本发明涉及无线通信技术领域，特别是涉及一种多波束相控阵天线机构。
背景技术：
目前随着卫星互联网数据服务应用的兴起，非静止轨道卫星通信星座项目获得长足发展。常规的通信卫星均位于地球同步轨道，时延很大、数据率低、投入及应用的费用高，而目前通常采用低轨小型卫星满足卫星互联网系统的需求。
在实际操作过程中，针对卫星多用户覆盖的应用场景，天线需要尽量多的波束以满足多用户同时接入的需求。由于低轨小卫星受平台限制，星上天线的发射功率是最宝贵的资源。因此要求天线能够实现在尽量小的功耗条件下实现尽量多的波束收发，而在现有技术下通常较难做到这一点。
可见，现有技术中存在着星载天线难以在低功耗的限制条件下实现较多波束，从而无法满足多用户同时接入的技术问题。
技术实现要素：
本申请提供一种多波束相控阵天线机构，用以解决现有技术中存在着的星载天线难以在低功耗的限制条件下实现较多波束，从而无法满足多用户同时接入的技术问题。
本申请第一方面提供了一种多波束相控阵天线机构，包括：
m个基带数字通道，每个所述基带数字通道用以输出一路射频信号，共计输入m路相同的射频信号，其中，每个所述射频信号都由k个子信号构成，m为大于等于2的整数，k为大于等于2的整数；
m个开关网络，包括m个多通开关，所述m个多通开关与所述m个基带数字通道分别一一对应连接，且所述多通开关包括n个通路，在一个时间节点上所述n个通路中只有一个通路处于连通状态，以使输入的一路射频信号从该通路输出，n为大于等于2的整数；
无源多波束形成网络，包括m层处理单元，所述m层处理单元与所述m个多通开关一一对应连接，所述处理单元用以分别将经所述开关网络输出的射频信号功分为k个映射子信号，并将所述k个映射子信号合成处理后馈入m个输出线输出形成m束输出波束，共计获得m组×m束输出波束；
m×m阵元天线，与所述无源多波束形成网络连接，用以发射所述m组×m束输出波束。
可选地，所述处理单元，包括：
无源微波载板；
无源功分射频网络，设置在所述无源微波载板上，包括功分模块及信号传输网络，所述功分模块与一个所述多通开关的n个通路连接，用以将输入的射频信号功分为k个映射子信号，所述传输网络用以将所述k个映射子信号输出；
无源移相传输线，设置在所述无源微波载板上且与所述传输网络连接，用以将输入的所述k个映射子信号进行移相处理，形成m个相位匹配的移相信号；
无源功率合成网络，设置在所述无源微波载板上且与所述无源移相传输线连接，用以将所述m个相位匹配的移相信号分别进行合成处理生成m束输出波束。
可选地，所述功分模块包括：
n个功分节点，所述n个功分节点与一个所述多通开关的n个通路一一对应连接，所述功分节点用以将输入的射频信号功分为k个映射子信号；
所述传输网络包括k条传输线，用以分别一一对应将所述k个映射子信号输出。
可选地，所述无源移相传输线，包括：
k个移相处理单元，所述k个移相处理单元与所述k条传输线一一对应连接，所述移相处理单元用以将输入的映射子信号进行移相处理，形成与m个相位中的一个相位匹配的移相信号。
可选地，所述无源功率合成网络，包括：
m个合成节点，每个合成节点对应接收与一个相位匹配的移相处理单元输出的移相信号，并将所述与一个相位匹配的移相信号合成为所述输出波束，共计合成m束输出波束。
可选地，所述多通开关为单刀多掷开关。
可选地，所述无源微波载板的材质为损耗低于预定损耗值的微波板材。
