线作为阵元，使得阵元的极化方向（也就是电场方向）随天线的结构而确定，即相控阵天线中任一子阵内的t个阵元分别旋转不同的角度，从而使t个阵元自身的极化方向不同，两两之间形成空间相位差；同时，每个阵元仅对应有一个TR通道，且由对应通道内的移相器进行相位配置；由此，以该子阵为基础，即可构建任意规模的相控阵天线，且在使用时，只需根据天线极化方式的要求，按照阵元布局、阵元自身极化方向、阵元间的空间相位差，来得到每个移相器在不同极化方式下的相位配置值，并下发至对应的每一个移相器，即可实现不同的相位配置，从而调节为相控阵天线所需的极化方式。
通过前述设计，本发明采用线极化阵元，并结合具有空间相位差的阵元布局，使得每个阵元仅需一个TR通道即可实现相位配置，同时，以各阵元的相位差为补偿基础，可基于各阵元的相位差来满足天线不同极化方式所对应的相位配置要求，由此，该方式可在线极化、斜极化、左旋圆极化、右旋圆极化等各类极化方式之间任意进行切换，交叉极化隔离度高，并且控制简单、灵活、便捷；而由于每个天线单元仅需对接一个TR通道，使得硬件电路的芯片、器件规模小，也无需在天线内对不同极化通道进行开关切换，结构简洁、控制便捷，利于毫米波频段有限面积空间内的器件布局与布线，能够满足雷达、探测、干扰、通信、数据链等多种领域的应用需求。
在一个可能的设计中，对于任一天线阵元，所述任一天线阵元与该任一天线阵元对应的移相器之间还设置有有源器件，其中， 所述有源器件包括功率放大器、低噪声放大器或收发切换开关。
在一个可能的设计中，任一天线子阵包括至少4个天线阵元，其中，至少4个天线阵元的布置结构为K行L列，且K和L均为大于1的正整数。
在一个可能的设计中，任一天线阵元中的天线包括微带贴片天线、波导喇叭天线或偶极子天线。
在一个可能的设计中，所述微带贴片天线上设置有一U形槽，其中，所述U形槽的开口方向为所述微带贴片天线的极化方向。
在一个可能的设计中，所述相控阵天线的极化方式包括：任意角度的线极化、左旋圆极化和右旋圆极化。
第二方面，本实施例提供基于实施例第一方面或第一方面中任意一种可能设计的所述具有极化方式调节功能的相控阵天线的相位配置方法，包括：
获取相控阵天线的设定极化角度，以及实施例第一方面或第一方面中任意一种可能设计的所述具有极化方式调节功能的相控阵天线中任一天线子阵内t个天线阵元的极化方向；
基于所述任一天线子阵内t个天线阵元的极化方向，确定出所述t个天线阵元中每个天线阵元的极化角度；
根根据设定极化角度以及每个天线阵元的极化角度，计算得到每个天线阵元的线极化相位配置值，或根据每个天线阵元的极化角度，计算得到每个天线阵元的圆极化相位配置值；
将每个天线阵元的线极化相位配置值或圆极化相位配置值发送至各自对应的移相器，以使各个移相器基于接收到的线极化相位配置值或圆极化相位配置值，对对应的天线阵元进行相位配置，以实现相控阵天线在设定极化角度下的极化配相。
在一个可能的设计中，根据设定极化角度以及每个天线阵元的极化角度，计算得到每个天线阵元的线极化相位配置值，包括：
对于任一天线阵元，使用任一天线阵元的极化角度减去所述设定极化角度，得到第一计算值；
判断第一计算值是否小于0；
若是，则使用第一计算值加上360°，得到所述线极化相位配置值；或
使用任一天线阵元的极化角度加上所述设定极化角度，得到第二计算值；
判断第二计算值是否小于0；
若是，则使用第二计算值加上360°，得到所述线极化相位配置值。
在一个可能的设计中，根据每个天线阵元的极化角度，计算得到每个天线阵元的圆极化相位配置值，包括：
若相控阵天线采用左旋圆极化旋向，则对于任一天线阵元，使用任一天线阵元的极化角度减去目标极化角度，得到第三计算值，其中，所述目标极化角度为任一天线子阵内t个天线阵元中的第一个天线阵元的极化角度；
