[发明专利]全双工有源相控阵滤波天线阵面

说明书

本发明公开的一种全双工有源相控阵滤波天线阵面，旨在提供一种能够高隔离收发阵列，具有良好滤波特性的天线阵面。发射阵列天线的发射天线阵面和接收阵列天线的接收天线阵面由许多排成阵列形式的辐射单元构成；一体化集成了辐射电路、馈电转换电路和滤波电路的多层印制板，利用金属化过孔的垂直互联结构实现不同电路之间的连接，并以收发组件的金属上腔体作为金属地，通过射频毛纽扣连接器将金属地板的金属上腔体基座同体相连，组成辐射单元与收发组件一体化箱型体的子阵模块滤波天线单元。利用本发明可以实现收发阵列具有高隔离度，减少发射和接收阵列的插损，实现高精度的幅度和相位控制。

技术领域

本发明属于微波毫米波技术领域，涉及通信、雷达等电子系统应用的一种收发具有滤波功能的全双工有源相控阵天线阵面。

背景技术

全双工（Full Duplex）是通讯传输的一个术语。通信允许数据在两个方向上同时传输，它在能力上相当于两个单工通信方式的结合。全双工是在微处理器与外围设备之间采用发送线和接收线各自独立的方法，可以使数据在两个方向上同时进行传送操作。指在发送数据的同时也能够接收数据，两者同步进行。相控阵天线指的是通过控制阵列天线中辐射单元的馈电相位来改变方向图形状的天线。作为数字相控阵雷达核心组成的有源相控阵天线，天线阵面的硬件设备量无论是从数量上还是成本上，都占了整个雷达硬件设备量的三分之二以上，对整个雷达起着举足轻重的作用，良好的天线阵面性能是保证雷达可靠、稳定工作的前提。相控阵天线阵面不仅仅是作为辐射单元的天线振子或者无源天线阵列，而是由天线罩、天线阵列、结构骨架和内部包含了T/R组件、综合网络、阵面电源、阵面监测设备等的高频箱所组成的有源天线阵面。通常情况下，T/R组件的接收噪声系数是指整个模块的，包括LNA的噪声系数以及前级电路（环形器、接收保护电路、传输线）引起的插损。有源相控阵天线的性能与成本设计不仅仅与T/R组件相关，也与阵列的集成设计密切相关。通常情况下，每个天线阵列辐射单元必须精确保证其在阵列中的位置，并安装到刚性的背板上。在对于有天线RCS有缩减要求时，天线阵面的变形后会引起随机散射增强，且该影响无法进行消除。在有源相控阵天线中，主要的噪声源是直流纹波或者输入电压的波动。由于每个T/R组件的电压较低且电流较高，因此需要对输入功率进行适应性的滤波。数字相控阵天线阵面的主要功能是：1)发射时，阵面对发射前级送来的信号进行放大、辐射和空间功率合成。根据雷达指令，阵面通过直接数字频率合成(DDS)技术实现发射波束扫描，向指定空域辐射；2)接收时，阵面将天线接收到的目标回波信号放大，经过数字接收通道转换成数字信号，交由数字波束形成(DBF)形成自适应波束。对于一收一发的全双工有源相控阵天线系统，一收一发的均是同频射频信号，信号相参同步。

随着无线通信和电子技术的迅猛发展，系统中的电子设备需要同时满足多种需要。这就要求系统中两个重要部件，滤波器和天线，能够进行集成化设计。滤波器和天线作为通信系统中的重要部件，通过对它们进行联合设计，构成具有良好滤波特性的天线，这对优化系统的性能具有极其重要的意义。基于此，为了减小天线滤波器系统的面积尺寸，方便器件的集成封装，人们开始把天线和滤波器放在一个系统中集成设计成一个模块，形成滤波天线，这样作为整体的设计方式能够比较高效的减少系统中的结构，从而达到减小尺寸的目的，更能够符合小型化的发展趋势。具有滤波特性的天线的设计原理是在天线中加入一个或者多个谐振结构，使得加入的谐振结构在其谐振频率处破坏天线在该频点处的阻抗匹配，从而实现滤波特性。但传统设计方法是将天线辐射单元与滤波器单独进行设计，然后将二者直接连接在一起。按照这种设计思路，由于没有整体考虑，所以会存在有匹配不当的问题。虽然匹配的相关问题可以通过增加匹配电路来解决，但是，这样增加额外的电路会使得整个系统的尺寸增加。国外已有相关文献对滤波器和天线的联合进行了研究，设计出具有滤波特性的天线，并且取得了一定的成果。这种滤波器天线既可以实现滤波器的带通和带外抑制功能，又能使天线的辐射方向图和增益的测试结果满足实际需要。总体来讲，这种将滤波器与天线进行联合设计的方法，可以减小系统整体尺寸并提升系统整体性能，具有很大的实用价值。