CN114597627B - 一种高功率密度集成有源相控阵天线微系统 - Google Patents

一种高功率密度集成有源相控阵天线微系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种高功率密度集成有源相控阵天线微系统，应用于高功率密度场景下，包括：天线单元、大功率芯片、高温共烧陶瓷、多功能芯片、石墨烯膜、第一支架组件、第二支架组件，天线单元工作频段为X‑Ku频段，天线单元与大功率芯片上表面焊接，所述大功率芯片与高温共烧陶瓷上表面焊接，石墨烯膜与多功能芯片下表面粘接，高温共烧陶瓷与第一支架组件焊接，第一支架组件与第二支架组件连接，石墨烯膜与第二支架组件粘接；大功率芯片的热量传导至高温共烧陶瓷，由高温共烧陶瓷传导至第一支架组件，再传导至冷端；大功率芯片的热量传导至天线单元；多功能芯片的热量传导至石墨烯膜，由石墨烯膜传导至第二支架组件再传导至冷端。解决了高功率密度集成的有源相控阵天线散热瓶颈问题。

Description

一种高功率密度集成有源相控阵天线微系统
技术领域
本发明涉及一种相控阵天线微系统，特别是一种高功率密度集成有源相控阵天线微系统。
背景技术
在通信电子领域，相控阵技术由于其多重先进的技术优点，已成为电子通信发展的主流技术，特别是在雷达、5G通信、卫星通信等方面得到了广泛的应用。相控阵天线作为相控阵系统的核心，传统的天线系统多采用分立模块搭建而成，而随着小型化、轻量化的要求，该方式已不能满足应用需求，
高密度集成相控阵天线是一种新型相控阵天线技术，采用集成化、轻量化设计思路，将系统内各组件高密度集成，实现了天线阵面、馈电网络、收发通道及结构、热控的一体化设计。现有高密度集成天线多采用片上天线(AOC)和封装天线(AIP)的形式，片上天线采用半导体工艺将天线阵面与电路集成在一个芯片上，封装天线采用封装工艺将天线阵面集成在携带芯片的封装材料体内。虽然两种方式均实现了轻量化、集成化设计，但难以满足高功率密度工作需求，高功率相控阵天线系统高密度集成后，会产生严峻的热密度集中问题，导致天线系统性能下降，最终无法满足使用需求。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供一种高功率密度集成有源相控阵天线微系统。
本发明实施例提供一种高功率密度集成有源相控阵天线微系统，应用于高功率密度场景下，包括：天线单元、大功率芯片、高温共烧陶瓷、多功能芯片、石墨烯膜、第一支架组件、第二支架组件，所述天线单元工作频段为X-Ku频段，所述天线单元与所述大功率芯片上表面焊接，所述大功率芯片与所述高温共烧陶瓷上表面焊接，所述石墨烯膜与所述多功能芯片下表面粘接，所述高温共烧陶瓷与所述第一支架组件焊接，所述第一支架组件与所述第二支架组件连接，所述石墨烯膜与所述第二支架组件粘接；
所述大功率芯片的热量传导至所述高温共烧陶瓷，由所述高温共烧陶瓷传导至所述第一支架组件，再传导至冷端；所述大功率芯片的热量传导至所述天线单元；所述多功能芯片的热量通过所述石墨烯膜传导到第二支架组件，再通过第二支架组件传导至冷端。
在一些实施例中，所述天线单元包括金属贴片、介质板和第一金属地板，所述金属贴片贴置于所述介质板上表面，所述第一金属地板帖置于所述介质板下表面。
在一些实施例中，所述第一金属地板采用厚铜设计，所述大功率芯片的热量通过所述第一金属地板传导至冷端。
在一些实施例中，所述介质板中包括金属化孔。
在一些实施例中，高功率密度集成有源相控阵天线微系统还包括第一金属植球和第二金属植球，
所述介质板和所述大功率芯片通过所述第一金属植球焊接在一起，所述高温共烧陶瓷和所述多功能芯片通过所述第二金属植球焊接在一起。
在一些实施例中，所述高温共烧陶瓷包括电源及控制线、馈电网络、第一金属柱、第二金属柱，所述电源及控制线通过第二金属柱与大功率芯片连接，所述电源及控制线通过第二金属柱和第二金属植球与多功能芯片连接，所述馈电网络通过第一金属柱与大功率芯片连接，所述馈电网络通过第二金属柱与第二金属植球和多功能芯片相连接。
