CN115882914A

CN115882914A - 一种可重构多波束测控通信终端相控阵

Info

Publication number: CN115882914A
Application number: CN202310120358.7A
Authority: CN
Inventors: 周文涛; 杨龙; 刘田; 唐聪
Original assignee: CETC 10 Research Institute
Current assignee: CETC 10 Research Institute
Priority date: 2023-02-16
Filing date: 2023-02-16
Publication date: 2023-03-31
Anticipated expiration: 2043-02-16
Also published as: CN115882914B

Abstract

本发明公开了一种可重构多波束测控通信终端相控阵，该相控阵包括S/Ka发射阵列、S/Ka接收阵列、S频段数字波束形成模块、波束级开放式解耦矩阵、中央波控模块和中央电源模块。本发明通过采用Ska双频共口径天线实现频率可重构，避免采用S至Ka全频段覆盖的宽带天线和宽带信道带来的设计、实现难度，同时减少了通道数，采用S频段数字多波束和Ka频段模拟多波束实现不同频段波束可重构，避免采用S至Ka全频段数字波束形成带来的成本和功耗急剧上升的问题，实现了在工作频率、波束数量、任意极化方式、阵列规模等多维度同时可重构的相控阵。

Description

一种可重构多波束测控通信终端相控阵

技术领域

本发明涉及相控阵技术领域，尤其涉及到一种可重构多波束测控通信终端相控阵。

背景技术

相控阵因其能迅速、灵敏而又准确的进行波束控；能在指定的空间中同时搜索、识别和跟踪多个目标；稳定性、抗干扰性高等优点，广泛应用于测控、通信系统中。

然而从系统应用的角度出发，单一功能的有源相控阵已经较难满足未来的作战需求，如果设备平台需要多项功能时，如每项功能配备一种相控阵设备，则会造成设备平台臃肿不堪、设备量大、成本增加等问题。可以说，未来综合电子技术是传感器和处理器的综合一体化，这依赖于将有源相控阵多波束天线技术、多功能射频组件和天线多频段共口径技术等有机结合起来，形成具有多功能、多用途、可以灵活切换的智能设备，具体来说，需要有源相控阵在发射和接收同时工作时在波束数量、工作频率、方向图增益、任意极化方式等多维度同时可重构。

在雷达领域，多功能数字相控阵雷达可实现主动探测、侦察、干扰等多种功能，采用数字多波束技术、综合射频、超宽带天线及波束控制、双极化及MIMO技术，在一定程度上可实现上述描述的多维度重构。但雷达为脉冲体制，与连续波体制的测控通信系统在相控阵的设计中有本质区别，或者说其相控阵架构/实现方法在测控通信系统中并不适用。

在测控通信领域，在分别实现工作频率、波束数量、任意极化方式、阵列规模的可重构方面均有一定的技术手段，包括但不限于如下摘录。专利号CN20211921080.6、名称为：“一种同时多功能相控阵子阵”解决了发射时多频率同时发射，接收时被动和通信测量同时工作的问题，但未解决收发同时多频率、波束数量和任意极化方式同时重构。专利号CN202120728517.8、名称为：“一种具有多功能的数字化相控阵天线阵面”通过数字多波束形成解决了多功能应用中的波束重构问题，但未解决收发同时多频率和任意极化方式同时重构。专利号CN201922120730.6、名称为：“一种可实现任意极化切换的相控阵天线”通过在射频域改变多功能芯片的幅度和相位实现任意极化切换，但未解决收发同时多频率和波束重构问题。专利号CN202110500382.4、名称为：“一种全极化有源相控阵天线阵列”通过在数字域改变数字移相器相位实现任意极化切换，但未解决收发同时多频率和波束重构问题。期刊“低轨卫星可重构通信系统设计”提出一种适合于在轨重构的低轨卫星通信系统软、硬件架构方案，实现了多频点、多模式的通信制式，但未解决多波束和任意极化方式同时重构问题。学位论文“平面紧凑型多功能相控阵天线阵面”提出了多频段多极化可重构天线阵面的设计方法，但只形成垂直和水平极化，无法形成任意极化，且未解决多波束下多极化问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种可重构多波束测控通信终端相控阵，旨在解决目前测控通信领域无法实现多维度重构的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供一种可重构多波束测控通信终端相控阵，包括S/Ka发射阵列、S/Ka接收阵列、S频段数字波束形成模块、波束级开放式解耦矩阵、中央波控模块和中央电源模块；其中：

