一种馈电网络系统的制作方法

1.本发明涉及到天线馈电技术领域，特别涉及一种适用于高密度垂直互联技术pcb的馈电网络系统。


背景技术：

2.目前馈电网络多采用功率合成器加移相线的形式，且移相线的色散效应明显，移相线对相位的影响只针对于某个频点或者极窄的带宽内，结构不够对称统一，可重构性差。
3.当前ltcc和htcc工艺加工工艺复杂，一层一层制作，且存在许多设计可靠性的难点，基板与布线共烧时的收缩率及热膨胀系数就是其中一个重要挑战，主要体现在三方面：烧结致密化完成温度不一致；基板与浆料的烧结收缩率不一致；烧结致密化速度不匹配，这些不匹配容易导致烧成后基板表面不平整、翘曲、分层，不匹配的另一个后果是金属布线的附着力下降。ltcc基片易碎、导热率低，散热仍是一个关键问题，且加工周期长，价格昂贵，不便于短周期内大规模的生产。
4.目前多层微波印制板加工制作的带状线天线馈电网络中，加工制作简单，材料显微结构均匀，能够实现低介电常数和较低损耗，热性能和力学性能均有保证，但双面盲孔技术应用较少，导致电磁屏蔽效果差，影响多层板之间信号的传输，且多为一层平面结构，尺寸较大，不利于小型化的发展。
5.2021年东南大学公开了一种相控阵天线馈电网络，采用高密度多层混压板实现，但是仅仅有单侧盲孔加工工艺技术，并没有实现双面盲孔和埋孔工艺。
6.pcb加工工艺中接地孔距离埋阻边缘距离至少要500um安全间距，才能保证打孔不会打偏到埋阻上，使得多层微波印制板的设计受限于加工精度。


技术实现要素：

7.针对上述背景技术中存在的问题，本发明提出一种馈电网络系统。该系统采用纵向三维立体堆叠形式，减少馈电网络的水平横向尺寸，实现天线阵的小型化和高度集成化。
8.为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：
9.一种馈电网络系统，包括四个以矩形阵列排布的等幅、90
°
网络子阵和位于网络子阵底部的功率合成网络；四个阵列的等幅、90
°
网络子阵通过级联一个四合一威尔金森功率合成器实现信号合成输出；所述等幅、90
°
网络子阵包括从上至下依次层叠的第一金属接地板、第一微波基片、第一金属信号线、第一半固化片、第二微波基片、第二金属接地板、第二半固化片、第二金属信号线、第三微波基片和第三金属接地板；微波基片之间通过半固化片粘接；
10.等幅、90
°
网络中第一电桥和第二电桥均为90
°
电桥，且第一电桥和第二电桥的端口均位于等幅、90
°
网络的对应边缘一侧；其中第三电桥为180
°
电桥；第一电桥的第一差端口和第二差端口与第二电桥的第三差端口和第四差端口分别连接天线对应的四个馈电端点；所述第一电桥的第一合端口和第三电桥的第五差端口连接，第二电桥的第二合端口和
第三电桥的第六差端口连接；第三电桥的第三合端口用于输出天线信号；
11.所述第一金属接地板通过第一金属化屏蔽孔与第二金属接地板连接；所述第一金属接地板通过第二金属化屏蔽孔与第三金属接地板连接，并且第二金属化屏蔽孔贯穿第二金属接地板。
12.进一步的，所述等幅、90
°
网络为对称结构。
13.进一步的，所述天线为微带天线；馈电网络系统通过ssmp连接器与微带天线的四个馈电端点连接；等幅、90
°
网络子阵通过ssmp连接器与威尔金森功率合成器连接。
14.进一步的，所述第一电桥的第一合端口和第三电桥的第五差端口通过对应的第二金属化射频孔连接；所述第二电桥的第二合端口和第三电桥的第六差端口通过对应的第二金属化射频孔连接。
15.进一步的，所述第一电桥的第一差端口和第二差端口与第二电桥的第三差端口和第四差端口分别通过位于其各自端口上方的对应的第三金属化射频孔连接天线对应的四个馈电端点；第三电桥的第三合端口通过位于其下方的第四金属化射频孔输出天线信号。
16.进一步的，所述第一电桥的第一差端口和第三电桥的第三合端口，其第三金属化射频孔和第四金属化射频孔轴心偏离，且共用第二金属化屏蔽孔；第二电桥的第二合端口和第三电桥的第六差端口以及第一电桥的第一合端口和第三电桥的第五差端口，上层金属化射频孔和下层金属化射频孔轴心重合，共用对应的第二金属化屏蔽孔。
17.进一步的，所述第一电桥、第二电桥和第三电桥的隔离端口均采用扇形金属实现等效接地；所述扇形金属的半径为四分之一波长。
