CN114614247A - 一种毫米波瓦片式相控阵天线综合网络 - Google Patents

一种毫米波瓦片式相控阵天线综合网络 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种毫米波瓦片式相控阵天线综合网络，包括贴片天线阵列和回流地孔，所述贴片天线阵列的垂直外侧位置设置有馈线网络层，所述馈线网络层的右侧位置处设置有均温板、所述均温板的右侧位置处设置有T/R组件安装层，所述T/R组件安装层的右侧位置处设置有安装板，该新型中通过用天线综合板来将天线、馈线功分网络、控制信号、电源信号、T/R组件集成在多层电路基板上，没有连接器，高度集成化、轻量化，在T/R组件上可嵌入均温板并且加上散热齿达到良好散热的效果，在垂直互联上，使用共面波导的形式，用焊环加隔离焊盘来调节金属化过孔的阻抗匹配，并且用金属化过孔转微带或共面波导的形式，达到减少互联损耗的目的。

Description

一种毫米波瓦片式相控阵天线综合网络
技术领域
本发明属于一种毫米波瓦片式相控阵天线综合网络技术领域，具体涉及一种毫米波瓦片式相控阵天线综合网络结构。
背景技术
随着相控阵天线的工作频段的扩展，毫米波频段的有源相控阵天线显示出了十分迫切的应用需求，而如今，在新材料，新技术和新工艺的不选提升下，毫米波频段集成电路元件技术难题也正在被迅速攻克，这给相控阵天线得以朝着毫米波以及以上频率发展提供了必要的条件。
现有的一种毫米波瓦片式相控阵天线综合网络存在以下问题：目前的毫米波瓦式相阵阵线阵面、馈电网络、T/R组件等之间存在互联损耗，拥有难以解决T/R组件散热问题和毫米波相控阵成本高的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种毫米波瓦片式相控阵天线综合网络，以解决上述背景技术中提出目前的毫米波瓦式相控阵线阵面、馈电网络、T/R组件等之间存在互联损耗，拥有难以解决T/R组件散热问题以及毫米波相控阵成本高的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种毫米波瓦片式相控阵天线综合网络，包括贴片天线阵列和回流地孔，所述贴片天线阵列的垂直外侧位置处设置有馈线网络层，所述馈线网络层的右侧位置处设置有均温板、所述均温板的右侧位置处设置有T/R组件安装层，所述T/R组件安装层的右侧位置处设置有安装板，所述馈线网络层包括贴片天线、U型传输线、功分网络层、波控信号层、电源信号层、封装层，所述贴片天线的下侧位置处设置有U型传输线，所述U型传输线的下侧位置处设置有功分网络层，所述功分网络层的下侧位置处设置有波控信号层，所述波控信号层的下侧位置处设置有电源信号层，所述电源信号层的下侧位置处设置有封装层，所述馈线网络层和均温板的连接位置处设置有连接散热层，所述回流地孔的内侧位置处设置有焊环，所述焊环的下侧内部位置处设置有反焊盘，所述焊环的上侧位置处设置有焊盘，所述焊盘的中间内侧位置处设置有金属化过孔。
优选的，所述贴片天线、U型传输线、功分网络层、波控信号层、电源信号层、封装层分别间隔设置有金属层进行隔开。
优选的，所述封装层包括BGA焊接层和T/R组件封装，其中BGA焊接层设置在T/R组件封装的上侧位置处。
优选的，所述焊环、焊盘、反焊盘分别由金属材料构成，且具有耐腐蚀的特点。
优选的，所述焊盘通过嵌入方式和焊环以及反焊盘进行连接，所述金属化过孔共设置有多个，且多个金属化过孔分别设置在焊环的上下两侧位置处。
优选的，所述回流地孔共设置有多个，且多个回流地孔分别设置在焊环的外侧位置处。
与现有技术相比，本发明提供了一种毫米波瓦片式相控阵天线综合网络，具备以下有益效果：
