[发明专利]一种步进补偿低成本相控阵天线架构及其设计方法

说明书

一种步进补偿低成本相控阵天线架构及其设计方法，涉及航天领域星载雷达天线技术领域，解决航天领域星载雷达天线子阵级相控阵扫描能力较差，扫描栅瓣较高、增益损失严重的问题，包括n个天线子阵、n个收发组件、功分合成网络；每个天线子阵均包括一个波束步进偏移器和m个基本辐射单元，每个波束步进偏移器均包括m个输出端，n个波束步进偏移器输入端与n个收发组件输出端连接，波束步进偏移器m个输出端分别与m个基本辐射单元输入端连接，n个收发组件输入端分别与功分合成网络对应的输出端连接；扫描增益损失大大降低，扫描范围可拓展，提高星载信息系统灵活性，可广泛应用于高速率卫星通信系统和高分辨率雷达成像系统。

技术领域

本发明涉及涉及航天领域星载雷达天线技术领域，具体的一种步进补偿低成本相控阵天线架构及其设计方法。

背景技术

随着信息技术的发展，星载信息系统在未来社会的发展中起着越来越重要的应用，天线作为星载信息系统的关键组成部分，其性能影响着整个系统的信噪比、作用距离以及数据传输能力，因此，发展高性能的星载天线显得尤为重要和迫在眉睫。

有源相控阵天线具有波束扫描灵活、无惯性和速度快的特点，能够通过幅相控制实现低副瓣、自适应调零抑制各种干扰，通过空间功率合成实现电磁能量聚束，可以保障通信系统覆盖更广的通信范围，合成孔径雷达实现更高分辨率的目标成像。因此，有源相控阵天线被广泛应用于星载信息系统的前端。

考虑到卫星平台的限制和成本因素，星载信息系统对前端天线的体积、重量、功耗和系统复杂度提出了极为严苛的要求。传统有源阵列天线造价昂贵、系统复杂、功耗高、重量重、体积大，与未来星载信息系统对前端天线的低成本、低功耗、轻质化要求相矛盾。随着有源相控阵技术进步和大规模使用，一些解决方案被提出：一、采用混合集成技术实现半导体芯片和无源元件的高组装密度、高功率密度和高可靠性集成，以降低相控阵的重量和体积，但此技术方案无法解决有源相控阵系统需要大量发射/接收(T/R)模块的昂贵成本问题；二、进一步提升集成度，基于封装材料和工艺，将天线与芯片集成在封装内实现系统级功能的封装天线(AIP)，获得剖面更低、重量更轻的阵列天线，但是这种技术方案目前还处于探索研究阶段，另外，由于天线单元间距与工作波长相关，低频段阵列天线具有较大的固有单元物理空间，弱化了微小型化射频集成的优势，因此，该技术方案在低频段并不适用；三、子阵级相控阵，即将多个辐射单元通过馈电网络集成为一个子阵，在每个子阵输入/输出端口连接一个T/R通道，构成一个有源子阵，全阵面由大量有源子阵扩展构成，这种方式可以大幅减少有源通道数量，降低了天线成本和复杂度，简化了天线架构，同时降低了重量功耗，但是由于幅相可控的子阵间距变大，天线扫描能力受到限制，并且扫描增益损失严重。

现有技术中，公开号为CN108008388A，公开日期为2018年05月08日的中国发明专利申请《一种星载相控阵SAR载荷波束控制方法》，公开了一种星载相控阵SAR载荷波束控制方法，包括步骤：从天线阵列获取天线阵列的阵面角，并将阵面角坐标系转换至阵面球坐标系，得到相应的扫描方向角；根据天线阵列的种类获得阵面上各通道的二维坐标表，根据二维坐标表和扫描方向角计算各通道在指向角上的延时距离；根据电磁波在真空中的传播速度、延时距离和天线阵列的中心频率计算信号传播产生的传播延时量；获取阵面相位配平表，将阵面相位配平表结合天线上各通道的传播延时量计算各通道的延时补偿量；将延时补偿量按照移相器步进归一化，并二进制化得到移相码，从而得到移相码表。

虽然上述中国专利申请利用天线阵面先验知识能快速计算出天线阵面上每一个通道的波控码，进行实时、精确的波束控制，且计算量小，但是上述中国专利申请的技术方案只针对于普通的相控阵列做算法优化，提高了普通的相控阵列的反应速度，并未针对大间距子阵级相控阵的扫描性能差的问题，设计最优系统架构，实现低成本、高性能的系统架构。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种步进补偿低成本相控阵天线架构，以解决航天领域星载雷达天线子阵级相控阵扫描能力较差，扫描栅瓣较高、增益损失严重的问题。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：