CN111180899B - 一种基于微系统的轻薄化高密度集成天线阵面架构 - Google Patents

一种基于微系统的轻薄化高密度集成天线阵面架构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于微系统的轻薄化高密度集成天线阵面架构，其中，所述四通道芯片化有源TR组件和芯片电源交错排列，采用高密度集成焊接工艺固定于高低频混压印制板的背面，同时高低频混压印制板的背面一侧焊接波束控制元器件，同时贴装对外射频连接器、对外低剖面低频连接器；所述波束控制元器件和芯片电源与高低频混压印制板采用SMT方式焊接互联。本发明以多层印制板层压形式、通过印制板板间垂直互连实现各类信号高效、可靠传输，最大限度地提高天线阵面集成度，减小有效载荷的体积和重量，提高系统的可靠性；同时兼顾当前多层印制板加工、元器件微组装等工艺实现水平；并首次在Ku频段实现满足该架构的天线、综合射频网络、TR组件、波控芯片、电源芯片无引线互连。

Description

一种基于微系统的轻薄化高密度集成天线阵面架构
技术领域
本发明涉及，尤其涉及一种基于微系统的轻薄化高密度集成天线阵面架构。
背景技术
目前，小型化、轻薄化、高集成是雷达技术发展的重要方向，尤其是在受载荷平台限制的机载、弹载、星载雷达领域，传统有源天线阵面架构设计愈发显出不足之处。传统有源天线阵面架构一般是根据总指标要求通过反复迭代得到较为合理的各分机分配指标要求，然后各分机按照分配指标进行独立设计，再电装进行系统调试。这种架构的优点是各分机之间界面清晰，设计阶段互不影响，后期整机调试时也容易定位和排故，但是缺点也很明显：
在这种架构下有源天线阵面的天线单元、TR(Transmitter and Receiver，收发)组件、馈电网络、波束控制单元、二次电源各自独立设计，最后再通过射频电缆、低频电缆实现信号传输和互联，结果导致整个天线阵面有较多的各类电缆、连接器等，可靠性不高，无法实现有源天线阵面的轻薄化和高集成设计，限制了有源天线阵面平台的适应性。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种基于微系统的轻薄化高密度集成天线阵面架构，其有别于传统设计的有源天线阵面架构，能够针对空间紧张或对重量敏感的载荷平台，通过轻薄化高密度集成的有源阵面架构，在Ku频段，集成了天线单元、TR组件、射频馈电网络、波束控制网络以及电源网络的综合网络，引领了新工艺在高频段的应用，满足了载荷平台对小型化、轻量化和高可靠性的要求。
本发明的目的通过如下技术方案实现：
本发明提供一种基于微系统的轻薄化高密度集成天线阵面架构，其包括：
高低频混压印制板、四通道芯片化有源TR组件、波束控制元器件、芯片电源、对外射频连接器、对外低剖面低频连接器；
四通道芯片化有源TR组件和芯片电源交错排列，采用高密度集成焊接工艺固定于高低频混压印制板的背面，同时高低频混压印制板的背面一侧焊接波束控制元器件，同时贴装对外射频连接器、对外低剖面低频连接器；
所述波束控制元器件和芯片电源与高低频混压印制板采用SMT(Surface MountedTechnology，表面贴装技术)方式焊接互联。
更优选地，所述高低频混压印制板为多层板层压结构，包含辐射层、射频网络层、信号电源层；所述辐射层和射频网络层组成高频板，所述信号电源层为低频板；
所述高低频混压印制板将辐射层、射频网络层、信号电源层通过层压集成为一块印制板，作为有源阵面的载板，前面是辐射层，中间是射频网络层，背面是信号电源层；
所述辐射层、射频网络层、信号电源层之间通过铜浆烧结工艺实现高低频信号互连。
更优选地，所述辐射层由双面覆铜板和半固化片组成，包括天线单元层、耦合电路层、馈电电路层以及射频垂直互联层，各层之间通过半固化片依次压合到一起；天线单元层上的辐射天线采用低剖面贴片天线形式。
更优选地，所述射频网络层由双面覆铜板和半固化片组成，包括第一射频地层、和差网络层、第二射频地层、功分网络层和第三射频地层；各层之间通过半固化片依次压合到一起。
更优选地，所述信号电源层为控制信号和电源信号布线层，由双面覆铜板和半固化片组成，包括信号层、信号地层、电源层以及电源地层，各层之间通过半固化片依次压合到一起。
更优选地，所述信号电源层在TR组件区域通过球栅阵列封装技术焊接四通道芯片化有源TR组件，在其它区域通过SMT工艺焊接波束控制元器件、芯片电源，同时贴装对外射频连接器、对外低剖面低频连接器。
