Ku波段多通道切换接收装置及切换接收方法

摘要

本发明公开一种Ku波段多通道切换接收装置，其包含：天线阵列，其包含用于接收Ku波段信号的若干天线阵元；连接天线阵列输出的多通道切换阵列，其包含若干层级设置的开关层，每级开关层包含有若干切换开关，每一级开关层的切换开关将其上一级开关层输出的两路通道合并为一路通道输出；主控模块，其分别通信连接各个切换开关，通过切换开关选择并控制多通道切换阵列中的部分通道处于开启或关闭。本发明通过多通道切换阵列，对接收Ku波段射频信号的通道进行选通，实现按照所设置的切换频率，指定某些通道处于开启状态，同时其余的通道处于关闭状态。

说明书

技术领域

本发明涉及射频技术领域，具体涉及一种Ku波段多通道切换接收装置及切换接收方法。

背景技术

在阵列天线信号接收系统以及信号的采集过程中，我们希望在该阵列中的天线并不是同时打开或者关闭，而是按照我们所期望的方式，打开或者关闭特定的天线阵元。比如对于一个线性阵列，我们希望该阵列在某一时刻开始开启第一个阵元，在下一时刻关闭当前阵元同时开启下一个阵元，或者在某个时刻指定某些通道同时开启或关闭。这就需要通过一个多通道切换矩阵控制来实现。当接收信号所处的频率非常高，比如Ku波段时，整个接收通道的插损、增益控制、通道一致性以及功耗管理等就显得非常重要。

现有的一些多通道切换装置如“多通道模数转换装置”（专利号：200620123567.9）可以将输入的多路模拟信号进行选择，并将选择的一路模拟信号通过控制采样电路完成模数转换。然而该装置只能对电压信号进行选通和采样，并不适用于射频微波电路。

另一种通道选择装置“新型信号通道选择控制电路”(专利号：03259742)通过按键开关控制通道选通，不能精确控制其按照一定的频率轮流切换通道。

目前Ku波段射频多通道切换接收装置的通道数一般为2、4、6等，最多的为16通道，对供电、相位一致性的要求并不高，但是在某些应用场合，通道数可能达到几十乃至上百，并且对供电、相位一致性的要求也很高。目前尚无这种多通道的切换接收装置。

因此，提供一种适用于Ku波段的射频多通道切换接收装置实为必要。

发明内容

本发明提供一种Ku波段多通道切换接收装置及切换接收方法，实现在接收ku波段信号的过程中，指定部分通道处于开启状态，同时其余的通道处于关闭状态，节省能耗。

为实现上述目的，本发明提供一种Ku波段多通道切换接收装置，其特点是，其包含：

天线阵列，其包含用于接收Ku波段信号的若干天线阵元；

多通道切换阵列，其包含若干层级设置的开关层，分别为：依次级联的输入层、若干中间层和输出层；每级开关层包含有若干切换开关；所述中间层中，每一级开关层的切换开关将其上一级开关层输出的两路通道合并为一路输出，并且控制该路输出的通断；所述输入层中，切换开关输入的每一路通道分别与天线阵列的每一个天线阵元对应连接，将相邻两路输入的通道合并为一路输出，并且控制该路输出的通断；所述输出层中，切换开关将相邻两路输入的通道合并为一路输出，并且控制该路输出的通断；

主控模块，其分别通信连接各个切换开关，通过切换开关选择并控制多通道切换阵列中的部分通道处于开启或关闭。

上述输入层与中间层之间设有低噪声放大器。

上述中间层与输出层之间设有低噪声放大器。

上述Ku波段多通道切换接收装置还包含有电源控制模块，其分别电路连接每一路通道中的每个低噪声放大器，分别控制每一路通道中的低噪声放大器处于供电关闭、正常供电或提前上电。

上述主控模块采用现场可编程门阵列。

一种上述Ku波段多通道切换接收装置的多通道切换接收方法，其特点是，该方法包含：

天线阵列接收Ku波段信号输出至多通道切换阵列；

主控模块根据使用者需要选择开启的通道，控制被选择开启的通道中的切换开关导通；未被选择开启的通道中的切换开关保持断开。

上述主控模块未选择通道开启时，电源控制模块不对未选择开启的通道及其中的低噪声放大器供电；

当主控模块选择开启的通道时，电源控制模块对该通道及其中的低噪声放大器进行供电。

上述电源控制模块的供电方法包含有邻电源依次导通并循环的工作模式，包含：电源上电稳定过渡时间约为上升沿300us，使用时，系统开机时首先开启最前面的五至十路通道的电源，经过300us后开始发射信号，每来一个脉冲重复时间时，关闭最早的那一路通道的电源，并开启相邻的那一路通道电源，循环进行下去。

