CN115566443A - 一种高集成模块化有源相控阵天线子阵 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种高集成模块化有源相控阵天线子阵，包含天线单元阵列、四通道TR组件，二次电源模块以及综合馈电网络层。天线单元阵列用于辐射或接收各射频通道的信号；四通道TR组件包括射频收发前端模块和用于调整射频通道的相位以及幅度的多功能模块；二次电源模块用于给有源天线子阵内所有器件提供电压源；综合馈电网络层采用多层高低频混压印制板技术，将有源天线子阵中的各种馈线网络一体化设计在一块印制板中，以混压板内的互连代替传统有源天线子阵中的电缆连接方式，提高有源相控阵天线子阵的集成度。本发明的有源天线子阵采用平面一体化设计方案，体积小巧，重量轻便，对外接口简单，具有很强的工程应用价值。

Description

一种高集成模块化有源相控阵天线子阵

技术领域

本发明属于天线技术领域，尤其涉及一种高集成模块化有源相控阵天线子阵。

背景技术

随着高通量卫星移动通信***、移动式反无人机探测雷达等小型化高集成***的蓬勃发展，推动着有源相控阵天线向多功能化、灵活度高、厚度小、重量轻、扩展性强的方向不断前进。

有源天线子阵作为相控阵的基本组成单位，按照一定顺序排布即可构成一个完整的相控阵。有源天线子阵的架构按照电路组装方式大致可以分为砖式和平面式两种方式。传统的砖式有源天线子阵一般由分立模块堆叠而成，不同模块间通过射频线缆、绕线层等进行互联，砖式有源天线子阵设计简单，安装方便，散热能力较佳，各模块界限分明，但存在如下问题：1)互联线缆长度较长，引入额外的射频损耗，在降低发射输出功率，在接收链路中则会恶化噪声系数，从而影响接收灵敏度。2)有源天线子阵重量笨重，体积大，无法满足可移动相控阵天线平台的轻薄化要求。3)其中砖式组件采用铝硅壳体封装以及射频接头互联，限制有源子阵天线进一步集成。因此，高集成模块化、同时具有二维可扩展能力的有源天线子阵就成为下一代相控阵天线的主要研究方向。

发明内容

为克服现有技术中的不足，本发明提出了一种高集成模块化有源相控阵天线子阵，该有源天线子阵包括天线单元阵列、四通道TR组件，二次电源模块以及综合馈电网络层。本发明集成度高，通过综合网络层实现所有模块的承载以及走线互联。整个天线子阵的馈线网络以及电源网络，控制网络均布置于一块多层混压微波板中，印制板的一侧为天线单元缝隙耦合层，通过耦合激励的方式对辐射单元直接馈电，取消了连接器互联以及绕线层；另一侧为表贴的芯片化TR组件以及阵面二次电源等电路模块。本发明天线子阵采用平面一体化设计方案，体积小巧，重量轻便，对外接口简单，具有很强的工程应用价值。

本发明的一种高集成模块化有源相控阵天线子阵，包括天线单元阵列1、4通道TR组件2，二次电源模块3以及综合馈电网络层4等四部分。有源天线子阵采用平面阵列设计方案，通过综合馈电网络层4实现所有模块的承载以及走线互联。综合馈电网络层4的一侧是天线单元，另一侧通过表贴焊接的方式连接4通道TR组件2以及二次电源模块3。

天线单元阵列1包括至少一个金属辐射贴片11，泡沫支撑层12以及耦合馈电印制板13。金属贴片单元用于辐射或接收各射频通道的信号，泡沫支撑层12用于固定和保持金属贴片与耦合馈电印制板13之间的距离，耦合馈电印制板13用于将带状线传输的信号转变为空间中的辐射信号。所述耦合馈电印制板13与综合馈电网络层4进行一体设计，减少互联接头，提高传输效率。所述4通道TR组件2是组成相同的多个独立的TR通道合一的共腔体结构，用于实现射频信号的放大、移相、衰减以及收发功能。所述4通道TR组件包括功分器、射频前端、多功能芯片以及数字控制器等部分，集成在一个组件结构壳体内。所述4通道TR组件2与综合馈电网络层4相连接并传递射频信号、波控信号以及电源信号。

