CN211295381U

CN211295381U - 一种收发频分全双工共口径相控阵天线

Info

Publication number: CN211295381U
Application number: CN202020426000.9U
Authority: CN
Inventors: 郑轶; 汪渊; 吕清刚; 吴曈; 邱忠云; 李伟
Original assignee: Chengdu Huaxintian Micro Technology Co ltd
Current assignee: Chengdu Huaxintian Micro Technology Co ltd
Priority date: 2020-03-27
Filing date: 2020-03-27
Publication date: 2020-08-18
Anticipated expiration: 2030-03-27

Abstract

本实用新型公开了一种收发频分全双工共口径相控阵天线，属于天线技术领域，相控阵天线包括一个天线阵列，天线阵列包括自上而下设置的多个双频天线单元和一套TR组件；双频天线单元包括工作在频段f₁、设于多层发射微波板表面的发射天线和工作在频段f₂、设于多层接收微波板表面的接收天线，发射天线、接收天线自上而下同轴心叠层分布且间距为共用无栅瓣单元间距；TR组件包括多个独立的发射通道和多个独立的接收通道；本实用新型相控阵天线具有天线阵面占用面积小，剖面低、体积小、重量轻，具备极高的平台环境适应性的特点。

Description

一种收发频分全双工共口径相控阵天线

技术领域

本实用新型涉及天线技术领域，尤其涉及一种收发频分全双工共口径相控阵天线。

背景技术

在毫米波卫星通信等应用领域中均采用收发频分全双工的工作模式以满足通信业务的需求，传统的终端设备普遍采用固定波束天线(如反射面天线)结合机械扫描的体制，针对不同的收发工作频率，可共用同一个反射面，仅需根据收发频率的不同分别使用不同的馈源与射频前端，在不同的收发频率同时实现信号的发射与接收，同时，通过频分的基础上，进一步采用收发不同旋转方向圆极化的极化隔离形式实现收发隔离，最终使用的反射面天线为双频双圆极化天线。

随着毫米波相控阵天线技术的发展，在通信及数据传输等终端设备中的应用逐渐普及，其灵活捷变的电子波束扫描体制替代了传统的固定波束天线结合机械扫描的体制，满足高速率、高精度、高可靠的应用需求。但因毫米波频段波长小，为适应应用需求，通道之间的间距受到限制，在现有技术方案中，结合圆极化旋向要求，如图1所示，只能采用发射频段与接收频段各自分别设计一个发射天线阵面和一个接收天线阵面，即发射天线阵列中使用单发射频率单左旋圆极化的阵列天线单元，接收天线阵列中使用单接收频率单右旋圆极化的阵列天线单元，同时进行信号发射与接收工作，并再将两个独立的阵面在一个结构平面上一体化集成的方式。

综上所述，同等性能条件下，传统固定波束天线的机械扫描结构体积大、重量重、波束灵活性差，但采用双频双圆极化天线使收发可共用口径，占用面积小；相控阵天线中发射天线阵列、接收天线阵列各自需要一个单频单圆极化阵面，因此天线的总口径较大，对于平台载体而言，需提供较大的安装面积。因此，随着各类平台载体对于卫星通信及其应用场景与环境的综合化、复杂化、多元化演变，传统固定波束天线与收发分置的相控阵天线均无法适应终端设备在满足功能、性能条件下的平台适应性要求，如低剖面、小型化、轻量化、收发天线隔离度高等。如公开号为CN109904599A、专利名称为K/Ka双频段共口径天线阵的实用新型专利，其在满足无栅瓣条件下将Ka频段贴片与K频段贴片设于同一层，虽然实现了收发天线共口径这一技术效果，但是由于贴片天线的圆极化性能仅限于贴片的法线方向半功率波束宽度范围内，因此该技术方案中将Ka频段贴片与K频段贴片设于同一层会使得两个天线在平面方向的极化都变成近似线极化，从而不存在不同旋向的极化隔离，而仅有两个贴片之间的近场互耦，由于物理距离相互贴近，导致收发天线之间隔离度差，最终发射通道信号经收发天线之间泄漏进入接收通道而抬高接收噪声，使系统性能恶化。

