CN109245793A - 一种多通道瓦片式相控阵收发阵列及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多通道瓦片式相控阵收发阵列及其制造方法，属于相控阵技术领域。本发明阵列包括子阵模块层、散热层和功能电路层，子阵模块层包括子阵模块，子阵模块包括相互扣合的上层金属壳体和下层金属壳体，上层金属壳体和下层金属壳体之间形成密闭的空腔，上层金属壳体的上表面设有天线电路板，上层金属壳体的下表面设有收发电路板，收发电路板上设有功率分配/合成网络和供电控制接口，下层金属壳体上设有第二射频连接器和低频连接器，低频连接器与所述供电控制接口互连。其具有良好的散热性和气密性，集成化程度高，体积小重量轻，使用方便，可以有效降低阵列的剖面高度，有利于实现阵列的一体化及小型化设计。

Description

一种多通道瓦片式相控阵收发阵列及其制造方法

技术领域

本发明涉及相控阵技术领域，具体是指一种多通道瓦片式相控阵收发阵列及其制造方法。

背景技术

相控阵技术的发展促进了雷达技术的进一步发展。相控阵雷达具有良好的灵活性、快速波束扫描等优点。相对传统机械式扫描雷达，相控阵雷达通过控制阵元的幅相，能够实现波束的快速扫描。鉴于相控阵技术的优越性，越来越多测控及通信场景采用相控阵体制。

通常，一个相控阵阵列具有多个通道，随着通道数量的增多，整个相控阵积也变得非常庞大，甚至超过了整个系统所能接收的体积要求，从而限制了相控阵技术的应用。

随着集成电路技术的发展，相控阵收发阵列中越来越多的使用射频集成芯片，这些芯片通常需要良好的气密性以防止芯片被水气等腐蚀而损坏。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了一种多通道瓦片式相控阵收发阵列及其制造方法，该阵列结构紧凑、体积较小，具有良好的气密性。

为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：

一种多通道瓦片式相控阵收发阵列，从上到下依次包括子阵模块层、散热层和功能电路层，所述子阵模块层包括多个以矩形阵列方式分布的子阵模块，所述子阵模块包括相互扣合的上层金属壳体和下层金属壳体，上层金属壳体和下层金属壳体之间形成密闭的空腔，上层金属壳体的上表面设有天线电路板，上层金属壳体的下表面设有收发电路板，天线电路板上以矩形阵列方式分布有多个贴片天线，所述收发电路板上设有功率分配/合成网络和供电控制接口，所述贴片天线通过穿过上层金属壳体的第一射频连接器与收发电路板连接，所述下层金属壳体上设有第二射频连接器和低频连接器，所述第二射频连接器与所述功率分配/合成网络的合路接口互连，所述低频连接器与所述供电控制接口互连；所述散热层上设有对应于第二射频连接器和低频连接器的接口穿孔，所述功能电路层内设有合路模块、变频模块、波控模块和电源模块，所述第二射频连接器、低频连接器、合路模块、变频模块、波控模块和电源模块中具有连接关系的对象之间通过线缆连接。

可选的，所述天线电路板通过焊膏焊接在上层金属壳体的上表面，所述收发电路板通过焊膏焊接在上层金属壳体的下表面。

可选的，所述第一射频连接器与所述收发电路板焊接，所述收发电路板上设有射频芯片，所述射频芯片通过金丝键合工艺与第一射频连接器或收发电路板连接。

可选的，所述功率分配/合成网络为基于威尔金森功分器的一分多功分/合路网络。

可选的，所述下层金属壳体上设有凸台和凹槽，所述凸台上设有导热材料，所述导热材料用于实现收发电路板与下层金属壳体之间的良好导热，所述凹槽用于容纳收发电路板上的凸出元件。

可选的，所述第二射频连接器与所述功率分配/合成网络的合路接口之间的互连方式为弹性接触式连接，所述低频连接器与所述供电控制接口的互连方式也为弹性接触式连接。

此外，本发明还提供上述多通道瓦片式相控阵收发阵列中子阵模块的一种制造方法，其包括以下步骤：

（1）将第一射频连接器与上层金属壳体以第一温度进行一体化烧结成型；

（2）将收发电路板通过焊膏以第一固化温度焊接在上层金属壳体的下表面，同时，收发电路板与第一射频连接器的下端焊接；然后，通过导电胶以第二固化温度将射频芯片焊接在收发电路板上；接着，通过金丝键合工艺实现射频芯片与收发电路板的互连；

