CN115332779B - 相控阵天线的封装组件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种相控阵天线的封装组件，所述相控阵天线的封装组件包括天线层、射频层、子阵网络层和母板网络层；所述天线层通过馈电端口与所述射频层的阵元端口电连接；所述射频层分别通过第一射频端口、第一控制端口和第一电源端口与所述子阵网络层的第二射频端口、第二控制端口和第二电源端口电连接；所述子阵网络层分别通过第三射频端口、第三控制端口和第三电源端口与所述母板网络层的第四射频端口、第四控制端口和第四电源端口电连接，采用该标准架构与接口实现低成本、小型化的高集成一体化天线封装组件，解决了多波束布板难度高、多波束扩展应用情况下的设计制造难度高、优化升级难度高的问题，提升设计、制造灵活性和通用性。

Description

相控阵天线的封装组件
技术领域
本发明涉及毫米波天线领域，具体涉及一种相控阵天线的封装组件。
背景技术
随着卫星通信毫米波技术的迅速发展，毫米波相控阵作为终端的重要组成部分，其批量化、低成本、通用化、小型化是亟待解决的问题。
通信用相控阵天线逐渐从传统砖式架构向瓦式架构发展。瓦式相控阵天线架构由于采用器件电路布局平行于与天线面的方式，具有剖面低、易于与平台集成共形等特点，具有广泛的应用前景。
目前采用较多的瓦式架构是采用PCB工艺将天线阵列、网络以及射频有源电路进行一体化压合，然后将硅基多功能芯片在底面进行贴片。首先，这种架构在多波束扩展方面存在限制，主要因为多波束应用情况下，底层多功能芯片馈电孔需穿过网络层，布板难度高，同时PCB压合层数、压合次数、压合厚度大幅增加，因此成品率低、成本极高，也造成产品可靠性降低。第二，这种架构由于天线与网络、电路部分进行一次性压合，造成天线阵列和射频无法解耦，要变更天线必须进行整体改版再投产，影响了产品的优化升级。第三，由于需求的不同，用户可能对阵列的规模和布局存在不同的要求，传统的一体化子阵扩展重构不灵活，无法满足用户快速定制开发的需求。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种相控阵天线的封装组件，实现低成本、小型化的高集成一体化天线封装组件，解决了多波束布板难度高、多波束扩展应用情况下的设计制造难度高、优化升级难度高的问题，提升设计、制造灵活性和通用性。
本发明实施例的一种相控阵天线的封装组件，所述相控阵天线的封装组件包括天线层、射频层、子阵网络层和母板网络层；所述天线层通过馈电端口与所述射频层的阵元端口电连接；所述射频层分别通过第一射频端口、第一控制端口和第一电源端口与所述子阵网络层的第二射频端口、第二控制端口和第二电源端口电连接；所述子阵网络层分别通过第三射频端口、第三控制端口和第三电源端口与所述母板网络层的第四射频端口、第四控制端口和第四电源端口电连接。
根据本发明的一个优选实施例，所述射频层一侧表面引出与所述天线层电连接的焊点，所述射频层另一侧表面引出与所述子阵网络层电连接的焊点。
根据本发明的一个优选实施例，所述射频层上设有至少一个散热金属柱。
根据本发明的一个优选实施例，一个所述母板网络层上集成多个所述子阵网络层，每个所述子阵网络层上集成多个所述射频层，每个所述射频层上电连接一个所述天线层。
根据本发明的一个优选实施例，所述天线层包括至少两个天线阵元。
根据本发明的一个优选实施例，所述子阵网络层包括第一射频网络层、第一电源网络层和第一控制网络层。
根据本发明的一个优选实施例，所述母板网络层包括第二射频网络层、第二电源网络层和第二控制网络层。
根据本发明的一个优选实施例，所述子阵网络层和所述母板网络层通过植球贴片焊接或接插件对插垂直互联。
根据本发明的一个优选实施例，所述射频层采用陶瓷或晶圆级封装。
根据本发明的一个优选实施例，所述天线层、所述射频层、所述子阵网络层和所述母板网络层一体化集成，并连接在结构冷板上。
本发明实施例采用标准架构与接口实现低成本、小型化的高集成一体化天线封装组件。将天线层、射频层、子阵网络层和母板网络层模块化设计，实现了天线、组件、网络的解耦，射频组件封装双面引线植球，实现与天线、网络灵活集成，天线层与射频多功能芯片实现就近互联，减小连接损耗，同时实现芯片双向散热。基于子阵网络层和母板网络层两级网络架构，降低多波束布板难度，解决了多波束布板难度高、多波束扩展应用情况下的设计制造难度高、优化升级难度高的问题，提升设计、制造灵活性和通用性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的相控阵天线的封装组件的结构示意图；
