CN117791109A - 一种新型的分时双极化的aip天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型的分时双极化的AIP天线，属于相控阵天线技术领域。包括基板、极化开关芯片、可伐合金盖板、天线辐射芯片和BGA球；所述天线辐射芯片设置在基板表面，基板底部开设有盲槽，所述极化开关芯片嵌入式设置在盲槽底部；可伐合金盖板盖合在盲槽开口部位并气密焊接，构成封装天线；所述BGA焊球设置在基板底部，用作封装天线对外的电气和结构接口。本发明将有源的极化开关芯片嵌入到多层HTCC板中，形成高集成度的一体式封装结构，在尺寸较小的封装内实现了双极化天线的分时双极化切换，并在多层板中实现射频信号的互联，省去了射频连接器的损耗和尺寸，优化信号传输路径，减小了极化开关和天线之间的传输损耗。
Description
技术领域
本发明涉及相控阵天线领域，具体涉及一种新型的分时双极化的AIP天线。
背景技术
分时双极化天线需要用到有源的极化开关芯片来切换，而天线为无源器件，将二者结合在一起存在较大难度。传统的做法通常是设计成一个独立的无源天线板和独立的极化控制模块，然后通过射频连接器将二者连接起来，这样的代价是射频互联的距离较远，损耗较大，同时尺寸和成本都更大。具体的，这种方案的缺点体现在以下几个方面：
1、系统复杂度高：由于没有进行高集成度的一体化的封装生产，导致两个部件之间的射频接口数量翻倍，除了射频互联外还要考虑机械互联。对外互联需要使用连接器，使系统集成使用的复杂度增大；
2、尺寸大：由于需要两个功能部件组合起来，电气互联和机械互联带来的尺寸增加，集成度降低；
3、信号传输损耗大：由于是两个独立的部件组成，导致信号传输路经增长，增大传输损耗，影响系统的性能和效率；
4、生产效率低、一致性不好：由于需要先单独的生产极化控制模块，测试完成后然后再两个部件组装成一起，再进行检测，整个生产工序增加，引入更多的影响因素，致使生产效率低、良率下降。
鉴于现有技术中分时双极化天线的结构形式存在诸多不足，亟待提供一种新型的分时双极化的AIP天线。
发明内容
本发明旨在解决有源极化开关芯片与天线采用传统方式结合时存在的诸多不足，提出了一种新型的分时双极化的AIP天线，通过独特的天线设计和射频电路布局，实现了分时双极化AIP天线射频性能的优化。
为了实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：
一种新型的分时双极化的AIP天线，其特征在于，包括基板、极化开关芯片、可伐合金盖板、天线辐射芯片和BGA球；所述天线辐射芯片设置在基板表面，基板底部开设有盲槽，所述极化开关芯片嵌入式设置在盲槽底部；可伐合金盖板盖合在盲槽开口部位并气密焊接，构成封装天线；所述BGA焊球设置在基板底部，用作封装天线对外的电气和结构接口。
进一步的，所述基板为多层高温共烧陶瓷板。
进一步的，基板从上至下共设置八层，第一层基板的上表面为天线辐射贴片层，第二层基板与第一层基板之间为天线寄生贴片层；第三层基板与第二层基板之间为极化耦合缝层，第四层基板与第三层基板之间为射频信号馈电层，第四层基板底部为接地信号层，第六层基板与第五层基板之间为极化开关芯片布线装配层。
进一步的，盲槽贯穿第六层基板和第七层基板，并在第六层基板和第七层基板处形成安装可伐合金盖板的台阶，第六层基板底面设有盖板焊接地层，第七层基板底面为底层接地及BGA焊接层。
进一步的，天线内部设置的电气过孔包括公共射频信号孔和双极化射频信号孔，公共射频信号过孔贯穿第七层基板和第六层基板，其上端连接极化开关芯片布线装配层，下端接入底层接地及BGA焊接层；双极化射频信号过孔贯穿第四层基板和第五层基板，其下端与极化开关芯片布线装配层连接，上端与射频信号馈电层连接；射频信号从公共射频信号孔进入到极化开关芯片，极化开关芯片在极化开关控制信号孔进入的控制信号的控制下，实现两种极化的切换。
