一种相控阵天线及电子设备的制作方法

1.本技术涉及通信领域，具体而言，涉及一种相控阵天线及电子设备。


背景技术：

2.相控阵天线的有源驻波是由于天线单元间能量互耦现象引起，这种互耦现象将导致天线单元驻波的恶化，即天线单元输入阻抗变化。进而导致天线单元与原级联电路之间发生阻抗失配，从而引起能量的损失。其次，由于相控阵天线的波束在工作时并不是固定的，当波束扫描时，互耦能量的幅度和相位都将发生变化，即天线单元的输入阻抗随波束扫描并不固定。对于有源相控阵天线，由于天线单元直接与功率放大器或低噪声放大器相连，变化的天线单元阻抗将引起放大器关键性能，如输出功率、效率以及噪声指标的额外恶化。


技术实现要素：

3.本技术的目的在于提供一种相控阵天线及电子设备，以至少部分改善上述问题。
4.为了实现上述目的，本技术实施例采用的技术方案如下：第一方面，本技术实施例提供一种相控阵天线，所述相控阵天线包括天线单元、有源电路、第一控制单元以及有源驻波调谐装置，所述有源驻波调谐装置包括阻抗调谐单元、反射系数检测单元以及第二控制单元；所述有源电路连接于所述阻抗调谐单元的第一端，所述天线单元连接于所述反射系数检测单元的第一端，所述阻抗调谐单元的第二端连接于所述反射系数检测单元的第二端，所述第二控制单元的第一端连接于所述第一控制单元，所述第二控制单元的第二端连接于所述反射系数检测单元的第三端，所述第二控制单元的第三端连接于所述阻抗调谐单元的第三端。
5.可选地，所述第二控制单元用于在接收到第一控制单元传输的波束切换命令后，向所述反射系数检测单元发送触发指令；所述反射系数检测单元用于再获取到所述触发指令后，采集第一采样信号和第二采样信号的幅相信息，并将采集到的幅相信息传输给所述第二控制单元；其中，所述第一采样信号为入射所述天线单元的采样信号，所述第二采样信号为所述天线单元的反射信号；所述第二控制单元用于基于所述第一采样信号和第二采样信号的幅相信息获取反射系数；其中，反射系数包括幅度比值和相位比值，所述幅度比值为所述第一采样信号的幅度和所述第二采样信号的幅度的比值，所述相位比值为所述第一采样信号的相位和所述第二采样信号的相位的比值；所述第二控制单元还用于基于所述反射系数生成调谐指令，并将所述调谐指令传输给所述阻抗调谐单元；所述阻抗调谐单元用于执行所述调谐指令。
6.可选地，所述阻抗调谐单元包括数控移相器、第一开关、第一电容以及第一电感；所述数控移相器的第一端作为所述阻抗调谐单元的第一端，连接于所述有源电路，所述数控移相器的第二端作为所述阻抗调谐单元的第二端，连接于所述反射系数检测单元的第二端；所述第一开关的第一端连接于所述数控移相器的第一端，所述第一开关的第二端悬空，所述第一开关的第三端连接于所述第一电容的第一端，所述第一开关的第四端连接于所述第一电感的第一端；所述第一电容的第二端和所述第一电感的第二端接地；所述数控移相器的第三端和所述第一开关的第五端均与所述第二控制单元的第三端连接。
7.可选地，所述调谐指令包括所述数控移相器的目标移相量和所述第一开关的开合指示信息，其中，所述开合指示信息表征所述第一开关中的第一端与第二端、第三端以及第四端之间的开合状态。
8.可选地，所述第一电容为可调电容，所述第一电感为可调电感，所述第一电容的第三端和所述第一电感的第三端均连接于所述第二控制单元的第三端。
9.可选地，在所述开合指示信息表征所述第一开关中的第一端与第三端闭合连接时，所述调谐指令还包括所述可调电容的目标电容值；在所述开合指示信息表征所述第一开关中的第一端与第四端闭合连接时，所述调谐指令还包括所述可调电感的目标电感值。
10.可选地，当所述反射系数表征所述天线单元处于匹配状态时，所述目标移相量为0，所述开合指示信息表征所述第一开关中的第一端与第二端闭合连接。
11.可选地，所述反射系数检测单元包括双定向耦合器和幅相检测器；所述双定向耦合器的第一端作为所述反射系数检测单元的第一端，连接于所述天线单元，所述双定向耦合器的第二端作为所述反射系数检测单元的第二端，连接于所述阻抗调谐单元的第二端；所述幅相检测器分别与所述双定向耦合器、所述第二控制单元连接。
