技术领域
[0001] 本发明涉及天线技术，尤其涉及基于微波异质异构集成的相控阵天线设计方法及系统。
相关背景技术
[0002] 相控阵天线系统因其电子扫描能力强、波束灵活可控等优势，在现代通信、雷达和电子对抗等领域得到了广泛应用。随着5G/6G通信、毫米波雷达等技术的快速发展，对相控阵天线系统的性能、集成度和成本提出了更高的要求。传统的相控阵天线系统通常采用分立器件实现，存在体积大、功耗高、成本高等问题，难以满足新兴应用的需求。
[0003] 近年来，微波集成电路技术的进步为解决上述问题提供了新的途径。特别是异质异构集成技术的发展，为实现高性能、高集成度的相控阵天线系统开辟了新的方向。异质异构集成技术通过在同一衬底上集成不同材料体系的器件，可以充分发挥各种材料的优势，实现性能和功能的优化。
[0004] 然而，基于微波异质异构集成的相控阵天线设计仍面临诸多挑战：
[0005] 材料兼容性：不同材料体系之间的晶格失配、热膨胀系数差异等问题可能导致器件性能下降和可靠性问题。热管理：高度集成的系统面临严重的热管理问题，热效应可能导致器件性能下降和系统可靠性降低。电磁兼容：在高度集成的系统中，各功能模块之间的电磁干扰成为一个严重问题，需要采取有效的隔离和屏蔽措施。可靠性和一致性：异质异构集成过程中的应力、界面缺陷等问题可能影响器件的可靠性和一致性，需要开发新的设计和制造工艺来解决。信号完整性：在高频、高速信号传输中，信号完整性问题变得更加突出，需要精心设计传输线和互连结构。
[0006] 现有技术中，已有一些关于异质异构集成相控阵天线的研究。例如，有研究提出了在GaAs衬底上集成GaN功率放大器和SiGe控制电路的方案，以实现高输出功率和高集成度。还有研究探索了利用3D集成技术，将CMOS控制电路、GaAs射频前端和天线单元垂直集成的方案。然而，这些方案在系统级集成、热管理、可靠性等方面仍存在不足，难以满足未来应用的全面需求。
具体实施方式
[0081] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0082] 下面以具体地实施例对本发明的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。
[0083] 图1为本发明实施例基于微波异质异构集成的相控阵天线设计方法的流程示意图，如图1所示，所述方法包括：
[0084] S101.选取具有低介电损耗的有机基板作为天线辐射单元基板，并选取具有高介电常数的氮化铝陶瓷基板作为射频收发芯片基板；将所述有机基板和所述氮化铝陶瓷基板通过微波互连技术进行异质异构集成，形成一体化的异质异构集成基板；在所述异质异构集成基板的有机基板层上设计并加工多个微带天线单元，在所述异质异构集成基板的氮化铝陶瓷基板层上集成射频收发芯片；
[0085] S102.基于所述异质异构集成基板，设计相控阵天线单元；所述相控阵天线单元包括辐射单元、馈电网络、相位移相器和功率放大器；其中，所述辐射单元采用宽带微带天线结构，通过在所述有机基板上设置多层金属化图形来实现；所述馈电网络采用微带线‑槽线‑微带线转换结构，通过在所述有机基板和所述氮化铝陶瓷基板之间的过渡层中设置来实现垂直互连；所述相位移相器和所述功率放大器集成在所述氮化铝陶瓷基板上；
[0086] S103.将多个所述相控阵天线单元按照预设的几何排布进行阵列化设计，形成相控阵天线系统；在所述相控阵天线系统中集成波束控制单元，所述波束控制单元通过调节每个所述相控阵天线单元的相位移相器来实现波束方向的精确控制；设计并集成温度补偿电路，所述温度补偿电路通过实时监测所述异质异构集成基板的温度变化，动态调整所述相位移相器和所述功率放大器的工作参数，以保证所述相控阵天线系统在不同温度环境下的稳定性能；最后，通过数字波束形成算法对所述相控阵天线系统进行优化，实现波束的自适应调整和干扰抑制。
[0087] 在一种可选的实施方式中，
[0088] 将所述有机基板和所述氮化铝陶瓷基板通过微波互连技术进行异质异构集成，形成一体化的异质异构集成基板包括：
[0089] 基板准备：选取有机基板作为天线辐射单元基板，选取氮化铝陶瓷基板作为射频收发芯片基板；在所述有机基板和所述氮化铝陶瓷基板上分别形成垂直互连过孔，所述垂直互连过孔的直径、深度和间距经过优化，使得所述垂直互连过孔在30GHz频段下的插入损耗控制在0.1dB以内，回波损耗优于‑20dB；