本发明针对传统的毫米波砖式相控阵天线和现有的毫米波瓦式相控阵在轻量化、高集成、散热性能好以及互联损耗小的上面存在困难，提出了一种轻量化、高集成、散热性能好以及互联损耗小的毫米波瓦式相控阵天线综合网络，在整体结构上，通过用天线综合板来将天线、馈线功分网络、控制信号、电源信号、T/R组件集成在多层电路基板上，没有连接器，高度集成化、轻量化，在T/R组件上可嵌入均温板并且加上散热齿达到良好散热的效果，在垂直互联上，使用共面波导的形式，用焊环加隔离焊盘来调节金属化过孔的阻抗匹配，并且用金属化过孔转微带或共面波导的形式，达到减少互联损耗的目的。
该装置中未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现，本发明中，新增加了反焊盘、焊盘、回流地孔、金属化过孔、焊环、馈线网络层，其中，在安装板的内侧位置处设置有回流地孔，在回流地孔的内侧位置处设置有焊环，在焊环的下侧内部位置处设置有反焊盘，在焊环的上侧位置处设置有焊盘，在焊盘的中间内侧位置处设置有金属化过孔，馈线网络层设置在贴片天线阵列的右侧位置处，馈线网络层包括贴片天线、U型传输线、功分网络层、波控信号层、电源信号层、封装层，该新型可以通过用天线综合板来将天线、馈线功分网络、控制信号、电源信号、T/R组件集成在多层电路基板上，没有连接器，高度集成化、轻量化，在T/R组件上可嵌入均温板并且加上散热齿达到良好散热的效果，在垂直互联上，使用共面波导的形式，用焊环加隔离焊盘来调节金属化过孔的阻抗匹配，并且用金属化过孔转微带或共面波导的形式，达到减少互联损耗的目的。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制，在附图中：
图1为本发明提出的天线阵面分系统示意图；
图2是本发明的天线阵面分布示意图；
图3是本发明的综合板的板层分布示意图；
图4是本发明的1分16功分网络示意图；
图5是本发明的功分网络局部示意图；
图6是本发明的综合网络示意图；
图7是本发明的T/R组件封装俯视面示意图；
图8是本发明的T/R组件封装BGA焊球面示意图；
图9是垂直互联平面示意图；
图10是垂直互联结构示意图；
图中：200、贴片天线阵列；300、馈线网络层；400、均温板；500、T/R组件安装层；600、安装板；301、贴片天线；302、U型传输线；303、功分网络层；304、波控信号层；305、电源信号层；306、封装层；401、连接散热层；701、反焊盘；702、焊盘；703、回流地孔；704、金属化过孔；705、焊环。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
请参阅图1、图2、图3、图4、图6、图7、图8、图9、图10，本发明提供一种技术方案：一种毫米波瓦片式相控阵天线综合网络，包括贴片天线阵列200和回流地孔703，贴片天线阵列200的垂直外侧位置处设置有馈线网络层300，馈线网络层300的右侧位置处设置有均温板400、均温板400的右侧位置处设置有T/R组件安装层500，T/R组件安装层500的右侧位置处设置有安装板600，馈线网络层300包括贴片天线301、U型传输线302、功分网络层303、波控信号层304、电源信号层305、封装层306，贴片天线301的下侧位置处设置有U型传输线302，U型传输线302的下侧位置处设置有功分网络层303，功分网络层303的下侧位置处设置有波控信号层304，波控信号层304的下侧位置处设置有电源信号层305，电源信号层305的下侧位置处设置有封装层306，馈线网络层300和均温板400的连接位置处设置有连接散热层401，回流地孔703的内侧位置处设置有焊环705，焊环705的下侧内部位置处设置有反焊盘701，焊环705的上侧位置处设置有焊盘702，焊盘702的中间内侧位置处设置有金属化过孔704，贴片天线301、U型传输线302、功分网络层303、波控信号层304、电源信号层305、封装层306分别间隔设置有金属层进行隔开，封装层306包括BGA焊接层和T/R组件封装，其中BGA焊接层设置在T/R组件封装的上侧位置处，焊环705、焊盘702、反焊盘701分别由金属材料构成，且具有耐腐蚀的特点，焊盘702通过嵌入方式和焊环705以及反焊盘701进行连接，金属化过孔704共设置有多个，且多个金属化过孔704分别设置在焊环705的上下两侧外部位置处。
