[发明专利]毫米波一体化多通道有源发射天线及其相位补偿方法

说明书

技术领域

本发明属于有源天线技术领域。

背景技术

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(MMIC)、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MMIC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±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10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10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。

发明内容

本发明的主要目的是解决以上的技术问题。尤其是，本发明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。

本发明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，在发明的一个方面，本发明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MMIC(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MMIC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(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；多级功分器(Dv1与Dv2)，实现对毫米波信号源模块的复用，以减少MMIC芯片数量保证天线小型化特点。本发明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θ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