一种高集成度圆极化可重构侦干探通一体化相控阵天线的制作方法

1.本发明涉及有源相控阵天线领域，可用于通讯、雷达、电子对抗方向，具体涉及一种高集成度圆极化可重构侦干探通一体化相控阵天线。


背景技术：

2.随着装备不断更新换代，为适应现代战争对装备综合性能的要求，装备朝着多功能、集成化设计不断发展。在雷达、通信、电子侦察与电子干扰领域，射频综合一体化设计的要求越来越急迫，若雷达、通信、电子侦察与电子干扰功能可以通过复用相同的天线阵面实现各自功能，则可以有效降低装备成本，减少天线口面数量，扩展装备作战效能。
3.对于已经广泛应用于雷达、通信、电子侦察与电子干扰领域的有源相控阵天线，射频综合一体化的设计难点在于，天线及射频通道需要兼顾雷达、通信、电子侦察与电子干扰的不同性能要求，例如通信多使用圆极化天线以提高通信稳定性，电子侦察与电子干扰也可以使用圆极化天线以减少目标辐射源信号的极化失配从而提高截获概率，而圆极化雷达会因目标回波极化反旋而导致无法接收。同时，作为雷达、通信、电子侦察与电子干扰装备中成本占比最高、尺寸重量较大的有源相控阵天线，对其进行小型化、低成本设计也至关重要。
4.针对传统相控阵天线不具备兼容雷达、通信、电子侦察与电子干扰的能力，且常用的微组装工艺带来的高成本和低集成度问题，本发明针对性的提出一种一种高集成度圆极化可重构侦干探通一体化相控阵天线，通过射频收发通道复用、天线圆极化可重构，实现多功能复用，再结合多层高频混压印制板工艺实现低成本和高集成度设计。


技术实现要素：

5.本发明在提出了一种高集成度圆极化可重构侦干探通一体化相控阵天线，可在较低的成本和尺寸下实现有源相控阵天线的功能扩展，可具备兼容同频段雷达、通信、电子侦察和电子干扰的收发功能。
6.实现本发明的技术解决方案为：一种高集成度圆极化可重构侦干探通一体化相控阵天线，采用收发共用体制，阵列规模m行
×
n列，所述相控阵天线包括天线罩、收发天线阵面、综合功能电路板、冷板、底板、供液连接器、对外电连接器、盲插连接器，综合功能电路板采用多层高频混压印制板工艺，综合功能电路板与收发天线阵面之间通过冷板隔开且通过冷板散热，信号互连通过盲插连接器实现，综合功能电路板的底面设置于底板上，底板设有对外电连接器，收发天线阵面上设有天线罩进行保护。
7.本发明通过天线圆极化可重构设计、射频通道兼容性设计、收发快速切换设计实现对同频段雷达、通信、电子侦察和电子干扰的兼容功能，通过多层高频混压印制板工艺，结合垂直互连的高集成度设计，实现低成本高集成度相控阵天线设计。
8.本发明与现有技术相比，其显著优点在于：采用成本较低的多层高频混压印制板工艺，而不是成本较高的微组装工艺，可以
显著降低硬件成本，同时多层高频混压印制板工艺走线空间更大，布线自由度更高，更有利于提高电路集成度；在结构布局上各模块采用垂直互连的设计，可以有效利用空间利用率，提高设备集成度；在射频通道设计上采用宽带设计，包括多级带状线功分器，既适应雷达、通信对窄带信号质量的要求，也能适应电子侦察、电子干扰对宽带信号接收与发射的要求；天线采用圆极化可重构以及收发共用设计，可以根据通信对象的极化方式调整收发极化，也可以在脉冲雷达收发间隙切换极化旋向，在电子侦察和电子干扰应用上，圆极化天线极化失配某些情况下较线极化更小。
附图说明
9.图1为本发明的结构布局示意图。
10.图2为本发明的印制板叠层示意图。
11.图3a为本发明的天线层布局示意图。
12.图3b为本发明的馈电电路层布局示意图。
13.图3c为本发明的收发电路层布局示意图。
14.图4为本发明的极化切换模块电路原理框图。
15.图5为本发明的收发电路模块电路原理框图。
具体实施方式
16.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有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。
17.需要说明，本发明实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后
……
