二维点阵式多波束相控阵及其设计方法与流程

1.本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种二维点阵式多波束相控阵及其设计方法。


背景技术：

2.随着相控阵雷达的不断发展，人们对天线波速控制的需求不断提高，对控制电路的研究也更加深入。多波束相控阵雷达通过同时形成多波束能实现快速扫描探测空域，并且还可以有效跟踪多个快速移动目标，是相控阵雷达一大优势。传统的多波束相控阵主要通过威尔金森结构等电长度相关尺寸的功分器实现信号的分配，随着波束的增加，这类功分器的分配网络会由于有多路走线且出现较多的交叉变得极为复杂，尺寸也成比例增加，这导致功率分配合成网络的尺寸会逐渐超过波束幅相控制单元，且插损成比例增加。
3.即使通过单片微波集成电路（mmic）技术能有效减小相控阵的尺寸，但是多波束功率合成网络随着波束增加，设计难度也在增加，且所占用面积会成为限制芯片小型化、降低成本的主要难点。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是传统的多波束相控阵随着波束的增加，功分器的分配网络会变的极为复杂，尺寸成比例增加，导致功率分配合成网络的尺寸会逐渐超过波束幅相控制单元，且插损成比例增加。
5.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种二维点阵式多波束相控阵，包括：多路并行的输入功分传输线、多路并行的输出功分传输线、多个幅相控制单元和多个可调电阻负载单元，其中，多路并行的输入功分传输线与多路并行的输出功分传输线交错排布，每路所述输入功分传输线分出多路输入线，每路所述输入线分别与一个所述幅相控制单元连接，每路所述输出功分传输线分出多路输出线，每路所述输出线分别与一个所述幅相控制单元连接，每个所述幅相控制单元分别与一路所述输入线和一路所述输出线连接，每路输入功分传输线输出端和每路输出功分传输线输入端分别与一个所述可调电阻负载单元连接。
6.优选地，所述输入功分传输线和所述输出功分传输线均包括互连传输段、负载吸收传输段和相位补偿传输段三种类型传输段；其中，所述互连传输段设置为特征阻抗为预设阻抗值的均匀传输段；所述负载吸收传输段用于与所述幅相控制单元连接，以使得所述负载吸收传输段和所述幅相控制单元连接整体的等效特征阻抗为预设阻抗值；所述相位补偿传输段用于对信号进行相位补偿，其特征阻抗为预设阻抗值。
7.优选地，所有所述输入功分传输线和所有所述输出功分传输线均为预设结构传输线，所述预设结构传输线的首段和尾段均设置为互连传输段，所述预设结构传输线的首段
和尾段之间设置有多段负载吸收传输段，相邻两段负载吸收传输段之间通过一段相位补偿传输段连接，每段所述负载吸收传输段中间分出所述输入线或所述输出线与所述幅相控制单元连接。
8.优选地，所述幅相控制单元包括依次连接的第一可调增益放大器、移相控制器和第二可调增益放大器。
9.优选地，所述幅相控制单元输入端与接地端之间连接有一个可调电容器，所述幅相控制单元输出端与接地端之间也连接有一个可调电容器。
10.优选地，所述可调电阻负载单元包括依次连接的电源供电网络、可调电阻器和旁路电容，其中所述电源供电网络用于隔离所述可调电阻负载单元输入信号中的交流信号并提供直流供电。
