王 泉, 陳 俐, 鄒文慢, 謝安然, 陳 謙, 張雪雷, 金謀平

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽合肥 230088;2.安徽省天線與微波工程實(shí)驗(yàn)室，安徽合肥 230088)

0 引言

隨著毫米波雷達(dá)及5G移動(dòng)通信的快速發(fā)展，毫米波相控陣天線作為關(guān)鍵技術(shù)成為了當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一[1-4]。一方面在民用領(lǐng)域，毫米波車載雷達(dá)可以有效提升駕駛?cè)说陌踩院蛙囕v的移動(dòng)性，當(dāng)前使用24/77 GHz的毫米波相控陣系統(tǒng)進(jìn)行路面探測(cè)和碰撞預(yù)防。2015年60 GHz的手勢(shì)雷達(dá)因其獨(dú)特的交互體驗(yàn)，一經(jīng)Google推出后就受到了來(lái)自物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、智慧制造、手機(jī)終端等需要大量人機(jī)互動(dòng)的應(yīng)用領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，而毫米波相控陣是其探測(cè)系統(tǒng)的核心。近年來(lái)，太赫茲安檢儀、太赫茲成像雷達(dá)等太赫茲應(yīng)用隨著太赫茲相控陣技術(shù)的發(fā)展逐步實(shí)現(xiàn)了商用化。另一方面在軍事領(lǐng)域，毫米波具有工作帶寬寬、探測(cè)/成像分辨率高、保密和抗干擾性能強(qiáng)等特點(diǎn)。毫米波雷達(dá)在機(jī)載火控雷達(dá)、導(dǎo)引頭雷達(dá)、衛(wèi)星遙感、戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)視、智能彈藥和電子對(duì)抗領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用[5-7]。

需要指出的是，毫米波頻段存在大氣傳輸損耗較大的問題，因此，支持高等效全向輻射功率、大信噪比、快速精確的波束控制的毫米波有源相控陣被廣泛地應(yīng)用于毫米波射頻系統(tǒng)中[3]。在毫米波有源相控陣的研究中，存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、安裝繁瑣、掃描損耗大等問題。

基于先進(jìn)封裝的集成相控陣天線作為一種高效的解決方案受到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。毫米波集成相控陣天線的架構(gòu)與性能，同所用的封裝工藝緊密相關(guān)。隨著先進(jìn)封裝工藝的發(fā)展，印制板工藝(Printed Circuit Board，PCB)[8-10]、高密度互連工藝(High-Desity Interconnect，HDI)[11-13]、高溫/低溫共燒陶瓷工藝(High-/Low-Temperature Co-fired Ceramic，HTCC/LTCC)[14-15]，硅基工藝[16-17]等一系列新穎的封裝技術(shù)被用于設(shè)計(jì)和制造毫米波相控陣天線。本文針對(duì)毫米波天線結(jié)構(gòu)尺寸小，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)難度大的特點(diǎn)，同步考慮后期大規(guī)模量產(chǎn)的難度以及成品率，設(shè)計(jì)了一款工作在24.25～27.5 GHz頻段，基于PCB工藝的毫米波板級(jí)集成有源陣面。該陣面將天線輻射陣面、綜合饋電網(wǎng)絡(luò)、收發(fā)組件等綜合集成在一塊多層印制板上，具有成本低、加工簡(jiǎn)單、成品率高的特點(diǎn)。

