CN115575899A - 一种基于天线和射频收发集成的相控阵雷达系统设计方法 - Google Patents

一种基于天线和射频收发集成的相控阵雷达系统设计方法 Download PDF

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Abstract

一种基于天线和射频收发集成的相控阵雷达系统设计方法，相控阵雷达系统包括：相控阵天馈系统与综合信道模块连接；二次电源模块分别与相控阵天馈系统、综合信道模块、信号处理模块供电连接；综合信道模块与信号处理模块连接；相控阵天馈系统包括基本模块以及波导和差器；基本模块由多通道硅基CMOS T/R芯片、天线以及基板，采用晶圆级封装技术封装而成；综合信道模块包括收发变频芯片和频率综合源；收发变频芯片包括发射链路和接收链路；接收链路包括和接收通道、方位差接收通道、俯仰差接收通道。本发明采用基于硅基芯片设计的相控阵雷达集成设计思路，大幅降低系统成本，实现小型化设计。

Description

一种基于天线和射频收发集成的相控阵雷达系统设计方法
技术领域
本发明涉及雷达相控阵系统领域，尤其涉及一种基于天线和射频收发集成的相控阵雷达系统设计方法。
背景技术
传统相控阵雷达系统由相控阵天线、波控系统、频率综合器、直达波接收机、回波接收机、信号处理机、二次电源等分系统组成，造成硬件组成多、成本高昂、对尺寸空间要求较高等问题，难以在微小口径平台上大规模装备应用。此外，传统相控阵天线系统采用微组装、微焊接等工艺，将各种集成芯片与片式元器件，封装在同一管壳或者腔体内，体积重量大、成本居高不下，也是制约毫米波相控阵天线规模化应用的主要因素。
当前，对相控阵相控阵雷达系统高集成设计方法主要集中在各分系统间的集成设计。如申请号为CN202110788632.9的中国专利“一种高集成相控阵雷达一体化射频前端”，将相控阵雷达射频前端包含的天线、TR组件、发射机、接收机、频率综合器和波控机进行一体化设计，且通过预留的数字接口与信号处理板连接，构成一台完整的一维相控阵雷达。该方法未考虑相控阵天线、射频收发等关键分系统内部的集成，且未考虑低成本及大规模应用。
发明内容
本发明的主要目的是提出一种基于天线和射频收发集成的相控阵雷达系统设计方法，基于高集成天馈统和综合信道系统，从硬件架构上解决相控阵雷达系统高集成、低成问题。
为实现上述目的，本发明提出一种基于天线和射频收发集成的相控阵雷达系统设计方法，相控阵雷达系统包括相控阵天馈系统、综合信道模块、信号处理模块以及二次电源模块；相控阵天馈系统与综合信道模块连接；二次电源模块分别与相控阵天馈系统、综合信道模块、信号处理模块供电连接；综合信道模块与信号处理模块连接；所述相控阵天馈系统包括基本模块以及波导和差器；所述基本模块由多通道硅基CMOS T/R芯片、天线以及基板采用晶圆级封装技术封装而成；所述综合信道模块包括收发变频芯片和频率综合源；所述收发变频芯片包括发射链路和接收链路；所述接收链路包括和接收通道、方位差接收通道、俯仰差接收通道分别用于接收相控阵天馈系统发出的和信号、俯仰差信号和方位差信号。
优选的，所述相控阵硅基CMOS T/R芯片覆盖的频段为2G到100G，其通道数包括也包括4通道或16通道或64通道。
优选的，在基本模块中，基板用毫米波HDI多层复合基板，天线与多通道硅基CMOST/R芯片之间采用过孔垂直互连的方式安装在所述基板上。
优选的，多通道硅基CMOS T/R芯片根据相控阵雷达系统天线口径和频段确定。
优选的，发射链路包括依次连接的中频放大器、混频器、射频放大器、SPDT单刀双掷开关、功率放大器；
优选的，接收链路中的和接收通道、方位差接收通道、俯仰差接收通道，各个通道分别包括依次连接的SPDT单刀双掷开关、低噪声放大器、变频器、中频放大器；各个通道中的变频器分别与发射链路中的混频器连接。
优选的，所述频率综合源布置成提供本振信号装置，根据相控阵雷达系统频段确定本振信号频段。
进一步地，当相控阵雷达系统为81GHz，频率综合源采用5GHz的中频信号与76Hz本振信号混频。
优选的，信号处理模块采用AD9361射频A/D作为采样器件，用于对和接收通道、方位差接收通道、俯仰差接收通道三个通道的型号进行处理，以实现目标速度和角度信息提取。
优选的，二次电源对外部输入28V电源进行隔离，经过滤波到DC/DC转换电路将电压转换成12V，并对所述相控阵天馈系统、综合信道模块、信号处理模块进行供电。