）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果改特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
18.另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明地描述中，“多个”地含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体地限定。
19.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应作广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；“连接”可以是机械连接，也可以是电连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
20.另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围指内。
21.下面将结合本设计实例对具体实施方式、以及本次发明的技术难点、发明点进行进一步介绍。
22.本发明所述的高集成度圆极化可重构侦干探通一体化相控阵天线收发共用，阵列
规模为m行
×
n列。
23.所述相控阵天线具有收发同旋模式，即发射信号与接收信号同为左旋圆极化或者同为右旋圆极化；所述相控阵天线具有收发反旋模式，即发射信号与接收信号同为圆极化但旋向相反，例如发射信号为右旋圆极化，接收信号为左旋圆极化，或者发射信号为左旋圆极化，接收信号为右旋圆极化。
24.所述相控阵天线可工作在电子侦察模式、电子干扰模式、主动探测模式和双向通信模式。
25.结合图1，所述相控阵天线包括天线罩、收发天线阵面、综合功能电路板、冷板、底板、供液连接器、对外电连接器、盲插连接器，综合功能电路板的底面设置于底板上，顶面与冷板的底面连接。底板设有对外电连接器，冷板上设有供液连接器和盲插连接器，收发天线阵面设置于冷板顶面，收发天线阵面上设有天线罩进行保护。
26.所述收发天线阵面包括m行
×
n列个收发天线单元（例如双馈圆极化天线单元），所述收发天线单元采用双馈圆极化天线，通过调节2个馈电点相位超前/滞后90
°
实现左旋/右旋圆极化切换，每4个两两相邻的收发天线单元也可通过旋转馈电的方式提高所述相控阵天线的圆极化轴比。
27.结合图2，所述综合功能电路板由4层高频双面覆铜板、2层普通双面覆铜板、3片高频半固化片和2片普通半固化片层压而成的12层高频混压印制板，使用1-12层过孔、1-6层第一盲孔和7-12层第二盲孔，工艺流程简单，材料和制造成本较低。
28.所述综合功能电路板采用12层高频混压印制板，自上而下包括第1层：馈电电路层，第2层：馈电接地层，第3层：接收合路网络层，第4层：接收功分接地层，第5层：发射功分网络层，第6层：发射功分接地层，第7层：数字隔离地层，第8层：数字电路层，第9层：电源隔离地层，第10层：供电电路层，第11层：收发接地层，第12层：收发电路层。
29.结合图3a、图3b和图3c，所述综合功能电路板中的第1层馈电电路层与所述收发天线阵面通过盲插连接器连接，二者之间由冷板隔开并提供散热，第1层：馈电电路层主要包括m行
×
n列个极化切换模块，每个极化切换模块有有2个天线馈电口，称为f1和f2，与对应收发天线单元的2个馈电口通过盲插连接器直接相连，每个极化切换模块另有d1、d2共2个电路端口，d1端口是发射馈电口，d2端口是接收馈电口。2个电路端口（d1、d2）与2个天线馈电口（f1、f2）通过极化切换模块切换并实现收发信号的输入输出。
30.所述综合功能电路板中的第2层馈电接地层是完整的地平面，作用如下：为第1层的馈电电路层的微带线提供参考地，为第3层的接收合路网络层的带状线提供上参考地，并屏蔽所述综合功能电路板内层的干扰信号。
31.所述综合功能电路板中的第3层接收合路网络层是接收信号的合路网络，采用带状线t形结并联合路，例如典型的合路拓扑为16合8-8合4-4合2-2合1，各分路端口来自综合功能电路板中的第12层收发电路层中的收发电路模块的接收馈电口，公共端口通过过孔与综合功能电路板中的第12层收发电路层中的接收公共端相连。