18.进一步的，第三金属化射频孔，一次混压前打孔，焊盘环的宽度为3密尔；
19.第四金属化射频孔是二次混压前打孔，焊盘环的宽度为3密尔；
20.第二金属化射频孔是二次混压后再背钻打孔，焊盘环的宽度为5密尔。
21.本发明采取上述技术方案所产生的有益效果在于：
22.1、本发明的馈电网络全部采用带状线结构，由于走线相邻上下两层均有金属地板，所以能量泄露较少且可以基本上不受外部电路干扰。并且，采用带状线结构以纵向三维立体堆叠形式呈现，可以减少馈电网络的水平横向尺寸，实现天线阵的小型化和高度集成化。
23.2、本发明采用多层微波印制板形式，隔离电阻采用埋阻形式简化了电路设计，由于pcb加工工艺中接地孔距离埋阻边缘距离至少要500um安全间距，才能保证打孔不会打偏到埋阻上，为了避免微波印制板的加工精度的限制，电桥隔离端口处采用1/4λ扇形金属等效替代接地孔，从而实现等效接地，同时提高了电桥的隔离度。通过合理按照比例设置信号过孔和屏蔽孔的孔径和对应的焊盘环尺寸设置，实现了多层微波印制板中双面盲孔以及中间层埋孔的加工制作。信号传输共用第二金属化屏蔽孔，起到了良好的电磁屏蔽效果。且相比于ltcc工艺和htcc工艺，制作简单，材料显微结构均匀，能够实现低介电常数和较低损耗，热性能和力学性能均有保证，降低了加工成本，缩短了加工周期，便于批量成产，具有有非常广泛的应用价值和适用性技术效果。
24.3、现有馈电网络大多采用移相线和功率合成器连接的方式，且移相线的色散效应明显，移相线对相位的影响只针对于某个频点或者极窄的带宽内。本发明仅采用90
°
电桥和180
°
电桥和威尔金森功率合成器即可实现相位控制，结构对称，可避免使用移相线，在对应
频带内隔离度高，相位不平衡度低，设计结构对称统一，可重构性强。
25.4、本馈电网络可以对接四馈点的天线单元，相比于单点和双点馈电网络，在保留微带天线高增益的基础上可以显著的提高天线的3db轴比带宽。
附图说明
26.图1为本发明中天线馈电网络系统示意图；
27.图2为本发明实施例中的等幅、90
°
网络分层结构示意图；
28.图3为本发明实施例中的等幅、90
°
网络具体结构图；
29.图4为本发明实施例中的1/4λ扇形等效接地后的馈电网络设计图；
30.图5为本发明实施例中的等幅、90
°
网络pcb叠层结构示意图；
31.图6为本发明实施例中的等幅、90
°
网络导通孔和半导通孔前视结构示意图；
32.图7为本发明实施例中的端口共用接地孔俯视结构示意图；
33.图8为本发明实施例中的背钻工艺残留端示意图；
34.图9为本实施例等幅90
°
网络端口回波损耗图；
35.图10为本实施例等幅90
°
网络端口插入损耗图；
36.图11为本实施例等幅90
°
网络各端口之间隔离度图；
37.图12为本实施例等幅90
°
网络端口相位图；
38.图13为本实施例威尔金森功率合成器端口回波损耗图；
39.图14为本实施例威尔金森功率合成器端口插入损耗图。
具体实施方式
40.下面，结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。
41.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
42.本实施例一种基于多层混压埋阻技术和高密度垂直互联技术pcb工艺的天线馈电网络系统：包括第一电桥、第二电桥和第三电桥相互连接构成上下两层等幅且相位依次相差90
°
的传输网络和四合一威尔金森功率合成网络。馈电网络单元含有对接上层天线的四个馈点。
43.馈电网络整体采用多层带状线结构，以纵向三维立体堆叠形式呈现，走线相邻上下两层均有金属地板，可以减少馈电网络的水平横向尺寸，实现天线阵的小型化和高度集成化。
44.其中，所述第一电桥、第二电桥为90
°
电桥，所述第三电桥为180
°
电桥，90
°
电桥和180
°
电桥都具有四个端口。
45.等幅、90
°
网络中第一电桥和第二电桥均为90
°
电桥，且第一电桥和第二电桥的端口均位于等幅、90
°
网络的对应边缘一侧；其中第三电桥为180
°
