CN106230465A - 毫米波多通道收发电路模块与功分网络高密度集成电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种毫米波多通道收发电路模块与功分网络高密度集成电路，提供一种走线紧凑，低频控制和电源供电不占用芯片与网络层空间的高密度集成电路。本发明通过下述技术方案予以实现：多通道收发电路模块的芯片贴装界面与功分网络在同层，且采用1分2功分器将镜像对称的两通道收发电路进行矩形组阵，其中的放大器芯片和移相器芯片的贴装界面与功分网络集成在同一介质层完成射频信号的传输，射频端口和低频端口通过弹性触碰方式连接天线单元和波控器，位于贴装界面之上的放大器芯片和移相器芯片的低频控制管脚及电源供电的管脚通过金丝键合方式与介质基板上相应的低频控制pad(4)和电源供电pad(5)连接，并往介质基板四周布置。

Description

毫米波多通道收发电路模块与功分网络高密度集成电路

技术领域

本发明涉及一种可用于雷达、数据链通信、卫星通信等多个技术领域的毫米波频段多通道收发电路模块与功分网络高密度集成技术，该技术适用于毫米波二维相控阵天线***中。

背景技术

现代微波频谱资源的日益拥挤，以及光和红外***在穿透烟尘、云雾等恶劣环境和夜间工作的局限性，促使了人们对毫米波频段的研究，随着无线通信技术的发展,低频段的频谱已经越来越拥挤,对高质量大容量无线通信设备的需求,使得通信频率不断提高,毫米波由于其波长短、频带宽,可以有效地解决高速宽带无线接入面临的许多问题,因而在短距离通信中有着广泛的应用前景。现代先进雷达和通信***为了提高扫描速度和指向精度，不仅将工作频段提升到毫米波频段，同时摒弃了传统机械扫描平台，采用相控阵天线，实现了快速二维相控扫描。收发组件是相控阵***的核心部分,特别是二维有源相控阵天线,其集成水平决定了整个***的性能与成本。工作频率愈高,每个阵元的面积愈小,集成度要求愈高。同时收发组件的成本在整个相控阵天线中占比较高，组装工序繁多，上下互联耗费大量的接插件和辅材。

目前，国内外关于毫米波相控阵天线的文献很多，相控阵天线的组成通常分为:天线阵面、收发组件模块、功分网络、波控单元和电源等。其中收发组件模块常常采用薄膜电路或LTCC工艺，功分网络采用波导或者微带等形式，二者间再通过接插件的方式实现模块互联。而多通道收发模块和功分网络密集的层内和层间走线不仅影响功分网络的功率分配或者合成，还可能引起芯片自激导致收发功能恶化甚至不能使用。收发组件(包含收发电路与多功能芯片)和功分网络作为相控阵天线的重要组成部件，其中收发组件用于完成相控阵天线收发状态下信号的放大和移相等，功分网络则完成信号的功率合成与分配。通常相控阵天线的收发组件和功分网络分开设计，为独立模块，模块间的连接通过接插件对连形式实现互联。这种连接方式不仅增加了电路的复杂性和***损耗，同时纵向尺寸较大，不利于***小型化、轻量化和一体化设计。随着相控阵天线在毫米波频段的发展，小型化和紧凑型是相控阵天线的重要需求，急需一种集成技术打破收发电路与功分网络之间的壁垒，简化互联接口形式，降低制作成本，并从加工制造和工艺实现上找到切实可行的方法。

发明内容

本发明的目的是针对上述技术的不足之处，提供一种走线紧凑，体积小重量轻，无须接插件，低成本，低频控制和电源供电不占用芯片与网络层空间，能够避免芯片产生自激等恶劣情况发生的毫米波毫米波多通道收发电路模块与功分网络高密度集成电路。

