CN108306118B - 一种可扩充板式有源阵列天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可扩充板式有源阵列天线，属于有源阵列天线技术领域，包括天线板和多功能基板，所述天线板内通过隔板分成上腔体和背面腔体，所述背面腔体背离上腔体的端面覆盖有盖板；所述多功能基板设置在隔板下端面上，多功能基板背离隔板的端面上连接有TR组件、电源件及波控件；所述上腔体包括多个正面腔体，每个正面腔体内均设有绝缘子，上腔体上覆盖有微带板，正面腔体、绝缘子及微带板形成辐射单元，通过辐射单元发射或接收射频信号，其具有低剖面、低质量面密度、低成本、高自动化装配程度、波束扫描范围大和效率高的优点。

Description

一种可扩充板式有源阵列天线
技术领域
本发明属于有源阵列天线技术领域，具体涉及一种可扩充板式有源阵列天线。
背景技术
为了提升片式有源阵列天线的集成度，减少层数，降低剖面高度和质量面密度，并提高装配的自动化程度，近年来，可扩充板式阵列技术成为研究热点，其主要特点是将传统五层以上堆叠的片式有源阵列天线的层数降至一层或两层，实现超低剖面和超低质量面密度；目前国内外主要的有源相控阵雷达研究机构及供应商开发了多个频段、不同用途的可扩充板式阵列天线，如IMST开发的基于LTCC基板的Ka波段8×8单元板式阵列有源天线，天线辐射层和有源器件电路层中间内埋液冷管道，实现单层LTCC基板内集成有源天线子阵的所有部件、液冷效率高、剖面高度低、重量轻；MACOM公司开发的S波段SPAR有源天线，在单层瓦片内集成天线辐射单元、收发器件、高低频馈电网络、电源及控制电路；IMST和MACOM等开发的板式阵列天线集成度高，但由于天线单元和馈电网络共用多层基板，天线单元形式只能采用多层微带结构，导致有源阵列天线的扫描角小、效率低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于：在有源阵列天线采用板式架构，且实现低剖面、质量面密度和高自动化装配程度的情况下如何提高有源阵列天线的扫描角，提高扫描效率。
本发明采用以下技术方案解决上述技术问题：一种可扩充板式有源阵列天线，包括天线板和多功能基板，所述天线板内通过隔板分成上腔体和背面腔体，所述背面腔体背离上腔体的端面覆盖有盖板；所述多功能基板设置在隔板下端面上，多功能基板背离隔板的端面上连接有TR组件、电源件及波控件；所述上腔体包括多个正面腔体，每个正面腔体内均设有绝缘子，上腔体上覆盖有微带板，正面腔体、绝缘子及微带板形成辐射单元。
优选地，本发明所述的一种可扩充板式有源阵列天线，所述多个正面腔体呈N×N阵列，所述TR组件数为N*N/4个。
优选地，本发明所述的一种可扩充板式有源阵列天线，所述绝缘子包括馈电探针，所述馈电探针通过介质套设置在隔板上，并穿过隔板伸入到多功能基板内，且馈电探针的上端与微带板连接、下端与多功能基板下端面齐平。
优先地，本发明所述的一种可扩充板式有源阵列天线，所述多功能基板包括由上而下依次设置的信号层、电源层、接地层和表贴层，所述信号层与隔板间、信号层与电源层间、电源层与接地层间、接地层与表贴层间均设有介质层；所述TR组件、电源件及波控件均与表贴层连接；还包括与所述信号层、电源层、接地层、表贴层垂直的馈电垂直过渡、电源垂直过渡和信号垂直过渡，所述馈电垂直过渡与馈电探针对应设置，其上端面与隔板下端面齐平，并与相应馈电探针下端连接，馈电垂直过渡与信号层、电源层及表贴层互联，馈电垂直过渡用以传输射频信号；各组电源垂直过渡的上端面均与电源层齐平，并与电源层及表贴层互联，电源垂直过渡用以将电源件提供的电能经电源层传递至各TR组件；各组信号垂直过渡的上端面均与信号层齐平，并与信号层、电源层及表贴层互联，信号垂直过渡用以将波控件发出的波控指令经信号层传递至各TR组件。
