CN113948879B - 模块化相控阵天线装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种模块化相控阵天线装置，可维修性好、更换成本低，故障检测率高。本发明通过下述技术方案实现：插装母板通过多层PCB实现每个最小模块单元所需的电源网络、馈电网络、波控网络的均匀分布，为最小模块单元工作提供所需电源和控制信号；每个最小模块单元的4个移相器芯片以SMP连接器为直角坐标系的原点，沿X轴方向的距离dx和沿Y轴方向的距离dy分隔，并且每片移相器芯片集成了实现收发信号相位控制功能的4路6位数控移相、威尔金森功分器、放大器和24位串并转换驱动器；波控母板上的波控电路实现收发信号的幅相控制，校准电路根据每个通道的差异性实现幅相校准，电源电路给波控母板以及最小模块单元提供所需工作电源。

Description

模块化相控阵天线装置

技术领域

本发明涉及卫星通信领域一种相控阵天线，更具体地涉及一种模块化相控阵天线。

背景技术

在卫星通信领域，毫米波有源相控阵天线与传统的动中通天线相比，没有体积庞大的伺服跟踪系统，波束速度快、方向可控、可实时跟踪卫星，并且重量轻，可进行大批量生产；毫米波有源相控阵天线不含活动部件，可靠性极佳，即便阵列中少数天线单元失效，天线总体性能也不会受到影响。相控阵天线指的是通过控制阵列天线中辐射单元的馈电相位来改变方向图形状的天线。控制相位可以改变天线方向图最大值的指向，以达到波束扫描的目的。在特殊情况下，也可以控制副瓣电平、最小值位置和整个方向图的形状，例如获得余割平方形方向图和对方向图进行自适应控制等。它的馈电相位一般用电子计算机控制，相位变化速度快(毫秒量级)，即天线方向图最大值指向或其他参数的变化迅速。这是相控阵天线的最大特点。相控阵天线的波束图变化是通过计算机控制的，它的天线参数会随着波束扫描角的变化而变化，此外相控阵天线的结构参数也会影响天线的波束方向图形状，(阵元间距、阵元排列形式，馈电系统等参数。馈电结构通过馈电网络来激励阵元复电流，从而控制波束指向和形状。初级馈源辐射出的电磁波经透镜控制阵列得到相位激励(空间透镜)。空间透镜反射阵，两图波前的方向不同；透镜具有相移功能。天线的模块化特性和曲面的适应能力使得其可以适用于汽车、船只、火车、公共汽车和飞机等载体。这一新系统及其对更高的毫米波频段的扩展能力也使其在将来可以在5G及毫米波汽车雷达等电信领域得到应用。相控阵天线是目前卫星移动通信系统中最重要的一种天线形式，由三个部分组成：天线阵、馈电网络和波束控制器。Ku频段一维相控阵天线主要实现信号的产生与定向放大，以及信号定向接收并实现放大和变频。整个天线包含天线阵面、TR组件、波束控制、电源转换、变频模块和信号产生模块。采用CMOS SOC芯片结合砷化镓芯片的方式来实现瓦片式结构。由于传输业务需求的增长，现有的C波段和Ku波段卫星通信系统已不能提供足够的带宽满足卫星通信业务量的不断增长，Ka频段卫星通信系统的发展是卫星通信发展的一个重要方向和趋势。Ka相控阵天线接收天地基测控模块发来的指向角信息，使天线的合成方向图对准中继卫星来建立返向传输链路，从而实现天线±60°的波束覆盖范围。Ka频段卫星通信相控阵天线子阵包含接收子阵和发射子阵两种产品。子阵均采用16×16通道的架构方式，将天线、收发芯片、电源转换和波束控制集成在同一张PCB上。它采用自研的四合一CMOS多功能芯片分别集成接收通道和发射通道，单通道集成幅相控制与信号放大。收发天线子阵除了实现每个通道的功率分配、幅相控制、增益放大功能外，集成了子阵的波束解算功能。子阵采用3.3V供电的方式实现内部各通道电源，子阵对外通信采用SPI协议来进行指令传递与数据的传输。子阵配备波控缓存器，提前预置波控码，采用全局加载信号进行加载控制减小波束转换时间。Ka频段小型化相控阵天线结构紧凑，扫描速度快，可靠性高，可实现模块化设计，无论在雷达技术还是在移动卫星通信应用中，都具有巨大的优越性。随着馈电网络的低损耗技术，电控移相器小型化和低损耗技术的发展，Ka频段相控阵天线的应用也越来越广泛。相控阵天线主要由天线罩、天线阵面、TR组件、散热装置、馈电网络、波控器以及电源等组成。在设计中，相控阵天线结构集成方式可分为纵向集成横向组装的“砖式”结构和横向集成纵向组装的“瓦式”结构。两种结构各有优缺点，有不同的使用场景。Ka频段双极化瓦片式相控阵天线集成了天线阵面、TR通道、波控模块、散热模块、电源模块和馈电网络。采用自研硅基多功能芯片结合砷化镓TR芯片的方式实现毫米波信号与数字控制部分的集成，同时采用混合封装的方式将TR芯片与多功能芯片集成一体，实现表贴的安装方式。在Ka频段采用简单的一体化“砖式”结构集成方式时，随着该频段阵列规模越来越大，单套砖式天线成本也越来越高，传统方式的一体化Ka波段相控阵列模块设计天线不仅维修更换成本高，而且加工设计周期也比较长。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种可维修性好、更换成本低，故障检测率高，通用性、复用性好的模块化相控阵天线装置，主要通过对天线阵面和TR组件的模块化设计，并配套相应的波控器和馈电网络，克服传统一体化结构维修更换成本高、设计周期长等问题。

