【導(dǎo)讀】相控陣天線的收發(fā)組件與和差網(wǎng)絡(luò)通常是兩個(gè)獨(dú)立的模塊，模塊間通過(guò)接插件進(jìn)行電連接，成本較高且集成度低。文中提出了毫米波多通道收發(fā)電路與和差網(wǎng)絡(luò)一體化集成技術(shù)，將多通道收發(fā)組件與和差網(wǎng)絡(luò)高密度集成在同一介質(zhì)基板(PCB)上，芯片貼裝界面與和差網(wǎng)絡(luò)在不同層，射頻和低頻電路通過(guò)介質(zhì)板層間和層內(nèi)走線完成。
摘要
相控陣天線的收發(fā)組件與和差網(wǎng)絡(luò)通常是兩個(gè)獨(dú)立的模塊，模塊間通過(guò)接插件進(jìn)行電連接，成本較高且集成度低。文中提出了毫米波多通道收發(fā)電路與和差網(wǎng)絡(luò)一體化集成技術(shù)，將多通道收發(fā)組件與和差網(wǎng)絡(luò)高密度集成在同一介質(zhì)基板(PCB)上，芯片貼裝界面與和差網(wǎng)絡(luò)在不同層，射頻和低頻電路通過(guò)介質(zhì)板層間和層內(nèi)走線完成。最后制作 8×16 陣列進(jìn)行無(wú)源測(cè)試驗(yàn)證，結(jié)果表明該一體化集成技術(shù)性能良好，具有小型化、輕量化、一體化高密度集成、制作成本低等特點(diǎn)，可廣泛用于毫米波瓦式相控陣天線。
引言
隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，低頻段的頻譜已日益擁擠，高質(zhì)量、大容量無(wú)線通信設(shè)備要求通信頻率不斷提高。毫米波波長(zhǎng)短、頻帶寬，可以有效解決高速寬帶無(wú)線接入面臨的許多問(wèn)題，在短距離通信中有著廣泛的應(yīng)用前景。
現(xiàn)代先進(jìn)雷達(dá)和通信系統(tǒng)為了提高掃描速度和指向精度，不僅將工作頻段提升到毫米波頻段，同時(shí)摒棄了傳統(tǒng)機(jī)械掃描平臺(tái)，采用相控陣天線，實(shí)現(xiàn)了快速二維相控掃描。收發(fā)組件是相控陣系統(tǒng)的核心部分，特別對(duì)于二維有源相控陣天線，其集成水平?jīng)Q定了整個(gè)系統(tǒng)的性能與成本。
目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于毫米波相控陣天線的文獻(xiàn)很多，相控陣天線的組成通常分為:天線陣面、收發(fā)組件模塊、功分與和差網(wǎng)絡(luò)、波控單元和電源等 。收發(fā)組件(包含收發(fā)電路與多功能芯片)與和差網(wǎng)絡(luò)是相控陣天線的重要組成。收發(fā)組件用于完成相控陣天線收發(fā)狀態(tài)下信號(hào)的放大和移相等，功分與和差網(wǎng)絡(luò)則完成信號(hào)的功率合成與分配。收發(fā)組件模塊常常采用薄膜電路或 LTCC 工藝 ，功分網(wǎng)絡(luò)采用波導(dǎo)或者微帶等形式 。通常，相控陣天線中，收發(fā)組件與和差網(wǎng)絡(luò)分開設(shè)計(jì)為獨(dú)立模塊，模塊間的連接通過(guò)接插件對(duì)連形式實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。這種連接方式不僅增加了電路的復(fù)雜性和系統(tǒng)損耗，且組裝工序繁多，上下互聯(lián)耗費(fèi)大量的接插件和輔材，同時(shí)縱向尺寸較大，不利于系統(tǒng)小型化、輕量化和一體化設(shè)計(jì)。隨著相控陣天線在毫米波頻段的發(fā)展，小型化和緊湊型是相控陣天線的重要需求，急需一種集成技術(shù)打破收發(fā)模塊與和差網(wǎng)絡(luò)之間的壁壘，簡(jiǎn)化互聯(lián)接口形式，降低制作成本，并從加工制造和工藝實(shí)現(xiàn)上找到切實(shí)可行的方法。
