CN115020979A - 多波束相控阵天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多波束相控阵天线，包括多个天线子阵组件拼接的瓦式天线，天线层用于信号的发射与接收；网络组件层用于集成网络及芯片；转接匹配层设置于所述天线层与所述网络组件层之间，用于连接天线层和网络组件层。本发明，通过采用转接匹配层，能够提高天线层馈电接口位置的灵活性，网络及芯片集成于网络组件层内，避免了层数过多导致的剖面高度、质量面密度难以降低，降低网络组件层厚度与加工工艺难度，层间垂直互联跨度大和集成度难以提高等缺点，具有低剖面，易于装配、维修等优势。

Description

多波束相控阵天线

技术领域

本发明涉及相控阵天线领域，具体涉及一种基于转接匹配层的多波束相控阵天线。

背景技术

传统的相控阵架构主要分为砖式和瓦式两种架构。砖式架构器件电路布局面垂直于天线阵列面，通常相控阵厚度较高、尺寸与重量较大，适合于对体积重量要求不高的应用，比如大型雷达，但在对尺寸重量要求苛刻的场景比如卫星通信终端、卫星载荷天线、5G天线等应用场景，其应用推广受到较大的局限。瓦式相控阵天线采用高集成度芯片与天线面平行布局，具有剖面低、重量轻、易于与平台集成共形等特点，同时其设计难度和加工工艺的复杂度。

现有的多波束瓦片式相控阵一般天线层与网络层直接连接，其中天线和射频接收芯片安装于网络板的2个对称面，并通过多层电路板通孔互联，主要采用倒装芯片、多层基板实现集成，天线层与网络层直接压合，存在组件网络层厚度大，加工工艺难度高，而且组件网络相对固定，天线馈电位置无法微调，灵活性难以保证。

总体而言，由于考虑大规模商用、批量化生产，考虑设计与工艺实现要求；具备良好的可扩展性；同时考虑易与不同安装平台的一体化集成设计，需考虑新型设计架构。针对多波束相控阵可扩展架构，如何实现可扩展性，同时考虑工艺成熟度，目前还没有确定的技术方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多波束相控阵天线，包括多个天线子阵组件拼接的瓦式天线，所述天线子阵组件包括：

天线层，用于信号的发射与接收；

网络组件层，用于集成网络及芯片；

转接匹配层，设置于所述天线层与所述网络组件层之间，用于连接天线层和网络组件层。

在上述任一技术方案中，所述转接匹配层至少包括顶层焊盘、底层焊盘及顶层焊盘和底层焊盘之间的至少1层的发射转接层和至少1层的接收转接层。

在上述任一技术方案中，所述网络组件层包括多波束网络层、控制网络层、电源网络层、多波束组件芯片层、垂直互联过孔。

在上述任一技术方案中，所述天线层的射频馈电信号通过馈电接口与所述转接匹配层连接，所述转接匹配层通过馈电接口与所述控制网络层连接，所述控制网络层通过垂直互联过孔与所述多波束组件芯片层的芯片控制端口进行连接。

在上述任一技术方案中，所述转接匹配层与所述天线层、所述转接匹配层与所述网络组件层之间通过BGA或者LGA封装工艺整体压合。

在上述任一技术方案中，所述天线层、所述转接匹配层和所述网络组件层为多层微波PCB层压工艺或LTCC工艺制成的板状结构。

在上述任一技术方案中，各个板状结构的所述天线层、所述转接匹配层和所述网络组件层的内部层与层之间通过屏蔽地隔离。

在上述任一技术方案中，所述电源网络层通过垂直互联过孔与所述多波束组件芯片层的芯片电源端口进行连接，所述多波束网络层通过所述垂直互联过孔与所述多波束组件芯片层的芯片合成端口互联。

