CN115940988B - 一种超薄宽带收发阵列校准网络及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超薄宽带收发阵列校准网络及其使用方法，涉及射频电路领域，包括：复合基板、射频连接器、单刀双掷开关；所述复合基板内埋有校准功分/合成网络；所述射频连接器集成在复合基板上；所述单刀双掷开关集成在复合基板上；所述单刀双掷开关的公共端通过射频连接器与阵列射频通道互联，实现校准信号的输入和发射信号的接收；所述单刀双掷开关的其中一个开关选择端通过射频连接器与天线连接，另一个开关选择端与校准功分/合成网络连接，所述校准功分/合成网络通过射频连接器与校准公共通道连接；本发明，规避了传统超薄阵列耦合校准网络对阵列天线隔离的限制，提升了校准的准确性和灵活性。

Description

一种超薄宽带收发阵列校准网络及其使用方法

技术领域

本发明涉及射频电路领域，具体涉及一种超薄宽带收发阵列校准网络及其使用方法。

背景技术

本节中的陈述仅提供与本公开相关的背景信息，并且可能不构成现有技术。

随着电子战等系统的快速发展，有源相控阵系统被越来越多的应用于各类装备中；在相控阵系统中，通道间的幅相一致性对系统的性能至关重要，直接影响相控阵的辐射效率、波束指向精度等，是相控阵系统的关键指标；而相控阵系统内集成密度高、器件众多，且器件工作频带宽，一致性难以保证，需要通过相应的校准手段实现通道一致性校准。

相控阵系统的射频通道幅相一致性校准方法，目前主要有：

(1)外部辐射校正，这种方法对外部环境、场地要求较高，无法快速方便的实现幅相一致性的校准；

(2)耦合校准网络，这种方法通过每个阵元输入端的耦合电路，可以将校准信号输入至每个阵元，此方法可实现系统的通道一致性校准功能，但每个通道无法关断，耦合信号会通过天线端辐射耦合至其他通道，造成通道间校正信号的相互影响，使用时要求相应的阵列宽带天线间隔离较高，实现难度偏高，通用性相对较差。

发明内容

本发明的目的在于：针对目前超薄宽带收发阵列校准网络设计问题，提供了一种超薄宽带收发阵列校准网络及其使用方法，实现了宽带收发相控阵系统中各阵元通道间一致性的校准，解决了上述问题。

本发明的技术方案如下：

一种超薄宽带收发阵列校准网络，包括：

复合基板，所述复合基板内埋有可同时支撑接收校准和发射校准的校准功分/合成网络；

射频连接器，所述射频连接器集成在复合基板上，所述复合基板通过射频连接器与外部端口连接；

单刀双掷开关，所述单刀双掷开关集成在复合基板上；所述单刀双掷开关的公共端通过射频连接器与阵列射频通道互联，实现校准信号的输入和发射信号的接收；所述单刀双掷开关的其中一个开关选择端通过射频连接器与天线连接，另一个开关选择端与校准功分/合成网络连接，所述校准功分/合成网络通过射频连接器与校准公共通道连接。

