毫米波相控阵板级集成天线技术研究

2020-11-05邹文慢谢安然张雪雷金谋平

雷达科学与技术 2020年5期

王泉, 陈俐, 邹文慢, 谢安然, 陈谦, 张雪雷, 金谋平

(1.中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽合肥 230088;2.安徽省天线与微波工程实验室，安徽合肥 230088)

0 引言

随着毫米波雷达及5G移动通信的快速发展，毫米波相控阵天线作为关键技术成为了当前的研究热点之一[1-4]。一方面在民用领域，毫米波车载雷达可以有效提升驾驶人的安全性和车辆的移动性，当前使用24/77 GHz的毫米波相控阵系统进行路面探测和碰撞预防。2015年60 GHz的手势雷达因其独特的交互体验，一经Google推出后就受到了来自物联网、车联网、智慧制造、手机终端等需要大量人机互动的应用领域的广泛关注，而毫米波相控阵是其探测系统的核心。近年来，太赫兹安检仪、太赫兹成像雷达等太赫兹应用随着太赫兹相控阵技术的发展逐步实现了商用化。另一方面在军事领域，毫米波具有工作带宽宽、探测/成像分辨率高、保密和抗干扰性能强等特点。毫米波雷达在机载火控雷达、导引头雷达、卫星遥感、战场监视、智能弹药和电子对抗领域都有着广泛的应用[5-7]。

需要指出的是，毫米波频段存在大气传输损耗较大的问题，因此，支持高等效全向辐射功率、大信噪比、快速精确的波束控制的毫米波有源相控阵被广泛地应用于毫米波射频系统中[3]。在毫米波有源相控阵的研究中，存在结构复杂、安装繁琐、扫描损耗大等问题。

基于先进封装的集成相控阵天线作为一种高效的解决方案受到了学术界和工业界的广泛关注。毫米波集成相控阵天线的架构与性能，同所用的封装工艺紧密相关。随着先进封装工艺的发展，印制板工艺(Printed Circuit Board，PCB)[8-10]、高密度互连工艺(High-Desity Interconnect，HDI)[11-13]、高温/低温共烧陶瓷工艺(High-/Low-Temperature Co-fired Ceramic，HTCC/LTCC)[14-15]，硅基工艺[16-17]等一系列新颖的封装技术被用于设计和制造毫米波相控阵天线。本文针对毫米波天线结构尺寸小，设计实现难度大的特点，同步考虑后期大规模量产的难度以及成品率，设计了一款工作在24.25～27.5 GHz频段，基于PCB工艺的毫米波板级集成有源阵面。该阵面将天线辐射阵面、综合馈电网络、收发组件等综合集成在一块多层印制板上，具有成本低、加工简单、成品率高的特点。

1 毫米波有源阵面的系统设计

相对于离散天线，嵌入封装结构内的集成天线形式可以有效地减少射频集成电路与天线间的互连距离，从而减少馈线损耗，提高系统效率。在该方案中，天线与有源电路通过封装结构的有效隔离既可以保证模块间相对独立，使系统电磁兼容性能稳定，又具有易于生产和装配的优点。该类型天线阵列的设计难点主要有以下两个方面：一是天线与集成电路的协同设计；二是阵面冷却管理和机电热完整性的设计。同时，毫米波有源相控阵的架构不仅要满足毫米波系统在不同应用场景下有效辐射功率和空间分辨率的需求，同时需具有支持大批量生产的可制造性和成品率。

为解决以上问题，本文所设计的毫米波有源阵面包含天线辐射阵面、综合馈电网络、收发组件以及各类接口等部分。该设计将前端组件集成在一块多层印制板上，天线和T/R组件分别排布在基板两侧，既将天线与有源模块进行了有效隔离，又有利于有源模块的散热，同时具有结构简单、便于量产的优点。图1为毫米波有源阵面组成框图，由上到下分别为包含256个天线单元的阵列天线层、包含一个1∶64功分网络的射频功分层、电源分配层、波控分配层、包含64个四通道收发组件以及各类接口的组件层构成。

