為進一步提高瓦式相控陣天線結(jié)構(gòu)的密度、令其體積更小,我們采用高密度集成技術(shù)設(shè)計了其核心部件———收發(fā)組件與和差網(wǎng)絡(luò),以便大幅降低縱向高度、縮減收發(fā)組件與和差網(wǎng)絡(luò)之間互聯(lián)所占用的空間,此外,優(yōu)化了收發(fā)組件的低頻控制和供電走線,從而提高電路可靠性。如圖 2 所示,將多通道收發(fā)電路與和差網(wǎng)絡(luò)設(shè)計在同一塊印制板上。一方面,放大器、移相器和功分網(wǎng)絡(luò)的走線在同一層,通過 PCB 板間的金屬化過孔將射頻信號向上向下聯(lián)通;另一方面,和差網(wǎng)絡(luò)、收發(fā)電路控制、供電等低頻信號也通過 PCB 多層板進行線路布局。最后,將加工完成的一體化收發(fā)電路與和差網(wǎng)絡(luò)的 PCB 多層板焊接在金屬基板上,通過毛紐扣等形式與天線陣面和波控等模塊完成互聯(lián)。同時,考慮到移相器和放大器的工作需求,上蓋板預(yù)留空氣腔。
圖 2 一體化集成的收發(fā)電路與功分網(wǎng)絡(luò)組裝圖
多通道收發(fā)電路與和差網(wǎng)絡(luò)在同一介質(zhì)基板上完成,射頻、低頻電路走線既有層內(nèi)也有層間,射頻端口和低頻端口可通過彈性觸碰方式與天線單元和波控器等連接,形成無插拔力的高密度互聯(lián),在較薄的介質(zhì)基板內(nèi)完成了射頻和低頻電路的布置。作為接收射頻輸入、發(fā)射射頻輸出的功分端口、合成端口,它們通過介質(zhì)基板打孔方式形成同軸傳輸,低頻控制及電源接口則通過介質(zhì)基板間的走線分布到基板四周,多通道收發(fā)電路與和差網(wǎng)絡(luò)之間僅靠介質(zhì)基板層間走線實現(xiàn)高低頻互聯(lián),由此完成的多通道收發(fā)電路與和差網(wǎng)絡(luò)的一體化、高密度集成設(shè)計,無須接插件,方便多通道收發(fā)電路與和差網(wǎng)絡(luò)設(shè)計,節(jié)省了收發(fā)組件模塊與和差網(wǎng)絡(luò)間的接插件,同時可采用成熟微波印制板加工工藝一體成形,與 LTCC 相比工藝更簡單、成本更低。
2 設(shè)計分析
針對多通道收發(fā)電路與和差網(wǎng)絡(luò)的一體化集成技術(shù),選用毫米波頻段 8×16 陣列作為例子進行詳細設(shè)計分析。由于毫米波頻段天線單元間距較小,單通道所占用的平均面積約為 7 mm×7 mm,使得多通道收發(fā)電路與和差網(wǎng)絡(luò)的電路走線十分緊湊,采用非等間距形式進行布局,如圖 3 所示。其中,1 為多通道收發(fā)芯片,2 為功分網(wǎng)絡(luò),3 為介質(zhì)基板,4 為低頻控制焊盤(pad),5 為電源供電焊盤,6 為與天線連接的射頻端口,7 為功分合成端口,8 為低頻控制及電源接口,9 為和差網(wǎng)絡(luò),10 為金屬隔離柱,11 為實心接地柱。
圖 3 一體化集成電路多層印制板圖
如圖 3(a)所示,器件貼裝界面與功分網(wǎng)絡(luò)的走線層在同一層,四周通過金屬隔離柱進行隔離,減小電路走線之間的影響,功分網(wǎng)絡(luò)與和差網(wǎng)絡(luò)在不同層,兩者通過板內(nèi)打孔實現(xiàn)射頻垂直互聯(lián)。芯片的低頻控制及供電采用金絲鍵合方式與芯片附近的焊盤連接,再由焊盤下方的金屬化過孔垂直向下往印制板四周布置,如圖 3(b)所示。同時,在芯片貼裝界面的下面設(shè)計實心接地柱,不僅為芯片提供接地,同時也作為芯片的散熱通道,將熱導(dǎo)到印制板底部。
3 測試結(jié)果及分析
實物加工了上述毫米波頻段 8×16 多通道收發(fā)電路與和差網(wǎng)絡(luò)一體化集成電路,尺寸為 114 mm×68 mm,厚度僅 3 mm 左右,單通道重量約 2 g。為了驗證一體化集成電路的性能,將功分器貼裝在相應(yīng)位置后,進行了無源測試,實物與測試裝夾圖如圖 4 所示。該集成電路 128 個射頻通道測試結(jié)果如圖 5 所示。
圖 4 一體化集成電路多層印制板實物與測試裝夾圖
圖 5 一體化集成電路多通道幅相測試結(jié)果
圖 5 中,左上角的圖為 S 11 ,為公共口反射系數(shù),在 21~23 GHz 頻帶內(nèi) S 11 ≤ -11 dB;右上角的圖為插入損耗曲線,各通道間一致性良好,扣除兩根測試電纜后,損耗約為 24 dB(包含分損 21 dB);左下角的圖為 S 21 的相位,圖示通道間一致性良好;右下角的圖為 S 22 ,是與天線接口端的反射系數(shù),圖中 S 22 ≤-10 dB;由以上各圖,該高密度集成射頻板工作正常,具備優(yōu)異的通道間幅度和相位一致性,128 個通道在 21~23 GHz 頻帶內(nèi)的幅度均方根為 0.8 dB,相位均方根為 5°。說明其中的核心部分———多通道一體化集成電路工作正常,采用微波印制板加工工藝可行,能夠完成相控陣收發(fā)組件的電路與和差網(wǎng)絡(luò)的功能,提高了瓦式相控陣的集成度,可以用于高精度波束掃描的相控陣天線。
4 結(jié)論
毫米波多通道收發(fā)電路與和差網(wǎng)絡(luò)高密度集成技術(shù),不僅能在毫米波頻段實現(xiàn)良好的通道電氣性能,同時,將多通道收發(fā)電路與和差網(wǎng)絡(luò)高密度集成,大大降低了縱向高度尺寸及重量,為相控陣天線的小型化、輕量化提供了實現(xiàn)途徑,也為將來蒙皮天線技術(shù)提供了重要的設(shè)計思路。同時采用成熟的微波印制板制備方式,大大縮減了制作成本和周期,具有小型化、輕量化、一體化高密度集成等特點,與現(xiàn)有的微波印制板加工工藝結(jié)合,易加工實現(xiàn),且成本低、周期短,對于工程應(yīng)用十分有意義。