一種Ka頻段瓦片式TR組件子陣集成方案?

趙青

一種Ka頻段瓦片式TR組件子陣集成方案?

趙青

（中國西南電子技術研究所，成都610036）

提出了一種Ka頻段瓦片式TR組件子陣集成方案，采用多層電路技術、內層帶狀線功分器、優(yōu)化脊波導口徑、同型端口集中分布等手段大幅提高集成度，采用高可靠性小截面脊波導實現模塊間高性能垂直互聯。給出了TR組件子陣電路布局設計，對小截面脊波導傳輸特性、脊波導-微帶探針過渡和集成功率分配網絡等關鍵無源電路進行了設計、仿真和測試。測試結果表明其性能和尺寸滿足Ka頻段TR組件子陣集成要求。

有源相控陣；TR組件；Ka頻段；垂直互聯；無源電路

1 引言

按組裝方式進行劃分，二維有源相控陣天線TR組件可分為磚塊式和瓦片式兩種結構［1］。近年來，磚塊式結構在有源陣列中得到廣泛應用，因為其技術成熟度高，電路設計及組裝容易實現。但其子陣集成度低、縱向尺寸大，不利于共形；散熱路徑長，難以實現大型陣列應用并保證TR組件長期可靠工作。而瓦片式TR組件技術難度大，單元尺寸更小，必須采用高密度集成技術（HDI）和小型化、高性能高可靠射頻垂直互聯。但瓦片式TR組件可以采用整體液冷散熱，具有優(yōu)良的散熱能力，子陣集成度高，在降低TR組件成本、減小體積尺寸、減輕設備重量方面具有優(yōu)勢，易于實現大規(guī)模陣列。隨著集成化程度的逐步提高，瓦片式TR組件有望在現有小型化磚式TR組件基礎上體積減小20%～80%。由于z向尺寸大幅縮減，熱路徑縮短，散熱效率也相應提高，具有更高可靠性。文獻［2］提供了磚瓦兩種結構TR組件在體積、重量、成本等幾方面的詳細對比。

未來幾年，隨著自動化微組裝技術的普及，瓦片式TR組件由于集成度更高、芯片布局更為規(guī)則，可一次性完成子陣模塊所有芯片的自動化裝配，其生產效率將大大提升，因此，在批生產階段將具有更好的生產性。同時，瓦片式TR組件的低廓線結構特點，便于天線實現共形設計，特別適合于在共形有源相控陣領域的應用。

美國在瓦式相控陣天線領域的研究開展的最早，相關報道主要集中在系統整機的研制［3］，而鮮有提及關鍵技術的具體設計。近年來，歐洲對該領域關注度提高，就瓦式相控陣天線TR組件的多功能專用芯片、垂直互聯技術、多層電路設計、子陣設計等各項關鍵技術都有研究［4-5］。但這些解決方案目前多處于學術科研機構的實驗室階段，其中一些方案在工程應用實際環(huán)境條件的工作效果有待驗證。毫米波頻段由于工作波長很短，對瓦式TR組件的設計、生產、制造、組裝各環(huán)節(jié)要求更高。毫米波瓦式TR組件的發(fā)展有賴于先進制造業(yè)的配套發(fā)展。

本文提出的子陣集成方案，以目前國內成熟的加工制造技術及組裝工藝為設計基礎，以低成本、高可靠為目標，采用脊波導保證信號垂直傳輸的高可靠互聯。對子陣進行合理的模塊劃分，并通過采用多層電路、在內層設計功分網絡、同型端口集中布局等方式大幅提高電路集成度。

2 系統方案

2.1 半雙工Ka頻段TR組件功能及組成

半雙工TR組件需要實現接收低噪聲放大及發(fā)射功率放大，并以電子開關實現收發(fā)切換。為提高集成度，一般采用雙向工作的移相器及衰減器做收發(fā)公共支路。通常一個TR組件集成2n個通道，以Wilkinson功分器實現各通道按比例功率分配及合成，常見為等功分；為降低副瓣電平，也有用不等功分來實現幅度加權的。針對具體指標分配情況，可能還需要在功分合成網絡后加驅動，功能框圖見圖1，虛線框內為TR組件。

