相控阵天线的多波束叠层组件的制作方法

1.本发明涉及毫米波天线领域，具体涉及一种相控阵天线的多波束叠层组件。


背景技术：

2.随着高低轨卫星互联网的快速发展，毫米波相控阵作为终端的重要组成部分，要求在部分应用场景能够支持2个及2个以上波束，实现多星无缝接换和多接入传输。
3.传统的多波束相控阵天线可以采用多个单波束阵列进行拼接实现多波束功能，但系统的体积、重量、功耗和成本成比例增加，无法适用于未来终端相控阵小型化、通用化、低成本的要求。也可以采用砖式共口径多波束架构，通过采用微组装实现高密度集成，但整体尺寸和重量大，成本高，不易于大批量的快速制造。
4.瓦式相控阵天线架构由于采用器件电路布局平行于与天线面的方式，具有剖面低、易于与平台集成共形等特点。目前采用较多的瓦式架构是采用pcb工艺将天线阵列、网络以及射频有源电路进行一体化压合，然后将硅基多功能芯片在底面进行贴片。这种架构主要用于单波束相控阵，将其用于多波束还存在以下限制：(1)一体化加工架构下多波束造成pcb厚度增加，造成布板难度急剧增加，同时工艺实现增加甚至无法加工；(2)一体化加工架构多波束pcb板电路的成本大幅增加，无法适用于终端相控阵低成本的要求；(3)一体化加工架构优化升级难，不得不整体改板投板，造成研发周期和成本大幅增加。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明旨在提出一种相控阵天线的多波束叠层组件，在满足低成本、小型化和一体化的前提下，解决了相控阵多波束设计与制造难题，提升了产品优化升级的灵活性和通用性，实现了不同需求产品快速定制开发。
6.本发明实施例提供一种相控阵天线的多波束叠层组件，所述相控阵天线的多波束叠层组件包括依次连接的天线层、第一中间层、第二中间层和射频芯片层，其中，所述第一中间层和所述第二中间层的其中之一为控制与电源网络层，另一为射频网络层，所述天线层、所述第一中间层、所述第二中间层和所述射频芯片层之间通过馈电线路电连接，所述第一中间层、所述第二中间层和所述射频芯片层之间还通过电源线路和控制线路电连接，所述射频网络层与所述射频芯片层之间还通过功合网络线路电连接。
7.根据本发明的一个优选实施例，所述控制与电源网络层包括电源网络层、控制网络层、第一馈电过孔、第一电源过孔和第一控制过孔；所述第一馈电过孔电连接所述电源网络层和所述控制网络层，所述第一馈电过孔一端与所述天线层电连接，另一端与所述射频网络层或者所述射频芯片层电连接；所述第一电源过孔电连接所述电源网络层与所述射频网络层或者所述射频芯片层；所述第一控制过孔电连接所述控制网络层与所述射频网络层或者所述射频芯片层。
8.根据本发明的一个优选实施例，所述射频网络层包括接地屏蔽层、第二馈电过孔、第二电源过孔、第二控制过孔、功合网络过孔和波束功合网络层；所述第一馈电过孔电连接
所述接地屏蔽层和所述波束功合网络层，所述第二馈电过孔一端与所述天线层或者所述控制与电源网络层电连接，另一端与所述控制与电源网络层或者所述射频芯片层电连接；所述第二电源过孔电连接所述接地屏蔽层和所述波束功合网络层，所述第二电源过孔一端与所述天线层或者所述控制与电源网络层电连接，另一端与所述控制与电源网络层或者所述射频芯片层电连接；所述第二控制过孔电连接所述接地屏蔽层和所述波束功合网络层，所述第二控制过孔一端与所述天线层或者所述控制与电源网络层电连接，另一端与所述控制与电源网络层或者所述射频芯片层电连接。
9.根据本发明的一个优选实施例，所述第一中间层为所述控制与电源网络层，所述第二中间层为所述射频网络层；所述第一馈电过孔的顶端与所述天线层的馈电点焊盘bga植球焊接，所述第一馈电过孔的底端与所述第二馈电过孔的顶端bga植球焊接，所述第一馈电过孔的中部穿经且电连接所述电源网络层和所述控制网络层，所述第二馈电过孔的底端与所述射频芯片层的馈电管脚bga植球焊接，所述第二馈电过孔的中部穿经且电连接所述接地屏蔽层和至少两个所述波束功合网络层；所述第一电源过孔的顶端电连接在所述电源网络层，所述第一电源过孔的底端与所述第二电源过孔的顶端bga植球焊接，所述第二电源过孔的底端与所述射频芯片层的电源管脚bga植球焊接，所述第二电源过孔的中部穿经且电连接所述接地屏蔽层和至少两个所述波束功合网络层；所述第一控制过孔的顶端电连接在所述控制网络层，所述第一控制过孔的底端与所述第二控制过孔的顶端bga植球焊接，所述第二控制过孔的底端与所述射频芯片层的控制管脚bga植球焊接，所述第二控制过孔的中部穿经且电连接所述接地屏蔽层和至少两个所述波束功合网络层；所述功合网络过孔的顶端电连接在所述波束功合网络层，所述功合网络过孔的底端与所述射频芯片层的公共射频端bga植球焊接，所述功合网络过孔的中部穿经且电连接所述接地屏蔽层和至少两个所述波束功合网络层。