判断第三计算值是否小于0；
若是，则使用第三计算值加上360°，得到所述圆极化相位配置值；
若相控阵天线采用右旋圆极化旋向，则对于任一天线阵元，使用所述目标极化角度减去任一天线阵元的极化角度，得到第四计算值；
判断第四计算值是否小于0；
若是，则使用第四计算值加上360°，得到所述圆极化相位配置值。
在一个可能的设计中，在将每个天线阵元的线极化相位配置值发送至各自对应的移相器前，所述方法还包括：
将每个天线阵元的线极化相位配置值转换为移相码，其中，任一移相码为二进制编码；
相应的，将每个天线阵元的线极化相位配置值发送至各自对应的移相器，则包括：
将每个天线阵元的移相码发送至各自对应的移相器，以使各个移相器基于接收到的移相码，对对应的天线阵元进行相位配置，以实现相控阵天线在所述设定极化角度下的极化配相。
有益效果：
（1）本发明采用线极化阵元，并结合具有空间相位差的阵元布局，使得每个阵元仅需一个TR通道即可实现相位配置，同时，以各阵元的相位差为补偿基础，可基于各阵元的相位差来满足天线不同极化方式所对应的相位配置要求，由此，该方式可在线极化、斜极化、左旋圆极化、右旋圆极化等各类极化方式之间任意进行切换，交叉极化隔离度高，并且控制简单、灵活、便捷；而由于每个天线单元仅需对接一个TR通道，使得硬件电路的芯片、器件规模小，也无需在天线内对不同极化通道进行开关切换，结构简洁、控制便捷，利于毫米波频段有限面积空间内的器件布局与布线，能够满足雷达、探测、干扰、通信、数据链等多种领域的应用需求。
附图说明
图1为本发明实施例提供的4个天线阵元对应的具有极化方式调节功能的相控阵天线的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的36个天线阵元组成的相控阵天线的相位排布示意图；
图3为本发明实施例提供的图2中的36个天线阵元实现极化方向为45°的斜极化方式后的相位排布示意图；
图4为本发明实施例提供的图2中的36个天线阵元实现极化方向为45°的斜极化方式后的波束方向图；
图5为本发明实施例提供的图2中的36个天线阵元实现极化方向为45°的斜极化方式后，以波束扫描方位角0°、离轴角30°进行相位扫描时的相位分布图；
图6为本发明实施例提供的图2中的36个天线阵元斜极化后，以波束扫描方位角0°、离轴角30°进行相位扫描时的波束方向图；
图7为本发明实施例提供的图2中的36个天线阵元进行垂直极化后的相位排布示意图；
图8为本发明实施例提供的图2中的天线阵元进行垂直极化后的波束方向图；
图9为本发明实施例提供的图2中的天线阵元进行垂直极化后，以波束扫描方位角0°、离轴角30°进行相位扫描时的相位分布图；
图10为本发明实施例提供的图2中的天线阵元进行垂直极化后，以波束扫描方位角0°、离轴角30°进行相位扫描时的波束方向图；
图11为本发明实施例提供的图2中的36个天线阵元进行左旋圆极化后的相位排布示意图；
图12为本发明实施例提供的图2中的36个天线阵元进行左旋圆极化后的波束方向图；
图13为本发明实施例提供的图2中的36个天线阵元进行左旋圆极化后，以波束扫描方位角0°、离轴角30°进行相位扫描时的相位分布图；
图14为本发明实施例提供的图2中的36个天线阵元进行左旋圆极化后，以波束扫描方位角0°、离轴角30°进行相位扫描时的波束方向图；
图15为本发明实施例提供的图2中的36个天线阵元进行右旋圆极化后的相位排布示意图；
图16为本发明实施例提供的图2中的36个天线阵元进行右旋圆极化后的波束方向图；
图17为本发明实施例提供的图2中的36个天线阵元进行右旋圆极化后，以波束扫描方位角0°、离轴角30°进行相位扫描时的相位分布图；
