CN116470304B - 一种全极化相控阵天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全极化相控阵天线，涉及天线技术领域，包括波束形成网络、多个辐射单元、多个第一低噪放、多个第二低噪放、多个具有±90°两个移相状态的低比特移相器和多个第一功分器，辐射单元具有两个射频接口，射频接口用于连接线极化的天线阵元，同一辐射单元的两个射频接口连接的天线阵元线极化方向相差90度。一个第一低噪放、一个第二低噪放、第一低比特移相器和一个第一功分器共同组成极化控制电路，各个极化控制电路端接在各个辐射单元之后。通过控制低比特移相器的移相状态、第一低噪放的上电状态和第二低噪放的上电状态，辐射单元的极化状态可在垂直、水平、左旋和右旋圆极化之间切换，即实现了一种全极化的相控阵天线架构。

Description

一种全极化相控阵天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，特别是应用于卫星通信和星载的相控阵天线技术领域，具体涉及一种全极化相控阵天线。

背景技术

目前在卫星通信或星载领域，卫星通信或星载相控阵天线的极化状态通常是固定的，也鲜少有可实现两个极化状态切换的相控阵天线的应用报道，因此单一极化状态极大地限制了相控阵天线的应用场景。

与此同时，多波束相控阵天线可以同时实现多个独立的高增益波束，是低轨卫星星座的核心载荷之一，它具有灵活度高、扫描角域宽、可靠性高等优点，不仅可以实现广域覆盖和宽带传输，而且还能满足随遇接入、多点通信等迫切需求。目前业界实现多波束相控阵的做法通常是通过多个单波束相控阵天线拼接从而形成多波束。这样的解决方案简单且成熟度高，但是由于采用多个独立的相控阵组成，随着波束数量的增加，其成本，功耗、体积等指标都线性增加，极大的限制了其应用场景。

为实现卫星通信或星载相控阵天线的多极化状态或多波束共口径，一种改良的相控阵天线架构亟待提出。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种全极化相控阵天线，用以解决背景技术中提出的现有相控阵天线架构存在的一项或多项不足。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种全极化相控阵天线，包括波束形成网络、多个辐射单元、多个第一低噪放（第一低噪声放大器）、多个第二低噪放（第二低噪声放大器）、多个具有±90°两个移相状态的低比特移相器和多个第一功分器；

所述辐射单元具有两个射频接口，所述射频接口用于连接线极化的天线阵元，同一辐射单元的两个射频接口所连接的天线阵元的线极化方向相差90度；

各个辐射单元的第一个射频接口与各个第一低噪放的第一端一一对应连接，各个辐射单元的第二个射频接口与各个第二低噪放的第一端一一对应连接；

各个第一低噪放的第二端与各个低比特移相器的第一端一一对应连接，各个低比特移相器的第二端与各个第一功分器的第一分路端一一对应连接，各个第二低噪放的第二端与各个第一功分器的第二分路端一一对应连接；

各个第一功分器的合路端与波束形成网络的各个波束分路端一一对应连接，波束形成网络的波束合路端用于与外部的波束馈电网络连接。

进一步的，同一辐射单元的两个射频接口所连接的天线阵元的线极化方向分别为垂直极化和水平极化。

进一步的，所述同一辐射单元的两个射频接口所连接的天线阵元的线极化方向分别为-45°极化和+45°极化。

进一步的，所述低比特移相器为1bit移相器。

进一步的，所述波束形成网络为多波束形成网络。

进一步的，所述多波束形成网络包括多类幅相控制通道、多个第二功分器和多个第三功分器，每类幅相控制通道所包含的幅相控制通道均为多个，各类幅相控制通道分别对应一种不同的波束类型；

各个第二功分器的合路端用于与外部的各类波束馈电网络一一对应连接，各类波束馈电网络分别对应一种不同的波束类型，每个第二功分器的各个分路端与各个对应波束类型的幅相控制通道的第一端一一对应连接，各个第三功分器的合路端与各个第一功分器的合路端一一对应连接，第三功分器的每个分路端对应连接一类幅相控制通道中的一个幅相控制通道的第二端，第三功分器的各个分路端所连接的幅相控制通道类型不同。

