CN115149241A - 瓦片式相控阵天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种瓦片式相控阵天线，具有超低轮廓，并可与载荷平台表面共形集成。本发明通过下述技术方案实现：发射阵列天线与接收阵列天线分开排布，4×4个天线阵元、多通道多功能异构集成收发芯片分别组合形成一个各自独立的颗粒，通过对颗粒数量进行缩减和扩展，形成一个规模可裁剪、可张缩的前端阵列，多功能异构集成发射芯片和多通道多功能异构集成接收芯片排列于各自的硅基转接板上，使用硅基高密度三维集成工艺将天线阵列、多通道多功能异构集成收发芯片、硅基转接板集成在一起构成三维异构堆叠，实现不同功能层之间在垂直方向上的互联，波控器控制多通道多功能异构集成收发芯片各个通道的幅度和相位，实现相控阵天线波束的扫描。

Description

瓦片式相控阵天线

技术领域

本发明涉及通讯技术领域，尤其是涉及一种主要用于相控阵系统中的瓦片式相控阵天线。

背景技术

随着电子技术和集成制造技术的发展，Ka频段天线单元间距越来越小和集成度越来越高,有源相控阵天线的集成设计也难度越来越大。随着无线通信的场景逐渐复杂，有源相控阵天线系统的性能要求越来越苛刻，有源相控阵天线从以往的单频率工作模式变化为双频率甚至多频率工作模式，同样体积下的功率密度需求也大大提高。有源相控阵天线主要包括：天线阵面、T/R组件、功率分配/合成网络、波控器以及电源等模块。早期的有源相控阵天线 T/R模块受到技术条件限制，体积和重量较大，只能像砖块那样垒在一起，所以被称为砖块式。瓦片式有源相控阵天线体积和重量小，可以像瓦片一样叠加一起，所以又被称为瓦片式。砖式集成的电路设计和制造工艺简单,但集成度、纵向尺寸大,成本较高；只能采用叠加办法安装在天线上面，导致有源相控阵天线重量迅速上升。瓦片式结构的集成度高,纵向尺寸小, 可在雷达天线上进行高密度安装，在同样尺寸和重量下可以安装更多模块，或者在同样探测性能下，天线的重量更低,已逐渐成为有源相控阵天线发展的新趋势。

瓦片式有源相控阵天线采用模块化、小型化和一体化设计,设备集成度和环境适应性要求高。其通常是基于三维异构混合集成技术,典型是多芯片组件(MCM)和系统级封装(SiP) 技术。实现瓦片式有源相控阵天线需要解决两个瓶颈问题,一是无源和有源电路芯片化或小型化；二是无源辐射天线单元或者多个辐射天线单元组成小型天线子阵列，与多种无源/有源电路三维异构混合高密度集成，形成为一个独立功能天线微系统封装体。天线阵列微系统的架构突破了微电子技术范畴，无法在功能、性能上分割成简单单元，天线阵列微系统架构在多物理场约束下跨学科、跨专业，学科、功能和性能界面的模糊性和交叉性，给瓦片式有源相控阵天线的研究带来很大困难。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的是针对现有技术存在的不足之处，本发明提出一种具有低剖面、宽波束、效率高，微小化、低功耗、低成本、多功能一体化的瓦片式相控阵天线的设计方案。另外，该相控阵天线还具有超低轮廓，并可与载荷平台表面共形集成，大大提升了装备的适应性和抗干扰性。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种瓦片式相控阵天线，包括：微带形式的发射阵列天线、接收阵列天线，采用硅CMOS工艺实现多通道多功能的相控阵处理芯片，采用异构集成工艺把不同材质的芯片集成为微小型功能模块的多通道多功能异构集成收发芯片及其控制电路，其特征在于：发射阵列天线与接收阵列天线分开排布，将4×4个天线阵元、多通道多功能异构集成收发芯片分别组合形成一个各自独立的颗粒，通过对颗粒数量进行缩减和扩展，形成一个规模可裁剪、可张缩的前端阵列，其中，发射阵列天线下方是通过毛纽扣连接的多通道多功能异构集成发射芯片，接收阵列天线下方是通过毛纽扣连接的多通道多功能异构集成接收芯片，多功能异构集成发射芯片和多通道多功能异构集成接收芯片均通过焊接的形式排列于各自的硅基转接板上，使用硅基高密度三维集成工艺将天线阵列、多通道多功能异构集成收发芯片、硅基转接板集成在一起构成三维异构堆叠，并且硅基转接板的下方设有通过金丝键合互联的波控器电路，波控器控制多通道多功能异构集成收发芯片各个通道的幅度和相位，实现相控阵天线波束的扫描。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

(1)本发明采用微带形式的发射阵列天线、接收阵列天线，这种采用微带天线的形式阵列天线，具有低剖面、宽波束、效率高以及易实现多种极化等特点，更符合低剖面瓦片式相控阵天线的需求。

