CN111123211B - 一种轻薄型双波段片式数字子阵 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种轻薄型双波段片式数字子阵，发射状态下，数字模块产生两路基带信号，传输至双通道变频层、完成两路信号的上变频滤波放大处理，经混装连接器传输至有源天线阵面的混装连接器的插座，经多层微波介质板的1分n功分处理后，传输至n个BGA封装TR组件，实现发射激励信号的放大处理，最终由天线辐射至空间；接收状态下采取相反的实现步骤。本发明采用轻薄型有源天线阵列的形式实现了相控阵子阵设计，具有高集成度、小型化、低成本的特点，适用于多功能相控阵雷达设计。

Description

一种轻薄型双波段片式数字子阵

技术领域

本发明涉及雷达领域，尤其是一种片式数字子阵。

背景技术

一部有源相控阵雷达包含有若干数字子阵。子阵模块的成本、重量及体积是整部雷达需要考虑的重要因素,故在提高雷达的发射功率、降低噪声系数的前提下,降低模块的成本、重量及体积是科研工作者孜孜以求的目标。数字子阵的组装技术不仅对降低模块的成本、重量及体积很重要,而且对整个雷达的灵敏度、可靠性也是至关重要的。采用片式数字子阵设计技术难度大，单元尺寸更小,必须采用高密度集成技术(HDI)和小型化、高性能高可靠射频垂直互联。但瓦片式数字子阵可以采用整体液冷散热,具有优良的散热能力,子阵集成度高,在降低数字子阵成本、减小体积尺、减轻设备重量方面具有优势,易于实现大规模阵列。

目前高密度组装技术已在特别需要降低体积与成本的便携式军用、商用产品领域内得到应用。高密度组装虽然降低了成本、重量及体积,却导致工作温度较高,电路间的隔离性能降低,而且生产与组装潜在的效率下降。对于大型阵面的散热基本全部采用水冷方式散热，但是随着信号波长的进一步缩短，若想保持单一通道的发射功率量级不变，原有的散热方式就无法满足更高热密度的散热要求，同时还需要进一步减小设备体积和重量，以适应新的需求。

中国电子科技集团公司第二十研究所所提交的名为《一种应用于Ku波段的瓦片式数字子阵》(专利号：201418007108.4)主要采用层叠结构高密度装配方式，在满足子阵电气特性和的前提下，实现子阵整体尺寸小型化、高度集成化设计，考虑子阵的散热安装形式，选用快速插拔式接插件实现子阵的组装。每层电路都能够进行独立拆卸、测试，方便维修。该专利的TR组件采用传统工艺，需要射频、电源、控制等多种高、低频连接器，子阵采用水冷散热的方式，增加了系统设计的难度和成本。为实现大规模有源相控阵雷达低成本小型化前端设计，在未来多波段、多功能、多任务的需求牵引下，需要针对具有统一架构的、低成本、轻薄型的片式数字子阵予以研究。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种轻薄型双波段片式数字子阵，主要针对大规模有源相控阵雷达低成本小型化前端设计。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种轻薄型双波段片式数字子阵，包括有源天线阵面、风冷冷板、双通道变频层、双通道数字层和电源层，其中，双波段包括低频段和高频段，且高波段工作频率范围的最高频率为低波段工作频率范围的最高频率的两倍；

发射状态下，数字模块产生两路基带信号，传输至双通道变频层、完成两路信号的上变频滤波放大处理，经混装连接器传输至有源天线阵面的混装连接器的插座，经多层微波介质板的1分n功分处理后，传输至n个BGA封装TR组件，实现发射激励信号的放大处理，最终由天线辐射至空间；

接收状态下，回波信号经天线传输至BGA封装TR组件，实现信号的低噪声放大后，经多层微波介质板的n：1功率合成为两路回波信号(高波段和低波段)，由混装连接器传输至变频模块，变频模块实现两路回波信号的下变频滤波放大处理后形成两路中频信号，由数字模块实现对这两路中频信号的采样处理；

