有源相控阵天线射频链路系统及其确定收发隔离度的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种通信、雷达等电子系统应用的全双工有源相控阵天线收发隔离度 的计算方法。
【背景技术】
[0002] 有源相控阵天线是目前许多雷达和通信的主要天线方式。对于全双工有源相控阵 天线，收发隔离度是有源相控阵天线工作时的重要指标。如果全双工有源相控阵天线收发 隔离度解决不好，会造成发射时有源相控阵天线接收通道无法正常工作，甚至会烧毁接收 通道的有源芯片，造成重大损失。由于调频连续波雷达发射的是连续波，不能像脉冲式雷达 那样可以采用电开关来控制天线的收发转换，而必须将发射天线和接收天线分隔开来，因 此接收天线对发射天线的隔离度就成为调频连续波雷达设计的重要指标。阵列天线在通信 领域应用非常广泛，常规的收发隔离技术只是针对一路信号进行回波信号的抑制，假如套 用常规方案对阵列天线的每一路输入进行一次自适应抵消将会大量消耗硬件资源，在实际 操作中是不可行的。天线隔离度取决于天线辐射方向图和空间距离及增益，通常不考虑电 压驻波比引入的衰减，其经验计算公式可以分为两种情况：一种是当两阵列天线垂直排列 布置时，公式为
[0003] Lv= 28+401g(k/A) (dB)
[0004]上式中LvS隔离度要求，A为载波的波长，k为垂直隔离距离。另一种是当两阵 列天线水平排列布置时，公式为
[0005] Lv= 22+201g (d/ 人）-(G ^G2) - (SfS2) (dB)
[0006] 其中d为水平隔离距离，GjP G2分别为发射天线和接收天线在最大辐射方向上的 增益（dB)，SjPS 2分别为发射天线和接收天线在90°方向上的副瓣电平（dB，相对于主波 束，取负值）。
[0007] 目前，很多文献的报道都集中于同频全双工系统的收发隔离度研宄，并提出自适 应对消方法来实现，如冯存前等人在2004年发表的文献"提高收发隔离度自适应对消技术 研宄"（现代雷达），就是针对转发式干扰过程中干扰信号进入接收通道而造成系统不能正 常工作甚至自激的现象，提出基于LMS算法的自适应干扰对消技术，消除干扰信号，保存有 用信号，达到提高收/发隔离度的目的。
[0008] 2009年，稂华清在文献"收/发共用天馈系统的收发隔离研宄"（航空兵器）中报 道了主动雷达导引头阵列天线收发同时工作情况下收发隔离度的计算，并分析了在给定收 发隔离指标前提下天线阵面及隔离装置的匹配要求。以波导裂缝阵列天线为例，从微波网 络理论出发，分析了发射机经天馈系统耦合到接收机的能量，给出了收发隔离度计算方法。 但是，该文献提供的收发隔离度计算方法只对收发共用天馈系统的天线阵面设计有用，而 对于全双工有源相控阵天线系统（含天线阵面、收阻滤波器、发阻滤波器、功率放大器、低 噪声放大器、移相器、功分器、合成器，等）的收发隔离度计算无法适用。
[0009] 在2010年，伍俊等人在文献"全双工系统中收发隔离的分析与实现"（微机处理） 中研宄了非同频单个射频通道收发天线全双工系统中收发隔离的理论与实现。以"北斗一 代"手持式接收机为应用背景，实际设计和制作了射频模块。最后将射频模块接入到手持机 中，在暗室条件下，手持机发射时无失锁现象，实现了系统的收发隔离。遗憾的是，该文献的 方法仅仅适合于非相控阵天线体制，无法考虑天线波束扫描时，产生的电压反射矢量对系 统接收通道的影响，并且只对单个收发天线构成的单个射频通道进行了分析，该方法无法 适用于多通道有源相控阵天线射频链路系统的收发隔离度分析。
[0010] 最近国内外的报道主要集中在天线阵面收发高隔离度的设计方法上，而对于有源 相控阵天线射频链路系统的隔离度分析却没有研宄。例如Lei Qiu等人在2012年发表 的文献"Transmit-receive isolation improvement of antenna arrays by using EBG structures'，（IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters)报道了在接收阵列 与发射阵列之间采用EBG金属墙和扼流槽的方法来提高收/发阵列天线之间的隔离度，通 过实验表明，该设计方法可以使收/发阵列天线之间的隔离度提高至少30dB。王永华等 人在2014年发表的文献"毫米波连续波雷达天线隔离度设计"（火控雷达技术）报道了在 收/发天线之间加装扼流槽、铺设吸波材料、以及安装具有滤波功能的微波光子晶体结构 等隔离措施，提高了收/发天线之间的隔离度，该方法可以使收/发天线之间的隔离度达 到 _85dB 以下。