CN116130953A - 低剖面模块化瓦片式有源相控阵天线 - Google Patents

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CN116130953A CN202310167500.3A CN202310167500A CN116130953A CN 116130953 A CN116130953 A CN 116130953A CN 202310167500 A CN202310167500 A CN 202310167500A CN 116130953 A CN116130953 A CN 116130953A
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Abstract

本发明提供了一种低剖面模块化瓦片式有源相控阵天线，包括：波控电源层、金属腔体层、功分网络层、T/R链路层和天线阵面层，波控电源层的输入端同外部电源、控制信号连接，波控电源层的输出端与T/R链路层的低频输入端连接；在发射链路中，功分网络层的输入端穿过底层的波控电源层后与外部射频激励信号相连，功分网络层的输出端与T/R链路层的射频输入端连接，T/R链路层的输出端构成顶层天线阵面层的输入端；在接收链路中，射频信号的传输线路与发射链路相同，传输方向与发射链路相反，天线接收到的射频信号经过功分网络后的输出端传输至外部接收设备。从而降低了整机剖面高度，减少了整机重量和占用空间，实现天线的小型化与轻量化。

Description

低剖面模块化瓦片式有源相控阵天线
技术领域
本发明涉及微波射频技术领域，具体地，涉及一种低剖面模块化瓦片式有源相控阵天线。
背景技术
近年来，通信、探测需求的日益增加促使T/R组件、天线等通信设备向“高集成，高频段，高性能”的方向快速发展。而得益于半导体集成工艺和印制板生产制造水平的不断提升，瓦片式T/R组件得以大规模应用，相比于多层板垂直于天线孔径的砖式结构，瓦片式结构中多层板及芯片所在平面平行于天线阵面，有效提高了空间利用率。
目前，瓦片式有源相控阵天线架构主要分为两种，一种是类似于传统砖式的低集成度架构，包括：天线阵面，T/R组件，电源，功率分配和波束控制等部件，分别生产测试，并通过多种高、低频连接器进行互联，最后通过人工安装后组成天线系统。另一种是一体化的高集成度架构，即将各类天线系统部件分层设置在多层印制板上，并利用多功能集成芯片实现放大，移相，衰减和波控等控制功能，主要通过压接、焊接等方式实现板间互联，通过机器安装为主生产出高密度的天线产品。前者制造工艺成熟，但零部件尤其是连接器较多，冗余空间较大，未充分发挥出瓦片式结构的特点；后者体积小，重量轻，密度高，但各部件都位于印制板内，一旦生产完成难以实现无损拆卸，测试性和可维修性较差。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种低剖面模块化瓦片式有源相控阵天线。
第一方面，本申请实施提供一种低剖面模块化瓦片式有源相控阵天线，包括：波控电源层、金属腔体层、功分网络层、T/R链路层和天线阵面层，所述波控电源层的输入端同外部电源、控制信号连接，所述波控电源层的输出端与所述T/R链路层的低频输入端连接；
在发射链路中，所述功分网络层的输入端穿过底层的波控电源层后与外部射频激励信号相连，所述功分网络层的输出端与所述T/R链路层的射频输入端连接，所述T/R链路层的输出端构成顶层天线阵面层的输入端，射频信号在所述T/R链路层中经过放大移相后从天线输出；
在接收链路中，射频信号的传输线路与发射链路相同，传输方向与发射链路相反，天线接收到的射频信号进入所述T/R链路层后从T/R链路层的输出端输出，并进入所述功分网络层的输入端，经过所述功分网络后的输出端传输至外部接收设备。
可选地，所述天线阵面层包括：天线辐射单元、天线单元隔墙、紧固定位孔，以及定位销；