在上述任一技术方案中，所述天线层包含接收天线辐射单元、发射天线辐射单元、接收天线网络层、发射天线网络层、接收馈电垂直过孔和发射馈电垂直过孔，所述接收天线辐射单元与发射天线辐射单元布局间距满足以下关系：

dx≤(1/sinα)(1/(1+sinθ))

dy≤(1/sinα)(1/(1+sinθ))

其中，dx和dy分别为x和y方向的单元间距，α为三角栅格排列布局等腰三角形底角角度，θ为扫描最大角度范围。

在上述任一技术方案中，所述多波束网络层至少由接收网络层或者发射网络层构成，且数量不低于1层。

在上述任一技术方案中，所述控制网络层包括时钟网络、数据写入网路、数据读取网络、数据下载网络、片选网络。

在上述任一技术方案中，所述多波束组件芯片层由多片接收多波束芯片或者多片发射多波束芯片构成，所述接收多波束芯片和所述发射多波束芯片采用BGA封装，倒装焊接到芯片电路层PAD上。

在上述任一技术方案中，所述接收多波束芯片和所述发射多波束芯片焊接在同一电路平面内。

在上述任一技术方案中，所述接收多波束芯片和所述发射多波束芯片为单波束芯片，任一所述接收多波束芯片的通道通过所述接收馈电垂直过孔与所述接收天线辐射单元互联，任一所述发射多波束芯片的通道通过所述发射馈电垂直过孔与所述发射天线辐射单元互联。

与现有技术相比，本发明的一种多波束相控阵天线，包括多个天线子阵组件拼接的瓦式天线，天线层用于信号的发射与接收；网络组件层用于集成网络及芯片；转接匹配层设置于所述天线层与所述网络组件层之间，用于连接天线层和网络组件层，从而提高天线层馈电接口位置的灵活性，网络及芯片集成于网络组件层内，结合转接匹配层的使用，能够避免层数过多导致的剖面高度、质量面密度难以降低，降低网络组件层厚度与加工工艺难度，层间垂直互联跨度大和集成度难以提高等缺点，具有低剖面，易于装配、维修等优势。

附图说明

图1示意性表示本发明的一种实施方式的多波束相控阵天线的架构示意图；

图2为示意性表示本发明的一种实施方式的多波束相控阵天线的收发共口径天线示意图；

图3为示意性表示本发明的一种实施方式的单波束收发共口径有源相控阵天线多层电路压合叠层示意图。

其中，图1至图3中附图标记与部件名称之间的对应关系为：

10、天线层；11、天线辐射单元层；12、发射单元天线网络层；13、接收单元天线网络层；20、转接匹配层；22、顶层焊盘；23、发射转接层；24、接收转接层；25、底层焊盘；30、网络组件层；31、电源网络层；32、接收网络层；33、发射网络层；34、多波束组件芯片层；40、馈电接口。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

在针对本发明的实施方式进行描述时，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”所表达的方位或位置关系是基于相关附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细地描述，实施方式不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施方式。

参见图1至图3，本发明的一种多波束相控阵天线，包括多个天线子阵组件拼接的瓦式天线，天线子阵组件包括：

天线层10，用于信号的发射与接收；

网络组件层30，用于集成网络及芯片；

转接匹配层20，设置于天线层10与网络组件层30之间，用于连接天线层10和网络组件层30。

在该实施例中，通过将多波束相控阵天线设置成天线层10、转接匹配层20和网络组件层30的板式结构，转接匹配层20设置于天线层10与网络组件层30之间，以转接匹配层20将天线层10和网络组件层30连接，能够提高天线层10馈电接口40位置的灵活性，网络及芯片集成于网络组件层30内，结合转接匹配层的使用，可以避免层数过多导致的剖面高度、质量面密度难以降低，降低网络组件层30厚度与加工工艺难度，层间垂直互联跨度大和集成度难以提高等缺点，具有低剖面，易于装配、维修等优势。

