CN103457015B

CN103457015B - 一体化毫米波有源相控阵天线

Info

Publication number: CN103457015B
Application number: CN201310341730.3A
Authority: CN
Inventors: 何庆强; 何海丹; 赵青
Original assignee: CETC 10 Research Institute
Current assignee: CETC 10 Research Institute
Priority date: 2013-08-07
Filing date: 2013-08-07
Publication date: 2015-04-22
Anticipated expiration: 2033-08-07
Also published as: CN103457015A

Abstract

本发明提出一种一体化毫米波有源相控阵天线，旨在提供一种性能可靠，能够减少芯片数量，降低成本的相控阵天线。本发明通过下述方案予以实现：天线承载层通过天线阵面、TR组件一体化相连在馈电网络上；天线阵面的微带贴片按矩形栅格阵列布局在天线承载层下面，并按8×8阵列规模相连TR组件的功放芯片，每4个功放芯片同时相连一个四通道集成移相器，构成一个2×2子阵电路，往下一体化相连于馈电网络；射频信号通过馈电网络输入功分网络，经若干四通道集成移相器各自分发成4路射频信号，输入给对应的功放芯片，传输到微带贴片，发射射频信号；控制信号通过低频信号网络，控制16个四通道集成移相器和64个功放芯片，完成射频信号空间功率合成和波束扫描。

Description

一体化毫米波有源相控阵天线

技术领域

本发明涉及一种阵列天线和毫米波有源相控阵天线技术。

背景技术

最近几年，随着动中通业务的快速发展，毫米波单片集成电路和高速数字处理芯片的飞速进步，使得高密度集成的毫米波有源相控阵天线的应用成为可能。我国在轨卫星系统和通信数据链的广泛应用，机载、弹载、箭载等平台对相控阵天线的传输速率及安装空间要求越来越高，要求相控阵天线具备增益高、体积小、重量轻、波束扫描灵活、覆盖范围宽等要求，使得毫米波有源相控阵天线的应用非常迫切。

毫米波有源相控阵天线及其技术的高度发展，受到国内外各方面的高度重视，比如，在1987年，J.Kinzel等人发表的文献“V-band space-based phased arrays”（MicrowaveJournal）首先提出了毫米波有源相控阵天线的砖块式子阵和瓦片式子阵技术的概念。在毫米波有源相控阵天线中，砖块式子阵采用元器件放置方向垂直于相控阵天线阵面孔径，线子阵电路采用纵向集成横向组装（LITA）。瓦片式子阵将元器件放置方向平行于相控阵天线阵面孔径，面子阵电路采用横向集成纵向组装（TILA）。但该文献没有给出砖块式子阵和瓦片式子阵的具体设计方案和实现方法。在1995年，D.Mcpherson等人发表的文献“Active phased arraysfor millimeter wave communications applications”（IEEE Military CommunicationsConference）公开了美国Lockheed Martin公司的用于卫星通信的60GHz的砖块式有源相控阵天线，该毫米波相控阵天线由5块1×16单元的砖块式子阵组成，每个砖块式子阵有6个有源单元，其它10个无源单元接匹配负载，采用强迫风冷进行散热设计。遗憾的是，砖块式子阵技术很难将天线罩集成到毫米波有源相控阵天线之中，不能实现毫米波有源相控阵天线结构功能的一体化设计。

在2010年，S.Holzwarth等人发表的文献“Highly integrated8x8antenna arraydemonstrator on LTCC with integrated RF circuitry and liquid cooling”（The FourthEuropean Conference on Antennas and Propagation）报道了德国IMST公司为卫星通信终端开发的Ka频段8×8瓦片式毫米波相控阵天线，该毫米波相控阵天线采用LTCC技术实现了微流道散热设计，采用数字波束形成（DBF）技术实现了相控阵天线扫描。由于采用的是DBF技术体制，该毫米波相控阵天线的波束扫描是在设备终端的数字基带上实现的，因此对采用移相器芯片设计的毫米波有源相控阵天线的参考价值不大。

