CN210744178U - 一种可实现左右旋圆极化切换的相控阵天线 - Google Patents

Abstract

本申请涉及相控阵天线领域，具体的说，是涉及一种可实现左右旋圆极化切换的相控阵天线，其包括N个2*2的TR子阵，每个TR子阵含4个相控阵天线辐射单元，每个TR子阵的TR通道数为1*4个；每个相控阵天线辐射单元包括贴片和位于贴片上的含馈点A，每个相控阵天线辐射单元为单馈点。本申请仅用一套本方案的相控阵天线设备，可以实现以往需要2套相控阵天线设备所具备的功能，如左、右旋极化切换，极大的降低了成本，结构尺寸，以及避免了使用有源器件产生的寄生效应。主要通过n合1多功能芯片，结合相控阵天线布局来实现。

Description

一种可实现左右旋圆极化切换的相控阵天线

技术领域

本申请涉及相控阵天线领域，具体的说，是涉及一种可实现左右旋圆极化切换的相控阵天线。

背景技术

相控阵天线是由许多天线单元排阵所构成的阵列天线，通过调整各个天线单元的馈电相位实现波束扫描和波束赋形。它具有体积小、质量轻、容易形成多波束，能实现天线波束指向和波束形状快速变化的能力，能实现波束间通信容量的调整等优点，这些优点使其具有多个高速运动目标稳定跟踪的能力；此外，相控阵天线还可在空间实现信号功率的合成，从而获得拥有较大 EIRP（各向同性等效辐射功率），这为增大系统作用距离、提高系统测量精度以及观测包括隐身目标在内的各种低可观测目标提供了技术潜力。由于上述众多优点，使得相控阵天线技术成为近年来雷达，通信系统中发展很快的一项关键技术。

目前的技术方案中部分采用一种极化设计，一旦设计完成，天线的极化就无法改变；部分采用极化可变方案，如使用可控二极管技术，通过直流偏置电压控制二极管的导通与开路，改变天线电流分布，从而实现极化、方向图或者频率重构。另外的是采用电机控制，实现圆极化辐射单元的极化角旋转实现左右旋重构。

可变极化方案中，前者在将增加损耗，以及一些由二极管引入的寄生效应同时也增加天线的成本；后者将增大天线的剖面高度，和复杂性。

发明内容

针对现有技术上的上述不足，本申请提出一种成本低、占用空间小，可实现任意极化切换的多功能相控阵天线。

为实现上述技术效果，本申请技术方案如下：

一种可实现左右旋圆极化切换的相控阵天线，其特征在于：包括N个2*2 的TR子阵，每个TR子阵含4个相控阵天线辐射单元，每个TR子阵的TR通道数为1*4个；每个相控阵天线辐射单元包括贴片和位于贴片上的含馈点A，每个相控阵天线辐射单元为单馈点馈电。

进一步地，TR子阵的结构为瓦片式或砖块式。

进一步地，每个TR子阵的收发通道模块包括4个收发通道；每个收发通道模块包括收发放大多功能电路、衰减移相放大多功能电路、电源控制电路、波控控制电路和功分器；收发放大多功能电路实现发射信号的功率放大，接收信号的低噪声放大和收发切换的功能；衰减移相放大多功能电路实现对组件的衰减、移相控制和信号放大；波控控制电路实现将波控机发出的高速串行数据转换成并行控制码，控制衰减移相电路；电源控制电路实现通道接收、发射电源单独可控；功分器实现通道信号的功分或合成；通过控制多功能芯片的移相、衰减和放大功能，改变多功能芯片的幅度和相位，实现极化方式改变。

更进一步地，每个TR子阵的收发通道模块包括1个四合一多功能集成SOC芯片或者半个八合一多功能集成SOC芯片，分别驱动4个TR收发芯片，由波控子板实现幅度相位控制、收发电源控制和工作模式切换。

具体而言，收发通道模块为一块射频集成板，包括多通道多功能集成SOC芯片、射频通道馈电网络、控制和电源馈线网络，射频集成板由多层微波板设计，多层微波板为射频集成板与FR4混压结构，集成射频通道馈电网络、控制和电源馈线网络，多功能集成SOC芯片与多层微波板由金丝键合方式互联。

