一種Ka頻段“瓦式”有源相控陣天線設計

陳軍全　何海丹　何慶強

摘 要： 在Ka頻段，由于單元間距小和集成度高，采用“瓦式”結構集成，有源相控陣天線設計難度大。提出一種Ka頻段“瓦式”有源相控陣天線設計方法。采用多功能集成芯片技術實現“瓦式”TR組件的設計，“瓦式”有源相控陣天線的整體架構采用模塊化設計。最后設計了一種電控掃描的有源相控天線，采用軟件仿真和數值分析設計，加工制造原理樣機，測試性能指標，驗證了提出方法的可行性。

關鍵詞： 多功能集成芯片； Ka波段； 瓦式結構； 有源相控陣天線

中圖分類號： TN82?34 文獻標識碼： A 文章編號： 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，有源相控陣天線已經廣泛應用于雷達、通信、測控等領域，正朝著小型化、高性能、低成本等方面不斷發展[1?2]。

在設計中，有源相控陣天線結構集成方式可分為[3?4]：縱向集成橫向組裝的“磚式”結構和橫向集成縱向組裝的“瓦式”結構。前者電路設計和制造工藝簡單，但集成度、縱向尺寸大，成本較高；后者集成度高，縱向尺寸小，散熱路徑短，成本相對低，已逐漸成為有源相控陣天線發展的新趨勢，但設計和實現難度較大[5]，例如，需要在同層中實現器件和電路排布；需要完成各層之間信號的分配等。在Ka頻段，若單元間距取半個波長，最大間距也僅為6 mm左右，天線的橫向空間狹小，為了實現電路設計、器件排布以及高低頻垂直互聯，一般采用簡單的“磚式”結構集成方式 [6?7]。為了追求更優性能，結構集成方式也逐漸向“瓦式”轉化[8?9]。但在設計中為了解決橫向空間狹小的問題，損失了天線的一些性能，文獻[8]增大了天線單元間距（8.4 mm約為0.8個波長），降低了天線大掃描角的性能。文獻[9]天線陣列一體化集成設計制造工藝要求高，降低了天線的維修性和擴展性等功能。

為了解決上述問題，本文提出了一種Ka頻段“瓦式”有源相控陣天線設計方法。在設計中，采用多功能集成芯片技術，使TR組件內部芯片更高密度集成，并簡化了外圍電路設計，提高了橫向空間集成度，解決了空間狹小的問題，實現了“瓦式”TR組件的設計。同時，整個“瓦式”有源相控陣天線的整體構架采用子陣模塊化設計，簡化了系統的垂直互聯問題，并提高了系統的測試性、維修性以及可擴展性。最后設計了一種電控掃描的有源相控天線，對該系統的關鍵電路、總體性能、散熱特性進行了軟件仿真和數值分析設計，加工制造原理樣機并測試電性能指標。該原理樣機的實際測試指標和設計指標基本吻合，驗證了該方案的可行性。

1 關鍵技術

1.1 多功能集成芯片設計

在傳統方案中，有源相控陣天線射頻功能部分是以單個芯片實現一個獨立功能方式，通過多層布線基板實現不同功能的裸芯片和電路元件組裝。為了實現電掃描功能，有源相控陣天線單個通道就需要多種芯片，例如，功放、移相器及轉換驅動等。在結構集成方式中， “磚式”是將多層布線基板分布在與天線口徑垂直的平面內，芯片排布為垂直方向；“瓦式”是將多層布線基板分布在與天線口徑平行的平面內，芯片排布為水平方向，如圖1所示。對Ka頻段而言，相控陣天線每個通道的單元間距[dx=dy≤6]mm，“磚式”方案單個通道可用面積（ATR）=單元間距（dx）×縱向尺寸（dz），由于dz較大，T/R組件的空間不受限制。而“瓦式”方案單個通道可用面積（ATR）=單元間距（dx）×單元間距（dy），由于dx=dy受限，T/R組件可能沒有足夠的空間來安置這些芯片及相關電路。

