基于两级时延的宽带两维有源时控阵列的制作方法

1.本发明专利涉及宽带天线阵列领域，尤其是电子战系统中的宽带有源天线阵列，具体是基于两级时延的宽带两维有源时控阵列。


背景技术：

2.为了适应复杂电磁环境条件下、小平台电子战系统对多种电子信号的侦收及干扰需求，急需开发能够满足大瞬时带宽、大角度扫描等技术要求的宽带有源天线阵列。基于移相器的常规相控阵天线阵列，其工作带宽受到孔径尺寸和波束扫描范围的限制，不能满足大瞬时带宽、大角度扫描的要求。
3.参考《宽带相控阵雷达》(王德纯著，国防工业出版社)第4.3节的内容，常规相控阵天线阵列的带宽扩展技术可归纳为2种，1)单元级时间延迟技术；2)单元级移相 子阵级时间延迟技术。
4.发明人在实现本发明的过程中发现常规相控阵天线阵列的带宽扩展技术问题在于：1)方法1中采用的延时线数量为n
×
n，且每路延时线的电长度均达到全阵扫描的最大延时，导致系统损耗大、成本高，且为了补偿各路延时线的损耗，需引入的放大器多，使得系统功耗增加明显；2)方法2只能在一定程度上扩展工作带宽，在孔径尺寸一定的情况下，随着工作带宽增大，子阵划分的规模线性减少，趋向于方法1的实现方式；因此，也存在由延时线引入的系统损耗大、成本高等问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的就是解决上述技术问题，提供基于两级时延的宽带两维有源时控阵。
6.本发明采用以下技术方案实现：
7.基于两级时延的宽带两维有源时控阵列，其包括宽带行线源、宽带t/r组件、多功能延时放大组件、控制单元、校正网络及子阵网络；所述宽带行线源完成6倍频宽带电磁波信号的接收和辐射；同时，提供内校正的信号耦合通路；整个阵列包含n(n≥16)个宽带行线源；所述宽带t/r组件完成接收信号的初级合成或发射信号的末级功分，收发开关及极化开关切换，接收信号限幅低噪声放大或发射信号功率放大，以及收发信号的幅度控制、精细延时调整等功能；整个阵列包含n2/4个宽带t/r组件；所述多功能延时放大组件实现接收信号的次级合成或发射信号的次级功分、双向放大，收发开关切换及大步进延时调整；还具有电源稳压、滤波处理、低频控制信号分配等功能；采用光纤控制接口，便于实现码值的快速分发；整个阵列包含n2/64个多功能延时放大组件；所述控制单元接收外部输入的控制指令，产生宽带t/r组件及多功能延时放大组件内部的衰减、延时码值控制时序，实现波束的加权和扫描；产生宽带t/r组件及多功能延时放大组件内部的收发开关、极化开关控制时序，实现收发功能切换、天线单元馈电的极化切换；所述校正网络将阵列的接收校正信号分配到各个宽带行线源，或将各个宽带行线源输出的发射校正信号进行合成；所述子阵网络用于
实现多功能延时放大组件输出信号的接收合成或将发射信号功分到各个多功能延时放大组件。
8.所述宽带行线源包括：n个紧耦合天线单元和1个串馈网络，天线单元与串馈网络一体化设计，采用多层微波板集成，重量小、成本低。
9.所述宽带t/r组件包括功放开关芯片、限幅低噪放芯片、多功能延时芯片及互连基板；所述功放开关芯片将功放和开关一体化设计，实现发射信号的功率放大，收发开关切换和极化开关切换；所述限幅低噪放芯片将限幅器和低噪放一体化设计，实现接收通道的保护和接收信号的低噪声放大；所述多功能延时芯片将双向放大器、衰减器和延时线一体化设计，实现收发双向放大、收发开关切换、收发信号的幅度控制及精细延时调整；所述互连基板实现信号的功分或合成，电源及控制信号分配；组件采用4通道集成，去除了常规的移相器配置，简化系统设计；且多功能延时芯片设定的延时线的电长度大于宽带t/r组件对应天线规模(4个单元)的阵列扫描要求，简化多功能延时放大组件的设计。
10.所述多功能延时放大组件包括延时放大模块及多功能板；所述延时放大模块包括功分/合路器、双向放大器及延时线等芯片，实现射频信号的接收合成/发射功分、双向放大、收发开关切换及大步进延时调整；所述多功能板包括射频功分/合成网络、电源分配网络及fpga、光模块等，实现对射频信号功分或合成，完成电源稳压、滤波处理，与控制单元通信并将低频控制信号分配到宽带t/r组件；组件采用16通道集成，且得益于t/r组件的延时线“冗余”设计，16通道中仅需要4路使用延时线；延时放大模块设定的延时线的电长度大于多功能延时放大组件对应天线规模(64个单元)的阵列扫描要求；简化子阵网络的设计。
