有源相控阵天线收发系统的制作方法

本发明涉及无线电阵列天线领域，具体涉及一种低成本的有源相控阵发射与接收天线系统。

背景技术：

相控阵技术是控制阵列天线各单元的相位、幅度以形成空间波束的技术。由于波束的形成和运动完全由计算机控制，因此可以实现所希望的波束形状、波束数量以及波束的无惯性扫描。天线是一种用以发射和接收电磁能量的设备。在许多场合，由单个辐射器构成的天线可以很好地完成发射和接收电磁能量的任务。单个辐射器的型式很多，可以是简单的偶极子或环天线，也可以是复杂的抛物反射面天线。采用何种辐射单元取决于工作频带、环境、制造成本和许多其他因素。有些特定用途，如要求天线有较强的方向性和较高的增益，要求天线的方向图能够扫描或具有其他特殊的性能，这时单个辐射器往往难以胜任，解决问题的主要方法是采用由多个辐射器按一定方式排列而组成的天线阵列。天线阵有多种，根据单元的排列形式有线阵，平面阵和空间阵等。虽然组成天线阵列的各单元原则上可以是不同型式的，但在大多数实际应用的情况下天线阵列的各单元不但是型式相同，而且其取向也相同。相控阵天线分为有源和无源，有源相控阵天线是一种称为t/r模组的接收与发射装置。近年来，随着高频段系统设计、器件制造、工艺集成、测试验证技术的进步，以及5g移动通信、无人自动驾驶等应用的强烈需求，有源相控阵成为当前天线领域新的前沿技术热点，但由于有源相控阵天线通道数多、工作频率与实现复杂度高，成本是制约其进一步广泛应用的首要因素。其中成本主要集中在有源发射/接收通道(t/r组件)，在芯片化的基础上还需要采取进一步的低成本设计方法。

技术实现要素：

本发明目的是针对现有技术存在的不足之处，提供一种结构相对简单，成本低的有源相控阵天线收发系统。

本发明的上述目的可以通过以下措施来达到，一种有源相控阵天线收发系统，包括：有源相控阵发射天线与有源相控阵接收天线，其特征在于：发射信号时，信号分配器将输入发射信号分成n路后分别发送到n路信号发射通道，信号发射通道根据波控器发送的幅相控制信号，调整每路发射信号的幅度与相位，射频交换网络根据波控器发送的天线选择信号，选择其中一个发射天线单元组，使得其包含的n个发射天线单元与n路信号发射通道一一对应连接，射频交换网络将n路调整后的发射信号传送到该n个发射天线单元，使得n个发射天线单元辐射出的电磁波在期望的方向上形成波束；

接收信号时，射频交换网络根据波控器发送的天线选择信号，选择其中一个接收天线单元组，使得其包含的n个接收天线单元与n路信号接收通道一一对应连接，并将该n个接收天线单元接收到的信号传送到n路信号接收通道，信号接收通道根据波控器发送的幅相控制信号，调整每路接收信号的幅度与相位并发送到信号合路器，信号合路器对调整后的n路接收信号进行合成，使得合成后的接收信号在期望的方向上形成波束。

本发明相比现有技术具有如下有益效果：

成本低。本发明采用包含了相同形式的m个发射或接收天线单元组，通过射频交换网络相连的信号分配器或信号合成器，以及并联在射频交换网络与信号分配器之间的波控器构成的有源相控阵发射天线与有源相控阵接收天线，以不同发射/接收天线单元组的布局和方向图，可以针对局部覆盖范围进行优化设计，在天线增益与覆盖范围相同的情况下，所需发射/接收通道数少于传统的天线单元数与发射/接收通道数相等的有源相控阵天线系统，可以显著降低天线的制造成本。

结构相对简单。本发明采用基本相同电路结构的有源相控阵发射天线与有源相控阵接收天线，通过信号分配器或信号合成器将输入发射信号或接收接收信号经n路信号发射通道直接送入射频交换网络，射频交换网络根据波控器发送或接收的天线选择其中一个发射天线单元组或接收天线单元组发射或接收的电磁波，同时，波控器通过n路信号发射通道或n路信号接收通道调整每路发射信号或接收信号的幅度与相位，将调整后的幅相控制信号发送给射频交换网络，射频交换网络将选择后的发射信号或接收信号推送到发射天线单元组或接收天线单元组所包含的n个发射天线单元或接收天线单元，使得n个发射天线单元或接收天线单元辐射出或接收的电磁波在期望的方向上形成波束，不仅发射/接收通道数较少，实现复杂度低，而且可以有效减小天线的体积，降低功耗。

