X波段二維擴充瓦片有源陣列天線研制

郝齊焱， 鄭林華， 何朝升， 陳文蘭， 張小剛

(中國電子科技集團公司第三十八研究所, 安徽合肥 230088)

0 引言

高密度瓦片集成陣列天線具有陣面剖面低、成本小、功率密度大以及易擴充等優點，是有源相控陣天線技術的重點研究和發展方向之一。高密度集成陣列天線在大口徑的陣列天線、低成本目標搜索雷達、多功能相控陣及共形天線等領域有著廣泛的應用。

瓦片陣列天線典型結構是由天線輻射單元、T/R組件模塊、饋電網絡、波控、電源等功能電路和結構件層疊而成，是典型的“三明治”式的結構。高頻段(X波段及以上)的瓦片天線受限于空間尺寸限制，難以直接實現二維方向的擴充。本文作者結合前期大量瓦片陣列天線的研究工作，研制一型X波段8×8單元的片式二維有源擴充陣列天線。該瓦片陣列天線主要由綜合饋電網絡和天線輻射單元集成架構而成。綜合饋電網絡通過多層復合板加工工藝和彈性垂直互聯技術，將陣面輻射單元、低頻和高頻分配網絡、波控電路及電源電路集成在一個低剖面有源陣列模塊中，通過天線結構支撐件與天線輻射單元實現高頻互聯。在9～10 GHz工作頻率范圍內，原理樣機在方位向和俯仰向實現二維擴充，瓦片式有源陣列天線實現方位向±45°以及俯仰向±30°波束掃描，并給出了相應的測試結果。

1 瓦片陣列天線集成架構

研制的X波段8×8集成瓦片陣列天線由天線輻射陣面和綜合饋電網絡集成架構而成，其中天線輻射陣面作為結構支撐、冷板和殼體，如圖1所示。

圖1 瓦片式陣列天線集成架構示意圖

綜合饋電網絡包含T/R組件、波控電路和高低頻分配網絡。通過高頻SMP雙陰連接器連接天線單元的饋電口和T/R組件的射頻輸出口，實現射頻前端收發饋電，圖2為有源陣面集成架構示意圖。

圖2 有源陣面集成架構剖面示意圖

2 關鍵電路設計

2.1 天線輻射單元

陣列天線輻射單元采用低剖面的微帶對稱陣子天線形式，如圖3所示，這種天線的優點是結構剖面低、寬帶寬、有源駐波小、易于匹配和工藝安裝。

圖3 低剖面天線輻射單元結構圖

微帶天線采用介質介電常數為2.94， 天線總高度約為8 mm，天線輻射單元的方向圖仿真如圖4所示。

圖4 天線輻射單元方向圖仿真結果

2.2 陣列天線布局

為實現陣列天線在方位向±45°和俯仰向±30°掃描時方向圖均不出現柵瓣，可由公式

(1)

式中，為最小工作頻率的波長，為最大掃描角，為方位向或俯仰向的陣列數量，初步判斷d=168 mm，d=186 mm。天線輻射陣列方位面單元數為48，俯仰面單元數為16，陣面天線輻射單元的排列方式如圖5所示。

圖5 陣列天線輻射單元布局圖

陣列天線方位向與俯仰向方向圖的仿真結果如圖6所示。

圖6 陣列天線方位向和俯仰向方向圖仿真結果

仿真結果表明，工作頻率9.5 GHz時，方位向45°掃描時波束寬度為2.80，波束副瓣電平約為-12.69 dB，俯仰向30°掃描時波束寬度為6.20，波束副瓣電平約為-12.45 dB，滿足設計使用要求。

2.3 微型四通道T/R組件

微型四通道T/R組件基于微系統架構，采用陶瓷三維集成工藝，將4個單片T/R芯片在陶瓷基板上三維堆疊集成，通過TSV技術實現四通道T/R芯片的饋電、信號互聯以及外部接口的連接，實現四通道T/R組件的輕小型化。

