Ka頻段衛(wèi)通相控陣封裝天線設(shè)計與實現(xiàn)*

李秀梅，黃中華,任 思，李雪蓮，周 哲，何小峰

(1.中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036；2.中國人民解放軍93129部隊，北京 100843；3.成都天奧電子股份有限公司，成都 610015)

0 引 言

衛(wèi)星通信具有覆蓋范圍廣、傳輸距離遠、通信容量大、傳輸質(zhì)量好、組網(wǎng)靈活迅速和保密性高等眾多優(yōu)點，已成為當今極具競爭力的通信手段。相控陣天線因波束捷變、剖面低和高可靠性等特點，在衛(wèi)通領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。隨著先進微電子技術(shù)和集成工藝的不斷演進，相控陣天線正朝著毫米波及以上頻段發(fā)展，充分利用高頻段的豐富頻譜資源，以提升電子裝備性能。毫米波相控陣天線技術(shù)逐漸呈現(xiàn)出低成本、芯片化和晶圓級等封裝集成的趨勢。這種以高度融合集成為特征的封裝天線(Antenna in Package，AIP)技術(shù)，將微電子技術(shù)和三維微納集成工藝結(jié)合，能夠極大地降低系統(tǒng)內(nèi)部互連損耗，大幅提升系統(tǒng)能效[1]。根據(jù)封裝架構(gòu)不同，AIP可以分為單板集成、模組集成、封裝集成和晶圓集成等四類[2]。在Ka頻段，單板集成相控陣[3-4]具有成本低、復(fù)雜度低、工藝成熟、性能優(yōu)良等特點，是比較適合的技術(shù)途徑。

針對天線低剖面、低成本、低功耗等需求，本文研究了毫米波單板集成相控陣封裝天線的架構(gòu)、極化可變陣面、稀疏布陣等關(guān)鍵技術(shù)。試驗結(jié)果表明，本文設(shè)計方法正確，產(chǎn)品性能優(yōu)良、可靠性高。

1 天線設(shè)計原理

綜合考慮天線在功能、性能、布局位置、載體適裝性等方面的要求，從空域、頻域和極化域等方面開展綜合設(shè)計。傳統(tǒng)的磚式或瓦式架構(gòu)的相控陣天線的設(shè)計思路是將各功能模塊進行分離設(shè)計，各模塊間通過接插件進行互聯(lián)，這樣不便于衛(wèi)通天線的高集成、低剖面和減重設(shè)計。本文采用基于單板集成相控陣封裝天線。

考慮天線可擴展性設(shè)計，將天線主體從功能上分為上、下兩種功能載板。上載板將天線陣面、一級功率分配網(wǎng)絡(luò)、TR模組和波控等集成為一體化可擴展載板，其中TR模組通過SIP封裝技術(shù)形成表面貼裝的器件；下載板將天線電源、二級波束形成網(wǎng)絡(luò)和天線信道等功能集成為數(shù)?；旌系亩喙δ茌d板。上、下載板射頻、供電和控制通過接插件或電纜實現(xiàn)互聯(lián)，上、下載板之間采用金屬結(jié)構(gòu)件，實現(xiàn)天線散熱及承載功能。圖1給出了天線架構(gòu)與組成示意圖。

圖1 天線架構(gòu)及組成

考慮收發(fā)全雙工等要求，本文采用收發(fā)天線分口徑設(shè)計，并從發(fā)射信號和發(fā)射噪聲分別對接收通道的影響進行分析，確定收發(fā)天線間距、收發(fā)信號抑制的設(shè)計。

發(fā)射天線口徑規(guī)模和布陣方式受天線發(fā)射等效全向輻射功率(Equivalent Isotropically Radiated Power，EIRP)指標、掃描范圍和發(fā)射控制等要求，采用64×64規(guī)模的陣列結(jié)合稀疏布陣和加權(quán)的方式，發(fā)射天線陣元間距5.2 mm，陣列規(guī)模1 600元，單發(fā)射功率15 dBm。

接收天線設(shè)計是常規(guī)相控陣設(shè)計方法，陣元間距7.2 mm，陣列規(guī)模4 096元。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 靈活可擴展單板級封裝天線技術(shù)

如圖2所示，單板級封裝天線是以高密度高低頻混合多層印刷電路板(Printed Circuit Board，PCB)板為載板的天線子陣，包含1 024個雙圓極化陣元、256顆多通道幅相控制芯片、1分256功分網(wǎng)絡(luò)、電源分配網(wǎng)絡(luò)、波控電路及數(shù)字控制網(wǎng)絡(luò)。多層PCB板工藝示意圖如圖3所示，整個多層板含15層電路板，上面層天線輻射層，中間層為低頻控制走線和供電網(wǎng)絡(luò)走線，下面層為射頻功分層，層間通過高密度垂直互聯(lián)實現(xiàn)電路的聯(lián)通。對于更大規(guī)模陣列，可直接通過單板級相控陣天線的拼接擴展實現(xiàn)，如圖4所示，天線控制通過天線控制單元(Antenna Control Unit，ACU)實現(xiàn)天線頻率、極化、波束指向等控制。

