毫米波通信二維有源相控陣天線

藍海

【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、關鍵技術和實現途徑等展開設計，在簡要介紹國外相關技術和其它有關案例基礎上，根據總體設計出發提出瓦式相控陣天線的設想，包含模塊組成及技術實現的途徑，有一定的實際可操作性，當然很多詳細設計需專題仿真，但設計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的嘗試。

【關鍵詞】 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用已經有很大的需求，對高機動和高價值平臺的衛星通信對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是規模大，集成度高，要求設備小型化和適應平臺安裝。

通常實現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，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上，MMIC在中間層，分布饋電網絡分布在更低層。可用電磁耦合激勵天線單元，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構圖和內部連接關系，如圖2、圖3所示。

瓦式相控陣的結構方式下，天線與T/R的射頻連接很關鍵，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：風冷和液冷，對高密度和大規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、總體架構及關鍵技術

設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、功分網絡和電源與波束控制組成。信號流程及連接關系圖如圖8所示：

瓦式毫米波二維有源相控陣天線涉及多學科多專業，技術難度大，有如下關鍵技術點：（1）相控陣總體技術：涉及總體架構、模塊指標分配以及系統功能完備性與可靠性等設計。（2）材料、結構和工藝技術：涉及陶瓷、與陶瓷熱膨脹系數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：涉及芯片技術和高低頻混合電路立體設計技術等。（4）高密度射頻和低頻互連技術：涉及與陣元數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：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路徑來提高散熱效率。

三、實現途徑

3.1 天線實現

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，用多層可實現輻射單元和饋電網絡一體化，如圖9所示。

3.2 TR組件實現

在瓦式毫米波二維有源相控陣中，TR組件的實現不是一個完全獨立的部分。為了滿足瓦式結構的高密度，小體積集成要求，每一個TR組件單元都需要向上與天線陣列，向下與射頻饋線網絡和波控模塊進行高效有機的融合。這其中包括饋線網絡及波控模塊與TR陣元的互聯，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等一系列關鍵設計。同時，作為電路功耗消耗密度很高的部分，在實現射頻性能的同時，還需要考慮有效的散熱。TR組件的結構示意如圖10所示。

3.3 波束形成網絡實現

平面陣天線波束形成網絡的實現途徑有兩種，一種是沿X向功分，后用Y向功分將其并聯，這種方式適合于磚式架構的相控陣。另一種是X向和Y向同步擴張的“工”字形網絡，瓦式架構的相控陣就很適合這種網絡形式。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絡，可在LTCC內用內埋式的帶狀線型功分網絡；全陣的功分網絡可采用包含散熱功能的波導功分網絡實現。波束形成網絡的示意圖如圖11所示。

3.4 波控實現

瓦式相控陣天線的波控功能采用分布式波控方案實現，包含波控母板和波控計算板，波控母板采用FPGA實現對移相器控制或是DA芯片實現對矢量調制器實現對4×4子陣各單元的移相碼或是IQ電壓的控制。波控計算單元可采用DSP配合FPGA實現相控陣波控碼的計算和分發功能。endprint

四、互連技術

瓦式相控陣天線核心技術，同時決定方案可實現性的關鍵是高密度的射頻和低頻互連技術。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（國外成熟產品），TR子陣與全陣波束形成網絡的射頻連接可采用微帶或帶狀線到波導過渡方式（毫米波互連的成熟技術）。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，瓦式相控陣天線的組裝和拆卸非常方便，如圖12～15所示。

五、散熱及結構工藝方式

5.1 散熱方案

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

熱管在嚴酷環境下國內外鮮有成功工程經驗，根據目前找到的資料僅發現在無人機上有使用環路熱管試驗的資料；而液冷是比較成熟的工藝與技術，而在國內很多工程項目中都有大量的實驗和研究。

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。整個系統的構成分為熱端、冷端和驅動及附件端。熱端主要為系統的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現結構連接、熱匹配及低熱阻的熱傳遞路徑，如圖16所示。

5.2 結構工藝連接

由于天線的空間較小，一般螺裝方式難以實現連接，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雜，實現階梯焊需要合理設計安裝順序及溫度梯度，這也是設計的難點之一。

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構件一體；TR組件可基于LTCC實現射頻和低頻饋線的立體設計，通過鎢銅或碳硅鋁做過渡實現LTCC與冷板的結構連接和熱匹配；冷板和網絡的結構可一體化設計加工。

參 考 文 獻

[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.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

瓦式相控陣天線核心技術，同時決定方案可實現性的關鍵是高密度的射頻和低頻互連技術。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（國外成熟產品），TR子陣與全陣波束形成網絡的射頻連接可采用微帶或帶狀線到波導過渡方式（毫米波互連的成熟技術）。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，瓦式相控陣天線的組裝和拆卸非常方便，如圖12～15所示。

五、散熱及結構工藝方式

5.1 散熱方案

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

熱管在嚴酷環境下國內外鮮有成功工程經驗，根據目前找到的資料僅發現在無人機上有使用環路熱管試驗的資料；而液冷是比較成熟的工藝與技術，而在國內很多工程項目中都有大量的實驗和研究。

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。整個系統的構成分為熱端、冷端和驅動及附件端。熱端主要為系統的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現結構連接、熱匹配及低熱阻的熱傳遞路徑，如圖16所示。

5.2 結構工藝連接

由于天線的空間較小，一般螺裝方式難以實現連接，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雜，實現階梯焊需要合理設計安裝順序及溫度梯度，這也是設計的難點之一。

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構件一體；TR組件可基于LTCC實現射頻和低頻饋線的立體設計，通過鎢銅或碳硅鋁做過渡實現LTCC與冷板的結構連接和熱匹配；冷板和網絡的結構可一體化設計加工。

參 考 文 獻

[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.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

瓦式相控陣天線核心技術，同時決定方案可實現性的關鍵是高密度的射頻和低頻互連技術。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（國外成熟產品），TR子陣與全陣波束形成網絡的射頻連接可采用微帶或帶狀線到波導過渡方式（毫米波互連的成熟技術）。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，瓦式相控陣天線的組裝和拆卸非常方便，如圖12～15所示。

五、散熱及結構工藝方式

5.1 散熱方案

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

熱管在嚴酷環境下國內外鮮有成功工程經驗，根據目前找到的資料僅發現在無人機上有使用環路熱管試驗的資料；而液冷是比較成熟的工藝與技術，而在國內很多工程項目中都有大量的實驗和研究。

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。整個系統的構成分為熱端、冷端和驅動及附件端。熱端主要為系統的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現結構連接、熱匹配及低熱阻的熱傳遞路徑，如圖16所示。

5.2 結構工藝連接

由于天線的空間較小，一般螺裝方式難以實現連接，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雜，實現階梯焊需要合理設計安裝順序及溫度梯度，這也是設計的難點之一。

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構件一體；TR組件可基于LTCC實現射頻和低頻饋線的立體設計，通過鎢銅或碳硅鋁做過渡實現LTCC與冷板的結構連接和熱匹配；冷板和網絡的結構可一體化設計加工。

參 考 文 獻

[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.Mazel，B.Reig，P.Monfraix A 3D wideband Package solution using MCM-D BCB technology for tile TR module 13th GAAS symposium-Pairs 2005endprint