CN113037318B - 一种低成本小型化动中通天线及基于该天线的相控阵*** - Google Patents

一种低成本小型化动中通天线及基于该天线的相控阵*** Download PDF

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CN113037318B CN202110207806.8A CN202110207806A CN113037318B CN 113037318 B CN113037318 B CN 113037318B CN 202110207806 A CN202110207806 A CN 202110207806A CN 113037318 B CN113037318 B CN 113037318B
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Abstract

本发明公开了一种低成本小型化动中通天线及基于该天线的相控阵***，其中天线单元和TR芯片，其TR芯片包含接收和发射支路，接收支路和发射支路分别由低噪声放大器和功率放大器提供***需要的增益，同时接收和发射支路为时分体制，采用一个单刀双掷开关共用天线，并利用上述天线和TR芯片，构建阵列向空单元，射频信号通过驱动放大后分别反馈入各路通道，每个通道由幅相调控单元，TR芯片和天线构成。同时采用DAC对外部控制信号进行解码，并控制幅相调控单元，实现控制天线的波束扫描。该方案突破从GaN基单元电路芯片演进到集成化收发前端的关键技术，实现相控阵天线***的芯片化、小型化、轻重量、高可靠性，从而改变整个***的紧凑性及成本。

Description

一种低成本小型化动中通天线及基于该天线的相控阵***
技术领域
本发明涉及无线电技术领域，具体涉及一种低成本小型化动中通天线及基于该天线的相控阵***。
背景技术
自1960年代以来，卫星通信已成为当代最具竞争力的通信手段,特别是在现代战争中，卫星通信是对军队实施作战指挥和管理的重要途径。卫星通信不仅可以实现保密通信，而且通信覆盖区域大、通信距离远且通信成本不随距离增加而增加。此外，不仅可以进行话音通信而且还能传送数据、图像以及传真等。因此，卫星通信在各个行业，特别是在海洋上等普通通信无法实现的一些地方，都得到了广泛使用。
车载“动中通”是一种能在移动中进行不间断卫星通信的车载站,工作于Ka频段，使用同步卫星，具有信息种类多、容量大、覆盖面广、机动灵活等特点，可进行语音、图像、数据等多媒体信息的传输。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出一种低成本小型化动中通天线及基于该天线的相控阵***，通过下述技术方案实现：
一方面，提出一种低成本小型化动中通天线，包括天线单元和TR芯片，所述TR芯片包括接收支路、发射支路和单刀双掷开关，所述天线单元通过所述单刀双掷开关连接至所述TR芯片上；
所述接收支路用于接收来自通讯卫星的信号；
所述发射支路用于向通迅卫星发送数据信号；
所述单刀双掷开关用于实现对当前天线的进行发射模式和接收模式的切换。
上述方案的有益效果是，利用芯片封装实现天线接收和发射向的切换，突破从GaN基单元电路芯片演进到集成化收发前端的关键技术，实现相控阵天线***的芯片化、小型化、轻重量、高可靠性，从而改变整个***的紧凑性及成本。
进一步的，所述天线单元连接至所述单刀双掷开关的动端，所述接收支路和发射支路分别连接至所述单刀双掷开关的两个不动端。
上述进一步方案的有益效果是，利用单刀双掷开关实现发射支路和接收支路时分体制。
进一步的，所述接收支路为功率放大器，用于为接收支路提供***增益，所述功率放大器的输入端连接下一级***单元，输出端连接至所述单刀双掷开关的一个不动端，其电源引脚VD_PA连接至所述单刀双掷开关的供电电源引脚VC，电源引脚VG_PA连接至所述单刀双掷开关的供电电源引脚
Figure GDA0004045450340000022
上述进一步方案的有益效果是，通过功率放大器对接收支路提供***所需要的增益。
进一步的，所述发射支路为低噪声放大器，用于为发射支路提供***增益，所述低噪声放大器的输入端连接至所述单刀双掷开关的另一个不动端，输出端连接至所述下一级***单元，其电源引脚VD_LNA连接至所述单刀双掷开关的供电电源引脚VC，电源引脚VG_LNA连接至所述单刀双掷开关的供电电源引脚