具体地说，天线层10单独压合成为一个多层的第一层PCB板，转接匹配层20单独压合成为一个多层的第二层PCB板，网络组件层30整体压合成为一个多层的第三层PCB板，第一层PCB板和第二层PCB板经过LGA或者BGA封装工艺整体压合，第二层PCB板与第三层PCB板经过LGA或者BGA封装工艺整体压合，最终形成收发共口径天线组件。

进一步地说，收发分口径天线需要将接收和发射天线部分分开放置，而收发共口径天线只需要接收口径的大小就可以实现接收和发射功能，节约了发射口径面积，提高了口径利用率，可增加发射阵数，提高阵面增益，从而提升天线性能。

其中，收发共口径天线的布局、馈电结构、极化设计、叠层设计需要与应用要求的尺寸、极化、带宽、扫描范围等参数相匹配，实际设计层数可以根据实际情况调整。

另外，天线层10可以包括接收辐射单元或者发射辐射单元或者收发共口径辐射单元，上述天线单元可采用微带结构或者带线结构，馈电方式可采用直接馈电或耦合馈电，其类型可以采用单极化天线或双极化天线。

在本发明的一个实施例中，优选地，转接匹配层20至少包括顶层焊盘22、底层焊盘25及顶层焊盘22和底层焊盘25之间的至少1层的发射转接层23和至少1层的接收转接层24。

在该实施例中，转接匹配层20包括顶层焊盘22、底层焊盘25及顶层焊盘22和底层焊盘25之间的发射转接层23和接收转接层，发射转接层23和接收转接层的层数至少为1层，也可根据实际需求进行调整，例如发射转接层231层，接收转接层2层，相邻的两层之间设置有接地层，能够避免信号间的相互影响，通过在天线层10和网络组件层30之间设置转接匹配层20，能够实现天线层10馈电接口40位置的微调。

如图3所示，在本发明的一个实施例中，优选地，网络组件层30包括多波束网络层、控制网络层、电源网络层31、多波束组件芯片层34、垂直互联过孔。

在该实施例中，各层通过多层PCB进行压合，过孔数量可以根据实际的阵列规模、波束数量、网络数量等约束进行调整，实际上下叠层顺序可以根据实际需要调整。

电源网络与相邻的上下两层GND接地层组成电源网络层31，接收波束网络和与相邻的上下两层GND接地层组成接收合成网络层，发射波束网络和与相邻的上下两层GND接地层组成发射合成网络层；接收合成网络层与发射合成网络层组成多波束网络层。

在本发明的一个实施例中，优选地，天线层10的射频馈电信号通过馈电接口与转接匹配层20连接，转接匹配层20通过馈电接口与控制网络层连接，控制网络层通过垂直互联过孔与多波束组件芯片层34的芯片控制端口进行连接。

在本发明的一个实施例中，优选地，转接匹配层20与天线层10、转接匹配层20与网络组件层30之间通过BGA或者LGA封装工艺整体压合。

在本发明的一个实施例中，优选地，天线层10、转接匹配层20和网络组件层30为多层微波PCB层压工艺或LTCC工艺制成的板状结构。

在该实施例中，天线层10、转接匹配层20和网络组件层30通过多层微波PCB层压工艺或LTCC工艺压制呈板状结构，且转接匹配层20与天线层10、转接匹配层20与网络组件层30之间通过BGA或者LGA封装工艺整体压合，一体成型，加工简单、成本低廉、可快速自动和装配，缩短生产周期，可实现批量生产，加工成本低，将天线、芯片以及各种信号连接线集成在一块多层PCB板上，省去了额外的连接器以及各种连接线缆成本，以及组装产品的人力成本和时间成本。

