CN117200843A - 一种毫米波组网通信多波束相控阵天线装置 - Google Patents

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梅立荣
王栋良
王一
魏萌
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Abstract

本发明涉及一种毫米波组网通信多波束相控阵天线装置,属于无线通信和天线技术领域。其包括由n个子阵组成的天线阵面、宽窄波束切换网络、窄波束合成网络、和差器、波束控制模块、变频组件、AD/DA采集处理芯片、波束形成处理芯片FPGA及进行调制解调信号处理的通信终端。本发明具备大容量、高速率能力,能够实现灵活的多波束、宽窄波束切换、波束扫描与控制及波束自动跟踪功能。提升了自组网通信系统的性能,拓展了自组网通信产品的应用范围。

Description

一种毫米波组网通信多波束相控阵天线装置
技术领域
本发明属于无线通信和天线技术领域,特别是指一种毫米波组网通信多波束相控阵天线装置。
背景技术
毫米波频段具有频段高,可用带宽宽等特点,利用毫米波频段进行通信可以容易实现大容量信息传输,在低频段自组网通信系统中,由于可用带宽的限制,通信容量较小,极大地限制了组网通信系统的应用。此外由于常规自组网通信通常采用全向天线完成电磁波的发射和接收,全向天线的优点就是每个方向均可以收到信号,但是其缺点是天线增益低、抗干扰、抗截获能力差,也严格限制了自组网通信系统的应用推广。因此,为了进一步提高现有自组网通信系统的性能,缩短组网系统的建网时间、提升系统的通信距离及通信容量,需要选择一种高增益、多波束体制的相控阵天线。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的在于克服上述现有技术的不足之处,提供一种毫米波组网通信多波束相控阵天线装置,该装置采用子阵多波束形式,以及宽窄波束切换方式,分别实现组网通信建网阶段多波束宽覆盖需求以及数据传输阶段的高增益窄波束需求。能够实现灵活的多波束、宽窄波束切换、波束扫描与控制及波束自动跟踪功能。
为实现上述目的,本发明所采用的技术方案是:
一种毫米波组网通信多波束相控阵天线装置,包括平面天线阵面1、波束控制模块10、变频组件11、AD/DA采集处理单元、波束形成处理单元及进行调制解调信号处理的通信终端14;
所述平面天线阵面1主要由n个天线子阵2进行矩形布阵构成;所述天线子阵2行数为m,列数为N,相邻行之间间距相等,相邻列之间间距相等;每列天线子阵包括天线单元6、四通道的TR收发组件7和波束合成网络I8,N列天线子阵通过波束合成网络II9合成后输出一路射频信号;
当收发波束数量相同:
工作于宽波束模式时,天线子阵信号合成的一路射频信号通过第一宽窄波束切换网络3的端口I输出送入变频组件11进行变频后在D/DA采集处理单元中进行采样处理,然后通过波束形成处理单元进行波束形成后送入通信终端进行调制解调处理;
工作于窄波束模式时,天线子阵信号通过宽窄波束切换网络的端口II进入窄波束合成网络4进行波束合成,合成后的信号再送入和差器5进行和波束形成以便进行方位和差测角跟踪处理实现方位波束的自动跟踪;
当收发波束数量不同:
接收波束工作于宽波束模式时,天线子阵通过第二宽窄波束切换网络的端口I输出送入变频组件11进行变频后在D/DA采集处理单元中进行采样处理,然后通过波束形成处理单元进行波束形成后送入通信终端进行调制解调处理;
接收波束工作于窄波束模式时,天线子阵信号通过第二宽窄波束切换网络的端口II进入第一波束合成网络进行波束合成,形成左上、左下、右上、右下区域的波束,然后再通过第三宽窄波束切换网络的端口II将左上、左下区域信号送入第一和差器,将右上、右下区域的信号送入第二和差器,经过第一和差器和第二和差器后的信号形成左上加左下的和波束信号和左上减左下的差波束信号,以及右上加右下的和波束信号及右上减右下的差波束信号,然后将第一和差器和第二和差器的两路差波束信号通过第二波束合成网络合成后形成俯仰差波束信号,将第一和差器和第二和差器的两路和波束信号通过第三和差器形成一路和波束信号和一路方位差波束信号以便实现方位及俯仰的波束自动跟踪;
当工作于发射宽波束模式时,来自AD/DA采集处理单元中DA输出的信号通过变频组件31进行变频处理后通过第三宽窄波束切换网络的端口I进入第一波束合成网络30分成两路送入后端的天线子阵在空间进行波束合成,形成发射宽波束。
进一步的,宽窄波束切换网络用于完成宽波束和窄波束的切换。
进一步的,所述天线单元采用基于超材料的低剖面孔径耦合微带天线结构。
