CN113451732B - 一种新型气密瓦片式相控阵天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型气密瓦片式相控阵天线。射频芯片一一设置于介质腔体层的各开槽内，盖板层密封各开槽，介质腔体层在开槽的背面连接阵列天线层，射频芯片与阵列天线层连接。在介质腔体层上、开槽的周围设置有植球层，植球层通过射频链路和低频链路连接各射频芯片。介质腔体层中设计有微流道，微流道将射频芯片产生的热量传导到植球层。本发明的相控阵天线较现有瓦式或砖式相控阵天线体积更小、重量更轻、厚度更薄，可以直接通过SMT自动化标贴工艺生产装配，生产效率高。本发明减少了连接器的使用，且能够实现高气密要求。

Description

一种新型气密瓦片式相控阵天线

技术领域

本发明涉及无线通信设备领域，尤其是一种新型气密瓦片式相控阵天线。

背景技术

相控阵天线是相控阵雷达/通信系统的关键核心部件,其直接决定了整个相控阵雷达/通信系统的性能，在整个系统的成本、体积、重量和功耗方面占据较大的比重。有源相控阵天线的架构按照电路组装方式大致可以分为砖式和瓦式两种方式。砖式有源相控阵天线设计简单，安装方便，散热能力强，但重量笨重，体积大，在某种程度上限制了有源相控阵天线的发展和应用。而瓦片有源相控阵天线集成度高，通常采用层叠结构，相对于砖式结构可大大缩减尺寸和重量，并且通过提高芯片集成度，优化链路设计，可极大的降低相控阵天线成本，扩展有源相控阵天线应用空间。

目前现有的瓦片有源相控阵天线架构，相对于砖式结构，集成度有较大程度的提升，但其内部各分系统相对还是比较独立，通过多种连接器或者垂直互联结构进行射频和低频的连接，这种方式在一定程度上，降低了瓦片式结构在成本和体积上的优势。另外，现有的瓦式架构还存在生产装配效率及系统稳定性较低等缺点，批量生产时劣势尤为明显，还需继续优化天线系统架构。

当需要生产性强、满足高气密要求等功能同时具备时，现有方案往往采用芯片陶瓷封装再标贴的方案或者金属腔体加射频连接器的方案。前者封装尺寸较大，无法用于通道间距较小的情况；后者系统稳定性较低、通道隔离较差且成本体积重量优势不够明显。

现有设计中，存在优化瓦片式有源相控阵天线部分性能的设计，如CN110797624A公开的《一种大功率瓦片式相控阵天线》，其采用Flip-chip的方式将芯片倒装焊在印制板上，该方式利于大功率散热，但未解决芯片易污染问题，可生产性不强，且无法解决高气密问题。

又如CN 106207492A公开的《高密度集成一体化瓦式有源相控阵天线架构》，该架构拥有体积小、重量轻、集成度高以及成本低等优点，但该架构射频损耗较大、射频性能量产一致性较差，同样不能实现较高气密要求。

又如CN112003003A公开的《相控阵天线结构和电子设备》，其使用了焊球进行射频信号和两层印制板间的互连。该集成方式所用射频芯片为裸芯片或塑封封装，无法满足气密要求，同时塑封器件会占用一定体积，从而无法设置更多的植球用于散热和抗振动，具备一定局限性。

随着应用场景的演变，传统瓦片式相控阵天线已无法同时满足可生产性、高气密要求，在高集成小型化的前景下，体积、重量、成本均应成为工程化应用的主要限制。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种新型气密瓦片式相控阵天线，以解决现有砖式和瓦片式相控阵天线无法同时满足可生产性、高气密、小体积、轻重量要求的问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种新型气密瓦片式相控阵天线，包括介质腔体层，所述介质腔体层包括至少一个内凹的开槽，射频芯片一一设置于各所述开槽中；盖板层密封各所述开槽；所述介质腔体层在远离所述开槽开口的一侧连接阵列天线层，所述射频芯片与所述阵列天线层连接；

所述介质腔体层远离所述阵列天线层一侧上设置有金属制成的植球层，所述植球层分别经射频链路和低频链路与各所述射频芯片连接；所述植球层中，至少连接所述射频链路的植球和连接所述低频链路的植球不被所述盖板层覆盖；所述射频链路和低频链路均设置于所述介质腔体层内。

上述设计的相控阵天线，与传统砖式或现有瓦片式相控阵天线的结构设计相比，具有小型化的特点，且不存在过孔，气密性更好。

进一步的，连接所述射频链路的植球的直径与连接所述低频链路的植球的直径不同。

进一步的，连接所述射频链路的植球的直径较连接所述低频链路的植球的直径小。

进一步的，所述盖板层包括与所述开槽数量相等的盖板，所述盖板一一密封所述开槽。将盖板层拆分成若干小盖板，便于安装和维护。

进一步的，相邻盖板之间存在间隙。间隙的设计便于布置植球层。

进一步的，所述开槽的开口在至少两个相对方向上设计有台阶，所述盖板设置于所述台阶上。台阶可以起到一定引导作用，同时，盖板盖设在台阶处，可以更好的对开槽进行密封，以提高天线气密性。

