毫米波64阵元瓦片式相控阵天线的制作方法

本发明涉及雷达系统领域，具体涉及一种基于瓦片式结构，毫米波64阵元相控阵雷达系统前端模块。

背景技术：

相控阵雷达系统是雷达领域的一次革命，相比较于传统的机械式扫描，其彻底改变了雷达的空间扫描方式。相控阵雷达可通过控制各个通道幅相来控制波束的指向，也可以转动天线使雷达完成对目标的凝视。

相控阵雷达前端模块是整个系统的关键部分，一般具有成百上千个天线单元组成的天线阵列，以及每个单元天线所对应的TR组件组成，因此，整个系统对TR组件的体积要求比较严苛。传统的“砖块”结构TR组件结构较大，使得其应用推广受到了很大的局限。

技术实现要素：

针对现有技术上的上述不足，现在特别提出一种毫米波64阵元瓦片式相控阵天线。

本发明的技术方案如下：

一种毫米波64阵元瓦片式相控阵天线，其特征在于：包括2*2 的TR组件阵列，每个TR组件子阵通道数为4*4，共64子阵通道；相控阵天线的通道间距由工作频率和天线扫描范围决定，本发明的发射天线通道间距为9.5mm。每个TR组件包括收发通道模块、电源模块、控制模块和结构腔体，电源模块与外部接口相连，电源模块与控制模块通过插针垂直互联，控制模块与收发通道模块通过金丝键合相连，3个模块依次平行放置。

收发通道模块包括16个收发通道；每个收发通道模块包括收发放大多功能电路、衰减移相放大多功能电路、电源控制电路、波控控制电路和功分器。收发放大多功能电路实现发射信号的功率放大，接收信号的低噪声放大和收发切换的功能；衰减移相放大多功能电路实现对组件的衰减、移相控制和信号放大；波控控制电路实现将波控机发出的高速串行数据转换成并行控制码，控制衰减移相电路；电源控制电路实现16个通道接收、发射电源单独可控；功分器实现16通道信号的功分或合成。

收发通道模块为一块射频集成板，包括多通道多功能集成SOC芯片、射频通道馈电网络、控制和电源馈线网络，射频集成板由多层微波板设计，多层微波板为射频集成板与FR4混压结构，集成射频通道馈电网络、控制和电源馈线网络，多功能集成SOC芯片与多层微波板由金丝键合方式互联。

电源模块中器件包括LDO和DC-DC，实现输入电源转换，转换成TR组件内部所需电源。

控制模块中器件包括FPGA，实现与波控母板的SPI通信，根据波控母板指令，控制每个通道的工作状态。

收发通道模块包括4个多功能集成SOC芯片，分别驱动16个TR收发芯片，由波控子板实现幅度相位控制、收发电源控制和工作模式切换，每个通道包含末级功率放大、接收低噪声放大、收发驱动放大、收发移相、接收衰减、收发开关和模式切换开关功能，其中TR收发芯片集成末级功放、接收低噪放、收发开关和模式选择开关，多功能集成SOC芯片集成收发移相、接收衰减、收发开关和收发驱动放大。

结构腔体包括电源板腔体和天线腔体两部分；电源模块包括电源板及低频连接器；控制模块包括控制板和低频插针；收发通道模块包括射频集成板、射频连接器、屏蔽盖；电源板装在电源板腔体中，通过低频连接器与外部连接，控制板与射频集成板装在天线腔体中，电源板与控制板通过低频插针实现互联，射频集成板与射频连接器垂直互联，通过天线实现信号的收发，这样设计瓦片式结构可以大大减小TR组件的体积。电源板上设置有电源板上器件，控制板上设置有控制板上器件。

发射时，信号由公共端口输入到16通道子阵，经1分4功分器等分成4路，分别输入到4个多功能集成SOC芯片，再由多功能集成SOC芯片等分成4路，输送到TR收发芯片进行功率放大，最后输出到天线端口。

接收时，信号由天线端口输入，经TR收发芯片的低噪声放大后输入到多功能集成SOC芯片，经驱动放大、移相和衰减后，4路合成1路，由SMP总端口输出，在子阵上再进行4路合成，由子阵的总端口输出。

收发通道模块包括16路收发通道，按照每四通道进行分区设计，发射信号经过输入功率分配网络后进入到多功能集成SOC芯片，分配成4通道进行移相、衰减和驱动放大，最后通过TR收发芯片实现最终的功率输出。接收通道信号进入模块后，通过TR收发芯片进行放大，然后进入多功能集成SOC芯片实现4通道合一输出，最后通过功率分配网络输出。

TR组件内部的三部分间存在大量的电源和控制互联接口，为减少互联接口，将TR组件的射频部分分为四个区域，并将每个区域的四个通道分为四个位号（1、2、3、4），校准模式时，每个区域同号位的TR收发芯片工作，其它位号的TR收发芯片断电。