进一步的,四通道的TR收发组件7包括采用系统级封装工艺SIP进行封装的4个收发通道,每个收发通道均包括数控衰减器23、数控移相器24、第一收发切换开关25、功率放大器26、低噪声放大器27、限幅器28和第二收发切换开关29;数控衰减器23、数控移相器24和第一收发切换开关25顺次连接,第一收发切换开关25的两个动端分别连接功率放大器26和低噪声放大器27;其中,低噪声放大器27的另一端连接限幅器28;限幅器的另一端和功率放大器的另一端与第二收发开关对应的动端连接。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果:
1、本发明一种毫米波组网通信多波束相控阵天线装置,采用高增益定向窄波束收发,灵活的宽窄波束切换与传统的自组网通信采用的全向天线相比具备大容量、高速率能力,有利于提高无线组网通信系统的通信距离及通信容量
2、本发明一种毫米波组网通信多波束相控阵天线装置,该装置采用子阵多波束形式,以及宽窄波束切换方式,分别实现组网通信建网阶段多波束宽覆盖需求以及数据传输阶段的高增益窄波束需求。能够实现灵活的多波束、宽窄波束切换、波束扫描与控制及波束自动跟踪功能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一实施例提供的毫米波组网通信多波束相控阵天线的结构示意图;
图2是本发明一实施例提供的毫米波组网通信多波束相控阵天线俯仰子阵示意图;
图3是本发明一实施例提供的接收多波束及宽窄波束切换网络结构示意图;
图4是本发明一实施例提供的发射多波束及宽窄波束切换网络示意图;
图5是本发明一实施例提供的4通道TR模块组件的结构示意图;
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
以下描述中,为了说明而不是为了限定,提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节,以便透彻理解本发明实施例。然而,本领域的技术人员应当清楚,在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中,省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明,以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
为了提高自组网通信系统的性能,提高组网系统的建网时间、系统的通信距离及通信容量,需要选择一种高增益、广覆盖的通信天线。本发明则旨在提供一种毫米波组网通信多波束相控阵天线装置。
第一方面,本发明实施例提供一种毫米波组网通信多波束相控阵天线装置,包括由n个子阵2组成的天线阵面1、宽窄波束切换网络3、窄波束合成网络4、和差器5、波束控制模块10、变频组件11、AD/DA采集处理芯片12、波束形成处理芯片FPGA13及进行调制解调信号处理的通信终端14;所述平面天线阵面1由n个子阵2进行矩形布阵构成;所述天线子阵2行数为m,列数为N,相邻行之间间距相等,相邻列之间间距相等;所述每列天线包括天线单元6、四通道的TR收发组件7、波束合成网络8组成,N列天线通过波束合成网络9合成后输出一路射频信号,送入宽窄波束切换网络3进行宽窄波束切换。当收发波束数量相同,需要工作于宽波束模式时,子阵信号通过切换网络的端口I输出送入变频组件进行变频后进行采样处理,然后送入通信终端进行调制解调处理;当工作于窄波束模式时,子阵信号通过切换网络的端口II进入波束合成网络4进行波束合成,合成后的信号再送入和差器进行和波束形成以便进行方位和差测角跟踪处理实现方位波束的自动跟踪。
当收发波束数量不同,接收波束需要工作于宽波束模式时,通过接收宽窄波束切换网络将信号通过切换网络的端口I输出送入变频组件进行变频后进行采样处理,然后送入通信终端进行调制解调处理,当工作于窄波束模式时,信号通过宽窄波束切换网络的端口II进入波束合成网络30进行波束合成,形成左上、左下、右上、右下区域的波束,然后再通过发射宽窄波束切换网络的端口II将左上、左下区域信号送入一个和差器32,将右上、右下区域的信号送入另一个和差器32,经过和差器后的信号形成左上加左下的和波束信号和左上减左下的差波束信号,以及右上加右下的和波束信号及右上减右下的差波束信号,然后将和差器32的两路差波束信号通过波束合成网络34合成后形成俯仰差波束信号,将和差器的两路和波束信号通过第三和差器32形成一路和波束信号和一路方位差波束信号以便实现方位及俯仰的波束自动跟踪。
