CN115622532B - 一种超宽带相控阵雷达数控移相电路 - Google Patents

Abstract

本申请提出一种超宽带相控阵雷达数控移相电路，涉及雷达技术领域，采用全通网络级联技术，包括6个顺次级联的移相单元，分别为5.625°移相单位、11.25°移相单元、45°移相单元、22.5°移相单元、180°移相单元和90°移相单元，移相步进为5.625°，最大移相量为360°；5.625°移相单元和11.25°移相单元采用开关嵌入式全通网络结构；45°移相单元、22.5°移相单元和90°移相单元采用开关型单级全通网络结构；180°移相单元采用开关型双级全通网络结构；全通网络采用平面交织耦合线结构。本申请移相电路工作带宽和移相量可扩展，为雷达提供大宽带、高移相精度、低插损、低回波损耗的高性能移相电路，极大提高雷达工作带宽、波束指向精度，极大降低雷达研制难度和成本。

Description

一种超宽带相控阵雷达数控移相电路

技术领域

本申请涉及雷达技术领域，尤其是涉及一种超宽带相控阵雷达数控移相电路。

背景技术

在现代电子对抗领域中，相控阵雷达具备了波束指向灵活、多目标、多功能、抗干扰能力强及可靠性高等优点。目前，相控阵雷达已经逐步取代了传统机械扫描雷达，成为世界各国电子对抗设备中的主流配置。有源相控阵雷达的阵面通常由几十至上万个接收和发射单元（简称T/R单元）组成，通过计算机控制每一路T/R单元的移相量实现单波束和多波束指向扫描，从而实现目标的跟踪和扫描。因此，T/R单元中的移相电路就是有源相控阵雷达的关键电路和器件，其工作带宽决定了相控阵雷达的工作带宽，其移相精度决定了相控阵雷达的波束指向精度，其集成难度及生产成本直接影响着相控阵雷达研制的难度和成本。

目前，传统的数字移相电路主要有加载负载线型、开关线型、反射型、高低通型等。负载线型、开关线型和反射型移相电路通常采用传输线完成移相，因此其带宽难以扩展，一般应用于窄宽移相，且尺寸较大，难以集成。高低通型移相电路工作带宽可以到2个倍程频以上，然而其带外失配，不能进行工作带宽及移相量的扩展。

随着现代电子对抗技术的发展，战场电磁环境日益复杂，相控阵雷达系统对数字移相电路的性能提出了更高的要求。由于传统移相电路的工作带宽受限、集成难度大，超宽带移相电路设计开发难度较高，因此，采用传统移相电路技术难以满足现代相控阵雷达系统对移相电路的要求。

发明内容

为了满足现代相控阵雷达系统对移相电路提出的要求，本申请提供了一种超宽带相控阵雷达数控移相电路。

本申请提出了一种超宽带相控阵雷达数控移相电路，该超带宽相控阵雷达数控移相电路采用全通网络级联技术，包括6个顺次级联的移相单元，分别为5.625°移相单位、11.25°移相单元、45°移相单元、22.5°移相单元、180°移相单元和90°移相单元；

其中，所述5.625°移相单元和11.25°移相单元采用开关嵌入式的全通网络结构；和/或，所述45°移相单元、22.5°移相单元和90°移相单元采用开关型单级全通网络结构；和/或，所述180°移相单元采用开关型双级全通网络结构。

优选的，所述全通网络采用平面交织耦合线结构，包括一个平面交织耦合线圈P1和接地电容C1，所述平面交织耦合线圈P1包括电感元件L1、L2和两者的互耦元件C2，由电感元件L1、L2和电容C2等效组成。

优选的，所述5.625°移相单元和11.25°移相单元包括一个全通网络、开关管SW1、SW2和电容C3、C4；

其中，所述全通网络包括平面交织耦合线圈P1和接地电容C1，所述开关管SW1和电容C3组成提供额外耦合电容的支路，开关管SW2和电容C4组成提供额外交流到地的支路；所述开关管SW1、SW2同时开通或关断。