进一步地，TR通道模块的各区域块并行控制，每个区域的4个通道串行读写；整个TR通道模块共用时钟信号、片选信号、锁存信号和收发开关信号，每个通道的控制数据采用并行收发方式，实现高速的相位和幅度控制以及每个通道多功能芯片上工作状态控制。

进一步地，对应工作的相控阵天线极化波包括左旋圆极化、右旋圆极化，左旋椭圆极化以及右旋椭圆极化。

进一步地，相控阵天线为矩形栅格布阵或为三角栅格布阵等。

进一步地，子阵之间的位置关系为旋转关系或者平移，镜像关系；子阵阵面辐射单元为方形，圆形，三角形，六边形等形状。

进一步地，单馈点对辐射单元进行激励，最终输出一个馈电接口连接TR通道。

本申请的工作原理为：

发射时，信号由公共端口输入到N个子阵，具体为经1分N功分网络等功分成N路，分别输入到每个多功能集成SOC芯片，再由多功能集成SOC芯片等分成4路（若SOC多功能芯片为4合1），输送到TR收发芯片进行功率放大，最后输出到天线端口。

接收时，信号由天线端口输入，经TR收发芯片的低噪声放大后输入到多功能集成SOC芯片，经驱动放大、移相和衰减后，N路合成4路，由SMP总端口输出，在子阵上再进行4路合成，由子阵的总端口输出。

本申请的有益效果：

1、本申请仅用一套本方案的相控阵天线设备，可以实现以往需要2套相控阵天线设备所具备的功能（左、右旋极化切换），极大的降低了成本，结构尺寸，以及避免了使用有源器件产生的寄生效应。主要通过n合1多功能芯片（至少4合1，也可8合一等等），结合相控阵天线布局（如单馈点）来实现。

2、本申请的左右旋圆极化切换的相控阵天线，不需要调整天线结构方式，仅通过电子控制移相器的相位，就能使天线在左右旋圆极化中切换，进行正常工作，与现有的需要分别独立的准备不同极化天线相比，本申请的相控阵天线使用方便，极化切换时间短，尺寸小，损耗小。

3、本申请的左右旋圆极化切换的相控阵天线，子阵中4辐射单元均相同，方形辐射贴片与单元中心呈45度棱角放置，子阵中单元间的放置为旋转关系，旋转度数为90度，这样的摆放关系会使得相控阵天线保持左、右圆极化的性能几乎一致，同时φ=45°的剖面扫描效果更佳。

4、本申请的左右旋圆极化切换的相控阵天线，不需要在相控阵天线辐射单元或者馈电网络上增加其他电子器件，仅通过电子控制移相器的相位，就能使天线在不同的极化方式中工作，与现有需要增加PIN开关，变容二极管等相比，本申请的相控阵天线损耗小，使用稳定，不会因电子器件带来电容电感效应，影响天线单元性能。

5、本申请多功能CMOS芯片和砷化镓TR芯片相结合的方式，不仅利用GaAs工艺获得较好的功率和噪声性能的同时，又利用硅基工艺集成度高的特点实现移相器和衰减器的小型化、一体化的设计，此外硅基芯片内部可集成数字控制电路，控制接口采用串行信号控制移相和衰减状态，从而降低外部电路的设计复杂度和尺寸，使得射频通道的集成度大大提高。

附图说明

图1为本申请8*8=64阵元矩形布阵示意图。

图2为本申请64阵元子阵内部辐射单元的放置示意图。

图3为本申请相控阵天线的配相布局，图中内含移相器和衰减器。

图4为本申请相控阵天线合成右旋圆极化的相位补偿表。

图5为本申请相控阵天线合成右旋圆极化时的扫描方向图。

图6为本申请相控阵天线合成左旋圆极化的相位补偿表。

图7为本申请相控阵天线合成左旋圆极化时的扫描方向图。

图5和图7中横坐标为角度，纵坐标为归一化增益。

附图中：1-TR子阵，2-贴片，3-馈点A。

具体实施方式

实施例1

一种可实现左右旋圆极化切换的相控阵天线包括N个2*2 的TR子阵1，每个TR子阵1含4个相控阵天线辐射单元，每个TR子阵1的TR通道数为1*4个；每个相控阵天线辐射单元包括贴片2和位于贴片2上的含馈点A3，每个相控阵天线辐射单元为单馈点馈电。