进一步地，所述射频连接器和单刀双掷开关均通过表贴方式集成在复合基板上。

进一步地，所述复合基板位于天线与阵列射频通道之间；

所述外部端口包括：天线、阵列射频通道和校准公共通道。

进一步地，所述复合基板两侧分别集成有与阵元数相等数量的射频连接器，其中一侧集成有与阵元数相等数量的单刀双掷开关。

进一步地，所述单刀双掷开关的公共端通过复合基板上靠近阵列射频通道一侧上的射频连接器与阵列射频通道互联；

所述单刀双掷开关的其中一个开关选择端通过复合基板上靠近天线一侧上的射频连接器与天线连接，另一个开关选择端通过复合基板内的射频垂直过渡孔与校准功分/合成网络连接。

进一步地，所述单刀双掷开关集成在复合基板上靠近天线一侧。

进一步地，所述复合基板包括：

上器件层，所述上器件层用于集成单刀双掷开关和射频连接器，同时通过微带线实现各单刀双掷开关之间的射频互联；

微带线参考地层，所述微带线参考地层用于微带线的布置，同时在没有微带线处进行局部低频布线；

多层带状线层，所述带状线层实现射频的内埋走线和校准功分/合成网络的内埋设计；

下器件层，所述下器件层用于集成射频连接器。

进一步地，所述单刀双掷开关的控制通过复合基板表贴的串并转换器件实现。

一种超薄宽带收发阵列校准网络的使用方法，基于上述的一种超薄宽带收发阵列校准网络，包括：

在处于接收校准状态时，校准公共通道内的系统校准信号通过射频连接器输入至校准网络，经校准功分/合成网络实现校准信号等幅同相的输入至每个阵元通道对应的单刀双掷开关，通过单刀双掷开关选通校准支路，将校准信号输入至对应的阵列射频通道，实现系统的宽带接收校准；

在处于发射校准状态时，通过阵列射频通道中每个阵元对应的射频通道将发射信号经射频连接器传输至单刀双掷开关，由单刀双掷开关切换至校准端口，将发射信号通过射频连接器输出至校准公共通道，实现校准公共通道的发射校准。

与现有的技术相比本发明的有益效果是：

1、一种超薄宽带收发阵列校准网络，通过单刀双掷开关+内埋校准功分/合成网络方式实现了宽带收发阵列开关校正网络的设计，规避了传统超薄阵列耦合校准网络对阵列天线隔离的限制，提升了校准的准确性和灵活性。

2、一种超薄宽带收发阵列校准网络，单刀双掷开关集成在复合基板上靠近天线一侧，减少单刀双掷开关与天线之间的传输路径，提升阵列通道校准精确性。

3、一种超薄宽带收发阵列校准网络，单刀双掷开关、复合基板内射频信号过渡均可实现DC-40GHz甚至更高频率射频信号传输，内埋校准功分/合成网络可实现0.8-18GHz甚至更宽工作频带，支撑了超宽带阵列系统的校准。

4、一种超薄宽带收发阵列校准网络，可兼顾接收校准和发射校准功能，支撑了宽带收发阵列的收发校准，同时可支撑系统实现极化校准等功能。

5、一种超薄宽带收发阵列校准网络，单刀双掷开关可单独控制，且连接至校准网络的端口具备射频关断匹配功能，可实现宽带收发阵列系统的单通道校准和多通道合路状态校准，且在单通道校准状态下，其他通道单刀双掷开关连接的校准功分网络端口为关断匹配状态，不影响校准网络的工作和性能。

6、一种超薄宽带收发阵列校准网络，支持系统在线校准，即在系统工作状态下，一个或多个通道切换至校准状态进行校准而不影响其他通道的工作状态。

7、一种超薄宽带收发阵列校准网络，采用复合基板+单刀双掷开关集成方式，整体厚度不超过5mm，实现了超薄大规模宽带收发阵列校准网络。

8、一种超薄宽带收发阵列校准网络，采用表贴串并转换器件实现各单刀双掷开关的独立控制，极大简化校准网络低频对外互联数量和难度。

附图说明

图1为一种超薄宽带收发阵列校准网络剖面示意图；

图2为一种超薄宽带收发阵列校准网络的功能示意图；

图3为一种超薄宽带收发阵列校准网络中复合基板叠层示意图；

图4为是实施例二中超薄宽带收发阵列的开关校准网络天线侧的视图；

图5是实施例二中超薄宽带收发阵列的开关校准网络前端通道侧的视图。

具体实施方式

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

下面结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例一

随着电子战等系统的快速发展，有源相控阵系统被越来越多的应用于各类装备中；在相控阵系统中，通道间的幅相一致性对系统的性能至关重要，直接影响相控阵的辐射效率、波束指向精度等，是相控阵系统的关键指标；而相控阵系统内集成密度高、器件众多，且器件工作频带宽，一致性难以保证，需要通过相应的校准手段实现通道一致性校准。