12.可选地，所述第一控制单元用于在接收到上位机传输的波束扫描指令时，依据波束扫描指令对所述天线单元进行调节，在完成调节后，向所述第二控制单元发送波束切换命令。
13.第二方面，本技术实施例提供一种电子设备，所述电子设备包括上述的相控阵天线。
14.相对于现有技术，本技术实施例所提供的一种相控阵天线及电子设备，相控阵天线包括天线单元、有源电路、第一控制单元以及有源驻波调谐装置，有源驻波调谐装置包括阻抗调谐单元、反射系数检测单元以及第二控制单元；有源电路连接于阻抗调谐单元的第一端，天线单元连接于反射系数检测单元的第一端，阻抗调谐单元的第二端连接于反射系数检测单元的第二端，第二控制单元的第一端连接于第一控制单元，第二控制单元的第二端连接于反射系数检测单元的第三端，第二控制单元的第三端连接于阻抗调谐单元的第三端。通过有源驻波调谐装置实现天线单元与级联的有源电路之间的实时阻抗匹配，抑制相控阵天线的有源驻波，避免后级电路中放大器的性能出现恶化。避免了能量损失并且不需
要铁氧体材料实现，适合芯片化集成，适用于毫米波相控阵天线的应用。不受天线单元和天线阵列形式限制，理论上可以适用于任意相控阵天线阵列。
15.为使本技术的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
16.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它相关的附图。
17.图1为本技术实施例提供的相控阵天线的结构示意图；图2为本技术实施例提供的阻抗调谐单元的结构示意图；图3 a为本技术实施例提供的阻抗调谐单元对失配阻抗的调谐示意图之一；图3 b为本技术实施例提供的阻抗调谐单元对失配阻抗的调谐示意图之二；图3 c为本技术实施例提供的阻抗调谐单元对失配阻抗的调谐示意图之三；图4为本技术实施例提供的反射系数检测单元的结构示意图。
18.图中：10-有源电路；20-天线单元；30-第一控制单元；40-有源驻波调谐装置；401-第二控制单元；402-反射系数检测单元；403-阻抗调谐单元；402a-双定向耦合器；402b-幅相检测器。
具体实施方式
19.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
20.因此，以下对在附图中提供的本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
21.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本技术的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
22.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
23.在本技术的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
24.在本技术的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
25.下面结合附图，对本技术的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
26.目前抑制相控天线有源驻波的主要有以下两种可能的实现方式。
27.第一种，在天线单元与级联电路（有源电路）之间串联具有单向或定向传输的元器件，如隔离器、环行器。该方式的主要缺陷有以下几点：隔离器或环行器可以减少反射的能量进入放大器，保证天线单元的有源驻波变化尽可能不影响放大器性能。但是因失配引起的反射能量仍会被隔离器或环行器输送至吸收负载或接收通道，从而损失。
28.在收发半双工链路中，由于环行器需要将天线单元反射的能量输送至接收通道，所以接收通道将有被阻塞或烧毁的风险。