2012年，赵青在“电讯技术”期刊上发表了一篇题为“一种Ka频段瓦片式TR组件子阵集成方案”的文献，给出了一种采用多层电路技术，内置带状线功率分配网络，脊波导-微带探针等手段进行设计的毫米波瓦片式TR组件子阵集成方案。该方案的不足之处在于，TR组件的每个通道单独使用一个移相器，导致芯片数量和高低频互联线多，无法做到低成本和可靠性设计。此外，该文献也没有给出高密度集成的毫米波TR组件的散热设计方案，无法保证TR组件的长时、可靠工作，不具备工程可实现性。

2012年，J.Hacker等人发表的文献“A16-element transmit/receive Q-bandelectronically steerable subarray tile”（IEEE MTTS,Microwave Symposium）报道了美国Teledyne Scientific公司的44GHz瓦片式有源相控阵天线，该瓦片式有源相控阵天线采用4×4子阵进行设计，每个子阵的体积为13.64mm×13.6mm×1.1mm，能实现±45°扫描，单通道输出功率3.5mw。其不足之处是，该瓦片式有源相控阵天线没有考虑热设计，设计的单通道输出功率小，不适合单通道输出功率大于50mw的毫米波有源相控阵天线设计。在天线结构设计上也没有考虑结构承载功能，不能形成与系统平台结构高度融合并直接承载环境载荷的毫米波有源相控阵天线。

总的来说，传统的毫米波有源相控阵天线没有将天线承载层、天线阵面、TR组件、馈电网络进行一体化设计，不能形成与系统平台结构高度融合并直接承载环境载荷的毫米波有源相控阵天线。此外，传统的毫米波有源相控阵天线采用的是单通道移相器芯片或DBF技术进行设计，没有采用多通道集成移相器芯片方案，很难完成高密度集成的毫米波有源相控阵天线一体化设计。因此，对于毫米波有源相控阵天线，如何使相控阵天线在结构设计上具有承载功能，在电路设计上实现结构功能一体化，保证毫米波有源相控阵天线长时、可靠地工作，目前还没有确定的技术方案。

发明内容

本发明目的是针对上述现有技术存在的不足之处，提供一种工程实用性高，性能可靠，能够减少毫米波有源相控阵天线芯片数量，降低相控阵天线成本，具备承载外部环境能力的一体化毫米波有源相控阵天线。

本发明的上述目的可以通过以下措施来达到。一种一体化毫米波有源相控阵天线，包括与天线承载层1相连为一体的天线阵面2、TR组件3、以及相连TR组件3的馈电网络4，其特征在于，天线阵面2以微带贴片7作为辐射单元，，辐射单元以工作频率的0.48～0.53波长为单元间距，按矩形栅格阵列布局在天线承载层1下面，辐射单元按8×8阵列规模的整倍数进行扩展，相连TR组件3的功放芯片16，且在TR组件3的每个功放芯片16上设置了将热直接导进微流道12的导热金属柱32，并且每4个功放芯片16同时相连一个四通道集成移相器15，构成TR组件的一个2×2子阵电路，往下一体化相连于馈电网络4；射频信号通过馈电网络4中的射频信号接口20输入功分网络19，经TR组件3中的若干个四通道集成移相器15各自分发成4路射频信号，输入给对应功放芯片16，经射频信号输出线17相连的射频连接器13，传输到微带贴片7，实现射频信号的发射；同时，控制信号通过馈电网络4中的低频信号接口22输入低频信号网络18，直接控制TR组件3的16个四通道集成移相器15和64个功放芯片16，完成毫米波有源相控阵天线射频信号的空间功率合成和波束扫描。

上述方案中，一体化毫米波有源相控阵天线是按8×8阵列进行设计的，该方案设计具有阵列规模的可扩展性，可按8×8阵列规模的整倍数进行扩展，如8×16阵列、16×16阵列、32×32阵列等规模。

