一种紧耦合宽带有源相控天线阵面的制作方法

1.本发明涉及相控阵雷达阵面领域，尤其是一种有源相控天线阵面。


背景技术：

2.现代的相控阵雷达，要求雷达天线系统能够完成探测、通信、侦测与干扰等多项功能,这要求雷达天线具有较宽的工作带宽、大角度波束扫描、全极化等特性。同时为具备良好的适装性，易于与平台集成共形、提高集成度，要求天线阵面的剖面尽可能低。有源相控阵面一般由以下部分组成：天线、t/r组件、散热冷板、功率分配模块等。在传统有源相控阵面结构设计中，除天线及t/r组件考虑结构互相匹配外，其余模块均独立设计及安装，用线缆实现互连。这样设计存在以下缺点：
3.1.传统的有源相控天线阵面使用的砖块式t/r组件，尺寸大、质量大，不适用于对整体尺寸及质量要求日益严格的小型化平台。
4.2.有源相控天线阵面各模块间用线缆连接，导致阵面线缆杂乱密布，装配工艺复杂易出错。
5.3.传统的有源相控天线阵面只使用单一类型的t/r组件单元构建全阵面，但宽带阵面的高低频电尺寸差异较大，使得阵列的高低频区间内增益差距较大。在满足阵面增益要求的情况下，高频t/r组件单元使用的数量较多、会造成较大浪费。
6.4.现有的技术解决了天线与组件的无线化连接，未阐述整个阵面的设计与组装方案。


技术实现要素：

7.为了克服现有技术的不足，本发明提供一种紧耦合宽带有源相控天线阵面。本发明使用小型化瓦片式t/r组件替代砖块式t/r组件以减小尺寸和重量，在中心和两侧使用两种适用于不同频段的t/r组件构建全阵面，在满足阵面增益要求的情况下降低成本。天线和液冷冷板设计可拼接的方式，液冷冷板供天线和t/r组件实现盲插，阵面无线缆连接，提高体积利用率。实现紧耦合宽带有源相控天线阵面易拆卸、可随意组阵的设计目的。
8.本发明采用的设计方案是：整个有源相控阵进行可拼接的模块化设计，以适用于不同规模的相控阵系统。在液冷冷板上设计天线和组件的盲插孔，液冷冷板内部流道利用3d打印形成，同时液冷冷板与阵面结构的支撑体天线基座相接，将天线与t/r组件置于液冷冷板的两侧，通过穿透液冷冷板的转换接头进行直连，以降低天线阵面剖面厚度。在阵面中心及两侧使用两种适用于不同频段的t/r组件构建全阵面，功率分配模块为印制板电路，用三维叠层的低损耗垂直互连技术与t/r组件相连。实现宽带相控阵阵面的有源一体化设计。
9.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
10.一种紧耦合宽带有源相控天线阵面，包括天线、液冷冷板、t/r组件和功率分配模块，天线、液冷冷板、t/r组件和功率分配模块四个模块依次纵向连接组装，液冷冷板为可拼接，天线和t/r组件穿透液冷冷板，通过盲插连接，两块冷板拼接形成液冷冷板。
11.所述天线整体结构由两层构成；第一层为实现阵面宽角扫描的电磁材料匹配层；第二层为8层印制板天线，在印制板底层上焊接ssmp接头插针，ssmp接头插针的位置与液冷冷板上阶梯孔对齐，介质材料制成的螺钉通过螺钉孔位将电磁材料匹配层固定在8层印制板天线上，形成天线的整体结构。
12.所述液冷冷板分为左冷板、右冷板和中间小冷板，左冷板和右冷板上均设有阶梯孔，左冷板和右冷板的两侧分别设有液冷冷板的入水口和出水口，与阵面基座连接的螺钉孔将液冷冷板与阵面基座相连接，左冷板和右冷板各有一个，互相镜像对称；左冷板的阶梯孔和右冷板上的阶梯孔保持同样的方式排列，左右冷板中间拼接部位的下方设有中间小冷板；中间小冷板的上下两端分别设有入水口和出水口，左冷板、右冷板和中间小冷板内设有微型水冷通道，对t/r组件的发射芯片进行散热，入水口和出水口均与外接管道相连接，通过水泵提供水压，左冷板、右冷板和中间小冷板之间通过设有螺钉孔的板型结构相拼接。
13.所述t/r组件为基于ltcc的超宽带紧凑型三维t/r组件，采用两种t/r组件构成，包括适用于低频频段的t/r组件一和适用于高频频段t/r组件二，t/r组件二装配在中间小冷板的上方，位于左冷板、右冷板上，t/r组件一位于左冷板、右冷板的下表面，且无中间小冷板的对应位置，天线分别与t/r组件一和t/r组件二通过穿透液冷冷板的ssmp-kk型连接器盲插连接，tr组件对外的接口上安装连接器。