电桥；第一电桥的第一差端口和第二差端口与第二电桥的第三差端口和第四差端口分别连接天线对应的四个馈电端点；所述第一电桥的第一合端口和第三电桥的第五差端口连接，第二电桥的第二合端口和第三电桥的第六差端口连接；第三电桥的第三合端口用于输出天线信号；
46.在本实施例中，其中所述第一电桥的2端口和3端口为差端口，分别为上述第一电桥的第一差端口和第二差端口；6端口为合端口，为上述第一电桥的第一合端口，10端口为隔离端口，第二电桥的4端口和5端口为差端口，分别为上述第二电桥的第三差端口和第四差端口；7端口为合端口，为上述第二电桥的第二合端口；11端口为隔离端口。第三电桥的8端口和9端口为差端口，分别为上述第三电桥的第五差端口和第六差端口；1端口为合端口，为上述第三电桥的第三合端口；12端口为隔离端口。第一电桥的2端口和3端口和第二电桥的4端口5端口与天线对应的四个馈电端点连接，分别形成等幅、90
°
的馈电关系。
47.第一电桥的6端口和第三电桥的8端口相连接，第二电桥的7端口和第三电的9端口相连接，最终接收的天线信号从第三电桥的1端口输出。
48.威尔金森功率合成器的隔离电阻均为100ω的埋阻形式。四个等幅、90
°
的馈电接收子阵通过级联四合一威尔金森功率合成器实现射频接收信号合成输出。
49.所述系统应用于接收相控阵天线系统中；所述系统工作频率为19.6～21.2ghz。
50.本发明中90
°
电桥和180
°
电桥的隔离端口应需连接50ω匹配电阻接地处理，电阻采用埋阻工艺，由于接地孔距离埋阻距离较近，加工工艺精度的限制无法实现，因此采用1/4λ扇形金属等效替代接地孔，从而实现等效接地，突破了加工工艺的限制，实现了电桥的高隔离度。
51.本发明中受多层板过孔加工工艺限制，1端口和2端口、还有互联端口之间(6端口和8端口，7端口和9端口)需要共用外围接地孔，当通孔对应位置下层有电路图形时，根据叠层结构需要保留上层金属化孔，将通孔改为半导通盲孔。仿真结果显示，采用此种方法不仅可以保证原有性能，并且能改善隔离度和降低回波损耗，满足实际加工需求。
52.本发明中突破固有技术瓶颈，盲孔和埋孔采用多种打孔方式和不同的焊盘环尺寸，将多层微波印制板中的埋孔采用先混压后上下层背钻打孔的工艺方法，采用背钻形式打孔时，背钻残留端深度为0.15mm，用hfss仿真后结合实际工艺加工水平合理设置焊盘环的宽度，使射频信号小型化双面埋孔在5层微波混压板中实现成为可能，从而将馈电网络以多层立体架构形式呈现，等幅90
°
网络单元尺寸大小为12mm
×
12mm，达到相控阵天线馈电网络集成化、小型化的目标。
53.本馈电网络和上层微带天线系统之间既可以使用连接器进行互联，也可以直接集成混压。多层混压埋阻技术和高密度垂直互联技术pcb工艺的成熟，使得高集成度的大规模天线阵列的批量生产成为可能。可以实现馈电网络的小型化和高度集成化。
54.本实施例采用四个天线单元的阵列结构，其采用本发明的馈电网络参看图1和图2，整个等幅、90
°
网络由5层微波板混压而成，叠层顺序依次是：金属、微波基片、金属、半固化片、微波基片、金属、半固化片、金属、微波基片、金属，微波基片之间通过半固化片粘接，第一电桥和第二电桥电路位于金属l2层，第三电桥电路位于金属l4层；金属l1层、金属l3层、金属l5层均为金属接地板，且分别为第一金属接地板、第二接地板、第三金属接地板。整体馈电网络结构分为三层：采用第一电桥、第二电桥组成第一层，和第二层的第三电桥相互连接构成上下两层右旋等幅、90
°
网络，通过2、3、4、5四个端口与上级微带天线进行级联。第三层为四合一威尔金森功率合成器。
55.其中，所述第一电桥、第二电桥为90
°
电桥，所述第三电桥为180
°
电桥，90
°
电桥和180
°
电桥都具有四个端口。
56.其中所述第一电桥的2端口和3端口为差端口，6端口为合端口，10端口为隔离端口，第二电桥的4端口和5端口为差端口，7端口为合端口，11端口为隔离端口。第三电桥的8端口和9端口为差端口，1端口为合端口，12端口为隔离端口。所有隔离端口接50ω埋阻后过孔接地。
57.第一电桥的2端口和3端口和第二电桥的4端口5端口接有上一级天线单元的四个馈点，分别形成等幅、90
°
的馈电关系。
