《電子技術(shù)應用》
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一種低成本Ka波段瓦片式有源相控陣天線
2020年電子技術(shù)應用第12期
劉雪穎
成都瑞迪威科技有限公司，四川 成都611731
摘要： 提出了一種低成本、瓦片式Ka波段有源相控陣天線。該相控陣天線系統(tǒng)采用三維集成的方式將CMOS多功能芯片、GaAs芯片、天線陣列以及功分網(wǎng)絡等集成在一塊微波多層板上，極大地降低了整體高度。通過射頻垂直互聯(lián)以及低頻插針實現(xiàn)相控陣天線射頻部分與變頻模塊、波控模塊和電源模塊等部分互聯(lián)。測試結(jié)果表明，在Ka頻段內(nèi)，該有源相控陣天線在所有平面內(nèi)均實現(xiàn)了± 25°的掃描范圍下可獲得7.7%的帶寬，且掃描范圍內(nèi)增益變化平穩(wěn)，變化小于1 dB，副瓣電平優(yōu)于14.5 dB。整個有源相控陣的整體高度小于52 mm，發(fā)射ERIP達66 dBm，接收G/T大于7.55 dB/K，收發(fā)切換小于150 ns。綜上，該瓦片式有源相控陣天線具有高集成度、小型化、低成本等特點，有著很高的工程應用價值。
中圖分類號： TN82
文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.200493
中文引用格式： 劉雪穎. 一種低成本Ka波段瓦片式有源相控陣天線[J].電子技術(shù)應用，2020，46(12)：1-4，8.
英文引用格式： Liu Xueying. A low-cost millimeter wave Ka-band active phased array antenna[J]. Application of Electronic Technique，2020，6(12)：1-4，8.
A low-cost millimeter wave Ka-band active phased array antenna
Liu Xueying
RDW Technology Co.，Ltd.，Chengdu 611731，China
Abstract： In this paper, a low-cost, tiled millimeter wave active phased array antenna(APAA) is presented. The APAA integrates CMOS multi-function chips, GaAs chips, antenna array and power division network on a microwave multilayer print circuit board by a three-dimensional integration technology, then the height of the APAA has sharply decrease. The RF part of the APAA is interconnected with the frequency conversion module, wave control module and power supply module through the vertical interconnection of radio frequency and low frequency pins. The measured results show that the APPA can achieve 7.7% bandwidth in a scanning range of ± 25° in all planes in Ka-band, and the gain changes smoothly in the scanning range, less than 1 dB gain variation, and the sidelobe level is better than 14.5 dB. The APPA has low profile of 52 mm, ERIP is larger than 66 dBm, G/T is better than 7.5 dB/K, and the transceiver switch time is less than 150 ns. In summary, this tiled active APAA has characteristics of high integration, miniaturization and low cost，and has high engineering application value.
Key words : low-cost；tiled；active phased array antenna；Ka-band；CMOS multi-function chips

0 引言

    由于相控陣天線具有精度高、掃描速度快、靈活的波束成形能力等優(yōu)點，近年來在不同系統(tǒng)中已獲得廣泛研究和應用，如雷達、電子戰(zhàn)和衛(wèi)星通信系統(tǒng)。

    按集成方式分類，相控陣天線可以分為橫向集成的“瓦片式”結(jié)構(gòu)和縱向集成的“磚塊式”結(jié)構(gòu)。相對于傳統(tǒng)的磚塊式相控陣的重量大、厚度高、尺寸大等特點，新的瓦片式相控陣天線有著重量低、體積小、易于與平臺集成共形等特點[1-2]。但是其設計難度和加工工藝的復雜度也增大了很多。由于瓦片式結(jié)構(gòu)是基于三維微波集成電路的新一代TR組件結(jié)構(gòu)，使用多層構(gòu)架，通過垂直互聯(lián)技術(shù)將射頻、控制信號和電源整合連接。因此瓦片式結(jié)構(gòu)已成為當今相控陣天線的發(fā)展主流。

    另一方面，隨著無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，低頻無線頻譜資源逐漸趨于枯竭。微波毫米波由于其波長短、帶寬寬、干擾小等優(yōu)點,能提供更高的傳輸速率，受到廣泛的關(guān)注[3]。

    綜上所述，毫米波相控陣天線已成為當前天線微波領域內(nèi)的研究熱點。民用領域也對毫米波天線的產(chǎn)業(yè)化需求非常迫切，但是相控陣天線的成本嚴重制約著其應用范圍[4]。文獻[5]介紹了一種應用于X頻段的瓦片式TR組件，主要采用了倒裝芯片、毛鈕扣、多層基板實現(xiàn)集成。然而因為毛紐扣的裝配要求高，使用比較局限，不利于大面積生產(chǎn)及返修。

    本文提出了一種瓦片式、Ka波段相控陣天線。所提出的相控陣天線采用三維集成的方式將天線單元、TR組件以及功分網(wǎng)絡等集成在一塊微波多層板上。高頻信號互連使用射頻垂直互連實現(xiàn)，低頻互連使用低頻插針實現(xiàn)。天線、TR組件和饋電網(wǎng)絡之間省去了連接器，既節(jié)省了連接器的費用，也釋放了空間，易于大規(guī)模集成。通過樣機測試結(jié)果驗證了方案的先進性，該相控陣天線具有高集成度、小型化、低成本等優(yōu)點。




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劉雪穎

(成都瑞迪威科技有限公司，四川 成都611731)

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