32.所述综合功能电路板中的第4层接收功分接地层是完整的地平面，为第3层接收合路网络层的带状线提供下参考地，同时为第5层发射功分网络层提供上参考地。
33.所述综合功能电路板中的第5层发射功分网络层是发射激励信号的功分网络，采用带状线t形结并联合路，例如典型的分路拓扑为1分2-2分4-4分8-8分16，各分路端口来自
所述综合功能电路板中的第12层收发电路层中的收发电路模块的发射馈电口，公共端口通过过孔与所述综合功能电路板中的第12层收发电路层中的发射公共端相连。
34.所述综合功能电路板中的第6层发射功分接地层是完整的地平面，作用如虾：为第5层发射功分网络层的带状线提供下参考地。
35.所述综合功能电路板中的第7层数字隔离地层是完整的地平面，用于屏蔽第8层数字电路层中数字信号走线引起的干扰。
36.所述综合功能电路板中的第8层数字电路层用于控制信号走线，通过第二盲孔、过孔与第1层馈电电路层和第12层收发电路层的相应元器件控制管脚互连。
37.所述综合功能电路板中的第10层供电电路层用于供电走线，通过第二盲孔、过孔与第1层馈电电路层和第12层收发电路层的相应元器件供电管脚相连。
38.所述综合功能电路板中的第11层收发电路接地层是完整的地平面，为第12层收发电路层的微带线提供参考地。
39.结合图5，所述综合功能电路板中的第12层收发电路层集成所述相控阵天线最主要的功能电路，包括m行
×
n列个收发电路模块、1个供电电路模块、1个波束控制模块、1个供电连接器、1个控制连接器、1个发射公共端和1个接收公共端。所述收发电路模块用于将发射激励信号经移相、功率放大、滤波处理，或将接收信号进行滤波、低噪声放大、移相处理；所述供电电路模块用于将输入的高压供电变换为综合功能电路板各元器件所需的低压直流电，并对输入供电进行电源滤波处理；所述波束控制模块由fpga、mcu等控制单元和flash、eeprom等存储单元以及相应外设电路组成，用于波束控制码的存储和下发，以及整机工作状态的控制、切换及健康管理；所述供电连接器用于与外部供电输入互连；所述控制连接器用于与外部控制交互；所述发射公共端用于与外部射频信号源相连；所述接收公共端用于与外部数字接收机相连。
40.结合图4，所述相控阵天线馈电电路层的极化切换模块包括1个lange电桥、2个环形器、2个双刀双掷开关、2个单刀单掷开关、2个窄带滤波器和2个宽带滤波器。
41.所述单刀单掷开关有3个端口，其中端口3为公共端，端口1、2为选通端，单刀单掷开关中，可以选通3-1或3-2。
42.所述双刀双掷开关有4个端口，该双刀双掷开关中，可以选通1-4+2-3或1-3+2-4。
43.所述环形器有3个端口，其中端口1为公共端，端口2为接收端，端口3为发射端，该环形器中，3
→
1、1
→
2可导通，3
→
2隔离。
44.所述lange电桥有4个端口，若端口1为公共端，端口4为隔离端，端口2为直通端，端口3为耦合端，端口1的发射信号经所述lange电桥均分为2路，经端口2和端口3输出，其中端口3的输出信号较端口2的输出信号相位滞后90
°
，同时端口4无信号输出。
45.信号发射时，发射激励信号从所述收发电路层中的某收发电路模块的d1端口输入至对应的所述极化切换模块，经所述第一单刀双掷开关切换选通所述第一宽带滤波器或第一窄带滤波器，所述第一单刀单掷开关的端口1对应所述第一宽带滤波器，所述第一单刀单掷开关的端口2对应所述第一窄带滤波器，所述第一宽带滤波器输出端连接所述第一双刀双掷开关的端口4，所述第一窄带滤波器输出端连接所述第一双刀双掷开关的端口3，所述第一双刀双掷开关的端口1连接所述第一环形器的端口3，所述第一双刀双掷开关的端口2连接所述第二环形器的端口3，所述第一环形器的端口1连接所述lange电桥的端口1，所述
lange电桥的端口2连接所述收发天线单元的f2端口，所述lange电桥的端口3连接所述收发天线单元的f1端口。
46.信号接收时，接收信号经所述收发天线单元的f2端口和f1端口分别进入所述lange电桥的端口2和端口3，若接收的是左旋圆极化电磁波，f1端口信号比f2滞后90
°
，则所述lange电桥端口1输出信号，信号经所述第一环形器的1
→
