毫米波多通道收发电路与和差网络一体化集成技术

发布时间：

2024-07-10

随着无线通信技术的进步，低频段的频谱正变得越来越拥挤。为了满足高质量、大容量无线通信设备的需求，通信频率必须不断提高。毫米波具有较短的波长和较宽的频带，这使得它们能够有效解决高速宽带无线接入面临的诸多挑战，并在短距离通信中展现出广泛的应用潜力。现代先进…

随着无线通信技术的进步，低频段的频谱正变得越来越拥挤。为了满足高质量、大容量无线通信设备的需求，通信频率必须不断提高。毫米波具有较短的波长和较宽的频带，这使得它们能够有效解决高速宽带无线接入面临的诸多挑战，并在短距离通信中展现出广泛的应用潜力。

现代先进的雷达和通信系统为了提升扫描速度和指向精度，已经将工作频段扩展到毫米波段，并放弃了传统的机械扫描平台，转而使用相控阵天线来实现快速的二维相控扫描。在相控阵系统中，收发组件是核心部分，尤其是在二维有源相控阵天线中，其集成程度直接决定了系统的性能和成本。

收发组件（包含收发电路与多功能芯片）和和差网络是相控阵天线的关键组成部分。收发组件负责处理相控阵天线在收发状态下的信号放大和移相等任务，而功分与和差网络则负责信号的功率合成和分配。收发组件模块通常采用薄膜电路或LTCC工艺制造，功分网络则可能使用波导或微带技术。通常，收发组件和和差网络是分开设计的，作为独立的模块，并通过接插件进行互联。这种互联方式不仅增加了电路的复杂性和系统损耗，还需要大量的接插件和辅助材料，且组装过程繁琐，不利于系统的小型化、轻量化和一体化设计。随着毫米波相控阵天线的发展，小型化和紧凑型成为了重要需求，迫切需要一种集成技术来消除收发模块和和差网络之间的界限，简化互联接口，并从加工制造和工艺实现的角度找到切实可行的解决方案。

设计原理

相控阵天线主要分为两种类型：砖式和瓦式。瓦式相控阵天线相较于砖式，具有更高的集成度和更小的纵向尺寸，因此更适合安装在空间受限的平台之上。图1展示了一般的瓦式相控阵天线结构，其中天线阵面、收发组件和和差网络是横向集成、纵向垂直连接的，层与层之间的垂直互联通过接插件的上下导通来完成电连接。

图 1 瓦式相控阵天线结构示意图

为了进一步提高瓦式相控阵天线的结构密度和体积小型化，我们开发了一种高密度集成技术，用于设计其核心部件——收发组件和和差网络。这种技术显著降低了纵向高度，减少了收发组件与和差网络之间互联所占用的空间，并且优化了收发组件的低频控制和供电走线，从而提升了电路的可靠性。如图2所示，我们将多通道收发电路和和差网络设计在同一块印制电路板上。在这块板上，放大器、移相器和功分网络的走线位于同一层，通过PCB板间的金属化过孔实现射频信号的上下联通；同时，和差网络、收发电路控制、供电等低频信号也通过PCB多层板进行布局。加工完成后，一体化收发电路和和差网络的PCB多层板被焊接在金属基板上，并通过毛纽扣等形式与天线阵面和波控等模块完成互联。此外，为了满足移相器和放大器的工作需求，上盖板预留了空气腔。

图 2 一体化集成的收发电路与功分网络组装图

多通道收发电路和和差网络在同一介质基板上完成布局，射频和低频电路的走线既有层内也有层间。射频端口和低频端口可以通过弹性触碰方式与天线单元和波控器等连接，实现了无插拔力的高密度互联。在较薄的介质基板内，完成了射频和低频电路的布置。作为接收射频输入、发射射频输出的功分端口和合成端口，它们通过介质基板打孔方式形成同轴传输；低频控制及电源接口则通过介质基板间的走线分布到基板四周。多通道收发电路和和差网络之间仅靠介质基板层间走线实现高低频互联，这种一体化、高密度集成设计无需接插件，简化了多通道收发电路和和差网络的设计，节省了收发组件模块与和差网络间的接插件，同时可以采用成熟的微波印制板加工工艺一体成形，与LTCC相比，工艺更简单、成本更低。

设计分析

在探讨多通道收发电路和和差网络的一体化集成技术时，我们以毫米波频段的8×16阵列为例，进行深入的设计分析。鉴于毫米波频段天线单元的紧凑间距（大约7 mm×7 mm），单通道的平均占地面积较小，这使得多通道收发电路和和差网络的电路布局非常紧凑。因此，我们选择了非等间距布局方式，如图3所示。

在图3(a)中，我们可以看到，器件安装界面与功分网络的走线层位于同一层面，并通过金属隔离柱进行四周隔离，以减小不同电路走线之间的相互干扰。功分网络与和差网络被放置在不同的层面，并通过板内打孔的方式实现射频信号的垂直互联。多通道收发芯片的低频控制和供电通过金丝键合方式与芯片附近的焊盘连接，然后通过焊盘下方的金属化过孔垂直向下延伸至印制板四周，如图3(b)所示。此外，在芯片安装界面的下方，我们设计了实心接地柱。这些接地柱不仅为芯片提供了接地功能，还充当了散热通道的角色，将芯片产生的热量传导至印制板底部，从而保证了芯片的稳定工作温度。

测试结果及分析

研究人员已经成功制造了一种针对毫米波频段的8×16通道收发电路和和差网络的一体化集成电路。该集成电路的尺寸为114毫米×68毫米，整体厚度大约为3毫米，单个通道的重量大约为2克。为了检验这一集成电路的性能，研究人员在适当的位置安装了功分器，并进行了无源测试。测试的结果如图4所示，而图5则展示了128个射频通道的测试数据。

在图5中，我们可以看到四个不同的图表。左上角的是S11图，它显示了公共口的驻波系数，在21至23吉赫兹的频带内，S11的值均低于-11分贝；右上角的是插入损耗曲线，显示出各通道间的一致性非常好，考虑到测试电缆的损耗，总损耗大约为24分贝（其中分配损耗为21分贝）；左下角的是S21相位图，表明通道间的一致性也很好；右下角的是S22图，它显示了与天线接口端的反射系数，S22的值均低于-10分贝。这些图表共同说明了高密度集成的射频板工作正常，通道间幅度和相位一致性优异，在21至23吉赫兹频带内，128个通道的幅度均方根为0.8分贝，相位均方根为5度。这表明多通道一体化集成电路运行良好，微波印制板加工工艺是可行的，能够实现相控阵收发组件的电路和和差网络功能，提高了瓦式相控阵的集成度，适用于需要高精度波束扫描的相控阵天线。

结论

毫米波多通道收发电路和和差网络的高密度集成技术不仅提供了良好的通道电气性能，而且在毫米波频段实现了收发电路和和差网络的高密度集成，显著降低了纵向尺寸和重量。这为相控阵天线的小型化和轻量化提供了有效的实现方法，并为未来蒙皮天线技术的设计提供了重要的启示。同时，采用成熟的微波印制板制备技术，不仅降低了制作成本和周期，还实现了小型化、轻量化、一体化高密度集成，易于加工实现，成本低，周期短，对工程应用具有重大意义。

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