CN116938276A - 一种双极化多通道相控阵sip模块 - Google Patents

一种双极化多通道相控阵sip模块 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双极化多通道相控阵SIP模块，涉及相控阵领域，包括连接子板、SIP下腔体、设置在SIP下腔体上表面的多个水平极化天线射频口、多个垂直极化天线射频口、第一射频接口、第二射频接口、多个水平极化通道TR芯片、多个垂直极化通道TR芯片、AD控制芯片，水平极化通道TR芯片和垂直极化通道TR芯片交错分布，连接子板与SIP下腔体的内腔嵌合，连接子板上设有第一低频链路以及伸至SIP下腔体外部的低频控制与供电接口，第一低频链路用于接入低频控制与供电接口输入的低频信号，并将低频信号传输至AD控制芯片，经AD控制芯片转换后的低频信号通过第一低频链路传输至水平极化通道TR芯片和垂直极化通道TR芯片。

Description

一种双极化多通道相控阵SIP模块
技术领域
本发明属于相控阵天线设计技术领域，特别是双极化毫米波天线技术领域，具体涉及一种双极化多通道相控阵SIP模块。
背景技术
Ku等毫米波频段具有频率高、频段宽、损耗小等特点，在相控阵领域具有广泛的应用前景。在进行相控阵设计时，由于毫米波频段具有的频率高、波长短，对应的电路结构尺寸小，对电路加工、结构加工、组装工艺等多方面有非常严苛的要求。目前随着国内基础器件发展以及精密加工工艺技术提高，使得对Ku等毫米波频段的相控阵应用需求已逐步增多，与此同时相控阵小型化需求也愈来愈甚。SIP，即system in package，指由两个或多个不同芯片组装在一起形成一个系统的封装件。若在相控阵的TR设计中采用SIP设计技术，可以便捷地实现阵面通道信号收发和控制、幅相控制等功能的模块化和标准化，从而提高模块的生产装配效率和可维护性。因此，针对Ku等毫米波频段相控阵的SIP设计俨然已成为行业内重点研究的内容，在进行SIP设计时，需重点考虑SIP模块的散热、小型化、气密、可生产性和可维修性等因素，并面临极大的挑战。
近年来，由于双极化天线具有同频段的双通道通信、提高通信容量、实现双工操作、可以提高系统灵敏度、抗多径效应等性能，已日益得到人们的青睐。目前采用的双极化天线可以为垂直与水平极化、±45°极化和左、右圆极化三种相互正交的极化方式组合。在Ku等毫米波频段相控阵的大发展趋势下，针对上述频段的双极化实现研究很有必要，此外，双极化TR设计在同一SIP腔体内，可以极大缩减双极化天线的生产成本。
综上所述，针对Ku等毫米波频段，一种可行的双极化多通道SIP模块设计方案亟待提出。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种双极化多通道相控阵SIP模块，用以克服针对Ku等毫米波频段进行双极化相控阵SIP设计时所面临的诸如成本、散热、小型化、气密、可生产性和可维修性等中的一项或多项难点。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种双极化多通道相控阵SIP模块，包括连接子板、通过盖板封堵的SIP下腔体、设置在SIP下腔体上表面的多个水平极化天线射频口、多个垂直极化天线射频口、第一射频接口、第二射频接口、多个水平极化通道TR芯片、多个垂直极化通道TR芯片、AD控制芯片，第一射频接口用于与外部的水平极化波束馈电网路连接，第二射频接口用于与外部的垂直极化波束馈电网络连接；
水平极化通道TR芯片和垂直极化通道TR芯片交错分布，各个水平极化通道TR芯片经分布在所述SIP下腔体内部的第一射频链路一一对应地与各个水平极化天线射频口连接，各个水平极化通道TR芯片还经所述第一射频链路与第一射频接口连接，各个垂直极化通道TR芯片经分布在所述SIP下腔体内部的第二射频链路一一对应地与各个垂直极化天线射频口连接，各个垂直极化通道TR芯片还经所述第二射频链路与第二射频接口连接；
