CN113300724B - 一种开关矩阵多波束组件及开关矩阵多波束扩展式组件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种开关矩阵多波束组件，第1,2,…,N超微型推入式连接器射频输入接头的输出波束分别与第1,2,…,N个一分M功分器模块的输入端相连，一分M功分器模块将接收的波束划分成M路子通道，得到M路波束信号；一分M功分器模块的M路波束信号分别输入至M个单刀N掷开关中每个单刀N掷开关的任意一掷，单刀N掷开关分别与多路数字译码器相连，通过多路数字译码器控制单刀N掷开关的开通与闭合；每个单刀N掷开关分别连接一个低噪声放大器，单刀N掷开关选通的任意一路波束信号经低噪声放大器放大后得到接收波束，最终得到M个独立可控的接收波束。本发明采用点对多控制方式，使得一个接收波束可以切换成任意一个输入波束，进而得到多路独立的接收波束。

Description

一种开关矩阵多波束组件及开关矩阵多波束扩展式组件

技术领域

本发明属于射频技术领域，特别涉及一种开关矩阵多波束组件及开关矩阵多波束扩展式组件。

背景技术

多波束相控阵雷达是指采用多波束相控阵天线的雷达，采用的相控阵天线由多个天线单元构成，可以形成多个独立的发射或者接收波束，其优越的多波束形成能力有助于提高雷达探测性能、雷达数据率、雷达抗干扰能力和生存能力，并在现代通信技术、电子战、信息战和无线电导航等领域都发挥着巨大的作用。其多波束形成常采用微波开关矩阵的方式实现，对多路输入可以根据需要实现多种组合的多路输出，以此可以同时接收不同频率和相位的信号。

现有微波开关矩阵集成度不高、系统复杂冗余且体积庞大，限制了开关矩阵的应用范围。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种采用点对多控制方式，即多个功分器模块将输入波束分成多路子通道，再采用单刀多路开关选通每个功分器中的一路子通道，并通过控制单刀多路开关，使得一个接收波束可以切换成任意一个输入波束，进而得到多路独立的接收波束的开关矩阵多波束组件，并提供一种开关矩阵多波束扩展式组件。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种开关矩阵多波束组件，包括由上至下依次设置的带有N个超微型推入式连接器射频输入接头的上盖板、含瓦片式开关矩阵电路的HTCC基板、带有M个超微型推入式连接器射频输出接头的下盖板；

所述含瓦片式开关矩阵电路的HTCC基板包括位于顶层的N个一分M功分器模块，位于底层的M个单刀N掷开关、M个低噪声放大器、一个多路数字译码器和两排控制信号探针，以及位于顶层与底层之间的多层结构射频互连层；

第1,2,…,N超微型推入式连接器射频输入接头的输出波束分别与第1,2,…,N个一分M功分器模块的输入端相连，一分M功分器模块将接收的波束划分成M路子通道，得到M路波束信号；一分M功分器模块的M路波束信号分别输入至M个单刀N掷开关中每个单刀N掷开关的任意一掷，单刀N掷开关分别与多路数字译码器相连，通过多路数字译码器控制单刀N掷开关的开通与闭合；每个单刀N掷开关分别连接一个低噪声放大器，单刀N掷开关选通的任意一路波束信号经低噪声放大器放大后得到接收波束，最终得到M个独立可控的接收波束，每个接收波束分别输入超微型推入式连接器射频输出接头。

进一步地，所述下盖板的两侧分别设置有两个矩形窗口，用于引出控制信号探针；所述控制信号探针用于引出电源信号和波控信号，所述波控信号用于控制多路数字译码器的IO端口，进而通过多路数字译码器控制单刀N掷开关进行波束选择。

进一步地，所述射频互连层中的射频走线具有垂直互连结构，所述垂直互连结构包括依次连接的微带线、第一带状线、类同轴和第二带状线，并在微带线、第一带状线、类同轴和第二带状线的周围打有隔离孔阵。

