一种低成本子阵数字化柱面有源相控阵的制作方法

1.本发明属于有源相控阵领域，涉及一种低成本子阵数字化柱面有源相控阵。


背景技术：

2.有源相控阵在雷达探测领域发挥着重要作用，其采用分布式有源收发电路架构，每个天线单元对应独立的有源收发通道，通过电控的方式改变波束指向及形状对目标区域进行扫描和覆盖，波束指向切换速度快、数据率高、波束赋形灵活，具有优异的技术性能和系统可靠性。
3.传统有源相控阵系统中，阵列天线单元与收发组件分立设计，采用绕线层实现射频互连，绕线层中连接器及电缆数量与阵列规模成正比，系统成本和复杂度随着阵列规模的增大而急剧增加。同时，为实现方位全向360
°
探测覆盖，往往需要3～4个平面相控阵组网使用。因此，有源相控阵难以同时兼具性能和成本两方面的优点。


技术实现要素：

4.为解决现有技术存在的难题，本发明提出了一种低成本子阵数字化柱面有源相控阵，包括n条模拟有源线阵、m个1切n/m路射频开关、m通道数字收发模块、波束控制模块和供电模块；其中，n、m、n/m均为正整数；所述n条模拟有源线阵安装于阵列骨架形成柱面阵，的各线阵的射频路与m个1切n/m路射频开关的分口相连；所述m个1切n/m路射频开关的总口与m通道数字收发模块相连，所述波束控制模块和供电模块为模拟有源线阵和射频开关提供供电控制与控制供电。
5.进一步地，所述n条模拟有源线阵按直立圆周排列固定在线阵安装骨架上形成圆柱状的柱面有源阵列，m个1切n/m路射频开关、m通道数字收发模块、波束控制模块和供电模块集成一体或分立安装于综合设备机箱内部。
6.进一步地，所述n条模拟有源线阵的射频路与m个1切n/m路射频开关相连具体为：m个1切n/m路射频开关的分口1分别连接第1条～第m条模拟有源线阵，m个1切n/m路射频开关的分口2分别连接第(1 m)条～第(m m)条模拟有源线阵，依次类推，m个1切n/m路射频开关的分口n/m分别连接第(1 m*(n/m-1))条～第(m m*(n/m-1))条模拟有源线阵。
7.进一步地，所述模拟有源线阵包括高低频混布有源电路、天线单元、电讯混装接口和壳体；高低频混布有源电路的有源射频收发由t/r芯片实现，t/r芯片为高集成射频有源电路，每个t/r芯片内集成数控模拟移相器和衰减器、接收低噪声放大器、发射功率放大器、和收发切换开关；所述t/r芯片与天线单元通过焊接玻珠实现射频收发互连，无其他互连电缆和连接器。
8.进一步地，电讯混装接口包括射频连接器和低频连接器，射频连接器经射频电缆、m个1切n/m路射频开关与m通道数字收发模块互连，低频连接器经低频电缆与波束控制模块和供电模块互连。
9.进一步地，通过m个1切n/m路射频开关实时的将m条模拟有源线阵1与m通道数字收
发模块选通进行发射和接收工作。
10.进一步地，结合方位向射频开关波束切换、方位向数字域收发波束扫描和俯仰向模拟有源线阵模拟移相器波束扫描，实现单套有源相控阵全空域波束扫描覆盖，方位向采用和-差比幅测角，俯仰向采用和-和比幅测角。
11.与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：
12.(1)本发明提出的有源相控阵省去了连接有源收发通道与天线单元的互连电缆和连接器，降低了成本，同时，互连损耗减小，降低了有源相控阵噪声系数，提高了雷达威力；引入射频开关实现方位波束扫描切换也极大的降低了数字收发等设备的通道规模，进一步降低了成本。
13.(2)本发明提出的有源相控阵结合射频开关波束切换、数字域波束扫描和模拟移相器波束扫描，实现单套有源相控阵全空域波束扫描覆盖。
14.(2)本发明提出的有源相控阵在方位向扫描时波束宽度和增益一致性好，可提高雷达不同探测角度下的精度和威力一致性；同时方位向收发单元级数字化，保留了数字化有源相控阵的抗干扰能力。
附图说明
15.图1为本发明实施例的系统架构示意图。
16.图2为本发明实施例的多通道高集成模拟有源线阵架构示意图。
17.图3为本发明实施例的柱面有源相控阵的实物的局部示意图。
18.图4为本发明实施例的多通道高集成模拟有源线阵的实物的示意图。
19.图5为本发明实施例的模拟有源线阵分组连接射频开关。
20.图6为本发明实施例的方位向和方向图。
21.图7为本发明实施例的方位向差方向图。
22.图8为本发明实施例的俯仰向方向图。
23.图9为本发明实施例的俯仰向扫描40
°
方向图。
24.图中的附图标记具体表示：
25.模拟有源线阵1、高低频混布有源电路11、天线单元12、电讯混装接口13、壳体14、综合设备机箱2、线阵安装骨架3。
具体实施方式
26.本技术实施例提出了一种低成本子阵数字化柱面有源相控阵，从架构层面降低雷达系统的成本并提升性能。
27.为了使本技术领域的人员更好地理解本技术方案，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
