一种高集成度的综合射频传感阵列系统

技术领域

本发明涉及一种高集成度的综合射频传感阵列系统，属于一体化综合孔径和综合射频设计领域。

背景技术

当前国内外，空间信息系统建设基本上按功能划分，如通信卫星、遥感卫星、侦察卫星等，而卫星平台无线电设备(中继、导航、测控)和载荷设备(天基通信、雷达探测、电子侦察等)对天线和射频通道的需求各式各样。随着电子信息技术的发展，表现出一些弊端：如效费比低、可重构能力差、信息融合难度大。近年来卫星多功能一体化的概念悄然兴起，在一颗卫星平台上实现雷达通信侦察导航等多种功能，对各功能进行有机结合和软硬件资源共享，可极大提升系统作战能力，大幅提升卫星的技术水平和应用能力，提高成本效益比。卫星上射频电路、天线等占据卫星载荷总体质量的60％以上，且成本、体积、功耗等远远高于信号处理部分，因此实现卫星多功能一体化的重点和难点在于卫星射频收发天线和射频通道的综合。

雷达、通信、导航、电子战等任务系统通常工作在不同频段，工作带宽大小差别极大，所需要的极化模式、增益、动态范围和波束覆盖各有不同。传统的设计思路是雷达通信导航电子战载荷均由独立设备组成，软硬件资源单独使用，条块分割界限明显，资源调度使用受限，效费比极低。为适应军事装备发展一体化、多功能、软件化的需求，通过在一个射频微系统平台上实现超宽带阵列天线及宽带可重构射频前端的一体化集成，形成模块化、可扩展、可重构的高集成度的综合射频传感器阵列，其支持频段、带宽、功率、增益和波束覆盖及扫描、以及工作模式的在线重构，满足导通探干攻多功能一体化卫星对于孔径和射频通道的一体化、高集成度和智能化的需求。相比采用传统分立器件设计理念，射频传感区体积重量下降了约三分之二，同时提高了其硬件共用化能力和标准模块化水平，从而为软件化多功能载荷射频传感区体系架构标准化奠定技术基础。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种高集成度的综合射频传感阵列系统，基于板级高密度集成设计理念，将宽带辐射阵列、射频通道和数字处理构成的多层异质异构电路板，通过毛纽扣进行三维立体低损耗垂直互连，避免使用大规模结构件、连接器等，可降低传输损耗，提高芯片效率，进而形成模块化、可扩展、可重构的高集成度的综合射频传感器阵列，满足导通探干攻多功能一体化卫星对于孔径和射频通道的一体化、高集成度和轻量化的需求。相比采用传统分立器件设计理念，射频传感区体积重量下降了约三分之二，同时提高了其硬件共用化能力和标准模块化水平，从而为软件化多功能载荷射频传感区体系架构标准化奠定技术基础。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：

一种高集成度的综合射频传感阵列系统，采用分层结构，各层依次为宽带辐射阵列、瓦片式T/R组件、微波上下变频通道、数字基带处理电路、回波功率监测单元；

所述宽带辐射阵列用于收发无线信号；所述瓦片式T/R组件用于功率放大、数控衰减、移相、功分；所述微波上下变频通道用于滤波、放大、混频，并提供频率源和电子开关；所述数字基带处理电路用于信号波形产生、波束形成、数模转换、信号采集；

所述各层之间均采用毛纽扣进行垂直射频互连；

所述回波功率监测单元与宽带辐射阵列和瓦片式T/R组件电连接，用于监测宽带辐射阵列的每个天线的回波，当任一天线的回波大于预设值时，关断该天线对应的瓦片式T/R组件中的功放芯片。

上述高集成度的综合射频传感阵列系统，优选的，所述宽带辐射阵列包括M×N个天线单元，每个天线单元的带宽f的取值范围为f

上述高集成度的综合射频传感阵列系统，优选的，所述微波上下变频通道采用多层微波PCB板层叠制成，每层微波PCB板上的元器件通过金丝键合实现MMIC之间互连，不同层微波PCB板之间通过通孔实现信号互连。

上述高集成度的综合射频传感阵列系统，优选的，所述回波功率监测单元包括双向耦合器、检波器、控制单元；天线的回波经过双向耦合器，通过检波器检波后，在控制单元与设定值进行对比，当回波超过设定值时，控制单元控制功放芯片关断。

