有源相控陣天線射頻鏈路系統(tǒng)及其確定收發(fā)隔離度的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種通信、雷達(dá)等電子系統(tǒng)應(yīng)用的全雙工有源相控陣天線收發(fā)隔離度 的計(jì)算方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 有源相控陣天線是目前許多雷達(dá)和通信的主要天線方式。對(duì)于全雙工有源相控陣 天線，收發(fā)隔離度是有源相控陣天線工作時(shí)的重要指標(biāo)。如果全雙工有源相控陣天線收發(fā) 隔離度解決不好，會(huì)造成發(fā)射時(shí)有源相控陣天線接收通道無(wú)法正常工作，甚至?xí)龤Ы邮?通道的有源芯片，造成重大損失。由于調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)發(fā)射的是連續(xù)波，不能像脈沖式雷達(dá) 那樣可以采用電開關(guān)來(lái)控制天線的收發(fā)轉(zhuǎn)換，而必須將發(fā)射天線和接收天線分隔開來(lái)，因 此接收天線對(duì)發(fā)射天線的隔離度就成為調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)。陣列天線在通信 領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，常規(guī)的收發(fā)隔離技術(shù)只是針對(duì)一路信號(hào)進(jìn)行回波信號(hào)的抑制，假如套 用常規(guī)方案對(duì)陣列天線的每一路輸入進(jìn)行一次自適應(yīng)抵消將會(huì)大量消耗硬件資源，在實(shí)際 操作中是不可行的。天線隔離度取決于天線輻射方向圖和空間距離及增益，通常不考慮電 壓駐波比引入的衰減，其經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式可以分為兩種情況：一種是當(dāng)兩陣列天線垂直排列 布置時(shí)，公式為
[0003] Lv= 28+401g(k/A) (dB)
[0004]上式中LvS隔離度要求，A為載波的波長(zhǎng)，k為垂直隔離距離。另一種是當(dāng)兩陣 列天線水平排列布置時(shí)，公式為
[0005] Lv= 22+201g (d/ 人）-(G ^G2) - (SfS2) (dB)
[0006] 其中d為水平隔離距離，GjP G2分別為發(fā)射天線和接收天線在最大輻射方向上的 增益（dB)，SjPS 2分別為發(fā)射天線和接收天線在90°方向上的副瓣電平（dB，相對(duì)于主波 束，取負(fù)值）。
[0007] 目前，很多文獻(xiàn)的報(bào)道都集中于同頻全雙工系統(tǒng)的收發(fā)隔離度研宄，并提出自適 應(yīng)對(duì)消方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，如馮存前等人在2004年發(fā)表的文獻(xiàn)"提高收發(fā)隔離度自適應(yīng)對(duì)消技術(shù) 研宄"（現(xiàn)代雷達(dá)），就是針對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)式干擾過(guò)程中干擾信號(hào)進(jìn)入接收通道而造成系統(tǒng)不能正 常工作甚至自激的現(xiàn)象，提出基于LMS算法的自適應(yīng)干擾對(duì)消技術(shù)，消除干擾信號(hào)，保存有 用信號(hào)，達(dá)到提高收/發(fā)隔離度的目的。
[0008] 2009年，稂華清在文獻(xiàn)"收/發(fā)共用天饋系統(tǒng)的收發(fā)隔離研宄"（航空兵器）中報(bào) 道了主動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭陣列天線收發(fā)同時(shí)工作情況下收發(fā)隔離度的計(jì)算，并分析了在給定收 發(fā)隔離指標(biāo)前提下天線陣面及隔離裝置的匹配要求。以波導(dǎo)裂縫陣列天線為例，從微波網(wǎng) 絡(luò)理論出發(fā)，分析了發(fā)射機(jī)經(jīng)天饋系統(tǒng)耦合到接收機(jī)的能量，給出了收發(fā)隔離度計(jì)算方法。 但是，該文獻(xiàn)提供的收發(fā)隔離度計(jì)算方法只對(duì)收發(fā)共用天饋系統(tǒng)的天線陣面設(shè)計(jì)有用，而 對(duì)于全雙工有源相控陣天線系統(tǒng)（含天線陣面、收阻濾波器、發(fā)阻濾波器、功率放大器、低 噪聲放大器、移相器、功分器、合成器，等）的收發(fā)隔離度計(jì)算無(wú)法適用。