所述S/Ka发射阵列包括Ka频段发射子阵间多波束分发网络、Ka频段上变频器和M个S/Ka发射基本子阵颗粒；

每个所述S/Ka发射基本子阵颗粒的Ka模拟信号端通过所述Ka频段发射子阵间多波束分发网络连接所述Ka频段上变频器的输出端，所述Ka频段上变频器的输入端连接所述波束级开放式解耦矩阵；每个所述S/Ka发射基本子阵颗粒的S数字信号端连接所述S频段数字波束形成模块的信号端，所述S频段数字波束形成模块的控制端连接所述波束级开放式解耦矩阵；

所述S/Ka接收阵列包括Ka频段接收子阵间多波束合成网络、Ka频段下变频器和N个S/Ka接收基本子阵颗粒；

每个所述S/Ka接收基本子阵颗粒的Ka模拟信号端通过所述Ka频段接收子阵间多波束合成网络连接所述Ka频段下变频器的输入端，所述Ka频段下变频器的输出端连接所述波束级开放式解耦矩阵；每个所述S/Ka接收基本子阵颗粒的S数字信号端连接所述S频段数字波束形成模块的信号端，所述S频段数字波束形成模块的控制端连接所述波束级开放式解耦矩阵；

所述波束级开放式解耦矩阵的通信端连接外部基带功能板卡，用于S/Ka发射阵列、S/Ka接收矩阵与基带功能板卡的任意互联；

所述中央波控模块连接M个S/Ka发射基本子阵颗粒和N个S/Ka接收基本子阵颗粒，用于实现对S/Ka发射阵列和S/Ka接收阵列的波束控制和极化控制；

所述中央电源模块连接M个S/Ka发射基本子阵颗粒和N个S/Ka接收基本子阵颗粒，用于实现对S/Ka发射阵列和S/Ka接收阵列的供电。

可选的，每个所述S/Ka发射基本子阵颗粒包括SKa天线层、K个Ka频段模拟T组件、S频段模拟TR组件、Ka频段多波束分发网络、S频段数字TR芯片以及子阵波控和电源集成模块；其中：

每个所述Ka频段模拟T组件的输出端连接SKa天线层，每个所述Ka频段模拟T组件的输入端通过所述Ka频段多波束分发网络连接子阵波控和电源集成模块；

所述S频段模拟TR组件的天线端连接SKa天线层，所述S频段模拟TR组件的信号端通过所述S频段数字TR芯片连接S频段数字波束形成模块；

所述子阵波控和电源集成模块的输入端通过所述Ka频段发射子阵间多波束分发网络连接所述Ka频段上变频器的输出端；

所述子阵波控和电源集成模块还用于分别将中央波控模块和中央电源模块连接至Ka频段模拟T组件和S频段模拟TR组件。

可选的，所述S/Ka发射基本子阵颗粒按SKa天线层、Ka频段模拟T组件、Ka频段多波束分发网络、S频段模拟TR组件、S频段数字TR芯片以及子阵波控和电源集成模块的顺序从上往下以此垂直互联构成瓦片式子阵颗粒。

可选的，所述SKa天线层与Ka频段模拟T组件间通过毛纽扣实现信号转接，所述Ka频段模拟T组件与Ka频段多波束分发网络间通过微凸点实现信号互联，所述S/Ka发射基本子阵颗粒的最下层设置有接口层，所述接口层包括控制接口、Ka模拟接口、S数字接口和电源接口；其中：

所述Ka频段模拟T组件包括若干组依次相连的移相衰减通道、功合芯片、功放芯片和极化芯片；

所述Ka频段多波束分发网络包括从上往下的电源及控制信号分发层和带状线网络层。

可选的，每个所述S/Ka接收基本子阵颗粒包括SKa天线层、K个Ka频段模拟R组件、S频段模拟TR组件、Ka频段多波束合成网络、S频段数字TR芯片以及子阵波控和电源集成模块；其中：

