CN116614183A - 一种太赫兹有源相控阵的射频架构 - Google Patents

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刘娟
何月
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黄昆
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Abstract

本发明公开了一种太赫兹有源相控阵的射频架构，其核心组成包括***幅相同步控制单元、中频幅相控制单元阵列、本振移相通道单元阵列和太赫兹变频单元阵列，其中***幅相同步控制单元确保架构各单元协调运转；中频幅相控制单元阵列将太赫兹收发阵列所需要的中频信号进行发射和接收处理；太赫兹变频单元阵列实现太赫兹信号的上下变频切换；本振移相通道单元阵列为太赫兹变频单元阵列提供本振。本发明提出了适用于太赫兹频段的有源相控阵射频架构，该架构避免了在太赫兹频段使用衰减器和移相器，降低了损耗；提高了移相器的扫描精度，增强了相控阵的波束扫描功能；相比一般的相控阵，该架构可以在高线性度和饱和状态使用，符合通信和雷达双用途。

Description

一种太赫兹有源相控阵的射频架构
技术领域
本发明属于太赫兹相控阵技术领域，具体涉及一种太赫兹有源相控阵的射频架构。
背景技术
相控阵技术为一种利用相位补偿或延时调节等方式对每一个阵元进行调节，进而调节一定规模阵列性能表现的技术，它可以分为接收相控阵和发射相控阵，但无论是接收相控阵还是发射相控阵，其总体架构是类似的，工作原理可以总结为对按一定规律排列的基阵阵元的信号均加以适当的移相(或延时)以获得阵波束的偏转，在不同方位上同时进行相位(或延时)补偿，即可获得多波束。
当前相控阵技术主要集中在Ka及一下频段，尤其在微波端广泛应用。现有的相控阵***主要靠相控阵天线子***去实现射频的移相和波束形成功能，相控阵天线通过控制阵列天线中辐射单元的馈电相位来改变方向图的形状，这种方式不仅能够改变天线方向图最大值的指向达到波束扫描的目的，并且通过计算机控制实现天线方向图最大值指向或其他参数的迅速变化。相控阵天线是现代相控阵***的基础，其关键器件是移相器和天线辐射单元。
目前通信领域已逐步开放Ka波段(20-40GHz)和Q波段(30-50GHz)，同时也在论证V(50-75GHz)波段；雷达领域也从X波段逐步发展到Ka、W乃至100GHz以上波段，特别是在民用汽车自动驾驶、智能探测感知等领域对77GHz频段需求很大，广阔的应用市场推动技术的研究必然随之覆盖更高频段，预计在未来3年内，E(60-90GHz)～W(75-110GHz)波段的毫米波射频前端将实现商业化，因此随着技术发展，毫米波/太赫兹波段高频段相控阵需求也将逐步显现。然而现有的相控阵天线研究主要集中于L、S、C和X波段，基于相控阵天线的射频架构已经不完全适用于高频段的现状和未来，亟需一种新的架构去补充当前相控阵***的射频架构。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种太赫兹有源相控阵的射频架构，该架构解决了随着频率提升，RF(射频)移相器性能快速下降的问题，在太赫兹频段没有移相器的情况下，构建了一个可用的高精度的太赫兹相控阵射频架构。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：一种太赫兹有源相控阵的射频架构，所述架构包括：基带数字***、中频单元、微波单元和太赫兹单元；
所述基带数字***包括顺序连接的基带发射机、信号处理单元和基带接收机，以及***幅相同步控制单元；
所述中频单元包括顺序连接的中频合成网络、中频收发器阵列和中频幅相控制单元阵列；其中中频收发器阵列中的中频收发器和中频幅相控制单元阵列中的中频幅相控制单元一一对应连接；
所述微波单元包括顺序连接的频综单元和本振倍频通道单元；
所述太赫兹单元包括顺序连接的本振馈入网络、本振移相通道单元阵列和太赫兹变频单元阵列，其中本振移相通道单元阵列中的本振移相通道单元与太赫兹变频单元阵列中的太赫兹变频单元一一对应连接；
所述基带发射机和基带接收机连接中频合成网络；
所述中频幅相控制单元阵列中的频幅相控制单元与太赫兹变频单元阵列中的太赫兹变频单元一一对应连接；
所述本振倍频通道单元连接本振馈入网络；
所述***幅相同步控制单元连接各个太赫兹变频单元和中频幅相控制单元。
优选的，所述太赫兹变频单元包括混频器、第一太赫兹切换开关、中功率放大器、低噪放大器和第二太赫兹切换开关；所述中功率放大器和低噪放大器并列连接在第一太赫兹切换开关和第二太赫兹切换开关之间，所述第一太赫兹切换开关其另一端连接混频器，所述第二太赫兹切换开关其另一端连接天线。
优选的，所述中频幅相控制单元包括毫米波切换开关、可调衰减器、移相器、放大器和低噪放大器；所述可调衰减器、移相器和放大器组成上变频通道，可调衰减器、移相器和低噪放大器组成下变频通道，所述上变频通道和下变频通道并列设置在两个毫米波切换开关之间，其中第一毫米波切换开关其另一端连接与之对应的中频收发器，第二毫米波切换开关其另一端连接与之对应的太赫兹变频单元的混频器。
优选的，所述本振移相通道单元包括顺序连接的倍频器、放大器、滤波器、毫米波功分网络、放大器阵列、可调衰减器阵列和移相器阵列；