相控阵系统的射频通道幅相一致性校准方法，目前主要有：(1)外部辐射校正，这种方法对外部环境、场地要求较高，无法快速方便的实现幅相一致性的校准；(2)耦合校准网络，这种方法通过每个阵元输入端的耦合电路，可以将校准信号输入至每个阵元，此方法可实现系统的通道一致性校准功能，但每个通道无法关断，耦合信号会通过天线端辐射耦合至其他通道，造成通道间校正信号的相互影响，使用时要求相应的阵列宽带天线间隔离较高，实现难度偏高，通用性相对较差。

本实施例针对于上述问题，提出了一种超薄宽带收发阵列校准网络，通过复合基板+单刀双掷开关表贴集成方式实现超薄宽带收发阵列校准网络，实现了宽带收发相控阵系统中各阵元通道间一致性的校准。

请参阅图1-3，一种超薄宽带收发阵列校准网络，主要采用板级集成方式，具体包括：

复合基板，所述复合基板内埋有可同时支撑接收校准和发射校准的校准功分/合成网络；优选地，所述校准功分/合成网络为超宽带功分/合成网络，可实现0.8-18GHz甚至更宽频带的大规模功分网络，该功分网络可支撑大功率信号的功分与合路，可同时支撑接收校准和发射校准；同时，复合基板可实现天线侧与射频通道侧射频端口位置转换功能，代替宽带阵列可能需要的专用端口转接板；

射频连接器，所述射频连接器集成在复合基板上，所述复合基板通过射频连接器与外部端口连接；优选地，所述外部端口包括：天线、阵列射频通道和校准公共通道等；

单刀双掷开关，所述单刀双掷开关集成在复合基板上；所述单刀双掷开关的公共端通过射频连接器与阵列射频通道互联，实现校准信号的输入和发射信号的接收；所述单刀双掷开关的其中一个开关选择端通过射频连接器与天线连接，另一个开关选择端与校准功分/合成网络连接，所述校准功分/合成网络通过射频连接器与校准公共通道连接；优选地，所述单刀双掷开关选用大功率单刀双掷开关，可采用QFN、BGA等封装形式与复合基板焊接集成，器件高度不超过1.5mm，工作频率可覆盖DC-40GHz甚至更高频率范围，可完美匹配宽带阵列校准需求；使得单刀双掷开关、复合基板内射频信号过渡均可实现DC-40GHz甚至更高频率射频信号传输，内埋校准功分/合成网络可实现0.8-18GHz甚至更宽工作频带，支撑了超宽带阵列系统的校准。

在本实施例中，具体的，所述射频连接器和单刀双掷开关均通过表贴方式集成在复合基板上；使得整体厚度不超过5mm，实现了超薄大规模宽带收发阵列校准网络，在极小的剖面尺寸代价下，实现更丰富的系统功能，同时提升系统性能。

在本实施例中，具体的，所述复合基板位于天线与阵列射频通道之间；

所述复合基板两侧分别集成有与阵元数相等数量的射频连接器，其中一侧集成有与阵元数相等数量的单刀双掷开关；优选地，如图1所示，天线侧的射频连接器与天线的射频连接器位置及分布相同，通过盲插实现射频信号互联；阵列射频通道侧的射频连接器与阵列内部射频通道的端口位置相同，通过盲插实现射频信号互联。

在本实施例中，具体的，所述单刀双掷开关的公共端通过复合基板上靠近阵列射频通道一侧上的射频连接器与阵列射频通道互联；即单刀双掷开关可位于天线侧对应通道的射频连接器同侧相近位置或位于背面相同水平位置附近，以提高校准精度；