為了解決空間受限的安裝問題，T/R組件采用多功能集成芯片的技術，其基本思路是在一個芯片里集成功率放大器、低噪聲放大器、射頻開關、移相器以及數字控制電路等功能，可以達到減少芯片使用數目、互聯工序與連線，以及減少芯片電路面積和簡化芯片外圍電路的目的，達到更高密度的集成，實現更高的空間利用率。以四個通道共用一個移相器的集成芯片方案為例，該多功能集成移相器芯片集成了4個數字移相器、4個衰減器、1個4功分器，并集成串并轉換驅動功能，原理框圖如圖2所示。該實例中集成芯片方案與傳統芯片方案相比，其優勢具體表現為：一方面，芯片集成度高，芯片之間不存在外圍的互聯部分，簡化了芯片組裝工藝，減少了芯片對空間的使用面積；另一方面，芯片接口數量明顯減少，傳統芯片方式單個芯片一組串行輸入和參考時鐘，四個芯片總共需要四組，而四個通道集成芯片只需要一組串行輸入和參考時鐘，從而簡化外圍控制電路設計。

通過提高芯片的集成度，即多功能集成芯片技術，可以減少芯片使用面積和簡化外圍電路設計，提高橫向空間利用率，從而解決空間受限的問題。

1.2 子陣模塊化設計

一般而言，有源相控陣天線[10]主要包括：天線陣面、T/R組件、功率分配/合成網絡、波控器以及電源等模塊。“瓦式”結構利用高密度集成組裝技術大幅度減小了縱向高度，但陣面單元、T/R組件有源器件以及饋電網絡的關鍵電路被放置于相互平行的層上，為了實現信號傳輸，需要簡化各層之間的互聯。同時，有源相控陣天線的器件和芯片數量多，組裝工序復雜，為了方便工程使用，應盡可能考慮設備的測試性與維修性設計。

為了解決互聯問題，以及實現可測試性和維修性，“瓦式”有源相控陣天線的整體架構采用子陣模塊化設計，其原理框圖如圖3所示。

從圖3中可以看出：一方面，天線陣面和T/R組件被分為多個子陣，天線陣面子陣和T/R組件子陣一體化設計，每個子陣集成輻射單元、放大器、多功能集成芯片，控制和轉化電路等，在內部實現天線陣面、T/R組件有源器件和饋電網絡各層之間的互聯問題。另一方面，采用子陣模塊擴展方式構成全部陣列，子陣模塊與母版通過多組高低頻接插件進行直插互聯，全部子陣模塊共用一套母版，母版包括功率分配/合成網絡、波束控制、電源。

通過子陣模塊化設計，將整個陣列的互聯問題簡化為子陣模塊的互聯設計。同時，每個子陣模塊都是相對獨立的，可以進行單獨調試和測試，如果出現故障可以進行單獨測試和維護，從而提高整機設備的測試性和維修性。

2 設計實例與仿真分析

2.1 天線整機架構設計

采用90 nm CMOS工藝實現8通道多功能集成芯片，該芯片集成了驅動放大器、移相器、衰減器、串并信號轉換、電源管理以及其他控制等功能，整個芯片版圖如圖4所示。

基于8通道集成芯片，Ka頻率“瓦式”有源相控陣天線主要實現收發波束的實時電控掃描，基本工作原理如下：

（1） 發射狀態，由處理終端發出1路Ka頻率信號，送到功率分配網絡，分成16路后分別送到TR組件子陣模塊，在波控器的控制下，通過16個子陣陣面共同實現16×16路信號發射，接收狀態與發射狀態相反。

（2） 波控器根據控制終端實時提供的方位角和俯仰角，通過計算得到相控陣天線波束指向，再由波控器轉換為各陣元需要的相位數據，送到多功能集成芯片的移相器功能模塊，實現波束的同步掃描功能，同時將系統的狀態信息反饋給處理終端。整個天線的工作流程框圖如圖5所示。

