一种高集成度数字相控阵系统技术方案

本发明专利技术公开了一种高集成度数字相控阵系统，包括平板天线阵列层、矩阵开关校准网络层、基于射频SOC的射频收发通道层和数字波束形成层，平板天线阵列层与矩阵开关校准网络层之间通过射频信号连接，矩阵开关校准网络层与基于射频SOC的射频收发通道层之间通过射频信号与高速数字信号连接。本发明专利技术通过瓦片集成的方式将平板天线阵列层、矩阵开关校准网络层、基于射频SOC的射频收发通道层和数字波束形成层封装在一个垂直的三维立体架构内，进而形成具有完备功能的的数字相控阵系统，解决了传统数字相控阵砖块集成方式成本高，元器件多，同步困难，集成难度大的问题，适用于需要设备轻量化，便携化的场景，大大拓展了数字相控阵使用范围。围。围。

【技术实现步骤摘要】
一种高集成度数字相控阵系统


[0001]本专利技术涉及相控阵系统
，尤其涉及一种高集成度数字相控阵系统。

技术介绍

[0002]随着相控阵系统在军民用电子系统中得到越来越多的应用，相控阵技术本身也不断向前发展。数字相控阵系统采用数字方式形成波束，和模拟相控阵相比，具有动态范围大，波束精度高，易于形成同时多波束等诸多优点，但同时也是由于波束在数字域形成，其每个天线后方的收发通道除了包含模拟相控阵中的收发组件部分外，还需要多次变频通道以及AD，DA等模/数混合器件，收发通道复杂度高，元器件数目大大上升。
[0003]相控阵的集成方式主要为砖块式和瓦片式两种。采用瓦片式集成的方式构成相控阵由于重量轻，剖面低，已成为模拟相控阵系统的主流集成方式，相控阵天线单元的间距往往小于半波长，因此收发通道间的间隔也受限在半个波长以内。不同于模拟相控阵，由于数字相控阵每个收发通道所含器件极多，在半波长距离内很难布局，因此一般数字相控阵的集成方式还往往采用落后的砖块式集成，造成系统成本较高，体积较大，不利于在需要设备轻量化，便携化的场景下使用。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供了一种高集成度数字相控阵系统，以解决上述
技术介绍
中提出的问题。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采用了如下技术方案：
[0006]一种高集成度数字相控阵系统，包括平板天线阵列层、矩阵开关校准网络层、基于射频SOC的射频收发通道层和数字波束形成层，平板天线阵列层与矩阵开关校准网络层之间通过射频信号连接，矩阵开关校准网络层与基于射频SOC的射频收发通道层之间通过射频信号与高速数字信号连接，基于射频SOC的射频收发通道层与数字波束形成层之间通过高速数字信号连接。
[0007]作为本技术方案的进一步改进方案：平板天线阵列层包括N单元天线阵列、微带单元和金属背板，N单元天线阵列中的每个单元天线的馈电口固定连接在微带单元上，每个单元天线的馈电方式为背馈，所述微带单元安装在金属背板表面上。
[0008]作为本技术方案的进一步改进方案：矩阵开关校准网络层包括校准发射通道、校准接收通道和矩阵开关网络，矩阵开关校准网络层为平面PCB结构，矩阵开关网络包括高速总线连接器、多个SMA连接器和多个SMP连接器，高速总线连接器用于传递来自于FPGA的控制信号并控制校准收发通道分时工作；第一SMA连接器分布于PCB左右两端，第一SMA连接器用于连接基于射频SOC的射频收发通道层；多个SMP连接器分布于PCB中间位置，多个SMP连接器用于将信号连接至N单元天线阵列。
[0009]作为本技术方案的进一步改进方案：矩阵开关校准网络层还包括SP8T和多个SPDT开关，SP8T和多个SPDT开关用于控制矩阵开关校准网络层中信号的路由。
[0010]作为本技术方案的进一步改进方案：基于射频SOC的射频收发通道层为平面PCB结构，基于射频SOC的射频收发通道层包括控制信号连接器、多个第二SMA连接器、两个高速信号连接器和多个射频SOC芯片，控制信号连接器与矩阵开关校准网络层连接，用于传递来自于FPGA的控制信号，控制矩阵开关校准网络层分时工作；多个第二SMA连接器分布于PCB左右两端，用于连接矩阵开关校准网络层；两个高速信号连接器分布于PCB中间位置，与数字波束形成层连接，用于传递来自于ADC和DAC的基带数据给波束形成层，并桥接FPGA的控制信号。
[0011]作为本技术方案的进一步改进方案：每个射频SOC芯片包括接收前端，发射前端，接收变频信道，发射变频信道，BB锁相环，RX锁相环，TX锁相环，ADC数据转换器，DAC数据转换器，所述接收前端的信号输出端与接收变频信道的信号输入端之间电信号连接，所述接收变频信道的信号输出端与ADC数据转换器的信号输入端之间电信号连接，所述RX锁相环的信号输出端与接收变频信道的信号输入端之间电信号连接，所述DAC数据转换器的信号输出端与发射变频信道的信号输入端之间电信号连接，所述发射变频信道的信号输出端与发射前端的信号输入端之间电信号连接，所述TX锁相环的信号输出端与发射变频信道的信号输入端之间电信号连接，所述BB锁相环的信号输出端分别与ADC数据转换器和DAC数据转换器的信号输入端之间电信号连接。
[0012]作为本技术方案的进一步改进方案：数字波束形成层包括多个FIR滤波器和多个乘法器，每个FIR滤波器与每个相对应的乘法器之间通过电信号连接。
