CN116545466B - 一种大功率瓦片式tr组件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大功率瓦片式TR组件，涉及属于相控阵技术领域，包括第一电路载板，第一电路载板表面开设有第一盲槽，第一盲槽内设置第二电路载板，第一电路载板内开设有用于固设收发射频芯片组的第一腔体，第一电路载板内嵌设有金属载板，第一电路载板在与金属载板接合区域开设第二盲槽，第二盲槽内设有功率放大器且功率放大器与金属载板固连，第二电路载板的两个正对应的表面上开设有第三盲槽，第三盲槽内设有收发驱动芯片和幅相控制芯片中的任意一种，两个表面第三盲槽内设置芯片不同，收发射频芯片组、功率放大器、收发驱动芯片和幅相控制芯片经分布在第一电路载板内的第一传输走线与分布在第二电路载板内的第二传输走线进行信号互联。

Description

一种大功率瓦片式TR组件

技术领域

本发明属于有源相控阵技术领域，特别是毫米波相控阵技术领域，具体涉及一种大功率瓦片式TR组件。

背景技术

随着有源相控阵天线的广泛应用，在一些对体积要求较高的使用平台，需要天线的尺寸进一步缩小，集成度进一步提高。砖式相控阵天线由于TR通道在天线轴线方向进行集成，导致天线会比较厚，越来越难满足使用要求，而瓦片式相控阵天线的TR通道放置方向平行于相控阵天线阵面孔径，能够极大地缩短天线轴向尺寸。

目前传统瓦片式TR组件只在天线口径尺寸方向进行横向集成，并且考虑栅瓣抑制等需求，通道尺寸受限于半波长，集成密度要求非常高，必须采用高密度集成技术。目前大部分瓦片式TR组件都是针对小功率应用设计，芯片集成度高，射频电路可以通过一层电路实现，较为简单。对于瓦片式TR组件的大功率应用，大功率的实现需要使用大功率GaN功放芯片来满足大功率和高效率的要求，GaN功放芯片由于采用的芯片制程工艺与传统芯片不同，因此不能与TR组件中其他的GaAs或CMOS芯片集成在一片芯片上，只能采用分离芯片的方式实现，从而导致TR组件的芯片种类多、芯片占用面积较大。由此可见，由于功能复杂、所需芯片数量多、芯片及电路占用面积大等诸多因素，导致大功率瓦式式TR组件的集成难度非常大。特别是在毫米波频段，例如Ku、Ka、W等频段，由于天线口径较小，在单个天线单元面积内，无法放置一个大功率TR通道的所有芯片。

可见，立体堆叠集成方式为实现瓦片式TR组件大功率应用的一种可行手段，但是设计难度非常大，少有的几个关于大功率瓦片式TR组件的报道，由于其叠层结构复杂，致使电路载板上的射频走线非常复杂、连接器使用较多等，最终使得TR组件的生产、装配工艺难度较大，且测试性也较差，不具备较高的实用性。

综上所述，针对大功率瓦片式TR组件，一种易于生产、装配、测试的立体堆叠集成方式亟待提出。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种大功率瓦片式TR组件，用以解决传统瓦片式TR组件只在天线口径面进行横向集成，致使大功率功放芯片无法布局的技术问题，以及为实现大功率应用，鲜有的立体堆叠集成方案可制造性较低的技术问题。

本发明的目的在于克服现有技术的一项或多项不足，提供一种大功率瓦片式TR组件。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种大功率瓦片式TR组件，包括第一电路载板，第一电路载板的表面开设有第一盲槽，第一盲槽内设置有第二电路载板，第一电路载板内开设有用于固设收发射频芯片组的第一腔体，第一电路载板内还嵌设有金属载板，第一电路载板在与金属载板接合的区域开设第二盲槽，第二盲槽内设置有功率放大器且功率放大器与金属载板固连，第二电路载板的两个正对应的表面上均开设有第三盲槽，每个第三盲槽内设置有收发驱动芯片和幅相控制芯片中的任意一种，且两个表面的第三盲槽内设置的芯片不同，收发射频芯片组、功率放大器、收发驱动芯片和幅相控制芯片经分布在第一电路载板内的第一传输走线与分布在第二电路载板内的第二传输走线进行信号互联。