10.根据本发明的一个优选实施例，所述第一馈电过孔顶端具有用于与所述天线层的第一馈电焊盘电连接的第一馈电植球，所述第一馈电过孔的底端具有用于与所述第二馈电过孔的顶端的第二馈电焊盘电连接的第二馈电植球，所述第二馈电过孔的底端具有用于与所述射频芯片层电连接的第三馈电植球；所述第一电源过孔的底端具有用于与所述第二电源过孔的顶端的电源焊盘电连接的第一电源植球，所述第二电源过孔的底端具有用于与所述射频芯片层电连接的第二电源植球；所述第一控制过孔的底端具有用于与所述第二控制过孔的顶端的控制焊盘电连接的第一控制植球，所述第二控制过孔的底端具有用于与所述射频芯片层电连接的第二控制植球；所述功合网络过孔的底端具有用于与所述射频芯片层电连接的功合网络植球。
11.根据本发明的一个优选实施例，所述相控阵天线的多波束叠层组件还包括结构冷板，所述天线层、所述第一中间层、所述第二中间层和所述射频芯片层一体化集成后与所述结构冷板连接、
12.根据本发明的一个优选实施例，所述天线层、所述第一中间层和所述第二中间层均通过微波pcb独立制造，所述天线层、所述第一中间层和所述第二中间层采用多层pcb叠层及压合工艺成型。
13.根据本发明的一个优选实施例，所述天线层包括至少一个天线模块，每个所述天线模块均包括多个天线阵元。
14.根据本发明的一个优选实施例，所述射频芯片层包括多个多功能射频芯片以及匹配电路，其中，所述多功能射频芯片为多波束芯片且支持至少两个波束成形，适于至少一个发射芯片和至少一个接收芯片。
15.根据本发明的一个优选实施例，所述波束功合网络层采用威尔金森功分器用于发射网络和接收网络。
16.本发明实施例的相控阵天线的多波束叠层组件采用标准架构，在满足低成本、小型化和一体化的前提下，将天线层、控制与电源网络层、射频网络层等模块化处理，分别单独pcb独立制造，形成各个功能模块，根据多波束相控阵设计需求，通过bga植球焊接，实现多波束相控阵天线。其中天线层、控制与电源网络层、射频网络层分别单独加工，pcb厚度大大降低，布板难度大幅降低，工艺成本大幅降低，研发周期短，可在不改变整体架构设计的前提下，实现多波束相控阵天线，同时便于后期产品模块升级或者产品维修，提升了产品优化升级的灵活性和通用性，实现了不同需求产品快速定制开发。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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例，对于本领域普通技术人员来讲，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。
18.图1为本发明实施例的相控阵天线的多波束叠层组件的结构示意图；
19.图2为本发明实施例的控制与电源网络层的结构示意图；
20.图3为本发明实施例的射频网络层的结构示意图。
具体实施方式
21.此说明书实施方式的描述应与相应的附图相结合，附图应作为完整的说明书的一部分。在附图中，实施例的形状或是厚度可扩大，并以简化或是方便标示。再者，附图中各结构的部分将以分别描述进行说明，值得注意的是，图中未示出或未通过文字进行说明的元件，为所属技术领域中的普通技术人员所知的形式。
22.此处实施例的描述，有关方向和方位的任何参考，均仅是为了便于描述，而不能理解为对本发明保护范围的任何限制。以下对于优选实施方式的说明会涉及到特征的组合，这些特征可能独立存在或者组合存在，本发明并不特别地限定于优选的实施方式。本发明的范围由权利要求书所界定。
