一种片式有源天线结构设计与分析

王志刚 彭 伟 王志海

(中国电子科技集团公司第三十八研究所 合肥 230088)

0 引言

随着现代有源相控阵天线技术的发展，为了减少阵面前端设备量及减小体积重量，通常采用一种新型瓦片式结构来代替常规的砖块式结构来提高系统的集成度，实现较低的质量面密度和天线剖面高度。

片式有源天线是新一代雷达相控阵系统的核心组成部分，它将天线构成要素进行层状组装和高密度集成，相对于传统的砖块式天线，具有剖面低、重量轻、集成度高以及模块化、易扩充、易共形等特点。因此非常适合新一代的空天飞行器平台。片式有源天线已成为当前雷达天线领域内的研究热点。文献[3]提出了一种Ka频段“瓦式”有源相控阵天线设计方法，该方法采用了多功能集成芯片和子阵模块化设计思路。文献[4]介绍了一种毫米波通信64单元瓦片相控阵天线，该天线采用多功能收发芯片集成了TR通道，简化了相控阵天线拓扑结构。文献[5]介绍了一种X波段64单元低剖面片式集成阵列天线，该天线采用复合多层基板综合馈电和垂直互连技术集成了一个低剖面有源天线模块。

本文根据某平台的设计要求，介绍了一种片式有源天线的集成架构，针对其各个组成部分进行了关键设计，主要包括天线辐射层、背腔兼结构热控板层、片式T/R组件层和综合馈电网络层，并简要阐述了其集成技术路线。设计完成后进行了热仿真分析和力学仿真分析，并加工组装出原理样机实物。

1 设计要求

某雷达系统采用片式有源天线来满足平台对体积重量的限制，对原理样机提出如下具体要求：

1)片式有源天线剖面高度不大于42mm；

2)片式有源天线面密度不大于40kg/m；

3)满足测试热环境和10g过载力学环境要求。

2 集成架构

片式有源天线采用分层结构，将多个相同功能通道的芯片或电路集成在数个平行放置的瓦片上，然后垂直互联。片式有源天线模块在结构上采用层状架构，层数分为四层，即天线辐射层、背腔兼结构/热控层、片式T/R组件层和综合馈电网络层，如图1所示。

图1 片式有源天线架构示意图

各层的主要完成功能有：

1)天线辐射层：宽带、宽扫、高效的天线辐射单元。

2)背腔兼结构/热控层：此结构件完成有源天线的结构支撑和散热功能，同时该结构还与天线辐射层的背腔一体化设计，提高集成度，减轻有源天线重量。

3)片式T/R组件层：T/R组件是整个模块中重量比例最大的一部分，本方案中采用层状叠层的片式结构，利用3D-MCM技术在有限的空间尺寸来降低组件的重量设计，保证片式有源天线的轻量化。

4)综合馈电网络层：综合馈电网络层是集成了射频与低频、模拟和数字的一体化多功能板。其主要功能是实现片式有源天线波束扫描控制、脉冲电源波形调制、片式T/R组件控制与管理等。

3 设计实现

3.1 天线辐射层结构设计

天线辐射层由微带贴片天线和空气背腔组成。与波导、振子等天线形式相比，微带贴片天线具有结构简单、剖面低、重量轻和易加工等优点，便于工程实现。因此天线辐射层采用微带贴片天线形式。空气背腔为中空式腔体结构，可以有效减轻天线重量。馈电连接器穿过空气背腔，与微带贴片天线上表面的馈电微带线焊接。馈电连接器采用SMP 盲配连接器与T/R组件相连，可减小馈电损耗，提高天线效率。图2是天线辐射层结构剖面示意图。

图2 天线辐射层结构剖面示意图

3.2 背腔兼结构热控层结构设计

背腔兼结构热控层作为片式有源天线机电热的载体，它既是天线背腔和接地板，又是片式T/R组件和综合馈电网络的安装结构件，同时也是片式T/R组件的散热通道。为保证整个片式有源天线的结构刚强度以及减轻天线重量，背腔兼结构热控层采用一体化设计。

背腔兼结构热控层可选择铝合金材料、镁合金材料、碳纤维复合材料等。铝合金具有比模量/比强度高、耐腐蚀性能好、加工性能好、成本低廉等突出优点。镁合金最大的优势是密度低。碳纤维复合材料具有重量轻、模量高、热膨胀系数低等特点，但是热传导性能差，加工工艺复杂。对于原理样机来说，铝合金材料仍是背腔兼结构热控层的首选。

3.3 片式T/R组件层结构设计

常规T/R组件的布局形式是平面布局，电路互联采用平面连接，易于匹配。组件测试与封装技术成熟，工程实现难度小。但是，因其电路布局尺寸受芯片数量及面积影响，无法再进一步缩小，所以组件结构尺寸较大。而且组件和天线、电源及控制电路之间一般通过射频电缆、低频连接器相连，损耗较大，重量较重。在较高的频段，由于阵元间距小，不利于与天线进行一体化设计。

片式T/R组件采用叠层结构，由多个层叠的电路通过垂直互联组成。由于采用薄而紧凑的层状结构，片式组件体积更小，重量更轻。同时，片式组件易于和天线集成，能够大幅度减少与天线、控制电路、电源组件等之间的信号互联连接电缆, 减少机械装配结构件，降低损耗和重量。

