有源相控陣天線射頻鏈路系統及其確定收發隔離度的方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種通信、雷達等電子系統應用的全雙工有源相控陣天線收發隔離度 的計算方法。
【背景技術】
[0002] 有源相控陣天線是目前許多雷達和通信的主要天線方式。對于全雙工有源相控陣 天線，收發隔離度是有源相控陣天線工作時的重要指標。如果全雙工有源相控陣天線收發 隔離度解決不好，會造成發射時有源相控陣天線接收通道無法正常工作，甚至會燒毀接收 通道的有源芯片，造成重大損失。由于調頻連續波雷達發射的是連續波，不能像脈沖式雷達 那樣可以采用電開關來控制天線的收發轉換，而必須將發射天線和接收天線分隔開來，因 此接收天線對發射天線的隔離度就成為調頻連續波雷達設計的重要指標。陣列天線在通信 領域應用非常廣泛，常規的收發隔離技術只是針對一路信號進行回波信號的抑制，假如套 用常規方案對陣列天線的每一路輸入進行一次自適應抵消將會大量消耗硬件資源，在實際 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，其經驗計算公式可以分為兩種情況：一種是當兩陣列天線垂直排列 布置時，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，k為垂直隔離距離。另一種是當兩陣 列天線水平排列布置時，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分別為發射天線和接收天線在90°方向上的副瓣電平（dB，相對于主波 束，取負值）。
[0007] 目前，很多文獻的報道都集中于同頻全雙工系統的收發隔離度研宄，并提出自適 應對消方法來實現，如馮存前等人在2004年發表的文獻"提高收發隔離度自適應對消技術 研宄"（現代雷達），就是針對轉發式干擾過程中干擾信號進入接收通道而造成系統不能正 常工作甚至自激的現象，提出基于LMS算法的自適應干擾對消技術，消除干擾信號，保存有 用信號，達到提高收/發隔離度的目的。
[0008] 2009年，稂華清在文獻"收/發共用天饋系統的收發隔離研宄"（航空兵器）中報 道了主動雷達導引頭陣列天線收發同時工作情況下收發隔離度的計算，并分析了在給定收 發隔離指標前提下天線陣面及隔離裝置的匹配要求。以波導裂縫陣列天線為例，從微波網 絡理論出發，分析了發射機經天饋系統耦合到接收機的能量，給出了收發隔離度計算方法。 但是，該文獻提供的收發隔離度計算方法只對收發共用天饋系統的天線陣面設計有用，而 對于全雙工有源相控陣天線系統（含天線陣面、收阻濾波器、發阻濾波器、功率放大器、低 噪聲放大器、移相器、功分器、合成器，等）的收發隔離度計算無法適用。
[0009] 在2010年，伍俊等人在文獻"全雙工系統中收發隔離的分析與實現"（微機處理） 中研宄了非同頻單個射頻通道收發天線全雙工系統中收發隔離的理論與實現。以"北斗一 代"手持式接收機為應用背景，實際設計和制作了射頻模塊。最后將射頻模塊接入到手持機 中，在暗室條件下，手持機發射時無失鎖現象，實現了系統的收發隔離。遺憾的是，該文獻的 方法僅僅適合于非相控陣天線體制，無法考慮天線波束掃描時，產生的電壓反射矢量對系 統接收通道的影響，并且只對單個收發天線構成的單個射頻通道進行了分析，該方法無法 適用于多通道有源相控陣天線射頻鏈路系統的收發隔離度分析。
[0010] 最近國內外的報道主要集中在天線陣面收發高隔離度的設計方法上，而對于有源 相控陣天線射頻鏈路系統的隔離度分析卻沒有研宄。例如Lei Qiu等人在2012年發表 的文獻"Transmit-receive isolation improvement of antenna arrays by using EBG structures'，（IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters)報道了在接收陣列 與發射陣列之間采用EBG金屬墻和扼流槽的方法來提高收/發陣列天線之間的隔離度，通 過實驗表明，該設計方法可以使收/發陣列天線之間的隔離度提高至少30dB。王永華等 人在2014年發表的文獻"毫米波連續波雷達天線隔離度設計"（火控雷達技術）報道了在 收/發天線之間加裝扼流槽、鋪設吸波材料、以及安裝具有濾波功能的微波光子晶體結構 等隔離措施，提高了收/發天線之間的隔離度，該方法可以使收/發天線之間的隔離度達 到 _85dB 以下。K.E. Kolodziej 等人在 2014 年發表的文獻"Simultaneous transmit and receive antenna isolation improvement in scattering environments''（IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium)報道了在天線饋電網絡之間插入射 頻補償延遲線的方法，來改進天線之間的隔離度，該自適應補償子系統在2. 