（3）将第二射频连接器和低频连接器与下层金属壳体以第二温度进行一体化烧结成型；

（4）将上层金属壳体与下层金属壳体对扣，使得第二射频连接器与功率分配/合成网络的合路接口互连，低频连接器与供电控制接口互连；然后对扣合缝隙进行激光封焊，从而在上层金属壳体与下层金属壳体之间形成密闭的空腔；

（5）将天线电路板通过焊膏以第三固化温度焊接到上层金属壳体的上表面，同时，天线电路板的天线阵元与第一射频连接器的上端焊接；

所述第一温度和第二温度均大于第一固化温度，所述第一固化温度、第二固化温度和第三固化温度依次递减。

采用上述技术方案的有益效果在于：

1、本发明阵列采用垂直互联方式，可以有效降低相控阵阵列的剖面高度，有利于实现阵列的一体化和小型化。

2、本发明阵列将收发电路板设置在上层金属壳体和下层金属壳体之间的空腔内，可以加强子阵模块的气密性，防止芯片被水气等腐蚀而发生损坏。

3、本发明阵列采用层状模块式结构，易于制造，便于扩展，具有极强的实用性。

4、本发明方法中，第一射频连接器与上层金属壳体的烧结温度最高，收发电路板与上层金属壳体的焊接温度稍低，射频芯片与收发电路板的焊接温度次低，天线电路板与上层金属壳体的焊接温度最低。这种温度差异可以保证后续的焊接不会影响先前焊接的元件，防止先前焊接的元件因为温度过高，焊膏融化而脱落。

附图说明

图1为本发明实施例中多通道瓦片式相控阵收发阵列的一种结构示意图，图中仅示意性地绘出了一个子阵模块；

图2 为子阵模块中功率分配/合成网络的一种结构示意图；

图3 为子阵模块的接收原理图；

图4为子阵模块的发射原理图；

图5a～c分别为子阵模块的俯视、侧视和仰视图；

图6为图1中散热层的结构示意图；

图7为功能电路层的结构示意图；

图8a和b分别为图1的俯视和仰视图。

具体实施方式

以下结合附图中的示例和实际对本发明做进一步的说明。

一种多通道瓦片式相控阵收发阵列，从上到下依次包括子阵模块层、散热层和功能电路层，所述子阵模块层包括多个以矩形阵列方式分布的子阵模块，所述子阵模块包括相互扣合的上层金属壳体和下层金属壳体，上层金属壳体和下层金属壳体之间形成密闭的空腔，上层金属壳体的上表面设有天线电路板，上层金属壳体的下表面设有收发电路板，天线电路板上以矩形阵列方式分布有多个贴片天线，所述收发电路板上设有功率分配/合成网络和供电控制接口，所述贴片天线通过穿过上层金属壳体的第一射频连接器与收发电路板连接，所述下层金属壳体上设有第二射频连接器和低频连接器，所述第二射频连接器与所述功率分配/合成网络的合路接口互连，所述低频连接器与所述供电控制接口互连；所述散热层上设有对应于第二射频连接器和低频连接器的接口穿孔，所述功能电路层内设有合路模块、变频模块、波控模块和电源模块，所述第二射频连接器、低频连接器、合路模块、变频模块、波控模块和电源模块中具有连接关系的对象之间通过线缆连接。

可选的，所述天线电路板通过焊膏焊接在上层金属壳体的上表面，所述收发电路板通过焊膏焊接在上层金属壳体的下表面。

可选的，所述第一射频连接器与所述收发电路板焊接，所述收发电路板上设有射频芯片，所述射频芯片通过金丝键合工艺与第一射频连接器或收发电路板连接。

可选的，所述功率分配/合成网络为基于威尔金森功分器的一分多功分/合路网络。

可选的，所述下层金属壳体上设有凸台和凹槽，所述凸台上设有导热材料，所述导热材料用于实现收发电路板与下层金属壳体之间的良好导热，所述凹槽用于容纳收发电路板上的凸出元件。

