本發(fā)明涉及雷達(dá)系統(tǒng)領(lǐng)域，具體涉及一種基于瓦片式結(jié)構(gòu)，毫米波64陣元相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)前端模塊。

背景技術(shù)：

相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)是雷達(dá)領(lǐng)域的一次革命，相比較于傳統(tǒng)的機(jī)械式掃描，其徹底改變了雷達(dá)的空間掃描方式。相控陣?yán)走_(dá)可通過(guò)控制各個(gè)通道幅相來(lái)控制波束的指向，也可以轉(zhuǎn)動(dòng)天線使雷達(dá)完成對(duì)目標(biāo)的凝視。

相控陣?yán)走_(dá)前端模塊是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，一般具有成百上千個(gè)天線單元組成的天線陣列，以及每個(gè)單元天線所對(duì)應(yīng)的TR組件組成，因此，整個(gè)系統(tǒng)對(duì)TR組件的體積要求比較嚴(yán)苛。傳統(tǒng)的“磚塊”結(jié)構(gòu)TR組件結(jié)構(gòu)較大，使得其應(yīng)用推廣受到了很大的局限。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)上的上述不足，現(xiàn)在特別提出一種毫米波64陣元瓦片式相控陣天線。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種毫米波64陣元瓦片式相控陣天線，其特征在于：包括2*2 的TR組件陣列，每個(gè)TR組件子陣通道數(shù)為4*4，共64子陣通道；相控陣天線的通道間距由工作頻率和天線掃描范圍決定，本發(fā)明的發(fā)射天線通道間距為9.5mm。每個(gè)TR組件包括收發(fā)通道模塊、電源模塊、控制模塊和結(jié)構(gòu)腔體，電源模塊與外部接口相連，電源模塊與控制模塊通過(guò)插針垂直互聯(lián)，控制模塊與收發(fā)通道模塊通過(guò)金絲鍵合相連，3個(gè)模塊依次平行放置。

收發(fā)通道模塊包括16個(gè)收發(fā)通道；每個(gè)收發(fā)通道模塊包括收發(fā)放大多功能電路、衰減移相放大多功能電路、電源控制電路、波控控制電路和功分器。收發(fā)放大多功能電路實(shí)現(xiàn)發(fā)射信號(hào)的功率放大，接收信號(hào)的低噪聲放大和收發(fā)切換的功能；衰減移相放大多功能電路實(shí)現(xiàn)對(duì)組件的衰減、移相控制和信號(hào)放大；波控控制電路實(shí)現(xiàn)將波控機(jī)發(fā)出的高速串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行控制碼，控制衰減移相電路；電源控制電路實(shí)現(xiàn)16個(gè)通道接收、發(fā)射電源單獨(dú)可控；功分器實(shí)現(xiàn)16通道信號(hào)的功分或合成。

收發(fā)通道模塊為一塊射頻集成板，包括多通道多功能集成SOC芯片、射頻通道饋電網(wǎng)絡(luò)、控制和電源饋線網(wǎng)絡(luò)，射頻集成板由多層微波板設(shè)計(jì)，多層微波板為射頻集成板與FR4混壓結(jié)構(gòu)，集成射頻通道饋電網(wǎng)絡(luò)、控制和電源饋線網(wǎng)絡(luò)，多功能集成SOC芯片與多層微波板由金絲鍵合方式互聯(lián)。

電源模塊中器件包括LDO和DC-DC，實(shí)現(xiàn)輸入電源轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成TR組件內(nèi)部所需電源。

控制模塊中器件包括FPGA，實(shí)現(xiàn)與波控母板的SPI通信，根據(jù)波控母板指令，控制每個(gè)通道的工作狀態(tài)。

收發(fā)通道模塊包括4個(gè)多功能集成SOC芯片，分別驅(qū)動(dòng)16個(gè)TR收發(fā)芯片，由波控子板實(shí)現(xiàn)幅度相位控制、收發(fā)電源控制和工作模式切換，每個(gè)通道包含末級(jí)功率放大、接收低噪聲放大、收發(fā)驅(qū)動(dòng)放大、收發(fā)移相、接收衰減、收發(fā)開關(guān)和模式切換開關(guān)功能，其中TR收發(fā)芯片集成末級(jí)功放、接收低噪放、收發(fā)開關(guān)和模式選擇開關(guān)，多功能集成SOC芯片集成收發(fā)移相、接收衰減、收發(fā)開關(guān)和收發(fā)驅(qū)動(dòng)放大。