2.2 TR組件子陣集成方案

設垂直于天線口徑面為z向，瓦式TR組件結構特點要求通道間距在x、y方向都嚴格受限于波長的比值。若掃描角度60°，則單元間距在x、y方向均要求小于0.53λ。以中心頻率30 GHz的陣列天線為例，TR組件通道間距小于等于5.3 mm。對于瓦式TR組件，則要求通道面積小于等于5.3 mm×5.3 mm。在此范圍內要實現收發(fā)放大、移相衰減等功能，即使采用高集成度專用芯片也可能無法完成電路排布。因此，需要把TR組件進行模塊劃分。

以滿足性能指標要求為前提，以設備盡量簡單并具工藝可實現性為原則，劃分方式比較靈活?？砂垂δ苄酒M行劃分，如所有的收發(fā)放大器劃分為一個模塊，移相衰減劃分為另一模塊。根據實際電路排布，本文按通道數劃分為兩個模塊，單行通道劃分為一個模塊，雙行劃分為另一模塊。兩模塊疊裝為一個完整TR組件，每個模塊的輸入或輸出接口穿過另一模塊，最終在頂層匯集為完整的對天線接口數，如圖2所示。

3 子陣電路布局設計

大規(guī)模及超大規(guī)模陣列，一般由小規(guī)模子陣構成，如256陣列可由4個8×8子陣組成。子陣劃分要綜合各種因素，規(guī)模過大，可能會帶來某些電路加工困難、腔體結構表面平整度降低等問題；而規(guī)模太小，不僅組裝工作量增加，而且集成度也降低。本文以8×8通道數的子陣作為研究目標。

圖3為8×8子陣兩模塊電路布局圖。圖3（a）所示模塊一與天線對接，包括8個輸入口、64個輸出口，其中32個為模塊二輸出信號提供到天線的傳輸通道；圖3（b）所示模塊二與模塊一對接，包括16個輸入口、32個輸出口，其中有8個輸入口為模塊一輸入（都對發(fā)射狀態(tài)而言）。兩模塊垂直組裝為一體后，對天線陣列接口如圖4所示。為提高集成度，每個模塊電路集成一分四功分合成網絡，輸入接口數減少為通道數1／4。

4 關鍵無源部件設計

4.1 Ka頻段脊波導垂直互聯

對于較低工作頻率，可采用同軸接插件等方式實現模塊間的垂直互聯。Ku頻段也采用BGA工藝實現垂直互聯［6］。本方案采用脊波導互聯，以獲得低插損、高可靠性。脊波導壓縮波導寬邊長度，提高集成度。

對該過渡結構加工參數進行容差分析得到，在±0.02 mm的電路加工精度范圍內，帶內S11仿真結果均優(yōu)于-20 dB。

對組裝過程引入的各項誤差參數容差分析發(fā)現，垂直于寬邊方向的裝配誤差對過渡性能影響較大。根據波導短路面和輸入波導在垂直于寬邊方向的裝配誤差的容差分析結果，誤差取值在±0.05 mm以內，帶內S11仿真結果低于-20 dB。

脊波導垂直互聯具有較高容差性，加工及組裝公差并不會導致駐波大幅惡化，通道幅相一致性更易得到保證。對大規(guī)模陣列，這一點很關鍵。

4.2 平面集成功分合成網絡

圖5給出一分四功分網絡電路布局及場仿真結果。采用帶狀線Wilkinson功分器與芯片連接處過渡為微帶線。由仿真結果可看出，4個功分端口之間幅度一致性在0.1 dB以內。出于電路布局的考慮，4個輸出端口接微帶線長度略有差異，帶來8°相位差。通過相控陣天線校準技術，這種固定相位誤差的影響可以去掉。

5 結構設計

完整的TR組件由兩個模塊、共計4個金屬腔體及兩塊多層電路基板組裝而成，多層電路板與腔體壓合成形為一體，如圖6所示。

6 實驗及驗證

6.1 單脊波導到標準波導測試

對基于脊波導的垂直互聯進行測試，設計脊波導到標準波導過渡。結構及仿真性能如圖7所示。

表1給出單個脊波導到標準波導變換背靠背結構S參數測試結果?？鄢魞蓚€波導同軸過渡插損約0.9～1 dB，單個脊波導到標準波導過渡測試件插損0.4 dB以內。

6.2 四端口脊波導陣列到四端口標準波導陣列變換及測試

為實現對TR組件每個通道電性能的獨立測試，除單個脊波導到標準波導變換，還須解決陣列脊波導測試問題。圖8所示為4個脊波導組到四錯位標準波導變換，可實現對每個通道的單獨測量。其結構仿真結果如圖9所示。