进一步地，所述类同轴具有多个错位层，错位层之间通过带状线连接。

进一步地，所述类同轴上设有圆形金属片，用于调节类同轴的特征阻抗。

进一步地，所述含瓦片式开关矩阵电路的HTCC基板上设置有多个彼此独立的金属化隔离腔，一分M功分器模块、单刀N掷开关、低噪声放大器和多路数字译码器分别设置在金属化隔离腔内。

本发明还提供一种开关矩阵多波束扩展式组件，包括由上至下依次设置的带有P个SMPM射频输入接头的上盖板、含P个一分二功分器的HTCC基板、带有毛纽扣的铜钼铜上基板、含瓦片式开关矩阵电路的HTCC基板阵列、带有毛纽扣的铜钼铜下基板、含有Q个单刀双掷开关的HTCC基板、带有Q个SMPM射频输出接头的下盖板；

所述含瓦片式开关矩阵电路的HTCC基板阵列由多个含瓦片式开关矩阵电路的HTCC基板组成，每个HTCC基板包括位于顶层的N个一分M功分器模块，位于底层的M个单刀N掷开关、M个第一低噪声放大器和一个第二多路数字译码器，以及位于顶层与底层之间的多层结构射频互连层；含瓦片式开关矩阵电路的HTCC基板阵列的输入信号数量为2P，输出信号数量为Q；

第1,2,…,P个输入波束经SMPM射频输入接头输入至第1,2,…,P个一分二功分器，P个一分二功分器将P个输入波束划分成2P个波束信号；2P个波束信号分别通过铜钼铜上基板的毛纽扣输入含瓦片式开关矩阵电路的HTCC基板阵列的一分M功分器模块，瓦片式开关矩阵电路的HTCC基板阵列的输出波束分别通过铜钼铜下基板的毛纽扣输入Q个单刀多掷开关，然后通过第一多路数字译码器控制Q个单刀多掷开关的开通与闭合，使得每个单刀多掷开关均能选通任意一个输入波束，最终得到Q个独立可控的接收波束。

本发明的有益效果是：

1、本发明采用点对多控制方式，即多个功分器模块将输入波束分成多路子通道，再采用单刀多路开关选通每个功分器中的一路子通道，并通过控制单刀多路开关，使得一个接收波束可以切换成任意一个输入波束，进而得到多路独立的接收波束；相对于传统点对点的一个输入波束只能输出到一个输出波束；本发明采用点对多的方式，一个输入波束可以同时输出到任意的输出波束，可以增加输出波束的组合形式；

2、本发明采用HTCC封装工艺进行分层布板，直接对裸芯片引线键合，可以极大地减小系统尺寸和互连损耗，相较于目前常用于复杂电路布板的罗杰斯介质及5880工艺，在相同的性能下，HTCC基板的温度更低、尺寸更小，进而极大的提高了组件的稳定性和集成度；

