CN111740232B - 一种瓦片式相控阵天线的馈电结构及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及相控阵天线领域，具体的说，是涉及一种瓦片式相控阵天线的馈电结构及其加工方法，其包括实现微波射频信号传输载体的多层微波板，所述多层微波板上集成了相控阵天线辐射单元和TR组件，所述多层微波板的中部设置有半固化片，所述半固化片上部的微波板为介质基板，实现相控阵天线辐射单元的功能；半固化片下部的微波板为多层板结构，实现TR组件的功能，射频信号使用穿越多层微波板的金属孔实现垂直互连，低频信号使用低频插针实现互连；本申请通过使用一种新的天线馈电结构，避免使用毛纽扣等射频连接器，节省了成本，同时占用空间小。

Description

一种瓦片式相控阵天线的馈电结构及其加工方法

技术领域

本申请涉及相控阵天线领域，具体的说，是涉及一种瓦片式相控阵天线的馈电结构及其加工方法。

背景技术

相控阵天线是由许多天线单元排阵所构成的阵列天线，通过调整各个天线单元的馈电相位实现波束扫描和波束赋形。它具有体积小、质量轻、容易形成多波束，能实现天线波束指向和波束形状快速变化的能力，能实现波束间通信容量的调整等优点，这些优点使其具有多个高速运动目标稳定跟踪的能力；此外，相控阵天线还可在空间实现信号功率的合成，从而获得拥有较大 EIRP（各向同性等效辐射功率），这为增大系统作用距离、提高系统测量精度以及观测包括隐身目标在内的各种低可观测目标提供了技术潜力。由于上述众多优点，使得相控阵天线技术成为近年来雷达，通信系统中发展很快的一项关键技术。

传统的砖块式相控阵的重量大，厚度高，尺寸大等特点，使得其应用推广受到了很大的局限。而新的瓦片式相控阵天线有着重量低、体积小，易于与平台集成共形等特点，同时其设计难度和加工工艺的复杂度也增大了。目前的瓦片式相控阵天线主要采用了倒装芯片、毛钮扣、多层基板实现集成，如文献A Design of X-Band Tile Type Active TransmitReceive Module，然而因为毛纽扣的装配要求高，使用比较局限，不利于大面积生产及返修等，同时因为使用毛纽扣，其成本也相应的会增加，空间占用率大。

现有专利如申请号为201610305652.5，名称为《一种可扩展高集成有源相控阵天线》的发明专利，其公开了：一种可扩展高集成有源相控阵天线，其基本结构包括天线阵面、热控结构、TR组件阵列、二级馈电网络、一级馈电网络、电源模块和波控模块，本发明通过下述方案予以实现：TR组件阵列采用砖块式线阵方式设计，以八通道TR组件作为线阵子阵并按八通道TR组件的整数倍进行扩展；天线阵面、热控结构、二级馈电网络、一级馈电网络、电源模块和波控模块采用瓦片形式堆叠设计；低频柔性连接器集成TR组件的电源供电及开关、移相、衰减等低频控制信号的馈电，实现TR组件与电源、波控模块之间低频馈电的高集成无电缆垂直互联。上述专利采用的是砖块式架构的有源相控阵天线，天线辐射单元与TR组件阵列分开设计，中间通过盲配连接器SMP互联，这与采用使用毛纽扣作为射频连接器的效果几乎一样，成本高，占用尺寸大。

发明内容

针对现有技术上的上述不足，本申请提出适用于瓦片式相控阵天线的馈电技术，成本低，占用空间小，且能保持相控阵天线性能几乎不变。

为实现上述技术效果，本申请技术方案如下：

一种瓦片式相控阵天线的馈电结构，包括实现微波射频信号传输载体的多层微波板，所述多层微波板上集成了相控阵天线辐射单元和TR组件，所述多层微波板的中部设置有半固化片，所述半固化片上部的微波板为介质基板，实现相控阵天线辐射单元的功能；半固化片下部的微波板为多层板结构，实现TR组件的功能，其中多层微波板是从结构定义，TR组件是从功能上定义，射频信号使用穿越多层微波板的金属孔实现垂直互连，低频信号使用低频插针实现互连；

