[发明专利]模块化相控阵天线装置

说明书

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。

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。