28.请参阅图1，本技术实施例中的一种低成本子阵数字化柱面有源相控阵的结构示意图，包括：
29.n条模拟有源线阵1、m个1切n/m路(n、m、n/m均为正整数)射频开关、m通道数字收发
模块、波束控制模块和供电模块。
30.所述n条模拟有源线阵1的射频路与m个1切n/m路(n/m为整数)射频开关的分口相连，具体地，m个射频开关的分口1分别连接第1条～第m条模拟有源线阵1，m个射频开关的分口2分别连接第(1 m)条～第(m m)条模拟有源线阵1，依次类推，m个射频开关的分口n/m分别连接第(1 m*(n/m-1))条～第(m m*(n/m-1))条模拟有源线阵1。
31.所述m通道数字收发模块、m个1切n/m路21、波束控制模块和供电模块全部安装在综合设备机箱2中，通过综合设备机箱2底部的面板接口和电缆与n条模拟有源线阵1实现高低频信号互连，如图3所示。
32.m个1切n/m路射频开关的总口分别与m通道数字收发模块相连，如图1所示，形成收发方位单元级数字化。
33.模拟有源线阵1的控制与供电、射频开关的控制与供电均由波束控制模块和供电模块提供。m通道数字收发模块、波束控制模块和供电模块接收雷达系统的控制、时钟和电源信号，如图1所示。
34.n条模拟有源线阵1通过线阵安装骨架3安装在综合设备机箱2上，阵面外形图如图3所示。所述n条模拟有源线阵1进行直立圆周排列形成圆柱状的柱面阵列，顺序编号1～n。
35.所述模拟有源线阵1由高低频混布有源电路11、天线单元12、电讯混装接口13、壳体14等组成，如图2所示。高低频混布有源电路11包含射频电路(包含tr芯片)、控制电路和供电电路等，进行pcb共板电路混布集成，如图2所示。
36.高低频混布有源电路11的有源射频收发由tr芯片实现，tr芯片为高集成射频有源电路，每个tr芯片内集成数控模拟移相器和衰减器、接收低噪声放大器、发射功率放大器、收发切换开关等，低耗自然冷却。tr芯片与天线单元12通过焊接玻珠实现射频收发互连，无其他互连电缆和连接器。
37.电讯混装接口13包括1个射频连接器和1个多芯低频连接器，射频连接器通过射频电缆、m个1切n/m路与m通道数字收发模块互连，低频连接器通过低频电缆与波束控制模块和供电模块互连。
38.所述低成本子阵数字化柱面有源相控阵通过射频开关在方位全向360
°
内实现n个波束分时切换，方位波束间隔360
°
/n，每个波束由相邻的m(m《n)个有源线阵形成，然后通过m通道数字收发模块在波束间隔360
°
/n内进行数字域连续扫描，最终可实现方位向探测全覆盖及波束赋形。
39.该有源相控阵通过模拟有源线阵1内各通道的模拟数控衰减器和移相器，实现收发波束俯仰向的连续扫描及波束赋形。
40.在方位向，即时工作的每条模拟有源线阵1连接m通道数字收发模块，可形成接收和方向图与接收差方向图，方位向采用接收和-差比幅测角；在俯仰向，仅形成接收模拟和方向图，采用不同波位的和-和比幅测角。
41.以下为本技术实施例提供的一种低成本子阵数字化柱面有源相控阵的应用例一。
42.低成本子阵数字化柱面有源相控阵的应用例一由48条8通道模拟有源线阵1、综合设备机箱2和线阵安装骨架3组成，直径1000mm，高度约640mm，其工作于s波段，中心工作频率3ghz。
43.所述应用例一的8通道模拟有源线阵1，通过1个高低频混装连接器13实现射频、电
源及控制信号传输，集成的天线单元12采用低剖面设计和独立罩体，天线单元12间距为75mm。
44.所述应用例一的模拟有源线阵1安装于线阵安装骨架3形成圆柱状的柱面有源阵列时，相邻两列模拟有源线阵1上下错位37.5mm，即1/2天线单元12间距。
45.所述应用例一的综合设备机箱2内包含1个12通道数字收发模块、2个射频开关组合(每个含6个1切4射频开关)、波束控制模块和供电模块(稳压滤波)等。
46.所述应用例一的模拟有源线阵1和综合设备机箱2内的设备均采用dc28v供电。
47.所述应用例一的12通道数字收发模块和波束控制模块接收雷达后端系统送来的控制光信号和80mhz时钟信号，12通道数字收发模块将控制光信号解析为ttl控制电信号自用，波束控制模块将控制光信号解析为差分控制电信号送模拟有源线阵1和射频开关组合实现波束扫描及赋形控制，80mhz时钟信号用于收发混频和同步等。
48.所述应用例一通过2个射频开关组合共12个1切4射频开关实时选通相邻的12条模拟有源线阵1与12通道数字收发模块进行发射与接收工作，滑窗式选通可实现方位向波束切换。如图5所示，第1个1切4射频开关连接第1、13、25、37条模拟有源线阵1，第2个1切4射频开关连接第2、14、26、38条模拟有源线阵1，依此类推。采用两路12位二进制码控制12个1切4射频开关的选通，2个射频开关组合的控制真值表如表1和表2所示。
[0049][0050][0051]
