CN114665280B - 一种应用于平板封装阵列天线的三维收发馈电网络 - Google Patents

Abstract

本发明涉及平板封装阵列天线技术领域，公开了一种应用于平板封装阵列天线的三维收发馈电网络，包括多个拼接的三维收发一体功分器，所述三维收发一体功分器包括底板、收发馈电网络、一个发射总端口、一个接收总端口、多个输出口，所述发射总端口、所述接收总端口设于所述底板的下表面，所述收发馈电网络、所述输出口设于所述底板的上表面，所述收发馈电网络与所述发射总端口、所述接收总端口、所述输出口电相连。本发明解决了现有技术存在的剖面高、集成度低、结构尺寸和体积较大、隔离性能不佳、加工难度大、成本较高等问题。

Description

一种应用于平板封装阵列天线的三维收发馈电网络

技术领域

本发明涉及平板封装阵列天线技术领域，具体是一种应用于平板封装阵列天线的三维收发馈电网络。

背景技术

砖块式结构和瓦片式结构是两种基本的阵列结构。随着智能蒙皮技术的发展，阵面易于共性，易于集成的瓦块式结构受到了业界的广泛关注。在瓦片式结构中，为了实现高密度的集成，通常会将多个天线单元和元器件进行紧密的排列。封装天线(Antenna inPackage，AiP)技术是通过封装材料与工艺将天线集成在携带芯片的封装内，基于AIP的平板封装阵列架构的每一个封装天线单元都是功能结构独立完整的有源天线，避免了电缆连接，提高了单元的集成度，具有剖面低，易于装配的优点，而且具有较好的维修性和测试性。采用平板封装阵列架构，主要的AiP有源封装天线单元可直接按照要求对天线单元数目进行增减，只需要更改多功能天线母板和底层系统板即可实现整个相控阵天线系统的快速研发。平板封装阵列的收发馈电网络连接着天线子板和底层系统板两大模块，因此收发馈电网络结构的设计显得非常重要。

目前平板封装阵列天线的单元数目较多，阵元位置分布情况各异，如果不能合理规划接收网络和发射网络的布局，就会造成馈线长度过于复杂，损耗大等问题。而且随着平板封装阵列天线的发展，对多层的层叠网络的要求也越来越高。收发馈电网络不仅需要包含接收链路网络和发射链路网络，而且需要在底层预留波束控制电路和电源分配电路等底层系统板的空间，因此整体结构的剖面较高。传统多层收发馈电网络是分别将接收网络层和发射网络层设计好，然后将两层结构进行叠加成型，然而介质基板层数的增加会使同轴探针和带状线之间的连接失配，导致网络的性能恶化。此外，多层微带板的微波性能受加工工艺影响大，工艺较复杂、加工难度大。传统的多层馈电网络为了保证性能，会采用内埋式电阻进行加工，从而造成加工成本过高。

普通的两层介质功分网络的结构简单，设计比较容易，而在多层介质结构中设计功分器要复杂很多，为了具备良好的阻抗匹配，需要用到很多端口处的匹配转换技术，比如同轴内芯穿过多层介质基板，需要计算在不同的介质中同轴外芯半径的变化情况，合理设置金属面腐蚀孔的半径。而且由于收发馈电网络涉及到的功分器数目较多，因此需要考虑各个功分网络之间的连接方式，以及每个功分网络输入端口和输出端口的结构形式等。对于多路功分网络，需要根据实际的结构分布，将同轴线转带状线连接部位，以及带状线转同轴线连接部位进行合理设计来保证性能。由于收发馈电网络会涉及到非常多的单元，因此最终整体的结构尺寸和体积较大，如果对网络匹配性能产生影响的因素没有提前加以考虑，只是依靠后期的调试优化来解决是极为困难的。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提供了一种应用于平板封装阵列天线的三维收发馈电网络，解决现有技术存在的剖面高、集成度低、结构尺寸和体积较大、隔离性能不佳、加工难度大、成本较高等问题。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：

一种应用于平板封装阵列天线的三维收发馈电网络，包括多个拼接的三维收发一体功分器，所述三维收发一体功分器包括底板、收发馈电网络、一个发射总端口、一个接收总端口、多个输出口，所述发射总端口、所述接收总端口设于所述底板的下表面，所述收发馈电网络、所述输出口设于所述底板的上表面，所述收发馈电网络与所述发射总端口、所述接收总端口、所述输出口电相连。

