相控阵天线集成技术_彭祥龙
一种相控阵天线[实用新型专利]
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专利名称：一种相控阵天线
专利类型：实用新型专利
发明人：喻涛,罗烜,刘会奇,李勇,胡荣,郭翔,陈建波申请号：CN201821528114.3
申请日：20180918
公开号：CN208889852U
公开日：
20190521
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本实用新型公开了一种相控阵天线，可以在多层微波板内集成多个信号收发处理部件，并采用馈电网络输入供电和控制信号，通过垂直布线方式完成最短路径的信号传输通路，由此实现具有体积小、重量轻、无需装配等技术效果的高集成度相控阵天线。
申请人：成都天锐星通科技有限公司
地址：618000 四川省成都市高新区府城大道西段399号天府新谷10栋1403号
国籍：CN
代理机构：四川雅图律师事务所
代理人：卢蕊
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一种相控阵天线及相控阵雷达[发明专利]
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(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910245168.1(22)申请日 2019.03.28(71)申请人 中国科学院电子学研究所地址 100190 北京市海淀区北四环西路19号(72)发明人 侯建春 赵凤军 王楠 吴亮 袁诚 (74)专利代理机构 北京派特恩知识产权代理有限公司 11270代理人 王军红 张颖玲(51)Int.Cl.H01Q 1/36(2006.01)H01Q 1/50(2006.01)H01Q 21/00(2006.01)G01S 13/02(2006.01)G01S 7/28(2006.01)(54)发明名称一种相控阵天线及相控阵雷达(57)摘要本发明实施例公开了一种相控阵天线及相控阵雷达，该相控阵天线的天线阵元为Vivaldi天线，所述Vivaldi天线设有开口向上的缝隙结构，所述Vivaldi天线的侧面宽度从所述Vivaldi天线的底部至顶部逐渐减小。
权利要求书1页 说明书7页 附图8页CN 110176665 A 2019.08.27C N 110176665A1.一种相控阵天线，其特征在于，所述相控阵天线的天线阵元为Vivaldi天线，所述Vivaldi天线设有开口向上的缝隙结构，所述Vivaldi天线的侧面宽度从所述Vivaldi天线的底部至顶部逐渐减小。
2.根据权利要求1所述的相控阵天线，其特征在于，所述Vivaldi天线的侧面包括下宽上窄的梯形。
3.根据权利要求2所述的相控阵天线，其特征在于，所述梯形为等腰梯形。
4.根据权利要求1所述的相控阵天线，其特征在于，所述缝隙结构的上部由相对于竖直方向的对称轴对称的两辐射臂形成，所述辐射臂对应的槽线满足指数函数曲线：z＝±(c 1e Rx +c 2)其中，(x 2，z 2)为单侧的所述槽线的顶端在所述Vivaldi天线的正面的投影坐标，(x 1，z 1)为所述单侧的所述槽线的底端在所述Vivaldi天线的正面的投影坐标，R为设定的所述槽线的曲率。
相控阵天线技术的应用及未来发展趋势
相控阵天线技术的应用及未来发展趋势无线通信技术是现代化社会的重要基础设施之一。
而天线作为无线通信的关键组件，具有决定性的影响。
一种新型的天线技术——相控阵天线技术，近年来受到越来越多的关注。
相控阵天线技术通过电子调节单元阵列，能够控制无线信号的发射和接收方向，实现空间波束形成。
本文将简要介绍相控阵天线技术的基本原理及其在各个领域的应用，并对未来发展趋势进行探讨。
一、相控阵技术的基本原理相控阵技术是基于线性阵列的理论基础，其核心思想是通过电调单元阵列控制波束方向和波前形状。
