Ka频段瓦式结构有源相控阵天线制造技术

本发明专利技术提出一种Ka频段瓦式结构有源相控阵天线，旨在提供一种集成密度高，能够提高维修性和互换性的有源相控阵天线。本发明专利技术通过下述技术方案予以实现：发射信号处理终端发出的1路RF信号通过信号接口和射频接口送到功率分配/合成网络(5)分成M路信号，波束控制器(4)根据发射信号处理终端实时提供的相控阵天线的方位角和俯仰角信息，通过FPGA实时计算得到相控阵天线波束指向，相控阵天线波束指向在波束控制器(4)控制下，转换为各阵元需要的相位数据，并经高低频互联多芯高低频插座分别送到N通道的瓦片式TR组件子阵模块，并在波束控制器的控制下，将M×N路信号送到天线阵面完成信号的发射，实现相控阵天线发射波束同步电控扫描。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于微波毫米波
，涉及一种基于多功能集成芯片的Ka频段瓦式结构有源相控阵天线。
技术介绍
现有技术有源相控阵天线按照结构集成方式可分为：纵向集成横向组装(LITA)的“砖式”结构和横向集成纵向组装(TILA)的瓦式结构。“砖式”结构相控阵天线采用元器件放置方向垂直于相控阵天线阵面孔径，TR组件电路采用纵向集成横向组装(LITA)方式；瓦式结构相控阵天线将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(TILA)方式。“砖式”结构相控阵天线电路设计及制造工艺简单，但其集成密度和封装效率低，纵向尺寸大。瓦式结构相控阵天线集成密度高，纵向尺寸小，热路径短，散热效率更高。按组装方式进行划分，二维有源相控阵天线TR组件可分为砖块式和瓦片式两种结构。近年来，砖块式结构在有源阵列中得到广泛应用，因为其技术成熟度高，电路设计及组装容易实现，但其子阵集成度低、纵向尺寸大，不利于共形；散热路径长，难以实现大型阵列应用并保证TR组件长期可靠工作。而瓦片式TR组件技术难度大，单元尺寸更小，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。相控阵天线的辐射特性取决于天线单元的设计和单元的组阵方式。各种微带天线是相控阵天线单元较为理想的选择，然而在Ka波段，由于常用的50fl左右的微带馈线宽度相对较宽(与谐振单元的尺寸相比)，不便于共面馈电网络的布置。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。若单元间距取约半个波长，瓦片式TR组件则要求通道面积小于等于6.0mm×6.0mm，在此范围内要实现收发放大、移相衰减等功能，即使采用高集成度专用芯片也很难完成电路排布。目前，一般采用“砖式”结构集成的方式实现有源相控阵天线设计。例如，2005年，Wehling J H发表了一篇题为“Multifunction millimeter-wave systems for arm ored vehicle application”文章，介绍了诺.格公司的一种Ka频段“砖式”结构多功能雷达，能实现主动防御、反威胁目标、监视空中和地面目标、高速数传及组网等功能。该Ka波段“砖式”结构有源相控阵天线采用收发共口径设计，半双工技术体制，单通道脉冲输出功率大于1W。2006年，Eli Brookner发表了一篇题为“Phased array and radar break throughs”文章，报到了雷声公司的一种Ka频段“砖式”结构导引头精确制导有源相控阵天线，该导引头相控阵天