进一步的，所述开槽底部设置有射频过渡结构，所述射频芯片连接所述射频过渡结构，所述射频过渡结构连接所述阵列天线层。设计射频过渡结构可以降低射频芯片的安装难度。

进一步的，所述介质腔体层在远离所述阵列天线层一侧表面设置有射频输入过渡结构，所述射频输入过渡结构连接所述射频链路；所述射频输入过渡结构上设置有若干植球；所述射频链路在各相邻开槽之间走线。即射频信号从射频输入过渡结构接入，然后再分到各个射频芯片，可以减少天线的对外接口，降低使用难度。

进一步的，对于每一个所述开槽，开槽的开口至少二分之一周长设置有植球。即对于每个开槽，其开口处一周的一半以上设计有植球，当然有一部分是作为低频信号传输使用，有一部分是仅作为散热和连接后端使用。

进一步的，所述介质腔体层中设置有微流道，所述微流道被设置为：传导射频芯片层的热量到所述植球层，所述射频芯片层由各所述射频芯片组成。即微流道在介质腔体层中的设计结构，是将热量从各射频芯片处引导到植球层，可以是介质腔体层外表面向内偏移形成的路径，也可以是其他设计路径。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、相较于传统砖式或现有瓦片式相控阵天线的结构设计，本发明的天线架构体积更小、重量更轻、厚度更薄。

2、本发明的相控阵天线采用层叠互连的方式，通过植球层与外部结构互连，可直接通过SMT自动化表贴工艺进行生产装配，可大幅提高生产效率，缩减生产成本。

3、本发明通过一体化设计以及植球层的应用，大大减少了射频连接器、低频连接器的使用，进一步大幅降低材料成本和生产周期，加快了相控阵天线产品的研制进度。

4、本发明采用介质腔体结构作为设计主体，实现腔体内部电路走线，减少了金属板层的使用，降低体积、重量和成本；通过介质腔体和盖板的密封，达到整体高气密要求，从而可实现各种应用场景。

5、本发明的相控阵天线通过设计植球层，在缩减连接器使用的同时，能够与后端结构焊接，起到连接和导热的作用，能够起到良好的抗振效果。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明相控阵天线的层级结构图。

图2是本发明相控阵天线俯视图。

图3是图2中A-A面剖视图。

图4是图2中B-B面剖视图。

图中，1为盖板层，2为植球层，3为射频芯片层，4为介质腔体层，5为阵列天线层，11为盖板，21为植球，31为射频芯片，41为介质腔体本体，42为植球PAD，43为开槽，431为台阶，44为射频过渡结构，45为射频信号流向示意，46为射频输入过渡结构，47为低频链路，48为射频链路。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

实施例一

参见附图1、图2，新型气密瓦片式相控阵天线由射频输入方到射频输出方依次包括盖板层1、植球层2、射频芯片层3、介质腔体层4和阵列天线层5，各层结构逐层设置。

介质腔体层4包括有多个内凹的开槽43，各开槽43成阵列式排布。介质腔体层4内设置有用于传输射频信号的射频链路48，以及用于传输电源与控制信号的低频链路47。

盖板层1密封各开槽43，且在相邻开槽43之间，留有暴露的空间，以用于植球层2的设计，即植球层2不被盖板层1覆盖掉。介质腔体层4上，用于安装盖板层1的部位，可设计台阶431，盖板层1与该台阶431形成的空间相匹配，盖板层1设置在该台阶431上。

射频芯片层3由多个射频芯片31组成，射频芯片31的数量与开槽43的数量相同。射频芯片31一一设置于各开槽43的底部。

阵列天线层5设置于介质腔体层4原理开槽43开口的一侧，即与盖板层1相对的一侧，各射频芯片31均与阵列天线层5相连，以将经射频处理的信号经阵列天线层5发射出去。

植球层2设置于介质腔体层4远离阵列天线层5一侧的表面，其由金属材料制成，优选良导热材料制成。植球层2包括与射频链路48连接的植球21，以及与低频链路47连接的植球21。电源与控制信号、射频信号通过对应的植球21接入天线，植球21经低频链路47将电源与控制信号传递给射频芯片31，将射频信号传递给射频芯片31，射频芯片31受控对射频信号进行调幅调相、放大后，经阵列天线层5发射出去。植球层2的设计，可以方便天线导热，并且同时可作为与后端散热部件连接固定的结构，可以用于保证相控阵天线与后端固定装置的固定，提高抗振动能力。