为了实现上述目的，本发明的技术解决方案是：一种毫米波多通道收发电路模块与功分网络高密度集成电路，包括：采用微波印制板制备的介质基板3，布局在介质基板3上的多通道收发电路模块1和功分网络2，以及通过介质基板打孔方式形成同轴传输，完成射频信号传输的高低频接口，其特征在于：多通道收发电路模块1的芯片贴装面与功分网络2在同层，且采用一个1分2功分器将镜像对称的两通道收发电路进行矩形组阵，功分网络2包括与多通道收发电路模块1连接的带状线-微带线的过渡走线，并以工字形的带状线功分拓扑结构的形式组成分布在介质基板3的网络组阵单元，其中的放大器芯片和移相器芯片的贴装界面与功分网络2集成在同一介质层完成射频信号的传输，射频端口和低频端口通过弹性触碰方式连接天线单元和波控器，分别位于放大器芯片贴装界面11和移相器芯片贴装界面12上的的低频控制管脚及电源供电的管脚通过金丝键合方式与介质基板3上相应的低频控制pad 4和电源供电pad 5连接，低频控制pad 4和电源供电pad分别将低频控制信号和电源信号通过印制板间的垂直走线向下传输，并往介质基板3四周布置；介质基板层间金属化过孔分布在功分网络走线的两侧，形成金属隔离柱9将功分网络2的电路走线进行隔离；由此在介质基板3中完成多通道收发电路模块1和功分网络2的射频信号、低频控制信号和电源信号的传输及高低频互联。

功分网络2采用工字形带状线功分拓扑结构传输射频信号，功分网络(2)与多通道收发电路模块(1)的射频管脚连接的局部区域采用带状线-微带线的过渡走线，使得功分网络2的走线局部外露，便于采用金丝键合的方式将功分网络2的走线与多通道收发电路模块1中的放大器、移相器芯片的射频管脚连通；在电连接功分网络2的高低频接口中，功分端口6和合成端口7通过介质基板3层间的垂直走线分别至介质基板3的正面和背面，实现与前后端设备的射频连接，低频控制及电源接口8则通过介质基板3层间的走线分布到介质基板3四周，

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

走线紧凑。本发明采用射频端口和低频端口均经过介质基板层内和层间完成布局走线，端口设计灵活，形式简洁。采用非均匀周期布置功分端口6，巧妙布置功分网络的走线，合成端口7通过介质基板3间的垂直走线至介质基板3的背面实现与后端设备的射频连接，由于功分网络与多通道收发电路模块1的芯片贴装面在同层，且毫米波频段天线单元间距较小，单通道所占用的平均面积约为5mm×5mm，使得多通道收发模块1和功分网络2的电路走线十分紧凑。

体积小重量轻。本发明突破了传统的毫米波相控阵天线中模块独立设计这一思路，将多通道收发电路模块与功分网络的电路设计在同一介质基板上，通过介质层内与层间的立体电路布局，高密度的集成了多通道收发电路模块与功分网络，厚度仅1mm左右，大大降低了收发组件模块与功分网络的剖面高度，单通道重量由典型的10g降低到1.5g，实现了相控阵天线小型化、轻量化和一体化高密度集成设计。

无须接插件。本发明将多通道收发电路模块和功分网络在同一介质基板3上完成，射频、低频电路走线既有层内也有层间，射频端口和低频端口通过弹性触碰方式与天线单元和波控器等连接，形成无插拔力的高密度互联，在1mm厚的介质基板内完成了射频和低频电路的布置，作为射频输入、输出端口的功分端口6、合成端口7通过介质基板打孔方式形成同轴传输，线阵低频控制及电源接口8则通过介质基板间的走线分布到基板四周，多通道收发电路模块模块和功分网络之间仅靠介质基板3层间走线实现高低频互联，由此完成的多通道收发电路模块1与功分网络2的一体化、高密度集成设计，无须接插件，方便了多通道收发电路模块和功分网络设计和采用成熟微波印制板加工工艺加工的一体成形，克服了以往现有技术收发组件模块采用薄膜电路或LTCC工艺，功分网络采用波导或者微带等形式，二者间再通过接插件的方式实现模块互联的缺陷。

