一种Ka频段相控阵天线发射组件的制作方法

一种ka频段相控阵天线发射组件
技术领域
1.本发明涉及到相控阵天线技术领域，特别涉及一种ka频段相控阵天线发射组件。


背景技术：

2.发射组件在有源相控阵天线系统中起着至关重要的作用，其用于卫星通信的ka频段相控阵天线采用宽带跳频体制，窄带情况下，相控阵天线一般采用移相器实现波束扫描；而宽带扫描情况下，若仍采用移相器，则会产生波束偏移现象，即低频点与高频点的波束指向不重合，这就限制了相控阵天线的瞬时带宽。
3.此外，发射组件作为相控阵天线的关键组成部分，功耗高、发热量大，故障发生率高，是整个链路的薄弱环节；且发射组件承担着发射信号的高功率放大，影响着相控阵天线的毁灭性失效。为避免过多发射组件失效，导致相控阵天线瘫痪，在以往设计时，对发射组件预留出一定比率的备份以替代失效的组件，或者对失效的组件定期维修。前者会导致天线成本提升、重量增大、方向图偏移等问题；后者需要准确定位失效的组件，否则逐个排故，时间成本代价不菲。
4.在有源相控阵天线系统中，发射组件数量多、成本高，是系统关键器件，属于重点监控对象。目前发射组件中的控制芯片多是将控制数据进行简单的串并转换，而没有对控制码进行反馈。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供了一种ka频段相控阵天线发射组件。该组件应用于卫星通信相控阵天线上，可实现卫通发射信号的幅度控制、相位控制、功率放大等功能。
6.为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：
7.一种ka频段相控阵天线发射组件，包括依次串联的峰值检波电路、功分器和用于实现卫通发射信号的幅相控制、功率放大、极化选择功能的发射支路；所述在功分器和峰值减波电路之间还连接有数控延时器。
8.进一步的，所述发射支路包括道依次串联的数控移相器、数控衰减器、驱动放大器和末级放大器；所述末级放大器的另一端连接单刀双掷开关的输入端；所述单刀双掷开关的两个输出端分别连接左旋圆极化通道和右旋圆极化通道，并通过90
°
电桥与正交的线极化天线单元阵列连接。
9.进一步的，还包括控制及反馈电路；所述控制及反馈电路的第一输出端与数控延时器连接，其第二输出端连接在单刀双掷开关的输入端，其第一输入端连接在峰值检波电路；控制及反馈电路的第一双向接口与数控衰减器连接，其第二双向接口用于连接外部的上位机。
10.进一步的，ka频段发射信号进入到峰值检波电路后，峰值检波电路对输入功率进行实时检测；在检测过程中，输入功率一旦过激励，峰值检波电路向控制及反馈电路发送信号，进一步使数控衰减器减小输入信号，以保护末级功放；
11.ka频段发射信号从峰值检波电路进入到数控延时器后，通过数控延时器的实施延时电路来调整天线单元之间的传播延迟；延时补偿之后的信号经过功分器后，由数控移相器调相和数控衰减器调幅后进入驱动放大器、再经过末级功放将信号功率放大到天线单元所需的输出功率值；放大后的信号经过单刀双掷开关，选择进入左旋或右旋圆极化通道，再由90
°
电桥形成左旋或右旋圆极化，最后经天线单元辐射到空间中，形成相应的圆极化电磁波。
12.进一步的，所述控制及反馈电路根据外部控制及查询指令控制、反馈发射支路中的数控移相器、数控衰减器、单刀双掷开关以及数控延时器的工作状态；根据峰值检波电路的输出信号，调整发射支路中的数控衰减器的衰减状态。
13.进一步的，所述控制及反馈电路包括依次串联的缓冲存储器、串并转换寄存器和单片机；所述缓冲存储器的另一端通过多路开关分别连接数控移相器控制端口、数控衰减器控制端口、单刀双掷开关端口和数控延时器端口。
14.本发明采取上述技术方案所产生的有益效果在于：