[0013]作为本技术方案的进一步改进方案：数字波束成形层还包含二次电源、接收数据接口和发送数据接口，二次电源用于将外部输入的28V电源转化为数字相控阵系统工作需要的+5V、+3.3V或+1.8V规格的电源，接收数据接口和发送数据接口均为网口，接收数据接口用于接收外界发送的波束指向信息和驻留时间信息，发送数据接口用于将数字相控阵系统当前的状态信息发送到外界。
[0014]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0015]本专利技术采用射频SOC简化射频收发信道，并在此基础上采用平面分层结构，包括平板天线阵列层、矩阵开关校准网络层、基于射频SOC的射频收发通道层和数字波束形成层等多层平面电路结构及天线背板等平面安装结构，并将多层结构通过垂直射频连接和垂直数字高速连接的方式构成瓦片式集成数字相控阵系统，通过采用高集成度射频SOC芯片的方式，将传统复杂的射频收发通道集成在一个单芯片内部，大大减小了系统体积，避免了天线间距过小对相控阵瓦片式集成的器件布局约束，进而形成具有完备功能的的数字相控阵系统，解决了传统数字相控阵砖块式集成方式成本高，元器件多，同步困难，集成难度大的问题，适用于需要设备轻量化，便携化的场景，大大拓展了数字相控阵使用范围。
[0016]上述说明仅是本专利技术技术方案的概述，为了能够更清楚了解本专利技术的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本专利技术的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本专利技术的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。
附图说明
[0017]此处所说明的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，构成本申请的一部分，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。在附图中：
[0018]图1为本专利技术提出的一种高集成度数字相控阵系统的结构示意图；
[0019]图2为本专利技术提出的一种高集成度数字相控阵系统的矩阵开关校准网络层的原理框图；
[0020]图3为本专利技术提出的一种高集成度数字相控阵系统的射频SOC的内部构成图；
[0021]图4为本专利技术提出的一种高集成度数字相控阵系统的时钟树图；
[0022]图5为本专利技术提出的一种高集成度数字相控阵系统的接收数字波束成形的原理框图；
[0023]图6为本专利技术提出的一种高集成度数字相控阵系统的发射数字波束成形的原理框图。
[0024]附图中，各标号所代表的部件列表如下：
[0025]1平板天线阵列层、2矩阵开关校准网络层、3基于射频SOC的射频收发通道层、4数字波束形成层。
具体实本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高集成度数字相控阵系统，其特征在于，包括平板天线阵列层（1）、矩阵开关校准网络层（2）、基于射频SOC的射频收发通道层（3）和数字波束形成层（4），平板天线阵列层（1）与矩阵开关校准网络层（2）之间通过射频信号连接，矩阵开关校准网络层（2）与基于射频SOC的射频收发通道层（3）之间通过射频信号与高速数字信号连接，基于射频SOC的射频收发通道层（3）与数字波束形成层（4）之间通过高速数字信号连接。2.根据权利要求1的一种高集成度数字相控阵系统，其特征在于，平板天线阵列层（1）包括N单元天线阵列、微带单元和金属背板，N单元天线阵列中的每个单元天线的馈电口固定连接在微带单元上，每个单元天线的馈电方式为背馈，所述微带单元安装在金属背板表面上。3.根据权利要求1的一种高集成度数字相控阵系统，其特征在于，矩阵开关校准网络层（2）包括校准发射通道、校准接收通道和矩阵开关网络，矩阵开关校准网络层（2）为平面PCB结构，矩阵开关网络包括高速总线连接器、多个SMA连接器和多个SMP连接器，高速总线连接器用于传递来自于FPGA的控制信号并控制校准收发通道分时工作；第一SMA连接器分布于PCB左右两端，第一SMA连接器用于连接基于射频SOC的射频收发通道层（3）；多个SMP连接器分布于PCB中间位置，多个SMP连接器用于将信号连接至N单元天线阵列。4.根据权利要求3的一种高集成度数字相控阵系统，其特征在于，矩阵开关校准网络层（2）还包括SP8T和多个SPDT开关，SP8T和多个SPDT开关用于控制矩阵开关校准网络层（2）中信号的路由。5.根据权利要求1的一种高集成度数字相控阵系统，其特征在于，基于射频SOC的射频收发通道层（3）为平面PCB结构，基于射频SOC的射频收发通道层（3）包括控制信号连接器、多个第二SMA连接器、两个高速信号连接器和多个射频SOC芯片，控制信号连接器与矩阵开关校...

【专利技术属性】
技术研发人员：许明，张萌，何宁，洪凯伦，吴思炜，杜东桥，马雄波，
申请(专利权)人：航天科工通信技术研究院有限责任公司，
类型：发明
国别省市：