所述金属孔为金属化通孔，相控阵辐射单元和TR组件之间射频信号通过金属化通孔实现垂直互联，金属化通孔直接从多层微波板的表面层贯穿至多层微波板的底部层；

金属孔包括金属信号孔和金属屏蔽孔，所述金属信号孔的周围围绕有一圈所述金属屏蔽孔，所述金属信号孔上部与辐射贴片层相连，所述金属信号孔和金属屏蔽孔均直接从多层微波板的表面层穿越至多层微波板的底部层。

进一步地，所述金属屏蔽孔上部穿过相控阵天线辐射单元的辐射单元地上表面，与辐射贴片层有间距，金属屏蔽孔一般超出辐射单元地23表面0.1~0.3mm,金属屏蔽孔与辐射贴片层的间距范围值为h-0.1mm~h-0.3mm，h为介质基板的厚度；所述金属信号孔的上部穿过相控阵天线辐射单元的辐射单元地上表面，与辐射贴片层接触。

进一步地，所述相控阵天线辐射单元包括介质基板和辐射单元地，所述介质基板的表面设置有辐射贴片层，所述辐射贴片层上设置有馈点，每个相控阵天线辐射单元为单馈点或者多馈点馈电。

进一步地，TR组件包括合封芯片、多层板、TR地和芯片层地，合封芯片通过表面贴装技术焊接在芯片层地上，多层板内部包含有电源电路以及波控电路。

进一步地，相控阵天线辐射单元地与TR组件的地中间间隔了一层用于粘接基片的半固化片。

一种瓦片式相控阵天线的馈电结构的加工方法，包括如下步骤：

第一步，经过内层覆铜板下料；内层图形制作（内层蚀刻）；冲定位孔；内层检验；棕化；层压叠板；层压；铣边等工艺后；对多层板进行钻孔，利用数控钻床选择直径为0.3mm的钻头对表面平整的PCB进行加工以得到MI要求的孔径， 在板面上钻出层与层之间线路连接的导通孔；沉铜，通过化学反应，在已经钻完孔的孔壁上沉积上一层铜，进一步的在化学沉铜的基础上进行电镀铜，增加表面和孔壁的铜厚，达到最终铜厚。实现孔金属化，从而制作金属屏蔽孔。

第二步，在金属屏蔽孔的位置，利用数控钻床选择直径为0.5mm的钻头对表面平整的PCB进行加工以得到MI要求的孔径，选择从介质基板的上表面网下表面方向进行钻孔（背钻），钻孔深度按照设计控制在高于辐射单元地表面0.1~0.3mm, 钻孔完成后会将原来的金属屏蔽孔部分破坏掉，形成空气孔，同时贴片也可能会被破坏。

第三步，将树脂等材料填入第二步造成的空气孔内部，使得空气孔完全被树脂等材料占据，完成塞孔，恢复介质基板外形；然后再使用电镀技术，在被破坏的贴片处沉积上一层铜，进一步的在化学沉铜的基础上进行电镀铜，增加表面的铜厚，达到最终铜厚，实现辐射贴片恢复原样。

本发明的有益效果：

1、 本申请通过使用一种新的天线馈电结构，避免使用毛纽扣等射频连接器，节省了成本，同时占用空间小。实际加工简单，同时又能保持天线辐射单元表面的原貌，保持天线的辐射性能不变。避免多层板出现电磁泄漏和表面波，影响相控阵天线的性能。本发明采用的是瓦片式架构，天线与TR组件式一体化设计，集成在一块多层微波板中，具有占用面积更小，纵向剖面更低，集成度更高的优点。