上述方案中，所用的介质材料可以是LTCC基材、PCB基材、或LCP基材，也可以是几种基材的组合使用。

上述方案中，一体化毫米波有源相控阵天线的单通道输出功率可以是100mw、200mw、或400mw。四通道集成移相器移相位数可以是4位、5位、或6位。

本发明的有益效果是：

本发明在结构上采用的天线承载层1，具备了承载外部环境载荷的能力，避免了传统方案中天线罩分离设计的缺点。能与系统平台高度融合并直接承载环境载荷的天线承载层1，可满足毫米波有源相控阵天线在结构强度、空气动力学等方面的要求，同时具备电磁透波的功能。由于采用了能与系统平台高度融合并直接承载环境载荷的天线承载层1，完成了毫米波有源相控阵天线的结构功能一体化设计，能很好地满足与系统平台的共形设计、环境承载能力、以及空气动力学的要求。

采用微带贴片7作为辐射单元，单元间距取在工作频率的半波长附近，通常在0.48个波长到0.53个波长之间取值，按矩形栅格阵进行布阵设计，使有源相控阵天线具有了±60°的扫描能力。具有可扩展性，按8×8子阵作为标准化模块进行设计的阵列规模，可满足不同功能的使用要求。天线单通道输出功率为100mw，EIRP值在±60°扫描范围内大于56dBmw，圆极化轴比小于3dB，法向3dB波束宽度为12.3°。在俯仰面和方位面上均按5°间隔实现波束的扫描采样，总共可采用481个波束扫描实现俯仰面0°～60°，方位面0°～360°的空域覆盖。

TR组件采用的高密度集成的四通道集成移相器15，减少了天线的芯片数量，降低了设计成本，避免了传统单通道设计方案体积大、重量大，甚至在电路设计上无法实现的缺陷。采用5个芯片就可以实现4个通道的功能，而传统设计方案需要8个芯片才能实现4个通道的功能。本发明可将8×8阵列的毫米波有源相控阵天线的芯片数量由128个减少为80个，芯片数量减少了37.5%，提高了系统的可靠性和低成本设计。

TR组件每个功放芯片16上面设置的导热金属柱32，将热直接导进微流道12，散热效果好。常温下，能很好地工作在62℃以下。内部功放芯片16最大温升为36.9℃，可达到热平衡，能在-55℃～+75℃的环境温度条件下工作，为天线长时、可靠地工作提供了可靠性保证。TR组件3和馈电网络4的一体化，天线承载层1、天线阵面2、TR组件3和馈电网络4的一体化，不仅集成度高、体积小、成本低、性能可靠，而且避免了传统方案中单独设计行馈功分器网络和列馈功分网络的不足，还避免了传统方案通过使用射频接插件和低频接插件实现高低频垂直互联的缺陷。

利用本发明，还可以用于微波频段有源相控阵天线的一体化设计。

附图说明

图1是本发明的一体化毫米波有源相控阵天线原理示意图。

图2是本发明一体化毫米波有源相控阵天线的透视分解示意图。

图3是图2俯视图。

图4是图2仰视图。

图5是图2天线阵面四分之一局部构造的透视分解示意图。

图6是图2的TR组件四分之一局部构造的透视分解示意图。

图7是图2馈电网络的构造示意图。

图8是本发明的一体化毫米波有源相控阵天线热设计结果图。

图9是本发明的一体化毫米波有源相控阵天线±60度扫描方向图。

图中：1天线承载层，2天线阵面，3TR组件，4馈电网络，5环境防护介质基片，6承载介质基片，7微带贴片，8馈电探针，9天线地面，10带状线，11带状线金属地，12微流道，13射频连接器，14TR组件金属地，15四通道集成移相器，16功放芯片，17射频信号输出线，18低频信号网络，19功分网络，20射频信号接口，21液冷管道接口，22低频信号接口，23天线介质基片，24馈电过孔，25TR组件过孔，26热介质层、27导热介质层，28射频过孔，29液冷过孔，30TR组件介质基片、31外部接口信号线，32导热金属柱，33功分网络介质基片，34带状线上层介质基片，35带状线下层介质基片，36液体主流管道，37TR组件上层介质基片，38TR组件下层介质基片，39射频信号输入线。