X-Ku频段的电磁能量馈入所述多功能芯片后，通过所述第二金属植球和所述第二金属柱传导至所述高温共烧陶瓷内部的馈电网络，所述馈电网络的电磁能量再通过所述第一金属柱传输至大功率芯片、经所述大功率芯片放大后通过第一金属植球馈入所述介质板，再通过所述介质板内部的金属化孔传导至所述金属贴片，形成空间辐射。
在一些实施例中，所述第一支架组件包括钼铜和结构支架，所述钼铜焊接于高温共烧陶瓷下表面，所述结构支架装配于钼铜下侧，
所述大功率芯片的热量传导至所述高温共烧陶瓷，由所述高温共烧陶瓷传导至所述钼铜，再由所述钼铜传导至所述结构支架。
在一些实施例中，所述第二支架组件包括支架凸台和结构支架，所述石墨烯膜粘接在所述多功能芯片和所述支架凸台之间，
所述多功能芯片的热量通过所述支架凸台传导至所述结构支架。
在一些实施例中，还包括第二金属地板和第三金属地板，所述第二金属地板贴置于所述高温共烧陶瓷上表面，所述大功率芯片焊接在所述第二金属地板上侧，所述第三金属地板贴置于所述高温共烧陶瓷下表面。
在一些实施例中，所述金属贴片、介质板、第一金属地板、金属化孔均为PCB工艺加工形成；所述高温共烧陶瓷、第二金属地板、电源及控制线、馈电网络、第三金属地板、第一金属柱、第二金属柱均为HTCC工艺加工形成。
本发明实施例创新性的设计了高功率密度集成相控阵天线系统中，天线、芯片与散热体高度集成，通过电气与散热体的一体化设计，使产生的内部高密度热量可快速导出，同时该天线可实现-60°至+60°的波束扫描，保证了系统良好的工作性能，实现了高密度集成相控阵天线的大功率设计。解决了相控阵天线在高功率密度集成后带来的散热瓶颈问题，实现了相控阵天线系统在高功率密度集成下的良好工作性能，可应用于多种领域。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种高功率密度集成有源相控阵天线微系统的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种高功率密度集成有源相控阵天线微系统的另一结构结构图；
图3是本发明实施例提供的一种高功率密度集成有源相控阵天线微系统金属贴片层图；
图4是本发明实施例提供的一种高功率密度集成有源相控阵天线微系统金属化孔图；
图5是本发明实施例提供的一种高功率密度集成有源相控阵天线微系统的第一金属地板层图；
图6是本发明实施例提供的一种高功率密度集成有源相控阵天线微系统的第二金属地板层图；
图7是本发明实施例提供的一种高功率密度集成有源相控阵天线微系统电源、控制线层图；
图8是本发明实施例提供的一种高功率密度集成有源相控阵天线微系统馈电网络层图；
图9是本发明实施例提供的一种高功率密度集成有源相控阵天线微系统的第三金属地板层图；
图10是本发明实施例提供的一种高功率密度集成有源相控阵天线微系统的钼铜和结构支架图。
附图标记：
1.天线单元
11.金属贴片 12.介质板 13.第一金属地板
121.金属化孔
2.大功率芯片
3.高温共烧陶瓷
31.电源及控制线 32.馈电网络 33.第一金属柱 34.第二金属柱
4.第一支架组件
41.钼铜 42(72).结构支架
5.多功能芯片 6.石墨烯膜
7.第二支架组件
71.支架凸台 42(72).结构支架
8.第一金属植球 9.第二金属地板 10.第二金属植球 14.第三金属地板
具体实施方式
在下文中将参考附图更充分地描述示例实施例，但是所述示例实施例可以以不同形式来体现且不应当被理解为限于本文阐述的实施例。反之，提供这些实施例的目的在于使本发明透彻且完整，并将使本领域技术人员充分理解本发明的范围。
在不冲突的情况下，本发明实施例及实施例中的各特征可相互组合。
如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关列举条目的任何和所有组合。
在本文所使用的术语仅用于描述特定实施例，且不意欲限制本发明。本发明所使用的，单数形式“一个”和“该”也意欲包括复数形式，除非上下文另外清楚指出。还将理解的是，当本说明书中使用术语“包括”和/或“由......制成”时，制定存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或添加一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或其群组。
