CN117335861A - 一种全视场角波束覆盖的毫米波相控阵列结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种全视场角波束覆盖的毫米波相控阵列结构。该结构通过将大规模相控阵列划分为多个子阵列，子阵列每种极化方式可实时产生多个波束，通过合理配置移相器、衰减器等电路使这些波束覆盖不同的空域，子阵列具备覆盖全部视场角的能力，进一步地，通过数字信号处理，阵列***具备实时产生不同指向多波束的能力，实现全视场角多输入多输出功能。本发明旨在解决传统毫米波数字相控阵的高功耗、高设计和架构复杂度的问题，同时保留了全视场角波束覆盖的能力，并且通过子阵列拼接，阵列规模易于伸缩和扩展。

Description

一种全视场角波束覆盖的毫米波相控阵列结构
技术领域
本发明涉及毫米波宽带通信领域，具体涉及一种全视场角波束覆盖的毫米波相控阵列结构。
背景技术
随着毫米波5G通信和低轨卫星通信的兴起，数字相控阵列成为宽带通信领域的关键核心装备。数字相控阵列具有高精度、高灵活性以及全视场角波束覆盖的能力，然而，大尺度、宽频带毫米波数字相控阵列面临高功耗、高成本、高复杂度等问题，阻碍了其在毫米波边缘设备和智能装备中的部署应用。
数模混合相控阵列结构可用以缓解上述问题，然而数模混合阵列的波束受限于模拟子阵的波束，模拟子阵的波束数量通常有限，因此降低功耗、成本和复杂度是以牺牲视场角覆盖的性能为代价。下一代毫米波数字阵列需要新的结构和波束成形方法来解耦全视场角波束覆盖与功耗、成本、复杂度之间的矛盾关系。
发明内容
本发明的目的在于针对传统毫米波数字相控阵列高功耗、高成本、高复杂度的不足，以及传统毫米波数模混合相控阵列无法实现全视场角波束覆盖的不足，提出一种全视场角波束覆盖的毫米波相控阵列结构。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种全视场角波束覆盖的毫米波相控阵列结构，由多个子阵列组成；子阵列包含NR×NC个阵元，NR是子阵列行数，NC是子阵列列数；在所述子阵列中，第i行的阵元通过波束合成产生垂直极化波束VR,S(i)和水平极化波束HR,S(i)，第j列的阵元通过波束合成产生垂直极化波束VC,S(j)和水平极化波束HC,S(j)，其中i＝1,2,…,NR，j＝1,2,…,NC；所述子阵列产生的所有波束通过射频链路连接至数字波束成形器，通过数字信号处理实时产生具有不同指向的多个波束，实现全视场角多输入多输出。
本发明的有益效果如下：
1.传统的数字相控阵的每个天线阵元均需配置高复杂度、高功耗的模数/数模转换器进行数字域和模拟域信号的转换，本发明所提出的相控阵列结构，每个子阵每种极化方式所配置的数模/模数转换器数量从NR×NC变为NR+NC，如对于8×8的子阵列，数模/模数转换器数量从64降低为16，这可以大大降低阵列***功耗和复杂度。
2.传统的数模混合相控阵的视场角受限于模拟子阵的视场角，模拟子阵的波束数量有限，因此阵列***无法实现实时全视场角的波束覆盖。本发明提出的相控阵列结构中，子阵列每种极化方式可实时产生NR+NC个波束，通过合理配置移相器、衰减器等电路使这些波束覆盖不同的空域，子阵列具备覆盖全部视场角的能力，进一步地，通过数字信号处理，阵列***具备实时产生不同指向多波束的能力，实现全视场角多输入多输出功能。
3.传统的数字相控阵每个阵元的射频链路，在接收模式下，需要处理来自全部空域的所有信号，包括有用信号和干扰信号，当干扰信号较强时，会影响有用信号的接收。本发明提出的相控阵列结构中，在接收模式下，射频链路处理子阵列通过各阵元的移相器、衰减器处理后合成出来的波束信号，该信号具有一定方向性，仅覆盖一定空域范围，因此当干扰信号位于该波束的旁瓣时，信号强度得以衰减，阵列***抗干扰性能提高，这也放松了对于数模/模数转换器动态范围的要求。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明；
图1是一种全视场角波束覆盖的毫米波相控阵列结构的子阵列框图。
图2是一种全视场角波束覆盖的毫米波相控阵列结构的子阵列的阵元结构框图。
图3是一种全视场角波束覆盖的毫米波相控阵列结构的子阵列的垂直极化波束合成网络图。
图4是一种全视场角波束覆盖的毫米波相控阵列结构的子阵列的水平极化波束合成网络图。