29.隔离器和环行器为铁氧体材料且通常体积较大，且隔离器和环行器与半导体芯片的生产工艺不同，因此无法与其他半导体电路集成与一颗芯片中。所以该方案并不合适随频率升高而尺寸减小的毫米波相控阵天线。
30.第二种，通过增大天线单元间距或采取隔离措施提高天线单元间隔离度, 该方式的主要缺陷有以下几点：性能局限性较大，增大天线单元间距虽然可以减小天线单元间能量的互耦，但是相控阵的波束扫描范围将随之减小。因此该方案适用范围有限。
31.工艺局限性较大，天线单元间的隔离措施通常由专门的隔离电路实现，例如，微带天线阵列通常采用接地过孔实现天线单元间隔离。随着频率升高，过孔间距需要更小，因此，过孔的加工工艺直接限制了隔离电路的最高频率。另外，天线单元形式多样，并不是所有天线单元形式都有与天线形式适合的隔离手段。
32.为了克服以上问题，本技术实施例提供了一种相控阵天线，以改善相控阵天线有源驻波的电路架构。该架构可以实现天线单元与级联电路之间的实时阻抗匹配。该架构避免了现有方案中的能量损失并且该架构中不需要铁氧体材料实现，适合芯片化集成，适用于毫米波相控阵天线的应用。该架构不受天线单元和天线阵列形式限制，理论上可以适用于任意相控阵天线阵列。
33.具体地，请参考图1，图1为本技术实施例提供的相控阵天线的结构示意图。如图1所示，相控阵天线包括天线单元20、有源电路10、第一控制单元30以及有源驻波调谐装置40，有源驻波调谐装置40串联在天线单元20和有源电路10之间。可选地，有源电路10包括放大器。
34.请继续参考图1，有源驻波调谐装置40包括阻抗调谐单元403、反射系数检测单元402以及第二控制单元401。
35.有源电路10连接于阻抗调谐单元403的第一端，天线单元20连接于反射系数检测单元402的第一端，阻抗调谐单元403的第二端连接于反射系数检测单元402的第二端，第二控制单元401的第一端连接于第一控制单元30，第二控制单元401的第二端连接于反射系数检测单元402的第三端，第二控制单元401的第三端连接于阻抗调谐单元403的第三端。
36.需要说明的是，有源驻波调谐装置40相对于隔离器或环行器，其不会将反射能量输送至吸收负载或接收通道，不会导致能量损失。也不会增加接收通道被阻塞或烧毁的风险。并且有源驻波调谐装置40可以采用芯片工艺生成，体积较小，可以与其他半导体电路集成与一颗芯片中，合适随频率升高而尺寸减小的毫米波相控阵天线。
37.还需要说明的是，采用本技术实施例提供的有源驻波调谐装置40进行阻抗匹配，不需要在单独进行隔离电路设置，或者不需要设置过孔间距非常小的接地孔，降低了其生产的难度，保障了相控阵天线的频率的扩展范围。有源驻波调谐装置40不受天线单元和阵列形式限制，可适用于任意形式的天线单元和天线阵列。
38.在一种可选的实施方式中，第二控制单元401用于在接收到第一控制单元30传输的波束切换命令后，向反射系数检测单元402发送触发指令。
39.反射系数检测单元402用于再获取到触发指令后，采集第一采样信号和第二采样信号的幅相信息，并将采集到的幅相信息传输给第二控制单元401。
40.其中，第一采样信号为入射天线单元20的采样信号，第二采样信号为天线单元20的反射信号。
41.第二控制单元401用于基于第一采样信号和第二采样信号的幅相信息获取反射系数。
42.其中，反射系数包括幅度比值和相位比值，幅度比值为第一采样信号的幅度和第二采样信号的幅度的比值，相位比值为第一采样信号的相位和第二采样信号的相位的比值。
43.第二控制单元401还用于基于反射系数生成调谐指令，并将调谐指令传输给阻抗调谐单元403。
44.阻抗调谐单元403用于执行调谐指令。
45.可选地，阻抗调谐单元403通过执行调谐指令，实现将已经失配的天线单元20调整为与另一端级联的有源电路10匹配的阻抗，即实现了有源驻波的调谐，消除了因有源驻波引起的天线单元20与有源电路10之间的失配问题。
