毫米波64陣元瓦片式相控陣天線的制作方法

本發明涉及雷達系統領域，具體涉及一種基于瓦片式結構，毫米波64陣元相控陣雷達系統前端模塊。

背景技術：

相控陣雷達系統是雷達領域的一次革命，相比較于傳統的機械式掃描，其徹底改變了雷達的空間掃描方式。相控陣雷達可通過控制各個通道幅相來控制波束的指向，也可以轉動天線使雷達完成對目標的凝視。

相控陣雷達前端模塊是整個系統的關鍵部分，一般具有成百上千個天線單元組成的天線陣列，以及每個單元天線所對應的TR組件組成，因此，整個系統對TR組件的體積要求比較嚴苛。傳統的“磚塊”結構TR組件結構較大，使得其應用推廣受到了很大的局限。

技術實現要素：

針對現有技術上的上述不足，現在特別提出一種毫米波64陣元瓦片式相控陣天線。

本發明的技術方案如下：

一種毫米波64陣元瓦片式相控陣天線，其特征在于：包括2*2 的TR組件陣列，每個TR組件子陣通道數為4*4，共64子陣通道；相控陣天線的通道間距由工作頻率和天線掃描范圍決定，本發明的發射天線通道間距為9.5mm。每個TR組件包括收發通道模塊、電源模塊、控制模塊和結構腔體，電源模塊與外部接口相連，電源模塊與控制模塊通過插針垂直互聯，控制模塊與收發通道模塊通過金絲鍵合相連，3個模塊依次平行放置。

收發通道模塊包括16個收發通道；每個收發通道模塊包括收發放大多功能電路、衰減移相放大多功能電路、電源控制電路、波控控制電路和功分器。收發放大多功能電路實現發射信號的功率放大，接收信號的低噪聲放大和收發切換的功能；衰減移相放大多功能電路實現對組件的衰減、移相控制和信號放大；波控控制電路實現將波控機發出的高速串行數據轉換成并行控制碼，控制衰減移相電路；電源控制電路實現16個通道接收、發射電源單獨可控；功分器實現16通道信號的功分或合成。

收發通道模塊為一塊射頻集成板，包括多通道多功能集成SOC芯片、射頻通道饋電網絡、控制和電源饋線網絡，射頻集成板由多層微波板設計，多層微波板為射頻集成板與FR4混壓結構，集成射頻通道饋電網絡、控制和電源饋線網絡，多功能集成SOC芯片與多層微波板由金絲鍵合方式互聯。

電源模塊中器件包括LDO和DC-DC，實現輸入電源轉換，轉換成TR組件內部所需電源。

控制模塊中器件包括FPGA，實現與波控母板的SPI通信，根據波控母板指令，控制每個通道的工作狀態。

收發通道模塊包括4個多功能集成SOC芯片，分別驅動16個TR收發芯片，由波控子板實現幅度相位控制、收發電源控制和工作模式切換，每個通道包含末級功率放大、接收低噪聲放大、收發驅動放大、收發移相、接收衰減、收發開關和模式切換開關功能，其中TR收發芯片集成末級功放、接收低噪放、收發開關和模式選擇開關，多功能集成SOC芯片集成收發移相、接收衰減、收發開關和收發驅動放大。

結構腔體包括電源板腔體和天線腔體兩部分；電源模塊包括電源板及低頻連接器；控制模塊包括控制板和低頻插針；收發通道模塊包括射頻集成板、射頻連接器、屏蔽蓋；電源板裝在電源板腔體中，通過低頻連接器與外部連接，控制板與射頻集成板裝在天線腔體中，電源板與控制板通過低頻插針實現互聯，射頻集成板與射頻連接器垂直互聯，通過天線實現信號的收發，這樣設計瓦片式結構可以大大減小TR組件的體積。電源板上設置有電源板上器件，控制板上設置有控制板上器件。