所述单刀双掷开关的其中一个开关选择端通过复合基板上靠近天线一侧上的射频连接器与天线连接，另一个开关选择端通过复合基板内的射频垂直过渡孔与校准功分/合成网络连接；优选地，单刀双掷开关与校准功分/合成网络连接的选择端采用匹配设计，实现校准端关断匹配，支撑系统的单通道校准功能实现；优选地，如图2所示，单刀双掷开关的两个选择端RF1和RF2端口均具备关断匹配功能，即在开关切换到关断状态时对应端口处于射频匹配状态；校准网络在系统工作状态时，单刀双掷开关切换至RFC-RF2状态，射频信号在天线与阵列射频通道之间实现信号的接收和发射；校准网络在校准状态时，大功率开关切换至RFC-RF1状态，校准信号在校准公共通道与阵列射频通道之间实现信号的接收和发射校准；单刀双掷开关在单通道校准或少量通道校准时，其他非校准支路的单刀双掷开关的RF1端口处于射频匹配状态，对应的校准功分/合成网络与之互联的端口处于匹配状态，不影响校准通道的校准性能。

在本实施例中，具体的，所述单刀双掷开关集成在复合基板上靠近天线一侧；减少单刀双掷开关与天线之间的传输路径，提升阵列通道校准精确性。

在本实施例中，具体的，所述单刀双掷开关的控制通过复合基板表贴的串并转换器件实现，从而极大减少校准网络低频对外接口数量；而通过串并转换器件，同时可实现各单刀双掷开关的独立控制，即实现单通道校准和多通道状态校准，极大简化校准网络低频对外互联数量和难度。

在本实施例中，具体的，如图3所示，所述复合基板包括：

上器件层，所述上器件层用于集成单刀双掷开关和射频连接器，同时通过微带线实现各单刀双掷开关之间的射频互联；

微带线参考地层，所述微带线参考地层用于微带线的布置，同时在没有微带线处进行局部低频布线；从而减少上器件层器件布局对内部带状线射频层的布线影响；

多层带状线层，所述带状线层实现射频的内埋走线和校准功分/合成网络的内埋设计；图3示例包含RF1和RF2两个带状线层，据图层数可根据设计需要增减；

下器件层，所述下器件层用于集成射频连接器。

本实施例基于上述提出的一种超薄宽带收发阵列校准网络，还提出了一种超薄宽带收发阵列校准网络的使用方法，具体包括：

在处于接收校准状态时，校准公共通道内的系统校准信号通过射频连接器输入至校准网络，经校准功分/合成网络实现校准信号等幅同相的输入至每个阵元通道对应的单刀双掷开关，通过单刀双掷开关选通校准支路，将校准信号输入至对应的阵列射频通道，实现系统的宽带接收校准；

在处于发射校准状态时，通过阵列射频通道中每个阵元对应的射频通道将发射信号经射频连接器传输至单刀双掷开关，由单刀双掷开关切换至校准端口，将发射信号通过射频连接器输出至校准公共通道，实现校准公共通道的发射校准。

在本实施例中，具体的，可以选择单个单刀双掷开关切换至校准支路，其他选择天线支路，实现单通道校准，此时由于单刀双掷开关校准端为匹配设计，不影响校准功分/合成网络端口匹配与正常工作；也可多个单刀双掷开关同步选通校准支路实现整个阵面的校准及极化校准等功能。

在本实施例中，具体的，各单刀双掷开关可独立控制，支持系统在线校准，如：发射状态时，逐个通道切换至校准通道实现通道校准测试而不影响其他通道的正常工作。

实施例二

请参阅图1-5，实施例二利用实施例提出的一种超薄宽带收发阵列校准网络，设计了一个超薄宽带收发阵列的开关校准网络，实现了宽带收发阵列的开关校准功能。

该网络实现N+N两组阵元的独立开关校准功能，采用复合基板+大功率单刀双掷开关形式实现，控制通过表贴串并转换芯片实现，整个校准网络厚度为4.5mm(不含射频连接器)。

图4为天线侧的视图，包含2N个表贴SMPM连接器，在系统中与天线盲插互联；

图5为前端通道侧的视图，包含2N+2个表贴SMPM连接器、2N个表贴宽带大功率单刀双掷开关、串并转换芯片、低频连接器、，实现收发校准通道的切换功能。

复合基板上的前端通道侧分别分布有：两个校准公共通道射频连接器、四组串并转换器件、低频互联连接器等。

厚度3mm的复合基板内内埋有大规模校准功分/合成网络，且通过内部带状线将左侧天线的等间距矩阵式射频端口分布转换成右侧多排线式排列的射频端口分布，极大降低后端射频通道的设计难度。

