CN115732928A - 一种简化的相控阵波束控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种相控阵波束控制电路，所述相控阵波束控制电路包括：收发组件，天线单元阵列和数字开关矩阵；所述天线单元阵列包括K×M天线单元；所述收发组件通过开关矩阵连接天线单元，所述开关矩阵包含数字处理组件和K组天线切换开关模块，每组天线切换开关模块包含1个1×M切换开关，数字处理组件按预定程序控制切换开关连接M个天线单元，通过数字处理组件的信号控制K×M路收发组件中任意M组收发组件执行信号接收或波束发射。

Description

一种简化的相控阵波束控制电路

技术领域

本发明涉及天线阵技术领域，尤其涉及一种简化的相控阵波束控制电路及控制方法。

背景技术

相控阵即相位补偿天线阵，通过对按一定规律排列的天线阵元信号的相位进行控制，从而实现对阵列合成波束方向和增益的控制，由于其波束的灵活性和增益的可控性，使得其已成为地面防护电子干扰设备的首要选择。

常用的相控阵电路采用功放组件、波控组件、天线和机械转台组成，结构复杂，体积和重量都无法控制，且由于机械结构的存在环境适应能力差。

目前在电子干扰领域，干扰设备通常都会采用单面阵加机械转台的结构，以适应全方位的覆盖，而其中机械转台的性能和可靠性即成为这种架构的相控阵能否长期有效使用的关键。

此种实现方式已被广大开发人员和用户接受和认可，然而地面防护的电子干扰设备的工作环境一般都极为恶劣，处于强风沙、高温差的地区，一般的机械转台容易受到侵蚀导致机械结构故障，从而使得整个设备处于瘫痪状态。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于克服以上现有技术的不足，提出一种相控阵波束控制电路，所述相控阵波束控制电路包括：收发组件，天线单元阵列和数字开关矩阵；

所述天线单元阵列包括K×M天线单元；

所述收发组件通过开关矩阵连接天线单元，所述开关矩阵包含数字处理组件和K组天线切换开关模块，每组天线切换开关模块包含1个1×M切换开关，

数字处理组件按预定程序控制切换开关连接M个天线单元，通过数字处理组件的信号控制K×M路收发组件中任意M组收发组件执行信号接收或波束发射；其中K≥2，M≥2。

进一步的，所述天线单元阵列采用圆形布阵结构，各天线单元沿圆形天线支架周边环形均匀布设；所述数字开关矩阵采用八卦形结构，每个天线单元采用倾斜安装方式。

进一步的，每个天线单元的倾斜角度为45°。

进一步的，每个天线单元设置为预定的偏移角度，同时每个天线单元设置为能够覆盖预定的俯仰角度。

进一步的，所述天线单元偏移角度设置为正20°，每个天线单元能够覆盖俯仰﹣25°～65°。

进一步的，数字处理组件控制天线切换开关模块选择发射和/或天线单元，实现顺时针扫描选择天线单元，执行发射波束或接收信号；每次天线切换开关模块选择接入K个天线单元，所述天线单元的合成波束的方向移动1/(K×M)的角度。

进一步的，所述天线阵列的参数为：K＝8，M＝4；所述天线单元的合成波束的方向移动11.25°，每个合成波束的方位覆盖范围为12°。

进一步的，数字处理组件控制天线切换开关模块将一个天线单元与一路收发组件互连，构成信号发射或接收构型。

进一步的，所述天线切换开关模块还包括：串联连接的M个单刀双掷开关和1个1×M切换开关。

本发明还提供一种相控阵波束控制方法，所述方法用于操作所述的相控阵波束控制电路；

所述控制方法包括以下步骤：

步骤1，将所述天线单元阵列划分为K×M天线单元，和数字开关矩阵；

步骤2，所述天线单元阵列通过数字开关矩阵和收发组件连接；

步骤3，所述开关矩阵包含K组天线切换开关模块，每组天线切换开关模块包含1个1×M切换开关；所述数字处理组件按预定程序控制切换开关分时连接M个天线单元；

步骤4，数字处理组件的信号控制K×M路收发组件中任意M组收发组件执行信号接收或波束发射；

其中K≥2，M≥2。

本发明的有益效果为：本发明的效果是：本发明与现有技术相比，其显著优点为：(一)无机械转台结构，通过电子逻辑控制实现全方位覆盖，提升设备的环境适应能力；(二)具备波束合成和波束指向控制能力，使设备的适应性更强。