可选地，所述无源功分射频网络设置在rotman透镜上。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本申请实施例中的技术方案可以将数字通道生成的m路射频信号通过开关网络在不同时间节点上进行切换输入共计n路射频信号，进而在阵面的水平维形成分时存在的n个模拟固定波束，上述分时存在的n个固定波束的指向角度是由无源移相传输线形成的固定移相值决定的。同时数字通道生成的m路射频信号，每一路射频信号均由相同的k个子信号构成，每个数字通道可赋予每个子信号不同的数字移相值，通过开关网络在不同时间节点上进行切换输入共计n路射频信号中的某一路，经过无源多波束形成网络将每一路射频信号功分为m路射频信号，，将整个天线阵面的所有单元全部激励，进而形成一个高增益的天线辐射波束，由于每个阵元辐射的射频信号均包含k个子信号，该高增益波束也是由k个子信号波束合成的。由数字通道赋予k个子信号的数字移相值不同，进而上述合成的高增益波束内的子信号波束指向不同的角度，波束便在阵面的垂直维度分离形成了同时存在的k个数字波束。该相控阵设计在水平维采用了模拟多波束相控阵设计方法，在垂直维采用了数字多波束相控阵设计方法，避免了现有技术中需要在水平维增加数字通道以实现较多波束的方式，因此能够有效降低整个天线系统的功耗，保证了在低功耗条件下实现较多波束以满足多用户的接入，因此，本申请实施例中的多波束相控阵天线机构具有提高多波束相控阵天线的适用性、卫星通信资源的利用效率以及降低其应用成本的技术效果。
本申请实施例至少还具有如下技术效果或优点：
进一步地，本申请实施例中的技术方案通过设置每个功分节点可以对应处理一路输入的射频信号，因此每层处理单元可以将n路输入的射频信号分别进行独立的功分处理，避免了采用一个功分设备对多个输入的射频信号分别进行功分处理时，可能会出现的操作偏差或误操作现象，具有提高系统处理精确性的技术效果。
进一步地，本申请实施例中的无源多波束形成网络还可以将功分模块功分处理后的k个映射子信号分别进行对应的移相及合成处理，同时还可以选择性的将信号进行相应角度的移相，从而避免了信号移相值无法改变的情况，具有提高tr组件适用性的技术效果。
附图说明
图1为本发明实施例提供的多波束相控阵天线机构的结构图；
图2为本发明实施例提供的无源多波束形成网络的结构图。
具体实施方式
本申请提供一种多波束相控阵天线机构，用以解决现有技术中存在着的星载天线难以在低功耗的限制条件下实现较多波束，从而无法满足多用户同时接入的技术问题。
本申请实施例中的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：
可以将数字通道生成的m路射频信号通过开关网络在不同时间节点上进行切换输入共计n路射频信号，进而在阵面的水平维形成分时存在的n个模拟固定波束，上述分时存在的n个固定波束的指向角度是由无源移相传输线形成的固定移相值决定的。同时数字通道生成的m路射频信号，每一路射频信号均由相同的k个子信号构成，每个数字通道可赋予每个子信号不同的数字移相值，通过开关网络在不同时间节点上进行切换输入共计n路射频信号中的某一路，经过无源多波束形成网络将每一路射频信号功分为m路射频信号，，将整个天线阵面的所有单元全部激励，进而形成一个高增益的天线辐射波束，由于每个阵元辐射的射频信号均包含k个子信号，该高增益波束也是由k个子信号波束合成的。由数字通道赋予k个子信号的数字移相值不同，进而上述合成的高增益波束内的子信号波束指向不同的角度，波束便在阵面的垂直维度分离形成了同时存在的k个数字波束。该相控阵设计在水平维采用了模拟多波束相控阵设计方法，在垂直维采用了数字多波束相控阵设计方法，避免了现有技术中需要在水平维增加数字通道以实现较多波束的方式，因此能够有效降低整个天线系统的功耗，保证了在低功耗条件下实现较多波束以满足多用户的接入，因此，本申请实施例中的多波束相控阵天线机构具有提高多波束相控阵天线的适用性、卫星通信资源的利用效率以及降低其应用成本的技术效果。
下面通过附图以及具体实施例对本申请技术方案做详细的说明，应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
实施例一
请参考图1，本申请实施例一提供一种多波束相控阵天线机构，包括：
m个基带数字通道，每个所述基带数字通道用以输出一路射频信号，共计输入m路相同的射频信号，其中，每个所述射频信号都由k个子信号构成，m为大于等于2的整数，k为大于等于2的整数；
