專利名稱：毫米波一體化多通道有源發射天線及其相位補償方法
技術領域：
本發明屬于有源天線技術領域。
背景技術：
有源發射天線是將有源發射模塊與天線單元直接連接而組成的，具有體積 小、重量輕、結構緊湊等優點，在移動通信、軍事探測、電子對抗等領域有著廣泛的應用前景。近年來，隨著單片微波集成電路(醒ic)、空間功率合成技術及毫米波全平面集成技術的快速發展，推動了毫米波有源發射天線技術走向成 熟，毫米波有源發射天線更成為研究的熱點。但獨立的有源發射天線無法實現 波束形成及波束電掃描，因此多通道的有源發射天線具有更深刻的學術價值和 工程價值。對于有源發射天線而言，通道間的相位誤差將決定其空間合成效率及發射 波束形成的準確性。隨著微電子工藝的發展，為了實現小型化目的，有源器件均是采用畫IC技術實現。基于現有的國內國外制造水平，芯片級有源器件易于 實現輸出信號幅度的一致性，但是相位一致性無法保證，并且相位誤差為土180 度范圍之內。普通有源發射天線均采用添加毫米波移相器的方法進行相位補償， 其插損較大，達到7dB;并且調相精度差，相位最小可調角度為11.25度；增加 一個移相器也會增加IO毫米長度，使系統體積增大。對于一體化多通道毫米波 有源發射天線，在保證輸出功率不變的條件下，在通道間幅度誤差0.5dB以內 以及相位誤差IO度以內的系統要求約束下，過去添加毫米波移相器的方法進行 相位補償的方法與小型化系統結構及指標要求發生無法調和的矛盾，并且在國 內外尚無相關有效的實現方法，因此在高集成度有源電路中如何簡便補償發射 通道幅相誤差是實現毫米波一體化多通道有源發射天線的關鍵難點。為了實現毫米波有源發射天線一體化及小型化設計，基于現有的集成水平， 發射模塊都采用基于MMIC技術的多芯片組裝技術，而該種實現方案中由多級放 大器級聯組成的發射通道比較容易保證發射信號幅度的一致性，而相位一致性 很難實現，同時受限于一體化、小型化設計要求無法增加移相器，因此發射信 號的相位誤差較大，應用于有源發射天線會嚴重影響有源天線發射方向圖。發明內容本發明的主要目的是解決以上的技術問題。尤其是，本發明的一個目的是提供一種天線裝置，它能以高度集成化的方式實現毫米波一體化多通道有源發 射天線，并且與相關傳統產品相比不需要使用毫米波移相器。本發明的另一個目的是提供一種有源發射天線通道間相位一致性的簡易實 現方法，是一種無源實現方法，并且不需要增加天線體積。為了實現以上目的，在發明的一個方面，本發明提供了一種毫米波一體化 多通道有源發射天線裝置，包括毫米波陣列天線、多通道有源發射模塊。毫米 波陣列天線與多通道有源發射模塊采用無縫聯接結構，多通道有源發射模塊具 有由介質加載微帶線構成的相位補償網絡。毫米波一體化多通道有源發射天線裝置，它包括毫米波陣列天線，多通 道有源發射模塊。毫米波陣列天線是利于小型化的平面陣列天線，可以采用微 帶陣列天線、波導縫隙陣列天線。多通道有源發射模塊包括有源放大器、微帶 線、相位補償網絡、功分電路和金屬盒體，模塊中的各組件為以醒ic (毫米波 單片集成電路)技術為基礎的毫米波全平面集成電路。毫米波陣列天線與多通 道有源發射模塊采用無縫聯接結構，省去聯接饋線，實現一體化多通道有源發 射天線結構。其中，多通道有源發射模塊的有源放大器包括末級功率放大器(PA) 及推動級推動放大器(A)，有源放大器由高性能的MCC芯片實現，推動級放大 器根據末級功率放大器需要推動的功率值確定，假如推動功率足夠也可以沒有推動級放大器；微帶線(MS)，級聯各功能器件，利用金線鍵合實現功能器件與微帶線(MS)的聯接；相位補償網絡(PC)，加載介質設置在金屬盒體內部并且在微帶線上方的空氣屏蔽腔內實現通道相位誤差補償，加載介質設置在發射模塊功分電路(Dv 1與Dv2)輸出級之后到末級功率放大器(PA)的輸入級之前 的微帶線上；多級功分器(Dvl與Dv2)，實現對毫米波信號源模塊的復用，以 減少醒IC芯片數量保證天線小型化特點。