图5是一种全视场角波束覆盖的毫米波相控阵列结构的2×2子阵列的波束合成网络图。
具体实施方式
下面根据附图和优选实例详细说明本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，应当理解，此处所描述的具体实例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本申请实施例公开了一种全视场角波束覆盖的毫米波相控阵列结构的子阵列框图。全视场角波束覆盖的毫米波相控阵列由多个子阵列组成；子阵列包含NR×NC个阵元，NR是子阵列行数，NC是子阵列列数。子阵列中，第i行的阵元通过波束合成产生垂直极化波束VR,S(i)和水平极化波束HR,S(i)，第j列的阵元通过波束合成产生垂直极化波束VC,S(j)和水平极化波束HC,S(j)，其中i＝1,2,…,NR，j＝1,2,…,NC；子阵列产生的所有波束通过射频链路连接至数字波束成形器，通过数字信号处理实时产生具有不同指向的多个波束。
在一实施例中，全视场角波束覆盖的毫米波相控阵列的不同子阵列的子阵列行数不同，不同子阵列的子阵列列数不同。
如图2所示，本申请某一实施例还公开了一种全视场角波束覆盖的毫米波相控阵列结构的子阵列的阵元结构框图。阵元E(i,j)由双极化天线A(i,j)(101)、低噪声放大器(102、108)、功率放大器(103、109)、移相器(104、106、110、112)、衰减器(105、107、111、113)等元器件组成，包含垂直极化射频信号VR(i,j)、垂直极化射频信号VC(i,j)、水平极化射频信号HR(i,j)、水平极化射频信号HC(i,j)等4个射频信号，其中i＝1,2,…,NR，j＝1,2,…,NC。
双极化天线A(i,j)(101)产生的极化信号SV连接低噪声放大器(102)的输入端和功率放大器(103)的输出端，低噪声放大器(102)的输出端和功率放大器(103)的输入端连接在一起，并连接至移相器(104)的一端和移相器(106)的一端，移相器(104)的另一端连接至衰减器(105)的一端，衰减器(105)的另一端连接射频信号VR(i,j)，移相器(106)的另一端连接至衰减器(107)的一端，衰减器(107)的另一端连接射频信号VC(i,j)。
双极化天线A(i,j)(101)产生的极化信号SH连接低噪声放大器(108)的输入端和功率放大器(109)的输出端，低噪声放大器(108)的输出端和功率放大器(109)的输入端连接在一起，并连接至移相器(110)的一端和移相器(112)的一端，移相器(110)的另一端连接至衰减器(111)的一端，衰减器(111)的另一端连接射频信号HR(i,j)，移相器(112)的另一端连接至衰减器(113)的一端，衰减器(113)的另一端连接射频信号HC(i,j)。
如图3所示，在某些实施例中，垂直极化波束合成网络由合成器(201、203、205、207、209、211)、射频链路(202、204、206、208、210、212)、数字波束成形器(213)等模块组成，包含2×NR×NC个垂直极化射频信号VR(i,j)和VC(i,j)，其中i＝1,2,…,NR，j＝1,2,…,NC。
垂直极化射频信号VR(1,1)、VR(1,2)、…、VR(1,NC)等通过合成器(201)产生垂直极化波束VR,S(1)，垂直极化波束VR,S(1)经射频链路(202)连接至数字波束成形器(213)。垂直极化射频信号VR(2,1)、VR(2,2)、…、VR(2,NC)等通过合成器(203)产生垂直极化波束VR,S(2)，垂直极化波束VR,S(2)经射频链路(204)连接至数字波束成形器(213)。以此类推，垂直极化射频信号VR(NR,1)、VR(NR,2)、…、VR(NR,NC)等通过合成器(205)产生垂直极化波束VR,S(NR)，垂直极化波束VR,S(NR)经射频链路(206)连接至数字波束成形器(213)。垂直极化射频信号VC(1,1)、VC(2,1)、…、VC(NR,1)等通过合成器(207)产生垂直极化波束VC,S(1)，垂直极化波束VC,S(1)经射频链路(208)连接至数字波束成形器(213)。垂直极化射频信号VC(1,2)、VC(2,2)、…、VC(NR,2)等通过合成器(209)产生垂直极化波束VC,S(2)，垂直极化波束VC,S(2)经射频链路(210)连接至数字波束成形器(213)。以此类推，垂直极化射频信号VC(1,NC)、VC(2,NC)、…、VC(NR,NC)等通过合成器(211)产生垂直极化波束VC,S(NC)，垂直极化波束VC,S(NC)经射频链路(212)连接至数字波束成形器(213)。
