CN212695321U - 一种双极化射频前端系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及雷达和通信领域，具体的说是一种具备开关切换和极化切换功能的双极化相控天线阵列射频前端系统，包括至少一组N个通道模块，每个通道模块分别包括ADC、混频器、数控移相衰减单元、波控系统、功分结构、电源控制系统、多个TR芯片和双极化天线辐射单元，每个TR芯片均配置有收发切换开关电路，双极化天线阵列中单个辐射单元均为双点馈电，每个辐射单元均与TR芯片的极化开关端口相连。在相控天线阵列中采用双极化天线，同时提出了系统架构，通过波控系统实现对相控天线阵的波束控制，发挥双极化天线系统容量大、抗干扰能力强、极化天线之间隔离度高的优势，推动系统的小型化、轻量化和低成本，拓宽其在民用领域的应用。

Description

一种双极化射频前端系统

技术领域

本申请涉及雷达和通信领域，具体的说是一种具备开关切换和极化切换功能的双极化相控天线阵列射频前端系统。

背景技术

相控天线阵列通常是指使用多个天线单元来发射和接收RF信号的通信系统，通过改变阵列内部的不同通道信号的相位配置来实现对不同主瓣波束的调整。与单天线系统相比，相控天线阵列具有高增益、方向可控等许多优点。随着相控阵系统的逐步小型化、轻量化，其在车辆自动驾驶、车辆防撞系统、车载雷达收发系统、地理勘探测量和智能家居等民用消费类智能设备方面的应用越来越广泛。同时在民用领域的应用也进一步要求相控阵系统向小型化、低成本、高精度和高信道容量的方向发展。

在移动通信系统中，多径衰减和共信道干扰都会恶化系统的信噪比，从而影响信道容量。目前研究较为广泛的解决办法是利用极化分集技术，在相控阵系统中采用双极化天线。双极化天线指一套天线系统中同时包含两种极化天线（通常称为垂直极化天线V和水平极化天线H），两种天线均能够独立发射和接收对应方向上的极化电磁波，两种极化电磁波的方向相互垂直。极化分集技术能够有效地利用电磁波的空间自由度，提高频谱的利用率和系统的抗干扰能力，同时增加信道容量，使系统性能得到极大提高。同时相对于空间分集，极化分集技术实现的天线尺寸排布更紧凑，空间利用率更高，更有利于轻量化小型化便携化的发展趋势。在频率不变的情况下，双极化天线是较好的提高系统容量的方式。垂直极化电磁波不能被水平极化天线所接收，反之亦然，这种特性使得双极化的抗干扰能力和极化隔离度大大增加。

但是，目前的双极化天线仅仅是在如何实现天线辐射单元上有相关文献论证，如何将天线应用到系统中所言甚少。为了将双极化天线应用到射频系统中，发挥其优势，就需要对双极化天线接收前端进行针对性的优化设计，从系统架构角度探讨双极化天线系统的实现形式。

发明内容

针对现有技术上的上述不足，本发明旨在解决双极化天线在射频前端系统中的应用问题，在相控天线阵列中采用双极化天线，同时提出了与之对应的系统架构，通过波控系统实现对相控天线阵的波束控制，发挥双极化天线系统容量大、抗干扰能力强、极化天线之间隔离度高的优势，进一步优化系统性能，推动系统的小型化、轻量化和低成本，拓宽其在民用领域的应用。

为实现上述技术效果，本申请技术方案如下：

一种双极化射频前端系统，包括至少一组N个通道模块，每个通道模块分别包括ADC（模拟数字转换器）、混频器、数控移相衰减单元、波控系统、功分结构、电源控制系统、多个TR芯片和双极化天线辐射单元，所述ADC与混频器相连，所述混频器与数控移相衰减单元和波控系统相连，所述数控移相衰减单元与功分结构相连，所述功分结构与多个TR芯片相连，每个TR芯片与电源控制系统和相控阵天线辐射单元相连，每个TR芯片均配置有收发切换开关电路，双极化天线阵列中单个辐射单元均为双点馈电，对应水平极化天线H和垂直极化天线V，每个辐射单元均与双极化TR芯片的极化开关端口相连。