結(jié)構(gòu)腔體包括電源板腔體和天線腔體兩部分；電源模塊包括電源板及低頻連接器；控制模塊包括控制板和低頻插針；收發(fā)通道模塊包括射頻集成板、射頻連接器、屏蔽蓋；電源板裝在電源板腔體中，通過(guò)低頻連接器與外部連接，控制板與射頻集成板裝在天線腔體中，電源板與控制板通過(guò)低頻插針實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，射頻集成板與射頻連接器垂直互聯(lián)，通過(guò)天線實(shí)現(xiàn)信號(hào)的收發(fā)，這樣設(shè)計(jì)瓦片式結(jié)構(gòu)可以大大減小TR組件的體積。電源板上設(shè)置有電源板上器件，控制板上設(shè)置有控制板上器件。

發(fā)射時(shí)，信號(hào)由公共端口輸入到16通道子陣，經(jīng)1分4功分器等分成4路，分別輸入到4個(gè)多功能集成SOC芯片，再由多功能集成SOC芯片等分成4路，輸送到TR收發(fā)芯片進(jìn)行功率放大，最后輸出到天線端口。

接收時(shí)，信號(hào)由天線端口輸入，經(jīng)TR收發(fā)芯片的低噪聲放大后輸入到多功能集成SOC芯片，經(jīng)驅(qū)動(dòng)放大、移相和衰減后，4路合成1路，由SMP總端口輸出，在子陣上再進(jìn)行4路合成，由子陣的總端口輸出。

收發(fā)通道模塊包括16路收發(fā)通道，按照每四通道進(jìn)行分區(qū)設(shè)計(jì)，發(fā)射信號(hào)經(jīng)過(guò)輸入功率分配網(wǎng)絡(luò)后進(jìn)入到多功能集成SOC芯片，分配成4通道進(jìn)行移相、衰減和驅(qū)動(dòng)放大，最后通過(guò)TR收發(fā)芯片實(shí)現(xiàn)最終的功率輸出。接收通道信號(hào)進(jìn)入模塊后，通過(guò)TR收發(fā)芯片進(jìn)行放大，然后進(jìn)入多功能集成SOC芯片實(shí)現(xiàn)4通道合一輸出，最后通過(guò)功率分配網(wǎng)絡(luò)輸出。

TR組件內(nèi)部的三部分間存在大量的電源和控制互聯(lián)接口，為減少互聯(lián)接口，將TR組件的射頻部分分為四個(gè)區(qū)域，并將每個(gè)區(qū)域的四個(gè)通道分為四個(gè)位號(hào)（1、2、3、4），校準(zhǔn)模式時(shí)，每個(gè)區(qū)域同號(hào)位的TR收發(fā)芯片工作，其它位號(hào)的TR收發(fā)芯片斷電。

控制模塊接收來(lái)自上級(jí)母板的波控指令，完成波控指令解析、通過(guò)SPI協(xié)議對(duì)多功能芯片進(jìn)行幅度和相位的讀寫。在這樣的工作模式下，TR模塊包括4個(gè)多功能集成SOC芯片區(qū)域，各區(qū)域塊并行控制，每個(gè)區(qū)域的4個(gè)通道串行讀寫。這樣，波控指令很快的得到執(zhí)行。

整個(gè)TR組件共用時(shí)鐘信號(hào)、片選信號(hào)、鎖存信號(hào)和收發(fā)開關(guān)信號(hào)，每個(gè)通道的控制數(shù)據(jù)采用并行收發(fā)方式，實(shí)現(xiàn)高速的相位和幅度控制以及每個(gè)通道多功能芯片上工作狀態(tài)控制。

本發(fā)明的有益效果：

1、本發(fā)明采用“瓦片式”結(jié)構(gòu)，射頻通路采用垂直互聯(lián)技術(shù)將整機(jī)輸入和天線互聯(lián)。整個(gè)相控陣天線由2*2 TR組件排列，整個(gè)陣列面積為75mm*75mm，減小了TR組件的體積。TR組件輸入為1個(gè)SMP接口，通過(guò)KK與收發(fā)通道模塊垂直互聯(lián)， 再通過(guò)多層微波板1分16與SMP垂直互聯(lián)。