除非另外限定，否则本文所用的所有术语(包括技术和科学术语)的含义与本领域普通技术人员通常理解的含义相同。还将理解，诸如那些在常用字典中限定的那些术语应当被理解为具有与其在相关技术以及本发明的背景下的含义一致的含义，且将不理解为具有理想化或过度形式上的含义，除非本文明确如此限定。
高功率密度集成的有源相控阵天线设计必需解决热管理问题，特别是高密度的集成大功率芯片后，其热流密度急剧上升，内部聚集的热量若无法及时导出，天线阵列微系统在工作时会产生两个方面的问题：一是引发局部超温现象，从而导致部分器件性能下降甚至失效。二是不同区域间温度一致性会产生较大差异，从而导致相控阵天线通道间性能一致性变差，继而引起天线阵列微系统性能急剧下降。两个方面的问题均严重影响系统工作性能。为使本领域的技术人员更好的理解技术方案，下面结合附图对本发明提供的一种高功率密度集成有源相控阵天线微系统进行详细描述。
图1为本发明实施例提供的高功率密度集成有源相控阵天线微系统的结构示意图。如图1所示，本实施例提供的高功率密度集成有源相控阵天线微系统，应用于高功率密度场景下，包括：天线单元1、大功率芯片2、高温共烧陶瓷3、第一支架组件4、多功能芯片5、石墨烯膜6、第二支架组件7。
所述天线单元1工作频段为X-Ku频段，所述天线单元1与所述大功率芯片2上表面焊接，所述大功率芯片2与所述高温共烧陶瓷3上表面焊接，所述石墨烯膜5与所述多功能芯片4下表面粘接，所述高温共烧陶瓷3与所述第一支架组件6焊接，所述第一支架组件4与所述第二支架组件7连接，所述石墨烯膜6与所述第二支架组件7粘接；
所述大功率芯片2的热量传导至所述高温共烧陶瓷3，由所述高温共烧陶瓷3传导至所述第一支架组件4，再传导至冷端；所述大功率芯片2的热量传导至所述天线单元1；所述多功能芯片5的热量通过所述石墨烯膜6传导到第二支架组件7，再通过所述第二支架组件7传导至冷端。
具体的，散热体包括高温共烧陶瓷3、第一金属地板13、石墨烯膜6、第一支架组件4和第二支架组件7。
在一种优选的实施方式中，所述大功率芯片2为15W的功率芯片。
本发明实施例创新性的设计了高密度集成相控阵天线系统中，创造性的引入了高温共烧陶瓷、石墨烯膜、厚铜的第一金属底板、第一支架组件和第二支架组件各散热体，高温共烧陶瓷具有比较高的导热系数，石墨烯膜具有超高导热率，可快速导热，最终可将热量快速均匀的导出，使系统内部的热量无法聚集，也实现了系统不同区域间温度的高度一致性。
天线、芯片与散热体高度集成，通过电气与散热体的一体化设计，使产生的内部高密度热量可快速导出，同时该天线可实现-60°至+60°的波束扫描，保证了系统良好的工作性能，实现了高密度集成相控阵天线的大功率设计。解决了相控阵天线在高功率密度集成后带来的散热瓶颈问题，实现了相控阵天线系统在高功率密度集成下的良好工作性能，可应用于多种领域。
在一些实施例中，如图2、3所示，所述天线单元1包括金属贴片11、介质板12和第一金属地板13，所述金属贴片11贴置于所述介质板12上表面，所述第一金属地板13帖置于所述介质板12下表面。
在一些实施例中，所述第一金属地板13采用厚铜设计，所述大功率芯片2的热量通过所述第一金属地板13传导至所述高温共烧陶瓷3。
在一些实施例中，如图2、4所示，所述介质板12中包括金属化孔121。
在一些实施例中，如图2、5、9所示，高功率密度集成有源相控阵天线微系统还包括第一金属植球8和第二金属植球10。
所述介质板12和所述大功率芯片2通过所述第一金属植球8焊接在一起，所述高温共烧陶瓷3和所述多功能芯片2通过所述第二金属植球10焊接在一起。
在一些实施例中，如图2、图7、图8所示，所述高温共烧陶瓷3包括电源及控制线31、馈电网络32、第一金属柱33、第二金属柱34，所述第一金属柱33与所述第二金属柱3烧结于高温共烧陶瓷内部，所述第一金属柱33与所述大功率芯片2焊接，所述电源及控制线通过第二金属柱与大功率芯片连接，所述电源及控制线通过第二金属柱和第二金属植球与多功能芯片连接，所述馈电网络通过第一金属柱与大功率芯片连接，所述馈电网络通过第二金属柱与第二金属植球和多功能芯片相连接。
