本發(fā)明涉及無線通信、雷達(dá)探測、電子對抗等領(lǐng)域，尤其涉及一種幅相控制單元、天線陣列、射頻前端系統(tǒng)、通信設(shè)備、單元級幅相控制方法及有源相控陣架構(gòu)。

背景技術(shù)：

1、在現(xiàn)代無線通信技術(shù)中，相控陣天線需要具有較寬的波束掃描范圍，以保證通信設(shè)備在不同方向上都能維持穩(wěn)定的通信質(zhì)量，但是，相控陣在大角度掃描時會不可避免地出現(xiàn)高旁瓣，這會干擾正常的信號接收，影響系統(tǒng)總效率。因此，具備寬角度掃描能力和低旁瓣水平的相控陣有利于通信系統(tǒng)實現(xiàn)大信號覆蓋范圍、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸，并提高系統(tǒng)的輻射效率。

2、現(xiàn)階段，諸多學(xué)者基于多種方法，對寬角掃描相控陣進(jìn)行了相關(guān)研究，包括使用寬波束單元、使用異構(gòu)波束單元和使用方向圖可重構(gòu)技術(shù)。第一現(xiàn)有技術(shù)方案通過寄生枝節(jié)拓寬天線單元的波束寬度，使用寬波束天線單元作為陣元實現(xiàn)寬角掃描；但是，這種方法會導(dǎo)致相控陣的輻射增益下降，掃描至大角度時會出現(xiàn)較高的旁瓣。第二現(xiàn)有技術(shù)方案使用多種不同的異構(gòu)波束單元模擬曲面陣列的特征構(gòu)建相控陣；然而，這種方法同樣需要犧牲相控陣的增益，導(dǎo)致出現(xiàn)陣列法向增益過低和旁瓣較高等問題。第三現(xiàn)有技術(shù)方案利用pin二極管或變?nèi)荻O管等有源開關(guān)器件對相控陣的方向圖進(jìn)行重新配置；但是，這種方法會引入額外的損耗，降低陣列的輻射效率。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為至少一定程度上解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題之一，本發(fā)明的目的在于提供一種幅相控制單元、天線陣列、射頻前端系統(tǒng)、通信設(shè)備、單元級幅相控制方法及有源相控陣架構(gòu)。

2、本發(fā)明所采用的第一技術(shù)方案是：

3、一種幅相控制單元，包括：

4、由第一端口激勵的第一貼片；

5、由第二端口激勵的第二貼片；第一貼片和第二貼片均設(shè)置在第一平面，且均工作在準(zhǔn)tm01模式；

6、金屬地，設(shè)置在第二平面上；

7、若干個第一短路柱和若干個第二短路柱，當(dāng)?shù)谝欢搪分O(shè)置在第一貼片的左側(cè)時，第二短路柱設(shè)置在第二貼片的右側(cè)；當(dāng)?shù)谝欢搪分O(shè)置在第一貼片的右側(cè)時，第二短路柱設(shè)置在第二貼片的左側(cè)；第一貼片的右側(cè)與第二貼片的左側(cè)相對；

8、其中，當(dāng)?shù)谝欢丝诩詈偷诙丝诘姆当萷1/p2從1逐漸增大時，幅相控制單元的輻射零點位置將向正角度逐漸發(fā)生偏移；當(dāng)?shù)谝欢丝诤偷诙丝诩畹南辔徊顝?°到180°變化時，幅相控制單元的主波束將從端射方向到邊射方向逐漸發(fā)生偏轉(zhuǎn)。參見圖1，正角度是指x軸正方向。

9、進(jìn)一步地，通過同時調(diào)整幅值比p1/p2和相位差以同時控制所述幅相控制單元的輻射零點位置和主波束方向。

10、進(jìn)一步地，所述第一端口和所述第二端口的激勵形式包括直連激勵或耦合激勵。

11、進(jìn)一步地，所述第一短路柱的一端連接所述第一貼片，另一端連接所述金屬地；所述第二短路柱的一端連接所述第二貼片，另一端連接所述金屬地。需要注意的是，通過短路柱將貼片與金屬地進(jìn)行短接，但是短路柱的頂端并不局限于第一平面和第二平面，即在一些實施例中，該短路柱可穿過第一平面和/或第二平面。

12、進(jìn)一步地，所述金屬地中設(shè)有耦合縫隙；所述耦合縫隙的位置與兩個貼片的位置相匹配；

13、所述幅相控制單元還包括設(shè)置在第三平面上的第一饋電線和第二饋電線，所述第一饋電線的位置與所述第一貼片的位置相匹配，所述第二饋電線的位置與所述第二貼片的位置相匹配；

14、其中，所述第二平面位于所述第一平面和所述第三平面之間。

15、進(jìn)一步地，所述第一貼片的主波束指向法線的左側(cè)空間，所述第二貼片的主波束指向法線的右側(cè)空間；所述法線位于所述第一貼片和所述第二貼片之間的中線上；