14.所述功率分配模块的上表面与t/r组件相连，下表面通过连接器与信号输入输出端口相连，功率分配模块的电路是双层印制板，上表面与t/r组件连接，t/r组件下表面上的微矩形连接器穿过功率分配模块与后续控制模块相连。
15.所述液冷冷板的侧面安装可快速插拔的水接头，配合定位销钉，保证冷板可实现扩展，相控阵可根据需求扩展组合阵面。
16.安装在t/r组件上的连接器为csmp接头插针，在其上装配ssmp-kk转接插头，穿透液冷冷板上阶梯孔后与焊接在天线上的ssmp接头插针盲插连接，盲插至左冷板与右冷板的阶梯孔内，完成组件与天线相互连接及信号传输。
17.所述t/r组件一为适用于低频频段的2倍频2通道的t/r组件，t/r组件二为适用于高频频段的4倍频8通道t/r组件。
18.本发明的有益效果在于：
19.1.使用小型化瓦片式t/r组件替代传统的有源相控天线阵面使用的砖块式t/r组件以减小尺寸和重量，适用于对整体尺寸及质量要求日益严格的小型化平台。
20.2.对有源相控阵进行一体化设计，解决了传统有源相控天线阵面纵向厚度厚的问题。有源模块间无线缆连接，降低了剖面，节省空间。同时也适应目前相控阵雷达的高集成度、高可靠性、易于共形设计等方面的要求。
21.3.在阵面中心及两侧使用两种适用于不同频段的t/r组件构建全阵面，在满足应用需求时，可减少单元数量，减少系统复杂性，降低相控阵成本。
22.本发明对天线、液冷冷板、功率分配模块等模块进行可拼接的模块化设计，可根据需求组装成适用于不同规模的相控天线阵面。
附图说明
23.图1是本发明紧耦合宽带有源相控天线阵面方案图。
24.图2是本发明天线结构示意图。
25.图3是本发明液冷冷板示意图，图3(a)为左冷板示意图，图3(b)为中间小冷板示意图。
26.图4是本发明t/r组件示意图，图4(a)为t/r组件一的立体示意图，图4(b)为t/r组件一的正面示意图，图4(c)为t/r组件一的背面示意图，图4(d)为t/r组件二的立体示意图，图4(e)为t/r组件二的正面示意图，图4(f)为t/r组件二的背面示意图。
27.图5是本发明功率分配模块示意图，图5(a)为t/r组件一所采用功率分配模块的立体示意图，图5(b)为t/r组件一所采用功率分配模块的正面示意图，图5(c)为t/r组件二所采用的功率分配模块的立体示意图，图5(d)为t/r组件二所采用的功率分配模块的正面示意图。
28.图6是本发明紧耦合宽带有源相控天线阵面结构总体剖面图。
具体实施方式
29.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
30.图1是一种紧耦合有源相控天线阵面的方案图。根据设计需求，将天线阵面分成4个模块，分别是天线、液冷冷板、t/r组件、功率分配模块。本发明的紧耦合宽带有源相控天线阵面，四个模块纵向连接组装，在有限的厚度尺寸要求下，使用连接器及螺钉层叠式组装阵面，尺寸小、质量轻，实现了全阵面无线缆连接；在天线阵面中心及两侧使用两种适用于不同频段的t/r组件构建阵面；液冷冷板为可拼接，天线和t/r组件穿透液冷冷板，通过盲插连接，相控阵可根据需求扩展组合阵面，在阵面左右两侧拼接液冷冷板，在液冷冷板前后分别安装天线和t/r组件、功率分配模块。实现了紧耦合宽带有源相控天线阵面的有源一体化设计。
31.图2是天线结构示意图，所述天线(1)整体结构由两层构成；第一层为实现阵面宽角扫描的电磁材料匹配层(2)；第二层为8层印制板天线(3)，在印制板底层上焊接ssmp接头插针，印制板底层即图2天线中8层印制板天线(3)的最下层，ssmp接头插针的位置与液冷冷板上阶梯孔对齐，装配时，先将多块8层印制板天线(3)拼接形成第二层，介质材料制成的螺钉通过螺钉孔位(4)将电磁材料匹配层(2)固定在8层印制板天线(3)上，形成天线的整体结构。
