CN110380231B - 一种平板有源相控阵天线 - Google Patents

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Abstract

本申请属于源相控阵天线领域，特别涉及一种平板有源相控阵天线。包括：微带辐射阵面、均温板、T/R组件阵列以及背板。本申请的平板有源相控阵天线，能够应用于气象雷达，该天线由微带辐射阵面、均温板、T/R组件阵列、背板等纵向堆叠垂直互连对插。微带辐射阵面为整体刻蚀而成的单层介质基板微带贴片辐射阵列，均温板为内置热管的均热板，T/R组件阵列为混压多层PCB板搭载T/R通道多功能单芯片形式。均温板内包含射频盲插连接器，两端分别与微带辐射阵面和T/R组件阵列垂直互联。均温板紧贴T/R组件阵列正面，可对T/R组件阵列进行自然冷却。本申请剖面低，集成度高，重量轻、可靠性高，易于维护。

Description

一种平板有源相控阵天线
技术领域
本申请属于源相控阵天线领域，特别涉及一种平板有源相控阵天线。
背景技术
传统应用于气象雷达领域的，特别是安装于飞机、汽车等移动平台的，多为采用平板波导缝隙天线。气象雷达如采用有源相控阵体制，可大幅提高雷达性能，但目前同等口径的有源相控阵天线相较于平板波导缝隙天线，其体积重量将大幅增加。
有源相控阵天线，目前按照有源相控阵天线的结构集成方式，可以分为横向排布的“砖式”和纵向排布的“瓦式”两种形式。应用于雷达领域的“瓦式”有源相控阵天线相较于“砖式”有源相控阵天线，重量及体积已经得到极大的缩减，但是其架构形式仍是基于模块化设计，辐射阵面、T/R组件、散热冷板、馈电网络等都为有独立封装或金属腔体的模块，并通过大量的连接器和电缆进行模块间互连。基于模块化架构设计的有源相控阵天线，存在着天线剖面高、重量重、装配复杂的缺点。
因此，希望有一种技术方案来克服或至少减轻现有技术的至少一个上述缺陷。
发明内容
本申请的目的是提供了一种平板有源相控阵天线，以解决现有技术存在的至少一个问题。
本申请的技术方案是：
一种平板有源相控阵天线，包括：
微带辐射阵面，所述微带辐射阵面包括介质基板，所述介质基板上设置有辐射贴片，所述辐射贴片开设有第一通孔，所述第一通孔用于设置射频馈线；
均温板，所述均温板具有边框，所述边框中设置有散热翅片，所述均温板上开设有垂直过孔，所述垂直过孔内安有射频盲插连接器，所述射频盲插连接器的一端与所述射频馈线连接；
T/R组件阵列，所述T/R组件阵列包括金属框架和设置在所述金属框架的正面的T/R组件子阵列，所述T/R组件子阵列的正面设置有组件天线射频口，所述组件天线射频口与所述射频盲插连接器的另一端连接，所述T/R组件子阵列的背面设置有集成型矩形连接器，所述金属框架上开设有与所述集成型矩形连接器相匹配的第二通孔，所述金属框架的背面设置有框架背腔体；
背板，所述背板上设置有波控电源板和馈电收发组件，所述波控电源板和所述馈电收发组件均通过所述第二通孔与所述集成型矩形连接器连接；
所述微带辐射阵面、所述均温板、所述T/R组件阵列以及所述背板依次装配，装配后，所述背板上的所述波控电源板和所述馈电收发组件容纳在所述框架背腔体中。
可选地，所述介质基板上还设置有虚元贴片。
可选地，所述微带辐射阵面包括4个微带辐射子阵面，分别为：第一子阵面、第二子阵面、第三子阵面和第四子阵面。
可选地，所述T/R组件阵列包括4个T/R组件子阵列，分别为：第一T/R组件子阵列、第二T/R组件子阵列、第三T/R组件子阵列和第四T/R组件子阵列。
可选地，每个每个所述T/R组件子阵列的背面均设置有一个所述集成型矩形连接器。
可选地，所述T/R组件子阵列包括组件盖板和混压多层PCB板，所述组件盖板上设置有所述组件天线射频口，所述混压多层PCB板上设置有所述集成型矩形连接器。
可选地，所述金属框架的正面设置有框架前腔体，所述框架前腔体用于容纳所述T/R组件子阵列。
可选地，所述微带辐射阵面、所述均温板、所述T/R组件阵列以及所述背板上均开设有安装孔，通过螺钉进行装配。
