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射频百花潭|毫米波多通道收发电路与和差网络一体化集成技术


摘要
【射频百花潭|毫米波多通道收发电路与和差网络一体化集成技术】相控阵天线的收发组件与和差网络通常是两个独立的模块 ， 模块间通过接插件进行电连接 ， 成本较高且集成度低 。 文中提出了毫米波多通道收发电路与和差网络一体化集成技术 ， 将多通道收发组件与和差网络高密度集成在同一介质基板(PCB)上 ， 芯片贴装界面与和差网络在不同层 ， 射频和低频电路通过介质板层间和层内走线完成 。 最后制作 8×16 阵列进行无源测试验证 ， 结果表明该一体化集成技术性能良好 ， 具有小型化、轻量化、一体化高密度集成、制作成本低等特点 ， 可广泛用于毫米波瓦式相控阵天线 。
引言
随着无线通信技术的发展 ， 低频段的频谱已日益拥挤 ， 高质量、大容量无线通信设备要求通信频率不断提高 。 毫米波波长短、频带宽 ， 可以有效解决高速宽带无线接入面临的许多问题 ， 在短距离通信中有着广泛的应用前景 。
现代先进雷达和通信系统为了提高扫描速度和指向精度 ， 不仅将工作频段提升到毫米波频段 ， 同时摒弃了传统机械扫描平台 ， 采用相控阵天线 ， 实现了快速二维相控扫描 。 收发组件是相控阵系统的核心部分 ， 特别对于二维有源相控阵天线 ， 其集成水平决定了整个系统的性能与成本 。
目前 ， 国内外关于毫米波相控阵天线的文献很多 ， 相控阵天线的组成通常分为:天线阵面、收发组件模块、功分与和差网络、波控单元和电源等。 收发组件(包含收发电路与多功能芯片)与和差网络是相控阵天线的重要组成 。 收发组件用于完成相控阵天线收发状态下信号的放大和移相等 ， 功分与和差网络则完成信号的功率合成与分配 。 收发组件模块常常采用薄膜电路或 LTCC 工艺， 功分网络采用波导或者微带等形式。 通常 ， 相控阵天线中 ， 收发组件与和差网络分开设计为独立模块 ， 模块间的连接通过接插件对连形式实现互联 。 这种连接方式不仅增加了电路的复杂性和系统损耗 ， 且组装工序繁多 ， 上下互联耗费大量的接插件和辅材 ， 同时纵向尺寸较大 ， 不利于系统小型化、轻量化和一体化设计 。 随着相控阵天线在毫米波频段的发展 ， 小型化和紧凑型是相控阵天线的重要需求 ， 急需一种集成技术打破收发模块与和差网络之间的壁垒 ， 简化互联接口形式 ， 降低制作成本 ， 并从加工制造和工艺实现上找到切实可行的方法 。
1 设计原理
相控阵天线分为砖式相控阵和瓦式相控阵 ， 后者相对前者集成度更高 ， 纵向尺寸更小 ， 适合安装于空间比较受限的平台 。 图 1 所示为一般瓦式相控阵天线结构示意图 ， 图中 ， 天线阵面、收发组件与和差网络均为横向集成纵向垂直连接 ， 层间垂直互联通过接插件的上下导通实现电连接 。

射频百花潭|毫米波多通道收发电路与和差网络一体化集成技术
本文插图

图 1 瓦式相控阵天线结构示意图
为进一步提高瓦式相控阵天线结构的密度、令其体积更小 ， 我们采用高密度集成技术设计了其核心部件———收发组件与和差网络 ， 以便大幅降低纵向高度、缩减收发组件与和差网络之间互联所占用的空间 ， 此外 ， 优化了收发组件的低频控制和供电走线 ， 从而提高电路可靠性 。 如图 2 所示 ， 将多通道收发电路与和差网络设计在同一块印制板上 。 一方面 ， 放大器、移相器和功分网络的走线在同一层 ， 通过 PCB 板间的金属化过孔将射频信号向上向下联通;另一方面 ， 和差网络、收发电路控制、供电等低频信号也通过 PCB 多层板进行线路布局 。 最后 ， 将加工完成的一体化收发电路与和差网络的 PCB 多层板焊接在金属基板上 ， 通过毛纽扣等形式与天线阵面和波控等模块完成互联 。 同时 ， 考虑到移相器和放大器的工作需求 ， 上盖板预留空气腔 。
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