2、本申请所提出的瓦片相控阵天线采用三维集成的方式将天线辐射单元、TR组件以及功分网络等集成在一块上。天线、TR组件和馈电网络之间省去了连接器，既节省了连接器的费用，也释放了空间，易于大规模集成。

3、本申请的金属屏蔽孔在多层微波板加工完成后使用背钻技术将部分多余的类同轴金属孔钻掉，保持类同轴孔穿越TR模块的芯片层到辐射单元地层。相控阵天线辐射单元会因为背钻使得辐射表面破损，采用塞孔镀平的方式，使得相控阵天线辐射贴片层恢复原貌，从而保持天线性能而不变。

附图说明

图1为本发明所提出的天线馈电示意图

图2为本发明所提出的天线馈电的加工方法示意图。

图3为本发明封装示意图。图3中各数字标号为引脚序号。

附图中：1-多层微波板，2-辐射单元，3-TR组件，4-半固化片，5-金属信号孔，6-金属屏蔽孔，7-合封芯片，21-介质基板，22-辐射贴片层，23-辐射单元地，31-多层板，32-TR地，33-芯片层地。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，一种瓦片式相控阵天线的馈电技术包括多层微波板1，辐射单元2，TR组件3，用于粘接辐射单元2和TR组件3的半固化片4，金属信号孔5，金属屏蔽孔6，合封芯片7。本申请通过使用金属信号孔5作为射频信号孔，代替传统的毛纽扣，节省了成本，也节省了空间。但是通常相控阵天线的地与TR模块的地是分开的，TR层与辐射单元地23层中间间隔了一层半固化片4用于粘接基片，作为传输射频信号的金属孔周围必须有类同轴金属屏蔽孔6，不然会引起信号泄漏，导致电磁干扰和表面波出现。本申请通过使用一种新的天线馈电技术，实现辐射单元2辐射单元地23到芯片层地33的金属屏蔽孔6。如图2所示的演化示意图，该馈电技术加工简单，先钻孔，然后再通过塞孔镀平技术，同时又能保持天线辐射单元2表面的原貌，保持天线的性能不变，同时也使得类同轴屏蔽孔从芯片层地33到辐射单元地23，一直围绕在金属信号孔5周围，杜绝了电磁泄漏和表面波，使得相控阵天线的性能几乎保持不变。

实施例2

如图1所示，一种毫米波瓦片式相控阵天线的馈电技术包括多层微波板1，辐射单元2，TR组件3，用于粘接辐射单元2和TR组件3的半固化片4，金属信号孔5，金属屏蔽孔6，合封芯片7。该多层微波板1有16层金属，8层芯板，总厚度为2.542mm，其中介质基板21的厚度为0.508mm。所有的金属信号孔5和金属屏蔽孔6均采用直径为0.3mm的成品孔径。金属信号孔5的长度为2.542mm，金属屏蔽孔6超出辐射单元2辐射单元地23上表面0.15mm，因此金属屏蔽孔6背钻的深度为0.508-0.15=0.358mm, 金属屏蔽孔6的长度为2.542-0.358=2.184mm。合封芯片7采用GaAs芯片与硅基CMOS多功能芯片合封的技术方案。合封芯片7由1颗硅基通道多功能芯片和4颗GaAs T/R芯片级联混封而成，合封芯片7型号为RWC4101C5D，为四通道芯片，内含移相器的位数为6位，移相器位数为6位，最大可衰减31dB。采用多功能芯片与砷化镓芯片采用平铺的方式进行布局，最终的封装尺寸为8.85mm*4.77mm，图2所示为封装示意图，图3所示为合封完成的实物尺寸图。

实施例3

一种瓦片式相控阵天线的馈电结构，包括实现微波射频信号传输载体的多层微波板1，所述多层微波板1上集成了相控阵天线辐射单元2和TR组件3，所述多层微波板1的中部设置有半固化片4，所述半固化片4上部的微波板为介质基板21，实现相控阵天线辐射单元2的功能；半固化片4下部的微波板为多层板31结构，实现TR组件3的功能，其中多层微波板1是从结构定义，TR组件3是从功能上定义，射频信号使用穿越多层微波板1的金属孔实现垂直互连，低频信号使用低频插针实现互连；