m个开关网络102，包括m个多通开关，所述m个多通开关与所述m个基带数字通道分别一一对应连接，且所述多通开关包括n个通路，在一个时间节点上所述n个通路中只有一个通路处于连通状态，以使输入的一路射频信号从该通路输出，n为大于等于2的整数；所述多通开关可以为多刀多掷开关、单刀单掷开关，多刀单掷开关，等等，只要是可以满足在一个时间节点上所述n个通路中只有一个通路处于连通状态，以使输入的一路射频信号从该通路输出的装置或设备都可以作为所述多通开关。而在本申请实施例中，所述开关网络为单刀多掷开关。
无源多波束形成网络103，包括m层处理单元，所述m层处理单元与所述m个多通开关一一对应连接，所述处理单元用以分别将经所述开关网络输出的射频信号功分为k个子信号，并将所述k个子信号合成处理后馈入m个输出线输出形成m束输出波束，共计获得m组×m束输出波束，k为大于等于2的整数。
m×m阵元天线104，m×m阵元天线，与所述无源多波束形成网络连接，用以发射所述m组×m束输出波束。
在本申请实施例的技术方案中，波束即是表征信号功率大小的包络线，一个信号便是一个波束，波束指向(也就是信号指向)由移相值决定，分为水平移相值和垂直移相值共同作用。
本申请实施例中的无源多波束形成网络可以由一维rotman透镜所构成，由上述部件设置可知，在每层处理单元中，通过所述多路开关在不同时间点上进行通路切换，从而可以在该透镜内形成n路射频信号的输入，对应于n个模拟波束(也就是说，在n个时间点上，通过将多通开关分别置于n个通路上，就可以输入共计n路射频信号)，再通过分别将输入的每路射频信号分别进行功分合成处理，由于输入的m路射频信号为相同的同一射频信号，因此就可以形成该射频信号在水平维上的n个波束覆盖，在该实施过程中没有任何功耗。
所述无源多波束形成网络中的每层处理单元，在将输入的每路射频信号进行功分合成处理的过程中，可以通过功分设备将一路射频信号功分为任意多信号，也就是共计k个映射子信号(映射子波束)，映射子信号数量k仅与处理单元中的数字通道处理能力和功耗相关，理论上在垂直维可以实现任意多的可变数字波束。通过所述开关网络中不同的多通开关切换，可以形成的波束数量(映射子信号数量)为：n个固定模拟波束×k个可变数字波束，这在现有技术常规模拟多波束天线中是无法实现的。而所述k个映射子信号可以是指将k个子信号进行移相后的信号。
进一步地，所述k个映射子波束的指向角度、水平角度可以由所述无源多波束形成网络控制决定，通过无源多波束形成网络的处理单元在功分合成处理过程中进行幅相调控而赋予这一列k个波束共同的水平面指向角度。
所述k个波束的指向角度、垂直角度、及k个波束排成一列，指向不同的垂直角度，可以由所述处理单元中针对该k个波束的数字通道赋予的数字移相值决定，每个映射子信号赋予不同的数字移相值，假设映射子信号1赋予一组数字移相值之后，映射子信号1的波束即在垂直方向指向﹢60°；映射子信号2赋予另一组数字移相值之后，映射子信号2的波束即在垂直方向指向﹢50°；依次类推，垂直维度的k个波束便指向不同的角度，即形成了垂直维的k个波束。
因此本申请实施例的技术方案中，在任意一时刻，由于射频信号由k个子信号构成，因此天线阵面的波束为k个，分布在垂直方向，所述开关网络中的m个多通开关是同时切换，例如，将m个多通开关中的n个通路按照从上到下为1、2……n的方式进行编号，在进行开关通路切换时候，m个多通开关会同时闭合通路1、或者同时闭合通路2。当闭合通路1时则与通路1对应的数字通路中的移相处理模块作用，垂直一列k个波束的水平角度假设都为-60°，闭合通路2时与通路2对应的数字通路中的移相处理模块作用，该列波束的水平角度假设指向-50°，以此类推；当开关由通路1顺序切换到通路n时，该垂直列k个波束的水平角度可以从-60°依次指向﹢60°。
