S频段可变波束宽度有源阵列天线

摘要

本发明公开了一种S频段可变波束宽度有源阵列天线，包括依次连接的放大模块和天线组件，其特征是，所述放大模块主要由前置级放大器、第一推动级放大器，二路功率分配器、隔离器、末级放大器模块、末级功放监控保护电路、末级功放组件工作控制电路组成，所述末级放大器模块包括若干末级功放组件；所述前置级放大器接收S频段信号后传输给所述推动级放大器，推动级放大器连接有若干二路功率分配器，每个所述二路功率分配器输出端连接有两个隔离器，每个所述隔离器依次连接末级功放组件和天线组件，所述末级放大器模块分别通过末级功放监控保护电路、末级功放组件工作控制电路与控制计算机连接。

说明书

技术领域

本发明涉及一种S频段可变波束宽度有源阵列天线，属于通信技术领域。

背景技术

有源阵列天线是一种空间功率合成技术，是利用多个功率输出微波源，发射频率相同、相位符合特定关系的电磁波，使之在空间传播过程中功率相互叠加，从而在特定方向和特定距离处形成高能量密度电磁波束。而高可靠性要求发射机尽量采用固态功放模块。

从功率合成技术发展历史和合成技术分类情况可以看到，功率合成技术关心的主要是合成效率、输出功率大小（由可以合成的单元放大器数目大小决定）、结构复杂程度、散热性能、工作频率和带宽等，功率合成技术的发展就是围绕这些主题进行的。

空间合成技术，是基于自由空间功率合成技术，通过采用空间功率合成天线，多路功率信号直接通过天线单元辐射到自由空间去，通过控制各路辐射的相位，直接在自由空间合成定向辐射的大功率电磁波束。由于没有了电路合成网络的损耗，合成效率较高，是产生大功率电磁波辐射的有效途径。各阵元发射信号到达合成目标处的相位误差精度是影响合成效率的主要因素，相位误差越小，合成效率越高；阵列规模较大时电路间的互连线是不可避免的，互连线越多，阵列的合成性能越难以控制。

纵观以往的研究发现，对阵列天线或者对相控阵天线进行波束展宽，控制方法多集中在同时控制单元的幅度和相位，或者单独控制单元幅度或单元相位来实现。这种控制方法需要在系统中增加幅相控制器件，会增加系统的复杂度，而且也对功放管的线性度提出较高要求。系统的复杂性增加，会降低系统的可靠性。如对功放管的线性度要求较高，则需要选择功率线性度较好的AB类功放管芯，AB类功放管芯通常电源效率较低、发热量大、单价也昂贵得多，这些因素会导致靶标成本显著增加，对靶标这类易摧毁品是不适宜的。

对有源阵列天线或者对相控阵天线进行辐射功率的控制，常规控制方法为控制功放的输入功率来实现，而这需要功放管具有良好的线性度。本实施例通过对功放组件工作数量控制可实现一定程度的辐射功率控制，而这种控制方法不需要功放器件本身具有线性动态，由于对功放管幅相线性度要求较低，可选用低成本的功放管芯。可大大降低辐射源靶标的成本。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种能够随着伺服转台的转动改变天线指向角，具有波束宽度可控的功能，以达到任务空域的波束覆盖的S频段可变波束宽度有源阵列天线。

为解决上述技术问题，本发明提供一种S频段可变波束宽度有源阵列天线，包括依次连接的天线阵列和放大模块，其特征是，所述放大模块主要由前置级放大器、第一推动级放大器，二路功率分配器、隔离器、末级放大器模块、末级功放监控保护模块、末级功放组件工作控制模块组成，所述末级放大器模块包括若干末级功放组件，所述末级功放组件用于将输入的小功率射频信号放大至百瓦级大功率信号输出。

所述前置级放大器接收S频段信号后传输给所述推动级放大器，推动级放大器连接有若干二路功率分配器，每个所述二路功率分配器连接有两个隔离器，每个所述隔离器依次连接末级功放组件和天线组件，所述末级放大器模块分别通过末级功放监控保护模块、末级功放组件工作控制模块与计算机连接。