每个所述Ka频段模拟R组件的输入端连接SKa天线层，每个所述Ka 频段模拟R组件的输出端通过所述Ka频段多波束合成网络连接子阵波控和电源集成模块；

所述S频段模拟TR组件的天线端连接SKa天线层，所述S频段模拟TR组件的信号端通过所述S频段数字TR芯片连接S频段数字波束形成模块。

可选的，所述S/Ka接收基本子阵颗粒按SKa天线层、Ka频段模拟R组件、Ka频段多波束合成网络、S频段模拟TR组件、S频段数字TR芯片以及子阵波控和电源集成模块的顺序从上往下以此垂直互联构成瓦片式子阵颗粒；

所述SKa天线层与Ka频段模拟R组件间通过毛纽扣实现信号转接，所述Ka频段模拟R组件与Ka频段多波束合成网络间通过微凸点实现信号互联，所述S/Ka接收基本子阵颗粒的最下层设置有接口层，所述接口层包括控制接口、Ka模拟接口、S数字接口和电源接口。

可选的，所述SKa天线包括依次从上往下堆叠互联的天线阵面、S频段双工层和Ka频段滤波层，所述天线阵面为S和Ka频段共口径天线，S频段双工层采用介质双工实现收发频分双工，Ka频段滤波层采用介质滤波器实现带通滤波功能。

可选的，所述SKa天线层与Ka频段模拟R组件间通过毛纽扣实现信号转接，所述Ka频段模拟R组件与Ka频段多波束合成网络间通过微凸点实现信号互联，所述S/Ka接收基本子阵颗粒的最下层设置有接口层，所述接口层包括控制接口、Ka模拟接口、S数字接口和电源接口；其中：

所述Ka频段模拟R组件包括若干组依次相连的移相衰减通道、功分芯片、功放芯片和极化芯片；

所述Ka频段多波束合成网络包括从上往下的电源及控制信号分发层和带状线网络层。

可选的，所述波束级开放式解耦矩阵包括Serdes接口模块、配置模块、电源模块和时钟模块；其中：

所述Serdes接口模块用于建立S/Ka发射阵列的发射波束、S/Ka接收阵列的接收波束、S频段数字波束形成模块的发射波束和接收波束分别与外部基带功能板卡中X个功能板卡的任意互联；

所述配置模块用于为所述Serdes接口模块传输使能信号和复位信号；所述时钟模块用于为所述Serdes接口模块提供时钟信号；所述电源模块用于为所述Serdes接口模块和时钟模块提供适配电压。

可选的，所述Serdes接口模块还用于对t个接收波束和p个发射波束进行备份；其中，t和p为预设数值。

本发明具有如下有益效果：

（1）实现相控阵功能多且可重构。本发明在发射和接收同时工作时在波束数量、工作频率、任意极化方式等多维度同时可重构。与测控通信系统中传统相控阵在固定波束、工作频率单一、极化方式固化等不同，通过可重构多波束相控阵架构，可以实现相控阵全双工模式下在工作频率、波束数量、极化方式同时灵活调配和应用。

（2）频率和极化重构方式简单。采用Ska双频共口径天线实现频率可重构，避免采用S至Ka全频段覆盖的宽带天线和宽带信道带来的设计、实现难度，同时减少了通道数。发射时在射频域进行极化形成、接收时在数字域进行极化形成，在满足收发波束不同极化应用的同时，可以简化设计。

（3）有一定成本和功耗优势。采用S频段数字多波束和Ka频段模拟多波束实现不同频段波束可重构，避免采用S至Ka全频段数字波束形成带来的成本和功耗急剧上升的问题。

（4）相控阵剖面低。采用多波束高密度垂直互联，功能模块层层堆叠成瓦式相控阵，减小了系统设备量、体积以及重量，同时提高了空间利用率。

（5）可扩展性较强。采用独立的模块化基本功能颗粒，在规模上可任意扩展。

附图说明

图1本发明实施例中相控阵的整体架构示意图；

图2本发明实施例中波束级开放式解耦矩阵的示意图；

图3本发明实施例中相控阵接收基本子阵颗粒的架构示意图；

图4本发明实施例中相控阵发射基本子阵颗粒的架构示意图；

图5本发明实施例中相控阵基本子阵颗粒垂直互联的架构示意图；

图6本发明实施例中功率合成/分配网络剖视图及各层设置示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释发明，并不用于限定发明。

