CN214099923U - 一种混合波束有源相控阵天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种混合波束有源相控阵天线，包括若干天线单元、若干移相处理单元、若干功分结点、数字波束形成单元和DSP处理器；若干天线单元分别作为若干移相处理单元的输入端；若干移相处理单元的输出端均通过功分结点和数字波束形成单元的输入端通信连接；数字波束形成单元的输出端和DSP处理器通信连接。本混合波束有源相控阵天线的多波束成形灵活，混合架构可提高集成度，保证各单元电气互联的低损耗、低延时和高可靠性；减少装配结构件，减轻重量；简化封装与装配程序，提高相控阵天线的测试性和维修性。多波束天线可根据覆盖区域的变化进行波束指向控制，在较大扫描范围内灵活跳变等，可实现快速扫描探测。

Description

一种混合波束有源相控阵天线

技术领域

本实用新型属于微波毫米波通信技术领域，具体涉及一种混合波束有源相控阵天线。

背景技术

近年来，毫米波相控阵天线已经成为无线通信***的关键架构，作为民用和军用天线技术的一个重要发展方向备受关注。

在卫星通信领域，由于卫星终端设备以及卫星通信***特殊要求的限制，相控阵卫星通信天线发展较为缓慢。到目前为止，我国机载Ka频段卫星通信***仍以机扫天线为主，该类天线在执行通信任务时缺陷明显，表现为对星精度差、容易丢星等。有源相控阵天线具有波束形成自由灵活、电扫描速度迅速、能同时对多目标跟踪监测等特点，因此具有多波束的有源相控阵天线成为了各方的研制热点。这种趋势推动着静态固定波束方向图的无源天线向完全可控的有源智能天线转变，有源相控阵天线阵列将在下一代高吞吐量卫星通信中发挥重要的作用。例如，由OneWeb、T elesat、SES和SpaceX等公司规划的大型低地球轨道(LEO)和中地球轨道(MEO)卫星跟踪多颗卫星的地面终端天线的部署。多波束相控阵天线通过电扫描实现波束捷变，可以方便的实现一个终端设备与多颗卫星进行实施通信(尤其是与低地球轨道卫星高速交换波束时)，并通过后端的卫星通信终端设备灵活的选择波束，并根据需要进行波束的置零，实现无缝衔接通信，提高抗干扰能力及通信质量。

这同样适用于陆地移动和海洋应用，例如陆地制导、电子侦察等多目标探测。电子侦察所处的环境十分复杂，空间存在着大量的电磁辐射信号，如卫星电子侦察接收机输入端往往会同时收到数十部乃至数百部以上的雷达、通信和测控设备的信号，而这些信号又多为未知信号。多波束有源相控阵天线能够很好地解决这些问题，实现多个目标的灵活探测。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了解决现有有源相控阵天线的基本特点及其存在的不足之处的问题，尤其是现有全数字或全模拟波束形成架构所存在的工艺复杂难集成、成本高、性能低且工作范围窄等问题，提出了一种混合波束有源相控阵天线。

本实用新型的技术方案是：一种混合波束有源相控阵天线包括若干天线单元、若干移相处理单元、若干功分结点、数字波束形成单元和DSP处理器；

若干天线单元分别作为若干移相处理单元的输入端；若干移相处理单元的输出端均通过功分结点和数字波束形成单元的输入端通信连接；数字波束形成单元的输出端和DSP处理器通信连接。

进一步地，若干移相处理单元的结构相同，均包括依次通信连接的LNA、移相器和第一VGA；

LNA的输入端接入天线单元；第一VGA的输出端和功分结点的输入端连接。

进一步地，每个移相处理单元均对应连接一条射频链路。

进一步地，每个功分结点均对应一个数字通道。

进一步地，述数字波束形成单元包括若干混频器、若干第二VGA、信号源和若干ADC；

混频器的第一输入端和功分结点的输出端通信连接，其第二输入端和信号源通信连接；混频器的输出端和第二VGA的输入端通信连接；第二VGA的输出端和ADC的输入端通信连接；ADC的输出端和DSP处理器通信连接。