15.相控阵天线一般采用移相器控制波束扫描，并且通常是以信号中心频率设计移相器的权值来控制天线波束的指向。当信号具有一定带宽时，信号频率会偏离中心频率，当这种信号频率变化时，若移相器的权值不变，则所控制的波束指向就会发生偏离。本发明设计中，子阵间采用延时器技术避免了相控阵天线宽带宽角扫描时由于色散导致的波束偏离现象，但延时器本身插损较大，故在子阵内部仍采用数控移相器，来实现窄带信号的相位加权。
16.在发射激励端口，若输入的最大功率值过大，则易造成末级功放出现故障或者永久性失效。本发明设计中，采用峰值检波电路对输入功率值进行实时监测，一旦发现功率过激励，则控制及反馈电路会触发功率衰减器件减小输入信号，实现了对末级功放的过激励保护。
17.本发明设计中，控制及反馈电路还具有控制码反馈功能，可以快速、准确定位相位异常通道，克服了现有技术的不足。
附图说明
18.图1是本发明实施例的组成结构示意图。
19.图2是本发明实施例的指向偏差仿真图。
20.图3是图1中控制及反馈电路的构成示意图。
具体实施方式
21.下面，结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。
22.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.一种ka频段相控阵天线发射组件，包括依次串联的峰值检波电路、功分器和用于实现卫通发射信号的幅相控制、功率放大、极化选择功能的发射支路；所述在功分器和峰值减波电路之间还连接有数控延时器。
24.进一步的，所述发射支路包括道依次串联的数控移相器、数控衰减器、驱动放大器和末级放大器；所述末级放大器的另一端连接单刀双掷开关的输入端；所述单刀双掷开关的两个输出端分别连接左旋圆极化通道和右旋圆极化通道，并通过90
°
电桥与正交的线极化天线单元阵列连接。
25.进一步的，还包括控制及反馈电路；所述控制及反馈电路的第一输出端与数控延时器连接，其第二输出端连接在单刀双掷开关的输入端，其第一输入端连接在峰值检波电路；控制及反馈电路的第一双向接口与数控衰减器连接，其第二双向接口用于连接外部的上位机。
26.进一步的，ka频段发射信号进入到峰值检波电路后，峰值检波电路对输入功率进行实时检测；在检测过程中，输入功率一旦过激励，峰值检波电路向控制及反馈电路发送信号，进一步使数控衰减器减小输入信号，以保护末级功放；
27.ka频段发射信号从峰值检波电路进入到数控延时器后，通过数控延时器的实施延时电路来调整天线单元之间的传播延迟；延时补偿之后的信号经过功分器后，由数控移相器调相和数控衰减器调幅后进入驱动放大器、再经过末级功放将信号功率放大到天线单元所需的输出功率值；放大后的信号经过单刀双掷开关，选择进入左旋或右旋圆极化通道，再由90
°
电桥形成左旋或右旋圆极化，最后经天线单元辐射到空间中，形成相应的圆极化电磁波。
28.进一步的，所述控制及反馈电路根据外部控制及查询指令控制、反馈发射支路中的数控移相器、数控衰减器、单刀双掷开关以及数控延时器的工作状态；根据峰值检波电路的输出信号，调整发射支路中的数控衰减器的衰减状态。
29.进一步的，所述控制及反馈电路包括依次串联的缓冲存储器、串并转换寄存器和单片机；所述缓冲存储器的另一端通过多路开关分别连接数控移相器控制端口、数控衰减器控制端口、单刀双掷开关端口和数控延时器端口。
30.下面为一更具体的实施例：
31.ka频段卫星通信相控阵天线工作于跳频模式时，需要根据跳频指令在发射频带内进行频率切换，为减少查表、布相时间，在宽带工作时尽量保持波束指向一致。根据图2仿真所得，当ka频段(27.5ghz～31.0ghz)相控阵天线扫描角度为60
°
时，若子阵级不加延时器，仅在子阵内部采用移相器，则在3.5ghz带宽工作时，高低频波束指向偏差约3度，边频增益较中心频率增益低约2db，这对于系统性能影响较大。因此本设计中考虑采用子阵级延时器技术，实现宽角扫描时宽带波束的无偏差指向。
