CN110174655A - 基于层压pcb技术的集成内埋式小型化相控阵监测校准网络 - Google Patents

基于层压pcb技术的集成内埋式小型化相控阵监测校准网络 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种一种基于层压PCB技术的集成内埋式小型化相控阵校准网络，包括小型化带状线功分器，金属化隔离过孔阵列，校准信号耦合结构，带状线信号传输结构，微带传输线，终端匹配衰减器以及馈电用SMP连接器。该校准网络采用层压PCB技术构造，通过带状线功分器—金属化隔离过孔阵列—校准信号传输线—终端匹配结构等共同构成全阵面校准信号收发分配网络，完成对多层微带形式的相控阵天线阵面收发信号的实时监测。该监测校准网络具有结构紧凑，剖面低，成本低，易加工，全集成等特点，能够满足12GHz～18GHz整个Ku频段的使用要求，非常适合于Ku波段相控阵天线系统的应用。

Description

基于层压PCB技术的集成内埋式小型化相控阵监测校准网络
技术领域
本发明涉及一种基于层压PCB技术的集成内埋式小型化相控阵监测校准网络，可应用于Ku波段宽带相控阵系统，属于无线通信系统天线技术领域。
背景技术
随着雷达传感器及卫星通讯系统的快速发展，具备波束快速扫描赋形及自适应波束形成的有源相控阵将成为其主流的硬件方案。而在有源相控阵的应用过程中，随着环境温度的改变，通道传输特性(幅度及相位)会存在一定的动态起伏，这种通道间的幅相不一致会导致阵列出现诸如辐射效率降低、副瓣电平抬高、波束指向偏移等一系列问题。为了保证阵列的正常使用以及优异的电气性能，必须对有源天线阵面的通道幅度、相位进行实时的监测、校准和诊断，以便随时掌握阵列的工作状态，及时发现、调整或更换性能超差或失效的辐射单元、子阵或通道零部件。
监测校准网络作为有源相控阵的重要组成部分，其特性对阵列的实际工作性能起到了重要的影响：首先，监测校准网络需要准确的传递每个阵列单元的相对幅度与相位信息，必须具有良好的一致性；其次，监测校准网络需要具备良好的带宽与匹配特性；此外，其应具备能够与阵面兼容与集成的性能；另外，民用领域的应用则在监测校准网络的低成本方面提出了额外的要求。
传统有源相控阵天线大多采用砖块式构造，即天线单元与收发通道电路排布在一个平面载板上，而载板则沿垂直于阵面的方向延伸。这种构造的有源相控阵，其监测校准网络将分为两个主要部分，即载板上的耦合网络部分及载板外的合成或开关网络部分。两部分之间需要大量的线缆或连接器，占用额外的空间、重量和成本，并且网络整体性差，不易集成。
而新型的瓦片式有源相控阵天线则采用分层设计思路，其器件、辐射单元、信号线都放置在平行瓦片上，层间采用三维互连技术(如毛纽扣连接器)传输信号。瓦片式结构可以实现二维面阵天线及TR组件的集成和封装，利于自动化组装，可实现的前端体积更小、成本更低、重量更轻。
鉴于瓦片式有源相控阵的优势及潜在应用前景，设计一种适用于瓦片式有源相控阵的平面化、小型化、易集成、低成本的监测校准网络具有重要的现实意义。
发明内容
要解决的技术问题
针对背景技术中瓦片式结构有源相控阵的阵面监测校准问题，提出一种新颖的基于层压PCB技术的集成内埋式小型化相控阵监测校准网络。
技术方案
一种基于层压PCB技术的集成内埋式小型化相控阵监测校准网络，其特征在于由两层高频介质板通过半固化片层压构成，从上之下依次包括上层金属地板、上层高频介质板、带状线功分及传输网络、下层高频介质板、下层金属地板；所述的带状线功分及传输网络包括合路器、带状传输线、L形弯折单元馈线、SMT衰减器和矩形焊盘，带状传输线与L形弯折单元馈线通过平行耦合的方式，在带状传输线的末端设有矩形焊盘，矩形焊盘上焊接SMT衰减器，带状传输线的前端连接合路器，在上层高频介质板上对应矩形焊盘处开有第二窗口，在上层金属地板上对应第二窗口处开有第一窗口，在下层高频介质板上对应矩形焊盘处设有衰减器金属化接地过孔；在上层高频介质板和下层高频介质板上设有金属化馈电过孔用于安装SMP连接器的内导体，在金属化馈电过孔两侧设有金属化匹配隔离过孔阵列。
所述的带状线功分及传输网络为1分16。
所述的SMT衰减器为10dB。
所述的上层高频介质板和下层高频介质板的型号为Taconic TSM-DS3。
有益效果
本发明提出的一种基于层压PCB技术的集成内埋式小型化相控阵监测校准网络，该网络紧凑尺寸小，易集成，成本低廉，加工难度低，具有宽带高效率特性，能够满足Ku波段有源相控阵系统的应用需求。与现有技术相比，具有如下技术效果：
宽频带：通过合理的优化SMP准同轴馈电结构的参数，包括上下地板开孔尺寸、金属化屏蔽过孔位置、带状线焊盘尺寸等，使同轴信号与带状线信号在宽频带内实现转换传输，进而实现了工作频率覆盖12GHz～18GHz频带的监测校准网络。
低剖面小型化：由层压PCB工艺构成的监测校准网络，主体结构仅包含两层高频介质板，在保证工作带宽的同时，最大程度的压缩了网络的剖面高度。