本实用新型的有益效果是：

(1)本混合波束有源相控阵天线的多波束成形灵活，混合架构可提高集成度，保证各单元电气互联的低损耗、低延时和高可靠性；减少装配结构件，减轻重量；简化封装与装配程序，提高相控阵天线的测试性和维修性。多波束天线可根据覆盖区域的变化进行波束指向控制，在较大扫描范围内灵活跳变等，可实现快速扫描探测。

(2)在波束数量越多时，本发明的功耗及成本的优势相比数字波束而言就越明显。多波束能力实现快速扫描探测，适用于卫星通信、陆地移动和海洋应用，例如陆地制导和电子侦察等多目标探测，能非常有效地对付复杂的综合性电子干扰。

(3)本混合波束有源相控阵天线以实现有源相控阵天线的多波束、功耗低和成本低，提供了可按需求拼接的多波束能力，利用混合波束改善了相控阵天线设计的权衡因素，在全模拟波束形成与全数字波束形成两种架构方案中在性能和复杂性之间提供合理的选择，这种混合架构方法在空间复用增益、成本、复杂性和功耗之间提供了平衡。对于小规模雷达***可以直接集成芯片化设计实现；对于大规模雷达***可以实现“积木”拼接构架，使模块化电子可控多波束阵列(ESMA)天线***能够应用广泛。

附图说明

图1为混合波束有源相控阵天线的结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的实施例作进一步的说明。

在描述本发明的具体实施例之前，为使本发明的方案更加清楚完整，首先对本发明中出现的缩略语和关键术语定义进行说明：

LNA：低噪声功率放大器；

VGA：可调增益放大器；

ADC：模拟数字转换器；

DSP：数字信号处理器。

如图1所示，本实用新型提供了一种混合波束有源相控阵天线，包括若干天线单元、若干移相处理单元、若干功分结点、数字波束形成单元和DSP处理器；

若干天线单元分别作为若干移相处理单元的输入端；若干移相处理单元的输出端均通过功分结点和数字波束形成单元的输入端通信连接；数字波束形成单元的输出端和DSP处理器通信连接。

在本实用新型实施例中，如图1所示，整个架构共有K个移相处理单元，对应连接K条射频链路；M个功分结点，每个合成结点对应接收一个相位匹配的移相信号，对应M个数字通道。移相处理单元中每个接收单元包括一个低噪声放大器LNA、一个移相器和一个可调增益放大器VGA。混频器对馈电网络输出的接收信号进行下变频至中频。模拟数字转换器ADC用于将接收下变频信号变化为数字信号。数字信号处理器DSP用于整个阵面接收的多通道信号数据的快速处理，并同时实现多个波束。

在接收状态时，射频信号通过各通道天线单元接收后，各路信号进入模拟波束形成器，在多通道幅相调制芯片经过模拟射频进行信号的低噪声放大，可调增益放大器VGA与移相器对毫米波信号的幅度与相位进行调整，各通道信号在芯片内完成第一次合路输出，各芯片输出信号经馈电网络完成第二次合路，得到各通道经放大和幅相调制的合路信号，形成子阵模拟波束。进入数字波束形成器，通过混频转变为需要的中频信号，再经模拟数字转换器ADC采样后进行数字波束合成，而后进入数据处理。

在本实用新型实施例中，如图1所示，若干移相处理单元的结构相同，均包括依次通信连接的LNA、移相器和第一VGA；

LNA的输入端接入天线单元；第一VGA的输出端和功分结点的输入端连接。

在本实用新型实施例中，如图1所示，每个移相处理单元均对应连接一条射频链路。

在本实用新型实施例中，如图1所示，每个功分结点均对应一个数字通道。

在本实用新型实施例中，如图1所示，数字波束形成单元包括若干混频器、若干第二VGA、信号源和若干ADC；

混频器的第一输入端和功分结点的输出端通信连接，其第二输入端和信号源通信连接；混频器的输出端和第二VGA的输入端通信连接；第二VGA的输出端和ADC的输入端通信连接；ADC的输出端和DSP处理器通信连接。