连接子板与SIP下腔体的内腔嵌合，且连接子板上固设有第一低频链路以及伸至SIP下腔体外部的低频控制与供电接口；
第一低频链路用于接入低频控制与供电接口输入的低频信号，并将低频信号传输至AD控制芯片，经AD控制芯片转换后的低频信号通过第一低频链路传输至各个水平极化通道TR芯片和各个垂直极化通道TR芯片。
进一步改进地，所述第一射频链路和第二射频链路均沿竖直方向链式布局。
进一步改进地，所述SIP下腔体为基于HTCC多层工艺制成的腔体，所述连接子板为HTCC多层板。
进一步改进地，所述连接子板与SIP下腔体的内腔嵌合时，SIP下腔体上表面各个水平极化通道TR芯片、各个垂直极化通道TR芯片和AD控制芯片的焊盘通过金丝键合方式与第一低频链路连接。
所述第一射频链路、第二射频链路和第一低频链路均包括多段微带线和多段带状线，用于同一信号连续传输的微带线和带状线之间设置有微带带状转换匹配段。
进一步改进地，通过开槽方式将各个水平极化通道TR芯片、各个垂直极化通道TR芯片、AD控制芯片设置在SIP下腔体上表面的槽体内；所述第一射频链路包括多个TR通道链路，各个TR通道链路内的射频信号一一对应地流经各个水平极化通道TR芯片，每个TR通道链路内的射频信号依次流经对应的水平极化通道TR芯片内的各个功能芯片，并根据功能芯片射频功能的不同对该TR通道链路进行分段设计，且每个分段经过的功能芯片设置在同一槽体内，不同分段经过的功能芯片位于不同槽体内。
进一步改进地，所述第二射频链路包括多个TR通道链路，各个TR通道链路内的射频信号一一对应地流经各个垂直极化通道TR芯片，每个TR通道链路内的射频信号依次流经对应的垂直极化通道TR芯片内的各个功能芯片，并根据功能芯片射频功能的不同对该TR通道链路进行分段设计，且每个分段经过的功能芯片设置在同一槽体内，不同分段经过的功能芯片位于不同槽体内。
进一步改进地，所有水平极化通道TR芯片、所有垂直极化通道TR芯片和AD控制芯片在SIP下腔体上的安装位置周边均设置有装配槽。
进一步改进地，所有水平极化天线射频口和垂直极化天线射频口阵列排布在SIP下腔体上表面的第一边沿，第一射频接口、第二射频接口、低频控制与供电接口固设在SIP下腔体上表面的第二边沿，所述第一边沿与第二边沿正相对。
进一步改进地，所述盖板对SIP下腔体进行封堵时，采用焊片封焊；所述低频控制与供电接口、所有水平极化天线射频口、所有垂直极化天线射频口、第一射频接口和第二射频接口与所述SIP下腔体均焊接。
本发明具有的有益效果如下：
（1）通过将水平极化通道TR芯片、垂直极化通道TR芯片、AD控制芯片在有限的天线口径面进行横向布局，横向布局时水平极化通道TR芯片和垂直极化通道TR芯片呈现相互交错布局，满足不同极化之间的合理间隔，从而实现了双极化多通道相控阵TR芯片和AD控制芯片在天线口径面的横向布局，与此同时，将相控阵内实现低频控制与供电传输的部分通过连接子板实现，并配合连接子板与SIP下腔体内腔嵌合的方式，缩小了SIP模块体积，使得本发明实现的双极化多通道相控阵SIP模块具备了小型化、低成本特性；
（2）第一射频链路和第二射频链路沿竖直方向链式布局，节省了横向空间，在将各个极化通道TR芯片进行横向布局时，无需考虑第一射频链路和第二射频链路的分布，易于满足双极化多通道TR芯片等在天线口径面的布局要求，利于SIP模块的小型化实现；
（3）根据功能芯片所具有射频功能的不同，将各个TR通道链路均进行多功能的分段设计，每个分段内的功能芯片固设在同一槽体内，在盖板将各个槽体封闭后，将射频信号的反馈在空间上进行了隔离，从而降低了自激风险，提高了基于本发明实现的SIP模块组建的相控阵雷达系统的可靠性，与此同时，多功能的分段设计可以有效降低异形结构带来的生产和调试难度，提高了SIP模块的可生产性、可维修性；