所述T/R链路层由多层印制板压制而成，并通过带状线、金丝、微带线之间的电气互联形成功率分配网络与馈电网络，通过位于T/R链路层最下层表面的MMIC芯片控制射频信号的相位与幅度；
所述功分网络层包括：功分射频电路板和功分网络盖板；
所述金属腔体层在元器件、连接器和定位销对应位置分别挖有通孔或凹槽，其中MMIC芯片的通孔位置下方加装有金属盖板以构成封闭腔；
所述波控电源层采用FPGA架构，通过紧固螺钉置于所述金属腔体层下方，并通过低频接插件进行电信号与控制信号的传输。
可选地，在所述天线阵面层中，所述天线单元隔墙将每个天线辐射单元互相隔开，且所述天线阵面层的四边设有半圆柱定位销；其中，所述定位销与所述天线单元隔墙为一体化结构件。
可选地，所述天线阵面层中的天线子阵上的天线单元个数为N×N个，N为大于等于1的自然数。
可选地，在整体结构上从上到下分别为：天线隔墙结构件、射频混压板、金属腔体结构件、功分网络印制板和波控电源印制板。
可选地，所述天线阵面单元和所述T/R射频链路均位于所述射频混压板的最上层表面，所述天线隔墙结构件焊接于所述射频混压板的天线阵面单元所在面，且位于射频混压板下层的T/R射频链路与天线间通过带状线和盲孔进行垂直互联与馈电。
可选地，所述射频混压板与所述波控电源印制板上的元器件均采用SMT表贴工艺进行安装，所述射频混压板为铝基板PCB。
可选地，板间射频垂直互联采用玻璃绝缘子实现，低频互联采用微矩形印制板式低频接插件实现。
可选地，位于上层的天线阵面层、T/R链路层与下层结构间仅通过定位销，紧固螺钉及紧固胶实现定位与固定，与下层结构的安装紧固过程中无需机加工或焊接。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明通过工艺为多层PCB混压板技术和微系统SIP封装技术，主要由两个结构件与三个印制板组成，从上到下为天线隔墙结构件，射频印制板，金属腔体结构件，功分网络印制板和波控电源印制板，在设计层面。天线阵面与T/R射频链路位于同一块PCB板上，天线隔墙结构件焊接于射频板上方，天线单元通过蚀刻的方式集成于射频PCB板最上层并与T/R链路形成垂直互联，射频输出与天线间可直接通过带状线和盲孔实现馈电，无需同轴转接头与线缆，省去了后续人工装配与紧固步骤，减少了装配工序，大幅度降低了过程风险。本发明中用单个多功能芯片实现移相、衰减、功放和信号传输，故射频板表面仅分布有多功能MMIC一种芯片，可通过自动SMT与键合流水线一次生产成型，极大程度上减少了生产工序，降低生产成本的同时与缩短了生产周期。金属腔体结构件焊接于射频板下方，作为冷板起到散热作用，结构件上的挖孔与多功能芯片构成金属屏蔽腔，提高通道间隔离度，减少自激。
本发明一种低剖面模块化瓦片式有源相控阵天线摒弃传统有源相控阵系统中“组件”这一独立组成单元，将天线、T/R组件，功分网络、电源、波控等结构，按照系统功能的耦合关系以“层”的形式进行叠加；利用合理的带状线拓扑结构实现射频信号的功率分配或耦合，减少元器件数量的同时，节省了射频板表层空间，并通过PCB的板间互联减少各种高、低频接插件和线缆数量，充分发挥了瓦片式结构的特点，大幅度降低了了整机剖面高度，极大程度上减少了整机重量和占用空间，实现天线的小型化与轻量化。
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，下面将对实施例或现有技术描述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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本申请实施例提供的一种低剖面模块化瓦片式有源相控阵天线的原理框图；
图2为本申请实施例提供的一种低剖面模块化瓦片式有源相控阵天线的整体结构三维示意图；