进一步的，所述幅相控制通道包括数字衰减器和数字移相器，所述数字移相器的第一端与第三功分器的一个分路端连接，数字移相器的第二端与数字衰减器的第一端连接，数字衰减器的第二端与第二功分器的一个分路端连接。

为说明本发明具有的有益效果，此处详述了在天线领域常见的两种极化转换方案：

其一、在TR通道的低噪放与天线之间加入用于移相的电桥和极化切换开关等。电桥和极化切换开关的加入，在TR通道的低噪放与天线之间引入了损耗，这将直接导致整个相控阵阵面内通道噪声系数的恶化，往往通过增加通道数量或提高无源增益等手段克服上述不足，可见，该种方案无法兼容成本和天线增益两个维度；

其二、每个辐射体内的各个馈点均设计一个TR通道，从而使得该辐射体各通道间达到预设的相位差。该种方案的相位配置电路较为复杂，实现成本上较高。

与上述传统极化转换方案不同的是，本发明通过两个正交独立的线极化天线阵元组成辐射单元，每个辐射单元接一个TR通道，由第一低噪放、第二低噪放、低比特移相器和第一功分器组成极化控制电路，极化控制电路设置在辐射单元与波束形成网络之间，该极化控制电路的极化控制过程如下：

当辐射单元后端接的第一低噪放和第二低噪放同时上电工作时，通过控制低比特移相器来控制相控阵天线的圆极化辐射状态，即为：通过控制低比特移相器使其分别工作在﹢90°和-90°两个移相状态，从而切换天线的辐射极化在左旋和右旋两个状态间转换；当控制第一低噪放和第二低噪放的上电状态，使得只有第一低噪放上电或第二低噪放上电，则实现了天线辐射极化在垂直、水平两个极化状态间转换或在+45°和-45°两个极化状态间的切换。目前已有的或者已经规划的卫星通信或星载***中主要使用垂直、水平、左旋圆极化和右旋圆极化四种天线极化状态，故本发明实现的相控阵天线架构实现了卫星通信或星载的全部极化状态，即实现了一种全极化的相控阵天线。

基于上述内容，本发明具有的有益效果为：

（1）通过极化控制电路和辐射单元的设计，实现了一种全极化的相控阵天线；

（2）将第一低噪放和第二低噪放紧跟在辐射单元之后，减少了低噪放与辐射单元之间的射频***损耗，最大限度的降低了相控阵天线阵面射频接收时的噪声系数，使得后续进行噪声系数优化的改良设计时的电路复杂度得以降低，在实现全极化的同时兼具低成本、低功耗；

（3）低比特移相器相比于高比特移相器而言，只需要通过少量的控制比特即可实现移相器的±90°移相状态的切换，极大地降低了相控阵天线极化状态控制时的相位控制复杂度，从而在实现全极化的同时兼具低成本、低功耗；

（4）1bit移相器只需要通过比特0和1即可实现移相器±90°移相状态的切换，例如比特0时移相器进行+90°移相，比特1时移相器进行-90°移相，即实现了1bit控制，天线极化状态控制时，此种极简化的相位控制设计，最大限度的降低了相位控制复杂度，使得本发明实现的全极化相控阵天线架构更具成本和功耗优势；

（5）极化控制电路与波束形成网络位于整个相控阵天线架构的不同层级，互相之间相对独立设计，例如波束数量的增加或减少只需要改变波束形成网络的设计，相较于传统的波束形成网络与极化切换电路未解耦方案而言，更利于快速适应用户差异化的需求，节省开发时间和开发成本；

（6）通过多波束形成网络的设计，多波束的形成是在同一天线口径下实现的，即实现了多波束共口径的相控阵天线，结合全极化的实现，使得本发明实现的相控阵天线架构的适用场景更加广阔，尤其适用于卫星通信和星载领域。

附图说明

图1为实施例一实现的全极化相控阵天线的一种架构示意图；

图2为实施例二实现的全极化多波束相控阵天线的一种架构示意图；

图中，1、辐射单元；2、第一低噪放；3、第二低噪放；4、低比特移相器；5、第一功分器；6、第三功分器；7、数字移相器；8、数字衰减器；9、第二功分器。

具体实施方式

下面将结合实施例，对本发明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，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的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。

