毫米波一体化多通道有源发射天线及其相位补偿方法技术

本发明专利技术提供一个毫米波一体化多通道有源发射天线装置及其相位补偿方法，天线装置包括毫米波阵列天线、多通道有源发射模块，补偿方法包括微带线、加载介质和金属盒体，属于有源天线技术领域。天线装置采用一体化结构，并且有源发射模块内部没有有源相移器件。通道间相位补偿方法是利用功率放大器输入端口前级起级联作用的微带线加载高介电常数的介质。通过选取不同的加载介质可以实现０－３６０度范围内的相位误差补偿，并且不影响幅度一致性。本发明专利技术具有调试简便、设计巧妙、小型化等诸多优点，是一种操作性及实效性很强的天线装置及相位补偿方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于有源天线

技术介绍
有源发射天线是将有源发射模块与天线单元直接连接而组成的，具有体积 小、重量轻、结构紧凑等优点，在移动通信、军事探测、电子对抗等领域有着广泛的应用前景。近年来，随着单片微波集成电路(醒ic)、空间功率合成技术及毫米波全平面集成技术的快速发展，推动了毫米波有源发射天线技术走向成 熟，毫米波有源发射天线更成为研究的热点。但独立的有源发射天线无法实现 波束形成及波束电扫描，因此多通道的有源发射天线具有更深刻的学术价值和 工程价值。对于有源发射天线而言，通道间的相位误差将决定其空间合成效率及发射 波束形成的准确性。随着微电子工艺的发展，为了实现小型化目的，有源器件均是采用画IC技术实现。基于现有的国内国外制造水平，芯片级有源器件易于 实现输出信号幅度的一致性，但是相位一致性无法保证，并且相位误差为土180 度范围之内。普通有源发射天线均采用添加毫米波移相器的方法进行相位补偿， 其插损较大，达到7dB;并且调相精度差，相位最小可调角度为11.25度；增加 一个移相器也会增加IO毫米长度，使系统体积增大。对于一体化多通道毫米波 有源发射天线，在保证输出功率不变的条件下，在通道间幅度误差0.5dB以内 以及相位误差IO度以内的系统要求约束下，过去添加毫米波移相器的方法进行 相位补偿的方法与小型化系统结构及指标要求发生无法调和的矛盾，并且在国 内外尚无相关有效的实现方法，因此在高集成度有源电路中如何简便补偿发射 通道幅相误差是实现毫米波一体化多通道有源发射天线的关键难点。为了实现毫米波有源发射天线一体化及小型化设计，基于现有的集成水平， 发射模块都采用基于MMIC技术的多芯片组装技术，而该种实现方案中由多级放 大器级联组成的发射通道比较容易保证发射信号幅度的一致性，而相位一致性 很难实现，同时受限于一体化、小型化设计要求无法增加移相器，因此发射信 号的相位误差较大，应用于有源发射天线会严重影响有源天线发射方向图。
技术实现思路
本专利技术的主要目的是解决以上的技术问题。尤其是，本专利技术的一个目的是提供一种天线装置，它能以高度集成化的方式实现毫米波一体化多通道有源发 射天线，并且与相关传统产品相比不需要使用毫米波移相器。本专利技术的另一个目的是提供一种有源发射天线通道间相位一致性的简易实 现方法，是一种无源实现方法，并且不需要增加天线体积。为了实现以上目的，在专利技术的一个方面，本专利技术提供了一种毫米波一体化 多通道有源发射天线装置，包括毫米波阵列天线、多通道有源发射模块。毫米 波阵列天线与多通道有源发射模块采用无缝联接结构，多通道有源发射模块具 有由介质加载微带线构成的相位补偿网络。毫米波一体化多通道有源发射天线装置，它包括毫米波阵列天线，多通 道有源发射模块。毫米波阵列天线是利于小型化的平面阵列天线，可以采用微 带阵列天线、波导缝隙阵列天线。多通道有源发射模块包括有源放大器、微带 线、相位补偿网络、功分电路和金属盒体，模块中的各组件为以醒ic (毫米波 单片集成电路)技术为基础的毫米波全平面集成电路。毫米波阵列天线与多通 道有源发射模块采用无缝联接结构，省去联接馈线，实现一体化多通道有源发 射天线结构。其中，多通道有源发射模块的有源放大器包括末级功率放大器(PA) 及推动级推动放大器(A)，有源放大器由高性能的MCC芯片实现，推动级放大 器根据末级功率放大器需要推动的功率值确定，假如推动功率足够也可以没有推动级放大器；微带线(MS)，级联各功能器件，利用金线键合实现功能器件与微带线(MS)的联接；相位补偿网络(PC)，加载介质设置在金属盒体内部并且在微带线上方的空气屏蔽腔内实现通道相位误差补偿，加载介质设置在发射模块功分电路(Dv 1与Dv2)输出级之后到末级功率放大器(PA)的输入级之前 的微带线上；多级功分器(Dvl与Dv2)，实现对毫米波信号源模块的复用，以 减少醒IC芯片数量保证天线小型化特点。