优选的，所述开关管SW1、SW2均采用pHEMT开关管。

优选的，所述全通网络的平面交织耦合线圈采用PS0618网络结构。

优选的，所述45°移相单元、22.5°移相单元和90°移相单元包括两个全通网络APN1和APN2、输入端单刀双掷开关、输出端单刀双掷开关和电容C1、C2；

其中，所述输入端单刀双掷开关由开关管SW1、SW2、SW3、SW4组成，所述输出端单刀双掷开关由开关管SW5、SW6、SW7、SW8组成；所述全通网络APN1与电容C1、C2设置在开关管SW1、SW2、SW7、SW8组成的开关支路中，所述全通网络APN2设置在开关管SW3、SW4、SW5、SW6相成的另一开关支路中；

所述开关管SW1、SW8、SW3、SW5同时开通或关断，所述开关管SW4、SW6、SW2、SW7同时开通或关断。

优选的，所述全通网络APN1设置在所述电容C1、C2之间，共同组成一个高通网络改善移相单元频率低端移相平坦度。

优选的，所述180°移相单元包括四个全通网络APN1、APN2、APN3和APN4、输入端单刀双掷开关、输出端单刀双掷开关及电容C1、C2、C3；

其中，所述输入端单刀双掷开关由开关管SW1、SW2、SW3、SW4组成，所述输出端单刀双掷开关由开关管SW5、SW6、SW7、SW8组成；所述全通网络APN1、APN2与电容C1、C2、C3设置在开关管SW1、SW2、SW7、SW8组成的开关支路中；全通网络APN3和APN4设置在开关管SW3、SW4、SW5、SW6组成的另一开关支路中；

所述开关管SW1、SW8、SW3、SW5同时开通或关断，所述开关管SW4、SW6、SW2、SW7同时开通或关断。

优选的，所述全通网络APN1设置在电容C1、C2之间，所述全通网络APN2设置在电容C2、C3之间；所述全通网络APN1、APN2与电容C1、C2、C3组成一个高通网络改善180°移相单元频率低端移相平坦度。

优选的，所述全通网络APN1和APN3构成一组全通网络，所述全通网络APN2和APN4构成另一组全通网络，且两组全通网络级联用于扩展180°移相单元的移相量。

综上所述，本申请超宽带相控阵雷达数控移相电路具有如下有益效果：该移相电路采用全通网络结构作为基本移相单元，网络可级联，移相精度、插损、回波等性能指标优异，电路结构简单，电路尺寸小，输入输出匹配特性优良，能够满足相控阵雷达对移相电路超宽带、小型化、低成本的需求，使得相控阵雷达获得较高工作带宽、较高波束指向精度，有效缩短相控阵雷达的研制周期，极大降低相控阵雷达研制难度和成本。

附图说明

图1是本申请数控移相电路的结构框图。

图2是全通网络电路图。

图3是平面交织耦合线结构的全通网络电路图。

图4是实施例1的5.625°及11.25°移相单元电路图。

图5是实施例2的22.5°、45°和90°移相单元电路图。

图6是实施例3的180°移相单元电路图。

图7是本申请数控移相电路RMS移相精度示意图。

图8是本申请数控移相电路输入驻波示意图。

图9是本申请数控移相电路输出驻波示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图1-9及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

移相电路是相控阵雷达中T/R单元的关键电路，为了降低雷达系统的复杂度和研制成本，通常T/R单元中接收通道和发射通道共用移相电路。相控阵雷达工作时通过调整不同阵元的移相量，实现雷达波束指向的改变和扫描。移相电路的移相步进决定雷达波束指向移动的最小角度，移相电路的精度决定雷达波束指向的准确性。一般情况下，移相步进为5.625°，移相量360°的6位移相电路可满足超宽带相控阵雷达的使用需求。

