一種多波束天線波束控制單元的設計

文/邵宇聰

1 概述

多波束天線就是由一副天線口徑能產生多個波束的天線，在衛星通信、數據鏈通信和移動通信等領域得到了越來越多的應用。為了實現多波束功能，需要在介質球透鏡周圍排列一定數量的饋電單元。當向不同位置的波導饋電時，在空中將形成不同指向的波束，通過開關對饋電波導的切換就能實現空間不同波束的轉換，進而實現多波束天線功能。

傳統的多波束天線波束控制實現比較復雜，一般需要使用功分器和移相器及控制電路來滿足控制要求，且器件成本昂貴，難以維護。如何設計實現簡單、成本低、便于維護的多波束天線波束控制單元是一個研究熱點。

2 設計方案

2.1 基本原理

本文中的多波束天線波束控制單元就是針對現有技術所存在的缺點，提供一種多波束天線波束控制單元的設計方案。該方案通過電脈沖激勵鐵氧體開關的方式控制波束，具有實現簡單的特點；多波束天線波束控制單元使用的器件成本低，可根據鐵氧體開關邏輯進行組合，其中的反饋電路可快速定位故障單元，便于維護和工程實現。

2.2 功能實現

通過波束控制單元對多波束天線鐵氧體開關的激勵，可使射頻信號沿指定路徑和指定波束發射或接收，從而實現波束控制功能。波束控制單元的一個子單元控制一組鐵氧體開關，如多波束天線鐵氧體開關為n 組，波束控制單元的子單元為n 路（n 為從1 開始的自然數）。多波束天線波束控制單元組成示意圖如圖1所示。

圖1：多波束天線波束控制單元組成示意圖

多波束天線波束控制單元主要由主控芯片、電平驅動、H 橋控制電路和反饋電路組成。主控芯片為單片機或FPGA，主要產生TTL控制信號及根據反饋信號判斷子單元波束控制功能是否正常。電平驅動電路接收來自主控芯片的TTL 控制電平，產生驅動H 橋控制電路工作的驅動電流。H 橋控制電路在驅動電流的驅動下產生激勵電流，激勵鐵氧體開關沿著確定的最大磁滯回路快速到達飽和態或截止態，實現多波束天線波束控制。反饋電路通過其內部ADC 芯片將子單元激勵電流轉換成TTL 電平，送到主控芯片進行處理。

1 個主控芯片、n 路電平驅動、n 路H 橋控制電路和n 路反饋電路布局在一塊印制板上，之間的信號線通過印制板走線連接；波束控制單元與多波束天線鐵氧體開關通過導線連接。

2.3 方案闡述

通過圖1可以看出，主控芯片1 產生TTL 控制信號，并根據反饋電路2 反饋的信號判斷各個波束控制子單元的功能是否正常。主控芯片1 產生的控制電平驅動電路3 產生驅動電流，驅動H 橋控制電路4 產生激勵電流，通過導線到達多波束天線對鐵氧體開關組5 進行激勵，使鐵氧體開關組5 沿著確定的最大磁滯回路快速到達飽和態或截止態，實現多波束天線波束控制。

H 橋控制電路4 中，蓄電電容在前段驅動電流到來時瞬間蓄電，然后快速放電，產生足夠大的激勵電流激勵鐵氧體沿著確定的最大磁滯回路快速到達飽和態或截止態。激勵電流激勵鐵氧體開關才能使之正常工作，必須使一對場效應管導通，另外一對場效應管截止，從而使射頻信號按照指定的路徑傳輸，達到多波束天線波束控制的目的。

反饋電路2 通過其內部ADC 芯片MAX999 將激勵電流轉換成TTL 電平，送到主控芯片1 進行處理，主控芯片1 可根據反饋信號快速判定工作故障的波束控制子單元，便于操作人員進行相應的維護等工作。

3 結束語

本文論述了目前多波束天線波束控制的現狀，結合傳統波束控制的實現方式，設計一種多波束天線波束控制單元，并對其工作原理進行闡述。隨著電子信息技術的不斷發展，各類微波、毫米波系統要求小型化、輕型化。通過本文分析，可以看出多波束天線波束控制單元具有實現簡單、成本低、便于維護的特點，并已在某天線系統中得到實際工程應用。