（4）SIP下腔体和连接子板均采用HTCC制成，基于HTCC（高温共烧陶瓷）的气密特性，实现了SIP级的信号传输功能和气密封闭功能一体化；
（5）通过装配槽的设置，便于生产装配时使用镊子等工具对相应芯片进行操作，提高了SIP模块的可生产性；
（6）通过微带带状转换匹配段的设置，提升了SIP模块的射频性能。
附图说明
图1为SIP下腔体上表面的一种布局示意图；
图2为图1中A处放大图；
图3为图1中B处放大图；
图4为图1中C处放大图；
图5为图1中D处放大图；
图6为TR通道链路分段式设计的一种布线示意图；
图7为金属围框的一种示意图；
图中，1、SIP下腔体；2、天线射频口；3、第一射频接口；4、第二射频接口；5、连接子板；501、低频控制与供电接口；6、金属围框；7、水平极化通道TR芯片；8、垂直极化通道TR芯片；9、AD控制芯片；10、装配槽；11、限幅器；12、第一低噪声放大器；13、矢量调制器；14、功率分配器；15、单刀双掷开关；16、第二低噪声放大器；17、第一收发一体放大器。
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7，本实施例提供了一种双极化多通道相控阵SIP模块，其工作频带中心频率为毫米波频段，例如Ku频段等，双极化为水平极化和垂直极化。
具体的，双极化多通道相控阵SIP模块包括陶瓷盖板、连接子板5、通过陶瓷盖板封堵的SIP下腔体1、设置在SIP下腔体1上表面的多个天线射频口2、第一射频接口3、第二射频接口4、多个水平极化通道TR芯片7、多个垂直极化通道TR芯片8、AD控制芯片9。其中，天线射频口2包括水平极化天线射频口和垂直极化天线射频口。
第一射频接口3用于与外部的水平极化波束馈电网路连接，射频接收时，用于将所有水平极化通道TR芯片7传输的射频信号合路为第一波束，射频发射时，用于将水平极化波束馈电网络传输过来的馈电信号发送至各个水平极化通道TR芯片7。
第二射频接口4用于与外部的垂直极化波束馈电网路连接，射频接收时，用于将所有垂直极化通道TR芯片8传输的射频信号合路为第二波束，射频发射时，用于将垂直极化波束馈电网络传输过来的馈电信号发送至各个垂直极化通道TR芯片8。
水平极化通道TR芯片7和垂直极化通道TR芯片8交错分布，交错分布是指：在SIP下腔体1上表面沿天线口径面的横向进行水平极化通道TR芯片7和垂直极化通道TR芯片8布局时，一个水平极化通道TR芯片7设置在相邻两个垂直极化通道TR芯片8之间，呈现相互交错的布局，可参见图1-图3所表达的一种交错分布示意。各个水平极化通道TR芯片7经分布在SIP下腔体1内部的第一射频链路一一对应地与各个水平极化天线射频口连接，各个水平极化天线射频口用于连接外部的各个水平极化天线辐射单元，各个水平极化通道TR芯片7还经第一射频链路与第一射频接口3连接，各个垂直极化通道TR芯片8经分布在SIP下腔体1内部的第二射频链路一一对应地与各个垂直极化天线射频口连接，各个垂直极化天线射频口用于连接外部的各个垂直极化天线辐射单元，各个垂直极化通道TR芯片8还经第二射频链路与第二射频接口4连接。水平极化通道TR芯片7数量、水平极化天线射频口数量与预设的SIP模块水平极化通道数量一致，垂直极化通道TR芯片8数量、垂直极化天线射频口数量与预设的SIP模块垂直极化通道数量一致。
