毫米波通信二維有源相控陣天線

藍(lán)海

【摘要】 本文圍繞瓦式毫米波通信二維有源相控陣天線的總體架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)和實(shí)現(xiàn)途徑等展開設(shè)計(jì)，在簡(jiǎn)要介紹國外相關(guān)技術(shù)和其它有關(guān)案例基礎(chǔ)上，根據(jù)總體設(shè)計(jì)出發(fā)提出瓦式相控陣天線的設(shè)想，包含模塊組成及技術(shù)實(shí)現(xiàn)的途徑，有一定的實(shí)際可操作性，當(dāng)然很多詳細(xì)設(shè)計(jì)需專題仿真，但設(shè)計(jì)思想可作為未來小型化高集成的瓦式二維毫米波相控陣天線技術(shù)的嘗試。

【關(guān)鍵詞】 瓦式 毫米波 相控陣 LTCC MMIC

Abstract：In this paper， the architecture， key technology and design methods of tile-type millimeter wave active phased array are provided. Based on the foreign technology， products and the systematic requirements， we introduces the tile-type architecture ， module partition and realization solution. Although some specific simulation works are still needed， the design methods is realizable and could be used on miniaturized， highly integrated tile-type millimeter-wave active phased array in the future.

Key words：tile； millimeter-wave； phased array； LTCC； MMIC

一、引言

通信頻段越來越高，毫米波頻段的通信應(yīng)用已經(jīng)有很大的需求，對(duì)高機(jī)動(dòng)和高價(jià)值平臺(tái)的衛(wèi)星通信對(duì)毫米波頻段二維有源相控陣天線提出迫切的需求。毫米波二維有源相控陣天線其特點(diǎn)是規(guī)模大，集成度高，要求設(shè)備小型化和適應(yīng)平臺(tái)安裝。

通常實(shí)現(xiàn)高密度集成二維有源相控陣天線，按電路組裝形式劃分，有兩種方式，如圖1所示：橫向集成縱向組裝（TILA-Transversely Integrated and Longitudinally Assembled），即“瓦式”；縱向集成橫向組裝（LITA-Longitudinally Integrated and Transversely Assembled），即“磚式”。

瓦式相控陣方式是將MMIC分布在與天線口徑面平行的平面內(nèi)，通過縱向的層疊組裝形成相控陣列。天線單元制作在第一層介質(zhì)上，MMIC在中間層，分布饋電網(wǎng)絡(luò)分布在更低層?？捎秒姶篷詈霞?lì)天線單元，這樣省去模塊和天線單元間的直接連接。下面給出國外典型的瓦式相控陣結(jié)構(gòu)圖和內(nèi)部連接關(guān)系，如圖2、圖3所示。

瓦式相控陣的結(jié)構(gòu)方式下，天線與T/R的射頻連接很關(guān)鍵，國外資料提供的方式如圖4、圖5、圖6所示。

瓦式相控陣的散熱有兩種：風(fēng)冷和液冷，對(duì)高密度和大規(guī)模的二維有源相控陣，液冷方式散熱效果最佳，如圖7所示。

二、總體架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)

設(shè)想的瓦式毫米波二維有源相控陣天線包括天線陣面、 TR組件、功分網(wǎng)絡(luò)和電源與波束控制組成。信號(hào)流程及連接關(guān)系圖如圖8所示：

瓦式毫米波二維有源相控陣天線涉及多學(xué)科多專業(yè)，技術(shù)難度大，有如下關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)：（1）相控陣總體技術(shù)：涉及總體架構(gòu)、模塊指標(biāo)分配以及系統(tǒng)功能完備性與可靠性等設(shè)計(jì)。（2）材料、結(jié)構(gòu)和工藝技術(shù)：涉及陶瓷、與陶瓷熱膨脹系數(shù)匹配的金屬材料以及防腐性金屬材料；LTCC和微波多層板以及各種焊接工藝。（3）高密度TR技術(shù)：涉及芯片技術(shù)和高低頻混合電路立體設(shè)計(jì)技術(shù)等。（4）高密度射頻和低頻互連技術(shù)：涉及與陣元數(shù)量相等的天線單元與TR的射頻高密度連接和成百上千路的低頻控制接口。（5）高密度熱集中的散熱技術(shù)：涉及毫米波頻段接近10W/cm2的熱密度，必須通過極低熱阻的熱傳導(dǎo)路徑來提高散熱效率。

三、實(shí)現(xiàn)途徑

3.1 天線實(shí)現(xiàn)

瓦式相控陣天線陣面可選擇微帶天線形式，可采用微波單層或多層板，以及LTCC形式的天線陣，用多層可實(shí)現(xiàn)輻射單元和饋電網(wǎng)絡(luò)一體化，如圖9所示。