45GHz頻段上 能有效提高30dB的天線之間的隔離度，在有散射物體的環境里，整個天線的隔離度可以達 到 _90dB 左右。J.-N. Lee 等人在 2015 年發表的文獻"The design of a dual-polarized small base station antenna with high isolation having a metallic cube" （IEEE Transactions on Antennas and Propagation)報道了雙極化小基站天線隔離度設計方法， 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，通過采用微帶耦合饋線和 設置金屬腔，可使該天線的兩個輸入端口的隔離度達到40dB以上。
[0011] 總的來說，如何實現全雙工有源相控陣天線射頻鏈路系統收發隔離度的分析，怎 樣確定收阻濾波器和發阻濾波器的隔離度指標，目前還沒有確定的技術方案。
【發明內容】
[0012] 本發明目的是針對上述現有技術存在的不足之處，提供一種工程實用性高，性能 可靠的全雙工有源相控陣天線射頻鏈路系統，及其能夠確定全雙工有源相控陣天線收發隔 離度的方法，以確保全雙工有源相控陣天線能正常工作。
[0013] 本發明的上述目的可以通過以下措施來達到，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，包括發射相控陣系統射頻鏈路和接收相控陣系統射頻 鏈路，其特征在于：所述的發射相控陣系統射頻鏈路由MXN路順次并聯在發射天線陣面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路并聯在一分M功 分器5與一分N功分器7之間的驅動功率放大器6組成；驅動功率放大器6設置在一分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；其中一個一分N功分器 7和N個一分M功分器5共同確定了發射相控陣的陣列規模MXN ;所述接收相控陣系統射 頻鏈路由PXQ路順次并聯在接收天線陣面8與P合一合成器11之間的發阻濾波器9、低噪 聲放大器10、移相器4,以及Q路并聯在P和一合成器11與及Q和一合成器13之間的驅動 低噪聲放大器12組成，Q和一合路器13的每路射頻通道設置一個驅動低噪聲放大器12,以 確保接收相控陣系統射頻鏈路增益，其中一個Q和一合路器13和Q個P和一合路器11共 同確定了接收相控陣的陣列規模為PXQ，上述M、N、P、Q是自然數。
[0014] -種使用上述全雙工有源相控陣天線射頻鏈路系統確定全雙工有源相控陣天線 收發高隔離度的方法，其特征在于包括如下步驟：首先根據微波網絡理論，在發射工作頻段 上采用有限元數值計算方法或電磁仿真軟件，計算出發射天線陣面1到接收天線陣面8的 電壓散射矢量，求出發射天線陣面1的所有MXN個陣列單元到接收天線陣面8的任意一個 陣列單兀的電壓散射矢量和，并在PXQ個電壓散射矢量和中找出幅值最大的那個陣列單 元值，將此值與發射相控陣系統每通道輸出功率相乘，得到由發射相控陣系統耦合到接收 相控陣系統的信號功率；為了保證接收相控陣系統的接收通道不被推飽和或燒毀，在接收 相控陣系統的接收天線陣面8和低噪聲放大器10之間設置發阻濾波器9,使從發射相控陣 系統耦合過來的信號功率值通過接收相控陣系統的發阻濾波器9后減小，減小到小于低噪 聲放大器10的輸入IdB壓縮點功率值；然后該信號功率值進一步通過低噪聲放大器10、移 相器4、以及P合一合成器11后，最終合成輸出的信號功率值再次小于驅動低噪聲放大器 12的輸入IdB壓縮點功率值，從而確定出發阻濾波器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確定全雙工有源相控陣天線 收發高隔離度的方法，其特征在于包括如下步驟：對于接收工作頻段，采用有限元數值計算 方法或電磁仿真軟件，計算出接收天線陣面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陣列單元值；然后考慮高斯白 噪聲從發射相控陣系統的一分N功分器7發射端口進入，通過一分N功分器7、驅動功率放 大器6、一分M功分器5、移相器4、功率放大器3后，其熱噪聲將會通過發射天線陣面1耦合 到接收天線陣面8,從而造成接收相控陣系統無法正常工作；采用在發射相控陣系統的發 射天線陣面1和功率放大器3之間設置收阻濾波器2的方法，使該熱噪聲通過發射相控陣 系統的收阻濾波器2后減小，然后通過發射天線陣面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