一组通道结构：

进一步地，所述TR芯片为双极化TR芯片，所述收发切换开关电路为极化收发切换开关电路，所述双极化TR芯片除开关电路外，还包括发射输入端口Tx、与发射输入端口Tx连接的功率放大器PA、接收输出端口Rx和与接收输出端口Rx相连的低噪声放大器LNA。极化收发切换开关电路分别与功率放大器PA输出端和低噪声放大器LNA输入端相连通；所述极化收发切换开关电路分别通过端口V和端口H与双极化天线阵列中单个辐射单元的天线V和天线H相连。

两组的结构：

进一步地，包括两组N个通道模块，每个通道固定连接一种极化天线，所述TR芯片为单极化TR芯片，每个辐射单元中的天线H和天线V各固定连接两组通道模块中的1个单极化TR芯片，所述单极化TR芯片包括发射输入端口Tx、与发射输入端口Tx相连的功率放大器PA、接收输出端口Rx、和与接收输出端口Rx相连的低噪声放大器LNA和极化端口COM，使用时极化端口与天线对应馈点相连，1个辐射单元的天线V和天线H分别连接两组不同通道模块中的单极化TR芯片的极化端口COM。

两种方案的通用结构描述：

进一步地，每个通道模块的发射部分配置1个功分器，多个TR芯片分别连接功分器的输出端口，功分器公共端依次连接数控衰减器、数控移相器、混频器组成发射子单元；通道模块的接收部分配置1个合路器，多个TR芯片分别连接合路器输入端口，合路器公共端依次连接数控衰减器、数控移相器、混频器组成接收子单元；发射子单元和接收子单元之间通过单刀双掷开关与ADC相连。

进一步地，电源控制系统的功能为控制TR芯片放大器的工作和开关的工作状态切换，通过控制放大器电源的上电和断电，发射和接收状态下只有对应的放大器工作，其余处于断电状态，减小系统直流功耗和发热；通过控制开关的导通和截止，实现对接收和发射的切换以及对极化天线的切换；

进一步地，双极化天线阵列包含N个辐射单元，每个辐射单元由1个水平极化天线H和1个垂直极化天线V构成，二者均为线极化天线。

本发明的有益效果：

1、本发明旨在解决双极化天线在射频前端系统中的应用问题，在相控天线阵列中采用双极化天线，同时提出了与之对应的系统架构，通过波控系统实现对相控天线阵的波束控制，发挥双极化天线系统容量大、抗干扰能力强、极化天线之间隔离度高的优势，进一步优化系统性能，推动系统的小型化、轻量化和低成本，拓宽其在民用领域的应用。

2、在相控阵系统中引入双极化天线，相当于使用一套双极化天线实现以往需要两套天线才能具备的功能，极大降低了天线尺寸和系统成本。

3、提出了适配于双极化天线的系统架构，通过配置不同通道的收发切换和相位信息，用电扫描的方式实现对空间的扫描，克服了机械扫描切换时间长、机械系统体积重量大、成本高等缺点。

4、通过对波控系统的设置，使相控阵天线既可以配置单波束，实现长距离通信和探测等功能，也可以配置不同的极化波束，实现极化多波束，拓展双极化天线射频系统的应用范围。

5、本申请所解决的核心问题为如何实现采用双极化天线的多波束控制射频前端，本专利主要内容为多通道TR模块与双极化天线的连接与控制，目的为实现双极化多波束，主要论述双极化多波束射频前端的电路架构，本专利所实现的射频前端相位控制则是通过波控系统完成，并且本专利核心内容为TR通道与双极化天线的电路架构，通过波控系统对不同通道信号相位和幅值的精确控制，实现双极化多波束。

附图说明

图1为实施例1双极化天线射频前端电路架构示意图

图2为双极化TR芯片端口结构示意图。

图3为实施例2双极化天线射频前端电路架构示意图。

图4为单极化TR芯片端口结构示意图。

具体实施方式

除了优选实施例或下面公开的实施例，本发明可以用于其他实施例且以各种方式被实现或被执行。因此，可以理解本发明不限于在下面的描述提出的或附图示例出的元件的结构和排列的细节的应用。如果在此仅描述了一个实施例，关于它的权利要求不限于该实施例。此外，关于它的权利要求不应该被限制性地理解，除非有清楚的和有力的迹象证明某一种排除、限制或放弃。