如图4所示，在某些实施例中，水平极化波束合成网络由合成器(301、303、305、307、309、311)、射频链路(302、304、306、308、310、312)、数字波束成形器(313)等模块组成，包含2×NR×NC个水平极化射频信号HR(i,j)和HC(i,j)，其中i＝1,2,…,NR，j＝1,2,…,NC。
水平极化射频信号HR(1,1)、HR(1,2)、…、HR(1,NC)等通过合成器(301)产生水平极化波束HR,S(1)，水平极化波束HR,S(1)经射频链路(302)连接至数字波束成形器(313)。水平极化射频信号HR(2,1)、HR(2,2)、…、HR(2,NC)等通过合成器(303)产生水平极化波束HR,S(2)，水平极化波束HR,S(2)经射频链路(304)连接至数字波束成形器(313)。以此类推，水平极化射频信号HR(NR,1)、HR(NR,2)、…、HR(NR,NC)等通过合成器(305)产生水平极化波束HR,S(NR)，水平极化波束HR,S(NR)经射频链路(306)连接至数字波束成形器(313)。水平极化射频信号HC(1,1)、HC(2,1)、…、HC(NR,1)等通过合成器(307)产生水平极化波束HC,S(1)，水平极化波束HC,S(1)经射频链路(308)连接至数字波束成形器(313)。水平极化射频信号HC(1,2)、HC(2,2)、…、HC(NR,2)等通过合成器(309)产生水平极化波束HC,S(2)，水平极化波束HC,S(2)经射频链路(310)连接至数字波束成形器(313)。以此类推，水平极化射频信号HC(1,NC)、HC(2,NC)、…、HC(NR,NC)等通过合成器(311)产生水平极化波束HC,S(NC)，水平极化波束HC,S(NC)经射频链路(312)连接至数字波束成形器(313)。
图5给出了一种全视场角波束覆盖的毫米波相控阵列结构的2×2子阵列的波束合成网络图示例。2×2子阵列的波束合成网络由阵元(401～404)、合成器(405～412)等组成，产生垂直极化波束VR,S(1)、VR,S(2)、VC,S(1)、VC,S(2)，水平极化波束HR,S(1)、HR,S(2)、HC,S(1)、HC,S(2)。
阵元E(1,1)(401)的垂直极化射频信号VR(1,1)和阵元E(1,2)(402)垂直极化射频信号VR(1,2)连接至合成器(405)，产生垂直极化波束VR,S(1)。阵元E(1,1)(401)的水平极化射频信号HR(1,1)和阵元E(1,2)(402)水平极化射频信号HR(1,2)连接至合成器(406)，产生水平极化波束HR,S(1)。阵元E(2,1)(403)的垂直极化射频信号VR(2,1)和阵元E(2,2)(404)垂直极化射频信号VR(2,2)连接至合成器(407)，产生垂直极化波束VR,S(2)。阵元E(2,1)(403)的水平极化射频信号HR(2,1)和阵元E(2,2)(404)水平极化射频信号HR(2,2)连接至合成器(408)，产生水平极化波束HR,S(2)。阵元E(1,1)(401)的垂直极化射频信号VC(1,1)和阵元E(2,1)(403)垂直极化射频信号VC(2,1)连接至合成器(409)，产生垂直极化波束VC,S(1)。阵元E(1,1)(401)的水平极化射频信号HC(1,1)和阵元E(2,1)(403)水平极化射频信号HC(2,1)连接至合成器(410)，产生水平极化波束HC,S(1)。阵元E(1,2)(402)的垂直极化射频信号VC(1,2)和阵元E(2,2)(404)垂直极化射频信号VC(2,2)连接至合成器(411)，产生垂直极化波束VC,S(2)。阵元E(1,2)(402)的水平极化射频信号HC(1,2)和阵元E(2,2)(404)水平极化射频信号HC(2,2)连接至合成器(412)，产生水平极化波束HC,S(2)。
在某些实施例中，所述的一种全视场角波束覆盖的毫米波相控阵列可实现为平面二维阵列或曲面二维阵列。