图18为本发明实施例提供的图2中的36个天线阵元进行右旋圆极化后，以波束扫描方位角0°、离轴角30°进行相位扫描时的波束方向图；
图19为本发明实施例提供的基于具有极化方式调节功能的相控阵天线的相位配置方法的步骤流程示意图；
图20为本发明实施例提供的现有的收发频分全双工共口径相控阵天线的布局示意图；
图21为本发明实施例提供的基于本发明所提供的相控阵天线所设计的接收左旋圆极化与发射右旋圆极化的共口径天线的相位分布图；
图22为本发明实施例提供的基于本发明所提供的相控阵天线所设计的接收右旋圆极化与发射左旋圆极化的共口径天线的相位分布图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将结合附图和实施例或现有技术的描述对本发明作简单地介绍，显而易见地，下面关于附图结构的描述仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。
应当理解，尽管本文可能使用术语第一、第二等等来描述各种单元，但是这些单元不应当受到这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个单元和另一个单元。例如可以将第一单元称作第二单元,并且类似地可以将第二单元称作第一单元，同时不脱离本发明的示例实施例的范围。
应当理解，对于本文中可能出现的术语“和/或”，其仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，单独存在B，同时存在A和B三种情况；对于本文中可能出现的术语“/和”，其是描述另一种关联对象关系，表示可以存在两种关系，例如，A/和B，可以表示：单独存在A，单独存在A和B两种情况；另外，对于本文中可能出现的字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”关系。
实施例：
参见图1所示，本实施例所提供的具有极化方式调节功能的相控阵天线，可以但不限于包括：多个天线子阵，其中，每个天线子阵均包括t个天线阵元，所述多个天线子阵内的天线阵元的极化方向与其余各个天线子阵内天线阵元的极化方向相同，且t为正整数；具体应用时，天线子阵的个数和每个天线子阵内天线阵元的个数可根据实际使用而具体设定，如举例任一天线子阵包括至少4个天线阵元，其中，至少4个天线阵元的布置结构为K行L列，且K和L均为大于1的正整数；更进一步的，以4个天线阵元为例，可采用2行2列的布局方式；当然，其余数量的布局方式可根据实际使用而具体设定，在此不作具体限定。
在本实施例中，对于任一天线子阵中的t个天线阵元，所述t个天线阵元中的每个天线阵元的极化方式均为线极化方式，所述t个天线阵元中的每个天线阵元的极化方向不同，也就是每个天线阵元旋转不同的角度，以形成不同的极化方式，从而使t个天线阵元中任意两天线阵元之间形成空间相位差；同时，所述t个天线阵元中的每个天线阵元分别连接有一TR通道，其中，每个TR通道内设置有一移相器，且每个移相器电连接有相位控制设备；由此，在使用时，只需根据天线极化方式的要求，按照阵元布局、阵元自身极化方向、阵元间的空间相位差，来得到每个移相器的相位配置值，并下发至对应的每一个移相器，即可实现不同的相位配置，从而将相控阵天线调节为所需的极化方式；如实现任意角度的线极化、左旋圆极化和右旋圆极化等，从而满足不同场景下的使用需求。
下述以一个实例来阐述前述相控阵天线：
参见图1所示，以4个天线阵元组成一个天线子阵（图1中的子阵）为例，其中，4个天线阵元采用两行两列的布局方式，其中，以阵元1（天线阵元1）为基准，阵元2、3和4（即天线阵元2、3和4）分别旋转不同的角度，使4个阵元自身的极化方向不同，形成空间相位差，以该子阵为基础，即可构建出任一规模的相控阵天线，其构建出的相控阵天线可参见图1所示。