进一步的，还包括用于给天线散热的散热装置。

进一步的，所述末级功放组件包括第二推动级放大器、一个四路功率分配器和四个末级180瓦放大器，每个输入末级功放组件信号通过组件中的第二推动级放大器，四路功率分配器去驱动末级4个180瓦放大器，传送至天线，末级放大器模块中还包括直流电源变换电路。

进一步的，所述第一推动级放大器连接十个二路功率分配器。

进一步的，所述计算机用于进行控制辐射信号的开/关机，接收有源阵列天线的工作状态、工作参数，并根据系统主控计算机的指令进行波束宽度控制。

进一步的，所述天线组件为微带偶极子天线结构，每四个天线单元构成一个组件，每个组件对应一个末级功放组件，末级功放组件与天线组件之间通过通过同轴射频连接器连接。

进一步的，所述末级功放监控保护模块包括功率检测模块、过流保护模块、过压保护模块、过温度保护模块、时序电路模块、漏极控制电路模块；

计算机开机信号控制每一路末级功放组件的电源，每一路电源上串联有过流保护模块、过压保护模块，时序电路模块、漏极控制电路模块，功率检测模块；功率检测模块对每个输出端口功放管的工作电流进行检测，建立电流和功率的对应关系，用于判断每个端口功率正常或者异常，传输状态至计算机；温度检测模块独立于电源回路中，检测末级功放组件温度状态，利用温度传感器，将温度信号转换成电压信号，当检测电压超过警告线，将报警，并关断电源，传输状态至计算机；

进一步的，所述末级功放组件工作控制模块用于控制末级功放组件的上电和关电，针对有源阵列天线变波束的功能要求，该末级功放组件工作控制模块可以关断任意末级功放组件，实现辐射方向图指标要求，其开关速度响应时间为微秒级。

进一步的，所述电源包括DC-DC变换电路，产生各种系统必须的工作电压。

进一步的，该天线安装在俯仰伺服转台上，随着转台的转动改变天线指向角。

本发明所达到的有益效果：

本有源阵列天线通过采用模块化设计，末级功放组件与天线组件之间采用直连方式等措施，减少了电路间的射频电缆连接线，大大降低了射频功率在连接电缆上的损耗，并使通道的相位不一致性控制在±10°以内，从而使阵列总体合成效率大于80%，这在空间合成领域是一个极高的指标；通过对末级功放组件工作数量控制可实现波束宽度可变，相比复杂、昂贵的幅相加权控制方式展宽波束，这种控制方式几乎不增加硬件成本，非常适合易毁伤的靶试辐射源场合；通过对末级功放组件工作数量控制可实现一定程度的辐射功率控制，该有源阵列天线在不改变输入射频信号的情况下具有20档辐射功率变化，其动态范围可覆盖0~26dB；具有完善的末级功放监控保护电路，其中的过压保护电路和过流保护电路具有可以承受大功率负载、响应速度快、电路结构简单、价格低、可靠性高等优点；过温度保护电路采用了最新的温度传感器做温度检测核心器件，能够检测-55℃～+85℃温度范围内模块的温度，检测精度高，反应迅速，对提高核心器件可靠性有重要作用；漏极调制电路能够使电源的转换效率提高30%，本次设计采用了新的驱动芯片和逻辑，能够适应的调制脉宽达到200纳秒，前后沿20纳秒。

附图说明

图1是本发明S频段有源阵列天线原理图；

图2是本发明末级功放组件原理图；

图3是本发明微带偶极子天线正面图（巴伦馈电）；

图4是本发明微带偶极子天线背面图（辐射面）；

图5是本发明末级功放监控保护模块原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，一种S频段可变波束宽度有源阵列天线，包括依次连接的天线阵列和放大模块，其特征是，所述放大模块主要由前置级放大器、第一推动级放大器，二路功率分配器、隔离器、末级放大器模块、末级功放监控保护电路、末级功放组件工作控制电路组成，所述末级放大器模块包括若干末级功放组件，所述末级功放组件主要作用是将一路输入的小功率射频信号通过四路功分器分成四路，放大至百瓦级大功率信号输出。