58.第一电桥的6端口和第三点桥的8端口相连接，第二电桥的7端口和第三点桥的9端口相连接，最终接收的右旋等幅、90
°
天线信号从第三电桥的1端口输出。
59.描述90
°
电桥的散射矩阵s如下：
[0060][0061]
所有端口是匹配的，从合端口输入的功率对等地分配给两个差端口，这两个输出端口之间有90
°
相移，没有功率耦合到隔离端。90
°
混合网络具有高度的对称性，任意端口都可以作为输入端口，输出端口总是在与网络的输入端口相反的一侧，而隔离端是输入端口同侧的余下端口。对称性反应在散射矩阵中是每行可以从第一行互换位置得到。
[0062]
描述180
°
电桥的散射矩阵s如下：
[0063][0064]
180
°
混合网络中，参看图3，当作为合成器使用时，输入信号施加在端口8和端口9，在端口1将形成输入信号的和，而在1端口和2端口则形成输入信号的差。
[0065]
其中，四路威尔金森功率合成器有四个输入端口，一个输出合成端口。威尔金森功率合成器是这样的一种网络：当输出端口都匹配时，它仍具有无耗的有用特性，他只是耗散了反射功率。隔离电阻阻值为100ω。
[0066]
当天线接收右旋等幅、90
°
信号时，端口2、3、4、5接收到等幅信号，相位分别为-90
°
、-180
°
、-270
°
、-360
°
，第一电桥端口2、端口3的信号在端口6合成信号相位为0
°
，通过同轴结构传输到第三电桥的8端口，第二电桥端口4、端口5的信号在端口7合成信号相位为-180
°
，通过同轴结构传输到第三电桥的9端口。第三电桥的端口8和端口9相位差为180
°
，最终两路信号在端口1合成输出。
[0067]
每四个等幅90
°
网络接收子阵通过级联一个四合一威尔金森功率合成器实现信号合成输出。
[0068]
所述系统应用于相控阵天线系统中；
[0069]
所述系统工作频段为19.6～21.2ghz。
[0070]
图4给出了采用1/4λ扇形金属等效替代接地孔，从而实现等效接地后的设计结构。
[0071]
图5给出了等幅90
°
网络具体的叠层示意图，根据实际叠层顺序，确定了导通孔和
半导通孔的的具体在层的位置，参看图6。
[0072]
图7给出了1端口和2端口、互联端口之间(6端口和8端口，7端口和9端口)需要共用第二金属化屏蔽孔，当通孔下层有电路图形时，根据叠层结构需要保留上层金属化孔，改为半导通盲孔。
[0073]
这里需要进一步说明的是，在工艺上不同种类的孔所需要的焊盘环大小是不一样的。
[0074]
盲孔(l1-l2)为l1层至l2层盲孔，金属化孔，填充金属，第一次混压前打孔。其焊盘环宽度为3密尔。(l1到l2)
[0075]
埋孔(l2-l4)为l2层至l4层埋孔，金属化孔，填充金属，采用第二次混压后背钻打孔。其焊盘环宽度为5密尔。
[0076]
盲孔(l4-l5)为l4层至l5盲孔，金属化孔，填充金属，第二次混压前打孔。其焊盘环宽度为3密尔。
[0077]
盲孔(l1-l3)为l1层至l3层盲孔，金属化孔，填充金属，第一次混压后打孔，再混压。
[0078]
图8中显示的背钻残留，其背钻形式打孔时，背钻残留端深度为0.15毫米时，仿真结果显示满足设计要求，同时此条件满足加工要求。
[0079]
图9、图10、图11、图12、图13和图14给出了具体实施例中加入连接器ssmp模型后的仿真结果，在工作频段19.6～21.2ghz中，五个输入输出端口回波损耗均低于-15db，插入损耗在-6.1～-6.6db之间，2、3、4、5端口之间的隔离度均小于-18db，相邻两端口之间相位差均为90
°
，相位不平衡度小于0.5
°
，威尔金森功率合成器端口回波损耗均小于-18.8db，插入损耗在-6.4db左右，均满足要求。
[0080]
由此可见，本发明实施例中的技术方案中将多个电桥和功率合成器通过三维立体堆叠形式，形成一个馈电网络系统，避免使用移相线带来的色散效应。本发明实施例中应用对称化的结构设计，根据实际加工工艺合理设置通孔和半导通孔孔径以及对应焊盘环的大小，可以实现馈电网络的小型化和高度集成化。设计带来极大的灵活性和可扩展性，可以根据实际需要调整规模，满足系统尺寸、重量和通用性要求，具有有非常广泛的应用价值和适用性技术效果。