32.图3是液冷冷板示意图，液冷冷板为支撑结构，液冷冷板是整个天线阵面的载重支撑体，其余模块安装在液冷冷板上，既解决结构固定问题，又解决散热额外占据空间问题。液冷冷板结构分为左冷板(5)、右冷板和中间小冷板(12)，左冷板(5)和右冷板上均设有阶梯孔(8)，左冷板(5)和右冷板中，两侧分别设有液冷冷板的入水口(6)和出水口(7)，与阵面基座连接的螺钉孔(9)将液冷冷板与阵面基座相连接，(10)为供左冷板(5)、右冷板和中间小冷板(12)进行拼接的沉头螺钉孔，(11)为液冷冷板的定位销钉孔，左冷板(5)和右冷板各有一个，互相镜像对称；左冷板(5)的阶梯孔(8)和右冷板上的阶梯孔(8)保持同样的方式排列，螺钉孔(9)、沉头螺钉孔(10)、定位销钉孔(11)在左冷板(5)和右冷板上镜像对称；左右冷板中间拼接部位由于无法布置进出水口，由中间小冷板(12)负责散热；中间小冷板(12)中，上下两端分别设有入水口(6)和出水口(7)，(13)为供t/r组件(22)背面安装在孔位(20)的连接器与功率分配模块(30)正面上焊接的连接器连接器(26)相互连接的孔位。(14)为供
功率分配模块(30)和t/r组件(22)紧固，穿透液冷冷板的孔位，(15)为供安装在t/r组件22背面孔位(21)上的微矩形连接器与后续控制模块相连接，穿透液冷冷板的孔位的矩形孔位，(16)为供中间小冷板(12)与左冷板(5)和右冷板进行压接的螺钉孔。液冷冷板内有微型水冷通道，对t/r组件的发射芯片进行散热。侧面安装可快速插拔的水接头，配合定位销钉，保证冷板可实现扩展。将有源发热功分芯片靠近冷板，便于热量导出到冷板上散热。在纵向间两两连接位置的孔在结构上相对齐，如ssmp接头插针的位置与液冷冷板上阶梯孔对齐。天线上的进水口和出水口间通过外接管道相连接，通过水泵提供水压。冷板之间通过打好螺钉孔的板型结构相拼接。
33.图4是t/r组件示意图。t/r组件为基于ltcc的超宽带紧凑型三维t/r组件，天线阵面上采用适用于低频频段的2倍频2通道t/r组件(17)和适用于高频频段的4倍频8通道t/r组件(22)两种t/r组件，一个阵面上使用了多个t/r组件，组件(4)由两种组件(17)和(22)构成，在阵面中心即中间小冷板(12)对应位置装配组件(22)，在阵面两侧即左冷板、右冷板对应位置装配组件(17)。(18)为供结构固定的t/r组件上预留的通孔，(19)为安装至t/r组件正面上的连接器的孔位，(20)为安装至t/r组件背面上的连接器的孔位，(21)为安装至t/r组件背面上的微矩形连接器的孔位，(23)为适用于高频频段的4倍频8通道t/r组件(22)背面上固定盖板所用的螺钉孔。天线与t/r组件通过穿透液冷冷板的ssmp-kk型连接器盲插连接。(19)-(21)为tr组件对外的接口位置，本发明上tr组件对外的接口上安装连接器，组成tr组件。
34.图5是功率分配模块示意图。功率分配模块正面与t/r组件相连，背面通过连接器(28)与信号输入输出相连，功率分配模块的电路是双层印制板，与t/r组件17连接的为功率分配模块(24)，与t/r组件(22)连接的为功率分配模块(30)。功率分配模块(24)中，(25)为功率分配模块(24)与t/r组件(17)及左右冷板相连接的螺钉孔，(26)为功率分配模块与t/r组件(17)背面上的连接器(20)相连接的连接器，二者垂直互连，(27)为供t/r组件(17)背面上的微矩形连接器(21)穿过功率分配模块与后续控制模块相连的孔位，(28)为与功率输入相连接的连接器，(29)为固定连接器28的螺钉孔。功率分配模块(30)中，(25)为功率分配模块与中间小冷板(12)及t/r组件(22)相连接的的螺钉孔，(26)为功率分配模块与t/r组件(22)背面上的连接器(20)相连接的连接器，二者依托垂直互连技术相连接，(27)为供t/r组件(22)背面上的微矩形连接器(21)穿过功率分配模块与波控模块相连的孔位，(28)为与功率输入相连接的连接器，(29)为固定连接器(28)的螺钉孔。