实施例二
请参阅图1、图2、图3、图4、图6、图7、图8、图9、图10，本发明提供一种技术方案：一种毫米波瓦片式相控阵天线综合网络，回流地孔703共设置有多个，且多个回流地孔703分别设置在焊环705的外侧位置处，该新型在整体结构上，通过用天线综合板来将贴片天线阵列200、馈线网络层300、控制信号、电源信号、T/R组件集成在多层电路基板上，没有连接器，高度集成化、轻量化，在T/R组件上嵌入均温板400并且加上散热齿达到良好散热的效果，在垂直互联上，使用共面波导的形式，用焊环705加隔离焊盘702来调节金属化过孔704的阻抗匹配，并且用金属化过孔704转微带或共面波导的形式，达到减少互联损耗的目的。
本发明的工作原理及使用流程：本发明安装完成之后，该新型通过采用混合微波电路技术，将相控阵雷达阵面中的各种馈线网络设计成多层印制板形式，以多层板内的互联代替传统阵面中的外部电缆连接，并且采用瓦片式集成的方式将贴片天线单元集成以及将T/R组件封装通过BGA安装在综合板上，实现有引线阵面向无引线阵面的变革，提高雷达阵面的集成度，从而减少阵面的体积和重量，并提高雷达系统的可靠性和电磁兼容性，综合网络中发热量较大的地方统一放置在综合网络的表层和底层，表层可以通过空气对流来散热，底层可以通过骨架的接触来散热，故将T/R组件封装分立安装在底部，嵌入均温板400用导热齿将热量导热到骨架上，为了保护器件的电磁兼容性，使数字信号和射频信号分开走线，用瓦片式的结构将馈线功分网络、波控信号和电源信号集成在多层基板上，均温板400为T/R组件提供散热；T/R组件采用封装自构成各个模块，通过BGA焊接在天线阵面综合板上，对于金属化过孔704的垂直互联，内部线路主要利用金属化过孔704完成带状线向微带或GCPW过渡，与从同轴连接器向微带或GCPW电路信号过渡的相对简单相比，带状线电路要实现从同轴连接器到PCB的有效信号过渡则需要使用金属化过孔704，在微带电路中，连接器中心导体和单接地面层的电路传输线具有相同的阻抗，直接连接通常就可以有效的将信号能量从连接器传输到电路，因为带状线的电路信号平面不在表面，所以从同轴连接器到带状线电路的信号过渡需要阻抗匹配，要使连接器中心导体与带状线电路导体相连接，只有通过金属化过孔704的方式来实现，由于工作频率的波长较小，信号馈入或者从连接器中心导体过渡到带状线信号平面通常通过直径极小的金属化过孔704，为了在带状线电路中形成均匀的接地面，通常使用相似的PTH过孔使电路的顶部和底部接地层连接，这样最大程度地减少不同接地面中电流密度差异的可能性，当然，重要的是尽量减小过渡PTH的长度，在带状线电路中，信号路径中任何不必要的长度都可能导致反射和回波损耗降低，甚至产生寄生或谐波信号，但是在毫米波、低成本、高集成、高性能的前提下，瓦片式架构导致垂直过度使用较长的PTH不可避免，所以，毫米波瓦片式相控阵天线综合网络在这里提出一种新的阻抗匹配方法，即在PTH的某些金属层加入焊环705调节电感以及电容，并且调节反焊盘701，从而使得阻抗匹配，降低回波损耗和互联损耗，而对于T/R组件封装使用BGA焊接技术集成在天线综合网络中的互联，采用的则是分部分阻抗匹配，在T/R芯片至天线之间互联，分为T/R芯片至BGA焊球，BGA焊球到天线的互联，并且垂直互联的设计进一步减少了工艺上的成本，回流地孔703贴近铜皮边界打孔，保证孔的焊盘702与所在的铜皮边界重叠，拓展信号带宽，并且打密集接地孔增加隔离度，以及达成良好的接地效果，其次，回流地孔703给信号过孔承载的信号提供良好的信号回流通路，并且通过接地过孔消除信号之间的电磁场辐射，在毫米波频段上，由于毫米波电路的波长短，通常使用薄的层压板，但是，即使使用非常薄的介电材料，带状线及其多层电路在给定的频率下通常也会比微带或GCPW电路更厚，其中PCB介质材料的一致性对于信号传播一致性也是至关重要的，在毫米波频率下，带状线电路中