实施例1

实施例1为每个通道都可实现收发切换和极化切换的双极化天线射频前端系统，其原理图如图1所示。整个系统由N个通道模块组成，每个通道模块均包括双极化天线辐射单元、极化收发切换开关电路、TR芯片、功分结构、数控移相衰减单元、混频器、波控系统和ADC等。天线阵列中单个辐射单元均为双点馈电（对应水平极化天线H和垂直极化天线V），对应连接TR芯片的两个输出端口。每个辐射单元均有一个TR芯片相连。TR芯片包括发射输入端口Tx、功率放大器PA、接收输出端口Rx、低噪声放大器LNA和极化收发切换开关电路，其中极化收发切换开关电路通过对开关的切换实现不同通道与双极化天线不同馈电端口的连接。4个TR芯片的发射输入端口Tx配置一个1分4功分器，功分器之后依次连接数控衰减器、数控移相器、混频器组成发射子单元；类似地，4个TR芯片的接收输出端口Rx配置一个4合1合路器，合路器之后仍依次连接数控衰减器、数控移相器、混频器组成接收子单元。发射子单元和接收子单元之间通过单刀双掷开关与ADC相连。

本实施例中的TR芯片为双极化TR，其结构示意图如图2所示，射频端口有发射输入端口Tx、接收输出端口Rx，极化射频端口H和极化射频端口V，使用时极化端口与天线对应馈点相连，低噪声放大器LNA和功率放大器PA分开供电，使用时可根据需要单独对接收或发射放大器上电，不工作放大器则处于断电状态。

极化开关电路主要功能为实现Tx和Rx通道与天线H和天线V的连接，例如通过开关切换使Tx与天线H连接（此时Rx接收开关和天线V所连接的极化开关处于关断状态）或Tx与天线V连接（此时Rx接收开关和天线H所连接的极化开关处于关断状态）；使Rx与天线V连接（此时Tx发射开关和天线H所连接的极化开关处于关断状态）或Rx与天线H连接（此时Tx发射开关和天线V所连接的极化开关处于关断状态）；

波控系统主要功能为实现对信号的相位和幅值调控，从而实现相控阵电扫描的目的；

电源控制系统的主要功能为控制放大器的工作和开关的工作状态切换。通过控制放大器电源的上电和断电，发射和接收状态下只有对应的放大器工作，其余处于断电状态，减小系统直流功耗和发热；通过控制开关的导通和截止，实现对接收和发射的切换以及对极化天线的切换；

双极化天线阵列包含N个辐射单元，每个辐射单元由一个水平极化天线H和一个垂直极化天线V构成，二者均为线极化天线。辐射单元为双点馈电（对应水平极化天线H和垂直极化天线V）。

本实施例中双极化天线阵列采用分时工作的方式。在发射通道中，信号从ADC耦合到上变频混频器，经过在波控系统控制下的数字移相衰减单元后配置相位信息后，由功分器分成4路信号进入4组TR芯片，TR1和TR2芯片Tx连接天线H、TR3和TR4芯片Tx连接天线V，4路信号通过对应连接的开关电路耦合至不同的极化天线，实现信号的极化发射。

在接收通道中，信号从4个天线单元的对应极化天线接收后，配置TR1和TR2芯片Rx连接天线H、TR3和TR4芯片Rx连接天线V，使得接收信号耦合至4个TR芯片的接收通道，再由4合1合路器合成后，经由数控衰减移相单元后进入下变频器，通过变频器将信号变频至低频信号后输入到ADC，实现信号的接收。