35.功率分配模块(24)中，(25)为穿透功率分配模块(24)的通孔，螺钉穿透功率分配模块(24)的通孔(25)紧固在穿透t/r组件(17)的预留孔位(18)上。(26)为功率分配模块(24)正面上焊接的连接器，与安装至t/r组件(17)背面孔位(20)上的连接器垂直互连。(27)为功率分配模块(24)中，供安装至t/r组件(17)背面上的孔位(21)的微矩形连接器穿过功率分配模块与后续控制模块相连的矩形通孔。(28)为功率分配模块(24)背面上与系统频率源相连接的连接器(外界信号输入输出，不属于阵面)。
36.功率分配模块(30)中，(25)为穿透功率分配模块(30)的通孔，穿透t/r组件(22)的预留通孔(18)，螺钉穿透功率分配模块(30)的通孔(25)紧固在穿透t/r组件(22)的预留孔位(18)上。(26)为功率分配模块(30)正面上焊接的连接器，与安装至t/r组件(17)背面孔位(20)上的连接器垂直互连。(27)为功率分配模块(30)中，供安装至t/r组件(17)背面上的孔
位(21)的微矩形连接器穿过功率分配模块与后续控制模块相连的矩形通孔。(28)为功率分配模块(30)背面上与系统频率源相连接的连接器(外界信号输入输出，不属于阵面)，(29)为固定连接器(28)的螺钉孔。
37.图6是紧耦合宽带有源相控天线阵面结构总体剖面图。(1)为天线，(5)为左冷板，(17)为适用于低频频段的2倍频2通道t/r组件，(31)为固定t/r组件与功率分配模块24结构的隔板，(24)为与t/r组件(17)连接的功率分配模块，右冷板与左冷板排布一致。(22)为适用于高频频段的4倍频8通道t/r组件，(12)为中间小冷板，(30)为与t/r组件22连接的功率分配模块。整体结构层叠堆积，整个阵面低剖面。
38.(1)为天线，由电磁材料匹配层(2)与8层印制板(3)组成，用介质材料制成的螺钉通过螺钉孔位(4)将电磁材料匹配层(2)固定在8层印制板天线(3)上，在8层印制板(3)的底层上焊接ssmp接头插针，盲插至左冷板(5)与右冷板的阶梯孔(8)内。
39.(5)为左冷板，左冷板(5)与右冷板用结构工装通过沉头螺钉孔(10)拼接，中间小冷板(12)通过螺钉孔(16)用螺钉与左冷板(5)和右冷板压接在沉头螺钉孔(10)上。液冷冷板的入水口(6)和出水口(7)通过管道与液压设备相连，液冷冷板与阵面的基座通过螺钉孔(9)用结构件相连接。
40.安装在t/r组件(17)及(22)正面上孔位(19)的连接器为csmp接头插针，在其上装配ssmp-kk转接插头，穿透液冷冷板(5)上阶梯孔(8)与焊接在天线上焊接的ssmp接头插针盲插连接，完成组件与天线相互连接及信号传输。
41.螺钉穿透功率分配模块(24)的通孔(25)紧固在t/r组件(17)的预留孔位(18)上。安装在t/r组件(17)背面上孔位(20)的连接器，与功率分配模块(24)正面上焊接的连接器(26)垂直互连，安装在t/r组件(17)背面上孔位(21)的微矩形连接器，穿透功率分配模块(24)中矩形通孔(27)与后续控制模块相连(不在阵面分系统上，是阵面的对外接口)。用螺钉将安装在功率分配模块(24)背面上与系统频率源(外界信号输入输出，不属于阵面)相连接的连接器(28)固定在螺钉孔(29)上。
42.安装在t/r组件(22)背面的孔位(20)的连接器，穿过中间小冷板(12)上通孔(13)，与功率分配模块(30)正面上焊接的连接器(26)垂直互连，安装在t/r组件(22)背面上孔位(21)的微矩形连接器，穿过中间小冷板(12)上矩形通孔(15)及功率分配模块(30)中矩形通孔(27)与后续控制模块(不在阵面分系统上，是阵面的对外接口)相连，螺钉穿透功率分配模块(30)的通孔(25)及中间小冷板(12)上通孔(14)，紧固在t/r组件(22)的预留孔位(18)上。用螺钉将盖板固定在t/r组件(22)背面上的螺钉孔(23)上。用螺钉将安装在功率分配模块(30)背面上与系统频率源(外界信号输入输出，不属于阵面)相连接的连接器(28)固定在螺钉孔(29)上。
43.本发明在使用时，使用者应首先根据紧耦合宽带有源相控天线阵面工作的要求，合理设计天线及t/r组件，同时设计阵面一体化配套的液冷冷板、功率分配模块的结构形式。