一种Ka频段“瓦式”有源相控阵天线设计

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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