CN113824456B - 一种有源多波束瓦片式相控阵接收组件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有源多波束瓦片式相控阵接收组件，包括阵列天线、射频接收芯片以及多层电路板，射频接收芯片采用双面BGA焊球封装，其上表面与阵列天线连接，下表面与多层电路板连接，射频接收芯片接收所述阵列天线接收的来向信号，并对所述来向信号进行滤波、放大以及幅相调整，将处理后的信号传输至多层电路板；多层电路板包括信号传输层、波束合成网络以及供电层，信号传输层用以接收处理后的信号，波束合成网络对信号传输层所接收的信号进行功率合成输出等幅同相位的输出信号，供电层用于电源供电部分的布线及电源芯片的焊接；本发明提高了接收组件的系统灵敏度，并且减小电路板的厚度、盲埋孔种类及层压次数。

Description

一种有源多波束瓦片式相控阵接收组件

技术领域

本发明涉及卫星通信领域，更具体地说，它涉及一种有源多波束瓦片式相控阵接收组件。

背景技术

相控阵中，接收组件主要实现对天线所接收到的空间信号进行移相、滤波、放大、合成后将信号进行输出的功能。

按照接收组件整体集成的方式，相控阵可以分为砖块式和瓦片式两种架构。砖块式架构是指将构成接收前端的包括芯片的各种器件同时置于一个垂直于天线口径面放置的一种架构。此种架构经过长时间的应用和发展，设计和工艺都较为成熟，加工也更为简便，但是随着接收组件模块数目的增多，接收阵列的体积也会明显增大。而瓦片式架构主要是按照功能对系统分层，每层对应实现系统的不同功能，信号通过层与层之间的垂直通孔传输。此种结构与砖块式结构相比，集成度显著提高，大大加快了接收组件小型化、低重量的进程。

现有的多波束瓦片式相控阵接收组件技术一般会将天线和射频接收芯片安装于网络板的两个对称面上，并通过多层电路板的通孔相互连接。但这种设计方法存在缺点：一是会将多层电路板的通孔损耗引入链路，增大天线和射频接收芯片间的损耗，造成相控阵整体灵敏度的下降；二是天线与射频网络设计加工在一个多层电路板中时，为避免天线的馈电孔及通地孔对射频电路的影响，通常会采用相对复杂的盲埋孔设计，而盲埋孔种类的增多，增加加工难度，导致设计复杂度较高，且成本提高。

发明内容

本发明所解决的技术问题是现有的多波束瓦片式相控阵中接收组件灵敏度较低的问题，本发明的目的是提供一种有源多波束瓦片式相控阵接收组件，达到提高瓦片式相控阵中接收组件的灵敏度。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种有源多波束瓦片式相控阵接收组件，包括阵列天线、射频接收芯片以及多层电路板，所述射频接收芯片采用双面BGA焊球封装，其上表面与所述阵列天线连接，下表面与多层电路板连接，所述射频接收芯片接收所述阵列天线接收的来向信号，并对所述来向信号进行滤波、放大以及幅相调整，将处理后的信号传输至多层电路板；

所述多层电路板包括信号传输层、波束合成网络以及供电层，所述信号传输层用以接收处理后的信号，所述波束合成网络对信号传输层所接收的信号进行功率合成输出等幅同相位的输出信号，所述供电层用于电源供电部分的布线及电源芯片的焊接。

本发明将射频接收芯片通过双面BGA焊球焊接安装于阵列天线和多层电路板之间，射频接收芯片采用双面BGA的封装形式，采用的双面BGA焊盘封装焊接所导致的天线馈线路径噪声系数约为2.0dB，接收灵敏度约为-121.15dBm，现有技术中采用的穿过印制板通孔的天线馈线其噪声系数约为3.5dB，接收灵敏度约为-119.67dBm，由此可见，本发明提出的接收组件的噪声系数下降了1.5dB，接收灵敏度上升了1.5dBm。