可选的，所述第二射频连接器与所述功率分配/合成网络的合路接口之间的互连方式为弹性接触式连接，所述低频连接器与所述供电控制接口的互连方式也为弹性接触式连接。

上述多通道瓦片式相控阵收发阵列中的子阵模块可以采用如下方法制造：

（1）将第一射频连接器与上层金属壳体以第一温度进行一体化烧结成型；

（2）将收发电路板通过焊膏以第一固化温度焊接在上层金属壳体的下表面，同时，收发电路板与第一射频连接器的下端焊接；然后，通过导电胶以第二固化温度将射频芯片焊接在收发电路板上；接着，通过金丝键合工艺实现射频芯片与收发电路板的互连；

（3）将第二射频连接器和低频连接器与下层金属壳体以第二温度进行一体化烧结成型；

（4）将上层金属壳体与下层金属壳体对扣，使得第二射频连接器与功率分配/合成网络的合路接口互连，低频连接器与供电控制接口互连；然后对扣合缝隙进行激光封焊，从而在上层金属壳体与下层金属壳体之间形成密闭的空腔；

（5）将天线电路板通过焊膏以第三固化温度焊接到上层金属壳体的上表面，同时，天线电路板的天线阵元与第一射频连接器的上端焊接；

所述第一温度和第二温度均大于第一固化温度，所述第一固化温度、第二固化温度和第三固化温度依次递减。例如，第一温度和第二温度可以为350℃，第一固化温度、第二固化温度和第三固化温度可以依次为300℃、280℃和250℃。

该方法中，第一射频连接器与上层金属壳体的烧结温度最高，收发电路板与上层金属壳体的焊接温度稍低，射频芯片与收发电路板的焊接温度次低，天线电路板与上层金属壳体的焊接温度最低。这种温度差异可以保证后续的焊接不会影响先前焊接的元件，防止先前焊接的元件因为温度过高，焊膏融化而脱落。

图1～8所示为一种具体的多通道瓦片式相控阵收发阵列，其装配方式为：

首先将8个子阵模块100通过螺钉固定在散热层200的上表面；

然后再将合路、变频及波控电源等模块固定安装在散热层200的下表面，这些模块构成功能电路层300。

其中，子阵模块100的加工及装配方式为：

1、根据天线尺寸及馈电点位置，设计加工上层金属壳体102，将加工成型的上层金属壳体102与128颗玻璃绝缘子（即射频连接器106的玻璃绝缘子）进行一体化烧结成型；然后将收发多层PCB103通过焊膏烧结在上层金属壳体102的下表面；

2、将MMIC（即射频芯片107）通过导电胶烧结固定在收发多层PCB103的表面，然后通过压焊工艺完成玻璃绝缘子导体与MMIC之间的互联，此外，如果MMIC之间的距离过小，难以在收发多层PCB103上设置焊盘，则MMIC之间也通过压焊工艺实现金丝互联；

3、将射频合路输出端口的射频连接器109和低频连接器110使用焊膏烧结在下层金属壳体105上，并在下层金属壳体105的相应位置上粘贴好高导热材料、吸波材料及毛纽扣；

4、将上层金属壳体102和下层金属壳体105扣合并通过螺钉固定；

5、使用测试夹具分别与上层金属壳体102上的射频连接器106的同轴结构，以及下层金属壳体105上的射频连接器109的同轴结构对接，一次完成所有通道的测试及调试工作；

6、待子阵内所有通道均测试调试合格后，将天线多层PCB101使用低温焊膏或导电胶烧结固定在上层金属壳体102的上表面，并在每个电线的馈电点及射频连接器接触的地方进行焊接；

7、最后，在上层金属壳体102与下层金属壳体105的接触缝隙处采用激光封焊，使子阵模块整体满足气密性要求。

为保证子阵模块的气密性，在子阵模块的加工中需要注意以下几点：

1、在玻璃绝缘子烧结好之后，首先可通过肉眼和借助显微镜观察其锡膏烧结是否饱满，流动是否充分和均匀。其次可通过XRD成像分析检测是否有空洞存在。

2、螺钉由下层金属壳体105向上层金属壳体102进行固定，且下层金属壳体105上具有沉孔；待螺钉安装好之后，通过外加小盖板进行激光封焊，从而保证子阵模块的气密性。

3、完成上层金属壳体102和下层金属壳体105之间的激光封焊后，可通过粗检漏和氦气粗检漏的方式来定位非气密位置，并重新补焊。

待子阵模块装配调试完成后，将8个子阵模块通过旋转拼阵固定在散热层200的上表面，并将装配好的合路、变频、波控、电源模块通过螺钉固定在散热层200的下表面，装配好的外形如图8a、b所示。