由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果如下：
(1)本发明中，利用成熟的多通道硅基CMOS T/R芯片代替传统相控阵雷达导引头的砖块式T/R组件，将多通道硅基CMOS T/R芯片-天线-基板进行一体化封装，形成高集成基本模块，用模块拼接方式形成高集成相控阵天馈系统。收发变频芯片包括发射链路、以及与发射链路连接的接收链路；所述接收链路包括和接收通道、方位差接收通道、俯仰差接收通道分别用于接收相控阵天馈系统发出的和信号、俯仰差信号和方位差信号，形成了“一发三收”的多功能集成收发变频芯片，将和发射通道、和接收通道、方位差接收通道、俯仰差接收通道进行集成，形成高集成综合信道。
(2)在本发明中，采用多通道硅基CMOS收发芯片代替传统相控阵雷达导引头的砖块式T/R组件，大幅度降低了相控阵天线模块的纵向尺寸和生产成本。采用晶圆级封装技术将多通道硅基CMOS T/R芯片-天线-基板裸片进行一体化高密度封装，基本模块可单独测测试、替换，具备可扩展能力。
(3)采用“一发三收”的多功能集成收发变频芯片，将和发射通道、和接收通道、方位差接收通道、俯仰差接收通道进行集成，不仅大幅度减少毫米波器件数量，压缩系统体积和成本，还提高了系统的可靠性和生产效率。
(4)本发明采用基于硅基芯片设计的相控阵雷达集成设计思路，大幅降低系统成本，实现小型化设计。
附图说明
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，下面将对实施例或现有技术描述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示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明所提供的相控阵雷达系统原理框图；
图2为本发明中相控阵天馈系统结构示意图；
图3为本发明中收发变频芯片的结构示意图。
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。
结合图1所示，一种基于天线和射频收发集成的相控阵雷达系统设计方法，相控阵雷达系统包括相控阵天馈系统、综合信道模块、信号处理模块以及二次电源模块；相控阵天馈系统与综合信道模块连接；二次电源模块分别与相控阵天馈系统、综合信道模块、信号处理模块供电连接；综合信道模块与信号处理模块连接。相控阵雷达系统采用上述方式硬件组成大大减少，降低了系统集成难度。
结合图2所示，相控阵天馈系统包括基本模块以及波导和差器；所述基本模块由多通道硅基CMOS T/R芯片、天线以及基板采用晶圆级封装技术封装而成，形成高集成的基本模块；基板用毫米波HDI多层复合基板，天线与多通道硅基CMOS T/R芯片之间采用过孔垂直互连的方式安装在所述基板上。多通道硅基CMOS T/R芯片根据相控阵雷达系统天线口径和频段确定。相控阵硅基CMOS T/R芯片覆盖的频段为2G到100G，通道数也包括4通道、16通道、64通道，更多的通道需求可由阵元拼接方式组成。相控阵天馈系统采用上述结构，代替传统相控阵雷达导引头的砖块式T/R组件，用晶圆级封装技术将多通道硅基CMOS T/R芯片-天线-基板裸片进行一体化高密度封装，基本模块可单独测测试、替换，具备可扩展能力。
结合图1及图3所示，在本实施例中，综合信道模块包括收发变频芯片和频率综合源；所述收发变频芯片包括发射链路和接收链路；发射链路被布置成发射射频信号；接收链路包括和接收通道、方位差接收通道、俯仰差接收通道分别用于接收相控阵天馈系统发出的和信号、俯仰差信号和方位差信号。在本发明中，收发变频芯片将发射链路、和接收通道、方位差接收通道、俯仰差接收通道等链路核心器件功能进行集成，形成了“一发三收”芯片。
结合图3所示，发射链路包括依次连接的中频放大器、混频器、射频放大器、SPDT单刀双掷开关、功率放大器；发射链路中，中频信号进入多功能集成收发变频芯片输入端，经过混频、放大、开关切换、功率放大等功能后输出，用来驱动后级的功放芯片；其中SPDT单刀双掷开关完成自校准通道/发射通道切换功能，在自校准工作状态下，将上变频的发射通道的输出切换至校准通道，并关断芯片内部的末级功放。
接收链路包括和接收通道、方位差接收通道和俯仰差接收通道。各个通道分别包括依次连接的SPDT单刀双掷开关、低噪声放大器、变频器、中频放大器组成；各个通道中的变频器分别与发射链路中的混频器连接。信号通过开关切换、低噪声放大后实现下变频，再经过中频放大器后实现和通道的信号接收；俯仰差信号和方位差信号经过多功能集成收发变频芯片下变频后，通过中频放大器实现差通道的信号接收。