片式T/R组件层包括片式T/R组件和支撑围框。片式T/R组件由盒体、盖板、隔腔以及基板等组成，如图3所示。支撑围框是位于片式T/R组件和综合馈电网络层之间的结构件，为两者之间的低频互连和射频互连提供固定和支撑。T/R组件的射频接口采用SMP盲配连接器，可以与天线辐射层进行盲配连接。

图3 片式组件结构剖面示意图

3.4 综合馈电网络层设计

综合馈电网络层是集成了射频与低频、模拟和数字的一体化多功能板，是实现片式有源天线模块小型化、轻量化、高可靠设计的关键之一，其采用了多功能基板工艺来实现设计。多功能基板工艺技术是在普通多层印制板工艺和微波多层板工艺基础上开发的新工艺，是设计综合馈电网络的关键技术之一，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新技术实现电性能的互联与集成。

4 技术路线

片式有源天线采用了高密度垂直互连集成技术，其中馈电网络与T/R组件之间采用毛纽扣垂直互连，低频信号采用弹性连接器垂直互连，天线与T/R组件采用SMP盲配连接器垂直互连，从而实现了片式有源天线无电缆设计，极大提高了天线系统的集成度。

4.1 基于SMP盲配连接器的集成技术路线

SMP垂直互连通常采用“两个SMP阳头+一个SMP双阴转接头”的形式。由于加工和装配存在偏差，当SMP轴向和径向间距偏大时，电性能会变差；当SMP轴向间距偏小时，SMP可能会损坏。因此必须对SMP和其盲配的板间零部件进行轴向和径向公差设计和分析。引入SMP双阴转接头可以有效补偿板间轴向和径向尺寸偏差，提供安全可靠的连接。

4.2 基于毛纽扣的集成技术路线

毛纽扣的通常用法是将其装入绝缘介质支撑中，绝缘介质支撑装入金属孔中，利用毛纽扣自身的轴向弹性，使毛纽扣与印制板上的焊盘形成可靠的弹性接触。设计的关键是选择合适的压缩量、控制绝缘介质支撑孔和金属孔的公差、毛纽扣与印制板焊盘的定位精度以及通过工装实现对毛纽扣合理均匀地压紧。

4.3 基于弹性连接器的集成技术路线

弹性连接器类似于毛纽扣，它只需要最低的高度和最小的电路板空间。它们还允许具有较高的接触区密度，而且不需要焊接，因而可提供快速而不费力的表面贴装端接。

5 热分析

片式有源天线主要的散热有片式T/R组件和多功能板中的电源。背腔兼结构热控层和支撑围框为6063铝合金，馈电网络层为多层基板，反面为微带板，，正面为PCB多层基板。热分析边界条件是地面测试工作，40℃无风，连续工作8分钟，初始温度和速度均为0(无对流)。片式有源天线外部视为开放空间，各接触边界完整，热流走向分平面向和法向传导。模块热分析仿真结果见图4所示。

图4 片式有源天线热分析结果

仿真结果表明，片式T/R组件的封装最高温度约为44.3℃，天线结构件的最高温度约为43.7℃。自然对流散热和天线结构件蓄热可以解决片式有源天线在地面调试工作状态下散热问题。

6 力学分析

6.1 有限元建模

按照片式有源天线模型结构特点以及有限元建模基本原则和简化方法，建立该分析对象有限元分析模型，坐标系定义如图5所示。约束条件为4个安装凸台顶端连接处，如图5中4块浅灰色区域。

图5 有限元模型及约束边界

6.2 分析工况

1)模态分析：提取结构的模态频率和模态振型，判断结构刚度是否满足设计要求；

2)过载分析：分析10g过载情况下的应力和变形情况是否符合强度设计要求。

6.3 分析结果

1)模态分析结果如表1所示，图6为天线单元的1阶振型和第4阶振型。

图6 模态振型

表1 前4阶模态和振型

2)开展、、三个方向的过载分析，分析结果表明天线最大应力和最大变形均发生在向，最大应力为6.61MPa，位于安装凸台连接处，最大变形为8.15×10mm，位于多功能板区域。输入条件和分析结果见表2所示，图7是向过载应力和变形云图。

表2 过载情况下天线最大应力和最大变形

图7 Y向过载分析结果

6.4 结论

分析结果表明，在刚强度静载荷条件下，片式有源天线满足刚强度要求。

7 设计实例

基于上述片式有源天线关键设计和分析结论，制作出了片式有源天线原理样机如图8所示，该原理样机外形尺寸为151mm×132mm，剖面高度40mm，重量约0.79kg，面密度为39.6kg/m。剖面高度和面密度均满足设计要求。

图8 片式有源天线实物图

8 结束语

片式有源天线是一种新颖的有源天线架构，它可以满足有源天线朝大口径、高性能的方向发展。本文以有源天线轻小型化为目标，基于垂直盲配互连设计，将片式有源天线的天线辐射层、背腔兼结构/热控层、片式T/R组件层和综合馈电网络层进行高密度集成。相对于传统有源天线，体积和重量都得到了降低和减轻，通过对原理样机的加工组装，实现了其轻质、小型化和无电缆设计。后续将会在轻量化、工程化和性能指标优化上做进一步的研究，以满足未来新一代的空天飞行器平台需求。