X波段二維擴充瓦片有源陣列天線研制

郝齊焱， 鄭林華， 何朝升， 陳文蘭， 張小剛

(中國電子科技集團公司第三十八研究所, 安徽合肥 230088)

0 引言

高密度瓦片集成陣列天線具有陣面剖面低、成本小、功率密度大以及易擴充等優(yōu)點，是有源相控陣天線技術(shù)的重點研究和發(fā)展方向之一。高密度集成陣列天線在大口徑的陣列天線、低成本目標(biāo)搜索雷達(dá)、多功能相控陣及共形天線等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

瓦片陣列天線典型結(jié)構(gòu)是由天線輻射單元、T/R組件模塊、饋電網(wǎng)絡(luò)、波控、電源等功能電路和結(jié)構(gòu)件層疊而成，是典型的“三明治”式的結(jié)構(gòu)。高頻段(X波段及以上)的瓦片天線受限于空間尺寸限制，難以直接實現(xiàn)二維方向的擴充。本文作者結(jié)合前期大量瓦片陣列天線的研究工作，研制一型X波段8×8單元的片式二維有源擴充陣列天線。該瓦片陣列天線主要由綜合饋電網(wǎng)絡(luò)和天線輻射單元集成架構(gòu)而成。綜合饋電網(wǎng)絡(luò)通過多層復(fù)合板加工工藝和彈性垂直互聯(lián)技術(shù)，將陣面輻射單元、低頻和高頻分配網(wǎng)絡(luò)、波控電路及電源電路集成在一個低剖面有源陣列模塊中，通過天線結(jié)構(gòu)支撐件與天線輻射單元實現(xiàn)高頻互聯(lián)。在9～10 GHz工作頻率范圍內(nèi)，原理樣機在方位向和俯仰向?qū)崿F(xiàn)二維擴充，瓦片式有源陣列天線實現(xiàn)方位向±45°以及俯仰向±30°波束掃描，并給出了相應(yīng)的測試結(jié)果。

1 瓦片陣列天線集成架構(gòu)

研制的X波段8×8集成瓦片陣列天線由天線輻射陣面和綜合饋電網(wǎng)絡(luò)集成架構(gòu)而成，其中天線輻射陣面作為結(jié)構(gòu)支撐、冷板和殼體，如圖1所示。

圖1 瓦片式陣列天線集成架構(gòu)示意圖

綜合饋電網(wǎng)絡(luò)包含T/R組件、波控電路和高低頻分配網(wǎng)絡(luò)。通過高頻SMP雙陰連接器連接天線單元的饋電口和T/R組件的射頻輸出口，實現(xiàn)射頻前端收發(fā)饋電，圖2為有源陣面集成架構(gòu)示意圖。

圖2 有源陣面集成架構(gòu)剖面示意圖

2 關(guān)鍵電路設(shè)計

2.1 天線輻射單元

陣列天線輻射單元采用低剖面的微帶對稱陣子天線形式，如圖3所示，這種天線的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)剖面低、寬帶寬、有源駐波小、易于匹配和工藝安裝。

圖3 低剖面天線輻射單元結(jié)構(gòu)圖

微帶天線采用介質(zhì)介電常數(shù)為2.94， 天線總高度約為8 mm，天線輻射單元的方向圖仿真如圖4所示。

圖4 天線輻射單元方向圖仿真結(jié)果

2.2 陣列天線布局

為實現(xiàn)陣列天線在方位向±45°和俯仰向±30°掃描時方向圖均不出現(xiàn)柵瓣，可由公式

(1)

式中，為最小工作頻率的波長，為最大掃描角，為方位向或俯仰向的陣列數(shù)量，初步判斷d=168 mm，d=186 mm。天線輻射陣列方位面單元數(shù)為48，俯仰面單元數(shù)為16，陣面天線輻射單元的排列方式如圖5所示。

圖5 陣列天線輻射單元布局圖

陣列天線方位向與俯仰向方向圖的仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 陣列天線方位向和俯仰向方向圖仿真結(jié)果

仿真結(jié)果表明，工作頻率9.5 GHz時，方位向45°掃描時波束寬度為2.80，波束副瓣電平約為-12.69 dB，俯仰向30°掃描時波束寬度為6.20，波束副瓣電平約為-12.45 dB，滿足設(shè)計使用要求。

2.3 微型四通道T/R組件

微型四通道T/R組件基于微系統(tǒng)架構(gòu)，采用陶瓷三維集成工藝，將4個單片T/R芯片在陶瓷基板上三維堆疊集成，通過TSV技術(shù)實現(xiàn)四通道T/R芯片的饋電、信號互聯(lián)以及外部接口的連接，實現(xiàn)四通道T/R組件的輕小型化。

