CN116885444B - 一种片式相控阵天线结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种片式相控阵天线结构，涉及相控阵天线技术领域，包括自上而下叠放设置的第一介质层、天线射频地、第一电路载板和整体金属地，第一介质层的上表面设置有辐射面，第一电路载板内承载有混合集成电路区，辐射面包括至少一个天线辐射贴片和至少一个屏蔽围框，其中第一介质层由多个第一介质分层组成，各个第一介质分层上开设有金属化通孔，同一竖直方向上的各个金属化通孔通过对应第一介质分层相互压接实现电气贯通，天线射频地通过第一电路载板内贯穿设置的数个金属孔与整体金属地电连接。本发明实现的片式相控阵天线结构兼具了低成本和良好的电气性能。

Description

一种片式相控阵天线结构

技术领域

本发明属于相控阵天线设计技术领域，尤其针对天线辐射面屏蔽接地技术领域，具体涉及一种片式相控阵天线结构。

背景技术

传统的有源相控阵天线主要分为两种架构体系，即“砖式”（Brick）架构与“瓦式”（Tile）架构。砖式架构相控阵天线的核心器件布局方式体现为纵向集成且横向组装的特征；瓦式架构相控阵天线核心器件则体现为横向集成且纵向组装的特征。上述两种架构相控阵整机由各个功能模块组合而成，包含如辐射面、TR、电源、波控、信道等，功能模块之间通过连接器或者电缆完成信号互联，其体积、重量、成本等性能特征已经不具备优势。因为毫米波具备频带宽等特点，现阶段对毫米波相控阵天线的需求也愈来愈多，特别是5G通讯领域，由此对天线的体积、重量和成本等性能特征也提出了更为严苛的要求，据此片式相控阵天线架构随之提出。片式相控阵天线架构为传统瓦式架构的技术衍进，彻底摒弃了功能模块的技术理念，将上述辐射面、TR、电源、波控、信道等功能电路做了一体化高密度集成。因为其信号互联完全依靠板间电路实现，体积、重量、成本等性能特征得以大幅提升。在此架构下，辐射面屏蔽围框的高效接地能够保证天线辐射贴片之间的隔离度，使得天线的大角度扫描和有源驻波等电气性能得以提升，可见辐射面屏蔽围框的高效接地非常重要。然而为了兼顾相控阵天线辐射面微带天线单元的屏蔽围框必须有效接地的要求与各功能电路高密度集成设计的特征，目前必须采用价格高昂的PCB铜浆烧结工艺实现，但是这又与片式架构需具备低成本优势的诉求是矛盾的。

由此可见，如何低成本的实现天线辐射面屏蔽围框的有效接地，为片式相控阵天线设计领域研究的重点内容。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种片式相控阵天线结构，用以解决现有的辐射面屏蔽接地技术存在的成本过高的技术问题。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种片式相控阵天线结构，包括依次叠放设置的第一介质层、承载有混合集成电路区的第一电路载板和整体金属地，第一介质层承载有辐射面，第一电路载板位于第一介质层远离辐射面的一侧，辐射面上设置有至少一个天线辐射贴片和至少一个屏蔽围框，各个屏蔽围框一一对应地将各个天线辐射贴片包围，屏蔽围框上设置有数个与整体金属地连接的接地点，所述片式相控阵天线结构还包括天线射频地，天线射频地紧贴在第一介质层和第一电路载板之间，第一介质层由多个平行于第一电路载板且相互压接的第一介质分层组成；

所述天线射频地经贯穿第一电路载板的数个金属孔与整体金属地电连接；

通过多层PCB通孔电镀工艺，每个第一介质分层均沿第一方向开设有数个金属化通孔，金属化通孔在各个第一介质分层内的分布相同，金属化通孔在天线射频地经金属孔与整体金属地电连接后以贯穿方式开设在对应第一介质分层上，分布在同一个第一方向上的各个金属化通孔相互电气贯通，最靠近辐射面的第一介质分层的各个金属化通孔一一对应地位于各个接地点位置；