连接子板5与SIP下腔体1的内腔嵌合，且连接子板5上固设有第一低频链路以及伸至SIP下腔体1外部的低频控制与供电接口501。第一低频链路用于接入低频控制与供电接口501输入的低频信号，并将低频信号传输至AD控制芯片9，经AD控制芯片9转换后的低频信号通过第一低频链路传输至各个水平极化通道TR芯片7和各个垂直极化通道TR芯片8。内腔嵌合是指：连接子板5上的第一低频链路需与位于SIP下腔体1上表面上的各个水平极化通道TR芯片7、各个垂直极化通道TR芯片8以及AD控制芯片9的对应焊盘连接，因此在连接子板5与SIP下腔体1内腔结合时，需根据焊盘位置通过金丝键合等方式将第一低频链路与各个焊盘对位连接，因此也称作连接子板5与SIP下腔体1内腔的对位嵌合。
在一些实施例中，SIP下腔体1内的多层电路基板采用HTCC多层工艺制成，连接子板5为HTCC多层板。可知的，一般通过开槽方式将各个水平极化通道TR芯片7、各个垂直极化通道TR芯片8以及AD控制芯片9放置在SIP下腔体1上表面的槽体内，同时，优选的，SIP下腔体1开槽后至少保留1mm左右厚度的腔体壁，例如1.75mm，具体取值依据机加工精度、结构强度和通道信号屏蔽性能要求而定，最大程度地兼顾机加工精度、结构强度和通道信号屏蔽性能，腔体壁厚度具体如图1中a处所示。SIP下腔体1上一般还焊接有金属围框6，金属围框6包括围设整个SIP下腔体1的第一金属围框以及围设各个槽体的第二金属围框，一般的，第一金属围框和各个第二金属围框为一体化加工而成。在对SIP模块进行气密封装时，SIP下腔体1和陶瓷盖板通过SAC305等焊片封焊。低频控制与供电接口501同连接子板5焊接，各个水平极化天线射频口、各个垂直极化天线射频口、第一射频接口3和第二射频接口4与SIP下腔体1均焊接。各个水平极化通道TR芯片7在与第一射频链路连接时采用金丝键合等方式，各个垂直极化通道TR芯片8在与第二射频链路连接时采用金丝键合等方式。此外，为节约横向空间，第一射频链路和第二射频链路均沿竖直方向链式布局。第一射频链路、第二射频链路和第一低频链路均包括多段微带线和多段带状线，用于同一信号连续传输的微带线和带状线之间设置有微带带状转换匹配段，通过该匹配段实现了微带结构和陶瓷带状结构的射频匹配，提升了SIP模块整体的射频性能。
本实施例中，示例性地，水平极化天线射频口和垂直极化天线射频口阵列排布在SIP下腔体1上表面的上边沿，第一射频接口3、第二射频接口4、低频控制与供电接口501固设在SIP下腔体1上表面的下边沿。
作为上述实施例的一种改进，第一射频链路和第二射频链路均采用分段式设计。具体的，根据预设的SIP模块水平极化通道数量和垂直极化通道数量，第一射频链路包含了多个TR通道链路，第二射频链路也包含了多个TR通道链路。第一射频链路的各个TR通道链路内的射频信号一一对应地流经各个水平极化通道TR芯片7，每个TR通道链路内的射频信号依次流经对应的水平极化通道TR芯片7内的各个功能芯片，并根据功能芯片射频功能的不同对该TR通道链路进行分段设计，且每个分段经过的功能芯片设置在同一槽体内，不同分段经过的功能芯片分布在不同槽体内。第二射频链路的各个TR通道链路内的射频信号一一对应地流经各个垂直极化通道TR芯片8，每个TR通道链路内的射频信号依次流经对应的垂直极化通道TR芯片8内的各个功能芯片，并根据功能芯片射频功能的不同对该TR通道链路进行分段设计，且每个分段经过的功能芯片设置在同一槽体内，不同分段经过的功能芯片分布在不同槽体内。在陶瓷盖板与SIP下腔体1封焊后，不同槽体之间的物理隔离，降低了自激风险，从而提升了SIP模块的电气性能，与此同时，分段式设计完成后各个分段之间可以采用规整的传输线结构进行连接，相比不进行分段设计而言，减少了SIP下腔体1内射频传输走线中的异形结构，一种布线示例可参见图6所示。
作为上述实施例的另一种改进，所有水平极化通道TR芯片7、所有垂直极化通道TR芯片8和AD控制芯片9在SIP下腔体1上的安装位置周边均设置有便于安装芯片的装配槽10。