2、本發(fā)明每個(gè)通道的相位控制、衰減控制、功率放大功能，選擇硅基工藝的COMS來(lái)實(shí)現(xiàn)。充分利用CMOS集成度高、可數(shù)?；旌霞傻膬?yōu)勢(shì)，將射頻鏈路中的移相、衰減、驅(qū)動(dòng)放大等功能電路以及數(shù)字控制和電源管理一體化集成，對(duì)射頻通道的集成度大大提高，每個(gè)TR組件體積僅為37mm*37mm*18mm。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明64陣元布陣示意圖。

圖2為本發(fā)明TR組件組成框圖示意圖。

圖3為本發(fā)明TR組件16通道收發(fā)子陣原理框圖。

圖4為本發(fā)明天線子陣中單元分區(qū)。

圖5為本發(fā)明剖面結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖。

附圖中：TR組件1、收發(fā)通道模塊2、電源模塊3、控制模塊4、結(jié)構(gòu)腔體5，電源板6，電源板腔體7，低頻連接器8，控制板9，射頻集成板10，天線腔體11，低頻插針12，射頻連接器13，屏蔽蓋14。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1

一種毫米波64陣元瓦片式相控陣天線包括2*2 的TR組件1陣列，每個(gè)TR組件1子陣通道數(shù)為4*4，共64子陣通道；相控陣天線的通道間距由工作頻率和天線掃描范圍決定，本發(fā)明的發(fā)射天線通道間距為9.5mm。每個(gè)TR組件1包括收發(fā)通道模塊2、電源模塊3、控制模塊4和結(jié)構(gòu)腔體5，電源模塊3與外部接口相連，電源模塊3與控制模塊4通過(guò)插針垂直互聯(lián)，控制模塊4與收發(fā)通道模塊2通過(guò)金絲鍵合相連，3個(gè)模塊依次平行放置。本發(fā)明采用“瓦片式”結(jié)構(gòu)，射頻通路采用垂直互聯(lián)技術(shù)將整機(jī)輸入和天線互聯(lián)。整個(gè)相控陣天線由2*2 TR組件1排列，整個(gè)陣列面積為75mm*75mm，減小了TR組件1的體積。TR組件1輸入為1個(gè)SMP接口，通過(guò)KK與收發(fā)通道模塊2垂直互聯(lián)， 再通過(guò)多層微波板1分16與SMP垂直互聯(lián)。

實(shí)施例2

一種毫米波64陣元瓦片式相控陣天線，其特征在于：包括2*2 的TR組件1陣列，每個(gè)TR組件1子陣通道數(shù)為4*4，共64子陣通道；相控陣天線的通道間距由工作頻率和天線掃描范圍決定，本發(fā)明的發(fā)射天線通道間距為9.5mm。每個(gè)TR組件1包括收發(fā)通道模塊2、電源模塊3、控制模塊4和結(jié)構(gòu)腔體5，電源模塊3與外部接口相連，電源模塊3與控制模塊4通過(guò)插針垂直互聯(lián)，控制模塊4與收發(fā)通道模塊2通過(guò)金絲鍵合相連，3個(gè)模塊依次平行放置。

收發(fā)通道模塊2包括16個(gè)收發(fā)通道；每個(gè)收發(fā)通道模塊2包括收發(fā)放大多功能電路、衰減移相放大多功能電路、電源控制電路、波控控制電路和功分器。收發(fā)放大多功能電路實(shí)現(xiàn)發(fā)射信號(hào)的功率放大，接收信號(hào)的低噪聲放大和收發(fā)切換的功能；衰減移相放大多功能電路實(shí)現(xiàn)對(duì)組件的衰減、移相控制和信號(hào)放大；波控控制電路實(shí)現(xiàn)將波控機(jī)發(fā)出的高速串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行控制碼，控制衰減移相電路；電源控制電路實(shí)現(xiàn)16個(gè)通道接收、發(fā)射電源單獨(dú)可控；功分器實(shí)現(xiàn)16通道信號(hào)的功分或合成。

收發(fā)通道模塊2為一塊射頻集成板10，包括多通道多功能集成SOC芯片、射頻通道饋電網(wǎng)絡(luò)、控制和電源饋線網(wǎng)絡(luò)，射頻集成板10由多層微波板設(shè)計(jì)，多層微波板為射頻集成板10與FR4混壓結(jié)構(gòu)，集成射頻通道饋電網(wǎng)絡(luò)、控制和電源饋線網(wǎng)絡(luò)，多功能集成SOC芯片與多層微波板由金絲鍵合方式互聯(lián)。