TR子阵1的结构为瓦片式或砖块式。每个TR子阵1的收发通道模块包括4个收发通道；每个收发通道模块包括收发放大多功能电路、衰减移相放大多功能电路、电源控制电路、波控控制电路和功分器；收发放大多功能电路实现发射信号的功率放大，接收信号的低噪声放大和收发切换的功能；衰减移相放大多功能电路实现对组件的衰减、移相控制和信号放大；波控控制电路实现将波控机发出的高速串行数据转换成并行控制码，控制衰减移相电路；电源控制电路实现通道接收、发射电源单独可控；功分器实现通道信号的功分或合成；通过控制多功能芯片的移相、衰减和放大功能，改变多功能芯片的幅度和相位，实现极化方式改变。

每个TR子阵1的收发通道模块包括1个四合一多功能集成SOC芯片或者半个八合一多功能集成SOC芯片，分别驱动4个TR收发芯片，由波控子板实现幅度相位控制、收发电源控制和工作模式切换。

具体而言，收发通道模块为一块射频集成板，包括多通道多功能集成SOC芯片、射频通道馈电网络、控制和电源馈线网络，射频集成板由多层微波板设计，多层微波板为射频集成板与FR4混压结构，集成射频通道馈电网络、控制和电源馈线网络，多功能集成SOC芯片与多层微波板由金丝键合方式互联。

TR通道模块的各区域块并行控制，每个区域的4个通道串行读写；整个TR通道模块共用时钟信号、片选信号、锁存信号和收发开关信号，每个通道的控制数据采用并行收发方式，实现高速的相位和幅度控制以及每个通道多功能芯片上工作状态控制。

对应工作的相控阵天线极化波包括左旋圆极化、右旋圆极化，左旋椭圆极化以及右旋椭圆极化。

相控阵天线为矩形栅格布阵或为三角栅格布阵等。

子阵之间的位置关系为旋转关系或者平移，镜像关系；子阵阵面辐射单元为方形，圆形，三角形，六边形等形状。

单馈点对辐射单元进行激励，最终输出一个馈电接口连接TR通道。

发射时，信号由公共端口输入到N个子阵，具体为经1分N功分网络等功分成N路，分别输入到每个多功能集成SOC芯片，再由多功能集成SOC芯片等分成4路（若SOC多功能芯片为4合1），输送到TR收发芯片进行功率放大，最后输出到天线端口。

接收时，信号由天线端口输入，经TR收发芯片的低噪声放大后输入到多功能集成SOC芯片，经驱动放大、移相和衰减后，N路合成4路，由SMP总端口输出，在子阵上再进行4路合成，由子阵的总端口输出。

实施例2

一种实现左右圆极化极化切换的相控阵天线，包括TR通道模块，TR通道模块采用CMOS多功能芯片和与砷化镓芯片相结合的方式，相控阵辐射单元使用单馈点激励，每个馈点后接一个移相器，因此一个相控阵天线辐射单元对应1个TR通道，以四个辐射单元为一个TR子阵1，每个TR子阵1通道数为4*1，共4个通道。GaAs TR芯片主要完成极化切换、收发切换、接收链路低噪声放大、发射链路功率放大的功能，因此GaAs TR芯片由开关、低噪放和功放三部分组成。硅基多功能芯片则主要完成对信号的移相、衰减和放大功能，因此硅基多功能芯片由放大器、衰减器、移相器、数字控制电路、电源控制电路等部分组成。采用此技术方案，在利用GaAs工艺获得较好的功率和噪声性能的同时，又利用硅基工艺集成度高的特点实现移相器和衰减器的小型化、一体化的设计，此外硅基芯片内部可集成数字控制电路，控制接口采用串行信号控制移相和衰减状态，从而降低外部电路的设计复杂度和尺寸。

TR通道模块包括；N个TR子阵1，其中每个收发通道模块包括收发放大多功能电路、衰减移相放大多功能电路、电源控制电路、波控控制电路和功分器网络。收发放大多功能电路实现发射信号的功率放大，接收信号的低噪声放大和收发切换的功能；衰减移相放大多功能电路实现对组件的衰减、移相控制和信号放大；波控控制电路实现将波控机发出的高速串行数据转换成并行控制码，控制衰减移相电路；电源控制电路实现通道接收、发射电源单独可控；功分器实现通道信号的功分或合成。

