CN114325603A

CN114325603A - 宽带多波束相控阵前端

Info

Publication number: CN114325603A
Application number: CN202111556430.8A
Authority: CN
Inventors: 苏长江; 刘刚; 高许岗; 袁丽
Original assignee: 8511 Research Institute of CASIC
Current assignee: 8511 Research Institute of CASIC
Priority date: 2021-12-17
Filing date: 2021-12-17
Publication date: 2022-04-12

Abstract

本发明公开了一种宽带多波束相控阵前端，其应用频段覆盖2‑12GHz；所述前端包括40个TR组件、波束合成与分配网络模块、自检校准电路和波控电路。TR组件包含接收通道、发射通道。其中每路接收通道功分4路，支持160路信号单独幅相控制，经过波束合成与分配网络合成4路单独波束。发射则通过波束合成与分配网络功分至40路发射通道。自检校准电路连接天线过渡层和波束合成与分配网络，实现整个前端的自检及校准功能。波控电路内部集成FPGA，实现整个前端的幅相控制、开关及模式控制等功能。

Description

宽带多波束相控阵前端

技术领域

本发明属于相控阵前端技术领域，更具体地说是一种宽带多波束相控阵前端。

背景技术

由于具有波束灵活可控的优点，近些年来相控阵技术受到越来越多的科研人员关注。将相控阵技术应用在雷达中，即相控阵雷达，可以控制每个阵元的幅度和相位来实现雷达阵列扫描。相比传统的机械扫描，相控阵雷达有扫描速度快、可靠性高等优点。除了应用在相控阵雷达中，相控阵技术还可以应用在通信、电子对抗与反对抗及其他电子设备中。

在相控阵***中，相控阵前端的主要功能是在接收模式下，对从天线接收的信号进行放大，并分别对每个通道的幅度和相位进行控制；在发射模式下，将每个通道信号进行幅度和相位控制，经过功放电路后再由天线辐射出去。相控阵前端的性能指标对整个相控阵***有着至关重要的影响。随着雷达、电子对抗等***应用频率、工作带宽、应用场景和功能的提高，传统的仅支持窄带、单一波束相控阵前端，难以满足现代***要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种宽带多波束相控阵前端，其应用频段覆盖2-12GHz，接收时每路接收通道功分4路，分别进行幅相控制，经过波束合成与分配网络合成4路单独波束，具备多波束、多空域侦察功能；发射时一路信号输入，通过波束合成与分配网络功分至多个发射通道，并经天线辐射出去，实现干扰功能。

实现本发明的技术解决方案为：一种宽带多波束相控阵前端，包括波束合成与分配网络模块、自检校准电路、波控电路和40个TR组件；TR组件和波束合成与分配网络模块互连实现信号收发、放大、功率分配，波控电路连接TR组件控制信号幅度和相位，自检校准电路与波束合成与分配网络模块相连实现自检及校准功能。

每个TR组件包括接收通道、发射通道和单刀双掷开关，接收和发射通过单刀双掷开关进行切换。

接收通道包括依次设置的限幅器、第一级低噪声放大器、衰减器、第二级低噪声放大器、一分四功分器、4个幅相控制芯片和4个驱动放大器。从天线下来的接收信号，经过单刀双掷开关切换至接收通道的限幅器，之后经过第一级低噪声放大器来放大信号并维持整个接收链路较小的噪声，再通过衰减器和第二级低噪声放大器，之后再通过一分四功分器分成四路独立接收信号，其中每路接收信号依次经过幅相控制芯片实现幅度和相位调节，再通过驱动放大器放大接收信号，最终40个TR组件共形成160路接收信号。

发射通道包括依次设置的第一级驱动放大器、发射幅相控制芯片、第二级驱动放大器、发射衰减器、功率放大器。发射信号进入发射通道后，首先经过第一级驱动放大器，之后进入发射幅相控制芯片实现幅度和相位的调节，再经过第二级驱动放大器和发射衰减器，然后通过功率放大器和单刀双掷开关，最后通过天线将发射信号辐射出去。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

（1）本相控阵前端有宽带、多波束、收发复用的特点，在应用频段上全面覆盖2-12GHz宽频段，接收时相控阵前端能合路成4路单独波束，具备多波束、多空域侦察功能；发射时实现单路信号分发至多个发射通道，实现干扰功能。

（2）集成度高、体积小，在设计上采用了高集成度的芯片设计方案，结构上组件内部采用双面设计，将收发两面分别设计在正反两面。在模块内部采用子模块的设计方式。

（3）散热良好，在器件选型上，尽可能选择效率高的功放芯片，在电路设计和功放的装配上，保证功放底部散热面与整机壳体大面积接触，使热量快速导到外壳体的散热架上。

（4）高效率的串并控制转发。控制板内部采用微型处理单元，将单组串行波控信息快速分发到每个通道幅相单元，实现快速并行布相控制。

附图说明

图1是本发明宽带多波束相控阵前端的立体结构示意图。

图2是本发明前端的TR收发通道的立体结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果改特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明地描述中，“多个”地含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体地限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应作广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；“连接”可以是机械连接，也可以是电连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围指内。

下面将结合本设计实例对具体实施方式、以及本次发明的技术难点、发明点进行进一步介绍。

本发明所述的宽带多波束相控阵前端包括波束合成与分配网络模块、自检校准电路、波控电路和40个TR组件。TR组件和波束合成与分配网络模块互连实现信号收发、放大、功率分配，波控电路连接TR组件控制信号幅度和相位，自检校准电路与波束合成与分配网络模块相连实现自检及校准功能。