在本实施例中，频率综合源布置成提供本振信号装置，主要由锁相环、放大滤波组成。根据相控阵雷达系统频段确定本振信号频段，如相控阵雷达系统为81GHz，则选用5GHz的中频信号与76Hz本振信号混频。
在本实施例中，信号处理模块采用AD9361射频A/D作为采样器件，用于对和接收通道、方位差接收通道、俯仰差接收通道三个通道的型号进行处理，以实现目标速度和角度信息提取。二次电源对外部输入28V电源进行隔离，经过滤波到DC/DC转换电路将电压转换成12V，并对所述相控阵天馈系统、综合信道模块、信号处理模块进行供电。
本发明的工作原理如下：
发射状态下，综合信道系统根据距离信息产生相应的工作波形，由多功能集成收发变频芯片输出的脉冲信号，经变频至毫米波信号，从而提供相控阵雷达系统所需信号，相控阵天馈系统由发射和通道经主阵面单元，实现空间辐射。接收状态下，回波信号经相控阵天馈系统主阵面单元接收后形成和、方位差、俯仰差三通道信号，经过综合信道的多功能集成收发变频芯片得到基带数字信号，通过对和、差三通道的回波数据进行信号处理，实现目标速度和角度信息提取。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所做的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于天线和射频收发集成的相控阵雷达系统设计方法，其特征在于：相控阵雷达系统包括相控阵天馈系统、综合信道模块、信号处理模块以及二次电源模块；
相控阵天馈系统与综合信道模块连接；二次电源模块分别与相控阵天馈系统、综合信道模块、信号处理模块供电连接；综合信道模块与信号处理模块连接；
所述相控阵天馈系统包括基本模块以及波导和差器；所述基本模块由多通道硅基CMOST/R芯片、天线以及基板采用晶圆级封装技术封装而成；
所述综合信道模块包括收发变频芯片和频率综合源；所述收发变频芯片包括发射链路和接收链路；所述接收链路包括和接收通道、方位差接收通道、俯仰差接收通道分别用于接收相控阵天馈系统发出的和信号、俯仰差信号和方位差信号。
2.如权利要求1所述的基于天线和射频收发集成的相控阵雷达系统设计方法，其特征在于：所述相控阵硅基CMOS T/R芯片覆盖的频段为2G到100G，其通道数包括4通道或16通道或64通道。
3.如权利要求1所述的基于天线和射频收发集成的相控阵雷达系统设计方法，其特征在于：在基本模块中，基板用毫米波HDI多层复合基板，天线与多通道硅基CMOS T/R芯片之间采用过孔垂直互连的方式安装在所述基板上。
4.如权利要求1所述的基于天线和射频收发集成的相控阵雷达系统设计方法，其特征在于：多通道硅基CMOS T/R芯片根据相控阵雷达系统天线口径和频段确定。
5.如权利要求1所述的基于天线和射频收发集成的相控阵雷达系统设计方法，其特征在于：发射链路包括依次连接的中频放大器、混频器、射频放大器、SPDT单刀双掷开关、功率放大器。
6.如权利要求5所述的基于天线和射频收发集成的相控阵雷达系统设计方法，其特征在于：接收链路中的和接收通道、方位差接收通道、俯仰差接收通道，各个通道分别包括依次连接的SPDT单刀双掷开关、低噪声放大器、变频器、中频放大器；各个通道中的变频器分别与发射链路中的混频器连接。
7.如权利要求1所述的基于天线和射频收发集成的相控阵雷达系统设计方法，其特征在于：所述频率综合源布置成提供本振信号装置，根据相控阵雷达系统频段确定本振信号频段。
8.如权利要求7所述的基于天线和射频收发集成的相控阵雷达系统设计方法，其特征在于：当相控阵雷达系统为81GHz，频率综合源采用5GHz的中频信号与76Hz本振信号混频。
9.如权利要求1所述的基于天线和射频收发集成的相控阵雷达系统设计方法，其特征在于：信号处理模块采用AD9361射频A/D作为采样器件，用于对和接收通道、方位差接收通道、俯仰差接收通道三个通道的型号进行处理，以实现目标速度和角度信息提取。
10.如权利要求1所述的基于天线和射频收发集成的相控阵雷达系统设计方法，其特征在于：二次电源对外部输入28V电源进行隔离，经过滤波到DC/DC转换电路将电压转换成12V，并对所述相控阵天馈系统、综合信道模块、信号处理模块进行供电。
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