一种基于级联相控的毫米波频率源阵列及无线输能设备

本发明涉及电子系统的无线输能技术和雷达，尤其涉及一种基于级联相控的毫米波频率源阵列及无线输能设备。

背景技术：

1、随着电子行业的飞速发展，毫米波雷达、毫米波基站、毫米波卫星通信模块等毫米波无线设备由于其在设备尺寸、波束可控和抗干扰等方面的综合优势，被广泛应用在电子系统的无线输能领域和雷达技术领域。相控毫米波频率源，作为毫米波无线系统的核心部件，往往需要多通道且具有幅度、相移控制功能，组成较大规模的相控阵，在提供所需能量传输或检测目标的同时具备波束扫描能力。

2、传统的相控毫米波频率源阵列由本振源及无源移相器构成，但无源移相器存在幅值变化大、相位精度低和小型化难度高的缺点，影响毫米波频率源阵列的输出效率和波束调控能力。为解决传统相控毫米波频率源阵列中小型化及相移幅值变化大的问题，中国专利，公开号为cn107069905a《无线功率发射机、无线功率接收机及其使用的方法》提供了一种相控毫米波频率源阵列，由本振源直接通过功分网络将信号并行馈送至发射单元，再由发射单元内部的移相器进行独立移相，去除了传统相控毫米波频率源阵列的缺点。在另一个相关专利中，提供了另一种相控毫米波频率源阵列，通过本振源自身产生不同的相位，并行馈送至发射单元进行筛选并作后续处理，优化了传统相控毫米波频率源阵列缺点。

3、然而，为了每个发射单元都能从本振源获得同等相位和同等功率的信号，上述两种方案均需要使用功分网络来进行信号馈送，导致存在本振源负载过重、扩展难度大、传输损耗较大、结构复杂、成本高昂等问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明实施例的目的是提供一种基于级联相控的毫米波频率源阵列及无线输能设备，能够降低功耗和成本、便于扩展。

2、第一方面，本发明实施例提供了一种基于级联相控的毫米波频率源阵列，包括本振源和多个级联的相控单元，各所述相控单元的结构相同，所述相控单元包括四个交互接口，所述四个交互接口包括基波输入接口、基波输出接口、毫米波输出接口和控制接口，所述本振源连接首级相控单元的基波输入接口，上一级相控单元的基波输出接口连接下一级相控单元的基波输入接口；其中，

3、所述本振源，用于产生基波信号；

4、所述相控单元，用于根据基波输入接口输入的驱动信号以及控制接口输入的控制信号，产生从毫米波输出接口输出的预设相移的毫米波信号以及从基波输出接口输出的预设相移的基波信号。

5、可选地，所述相控单元还包括注入锁定振荡器、第一差分器、第二差分器和电源模块，所述毫米波输出接口和所述控制接口均连接所述注入锁定振荡器，所述基波输入接口通过所述第一差分器连接所述注入锁定振荡器，所述注入锁定振荡器通过所述第二差分器连接所述基波输出接口，所述电源模块为所述相控单元提供电能。

6、可选地，所述注入锁定振荡器包括电感电容谐振器、振荡单元、注入单元和输出缓冲器，所述电感电容谐振器的两端分别连接所述注入锁定振荡器的差分输出端口，所述振荡单元的两端分别连接所述电感电容谐振器的两端，所述注入单元的两个输入端分别连接所述注入锁定振荡器的差分输入端口，所述注入单元的两个输出端分别连接所述注入锁定振荡器的差分输出端口，所述注入锁定振荡器的差分输出端口通过输出缓冲器连接所述差分器，所述电感电容谐振器、所述振荡单元和所述注入单元组成重置单元；其中，