11.为了解决上述技术问题，本发明还提供了一种所述二维点阵式多波束相控阵的设计方法，包括：确定预设结构传输线的预设阻抗值；测量每个幅相控制单元的输入阻抗和输出阻抗，并基于每个所述幅相控制单元的所述输入阻抗和所述输出阻抗设计与每个所述幅相控制单元连接的负载吸收传输段，以使得每个所述幅相控制单元与与其输入端连接的负载吸收传输段为整体时等效输入特征阻抗为所述预设阻抗值，每个所述幅相控制单元与与其输出端连接的负载吸收传输段为整体时等效输出特征阻抗为所述预设阻抗值；对所有所述幅相控制单元进行摆放，测量每个所述负载吸收传输段与与其相连的所述幅相控制单元作为整体时信号经过所产生的相移，并分别基于所述相移对用于连接于对应所述负载吸收传输段输出端的相位补偿传输段进行设计；基于所有所述幅相控制单元的摆放顺序，对所有设计好的所述负载吸收传输段和所有设计好的所述相位补偿传输段对应进行连接，以形成多路并行的临时输入功分传输线和多路并行的临时输出功分传输线，多路并行的临时输入功分传输线和多路并行的临时输出功分传输线交错排布，同时每段所述负载吸收传输段中间分出输入线或输出线与所述幅相控制单元对应连接；对所有可调电阻器进行摆放，并基于所有所述可调电阻器的摆放、所有信号输入接口和所有信号输出接口，在每路所述临时输入功分传输线两端和每路所述临时输出功分传输线两端分别设计互连传输段，再将所有设计好的互连传输段分别与对应所述临时输入功分传输线和所述临时输出功分传输线进行连接，形成多路并行的输入功分传输线和多路并行的输出功分传输线；通过地屏蔽隔离方式对所有所述输入功分传输线和所述输出功分传输线的交错接口进行设置，以使得所有所述交错接口处的所述输入功分传输线和所述输出功分传输线的信号传输不受影响。
12.优选地，测量每个幅相控制单元的输入阻抗和输出阻抗，并基于每个所述幅相控制单元的所述输入阻抗和所述输出阻抗设计与每个所述幅相控制单元连接的负载吸收传输段，以使得每个所述幅相控制单元与与其输入端连接的负载吸收传输段为整体时等效输入特征阻抗为所述预设阻抗值，每个所述幅相控制单元与与其输出端连接的负载吸收传输段为整体时等效输出特征阻抗为所述预设阻抗值步骤还包括：
在部分或全部所述幅相控制单元的输入端与接地端之间以及输出端与接地端之间分别连接一个可调电容器，并对当前设计好的所述负载吸收传输段进行调整，以使得每个连接有可调电容器的所述幅相控制单元与与其输入端连接的负载吸收传输段为整体时等效输入特征阻抗为所述预设阻抗值，每个连接有可调电容器的所述幅相控制单元与与其输出端连接的负载吸收传输段为整体时等效输出特征阻抗为所述预设阻抗值。
13.优选地，还包括：在所有所述可调电阻器输入端分别连接一个电源供电网络，在所有所述可调电阻器输出端分别连接一个旁路电容。
14.优选地，所述相位补偿传输段由右手传输段和互连传输段设计而成。
15.与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：应用本发明实施例提供的二维点阵式多波束相控阵，多路并行的输入功分传输线和多路并行的输出功分传输线交错排布形成的功率分配网络穿插在幅相控制单元之间，有效避免了传统功分结构所占用面积，同时减小了幅相控制单元的输入输出匹配网络尺寸，除此之外还避免多路输入功分传输线或多路输出功分传输线的交叉设置，减小传输线交叉耦合所产生的干扰，以实现任意输入输出波束的集成，在单芯片集成中具有较大的优势和应用空间以应用于半导体领域。即本发明提供了一种尺寸较小、结构简单的二维点阵式多波束相控阵，有效提高了多波束相控阵芯片设计的集成度，降低成本，可广泛应用于射频/微波/毫米波频段的无线通信系统当中。
附图说明
16.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：图1示出了本发明实施例一二维点阵式多波束相控阵的结构示意图；图2示出了本发明实施例一中一种k波段4通道相控阵芯片的电路结构示意图；图3示出了本发明实施例一中k波段4通道相控阵芯片4个通道的增益示意图；图4示出了本发明实施例一中k波段4通道相控阵芯片4个通道的输入反射系数示意图；图5示出了本发明实施例一中k波段4通道相控阵芯片4个通道的输出反射系数示意图；图6示出了本发明实施例二二维点阵式多波束相控阵设计方法的流程示意图。