此外，收发各一个阵面的相控阵天线实现形式，收发阵面各需要一套大规模的T组件或R组件，导致使用元器件的总数量大，物料成本高，难以满足各类平台对高性能毫米波卫星通信终端设备低成本、批量化、产业化的需求。如公开号为CN109904599A、专利名称为K/Ka双频段共口径天线阵的实用新型专利，其虽然实现了收发共口径，但后端TR组件、控制电路、供电电路等的设计，不得不以纵向高度空间来实现，最终该天线阵列剖面高、体积很大，并不能满足现有应用场景的需求。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术中相控阵天线剖面高、体积很大，收发天线之间隔离度差、成本高的问题，提供一种收发频分全双工共口径相控阵天线。

本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：一种收发频分全双工共口径相控阵天线，包括一个天线阵列，所述天线阵列包括自上而下设置的多个双频天线单元和一套TR组件，所述多个双频天线单元与所述TR组件集成于同一个多层微波板上形成所述天线阵列；

所述双频天线单元包括工作在频段f₁、设于多层发射微波板表面的发射天线和工作在频段f₂、设于多层接收微波板表面的接收天线，所述发射天线、接收天线自上而下同轴心叠层分布且间距为共用无栅瓣单元间距；

所述TR组件包括多个独立的发射通道和多个独立的接收通道；每个所述发射通道包括依次连接的发射移相衰减电路、功率放大电路和收阻滤波电路，所述收阻滤波电路与所述发射天线连接；每个所述接收通道包括依次连接的发阻滤波电路、低噪声放大电路和接收移相衰减电路，所述双频天线单元中的接收天线与所述发阻滤波电路连接。

具体地，所述发射天线、接收天线具体为贴片天线。

具体地，所述天线阵列中的TR组件与多个双频天线单元经多层微波板内部布设的传输线与同轴转换垂直互连。

具体地，所述天线阵列中的若干双频天线单元以共用无栅瓣单元间距矩形布阵排列形成双频共口径天线阵面。

具体地，所述相控阵天线还包括波控电路，所述波控电路输出端与所述移相衰减电路连接。

具体地，所述相控阵天线还包括供电转换电路，所述供电转换电路输出端与所述波控电路、所述发射通道、所述接收通道连接。

具体地，所述天线阵列中的多个发射移相衰减电路、多个接收移相衰减电路、多个发射功分器、多个接收功分器采用CMOS工艺集成为多通道移相芯片；

所述天线阵列中的多个功率放大电路、多个低噪声放大电路采用GaAs工艺集成为多通道TR末级芯片；

所述多通道移相芯片与所述多通道TR末级芯片混合封装为一个多通道多功能集成芯片。

具体地，所述相控阵天线还包括馈电网络，所述馈电网络包括一个发射馈电网络、一个接收馈电网络，若干发射功分器和若干接收功分器；

所述发射馈电网络与所述若干发射功分器连接，所述发射功分器输出端与所述发射移相衰减电路连接；所述接收馈电网络与所述若干接收功分器连接，所述接收功分器与所述接收移相衰减电路输出端连接。

具体地，所述多层微波板内布设有带状线功分器，所述多通道集成芯片内布设有微带线功分器，所述带状线功分器与所述微带线功分器级联形成所述馈电网络。

具体地，所述相控阵天线中若干发射通道与若干接收通道同时工作。

与现有技术相比，本实用新型有益效果是：

(1)本实用新型相控阵天线包括一个天线阵列，天线阵列包括自上而下设置的多个双频天线单元和一套TR组件，其中，双频天线单元包括工作在频段f₁的发射天线、工作在频段f₂的接收天线，且发射天线与接收天线自上而下同轴心叠层分布且间距为共用无栅瓣单元间距，具备优良的收发极化隔离度，使发射与接收同时工作互不影响，满足卫星通信的高性能要求。进一步地，双频天线单元与TR组件自上而下设置、并集成于同一个多层微波板上形成一个天线阵列，此种设置方式能够大大减小相控阵天线的体积，占用面积小，并且整个天线剖面低。