11.所述控制单元采用全光高速通信接口实现n2/4个宽带t/r组件和n2/64个多功能延时放大组件的监控，通信速率高、抗干扰性能好。
12.所述校正网络实现内校正信号的1:n分配或n:1合成，基于1:2功分器芯片实现，体积小、重量轻，便于集成。
13.所述子阵网络实现4路宽带信号合成或分配；采用无源网络实现，且不需要增加延时线，设计简单、易于实现。
14.所述阵列的两级延时设计步骤如下：1)根据阵列规模，计算最大扫描角度对应的延时电长度；2)以最高工作频率为基准，将最大延时电长度折算为总相位；3)根据总相位，分配1级子阵的相位；将1级子阵的相位映射到各个多功能延时放大组件的延时线配置；4)将总相位减去1级子阵的相位，得到单元级的相位；将单元级相位映射到各个宽带t/r组件的延时线配置；5)计算多个扫描角度的方向图，判断步骤3)、4)的分配是否合理，若合理，则得出多功能延时放大组件和宽带t/r组件的延时设计值；若不合理，则重复步骤3)、4)和5)。
15.作为优化的技术方案，所述步骤3)和4)的两级延时的设计如下：
16.(1)宽带t/r组件内，每个通道通过多功能延时芯片配置1路高精度延时线，步进为0.03125λ@12ghz，且对延时线的电长度进行“冗余”设计，满足方位
±
45
°
及俯仰
±
30
°
扫描角度条件下、4
×
4个单元需要的延时电长度；
17.(2)在多功能延时放大组件内，每4个通道先直接合成，再配置1路大步进延时线，步进为0.25λ@12ghz，满足方位
±
45
°
及俯仰
±
30
°
扫描角度条件下、16
×
16个单元需要的延时电长度。
18.本发明的有益效果在于：1)相比常规设计，去除移相器配置，采用纯延时技术的时
控阵，使得系统工作带宽几乎不受孔径尺寸和扫描范围的限制；2)该设计从总体上采用2级延时，单元级采用精细延时、1级子阵采用大步进延时，延时线总长度大幅减少，既可保证系统指标实现，又能降低功耗、成本。
附图说明
19.图1是本发明实施例的基于两级时延的宽带两维有源时控阵列；
20.图2是本发明实施例中的宽带行线源；
21.图3是本发明实施例中的宽带t/r组件；
22.图4是本发明实施例中的多功能延时放大组件；
23.图5是本发明实施例中的延时设计步骤；
24.图6是本发明实施例中的2ghz频点波束扫描效果图；
25.图7是本发明实施例中的12ghz频点波束扫描效果图；
具体实施方式
26.为使本领域技术人员能够更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
27.本发明提供基于两级时延的宽带两维有源时控阵列，如图1所示，包括16个宽带行线源1、64个宽带t/r组件3、4个多功能延时放大组件4、1个子阵网络5、1个控制单元6和1个校正网络7；冷板、电源等附属设备不再描述；
28.16个所述宽带行线源1按照天线单元间距依次排列，完成6倍频宽带电磁波信号的接收和辐射，同时，提供内校正的信号耦合通路。
29.所述宽带t/r组件3完成接收信号的初级合成或发射信号的末级功分，收发开关及极化开关切换，接收信号限幅低噪声放大、发射信号功率放大，以及收发信号的幅度控制、精细延时调整等功能。
30.所述多功能延时放大组件4实现接收信号的次级合成或发射信号的次级功分、双向放大，收发开关切换及大步进延时调整，还具有电源稳压、滤波处理、低频控制信号分配等功能，采用光纤控制接口，便于实现码值的快速分发。
31.所述控制单元6接收外部输入的控制指令，产生宽带t/r组件3及多功能延时放大组件4内部的衰减、延时码值控制时序，实现波束的加权和扫描；产生宽带t/r组件3及多功能延时放大组件4内部的收发开关、极化开关控制时序，实现收发功能切换、天线单元馈电的极化切换。
32.所述校正网络7将阵列的接收校正信号分配到各个宽带行线源1，或将各个宽带行线源1输出的发射校正信号进行合成。
33.所述子阵网络5用于实现多功能延时放大组件4输出信号的接收合成或将发射信号功分到各个多功能延时放大组件4。
