CN117060943A - 一种一维特定空域覆盖的极宽频射频前端 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种一维特定空域覆盖的极宽频射频前端包括：极宽频阵列天线、可编程开关网络1、可编程开关网络2、功分器、频率选择开关网络、分频段TR组件、馈电网络、变频模块、控制模块，控制模块通过对可编程开关网络1和2进行组合编码控制，实现收发状态下天线单元的选择，同时根据工作频率通过频率选择开关网络对分频段TR组件进行选通，实现极宽频带内特定空域覆盖。本发明架构简单，无需采用相控阵架构即可在极宽频带宽内实现特定的空域覆盖；射频通道少，成本低；射频TR组件效率高。
Description
技术领域
本发明属于射频前端领域，具体为一种一维特定空域覆盖的极宽频射频前端。
背景技术
随着各类平台集成的电子设备数量越来越多，各类设备覆盖的频率范围越来越宽。对加强此类设备的侦察告警能力，极宽频射频阵列逐渐得到关注。与目前广泛使用的超宽带射频阵列相比，极宽频射频阵列的工作带宽远大于10倍频程，在如此宽的频带范围内实现特定的空域覆盖具有极大的设计难度。
现阶段为实现特定空域的波束覆盖，通常采用单个恒波束天线或者具有波束扫描能力的相控阵实现。单个恒波束天线可在一定的带宽范围内具有相对稳定的波束宽度，随着天线工作带宽的增加，波束宽度在全频段内的变化范围不再特定，已无法满足极宽频射频阵列的要求。相控阵可根据覆盖范围，通过空间波束扫描的方式进行特定空域覆盖。目前，工程上已实用的超宽带相控阵的典型带宽一般为3个倍频程，部分研究已达到9倍频程。9倍频程超宽带相控阵采用紧耦合阵列天线形式，单元间距小于高频工作波长的一半，导致射频有源通道数巨大，成本高昂，且体积大、重量高，在部分频段工作时资源冗余，此外在性能上，射频收发组件工作带宽较宽，全频段效率低。因此，难以在无人机等小型平台上推广使用。极宽频相控阵带宽远大于9倍频程，单元间距更小，面临的问题比9倍频程超宽带相控阵更加严峻。在极宽频射频前端领域，目前尚未有有效的架构实现特定空域覆盖。
发明内容
本发明的目的在于提出了一种一维特定空域覆盖的极宽频射频前端。
实现本发明目的的技术方案为：一种一维特定空域覆盖的极宽频射频前端，包括：极宽频阵列天线、可编程开关网络1、可编程开关网络2、功分器、频率选择开关网络、分频段TR组件、馈电网络、变频模块、控制模块，所述极宽频阵列天线与可编程开关网络1连接，可编程开关网络1与可编程开关网络2连接，可编程开关网络2连接功分器，功分器连接频率选择开关网络，接频率选择开关连接分频段TR组件，分频段TR组件连接馈电网络，馈电网络连接变频模块；控制模块通过对可编程开关网络1和2进行组合编码控制，实现收发状态下天线单元的选择，同时根据工作频率通过频率选择开关网络对分频段TR组件进行选通，实现极宽频带内特定空域覆盖。
优选地，所述极宽频阵列天线工作带宽为fl～fh，其中fh/fl≥10。
优选地，所述可编程开关网络1和可编程开关网络2均由N路单刀双掷射频开关和N路50欧姆匹配负载组成，N为极宽频阵列天线的单元数；
可编程开关网络1的单刀双掷射频开关编码为“1”代表单刀双掷射频开关接通天线，单刀双掷射频开关编码为“0”代表单刀双掷射频开关连接匹配负载；
可编程开关网络2的单刀双掷射频开关编码为“1”代表单刀双掷射频开关接通功分器，开关编码“0”代表单刀双掷射频开关连接50欧姆匹配负载。
优选地，单个射频通道状态由可编程开关网络1的单刀双掷开关和可编程开关网络2的单刀双掷开关共同决定，共“00”和“11”两种编码状态，编码“11”表示该射频通道选通，即天线连通功分器，编码“00”表示该射频通道天线端口接匹配负载和功分器端口接匹配负载。
优选地，可编程开关网络1和2的编码位数均为N位，N位编码中“1”的位数其中f为工作频率，d为天线单元的间距，“0”的位数为N-Nf。
优选地，编码中“1”的最优位置从总位数中间向两边开始对称移动。
优选地，功分器为1分N路等副同相功分器。