7、所述电感电容谐振器，用于调节谐振峰以调整谐振频率；

8、所述振荡单元，用于起振以及补偿所述电感电容谐振器的能量损失；

9、所述注入单元，用于根据输入的差分信号产生注入电流，注入电流输入到所述电感电容谐振器；

10、所述重置单元，用于功率重置；

11、所述输出缓冲器，用于功率重置。

12、可选地，所述电感电容谐振器包括电感、多位开关电容阵列和多个变容管，所述电感、多个变容管和多位开关电容阵列并联连接，所述电感电容谐振器的两端分别连接所述注入锁定振荡器的差分输出端口。

13、可选地，所述振荡单元包括第一场效应管、第二场效应管和第一电流源，所述第一场效应管的栅极连接所述第二场效应管的漏极，所述第二场效应管的栅极连接所述第一场效应管的漏极，所述第一场效应管和所述第二场效应管的源极均连接所述第一电流源，所述第一场效应管和所述第二场效应管的漏极分别连接所述电感电容谐振器的两端。

14、可选地，所述注入单元包括第三场效应管、第四场效应管和第二电流源，所述第三场效应管和所述第四场效应管的栅极分别连接所述注入锁定振荡器的差分输入端口，所述第三场效应管和所述第四场效应管的漏极分别连接所述电感电容谐振器的两端，所述第三场效应管和所述第四场效应管的源极均连接所述第二电流源。

15、可选地，所述毫米波频率源阵列还包括倍频器和/或功率放大器，所述倍频器和/或所述功率放大器串联连接在注入锁定振荡器与所述毫米波输出接口之间。

16、可选地，所述电源模块包括带隙基准电源和低压线性稳压器，其中，所述带隙基准电源的输出连接所述低压线性稳压器的输入。

17、可选地，所述控制接口包括串口外设接口，多个相控单元的串口外设接口之间通过级联连接。

18、可选地，相邻的两级相控单元之间通过微带短截线连接。

19、第二方面，本发明实施例提供了一种无线输能设备，包括数字控制器、功率放大器、发射天线和上述的毫米波频率源阵列，所述数字控制器的输出连接所述毫米波频率源阵列的控制接口，所述毫米波频率源阵列的毫米波输出接口连接所述功率放大器的输入，所述功率放大器的输出连接所述发射天线；其中，

20、所述数字控制器，用于产生控制信号；

21、所述功率放大器，用于对所述毫米波输出接口输出的预设相移的毫米波信号进行功率放大；

22、所述发射天线，用于发射功率放大后的毫米波信号。

23、实施本发明实施例包括以下有益效果：本实施例中的毫米波频率源阵列包括本振源和多个级联的相控单元，各个相控单元的结构相同，每个相控单元包括基波输入接口、基波输出接口、毫米波输出接口和控制接口，本振源连接首级相控单元的基波输入接口，上一级相控单元的基波输出接口连接下一级相控单元的基波输入接口，本振源产生的基波信号通过首级相控单元的基波输入接口输入到首级相控单元以作为驱动信号，对于非首级相控单元，上一级相控单元的基波输出接口产生的预设相移的基波信号，通过下一级相控单元的基波输入接口输入到下一级相控单元以作为驱动信号，因此，只需一个本振源负载，无需采用功分网络，可以降低功耗；另外，多个结构相同的相控单元进行级联，可以减低损耗，易于扩展，能够降低成本。

技术特征：

1.一种基于级联相控的毫米波频率源阵列，其特征在于，包括本振源和多个级联的相控单元，各所述相控单元的结构相同，所述相控单元包括四个交互接口，所述四个交互接口包括基波输入接口、基波输出接口、毫米波输出接口和控制接口，所述本振源连接首级相控单元的基波输入接口，上一级相控单元的基波输出接口连接下一级相控单元的基波输入接口；其中，

2.根据权利要求1所述的毫米波频率源阵列，其特征在于，所述相控单元还包括注入锁定振荡器、第一差分器、第二差分器和电源模块，所述毫米波输出接口和所述控制接口均连接所述注入锁定振荡器，所述基波输入接口通过所述第一差分器连接所述注入锁定振荡器，所述注入锁定振荡器通过所述第二差分器连接所述基波输出接口，所述电源模块为所述相控单元提供电能。