32.参照图1至图3，一种用于卫星通信的ka频段相控阵天线八通道发射组件，包括：峰值检波电路、数控延时器、一分八功分器、幅相多功能芯片、驱动放大器、末级功放、单刀双掷开关、90
°
电桥、控制及反馈电路。
33.外部输入的ka频段发射信号进入该组件中，首先经过峰值检波电路对输入功率值进行实时监测，一旦发现功率过激励，则控制及反馈电路会触发幅相多功能芯片中的数控衰减器减小输入信号，达到保护末级功放的目的；之后信号进入数控延时器，通过实时延时电路来调整子阵之间的传播延迟；延时补偿之后的信号经过一分八功分器，进入幅相多功能芯片，经数控移相器调相、数控衰减器调幅后进入驱动放大器、再经过末级功放把信号功率放大到相控阵天线所需的输出功率值；放大后的信号经过单刀双掷开关，选择进入左旋
或者右旋圆极化通道，再由90
°
电桥形成左旋或右旋圆极化，最后经一对正交的水平极化x天线单元、垂直极化x天线单元辐射到空间中，形成相应的圆极化电磁波。
34.所述峰值检波电路用于功放过激励保护。在发射激励端口，若输入的最大功率值超过设计值15db，而发射链路中没有保护电路，则易造成末级功放出现故障或者永久性失效。因此对于过激励保护，可以采取峰值检波电路对输入功率值进行实时监测，一旦发现功率过激励，则控制及反馈电路会触发幅相多功能芯片中的数控衰减器件减小输入信号，从而达到保护末级功放的目的。
35.所述数控延时器用于补偿子阵之间的传输延迟。窄带情况下，相控阵天线一般采用移相器实现波束扫描；而宽带扫描情况下，若仍采用移相器，则会产生波束偏移现象，即低频点与高频点的波束指向不重合，这就限制了相控阵天线的瞬时带宽。因此，宽带宽角扫描情况下，子阵内部采用移相器来调整相位，子阵之间采用实时延时电路来调整子阵之间的传播延迟。本设计中采用gaas mmic 3位数控延时线芯片，按照中心频率设计1、2、4波长三位延时线，最大实时延迟范围为1250ps，采用0v/-5v逻辑控制。采用延时器后，跳频工作时，在同一波束指向上则不需要改变移相值，即可保持带内波束指向的一致性，保证了带内增益起伏的平坦度。
36.所述一分八功分器03用于把进入子阵的发射信号等功率分配为8份，分别进入八个发射支路或发射通道。本设计中，功分器输入端口的功率为20dbm时，八个发射通道分别得到的功率约为8dbm，经过幅相多功能芯片、驱动放大器之后的功率约为2dbm，则末级功放处于p-1
状态，输出功率为23dbm。
37.所述幅相多功能芯片用于相控阵天线子阵内部通道之间的调幅、调相。本设计中，幅相多功能芯片集成了一个6位数控移相器，步进为5.625
°
，最大移相范围为354.375
°
；集成了一个6位数控衰减器，步进为0.5db，最大衰减范围为31.5db。
38.所述驱动放大器为自动增益控制放大器，用于调整八个发射通道带内幅度的一致性，补偿通道间放大器增益的离散性。
39.所述末级功放的p-1输出功率为23dbm，增益为22db；p-1输出时，功耗为5v/150ma，效率为26.7％。
40.所述单刀双掷开关用于左、右旋极化的切换。
41.所述90
°
电桥用于实现圆极化。空间中任意极化的电磁波均可由一对正交的线极化波以不同的幅度比和相位差合成。当采用双线极化天线来合成圆极化时，若通过控制幅度比来实现，则理论上的合成损耗最大为3db；若通过控制相位差来实现，则理论上合成功率无损失。这对于系统整体性能，尤其是对于降低发射功耗来说，技术优势明显。故本发明中采用90
°
电桥方式，通过控制双线极化的相位差来实现圆极化。
42.所述控制及反馈电路04根据外部控制及查询指令控制、反馈八个发射通道内幅相多功能芯片中的数控移相器、数控衰减器、单刀双掷开关以及数控延时器02的工作状态；根据峰值检波电路01的输出信号，调整八个发射通道内幅相多功能芯片中的数控衰减器的衰减状态。