所述的电源层为数字模块、变频模块、BGA封装TR组件提供所需的电源信号；

变频层和BGA封装TR组件所需的控制信号(包括开关切换、电源切换信号)由数字模块产生；

所述的混装连接器实现对射频信号、控制信号、电源信号的传输；

其中，有源天线阵面包括多层微波介质板、n个BGA封装TR组件和混装连接器的插座，完成两个频段激励信号的功率放大空间辐射和回波信号收集、低噪声接收，BGA封装TR组件采用回流焊工艺焊接在多层微波介质板TR组件预留焊盘上；

风冷冷板置于BGA封装TR组件的管壳上，完成对BGA封装TR组件热耗的导出；

所述BGA封装TR组件包括四个高波段通道和1个低波段通道，四个高波段通道集成于1个四通道收发多功能芯片，四通道收发多功能芯片实现通道收发放大、移相、衰减、开关选择功能，再由一个一分四功分芯片实现四个高波段收发通道的合成，发射状态下，一分四功分芯片完成发射激励信号的等功率分配；接收状态下，完成四路回波信号的n：1功率合成；低波段通道包括四个芯片，分别是多功能芯片、发射的功率放大芯片、接收的低噪声放大芯片以及收发切换开关芯片，四个芯片共同完成低波段的收发放大功能：发射状态下，收发开关芯片切换至发射态，发射激励信号传输至多功能芯片完成通道收发放大、移相、衰减作用后，由功率放大芯片实现信号放大后，经收发开关芯片传输至天线单元；接收状态下，收发开关芯片切换至发射态，回波信号经收发开关芯片的选择作用后，传输至低噪声放大芯片实现放大作用，再由多功能芯片的通道收发放大、移相、衰减作用后传输至有源天线阵面的混装连接器的插座；

BGA封装TR组件采用商用BGA管壳予以封装，各芯片(包括高波段通道的四通道收发多功能芯片和一分四功分芯片，以及低波段通道的多功能芯片、功率放大芯片、低噪声放大芯片和收发切换开关芯片)的控制、供电信号通过金丝键合的方式导出至BGA管壳的引脚，组件的射频输入和输出信号同样以金丝键合的方式，导出至BGA管壳的引脚(包括天线端口与激励端口，其中天线端口与高波段天线、低波段天线的天线阵子馈电端互联，激励口与变频模块的输出口互联)；BGA管壳起到的作用包括：1)组件气密封装；2)组件的电磁屏蔽；3)组件热量导出；

所述多层微波介质板实现双波段辐射振子、功分馈电、校准耦合功分、电源、控制信号分配，多层微波介质板包括以下分层：高波段天线、低波段天线、天线地(天线GND，实现高波段天线、低波段天线层与其他功能电路层的有效电磁隔离)、射频地(射频GND)、高波段校准网络、射频GND、低波段校准网络、射频GND、控制信号层、数字地(数字GND)、电源层、模拟地(模拟GND)、功分馈电网络和射频GND，各层按上述顺序依次排布。

高波段天线、低波段天线实现射频信号的有效辐射，且与其他功能电路层由地层实现隔离，构成高波段天线、低波段天线的天线阵子馈电端分别由多层微波介质板内的垂直互联结构连接至高波段及低波段校准网络层，分别实现高波段天线、低波段天线馈电端的耦合端口及校准功分合成，高波段天线、低波段天线的天线阵子馈电端再通过多层微波介质板内的垂直互联结构穿过电源层和控制信号层传输至底层的BGA封装TR组件的馈电口，实现TR组件天线端口与高波段天线、低波段天线的天线阵子馈电端的有效互联，TR组件的激励口经垂直互联至功分馈电网络层，实现激励信号的功率分配/合成，最终与混装连接器的射频口互联，控制信号和电源经混装连接器和电源层和控制信号层，分别传输至各BGA封装TR组件。

本发明的有益效果在于设计了一种轻薄型双波段片式数字子阵，采用轻薄型有源天线阵列的形式实现了相控阵子阵设计，具有高集成度、小型化、低成本的特点，适用于多功能相控阵雷达设计。

