CN115732930A - 一种模拟可扩展多波束相控阵装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种模拟可扩展多波束相控阵装置，通过将大规模天线阵分成多个天线子阵，将复杂的大规模等长路径转换成多个小规模等长路径来进行阵列天线的扩展，使得每根天线将接收到的信号分成多路，然后对每路信号进行移相后合成，最终完成多波束的模拟相控阵。通过多个初级合成网络模块和次级合成网络网路对多路波束信号进行时延调整后再进行合并，不仅能够降低大规模模拟多波束等长路径的复杂度和成本，还能够灵活扩展模拟多波束阵列，从而形成更大规模的模拟相控阵。

Description

一种模拟可扩展多波束相控阵装置

技术领域

本申请涉及无线通信技术领域，具体而言，涉及一种模拟可扩展多波束相控阵装置。

背景技术

目前，在移动通信基站、探测站、卫星通信等无线电设备中，相控阵天线的应用也越来越广泛，数字相控阵中的每个阵元都有一个接收/发射通道以及模数/模数转换器，在数字上进行信号处理。其中，数字相控阵可形成多波束，虽然其具有成形波束精确等优点，但是还具有接收通道多、体积大、成本高、功耗大等缺点。

在现有技术当中，模拟多波束在模拟上进行各个波束的成形，其具有体积小和成本低等优点。而传统的模拟多波束相控阵将天线的信号进行处理之后合并形成波束。为了保证带宽的性能，通常在波束内，各个支路的信号需要等长，但是随着阵元规模的扩大，当天线的数量和波束的数量较多时，在单板或者多板之间实现大规模等长线的实现难度大、成本高、不利于扩展且加工难度大。

发明内容

本申请的目的在于，为了克服现有的技术缺陷，提供了一种模拟可扩展多波束相控阵装置，能够降低大规模模拟多波束等长路径的复杂度和成本，同时便于子阵间的扩展，形成更大规模的模拟相控阵。

本申请目的通过下述技术方案来实现：

第一方面，本申请提出了一种模拟可扩展多波束相控阵装置，包括：多个初级合成网络模块、次级合成网络网路以及波束控制器，所述波束控制器、所述多个初级合成网络模块以及所述次级合成网络网路依次连接；

所述初级合成网络模块包括天线子阵、功分网络以及多个可调时延器，所述天线子阵用于将接收的天线信号分成M路天线子信号，对所述M路天线子信号进行移相、合并之后得到M路波束，所述功分网络用于将所述M路波束中的每一路分成M＇路子波束，所述可调时延器用于对所述M＇路子波束进行时延；

所述次级合成网络网路用于对时延后的子波束进行合并得到M*M＇路波束信号；

所述波束控制器用于控制所述初级合成网络模块中波束的移相、时延以及合成。

可选的，所述天线子阵包括多个平面阵天线和初级合成网络网路，所述多个平面阵天线与所述初级合成网络网路连接；

所述平面阵天线用于将接收的天线信号分成M路天线子信号，对所述M路天线子信号进行移相；

所述合成网络网路用于对移相后的M路天线子信号进行合并得到M路波束。

可选的，所述平面阵天线包括天线头、放大功分网络以及可调移相网络，所述放大功分网络与所述可调移相网络通过等时延走线连接，所述可调移相网络与所述初级合成网络网路通过所述等时延走线连接；

所述天线头用于接收天线信号，将所述天线信号发送至所述放大功分网络；

所述放大功分网络用于将所述天线信号分成M路天线子信号，通过等时延走线将所述M路天线子信号发送至所述可调移相网络；

所述可调移相网络用于对所述M路天线子信号进行移相，通过等时延走线将移相后的M路天线子信号发送至所述初级合成网络网路。

可选的，所述等时延走线为两组等长的走线。

可选的，对所述M路天线子信号进行移相的长度为θ_xky，其中x为所述初级合成网络模块的编号，k为所述平面阵天线的编号，y为波束的编号。

可选的，所述可调时延器用于对所述M＇路子波束时延的长度为τ_xyk，其中x为所述初级合成网络模块的编号，y为所述波束的编号，k为所述子波束的编号。

上述本申请主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本申请可采用并要求保护的方案；且本申请，(各非冲突选择)选择之间以及和其他选择之间也可以自由组合。本领域技术人员在了解本申请方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本申请所要保护的技术方案，在此不做穷举。