幅相一致性良好，且避免了芯片产生自激等恶劣情况的发生。本发明为了防止射频传输线的信号相互影响，避免芯片产生自激等恶劣情况的发生，采用印制板层间小孔金属化处理方式制成金属隔离柱9，将电路走线进行隔离，降低传输线间的耦合效应，不仅解决了芯片自激导致收发功能恶化甚至不能使用的问题，同时增加了功分网络2中紧密排布的传输线间的隔离度，提高了通道幅相一致性。

共地和导热性能良好。多通道收发电路模块1中需要为放大器芯片和移相器芯片提供共地和散热通道，同金属隔离柱的处理方式一样，在芯片贴装位置的介质基板上制成密集的实心接地柱10，将放大器芯片和移相器芯片的地与基板底部的金属层导通实现良好接地，同时将放大器芯片和移相器芯片的热量通过实心接地柱导出至基板底部金属层。

成本低。本发明将放大器芯片和移相器芯片的贴装界面与功分网络集成在同一介质层完成射频信号的传输，并通过介质基板3上的垂直走线分别向上或向下完成射频信号的功率合成或分配，同时多通道收发电路模块1的低频控制接口和电源供电接口通过多层介质基板3间的垂直走线往介质基板3四周布置，在介质基板上实现了多通道多功能电路一体化的高密度集成设计，不仅节省了收发组件模块和功分网络间的接插件，同时采用成熟的微波印制板制备方式，其制作周期相对于LTCC工艺更短短成本更低，尤其是在批量生产时，可大大缩减制作成本。

总之本发明所提出的毫米波多通道收发电路模块与功分网络高密度集成技术，不仅能在毫米波频段达到良好的收发通道电气性能，帮助相控阵天线实现高精度波束扫描，同时，将多通道收发电路模块与功分网络高密度集成，大大降低了纵向高度尺寸及重量，为相控阵天线的小型化、轻量化提供了实现途径，也为将来蒙皮天线技术提供了重要的设计思路。同时采用成熟的微波印制板制备方式，大大缩减了制作成本和周期，具有小型化、轻量化、一体化高密度集成等特点，与现有的微波印制板加工工艺结合，易加工实现，且成本低，周期短，对于工程应用十分有意义。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明毫米波多通道收发电路模块与功分网络高密度集成的主视图。

图2是图1的后视图。

图3是图1多通道收发电路模块1中的芯片共地和散热通道设计的示意图。

图中：1多通道收发电路模块，2功分网络，3介质基板，4低频控制pad，5电源供电pad，6与天线连接的功分端口，7合成端口，8低频控制及电源接口，9金属隔离柱，10实心接地柱，11放大器芯片贴装界面，12移相器芯片贴装界面。

具体实施方式

参阅图1-图3。图1、图2和图3描述了本发明毫米波多通道收发电路模块与功分网络高密度集成电路设计的一个最佳实施实例。在一个最佳实施实例中，该毫米波多通道收发电路模块与功分网络高密度集成电路，包括：采用微波印制板制备的介质基板3，布局在介质基板3上的多通道收发电路模块1、功分网络2，以及分布在介质基板3四周边上的低频控制及电源接口8，其中，多通道收发电路模块1包含设有移相器芯片电路的矩形贴装界面12和位于矩形贴装界面12两侧边上的放大器芯片贴装界面11，以及位于该矩形贴装界面12附近的低频控制pad 4和电源供电pad 5，安装在放大器芯片贴装界面11和移相器芯片贴装界面12上的移相器芯片和放大器芯片的低频控制管脚和电源供电管脚通过金丝键合的方式与低频控制pad4和电源供电pad5连接。

高低频接口包括：电连接于多通道收发电路模块1两侧π字形脚端上的功分端口6和电连接于功分网络2工字形带状线上的合成端口7，以及分布在介质基板3四周边上的低频控制及电源接口8。