进一步的，所述第一盲槽沿第一电路载板的厚度方向开设，第二电路载板的放置方向与第一电路载板的长度方向平行，所述第三盲槽开设在第二电路载板平行于第一电路载板长度方向的两个表面。

进一步的，所述金属载板垂直于第二电路载板的放置方向。

进一步的，所述第一传输走线与第二传输走线通过固设在第一盲槽内或固设在第二电路载板表面的连接点进行信号互联。

进一步的，所述第一传输走线与连接点焊接，所述第二传输走线与连接点焊接。

进一步的，所述收发驱动芯片设置在远离第一盲槽槽底的第三盲槽内。

进一步的，所述金属载板与所述第一电路载板焊接。

进一步的，所述第一电路载板为多层PCB板、多层LTCC板或多层HTCC板中的任意一种，所述第二电路载板为多层PCB板、多层LTCC板或多层HTCC板中的任意一种。

进一步的，所述第一传输走线与收发射频芯片组、功率放大器通过金丝键合连接，第二传输走线与幅相控制芯片、收发驱动芯片通过金丝键合连接，所述收发射频芯片组通过导电银胶与第一电路载板粘接，所述幅相控制芯片、收发驱动芯片通过导电银胶与第二电路载板粘接，所述功率放大器与金属载板焊接。

进一步的，所述TR组件还包括第一金属围框、第一盖板、第二金属围框和第二盖板，所述第一电路载板通过所述第一金属围框和所述第一盖板进行气密封装，所述第二电路载板通过所述第二金属围框和所述第二盖板进行气密封装。

本发明具有的有益效果为：

（1）利用多层电路载板灵活开腔的特点，在第一电路载板上开设第一腔体、第一盲槽和第二盲槽，在第二电路载板的两个正对应的表面均开设第三盲槽，将TR组件中的TR芯片分为三层进行集成，第一层芯片为固设在第一腔体内的收发射频芯片组，一般的，收发射频芯片组包括收发开关、限幅器和低噪放，第二层芯片为固设在其中一个第三盲槽内的幅相控制芯片，第三层芯片为固设在另一个第三盲槽内的收发驱动芯片，将功率放大器固设在第二盲槽内，此架构为TR芯片的立体空间三维堆叠，即在天线单元面积内实现了TR芯片和功率放大器的纵向集成，据此实现了瓦片式TR组件的大功率应用；

（2）传统瓦片式TR组件利用单个多层电路载板作为TR芯片的装配载体，本发明为实现瓦片式TR组件的大功率应用，将传统的单个多层电路载板进行解耦，分离为第一电路载板（模块一）和第二电路载板（模块二），且将TR芯片也进行了模块化分离，分离出来的每个模块（模块一或模块二）均可单独进行芯片装配，装配好后的模块二可以采用专用测试夹具对其进行测试，测试合格后再装配到模块一中，与此同时，在出现故障时，也可方便地对模块二进行更换维修，因此相较于传统未解耦的瓦片式TR组件而言，本发明实现的大功率瓦片式TR组件的生产性、测试性和维修便捷性得到了较好的提升；

（3）通过在第一电路载板内嵌设金属载板，并将发热严重的功率放大器焊接在金属载板上，将功率放大器的发热量直接传导到金属载板上，使得本发明实现的大功率瓦片式TR组件具备良好的散热特性；

（4）传统的多层电路载板之间的信号互联常采用射频连接器、低频连接器等，本发明在将传统的单个多层电路载板进行解耦后，通过连接点的设置，实现模块一和模块二的信号互联，避免了上述射频连接器和低频连接器等的使用，降低了TR组件的设计难度和成本；

（5）通过将上述模块一和模块二分别进行独立的气密封装，相比于仍旧采用传统TR组件的整体气密封装方式而言，本发明实现的TR组件具备了较好的气密特性。

附图说明

图1为大功率TR组件的一种原理框图；

图2为大功率瓦片式TR组件的立体层叠示意图；

图3为GaN功率放大器与金属载板的一种连接示意图；

图中，1、第一电路载板；2、第二电路载板；3、第一盲槽；4、第一腔体；5、金属载板；6、第三盲槽；7、收发射频芯片组；8、收发驱动芯片；9、幅相控制芯片；10、第二盲槽；11、GaN功率放大器；12、连接点。

