一种二维可扩充片式有源阵列天线的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种有源阵列天线，尤其涉及的是一种二维可扩充片式有源阵列天线。
【背景技术】
[0002]有源相控阵天线作为相控阵雷达的核心部分，其集成水平决定了整个系统的性能与成本。工作频率越高，每个阵元的面积越小，集成度要求越高。有源相控阵天线集成的阵列结构有两种:基于砖块式线子阵的纵向集成横向组装和基于瓦片式面子阵的横向集成纵向组装。脉冲工作的雷达系统，阵元数多且间距小，功耗大，砖块式设计相对容易，但砖块式集成度低、纵向剖面尺寸大，难以满足现代雷达对集成度的要求。瓦片式有源天线系统是一种新型的高密度集成有源天线系统，通常由瓦片式有源子阵模块二维可扩充组合而成，每个子阵模块包括辐射单元、片式T/R组件、射频馈电网络、电源、波控、冷却管道等功能电路和结构件，具有典型的薄而紧凑的“三明治”结构。瓦片式有源天线的高集成、低剖面、低质量面密度及电讯和结构上二维可扩充等特点，使其可适应于机载、星载等高密度集成的相控阵雷达需求，并逐渐成为研究开发的热点。
[0003]在DARPA与NASA的支持下，美国多家公司先后研究了多个频段的瓦片式集成子阵。西屋公司采用晶圆级集成技术，开发了 4X4瓦片式子阵，每个通道5位幅度、6位相位控制，发射带宽6?12GHz，发射功率0.5W;接收带宽4?12GHz，噪声系数小于7dB，增益大于20dB。德州仪器开发的Ka波段4 X 4发射子阵，阵元间距0.8λ，4位PIN二极管移相器插损4.5dB，阵元发射功率100mW，馈电网络的插损5dB。休斯公司开发的X波段瓦片式4元有源模块，采用多层氮化铝基板，共面波导传输线和毛纽扣连接器，倒装单片微波集成电路;和砖块式4元模块相比，体积、重量与生产成本分别降低了86%，67%，76%。针对大型天基相控阵应用，加拿大学者设计的瓦片式集成结构，每个8X8子阵由三层瓦片组成:辐射阵元，MEMS移相器与功分器，TR组件。上述瓦片式集成子阵在天线辐射层、TR组件、移相衰减器及功分器的高度集成方面取得了卓有成效的成果，但未能实现电源、波控等低频模块的一体化集成。
[0004]2008年法国Thales公司为舰载雷达GM400开发了64单元S波段片式数字化接收天线模块，包括天线阵面、接收通道、电源、控制以及光学接口等组件，整个厚度100_，重量小于8公斤。该瓦片式天线模块集成了电源、控制等模块，但未集成发射通道，且纵向厚度太大。
[0005]2013年中国电子科技集团十所何庆强等人公开了中国专利:201310341730.3，一体化毫米波有源相控阵天线，天线阵面按8X8阵列进行设计，整个有源阵面包含天线阵面、微流道、64个单通道功放芯片、16个4通道集成移相器和功分网络。该专利实现了射频发射通路的垂直互联和有源阵面的高度集成，但其不足在于:64个单通道功放芯片集成度不够，TR组件未集成接收通道，馈电网络未集成校正网络，有源阵面未集成电源、波控等低频电路及其分配网络，不含电源波控电路的瓦片层数达到四层。
[0006]中国电子科技集团十所何海丹等人在2013年全国微波毫米波会议上发表论文“毫米波相控阵天线高密度集成设计技术”，采用LTCC工艺完成二维有源天线高性能、小型化设计，给出了有源系统集成方案。该设计不足之处在于:LTCC工艺仅用于TR组件的设计，未给出波束控制部分的系统集成实现方法，有源天线系统未集成电源模块。
[0007]华东电子工程研究所王小陆等人在2012年微波学报发表论文“片式有源阵列天线关键技术研究”，并在2013年全国天线年会上进一步发表论文“一个多层组装架构的瓦片天线”。所公布的有源阵面由两个结构板层、一个散热结构层和四个电路层共七层独立的结构通过层叠方式实现。该设计方案较上述何庆强、何海丹等人的设计方案先进之处在于集成了波控和电源模块，不足之处在于:阵面架构层级过多，跨越多层的层间互联难以精确定位，TR组件的发射通道与接收通道分别由分立的HPA板和LNA板组成，未能实现TR组件收发通道的一体化集成。
