新型高集成度W/V波段前端及其制造方法与流程

新型高集成度w/v波段前端及其制造方法
技术领域
1.本发明涉及通讯和雷达技术领域，具体为一种新型高集成度w/v波段前端及其制造方法。


背景技术：

2.根据频率划分，毫米波一般指的是波长介于1mm～10mm的电磁波，毫米波相较其他波段有波长短，穿透电离层的能力强，具有比红外和可见光更强的穿透烟尘、云雾等恶劣天气的能力，能全天候工作，而且由于相对带宽较宽，可以实现点对点大容量通信和高分辨率成像。其中w/v波段是毫米波中的重要的窗口频率，该波段的收发技术研究是目前毫米波应用中的热门课题。w/v波段由于频率更高，波长更短，在同样口径的天线下，波长短能实现窄波束、低副瓣，这样就能提供极高的精度和良好的分辨力。w/v波段系统可以应用于很多场合如高铁防撞、精确制导、盲降等领域。目前国外很多国家都在开展w/v波段设备的研制工作，并且已经取得了很大的进展。美国的毫米波设备在w/v波段已实用化，正在向更高频率发展；而国内由于工艺条件和器件的限制，在这方面工作开展相对较晚，所以在技术水平上已经落后于发达国家。随着移动通信、卫星通信以及雷达等无线技术的快速发展，通信和雷达频率向高频带、小型化和多通道发展。
3.因此，有必要提供一种w/v波段的收发前端，能够满足高频带、小型化和多通道发展的要求。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种新型高集成度w/v波段前端，能够满足高频带、小型化和多通道发展的要求。
5.为实现上述目的和其他相关目的，本发明提供了一种新型高集成度w/v波段前端，包括：基于多层介质的一体化馈电网络、阵列天线，具有气密特性的tr组件；
6.所述阵列天线包括若干个天线单元，所述天线单元包括开设于多层介质基板的第一盲腔和第二盲腔，所述第一盲腔和所述第二盲腔沿所述多层介质基板的厚度方向排列，并通过金属层隔离，所述第一盲腔和所述第二盲腔的周围设有金属孔；
7.所述馈电网络的一端连接所述天线单元，另一端连接所述tr组件；
8.所述tr组件包括组件结构、若干个w/v波段系统级封装模块和波导功分网络，所述若干个w/v波段系统级封装模块焊接在组件结构上，其包括介质基板、金属围框、第一对外射频口、第二对外射频口、双向放大器和具有移相衰减的多功能芯片，所述介质基板四周围设有所述金属围框，并且包括第一区域和第二区域，所述第一区域和所述第二区域通过之间的隔离棱进行信号隔离；
9.所述第一区域上设置有所述第一对外射频口和与之相连的所述双向放大器，所述第二区域上设置有所述第二对外射频口和与之相连的所述多功能芯片，所述双向放大器和所述多功能芯片之间通过接地共面波导
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基片集成波导
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接地共面波导的结构相连；
10.所述第二对外射频口与所述波导功分网络相连。
11.优选地，所述第一盲腔和所述第二盲腔的底面形状为矩形，并且所述第一盲腔的底面大于所述第二盲腔的底面；所述第二盲腔的底面的长大于二分之一波长，宽为长的二分之一；所述金属孔的间距为十六分之一波长到四分之一波长之间。
12.优选地，所述多层介质的材质为陶瓷或硅。
13.优选地，所述馈电网络的两端为用通孔围成的类波导口，两端的类波导口之间通过基片集成波导相连，并且，两端的类波导口信号为垂直传输，通过缝隙耦合将信号v/w传输给所述基片介质集成波导，信号在所述基片集成波导上为水平传输，该水平传输可以拐弯。
14.优选地，所述类波导口通过改变周围通孔的高度，将信号传给不同层的基片集成波导，并且，所述耦合缝隙的大小可根据需要进行调节，不同层的基片集成波导可以交叉，介质集成波导可以通过台阶过孔在不同层之间转换。
15.优选地，所述第一对外射频口为接收通道，所述第二对外射频口为发射通道，所述发射通道的奇数和偶数通道各用一个控制信号控制加电，所述接收通道的奇数和偶数通道各用一个控制信号控制加电，并且，当一奇数通道配相时，偶数通道加电可同时断开，使得相邻通道的电断开，同时其余奇数通道衰减设置为最大。