3.2 TR組件實(shí)現(xiàn)

在瓦式毫米波二維有源相控陣中，TR組件的實(shí)現(xiàn)不是一個(gè)完全獨(dú)立的部分。為了滿足瓦式結(jié)構(gòu)的高密度，小體積集成要求，每一個(gè)TR組件單元都需要向上與天線陣列，向下與射頻饋線網(wǎng)絡(luò)和波控模塊進(jìn)行高效有機(jī)的融合。這其中包括饋線網(wǎng)絡(luò)及波控模塊與TR陣元的互聯(lián)，射頻移相、放大鏈路的高密度集成，TR單元與天線單元的射頻互聯(lián)等一系列關(guān)鍵設(shè)計(jì)。同時(shí)，作為電路功耗消耗密度很高的部分，在實(shí)現(xiàn)射頻性能的同時(shí)，還需要考慮有效的散熱。TR組件的結(jié)構(gòu)示意如圖10所示。

3.3 波束形成網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)

平面陣天線波束形成網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)途徑有兩種，一種是沿X向功分，后用Y向功分將其并聯(lián)，這種方式適合于磚式架構(gòu)的相控陣。另一種是X向和Y向同步擴(kuò)張的“工”字形網(wǎng)絡(luò)，瓦式架構(gòu)的相控陣就很適合這種網(wǎng)絡(luò)形式。這樣TR子陣是面子陣的形式，其子陣必然包含子陣及功分網(wǎng)絡(luò)，可在LTCC內(nèi)用內(nèi)埋式的帶狀線型功分網(wǎng)絡(luò)；全陣的功分網(wǎng)絡(luò)可采用包含散熱功能的波導(dǎo)功分網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。波束形成網(wǎng)絡(luò)的示意圖如圖11所示。

3.4 波控實(shí)現(xiàn)

瓦式相控陣天線的波控功能采用分布式波控方案實(shí)現(xiàn)，包含波控母板和波控計(jì)算板，波控母板采用FPGA實(shí)現(xiàn)對(duì)移相器控制或是DA芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)矢量調(diào)制器實(shí)現(xiàn)對(duì)4×4子陣各單元的移相碼或是IQ電壓的控制。波控計(jì)算單元可采用DSP配合FPGA實(shí)現(xiàn)相控陣波控碼的計(jì)算和分發(fā)功能。endprint

四、互連技術(shù)

瓦式相控陣天線核心技術(shù)，同時(shí)決定方案可實(shí)現(xiàn)性的關(guān)鍵是高密度的射頻和低頻互連技術(shù)。多天線單元與多TR組件的高密度射頻互連可采用同軸到同軸的觸碰連接（國外成熟產(chǎn)品），TR子陣與全陣波束形成網(wǎng)絡(luò)的射頻連接可采用微帶或帶狀線到波導(dǎo)過渡方式（毫米波互連的成熟技術(shù)）。波控母板到TR組件的低頻控制以及直流饋電的互連可采用基于LTCC模塊的BGA 、PGA 封裝或是國外成熟的觸碰式連接器?；谏鲜龈呙芏壬漕l和低頻互連技術(shù)，瓦式相控陣天線的組裝和拆卸非常方便，如圖12～15所示。

五、散熱及結(jié)構(gòu)工藝方式

5.1 散熱方案

相控陣天線總體主要發(fā)熱源為TR組件，接近10W/cm2的熱密度。散熱難點(diǎn)在于天線內(nèi)的空間很小，需要將熱量導(dǎo)出到其他地方通過擴(kuò)展表面積的方法來散熱。而熱量導(dǎo)出的效率較高的方式有熱管和液冷兩個(gè)手段。

熱管在嚴(yán)酷環(huán)境下國內(nèi)外鮮有成功工程經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)目前找到的資料僅發(fā)現(xiàn)在無人機(jī)上有使用環(huán)路熱管試驗(yàn)的資料；而液冷是比較成熟的工藝與技術(shù)，而在國內(nèi)很多工程項(xiàng)目中都有大量的實(shí)驗(yàn)和研究。

因此采用液冷和緊湊熱交換器解決相控陣天線的熱問題有較大的可行性。整個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)成分為熱端、冷端和驅(qū)動(dòng)及附件端。熱端主要為系統(tǒng)的TR組件和冷板，冷板位于TR組件下方，通過焊接過渡鎢銅或碳硅鋁板實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)連接、熱匹配及低熱阻的熱傳遞路徑，如圖16所示。

