X波段二维扩充瓦片有源阵列天线研制

郝齐焱， 郑林华， 何朝升， 陈文兰， 张小刚

(中国电子科技集团公司第三十八研究所, 安徽合肥 230088)

0 引言

高密度瓦片集成阵列天线具有阵面剖面低、成本小、功率密度大以及易扩充等优点，是有源相控阵天线技术的重点研究和发展方向之一。高密度集成阵列天线在大口径的阵列天线、低成本目标搜索雷达、多功能相控阵及共形天线等领域有着广泛的应用。

瓦片阵列天线典型结构是由天线辐射单元、T/R组件模块、馈电网络、波控、电源等功能电路和结构件层叠而成，是典型的“三明治”式的结构。高频段(X波段及以上)的瓦片天线受限于空间尺寸限制，难以直接实现二维方向的扩充。本文作者结合前期大量瓦片阵列天线的研究工作，研制一型X波段8×8单元的片式二维有源扩充阵列天线。该瓦片阵列天线主要由综合馈电网络和天线辐射单元集成架构而成。综合馈电网络通过多层复合板加工工艺和弹性垂直互联技术，将阵面辐射单元、低频和高频分配网络、波控电路及电源电路集成在一个低剖面有源阵列模块中，通过天线结构支撑件与天线辐射单元实现高频互联。在9～10 GHz工作频率范围内，原理样机在方位向和俯仰向实现二维扩充，瓦片式有源阵列天线实现方位向±45°以及俯仰向±30°波束扫描，并给出了相应的测试结果。

1 瓦片阵列天线集成架构

研制的X波段8×8集成瓦片阵列天线由天线辐射阵面和综合馈电网络集成架构而成，其中天线辐射阵面作为结构支撑、冷板和壳体，如图1所示。

图1 瓦片式阵列天线集成架构示意图

综合馈电网络包含T/R组件、波控电路和高低频分配网络。通过高频SMP双阴连接器连接天线单元的馈电口和T/R组件的射频输出口，实现射频前端收发馈电，图2为有源阵面集成架构示意图。

图2 有源阵面集成架构剖面示意图

2 关键电路设计

2.1 天线辐射单元

阵列天线辐射单元采用低剖面的微带对称阵子天线形式，如图3所示，这种天线的优点是结构剖面低、宽带宽、有源驻波小、易于匹配和工艺安装。

图3 低剖面天线辐射单元结构图

微带天线采用介质介电常数为2.94， 天线总高度约为8 mm，天线辐射单元的方向图仿真如图4所示。

图4 天线辐射单元方向图仿真结果

2.2 阵列天线布局

为实现阵列天线在方位向±45°和俯仰向±30°扫描时方向图均不出现栅瓣，可由公式

(1)

式中，为最小工作频率的波长，为最大扫描角，为方位向或俯仰向的阵列数量，初步判断d=168 mm，d=186 mm。天线辐射阵列方位面单元数为48，俯仰面单元数为16，阵面天线辐射单元的排列方式如图5所示。

图5 阵列天线辐射单元布局图

阵列天线方位向与俯仰向方向图的仿真结果如图6所示。

图6 阵列天线方位向和俯仰向方向图仿真结果

仿真结果表明，工作频率9.5 GHz时，方位向45°扫描时波束宽度为2.80，波束副瓣电平约为-12.69 dB，俯仰向30°扫描时波束宽度为6.20，波束副瓣电平约为-12.45 dB，满足设计使用要求。

2.3 微型四通道T/R组件

微型四通道T/R组件基于微系统架构，采用陶瓷三维集成工艺，将4个单片T/R芯片在陶瓷基板上三维堆叠集成，通过TSV技术实现四通道T/R芯片的馈电、信号互联以及外部接口的连接，实现四通道T/R组件的轻小型化。

单通道组件采用单片化设计，在一个单片上集成低噪放、功率放大器、移相器、衰减器、开关实现接收、发射和幅相控制。单片T/R芯片原理图如图7所示。四通道T/R组件的结构示意图如图8所示。

图7 单片T/R芯片原理框图

图8 陶瓷基板四通道T/R芯片SiP封装示意图

研制的四通道T/R组件主要指标为：

发射峰值功率：30 dBm

接收增益：≥25 dB

接收噪声系数：≤3.5 dB

外形尺寸：22 mm×20 mm×5 mm

2.4 综合馈电网络设计

综合馈电网络主要包括1∶16主信号分配网络、波控分配网络及T/R、波控、电源等元器件的标贴焊盘，是实现可扩充片式阵列天线模块小型化、轻量化的关键组件，其多层结构如图9所示。

图9 综合馈电网络剖面示意图

综合馈电网络采用的是微波数字复合基板工艺技术是在普通的多层印制板工艺和微波多层板工艺技术基础上开发的新工艺，采用新型的复合半固化片将多层微带电路与高密度数字电路压合在一起，通过金属化孔、材料和形状的立体组合等技术工艺完成电性能的互联与集成。

其中，射频馈电网络由1∶16的主信号网络和天线馈电垂直过渡组成，主要指标要求如下：

1) 实现16个T/R组件主信号的功率分配/合成；

2) 端口驻波：≤1.6(分口)，≤1.6(总口)；

3) 插入损耗：≤3 dB(含接头和垂直过渡损耗)；

4) 分口之间隔离度：≥18 dB；

5) 带内起伏：≤±0.3 dB。

射频馈电网络位于无源天线阵面层与T/R组件层之间，T/R组件的功率输出接口穿过馈电网络层与天线单元相连。整个多层微带板的厚度约为1.1 mm。

图10所示为射频网络平面布局图，红色线条为主信号合成网络，白色线条为T/R组件的表贴焊盘和微带线。图11所示为综合馈电网络的实物俯视图。

图10 1∶16射频网络平面布局

图11 综合馈电网络实物俯视图

3 瓦片阵列天线集成测试

天线阵面辐射单元数是48×16(方位向×俯仰向)，瓦片有源阵列天线辐射阵面、阵面支撑结构和散热片一体化加工，有源阵列模块(含T/R、电源、波控及高低频分配网络)安装在辐射阵面的背面腔体里，利用SMP双阴器连接T/R组件的输出端口和天线单元的馈电口，实现天线单元的信号收发。综合馈电网络按照方位向和俯仰向6×2直接实现有源阵列天线阵面的二维扩充。

利用平面近场测试系统对阵列天线进行了测试，测试状态如图12所示。

图12 天线阵面微波暗室测试

二维扩充瓦片有源阵列天线原理样机方向图测试结果如图13所示。

图13 瓦片有源阵列天线方向图测试结果

测试结果如表1所示，在9～10 GHz工作频率范围内，天线阵面在波束宽度、最大副瓣电平及增益等主要技术指标的测试结果与仿真结果一致，能满足实际工作的电性能要求。

表1 阵列天线波瓣性能测试数据

4 结束语

二维扩充瓦片阵列天线是有源相控阵天线集成的重要研究方向之一。本文提出的一种微波数字复合而成的二维扩充瓦片有源阵列模块，集成低频和射频馈电网络、模拟电路与数字电路的一体化功能，使瓦片阵列天线同时具备轻量化、低剖面、低成本、易安装、高互联可靠性等优点。未来的有源天线阵面集成技术朝着更高集成度、更低成本方向进行研究。