基于子陣模塊化設計，天線陣面和T組件被分為16個子陣，每個子陣包含16個陣元，通過子陣擴展方式形成16×16陣列的有源相控陣天線，全部子陣共用一套功率分配網絡、波控器、電源。采用一體化結構設計，整個Ka頻率“瓦式”有源相控陣天線的整體結構圖，如圖6所示。

從圖6中可以看出，整體結構從上而下依次為天線陣面、TR組件、金屬冷板、波控器、功率分配網絡、電源，采用螺釘方式從上到下組裝為一個整體；金屬冷板為該系統的主要承載結構，陣面采用層壓的方式固定在T組件上，T組件和波控器通過螺釘方式從兩邊分別固定在金屬冷板上，并在金屬冷板中設計液冷流道，通過液冷的方式解決相控陣天線的散熱問題。

2.2 天線電性能仿真

采用微帶天線作為輻射單元，為了滿足±60°波束掃描，輻射單元間距取[dx=dy=5.5]mm。為了實現良好的圓極化軸比特性，天線輻射單元以2×2子陣進行旋轉布陣。采用多層高頻PCB板實現TR組件內部無源電路設計。通過共面波導電路作為芯片的輸入和輸出端，借助仿真軟件將金絲鍵盒帶入仿真，最終實現輸入和輸出電路匹配。天線陣面子陣和TR組件子陣共用金屬腔體一體化集成，整個子陣模塊，如圖7所示。

子陣輸入端口的反射系數仿真結果，如圖8所示。從圖8中可以看出，在Ka工作頻帶（27.0 GHz±1.0 GHz）范圍內，輸入端口的反射系數[S11≤-20] dB，具有良好的射頻傳輸特性。

通過一體化建模，有源相控陣天線全陣的仿真模型如圖9所示，掃描方向圖仿真結果如圖10所示。從結果可見，該天線能夠實現±60°掃描。在掃描范圍內天線陣面的無源增益[G0≥24.6] dBi。

2.3 天線散熱性能仿真

為了實現相控陣天線的高效散熱，內部發熱芯片直接安裝在TR組件金屬下腔體上，通過金屬腔體直接將熱傳導給金屬冷板熱層，最后通過外部液冷的方式進行整機散熱。采用軟件進行熱仿真，在外部環境溫度為25 ℃和冷卻液溫度為25 ℃的情況下，相控陣天線內部芯片的溫度云圖仿真結果，如圖11所示。

從圖11中可以看出：當天線達到熱平衡時，溫度在25 ～86.7 ℃范圍內，功放芯片安裝表面最高溫度為86.7 ℃，通過計算折合到芯片的結溫大約為110 ℃，遠遠小于芯片正常使用結溫150 ℃，因此，該有源相控陣天線能夠確保長時、可靠的工作。

3 實驗結果

通過上述仿真分析設計，加工制造該Ka頻段“瓦式”相控陣天線的原理樣機的最終實物如圖12所示。該原理樣機的尺寸為（不含對外接口）104 mm×104 mm×56 mm，重量為1.42 kg，具有輕質、小型化的特點。

對電性能進行測試，原理樣機的EIRP（Effective Isotropic Radiated Power）[≥]38.4 dBW，噪聲系數[≥4.05] dB，測試值與設計值吻合的很好。掃描方向圖的測試結果如圖13所示。從圖13可以看出，該原理樣機能夠實現[±60°]掃描，法向副瓣電平為-11.5 dB，掃描到±60°時，副瓣電平也能達到-8.5 dB，與設計指標基本吻合，驗證了本文提出方法的正確性。

4 結 語

本文提出了一種Ka頻段“瓦式”有源相控陣天線的設計方法。該方法主要采用多功能集成芯片和子陣模塊化設計思路。最后設計了一種電控掃描的Ka頻段“瓦式”有源相控天線，并加工制造原理樣機。對電性能進行測試，原理樣機的EIRP≥38.4 dBW，噪聲系數≥4.05 dB。測試結果與設計值基本吻合，驗證了本文提出方法的正確性。

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