更优选地，所述四通道芯片化有源TR组件采用微系统架构的芯片化设计，所述四通道芯片化有源TR组件包括下层的HTCC(High-Temperature Co-fired Ceramics，高温共烧陶瓷)电路基板和上层的金属盖板。
更优选地，所述HTCC电路基板为高温共烧陶瓷，所述上层的金属盖板自带散热翅片；
芯片热量通过所述HTCC电路基板传导到上层的金属盖板最终到散热翅片；
所述HTCC电路基板内部开腔，通过贴片和键合工艺实现腔体内部芯片的装配。
更优选地，所述四通道芯片化有源TR组件的底部植球，通过BGA(Ball GridArray，球栅阵列封装)焊接方式与高低频混压印制板焊接互联。
更优选地，所述芯片电源采用芯片化设计。
由上述本发明的技术方案可以看出，本发明具有如下技术效果：
1、本发明采用新型的铜浆烧结工艺实现高频印制板间、高低频印制板间信号的高可靠性传输，实现了天线阵面无引线连接，大大提高了系统可靠性，有效降低了天线阵面重量，从而实现了新型轻薄、高集成综合网络。
2、本发明通过芯片化TR组件：采用微系统思路，以三维互联工艺为基础，先进行芯片内集成，继而进行芯片间集成，从而实现超薄、高密度小型化TR组件。同时TR组件采用传导系数高的HTCC作为电路基板，采用Al/SiC金属作为盖板及散热翅片，使得TR组件自形成良好的散热通道，提高组件的环境适应性。
3、本发明采用高可靠陶瓷封装芯片电源：先将电源裸芯、无源器件采用基于铜框架结构的三维堆叠塑封固定，再加上外围滤波电容和反馈电阻，进行陶瓷封装。基于三维塑封结构的陶瓷封装芯片电源，其尺寸大大降低，同时无需再增加外围电路，可靠性高、应用简单。
4、本发明为Ku高频段综合网络提供了设计方法及工程实现途径。
附图说明
图1为本发明的天线阵面架构的侧视图；
图2为本发明的天线阵面架构的背视图；
图3为本发明中的高低频混压印制板的分层图；
图4为本发明中的高低频混压印制板与四通道芯片化有源TR组件之间BGA互连模型。
附图标记：
高低频混压印制板1、四通道芯片化有源TR组件2、波束控制元器件3、芯片电源4、对外射频连接器5、对外低剖面低频连接器6；辐射层1-1、射频网络层1-2、信号电源层1-3；
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的技术方案做进一步详细说明。
实施例一
本发明提供一种基于微系统的轻薄化高密度集成天线阵面架构，该其结构如图1-图4所示，其包括：
高低频混压印制板1、四通道芯片化有源TR组件(四通道芯片化有源收发组件)2、波束控制元器件3、芯片电源4、对外射频连接器5、对外低剖面低频连接器6。
四通道芯片化有源收发组件2和芯片电源4交错排列，采用高密度集成焊接工艺固定于高低频混压印制板1的背面，同时高低频混压印制板1的背面一侧焊接波束控制元器件3，同时贴装对外射频连接器5、对外低剖面低频连接器6。
高低频混压印制板1为多层板层压结构，包含辐射层1-1、射频网络层1-2、信号电源层1-3。其中的辐射层1-1、射频网络层1-2组成高频板，信号电源层1-3为低频板，因此该高低频混压印制板1也称作综合网络层。辐射层1-1、射频网络层1-2、信号电源层1-3之间通过铜浆烧结工艺实现高低频信号互连。高低频混压印制板1将辐射层1-1、射频网络层1-2、信号电源层1-3通过层压集成为一块印制板，作为有源阵面的载板，前面是辐射层1-1，中间是射频网络层1-2，背面是信号电源层1-3。
辐射层1-1由CLTE-XT(Coefficient of Linear Thermal Expansion，低线性膨胀系数)系列双面覆铜板和FR-28-0040-50半固化片组成，包括天线单元层、耦合电路层、馈电电路层以及L4层射频垂直互联层。天线单元层上的辐射天线采用低剖面贴片天线形式。
射频网络层1-2由CLTE-XT系列双面覆铜板和FR-28-0040-50半固化片组成，包括第一射频地层、和差网络层、第二射频地层、功分网络层和第三射频地层，由此射频网络层1-2也被称为功率分配合成层。