本实施例的优势为每一个接收和发射通道都能够连接极化天线H或极化天线V，同时可以灵活配置波束的数量和极化方向，拓宽系统的适用范围。

实施例2

实施例2为每个通道固定连接某一极化天线，开关仅实现收发切换的双极化天线射频前端系统，其原理图如图3所示。与实施例1类似，整个系统由2*N个通道模块组成（N个垂直极化通道模块和N个水平极化通道模块），每个通道模块均包括双极化天线辐射单元、收发切换开关电路、TR芯片、功分结构、数控移相衰减单元、混频器、波控系统和ADC等。天线阵列中单个辐射单元均为双点馈电（对应水平极化天线H和垂直极化天线V），天线H和天线V各固定连接1个TR芯片。TR芯片包含发射输入端口Tx、功率放大器PA、接收输出端口Rx、低噪声放大器LNA和收发切换开关电路，其中收发切换开关电路通过对开关的切换实现TR芯片的收发切换。每4个相同TR芯片的发射输入端口Tx配置一个1分4功分器，功分器之后依次连接数控衰减器、数控移相器、混频器组成发射子单元；类似地，每4个TR芯片的接收输出端口Rx配置一个4合1合路器，合路器之后仍依次连接数控衰减器、数控移相器、混频器组成接收子单元。发射子单元和接收子单元之间通过单刀双掷开关与ADC相连。

本实施例中的TR芯片为单极化TR，其结构示意图如图4所示，射频端口有发射输入端口Tx、接收输出端口Rx和公共端口COM，使用时公共端口与天线对应馈点相连，1个辐射单元连接两个TR芯片。

收发切换开关电路主要功能通过对收发开关导通和关断的控制，实现Tx或Rx通道与极化天线的连接；

波控系统主要功能为实现对信号的相位和幅值调控，从而达到相控阵电扫描的目的；

电源控制系统的主要功能为控制放大器的供电和开关的工作状态切换：通过控制放大器电源的上电和断电，发射和接收状态下只有对应的放大器工作，其余处于断电状态，减小系统直流功耗和发热；通过控制开关的导通和截止，实现对接收和发射的切换；

双极化天线阵列包含N个天线单元，每个天线单元由一个水平极化天线H和一个垂直极化天线V构成，二者均为线极化天线。辐射单元为双点馈电（对应水平极化天线H和垂直极化天线V）。

本实施例中双极化天线阵列采用同时工作的方式。在发射通道中，信号从ADC耦合到上变频混频器，经过在波控系统控制下的数字移相衰减单元后配置相位信息后，由功分器分成4路信号进入4组TR芯片的发射通道，之后经由开关耦合到所连接的极化天线。

在接收通道中，通过开关控制使TR工作在接收状态，信号从4个辐射单元的对应极化天线接收后，通过开关耦合到接收低噪放，经过放大后的信号再由4合1合路器合成后，经由数控衰减移相单元后进入下变频器，通过变频器将信号变频至低频信号后输入到ADC，实现信号的接收。

本实施例的特点为TR芯片与极化天线固定连接，每个辐射单元连接两个TR芯片。该种架构省去了极化切换开关，可以减小了发射链路的功率损耗，提高天线的发射功率；同时减小了接收链路的输入损耗，有效降低系统的噪声，提高系统的灵敏度。

实施例3

一种双极化射频前端系统，包括至少一组N个通道模块，每个通道模块分别包括ADC（模拟数字转换器）、混频器、数控移相衰减单元、波控系统、功分结构、电源控制系统、多个TR芯片和双极化天线辐射单元，这里多个指N个TR通道每一个通道都包含多个TR芯片，图1所示多个为4个，但整体电路架构中不仅仅局限于4个，也可能是例如2个、8个等其他数量，所述ADC与混频器相连，所述混频器与数控移相衰减单元和波控系统相连，所述数控移相衰减单元与功分结构相连，所述功分结构与多个TR芯片相连，每个TR芯片与电源控制系统和相控阵天线辐射单元相连，每个TR芯片均配置有收发切换开关电路，双极化天线阵列中单个辐射单元均为双点馈电，对应水平极化天线H和垂直极化天线V，每个辐射单元均与双极化TR芯片的极化开关端口相连。

一组通道结构：所述TR芯片为双极化TR芯片，所述收发切换开关电路为极化收发切换开关电路，所述双极化TR芯片除开关电路外，还包括发射输入端口Tx、与发射输入端口Tx连接的功率放大器PA、接收输出端口Rx和与接收输出端口Rx相连的低噪声放大器LNA。极化收发切换开关电路分别与功率放大器PA输出端和低噪声放大器LNA输入端相连通；所述极化收发切换开关电路分别通过端口V和端口H与双极化天线阵列中单个辐射单元的天线V和天线H相连。