上述多通道切换阵列输出Ku波段信号后进行后端信号处理。

上述后端信号处理包含：对各通道接收信号的相位差和幅度进行校正使其一致，然后进行成像处理。

本发明Ku波段多通道切换接收装置及切换接收方法和现有技术的Ku波段信号采集技术相比，其优点在于，本发明通过多通道切换阵列，对接收Ku波段射频信号的通道进行选通，实现按照所设置的切换频率，指定某些通道处于开启状态，同时其余的通道处于关闭状态；

本发明设有低噪声放大器，降低噪声系数，保证信号增益；

本发明设有电源控制模块，可选择对部分通道进行供电，避免整体供电功耗过大。

附图说明

图1为本发明Ku波段多通道切换接收装置的结构示意图；

图2为本发明主控模块与切换开关的电路框图。

具体实施方式

以下结合附图，进一步说明本发明的具体实施例。

如图1所示，为一种Ku波段多通道切换接收装置的实施例。其工作带宽为200MHz，带内增益一致性误差优于3dB，带内相位一致性优于2°。该装置包含：天线阵列100和电性连接天线阵列100输出端的多通道切换阵列200。

本实施例中，天线阵列100包含有64个天线阵元101，每个天线阵元101作为用于接收Ku波段信号的接收通道。

多通道切换阵列200包含有六层级设置的开关层，分别为：依次级联的第一级射频开关层210、第二级射频开关层220、第三级射频开关层230、第四级射频开关层240、第五级射频开关层250和第六级射频开关层260。第一级射频开关层210中包含有32个切换开关，第二级射频开关层220包含有16个切换开关，第三级射频开关层230包含有8个切换开关，第四级射频开关层240包含有4个切换开关，第五级射频开关层250包含有2个切换开关，第六级射频开关层260包含有一个切换开关。

本实施例中，切换开关采用的是单刀双掷的射频切换开关。每个切换开关输入两路通道，输出一路通道；由第一级射频开关层210至第六级射频开关层260，每一级开关层的切换开关将其上一级开关层输出的两路通道合并为一路通道输出。

第一级射频开关层210中32个切换开关，每个切换开关的输入端接两路接收通道，32个切换开关共接64路接收通道，该64路接收通道分别对应连接至天线阵列100中的64个天线阵元101；输出端则输出32路射频通道，将64路接收通道分成32组。

第二级射频开关层220的16个切换开关，每个切换开关的输入端接第一级射频开关层210输出的两路射频通道，16个切换开关共接32路射频通道；输出端则输出16路射频通道。

第三级射频开关层230的8个切换开关，每个切换开关的输入端接第二级射频开关层220输出的两路射频通道，8个切换开关共接16路射频通道；输出端则输出8路射频通道。

第四级射频开关层240的4个切换开关，每个切换开关的输入端接第三级射频开关层230输出的两路射频通道，4个切换开关共接8路射频通道；输出端则输出4路射频通道。

第五级射频开关层250的2个切换开关，每个切换开关的输入端接第四级射频开关层240输出的两路射频通道，2个切换开关共接4路射频通道；输出端则输出2路射频通道。

第六级射频开关层260的1个切换开关，每个切换开关的输入端接第五级射频开关层250输出的两路射频通道；输出端则输出一路射频通道。该一路输出即为多通道切换阵列200的输出。

在第一级射频开关层210与第二级射频开关层220之间的32路射频通道中，每一路都设有一个第一级低噪声放大器310（LNA），对接收信号进行低噪声放大，并保证各接收通道相位一致。该第一级低噪声放大器310选用型号为NC1075C-1015芯片。NC1075C-1015芯片采用低噪声GaAs工艺，具体指标如下：1）频率范围：10 GHz~15 GHz；2）噪声系数F_n：1.7 dB；3）典型增益G：28 dB；4）1 dB压缩点输出功率：+11 dBm；5）输入、输出驻波比：1.6/1.6；6）工作电压：+5V；7）最大工作电流：50mA。

在第五级射频开关层250与第六级射频开关层260之间的两路射频通道中，每一路都设有一个第二级低噪声放大器320，提高信噪比。该第二级低噪声放大器320同样选用型号为NC1075C-1015芯片。