本發明提供的這種天線裝置具備一體 化、小型化、易實現等特點，并且可以應用于寬帶毫米波雷達。相位補償網絡中的加載介質是毫米波頻段的損耗角小并且介電常數大于空 氣的高介電常數介質，常用的加載介質是聚四氟乙烯、陶瓷粉末或陶瓷。加載 介質可以是任意形狀，只要擺放在適當的位置都會造成相位補償。而為保證相 位補償量的可預知性，選擇規則的長方體形狀進行加載為最佳。在已知相位誤 差^的情況下，可以推導出無過渡段情況下規則長方體介質長度的計算公式，為<formula>formula see original document page 5</formula>(1)在介質兩側加載階梯狀或者斜坡狀的過渡網絡，過渡網絡長度根據需要可長可短。通過公式(1)可以看出，微帶線長度允許的條件下，利用本發明提供 的實現方法可以實現的通道間相位補償范圍為0-360度。依據本發明的另一個方面，提供了一種毫米波一體化多通道有源發射天線 裝置的相位誤差補償方法，它包括將預先制作的毫米波陣列天線與多通道有 源發射天線模塊無縫聯接；測量多通道有源發射天線獲取通道相位誤差；在多 通道有源發射模塊中設置加載介質，以構成相位補償網絡。相位補償量與加載介質的材料、長度、厚度、寬度以及擺放的位置相關， 但是實現相位補償的原理是一致的。其加載介質的材料只要是與空氣的介電常數不同并且在毫米波頻段的損耗 角較小，便都可以實現有效的有源發射天線相位補償功能。加載介質可以采用聚四氟乙烯、陶瓷粉末或陶瓷，其介電常數分別為2.2、 3.48、 9.8。本發明提出的補償方法，多通道有源發射模塊包括有源放大器、微帶線、 相位補償網絡、功分電路和金屬盒體，所述的加載介質設置在金屬盒體內部以 及微帶線(MS)上方的空氣屏蔽腔內。本發明提出的相位補償網絡(PC)插入 損耗較小，為了保證相位補償網絡(PC)不影響輸出功率，放置在發射模塊功 分電路(Dv2)輸出級之后到末級功率放大器(PA)的輸入級之前的任意微帶線 上，末級功率放大器(PA)的輸入推動功率需要預留0.5dB功率裕量，使末級 功率放大器一直工作于飽和區，保證發射信號幅度一致性沒有變化。從原理上講，但是由于電場的存在，加載介質擺放在導體帶上方任意位置 都會產生相移特性，因此介質擺放的位置并不是唯一的，但是相位補償的原理 都是一致的，只是補償量是不同的，將介質擺放在導體帶的正上方造成的相移 量最大。最佳擺放位置為微帶線導體帶的正上方，并且介質兩側與屏蔽腔側壁 緊密相連，使其與金屬屏蔽盒側壁充分接觸，此時介質內部的熱可以最大限度 地通過側壁傳導出去，提高了相位補償網絡的功率容量及溫度穩定性以保證該 相位補償網絡的功率容量。加載介質可以是任意形狀，只要擺放在適當的位置都會造成相位補償。而 為保證相位補償量的可預知性，選擇規則的長方體形狀進行加載為最佳。在已 知相位誤差^的情況下，可以推導出無過渡段情況下規則長方體介質長度b的計 算公式，為<formula>formula see original document page 6</formula>其中，b為相位補償段的長度，P為已知相位誤差，義。為空氣介質的微帶線導波波長，^為傳播媒質的等效相對介電常數。為了減小由于加載介質產生不連續面造成的補償網絡對系統的插損和駐波 的惡化，在介質兩側加載階梯狀或者斜坡狀的過渡網絡。過渡網絡長度根據需 要可長可短，也可以沒有。該過渡網絡長度越長，過渡效果越佳，因此在微帶線長度允許的條件下，盡量增加漸變過渡段的長度a;假如微帶線長度受限，只 能以犧牲駐波及插損為代價保證相位補償性能，即減小a，最極端的情況是沒有 過渡段的長方形加載介質。通過公式(1)可以看出，微帶線長度允許的條件下，利用本發明提供的實 現方法可以實現的通道間相位補償范圍為0-360度。高介電常數介質代替空氣，增加了微帶線傳輸媒質的等效介電常數^，導 致傳輸線的導波波長&減小，從而造成相移量發生變化。