具体实施方式
17.以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
18.传统的相控阵单元主要以分立的形式实现，将幅相控制单元或者放大单元通过一个集成板实现连接。随着集成电路技术的发展，又发展出将多个幅相控制单元集成在单颗芯片，再通过集成板进行互连，大大降低了集成板的集成难度并降低整体阵列的成本。威尔
金森功分器以能实现信号的分配合成，以其结构简单，性能优良广泛应用在多路信号的合成和分配应用上。
19.针对新型雷达探测与通信一体化系统对集成度的要求，对功能芯片的集成要求变的更加苛刻。为了增加相控阵雷达的波束数量，单片集成更多通道可以有效降低装配复杂度，提高通道一致性，但由此提高了芯片集成复杂度。随着集成技术的发展，提出了单科芯片集成多路输入多路输出的需求，而传统的威尔金森功分器尺寸较大与电长度相关，而采用较为常用的1分2的威尔金森功分器实现多路合成会成倍的增加功分功和的面积，并且在版图上多路输入或者输出信号之间需要交叉走线，大大增加了布图的复杂度，减小了信号之间的隔离度。除此之外，威尔金森功分器实现多路信号分配时，每增加一级分配，输出每路信号会减少一半的能量信号，并且本身固有损耗也成比例增加。
20.实施例一为解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明实施例提供了一种二维点阵式多波束相控阵。
21.图1示出了本发明实施例一二维点阵式多波束相控阵的结构示意图；参考图1所示，本发明实施例二维点阵式多波束相控阵包括多路并行的输入功分传输线、多路并行的输出功分传输线、多个幅相控制单元和多个可调电阻负载单元。
22.其中，多路并行的输入功分传输线与多路并行的输出功分传输线交错排布形成功率分配网络。每路输入功分传输线可分出多路输入线，且每路输入线均与一个幅相控制单元输入端连接；每路输出功分传输线分出多路输出线，且每路输出线分别与一个幅相控制单元输出端连接。需要说明的是，一个幅相控制单元仅与一路输入线和一路输出线连接。且每路输入功分传输线输出端均与一个可调电阻负载单元相连，同理每路输出功分传输线输入端也均与一个可调电阻负载单元相连。上述功率分配网络的设置解决了在多波束相控阵电路中由于功率分配网络造成损耗增加以及面积过大结构复杂导致集成面积无法有效减小的问题。需要说明的是，输入线和输出线均为导线，其与传输线并不相同，因此在设计时无需考虑输入线和输出线的特征阻抗。
23.优选地，多路输入功分传输线等间距并行排布，且多路输出功分传输线等间距并行排布，多路输入功分传输线和多路输出功分传输线纵横交错形成二维点阵式功率分配网络，多个幅相控制单元等间距或不等间距设置。
24.进一步地，输入功分传输线和输出功分传输线均包括互连传输段、负载吸收传输段和相位补偿传输段三种类型传输段。互连传输段实质上为一段特征阻抗为预设阻抗值z0的均匀传输段，其可以将一个输入阻抗为预设阻抗值z0的点与另一个输入阻抗为预设阻抗值z0点连接而不发生反射，从而保证信号能良好的从一个点传输到另外一个点而不发生失真。负载吸收传输段为一种可吸收负载寄生的传输线，其用于与幅相控制单元连接，以使得负载吸收传输段和幅相控制单元连接整体的等效特征阻抗为预设阻抗值z0；即负载吸收传输段吸收幅相控制单元输入端或输出端的寄生负载后能等效为一段标准特征阻抗为预设阻抗值z0的传输线。同时为了适应版图布局，本发明还设置了相位补偿传输段，其特征阻抗也为预设阻抗值z0，主要用于实现信号的相位补偿；即当信号经过负载吸收传输段后会增加一个正向的延时相移，而相位补偿传输段则需要与其相反，当信号经过之后可产生一个负向的延时相移，以实现对相位的补偿。优选地，相位补偿传输段可以通过使用调整长度的
互连传输线与右手传输线或者高通结构连接实现相位的补偿。