5.2 結(jié)構(gòu)工藝連接

由于天線的空間較小，一般螺裝方式難以實(shí)現(xiàn)連接，可通過配合較成熟的焊接等工藝。但是由于焊接器件多而復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)階梯焊需要合理設(shè)計(jì)安裝順序及溫度梯度，這也是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一。

瓦式相控陣的輻射陣面可通過壓接或焊接的方式與平板結(jié)構(gòu)件一體；TR組件可基于LTCC實(shí)現(xiàn)射頻和低頻饋線的立體設(shè)計(jì)，通過鎢銅或碳硅鋁做過渡實(shí)現(xiàn)LTCC與冷板的結(jié)構(gòu)連接和熱匹配；冷板和網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)可一體化設(shè)計(jì)加工。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] Leif C. Stange，Alexander Geise and Arne F. Jacob，Highly Integrated 4 x 4 Active Array Transmitter Frontend for Digital Beamforming at 30 GHz，

[2] Alexander Geise，Arne F. Jacob Smart Antenna Terminals for Broadband Mobile Satellite Communications at Ka-Band

[3] Marc Schreiner，Helmut Leier，Wolfgang Menzel，Heinz-Peter Feldle“Architecture and Interconnect Technologies for a Novel Conformal Active Phased Array Radar Module” in IEEE MTT 2003

[4] Thomas Watson，Stephen Miller，DennisKershner，G.Art Anzic Design of a K-band Transmit Phased Array For Low Earth Orbit Satellite Communications 2000 IEEE

[5] T.Barbier，F(xiàn).Mazel，B.Reig，P.Monfraix A 3D wideband Package solution using MCM-D BCB technology for tile TR module 13th GAAS symposium-Pairs 2005endprint

四、互連技術(shù)

瓦式相控陣天線核心技術(shù)，同時(shí)決定方案可實(shí)現(xiàn)性的關(guān)鍵是高密度的射頻和低頻互連技術(shù)。多天線單元與多TR組件的高密度射頻互連可采用同軸到同軸的觸碰連接（國外成熟產(chǎn)品），TR子陣與全陣波束形成網(wǎng)絡(luò)的射頻連接可采用微帶或帶狀線到波導(dǎo)過渡方式（毫米波互連的成熟技術(shù)）。波控母板到TR組件的低頻控制以及直流饋電的互連可采用基于LTCC模塊的BGA 、PGA 封裝或是國外成熟的觸碰式連接器?；谏鲜龈呙芏壬漕l和低頻互連技術(shù)，瓦式相控陣天線的組裝和拆卸非常方便，如圖12～15所示。

五、散熱及結(jié)構(gòu)工藝方式

5.1 散熱方案

相控陣天線總體主要發(fā)熱源為TR組件，接近10W/cm2的熱密度。散熱難點(diǎn)在于天線內(nèi)的空間很小，需要將熱量導(dǎo)出到其他地方通過擴(kuò)展表面積的方法來散熱。而熱量導(dǎo)出的效率較高的方式有熱管和液冷兩個(gè)手段。

熱管在嚴(yán)酷環(huán)境下國內(nèi)外鮮有成功工程經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)目前找到的資料僅發(fā)現(xiàn)在無人機(jī)上有使用環(huán)路熱管試驗(yàn)的資料；而液冷是比較成熟的工藝與技術(shù)，而在國內(nèi)很多工程項(xiàng)目中都有大量的實(shí)驗(yàn)和研究。

因此采用液冷和緊湊熱交換器解決相控陣天線的熱問題有較大的可行性。整個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)成分為熱端、冷端和驅(qū)動(dòng)及附件端。熱端主要為系統(tǒng)的TR組件和冷板，冷板位于TR組件下方，通過焊接過渡鎢銅或碳硅鋁板實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)連接、熱匹配及低熱阻的熱傳遞路徑，如圖16所示。

5.2 結(jié)構(gòu)工藝連接

由于天線的空間較小，一般螺裝方式難以實(shí)現(xiàn)連接，可通過配合較成熟的焊接等工藝。但是由于焊接器件多而復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)階梯焊需要合理設(shè)計(jì)安裝順序及溫度梯度，這也是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一。

瓦式相控陣的輻射陣面可通過壓接或焊接的方式與平板結(jié)構(gòu)件一體；TR組件可基于LTCC實(shí)現(xiàn)射頻和低頻饋線的立體設(shè)計(jì)，通過鎢銅或碳硅鋁做過渡實(shí)現(xiàn)LTCC與冷板的結(jié)構(gòu)連接和熱匹配；冷板和網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)可一體化設(shè)計(jì)加工。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] Leif C. Stange，Alexander Geise and Arne F. Jacob，Highly Integrated 4 x 4 Active Array Transmitter Frontend for Digital Beamforming at 30 GHz，