金属孔为金属化通孔，相控阵辐射单元2和TR组件3之间射频信号通过金属化通孔实现垂直互联，金属化通孔直接从多层微波板1的表面层贯穿至多层微波板1的底部层；金属孔包括金属信号孔5和金属屏蔽孔6，所述金属信号孔5的周围围绕有一圈所述金属屏蔽孔6，所述金属信号孔5上部与辐射贴片层22相连，所述金属信号孔5和金属屏蔽孔6均直接从多层微波板1的表面层穿越至多层微波板1的底部层。

金属屏蔽孔6上部穿过相控阵天线辐射单元2的辐射单元地23上表面，与辐射贴片层22有间距，金属屏蔽孔6一般超出辐射单元地2323表面0.1~0.3mm,，金属屏蔽孔6与辐射贴片层22的间距范围值h-0.1mm~h-0.3mm，h为介质基板21的厚度；所述金属信号孔5的上部穿过相控阵天线辐射单元2的辐射单元地23上表面，与辐射贴片层22接触。

相控阵天线辐射单元2包括介质基板21和辐射单元地23，所述介质基板21的表面设置有辐射贴片层22，所述辐射贴片层22上设置有馈点，每个相控阵天线辐射单元2为单馈点或者多馈点馈电。

TR组件3包括合封芯片7、多层板31、TR地32和芯片层地33，合封芯片7通过表面贴装技术焊接在芯片层地33上，多层板31内部包含有电源电路以及波控电路。

相控阵天线辐射单元地23与TR组件3的地中间间隔了一层用于粘接基片的半固化片4。

实施例4

一种瓦片式相控阵天线的馈电结构的加工方法，包括如下步骤：

第一步，经过内层覆铜板下料；内层图形制作（内层蚀刻）；冲定位孔；内层检验；棕化；层压叠板；层压；铣边等工艺后；对多层板31进行钻孔，利用数控钻床选择直径为0.3mm的钻头对表面平整的PCB进行加工以得到MI要求的孔径， 在板面上钻出层与层之间线路连接的导通孔；沉铜，通过化学反应，在已经钻完孔的孔壁上沉积上一层铜，进一步的在化学沉铜的基础上进行电镀铜，增加表面和孔壁的铜厚，达到最终铜厚。实现孔金属化，从而制作金属屏蔽孔6。

第二步，在金属屏蔽孔6的位置，利用数控钻床选择直径为0.5mm的钻头对表面平整的PCB进行加工以得到MI要求的孔径，选择从介质基板21的上表面网下表面方向进行钻孔（背钻），钻孔深度按照设计控制在高于辐射单元地23表面0.1~0.3mm, 钻孔完成后会将原来的金属屏蔽孔6部分破坏掉，形成空气孔，同时贴片也可能会被破坏。

第三步，将树脂等材料填入第二步造成的空气孔内部，使得空气孔完全被树脂等材料占据，完成塞孔，恢复介质基板21外形；然后再使用电镀技术，在被破坏的贴片处沉积上一层铜，进一步的在化学沉铜的基础上进行电镀铜，增加表面的铜厚，达到最终铜厚，实现辐射贴片22恢复原样。

实施例5

一种瓦片式相控阵天线的馈电结构，包括实现微波射频信号传输载体的多层微波板1，所述多层微波板1上集成了相控阵天线辐射单元2和TR组件3，所述多层微波板1的中部设置有半固化片4，所述半固化片4上部的微波板为介质基板21，实现相控阵天线辐射单元2的功能；半固化片4下部的微波板为多层板31结构，实现TR组件3的功能，其中多层微波板1是从结构定义，TR组件3是从功能上定义，射频信号使用穿越多层微波板1的金属孔实现垂直互连，低频信号使用低频插针实现互连；