的多层介质材料结构会比微带和GCPW电路具有更高的介质损耗和插入损耗，但是，通过选取低介质损耗或低损耗因子的电路材料入手，即使在毫米波频率下，带状线插入损耗也可以得到控制和最小化，对于毫米波频率下的带状线电路，由于波长小，通常在较薄的介质材料上加工，铜箔导体表面粗糙度也是一个需要关注的问题，与较光滑的铜箔导体表面相比，较粗糙的铜箔导体表面将减缓电磁波在导体中的传播，此外，导体和PCB表面粗糙度的不一致会导致信号在PCB上的电磁传播特性发生变化，尤为明显是在毫米波频率下的相位特性的变化，铜表面粗糙度的变化会引起PCB材料的色散变化，PCB的色散是导体和介质材料的函数，不一致的色散可能不会对RF甚至微波频率下的电路造成影响，但会导致毫米波频率下某些对此很敏感的电路相位响应发生变化，由此提出基材，它是陶瓷填充的聚四氟乙烯复合材料，整个材料的介电常数都保持在三±零点零四以内，具有七十七GHz汽车雷达毫米波频段电路所需的一致性，聚四氟乙烯复合层压板在十GHz时的Df低至零点零零一，且具有极其出色的温度稳定性，同时，材料的三个轴上也具有一致的热膨胀系数，CTE一致性可确保在整个温度范围内，在毫米波频率下的带状线路中的极小过孔可保持完整性和高可靠性。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种毫米波瓦片式相控阵天线综合网络，包括贴片天线阵列(200)和回流地孔(703)，其特征在于：所述贴片天线阵列(200)的垂直外侧位置处设置有馈线网络层(300)，所述馈线网络层(300)的右侧位置处设置有均温板(400)、所述均温板(400)的右侧位置处设置有T/R组件安装层(500)，所述T/R组件安装层(500)的右侧位置处设置有安装板(600)，所述馈线网络层(300)包括贴片天线(301)、U型传输线(302)、功分网络层(303)、波控信号层(304)、电源信号层(305)、封装层(306)，所述贴片天线(301)的下侧位置处设置有U型传输线(302)，所述U型传输线(302)的下侧位置处设置有功分网络层(303)，所述功分网络层(303)的下侧位置处设置有波控信号层(304)，所述波控信号层(304)的下侧位置处设置有电源信号层(305)，所述电源信号层(305)的下侧位置处设置有封装层(306)，所述馈线网络层(300)和均温板(400)的连接位置处设置有连接散热层(401)，所述回流地孔(703)的内侧位置处设置有焊环(705)，所述焊环(705)的下侧内部位置处设置有反焊盘(701)，所述焊环(705)的上侧位置处设置有焊盘(702)，所述焊盘(702)的中间内侧位置处设置有金属化过孔(704)。
2.根据权利要求1所述的一种毫米波瓦片式相控阵天线综合网络，其特征在于：所述贴片天线(301)、U型传输线(302)、功分网络层(303)、波控信号层(304)、电源信号层(305)、封装层(306)分别间隔设置有金属层进行隔开。
3.根据权利要求1所述的一种毫米波瓦片式相控阵天线综合网络，其特征在于：所述封装层(306)包括BGA焊接层和T/R组件封装，其中BGA焊接层设置在T/R组件封装的上侧位置处。
4.根据权利要求1所述的一种毫米波瓦片式相控阵天线综合网络，其特征在于：所述焊环(705)、焊盘(702)、反焊盘(701)分别由金属材料构成，且具有耐腐蚀的特点。
5.根据权利要求1所述的一种毫米波瓦片式相控阵天线综合网络，其特征在于：所述焊盘(702)通过嵌入方式和焊环(705)以及反焊盘(701)进行连接，所述金属化过孔(704)共设置有多个，且多个金属化过孔(704)分别设置在焊环(705)的上下两侧位置处。
6.根据权利要求1所述的一种毫米波瓦片式相控阵天线综合网络，其特征在于：所述回流地孔(703)共设置有多个，且多个回流地孔(703)分别设置在焊环(705)的外侧位置处。
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