优选地，所述频率选择开关网络为单刀多掷射频开关。
优选地，发射模式工作时，控制模块根据空域覆盖范围θ和工作频率f确定控制策略并进行相应的操作，具体流程如下：
激励信号经变频模块上变频为射频信号；射频信号通过馈电网络分配给分频段TR组件；
控制模块根据工作频率f，选通可工作在该频率下的TR组件的T支路工作，T支路将射频信号进行放大；
放大的射频信号经频段选择开关网络传输至功分器，功分器将射频信号进行等副同相功率分配；
控制模块根据工作频率f和空域覆盖范围θ，解算可编程开关网络1和2的编码，并根据解算的编码，控制开关工作状态，选通相应的天线单元；
射频信号通过选通的天线单元辐射出去，实现特定的空域覆盖；
接收模式工作时，控制模块通过顺序扫频策略实现全频带覆盖，具体流程如下：
控制模块根据空域覆盖范围θ和顺序扫频策略，从最低工作频率fl开始，解算可编程开关网络1和2的编码，并根据解算的编码，控制开关工作状态，选通相应的射频通道，即极宽频天线单元、可编程开关网络1和可编程开关网络2；
空间辐射射频信号通过选通的射频通道，将射频信号传输至功分器进行合成；
控制模块根据工作频率，控制频率选择开关选通可工作在该频率下的TR组件R支路工作，R支路将射频信号放大、滤波后传输至馈电网络；馈电网络将射频信号传输给变频模块；
变频模块将射频信号下变频成中频信号送入数字接收机进行信号处理；
按照频率步进Δf依次增加工作频率，重复接收过程，直至最高频率fh。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：本发明简单易实现，可实现不小于10倍频程的工作带宽内特定的空域覆盖；与相控阵架构相比，本发明射频通道少，成本低，与单个恒波束天线相比，其带宽极大提升；本发明中射频TR组件可分频段使用，以最高效率工作。
附图说明
图1为本发明一种一维特定空域覆盖的极宽频射频前端的原理图。
图2为本发明一种一维特定空域覆盖的极宽频射频前端的通道不选通开关编码状态“11”。
图3本发明一种一维特定空域覆盖的极宽频射频前端的通道选通开关编码状态“00”。
图4本发明一种一维特定空域覆盖的极宽频射频前端的实施例0.7GHz空域覆盖30°下选通的单元。
图5本发明一种一维特定空域覆盖的极宽频射频前端的实施例1.3GHz空域覆盖30°下选通的单元。
图6本发明一种一维特定空域覆盖的极宽频射频前端的实施例电磁仿真全频段方向图。
具体实施方式
本发明提供一种一维特定空域覆盖的极宽频射频前端，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。
一种一维特定空域覆盖的极宽频射频前端，包括：极宽频阵列天线、可编程开关网络1、可编程开关网络2、功分器、频率选择开关网络、分频段TR组件、馈电网络、变频模块、控制模块，所述极宽频阵列天线与可编程开关网络1连接，可编程开关网络1与可编程开关网络2连接，可编程开关网络2连接功分器，功分器连接频率选择开关网络，接频率选择开关连接分频段TR组件，分频段TR组件连接馈电网络，馈电网络连接变频模块；控制模块通过对可编程开关网络1和2进行组合编码控制，实现收发状态下天线单元的选择，同时根据工作频率通过频率选择开关网络对分频段TR组件进行选通，实现极宽频带内特定空域覆盖。
本发明的一维特定空域覆盖范围为方位向θ，射频前端天线阵列规模为N元。方位方向通过可编程开关网络组合编码选通不同的天线单元数实现不同频率下特定的空域覆盖。
在某些实施例中，极宽频阵列天线俯仰方向可以为1个天线单元，也可以为1列天线单元合成的一个直线阵列天线。天线采用紧耦合阵列天线形式。
进一步的实施例中，所述极宽频阵列天线工作带宽为fl～fh，其中fh/fl≥10。
进一步的实施例中，所述可编程开关网络1和可编程开关网络2均由N路单刀双掷射频开关和N路50欧姆匹配负载组成。所述的可编程开关网络1和可编程开关网络2的编码相同。可编程开关网络1的单刀双掷射频开关编码为“1”代表单刀双掷射频开关接通天线，单刀双掷射频开关编码为“0”代表单刀双掷射频开关连接匹配负载。可编程开关网络2的单刀双掷射频开关编码为“1”代表单刀双掷射频开关接通功分器，开关编码“0”代表单刀双掷射频开关连接50欧姆匹配负载。
