李秀梅,黃中華,任 思,李雪蓮,周 哲,何小峰
(1.中國西南電子技術(shù)研究所,成都 610036;2.中國人民解放軍93129部隊(duì),北京 100843;3.成都天奧電子股份有限公司,成都 610015)
衛(wèi)星通信具有覆蓋范圍廣、傳輸距離遠(yuǎn)、通信容量大、傳輸質(zhì)量好、組網(wǎng)靈活迅速和保密性高等眾多優(yōu)點(diǎn),已成為當(dāng)今極具競爭力的通信手段。相控陣天線因波束捷變、剖面低和高可靠性等特點(diǎn),在衛(wèi)通領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。隨著先進(jìn)微電子技術(shù)和集成工藝的不斷演進(jìn),相控陣天線正朝著毫米波及以上頻段發(fā)展,充分利用高頻段的豐富頻譜資源,以提升電子裝備性能。毫米波相控陣天線技術(shù)逐漸呈現(xiàn)出低成本、芯片化和晶圓級(jí)等封裝集成的趨勢(shì)。這種以高度融合集成為特征的封裝天線(Antenna in Package,AIP)技術(shù),將微電子技術(shù)和三維微納集成工藝結(jié)合,能夠極大地降低系統(tǒng)內(nèi)部互連損耗,大幅提升系統(tǒng)能效[1]。根據(jù)封裝架構(gòu)不同,AIP可以分為單板集成、模組集成、封裝集成和晶圓集成等四類[2]。在Ka頻段,單板集成相控陣[3-4]具有成本低、復(fù)雜度低、工藝成熟、性能優(yōu)良等特點(diǎn),是比較適合的技術(shù)途徑。
針對(duì)天線低剖面、低成本、低功耗等需求,本文研究了毫米波單板集成相控陣封裝天線的架構(gòu)、極化可變陣面、稀疏布陣等關(guān)鍵技術(shù)。試驗(yàn)結(jié)果表明,本文設(shè)計(jì)方法正確,產(chǎn)品性能優(yōu)良、可靠性高。
綜合考慮天線在功能、性能、布局位置、載體適裝性等方面的要求,從空域、頻域和極化域等方面開展綜合設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的磚式或瓦式架構(gòu)的相控陣天線的設(shè)計(jì)思路是將各功能模塊進(jìn)行分離設(shè)計(jì),各模塊間通過接插件進(jìn)行互聯(lián),這樣不便于衛(wèi)通天線的高集成、低剖面和減重設(shè)計(jì)。本文采用基于單板集成相控陣封裝天線。
考慮天線可擴(kuò)展性設(shè)計(jì),將天線主體從功能上分為上、下兩種功能載板。上載板將天線陣面、一級(jí)功率分配網(wǎng)絡(luò)、TR模組和波控等集成為一體化可擴(kuò)展載板,其中TR模組通過SIP封裝技術(shù)形成表面貼裝的器件;下載板將天線電源、二級(jí)波束形成網(wǎng)絡(luò)和天線信道等功能集成為數(shù)?;旌系亩喙δ茌d板。上、下載板射頻、供電和控制通過接插件或電纜實(shí)現(xiàn)互聯(lián),上、下載板之間采用金屬結(jié)構(gòu)件,實(shí)現(xiàn)天線散熱及承載功能。圖1給出了天線架構(gòu)與組成示意圖。
圖1 天線架構(gòu)及組成
考慮收發(fā)全雙工等要求,本文采用收發(fā)天線分口徑設(shè)計(jì),并從發(fā)射信號(hào)和發(fā)射噪聲分別對(duì)接收通道的影響進(jìn)行分析,確定收發(fā)天線間距、收發(fā)信號(hào)抑制的設(shè)計(jì)。
發(fā)射天線口徑規(guī)模和布陣方式受天線發(fā)射等效全向輻射功率(Equivalent Isotropically Radiated Power,EIRP)指標(biāo)、掃描范圍和發(fā)射控制等要求,采用64×64規(guī)模的陣列結(jié)合稀疏布陣和加權(quán)的方式,發(fā)射天線陣元間距5.2 mm,陣列規(guī)模1 600元,單發(fā)射功率15 dBm。
接收天線設(shè)計(jì)是常規(guī)相控陣設(shè)計(jì)方法,陣元間距7.2 mm,陣列規(guī)模4 096元。
如圖2所示,單板級(jí)封裝天線是以高密度高低頻混合多層印刷電路板(Printed Circuit Board,PCB)板為載板的天線子陣,包含1 024個(gè)雙圓極化陣元、256顆多通道幅相控制芯片、1分256功分網(wǎng)絡(luò)、電源分配網(wǎng)絡(luò)、波控電路及數(shù)字控制網(wǎng)絡(luò)。多層PCB板工藝示意圖如圖3所示,整個(gè)多層板含15層電路板,上面層天線輻射層,中間層為低頻控制走線和供電網(wǎng)絡(luò)走線,下面層為射頻功分層,層間通過高密度垂直互聯(lián)實(shí)現(xiàn)電路的聯(lián)通。對(duì)于更大規(guī)模陣列,可直接通過單板級(jí)相控陣天線的拼接擴(kuò)展實(shí)現(xiàn),如圖4所示,天線控制通過天線控制單元(Antenna Control Unit,ACU)實(shí)現(xiàn)天線頻率、極化、波束指向等控制。
