一种基于供能、控制、通信一体化的智能天线阵列结构

本发明属于天线设计研究领域，尤其涉及一种基于供能、控制、通信一体化的智能天线阵列结构。

背景技术：

1、电子控制天线阵列，如可重构和相控阵天线阵列，是高频通信硬件的基本元件。这些天线阵列旨在提供通信的特定通信场景和信道特性，同时，此类天线阵列的开发与应用部署也面临着一些挑战。这些挑战主要来自其预期的大规模生产、当代制造技术、与有源射频链的集成、紧凑的尺寸、密集的电路以及制造后调谐的局限性。因此，天线阵列设计者面临着矛盾的设计要求和约束。

2、在这其中，高昂的部署成本和复杂的结构网络是影响其大规模生产与部署的重要原因之一。这主要是因为电子控制的天线阵列相比物理控制的天线阵列，虽然减少了转向器等部件，但是仍然需要大规模的供能网络和控制网络。例如在相控阵天线阵列中，移相器等可调射频模块所需的供能网络和控制网络随着天线单元的增加呈现复杂性飞速上涨的趋势。因此，需要对其中大规模的供能网络、控制网络等进行简化与重新部署以实现天线的成本降低与结构简化。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术不足，提供一种基于供能、控制、通信一体化的智能天线阵列结构。

2、为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种基于供能、控制、通信一体化的智能天线阵列结构，包括：一射频功分网络；所述射频功分网络将射频信号等分为多路，将每一路射频信号馈入耦合器，耦合器根据耦合系数将射频信号进一步功分；耦合器的输出端输出第一射频信号，馈入天线链路；耦合器的耦合端输出第二射频信号，馈入无源片上系统。

3、进一步地，所述天线链路包括可调射频模块和与其连接的天线。

4、进一步地，射频功分网络、耦合器、天线链路与无源片上系统间均通过直线表征的共面波导连接。

5、进一步地，所述无源片上系统用于对射频信号进行升压整流，输出直流电压vdd，对可调射频模块进行供能；同时，所述无源片上系统对射频信号进行解析，并输出数字控制信号vctl，对可调射频模块进行控制。

6、进一步地，所述无源片上系统与外界应答器采用相同的射频通信协议，射频收发机在天线阵列与外界应答器通信的同时，也可对无源片上系统发送指令来控制天线阵列。

7、进一步地，所述可调射频模块采用射频开关或移相器；所述可调射频模块对所在的天线链路的射频信号的幅度和相位进行改变，实现幅度增益变化和相位变化。

8、进一步地，所述天线采用贴片天线；所述天线对天线链路中的射频信号向自由空间中进行发送或者接收，通过可调射频模块控制天线实现电磁波的波束控制和波束赋形。

9、进一步地，所述无源片上系统包括：

10、射频前端rf，用于接收射频信号并返回应答信号；

11、电荷泵，所述电荷泵的一端与射频前端rf连接，包括多级升压电路，用于升高射频信号的基准电压；

12、比较器，所述比较器与电荷泵的另一端连接，用于将升压后的射频信号解析为数字信号；

13、电压整流器，与比较器的输出端相连，对升压后的射频信号进行整流，输出第一直流电压vcore和第二直流电压vregl；其中，第一直流电压vcore用于给数字处理器供电，第二直流电压vregl用于给外部设备供电；

14、数字处理器，用于处理解析得到的数字信号，输出控制信号。

15、进一步地，所述电荷泵包括一滤波电路和多级升压电路；

16、所述滤波电路由第一片上电容和第一片上电感组成；

17、第一升压电路包括第二片上电容c2；所述第二片上电容c2的一端与第一片上电感的连接，另一端与第一片上二极管d1的负极和第二片上二极管d2的正极连接；第一片上二极管d1的负极与第二片上二极管d2的正极连接，第二片上二极管d2的负极与第三片上电容c3连接；通过第一片上二极管d1和第二片上二极管d2不断切换，将电荷不断堆叠到第三片上电容c3上，在第三片上电容c3中存储能量；

18、第三片上电容c3与第三片上二极管d3的正极相连，第三片上二极管d3的负极与第二升压电路中的第四片上电容c4和第四片上二极管d4，使得第一升压电路中第三片上电容c3上存储的电荷向第二升压电路传递；依次类推，使得射频信号的基准电压不断升高。

19、进一步地，比较器包括第一片上电阻r1，所述第一片上电阻r1的一端与电荷泵连接，另一端输出升压后的射频信号至电压整流器；第一片上电阻r1的另一端分为两条支路，第一支路经并联的第二片上电阻r2和片上电容cn+2输入至电压比较器p1的负极，第二支路输入至电压比较器p1的正极；