通过调整电器单元的相位、振幅和极化状态，从而实现波束形成，控制波向。
相控阵技术主要包括以下两个方面的工作：（1）阵列设计：通过制造适当指定大小阵列，并将其分成相等部分阵列，聚焦调制适当的电流、智能电磁波发射器、电磁波接受器，实现阵列辐射成若干区域的强信号，从而实现波束形成。
（2）相位控制：相控阵技术通过电路调节不同元件的相位，保证不同元件形成的波前合成为期望的波前。
具体方法为：在所有基本元件间安装数字相移器，对于信号到达每一个元件的时间，通过计算求解出需要对元件设置的相位差，以实现相位的调节，最终实现波束的控制。
二、相控阵技术的应用相控阵技术具有广泛的应用领域。
下面将简要介绍其在军事、民用通信和雷达系统等各个领域的应用。
1、军事相控阵技术已经广泛应用于军事领域中的雷达系统。
在军事应用领域中具有极为重要的意义。
相控阵雷达具有精准的定位和目标跟踪等优势，可以有效地识别和追踪敌人。
在海上防御领域中，相控阵技术可以用于发现敌方舰队的位置以及船舶编队等信息的探测。
2、民用通信相控阵天线技术在民用通信领域也有着广泛的应用。
无线通信是现代社会的重要组成部分，相控阵技术可以提高通信信号的传输质量，减少信息的暴露。
同时，相控阵技术可以大大提高通信网络的容量，使得更多的人能够享受到高品质的通信服务。
例如，在车载通信系统中，通过使用相控阵天线技术，可以有效提升车辆之间的通信效率和通信质量。
微波相控阵天线技术的研究与发展
微波相控阵天线技术的研究与发展微波相控阵天线技术是一项关键的通信和雷达技术，其研究与发展一直备受关注。
本文将探讨微波相控阵天线技术的背景、原理、应用以及未来发展趋势。
1. 背景微波相控阵天线技术源于对雷达和通信系统性能的不断追求。
传统的固定方向天线存在着无法灵活调整波束方向的缺陷，而微波相控阵天线技术通过控制每个天线元件的相位和幅度，能够实现快速、灵活地改变波束方向和形状，从而提高了系统的性能和适应性。
2. 原理微波相控阵天线由大量微小的天线单元组成，这些单元可以独立调节相位和幅度。
通过精确控制每个单元的相位和幅度，可以形成特定方向和形状的波束。
相控阵天线的波束形成原理基于干涉理论和波束形成算法，通过合成多个单元的信号，使得波束能够聚焦在目标上，实现高精度的目标探测和跟踪。
3. 应用微波相控阵天线技术在军事、民用和航天领域有着广泛的应用。
在军事方面，相控阵雷达可以实现对多个目标的同时跟踪和定位，提高了战场信息的获取和处理能力；在民用通信领域，相控阵天线可以实现对移动通信用户的动态跟踪和波束赋形，提高了通信系统的容量和覆盖范围；在航天领域，相控阵天线被广泛应用于卫星通信和导航系统中，为空间信息的传输和定位提供了可靠的技术支持。
4. 发展趋势随着通信和雷达技术的不断发展，微波相控阵天线技术也在不断演进。
未来的发展趋势主要包括以下几个方面：- 高集成化：随着微电子技术和射频集成技术的进步，相控阵天线系统将越来越小型化、轻量化和高集成化，适应于更多的应用场景。
- 宽频段：未来的相控阵天线将具有更宽的工作频段，能够满足多种频段的通信和雷达需求，提高系统的灵活性和适用性。
- 多功能化：相控阵天线将具备更多的功能，如自适应波束形成、干涉成像、电子扫描等，实现更复杂的任务和应用。
- 智能化：相控阵天线系统将借助人工智能和自主学习算法，实现对环境和任务的智能感知和优化控制，提高系统的自适应性和智能化水平。
综上所述，微波相控阵天线技术在通信和雷达领域具有重要的地位和广阔的应用前景。
一种双波束相控阵卫星天线的设计与实现
一种双波束相控阵卫星天线的设计与实现
姜元山;陈礼波;王运付;解宁宇;刘霞
【期刊名称】《邮电设计技术》
【年(卷),期】2024()4
【摘要】针对低轨卫星设计出一种工作于Ka波段的双波束相控阵终端天线,为用户提供低轨卫星通信服务。
天线采用灵活可扩展的可拼接阵面技术、瓦片式堆叠式多波束子阵设计、低剖面微带天线设计等关键技术,满足了天线对剖面、重量、集成度高的要求,以及对终端设备的低成本、低功耗、多波束的需求。
实验仿真结果表明该方案满足低轨卫星终端通信功能和性能要求。