进一步需要指出的是，在本天线机构系统中基带数字通道的数量m与m×m阵元天线的维数相同，每个基带数字通道可以是一个独立处理功能的信息处理板，例如可以包括信号处理板、ad/da数字采样、上下变频等功能，输出的信号可以为已经经过调制后的射频信号。
由于一个信号如果仅仅从一个阵元辐射出来不能形成高增益的波束，其为一个球形包络线。每个信号必须由整个阵面的m*m个单元共同辐射，才能成为一个高增益的波束，也就是针状包络线。因此，在任意时刻，每个单元均含有k个信号，m×m个k1信号形成了指向垂直面﹢60°的波束1、m*m个k2信号形成了指向垂直面﹢50°的波束2、……等等，以此类推。由此可以将射频信号在水平面上功分成m个射频信号，激励阵列天线中每一行的m个单元；再通过m层处理单元中的功分合成作用将射频信号分配给了m*m个天线阵元，从而形成了整个天线阵面的同时激励(对任意k额波束都是整个阵面同时激励)。
可见，本申请实施例中的技术方案可以将数字通道生成的m路射频信号通过开关网络在不同时间节点上进行切换输入共计n路射频信号，进而在阵面的水平维形成分时存在的n个模拟固定波束，上述分时存在的n个固定波束的指向角度是由无源移相传输线形成的固定移相值决定的。同时数字通道生成的m路射频信号，每一路射频信号均由相同的k个子信号构成，每个数字通道可赋予每个子信号不同的数字移相值，通过开关网络在不同时间节点上进行切换输入共计n路射频信号中的某一路，经过无源多波束形成网络将每一路射频信号功分为m路射频信号，，将整个天线阵面的所有单元全部激励，进而形成一个高增益的天线辐射波束，由于每个阵元辐射的射频信号均包含k个子信号，该高增益波束也是由k个子信号波束合成的。由数字通道赋予k个子信号的数字移相值不同，进而上述合成的高增益波束内的子信号波束指向不同的角度，波束便在阵面的垂直维度分离形成了同时存在的k个数字波束。该相控阵设计在水平维采用了模拟多波束相控阵设计方法，在垂直维采用了数字多波束相控阵设计方法，避免了现有技术中需要在水平维增加数字通道以实现较多波束的方式，因此能够有效降低整个天线系统的功耗，保证了在低功耗条件下实现较多波束以满足多用户的接入，因此，本申请实施例中的多波束相控阵天线机构具有提高多波束相控阵天线的适用性、卫星通信资源的利用效率以及降低其应用成本的技术效果。
具体地，本申请实施例中的所述无源多波束形成网络，包括：
无源微波载板1031；
无源功分射频网络1032，设置在每层无源微波载板上，包括功分模块及信号传输网络，所述功分模块与一个所述多通开关的n个通路连接，用以将输入的射频信号功分为k个映射子信号，所述传输网络用以将所述k个映射子信号输出；
无源移相传输线1033，设置在所述无源微波载板上且与所述传输网络连接，用以将输入的所述k个映射子信号进行移相处理，形成m个相位匹配的移相信号；
无源功率合成网络1034，设置在所述无源微波载板上且与所述无源移相传输线连接，用以将所述m个相位匹配的移相信号分别进行合成处理生成m束输出波束。
也就是说，所述k个波束的指向角度、水平角度可以由所述无源多波束形成网络内的无源移相传输线决定，赋予了这一列k个波束共同的水平面指向角度；波束的指向角度包括水平角度与垂直角度都是由该波束的移相值决定，在水平角度上本申请实施例采用了无源移相传输线，由此避免移相值无法改变的情况。可以通过所述多通开关选择不同的无源移相传输线，来实现水平指向角度的改变；而在垂直维上则采用非常灵活的数字移相值，该值由处理单元上由每个波束(信号)的数字通道决定。
可见，本申请实施例中的无源多波束形成网络还可以将功分模块功分处理后的k个映射子信号分别进行对应的移相及合成处理，同时还可以选择性的将信号进行相应角度的移相，从而避免了信号移相值无法改变的情况，具有提高tr组件适用性的技术效果。
可选地，本申请实施例中的所述功分模块包括：
n个功分节点，所述n个功分节点与一个所述多通开关的n个通路一一对应连接，所述功分节点用以将输入的射频信号功分为k个映射子信号；
所述传输网络包括k条传输线，用以分别一一对应将所述k个映射子信号输出。