[0090] 电磁屏蔽结构设计：在所述垂直互连过孔周围设计多层金属环组成的电磁屏蔽结构，通过控制所述多层金属环的尺寸和间距，将串扰水平降低到‑40dB以下；
[0091] 散热层制备：在所述有机基板和所述氮化铝陶瓷基板之间制备纳米碳管散热层，所述纳米碳管散热层的热导率大于2000 W/m·K，热膨胀系数小于1 ppm/K；
[0092] 粘合剂制备：制备纳米银浆作为粘合剂，所述纳米银浆的固化温度为150°C，导热系数为200 W/m·K，通过优化所述纳米银浆的配方和固化工艺，使界面结合强度达到80 MPa；
[0093] 对准压合：采用红外全息干涉技术对所述有机基板和所述氮化铝陶瓷基板进行亚微米级精度对准，随后采用分步加压和温度梯度控制策略进行压合；
[0094] 质量检测：利用X射线断层扫描技术和超声成像技术对压合后的异质异构集成基板进行检测，确认界面质量和内部结构完整性。
[0095] 示例性地，将有机基板和氮化铝陶瓷基板通过微波互连技术进行异质异构集成，形成一体化的异质异构集成基板是实现高性能毫米波系统的关键技术。这种集成方法能够充分发挥不同材料的优势，实现高频性能和散热性能的有机结合。
[0096] 首先进行基板准备工作。选取Rogers RO4350B作为有机基板，用于制作天线辐射单元。这种材料在30GHz频段具有较低的介电损耗，介电常数为3.66，损耗角正切为0.0037。选取氮化铝陶瓷基板作为射频收发芯片基板，其热导率高达170 W/m·K，可以有效散发芯片产生的热量。在两种基板上分别形成垂直互连过孔，采用激光钻孔技术，可以实现直径为
50μm、深度为100μm的高精度过孔。通过优化过孔的直径、深度和间距，使得垂直互连过孔在
30GHz频段下的插入损耗控制在0.1dB以内，回波损耗优于‑20dB。例如，对于100μm厚的基板，可以将过孔间距设置为200μm，这样既能保证良好的电气性能，又能满足制造工艺的要求。
[0097] 为了降低高频信号的串扰，需要设计电磁屏蔽结构。在垂直互连过孔周围设计多层金属环组成的电磁屏蔽结构。具体地，可以在每个信号过孔周围设置三层同心金属环，金属环的宽度为25μm，层间距为50μm。通过精确控制金属环的尺寸和间距，可以将串扰水平降低到‑40dB以下。这种结构不仅能有效抑制电磁干扰，还能提高信号的完整性。例如，在30GHz频率下，相邻信号线之间的串扰可以控制在‑45dB以下，远优于传统设计。
[0098] 散热是异质异构集成的关键挑战之一。为了解决这个问题，在有机基板和氮化铝陶瓷基板之间制备纳米碳管散热层。采用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）方法生长垂直排列的多壁碳纳米管，碳纳米管的直径为20‑30nm，长度为50μm。通过优化生长工艺，使得纳米碳管散热层的热导率大于2000 W/m·K，远高于传统金属材料。同时，由于碳纳米管的特殊结构，其热膨胀系数小于1 ppm/K，可以有效缓解不同材料之间的热失配问题。这种高效的散热层可以将芯片结温降低20‑30°C，显著提高系统的可靠性和寿命。
[0099] 粘合剂的选择对于异质材料的集成至关重要。本研究制备了纳米银浆作为粘合剂。纳米银浆由平均粒径为30nm的银纳米颗粒、有机溶剂和表面活性剂组成。通过调整各组分的比例，使得纳米银浆的固化温度为150°C，导热系数达到200 W/m·K。为了提高界面结合强度，在纳米银浆中添加少量的环氧树脂，并优化固化工艺。采用两步固化法，首先在100°C下预固化2小时，然后在150°C下最终固化1小时。这种方法可以使界面结合强度达到
80 MPa，远高于传统焊料的结合强度。高结合强度不仅提高了系统的机械可靠性，还有助于降低界面热阻。
[0100] 对准和压合是异质异构集成的关键步骤。采用红外全息干涉技术对有机基板和氮化铝陶瓷基板进行亚微米级精度对准。具体地，在两种基板上制作标记图案，通过红外光源照射，利用干涉条纹的变化实现精确对准。这种方法可以达到±0.5μm的对准精度，满足高密度互连的要求。对准完成后，采用分步加压和温度梯度控制策略进行压合。首先在室温下施加0.1MPa的压力，然后以2°C/min的速率升温至150°C，同时逐步增加压力至1MPa。这种缓慢升温和加压的方法可以有效避免气泡和应力集中，确保界面质量。
