CN105655725A - 一种二维可扩充片式有源阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二维可扩充片式有源阵列天线，多功能板包括依次垂直互连的电源波控电路层、低频分配网络层、第一隔离层、校正网络层、第二隔离层、功分合成网络层和盲配接口层；所述瓦片式TR组件以2×2阵列的四通道TR组件作为平面子阵并按2×2子阵模块的偶数倍进行阵面扩展；所述多功能板分别通过射频盲配连接器和低频盲配连接器与四通道TR组件相连；所述天线阵面包括SMP盲配连接器、天线辐射层和热控与支撑层，所述天线辐射层连接在热控与支撑层上；所述SMP盲配连接器分别连接天线辐射层和四通道TR组件。本发明避免了现有技术中层数过多导致的剖面高度、质量面密度难以降低，层间垂直互连跨度大导致的效率和集成度难以提高等缺点。

Description

一种二维可扩充片式有源阵列天线

技术领域

本发明涉及一种有源阵列天线，尤其涉及的是一种二维可扩充片式有源阵列天线。

背景技术

有源相控阵天线作为相控阵雷达的核心部分，其集成水平决定了整个系统的性能与成本。工作频率越高，每个阵元的面积越小，集成度要求越高。有源相控阵天线集成的阵列结构有两种：基于砖块式线子阵的纵向集成横向组装和基于瓦片式面子阵的横向集成纵向组装。脉冲工作的雷达系统，阵元数多且间距小，功耗大，砖块式设计相对容易，但砖块式集成度低、纵向剖面尺寸大，难以满足现代雷达对集成度的要求。瓦片式有源天线系统是一种新型的高密度集成有源天线系统，通常由瓦片式有源子阵模块二维可扩充组合而成，每个子阵模块包括辐射单元、片式T/R组件、射频馈电网络、电源、波控、冷却管道等功能电路和结构件，具有典型的薄而紧凑的“三明治”结构。瓦片式有源天线的高集成、低剖面、低质量面密度及电讯和结构上二维可扩充等特点，使其可适应于机载、星载等高密度集成的相控阵雷达需求，并逐渐成为研究开发的热点。

在DARPA与NASA的支持下，美国多家公司先后研究了多个频段的瓦片式集成子阵。西屋公司采用晶圆级集成技术，开发了4×4瓦片式子阵，每个通道5位幅度、6位相位控制，发射带宽6～12GHz，发射功率0.5W；接收带宽4～12GHz，噪声系数小于7dB，增益大于20dB。德州仪器开发的Ka波段4×4发射子阵，阵元间距0.8λ，4位PIN二极管移相器插损4.5dB，阵元发射功率100mW，馈电网络的插损5dB。休斯公司开发的X波段瓦片式4元有源模块，采用多层氮化铝基板，共面波导传输线和毛纽扣连接器，倒装单片微波集成电路；和砖块式4元模块相比，体积、重量与生产成本分别降低了86％，67％，76％。针对大型天基相控阵应用，加拿大学者设计的瓦片式集成结构，每个8×8子阵由三层瓦片组成：辐射阵元，MEMS移相器与功分器，TR组件。上述瓦片式集成子阵在天线辐射层、TR组件、移相衰减器及功分器的高度集成方面取得了卓有成效的成果，但未能实现电源、波控等低频模块的一体化集成。

2008年法国Thales公司为舰载雷达GM400开发了64单元S波段片式数字化接收天线模块，包括天线阵面、接收通道、电源、控制以及光学接口等组件，整个厚度100mm，重量小于8公斤。该瓦片式天线模块集成了电源、控制等模块，但未集成发射通道，且纵向厚度太大。

2013年中国电子科技集团十所何庆强等人公开了中国专利：201310341730.3，一体化毫米波有源相控阵天线，天线阵面按8×8阵列进行设计，整个有源阵面包含天线阵面、微流道、64个单通道功放芯片、16个4通道集成移相器和功分网络。该专利实现了射频发射通路的垂直互联和有源阵面的高度集成，但其不足在于：64个单通道功放芯片集成度不够，TR组件未集成接收通道，馈电网络未集成校正网络，有源阵面未集成电源、波控等低频电路及其分配网络，不含电源波控电路的瓦片层数达到四层。

中国电子科技集团十所何海丹等人在2013年全国微波毫米波会议上发表论文“毫米波相控阵天线高密度集成设计技术”，采用LTCC工艺完成二维有源天线高性能、小型化设计，给出了有源系统集成方案。该设计不足之处在于：LTCC工艺仅用于TR组件的设计，未给出波束控制部分的系统集成实现方法，有源天线系统未集成电源模块。

