毫米波瓦式相控阵天线TR组件制造技术

本发明专利技术提出了一种毫米波瓦式相控阵天线TR组件，旨在为毫米波频段大功率有源相控阵天线提供一种高可靠、低成本、高密度集成的TR组件实现方案。本发明专利技术通过下述方案实现：射频信号从TR组件下腔体底部公共端射频垂直互联接口馈入，通过多层电路板表贴功分器等功率分配后，馈入到与每个收发通道的多通道幅相控制芯片，多通道幅相控制芯片对射频信号二次功率分配后，按外部控制码状态对每路射频信号幅度相位信息进行调整，并输出至TR多功能芯片，将信号放大输出至末级功率放大器推至饱和后输出至功率开关，选通发射支路，送至TR组件上腔体两端排列分布的对天线射频垂直互联接口；TR组件接收工作时，射频信号以相反方向通过TR组件。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种瓦式相控阵天线TR组件，特别是工作在毫米波频段的收发半双工体制有源相控阵天线TR组件和单个通道发射功率可以高达瓦级的大功率毫米波瓦式TR组件实现技术。
技术介绍
目前广泛应用的二维有源相控阵天线多采用砖块式结构TR组件，其特点是元器件放置方向垂直于相控阵天线阵面孔径，电路采用纵向集成横向组装(LITA)，由于纵向不受限于半波长可根据设计需求扩展。因此，这种结构集成度较低，设计难度相对不大，技术成熟度高，电路设计及组装容易实现；但这种结构使得子阵厚度受限于半波长，粘接芯片的TR组件下腔体厚度有限，对于大功率应用无法根据功率大小进行扩展获得充足的热容，无法实现热容与TR组件一体集成，还须设计独立的热容体，并且热量从TR组件纵向传导到后端热容路径长，模块连接会引入额外的热阻，热均温性也较差。对于超大发射功率的项目应用，难以实现中大型阵列应用规模并保证TR组件长期可靠工作。瓦片式TR组件的特点是元器件放置方向平行于相控阵天线阵面孔径，面子阵电路采用横向集成纵向组装。这种结构优点在于可实现热沉与TR组件下腔体一体集成，并且热沉厚度方向就是天线纵向，其厚度可根据需求自由扩展。因此大功率器件与热容之间散热路径短、热阻小、均温性好，非常适合于大功率应用。并且在降低TR组件成本、减小体积尺寸、减轻设备重量方面具有优势，易于实现大规模阵列。因此电路面积受限于半波长平方，无法扩展。但采用瓦式技术单元尺寸更小，单元尺寸受限于半波长不可扩展，集成密度要求非常高，电路设计难度大，必须采用高密度集成技术(HDI)和小型化、高性能高可靠射频垂直互联。对半双工应用或者大功率应用，由于功能复杂，所需芯片数量多、芯片及电路占用面积大，瓦式集成难度更大。半双工TR组件需要实现接收低噪声放大及发射功率放大，并以电子开关实现收发切换。为提高集成度，一般采用双向工作的移相器及衰减器做收发公共支路。目前的瓦式TR组件实现方案，射频接口排布多为“田字形”布局，在每个矩形方格内实现一个独立的通道全功能集成。具体实现一般是以多层电路基板作为芯片载体，电路基板焊接于金属TR组件下腔体后，通过在电路基板上打金属化过孔阵来实现从芯片底部到金属热容的热传导，热通孔的导热系数一般为50w/m.K，只能满足mW量级发射功率的应用，无法满足单通道发射功率上W级的应用。对于X波段及以下频率由于波长长，单元间距大，也可以在多层电路板对应大功率芯片粘接位置开槽，在金属热容对应位置形成凸台，让大功率芯片可直接粘接于金属热容。但毫米波频率高，电路板尺寸和芯片尺寸都很小，对于“田字型”结构的瓦式TR组件，需要在多层电路板上开多个小尺寸通槽，并且要与金属基座进行嵌套。实现的难度很大，精度难以控制。目前报道的瓦式TR组件一般采用FuzzButton等弹性连接件作对外接口，这种射频垂直互连使用简便，但是却很难实现组件气密封。有些瓦式TR组件采用波导接口的射频垂直互联，集成度低，模块之间连接不便,现在多不采用此方案。