由于每个功分节点可以对应处理一路输入的射频信号，因此每层处理单元可以将n路输入的射频信号分别进行独立的功分处理，避免了采用一个功分设备对多个输入的射频信号分别进行功分处理时，可能会出现的操作偏差或误操作现象。
进一步可选地，所述无源移相传输线，包括：
k个移相处理单元，所述k个移相处理单元与所述k条传输线一一对应连接，所述移相处理单元用以将输入的映射子信号进行移相处理，形成与m个相位中的一个相位匹配的移相信号。
同时，本申请实施例中的所述无源功率合成网络包括：
m个合成节点，每个合成节点对应接收与一个相位匹配的移相处理单元输出的移相信号，并将所述与一个相位匹配的移相信号合成为所述输出波束，共计合成m束输出波束。
也就是说，本申请实施例中的技术方案可以针对功分形成的k个映射子信号中的每个信号采用独立的数字通道而进行移相、传输、及合成处理，从而避免多个映射子信号在同一通道中进行处理时可能引起的混淆操作或操作偏差，因此本申请实施例中的技术方案还具有降低系统的误操作率的技术效果。
再进一步可选地，为了进一步降低整个天线的功耗，本申请实施例中的所述无源微波载板的材质为损耗低于预定损耗值的微波板材。而所述无源功分射频网络设置在rotman透镜上。由此可以起到进一步保证所述天线机构的功耗为最低的作用。
由此可见，本申请实施例中的技术方案可以将数字通道生成的m路射频信号通过开关网络在不同时间节点上进行切换输入共计n路射频信号，进而在阵面的水平维形成分时存在的n个模拟固定波束，上述分时存在的n个固定波束的指向角度是由无源移相传输线形成的固定移相值决定的。同时数字通道生成的m路射频信号，每一路射频信号均由相同的k个子信号构成，每个数字通道可赋予每个子信号不同的数字移相值，通过开关网络在不同时间节点上进行切换输入共计n路射频信号中的某一路，经过无源多波束形成网络将每一路射频信号功分为m路射频信号，，将整个天线阵面的所有单元全部激励，进而形成一个高增益的天线辐射波束，由于每个阵元辐射的射频信号均包含k个子信号，该高增益波束也是由k个子信号波束合成的。由数字通道赋予k个子信号的数字移相值不同，进而上述合成的高增益波束内的子信号波束指向不同的角度，波束便在阵面的垂直维度分离形成了同时存在的k个数字波束。该相控阵设计在水平维采用了模拟多波束相控阵设计方法，在垂直维采用了数字多波束相控阵设计方法，避免了现有技术中需要在水平维增加数字通道以实现较多波束的方式，因此能够有效降低整个天线系统的功耗，保证了在低功耗条件下实现较多波束以满足多用户的接入，因此，本申请实施例中的多波束相控阵天线机构具有提高多波束相控阵天线的适用性、卫星通信资源的利用效率以及降低其应用成本的技术效果。
本申请实施例至少还具有如下技术效果或优点：
进一步地，本申请实施例中的技术方案通过设置每个功分节点可以对应处理一路输入的射频信号，因此每层处理单元可以将n路输入的射频信号分别进行独立的功分处理，避免了采用一个功分设备对多个输入的射频信号分别进行功分处理时，可能会出现的操作偏差或误操作现象，具有提高系统处理精确性的技术效果。
进一步地，本申请实施例中的无源多波束形成网络还可以将功分模块功分处理后的k个映射子信号分别进行对应的移相及合成处理，同时还可以选择性的将信号进行相应角度的移相，从而避免了信号移相值无法改变的情况，具有提高tr组件适用性的技术效果。
进一步地，本申请实施例中的所述开关网络为单刀多掷开关，以及所述无源微波载板的材质为损耗低于预定损耗值的微波板材。由此可以进一步有效降低所述天线机构的生产成本和应用成本。
尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。进一步地，本申请技术方案中的各个方法步骤可以颠倒，变换先后顺序而依然落入本申请所涵盖的发明范围中。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。