16、所述第一貼片的形狀與所述第二貼片的形狀相同或者不同；

17、所述第一短路柱的數(shù)量與所述第二短路柱的數(shù)量相同或者不同。

18、本發(fā)明所采用的第二技術(shù)方案是：

19、一種幅相控制單元的設(shè)計方法，用于設(shè)計如上所述的一種幅相控制單元，包括以下步驟：

20、根據(jù)輻射體的工作模式，確定所述第一貼片和所述第二貼片的尺寸，以及所述第一貼片和所述第二貼片之間的間距；

21、通過調(diào)整兩個端口的幅值比p1/p2和相位差以使所述幅相控制單元的輻射零點位置和主波束方向發(fā)生相應(yīng)的變化；

22、其中，p1為第一端口激勵的幅值，p2為第二端口激勵的幅值，為第一端口激勵和第二端口激勵的相位差。

23、進(jìn)一步地，所述確定所述第一貼片和所述第二貼片的尺寸，以及所述第一貼片和所述第二貼片之間的間距，包括：

24、確定第一貼片和第二貼片的長邊的初始尺寸為0.25λ0-0.75λ0，確定第一貼片和第二貼片的短邊的初始尺寸為0.05λ0-0.45λ0，以及確定第一貼片和第二貼片的初始間距小于0.5λ0；其中，λ0表示對應(yīng)中心工作頻率f0的自由空間波長。

25、本發(fā)明提供的第三技術(shù)方案是：

26、一種天線陣列，包括：

27、多個如上所述的幅相控制單元，作為所述天線陣列的基本單元；

28、其中，多個所述幅相控制單元按照預(yù)設(shè)方式排布組成天線陣列。

29、進(jìn)一步地，所述天線陣列的排布方式包括平面陣列排布或曲面陣列排布；多個所述幅相控制單元排列成單行或者多行。

30、本發(fā)明提供的第四技術(shù)方案是：

31、一種面向相控陣的單元級幅相控制方法，用于控制如上所述的一種天線陣列，可以同時動態(tài)調(diào)控所述天線陣列的陣因子和元因子，包括以下步驟：

32、通過控制相鄰的所述幅相控制單元的相位差δα，以使得所述天線陣列的陣因子方向圖在自由空間掃描；

33、通過控制每個所述幅相控制單元的兩個端口的幅值比p1/p2和相位差以控制所述天線陣列的基本單元的元因子方向圖，使所述元因子方向圖的主波束方向接近于陣列既定掃描方向，并使所述元因子方向圖的輻射零點位置接近于所述天線陣列的陣因子的最大旁瓣位置；最終，元因子與陣因子的乘積值在陣因子最大旁瓣位置達(dá)到較小值，在陣因子最大掃描角度達(dá)到較大值。從而，在大角度掃描時，與使用固定波束天線單元的天線陣列相比，提高所述天線陣列的主波束增益，降低陣列方向圖的旁瓣水平。

34、本發(fā)明提供的第五技術(shù)方案是：

35、一種有源相控陣架構(gòu)，包括：

36、n個幅相控制模塊，各幅相控制模塊包括兩個用于激勵的端口；其中，n個幅相控制模塊中至少一個模塊采用如上所述的幅相控制單元來實現(xiàn)；n為大于1的整數(shù)；

37、2n個輸出端口的幅相控制網(wǎng)絡(luò)，用于控制n個幅相控制模塊的兩個端口的幅值p1/p2比和相位差

38、進(jìn)一步地，所述幅相控制網(wǎng)絡(luò)的工作方式如下：

39、控制所述幅相控制模塊的兩個端口的幅值比p1/p2和相位差以控制所述有源相控陣架構(gòu)的基本單元的元因子方向圖，使所述元因子方向圖的主波束方向接近于預(yù)設(shè)的掃描方向，并使所述元因子方向圖的輻射零點位置接近于所述有源相控陣架構(gòu)的陣因子的最大旁瓣位置；最終，元因子與陣因子的乘積值在陣因子最大旁瓣位置達(dá)到較小值，在陣因子最大掃描角度達(dá)到較大值；

40、控制相鄰的兩個幅相控制模塊的第一端口之間的相位差等于δα；δα為相鄰幅相控制模塊間的相位差。

41、本發(fā)明提供的第六技術(shù)方案是：

42、一種射頻前端系統(tǒng)，包括如上所述的一種幅相控制單元，或者如是所述的一種天線陣列，或者如上所述的有源相控陣架構(gòu)。

43、本發(fā)明提供的第七技術(shù)方案是：

44、一種無線通信設(shè)備，包括如上所述的一種幅相控制單元，或者如上所述的一種天線陣列，或者如上所述的有源相控陣架構(gòu)，或者如上所述的一種射頻前端系統(tǒng)。

45、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

46、(1)本發(fā)明的幅相控制單元，通過控制端口間的相位差，可以實現(xiàn)天線主波束方向的偏轉(zhuǎn)，通過該幅相控制單元構(gòu)建成相控陣，可以使相控陣在大角度波束掃描時具有較高的增益。

47、(2)本發(fā)明的幅相控制單元，通過控制端口間的幅值比，可以對天線輻射零點的位置進(jìn)行調(diào)控，通過該幅相控制單元構(gòu)建成相控陣，從而，在大角度掃描時，與使用固定波束天線單元的天線陣列相比，降低陣列方向圖的旁瓣水平。

48、(3)本發(fā)明的幅相控制單元不需要使用有源器件，具備較高的總輻射效率，而且尺寸緊湊、制作工藝簡單，有利于相控陣的集成和小型化。