(2)本实用新型发射天线、接收天线具体为贴片天线，最终天线阵面剖面低、体积小、重量轻，具备极高的平台环境适应性。

(3)本实用新型天线阵列中的多个双频天线单元以共用无栅瓣单元间距矩形布阵排列形成双频共口径天线阵面，将不同工作频率的相控阵天线收发天线阵面集成在一个口径中，天线阵面占用面积小、具备极高的口径利用率，满足小型化要求。

(4)本实用新型移相衰减电路和功分器采用CMOS工艺集成为多通道移相芯片，功率放大电路和低噪声放大电路采用GaAs工艺集成为多通道TR末级芯片，多通道移相芯片与多通道TR末级芯片混合封装为一个多通道多功能集成芯片，通过芯片集成化多个通道与多个多功能电路，大幅缩减元器件种类与规模数量，降低物料成本。进一步地，通过封装，大幅简化TR组件的装配工艺，显著降低生产成本，最终实现相控阵天线的低成本，有利于实现批量化、产业化。

附图说明

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的说明，此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，在这些附图中使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本实用新型现有技术传统收发分离相控阵天线示意图；

图2为本实用新型相控阵天线功能框图；

图3为本实用新型4T4R多通道多功能集成芯片电路示意图；

图4为本实用新型相控阵天线工作流程示意图；

图5为本实用新型相控阵天线级连分层示意图；

图6为本实用新型相控阵天线的外观示意图；

图7为本实用新型相控阵天线1024T/2048R共口径天线阵面布局示意图。

图中：发射天线阵面1、接收天线阵面2、共口径天线阵面3、发射射频接口4、接收射频接口5、波控接口6、供电接口7

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，属于“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系为基于附图所述的方向或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，属于“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，属于“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

此外，下面所描述的本实用新型不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

本实用新型相控阵天线剖面低、重量轻、性能高、元器件数量少、小型化，具备极高的平台环境适应性，成本低，可满足各类平台对高性能毫米波卫星通信终端设备低成本、批量化、产业化的需求。一种收发频分全双工共口径相控阵天线，如图2所示，具体包括1个天线阵列，天线阵列包括自上而下设置的2048个双频天线单元和1套TR组件。

进一步地，双频天线单元包括工作在频段f₁、设于多层发射微波板上的发射天线和工作在频段f₂、设于多层接收微波板上的接收天线，多层发射微波板、多层接收微波板自上而下同轴心叠层分布且共用无栅瓣单元间距。其中，发射天线的工作频段f₁为29GHz～31GHz，接收天线的工作频段f₂为19GHz～21GHz，能够实现毫米波频段的通信，以使本实用新型相控阵列天线应用于卫星通信等领域。更为具体地，无栅瓣单元间距即相控阵天线在波束扫描范围内形成的波束无栅瓣的最大间距的理论值，计算公式如下：

其中，D为天线单元之间的间距，λ为射频信号的波长，θ为离轴角。在本实施例中，使发射工作频率为30GHz，接收工作频率为20GHz，根据相控阵天线的性能要求，天线波束扫描范围为离轴角60°，旋转角360°，代入上述无栅瓣间距的计算公式可知，相控阵天线发射工作的理论无栅瓣单元间距为5.36mm，相控阵天线接收工作的理论无栅瓣单元间距为8.04mm，为使收发频分全双工共口径的相控阵天线在波束扫描时无栅瓣，选取较小的理论计算值作为双频天线单元的无栅瓣单元间距值，在本实施例中，取收发天线共用无栅瓣单元间距为5mm，则2048个双频天线单元以5mm为间距矩形布阵排列组成天线阵列。

进一步地，如图2所示，每个发射通道包括依次连接的发射移相衰减电路、功率放大电路和收阻滤波电路，收阻滤波电路与双频天线单元中的发射天线连接；每个接收通道包括发阻滤波电路、低噪声放大电路和接收移相衰减电路，双频天线单元中的接收天线与发阻滤波器连接。更为具体地，发射通道中设置的收阻滤波器能够抑制接收频段信号，避免发射通道中信号泄露到接收通道以抬高信号噪声；接收通道中设置的发阻滤波器能够抑制发射频段信号，避免接收通道中的信号泄露到发射通道抬高信号噪声，保证了通信质量。