德国IMST给出一种TR组件与天线阵面一体集成的方式，芯片和天线贴片分别位于一块内部集成了液冷微流道的LTCC的两侧，这种方案集成度高，但是散热效能较低，对于发射功率数百mW以上的应用很难长时间可靠工作。而且这种集成方案由于液冷流道必须一体集成，无法采用标准、独立子阵组阵的方式来自由扩展阵面规模，因此难以实现通道数上百单元以上的中大型阵面规模，同时LTCC材料的脆性使得其对于弹、机载工作环境适应性存在一定困难。总的说来，现有的毫米波瓦式TR组件实现方案难以实现单通道数瓦的大功率应用，难以实现半双工工作的复杂体制应用，难以解决TR组件气密封的困难。因此，如何解决通道发射大功率应用高效散热的问题，如何进一步提高集成度在有限的单元面积内实现收发半双工复杂功能的集成，如何在保证高性能基础上实现气密封，目前还没有确定的技术方案。
技术实现思路
本专利技术目的是针对现有瓦式技术解决工作在毫米波频段的、单通道发射功率达瓦级的大功率应用存在的不足之处，提供一种工程实用性高，性能可靠，散热效能高，可收发半双工工作，可实现气密封的瓦式TR组件集成技术。本专利技术的上述目的可以通过以下措施来达到,一种毫米波瓦式相控阵天线TR组件,包括：“肋状”排布的瓦式TR组件、制有2N个天线射频垂直互联接口5的TR组件上腔体1、底部制有公共端射频垂直互联接口6的TR组件下腔体2，位于上述TR组件上、下腔体之间，并与下腔体焊接为一体的多层电路板3和芯片组4，以及集中分布在TR组件中心区域的多功能芯片组8和功率芯片组7，其特征在于：高功耗器件集中放置于TR组件下腔体2金属表面，低功耗器件集中放置于上述多层电路板3的表面；TR组件下腔体2金属表面平台上组装相互平行，相向对称于上述TR组件中线，两侧分布的收发通道，天线射频垂直互联接口5集中靠边排布，线阵排列于TR组件上腔体1的两侧，所有同型芯片均分布于关于TR组件中线对称的两“条带”内；2N个收发通道及其芯片组以及功分网络集成在一个TR组件子阵中；功率芯片组7组装于TR组件下腔体2表面，多功能芯片组8组装于多层电路板3表面；多层电路板3正面根据芯片组4各芯片分布位置关系，通过金丝与芯片组4各芯片表面焊盘键合连接，一体集成了对各芯片的加电及状态控制的无源功分网络及若干直流馈电焊盘；发射时，射频信号从TR组件下腔体2底部公共端射频垂直互联接口6馈入TR组件，通过多层电路板3集成功分网络等功率分配后，馈入到与每个收发通道相连的多通道幅相控制芯片13，多通道幅相控制芯片13对射频信号二次功率分配后，按外部控制码状态对每路射频信号幅度相位信息进行调整，并输出至TR多功能芯片12，将驱动放大信号输出至末级功率放大器10推至饱和后输出至功率开关9，选通发射支路，送至TR组件上腔体1两端排列分布的天线射频垂直互联接口5；TR组件接收工作时，射频信号以相反方向通过TR组件。上述方案中，毫米波瓦式TR组件是按4×4通道规模进行集成设计的，该方案设计具有通道规模的可扩展性，可按4×4通道规模的整倍数进行扩展，如4×8阵列、8×8阵列、16×16等。上述方案中，所用的多层电路板3材料可以是LTCC基材、PCB基材、PTFE基材，或LCP基材，也可以是几种基材的组合使用。上述方案中，毫米波瓦式相控阵天线TR组件的单通道输出功率可以是数瓦也可以是数十瓦，并且该实现方案可向下兼容小功率应用。