功分网络2采用带状线功分拓扑结构，功分网络2与多通道收发电路模块1的射频管脚连接的局部区域采用带状线-微带线的过渡走线，以便于金丝键合的实施。功分网络2以工字形的带状线功分拓扑结构的形式组成分布在介质基板3的网络组阵单元。在每个网络组阵单元的工字形带状线的周向端点上，电连接有两两相向对称的多通道收发电路模块1，两两相向对称的多通道收发电路模块1通过各自的矩形贴装界面12电连接工字形上、下两侧的一字连线上，组成镜像对称的两个矩形组阵，两个矩形组阵各自连接在工字形上、下两侧的一字连线的连接点之间，构成了以一个工字形连线组成的矩形网络组阵单元。由此构成的矩形网络组阵单元以四个等分均布的连接方式布局在介质基板3上。四个的矩形网络组阵单元又以各自的工字垂直连线的中点为连线，构成位于上述四个矩形网络组阵单元中部的工字形带状线网络，该工字形带状线网络的工字形垂直连线的中点与合成端口7连接构成了正字形带状线组阵网络。每个网络组阵单元均通过各自的工字形垂直连线连接在所述工字形带状线网络的工字形的四个端点上。

在多通道收发电路模块1中，放大器芯片和移相器芯片的贴装界面与功分网络集成在同一介质层完成射频信号的传输，放大器芯片和移相器芯片的低频控制管脚及电源供电的管脚通过金丝键合方式与介质基板3上相应的pad 4和pad 5连接，pad 4和pad 5将低频控制信号和电源信号通过印制板间的垂直走线向下传输，并往介质基板3四周布置。功分网络2采用工字形带状线功分拓扑结构，传输的信号为射频信号，与多通道收发电路模块1连接的局部区域采用带状线-微带线的过渡，使得功分网络2的走线局部外露，便于采用金丝键合的方式将功分网络2的走线与多通道收发电路模块1中的放大器、移相器芯片的射频管脚连通，功分端口6、合成端口7通过介质基板打孔方式形成同轴传输，完成射频信号的传输，另外采用介质基板层间金属化过孔方式在功分网络走线的两侧形成金属隔离柱9将电路走线进行隔离；功分网络2的功分端口6和合成端口7通过介质基板3间的垂直走线分别至基板的正面和背面实现与前后端设备的射频连接，线阵低频控制及电源接口8则通过介质基板3间的走线分布到基板四周，由此在介质基板3中完成多通道收发电路模块1和功分网络2的射频信号、低频控制信号和电源信号的传输及高低频互联。

介质基板3为微波印制板，其材料属性一般为介电常数不同的玻璃纤维聚四氟乙烯或者陶瓷混合的聚四氟乙烯。在微波印制板加工中，为放大器芯片贴装界面11和移相器芯片贴装界面12处，预留开放的安装位置，便于以上金丝键合步骤的实现。

在多通道收发电路模块1中，放大器的低频控制pad 4和电源供电pad 5位于放大器贴装界面12的上下两侧，移相器的低频控制pad 4和电源供电pad 5位于移相器贴装界面的上侧或者下侧。放大器芯片和移相器芯片的低频控制管脚及电源供电的管脚通过金丝键合方式与介质基板3上相应的低频控制pad 4和电源供电pad 5连接。低频控制pad 4和电源供电pad 5将低频控制信号和电源信号通过介质基板3层间的垂直走线向下传输，并往介质基板3四周布置。

功分网络2中的带状线部分采用多个1分2功分形式，首先采用一个1分2功分器将镜像对称的两通道收发电路进行矩形组阵，再采用第二个1分2功分器将两对矩形组阵的两通道收发电路连接起来，形成工字形网络组阵，依次类推，每两个列阵工字形网络组阵又与位于中心的工字带状线连接，形成将多通道收发电路模块与功分网络电路分布于在同一介质基板上的拓扑网络结构，其中与后端设备连接的网络合成端口7垂直电连接在上述中心工字带状线竖直带状线的延伸线上，与天线单元连接的功分端口6则垂直电连接在上述中心工字带状线π形结构的两端，以上可完成射频信号的传输。

