CN105633596B - 一种低热阻无连接器馈电的阵列天线及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及阵列天线技术领域，本发明公开了一种低热阻无连接器馈电的阵列天线，其特征在于具体包括印制板、天线单元和收发组件，所述印制板上设置金属化通孔，金属化通孔的一端通过导电胶连接天线单元，另外一端连接收发组件，通过金属化通孔给天线阵列进行馈电。阵列天线与馈电网络之间由于不再需要连接器进行高频信号传输，消除了由于连接器带来的信号传输损耗，也避免了由于连接器失效带来阵列单元失效的情况，从而提升了阵列天线的电气性能与可靠性。本发明还公开了一种低热阻无连接器馈电的阵列天线的实现方法。

Description

一种低热阻无连接器馈电的阵列天线及其实现方法

技术领域

本发明涉及阵列天线技术，具体是一种低热阻无连接器馈电的阵列天线及其实现方法，无连接器，从而提高整机电子设备的耐用性和可靠性。

背景技术

为了保证射频电缆与天线单元之间的高性能高可靠互联，大规模阵列天线一般采用射频连接器进行单元馈电。常用的射频连接器包括N型连接器、SMA连接器等。

大规模的阵列天线，在保证功率容量的前提下多采用前文提到的射频连接器将天线与收发组件进行连接。而连接器一端连接收发组件，另一端则通过电流激励或者耦合激励，实现能量对天线的注入。

电流激励的方式多见于微带天线及线天线，这类天线直接将连接器的内导体与天线相连，通过高频电流的传输将电流馈入天线。耦合激励的方式多见于喇叭天线，这类天线将连接器的内导体伸入天线腔体内部，通过在腔体的某一截面上建立起电场，实现期望的能量传输。

尽管采用连接器进行天线馈电具有诸多优点，但这种方式却存在一些难以克服的缺点：一是连接器会带来不必要的损耗，随着工作频率的升高，损耗也会随之加大。二是在大规模阵列中，大量连接器的使用会影响阵列的可靠性。三是使用连接器进行连接已经无法满足阵列的散热需求。

目前阵列天线的功率容量在不断提升，印制板安装大功率元器件后，元器件一直保持高温状态，导致元器件内部化学反应与粒子迁移加速，元器件失效率大大提高，直接影响电子产品的可靠性为了适应这一趋势，对于阵列天线进行热电一体化设计已成为天线设计的迫切需求。而传统的采用连接器馈电只保证了天线射频信号的传输，无法满足阵列天线散热的需要。

发明内容

针对现有技术中的阵列天线存在的上述技术问题，本发明公开了一种低热阻无连接器馈电的阵列天线及其实现方法。

本发明的技术方案如下：

本发明公开了一种低热阻无连接器馈电的阵列天线，其具体包括印制板、天线单元和收发组件，所述印制板上设置金属化通孔，金属化通孔的一端通过导电胶连接天线单元，另外一端连接收发组件，通过金属化通孔给天线阵列进行馈电。阵列天线与馈电网络之间由于不再需要连接器进行高频信号传输，消除了由于连接器带来的信号传输损耗，也避免了由于连接器失效带来阵列单元失效的情况，从而提升了阵列天线的电气性能与可靠性。

更进一步地，上述阵列天线采取强迫风冷进行冷却，冷却系统包括风机、通风管道、阵面外流道和阵面内流道；风机用于产生流体；阵面外流道用于将冷却气体输送到天线阵面；通风管道用于实现阵面外流道和阵面内流道的过渡；阵面内流道由整齐排列的天线阵元形成。采用低热阻无连接器馈电的阵列天线，对应采取强迫风冷进行冷却，降低了整体的成本，提高了冷却效率。

更进一步地，上述通孔的直径在0.2mm至0.4mm之间。这个尺寸既满足需求，又方便微波工艺加工。通孔的位置结合阵列天线单元的具体形式而定，既要保证微波传输线与阵列天线单元之间的阻抗匹配，又要避免馈电信号被短路等情况发生。

更进一步地，天线单元采用全金属材料进行加工。与传统采用印制板工艺制作槽线天线阵元不同，本发明的天线阵列需要兼顾导热特性，因此采用全金属材料对天线单元进行加工。

更进一步地，上述天线单元为阶梯型槽线天线单元，槽线天线的阶梯形开槽采用多级阶梯来拟合切比雪夫渐变线。阶梯槽线单元可以最好地兼顾电气性能与可加工性。

更进一步地，上述阵列天线还包括金属基板，所述金属基板放入印制板槽内，将印制板与金属基板进行层压，得到金属基压合板。金属基压合板与普通多层高频印制板无异，可以进行如背钻、金属化槽、控深铣、射频线等其他特殊工艺的制作。金属基板印制板具备低热阻特性，能有效地解决散热问题，从而提高了整机电子设备的耐用性和可靠性。

