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CN106169654B - 一种宽带有源多波束天线系统 - Google Patents

一种宽带有源多波束天线系统 Download PDF

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Abstract

本发明专利涉及宽带阵列天线领域，具体是宽带有源多波束天线系统，包括宽带有源天线阵列和多波束网络。宽带有源天线阵列包含至少两个列线源和多功能射频前端以及一个控制单元，列线源接收多路射频信号并进行俯仰向合成，多功能射频前端对列线源输出的射频信号进行低噪声放大、滤波、幅度加权和移相处理；控制单元接收外部输入的控制指令，调整多功能射频前端内部的衰减、移相码值；多波束网络基于透镜网络实现，对各多功能射频前端输出的射频信号进行合成，在方位向同时输出多路波束。宽带有源多波束系统采用近场口径反演校正方法。本发明相比采用数字波束形成的宽带多波束系统，设备量大大减少，重量、成本及功耗大幅度降低，且易于工程实现。

Description

一种宽带有源多波束天线系统
技术领域
本发明专利涉及宽带阵列天线领域，尤其是电子侦收系统中的宽带有源天线系统，具体是宽带有源多波束天线系统。
背景技术
为了适应复杂电磁环境条件下对多种电子信号的侦收需求，急需一种能够满足高增益、大瞬时带宽、宽空域覆盖等技术要求的阵列天线系统。宽带有源多波束天线系统可以同时形成多个接收波束，通过波束的快速调度实现大角度扫描，而且阵列天线内部集成宽带有源电路，能实现大带宽条件下的高增益侦收。因此，宽带有源多波束天线系统在电子侦收系统中得到广泛应用。
宽带多波束形成方法包括模拟波束形成、数字波束形成和光波束形成。三种方法各有优缺点，模拟波束形成引入的误差、失真较大，但性能可以接受；数字波束形成灵活性高，但存在定时、抖动和功耗等问题；光波束形成能实现更大的带宽，但动态范围较小，且稳定性较差。
以一个简化的4元线阵为例，采用模拟波束形成技术的宽带接收多波束系统架构见下图1，各天线单元的接收信号经过射频前端调理后，在波束形成网络中进行合成，输出多路射频波束；采用数字波束形成技术的宽带接收多波束系统架构见下图2，各天线单元的接收信号经过射频前端调理后，经变频及数字化处理后，在数字域合成输出多路基带波束，在波束形成前必须保证多路数据的时延对齐；波束形成需要很大的运算量和很高的运算速度。
发明人在实现本发明的过程中发现采用数字波束形成技术的宽带多波束系统问题在于：当瞬时带宽在1GHz以上，受限于元器件水平，系统设备量显著增加，重量、成本及功耗也急剧增大，加之系统的定时问题，使得工程可实现性大大降低。
发明内容
本发明的目的就是解决上述技术问题，提供一种宽带有源多波束天线系统。
本发明采用以下技术方案实现：
一种宽带有源多波束天线系统，包括宽带有源天线阵列和多波束网络；
所述宽带有源天线阵列包含至少两个列线源和多功能射频前端以及一个控制单元，其中，列线源和多功能射频前端采用盲配集成，列线源接收多路射频信号并进行俯仰向合成；多功能射频前端对列线源输出的射频信号进行低噪声放大、滤波、幅度加权和移相处理；控制单元接收外部输入的控制指令，调整多功能射频前端内部的衰减、移相码值；
所述多波束网络基于透镜网络实现，对各多功能射频前端输出的射频信号进行合成，在方位向同时输出多路波束。
本发明的有益效果在于：相比采用数字波束形成技术的宽带多波束系统，本发明采用透镜网络实现射频同时多波束，大大降低系统设备量，重量、成本及功耗也随之降低；在波束形成过程中不存在复杂的定时问题，大大提高了工程可实现性。
本发明的有益效果还在于：使用多功能射频前端中的多功能芯片进行阵列口径的相位调节，可以对同时输出的多波束指向进行小范围扫描，使得整个系统波束扫描更加灵活、全面。
附图说明
图1是模拟波束形成技术的宽带接收多波束系统架构；
图2是数字波束形成技术的宽带接收多波束系统架构；
图3是本发明宽带有源多波束天线系统框图；
图4是本发明中的列线源框图；
图5是本发明中的多功能射频前端框图；
图6是本发明一个实施例的多波束方向图，该实施例的中心频率为9GHz；
图7是本发明另一实施例的多波束方向图，该实施例的中心频率为10GHz；
图8是本发明又一实施例的多波束方向图，该实施例的中心频率为11GHz。
具体实施方式
如图3、4、5所示，以下结合附图对本发明进行详细的描述。
一种宽带有源多波束天线系统，包括宽带有源天线阵列1和多波束网络2，宽带有源天线阵列1与多波束网络2之间通过射频电缆14连接；
优选的，所述宽带有源天线阵列1包含至少两个列线源11和多功能射频前端12以及一个控制单元13，其中，列线源11和多功能射频前端12采用盲配集成，列线源11接收多路射频信号并进行俯仰向合成；多功能射频前端12对列线源11输出的射频信号进行低噪声放大、滤波、幅度加权和移相处理；控制单元13接收外部输入的控制指令，调整多功能射频前端12内部的衰减、移相码值；
优选的，所述多波束网络2基于透镜网络实现，对各多功能射频前端12输出的射频信号进行合成，在方位向同时输出多路波束。
优选的，所述列线源11包括多个天线单元111和一个合成网络112；所述天线单元111用于接收射频信号；所述合成网络112用于对各天线单元111接收的射频信号进行俯仰向的合成。
优选的，所述天线单元111采用微带振子。