上述高集成度的综合射频传感阵列系统，优选的，所述回波功率监测单元监测宽带辐射阵列的每个天线的驻波比或回波功率。

上述高集成度的综合射频传感阵列系统，优选的，驻波比的预设值为3，回波功率的预设值为入射功率的1/4。

上述高集成度的综合射频传感阵列系统，优选的，关断功放芯片的方法为关断功放芯片的漏极供电。

上述高集成度的综合射频传感阵列系统，优选的，所述宽带辐射阵列包括8×8个工作在2～10GHz频段的天线单元，扫描范围为±60°。

上述高集成度的综合射频传感阵列系统，优选的，所述宽带辐射阵列利用极化合成器实现双线极化。

上述高集成度的综合射频传感阵列系统，优选的，所述瓦片式T/R组件包括4个T/R组件，每个T/R组件包含4×4个通道；每个T/R组件包括GaAs芯片层、毛纽扣转接板、SoC芯片控制层；SoC芯片控制层与GaAs芯片层通过毛纽扣转接板实现垂直互联。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

本发明将宽带阵列天线、射频通道和数字处理构成的多层异质异构电路板，通过毛纽扣进行三维立体低损耗垂直互连，避免使用大规模结构件、连接器、互连转接、线缆等，减少了物料成本，同时省去结构件与连接器焊接等工序，可降低传输损耗，提高芯片效率，减少功耗，提高产品的集成度，缩小综合射频传感模块的纵向尺寸。并大幅缩减工序和人工环节，进一步提高产品的自动化，减少调试工作量，有利于产品的批量生产，提高产品的一致性、降低产品成本。本发明形成的模块化、可扩展、可重构的高集成度的综合射频传感器阵列，其支持频段、带宽、功率、增益和波束覆盖及扫描、以及工作模式的在线重构，满足导通探干攻多功能一体化卫星对于孔径和射频通道的一体化、高集成度和智能化的需求。相比采用传统分立器件设计理念，射频传感区体积重量下降了约三分之二，同时提高了其硬件共用化能力和标准模块化水平，从而为软件化多功能一体化载荷射频传感器体系架构标准化奠定技术基础。

本发明通过在宽带辐射阵列层和瓦片式T/R组件层之间设置回波功率监测单元，当天线单元驻波过大(≥3)导致回波功率超过设定值时，自动关断该T/R通道功放芯片的漏极供电，从而防止功放芯片烧毁，避免使用多倍频程(≥5)超宽带隔离器(超过5倍频程隔离器研制难度极大)。

附图说明

图1是高集成度综合射频传感器阵列微系统总体架构图；

图2是是瓦片式T/R组件原理框图；

图3是微波变频层原理框图剖面图；

图4是数字基带处理层原理框图剖面图；

图5是宽带辐射阵列和瓦片式T/R组件垂直互连剖面图；

图6是多层PCB板垂直互连剖面图；

图7是综合射频传感器微系统实施例外形图；

图8是综合射频传感器微系统实施例分解图；

图9是实施例宽带宽角扫描天线单元图；

图10是实施例宽带宽角扫描天线阵列图；

图11是实施例T/R组件外形结构图；

图12是实施例T/R组件内部分解图；

图13是实施例回波功率监测原理框图；

图14是实施例微波变频层实现框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。

一种可以宽带宽角扫描、多种极化发射与接收、波束形成及频段、带宽等工作参数可在线重构的模块化轻量化接收和发射阵列，即一种高集成度的综合射频传感阵列系统。将模块化超宽带子阵，瓦片式T/R组件，基于GaAs的有源混频多功能芯片和微波基板叠层构成的上下变频通道，负责波形产生、波束形成、数模转换及信号采集预处理等功能器件构成的数字基带处理电路及其之间的互连布线，高密度集成在几个电路板内，通过板内与板间的垂直互连，形成系统级微系统，实现工作频段、带宽、波形生成、波束形成可自适应在线重构的一体化综合射频传感阵列。

本发明主要针对宽度辐射阵列、瓦片式T/R组件、微波上下变频通道、数字基带处理电路的高集成度三维异质异构垂直互连进行设计。本发明实现了模块化、可扩展、可重构的综合射频传感器阵列微系统，有效降低了多功能一体化卫星的体积、重量和功耗，提升了系统效费比。

具体的，一种高集成度的综合射频传感阵列系统，包括宽度辐射阵列、瓦片式T/R组件、微波上下变频通道、数字基带处理电路。

如图1所示，一种高集成度的综合射频传感阵列系统，是这样实现的：

(1)由M×N个工作在f

(2)第二层是瓦片式T/R组件，如图2所示。其规模为M×N，组件空间间距为d，与宽带阵列辐射单元馈电端口的空间距离一致。T/R组件层主要包括GaAs、GaN等基底的功率放大器、数控衰减器、移相器和功分器等，通过多通道SoC集成在少数几颗芯片上，分层表贴放置在多层微波板上，多层微波板间通过垂直互连接插件模块(毛纽扣及金属铝板外壳构成)进行垂直射频互连；