3、本发明采用多路数字译码器对M个单刀N掷开关进行控制，极大的减少了开关控制信号的数目，减少了外部接口数目，便于实现的组件的小型化、高集成度；

4、本发明优化了开关矩阵电路结构，使得设计和制造大大简化，减小系统复杂性，提高了系统可靠性。

附图说明

图1为本发明实施例1的基于HTCC的8×8瓦片式开关矩阵多波束组件的结构图；

图2为本发明实施例1的基于HTCC的8×8瓦片式开关矩阵多波束组件的工作流程图；

图3为本发明实施例1的基于HTCC的8×8瓦片式开关矩阵多波束组件的单刀8掷开关的结构图；

图4为本发明实施例1的基于HTCC的8×8瓦片式开关矩阵多波束组件的一分8功分器的结构图；

图5为本发明实施例1的基于HTCC的8×8瓦片式开关矩阵多波束组件中射频走线的垂直互连结构图；

图6为本发明实施例2的基于HTCC的2×4瓦片式开关矩阵多波束组件的工作流程图；

图7为本发明实施例3的基于HTCC的16×16瓦片式开关矩阵多波束扩展式组件的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种8×8瓦片式开关矩阵多波束组件(瓦片式是指芯片按功能划分在基板上横向堆叠，纵向组装，即一层一个功能区)，包括由上至下依次设置的带有8个超微型推入式连接器(Sub-Miniature Push-on Micro，SMPM)射频输入接头的上盖板、含8×8瓦片式开关矩阵电路的HTCC(High-temperature co-fired ceramics，高温共烧陶瓷)基板、带有8个超微型推入式连接器射频输出接头的下盖板；

所述含瓦片式开关矩阵电路的HTCC基板包括位于顶层的8个一分8功分器模块，位于底层的8个单刀8掷开关、8个低噪声放大器、一个多路数字译码器和两排控制信号探针，以及位于顶层与底层之间的多层结构射频互连层，所述多层结构射频互连层通过多层射频走线实现波束信号传输；

本实施例的8×8瓦片式开关矩阵多波束组件的工作原理如图2所示：第1,2,…,8超微型推入式连接器射频输入接头的输出波束分别与第1,2,…,8个一分8功分器模块的输入端相连，一分8功分器模块将接收的波束划分成8路子通道，得到8路波束信号；一分8功分器模块的8路波束信号分别输入至8个单刀8掷开关中每个单刀8掷开关的任意一掷，单刀8掷开关分别与多路数字译码器相连，通过多路数字译码器控制单刀8掷开关的开通与闭合；每个单刀8掷开关分别连接一个低噪声放大器，单刀8掷开关选通的任意一路波束信号经低噪声放大器放大后得到接收波束，最终得到8个独立可控的接收波束，每个接收波束分别输入超微型推入式连接器射频输出接头。所述SMPM射频输入接头用于输入波束的输入，SMPM射频输出接头用于接收波束的输出。

本实施例所述的单刀8掷开关的结构如图3所示，由一个单刀双掷开关、两个单刀四掷开关和八个单刀单掷开关组成，单刀四掷开关和单刀单掷开关在单刀双掷开关的两侧呈对称分布，彼此之间通过微带线-带状线-微带线的结构连接，微带线与带状线的特征阻抗都为50Ω；采用单刀单掷开关的目的是为了增加系统的隔离度，提高组件的驻波系数，防止开关支路之间形成信号串扰，保证组件的可行性和可靠性。

本实施例所述的一分8功分器模块的结构如图4所示，由一个一分4功分器、4个低噪声放大器和4个一分2功分器构成，低噪声放大器和一分2功分器在一分4功分器的两侧呈对称分布，彼此之间通过微带线-带状线-微带线的结构连接，微带线与带状线的特征阻抗都为50Ω；输入波束先经一分4功分器分为4路，再分别经低噪声放大器放大后，由4个一分2功分器分为8路波束信号。

所述下盖板的两侧分别设置有两个矩形窗口，用于引出控制信号探针；所述控制信号探针用于引出电源信号和波控信号，所述波控信号用于控制多路数字译码器的IO端口，进而通过多路数字译码器控制单刀N掷开关进行波束选择。

所述射频互连层中的射频走线具有垂直互连结构(垂直互连是指基板正面开关芯片到背面功分器的互连)，如图5所示，所述垂直互连结构包括依次连接的微带线、第一带状线、类同轴和第二带状线，微带线、第一带状线和第二带状线分别位于基板的正反两面，类同轴竖向穿过基板；并在微带线、第一带状线、类同轴和第二带状线的周围打有隔离孔阵，以隔离信号，防止信号泄露。

所述类同轴具有多个错位层，错位层之间通过带状线连接，以减少由金属通孔工艺导致的组件阵面不平整，提高了组件的稳定性；类同轴上增设圆形金属片(图中的Paid)，用于调节类同轴的特征阻抗，以改善结构的电磁性能。