Figure GDA0004045450340000023
上述进一步方案的有益效果是，通过低噪声放大器对发射支路提供***所需要的增益。
进一步的，所述TR芯片采用GaN基底。
上述进一步方案的有益效果是，GaN工艺线无论从技术指标还是工艺的可靠性方面都是世界一流水平。选用该工艺可以在同一个晶圆上一次性完成两款芯片的流片验证，降低单个芯片的流片成本。
另一方面，还提出一种基于上述动中通天线的相控阵***，所述相控阵***包括多路所述动中通天线、驱动芯片和DAC，其中，每一路所述动中通天线通过幅相调控单元连接至所述驱动芯片，所述幅相调控单元与所述DAC连接；
其中，所述驱动芯片通过功分器分别连接至每一个支路中的幅相调控单元，用于驱动控制各幅相调控单元的运行，并通过射频信号接口接收外部射频信号指令，根据指令要求来控制幅相调控单元的工作；
所述幅相调控单元用于调控高增益波束的大角度扫描，根据TR芯片接收到卫星波束指向要求，计算各天线单元的移相值，根据计算的移相值向所述TR芯片发送移相指令，所述TR芯片将接收到的以移相指令发送至天线，同时移相器开始工作使其天线进行波束扫描；
所述DAC用于对外部控制信号进行解码，并控制幅相调控单元进行幅度、相位、转向、俯仰角的调整动作。
上述方案的有益效果是，构建阵列相控阵***，射频信号通过驱动放大后，由每个通道的幅相调控单元进行调控，实现控制天线的波束扫描。
进一步的，所述移相值计算公式为：
Figure GDA0004045450340000021
其中，i为第i个天线单元的标号，ri为第i个天线单元与目标点的的相位角，λ为电磁波波长；
接收过程中，所述各幅相调控单元对与其相连的天线单元接收到的电磁波进行进行移相并放大，再将各天线单元接收到的经过相依和放大的信号叠加在一起为所述相控阵***接收到的电磁波强度，其表达式为：
Figure GDA0004045450340000031
其中，ai为放大系数，N为天线单元数量，
Figure GDA0004045450340000032
为目标点电磁波场强相位，Ep为目标点电磁波场强幅值，j虚数单位；
发射过程中，目标点位置的电磁波辐射场强表达式为：
Figure GDA0004045450340000033
其中，K为天线单元的辐射场强比例系数，f(θ)为天线单元的方向函数，Ii为第i个天线单元的激励电流幅值，r0为相控阵***的相位角，θ为目标点和天线阵列单元的连线同天线阵列面法线形成的夹角。
上述进一步方案的有益效果是，调控天线单元的相位角，使得无论是发射还是接受过程，目标点的电磁波场强处于最大值。
进一步的，所述驱动芯片采用FPGA或者DSP高速处理器，对接收和发送支路的的带宽、信号幅度、杂散、噪声、谐波和增益信号进行计算，其中，
处于发射状态时，所述驱动单元通过射频信号接口接收外部射频控制指令，并将该控制指令解析后发送至所述幅相调控单元，由幅相调控单元根据所述控制指令内容控制所述TR芯片切换至发射通路；
处于接收状态时，所述TR芯片接收的信号经过幅相调控单元处理后发送至所述驱动芯片，驱动芯片对接受信号的带宽、信号幅度、杂散、噪声和增益信号进行计算后通过射频接口发送至外部显示设备进行成像和报警。
进一步的，所DAC通过控制逻辑接口与外部控制逻辑单元连接，通过所述控制逻辑接口输入天线单元的控制指令，包括幅度、相位、转向和俯仰角参数，所述DAC将所输入的控制指令转换成模拟信号发送给所述幅相调控单元。
上述进一步方案的有益效果是，通过DAC对外部控制信号进行解码。
进一步的，所述驱动芯片通过射频信号接口与射频信号单元连接，所述射频信号单元用于与驱动芯片实现数据交互及信号处理。
上述进一步方案的有益效果是，外部射频信号通过驱动芯片进行驱动放大，获得足够的输入增益。
进一步的，所述TR芯片通过控制电源接口与电源连接。
进一步的，所述TR芯片和驱动芯片与衰减控制单元连接，所述衰减控制单元用于控制所述TR芯片的射频信号衰减。
上述进一步方案的有益效果是，利用衰减单元实现多端口的电平需要。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明动中通天线结构的主视图。
图2为本发明相控阵***的结构示意图。