实施例一

如图1所示，本实施例提供了一种全极化相控阵天线，应用于卫星通信或星载平台。

具体的，全极化相控阵天线包括波束形成网络、多个辐射单元1、多个第一低噪放2、多个第二低噪放3、多个低比特移相器4和多个第一功分器5。各个辐射单元1组成相控阵面的辐射体。每个辐射单元1均具有两个射频接口，射频接口用于连接线极化的天线阵元，同一辐射单元1的两个射频接口所连接的天线阵元的线极化方向相差90度，即同一辐射单元1内连接的两个天线阵元的线极化方向相互正交。低比特移相器4具有±90°两个移相状态。一个第一低噪放2、一个第二低噪放3、一个低比特移相器4和一个第一功分器5共同构成端接在同一个辐射单元1后的极化控制电路。波束形成网络采用普通实施例中的波束形成网络，本实施例对此部分未进行优化，因此本实施例中不对此部分内容进行赘述。以射频接收为例，波束形成网络具体用于接入外部的波束馈电网络，负责接收前级电路传输下来的射频信号，再对射频信号进行幅度和相位调节，完成幅度加权和移相功能，而后通过合路器将各通道经幅度和相位调节后的信号进行功率合成后形成波束，形成的波束发送至外部的波束馈电网络。

极化控制电路与辐射单元1、波束形成网络的连接如下：

各个辐射单元1的第一个射频接口与各个第一低噪放2的第一端一一对应连接，各个辐射单元1的第二个射频接口与各个第二低噪放3的第一端一一对应连接，各个第一低噪放2的第二端与各个低比特移相器4的第一端一一对应连接，各个低比特移相器4的第二端与各个第一功分器5的第一分路端一一对应连接，各个第二低噪放3的第二端与各个第一功分器5的第二分路端一一对应连接，各个第一功分器5的合路端与波束形成网络的各个波束分路端一一对应连接，波束形成网络的波束合路端用于与外部的波束馈电网络连接。

在一些实施例中，同一辐射单元1内连接的两个天线阵元的线极化方向分别为垂直极化和水平极化。

在另一些实施例中，同一辐射单元1内连接的两个天线阵元的线极化方向分别为-45°极化和+45°极化。

基于上述相控阵天线架构的提出，通过对低比特移相器4的移相状态控制、对第一低噪放2上电状态的控制和对第二低噪放3上电状态的控制实现相控阵天线极化状态的转换，具体控制过程如下：

当第一低噪放2和第二低噪放3均上电且低比特移相器4的移相状态在﹢90°、-90°之间切换时，辐射单元1的极化状态在左旋和右旋之间转换；

当从“第一低噪放2上电且第二低噪放3不上电”切换到“第一低噪放2不上电且第二低噪放3上电”状态时，辐射单元1的极化状态在正交的两个线极化状态之间切换。例如：若同一辐射单元1内连接的两个天线阵元的线极化方向分别为垂直极化和水平极化时，辐射单元1的极化状态在垂直极化和水平极化之间切换；若同一辐射单元1内连接的两个天线阵元的线极化方向分别为-45°极化和+45°极化时，辐射单元1的极化状态在-45°极化和+45°极化之间切换。

作为本实施例的进一步改进，低比特移相器4为1bit移相器，使得极化控制电路的相位调节电路设计进一步简化，节约了相控阵天线的生产成本。例如：控制比特为0时，1bit移相器工作在﹢90°移相状态；控制比特为1时，1bit移相器工作在-90°移相状态。

实施例二

本实施例与实施例一的区别在于：波束形成网络为多波束形成网络。

具体的，如图2所示，多波束形成网络包括多类幅相控制通道、多个第二功分器9和多个第三功分器6，每类幅相控制通道所包含的幅相控制通道均为多个，各类幅相控制通道分别对应一种不同的波束类型。