综合馈电网络层4由多层PCB印制板构成，采用一体化加工方式，包括内监测射频网络、主信号射频网络、电源网路以及波控网络。所述射频收发网络由带状线传输线以及wilkinson功分器组成，实现二维平面内的主射频信号合成与分配。所述内监测射频网络由带状线传输线，耦合器以及wilkinson功分器组成，通过耦合器从4通道TR组件2输出端耦合监测信号，并通过带状线传输以及wilkinson功分器合成为总口监测信号。所述电源网络是由多个电源层组成，每两电源层之间均用接地层隔开。所述波控网络将输入的控制信号按照波控拓扑序列进行分配，通过波控信号过孔分别连接波控网络至每一个4通道TR组件2，所述波控网络与电源网络之间采用多层地层进行隔离。

本发明具有收发共口径的特点，能够解决当前有源天线子阵内部互联线缆复杂，损耗大，重量笨重，体积大，无法扩展的缺点，拓宽有源相控阵的应用领域。天线单元阵列1用于辐射或接收各射频通道的信号；芯片化TR组件2包括放大射频通道信号的射频收发前端模块和用于调整射频通道的相位以及幅度的多功能模块；二次电源模块3用于给有源天线子阵内所有器件提供电压源；综合馈电网络层4包括射频网络层、电源网络层以及波控网络层，采用多层高低频混压印制板技术，将有源天线子阵中的各种馈线网络一体化设计在一块印制板中，以混压板内的互连代替传统有源天线子阵中的电缆连接方式，提高有源天线子阵的集成度。整个有源天线子阵结构紧凑，体积小巧，重量轻薄，对外接口简单，可实现相控阵天线阵面两维积木化扩展。

本发明的有益效果在于

1、能够解决当前有源天线子阵内部互联线缆复杂，损耗大，重量笨重，体积大的缺点，拓展了有源相控阵天线的应用领域。

2、实现了有源天线子阵的一体化成型，极大简化了有源天线子阵的生产组装过程，解决当前有源天线子阵结构口径大于电口径，无法二维扩展的缺点，相较于传统相控阵天线，简化了模块的边界，减少了以往承载模块所需要的结构件，进而实现有源天线子阵轻薄化、平面化、二维可扩展，有效提高了平台适配性。

3、具有剖面低、宽波束、高性能、易于集成化的优点，适用于探测/通信***。

4、综合馈电网络层承载子阵内各模块和信号互联的作用，可单独用于其它有源天线子阵。

5、结构紧凑、可靠性高。通过耦合激励的方式对辐射单元直接馈电，减少了连接器互联。对外接口简单，提高盲插互联可靠性。

附图说明

图1为天线子阵工作原理示意图。

图2为天线子阵前视图。

图3为天线子阵侧视图。

图4为天线子阵阵中天线单元模型图。

图5为TR组件原理图。

图6为综合馈电网络层叠结构图。

图中：1-天线单元阵列，2-4通道TR组件，3-二次电源模块，4-综合馈电网络层，11-金属辐射贴片，12-泡沫支撑层，13-耦合馈电印制板，14-耦合工字缝，15-安装定位孔，41-收发信号总口，42-监测信号总口。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，图1是本发明高集成模块化有源相控阵天线子阵的总体框架构成图，包括天线单元阵列1、4通道TR组件2，二次电源模块3以及综合馈电网络层4等四个主要部分，并通过安装定位孔15实现天线子阵的定位安装。

所述天线单元阵列1包括64个金属辐射贴片11、泡沫支撑层12以及耦合馈电印制板13。耦合馈电印制板13上刻蚀有给64个金属辐射贴片11馈电的耦合工字缝14，按照两维排列的8行8列天线单元。所述4通道TR组件2包括功分器、射频前端、多功能芯片以及数字控制器，用于实现射频信号的放大、移相、衰减以及收发功能。所述二次电源模块3由多个电源转换模块、输入输出电容组等组成，将28V的输入电压转换为有源天线子阵内部所有有源器件需求电压值。所述综合馈电网络层4由多层PCB印制板构成，包括内监测射频网络、射频收发网络层、电源网络层以及波控网络层。该多层PCB印制板采用高低频多层板层压工艺实现，通过合理布局布线大幅度减少埋孔的数量以及种类，采用成熟工艺进行设计加工，降低阵面成本。

所述综合馈电网络层4不仅给有源天线子阵中各个模块提供走线互联，还作为各个模块的承载。综合馈电网络层4的一侧表面为天线单元的耦合馈电层，通过空间耦合与天线单元互联，另一侧表面为各模块的表贴焊接层，通过焊接的方式与4通道TR组件2以及二次电源模块3互联。所述4通道TR组件2表贴焊接在综合馈电网络层4，波控信号、供电电源以及射频信号均焊盘传递至4通道TR组件2。所述二次电源模块3中各电路元器件均直接表贴焊接在综合馈电网络层4上，电源输入信号以及转换后电源均通过过孔与电源网络连接。