易集成：监测校准网络遵循多层瓦片式的设计思路，信号耦合采用与阵中天线单元馈线一体化设计的平行线耦合结构，在保持阵面原有体积质量不变的前提下，将监测校准网络直接与辐射阵面集成设计。同时，其对外接口为小尺寸的SMP连接器，可以与后端电路间采用盲配的方式组合，结构简洁且便于拆卸。
附图说明
图1为本发明相控阵监测校准网络的结构分解图
图2为本发明相控阵监测校准网络的带状线功分及传输网络示意图
图3为本发明相控阵监测校准网络的带状线功分及传输网络终端示意图
图4为本发明相控阵监测校准网络的正视图
图5为本发明相控阵监测校准网络的后视图
图6为本发明相控阵监测校准网络的侧视图
图7为本发明相控阵监测校准网络的仿真端口电压驻波比曲线
图8为本发明相控阵监测校准网络的仿真校准耦合传输系数
1-上层金属地板，2-上层高频介质板，3-带状线功分及传输网络，4-下层高频介质板，5-下层金属地板，6-SMP连接器，7-金属化馈电过孔，8-金属化匹配隔离过孔阵列，9-带状线开窗结构，10-衰减器金属化接地过孔，3a-合路器，3b-带状传输线，3c-L形弯折单元馈线，3d-SMT衰减器，3e-矩形焊盘，9a-第一窗口，9b-第二窗口。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
基于层压PCB技术的集成内埋式小型化相控阵监测校准网络，采用层压带状线结构形式，包括上层金属地板，下层金属地板，高频介质板，带状线功分器，带状传输线，校准信号耦合结构，微带传输线，终端匹配衰减器及SMP连接器。整个网络共由两层介质板层压构成，多层板材料选择介电常数εr＝3的Taconic TSM-DS3高频介质基材，板间通过半固化片胶膜压接，所选半固化片材料为介电常数εr＝2.7的TaconicFR-27。
监测校准网络的主体为封闭式的带状线结构。信号输出/输入总口为SMP连接器，连接器的探针通过内层金属化过孔与带状线网络连接，通过调节探针对应位置上下地板上的圆形开孔尺寸以及带状线焊盘的尺寸，最终形成宽带的匹配传输结构，完成同轴信号与带状线信号的高效转换。通过一个压缩纵向尺寸的小型化1分16带状线功分器将校准信号分成16路，每路信号以带状线的形式传输，并通过平行线耦合的方式(耦合度-20dB至-50dB)与线阵上的单元交换信号。为了防止反射信号叠加在监测校准网络上，影响单元幅相信息的准确性，每一路带状传输线在末端均设计为带状线转微带线结构，并在微带线部分添加衰减值为10dB的SMT片式衰减器，起到吸收功率，防止终端反射的作用。
监测校准网络的上下层均通过接地板隔离，有效降低了外界电磁干扰；内部传输线间通过金属化过孔阵列分腔屏蔽，有利于隔离介质层中的表面波干扰，保证了网络中监测校准信号幅相信息的准确与可靠。
参照图1～图6，SMP连接器6与带状线网络3间采用金属化馈电过孔7垂直互联，通过调节准同轴结构中位于上下地板1、5上的开孔尺寸以及准同轴外过孔与馈电中心的间距，可获得宽带的垂直传输特性；
校准信号耦合结构由带状传输线3b与L形弯折单元馈线3c通过平行耦合的方式实现，信号耦合度的大小由平行线的间距3f决定。阵列发射通道校准时，单元能量通过耦合结构由L形弯折馈线3c传输至校准网络的带状传输线3b，再经过监测校准网络的合路器3a传输至SMP连接器6，并输出给校准接收机，获得每个发射通道输出信号的相对幅度与相位信息；阵列接收通道校准时，由校准信号通过SMP连接器6注入监测校准网络中，并通过合路器3a分配至每条带状传输线3b，而后通过每个单元的耦合结构传输至L形弯折馈线3c处，并最终进入到阵列的每个接收通道内，获得接收通道的相对幅度与相位信息。
在监测校准网络每条传输线路的终端，通过带状线矩形开窗结构9将窗内区域的导体及介质板去除，形成带状线转微带线结构；微带线部分的末端由矩形焊盘3e、衰减器金属化接地过孔10、衰减值为10dB的SMT衰减器芯片3d构成，以衰减吸收的方式达到无反射理想传输线的效果。
整个网络由上下两个双面覆铜的Taconic TSM-DS3高频介质板2与4层压构成，板间物理连接选择压接厚度为3mil的Taconic FR-27半固化片实现，网络的接地面和导带在介质基片的两侧交替放置，上下两层地面1与5的可靠接地通过贯穿多层板的金属化过孔阵列8实现。上下两层介质基材的厚度均为0.25mm。
网络的横向尺寸为178mm×178mm(长×宽)，双层介质结构总厚度为0.62mm(压接后)，连接器高度为3.5mm，整个网络的剖面高度为4.12mm。下层地板5上围绕馈电过孔刻蚀出半径为0.4mm的圆形开孔。
标准的50欧姆SMP连接器6作为整个校准网络的对外电气接口，其探针式内导体直接插入馈电金属化过孔7中与带状线功分及传输网络3电气连接，而SMP连接器6的外导体则通过导电胶膜或者锡焊方式与下层地板5可靠连接。
图7为监测校准网络的仿真端口电压驻波比曲线，从图中可见在12GHz～18GHz频带范围内电压驻波比VSWR＜2.0，达到40％的相对带宽。
图8为单个L形馈线到网络总端口的校准耦合传输系数，从图中可见其传输系数在12GHz～18GHz频带范围内波动幅度小于±1dB，具有稳定的宽带耦合传输性能。
本网络具有宽频带、低剖面、小型化、易集成的特点。