华东电子工程研究所王小陆等人在2012年微波学报发表论文“片式有源阵列天线关键技术研究”，并在2013年全国天线年会上进一步发表论文“一个多层组装架构的瓦片天线”。所公布的有源阵面由两个结构板层、一个散热结构层和四个电路层共七层独立的结构通过层叠方式实现。该设计方案较上述何庆强、何海丹等人的设计方案先进之处在于集成了波控和电源模块，不足之处在于：阵面架构层级过多，跨越多层的层间互联难以精确定位，TR组件的发射通道与接收通道分别由分立的HPA板和LNA板组成，未能实现TR组件收发通道的一体化集成。

总之，基于现有技术的可扩充瓦片式有源阵列天线未能实现天线辐射阵面和热控结构、TR组件收发通道和移相衰减器件、功分合成网络和校正网络、电源分配网络和波控信号分配网络及电源波控电路的一体化集成。此外，现有集成方案瓦片层数过多，垂直于阵面的纵向厚度难以降低，层间垂直互联距离远、插损大。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种二维可扩充片式有源阵列天线，降低有源相控阵天线阵面瓦片层数、厚度、重量和成本。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明由上至下依次包括瓦片式部件：天线阵面、瓦片式TR组件和多功能板，所述多功能板包括依次垂直互连的电源波控电路层、低频分配网络层、第一隔离层、校正网络层、第二隔离层、功分合成网络层和盲配接口层；所述瓦片式TR组件以2×2阵列的四通道TR组件作为平面子阵并按2×2子阵模块的偶数倍进行阵面二维扩充；所述多功能板分别通过射频盲配连接器和低频盲配连接器与四通道TR组件相连；所述天线阵面包括SMP盲配连接器、天线辐射层和热控与支撑层，所述天线辐射层连接在热控与支撑层上，完成电磁波的辐射、接收和波束扫描功能；所述SMP盲配连接器分别连接天线辐射层和四通道TR组件。

所述电源波控电路层包括校正总口、射频总口、波控电路和电源电路；所述波控电路和电源电路相连，所述波控电路接收计算机控制指令并控制电源电路的开关，所述波控电路连接低频分配网络层；所述低频分配网络层上刻蚀矩阵排列的电源波控分口，所述电源波控分口将电源和波控信号分配到对应的TR组件，所述低频分配网络层通过低频盲配连接器连接四通道TR组件；所述第一隔离层为接地层，所述第一隔离层隔离射频与低频网络；所述校正网络层的总口与电源波控电路层的校正总口相连起到输出校正信号的作用，所述校正网络层的分口通过盲孔工艺与盲配接口层连接；所述第二隔离层为接地层，隔离功分合成网络与校正网络；所述功分合成网络层的总口与电源波控电路层的射频总口相连，用以发射功率分配或者接收功率合成，所述功分合成网络层的分口通过盲孔工艺与盲配接口层相连；所述盲配接口层上设有射频接口并通过盲孔工艺分别与校正网络层和功分合成网络层相连。

所述瓦片式TR组件包括射频盲配连接器、低频盲配连接器、四通道TR组件和安装固定板，所述射频盲配连接器穿过安装固定板分别连接盲配接口层和四通道TR组件，所述射频盲配连接器和低频盲配连接器分别内嵌于安装固定板上。实现了瓦片式TR组件与多功能板的无缝层叠。

所述SMP盲配连接器穿过热控与支撑层分别连接四通道TR组件和天线辐射层，所述热控与支撑层与天线辐射层固定连接为一体支撑天线阵面并形成散热通道，所述天线辐射层采用背腔微带结构作为辐射单元。实现了瓦片式TR组件与天线阵面的无缝层叠。

所述天线辐射层、SMP盲配连接器、四通道TR组件、射频盲配连接器、功分合成网络和电源波控电路层上的射频总口组成射频信号收发通道。

所述四通道TR组件耦合给出校正信号，所述校正信号经射频盲配连接器、校正网络层和电源波控电路层的校正总口输出。

所述每个四通道TR组件集成2×2通道的发射功率放大芯片、接收低噪声芯片和具有移相衰减及收发控制功能的多功能芯片并形成一个2×2阵列的平面子阵。

所述电源波控电路层的波控电路接收计算机的控制信号，再经低频分配网络层的波控分配网络和低频盲配连接器实现对四通道TR组件的控制，完成射频信号的收发控制、空间功率分配与合成、移相衰减控制。