控制模块接收来自上级母板的波控指令，完成波控指令解析、通过SPI协议对多功能芯片进行幅度和相位的读写。在这样的工作模式下，TR模块包括4个多功能集成SOC芯片区域，各区域块并行控制，每个区域的4个通道串行读写。这样，波控指令很快的得到执行。

整个TR组件共用时钟信号、片选信号、锁存信号和收发开关信号，每个通道的控制数据采用并行收发方式，实现高速的相位和幅度控制以及每个通道多功能芯片上工作状态控制。

本发明的有益效果：

1、本发明采用“瓦片式”结构，射频通路采用垂直互联技术将整机输入和天线互联。整个相控阵天线由2*2 TR组件排列，整个阵列面积为75mm*75mm，减小了TR组件的体积。TR组件输入为1个SMP接口，通过KK与收发通道模块垂直互联， 再通过多层微波板1分16与SMP垂直互联。

2、本发明每个通道的相位控制、衰减控制、功率放大功能，选择硅基工艺的COMS来实现。充分利用CMOS集成度高、可数模混合集成的优势，将射频链路中的移相、衰减、驱动放大等功能电路以及数字控制和电源管理一体化集成，对射频通道的集成度大大提高，每个TR组件体积仅为37mm*37mm*18mm。

附图说明

图1为本发明64阵元布阵示意图。

图2为本发明TR组件组成框图示意图。

图3为本发明TR组件16通道收发子阵原理框图。

图4为本发明天线子阵中单元分区。

图5为本发明剖面结构结构图。

附图中：TR组件1、收发通道模块2、电源模块3、控制模块4、结构腔体5，电源板6，电源板腔体7，低频连接器8，控制板9，射频集成板10，天线腔体11，低频插针12，射频连接器13，屏蔽盖14。

具体实施方式

实施例1

一种毫米波64阵元瓦片式相控阵天线包括2*2 的TR组件1阵列，每个TR组件1子阵通道数为4*4，共64子阵通道；相控阵天线的通道间距由工作频率和天线扫描范围决定，本发明的发射天线通道间距为9.5mm。每个TR组件1包括收发通道模块2、电源模块3、控制模块4和结构腔体5，电源模块3与外部接口相连，电源模块3与控制模块4通过插针垂直互联，控制模块4与收发通道模块2通过金丝键合相连，3个模块依次平行放置。本发明采用“瓦片式”结构，射频通路采用垂直互联技术将整机输入和天线互联。整个相控阵天线由2*2 TR组件1排列，整个阵列面积为75mm*75mm，减小了TR组件1的体积。TR组件1输入为1个SMP接口，通过KK与收发通道模块2垂直互联， 再通过多层微波板1分16与SMP垂直互联。

实施例2

一种毫米波64阵元瓦片式相控阵天线，其特征在于：包括2*2 的TR组件1阵列，每个TR组件1子阵通道数为4*4，共64子阵通道；相控阵天线的通道间距由工作频率和天线扫描范围决定，本发明的发射天线通道间距为9.5mm。每个TR组件1包括收发通道模块2、电源模块3、控制模块4和结构腔体5，电源模块3与外部接口相连，电源模块3与控制模块4通过插针垂直互联，控制模块4与收发通道模块2通过金丝键合相连，3个模块依次平行放置。

收发通道模块2包括16个收发通道；每个收发通道模块2包括收发放大多功能电路、衰减移相放大多功能电路、电源控制电路、波控控制电路和功分器。收发放大多功能电路实现发射信号的功率放大，接收信号的低噪声放大和收发切换的功能；衰减移相放大多功能电路实现对组件的衰减、移相控制和信号放大；波控控制电路实现将波控机发出的高速串行数据转换成并行控制码，控制衰减移相电路；电源控制电路实现16个通道接收、发射电源单独可控；功分器实现16通道信号的功分或合成。

收发通道模块2为一块射频集成板10，包括多通道多功能集成SOC芯片、射频通道馈电网络、控制和电源馈线网络，射频集成板10由多层微波板设计，多层微波板为射频集成板10与FR4混压结构，集成射频通道馈电网络、控制和电源馈线网络，多功能集成SOC芯片与多层微波板由金丝键合方式互联。

电源模块3中器件主要为LDO和DC-DC，实现输入电源转换，转换成TR组件1内部所需电源。

控制模块4中器件主要为FPGA，实现与波控母板的SPI通信，根据波控母板指令，控制每个通道的工作状态。

收发通道模块2包括4个多功能集成SOC芯片，分别驱动16个TR收发芯片，由波控子板实现幅度相位控制、收发电源控制和工作模式切换，每个通道包含末级功率放大、接收低噪声放大、收发驱动放大、收发移相、接收衰减、收发开关和模式切换开关功能，其中TR收发芯片集成末级功放、接收低噪放、收发开关和模式选择开关，多功能集成SOC芯片集成收发移相、接收衰减、收发开关和收发驱动放大。