【总页数】7页(P54-60)
【作者】姜元山;陈礼波;王运付;解宁宇;刘霞
【作者单位】中讯邮电咨询设计院有限公司;中讯邮电咨询设计院有限公司郑州分公司
【正文语种】中文
【中图分类】TN929.5
【相关文献】
1.一种X波段宽带双波束相控阵干扰机设计
2.一种双波束同步扫描相控阵天线的设计
3.一种双波束相控阵天线的设计与实现
4.S频段星载相控阵双波束发射链路载荷设计与实现
5.一种双波束扫描相控阵接收网络设计
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一种相控阵天线的拓扑合成单元及拓扑合成网络[发明专利]
![一种相控阵天线的拓扑合成单元及拓扑合成网络[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/8f5117cec9d376eeaeaad1f34693daef5ef713c9.png)
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202011394996.0(22)申请日 2020.12.03(71)申请人 南京天朗防务科技有限公司地址 210049 江苏省南京市麒麟科技创新园创研路麒麟人工智能产业园4号楼13楼(72)发明人 周永春 (74)专利代理机构 江苏圣典律师事务所 32237代理人 张芳(51)Int.Cl.H04B 7/08(2006.01)H01Q 21/00(2006.01)(54)发明名称一种相控阵天线的拓扑合成单元及拓扑合成网络(57)摘要本发明公开了一种相控阵天线的拓扑合成单元及拓扑合成网络，属于雷达技术领域，其中拓扑合成单元包括：两组切换单元，每组切换单元包括第一切换模块和第二切换模块，其中第一切换模块和第二切换模块都包括两种连接状态；其中一组切换单元中的一个切换模块，与另外一组切换单元中的一个切换模块连接；该相控阵天线的拓扑合成单元通过设置两组切换单元，每组切换单元包括具有两种连接状态的第一切换模块和第二切换模块，并将一组切换单元中的一个切换模块，与另外一组切换单元中的一个切换模块连接，这样通过改变切换单元的连接状态从而改变相控阵天线的信号合成结果，实现相控阵天线方位合成或俯仰合成的合成方式瞬时可重构。
权利要求书1页 说明书5页 附图4页CN 112217553 A 2021.01.12C N 112217553A1.一种相控阵天线的拓扑合成单元，其特征在于，包括：两组切换单元，每组切换单元包括第一切换模块和第二切换模块，其中第一切换模块和第二切换模块都包括两种连接状态，第一切换模块和第二切换模块的输入端连接不同的输入通道；在一组切换单元中，第一切换模块和第二切换模块的输出端与同一个合成器连接；其中一组切换单元中的一个切换模块，与另外一组切换单元中的一个切换模块连接。
2.根据权利要求1所述的拓扑合成单元，其特征在于：所述第一切换模块包括第一单刀双掷开关和第二单刀双掷开关，其中第一单刀双掷开关的动端与第一信号输入端连接，所述第一单刀双掷开关的第一不动端与所述第二单刀双掷开关的第一不动端连接，所述第一单刀双掷开关的第二不动端与所述第二单刀双掷开关的第二不动端连接，所述第二单刀双掷开关的动端与第一合成器的输入端连接。
矿产
矿产资源开发利用方案编写内容要求及审查大纲
矿产资源开发利用方案编写内容要求及《矿产资源开发利用方案》审查大纲一、概述
㈠矿区位置、隶属关系和企业性质。
如为改扩建矿山, 应说明矿山现状、
特点及存在的主要问题。
㈡编制依据
(1简述项目前期工作进展情况及与有关方面对项目的意向性协议情况。
(2 列出开发利用方案编制所依据的主要基础性资料的名称。
如经储量管理部门认定的矿区地质勘探报告、选矿试验报告、加工利用试验报告、工程地质初评资料、矿区水文资料和供水资料等。
对改、扩建矿山应有生产实际资料, 如矿山总平面现状图、矿床开拓系统图、采场现状图和主要采选设备清单等。
二、矿产品需求现状和预测
㈠该矿产在国内需求情况和市场供应情况