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-图3，本实施例提供了一种大功率瓦片式TR组件，特别适用于毫米波相控阵。一般的，为实现TR组件的大功率应用，大功率瓦片式TR组件内的芯片需包括TR芯片和GaN功率放大器11。TR芯片包括限幅器、第一SPDT收发开关、第二SPDT收发开关、低噪放、幅相控制芯片9和收发驱动芯片8，将限幅器、第一SPDT收发开关、第二SPDT收发开关和低噪放统称为收发射频芯片组7。图1示出了TR组件大功率应用的一种示意性原理框图，该原理框图采用普通实施例中的设计原理，本发明对TR组件大功率应用的原理框图未做改进。图1中，第一收发开关用于经射频连接器与外部的天线辐射单元连接，GaN功率放大器11设置在射频上行通路且GaN功率放大器11分别与第一SPDT收发开关和收发驱动芯片8中的发射驱动芯片连接，限幅器分别与低噪放和第一SPDT收发开关连接，低噪放还与收发驱动芯片8中的接收驱动芯片连接，第二SPDT收发开关分别与收发驱动芯片8和幅相控制芯片9连接，幅相控制芯片9用于经分布在TR组件内的波束合成网络与外部的馈电网络连接。

具体的，如图2所示，大功率瓦片式TR组件包括第一电路载板1，通过开腔的方式，第一电路载板1的上表面开设有第一盲槽3，第一盲槽3内固设有水平放置的第二电路载板2，第一电路载板1和第二电路载板2均为多层PCB板、多层LTCC板和多层HTCC板中的任意一种，第一电路载板1内开设有第一腔体4，收发射频芯片组7固设在第一腔体4内，第一电路载板1内还嵌设有竖直的金属载板5，第一电路载板1在与金属载板5接合的区域开设有第二盲槽10，GaN功率放大器11设置在第二盲槽10内且GaN功率放大器11与金属载板5固连，第二电路载板2的上表面和下表面均开设有第三盲槽6，收发驱动芯片8固设在位于第二电路载板2上表面的第三盲槽6内，幅相控制芯片9固设在位于第二电路载板2下表面的第三盲槽6内，第一电路载板1内分布有第一传输走线，第二电路载板2内分布有第二传输走线，第一传输走线包括第一射频传输走线、第一供电走线，第二传输走线包括第二射频传输走线、第二供电走线和第二低频控制走线，收发射频芯片组7、GaN功率放大器11、收发驱动芯片8和幅相控制芯片9经分布在第一电路载板1内的第一传输走线与分布在第二电路载板2内的第二传输走线进行信号互联。优选的，波束合成网络与幅相控制芯片9之间的连接电路，以及波束合成网络与外部馈电网络之间的连接电路包括在第一射频传输走线内。对本领域技术人员而言可知晓的，基于多层PCB板、或多层LTCC板、或多层HTCC板制成的第一电路载板1在进行第一腔体4开设时，一般先在第一电路载板1的第一部分分层内开设盲槽，而后与第一电路载板1的第二部分分层进行焊接，盲槽和第二部分分层即构成了第一腔体4。

在一些实施例中，第一传输走线与第二传输走线通过射频连接器、低频连接器等进行信号互联；第一电路载板1和第二电路载板2选择为多层PCB板时，采用普通实施例中的多层PCB工艺制成，第一电路载板1和第二电路载板2选择为多层LTCC板时，采用普通实施例中的多层LTCC工艺制成，第一电路载板1和第二电路载板2选择为多层HTCC板时，采用普通实施例中的多层HTCC工艺制成。本实施例优选采用多层HTCC板。

在另一些实施例中，金属载板5与第一电路载板1焊接，GaN功率放大器11焊接在金属载板5上，收发射频芯片组7通过导电银胶粘接的方式装配到第一电路载板1上，收发驱动芯片8和幅相控制芯片9通过导电银胶粘接的方式装配到第二电路载板2上，收发射频芯片、GaN功率放大器11与第一传输走线之间通过金丝键合连接，收发驱动芯片8和幅相控制芯片9与第二传输走线之间通过金丝键合连接。