此外，还可在下层金属壳体内设置凸台和凹槽结构，并在凸台上设置导热材料104，这样，当上层金属壳体于下层金属壳体扣合时，下层金属壳体凸台上的导热材料104恰好接触收发电路板，形成良好的散热结构，同时，收发电路板中的凸起元件恰好位于凹槽中，避免与下层金属壳体的接触。

仍见图1～8，一种多通道瓦片式相控阵收发阵列，其包括4×2个子阵模块100，共8个子阵模块，每个子阵模块上的天线阵元数为8×16个。阵元间距通过系统工作频率及扫描角确定。每个子阵模块包含天线多层PCB101、上层金属壳体102、收发多层PCB103和下层金属壳体105；天线多层PCB与收发多层PCB通过上层金属壳体中的射频连接器106实现射频信号的垂直互联，收发多层PCB板材与下层金属壳体上的射频连接器109和低频连接器110则采用毛纽扣实现信号的垂直互联，上层金属壳体与下层金属壳体之间的空腔通过激光封焊111保证气密性，从而避免收发多层PCB103上的射频芯片107免受水气的侵蚀。8个子阵模块均与整块散热结构200连接，从而完成整个阵列的拼接，所有子阵模块均通过射频连接器109与功能电路层300内的合路、变频、波控、电源模块连接，实现全阵射频信号合成，并进行变频；同时，所有子阵模块通过低频连接器110与合路、变频、波控、电源模块连接实现全阵合成波束指向控制，并对各个子阵模块进行供电。

子阵模块包含128个通道，其功率分配/合成网络如图2所示。每个通道包含独立的低噪放、功放、滤波器，数控移相器，数控衰减器及串并转换芯片，子阵通过功分器完成子阵信号的功分合路输出，子阵供电及收发开关的切换及通道的幅相控制接口则通过子阵的低频连接器引出，其收、发电路如图3、图4所示。

天线多层PCB101采用多层微波板设计，其包含天线辐射贴片阵元间隔离部分，辐射贴片经过变换后通过板上的过孔与射频连接器106进行焊接，从而将天线接收到的信号垂直传输到收发多层板，或将收发多层板的发射信号垂直传输到天线进行辐射。

上层金属壳体102中在对应天线每个阵元馈电点处安装射频连接器106的玻璃绝缘子，用于实现天线多层PCB与收发多层PCB之间的射频信号互联。

收发多层PCB103采用多层微波板设计，其包含射频馈电网络、芯片供电网络、芯片控制网络，以及二级电源变换模块。收发多层PCB103与多通道多功能收发芯片（即射频芯片107）通过金丝键合工艺（金丝如图1中108所示）互联。收发多层PCB与上层金属壳体中的射频连接器采用焊接工艺连接，收发多层PCB板上的微波合路信号点，以及供电、控制等低频输入输出焊盘均采用金属银浆填实工艺处理。

下层金属壳体在对应多层PCB板的微波信号合路点和供电、控制低频输入输出点位置上分别安装有毛纽扣，用于实现收发多层PCB上射频信号和低频信号与输入输出接口的连接。

上层金属壳体与下层金属壳体对扣，并在两金属壳体的接触缝隙处采用激光封焊111实现子阵模块的气密性。子阵模块上表面为天线，下表面为射频连接器109和低频连接器110，结构如图5所示。

散热层中包含有热管，可以快速将上表面子阵模块所产生的热量导出，同时可以将安装在底部的合路、变频、波控、电源模块所产生的热量导出，从而保证系统各模块的散热需求。

8个子阵模块采用旋转拼接的方式固定在散热层上表面，散热层上对应于子阵模块以及功能电路层的安装位置处分别设有安装孔202和安装孔203，同时，散热层上对应于射频连接器109和低频连接器110的位置处设有开槽或开孔201，开槽或开孔201可方便子阵模块的射频信号、电源及低频控制信号与底部的合路、变频、波控、电源模块的连接，散热层的结构如图6所示。

功能电路层包含有合路、变频、波控、电源4个功能模块，为满足各部分功能电路互不干扰及电磁兼容的要求，可以在整块金属板上刻蚀4个金属槽，即合路槽301、变频槽302、电源槽303和波控槽304，将各部分功能电路分别安装在不同的金属槽中，最后加以金属盖板密封，使各部分功能电路在相互独立的金属腔中，从而满足电磁兼容性要求，功能电路层的结构如图7所示，其中，仰视图中可以看到对应于图1的电源接口305、射频总端口306和控制端口304。

