一种Ka频段瓦片式TR组件子阵集成方案✴

赵青

一种Ka频段瓦片式TR组件子阵集成方案✴

赵青

（中国西南电子技术研究所，成都610036）

提出了一种Ka频段瓦片式TR组件子阵集成方案，采用多层电路技术、内层带状线功分器、优化脊波导口径、同型端口集中分布等手段大幅提高集成度，采用高可靠性小截面脊波导实现模块间高性能垂直互联。给出了TR组件子阵电路布局设计，对小截面脊波导传输特性、脊波导-微带探针过渡和集成功率分配网络等关键无源电路进行了设计、仿真和测试。测试结果表明其性能和尺寸满足Ka频段TR组件子阵集成要求。

有源相控阵；TR组件；Ka频段；垂直互联；无源电路

1 引言

按组装方式进行划分，二维有源相控阵天线TR组件可分为砖块式和瓦片式两种结构［1］。近年来，砖块式结构在有源阵列中得到广泛应用，因为其技术成熟度高，电路设计及组装容易实现。但其子阵集成度低、纵向尺寸大，不利于共形；散热路径长，难以实现大型阵列应用并保证TR组件长期可靠工作。而瓦片式TR组件技术难度大，单元尺寸更小，必须采用高密度集成技术（HDI）和小型化、高性能高可靠射频垂直互联。但瓦片式TR组件可以采用整体液冷散热，具有优良的散热能力，子阵集成度高，在降低TR组件成本、减小体积尺寸、减轻设备重量方面具有优势，易于实现大规模阵列。随着集成化程度的逐步提高，瓦片式TR组件有望在现有小型化砖式TR组件基础上体积减小20%～80%。由于z向尺寸大幅缩减，热路径缩短，散热效率也相应提高，具有更高可靠性。文献［2］提供了砖瓦两种结构TR组件在体积、重量、成本等几方面的详细对比。

未来几年，随着自动化微组装技术的普及，瓦片式TR组件由于集成度更高、芯片布局更为规则，可一次性完成子阵模块所有芯片的自动化装配，其生产效率将大大提升，因此，在批生产阶段将具有更好的生产性。同时，瓦片式TR组件的低廓线结构特点，便于天线实现共形设计，特别适合于在共形有源相控阵领域的应用。

美国在瓦式相控阵天线领域的研究开展的最早，相关报道主要集中在系统整机的研制［3］，而鲜有提及关键技术的具体设计。近年来，欧洲对该领域关注度提高，就瓦式相控阵天线TR组件的多功能专用芯片、垂直互联技术、多层电路设计、子阵设计等各项关键技术都有研究［4-5］。但这些解决方案目前多处于学术科研机构的实验室阶段，其中一些方案在工程应用实际环境条件的工作效果有待验证。毫米波频段由于工作波长很短，对瓦式TR组件的设计、生产、制造、组装各环节要求更高。毫米波瓦式TR组件的发展有赖于先进制造业的配套发展。

本文提出的子阵集成方案，以目前国内成熟的加工制造技术及组装工艺为设计基础，以低成本、高可靠为目标，采用脊波导保证信号垂直传输的高可靠互联。对子阵进行合理的模块划分，并通过采用多层电路、在内层设计功分网络、同型端口集中布局等方式大幅提高电路集成度。

2 系统方案

2.1 半双工Ka频段TR组件功能及组成

半双工TR组件需要实现接收低噪声放大及发射功率放大，并以电子开关实现收发切换。为提高集成度，一般采用双向工作的移相器及衰减器做收发公共支路。通常一个TR组件集成2n个通道，以Wilkinson功分器实现各通道按比例功率分配及合成，常见为等功分；为降低副瓣电平，也有用不等功分来实现幅度加权的。针对具体指标分配情况，可能还需要在功分合成网络后加驱动，功能框图见图1，虚线框内为TR组件。