電源模塊3中器件主要為L(zhǎng)DO和DC-DC，實(shí)現(xiàn)輸入電源轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成TR組件1內(nèi)部所需電源。

控制模塊4中器件主要為FPGA，實(shí)現(xiàn)與波控母板的SPI通信，根據(jù)波控母板指令，控制每個(gè)通道的工作狀態(tài)。

收發(fā)通道模塊2包括4個(gè)多功能集成SOC芯片，分別驅(qū)動(dòng)16個(gè)TR收發(fā)芯片，由波控子板實(shí)現(xiàn)幅度相位控制、收發(fā)電源控制和工作模式切換，每個(gè)通道包含末級(jí)功率放大、接收低噪聲放大、收發(fā)驅(qū)動(dòng)放大、收發(fā)移相、接收衰減、收發(fā)開關(guān)和模式切換開關(guān)功能，其中TR收發(fā)芯片集成末級(jí)功放、接收低噪放、收發(fā)開關(guān)和模式選擇開關(guān)，多功能集成SOC芯片集成收發(fā)移相、接收衰減、收發(fā)開關(guān)和收發(fā)驅(qū)動(dòng)放大。

結(jié)構(gòu)腔體5包括電源板腔體7和天線腔體11兩部分；電源模塊3包括電源板6及低頻連接器8；控制模塊4包括控制板9和低頻插針12；收發(fā)通道模塊2包括射頻集成板10、射頻連接器13、屏蔽蓋14；電源板6裝在電源板腔體7中，通過(guò)低頻連接器8與外部連接，控制板9與射頻集成板10裝在天線腔體11中，電源板6與控制板9通過(guò)低頻插針12實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，射頻集成板10與射頻連接器13垂直互聯(lián)，通過(guò)天線實(shí)現(xiàn)信號(hào)的收發(fā)，這樣設(shè)計(jì)瓦片式結(jié)構(gòu)可以大大減小TR組件1的體積。電源板6上設(shè)置有電源板6上器件，控制板9上設(shè)置有控制板9上器件。

發(fā)射時(shí)，信號(hào)由公共端口輸入到16通道子陣，經(jīng)1分4功分器等分成4路，分別輸入到4個(gè)多功能集成SOC芯片，再由多功能集成SOC芯片等分成4路，輸送到TR收發(fā)芯片進(jìn)行功率放大，最后輸出到天線端口。

接收時(shí)，信號(hào)由天線端口輸入，經(jīng)TR收發(fā)芯片的低噪聲放大后輸入到多功能集成SOC芯片，經(jīng)驅(qū)動(dòng)放大、移相和衰減后，4路合成1路，由SMP總端口輸出，在子陣上再進(jìn)行4路合成，由子陣的總端口輸出。

收發(fā)通道模塊2包括16路收發(fā)通道，按照每四通道進(jìn)行分區(qū)設(shè)計(jì)，發(fā)射信號(hào)經(jīng)過(guò)輸入功率分配網(wǎng)絡(luò)后進(jìn)入到多功能集成SOC芯片，分配成4通道進(jìn)行移相、衰減和驅(qū)動(dòng)放大，最后通過(guò)TR收發(fā)芯片實(shí)現(xiàn)最終的功率輸出。接收通道信號(hào)進(jìn)入模塊后，通過(guò)TR收發(fā)芯片進(jìn)行放大，然后進(jìn)入多功能集成SOC芯片實(shí)現(xiàn)4通道合一輸出，最后通過(guò)功率分配網(wǎng)絡(luò)輸出。

如圖4所示，TR組件1內(nèi)部的三部分間存在大量的電源和控制互聯(lián)接口，為減少互聯(lián)接口，將TR組件1的射頻部分分為四個(gè)區(qū)域，分別為區(qū)域1、區(qū)域2、區(qū)域3和區(qū)域4，并將每個(gè)區(qū)域的四個(gè)通道分為四個(gè)號(hào)位，分別為1號(hào)位、2號(hào)位、3號(hào)位和4號(hào)位，校準(zhǔn)模式時(shí)，每個(gè)區(qū)域同號(hào)位的TR收發(fā)芯片工作，其它號(hào)位的TR收發(fā)芯片斷電。

