CN114069200B - 一种用于二维可扩展的瓦片式相控阵子阵与天线阵 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于二维可扩展的瓦片式相控阵子阵与天线阵，包括逐层设置的封装天线层、功分合成网络及低频信号走线层、散热层、供电控制层，若干封装天线排列形成所述封装天线层，所述封装天线层与所述功分合成网络及低频信号走线层连接，所述散热层设置在所述功分合成网络及低频信号走线层和所述供电控制层之间，所述供电控制层与所述功分合成网络及低频信号走线层连接；本发明采用标准可扩展子阵设计，子阵二维尺寸等于天线孔径，无外扩面积，便于二维任意扩展，系统设计高效便捷。

Description

一种用于二维可扩展的瓦片式相控阵子阵与天线阵

技术领域

本发明涉及相控阵天线技术领域，具体涉及一种用于二维可扩展的瓦片式相控阵子阵与天线阵。

背景技术

目前，多波束相控阵天线的阵列架构设计分为两类：砖式架构和瓦式架构。

砖式架构设计采用元器件放置方向垂直相控阵天线阵面孔径，结构上纵向集成横向组装，且各功能块独立设计，带来尺寸偏大，重量偏重且采用单片设计，集成度较低，成本较高。

随着轻量化、模块化设计思想在相控阵天线领域中的逐步深入，传统的砖块式相控阵设计思想已不能满足应用市场的需求。电子技术的进步使规模较小、集成度较高、重量轻的瓦片式天线逐步进入应用市场，并备受用户和设计人员的关注。瓦片式相控阵将元器件放置方向平行于天线阵面孔径，结构上横向集成，纵向组装，采用功能分层设计，平行放置。在重量、尺寸、集成度和成本方面较砖式有较大的优势。

然而，瓦片式天线强烈依赖于集成电路设计和加工技术、半导体材料制备技术、芯片封装技术、微组装技术、高效传热散热技术等，传统的瓦片式天线子阵，采用包络尺寸大于天线尺寸的架构设计，受尺寸限制，无法实现二维规则布阵下的任意扩展。

鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。

发明内容

为解决上述技术缺陷，本发明采用的技术方案在于，提供一种用于二维可扩展的瓦片式相控阵子阵，包括逐层设置的封装天线层、功分合成网络及低频信号走线层、散热层、供电控制层，若干封装天线排列形成所述封装天线层，所述封装天线层与所述功分合成网络及低频信号走线层连接，所述散热层设置在所述功分合成网络及低频信号走线层和所述供电控制层之间，所述供电控制层与所述功分合成网络及低频信号走线层连接。

较佳的，所述功分合成网络及低频信号走线层包括多个功分器，一所述封装天线通过各波束线与各所述功分器一一连接，各所述封装天线上同一类型的所述波束线与对应的一所述功分器连接。

较佳的，所述功分合成网络及低频信号走线层包括叠层PCB母板，所述供电控制层包括叠层PCB子板，所述叠层PCB母板和所述叠层PCB子板通过柔性FPC连接。

较佳的，所述封装天线包括多功能波束形成芯片、前端芯片、天线单元，所述多功能波束形成芯片和所述前端芯片设置在封装壳体内进行3D封装集成，所述前端芯片设置在所述封装壳体内靠近所述天线单元的一侧，所述封装壳体远离所述天线单元的一侧设置外接接口，所述外接接口为供电、控制和射频接口，所述外接接口通过BGA球在封装后引出。

较佳的，所述叠层PCB母板包括第一安装面和第二安装面的正反两面，各所述封装天线通过BGA球与所述第一安装面焊接固定，各升级芯片通过BGA球与所述第二安装面焊接固定，电源芯片、FPGA、外围电路芯片设置在所述叠层PCB子板上。

较佳的，所述封装天线内部热耗通过所述封装壳体经BGA导出，并经母板金属化过孔与所述散热层导热连通。

较佳的，所述第一安装面上还设置有AIP模块，所述AIP模块通过母板金属化过孔与所述升级芯片或所述第二安装面连通，所述升级芯片和所述第二安装面上设置有柔性导热垫，所述柔性导热垫与所述散热层接触连接。

较佳的，所述电源芯片、所述FPGA、所述外围电路芯片均设置在所述叠层PCB子板远离所述散热层的端面上，所述电源芯片、所述FPGA、所述外围电路芯片通过子板金属化过孔与所述散热层导热连通。