进一步的，所述射频接收芯片与所述阵列天线的表面积相等。

进一步的，所述波束合成网络采用带状传输线加埋阻的安装方式安装于电路板内，相邻的电路板之间添加屏蔽层进行隔离，形成相互独立的多个波束合成网络层。

进一步的，所述波束合成网络的面积小于等于所述射频接收芯片的面积。

进一步的，所述波束合成网络的带状传输线两边均设有接地通孔，所述接地通孔之间的距离小于等于四分之一波长。

进一步的，所述波束合成网络的信号输出端口分别位于电路板的四个角落，所述波束合成网络的输入端口与所述射频接收芯片的输出端口连接。

进一步的，所述电路板的第一层为芯片焊接层，用于提供射频接收芯片焊接所需的焊盘以及波束合成网络信号输出端口的对外连接。

进一步的，所述波束合成网络层之间的带状线与接地通孔相互重叠。

进一步的，所述电路底部的供电层的上表面为裸铜，所述电路板底部的供电层安装于冷板上。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明考虑到现有技术中将射频接收芯片是通过穿过印制板通孔的方式封装会导致接收组件的灵敏度降低，因此本发明通过采用双面BGA焊盘封装的焊接方式将射频接收芯片焊接在天线与电路板之间，本发明提出的接收组件噪声系数下降了1.5dB，接收灵敏度上升了1.5dBm。

2.本发明还考虑到采用穿过印制板通孔的方式封装会导致电路板设计变得复杂，盲埋孔种类增多，需要进行多次层压，会提升电路板的厚度；现有技术中采用的电路板盲埋孔种类至少达到8种及以上，至少进行3次以上的压合工艺，本发明采用天线和多层电路板分别加工的方式，减少了相控阵中盲埋孔的种类，从而简化了设计、降低了加工难度及成本。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明对来向信号进行处理的实现功能图；

图2为本发明实施例所用网络板叠层示意图；

图3为本发明接收组件的链路预算图；

图4为本发明实施例电路板中一个波束合成网络布局图；

图5为本发明实施例电路板中一个波束合成网络布局图；

图6为现有接收组件的网络板叠层及打孔信息示意图；

图7为现有接收组件的链路预算图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接在另一个部件上或者间接在该另一个部件上。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

实施例一

本实施一提供一种有源多波束瓦片式相控阵接收组件，如图1所示，包括阵列天线、射频接收芯片以及多层电路板，所述射频接收芯片采用双面BGA焊球封装，其上表面与阵列天线连接，下表面与多层电路板连接，射频接收芯片接收阵列天线接收的来向信号，并对来向信号进行滤波、放大以及幅相调整，将处理后的信号传输至多层电路板；

多层电路板包括信号传输层、波束合成网络以及供电层，信号传输层用以接收处理后的信号，波束合成网络对信号传输层所接收的信号进行功率合成输出等幅同相位的输出信号，供电层用于电源供电部分的布线及电源芯片的焊接。

本发明将射频接收芯片通过双面BGA焊球焊接安装于阵列天线和多层电路板之间，射频接收芯片采用双面BGA的封装形式，采用的双面BGA焊盘封装焊接所导致的天线馈线路径噪声系数约为2.0dB，接收灵敏度约为-121.15dBm，现有技术中采用的穿过印制板通孔的天线馈线其噪声系数约为3.5dB，接收灵敏度约为-119.67dBm，由此可见，本发明提出的接收组件的噪声系数下降了1.5dB，接收灵敏度上升了1.5dBm，波束合成网络采用1分2威尔金森功分器多级连接的形式，以实现对信号的功率合成及等幅同相输出。

优选地，射频接收芯片与阵列天线的表面积相等。如图4所示，阵列天线采用2*2Ka贴片天线单元与射频接收芯片的2*2Ka4波束AiP单元完全重合，其天线单元与射频接收芯片表面积相等，可减少接收组件的面积。