校准时两个校准公共通道分别与N个阵元端口互联，通过大功率单刀双掷开关在工作通道和校准通道间切换，实现对应通道的接收校准和发射校准功能，各开关均可独立控制，所有大功率单刀双掷开关连接至串并转换芯片输出端对应接口。

以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。

提供本背景技术部分是为了大体上呈现本发明的上下文，当前所署名的发明人的工作、在本背景技术部分中所描述的程度上的工作以及本部分描述在申请时尚不构成现有技术的方面，既非明示地也非暗示地被承认是本发明的现有技术。

Claims (7)

1.一种超薄宽带收发阵列校准网络，其特征在于，包括：

复合基板，所述复合基板内埋有可同时支撑接收校准和发射校准的校准功分/合成网络；

射频连接器，所述射频连接器集成在复合基板上，所述复合基板通过射频连接器与外部端口连接；

单刀双掷开关，所述单刀双掷开关集成在复合基板上；所述单刀双掷开关的公共端通过射频连接器与阵列射频通道互联，实现校准信号的输入和发射信号的接收；所述单刀双掷开关的其中一个开关选择端通过射频连接器与天线连接，另一个开关选择端与校准功分/合成网络连接，所述校准功分/合成网络通过射频连接器与校准公共通道连接；

所述射频连接器和单刀双掷开关均通过表贴方式集成在复合基板上；

所述复合基板位于天线与阵列射频通道之间；

所述复合基板两侧分别集成有与阵元数相等数量的射频连接器，其中一侧集成有与阵元数相等数量的单刀双掷开关。

2.根据权利要求1所述的一种超薄宽带收发阵列校准网络，其特征在于，

所述外部端口包括：天线、阵列射频通道和校准公共通道。

3.根据权利要求1所述的一种超薄宽带收发阵列校准网络，其特征在于，所述单刀双掷开关的公共端通过复合基板上靠近阵列射频通道一侧上的射频连接器与阵列射频通道互联；

所述单刀双掷开关的其中一个开关选择端通过复合基板上靠近天线一侧上的射频连接器与天线连接，另一个开关选择端通过复合基板内的射频垂直过渡孔与校准功分/合成网络连接。

4.根据权利要求3所述的一种超薄宽带收发阵列校准网络，其特征在于，所述单刀双掷开关集成在复合基板上靠近天线一侧。

5.根据权利要求4所述的一种超薄宽带收发阵列校准网络，其特征在于，所述复合基板包括：

上器件层，所述上器件层用于集成单刀双掷开关和射频连接器，同时通过微带线实现各单刀双掷开关之间的射频互联；

微带线参考地层，所述微带线参考地层用于微带线的布置，同时在没有微带线处进行局部低频布线；

多层带状线层，所述带状线层实现射频的内埋走线和校准功分/合成网络的内埋设计；

下器件层，所述下器件层用于集成射频连接器。

6.根据权利要求4所述的一种超薄宽带收发阵列校准网络，其特征在于，所述单刀双掷开关的控制通过复合基板表贴的串并转换器件实现。

7.一种超薄宽带收发阵列校准网络的使用方法，其特征在于，基于权利要求1-6任一项所述的一种超薄宽带收发阵列校准网络，包括：

在处于接收校准状态时，校准公共通道内的系统校准信号通过射频连接器输入至校准网络，经校准功分/合成网络实现校准信号等幅同相的输入至每个阵元通道对应的单刀双掷开关，通过单刀双掷开关选通校准支路，将校准信号输入至对应的阵列射频通道，实现系统的宽带接收校准；

在处于发射校准状态时，通过阵列射频通道中每个阵元对应的射频通道将发射信号经射频连接器传输至单刀双掷开关，由单刀双掷开关切换至校准端口，将发射信号通过射频连接器输出至校准公共通道，实现校准公共通道的发射校准。