具体实施方式

参阅图1-图4。在以下描述的实施例中，以一体化毫米波有源相控阵天线工作在31GHz为例，阵列规模取为8×8。该毫米波有源相控阵天线主要包括与天线承载层1相连为一体的天线阵面2、TR组件3、以及相连TR组件3的馈电网络4。天线阵面2以微带贴片7作为辐射单元，取工作频率的0.52个波长为单元间距，按矩形栅格阵列布局在天线承载层1下面，辐射单元按8×8阵列规模相连TR组件3的功放芯片16，且在TR组件的每个功放芯片16上设置了将热直接导进微流道12的导热金属柱32，散热通过液冷管道接口21连接至液体主流管道36，液体主流管道36再分发成8路微流道12，形成闭合液冷循环系统。在TR组件3里，每4个功放芯片16同时相连一个四通道集成移相器15，构成TR组件的一个2×2子阵电路，往下一体化相连于馈电网络4。天线承载层1由具有电磁透波功能的环境防护介质基片5和承载介质基片6组成。天线承载层1可以选择玻璃钢材料作为环境防护介质基片5。结构承载介质基片6可以选择如图2所示，位于玻璃钢材料的环境防护介质基片5之间的PMI泡沫。

射频信号由射频信号接口20输入，通过上述馈电网络4的功分网络19输送至TR组件3的16个四通道集成移相器15，每个四通道集成移相器15再分发成4路射频信号，总共分成64路射频信号分别传输到各自相连的功放芯片16，再通过射频信号输出线17和与之相连的射频连接器13传输到天线阵面2的微带贴片7，完成射频信号的发射。与此同时，控制信号由低频信号接口22输入，通过与之相连的低频信号网络18传输到TR组件3的16个四通道集成移相器15和64个功放芯片16实施控制，最终实现一体化毫米波有源相控阵天线的空间功率合成和波束扫描。

参阅图5。天线阵面2包括取工作频率的0.52个波长为单元间距，阵列分布在天线介质基片23上的矩形状微带贴片7和穿过天线介质基片23往上连接于微带贴片7的馈电探针8，馈电探针8往下穿过天线地面9上的馈电过孔24，形成同轴馈电微带天线。微带贴片7以馈电探针8作为基准，可按单元间距0.52个波长排列成8×8阵列，实现一体化毫米波有源相控阵天线±60度扫描。微带贴片7的工作频率为31GHz，尺寸可按微带天线的公式进行计算和软件仿真确定。馈电探针8的半径尺寸和馈电过孔24的半径尺寸按同轴线公式进行计算，阻抗为50欧姆。天线阵面2与TR组件3的射频互联是通过带状线下层介质基片35上固联的射频连接器13相连的带状线10来实现的。带状线10位于带状线上层介质基片34和带状线下层介质基片35之间，通过天线地面9和带状线金属地11共同实现射频信号的传输。带状线10的一侧往上与穿过带状线上层介质基片34的馈电探针8相连，并通过微带贴片7完成射频信号的发射。带状线10的另一侧往下与穿过带状线下层介质基片35的射频连接器13相连，射频连接器13穿过带状线金属地11上的TR组件过孔25，形成同轴馈电方式，完成TR组件3到天线阵面2的射频信号的输入。射频连接器13的半径尺寸和TR组件过孔25的半径尺寸仍按同轴线公式进行计算，阻抗为50欧姆。带状线10的排列形式和射频连接器13的位置，由TR组件3里的功放芯片16的设计位置确定。

