CN106207492A - 高密度集成一体化瓦式有源相控阵天线架构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种高密度集成一体化瓦式有源相控阵天线架构，旨在提供一种体积更小，重量更轻，成本更低，性能稳定，能够消除自激现象，集成度高的瓦式有源相控阵天线架构。本发明通过下述技术方案予以实现：辐射阵元层设置在上多层PCB板（2）上，每个金属辐射贴片（1）阵列模块通过射频馈电线（4）电连接MMIC芯片（5），MMIC芯片封装在上多层PCB板与下多层PCB板之间的金属封闭腔（12）内形成RF馈电层；每个MMIC芯片分别电连接位于多层印制板（3）下方底平面上的信道组件（7）、电源组件（8）和波束控制组件（9），并与分别设置在所述多层印制板底部两端的射频对外接口（10）和控制、供电对外接口（11）形成DC电源与控制电路层。
Description
技术领域
本发明涉及一种广泛应用于通信、导航、识别、测控、预警探测、精密跟踪、广播电视、遥感遥测、以及射电天文等领域中的瓦式有源相控阵天线架构。
背景技术
相控阵天线是相控阵系统的核心部分，特别是二维有源相控阵天线，其集成水平决定了整个系的性能与成本。有源相控阵天线成本虽非首要因素，但是体积、重量与功耗要求却非常苛刻。有源相控阵天线按照电路组装方式大致可以分为砖式及瓦式两种方式。砖式有源相控阵天线是可以认为是第一代产品，具有重量大，体积笨重，生产组装困难的缺点。而瓦式有源相控阵天线是第二代产品，其利用横向集成纵向组装的方式，将MMIC分布在与天线口径面平行的平面内，通过纵向的层叠组装形成相控阵列，相较于砖式有源相控阵天线，重量及体积得到极大的缩减，瓦式TR组件成本比砖式TR组件的成本低76%，体积和重量分别是砖式TR 组件的86%和67%。
目前已有的瓦式有源相控阵架构，各模块还是相对独立的，都有自身的金属腔体，例如天线阵面、TR组件及波束形成网络等等。这些模块最终还是需要通过各种连接器进行射频、低频的互联，需要使用大量的连接器，成本巨大，且在安装过程中还需要考虑如何对位安装，接插件的插拔力等诸如此类的问题。这样的架构设计无疑会增加最终天线的重量、体积及成本。另外，由于涉及的部件和零件数量多，天线整机组装生产难度大，自然效率及成品率也不会太高，成本也就相应的提高了。
发明内容
本发明的目的是针对上述技术的不足之处，提供一种体积更小，重量更轻，成本更低，性能稳定，能够消除自激现象，集成度高的瓦式有源相控阵天线架构。
为了实现上述目的，本发明的技术解决方案是：一种高密度集成一体化瓦式有源相控阵天线架构，包括基本瓦片层，基本瓦片层包括：冷却层、DC电源与控制电路层、RF馈电层和辐射阵元层，其特征在于：辐射阵元层设置在上多层PCB板2上，其中，金属辐射贴片1阵列模块排列在所述上多层PCB板2上，每个金属辐射贴片1通过射频馈电线4电连接MMIC芯片5，MMIC芯片5封装在上多层PCB板2与下多层PCB板3之间的金属封闭腔12内形成RF馈电层；每个MMIC芯片5通过设置在所述下多层印制板3内的射频信号分配线13、供电线14和控制信号线15，分别电连接位于多层印制板3下方底平面上的信道组件7、电源组件8和波束控制组件9，并与分别设置在所述多层印制板3底部两端的射频对外接口10和控制、供电对外接口11形成DC电源与控制电路层；冷却层由设置在所述下多层印制板3内两端的导热柱16而形成。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
本发基于多层PCB技术加工得到的瓦式有源相控阵天线架构，实现了天线的一体化成型，极大简化了天线的生产组装。天线最终表现为一个集成大量功能器件的多层印制板，相较于目前的瓦式相控阵天线，严格意思上来说没有“模块”的概念，省却了模块组装的工序，也就省去了以往承载模块所需要的结构件，进而极大减轻了整机重量，整机高度大大降低，成本得以缩减。同时，因为本发明瓦式有源相控阵天线的全部加工工序均在PCB加工厂予以实现，加工周期极大缩短，产品质量控制容易，成品率高，整机成本进一步缩减，实现整机减重。
