CN105721000B - 一种射频发射模块、组件、相控阵天线及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种射频发射模块、组件、相控阵天线及其制造方法，所述射频发射模块包括第一推动级放大器、功分网络、四个发射通道、电源模块和波控微波子板；所述射频发射组件由两个所述射频发射模块面对面互为镜像地贴合而成；所述相控阵天线由8个或8的整数倍的所述射频发射组件并排固定在一外壳中组合而成。本发明的各级功放均由超宽带功率放大器芯片实现，该芯片使用低压电源，成本低，非线性特性好，便于实现功率合成。

Description

一种射频发射模块、组件、相控阵天线及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种高频发射装置，尤其涉及一种基于超宽带功率放大器芯片的射频发射模块、组件、相控阵天线及其制造方法。
背景技术
现有的微波发射组件体积大、功耗大、质量大、功能简单、电路集成度较低，且工作频率较低，基本工作于，如C波段、X波段和Ku波段等，已经无法满足雷达和电子对抗设备工作频率不断提高的要求。
如授权公告号为CN203299374U的中国实用新型专利“Ku波段4路发射组件”公开了一种工作于Ku波段的4通道发射组件，其没有模块化，各发射通道不能独立控制，质量较重，达到450克，尺寸也较大，不利于多模块集成形成相控阵雷达。
现有微波发射组件以单功能芯片集成为主，亦有采用分立器件实现的，其集成度、体积、重量、功耗、散热能力方面存在劣势。微波通信和雷达探测所用电磁波频率越来越高，波长越来越短，就必须缩小发射机的尺寸。现有的平面微电子组装密度已接近理论上的极限，已不能满足新一代通信系统、微波或毫米波雷达的应用要求。
发明内容
本发明的目的是为解决目前微波发射组件工作频率低、体积和重量大、散热性能差和各发射通道不能独立控制，无法满足微波通信系统要求的技术问题。
为了解决上述技术问题，一方面，本发明提供一种基于超宽带功率放大器芯片的射频发射模块，包括第一推动级放大器、功分网络、四个发射通道、电源模块和波控微波子板；
射频信号依次经所述第一推动级放大器和所述功分网络后分成四路，四路射频信号分别送至四个所述发射通道；
各所述发射通道包括数字移相器和发射天线，所述波控微波子板分别连接各发射通道的所述数字移相器，各数字移相器在波控微波子板的控制下将各路所述射频信号的相位调节至预设值或期望值后送至所述发射天线。
进一步地，还在所述数字移相器上集成有数字衰减器，所述波控微波子板还分别连接各所述数字衰减器，各数字衰减器在波控微波子板的控制下将各路所述射频信号的增益调节至预设值或期望值后送至所述发射天线。
进一步地，还在各所述发射通道中设有第二推动级放大器，所述第二推动级放大器的输入端连接所述数字移相器的输出端，第二推动级放大器的输出端连接所述发射天线。
进一步地，还在各所述发射通道中设有末级放大器，所述末级放大器的输入端连接所述第二推动级放大器的输出端，末级放大器的输出端连接所述发射天线。
进一步地，所述末级放大器由超宽带功率放大器芯片制成。
进一步地，所述第二推动级放大器由超宽带功率放大器芯片制成。
进一步地，所述第一推动级放大器由超宽带功率放大器芯片制成。
进一步地，所述数字移相器为六位数字移相器。
进一步地，所述射频发射模块的工作波段为K波段或Ka波段。
进一步地，所述波控微波子板包括检测单元、计算单元、驱动电路和接口电路，所述接口电路分别连接到上位机、所述检测单元和所述计算单元；所述检测单元分别连接至所述数字移相器和数字衰减器，用于实时检测射频信号相移量和衰减量，并将检测结果通过所述接口电路送至所述计算单元；所述计算 单元连接所述驱动电路，用于根据来自所述上位机的预设的射频信号相位值及增益值和来自所述检测单元的检测结果，通过所述驱动电路将流经所述数字移相器的各路所述射频信号的相位和流经所述数字衰减器的各路所述射频信号的增益调节至预设值或期望值。