16.优选地，所述tr组件的收发切换时序为：若发射通道需要工作时，则发射通道开始加电，同时接收停止加电并关闭，收发开关切换到负载状态，t
‑
ttr时间后收发开关切到发射状态，ttr时间后给所述tr组件发送信号；
17.若接收通道需要工作时，则发射电源开始断电，同时关闭发送给所述tr组件的信号，接收电源开始打开，同时收发开关切换到负载状态，t
‑
ttr时间后收发开关切到接收状态，给所述tr组件信号采用pin开关实现ns级开关。
18.优选地，所述第一对外射频口的数量为四个，所述双向放大器的数量与第一对外射频口的数量相同，所述第二对外射频口的数量为一个。
19.优选地，所述组件结构与所述波导功分网络之间的壳体中填充相变材料。
20.基于同一发明构想，本发明还提供了一种w/v波段前端制造方法，用于制造上述任一项所述的新型高集成度w/v波段前端，包括如下步骤：
21.将所述波导功分网络嵌入所述组件结构中，与所述tr组件一体化集成，更小型化；
22.将所述一体化馈电网络、阵列天线和所述tr组件采取多层加工的方式进行加工，并且一体化焊接成形。
23.综上所述，本发明提供的新型高集成度w/v波段前端的tr组件对外结构为开口波导，组件内部仍实现了气密，保证了气密性；并且，功分网络嵌入组件内部，与tr组件结构一体化集成，更小型化。
附图说明
24.图1是本发明一实施例提供的一种新型高集成度w/v波段前端的天线单元示意图；
25.图2是本发明一实施例提供的一种新型高集成度w/v波段前端的天线单元仿真结果示意图
26.图3是本发明一实施例提供的一种新型高集成度w/v波段前端一体化馈电网络及
天线单元示意图；
27.图4是本发明一实施例提供的一种新型高集成度w/v波段前端w波段系统级封装集成示意图；
28.图5是本发明一实施例提供的一种新型高集成度w/v波段前端功分网络与结构一体化集成示意图。
具体实施方式
29.以下结合附图1
‑
5和具体实施方式对发明提出的新型高集成度w/v波段前端作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的。为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
30.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
31.参阅图1
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5，本发明一实施例提供了一种新型高集成度w/v波段前端，包括如图3和图1所示的基于多层介质的一体化馈电网络、阵列天线，以及如图4、图5所示的具有气密特性的tr组件，所述阵列天线和所述馈电网络设置于多层介质基板12。
32.参阅图1，所述阵列天线包括若干个天线单元23，所述天线单元23包括开设于所述多层介质基板12的第一盲腔10和第二盲腔11，所述第一盲腔10和所述第二盲腔11沿所述第一基板12的厚度方向排列，并通过金属层13隔离，所述第一盲腔10和所述第二盲腔11的周围设有金属孔14。
33.如图3所示，所述馈电网络22包括两个端口，其中一个端口连接所述天线单元23，另一个端口连接所述tr组件。
34.如图4和图5所示，所述tr组件包括组件结构、w/v波段系统级封装模块30和波导功分网络41，所述若干个w/v波段系统级封装模块30焊接在组件结构上，所述w/v波段系统级封装模块30包括介质基板37、金属围框34、第一对外射频口30a、第二对外射频口30b、双向放大器36和具有移相衰减的多功能芯片35。所述介质基板37包括第一区域37a和第二区域37b，所述介质基板四周围设有所述金属围框34，所述第一区域37a和所述第二区域37b通过之间的隔离棱38进行信号隔离。所述第一区域37a上设置有所述第一对外射频口30a和与之相连的所述双向放大器36，所述第二区域37b上设置有所述第二对外射频口30b和与之相连的所述多功能芯片35，所述双向放大器36和所述多功能芯片35之间通过所述接地共面波导