1 毫米波有源陣面的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

相對(duì)于離散天線，嵌入封裝結(jié)構(gòu)內(nèi)的集成天線形式可以有效地減少射頻集成電路與天線間的互連距離，從而減少饋線損耗，提高系統(tǒng)效率。在該方案中，天線與有源電路通過封裝結(jié)構(gòu)的有效隔離既可以保證模塊間相對(duì)獨(dú)立，使系統(tǒng)電磁兼容性能穩(wěn)定，又具有易于生產(chǎn)和裝配的優(yōu)點(diǎn)。該類型天線陣列的設(shè)計(jì)難點(diǎn)主要有以下兩個(gè)方面：一是天線與集成電路的協(xié)同設(shè)計(jì)；二是陣面冷卻管理和機(jī)電熱完整性的設(shè)計(jì)。同時(shí)，毫米波有源相控陣的架構(gòu)不僅要滿足毫米波系統(tǒng)在不同應(yīng)用場(chǎng)景下有效輻射功率和空間分辨率的需求，同時(shí)需具有支持大批量生產(chǎn)的可制造性和成品率。

為解決以上問題，本文所設(shè)計(jì)的毫米波有源陣面包含天線輻射陣面、綜合饋電網(wǎng)絡(luò)、收發(fā)組件以及各類接口等部分。該設(shè)計(jì)將前端組件集成在一塊多層印制板上，天線和T/R組件分別排布在基板兩側(cè)，既將天線與有源模塊進(jìn)行了有效隔離，又有利于有源模塊的散熱，同時(shí)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于量產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)。圖1為毫米波有源陣面組成框圖，由上到下分別為包含256個(gè)天線單元的陣列天線層、包含一個(gè)1∶64功分網(wǎng)絡(luò)的射頻功分層、電源分配層、波控分配層、包含64個(gè)四通道收發(fā)組件以及各類接口的組件層構(gòu)成。

(a)原理框圖

陣列天線層包括256個(gè)“E”型微帶貼片天線，極化方式為垂直線極化。射頻功分層包括一個(gè)1∶64的功率合成/分配網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)有源陣面射頻信號(hào)的收發(fā)匯總。電源分配層與波控分配層實(shí)現(xiàn)有源陣面的電源和控制信號(hào)的分配及傳輸。在有源陣面的下表面留有收發(fā)組件、電源芯片和波控芯片的焊盤以及射頻、控制、電源接口。收發(fā)組件采用四通道集成射頻前端芯片，采用表貼封裝形式，表貼焊接到有源陣面下表面。最下端的收發(fā)組件與后端散熱結(jié)構(gòu)相連，通過風(fēng)冷保證有源陣面的正常工作。

毫米波有源陣面的天線陣列需具有方位向±60°、俯仰向±30°的掃描能力，因此，根據(jù)天線陣列掃描不出現(xiàn)柵瓣的條件，最終確定天線單元的尺寸為5.1 mm×6.2 mm(方位向×俯仰向)?？紤]到天線與后端組件一體化集成的需要，天線應(yīng)具有寬角掃描、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于加工的特性。因此，選用縫隙加載的單層微帶貼片作為輻射單元，該單元仿真模型以及頻帶內(nèi)掃描駐波結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出，該單元在所需的掃描范圍有源駐波優(yōu)于3，滿足系統(tǒng)的指標(biāo)要求。

圖2 天線單元模型及有源駐波仿真結(jié)果

低損耗的板間垂直互連是有源陣面設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。一方面，毫米波有源陣面的天線陣列、收發(fā)組件、饋電網(wǎng)絡(luò)和波控網(wǎng)絡(luò)均處在不同的功能層，射頻信號(hào)在天線單元、收發(fā)組件、功分網(wǎng)絡(luò)之間傳輸時(shí)需通過垂直過渡實(shí)現(xiàn)層間互連。另一方面，受限于收發(fā)組件的封裝尺寸，收發(fā)組件的天線接口與天線單元無(wú)法直接互連，需通過一段包含垂直過渡的口徑變換進(jìn)行連接。根據(jù)陣面組成，256單元的有源陣面包含64個(gè)四通道收發(fā)組件，后端信號(hào)通過總輸入口，經(jīng)射頻功分層的功分網(wǎng)絡(luò)分別輸入到每個(gè)收發(fā)組件的公共端口。功分網(wǎng)絡(luò)的輸入輸出信號(hào)通過印制板內(nèi)部的垂直過渡轉(zhuǎn)換成微帶線與外部相連。陣面的綜合布局如圖3所示，關(guān)鍵層間垂直過渡的仿真模型及結(jié)果如圖4所示，經(jīng)過優(yōu)化的層間垂直過渡模型如圖4所示，仿真的反射系數(shù)優(yōu)于-20 dB，傳輸系數(shù)優(yōu)于-0.2 dB。