圖2 可擴(kuò)展單板級(jí)封裝天線
圖3 封裝天線多層板工藝示意圖
圖4 封裝天線的可擴(kuò)展技術(shù)
由于單板級(jí)封裝天線取消了絕大部分射頻互聯(lián)和低頻互聯(lián),采用成熟的表貼工藝,大大降低了成本。相比以模塊組成的傳統(tǒng)相控陣,單板級(jí)封裝天線在重量、剖面等方面極具優(yōu)勢(shì),重量、剖面高度降低約為1/5,裝配效率提高約10倍,成本降低10倍。
微帶天線因?yàn)槠拭娴?、易集成、制造成本低,在毫米波相控陣天線中得到了廣泛應(yīng)用。但微帶天線帶寬窄、高頻損耗大,需要采用增加基板介質(zhì)厚度、寄生單元、降低介質(zhì)介電常數(shù)等方法來提高工作帶寬和減小損耗。毫米波衛(wèi)星通信系統(tǒng)除了要求終端天線具有寬頻帶、寬角輻射、高增益等要求外,一般還會(huì)要求終端天線具備圓極化可變能力。本文采用多饋法[5]和多元法[6]相結(jié)合實(shí)現(xiàn)圓極化寬帶特性:多饋法采用正交兩點(diǎn)饋電,如圖5所示,在展寬帶寬的同時(shí)不增加太多復(fù)雜度;同時(shí)采用2×2周期旋轉(zhuǎn)饋電陣列,如圖6所示,進(jìn)一步展寬軸比帶寬。通過采用傳統(tǒng)3 dB電橋?qū)崿F(xiàn)寬帶圓極化的切換功能。
圖5 雙饋點(diǎn)圓極化天線
圖6 2×2周期旋轉(zhuǎn)饋電的圓極化天線陣列
在偏離地球站天線主瓣軸2°的任何角度φ上,在對(duì)地靜止衛(wèi)星軌道的3°范圍內(nèi),任何方向的EIRP譜密度值應(yīng)不超過規(guī)定的數(shù)值[7],具體如表1所示。因此,在特定的符號(hào)速率下,要求天線主瓣波束窄,副瓣電平低。在陣元間距選定的前提下,相控陣天線主瓣寬度取決于陣元規(guī)模。發(fā)射鏈路末級(jí)放大器芯片輸出功率一般會(huì)在10 dBm以上,那么會(huì)存在滿足主瓣寬度的陣元規(guī)模的天線EIRP過大,導(dǎo)致不滿足發(fā)射要求及成本和功耗無謂的增加。因此,采取稀疏布陣是一種較好解決這種矛盾的手段,既可以保證需要的波束寬度和降低副瓣電平,同時(shí)又可以滿足EIRP和功耗等指標(biāo)要求。
表1 Ka頻段動(dòng)中通地球站偏軸EIRP譜密度值
稀疏布陣有很多研究成果,比較有代表性的有遺傳算法、模擬退火算法、粒子群算法等,但這些算法存在大規(guī)模陣列計(jì)算量大、收斂慢等問題。本文以2×2個(gè)陣元為最小單元,采用隨機(jī)稀疏布陣技術(shù),以EIRP譜密度包絡(luò)為天線方向圖優(yōu)化目標(biāo),且盡可能均勻分布,便于工程散熱設(shè)計(jì)。經(jīng)過1 000次迭代,最終結(jié)果如圖7所示,稀疏率0.39,大大減少了陣元數(shù)量并降低了鄰星干擾問題。
(a)陣元稀疏布陣示意圖
基于以上關(guān)鍵技術(shù),實(shí)現(xiàn)了毫米波相控陣天線,機(jī)載件實(shí)物如圖8所示,極化方式為雙圓極化,自動(dòng)切換。其主要指標(biāo)如表2所示,通過了DO-160G適航符合性驗(yàn)證試驗(yàn)。通過中星16高軌同步衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)建立鏈路,進(jìn)行了靜態(tài)對(duì)星、搖擺臺(tái)試驗(yàn)、跑車試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)等多項(xiàng)工作,驗(yàn)證了相控陣終端的靜態(tài)信號(hào)捕獲,顛簸路面、大動(dòng)態(tài)過彎、急速升降、45°俯沖等自動(dòng)跟蹤,橋隧遮擋、超大動(dòng)態(tài)飛行等失鎖重補(bǔ),自動(dòng)跨波束聯(lián)星等能力。飛行過程中,下行速率峰值170.8 Mb/s,上行速率9.8 Mb/s,如圖9所示。
圖8 天線實(shí)物
表2 Ka頻段封裝相控陣天線測(cè)試結(jié)果
圖9 掛飛試驗(yàn)測(cè)速情況
本文分析了衛(wèi)通毫米波封裝天線的研制難點(diǎn),采用平板架構(gòu)、圓極化捷變、稀疏布陣等技術(shù)研制出了天線樣機(jī),具備高集成度、低剖面、低成本等特點(diǎn),可在毫米波寬帶衛(wèi)星通信、5G/6G毫米波通信等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。本文天線設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)可為同行研制同類產(chǎn)品提供一定參考。