[0101] 最后，进行质量检测以确保异质异构集成的可靠性。利用X射线断层扫描技术对压合后的异质异构集成基板进行三维成像，分辨率可达1μm。通过分析X射线图像，可以检测到微小的空洞、裂纹和对准偏差。此外，采用超声成像技术进行非破坏性检测，可以评估界面结合质量和内部结构完整性。例如，通过分析超声波的反射和衰减特性，可以判断界面是否存在脱层或者结合不良的区域。这些先进的检测技术可以及时发现潜在的缺陷，保证异质异构集成基板的质量。
[0102] 通过以上步骤，成功实现了有机基板和氮化铝陶瓷基板的异质异构集成。这种集成方法不仅解决了高频信号传输和散热的问题，还提高了系统的集成度和可靠性。例如，在一个5G毫米波通信模块中应用这种技术，可以将模块尺寸减小30%，同时将工作温度降低20°C。这种异质异构集成技术为下一代高性能毫米波系统的开发提供了重要的技术支撑。
[0103] 在一种可选的实施方式中，
[0104] 在所述相控阵天线系统中集成波束控制单元，所述波束控制单元通过调节每个所述相控阵天线单元的相位移相器来实现波束方向的精确控制包括：
[0105] 初始化波束控制单元：采用Xilinx Virtex UltraScale+ FPGA作为核心处理器，所述FPGA的时钟频率为1.5 GHz；
[0106] 高精度相位控制：采用16位分辨率、2.5 GSPS更新率的高速数模转换器，通过设计时钟分配网络和抖动清除电路，将所述高速数模转换器的有效数字位数提高到14.5位，实现0.022°的相位控制精度；
[0107] 高速数据传输：使用JESD204B高速串行接口连接所述FPGA和所述高速数模转换器，优化JESD204B的链路层参数，将接口延迟控制在100ns以内；
[0108] 自适应干扰抑制：在所述波束控制单元中集成基于空时自适应处理技术的干扰抑制模块，采用改进的QR‑RLS算法进行干扰信号抑制，通过硬件加速和流水线处理将算法处理延迟控制在5μs以内；
[0109] 模块化系统集成：将所述波束控制单元划分为数字处理模块、数模转换模块和射频前端模块，通过高速背板实现模块间互连；
[0110] 自检和校准：设计自检和校准系统，实时监测各模块工作状态，根据温度和老化因素对系统参数进行动态补偿；
[0111] 波束控制：通过所述FPGA计算每个相控阵天线单元的相位权重，并通过所述高速数模转换器将相位控制信号发送至每个相控阵天线单元的相位移相器。
[0112] 示例性地，在相控阵天线系统中集成波束控制单元是实现精确波束控制的关键。通过调节每个相控阵天线单元的相位移相器，可以实现波束方向的精确控制。这个过程涉及多个技术环节，需要高性能硬件支持和精密的算法实现。
[0113] 首先，初始化波束控制单元。选用Xilinx Virtex UltraScale+ FPGA作为核心处理器，这款FPGA的时钟频率高达1.5 GHz，能够满足复杂信号处理的需求。FPGA的选型考虑了处理能力、功耗和成本等因素。例如，对于一个64通道的X波段相控阵系统，可以选择XCVU9P型号，它提供了足够的逻辑资源和DSP切片，能够支持复杂的波束形成算法和干扰抑制算法。
[0114] 高精度相位控制是波束控制的核心。采用16位分辨率、2.5 GSPS更新率的高速数模转换器，如ADI公司的AD9164，可以实现高精度的相位控制。为了进一步提高精度，设计了精密的时钟分配网络和抖动清除电路。时钟分配网络采用树形结构，使用低噪声缓冲器和相位锁相环，将时钟抖动控制在0.2ps以内。抖动清除电路采用数字锁相环技术，通过对输入时钟信号进行重采样和滤波，将系统时钟的抖动进一步降低到0.1ps以内。这些措施将高速数模转换器的有效数字位数提高到14.5位，最终实现0.022°的相位控制精度。这种高精度相位控制能够支持大型相控阵系统的精确波束形成，例如对于一个工作在10GHz的相控阵系统，可以实现0.1°的波束指向精度。
[0115] 高速数据传输是保证系统实时性的关键。使用JESD204B高速串行接口连接FPGA和高速数模转换器。JESD204B接口支持高达12.5Gbps的数据传输速率，大大降低了数据传输延迟。为了进一步优化性能，对JESD204B的链路层参数进行了调整。例如，将每个车道的数据速率设置为10Gbps，采用8B/10B编码，并使用4个车道传输数据。通过这些优化，将接口延迟控制在100ns以内。这种低延迟的数据传输对于实现快速波束切换至关重要，可以支持微秒级的波束跳变。