發射時，信號由公共端口輸入到16通道子陣，經1分4功分器等分成4路，分別輸入到4個多功能集成SOC芯片，再由多功能集成SOC芯片等分成4路，輸送到TR收發芯片進行功率放大，最后輸出到天線端口。

接收時，信號由天線端口輸入，經TR收發芯片的低噪聲放大后輸入到多功能集成SOC芯片，經驅動放大、移相和衰減后，4路合成1路，由SMP總端口輸出，在子陣上再進行4路合成，由子陣的總端口輸出。

收發通道模塊包括16路收發通道，按照每四通道進行分區設計，發射信號經過輸入功率分配網絡后進入到多功能集成SOC芯片，分配成4通道進行移相、衰減和驅動放大，最后通過TR收發芯片實現最終的功率輸出。接收通道信號進入模塊后，通過TR收發芯片進行放大，然后進入多功能集成SOC芯片實現4通道合一輸出，最后通過功率分配網絡輸出。

TR組件內部的三部分間存在大量的電源和控制互聯接口，為減少互聯接口，將TR組件的射頻部分分為四個區域，并將每個區域的四個通道分為四個位號（1、2、3、4），校準模式時，每個區域同號位的TR收發芯片工作，其它位號的TR收發芯片斷電。

控制模塊接收來自上級母板的波控指令，完成波控指令解析、通過SPI協議對多功能芯片進行幅度和相位的讀寫。在這樣的工作模式下，TR模塊包括4個多功能集成SOC芯片區域，各區域塊并行控制，每個區域的4個通道串行讀寫。這樣，波控指令很快的得到執行。

整個TR組件共用時鐘信號、片選信號、鎖存信號和收發開關信號，每個通道的控制數據采用并行收發方式，實現高速的相位和幅度控制以及每個通道多功能芯片上工作狀態控制。

本發明的有益效果：

1、本發明采用“瓦片式”結構，射頻通路采用垂直互聯技術將整機輸入和天線互聯。整個相控陣天線由2*2 TR組件排列，整個陣列面積為75mm*75mm，減小了TR組件的體積。TR組件輸入為1個SMP接口，通過KK與收發通道模塊垂直互聯， 再通過多層微波板1分16與SMP垂直互聯。

2、本發明每個通道的相位控制、衰減控制、功率放大功能，選擇硅基工藝的COMS來實現。充分利用CMOS集成度高、可數模混合集成的優勢，將射頻鏈路中的移相、衰減、驅動放大等功能電路以及數字控制和電源管理一體化集成，對射頻通道的集成度大大提高，每個TR組件體積僅為37mm*37mm*18mm。

附圖說明

圖1為本發明64陣元布陣示意圖。

圖2為本發明TR組件組成框圖示意圖。

圖3為本發明TR組件16通道收發子陣原理框圖。

圖4為本發明天線子陣中單元分區。

圖5為本發明剖面結構結構圖。

附圖中：TR組件1、收發通道模塊2、電源模塊3、控制模塊4、結構腔體5，電源板6，電源板腔體7，低頻連接器8，控制板9，射頻集成板10，天線腔體11，低頻插針12，射頻連接器13，屏蔽蓋14。

具體實施方式

實施例1

一種毫米波64陣元瓦片式相控陣天線包括2*2 的TR組件1陣列，每個TR組件1子陣通道數為4*4，共64子陣通道；相控陣天線的通道間距由工作頻率和天線掃描范圍決定，本發明的發射天線通道間距為9.5mm。每個TR組件1包括收發通道模塊2、電源模塊3、控制模塊4和結構腔體5，電源模塊3與外部接口相連，電源模塊3與控制模塊4通過插針垂直互聯，控制模塊4與收發通道模塊2通過金絲鍵合相連，3個模塊依次平行放置。本發明采用“瓦片式”結構，射頻通路采用垂直互聯技術將整機輸入和天線互聯。整個相控陣天線由2*2 TR組件1排列，整個陣列面積為75mm*75mm，減小了TR組件1的體積。TR組件1輸入為1個SMP接口，通過KK與收發通道模塊2垂直互聯， 再通過多層微波板1分16與SMP垂直互聯。