优选的，所述多功能射频前端12包括：低噪声放大芯片(LNA)121、多功能芯片122、自动增益控制芯片(AGC)123、放大器芯片124、均衡器芯片125；所述低噪声放大芯片121用于对射频信号进行低噪声放大；所述多功能芯片122用于对射频信号进行预选滤波、幅度和相位调节；所述自动增益控制芯片(AGC)123用于扩展系统动态；所述放大器芯片124用于对各路信号功率放大；所述均衡器芯片125用于改善多功能射频前端12的起伏。
优选的，所述透镜网络采用微带电路设计，是一种真时延波束形成器。
优选的，所述系统使用多功能射频前端12中的多功能芯片进行阵列口径的幅度加权，以提高天线系统的副瓣抑制能力。
优选的，所述系统使用多功能射频前端12中的多功能芯片进行阵列口径的相位调节，可以对同时输出的多波束进行扫描。
一种所述系统的校正方法，所述系统采用近场口径反演校正方法，校正的具体流程如下：
步骤1：使用微波暗室测量系统采集天线系统的近场幅度及相位；
步骤2：运用FFT反演算法得到天线口径的幅度和相位分布值；
步骤3：由控制单元调整多功能射频前端的衰减、移相码值，对口径的幅相差值进行补偿；
步骤4：若补偿后的天线系统幅相分布满足要求，结束校正过程，否则，重复步骤1-步骤3。
为使本领域技术人员能够更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
本实例提供一种宽带有源多波束天线系统，中心频率10GHz,瞬时带宽2GHz。
如图3所示，宽带有源天线阵列1和多波束网络2由射频电缆15连接。
宽带有源天线阵列1由16个列线源11、与16个多功能射频前端12和1个控制单元13组成。
列线源11由16个天线单元111和1个16：1合成网络112集成，天线单元111用于接收16路射频信号，合成网络112在俯仰向合成一路接收信号，同时具有带通滤波功能。天线单元111采用微带阵子，具有体积小、重量轻、剖面低，适合印刷电路技术大批量生产等优点，同时馈电简单、效率高、阵中性能稳定。
合成网络112在俯仰向对16路信号进行合成，对每一路幅度、相位一致性有较高的要求，考虑功率适中、结构尺寸合适等因素采用Wilkinson功分器形式实现，合成网络112的带通滤波器采用梳状传输线结构，它具有宽带宽、低插损、结构紧凑等优点。
多功能射频前端12对列线源接收信号进行低噪声放大，可以根据系统需求调节16路信号幅度和相位。多功能射频前端12由低噪声放大芯片(LNA)121、多功能芯片122、自动增益控制芯片(AGC)123、放大器芯片124、均衡器芯片125集成。
控制单元13实现对16个多功能射频前端内部衰减、移相进行控制。控制单元13接收外部输入的控制命令，通过接口转换电路将命令转发至每一个多功能射频前端。
波束形成网络2是基于透镜网络实现，用于对16路射频信号合成，输出同时16路射频波束，覆盖方位向±45°。
由于有源天线系统加工带来的各个通道不一致性，会产生波束指向的偏离、副瓣电平差等问题，需要系统校正进行适度的修正。本发明实例在微波暗室中，采用近场口径反演算法进行系统的校正。
在本发明实例中，调节多功能射频前端中的多功能芯片，可以实现多波束±3°的扫描。
图6给出了实施例9GHz的多波束方向图。图7给出了实施例10GHz的多波束方向图。图8给出了实施例11GHz的多波束方向图。
以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种宽带有源多波束天线系统，其特征在于：包括宽带有源天线阵列和多波束网络；
所述宽带有源天线阵列包含至少两个列线源和多功能射频前端以及一个控制单元，其中，列线源和多功能射频前端采用盲配集成，列线源接收多路射频信号并进行俯仰向合成；多功能射频前端对列线源输出的射频信号进行低噪声放大、滤波、幅度加权和移相处理；控制单元接收外部输入的控制指令，调整多功能射频前端内部的衰减、移相码值；
所述多波束网络基于透镜网络实现，对各多功能射频前端输出的射频信号进行合成，在方位向同时输出多路波束。
2.如权利要求1所述的宽带有源多波束天线系统，其特征在于：所述列线源包括多个天线单元和一个合成网络；所述天线单元用于接收射频信号；所述合成网络用于对各天线单元接收的射频信号进行俯仰向的合成。
3.如权利要求2所述的宽带有源多波束天线系统，其特征在于：所述天线单元采用微带振子。
4.如权利要求1所述的宽带有源多波束天线系统，其特征在于：所述多功能射频前端包括：低噪声放大(LNA)芯片、多功能芯片、自动增益控制芯片(AGC)、放大器芯片、均衡器芯片；所述低噪声放大芯片用于对射频信号进行低噪声放大；所述多功能芯片用于对射频信号进行预选滤波、幅度和相位调节；所述自动增益控制芯片(AGC)用于扩展系统动态；所述放大器芯片用于对各路信号功率放大；所述均衡器芯片用于改善多功能射频前端的起伏。
5.如权利要求1所述的宽带有源多波束天线系统，其特征在于：所述透镜网络采用微带电路设计，是一种真时延波束形成器。
6.如权利要求4所述的宽带有源多波束天线系统，其特征在于：系统使用多功能射频前端中的多功能芯片进行阵列口径的幅度加权，以提高天线系统的副瓣抑制能力。
7.如权利要求4所述的宽带有源多波束天线系统，其特征在于：所述系统使用多功能射频前端中的多功能芯片进行阵列口径的相位调节，可以对同时输出的多波束进行扫描。
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