金属孔为金属化通孔，相控阵辐射单元2和TR组件3之间射频信号通过金属化通孔实现垂直互联，金属化通孔直接从多层微波板1的表面层贯穿至多层微波板1的底部层；金属孔包括金属信号孔5和金属屏蔽孔6，所述金属信号孔5的周围围绕有一圈所述金属屏蔽孔6，所述金属信号孔5上部与辐射贴片层22相连，所述金属信号孔5和金属屏蔽孔6均直接从多层微波板1的表面层穿越至多层微波板1的底部层。

金属屏蔽孔6上部穿过相控阵天线辐射单元2的辐射单元地23上表面，与辐射贴片层22有间距，金属屏蔽孔6一般超出辐射单元地2323表面0.1~0.3mm,，金属屏蔽孔6与辐射贴片层22的间距范围值为h-0.1mm~h-0.3mm，h为介质基板21的厚度；所述金属信号孔5的上部穿过相控阵天线辐射单元2的辐射单元地23上表面，与辐射贴片层22接触。

相控阵天线辐射单元2包括介质基板21和辐射单元地23，所述介质基板21的表面设置有辐射贴片层22，所述辐射贴片层22上设置有馈点，每个相控阵天线辐射单元2为单馈点或者多馈点馈电。

TR组件3包括合封芯片7、多层板31、TR地32和芯片层地33，合封芯片7通过表面贴装技术焊接在芯片层地33上，多层板31内部包含有电源电路以及波控电路。

相控阵天线辐射单元地23与TR组件3的地中间间隔了一层用于粘接基片的半固化片4。

其加工方法，包括如下步骤：

第一步，经过内层覆铜板下料；内层图形制作（内层蚀刻）；冲定位孔；内层检验；棕化；层压叠板；层压；铣边等工艺后；对多层板31进行钻孔，利用数控钻床选择直径为0.3mm的钻头对表面平整的PCB进行加工以得到MI要求的孔径， 在板面上钻出层与层之间线路连接的导通孔；沉铜，通过化学反应，在已经钻完孔的孔壁上沉积上一层铜，进一步的在化学沉铜的基础上进行电镀铜，增加表面和孔壁的铜厚，达到最终铜厚。实现孔金属化，从而制作金属屏蔽孔6。

第二步，在金属屏蔽孔6的位置，利用数控钻床选择直径为0.5mm的钻头对表面平整的PCB进行加工以得到MI要求的孔径，选择从介质基板21的上表面网下表面方向进行钻孔（背钻），钻孔深度按照设计控制在高于辐射单元地23表面0.1~0.3mm, 钻孔完成后会将原来的金属屏蔽孔6部分破坏掉，形成空气孔，同时贴片也可能会被破坏。

第三步，将树脂等材料填入第二步造成的空气孔内部，使得空气孔完全被树脂等材料占据，完成塞孔，恢复介质基板21外形；然后再使用电镀技术，在被破坏的贴片处沉积上一层铜，进一步的在化学沉铜的基础上进行电镀铜，增加表面的铜厚，达到最终铜厚，实现辐射贴片22恢复原样。

Claims (8)

1.一种瓦片式相控阵天线的馈电结构，其特征在于：包括实现微波射频信号传输载体的多层微波板（1），所述多层微波板（1）上集成了相控阵天线辐射单元（2）和TR组件（3），所述多层微波板（1）的中部设置有半固化片（4），所述半固化片（4）上部的微波板为介质基板（21），半固化片（4）与介质基板（21）之间为辐射单元地（23），实现相控阵天线辐射单元（2）的功能；半固化片（4）下部的微波板为多层板（31）结构，实现TR组件（3）的功能，射频信号使用穿越多层微波板（1）的金属孔实现垂直互连，低频信号使用低频插针实现互连；