总之，本发明采用垂直互联结构及激光封焊技术将天线、收发模块、冷却结构、变频、波控、电源一体化集成封装，从而达到小型化的目的，可以有效降低相控阵阵列的剖面高度，并可同时保证子阵模块的气密性和散热性。

本发明可以用于地面或机载相控阵收发阵列，具有良好的散热性和气密性，集成化程度高，体积小重量轻，使用方便，可以有效降低阵列的剖面高度，有利于实现阵列的一体化及小型化设计。

Claims (7)

1.一种多通道瓦片式相控阵收发阵列，其特征在于：从上到下依次包括子阵模块层、散热层和功能电路层，所述子阵模块层包括多个以矩形阵列方式分布的子阵模块，所述子阵模块包括相互扣合的上层金属壳体和下层金属壳体，上层金属壳体和下层金属壳体之间形成密闭的空腔，上层金属壳体的上表面设有天线电路板，上层金属壳体的下表面设有收发电路板，天线电路板上以矩形阵列方式分布有多个贴片天线，所述收发电路板上设有功率分配/合成网络和供电控制接口，所述贴片天线通过穿过上层金属壳体的第一射频连接器与收发电路板连接，所述下层金属壳体上设有第二射频连接器和低频连接器，所述第二射频连接器与所述功率分配/合成网络的合路接口互连，所述低频连接器与所述供电控制接口互连；所述散热层上设有对应于第二射频连接器和低频连接器的接口穿孔，所述功能电路层内设有合路模块、变频模块、波控模块和电源模块，所述第二射频连接器、低频连接器、合路模块、变频模块、波控模块和电源模块中具有连接关系的对象之间通过线缆连接。

2.根据权利要求1所述的多通道瓦片式相控阵收发阵列，其特征在于：所述天线电路板通过焊膏焊接在上层金属壳体的上表面，所述收发电路板通过焊膏焊接在上层金属壳体的下表面。

3.根据权利要求1所述的多通道瓦片式相控阵收发阵列，其特征在于：所述第一射频连接器与所述收发电路板焊接，所述收发电路板上设有射频芯片，所述射频芯片通过金丝键合工艺与第一射频连接器或收发电路板连接。

4.根据权利要求1所述的多通道瓦片式相控阵收发阵列，其特征在于：所述功率分配/合成网络为基于威尔金森功分器的一分多功分/合路网络。

5.根据权利要求1所述的多通道瓦片式相控阵收发阵列，其特征在于：所述下层金属壳体上设有凸台和凹槽，所述凸台上设有导热材料，所述导热材料用于实现收发电路板与下层金属壳体之间的良好导热，所述凹槽用于容纳收发电路板上的凸出元件。

6.根据权利要求1所述的多通道瓦片式相控阵收发阵列，其特征在于：所述第二射频连接器与所述功率分配/合成网络的合路接口之间的互连方式为弹性接触式连接，所述低频连接器与所述供电控制接口的互连方式也为弹性接触式连接。

7.一种多通道瓦片式相控阵收发阵列子阵模块的制造方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）将第一射频连接器与上层金属壳体以第一温度进行一体化烧结成型；

（2）将收发电路板通过焊膏以第一固化温度焊接在上层金属壳体的下表面，同时，收发电路板与第一射频连接器的下端焊接；然后，通过导电胶以第二固化温度将射频芯片焊接在收发电路板上；接着，通过金丝键合工艺实现射频芯片与收发电路板的互连；

（3）将第二射频连接器和低频连接器与下层金属壳体以第二温度进行一体化烧结成型；

（4）将上层金属壳体与下层金属壳体对扣，使得第二射频连接器与功率分配/合成网络的合路接口互连，低频连接器与供电控制接口互连；然后对扣合缝隙进行激光封焊，从而在上层金属壳体与下层金属壳体之间形成密闭的空腔；

（5）将天线电路板通过焊膏以第三固化温度焊接到上层金属壳体的上表面，同时，天线电路板的天线阵元与第一射频连接器的上端焊接；

所述第一温度和第二温度均大于第一固化温度，所述第一固化温度、第二固化温度和第三固化温度依次递减。