CN112271448B - 一种瓦片式分层架构的相控阵天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种瓦片式分层架构的相控阵天线。该天线采用采用瓦片式分层结构，将多个通道相同功能的芯片或电路集成在数个平行放置的结构层上(相对于阵面，芯片是平铺结构)，然后垂直互联。瓦片式相控阵从上至下分依次为射频与辐射层、热控层、馈网层、控制与配电层、结构层。各层之间依据具体的互联需求(例如微波信号互联、控制信号互联、热控互联)选用最适合的垂直连接方式。瓦片式分层架构的相控阵天线可以充分利用天线孔径、大幅度减小天线纵向高度，因而更易于实现轻薄化、低剖面和高密度集成。

Description

一种瓦片式分层架构的相控阵天线

技术领域

本发明涉及一种瓦片式架构的相控阵天线，属于相控阵天线、相控阵雷达技术领域。

背景技术

相控阵天线在雷达、通信等领域有着广阔的应用前景。一方面，相控阵天线可以极大提高雷达、通信系统的灵活性与多任务能力；另一方面，雷达、通信等系统平台对相控阵天线轻薄化、低剖面的要求越来越高。因而有必要探索相控阵天线的瓦片式架构方案，以实现更加紧凑化、轻薄化的天线结构。

相控阵天线阵面采用阵列结构，通过改变各阵元的移相和衰减量来实现波束控制。不同于机械扫描天线的物理转动，相控阵天线仅需通过电信号控制即可实现波束捷变扫描。相控阵天线在组成上包括辐射单元、T/R模块、馈电网络、控制单元、供配电单元、热控件、结构件等。

目前的相控阵天线大多采用的是砖块式结构，纵向尺寸集成、横向组装，元器件装配方向垂直于天线孔径平面(相对于阵面，芯片是立式结构)，通常难以实现轻薄化，并且集成密度较低，难以适用于对轻薄化和低剖面有严格要求的场景。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种瓦片式架构的相控阵天线，采用采用瓦片式分层结构，将多个通道相同功能的芯片或电路集成在数个平行放置的结构层上(相对于阵面，芯片是平铺结构)，然后垂直互联。该方案可以充分利用天线孔径、大幅度减小纵向高度，因而更易于实现轻薄化、低剖面和高密度集成。

本发明的技术解决方案是：

一种瓦片式架构的相控阵天线，该相控阵天线采用瓦片式分层架构，从上至下依次为射频辐射层、热控层、馈网层、控制配电层、结构层；

射频辐射层：在平面内包括若干相同天线子阵，每个子阵包括从上至下分布的辐射阵面亚层、有源射频亚层、子阵馈网亚层、控制与供电分配亚层；

辐射阵面亚层为块状结构，每一个辐射阵面亚层中含有若干个阵元；有源射频亚层中包含着子阵阵元对应的衰减电路、移相电路、延时电路和功率放大放电路；子阵馈网亚层包含子阵馈电网络；控制与供电分配亚层在子阵内集成移相衰减控制功能和电源分配功能；

热控层用于对射频辐射层进行热控；馈网层将所有子阵的射频接口连接起来，形成整阵馈电网络；控制配电层用于相控阵控制和电源分配，对所有子阵进行控制和供电连接；结构层包含结构底板和结构套框，将相控阵天线的其他组成部分安装在结构底板和结构套框形成的空腔内。

进一步的，在射频辐射层内，辐射阵面亚层与有源射频亚层之间采用微波焊接方式实现互连；有源射频亚层与子阵馈网亚层之间采用带状线垂直过孔方式实现互连；有源射频亚层与控制与供电分配亚层之间采用LTCC或PCB过孔方式实现互连。

进一步的，热控层上留有穿孔，用于射频辐射层与馈网层之间以及射频辐射层与控制配电层之间的穿层连接。

进一步的，馈网层上留有穿孔，用于射频辐射层与控制配电层之间的穿层连接。

进一步的，射频辐射层与馈网层之间采用miniSMP的连接方式，穿过热控层上设置的穿孔实现。

进一步的，射频辐射层与控制配电层之间的互连采用排针的方式连接，穿过热控层和馈网层上设置的穿孔实现。

进一步的，热控层与射频辐射层下表面通过导热硅脂贴合连接。

进一步的，控制配电层上按需集成专用模块以实现对应功能，包括：多波位方向图并行测试模块、波束跟踪模块或者幅相校正模块。

进一步的，所述热控层采用层状薄膜材料。

进一步的，热控层优选采用金刚石薄膜。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)不同于目前大多数相控阵天线的砖块式结构——纵向尺寸集成、横向组装，元器件装配方向垂直于天线孔径平面(相对于阵面，芯片是立式结构)，本发明所提出的瓦片式相控阵天线采用分层架构，即将多个通道相同功能的芯片或电路集成在数个平行放置的结构层上(相对于阵面，芯片是平铺结构)，然后再进行层间垂直互联。该方案可以充分利用天线孔径、大幅度减小纵向高度，因而更易于实现轻薄化、低剖面和高密度集成。