附图说明

图1是本发明的电路原理图

图2是本发明的装置的3D结构示意图：

图3是本发明的置整体工艺原理图。

图4是开关矩阵内部连接关系图。

具体实施方式

本方案采用一种简化的相控阵波束控制电路，该种相控阵波束控制电路主要由32路天线组件、收发组件和开关切换组件组成，无波控电路，整体架构简单，体积可控。另外，该种相控阵电路通过开关切换组件的控制，可实现8路通道收发的自由切换，可控制多个波束的合成。同时，通过一定的控制逻辑，在无机械结构的情况下，可实现单波束或多波束扫描360度，保证设备能在极端恶劣的风沙环境下正常工作。

本方法主要实现步骤分为以下几步：

(1)简化硬件控制电路

为简化相控阵波束控制，首先需要构建基础的相控阵控制电路，如图3所示。我们构建了一个拥有32个子阵的相控阵电路，但与传统的相控阵实现方法有有两个不同：一方面，基本架构不同，传统的相控阵为实现对32个子阵元的相位进行控制，需配套32个波束控制电路，我们对此进行了优化升级，由一个1控32路的开关矩阵实现对32个子阵元的切换，整体控制简单、体积可控，开关矩阵的实现原理如图4所示；另一方面，为避免使用机械转台，我们设计如图2所示的圆形结构，开关矩阵采用八卦形设计，对应连接32个子阵元和外部32个天线，从而实现了360°全向的覆盖，同时为保证天线的有效覆盖，采用斜向45°的安装方式，从而实现微波信号的斜极化，可适应水平极化、垂直极化和圆极化等多种信号的接收发射。综上所述，通过本方法构建的相控阵控制电路，与传统的相控阵电路，去除了波束相位控制电路，通过一个开关矩阵，实现对每个子阵元的控制，实现了相控阵电路的简化。

(2)简化数字控制逻辑

在构建完简化的相控阵后，需要采取一定的数字控制逻辑来实现波束的扫描控制。传统的相控阵电路，为实现波束相位控制，针对32个子阵元，需要数字逻辑控制32个单波束的相位来实现波束合成控制，同时为实现全向扫描，需要配备机械转台实现方位或俯仰向的转动。本方法简化了这一步骤：

1)在对单个天线设计时，使其能保证可覆盖俯仰﹣25°～65°，同时如图2所示，在安装时通过将天线角度设置为﹢20°，从其在俯仰上实现﹣

5°～85°，避免需要俯仰转台实现波束的俯仰向扫描；

2)如图2，全向的天线覆盖结构，使得只需对波束进行一定的控制，即可实现方位向360°，无需方位向机械转台的控制；

3)基于上述两步的设计，本方法需要实现的就是对32个子阵元的数字逻辑控制，无需转台控制。

由于对阵元的控制随着阵元个数的增多数字逻辑的复杂度会呈现指数级的增加。因此本方法对阵元的控制进行了进一步优化，如图1所示。将32个子阵元分为了4个部分，如图1所示，其具体表示如表1所示。

表1阵元分配表

每个部分有8个子阵元组成，通过数字逻辑控制子阵元的收发从而实现8个子阵元合成1路微波辐射波束。因此，就单次控制来说，只需控制8个子阵元收发开关的切换，相比控制32个子阵元实现了极大的简化。

在实现8个子阵元1路波束的合成控制后，我们通过如图1的波束控制方法来实现波束的扫描。具体数字逻辑控制方法如下：根据表1所示的子阵元分配关系，波束1合成时控制子阵元11,12,13,14,15,16,16,17,18的收发切换，如图1中波束1所示；为实现波束的顺时针扫描，通过控制开关矩阵中的四选一开关1，将其由11路切换至21路，从而实现12,13,14,15,16,17,18,21路子阵元的收发切换，则新的8路子阵元合成波束如图1中的波束2所示，相比于波束1，波束2顺时针转动了11.25°；波束继续扫描，通过控制开关矩阵中的四选一开关2，将其由21路切换至22路，从而实现13,14,15,16,17,18,21,22路子阵元的收发切换，则新的8路子阵元合成波束3会相比于波束2顺时针转动了11.25°；同理，按照如此逻辑切换开关矩阵中的四选一开关1-8，则可实现每11.25°切换的波束顺时针扫描。而由于单个合成波束的方位覆盖范围为12°，因此，可实现全向360°的波束覆盖和扫描，即实现相控阵波束扫描。

综上所示，通过优化后的数字逻辑控制加简化后的硬件控制电路，我们实现了在不需要机械转台和波控电路的情况下，实现了具备全向扫描功能的相控阵。同时，本方法已在实际设备上得到成功应用，相比原有相控阵实现方法，本方法设计简单、逻辑控制明确、整体设备体积可控、环境适应能力强。

