一种W波段数字有源天线阵列的制作方法

一种w波段数字有源天线阵列
技术领域
1.本发明涉及天线与微波技术领域，尤其涉及一种w波段数字有源天线阵列。


背景技术：

2.w波段是毫米波大气窗口之一，其频率介于微波和光之间，兼有微波和红外的优点，在许多领域有着广阔的应用前景。为获得更高功率孔径积以及更为灵活的波束特性，有源相控阵体制成为在这类电子系统中满足需求的天线体制首选。根据天线波束扫描范围需求，基于阵列天线扫描无栅瓣设计限制约束，单个天线单元所占用的孔径尺寸通常被限制在工作频率的半波长到一个波长之间。这使得对每个阵列天线单元及其所连接的有源收发通道而言，需要在半个波长左右的范围内进行集成，这对于毫米波有源阵列的实现构成了较大的挑战。传统上有源毫米波阵列多采用分立器件设计，包含滤波器、功分器、混频器、adc、dac等诸多分立部件，系统设计比较复杂，电路规模比较庞大，频段越高，对有源电路的集成度要求越高。对于e/w波段的电磁波而言，由于其波长较短(如e频段约为4-5mm、w波段为3mm以下)，在如此狭小的空间内，难以实现有源化或数字化。因此，目前的研究均基于体积较为庞大的有源阵列原型样机上进行，距离工程应用及商业化尚有较大差距。(如：张慧，微波毫米波阵列成像关键技术研究，东南大学，2016；庞影影，w波段贴片天线及其阵列研究，中国科学技术大学，2020)。
3.w波段电磁波的波长较短，其天线阵列尺寸较小，相应有源收发通道的面积受限，使其难以实现有源化，更难实现数字化。因此需要设计一种能够满足有源话和数字化的天线阵列。