[2] Alexander Geise，Arne F. Jacob Smart Antenna Terminals for Broadband Mobile Satellite Communications at Ka-Band

[3] Marc Schreiner，Helmut Leier，Wolfgang Menzel，Heinz-Peter Feldle“Architecture and Interconnect Technologies for a Novel Conformal Active Phased Array Radar Module” in IEEE MTT 2003

[4] Thomas Watson，Stephen Miller，DennisKershner，G.Art Anzic Design of a K-band Transmit Phased Array For Low Earth Orbit Satellite Communications 2000 IEEE

[5] T.Barbier，F(xiàn).Mazel，B.Reig，P.Monfraix A 3D wideband Package solution using MCM-D BCB technology for tile TR module 13th GAAS symposium-Pairs 2005endprint

四、互連技術(shù)

瓦式相控陣天線核心技術(shù)，同時(shí)決定方案可實(shí)現(xiàn)性的關(guān)鍵是高密度的射頻和低頻互連技術(shù)。多天線單元與多TR組件的高密度射頻互連可采用同軸到同軸的觸碰連接（國外成熟產(chǎn)品），TR子陣與全陣波束形成網(wǎng)絡(luò)的射頻連接可采用微帶或帶狀線到波導(dǎo)過渡方式（毫米波互連的成熟技術(shù)）。波控母板到TR組件的低頻控制以及直流饋電的互連可采用基于LTCC模塊的BGA 、PGA 封裝或是國外成熟的觸碰式連接器。基于上述高密度射頻和低頻互連技術(shù)，瓦式相控陣天線的組裝和拆卸非常方便，如圖12～15所示。

五、散熱及結(jié)構(gòu)工藝方式

5.1 散熱方案

相控陣天線總體主要發(fā)熱源為TR組件，接近10W/cm2的熱密度。散熱難點(diǎn)在于天線內(nèi)的空間很小，需要將熱量導(dǎo)出到其他地方通過擴(kuò)展表面積的方法來散熱。而熱量導(dǎo)出的效率較高的方式有熱管和液冷兩個(gè)手段。

熱管在嚴(yán)酷環(huán)境下國內(nèi)外鮮有成功工程經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)目前找到的資料僅發(fā)現(xiàn)在無人機(jī)上有使用環(huán)路熱管試驗(yàn)的資料；而液冷是比較成熟的工藝與技術(shù)，而在國內(nèi)很多工程項(xiàng)目中都有大量的實(shí)驗(yàn)和研究。

因此采用液冷和緊湊熱交換器解決相控陣天線的熱問題有較大的可行性。整個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)成分為熱端、冷端和驅(qū)動(dòng)及附件端。熱端主要為系統(tǒng)的TR組件和冷板，冷板位于TR組件下方，通過焊接過渡鎢銅或碳硅鋁板實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)連接、熱匹配及低熱阻的熱傳遞路徑，如圖16所示。

5.2 結(jié)構(gòu)工藝連接

由于天線的空間較小，一般螺裝方式難以實(shí)現(xiàn)連接，可通過配合較成熟的焊接等工藝。但是由于焊接器件多而復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)階梯焊需要合理設(shè)計(jì)安裝順序及溫度梯度，這也是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一。

瓦式相控陣的輻射陣面可通過壓接或焊接的方式與平板結(jié)構(gòu)件一體；TR組件可基于LTCC實(shí)現(xiàn)射頻和低頻饋線的立體設(shè)計(jì)，通過鎢銅或碳硅鋁做過渡實(shí)現(xiàn)LTCC與冷板的結(jié)構(gòu)連接和熱匹配；冷板和網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)可一體化設(shè)計(jì)加工。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] Leif C. Stange，Alexander Geise and Arne F. Jacob，Highly Integrated 4 x 4 Active Array Transmitter Frontend for Digital Beamforming at 30 GHz，

[2] Alexander Geise，Arne F. Jacob Smart Antenna Terminals for Broadband Mobile Satellite Communications at Ka-Band

[3] Marc Schreiner，Helmut Leier，Wolfgang Menzel，Heinz-Peter Feldle“Architecture and Interconnect Technologies for a Novel Conformal Active Phased Array Radar Module” in IEEE MTT 2003

[4] Thomas Watson，Stephen Miller，DennisKershner，G.Art Anzic Design of a K-band Transmit Phased Array For Low Earth Orbit Satellite Communications 2000 IEEE

[5] T.Barbier，F(xiàn).Mazel，B.Reig，P.Monfraix A 3D wideband Package solution using MCM-D BCB technology for tile TR module 13th GAAS symposium-Pairs 2005endprint