Claims (4)

1.一种基于层压PCB技术的集成内埋式小型化相控阵监测校准网络，其特征在于由两层高频介质板通过半固化片层压构成，从上之下依次包括上层金属地板(1)、上层高频介质板(2)、带状线功分及传输网络(3)、下层高频介质板(4)、下层金属地板(5)；所述的带状线功分及传输网络(3)包括合路器(3a)、带状传输线(3b)、L形弯折单元馈线(3c)、SMT衰减器(3d)和矩形焊盘(3e)，带状传输线(3b)与L形弯折单元馈线(3c)通过平行耦合的方式，在带状传输线(3b)的末端设有矩形焊盘(3e)，矩形焊盘(3e)上焊接SMT衰减器(3d)，带状传输线(3b)的前端连接合路器(3a)，在上层高频介质板(2)上对应矩形焊盘(3e)处开有第二窗口(9b)，在上层金属地板(1)上对应第二窗口(9b)处开有第一窗口(9a)，在下层高频介质板(4)上对应矩形焊盘(3e)处设有衰减器金属化接地过孔(10)；在上层高频介质板(2)和下层高频介质板(4)上设有金属化馈电过孔(7)用于安装SMP连接器(6)的内导体，在金属化馈电过孔(7)两侧设有金属化匹配隔离过孔阵列(8)。
2.根据权利要求1所述的一种基于层压PCB技术的集成内埋式小型化相控阵监测校准网络，其特征在于所述的带状线功分及传输网络(3)为1分16。
3.根据权利要求1所述的一种基于层压PCB技术的集成内埋式小型化相控阵监测校准网络，其特征在于所述的SMT衰减器(3d)为10dB。
4.根据权利要求1所述的一种基于层压PCB技术的集成内埋式小型化相控阵监测校准网络，其特征在于所述的上层高频介质板(2)和下层高频介质板(4)的型号为Taconic TSM-DS3。
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