图3为本发明实施例TR芯片非线性热电大信号模型示意图。
图4为本发明实施例带有串联反馈的低噪声放大器的等效电路图。
具体实施方式
在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
一种低成本小型化动中通天线，如图1所示，包括天线单元和TR芯片，TR芯片包括接收支路、发射支路和单刀双掷开关，天线单元通过单刀双掷开关连接至TR芯片上。天线单元连接至单刀双掷开关的动端，接收支路和发射支路分别连接至单刀双掷开关的两个不动端，利用单刀双掷开关实现发射支路和接收支路时分体制。
接收支路用于接收来自通讯卫星的信号，发射支路用于向通迅卫星发送数据信号；接收支路和发射支路分别由低噪声放大器和功率放大器提供***需要的增益。同时接收和发射支路为时分体制，采用一个单刀双掷开关共用天线。T/R芯片的接收和发射链路由单刀双掷开关进行切换。
具体而言，接收支路采用功率放大器，用于为接收支路提供***增益，功率放大器的输入端连接下一级***单元，输出端连接至单刀双掷开关的一个不动端，其电源引脚VD_PA连接至单刀双掷开关的供电电源引脚VC，电源引脚VG_PA连接至单刀双掷开关的供电电源引脚
Figure GDA0004045450340000041
发射支路采用带有串联负反馈的-低噪声放大器，用于为发射支路提供***增益，低噪声放大器的输入端连接至单刀双掷开关的另一个不动端，输出端连接至下一级***单元，其电源引脚VD_LNA连接至单刀双掷开关的供电电源引脚VC，电源引脚VG_LNA连接至单刀双掷开关的供电电源引脚
Figure GDA0004045450340000057
在本实施例里，TR天线采用GaN基底，GaN基片上天线增益和效率提升技术，通过直接将芯片产生的毫米波信号辐射到空间，避免片外连接和封装带来的损耗和不确定性，并且大大减小了***的体积。对于频率在Ka以上的***来说，得到尽可能髙的有效各向同性辐射功率(EIRP)至关重要。
在本方案里，在需要的工作频带内重构GaN HEMT器件的非线性模型，器件模型基于Angelov经验基模型，并包含了热效应和陷阱效应。相比其它例如EEHEMT、Curtice和TOM等经验基模型，Angelov模型由于其在通用性、收敛性等方面的优势，被广泛应用于场效应管器件的表征。
在本发明里，噪声系数是接收链路的关键指标之一，其基本决定一部天线能够接收的最低信号功率，基于GaN工艺的低噪声放大实现技术，有助于提升接收机的灵敏度。低噪声放大单元的噪声和增益特性决定了整个接收信道的噪声性能。基于现有的工作基础可知，在一般情况下，可获得最小噪声因子的源反射系数Γopt不等于获得最佳增益特性时的共轭匹配源反射系数
Figure GDA0004045450340000051
为使Γopt和
Figure GDA0004045450340000052
相等，可调节HEMT器件的源极串联负反馈电感的电感量，从而得到一个同时噪声匹配和功率匹配的低噪声放大器。
图4是带有串联负反馈的HEMT低噪声放大器的等效电路，可以得到输入阻抗Zin具有如下表达式：
Figure GDA0004045450340000053
其中，Rch、RDS、RS分别为电阻Rch、RDS、RS阻值，CGS为电容CGS容值，LS为电杆LS的电感值，jωLS为电杆LS的电抗，gm为电压源Vgs的电导。
对上式进行定性分析可以看出，输入阻抗Zin随器件本身参数、串联负反馈以及输出负载的变化而变化，所以共轭匹配源反射系数
Figure GDA0004045450340000054
与器件本身参数、串联负反馈以及输出负载都相关。而Γopt仅受到器件本身参数和串联负反馈的影响。所以，可以找到一个合适的器件栅宽、反馈量和输出负载，使
Figure GDA0004045450340000055
和Γopt相等。在实际的设计中，器件的栅宽是控制
Figure GDA0004045450340000056
和Γopt二者彼此接近的一个重要参数，在每个不同的频率点都有不同的最佳栅宽。
实施例2
本实施例采用上述方案中的天线的TR芯片构建相控阵***，包括多路动中通天线、驱动芯片和DAC，其中，每一路动中通天线通过幅相调控单元连接至驱动芯片，幅相调控单元与DAC连接；
