CN112994734B - K频段射频前端四通道天线接口单元板 - Google Patents

K频段射频前端四通道天线接口单元板 Download PDF

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Abstract

本发明公开的一种K频段射频前端四通道天线接口单元板是基于***级封装技术实现的，旨在减小天线接口单元的体积重量。本发明通过下述方案实现：多层复合PCB板正面上集成K频段二次变频的接收双通道SiP模块和收发双通道SiP模块，输入输出采用SMP接插件，实现K频段到L频段的三通道接收下变频和一通道发射上变频；背面集成通过BGA或印制板过孔实现射频垂直互联的高、低本振功分器、高、低本振锁相环SiP模块。参考信号从三并行射频连接器输入给高、低本振锁相环SiP模块产生两路本振信号，两路本振信号分别通过高、低本振功分器供给接收、收发双通道SiP模块，完成K频段四路变频通道的收发二次变频。

Description

K频段射频前端四通道天线接口单元板
技术领域
本发明涉及一种能够广泛应用于K频段射频前端的四通道天线接口单元板，尤其是基于***级封装SiP (System in Package)技术的K频段射频前端四通道天线接口单元板。
背景技术
随着电子装备不断向信息化、网络化、智能化方向发展，电子装备承载的信息量越来越大，信息种类越来越多，电子装备轻小型化、低成本的作用越来越明显。传统的集成方式无论是在体积、重量、成本、功耗等方面已经接近技术极限，无法满足信息化条件下电子装备更加严格的小型化、低成本大批量装备的需求。
多通道天线接口单元是雷达和通信***中非常重要的一部分，它是天线阵列与终端数据处理板的连接枢纽，主要实现终端数据处理板DA产生的基带信号与高频信号的频率转换，从而实现信号的调制，提高信号的抗干扰能力。根据要求的通信频段及工作方式，天线接口单元主要完成频率转换、低噪声放大、滤波、功率放大、数控衰减等功能。天线接口单元可较好的完成四通道信号的发射与接收，但天线接口单元各个接收通道之间必须要有很高的一致性，否则通道间的幅度相位不一致性将严重影响数字波束指向和***测角测向的性能。
天线接口单元目前主要还是采用的传统二维平面集成方法，射频电路与低频电路分层放置，射频电路采用PTFE基片，低频电路采用FR4板材，电路布局时将低频元器件排列于PCB板上，射频芯片布置在软基片上，芯片和传输线之间则通过金丝键合进行相连，低频和射频之间的连接通过微波绝缘子来实现，最后再将不同功能的模块放置于金属大腔内，之间通过电缆等方式进行连接，这种设计方式使得射频前端体积大，难以适应现代电子***小型化的需求。传统的四通道二次变频天线接口单元板大量采用分立器件进行装配，主要元器件多达100多个（阻容感元件除外），分立器件的装配引入了大量的人为不可控因素，通道之间的幅度相位一致性很难得到保证，批生产性差，同时大量的分立器件使用使得射频前端体积大、集成度低、调试量大，装配复杂，已无法满足现代电子装备的发展需求。
***级封装 SiP（System in Package）为一种封装的概念，是将一个***或子***的全部或大部分电子功能配置在整合型基板内，而芯片以2D或3D的方式安装到整合型基板的封装方式。SiP不仅可以组装多个芯片，还可以作为一个专门的处理器、DRAM、快闪存储器与电阻器、电容器、连接器、天线等安装在同一基板上，简单来说SiP是将多种功能芯片，包括处理器、存储器等功能芯片集成在一个封装内，从而实现一个基本完整的功能，主流封装形式是BGA。SiP模块可采用机器实现自动装配，效率高，装配过程可严格控制，人工介入少，这种装配可以确保模块内部各通道间以及模块之间良好的一致性，目前在电子***中得到了越来越广泛的应用。
发明内容
本发明目的是针对传统天线接口单元板体积大、集成度低，连接复杂、调试量大的缺点，旨在减小天线接口单元的体积，降低天线接口单元的重量而提供一种结构紧凑，体积小，重量轻，集成度高，通道间一致性好、易于整机调试且基于SiP技术的四通道天线接口单元板。