所述电源波控电路层的电源芯片连接外部电源，再经低频分配网络层的电源分配网络和低频盲配连接器实现对四通道TR组件的供电。

所述天线阵面中天线辐射层中辐射单元的数量及平面布局与四通道TR组件的通道数目与平面布局一致。

本发明相比现有技术具有以下优点：本发明由三层高集成的瓦片结构层叠而成，避免了现有技术方案瓦片层数过多导致垂直于阵面的纵向厚度难以降低、层间垂直互联距离远、插损大的缺点；

本发明基于低温共烧陶瓷LTCC工艺设计的多功能板集成了电源电路及分配网络、波控电路及分配网络、校正网络、功分合成网络，纵向厚度与普通多层PCB板一样，避免了现有技术方案不能集成电源波控电路的缺点，同时，能有效降低垂直于阵面的纵向厚度。

本发明的瓦片式TR组件采用4通道2×2阵列的平面子阵作为天线阵面的基本单元，每个单元集成2×2通道的发射功率放大芯片、接收低噪声芯片和具有移相衰减及收发控制功能的多功能芯片并采用模块化封装，阵面扩充可按2×2子阵模块的偶数倍进行，阵面所需分立的TR组件模块数只有传统采用单通道TR组件作为基本单元模块技术方案的四分之一。

本发明天线阵面的辐射层采用背腔微带结构作为辐射单元能拓宽带宽；辐射层和热控与支撑层激光焊接在一起并与瓦片式TR组件无缝堆叠形成散热通道；TR组件与天线辐射单元之间的射频盲配连接器内嵌在热控与支撑层中，实现天线阵面在辐射电磁波的同时向外辐射热，简化了散热设计。

本发明提出的一种二维可扩充片式有源阵列天线瓦片层数少、集成度高，纵向厚度低、TR组件单元模块少且可二维扩充，本发明是由三层高集成功能电路层叠而成的一种薄而紧凑的片式体制架构，具有低剖面、轻量化、高效率、高集成度等特点，实现了大带宽(4GHz)、大扫描角(±45°)等功能。

附图说明

图1是本发明的原理示意图；

图2是图1中的多功能板的透视分解示意图；

图3是图1中的瓦片式TR组件的透视分解示意图；

图4是图1中的天线阵面的透视分解示意图；

图5是8GHz本发明天线的接收方位向+45度扫描测试方向图；

图6是10GHz本发明天线的接收方位向+45度扫描测试方向图；

图7是12GHz本发明天线的接收方位向+45度扫描测试方向图；

图8是8GHz本发明天线的发射方位向+45度扫描测试方向图；

图9是10GHz本发明天线的发射方位向+45度扫描测试方向图；

图10是12GHz本发明天线的发射方位向+45度扫描测试方向图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1～4所示，本实施例以一种二维可扩充片式有源阵列天线工作在10GHz为例，阵列规模取为8×8。由面积相同的三层瓦片式部件组成，包括多功能板1、瓦片式TR组件2和天线阵面3。

多功能板1是基于低温共烧陶瓷LTCC工艺加工而成，介质型号为FerroA6、单层厚度0.096mm、介电常数5.9；多功能板1包括依次垂直互连的电源波控电路层11、低频分配网络层12、第一隔离层13、校正网络层14、第二隔离层15、功分合成网络层16和盲配接口层17。

多功能板1的电源波控电路层11包括波控电路115和电源电路116，波控电路115通过波控计算机接口111接收计算机控制指令并通过电源控制信号线119控制电源电路116的开关并通过波控信号埋孔125与低频分配网络层12连接，电源电路116由电源接口112供电并通过电源埋孔124与低频分配网络层12连接；

低频分配网络层12上刻蚀有16个矩阵排列的25芯的电源波控分口123，起到将电源和波控信号分配到16个TR组件的作用；

第一隔离层13上刻蚀有校正总口第三层地131、射频总口第三层地132和电源波控第一层过孔133，第一隔离层13上除了以外部分为金属接地层，起到隔离射频与低频网络层的作用；

校正网络层14上刻蚀有1分16的校正网络和电源波控第二层过孔143，16个校正网络分口141分别与第二隔离层15上刻蚀的16个校正信号埋孔152连接，校正网络总口142与校正总口113连接；

功分合成网络层16上刻蚀有1分16的功分合成网络、16个功分合成网络分口161和电源波控第四层过孔162；

盲配接口层17上加工有与16个功分合成网络分口161、16个校正信号埋孔152连接的32个射频信号盲孔171，同时加工有与16个穿过电源波控第四层过孔162、电源波控第三层过孔151、电源波控第二层过孔143、电源波控第一层过孔133和16个25芯电源波控分口123连接的25芯的低频信号盲孔172。