当工作于发射宽波束模式时,来自AD/DA采集处理单元中DA输出的信号通过变频组件31进行变频处理后通过第三宽窄波束切换网络的端口I进入第一波束合成网络30分成两路送入后端的子阵在空间进行波束合成,形成发射宽波束。
第二方面,本发明实施例提供了一种宽窄波束切换网络,主要完成宽波束和窄波束的切换;当需要工作于宽波束模式时,子阵2输出的信号通过切换网络的端口I输出送入变频组件进行变频后进行采样处理,然后送入通信终端进行调制解调处理;当工作于窄波束模式时,信号通过切换网络的端口II进入波束合成网络4进行波束合成,合成后的信号再送入和差器进行和波束形成以及进行方位和差测角跟踪处理实现方位波束的自动跟踪。
所述宽窄波束切换网络主要完成宽波束和窄波束的切换;当收发波束数量不同,接收波束需要工作于宽波束模式时,通过接收宽窄波束切换网络将信号通过切换网络的端口I输出送入变频组件进行变频后进行采样处理,然后送入通信终端进行调制解调处理;当工作于窄波束模式时,信号通过宽窄波束切换网络的端口II进入波束合成网络30进行波束合成,形成左上、左下、右上、右下区域的波束,然后再通过发射宽窄波束切换网络的端口II将左上、左下区域信号送入一个和差器32,将右上、右下区域的信号送入第二和差器32,经过和差器后的信号形成左上加左下的和波束信号和左上减左下的差波束信号,以及右上加右下的和波束信号及右上减右下的差波束信号,然后将32的两路差波束信号通过波束合成网络34合成后形成俯仰差波束信号,将32的两路和波束信号通过第三和差器32形成一路和波束信号和一路方位差波束信号以便实现方位及俯仰的波束自动跟踪。
当工作于发射宽波束模式时,来自AD/DA采集处理单元中DA输出的信号通过变频组件31进行变频处理后通过第三宽窄波束切换网络的端口I进入第一波束合成网络30分成两路送入后端的子阵在空间进行波束合成,形成发射宽波束。
第三方面,本发明实施例提供一种毫米波天线单元6采用基于超材料的低剖面孔径耦合微带天线结构,扩展了微带天线的工作带宽,解决了常规微带天线带宽窄的问题。
第四方面,本发明实施例提供一种四通道的TR收发组件7,主要包括采用系统级封装工艺SIP进行封装的4个收发通道,每个收发通道包括数控衰减器23、数控移相器24、收发切换开关25、功率放大器26、低噪声放大器27、限幅器28、收发切换开关29、以及给4个收发通道提供供电及控制的供电及控制模块30组成。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图通过具体实施例来进行说明
图1是本发明一实施例提供的毫米波组网通信多波束相控阵天线的结构示意图,包括由n个子阵2组成的天线阵面1、宽窄波束切换网络3、窄波束合成网络4、和差器5、波束控制模块10、变频组件11、AD/DA采集处理芯片12、波束形成处理芯片FPGA13及进行调制解调信号处理的通信终端14;
图2是本发明一实施例提供的毫米波组网通信多波束相控阵天线俯仰子阵示意图;所述每列天线包括天线单元6、四通道的TR收发组件7、波束合成网络8组成,N列天线通过波束合成网络9合成后输出一路射频信号,送入宽窄波束切换网络3进行宽窄波束切换。
图3是本发明一实施例提供的接收多波束及宽窄波束切换网络结构示意图;当收发波束数量相同,需要工作于宽波束模式时,子阵信号通过切换网络的端口I输出送入变频组件进行变频后进行采样处理,然后送入通信终端进行调制解调处理;当工作于窄波束模式时,子阵信号通过切换网络的端口II进入波束合成网络4进行波束合成,合成后的信号再送入和差器进行和波束形成以便进行方位和差测角跟踪处理实现方位波束的自动跟踪。
图4是本发明一实施例提供的发射多波束及宽窄波束切换网络示意图;当收发波束数量不同,接收波束需要工作于宽波束模式时,通过接收宽窄波束切换网络将信号通过切换网络的端口I输出送入变频组件进行变频后进行采样处理,然后送入通信终端进行调制解调处理,当工作于窄波束模式时,信号通过宽窄波束切换网络的端口II进入波束合成网络30进行波束合成,形成左上、左下、右上、右下区域的波束,然后再通过发射宽窄波束切换网络的端口II将左上、左下区域信号送入一个和差器32,将右上、右下区域的信号送入第二和差器32,经过和差器后的信号形成左上加左下的和波束信号和左上减左下的差波束信号,以及右上加右下的和波束信号及右上减右下的差波束信号,然后将32的两路差波束信号通过波束合成网络34合成后形成俯仰差波束信号,将32的两路和波束信号通过第三和差器32形成一路和波束信号和一路方位差波束信号以便实现方位及俯仰的波束自动跟踪。当工作于发射宽波束模式时,来自AD/DA采集处理单元中DA输出的信号通过变频组件31进行变频处理后通过第三宽窄波束切换网络的端口I进入第一波束合成网络30分成两路送入后端的子阵在空间进行波束合成,形成发射宽波束。