多通道幅相控制芯片13可由2通道、4通道、6通道或8通道集成，幅相控制芯片可基于Ga本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种毫米波瓦式相控阵天线TR组件,包括：“肋状”排布的瓦式TR组件、制有2N个天线射频垂直互联接口（5）的TR组件上腔体（1）、底部制有公共端射频垂直互联接口（6）的TR组件下腔体（2），位于上述TR组件上、下腔体之间，并与下腔体焊接为一体的多层电路板（3），以及集中分布在TR组件中心区域的多功能芯片组（8）和功率芯片组（7），其特征在于：高功耗器件集中放置于TR组件下腔体（2）金属表面，低功耗器件集中放置于上述多层电路板（3）的表面；TR组件下腔体（2）金属表面平台上组装相互平行，相向对称于上述TR组件中线，两侧分布的收发通道，天线射频垂直互联接口（5）集中为线阵靠边排列于TR组件上腔体（1）的两侧，所有同型芯片均分布于关于TR组件中线对称的两“条带”内；2N个收发通道及其芯片组以及功分网络集成在一个TR组件子阵中；功率芯片组（7）组装于TR组件下腔体（2）表面，多功能芯片组（8）组装于多层电路板（3）表面；多层电路板（3）正面根据芯片组（4）各芯片分布位置关系，一体集成了对各芯片加电及状态控制的馈线网络及若干直流馈电焊盘，并通过金丝将各馈电焊盘与芯片组（4）各芯片表面焊盘键合连接；发射时，射频信号从TR组件下腔体（2）底部公共端射频垂直互联接口（6）馈入TR组件，通过多层电路板（3）表贴功分器（16）等功率分配后，馈入到与每个收发通道相连的多通道幅相控制芯片（13），多通道幅相控制芯片（13）对射频信号二次功率分配后，按外部控制码状态对每路射频信号幅度相位信息进行调整，并输出至TR多功能芯片（12），将驱动放大信号输出至末级功率放大器（10）推至饱和后输出至功率开关（9），选通发射支路，送至TR组件上腔体（1）两端排列分布的天线射频垂直互联接口（5）；TR组件接收工作时，射频信号以相反方向通过TR组件。...

【技术特征摘要】
1.一种毫米波瓦式相控阵天线TR组件,包括：“肋状”排布的瓦式TR组件、制有2N个天线射频垂直互联接口（5）的TR组件上腔体（1）、底部制有公共端射频垂直互联接口（6）的TR组件下腔体（2），位于上述TR组件上、下腔体之间，并与下腔体焊接为一体的多层电路板（3），以及集中分布在TR组件中心区域的多功能芯片组（8）和功率芯片组（7），其特征在于：高功耗器件集中放置于TR组件下腔体（2）金属表面，低功耗器件集中放置于上述多层电路板（3）的表面；TR组件下腔体（2）金属表面平台上组装相互平行，相向对称于上述TR组件中线，两侧分布的收发通道，天线射频垂直互联接口（5）集中为线阵靠边排列于TR组件上腔体（1）的两侧，所有同型芯片均分布于关于TR组件中线对称的两“条带”内；2N个收发通道及其芯片组以及功分网络集成在一个TR组件子阵中；功率芯片组（7）组装于TR组件下腔体（2）表面，多功能芯片组（8）组装于多层电路板（3）表面；多层电路板（3）正面根据芯片组（4）各芯片分布位置关系，一体集成了对各芯片加电及状态控制的馈线网络及若干直流馈电焊盘，并通过金丝将各馈电焊盘与芯片组（4）各芯片表面焊盘键合连接；发射时，射频信号从TR组件下腔体（2）底部公共端射频垂直互联接口（6）馈入TR组件，通过多层电路板（3）表贴功分器（16）等功率分配后，馈入到与每个收发通道相连的多通道幅相控制芯片（13），多通道幅相控制芯片（13）对射频信号二次功率分配后，按外部控制码状态对每路射频信号幅度相位信息进行调整，并输出至TR多功能芯片（12），将驱动放大信号输出至末级功率放大器（10）推至饱和后输出至功率开关（9），选通发射支路，送至TR组件上腔体（1）两端排列分布的天线射频垂直互联接口（5）；TR组件接收工作时，射频信号以相反方向通过TR组件。
2.如权利要求1所述的毫米波瓦式相控阵天线TR组件，其特征在于：2N个通道平分为两半对称于TR组件中线呈“肋状”排布。
3.如权利要求1所述的毫米波瓦式相控阵天线TR组件，其特征在于：T...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵青，黄建，罗鑫，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第十研究所，
类型：发明
国别省市：四川;51