参阅图6。TR组件3里的射频连接器13往上连接天线阵面2的带状线10，完成到天线阵面2的射频信号输入。射频连接器13往下依次穿过热介质层26、导热介质层27、TR组件金属地14上的射频过孔28、TR组件上层介质基片37、以及TR组件介质基片30，与射频信号输出线17相连。射频连接器13与TR组件金属地14上的射频过孔28形成同轴馈电方式。射频过孔28的半径尺寸与天线阵面2里的TR组件过孔25的半径尺寸相同。为了在TR组件3里放置四通道集成移相器15和功放芯片16，在TR组件介质基片30和TR组件上层介质基片37里，分别制有16个按相邻单元间距10mm左右，以4×4布阵形式均布在TR组件下层介质基片38上面的矩形凹槽。每个四通道集成移相器15固定在每个矩形凹槽内，四周均匀分布着4个功放芯片16，形成2×2的子阵电路布局。16个矩形凹槽的子阵电路形成8×8阵列。来自馈电网络4的射频信号从射频信号输入线39输入，通过每个四通道集成移相器15，各自分发给围绕于四周的4个功放芯片16，经射频信号输出线17输出4路射频信号，完成TR组件3到天线阵面2的射频信号的传输。所有功放芯片16和四通道集成移相器15的信号控制线分布于TR组件上层介质基片37、TR组件介质基片30和TR组件下层介质基片38之间，形成低频信号网络18，用于控制16个四通道集成移相器15和64个功放芯片16的工作状态。低频信号网络18相连外部接口信号线31，完成低频控制信号的输入。微流道12设置在TR组件3里的热介质层26内，每根微流道12往下相连于导热介质层27里的导热金属柱32，导热金属柱32紧贴在每个功放芯片16的上面，将热导进微流道12里。微流道12的数量取决于阵列布阵的行数或者列数，对于8×8阵列规模的一体化毫米波有源相控阵天线，共有8根微流道12。每个功放芯片16上面的导热金属柱32数量取决于功放芯片16输出功率的大小和芯片尺寸。8根微流道12与两侧的2根液体主流管道36相连，液体的流进或流出通过TR组件金属地14对角线上的2个液冷过孔29来完成。

参阅图7。在馈电网络4里，液冷管道接口21固联在功分网络介质基片33的对角线上，依次穿过TR组件下层介质基片38、TR组件介质基片30、TR组件上层介质基片37、TR组件金属地14上的液冷过孔29、以及导热介质层27，与热介质层26里的液体主流管道36相连，形成闭合液冷循环系统，将64个功放芯片16的热导出，实现相控阵天线长时、可靠地工作。在馈电网络4里，射频信号通过射频信号接口20输入功分网络19，功分网络19通过馈电探针8相连TR组件3里的射频信号输入线39，将射频信号从馈电网络4传输到TR组件3。低频信号接口22往上连接TR组件3里的外部接口信号线31，实现TR组件3里的低频信号网络18对16个四通道集成移相器15和64个功放芯片16的控制。功分网络19可以采用1分16等功分网络。

图8给出了本发明的一体化毫米波有源相控阵天线热设计结果。常温下，64个功放芯片的最高工作温度为61.9℃，内部功放芯片16的最大温升36.9℃可达到热平衡，能在-55℃～+75℃的环境温度条件下工作，具有长时、可靠的工作特点。

图9给出了本发明的一体化毫米波有源相控阵天线±60度扫描方向图。本实施例中，四通道集成移相器15采用5位数字移相器，能实现±60度扫描，法向3dB波束宽度为12.3°，±60度扫描范围内副瓣电平低于-8.5dB。