可选地，所述背板上设置有散热部，所述散热部呈波浪状。
可选地，所述均温板为内含热管的均热板。
发明至少存在以下有益技术效果：
本申请的平板有源相控阵天线，剖面低，集成度高，重量轻、可靠性高，易于维护。
附图说明
图1是本申请一个实施方式的平板有源相控阵天线的爆炸图；
图2是本申请一个实施方式的平板有源相控阵天线的主视图；
图3是本申请一个实施方式的平板有源相控阵天线的后视图；
图4是本申请一个实施方式的平板有源相控阵天线的微带辐射阵面示意图；
图5是本申请一个实施方式的平板有源相控阵天线的微带辐射阵面局部示意图；
图6是本申请一个实施方式的平板有源相控阵天线的均温板示意图；
图7是本申请一个实施方式的平板有源相控阵天线的T/R组件阵列主视图；
图8是本申请一个实施方式的平板有源相控阵天线的T/R组件阵列后视图；
图9是本申请一个实施方式的平板有源相控阵天线的T/R组件子阵列示意图；
图10是本申请一个实施方式的平板有源相控阵天线的T/R组件子阵列俯视图；
图11是本申请一个实施方式的平板有源相控阵天线的T/R组件阵列金属框架主视图。
其中：
1-微带辐射阵面；2-第一子阵面；3-第二子阵面；4-第三子阵面；5-第四子阵面；6-虚元贴片；7-辐射贴片；8-射频馈线；9-介质基板；10-均温板；11-散热翅片；12-垂直过孔；13-T/R组件阵列；14-第一T/R组件子阵列；15-第二T/R组件子阵列；16-第三T/R组件子阵列；17-第四T/R组件子阵列；18-金属框架；19-集成型矩形连接器；20-框架背腔体；21-框架前腔体；22-射频盲插连接器；23-组件天线射频口；24-组件盖板；25-混压多层PCB板；26-波控电源板；27-馈电收发组件；28-背板。
具体实施方式
为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施例进行详细说明。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。
下面结合附图1至图11对本申请做进一步详细说明。
本申请提供了一种平板有源相控阵天线，包括：微带辐射阵面1、均温板10、T/R组件阵列13以及背板28。
具体的，如图4和图5所示，微带辐射阵面1包括4个独立且完全对称的微带辐射子阵面，分别为：第一子阵面2、第二子阵面3、第三子阵面4和第四子阵面5，每个微带辐射子阵面包括一个整体的单层介质基板9，介质基板9上刻蚀有辐射贴片7和虚元贴片6，辐射贴片7开设有第一通孔，第一通孔设置有射频馈线8，射频馈线8一端穿过第一通孔与介质基板9上的辐射贴片7焊接固定，射频馈线8另一端与均温板10的射频盲插连接器22相连。
如图6所示，均温板10为内含热管的均热板，均温板10具有边框，边框中设置有散热翅片11，均温板10上开设有垂直过孔12，垂直过孔12内安有射频盲插连接器22，射频盲插连接器22用于微带辐射阵面1上射频馈线8和T/R组件阵列13的组件天线射频口23之间的垂直过度连接。均温板10的背面与T/R组件阵列13的组件盖板24紧密接触，以更好地传导热量。
如图7和图8所示，T/R组件阵列13包括金属框架18和设置在金属框架18的正面的4个完全对称的T/R组件子阵列，第一T/R组件子阵列14、第二T/R组件子阵列15、第三T/R组件子阵列16和第四T/R组件子阵列17，T/R组件子阵列的正面设置有组件天线射频口23，组件天线射频口23与射频盲插连接器22的另一端连接，每个T/R组件子阵列的背面均设置有集成型矩形连接器19，金属框架18上开设有与集成型矩形连接器19相匹配的第二通孔，金属框架18的背面铣有框架背腔体20，框架背腔体20用于安装波控电源板26和馈电收发组件27，波控电源板26与馈电收发组件27采用电缆连接的方式，与集成型矩形连接器19互联。