较佳的，所述叠层PCB母板一侧设置有挖槽，所述挖槽局部贴附导热材料将热量导出从两侧向下导热至所述散热层进行散热。

较佳的，一种天线阵，通过所述用于二维可扩展的瓦片式相控阵子阵进行阵面的二维扩展。

与现有技术比较本发明的有益效果在于：1，封装天线技术使得芯片到达天线路径最优，优化了接收天线的噪声系数和发射天线的效率，系统增益获益明显；2，标准可扩展子阵设计，子阵二维尺寸等于天线孔径，无外扩面积，便于二维任意扩展，系统设计高效便捷；3，一体化微波数字混合板设计，子阵具备独立的射频、供电和控制电路，且低频信号无需连接器互联，所有电路实现单板设计，子阵芯片扩展区域大，便于子阵性能优化和升级。实现高集成、低成本、一体化设计目的；4，高效热控设计，实现子阵热耗纵向高效传导，轻量化散热器设计具备扩展和结构支撑的双重作用。提高子阵的标准可扩展性能。

附图说明

图1为所述二维可扩展瓦片式相控阵接收子阵的原理示意图；

图2为所述封装天线的结构视图；

图3为所述二维可扩展瓦片式相控阵接收子阵的结构示意图；

图4为所述二维可扩展瓦片式相控阵接收子阵的散热路径示意图；

图5为所述天线阵的正面结构示意图；

图6为所述天线阵的背面结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

所述用于二维可扩展的瓦片式相控阵子阵分别设置有二维可扩展瓦片式相控阵接收子阵和二维可扩展瓦片式相控阵发射子阵，所述二维可扩展瓦片式相控阵接收子阵和所述二维可扩展瓦片式相控阵发射子阵结构原理一致，如图1所示，图1为所述二维可扩展瓦片式相控阵接收子阵的原理示意图。

本发明所述用于二维可扩展的瓦片式相控阵子阵包括逐层设置的封装天线层、功分合成网络及低频信号走线层、散热层、供电控制层，若干封装天线排列形成所述封装天线层，所述封装天线层与所述功分合成网络及低频信号走线层连接，所述散热层设置在所述功分合成网络及低频信号走线层和所述供电控制层之间，所述供电控制层与所述功分合成网络及低频信号走线层连接。

具体的，所述封装天线层实现单个天线单元或数个天线单元的模拟多波束形成；所述功分合成网络及低频走线层实现将各所述封装天线的相同波束信号进行延迟处理后、将合成为n路波束输出，以及实现所有射频芯片的低频信号走线；所述散热层负责将所述功分合成网络及低频信号走线层和所述供电控制层导出的热量进行收集并传导至平台热控实现子阵热控管理；所述供电控制层实现子阵供电、子阵指令接收、编译形成波控码并下发，并收集子阵状态信息打包反馈给上级主控。

所述功分合成网络及低频信号走线层包括多个功分器，一所述封装天线通过各波束线与各所述功分器一一连接，各所述封装天线上同一类型的所述波束线与对应的一所述功分器连接。

所述功分合成网络及低频信号走线层包括叠层PCB母板，所述供电控制层包括叠层PCB子板，所述叠层PCB母板和所述叠层PCB子板通过柔性FPC连接，实现TR、波控和供电功能模块之间低频信号互联的无连接器设计，整个子阵具备独立的天线、射频、供电、控制、热控等功能。

如图2所示，图2为所述封装天线的结构视图；所述封装天线包括多功能波束形成芯片、前端芯片、天线单元，所述多功能波束形成芯片和所述前端芯片设置在封装壳体内进行3D封装集成，所述前端芯片设置在所述封装壳体内靠近所述天线单元的一侧，从而缩短所述前端芯片到达所述天线单元的路径，所述封装壳体远离所述天线单元的一侧设置外接接口，所述外接接口为供电、控制和射频接口，一般通过BGA球在封装后引出。

如图3所示，图3为所述二维可扩展瓦片式相控阵接收子阵的结构示意图；所述叠层PCB母板包括第一安装面和第二安装面的正反两面，各所述封装天线通过BGA球与所述第一安装面焊接固定，各升级芯片通过BGA球与所述第二安装面焊接固定，所述升级芯片包括时延芯片、补偿放大芯片等功能芯片，电源芯片、FPGA、外围电路芯片设置在所述叠层PCB子板上。所述封装天线内部热耗通过所述封装壳体经BGA导出，并经母板金属化过孔与所述散热层导热连通。

所述叠层PCB母板和所述叠层PCB子板采用非对称PCB刚挠技术，通过柔性FPC进行信号连接，结构上纵向堆叠，保持二维尺寸不外扩，实现数字微波混合板一体化设计与加工制造。尺寸、重量、成本以及电性能提升明显。