(3)第三层是微波PCB板叠层构成的上下变频通道，如图3所示。主要包括基于GaAs工艺的有源混频多功能芯片，其包含电子开关、滤波器、放大器、混频器以及频率源各类元器件，同层内通过金丝键合实现MMIC之间互连，层间通过互连通孔实现信号互连，底层支撑板为PCB材料，作为微波信号传输的通道；

(4)第四层是数字基带处理层，如图4所示。主要包括ADC、DAC、FPGA、DSP、CPU、DDR、SDRAM等数字逻辑计算和存储芯片。负责信号波形产生、波束形成、数模转换及信号采集预处理等功能，芯片层内通过金丝键合互连，芯片层间通过TSV互连通孔实现互连；

(5)第一层宽带辐射阵列层和第二层瓦片式T/R组件通过垂直互连接插件模块(毛纽扣及金属铝板外壳构成)进行垂直射频互连，如图5所示；

宽带辐射阵列层和瓦片式T/R组件层之间设置了回波功率监测单元，当天线扫描驻波＞3，回波功率＞入射功率的1/4，自动关断该T/R通道功放芯片漏极发射开关，防止回波功率过大损毁功放芯片。

回波功率监测单元主要由双向耦合器、检波器以及控制单元组成，天线单元的回波经过双向耦合器，通过检波器检波后，在控制单元与设定值进行对比，当回波超过设定值时，控制单元控制功放芯片的漏极开关，关断功放芯片的漏极供电，从而防止功放芯片烧毁，如图6所示。

(6)第二层瓦片式T/R组件层与第三层微波变频层，第三层微波变频层和第四层数字基带处理层均通过垂直互连接插件毛纽扣进行垂直射频互连，垂直馈电结构采用低频接插件，如图7所示。

实施例：

一种高集成度的综合射频传感阵列系统，综合射频传感阵列由宽度辐射阵列、瓦片式T/R组件、微波变频组件、数字基带处理板、毛纽扣转接板以及热控结构件等组成，其外形如图8所示，其整机爆炸图如图9所示。具体按如下步骤实施：

(1)宽度辐射阵列层

宽带辐射阵列为紧耦合宽带宽角扫描双线极化天线阵列。由8×8个工作在2～10GHz频段的宽带宽角扫描平面相控阵天线单元，扫描范围±60°，构成宽带辐射阵列，单元间距为13.5mm，双线极化，可通过极化合成器实现(左旋、右旋、垂直、水平)等极化形式，构成综合射频传感器阵列第一层，如图10、图11所示。

宽带辐射阵列与瓦片式T/R组件中间采用毛纽扣作为垂直过渡连接方式，共包含64只毛纽扣，毛纽扣直径为0.5mm，长度为6mm，安装在T/R组件散热冷板上。

(2)瓦片式T/R组件

综合射频传感阵列共包含4个T/R组件，每个T/R组件包含4×4个通道。T/R组件主要由GaAs芯片层、毛纽扣转接板、SoC芯片控制层及外结构件组成，其外形结构如图12所示。

瓦片式T/R组件的分解图如图13所示。T/R组件的SoC芯片控制层与GaAs芯片层通过毛纽扣转接板实现垂直互联，毛纽扣转接板上共安装了16个毛纽扣，每个毛纽扣直径为0.5mm，长度为2mm。SoC芯片控制层通过低频直插排针连接器与基带板实现通信。为了保证内部裸片的可靠性整个T/R组件采用铝硅壳体进行封装。

瓦片式T/R组件单通道输出功率为5W，工作频段达到5倍频程，而现有的隔离器带宽无法做到5倍频程，所以在每个T/R通道中均设计了功放芯片输出功率耦合检波电路，检测天线单元的回波，在回波功率达到1.25W时，关闭此T/R通道的功放芯片，以防止功放芯片输出阻抗失配而导致功放芯片烧毁。

(3)微波变频组件

变频组件分为上变频通道和下变频通道。变频组件通过垂直互联方式把多层微波板级连，实现带有MEMS滤波器的变频组件小型化。微波变频组件实现框图如图14所示；

(4)数字基带处理

数字基带处理包括ADC\DAC转换电路，FPGA电路，DSP电路等功能电路，主要完成数字基带信号的采样、信号处理、波束指向控制、工作状态及模式监控等功能。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，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作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。