1 設(shè)計(jì)原理
相控陣天線分為磚式相控陣和瓦式相控陣，后者相對(duì)前者集成度更高，縱向尺寸更小，適合安裝于空間比較受限的平臺(tái)。圖 1 所示為一般瓦式相控陣天線結(jié)構(gòu)示意圖，圖中，天線陣面、收發(fā)組件與和差網(wǎng)絡(luò)均為橫向集成縱向垂直連接，層間垂直互聯(lián)通過(guò)接插件的上下導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)電連接。
圖 1 瓦式相控陣天線結(jié)構(gòu)示意圖
為進(jìn)一步提高瓦式相控陣天線結(jié)構(gòu)的密度、令其體積更小，我們采用高密度集成技術(shù)設(shè)計(jì)了其核心部件———收發(fā)組件與和差網(wǎng)絡(luò)，以便大幅降低縱向高度、縮減收發(fā)組件與和差網(wǎng)絡(luò)之間互聯(lián)所占用的空間，此外，優(yōu)化了收發(fā)組件的低頻控制和供電走線，從而提高電路可靠性。如圖 2 所示，將多通道收發(fā)電路與和差網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)在同一塊印制板上。一方面，放大器、移相器和功分網(wǎng)絡(luò)的走線在同一層，通過(guò) PCB 板間的金屬化過(guò)孔將射頻信號(hào)向上向下聯(lián)通;另一方面，和差網(wǎng)絡(luò)、收發(fā)電路控制、供電等低頻信號(hào)也通過(guò) PCB 多層板進(jìn)行線路布局。最后，將加工完成的一體化收發(fā)電路與和差網(wǎng)絡(luò)的 PCB 多層板焊接在金屬基板上，通過(guò)毛紐扣等形式與天線陣面和波控等模塊完成互聯(lián)。同時(shí)，考慮到移相器和放大器的工作需求，上蓋板預(yù)留空氣腔。
圖 2 一體化集成的收發(fā)電路與功分網(wǎng)絡(luò)組裝圖
多通道收發(fā)電路與和差網(wǎng)絡(luò)在同一介質(zhì)基板上完成，射頻、低頻電路走線既有層內(nèi)也有層間，射頻端口和低頻端口可通過(guò)彈性觸碰方式與天線單元和波控器等連接，形成無(wú)插拔力的高密度互聯(lián)，在較薄的介質(zhì)基板內(nèi)完成了射頻和低頻電路的布置。作為接收射頻輸入、發(fā)射射頻輸出的功分端口、合成端口，它們通過(guò)介質(zhì)基板打孔方式形成同軸傳輸，低頻控制及電源接口則通過(guò)介質(zhì)基板間的走線分布到基板四周，多通道收發(fā)電路與和差網(wǎng)絡(luò)之間僅靠介質(zhì)基板層間走線實(shí)現(xiàn)高低頻互聯(lián)，由此完成的多通道收發(fā)電路與和差網(wǎng)絡(luò)的一體化、高密度集成設(shè)計(jì)，無(wú)須接插件，方便多通道收發(fā)電路與和差網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，節(jié)省了收發(fā)組件模塊與和差網(wǎng)絡(luò)間的接插件，同時(shí)可采用成熟微波印制板加工工藝一體成形，與 LTCC 相比工藝更簡(jiǎn)單、成本更低。
2 設(shè)計(jì)分析