其中，第一方向为垂直于辐射面的方向，所有金属孔在第一电路载板内的分布密度小于金属化通孔在各个第一介质层上的分布密度；所述第一介质分层的厚度根据多层PCB通孔电镀时的厚径比约束和各个接地点之间的间距约束确定。

优选地，所述辐射面的工作频段为毫米波频段，各个接地点之间的间距约束为不大于十分之一工作波长。

优选地，多层PCB通孔电镀时，所述厚径比约束为0.8:1。

优选地，所述辐射面的数量为多个，各个辐射面通过不同的第一介质层承载，各个第一介质层沿垂直于所述天线射频地的方向叠放设置，各个辐射面一一对应地设置在各个第一介质层远离天线射频地的表面上，且各个第一介质层上分布的金属化通孔的数量、位置和孔径均相同，或，数量、位置和孔径中的至少一个不同。

传统的屏蔽围框接地采用整体电气连接的方式，即：屏蔽围框上密集分布的接地点依次穿过第一介质层和第一电路载板后与整体金属地电气连接，因为在片式架构以及相控阵较高工作频段的两个限制条件下，例如毫米波频段或更高频段，接地点之间的间距需不大于约束值，例如毫米波频段的上述约束值通常优选为十分之一工作波长，所以必须设计大量的且相对比较密集的电镀金属化过孔穿越混合集成电路区到达整体金属地，需使用价格高昂的PCB铜浆烧结工艺，与此同时，势必会对存在于混合集成电路区（包括射频电路、控制电路、供电电路等功能电路）中的金属线路拓扑造成干扰破坏，尤其是其中的射频电路，比如TR幅相控制电路及功率分配网络，其性能与金属线条的长度、宽度等外形拓扑要素关系巨大，若连接屏蔽围框与整体金属地的电镀金属化过孔直接穿过混合集成电路层，将导致射频电路完全无法开展设计，使得相控阵的电气性能和屏蔽围框的有效接地不能同时兼顾。

本发明通过将传统屏蔽围框接地的整体电气连接分拆为两段，一段为屏蔽围框与天线射频地的电气连接，另一段为天线射频地与整体金属地的电气连接。

首先，屏蔽围框与天线射频地之间的电气连接通过贯穿第一电路载板的金属孔实现，因为不受制于接地点之间的间距约束，使得分布于天线射频地的金属孔设计较为灵活，只要其位置不与混合集成电路区内的各个功能电路发生干涉即可，若金属孔的预分布位置对混合集成电路区内的某个或某些功能电路的长度、宽度等外形拓扑要素带来了干扰破坏，可灵活更正；

其次，天线射频地与屏蔽围框的电气连接因为不能穿越混合集成电路区，所以必须采用在第一介质层上实施通孔电镀工艺来实现，与此同时，为实施传统多层PCB通孔电镀工艺，对厚径比有要求，然而为满足天线性能设计要求，辐射面的微带天线介质层（第一介质层）通常厚度都较大，相应的，通孔直径就很大，这与接地点之间的间距约束是矛盾的。因此本发明再结合了第一介质层多层拆分的技术思路，对各个第一介质分层分别基于传统多层PCB通孔电镀工艺进行金属化通孔生成，各个第一介质分层之间通过传统PCB工艺相互压接成为一体，实现同一方向上的金属化通孔之间的电气贯通。

本发明具有的有益效果如下：

（1）成本低：本发明通过将辐射面屏蔽接地时的电气连接拆分为两段，以及结合微带天线介质层分层堆叠实现多层金属化通孔串联的方式，只需采用传统的多层PCB工艺方法就实现了辐射面屏蔽围框的有效接地，整个接地实现中避免了价格高昂的PCB铜浆烧结工艺的使用，使得成本控制在较低范围，同时最大程度地降低了对混合集成电路区内金属线路拓扑的干扰破坏，确保了片式相控阵天线的电气性能；