單通道組件采用單片化設(shè)計，在一個單片上集成低噪放、功率放大器、移相器、衰減器、開關(guān)實現(xiàn)接收、發(fā)射和幅相控制。單片T/R芯片原理圖如圖7所示。四通道T/R組件的結(jié)構(gòu)示意圖如圖8所示。

圖7 單片T/R芯片原理框圖

圖8 陶瓷基板四通道T/R芯片SiP封裝示意圖

研制的四通道T/R組件主要指標(biāo)為：

發(fā)射峰值功率：30 dBm

接收增益：≥25 dB

接收噪聲系數(shù)：≤3.5 dB

外形尺寸：22 mm×20 mm×5 mm

2.4 綜合饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

綜合饋電網(wǎng)絡(luò)主要包括1∶16主信號分配網(wǎng)絡(luò)、波控分配網(wǎng)絡(luò)及T/R、波控、電源等元器件的標(biāo)貼焊盤，是實現(xiàn)可擴充片式陣列天線模塊小型化、輕量化的關(guān)鍵組件，其多層結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 綜合饋電網(wǎng)絡(luò)剖面示意圖

綜合饋電網(wǎng)絡(luò)采用的是微波數(shù)字復(fù)合基板工藝技術(shù)是在普通的多層印制板工藝和微波多層板工藝技術(shù)基礎(chǔ)上開發(fā)的新工藝，采用新型的復(fù)合半固化片將多層微帶電路與高密度數(shù)字電路壓合在一起，通過金屬化孔、材料和形狀的立體組合等技術(shù)工藝完成電性能的互聯(lián)與集成。

其中，射頻饋電網(wǎng)絡(luò)由1∶16的主信號網(wǎng)絡(luò)和天線饋電垂直過渡組成，主要指標(biāo)要求如下：

1) 實現(xiàn)16個T/R組件主信號的功率分配/合成；

2) 端口駐波：≤1.6(分口)，≤1.6(總口)；

3) 插入損耗：≤3 dB(含接頭和垂直過渡損耗)；

4) 分口之間隔離度：≥18 dB；

5) 帶內(nèi)起伏：≤±0.3 dB。

射頻饋電網(wǎng)絡(luò)位于無源天線陣面層與T/R組件層之間，T/R組件的功率輸出接口穿過饋電網(wǎng)絡(luò)層與天線單元相連。整個多層微帶板的厚度約為1.1 mm。

圖10所示為射頻網(wǎng)絡(luò)平面布局圖，紅色線條為主信號合成網(wǎng)絡(luò)，白色線條為T/R組件的表貼焊盤和微帶線。圖11所示為綜合饋電網(wǎng)絡(luò)的實物俯視圖。

圖10 1∶16射頻網(wǎng)絡(luò)平面布局

圖11 綜合饋電網(wǎng)絡(luò)實物俯視圖

3 瓦片陣列天線集成測試

天線陣面輻射單元數(shù)是48×16(方位向×俯仰向)，瓦片有源陣列天線輻射陣面、陣面支撐結(jié)構(gòu)和散熱片一體化加工，有源陣列模塊(含T/R、電源、波控及高低頻分配網(wǎng)絡(luò))安裝在輻射陣面的背面腔體里，利用SMP雙陰器連接T/R組件的輸出端口和天線單元的饋電口，實現(xiàn)天線單元的信號收發(fā)。綜合饋電網(wǎng)絡(luò)按照方位向和俯仰向6×2直接實現(xiàn)有源陣列天線陣面的二維擴充。

利用平面近場測試系統(tǒng)對陣列天線進(jìn)行了測試，測試狀態(tài)如圖12所示。

圖12 天線陣面微波暗室測試

二維擴充瓦片有源陣列天線原理樣機方向圖測試結(jié)果如圖13所示。

圖13 瓦片有源陣列天線方向圖測試結(jié)果

測試結(jié)果如表1所示，在9～10 GHz工作頻率范圍內(nèi)，天線陣面在波束寬度、最大副瓣電平及增益等主要技術(shù)指標(biāo)的測試結(jié)果與仿真結(jié)果一致，能滿足實際工作的電性能要求。

表1 陣列天線波瓣性能測試數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語

二維擴充瓦片陣列天線是有源相控陣天線集成的重要研究方向之一。本文提出的一種微波數(shù)字復(fù)合而成的二維擴充瓦片有源陣列模塊，集成低頻和射頻饋電網(wǎng)絡(luò)、模擬電路與數(shù)字電路的一體化功能，使瓦片陣列天線同時具備輕量化、低剖面、低成本、易安裝、高互聯(lián)可靠性等優(yōu)點。未來的有源天線陣面集成技術(shù)朝著更高集成度、更低成本方向進(jìn)行研究。