实施例二

本实施例公开了一种新型气密瓦片式相控阵天线，其与实施例一的设计大致相同，唯一不同之处在于，本实施例对射频链路48的接入进行了进一步设计。

如图2所示，在本实施例中，射频链路48于介质腔体层4的中心处接入。在一些实施例中，介质腔体层4的中心处（也可以是其他位置）设置有射频接入过渡结构46，在射频接入过渡结构46表面设置若干植球21，射频接入过渡结构46与介质腔体层4内部的射频链路48相连。

实施例三

本实施例公开了一种新型气密瓦片式相控阵天线，其与实施例一的设计大致相同，唯一不同之处在于，本实施例对低频链路47的接入进行了进一步设计。

如图2、3所示，在本实施例中，介质腔体层4上、相邻开槽43之间的区域上密布有植球21，这些植球21中，部分或全部连接介质腔体层4内的低频链路47。

若开槽43在横向和纵向均存在相邻开槽43，则在开槽43的至少一个相邻侧设置植球21。例如，一个开槽43在横向和纵向均存在相邻开槽43，则用于为此开槽43内射频芯片31提供电源与控制信号的植球21可设置于其与纵向相邻开槽43间的相邻区域，或其与横向相邻开槽43间的相邻区域。

实施例四

本实施例公开了一种新型气密瓦片式相控阵天线，其与实施例一的设计大致相同，唯一不同之处在于，本实施例对射频芯片31的馈出方式进行了进一步设计。

如图2所示，在开槽43的底部设置了若干射频过渡结构44，各射频过渡结构44均与该开槽43内的射频芯片31连接。射频过渡结构44贯穿介质腔体层4的底部，与另一侧的阵列天线层5相连。射频芯片31输出的射频信号经射频过渡结构44传递到背面的阵列天线层5。

实施例五

本实施例以设计4个开槽43为例，其余开槽数量的天线同理设计。

如图1、图2所示，新型气密瓦片式相控阵天线由射频输入方到射频输出方依次包括盖板层1、植球层2、射频芯片层3、介质腔体层4和阵列天线层5，各层结构逐层设置。

介质腔体层4包括介质腔体本体41，介质腔体本体41上形成4个开槽43，各开槽43的底部分别设置有一射频芯片31（SOC芯片，集成了调幅调相、放大等功能），共计4个射频芯片31，4个射频芯片31共同构成了所述射频芯片层3。

盖板层1包括4块盖板11，4块盖板11分别与4个开槽43一一对应，盖板11密封开槽43的开口。相邻盖板11之间存在缝隙，以便布置植球层2。在一些实施例中，如图3所示，各开槽43的开口处，环绕开槽43的开口设计有台阶431，盖板11的尺寸与该台阶431围成的尺寸相适配，盖板11的厚度与台阶431的厚度相匹配，盖板11设置于开槽43的台阶431上，密封开槽43。这样，相邻盖板11之间自然产生了间隔。盖板层1采用金属制成，优选良导热金属制成，利于对介质腔体层4的散热。

植球层2设置于介质腔体层4的上表面的“田”字区域，即介质腔体层4上方除盖板层1以外的位置。如图4所示，在介质腔体层4的内部，设置有低频链路47和射频链路48，低频链路47用于传递电源与控制信号，射频链路48用于传递射频信号。射频链路48位于介质腔体层4中间的“十”字区域，即相邻开槽43之间的介质腔体层4中，低频链路47可从开槽43的四周进行布线。低频链路47和射频链路48均分别与各射频芯片31连接，低频链路47和射频链路48分别连接位于介质腔体层4上表面不同的植球21。

在一些实施例中，如图1、2所示，在介质腔体层2顶部的正中央，设置有射频输入过渡结构46，在该射频输入过渡结构46上设置有一周的植球21，用于接入射频信号，射频链路48则连接于该射频输入过渡结构46，再通过功分器分出多条子链路以与各射频芯片31连接，如图2所示，射频信号接入射频输入过渡结构46后，经功分器及子链路分别接入各射频芯片31。图2中，45为射频信号流向示意。

在介质腔体层2顶部的“十”字区域，除射频输入过渡结构46的区域外，密布有植球21，并且在介质腔体层2的四个角，也设置有植球21，显然植球21已经超过了开槽43的二分之一圆周。植球21通过植球PAD42连接到介质腔体层2上。这些植球21一部分连接低频链路47，用于传输电源与控制信号，一部分起到散热、层级连接作用。在具体实施时，“十”字区域在横向和纵向上分别设计了两列植球21，两列植球21分别供邻近的开槽43使用。