單通道組件采用單片化設計，在一個單片上集成低噪放、功率放大器、移相器、衰減器、開關實現接收、發射和幅相控制。單片T/R芯片原理圖如圖7所示。四通道T/R組件的結構示意圖如圖8所示。

圖7 單片T/R芯片原理框圖

圖8 陶瓷基板四通道T/R芯片SiP封裝示意圖

研制的四通道T/R組件主要指標為：

發射峰值功率：30 dBm

接收增益：≥25 dB

接收噪聲系數：≤3.5 dB

外形尺寸：22 mm×20 mm×5 mm

2.4 綜合饋電網絡設計

綜合饋電網絡主要包括1∶16主信號分配網絡、波控分配網絡及T/R、波控、電源等元器件的標貼焊盤，是實現可擴充片式陣列天線模塊小型化、輕量化的關鍵組件，其多層結構如圖9所示。

圖9 綜合饋電網絡剖面示意圖

綜合饋電網絡采用的是微波數字復合基板工藝技術是在普通的多層印制板工藝和微波多層板工藝技術基礎上開發的新工藝，采用新型的復合半固化片將多層微帶電路與高密度數字電路壓合在一起，通過金屬化孔、材料和形狀的立體組合等技術工藝完成電性能的互聯與集成。

其中，射頻饋電網絡由1∶16的主信號網絡和天線饋電垂直過渡組成，主要指標要求如下：

1) 實現16個T/R組件主信號的功率分配/合成；

2) 端口駐波：≤1.6(分口)，≤1.6(總口)；

3) 插入損耗：≤3 dB(含接頭和垂直過渡損耗)；

4) 分口之間隔離度：≥18 dB；

5) 帶內起伏：≤±0.3 dB。

射頻饋電網絡位于無源天線陣面層與T/R組件層之間，T/R組件的功率輸出接口穿過饋電網絡層與天線單元相連。整個多層微帶板的厚度約為1.1 mm。

圖10所示為射頻網絡平面布局圖，紅色線條為主信號合成網絡，白色線條為T/R組件的表貼焊盤和微帶線。圖11所示為綜合饋電網絡的實物俯視圖。

圖10 1∶16射頻網絡平面布局

圖11 綜合饋電網絡實物俯視圖

3 瓦片陣列天線集成測試

天線陣面輻射單元數是48×16(方位向×俯仰向)，瓦片有源陣列天線輻射陣面、陣面支撐結構和散熱片一體化加工，有源陣列模塊(含T/R、電源、波控及高低頻分配網絡)安裝在輻射陣面的背面腔體里，利用SMP雙陰器連接T/R組件的輸出端口和天線單元的饋電口，實現天線單元的信號收發。綜合饋電網絡按照方位向和俯仰向6×2直接實現有源陣列天線陣面的二維擴充。

利用平面近場測試系統對陣列天線進行了測試，測試狀態如圖12所示。

圖12 天線陣面微波暗室測試

二維擴充瓦片有源陣列天線原理樣機方向圖測試結果如圖13所示。

圖13 瓦片有源陣列天線方向圖測試結果

測試結果如表1所示，在9～10 GHz工作頻率范圍內，天線陣面在波束寬度、最大副瓣電平及增益等主要技術指標的測試結果與仿真結果一致，能滿足實際工作的電性能要求。

表1 陣列天線波瓣性能測試數據

4 結束語

二維擴充瓦片陣列天線是有源相控陣天線集成的重要研究方向之一。本文提出的一種微波數字復合而成的二維擴充瓦片有源陣列模塊，集成低頻和射頻饋電網絡、模擬電路與數字電路的一體化功能，使瓦片陣列天線同時具備輕量化、低剖面、低成本、易安裝、高互聯可靠性等優點。未來的有源天線陣面集成技術朝著更高集成度、更低成本方向進行研究。