校正总口113与校正总口第一层地117、校正总口第二层地121和校正总口第三层地131共同组成50欧姆校正信号输出总口；射频总口114与射频总口第一层地118、射频总口第二层地122和射频总口第三层地132共同组成50欧姆射频信号输入输出总口。

瓦片式TR组件2以16个四通道TR组件24组成8×8个矩阵排列的收发通道，每个四通道TR组件24集成2×2通道的发射功率放大芯片、接收低噪声芯片和具有移相衰减及收发控制功能的多功能芯片并形成一个2×2阵列的平面子阵；

每个四通道TR组件24的上表面安装有四个四通道TR组件射频分口243，整个阵面共有8×8个矩阵排列的射频分口并与64个SMP盲配连接器31一一对应连接；

安装固定板23上以螺钉紧固的方式安装有16个矩阵排列的四通道TR组件24，同时，加工有32个内嵌有射频盲配连接器21的射频连接器过孔231和16个内嵌有25芯的低频盲配连接器22的低频连接器过孔232；

射频盲配连接器21的一端与四通道TR组件射频总口241盲配连接，另一端与射频信号盲孔171盲配连接；25芯低频盲配连接器22的一端与四通道TR组件电源波控接口242盲配连接，另一端与25芯低频信号盲孔172盲配连接。

天线阵面3以8×8个矩阵排列的背腔微带单元组成天线辐射层33，以0.52个波长作为背腔微带单元间距，实现±45度波束扫描；天线辐射层33采用激光焊接的方式焊接在热控与支撑层32上形成一个整体的层状瓦片结构，热控与支撑层32上加工有8×8个矩阵排列的热控结构过孔321，过孔位置与背腔微带单元一一对应；64个SMP盲配连接器31为双阴连接器，内嵌在热控结构过孔321中与背腔微带单元一一对应相连接。

计算机发出的波控指令通过波控计算机接口111进入波控电路115产生收发开关、移相和衰减波控信号，由波控信号埋孔125到低频分配网络层12分配到16个25芯的电源波控分口123，再经16个25芯低频信号盲孔172与16个低频盲配连接器22连接进入16个四通道TR组件，完成TR组件收发开关、移相、衰减的控制，实现收发射频信号的功率合成与波束扫描的功能。

外接+48伏直流电源通过电源接口112进入电源电路114产生+8伏、+5伏和-5伏直流电，由电源埋孔124到低频分配网络层12分配到16个25芯的电源波控分口123，再经16个25芯的低频信号盲孔172与16个低频盲配连接器22连接进入16个四通道TR组件24，完成对64路TR组件内功率放大芯片、低噪声芯片和多功能芯片的供电。

信号源发出的射频信号由射频总口114进入功分合成网络16分配成16路射频信号，再通过射频信号盲孔171和射频盲配连接器21进入16个四通道TR组件24，每个组件内部再分成4路射频信号经移相器移相和功率放大芯片放大后输出，再由四通道TR组件射频分口243输出，16个TR组件输出的64路发射信号经SMP盲配连接器31进入8×8个矩阵排列的背腔微带单元组成的天线辐射层33，实现射频信号的发射；天线辐射层33接收到的空间射频信号通过SMP盲配连接器31进入64路TR组件由TR组件内集成的低噪声放大芯片放大、移相器移相和衰减器衰减后合并成16路输出，再通过射频盲配连接器21、射频信号盲孔171进入功分合成网络16合并成1路信号经射频总口114输出，实现射频信号的接收。

校正信号由16个四通道TR组件24耦合给出，经射频盲配连接器21、射频信号盲孔171和校正信号埋孔152进入校正网络层14合并成1路，再由校正总口113输出。

天线阵面3的热控与支撑层32与瓦片式TR组件2紧贴在一起，以热传导的方式将TR组件产生的热量传导到天线辐射层33，再由天线辐射层33以热辐射的形式将热量辐射到空间，实现天线阵面在辐射电磁波的同时向外辐射热。

图5给出了8GHz本发明一种二维可扩充片式有源阵列天线的接收方位向-45度扫描测试方向图。图6给出了10GHz本发明一种二维可扩充片式有源阵列天线的接收方位向-45度扫描测试方向图。图7给出了12GHz本发明一种二维可扩充片式有源阵列天线的接收方位向-45度扫描测试方向图。比较这几个曲线图形，在8GHz～12GHz带宽内，接收方向图无明显恶化，接收能实现45度扫描。

