CN115458954B - 可扩展砖式架构收发共口径多波束有源相控阵天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可扩展砖式架构收发共口径多波束有源相控阵天线，天线子阵组件包括：收发共口径天线层用于信号的发射与接收，采用收发天线单元共阵面；收发组件层用于集成发射多波束芯片和接收多波束芯片，至少形成两个独立波束，且接收波束与发射波束的数量分别不少于一个；网络层至少包含功合网络、功分网络、控制网络层和电源网络层；转接匹配层设置于收发共口径天线层与收发组件层之间，用于连接收发共口径天线层和收发组件层；有源相控阵天线的尺寸由天线子阵组件数量及排列方式确定。本发明，能够避免现有瓦式多波束相控阵网络层数多的问题，具有可扩展、装配和维修的特短板，提高接口位置的灵活性，可快速扩展，缩短生产周期。

Description

可扩展砖式架构收发共口径多波束有源相控阵天线

技术领域

本发明涉及相控阵天线领域，具体涉及一种基于转接匹配层的可扩展砖式架构收发共口径多波束有源相控阵天线。

背景技术

近年低轨卫星通信与5G领域迅速发展，由于要适应未来泛星无缝切换、聚合传输的应用场景，因此要求相控阵具备多波束能力；由于考虑大规模商用、批量化生产，因此要考虑低成本设计与工艺实现要求；由于要满足未来不同场景下的不同口径需求，因此相控阵架构需具备良好的可扩展性；同时考虑易与不同安装平台的一体化集成设计，需满足共口径要求。传统瓦式相控阵天线采用高集成度芯片与天线面平行布局，具有剖面低、重量轻、易于与平台集成共形等特点，但是由于收发共口径多波束天线层数较多，多层PCB加工工艺难度大，设计复杂度高，机电热耦合复杂等问题，多波束瓦式相控阵天线技术难度较高，针对以上需求和技术现状，需考虑新型设计架构相控阵天线。

发明内容

本发明的目的在于提供一种工程实用性高、工艺成熟、成本可控且可扩展砖式架构收发共口径多波束有源相控阵天线。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种可扩展砖式架构收发共口径多波束有源相控阵天线，包括多个收发共口径多波束有源相控阵天线子阵组件，所述天线子阵组件包括：

收发共口径天线层，用于信号的发射与接收，采用收发天线单元共阵面；

收发组件层，用于集成发射多波束芯片和接收多波束芯片，至少形成两个独立波束，且接收波束与发射波束的数量分别不少于一个；

网络层，至少包含功合网络、功分网络、控制网络层和电源网络层；

转接匹配层，设置于所述收发共口径天线层与所述收发组件层之间，用于连接所述收发共口径天线层和所述收发组件层；

所述有源相控阵天线的尺寸由所述天线子阵组件数量及排列方式确定。

在上述任一技术方案中，所述收发共口径天线层中的接收天线辐射单元和发射天线辐射单元之间交叉设置或嵌套设置或叠层设置。

在上述任一技术方案中，所述接收天线辐射单元和所述发射天线辐射单元为平面天线或立体天线；

所述接收天线辐射单元和所述发射天线辐射单元的馈电方式为直接馈电或耦合馈电。

在上述任一技术方案中，所述转接匹配层至少包括顶层焊盘、底层焊盘及顶层焊盘和底层焊盘之间的至少一层的发射转接层和至少一层的接收转接层。

在上述任一技术方案中，所述控制网络层至少包括时钟网络、数据写入网路、数据读取网络、数据下载网络、片选网络；

所述电源网络层用于为所述接收多波束芯片和所述发射多波束芯片提供不同种类电压供电。

在上述任一技术方案中，所述收发共口径天线层与所述转接匹配层通过多层PCB压合连接，所述转接匹配层通过连接器与所述收发组件层连接，所述收发组件层通过接插件与所述组件网络层连接。

在上述任一技术方案中，所述接收多波束芯片与两个或两个以上接收天线辐射单元进行连接，输出两个或两个以上合成波束端口；

所述发射多波束芯片与两个或两个以上发射天线辐射单元进行连接，输入两个或两个以上合成波束端口。

在上述任一技术方案中，所述收发共口径天线层、所述转接匹配层和所述收发组件层为多层微波PCB层压工艺或LTCC工艺制成的板状结构；各个板状结构的所述收发共口径天线层、所述转接匹配层和所述收发组件层的内部层与层之间通过屏蔽地隔离。