46.应理解，阻抗调谐单元403是实现天线单元20有源驻波优化的核心微波电路单元。在图1的基础上，对于阻抗调谐单元的结构，本技术实施例还提供了一种可能的实现方式，请参考图2，图2为本技术实施例提供的阻抗调谐单元的结构示意图。
47.如图2所示，阻抗调谐单元403包括数控移相器s、第一开关k、第一电容c以及第一电感l。
48.数控移相器s的第一端作为阻抗调谐单元403的第一端，连接于有源电路10，数控移相器s的第二端作为阻抗调谐单元403的第二端，连接于反射系数检测单元402的第二端。
49.第一开关k的第一端k1连接于数控移相器s的第一端，第一开关k的第二端k2悬空，
第一开关k的第三端k3连接于第一电容c的第一端，第一开关k的第四端k4连接于第一电感l的第一端。
50.第一电容c的第二端和第一电感l的第二端接地。
51.数控移相器s的第三端和第一开关k的第五端均与第二控制单元401的第三端连接。
52.可选地，第二控制单元401的第三端包括多个子口，其中两个子口分别与数控移相器s的第三端和第一开关k的第五端连接，进而可以基于子口发送对应的指令，对数控移相器s和第一开关k进行控制。
53.在一种可选的实施方式中，调谐指令包括数控移相器s的目标移相量和第一开关k的开合指示信息，其中，开合指示信息表征第一开关k中的第一端与第二端、第三端以及第四端之间的开合状态。
54.在获取到调谐指令后，数控移相器s会将其移相量调整至目标移相量，第一开关k会按照开合指示信息对其开合状态进行调整。
55.可选地，通过改变数控移相器s的目标移相量和第一开关k的开合指示信息，可以完成天线单元20的输入阻抗匹配，改善优化有源驻波。
56.请继续参考图2，为了进一步提升阻抗匹配的效果，本技术实施例还提供了一种可能的实现方式，请参考下文。
57.第一电容c为可调电容，第一电感l为可调电感，第一电容c的第三端和第一电感的第三端均连接于第二控制单元401的第三端。
58.在一种可选的实施方式中，在开合指示信息表征第一开关k中的第一端k1与第三端k3闭合连接时，调谐指令还包括可调电容的目标电容值。
59.在获取到调谐指令后，第一电容c会将电容值调整至目标电容值。
60.在开合指示信息表征第一开关k中的第一端k1与第四端k4闭合连接时，调谐指令还包括可调电感的目标电感值。
61.在获取到调谐指令后，第一电感l会将电容值调整至目标电感值。
62.应理解，通过对电容值和电感值进行调整，提升阻抗匹配度，提升有源驻波的优化效果。
63.在一种可选的实施方式中，当反射系数表征天线单元20处于匹配状态时，目标移相量为0，开合指示信息表征第一开关k中的第一端与第二端闭合连接。
64.可选地，第二控制单元401可以基于幅度比值确定天线单元20是否处于匹配状态，例如，当幅度比值大于预设的比例阈值时，确定天线单元20未处于匹配状态。或者，基于相控阵天线的波束指向确定天线单元20是否处于匹配状态。例如，相控阵天线的波束指向法向时，天线单元20处于匹配状态，即不需要阻抗调谐单元403工作。此时阻抗调谐单元403中的移相器移相量为0
°
，第一开关k切换至开路，即第一开关k的第一端k1和第二端k2闭合连接。第一开关k可以但不限定采用单刀三掷开关。
65.可选地，关于如何实现阻抗匹配，本技术实施例还提供了一种可选的实现方式，具体请参考图3a、图3b以及图3c，图3 a为本技术实施例提供的阻抗调谐单元对失配阻抗的调谐示意图之一，图3 b为本技术实施例提供的阻抗调谐单元对失配阻抗的调谐示意图之二，图3 c为本技术实施例提供的阻抗调谐单元对失配阻抗的调谐示意图之三。根据经典微波
电路理论和smith圆图，当天线单元20出现阻抗失配时，其输入阻抗将在smith圆图上偏离50ohm，并可能出现在圆图的任意区域。因此，失配阻抗先经过阻抗调谐单元403的移相器，移相器将该阻抗先调整至导纳为1的导纳圆上，再通过并联电感或并联电容实现失配阻抗回归至50ohm。最终实现对有源驻波的调谐。