驱动芯片通过功分器分别连接至每一个支路中的幅相调控单元，用于驱动控制各幅相调控单元的运行，并通过射频信号接口接收外部射频信号指令，根据指令要求来控制幅相调控单元的工作；驱动芯片通过射频信号接口与射频信号单元连接。
幅相调控单元用于调控高增益波束的大角度扫描，根据TR芯片接收到卫星波束指向要求，计算各天线单元的移相值，根据计算的移相值向TR芯片发送移相指令，TR芯片将接收到的移相指令发送至天线，同时移相器开始工作使其天线进行波束扫描；
DAC用于对外部控制信号进行解码，并控制幅相调控单元进行幅度、相位、转向、俯仰角的调整以进行天线的大角度扫描，所DAC通过控制逻辑接口与控制逻辑单元连接，控制逻辑接口一般为用户或者其它外设，通过逻辑接口输入相关的控制指令，如幅度、相位、转向、俯仰角等发送至DAC模块后，DAC模块将该指令转换成幅相调控单元所需的模拟信号，幅相调控单元收到该信号后实现如幅度、相位、转向、俯仰角等动作实现。
射频信号通过驱动放大后，由1分16功分器分为16路，分别馈入16个通道，每个通道由幅相调控单元，TR芯片和天线构成。同时采用DAC对外部控制信号进行解码，并控制幅相调控单元，实现控制天线的波束扫描。其中的TR芯片和天线为本方案内容，其他电路采用成熟的商用芯片，如图2所示，相控阵***包括多路动中通天线、驱动芯片和DAC，其中，每一路动中通天线通过幅相调控单元连接至驱动芯片，幅相调控单元与DAC连接。
具体而言，驱动芯片采用FPGA或DSP驱动芯片，其特点是处理速度快、能够处理复杂的多算法任务，主要是对如带宽、信号幅度、杂散、噪声、谐波、增益等信号的计算处理，包括接收与发射。处于发射状态时，驱动单元通过射频信号接口接收外部射频控制指令，并将该控制指令解析后发送至幅相调控单元，由幅相调控单元根据控制指令内容控制TR芯片切换至发射通路；处于接收状态时，TR芯片接收的信号经过幅相调控单元处理后发送至驱动芯片，驱动芯片对接受信号的带宽、信号幅度、杂散、噪声和增益信号进行计算后通过射频接口发送至外部显示设备进行成像和报警。
射频信号通过驱动放大后，由每个通道的幅相调控单元进行调控，通过DAC对外部控制信号进行解码，实现控制天线的波束扫描。对于发射过程而言，每一个天线单元所辐射的电磁场强度与其激励电流成正比，每个天线单元的方向函数与天线种类和结构形式相关，幅相调控单元根据目标点的情况对各天线单元进行移相值计算，移相值计算公式为：
Figure GDA0004045450340000071
其中，i为第i个天线单元的标号，ri为第i个天线单元的相位角，λ为电磁波波长；
接收过程中，各幅相调控单元对与其相连的天线单元接收到的电磁波进行进行移相并放大，再将各天线单元接收到的经过相依和放大的信号叠加在一起为相控阵***接收到的电磁波强度，其表达式为：
Figure GDA0004045450340000072
其中，ai为放大系数，N为天线单元数量，
Figure GDA0004045450340000073
为目标点电磁波场强相位，Ep为目标点电磁波场强幅值，j虚数单位；
发射过程中，目标点位置的电磁波辐射场强表达式为：
Figure GDA0004045450340000074
其中，K为天线单元的辐射场强比例系数，f(θ)为天线单元的方向函数，Ii为第i个天线单元的激励电流幅值，r0为相控阵***的相位角，θ为目标点和天线阵列单元的连线同天线阵列面法线形成的夹角。
TR芯片通过控制电源接口与电源连接。TR芯片和驱动芯片与衰减控制单元连接。
本实施例里，需要在工作频带内重构GaN HEMT器件的非线性模型，器件模型基于Angelov经验基模型，并包含了热效应和陷阱效应。相比其它例如EEHEMT、Curtice和TOM等经验基模型，Angelov模型由于其在通用性、收敛性等方面的优势，被广泛应用于场效应管器件的表征。
如图3所示为本实施例TR芯片的非线性热电大信号模型，其中，G、S、D端口分别为改模型的对外输出管脚，两个S管脚为TR芯片中的单刀双掷开关接收支路和发射支路所连接的不动端，G和D分别对应***电源VG和VD点，该模型拓扑的寄生参数网络包含外层拓扑的寄生电阻、电容和电感。其中，Cpda、Cpga和Cgda用于表征空气桥带来的寄生效应，以改善模型在高频段的精度。模型的本征元件主要包含非线性电流源Ids，偏置相关非线性电容Cgs、Cds、Cgd，二极管Dgs、Dgd，栅漏极耦合电阻Rgd，沟道电阻Ri以及源漏输出电容Cds。为了精确模拟器件自热效应，该模型采用一阶热电子网络，其中Rth代表热阻，Cth代表热容。在保证精度的同时，能够有效提高模型的收敛性。