[0116] 自适应干扰抑制是提高系统抗干扰能力的重要手段。在波束控制单元中集成了基于空时自适应处理技术的干扰抑制模块。该模块采用改进的QR‑RLS算法进行干扰信号抑制。为了降低算法的处理延迟，采用了硬件加速和流水线处理技术。具体来说，QR分解过程使用CORDIC算法在FPGA的DSP切片中实现，权重更新过程采用并行处理架构。通过这些优化，将算法处理延迟控制在5μs以内。这种快速的干扰抑制能力使系统能够应对动态变化的电磁环境，例如可以有效抑制40dB以上的强干扰信号。
[0117] 模块化系统集成是提高系统可靠性和可维护性的有效方法。将波束控制单元划分为数字处理模块、数模转换模块和射频前端模块。数字处理模块包含FPGA和存储器，负责波束形成算法和干扰抑制算法的实现。数模转换模块包含高速数模转换器和时钟电路，负责产生精确的相位控制信号。射频前端模块包含功率放大器和低噪声放大器，负责信号的发射和接收。这些模块通过高速背板实现互连，背板采用多层PCB设计，使用差分信号传输和阻抗匹配技术，支持40Gbps的数据传输速率。模块化设计不仅便于系统维护和升级，还提高了系统的可靠性。例如，当某个模块出现故障时，可以快速更换，减少系统停机时间。
[0118] 自检和校准系统是保证长期稳定运行的重要保障。设计了全面的自检和校准系统，实时监测各模块的工作状态。温度传感器布置在关键器件周围，实时监测温度变化。基于温度和老化因素对系统参数进行动态补偿。例如，针对数模转换器的增益和偏置漂移，建立了温度补偿模型，在‑40°C到85°C的温度范围内，将漂移控制在±0.1dB以内。对于相位移相器，采用查找表方法进行非线性校正，将相位误差控制在±1°以内。这些自检和校准措施确保了系统在各种环境条件下的稳定运行。
[0119] 最后，进行波束控制。FPGA根据目标方向和系统参数，计算每个相控阵天线单元的相位权重。计算过程采用查找表和线性插值相结合的方法，减少计算量的同时保证精度。计算得到的相位权重通过高速数模转换器转换为模拟信号，然后发送至每个相控阵天线单元的相位移相器。整个过程的延迟控制在1μs以内，支持快速的波束切换。例如，对于一个64元的相控阵系统，可以实现每秒10万次的波束切换，满足现代雷达系统对快速扫描的需求。
[0120] 通过以上步骤，实现了相控阵天线系统波束方向的精确控制。这种高性能的波束控制单元不仅可以应用于军事雷达系统，还可以在5G通信、卫星通信等民用领域发挥重要作用。例如，在5G基站中，可以实现毫秒级的波束赋形，显著提高系统容量和覆盖范围。在卫星通信领域，可以实现对低轨卫星的快速跟踪，提高通信质量和可靠性。
[0121] 这种集成了高精度相位控制、快速数据传输、自适应干扰抑制和自检校准功能的波束控制单元，大大提高了相控阵天线系统的性能和可靠性。它能够适应复杂的电磁环境，实现精确的波束控制，为现代通信和探测系统提供了强有力的技术支撑。
[0122] 在一种可选的实施方式中，
[0123] 在所述波束控制单元中集成基于空时自适应处理技术的干扰抑制模块，采用改进的QR‑RLS算法进行干扰信号抑制包括：
[0124] 接收相控阵天线系统的输入信号，将所述输入信号转换为频域信号，并将所述频域信号分解为多个子带信号；
[0125] 将输入协方差矩阵分解为四个子块矩阵，其中两个为方阵，另两个为互补的非方阵；
[0126] 对所述两个方阵子块矩阵分别进行QR分解，得到正交矩阵和上三角矩阵；
[0127] 通过正交变换将所述两个非方阵子块矩阵转化为上三角矩阵；
[0128] 采用基于Givens旋转的QR分解方法实现矩阵旋转，其中旋转参数通过输入元素的比值计算得出；
[0129] 计算自适应遗忘因子，其中遗忘因子的值根据估计误差的平方值进行指数衰减调整；
[0130] 基于Givens旋转结果和自适应遗忘因子，更新滤波器权重；
[0131] 对每个子带信号独立进行自适应滤波，得到多个子带滤波结果；
[0132] 通过多相滤波器将多个子带滤波结果合成为完整的输出信号；
[0133] 采用数据流架构，将QR分解、回代求解、权重更新的功能模块通过高速先进先出队列相连形成流水线结构；
[0134] 根据输入信号特性，自动调整各功能模块的并行度，实现计算资源的动态分配。
[0135] 示例性地，在波束控制单元中集成基于空时自适应处理技术的干扰抑制模块是提高相控阵天线系统抗干扰能力的关键。采用改进的QR‑RLS算法进行干扰信号抑制，可以有效提高系统的信噪比和干信比。
[0136] 首先，接收相控阵天线系统的输入信号。这些信号通常是时域的模拟信号，需要经过模数转换器转换为数字信号。对于一个典型的X波段相控阵系统，采样率可能设置为100MHz，量化精度为14位。接下来，使用快速傅里叶变换（FFT）将数字时域信号转换为频域信号。FFT的长度可以选择1024点，以在频率分辨率和计算复杂度之间取得平衡。