(2)本发明采用瓦片式的分层架构设计，将相控阵从上至下分依次为射频辐射层、热控层、馈网层、控制配电层、结构层(结构套框、结构底板)，分层逻辑清晰，层级功能分配合理，层内集成与层间互连方式可行；

(3)本发明在馈电网络的实现方面，采用分层降维的方式，即在有源射频层实现子阵中各阵元之间的馈网连接，在馈网层实现各子阵之间的馈网连接；

(4)本发明充分考虑不同分层之间的具体互连要求，优选出了瓦片式各分层之间垂直互连的合理方式和适用工艺，例如辐射层与有源射频层集成为一层，有源射频层与馈网层之间穿过热控层进行连接；

(5)本发明采用金刚石薄膜热控材料进行热控实施，既能实现高效率散热，又能满足瓦片式的层状架构要求。

附图说明

图1为本发明瓦片式相控阵封装效果图；

图2为本发明瓦片式相控阵分层架构示意图；

图3为本发明瓦片式相控阵天线剖面示意图。

具体实施方式

相控阵天线在雷达、通信等领域有着广阔的应用前景。一方面，多种承载平台对相控阵天线轻薄化、低剖面的要求越来越高；另一方面，多种应用场景对相控阵天线的波束数量、功能类型的要求越来越丰富，这需求高密度集成架构方案，以实现在有限的体积内集成更多的功能。然而，传统的相控阵天线采用砖块式结构，纵向尺寸集成、横向组装(相对于阵面，芯片是立式结构)，难以实现轻薄化和低剖面，并且集成密度较低。

为解决上述的问题，本发明提供了分层架构的瓦片式相控阵天线实现方案，该方案给出了明确的分层逻辑和层间互联方法。即将多个通道相同功能的芯片或电路集成在数个平行放置的结构层上(相对于阵面，各功能模块通过分层，实现平铺结构，而非站立结构)，然后再进行层间垂直互联，并依据具体的互联需求(例如微波信号互联、控制信号互联、热控互联)选用最适合的垂直连接方式。该方案可以充分利用天线孔径，大幅度减小纵向高度，更易于实现相控阵的轻薄化、低剖面和高密度集成。

在封装结构上，本发明提出的瓦片式架构的相控阵天线采用瓦片式分层架构，以实现低剖面。瓦片式相控阵的封装效果图如图1所示，分层架构如图2所示，分层架构与垂直互连方式如图3所示。该瓦片式架构的相控阵天线从上至下依次为射频辐射层、热控层、馈网层、控制配电层、结构层。

各分层的功能与实现方案：

射频辐射层：在平面内包括若干相同天线子阵，每个子阵包括从上至下分布的辐射阵面亚层、有源射频亚层、子阵馈网亚层、控制与供电分配亚层；

辐射阵面亚层为块状结构，每一个辐射阵面亚层中含有若干个阵元(例如8*8个阵元)；有源射频亚层中包含着子阵阵元对应的衰减电路、移相电路、延时电路和功率放大放电路；子阵馈网亚层包含子阵馈电网络；控制与供电分配亚层在子阵内集成移相衰减控制功能和电源分配功能；

热控层：采用层状薄膜材料(例如金刚石薄膜)，与射频辐射层下表面通过导热硅脂贴合连接，用于对射频辐射层进行热控；同时热控层留有穿孔，以方便射频辐射层与馈网层、射频辐射层与控制配电层的穿层连接；

馈网层：子阵内的馈电网络已经在射频辐射层中集成，馈网层的作用是将所有子阵的射频接口连接起来，形成整阵馈电网络；同时馈网层留有穿孔，以方便射频辐射层与控制配电层的穿层连接；

控制配电层：集成相控阵控制器功能、电源分配功能，用于相控阵控制和电源分配，对所有子阵进行控制和供电连接；同时，在控制配电层中，可以按需集成专用模块，以实现诸如多波位方向图并行测试、波束跟踪、幅相校正等功能；专用模块包括：多波位方向图并行测试模块、波束跟踪模块或者幅相校正模块。