34.同时参阅图2，所述宽带行线源1包括：16个紧耦合天线单元101和1个串馈网络102。所述紧耦合天线单元101完成6倍带宽(如2-12ghz)、方位
±
45
°
及俯仰
±
30
°
范围内电磁波信号的接收和辐射。所述串馈网络102用于将接收校正信号耦合分配到各个宽带t/r组件3，或耦合各个宽带t/r组件3的发射校正信号并合成输出。16个紧耦合天线单元101与1个
串馈网络102一体化设计，采用多层微波板集成，重量小、成本低。
35.同时参阅图3，所述宽带t/r组件3采用4通道集成，每个通道包括：1个功放开关芯片301、1个限幅低噪放芯片302、1个多功能延时芯片303。4个通道装配在1个互联基板304上。每个通道内：功放开关芯片301的接收输出端连接到一个限幅低噪放芯片302的输入端，限幅低噪放芯片302的输出端连接一个多功能延时芯片303的接收输入端，多功能延时芯片303的发射输出端连接功放开关芯片301的输入端。
36.所述功放开关芯片301实现发射信号的功率放大、收发切换和极化切换；所述限幅低噪放芯片302实现接收通道的保护和接收信号的低噪声放大；所述多功能延时芯片303实现收发双向放大、收发切换、幅度控制及精细延时调整；所述互联基板304实现信号的1:4功分或4:1合成，电源及控制信号分配。所述互联基板304优选为陶瓷基板。
37.参阅图4，所述多功能延时放大组件4包括：1个延时放大模块401及1个多功能板402。所述延时放大模块401包括4通道的1:4功分/4:1合路器、双向放大器及延时线等芯片，16路射频信号经过4个4:1合路器后合成4路射频信号，4路射频信号分别经过双向放大器和延时线后输出，或者4路射频信号分别经过延时线和双向放大器后，进入4个1:4功分器，分成16路射频信号，实现射频信号的功分/合成、双向放大、收发开关切换及大步进延时调整，所述延时放大模块401采用多芯片集成封装(sip)设计，焊接装配到多功能板402上；所述多功能板402包括射频功分/合成网络、电源分配网络及fpga、光模块等，采用微波、数字复合板材层压实现，对射频信号进行1:4功分或4:1合成，完成电源稳压、滤波处理，采用低功耗fpga 光模块与控制单元6通信并将低频控制信号分配到宽带t/r组件3。
38.所述多功能延时放大组件4采用16通道集成，且得益于宽带t/r组件3的“冗余”设计，16通道中仅需要4路使用延时线；且延时线长度大于多功能延时放大组件4对应规模的阵列扫描要求；简化子阵网络的设计。
39.参见图5，所述基于两级时延的宽带两维有源时控阵列的两级延时设计步骤如下：
40.1)根据阵列规模，计算最大扫描角度对应的延时电长度；
41.2)以最高工作频率为基准，将最大延时电长度折算为总相位；
42.3)根据总相位，分配1级子阵的相位；将1级子阵的相位映射到各个多功能延时放大组件4的延时线配置；
43.4)将总相位减去1级子阵的相位，得到单元级的相位；将单元级相位映射到各个宽带t/r组件3的多功能延时芯片303的延时线配置；
44.5)计算多个扫描角度的方向图，判断步骤3)、4)的分配是否合理，若合理，则得出多功能延时放大组件4和宽带t/r组件3的延时设计值；若不合理，则重复步骤3)、4)和5)。
45.两级延时的设计结果如下：1)在宽带t/r组件3内，每个通道通过多功能延时芯片303配置1路高精度延时线，步进为0.03125λ@12ghz，且对延时线的电长度进行“冗余”设计，满足方位
±
45
°
及俯仰
±
30
°
扫描角度条件下、4
×
4个单元需要的延时电长度；2)在多功能延时放大组件4内，每4个通道先直接合成，再配置1路大步进延时线，步进为0.25λ@12ghz，满足方位
±
45
°
及俯仰
±
30
°
扫描角度条件下、16
×
16个单元需要的延时电长度；
46.还值得说明的是，本实例提供的基于两级时延的宽带两维有源时控阵列，其工作频率范围为2ghz-12ghz，以方位45
°
、俯仰30
°
为例，图6和图7分别给出了2ghz和12ghz的扫描方向图。
47.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。