同时，本方法具有极大的可拓展性，基础控制子单元为8路的子阵元和1个开关矩阵，后续可进一步升级，将基础控制子单元增加至8个，16个……，从而实现波束扫描的精度更高。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

本装置的工作原理：本装置不同于传统的通过单面阵和转台实现波束扫描，通过收发组件和数字开关矩阵的巧妙设计，每个开关矩阵都通过一个1分4的开关与4路收发组件连接，整体装置共有8个开关矩阵，使得仅通过数字处理组件的信号控制，即可控制32路收发组件中任意8路收发组件的收发。因而，通过合理的数字逻辑，仅切换开关即可实现波束扫描。

本发明装置结构包括：1、开关矩阵2、收发组件3、天线组件4、连接电缆5、承重结构。

本装置为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

(1)一种数字可控的开关矩阵，通过不同数字控制信号，可实现对不同通路的开关切换。同时，为实现更多路的控制，对开关矩阵电路进行的集成化、小型化设计，使其可实现32路的开关同时切换。

(2)一种简化的相控阵电路结构，采取32路子阵元进行圆形架构设计，无需机械转台的控制，从而实现360°的全向覆盖。

实施例1：高频处置分机

图2是本装置一个完工案例的外观展示图

该装置含有32路天线，32路收发组件和1个8合1的开关矩阵，每个开关矩阵与8路收发组件互连，同时可开启其中一路的信号的收和发。通过数字处理器的控制，可同时控制32路中其中8路信号的收和发，按照一定的数字逻辑，可实现8路信号的波束合成，并按顺时针方向进行波束的扫描。

上述实例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照最佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种相控阵波束控制电路，其特征在于，所述相控阵波束控制电路包括：收发组件，天线单元阵列和数字开关矩阵；

所述天线单元阵列包括K×M天线单元；

所述收发组件通过开关矩阵连接天线单元，所述开关矩阵包含数字处理组件和K组天线切换开关模块，每组天线切换开关模块包含1个1×M切换开关，其中K≥2，M≥2；

数字处理组件按预定程序控制切换开关连接M个天线单元，通过数字处理组件的信号控制K×M路收发组件中任意M组收发组件执行信号接收或波束发射。

2.如权利要求1所述电路，其特征在于，所述天线单元阵列采用圆形布阵结构，各天线单元沿圆形天线支架周边环形均匀布设；所述数字开关矩阵采用八卦形结构，每个天线单元采用倾斜安装方式。

3.如权利要求2所述电路，其特征在于，每个天线单元的倾斜角度为45°。

4.如权利要求1所述电路，其特征在于，每个天线单元设置为预定的偏移角度，同时每个天线单元设置为能够覆盖预定的俯仰角度。

5.如权利要求4所述电路，其特征在于，所述天线单元偏移角度设置为正20°，每个天线单元能够覆盖俯仰﹣25°～65°。

6.如权利要求1所述电路，其特征在于，数字处理组件控制天线切换开关模块选择发射和/或天线单元，实现顺时针扫描选择天线单元，执行发射波束或接收信号；每次天线切换开关模块选择接入K个天线单元，所述天线单元的合成波束的方向移动1/(K×M)的角度。

7.如权利要6所述电路，其特征在于，所述天线阵列的参数为：K＝8，M＝4；所述天线单元的合成波束的方向移动11.25°，每个合成波束的方位覆盖范围为12°。

8.如权利要求7所述电路，其特征在于，数字处理组件控制天线切换开关模块将一个天线单元与一路收发组件互连，构成信号发射或接收构型。

9.如权利要求1所述电路，其特征在于，所述天线切换开关模块还包括：串联连接的M个单刀双掷开关和1个1×M切换开关。

10.一种相控阵波束控制方法，其特征在于，所述方法用于操作权利要求1-9中任一项所述的相控阵波束控制电路；

所述控制方法包括以下步骤：

步骤1，将所述天线单元阵列划分为K×M天线单元，和数字开关矩阵；

步骤2，所述天线单元阵列通过数字开关矩阵和收发组件连接；

步骤3，所述开关矩阵包含K组天线切换开关模块，每组天线切换开关模块包含1个1×M切换开关；所述数字处理组件按预定程序控制切换开关分时连接M个天线单元；

步骤4，数字处理组件的信号控制K×M路收发组件中任意M组收发组件执行信号接收或波束发射；

其中K≥2，M≥2。

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