技术实现要素：

4.为解决现有的技术问题，本发明提供了一种w波段数字有源天线阵列。
5.本发明的具体内容如下：一种w波段数字有源天线阵列，包括毫米波子阵板、底板以及信号处理单元；毫米波子阵板包含多通道贴片天线阵列和有源电路，有源电路包括w波段tr芯片和上下变频芯片；底板包含低频连接器、二次电源及以及相应的本振及中频接口；
6.射频输入信号经过底板的接口输入，过渡到毫米波子阵板，再进入变频芯片实现上下变频，最后经过tr芯片、天线阵列后，实现w波段信号收发；底板的低频接口与信号处理单元相连，信号处理单元产生的控制及供电信号经过底板后接入毫米波子阵板。
7.进一步的，底板上开设凹槽，毫米波子阵板嵌入凹槽中，毫米波子阵板的上表面凸出于底板的上表面，信号处理单元设置于数字板中，底板与数字板之间通过软排线互联，软排线传输数字控制信号及供电。
8.进一步的，毫米波子阵板包含串馈贴片天线阵列，天线均沿边放置，后续有源电路所占宽度不超过天线阵列宽度。
9.进一步的，底板采用fr4板材，毫米波子阵板为ltcc材质，毫米波子阵板通过导电胶或者大面积焊锡粘连嵌入凹槽中。
10.进一步的，w波段芯片集成了模拟混频、滤波、数字移相、衰减功能，支持脉冲信号模式和调频连续波信号。
11.进一步的，w波段tr芯片支持主从工作模式，毫米波前端可以支持单前端同步及多前端同步功能；
12.单前端工作时，毫米波发射芯片设置为主芯片，其余毫米波芯片均设置为从芯片；
13.多前端工作时，其中一个毫米波前端的发射芯片设置为主芯片，其余所有毫米波收发芯片设置为从芯片；系统时钟由主芯片产生，送至信号处理单元后完成分路，分别送给各从芯片、信号处理单元内部的时序逻辑器件、本振源，作为系统时钟；系统本振由主芯片产生，通过射频电缆送至外部本振源完成放大、滤波、功分后，传递给各个毫米波收发芯片，达到本振同步。
14.进一步的，在多前端组成更大规模相控阵系统时，可将信号处理单元输出的时钟信号作为参考时钟，送至外部本振源，产生多路相参的本振信号，送至多个毫米波前端。
15.进一步的，每个毫米波子阵的电路形式一样，不同数量的子阵可灵活组合，形成不同规模的阵面，各子阵之间通过同步电路保证全系统的时钟、本振、数据同步。
16.进一步的，多个信号处理单元可级联工作，在上位机中完成最后的信号处理。
17.本发明的w波段数字有源天线阵列，基于高度集成的国产化w波段芯片(包含收发芯片及变频芯片)，设计了小型化的w波段数字有源阵列。同时采取可扩展有源子阵设计理念，通过数目不等的毫米波子阵的组合，可以满足不同场景下对阵列通道数目的要求，即可以实现mimo或者相控阵工作模式，可以显著提高系统的灵活性和通用性。
附图说明
18.下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步阐明。
19.图1为本发明的w波段有源数字阵列的构成示意图；
20.图2为w波段毫米波子阵板原理图；
21.图3为毫米波tr芯片原理图；
22.图4为毫米波变频芯片原理图；
23.图5为底板与毫米波子阵板安装示意图；
24.图6为多个毫米波子阵扩展示意图；
25.图7为多块板卡级联的示意图。
具体实施方式
26.参照图1，本发明提供一种16通道的w波段有源数字阵列，包含毫米波子阵板、底板以及信号处理单元。毫米波子阵板厚度为1.6mm，采用ltcc(低温烧结陶瓷)材质制作，保证了平整度。底板采用fr4板材，底板上开深度为1.2mm的凹槽，毫米波子阵板嵌入凹槽中，通过导电胶或者大面积焊锡粘连，毫米波子阵板的上表面凸出于底板的上表面，两板的上表面具有0.2mm左右的高度差，信号处理单元位于数字板；底板与数字板之间通过软排线互联，软排线传输数字控制信号及供电。一个信号处理单元可支持最高10个毫米波子阵。
27.参照图2，毫米波子阵板,包含串馈贴片天线阵列以及有源毫米波电路部分，共16个收发复用的天线单元。为便于子阵的可扩展性，天线均沿边放置。后续有源通道电路所占
宽度不超过天线阵列宽度。有源电路主要由两个国产的8通道w波段tr芯片以及一个w波段变频芯片组成。
28.参照图3、图4，w波段芯片集成了模拟混频、滤波、数字移相、衰减等功能(通过在市面上的芯片中增加移相模块实现)，可以支持脉冲信号模式和调频连续波信号，其最大信号带宽为4ghz。兼容分时收发、单发/单收的工作模式。w波段收发芯片支持主从工作模式，可以实现多片级联工作，具备可扩展性。
29.参照图5，毫米波子阵板嵌入底板的凹槽中，利用大面积焊锡或者导电胶粘连。毫米波子阵板上的射频信号及控制、供电信号，通过金丝/金带键合的方式与底板互联。为便于子阵的可扩展性，天线均沿边放置。后续有源通道电路所占宽度不超过天线阵列宽度。
30.底板包含低频及供电连接器，电源器件及以及相应的本振及中频接口(smp)，中频及本振信号由外部输入，分别为5-6ghz和10.5-12ghz；射频输入信号经过底板上的smp接口输入，经过底板上微带线后，通过金丝键合的方式过渡到毫米波子阵板上，最后进入变频芯片实现上下变频，最后经过tr芯片、天线阵列后，实现w波段信号收发。底板上包含低频及供电接口，通过软排线和信号处理单元相连。信号处理单元产生的控制及供电信号经过底板后，通过金丝/金带键合的方式接入毫米波子阵板。
31.参照图6，多个毫米波子阵板可以组合成更大规模的天线阵列，具有可扩展性。每个毫米波子阵的电路形式一样，不同数量的子阵可灵活组合，形成不同规模的阵面，各子阵之间通过同步电路保证全系统的时钟、本振、数据同步。本发明所提供的毫米波前端可以支持单前端同步及多前端同步功能。毫米波收发芯片可以设置为主、从两种模式。单前端工作时，毫米波发射芯片设置为主芯片，其余毫米波芯片均设置为从芯片；多前端工作时，其中一个毫米波前端的发射芯片设置为主芯片，其余所有毫米波收发芯片设置为从芯片。系统时钟由主芯片产生，送至信号处理单元后完成分路，分别送给各从芯片、信号处理单元内部的时序逻辑器件、本振源，作为系统时钟。系统本振由主芯片产生，通过射频电缆送至外部本振源完成放大、滤波、功分后，传递给各个毫米波收发芯片，以达到本振同步的目的。同时，在多前端组成更大规模相控阵系统时，也可以将信号处理单元输出的时钟信号作为参考时钟，送至外部本振源，以产生多路相参的本振信号，送至多个毫米波前端，达到更大规模相控阵系统本振相参的目的。
32.参照图7，本发明所提供的信号处理单元包含fpga、arm、sfp+光电转换模块、ddr、flash等时序器件，多块板卡可以通过sfp+光口或者千兆以太网口连接至pc机，实现多个大规模阵列的级联工作，进一步增强了数字阵列的可扩展性。针对不同的应用，通过不同规模的数字子阵组合，可以实现规模大小不同的w波段数字有源阵列，同时可以将整个系统灵活配置为mimo模式或者相控阵模式。多个信号处理平台也可以级联工作，进一步提高了毫米波阵列的可扩展性。
33.本发明作为一种w波段数字有源天线阵列，该方法基于高度集成的国产化w波段芯片(包含收发芯片及变频芯片)，设计了小型化的w波段数字有源阵，由毫米波子阵板、底板以及信号处理单元组成。基于国产w波段芯片，毫米波子阵具有小型化和高集成度的特点，其有源收发电路尺寸与天线阵列尺寸相当。该w波段数字有源阵列可以实现子阵级的数字化收发，信号带宽最大可以达到4ghz，支持脉冲收发、单收、单发等多种工作模式。多个毫米波子阵与信号处理单元之间可以自由组合，形成不同规模的毫米波阵列。同时通过主从芯
片的设置，达到全系统数据、时钟、本振同步的目的。通过信号处理单元，该数字有源阵列可以配置成mimo工作模式和相控阵工作模式，灵活度和通用性比较高，在异物检测、安检成像、汽车/直升机防撞等诸多领域有重要的应用价值。
34.在以上的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是以上描述仅是本发明的较佳实施例而已，本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受上面公开的具体实施的限制。同时任何熟悉本领域技术人员在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。