25.更近一步地，本发明实施例中输入功分传输线和输出功分传输线均为预设结构传输线，预设结构传输线为：预设结构传输线的首段和尾段均设置为互连传输段，以实现与可调电阻负载单元以及信号输入端或信号输出端的连接；预设结构传输线的首段和尾段之间设置有多段负载吸收传输段，同时相邻两段负载吸收传输段之间通过一段相位补偿传输段连接，每段负载吸收传输段中间分出输入线或输出线与幅相控制单元连接，以实现将幅相控制单元加载在负载吸收传输段上。其中，信号输入端作为多波束相控阵的信号输入端口，信号输出端作为多波束相控阵的信号输出端口。
26.本发明实施例中的幅相控制单元可设置为多种结构，也可设置为一种结构。但每个幅相控制单元都独立集成了相位控制、幅度控制和增益放大功能。优选地，幅相控制单元的一种结构为：包括依次连接的第一可调增益放大器、移相控制器和第二可调增益放大器，移相器可实现幅相控制单元的幅度控制，第一可调增益放大器和第二可调增益放大器可实现幅相控制单元的幅度控制和增益放大功能；第一可调增益放大器输入端寄生负载可以等效为与接地端之间连接的第一电容，第二可调增益放大器输出端寄生负载也可以等效为与接地端之间连接的第二电容，即幅相控制单元输入阻抗和输出阻抗可分别等效为一个高阻并联一个电容的寄生负载模型；同时幅相控制单元的输入端通过一个可调电容器接地，幅相控制单元的输出端也通过一个可调电容器接地。
27.本发明实施例中的可调电阻负载单元可以馈电，其包括依次连接的电源供电网络、可调电阻器和旁路电容，其中电源供电网络用于隔离可调电阻负载单元输入信号中的交流信号并提供直流通路。
28.基于上述结构，本发明使用单片微波集成电路（mmic）技术设计了一款2进2出的双波束幅相控制阵列，如图2所示。图2示出了本发明实施例一中一种k波段4通道相控阵芯片的电路结构示意图；电路传输线采用了75欧特征阻抗的差分线，除去外围电源供电电路和输入输出的单转差巴伦，4通道尺寸包括功分功和的总尺寸在1.5mm
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1.4mm左右，具有极为紧凑的布图。图3示出了本发明实施例一中k波段4通道相控阵芯片4个通道的增益示意图；结合图3可看出4通道的增益一致性较好。图4示出了本发明实施例一中k波段4通道相控阵芯片4个通道的输入反射系数示意图；图5示出了本发明实施例一中k波段4通道相控阵芯片4个通道的输出反射系数示意图；图4和图5的结果显示具有较好的反射系数。因此可知相比传统的威尔金森功分网络，该结构更加简单，尺寸减小将近1/3，且随着通道数的增加优势更加明显。
29.本发明实施例二维点阵式多波束相控阵，解决了传统中采用威尔金森等电长度相关尺寸的功率分配网络造成的面积过大从而增加了制作成本的问题；且功率分配引入的损耗为一个固定损耗，解决了传统中采用威尔金森等分形结构产生与分配次数成比例的信号损失的问题，在多路信号合成/分配中具有较小的损耗；同时功率分配网络的排布形式尽可能的减少了传输线之间的交错互连，大大简化了布局难度和信号交叉产生耦合引入的干扰。
30.实施例二为解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明实施例提供了一种二维点阵式多波束相控阵。
31.图6示出了本发明实施例二二维点阵式多波束相控阵设计方法的流程示意图。该实施例中的二维点阵式多波束相控阵结构即为实施例一中所提供二维点阵式多波束相控阵，参考图6所示，本发明实施例二维点阵式多波束相控阵设计方法如下步骤。
32.步骤s201，确定预设结构传输线的预设阻抗值。
33.首先需确定预设阻抗值z0，以作为所有传输段特征阻抗的设计依据。进一步地，预设阻抗值z0的设计主要需考虑到与天线或者其他标准模块互连时需要的匹配阻抗以及传输损耗。