本实用新型的工作原理及过程为：混合方法使用“两级”波束形成——模拟和数字波束形成的结合，在性能和复杂性之间提供合理的选择。每个模拟波束形成网络充当下一级数字波束形成的天线子阵列，形成一个更具方向性的“超级单元”，其信号在数字域中与来自其他超级单元的信号相干组合。与模拟和数字波束形成器相比，这种混合架构方法在空间复用增益、成本、复杂性和功耗之间提供了平衡。对于小规模雷达***可以直接集成芯片化设计实现；对于大规模雷达***可以实现“积木”拼接构架，使模块化电子可控多波束阵列(ESMA)天线***能够应用广泛。

本实用新型的有益效果为：

(1)本混合波束有源相控阵天线的多波束成形灵活，混合架构可提高集成度，保证各单元电气互联的低损耗、低延时和高可靠性；减少装配结构件，减轻重量；简化封装与装配程序，提高相控阵天线的测试性和维修性。多波束天线可根据覆盖区域的变化进行波束指向控制，在较大扫描范围内灵活跳变等，可实现快速扫描探测。

(2)在波束数量越多时，本发明的功耗及成本的优势相比数字波束而言就越明显。多波束能力实现快速扫描探测，适用于卫星通信、陆地移动和海洋应用，例如陆地制导和电子侦察等多目标探测，能非常有效地对付复杂的综合性电子干扰。

(3)本混合波束有源相控阵天线以实现有源相控阵天线的多波束、功耗低和成本低，提供了可按需求拼接的多波束能力，利用混合波束改善了相控阵天线设计的权衡因素，在全模拟波束形成与全数字波束形成两种架构方案中在性能和复杂性之间提供合理的选择，这种混合架构方法在空间复用增益、成本、复杂性和功耗之间提供了平衡。对于小规模雷达***可以直接集成芯片化设计实现；对于大规模雷达***可以实现“积木”拼接构架，使模块化电子可控多波束阵列(ESMA)天线***能够应用广泛。

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实用新型的原理，应被理解为本实用新型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实用新型公开的这些技术启示做出各种不脱离本实用新型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实用新型的保护范围内。

Claims (5)

1.一种混合波束有源相控阵天线，其特征在于，包括若干天线单元、若干移相处理单元、若干功分结点、数字波束形成单元和DSP处理器；

若干所述天线单元分别作为若干移相处理单元的输入端；若干所述移相处理单元的输出端均通过功分结点和数字波束形成单元的输入端通信连接；所述数字波束形成单元的输出端和DSP处理器通信连接。

2.根据权利要求1所述的混合波束有源相控阵天线，其特征在于，若干所述移相处理单元的结构相同，均包括依次通信连接的LNA、移相器和第一VGA；

所述LNA的输入端接入天线单元；所述第一VGA的输出端和功分结点的输入端连接。

3.根据权利要求1所述的混合波束有源相控阵天线，其特征在于，每个所述移相处理单元均对应连接一条射频链路。

4.根据权利要求1所述的混合波束有源相控阵天线，其特征在于，每个所述功分结点均对应一个数字通道。

5.根据权利要求1所述的混合波束有源相控阵天线，其特征在于，所述数字波束形成单元包括若干混频器、若干第二VGA、信号源和若干ADC；

所述混频器的第一输入端和功分结点的输出端通信连接，其第二输入端和信号源通信连接；所述混频器的输出端和第二VGA的输入端通信连接；所述第二VGA的输出端和ADC的输入端通信连接；所述ADC的输出端和DSP处理器通信连接。

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