优选地，本发明所述的一种可扩充板式有源阵列天线，所述表贴层上设有电源口、电源器件焊盘、射频总口、射频网络、TR射频焊盘、TR低频焊盘、波控器件焊盘和控制口；所述电源口与电源器件焊盘连接；所述射频总口与射频网络连接，所述控制口与波控器件焊盘连接；所述TR组件的射频引脚和低频引脚分别通过表贴焊接的方式与TR射频焊盘、TR低频焊盘及射频网络连接；所述电源件的引脚通过表贴焊接的方式与电源器件焊盘连接；所述波控件的引脚通过表贴焊接的方式与波控器件焊盘连接；所述馈电垂直过渡下端与TR射频焊盘连接；所述电源垂直过渡的数量为N*N/4+1组，一组电源垂直过渡的下端与电源器件焊盘连接，剩余各组电源垂直过渡的下端分别与对应TR低频焊盘连接；所述信号垂直过渡的数量为N*N/4+1组，一组信号垂直过渡的下端与波控器件焊盘连接，剩余各组信号垂直过渡的下端分别与对应TR低频焊盘连接。
优选地，本发明所述的一种可扩充板式有源阵列天线，所述天线板、隔板及多个正面腔体由铝板一体加工成型。
优选地，本发明所述的一种可扩充板式有源阵列天线，所述微带板、天线板、多功能基板及盖板间均通过焊接方式连接，所述绝缘子与隔板及馈电垂直过渡间均通过焊接方式连接。
优选地，本发明所述的一种可扩充板式有源阵列天线，所述天线板的厚度为8-15mm。
优选地，本发明所述的一种可扩充式有源阵列天线，所述背面腔体的深度为5-8mm。
优选地，本发明所述的一种可扩充板式有源阵列天线，所述各介质层的厚度分别为0.127mm的n1倍、n2倍、n3倍及n4倍，其中n1、n2、n3及n4均为正数，且n1、n2、n3及n4相等或不等。
本发明技术有益效果：
本发明技术方案通过正面腔体与微带板、绝缘子形成辐射单元，具有低剖面、低质量面密度、波束扫描范围大、效率高的优点；天线板、隔板及正面腔体通过铝板一体成型，加工简单、成本低廉，天线内部结构均通过焊接连接，可快速自动化装配，缩短生产周期。
附图说明
图1为本发明实施例中可扩充板式有源阵列天线的剖视图；
图2为本发明实施例中可扩充板式有源阵列天线的俯视图；
图3为本发明实施例中可扩充板式有源阵列天线的仰视图；
图4为本发明实施例中多功能基板的结构示意图；
图5为本发明实施例中表贴层结构示意图；
图6为8GHz本发明天线的发射方位向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。
具体实施方式
为便于本领域技术人员理解本发明技术方案，现结合说明书附图对本发明技术方案做进一步的说明。
如图1、图2及图3所示，本实施例提供的一种可扩充板式有源阵列天线，包括天线板1，所述天线板1内通过隔板2形成上腔体与背面腔体3，所述背面腔体3背离上腔体的端面覆盖有盖板4；隔板2下端面上设置有多功能基板5，多功能基板5背离隔板2的端面上连接有TR组件6、电源件7及波控件8；所述上腔体包括多个正面腔体9，正面腔体9呈N×N阵列排布，且N*N为4的整数倍，TR组件6的个数为N*N/4，每个正面腔体9内均设有绝缘子10，上腔体上覆盖有微带板11；正面腔体9、绝缘子10及微带板11形成辐射单元，以实现射频信号的发射与波束的形成功能；电源件7为TR组件6提供电源；波控件8将接收到的波控指令进行分发和转换后传输至TR组件6实现对TR组件6的开关和波束的控制。
如图2、图3及图5所示，本实施例中的阵列天线工作在X波段，正面腔体9的阵列规模为4×4，TR组件6的数目为4；该阵列天线的天线板1为铝板，其上端面通过数控机械加工的方式铣出4×4阵列的正面腔体9，背面通过数控机械加工的方式铣出背面腔体3；天线板1的厚度范围为8-15mm，正面腔体9的深度根据天线的工作频段选择，相邻两个正面腔体9的中心间距根据实际需要来确定，背面腔体3的深度范围为5-8mm，本实施例中天线板1的厚度为15mm，相邻两个正面腔体9的中心间距为15mm，正面腔体9的深度为4mm，背面腔体的深度为8mm。
所述绝缘子10包括馈电探针12，所述馈电探针12通过介质套13设置在隔板2上，并穿过隔板2伸入到多功能基板5内，且馈电探针12的上端与微带板11连接、下端与多功能基板5下端面齐平，本实施例中，馈电探针12由铜制成，其导电效率较好，价格低廉，介质套13为聚四氟乙烯制成。