1、矿产品现状及加工利用趋向。
2、国内近、远期的需求量及主要销向预测。
㈡产品价格分析
1、国内矿产品价格现状。
2、矿产品价格稳定性及变化趋势。
三、矿产资源概况
㈠矿区总体概况
1、矿区总体规划情况。
2、矿区矿产资源概况。
3、该设计与矿区总体开发的关系。
㈡该设计项目的资源概况
1、矿床地质及构造特征。
2、矿床开采技术条件及水文地质条件。
矿产
矿产资源开发利用方案编写内容要求及审查大纲
矿产资源开发利用方案编写内容要求及《矿产资源开发利用方案》审查大纲一、概述
㈠矿区位置、隶属关系和企业性质。
如为改扩建矿山, 应说明矿山现状、
特点及存在的主要问题。
㈡编制依据
(1简述项目前期工作进展情况及与有关方面对项目的意向性协议情况。
(2 列出开发利用方案编制所依据的主要基础性资料的名称。
如经储量管理部门认定的矿区地质勘探报告、选矿试验报告、加工利用试验报告、工程地质初评资料、矿区水文资料和供水资料等。
对改、扩建矿山应有生产实际资料, 如矿山总平面现状图、矿床开拓系统图、采场现状图和主要采选设备清单等。
二、矿产品需求现状和预测
㈠该矿产在国内需求情况和市场供应情况
1、矿产品现状及加工利用趋向。
2、国内近、远期的需求量及主要销向预测。
㈡产品价格分析
1、国内矿产品价格现状。
2、矿产品价格稳定性及变化趋势。
三、矿产资源概况
㈠矿区总体概况
1、矿区总体规划情况。
2、矿区矿产资源概况。
3、该设计与矿区总体开发的关系。
㈡该设计项目的资源概况
1、矿床地质及构造特征。
2、矿床开采技术条件及水文地质条件。
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相控阵天线集成技术彭祥龙( 西南电子技术研究所 成都 610036 )摘 要：低成本、更高频段与可扩展是推动相控阵天线集成技术发展的主要动力。
本文综述了砖块式与瓦片式两种相控阵天线集成阵列结构，以及多功能芯片与射频晶圆集成技术的发展，指出开发多功能芯片是当前发展毫米波相控阵天线的重要途径。
关键词：相控阵天线，低成本，集成技术，多功能芯片，毫米波Phased Array Antennas Integration TechnologyPENG Xiang-long（Southwest China Institute of Electronic Technology, Chengdu 610036）Abstract ：Low-cost ，higher frequency and scalability are the main impetuses to the development of phased array antennas integration technology. In this paper, the progresses in architecture of phased array antennas (brick-type and tile-type building blocks) and RF circuit integration technology (chips with multi-function and RF-wafer scale integration) are reviewed. Finally, it is pointed out that development of chips performing multi-function is an important way to develop millimeter-wave phased array antennas.Key words ：Phased array antennas, low cost, integration technology, multi-function chips, millimeter-wave引言随着微电子与计算机技术的发展，相控阵系统逐渐应用于战术层面，如战斗机、直升机、无人机、精确制导等领域，通常工作于X 、Ku 与Ka 频段。
