小型化星用延时组件

技术领域

本发明涉及相控阵射频收发组件技术领域，具体地涉及一种小型化星用延时组件。

背景技术

宽带相控阵雷达空间分辨力高、穿透性能好、截获概率低、抗干扰能力强，因而广泛应用在无源探测、目标识别、遥感测距、信号隐蔽、SAR成像等众多电子信息领域。但是，由于孔径效应和渡越时间的影响，基于移相器工作的相控阵天线的扫描波束指向会随工作频率变化产生漂移，这严重制约了相控阵雷达的瞬时工作带宽，从而影响雷达功能的发挥。为了弱化和改善天线波束指向频响问题，需要引入具有线性相频特性的延时组件作补偿。

传统的延时组件多为砖块式微波多芯片组件(MMCM)，它将微波有源裸芯片、无源阻容器件等集成在同一块电路基板上，再把基板组装在金属外壳中，组件内部主要包含延时线，收发增益补偿电路，以及电源、控制电路；其中，延时线是延时组件的核心模块，通常由射频开关芯片和传输线(微带线、带状线、共面波导等)组成；传输线的长短决定了延时组件的延时量，一般从几个波长到几百个波长。在延时组件工程化应用的案例中，某C波段单通道延时组件的尺寸为148mm×66mm×11mm，最大延时量23λ；某X波段单通道延时组件的尺寸为203mm×52mm×11mm，最大延时量34λ；到了毫米波频段，波长变得很短，但组件的尺寸也还是较大，为84mm×47mm×15mm(何放.“Ka波段LTCC曲折带状延迟线组件”,固体电子学应用与发展,2016.)。现有技术中，一般可通过减小传输线长度和线间距优化延时线尺寸，但是前者会减少组件的延时量，导致对阵面的相位补偿量下降；后者会引起明显的耦合效应，影响射频传输性能。可以看出，由于砖块式结构和延时线形式的限制，组件的尺寸很难减小，而卫星这样的小平台对载荷重量有严格的要求，这种应用场景下，砖块式组件的局限性就体现出来了。

发明内容

本发明的目的是提供一种小型化星用延时组件，在保证性能指标要求的前提下实现延时组件的小型化。

为了实现上述目的，本发明提供了一种小型化星用延时组件，包括金属盖板、金属环框、高温瓷介质基板、延时线芯片、收发双向放大芯片、电源管理芯片、BGA焊球和金丝；

所述金属环框焊接在所述高温瓷介质基板的边缘并与所述金属盖板通过激光焊接封合以形成一密闭空腔；

所述延时线芯片、收发双向放大芯片和电源管理芯片均粘结在所述高温瓷介质基板位于所述密封空腔内的一侧，并分别通过所述金丝与电路图型键合以用于实现信号互连；

所述BGA焊球焊接在所述高温瓷介质基板位于所述密封空腔外的一侧以用于连接外部电源，提供收发状态控制信号和延时量控制信号，以及作为射频信号的输入、输出接口。

可选地，所述高温瓷介质基板的材质为Al

可选地，所述金属盖板和所述金属环框的材质均为4J42合金。

可选地，所述延时线芯片集成了开关控制。

可选地，所述电源管理芯片集成了收发状态逻辑控制与电源调制。

可选地，所述金丝的长度小于或等于0.4mm。

与现有砖块式组件结构相比，本发明提供的延时组件是一种瓦片式组件结构，通过采用高温瓷介质基板作为封装组成部分，不需要焊接在金属外壳中；相较于传统的延时组件结构，本发明提供的延时组件的结构不再需要金属外壳和电连接器，同时延时线模块采用单芯片实现，代替开关芯片加基板上印刷传输线这种形式，有效的减小了延时组件的尺寸与重量。

通过采用BGA焊球作为射频信号的输入、输出接口，取代了常用的射频同轴连接器和低频微矩形连接器，在封装层面减小了延时组件的尺寸。

将传统的开关芯片加印刷传输线这种延时线形式在延时线芯片中实现，延时线模块尺寸缩减60％以上，有利于组件尺寸的进一步减小。

本发明提供的延时组件结构简单，加工难度低，成本低。

附图说明

图1是本发明提供的一种小型化星用延时组件的爆炸示意图；

图2是图1中小型化星用延时组件的俯视图；

图3是图1中小型化星用延时组件的侧视图；

图4是本发明中电源和控制信号定义；

图5是本发明中电源管理芯片的示意图；

图6是本发明中收发双向放大芯片和两个延时线芯片的示意图；

图7是本发明实施例1中小型化星用延时组件各延时态幅度调制结果；

图8是本发明实施例1中小型化星用延时组件各延时态延时相位精度结果；

图9是本发明实施例1中小型化星用延时组件各延时态相位线性度结果。

附图标记说明

1、金属盖板；2、金属环框；3、高温瓷介质基板；4、延时线芯片；5、收发双向放大芯片；6、电源管理芯片；7、BGA焊球；8、金丝。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