K.E. Kolodziej 等人在 2014 年发表的文献"Simultaneous transmit and receive antenna isolation improvement in scattering environments''（IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium)报道了在天线馈电网络之间插入射 频补偿延迟线的方法，来改进天线之间的隔离度，该自适应补偿子系统在2. 45GHz频段上 能有效提高30dB的天线之间的隔离度，在有散射物体的环境里，整个天线的隔离度可以达 到 _90dB 左右。J.-N. Lee 等人在 2015 年发表的文献"The design of a dual-polarized small base station antenna with high isolation having a metallic cube" （IEEE Transactions on Antennas and Propagation)报道了双极化小基站天线隔离度设计方法， 该微带天线由微带馈线板、平面偶极子辐射器以及天线罩组成，通过采用微带耦合馈线和 设置金属腔，可使该天线的两个输入端口的隔离度达到40dB以上。
[0011] 总的来说，如何实现全双工有源相控阵天线射频链路系统收发隔离度的分析，怎 样确定收阻滤波器和发阻滤波器的隔离度指标，目前还没有确定的技术方案。
【发明内容】
[0012] 本发明目的是针对上述现有技术存在的不足之处，提供一种工程实用性高，性能 可靠的全双工有源相控阵天线射频链路系统，及其能够确定全双工有源相控阵天线收发隔 离度的方法，以确保全双工有源相控阵天线能正常工作。
[0013] 本发明的上述目的可以通过以下措施来达到，其特征在于包括如下步骤：一种全 双工有源相控阵天线射频链路系统，包括发射相控阵系统射频链路和接收相控阵系统射频 链路，其特征在于：所述的发射相控阵系统射频链路由MXN路顺次并联在发射天线阵面1 与一分M功分器5之间的收阻滤波器2、功率放大器3、移相器4,以及N路并联在一分M功 分器5与一分N功分器7之间的驱动功率放大器6组成；驱动功率放大器6设置在一分N 功分器7的每路射频通道上，以使功率放大器3的输出功率推饱和；其中一个一分N功分器 7和N个一分M功分器5共同确定了发射相控阵的阵列规模MXN ;所述接收相控阵系统射 频链路由PXQ路顺次并联在接收天线阵面8与P合一合成器11之间的发阻滤波器9、低噪 声放大器10、移相器4,以及Q路并联在P和一合成器11与及Q和一合成器13之间的驱动 低噪声放大器12组成，Q和一合路器13的每路射频通道设置一个驱动低噪声放大器12,以 确保接收相控阵系统射频链路增益，其中一个Q和一合路器13和Q个P和一合路器11共 同确定了接收相控阵的阵列规模为PXQ，上述M、N、P、Q是自然数。
[0014] -种使用上述全双工有源相控阵天线射频链路系统确定全双工有源相控阵天线 收发高隔离度的方法，其特征在于包括如下步骤：首先根据微波网络理论，在发射工作频段 上采用有限元数值计算方法或电磁仿真软件，计算出发射天线阵面1到接收天线阵面8的 电压散射矢量，求出发射天线阵面1的所有MXN个阵列单元到接收天线阵面8的任意一个 阵列单兀的电压散射矢量和，并在PXQ个电压散射矢量和中找出幅值最大的那个阵列单 元值，将此值与发射相控阵系统每通道输出功率相乘，得到由发射相控阵系统耦合到接收 相控阵系统的信号功率；为了保证接收相控阵系统的接收通道不被推饱和或烧毁，在接收 相控阵系统的接收天线阵面8和低噪声放大器10之间设置发阻滤波器9,使从发射相控阵 系统耦合过来的信号功率值通过接收相控阵系统的发阻滤波器9后减小，减小到小于低噪 声放大器10的输入IdB压缩点功率值；然后该信号功率值进一步通过低噪声放大器10、移 相器4、以及P合一合成器11后，最终合成输出的信号功率值再次小于驱动低噪声放大器 12的输入IdB压缩点功率值，从而确定出发阻滤波器9的隔离度值。
[0015] -种使用所述全双工有源相控阵天线射频链路系统确定全双工有源相控阵天线 收发高隔离度的方法，其特征在于包括如下步骤：对于接收工作频段，采用有限元数值计算 方法或电磁仿真软件，计算出接收天线阵面8的阵列波束扫描到某一特定扫描角度下的阵 列单元的电压反射矢量，找出电压反射矢量幅值最大的那个阵列单元值；然后考虑高斯白 噪声从发射相控阵系统的一分N功分器7发射端口进入，通过一分N功分器7、驱动功率放 大器6、一分M功分器5、移相器4、功率放大器3后，其热噪声将会通过发射天线阵面1耦合 到接收天线阵面8,从而造成接收相控阵系统无法正常工作；采用在发射相控阵系统的发 射天线阵面1和功率放大器3之间设置收阻滤波器2的方法，使该热噪声通过发射相控阵 系统的收阻滤波器2后减小，然后通过发射天线阵面1耦合到接收天线阵面8,并与接收天 线阵面8的某一特定扫描角度下阵列单元的电