本發明提供的實現方 法可以應用于所有頻段，根據不同的工作頻率，相同的加載介質長度對應的相 位補償值有所變化，其值為H60.Hl) (2)乂o其中，e為己知相位誤差，b為相位補償段的長度，A。為空氣介質的微帶線 導波波長，^為傳播媒質的等效相對介電常數。本發明提供的天線裝置及實現方法的有益效果為1) 有源發射天線利用空間合成原理獲取較大發射功率，省掉電路級功率合 成網絡，可以大大提高功率合成的效率。對于微帶天線而言，可以最大程度地 降低饋電網絡的損耗，明顯地提高天線有效輻射增益。2) 利用有源發射模塊中起到聯接各功能器件作用的微帶線，選取合適的高介電常數介質實現士180度范圍內的全相位誤差補償，這樣無需增加有源天線體積以添加相位誤差補償網絡，滿足系統小型化要求。3) 相位補償段置于末級功率放大器輸入級之前，推動功率預留一定裕量便 可以保證發射通道始終都處于飽和區，因此該毫米波有源發射天線的調試方法不影響發射功率及發射方向圖。4) 經過該調試方法的Ka波段有源發射天線的工作帶寬大于500MHz，基本可以滿足移動通信、軍事探測以及電子對抗的應用要求。5) 相位補償方法簡便易操作，利用發射通道內各器件間起級聯作用的微帶 線即可完成，加載介質可以采用聚四氟乙烯、陶瓷等等，并且加載介質與微帶 線之間直接通過低損耗膠粘接即可。6)本發明提出的有源發射天線調試方法也可以應用于其它所有頻段，只是 根據不同的工作頻率，相同的加載介質長度對應的相位補償值有所變化，具體 加載介質長度的計算公式見公式(2)。
圖l一一體化毫米波有源天線發射通道原理框圖，其中PA—末級功率放大器，A—推動級放大器，Dv—功分器；圖2——介質加載微帶線的相位補償方法示意圖，其中1—加載介質， 2—微帶線，3—金屬屏蔽盒；圖3——加載不同高介電常數介質引起的相移實測結果； 圖4——補償前后的發射通道相位誤差實測結果，其中圖4-1——95度相位誤差補償前后實測結果，圖4-2—50度相位， 誤差補償前后實測結果，圖4-3——35度相位誤差補償前后實測結果； 圖5——四通道毫米波有源天線的俯仰及方位發射方向圖實測結果，其中圖5-l——方位方向圖，圖5-2^"俯仰方向圖；圖6—有源發射天線閉環補償方法流程圖。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。圖1是一體化毫米波有源天線發射通道原理框圖，以四路為例。為實現小 型化結構，四個發射通道在射頻部分通過兩級功分電路實現，這樣功能器件少，結構緊湊；缺點是通道間相位誤差補償必須在射頻部分完成，過去添加毫米波 移相器的方法進行相位補償的方法失效。圖2是介質加載微帶線的相位補償方法示意圖。在微帶線上方的空氣屏蔽 腔內加載高介電常數介質。為了保證相位補償網絡不影響輸出功率，在末級功 率放大器的輸入級之前，通過微帶線上加載介質的簡便相位補償網絡實現多路 發射通道的相位誤差補償，從而實現一體化毫米波多路有源發射天線。通過改 變加載介質的長度和材料(即介電常數)可以改變補償相移量。圖3是加載不同高介電常數介質引起的相移實測結果。三種填充介質分別 為聚四氟乙烯、陶瓷粉末和陶瓷，其介電常數分別為2.2、 3. 48和9. 8，其中 聚四氟乙烯材料厚度為3毫米，而陶瓷粉末和陶瓷的厚度為0.5毫米，為實現 360度全相位補償，可以利用多層陶瓷板結構實現。圖4是補償前后的發射通道相位誤差實測結果。該實測結果是以四通道有源發射天線為例測量補償前后的發射通道相位誤差，因此共有三組通道間相位誤差曲線。補償前通道相位誤差在33GHz到33. 5GHz的工作頻段內分別為95度、 50度和35度，補償后通道相位誤差在33GHz到33. 5GHz的工作頻段內基本為零， 精度在5度以內。圖5是四通道毫米波有源天線的俯仰及方位發射方向圖實測結果。圖5-1 為方位方向圖，圖5-2為俯仰方向圖。每個圖中共有六條方向圖曲線，分別為 工作頻率為33GHz、 33. lGHz、 33.2 GHz、 33.3 GHz、 33.4 GHz、 33.5 GHz的角 度范圍為士30度的方向圖曲線。