进一步的实施例中，所述单个射频通道状态由可编程开关网络1的单刀双掷开关和可编程开关网络2的单刀双掷开关共同决定，共“00”和“11”两种编码状态。编码“11”表示该射频通道选通，即天线连通功分器。编码“00”表示该射频通道天线端口接匹配负载和功分器端口接匹配负载；天线端口接匹配负载以保证阵列天线的紧耦合效应，维持阵列天线的极宽频工作带宽；功分器端口接匹配负载以保证通道间的隔离度。
进一步的实施例中，所述可编程开关网络1和2的编码位数均为N位。N位编码中“1”的位数其中f为工作频率，单位为GHz，d为天线单元的间距，单位为mm。“0”的位数为N-Nf。编码中“1”的位数代表了选通的天线单元数，编码“1”的最优位置应从总编码位数中间向两边开始对称移动，以保证被选通的极宽频天线单元的性能。若Nf≥N,则N位编码全为“1”。
在某些实施例中，所述功分器为1分N路等副同相功分器。
进一步的实施例中，所述频率选择开关网络为单刀多掷射频开关。
进一步的实施例中，所述分频段TR组件根据TR组件的效率最大化进行分段。
进一步的实施例中，所述极宽频射频全端发射模式工作时，控制模块根据系统下发的空域覆盖范围θ和工作频率f确定控制策略并进行相应的操作。具体流程如下：激励信号经变频模块上变频为射频信号；射频信号通过馈电网络分配给分频段TR组件；控制模块根据工作频率f，选通可工作在该频率下的TR组件的T支路工作，T支路将射频信号进行放大；放大的射频信号经频段选择开关网络传输至功分器，功分器将射频信号进行等副同相功率分配；控制模块根据工作频率f和空域覆盖范围θ，解算可编程开关网络1和2的编码，并根据解算的编码，控制开关工作状态，选通相应的天线单元；射频信号通过选通的天线单元辐射出去，实现特定的空域覆盖。
所述的极宽频射频全端接收模式工作时，控制模块通过顺序扫频策略实现全频带覆盖。具体流程如下：控制模块根据空域覆盖范围θ和顺序扫频策略，从最低频率fl开始，解算可编程开关网络1和2的编码，并根据解算的编码，控制开关工作状态，选通相应的射频通道(极宽频天线单元、可编程开关网络1和可编程开关网络2)；空间辐射射频信号通过选通的射频通道，将射频信号传输至功分器进行合成；控制模块根据工作频率fl，控制频率选择开关选通可工作在该频率下的TR组件R支路工作，R支路将射频信号放大、滤波后传输至馈电网络；馈电网络将射频信号传输给变频模块；变频模块将射频信号下变频成中频信号送入数字接收机进行信号处理。控制模块按照频率步进Δf，依次重复上述流程，直至最高频率fh。系统也可根据感兴趣的频段fm执行上述流程。
实施例
如图1所示，一种一维特定空域覆盖的极宽频射频前端，为一种方位向30°空域覆盖的20倍频程极宽频射频前端，包括极宽频阵列天线、可编程开关网络1、可编程开关网络2、1分24路功分器、频率选择开关网络、5频段TR组件、馈电网络、变频模块、控制模块。
极宽频阵列天线连接可编程开关网络1，可编程开关网络1连接可编程开关网络2，可编程开关网络2连接1分24路功分器，1分24路功分器连接频率选择开关网络，频率选择开关网络连接5频段TR组件，5频段TR组件连接馈电网络，馈电网络连接变频模块。控制模块根据工作频率和30°空域覆盖范围，解算可编程开关网络1和2编码状态，并进行控制，实现收发状态下天线单元的选择，同时根据工作频率对5频段TR组件进行选通，实现极20倍频程宽频带内30°的空域覆盖。表1给出相应工作频率下，可编程开关网络编码状态、对应选通的TR组件以及实现的空域覆盖范围。
表1
极宽频阵列天线为24元一维直线阵，工作带宽0.1-2GHz，天线单元间距60mm，采用紧耦合偶极子阵列天线形式。
可编程开关网络1共包含24路单刀双掷开关和24路50欧姆匹配负载。单刀双掷射频开关编码为“1”代表单刀双掷射频开关接通天线，单刀双掷射频开关编码为“0”代表单刀双掷射频开关连接50欧姆匹配负载。