實施例2

一種毫米波64陣元瓦片式相控陣天線，其特征在于：包括2*2 的TR組件1陣列，每個TR組件1子陣通道數為4*4，共64子陣通道；相控陣天線的通道間距由工作頻率和天線掃描范圍決定，本發明的發射天線通道間距為9.5mm。每個TR組件1包括收發通道模塊2、電源模塊3、控制模塊4和結構腔體5，電源模塊3與外部接口相連，電源模塊3與控制模塊4通過插針垂直互聯，控制模塊4與收發通道模塊2通過金絲鍵合相連，3個模塊依次平行放置。

收發通道模塊2包括16個收發通道；每個收發通道模塊2包括收發放大多功能電路、衰減移相放大多功能電路、電源控制電路、波控控制電路和功分器。收發放大多功能電路實現發射信號的功率放大，接收信號的低噪聲放大和收發切換的功能；衰減移相放大多功能電路實現對組件的衰減、移相控制和信號放大；波控控制電路實現將波控機發出的高速串行數據轉換成并行控制碼，控制衰減移相電路；電源控制電路實現16個通道接收、發射電源單獨可控；功分器實現16通道信號的功分或合成。

收發通道模塊2為一塊射頻集成板10，包括多通道多功能集成SOC芯片、射頻通道饋電網絡、控制和電源饋線網絡，射頻集成板10由多層微波板設計，多層微波板為射頻集成板10與FR4混壓結構，集成射頻通道饋電網絡、控制和電源饋線網絡，多功能集成SOC芯片與多層微波板由金絲鍵合方式互聯。

電源模塊3中器件主要為LDO和DC-DC，實現輸入電源轉換，轉換成TR組件1內部所需電源。

控制模塊4中器件主要為FPGA，實現與波控母板的SPI通信，根據波控母板指令，控制每個通道的工作狀態。

收發通道模塊2包括4個多功能集成SOC芯片，分別驅動16個TR收發芯片，由波控子板實現幅度相位控制、收發電源控制和工作模式切換，每個通道包含末級功率放大、接收低噪聲放大、收發驅動放大、收發移相、接收衰減、收發開關和模式切換開關功能，其中TR收發芯片集成末級功放、接收低噪放、收發開關和模式選擇開關，多功能集成SOC芯片集成收發移相、接收衰減、收發開關和收發驅動放大。

結構腔體5包括電源板腔體7和天線腔體11兩部分；電源模塊3包括電源板6及低頻連接器8；控制模塊4包括控制板9和低頻插針12；收發通道模塊2包括射頻集成板10、射頻連接器13、屏蔽蓋14；電源板6裝在電源板腔體7中，通過低頻連接器8與外部連接，控制板9與射頻集成板10裝在天線腔體11中，電源板6與控制板9通過低頻插針12實現互聯，射頻集成板10與射頻連接器13垂直互聯，通過天線實現信號的收發，這樣設計瓦片式結構可以大大減小TR組件1的體積。電源板6上設置有電源板6上器件，控制板9上設置有控制板9上器件。

發射時，信號由公共端口輸入到16通道子陣，經1分4功分器等分成4路，分別輸入到4個多功能集成SOC芯片，再由多功能集成SOC芯片等分成4路，輸送到TR收發芯片進行功率放大，最后輸出到天線端口。

接收時，信號由天線端口輸入，經TR收發芯片的低噪聲放大后輸入到多功能集成SOC芯片，經驅動放大、移相和衰減后，4路合成1路，由SMP總端口輸出，在子陣上再進行4路合成，由子陣的總端口輸出。

收發通道模塊2包括16路收發通道，按照每四通道進行分區設計，發射信號經過輸入功率分配網絡后進入到多功能集成SOC芯片，分配成4通道進行移相、衰減和驅動放大，最后通過TR收發芯片實現最終的功率輸出。接收通道信號進入模塊后，通過TR收發芯片進行放大，然后進入多功能集成SOC芯片實現4通道合一輸出，最后通過功率分配網絡輸出。