另一方面，本发明提供一种基于超宽带功率放大器芯片的射频发射组件，包括两个上述的射频发射模块，两个所述的射频发射模块面对面互为镜像地贴合在一起。
进一步地，两个所述射频发射模块之间设有导热孔。
进一步地，所述导热孔中设有导热棒。
又一方面，本发明提供一种相控阵天线，所述相控阵天线包括n组上述的射频发射组件，n为8或8的整数倍；
各所述射频发射组件并排固定在一外壳中，以形成所述相控阵天线。
再一方面，本发明提供一种制造相控阵天线的方法，包括如下步骤：
(1)形成射频发射模块：所述射频发射模块包括设于微波电路基片上的第一推动级放大器、功分网络、四个发射通道、电源模块和波控微波子板；
射频信号依次经所述第一推动级放大器和所述功分网络后分成四路，四路射频信号分别送至四个所述发射通道；
各所述发射通道包括数字移相器和发射天线，所述波控微波子板分别连接各发射通道的所述数字移相器，各数字移相器在波控微波子板的控制下将各路所述射频信号的相位调节至预设值或期望值后送至所述发射天线；
所述微波电路基片安装在基板上；
(2)形成射频发射组件：所述射频发射组件由步骤(1)中两个所述射频发射模块面对面互为镜像地贴合而成；
(3)形成相控阵天线：所述相控阵天线由步骤(2)中n组所述射频发射组件并排固定在一外壳中组合而成，n为8或8的整数倍。
进一步地，步骤(1)中所述微波电路基片由低温共烧硅铝陶瓷材料制成，所述微波电路基片对称且等相位。
进一步地，步骤(1)中所述基板由铝碳化硅或可伐合金材料制成。
进一步地，还在步骤(1)中所述数字移相器上一体提供数字衰减器，所述波控微波子板还分别连接各所述数字衰减器，各数字衰减器在波控微波子板的控制下将各路所述射频信号的增益调节至预设值或期望值后送至所述发射天线。
进一步地，还在步骤(1)中各所述发射通道中提供第二推动级放大器和末级放大器，所述第二推动级放大器的输入端连接所述数字移相器的输出端，第二推动级放大器的输出端连接所述末级放大器的输入端，所述末级放大器的输出端连接所述发射天线。
进一步地，步骤(1)中所述第一推动级放大器、第二推动级放大器和末级放大器均由超宽带功率放大器芯片制成。
进一步地，步骤(2)中两个所述射频发射模块之间形成导热孔，在所述导热孔中插入导热棒。
本发明以四通道的射频发射模块为基础，将两个四通道的射频发射模块镜像贴合在一起形成八通道射频发射组件，，并在两个四通道的射频发射模块之间设有导热孔，通过8个或8的整数倍的八通道射频发射组件并排组装形成64通道或64的整数倍通道的波速电扫描相控阵天线，具有体积小，集成度高，功耗小，散热能力好等优点；可在功分网络前设置第一推动级放大器，在数字移相器后设置第二推动级放大器和末级放大器，各级功放均由超宽带功率放大器芯 片实现，该芯片使用低压电源，成本低，非线性特性好，便于实现功率合成，且芯片体积小，集成度高；通过分腔、分模块方式解决自激问题，可靠性高；使用数字移相器，由波控微波子板控制数字移相器的相移，从而实现微波发射波束的电扫描，具有控制简单，无需D/A转换单元、重复性好、功耗低、温度稳定性好等优点；发射机组件采用低温共烧陶瓷基板和单片微波集成电路板复合结构设计，给低频供电和控制线以及RF信号分层提供了便利，基板加工精度和通孔尺寸也保证了布局的可实现性，使用硅铝陶瓷材料进行射频基板制作，具有重量轻、热稳定性好、导热能力强、易于加工等优势，涉及的复合基板结构对供电、控制都进行了层间隔离，所有电气连接通孔都使用双孔实现，保证整个发射机系统的可靠性。