2传输路径进入所述第二双刀双掷开关的端口1，经开关选通后通过所述第二双刀双掷开关的端口3或端口4输出，若经端口4输出且所述第二单刀双掷开关切换到3-1导通，则接收信号经所述第二宽带滤波器输入至后端的接收电路，若经端口3输出且所述第二单刀双掷开关切换到3-2导通，则接收信号经所述第二窄带滤波器输入至后端的接收电路。
47.若接收的是右旋圆极化电磁波，f2端口信号比f1滞后90
°
，则所述lange电桥端口4输出信号，信号经所述第二环形器的1
→
2传输路径进入所述第二双刀双掷开关的端口2，经开关选通后通过所述第二双刀双掷开关的端口3或端口4输出，若经端口4输出且所述第二单刀双掷开关切换到3-1导通，则接收信号经所述第二宽带滤波器输入至后端的接收电路，若经端口3输出且所述第二单刀双掷开关切换到3-2导通，则接收信号经所述第二窄带滤波器输入至后端的接收电路。
48.所述极化切换模块的第一单刀单掷开关切换到3-1导通，所述第一双刀双掷开关切换到1-4+2-3导通时，发射信号经所述第一单刀单掷开关的端口1输入所述第一宽带滤波器，再经所述双刀双掷开关4-1的导通路径输入至所述第一环形器的端口3，经3
→
1的导通路径输入所述lange电桥的端口1，功分2路从端口2、3分别进入所述收发天线单元的端口f2、f1，此时输入端口f1的信号比f2滞后90
°
，形成左旋圆极化宽带发射。
49.所述极化切换模块的所述第一单刀单掷开关切换到3-1导通，所述第一双刀双掷开关切换到1-3+2-4导通时，发射信号经所述第一单刀单掷开关的端口1输入所述第一宽带滤波器，再经所述双刀双掷开关4-2的导通路径输入至所述第二环形器的端口3，经3
→
1的导通路径输入所述lange电桥的端口4，功分2路从端口2、3分别进入所述收发天线单元的端口f2、f1，此时输入端口f2的信号比f1滞后90
°
，形成右旋圆极化宽带发射。
50.所述极化切换模块的所述第一单刀单掷开关切换到3-2导通，所述第一双刀双掷开关切换到1-3+2-4导通时，发射信号经所述第一单刀单掷开关的端口1输入所述第一窄带滤波器，再经所述双刀双掷开关3-1的导通路径输入至所述第一环形器的端口3，经3
→
1的导通路径输入所述lange电桥的端口1，功分2路从端口2、3分别进入所述收发天线单元的端口f2、f1，此时输入端口f1的信号比f2滞后90
°
，形成左旋圆极化窄带发射。
51.所述极化切换模块的所述第一单刀单掷开关切换到3-2导通，所述第一双刀双掷开关切换到1-4+2-3导通时，发射信号经所述第一单刀单掷开关的端口1输入所述第一窄带滤波器，再经所述双刀双掷开关3-2的导通路径输入至所述第二环形器的端口3，经3
→
1的导通路径输入所述lange电桥的端口4，功分2路从端口2、3分别进入所述收发天线单元的端口f2、f1，此时输入端口f2的信号比f1滞后90
°
，形成右旋圆极化窄带发射。
52.所述收发天线单元接收左旋圆极化电磁波时，所述极化切换模块的所述第二双刀双掷开关切换到1-4+2-3导通，所述第二单刀单掷开关切换到3-1导通，所述收发天线的接收信号从端口f1、f2输入经所述lange电桥的端口3、2，因端口3的信号比端口2滞后90
°
，合路信号从所述lange电桥的端口1输入所述第一环形器的端口1，经1
→
2的导通路径输入所
述第二双刀双掷开关的端口1，经1-4的导通路径输入所述第二宽带滤波器，在经所述第二单刀双掷开关的1-3导通路径进入后端的接收电路，形成左旋圆极化宽带接收。
53.所述收发天线单元接收左旋圆极化电磁波时，所述极化切换模块的所述第二双刀双掷开关切换到1-3+2-4导通，所述第二单刀单掷开关切换到2-1导通，所述收发天线的接收信号从端口f1、f2输入经所述lange电桥的端口3、2，因端口3的信号比端口2滞后90
°
，合路信号从所述lange电桥的端口1输入所述第一环形器的端口1，经1
→
2的导通路径输入所述第二双刀双掷开关的端口1，经1-3的导通路径输入所述第二窄带滤波器，在经所述第二单刀双掷开关的2-3导通路径进入后端的接收电路，形成左旋圆极化窄带接收。
54.所述收发天线单元接收右旋圆极化电磁波时，所述极化切换模块的所述第二双刀双掷开关切换到1-3+2-4导通，所述第二单刀单掷开关切换到3-1导通，所述收发天线的接收信号从端口f1、f2输入经所述lange电桥的端口3、2，因端口2的信号比端口3滞后90