（2）天线性能高：辐射面的有效接地，确保了各个天线辐射贴片单元之间的隔离度，例如常见的交叉极化隔离度等，从而使得相控阵天线具备了更优的电气性能，例如有源驻波性能更优、大角度扫描性能更优等。

附图说明

图1为片式相控阵天线结构的一种俯视图；

图2为实施例一实现的片式相控阵天线的一种侧视图；

图3为实施例二实现的片式相控阵天线的一种侧视图。

图中，1、天线辐射贴片；2、屏蔽围框；3、金属化通孔；4、第一介质层；5、天线射频地；6、整体金属地；7、金属孔；8、第一电路载板。

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。

实施例一

如图1至图2所示，本实施例提供了一种片式相控阵天线结构，包括自上而下叠放设置的第一介质层4、天线射频地5、第一电路载板8和整体金属地6。第一介质层4的上表面设置有辐射面，第一电路载板8上承载有混合集成电路区，混合集成电路区包括相控阵射频电路、控制电路和供电电路等功能电路。辐射面上设置有多个天线辐射贴片1和多个屏蔽围框2，各个屏蔽围框2一一对应地将各个天线辐射贴片1包围，每个屏蔽围框2上分布有数个与整体金属地6电连接的接地点。

其中，天线射频地5经贯穿第一电路载板8的数个金属孔7与整体金属地6电连接。

第一介质层4由多个水平分布的第一介质分层组成， 通过多层PCB通孔电镀工艺，每个第一介质分层均沿竖直方向开设有数个金属化通孔3，金属化通孔3在各个第一介质分层内的分布相同，金属化通孔3在天线射频地5经金属孔7与整体金属地6电连接后以贯穿方式开设在对应第一介质分层上，分布在同一竖直方向上的各个金属化通孔3通过对应第一介质分层之间的相互压接实现电气贯通，最靠近辐射面的第一介质分层的各个金属化通孔3一一对应地位于各个接地点位置。

各个第一介质分层的厚度根据多层PCB通孔电镀时厚径比约束和各个接地点之间的间距约束确定。多层PCB通孔电镀时厚径比约束是指金属化通孔3的深度与金属化通孔3的直径之比。根据多层PCB通孔电镀时厚径比约束和各个接地点之间的间距约束对第一介质层4进行多层拆分的过程具体如下：为满足相控阵天线性能设计要求，第一介质层4的厚度一般较大，在确定第一介质层4所需的厚度、各个接地点之间的间距约束、进行多层PCB通孔电镀时的厚径比约束后，对第一介质层4进行多层拆分，得到厚度满足多层PCB通孔电镀时的厚径比约束的多个第一介质分层。本实施例中，示例性地，多层PCB通孔电镀时的厚径比约束为0.8:1。

此外，所有金属孔7在第一电路载板8内的分布密度小于金属化通孔3在各个第一介质层4上的分布密度。例如，辐射面的工作频段为毫米波频段时，金属化通孔3（接地点）之间需要密集分布，金属化通孔3（接地点）之间的间距约束通常为：不大于十分之一工作波长。而分布在第一电路载板8内的金属孔7之间无需采用密集设计，即为：金属孔7之间的间距无需满足不大于十分之一工作波长的要求，放置在不与第一电路载板8内分布的各个功能电路发生干涉的位置即可，因此金属孔7在第一电路载板8内的分布远不及金属化通孔3在第一介质层4上的分布密集。

本实施例中，示例性地，片式相控阵天线的工作频段为毫米波，各个接地点之间的间距约束为不大于十分之一工作波长，确定的多层PCB通孔电镀时的厚径比约束为0.8:1，相应的，片式相控阵天线的一种具体制成过程如下：

