一种多波束天线波束控制单元的设计

文/邵宇聪

1 概述

多波束天线就是由一副天线口径能产生多个波束的天线，在卫星通信、数据链通信和移动通信等领域得到了越来越多的应用。为了实现多波束功能，需要在介质球透镜周围排列一定数量的馈电单元。当向不同位置的波导馈电时，在空中将形成不同指向的波束，通过开关对馈电波导的切换就能实现空间不同波束的转换，进而实现多波束天线功能。

传统的多波束天线波束控制实现比较复杂，一般需要使用功分器和移相器及控制电路来满足控制要求，且器件成本昂贵，难以维护。如何设计实现简单、成本低、便于维护的多波束天线波束控制单元是一个研究热点。

2 设计方案

2.1 基本原理

本文中的多波束天线波束控制单元就是针对现有技术所存在的缺点，提供一种多波束天线波束控制单元的设计方案。该方案通过电脉冲激励铁氧体开关的方式控制波束，具有实现简单的特点；多波束天线波束控制单元使用的器件成本低，可根据铁氧体开关逻辑进行组合，其中的反馈电路可快速定位故障单元，便于维护和工程实现。

2.2 功能实现

通过波束控制单元对多波束天线铁氧体开关的激励，可使射频信号沿指定路径和指定波束发射或接收，从而实现波束控制功能。波束控制单元的一个子单元控制一组铁氧体开关，如多波束天线铁氧体开关为n 组，波束控制单元的子单元为n 路（n 为从1 开始的自然数）。多波束天线波束控制单元组成示意图如图1所示。

图1：多波束天线波束控制单元组成示意图

多波束天线波束控制单元主要由主控芯片、电平驱动、H 桥控制电路和反馈电路组成。主控芯片为单片机或FPGA，主要产生TTL控制信号及根据反馈信号判断子单元波束控制功能是否正常。电平驱动电路接收来自主控芯片的TTL 控制电平，产生驱动H 桥控制电路工作的驱动电流。H 桥控制电路在驱动电流的驱动下产生激励电流，激励铁氧体开关沿着确定的最大磁滞回路快速到达饱和态或截止态，实现多波束天线波束控制。反馈电路通过其内部ADC 芯片将子单元激励电流转换成TTL 电平，送到主控芯片进行处理。

1 个主控芯片、n 路电平驱动、n 路H 桥控制电路和n 路反馈电路布局在一块印制板上，之间的信号线通过印制板走线连接；波束控制单元与多波束天线铁氧体开关通过导线连接。

2.3 方案阐述

通过图1可以看出，主控芯片1 产生TTL 控制信号，并根据反馈电路2 反馈的信号判断各个波束控制子单元的功能是否正常。主控芯片1 产生的控制电平驱动电路3 产生驱动电流，驱动H 桥控制电路4 产生激励电流，通过导线到达多波束天线对铁氧体开关组5 进行激励，使铁氧体开关组5 沿着确定的最大磁滞回路快速到达饱和态或截止态，实现多波束天线波束控制。

H 桥控制电路4 中，蓄电电容在前段驱动电流到来时瞬间蓄电，然后快速放电，产生足够大的激励电流激励铁氧体沿着确定的最大磁滞回路快速到达饱和态或截止态。激励电流激励铁氧体开关才能使之正常工作，必须使一对场效应管导通，另外一对场效应管截止，从而使射频信号按照指定的路径传输，达到多波束天线波束控制的目的。

反馈电路2 通过其内部ADC 芯片MAX999 将激励电流转换成TTL 电平，送到主控芯片1 进行处理，主控芯片1 可根据反馈信号快速判定工作故障的波束控制子单元，便于操作人员进行相应的维护等工作。

3 结束语

本文论述了目前多波束天线波束控制的现状，结合传统波束控制的实现方式，设计一种多波束天线波束控制单元，并对其工作原理进行阐述。随着电子信息技术的不断发展，各类微波、毫米波系统要求小型化、轻型化。通过本文分析，可以看出多波束天线波束控制单元具有实现简单、成本低、便于维护的特点，并已在某天线系统中得到实际工程应用。