各个第二功分器9的合路端用于与外部的各类波束馈电网络一一对应连接，各类波束馈电网络分别对应一种不同的波束类型，每个第二功分器9的各个分路端与各个对应波束类型的幅相控制通道的第一端一一对应连接，各个第三功分器6的合路端与各个第一功分器5的合路端一一对应连接，第三功分器6的每个分路端对应连接一类幅相控制通道中的一个幅相控制通道的第二端，第三功分器6的各个分路端所连接的幅相控制通道类型不同。由此可知，第二功分器9的数量与波束数量一致，第三功分器6的分路数量与波束数量一致，第二功分器9的分路数量与相控阵天线的通道数量（辐射单元1的数量）一致。例如：若相控阵天线预设通道数为十六通道且为双波束，则第二功分器9的数量为两个，第二功分器9的分路数量为十六路，第三功分器6的分路数量为两路。

在一些实施例中，幅相控制通道包括数字衰减器8和数字移相器7，数字移相器7的第一端与第三功分器6的一个分路端连接，数字移相器7的第二端与数字衰减器8的第一端连接，数字衰减器8的第二端与第二功分器9的一个分路端连接。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种全极化相控阵天线，其特征在于，包括波束形成网络、多个辐射单元、多个第一低噪放、多个第二低噪放、多个具有±90°两个移相状态的低比特移相器和多个第一功分器；

所述辐射单元具有两个射频接口，所述射频接口用于连接线极化的天线阵元，同一辐射单元的两个射频接口所连接的天线阵元的线极化方向相差90度；

各个辐射单元的第一个射频接口与各个第一低噪放的第一端一一对应连接，各个辐射单元的第二个射频接口与各个第二低噪放的第一端一一对应连接；

各个第一低噪放的第二端与各个低比特移相器的第一端一一对应连接，各个低比特移相器的第二端与各个第一功分器的第一分路端一一对应连接，各个第二低噪放的第二端与各个第一功分器的第二分路端一一对应连接；

各个第一功分器的合路端与波束形成网络的各个波束分路端一一对应连接，波束形成网络的波束合路端用于与外部的波束馈电网络连接；

当第一低噪放和第二低噪放均上电且低比特移相器的移相状态在﹢90°、-90°之间切换时，辐射单元的极化状态在左旋和右旋之间转换；当从第一低噪放上电且第二低噪放不上电的上电状态切换到第一低噪放不上电且第二低噪放上电的上电状态时，或从第一低噪放不上电且第二低噪放上电的上电状态切换到第一低噪放上电且第二低噪放不上电的上电状态时，辐射单元的极化状态在正交的两个线极化之间切换。

2.根据权利要求1所述的一种全极化相控阵天线，其特征在于，同一辐射单元的两个射频接口所连接的天线阵元的线极化方向分别为垂直极化和水平极化。

3.根据权利要求1所述的一种全极化相控阵天线，其特征在于，所述同一辐射单元的两个射频接口所连接的天线阵元的线极化方向分别为-45°极化和+45°极化。

4.根据权利要求1所述的一种全极化相控阵天线，其特征在于，所述低比特移相器为1bit移相器。

5.根据权利要求1所述的一种全极化相控阵天线，其特征在于，所述波束形成网络为多波束形成网络。

6.根据权利要求5所述的一种全极化相控阵天线，其特征在于，所述多波束形成网络包括多类幅相控制通道、多个第二功分器和多个第三功分器，每类幅相控制通道所包含的幅相控制通道均为多个，各类幅相控制通道分别对应一种不同的波束类型；

各个第二功分器的合路端用于与外部的各类波束馈电网络一一对应连接，各类波束馈电网络分别对应一种不同的波束类型，每个第二功分器的各个分路端与各个对应波束类型的幅相控制通道的第一端一一对应连接，各个第三功分器的合路端与各个第一功分器的合路端一一对应连接，第三功分器的每个分路端对应连接一类幅相控制通道中的一个幅相控制通道的第二端，第三功分器的各个分路端所连接的幅相控制通道类型不同。

7.根据权利要求6所述的一种全极化相控阵天线，其特征在于，所述幅相控制通道包括数字衰减器和数字移相器，所述数字移相器的第一端与第三功分器的一个分路端连接，数字移相器的第二端与数字衰减器的第一端连接，数字衰减器的第二端与第二功分器的一个分路端连接。