如图9至图11，T/R组件子阵列由组件盖板24和混压多层PCB板25组成。组件盖板24上集成有组件天线射频口23。混压多层PCB板25的基板为微波板和低频板压合而成，并集成了T/R通道多功能芯片、功分器芯片、数字接口芯片、脉冲驱动芯片、电源管理芯片、集成型矩形连接器19、以及功分网络走线、控制和电源信号走线。金属框架18的正面铣有框架前腔体21，框架前腔体21用于容纳所述T/R组件子阵列，为T/R通道提供隔墙和分腔，并实现气密封装。
进一步，背板28上设置有波控电源板26和馈电收发组件27，波控电源板26和馈电收发组件27均通过第二通孔与集成型矩形连接器19连接。有利的是，本实施例中，背板28上设置有散热部，散热部呈波浪状，通过增加散热面积增强散热。
本申请的一个实施方式中，微带辐射阵面1、均温板10、T/R组件阵列13以及背板28上均开设有安装孔，通过螺钉进行装配。
在本申请的一个实施方式中，平板有源相控阵天线口径为18英寸，共计480个单元，微带辐射阵面1的介质基板9为1.016mm厚的CLTE高频覆铜板，并划分为4块独立且完全对称的微带辐射子阵面，每个辐射子阵面包含有120个辐射贴片7和49个虚元贴片6。T/R组件阵列13中的T/R通道多功能芯片的峰值功率为200mW，共计480个T/R通道，天线峰值功率为100W，每120个T/R通道多功能芯片集成于一块混压多层PCB板25，混压多层PCB板25由Rogers4350和FR4压合。
本申请的平板有源相控阵天线，能够应用于气象雷达，该天线由微带辐射阵面1、均温板10、T/R组件阵列13、背板28等纵向堆叠垂直互连对插。微带辐射阵面1为整体刻蚀而成的单层介质基板微带贴片辐射阵列，均温板10为内置热管的均热板，T/R组件阵列13为混压多层PCB板搭载T/R通道多功能单芯片形式。均温板10内包含射频盲插连接器，两端分别与微带辐射阵面1和T/R组件阵列13垂直互联。均温板10紧贴T/R组件阵列13正面，可对T/R组件阵列进行自然冷却。
本申请的平板有源相控阵天线，波控电源板26在收到雷达综合处理机发送的波束指向(方位角、俯仰角数据)指令后，根据要求的波束指向，计算出各个辐射元所需的相移与加权控制码。波控电源板26发出的移相、加权等控制指令与直流供电信号，通过集成型矩形连接器19，传输至T/R组件阵列13，由混压多层PCB板25上的数字接口芯片、脉冲驱动芯片、电源管理芯片分配给每T/R通道多功能芯片。
本申请的平板有源相控阵天线，工作在发射状态时，由外部输入射频调制信号，经馈电收发组件27进行信号放大后等分为4路，通过集成型矩形连接器19，将射频信号传输至T/R组件阵列13，由混压多层PCB板25上的功分网络分配给每个T/R通道多功能芯片；T/R通道多功能芯片按照控制信号对射频信号进行移相及适当加权，后经发射通道放大后通过组件天线射频口23经射频盲插连接器22传输至微带辐射阵面1将射频信号向空间辐射出去。
本申请的平板有源相控阵天线，工作在接收状态时，空间的射频信号经微带辐射阵面1接收，经射频盲插连接器22和组件天线射频口23传输至T/R组件阵列13的T/R通道多功能芯片，通过T/R通道中的低噪声放大器放大，按照控制信号对射频信号进行移相及适当加权后，送至混压多层PCB板25上的功分网络进行射频信号合成，经由4个集成型矩形连接器19输出4组合成后的射频信号，4组射频信号经馈电收发组件27形成和波束信号和差波束信号。
平板有源相控阵天线在工作时，T/R通道多功能芯片产生大量的热。T/R通道多功能芯片紧贴于组件盖板24，热量经由组件盖板24传导至均温板10，并通过其内置的热管将热量传导至散热翅片11进行自然冷却。
本申请的平板有源相控阵天线与传统有源相控阵天线相比，其优点主要是以下两点：
剖面低，集成度高，重量轻。微带辐射阵面1为整体刻蚀而成的单层介质基板微带贴片辐射阵列，易于加工也较为轻薄。均温板10为内置热管的均热板，可在不需要额外的风散热片、空调系统的情况下将热量导出，从而减少天线整体的体积和重量。T/R组件阵列13由金属框架18、混压多层PCB板25、芯片、元器件及连接器组成，通过通道模块与阵列天线承载结构一体化设计、集成多通道大规模PCB基板、模块内芯片元器件单层布、采用T/R通道多功能单芯片等措施，实现T/R组件阵列低剖面和轻量化的设计。微带辐射阵面1、均温板10、T/R组件阵列13及背板28纵向垂直互连对插，进一步压缩天线整体厚度，实现更低剖面。