本发明的上述目的可以通过以下技术方案予以实现，一种K频段射频前端四通道天线接口单元板，包括：作为信号传输和器件载体的多层复合PCB板1、分布在所述PCB板正面居中，且基于***级封装SiP技术的接收双通道SiP模块2、收发双通道SiP模块3、分布在所述PCB板正面两侧的双并行SMP射频接插件4、三并行SMP射频接插件5，第一射频SMP接插件6，第二射频SMP接插件7、第三射频SMP接插件8、第四射频SMP接插件9、用于控制收发切换和供电的低频J63A接插件10；分布在所述PCB板背面上的高本振功分器11、高本振锁相环SiP模块12、低本振功分器13、低本振锁相环SiP模块14和若干电阻、电容、电感元件，其特征在于：接收双通道SiP模块2、收发双通道SiP模块3采用高密度BGA焊接方式并行排布于多层复合PCB板1的正面，其输入输出端通过PCB走线连接各SMP射频接插件，本振端通过印制板过孔连接分布于PCB板背面的高本振功分器11、低本振功分器13；高本振锁相环SiP模块12与低本振锁相环模块14排布于多层复合PCB板的背面两侧，其输入连接三并行射频连接器5，输出分别连接高本振功分器11和低本振功分器13；参考信号从三并行射频连接器5输入至高本振锁相环SiP模块12和低本振锁相环SiP模块14，产生用于变频的两路本振信号，两路本振信号分别通过高本振功分器11和低本振功分器13传输给接收双通道SiP模块2、收发双通道SiP模块3，完成K频段四路变频通道的收发二次变频。
本发明具有如下有益效果：结构紧凑，体积小，重量轻。本发明抛弃传统方案的分立器件集成方式，集成载体选择多层复合PCB板，采用微组装工艺将多个双通道变频功能芯片以及锁相环分立元件分别集成在接收双通道变频SiP模块2、收发双通道SiP模块3以及高低本振锁相环SiP模块中12和14中，SiP模块采用高密度BGA射频垂直互联方式与印制板的微带线连接，同时所有元器件之间的连接均通过印制板的走线和过孔实现，避免了功能模块之间的绝缘子或者电缆连接，结构更为紧凑；同时集成度提高，元器件减少，使得调试参数减少，调试更加方便快捷。采用SiP技术的天线接口单元板，可以有效利用电子装备内的有限空间，增加元器件纵向的组装密度，进而达到缩小电子装备的体积和重量、提高集成化的目的，与传统的设计方式装相比，可缩减70%以上天线接口单元体积。本发明实例电路板尺寸仅为62mm×43mm，在航空电子等小型化要求高的平台上有着明显优势。
可靠性高。本发明根据元件的工作频率以及功能不同，将接收双通道SiP模块2、收发双通道SiP模块3并行居中排布于多层复合PCB板的正面；高本振功分器11、高本振锁相环SiP模块12、低本振功分器13、低本振锁相环SiP模块14排布在多层复合PCB板的背面两侧，射频接插件和元器件通过50Ω的微带线和带状线进行互联以实现微波信号的射频传输，提高了隔离度，避免了不同频率信号的干扰。SiP采用平行缝焊方式进行密封，实现了整个SiP模块的气密封装，提高了对外的环境适应性，多层复合PCB板采用DC1-2577进行三防，提高了天线接口单元板的可靠性。
通道一致性好。本发明通道SiP模块与本振SiP模块放置在PCB板的两侧，可以大幅缩减天线接口单元的体积，提高通道的隔离度。各个收发通道主要元器件均集成在SiP模块中，SiP模块采用机器进行自动装配，人为干扰因素少，对装配过程进行严格控制，可以确保SiP模块内部各通道的幅度相位一致性。
调试方便。本发明中SiP模块采用高密度BGA连接方式安装在印制板上，印制板内部通过优化过孔设计实现微带线和带状线的良好电性能垂直互联，从而实现主通道射频信号传输，印制板上主要元器件的数量缩减至6个，集成度大幅提高，元器件显著减少。SiP相当于一个黑匣子，调试参数减少，调试成本降低，调试更加方便快捷，克服了传统的四通道二次变频天线接口单元板主要元器件多达100多个（阻容感除外）的缺陷。
本发明十分适合批量生产，可以适用于航空机载等小型化要求高的平台。
附图说明
图1是本发明K频段射频前端四通道天线接口单元板的主视图。
图2是图1的后视图。
图3是K频段四通道天线接口单元接口板的工作原理图。
图中：1.多层复合PCB板、2.接收双通道SiP模块、3.收发双通道SiP模块、4.双并行SMP射频接插件、5.三并行SMP射频接插件、6.第一射频SMP接插件、7.第二射频SMP接插件、8.第三射频SMP接插件、9.第四射频SMP接插件、10.低频接插件J63A、11.高本振功分器、12.高本振锁相环SiP模块、13.低本振功分器、14.低本振锁相环SiP模块。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