下述内容记载了双极化多通道相控阵SIP模块的一种具体设计实例。其中，SIP模块的工作频带中心频率为Ku频段，通道数为八通道，其中水平极化通道四个，垂直极化通道四个，水平极化通道间距为8.4mm，垂直极化通道间距为8.4mm，如图1中b处所示，相应的，水平极化天线射频口数量为四个，垂直极化天线射频口数量为四个，水平极化通道TR芯片7数量为四个，垂直极化通道TR芯片8数量为四个。四个水平极化通道共用三个一分二的功率分配器14，其中一个为第一级的功率分配器14，实现一分二，另外两个为第二级的功率分配器14，实现两个一分二，最终实现了四个通道，每个水平极化通道TR芯片7包括一个用于收发调幅调相的矢量调制器13、一个用于收发放大的第一收发一体放大器17、一个用于发射放大的第二低噪声放大器16、一个单刀双掷开关15、一个用于接收放大的第一低噪声放大器12、一个限幅器11，其中，每个用于发射放大的第二低噪声放大器16为集成了一个水平极化通道发射放大器件和一个垂直极化通道发射放大器件的一体化集成芯片，单刀双掷开关15为集成了一个水平极化通道的收发开关和一个垂直极化通道的收发开关的一体化集成开关。四个垂直极化通道共用三个一分二的功率分配器14，其中一个为第一级的功率分配器14，实现一分二，另外两个为第二级的功率分配器14，实现两个一分二，最终实现了四个通道，每个垂直极化通道TR芯片8包括一个用于收发调幅调相的矢量调制器13、一个用于收发放大的第一低噪声放大器12、一个用于发射放大的第二低噪声放大器16、一个单刀双掷开关15、一个用于接收放大的第一低噪声放大器12、一个限幅器11。AD控制芯片9包括两个，一个用于水平极化通道，一个用于垂直极化通道。针对每个水平极化通道，第一级的功率分配器14和AD控制芯片9处于第一射频链路内一个TR射频链路的第一分段上，第二级的功率分配器14、用于收发放大的第一收发一体放大器17和矢量调制器13处于该TR射频链路的第二分段上，用于发射放大的第二低噪声放大器16、用于接收放大的第一低噪声放大器12和限幅器11处于该TR射频链路的第三分段上，因此TR射频链路为一种三分段式。针对每个垂直极化通道，第一级的功率分配器14和AD控制芯片9处于第二射频链路内一个TR射频链路的第一分段上，用于收发放大的第一低噪声放大器12和矢量调制器13处于该TR射频链路的第二分段上，用于发射放大的第二低噪声放大器16、用于接收放大的第一低噪声放大器12和限幅器11处于该TR射频链路的第三分段上，因此TR射频链路也为一种三分段式。依据上述三分段式，金属围框6的一种分布图如图7所示。
以水平极化通道为例，上述设计实例实现的Ku频段双极化多通道的相控阵SIP模块的射频工作原理如下：
外部控制系统将用于低频控制和供电的低频信号自低频控制与供电接口501输入连接子板5，经由第一低频链路传输至AD控制芯片9，AD控制芯片9进行信号转换后产生相应的低频控制信号，低频控制信号经第一低频链路传输至各个水平极化通道TR芯片7。射频发射时，射频信号由下方的第一射频接口3输入，通过微带-带状转换结构和第一射频链路传输至第一级的功率分配器14，分为两路，再通过第二级的功率分配器14分为两路，各路射频信号依次通过矢量调制器13、第一收发一体放大器17、第二低噪声放大器16和单刀双掷开关15，完成相应的信号功率放大、幅度相位调整等，再通过微带-带状转换结构后由上方的水平极化天线射频口输出。
射频接收为发射过程的逆过程，在此不再赘述。
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)

1.一种双极化多通道相控阵SIP模块，其特征在于，包括连接子板、通过盖板封堵的SIP下腔体、设置在SIP下腔体上表面的多个水平极化天线射频口、多个垂直极化天线射频口、第一射频接口、第二射频接口、多个水平极化通道TR芯片、多个垂直极化通道TR芯片、AD控制芯片，第一射频接口用于与外部的水平极化波束馈电网路连接，第二射频接口用于与外部的垂直极化波束馈电网络连接；