本发明采用BGA封装实现双波段组件设计，组件的射频、电源、控制信号均采用BGA封装管壳引出的形式，具有高集成度、小型化的特点，此封装形式的组件可以最大限度的降低组件设计难度，简化组件的装配流程，并最大限度的减少了组件的连接器，有效降低了组件的生产成本。阵面采用多层微波介质板实现BGA封装TR组件的射频、电源、控制信号的分配，提高了阵面的集成度，有效降低了阵面的厚度尺寸，多层微波介质板除了完成信号分配传输功能外，还需要完成双波段辐射天线单元和双波段校准网络分配的功能；混装连接器的插座用于实现阵面和变频、数字、电源层间的射频信号、控制信号、电源信号传输，进一步提升了阵面的集成度。

附图说明

图1是本发明轻薄型双波段片式数字子阵电路原理图。

图2是本发明轻薄型双波段片式数字子阵有源天线阵面分层设计图。

图3是本发明轻薄型双波段片式数字子阵有源天线阵面仰视图。

图4是本发明轻薄型双波段片式数字子阵分层结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

参见图1，一种轻薄型双波段片式数字子阵，包括有源天线阵面、风冷冷板、双通道变频层、双通道数字层和电源层，其中，双波段包括低频段和高频段，且高波段工作频率范围的最高频率为低波段工作频率范围的最高频率的两倍；

变频、数字、电源层实现发射基带信号的产生、上变频和回波信号的下变频和数字预处理，并通过混装连接器实现对射频信号、控制信号、电源信号的传输；

发射状态下，数字模块产生两路基带信号，传输至双通道变频层、完成两路信号的上变频滤波放大处理，经混装连接器传输至有源天线阵面的混装连接器的插座，经多层微波介质板的1分n功分处理后，传输至n个BGA封装TR组件，实现发射激励信号的放大处理，最终由天线辐射至空间；

接收状态下，回波信号经天线传输至BGA封装TR组件，实现信号的低噪声放大后，经多层微波介质板的n：1功率合成为两路回波信号(高波段和低波段)，由混装连接器传输至变频模块，变频模块实现两路回波信号的下变频滤波放大处理后形成两路中频信号，由数字模块实现对这两路中频信号的采样处理；

所述的电源层为数字模块、变频模块、BGA封装TR组件提供所需的电源信号；

变频层和BGA封装TR组件所需的控制信号(包括开关切换、电源切换信号)由数字模块产生；

所述的混装连接器实现对射频信号、控制信号、电源信号的传输；

如图2、图3和图4所示，其中，有源天线阵面包括多层微波介质板、n个BGA封装TR组件和混装连接器的插座，完成两个频段激励信号的功率放大空间辐射和回波信号收集、低噪声接收，BGA封装TR组件采用回流焊工艺焊接在多层微波介质板TR组件预留焊盘上；

风冷冷板置于BGA封装TR组件的管壳上，完成对BGA封装TR组件热耗的导出；

所述BGA封装TR组件包括四个高波段通道和1个低波段通道，四个高波段通道集成于1个四通道收发多功能芯片，四通道收发多功能芯片实现通道收发放大、移相、衰减、开关选择功能，再由一个一分四功分芯片实现四个高波段收发通道的合成，发射状态下，一分四功分芯片完成发射激励信号的等功率分配；接收状态下，完成四路回波信号的n：1功率合成；低波段通道包括四个芯片，分别是多功能芯片、发射的功率放大芯片、接收的低噪声放大芯片以及收发切换开关芯片，四个芯片共同完成低波段的收发放大功能：发射状态下，收发开关芯片切换至发射态，发射激励信号传输至多功能芯片完成通道收发放大、移相、衰减作用后，由功率放大芯片实现信号放大后，经收发开关芯片传输至天线单元；接收状态下，收发开关芯片切换至发射态，回波信号经收发开关芯片的选择作用后，传输至低噪声放大芯片实现放大作用，再由多功能芯片的通道收发放大、移相、衰减作用后传输至有源天线阵面的混装连接器的插座；

