一种基于AIP架构的多波束相控阵天线的制作方法

本发明涉及天线，具体涉及一种基于aip架构的多波束相控阵天线。

背景技术：

1、随着全球信息化进程的加速，卫星通信领域正朝着高通量、低延迟、广覆盖和灵活接入的方向迅猛发展。基于接收终端的相控阵天线技术成为提升系统整体性能的关键。当前相控阵接收系统，特别是面向移动平台或需要同时接收多个波束的需求，面临以下突出技术瓶颈：

2、传统机械天线与单波束电扫天线的局限性：传统的抛物面机械天线体积庞大、姿态调整缓慢、风阻大，难以满足高速移动平台稳定接收和高动态跟踪的需求。现有的单波束电扫相控阵天线虽然能实现电子波束捷变，但无法同时形成和维持多个独立的、指向不同的波束，无法实现多波束共视、多业务并发场景应用。

3、多波束相控阵系统集成的挑战：在常规设计中，天线阵列与射频收发（t/r）组件往往作为两个独立的模块进行设计与优化，再通过接口互联。这种“分体式”设计导致信号完整性面临挑战、封装效率低下、制造成本昂贵。天线封装集成（aip）技术借鉴先进集成电路封装理念，将天线辐射单元、部分无源器件以及射频芯片直接集成于同一封装基板内，能够实现超短互连、优异的高频电气性能、更优的散热路径以及极高的集成度。不同串扰风险区隔离地孔孔径与排列间距独立优化，在敏感区域缩小孔径，加密间距构建高隔离度的类同轴屏蔽结构，在非敏感区域适度稀疏布置以释放布线空间。

4、现有aip技术的研究多集中于毫米波移动信号或雷达领域的小规模阵列，如何将aip架构创新性地应用于支持宽带工作并能高效形成多个独立接收波束的大型相控阵系统，同时解决在ku频段芯片高密度排列下串扰较大的问题。特别是针对通信信号接收的应用场景，目前尚缺乏成熟、高效的解决方案。

5、现有专利“一种aip封装组件”（专利号：202411815058.1），解决现有的aip封装组件容易出现信号串扰的问题。该专利主要通过在芯片之间间隔设置，同时在天线壳体内部增加屏蔽结构，用于屏蔽天线辐射体与芯片，达到降低壳体内串扰的问题。但是这种方法使用场景受限，这种增加隔离腔的方法会大大增大单个天线阵元与相对应射频芯片的尺寸，导致在大规模阵列中，无法兼顾大扫描角带来的阵元间距变小，尺寸规模密集的情况。

6、现有专利“多波束相控阵天线”（专利号：202210557155 .x），实现封装形式共口径多波束相控阵天线。该专利主要通过多层pcb压合，使用单波束接收芯片和单波束发射芯片，通过馈电垂直过孔与接收天线辐射单元/发射天线单元互联。其中网络及芯片集成于网络组件层内，结合转接匹配层的使用，能够避免层数过多导致的剖面高度、质量面密度难以降低，降低网络组件层厚度与加工工艺难度，层间垂直互联跨度大和集成度难以提高等缺点，具有低剖面，易于装配、维修等优势。但是该专利采用的收发共口径天线，是通过收发频段天线交叉布局的方式，常见多波束芯片尺寸在5mm左右，在实施过程中，针对ku及以上频段应用比较困难，ku频段天线阵元间距约十几毫米，这种收发阵元共口径交叉布局的方法，导致芯片的布局空间小，约束较大，因此对应用频段要求比较苛刻。

7、因此，需要一种基于aip架构的多波束相控阵天线。

技术实现思路

1、本发明是为了解决现有相控阵天线波束单一、ku频段芯片高密度排列下串扰较大的问题，提供一种基于aip架构的多波束相控阵天线，采用aip架构，将天线阵列、低噪放、移相衰减网络、功和网络各部分高度集成于多层封装基板内，减少互连损耗和寄生效应，优化阵列性能，实现系统的小型化、轻量化设计。本发明设计的相控阵阵列，通过减小单元间距，实现宽角扫描以及小型化设计，同时保证良好的电扫描特性，满足现代及未来卫通系统对接收终端的高性能要求。

2、本发明提供一种基于aip架构的多波束相控阵天线，其特征在于：包括多波束双圆极化天线模组，多波束双圆极化天线模组包括从上到下依次压接的天线层、功合网络层、射频层和连接在天线层、功合网络层、射频层中的孔结构；

3、天线层包括天线层介质基板和连接在天线层介质基板上的辐射贴片、电桥馈电网络、天线层gnd网络；

4、功合网络层包括功合网络层介质基板和连接在功合网络层介质基板中的波束合成网络、功合网络接地层；

5、射频层包括射频层介质基板，连接在射频层介质基板上的接收组件模块、供电及控制模块、射频接地层和输出射频连接器；

6、接收组件模块包括连接在射频层介质基板下表面并与电桥馈电网络依次连接的低噪声放大器、开关芯片、波束功分网络和多通道幅相芯片，多通道幅相芯片输出端与波束合成网络相连；

7、天线层介质基板、功合网络层介质基板和射频层介质基板均为多层基板，孔结构包括盲孔和通孔，辐射贴片、电桥馈电网络、接收组件模块、供电及控制模块和波束合成网络通过孔结构互连，接收组件模块内部的走线位于射频层介质基板下表面和射频层介质基板的下层基板中。

8、本发明提供一种基于aip架构的多波束相控阵天线，作为优选方式，辐射贴片为n个双圆极化天线辐射贴片，低噪声放大器为双通道低噪放，多通道幅相芯片的数量为2个且每个通道数量均为n，n≥2；