高可靠性，易于维护。散热结构采用内置热管的均热板进行自然冷却，省去了复杂的液冷系统并且没有结冰、沸腾和冷却液泄漏等问题，或是风冷系统的额外的风机和风道，散热系统免维护。T/R组件阵列13采用低功率的T/R通道多功能芯片，其功耗及热耗都较低具有较高的可靠性；金属框架提供T/R通道的隔墙分腔，以及芯片气密保护，进一步提高T/R组件阵列的可靠性。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种平板有源相控阵天线，其特征在于，包括：
微带辐射阵面（1），所述微带辐射阵面（1）包括介质基板（9），所述介质基板（9）上设置有辐射贴片（7），所述辐射贴片（7）开设有第一通孔，所述第一通孔用于设置射频馈线（8）；
均温板（10），所述均温板（10）具有边框，所述边框中设置有散热翅片（11），所述均温板（10）上开设有垂直过孔（12），所述垂直过孔（12）内安有射频盲插连接器（22），所述射频盲插连接器（22）的一端与所述射频馈线（8）连接；
T/R组件阵列（13），所述T/R组件阵列（13）包括金属框架（18）和设置在所述金属框架（18）的正面的T/R组件子阵列，所述T/R组件子阵列的正面设置有组件天线射频口（23），所述组件天线射频口（23）与所述射频盲插连接器（22）的另一端连接，所述T/R组件子阵列的背面设置有集成型矩形连接器（19），所述金属框架（18）上开设有与所述集成型矩形连接器（19）相匹配的第二通孔，所述金属框架（18）的背面设置有框架背腔体（20）；
背板（28），所述背板（28）上设置有波控电源板（26）和馈电收发组件（27），所述波控电源板（26）和所述馈电收发组件（27）均通过所述第二通孔与所述集成型矩形连接器（19）连接；
所述微带辐射阵面（1）、所述均温板（10）、所述T/R组件阵列（13）以及所述背板（28）依次装配，装配后，所述背板（28）上的所述波控电源板（26）和所述馈电收发组件（27）容纳在所述框架背腔体（20）中；
所述微带辐射阵面（1）包括4个微带辐射子阵面，分别为：第一子阵面（2）、第二子阵面（3）、第三子阵面（4）和第四子阵面（5）；
所述T/R组件阵列（13）包括4个T/R组件子阵列，分别为：第一T/R组件子阵列（14）、第二T/R组件子阵列（15）、第三T/R组件子阵列（16）和第四T/R组件子阵列（17）；
每个所述T/R组件子阵列的背面均设置有一个所述集成型矩形连接器（19）。
2.根据权利要求1所述的平板有源相控阵天线，其特征在于，所述介质基板（9）上还设置有虚元贴片（6）。
3.根据权利要求1所述的平板有源相控阵天线，其特征在于，所述T/R组件子阵列包括组件盖板（24）和混压多层PCB板（25），所述组件盖板（24）上设置有所述组件天线射频口（23），所述混压多层PCB板（25）上设置有所述集成型矩形连接器（19）。
4.根据权利要求3所述的平板有源相控阵天线，其特征在于，所述金属框架（18）的正面设置有框架前腔体（21），所述框架前腔体（21）用于容纳所述T/R组件子阵列。
5.根据权利要求1所述的平板有源相控阵天线，其特征在于，所述微带辐射阵面（1）、所述均温板（10）、所述T/R组件阵列（13）以及所述背板（28）上均开设有安装孔，通过螺钉进行装配。
6.根据权利要求1所述的平板有源相控阵天线，其特征在于，所述背板（28）上设置有散热部，所述散热部呈波浪状。
7.根据权利要求1所述的平板有源相控阵天线，其特征在于，所述均温板（10）为内含热管的均热板。
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