所述放大器阵列、可调衰减器阵列和移相器阵列中的放大器、可调衰减器和移相器按顺序一一对应连接；
所述移相器阵列的输出均连接与之对应的太赫兹变频单元的混频器。
优选的，所述上变频通道中可调衰减器、移相器和放大器的连接顺序能够根据实际情况进行调整。
优选的，所述毫米波切换开关能够用毫米波环形器进行替换。
本发明的有益效果是：本发明提出的一种太赫兹有源相控阵的射频架构，提出了适用于太赫兹频段的有源相控阵射频架构，该架构避免了在太赫兹频段使用衰减器和移相器，降低了损耗；该架构提高了移相器的扫描精度，增强了相控阵的波束扫描功能；相比一般的相控阵，该架构可以在高线性度和饱和状态使用，符合通信和雷达双用途。
附图说明
图1为本发明实施例中太赫兹有源相控阵的射频架构的结构示意图；
图2为本发明实施例中太赫兹变频单元的结构示意图；
图3为本发明实施例中中频幅相控制单元的结构示意图；
图4为本发明实施例中本振移相通道单元的结构示意图。
具体实施方式
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
下面结合实施例及附图对本申请作出进一步说明。
参阅图1，一种太赫兹有源相控阵的射频架构，该架构包括：基带数字***、中频单元、微波单元和太赫兹单元；其中，基带数字***包括顺序连接的基带发射机、信号处理单元和基带接收机，以及***幅相同步控制单元；
中频单元包括顺序连接的中频合成网络、中频收发器阵列和中频幅相控制单元阵列；其中中频收发器阵列中的中频收发器和中频幅相控制单元阵列中的中频幅相控制单元一一对应连接；
微波单元包括顺序连接的频综单元和本振倍频通道单元；
太赫兹单元包括顺序连接的本振馈入网络、本振移相通道单元阵列和太赫兹变频单元阵列，其中本振移相通道单元阵列中的本振移相通道单元与太赫兹变频单元阵列中的太赫兹变频单元一一对应连接；
上述基带发射机和基带接收机连接中频合成网络；中频幅相控制单元阵列中的频幅相控制单元与太赫兹变频单元阵列中的太赫兹变频单元一一对应连接，为太赫兹变频单元的混频器提供中频信号；本振倍频通道单元连接本振馈入网络；***幅相同步控制单元连接各个太赫兹变频单元和中频幅相控制单元，控制这些单元时分控制、移相器的控制和开关切换等，让整个架构协调运转。
作为实施例，如图2所示，太赫兹变频单元包括混频器、第一太赫兹切换开关、中功率放大器、低噪放大器和第二太赫兹切换开关；所述中功率放大器和低噪放大器并列连接在第一太赫兹切换开关和第二太赫兹切换开关之间，所述第一太赫兹切换开关其另一端连接混频器，所述第二太赫兹切换开关其另一端连接天线。
该单元的核心功能主要是实现太赫兹信号的上下变频切换，包括：①上下混频单元；②开关切换的功放发射通道和低噪放接收通道。功能上主要利用分时收发机制，当相控阵处于发射阶段时，混频器自动开启为上变频，利用切换开关选择至功率放大器通道，信号通过天线传播发射出去；当相控阵处于接收状态时，信号从天线馈入切换开关，并选择至低噪放大器通道，进入混频器并自动开启为下变频功能，完成太赫兹信号的接收和变频。
作为实施例，如图3所示，中频幅相控制单元包括毫米波切换开关、可调衰减器、移相器、放大器和低噪放大器；所述可调衰减器、移相器和放大器组成上变频通道，可调衰减器、移相器和低噪放大器组成下变频通道，所述上变频通道和下变频通道并列设置在两个毫米波切换开关之间，其中第一毫米波切换开关其另一端连接与之对应的中频收发器，第二毫米波切换开关其另一端连接与之对应的太赫兹变频单元的混频器。
该单元的核心功能是将太赫兹收发阵列所需要的中频信号进行发射和接收处理，在实际中处于上变频通道的可调衰减器、移相器、放大器均可以根据实际情况调节位置，毫米波切换开关亦可变更为毫米波环形器。具体仍然为开关时分工作模式，当相控阵处于发射状态时，毫米波切换开关切入至上变频通道，即进入可调衰减、移相和放大路径，最后进入太赫兹混频器中频，完成上混频；当相控阵进入接收状态时，毫米波切换开关切入至下变频通道，即信号进入低噪放、移相器和可调衰减器，完成太赫兹下变频后中频信号处理。
作为实施例，如图4所示，本振移相通道单元阵列包括顺序连接的倍频器、放大器、滤波器、毫米波功分网络、放大器阵列、可调衰减器阵列和移相器阵列；其中放大器阵列、可调衰减器阵列和移相器阵列中的放大器、可调衰减器和移相器按顺序一一对应连接；本振移相通道单元阵列包括多路信号输出，即一个本振移相通道单元可提供多路本振信号，倍频源(倍频器+功率放大器+滤波器)通过毫米波功分器功分多路，每一路馈入单路驱动放大器、可调衰减器(适当时可以省略)和移相器，进而为太赫兹变频单元提供本振，故移相器阵列的输出均连接与之对应的太赫兹变频单元的混频器。
在整个太赫兹相控阵***中存在多个移相器、可调衰减器和开关切换等单元模块，为了让整个***协调运转，***幅相同步控制单元是必不可少的。***幅相同步控制单元主要完成：①***时分控制，在合适时间段选择太赫兹的单元和中频单元中的切换开关，选择收发通道，满足***分时收发的需要；②控制中频幅相控制单元和中频幅相控制单元的移相器，***采用高中频模式，中频幅相控制单元的移相器为粗调相位，中频幅相控制单元的移相器为精密调相位；③控制中频幅相控制单元各路中的衰减器，进行***线性调幅，与相位调节一起进行波束控制。