[0009] 在2010年，伍俊等人在文獻(xiàn)"全雙工系統(tǒng)中收發(fā)隔離的分析與實(shí)現(xiàn)"（微機(jī)處理） 中研宄了非同頻單個(gè)射頻通道收發(fā)天線全雙工系統(tǒng)中收發(fā)隔離的理論與實(shí)現(xiàn)。以"北斗一 代"手持式接收機(jī)為應(yīng)用背景，實(shí)際設(shè)計(jì)和制作了射頻模塊。最后將射頻模塊接入到手持機(jī) 中，在暗室條件下，手持機(jī)發(fā)射時(shí)無(wú)失鎖現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的收發(fā)隔離。遺憾的是，該文獻(xiàn)的 方法僅僅適合于非相控陣天線體制，無(wú)法考慮天線波束掃描時(shí)，產(chǎn)生的電壓反射矢量對(duì)系 統(tǒng)接收通道的影響，并且只對(duì)單個(gè)收發(fā)天線構(gòu)成的單個(gè)射頻通道進(jìn)行了分析，該方法無(wú)法 適用于多通道有源相控陣天線射頻鏈路系統(tǒng)的收發(fā)隔離度分析。
[0010] 最近國(guó)內(nèi)外的報(bào)道主要集中在天線陣面收發(fā)高隔離度的設(shè)計(jì)方法上，而對(duì)于有源 相控陣天線射頻鏈路系統(tǒng)的隔離度分析卻沒(méi)有研宄。例如Lei Qiu等人在2012年發(fā)表 的文獻(xiàn)"Transmit-receive isolation improvement of antenna arrays by using EBG structures'，（IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters)報(bào)道了在接收陣列 與發(fā)射陣列之間采用EBG金屬墻和扼流槽的方法來(lái)提高收/發(fā)陣列天線之間的隔離度，通 過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，該設(shè)計(jì)方法可以使收/發(fā)陣列天線之間的隔離度提高至少30dB。王永華等 人在2014年發(fā)表的文獻(xiàn)"毫米波連續(xù)波雷達(dá)天線隔離度設(shè)計(jì)"（火控雷達(dá)技術(shù)）報(bào)道了在 收/發(fā)天線之間加裝扼流槽、鋪設(shè)吸波材料、以及安裝具有濾波功能的微波光子晶體結(jié)構(gòu) 等隔離措施，提高了收/發(fā)天線之間的隔離度，該方法可以使收/發(fā)天線之間的隔離度達(dá) 到 _85dB 以下。K.E. Kolodziej 等人在 2014 年發(fā)表的文獻(xiàn)"Simultaneous transmit and receive antenna isolation improvement in scattering environments''（IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium)報(bào)道了在天線饋電網(wǎng)絡(luò)之間插入射 頻補(bǔ)償延遲線的方法，來(lái)改進(jìn)天線之間的隔離度，該自適應(yīng)補(bǔ)償子系統(tǒng)在2. 45GHz頻段上 能有效提高30dB的天線之間的隔離度，在有散射物體的環(huán)境里，整個(gè)天線的隔離度可以達(dá) 到 _90dB 左右。J.-N. Lee 等人在 2015 年發(fā)表的文獻(xiàn)"The design of a dual-polarized small base station antenna with high isolation having a metallic cube" （IEEE Transactions on Antennas and Propagation)報(bào)道了雙極化小基站天線隔離度設(shè)計(jì)方法， 該微帶天線由微帶饋線板、平面偶極子輻射器以及天線罩組成，通過(guò)采用微帶耦合饋線和 設(shè)置金屬腔，可使該天線的兩個(gè)輸入端口的隔離度達(dá)到40dB以上。