9、空间信号由辐射贴片接收后经由电桥馈电网络传输至低噪声放大器，再经过开关芯片进行极化选择后由波束功分网络分成两路，两路信号分别进入两片多通道幅相芯片进行指向调节并生成2*n路波束信号，各路波束信号与其他多波束双圆极化天线模组的信号共同进入对应的波束合成网络后，得到多个独立接收波束；

10、多波束双圆极化天线模组工作在ku频段。

11、本发明提供一种基于aip架构的多波束相控阵天线，作为优选方式，孔结构包括天线层通孔、天线层盲孔、天线到射频层盲孔、射频层通孔、射频层盲孔，射频层到功合层通孔和射频层到功合层盲孔；

12、天线层通孔为天线层的接地孔，天线单元通过天线层盲孔与电桥馈电网络连接，电桥馈电网络通过天线到射频层盲孔与低噪声放大器连接，射频层通孔为接地孔并连接供电及控制模块和接收组件模块，接收组件模块之间通过射频层盲孔连接，多通道幅相芯片通过射频层到功合层盲孔与波束合成网络连接，波束合成网络通过射频层到功合层通孔与输出射频连接器连接；

13、还包括将介质基板连接的pp板。

14、本发明提供一种基于aip架构的多波束相控阵天线，作为优选方式，多波束相控阵天线的层压及开孔方法包括以下步骤：

15、s1、分别完成天线层、功合网络层和射频层的加工；

16、s2、分别制作天线层通孔、天线层盲孔、射频层通孔和射频层盲孔；

17、s3、将功合网络层与射频层压合，制作射频层到功合层通孔和射频层到功合层盲孔；

18、s4、将天线层压合到功合网络层上部，加工天线到射频层盲孔。

19、本发明提供一种基于aip架构的多波束相控阵天线，作为优选方式，天线层介质基板为五层介质板，包括由三层介质板压合的第一天线层和依次压接在第一天线层下部的第二天线层、馈电层；

20、天线层为双层微带贴片式的双圆极化天线，辐射贴片分别刻蚀在天线层上表面和第二天线层上表面；

21、电桥馈电网络为90°电桥且位于馈电层上表面，进行馈电转换；

22、天线层gnd网络连接在第二天线层的下表面和馈电层的下表面。

23、本发明提供一种基于aip架构的多波束相控阵天线，作为优选方式，波束合成网络封装在功合网络层介质基板内层，通过功合网络接地层进行隔离；波束合成网络为等相位走线。

24、本发明提供一种基于aip架构的多波束相控阵天线，作为优选方式，射频层介质基板包括从上到下依次通过pp板压合的第一射频层介质基板、第二射频层介质基板、第三射频层介质基板、第四射频层介质基板和第五射频层介质基板；

25、低噪声放大器、开关芯片、波束功分网络和多通道幅相芯片均连接在第五射频层介质基板的下表面；

26、接收组件模块在第五射频层介质基板的下表面及内部、第四射频层介质基板下表面及内部、第三射频层介质基板下表面走线，第三射频层介质基板上表面和第四射频层介质基板上表面均为射频接地层。

27、本发明提供一种基于aip架构的多波束相控阵天线，作为优选方式，由电桥馈电网络的天线馈电端口到低噪声放大器输入端口的两路走线为等幅同相；

28、由波束功分网络到多通道幅相芯片的多路走线均为等幅同相。

29、本发明提供一种基于aip架构的多波束相控阵天线，作为优选方式，通过仿真确定多波束相控阵天线中的串扰风险区并分为敏感区域和非敏感区域，优化隔离地孔的大小和排列间距，在敏感区域缩小隔离地孔孔径并加密隔离地孔间距，在非敏感区域稀疏隔离地孔；

30、隔离地孔的直径为0.15~0.3mm，隔离地孔间距为1/20~1/10波长。

31、本发明提供一种基于aip架构的多波束相控阵天线，作为优选方式，多个天线模组进行扩展组阵得到ku频段多波束相控阵天线且可进行±60°宽角扫描，组阵时功合网络层的数量相应增加；

32、天线层的阵元间距为11~13mm。

33、本发明提供一种射频前端一体化方向的ku频段相控阵天线，特别是一种基于天线封装集成（antenna in package, aip）架构的ku频段多波束相控阵天线的设计方案，将天线阵列、低噪放、移相衰减网络、功和网络各部分高度集成于多层封装基板内，减少互连损耗和寄生效应，优化阵列性能，实现系统的小型化、轻量化设计。本发明设计的相控阵阵列，通过减小单元间距，实现宽角扫描以及小型化设计，同时保证良好的电扫描特性，满足现代及未来卫通系统对接收终端的高性能要求。

34、本发明具有以下优点：

35、（1）高集成度、小型化系统架构：采用aip封装架构，将天线、射频电路等组件垂直堆叠集成于多层封装基板内，替代传统复杂的砖式或瓦式独立tr组件。实现系统轻薄、紧凑，提升便携性并优化阵列性能。

36、（2）灵活的多波束能力：采用功分多路以及多通道幅相芯片，能动态形成多个独立、可重构的波束。克服传统相控阵波束单一缺陷，适应复杂信号场景。

37、（3）解决线损问题：本发明中天线与射频电路采用压合、背钻工艺，减少了电缆连接器的使用，减小了额外的损耗，保证了天线的高增益。

38、（4）高可靠性：本发明为基于aip封装架构的相控阵，子阵能够进行大阵列扩展，在实际使用中更加灵活，模块式设计便于维修更换，性能更加可靠。