本发明还公开了一种低热阻无连接器馈电的阵列天线实现方法，其具体包括：首先加工天线馈电用的印制板，印制板内部包含了各个天线单元的波束形成网络，并且印制板内部含有传输射频信号及热量的金属化通孔；在印制板的埋铜区域预先铣出槽，然后采用铜或铝的金属基板对天线单元进行加工；金属基板和印制板的外形匹配，金属基板放入印制板槽内；最后将印制板与金属基板进行层压，使金属基板与印制板粘结在一起。

通过采用以上的技术方案，本发明的有益效果为：阵列天线与馈电网络之间由于不再需要连接器进行高频信号传输，消除了由于连接器带来的信号传输损耗，也避免了由于连接器失效带来阵列单元失效的情况，从而提升了阵列天线的电气性能与可靠性。

常规的印制板是树脂、增强材料及铜箔所构成的一种复合体，且多为热的不良导体，热量不易散发。如果电子设备局部发热不能排除，势必导致电子元器件因高温而失效。金属基板印制板具备低热阻特性，能有效地解决散热问题，从而提高了整机电子设备的耐用性和可靠性。

附图说明

图1是按照传统阵列天线设计方法设计的阵列天线结构示意图。

图2是按照本发明设计的阵列天线结构示意图。

图3是本发明中天线阵列的风冷架构示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图，详细说明本发明的具体实施方式。

以某阵列天线设计为例，按照传统阵列天线设计的阵列天线结构见图1，天线单元与收发组件之间通过连接器进行电气连接，天线单元与收发组件安装在天线基板两侧，连接器通过钎焊工艺安装在天线基板中。

按照本发明的方法，将导热性较好的金属基板加工成为天线单元，压合在印制板的表面或者嵌入多层印制板的中间，其典型结构如图2所示，嵌入式的金属基板本身也可作为地层使用，其可与金属化通孔连接，并通过导热孔实现热量在金属芯板内层和表面的传递。这样就能够把印制板内部产生的热量通过其内的散热孔迅速传导到压合在表层的金属基板再散发出去，使印制板能够在较低温度(或允许的工作温度)下进行可靠和保证使用寿命的工作。相对比传统的连接方式，新天线阵列的射频损耗降低了0.3dB左右，同时不采用液冷散热方式满足了芯片工作的需要，降低了全阵功耗。可见这种阵列天线的设计方法在实现了阵列的低热阻散热的同时，具备优异的可靠性与可制造性。

低热阻无连接器馈电的阵列天线采取强迫风冷方式对天线阵面进行冷却，风冷架构如图3所示：冷却系统由风机、阵面外流道和阵面内流道组成。风机用于产生风速和风压符合设计要求的流体。阵面外流道将冷却气体输送到天线阵面。导流管用于实现阵面外流道和阵面内流道的过渡。阵面内流道由整齐排列的天线阵元自然形成。

由于阵列天线采用无连接器馈电方式，在设计阵列天线时采用电磁周期边界结合全波仿真的方法对天线的电气性能进行仿真设计，采用仿真设计有利于在设计之初对天线的电磁性能进行评估。无连接器的天线阵列需要依靠金属化通孔进行馈电，通孔的直径以及位置对于天线的电气具有直接影响，通孔的直径在0.2mm至0.4mm之间，以适宜微波工艺加工的需求。通孔的位置结合阵列天线单元的具体形式而定，一般既要保证微波传输线与阵列天线单元之间的阻抗匹配，又要避免馈电信号被短路等情况发生。

在对阵列电气性能完成电磁仿真设计后，再针对阵列的散热能力进行设计，阵列散热能力与阵列天线单元的形态直接相关，与传统采用印制板工艺制作槽线天线阵元不同，本项目的天线阵列需要兼顾导热特性，因此采用全金属材料对天线单元进行加工。在槽线天线的诸多形态中，阶梯槽线单元可以最好地兼顾电气性能与可加工性，因此低热阻无连接器馈电的阵列天线多选择阶梯型槽线天线单元作为阵列天线单元。

槽线天线的辐射部分高度以及宽度由阵列工作频率下限确定，天线的高度与阵列最短工作波长类似，天线的间距则由阵列工作频率上限以及扫描范围决定，天线的间距为约阵列最短工作波长一半左右。槽线天线的阶梯形开槽设计是采用多级阶梯来拟合切比雪夫渐变线，切比雪夫渐变线的方程为其中Γ_m为设计的通带内最大反射系数，Z_L为转换后阻抗，Z₀为馈电的初始阻抗。阶梯的数量为n时，有以下关系：以及之后可得每级阶梯的相移为以及进而采用以下两式算得各级阶梯的反射系数：以及最后各级阶梯的阻抗比便可以通过下式得到：天线的总体高度由辐射体高度及散热鳍片高度决定，散热鳍片的高度受到天线材料以及芯片热耗的影响，热耗越高则鳍片高度越高。

