Ka频段卫通相控阵封装天线设计与实现*

2022-08-01李秀梅黄中华李雪莲何小峰

电讯技术 2022年7期

李秀梅，黄中华,任思，李雪莲，周哲，何小峰

(1.中国西南电子技术研究所，成都 610036；2.中国人民解放军93129部队，北京 100843；3.成都天奥电子股份有限公司，成都 610015)

0 引言

卫星通信具有覆盖范围广、传输距离远、通信容量大、传输质量好、组网灵活迅速和保密性高等众多优点，已成为当今极具竞争力的通信手段。相控阵天线因波束捷变、剖面低和高可靠性等特点，在卫通领域得到广泛应用。随着先进微电子技术和集成工艺的不断演进，相控阵天线正朝着毫米波及以上频段发展，充分利用高频段的丰富频谱资源，以提升电子装备性能。毫米波相控阵天线技术逐渐呈现出低成本、芯片化和晶圆级等封装集成的趋势。这种以高度融合集成为特征的封装天线(Antenna in Package，AIP)技术，将微电子技术和三维微纳集成工艺结合，能够极大地降低系统内部互连损耗，大幅提升系统能效[1]。根据封装架构不同，AIP可以分为单板集成、模组集成、封装集成和晶圆集成等四类[2]。在Ka频段，单板集成相控阵[3-4]具有成本低、复杂度低、工艺成熟、性能优良等特点，是比较适合的技术途径。

针对天线低剖面、低成本、低功耗等需求，本文研究了毫米波单板集成相控阵封装天线的架构、极化可变阵面、稀疏布阵等关键技术。试验结果表明，本文设计方法正确，产品性能优良、可靠性高。

1 天线设计原理

综合考虑天线在功能、性能、布局位置、载体适装性等方面的要求，从空域、频域和极化域等方面开展综合设计。传统的砖式或瓦式架构的相控阵天线的设计思路是将各功能模块进行分离设计，各模块间通过接插件进行互联，这样不便于卫通天线的高集成、低剖面和减重设计。本文采用基于单板集成相控阵封装天线。

考虑天线可扩展性设计，将天线主体从功能上分为上、下两种功能载板。上载板将天线阵面、一级功率分配网络、TR模组和波控等集成为一体化可扩展载板，其中TR模组通过SIP封装技术形成表面贴装的器件；下载板将天线电源、二级波束形成网络和天线信道等功能集成为数模混合的多功能载板。上、下载板射频、供电和控制通过接插件或电缆实现互联，上、下载板之间采用金属结构件，实现天线散热及承载功能。图1给出了天线架构与组成示意图。

图1 天线架构及组成

考虑收发全双工等要求，本文采用收发天线分口径设计，并从发射信号和发射噪声分别对接收通道的影响进行分析，确定收发天线间距、收发信号抑制的设计。

发射天线口径规模和布阵方式受天线发射等效全向辐射功率(Equivalent Isotropically Radiated Power，EIRP)指标、扫描范围和发射控制等要求，采用64×64规模的阵列结合稀疏布阵和加权的方式，发射天线阵元间距5.2 mm，阵列规模1 600元，单发射功率15 dBm。

接收天线设计是常规相控阵设计方法，阵元间距7.2 mm，阵列规模4 096元。

2 关键技术

2.1 灵活可扩展单板级封装天线技术

如图2所示，单板级封装天线是以高密度高低频混合多层印刷电路板(Printed Circuit Board，PCB)板为载板的天线子阵，包含1 024个双圆极化阵元、256颗多通道幅相控制芯片、1分256功分网络、电源分配网络、波控电路及数字控制网络。多层PCB板工艺示意图如图3所示，整个多层板含15层电路板，上面层天线辐射层，中间层为低频控制走线和供电网络走线，下面层为射频功分层，层间通过高密度垂直互联实现电路的联通。对于更大规模阵列，可直接通过单板级相控阵天线的拼接扩展实现，如图4所示，天线控制通过天线控制单元(Antenna Control Unit，ACU)实现天线频率、极化、波束指向等控制。

图2 可扩展单板级封装天线

图3 封装天线多层板工艺示意图

图4 封装天线的可扩展技术

由于单板级封装天线取消了绝大部分射频互联和低频互联，采用成熟的表贴工艺，大大降低了成本。相比以模块组成的传统相控阵，单板级封装天线在重量、剖面等方面极具优势，重量、剖面高度降低约为1/5，装配效率提高约10倍，成本降低10倍。

2.2 圆极化可变阵面技术

微带天线因为剖面低、易集成、制造成本低，在毫米波相控阵天线中得到了广泛应用。但微带天线带宽窄、高频损耗大，需要采用增加基板介质厚度、寄生单元、降低介质介电常数等方法来提高工作带宽和减小损耗。毫米波卫星通信系统除了要求终端天线具有宽频带、宽角辐射、高增益等要求外，一般还会要求终端天线具备圆极化可变能力。本文采用多馈法[5]和多元法[6]相结合实现圆极化宽带特性：多馈法采用正交两点馈电，如图5所示，在展宽带宽的同时不增加太多复杂度；同时采用2×2周期旋转馈电阵列，如图6所示，进一步展宽轴比带宽。通过采用传统3 dB电桥实现宽带圆极化的切换功能。

图5 双馈点圆极化天线

图6 2×2周期旋转馈电的圆极化天线阵列

2.3 稀疏布阵技术

在偏离地球站天线主瓣轴2°的任何角度φ上，在对地静止卫星轨道的3°范围内，任何方向的EIRP谱密度值应不超过规定的数值[7]，具体如表1所示。因此，在特定的符号速率下，要求天线主瓣波束窄，副瓣电平低。在阵元间距选定的前提下，相控阵天线主瓣宽度取决于阵元规模。发射链路末级放大器芯片输出功率一般会在10 dBm以上，那么会存在满足主瓣宽度的阵元规模的天线EIRP过大，导致不满足发射要求及成本和功耗无谓的增加。因此，采取稀疏布阵是一种较好解决这种矛盾的手段，既可以保证需要的波束宽度和降低副瓣电平，同时又可以满足EIRP和功耗等指标要求。

表1 Ka频段动中通地球站偏轴EIRP谱密度值

稀疏布阵有很多研究成果，比较有代表性的有遗传算法、模拟退火算法、粒子群算法等，但这些算法存在大规模阵列计算量大、收敛慢等问题。本文以2×2个阵元为最小单元，采用随机稀疏布阵技术，以EIRP谱密度包络为天线方向图优化目标，且尽可能均匀分布，便于工程散热设计。经过1 000次迭代，最终结果如图7所示，稀疏率0.39，大大减少了阵元数量并降低了邻星干扰问题。

(a)阵元稀疏布阵示意图

3 实验结果与分析

基于以上关键技术，实现了毫米波相控阵天线，机载件实物如图8所示，极化方式为双圆极化，自动切换。其主要指标如表2所示，通过了DO-160G适航符合性验证试验。通过中星16高轨同步卫星网络建立链路，进行了静态对星、摇摆台试验、跑车试验和飞行试验等多项工作，验证了相控阵终端的静态信号捕获，颠簸路面、大动态过弯、急速升降、45°俯冲等自动跟踪，桥隧遮挡、超大动态飞行等失锁重补，自动跨波束联星等能力。飞行过程中，下行速率峰值170.8 Mb/s，上行速率9.8 Mb/s，如图9所示。