一种组合式亚毫米波相控阵天线及其工作方法

技术领域

本发明涉及相控阵技术领域，尤其是一种组合式亚毫米波相控阵天线及其工作方法。

背景技术

近年来，相控阵天线以其具有大空域波束扫描、波束捷变、大功率空间合成等优点得到了广泛的应用，伴随着5G通信技术和卫星通信技术的快速发展，通信系统对相控阵天线低成本、小型化、轻量化的需求日益迫切。

发明内容

本发明公开一种组合式亚毫米波相控阵天线及其工作方法，用以解决亚毫米波频段集成难度大、成本高、体积大的问题。

本发明的技术方案是：

根据本公开的第一方面，提供了一种组合式亚毫米波相控阵天线，包括：

HTCC基板、TR芯片、PCB基板、射频连接器和低频连接器；射频连接器，焊接在PCB基板的下表面，用于传输微波信号；低频连接器，焊接在PCB基板的下表面，用于TR芯片的供电；PCB基板的上表面与HTCC基板的下表面通过多个第一金属焊球连接，相邻的第一金属焊球之间形成TR芯片的安装空间；TR芯片位于HTCC基板与PCB基板之间，通过第二金属焊球焊接于HTCC基板的下表面。

在一个具体实施方式中，HTCC基板为内部设有金属化过孔的多层陶瓷结构，HTCC基板的多层陶瓷结构自下而上依次为器件表贴层、陶瓷层、控制与供电层、陶瓷层、亚毫米波馈电网络层、陶瓷层、辐射天线阵列层；器件表贴层、控制与供电层、亚毫米波馈电网络层和辐射天线阵列层之间通过所述金属化过孔互连。

在一个具体实施方式中，第一金属焊球的直径大于第二金属球的直径。

在一个具体实施方式中，PCB基板的上表面与HTCC基板的下表面通过多个第一金属焊球连接包括：

PCB基板的上表面与HTCC基板的器件表贴层通过多个第一金属焊球利用回流焊工艺焊接。

在一个具体实施方式中，PCB基板内部与表面均设有印刷电路，用于实现射频、控制和供电信号的传输。

在一个具体实施方式中，辐射天线阵列层由多个辐射单元排列组成。

在一个具体实施方式中，所述TR芯片的控制与供电方法，具体是：

控制和供电信号通过低频连接器进入PCB基板，通过PCB基板传输至第一金属焊球后馈入HTCC基板的控制与供电层，通过控制与供电层传输至第二金属焊球后进入TR芯片，实现对TR芯片的控制和供电。

另一方面，本发明还提供了一种相控阵天线的工作方法，包括：

相控阵天线工作时，微波信号通过射频连接器进入PCB基板，由PCB基板传输至第一金属焊球后馈入器件表贴层，通过器件表贴层传输至第二金属焊球，随后馈入TR芯片中，由TR芯片进行处理，生成所需幅度和相位的微波信号，再由第一金属焊球馈入亚毫米波馈电网络层，通过亚毫米波馈电网络层的传递，将所需的微波信号传输至辐射天线阵列层，最终形成空间辐射。

采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：

通过HTCC基板与PCB基板混合堆叠的方式解决了现有技术在亚毫米波频段集成难度大、成本高、体积大的问题，为实现亚毫米波相控阵低成本、小型化、轻量化提供了一种可行方案。

应当理解，发明内容部分中所描述的内容并非旨在限定本公开的实施例的关键或重要特征，亦非用于限制本公开的范围。本公开的其它特征将通过以下的描述变得容易理解。

附图说明

结合附图并参考以下详细说明，本公开各实施例的上述和其他特征、优点及方面将变得更加明显。附图用于更好地理解本方案，不构成对本公开的限定在附图中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的元素，其中：

图1示出了一种HTCC基板与PCB基板堆叠的相控阵天线的三维示意图；

图2示出了一种HTCC基板与PCB基板堆叠的相控阵天线的剖面示意图；

示意图中的标号说明：

1.HTCC基板2.PCB基板3.金属化过孔4.辐射天线阵列层

5.亚毫米波馈电网络层6.控制与供电层7.器件表贴层8.TR芯片

9.第二金属焊球10.第一金属焊球11.射频连接器12.低频连接器

具体实施方式

为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的全部其他实施例，都属于本公开保护的范围。

另外，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

本公开中，通过HTCC基板与PCB基板组合的方式提高了相控阵天线的散热能力，降低了相控阵天线的成本、满足了相控阵天线小型化、轻量化的需求。

实施例1

下面参照图1与图2来描述本公开实施例提供的相控阵天线。

本实施例提供了一种组合式亚毫米波相控阵天线，PCB基板的上表面与HTCC基板的器件表贴层通过多个第一金属焊球利用回流焊工艺焊接。

其中，高温共烧陶瓷HTCC(High Temperature co-fired Ceramic)，采用材料为钨、钼、钼、锰等高熔点金属发热电阻浆料按照发热电路设计的要求印刷于92～96％的氧化铝流延陶瓷生坯上，由4～8％的烧结助剂然后多层叠合，在1500～1600℃下高温下共烧成一体。