(2)本发明采用化合物芯片实现前端的功率放大器和低噪声放大器，可以取得硅工艺不能达到的输出功率、效率、噪声等性能；采用硅CMOS工艺实现多通道多功能的相控阵处理芯片，该工艺可以兼容射频、模拟、数字电路；采用异构集成工艺把不同材质的芯片集成为微小型功能模块支持相控阵的应用。

(3)本发明将4×4个天线阵元、多通道多功能异构芯片组合形成一个颗粒，通过对颗粒数量进行缩减和扩展，形成一个规模可裁剪、可张缩的前端阵列，实现不同性能的天线，可以灵活地适应不同平台、不同用户的需求。这种瓦片式相控阵天线具有微小化、低功耗、低成本、多功能一体化的优点。另外，该相控阵天线还具有超低轮廓，并可与作战平台表面共形集成，大大提升了装备战场适应性和抗干扰性。

(4)本发明使用硅基高密度三维集成工艺将天线阵列、多通道多功能异构集成收发芯片、硅基转接板集成在一起构成三维异构堆叠，实现低损耗、高密度、低干扰的三维异构堆叠设计，进一步简化了实现瓦片式相控阵天线的复杂度，有效降低了瓦片式相控阵天线尺寸和重量，满足小型弹箭载平台的需求。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明瓦片式相控阵天线的电气连接示意图；

图2是为本发明瓦片式相控阵天线矩形辐射贴片的分布示意图；

图3是多通道多功能异构集成芯片三维结构原理图；

图4是发射多通道多功能异构集成芯片结构框图；

图5是接收多通道多功能异构集成芯片结构框图；

图中：1代表辐射贴片，2代表介质基板，3代表类同轴馈电结构。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

具体实施方式

参阅图1。在以下描述的优选实施例中，一种瓦片式相控阵天线，其由三部分组成：第一部分是微带形式的发射阵列天线、接收阵列天线，第二部分是焊接在硅基转接板上的多通道多功能异构芯片，第三部分控制电路。其中，微带形式的发射阵列天线、接收阵列天线，采用异构集成工艺把不同材质的芯片集成为微小型功能模块的多通道多功能异构集成收发芯片及其控制电路，其特征在于：发射阵列天线与接收阵列天线分开排布，将4×4个天线阵元、多通道多功能异构集成收发芯片分别组合形成一个各自独立的颗粒，通过对颗粒数量进行缩减和扩展，形成一个规模可裁剪、可张缩的前端阵列，其中，发射阵列天线下方是通过毛纽扣连接的多通道多功能异构集成发射芯片，接收阵列天线下方是通过毛纽扣连接的多通道多功能异构集成接收芯片，多功能异构集成发射芯片和多通道多功能异构集成接收芯片均通过焊接的形式排列于各自的硅基转接板上，使用硅基高密度三维集成工艺将天线阵列、多通道多功能异构集成收发芯片、硅基转接板集成在一起构成三维异构堆叠，并且硅基转接板的下方设有通过金丝键合互联的波控器电路，波控器控制多通道多功能异构集成收发芯片各个通道的幅度和相位，实现相控阵天线波束的扫描。

参阅图2。发射天线阵面采用微带阵列的形式，介质基板采用低介电常数、低介质损耗角的介质基片。天线阵列单元采用矩形辐射贴片形式，接收阵列天线与发射阵列天线的辐射贴片形式相同，两者的区别是由于工作频段的不同所导致的辐射贴片的尺寸和阵元间距。每个辐射贴片1按线阵等距分布在介质基板2上，每个辐射贴片1的馈电电路采用类同轴的结构3，类同轴馈电结构3的馈电电路垂直于辐射贴片、放置于靠近辐射贴片1宽边中点处。

参阅图3。发射芯片T_chip的输入端口In采用的接头为K型头，与硅基板上的功分网络相连，发射芯片T_chip的输出端口Outi(i＝1，2，3…8)通过TSV工艺在硅帽层打孔，实现芯片与天线阵元之间的信号传输，将发射信号通过阵列天线辐射出去。

参阅图4。多通道多功能异构集成芯片分为发射芯片T_chip和接收芯片R_chip，其分别由化合物芯片Ti/Ri(i＝1，2，3…8)和硅芯片Tx/Rx通过异构集成工艺集成在一起，且包含三层结构，从上至下分别是硅帽层、芯片层和硅基板层。

发射多通道多功能异构集成芯片，由两两并行对称，围绕硅芯片Tx连接的8个相同的化合物芯片Ti(i＝1，2，3…8)组成，8个相同的化合物芯片T_chip的四角并关于硅芯片Tx的中心对称，通过异构集成工艺集成在一起。化合物芯片与硅芯片通过刻蚀于硅基板上的信号线实现射频信号的传输，另外，硅基板上还刻蚀有功分网络、直流电源线和波控电路信号线。