在上述任一技术方案中，所述接收天线辐射单元与所述发射天线辐射单元布局间距满足以下关系：

dx≤(1/sinα)(1/(1+sinθ))

dy≤(1/sinα)(1/(1+sinθ))

其中，dx和dy分别为x和y方向的单元间距，α为三角栅格排列布局等腰三角形底角角度，θ为扫描最大角度范围。

在上述任一技术方案中，所述发射多波束芯片或所述接收多波束芯片由高集成度多波束芯片组成，或

低噪声放大器、功率放大器、移相器和衰减器级联组成；

所述接收多波束芯片和所述发射多波束芯片为单独两种不同芯片，或采用SOC工艺封装的收发一体化多波束芯片。

与现有技术相比，本发明的一种可扩展砖式架构收发共口径多波束有源相控阵天线，通过采用收发天线单元共阵面，有利于提高天线利用率和集成度，减小天线功耗，天线尺寸根据天线子阵组件数量及排列方式变化，收发共口径天线层、转接匹配层、收发组件层和网络层为可扩展架构，实现收发共口径同时多波束扫描，有利于降低天线口面尺寸，使得多波束有源相控阵天线具备可扩展拼接能力，大幅简化生产工艺，有利于批量化生产，同时，转接匹配层上表面与收发共口径天线层连接，下层表面与收发组件层连接，实现了组件接口规则设计，同时提高天线层馈电接口位置的灵活性，提高收发共口径天线层馈电接口位置的灵活性，可快速扩展，缩短生产周期，能够避免层数过多导致的剖面高度、质量面密度难以降低，避免层间垂直互联跨度大和集成度难以提高等缺点，具有低剖面，易于装配、维修等优势。

附图说明

图1示意性表示本发明的一个实施例中一种可扩展砖式架构收发共口径多波束有源相控阵天线子阵组件结构示意图；

图2示意性表示本发明的一个实施例中收发天线单元共阵面布局示意图；

图3示意性表示本发明的一个实施例中收发共口径天线层上层布局图与转接匹配层下层接口位置布局图；

图4示意性表示本发明的一个实施例中收发组件与天线原理组成图；

图5示意性表示本发明的一个实施例中收发同时4波束组件多波束芯片功分/功合原理图；

图6示意性性表示本发明的一个实施例中8通道4波束接收芯片原理图；

图7示意性表示本发明的一个实施例中8通道4波束发射芯片原理图。

其中，图1至图7中附图标记与部件名称之间的对应关系为：

10、收发共口径天线层；11、接收天线辐射单元；12、发射天线辐射单元；20、转接匹配层；30、收发组件层；40、网络层；112、功率合成器；113、功率分配器；401、功率放大器；402、低噪声放大器。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，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。

在针对本发明的实施方式进行描述时，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”所表达的方位或位置关系是基于相关附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细地描述，实施方式不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施方式。

参见图1至图7，本发明的一种可扩展砖式架构收发共口径多波束有源相控阵天线，包括多个收发共口径多波束有源相控阵天线子阵组件天线子阵组件包括：

收发共口径天线层10，用于信号的发射与接收，采用收发天线单元共阵面；

收发组件层30，用于集成发射多波束芯片和接收多波束芯片，至少形成两个独立波束，且接收波束与发射波束的数量分别不少于一个；

网络层40，至少包含功合网络、功分网络、控制网络层和电源网络层；

转接匹配层20，设置于收发共口径天线层10与收发组件层30之间，用于连接收发共口径天线层10和收发组件层30；

有源相控阵天线的尺寸由天线子阵组件数量及排列方式确定。

在该实施例中，通过采用收发天线单元共阵面，有利于提高天线利用率和集成度，减小天线功耗，天线尺寸根据天线子阵组件数量及排列方式变化，收发共口径天线层10、转接匹配层20、收发组件层30和网络层40为可扩展架构，实现收发共口径同时多波束扫描，有利于降低天线口面尺寸，使得多波束有源相控阵天线具备可扩展拼接能力，大幅简化生产工艺，有利于批量化生产，同时，转接匹配层20上表面与收发共口径天线层10连接，下层表面与收发组件层30连接，实现了组件接口规则设计，同时提高天线层馈电接口位置的灵活性，提高收发共口径天线层10馈电接口位置的灵活性，可快速扩展，缩短生产周期。