附图说明
图1为本发明的四通道射频发射模块一个实施例的原理框图；
图2为图1中波控微波子板一个实施例的原理框图；
图3为本发明的四通道射频发射模块在微波电路基片上的平面布置示意图。
图中：第一推动级放大器1；功分网络2；数字移相衰减器3；第二推动级放大器4；末级放大器5；发射天线6；波控微波子板7；电源模块8；低频接插口9；射频接口10；导热孔11；发射通道12；微波电路基片13；基板14。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1所示，为本发明四通道射频发射模块的一个实施例的原理框图。射 频信号经输入端进入第一推动级放大器1，经第一推动级放大器1放大后送至一分四的功分网络2，将一路射频信号分为四路，每路由数字移相衰减器3、第二推动级放大器4、末级放大器5和发射天线6构成一个发射通道，分别形成发射通道一至发射通道四，波控微波子板7分别连接到四路数字移相衰减器3，电源模块8为四通道射频发射模块提供电源。其中数字移相衰减器3采用集成式器件，将6位数字移相器与数字衰减器集成在一起，以减小体积；第一推动级放大器1、第二推动级放大器4和末级放大器5均由超宽带功率放大器芯片实现，该芯片使用低压电源，成本低，非线性特性好，便于实现功率合成，且芯片体积小，集成度高。在一个实施例中，第一推动级放大器1的增益为20dB；功分网络2采用功分芯片实现，功分损耗≤2dB，隔离度≥18dB；数字移相衰减器3的移相位数为6bit，移相精度≤4°，衰减为5dB；推动级放大器4增益为20dB，末级放大器5增益为24dB。
如图2所示，为图1中波控微波子板7的一个实施例的原理框图，包括检测单元、计算单元、驱动电路和接口电路，接口电路分别连接到上位机、检测单元和计算单元；检测单元连接至数字移相衰减器3，用于实时检测射频信号相移量和衰减量，并将检测结果通过接口电路送至计算单元；计算单元连接驱动电路，用于根据来自上位机的预设的射频信号相位值及增益值和来自检测单元的检测结果，通过驱动电路将数字移相衰减器3的相位和衰减量调节至期望值。对应每个数字移相衰减器3具有一个驱动电路，即包括驱动电路一至驱动电路四。
如图3所示，四通道射频发射模块的四个发射通道12均匀布置在微波电路基片13上，微波电路基片13安装在基板14上。微波电路基片13可采用低温共烧陶瓷基板和单片微波集成电路板复合结构设计。这给低频供电和控制线以 及RF信号分层提供了便利，基板加工精度和通孔尺寸也保证了布局的可实现性。使用硅铝陶瓷材料进行射频基板制作，具有重量轻、热稳定性好、导热能力强、易于加工等优势。本发明涉及的复合基板结构对供电、控制都进行了层间隔离，所有电气连接通孔(例如图3中椭圆部分的通孔)都使用双孔实现，保证整个发射机系统的可靠性。在一个实施例中，微波电路基片13还可采用多层印刷电路板结构替代低温共烧陶瓷结构。基板14可由铝碳化硅或可伐合金材料制成。
可以由两个四通道射频发射模块组装成的八通道射频发射组件，优选的，这两个四通道射频发生模块可分别工作在不同波段，例如，一个四通道射频发生模块工作在K波段，而另一个四通道射频发生模块工作在Ka波段。这里，K波段的四通道射频发生模块与Ka波段四通道射频发生模块电路结构相同，但电路中所选用的移相衰减多功能芯片工作频段不同，例如，K波段的四通道射频发生模块选用的移相衰减多功能芯片工作频段为18-26GHz，Ka波段的四通道射频发生模块选用的移相衰减多功能芯片工作频段为26-40GHz。参考图3，两个四通道射频发射模块的输出端保持一致，输入端互为镜像，保证两个半面结合在一起后输入端的高低频插件9、10的位置仍保持一致。组装后的八通道射频发射组件的长度、宽度、厚度可以分别为48毫米、28.4毫米、6.1毫米，射频输入信号由射频接口10输入，如SMP接口，两个四通道射频发射模块之间设有导热孔11，导热孔内可埋入散热管，提升模块的散热性能，并可设有低频接插口9，如J30J微矩形连接器，用于连接电源模块8的供电线和波控微波子板7的低频控制信号线。