本申请提出了一种超宽带相控阵雷达数控移相电路，如附图1所示，该超带宽相控阵雷达数控移相电路采用全通网络级联技术，包括6个顺次级联的移相单元，分别为5.625°移相单位、11.25°移相单元、45°移相单元、22.5°移相单元、180°移相单元和90°移相单元；其中，5.625°移相单元和11.25°移相单元采用开关嵌入式的全通网络结构；和/或，45°移相单元、22.5°移相单元和90°移相单元采用开关型单级全通网络结构；和/或，180°移相单元采用开关型双级全通网络结构。

如附图2所示，全通网络是一个由电抗元件组成的T型网络，包括电感元件L1、L2和电容元件C1、C2，T型网络两端为电感元件L1、L2，电容元件C1为接地元件，电容元件C2为电感元件L1、L2的互耦元件。

本申请所述超宽带相控阵雷达数控移相电路，如附图2和3所示，优选的，全通网络采用平面交织耦合线结构，包括一个平面交织耦合线圈P1和接地电容C1，平面交织耦合线圈P1由电感元件L1、L2和两者的互耦元件电容C2等效组成。在实际工作运行中，通过调节平面交织耦合线圈P1的耦合长度及接地电容C1的大小，能够改变全通网络的翻转频率和相位特性。

本申请所述超宽带相控阵雷达数控移相电路，使用全通网络级联、开关嵌入等技术，采用平面交织耦合线结构的全通网络（all pass net），使其工作带宽可达10个倍程频，使得数控移相电路整体布局更加紧凑，方便小型化集成。采用该数控移相电路能够较好地满足现代有源相控阵雷达对超宽带特点的使用需求，极大提高相控阵雷达的工作带宽，同时极大降低相控阵雷达的研制难度和生产成本。

实施例1

实施例1是本申请超宽带相控阵雷达数控移相电路的一种具体实施方式，给出5.625°移相单元和11.25°移相单元采用开关嵌入式全通网络结构的一种具体实现方式，本申请的保护范围包括但不限于该具体实现方式。

如附图4所示，5.625°移相单元和11.25°移相单元包括一个全通网络、开关管SW1、SW2和电容C3、C4；其中，全通网络包括平面交织耦合线圈P1和接地电容C1，开关管SW1和电容C3组成提供额外耦合电容支路，开关管SW2和电容C4组成提供额外交流到地支路；开关管SW1、SW2同时开通或关断。

实施例1进一步优选的方式是，开关管SW1、SW2采用两个pHEMT开关管。实施例1采用pHEMT开关管、平面交织耦合线型的全通网络结构、电容等基本元件，避免采用耦合器、环形器等大尺寸元件，极大缩小电路尺寸，生产成本较低，显著降低相控阵雷达的研制成本，移相电路移相精度、插损、回波等性能指标优秀，满足相控阵雷达对超宽带、高波束指向精度的使用需求。

为了取得更佳效果，实施例1进一步优选的方式是，全通网络的平面交织耦合线圈P1采用PS0618网络结构。

实际工作运行中，当开关管SW1、SW2同时关断时，5.625°移相单元和11.25°移相单元中仅有平面交织耦合线圈P1和接地电容C1接入数控移相电路，全通网络的插损、回波损耗、相位等指标由平面交织耦合线圈P1和接地电容C1决定，此时5.625°移相单元和11.25°移相单元的相位为

；当开关管SW1、SW2同时开通时，电容C3、C4同时接入全通网络，全通网络中耦合电容C2和接地电容C1均发生变化，引起全通网络的相位发生改变，此时5.625°移相单元和11.25°移相单元的相位为

，进而，两个开关态之间的移相量即移相单元的移相量表示为

。

实施例2

实施例2是本申请超宽带相控阵雷达数控移相电路的一种具体实施方式，给出45°移相单元、22.5°移相单元和90°移相单元采用开关型单级全通网络结构的一种具体实现方式，本申请的保护范围包括但不限于该具体实现方式。

