本發(fā)明涉及微波工程領(lǐng)域，具體涉及一種有源多波束相控陣天線系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

相控陣天線由多個(gè)在平面或曲面上按一定規(guī)律布置的天線單元和信號(hào)分配/相加網(wǎng)絡(luò)組成。典型的無(wú)源相控陣的天線單元由天線輻射單元、移相器、陣面波控和驅(qū)動(dòng)、饋電網(wǎng)絡(luò)、和差網(wǎng)絡(luò)、波控運(yùn)算單元、電源單元以及電纜等組成。有源相控陣天線陣面的每一個(gè)天線單元中均含有有源電路，對(duì)于收發(fā)合一的相控陣天線來(lái)說(shuō)，有源電路則是T/R組件。其中T/R組件中包含功率放大器/低噪聲放大器、移相器、衰減器和串并轉(zhuǎn)換芯片等多種功能電路。

有源相控陣天線由于具有體積小、重量輕、易于共形、響應(yīng)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，目前被廣泛使用。但由于普通的有源相控陣沿軸向的波束掃描范圍只能達(dá)到±60°覆蓋，不能滿足對(duì)天線波束覆蓋角域軸向±80°的低仰角覆蓋需求；此外，對(duì)于載體為環(huán)形結(jié)構(gòu)的情況，若采用傳統(tǒng)的有源相控陣系統(tǒng)，則無(wú)法在載體結(jié)構(gòu)上沿軸向30mm高度以內(nèi)完成天線陣面、濾波器、T/R組件、波控電路和上/下變頻器的安裝。如何改進(jìn)傳統(tǒng)的有源相控陣天線，以滿足載體軸向低仰角、周向?qū)捊怯驋呙韪采w，并且很容易與環(huán)形載體集成安裝，成為目前亟須解決的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明實(shí)施例提供一種有源多波束相控陣天線系統(tǒng)，包括：

多個(gè)相控天線模塊、以及多個(gè)天線選擇開(kāi)關(guān)；

每個(gè)相控天線模塊包括陣列天線單元及與其相連的射頻前端單元；

各相控天線模塊之間通過(guò)天線選擇開(kāi)關(guān)級(jí)聯(lián)；

其中，利用所述天線選擇開(kāi)關(guān)改變并聯(lián)的相控天線模塊的數(shù)量和接入主傳輸線的位置，以控制相控天線模塊的輸入相位組合。

進(jìn)一步地，所述系統(tǒng)與圓環(huán)形載體共形設(shè)計(jì)。

進(jìn)一步地，所述陣列天線單元沿所述載體周向均勻排布并與載體共形。

進(jìn)一步地，所述射頻前端單元以層疊方式安裝在所述陣列天線單元的內(nèi)側(cè)。

進(jìn)一步地，所述陣列天線單元采用背饋多層微帶和帶狀線集成的形式，射頻前端單元以內(nèi)嵌方式安裝于陣列天線單元背面的結(jié)構(gòu)腔中。

進(jìn)一步地，將所述系統(tǒng)劃分為N個(gè)獨(dú)立組裝模塊，每個(gè)組裝模塊包括若干個(gè)相控天線模塊及相關(guān)聯(lián)的天線選擇開(kāi)關(guān)；所述N個(gè)獨(dú)立組裝模塊分別以內(nèi)嵌方式安裝，并沿所述載體周向排布且與載體共形。

所述N優(yōu)選為4。

進(jìn)一步地，通過(guò)多邊形近似擬合所述圓環(huán)形載體的外形實(shí)現(xiàn)所述共形設(shè)計(jì)。

進(jìn)一步地，所述射頻前端單元包括以下至少一項(xiàng)：

功率放大器、低噪聲放大器、上下變頻器、發(fā)射通道、接收通道。

進(jìn)一步地，若相控天線模塊包括多個(gè)陣列天線單元，則該相控天線模塊進(jìn)一步包括天線選擇單元，用于從所述多個(gè)陣列天線單元中選擇其一與該相控天線模塊內(nèi)的射頻前端單元相連。

本發(fā)明通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)的有源相控陣天線進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，能夠滿足載體軸向低仰角、周向?qū)捊怯驋呙韪采w，并且很容易與環(huán)形載體集成安裝，實(shí)現(xiàn)了有源相控陣天線的模塊化、小型化、集成化。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案，下面將對(duì)本發(fā)明實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單的介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的內(nèi)容和這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本實(shí)施例一所述的有源多波束相控陣天線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；