2.2 TR组件子阵集成方案

设垂直于天线口径面为z向，瓦式TR组件结构特点要求通道间距在x、y方向都严格受限于波长的比值。若扫描角度60°，则单元间距在x、y方向均要求小于0.53λ。以中心频率30 GHz的阵列天线为例，TR组件通道间距小于等于5.3 mm。对于瓦式TR组件，则要求通道面积小于等于5.3 mm×5.3 mm。在此范围内要实现收发放大、移相衰减等功能，即使采用高集成度专用芯片也可能无法完成电路排布。因此，需要把TR组件进行模块划分。

以满足性能指标要求为前提，以设备尽量简单并具工艺可实现性为原则，划分方式比较灵活。可按功能芯片进行划分，如所有的收发放大器划分为一个模块，移相衰减划分为另一模块。根据实际电路排布，本文按通道数划分为两个模块，单行通道划分为一个模块，双行划分为另一模块。两模块叠装为一个完整TR组件，每个模块的输入或输出接口穿过另一模块，最终在顶层汇集为完整的对天线接口数，如图2所示。

3 子阵电路布局设计

大规模及超大规模阵列，一般由小规模子阵构成，如256阵列可由4个8×8子阵组成。子阵划分要综合各种因素，规模过大，可能会带来某些电路加工困难、腔体结构表面平整度降低等问题；而规模太小，不仅组装工作量增加，而且集成度也降低。本文以8×8通道数的子阵作为研究目标。

图3为8×8子阵两模块电路布局图。图3（a）所示模块一与天线对接，包括8个输入口、64个输出口，其中32个为模块二输出信号提供到天线的传输通道；图3（b）所示模块二与模块一对接，包括16个输入口、32个输出口，其中有8个输入口为模块一输入（都对发射状态而言）。两模块垂直组装为一体后，对天线阵列接口如图4所示。为提高集成度，每个模块电路集成一分四功分合成网络，输入接口数减少为通道数1／4。

4 关键无源部件设计

4.1 Ka频段脊波导垂直互联

对于较低工作频率，可采用同轴接插件等方式实现模块间的垂直互联。Ku频段也采用BGA工艺实现垂直互联［6］。本方案采用脊波导互联，以获得低插损、高可靠性。脊波导压缩波导宽边长度，提高集成度。

对该过渡结构加工参数进行容差分析得到，在±0.02 mm的电路加工精度范围内，带内S11仿真结果均优于-20 dB。

对组装过程引入的各项误差参数容差分析发现，垂直于宽边方向的装配误差对过渡性能影响较大。根据波导短路面和输入波导在垂直于宽边方向的装配误差的容差分析结果，误差取值在±0.05 mm以内，带内S11仿真结果低于-20 dB。

脊波导垂直互联具有较高容差性，加工及组装公差并不会导致驻波大幅恶化，通道幅相一致性更易得到保证。对大规模阵列，这一点很关键。

4.2 平面集成功分合成网络

图5给出一分四功分网络电路布局及场仿真结果。采用带状线Wilkinson功分器与芯片连接处过渡为微带线。由仿真结果可看出，4个功分端口之间幅度一致性在0.1 dB以内。出于电路布局的考虑，4个输出端口接微带线长度略有差异，带来8°相位差。通过相控阵天线校准技术，这种固定相位误差的影响可以去掉。

5 结构设计

完整的TR组件由两个模块、共计4个金属腔体及两块多层电路基板组装而成，多层电路板与腔体压合成形为一体，如图6所示。

6 实验及验证

6.1 单脊波导到标准波导测试

对基于脊波导的垂直互联进行测试，设计脊波导到标准波导过渡。结构及仿真性能如图7所示。

表1给出单个脊波导到标准波导变换背靠背结构S参数测试结果。扣除掉两个波导同轴过渡插损约0.9～1 dB，单个脊波导到标准波导过渡测试件插损0.4 dB以内。

6.2 四端口脊波导阵列到四端口标准波导阵列变换及测试

为实现对TR组件每个通道电性能的独立测试，除单个脊波导到标准波导变换，还须解决阵列脊波导测试问题。图8所示为4个脊波导组到四错位标准波导变换，可实现对每个通道的单独测量。其结构仿真结果如图9所示。