参阅图5。接收多通道多功能异构集成芯片，由两两并行对称，围绕硅芯片Rx连接的8个相同的化合物芯片Ri(i＝1，2，3…8)组成，8个相同的化合物芯片R_chip的四角并关于硅芯片Rx的中心对称，通过异构集成工艺集成在一起。接收芯片R_chip的输入端口 Ini(i＝1，2，3…8)通过TSV工艺在硅帽层打孔，实现芯片与天线阵元的连接，接收天线阵元的信号。接收芯片R_chip的输出端口Out采用的接头为K型头，通过与硅基板上的功合网络相连，将接收到的信号传输至下一层电路。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种瓦片式相控阵天线，包括：微带形式的发射阵列天线、接收阵列天线，采用硅CMOS工艺实现多通道多功能的相控阵处理芯片，采用异构集成工艺把不同材质的芯片集成为微小型功能模块的多通道多功能异构集成收发芯片及其控制电路，其特征在于：发射阵列天线与接收阵列天线分开排布，将4×4个天线阵元、多通道多功能异构集成收发芯片分别组合形成一个各自独立的颗粒，通过对颗粒数量进行缩减和扩展，形成一个规模可裁剪、可张缩的前端阵列，其中，发射阵列天线下方是通过毛纽扣连接的多通道多功能异构集成发射芯片，接收阵列天线下方是通过毛纽扣连接的多通道多功能异构集成接收芯片，多功能异构集成发射芯片和多通道多功能异构集成接收芯片均通过焊接的形式排列于各自的硅基转接板上，使用硅基高密度三维集成工艺将天线阵列、多通道多功能异构集成收发芯片、硅基转接板集成在一起构成三维异构堆叠，并且硅基转接板的下方设有通过金丝键合互联的波控器电路，波控器控制多通道多功能异构集成收发芯片各个通道的幅度和相位，实现相控阵天线波束的扫描。

2.如权利要求1所述的瓦片式相控阵天线，其特征在于：发射天线阵面采用微带阵列的形式，介质基板采用低介电常数、低介质损耗角的介质基片。

3.如权利要求1所述的瓦片式相控阵天线，其特征在于：根据工作频段的不同所导致的辐射贴片的尺寸和阵元间距，天线阵列单元采用矩形辐射贴片形式，接收阵列天线与发射阵列天线的辐射贴片形式相同，两者的区别是由于。

4.如权利要求1所述的瓦片式相控阵天线，其特征在于：每个辐射贴片(1)按线阵等距分布在介质基板(2)上，每个辐射贴片(1)的馈电电路采用类同轴的结构(3)，类同轴馈电结构(3)的馈电电路垂直于辐射贴片、放置于靠近辐射贴片(1)宽边中点处。

5.如权利要求1所述的瓦片式相控阵天线，其特征在于：多通道多功能异构集成芯片分为发射芯片T_chip和接收芯片R_chip，其分别由化合物芯片Ti/Ri和硅芯片Tx/Rx通过异构集成工艺集成在一起，且包含三层结构，从上至下分别是硅帽层、芯片层和硅基板层，其中i＝1，2，3…8。

6.如权利要求5所述的瓦片式相控阵天线，其特征在于：发射芯片T_chip的输入端口In采用的接头为K型头，与硅基板上的功分网络相连，发射芯片T_chip的输出端口Outi通过TSV工艺在硅帽层打孔，实现芯片与天线阵元之间的信号传输，将发射信号通过阵列天线辐射出去，其中i＝1，2，3…8。

7.如权利要求1所述的瓦片式相控阵天线，其特征在于：发射多通道多功能异构集成芯片，由两两并行对称，围绕硅芯片Tx连接的8个相同的化合物芯片Ti组成，8个相同的化合物芯片T_chip的四角并关于硅芯片Tx的中心对称，通过异构集成工艺集成在一起。

8.如权利要求7所述的瓦片式相控阵天线，其特征在于：化合物芯片与硅芯片通过刻蚀于硅基板上的信号线实现射频信号的传输，另外，硅基板上还刻蚀有功分网络、直流电源线和波控电路信号线，其中i＝1，2，3…8。

9.如权利要求1所述的瓦片式相控阵天线，其特征在于：接收多通道多功能异构集成芯片，由两两并行对称，围绕硅芯片Rx连接的8个相同的化合物芯片Ri组成，8个相同的化合物芯片R_chip的四角并关于硅芯片Rx的中心对称，通过异构集成工艺集成在一起，其中，i＝1，2，3…8。

10.如权利要求9所述的瓦片式相控阵天线，其特征在于：接收芯片R_chip的输入端口Ini通过TSV工艺在硅帽层打孔，实现芯片与天线阵元的连接，接收天线阵元的信号；

接收芯片R_chip的输出端口Out采用的接头为K型头，通过与硅基板上的功合网络相连，将接收到的信号传输至下一层电路，其中，i＝1，2，3…8。

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