毫米波通信二维有源相控阵天线的技术

　Abstract：In this paper， the architecture， key technology and design methods of tile-type millimeter wave active phased array are provided. Based on the foreign technology， products and the systematic requirements， we introduces the tile-type architecture ， module partition and realization solution. Although some specific simulation works are still needed， the design methods is realizable and could be used on miniaturized， highly integrated tile-type millimeter-wave active phased array in the future. 
　　Key words：tile； millimeter-wave； phased array； LTCC； MMIC 
　　一、引言 
　　通信频段越来越高，毫米波频段的通信应用已经有很大的需求，对高机动和高价值平台的卫星通信对毫米波频段二维有源相控阵天线提出迫切的需求。毫米波二维有源相控阵天线其特点是规模大，集成度高，要求设备小型化和适应平台安装。 
　　通常实现高密度集成二维有源相控阵天线，按电路组装形式划分，有两种方式，如图1所示：横向集成纵向组装（TILA-Transversely Integrated and Longitudinally Assembled），即“瓦式”；纵向集成横向组装（LITA-Longitudinally Integrated and Transversely Assembled），即“砖式”。 
　　瓦式相控阵方式是将MMIC分布在与天线口径面平行的平面内，通过纵向的层叠组装形成相控阵列。天线单元制作在第一层介质上，MMIC在中间层，分布馈电网络分布在更低层。可用电磁耦合激励天线单元，这样省去模块和天线单元间的直接连接。下面给出国外典型的瓦式相控阵结构图和内部连接关系，如图2、图3所示。 
　　瓦式相控阵的结构方式下，天线与T/R的射频连接很关键，国外资料提供的方式如图4、图5、图6所示。 
　　瓦式相控阵的散热有两种：风冷和液冷，对高密度和大规模的二维有源相控阵，液冷方式散热效果最佳，如图7所示。 
　　二、总体架构及关键技术 
　　设想的瓦式毫米波二维有源相控阵天线包括天线阵面、 TR组件、功分网络和电源与波束控制组成。信号流程及连接关系图如图8所示： 
　　瓦式毫米波二维有源相控阵天线涉及多学科多专业，技术难度大，有如下关键技术点：（1）相控阵总体技术：涉及总体架构、模块指标分配以及系统功能完备性与可靠性等设计。（2）材料、结构和工艺技术：涉及陶瓷、与陶瓷热膨胀系数匹配的金属材料以及防腐性金属材料；LTCC和微波多层板以及各种焊接工艺。（3）高密度TR技术：涉及芯片技术和高低频混合电路立体设计技术等。（4）高密度射频和低频互连技术：涉及与阵元数量相等的天线单元与TR的射频高密度连接和成百上千路的低频控制接口。（5）高密度热集中的散热技术：涉及毫米波频段接近10W/cm2的热密度，必须通过极低热阻的热传导路径来提高散热效率。
　　三、实现途径 
　　3.1 天线实现 
　　瓦式相控阵天线阵面可选择微带天线形式，可采用微波单层或多层板，以及LTCC形式的天线阵，用多层可实现辐射单元和馈电网络一体化，如图9所示。 
　　3.2 TR组件实现 
　　在瓦式毫米波二维有源相控阵中，TR组件的实现不是一个完全独立的部分。为了满足瓦式结构的高密度，小体积集成要求，每一个TR组件单元都需要向上与天线阵列，向下与射频馈线网络和波控模块进行高效有机的融合。这其中包括馈线网络及波控模块与TR阵元的互联，射频移相、放大链路的高密度集成，TR单元与天线单元的射频互联等一系列关键设计。同时，作为电路功耗消耗密度很高的部分，在实现射频性能的同时，还需要考虑有效的散热。TR组件的结构示意如图10所示。 
　　3.3 波束形成网络实现 
　　平面阵天线波束形成网络的实现途径有两种，一种是沿X向功分，后用Y向功分将其并联，这种方式适合于砖式架构的相控阵。另一种是X向和Y向同步扩张的“工”字形网络，瓦式架构的相控阵就很适合这种网络形式。这样TR子阵是面子阵的形式，其子阵必然包含子阵及功分网络，可在LTCC内用内埋式的带状线型功分网络；全阵的功分网络可采用包含散热功能的波导功分网络实现。波束形成网络的示意图如图11所示。 
　　3.4 波控实现 
　　瓦式相控阵天线的波控功能采用分布式波控方案实现，包含波控母板和波控计算板，波控母板采用FPGA实现对移相器控制或是DA芯片实现对矢量调制器实现对4×4子阵各单元的移相码或是IQ电压的控制。波控计算单元可采用DSP配合FPGA实现相控阵波控码的计算和分发功能。

　四、互连技术 
　　瓦式相控阵天线核心技术，同时决定方案可实现性的关键是高密度的射频和低频互连技术。多天线单元与多TR组件的高密度射频互连可采用同轴到同轴的触碰连接（国外成熟产品），TR子阵与全阵波束形成网络的射频连接可采用微带或带状线到波导过渡方式（毫米波互连的成熟技术）。波控母板到TR组件的低频控制以及直流馈电的互连可采用基于LTCC模块的BGA 、PGA 封装或是国外成熟的触碰式连接器。基于上述高密度射频和低频互连技术，瓦式相控阵天线的组装和拆卸非常方便，如图12～15所示。 
　　五、散热及结构工艺方式 
　　5.1 散热方案 
　　相控阵天线总体主要发热源为TR组件，接近10W/cm2的热密度。散热难点在于天线内的空间很小，需要将热量导出到其他地方通过扩展表面积的方法来散热。而热量导出的效率较高的方式有热管和液冷两个手段。 
　　热管在严酷环境下国内外鲜有成功工程经验，根据目前找到的资料仅发现在无人机上有使用环路热管试验的资料；而液冷是比较成熟的工艺与技术，而在国内很多工程项目中都有大量的实验和研究。 
　　因此采用液冷和紧凑热交换器解决相控阵天线的热问题有较大的可行性。整个系统的构成分为热端、冷端和驱动及附件端。热端主要为系统的TR组件和冷板，冷板位于TR组件下方，通过焊接过渡钨铜或碳硅铝板实现结构连接、热匹配及低热阻的热传递路径，如图16所示。 
　　5.2 结构工艺连接 
　　由于天线的空间较小，一般螺装方式难以实现连接，可通过配合较成熟的焊接等工艺。但是由于焊接器件多而复杂，实现阶梯焊需要合理设计安装顺序及温度梯度，这也是设计的难点之一。 
　　瓦式相控阵的辐射阵面可通过压接或焊接的方式与平板结构件一体；TR组件可基于LTCC实现射频和低频馈线的立体设计，通过钨铜或碳硅铝做过渡实现LTCC与冷板的结构连接和热匹配；冷板和网络的结构可一体化设计加工。 
　　参 考 文 献 
　　[1] Leif C. Stange，Alexander Geise and Arne F. Jacob，Highly Integrated 4 x 4 Active Array Transmitter Frontend for Digital Beamforming at 30 GHz， 
　　[2] Alexander Geise，Arne F. Jacob Smart Antenna Terminals for Broadband Mobile Satellite Communications at Ka-Band 
　　[3] Marc Schreiner，Helmut Leier，Wolfgang Menzel，Heinz-Peter Feldle“Architecture and Interconnect Technologies for a Novel Conformal Active Phased Array Radar Module” in IEEE MTT 2003 
　　[4] Thomas Watson，Stephen Miller，DennisKershner， Anzic Design of a K-band Transmit Phased Array For Low Earth Orbit Satellite Communications 2000 IEEE