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一种Ka频段“瓦式”有源相控阵天线设计

2017-04-14陈军全何海丹何庆强

现代电子技术 2017年7期

陈军全 何海丹 何庆强

摘 要: 在Ka频段,由于单元间距小和集成度高,采用“瓦式”结构集成,有源相控阵天线设计难度大。提出一种Ka频段“瓦式”有源相控阵天线设计方法。采用多功能集成芯片技术实现“瓦式”TR组件的设计,“瓦式”有源相控阵天线的整体架构采用模块化设计。最后设计了一种电控扫描的有源相控天线,采用软件仿真和数值分析设计,加工制造原理樣机,测试性能指标,验证了提出方法的可行性。

关键词: 多功能集成芯片; Ka波段; 瓦式结构; 有源相控阵天线

中图分类号: TN82?34 文献标识码: A 文章编号: 1004?373X(2017)07?0043?05

Design of a tile?type active phased?array antenna in Ka?band

CHEN Junquan, HE Haidan, HE Qingqiang

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

Abstract: Since the active phased?array antenna is difficult to design the tile?type structure due to the small element spa?cing and high integration in Ka?band, a design method of the tile?type active phased?array antenna in Ka?band is proposed. The multi?functional integrated chip technology is used to design the tile?type T/R module. The overall architecture of the tile?type active phased?array antenna is designed in modularization. An active phased?array antenna with a function of electronic control scanning was designed. The software simulation and numerical analysis are used to design and manufacture a principle prototype. The performance index of the antenna was tested to verify the feasibility of the method.

Keywords: multi?functional integrated chip; Ka?band; tile?type structure; active phased?array antenna

0 引 言

目前,有源相控阵天线已经广泛应用于雷达、通信、测控等领域,正朝着小型化、高性能、低成本等方面不断发展[1?2]。

在设计中,有源相控阵天线结构集成方式可分为[3?4]:纵向集成横向组装的“砖式”结构和横向集成纵向组装的“瓦式”结构。前者电路设计和制造工艺简单,但集成度、纵向尺寸大,成本较高;后者集成度高,纵向尺寸小,散热路径短,成本相对低,已逐渐成为有源相控阵天线发展的新趋势,但设计和实现难度较大[5],例如,需要在同层中实现器件和电路排布;需要完成各层之间信号的分配等。在Ka频段,若单元间距取半个波长,最大间距也仅为6 mm左右,天线的横向空间狭小,为了实现电路设计、器件排布以及高低频垂直互联,一般采用简单的“砖式”结构集成方式 [6?7]。为了追求更优性能,结构集成方式也逐渐向“瓦式”转化[8?9]。但在设计中为了解决横向空间狭小的问题,损失了天线的一些性能,文献[8]增大了天线单元间距(8.4 mm约为0.8个波长),降低了天线大扫描角的性能。文献[9]天线阵列一体化集成设计制造工艺要求高,降低了天线的维修性和扩展性等功能。

为了解决上述问题,本文提出了一种Ka频段“瓦式”有源相控阵天线设计方法。在设计中,采用多功能集成芯片技术,使TR组件内部芯片更高密度集成,并简化了外围电路设计,提高了横向空间集成度,解决了空间狭小的问题,实现了“瓦式”TR组件的设计。同时,整个“瓦式”有源相控阵天线的整体构架采用子阵模块化设计,简化了系统的垂直互联问题,并提高了系统的测试性、维修性以及可扩展性。最后设计了一种电控扫描的有源相控天线,对该系统的关键电路、总体性能、散热特性进行了软件仿真和数值分析设计,加工制造原理样机并测试电性能指标。该原理样机的实际测试指标和设计指标基本吻合,验证了该方案的可行性。