圖2 可擴展單板級封裝天線

圖3 封裝天線多層板工藝示意圖

圖4 封裝天線的可擴展技術(shù)

由于單板級封裝天線取消了絕大部分射頻互聯(lián)和低頻互聯(lián)，采用成熟的表貼工藝，大大降低了成本。相比以模塊組成的傳統(tǒng)相控陣，單板級封裝天線在重量、剖面等方面極具優(yōu)勢，重量、剖面高度降低約為1/5，裝配效率提高約10倍，成本降低10倍。

2.2 圓極化可變陣面技術(shù)

微帶天線因為剖面低、易集成、制造成本低，在毫米波相控陣天線中得到了廣泛應(yīng)用。但微帶天線帶寬窄、高頻損耗大，需要采用增加基板介質(zhì)厚度、寄生單元、降低介質(zhì)介電常數(shù)等方法來提高工作帶寬和減小損耗。毫米波衛(wèi)星通信系統(tǒng)除了要求終端天線具有寬頻帶、寬角輻射、高增益等要求外，一般還會要求終端天線具備圓極化可變能力。本文采用多饋法[5]和多元法[6]相結(jié)合實現(xiàn)圓極化寬帶特性：多饋法采用正交兩點饋電，如圖5所示，在展寬帶寬的同時不增加太多復(fù)雜度；同時采用2×2周期旋轉(zhuǎn)饋電陣列，如圖6所示，進一步展寬軸比帶寬。通過采用傳統(tǒng)3 dB電橋?qū)崿F(xiàn)寬帶圓極化的切換功能。

圖5 雙饋點圓極化天線

圖6 2×2周期旋轉(zhuǎn)饋電的圓極化天線陣列

2.3 稀疏布陣技術(shù)

在偏離地球站天線主瓣軸2°的任何角度φ上，在對地靜止衛(wèi)星軌道的3°范圍內(nèi)，任何方向的EIRP譜密度值應(yīng)不超過規(guī)定的數(shù)值[7]，具體如表1所示。因此，在特定的符號速率下，要求天線主瓣波束窄，副瓣電平低。在陣元間距選定的前提下，相控陣天線主瓣寬度取決于陣元規(guī)模。發(fā)射鏈路末級放大器芯片輸出功率一般會在10 dBm以上，那么會存在滿足主瓣寬度的陣元規(guī)模的天線EIRP過大，導(dǎo)致不滿足發(fā)射要求及成本和功耗無謂的增加。因此，采取稀疏布陣是一種較好解決這種矛盾的手段，既可以保證需要的波束寬度和降低副瓣電平，同時又可以滿足EIRP和功耗等指標要求。

表1 Ka頻段動中通地球站偏軸EIRP譜密度值

稀疏布陣有很多研究成果，比較有代表性的有遺傳算法、模擬退火算法、粒子群算法等，但這些算法存在大規(guī)模陣列計算量大、收斂慢等問題。本文以2×2個陣元為最小單元，采用隨機稀疏布陣技術(shù)，以EIRP譜密度包絡(luò)為天線方向圖優(yōu)化目標，且盡可能均勻分布，便于工程散熱設(shè)計。經(jīng)過1 000次迭代，最終結(jié)果如圖7所示，稀疏率0.39，大大減少了陣元數(shù)量并降低了鄰星干擾問題。

(a)陣元稀疏布陣示意圖

3 實驗結(jié)果與分析

基于以上關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了毫米波相控陣天線，機載件實物如圖8所示，極化方式為雙圓極化，自動切換。其主要指標如表2所示，通過了DO-160G適航符合性驗證試驗。通過中星16高軌同步衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)建立鏈路，進行了靜態(tài)對星、搖擺臺試驗、跑車試驗和飛行試驗等多項工作，驗證了相控陣終端的靜態(tài)信號捕獲，顛簸路面、大動態(tài)過彎、急速升降、45°俯沖等自動跟蹤，橋隧遮擋、超大動態(tài)飛行等失鎖重補，自動跨波束聯(lián)星等能力。飛行過程中，下行速率峰值170.8 Mb/s，上行速率9.8 Mb/s，如圖9所示。

圖8 天線實物

表2 Ka頻段封裝相控陣天線測試結(jié)果

圖9 掛飛試驗測速情況

4 結(jié) 論

本文分析了衛(wèi)通毫米波封裝天線的研制難點，采用平板架構(gòu)、圓極化捷變、稀疏布陣等技術(shù)研制出了天線樣機，具備高集成度、低剖面、低成本等特點，可在毫米波寬帶衛(wèi)星通信、5G/6G毫米波通信等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。本文天線設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)可為同行研制同類產(chǎn)品提供一定參考。