具体的，X-Ku频段的电磁能量馈入所述多功能芯片5后，通过所述第二金属植球10和所述第二金属柱34传导至所述高温共烧陶瓷3内部的馈电网络32，所述馈电网络32的电磁能量再通过所述第一金属柱33传导至所述大功率芯片2，电磁能量经所述大功率芯片2放大后通过第一金属植球8馈入所述介质板12，再通过所述介质板12内部的金属化孔121传导至所述金属贴片11，形成空间辐射。
本发明实施例中，高密度集成相控阵天线系统通过电源及控制线31、馈电网络32、第一金属柱33、第二金属柱34、第一金属植球8、第二金属植球10等部件可实现X-Ku频段大功率电磁信号的发射和接收。
在一些实施例中，如图2和图10所示，所述第一支架组件4包括钼铜41和结构支架42，所述钼铜41焊接于高温共烧陶瓷3下表面，所述结构支架42装配于钼铜41下侧，
所述大功率芯片2的热量传导至所述高温共烧陶瓷3，由所述高温共烧陶瓷3传导至所述钼铜41，再由所述钼铜41传导至所述结构支架42。
采用钼铜41作为散热载体和结构支撑。钼铜41和高温共烧陶瓷3的导热系数需匹配。本发明实施例的散热体中所述石墨烯膜的散热能力最好。
在一些实施例中，如图2和图10所示，所述第二支架组件7包括支架凸台71和结构支架72，所述石墨烯膜6粘接在所述多功能芯片5和所述支架凸台71之间，
所述多功能芯片5的热量通过所述支架凸台71传导至所述结构支架72。
高功率密度集成有源相控阵天线微系统的热源主要是大功率芯片2和多功能芯片5，解决散热问题是保证系统良好工作的关键。其中，一方面大功率芯片2的热量传导至具有高导热率的高温共烧陶瓷3，由高温共烧陶瓷3传导至钼铜41，再由钼铜41快速传导至结构支架42；另一方面大功率芯片2的热量向上传导至第一金属地板13，第一金属地板13采用厚铜设计，也具有一定导热及储热能力。多功能芯片5和支架凸台71界面装贴具有超高导热率的石墨烯膜6，可快速导热。多功能芯片5的热量通过石墨烯膜6传导到支架凸台71，再传导至结构支架72再快速传导至冷端。高温共烧陶瓷3、石墨烯膜6和结构支架72均可快速导热。最终可将热量快速均匀的导出，使系统内部的热量无法聚集，也实现了系统不同区域间温度的高度一致性。
在一些实施例中，如图2、图6、图9所示，还包括第二金属地板9和第三金属地板14，所述第二金属地板9贴置于所述高温共烧陶瓷3上表面，所述大功率芯片2焊接在所述第二金属地板9上侧，所述第三金属地板14贴置于所述高温共烧陶瓷3下表面。
在一些实施例中，所述金属贴片11、介质板12、第一金属地板13、金属化孔131均为PCB工艺加工形成；所述高温共烧陶瓷3、第二金属地板9、电源及控制线31、馈电网络32、第三金属地板14、第一金属柱33、第二金属柱34均为HTCC工艺加工形成。
本发明实施例中，基于高温共烧陶瓷(HTCC)工艺实现大功率高密度集成相控阵天线设计，将天线阵面、收发芯片、单位平方厘米超过15W的大功率芯片通过封焊于HTCC，将馈电网络、控制线、电源线等封装在HTCC内部，实现天线阵面、馈电网络、收发芯片、散热体等高度集成，
在一种优选的实施方式中，所述金属贴片11、第一金属地板13为铜材料，介质板12为聚四氟乙烯材料，第一金属植球8、第二金属植球10为锡铅材料，大功率芯片2和多功能芯片5均为半导体芯片，第二金属地板9、第三金属地板14、电源及控制线31、馈电网络32均为钨铜材料，高温共烧陶瓷3为陶瓷材料，石墨烯膜6为石墨烯材料，钼铜41、支架凸台71为钼铜材料；
在一种优选的实施方式中，金属贴片11为弧形十字结构，介质板12、第一金属地板13、第二金属地板9、高温共烧陶瓷3、第二金属地板9、石墨烯膜6、钼铜41、结构支架42(72)均为方形结构。
在一种优选的实施方式中，所述金属贴片11尺寸为6.55mm×6.55mm，所述介质板12尺寸为9.4mm×9.4mm，所述金属化孔121直径为0.4mm，所述第一金属植球8、第二金属植球10直径为500um，所述第一金属柱33、第二金属柱34直径为0.14mm。所述介质板12厚度为4.5mm，所述高温共烧陶瓷3厚度为3.5mm，所述第一金属地板13厚度为0.2mm，所述石墨烯膜6厚度为1mm。