本发明的上述目的可以通过以下措施来达到，一种模块化相控阵天线装置，包括：划分为按矩阵阵列分布在插装母板2模块化天线阵面上的4×4最小模块单元1，采用连接器和插装母板2完成并行对插的波控母板3及其设置其上的功能电路，其特征在于：4x4阵元个阵元模块化构成相控阵天线阵面最小单元模块1，插装母板2通过多层PCB实现每个最小模块单元1所需的电源网络、馈电网络、波控网络的均匀分布，为最小模块单元1工作提供所需电源和控制信号；每个最小模块单元1的4个移相器芯片以SMP连接器为直角坐标系的原点，沿X轴方向的距离dx和沿Y轴方向的距离dy分隔，而距离最小模块单元1四周板边距分别为dx/2和dy/2；4个移相器芯片表贴在最小模块单元1直角坐标系四个象限上的正面，并且每片移相器芯片集成了实现收发信号相位控制功能的4路6位数控移相、威尔金森功分器、放大器和24位串并转换驱动器，馈电网络采用威尔金森并联馈电网络，通过SMP连接器对插连接到插装母板2，移相器所需要的低速控制信号及电源通过插针类连接器连接到插装母板2，通过位于最小模块单元1上下两侧的低频连接器传输信号；波控母板电路由波控电路、校准电路和电源电路构成，波控电路实现发射信号的幅相控制，校准电路根据每个通道的差异性实现幅相校准，电源电路给波控功能电路以及最小模块单元1提供所需的电源，完成后端控制和能量输送。

本发明相比于现有技术具有如下的有益效果：

可维修性好、更换成本低。本发明采用划分为按矩阵阵列分布在插装母板2模块化天线阵面上的4×4最小模块单元1，采用连接器和插装母板2完成并行对插的波控母板3及其设置其上的功能电路，模块化、一致性和适应性强。以最小模块单元的16阵元支持多次更换，具有灵活度高，可以方便维修或者更换最小模块单元，而不是更换整个相控阵天线，因此更换成本也比较低。如果相控阵天线系统中出现TR组件故障，可以通过校准电路锁定故障的最小模块单元，可定位性和可维修性更强。

故障检测率高，可定位性强。本发明采用4×4最小单元模块1和TR组件一起模块化组成16个阵元，16个阵元模块化构成相控阵天线阵面，插装母板2通过多层PCB实现每个最小模块单元1所需的电源网络、馈电网络、波控网络的均匀分布，为最小模块单元1工作提供所需电源和控制信号。校准电路根据每个通道的差异性实现幅相校准，通过波控母板上的校准功能电路，可方便监控每个最小模块单元的工作状态，增加了可定位性，提高了故障检测率。

通用性、复用性好。本发明采用每个最小模块单元1以直角坐标系的原点为中心，沿X轴方向的距离dx和沿Y轴方向的距离dy分隔，4个移相器芯片距离，将4个板边距为dx/2和dy/2的移相器芯片，表贴在最小模块单元1直角坐标系四个象限上的正面，并且每片移相器芯片集成了实现收发信号相位控制功能的四路6位数控移相、威尔金森功分器、放大器和24位串并转换驱动器，馈电网络采用威尔金森并联馈电网络，通过SMP连接器对插连接到插装母板2，移相器所需要的低速控制信号及电源通过插针类连接器连接到插装母板2，通过位于最小模块单元1上下两侧的低频连接器传输信号；最小模块单元16阵元可以作为相控阵天线的共有模块，在128阵元、256阵元以及更高阵元数量的情况下，只需要按照阵元总数扩展对应数量的最小模块单元即可，模块通用性和复用性比较好。由于最小模块单元不用重新设计，当需要新的更高阵元数量的相控阵天线时，只用重新设计插装母板，可以大大节省开发周期，同时也降低开发难度。