23.如图1所示，是本发明实施例的相控阵天线的多波束叠层组件的结构示意图。所述相控阵天线的多波束叠层组件包括依次连接的天线层1、第一中间层2、第二中间层3和射频芯片层4，其中，第一中间层2和第二中间层3的其中之一为控制与电源网络层，另一为射频网络层，天线层1、第一中间层2、第二中间层3和射频芯片层4之间通过馈电线路电连接，第一中间层2、第二中间层3和射频芯片层4之间还通过电源线路和控制线路电连接，射频网络层与射频芯片层4之间还通过功合网络线路电连接。
24.如图1所示，在本实施例中，以第一中间层2为控制与电源网络层、第二中间层3为射频网络层为例进行说明。然应理解，本领域技术人员可以在不付出创造性劳动的情况下，
调换控制与电源网络层(即第一中间层2)和射频网络层(即第二中间层3)的顺序，得到功能和功效相同的相控阵天线的多波束叠层组件。
25.如图1所示，在本实施例中，天线层1包括至少两个天线模块(未图示)，每个天线模块包括多个天线阵元。天线阵元可以采用微带、带线、阵子或波导等形式实现。
26.如图2所示，在本实施例中，控制与电源网络层(即第一中间层2)包括电源网络层21、控制网络层22、第一馈电过孔23、第一电源过孔24和第一控制过孔25。其中，控制网络层22的数量可以为多个，本实施例以三个为例。电源网络层21与至少一个控制网络层22的两两之间均设置有gnd接地层，同时，电源网络层21、控制网络层22和所述gnd接地层之间均可以填充有介质层(未标示于图中)。
27.如图2和图3所示，在本实施例中，控制与电源网络层还具有位于最顶端的顶面焊接层20，以及位于最底端的底面焊接层26，gnd接地层、电源网络层21以及控制网络层22均位于所述顶面焊接层20和所述底面焊接层26之间。第一馈电过孔23的顶端位于所述顶面焊接层20，且第一馈电过孔23在顶端具有第一馈电植球231，用于与天线层1的第一馈电焊盘(未图示)电连接。第一馈电过孔23的中部穿经gnd层、电源网络层21和(至少一个)控制网络层22，且电连接gnd层、电源网络层21和(至少一个)控制网络层22。第一馈电过孔23的底端位于所述底面焊接层26，且第一馈电过孔23在底端具有第二馈电植球232，用于与射频网络层(即第二中间层3)的第二馈电过孔33的第二馈电焊盘331电连接。
28.其中，电源网络层21可以为单层电源网络，也可以为多层电源网络。控制网络层22可以为单层控制网络，也可以为多层控制网络。
29.如图2和图3所示，在本实施例中，第一电源过孔24的顶端位于电源网络层21，第一电源过孔24的底端位于底面焊接层26。第一电源过孔24的中部穿经(至少一个)控制网络层22，且电连接电源网络层21与(至少一个)控制网络层22。第一电源过孔24在底端具有第一电源植球241，用于与射频网络层(即第二中间层3)的第二电源过孔34的电源焊盘341电连接。
30.如图2和图3所示，在本实施例中，第一控制过孔25的顶端位于控制网络层22，具体来讲，当控制网络层22具有多个时，第一控制过孔25也具有多个，多个控制网络层22与多个第一控制过孔25一一对应，每个第一控制过孔25的顶端均位于对应的控制网络层22。第一控制过孔25的底端位于底面焊接层26，且第一控制过孔25在底端具有第一控制植球251，用于与射频网络层(即第二中间层3)的第二控制过孔35的控制焊盘351电连接。
31.如图2和图3所示，在本实施例中，射频网络层(即第二中间层3)包括位于顶部的gnd+引线焊盘(层)、位于底部的gnd+芯片焊盘(层)和位于中间的波束功合网络层31与接地屏蔽层32，及第二馈电过孔33、第二电源过孔34、第二控制过孔35和功合网络过孔36。
32.如图3所示，在本实施例中，波束功合网络层31包括三个波束成型网络，分别为波束1成型网络、波束2成型网络和波束3成型网络，在其他的可选实现方式中，波束功合网络层31包括至少两个波束成型网络。且每两个相邻的波束成型网络之间可以设置有gnd接地层，以及射频网络层3每两个相邻的内层之间均可以设置有介质层(未标示于图中)。
33.如图2和图3所示，在本实施例中，第二馈电过孔33的顶端位于顶部gnd+引线焊盘(层)，第二馈电过孔33的顶端具有第二馈电焊盘331，用于与第二馈电植球232电连接。第二馈电过孔33的中部穿经波束功合网络层31和接地屏蔽层32，且电连接波束功合网络层31和