所述金属孔为金属化通孔，相控阵辐射单元（2）和TR组件（3）之间射频信号通过金属化通孔实现垂直互联，金属化通孔直接从多层微波板（1）的表面层贯穿至多层微波板（1）的底部层；

金属孔包括金属信号孔（5）和金属屏蔽孔（6），所述金属信号孔（5）的周围围绕有一圈所述金属屏蔽孔（6），所述金属信号孔（5）上部与辐射贴片层（22）相连，所述金属信号孔（5）和金属屏蔽孔（6）均直接从多层微波板（1）的表面层穿越至多层微波板（1）的底部层，金属屏蔽孔（6）与辐射贴片层（22）有间距。

2.根据权利要求1所述的一种瓦片式相控阵天线的馈电结构，其特征在于：所述金属屏蔽孔（6）上部穿过相控阵天线辐射单元（2）的辐射单元地（23）上表面，与辐射贴片层（22）有间距，金属屏蔽孔（6）超出辐射单元地（23）表面0.1~0.3mm，金属屏蔽孔（6）与辐射贴片层（22）的间距范围值为h-0.1mm~h-0.3mm，h为介质基板（21）的厚度；所述金属信号孔（5）的上部穿过相控阵天线辐射单元（2）的辐射单元地（23）上表面，与辐射贴片层（22）接触。

3.根据权利要求1所述的一种瓦片式相控阵天线的馈电结构，其特征在于：所述相控阵天线辐射单元（2）包括介质基板（21）和辐射单元地（23），所述介质基板（21）的表面设置有辐射贴片层（22），所述辐射贴片层（22）上设置有馈点，每个相控阵天线辐射单元（2）为单馈点或者多馈点馈电。

4.根据权利要求1所述的一种瓦片式相控阵天线的馈电结构，其特征在于：TR组件（3）包括合封芯片（7）、多层板（31）、TR地（32）和芯片层地（33），合封芯片（7）通过表面贴装技术焊接在芯片层地（33）上，多层板（31）内部包含有电源电路以及波控电路。

5.根据权利要求1所述的一种瓦片式相控阵天线的馈电结构，其特征在于：相控阵天线辐射单元地（23）与TR组件（3）的地中间间隔了一层用于粘接基片的半固化片（4）。

6.一种瓦片式相控阵天线的馈电结构加工方法，其特征在于：包括如下步骤：

第一步，经过内层覆铜板下料、内层图形制作、冲定位孔、内层检验、棕化、层压叠板、层压和铣边工艺后，对多层板（31）进行钻孔，利用数控钻床对表面平整的PCB进行加工以得到MI要求的孔径，在板面上钻出层与层之间线路连接的导通孔；然后沉铜，通过化学反应，在已经钻完孔的孔壁上沉积上一层铜，实现孔金属化，从而制作金属屏蔽孔（6）；

第二步，在金属屏蔽孔（6）的位置，利用数控钻床对表面平整的PCB进行加工以得到MI要求的孔径，选择从介质基板（21）的上表面网下表面方向进行钻孔，钻孔深度按照设计控制在高于辐射单元地（23）表面0.1~0.3mm，钻孔完成后会将原来的金属屏蔽孔（6）部分破坏掉，形成空气孔；

第三步，将树脂填入第二步造成的空气孔内部，使得空气孔完全被树脂材料占据，完成塞孔，恢复介质基板（21）外形；然后再使用电镀技术，在被破坏的贴片处沉积上一层铜，实现辐射贴片恢复原样。

7.根据权利要求6所述的一种瓦片式相控阵天线的馈电结构加工方法，其特征在于：第一步中在化学沉铜的基础上进行电镀铜，增加表面和孔壁的铜厚，达到最终铜厚。

8.根据权利要求6所述的一种瓦片式相控阵天线的馈电结构加工方法，其特征在于：第三步中在化学沉铜的基础上进行电镀铜，增加表面的铜厚，达到最终铜厚。

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