可编程开关网络2共包含24路单刀双掷开关和24路50欧姆匹配负载。单刀双掷射频开关编码为“1”代表单刀双掷射频开关接通1分24路功分器，单刀双掷射频开关编码为“0”代表单刀双掷射频开关连接50欧姆匹配负载。
单个射频通道状态由可编程开关网络1的单刀双掷开关和可编程开关网络2的单刀双掷开关共同决定，共“00”和“11”两种编码状态。如图2和图3所示，编码“11”表示该射频通道选通，即天线连通功分器。编码“00”表示该射频通道天线端口接匹配负载和功分器端口接匹配负载；天线端口接匹配负载以保证阵列天线的紧耦合效应，维持阵列天线的极宽频工作带宽；功分器端口接匹配负载以保证通道间的隔离度。
可编程开关网络1和可编程开关网络2的编码相同。
可编程开关网络1和2的编码位数均为24位。24位编码中“1”的位数其中f为工作频率。
“0”的位数为24-Nf。编码“1”的最优位置应从中间向两边开始移动，保证被选通的极宽频天线单元的性能。若Nf≥24,则N为编码全为“1”。表1中给出了不同频率下24位编码态。
1分24路功分器为多节威尔金森功分器实现等副同相信号分配。
频率选择开关网络为单刀5掷射频开关，用于选通5频段TR组件。
为保证全频段TR组件的效率最大化，5频段TR组件的频率范围分别为：TR_1组件的工作带宽为0.1-0.2GHz、TR_2组件的工作带宽为0.2-0.4GHz、TR_3组件的工作带宽为0.4-0.8GHz、TR_4组件的工作带宽为0.8-1.6GHz、TR_5组件的工作带宽为1.6-2GHz。
馈电网络为1分5路威尔金森功分器，分别与TR_1组件、TR_2组件、TR_3组件、TR_4组件和TR_5组件相连。
变频模块实现发射状态下激励信号上变频为射频信号辐射至空间中，接收状态下将空间辐射信号下变频至中频信号送入数字接收机。
控制模块对可编程开关网络1和2进行编码控制，实现收发状态下天线单元的选择，同时根据工作频率对分频段TR组件进行选通。
下面根据射频前端收发两种状态下射频信号流向进行工作流程阐述。
发射模式工作时，控制模块根据系统下发的300空域覆盖范围和工作频率f确定控制策略并进行相应的操作。具体流程如下：激励信号经变频模块上变频为射频信号；射频信号通过馈电网络分配给5频段TR组件；控制模块根据工作频率f，选通可工作在该频率下的TR组件的T支路工作，T支路将射频信号进行放大；放大的射频信号经频段选择开关网络传输至功分器，功分器将射频信号进行等副同相功率分配；控制模块根据工作频率f和300空域覆盖范围，解算可编程开关网络1和2的编码，并根据解算的编码，控制开关工作状态，选通相应的天线单元；射频信号通过选通的天线单元辐射出去，实现特定的空域覆盖。
接收模式工作时，控制模块通过顺序扫频策略实现全频带覆盖。具体流程如下：控制模块根据空域覆盖范围和顺序扫频策略，从最低频率fl开始，解算可编程开关网络1和2的编码，并根据解算的编码，控制开关工作状态，选通相应的射频通道(极宽频天线单元、可编程开关网络1和可编程开关网络2)；空间辐射射频信号通过选通的射频通道，将射频信号传输至功分器进行合成；控制模块根据工作频率fl，控制频率选择开关选通可工作在该频率下的TR组件R支路工作，R支路将射频信号放大、滤波后传输至馈电网络；馈电网络将射频信号传输给变频模块；变频模块将射频信号下变频成中频信号送入数字接收机进行信号处理。控制模块按照频率步进Δf，依次重复上述流程，直至最高频率fh。系统也可根据感兴趣的频段fm执行上述流程。
本发明所描述的一个实施例仅是作为一种一维特定空域覆盖的极宽频射频前端的实现形式而被提出，相关描述是说明性而非限定性的。因此，熟悉本技术领域的技术人员可根据本发明权利要求书中的设计思想做出其他具体的实施操作，在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对形式和细节做出各种变化，而无需创造性劳动。上述这些都应被视为本发明的设计范围。