作为上述实施例的一种改进，第一传输走线与第二传输走线通过固设在第一盲槽3内或固设在第二电路载板2下表面的连接点12进行信号互联。连接点12包括射频连接点、低频控制连接点和供电连接点。本实施例优选将连接点12固设在第二电路载板2的下表面，进而第一传输走线与上述连接点12焊接，第二传输走线与上述连接点12焊接，由此实现信号互联。

作为上述实施例的另一种改进，金属载板5可根据不同的应用场景进行厚度调整，金属载板5内可填充相变材料。此外根据不同的应用场景，也可将金属载板5外连至相控阵天线的散热板。

作为上述实施例的另一种改进，大功率瓦片式TR组件还包括第一金属围框、第一盖板、第二金属围框和第二盖板，第二电路载板2通过第二金属围框和第二盖板进行气密封装，在第二电路载板2完成气密封装后，通过第一金属围框和第一盖板对第一电路载板1进行气密封装。

上述气密封装的工艺可采用普通实施例中的气密封装工艺，例如：当将TR组件应用于相控阵天线时，设定将用于与外部的低频控制和供电网络连接的低频连接器设置在第一电路载板1的上表面，且将用于与外部的天线辐射单元和馈电网络连接的射频连接器穿设过一个金属散热底板后与第一电路载板1的下表面连接，根据第一盲槽3数量，第一金属围框包括多个第一金属围框子单元，各个第一金属围框子单元分别围设在各个第一盲槽3顶部外沿，各个第一金属围框子单元与第一电路载板1的上表面焊接，第一盖板包括多个第一盖板单元，各个第一盖板单元与各个第一金属围框单元一一对应焊接，且每个第一盖板单元用于对应地封住第一金属围框单元远离第一电路载板1的开口端；根据第二电路载板2数量，第二金属围框包括多个第二金属围框子单元，各个第二金属围框子单元分别围设在第二电路载板2的上表面且与第二电路载板2焊接，第二盖板包括多个第二盖板单元，各个第二盖板单元与各个第二金属围框单元一一对应焊接，且每个第二盖板单元用于对应地封住第二金属围框单元远离第二电路载板2的开口端；经气密封装后得到TR组件的气密封装体，用于与外部的辐射单元和馈电网络连接的射频连接器伸出该气密封装体的下表面，用于与外部的低频控制和供电网络连接的低频连接器伸出该气密封装体的上表面。

基于大功率瓦片式TR组件的上述立体层叠结构，在将其应用于相控阵天线时，根据预设的辐射通道数和每个TR组件的辐射通道数，确定相控阵天线所包含的大功率瓦片式TR组件的数量，根据每个TR组件的辐射通道数和第二电路载板2内幅相控制芯片9的通道数可确定出第一盲槽3数量、第二电路载板2的数量、第一腔体4的数量、第二盲槽10的数量和金属载板5的数量。例如，当预设的每个TR组件的辐射通道数为十六，且第二电路载板2内的幅相控制芯片9为四通道幅相控制芯片9时，确定出第一电路载板1上的第一盲槽3数量为四个，每个第一盲槽3内包含一个第二电路载板2，第二电路载板2的数量为四个，每个第二电路载板2的上表面第三盲槽6内包含有四片收发驱动芯片8，每个第二电路载板2的下表面第三盲槽6内包含有一片四通道幅相控制芯片9，第一腔体4数量为四个，每个第一腔体4内放置四个通道的收发射频芯片组7，第二盲槽10的数量为十六个，每个第二盲槽10内放置一个GaN功率放大器11，金属载板5的数量为十六个，每个金属载板5上焊接一个GaN功率放大器11，与第一电路载板1连接的散热金属底板上焊接的用于与外部的天线辐射单元连接的射频连接器数量为十六个，与第一电路载板1下表面连接的金属散热底板上焊接的用于与外部的馈电网络连接的射频连接器数量为一个，第一电路载板1上表面伸出至气密封装体外部且用于与外部的低频控制和供电网络连接的低频连接器数量为一个。