BGA封装TR组件采用商用BGA管壳予以封装，各芯片(包括高波段通道的四通道收发多功能芯片和一分四功分芯片，以及低波段通道的多功能芯片、功率放大芯片、低噪声放大芯片和收发切换开关芯片)的控制、供电信号通过金丝键合的方式导出至BGA管壳的引脚，组件的射频输入和输出信号同样以金丝键合的方式，导出至BGA管壳的引脚(包括天线端口与激励端口，其中天线端口与高波段天线、低波段天线的天线阵子馈电端互联，激励口与变频模块的输出口互联)；BGA管壳起到的作用包括：1)组件气密封装；2)组件的电磁屏蔽；3)组件热量导出；

所述多层微波介质板实现双波段辐射振子、功分馈电、校准耦合功分、电源、控制信号分配，多层微波介质板包括以下分层：高波段天线、低波段天线、天线地(天线GND，实现高波段天线、低波段天线层与其他功能电路层的有效电磁隔离)、射频地(射频GND)、高波段校准网络、射频GND、低波段校准网络、射频GND、控制信号层、数字地(数字GND)、电源层、模拟地(模拟GND)、功分馈电网络和射频GND，各层按上述顺序依次排布。

多层微波介质板主要实现双波段辐射振子、功分馈电、校准耦合功分、电源、控制信号分配，该多层板具有高集成度、射频模拟混合的特点，BGA封装TR组件包括两个频段的TR射频通道，组件的射频、电源、控制信号均采用BGA封装管壳引出的形式，具有高集成度、低成本的特点；

高波段天线、低波段天线实现射频信号的有效辐射，且与其他功能电路层由地层实现隔离，构成高波段天线、低波段天线的天线阵子馈电端分别由多层微波介质板内的垂直互联结构连接至高波段及低波段校准网络层，分别实现高波段天线、低波段天线馈电端的耦合端口及校准功分合成，高波段天线、低波段天线的天线阵子馈电端再通过多层微波介质板内的垂直互联结构穿过电源层和控制信号层传输至底层的BGA封装TR组件的馈电口，实现TR组件天线端口与高波段天线、低波段天线的天线阵子馈电端的有效互联，TR组件的激励口经垂直互联至功分馈电网络层，实现激励信号的功率分配/合成，最终与混装连接器的射频口互联，控制信号和电源经混装连接器和电源层和控制信号层，分别传输至各BGA封装TR组件。

两个频段的天线阵子在最上面两层，实现射频信号的有效辐射，天线阵子与其他功能电路层由地层实现隔离，各天线阵子的馈电端分别由板内的垂直互联连接至校准网络层，分别实现馈电端的耦合端口及校准功分合成，再穿过电源层和控制信号层传输至底层的TR单元的馈电口，TR单元的激励口经垂直互联至功分馈电网络层，实现激励信号的功率分配/合成，一个集总端口经内部微波走线传输至混装连接器的射频口，控制信号和电源经混装连接器和电源层和控制信号层的内部走线，分别传输至各BGA封装TR组件。

本发明采用BGA封装实现双波段组件设计，组件的射频、电源、控制信号均采用BGA封装管壳引出的形式，具有高集成度、小型化的特点，此封装形式的组件可以最大限度的降低组件设计难度，简化组件的装配流程，并最大限度的减少了组件的连接器，有效降低了组件的生产成本。阵面采用多层微波介质板实现BGA封装TR组件的射频、电源、控制信号的分配，提高了阵面的集成度，有效降低了阵面的厚度尺寸，多层微波介质板除了完成信号分配传输功能外，还需要完成双波段辐射天线单元和双波段校准网络分配的功能；混装连接器的插座用于实现阵面和变频、数字、电源层间的射频信号、控制信号、电源信号传输，进一步提升了阵面的集成度。

Claims (2)

1.一种轻薄型双波段片式数字子阵，其特征在于：

所述轻薄型双波段片式数字子阵，包括有源天线阵面、风冷冷板、双通道变频层、双通道数字层和电源层，其中，双波段包括低频段和高频段，且高波段工作频率范围的最高频率为低波段工作频率范围的最高频率的两倍；