圖2是本實(shí)施例二所述的有源多波束相控陣天線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；

圖3是示例性的有源多波束相控陣天線系統(tǒng)的接收鏈路組成框圖；

圖4是圖3所示的接收鏈路的布局框圖；

圖5是示例性的有源多波束相控陣天線系統(tǒng)的發(fā)射鏈路組成框圖；

圖6是圖5所示的發(fā)射鏈路的布局框圖；

圖7是一個(gè)獨(dú)立組裝模塊的示例性外形結(jié)構(gòu)示意圖；

圖8是由4個(gè)獨(dú)立組裝模塊構(gòu)成的有源多波束相控陣天線系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖9是各組裝模塊與環(huán)形載體的示例性安裝結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明解決的技術(shù)問(wèn)題、采用的技術(shù)方案和達(dá)到的技術(shù)效果更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案作進(jìn)一步的詳細(xì)描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員在沒(méi)有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

下面結(jié)合附圖并通過(guò)具體實(shí)施方式來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案。

圖1是本實(shí)施例一所述的有源多波束相控陣天線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。參見(jiàn)如圖1所示，本實(shí)施例一所述的有源多波束相控陣天線系統(tǒng)10包括：多個(gè)相控天線模塊101a、101b、101c(此處以三個(gè)為例)、以及多個(gè)天線選擇開(kāi)關(guān)102a、102b(此處以兩個(gè)為例)；每個(gè)相控天線模塊(101a、101b、101c)包括陣列天線單元(1011a、1011b、1011c)及與其相連的射頻前端單元(1012a、1012b、1012c)；各相控天線模塊之間通過(guò)天線選擇開(kāi)關(guān)(102a、102b)級(jí)聯(lián)。其中，所述射頻前端單元為功率放大器、低噪聲放大器、上下變頻器、發(fā)射通道、接收通道、或其他需要的電路部件。利用所述天線選擇開(kāi)關(guān)改變并聯(lián)的相控天線模塊的數(shù)量和接入主傳輸線的位置，可以控制相控天線模塊的輸入相位組合，從而達(dá)到控制天線波束指向的目的。

從本實(shí)施例可以看出，與傳統(tǒng)的有源相控陣天線相比，本實(shí)施例中的陣列天線單元后并未級(jí)聯(lián)常規(guī)的T/R組件，而是集成了用于進(jìn)行天線選擇及波束切換的電子開(kāi)關(guān)，屬于有源、無(wú)源組合相控陣天線。本實(shí)施例所述的有源多波束相控陣天線系統(tǒng)采用了有源射頻開(kāi)關(guān)和無(wú)源網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方案，射頻開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)天線波束選擇功能，無(wú)源網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)天線功率分配和移相功能，通過(guò)改變并聯(lián)的支路數(shù)量和接入主傳輸線的位置即可得到天線單元不同的輸入相位組合，從而控制天線波束的指向。該天線系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)天線波束覆蓋角域軸向±80°的低仰角覆蓋，克服了傳統(tǒng)的有源相控陣沿軸向的波束掃描范圍只能達(dá)到±60°覆蓋的缺陷。

在另一改進(jìn)型實(shí)施例二中，如圖2所示，有源多波束相控陣天線系統(tǒng)20包括：多個(gè)相控天線模塊201a、201b(此處以兩個(gè)為例)、以及多個(gè)天線選擇開(kāi)關(guān)202(此處以一個(gè)為例)，每個(gè)相控天線模塊中包括射頻前端單元(2012a、2012b)。與實(shí)施例一不同的是，本實(shí)施例二中，相控天線模塊(201a、201b)中可以包括多個(gè)陣列天線單元。例如，相控天線模塊201a中包括多個(gè)陣列天線單元2011a-1、2011a-2(此處以兩個(gè)為例)；相控天線模塊201b中包括多個(gè)陣列天線單元2011b-1、2011b-2(此處以兩個(gè)為例)。該相控天線模塊201a、201b進(jìn)一步包括天線選擇單元2013a、2013b，用于從所述多個(gè)陣列天線單元中選擇其一與該相控天線模塊內(nèi)的射頻前端單元2012a、2012b相連，如圖所示。

上面兩個(gè)實(shí)施例給出了如何實(shí)現(xiàn)天線波束覆蓋角域達(dá)到軸向±80°的低仰角覆蓋技術(shù)方案。圖3-6給出了應(yīng)用上述技術(shù)方案所實(shí)現(xiàn)的具體示例。如圖3所示，給出了示例性的有源多波束相控陣天線系統(tǒng)的接收鏈路組成框圖，相應(yīng)地，圖4給出了上述接收鏈路的布局框圖；圖5和圖6則分別給出了示例性的發(fā)射鏈路組成框圖和布局框圖。具體可參見(jiàn)圖中所示，在此不再贅述。