进一步的，天线内部设置的电气过孔还包括屏蔽地信号过孔和极化开关控制孔；屏蔽地信号过孔从底层接地及BGA焊接层贯穿至第二层基板，其上端连接天线寄生贴片层；极化开关控制信号过孔贯穿第七层基板和第六层基板，其上端极化开关芯片布线装配层，下端接入底层接地及BGA焊接层；极化开关芯片输出的信号通过双极化射频信号过孔进入到射频信号馈电层，然后信号通过极化耦合缝隙层耦合到天线的两层辐射贴片层，最后通过辐射贴片将信号辐射出去。
进一步的，所述BGA焊球采用回流焊的标贴工艺设置在最底层基板的底部，并且规则的环绕布置在最底层基板的四周。
进一步的，所述极化开关芯片与基板的射频、控制信号线采用键合金丝连接。
进一步的，所述BGA焊球4直径为0.5mm。
综上所述，本发明具有以下优点：
1、本发明通过独特的天线设计和射频电路布局实现了射频性能的优化：将有源的极化开关芯片嵌入到多层HTCC板中，形成高集成度的一体式封装结构，在尺寸较小的封装内实现了双极化天线的分时双极化切换，并在多层板中实现射频信号的互联，省去了射频连接器的损耗和尺寸，优化了信号的传输路径，减小了极化开关和天线之间传输损耗，提高了天线的辐射效率；
2、本发明在高温共烧陶瓷（HTCC）板上加工盲槽，并将极化开关芯片嵌入盲槽中并封装，缩减天线纵向尺寸至少6mm以上，缩减了天线单元的平均重量，提高了封装紧凑性和集成度。
3、本发明采用高温共烧陶瓷板替代传统的多层PCB板，HTCC板具有良好的高温稳定性、热传导新性能、良好的机械强度以及更好气密性能，配合可伐合金盖板以焊接方式进行气密封盖，确保了系统的密封性、可靠性和稳定性，使得天线在高温、高湿、低气压等严苛环境下具有更好的环境适应性。
4、本发明所使用的BGA（球栅阵列）植球作为封装的电气互联接口，提供了高密度、高速的连线方式，支持复杂的信号传输和互联需求；同时BGA植球也作为机械互联接口，可以实现稳固的机械连接，提供良好的结构强度和可靠性。
5、本发明采用高温共烧陶瓷制作多层双极化天线，具有制作多层板的高度灵活性，同时实现了更高的耐高温性能和良好的热传导性能，使得本发明适用于高功率和高温工作环境。
6、本发明具有高的系统扩展性，通过以上创新技术实现了系统的高度集成，在尺寸较小的封装内实现双极化天线的分时双极化切换，让相控阵雷达系统具有对目标进行两种极化信息提取的能力，同时可以按需选择所需要的目标极化信息，增加雷达系统的分辨率和抗干扰能力。
7、本发明每个天线阵元内的装配都是一样的，方便进行自动粘片和自动键合，通过一次编程就可以应用自动化生产设备进行批量生产，不仅生产效率高，生产的一致性好，良率也大大提高，同时，利用AIP思路可将2*2的天线阵列封装在一个AIP标准尺寸中，作为共用的基础模块，用2*2的基础模块可组成不同规模的阵面，具有高可拓展性。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为图1的仰视图；
图3为图1的俯视图；
图4为BGA焊球的分布结构示意图；
图5为本发明分时双极化天线结构的剖视图；
图中：
1、基板，2、极化开关芯片，3、可伐合金盖板，4、BGA焊球，5、键合金丝，6、天线辐射贴片，H1、天线辐射贴片层；H2、天线寄生贴片层；H3、极化耦合缝层；H4、射频信号馈电层；H5、接地信号层；H6、极化开关芯片布线装配层；H7、盖板焊接地层；H8、底层接地及BGA焊接层；V1、屏蔽地信号过孔；V2、公共射频信号过孔；V3、双极化射频信号过孔；V4、极化开关控制信号过孔；A1、射频信号BGA球；A2、控制信号BGA球；A3、HTCC基板；A4、地信号BGA球。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
为了解决现有分时双极化天线结构采用传统射频互联方式，造成损耗较大，同时尺寸和成本都更大的问题，本发明提出了一种新型的分时双极化的AIP天线，通过独特的天线设计和射频电路布局实现了射频性能的优化。
如图1所示为本发明的整体结构示意图。AIP天线结构主要包括基板1、极化开关芯片2、可伐合金盖板3和天线辐射芯片。