同时，在进行极化方式调节时，可根据相控阵天线整体的极化方式要求来进行相位配置，从而实现相控阵天线的任意极化；如，要实现某方向的线极化，则以其极化方向为基准，对每个阵元自身极化方向相对其的相位差，利用该阵元对接的TR通道内的移相器进行相位差补偿，从而实现符合要求的线极化；又如，要实现某旋向的圆极化，则以阵元1为基准，按照极化旋向的相反方向得出阵元2、3、4相比阵元1的空间相位差，以利用前述相位差得出补偿值，并用该阵元对接的TR通道内的移相器进行相位差补偿，从而实现符合要求的圆极化；当然，其余不同极化方式的调节原理与前述举例相同，于此不再赘述。
在本实施例中，举例任一天线阵元与该任一天线阵元对应的移相器之间还设置有有源器件，以实现不同的收发功能，其中，举例有源器件可以但不限于包括有源器件，其中，所述有源器件包括功率放大器、低噪声放大器或收发切换开关，如设置功率放大器，可满足输入信号进行移相后的功率放大，达到符合要求的功率。
可选的，任一天线阵元中的天线可以但不限于包括：微带贴片天线、波导喇叭天线或偶极子天线；在本实施例中，优选为微带贴片天线；更进一步的，举例在所述微带贴片天线上设置有一U形槽，其中，所述U形槽的开口方向为所述微带贴片天线的极化方向；由此，可便于查看各个天线的极化方向，从而提高使用的便捷性。
由此通过前述设计，本发明采用线极化阵元，并结合具有空间相位差的阵元布局，使得每个阵元仅需一个TR通道即可实现相位配置；因此，相比于传统的相控阵天线，本发明的硬件电路的芯片、器件规模小、成本低、结构简洁、控制简单，适用于广泛应用与推广。
参见图19所示，在一个可能的设计中，本实施例第二方面在实施例第一方面的基础上，提供基于实施例第一方面的具有极化方式调节功能的相控阵天线的相位配置方法，其中，该方法可以但不限于在相位控制设备侧运行，当然，前述执行主体并不构成本实施例的限定，具体的，该方法的运行过程可以但不限于包括如下步骤S1～S4所示。
S1. 获取相控阵天线的设定极化角度，以及实施例第一方面中所述的具有极化方式调节功能的相控阵天线中任一天线子阵内t个天线阵元的极化方向。
S2. 基于所述任一天线子阵内t个天线阵元的极化方向，确定出所述t个天线阵元中每个天线阵元的极化角度；可选的，任一天线子阵内各个天线阵元的极化方向在阵元制造时就已确定，因此，在极化方向确定后，对应的极化角度也就确定；因此，可将各个天线阵元的极化方向和极化角度预设至相位控制设备中，使用时读取即可。
S3. 根据设定极化角度以及每个天线阵元的极化角度，计算得到每个天线阵元的线极化相位配置值，或根据每个天线阵元的极化角度，计算得到每个天线阵元的圆极化相位配置值。
具体应用时，下述公开不同极化方式下，各个天线阵元相位配置值的计算方法：
当极化方式为线极化时，相位配置值的计算过过程如下述步骤S31～S36所示。
S31. 对于任一天线阵元，使用任一天线阵元的极化角度减去所述设定极化角度，得到第一计算值。
S32. 判断第一计算值是否小于0。
S33. 若是，则使用第一计算值加上360°，得到所述线极化相位配置值。或
S34. 使用任一天线阵元的极化角度加上所述设定极化角度，得到第二计算值。
S35. 判断第二计算值是否小于0。
S36. 若是，则使用第二计算值加上360°，得到所述线极化相位配置值。
在本实施例中，确定任一天线阵元的极化角度与所述设定极化角度之间的计算方式，可根据相控阵天线实际布置而定，因此，在进行相位配置时，可预先在相位控制设备侧中关联有前述两计算方式对应的布置结构，因此，当在相位控制设备侧预先设置有不同的布置结构时，即可关联出相应的计算方式，从而得出不同的线极化相位配置值。