每个TR组件包括接收通道、发射通道和单刀双掷开关，接收和发射通过单刀双掷开关进行切换。其中接收通道包括依次设置的限幅器、第一级低噪声放大器、衰减器、第二级低噪声放大器、一分四功分器、4个幅相控制芯片和4个驱动放大器。从天线下来的接收信号，经过单刀双掷开关切换至接收通道的限幅器，之后经过第一级低噪声放大器来放大信号并维持整个接收链路较小的噪声，再通过衰减器和第二级低噪声放大器，之后再通过一分四功分器分成四路独立接收信号，其中每路接收信号依次经过幅相控制芯片实现幅度和相位调节，再通过驱动放大器放大接收信号。最终40个TR组件共形成160路接收信号。

发射通道包括依次设置的第一级驱动放大器、发射幅相控制芯片、第二级驱动放大器、发射衰减器、功率放大器。发射信号进入发射通道后，首先经过第一级驱动放大器，之后进入发射幅相控制芯片实现幅度和相位的调节，再经过第二级驱动放大器和发射衰减器，然后通过功率放大器和单刀双掷开关，最后通过天线将发射信号辐射出去。由于前端组件中的发射功放功率较大，前端机箱需要考虑散热措施，根据***需求实现合理的电路模块安装、信号走线布局。

波束合成与分配网络模块实现收发模式下的功率合成与分配，包括单刀双掷开关和合成功分网络，其中开关实现合成功分网络和自检校准电路的切换。在接收模式下，从TR组件下来的160路接收信号通过16组10合一网络和4组4合一网络，最终合成4路幅相单独可调的波束；在发射模式下，外部输入激励信号通过1组4分一网络和4组10分一网络到TR组件，最终经过天线辐射。

自检校准电路包括单刀双掷开关和一分四网络。发射自检校准时，信号经发射链路输出至天线端，通过过渡层的校准耦合接口将部分信号耦合至自检校准电路，在通过波束合成与分配网络模块输出，供后级自检及校准。接收自检校准时，信号经波束合成与分配网络至自检校准电路，然后由过渡层的校准耦合接口将部分信号耦合至接收链路，再根据自检或校准指令对特定通道进行自检或校准。

波控电路主要包括波控数字板，该板输入集成光纤传输、参考时钟、JTAG下载等功能，输出通过FPGA控制整套相控阵前端。FPGA分析控制协议，利用GPIO接口实现阵前端的幅相控制、开关控制、模式控制等功能。

所提出的宽带多波束相控阵前端，其工作频段全面覆盖2-12GHz，支持收发复用功能，包括40路接收通道和40路发射通道。其中每路接收通道又功分4路，形成共160路接收链路，支持单独幅相控制，经过波束合成与分配网络可合成4路单独波束，具备多波束、多空域侦察功能；发射通过波束合成与分配网络功分至40路发射通道，经天线辐射可实现干扰功能。

Claims

1.一种宽带多波束相控阵前端，其特征在于：包括波束合成与分配网络模块、自检校准电路、波控电路和40个TR组件；TR组件和波束合成与分配网络模块互连实现信号收发、放大、功率分配，波控电路连接TR组件控制信号幅度和相位，自检校准电路与波束合成与分配网络模块相连实现自检及校准功能。

2.根据权利要求1所述的宽带多波束相控阵前端，其特征在于：每个TR组件包括接收通道、发射通道和单刀双掷开关，接收和发射通过单刀双掷开关进行切换。

3.根据权利要求2所述的宽带多波束相控阵前端，其特征在于：接收通道包括依次设置的限幅器、第一级低噪声放大器、衰减器、第二级低噪声放大器、一分四功分器、4个幅相控制芯片和4个驱动放大器；

从天线下来的接收信号，经过单刀双掷开关切换至接收通道的限幅器，之后经过第一级低噪声放大器来放大信号并维持整个接收链路较小的噪声，再通过衰减器和第二级低噪声放大器，之后再通过一分四功分器分成四路独立接收信号，其中每路接收信号依次经过幅相控制芯片实现幅度和相位调节，再通过驱动放大器放大接收信号，最终40个TR组件共形成160路接收信号。

4.根据权利要求2所述的宽带多波束相控阵前端，其特征在于：发射通道包括依次设置的第一级驱动放大器、发射幅相控制芯片、第二级驱动放大器、发射衰减器、功率放大器；

发射信号进入发射通道后，首先经过第一级驱动放大器，之后进入发射幅相控制芯片实现幅度和相位的调节，再经过第二级驱动放大器和发射衰减器，然后通过功率放大器和单刀双掷开关，最后通过天线将发射信号辐射出去。

5.根据权利要求2所述的宽带多波束相控阵前端，其特征在于：波束合成与分配网络模块实现收发模式下的功率合成与分配，包括单刀双掷开关和合成功分网络，其中开关实现合成功分网络和自检校准电路的切换，在接收模式下，从TR组件下来的160路接收信号通过16组10合一网络和4组4合一网络，最终合成4路幅相单独可调的波束；在发射模式下，外部输入激励信号通过1组4分一网络和4组10分一网络到TR组件，最终经过天线辐射。

6.根据权利要求2所述的宽带多波束相控阵前端，其特征在于：自检校准电路包括单刀双掷开关和一分四网络；发射自检校准时，信号经发射链路输出至天线端，通过过渡层的校准耦合接口将部分信号耦合至自检校准电路，在通过波束合成与分配网络模块输出，供后级自检及校准；接收自检校准时，信号经波束合成与分配网络至自检校准电路，然后由过渡层的校准耦合接口将部分信号耦合至接收链路，再根据自检或校准指令对特定通道进行自检或校准。