所述前置级放大器接收S频段信号后传输给所述推动级放大器，推动级放大器连接有若干二路功率分配器，每个所述二路功率分配器连接有两个隔离器，每个所述隔离器依次连接末级功放组件和天线组件，所述末级放大器模块分别通过末级功放监控保护电路、末级功放组件工作控制电路与计算机连接。

本实施例中，还包括用于给天线散热的散热装置。

如图2所示，本实施例中，所述末级功放组件包括第二推动级放大器、一个四路功率分配器和四个末级180瓦放大器，每个末级功放组件输入信号电平约为+43dBm，通过组件中的第二推动级放大器，四路功率分配器去驱动末级4个180瓦放大器。每路信号功率约为+53dBm，传送至天线。末级放大器模块中还包括直流电源变换电路。

本实施例中，所述第一推动级放大器连接十个二路功率分配器。

本实施例中，所述计算机用于进行控制辐射信号的开/关机，接收有源阵列天线的工作状态、工作参数等，并可根据系统主控计算机的指令进行波束宽度控制。

如图3和4所示，本实施例中，所述天线组件为微带偶极子天线结构，采用微带平衡巴伦馈电的印刷偶极子天线具有体积小、重量轻、制造成本低、易于大规模集成等特点。每四个天线单元构成一个组件，每个组件对应一个末级功放组件，末级功放组件与天线组件之间通过通过同轴射频连接器连接，天线组件用于将末级功放组件产生的大功率微波信号辐射到空中，采用四个天线单元构成一个天线组件可有效减少天线阵列结构件数量，利于快速安装和维护。

本实施例中，如图5所示，所述末级功放监控保护电路包括功率检测、过流保护、过压保护、过温度保护、时序电路、漏极控制电路等。

对于功放组件中的功能电路而言，主要是根据系统指标对功放系统的接口和功能的要求和所采用的核心器件的特性需求进行设计。在设计过程中，电路的逻辑关系也必须保证。

本实施例中，电源电路的基本逻辑关系是：

控制计算机给出开机信号，经过开机控制电路，给功放系统加电，如果系统无故障，则给出加电状态正常指示，说明系统上电正常，并上报状态。

如果加电不正常，说明系统有故障，通过电流保护电路、电压保护电路以及过温度保护电路，对系统的状态进行检测，反馈出故障状态，并上报状态，进行定位排障。

电路中还包括DC-DC变换电路，产生各种系统必须的工作电压；

电路中针对核心器件，还包括时序电路等，保障功放管的正常工作。

过流保护模块

过流保护模块主要的功能是当系统出现短路、打火、异常电流的情况下及时关断系统供电，保护功放组件中昂贵的核心器件不会损伤，该模块的特点是，承受大功率负载，响应速度快、电路结构简单、价格低、可靠性高。

本设计将差分运算放大器用于检测电流电路，采用了带有比较和锁存功能的差分运算放大器，同时当检测到任何故障信号时，通过控制关断电路将电路中的电流关断。同时该电路还可以扩展应用到检测功率状态方面。

过压保护模块

主要的功能是当系统出现异常电压超过功放管等核心器件最大耐受情况下及时关断系统供电，保护功放组件中昂贵的核心器件不会因为电压过高而击穿，该电路的特点是，承受大功率负载，响应速度快、电路结构简单、价格低、可靠性高。

过温度保护模块

该模块的主要功能是检测功放组件温度变化情况，特别是在高温+65度条件下，模块温度，当检测温度超过设定值时，及时关断电路。该电路具有适应超宽温度适应范围、响应速度快、检测输出稳定，检测温度精确，电路简单、体积小、易于安装等优点。采用了最新的温度传感器做温度检测核心器件，能够检测-55℃～+85℃温度范围内模块的温度。检测精度高，反应迅速，对提高核心器件可靠性有重要作用，本实施例采用LM94022温度检测芯片。