放大器芯片与移相器芯片的贴装界面与功分网络2集成在同一介质层完成射频信号的传输，功分网络2通过介质基板3上的垂直走线分别向上或向下完成射频信号的功率合成或分配，同时多通道收发电路模块1的低频控制芯片和电源供电接口通过多层介质基板3间的垂直走线往介质基板3四周布置，功分端口6、合成端口7通过介质基板金属化过孔方式形成同轴传输，功分端口6、合成端口7分别通过介质基板3间的垂直走线至基板的正面和背面实现与前、后端设备的射频连接，线阵低频控制及电源接口8则通过介质基板3间的走线分布到基板四周，长边低频控制及电源接口分布在介质基板的左右两端，短边低频控制及电源接口分布在介质基板的上下两端，以上电连接即为多通道收发电路模块1和功分网络2的高低频互联。

参阅图3。多通道收发电路模块1包含放大器和移相器等芯片的放大器芯片贴装界面11和移相器贴装界面12，以及位于贴装界面附近的低频控制pad 4和电源供电pad 5，其中，放大器贴装界面11和移相器贴装界面12为矩形贴装界面，放大器和移相器的贴装界面相对于功分网络2的走线镜像对称，并以此为单元进行组阵。金属隔离柱9沿着功分网络2的走线两侧进行分布，对功分网络2的传输线形成隔离，同时在放大器贴装界面和移相器贴装界面下方的介质基板上，同样采用金属化过孔的方式制成密集的实心接地柱10，将放大器芯片和移相器芯片的地与基板底部的金属层导通，同时将放大器芯片和移相器芯片的热量通过实心接地柱导出至基板底部金属层，为放大器芯片和移相器芯片提供共地和散热通道。

以上是向熟悉本发明领域的工程技术人员提供的对本发明及其实施方案的描述，这些描述应被视为是说明性的，而非限定性的。工程技术人员可据此发明权利要求书中的思想做具体的操作实施，在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上做出各种变化。上述这些都应被视为本发明的涉及范围。

Claims (10)

1.一种毫米波多通道收发电路模块与功分网络高密度集成电路，包括：采用印制板制备的介质基板(3)，布局在介质基板(3)上的多通道收发电路模块(1)和功分网络(2)，以及通过介质基板打孔方式形成同轴传输，完成射频信号传输的高低频接口，其特征在于：工作在毫米波频段的多通道收发电路模块(1)的芯片贴装面与功分网络(2)在同层，且采用一个1分2功分器将镜像对称的两通道收发电路进行矩形组阵，与多通道收发电路模块(1)连接的带状线-微带线的过渡走线，并以工字形的带状线功分拓扑结构的形式组成分布在介质基板(3)的网络组阵单元,其中的放大器芯片和移相器芯片的贴装界面与功分网络(2)集成在同一介质层完成射频信号的传输，射频端口和低频端口通过弹性触碰方式连接天线单元和波控器，位于放大器芯片贴装界面(11)、移相器芯片贴装界面(12)之上的放大器芯片和移相器芯片的低频控制管脚及电源供电的管脚通过金丝键合方式与介质基板(3)上相应的低频控制pad(4)和电源供电pad(5)连接，低频控制pad(4)和电源供电pad(5)分别将低频控制信号和电源信号通过印制板间的垂直走线向下传输，并往介质基板(3)四周布置；介质基板层间金属化过孔分布在功分网络走线的两侧，形成金属隔离柱(9)将功分网络(2)的电路走线进行隔离；由此在介质基板(3)中完成多通道收发电路模块(1)和功分网络(2)的射频信号、低频控制信号和电源信号的传输及高低频互联。