本专利技术提供的这种天线装置具备一体 化、小型化、易实现等特点，并且可以应用于宽带毫米波雷达。相位补偿网络中的加载介质是毫米波频段的损耗角小并且介电常数大于空 气的高介电常数介质，常用的加载介质是聚四氟乙烯、陶瓷粉末或陶瓷。加载 介质可以是任意形状，只要摆放在适当的位置都会造成相位补偿。而为保证相 位补偿量的可预知性，选择规则的长方体形状进行加载为最佳。在已知相位误 差^的情况下，可以推导出无过渡段情况下规则长方体介质长度的计算公式，为<formula>formula see original document page 5</formula>(1)在介质两侧加载阶梯状或者斜坡状的过渡网络，过渡网络长度根据需要可长可短。通过公式(1)可以看出，微带线长度允许的条件下，利用本专利技术提供 的实现方法可以实现的通道间相位补偿范围为0-360度。依据本专利技术的另一个方面，提供了一种毫米波一体化多通道有源发射天线 装置的相位误差补偿方法，它包括将预先制作的毫米波阵列天线与多通道有 源发射天线模块无缝联接；测量多通道有源发射天线获取通道相位误差；在多 通道有源发射模块中设置加载介质，以构成相位补偿网络。相位补偿量与加载介质的材料、长度、厚度、宽度以及摆放的位置相关， 但是实现相位补偿的原理是一致的。其加载介质的材料只要是与空气的介电常数不同并且在毫米波频段的损耗 角较小，便都可以实现有效的有源发射天线相位补偿功能。加载介质可以采用聚四氟乙烯、陶瓷粉末或陶瓷，其介电常数分别为2.2、 3.48、 9.8。本专利技术提出的补偿方法，多通道有源发射模块包括有源放大器、微带线、 相位补偿网络、功分电路和金属盒体，所述的加载介质设置在金属盒体内部以 及微带线(MS)上方的空气屏蔽腔内。本专利技术提出的相位补偿网络(PC)插入 损耗较小，为了保证相位补偿网络(PC)不影响输出功率，放置在发射模块功 分电路(Dv2)输出级之后到末级功率放大器(PA)的输入级之前的任意微带线 上，末级功率放大器(PA)的输入推动功率需要预留0.5dB功率裕量，使末级 功率放大器一直工作于饱和区，保证发射信号幅度一致性没有变化。从原理上讲，但是由于电场的存在，加载介质摆放在导体带上方任意位置 都会产生相移特性，因此介质摆放的位置并不是唯一的，但是相位补偿的原理 都是一致的，只是补偿量是不同的，将介质摆放在导体带的正上方造成的相移 量最大。最佳摆放位置为微带线导体带的正上方，并且介质两侧与屏蔽腔侧壁 紧密相连，使其与金属屏蔽盒侧壁充分接触，此时介质内部的热可以最大限度 地通过侧壁传导出去，提高了相位补偿网络的功率容量及温度稳定性以保证该 相位补偿网络的功率容量。加载介质可以是任意形状，只要摆放在适当的位置都会造成相位补偿。而 为保证相位补偿量的可预知性，选择规则的长方体形状进行加载为最佳。在已 知相位误差^的情况下，可以推导出无过渡段情况下规则长方体介质长度b的计 算公式，为<formula>formula see original document page 6</formula>其中，b为相位补偿段的长度，P为已知相位误差，义。为空气介质的微带线导波波长，^为传播媒质的等效相对介电常数。为了减小本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种毫米波一体化多通道有源发射天线装置，包括毫米波阵列天线、多通道有源发射模块，其特征在于：１）毫米波阵列天线与多通道有源发射模块采用无缝联接结构，多通道有源发射模块具有由介质加载微带线构成的相位补偿网络；２）毫米波阵列天线是平面阵列天线；３）多通道有源发射模块包括有源放大器、微带线、相位补偿网络、功分电路和金属盒体，其特征在于：所述模块中的各组件为以ＭＭＩＣ技术为基础的毫米波全平面集成电路，有源放大器由高性能的ＭＭＩＣ芯片实现；４）多通道有源发射模块包括有源放大器、微带线、相位补偿网络、功分电路和金属盒体，其特征在于：所述的加载介质设置在金属盒体内部并且在微带线上方的空气屏蔽腔内，并且需要设置在发射模块的功分电路（Ｄｖ１与Ｄｖ２）输出级之后到末级功率放大器（ＰＡ）的输入级之前的微带线上。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：孙厚军，于伟华，杨怀志，吕昕，张伟，徐强，陈亚萍，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]