优选地，波束合成网络采用带状传输线加埋阻的安装方式安装于电路板内，相邻的电路板之间添加屏蔽层进行隔离，形成相互独立的多个波束合成网络层。

优选地，波束合成网络的面积小于等于射频接收芯片的面积。

优选地，波束合成网络的带状传输线两边均设有接地通孔，接地通孔之间的距离小于等于四分之一波长。

优选地，波束合成网络的信号输出端口分别位于电路板的四个角落，波束合成网络的输入端口与射频接收芯片的输出端口连接。

优选地，电路板的第一层为芯片焊接层，用于提供射频接收芯片焊接所需的焊盘以及波束合成网络信号输出端口的对外连接。电路板第一层为芯片焊接层，主要功能是提供芯片及电阻电容等分离器件的焊盘；同时，波束合成网络信号的输出端口也从该层引出，实现对外连接；这种方式相较于背面引出接头，可以减少盲孔种类。

优选地，波束合成网络层之间的带状线与接地通孔相互重叠。波束合成网络层除输入输出端口外，其余带状线部分与接地通孔部分均形成重叠关系，使得接收组件布局宽松，可以减少设计难度；又可以减少盲埋孔种类，降低工艺难度。

优选地，电路底部的供电层的上表面为裸铜，电路板底部的供电层安装于冷板上。多层电路板会通过螺钉及导热硅胶安装在卫星冷板上，冷板采用纯铝材质用以降低重量及增强导热性。

实施例二

本实施例二在实施例一的基础上进行进一步说明，本发明的发明构思在于提供的一种有源多波束瓦片式相控阵接收组件设计，其灵敏度高，厚度小，容易加工，可以实现相控阵多波束馈电要求，满足对相控阵减小体积、重量、尺寸包络的要求，同时满足链路对高灵敏度和易加工的要求，适合于各类需求多波束相控阵的使用场景。

有源模拟多波束相控阵接收组件的实现原理如图1所示，通过幅相控制器控制天线阵，使天线阵形成几个独立的波束，本发明实施例二的接收组件可应用于大小6U及以上的立方星载荷设计中。本实施例二的阵列天线规模为192个天线，采用了48块4通道四波束射频接收芯片，每块芯片负责接收四个天线的接收信号，并输出四路波束信号传输给多层电路板。电路板内部设计了4个波束合成网络，分别对芯片输出的四个波束信号进行合成处理。

图2为本发明实施例提出的小型化高灵敏度多波束瓦片式相控阵接收组件的网络板叠层示意图。参照图2，小型化高灵敏度多波束瓦片式相控阵接收组件的多层电路板中，共包含4种盲埋孔设计，分别实现四种不同波束信号的板内传输，多层电路板从芯片焊接点依次往下包含13层电路，及4种盲孔设计；仅需三次压合即可完成电路板加工，有效节省了加工成本。

第一层为芯片焊接层，主要功能是提供芯片及电阻电容等分离器件的焊盘；同时，波束信号的输出端口也从该层引出，实现对外连接；这种方式相较于背面引出接头，可以减少盲孔种类。

第二层至第三层为低频控制信号传输层，第一层和第二层间采用厚度为0.254的R4350b型介质基板；第二层和第三层间采用厚度为0.102的PP胶进行粘接；而第三层和第四层间采用厚度为0.127mm的FR4型低频介质相隔离。这两层电路用于提供接收芯片中的供电及控制信号等。需要说明的是，这几层与芯片相连的部分均采用通孔形式，以减少盲埋孔种类；

第五层为波束1波束网络层，与第四层相隔一层介质厚度为0.127mm的罗杰斯4350B型介质基板和一层厚度为0.102的4450F型PP胶。该网络采用埋阻与带状线的形式实现对每个端口的功率合成；波束1波束网络布局方式如图4所示，其网络的每一个输入端口与多波束射频接收芯片的波束1输出端口相连，可以实现48路合1的功率合成功能；其带状线两边均设计有密集的接地通孔以保证信号不会产生泄露。

第四层和第六层为射频地层，主要为了保证波束1波束网络的隔离性能，保证信号不会泄漏到其余波束网络层影响性能；与第五层相隔一层介质厚度为0.127mm的罗杰斯4350B型介质基板和一层厚度为0.102的PP胶；

