Ka频段有源瓦片天线的设计

马东磊，于常永，史晓飞，王开志

(山东航天电子技术研究所，烟台 264003)

0 引言

T/R组件是有源相控阵天线的核心部分，成本占整个相控阵天线系统的80%，主要作用是完成信号的移相衰减放大及小信号的接收放大，合成主波束。目前，在各类平台体积受限的情况下，对T/R组件及无源天线一体化设计提出了紧迫的需求。采用3维堆叠瓦片形式的有源天线，较传统砖式结构天线体积缩小50%以上，重量减轻60%以上，具有巨大的优势[1]。

根据文献报道，目前国内一些科研院所已经实现瓦片天线的量产，芯片采用砷化镓工艺，成本较高，国内外商业公司量产的瓦片天线不能满足空间辐射要求。设计一款低成本、可用于星载的瓦片天线具有较大的挑战[2-3]。

针对Ka频段相控阵有源天线应用于卫星的需求，提出了一种瓦片式结构天线，采用了基于锗硅工艺的射频芯片。在60mm×60mm×3mm的范围内集成64阵元有源天线，EIRP>31dBW，发射状态功耗小于10W，接收状态功耗小于6W，解决了印制板多层互联、带状功分埋阻及芯片散热等问题。

1 Ka频段瓦片天线的设计

瓦片相控阵天线的阵面、T/R、馈电网络集成采用多层PCB板一体化设计，如图1所示。天线、网络多层板与T/R芯片贴装层集成在一个射频板上，通过板间垂直互联实现馈电网络、T/R芯片的射频引脚与天线贴片单元连接。其中，有源芯片贴装在Top Layer层，馈电网络采用带状结构，设计在MidLayer2层，无源辐射贴片在Bottom层。

图1 瓦片天线印制板图片Fig.1 The picture of the phased array antenna

1.1 无源辐射天线的设计

天线阵面采用微带天线阵列，单元天线采用切角、开槽等方式实现圆极化，并且实现中心馈电，降低组件走线难度。阵列设计中，为改善圆极化辐射特性，采用旋转布阵形式，法向增益23dBi，45°扫描时增益21dBi，能够满足系统分配的增益指标。阵列天线仿真模型如图2所示，天线增益仿真数据如图3所示。

图2 阵列天线仿真模型Fig.2 The simulation model of array antenna

图3 天线增益仿真数据Fig.3 The simulation gain of array antenna

1.2 有源芯片布局设计

有源天线的核心部分为有源多功能芯片，本设计采用锗硅工艺芯片，具有良好的抗辐照性能，器件集成收发8通道，工作频率范围在23～28GHz。盖芯片具有独立可控的8路收发通道，可分别上下电及调幅调相，采用SPI串行接口进行寄存器控制，并采用专用引脚控制每个通道，可保证阵列中所有芯片同步。

微波多层印制电路要实现微波电路的立体布局就会涉及大量的射频信号的层间传输。实现不同层之间微波信号传输的方法大致有两种：第一，通过电磁耦合来进行层间射频信号传输；第二，通过垂直过孔结构实现层间微波电路的直接连接，进而实现层间信号传输。通过电磁耦合进行层间微波信号传输插入损耗大，相对带宽小，并且耦合电路体积大，在微波电路中仅少量应用于信号检测或自检电路。使用射频垂直互联结构进行微波信号传输具有带宽宽、结构紧凑等优点，更适合应用于多层印制板中微波信号的传输。射频垂直互联结构包含信号传输线互连和射频地互连。与数字电路不同，不理想的射频互连结构会造成较大的回波损耗和信号泄露，导致信号传输性能和系统电磁兼容性能变差，为此对微波多层印制板垂直互联过孔的分析就显得十分重要[4]。

为了实现Ka频段垂直互联的低损耗传输，文章采用HFSS进行仿真设计。层与层之间采用微带线-共面波导转换结构，两个射频传输层之间通过金属化过孔连接，通过优化过孔的孔径及过孔周围的地孔[5]，实现射频层与层之间的射频传输。垂直互联仿真模型及仿真结果如图4所示，在24～27.5GHz带宽内驻波小于2，损耗小于0.3dB。

图4 垂直互联仿真模型Fig.4 The simulation model of vertical interconnection

1.3 馈电网络设计

芯片级联采用1分4威尔金森功分器，其插入损耗，回波损耗越小，隔离度越高，频率范围越广，表示功分器的性能越好。在传统工艺中，威尔金森功分器电路印制于PCB 表层，电路中的隔离电阻采用分立元件焊接在印制板上[6-10]；利用微波多层印制工艺，将功率分配器进行内埋，可以大幅降低PCB 表面元器件密度，有效减小微波电路体积。文章采用带状线结构设计功分器，并采用板内埋阻工艺，结合理论分析，采取仿真设计，功分器仿真版图如图5所示。

图5 功分器仿真版图Fig.5 The simulation model of power divider

在仿真设计中通过不断优化线长及线宽以及地孔的位置，最终功分器指标达到隔离度大于20dB，1/4宽带损耗小于6.5dB，驻波小于1.2，满足芯片馈电级联要求。最终优化后的仿真结果如图6所示。

图6 功分器仿真结果Fig.6 The simulation result of power divider

2 测试结果

文章最终对瓦片天线在微波暗室进行了测试，测试步骤如下。

1)将待测天线架设于测试转台上,保证天线方位面与转台平行，连接测试电缆。将天线调平，保证天线几何中心与测试系统中心重合。辅助天线为接收天线，被测天线为发射天线；

2)设置测试频率f0,波束指向为方位0°，俯仰0°；

3)用天线测试系统控制转台旋转，线分析仪绘出天线在频率为f0,波束指向为方位0°,俯仰0°的发射方向图，通过计算机连接天线分析仪记录测试数据;

4)改变测试频率f0,重复步骤3)，绘制被测天线不同频率的法线发射方向图。

天线测试框图[5]如图7所示。

图7 天线测试框图Fig.7 The test block diagram of the antenna

对天线的方向图进行了测试，测试结果如图8所示，实测方向图扫描结果与仿真结果一致性良好，指向精度优于1°，对EIRP与G/T值进行了标定，法向EIRP>31dBW，G/T>-4dB/K，扫描至45°时EIRP>29dBW，G/T>-6dB/K，符合设计指标。

图8 天线扫描方向图测试结果Fig.8 The result of antenna pattern measurement

3 结论

针对Ka频段相控阵有源天线应用于卫星的需求，提出了一种低成本瓦片式结构天线。结合理论分析、仿真设计等手段，采用锗硅工艺的射频芯片，研制的瓦片式结构天线具有体积小、扩展性强、高集成度等特点，必将在未来的星载相控阵领域，得到更为广泛的应用。

1)通过研究国内外先进工艺技术，结合国内印制板厂商加工能力，完成了一款8×8通道瓦片天线的设计及加工测试。在60mm×60mm×3mm的范围内集成64阵元有源天线，印制板采用12层设计，并在暗室中对天线进行了测试。法向EIRP>31dBW，G/T>-4dB/K，扫描至45°时EIRP>29dBW，G/T>-6dB/K，发射状态功耗小于10W，接收状态功耗小于6W。

2)通过研究微波传输线过渡结构以及带状线功分器理论，采用仿真设计，优化射频链路性能指标，解决了垂直互联及带状线馈电网络的仿真和加工验证工作。

3)通过研究多层印制板埋阻工艺，重点分析解决了加工工艺对阻值的影响，从而对射频性能进行了仿真优化设计。