CN116505253A - 一种多波束相控阵天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多波束相控阵天线，涉及微波天线技术领域，包括自上而下层叠的第一电路载板、第一金属板和第二电路载板；第一电路载板上表面设有辐射体阵列，第一电路载板下表面设有TR放大器件阵列，辐射体阵列内各个辐射体与TR放大器件阵列内各个TR放大器件一一对应射频互联，TR放大器件阵列紧贴第一金属板上表面；第二电路载板的至少一个表面上设有多波束的幅相控制器件，各个TR放大器件经穿设通过第一金属板的互联结构件与幅相控制器件射频互联；第二电路载板的下表面设有用于接入低频控制和供电网络的第一连接器和用于与外部馈电网络连接的射频接口。通过“三明治”夹层架构将TR电路进行分层纵向堆叠，实现多波束共口径。

Description

一种多波束相控阵天线

技术领域

本发明属于微波天线技术领域，特别是毫米波相控阵天线技术领域，具体涉及一种多波束相控阵天线。

背景技术

为了保证通信效率，提升通信质量，一些应用场景需要车载、机载、船载卫星通信天线具备多目标锁定跟踪的能力，实现“一对多”或者“多对多”的复杂且大容量的通信模式，因此要求卫星通信天线具备同时产生多个电磁波束的能力。目前卫星通信常用的多波束天线主要有抛物面天线、波导缝隙阵天线等，控制实现比较复杂，且波束指向切换依靠伺服机构，难以实现快速切换。然而多波束相控阵天线通过数字控制的方式，让天线系统可以同时接收或者发射来自不同方向的无线信号，波束切换速度相比传统天线显著提高，同时具备使用寿命更长、自重更轻等优点，由此多波束相控阵已逐步成为了5G卫星通信系统的核心技术之一。

目前业内普遍的多波束相控阵实现办法是采用平铺布局的设计，即需要实现几个波束，则横向的平铺增加几个相控阵。这种方法设计的天线口径尺寸过大，往往不能满足平台的装机需求，同时成本也较高、功耗也大、应用领域较窄。共口径的多波束相控阵可很好的克服上述问题，然而为满足增益和低副瓣要求、消除栅瓣效应等，对相控阵天线的工作单元尺寸有一定的限制，给到有源电路布局的空间非常有限，共口径的多波束相控阵实现极其困难，现阶段常见的相控阵天线架构极难适应多波束相控阵天线器件数量多的特点。

综上所述，为了多波束的共口径实现，急需对现有的相控阵天线架构进行改良。

发明内容

有鉴于此，本发明基于一种改进的相控阵天线架构，提出了一种多波束相控阵天线，用以解决现有的相控阵天线架构难以实现多波束共口径的技术问题。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种多波束相控阵天线，包括自上而下层叠设置的第一电路载板、第一金属板和第二电路载板；

第一电路载板的上表面设置有辐射体阵列，第一电路载板的下表面设置有TR放大器件阵列，辐射体阵列内的各个辐射体与TR放大器件阵列内的各个TR放大器件一一对应地射频互联，TR放大器件阵列紧贴第一金属板的上表面，各个所述辐射体均用于多波束收发；

第二电路载板的至少一个表面上设置有多波束的幅相控制器件，各个TR放大器件经穿设通过第一金属板的互联结构件与幅相控制器件射频互联，若第二电路载板的上表面设置有幅相控制器件，则该幅相控制器件紧贴第一金属板；

第二电路载板的下表面设置有第一连接器和用于与外部馈电网络连接的射频接口，所述第一连接器用于接入低频控制和供电网络，而后对幅相控制器件进行供电和低频控制以及向TR放大器件阵列供电，所述射频接口经分布在第二电路载板内用于多波束形成的第一射频走线与幅相控制器件互联。

进一步的，所述第一金属板自上而下贯穿设置有第一通孔，所述互联结构件包括同轴内芯和低介电常数的柱状介质体，所述同轴内芯位于所述介质体的中心轴线处，介质体穿设在第一通孔内且介质体的外壁与第一通孔的内壁紧密贴合。

进一步的，所述同轴内芯为弹性针。

进一步的，所述辐射体与TR放大器件通过分布在第一电路载板内的金属通孔和水平的第二射频走线进行射频互联。

进一步的，所述幅相控制器件为多波束幅相控制芯片或多个单波束幅相控制芯片。

进一步的，所述第一电路载板内分布有第一供电走线，第二电路载板内分布有第二供电走线和低频控制走线，所述第一连接器经第二供电走线与幅相控制器件连接，第一连接器还经低频控制走线与幅相控制器件连接，所述第二供电走线还经穿设通过第一金属板的低频对插连接器与第一供电走线连接，所述第一供电走线与TR放大器件阵列连接。