结构层：包含结构底板和结构套框，将相控阵天线的其他组成部分安装在结构底板和结构套框形成的空腔内。

各分层之间的垂直互连方式：

在射频辐射层内，辐射阵面亚层与有源射频亚层的互连方式采用微波焊接，该方式一方面可以实现微波信号的低损耗传输，另一方面可以实现结构上的紧密集成；

在射频辐射层内，有源射频亚层与子阵馈网亚层采用带状线垂直过孔的方式实现互连，该方式用于多层馈电网络的结构中，可靠性高，并且便于两个亚层之间的贴合集成；

在射频辐射层内，有源射频亚层与控制与供电分配亚层采用LTCC或PCB过孔方式实现互连，该方式用于TR模块的微组装封装中，便于集成；

射频辐射层与馈网层之间的互连需要考虑到毫米波信号的低损耗传输，可供选择的连接方式有毛纽扣、SMP/miniSMP、BGA等，考虑到各连接方式的技术成熟度，以及此处的垂直互联需要穿过热控层的现实状况，本发明选用miniSMP的连接方式；

射频辐射层与控制配电层之间的互连属于电源信号及数字信号的垂直传输，由于没有频响特性，仅考虑其物理连接即可，考虑到此处的互联需要穿过热控层和馈网层，选用排针的连接方式；

射频辐射层与热控层之间的互连需要满足高导热和低热阻的需求，选用基于导热硅脂的贴合连接工艺。

给出本发明实施例：

一部基于瓦片式分层架构的Ka频段相控阵天线，集成了8个波束通道，8个波束共用阵面，阵面由56个8*8的二维子阵组成，天线口径为0.59m×0.59m，天线纵向高度仅为80mm。而传统的砖块式结构的同等规模、同等指标的相控阵天线的纵向高度约为200mm～400mm。由此可见，瓦片式分层架构相控阵天线可以大幅度减小纵向高度，更易于实现轻薄化、低剖面和高密度集成。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (4)

1.一种瓦片式架构的相控阵天线，其特征在于：该相控阵天线采用瓦片式分层架构，从上至下依次为射频辐射层、热控层、馈网层、控制配电层、结构层；

射频辐射层：在平面内包括若干相同天线子阵，每个子阵包括从上至下分布的辐射阵面亚层、有源射频亚层、子阵馈网亚层、控制与供电分配亚层；

辐射阵面亚层为块状结构，每一个辐射阵面亚层中含有若干个阵元；有源射频亚层中包含着子阵阵元对应的衰减电路、移相电路、延时电路和功率放大放电路；子阵馈网亚层包含子阵馈电网络；控制与供电分配亚层在子阵内集成移相衰减控制功能和电源分配功能；

热控层用于对射频辐射层进行热控；馈网层将所有子阵的射频接口连接起来，形成整阵馈电网络；控制配电层用于相控阵控制和电源分配，对所有子阵进行控制和供电连接；结构层包含结构底板和结构套框，将相控阵天线的其他组成部分安装在结构底板和结构套框形成的空腔内；

在馈电网络的实现方面，采用分层降维的方式，即在有源射频层实现子阵中各阵元之间的馈网连接，在馈网层实现各子阵之间的馈网连接；

在射频辐射层内，辐射阵面亚层与有源射频亚层之间采用微波焊接方式实现互连；有源射频亚层与子阵馈网亚层之间采用带状线垂直过孔方式实现互连；有源射频亚层与控制与供电分配亚层之间采用LTCC或PCB过孔方式实现互连；

热控层上留有穿孔，用于射频辐射层与馈网层之间以及射频辐射层与控制配电层之间的穿层连接；

馈网层上留有穿孔，用于射频辐射层与控制配电层之间的穿层连接；

射频辐射层与馈网层之间采用miniSMP的连接方式，穿过热控层上设置的穿孔实现；

射频辐射层与控制配电层之间的互连采用排针的方式连接，穿过热控层和馈网层上设置的穿孔实现；

热控层与射频辐射层下表面通过导热硅脂贴合连接。

2.根据权利要求1所述的一种瓦片式架构的相控阵天线，其特征在于：控制配电层上按需集成专用模块以实现对应功能，包括：多波位方向图并行测试模块、波束跟踪模块或者幅相校正模块。

3.根据权利要求1所述的一种瓦片式架构的相控阵天线，其特征在于：所述热控层采用层状薄膜材料。

4.根据权利要求3所述的一种瓦片式架构的相控阵天线，其特征在于：热控层采用金刚石薄膜。

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