进一步地说，能够避免层数过多导致的剖面高度、质量面密度难以降低，避免层间垂直互联跨度大和集成度难以提高等缺点，具有低剖面，易于装配、维修等优势。

在本发明的一个实施例中，优选地，收发共口径天线层10中的接收天线辐射单元11和发射天线辐射单元12之间交叉设置或嵌套设置或叠层设置。

在本发明的一个实施例中，优选地，接收天线辐射单元11和发射天线辐射单元12为平面天线或立体天线；

接收天线辐射单元11和发射天线辐射单元12的馈电方式为直接馈电或耦合馈电。

在本发明的一个实施例中，优选地，转接匹配层20至少包括顶层焊盘、底层焊盘及顶层焊盘和底层焊盘之间的至少一层的发射转接层和至少一层的接收转接层。

在本发明的一个实施例中，优选地，控制网络层至少包括时钟网络、数据写入网路、数据读取网络、数据下载网络、片选网络；

电源网络层用于为接收多波束芯片和发射多波束芯片提供不同种类电压供电。

在本发明的一个实施例中，优选地，收发共口径天线层10与转接匹配层20通过多层PCB压合连接，转接匹配层20通过连接器与收发组件层30连接，收发组件层30通过接插件与组件网络层连接。

在本发明的一个实施例中，优选地，接收多波束芯片与两个或两个以上接收天线辐射单元11进行连接，输出两个或两个以上合成波束端口；

发射多波束芯片与两个或两个以上发射天线辐射单元12进行连接，输入两个或两个以上合成波束端口。

在本发明的一个实施例中，优选地，收发共口径天线层10、转接匹配层20和收发组件层30为多层微波PCB层压工艺或LTCC工艺制成的板状结构；各个板状结构的收发共口径天线层10、转接匹配层20和收发组件层30的内部层与层之间通过屏蔽地隔离。

在该实施例中，收发共口径天线层10、转接匹配层20和收发组件层30通过多层微波PCB层压工艺或LTCC工艺压制呈板状结构，且转接匹配层20与收发共口径天线层10、转接匹配层20与收发组件层30之间通过BGA或者LGA封装工艺整体压合，一体成型，加工简单、成本低廉、可快速自动和装配，缩短生产周期，可实现批量生产，加工成本低，将天线、芯片以及各种信号连接线集成在一块多层PCB板上，减少了连接器以及各种连接线缆的使用成本，以及组装产品的人力成本和时间成本，收发共口径天线层10、转接匹配层20和收发组件层30的内部层与层之间通过屏蔽地隔离，能够有效地避免信号间的干扰，提升天线稳定性。

进一步地说，通过在收发共口径天线层10和，减少，有效地避免了连接器、线缆损坏以及安装问题引起的产品故障，从而提升了天线的稳定性与可靠性。

在本发明的一个实施例中，优选地，接收天线辐射单元11与发射天线辐射单元12布局间距满足以下关系：

dx≤(1/sinα)(1/(1+sinθ))

dy≤(1/sinα)(1/(1+sinθ))

其中，dx和dy分别为x和y方向的单元间距，α为三角栅格排列布局等腰三角形底角角度，θ为扫描最大角度范围。

在该实施例中，相控阵天线波束扫描时会出现栅瓣，栅瓣的幅度与主瓣相同，栅瓣的存在会导致测角存在多值性，通过控制单元间距，使得相控阵天线波束扫描时不出现栅瓣，以避免天线增益降低的问题，避免干扰信号经栅瓣进入影响天线正常工作，提升了天线的稳定性与可靠性。

在本发明的一个实施例中，优选地，发射多波束芯片或接收多波束芯片由高集成度多波束芯片组成，或低噪声放大器、功率放大器、移相器和衰减器级联组成；

接收多波束芯片和发射多波束芯片为单独两种不同芯片，或采用SOC工艺封装的收发一体化多波束芯片。

本发明的可扩展砖式架构收发共口径多波束有源相控阵天线，主要由收发共口径天线层10、转接匹配层20、收发组件层30、网络层40(功分/合网络层、控制网络层、电源网络层、连接器等)。另外，可扩展砖式架构收发共口径多波束有源相控阵天线整体系统还包含主控单元、组合导航单元、电源模块、天线透波罩、天线结构等。主控单元根据组合导航单元传输的坐标位置和姿态角度信息、以及事先获取的目标(比如卫星)轨迹信息，进行坐标系变化计算，从而计算出在相控阵坐标系中的波束指向方位值和波束偏离法线角度，并将波束指向方位值和波束偏离法线角度信息发送给各个波束控制子单元。组合导航单元由导航接收机和惯性传感器组成，其中导航接收机提供坐标位置信息，惯性传感器提供姿态角度与角速度等信息。电源模块为收发共口径多波束有源相控阵天线子阵组件、波束控制子单元、主控单元组、组合导航单元、散热冷板进行供电。散热冷板为整机提供散热，收发组件层30内集成的芯片产生的热量可通过组件壁传导到网络层40散出，其中组件壁内贴微通道或者复合材料等实现快速散热，实现良好的热传导。天线透波罩采用透波材料制作，天线结构为整机提供安装固定与结构支撑。