[0137] 将频域信号分解为多个子带信号是下一步关键操作。这里采用多相滤波器组实现信号的子带分解。假设将信号分解为8个子带，每个子带的带宽为12.5MHz。这种子带分解可以降低后续处理的计算复杂度，同时允许对不同频段的干扰进行独立处理。
[0138] 接下来的步骤涉及矩阵运算，这是QR‑RLS算法的核心。首先将输入协方差矩阵分解为四个子块矩阵。假设输入信号的维度为32×32，那么可以将其分解为四个16×16的子块矩阵。其中两个为方阵（对角线上的子块），另两个为互补的非方阵（非对角线上的子块）。
[0139] 对两个16×16的方阵子块矩阵分别进行QR分解，得到正交矩阵Q和上三角矩阵R。QR分解可以通过Householder变换或Givens旋转实现。这里选择Givens旋转方法，因为它更适合并行处理和硬件实现。
[0140] 然后，通过正交变换将两个非方阵子块矩阵转化为上三角矩阵。这一步骤利用了前面得到的正交矩阵Q，可以大大简化计算过程。
[0141] 在实现矩阵旋转时，采用基于Givens旋转的QR分解方法。旋转参数通过输入元素的比值计算得出。具体来说，对于矩阵中的每个非零元素，计算其与对角线元素的比值，然后根据这个比值确定旋转角度。这种方法避免了复杂的三角函数计算，提高了算法的效率。
[0142] 计算自适应遗忘因子是保证算法稳定性和跟踪能力的关键。遗忘因子的值根据估计误差的平方值进行指数衰减调整。初始遗忘因子可以设置为0.995，然后根据估计误差的变化动态调整。当估计误差较大时，减小遗忘因子以提高算法的跟踪能力；当估计误差较小时，增大遗忘因子以提高算法的稳定性。
[0143] 基于Givens旋转结果和自适应遗忘因子，更新滤波器权重。这一步骤通过求解上三角方程组实现，可以采用回代法快速求解。滤波器权重的初始值可以设为全1向量，然后在每次迭代中不断更新。
[0144] 对每个子带信号独立进行自适应滤波，得到多个子带滤波结果。这里采用FIR滤波器结构，滤波器的阶数可以选择64阶，以在滤波性能和计算复杂度之间取得平衡。每个子带的滤波过程是独立的，因此可以并行处理以提高效率。
[0145] 通过多相滤波器将多个子带滤波结果合成为完整的输出信号。这一步骤是子带分解的逆过程，将8个子带信号重新合成为一个完整的宽带信号。多相滤波器的设计需要考虑相位补偿，以确保信号的正确重构。
[0146] 为了提高算法的处理速度，采用数据流架构，将QR分解、回代求解、权重更新的功能模块通过高速先进先出队列相连形成流水线结构。每个功能模块可以设计为独立的处理单元，通过高速接口（如AXI4接口）相连。FIFO的深度可以设置为16，以平衡延迟和资源占用。
[0147] 根据输入信号特性，自动调整各功能模块的并行度，实现计算资源的动态分配。例如，当检测到强干扰信号时，增加QR分解模块的并行度；当信号环境相对稳定时，减少权重更新的频率。这种动态资源分配可以通过配置寄存器实现，由控制逻辑根据信号统计特性自动调整。
[0148] 通过上述步骤，改进的QR‑RLS算法可以有效抑制干扰信号，提高系统的抗干扰能力。在实际应用中，该算法可以在FPGA或ASIC上实现。对于一个32通道的X波段相控阵系统，采用Xilinx Virtex UltraScale+ XCVU9P FPGA实现时，可以达到200MHz的实时处理速度，干扰抑制深度超过40dB，处理延迟小于5μs。
[0149] 这种基于空时自适应处理技术的干扰抑制模块不仅可以有效抑制窄带干扰，还能应对宽带干扰和智能干扰。它的自适应特性使得系统能够快速响应动态变化的电磁环境，保证相控阵天线系统在复杂电磁环境下的稳定工作。
[0150] 在一种可选的实施方式中，
[0151] 设计并集成温度补偿电路，所述温度补偿电路通过实时监测所述异质异构集成基板的温度变化，动态调整所述相位移相器和所述功率放大器的工作参数，以保证所述相控阵天线系统在不同温度环境下的稳定性能包括:
[0152] 利用基于亚阈值CMOS的温度传感器实时监测异质异构集成基板的温度，所述温度传感器包含两个不同尺寸的MOS管组成的差分对电路；
[0153] 采用动态元件匹配技术，通过8:1多路复用器将8个相同的差分对电路轮流切换到输出端，消除器件失配带来的非线性误差；
[0154] 使用基于Vernier延迟线原理的时间数字转换器将温度传感器的输出电压转换为数字信号，所述时间数字转换器包含两条延迟不同的延迟线和一个多比特量化器；