进一步地，发射天线、接收天线具体为贴片天线，相控阵天线剖面低。

进一步地，天线阵列中的一套TR组件与2048个双频天线单元经多层微波板内部布设的传输线与同轴转换垂直互连，整个天线剖面低。

进一步地，2048个双频天线单元以5mm共用无栅瓣间距矩形布阵排列形成双频共口径天线阵面3，天线阵面占用面积小，相邻的双频天线单元通过旋转组阵获得优良的轴比特性。

进一步地，相控阵天线还包括波控电路，波控电路输出端与移相衰减电路连接。具体地，波控电路输出端与移相器连接，用于对2048个发射天线、2048个接收天线进行幅相配置，以实现指定方向信号的收发，形成高定向性通信。

进一步地，相控阵天线还包括供电转换电路，供电转换电路输出端与波控电路，发射通道中的发射移相衰减电路、功率放大电路，接收通道中的低噪声放大电路、接收移相衰减电路连接，为相控阵天线中各电路进行供电。

进一步地，多层微波板内布设有带状线功分器形成1个1分512发射馈电网络和1个1分512接收馈电网络。具体地，如图3所示，多通道集成芯片内布设的发射1分4微带线功分器，发射1分4微带线功分器1个输入端与1分512发射馈电网络的其中1个输出端连接，4个输出端与4个发射移相衰减电路连接，将信号分配到不同的发射通道中；多通道集成芯片内布设的接收1分4微带线功分器，接收1分4微带线功分器1个输出端与1分512接收馈电网络的其中1个输入端连接，4个输入端与4个接收移相衰减电路连接，将来自4个不同的接收通道信号进行合成。

进一步地，TR组件中的4个发射通道的4个发射移相衰减电路、4个接收通道的4个接收移相衰减电路、发射通道中的1个1分4功分器、接收通道中的1个1分4功分器采用CMOS工艺实现集成化为1颗4通道移相芯片；TR组件中的4个发射通道的4个功率放大电路、4个接收通道的低噪声放大电路采用GaAs工艺实现集成化为1颗4通道TR末级芯片；4通道移相芯片与4通道TR末级芯片混合封装为一个4T4R多功能集成芯片，该4T4R多功能集成芯片与4个双频天线单元经多层微波板内部布设的传输线与同轴转换垂直互连。如图5所示，本实施例中包括512个4T4R多功能集成芯片，4T4R多功能集成芯片的尺寸小于10mm×10mm，满足4个双频天线单元对应的4个发射通道和4个接收通道的间距布局面积，适应了低剖面、体积小的设计需求。

更进一步地，512个4T4R多功能集成芯片设于多层微波板的底层，该多层微波板顶层为双频天线阵面，组成AoB构架。多层微波板装配于金属结构腔体内，腔体内部还设有1个用于配置个天线幅相的波控电路和1个为TR组件与波控电路供电的供电转换电路。供电转换电路经腔体外框上设置的供电接口7实现与外部电源的连接，以实现整个相控阵天线的供电；波控电路引出一波控接口6设于腔体外框。更为具体地，腔体外框设有一个连接发射馈电接口的发射射频接口4和一个连接接收馈电接口的接收射频接口5，本实用新型2048T/2048R收发频分全双工共口径相控阵天线的外观如图6所示，整个相控阵天线尺寸为320mm×320mm×40mm，剖面低、体积小，占用面积小。

进一步地，2048个发射通道与2048个接收通道同时在各自的工作频率下同时工作并共用1个双频天线阵面口径。

进一步地，本实用新型2048T/2048R收发频分全双工共口径相控阵天线的工作流程如下：外部供电开启，经供电转换电路，将外部供电转换为波控电路、TR组件中的各元器件所需的各类电压，并分发传输至相应器件。

来自发射信道的发射信号(29GHz～31GHz)，由发射射频接口输入，信号通过发射馈电网络等功率分配至512颗4T4R多功能集成芯片中共2048个发射通道，每个发射通道中包含1个移相衰减电路，由波控电路根据此时接收到系统对波束指向角度的要求，按照各个发射天线单元位置坐标，进行解算，得到各个发射通道在此时发射信号频率下的幅度值与相位值，输出波控信号控制发射移相衰减电路的移相量与衰减器，在各个天线的发射馈电端实现幅度与相位配置，通过功率放大器放大后的发射信号经收阻滤波对接收工作频率(19GHz～21GHz)进行抑制后馈入双频天线单元后，工作于发射工作频率(29GHz～31GH z)，在空间按照指定的方向合成发射波束。