2.如权利要求1所述的毫米波多通道收发电路模块与功分网络高密度集成电路，其特征在于：功分网络(2)采用工字形带状线功分拓扑结构传输射频信号，采用带状线-微带线过渡使得功分网络(2)的走线局部外露，便于采用金丝键合的方式将功分网络(2)的走线与多通道收发电路模块(1)中的放大器、移相器芯片的射频管脚连通。

3.如权利要求1所述的毫米波多通道收发电路模块与功分网络高密度集成电路，其特征在于：在电连接功分网络(2)的高低频接口中，功分端口(6)和合成端口(7)通过介质基板(3)层间的垂直走线分别至介质基板(3)的正面和背面，实现与前后端设备的射频连接，低频控制及电源接口(8)则通过介质基板(3)层间的走线分布到介质基板(3)四周。

4.如权利要求1所述的毫米波多通道收发电路模块与功分网络高密度集成电路，其特征在于：高低频接口包括：电连接于多通道收发电路模块(1)两侧π字形脚端上的功分端口(6)和电连接于功分网络(2)工字形带状线上的合成端口(7)，以及分布在介质基板(3)四周边上的低频控制及电源接口(8)。

5.如权利要求1所述的毫米波多通道收发电路模块与功分网络高密度集成电路，其特征在于：在每个网络组阵单元的工字形带状线的周向端点上，电连接有两两相向对称的多通道收发电路模块(1)，两两相向对称的多通道收发电路模块(1)通过各自矩形的移相器芯片贴装界面(12)电连接工字形的上、下两侧的一字连线上，组成镜像对称的两个矩形组阵，两个矩形组阵各自连接在工字形上、下两侧的一字连线的连接点之间，构成了以一个工字形连线组成的矩形网络组阵单元。

6.如权利要求5所述的毫米波多通道收发电路模块与功分网络高密度集成电路，其特征在于：矩形网络组阵单元以四个等分均布的连接方式布局在介质基板(3)上。

7.如权利要求6所述的毫米波多通道收发电路模块与功分网络高密度集成电路，其特征在于：四个矩形网络组阵单元又以各自的工字垂直连线的中点为连线，构成位于所述四个矩形网络组阵单元中部的工字形带状线网络，该工字形带状线网络的工字形垂直连线的中点与合成端口(7)连接构成了正字形带状线组阵网络。

8.如权利要求5上述的毫米波多通道收发电路模块与功分网络高密度集成电路，其特征在于：每个网络组阵单元均通过各自的工字形垂直连线连接在所述工字形带状线网络的工字形的四个端点上。

9.如权利要求1所述的毫米波多通道收发电路模块与功分网络高密度集成电路，其特征在于：功分网络(2)中的带状线部分采用多个1分2功分形式，首先采用一个1分2功分器将镜像对称的两通道收发电路进行矩形组阵，再采用第二个1分2功分器将两对矩形组阵的两通道收发电路连接起来，形成工字形网络组阵，依次类推，且每两个列阵工字形网络组阵又与位于中心的工字带状线连接，形成将多通道收发电路模块与功分网络电路分布于在同一介质基板上的拓扑网络结构，其中，与后端设备连接的网络合成端口(7)垂直电连接在上述中心工字带状线竖直带状线的延伸线上，与天线单元连接的功分端口(6)则垂直电连接在上述中心工字带状线π形结构的两端，完成射频信号的传输。

10.如权利要求1所述的毫米波多通道收发电路模块与功分网络高密度集成电路，其特征在于：金属隔离柱(9)沿着功分网络(2)的走线两侧进行分布，对功分网络(2)的传输线形成隔离，同时在放大器和移相器贴装界面下方的介质基板上，同样采用金属化过孔的方式制成密集的实心接地柱(10)，将放大器芯片和移相器芯片的地与基板底部的金属层导通，同时将放大器芯片和移相器芯片的热量通过实心接地柱导出至基板底部金属层，为放大器芯片和移相器芯片提供共地和散热通道。