一种瓦片式多通道收发子阵设计方法

技术领域

本发明属于有源相控阵雷达技术领域，具体是一种X波段瓦片式多通道收发子阵设计方法，可应用于两维有源相控阵雷达或其他高集成度微波系统设计中。

背景技术

随着雷达技术的发展，对有源相控阵前端的要求大幅提升。有源相控阵雷达正在向低剖面、小型化、轻量化、高集成、可共形、可重构方向发展。特别是在机载、无人机载、弹载等武器平台中，要求有源相控阵前端的体积越来越小、重量越来越轻、集成度越来越高。

在有源相控阵雷达系统中，收发组件和天线是最关键的部件，二者一起构成有源相控阵天线系统的收发子阵。相控阵阵面中单元数量很多，单元数有几百、几千、甚至上万个。天线完成微波信号的辐射和接收，收发组件的功能是将雷达发射激励信号进行功分、移相和功率放大，以及将目标反射回波信号进行低噪声放大、幅度控制、移相和功率合成。收发子阵的电气性能、体积、重量、集成度、可靠性决定着有源相控阵雷达系统的整体性能。

目前，两维有源相控阵雷达收发阵面集成方式主要有两种：一种是基于平面电路的砖块式集成方式，另一种是基于垂直互联电路的瓦片式集成方式。

砖块式集成两维阵的方式电路设计简单、易于装配、调试和维修，但是砖块式集成存在两个缺点。第一，砖块式收发子阵因为电路布局是二维形式，因此体积往往很大，无法满足有源天线低剖面要求。第二，砖块式收发子阵集成的两维阵，每层组件都要设计一个散热面，故散热系统设计十分复杂。目前大部分砖块式集成的收发子阵由于体积限制和散热复杂，往往只能应用于一维有源相控阵雷达中，而无法应用于两维有源相控阵雷达中。

瓦片式集成两维阵的功能电路层以瓦片形式垂直分层放置在有源相控阵天线辐射单元对应的面积内，功能电路层内信号传输方式为平面传输，功能电路层之间采用垂直传输，充分利用立体空间，集成密度显著提高。瓦片式集成方式相对于砖块式集成方式有两个优势。第一，瓦片式集成方式采用多层立体电路结构形式，可将两维相控阵阵面体积显著缩小。第二，瓦片式集成方式的散热面为同一平面，散热系统设计简单。

综上所述，随着现代有源相控阵技术的发展，传统砖块式收发子阵已经无法满足小型化、高集成的两维有源相控阵雷达的设计需求。而面向三维设计的瓦片式子阵，采用多层立体组装电路结构技术，具有小型化、高集成的技术优势，更适应两维有源相控阵雷达的发展方向。瓦片式集成方式可解决在现有装备平台体积重量限制的情况下，提高有源相控阵雷达战术指标，并实现低剖面、小型化、轻量化、高集成、可共形、可重构的技术要求，突破相控阵大规模应用的瓶颈，进一步提升装备能力。

瓦片式子阵结构复杂、设计难度大，有器件高密度集成、多种信号垂直互联、高密度散热等一系列问题。因此研究瓦片式收发子阵意义重大。

发明内容

要解决的技术问题

本发明针对两维有源相控阵雷达的应用需求，发明了提供了一种瓦片式多通道收发子阵设计方法。本发明采用瓦片式设计思想，将天线和收发组件进行一体化设计，将微带贴片天线和收发组件集成在一起构成收发子阵，提高了系统集成度，减小了阵面高度；采用基于毛纽扣的射频垂直互联结构，实现微波信号在瓦片式堆叠的电路层间的垂直传输；采用SIP(System in Package)模组作为微波电路单元，有效提高了微波芯片集成度，降低了装配难度，提高了通道一致性和可靠性；采用印制板内部嵌铜以及印制板和散热底板大面积铅锡焊接的方法，解决了瓦片式组件高密度SIP模组散热问题。