本申请公开了一种模拟可扩展多波束相控阵装置，通过将大规模天线阵分成多个天线子阵，将复杂的大规模等长路径转换成多个小规模等长路径来进行阵列天线的扩展，使得每根天线将接收到的信号分成多路，然后对每路信号进行移相后合成，最终完成多波束的模拟相控阵。通过多个初级合成网络模块和次级合成网络网路对多路波束信号进行时延调整后再进行合并，不仅能够降低大规模模拟多波束等长路径的复杂度和成本，还能够灵活扩展模拟多波束阵列，从而形成更大规模的模拟相控阵。

附图说明

图1示出了本申请实施例提供的传统模拟多波束相控阵的结构示意图。

图2示出了本申请实施例提供的模拟可扩展多波束相控阵装置的结构示意图。

图3示出了本申请实施例提供的初级合成网络模块的内部示意图。

图4示出了本申请实施例提供的模拟可扩展多波束相控阵装置的另一种结构示意图。

图5示出了本申请实施例提供的模拟可扩展多波束相控阵装置的又一种示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在现有技术中，传统的模拟多波束相控阵如图1所示，图1示出了本申请实施例提供的传统模拟多波束相控阵的结构示意图。可知传统的模拟多波束相控阵有N个天线，每个天线接受到的信号经过放大功分网络分成M路波束，然后经过等时延走线发送至可调移相网络经过各个波束的移相，最后再经过等时延走线后进行合并。

为了保证带宽性能，通常波束内，各个支路的信号需要等长，这样传统的模拟多波束相控阵就需要2组等长的时延走线，但是当天线的数量和波束的数量较多时，这种传统的模拟多波束相控阵如果在单板或者多板之间实现就会产生实现难度大，成本高，且不利于扩展的问题。

为了解决上述问题，本申请实施例提出了一种模拟可扩展多波束相控阵装置，能够降低大规模模拟多波束等长路径的复杂度和成本，同时便于子阵间的扩展，进而形成更大规模的模拟相控阵，接下来对其进行详细地说明。

考虑到传统模拟多波束相控阵的复杂度，本申请将大规模多波束模拟相控阵分成子阵级，请参照图2，图2示出了本申请实施例提供的模拟可扩展多波束相控阵装置的结构示意图。模拟可扩展多波束相控阵装置包括多个初级合成网络模块、次级合成网络网路以及波束控制器，多个初级合成网络模块分别与波束控制器和次级合成网络网路连接。

初级合成网络模块用于将接收的天线信号分成M路天线子信号，对M路天线子信号进行移相、合并之后得到M路波束，然后将M路波束中的每一路分成M＇路子波束并进行时延。

次级合成网络网路用于对时延后的子波束进行合并得到M*M＇路波束信号。

波束控制器用于控制初级合成网络模块中波束的移相、时延以及合成。

基于图2，接下来请参照图3，图3示出了本申请实施例提供的初级合成网络模块的内部示意图，初级合成网络模块包括天线子阵、功分网络以及多个可调时延器，可见本申请将多个天线分为多个天线子阵，每个天线子阵内部的天线数量可能一致，也可能不一致，天线数量根据实际情况进行设置。

天线子阵用于将接收的天线信号分成M路天线子信号，对M路天线子信号进行移相、合并之后得到M路波束，发送至功分网络。

功分网络用于将M路波束中的每一路分成M＇路子波束。

可调时延器在波束控制器的控制下，对M＇路子波束进行时延，时延的长度与天线子阵、波束以及子波束有关，其中时延的长度为τ_xnk，x为天线子阵的编号，n为波束的编号，k为子波束的编号，使得每个子阵的各个波束的分路信号在最后合并的时候等待时延。

图3还示出了天线子阵的内部示意图，如图3所示，天线子阵包括多个平面阵天线和初级合成网络网路，多个平面阵天线与初级合成网络网路连接；

平面阵天线用于将接收的天线信号分成M路天线子信号，对M路天线子信号进行移相，移相的长度与天线子阵、平面阵天线以及天线子信号有关，移相的长度为θ_xky，其中x为天线子阵的编号，k为平面阵天线的编号，y为天线子信号的编号。

初级合成网络网路对移相后的M路天线子信号进行合并得到M路波束。

其中平面阵天线还包括天线头、放大功分网络以及可调移相网络，放大功分网络与可调移相网络通过等时延走线连接，可调移相网络与初级合成网络网路通过等时延走线连接。

天线头用于接收天线信号，将天线信号发送至放大功分网络，放大功分网络再将天线信号分成M路天线子信号，通过等时延走线将M路天线子信号发送至可调移相网络，最后可调移相网络对M路天线子信号进行移相，通过等时延走线将移相后的M路天线子信号发送初级合成网络网路。