参阅图1、图2。在以下描述的实施例中，一种K频段射频前端四通道天线接口单元板，包括：作为信号传输和器件载体的多层复合PCB板1、分布在所述PCB板正面居中，且基于***级封装SiP技术的接收双通道SiP模块2、收发双通道SiP模块3、分布在所述PCB板正面两侧的双并行SMP射频接插件4、三并行SMP射频接插件5，第一射频SMP接插件6，第二射频SMP接插件7、第三射频SMP接插件8、第四射频SMP接插件9、用于控制收发切换和供电的低频J63A接插件10；分布在所述PCB板背面上的高本振功分器11、高本振锁相环SiP模块12、低本振功分器13、低本振锁相环SiP模块14和若干电阻、电容、电感元件，其中：接收双通道SiP模块2、收发双通道SiP模块3采用高密度BGA焊接方式并行排布于多层复合PCB板1的正面，其输入输出端通过PCB走线连接各SMP射频接插件，本振端通过印制板过孔连接分布于PCB板背面的高本振功分器11、低本振功分器13；高本振锁相环SiP模块12与低本振锁相环模块14排布于多层复合PCB板的背面两侧，其输入连接三并行射频连接器5，输出分别连接高本振功分器11和低本振功分器13；参考信号从三并行射频连接器5输入至高本振锁相环SiP模块12和低本振锁相环SiP模块14，产生用于变频的两路本振信号，两路本振信号分别通过高本振功分器11和低本振功分器13传输给接收双通道SiP模块2、收发双通道SiP模块3，完成K频段四路变频通道的收发二次变频。
接收双通道SiP模块2和收发双通道SiP模块3集成了K频段至L频段四路收发变频通道，四路变频通道包括设置在接收双通道SiP模块2内的两路接收通道，设置在收发双通道SiP模块3内的第三路接收通和一路道发射通道，信号流从双并行射频接插件4至第四射频SMP接插件9为第一接收通道，双并行射频接插件4至第三射频SMP接插件8为第二接收通道，三并行射频接插件5至第二射频SMP接插件7为第三接收通道，第一射频SMP接插件6至三并行射频接插件5为发射通道。
除开前述的主要器件外，本发明实例还包括少量的电阻、电容、电感等元件，市面上普通的这几种元件即可实现天线接口单元板的高性能。接收双通道SiP模块2和收发双通道SiP模块3可以是集成在多层复合PCB板1正面上的一个K频段二次变频接收双通道SiP模块2、一个K频段二次变频收发双通道SiP模块3。在多层复合PCB板1正面上集成一个K频段二次变频接收双通道SiP模块2、一个K频段二次变频收发双通道SiP模块3；在多层复合PCB板1背面集成高本振功分器11、高本振锁相环SiP模块12、低本振功分器13、低本振锁相环SiP模块14，它们之间可以通过BGA或者印制板过孔实现射频垂直互联；射频、中频、参考信号输入输出采用SMP接插件，核心元器件变频通道SiP模块与本振SiP模块采用平行缝焊封装形式，实现高可靠气密。
参阅图3。在K频段四通道天线接口单元接口板中，接收双通道SiP模块2的第一接收通道、第二接收通道两两对称排列组成二次变频混频器组，收发双通道SiP模块3中第三接收通道与接收双通道SiP模块2中的第一、第二接收通道电路布局完全相同，接收二次变频混频器组实现K频段到L频段的下变频。收发双通道SIP模块3内发射通道组成的二次变频混频器组实现L频段到K频段的上变频。高本振锁相环SiP模块12，低本振锁相环SiP模块14内设有鉴相器和压控振荡器VCO，参考信号输入给高本振锁相环SiP模块12和低本振锁相环SiP模块14产生用于变频的高低本振信号，高本振功分器11和低本振功分器13将本振信号送入接收双通道SiP模块2和收发双通道SiP模块3中的二次变频混频器组进行二次频混，K频段或者L频段信号频率与本振信号频率通过二次混频器组进行加法或者减法运算，从而实现了频率搬移。