34.步骤s202，测量每个幅相控制单元的输入阻抗和输出阻抗，并基于每个幅相控制单元的输入阻抗和输出阻抗设计与每个幅相控制单元连接的负载吸收传输段，以使得每个幅相控制单元与与其输入端连接的负载吸收传输段为整体时等效输入特征阻抗为预设阻抗值z0，每个幅相控制单元与与其输出端连接的负载吸收传输段为整体时等效输出特征阻抗为预设阻抗值z0。
35.具体地，通过测量获取每个幅相控制单元的输入阻抗和输出阻抗，而后分别基于每个幅相控制单元的输入阻抗和输出阻抗设计与对应幅相控制单元连接的负载吸收传输段。进一步地，即通过测量获取某个幅相控制单元的输入阻抗和输出阻抗，而后基于该幅相控制单元的输入阻抗对用于与该幅相控制单元输入端连接的负载吸收传输段进行设计，具体为对该负载吸收传输段的特征阻抗和长度进行设计，以使得设计出的负载吸收传输段与上述幅相控制单元作为整体相连时，其整体的等效输入特征阻抗为预设阻抗值z0；同理基于该幅相控制单元的输出阻抗对用于与该幅相控制单元输出端连接的负载吸收传输段进行设计，即对对应负载吸收传输段的特征阻抗和长度进行设计，以使得设计出的负载吸收传输段与上述幅相控制单元作为整体相连时，其整体的等效输出特征阻抗为预设阻抗值z0。重复上述过程即可对所有与幅相控制单元相连的负载吸收传输段进行设计，以获取与每个幅相控制单元作为整体相连时等效输入特征阻抗为预设阻抗值z0的负载吸收传输段，以及与每个幅相控制单元作为整体相连时等效输出特征阻抗为预设阻抗值z0的负载吸收传输段。需要说明的是，当负载吸收传输段与幅相控制单元作为整体相连时，幅相控制单元是加载在负载吸收传输段中间位置的。
36.进一步地，在完成上述对所有负载吸收传输段的初始设计之后，在部分或全部幅相控制单元的两端与接地端之间还需连接可调电容器，即在部分或全部幅相控制单元的输入端和接地端之间连接有可调电容器，在部分或全部幅相控制单元的输出端和接地端之间也连接有可调电容器。此时具有可调电容器的幅相控制单元与可调电容器所在端所对应设计的负载吸收传输段作为整体时，等效输入特征阻抗或等效输出特征阻抗发生变化，此时就需要对相应负载吸收传输段的设计进行调整。进一步即在当前设计好的负载吸收传输段的基础上，对其特征阻抗和长度进行设计，以使得具有可调电容器的幅相控制单元与与其输入端连接的负载吸收传输段为整体时等效输入特征阻抗为预设阻抗值z0，具有可调电容器的幅相控制单元与与其输出端连接的负载吸收传输段为整体时等效输出特征阻抗为预设阻抗值z0。其中，接地端作为多波束相控阵的接地端口。
37.此时连接好的可调电容器与与其相连的幅相控制单元已成为一体，此后所述的幅相控制单元即包括连接有可调电容器的幅相控制单元和未连接可调电容器的幅相控制端单元。
38.步骤s203，对所有幅相控制单元进行摆放，测量每个负载吸收传输段与与其相连的幅相控制单元作为整体时信号经过所产生的相移，并分别基于相移对用于连接于对应所述负载吸收传输段输出端的相位补偿传输段进行设计。
39.具体地，对所有幅相控制单元等间距或不等间距进行设置，以确定幅相控制单元间距以及输入输出信号方向。而后分别测量每个负载吸收传输段与与其相连的幅相控制单元作为整体时信号经过所产生的相移，而后分别基于相移对用于连接于对应所述负载吸收传输段输出端的相位补偿传输段进行设计。即测量某幅相控制单元与设计与其输入端或输出端相连的负载吸收传输段作为整体时信号经过所产生的相移，而后基于该相移人为或通过一定机制确定对应的相位补偿量，再基于对应相位补偿量对用于与对应负载吸收传输段输出端相连的相位补偿传输段进行设计。重复上述过程即可完成对所有相位补偿传输段的设计。进一步优选地，相位补偿传输段由右手传输段和互连传输段设计而成，即通过使用具有超前相移特性的右手传输线和调整长度的互连传输线实现相移补偿。同时需要说明的是，所有设计的相位补偿传输段的特征阻抗均为预设阻抗值z0。