附图说明

下面结合附图和实施例对发明进一步说明。

图1是本发明一种模块化相控阵天线原理示意图；

图2是图1最小模块单元的主视图；

图3是图2的后视图；

图4是图1插装母板的构造示意图；

图5是图4的波控母板电路原理示意图；

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案。

具体实施方式

参阅图1、图2。在以下描述的优选实施例中一种模块化相控阵天线装置，包括：划分为按矩阵阵列分布在插装母板2模块化天线阵面上的4×4最小模块单元1，采用连接器和插装母板2完成并行对插的波控母板3及其设置其上的功能电路，其特征在于：4x4阵元个阵元模块化构成相控阵天线阵面最小单元模块1，插装母板2通过多层PCB实现每个最小模块单元1所需的电源网络、馈电网络、波控网络的均匀分布，为最小模块单元1工作提供所需电源和控制信号；每个最小模块单元1的4个移相器芯片以SMP连接器为直角坐标系的原点，沿X轴方向的距离dx和沿Y轴方向的距离dy分隔，而距离最小模块单元1四周板边距分别为dx/2和dy/2；4个移相器芯片表贴在最小模块单元1直角坐标系四个象限上的正面，并且每片移相器芯片集成了实现收发信号相位控制功能的4路6位数控移相、威尔金森功分器、放大器和24位串并转换驱动器，馈电网络采用威尔金森并联馈电网络，通过SMP连接器对插连接到插装母板2，移相器所需要的低速控制信号及电源通过插针类连接器连接到插装母板2，通过位于最小模块单元1上下两侧的低频连接器传输信号；波控母板由波控电路、校准电路和电源电路构成，波控电路实现发射信号的幅相控制，校准电路根据每个通道的差异性实现幅相校准，电源电路给波控功能电路以及最小模块单元1提供所需的电源，完成后端控制和能量输送。

]参阅图2。每个最小模块单元中由4片移相器芯片构成，所有移相器芯片位于最小模块单元的正面，分别为移相器1、移相器2、移相器3和移相器4，其中移相器1和移相器3贴片方向一致，移相器2和移相器4贴片方向一致，而移相器1和移相器2贴片方向相差180度。在扩展天线阵元数量的情况下，为确保最小模块单元插装到母板之后仍保持所有移相器芯片距离一致，要求图中沿X轴方向移相器1和移相器2直接的距离为dx，移相器3和移相器4之间的x轴的距离也为dx，而沿Y轴方向移相器1和移相器3距离为dy，移相器2和移相器4之间的距离也为dy。移相器芯片距离最小模块单元板边距离分别为dx/2和dy/2。移相器所需要的低速控制信号及电源通过插针类连接器连接到插装母板2，低频连接器位于模块的上下两侧。馈电网络通过定制SMP连接器对插连接到插装母板2，SMP连接器具有十字固定脚，且圆柱部分相对于印制电路板PCB有一定抬升，确保焊接时不会和移相器芯片干涉。馈电网络采用威尔金森并联馈电网络，SMP连接器位于最小模块单元中间，可以确保馈电网络到4个移相器芯片电长度相等；天线阵面采用多层PCB作为基板，并通过带状线转换，完成天线阵面与TR组件互联设计。完成主板供电的电源电路为高速信号处理主板，接口处理副板和连接高速信号处理主板与接口处理副板的刚挠连接板提供工作电源。

参阅图3、图4。图2所示最小模块单元1通过插装母板2完成对插，插装后所有最小模块单元1反面组成新的天线阵面，并通过螺钉固定，确保天线满足振动要求。插装母板2通过多层PCB实现每个最小模块单元1所需的电源网络、馈电网络、波控网络的均匀分布，为最小模块单元1工作提供所需电源和控制信号，馈电网络以U形杯座开口、形杯座开口串联∩形杯座开口形成的卐形状，分布在每个最小模块单元1的背面。每个最小模块单元1背面的卐形状馈电网络以U形开口杯座连线实现两两互联，两两互联卐形状馈电网络镜像对称分布，通过U形开口杯座扩展连线，经垂直弓形微带线串联∩形杯座开口扩展连线，形成4×4互联卐形状馈电网络，进而可以以同样方式继续扩展。

参阅图5。连接控制终端的波控母板电路包括：外挂带电可擦可编程只读存储器EEPORM芯片、连接温度传感器和电压检测电路的现场可编程逻辑门阵列FPGA，EEPROM芯片完成初始化参数存储和日志存储，温度传感器温度检测天线工作环境温度，电压检测电路实现对单板工作电压的监测。连接天线接口单元AIU的校准电路采用可以提供故障检测功能的校准AD芯片，完成对TR参数校准；FPGA通过通用输入输出GPIO及金属氧化物半导体场效应MOS管完成对TR组件的电源和移相控制。