技术方案

一种瓦片式多通道收发子阵设计方法，其特征在于：将瓦片式多通道收发子阵设计为四层，第一层为天线单元层，放置微带贴片形式的天线辐射单元；第二层是毛纽扣组件结构层，实现微波信号在瓦片式堆叠的天线层和微波电路层间的垂直传输，同时构成微波腔体结构；第三层为微波电路板层，由收发放大SIP模组、幅相控制SIP模组、双向放大SIP模组和功分SIP模组组成，共有32个收发通道，完成微波信号放大和幅相控制；第四层为散热底板结构层，实现散热和结构支撑作用。

所述的毛纽扣组件集成毛纽扣射频同轴传输结构和微波腔体于一体；毛纽扣射频连接器上下均设计弹性接触针，弹性行程均为0.3mm，特性阻抗为50ohm；每个毛纽扣组件为8个通道的收发通道提供微波信号垂直传输和微波电路分腔结构。

所述的四种SIP模组采用氧化铝陶瓷封装技术，将一定功能的多个MMIC微波芯片和电源控制芯片集成封装在一起；其中，收发放大SIP模组包含GaN功率放大器芯片、GaN大功率开关芯片、GaAs限幅低噪声放大芯片和电源控制芯片；幅相控制SIP模组包含GaAs四通道幅相控制多功能芯片和CMOS驱动芯片；双向放大SIP模组包含两个开关芯片、发射放大芯片、接收放大芯片、增益控制衰减芯片、电源调制和开关驱动芯片；功分模组含一颗宽带功分器芯片；其中收发放大SIP模组、双向放大SIP模组和功分SIP模组为QFN封装，幅相控制SIP模组为BGA封装。

所述的收发放大SIP模组，为大功率器件，将其焊接在印制板上，器件下方印制板内嵌铜，印制板和散热底板采用大面积焊锡焊接，可将热量均匀的导入底板的散热结构面；将瓦片式收发子阵固定在整面的风冷或液冷板上，即可将产生热量带走。

有益效果

本发明提供的一种瓦片式多通道收发子阵设计方法，本发明采用的收发子阵设计方法为瓦片式结构，具有优越的平台适应性。微波器件采用SIP模组集成封装技术，大大提高系统集成度。收发子阵尺寸小、重量轻，易集成、易组装、易维修、通用性好，且散热结构简单。具有以下优点：

1)瓦片式结构，具有优越的平台适应性。本发明采用毛纽扣垂直连接组件实现瓦片式层叠集成方式，将天线电路和收发电路集成在一起构成瓦片式收发子阵。瓦片式子阵设计方法可大幅压减小有源阵面体积和重量，可适应体积要求极为苛刻的车载、机载平台的两维有源相控阵雷达，同时瓦片式收发子阵极低的剖面高度更便于实现与各种载体平台的共形，有效节省载体空间。

2)采用SIP模组集成封装技术，大大提高系统集成度。本发明采用的SIP模组内部集成多种功能的芯片，有效减小电路尺寸、功耗和成本。SIP模组集成封装技术有效的提升了有源相控阵收发通道集成度，并且通用性强，可进行规模化生产。

3)尺寸小、重量轻。瓦片式收发子阵尺寸是砖块式组件的1/4～1/3，重量是砖块式组件的1/2。

4)易集成、易组装、易维修、通用性好。瓦片式收发子阵采用层间垂直互联技术，采用毛纽扣组件结构实现微波电路板和天线板之间的垂直互联，弹性接触方式易于和微带电路集成，组装和拆卸简单，易于返修。相对于SSMP、BGA焊球或MEMS硅通孔，此电路结构连接方式灵活，集成化程度高，免焊互联，便于拆卸维修，通用性更好。

5)散热结构简单有效。瓦片式收发子阵功率器件布置在印制板上，器件下方印制板内嵌铜，印制板和散热底板采用大面积焊锡焊接，可将热量均匀的导入底板的散热结构面。组阵时，将瓦片式收发子阵固定在整面的风冷或液冷板上，即可将产生热量带走。此方式热传导途径短、散热面规则，阵面散热系统结构设计简单，利于适应多种平台的散热方式。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1本发明瓦片式收发子阵结构示意图；