所述含瓦片式开关矩阵电路的HTCC基板上设置有多个彼此独立的金属化隔离腔，一分M功分器模块、单刀N掷开关、低噪声放大器和多路数字译码器分别设置在金属化隔离腔内，一个射频器件一个腔，能够增加芯片间隔离，避免信号串扰。

HTCC基板是一种多层板技术，可以实现高密度布局布线，将开关矩阵所涉及的芯片采用裸芯片的形式直接键合在基板上，实现系统级封装SIP一体化集成，减小系统尺寸和插入损耗。

实施例2

本实施例提供了一种基于HTCC的2×4瓦片式开关矩阵多波束组件，包括由上至下依次设置的带有2个SMPM射频输入接头的上盖板、含2×4瓦片式开关矩阵电路的HTCC基板、带有4个SMPM射频输出接头的下盖板；所述含2×4瓦片式开关矩阵电路的HTCC基板采用HTCC封装工艺进行分层布板，包括位于顶层的2个一分4功分器模块，位于底层的4个单刀双掷开关、4个第一低噪声放大器、一个多路数字译码器和两排控制信号探针，以及位于顶层与底层之间的多层结构射频互连层；所述多层结构射频互连层通过多层射频走线实现波束信号传输。

本实施例所得基于HTCC的2×4瓦片式开关矩阵多波束组件的工作流程图如图6所示，第1,2个输入波束分别对应输入至第1,2个一分4功分器模块，一分4功分器模块将接收的输入波束划分成4路子通道，得到4路波束信号，2个一分4功分器模块共得到2×4路波束信号；第一个一分4功分器模块的4路波束信号通过射频互连层中的射频走线分别输入至4个单刀双掷开关的第一掷，第二个一分4功分器模块的4路波束信号通过射频互连层中的射频走线分别输入至4个单刀双掷开关的第二掷；然后通过多路数字译码器控制单刀双掷开关的开通与闭合，单刀双掷开关选通的任意一路波束信号经第一低噪声放大器放大后得到接收波束，最终得到4个独立可控的接收波束；

本实施例所述单刀双掷开关由一个单刀双掷开关、两个单刀单掷开关组成，单刀单掷开关在单刀双掷开关的两侧呈对称分布，彼此之间通过微带线-带状线-微带线的结构连接，微带线与带状线的特征阻抗都为50Ω；采用单刀单掷开关的目的是为了增加系统的隔离度，提高组件的驻波系数，防止开关支路之间形成信号串扰，保证组件的可行性和可靠性。

本实施例所述的一分4功分器模块由一个一分4功分器、4个第二低噪声放大器构成，第二低噪声放大器在一分4功分器的两侧呈对称分布，彼此之间通过微带线-带状线-微带线的结构连接，微带线与带状线的特征阻抗都为50Ω；输入波束先经一分4功分器分为4路，再分别经第二低噪声放大器放大后，得到4路波束信号。

实施例3

本实施例提供了一种基于HTCC的16×16瓦片式开关矩阵多波束扩展式组件，包括由上至下依次设置的带有16个SMPM射频输入接头的上盖板、含16个一分二功分器的HTCC基板、带有毛纽扣的铜钼铜上基板、含瓦片式开关矩阵电路的HTCC基板阵列、带有毛纽扣的铜钼铜下基板、含有16个单刀双掷开关的HTCC基板、带有16个SMPM射频输出接头的下盖板，所述含有单刀双掷开关的HTCC基板还含有第一多路数字译码器和两排控制信号探针；所述含瓦片式开关矩阵电路的HTCC基板阵列的输入波束个数总和为32；

所述含瓦片式开关矩阵电路的HTCC基板阵列由4个实施例1所得的含8×8瓦片式开关矩阵电路的HTCC基板组成，每个含8×8瓦片式开关矩阵电路的HTCC基板包括位于顶层的8个一分8功分器模块，位于底层的8个单刀8掷开关、8个第一低噪声放大器和一个多路数字译码器，以及位于顶层与底层之间的多层结构射频互连层；所述多层结构射频互连层通过多层射频走线实现波束信号传输。