阵列加工时，首先采用微波印制板工艺加工天线馈电用的印制板，印制板内部包含了各个天线单元的波束形成网络，并且电路板内部含有传输射频信号及热量的金属化通孔。在印制板的埋铜区域预先铣出槽，要求槽壁光滑，无批锋、毛刺。然后采用铜或铝的金属基板对天线单元进行加工，微波金属基板要求具有优异的散热性能、良好的电磁屏蔽性能、高机械强度和韧性且具有翘曲度小、尺寸稳定性高等性能。天线可以采用槽线天线或者喇叭天线等形式，采用金属对天线进行加工可以在保证天线性能的同时，提升天线的散热能力。为了与印制板层压，金属基板和印制板的外形应匹配，金属基板应能平稳地放入印制板槽内，在层压时配合定制形状或尺寸的压条，压条与金属基板的紧密贴合，使得金属基板平整度控制在符合工程要求的范围内。最后将印制板与金属基板进行层压，具体是将金属基板与印制板粘接的一面进行棕化以提升接合力，棕化后通过压合，使金属基板与印制板牢固粘结在一起。为了消除金属基板与板之间不可避免的断差造成的可靠性问题，在调整金属基板厚度与板厚之间的匹配性的同时，压板时还需使用缓冲阻胶材料，通常选用对应型号的离型膜，恰当的压合条件可以保证压力均匀性，从而使缝隙填胶充分，同时还能控制流胶量和金属基板同印制板之间的平整度。这样制作出来的金属基压合板，与普通多层高频印制板无异，可以进行如背钻、金属化槽、控深铣、射频线等其他特殊工艺的制作。为了满足阵列天线的电气与散热要求，印制板通常会设计大量的金属化通孔，这些金属化通孔可以实现不同层间的电路导通，同时具有纵向传热的效果。通孔的导热效果受通孔的数量、大小、孔壁厚度影响。除通孔外，在电子元器件安装处周围还可以专门设计散热孔来进行热量传输，这种散热孔的数量、大小、镀铜厚度、塞孔百分率及塞孔树脂类型等因素都影响到阵列天线整体散热的效果。

上述的实施例中所给出的系数和参数，是提供给本领域的技术人员来实现或使用发明的，发明并不限定仅取前述公开的数值，在不脱离发明的思想的情况下，本领域的技术人员可以对上述实施例作出种种修改或调整，因而发明的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最大范围。

Claims (6)

1.一种低热阻无连接器馈电的阵列天线，其特征在于具体包括印制板、天线单元和收发组件，所述阵列天线还包括第一金属基板，将导热性较好的所述第一金属基板加工成为天线单元嵌入多层印制板的中间；将印制板与第二金属基板进行层压，使第二金属基板压合在印制板表面，得到金属基压合板；所述印制板上设置金属化通孔，金属化通孔的一端通过导电胶连接天线单元，另外一端连接收发组件，通过金属化通孔给天线单元进行馈电，嵌入式的第一金属基板本身还作为地层使用，并与金属化通孔连接，通过金属化通孔实现热量在印制板内层和表面的传递。

2.如权利要求1所述的低热阻无连接器馈电的阵列天线，其特征在于所述阵列天线采取强迫风冷进行冷却，冷却系统包括风机、通风管道、阵面外流道和阵面内流道；风机用于产生流体；阵面外流道用于将冷却气体输送到天线阵面；通风管道用于实现阵面外流道和阵面内流道的过渡；阵面内流道由整齐排列的天线阵元形成。

3.如权利要求1所述的低热阻无连接器馈电的阵列天线，其特征在于所述通孔的直径在0.2mm至0.4mm之间。

4.如权利要求1所述的低热阻无连接器馈电的阵列天线，其特征在于所述天线单元采用全金属材料进行加工。

5.如权利要求1所述的低热阻无连接器馈电的阵列天线，其特征在于所述天线单元为阶梯型槽线天线单元，槽线天线的阶梯形开槽采用多级阶梯来拟合切比雪夫渐变线。

6.一种基于权利要求1-5中任一所述的低热阻无连接器馈电的阵列天线的实现方法，其具体包括以下的步骤：首先加工天线馈电用的印制板，印制板内部包含了各个天线单元的波束形成网络，并且印制板内部含有传输射频信号及热量的金属化通孔；在印制板的埋铜区域预先铣出槽，然后采用铜或铝的第一金属基板对天线单元进行加工；第一金属基板和印制板的外形匹配，第一金属基板放入印制板槽内；第一金属基板嵌入多层印制板的中间；第二金属基板压合在印制板表面；最后将印制板与第二金属基板进行层压，使金属基板与印制板粘结在一起。