其中，所述基板1用作双极化天线板，天线辐射芯片设置在基板1的上表面，基板1底部开设有盲槽，极化开关芯片2嵌入式设置在所述盲槽底部，并用25um金线键合固定，盲槽开口处预留出了气密封盖的放置台阶，所述可伐合金盖板3盖合在盲槽开口处并气密焊接，可伐合金盖板3的下表面与基板1底面齐平。极化开关芯片2与基板1封装在一起形成AIP，内嵌式结构降低了AIP封装的高度。同时，极化开关的隔离度约40dB，叠加到天线端，使整个集成封装后的AIP的极化隔离度约为70dB左右。
本实施例中，基板1采用高温共烧陶瓷（HTCC），HTCC板具有良好的高温稳定性、热传导新性能、良好的机械强度以及更好气密性能。
可伐合金盖板3为裸芯的极化开关提供了良好的保护作用，并且可伐合金盖板3的热膨胀系数和HTCC基板A3的热膨胀系数比较接近，焊接后具有更好的密封性和可靠性，提高了天线在高温、高湿、低气压等恶劣环境中的适应性。
进一步的，如图4所示，封装天线对外的电气和结构接口均采用0.5mm的BGA焊球来实现。本实施例中，BGA焊球4设置在HTCC基板A3的底部，作为AIP与系统集成的互联接口，在系统集成的时候，通过标准的回流焊接工艺将AIP和系统的基板1焊接在一起就可以实现射频、控制信号以及机械连接。
BGA焊球4的设计克服了传统的射频连接器、控制连接器以及机械螺钉来与系统分别实现射频互联、控制信号互联以及机械互联的方法的缺点，更加便捷且具有高可靠性。
上述AIP天线的制作方法为：首先，将极化开关芯片2粘接在HTCC内嵌的盲槽内；然后，键合金丝5将极化开关芯片2和HTCC基板A3的射频、控制信号线连接起来；将可伐合金的盖板和HTCC基板A3焊接在一起，最后一步将BGA焊球4植在HTCC基板A3上，方便和系统其它分部件进行互联。
实际应用中，本发明通常设计为2*2的标准AIP基础模块，可以根据不同阵面规模自由组阵，用基础的2*2的AIP天线拼接成不同规模的天线阵，从而能更灵活的应对不同场景的需求。每个天线阵元内的装配都是一样的，方便进行自动粘片和自动键合，通过一次编程就可以应用自动化生产设备进行批量生产，不仅生产效率高，生产的一致性好，良率也大大提高。
参照说明书附图5，HTCC基板A3为多层结构，本实施例中，基板1从上至下共8层，每层的厚度根据仿真优化和HTCC加工工艺确定。其中，天线占用了5层，第一层基板1的上表面为天线辐射贴片层H1，第二层基板1与第一层基板1之间为天线寄生贴片层 H2，天线辐射贴片层H1与天线寄生贴片层 H2构成的双层辐射贴片有利于拓展天线带宽；第三层基板1与第二层基板1之间为极化耦合缝层H3，第四层基板与第三层基板之间为射频信号馈电层H4，第四层基板底部为接地信号层H5，第六层基板与第五层基板之间为极化开关芯片布线装配层H6。
盲槽贯穿第六层基板和第七层基板，并在第六层基板和第七层基板处形成安装可伐合金盖板3的台阶，第六层基板底面设有盖板焊接地层H7，第七层基板底面为底层接地及BGA焊接层H8。
天线内部设置的电气过孔主要包括四种，分别是屏蔽地孔V1、公共射频信号孔V2、双极化射频信号孔V3和极化开关控制孔V4。其中，双极化射频信号过孔V3贯穿第四层基板和第五层基板，其下端与极化开关芯片布线装配层H6连接，上端与射频信号馈电层 H4连接。屏蔽地信号过孔V1从底层接地及BGA焊接层H8贯穿至第二层基板，其上端连接天线寄生贴片层 H2。公共射频信号过孔V2贯穿第七层基板和第六层基板，其上端极化开关芯片布线装配层H6，下端接入底层接地及BGA焊接层H8。极化开关控制信号过孔V4贯穿第七层基板1和第六层基板1，其上端连接极化开关芯片布线装配层H6，下端接入底层接地及BGA焊接层H8。
如图4所示为2*2的标准AIP基础模块的结构仰视图，BGA焊球4主要有三种信号传输的作用，分别是射频信号BGA球A1、开关的控制信号BGA球A2、屏蔽地信号BGA球A4。三种信号BGA球规则地设置在最底层基板的底面四周，规则的地信号排布有利于射频信号的最优传输性能，提高通道间信号的隔离度。更进一步的，射频信号按类同轴的规则设计优化，所以是一个中心，四周围一圈屏蔽接地BGA球。开关控制信号和屏蔽地信号的BGA没有特别的规则，均匀分布在基板下，维持受力均衡就可。