所述含8×8瓦片式开关矩阵电路的HTCC基板的工作流程为：第1,2,…,8个输入波束分别对应输入至第1,2,…,8个一分8功分器模块，一分8功分器模块将接收的输入波束划分成8路子通道，得到8路波束信号，8个一分8功分器模块共得到8×8路波束信号；一分8功分器模块的8路波束信号通过射频互连层中的射频走线分别输入至8个单刀8掷开关中每个单刀8掷开关的任意一掷，并通过第二多路数字译码器控制单刀8掷开关的开通与闭合，单刀8掷开关选通的任意一路波束信号经第一低噪声放大器放大后得到接收波束，最终得到8个独立可控的输出波束；

所述多层结构射频互连层中相邻两层的射频走线之间增设有一层金属地，防止相邻两层射频走线之间产生串扰；

所述基于HTCC的16×16瓦片式开关矩阵多波束扩展式组件的工作流程如图7所示，具体为：第1,2,…,16个输入波束经SMPM射频输入接头输入至第1,2,…,16个一分二功分器，16个一分二功分器将16个输入波束划分成32个波束信号；第1,2,…,8个一分二功分器划分的2个波束信号分别通过铜钼铜上基板的毛纽扣输入至第1个和第3个8×8瓦片式开关矩阵电路的第1,2,…,8个一分8功分器模块，第9,10,…,16个一分二功分器划分的2个波束信号分别通过铜钼铜上基板的毛纽扣输入至第2个和第4个8×8瓦片式开关矩阵电路的第1,2,…,8个一分8功分器模块；4个8×8瓦片式开关矩阵电路依次输出32个独立可控的输出波束，第1个和第2个8×8瓦片式开关矩阵电路输出的第1,2,…,8个输出波束分别通过铜钼铜下基板的毛纽扣输入至第1,2,…,8个单刀多掷开关，第3个和第4个8×8瓦片式开关矩阵电路输出的第1,2,…,8个输出波束分别通过铜钼铜下基板的毛纽扣输入至第9,10,…,16个单刀多掷开关，然后通过第一多路数字译码器控制16个单刀多掷开关的开通与闭合，使得每个单刀多掷开关均能选通任意一个输入波束，最终得到16个独立可控的接收波束。

所述带有16个SMPM射频输出接头的下盖板的两侧设置有两个矩形通孔，用于引出控制信号探针；

所述控制信号探针用于引出电源信号和波控信号，所述波控信号用于控制第二多路数字译码器的IO端口，进而控制单刀8掷开关进行波束选择，所述波控信号还经铜钼铜下基板的毛纽扣控制第一多路数字译码器的IO端口，进而和单刀双掷开关进行波束选择；

所述SMPM射频输入接头用于输入波束的输入，SMPM射频输出接头用于接收波束的输出；

所述含16个一分二功分器的HTCC基板与带有毛纽扣的铜钼铜上基板、含瓦片式开关矩阵电路的HTCC基板阵列、带有毛纽扣的铜钼铜下基板、含有16个单刀双掷开关的HTCC基板之间通过压接工艺连接，带有16个SMPM射频输入接头的上盖板与含16个一分二功分器的HTCC基板之间通过螺钉压合工艺连接，含有16个单刀双掷开关的HTCC基板与带有16个SMPM射频输出接头的下盖板之间通过螺钉压合工艺连接。

扩展式组件是对多波束组件的功能扩展，采用包含多个开关矩阵基板的开关矩阵阵列，并配合另外增加的功分器和单刀多掷开关，能够用来实现阵列的任意一个输出可以选通任意一个输入，可以减少控制线的数目，增加波束通断间隔离度。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种开关矩阵多波束组件，其特征在于，包括由上至下依次设置的带有N个超微型推入式连接器射频输入接头的上盖板、含瓦片式开关矩阵电路的HTCC基板、带有M个超微型推入式连接器射频输出接头的下盖板；