多功能基板5是基于微波电路板加工而成的。如图4所示，所述多功能基板5包括由上而下依次设置的信号层14、电源层15、接地层16和表贴层17，所述信号层14与隔板2间、信号层14与电源层15间、电源层15与接地层16间、接地层16与表贴层17间均设有介质层18；所述TR组件6、电源件7及波控件8均与表贴层17连接；还包括与所述信号层14、电源层15、接地层16、表贴层17垂直的馈电垂直过渡19、电源垂直过渡20和信号垂直过渡21，所述馈电垂直过渡19、电源垂直过渡20及信号垂直过渡11均通过金属化盲孔工艺加工而成；馈电垂直过渡19、信号垂直过渡21均与信号层14、电源层15及表贴层17互联；电源垂直过渡20与电源层15及表贴层17连接。
本实施例中，介质层18的型号为Arlon CLTE-XT，介电常数为2.94。各介质层18的厚度分别为0.127的n1、n2、n3、n4倍，n1、n2、n3、n4均为整数且相等，当然n1、n2、n3、n4也可以不相等。
馈电垂直过渡19与馈电探针12对应设置，其上端面与隔板2下端面齐平，并与相应馈电探针12下端连接；电源垂直过渡20上端面与电源层15齐平，信号垂直过渡21上端面与信号层14齐平；电源垂直过渡20及信号垂直过渡21的数量均与正面腔体9的阵列形式有关，正面腔体9为N×N阵列，电源垂直过渡20、信号垂直过渡21的数量为N*N/4+1组，每组电源垂直过渡20的数量与电流强度有关，每组信号垂直过渡21的数量与信号种类决定；本实施例总电源垂直过渡20共五组，每组中电源垂直过渡20的数量为2，其中一组电源垂直过渡20与电源件7连接用以获取电能，并传输至电源层15，剩余四组电源垂直过渡20分别与各TR组件6连接，用以将电能传递给各TR组件6；信号垂直过渡21为五组，每组中信号垂直过渡21的数量为4，一组信号垂直过渡21与波控件8连接用以获取波控指令并传递至信号层14，剩余四组信号垂直过渡21分别于各TR组件6连接，用以将波控信号指令从信号层14传递至各TR组件6。
如图5所示，所述表贴层17上设有TR射频焊盘22、TR低频焊盘23、射频网络24、射频总口25、电源口26、电源器件焊盘27、波控器件焊盘28和控制口29；所述TR组件6的射频引脚和低频引脚分别通过表贴焊接的方式与TR射频焊盘22、TR低频焊盘23及射频网络24连接；所述电源件7的引脚通过表贴焊接的方式与电源器件焊盘27连接；所述波控件8的引脚通过表贴焊接的方式与波控器件焊盘28连接，一组电源垂直过渡20通过电源器件焊盘27与电源件7连接，剩余四组电源垂直过渡20下端分别与四个TR低频焊盘23连接；一组信号垂直过渡21通过波控器件焊盘28与波控件8连接，剩余四组信号垂直过渡21下端分别与四个TR低频焊盘23连接。
本实施例中，微带板11、天线板1、多功能基板5、TR组件6、电源件7、波控件8及盖板4通过焊接方式连接，形成以天线板1为壳体的4×4阵列的可扩充板式有源阵列天线，本天线中绝缘子10与隔板2及馈电垂直过渡19间也都是通过焊接方式连接的。
具体工作原理如下：
电源口26外接48V直流电源，外接电源提供的电能经过电源件7，在电源件7的DC/DC转换器转换后，依次经过电源器件焊盘27、电源层15、电源垂直过渡20和TR低频焊盘23后输入TR组件6，实现对TR组件6的供电。
控制口29外接有波控分机，波控分机发出波控指令通过控制口29进入波控件8，经过波控件8的分发和转换后，再依次经过波控器件焊盘28、信号层14、信号垂直过渡21和TR低频焊盘23后输入到TR组件6，实现对TR组件6的开关和波束控制。
外界信号源输入的射频激励信号依次经过射频总口25和射频网络24后进入TR组件6，通过TR组件6的功率放大和移相，再依次进过TR射频焊盘22和馈电垂直过渡19进入馈电探针12、正面腔体9和微带板11形成的辐射单元，实现射频信号的发射和波束形成功能。
馈电探针12、正面腔体9级微带板11形成的辐射单元接收到的空间电磁信号经过馈电垂直过渡19、TR射频焊盘22后进入TR组件6，经过TR组件6的低噪声放大、移相和衰减后，再依次经过射频网络24和射频总口25输入到相控雷达的接收机，实现射频信号的接收和波束形成功能。