本发明发射组件的主要实测技术参数如下：
频率范围:18-40GHz(分K波段和Ka波段两段实现)；
链路增益：≥31dB；
单通道输出功率：≥29dBm；
数字移相器移相精度：≤±5°(带内各点)；
数字移相器切换时间：≤80ns；
组件全零态相位一致性：≤±5°(各自频段内)；
组件全零态幅度一致性：≤±1dB(各自频段内)；
通道隔离度：≥18dB；
输入输出驻波比：≤1.5:1；
组件效率：≥13％；
2X4模块组件尺寸：长小于等于48mm，宽28.4mm，高度6.1mm；
2X4模块重量：≤40g；
工作温度范围：-40℃-+60℃；
相对湿度：95％；
控制方式：TTL串口信号控制；
机械接口安装面平面度0.1mm/100mm，粗糙度Ra3.2。
由这些实测参数可知，本发明的发射组件具有22GHz的超宽带，链路增益高，移相精度高带来波束扫描控制精度高，发射组件效率高，体积小，重量轻等诸多优点。
在一个实施例中，将上述八通道射频发射组件一字排开安装在一外壳中，形成具有64个有源发射通道的相控阵天线。每个发射通道具有相同的结构且相互独立，都包含6位数字移相衰减器3、第二推动级放大器4、末级放大器5和发射天线6。控制电路由波控微波子板7构成。供电线和控制线采用J30J微矩形连接器通过低频接插口10接入各发射模块。作为变形，可采用16个、24个等8的倍数的八通道射频发射组件，形成具有128、192等64的倍数个通道的 相控阵天线。
制造上述相控阵天线时，一般经过以下步骤：
(1)形成图1所述的四通道射频发射模块；
(2)形成如上所述的八通道射频发射组件：八通道射频发射组件由步骤(1)中两个四通道射频发射模块面对面互为镜像地贴合而成；两个四通道射频发射模块之间可设有导热孔11，导热孔内可埋入散热管，以提升模块的散热性能；
(3)形成相控阵天线：相控阵天线由步骤(2)中n组射频发射组件并排固定在一外壳中组合而成，n为8或8的整数倍。
相控阵天线工作时，射频信号输入各四通道射频发射模块，进入第一推动级放大器1进行预增益放大，再经功分网络2后分为4路，分别送入各个独立的发射通道，以发射通道一为例，射频信号进入6位数字移相衰减器3进行数字移相和衰减之后依次送入第二推动级放大器4和末级放大器5进行驱动放大、高功率放大，经移相、衰减和功率放大后的射频输出信号通过SMP-J射频接口10连接到发射天线6，完成信号发射功能。控制系统通过波控微波子板7发送控制信号给各发射通道的数字移相衰减器3，调整相位以便控制天线阵面波束的扫描角度。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (13)

1.一种射频发射模块，其特征在于，包括第一推动级放大器、功分网络、四个发射通道、电源模块和波控微波子板；
射频信号依次经所述第一推动级放大器和所述功分网络后分成四路，四路射频信号分别送至四个所述发射通道；
各所述发射通道包括数字移相衰减器和发射天线，所述波控微波子板分别连接各发射通道的所述数字移相衰减器，各数字移相衰减器在波控微波子板的控制下将各路所述射频信号的相位和增益调节至预设值或期望值后送至所述发射天线；