如图2、图3所示，有源天线子阵采用平面阵列设计方案，综合馈电网络层4的一侧是天线单元，64个天线单元按照8行8列两维排列，另一侧通过表贴焊接的方式连接4通道TR组件2以及二次电源模块3，共有16个4通道TR组件2，在4通道TR组件2布局的中间位置表贴二次电源模块3以及各类信号输入口。

有源天线子阵包括波控电源输入口以及两个射频信号口，分别为收发信号总口41以及监测信号总口42。发射状态下阵面激励经由收发信号总口41接入，经过金属过孔接入射频收发网络，在射频收发网络内功分后送入每个4通道TR组件2的信号总口。接收状态空间辐射信号通过64个天线单元馈入4通道TR组件2，经过射频收发网络合成之后传递至收发信号总口41。有源天线子阵内监测方式采用单元级监测网络。各通道的监测信号经过内监测网络功分合成后合为一路信号进入监测信号总口42，通过该监测网络可以在工作时判断各TR通道的好坏。

结合图4所示，是本发明有源天线子阵天线单元的模型示意图，所述天线单元采用金属贴片振子形式，极化方式为垂直线极化，64个天线单元形成一个单元组合，每个有源子阵包含1个天线单元组合。所述天线单元组合包括金属辐射贴片11，泡沫支撑层12以及耦合馈电印制板13。金属贴片单元11用于辐射或接收各射频通道的信号，泡沫支撑层12用于固定和保持金属贴片与耦合馈电印制板13之间的距离，耦合馈电印制板13用于将带状线传输的信号转变为空间中的辐射信号。辐射部分为金属贴片单元和支撑泡沫层，与印制板粘接到一起，所述耦合馈电印制板13与综合馈电网络层4进行一体设计，减少电讯互联接头。

结合图5所示，是本发明有源天线子阵所用4通道TR组件2的层叠组成结构示意图，所述4通道TR组件2包括功分器、射频前端、多功能芯片以及数字控制等，所述4通道TR组件2通过BGA焊球与综合馈电网络层4相连接并传递射频信号、波控信号以及电源信号。所述4通道TR组件2包括四路射频通道，可以分别独立工作。发射工作时，激励信号通过功分器分为四路分别进入多功能芯片中，再经过射频前端中的功率放大器输出到组件外部。接收工作时，辐射信号通过开关进入射频前端的低噪声放大器，再进入多功能芯片中进行幅度衰减以及相位调整。数字控制器实现4通道TR组件2的开关调制、收发切换等功能。接收以及发射通道均具有360°的移相范围可调以及31.5dB的衰减范围可调。

结合图6所示，是本发明有源天线子阵综合馈电网络4多层PCB印制板的层叠结构示意图。所述综合馈电网络4的多层PCB印制板按结构功能可划分为内监测射频网络层、射频收发网络层、电源网络层以及波控网络层。具体的，所述综合馈电网络4为板厚2mm的环氧树脂FR-4印制板以及板厚2mm的射频印制板混压加工制成，其中环氧树脂FR-4印制板包括波控网络层以及电源网络层，射频印制板包括内监测射频网络层、射频收发网络层以及耦合馈电层。所述波控网络层与电源网络层之间采用多层地层进行隔离，所述波控网络层与内监测射频网络层之间采用多层地层进行隔离，用来加大控制信号的防串扰能力。所述内监测射频网络层以及射频收发网络层均由微波带状线传输线以及wilkinson功分器组成，每种射频线走线上下均有良好接触的地平面层隔离开，可以提高各个射频网络之间的隔离度至60dB。

本发明不局限于上述具体的实施方式，本发明可以有各种更改和变化。凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种高集成模块化有源相控阵天线子阵，其特征在于：包括天线单元阵列(1)、4通道TR组件(2)、二次电源模块(3)以及综合馈电网络层(4)；有源相控阵天线子阵通过安装定位孔(15)实现天线子阵的定位安装；

所述天线单元阵列(1)包括64个金属辐射贴片(11)的天线单元、泡沫支撑层(12)以及耦合馈电印制板(13)；耦合馈电印制板(13)上刻蚀有给64个金属辐射贴片(11)馈电的耦合工字缝(14)；