本实施例中，多通道切换阵列200共需使用六级共63个切换开关，34个低噪声放大器，单路通道有二级总增益G=56 dB的低噪声放大器，六级插入损耗L=1的切换开关，传输线线长约为702 mm，传输线线损约10 dB，芯片互联线损耗约20 dB。则通道总增益约为：G=56-6×1-10-20=20 (dB)。

多通道切换阵列200作为射频前端电路，射频前端电路微带板使用ROGERS 5880基材，介电常数ε=2.2，损耗角正切值为0.0009，100mm长微带线的插入损耗约为2dB。

进一步的，Ku波段多通道切换接收装置中的切换开关可以根据具体要求移动拼接，并根据使用需要增加或减少天线阵元、切换开关的数量。

由于切换通道数较多（本实施例中为64路），为了保证切换的响应实时性，需要某些通道处于供电状态，但这会带来整体的功耗过大，因此本发明所公开的Ku波段多通道切换接收装置还设有电源控制模块，电源控制模块采用NC1075C-1015芯片，工作电压为+5V，工作电流为50 mA，相邻8个射频通道的NC1075C-1015芯片可共用一个稳压芯片LT1129-5。LT1129-5的稳压时间小于500 μs，工作时，LT1129-5可以提前500 μs做稳压准备。电源控制模块分别电路连接至每一路射频通道的每个低噪声放大器，根据导通射频通道的工作要求，分别控制每一路射频通道中的低噪声放大器处于供电关闭、正常供电状态或待命状态，由于上电稳定需要时间，所以需要提前上电，此处待命状态即为提前上电状态。

如图2所示，本发明所公开的Ku波段多通道切换接收装置还包含有主控模块400，主控模块400采用现场可编程门阵列（FPGA）。FPGA具有设计修改灵活、I/O资源丰富、擅长并行信号处理的特点，因此，使用FPGA实现的采样控制模块可以满足多通道高速采集的要求。

主控模块400中设计了3种工作模式，第一种是正常工作采集信号时使用，为收到外部输入的一个开始工作的一串二进制编码命令的触发后按照一定的频率一定的顺序，例如按照100us的时间间隔从左到右依次切换，完成后进入待机状态等待下一次触发的方式，选通一路通道，触发信号和工作指令都是由外部提供的，触发信号为脉冲形式，TTL电平，本装置中的FPGA单元在检测到外部提供的触发脉冲的上升沿时开始进行切换工作，触发信号是通过总线输入的。工作指令是以TTL电平的形式通过总线输入到本装置中。

第二种是调试标校排故时使用，为在接收到外部触发后读取通道选择指令选通对应的通道并保持，等到下一个触发再次读取通道选择指令选通对应的通道并保持，以此循环。

第三种为系统功能测试时使用，收到触发后开始以一定的频率读取选通指令并开启对应的通道。选通的通道通过后方面板上的信号接口将对应的接收天线收到的信号输出，本例中将其设置为K型接口。其上盖板通过螺丝与盒体固定，可以按需要开启，便于调试。其前方面板焊有64个微带接收天线以及左右各4个冗余天线。其后方延伸区内装有电源及控制电路，通过后方面板延伸区上的总线以及信号接口对外连接，本例中总线选用DB25接口，时钟信号选用SMA接口。

主控模块400输出端电路连接有开关驱动芯片500，开关驱动芯片500选用MA-COM公司的MADR-010574，主控模块400读入12 bit控制数据，控制相应射频通道的稳压器（稳压芯片LT1129-5）使能，并将1 bit控制信号送给一个开关驱动芯片500，开关驱动芯片500产生开关偏置电流，输出至对应切换开关，完成对应切换开关的通断。

切换开关中设有开关芯片，用于接收开关驱动芯片500输出的开关偏置电流，以驱动切换开关开启或关闭。开关芯片选用NC1667C-618芯片，其具体指标如下：1）频率范围：6 GHz~18 GHz；2）插入损耗L：<0.6 dB；3）隔离度：>55 dB；4）RF偏置网络形式为内置；5）驻波：1.3。

综上，本实施例中所公开的Ku波段多通道切换接收装置的总体技术指标如下：1）工作频段和带宽：Ku波段，带宽200MHz；2）切换路数：64；3）增益：>16 dB；4）隔离度：>30 dB；5）驻波系数：<1.5；6）噪声系数：<6 dB；7）切换控制方式：FPGA和开关（微波设备提供控制信号和同步信号）；8）切换控制频率：可调（时序电路组合控制）；9）带内相位一致性误差：<2°；10）最大输入功率要求：<-40dBm；11）工作温度：-20°C~+70°C；12）阵元间隔：20 mm。