线工作在35GHz，600多个阵元，每个阵元发射功率为40mW。2012年，杨胜华发表了一篇题为“一种毫米波二维电扫有源相控阵雷达”文章，采用多波束开关馈线与相控波束扫描相结合的技术实现了一种Ka频率“砖式”结构低成本毫米波二维电扫描有源相控阵雷达。由于采用集成相对较低的“砖式”结构方式，有源相控阵天线很难实现小型化、轻重量设计。同时，伴随电子工业和先进制造业相关技术的快速发展，例如：毫米波单片集成电路技术、高低频互联技术、多功能集成芯片技术、集成封装技术、等等，研究者也慢慢尝试采用更高密度集成的瓦式结构方式实现有源相控阵天线，例如，1995年，Sanzgirl S发表了一篇题为“A hybrid tile approach for Ka band subarray modules”的文章，报道了一种Ka频段的瓦式结构有源相相控阵天线，首次在Ka频段尝试瓦式结构，为了解决横向尺寸狭小的问题，增大了天线辐射单元的间距，牺牲了相控阵天线的大扫描角特性。2010年，Holzwarth S发表了一篇题为“Active antenna arrays at Ka-Band:status and outlook of the SANTANA project”报道了SNTANA动中通Ka频段有源相控阵天线经历了3个阶段，前两个阶段采用“砖式”技术进行设计，第三阶段主要采用瓦式技术设计。为了实现整个电路的排布，将整个阵列一体化集成设计，该相控阵天线的加工和制造工艺要求高，降低了测试性、维修性。综上所述，在传统设计中射频功能部分是以单个芯片实现一个独立功能方式，实现发射功能单个通道至少需要3个芯片(1个功放，1个移相器及1个串并转换驱动)，整个有源相控阵天线芯片数量多、组装工序复杂、设计和制造成本高。为了满足这些芯片的排布，有源相控阵天线的主要采用集成度小的“砖式”结构集成方式。同时，有源相控阵天线也尝试采用瓦式结构集成方式，实现小型化、低成本、高效散热。但是为了解决横向尺寸狭小的问题，损失了相控阵天线的一些性能。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术存在的不足之处，提供一种具有小型化、模块化、低成本，集成密度高，能够提高维修性和互换性，基于多功能集成芯片的Ka频段瓦式结构有源相控阵天线。本专利技术的上述目的可以通过以下措施来达到。一种Ka频段瓦式结构有源相控阵天线，包括，分为多个子阵的天线阵面1和瓦片式TR组件2构成的有源相相控天线瓦式阵列架构，且每个子阵模块包含N路通道，每个通道有1个独立末级收发芯片，N路通道共用N/L个L通道多功能集成芯片，其特征在于：全部子阵共用一套母板，其中，母板包括，功率分配/合成网络5、波束控制器4和电源模块6，热沉设计在子阵与母板之间，采用绝缘子、SMP-KK-SMP连接器、弹性插针、多芯高低频插座实现高低频互联；每个天线阵面子阵和瓦片式
TR组件子阵共用金属腔体，阵面微带片和瓦片式TR组件2顶层的垂直互联转换微带片采用焊接式绝缘子连接器连接，通过压接方式直接安装在瓦片式TR组件2上，实现与瓦片式TR组件一体化集成设计；发射信号处理终端发出的1路RF信号通过信号接口和射频接口送到功率分配/合成网络5分成M路信号，波束控制器4根据发射信号处理终端实时提供的相控阵天线的方位角和俯仰角信息，通过波束控制器4的FPGA实时计算得到相控阵天线波束指向，相控阵天线波束指向在波束控制器4控制下，转换为各阵元需要的相位数据，并经高低频互联多芯高低频插座分别送到瓦片式TR组件子阵模块，并在波束控制器的控制下，将M×N路信号送到天线阵面完成信号的发射，实现相控阵天线发射波束同步电控扫描功能。本专利技术相比于现有技术具有如下有益效果：提高了设备的维修性和互换性。本专利技术采用多功能集成芯片实现Ka频段瓦式结构有源相控阵天线，在一个多功能集成芯片里集成功率放大器、低噪声放大器、射频开关、移相器、以及数字控制电路等，可以减少芯片使用数目、简化芯片外围电路和互联工序、缩减芯片电路面积，提高TR组件集成度和综合性能，使TR组件单个通道电路占有空间减小，实现了Ka频段瓦片式TR组件高密度集成、低成本设计。解决瓦式相控阵天线横向空间受限的问题。采用子阵模块化设计的整机构架，将整个阵列设计转化为基本子阵模块的设计，可以简化互联方式。每个子阵模块相对独立，可以单独进行调试。如果出现故障，可以方便地拆卸任一子阵进行测试和维护，实现部件级的外场可更换和维修，从而可以提高设备的维修性和互换性。具有小型化、模块化、低成本。