Claims (6)

1.一种太赫兹有源相控阵的射频架构，其特征在于，所述架构包括：基带数字***、中频单元、微波单元和太赫兹单元；
所述基带数字***包括顺序连接的基带发射机、信号处理单元和基带接收机，以及***幅相同步控制单元；
所述中频单元包括顺序连接的中频合成网络、中频收发器阵列和中频幅相控制单元阵列；其中中频收发器阵列中的中频收发器和中频幅相控制单元阵列中的中频幅相控制单元一一对应连接；
所述微波单元包括顺序连接的频综单元和本振倍频通道单元；
所述太赫兹单元包括顺序连接的本振馈入网络、本振移相通道单元阵列和太赫兹变频单元阵列，其中本振移相通道单元阵列中的本振移相通道单元与太赫兹变频单元阵列中的太赫兹变频单元一一对应连接；
所述基带发射机和基带接收机连接中频合成网络；
所述中频幅相控制单元阵列中的频幅相控制单元与太赫兹变频单元阵列中的太赫兹变频单元一一对应连接；
所述本振倍频通道单元连接本振馈入网络；
所述***幅相同步控制单元连接各个太赫兹变频单元和中频幅相控制单元。
2.根据权利要求1所述的太赫兹有源相控阵的射频架构，其特征在于，所述太赫兹变频单元包括混频器、第一太赫兹切换开关、中功率放大器、低噪放大器和第二太赫兹切换开关；所述中功率放大器和低噪放大器并列连接在第一太赫兹切换开关和第二太赫兹切换开关之间，所述第一太赫兹切换开关其另一端连接混频器，所述第二太赫兹切换开关其另一端连接天线。
3.根据权利要求1所述的太赫兹有源相控阵的射频架构，其特征在于，所述中频幅相控制单元包括毫米波切换开关、可调衰减器、移相器、放大器和低噪放大器；所述可调衰减器、移相器和放大器组成上变频通道，可调衰减器、移相器和低噪放大器组成下变频通道，所述上变频通道和下变频通道并列设置在两个毫米波切换开关之间，其中第一毫米波切换开关其另一端连接与之对应的中频收发器，第二毫米波切换开关其另一端连接与之对应的太赫兹变频单元的混频器。
4.根据权利要求1所述的太赫兹有源相控阵的射频架构，其特征在于，所述本振移相通道单元包括顺序连接的倍频器、放大器、滤波器、毫米波功分网络、放大器阵列、可调衰减器阵列和移相器阵列；
所述放大器阵列、可调衰减器阵列和移相器阵列中的放大器、可调衰减器和移相器按顺序一一对应连接；
所述移相器阵列的输出均连接与之对应的太赫兹变频单元的混频器。
5.根据权利要求3所述的太赫兹有源相控阵的射频架构，其特征在于，所述上变频通道中可调衰减器、移相器和放大器的连接顺序能够根据实际情况进行调整。
6.根据权利要求3所述的太赫兹有源相控阵的射频架构，其特征在于，所述毫米波切换开关能够用毫米波环形器进行替换。
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