S100.根据混合集成电路区在第一电路载板8上的分布，确定金属孔7的分布位置和直径等；

S200.基于普通实施例中的多层PCB工艺方法，在第一电路载板8上贯穿开设各个金属孔7；

S300.将第一电路载板8与整体金属地6固连；

S400.根据预设的金属化通孔3数量、孔径和位置，通过采用多层PCB通孔电镀工艺，从下至上的，首先对位于最下层的第一介质分层进行金属化通孔3加工，而后将最下层的第一介质分层与次下层的第一介质分层通过普通实施例中的多层PCB工艺方法压接在一起，然后对次下层的第一介质分层进行金属化通孔3加工，依次往上，完成最上层的第一介质分层内金属化通孔3的加工以及将最上层的第一介质分层与次上层的第一介质分层相互压接，最终完成了同一竖直方向上各个金属化通孔3之间的电气贯通互联；

S500. 基于普通实施例中的多层PCB工艺方法，在最上层的第一介质分层上表面通过蚀刻覆铜层得到辐射面内的各个天线辐射贴片1以及各个金属屏蔽围框2。

上述制成过程只是一种示例，不应理解为唯一的一种制成过程，具体制成时可依据实际情况更改。

实施例二

本实施例与实施例一的不同之处在于：辐射面的数量为多个，各个辐射面各自通过不同的第一介质层4承载，各个第一介质层4自上而下叠放设置在天线射频地5之上，各个辐射面均位于其对应第一介质层4的上表面。各个第一介质层4上分布的金属化通孔3的数量、位置和孔径均相同，或，数量、位置和孔径中的至少一个不同。通过将辐射面设计为多个，拓展了相控阵天线整体的工作带宽。

如图3所示，辐射面为双层，且两个第一介质层4内金属化通孔3的孔径一大一小。

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 (4)

1.一种片式相控阵天线结构，包括依次叠放设置的第一介质层、承载有混合集成电路区的第一电路载板和整体金属地，第一介质层承载有辐射面，第一电路载板位于第一介质层远离辐射面的一侧，辐射面上设置有至少一个天线辐射贴片和至少一个屏蔽围框，各个屏蔽围框一一对应地将各个天线辐射贴片包围，屏蔽围框上设置有数个与整体金属地连接的接地点，其特征在于，还包括天线射频地，天线射频地紧贴在第一介质层和第一电路载板之间，第一介质层由多个平行于第一电路载板且相互压接的第一介质分层组成；所述天线射频地经贯穿第一电路载板的数个金属孔与整体金属地电连接；通过多层PCB通孔电镀工艺，每个第一介质分层均沿第一方向开设有数个金属化通孔，金属化通孔在各个第一介质分层内的分布相同，金属化通孔在天线射频地经金属孔与整体金属地电连接后以贯穿方式开设在对应第一介质分层上，分布在同一个第一方向上的各个金属化通孔相互电气贯通，最靠近辐射面的第一介质分层的各个金属化通孔一一对应地位于各个接地点位置；其中，第一方向为垂直于辐射面的方向，所有金属孔在第一电路载板内的分布密度小于金属化通孔在各个第一介质层上的分布密度；所述第一介质分层的厚度根据多层PCB通孔电镀时的厚径比约束和各个接地点之间的间距约束确定。

2.根据权利要求1所述的一种片式相控阵天线结构，其特征在于，所述辐射面的工作频段为毫米波频段，各个接地点之间的间距约束为不大于十分之一工作波长。

3.根据权利要求1所述的一种片式相控阵天线结构，其特征在于，多层PCB通孔电镀时，所述厚径比约束为0.8:1。

4.根据权利要求1所述的一种片式相控阵天线结构，其特征在于，所述辐射面的数量为多个，各个辐射面通过不同的第一介质层承载，各个第一介质层沿垂直于所述天线射频地的方向叠放设置，各个辐射面一一对应地设置在各个第一介质层远离天线射频地的表面上，各个第一介质层上分布的金属化通孔的数量、位置和孔径均相同，或，数量、位置和孔径中的至少一个不同。