3.根据权利要求2所述的毫米波频率源阵列，其特征在于，所述注入锁定振荡器包括电感电容谐振器、振荡单元、注入单元和输出缓冲器，所述电感电容谐振器的两端分别连接所述注入锁定振荡器的差分输出端口，所述振荡单元的两端分别连接所述电感电容谐振器的两端，所述注入单元的两个输入端分别连接所述注入锁定振荡器的差分输入端口，所述注入单元的两个输出端分别连接所述注入锁定振荡器的差分输出端口，所述注入锁定振荡器的差分输出端口通过输出缓冲器连接所述差分器，所述电感电容谐振器、所述振荡单元和所述注入单元组成重置单元；其中，

4.根据权利要求3所述的毫米波频率源阵列，其特征在于，所述电感电容谐振器包括电感、多位开关电容阵列和多个变容管，所述电感、多个变容管和多位开关电容阵列并联连接，所述电感电容谐振器的两端分别连接所述注入锁定振荡器的差分输出端口。

5.根据权利要求3所述的毫米波频率源阵列，其特征在于，所述振荡单元包括第一场效应管、第二场效应管和第一电流源，所述第一场效应管的栅极连接所述第二场效应管的漏极，所述第二场效应管的栅极连接所述第一场效应管的漏极，所述第一场效应管和所述第二场效应管的源极均连接所述第一电流源，所述第一场效应管和所述第二场效应管的漏极分别连接所述电感电容谐振器的两端。

6.根据权利要求3所述的毫米波频率源阵列，其特征在于，所述注入单元包括第三场效应管、第四场效应管和第二电流源，所述第三场效应管和所述第四场效应管的栅极分别连接所述注入锁定振荡器的差分输入端口，所述第三场效应管和所述第四场效应管的漏极分别连接所述电感电容谐振器的两端，所述第三场效应管和所述第四场效应管的源极均连接所述第二电流源。

7.根据权利要求1-6任一项所述的毫米波频率源阵列，其特征在于，所述毫米波频率源阵列还包括倍频器和/或功率放大器，所述倍频器和/或所述功率放大器串联连接在注入锁定振荡器与所述毫米波输出接口之间。

8.根据权利要求2-6任一项所述的毫米波频率源阵列，其特征在于，所述电源模块包括带隙基准电源和低压线性稳压器，其中，所述带隙基准电源的输出连接所述低压线性稳压器的输入。

9.根据权利要求1-6任一项所述的毫米波频率源阵列，其特征在于，所述控制接口包括串口外设接口，多个相控单元的串口外设接口之间级联连接。

10.根据权利要求1-6任一项所述的毫米波频率源阵列，其特征在于，相邻的两级相控单元之间通过微带短截线连接。

11.一种无线输能设备，其特征在于，包括数字控制器、功率放大器、发射天线和权利要求1-10任一项所述的毫米波频率源阵列，所述数字控制器的输出连接所述毫米波频率源阵列的控制接口，所述毫米波频率源阵列的毫米波输出接口连接所述功率放大器的输入，所述功率放大器的输出连接所述发射天线；其中，

技术总结
本发明公开了一种基于级联相控的毫米波频率源阵列及无线输能设备，包括本振源和多个级联的相同相控单元，相控单元包括至少四个交互接口，四个交互接口包括基波输入接口、基波输出接口、毫米波输出接口和控制接口，本振源连接首级相控单元的基波输入接口，上一级相控单元的基波输出接口连接下一级相控单元的基波输入接口；其中，本振源，用于产生预设的基波信号；相控单元，用于根据基波输入接口输入的驱动信号以及控制接口输入的控制信号，产生从毫米波输出接口输出的预设相移的毫米波信号以及从基波输出接口输出的预设相移的基波信号。本发明实施例能够降低功耗和成本、便于扩展，可广泛应用于电子系统的无线输能领域和雷达技术领域。

技术研发人员：薛泉,车文荃,李超,宛操,车其洲,张霄翔
受保护的技术使用者：华南理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16