所述含瓦片式开关矩阵电路的HTCC基板包括位于顶层的N个一分M功分器模块，位于底层的M个单刀N掷开关、M个低噪声放大器、一个多路数字译码器和两排控制信号探针，以及位于顶层与底层之间的多层结构射频互连层；

第1,2,…,N超微型推入式连接器射频输入接头的输出波束分别与第1,2,…,N个一分M功分器模块的输入端相连，一分M功分器模块将接收的波束划分成M路子通道，得到M路波束信号；一分M功分器模块的M路波束信号分别输入至M个单刀N掷开关中每个单刀N掷开关的任意一掷，单刀N掷开关分别与多路数字译码器相连，通过多路数字译码器控制单刀N掷开关的开通与闭合；每个单刀N掷开关分别连接一个低噪声放大器，单刀N掷开关选通的任意一路波束信号经低噪声放大器放大后得到接收波束，最终得到M个独立可控的接收波束，每个接收波束分别输入超微型推入式连接器射频输出接头；

所述下盖板的两侧分别设置有两个矩形窗口，用于引出控制信号探针；所述控制信号探针用于引出电源信号和波控信号，所述波控信号用于控制多路数字译码器的IO端口，进而通过多路数字译码器控制单刀N掷开关进行波束选择。

2.根据权利要求1所述的一种开关矩阵多波束组件，其特征在于，所述射频互连层中的射频走线具有垂直互连结构，所述垂直互连结构包括依次连接的微带线、第一带状线、类同轴和第二带状线，并在微带线、第一带状线、类同轴和第二带状线的周围打有隔离孔阵。

3.根据权利要求2所述的一种开关矩阵多波束组件，其特征在于，所述类同轴具有多个错位层，错位层之间通过带状线连接。

4.根据权利要求2或3所述的一种开关矩阵多波束组件，其特征在于，所述类同轴上设有圆形金属片，用于调节类同轴的特征阻抗。

5.根据权利要求1所述的一种开关矩阵多波束组件，其特征在于，所述含瓦片式开关矩阵电路的HTCC基板上设置有多个彼此独立的金属化隔离腔，一分M功分器模块、单刀N掷开关、低噪声放大器和多路数字译码器分别设置在金属化隔离腔内。

6.一种开关矩阵多波束扩展式组件，其特征在于，包括由上至下依次设置的带有P个SMPM射频输入接头的上盖板、含P个一分二功分器的HTCC基板、带有毛纽扣的铜钼铜上基板、含瓦片式开关矩阵电路的HTCC基板阵列、带有毛纽扣的铜钼铜下基板、含有Q个单刀双掷开关的HTCC基板、带有Q个SMPM射频输出接头的下盖板；

所述含瓦片式开关矩阵电路的HTCC基板阵列由多个含瓦片式开关矩阵电路的HTCC基板组成，每个HTCC基板包括位于顶层的N个一分M功分器模块，位于底层的M个单刀N掷开关、M个第一低噪声放大器和一个第二多路数字译码器，以及位于顶层与底层之间的多层结构射频互连层；含瓦片式开关矩阵电路的HTCC基板阵列的输入信号数量为2P，输出信号数量为Q；

第1,2,…,P个输入波束经SMPM射频输入接头输入至第1,2,…,P个一分二功分器，P个一分二功分器将P个输入波束划分成2P个波束信号；2P个波束信号分别通过铜钼铜上基板的毛纽扣输入含瓦片式开关矩阵电路的HTCC基板阵列的一分M功分器模块，瓦片式开关矩阵电路的HTCC基板阵列的输出波束分别通过铜钼铜下基板的毛纽扣输入Q个单刀多掷开关，然后通过第一多路数字译码器控制Q个单刀多掷开关的开通与闭合，使得每个单刀多掷开关均能选通任意一个输入波束，最终得到Q个独立可控的接收波束。

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