收发共口径多波束有源相控阵的天线子阵组件可以单个独立使用，亦可以根据应用要求通过拼接组合成为更大的收发共口径多波束有源相控阵，有源相控阵天线的尺寸由天线子阵组件数量及排列方式确定。例如，天线子阵组件可以为四个时，四个天线子阵组件可以为并列的1×4的结构形式或2×2的结构形式。

由于实际工程应用中，接收天线辐射单元11和发射辐射单元数量并不一定完全匹配，收发共口径多波束有源相控阵天线子阵组件也可以根据需要与独立的发射多波束有源相控阵天线子阵组件或独立的接收多波束有源相控阵天线子阵组件进行拼接，形成满足不同收发指标的相控阵产品。

图2示出根据本发明的一个实施案例的可扩展砖式架构收发共口径多波束有源相控阵天线交叉布局，包含独立的低频天线辐射单元和高低频复合辐射单元两种天线辐射单元，在阵列布局上，高频天线辐射单元采用16*16矩形布阵，低频天线辐射单元采用8*16三角布局。

图3示出根据本发明的一个实施案例的可扩展砖式架构收发共口径多波束有源相控阵中，收发共口径天线层10上层布局图和转接匹配层20下层布局图，转接匹配层20的上层与收发共口径天线层10的下层结构通过BGA连接，转接匹配层20的下层结构通过BGA与组件连接，其中天线采用收发共口径多波束有源相控阵天线嵌套布局，转接匹配层20的下层为规则排列的方阵排列，方便与下层的组件连接布局。

图4和图5示出根据本发明的一个实施案例的可扩展砖式架构收发共口径多波束有源相控阵天线和网络，收发组件层30中采用高集成度发射多波束芯片和接收多波束芯片，亦可采用低噪声放大器、功率放大器、移相器和衰减器等级联实现，形成至少2个或2个以上独立波束，多波束接收芯片和发射芯片采用单独芯片，接收网络和发射网络采用多级威尔金斯电桥级联，采用埋阻工艺。接收网络层和发射网络层，采用多层微波PCB层压工艺，或采用LTCC工艺。接收网络层和发射网络层各层之间均通过屏蔽地层进行上下层隔离。网络层实现用于组件供电、控制和射频信号功分和功合等功能，另外组件至少需要电源网络和控制网络，其中电源网络层为各多波束组件芯片提供不同种类电压供电；控制网络层提供时钟、数据写入与下载等功能。

图4和图5示出根据本发明的一个实施案例的可扩展砖式架构收发共口径多波束有源相控阵天线架构，集成了发射多波束芯片和接收多波束芯片，将多达32路移相衰减器、8路放大器和复杂的功分和合成网络集成于一块芯片上，将8行和4列数控移相器进行两维分布和功分合成互联，通过分网络设计实现八通道集成和支持四个独立波束。

图6所示将8路低噪声放大器402，4路功率合成器112、8行和4列32路移相衰减器、合成网络集成于一块接收芯片上；同理，图7所示8路功率放大器401，4路功率分配器113、将8行和4列数控移相器互联、合成网络集成于一块发射芯片上，实现八通道集成和四个独立波束。

本发明的一种可扩展砖式架构收发共口径多波束有源相控阵天线，包括多个收发共口径多波束有源相控阵天线子阵组件天线子阵组件包括：收发共口径天线层，用于信号的发射与接收，采用收发天线单元共阵面；收发组件层，用于集成发射多波束芯片和接收多波束芯片，至少形成两个独立波束，且接收波束与发射波束的数量分别不少于一个；网络层，至少包含功合网络、功分网络、控制网络层和电源网络层；转接匹配层，设置于收发共口径天线层与收发组件层之间，用于连接收发共口径天线层和收发组件层；有源相控阵天线的尺寸由天线子阵组件数量及排列方式确定，有利于降低天线口面尺寸，使得多波束有源相控阵天线具备可扩展拼接能力，大幅简化生产工艺，有利于批量化生产，同时，转接匹配层上表面与收发共口径天线层连接，下层表面与收发组件层连接，实现了组件接口规则设计，同时提高天线层馈电接口位置的灵活性，提高收发共口径天线层馈电接口位置的灵活性，可快速扩展，缩短生产周期。