表1射频开关组合1控制关系表
[0052]
线阵\控制位d0d1d2d3d4d5d6d7d8d9d10d11线阵700//////////线阵1901//////////线阵3110//////////线阵4311//////////线阵8//00////////线阵20//01////////线阵32//10////////线阵44//11////////线阵9////00//////线阵21////01//////
线阵33////10//////线阵45////11//////线阵10//////00////线阵22//////01////线阵34//////10////线阵46//////11////线阵11////////00//线阵23////////01//线阵35////////10//线阵47////////11//线阵12//////////00线阵24//////////01线阵36//////////10线阵48//////////11
[0053]
表2射频开关组合2控制关系表
[0054]
所述应用例一相邻两条模拟有源线阵1圆周夹角为360
°
/48＝7.5
°
，意味着在方位向通过射频开关实现波束切换的跃度为7.5
°
，通过12个数字收发通道在7.5
°
内实现连续数字化波束扫描，进而实现方位向全向扫描。
[0055]
所述应用例一通过模拟有源线阵1各通道内的模拟移相器进行俯仰连续波束扫描。
[0056]
所述应用例一在方位向采用和差比幅测角，在俯仰向采用和和比幅测角，其方位向和差方向图如图6、图7所示，其俯仰向法向方向图和扫描40
°
方向图如图8、图9所示。
[0057]
本发明将有源电路与天线单元集成设计(焊接玻珠互连)，形成多通道模拟有源线阵，省去有源通道与天线单元的互连电缆和连接器，降低成本。其中，多条模拟有源线阵直立圆周排列形成柱面阵列，通过多路单刀多掷射频开关实现全部模拟有源线阵与少量数字收发通道互连，形成子阵数字化，降低数字收发等设备的通道规模，进一步降低成本。
[0058]
本发明通过焊接玻珠实现有源电路与天线单元互连可有效降低有源相控阵的接收噪声系数，提高雷达探测威力；同时结合射频开关波束切换、数字域波束扫描和模拟移相器波束扫描，实现单套有源相控阵全空域波束扫描覆盖。
[0059]
本技术的说明书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
[0060]
应当理解，在本技术中，“至少一个(项)”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，用于描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“a和/或b”可以表示：只存在a，只存在b以及同时存在a和b三种情况，其中a，b可以是单数或者复数。字
符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，“a和b”，“a和c”，“b和c”，或“a和b和c”，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。
[0061]
在本技术所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统和装置，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
[0062]
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
[0063]
另外，在本技术各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
[0064]
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本技术的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本技术各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(英文全称：read-onlymemory，英文缩写：rom)、随机存取存储器(英文全称：random access memory，英文缩写：ram)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0065]
以上所述，以上实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，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技术各实施例技术方案的精神和范围。