以上所述仅是实现一种通模块化相控阵天线装置的优选实施方案，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其它组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种模块化相控阵天线装置，包括：划分为按矩阵阵列分布在插装母板(2)模块化天线阵面上的4×4最小模块单元(1)，采用连接器和插装母板(2)完成并行对插的波控母板(3)及其设置其上的功能电路，其特征在于：4x4个阵元模块化构成相控阵天线阵面最小模块单元(1)，插装母板(2)通过多层PCB实现每个最小模块单元(1)所需的电源网络、馈电网络、波控网络的均匀分布，为最小模块单元(1)工作提供所需电源和控制信号；每个最小模块单元(1)的4个移相器芯片以SMP连接器为直角坐标系的原点，沿X轴方向的距离dx和沿Y轴方向的距离dy分隔，而距离最小模块单元(1)四周板边距分别为dx/2和dy/2；4个移相器芯片表贴在最小模块单元(1)直角坐标系四个象限上的正面，并且每片移相器芯片集成了实现收发信号相位控制功能的4路6位数控移相、威尔金森功分器、放大器和24位串并转换驱动器，馈电网络采用威尔金森并联馈电网络，通过SMP连接器对插连接到插装母板(2)，移相器所需要的低速控制信号及电源通过插针类连接器连接到插波控装母板(2)，通过位于最小模块单元(1)上下两侧的低频连接器传输信号；波控母板由波控电路、校准电路和电源电路构成，波控电路实现发射信号的幅相控制，校准电路根据每个通道的差异性实现幅相校准，电源电路给波控母板以及最小模块单元(1)提供所需的电源，完成后端控制和能量输送；

每个最小模块单元中由4片移相器芯片构成，所有移相器芯片位于最小模块单元的正面，分别为移相器1、移相器2、移相器3和移相器4，其中移相器1和移相器3贴片方向一致，移相器2和移相器4贴片方向一致，而移相器1和移相器2贴片方向相差180度；

沿X轴方向移相器1和移相器2直接的距离为dx，移相器3和移相器4之间的x轴的距离也为dx，沿Y轴方向移相器1和移相器3距离为dy，移相器2和移相器4之间的距离也为dy。

2.如权利要求1所述的模块化相控阵天线装置，其特征在于：移相器芯片距离最小模块单元板边距离分别为dx/2和dy/2，移相器所需要的低速控制信号及电源通过插针类连接器连接到插装母板(2)，低频连接器位于模块的上下两侧。

3.如权利要求1所述的模块化相控阵天线装置，其特征在于：馈电网络通过定制SMP连接器对插连接到插装母板(2)，SMP连接器具有十字固定脚，且圆柱部分相对于印制电路板PCB有一定抬升，确保焊接时不会和移相器芯片干涉。

4.如权利要求1所述的模块化相控阵天线装置，其特征在于：馈电网络采用威尔金森并联馈电网络，SMP连接器位于最小模块单元中间，确保馈电网络到4个移相器芯片电长度相等。

5.如权利要求1所述的模块化相控阵天线装置，其特征在于：天线阵面采用多层PCB作为基板，并通过带状线转换，完成天线阵面与TR组件互联设计。

6.如权利要求1所述的模块化相控阵天线装置，其特征在于：最小模块单元(1)通过插装母板(2)完成对插，插装后所有最小模块单元(1)反面组成新的天线阵面，并通过螺钉固定，确保天线满足振动要求。

7.如权利要求1所述的模块化相控阵天线装置，其特征在于：馈电网络以U形杯座开口、形杯座开口串联∩形杯座开口形成的卐形状，分布在每个最小模块单元(1)的背面，并且每个最小模块单元(1)背面的卐形状馈电网络以U形开口杯座连线实现两两互联，两两互联卐形状馈电网络镜像对称分布，通过U形开口杯座扩展连线，经垂直弓形微带线串联∩形杯座开口扩展连线，形成4×4互联卐形状馈电网络。

8.如权利要求1所述的模块化相控阵天线装置，其特征在于：连接控制终端的波控母板包括：外挂带电可擦可编程只读存储器EEPORM芯片、连接温度传感器和电压检测电路的现场可编程逻辑门阵列FPGA，EEPROM芯片完成初始化参数存储和日志存储，温度传感器温度检测天线工作环境温度，电压检测电路实现对单板工作电压的监测；连接天线接口单元AIU的校准电路采用可以提供故障检测功能的校准AD芯片，完成对TR参数校准；FPGA通过通用输入输出GPIO及金属氧化物半导体场效应MOS管完成对TR组件的电源和移相控制。