40.步骤s204，基于所有幅相控制单元的摆放顺序，对所有设计好的负载吸收传输段和所有设计好的相位补偿传输段进行连接，以形成多路并行的临时输入功分传输线和多路并行的临时输出功分传输线，且多路临时输入功分传输线和多路临时输出功分传输线交错排布。
41.具体地，基于幅相控制单元的摆放顺序确定输入输出信号方向，而后将所有设计好的负载吸收传输段分别与对应的幅相控制单元的对应端连接，并将所有设计好的相位补偿传输段与对应的负载吸收传输段连接，之后再依照输入输出信号方向将所有负载吸收传输段和相位补偿传输段按次序依次连接，以形成多路并行的临时输入功分传输线和多路并行的临时输出功分传输线。同时需要说明的是，所形成的多路临时输入功分传输线和多路临时输出功分传输线交错排布。
42.步骤s205，对所有可调电阻器进行摆放，并基于所有可调电阻器的摆放、所有信号输入接口和所有信号输出接口，在每路临时输入功分传输线两端和每路临时输出功分传输线两端设计连接互连传输段，再将所有设计好的互连传输段分别与对应临时输入功分传输线和临时输出功分传输线进行连接，形成多路并行输入功分传输线和多路并行输出功分传输线。
43.具体的，基于上述幅相控制单元的摆放顺序，以及每路输入功分传输线输出端和每路输出功分传输线输入端分别与一个可调电阻负载单元连接的设计要求，对所有可调电阻器进行摆放。在确定好所有可调电阻器的位置后，即可确定每路临时输入功分传输线和每路临时输出功分传输线与对应可调电阻器连接所需的互连传输段的长度。而后基于作为多波束相控阵信号输入端口的所有信号输入端的位置，设计每路临时输入功分传输线与对应信号输入端连接所需的互连传输段，同理基于作为多波束相控阵信号输出端口的所有信号输出端的位置，设计每路临时输出功分传输线与对应信号输出端连接所需的互连传输段。进一步将所有设计好的互连传输段分别与对应临时输入功分传输线和临时输出功分传输线进行连接，以形成多路并行输入功分传输线和多路并行输出功分传输线，且多路并行的输入功分传输线与多路并行的输出功分传输线交错排布。需要说明的是，由于互连线传输段为特征阻抗为预设阻抗值z0的均匀传输段，因此此处仅对互连传输段的长度进行设
计，不对互连传输段的特征阻抗进行设计。
44.步骤s206，根据需要，在每个可调电阻器输入端连接一个电源供电网络，在每个可调电阻器输出端连接一个旁路电容。
45.步骤s207，通过地屏蔽隔离方式对所有输入功分传输线和输出功分传输线的交错接口进行设置，以使得交错接口处的输入功分传输线和输出功分传输线的信号传输不受影响。
46.具体地，经过上述步骤的设置可以初步确定功率分配网络和幅相控制单元的位置及尺寸，然后通过地屏蔽隔离方式对所有输入功分传输线和输出功分传输线的交错接口进行设置，以使得两种传输线交错而过并有较好的匹配阻抗，即使得交错接口处的输入功分传输线和输出功分传输线的信号传输不受影响。最后形成一个完整的电路。
47.需要说明的是，步骤s206和步骤s207执行顺序可调换。
48.本发明实施例提供的二维点阵式多波束相控阵设计方法，多路并行输入功分传输线和多路并行输出功分传输线交错排布形成的功率分配网络穿插在幅相控制单元之间，减小了幅相控制单元的输入输出匹配网络尺寸，同时避免多路输入功分传输线或多路输出功分传输线的交叉设置，减小传输线交叉耦合所产生的干扰，以实现任意输入输出波束的集成，在单芯片集成中具有较大的优势和应用空间。即本发明提供了一种尺寸较小、结构简单的二维点阵式多波束相控阵，有效提高了多波束相控阵芯片设计的集成度，降低成本，可广泛应用于射频/微波/毫米波频段的无线通信系统当中。
49.虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。