图6给出了8GHz时本实施例的可扩充板式有源阵列的发射方位向45度扫描测试方向图；图7为12GHz时，本实施例可扩充板式有源阵列天线的接收方位45度扫描测试方向图。由图6及图7可看出，在8GHz-12GHz带宽内，方向图无明显恶化，能实现45度扫描。
本发明技术方案在上面结合附图对发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性改进，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种可扩充板式有源阵列天线，包括天线板和多功能基板，其特征在于，所述天线板内通过隔板分成上腔体和背面腔体，所述背面腔体背离上腔体的端面覆盖有盖板；所述多功能基板设置在隔板下端面上，多功能基板背离隔板的端面上连接有TR组件、电源件及波控件；所述上腔体包括多个正面腔体，每个正面腔体内均设有绝缘子，上腔体上覆盖有微带板，正面腔体、绝缘子及微带板形成辐射单元；
所述绝缘子包括馈电探针，所述馈电探针通过介质套设置在隔板上，并穿过隔板伸入到多功能基板内，且馈电探针的上端与微带板连接、下端与多功能基板下端面齐平；
所述多功能基板包括由上而下依次设置的信号层、电源层、接地层和表贴层，所述信号层与隔板间、信号层与电源层间、电源层与接地层间、接地层与表贴层间均设有介质层；所述TR组件、电源件及波控件均与表贴层连接；还包括与所述信号层、电源层、接地层、表贴层垂直的馈电垂直过渡、电源垂直过渡和信号垂直过渡，所述馈电垂直过渡与馈电探针对应设置，其上端面与隔板下端面齐平，并与相应馈电探针下端连接，馈电垂直过渡的下端与TR组件连接，馈电垂直过渡与信号层、电源层及表贴层互联，馈电垂直过渡用以传输射频信号；所述电源垂直过渡上端面与电源层齐平，并与电源层及表贴层互联，电源垂直过渡将电源件提供的电能经电源层传递至各TR组件；所述信号垂直过渡的上端面与信号层齐平，并与信号层、电源层及表贴层互联，信号垂直过渡将波控件发出的波控指令经信号层传递至各TR组件。
2.根据权利要求1所述的一种可扩充板式有源阵列天线，其特征在于，所述多个正面腔体呈N×N阵列，所述TR组件数为N*N/4个。
3.根据权利要求2所述的一种可扩充板式有源阵列天线，其特征在于，所述表贴层上设有电源口、电源器件焊盘、射频总口、射频网络、TR射频焊盘、TR低频焊盘、波控器件焊盘和控制口；所述电源口与电源器件焊盘连接；所述射频总口与射频网络连接，所述控制口与波控器件焊盘连接；所述TR组件的射频引脚和低频引脚分别通过表贴焊接的方式与TR射频焊盘、TR低频焊盘及射频网络连接；所述电源件的引脚通过表贴焊接的方式与电源器件焊盘连接；所述波控件的引脚通过表贴焊接的方式与波控器件焊盘连接；所述馈电垂直过渡下端与TR射频焊盘连接；所述电源垂直过渡的数量为N*N/4+1组，一组电源垂直过渡的下端与电源器件焊盘连接，剩余各组电源垂直过渡的下端分别与对应TR低频焊盘连接；所述信号垂直过渡的数量为N*N/4+1组，一组信号垂直过渡的下端与波控器件焊盘连接，剩余各组信号垂直过渡的下端分别与对应TR低频焊盘连接。
4.根据权利要求1所述的一种可扩充板式有源阵列天线，其特征在于，所述天线板、隔板及多个正面腔体由铝板一体加工成型。
5.根据权利要求4所述的一种可扩充板式有源阵列天线，其特征在于，所述微带板、天线板、多功能基板及盖板间均通过焊接方式连接，所述绝缘子与隔板及馈电垂直过渡间均通过焊接方式连接。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种可扩充板式有源阵列天线，其特征在于，所述天线板的厚度为8-15mm。
7.根据权利要求6所述的一种可扩充板式有源阵列天线，其特征在于，所述背面腔体的深度为5-8mm。
8.根据权利要求7所述的一种可扩充板式有源阵列天线，其特征在于，所述各介质层的厚度分别为0.127mm的n1倍、n2倍、n3倍及n4倍，其中n1、n2、n3及n4均为整数，且n1、n2、n3及n4相等或不等。
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