本专利技术有源相控阵天线采用了瓦式架构，天线阵面和瓦片式TR组件子阵模块设计，基于子阵扩展本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种Ka频段瓦式结构有源相控阵天线，包括，分为多个子阵的天线阵面(1)和瓦片式TR组件(2)构成的有源相相控天线瓦式阵列架构，且每个子阵模块包含N路通道，每个通道有1个独立末级收发芯片，N路通道共用N/L个L通道多功能集成芯片，其特征在于：全部子阵共用一套母板，其中，母板包括，功率分配/合成网络(5)、波束控制器(4)和电源模块(6)，热沉设计在子阵与母板之间，采用绝缘子、SMP‑KK‑SMP连接器、弹性插针、多芯高低频插座实现高低频互联；每个天线阵面子阵和瓦片式TR组件子阵共用金属腔体，阵面微带片和瓦片式TR组件(2)顶层的垂直互联转换微带片采用焊接式绝缘子连接器连接，通过压接方式直接安装在瓦片式TR组件(2)上，实现与瓦片式TR组件一体化集成设计；发射信号处理终端发出的1路RF信号通过信号接口和射频接口送到功率分配/合成网络(5)分成M路信号，波束控制器(4)根据发射信号处理终端实时提供的相控阵天线的方位角和俯仰角信息，通过波束控制器(4)的FPGA实时计算得到相控阵天线波束指向，相控阵天线波束指向在波束控制器(4)控制下，转换为各阵元需要的相位数据，并经高低频互联多芯高低频插座分别送到瓦片式TR组件子阵模块，并在波束控制器的控制下，将M×N路信号送到天线阵面完成信号的发射，实现相控阵天线发射波束同步电控扫描功能。...

【技术特征摘要】
1.一种Ka频段瓦式结构有源相控阵天线，包括，分为多个子阵的天线阵面(1)和瓦片式TR组件(2)构成的有源相相控天线瓦式阵列架构，且每个子阵模块包含N路通道，每个通道有1个独立末级收发芯片，N路通道共用N/L个L通道多功能集成芯片，其特征在于：全部子阵共用一套母板，其中，母板包括，功率分配/合成网络(5)、波束控制器(4)和电源模块(6)，热沉设计在子阵与母板之间，采用绝缘子、SMP-KK-SMP连接器、弹性插针、多芯高低频插座实现高低频互联；每个天线阵面子阵和瓦片式TR组件子阵共用金属腔体，阵面微带片和瓦片式TR组件(2)顶层的垂直互联转换微带片采用焊接式绝缘子连接器连接，通过压接方式直接安装在瓦片式TR组件(2)上，实现与瓦片式TR组件一体化集成设计；发射信号处理终端发出的1路RF信号通过信号接口和射频接口送到功率分配/合成网络(5)分成M路信号，波束控制器(4)根据发射信号处理终端实时提供的相控阵天线的方位角和俯仰角信息，通过波束控制器(4)的FPGA实时计算得到相控阵天线波束指向，相控阵天线波束指向在波束控制器(4)控制下，转换为各阵元需要的相位数据，并经高低频互联多芯高低频插座分别送到瓦片式TR组件子阵模块，并在波束控制器的控制下，将M×N路信号送到天线阵面完成信号的发射，实现相控阵天线发射波束同步电控扫描功能。2.如权利要求1所述的Ka频段瓦式结构有源相控阵天线，其特征在于：发射信号处理终端发出的1路RF信号，送到功率分配/合成网络，分成M路后分别送到N通道的TR组件子阵模块，在波束控制器的控制下，通过M个子阵阵面共同实现M×N路信号发射；同理，信号处理终端的接收功能与上述发射功能相反完成天线阵面信号的接收。3.如权利要求1所述的Ka频段瓦式结构有源相控阵天线，其特征在于：有源相控天线瓦式阵列架构的每个子阵模块包含16路通道，16路通道共用2个8通道多功能集成芯片。4.如权利要求1所述的Ka频段瓦式结构有源相控阵天线，其特征在于：发射信号处理终端发出的1路RF信号通过信号接口和射频接口送到功率分配/合成网络(5)分成16路信号，瓦片式TR组件子阵模块在波束控制器(4)的控制下，将16×16路信号送到天线...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈军全，何海丹，何庆强，
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