圖6是有源發射天線閉環補償方法流程圖。第一步驟，進行通道間相位誤 差的測量，若誤差值為零則可以進入第二步驟，若誤差值不為零則利用介質加 載的方法進行相位補償直至俯仰和方位的相位誤差值為零即可進入第二步驟； 第二步驟，發射方向圖驗證，若正確整個調試工作結束，若不正確則回到第一 步驟形成閉環補償方法。以相位誤差為95度為例介紹本發明提出的有源發射天線相位誤差補償的操 作步驟1. 利用矢量網絡分析儀測量發射通道相位誤差，從而獲取工作頻率為33GHz 時有源發射天線兩通道之間的相位誤差《為95度。2. 選擇規則的長方體陶瓷介質加載，厚度為0.5毫米，寬度與屏蔽腔等寬 并且側壁與屏蔽腔金屬側壁充分接觸，空氣屏蔽腔高度為3毫米，便于計算選 取無過渡段的長方體結構。此時，該結構的等效介電常數^為1.583。3. 根據公式(1)確定相位補償段的長度/,，相位誤差《為95度，工作頻 率為33GHz時A。為9. 09毫米，等效介電常數^為1. 583，將這些已知參數代入 公式(1)可得4. 利用機械線切割等手段得到所需的長度為9. 3毫米的長方體加載介質， 利用不影響電磁波傳輸的低損耗膠將加載介質固定在末級功率放大器芯片與推 動級放大器芯片之間起級聯作用的微帶線上方。5. 再次利用量網絡分析儀測量發射通道相位誤差，補償后相位誤差可以滿 足5度的毫米波有源天線系統指標要求，圖4-1為通道相位誤差為95度時利用 本發明提出的介質加載微帶線方法補償前后的相位誤差實測結果，補償后工作實施例l=9.3(毫米)頻率為33GHz的通道相位誤差為1. 37度。6.在微波暗室內測量有源發射天線的合成發射方向圖，驗證空間合成發射 波束形成的正確性。實施例2以相位誤差為50度為例介紹本發明提出的有源發射天線相位誤差補償操作 步驟，其具體操作步驟與實施例1一致，只是補償段長度不同。假設相位誤差《 為50度，工作頻率為33GHz時;i。為9. 09毫米，等效介電常數^為1. 583，將這 些已知參數代入公式(1)可得^i.具！^09=4.峰米) (4) 360 乂 —1 360 VT^-1按照實施例1中的操作步驟進行相位補償，圖4-2為通道相位誤差為50度 時利用本發明提出的介質加載微帶線方法補償前后的相位誤差實測結果，補償 后工作頻率為33GHz的通道相位誤差為2. 21度。實施例3以相位誤差為35度為例介紹本發明提出的有源發射天線相位誤差補償操作 步驟，其具體操作步驟如實施例1，只是補償段長度不同。假設相位誤差《為 35度，工作頻率為33GHz時義。為8.57毫米，等效介電常數、,為1. 583，將這些己知參數代入公式(1)可得&3丄^~ = ！ "=3,峰米) (5) 3 360 7^;—360 VT^ —1按照實施例1中的操作步驟進行相位補償，圖4-3為通道相位誤差為35度 時利用本發明提出的介質加載微帶線方法補償前后的相位誤差實測結果，補償 后工作頻率為33GHz的通道相位誤差為4. 57度。實施例4以工作頻率為36GHz為例介紹本發明提出的有源發射天線相位誤差補償操 作步驟，其具體操作步驟如實施例l，只是補償段長度不同。假設相位誤差A為 95度，工作頻率為36GHz時A。為8.33毫米，等效介電常數^為1. 583，將這些已知參數代入公式(1)可得<formula>formula see original document page 10</formula>按照實施例1中的操作步驟進行相位補償。以選用聚四氟乙烯為例介紹本發明提出的有源發射天線相位誤差補償操作 步驟，其具體操作步驟如實施例1，只是介質材料及補償段長度不同。假設相位誤差《為35度，工作頻率為33GHz時義。為9. 09毫米，等效介電常數^為1. 094， 將這些已知參數代入公式(1)可得360 *re -1 360在094-l 按照實施例1中的操作步驟進行相位補償。
權利要求