图8给出了8GHz本发明一种二维可扩充片式有源阵列天线的发射方位向+45度扫描测试方向图。图9给出了10GHz本发明一种二维可扩充片式有源阵列天线的发射方位向+45度扫描测试方向图。图10给出了12GHz本发明一种二维可扩充片式有源阵列天线的发射方位向+45度扫描测试方向图。比较这几个曲线图形，在8GHz～12GHz带宽内，发射方向图无明显恶化，发射能实现45度扫描。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种二维可扩充片式有源阵列天线，由上至下依次包括瓦片式部件：天线阵面、瓦片式TR组件和多功能板，其特征在于，所述多功能板包括依次垂直互连的电源波控电路层、低频分配网络层、第一隔离层、校正网络层、第二隔离层、功分合成网络层和盲配接口层；所述瓦片式TR组件以2×2阵列的四通道TR组件作为平面子阵并按2×2子阵模块的偶数倍进行阵面二维扩充；所述多功能板分别通过射频盲配连接器和低频盲配连接器与四通道TR组件相连；所述天线阵面包括SMP盲配连接器、天线辐射层和热控与支撑层，所述天线辐射层连接在热控与支撑层上，完成电磁波的辐射、接收和波束扫描功能；所述SMP盲配连接器分别连接天线辐射层和四通道TR组件。

2.根据权利要求1所述的一种二维可扩充片式有源阵列天线，其特征在于，所述电源波控电路层包括校正总口、射频总口、波控电路和电源电路；所述波控电路和电源电路相连，所述波控电路接收计算机控制指令并控制电源电路的开关，所述波控电路连接低频分配网络层；所述低频分配网络层上刻蚀矩阵排列的电源波控分口，所述电源波控分口将电源和波控信号分配到对应的TR组件，所述低频分配网络层通过低频盲配连接器连接四通道TR组件；所述第一隔离层为接地层，所述第一隔离层隔离射频与低频网络；所述校正网络层的总口与电源波控电路层的校正总口相连起到输出校正信号的作用，所述校正网络层的分口通过盲孔工艺与盲配接口层连接；所述第二隔离层为接地层，隔离功分合成网络与校正网络；所述功分合成网络层的总口与电源波控电路层的射频总口相连，用以发射功率分配或者接收功率合成，所述功分合成网络层的分口通过盲孔工艺与盲配接口层相连；所述盲配接口层上设有射频接口并通过盲孔工艺分别与校正网络层和功分合成网络层相连。

3.根据权利要求1所述的一种二维可扩充片式有源阵列天线，其特征在于，所述瓦片式TR组件包括射频盲配连接器、低频盲配连接器、四通道TR组件和安装固定板，所述射频盲配连接器穿过安装固定板分别连接盲配接口层和四通道TR组件，所述射频盲配连接器和低频盲配连接器分别内嵌于安装固定板上。

4.根据权利要求1所述的一种二维可扩充片式有源阵列天线，其特征在于，所述SMP盲配连接器穿过热控与支撑层分别连接四通道TR组件和天线辐射层，所述热控与支撑层与天线辐射层固定连接为一体支撑天线阵面并形成散热通道，所述天线辐射层采用背腔微带结构作为辐射单元。

5.根据权利要求1所述的一种二维可扩充片式有源阵列天线，其特征在于，所述天线辐射层、SMP盲配连接器、四通道TR组件、射频盲配连接器、功分合成网络和电源波控电路层上的射频总口组成射频信号收发通道。

6.根据权利要求1所述的一种二维可扩充片式有源阵列天线，其特征在于，所述四通道TR组件耦合给出校正信号，所述校正信号经射频盲配连接器、校正网络层和电源波控电路层的校正总口输出。

7.根据权利要求1所述的一种二维可扩充片式有源阵列天线，其特征在于，所述每个四通道TR组件集成2×2通道的发射功率放大芯片、接收低噪声芯片和具有移相衰减及收发控制功能的多功能芯片并形成一个2×2阵列的平面子阵。

8.根据权利要求1所述的一种二维可扩充片式有源阵列天线，其特征在于，所述电源波控电路层的波控电路接收计算机的控制信号，再经低频分配网络层的波控分配网络和低频盲配连接器实现对四通道TR组件的控制，完成射频信号的收发控制、空间功率分配与合成、移相衰减控制。

9.根据权利要求1所述的一种二维可扩充片式有源阵列天线，其特征在于，所述电源波控电路层的电源芯片连接外部电源，再经低频分配网络层的电源分配网络和低频盲配连接器实现对四通道TR组件的供电。

10.根据权利要求1所述的一种二维可扩充片式有源阵列天线，其特征在于，所述天线阵面中天线辐射层中辐射单元的数量及平面布局与四通道TR组件的通道数目与平面布局一致。