針對(duì)多通道收發(fā)電路與和差網(wǎng)絡(luò)的一體化集成技術(shù)，選用毫米波頻段 8×16 陣列作為例子進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)分析。由于毫米波頻段天線單元間距較小，單通道所占用的平均面積約為 7 mm×7 mm，使得多通道收發(fā)電路與和差網(wǎng)絡(luò)的電路走線十分緊湊，采用非等間距形式進(jìn)行布局，如圖 3 所示。其中，1 為多通道收發(fā)芯片，2 為功分網(wǎng)絡(luò)，3 為介質(zhì)基板，4 為低頻控制焊盤(pad)，5 為電源供電焊盤，6 為與天線連接的射頻端口，7 為功分合成端口，8 為低頻控制及電源接口，9 為和差網(wǎng)絡(luò)，10 為金屬隔離柱，11 為實(shí)心接地柱。
圖 3 一體化集成電路多層印制板圖
如圖 3(a)所示，器件貼裝界面與功分網(wǎng)絡(luò)的走線層在同一層，四周通過(guò)金屬隔離柱進(jìn)行隔離，減小電路走線之間的影響，功分網(wǎng)絡(luò)與和差網(wǎng)絡(luò)在不同層，兩者通過(guò)板內(nèi)打孔實(shí)現(xiàn)射頻垂直互聯(lián)。芯片的低頻控制及供電采用金絲鍵合方式與芯片附近的焊盤連接，再由焊盤下方的金屬化過(guò)孔垂直向下往印制板四周布置，如圖 3(b)所示。同時(shí)，在芯片貼裝界面的下面設(shè)計(jì)實(shí)心接地柱，不僅為芯片提供接地，同時(shí)也作為芯片的散熱通道，將熱導(dǎo)到印制板底部。
3 測(cè)試結(jié)果及分析
實(shí)物加工了上述毫米波頻段 8×16 多通道收發(fā)電路與和差網(wǎng)絡(luò)一體化集成電路，尺寸為 114 mm×68 mm，厚度僅 3 mm 左右，單通道重量約 2 g。為了驗(yàn)證一體化集成電路的性能，將功分器貼裝在相應(yīng)位置后，進(jìn)行了無(wú)源測(cè)試，實(shí)物與測(cè)試裝夾圖如圖 4 所示。該集成電路 128 個(gè)射頻通道測(cè)試結(jié)果如圖 5 所示。
圖 4 一體化集成電路多層印制板實(shí)物與測(cè)試裝夾圖
圖 5 一體化集成電路多通道幅相測(cè)試結(jié)果
圖 5 中，左上角的圖為 S 11 ，為公共口反射系數(shù)，在 21～23 GHz 頻帶內(nèi) S 11 ≤ －11 dB;右上角的圖為插入損耗曲線，各通道間一致性良好，扣除兩根測(cè)試電纜后，損耗約為 24 dB(包含分損 21 dB);左下角的圖為 S 21 的相位，圖示通道間一致性良好;右下角的圖為 S 22 ，是與天線接口端的反射系數(shù)，圖中 S 22 ≤－10 dB;由以上各圖，該高密度集成射頻板工作正常，具備優(yōu)異的通道間幅度和相位一致性，128 個(gè)通道在 21～23 GHz 頻帶內(nèi)的幅度均方根為 0．8 dB，相位均方根為 5°。說(shuō)明其中的核心部分———多通道一體化集成電路工作正常，采用微波印制板加工工藝可行，能夠完成相控陣收發(fā)組件的電路與和差網(wǎng)絡(luò)的功能，提高了瓦式相控陣的集成度，可以用于高精度波束掃描的相控陣天線。
4 結(jié)論
毫米波多通道收發(fā)電路與和差網(wǎng)絡(luò)高密度集成技術(shù)，不僅能在毫米波頻段實(shí)現(xiàn)良好的通道電氣性能，同時(shí)，將多通道收發(fā)電路與和差網(wǎng)絡(luò)高密度集成，大大降低了縱向高度尺寸及重量，為相控陣天線的小型化、輕量化提供了實(shí)現(xiàn)途徑，也為將來(lái)蒙皮天線技術(shù)提供了重要的設(shè)計(jì)思路。同時(shí)采用成熟的微波印制板制備方式，大大縮減了制作成本和周期，具有小型化、輕量化、一體化高密度集成等特點(diǎn)，與現(xiàn)有的微波印制板加工工藝結(jié)合，易加工實(shí)現(xiàn)，且成本低、周期短，對(duì)于工程應(yīng)用十分有意義。
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