1 关键技术

1.1 多功能集成芯片设计

在传统方案中,有源相控阵天线射频功能部分是以单个芯片实现一个独立功能方式,通过多层布线基板实现不同功能的裸芯片和电路元件组装。为了实现电扫描功能,有源相控阵天线单个通道就需要多种芯片,例如,功放、移相器及转换驱动等。在结构集成方式中, “砖式”是将多层布线基板分布在与天线口径垂直的平面内,芯片排布为垂直方向;“瓦式”是将多层布线基板分布在与天线口径平行的平面内,芯片排布为水平方向,如图1所示。对Ka频段而言,相控阵天线每个通道的单元间距[dx=dy≤6]mm,“砖式”方案单个通道可用面积(ATR)=单元间距(dx)×纵向尺寸(dz),由于dz较大,T/R组件的空间不受限制。而“瓦式”方案单个通道可用面积(ATR)=单元间距(dx)×单元间距(dy),由于dx=dy受限,T/R组件可能没有足够的空间来安置这些芯片及相关电路。

为了解决空间受限的安装问题,T/R组件采用多功能集成芯片的技术,其基本思路是在一个芯片里集成功率放大器、低噪声放大器、射频开关、移相器以及数字控制电路等功能,可以达到减少芯片使用数目、互联工序与连线,以及减少芯片电路面积和简化芯片外围电路的目的,达到更高密度的集成,实现更高的空间利用率。以四个通道共用一个移相器的集成芯片方案为例,该多功能集成移相器芯片集成了4个数字移相器、4个衰减器、1个4功分器,并集成串并转换驱动功能,原理框图如图2所示。该实例中集成芯片方案与传统芯片方案相比,其优势具体表现为:一方面,芯片集成度高,芯片之间不存在外围的互联部分,简化了芯片组装工艺,减少了芯片对空间的使用面积;另一方面,芯片接口数量明显减少,传统芯片方式单个芯片一组串行输入和参考时钟,四个芯片总共需要四组,而四个通道集成芯片只需要一组串行输入和参考时钟,从而简化外围控制电路设计。

通过提高芯片的集成度,即多功能集成芯片技术,可以减少芯片使用面积和简化外围电路设计,提高横向空间利用率,从而解决空间受限的问题。

1.2 子阵模块化设计

一般而言,有源相控阵天线[10]主要包括:天线阵面、T/R组件、功率分配/合成网络、波控器以及电源等模块。“瓦式”结构利用高密度集成组装技术大幅度减小了纵向高度,但阵面单元、T/R组件有源器件以及馈电网络的关键电路被放置于相互平行的层上,为了实现信号传输,需要简化各层之间的互联。同时,有源相控阵天线的器件和芯片数量多,组装工序复杂,为了方便工程使用,应尽可能考虑设备的测试性与维修性设计。

为了解决互联问题,以及实现可测试性和维修性,“瓦式”有源相控阵天线的整体架构采用子阵模块化设计,其原理框图如图3所示。

从图3中可以看出:一方面,天线阵面和T/R组件被分为多个子阵,天线阵面子阵和T/R组件子阵一体化设计,每个子阵集成辐射单元、放大器、多功能集成芯片,控制和转化电路等,在内部实现天线阵面、T/R组件有源器件和馈电网络各层之间的互联问题。另一方面,采用子阵模块扩展方式构成全部阵列,子阵模块与母版通过多组高低频接插件进行直插互联,全部子阵模块共用一套母版,母版包括功率分配/合成网络、波束控制、电源。

通过子阵模块化设计,将整个阵列的互联问题简化为子阵模块的互联设计。同时,每个子阵模块都是相对独立的,可以进行单独调试和测试,如果出现故障可以进行单独测试和维护,从而提高整机设备的测试性和维修性。

2 設计实例与仿真分析

2.1 天线整机架构设计

采用90 nm CMOS工艺实现8通道多功能集成芯片,该芯片集成了驱动放大器、移相器、衰减器、串并信号转换、电源管理以及其他控制等功能,整个芯片版图如图4所示。

基于8通道集成芯片,Ka频率“瓦式”有源相控阵天线主要实现收发波束的实时电控扫描,基本工作原理如下:

(1) 发射状态,由处理终端发出1路Ka频率信号,送到功率分配网络,分成16路后分别送到TR组件子阵模块,在波控器的控制下,通过16个子阵阵面共同实现16×16路信号发射,接收状态与发射状态相反。