进一步地说，天线一体加工而成，无需额外设置连接器、线缆等，有效地避免了连接器、线缆损坏以及安装问题引起的产品故障，从而提升了天线的稳定性与可靠性。

在本发明的一个实施例中，优选地，各个板状结构的天线层10、转接匹配层20和网络组件层30的内部层与层之间通过屏蔽地隔离。

在该实施例中，天线层10通常设置有天线辐射单元层11、发射单元天线网络层12和接收单元天线网络层13，转接匹配层20通常设置有发射转接层23和接收转接层，而网络组件层30则至少设置有控制网络层、电源网络层31和多波束网络层，无论是天线层10、转接匹配层20还是网络组件层30，其内部层与层之间均通过屏蔽地隔离，能够有效地避免信号间的干扰，提升天线稳定性。

在本发明的一个实施例中，优选地，电源网络层31通过垂直互联过孔与多波束组件芯片层34的芯片电源端口进行连接，多波束网络层通过垂直互联过孔与多波束组件芯片层34的芯片合成端口互联。

在该实施例中，电源网络层31主要为多波束组件芯片层34提供电源，网路组件层内设置有垂直互联过孔，电源网络层31通过垂直互联过孔与多波束组件芯片层34的芯片电源端口电连接，以实现对多波束组件芯片层34的供电作用，

如图2所示，在本发明的一个实施例中，优选地，天线层10包含接收天线辐射单元、发射天线辐射单元、接收天线网络层、发射天线网络层、接收馈电垂直过孔和发射馈电垂直过孔，接收天线辐射单元与发射天线辐射单元布局间距满足以下关系：

dx≤(1/sinα)(1/(1+sinθ))

dy≤(1/sinα)(1/(1+sinθ))

其中，dx和dy分别为x和y方向的单元间距，α为三角栅格排列布局等腰三角形低角角度，θ为扫描最大角度范围。

在该实施例中，相控阵天线波束扫描时会出现栅瓣，栅瓣的幅度与主瓣相同，栅瓣的存在会导致测角存在多值性，通过控制单元间距，使得相控阵天线波束扫描时不出现栅瓣，以避免天线增益降低的问题，避免干扰信号经栅瓣进入影响天线正常工作，提升了天线的稳定性与可靠性。

在本发明的一个实施例中，优选地，多波束网络层至少由接收网络层32或者发射网络层33构成，且数量不低于1层。

在该实施例中，接收网络层和发射网络层33共同组成多波束网络层，层数需根据天线单元间距和收发芯片面积确定，接收网络层和发射网络层33采用多级威尔金斯电桥级联，采用埋阻工艺。

在本发明的一个实施例中，优选地，控制网络层包括时钟网络CLK、数据写入网路DATA、数据下载网络LD、片选网络CS。

在该实施例中，时钟网络为多波束组件芯片接口通信提供时钟。数据写入网路为多波束组件芯片接口通信提供数据写入。数据读取网络为多波束组件芯片接口通信提供数据回读功能。数据下载网络为多波束组件芯片接口通信提供数据下载控制。片选网络为多波束组件芯片接口通信提供芯片使能。

在本发明的一个实施例中，优选地，多波束组件芯片层34由多片接收多波束芯片或者多片发射多波束芯片构成，接收多波束芯片和发射多波束芯片采用BGA封装，倒装焊接到芯片电路层PAD上。

在本发明的一个实施例中，优选地，接收多波束芯片和发射多波束芯片焊接在同一电路平面内。

在该实施例中，接收多波束芯片和发射多波束芯片焊接在同一电路平面内，有利于降低天线剖面，减少天线体积重量。

在本发明的一个实施例中，优选地，接收多波束芯片和发射多波束芯片为单波束芯片，任一接收多波束芯片的通道通过接收馈电垂直过孔与接收天线辐射单元互联，任一发射多波束芯片的通道通过发射馈电垂直过孔与发射天线辐射单元互联。