为实现本申请所述的全视场角波束覆盖的功能，子阵列的垂直极化波束VR,S(i)，通过各阵元E(i,j)的移相器(104)、衰减器(105)进行相位和幅度的加权，从而具有不同的波束指向，类似地，子阵列的垂直极化波束VC,S(j)、水平极化波束HR,S(i)、水平极化波束HC,S(j)可设置为具有不同的波束指向，其中i＝1,2,…,NR，j＝1,2,…,NC。子阵列的每种极化方式由此形成覆盖全视场角的NR+NC个波束，子阵列的垂直极化波束和水平极化波束均分别通过射频链路，连接至数字波束成形器，进一步地，数字波束成形器对这些波束信号进行数字信号处理，通过数字信号处理实时产生不同指向的多个波束。
本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种全视场角波束覆盖的毫米波相控阵列结构，其特征在于，由多个子阵列组成；子阵列包含NR×NC个阵元，NR是子阵列行数，NC是子阵列列数；
在所述子阵列中，第i行的阵元通过波束合成产生垂直极化波束VR,S(i)和水平极化波束HR,S(i)，第j列的阵元通过波束合成产生垂直极化波束VC,S(j)和水平极化波束HC,S(j)，其中i＝1,2,…,NR，j＝1,2,…,NC；
所述子阵列产生的所有波束通过射频链路连接至数字波束成形器，通过数字信号处理实时产生具有不同指向的多个波束，实现全视场角多输入多输出。
2.根据权利要求1所述的一种全视场角波束覆盖的毫米波相控阵列结构，其特征在于，不同子阵列的子阵列行数不同和/或不同子阵列的子阵列列数不同。
3.根据权利要求1或2所述的一种全视场角波束覆盖的毫米波相控阵列结构，其特征在于，所述子阵列的阵元E(i,j)包括双极化天线A(i,j)(101)、低噪声放大器(102、108)、功率放大器(103、109)、移相器(104、106、110、112)、衰减器(105、107、111、113)；
双极化天线A(i,j)(101)产生的极化信号SV连接低噪声放大器(102)的输入端和功率放大器(103)的输出端，低噪声放大器(102)的输出端和功率放大器(103)的输入端连接在一起，并连接至移相器(104)的一端和移相器(106)的一端，移相器(104)的另一端连接至衰减器(105)的一端，衰减器(105)的另一端连接垂直极化射频信号VR(i,j)；移相器(106)的另一端连接至衰减器(107)的一端，衰减器(107)的另一端连接垂直极化射频信号VC(i,j)；
双极化天线A(i,j)(101)产生的极化信号SH连接低噪声放大器(108)的输入端和功率放大器(109)的输出端，低噪声放大器(108)的输出端和功率放大器(109)的输入端连接在一起，并连接至移相器(110)的一端和移相器(112)的一端，移相器(110)的另一端连接至衰减器(111)的一端，衰减器(111)的另一端连接水平极化射频信号HR(i,j)，移相器(112)的另一端连接至衰减器(113)的一端，衰减器(113)的另一端连接水平极化射频信号HC(i,j)。
4.根据权利要求3所述的一种全视场角波束覆盖的毫米波相控阵列结构，其特征在于，子阵列的垂直极化波束合成网络包括合成器、射频链路和数字波束成形器，每一行阵元输出的垂直极化射频信号通过对应的合成器合成为一路后与对应射频链路连接；每一列阵元输出的垂直极化射频信号对应的合成器合成为一路后与对应射频链路连接；所有的射频链路都与数字波束成形器连接。
5.根据权利要求3所述的一种全视场角波束覆盖的毫米波相控阵列结构，其特征在于，子阵列的水平极化波束合成网络包括合成器、射频链路和数字波束成形器，每一行阵元输出的水平极化射频信号通过对应的合成器合成为一路后与对应射频链路连接；每一列阵元输出的水平极化射频信号对应的合成器合成为一路后与对应射频链路连接；所有的射频链路都与数字波束成形器连接。
6.根据权利要求4或5所述的一种全视场角波束覆盖的毫米波相控阵列结构，其特征在于，所述子阵列每种极化方式产生NR+NC个波束，通过配置移相器、衰减器使这些波束覆盖不同的空域，从而子阵列具备覆盖全部视场角的能力。
7.根据权利要求4或5所述的一种全视场角波束覆盖的毫米波相控阵列结构，其特征在于，在接收模式下，射频链路处理子阵列通过各阵元的移相器、衰减器处理后合成出来的波束信号，该波束信号具有一定方向性，仅覆盖一定空域范围。
8.根据权利要求1所述的一种全视场角波束覆盖的毫米波相控阵列结构，其特征在于，毫米波相控阵列为平面二维阵列或曲面二维阵列。
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