66.图3a、图3b以及图3c中的圆图横轴的数字表示输入阻抗的实部，即电阻值，例如图中的5.0、2.0、1.0、0.5以及0.2；围绕圆外的数字表示输入阻抗的虚部，即电抗值，例如图中的5.0j、2.0 j、1.0 j、0.5 j、0.2 j、-5.0j、-2.0 j、-1.0 j、-0.5 j、-0.2 j。
67.在图1的基础上，对于反射系数检测单元402，本技术实施例还提供了一种可能的实现方式，请参考图4，图4为本技术实施例提供的反射系数检测单元的结构示意图。
68.如图4所示，反射系数检测单元402包括双定向耦合器402a和幅相检测器402b。
69.双定向耦合器402a的第一端作为反射系数检测单元402的第一端，连接于天线单元20，双定向耦合器402a的第二端作为反射系数检测单元402的第二端，连接于阻抗调谐单元403的第二端。
70.幅相检测器402b分别与双定向耦合器402a、第二控制单元401连接。
71.双定向耦合器402a和幅相检测器402b可以但不限定于采用ad9032芯片实现。
72.通过双定向耦合器402a可以获取第一采样信号和第二采样信号，双定向耦合器402a可以将获取到的第一采样信号和第二采样信号传输给幅相检测器402b，以获取第一采样信号和第二采样信号的幅相信息。幅相信息包括幅度信息和相位信息。
73.幅相检测器402b可以将获取到的第一采样信号和第二采样信号的幅相信息传输给第二控制单元401，第二控制单元401可以基于第一采样信号和第二采样信号的幅相信息计算出反射系数，进而进行调谐控制。第二控制单元401还可以基于第一采样信号和第二采样信号的幅相信息获取天线单元20的有源组播，表征天线单元20的输入阻抗，进而基于此生成调谐指令，完成调谐控制。
74.在一种可选的实施方式中，第一控制单元30用于在接收到上位机传输的波束扫描指令时，依据波束扫描指令对天线单元20进行调节，在完成调节后，向第二控制单元401发送波束切换命令。
75.应理解，调节天线单元20会改变天线单元20的反射系数，具体地，会改变有源驻波，改变输入阻抗，所以需要重新进行阻抗适配。
76.综上所述，本技术实施例提供了一种相控阵天线，相控阵天线包括天线单元、有源电路、第一控制单元以及有源驻波调谐装置，有源驻波调谐装置包括阻抗调谐单元、反射系数检测单元以及第二控制单元；有源电路连接于阻抗调谐单元的第一端，天线单元连接于反射系数检测单元的第一端，阻抗调谐单元的第二端连接于反射系数检测单元的第二端，第二控制单元的第一端连接于第一控制单元，第二控制单元的第二端连接于反射系数检测单元的第三端，第二控制单元的第三端连接于阻抗调谐单元的第三端。通过有源驻波调谐装置实现天线单元与级联的有源电路之间的实时阻抗匹配，抑制相控阵天线的有源驻波，避免后级电路中放大器的性能出现恶化。避免了能量损失并且不需要铁氧体材料实现，适合芯片化集成，适用于毫米波相控阵天线的应用。不受天线单元和天线阵列形式限制，理论上可以适用于任意相控阵天线阵列。
77.可选地，本技术实施例还提供了一种电子设备，电子设备包括上述的相控阵天线。
该电子设备可以是卫星通信终端、卫星基站以及其他通信设备等等。
78.以上所述仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。
79.对于本领域技术人员而言，显然本技术不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本技术的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本技术。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本技术的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本技术内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。