这些武器平台空间狭小，自身价值有限或者雷达实际使用寿命很短，但是相控阵系统的战术技术指标要求却依然很高。
大型天基通信与雷达探测也日益强调采用相控阵技术，成本虽非首要因素，但是体积、重量与功耗要求却非常苛刻。
民用智能通信天线尤其关注成本控制。
相控阵天线是相控阵系统的核心部分，特别是两维有源相控阵天线，其集成水平决定了整个系统的性能与成本。
工作频率愈高，每个阵元的面积（～λ2/4）愈小，集成度要求愈高。
传统的有源相控阵天线，当应用平台或者功能项目变化，需要扩大或者缩小阵列天线的口径时，除了要增加或减少T/R 组件的数量，还需要重新设计相控阵其它分系统，以适应射频、中频、数字信号与电源接口数量以及负荷能力的变化。
开放式可扩展阵列天线，以子阵模块为基本单元，不仅封装了多个相控阵天线通道，还集成了相控阵其它分系统（如波束形成与幅相校正网络，电源、波束控制、频率源、波形产生等）的部分功能，大幅度减少接口类型与数量，实现模块化、通用化，提高可扩展性能。
过去十年间，单片微波集成电路迅速发展，在相控阵天线上得到广泛应用，提高了系统可靠性，减小了体积，降低了重量与成本。
但是两维有源相控阵仍然是代价不菲的，以机载有源相控阵雷达为例，迄今为止，仅仅美国换装了部分战斗机。
在保证同样战技指标的条件下，提高相控阵天线集成度是降低成本最有力的措施。
相控阵天线集成阵列结构有两种：砖块式与瓦片式。
电路集成技术由多芯片模块（MCM ）向多功能集成芯片与晶圆级单片相控阵发展。
1 阵列结构与封装将多个通道在电路与结构上封装为一个整体，作为阵列装配的基础积木块或在线可更换单元（LRU ），是相控阵天线最基本的集成手段。
基础阵列模块通常集成了多个T/R 组件，射频馈电网络，控制与直流偏置等电路；如果还集成了天线辐射阵元，可称为子阵。
相控阵天线集成的阵列结构有两种：基于砖块式线子阵的纵向集成横向组装；基于瓦片式面子阵的横向集成纵向组装。
通常砖块式用于较高频段，瓦片式用于较低频段，但是还要兼顾相控阵天线的且间距小，功耗大，砖块式设计相对容易；通信系统的发射功率要求不高，阵元数少且间距宽，瓦片式集成难度比较小；而共形相控阵天线必须采用瓦片式集成技术。
子阵模块集成能够大幅度减少相控阵天线与波束形成网络、控制电路、电源组件等分系统之间的信号互联，降低损耗，提高效率与电磁兼容水平；减少机械装配结构件，降低重量；简化封装与装配程序，提高相控阵天线的测试性、维修性与可扩展性。
在较高的频段，还有利于降低机械公差要求，实现更小的阵元间距，扩大波束无栅瓣扫描范围。
图1 AN/APG －77的砖块式子阵；4元X 波段瓦片式子阵；瓦片式与砖块式Ka 波段两维有源相控阵天线1.1 砖块式砖块式子阵是最流行的阵列结构，元器件放置方向垂直于相控阵天线孔径平面，辐射阵元通常采用偶极子或锥形槽天线。
其电路与结构设计遵循传统的分系统概念，信号互联、测试与封装技术继承砖块式子阵集成的典型例子是AN/APG －77有源相控阵机载雷达，雷声公司开发的35GHz 低成本相控阵导引头，俄罗斯的全球空间监视雷达。
1.2 瓦片式瓦片式集成的子阵模块，采用分层结构，将多个通道相同功能的芯片或电路集成在数个平行放置的瓦片上，然后垂直互联，辐射阵元多采用微带贴片天线。
瓦片式子阵利用高密度组装技术，大幅度减小了纵向高度、重量与成本，但是需要新颖的互联技术，完成各层之间、子阵模块与信号分配背板之间的信号交换。
此外还需要处理好毗邻器件可能发生的耦合效应，中间层热设计，测试性与维修性设计。
瓦片式子阵集成始于军用卫星通信终端设计。
1980年代后期开发测试了多个晶圆级集成的20GHz 接收与44GHz 发射有源子阵，并设计了多层集成的机载智能蒙皮有源相控阵天线结构。
由于技术不成熟，波音公司开发的91元44GHz 发射阵最终改用多芯片微组装工艺与多通道密布的结构，三角形栅格，阵元发射功率0.2W 。
在DARPA 与NASA 的支持下，美国多家公司先后研究了多个频段的瓦片式集成子阵。