控制模塊4接收來(lái)自上級(jí)母板的波控指令，完成波控指令解析、通過(guò)SPI協(xié)議對(duì)多功能芯片進(jìn)行幅度和相位的讀寫。在這樣的工作模式下，TR模塊包括4個(gè)多功能集成SOC芯片區(qū)域，各區(qū)域塊并行控制，每個(gè)區(qū)域的4個(gè)通道串行讀寫。這樣，波控指令很快的得到執(zhí)行。

整個(gè)TR組件1共用時(shí)鐘信號(hào)、片選信號(hào)、鎖存信號(hào)和收發(fā)開關(guān)信號(hào)，每個(gè)通道的控制數(shù)據(jù)采用并行收發(fā)方式，實(shí)現(xiàn)高速的相位和幅度控制以及每個(gè)通道多功能芯片上工作狀態(tài)控制。

本發(fā)明采用“瓦片式”結(jié)構(gòu)，射頻通路采用垂直互聯(lián)技術(shù)將整機(jī)輸入和天線互聯(lián)。整個(gè)相控陣天線由2*2 TR組件1排列，整個(gè)陣列面積為75mm*75mm，減小了TR組件1的體積。TR組件1輸入為1個(gè)SMP接口，通過(guò)KK與收發(fā)通道模塊2垂直互聯(lián)， 再通過(guò)多層微波板1分16與SMP垂直互聯(lián)。

本發(fā)明每個(gè)通道的相位控制、衰減控制、功率放大功能，選擇硅基工藝的COMS來(lái)實(shí)現(xiàn)。充分利用CMOS集成度高、可數(shù)模混合集成的優(yōu)勢(shì)，將射頻鏈路中的移相、衰減、驅(qū)動(dòng)放大等功能電路以及數(shù)字控制和電源管理一體化集成，對(duì)射頻通道的集成度大大提高，每個(gè)TR組件1體積僅為37mm*37mm*18mm。

相控陣天線的通道間距由工作頻率和天線掃描范圍決定，本項(xiàng)目的發(fā)射天線通道間距只有9.5mm，要在如此小的空間中實(shí)現(xiàn)每個(gè)通道獨(dú)立的相位控制、衰減控制和功率放大，對(duì)射頻通道的集成度有相當(dāng)高的要求，本方案選擇基于硅基工藝的CMOS來(lái)實(shí)現(xiàn)多功能一體化集成，充分利用CMOS集成度高、可數(shù)?；旌霞傻膬?yōu)勢(shì)，將射頻鏈路中的移相、衰減、驅(qū)動(dòng)放大等功能電路以及數(shù)字控制和電源管理一體化集成。

4×4子陣TR組件1，通道單元間距為9.5mm，相鄰的四個(gè)通道采取TR收發(fā)芯片和四合一多功能芯片密布方式，采用微組裝工藝裝配，提高通道間隔離度。四個(gè)多功能芯片合成后，通過(guò)一個(gè)SMP總端口與整機(jī)實(shí)現(xiàn)射頻互聯(lián)。TR模塊每個(gè)通道的幅度和相位控制采用串行控制方式，收發(fā)電源采用柵壓調(diào)制方式控制，通過(guò)左右兩側(cè)的金絲鍵合焊盤與波控子板互聯(lián)。

本方案在射頻集成板10有限的空間中集成16個(gè)通道的所有射頻鏈路，每個(gè)通道的芯片都需要獨(dú)立的電源供電、幅相控制和電源管理，因此微波多層板上的信號(hào)種類多樣，線路密集，需要充分進(jìn)行分類、分層設(shè)計(jì)，優(yōu)化電磁兼容性能，簡(jiǎn)化控制和電源互聯(lián)接口。將多層微波板中的射頻信號(hào)層、電源層和控制層分層設(shè)計(jì)，射頻鏈路周圍用接地孔進(jìn)行充分的電磁屏蔽?？刂茖又械臅r(shí)鐘單路走線，并進(jìn)行屏蔽，避免對(duì)其它信號(hào)的干擾。在射頻芯片周圍采用電容進(jìn)行電磁濾波。

本方案采取每個(gè)四個(gè)通道的TR收發(fā)芯片集中放置的方式布局，在空間隔離上，將四個(gè)通道一起采用屏蔽腔進(jìn)行隔離，確?？偠丝谂c每個(gè)通道端口間的空間隔離，射頻集成板10內(nèi)部采用地孔進(jìn)行電磁屏蔽。

TR組件1中芯片控制接口及電壓接口通過(guò)射頻集成板10各一排焊盤金絲鍵合的方式與控制板9間互聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)。