本发明特别适合应用于有源相控阵发射与接收天线设计。

附图说明

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，其余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，都属于本发明保护的范围。

图1是本发明的有源相控阵发射天线电路原理示意图。

图2是本发明的有源相控阵接收天线电路原理示意图。

图3是图1与图2中所示射频交换网络一个示例性的实施框图。

图4是图1中所示的发射天线单元一个示例性的实施框图。

图5是图2中所示的接收天线单元一个示例性的实施框图。

具体实施方式

参阅图1。在以下描述的实施例中，有源相控阵天线收发系统，包括：包含射频交换网络和波控器的有源相控阵发射天线与有源相控阵接收天线，有源相控阵发射天线由依次相互连接的m个发射天线单元组、射频交换网络、n路信号发射通道、信号分配器、以及与射频交换网络、信号发射通道相连的波控器，其中，有源相控阵发射天线由依次相互连接的m个发射天线单元组、射频交换网络、n路信号发射通道、信号分配器、以及与射频交换网络、信号发射通道相连的波控器组成，每个发射天线单元组包括n个发射天线单元。每个发射天线单元组所包含的发射天线单元数与信号发射通道数相同，总的发射天线单元数大于信号发射通道数，各个发射天线单元组可以采用不同的布局形式或不同的单元形式。

发射信号时，信号分配器将输入发射信号分成n路后分别发送到n路信号发射通道，信号发射通道根据波控器发送的幅相控制信号，调整每路发射信号的幅度与相位，射频交换网络根据波控器发送的天线选择信号，选择其中一个发射天线单元组，使得其包含的n个发射天线单元与n路信号发射通道一一对应连接，射频交换网络将n路调整后的发射信号传送到该n个发射天线单元，使得n个发射天线单元辐射出的电磁波在期望的方向上形成波束；其中m、n为自然数，下同。

参阅图2。有源相控阵接收天线采用类似于有源相控阵接发射天线的电路结构方式，由依次相互连接的m个接收天线单元组、射频交换网络、n路信号接收通道、信号合成器、以及与射频交换网络、信号接收通道相连的波控器组成，每个接收天线单元组包括n个接收天线单元。每个接收天线单元组所包含的接收天线单元数与信号发射通道数相同，总的接收天线单元数大于信号接收通道数，各个接收天线单元组可以采用不同的布局形式或不同的单元形式；接收信号时，射频交换网络根据波控器发送的天线选择信号，选择其中一个接收天线单元组，使得其包含的n个接收天线单元与n路信号接收通道一一对应连接，并将该n个接收天线单元接收到的信号传送到n路信号接收通道，信号接收通道根据波控器发送的幅相控制信号，调整每路接收信号的幅度与相位并发送到信号合路器，信号合路器对调整后的n路接收信号进行合成，使得合成后的接收信号在期望的方向上形成波束。

参阅图3。有源相控阵发射天线与有源相控阵接收天线中所包含的射频交换网络，均由一个开关控制器并联的n个m选一开关组成。每个m选一开关的前端接口与m个天线发射/接收单元相互连接，每个m选一开关的后端接口与一路发射/接收通道相互连接。对于有源相控阵发射天线，开关前端接口为射频交换网络的信号输出端，开关后端接口为射频交换网络的信号输入端；对于有源相控阵接收天线，开关前端接口为射频交换网络的信号输入端，开关后端接口为射频交换网络的信号输出端。开关控制器根据接收到的波控器产生的天线选择信号，控制m选一开关进行切换，使得所选择的n个发射/接收天线单元与n路发射/接收信号通道一一对应连接。

参阅图4。有源相控阵发射天线中所包含的每个发射天线单元由相互串联的射频辐射器与功率放大器组成；发射射频信号通过功率放大器放大后送入射频辐射器辐射出电磁波，其作用是可以进一步减小发射馈线损耗。

参阅图5。有源相控阵接收天线中所包含的每个接收天线单元由相互串联的射频接收器与低噪声放大器组成。射频接收器将接收到的电磁波转换为电信号后送入低噪声放大器，低噪声放大器输出放大后的接收射频信号，其作用是可以进一步减小接收馈线损耗。