进一步的，所述相控阵天线还包括自上而下层叠设置的第二金属板和低频供电控制板，第二金属板设置在第二电路载板的下方，若第二电路载板的下表面设置有幅相控制器件，则该幅相控制器件紧贴第二金属板，所述低频供电控制板的下表面设置有低频控制芯片、供电芯片和第二连接器，第一连接器穿设通过第二金属板后与所述低频控制芯片和供电芯片连接，第二连接器用于连接至外部的控制端口和供电端口。

进一步的，所述第一金属板和第二金属板内均设置有风冷通道或液冷流道。

进一步的，所述第一电路载板采用多层PCB工艺或多层LTCC工艺制成；所述第二电路载板采用多层PCB工艺或多层LTCC工艺制成。

进一步的，所述辐射体为微带天线单元。

本发明具有的有益效果为：

（1）本发明提出了一种改进的多波束相控阵天线架构，即：“三明治”夹层架构，将传统方案中位于一个多层电路基板中的TR电路（包括收发放大电路、多波束幅相配置电路和低频供电控制电路）分置在两层电路载板上，并将两层电路载板进行纵向的空间堆叠，中间夹以用于散热的第一金属板，同时将辐射体以AOB（Antenna On Board）架构的方式贴装在其中一个电路载板上，从而解决了多波束TR电路元件在有限的工作单元尺寸范围内布局和布线难的问题，实现了多波束共口径的相控阵天线，兼具小型化、低剖面高度和轻量化；

（2）“三明治”夹层架构将TR电路进行分层纵向堆叠和互联，没有挤占相控阵横向尺寸，避免了栅瓣问题，并利于在空间受限的装机平台上安装更大口径的相控阵整机，可见，本发明实现的多波束相控阵天线应用范围和领域更广阔；

（3）将辐射体阵列和TR放大器件阵列布局在第一电路载板上，使得TR放大器件靠近对应的辐射体，从而获得更高的相控阵发射输出功率和更低的接收噪声系数，提升了多波束相控阵天线的电性能；

（4）各个TR放大器件与幅相控制器件射频互联时均需要使用到用于射频互联的互联结构件，传统的互联结构件可选用射频连接器等，随着相控阵天线通道数的增加，射频互联结构件的低成本实现将带来产品整体成本的大幅下降，本发明通过将同轴内芯作为射频同轴结构的内导体，柱状的介质体作为介质层、第一金属板作为射频同轴结构的外导体，其中，同轴内芯优选为弹性针，构造出的互联结构件相比传统的射频连接器而言具备了低成本，由此使得本发明在实现多波束共口径的同时，成本得到进一步优化；

（5）在传统的相控阵天线架构中，幅相控制器件只能在一个多层电路基板的单侧进行布局，预想实现多通道时，考虑到有限的工作单元尺寸，在幅相控制器件选型时更倾向于选择技术成熟度相对较低、集成度却更高的多波束幅相控制芯片，选型时往往较为局限和被动，通过“三明治”夹层架构的设计，可选择在第二电路载板的两侧布局，因此在幅相控制器件选型时可选择多波束幅相控制芯片，也可选择技术成熟度高、常规且集成度较低的单波束幅相控制芯片，选型更为灵活，更利于多波束共口径相控阵天线的生产制造；

（6）对幅相控制器件的供电和低频控制通过在第二电路载板中进行集中布线来实现，对TR放大器件阵列的供电通过第一电路载板和第二电路载板之间设置的低频对插连接器实现，供电通路依次经过第一连接器、第二供电走线、低频对插连接器和第一供电走线，最大程度的减少了相控阵天线的低频互联连接器数量，使得本发明在实现多波束共口径的同时，成本得到进一步优化，与此同时，较少的低频互联连接器的使用，在有限的工作单元尺寸范围内，更利于幅相控制器件在第二电路载板上的布局，当第二供电走线和低频控制走线过于紧凑时，只需纵向增加第二电路载板层数即可，从而利于更多波束的实现；

（7）在将低频供电控制板设置在“三明治”夹层架构内时，在第二电路载板和低频供电控制板之间增加用于散热的第二金属板，无论幅相控制器件分布在第二电路载板的哪一侧，均能够进行良好的散热，同时也对低频供电控制板进行散热，确保了相控阵天线的散热性能；

（8）通过风冷通道或液冷流道的设置，提升了第一金属板和第二金属板的对外换热效率，将TR电路元件中的有源器件工作时产生的热量快速导出。

附图说明

图1为多波束相控阵天线的一种结构示意图；

图中，1、第一电路载板；2、辐射体；3、低频对插连接器；4、TR放大器件；5、互联结构件；6、幅相控制器件；7、第二电路载板；8、第一金属板；9、射频接口；10、第一连接器；11、第二连接器；12、低频供电控制器件；13、低频供电控制板；14、第二金属板。