圖3 功分網(wǎng)絡(luò)示意圖

圖4 垂直過渡仿真模型及仿真結(jié)果

最終，毫米波有源陣面的規(guī)模為256單元的矩形陣列，其中方位向?yàn)?6個(gè)陣元、俯仰向?yàn)?6個(gè)陣元，陣面總厚度小于3 mm。

2 毫米波有源陣面測(cè)試結(jié)果分析

為驗(yàn)證毫米波有源陣面的設(shè)計(jì)結(jié)果，采用近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，如圖5所示。測(cè)試時(shí)，測(cè)試探頭發(fā)射電磁波信號(hào)，待測(cè)有源陣列接收后傳輸?shù)綔y(cè)試接收機(jī)，通過探頭采集有源相控陣陣面的近場(chǎng)數(shù)據(jù)，合成得到遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖。

圖5 5G毫米波有源陣面測(cè)試照片

因有源陣面受制造公差、裝配公差、器件不一致性等因素的影響，在工作時(shí)需要對(duì)其進(jìn)行校正。本文中，毫米波有源陣面校正采用近場(chǎng)校正的方法[18]。首先采集等幅同相激勵(lì)條件下的陣面近場(chǎng)分布，其次通過近場(chǎng)反演得到陣面口徑場(chǎng)的幅相分布，再次按照最小化幅相誤差的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算出有源通道的校正參數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)有源陣面的幅相補(bǔ)償。

圖6為中心頻點(diǎn)26 GHz處校正前后的口徑場(chǎng)分布結(jié)果，可以看出校正后陣列口面的幅度、相位相比校正前分布更為均勻。圖7所示為中心頻點(diǎn)26 GHz處校正前后的陣列俯仰向方向圖對(duì)比結(jié)果，校正后方向圖的副瓣更對(duì)稱，更接近理論值。

(a)幅度分布

圖7 有源陣面校正前后方向圖對(duì)比

校正后，對(duì)整個(gè)有源陣面的方向圖進(jìn)行測(cè)試。圖8所示為有源陣列在中頻26 GHz的方位面和俯仰面的掃描方向圖測(cè)試結(jié)果。從測(cè)試結(jié)果可以看出，等幅同相激勵(lì)有源陣面時(shí)不掃描情況下，增益為27.2 dB，3 dB波束寬度為5.2°，整體副瓣優(yōu)于-12 dB。通過調(diào)節(jié)收發(fā)組件的幅相激勵(lì)，陣列可以實(shí)現(xiàn)方位向±60°、俯仰向±30°的掃描。測(cè)試結(jié)果表明，毫米波有源陣面在方位面和俯仰面均具備滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求的掃描能力，部分掃描角指向不精準(zhǔn)主要是受移相器精度的影響。從方位面測(cè)試的掃描方向圖還可以看出，隨著掃描角度的增大，陣列的副瓣也越來(lái)越高。其主要原因是隨著掃描角度增大，天線單元有源阻抗變化較大，導(dǎo)致通道輸出幅相抖動(dòng)，陣列整體副瓣升高。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一款工作于毫米波頻段板級(jí)集成天線陣列的組成和結(jié)構(gòu)，并給出了其方向圖測(cè)試結(jié)果，結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的毫米波板級(jí)集成天線陣列具有方位面±60°，俯仰面±30°的掃描能力。從設(shè)計(jì)流程和測(cè)試結(jié)果可以看出，該天線陣具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于加工的特性，在毫米波雷達(dá)和通信系統(tǒng)中具有巨大的應(yīng)用潛力。