下面将结合发明实施例中的附图，对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发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于发明中的实施例，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，都属于发明保护的范围。

需要说明，发明实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当人认为这种技术方案的结合不存在，也不在发明要求的保护范围之内。

如图1所示，本发明的一种可重构多波束测控通信终端相控阵由S/Ka发射阵列、S/Ka接收阵列、S频段数字波束形成模块、波束级开放式解耦矩阵、中央波控模块和中央电源模块组成。其中S频段为测控工作频段，Ka频段为通信工作频段。

S/Ka发射阵列主要功能为实现S频段测控波束和Ka频段通信波束的上变频、分发及对应射频信号的发射。S/Ka发射阵列由M个S/Ka发射基本子阵颗粒、1个Ka频段发射子阵间多波束分发网络和1个Ka频段上变频器。其中M为正整数，由阵列规模决定。基于S/Ka发射基本子阵颗粒，可以实现S/Ka发射阵列的模块化拼接。Ka频段上变频器采用常规的超外差式完成通信中频信号（Ka_T_IF_1~Ka_T_IF_i）到射频信号（Ka_T_RF_1~Ka_T_RF_i）的变频，其中Ka表示通信工作频段、T表示发射、IF表示中频信号、RF表示射频信号，i表示发射波束数目。1个波束对应1个上变频，1个Ka频段上变频器包含i个波束的上变频。发射子阵间多波束分发网络采用常规的多级T型功分网络将射频信号进行一分M等功分，1个波束对应1个多级T型网络。

S/Ka接收阵列主要功能为实现S频段测控和Ka频段通信射频信号的接收、对应射频信号的波束形成和下变频。S/Ka接收阵列由N个S/Ka接收基本子阵颗粒、1个Ka频段接收子阵间多波束合成网络和1个Ka频段下变频器，其中N为正整数，由阵列规模决定。基于S/Ka接收基本子阵颗粒，可以实现S/Ka接收阵列的模块化拼接。Ka频段下变频器采用常规的超外差式完成通信射频信号（Ka_R_RF_V_1~Ka_R_RF_V_j和Ka_R_RF_H_1~Ka_R_RF_H_j）到中频信号（Ka_R_IF_V_1~Ka_R_IF_V_j和Ka_R_IF_H_1~Ka_R_IF_H_j）的变频，其中Ka表示通信工作频段、R表示发射、IF表示中频信号、RF表示射频信号、V表示垂直极化信号、H表示水平垂直极化信号、j表示接收波束数目。1个波束对应1个上变频，1个Ka频段下变频器包含j个垂直极化波束和的j个水平极化波束的下变频。接收子阵间多波束合成网络采用常规的多级T型功合网络将射频信号进行N合一，1个波束对应1个多级T型功合网络。

中央波控模块完成M个S/Ka发射基本子阵颗粒和N个S/Ka接收基本子阵颗粒的波束权值计算分发、波束极化的控制和状态反馈。中央电源模块完成M个S/Ka发射基本子阵颗粒和N个S/Ka接收基本子阵颗粒的供电。S频段数字波束形成模块采用常规的FPGA结合波束形成算法完成S频段波束形成。

如图2所示，波束级开放式解耦矩阵是相控阵的波束与基带的连接模块，可以完成接收波束/发射波束分别与基带功能板卡的任意互联。波束级开放式解耦矩阵由Serdes接口模块、配置模块、电源模块、时钟模块和监控模块组成。其中Serdes接口模块完成2×j+2×n个接收波束和i+m个发射波束分别与x个功能板卡的任意互联，且接收波束有t个波束的备份，发射波束有p个波束的备份，其中j表示Ka频段接收垂直极化波束或Ka频段接收水平极化波束数目，n表示S频段接收垂直极化波束或S频段接收水平极化波束数目，i表示Ka频段发射波束数，m表示S频段发射波束数，x表示基带功能板卡的数目；配置模块完成使能和复位等功能；电源模块完成电源电压转换和分配；时钟模块提供高精度稳定时钟。