所述4通道TR组件(2)包括功分器、射频前端、多功能芯片以及数字控制器，用于实现射频信号的放大、移相、衰减以及收发；

所述二次电源模块(3)包括多个电源转换模块、输入输出电容组，将28V的输入电压转换为有源天线子阵内部所有有源器件需求电压值。

所述综合馈电网络层(4)由多层PCB印制板构成，包括内监测射频网络、射频收发网络层，给有源天线子阵中各个模块提供走线互联，并且承载各个模块；

所述综合馈电网络层(4)的一侧表面为天线单元的耦合馈电层，通过空间耦合与天线单元互联，另一侧表面为表贴焊接层，通过焊接的方式与4通道TR组件(2)以及二次电源模块(3)互连；波控信号、供电电源以及射频信号均通过焊盘传递至4通道TR组件(2)，电源输入信号以及转换后的电源均通过过孔与电源网络连接。

2.根据权利要求1所述的一种高集成模块化有源相控阵天线子阵，其特征在于：有源相控阵天线子阵采用平面阵列设计，综合馈电网络层(4)的一侧是天线单元，64个天线单元按照8行8列两维排列，另一侧通过表贴焊接的方式连接4通道TR组件(2)以及二次电源模块(3)，共有16个4通道TR组件(2)，在4通道TR组件(2)间隔的中间位置表贴二次电源模块(3)以及各信号输入口。

3.根据权利要求2所述的一种高集成模块化有源相控阵天线子阵，其特征在于：有源相控阵天线子阵还包括收发信号总口(41)和监测信号总口(42)；发射状态下，阵面激励信号经由收发信号总口(41)接入，经过金属过孔接入射频收发网络，在射频收发网络内功分后送入每个4通道TR组件(2)的信号端口；接收状态下，空间辐射信号通过64个天线单元馈入4通道TR组件(2)，经过射频收发网络合成之后传递至收发信号总口(41)；有源相控阵天线子阵内采用单元级监测网络进行监测，各通道的监测信号经过内监测网络功分合成后合为一路信号进入监测信号总口(42)，通过监测网络判断各TR通道的工作状态。

4.根据权利要求1所述的一种高集成模块化有源相控阵天线子阵，其特征在于：所述天线单元采用金属贴片振子形式，极化方式为垂直线极化，64个天线单元形成一个单元组合，每个有源相控阵天线子阵包含1个天线单元组合。

5.根据权利要求4所述的一种高集成模块化有源相控阵天线子阵，其特征在于：所述天线单元组合包括金属辐射贴片(11)、泡沫支撑层(12)以及耦合馈电印制板(13)，金属辐射贴片(11)用于辐射或接收各射频通道的信号，泡沫支撑层(12)用于固定和保持金属贴片与耦合馈电印制板(13)之间的距离，耦合馈电印制板(13)用于将带状线传输的信号转变为空间中的辐射信号；辐射部分为金属辐射贴片(11)和泡沫支撑层(12)，与印制板粘接到一起，所述耦合馈电印制板(13)与综合馈电网络层(4)进行一体设计。

6.根据权利要求1所述的一种高集成模块化有源相控阵天线子阵，其特征在于：所述4通道TR组件(2)包括功分器、射频前端、多功能芯片以及数字控制器，4通道TR组件(2)通过BGA焊球与综合馈电网络层(4)相连接并传递射频信号、波控信号以及电源信号；4通道TR组件(2)包括可以分别独立工作的四路射频通道，发射工作时，激励信号通过功分器分为四路分别进入多功能芯片中，再经过射频前端中的功率放大器输出到外部，接收工作时，辐射信号通过开关进入射频前端的低噪声放大器，再进入多功能芯片中进行幅度衰减以及相位调整，数字控制器实现4通道TR组件(2)的开关调制、收发切换功能；接收以及发射通道均具有360°的移相范围可调以及31.5dB的衰减范围可调。

7.根据权利要求1所述的一种高集成模块化有源相控阵天线子阵，其特征在于：所述综合馈电网络(4)的多层PCB印制板按结构功能划分为内监测射频网络层、射频收发网络层、耦合馈电层、电源网络层以及波控网络层；综合馈电网络(4)为板厚2mm的环氧树脂FR-4印制板以及板厚2mm的射频印制板混压加工制成，其中环氧树脂FR-4印制板包括波控网络层以及电源网络层，射频印制板包括内监测射频网络层、射频收发网络层以及耦合馈电层；所述波控网络层与电源网络层之间采用多层地层进行隔离，所述波控网络层与内监测射频网络层之间采用多层地层进行隔离；所述内监测射频网络层以及射频收发网络层均由微波带状线传输线以及wilkinson功分器组成，每种射频线走线上下均有良好接触的地平面层隔离开，实现各个射频网络之间的隔离度至60dB。

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