作为一种优选的技术方案，还包括多个隔离电阻，所述隔离电阻设于所述底板的下表面，所述隔离电阻与所述收发馈电网络电相连。

作为一种优选的技术方案，所述隔离电阻为贴片电阻，所述隔离电阻与所述底板的下表面焊接连接。

作为一种优选的技术方案，所述收发馈电网络包括多层介质基板层、多层半固化片层，所述介质基板层与所述多层半固化片层层叠交错布置。

作为一种优选的技术方案，所述介质基板层为4层介质基板，所述半固化片层为4层半固化片PP。

作为一种优选的技术方案，在发射总端口、一个接收总端口、多个输出口及隔离电阻外均环绕有金属孔。

作为一种优选的技术方案，所述底板上设有空气腔。

作为一种优选的技术方案，接收总端口、发射总端口及输出口采用同轴线或带状线与外部电相连。

作为一种优选的技术方案，还包括环绕于所述收发馈电网络外的封闭式的隔离墙。

作为一种优选的技术方案，所述收发馈电网络包括接收网络、发射网络，接收网络与发射网络接收网络与发射网络位于不同的介质基板层。

本发明相比于现有技术，具有以下有益效果：

(1)本发明解决了多功能天线母板上收发馈电网络的设计问题，采用本发明设计的三维收发一体功分器，以及组成的三维收发馈电网络同时满足低剖面、收发一体化、高隔离和低成本等优点。本发明提供了设计三维收发一体功分器和三维收发馈电网络的完整方案和思路，并根据实际的设计和加工情况，提供了良好的解决方案；

(2)本发明设计思路清晰，通用性强；不同于传统的多层收发馈电网络，本发明的接收网络层和发射网络层不是分开设计好之后，将两层进行叠加成型，而是直接设计三维收发一体功分器，然后再拼接组成三维收发馈电网络。由于印制板层数的变化会影响网络结构的匹配特性，因此采用本发明在设计单个功分器时就直接采用多层结构进行优化设计，所提供的三维收发一体功分器在结构上给接收馈电网络和发射馈电网络都留有空间，且互不干扰；本发明所提供的三种三维收发一体功分器具备馈电网络开端，中段和结尾部分，可以根据收发馈电网络的大小和结构进行灵活的变化，因此本发明可以根据实际设计需要，灵活变化为8分路或16分路等收发馈电网络；

(3)本发明设计结构简单，加工制造成本低；本发明尽力避免工艺较复杂、加工难度较大的方案，在保证性能的情况下，尽可能地降低成本。本发明不采用内埋式电阻，而是将隔离电阻统一放置在电路板底部，采用贴片电阻焊接，因此可以降低加工成本和复杂性。此外，本发明将结构上大部分的通孔都全部打通，减少后期背钻的使用，降低加工制造成本。同时本发明在设计三维收发一体功分器时采用了转换接头匹配技术、空气背腔和馈线隔离墙等技术，解决了多层结构收发馈电网络匹配恶化等难题；

(4)本发明设计效率高；从整体结构出发规划网络可以尽可能地减少馈线长度，降低损耗，降低结构复杂度。此外，所提出的三维收发一体功分器在设计时就充分考虑了多层结构对馈电网络的影响，后期采用多个三维收发一体功分器拼接组成的三维收发馈电网络能够很好的保持单元的性能，组成整体后不需要进行过多的调试优化，有效避免了传统收发馈电网络后期进行长时间的计算调整。

附图说明

图1是平板封装相控阵天线的三维收发馈电网络；

图2是平板封装相控阵天线的三维收发馈电网络的侧视图；

图3是多层介质基板上的三维收发一体功分器A；

图4是多层介质基板上的三维收发一体功分器B；

图5是多层介质基板上的三维收发一体功分器C；

图6是多个三维收发一体功分器级联示意图；

图7是根据输出口和等相位功分网络口位置设计的接收网络等相位线；

图8是根据输出口和等相位功分网络口位置设计的发射网络等相位线；

图9是不带隔离墙的平板封装相控阵天线的三维收发馈电网络；

图10是三维收发馈电网络的S参数。

附图中标记及相应的零部件名称：11、底板，12、收发馈电网络，13、发射总端口，14、接收总端口，15、输出口，16、隔离电阻，17、金属孔，18、隔离墙，19、空气腔，121、介质基板层，122、半固化片层。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1至图10所示，本发明的目的是针对现有技术存在的不足之处，提供一种具有剖面低、集成度高、易于变化和设计、应用于平板封装阵列天线的三维收发馈电网络12，该网络由多个三维收发一体功分器组成，同时满足收发一体化、高隔离和低成本等优点。