如附图5所示，45°移相单元、22.5°移相单元和90°移相单元包括两个全通网络APN1和APN2、输入端单刀双掷开关、输出端单刀双掷开关和电容C1、C2；其中，输入端单刀双掷开关由开关管SW1、SW2、SW3、SW4组成，输出端单刀双掷开关由开关管SW5、SW6、SW7、SW8组成，全通网络APN1与电容C1、C2设置在开关管SW1、SW2、SW7、SW8组成的开关支路中；

采用优选方式，全通网络APN1设置在电容C1、C2之间共同组成一个高通网络，能够改善移相单元频率低端移相平坦度；

全通网络APN2设置在开关管SW3、SW4、SW5、SW6相成的另一开关支路中；开关管SW1、SW8、SW3、SW5同时开通或关断，开关管SW4、SW6、SW2、SW7同时开通或关断。

实施例2采用高通均衡技术，全通网络APN1和APN2分别位于两条开关支路，形成数控移相电路的基本移相单元，基本移相单元采用平面交织耦合线型的全通网络结构，实现全频段内优良的输入输出匹配，电路能够采用多个全通网络级联方式，实现超宽带和大移相量的应用性能。

实际工作运行时，当开关管SW1、SW8、SW3、SW5开通， 开关管SW4、SW6、SW2、SW7关断时，全通网络APN1和电容C1、C2接入数控移相电路中，此时45°移相单元、22.5°移相单元和90°移相单元的相位为

；当开关管SW1、SW8、SW3、SW5关断，开关管SW4、SW6、SW2、SW7开通时，全通网络APN2接入数控移相电路中，此时45°移相单元、22.5°移相单元和90°移相单元的相位为

，进而，45°移相单元、22.5°移相单元和90°移相单元的两个开关态之间的移相量即移相单元的移相量表示为

。

实施例3

实施例3是本申请超宽带相控阵雷达数控移相电路的一种具体实施方式，给出180°移相单元采用开关型双级全通网络结构的一种具体实现方式，本申请的保护范围包括但不限于该具体实现方式。

如附图6所示，180°移相单元包括四个全通网络APN1、APN2、APN3和APN4、输入端单刀双掷开关、输出端单刀双掷开关及电容C1、C2、C3；其中，输入端单刀双掷开关由开关管SW1、SW2、SW3、SW4组成，输出端单刀双掷开关由开关管SW5、SW6、SW7、SW8组成；全通网络APN1、APN2与电容C1、C2、C3设置在开关管SW1、SW2、SW7、SW8组成的开关支路中，全通网络APN3和APN4设置在开关管SW3、SW4、SW5、SW6组成的另一开关支路中；

优选方式是，全通网络APN1设置在电容C1、C2之间，全通网络APN2设置在电容C2、C3之间；全通网络APN1、APN2与电容C1、C2、C3组成一个高通网络，能够改善180°移相单元频率低端移相平坦度；

此外，还采用优选方式，将全通网络APN1和APN3构成一组全通网络，全通网络APN2和APN4构成另一组全通网络，且两组全通网络级联，能够扩展180°移相单元的移相量；开关管SW1、SW8、SW3、SW5同时开通或关断，开关管SW4、SW6、SW2、SW7同时开通或关断。

实际工作运行时，当开关管SW1、SW8、SW3、SW5开通，开关管SW4、SW6、SW2、SW7关断时，全通网络APN1、APN2和电容C1、C2、C3接入数控移相电路，且全通网络APN1与APN2网络相同有相同的相位特性

，此时180°移相单元的相位为

；当开关管SW1、SW8、SW3、SW5关断，开关管SW4、SW6、SW2、SW7开通时，全通网络APN3、APN4接入数控移相电路，且全通网络APN3与APN4网络相同有相同的相位特性

，此时180°移相单元的相位为

，进而，180°移相单元的两个开关态之间的移相量即移相单元的移相量表示为

。

实施例3采用多个全通网络级联的方式，其工作带宽和移相量可扩展，理论上采用更多组全通网络对级联，数控移相电路能够实现任意工作带宽和移相量，同时提高工作带宽内的移相精度；较大移相量单元采用多个较小移相量单元进行级联来实现，电路结构简单，能够极大缩短移相电路的研制周期。同时，为了取得更佳数控移相电路，优选的方式是，实施例2和实施例3中全通网络的平面交织耦合线圈均可采用PS0618网络结构。