实施例提供的毫米波天线单元结构示意图;毫米波天线单元6采用基于超材料的低剖面孔径耦合微带天线结构,扩展了微带天线的工作带宽,解决了常规微带天线带宽窄的问题。
图5是本发明一实施例提供的4通道TR模块组件的结构示意图;主要包括采用系统级封装工艺SIP进行封装的4个收发通道,每个收发通道包括数控衰减器23、数控移相器24、收发切换开关25、功率放大器26、低噪声放大器27、限幅器28、收发切换开关29、以及给4个收发通道提供供电及控制的供电及控制模块30组成。
本发明采用子阵多波束及宽窄波束切换相控阵天线架构,具备高增益定向窄波束收发,与传统的自组网通信采用的全向天线相比具备大容量、高速率能力。能够实现灵活的多波束、宽窄波束切换、波束扫描与控制及波束自动跟踪功能。提升了自组网通信系统的性能,拓展了自组网通信产品的应用范围。

Claims (4)

1.一种毫米波组网通信多波束相控阵天线装置,其特征在于,包括平面天线阵面(1)、波束控制模块(10)、变频组件(11)、AD/DA采集处理单元(12)、波束形成处理单元(13)及进行调制解调信号处理的通信终端(14);
所述平面天线阵面(1)主要由n个天线子阵(2)进行矩形布阵构成;所述天线子阵(2)行数为m,列数为N,相邻行之间间距相等,相邻列之间间距相等;每列天线子阵包括天线单元(6)、四通道的TR收发组件(7)和波束合成网络I(8),N列天线子阵通过波束合成网络II(9)合成后输出一路射频信号;
当收发波束数量相同:
工作于宽波束模式时,天线子阵信号合成的一路射频信号通过第一宽窄波束切换网络(3)的端口I输出送入变频组件(11)进行变频后在D/DA采集处理单元中进行采样处理,然后通过波束形成处理单元进行波束形成后送入通信终端进行调制解调处理;
工作于窄波束模式时,天线子阵信号通过宽窄波束切换网络的端口II进入窄波束合成网络(4)进行波束合成,合成后的信号再送入和差器(5)进行和差波束形成以便进行方位和差测角跟踪处理实现方位波束的自动跟踪;
当收发波束数量不同:
接收波束工作于宽波束模式时,天线子阵通过第二宽窄波束切换网络的端口I输出送入变频组件(11)进行变频后在D/DA采集处理单元中进行采样处理,然后通过波束形成处理单元进行波束形成后送入通信终端进行调制解调处理;
接收波束工作于窄波束模式时,天线子阵信号通过第二宽窄波束切换网络的端口II进入第一波束合成网络(30)进行波束合成,形成左上、左下、右上、右下区域的波束,然后再通过第三宽窄波束切换网络的端口II将左上、左下区域信号送入第一和差器,将右上、右下区域的信号送入第二和差器,经过第一和差器和第二和差器后的信号形成左上加左下的和波束信号和左上减左下的差波束信号,以及右上加右下的和波束信号及右上减右下的差波束信号,然后将第一和差器和第二和差器的两路差波束信号通过第二波束合成网络(34)合成后形成俯仰差波束信号,将第一和差器和第二和差器的两路和波束信号通过第三和差器形成一路和波束信号和一路方位差波束信号以便实现方位及俯仰的波束自动跟踪;
当工作于发射宽波束模式时,来自AD/DA采集处理单元中DA输出的信号通过变频组件(31)进行变频处理后通过第三宽窄波束切换网络的端口I进入第一波束合成网络(30)分成两路送入后端的子阵在空间进行波束合成,形成发射宽波束。
2.根据权利要求1所述的一种毫米波组网通信多波束相控阵天线装置,其特征在于,宽窄波束切换网络用于完成宽波束和窄波束的切换。
3.根据权利要求1所述的一种毫米波组网通信多波束相控阵天线装置,其特征在于,所述天线单元(6)采用基于超材料的低剖面孔径耦合微带天线结构。
4.根据权利要求1所述的一种毫米波组网通信多波束相控阵天线装置,其特征在于,四通道的TR收发组件(7)包括采用系统级封装工艺SIP进行封装的4个收发通道,每个收发通道均包括数控衰减器(23)、数控移相器(24)、第一收发切换开关(25)、功率放大器(26)、低噪声放大器(27)、限幅器(28)和第二收发切换开关(29);数控衰减器(23)、数控移相器(24)和第一收发切换开关(25)顺次连接,第一收发切换开关(25)的两个动端分别连接功率放大器(26)和低噪声放大器(27);其中,低噪声放大器(27)的另一端连接限幅器(28);限幅器的另一端和功率放大器的另一端与第二收发开关对应的动端连接。
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