【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)行無源測試驗(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、大容量無線通信設(shè)備要求通信頻率不斷提高。毫米波波長短、頻帶寬，可以有效解決高速寬帶無線接入面臨的許多問題，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，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)下信號的放大和移相等，功分與和差網(wǎng)絡(luò)則完成信號的功率合成與分配。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，模塊間的連接通過接插件對連形式實(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。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 PCB 板間的金屬化過孔將射頻信號向上向下聯(lián)通;另一方面，和差網(wǎng)絡(luò)、收發(fā)電路控制、供電等低頻信號也通過 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彈性觸碰方式與天線單元和波控器等連接，形成無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 相比工藝更簡單、成本更低。
2 設(shè)計(jì)分析
針對多通道收發(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)行了無源測試，實(shí)物與測試裝夾圖如圖 4 所示。該集成電路 128 個(gè)射頻通道測試結(jié)果如圖 5 所示。
圖 4 一體化集成電路多層印制板實(shí)物與測試裝夾圖
圖 5 一體化集成電路多通道幅相測試結(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，對于工程應(yīng)用十分有意義。
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