结构腔体5包括电源板腔体7和天线腔体11两部分；电源模块3包括电源板6及低频连接器8；控制模块4包括控制板9和低频插针12；收发通道模块2包括射频集成板10、射频连接器13、屏蔽盖14；电源板6装在电源板腔体7中，通过低频连接器8与外部连接，控制板9与射频集成板10装在天线腔体11中，电源板6与控制板9通过低频插针12实现互联，射频集成板10与射频连接器13垂直互联，通过天线实现信号的收发，这样设计瓦片式结构可以大大减小TR组件1的体积。电源板6上设置有电源板6上器件，控制板9上设置有控制板9上器件。

发射时，信号由公共端口输入到16通道子阵，经1分4功分器等分成4路，分别输入到4个多功能集成SOC芯片，再由多功能集成SOC芯片等分成4路，输送到TR收发芯片进行功率放大，最后输出到天线端口。

接收时，信号由天线端口输入，经TR收发芯片的低噪声放大后输入到多功能集成SOC芯片，经驱动放大、移相和衰减后，4路合成1路，由SMP总端口输出，在子阵上再进行4路合成，由子阵的总端口输出。

收发通道模块2包括16路收发通道，按照每四通道进行分区设计，发射信号经过输入功率分配网络后进入到多功能集成SOC芯片，分配成4通道进行移相、衰减和驱动放大，最后通过TR收发芯片实现最终的功率输出。接收通道信号进入模块后，通过TR收发芯片进行放大，然后进入多功能集成SOC芯片实现4通道合一输出，最后通过功率分配网络输出。

如图4所示，TR组件1内部的三部分间存在大量的电源和控制互联接口，为减少互联接口，将TR组件1的射频部分分为四个区域，分别为区域1、区域2、区域3和区域4，并将每个区域的四个通道分为四个号位，分别为1号位、2号位、3号位和4号位，校准模式时，每个区域同号位的TR收发芯片工作，其它号位的TR收发芯片断电。

控制模块4接收来自上级母板的波控指令，完成波控指令解析、通过SPI协议对多功能芯片进行幅度和相位的读写。在这样的工作模式下，TR模块包括4个多功能集成SOC芯片区域，各区域块并行控制，每个区域的4个通道串行读写。这样，波控指令很快的得到执行。

整个TR组件1共用时钟信号、片选信号、锁存信号和收发开关信号，每个通道的控制数据采用并行收发方式，实现高速的相位和幅度控制以及每个通道多功能芯片上工作状态控制。

本发明采用“瓦片式”结构，射频通路采用垂直互联技术将整机输入和天线互联。整个相控阵天线由2*2 TR组件1排列，整个阵列面积为75mm*75mm，减小了TR组件1的体积。TR组件1输入为1个SMP接口，通过KK与收发通道模块2垂直互联， 再通过多层微波板1分16与SMP垂直互联。

本发明每个通道的相位控制、衰减控制、功率放大功能，选择硅基工艺的COMS来实现。充分利用CMOS集成度高、可数模混合集成的优势，将射频链路中的移相、衰减、驱动放大等功能电路以及数字控制和电源管理一体化集成，对射频通道的集成度大大提高，每个TR组件1体积仅为37mm*37mm*18mm。

相控阵天线的通道间距由工作频率和天线扫描范围决定，本项目的发射天线通道间距只有9.5mm，要在如此小的空间中实现每个通道独立的相位控制、衰减控制和功率放大，对射频通道的集成度有相当高的要求，本方案选择基于硅基工艺的CMOS来实现多功能一体化集成，充分利用CMOS集成度高、可数模混合集成的优势，将射频链路中的移相、衰减、驱动放大等功能电路以及数字控制和电源管理一体化集成。

4×4子阵TR组件1，通道单元间距为9.5mm，相邻的四个通道采取TR收发芯片和四合一多功能芯片密布方式，采用微组装工艺装配，提高通道间隔离度。四个多功能芯片合成后，通过一个SMP总端口与整机实现射频互联。TR模块每个通道的幅度和相位控制采用串行控制方式，收发电源采用栅压调制方式控制，通过左右两侧的金丝键合焊盘与波控子板互联。

本方案在射频集成板10有限的空间中集成16个通道的所有射频链路，每个通道的芯片都需要独立的电源供电、幅相控制和电源管理，因此微波多层板上的信号种类多样，线路密集，需要充分进行分类、分层设计，优化电磁兼容性能，简化控制和电源互联接口。将多层微波板中的射频信号层、电源层和控制层分层设计，射频链路周围用接地孔进行充分的电磁屏蔽。控制层中的时钟单路走线，并进行屏蔽，避免对其它信号的干扰。在射频芯片周围采用电容进行电磁滤波。

本方案采取每个四个通道的TR收发芯片集中放置的方式布局，在空间隔离上，将四个通道一起采用屏蔽腔进行隔离，确保总端口与每个通道端口间的空间隔离，射频集成板10内部采用地孔进行电磁屏蔽。

TR组件1中芯片控制接口及电压接口通过射频集成板10各一排焊盘金丝键合的方式与控制板9间互联来实现。