(a)原理框图

阵列天线层包括256个“E”型微带贴片天线，极化方式为垂直线极化。射频功分层包括一个1∶64的功率合成/分配网络，实现有源阵面射频信号的收发汇总。电源分配层与波控分配层实现有源阵面的电源和控制信号的分配及传输。在有源阵面的下表面留有收发组件、电源芯片和波控芯片的焊盘以及射频、控制、电源接口。收发组件采用四通道集成射频前端芯片，采用表贴封装形式，表贴焊接到有源阵面下表面。最下端的收发组件与后端散热结构相连，通过风冷保证有源阵面的正常工作。

毫米波有源阵面的天线阵列需具有方位向±60°、俯仰向±30°的扫描能力，因此，根据天线阵列扫描不出现栅瓣的条件，最终确定天线单元的尺寸为5.1 mm×6.2 mm(方位向×俯仰向)。考虑到天线与后端组件一体化集成的需要，天线应具有宽角扫描、结构简单、易于加工的特性。因此，选用缝隙加载的单层微带贴片作为辐射单元，该单元仿真模型以及频带内扫描驻波结果如图2所示。从图2可以看出，该单元在所需的扫描范围有源驻波优于3，满足系统的指标要求。

图2 天线单元模型及有源驻波仿真结果

低损耗的板间垂直互连是有源阵面设计的关键环节。一方面，毫米波有源阵面的天线阵列、收发组件、馈电网络和波控网络均处在不同的功能层，射频信号在天线单元、收发组件、功分网络之间传输时需通过垂直过渡实现层间互连。另一方面，受限于收发组件的封装尺寸，收发组件的天线接口与天线单元无法直接互连，需通过一段包含垂直过渡的口径变换进行连接。根据阵面组成，256单元的有源阵面包含64个四通道收发组件，后端信号通过总输入口，经射频功分层的功分网络分别输入到每个收发组件的公共端口。功分网络的输入输出信号通过印制板内部的垂直过渡转换成微带线与外部相连。阵面的综合布局如图3所示，关键层间垂直过渡的仿真模型及结果如图4所示，经过优化的层间垂直过渡模型如图4所示，仿真的反射系数优于-20 dB，传输系数优于-0.2 dB。

图3 功分网络示意图

图4 垂直过渡仿真模型及仿真结果

最终，毫米波有源阵面的规模为256单元的矩形阵列，其中方位向为16个阵元、俯仰向为16个阵元，阵面总厚度小于3 mm。

2 毫米波有源阵面测试结果分析

为验证毫米波有源阵面的设计结果，采用近场测试系统进行测试，如图5所示。测试时，测试探头发射电磁波信号，待测有源阵列接收后传输到测试接收机，通过探头采集有源相控阵阵面的近场数据，合成得到远场方向图。

图5 5G毫米波有源阵面测试照片

因有源阵面受制造公差、装配公差、器件不一致性等因素的影响，在工作时需要对其进行校正。本文中，毫米波有源阵面校正采用近场校正的方法[18]。首先采集等幅同相激励条件下的阵面近场分布，其次通过近场反演得到阵面口径场的幅相分布，再次按照最小化幅相误差的标准计算出有源通道的校正参数，最终实现有源阵面的幅相补偿。

图6为中心频点26 GHz处校正前后的口径场分布结果，可以看出校正后阵列口面的幅度、相位相比校正前分布更为均匀。图7所示为中心频点26 GHz处校正前后的阵列俯仰向方向图对比结果，校正后方向图的副瓣更对称，更接近理论值。

(a)幅度分布

图7 有源阵面校正前后方向图对比

校正后，对整个有源阵面的方向图进行测试。图8所示为有源阵列在中频26 GHz的方位面和俯仰面的扫描方向图测试结果。从测试结果可以看出，等幅同相激励有源阵面时不扫描情况下，增益为27.2 dB，3 dB波束宽度为5.2°，整体副瓣优于-12 dB。通过调节收发组件的幅相激励，阵列可以实现方位向±60°、俯仰向±30°的扫描。测试结果表明，毫米波有源阵面在方位面和俯仰面均具备满足设计指标要求的扫描能力，部分扫描角指向不精准主要是受移相器精度的影响。从方位面测试的扫描方向图还可以看出，随着扫描角度的增大，阵列的副瓣也越来越高。其主要原因是随着扫描角度增大，天线单元有源阻抗变化较大，导致通道输出幅相抖动，阵列整体副瓣升高。