基于上述目的，本发明提供的技术方案如下：本发明提出的三维收发馈电网络12由多个三维收发一体功分器组成，包括一个发射总端口13，一个接收总端口14，以及16输出口15，14个隔离电阻16全部放置在网络的底部，收发馈电网络12位于介质基板层121，带状线周围采用隔离墙18进行屏蔽。本发明首先根据接收和发射天线单元的数目和分布情况，合理规划接收网络和发射网络的布局。然后从整体结构出发，设计具有多层结构的三维收发一体功分器作为每一级单元。三维收发一体功分器的介质基板层121和半固化片层122数较多，提前充分考虑多层结构对功分网络的影响，可以保证发射层和接收层互不干扰。最后将设计好的多个三维收发一体功分器拼接组成三维收发馈电网络12。

本发明解决了多功能天线母板上收发馈电网络12的设计问题，采用本发明设计的三维收发一体功分器，以及组成的三维收发馈电网络12同时满足低剖面、收发一体化、高隔离和低成本等优点。本发明提供了设计三维收发一体功分器和三维收发馈电网络12的完整方案和思路，并根据实际的设计和加工情况，提供了良好的解决方案。

本发明设计思路清晰，通用性强。不同于传统的多层收发馈电网络12，本发明的接收网络层和发射网络层不是分开设计好之后，将两层进行叠加成型，而是直接设计三维收发一体功分器，然后再拼接组成三维收发馈电网络12。由于印制板层数的变化会影响网络结构的匹配特性，因此采用本发明在设计单个功分器时就直接采用多层结构进行优化设计，所提供的三维收发一体功分器在结构上给接收馈电网络和发射馈电网络都留有空间，且互不干扰。本发明所提供的三种三维收发一体功分器具备馈电网络开端，中段和结尾部分，可以根据收发馈电网络12的大小和结构进行灵活的变化，因此本发明可以根据实际设计需要，灵活变化为8分路或16分路等收发馈电网络12。

本发明设计结构简单，加工制造成本低。本发明尽力避免工艺较复杂、加工难度较大的方案，在保证性能的情况下，尽可能地降低成本。本发明不采用内埋式电阻，而是将隔离电阻16统一放置在电路板底部，采用贴片电阻焊接，因此可以降低加工成本和复杂性。此外，本发明将结构上大部分的通孔都全部打通，减少后期背钻的使用，降低加工制造成本。同时本发明在设计三维收发一体功分器时采用了转换接头匹配技术、空气背腔和馈线隔离墙18等技术，解决了多层结构收发馈电网络12匹配恶化等难题。

本发明设计效率高。从整体结构出发规划网络可以尽可能地减少馈线长度，降低损耗，降低结构复杂度。此外，所提出的三维收发一体功分器在设计时就充分考虑了多层结构对馈电网络的影响，后期采用多个三维收发一体功分器拼接组成的三维收发馈电网络12能够很好的保持单元的性能，组成整体后不需要进行过多的调试优化，有效避免了传统收发馈电网络12后期进行长时间的计算调整。

实施例2

如图1至图10所示，作为实施例1的进一步优化，本实施例包含了实施例1的全部技术特征，除此之外，本实施例还包括以下技术特征：

平板封装阵列天线的三维收发馈电网络12的具体实施方式如下：

(1)从整体思维设计三维收发一体功分器；

本发明是根据整体结构需要来设计单个性能良好的三维收发一体功分器。由于在设计单个功分器的时候就考虑介质基板层121和半固化片层122层数增加对馈电网络的影响，因此直接将单个三维收发一体功分器模型建立在具有八层基板的平板上。本发明设计的平板封装相控阵天线的三维收发馈电网络12如图1所示，馈电网络板层分布情况如图2和表1所示。包括4层介质基板，4层半固化片PP，以及1层系统板层(底板11)。设计三维收发一体功分器的时候主要考虑了以下几个方面的问题。

表1馈电网络板层分布情况

a)本发明提供的多层介质基板上的三维收发一体功分器A如图3所示，接收网络和发射网络不在同一层，两者之间有金属地板和金属墙进行屏蔽，互不干扰。在多层结构中，同轴内芯穿过其他介质之后，分界面上腐蚀圈的大小是根据介质基板的介电常数计算得到，能够使同轴内芯保持50欧姆的阻抗。

b)考虑了三维收发一体功分器隔离电阻16的放置位置，为了降低加工成本和复杂性，本发明不采用内埋式电阻，而是将隔离电阻16统一放置在电路板底部，采用贴片电阻焊接。为此我们设计了一个方便电阻安装焊接的结构，如图3所示，隔离电阻16安装位置的尺寸根据0806贴片电阻的大小进行设计。

c)另外是采用金属孔17对收发功分网络进行屏蔽，如图3所示，我们在输入输出端口，以及安装隔离电阻16的周围都添加了一圈金属孔17，以此减少能量从这些区域进行传输，从而提高收发网络之间的隔离。