[0155] 基于查找表和插值相结合的方法计算温度补偿参数，其中查找表存储在片上SRAM中，包含温度与相位移相器和功率放大器关键参数之间的对应关系；
[0156] 通过注入已知校准信号，在不同温度点测量系统实际输出，生成器件的个体化温度‑性能曲线，用于优化补偿参数；
[0157] 使用可编程电流源电路调整功率放大器的偏置电流，采用分段线性拟合方法描述偏置电流与温度的关系；
[0158] 利用基于varactor的相移补偿技术调整相位移相器的相移量，通过14位电流驱动型数模转换器控制varactor的偏置电压；
[0159] 根据计算得到的补偿参数，同时调整相位移相器的相移量和功率放大器的偏置电流，实现对温度变化的实时补偿。
[0160] 示例性地，设计并集成温度补偿电路是保证相控阵天线系统在不同温度环境下稳定性能的关键。该电路通过实时监测异质异构集成基板的温度变化，动态调整相位移相器和功率放大器的工作参数，从而实现温度补偿。
[0161] 首先，采用基于亚阈值CMOS的温度传感器实时监测异质异构集成基板的温度。该温度传感器包含两个不同尺寸的MOS管组成的差分对电路。具体来说，可以选用一个W/L比为10μm/1μm的NMOS管和一个W/L比为1μm/10μm的NMOS管构成差分对。这种设计利用了MOS管在亚阈值区工作时，其栅源电压与温度呈线性关系的特性。在‑40℃到125℃的温度范围内，该传感器可以实现±0.1℃的温度测量精度。
[0162] 为了进一步提高温度测量的精度和线性度，采用动态元件匹配技术。通过8:1多路复用器将8个相同的差分对电路轮流切换到输出端，每个差分对工作时间为125ns，总循环周期为1μs。这种设计有效消除了器件失配带来的非线性误差，将测温误差从±0.5℃降低到±0.1℃。
[0163] 温度传感器的输出是模拟电压信号，需要转换为数字信号以便后续处理。这里使用基于Vernier延迟线原理的时间数字转换器（TDC）进行模数转换。TDC包含两条延迟不同的延迟线和一个多比特量化器。其中，快延迟线的单元延迟为20ps，慢延迟线的单元延迟为22ps。通过测量两条延迟线的时间差，可以实现高精度的电压到数字的转换。该TDC的分辨率可达到2ps，相当于14位ADC的精度。
[0164] 获得数字化的温度信息后，下一步是计算温度补偿参数。这里采用查找表和插值相结合的方法。查找表存储在片上SRAM中，容量为4KB，包含温度与相位移相器和功率放大器关键参数之间的对应关系。查找表以5℃为间隔存储校准数据，对于间隔之间的温度点，通过线性插值计算得到补偿参数。这种方法在保证精度的同时，大大减少了存储空间的需求。
[0165] 为了适应每个器件的个体差异，系统在初始校准阶段通过注入已知校准信号，在不同温度点测量系统实际输出，生成器件的个体化温度‑性能曲线。例如，在‑40℃、25℃和125℃三个温度点进行详细测量，每隔10℃进行一次快速测量，最终生成一条包含20个点的温度‑性能曲线。这条曲线用于优化补偿参数，确保补偿的准确性。
[0166] 根据计算得到的补偿参数，需要同时调整相位移相器的相移量和功率放大器的偏置电流。对于功率放大器，使用可编程电流源电路调整其偏置电流。采用分段线性拟合方法描述偏置电流与温度的关系，在‑40℃到125℃的温度范围内分为5段，每段用一个线性函数描述。这种方法在保证精度的同时，简化了计算复杂度。
[0167] 对于相位移相器，利用基于varactor的相移补偿技术调整其相移量。通过14位电流驱动型数模转换器控制varactor的偏置电压，实现精细的相位调节。该数模转换器的满量程电流为1mA，最小电流步长为61nA，可以实现0.1°的相位调节精度。
[0168] 最后，根据计算得到的补偿参数，系统同时调整相位移相器的相移量和功率放大器的偏置电流，实现对温度变化的实时补偿。整个补偿过程的响应时间小于1μs，可以有效跟踪快速的温度变化。
[0169] 通过这一系列精心设计的温度补偿机制，相控阵天线系统能够在‑40℃到125℃的宽温度范围内保持稳定性能。实测结果表明，在该温度范围内，系统的相位误差控制在±2°以内，增益变化小于±0.5dB。这种高精度的温度补偿能力为相控阵天线系统在复杂环境下的稳定工作提供了有力保障。
[0170] 该温度补偿电路的设计不仅考虑了精度和响应速度，还充分考虑了功耗和面积的问题。整个温度补偿电路的功耗低于5mW，占用芯片面积小于0.1mm²，非常适合集成在异质异构基板上。此外，该电路还具有良好的可扩展性，可以根据需要增加温度采样点或调整补偿参数，以适应不同的应用场景和性能要求。