在该实施例中，可采用低成本焊接工艺比如回流焊，焊接到芯片电路层的焊盘上，有助于实现低成本和批量化生产。

本发明的一种多波束相控阵天线，包括多个天线子阵组件拼接的瓦式天线，天线层用于信号的发射与接收；网络组件层用于集成网络及芯片；转接匹配层设置于天线层与网络组件层之间，用于连接天线层和网络组件层，从而提高天线层馈电接口位置的灵活性，网络及芯片集成于网络组件层内，结合转接匹配层的使用，能够避免层数过多导致的剖面高度、质量面密度难以降低，降低网络组件层厚度与加工工艺难度，层间垂直互联跨度大和集成度难以提高等缺点，具有低剖面，易于装配、维修等优势。

以上所述仅为本发明的一个实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多波束相控阵天线，包括多个天线子阵组件拼接的瓦式天线，其特征在于，所述天线子阵组件包括：

天线层，用于信号的发射与接收；

网络组件层，用于集成网络及芯片；

转接匹配层，设置于所述天线层与所述网络组件层之间，用于连接天线层和网络组件层。

2.根据权利要求1所述的多波束相控阵天线，其特征在于，所述转接匹配层至少包括顶层焊盘、底层焊盘及顶层焊盘和底层焊盘之间的至少1层的发射转接层和至少1层的接收转接层。

3.根据权利要求1所述的多波束相控阵天线，其特征在于，所述网络组件层包括多波束网络层、控制网络层、电源网络层、多波束组件芯片层、垂直互联过孔；

所述多波束网络层至少由接收网络层或者发射网络层构成，且数量不低于1层；

所述控制网络层包括时钟网络、数据写入网路、数据读取网络、数据下载网络、片选网络；

所述电源网络层通过垂直互联过孔与所述多波束组件芯片层的芯片电源端口进行连接，所述多波束网络层通过所述垂直互联过孔与所述多波束组件芯片层的芯片合成端口互联。

4.根据权利要求3所述的多波束相控阵天线，其特征在于，所述天线层的射频馈电信号通过馈电接口与所述转接匹配层连接，所述转接匹配层通过馈电接口与所述控制网络层连接，所述控制网络层通过垂直互联过孔与所述多波束组件芯片层的芯片控制端口进行连接。

5.根据权利要求1所述的多波束相控阵天线，其特征在于，所述转接匹配层与所述天线层、所述转接匹配层与所述网络组件层之间通过BGA或者LGA封装工艺整体压合。

6.根据权利要求1所述的多波束相控阵天线，其特征在于，所述天线层、所述转接匹配层和所述网络组件层为多层微波PCB层压工艺或LTCC工艺制成的板状结构；

各个板状结构的所述天线层、所述转接匹配层和所述网络组件层的内部层与层之间通过屏蔽地隔离。

7.根据权利要求3所述的多波束相控阵天线，其特征在于，所述天线层包含接收天线辐射单元、发射天线辐射单元、接收天线网络层、发射天线网络层、接收馈电垂直过孔和发射馈电垂直过孔，所述接收天线辐射单元与发射天线辐射单元布局间距满足以下关系：

dx≤(1/sinα)(1/(1+sinθ))

dy≤(1/sinα)(1/(1+sinθ))

其中，dx和dy分别为x和y方向的单元间距，α为三角栅格排列布局等腰三角形底角角度，θ为扫描最大角度范围。

8.根据权利要求7所述的多波束相控阵天线，其特征在于，所述多波束组件芯片层由多片接收多波束芯片或者多片发射多波束芯片构成，所述接收多波束芯片和所述发射多波束芯片采用BGA封装，倒装焊接到芯片电路层PAD上。

9.根据权利要求8所述的多波束相控阵天线，其特征在于，所述接收多波束芯片和所述发射多波束芯片焊接在同一电路平面内。

10.根据权利要求8所述的多波束相控阵天线，其特征在于，所述接收多波束芯片和所述发射多波束芯片为单波束芯片，任一所述接收多波束芯片的通道通过所述接收馈电垂直过孔与所述接收天线辐射单元互联，任一所述发射多波束芯片的通道通过所述发射馈电垂直过孔与所述发射天线辐射单元互联。

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