综上可知，本申请超宽带相控阵雷达数控移相电路，以平面交织耦合线结构的全通网络为基本移相单元，采用开关嵌入、网络级联及高通均衡等技术，能够实现一种6-18GHz六位0-360°数字移相电路，满足相控阵雷达具备超宽带、高波束指向精度等需求。该数控移相电路性能指标如下，工作带宽6-18GHz，输入输出驻波小于2，全态均方根（RMS）移相精度小于2.5°，插入损耗小于12dB，如附图7、8和9所示。该移相电路整体布局紧凑，同时合理调整基本移相单元的级联顺序，能够实现移相电路平面布局尺寸2.5mm×3.0mm，相控阵雷达具备小型化特性，显著缩小相控阵雷达研制成本及研制周期。

上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，本说明书（包括摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或者具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

Claims (6)

1.一种超宽带相控阵雷达数控移相电路，设置在相控阵雷达的T/R单元，其特征在于：采用全通网络级联技术，包括6个顺次级联的移相单元，分别为5.625°移相单位、11.25°移相单元、45°移相单元、22.5°移相单元、180°移相单元和90°移相单元；

其中，所述5.625°移相单元和11.25°移相单元采用开关嵌入式的全通网络结构；和/或，所述45°移相单元、22.5°移相单元和90°移相单元采用开关型单级全通网络结构；和/或，所述180°移相单元采用开关型双级全通网络结构；

所述全通网络采用平面交织耦合线结构，包括一个平面交织耦合线圈P1和接地电容C1，所述平面交织耦合线圈P1包括电感元件L1、L2和两者的互耦元件C2，由电感元件L1、L2和电容C2等效组成；

所述5.625°移相单元和11.25°移相单元包括一个全通网络、开关管SW1、SW2和电容C3、C4；

其中，所述全通网络包括平面交织耦合线圈P1和接地电容C1，所述开关管SW1和电容C3组成提供额外耦合电容的支路，所述开关管SW2和电容C4组成提供额外交流到地的支路；所述开关管SW1、SW2同时开通或关断。

2.根据权利要求1所述的超宽带相控阵雷达数控移相电路，其特征在于：所述开关管SW1、SW2均采用pHEMT开关管。

3.根据权利要求1所述的超宽带相控阵雷达数控移相电路，其特征在于：所述45°移相单元、22.5°移相单元和90°移相单元包括两个全通网络APN1和APN2、输入端单刀双掷开关、输出端单刀双掷开关和电容C1、C2；

其中，所述输入端单刀双掷开关由开关管SW1、SW2、SW3、SW4组成，所述输出端单刀双掷开关由开关管SW5、SW6、SW7、SW8组成；所述全通网络APN1与电容C1、C2设置在开关管SW1、SW2、SW7、SW8组成的开关支路中，所述全通网络APN2设置在开关管SW3、SW4、SW5、SW6相成的另一开关支路中；

所述开关管SW1、SW8、SW3、SW5同时开通或关断，所述开关管SW4、SW6、SW2、SW7同时开通或关断。

4.根据权利要求3所述的超宽带相控阵雷达数控移相电路，其特征在于：所述全通网络APN1设置在电容C1、C2之间，所述全通网络APN2设置在电容C2、C3之间；所述全通网络APN1、APN2与电容C1、C2、C3组成一个高通网络改善180°移相单元频率低端移相平坦度。

5.根据权利要求4所述的超宽带相控阵雷达数控移相电路，其特征在于：所述全通网络APN1和APN3构成一组全通网络，所述全通网络APN2和APN4构成另一组全通网络，且

两组全通网络级联用于扩展180°移相单元的移相量。

6.根据权利要求1所述的超宽带相控阵雷达数控移相电路，其特征在于：所述全通网络的平面交织耦合线圈采用PS0618网络结构。

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