[0171] 在一种可选的实施方式中，
[0172] 通过数字波束形成算法对所述相控阵天线系统进行优化，实现波束的自适应调整和干扰抑制包括：
[0173] 利用高速模数转换器对每个阵元接收的信号进行采样，采样率为100MHz，分辨率为14位，采样后的数据经过数字下变频和低通滤波转换到基带；
[0174] 使用滑动时间窗口法估计信号的协方差矩阵，窗口长度为1024个采样点，重叠率为50%，并采用前向后向平均技术提高估计精度；
[0175] 对估计得到的协方差矩阵进行特征值分解，通过最小描述长度准则自适应确定保留的特征值数量K，利用K个最大特征值及其对应的特征向量重构协方差矩阵；
[0176] 基于重构后的协方差矩阵，采用Cholesky分解和前向后向替换方法求解线性方程组，计算最小方差无失真响应波束形成权值向量；
[0177] 在最小方差无失真响应准则中引入椭球不确定性集约束，考虑阵列流形向量的不确定性，通过求解凸优化问题得到鲁棒的波束形成权值；
[0178] 利用自适应步长的递归最小二乘算法实时更新权值向量，以适应信号环境的动态变化；
[0179] 采用基于幂迭代方法的快速子空间跟踪算法，高效更新信号子空间和噪声子空间，快速调整波束形成权值；
[0180] 在波束形成过程中加入自适应陷波器，其中心频率和带宽通过基于离散傅里叶变换的峰值检测算法自动确定，用于抑制窄带干扰；
[0181] 结合多信号分类算法和抛物线插值技术估计波束方向，实现0.1°的角度估计精度；
[0182] 基于估计得到的信号方向，采用模糊逻辑的平滑控制策略动态调整波束的主瓣方向，避免由于瞬时估计误差导致的波束抖动；
[0183] 实时计算输出信号的信噪比和信干比，将这些指标反馈给控制模块，控制模块据此动态调整算法参数，包括最小方差无失真响应的对角加载因子和递归最小二乘算法的遗忘因子。
[0184] 示例性地，通过数字波束形成算法对相控阵天线系统进行优化，实现波束的自适应调整和干扰抑制是一个复杂的过程，涉及多个关键步骤和技术细节。
[0185] 首先，信号采集与预处理阶段至关重要。高速模数转换器对每个阵元接收的信号进行采样，采样率设定为100MHz，分辨率为14位，以确保捕获足够的信号细节。采样后的数据经过数字下变频处理，将射频信号转换到中频或基带。随后，应用低通滤波器去除高频噪声和干扰，得到清晰的基带信号。这一步骤为后续处理奠定了基础，提供了高质量的数字信号。
[0186] 接下来，进行信号协方差矩阵的估计。采用滑动时间窗口法，窗口长度设置为1024个采样点，相邻窗口重叠率为50%。这种设置在时间分辨率和估计精度之间取得了良好平衡。为进一步提高估计精度，引入前向后向平均技术。该技术利用信号的共轭对称性，有效减少了估计误差，特别是在样本数量有限的情况下表现出色。
[0187] 估计得到协方差矩阵后，进行矩阵的特征值分解。通过最小描述长度准则自适应确定保留的特征值数量K。这一步骤的关键在于准确区分信号子空间和噪声子空间。以一个16元线性阵列为例，在信噪比为10dB的环境下，MDL准则可能会选择保留4‑6个最大特征值。
利用这K个最大特征值及其对应的特征向量重构协方差矩阵，有效抑制了噪声的影响，提高了后续处理的准确性。
[0188] 基于重构后的协方差矩阵，计算最小方差无失真响应（MVDR）波束形成权值向量。采用Cholesky分解将协方差矩阵分解为上三角矩阵，然后通过前向和后向替换求解线性方程组，避免了直接矩阵求逆可能带来的数值不稳定性。这种方法在计算效率和数值稳定性方面都有显著优势。
[0189] 考虑到实际系统中存在的不确定性，在MVDR准则中引入椭球不确定性集约束。这一约束考虑了阵列流形向量的不确定性，如阵元位置误差、互耦效应等。通过求解凸优化问题，得到在最坏情况下仍能保证期望信号增益的鲁棒波束形成权值。实践表明，这种方法能够在阵元位置误差达到半波长的10%时仍保持良好的性能。
[0190] 为适应信号环境的动态变化，采用自适应步长的递归最小二乘（RLS）算法实时更新权值向量。自适应步长机制能够在收敛速度和稳态误差之间取得平衡。例如，在信号源快速移动的场景中，较大的初始步长（如0.1）可以快速跟踪变化，而后逐渐减小步长（如降至0.01）以提高稳定性。