TR通道模块为一块射频集成板，包括多通道多功能集成SOC芯片、射频通道馈电网络、控制和电源馈线网络，射频集成板由多层微波板设计，多层微波板为射频集成板与FR4混压结构，集成射频通道馈电网络、控制和电源馈线网络，多功能集成SOC芯片与多层微波板由金丝键合或者球焊等方式互联。

收发通道模块包括N个多功能集成SOC芯片，分别驱动N*4个TR收发芯片（若SOC多功能芯片为4合1），由波控子板实现幅度相位控制、收发电源控制和工作模式切换，每个通道包含末级功率放大、接收低噪声放大、收发驱动放大、收发移相、接收衰减、收发开关和模式切换开关功能，其中TR收发芯片集成末级功放、接收低噪放、收发开关和模式选择开关，多功能集成SOC芯片集成收发移相、接收衰减、收发开关和收发驱动放大。

发射时，信号由公共端口输入到N个子阵，具体为经1分N功分网络等功分成N路，分别输入到每个多功能集成SOC芯片，再由多功能集成SOC芯片等分成4路（若SOC多功能芯片为4合1），输送到TR收发芯片进行功率放大，最后输出到天线端口。

接收时，信号由天线端口输入，经TR收发芯片的低噪声放大后输入到多功能集成SOC芯片，经驱动放大、移相和衰减后，N路合成4路，由SMP总端口输出，在子阵上再进行4路合成，由子阵的总端口输出。

控制模块接收来自上级母板的波控指令，完成波控指令解析、通过SPI协议对多功能芯片进行幅度和相位的读写。在这样的工作模式下，TR模块包括4个多功能集成SOC芯片区域，各区域块并行控制，每个区域的4个通道串行读写。这样，波控指令很快的得到执行。

整个TR通道模块共用时钟信号、片选信号、锁存信号和收发开关信号，每个通道的控制数据采用并行收发方式，实现高速的相位和幅度控制以及每个通道多功能芯片上工作状态控制。

所述的对应工作的相控阵天线极化波包括左旋圆极化、右旋圆极化，左旋椭圆极化以及右旋椭圆极化。

所述的对应工作的相控阵天线包括或为矩形栅格布阵或为三角栅格布阵等。

所述的对应工作的相控阵天线为N个子阵，每个子阵含4个辐射单元。

所述的对应工作的相控阵天线的子阵之间的位置关系为旋转关系或者平移，镜像关系。

所述的对应工作的相控阵天线的子阵阵面辐射单元为方形，圆形，三角形，六边形等形状。

所述的对应工作的相控阵天线的子阵中4辐射单元均相同，放置为旋转关系，旋转度数为任意合适度角度。

所述的对应工作的相控阵天线单元使用单馈点或者多馈点对辐射单元进行激励，但最终输出一个馈电接口连接TR通道。

所述的对应工作的相控阵天线的辐射单元每个馈点（激励）后接一个TR通道。

所述的对应工作的相控阵天线的子阵的TR通道模块采用多合一多功能CMOS芯片。

所述的对应工作的相控阵天线的TR通道通过控制多功能芯片的移相、衰减和放大功能，改变多功能芯片的幅度和相位，实现极化方式改变。

实施例3

以8*8=64阵元的相控阵天线为例，图3中阵面含N=16个子阵，每个子阵含2*2阵元。辐射单元为方形，子阵内的4个单元位置呈旋转90°关系，这样做的效果可以使得阵面扫描φ=45°剖面时其效果更佳，单馈点激励，每个馈点后接一个移相器和衰减器，分别补相ɸ1，ɸ2，ɸ3，ɸ4，通过控制移相器和衰减器的幅度和相位，可以实现不同圆极化的电磁波工作。

所述的对应工作的极化波包括左旋圆极化、右旋圆极化，左旋椭圆极化以及右旋椭圆极化。

所述的对应工作的相控阵天线为阵面辐射单元均相同，子阵内部单元放置方式为旋转关系。

所述的对应工作的相控阵天线为子阵之间为平移关系，旋转或者镜像关系。

所述的对应工作的相控阵天线使用单馈点对辐射单元进行激励。

所述的对应工作的相控阵天线每个激励后接一个TR通道，内含一个移相器和一个衰减器。

所述的对应工作的相控阵天线的TR通道模块采用m合一多功能CMOS芯片，每颗CMOS芯片驱动m颗砷化镓TR芯片。

根据电磁场理论，对于合成电场的两个垂直分量Ex和Ey，有以下定义:

当电场的分量Ex和Ey的幅度相同，相位相差π/2，即Ex=Ey，ɸx-ɸy=±π/2时，则合成波为圆极化波。沿波的传播方向看过去，若波的传播方向随着时间变化呈现右手螺旋法则，则为右旋圆极化波；反之若符合左手螺旋法则，则为左旋圆极化波。

图4中，以8x8阵列为例，子阵内单元为单馈点激励，每个馈点后接一个移相器，进行右旋圆极化工作时，以单元1的相位为基准，子阵内部补偿相位为ɸ1=0°，ɸ2=90°，ɸ3=180°，ɸ4=270°（或-90°）。

Claims (10)

1.一种可实现左右旋圆极化切换的相控阵天线，其特征在于：包括N个2*2 的TR子阵（1），每个TR子阵（1）含4个相控阵天线辐射单元，每个TR子阵（1）的TR通道数为1*4个；每个相控阵天线辐射单元包括贴片（2）和位于贴片（2）上的含馈点A（3），每个相控阵天线辐射单元为单馈点馈电。

2.根据权利要求1所述的一种可实现左右旋圆极化切换的相控阵天线，其特征在于：TR子阵（1）的结构为瓦片式或砖块式。

3.根据权利要求1所述的一种可实现左右旋圆极化切换的相控阵天线，其特征在于：每个TR子阵（1）的收发通道模块包括4个收发通道；每个收发通道模块包括收发放大多功能电路、衰减移相放大多功能电路、电源控制电路、波控控制电路和功分器；收发放大多功能电路实现发射信号的功率放大，接收信号的低噪声放大和收发切换的功能；衰减移相放大多功能电路实现对组件的衰减、移相控制和信号放大；波控控制电路实现将波控机发出的高速串行数据转换成并行控制码，控制衰减移相电路；电源控制电路实现通道接收、发射电源单独可控；功分器实现通道信号的功分或合成；通过控制多功能芯片的移相、衰减和放大功能，改变多功能芯片的幅度和相位，实现极化方式改变。

4.根据权利要求3所述的一种可实现左右旋圆极化切换的相控阵天线，其特征在于：每个TR子阵（1）的收发通道模块包括1个四合一多功能集成SOC芯片或者半个八合一多功能集成SOC芯片，分别驱动4个TR收发芯片，由波控子板实现幅度相位控制、收发电源控制和工作模式切换。

5.根据权利要求3所述的一种可实现左右旋圆极化切换的相控阵天线，其特征在于：收发通道模块为一块射频集成板，包括多通道多功能集成SOC芯片、射频通道馈电网络、控制和电源馈线网络，射频集成板由多层微波板设计，多层微波板为射频集成板与FR4混压结构，集成射频通道馈电网络、控制和电源馈线网络，多功能集成SOC芯片与多层微波板由金丝键合方式互联。

6.根据权利要求1所述的一种可实现左右旋圆极化切换的相控阵天线，其特征在于：TR通道模块的各区域块并行控制，每个区域的4个通道串行读写；整个TR通道模块共用时钟信号、片选信号、锁存信号和收发开关信号，每个通道的控制数据采用并行收发方式，实现高速的相位和幅度控制以及每个通道多功能芯片上工作状态控制。

7.根据权利要求1所述的一种可实现左右旋圆极化切换的相控阵天线，其特征在于：对应工作的相控阵天线极化波包括左旋圆极化、右旋圆极化，左旋椭圆极化以及右旋椭圆极化。

8.根据权利要求1所述的一种可实现左右旋圆极化切换的相控阵天线，其特征在于：相控阵天线为矩形栅格布阵或为三角栅格布阵；子阵之间的位置关系为旋转关系或者平移，镜像关系；子阵阵面辐射单元为方形，圆形，三角形或六边形。

9.根据权利要求1-所述的一种可实现左右旋圆极化切换的相控阵天线，其特征在于：单馈点对相控阵天线辐射单元进行激励，最终输出一个馈电接口连接TR通道。

10.根据权利要求1所述的一种可实现左右旋圆极化切换的相控阵天线，其特征在于：相控阵天线辐射单元以及馈电点按照存在夹角、非垂直或者水平状态旋转放置。

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