参阅图3和图4。S/Ka发射和接收基本子阵颗粒可以完成工作频率、极化形成和多波束的功能，基于发射和接收基本子阵颗粒可以实现任意规模阵列拼接和重构。具体来说S/Ka发射基本子阵颗粒可以完成i个Ka频段子阵级多波束信号分发、移相放大、极化选择和射频信号的辐射，同时完成m个S频段阵元级多波束信号分发、n个S频段阵元级多波束信号采集、放大、发射极化选择、m个射频信号的辐射和n个射频信号的接收。S/Ka发射基本子阵颗粒包含SKa天线、Ka频段模拟T组件、S频段模拟TR组件、S频段数字TR芯片、Ka频段多波束分发网络、波控和电源集成等模块。S/Ka接收基本子阵颗粒完成j个Ka频段垂直和水平极化射频信号接收、移相放大、子阵级多波束信号形成，同时完成m个S频段阵元级多波束信号分发、n个S频段阵元级多波束信号采集、放大、发射极化选择、m个射频信号的辐射和n个射频信号的接收。S/Ka接收基本子阵颗粒包含SKa天线、Ka频段模拟R组件、S频段模拟TR组件、S频段数字TR芯片、Ka频段多波束合成网络、子阵波控和电源集成等模块。

参阅图3和图4。子阵波控和电源集成分别采用专用的波控和电源芯片实现紧凑型结构。

参阅图3和图4。SKa天线包含天线阵面、S频段双工层和Ka频段滤波层，依次从上往下堆叠互联。所述天线阵面为S和Ka频段共口径天线，S频段双工层采用介质双工实现收发频分双工，Ka频段滤波层采用介质滤波器实现带通滤波功能。

参阅图3和图4。Ka频段模拟T组件中包含K个通道i个发射波束的移相衰减通道、K路功合芯片、K个功放和K个极化芯片。在每一个通道中，i个发射波束的射频信号（Ka_T_RF_1~Ka_T_RF_i）分别经过i个移相衰减通道后，再经过1个功合芯片合成一路，再经过一个功放放大后进入极化芯片，在极化芯片完成发射波束的任意极化形成。极化芯片的具体实施可采用基于电桥的无源网络或基于移相衰减芯片的有源网络。

参阅图3和图4。Ka频段模拟R组件中包含K个垂直极化通道j个接收波束的移相衰减通道、K个水平极化通道j个接收波束的移相衰减通道、2*K路功分芯片、2*K个低噪放。对于接收通道，每个天线通道对应一个垂直极化通道V和水平极化通道H。每个垂直极化通道V/水平极化通道H分别进行j个波束的放大和移相衰减，具体来说：以1个天线通道的垂直极化通道V为例，天线接收射频信号经过低噪放后经过1个功分芯片分成j路射频信号（Ka_R_RF_V_1~Ka_R_RF_V_j），每一路经过移相衰减通道，则K个天线通道共K*j路垂直极化射频信号，送入Ka频段多波束合成网络完成K个通道、j个波束的合成。水平极化通道一样流程，不再赘述。

所述Ka频段模拟R组件输出j个垂直极化波束和j个水平极化波束，经子阵网络合成和下变频后，送入基带进行基于最大信噪比的任意极化形成。

参阅图5。S/Ka发射和接收基本子阵颗粒中所有模块按照SKa天线、Ka频段模拟T/R组件、Ka频段多波束合成网络、S频段模拟TR组件、S频段数字TR芯片、子阵波控和电源集成等模块的顺序从上往下依次垂直互联构成瓦片式子阵颗粒。SKa天线层与Ka频段模拟T/R组件间通过毛纽扣实现信号转接；Ka频段模拟T/R组件与Ka频段多波束网络间采用微凸点实现信号互联；在基本子阵颗粒的最下层设置接口层，接口层对外出口包含控制口、Ka模拟口、S数字口和电源口。Ka频段模拟T/R组件采用异构集成的方式实现射频芯片、电源芯片和控制芯片等多种芯片的三维堆叠和集成。