根据上面的方法，我们设计了第一级和第二级三维收发一体功分器网络，多层介质基板上的三维收发一体功分器A和B分别如图3和图4所示。在设计第三级三维收发一体功分器网络的时候，需要采用转接头匹配技术解决带状线转同轴线的匹配问题。多层介质基板上的三维收发一体功分器C如图5所示，为了减少引入的电感电容，我们减少了探针的长度。我们将底板11里面的探针去掉，挖空最后一层的介质基板，形成一个空气腔19，通过采用背钻技术使末端功分器具备良好的匹配。结果表明，采用这种结构可以很好地改善网络的匹配。

(2)将多个三维收发一体功分器进行级联；

设计完三级功分网络之后，本发明可以根据前期规划的整体结构，很快将这些网络拼接级联成整个三维功分大网络，最终多个三维收发一体功分器级联示意图如图6所示。

由于功分网络是多层平板结构，同轴端口和带状线端口对级联的影响很大。因此在设计功分器的时候，在不同的地方，会采用不同的端口结构来优化设计。在图3中，三维收发一体功分器A的输入端口为同轴线，输出端口选为带状线；在图4中，三维收发一体功分器B的输入端口为带状线，输出端口也选为带状线；在图5中，三维收发一体功分器C输入端口为带状线，输出端口选为同轴线。

(3)根据输出口15设计等相位线；

设计完级联的功分网络之后，就需要进一步根据整体布局设计等相位线，使接收输出端口之间或者发射输出端口之间具有相同的相位。由于馈电网络的输出端口在不同的位置，为了保证三维收发馈电网络12发射或者接收各个输出口15之间的信号是等幅同相的，因此会延长带状线的长度进行调整。如果直接将整个模型带上功分网络进行仿真，计算量太大，因此我们根据整体布局，只选取输出端口和对应的功分网络端口进行仿真，根据输出口15的和等相位功分网络口的位置设计的接收等相位线如图7所示，发射等相位线如图8所示。实践证明，通过建立简化的带状线模型进行优化设计，可以更加高效地设计出满意的结果。

4)采用封闭式的隔离墙18减少干扰；

优化得到的平板封装相控阵天线的三维收发馈电网络12的如图9所示。需要注意的是，和图1的最终结构不同，该收发馈电网络12不带隔离墙18。对于尺寸较大的三维收发馈电网络12，如果不阻断一些信号在介质基板中的传播，会激励起不需要的谐振，从而产生干扰，影响收发馈电网络12的性能。为了避免这些干扰，我们在收发馈电网络12的电路边上，建立封闭式的隔离墙18，从而改善网络的隔离和匹配性能。最终设计的平板封装相控阵天线的三维收发馈电网络12如图1所示，总的收发端口的匹配以及隔离如图10所示，可以看出在需要的带宽内，收发端口的匹配良好，S11参数在-20dB以下，端口之间的隔离度高，达到65dB以上。

如上所述，可较好地实现本发明。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

本说明书中所有实施例公开的所有特征，或隐含公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合和/或扩展、替换。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种应用于平板封装阵列天线的三维收发馈电网络，其特征在于，包括多个拼接的三维收发一体功分器，所述三维收发一体功分器包括底板(11)、收发馈电网络(12)、一个发射总端口(13)、一个接收总端口(14)、多个输出口(15)，所述发射总端口(13)、所述接收总端口(14)设于所述底板(11)的下表面，所述收发馈电网络(12)、所述输出口(15)设于所述底板(11)的上表面，所述收发馈电网络(12)与所述发射总端口(13)、所述接收总端口(14)、所述输出口(15)电相连；

还包括多个隔离电阻(16)，所述隔离电阻(16)设于所述底板(11)的下表面，所述隔离电阻(16)与所述收发馈电网络(12)电相连；

所述隔离电阻(16)为贴片电阻，所述隔离电阻(16)与所述底板(11)的下表面焊接连接；

所述收发馈电网络(12)包括多层介质基板层(121)、多层半固化片层(122)，所述介质基板层(121)与所述多层半固化片层(122)层叠交错布置；

所述介质基板层(121)为4层介质基板，所述半固化片层(122)为4层半固化片PP；

在发射总端口(13)、一个接收总端口(14)、多个输出口(15)及隔离电阻(16)外均环绕有金属孔(17)；

所述底板(11)上设有空气腔(19)；

接收总端口(14)、发射总端口(13)及输出口(15)采用同轴线或带状线与外部电相连；

还包括环绕于所述收发馈电网络(12)外的封闭式的隔离墙(18)。

2.根据权利要求1所述的一种应用于平板封装阵列天线的三维收发馈电网络，其特征在于，所述收发馈电网络(12)包括接收网络、发射网络，接收网络与发射网络位于不同的介质基板层(121)。

Images