Claims (9)
1.一种一维特定空域覆盖的极宽频射频前端，其特征在于，包括：极宽频阵列天线、可编程开关网络1、可编程开关网络2、功分器、频率选择开关网络、分频段TR组件、馈电网络、变频模块、控制模块，所述极宽频阵列天线与可编程开关网络1连接，可编程开关网络1与可编程开关网络2连接，可编程开关网络2连接功分器，功分器连接频率选择开关网络，接频率选择开关连接分频段TR组件，分频段TR组件连接馈电网络，馈电网络连接变频模块；控制模块通过对可编程开关网络1和2进行组合编码控制，实现收发状态下天线单元的选择，同时根据工作频率通过频率选择开关网络对分频段TR组件进行选通，实现极宽频带内特定空域覆盖。
2.根据权利要求1所述的一维特定空域覆盖的极宽频射频前端，其特征在于，所述极宽频阵列天线工作带宽为fl～fh，其中fh/fl≥10。
3.根据权利要求1所述的一维特定空域覆盖的极宽频射频前端，其特征在于，所述可编程开关网络1和可编程开关网络2均由N路单刀双掷射频开关和N路50欧姆匹配负载组成，N为极宽频阵列天线的单元数；
可编程开关网络1的单刀双掷射频开关编码为“1”代表单刀双掷射频开关接通天线，单刀双掷射频开关编码为“0”代表单刀双掷射频开关连接匹配负载；
可编程开关网络2的单刀双掷射频开关编码为“1”代表单刀双掷射频开关接通功分器，开关编码“0”代表单刀双掷射频开关连接50欧姆匹配负载。
4.根据权利要求3所述的一维特定空域覆盖的极宽频射频前端，其特征在于，单个射频通道状态由可编程开关网络1的单刀双掷开关和可编程开关网络2的单刀双掷开关共同决定，共“00”和“11”两种编码状态，编码“11”表示该射频通道选通，即天线连通功分器，编码“00”表示该射频通道天线端口接匹配负载和功分器端口接匹配负载。
5.根据权利要求3或4所述的一维特定空域覆盖的极宽频射频前端，其特征在于，可编程开关网络1和2的编码位数均为N位，N位编码中“1”的位数其中f为工作频率，d为天线单元的间距，“0”的位数为N-Nf。
6.根据权利要求5所述的一维特定空域覆盖的极宽频射频前端，其特征在于，编码中“1”的最优位置从总位数中间向两边开始对称移动。
7.根据权利要求1所述的一维特定空域覆盖的极宽频射频前端，其特征在于，功分器为1分N路等副同相功分器。
8.根据权利要求1所述的一维特定空域覆盖的极宽频射频前端，其特征在于，所述频率选择开关网络为单刀多掷射频开关。
9.根据权利要求1所述的一维特定空域覆盖的极宽频射频前端，其特征在于，发射模式工作时，控制模块根据空域覆盖范围θ和工作频率f确定控制策略并进行相应的操作，具体流程如下：
激励信号经变频模块上变频为射频信号；射频信号通过馈电网络分配给分频段TR组件；
控制模块根据工作频率f，选通可工作在该频率下的TR组件的T支路工作，T支路将射频信号进行放大；
放大的射频信号经频段选择开关网络传输至功分器，功分器将射频信号进行等副同相功率分配；
控制模块根据工作频率f和空域覆盖范围θ，解算可编程开关网络1和2的编码，并根据解算的编码，控制开关工作状态，选通相应的天线单元；
射频信号通过选通的天线单元辐射出去，实现特定的空域覆盖；
接收模式工作时，控制模块通过顺序扫频策略实现全频带覆盖，具体流程如下：
控制模块根据空域覆盖范围θ和顺序扫频策略，从最低工作频率fl开始，解算可编程开关网络1和2的编码，并根据解算的编码，控制开关工作状态，选通相应的射频通道，即极宽频天线单元、可编程开关网络1和可编程开关网络2；
空间辐射射频信号通过选通的射频通道，将射频信号传输至功分器进行合成；
控制模块根据工作频率，控制频率选择开关选通可工作在该频率下的TR组件R支路工作，R支路将射频信号放大、滤波后传输至馈电网络；馈电网络将射频信号传输给变频模块；
变频模块将射频信号下变频成中频信号送入数字接收机进行信号处理；
按照频率步进Δf依次增加工作频率，重复接收过程，直至最高频率fh。
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