时序电路

本实施例中采用稳压芯片和三端稳压器CW337给多个功放芯片供电。漏极调制电路

对于固态放大器而言，故障效率对器件的可靠性和寿命至关重要，为了进一步提高效率，在此设计了漏极电压调制电路，通过该电路能够使电源的转换效率提高30%，同时该电路能够对输出信号的噪声有很好的抑制作用，是某些收发系统必须采用的电路。

本实施例中采用的驱动芯片和逻辑，能够适应的调制脉宽达到200纳秒，前后沿20纳秒。

本实施例中，末级功放组件工作控制模块主要的功能是控制末级功放组件的上电和关电，针对有源阵列天线变波束的功能要求，该控制电路可以关断任意末级功放组件，实现辐射方向图指标要求。其开关速度响应时间为微秒级，具有可靠性高、响应速度快、体积小、成本低廉的优点。从电路角度本身看该控制电路具有如下特点：

a)适应极宽电压范围，控制电路可适应各类不同电压的功放管芯，具有广泛的应用空间。其采用最新型号的国产三极管和场效应管，构成大功率电子开关，可满足+5V～+85V输入电压，最大通过电流达到几十安培。

b)控制电路本身功耗非常小。其控制信号电压为+5V，驱动电流仅为1.5mA左右。

本实施例中，该天线安装在方位/俯仰两维伺服转台上，随着转台的转动改变天线指向角。

在设计过程中，结合使用要求的特点，采用模块化设计方法，尽量缩小设备的体积，减轻设备重量。

有源阵列天线接收到开机指令后，给出加电状态正常指示，系统判断固态放大器状态正常后，加射频信号，信号经过前置级放大器放大，再通过推动功率分配器输出20路信号，分别驱动80路末级放大器模块。通过各级放大器模块逐级推动放大，最终获得大功率输出，然后经天线单元辐射后进行空间功率合成，从而得到大于2MW的等效辐射功率输出。

末级功放组件共20个，每个末级组件4路输出，每两个末级组件为1列，阵列总计10列输出。各末级组件可通过末级功放工作控制电路控制其是否工作，如控制关断末级功放组件1、2、19、20，则该阵列等效于一个8×8（方位×俯仰）的阵列；控制关断末级功放组件1、2、3、4、17、18、19、20，则该阵列等效于一个6×8（方位×俯仰）的阵列。这时阵列天线的方向图则发生较大变化，各角度等效辐射功率也随之改变，表1罗列了3.25GHz三种波束宽度控制对等效辐射功率的影响。从表中可以看出：

a）有源阵列天线全工作状态（80路输出）时，阵列法线方向等效辐射功率最大，但在偏离法线5°以外的角度等效辐射功率下降较快，并且在10°和15°有两个零深。如果在靶试时导弹落入零深区域，该区域辐射信号功率密度将不满足导 弹最低灵敏度要求，难以对靶标进行定位，导致实验失败。

b）方位波束展宽状态1（64路输出）时，偏离阵列法线方向8°以外的角度等效辐射功率下降较快，在13°处有较大零深。

c）方位波束展宽状态2（48路输出）时，等效辐射功率在0°~15°内变化较为平缓，并且无零深，比较适合导弹与靶标较近时需要覆盖大空域角时工作。

通过对末级功放组件工作数量控制可实现一定程度的辐射功率控制，该有源阵列天线在不改变输入射频信号的情况下具有20档辐射功率变化，具体变化值见表2。从表2看出，其动态范围可覆盖0~26dB，并且0~10dB动态时步进较小，完全可适应需要动态变化的场合。

当末级功放组件不工作时，其输入端口为全反射状态，功分器会处于失配状态，会对相邻模块射频输入信号的幅度及相位造成影响，会导致有源阵列天线的空间合成效率下降。为消除这种不良后果，在每个末级功放组件输入前加装隔离器以避免射频信号失配。

备注：上述数值未计入天线罩损耗和阵列合成效率。

表1

表2

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。