进一步地，能够避免层数过多导致的剖面高度、质量面密度难以降低，避免层间垂直互联跨度大和集成度难以提高等缺点，具有低剖面，易于装配、维修等优势。

以上所述仅为本发明的一个实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (10)

1.一种可扩展砖式架构收发共口径多波束有源相控阵天线，包括多个收发共口径多波束有源相控阵天线子阵组件，其特征在于，所述天线子阵组件包括：

收发共口径天线层(10)，用于信号的发射与接收，采用收发天线单元共阵面；

收发组件层(30)，用于集成发射多波束芯片和接收多波束芯片，至少形成两个独立波束，且接收波束与发射波束的数量分别不少于一个；

网络层(40)，至少包含功合网络、功分网络、控制网络层和电源网络层；

转接匹配层(20)，设置于所述收发共口径天线层(10)与所述收发组件层(30)之间，用于连接所述收发共口径天线层(10)和所述收发组件层(30)；

所述收发共口径天线层(10)、所述转接匹配层(20)、所述收发组件层(30)和所述网络层(40)为可扩展架构，所述有源相控阵天线的尺寸由所述天线子阵组件数量及排列方式确定。

2.根据权利要求1所述的可扩展砖式架构收发共口径多波束有源相控阵天线，其特征在于，所述收发共口径天线层(10)中的接收天线辐射单元(11)和发射天线辐射单元(12)之间交叉设置或嵌套设置或叠层设置。

3.根据权利要求2所述的可扩展砖式架构收发共口径多波束有源相控阵天线，其特征在于，所述接收天线辐射单元(11)和所述发射天线辐射单元(12)为平面天线或立体天线；

所述接收天线辐射单元(11)和所述发射天线辐射单元(12)的馈电方式为直接馈电或耦合馈电。

4.根据权利要求3所述的可扩展砖式架构收发共口径多波束有源相控阵天线，其特征在于，所述转接匹配层(20)至少包括顶层焊盘、底层焊盘及顶层焊盘和底层焊盘之间的至少一层的发射转接层和至少一层的接收转接层。

5.根据权利要求4所述的可扩展砖式架构收发共口径多波束有源相控阵天线，其特征在于，所述控制网络层至少包括时钟网络、数据写入网路、数据读取网络、数据下载网络、片选网络；

所述电源网络层用于为所述接收多波束芯片和所述发射多波束芯片提供不同种类电压供电。

6.根据权利要求5所述的可扩展砖式架构收发共口径多波束有源相控阵天线，其特征在于，所述收发共口径天线层(10)与所述转接匹配层(20)通过多层PCB压合连接，所述转接匹配层(20)通过连接器与所述收发组件层(30)连接，所述收发组件层(30)通过接插件与所述组件网络层连接。

7.根据权利要求6所述的可扩展砖式架构收发共口径多波束有源相控阵天线，其特征在于，所述接收多波束芯片与两个或两个以上接收天线辐射单元(11)进行连接，输出两个或两个以上合成波束端口；

所述发射多波束芯片与两个或两个以上发射天线辐射单元(12)进行连接，输入两个或两个以上合成波束端口。

8.根据权利要求7所述的可扩展砖式架构收发共口径多波束有源相控阵天线，其特征在于，所述收发共口径天线层(10)、所述转接匹配层(20)和所述收发组件层(30)为多层微波PCB层压工艺或LTCC工艺制成的板状结构；各个板状结构的所述收发共口径天线层(10)、所述转接匹配层(20)和所述收发组件层(30)的内部层与层之间通过屏蔽地隔离。

9.根据权利要求8所述的可扩展砖式架构收发共口径多波束有源相控阵天线，其特征在于，所述接收天线辐射单元(11)与所述发射天线辐射单元(12)布局间距满足以下关系：

dx≤(1/sinα)(1/(1+sinθ))

dy≤(1/sinα)(1/(1+sinθ))

其中，dx和dy分别为x和y方向的单元间距，α为三角栅格排列布局等腰三角形底角角度，θ为扫描最大角度范围。

10.根据权利要求9所述的可扩展砖式架构收发共口径多波束有源相控阵天线，其特征在于，所述发射多波束芯片或所述接收多波束芯片由高集成度多波束芯片组成，或

低噪声放大器、功率放大器、移相器和衰减器级联组成；

所述接收多波束芯片和所述发射多波束芯片为单独两种不同芯片，或采用SOC工艺封装的收发一体化的多波束芯片_。

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