同理，当极化方式为圆极化时，相位配置值的计算过程则如下述步骤所示：
S37. 若相控阵天线采用左旋圆极化旋向，则对于任一天线阵元，使用任一天线阵元的极化角度减去目标极化角度，得到第三计算值，其中，所述目标极化角度为任一天线子阵内t个天线阵元中的第一个天线阵元的极化角度。
S38. 判断第三计算值是否小于0。
S39. 若是，则使用第三计算值加上360°，得到所述圆极化相位配置值。
而若相控阵天线采用右旋圆极化旋向，则对于任一天线阵元，使用所述目标极化角度减去任一天线阵元的极化角度，得到第四计算值；同样，还需判断第四计算值是否小于0；若是，则使用第四计算值加上360°，得到所述圆极化相位配置值。
由此，通过前述阐述，即可得出在不同极化方式下，各个天线阵元的相位配置值，从而完成不同极化方式的相位配置。
S4. 将每个天线阵元的线极化相位配置值或圆极化相位配置值发送至各自对应的移相器，以使各个移相器基于接收到的线极化相位配置值或圆极化相位配置值，对对应的天线阵元进行相位配置，以实现相控阵天线在设定极化角度下的极化配相；具体应用时，可将每个天线阵元的线极化相位配置值先转换为移相码（任一移相码为二进制编码），然后再发送至各个天线阵元对应的移相器；由此，将线极化相位配置值转换为移相码，可便于移相器识别，进行相位配置；同理，进行圆极化相位配置时，也是如此，于此不再赘述。
由此通过前述步骤S1～S4，由于每个天线阵元对接1个TR通道，因此，可根据极化方式的要求，按照阵元布局、阵元自身极化方向、阵元间的空间相位差，来计算得到每个阵元的移相码，并下发对应的每一个移相器中，从而进行不同的相位配置，进而实现相控阵天线的任意方式的极化。
在一个可能的设计中，本实施例第三方面，提供实施例第一方面中具有极化方式调节功能的相控阵天线的应用实例。
具体的，以工作频率为30GHz的Ka频段相控阵天线为例，通过9个两行两列的4阵元的子阵，来组成6×6 的36个阵元的天线阵列，其阵元天线采用微带贴片天线形式，且贴片中的U形槽的开口方向标识了该天线自身的极化方向，其中，对于任一子阵，以第一行第一列的阵元为基准，将其与各个阵元旋转不同的角度，以形成具有空间相位差的阵元，其中，该相控阵天线的相位排布图可参见图2所示，图2中的（a）图为36个天线阵元组成的相控阵天线的布局示意图；图2中的（b）图为36个天线阵元组成的相控阵天线的空间相位差分布图，从图2（b）中可看出，任一天线子阵中4个阵元的相位不同，且每个天线子阵的组成结构相同。
在具体实施时，当要求相控阵天线的极化方式为45°斜极化时（线极化的一种），相位控制设备依据阵元布局、阵元自身极化方向、阵元间的空间相位差，并使用前述步骤S1～S4所提供的方法，来计算得到每个天线阵元的线极化相位配置值，并转换为移相码后，发送至各个天线阵元对应的移相器，进行相应通道的极化配相，以实现极化方向为45°的斜极化法向合成波束，其实现斜极化后的相位分布可参见图3所示，其中，图3中的（a）图为该相控阵天线实现斜极化后的布局示意图，图3中的（b）图为该相控阵天线斜极化后的各个阵元的空间相位分布图，从图3两幅图中可看出，其所有的指向均为45度；同时，该36个天线阵元实现斜极化后的波束方向图可参见图4所示，从图4中可看出，交叉极化隔离度达到25dB以上，其交叉极化隔离效果较好。
更进一步的，在前述斜极化的基础上，按照波束扫描方位角0°、离轴角30°的波束指向角度指令，相控阵天线的相位控制设备得到对应的每个阵元的波束扫描相位，将其转换为移相码，并下发至对应每个阵元的移相器，进行相应通道的扫描配相，即可实现极化方向为45°的斜极化扫描合成波束，其中，图2中的36个天线阵元实现极化方向为45°的斜极化后，以波束扫描方位角0°、离轴角30°进行相位扫描时的相位分布图可参见图5所示，同理，图5中的（a）图为该相控阵天线在波束扫描方位角为0°、离轴角为30°时的天线布局示意图，图5中的（b）图则是该相控阵天线以波束扫描方位角为0°、离轴角为30°进行扫描时的空间相位分布图；而该相控阵天线以前述条件进行相位扫描时的波束方向图则可参见图6所示。