其中，所述波控微波子板包括检测单元、计算单元、驱动电路和接口电路，所述接口电路分别连接到上位机、所述检测单元和所述计算单元；所述检测单元分别连接至所述数字移相衰减器，用于实时检测射频信号相移量和衰减量，并将检测结果通过所述接口电路送至所述计算单元；每个数字移相衰减器对应一个驱动电路，所述计算单元连接所述驱动电路，用于根据来自所述上位机的预设的射频信号相位值及增益值和来自所述检测单元的检测结果，通过所述驱动电路将流经所述数字移相衰减器的各路所述射频信号的相位和增益调节至预设值或期望值。
2.根据权利要求1所述的射频发射模块，其特征在于，还在各所述发射通道中设有第二推动级放大器，所述第二推动级放大器的输入端连接所述数字移相衰减器的输出端，第二推动级放大器的输出端连接所述发射天线。
3.根据权利要求2所述的射频发射模块，其特征在于，还在各所述发射通道中设有末级放大器，所述末级放大器的输入端连接所述第二推动级放大器的输出端，末级放大器的输出端连接所述发射天线。
4.根据权利要求1所述的射频发射模块，其特征在于，所述数字移相衰减器为六位数字移相衰减器。
5.根据权利要求1所述的射频发射模块，其特征在于，所述射频发射模块的工作波段为K波段或Ka波段。
6.一种射频发射组件，其特征在于，包括两个如权利要求1所述的射频发射模块，两个所述的射频发射模块面对面互为镜像地贴合在一起。
7.根据权利要求6所述的射频发射组件，其特征在于，两个所述射频发射模块分别工作在不同的波段。
8.根据权利要求7所述的射频发射组件，其特征在于，一个射频发射模块工作在K波段，另一个射频发射模块工作在Ka波段。
9.一种相控阵天线，其特征在于，所述相控阵天线包括n组如权利要求6-8任一项所述的射频发射组件，n为8或8的整数倍；
各所述射频发射组件并排固定在一外壳中，以形成所述相控阵天线。
10.一种制造相控阵天线的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)形成射频发射模块：所述射频发射模块包括设于微波电路基片上的第一推动级放大器、功分网络、四个发射通道、电源模块和波控微波子板；
射频信号依次经所述第一推动级放大器和所述功分网络后分成四路，四路射频信号分别送至四个所述发射通道；
各所述发射通道包括数字移相衰减器和发射天线，所述波控微波子板分别连接各发射通道的所述数字移相衰减器，各数字移相衰减器在波控微波子板的控制下将各路所述射频信号的相位和增益调节至预设值或期望值后送至所述发射天线；
其中，所述波控微波子板包括检测单元、计算单元、驱动电路和接口电路，所述接口电路分别连接到上位机、所述检测单元和所述计算单元；所述检测单元分别连接至所述数字移相衰减器，用于实时检测射频信号相移量和衰减量，并将检测结果通过所述接口电路送至所述计算单元；每个数字移相衰减器对应一个驱动电路，所述计算单元连接所述驱动电路，用于根据来自所述上位机的预设的射频信号相位值及增益值和来自所述检测单元的检测结果，通过所述驱动电路将流经所述数字移相衰减器的各路所述射频信号的相位和增益调节至预设值或期望值；
所述微波电路基片安装在基板上；
(2)形成射频发射组件：所述射频发射组件由步骤(1)中两个所述射频发射模块面对面互为镜像地贴合而成；
(3)形成相控阵天线：所述相控阵天线由步骤(2)中n组所述射频发射组件并排固定在一外壳中组合而成，n为8或8的整数倍。
11.根据权利要求10所述的制造相控阵天线的方法，其特征在于，步骤(1)中所述微波电路基片由低温共烧硅铝陶瓷材料制成，所述微波电路基片对称且等相位。
12.根据权利要求10所述的制造相控阵天线的方法，其特征在于，步骤(1)中所述基板由铝碳化硅或可伐合金材料制成。
13.根据权利要求10所述的制造相控阵天线的方法，其特征在于，所述射频发射模块中的放大器均由超宽带功率放大器芯片制成。
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