一种数字多波束阵发射装置及其采用的测试方法与流程

本发明涉及微波毫米波领域，特别是涉及一种数字多波束阵发射装置及其采用的测试方法。

背景技术

由于具有大带宽、高数据传输速率的优势，毫米波技术近年来成为通信技术的研究热点。为了提高信号信噪比，减轻多普勒效应，提高数据安全性，需要使用高增益的天线波束。天线增益越高，覆盖的波束范围越窄。传统相控阵天线同一时间只能产生一个波束，如果要覆盖处于不同角度位置的多个用户则需要在不同时间切换波束的指向。为了能够同时覆盖不同角度位置的用户，需要同时产生多个能够独立灵活控制指向的天线波束。常见的发射多波束天线方案有两种，第一种是采用多套独立的多通道相控阵发射机系统，每套发射相控阵发送一个波束。第二种方案是采用无源方式实现多个波束，例如巴特勒矩阵等波束成型网络对阵列天线进行馈电。

方案一的缺点是传统相控阵系统同一时间只能产生一个波束，如果要同时产生多个波束则需要多个相控阵系统，这无形中增加了射频通道数量，增加了整机系统的成本。同时，这些系统连接的天线口径无法共享。例如，一套系统有15个天线辐射单元，要产生两个波束就需要30个天线辐射单元，分成两组连接到各自的系统通道中。这无形增加了天线阵列的尺寸，但是产生的波束却没有利用到所有天线的口径，每个波束只用到一半数量的天线口径。方案二利用无源巴特勒矩阵同时生成多波束可以同时共用整体天线的口径。但是一旦天线单元数过多，高阶数的巴特勒矩阵很难设计且插入损耗很大。这意味着如果要生成的波束数量较多，损耗在波束形成网络的能量甚至会超过阵因子的增益，因此不太适合做规模较大的巴特勒矩阵设计。同时，无源多波束的另一个缺点是一旦波束成型网络设计完成，波束的指向无法更改，系统整体的灵活性较差。

技术实现要素：

发明目的：本发明的目的是提供一种不增加射频通道数量，不引入额外波束成型网络损耗，能够同时生成多个波束且每个波束能够同时利用所有辐射单元口径的数字多波束阵发射装置及其采用的测试方法。

技术方案：为达到此目的，本发明采用以下技术方案：

本发明所述的数字多波束阵发射装置，包括多路直接数字频率合成器模块、多路毫米波发射前端模块和天线辐射单元；其中，每一路直接数字频率合成器模块均包括dds，dds输出信号至第一声表面滤波器，第一声表面滤波器输出信号至第一驱动放大器，第一驱动放大器输出信号至第二声表面滤波器，第二声表面滤波器输出信号至第二驱动放大器，第二驱动放大器通过射频开关输出中频信号；直接数字频率合成器模块和毫米波发射前端模块一一对应，一路直接数字频率合成器模块输出的中频信号送至一路毫米波发射前端模块；毫米波发射前端模块输出的信号通过天线辐射单元辐射出去。

进一步，所述每一路毫米波发射前端模块均包括混频器，直接数字频率合成器模块输出的中频信号送至混频器的一个输入端，本振信号送至混频器的另一个输入端，混频器输出信号至带通滤波器，带通滤波器输出信号至驱动放大器，驱动放大器输出信号至天线辐射单元。

进一步，所述天线辐射单元为双渐变槽天线单元。

进一步，所述双渐变槽天线单元采用0.254mm介电常数为2.2的微波板材taconictly-5设计制作。

本发明所述的数字多波束阵发射装置采用的测试方法，包括以下步骤：

s1：调试多路直接数字频率合成器模块和多路毫米波发射前端模块，设计天线辐射单元的结构参数；

s2：在暗室内校准整个多波束发射装置；

s3：根据想生成的波束数量和指向综合出各路毫米波发射前端模块应当发射的信号的功率和相位，本综合过程在直接数字频率合成器模块内完成；

s4：将步骤s3中直接数字频率合成器模块综合得到的各路毫米波发射前端模块应当发射的信号的功率和相位加载到相应毫米波发射前端模块中。

有益效果：本发明公开了一种数字多波束阵发射装置及其采用的测试方法，根据想生成的波束数量和波束指向将不同波束指向所代表的权重在数字域进行矢量叠加，并通过直接数字频率合成器(dds)直接生成矢量叠加后的各通道的幅度、相位。利用直接数字频率合成器(dds)可以独立调节每一路的幅度相位，从而可以灵活实现同时多个波束的生成。与方案一相比，本发明提出的方案使射频通道数大为减少且每个波束都用到了全天线阵列的口径。与方案二相比，不需要巴特勒矩阵波束成型网络，避免了波束成型网络带来的额外插入损耗，节约了毫米波能量。并且可以灵活、独立地调节产生波束的指向。此外，本发明产生的每个波束都利用到了全部天线口径，每个波束的增益与相控阵单独产生一个对应指向波束增益基本保持一致。

附图说明

图1为本发明涉及的多通道毫米波前端与多波束产生示意图；

图2为本发明涉及的多路直接数字频率合成器模块示意图；

图3为传统相控阵单波束情况下波束扫描图(-40～+40度，间隔为10度)；

图4为同时产生两个分别指向-10度和+20度的波束方向图；

图5为同时产生三个分别指向-20度，-5度，+20度波束方向图；

图6为为同时产生8个位置正交的波束-20度，-14度，-8度，-2度,+4度，+10度，+16度，+22度的波束方向图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的介绍。