Claims

1.一种一体化毫米波有源相控阵天线，包括天线承载层（1）、天线阵面（2）、TR组件（3）和馈电网络（4），其特征在于，天线承载层（1）通过天线阵面（2）、TR组件（3）一体化相连在馈电网络（4）上；天线阵面（2）以微带贴片（7）作为辐射单元，辐射单元以工作频率的0.48～ 0.53波长为单元间距，按矩形栅格阵列布局在天线承载层（1）下面，辐射单元按8×8阵列规模相连TR组件（3）的功放芯片（16），且在TR组件（3）的每个功放芯片（16）上设置了将热直接导进微流道（12）的导热金属柱（32），并且每4个功放芯片（16）同时相连一个四通道集成移相器（15），构成TR组件的一个2×2子阵电路，往下一体化相连于馈电网络（4）；射频信号通过馈电网络（4）中的射频信号接口（20）输入功分网络（19），经TR组件（3）中的16个四通道集成移相器（15）各自分发成4路射频信号，输入给对应的功放芯片（16），经射频信号输出线（17）相连的射频连接器（13），传输到微带贴片（7），实现射频信号的发射；同时，控制信号通过馈电网络（4）中的低频信号接口（22）输入低频信号网络（18），直接控制TR组件（3）的16个四通道集成移相器（15）和64个功放芯片（16），完成毫米波有源相控阵天线射频信号的空间功率合成和波束扫描。

2.如权利要求1所述的一体化毫米波有源相控阵天线，其特征在于：每路微流道（12）下面设置有若干导热金属柱（32），液冷管道接口（21）连接液体主流管道（36），再分发成8路微流道（12），形成闭合液冷循环系统。

3. 如权利要求1所述的一体化毫米波有源相控阵天线，其特征在于：天线阵面（2）包括阵列分布在天线介质基片（23）上的矩形状微带贴片（7）和穿过天线介质基片（23）往上连接于微带贴片（7）的馈电探针（8），馈电探针（8）往下穿过天线地面（9）上的馈电过孔（24），形成同轴馈电微带天线。

4. 如权利要求1所述的一体化毫米波有源相控阵天线，其特征在于：微带贴片（7）以馈电探针（8）作为基准，排列成8×8阵列，并按8×8阵列规模的整倍数进行可扩展设计。

5. 如权利要求1所述的一体化毫米波有源相控阵天线，其特征在于：天线阵面（2）与TR组件（3）的射频互联是通过带状线下层介质基片（35）上固联的射频连接器（13）相连的带状线（10）来实现的。

6. 如权利要求5所述的一体化毫米波有源相控阵天线，其特征在于：带状线（10）位于带状线上层介质基片（34）和带状线下层介质基片（35）之间，通过天线地面（9）和带状线金属地（11）共同实现射频信号的传输。

7. 如权利要求6所述的一体化毫米波有源相控阵天线，其特征在于：带状线（10）的一侧往上与穿过带状线上层介质基片（34）的馈电探针（8）相连，并通过微带贴片（7）完成射频信号的发射。

8. 如权利要求7所述的一体化毫米波有源相控阵天线，其特征在于：带状线（10）的另一侧往下与穿过带状线下层介质基片（35）的射频连接器（13）相连，射频连接器（13）穿过带状线金属地（11）上的TR组件过孔（25），形成同轴馈电方式，完成TR组件（3）到天线阵面（2）的射频信号的输入。

9. 如权利要求1所述的一体化毫米波有源相控阵天线，其特征在于：射频连接器（13）往下依次穿过热介质层（26）、导热介质层（27）、TR组件金属地（14）上的射频过孔（28）、TR组件上层介质基片（37）、以及TR组件介质基片（30），与射频信号输出线（17）相连。射频连接器（13）与TR组件金属地（14）上的射频过孔（28）形成同轴馈电方式。

10. 如权利要求9所述的一体化毫米波有源相控阵天线，其特征在于：在TR组件介质基片（30）和TR组件上层介质基片（37）里，分别制有16个按相邻单元间距10mm，以4×4布阵形式均布在TR组件下层介质基片（38）上面的矩形凹槽，每个四通道集成移相器（15）分别固定在每个矩形凹槽内，四周均匀分布着4个功放芯片（16），形成2×2的子阵电路布局。