本发明将瓦式相控阵天线多层印制板底部表面划分为三个功能相对独立的区域，通过焊接、贴装等方式，将各种器件固联至对应的功能区域中，形成具有信号上下变频功能的信道组件7、具有对天线整机供电功能的电源组件8及具有解析外部指令对相控阵天线进行幅度相位配置功能的波控控制组件9。组件内部及组件间的线路连接通过PCB工艺印制于底部表面。相较于目前的相控阵天线架构，需要配置三个独立的功能模块，该发明的集成度大大提高，成本缩减明显。利用多层印制板挖槽、开腔及电镀的技术，形成一个全金属化封闭腔，并利用PCB压接等技术将MMIC芯片封装在了瓦式相控阵天线多层印制板里面，不仅能够提供不同通道间芯片的隔离，完成对芯片的保护，且相较于目前单独使用金属壳、陶瓷壳对金属进行封装的方式，其成本大大降低，且重量体积也较大程度的缩减。而且，由于整个封装过程是与PCB加工过程一起进行的，其工艺环节也相应减少，品控更加容易，整机的成品率也相应提高。本发明利用多层PCB技术，通过加工印制板表面的传输线及层间的金属化过孔，实现了瓦式相控阵天线中各种高低频互联，一体成型，成本低廉，大大降低了天线整机的高度。而对于目前单独使用射频、低频连接器进行各模块间互联的相控阵天线架构，需要使用大量的连接器，成本巨大，且在安装过程中还需要考虑如何对位安装，接插件的插拔力等诸如此类的问题。
本发明相控阵天线的电路组装方式，按照横向集成纵向组装的思路进行相控阵天线的TR组件的排布，即MMIC芯片5（包含功放芯片和移相器）均位于同一个平面上的；整个天线是完全基于多层PCB工艺实现的，导致对天线来说，并没有严格意义上“模块”的概念，最终天线的表现形式就是一个整体的多层印制板。利用多层印制板工艺，将MMIC芯片5封装在了上多层PCB板2与下多层PCB板3之间的金属封闭腔内，不仅实现功率芯片间电磁隔离，提升了芯片的工作稳定性，消除其自激现象，也给予了芯片密闭的工作环境，使其免受外界环境的腐蚀和机械应力的破坏。
本发明包含于下多层PCB板3中的射频信号分配线13，其层间的带状传输线需依据瓦式相控阵天线整机的功能需求，按照一定的射频拓扑结构，走线形成射频功率分配网络或者射频和差网络，实现了传统的相控阵天线中的功率分配网络或者和差网络模块同样的功能，天线整机的集成度提升明显，剖面高度降低不少。实现天线阵面功能的金属辐射贴片1阵列通过PCB工艺在整个天线的最上层蚀刻得到；存在于上多层PCB板2及下多层PCB板3中的高低频互联线，包括射频馈电线4、射频信号分配线13、供电线14与控制信号线15均是利用多层PCB技术加工层间的带状传输线和金属化过孔，并将其连接起来而得到； MMIC芯片5与射频馈电线4是通过键合金丝6连接在一起；射频信号分配线13包含了位于层间的带状传输线，可以根据相控阵的功能需求，按照一定的射频拓扑结构，形成功率分配网络或者和差网络；信道组件7、电源组件8和波束控制组件9，它们所包含的器件均安装在整个天线结构所形成的多层PCB板的最底部，其组件内部的互联线路及组件间的互联线路均是通过PCB工艺印制在底部表面的。最终，在信道组件7的旁边也即整机底部左侧边缘安装了射频对外接口10，在波束控制组件9的旁边也即整机底部右侧边缘安装了控制、供电对外接口11，具有较高的集成度。
附图说明
图1是本发明瓦式相控阵天线的架构示意图。
图中：1金属辐射贴片，2上多层PCB板，3下多层PCB板，4射频馈电线，5 MMIC芯片，6键合金丝，7信道组件，8电源组件，9波束控制组件，10射频对外接口，11控制、供电对外接口，12金属屏蔽腔，13射频信号分配线，14供电线，15控制信号线，16导热柱。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
具体实施方式