图2本发明瓦片式收发子阵三维外形图；

图3本发明瓦片式多通道收发子电路原理框图(图中省略另外一半相同的16通道电路)；

图4本发明微波电路板层SIP模组器件布置图；(a)正面、(b)反面；

图5本发明瓦片式收发子阵散热示意图。

图中的标注分别为：

1-天线单元层，2-毛纽扣组件层，3-收发电路板层，4-散热底板层，5-收发放大SIP模组，6-四通道幅相控制SIP模组，7-双向放大SIP模组；8-功分SIP模组，9-毛纽扣同轴结构，10-印制板嵌铜块，11-集合口SMP连接器、12-多芯低频连接器，13-两维相控阵散热冷板。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明的瓦片式多通道收发子阵结构示意图如图1所示，3D外形图如图2所示，收发子阵设计为四层。第一层为天线单元层，放置微带贴片形式的天线辐射单元，天线单元采用多层微波印制板，上层为辐射电路层，下层为馈电接口层，中间层为匹配过渡层。第二层是毛纽扣组件结构层，收发子阵包含4个结构一样的毛纽扣组件，每个毛纽扣组件含8个毛纽扣射频连接器。毛纽扣组件设计为一个多功能的结构层，实现了射频信号的垂直传输，同时其上侧结构支撑天线，下侧结构为收发电路微波腔体。第三层为微波电路板层，包含32个收发通道，收发通道由收发放大SIP模组、四通道幅相控制SIP模组、双向放大SIP模组、功分SIP模组，以及集成电路器件、电阻、电容器件组成。微波收发电路采用多层混压板集成技术，将上述微波SIP模组、控制器件、电阻、电容、连接器等多种器件和微波信号传输电路一起集成在同一块印制板内。第四层为散热底板结构层，散热底板是天线单元层、毛纽扣组件结构层和微波电路层的结构安装基板，散热底板上侧部分挖腔，为微波电路板背部器件提供腔体，散热底板通过大面积焊料和印制板进行焊接。

本发明的瓦片式多通道收发子阵原理图如图3所示。收发子阵共有32个通道，在电气上分为相同的两部分，每部分包括16个收发通道和一个集合口。收发子阵由收发放大SIP模组、幅相控制SIP模组、双向放大SIP模组和功分SIP模组等组成。发射工作时，阵面发射激励信号由集合口输入，经第一级功分模组、双向放大模组、第二级功分模组、幅相控制模组、收放大模组后经毛纽扣连接器送至天线辐射单元；接收工作时，天线单元的目标反射回波信号经毛纽扣连接器送至收发电路板，经收放放大模组、幅相控制模组、第二级功分模组、双向放大模组、第一级功分模组后，由集合口输出。

本发明的微波电路板层SIP模组器件布置图如图4(a：正面，b：背面)所示。SIP模组采用氧化铝陶瓷封装技术，将一定功能的多个MMIC微波芯片和电源控制芯片集成封装在一起。微波电路板共包含32个收发放大SIP模组、8个四通道幅相控制SIP模组、4个双向放大SIP模组、6个功分SIP模组。其中，收发放大SIP模组包含GaN功率放大器芯片、GaN大功率开关芯片、GaAs限幅低噪声放大芯片和电源控制芯片；幅相控制SIP模组包含GaAs四通道幅相控制多功能芯片和CMOS驱动芯片；双向放大SIP模组包含两个开关芯片、发射放大芯片、接收放大芯片、增益控制衰减芯片、电源调制和开关驱动芯片；功分模组含一颗宽带功分器芯片。其中收发放大SIP模组、双向放大SIP模组和功分SIP模组为QFN封装，幅相控制SIP模组为BGA封装。

本发明瓦片式收发子阵散热示意图如图5所示。大功率SIP模组布置在印制板上，器件下方印制板内部嵌铜块。大功率SIP模组和印制板采用高温焊锡焊接，印制板和散热底板采用大面积焊锡焊接。通过印制板内部铜块和可靠的焊接方法可将大功率SIP模组产生热量均匀的导入散热底板上。再将瓦片式收发子阵固定在整面的风冷或液冷板上，即可将两维有源相控阵阵面产生热量带走。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。