基于大功率瓦片式TR组件的上述立体层叠结构，为说明本实施例实现的大功率瓦片式TR组件的工作过程，将第一电路载板1称为模块一，将第二电路载板2称为模块二，并结合图1，将具体工作过程说明如下：

TR组件的射频接收过程：经与外部的低频控制和供电网络连接的低频连接器输入相应的控制信号和工作电压，经第一传输走线和第二传输走线传输至模块一和模块二内的各个TR芯片和GaN功率放大器11，对两个模块中的各个TR芯片和GaN功率放大器11进行加电和/或幅相控制，射频接收信号由模块一中与外部的天线辐射单元连接的射频连接器输入，通过模块一中的第一传输走线传输至收发开关和限幅器，经过低噪放进行放大后，送至模块二，射频接收信号在模块二中经过接收驱动芯片放大后送至幅相控制芯片9，进行幅相调整后将四路信号合成为一路信号，再送至模块一，在模块一中将多个模块二的信号合成为一路后，输出至与外部的馈电网络。

TR组件的射频发射过程为上述接收过程的逆过程。

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)

1.一种大功率瓦片式TR组件，其特征在于，包括第一电路载板，第一电路载板的表面开设有第一盲槽，第一盲槽内设置有第二电路载板，第一电路载板内开设有用于固设收发射频芯片组的第一腔体，第一电路载板内还嵌设有金属载板，第一电路载板在与金属载板接合的区域开设第二盲槽，第二盲槽内设置有功率放大器且功率放大器与金属载板固连，第二电路载板的两个正对应的表面上均开设有第三盲槽，每个第三盲槽内设置有收发驱动芯片和幅相控制芯片中的任意一种，且两个表面的第三盲槽内设置的芯片不同，收发射频芯片组、功率放大器、收发驱动芯片和幅相控制芯片经分布在第一电路载板内的第一传输走线与分布在第二电路载板内的第二传输走线进行信号互联。

2.根据权利要求1所述的一种大功率瓦片式TR组件，其特征在于，所述第一盲槽沿第一电路载板的厚度方向开设，第二电路载板的放置方向与第一电路载板的长度方向平行，所述第三盲槽开设在第二电路载板平行于第一电路载板长度方向的两个表面。

3.根据权利要求2所述的一种大功率瓦片式TR组件，其特征在于，所述金属载板垂直于第二电路载板的放置方向。

4.根据权利要求1所述的一种大功率瓦片式TR组件，其特征在于，所述第一传输走线与第二传输走线通过固设在第一盲槽内或固设在第二电路载板表面的连接点进行信号互联。

5.根据权利要求4所述的一种大功率瓦片式TR组件，其特征在于，所述第一传输走线与连接点焊接，所述第二传输走线与连接点焊接。

6.根据权利要求2所述的一种大功率瓦片式TR组件，其特征在于，所述收发驱动芯片设置在远离第一盲槽槽底的第三盲槽内。

7.根据权利要求1所述的一种大功率瓦片式TR组件，其特征在于，所述金属载板与所述第一电路载板焊接。

8.根据权利要求1所述的一种大功率瓦片式TR组件，其特征在于，所述第一电路载板为多层PCB板、多层LTCC板或多层HTCC板中的任意一种，所述第二电路载板为多层PCB板、多层LTCC板或多层HTCC板中的任意一种。

9.根据权利要求1所述的一种大功率瓦片式TR组件，其特征在于，所述第一传输走线与收发射频芯片组、功率放大器通过金丝键合连接，第二传输走线与幅相控制芯片、收发驱动芯片通过金丝键合连接，所述收发射频芯片组通过导电银胶与第一电路载板粘接，所述幅相控制芯片、收发驱动芯片通过导电银胶与第二电路载板粘接，所述功率放大器与金属载板焊接。

10.根据权利要求1所述的一种大功率瓦片式TR组件，其特征在于，所述TR组件还包括第一金属围框、第一盖板、第二金属围框和第二盖板，所述第一电路载板通过所述第一金属围框和所述第一盖板进行气密封装，所述第二电路载板通过所述第二金属围框和所述第二盖板进行气密封装。