具体实施方式

下面将结合实施例，对本发明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，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的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。

参阅图1，本实施例提供了一种多波束相控阵天线，包括辐射体阵列、TR电路元件、基于多层PCB工艺或多层LTCC工艺制成的第一电路载板1和第二电路载板7、用于热沉的第一金属板8。其中第一电路载板1、第一金属板8和第二电路载板7自上而下层叠设置。

TR电路元件包括用于信号收发放大的TR放大器件阵列、用于多波束信号分流及幅度相位配置的幅相控制器件6、用于接入低频控制和供电网络的第一连接器10和用于与外部馈电网络连接的射频接口9。

具体的，辐射体阵列内包括多个辐射体2，辐射体2的数量依据相控阵所需的通道数确定，各个辐射体2均用于多波束收发。

辐射体阵列设置在第一电路载板1的上表面，TR放大器件阵列设置在第一电路载板1的下表面，辐射体阵列内的各个辐射体2与TR放大器件阵列内的各个TR放大器件4一一对应地射频互联。TR放大器件阵列紧贴第一金属板8的上表面。

多波束的幅相控制器件6设置在第二电路载板7的至少一个表面上，各个TR放大器件4经穿设通过第一金属板8的互联结构件5与幅相控制器件6射频互联；若第二电路载板7的上表面设置有幅相控制器件6，则该幅相控制器件6紧贴第一金属板8。

第一连接器10设置在第二电路载板7的下表面，第一连接器10用于在接入低频控制和供电网络后对幅相控制器件6进行供电和低频控制以及向TR放大器件阵列供电。

射频接口9设置在第二电路载板7的下表面，并且射频接口9经分布在第二电路载板7内用于多波束形成的第一射频走线与幅相控制器件6互联。可知的，多波束形成网络除了多波束的幅相控制器件6外，还包括用于多波束形成的功分器件，上述第一射频走线依次经过多波束形成网络内的各个功分器件实现幅相控制器件6与射频接口9之间的射频连接。射频接口9的数量与波束数量一致。

在一些实施例中，第一电路载板1和第二电路载板7通过螺装、焊接、粘接等工艺固连在第一金属板8上。各个辐射体2与各个TR放大器件4一一对应地正对设置。辐射体2采用微带天线单元，微带天线单元通过蚀刻多层PCB的表层金属层得到或者在多层LTCC上烧结得到。互联结构件5选取为市售的射频连接器或弹性针连接器等。辐射体2与TR放大器件4一一对应的射频互联通过集成在第一电路载板1内的金属通孔和水平的第二射频走线实现。低频控制和供电网络设置在本实施例实现的多波束相控阵天线外部，自第一连接器10接入相控阵天线内部。射频接口9通过焊接或者螺接的方式安装在第二电路载板7上。多波束的幅相控制器件6可选取为多波束幅相控制芯片或多个单波束幅相控制芯片，例如：若选用双波束幅相控制芯片，在第二电路载板7的两个表面均贴装，则形成四波束的相控阵天线；若选用四波束幅相控制芯片，在第二电路载板7的两个表面均贴装，则形成八波束的相控阵天线；若波束数量要求不多，也可选择将多波束幅相控制芯片或多个单波束幅相控制芯片贴装在第二电路载板7的任意一个表面。

作为上述实施例的一种改进，互联结构件5基于射频同轴结构设计，并采用分立部件组成，各个分立部件具体为：同轴内芯和低介电常数的柱状介质体，同轴内芯处于介质体的中心轴线处，介质体穿设通过第一金属板8内垂直贯穿开设的第一通孔，并且介质体的外壁与第一通孔的内壁紧密贴合。同轴内芯优选为弹性针，且作为射频同轴结构的内导体，介质体作为低介电常数的中间介质层，第一金属板8作为射频同轴结构的外导体，通过此种类同轴结构替代一体化的市售射频连接器或弹性针连接器，实现低成本。

作为上述实施例的另一种改进，第一连接器10接入低频控制和供电网络，而后对幅相控制器件6进行供电和低频控制以及向TR放大器件阵列供电，具体的布线方式如下：将用于供电的金属走线划分为第一供电走线和第二供电走线，第一供电走线集成在第一电路载板1内，第二供电走线集成在第二电路载板7内，还在第二电路载板7内集成低频控制走线，第一连接器10经第二供电走线与幅相控制器件6连接，第一连接器10还经低频控制走线与幅相控制器件6连接，第二供电走线还经穿设通过第一金属板8的低频对插连接器3与第一供电走线连接，第一供电走线与TR放大器件4阵列连接。