本文已经公开了示例实施例，并且虽然采用了具体术语，但它们仅用于并仅应当被解释为一般说明性含义，并且不用于限制的目的。在一些实施例中，对本领域技术人员显而易见的是，除非另外明确指出，否则可单独使用与特定实施例相结合描述的特征、特征和/或元素，或可与其他实施例相结合描述的特征、特征和/或元件组合使用。因此，本领域技术人员将理解，在不脱离由所附的权利要求阐述的本发明的范围的情况下，可进行各种形式和细节上的改变。

Claims (10)

1.一种高功率密度集成有源相控阵天线微系统，其特征在于，应用于高功率密度场景下，包括：天线单元、大功率芯片、高温共烧陶瓷、多功能芯片、石墨烯膜、第一支架组件、第二支架组件，所述天线单元工作频段为X-Ku频段，所述天线单元与所述大功率芯片上表面焊接，所述大功率芯片与所述高温共烧陶瓷上表面焊接，所述石墨烯膜与所述多功能芯片下表面粘接，所述高温共烧陶瓷与所述第一支架组件焊接，所述第一支架组件与所述第二支架组件连接，所述石墨烯膜与所述第二支架组件粘接；
所述大功率芯片的热量传导至所述高温共烧陶瓷，由所述高温共烧陶瓷传导至所述第一支架组件，再传导至冷端；所述大功率芯片的热量传导至所述天线单元；所述多功能芯片的热量通过所述石墨烯膜传导到第二支架组件，再通过第二支架组件传导至冷端；
所述天线单元包括第一金属地板；所述大功率芯片的热量通过所述第一金属地板传导至冷端。
2.根据权利要求1所述的高功率密度集成有源相控阵天线微系统，其特征在于，所述天线单元还包括金属贴片和介质板，所述金属贴片贴置于所述介质板上表面，所述第一金属地板帖置于所述介质板下表面。
3.根据权利要求1所述的高功率密度集成有源相控阵天线微系统，其特征在于，所述第一金属地板采用厚铜设计。
4.根据权利要求2所述的高功率密度集成有源相控阵天线微系统，其特征在于，所述介质板中包括金属化孔。
5.根据权利要求2所述的高功率密度集成有源相控阵天线微系统，其特征在于，还包括第一金属植球和第二金属植球，
所述介质板和所述大功率芯片通过所述第一金属植球焊接在一起，所述高温共烧陶瓷和所述多功能芯片通过所述第二金属植球焊接在一起。
6.根据权利要求4所述的高功率密度集成有源相控阵天线微系统，其特征在于，所述高温共烧陶瓷包括电源及控制线、馈电网络、第一金属柱、第二金属柱，所述电源及控制线通过第二金属柱与大功率芯片连接，所述电源及控制线通过第二金属柱和第二金属植球与多功能芯片连接，所述馈电网络通过第一金属柱与大功率芯片连接，所述馈电网络通过第二金属柱与第二金属植球和多功能芯片相连接；
X-Ku频段的电磁能量馈入所述多功能芯片后，通过所述第二金属植球和所述第二金属柱传导至所述高温共烧陶瓷内部的馈电网络，所述馈电网络的电磁能量再通过所述第一金属柱传导至所述大功率芯片，电磁能量经所述大功率芯片放大后通过第一金属植球馈入所述介质板，再通过所述介质板内部的金属化孔传导至所述金属贴片，形成空间辐射。
7.根据权利要求1所述的高功率密度集成有源相控阵天线微系统，其特征在于，所述第一支架组件包括钼铜和结构支架，所述钼铜焊接于高温共烧陶瓷下表面，所述结构支架装配于钼铜下侧，
所述大功率芯片的热量传导至所述高温共烧陶瓷，由所述高温共烧陶瓷传导至所述钼铜，再由所述钼铜传导至所述结构支架。
8.根据权利要求1所述的高功率密度集成有源相控阵天线微系统，其特征在于，所述第二支架组件包括支架凸台和结构支架，所述石墨烯膜粘接在所述多功能芯片和所述支架凸台之间，
所述多功能芯片的热量传导至石墨烯膜，通过石墨烯膜传导至所述支架凸台再传导至所述结构支架。
9.根据权利要求6所述的高功率密度集成有源相控阵天线微系统，其特征在于，还包括第二金属地板和第三金属地板，所述第二金属地板贴置于所述高温共烧陶瓷上表面，所述大功率芯片焊接在所述第二金属地板上侧，所述第三金属地板贴置于所述高温共烧陶瓷下表面。
10.根据权利要求9所述的高功率密度集成有源相控阵天线微系统，其特征在于，所述金属贴片、介质板、第一金属地板、金属化孔均为PCB工艺加工形成；所述高温共烧陶瓷、第二金属地板、电源及控制线、馈电网络、第三金属地板、第一金属柱、第二金属柱均为HTCC工艺加工形成。
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