植球层2所设计的植球21有所讲究，一部分植球21连接低频链路47，用于传递电源与控制信号，一部分植球21连接射频链路48，用于传递射频信号，还有一部分，则作为热传递媒介。在一些实施例中，植球层2上设置多个尺寸（即直径）不一的金属圆球或圆柱作为植球21，该金属圆球或圆柱可为锡球、金球、铜柱或金柱等材料及图形，由专业设备制作而成。连接低频链路47的植球21采用常规植球工艺即可满足要求，主要根据电流大小制作所需要的尺寸的圆球或圆柱即可。而射频信号所使用的植球与电源和控制信号所需要的尺寸不同，需要考虑微波、毫米波射频信号的传输损耗、信号泄露以及寄生参量等因素，因此，采用的植球21的尺寸较连接低频链路47的小。植球层2为金属材料制成，射频芯片层3产生的热量经介质腔体层4传导后，传递到植球层2进行散热，植球层2可将热量传导到后端散热部件（未示出）中。在一些实施例中，介质腔体层4中设置有微流道，射频芯片层3产生的热量通过在介质腔体层4中设置的微流道进行热传导，将热量传导至植球层2中，再传导至后端散热部件中。通过在植球层2中增加一定数量的植球21，可以提高散热能力。另外，植球层2可与后端设施焊接互联，增加上下层级之间的连接，将振动产生的应力分散到更多的植球互连中，从而提高抗振动能力。

射频芯片层3的各射频芯片31可通过键合金丝或者直接贴片等方式进行射频信号过渡、电源与控制信号互联。在一些实施例中，如图2所示，开槽43底部设置有射频过渡结构44，射频过渡结构44贯穿介质腔体层4，与底部的阵列天线层5连接，射频芯片31通过金丝键合等方式与射频过渡结构44互联。

介质腔体层4靠所述阵列天线层5一侧可设置植球层与所述阵列天线层5进行互连，也可与所述阵列天线层5直接设置为一个整体。

本设计的相控阵天线结构，基于瓦片不同功能层的多层层叠结构，实现了高集成小型化背景下的高可生产性以及高气密要求。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (10)

1.一种新型气密瓦片式相控阵天线，包括介质腔体层（4），所述介质腔体层（4）包括至少一个内凹的开槽（43），射频芯片（31）一一设置于各所述开槽（43）中；盖板层（1）密封各所述开槽（43）；所述介质腔体层（4）在远离所述开槽（43）开口的一侧连接阵列天线层（5），所述射频芯片（31）与所述阵列天线层（5）连接；

其特征在于，所述介质腔体层（4）远离所述阵列天线层（5）一侧上设置有金属制成的植球层（2），所述植球层（2）分别经射频链路（48）和低频链路（47）与各所述射频芯片（31）连接；所述植球层（2）中，至少连接所述射频链路（48）的植球（21）和连接所述低频链路（47）的植球（21）不被所述盖板层（1）覆盖；所述射频链路（48）和低频链路（47）均设置于所述介质腔体层（4）内。

2.如权利要求1所述的新型气密瓦片式相控阵天线，其特征在于，连接所述射频链路（48）的植球（21）的直径与连接所述低频链路（47）的植球（21）的直径不同。

3.如权利要求2所述的新型气密瓦片式相控阵天线，其特征在于，连接所述射频链路（48）的植球（21）的直径较连接所述低频链路（47）的植球（21）的直径小。

4.如权利要求1所述的新型气密瓦片式相控阵天线，其特征在于，所述盖板层（1）包括与所述开槽（43）数量相等的盖板（11），所述盖板（11）一一密封所述开槽（43）。

5.如权利要求4所述的新型气密瓦片式相控阵天线，其特征在于，相邻盖板（11）之间存在间隙。

6.如权利要求5所述的新型气密瓦片式相控阵天线，其特征在于，所述开槽（43）的开口在至少两个相对方向上设计有台阶（431），所述盖板（11）设置于所述台阶（431）上。

7.如权利要求1所述的新型气密瓦片式相控阵天线，其特征在于，所述开槽（43）底部设置有射频过渡结构（44），所述射频芯片（31）连接所述射频过渡结构（44），所述射频过渡结构（44）连接所述阵列天线层（5）。

8.如权利要求1所述的新型气密瓦片式相控阵天线，其特征在于，所述介质腔体层（4）在远离所述阵列天线层（5）一侧表面设置有射频输入过渡结构（46），所述射频输入过渡结构（46）连接所述射频链路（48）；所述射频输入过渡结构（46）上设置有若干植球（21）；所述射频链路（48）在各相邻开槽（43）之间走线。

9.如权利要求1所述的新型气密瓦片式相控阵天线，其特征在于，对于每一个所述开槽（43），开槽（43）开口一周的一半以上设置有植球（21）。

10.如权利要求1所述的新型气密瓦片式相控阵天线，其特征在于，所述介质腔体层（4）中设置有微流道，所述微流道被设置为：传导射频芯片层（3）的热量到所述植球层（2），所述射频芯片层（3）由各所述射频芯片（31）组成。

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