西屋公司采用晶圆级集成技术，开发了4×4瓦片式子阵，每个通道5位幅度、6位相位控制，发射带宽6～12GHz ，发射功率0.5W ；接收带宽4～12GHz ，噪声系数小于7dB ，增益大于20dB 。
德州仪器开发的Ka 波段4×4发射子阵，阵元间距0.8λ，4位PIN 二极管移相器插损4.5dB ，阵元发射功率100mW ，馈电网络的插损5dB 。
休斯公司开发的X 波段瓦片式4元有源模块，采用多层氮化铝基板，共面波导传输线和毛纽扣连接器，倒装单片微波集成电路；和砖块式4元模块相比，体积、重量与生产成本分别降低了86％，67％，76％[1]。
法国Thales 公司开发的8×8数字接收瓦片模块，包括电源、控制以及光学接口等组件，整个厚度100mm ，重量小于8公斤。
针对大型天基相控阵应用，加拿大学者设计的瓦片式集成结构，每个8×8子阵由三层瓦片组成：辐射阵元，MEMS 移相器与功分器，T/R 组件。
1.3 封装技术封装给模块中的元器件提供物理支撑，完成RF 、DC 偏置与控制信号的互联以及电磁屏蔽功能，提供外部接口、热传导路径。
目前，子阵模块成熟的封装技术是多芯片微组装。
基板材料与工艺有多种，常用的包括：印制电路板（PCB ）表面贴装，低温、高温共烧陶（LTCC ，HTCC ），薄膜与厚膜多层陶瓷等。
其发展趋势是工艺性好、封装面积大、价格低廉。
德国IMST 为智能天线终端开发的Ka 波段8×8瓦片式LTCC 模块，共16层，不仅集成了混频器，滤波器与功放，还集成了液体冷却系统。
雷声公司采用商业PCB 技术，开发的X 波段16×8模块化可扩展接收子阵，集成了SiGe 控制芯片，GaAs LNA 与开关，贴片天线，极化馈电网络，波束形成，DC 偏置与数字控制电路，整个厚度仅仅5.3mm [2]。
RF MEMS 器件具有插损低、功耗少、工作频带宽等一系列优点，在相控阵天线中应用前景光明。
适于MEMS 相控阵集成的微加工技术、与PCB 工艺相容的MEMS 技术也在不断发展中。
2 多功能芯片多芯片微组装采用微型焊接与封装工艺，通过多层布线基板，将多块裸芯片与各种片式电路元件组装起来，实现高密度互连，是当前相控阵天线集成的主流技术。
但是在低成本与高频段有源相控阵天线应用中，存在三个问题：一是芯片数量多。
T/R 组件通常有5～9个MMICs ，芯片成本约占整个相控阵天线的25％。
芯片互联要耗用大量辅助材料，组装工序繁多，不利于降低成本。
二是单个芯片的指标必须有适当的余量。
三是高频段相控阵天线没有足够空间来安置过多芯片。
如果在一个芯片里集成低噪放、功放、射频开关与移相器，甚至控制电路，不仅能够大大减少相控阵天线的芯片数目，减少芯片互联工序与连线，还能够从整体上优化设计各个功能单元的指标要求，提高整个功能模块的综合性能。
对于大型相控阵天线，考察雷达方程不难发现，对于给定的功率孔径积，适当增加阵元数，可以大幅度降低每个阵元的发射功率，从而减小全部T/R组件的直流功耗，降低天线成本。
由于不需要高功率放大器，有可能将T/R组件的全部功能集成在一个MMIC上，即单片T/R组件。
2.1 X波段多功能芯片传统的多芯片T/R组件，发射与接收放大器选用不同的芯片工艺，独立优化各自的性能，实现最大发射功率（或效率）与最小接收噪声系数。
单片T/R的放大器采用同样的工艺技术，需要折衷分配指标。
2001年DARPA发起大型经济阵列项目，要用一个MMIC完成X波段T/R组件功能，以消除多芯片互联的成本[3]。
三个合同商都考虑接收发射共用一个放大器，以减小芯片面积。
朗讯公司选择了IBM 5HP SiGe工艺；诺格公司选择了InP HEMT工艺，功耗低，噪声系数小。
雷声公司选择了GaAs pHEMT工艺，发射效率较高。
荷兰TNO物理与电子实验室为天基SAR应用开发了一款X波段T/R芯片。
该芯片集成了7位衰减器，7位移相器，射频开关，LNA，中功率放大器，数据串并转换以及电平变换功能。
采用OMMIC ED02AH 0.2μm pHEMT工艺，芯片尺寸4.2×4.4mm，噪声系数8～10dB，发射功率14dBm。