图2为本发明实施例的子阵网络层的结构示意图。
具体实施方式
此说明书实施方式的描述应与相应的附图相结合，附图应作为完整的说明书的一部分。在附图中，实施例的形状或是厚度可扩大，并以简化或是方便标示。再者，附图中各结构的部分将以分别描述进行说明，值得注意的是，图中未示出或未通过文字进行说明的元件，为所属技术领域中的普通技术人员所知的形式。
此处实施例的描述，有关方向和方位的任何参考，均仅是为了便于描述，而不能理解为对本发明保护范围的任何限制。以下对于优选实施方式的说明会涉及到特征的组合，这些特征可能独立存在或者组合存在，本发明并不特别地限定于优选的实施方式。本发明的范围由权利要求书所界定。
如图1所示，是本发明实施例的相控阵天线的封装组件的结构示意图。所述相控阵天线的封装组件包括天线层1、射频层2、子阵网络层3和母板网络层4。
天线层1具有馈电端口。
射频层2具有阵元端口、第一射频端口、第一控制端口和第一电源端口。
子阵网络层3具有第二射频端口、第二控制端口和第二电源端口，以及第三射频端口、第三控制端口和第三电源端口。
母板网络层4具有第四射频端口、第四控制端口和第四电源端口。
天线层1的馈电端口与射频层2的阵元端口电连接。
射频层2的第一射频端口与子阵网络层3的第二射频端口电连接，射频层2的第一控制端口与子阵网络层3的第二控制端口电连接，射频层2的第一电源端口与子阵网络层3的第二电源端口电连接。
子阵网络层3的第三射频端口与母板网络层4的第四射频端口电连接，子阵网络层3的第三控制端口与母板网络层4的第四控制端口电连接，子阵网络层3的第三电源端口与母板网络层4的第四电源端口电连接。
本实施例基于多层AIP(Antenna in Package)架构实现了天线、组件和网络的解耦，解决卫星通信相控阵的集成方式，解决传统瓦式架构设计、制造优化升级不灵活的问题，基于两级网络架构，降低多波束布板难度，解决了多波束扩展应用情况下的设计制造难度高、成本高，优化升级难度高，以及快速定制开发经济与时间成本高的难题。
如图1所示，在本实施例中，射频层2通过金属过孔21走线，从封装顶面和底面双面引线并预先植焊球。其中，射频层2封装顶面的焊球阵列与天线层1的馈电点引出的焊盘位置对应，封装底面的焊球阵列与子阵网络板3引出的焊盘位置对应。由此，实现了天线与网络组件的灵活集成(相比于传统的一体压合封装形式不能单独拆卸，天线层1可以从射频层2上焊球脱离下来，进行调制或更换，再重新植焊球连接至射频层2)，实现射频多功能芯片与天线就近互联，减小连接损耗，同时实现芯片双向散热。
如图1所示，在本实施例中，如图1所示，在本实施例中，射频层2上设有至少一个散热金属柱20。散热金属柱20优选采用导热性良好且成本较低的铜制，当然也可以是其他金属。散热金属柱20至少设置在射频层2的底面，也即和子阵网络层3相对的一面，实现良好导热性能。
如图1所示，在本实施例中，天线层1包括至少两个天线阵元，作用是将芯片输出的射频信号向空间进行辐射并放大，或者接收空间射频信号输出给射频芯片。天线的实现形式可以是微带、带线、波导或阵子等。天线层1底部引出馈电点焊盘用于与射频层2焊接。
如图1所示，在本实施例中，一个子阵网络层3上集成多个射频层2，每个射频层2上电连接一个天线层1，天线层1、射频层2和子阵网络层3可以采用低成本焊接工艺一次性焊接，例如回流焊，也可以先高温焊接天线层1与射频层2，然后再整体焊接到子阵网络层3上。由此，实现低成本、小型化和高集成度的封装组件。
如图1所示，在本实施例中，射频层2采用陶瓷或晶圆级封装，射频层2内部具有射频芯片22，射频芯片22可以为SOC多功能芯片，也可以是多片分立芯片。射频芯片22通过垂直设置的多个金属过孔21将互联网端口引接到封装顶面和底面，其中，顶面为与天线层1互联的阵元端口，底面为与子阵网络层3互联的第二射频端口、第二控制端口和第二电源端口。
如图2所示，在本实施例中，子阵网络层3包括第一控制网络层33、第一电源网络层32和第一射频网络层31。网络的层数可以根据实际情况进行调整，其中n波束的射频网络可以布局到n层，也可以优化布局小于n层，从而进一步降低加工难度和成本。同时，子阵网络层3顶面和底面为GND+引线焊盘20，且第一控制网络层33、第一电源网络层32和第一射频网络层31的多个波束网络的两两之间均设有GND层。