°
，合路信号从所述lange电桥的端口4输入所述第二环形器的端口1，经1
→
2的导通路径输入所述第二双刀双掷开关的端口2，经2-4的导通路径输入所述第二宽带滤波器，在经所述第二单刀双掷开关的1-3导通路径进入后端的接收电路，形成右旋圆极化宽带接收。
55.所述收发天线单元接收右旋圆极化电磁波时，所述极化切换模块的所述第二双刀双掷开关切换到1-4+2-3导通，所述第二单刀单掷开关切换到3-2导通，所述收发天线的接收信号从端口f1、f2输入经所述lange电桥的端口3、2，因端口2的信号比端口3滞后90
°
，合路信号从所述lange电桥的端口4输入所述第二环形器的端口1，经1
→
2的导通路径输入所述第二双刀双掷开关的端口2，经2-3的导通路径输入所述第二窄带滤波器，在经所述第二单刀双掷开关的2-3导通路径进入后端的接收电路，形成右旋圆极化窄带接收。
56.所述相控阵天线收发电路层的收发电路模块包括3个驱动放大器、2个数控衰减器、2个数控移相器、1个功率放大器和1个低噪声放大器。信号发射时，发射激励信号经端口f
t
进入发射通道，经所述第一驱动放大器放大后经过所述第一数控衰减器和所述第一数控移相器的幅度、相位控制，进入第二驱动放大器，再经功率放大器馈入所述馈电电路层对应所述极化切换开关的端口d1。信号接收时，所述馈电电路层对应所述相控阵天线工作在电子侦察模式时，所述收发天线阵面通过所述极化切换模块设置在接收左旋或接收右旋的极化状态，接收通道接通所述宽带滤波器，实现左旋或右旋圆极化宽带接收。
57.所述相控阵天线工作在电子干扰模式时，所述收发天线阵面通过所述极化切换模块设置在接收左旋+发射左旋或接收右旋+发射右旋的极化状态，收发通道接通所述宽带滤波器，实现左旋圆极化宽带发射和接收，或者右旋圆极化宽带发射和接收。
58.所述相控阵天线工作在主动探测模式时，所述收发天线阵面通过所述极化切换模块设置在发射左旋+接收右旋或发射右旋+接收左旋的极化状态，收发通道接通窄带滤波器，实现左旋圆极化窄带发射和右旋圆极化窄带接收，或者右旋圆极化窄带发射和左旋圆极化窄带接收。
59.所述相控阵天线工作在双向通信模式时，根据通信系统的不同极化要求，所述收发天线阵面通过所述极化切换模块设置在发射左旋+接收右旋、发射右旋+接收左旋、发射左旋+接收左旋或发射右旋+接收右旋极化状态，收发通道接通所述窄带滤波器，实现左旋圆极化窄带发射和右旋圆极化窄带接收、右旋圆极化窄带发射和左旋圆极化窄带接收、左
旋圆极化窄带发射和接收或者右旋圆极化窄带发射和接收。
60.优选的，本发明专利的优点在于除所述收发天线阵面以外，其他电路全部集成于所述综合功能电路板中，通过冷板分割所述收发天线阵面和所述综合功能电路板，并为所述综合功能电路板中的主要发热器件提供散热通道，有效提高所述相控阵天线的集成度，同时也简化结构，降低了成本。
61.优选的，本发明专利的优点在于，所述收发天线阵面的收发天线单元采用双馈圆极化天线，通过所述馈电电路层中的极化切换模块调节两个馈点激励信号相位超前/滞后90
°
来调节所述收发阵面的圆极化旋向，可以实现发射右旋圆极化+接收左旋圆极化、发射右旋圆极化+接收右旋圆极化、发射左旋圆极化+接收右旋圆极化、发射左旋圆极化+接收左旋圆极化。
62.优选的，本发明专利的优点在于，所述极化切换模块可以通过选通所述窄带滤波器适应主动探测功能和双向通信功能对于收发信号带宽较窄、信号杂散低和带外抑制高的要求，也可以通过选通所述宽带滤波器以适应电子侦察与电子干扰对收发信号宽频覆盖的要求。
63.本发明与现有技术相比，提出了一种可适应电子侦察、电子干扰、主动探测和双向通信使用要求的相控阵天线设计方法，针对电子侦察与电子干扰可实现宽带圆极化发射和接收，针对主动探测可实现窄带圆极化发射和正交圆极化接收，针对双向通信可根据通信系统的不同要求设置工作在窄带圆极化收发或者窄带圆极化发射和正交圆极化接收。本方案设计通过将天线馈电及极化切换电路、收发功分合路网络、射频收发电路、波束控制电路、供电电源电路等集成在1块12层高频混压印制板中，大大提高了所述相控阵天线的集成度，简化结构组成，降低了成本。