本发明一种Ku波段多通道切换接收装置的外壳从外形看类似一个长方体，后方有一延伸区。装置前部为天线固定面，可以将天线焊接于该面上，保证天线的稳定性。装置后方中部偏左有一块延伸区，其内部为电源及主控模块。在此延伸区的后方面板上有两个接口，其中一个为总线插座，其作用可以为电源提供电压、为控制电路提供指令输入；另一个为信号插座，其作用可以为控制电路提供稳定的时钟源。装置后方面板上还有一个信号插座，其作用是将选通的那一路微波信号输出给后端的射频接收机。装置侧边有8个安装孔，中间有6个安装孔，可以为实验及挂飞提供固定途径。

Ku波段多通道切换接收装置内部为射频通道，射频通道由微波腔体及微波线缆相连组成，期间可加入切换开关及低噪声放大器来选择所需射频通道并保证信号增益。由于腔体路径和线缆长度皆为固定值，因此微波在每个通道传输过程中的延时为固定值。由于接收通道在所述装置内部，而装置为全金属密封材质，装置具有良好的电磁兼容性和防止微波泄漏的能力。

天线阵列100的每个天线阵元101所对应的通路的延时为一固定值，确保天线稳固，具有良好的电磁兼容性能，延时为一固定值保证每个通道的延时是固定的，在实际测试时测出。譬如第一个通道的延时为20ns，第二个通道的延时为35ns，等等。每个通道的延时不相同是没有关系的，只要保证是固定的。

装置前部天线固定面的两侧有冗余天线设计，即除了射频通道所对应的天线外还有数个天线焊接位置，这种设计可以有效地抑制中间线性阵列天线的边际效应，保证各天线接收到的回波能量一致。

装置上放盖板与主体通过螺钉固定连接，必要时可以拆卸以便维护内部器件。

本发明还公开一种Ku波段多通道切换接收装置的多通道切换接收方法，该方法包含以下步骤：

步骤1、天线阵列100接收Ku波段信号输出至多通道切换阵列200。

步骤2、主控模块400根据需要选择开启的射频通道，控制该射频通道中所设置的切换开关全部导通，不选择开启的接收通道里的切换开关保持断开。

在本实施例中根据装置使用者的要求，通过对主控模块400编程实现指定通道的开关或者通道的自动切换。有三种工作模式分别为自动工作模式、触发工作模式、调试工作模式，装置使用者通过外部控制设备向切换开关发送工作模式指令和通道选择指令。

首先将外部线路连接完毕，检查线路连接正确后上电，样机将时钟信号通过SMA口输入主控模块400（FPGA），这时FPGA开始等待工作指令。上位机端设置工作模式、选择通道以及设定触发频率并通过串口发送给样机的时序版，时序版将收到的指令转化成电平信号通过DB25总线发送给FPGA，FPGA首先读取工作模式信号，切换成相应模式后等待触发，读取通道选择信息并控制开关完成通道的通断。

该Ku波段多通道切换接收装置采用电源控制模块，主控模块400未选择某一个或某些射频通道开启时，电源控制模块控制不对该些未选择开启的射频通道及其中的低噪声放大器，即第一级低噪声放大器31和第二级低噪声放大器320，供电。而当主控模块400选择开启的接收通道时，电源控制模块即对该选择开启的射频通道及其中的低噪声放大器进行供电。

电源控制模块的供电方法包含有多种工作模式，工作模式是用户编程后烧入FPGA中的。可以根据需要烧入不同的程序实现不同的切换方式。电源同样由FPGA控制，为了保证切换流畅，一般需要提前给下一路或下几路上电。

以下举例说明一种相邻电源依次导通并循环的工作模式，其具体包含：电源上电稳定过渡时间约为上升沿300us，稳定过渡时间是指从上电到电流稳定所需要的时间。使用时，系统开机时首先开启最前面的五至十路射频通道对应的电源，经过300us后开始发射信号，每来一个脉冲重复时间（PRT）时，关闭最早的那一路射频通道的电源，并开启相邻的那一路射频通道的电源，循环进行下去。

步骤3、多通道切换阵列输出Ku波段信号后进行后端信号处理。用于补偿芯片不一致和工艺装配中造成的相位误差。后端信号处理包含：信号采集后在上位机上的处理，主要是对各通道接收信号的相位差和幅度不一致进行校正，然后进行成像处理。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。