来自一定角度方向目标的接收信号(19GHz～21GHz)，通过天线阵列的双频天线单元工作于接收工作频率(19GHz～21GHz)进行接收，进入512颗4T4R多功能集成芯片共2048个接收通道，在每个接收通道内，对发射工作频率(29GHz～31GHz)进行滤波抑制，经低噪声放大器放大信号的同时抑制噪声，通过波控电路输出的输出波控信号对接收移相衰减电路的控制保障天线阵列可有效合成该方向目标的信号，并通过接收馈电网络合成为1路，经接收射频接口进入接收信道。

作为一选项，本实施例还包括一1024T/2048R的共口径天线阵面，如图7所示，具体包括256个4T4R多功能集成芯片和256个4R多功能集成芯片，每个4T4R多功能集成芯片包括4个TR通道，共1024个TR通道；每个4R多功能集成芯片包括4个单R通道，共1024个单R通道。更为具体地，256个4T4R多功能集成芯片与256个4R多功能集成芯片布设在多层微波板的底层，经多层微波板内部布设的传输线与同轴转换垂直互连与多层微波板表层的2048个双频天线单元连接，2048个双频天线单元以间距为5mm矩形布阵排列形成双频共口径天线阵面；其中1024个TR通道分布在该双频共口径天线阵面的中心区域，而1024个单R通道分布在该双频共口径天线阵面的边缘区域。该实施例能够在保障信号接收能力的前提下，灵活分配发射通道规模与发射功率设计，以适应各类平台不同的卫星通信的应用需求。

以上具体实施方式是对本实用新型的详细说明，不能认定本实用新型的具体实施方式只局限于这些说明，对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演和替代，都应当视为属于本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种收发频分全双工共口径相控阵天线，其特征在于：所述相控阵天线包括一个天线阵列，所述天线阵列包括自上而下设置的多个双频天线单元和一套TR组件，所述多个双频天线单元与所述TR组件集成于同一个多层微波板上形成所述天线阵列；

2.根据权利要求1所述的一种收发频分全双工共口径相控阵天线，其特征在于：所述发射天线、接收天线具体为贴片天线。

3.根据权利要求1所述的一种收发频分全双工共口径相控阵天线，其特征在于：所述天线阵列中的一套TR组件与多个双频天线单元经多层微波板内部布设的传输线与同轴转换垂直互连。

4.根据权利要求1所述的一种收发频分全双工共口径相控阵天线，其特征在于：所述天线阵列中的若干双频天线单元以共用无栅瓣单元间距矩形布阵排列形成双频共口径天线阵面。

5.根据权利要求1所述的一种收发频分全双工共口径相控阵天线，其特征在于：所述相控阵天线还包括波控电路，所述波控电路输出端与所述移相衰减电路连接。

6.根据权利要求5所述的一种收发频分全双工共口径相控阵天线，其特征在于：所述相控阵天线还包括供电转换电路，所述供电转换电路输出端与所述波控电路、所述发射通道、所述接收通道连接。

7.根据权利要求1所述的一种收发频分全双工共口径相控阵天线，其特征在于：所述天线阵列中的多个发射移相衰减电路、多个接收移相衰减电路、多个发射功分器、多个接收功分器采用CMOS工艺集成为多通道移相芯片；

8.根据权利要求1所述的一种收发频分全双工共口径相控阵天线，其特征在于：所述相控阵天线还包括馈电网络，所述馈电网络包括一个发射馈电网络、一个接收馈电网络，若干发射功分器和若干接收功分器；

9.根据权利要求8所述的一种收发频分全双工共口径相控阵天线，其特征在于：所述多层微波板内布设有带状线功分器，所述多通道移相芯片内布设有微带线功分器，所述带状线功分器与所述微带线功分器级联形成所述馈电网络。