图3为本申请实施例提供的一种低剖面模块化瓦片式有源相控阵天线的天线阵面层的结构示意图；
图4为本申请实施例提供的一种低剖面模块化瓦片式有源相控阵天线的T/R链路层的剖面示意图；
图5为本申请实施例提供的一种低剖面模块化瓦片式有源相控阵天线的金属腔体的截面示意图。
图中：1-天线阵面层：11-天线辐射单元，12-天线单元隔墙，13-紧固定位孔，14-定位销；2-T/R链路层：21-射频带状线，22-键合金丝，23-多功能MMIC芯片，24-表层微带线，25-射频连接器；3-功分网络层：31-功分射频电路板，32-功分网络盖板；4-金属腔体层：41-射频芯片腔，42-功分网络腔，43-定位销通孔，44-连接器过孔；5-波控电源层：51-低频接插件，52-波控电源板。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接即可以是用于固定作用也可以是用于电路连通作用。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
本申请实施例提供的一种低剖面模块化瓦片式有源相控阵天线，其结构从上到下依次为天线阵面层、T/R链路层、功分网络层、金属腔体层和波控电源层。天线阵面层包含天线辐射单元、天线单元隔墙，紧固定位孔与定位销。
示例性的，在天线阵面层中，天线辐射单元通过蚀刻的方式集成在T/R链路印制板的最上层，通过加装天线单元隔墙减少面阵单元间互耦，每个子阵四边的设有半圆柱定位销，其中定位销与单元隔墙为一体化结构件；T/R链路层整体由多层印制板压制而成，通过带状线—键合金丝—表层微带线—射频连接器之间的电气互联形成功率分配网络与馈电网络，并利用具备移相、功放等功能的MMIC芯片控制射频信号的相位与幅度，其中芯片位于T/R链路层最下层表面。功分网络层包含功分射频电路板与功分网络盖板两部分，其中电路板位于金属腔体层的功分网络腔内，并通过在其上加装盖板实现电磁屏蔽，盖板上预留有射频连接器所需通孔；金属腔体层在射频芯片对应位置挖有射频芯片腔，在功分网络位置设有功分网络腔，在定位销对应位置留有通孔，在连接器对应位置留有过孔；波控电源层采用FPGA架构，通过紧固螺钉置于金属腔体层下方，并利用低频接插件实现波控电源层印制板与T/R链路层间的电信号与控制信号传输。
进一步地，在一种低剖面模块化瓦片式有源相控阵天线中，波控电源层输入端与外部电源与控制信号连接，波控电源层输出端与T/R链路层的低频输入端连接，为T/R链路层内的功率放大器等有源器件功能并实现数据的传输。在发射链路中，功分网络层输入端穿过底层波控电源层与外部射频激励信号相连，功分网络层输出端与T/R链路层的射频输入端连接，T/R链路层的输出端为顶层天线阵面层的输入端，射频信号在T/R链路层中经过放大移相后从天线输出；在接收链路中，射频信号的传输线路与发射链路相同，传输方向与发射链路相反，天线接收到的射频信号首先输入T/R链路层进行放大移相等处理，之后从T/R链路层的输出端输出并进入功分网络层输入端，经过功分网络后输出至外部接收设备。
本实施例，提供了一种微组装，低成本，小型化，方便拆卸和扩展的低剖面模块化瓦片式有源相控阵天线，在具备高集成度架构特点的同时，提高了系统的测试性，可维修性与场景适用性。
图1为本申请实施例提供的一种低剖面模块化瓦片式有源相控阵天线的原理框图，如图1所示，由天线阵面层1，T/R链路层2，功分网络层3，金属腔体层4和波控电源层5共五层结构从上至下依次叠加构成。
图2为本申请实施例提供的一种低剖面模块化瓦片式有源相控阵天线的整体结构三维示意图，如图2所示，天线阵面层1中每个天线子阵包含4×4型共16个天线单元11，为减少面阵单元间互耦，在每个天线单元间加装了金属隔墙12。为防止天线子阵各部分结构发生相对位移，在天线单元间隙的隔墙结构件上留有紧固定位孔13。同时在天线子阵四周侧边设有半圆柱形定位销14，定位销14与单元隔墙12为一体化结构件。