表2给出了四端口脊波导到标准波导过渡的测试结果。扣除标准波导同轴过渡的插损，脊波导到标准波导过渡插损约0.5 dB，带内波动0.3 dB以内。

6.3 脊波导微带过渡测试

分别对3片脊波导微带过渡电路进行测试，每片测试电路包含了4对背靠背过渡及一段微带线，如图10所示。长微带线约40 mm，短微带线约30 mm，从上往下分别以No.1～No.4进行编号。扣除掉测试用波导同轴过渡（一对），脊波导到标准波导过渡（一对）的插损实测结果如表3所示。

7 结论

本文提出了一种基于小截面脊波导的Ka频段瓦式TR组件子阵集成方案。本方案继承了波导连接的高可靠性，同时又大幅提高了电路集成度。对关键无源部件的数值分析表明本方案具有良好容差性，这对保证阵列的通道间一致性极为关键。实验结果与仿真吻合。下一步在对无源电路进一步优化的基础上，还要解决有源高密度组装后可能带来的其他问题。

［1］Gregorwich W.Conformal Airborne Arrays［C］／／Proceedings of IEEE Aerospace Conference.Snawmass at Aspen，Co：IEEE，1997：463-470.

［2］Haube M S，Wooldridge J J.High density packaging of X-band active array modules［J］.IEEE MTT-S Digest，1997， 20（3）：279-291.

［3］Watson T，Miller S，Kershner D，et al.Design of a K-band Transmit Phased array for low earth orbit satellite communications［C］／／Proceedings of 2000 IEEE International Conference on Phased Array Systems and Technology.Dana Point，California：IEEE，2000：211-214.

［4］Stefano Vaccaro，Daniel Llorens delRio，Roberto Torres Sánchez，et al.Low cost phased array for mobile Ku-band satellite terminal［C］／／Proceedings of the Fourth European Conference on Antennas and Propagation.Barcelona，Spain：IEEE，2010：1-5.

［5］Rens Baggen，Stefano Vaccaro，Daniel Llorensdel Rio，et al.First Prototyping of a Compact Mobile Ku-Band Satellite Terminal［C］／／Proceedings of the Fourth European Conference on Antennas and Propagation.Barcelona，Spain：IEEE，2010：1-4.

［6］Schreiner M，Leier H，Menzel W，et al.Architecture and interconnect technologies for a novel conformal active phased array radar module［C］／／Proceedings of 2003 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest.Philadelphia：IEEE，2003：567-570.

A Sub-array Integration Solution for Ka-band Tile-type TR Module

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

A new sub-array integration solution for Ka band tile-type TR module is proposed.By applying multilayer circuit technology，inner layer stripline power divider，section optimized ridge waveguide，same type ports centralized distribution，the circuit integration level is increased substantially.Low cross-profile ridge waveguide is employed as vertical interconnection between modules.Layout of sub-array circuit is provided. Passive components such as ridge waveguide transition and divider are modeled，simulated and demonstrated. The result shows that the size and performance of these passive circuits can fulfill the integration requirements.

active phased array；TR module；Ka-band；vertical interconnection；passive circuit

the M.S.degree from University of Electronic Science and Technology of China in 2004.She is now an engineer.Her research concerns R＆D of millimeter wave module.

1001-893X（2012）07-1155-05

2012-04-13；

2012-05-21

TN80

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2012.07.022

赵青（1979—），女，四川泸州人，2004年于电子科技大学获硕士学位，现为工程师，主要从事毫米波组件的开发研究工作。

Email：qinglemon＠gmail.com

ZHAO Qing was born in Luzhou，Sichuan Province，in 1979. She