如上所述的第一射频走线、第二射频走线、第一供电走线、第二供电走线和低频控制走线均基于普通实施例中的多层PCB工艺或多层LTCC工艺一体化集成实现。

作为上述实施例的另一种改进，将低频控制和供电网络设置在相控阵天线架构内，对应地，相控阵天线还包括自上而下层叠设置的第二金属板14和低频供电控制板13，第二金属板14设置在第二电路载板7的下方，若第二电路载板7的下表面设置有幅相控制器件6，则该幅相控制器件6紧贴第二金属板14。低频供电控制板13的下表面设置有低频供电控制器件12和第二连接器11。低频供电控制器件12包括低频控制芯片和供电芯片，其中低频控制芯片包括FPGA控制芯片等，供电芯片包括DC/DC电源转换芯片等。第一连接器10穿设通过第二金属板14后与低频控制芯片和供电芯片连接，第二连接器11用于连接至外部的控制端口和供电端口。

在一些实施例中，低频供电控制板13采用低频的PCB材料制作，优选为FR4；互联结构件5、低频对插连接器3、第一连接器10、第二连接器11和射频接口9均垂直设置，易于相控阵天线的气密封装。

作为上述实施例的另一种改进，第一金属板8和第二金属板14内均增加有风冷通道以适应风冷散热形式或者内埋液冷流道以适应液冷散热方式。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种多波束相控阵天线，其特征在于，包括自上而下层叠设置的第一电路载板、第一金属板和第二电路载板；

第一电路载板的上表面设置有辐射体阵列，第一电路载板的下表面设置有TR放大器件阵列，辐射体阵列内的各个辐射体与TR放大器件阵列内的各个TR放大器件一一对应地射频互联，TR放大器件阵列紧贴第一金属板的上表面；

第二电路载板的至少一个表面上设置有多波束的幅相控制器件，各个TR放大器件经穿设通过第一金属板的互联结构件与幅相控制器件射频互联，若第二电路载板的上表面设置有幅相控制器件，则该幅相控制器件紧贴第一金属板；

第二电路载板的下表面设置有第一连接器和用于与外部馈电网络连接的射频接口；所述第一连接器用于接入低频控制和供电网络，而后对幅相控制器件进行供电和低频控制以及向TR放大器件阵列供电，所述射频接口经分布在第二电路载板内用于多波束形成的第一射频走线与幅相控制器件互联。

2.根据权利要求1所述的一种多波束相控阵天线，其特征在于，所述第一金属板自上而下贯穿设置有第一通孔，所述互联结构件包括同轴内芯和低介电常数的柱状介质体，所述同轴内芯位于所述介质体的中心轴线处，介质体穿设在第一通孔内且介质体的外壁与第一通孔的内壁紧密贴合。

3.根据权利要求2所述的一种多波束相控阵天线，其特征在于，所述同轴内芯为弹性针。

4.根据权利要求1所述的一种多波束相控阵天线，其特征在于，所述辐射体与对应的TR放大器件通过分布在第一电路载板内的金属通孔和水平的第二射频走线进行射频互联。

5.根据权利要求1所述的一种多波束相控阵天线，其特征在于，所述幅相控制器件为多波束幅相控制芯片或多个单波束幅相控制芯片。

6.根据权利要求1所述的一种多波束相控阵天线，其特征在于，所述第一电路载板内分布有第一供电走线，第二电路载板内分布有第二供电走线和低频控制走线，所述第一连接器经第二供电走线与幅相控制器件连接，第一连接器还经低频控制走线与幅相控制器件连接，所述第二供电走线还经穿设通过第一金属板的低频对插连接器与第一供电走线连接，所述第一供电走线与TR放大器件阵列连接。

7.根据权利要求1所述的一种多波束相控阵天线，其特征在于，所述相控阵天线还包括自上而下层叠设置的第二金属板和低频供电控制板，第二金属板设置在第二电路载板的下方，若第二电路载板的下表面设置有幅相控制器件，则该幅相控制器件紧贴第二金属板，所述低频供电控制板的下表面设置有低频控制芯片、供电芯片和第二连接器，第一连接器穿设通过第二金属板后与所述低频控制芯片和供电芯片连接，第二连接器用于连接至外部的控制端口和供电端口。

8.根据权利要求1所述的一种多波束相控阵天线，其特征在于，所述第一金属板和第二金属板内均设置有风冷通道或液冷流道。

9.根据权利要求1所述的一种多波束相控阵天线，其特征在于，所述第一电路载板采用多层PCB工艺或多层LTCC工艺制成；所述第二电路载板采用多层PCB工艺或多层LTCC工艺制成。

10.根据权利要求9所述的一种多波束相控阵天线，其特征在于，所述辐射体为微带天线单元。