本实施例中，天线子阵上的天线单元个数为4×4共16个，也可为N×N个(N为≥1的自然数)。
图3为本申请实施例提供的一种低剖面模块化瓦片式有源相控阵天线的天线阵面层的结构示意图，如图3所示，T/R链路层2整体由多层印制板压制而成，主要包含带状线21，金丝22，多功能MMIC芯片23，微带线24和射频连接器25，其中在T/R链路印制板2的最上层蚀刻有天线辐射单元11。在发射链路中，外部射频激励信号经功分网络后由同轴射频连接器25处输入，经表层微带线24转接过渡与功分后，通过金丝22输入多功能芯片23，经多功能芯片23的放大与移相处理后，再经过金丝22与金属化盲孔输入带状线21，最终经带状线21传输后输出至天线辐射单元11。在接收链路中，外部小信号有天线单元接收后，经层间互联与带状线21传输后至印制板下表面，经金丝22输入多功能芯片23，经放大处理后又经过金丝22传输至微带线24，最终经功率合成后通过射频连接器25输出至下一级功分网络。其中射频连接器25与微带线24转接处采用硬连接(焊接)，多功能芯片23与微带线24间采用软连接(键合)。
图4为本申请实施例提供的一种低剖面模块化瓦片式有源相控阵天线的T/R链路层的剖面示意图，如图4所示，每个多功能芯片均位于独立的金属化空腔内，防止通道间的自由空间传输串扰，减少自激，每块芯片可以实现两个天线单元共4条链路的收发幅相调制功能。功分网络位于金属腔体的中心位置，功分网络的1个公共端口穿过底层波控电源层与外部设备连接，功分网络的4个天线端口与T/R链路层的射频连接器连接。
图5为本申请实施例提供的一种低剖面模块化瓦片式有源相控阵天线的金属腔体的截面示意图，如图5所示，低剖面模块化瓦片式有源相控阵天线主要由两种结构件与三种印制板组成，从上到下为天线隔墙结构件，射频混压板，金属腔体结构件，功分网络印制板和波控电源印制板。天线阵面层1共包含4个完全相同的天线子阵，每个天线子阵均对应一块T/R链路多层板，每个T/R链路多层板有1个连接至功分网络层的公共端口与16个连接至各天线单元的天线端口，射频信号的功率分配与合成由板内功分与功分射频电路32共同实现。功分射频电路板31位于金属腔体层的功分网络腔42内，并通过在其上加装盖板31实现电磁屏蔽，盖板上预留有与射频连接器25互联所需通孔。金属腔体层4位于射频板与低频板之间，同时设有独立的射频芯片空腔41与功分网络腔42，可以有效屏蔽高、低频信号电磁空间串扰；金属腔体层4利用定位销通孔43与定位销14，实现水平定位与固定，通过利用紧固螺钉加固，提升整体结构强度与紧实度的同时提供散热功能。FPGA架构的波控电源层5位于金属腔体层4下方，该层主要负责电源与控制信号的传输与处理，利用低频接插件51实现低频板与T/R链路层2的板间互联。
本实施例中，天线阵面与T/R射频链路位于同一块PCB板上，天线隔墙结构件焊接于射频板上方，天线单元通过蚀刻的方式集成于射频PCB板最上层并与T/R链路形成垂直互联，射频输出与天线间可直接通过带状线和盲孔实现馈电，无需同轴转接头与线缆，省去了后续人工装配与紧固步骤，减少了装配工序，大幅度降低了过程风险。
本实施例中，使用单个多功能芯片实现移相、衰减、功放和信号传输，故射频板表面仅分布有多功能MMIC一种芯片，可通过自动SMT与键合流水线一次生产成型，极大程度上减少了生产工序，降低生产成本的同时与缩短了生产周期。金属腔体结构件焊接于射频板下方，作为冷板起到散热作用，结构件上的挖孔与多功能芯片构成金属屏蔽腔，提高通道间隔离度，减少自激。
本实施例中，摒弃传统有源相控阵系统中“组件”这一独立组成单元，将天线、T/R组件，功分网络、电源、波控等结构，按照系统功能的耦合关系以“层”的形式进行叠加；利用合理的带状线拓扑结构实现射频信号的功率分配或耦合，减少元器件数量的同时，节省了射频板表层空间，并通过PCB的板间互联减少各种高、低频接插件和线缆数量，充分发挥了瓦片式结构的特点，大幅度降低了了整机剖面高度，极大程度上减少了整机重量和占用空间，实现天线的小型化与轻量化。