两组的结构：包括两组N个通道模块，每个通道固定连接一种极化天线，所述TR芯片为单极化TR芯片，每个辐射单元中的天线H和天线V各固定连接两组通道模块中的1个单极化TR芯片，所述单极化TR芯片包括发射输入端口Tx、与发射输入端口Tx相连的功率放大器PA、接收输出端口Rx、和与接收输出端口Rx相连的低噪声放大器LNA和极化端口COM，使用时极化端口与天线对应馈点相连，1个辐射单元的天线V和天线H分别连接两组不同通道模块中的单极化TR芯片的极化端口COM。

基于上述两组方案，每个通道模块的发射部分配置1个功分器，多个TR芯片分别连接功分器的输出端口，功分器公共端依次连接数控衰减器、数控移相器、混频器组成发射子单元；通道模块的接收部分配置1个合路器，多个TR芯片分别连接合路器输入端口，合路器公共端依次连接数控衰减器、数控移相器、混频器组成接收子单元；发射子单元和接收子单元之间通过单刀双掷开关与ADC相连。

电源控制系统的功能为控制放大器的工作和开关的工作状态切换，通过控制放大器电源的上电和断电，发射和接收状态下只有对应的放大器工作，其余处于断电状态，减小系统直流功耗和发热；通过控制开关的导通和截止，实现对接收和发射的切换以及对极化天线的切换；

双极化天线阵列包含N个辐射单元，每个辐射单元由1个水平极化天线H和1个垂直极化天线V构成，二者均为线极化天线。

Claims (5)

1.一种双极化射频前端系统，其特征在于：包括至少一组N个通道模块，每个通道模块分别包括ADC、混频器、数控移相衰减单元、波控系统、功分结构、电源控制系统、多个TR芯片和双极化天线辐射单元，所述ADC与混频器相连，所述混频器与数控移相衰减单元和波控系统相连，所述数控移相衰减单元与功分结构相连，所述功分结构与多个TR芯片相连，每个TR芯片与电源控制系统和相控阵天线辐射单元相连，每个TR芯片均配置有收发切换开关电路，双极化天线阵列中单个辐射单元均为双点馈电，每个辐射单元均与TR芯片的极化开关端口相连。

2.根据权利要求1所述的一种双极化射频前端系统，其特征在于：所述TR芯片为双极化TR芯片，所述收发切换开关电路为极化收发切换开关电路，所述双极化TR芯片除开关电路外，还包括发射输入端口Tx、与发射输入端口Tx连接的功率放大器PA、接收输出端口Rx和与接收输出端口Rx相连的低噪声放大器LNA；极化收发切换开关电路分别与功率放大器PA输出端和低噪声放大器LNA输入端相连通；所述极化收发切换开关电路分别通过端口V和端口H与双极化天线阵列中单个辐射单元的天线V和天线H相连。

3.根据权利要求1所述的一种双极化射频前端系统，其特征在于：包括两组N个通道模块，每个通道固定连接一种极化天线，所述TR芯片为单极化TR芯片，每个辐射单元中的天线H和天线V各固定连接两组通道模块中的1个单极化TR芯片，所述单极化TR芯片包括发射输入端口Tx、与发射输入端口Tx相连的功率放大器PA、接收输出端口Rx、与接收输出端口Rx相连的低噪声放大器LNA和极化端口COM，使用时极化端口与天线对应馈点相连，1个辐射单元的天线V和天线H分别连接两组不同通道模块中的单极化TR芯片的极化端口COM。

4.根据权利要求2或3所述的一种双极化射频前端系统，其特征在于：每个通道模块的发射部分配置1个功分器，多个TR芯片分别连接功分器的输出端口，功分器公共端依次连接数控衰减器、数控移相器、混频器组成发射子单元；通道模块的接收部分配置1个合路器，多个TR芯片分别连接合路器输入端口，合路器公共端依次连接数控衰减器、数控移相器、混频器组成接收子单元；发射子单元和接收子单元之间通过单刀双掷开关与ADC相连。

5.根据权利要求2所述的一种双极化射频前端系统，其特征在于：双极化天线阵列包含N个辐射单元，每个辐射单元由1个水平极化天线H和1个垂直极化天线V构成，二者均为线极化天线。

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