信号电源层1-3为控制信号和电源信号布线层，由Ro4350B双面覆铜板和Ro4450F半固化片组成，包括信号层、信号地层、电源层以及电源地层等，该信号电源层1-3上布置的主要是低频信号，由此该信号电源层1-3也被称为低频综合层。该信号电源层1-3在TR组件区域通过BGA焊接四通道芯片化有源TR组件2，在其它区域通过SMT工艺焊接波束控制元器件3、芯片电源4，同时贴装对外射频连接器5、对外低剖面低频连接器6。这种对外射频连接器5、对外低剖面低频连接器6易于与其它分机互联，有利于整机高集成。整个天线阵面高度集成，实现无引线互联，结构紧凑，可靠性高。
四通道芯片化有源收发组件2采用微系统架构的芯片化设计，保证高集成、低剖面。四通道芯片化有源收发组件2由下层的HTCC电路基板、上层的金属盖板组成，HTCC电路基板为高温共烧陶瓷，上层的金属盖板自带散热翅片。芯片热量可通过HTCC电路基板传导到上层的金属盖板最终到散热翅片，通过四通道芯片化有源收发组件2的金属盖板上自带的散热翅片，能够实现有源组件内部功率芯片的散热，简化系统散热设计，同时进一步降低系统重量。HTCC电路基板内部开腔，通过贴片和键合工艺实现腔体内部芯片的装配；同时四通道芯片化有源收发组件2的底部植球，通过BGA技术焊接方式与高低频混压印制板1焊接互联。
波束控制元器件3和芯片电源4与高低频混压印制板1采用SMT方式焊接互联，整个有源阵面高度集成实现无引线互联。
芯片电源4采用芯片化设计，实现电源芯片小型化设计。
由上述本发明的结构可以看出，本发明与传统架构有如下不同：
辐射天线必须采用低剖面贴片天线形式，而不能采用传统的印刷振子天线，且不能引出对外射频连接器5；
四通道芯片化有源收发组件2采用微系统设计实现低剖面小型化设计，同时四通道芯片化有源收发组件2底部的电路基板植球通过BGA方式与高低频混压印制板1进行焊接，实现无引线互联，避免传统组件采用的射频低频连接器；
3)芯片电源4采用三维层叠芯片化设计实现小型化，充分合理利用综合网络背面空间。
下面给出依照上述架构设计思路给出本发明的具体实施例。
天线阵面工作频段为Ku频段，载荷平台无人机微型SAR。平台要求实现轻薄化高集成的有源天线阵面，天线阵面的重量要求＜1.1Kg，厚度＜20mm。
Ku频段的高低频混压印制板1包含辐射层1-1、射频网络层1-2、信号和电源层1-3。高低频混压印制板1的第L5层表贴多个波束控制元器件3芯片，第L9层焊接四个SMP电连接器作为对外射频连接器5，第L21层表贴四十八个四通道芯片化有源TR组件2、四十八个芯片电源4，以及多个波束控制元器件3芯片。
辐射层1-1由八层CLTE-XT系列双面覆铜板和四层FR-28-0040-50半固化片组成，其中Top(顶)层为天线单元、L2层为天线耦合电路、L3层为天线馈电电路、L4层为射频地。
射频网络层1-2由八层CLTE-XT系列双面覆铜板和四层FR-28-0040-50半固化片组成，其中L5为射频地、L6为和差网络、L7为射频地、L8为功分网络、L9为射频地。
信号电源层1-3由十二层Ro4350B双面覆铜板和五层Ro4450F半固化片组成，其中L10、L11、L13、L19、L20层为信号，L12层、L21层为信号地、L14、L16、L18为电源、L15、L17为电源地。
辐射层1-1、射频网络层1-2、信号电源层1-3之间通过铜浆烧结工艺实现高低频信号互连。
信号电源层1-3的第L5层露在外面部分表贴多个波束控制元器件3芯片，第L9层露在外面的部分焊接四个SMP电连接器作为对外射频连接器5，第L21层为印制板最外层，通过BGA球焊接了四十八个四通道芯片化有源TR组件、通过SMT工艺焊接四十八个芯片电源4以及多个波束控制元器件3芯片，同时贴装对外射频连接器5、对外低剖面低频连接器6。
Ku频段有源天线阵面最终重量760g(含框架79g)，厚度15.6mm，远优于指标要求。
由上述本发明的技术方案可以看出，本发明集成了天线单元、TR组件、射频馈电网络、波束控制网络以及电源网络，采用混合微波电路技术，将微波网络、波束控制网络和电源网络等各类传输信号进行整体考虑和一体化综合设计；以多层印制板层压形式、通过印制板板间垂直互连实现各类信号高效、可靠传输，最大限度地提高天线阵面集成度，减小有效载荷的体积和重量，提高系统的可靠性；同时兼顾当前多层印制板加工、元器件微组装等工艺实现水平，引领新工艺在高频段综合网络的应用；并首次在Ku频段实现满足该架构的天线、综合射频网络、TR组件、波控芯片、电源芯片无引线互连。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不限定本发明。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。