以上所述，仅是本发明的实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所做的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种K频段射频前端四通道天线接口单元板，包括：作为信号传输和器件载体的多层复合PCB板（1）、分布在所述PCB板正面居中，且基于***级封装SiP技术的接收双通道SiP模块（2）、收发双通道SiP模块（3）、分布在所述PCB板正面两侧的双并行SMP射频接插件（4）、三并行SMP射频接插件（5），第一射频SMP接插件（6），第二射频SMP接插件（7）、第三射频SMP接插件8、第四射频SMP接插件（9）、用于控制收发切换和供电的低频J63A接插件（10）；分布在所述PCB板背面上的高本振功分器（11）、高本振锁相环SiP模块（12）、低本振功分器（13）、低本振锁相环SiP模块（14）和若干电阻、电容、电感元件，其特征在于：接收双通道SiP模块（2）、收发双通道SiP模块（3）采用高密度BGA焊接方式并行排布于多层复合PCB板（1）的正面，其输入输出端通过PCB走线连接各SMP射频接插件，本振端通过印制板过孔连接分布于PCB板背面的高本振功分器（11）、低本振功分器（13）；高本振锁相环SiP模块（12）与低本振锁相环模块（14）排布于多层复合PCB板的背面两侧，其输入连接三并行射频连接器（5），输出分别连接高本振功分器（11）和低本振功分器（13）；参考信号从三并行射频连接器（5）输入至高本振锁相环SiP模块（12）和低本振锁相环SiP模块（14），产生用于变频的两路本振信号，两路本振信号分别通过高本振功分器（11）和低本振功分器（13）传输给接收双通道SiP模块（2）、收发双通道SiP模块（3），完成K频段四路变频通道的收发二次变频。
2.如权利要求1所述的一种K频段射频前端四通道天线接口单元板，其特征在于：接收双通道SiP模块（2）和收发双通道SiP模块（3）集成了K频段至L频段四路收发变频通道。
3.如权利要求1所述的K频段射频前端四通道天线接口单元板，其特征在于：接收双通道SiP模块（2）和收发双通道SiP模块（3）可以是集成在多层复合PCB板（1）正面上的一个K频段二次变频接收双通道SiP模块（2）、一个K频段二次变频收发双通道SiP模块（3）。
4.如权利要求1所述的K频段射频前端四通道天线接口单元板，其特征在于：在多层复合PCB板1正面上集成一个K频段二次变频接收双通道SiP模块（2）、一个K频段二次变频收发双通道SiP模块（3）；在多层复合PCB板（1）背面集成高本振功分器（11）、高本振锁相环SiP模块（12）、低本振功分器（13）、低本振锁相环SiP模块（14），它们之间可以通过BGA或者印制板过孔实现射频垂直互联；射频、中频、参考信号输入输出采用SMP接插件，核心元器件变频通道SiP模块与本振SiP模块采用平行缝焊封装形式，实现高可靠气密。
5.如权利要求2所述的K频段射频前端四通道天线接口单元板，其特征在于：四路变频通道包括设置在接收双通道SiP模块（2）内的两路接收通道，设置在收发双通道SiP模块（3）内的第三路接收通道和一路发射通道。
6.如权利要求3所述的K频段射频前端四通道天线接口单元板，其特征在于：信号流从双并行射频接插件（4）至第四射频SMP接插件（9）为第一接收通道，双并行射频接插件（4）至第三射频SMP接插件（8）为第二接收通道，三并行射频接插件5至第二射频SMP接插件（7）为第三接收通道，第一射频SMP接插件（6）至三并行射频接插件（5）为发射通道。
7.如权利要求1所述的K频段射频前端四通道天线接口单元板，其特征在于：在K频段四通道天线接口单元接口板中，接收双通道SiP模块（2）的第一接收通道、第二接收通道两两对称排列组成二次变频混频器组，收发双通道SiP模块（3）中第三接收通道与接收双通道SiP模块（2）中的第一、第二接收通道电路布局完全相同，接收二次变频混频器组实现K频段到L频段的下变频。
8.如权利要求1所述的K频段射频前端四通道天线接口单元板，其特征在于：收发双通道SiP模块（3）内发射通道组成的二次变频混频器组实现L频段到K频段的上变频。
9.如权利要求1所述的K频段射频前端四通道天线接口单元板，其特征在于：高本振锁相环SiP模块（12），低本振锁相环SiP模块（14）内设有鉴相器和压控振荡器VCO。
10.如权利要求8所述的K频段射频前端四通道天线接口单元板，其特征在于：参考信号输入给高本振锁相环SiP模块（12）和低本振锁相环SiP模块（14）产生用于变频的高低本振信号，高本振功分器（11）和低本振功分器（13）将本振信号送入接收双通道SiP模块（2）和收发双通道SiP模块（3）中的二次变频混频器组进行二次混频，K频段或者L频段信号频率与本振信号频率通过二次混频器组进行加法或者减法运算，从而实现了频率搬移。
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