(2) 波控器根据控制终端实时提供的方位角和俯仰角,通过计算得到相控阵天线波束指向,再由波控器转换为各阵元需要的相位数据,送到多功能集成芯片的移相器功能模块,实现波束的同步扫描功能,同时将系统的状态信息反馈给处理终端。整个天线的工作流程框图如图5所示。

基于子阵模块化设计,天线阵面和T组件被分为16个子阵,每个子阵包含16个阵元,通过子阵扩展方式形成16×16阵列的有源相控阵天线,全部子阵共用一套功率分配网络、波控器、电源。采用一体化结构设计,整个Ka频率“瓦式”有源相控阵天线的整体结构图,如图6所示。

从图6中可以看出,整体结构从上而下依次为天线阵面、TR组件、金属冷板、波控器、功率分配网络、电源,采用螺钉方式从上到下组装为一个整体;金属冷板为该系统的主要承载结构,阵面采用层压的方式固定在T组件上,T组件和波控器通过螺钉方式从两边分别固定在金属冷板上,并在金属冷板中设计液冷流道,通过液冷的方式解决相控阵天线的散热问题。

2.2 天线电性能仿真

采用微带天线作为辐射单元,为了满足±60°波束扫描,辐射单元间距取[dx=dy=5.5]mm。为了实现良好的圆极化轴比特性,天线辐射单元以2×2子阵进行旋转布阵。采用多层高频PCB板实现TR组件内部无源电路设计。通过共面波导电路作为芯片的输入和输出端,借助仿真软件将金丝键盒带入仿真,最终实现输入和输出电路匹配。天线阵面子阵和TR组件子阵共用金属腔体一体化集成,整个子阵模块,如图7所示。

子阵输入端口的反射系数仿真结果,如图8所示。从图8中可以看出,在Ka工作频带(27.0 GHz±1.0 GHz)范围内,输入端口的反射系数[S11≤-20] dB,具有良好的射频传输特性。

通过一体化建模,有源相控阵天线全阵的仿真模型如图9所示,扫描方向图仿真结果如图10所示。从结果可见,该天线能够实现±60°扫描。在扫描范围内天线阵面的无源增益[G0≥24.6] dBi。

2.3 天线散热性能仿真

为了实现相控阵天线的高效散热,内部发热芯片直接安装在TR组件金属下腔体上,通过金属腔体直接将热传导给金属冷板热层,最后通过外部液冷的方式进行整机散热。采用软件进行热仿真,在外部环境温度为25 ℃和冷却液温度为25 ℃的情况下,相控阵天线内部芯片的温度云图仿真结果,如图11所示。

从图11中可以看出:当天线达到热平衡时,温度在25 ~86.7 ℃范围内,功放芯片安装表面最高温度为86.7 ℃,通过计算折合到芯片的结温大约为110 ℃,远远小于芯片正常使用结温150 ℃,因此,该有源相控阵天线能够确保长时、可靠的工作。

3 实验结果

通过上述仿真分析设计,加工制造该Ka频段“瓦式”相控阵天线的原理样机的最终实物如图12所示。该原理样机的尺寸为(不含对外接口)104 mm×104 mm×56 mm,重量为1.42 kg,具有轻质、小型化的特点。

对电性能进行测试,原理样机的EIRP(Effective Isotropic Radiated Power)[≥]38.4 dBW,噪声系数[≥4.05] dB,测试值与设计值吻合的很好。扫描方向图的测试结果如图13所示。从图13可以看出,该原理样机能够实现[±60°]扫描,法向副瓣电平为-11.5 dB,扫描到±60°时,副瓣电平也能达到-8.5 dB,与设计指标基本吻合,验证了本文提出方法的正确性。

4 结 语

本文提出了一种Ka频段“瓦式”有源相控阵天线的设计方法。该方法主要采用多功能集成芯片和子阵模块化设计思路。最后设计了一种电控扫描的Ka频段“瓦式”有源相控天线,并加工制造原理样机。对电性能进行测试,原理样机的EIRP≥38.4 dBW,噪声系数≥4.05 dB。测试结果与设计值基本吻合,验证了本文提出方法的正确性。

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