发射状态下，数字模块产生两路基带信号，传输至双通道变频层、完成两路信号的上变频滤波放大处理，经混装连接器传输至有源天线阵面的混装连接器的插座，经多层微波介质板的1分n功分处理后，传输至n个BGA封装TR组件，实现发射激励信号的放大处理，最终由天线辐射至空间；

接收状态下，回波信号经天线传输至BGA封装TR组件，实现信号的低噪声放大后，经多层微波介质板的n：1功率合成为高波段和低波段两路回波信号，由混装连接器传输至变频模块，变频模块实现两路回波信号的下变频滤波放大处理后形成两路中频信号，由数字模块实现对这两路中频信号的采样处理；

所述的电源层为数字模块、变频模块、BGA封装TR组件提供所需的电源信号；

变频层和BGA封装TR组件所需的控制信号由数字模块产生；

所述的混装连接器实现对射频信号、控制信号、电源信号的传输。

2.根据权利要求1所述的一种轻薄型双波段片式数字子阵，其特征在于：

其中，有源天线阵面包括多层微波介质板、n个BGA封装TR组件和混装连接器的插座，完成两个频段激励信号的功率放大空间辐射和回波信号收集、低噪声接收，BGA封装TR组件采用回流焊工艺焊接在多层微波介质板TR组件预留焊盘上；

风冷冷板置于BGA封装TR组件的管壳上，完成对BGA封装TR组件热耗的导出；

所述BGA封装TR组件包括四个高波段通道和1个低波段通道，四个高波段通道集成于1个四通道收发多功能芯片，四通道收发多功能芯片实现通道收发放大、移相、衰减、开关选择功能，再由一个一分四功分芯片实现四个高波段收发通道的合成，发射状态下，一分四功分芯片完成发射激励信号的等功率分配；接收状态下，完成四路回波信号的n：1功率合成；低波段通道包括四个芯片，分别是多功能芯片、发射的功率放大芯片、接收的低噪声放大芯片以及收发切换开关芯片，四个芯片共同完成低波段的收发放大功能：发射状态下，收发开关芯片切换至发射态，发射激励信号传输至多功能芯片完成通道收发放大、移相、衰减作用后，由功率放大芯片实现信号放大后，经收发开关芯片传输至天线单元；接收状态下，收发开关芯片切换至发射态，回波信号经收发开关芯片的选择作用后，传输至低噪声放大芯片实现放大作用，再由多功能芯片的通道收发放大、移相、衰减作用后传输至有源天线阵面的混装连接器的插座；

BGA封装TR组件采用商用BGA管壳予以封装，各芯片的控制、供电信号通过金丝键合的方式导出至BGA管壳的引脚，组件的射频输入和输出信号同样以金丝键合的方式，导出至BGA管壳的引脚，包括天线端口与激励端口，其中天线端口与高波段天线、低波段天线的天线阵子馈电端互联，激励口与变频模块的输出口互联；

所述多层微波介质板实现双波段辐射振子、功分馈电、校准耦合功分、电源、控制信号分配，多层微波介质板包括以下分层：高波段天线、低波段天线、天线地、射频地、高波段校准网络、射频GND、低波段校准网络、射频GND、控制信号层、数字地、电源层、模拟地、功分馈电网络和射频GND，各层按上述顺序依次排布；

高波段天线、低波段天线实现射频信号的有效辐射，且与其他功能电路层由地层实现隔离，构成高波段天线、低波段天线的天线阵子馈电端分别由多层微波介质板内的垂直互联结构连接至高波段及低波段校准网络层，分别实现高波段天线、低波段天线馈电端的耦合端口及校准功分合成，高波段天线、低波段天线的天线阵子馈电端再通过多层微波介质板内的垂直互联结构穿过电源层和控制信号层传输至底层的BGA封装TR组件的馈电口，实现TR组件天线端口与高波段天线、低波段天线的天线阵子馈电端的有效互联，TR组件的激励口经垂直互联至功分馈电网络层，实现激励信号的功率分配/合成，最终与混装连接器的射频口互联，控制信号和电源经混装连接器和电源层和控制信号层，分别传输至各BGA封装TR组件。

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