[0011] 總的來(lái)說(shuō)，如何實(shí)現(xiàn)全雙工有源相控陣天線射頻鏈路系統(tǒng)收發(fā)隔離度的分析，怎 樣確定收阻濾波器和發(fā)阻濾波器的隔離度指標(biāo)，目前還沒(méi)有確定的技術(shù)方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 本發(fā)明目的是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足之處，提供一種工程實(shí)用性高，性能 可靠的全雙工有源相控陣天線射頻鏈路系統(tǒng)，及其能夠確定全雙工有源相控陣天線收發(fā)隔 離度的方法，以確保全雙工有源相控陣天線能正常工作。
[0013] 本發(fā)明的上述目的可以通過(guò)以下措施來(lái)達(dá)到，其特征在于包括如下步驟：一種全 雙工有源相控陣天線射頻鏈路系統(tǒng)，包括發(fā)射相控陣系統(tǒng)射頻鏈路和接收相控陣系統(tǒng)射頻 鏈路，其特征在于：所述的發(fā)射相控陣系統(tǒng)射頻鏈路由MXN路順次并聯(lián)在發(fā)射天線陣面1 與一分M功分器5之間的收阻濾波器2、功率放大器3、移相器4,以及N路并聯(lián)在一分M功 分器5與一分N功分器7之間的驅(qū)動(dòng)功率放大器6組成；驅(qū)動(dòng)功率放大器6設(shè)置在一分N 功分器7的每路射頻通道上，以使功率放大器3的輸出功率推飽和；其中一個(gè)一分N功分器 7和N個(gè)一分M功分器5共同確定了發(fā)射相控陣的陣列規(guī)模MXN ;所述接收相控陣系統(tǒng)射 頻鏈路由PXQ路順次并聯(lián)在接收天線陣面8與P合一合成器11之間的發(fā)阻濾波器9、低噪 聲放大器10、移相器4,以及Q路并聯(lián)在P和一合成器11與及Q和一合成器13之間的驅(qū)動(dòng) 低噪聲放大器12組成，Q和一合路器13的每路射頻通道設(shè)置一個(gè)驅(qū)動(dòng)低噪聲放大器12,以 確保接收相控陣系統(tǒng)射頻鏈路增益，其中一個(gè)Q和一合路器13和Q個(gè)P和一合路器11共 同確定了接收相控陣的陣列規(guī)模為PXQ，上述M、N、P、Q是自然數(shù)。
[0014] -種使用上述全雙工有源相控陣天線射頻鏈路系統(tǒng)確定全雙工有源相控陣天線 收發(fā)高隔離度的方法，其特征在于包括如下步驟：首先根據(jù)微波網(wǎng)絡(luò)理論，在發(fā)射工作頻段 上采用有限元數(shù)值計(jì)算方法或電磁仿真軟件，計(jì)算出發(fā)射天線陣面1到接收天線陣面8的 電壓散射矢量，求出發(fā)射天線陣面1的所有MXN個(gè)陣列單元到接收天線陣面8的任意一個(gè) 陣列單兀的電壓散射矢量和，并在PXQ個(gè)電壓散射矢量和中找出幅值最大的那個(gè)陣列單 元值，將此值與發(fā)射相控陣系統(tǒng)每通道輸出功率相乘，得到由發(fā)射相控陣系統(tǒng)耦合到接收 相控陣系統(tǒng)的信號(hào)功率；為了保證接收相控陣系統(tǒng)的接收通道不被推飽和或燒毀，在接收 相控陣系統(tǒng)的接收天線陣面8和低噪聲放大器10之間設(shè)置發(fā)阻濾波器9,使從發(fā)射相控陣 系統(tǒng)耦合過(guò)來(lái)的信號(hào)功率值通過(guò)接收相控陣系統(tǒng)的發(fā)阻濾波器9后減小，減小到小于低噪 聲放大器10的輸入IdB壓縮點(diǎn)功率值；然后該信號(hào)功率值進(jìn)一步通過(guò)低噪聲放大器10、移 相器4、以及P合一合成器11后，最終合成輸出的信號(hào)功率值再次小于驅(qū)動(dòng)低噪聲放大器 12的輸入IdB壓縮點(diǎn)功率值，從而確定出發(fā)阻濾波器9的隔離度值。
[0015] -種使用所述全雙工有源相控陣天線射頻鏈路系統(tǒng)確定全雙工有源相控陣天線 收發(fā)高隔離度的方法，其特征在于包括如下步驟：對(duì)于接收工作頻段，采用有限元數(shù)值計(jì)算 方法或電磁仿真軟件，計(jì)算出接收天線陣面8的陣列波束掃描到某一特定掃描角度下的陣 列單元的電壓反射矢量，找出電壓反射矢量幅值最大的那個(gè)陣列單元值；然后考慮高斯白 噪聲從發(fā)射相控陣系統(tǒng)的一分N功分器7發(fā)射端口進(jìn)入，通過(guò)一分N功分器7、驅(qū)動(dòng)功率放 大器6、一分M功分器5、移相器4、功率放大器3后，其熱噪聲將會(huì)通過(guò)發(fā)射天線陣面1耦合 到接收天線陣面8,從而造成接收相控陣系統(tǒng)無(wú)法正常工作；采用在發(fā)射相控陣系統(tǒng)的發(fā) 射天線陣面1和功率放大器3之間設(shè)置收阻濾波器2的方法，使該熱噪聲通過(guò)發(fā)射相控陣 系統(tǒng)的收阻濾波器2后減小，然后通過(guò)發(fā)射天線陣面1耦合到接收天線陣面8,并與接收天 線陣面8的某一特定掃描角度下陣列單元的電