以上是本发明的核心思想，为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，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。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (9)

1.一种低剖面模块化瓦片式有源相控阵天线，其特征在于，包括：波控电源层、金属腔体层、功分网络层、T/R链路层和天线阵面层，所述波控电源层的输入端同外部电源、控制信号连接，所述波控电源层的输出端与所述T/R链路层的低频输入端连接；
在发射链路中，所述功分网络层的输入端穿过底层的波控电源层后与外部射频激励信号相连，所述功分网络层的输出端与所述T/R链路层的射频输入端连接，所述T/R链路层的输出端构成顶层天线阵面层的输入端，射频信号在所述T/R链路层中经过放大移相后从天线输出；
在接收链路中，射频信号的传输线路与发射链路相同，传输方向与发射链路相反，天线接收到的射频信号进入所述T/R链路层后从T/R链路层的输出端输出，并进入所述功分网络层的输入端，经过所述功分网络后的输出端传输至外部接收设备。
2.根据权利要求1所述的低剖面模块化瓦片式有源相控阵天线，其特征在于，所述天线阵面层包括：天线辐射单元、天线单元隔墙、紧固定位孔，以及定位销；
所述T/R链路层由多层印制板压制而成，并通过带状线、金丝、微带线之间的电气互联形成功率分配网络与馈电网络，通过位于T/R链路层最下层表面的MMIC芯片控制射频信号的相位与幅度；
所述功分网络层包括：功分射频电路板和功分网络盖板；
所述金属腔体层在元器件、连接器和定位销对应位置分别挖有通孔或凹槽，其中MMIC芯片的通孔位置下方加装有金属盖板以构成封闭腔；
所述波控电源层采用FPGA架构，通过紧固螺钉置于所述金属腔体层下方，并通过低频接插件进行电信号与控制信号的传输。
3.根据权利要求2所述的低剖面模块化瓦片式有源相控阵天线，其特征在于，在所述天线阵面层中，所述天线单元隔墙将每个天线辐射单元互相隔开，且所述天线阵面层的四边设有半圆柱定位销；其中，所述定位销与所述天线单元隔墙为一体化结构件。
4.根据权利要求2所述的低剖面模块化瓦片式有源相控阵天线，其特征在于，所述天线阵面层中的天线子阵上的天线单元个数为N×N个，N为大于等于1的自然数。
5.根据权利要求1所述的低剖面模块化瓦片式有源相控阵天线，其特征在于，在整体结构上从上到下分别为：天线隔墙结构件、射频混压板、金属腔体结构件、功分网络印制板和波控电源印制板。
6.根据权利要求5所述的低剖面模块化瓦片式有源相控阵天线，其特征在于，所述天线阵面单元和所述T/R射频链路均位于所述射频混压板的最上层表面，所述天线隔墙结构件焊接于所述射频混压板的天线阵面单元所在面，且位于射频混压板下层的T/R射频链路与天线间通过带状线和盲孔进行垂直互联与馈电。
7.根据权利要求5所述的低剖面模块化瓦片式有源相控阵天线，其特征在于，所述射频混压板与所述波控电源印制板上的元器件均采用SMT表贴工艺进行安装，所述射频混压板为铝基板PCB。
8.根据权利要求5所述的低剖面模块化瓦片式有源相控阵天线，其特征在于，板间射频垂直互联采用玻璃绝缘子实现，低频互联采用微矩形印制板式低频接插件实现。
9.根据权利要求1所述的低剖面模块化瓦片式有源相控阵天线，其特征在于，位于上层的天线阵面层、T/R链路层与下层结构间仅通过定位销，紧固螺钉及紧固胶实现定位与固定，与下层结构的安装紧固过程中无需机加工或焊接。
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