又如，当要求相控阵天线的极化方式为垂直极化时（线极化的一种），相位控制设备依据阵元布局、阵元自身极化方向、阵元间的空间相位差，并使用前述步骤S1～S4所提供的方法，来计算得到每个天线阵元的线极化相位配置值，转换为移相码后，发送至各个天线阵元对应的移相器，进行相应通道的极化配相，实现极化方向为垂直极化的法向合成波束，其实现垂直极化后的相位分布可参见图7所示，其中，图7中的（a）图为该相控阵天线实现垂直极化后的布局示意图，图7中的（b）图为该相控阵天线垂直极化后的各个阵元的空间相位分布图，从图7的两幅图中可看出，其所有的指向均为90度；同时，该36个天线阵元实现垂直极化后的波束方向图可参见图8所示，从图8中可看出，交叉极化隔离度达到25dB以上，其交叉极化隔离效果较好。
同样，在前述垂直极化的基础上，按照波束扫描方位角0°、离轴角30°的波束指向角度指令，相控阵天线的相位控制设备得到对应的每个阵元的波束扫描相位，将其转换为移相码，并下发至对应每个阵元的移相器，进行相应通道的扫描配相，即可实现极化方向为垂直极化的扫描合成波束，其中，图2中的36个天线阵元实现极化方向为垂直极化后，且以波束扫描方位角0°、离轴角30°进行相位扫描时的相位分布图可参见图9所示，同理，图9中的（a）图为该相控阵天线在波束扫描方位角为0°、离轴角为30°时的天线布局示意图，图9中的（b）图则是该相控阵天线以波束扫描方位角为0°、离轴角为30°进行扫描时的空间相位分布图；而该相控阵天线以前述条件进行相位扫描时的波束方向图则可参见图10所示。
再如，当要求相控阵天线的极化方式为左旋圆极化方式时，相位控制设备依据右手螺旋法则的旋转方向，以及阵元布局、阵元自身极化方向和阵元间的空间相位差，并使用前述步骤S1～S4所提供的方法，来计算得到每个天线阵元的圆极化相位配置值，转换为移相码后，发送至各个天线阵元对应的移相器，进行相应通道的极化配相，实现极化方向为左旋圆极化的法向合成波束，其实现左旋圆极化后的相位分布可参见图11所示，其中，图11中的（a）图为该相控阵天线实现左旋圆极化后的布局示意图，图11中的（b）图为该相控阵天线左旋圆极化后的各个阵元的空间相位分布图；同时，该36个天线阵元实现左旋圆极化后的波束方向图可参见图12所示，从图12中可看出，交叉极化隔离度达到25dB以上，其交叉极化隔离效果较好。
同样，在前述左旋圆极化的基础上，按照波束扫描方位角0°、离轴角30°的波束指向角度指令，相控阵天线的相位控制设备得到对应的每个阵元的波束扫描相位，将其转换为移相码，并下发至对应每个阵元的移相器，进行相应通道的扫描配相，即可实现极化方向为左旋圆极化的扫描合成波束，其中，图2中的36个天线阵元实现极化方向为左旋圆极化后，且以波束扫描方位角0°、离轴角30°进行相位扫描时的相位分布图可参见图13所示，同理，图13中的（a）图为该相控阵天线在波束扫描方位角为0°、离轴角为30°时的天线布局示意图，图13中的（b）图则是该相控阵天线以波束扫描方位角为0°、离轴角为30°进行扫描时的空间相位分布图；而该相控阵天线以前述条件进行相位扫描时的波束方向图则可参见图14所示，从图14中可看出，极化隔离度达到20db以上，隔离效果较好。