第七层为波束2波束网络层，其功能与波束1波束网络相同，用于波束2信号的功率合成，其布局方式如图4所示；除输入输出端口外，其余带状线部分与接地通孔部分均与波束1波束网络形成重叠关系，这种设计方法既布局宽松，可以减少设计难度；又可以减少盲埋孔种类，降低工艺难度。

第八层、第十层及第十二层都为为射频地层，主要为了保证波束波束网络的隔离性能，保证信号不会泄漏到其余波束网络层影响其余波束性能；与其相邻的射频网络层都相隔一层介质厚度为0.127mm的罗杰斯4350B型介质基板和一层厚度为0.102的PP胶；

第九层和第十一层分别为波束3网络层和波束4网络层，其结构与第七层及第五层一致，在此不做赘述。

多层电路板第十三层为供电层，进行电源供电部分的布线和部分电源芯片的焊接。

多层电路板会通过螺钉及导热硅胶安装在卫星冷板上，所述冷板采用纯铝材质用以降低重量及增强导热性。接收组件的整体尺寸为50mm×50mm×5mm(不含射频连接器)，预估重量不到1Kg，并能够支持192个单元天线组成相控阵，实现四波束同时工作；

在本发明实施案例中，其链路仿真结果如图5所示，所述接收组件工作在毫米波频段，噪声系数仿真结果约为2.06dB，灵敏度约为-121.15dBm；

若采用传统方法实现同样阵面规模及天线设计的多波束瓦片式相控阵，其叠层信息如图6所示。现有技术中采用的PCB多层板盲埋孔种类至少达到8种及以上，至少进行五次以上的压合工艺,；本发明实施例提供的瓦片式相控阵由于盲埋孔种类较少，仅4种，仅用三次层压即可成形。本发明所设计的接收组件制作工艺更为简单，更易加工和迭代。

采用传统设计方法的接收组件链路预算结果如图7所示，其链路噪声系数约为3.5dB；接收灵敏度约为-119.67dBm。与实施例二对比，本发明提出的接收组件的噪声系数下降了1.5dB，接收灵敏度上升了1.5dBm。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种有源多波束瓦片式相控阵接收组件，其特征在于，包括阵列天线、射频接收芯片以及多层电路板，所述射频接收芯片采用双面BGA焊球封装，其上表面与所述阵列天线连接，下表面与多层电路板连接，所述射频接收芯片接收所述阵列天线接收的来向信号，并对所述来向信号进行滤波、放大以及幅相调整，将处理后的信号传输至多层电路板；

所述多层电路板包括信号传输层、波束合成网络以及供电层，所述信号传输层用以接收处理后的信号，所述波束合成网络对信号传输层所接收的信号进行功率合成输出等幅同相位的输出信号，所述供电层用于电源供电部分的布线及电源芯片的焊接；

所述波束合成网络采用带状传输线加埋阻的安装方式安装于电路板内，相邻的电路板之间添加屏蔽层进行隔离，形成相互独立的多个波束合成网络层，其中，所述电路板的第一层为芯片焊接层，用于提供射频接收芯片焊接所需的焊盘以及波束合成网络信号输出端口的对外连接；所述波束合成网络的带状传输线两边均设有接地通孔，所述接地通孔之间的距离小于等于四分之一波长；所述波束合成网络层之间的带状线与接地通孔相互重叠；

所述波束合成网络的信号输出端口分别位于电路板的四个角落，所述波束合成网络的输入端口与所述射频接收芯片的输出端口连接。

2.根据权利要求1所述的一种有源多波束瓦片式相控阵接收组件，其特征在于，所述射频接收芯片与所述阵列天线的表面积相等。

3.根据权利要求1所述的一种有源多波束瓦片式相控阵接收组件，其特征在于，所述波束合成网络的面积小于等于所述射频接收芯片的面积。

4.根据权利要求1所述的一种有源多波束瓦片式相控阵接收组件，其特征在于，所述电路板底部的供电层的上表面为裸铜，所述电路板底部的供电层安装于冷板上。

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