20、电压比较器p1的输出端为将升压后的射频信号解析为数字信号。

21、与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明提出了一种基于供能、控制、通信一体化的智能天线阵列结构，包括：一射频功分网络；所述射频功分网络将射频信号等分为多路，将每一路射频信号馈入耦合器，耦合器根据耦合系数将射频信号进一步功分；耦合器的输出端输出第一射频信号，馈入天线链路；耦合器的耦合端输出第二射频信号，馈入无源片上系统。该天线在供能上，利用整流后的射频信号给低功耗的天线链路供电；在控制上，利用通信协议网络化控制射频单元，完成波束控制、赋形等功能；在通信上，实现通信协议，及通信感知一体化。本天线阵列解决了天线阵列具有复杂的网络结构和高昂的部署成本的痛点，只需要进行整体射频通信网络的设计，不再需要设计额外的供能网络和控制网络。其次，该天线阵列的整体结构在现有的射频通信协议框架下具有普适性和泛用性，针对不同的射频通信协议，设计者可根据本发明选择合适的具体实施方式，使得控制天线阵列内部射频单元的通信协议与外界应答器所采用的通信协议相同，使用者可方便地控制该天线阵列，并实现诸多通信感知一体化应用。

技术特征：

1.一种基于供能、控制、通信一体化的智能天线阵列结构，其特征在于，包括：一射频功分网络；所述射频功分网络将射频信号等分为多路，将每一路射频信号馈入耦合器，耦合器根据耦合系数将射频信号进一步功分；耦合器的输出端输出第一射频信号，馈入天线链路；耦合器的耦合端输出第二射频信号，馈入无源片上系统。

2.根据权利要求1所述的一种基于供能、控制、通信一体化的智能天线阵列结构，其特征在于，所述天线链路包括可调射频模块和与其连接的天线。

3.根据权利要求1所述的一种基于供能、控制、通信一体化的智能天线阵列结构，其特征在于，射频功分网络、耦合器、天线链路与无源片上系统间均通过共面波导连接。

4.根据权利要求2所述的一种基于供能、控制、通信一体化的智能天线阵列结构，其特征在于，所述无源片上系统用于对射频信号进行升压整流，输出直流电压vdd，对可调射频模块进行供能；同时，所述无源片上系统对射频信号进行解析，并输出数字控制信号vctl，对可调射频模块进行控制。

5.根据权利要求2所述的一种基于供能、控制、通信一体化的智能天线阵列结构，其特征在于，所述无源片上系统与外界应答器采用相同的射频通信协议，射频收发机在天线阵列与外界应答器通信的同时，也可对无源片上系统发送指令来控制天线阵列。

6.根据权利要求2所述的一种基于供能、控制、通信一体化的智能天线阵列结构，其特征在于，所述可调射频模块采用射频开关或移相器；所述可调射频模块对所在的天线链路的射频信号的幅度和相位进行改变，实现幅度增益变化和相位变化。

7.根据权利要求2所述的一种基于供能、控制、通信一体化的智能天线阵列结构，其特征在于，所述天线采用贴片天线；所述天线对天线链路中的射频信号向自由空间中进行发送或者接收，通过可调射频模块控制天线实现电磁波的波束控制和波束赋形。

8.根据权利要求1所述的一种基于供能、控制、通信一体化的智能天线阵列结构，其特征在于，所述无源片上系统包括：

9.根据权利要求8所述的一种基于供能、控制、通信一体化的智能天线阵列结构，其特征在于，所述电荷泵包括一滤波电路和多级升压电路；

10.根据权利要求8所述的一种基于供能、控制、通信一体化的智能天线阵列结构，其特征在于，比较器包括第一片上电阻r1，所述第一片上电阻r1的一端与电荷泵连接，另一端输出升压后的射频信号至电压整流器；第一片上电阻r1的另一端分为两条支路，第一支路经并联的第二片上电阻r2和片上电容cn+2输入至电压比较器p1的负极，第二支路输入至电压比较器p1的正极；

技术总结
本发明公开了一种基于供能、控制、通信一体化的智能天线阵列结构，包括：一射频功分网络；所述射频功分网络将射频信号等分为多路，将每一路射频信号馈入耦合器，耦合器根据耦合系数将射频信号进一步功分；耦合器的输出端输出第一射频信号，馈入天线链路；耦合器的耦合端输出第二射频信号，馈入无源片上系统。该天线在供能上，利用整流后的射频信号给低功耗的天线链路供电；在控制上，利用通信协议网络化控制射频单元，完成波束控制、赋形等功能；在通信上，实现通信协议，及通信感知一体化。

技术研发人员：李魏,宣兴琦,郑史烈,回晓楠,章献民
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15