如图4所示，图4为所述多二维可扩展瓦片式相控阵接收子阵的散热结构示意图；所述叠层PCB母板和所述叠层PCB子板底面除必要的导热地孔区域外，可提供较大空间用于链路功能升级的其他芯片布局，如实现宽瞬时带宽需要的时延芯片，链路补偿放大和驱放芯片等，对于不同应用需求下的天线系统设计具有良好的普适性。

所述第一安装面上还设置有AIP模块，所述AIP模块通过母板金属化过孔与所述升级芯片或所述第二安装面连通，所述升级芯片和所述第二安装面上设置有柔性导热垫，所述柔性导热垫与所述散热层接触连接，即AIP模块通过母板金属化过孔，将热量传递到延时放大芯片和母板背面，再通过柔性导热垫方式，将热量传递给散热层将系统热量带走。

一般的，所述电源芯片、所述FPGA、所述外围电路芯片均设置在所述叠层PCB子板远离所述散热层的端面上，所述电源芯片、所述FPGA、所述外围电路芯片通过子板金属化过孔与所述散热层导热连通。

所述叠层PCB母板一侧设置有挖槽，所述挖槽局部贴附导热材料将热量导出从两侧向下导热至所述散热层进行散热。

所述叠层PCB母板和所述叠层PCB子板内部通过导热地孔与BGA焊盘形成导热路径，PCB与散热层之间填充导热材料，提高导热率。刚挠板引出部分存在导热台阶面，即所述挖槽，采用贴覆导热材料从两侧将热量向下导出。散热层兼顾结构支撑与导热双重作用。

如图5、图6所示，图5为所述天线阵的正面结构示意图；图6为所述天线阵的背面结构示意图本发明所述用于二维可扩展的瓦片式相控阵子阵横向尺寸严格按照天线阵面尺寸设计，无外扩尺寸，可进行二维任意扩展，所述用于二维可扩展的瓦片式相控阵子阵间通过背面预留的扩展安装孔进行紧固。所述用于二维可扩展的瓦片式相控阵子阵对外接口仅射频接口和低频接口，所述用于二维可扩展的瓦片式相控阵子阵集成一次电源转换电路，天线系统不再需要单独的电源模块，直接一次供电到子阵，简化天线供电链路设计，提高电源效率，简化天线系统设计复杂度和系统设备量。标准二维可扩展模块化设计可实现不同规模相控阵天线的快速研制。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种用于二维可扩展的瓦片式相控阵子阵，其特征在于，包括逐层设置的封装天线层、功分合成网络及低频信号走线层、散热层、供电控制层，若干封装天线排列形成所述封装天线层，所述封装天线层与所述功分合成网络及低频信号走线层连接，所述散热层设置在所述功分合成网络及低频信号走线层和所述供电控制层之间，所述供电控制层与所述功分合成网络及低频信号走线层连接；

所述功分合成网络及低频信号走线层包括多个功分器，一所述封装天线通过各波束线与各所述功分器一一连接，各所述封装天线上同一类型的所述波束线与对应的一所述功分器连接；

所述功分合成网络及低频信号走线层包括叠层PCB母板，所述供电控制层包括叠层PCB子板，所述叠层PCB母板和所述叠层PCB子板通过柔性FPC连接；

所述封装天线包括多功能波束形成芯片、前端芯片、天线单元，所述多功能波束形成芯片和所述前端芯片设置在封装壳体内进行3D封装集成，所述前端芯片设置在所述封装壳体内靠近所述天线单元的一侧，所述封装壳体远离所述天线单元的一侧设置外接接口，所述外接接口为供电、控制和射频接口，所述外接接口通过BGA球在封装后引出；

所述叠层PCB母板包括第一安装面和第二安装面的正反两面，各所述封装天线通过BGA球与所述第一安装面焊接固定，各升级芯片通过BGA球与所述第二安装面焊接固定，电源芯片、FPGA、外围电路芯片设置在所述叠层PCB子板上；

所述封装天线内部热耗通过所述封装壳体经BGA导出，并经母板金属化过孔与所述散热层导热连通；

所述第一安装面上还设置有AIP模块，所述AIP模块通过母板金属化过孔与所述升级芯片或所述第二安装面连通，所述升级芯片和所述第二安装面上设置有柔性导热垫，所述柔性导热垫与所述散热层接触连接；

所述电源芯片、所述FPGA、所述外围电路芯片均设置在所述叠层PCB子板远离所述散热层的端面上，所述电源芯片、所述FPGA、所述外围电路芯片通过子板金属化过孔与所述散热层导热连通；

所述叠层PCB母板一侧设置有挖槽，所述挖槽局部贴附导热材料将热量导出从两侧向下导热至所述散热层进行散热。