如前所述，结合图1所示，本发明提供了一种小型化星用延时组件，包括金属盖板1、金属环框2、高温瓷介质基板3、延时线芯片4、收发双向放大芯片5、电源管理芯片6、BGA焊球7和金丝8；所述金属环框2焊接在所述高温瓷介质基板3的边缘并与所述金属盖板1通过激光焊接封合以形成一密闭空腔；所述延时线芯片4、收发双向放大芯片5和电源管理芯片6均粘结在所述高温瓷介质基板3位于所述密封空腔内的一侧，并分别通过所述金丝8与电路图型键合以用于实现信号互连；所述BGA焊球7焊接在所述高温瓷介质基板3位于所述密封空腔外的一侧，以用于连接外部电源，提供收发状态控制信号和延时量控制信号，以及作为射频信号的输入、输出接口。

相较于传统的砖块式组件结构，本发明提供的延时组件是一种瓦片式组件结构，通过采用高温瓷介质基板3作为封装组成部分，不需要焊接在金属外壳中；相较于传统的延时组件结构，本发明提供的延时组件的结构不再需要金属外壳和电连接器，同时延时线模块采用单芯片实现，代替开关芯片加基板上印刷传输线这种形式，有效的减小了延时组件的尺寸与重量。

通过采用BGA焊球7作为射频信号的输入、输出接口，取代了常用的射频同轴连接器和低频微矩形连接器，在封装层面减小了延时组件的尺寸。

本发明中，通过将所述延时线芯片4与收发双向放大芯片5进行配套使用，可以有效地补偿延时线插损及延时引入的增益变化，从而控制延时引起的幅度调制小于1dB。

本发明中，所述的高温瓷介质基板3既作为芯片、印刷线路的载体，又作为组件封装的组成部分。在一些实施例中，所述高温瓷介质基板3的材质选择为Al

进一步地，在一些实施例中，所述高温瓷介质基板3为方形结构，其长度为L1，宽度为L2，该长宽尺寸即为延时组件的长宽尺寸。

在一些实施例中，所述金属盖板1和所述金属环框2的材质均为4J42合金，所述的4J42合金是一种具有恒定膨胀的铁镍合金，其热量膨胀系数能够与氧化铝陶瓷相匹配，进而可确保在与氧化铝陶瓷焊接后形成一可靠的密闭空腔。

在一些实施例中，所述延时线芯片4上集成了开关控制，通过该技术方案，代替了传统的开关芯片加印刷传输线的形式，实现了延时线尺寸缩减60％以上，进而有利于延时组件尺寸的进一步减小。

在一些实施例中，所述电源管理芯片6集成了收发状态逻辑控制与电源调制。

本发明中，所述金丝8的作用是与电路图型键合以实现信号互连，为了有效控制延时组件的整体尺寸，在一些实施例中，所述金丝8的长度小于或等于0.4mm。

实施例1

结合图1、2、3所示，本实施例提供了一种双通道工作的小型化星用延时组件，其工作中心频率为9.6GHz。

所述延时组件包括金属盖板1、金属环框2、高温瓷介质基板3、延时线芯片4、收发双向放大芯片5、电源管理芯片6、BGA焊球7和金丝8。

所述高温瓷介质基板3的材质选择为Al

所述高温瓷介质基板3的长宽尺寸即为所述延时组件的长宽尺寸，具体的，在本实施例中，所述高温瓷介质基板3的长度L1为20mm，宽度L2为20mm。

所述金属盖板1和所述金属环框2的材质均为4J42合金，所述金属环框2焊接在所述高温瓷介质基板3的边缘并与所述金属盖板1通过激光焊接封合以形成一密闭空腔；具体的，所述金属环框2将所述延时组件内部分为上下两个分腔，每个分腔中包含两个延时线芯片4、一个收发双向放大芯片5和一个电源管理芯片6；其中，所述延时线芯片4集成了开关控制，最大可提供15λ的延时量，所述延时线芯片4和所述收发双向放大芯片5配套使用，保证各个延时状态幅度调制小于1dB，所述电源管理芯片6控制收发状态切换、各延时态切换，以及电源调制通断。

如图4是实施例1中电源和控制信号定义；图5是实施例1中电源管理芯片6的示意图；图6是实施例1中收发双向放大芯片5和两个延时线芯片4的示意图。

所述延时线芯片4、收发双向放大芯片5和电源管理芯片6均通过低应力导电胶粘结在所述高温瓷介质基板3位于所述密封空腔内的一侧，并分别通过所述金丝8与电路图型键合以用于实现信号互连；所述金丝8的长度不超过0.4mm，总数量为130。

所述BGA焊球7焊接在所述高温瓷介质基板3位于所述密封空腔外的一侧以用于连接外部电源，提供收发状态控制信号和延时量控制信号，以及作为射频信号的输入、输出接口，具体的，所述BGA焊球7的数量为133。

所述延时组件的高度H为3.75mm。

本实施例中双通道工作的小型化星用延时组件工作带宽内各个延时态幅度调制结果如图7所示，可以看出两个通道的幅度调制最大为0.51dB和0.54dB，均小于1dB，表明延时组件不同延时状态对工作增益变化影响较小。

本实施例中双通道工作的小型化星用延时组件工作带宽内各个延时态延时精度结果如图8所示，可以看出两个通道的延时相位精度均在±5°范围内，表明延时组件延时精度高，对阵面的相位补偿量精准，可改善天线波束指向频响问题。

本实施例中双通道工作的小型化星用延时组件工作带宽内各个延时态相位线性度结果如图9所示，可以看出两个通道的相位线性度均在±3°范围内，表明延时组件随频率变化相位接近线性状态，有利于拓宽雷瞬时工作带宽。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。但这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。