回流焊工艺，通过重新熔化预先分配到印制板焊盘上的膏状软钎焊料，实现表面组装元器件焊端或引脚与印制板焊盘之间机械与电气连接的软钎焊。

参考图1-图2，本公开提出了一种组合式亚毫米波相控阵天线，包括：

HTCC基板1、TR芯片8、PCB基板2、射频连接器11和低频连接器12；其中，射频连接器11，采用高温钎焊工艺焊接在PCB基板2的下表面，亚毫米波信号由射频连接器11进入整体结构中；低频连接器12，采用高温钎焊工艺焊接在PCB基板2的下表面，控制与供电信号由低频连接器12进入整体结构中，低频连接器12主要为TR芯片8供电；PCB基板2的上表面与HTCC基板1的下表面通过多个第一金属焊球10连接，多个第一金属焊球10呈一定阵列分布，相邻的第一金属焊球10与PCB基板2的上表面、HTCC基板1的下表面之间形成了一定的安装空间，该空间即为TR芯片8的安装空间；TR芯片8位于该安装空间之中，通过第二金属焊球9焊接于HTCC基板1的下表面。

在本实施例中，HTCC基板1所使用的HTCC工艺具有加工精度高、加工层数多、层间三维互连灵活性高的优点，可以将精度要求较高的亚毫米波辐射天线阵列、亚毫米波馈电网络、控制和供电网络集于一体，同时，采用直径不同的金属焊球，形成多个TR芯片8的安装空间，实现多个TR芯片8的安装。

在本实施例中，HTCC基板1为内部设有金属化过孔的多层陶瓷结构，HTCC基板1的多层陶瓷结构自下而上依次为器件表贴层7、陶瓷层、控制与供电层6、陶瓷层、亚毫米波馈电网络层5、陶瓷层、辐射天线阵列层4；器件表贴层7、控制与供电层6、亚毫米波馈电网络层5与辐射天线阵列层4之间通过所述金属化过孔3互连。

在本实施例中，器件表贴层7主要用于TR芯片等器件的焊接，以及实现金属焊球之间的连通。

在上述实施例中，第一金属焊球10与第二金属焊球9焊接在HTCC基板1的下表面即指焊接在HTCC基板1的器件表贴层7上。

在本实施例中，控制与供电层6主要用于传输控制和供电信号至TR芯片；亚毫米波馈电网络层5主要用于传输亚毫米波信号至辐射天线阵列层4；辐射天线阵列层4主要用于完成最终的辐射任务。

在本实施例中，HTCC基板1是由多层陶瓷材料与多层金属材料烧结成的集天线辐射、馈电网络、控制供电于一体的HTCC基板1，HTCC基板1各层金属材料之间可由金属化过孔垂直互连，各层金属材料之间也可相互交叠。本实施例中的HTCC基板1具有良好的电磁波传输性能和灵活的电路设计特性，可实现多层电路布局。

在本实施例中，TR芯片8是一种半导体芯片，具有收发信号、放大、移相与衰减等功能。

在本实施例中，第一金属焊球10的直径大于第二金属焊球9的直径；第一金属焊球10为直径较大的焊球，直径为500um，第二金属焊球9为直径较小的焊球，直径为80um。采用不同直径金属焊球在实现连接上下的同时形成了TR芯片8的安装空间。

在本实施例中，HTCC基板1内的信号通过第一金属焊球10传入PCB基板2之中；TR芯片8上的信号通过第二金属焊球9传入HTCC基板1之中。

在本实施例中，PCB基板2的上表面与HTCC基板1的下表面通过多个第一金属焊球10连接包括：

PCB基板2的上表面与HTCC基板1的器件表贴层7通过多个第一金属焊球10利用回流焊工艺焊接。使用成本较低的PCB基板2与导热性良好的HTCC基板1组合使用，提高相控阵天线的散热能力同时降低了相控阵天线的成本。

在本实施例中，PCB基板2内部与表面均设有印刷电路，用于实现射频、控制和供电信号的传输。

在本实施例中，辐射天线阵列层4由多个辐射单元排列组成。

根据本发明的实施例，还提供了一种TR芯片8的控制与供电方法，包括：

控制和供电信号通过低频连接器12进入PCB基板2，通过PCB基板2传输至第一金属焊球10后馈入HTCC基板1的控制与供电层6，通过控制与供电层6传输至第二金属焊球9后进入TR芯片8，实现对TR芯片8的控制和供电。

根据本发明的实施例，本发明还提供了一种相控阵天线的工作方法，包括：

相控阵天线工作时，微波信号通过射频连接器11进入PCB基板2，由PCB基板2传输至第一金属焊球10后馈入器件表贴层7，通过器件表贴层7传输至第二金属焊球9，随后馈入TR芯片8中，由TR芯片8进行处理，生成所需幅度和相位的微波信号，再由第一金属焊球10馈入亚毫米波馈电网络层5，通过亚毫米波馈电网络层5的传递，将所需的微波信号传输至辐射天线阵列层4，最终形成空间辐射。

根据本公开的实施例，实现了以下技术效果：

通过HTCC基板与PCB基板组合的方式解决了现有技术在亚毫米波频段集成难度大、成本高、体积大的问题，为实现亚毫米波相控阵低成本、小型化、轻量化提供了一种可行方案。

在本说明书的描述中，术语“连接”、“安装”、“固定”等均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。