[0008]总之，基于现有技术的可扩充瓦片式有源阵列天线未能实现天线辐射阵面和热控结构、TR组件收发通道和移相衰减器件、功分合成网络和校正网络、电源分配网络和波控信号分配网络及电源波控电路的一体化集成。此外，现有集成方案瓦片层数过多，垂直于阵面的纵向厚度难以降低，层间垂直互联距离远、插损大。
【发明内容】
[0009]本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种二维可扩充片式有源阵列天线，降低有源相控阵天线阵面瓦片层数、厚度、重量和成本。
[0010]本发明是通过以下技术方案实现的，本发明由上至下依次包括瓦片式部件:天线阵面、瓦片式TR组件和多功能板，所述多功能板包括依次垂直互连的电源波控电路层、低频分配网络层、第一隔离层、校正网络层、第二隔离层、功分合成网络层和盲配接口层;所述瓦片式TR组件以2 X 2阵列的四通道TR组件作为平面子阵并按2 X 2子阵模块的偶数倍进行阵面二维扩充;所述多功能板分别通过射频盲配连接器和低频盲配连接器与四通道TR组件相连;所述天线阵面包括SMP盲配连接器、天线辐射层和热控与支撑层，所述天线辐射层连接在热控与支撑层上，完成电磁波的辐射、接收和波束扫描功能;所述SMP盲配连接器分别连接天线辐射层和四通道TR组件。
[0011]所述电源波控电路层包括校正总口、射频总口、波控电路和电源电路;所述波控电路和电源电路相连，所述波控电路接收计算机控制指令并控制电源电路的开关，所述波控电路连接低频分配网络层;所述低频分配网络层上刻蚀矩阵排列的电源波控分口，所述电源波控分口将电源和波控信号分配到对应的TR组件，所述低频分配网络层通过低频盲配连接器连接四通道TR组件;所述第一隔离层为接地层，所述第一隔离层隔离射频与低频网络；所述校正网络层的总口与电源波控电路层的校正总口相连起到输出校正信号的作用，所述校正网络层的分口通过盲孔工艺与盲配接口层连接;所述第二隔离层为接地层，隔离功分合成网络与校正网络;所述功分合成网络层的总口与电源波控电路层的射频总口相连，用以发射功率分配或者接收功率合成，所述功分合成网络层的分口通过盲孔工艺与盲配接口层相连;所述盲配接口层上设有射频接口并通过盲孔工艺分别与校正网络层和功分合成网络层相连。
[0012]所述瓦片式TR组件包括射频盲配连接器、低频盲配连接器、四通道TR组件和安装固定板，所述射频盲配连接器穿过安装固定板分别连接盲配接口层和四通道TR组件，所述射频盲配连接器和低频盲配连接器分别内嵌于安装固定板上。实现了瓦片式TR组件与多功能板的无缝层叠。
[0013]所述SMP盲配连接器穿过热控与支撑层分别连接四通道TR组件和天线辐射层，所述热控与支撑层与天线辐射层固定连接为一体支撑天线阵面并形成散热通道，所述天线辐射层采用背腔微带结构作为辐射单元。实现了瓦片式TR组件与天线阵面的无缝层叠。
[0014]所述天线辐射层、SMP盲配连接器、四通道TR组件、射频盲配连接器、功分合成网络和电源波控电路层上的射频总口组成射频信号收发通道。
[0015]所述四通道TR组件耦合给出校正信号，所述校正信号经射频盲配连接器、校正网络层和电源波控电路层的校正总口输出。
[0016]所述每个四通道TR组件集成2X2通道的发射功率放大芯片、接收低噪声芯片和具有移相衰减及收发控制功能的多功能芯片并形成一个2X2阵列的平面子阵。
[0017]所述电源波控电路层的波控电路接收计算机的控制信号，再经低频分配网络层的波控分配网络和低频盲配连接器实现对四通道TR组件的控制，完成射频信号的收发控制、空间功率分配与合