表2給出了四端口脊波導到標準波導過渡的測試結果?？鄢龢藴什▽S過渡的插損，脊波導到標準波導過渡插損約0.5 dB，帶內波動0.3 dB以內。

6.3 脊波導微帶過渡測試

分別對3片脊波導微帶過渡電路進行測試，每片測試電路包含了4對背靠背過渡及一段微帶線，如圖10所示。長微帶線約40 mm，短微帶線約30 mm，從上往下分別以No.1～No.4進行編號?？鄢魷y試用波導同軸過渡（一對），脊波導到標準波導過渡（一對）的插損實測結果如表3所示。

7 結論

本文提出了一種基于小截面脊波導的Ka頻段瓦式TR組件子陣集成方案。本方案繼承了波導連接的高可靠性，同時又大幅提高了電路集成度。對關鍵無源部件的數值分析表明本方案具有良好容差性，這對保證陣列的通道間一致性極為關鍵。實驗結果與仿真吻合。下一步在對無源電路進一步優(yōu)化的基礎上，還要解決有源高密度組裝后可能帶來的其他問題。

［1］Gregorwich W.Conformal Airborne Arrays［C］／／Proceedings of IEEE Aerospace Conference.Snawmass at Aspen，Co：IEEE，1997：463-470.

［2］Haube M S，Wooldridge J J.High density packaging of X-band active array modules［J］.IEEE MTT-S Digest，1997， 20（3）：279-291.

［3］Watson T，Miller S，Kershner D，et al.Design of a K-band Transmit Phased array for low earth orbit satellite communications［C］／／Proceedings of 2000 IEEE International Conference on Phased Array Systems and Technology.Dana Point，California：IEEE，2000：211-214.

［4］Stefano Vaccaro，Daniel Llorens delRio，Roberto Torres Sánchez，et al.Low cost phased array for mobile Ku-band satellite terminal［C］／／Proceedings of the Fourth European Conference on Antennas and Propagation.Barcelona，Spain：IEEE，2010：1-5.

［5］Rens Baggen，Stefano Vaccaro，Daniel Llorensdel Rio，et al.First Prototyping of a Compact Mobile Ku-Band Satellite Terminal［C］／／Proceedings of the Fourth European Conference on Antennas and Propagation.Barcelona，Spain：IEEE，2010：1-4.

［6］Schreiner M，Leier H，Menzel W，et al.Architecture and interconnect technologies for a novel conformal active phased array radar module［C］／／Proceedings of 2003 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest.Philadelphia：IEEE，2003：567-570.

A Sub-array Integration Solution for Ka-band Tile-type TR Module

ZHAO Qing
（Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

A new sub-array integration solution for Ka band tile-type TR module is proposed.By applying multilayer circuit technology，inner layer stripline power divider，section optimized ridge waveguide，same type ports centralized distribution，the circuit integration level is increased substantially.Low cross-profile ridge waveguide is employed as vertical interconnection between modules.Layout of sub-array circuit is provided. Passive components such as ridge waveguide transition and divider are modeled，simulated and demonstrated. The result shows that the size and performance of these passive circuits can fulfill the integration requirements.

active phased array；TR module；Ka-band；vertical interconnection；passive circuit

the M.S.degree from University of Electronic Science and Technology of China in 2004.She is now an engineer.Her research concerns R＆D of millimeter wave module.

1001-893X（2012）07-1155-05

2012-04-13；

2012-05-21

TN80

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2012.07.022

趙青（1979—），女，四川瀘州人，2004年于電子科技大學獲碩士學位，現為工程師，主要從事毫米波組件的開發(fā)研究工作。

Email：qinglemon＠gmail.com

ZHAO Qing was born in Luzhou，Sichuan Province，in 1979. She