实施过程中，作为保护天线的重要组件，可以设计天线罩对其进行保护，天线罩直接影响到天线的技术指标与性能。Ka波段是指电磁波谱中频率在26.5～40GHz的这一部分，对应波长为11.3—7.5mm，为毫米波。毫米波具有分辨率高、小巧灵活的优点，其应用越来越广泛。但由于毫米波波长短，在介质中损耗大，从而给信息传输造成很大的影响。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于低成本小型化动中通天线的相控阵***，其特征在于，所述相控阵***包括多路所述动中通天线、驱动芯片和DAC，其中，每一路所述动中通天线通过幅相调控单元连接至所述驱动芯片，所述幅相调控单元与所述DAC连接；
其中，所述动中通天线包括天线单元和TR芯片，所述TR芯片包括接收支路、发射支路和单刀双掷开关，所述天线单元通过所述单刀双掷开关连接至所述TR芯片上；
所述接收支路用于接收来自通讯卫星的信号；
所述发射支路用于向通迅卫星发送数据信号；
所述单刀双掷开关用于实现对当前天线的进行发射模式和接收模式的切换；
所述驱动芯片通过功分器分别连接至每一个支路中的幅相调控单元，用于驱动控制各幅相调控单元的运行，并通过射频信号接口接收外部射频信号指令，根据指令要求来控制幅相调控单元的工作；
所述幅相调控单元用于调控高增益波束的大角度扫描，根据TR芯片接收到的卫星波束指向要求，计算各天线单元的移相值，其中，所述移相值计算公式为：
Figure FDA0004045450330000011
其中，i为第i个天线单元的标号，ri为第i个天线单元的相位角，λ为电磁波波长；
接收过程中，所述各幅相调控单元对与其相连的天线单元接收到的电磁波进行进行移相并放大，再将各天线单元接收到的经过相依和放大的信号叠加作为所述相控阵***接收到的电磁波强度，其表达式为：
Figure FDA0004045450330000012
其中，ai为放大系数，N为天线单元数量，
Figure FDA0004045450330000013
为目标点电磁波场强相位，Ep为目标点电磁波场强幅值，j虚数单位；
发射过程中，目标点位置的电磁波辐射场强表达式为：
Figure FDA0004045450330000014
其中，K为天线单元的辐射场强比例系数，f(θ)为天线单元的方向函数，Ii为第i个天线单元的激励电流幅值，r0为相控阵***的相位角，θ为目标点和天线阵列单元的连线同天线阵列面法线形成的夹角；
根据计算的移相值向所述TR芯片发送移相指令，所述TR芯片将接收到的以移相指令发送至天线，同时移相器开始工作使其天线进行波束扫描；
所述DAC用于对外部控制信号进行解码，并控制幅相调控单元进行幅度、相位、转向、俯仰角的调整以进行天线的大角度扫描。
2.根据权利要求1所述的相控阵***，其特征在于，所述驱动芯片采用FPGA或者DSP高速处理器，对接收和发送支路的的带宽、信号幅度、杂散、噪声、谐波和增益信号进行计算，其中，
处于发射状态时，所述驱动芯片通过射频信号接口接收外部射频控制指令，并将该控制指令解析后发送至所述幅相调控单元，由幅相调控单元根据所述控制指令内容控制所述TR芯片切换至发射通路；
处于接收状态时，所述TR芯片接收的信号经过幅相调控单元处理后发送至所述驱动芯片，驱动芯片对接受信号的带宽、信号幅度、杂散、噪声和增益信号进行计算后通过射频接口发送至外部显示设备进行成像和报警。
3.根据权利要求1所述的相控阵***，其特征在于，所述DAC通过控制逻辑接口与外部控制逻辑单元连接，通过所述控制逻辑接口输入天线单元的控制指令，包括幅度、相位、转向和俯仰角参数，所述DAC将所输入的控制指令转换成模拟信号发送给所述幅相调控单元。
4.根据权利要求1所述的相控阵***，其特征在于，所述TR芯片通过控制电源接口与电源连接；
所述TR芯片和驱动芯片与衰减控制单元连接，所述衰减控制单元用于对所述TR芯片的发射支路和接收支路的信号衰减控制，并对所述驱动芯片的射频输入信号进行射频信号衰减。
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