接地屏蔽层32。第二馈电过孔33的底端位于底部gnd+芯片焊盘(层)，第二馈电过孔33的底端具有第三馈电植球332，用于与射频芯片层4的馈电管脚(未图示)电连接。
34.如图2和图3所示，在本实施例中，第二电源过孔34的顶端位于顶部gnd+引线焊盘(层)，第二电源过孔34的顶端具有电源焊盘341，用于与第一电源植球241电连接。第二电源过孔34的中部穿经波束功合网络层31和接地屏蔽层32，且电连接波束功合网络层31和接地屏蔽层32。第二电源过孔34的底端位于底部gnd+芯片焊盘(层)，第二电源过孔34的底端具有第二电源植球342，用于与射频芯片层4的电源管脚(未图示)电连接。
35.如图2和图3所示，在本实施例中，第二控制过孔35的顶端位于顶部gnd+引线焊盘(层)，第二控制过孔35的顶端具有控制焊盘351，用于与第一控制植球251电连接。第二控制过孔35的中部穿经波束功合网络层31和接地屏蔽层32，且电连接波束功合网络层31和接地屏蔽层32。第二控制过孔35的底端位于底部gnd+芯片焊盘(层)，第二控制过孔35的底端具有第二控制植球352，用于与射频芯片层4的控制管脚(未图示)电连接。
36.如图2和图3所示，在本实施例中，功合网络过孔36的数量与波束功合网络层31的波束形成网络数量相对应，每个功合网络过孔36的顶端位于对应的波束形成网络层上，例如在本实施例中有三组。功合网络过孔36的底端位于底部gnd+芯片焊盘(层)，功合网络过孔36的底端具有功合网络植球361，用于与射频芯片层4的公共射频端管脚(未图示)连接。
37.在本实施例中，植球(包括第一馈电植球231、第二馈电植球232、第一电源植球241、第一控制植球251、第三馈电植球332、第二电源植球342和第二控制植球352)与焊盘(包括第一馈电焊盘、第二馈电焊盘331、电源焊盘341、控制焊盘351和射频芯片层4上各管脚焊盘)的连接是bga植球焊接。然这不用于限制本实施例，在其他的可选实现方式中，天线层1、第一中间层2、第二中间层3和射频芯片层4之间的连接还可以是本领域其他方式，例如lga焊接等。同时，还应理解，即使在本实施例中，植球与焊盘也可以互换，例如在第二馈电植球232的位置替代设置有焊盘，在第二馈电焊盘331的位置替代设置相对应的植球焊点，以上均属于本发明实施例的范畴。
38.在本实施例中，波束功合网络层31采用威尔金森功分器，可以作为发射网络，也可以作为接收网络。波束功合网络层31通过接地屏蔽层32进行隔离，提高与波束功合网络层31之间的隔离度。
39.在本实施例中，射频芯片层4包括多个多功能射频芯片(未图示)以及匹配电路。其中，所述多功能射频芯片为多波束芯片且支持至少两个波束成形，可以为多波束单片集成芯片，也可以为多片分立芯片通过封装工艺集成后的芯片系统。多功能射频芯片可以作为接收芯片，也可以作为发射芯片，还可以为若干接收和发射芯片的组合。
40.在本实施例中，天线层1、第一中间层2和第二中间层3均通过微波pcb独立制造，天线层1、第一中间层2和第二中间层3采用多层pcb叠层及压合工艺成型，天线层1、第一中间层2和第二中间层3采用回流焊焊接。然应理解，这并不用于限制本实施例，以上工艺可以替换为本领域其他常见的可替代方式。
41.如图1所示，在本实施例中，相控阵天线的多波束叠层组件还包括结构冷板5，结构冷板5可以采用均热板、热管或散热片等形式。天线层1、第一中间层2、第二中间层3和射频芯片层4一体化集成后，整体固定到结构冷板5上。优选地，射频芯片层4与结构冷板5之间通过导热界面材料如导热硅胶垫实现良好热接触。
42.本发明实施例的相控阵天线的多波束叠层组件采用标准架构，在满足低成本、小型化和一体化的前提下，解决了相控阵多波束设计与制造难题，提升了产品优化升级的灵活性和通用性，实现了不同需求产品快速定制开发。
43.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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。