最后，当要求相控阵天线的极化方式为右旋圆极化方式时，相位控制设备依据左手螺旋法则的旋转方向，以及阵元布局、阵元自身极化方向和阵元间的空间相位差，并使用前述步骤S1～S4所提供的方法，来计算得到每个天线阵元的圆极化相位配置值，转换为移相码后，发送至各个天线阵元对应的移相器，进行相应通道的极化配相，实现极化方向为右旋圆极化的法向合成波束，其实现右旋圆极化后的相位分布可参见图15所示，其中，图15中的（a）图为该相控阵天线实现右旋圆极化后的布局示意图，图15中的（b）图为该相控阵天线右旋圆极化后的各个阵元的空间相位分布图；同时，该36个天线阵元实现右旋圆极化后的波束方向图可参见图16所示，从图16中可看出，交叉极化隔离度达到25dB以上，其交叉极化隔离效果较好。
同样，在前述右旋圆极化的基础上，按照波束扫描方位角0°、离轴角30°的波束指向角度指令，相控阵天线的相位控制设备得到对应的每个阵元的波束扫描相位，将其转换为移相码，并下发至对应每个阵元的移相器，进行相应通道的扫描配相，即可实现极化方向为右旋圆极化的扫描合成波束，其中，图2中的36个天线阵元实现极化方向为右旋圆极化后，且以波束扫描方位角0°、离轴角30°进行相位扫描时的相位分布图可参见图17所示，同理，图17中的（a）图为该相控阵天线在波束扫描方位角为0°、离轴角为30°时的天线布局示意图，图17中的（b）图则是该相控阵天线以波束扫描方位角为0°、离轴角为30°进行扫描时的空间相位分布图；而该相控阵天线以前述条件进行相位扫描时的波束方向图则可参见图18所示，从图18中可看出，极化隔离度达到20db以上，隔离效果较好。
另外，本实施例所提供的相控阵天线适用于毫米波相控阵天线有限面积空间内的器件布局与布线，尤其适用于收发频分全双工的Ka频段相控阵天线中，如采用了如图20所示的共口径布局，即在原有20GHz接收天线阵列的阵元布局空间内，加入30GHz的发射天线阵列阵元，共16个接收通道和24个发射通道，若采用现有技术，每个阵元对应2套TR通道，将无法实现TR通道的芯片、器件布局以及电路布线；采用本实施例所提供的阵元构建收发频分共口径全双工相控阵天线，可通过相互独立的接收阵元布局空间相位差补偿配置以及发射阵元布局空间相位差补偿配置，分别实现接收左旋圆极化与发射右旋圆极化，或接收右旋圆极化和发射左旋圆极化，即每个线极化接收阵元或每个发射线极化阵元仅对接1个接收通道或1个发射通道；其布局示意图分别如图21和图22所示，其中，图21中的（a）图为天线整体布局示意图，（b）图为接收阵元相位分布图，（c）图为发射阵元相位分布图，图22中的（a）图为天线整体布局示意图，（b）图为接收阵元相位分布图，（c）图为发射阵元相位分布图。
由此通过前述在各种实际应用场景下的使用阐述，本发明可在线极化、斜极化、左旋圆极化、右旋圆极化等各类极化方式之间任意进行切换，交叉极化隔离度高，并且控制简单、灵活、便捷；而由于每个天线单元仅需对接一个TR通道，使得硬件电路的芯片、器件规模小，也无需在天线内对不同极化通道进行开关切换，结构简洁、控制便捷，利于毫米波频段有限面积空间内的器件布局与布线，能够满足雷达、探测、干扰、通信、数据链等多种领域的应用需求。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种具有极化方式调节功能的相控阵天线，其特征在于，包括：多个天线子阵，其中，每个天线子阵均包括t个天线阵元，所述多个天线子阵内的天线阵元的极化方向与其余各个天线子阵内天线阵元的极化方向相同，且t为正整数；
对于任一天线子阵中的t个天线阵元，所述t个天线阵元中的每个天线阵元的极化方式均为线极化方式，其中，所述t个天线阵元中的每个天线阵元的极化方向不同，以使t个天线阵元中任意两天线阵元之间形成空间相位差；
所述t个天线阵元中的每个天线阵元分别连接有一TR通道，其中，每个TR通道内设置有一移相器，且每个移相器电连接有相位控制设备；
所述的具有极化方式调节功能的相控阵天线的相位配置方法，包括：