AIP天线的信号传输方式如下：
射频信号从公共射频信号孔进入到极化开关芯片2，极化开关芯片2在极化开关控制信号孔进入的控制信号的控制下，实现两种极化的切换。极化开关输出的信号通过双极化射频信号过孔V3进入到馈电层，然后信号通过极化耦合缝隙层耦合到天线的两层辐射贴片层，最后通过辐射贴片将信号辐射出去。
本发明的分时双极化AIP天线，将有源的极化开关芯片2嵌入到多层HTCC板中，形成高集成度的一体式封装结构，在尺寸较小的封装内实现了双极化天线的分时双极化切换，在多层板中实现射频信号的互联，省去了射频连接器的损耗和尺寸，优化了信号的传输路径，减小了极化开关和天线之间传输损耗，提高了天线的辐射效率。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种新型的分时双极化的AIP天线，其特征在于，包括基板（1）、极化开关芯片（2）、可伐合金盖板（3）、天线辐射芯片和BGA焊球（4）；所述天线辐射芯片设置在基板（1）表面，基板（1）底部开设有盲槽，所述极化开关芯片（2）嵌入式设置在盲槽底部；可伐合金盖板（3）盖合在盲槽开口部位并气密焊接，构成封装天线；所述BGA焊球（4）设置在基板（1）底部，用作封装天线对外的电气和结构接口。
2.根据权利要求1所述的一种新型的分时双极化的AIP天线，其特征在于，
所述基板（1）为多层高温共烧陶瓷板。
3.根据权利要求2所述的一种新型的分时双极化的AIP天线，其特征在于，基板（1）从上至下共设置八层，第一层基板的上表面为天线辐射贴片层（H1），第二层基板与第一层基板之间为天线寄生贴片层（H2）；第三层基板与第二层基板之间为极化耦合缝层（H3），第四层基板与第三层基板之间为射频信号馈电层（H4），第四层基板底部为接地信号层（H5），第六层基板与第五层基板之间为极化开关芯片布线装配层（H6）。
4.根据权利要求3所述的一种新型的分时双极化的AIP天线，其特征在于，盲槽贯穿第六层基板和第七层基板，并在第六层基板和第七层基板处形成安装可伐合金盖板（3）的台阶，第六层基板底面设有盖板焊接地层（H7），第七层基板底面为底层接地及BGA焊接层（H8）。
5.根据权利要求4所述的一种新型的分时双极化的AIP天线，其特征在于，天线内部设置的电气过孔包括公共射频信号孔和双极化射频信号孔，公共射频信号过孔（V2）贯穿第七层基板和第六层基板，其上端连接极化开关芯片布线装配层（H6），下端接入底层接地及BGA焊接层（H8）；双极化射频信号过孔（V3）贯穿第四层基板和第五层基板，其下端与极化开关芯片布线装配层（H6）连接，上端与射频信号馈电层（H4）连接；射频信号从公共射频信号孔进入到极化开关芯片（2），极化开关芯片（2）在极化开关控制信号孔进入的控制信号的控制下，实现两种极化的切换。
6.根据权利要求5所述的一种新型的分时双极化的AIP天线，其特征在于，天线内部设置的电气过孔还包括屏蔽地信号过孔（V1）和极化开关控制孔；屏蔽地信号过孔（V1）从底层接地及BGA焊接层（H8）贯穿至第二层基板，其上端连接天线寄生贴片层（H2）；极化开关控制信号过孔（V4）贯穿第七层基板和第六层基板，其上端极化开关芯片布线装配层（H6），下端接入底层接地及BGA焊接层（H8）；极化开关芯片（2）输出的信号通过双极化射频信号过孔（V3）进入到射频信号馈电层（ H4），然后信号通过极化耦合缝隙层耦合到天线的两层辐射贴片层，最后通过天线辐射贴片（6）将信号辐射出去。
7.根据权利要求1所述的一种新型的分时双极化的AIP天线，其特征在于，
所述BGA焊球（4）采用回流焊的标贴工艺设置在底层基板的底面，并且规则的环绕设置在最底层基板的底面四周。
8.根据权利要求1所述的一种新型的分时双极化的AIP天线，其特征在于，所述极化开关芯片（2）与基板（1）的射频、控制信号线采用键合金丝（5）连接。
9.根据权利要求1或7所述的一种新型的分时双极化的AIP天线，其特征在于，所述BGA焊球（4）直径为0.5mm。
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