本具体实施方式公开了一种数字多波束阵发射装置，包括多路直接数字频率合成器模块、多路毫米波发射前端模块和天线辐射单元。

其中，如图2所示，每一路直接数字频率合成器模块均包括dds5，dds5输出信号至第一声表面滤波器6，第一声表面滤波器6输出信号至第一驱动放大器7，第一驱动放大器7输出信号至第二声表面滤波器8，第二声表面滤波器8输出信号至第二驱动放大器9，第二驱动放大器9通过射频开关10输出中频信号。直接数字频率合成器模块和毫米波发射前端模块一一对应，一路直接数字频率合成器模块输出的中频信号送至一路毫米波发射前端模块。毫米波发射前端模块输出的信号通过天线辐射单元辐射出去。

如图1所示，每一路毫米波发射前端模块均包括混频器1，直接数字频率合成器模块输出的中频信号送至混频器1的一个输入端，本振信号送至混频器1的另一个输入端，混频器1输出信号至带通滤波器2，带通滤波器2输出信号至驱动放大器3，驱动放大器3输出信号至天线辐射单元。共计15路毫米波发射前端模块。

天线辐射单元为双渐变槽天线单元，采用0.254mm介电常数为2.2的微波板材taconictly-5设计制作。

本具体实施方式还公开了数字多波束阵发射装置采用的测试方法，包括以下步骤：

s1：调试多路直接数字频率合成器模块和多路毫米波发射前端模块，设计天线辐射单元的结构参数，使其反射系数满足系统的需求。

s2：在暗室内校准整个多波束发射装置。

s2.1：以第一通道为参考，打开第二通道，关闭其余所有通道。调节第二通道的幅度、相位，使得第一通道和第二通道辐射的总能量最小。此时，将第二通道相位反相后第一通道与第二通道同相，第二通道校准完毕。

s2.2：保持第一通道常开，关闭第二通道打开第三通道，完成步骤s2.1的操作。对剩余的所有通道以此类推，校准完所有的毫米波通道完成系统的校准。

s3：根据想生成的波束数量和指向综合出各路毫米波发射前端模块应当发射的信号的功率和相位，本综合过程在直接数字频率合成器模块内完成。例如想生成n个波束，指向分别为θ1,θ2,…,θn则第k(k＝1,2,..,n)个波束施加在每个通道对应的幅度与相位为：

将每个通道产生不同波束对应的不同幅度相位进行矢量叠加，即是该通道为了产生多波束方向图所需发射的相对幅度和相位。这里幅度和相位均以通道1的幅度，相位进行归一化。第i(i＝1,2,..,m)个通道为了同时产生n个波束需要的幅度bi和相位θi如下：

合成的远场方向图公式如下：

其中，eli(i＝1,2,..,m)为第i个双渐变槽天线单元的有源方向图，f为整体发射多波束的方向图。

s4：将步骤s3中直接数字频率合成器模块综合得到的各路毫米波发射前端模块应当发射的信号的功率和相位加载到相应毫米波发射前端模块中，即可控制转台用频谱仪测量同时产生多个波束的远场方向图。

为了验证本发明提出的多波束产生方法的正确性与有效性，首先只产生一个波束并扫描不同的角度。如图3所示，将产生的单波束扫描图画在一起可以看到单波束扫描情况下波束可以在正负40度的区域内扫描，在0度附近区域内波束的3db宽度大约在6度左右。图3中的零电平是以0度波束的最大电平值来归一化的。

接下来，设计并进行了几组同时产生多个波束的实验，并在暗室测试了天线阵列的同时多波束方向图，测试频率均为24.3ghz。图4为同时生成两个分别指向-10度和+20度的波束方向图，图5为同时生成分别指向-20，-5，+20度的三个波束方向图。从图4,5中可以看出方向图指向与理论预测吻合良好，而且产生的多个波束3db宽度与单个波束情况下的类似，均在6度左右。这说明同时产生的每个波束都利用到了全部天线口径，每个波束的增益与单独产生一个对应指向波束增益基本保持一致。需要说明，图4-6中方向图的零电平是在总发射功率一致的情况下，以图3中0度波束的最大电平值来归一化的。

在发射整机同时产生多个波束时，发射的总功率必然会由一个指向变为多个指向，从而导致每个波束分到的发射功率变小。在每个波束增益近似不变的情况下表现为方向图波束宽度近似不变，等效全向辐射功率[eirp(dbm)＝发射功率(dbm)+增益(db)]根据该波束分到的发射功率减小而减小。从图4-图6中可以看出：在总发射功率一致的情况下，同时产生两个波束的时候，总发射功率一分为二，每个波束等效全向辐射功率(eirp)降低3db。同时产生三个波束的时候，总发射功率一分为三，每个波束等效全向辐射功率(eirp)降低4.5db。同时产生八个波束的时候，总发射功率一分为八，等效全向辐射功率(eirp)降低约9db.这与理论计算结果相吻合，验证了设计方案的有效性与正确性。