水平极化通道TR芯片和垂直极化通道TR芯片交错分布，各个水平极化通道TR芯片经分布在所述SIP下腔体内部的第一射频链路一一对应地与各个水平极化天线射频口连接，各个水平极化通道TR芯片还经所述第一射频链路与第一射频接口连接，各个垂直极化通道TR芯片经分布在所述SIP下腔体内部的第二射频链路一一对应地与各个垂直极化天线射频口连接，各个垂直极化通道TR芯片还经所述第二射频链路与第二射频接口连接；
连接子板与SIP下腔体的内腔嵌合，且连接子板上固设有第一低频链路以及伸至SIP下腔体外部的低频控制与供电接口；
第一低频链路用于接入低频控制与供电接口输入的低频信号，并将低频信号传输至AD控制芯片，经AD控制芯片转换后的低频信号通过第一低频链路传输至各个水平极化通道TR芯片和各个垂直极化通道TR芯片。
2.根据权利要求1所述的一种双极化多通道相控阵SIP模块，其特征在于，所述第一射频链路和第二射频链路均沿竖直方向链式布局。
3.根据权利要求1所述的一种双极化多通道相控阵SIP模块，其特征在于，所述SIP下腔体为基于HTCC多层工艺制成的腔体，所述连接子板为HTCC多层板。
4.根据权利要求1所述的一种双极化多通道相控阵SIP模块，其特征在于，所述连接子板与SIP下腔体的内腔嵌合时，SIP下腔体上表面各个水平极化通道TR芯片、各个垂直极化通道TR芯片和AD控制芯片的焊盘通过金丝键合方式与第一低频链路连接。
5.根据权利要求1所述的一种双极化多通道相控阵SIP模块，其特征在于，所述第一射频链路、第二射频链路和第一低频链路均包括多段微带线和多段带状线，用于同一信号连续传输的微带线和带状线之间设置有微带带状转换匹配段。
6.根据权利要求1所述的一种双极化多通道相控阵SIP模块，其特征在于，通过开槽方式将各个水平极化通道TR芯片、各个垂直极化通道TR芯片、AD控制芯片设置在SIP下腔体上表面的槽体内；所述第一射频链路包括多个TR通道链路，各个TR通道链路内的射频信号一一对应地流经各个水平极化通道TR芯片，每个TR通道链路内的射频信号依次流经对应的水平极化通道TR芯片内的各个功能芯片，并根据功能芯片射频功能的不同对该TR通道链路进行分段设计，且每个分段经过的功能芯片设置在同一槽体内，不同分段经过的功能芯片位于不同槽体内。
7.根据权利要求6所述的一种双极化多通道相控阵SIP模块，其特征在于，所述第二射频链路包括多个TR通道链路，各个TR通道链路内的射频信号一一对应地流经各个垂直极化通道TR芯片，每个TR通道链路内的射频信号依次流经对应的垂直极化通道TR芯片内的各个功能芯片，并根据功能芯片射频功能的不同对该TR通道链路进行分段设计，且每个分段经过的功能芯片设置在同一槽体内，不同分段经过的功能芯片位于不同槽体内。
8.根据权利要求1所述的一种双极化多通道相控阵SIP模块，其特征在于，所有水平极化通道TR芯片、所有垂直极化通道TR芯片和AD控制芯片在SIP下腔体上的安装位置周边均设置有装配槽。
9.根据权利要求1所述的一种双极化多通道相控阵SIP模块，其特征在于，所有水平极化天线射频口和垂直极化天线射频口阵列排布在SIP下腔体上表面的第一边沿，第一射频接口、第二射频接口、低频控制与供电接口固设在SIP下腔体上表面的第二边沿，所述第一边沿与第二边沿正相对。
10.根据权利要求1所述的一种双极化多通道相控阵SIP模块，其特征在于，所述盖板对SIP下腔体进行封堵时，采用焊片封焊；所述低频控制与供电接口、所有水平极化天线射频口、所有垂直极化天线射频口、第一射频接口和第二射频接口与所述SIP下腔体均焊接。
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