获取相控阵天线的设定极化角度，以及所述具有极化方式调节功能的相控阵天线中任一天线子阵内t个天线阵元的极化方向；
基于所述任一天线子阵内t个天线阵元的极化方向，确定出所述t个天线阵元中每个天线阵元的极化角度；
根据设定极化角度以及每个天线阵元的极化角度，计算得到每个天线阵元的线极化相位配置值，或根据每个天线阵元的极化角度，计算得到每个天线阵元的圆极化相位配置值；
将每个天线阵元的线极化相位配置值或圆极化相位配置值发送至各自对应的移相器，以使各个移相器基于接收到的线极化相位配置值或圆极化相位配置值，对对应的天线阵元进行相位配置，以实现相控阵天线在设定极化角度下的极化配相。
2.根据权利要求1所述的一种具有极化方式调节功能的相控阵天线，其特征在于，对于任一天线阵元，所述任一天线阵元与该任一天线阵元对应的移相器之间还设置有有源器件，其中， 所述有源器件包括功率放大器、低噪声放大器或收发切换开关。
3.根据权利要求1所述的一种具有极化方式调节功能的相控阵天线，其特征在于，任一天线子阵包括至少4个天线阵元，其中，至少4个天线阵元的布置结构为K行L列，且K和L均为大于1的正整数。
4.根据权利要求1所述的一种具有极化方式调节功能的相控阵天线，其特征在于，任一天线阵元中的天线包括微带贴片天线、波导喇叭天线或偶极子天线。
5.根据权利要求4所述的一种具有极化方式调节功能的相控阵天线，其特征在于，所述微带贴片天线上设置有一U形槽，其中，所述U形槽的开口方向为所述微带贴片天线的极化方向。
6.根据权利要求1所述的一种具有极化方式调节功能的相控阵天线，其特征在于，所述相控阵天线的极化方式包括：任意角度的线极化、左旋圆极化和右旋圆极化。
7.根据权利要求1所述的一种具有极化方式调节功能的相控阵天线，其特征在于，根据设定极化角度以及每个天线阵元的极化角度，计算得到每个天线阵元的线极化相位配置值，包括：
对于任一天线阵元，使用任一天线阵元的极化角度减去所述设定极化角度，得到第一计算值；
判断第一计算值是否小于0；
若是，则使用第一计算值加上360°，得到所述线极化相位配置值；或
使用任一天线阵元的极化角度加上所述设定极化角度，得到第二计算值；
判断第二计算值是否小于0；
若是，则使用第二计算值加上360°，得到所述线极化相位配置值。
8.根据权利要求1所述的一种具有极化方式调节功能的相控阵天线，其特征在于，根据每个天线阵元的极化角度，计算得到每个天线阵元的圆极化相位配置值，包括：
若相控阵天线采用左旋圆极化旋向，则对于任一天线阵元，使用任一天线阵元的极化角度减去目标极化角度，得到第三计算值，其中，所述目标计划角度为任一天线子阵内t个天线阵元中的第一个天线阵元的极化角度；
判断第三计算值是否小于0；
若是，则使用第三计算值加上360°，得到所述圆极化相位配置值；
若相控阵天线采用右旋圆极化旋向，则对于任一天线阵元，使用所述目标极化角度减去任一天线阵元的极化角度，得到第四计算值；
判断第四计算值是否小于0；
若是，则使用第四计算值加上360°，得到所述圆极化相位配置值。
9.根据权利要求7所述的一种具有极化方式调节功能的相控阵天线，其特征在于，在将每个天线阵元的线极化相位配置值发送至各自对应的移相器前，所述方法还包括：
将每个天线阵元的线极化相位配置值转换为移相码，其中，任一移相码为二进制编码；
相应的，将每个天线阵元的线极化相位配置值发送至各自对应的移相器，则包括：
将每个天线阵元的移相码发送至各自对应的移相器，以使各个移相器基于接收到的移相码，对对应的天线阵元进行相位配置，以实现相控阵天线在所述设定极化角度下的极化配相。
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