Claims (10)

1.一种基于微系统的轻薄化高密度集成天线阵面架构，其特征在于，所述天线阵面架构包括：
高低频混压印制板(1)、四通道芯片化有源TR组件(2)、波束控制元器件(3)、芯片电源(4)、对外射频连接器(5)、对外低剖面低频连接器(6)；
所述高低频混压印制板(1)为多层板层压结构，包含辐射层(1-1)、射频网络层(1-2)、信号电源层(1-3)；所述辐射层(1-1)和射频网络层(1-2)组成高频板，所述信号电源层(1-3)为低频板；所述辐射层(1-1)、射频网络层(1-2)、信号电源层(1-3)之间通过铜浆烧结工艺实现高低频信号互连；
四通道芯片化有源TR组件(2)和芯片电源(4)交错排列，采用高密度集成焊接工艺固定于高低频混压印制板(1)的背面，同时高低频混压印制板(1)的背面一侧焊接波束控制元器件(3)，同时贴装对外射频连接器(5)、对外低剖面低频连接器(6)；
所述波束控制元器件(3)和芯片电源(4)与高低频混压印制板(1)采用SMT方式焊接互联。
2.根据权利要求1所述的基于微系统的轻薄化高密度集成天线阵面架构，其特征在于，
所述高低频混压印制板(1)将辐射层(1-1)、射频网络层(1-2)、信号电源层(1-3)通过层压集成为一块印制板，作为有源阵面的载板，前面是辐射层(1-1)，中间是射频网络层(1-2)，背面是信号电源层(1-3)。
3.根据权利要求2所述的基于微系统的轻薄化高密度集成天线阵面架构，其特征在于，
所述辐射层(1-1)由双面覆铜板和半固化片组成，包括天线单元层、耦合电路层、馈电电路层以及射频垂直互联层，各层之间通过半固化片依次压合到一起；天线单元层上的辐射天线采用低剖面贴片天线形式。
4.根据权利要求2所述的基于微系统的轻薄化高密度集成天线阵面架构，其特征在于，
所述射频网络层(1-2)由双面覆铜板和半固化片组成，包括第一射频地层、和差网络层、第二射频地层、功分网络层和第三射频地层；各层之间通过半固化片依次压合到一起。
5.根据权利要求2所述的基于微系统的轻薄化高密度集成天线阵面架构，其特征在于，
所述信号电源层(1-3)为控制信号和电源信号布线层，由双面覆铜板和半固化片组成，包括信号层、信号地层、电源层以及电源地层，各层之间通过半固化片依次压合到一起。
6.根据权利要求5所述的基于微系统的轻薄化高密度集成天线阵面架构，其特征在于，
所述信号电源层(1-3)在TR组件区域通过球栅阵列封装技术焊接四通道芯片化有源TR组件(2)，在其它区域通过SMT工艺焊接波束控制元器件(3)、芯片电源(4)，同时贴装对外射频连接器(5)、对外低剖面低频连接器(6)。
7.根据权利要求1所述的基于微系统的轻薄化高密度集成天线阵面架构，其特征在于，
所述四通道芯片化有源TR组件(2)采用微系统架构的芯片化设计，所述四通道芯片化有源TR组件(2)包括下层的HTCC电路基板和上层的金属盖板。
8.根据权利要求7所述的基于微系统的轻薄化高密度集成天线阵面架构，其特征在于，
所述HTCC电路基板为高温共烧陶瓷，所述上层的金属盖板自带散热翅片；
芯片热量通过所述HTCC电路基板传导到上层的金属盖板最终到散热翅片；
所述HTCC电路基板内部开腔，通过贴片和键合工艺实现腔体内部芯片的装配。
9.根据权利要求7所述的基于微系统的轻薄化高密度集成天线阵面架构，其特征在于，所述四通道芯片化有源TR组件(2)的底部植球，通过BGA焊接方式与高低频混压印制板(1)焊接互联。
10.根据权利要求7所述的基于微系统的轻薄化高密度集成天线阵面架构，其特征在于，所述芯片电源(4)采用芯片化设计。
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Active electronically scanned tiled array antenna;R W Lyon et al.;《2013 IEEE International Symposium on Phased Array Systems and Technology》;20131018;160-164 *
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