1.一種毫米波一體化多通道有源發射天線裝置，包括毫米波陣列天線、多通道有源發射模塊，其特征在于1)毫米波陣列天線與多通道有源發射模塊采用無縫聯接結構，多通道有源發射模塊具有由介質加載微帶線構成的相位補償網絡；2)毫米波陣列天線是平面陣列天線；3)多通道有源發射模塊包括有源放大器、微帶線、相位補償網絡、功分電路和金屬盒體，其特征在于所述模塊中的各組件為以MMIC技術為基礎的毫米波全平面集成電路，有源放大器由高性能的MMIC芯片實現；4)多通道有源發射模塊包括有源放大器、微帶線、相位補償網絡、功分電路和金屬盒體，其特征在于所述的加載介質設置在金屬盒體內部并且在微帶線上方的空氣屏蔽腔內，并且需要設置在發射模塊的功分電路(Dv1與Dv2)輸出級之后到末級功率放大器(PA)的輸入級之前的微帶線上。
2. 根據權利要求1所述的天線裝置，其特征在于所述的平面陣列天線是 微帶陣列天線、波導縫隙陣列天線。
3. 根據權利要求1所述的天線裝置，其中多通道有源發射模塊還包括推動 級功率放大器(A)，該推動級放大器根據所述末級功率放大器需要推動的功率值確定。
4. 根據權利要求1所述的天線裝置，其特征在于所述的相位補償網絡中的加載介質是毫米波頻段的損耗角小并且介電常數大于空氣的高介電常數介 質。
5. 根據權利要求4所述的天線裝置，其中，加載介質是聚四氟乙烯、陶瓷粉末或陶瓷。
6. 根據權利要求1所述的天線裝置，其特征在于加載介質適宜設置在微帶線導體帶的正上方，介質兩側與屏蔽腔側壁緊密相連。
7. 根據權利要求1所述的天線裝置，其中，相位補償網絡的加載介質是任意形狀的。
8. 根據權利要求6所述的天線裝置，其特征在于加載介質的適宜形狀是選擇規則的長方體形狀。
9. 根據權利要求6所述的天線裝置，其特征在于在介質兩惻加載階梯狀或者斜坡狀的過渡網絡，過渡網絡長度根據需要可長可短。
10. 根據權利要求1所述的天線裝置，其中，相位補償網絡的特征在于微帶線長度允許的條件下，可以實現的通道間相位補償范圍為0-360度。
11. 一種毫米波一體化多通道有源發射天線裝置的通道相位誤差補償方法，所述方法包括1) 將預先制作的毫米波陣列天線與多通道有源發射天線模塊無縫聯接；2) 測量多通道有源發射天線獲取通道相位誤差；3) 在多通道有源發射模塊中設置加載介質，以構成相位補償網絡。
12. 根據權利要求ll所述的補償方法，其中，加載介質是毫米波頻段的損耗角小并且介電常數大于空氣的高介電常數介質。
13. 根據權利要求ll所述的補償方法，其特征在于為保證相位補償的可預知性，加載介質的適宜形狀是選擇規則的長方體形狀，長度的計算公式為其中，b為相位補償段的長度，^為己知相位誤差，義。為空氣介質的微帶線導波波長，^為傳播媒質的等效相對介電常數。
14.根據權利要求ll所述的補償方法，其特征在于相位補償方法可以應用于所有頻段，根據不同的工作頻率，相同的加載介質長度對應的相位補償值 有所變化，其值為其中，e為已知相位誤差，b為相位補償段的長度，義。為空氣介質的微帶線 導波波長，^為傳播媒質的等效相對介電常數。
全文摘要
本發明提供一個毫米波一體化多通道有源發射天線裝置及其相位補償方法，天線裝置包括毫米波陣列天線、多通道有源發射模塊，補償方法包括微帶線、加載介質和金屬盒體，屬于有源天線技術領域。天線裝置采用一體化結構，并且有源發射模塊內部沒有有源相移器件。通道間相位補償方法是利用功率放大器輸入端口前級起級聯作用的微帶線加載高介電常數的介質。通過選取不同的加載介質可以實現0-360度范圍內的相位誤差補償，并且不影響幅度一致性。本發明具有調試簡便、設計巧妙、小型化等諸多優點，是一種操作性及實效性很強的天線裝置及相位補償方法。
文檔編號H01Q3/34GK101252227SQ20071017785
公開日2008年8月27日 申請日期2007年11月21日 優先權日2007年11月21日
發明者于偉華, 昕 呂, 孫厚軍, 偉 張, 強 徐, 楊懷志, 陳亞萍 申請人:北京理工大學