如圖4所示，TR組件1內部的三部分間存在大量的電源和控制互聯接口，為減少互聯接口，將TR組件1的射頻部分分為四個區域，分別為區域1、區域2、區域3和區域4，并將每個區域的四個通道分為四個號位，分別為1號位、2號位、3號位和4號位，校準模式時，每個區域同號位的TR收發芯片工作，其它號位的TR收發芯片斷電。

控制模塊4接收來自上級母板的波控指令，完成波控指令解析、通過SPI協議對多功能芯片進行幅度和相位的讀寫。在這樣的工作模式下，TR模塊包括4個多功能集成SOC芯片區域，各區域塊并行控制，每個區域的4個通道串行讀寫。這樣，波控指令很快的得到執行。

整個TR組件1共用時鐘信號、片選信號、鎖存信號和收發開關信號，每個通道的控制數據采用并行收發方式，實現高速的相位和幅度控制以及每個通道多功能芯片上工作狀態控制。

本發明采用“瓦片式”結構，射頻通路采用垂直互聯技術將整機輸入和天線互聯。整個相控陣天線由2*2 TR組件1排列，整個陣列面積為75mm*75mm，減小了TR組件1的體積。TR組件1輸入為1個SMP接口，通過KK與收發通道模塊2垂直互聯， 再通過多層微波板1分16與SMP垂直互聯。

本發明每個通道的相位控制、衰減控制、功率放大功能，選擇硅基工藝的COMS來實現。充分利用CMOS集成度高、可數模混合集成的優勢，將射頻鏈路中的移相、衰減、驅動放大等功能電路以及數字控制和電源管理一體化集成，對射頻通道的集成度大大提高，每個TR組件1體積僅為37mm*37mm*18mm。

相控陣天線的通道間距由工作頻率和天線掃描范圍決定，本項目的發射天線通道間距只有9.5mm，要在如此小的空間中實現每個通道獨立的相位控制、衰減控制和功率放大，對射頻通道的集成度有相當高的要求，本方案選擇基于硅基工藝的CMOS來實現多功能一體化集成，充分利用CMOS集成度高、可數模混合集成的優勢，將射頻鏈路中的移相、衰減、驅動放大等功能電路以及數字控制和電源管理一體化集成。

4×4子陣TR組件1，通道單元間距為9.5mm，相鄰的四個通道采取TR收發芯片和四合一多功能芯片密布方式，采用微組裝工藝裝配，提高通道間隔離度。四個多功能芯片合成后，通過一個SMP總端口與整機實現射頻互聯。TR模塊每個通道的幅度和相位控制采用串行控制方式，收發電源采用柵壓調制方式控制，通過左右兩側的金絲鍵合焊盤與波控子板互聯。

本方案在射頻集成板10有限的空間中集成16個通道的所有射頻鏈路，每個通道的芯片都需要獨立的電源供電、幅相控制和電源管理，因此微波多層板上的信號種類多樣，線路密集，需要充分進行分類、分層設計，優化電磁兼容性能，簡化控制和電源互聯接口。將多層微波板中的射頻信號層、電源層和控制層分層設計，射頻鏈路周圍用接地孔進行充分的電磁屏蔽。控制層中的時鐘單路走線，并進行屏蔽，避免對其它信號的干擾。在射頻芯片周圍采用電容進行電磁濾波。

本方案采取每個四個通道的TR收發芯片集中放置的方式布局，在空間隔離上，將四個通道一起采用屏蔽腔進行隔離，確保總端口與每個通道端口間的空間隔離，射頻集成板10內部采用地孔進行電磁屏蔽。

TR組件1中芯片控制接口及電壓接口通過射頻集成板10各一排焊盤金絲鍵合的方式與控制板9間互聯來實現。