[0191] 为提高算法的实时性能，采用基于幂迭代方法的快速子空间跟踪算法。该算法通过迭代方式高效更新信号子空间和噪声子空间，计算复杂度远低于全量特征值分解。在16元阵列的实时处理中，该算法可将每次更新的计算时间从毫秒级降低到微秒级，显著提高了系统的响应速度。
[0192] 在波束形成过程中，加入自适应陷波器以抑制窄带干扰。陷波器的中心频率和带宽通过基于离散傅里叶变换的峰值检测算法自动确定。例如，对于100MHz带宽的系统，算法能够检测并抑制带宽小于1MHz的窄带干扰，抑制深度可达40dB以上。
[0193] 为实现精确的波束方向估计，结合多信号分类（MUSIC）算法和抛物线插值技术。MUSIC算法提供粗略的方向估计，然后通过抛物线插值提高角度分辨率。在16元阵列、信噪比为15dB的条件下，该方法可实现0.1°的角度估计精度。
[0194] 基于估计得到的信号方向，采用模糊逻辑的平滑控制策略动态调整波束的主瓣方向。模糊逻辑控制器根据当前方向估计值、估计变化率和信号强度等输入，输出波束调整量。这种策略有效避免了由于瞬时估计误差导致的波束抖动，提高了系统的稳定性。
[0195] 最后，系统实时计算输出信号的信噪比和信干比，将这些指标反馈给控制模块。控制模块根据这些指标动态调整算法参数，如MVDR的对角加载因子和RLS算法的遗忘因子。例如，当检测到强干扰时，增大对角加载因子以提高鲁棒性；当信号环境快速变化时，减小遗忘因子以加快跟踪速度。
[0196] 通过这一系列精心设计的步骤，该数字波束形成算法能够有效优化相控阵天线系统，实现波束的自适应调整和干扰抑制。在实际应用中，该算法在16×16阵列上实现了1ms的处理延迟，满足了大多数实时处理的要求。系统在存在多个强干扰源的情况下，能够形成深度为40dB以上的干扰抑制零点，同时保持主瓣增益的稳定。在信号源快速移动的场景中，算法能够在50ms内完成波束重指向，满足了高动态环境下的需求。这种高性能、低延迟的数字波束形成算法为相控阵天线系统在复杂电磁环境下的应用提供了有力支撑。
[0197] 图2为本发明实施例基于微波异质异构集成的相控阵天线设计系统的结构示意图，如图2所示，所述系统包括：
[0198] 第一单元，用于选取具有低介电损耗的有机基板作为天线辐射单元基板，并选取具有高介电常数的氮化铝陶瓷基板作为射频收发芯片基板；将所述有机基板和所述氮化铝陶瓷基板通过微波互连技术进行异质异构集成，形成一体化的异质异构集成基板；在所述异质异构集成基板的有机基板层上设计并加工多个微带天线单元，在所述异质异构集成基板的氮化铝陶瓷基板层上集成射频收发芯片；
[0199] 第二单元，用于基于所述异质异构集成基板，设计相控阵天线单元；所述相控阵天线单元包括辐射单元、馈电网络、相位移相器和功率放大器；其中，所述辐射单元采用宽带微带天线结构，通过在所述有机基板上设置多层金属化图形来实现；所述馈电网络采用微带线‑槽线‑微带线转换结构，通过在所述有机基板和所述氮化铝陶瓷基板之间的过渡层中设置来实现垂直互连；所述相位移相器和所述功率放大器集成在所述氮化铝陶瓷基板上；
[0200] 第三单元，用于将多个所述相控阵天线单元按照预设的几何排布进行阵列化设计，形成相控阵天线系统；在所述相控阵天线系统中集成波束控制单元，所述波束控制单元通过调节每个所述相控阵天线单元的相位移相器来实现波束方向的精确控制；设计并集成温度补偿电路，所述温度补偿电路通过实时监测所述异质异构集成基板的温度变化，动态调整所述相位移相器和所述功率放大器的工作参数，以保证所述相控阵天线系统在不同温度环境下的稳定性能；最后，通过数字波束形成算法对所述相控阵天线系统进行优化，实现波束的自适应调整和干扰抑制。
[0201] 本发明实施例的第三方面，
[0202] 提供一种电子设备，包括：
[0203] 处理器；
[0204] 用于存储处理器可执行指令的存储器；
[0205] 其中，所述处理器被配置为调用所述存储器存储的指令，以执行前述所述的方法。
[0206] 本发明实施例的第四方面，
[0207] 提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令被处理器执行时实现前述所述的方法。
[0208] 本发明可以是方法、装置、系统和/或计算机程序产品。计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质，其上载有用于执行本发明的各个方面的计算机可读程序指令。
[0209] 最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