子阵网络层3可以采用微波PCB多层压合，还可以通过低温共烧陶瓷工艺(lowtemperature co-fired ceramic，LTCC)进行整体压合，亦或是本领域其他的方式进行压合。
如图2所示，在本实施例中，母板网络层4可以采用与子阵网络层3相同的结构，为简洁起见，不再另起图示。也即，母板网络层4包括第二控制网络层、第二电源网络层和第二射频网络层等。母板网络层4可以采用微波PCB多层压合，还可以通过低温共烧陶瓷工艺(low temperature co-fired ceramic，LTCC)进行整体压合，亦或是本领域其他的方式进行压合。
如图1所示，在本实施例中，子阵网络层3与母板网络层4通过植球贴片焊接垂直互联或通过接插件对插垂直互联，二者对应的射频端口、控制端口和电源端口分别互联。
如图1所示，在本实施例中，天线层1、射频层2、子阵网络层3和母板网络层4一体化集成，并连接在结构冷板5上。结构冷板5可以采用均热板、热管或是散热片等，既可以起到结构支撑作用，也可以起到组件散热作用。
本发明实施例主要解决卫星通信相控阵的集成方式，传统瓦式架构存在设计、制造优化升级不灵活，无法适用于用户快速定制需求以及无法适用于多波束设计与批量制造的缺点。本发明实施例基于多层解耦AIP组件架构，在较低成本及较为巧妙的设计方式下实现了相控阵组件的制造方案，充分发挥了集成布局与工艺制造的结合优势，解决了多波束扩展应用情况下的设计制造难度高、成本高，优化升级难度高，以及快速定制开发经济与时间成本高的关键难题。相比于现有技术具有的有益效果：
1.实现了天线、组件、网络的解耦，采用标准架构与接口，解决卫星通信相控阵的集成方式，可解决传统瓦式架构设计、制造优化升级不灵活问题。
2.射频组件封装双面引线植球，实现与天线、网络灵活集成，实现射频多功能芯片与天线就近互联，减小连接损耗，同时实现芯片双向散热。
3.基于两级网络架构，降低多波束布板难度，解决了多波束扩展应用情况下的设计制造难度高、成本高，优化升级难度高，以及快速定制开发经济与时间成本高的关键难题。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种相控阵天线的封装组件，其特征在于，所述封装组件包括天线层(1)、射频层(2)、子阵网络层(3)和母板网络层(4)；
所述天线层(1)通过馈电端口与所述射频层(2)的阵元端口电连接；
所述射频层(2)分别通过第一射频端口、第一控制端口和第一电源端口与所述子阵网络层(3)的第二射频端口、第二控制端口和第二电源端口电连接；
所述子阵网络层(3)分别通过第三射频端口、第三控制端口和第三电源端口与所述母板网络层(4)的第四射频端口、第四控制端口和第四电源端口电连接；
一个所述母板网络层(4)上集成多个所述子阵网络层(3)；
每个所述子阵网络层(3)上集成多个所述射频层(2)，每个所述射频层(2)上电连接至少一个所述天线层(1)；
所述射频层(2)内具有至少一个射频芯片(22)。
2.根据权利要求1所述的封装组件，其特征在于，所述射频层(2)一侧表面引出与所述天线层(1)电连接的焊点，所述射频层(2)另一侧表面引出与所述子阵网络层(3)电连接的焊点。
3.根据权利要求1所述的封装组件，其特征在于，所述射频层(2)上设有至少一个散热金属柱(20)。
4.根据权利要求1所述的封装组件，其特征在于，所述天线层(1)包括至少两个天线阵元。
5.根据权利要求1所述的封装组件，其特征在于，所述子阵网络层(3)包括第一射频网络层(31)、第一电源网络层(32)和第一控制网络层(33)。
6.根据权利要求1所述的封装组件，其特征在于，所述母板网络层(4)包括第二射频网络层、第二电源网络层和第二控制网络层。
7.根据权利要求1所述的封装组件，其特征在于，所述子阵网络层(3)和所述母板网络层(4)通过植球贴片焊接或接插件对插垂直互联。
8.根据权利要求1所述的封装组件，其特征在于，所述射频层(2)采用陶瓷或晶圆级封装。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的封装组件，其特征在于，所述天线层(1)、所述射频层(2)、所述子阵网络层(3)和所述母板网络层(4)一体化集成，并连接在结构冷板(5)上。
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