参阅图1。图1描述了本发明一种高密度集成一体化瓦式有源相控阵天线架构的一个最佳实施实例。该高密度集成一体化瓦式有源相控阵天线架构包括基本瓦片层，基本瓦片层包括：冷却层、DC电源与控制电路层、RF馈电层和辐射阵元层。主要由基于PCB高密度集成的在上多层PCB板2和下多层PCB板3两部分功能多层印制板上的金属辐射贴片1、上多层PCB板2、下多层印制板3、MMIC芯片5及信道组件7、电源组件8、波束控制组件9构成的。对于上多层PCB板2来说，其中包含的金属辐射贴片1、射频馈电线4及金属屏蔽腔均是利用多层PCB技术实现的。：辐射阵元层设置在上多层PCB板2上，其中，金属辐射贴片1阵列模块排列在所述上多层PCB板2上，每个金属辐射贴片1通过射频馈电线4电连接MMIC芯片5，MMIC芯片5封装在上多层PCB板2与下多层PCB板3之间的金属封闭腔12内形成RF馈电层；每个MMIC芯片5通过设置在所述下多层印制板3内的射频信号分配线13、供电线14和控制信号线15，分别电连接位于多层印制板3下方底平面上的信道组件7、电源组件8和波束控制组件9，并与分别设置在所述多层印制板3底部两端的射频对外接口10和控制、供电对外接口11形成DC电源与控制电路层；冷却层由设置在所述下多层印制板3内两端的导热柱16而形成。
实现天线阵面功能的金属辐射贴片1是通过蚀刻上多层PCB板2顶部的覆铜层得到的。射频馈电线4是通过在上多层PCB板2各层印制板表面蚀刻覆铜层得到的带状传输线，打孔电镀实现各层印制板的金属化过孔进而将这些金属化孔与带状传输线连接起来得到的。通过合理的设计上多层PCB板2叠层关系或者对压接完成的上多层PCB板2使用机械控深钻技术，得到具有一定高度的PCB凹槽，进而对该PCB凹槽进行金属化电镀。当上多层PCB板2与下多层PCB板3使用PCB压接工艺固联为一体时，该金属化电镀后的凹槽与下多层PCB板3上表面的覆铜层一起构成金属屏蔽腔12。
多层PCB板3包含射频信号分配线13、供电线14及控制信号线15也是使用的所述已经提到的加工层间带状传输线、金属化过孔的PCB工艺得到的。对于射频信号分配线13来说，其层间的带状传输线需依据瓦式相控阵天线整机的功能需求，按照一定的射频拓扑结构，走线形成射频功率分配网络或者射频和差网络，实现了传统的相控阵天线中的功率分配网络或者和差网络模块同样的功能。
下多层PCB板3的底部分为三个不同的功能区域，其中，信道组件7、电源组件8和波束控制组件9位于所述多层PCB板3底部同侧，且它们的各种电子元器件装配于各自对应的功能区域，一般使用波峰焊接、回流焊接等技术途径实现。信道组件7、电源组件8和波束控制组件9，其组件内部及组件间的连接线路也是通过PCB工艺蚀刻下多层PCB板3的底部的覆铜层实现的。瓦式有源相控阵天线整机的射频对外接口10及控制、供电对外接口11通过焊接的方式固联于下多层PCB板3底部左右侧。
当下多层PCB板3上述工序完成后，最后一步是在其顶部表面对应的位置贴装MMIC芯片。MMIC芯片5包含功率放大器及移相器，该MMIC芯片5的功能引脚通过使用PCB板厂的金丝键合工艺，将键合金丝6键合于带状传输线上。此时，再将已经加工完成的上多层PCB板2与下多层PCB板3叠装，并使用PCB压接工艺，压接为一个整体的多层PCB板。最后，使用多层PCB工艺对压接后的整体多层PCB板进行打孔电镀，实现下多层PCB板顶层表面带状传输线与射频馈电线4的电气连接，最终实现了瓦式有源相控阵天线整机的射频互联。
MMIC芯片5工作时产生的大量热耗是通过下多层PCB板2顶部的大铜面及导热柱16导到下多层PCB板2底部的大铜面，最终通过风冷或者液冷的方式散掉的。导热柱16也是利用PCB技术加工金属化过孔实现的。
MMIC芯片5所产生的热耗通过下多层PCB板3顶部的覆铜层及导热柱16构成的热路径导引到下多层PCB板3底部对外的覆铜层上，导热柱16是利用多层PCB工艺实现大孔径金属化过孔得到的，进而可以方便的使用风冷或者液冷的方式对天线整机进行冷却。
以上是向熟悉本发明领域的工程技术人员提供的对本发明及其实施方案的描述，这些描述应被视为是说明性的，而非限定性的。工程技术人员可据此发明权利要求书中的思想做具体的操作实施，比如图1所述瓦式相控阵天线的架构，其示出的天线阵元数、通道数等信息仅仅是为了更好的阐述此种天线架构用的，是非限定性的。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上做出各种变化。上述这些都应被视为本发明的涉及范围。