此外，本申请实施例提出的多波束相控阵装置还能够扩展，如图4所示，图4示出了本申请实施例提供的模拟可扩展多波束相控阵装置的另一种结构示意图，如果多波束相控阵装置中的初级合成网络模块不够用时，需要对其进行扩展，那么便可以在原来多波束相控阵装置的基础上，新加入一个或者多个初级合成网络模块，同时加入初级合成网络网路，将M*M＇路波束信号通过另外的初级合成网络网路进行多次合成，从而形成模拟多波束信号，值得说明的是，还能对其加入另外的初级合成网络模块和初级合成网络网路继续进行扩展，本申请在此不再赘述。

为了更好地对本申请提出的模拟可扩展多波束相控阵装置进行说明，请参照图5，图5示出了本申请实施例提供的模拟可扩展多波束相控阵装置的又一种示意图。在一种可能的实施例中，相控阵天线采用256个天线阵元，一共形成8个波束，本申请提出的模拟可扩展多波束相控阵装置将256个天线阵元分成16个初级合成网络模块，每个初级合成网络模块中又包括16个天线子阵。在每个天线子阵中，天线输入的信号经过低噪声放大器后经过一分八功分器分成8路，然后在波束控制器的控制下经过等时延走线后，8路可调移相器对各个信号进行移相,移相的长度为θ_xky，其中x为初级合成网络模块的编号(1～16)，k为天线子阵的编号(1～16)，y为波束的编号(1～8)。

移相后的信号再经过等时延走线后，在8个十六合一的合路器中进行合并，每个合路器输入16路同一个波束的信号，合并后形成8路子波束。可调时延器在波束控制器的控制下，对各个子波束信号进行不同的时延，使得每个子阵的各个波束在最后合并的时候等时延。最终16个子阵列输出的8路子波束，在8个十六合一的合路器中进行合并，形成完整的8个波束，完成模拟多波束分成分级合成。

与现有技术相比，本申请实施例具有以下有益效果：

将大规模模拟相控阵裁成多个模拟相控子阵，每个子阵内同波束的信号路径等长，降低了等长路径的实现复杂度。同时利用子阵间分层分级，然后进行合并，可以灵活的扩展子阵，降低大规模多波束模拟相控阵实现的复杂度，降低成本。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种模拟可扩展多波束相控阵装置，其特征在于，包括：多个初级合成网络模块、次级合成网络网路以及波束控制器，所述多个初级合成网络模块分别与所述波束控制器和所述次级合成网络网路连接；

所述初级合成网络模块包括天线子阵、功分网络以及多个可调时延器，所述天线子阵用于将接收的天线信号分成M路天线子信号，并对所述M路天线子信号进行移相、合并之后得到M路波束，所述功分网络用于将所述M路波束中的每一路分成M＇路子波束，所述可调时延器用于对所述M＇路子波束进行时延；

所述次级合成网络网路用于对时延后的子波束进行合并得到M*M＇路波束信号；

所述波束控制器用于控制所述初级合成网络模块中波束的移相、时延以及合成。

2.如权利要求1所述的模拟可扩展多波束相控阵装置，其特征在于，所述天线子阵包括多个平面阵天线和初级合成网络网路，所述多个平面阵天线与所述初级合成网络网路连接；

所述平面阵天线用于将接收的天线信号分成M路天线子信号，对所述M路天线子信号进行移相；

所述合成网络网路用于对移相后的M路天线子信号进行合并得到M路波束。

3.如权利要求2所述的模拟可扩展多波束相控阵装置，其特征在于，所述平面阵天线包括天线头、放大功分网络以及可调移相网络，所述放大功分网络与所述可调移相网络通过等时延走线连接，所述可调移相网络与所述初级合成网络网路通过所述等时延走线连接；

所述天线头用于接收天线信号，将所述天线信号发送至所述放大功分网络；

所述放大功分网络用于将所述天线信号分成M路天线子信号，通过等时延走线将所述M路天线子信号发送至所述可调移相网络；

所述可调移相网络用于对所述M路天线子信号进行移相，通过等时延走线将移相后的M路天线子信号发送至所述初级合成网络网路。

4.如权利要求3所述的模拟可扩展多波束相控阵装置，其特征在于，所述等时延走线为两组等长的走线。

5.如权利要求3所述的模拟可扩展多波束相控阵装置，其特征在于，对所述M路天线子信号进行移相的长度为θ_xky，其中x为所述初级合成网络模块的编号，k为所述平面阵天线的编号，y为波束的编号。

6.如权利要求3所述的模拟可扩展多波束相控阵装置，其特征在于，所述可调时延器用于对所述M＇路子波束时延的长度为τ_xyk，其中x为所述初级合成网络模块的编号，y为所述波束的编号，k为所述子波束的编号。

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