進(jìn)一步地，對(duì)于載體為環(huán)形結(jié)構(gòu)的情況，傳統(tǒng)的有源相控陣系統(tǒng)無(wú)法在載體結(jié)構(gòu)上沿軸向30mm高度以內(nèi)完成天線陣面、濾波器、T/R組件、波控電路和上/下變頻器的安裝。對(duì)此，本發(fā)明對(duì)有源相控陣天線做進(jìn)一步改進(jìn)，以滿足載體周向?qū)捊怯驋呙韪采w，而且易于與環(huán)形載體集成安裝。

具體而言，根據(jù)圓環(huán)形載體的外形結(jié)構(gòu)要求，需將整個(gè)系統(tǒng)安裝在與載體外形共形且軸向高度不超過(guò)30mm的空間內(nèi)。可以通過(guò)多邊形近似擬合所述圓環(huán)形載體的外形實(shí)現(xiàn)所述共形的設(shè)計(jì)。為了保證動(dòng)態(tài)載體在周向360°的天線波束的覆蓋，將陣列天線單元沿動(dòng)態(tài)載體周向均勻排布并與動(dòng)態(tài)載體共形，與陣列天線相連的射頻前端(例如功率放大器、低噪聲放大器、發(fā)射通道、接收通道等)以層疊方式安裝在所述陣列天線單元內(nèi)側(cè)，并以內(nèi)嵌方式安裝在與動(dòng)態(tài)載體共形的結(jié)構(gòu)件上。為了達(dá)到結(jié)構(gòu)上和集成化的要求，所述陣列天線單元采用背饋多層微帶和帶狀線集成的形式，結(jié)構(gòu)采用多層壓合集成設(shè)計(jì)。射頻前端單元的整體結(jié)構(gòu)采用內(nèi)嵌入設(shè)計(jì)，將其安裝在對(duì)應(yīng)陣列天線單元背面的結(jié)構(gòu)腔中。

在整體結(jié)構(gòu)上，可以將所述系統(tǒng)劃分為N個(gè)獨(dú)立組裝模塊，每個(gè)組裝模塊包括若干個(gè)相控天線模塊及相關(guān)聯(lián)的天線選擇開(kāi)關(guān)；所述N個(gè)獨(dú)立組裝模塊分別以內(nèi)嵌方式安裝，并沿所述載體周向排布且與載體共形。優(yōu)選地，所述N為4。示例性地，如圖7-9所示，圖7給出了一個(gè)獨(dú)立組裝模塊的外形結(jié)構(gòu)示意圖；圖8為N為4時(shí)，即系統(tǒng)由4個(gè)獨(dú)立組裝模塊構(gòu)成時(shí)的系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖9則給出了各組裝模塊與環(huán)形載體的安裝結(jié)構(gòu)示意圖。

本發(fā)明結(jié)合動(dòng)態(tài)載體本身的外形尺寸，將微帶陣列天線、射頻前端有效集成，形成一體化的共形結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)采用各模塊電性能級(jí)聯(lián)、外部結(jié)構(gòu)一體化的方式，達(dá)到了系統(tǒng)小型化集成設(shè)計(jì)的目的。其中，發(fā)射和接收相控陣天線由四層微帶介質(zhì)組成，自上而下，第一層為微帶天線，第二層和第三層組成帶狀線饋電網(wǎng)絡(luò)，第四層為過(guò)渡層。通過(guò)將多層板整體壓合，與饋電網(wǎng)絡(luò)和表貼電子開(kāi)關(guān)相連，最后形成了具有高集成度的小型化有源天線陣列。將天線陣列在動(dòng)態(tài)載體表面相應(yīng)位置沿著載體外形依次安裝，形成圓環(huán)共形結(jié)構(gòu)。另外，為保證系統(tǒng)整體的EMC特性并避免由于高增益引起自激，保證各部分電路間良好的隔離，需要將射頻前端的各個(gè)組成部分在結(jié)構(gòu)中進(jìn)行合理布局和布線。對(duì)于大功率器件需要良好散熱的，在結(jié)構(gòu)中設(shè)計(jì)相應(yīng)的散熱措施保證器件正常工作。

注意，上述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例及所運(yùn)用技術(shù)原理。本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)理解，本發(fā)明不限于這里所述的特定實(shí)施例，對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)能夠進(jìn)行各種明顯的變化、重新調(diào)整和替代而不會(huì)脫離本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，雖然通過(guò)以上實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了較為詳細(xì)的說(shuō)明，但是本發(fā)明不僅僅限于以上實(shí)施例，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的情況下，還可以包括更多其他等效實(shí)施例，而本發(fā)明的范圍由所附的權(quán)利要求范圍決定。