参阅图6。Ka频段多波束网络采用带状线网络实现i个波束K路的功分或j个波束K路的功合，每个波束单独采用一层带状线结构。所述Ka频段多波束网络从上往下可分为两个功能层，上层用于实现电源及控制信号的分发，下层为带状线网络，具体实施时可采用LTCC或硅基工艺实现。K为S/Ka发射和接收基本子阵颗粒中Ka频段天线阵元数量，值大小由S/Ka频段的频率比决定。

以上仅为发明的优选实施例，并非因此限制发明的专利范围，凡是利用发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在发明的专利保护范围内。

Claims

1.一种可重构多波束测控通信终端相控阵，其特征在于，包括S/Ka发射阵列、S/Ka接收阵列、S频段数字波束形成模块、波束级开放式解耦矩阵、中央波控模块和中央电源模块；其中：

2.如权利要求1所述的可重构多波束测控通信终端相控阵，其特征在于，每个所述S/Ka发射基本子阵颗粒包括SKa天线层、K个Ka频段模拟T组件、S频段模拟TR组件、Ka频段多波束分发网络、S频段数字TR芯片以及子阵波控和电源集成模块；其中：

3.如权利要求2所述的可重构多波束测控通信终端相控阵，其特征在于，所述S/Ka发射基本子阵颗粒按SKa天线层、Ka频段模拟T组件、Ka频段多波束分发网络、S频段模拟TR组件、S频段数字TR芯片以及子阵波控和电源集成模块的顺序从上往下以此垂直互联构成瓦片式子阵颗粒。

4.如权利要求2所述的可重构多波束测控通信终端相控阵，其特征在于，所述SKa天线层与Ka频段模拟T组件间通过毛纽扣实现信号转接，所述Ka频段模拟T组件与Ka频段多波束分发网络间通过微凸点实现信号互联，所述S/Ka发射基本子阵颗粒的最下层设置有接口层，所述接口层包括控制接口、Ka模拟接口、S数字接口和电源接口；其中：

5.如权利要求1所述的可重构多波束测控通信终端相控阵，其特征在于，每个所述S/Ka接收基本子阵颗粒包括SKa天线层、K个Ka频段模拟R组件、S频段模拟TR组件、Ka频段多波束合成网络、S频段数字TR芯片以及子阵波控和电源集成模块；其中：

6.如权利要求5所述的可重构多波束测控通信终端相控阵，其特征在于，所述S/Ka接收基本子阵颗粒按SKa天线层、Ka频段模拟R组件、Ka频段多波束合成网络、S频段模拟TR组件、S频段数字TR芯片以及子阵波控和电源集成模块的顺序从上往下以此垂直互联构成瓦片式子阵颗粒；

7.如权利要求2或5所述的可重构多波束测控通信终端相控阵，其特征在于，所述SKa天线包括依次从上往下堆叠互联的天线阵面、S频段双工层和Ka频段滤波层，所述天线阵面为S和Ka频段共口径天线，S频段双工层采用介质双工实现收发频分双工，Ka频段滤波层采用介质滤波器实现带通滤波功能。

8.如权利要求5所述的可重构多波束测控通信终端相控阵，其特征在于，所述SKa天线层与Ka频段模拟R组件间通过毛纽扣实现信号转接，所述Ka频段模拟R组件与Ka频段多波束合成网络间通过微凸点实现信号互联，所述S/Ka接收基本子阵颗粒的最下层设置有接口层，所述接口层包括控制接口、Ka模拟接口、S数字接口和电源接口；其中：

9.如权利要求1所述的可重构多波束测控通信终端相控阵，其特征在于，所述波束级开放式解耦矩阵包括Serdes接口模块、配置模块、电源模块和时钟模块；其中：

10.如权利要求7所述的可重构多波束测控通信终端相控阵，其特征在于，所述Serdes接口模块还用于对t个接收波束和p个发射波束进行备份；其中，t和p为预设数值。