Claims (10)
1.一种高密度集成一体化瓦式有源相控阵天线架构，包括基本瓦片层，基本瓦片层包括：冷却层、DC电源与控制电路层、RF馈电层和辐射阵元层，其特征在于：辐射阵元层设置在上多层PCB板（2）上，其中，金属辐射贴片（1）阵列模块排列在所述上多层PCB板（2）上，每个金属辐射贴片（1）通过射频馈电线（4）电连接MMIC芯片（5），MMIC芯片（5）封装在上多层PCB板（2）与下多层PCB板（3）之间的金属封闭腔（12）内形成RF馈电层；每个MMIC芯片（5）通过设置在所述下多层印制板（3）内的射频信号分配线（13）、供电线（14）和控制信号线（15），分别电连接位于多层印制板（3）下方底平面上的信道组件（7）、电源组件（8）和波束控制组件（9），并与分别设置在所述多层印制板（3）底部两端的射频对外接口（10）和控制、供电对外接口（11）形成DC电源与控制电路层；冷却层由设置在所述下多层印制板（3）内两端的导热柱（16）而形成。
2.如权利要求1所述的高密度集成一体化瓦式有源相控阵天线架构，其特征在于：实现天线阵面功能的金属辐射贴片（1）是通过蚀刻上多层PCB板（2）顶部的覆铜层得到的；射频馈电线（4）是通过在上多层PCB板（2）各层印制板表面蚀刻覆铜层得到的带状传输线，打孔电镀实现各层印制板的金属化过孔进而将这些金属化孔与带状传输线连接起来得到的。
3.如权利要求1所述的高密度集成一体化瓦式有源相控阵天线架构，其特征在于：当上多层PCB板（2）与下多层PCB板（3）使用PCB压接工艺固联为一体时，金属化电镀后的凹槽与下多层PCB板（3）上表面的覆铜层一起构成金属屏蔽腔（12）。
4.如权利要求1所述的高密度集成一体化瓦式有源相控阵天线架构，其特征在于：下多层PCB板（3）包含射频信号分配线（13）、供电线（14）及控制信号线（15），是通过加工层间带状传输线、金属化过孔的PCB工艺得到的。
5.如权利要求1所述的高密度集成一体化瓦式有源相控阵天线架构，其特征在于：下多层PCB板（3）的底部分为三个不同的功能区域，其中，信道组件（7）、电源组件（8）和波束控制组件（9）位于所述下多层PCB板（3）底部同侧，且它们的各种电子元器件装配于各自对应的功能区域。
6.如权利要求1所述的高密度集成一体化瓦式有源相控阵天线架构，其特征在于：信道组件（7）、电源组件（8）和波束控制组件（9），其组件内部及组件间的连接线路也是通过PCB工艺蚀刻下多层PCB板（3）的底部的覆铜层实现的。
7.如权利要求1所述的高密度集成一体化瓦式有源相控阵天线架构，其特征在于：瓦式有源相控阵天线整机的射频对外接口（10）及控制、供电对外接口（11）通过焊接的方式固联于下多层PCB板（3）底部左右侧。
8.如权利要求1所述的高密度集成一体化瓦式有源相控阵天线架构，其特征在于：MMIC芯片（5）包含功率放大器及移相器，该MMIC芯片（5）的功能引脚通过使用PCB板厂的金丝键合工艺，将键合金丝（6）键合于带状传输线上。
9.如权利要求1所述的高密度集成一体化瓦式有源相控阵天线架构，其特征在于：上多层PCB板（2）与下多层PCB板（3）叠装，压接为一个整体的多层PCB板，最后，使用多层PCB工艺对压接后的整体多层PCB板进行打孔电镀，实现下多层PCB板顶层表面带状传输线与射频馈电线（4）的电气连接，终实现有源相控阵天线整机的射频互联。
10.如权利要求1所述的高密度集成一体化瓦式有源相控阵天线架构，其特征在于：MMIC芯片（5）所产生的热耗通过下多层PCB板（3）顶部的覆铜层及导热柱（16）构成的热路径导引到下多层PCB板（3）底部对外的覆铜层上，导热柱（16）利用多层PCB工艺实现大孔径金属化过孔得到的，使用风冷或者液冷的方式对天线整机进行冷却。
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