39
‑
所述基片集成波导33
‑
所述接地共面波导39的结构相连；所述第二对外射频口30b与所述波导功分网络41相连。
35.在本实施例中，所述多层介质基板12的材料一般为低损耗陶瓷、硅等介质材料；所述天线单元23为在所述多层介质基板12上通过去除多层介质材料形成长方形的所述第一盲腔10和所述第二盲腔11，所述第二盲腔11在下层，其长为大于二分之一波长，宽为长度的二分之一，长度和宽度的典型值为该波段标准波导大小，所述第一盲腔10比所述第二盲腔11大，根据增益要求和单元大小可调整大小。所述第一盲腔10和所述第二盲腔11的周围围一圈所述金属孔14，所述金属孔14在满足加工可靠性基础上靠近所述第一盲腔10和所述第二盲腔11的边缘，所述金属孔14间距满足加工基础上间距尽可能小，典型值为1和16波长～1和4波长；所述第一盲腔10和所述第二盲腔11的通孔(即金属孔14)通过中间的金属层13连接，阵列天线模型的仿真结果如图2所示。
36.在本实施例中，参阅图3，所述馈电网络也设置在所述多层介质基板12上，并且一端与所述tr组件的波导口24对接，另一端与所述多层介质基板12上的对应的所述天线单元23相连；任何一根馈电网络其两端均用通孔围成类波导口21，一根馈电网络两端用通孔围成的类波导口21通过基片集成波导22相连，两个类波导口21信号为垂直传输，通过耦合缝隙25耦合将v型波或者w型波信号传输给基片集成波导22，信号在基片集成波导22上为水平传输，水平传输可以拐弯。基片集成波导22可以在不同层传输，通孔围成类波导口21根据需要可以通过改变周围通孔的高度，将信号传给不同层的基片集成波导22，耦合缝隙25的大小根据需要进行调节，不同层的基片集成波导22可以交叉，基片集成波导22也可以通过台阶过孔26在不同层之间转换。
37.在本实施例中，参阅图4，所述tr组件包括多个w/v波段系统级封装模块30，所述w/v波段系统级封装模块30包括具有气密性、低损耗的介质基板37、金属围框34、第一对外射频口30a、第二对外射频口30b、双向放大器36、和具有移相衰减的多功能芯片35，以及平行封焊的盖板。所述w/v波段系统级封装模块30通过过渡垫片焊接到所述组件结构上，所述w/v波段系统级封装模块30的对外射频有5个口，均在所述介质基板37底部，四个口为第一对外射频口30a，分别连接四个第一siw传输线31a，设置在第一区域37a上，为天线馈电口；另一个口为第二对外射频口30b，分别连接四个第二siw传输线31b，设置在第二区域37b上，与所述功分网络41相连。其5个口均为介质上过孔形成的类波导口，通过缝隙耦合转成基片集成波导传输，最后转成基板表面五处微带线传输，所述第一区域37a上为微波电路，四处微带线分别与四个所述双向放大器36相连，所述双向放大器36发射为功放，接收为低噪放，具有移相衰减的四通道多功能芯片35与另一处微带线相连，四通道多功能芯片35与四个双向放大器36通过接地共面波导39
‑
基片集成波导33
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接地共面波导39相连，其中，图中32表示接地共面波导39的接口，基片集成波导33在双向放大器36和四通道多功能芯片35之间；所述金属围框34的热膨胀系数大小和介质基板37一致，里面有一条隔离棱38，位于双向放大器36和四通道多功能芯片35之间，基片集成波导33上方，用于所述第一区域37a和所述第二区域37b两者之间的信号隔离。
38.在本实施例中，所述第一对外射频口30a为接收通道，所述第二对外射频口30b为发射通道，所述tr组件内发射通道奇数和偶数通道各用一个控制信号控制加电，接收通道奇数和偶数通道各用一个控制信号控制加电，使得当奇数单通道配相时，偶数通道加电可
以一起断开，这时相邻通道的电是断开的，而其余奇数通道衰减设置最大，对配相影响较小，当奇数单通道配相时，反之亦然；不仅成本降低，集成度得到提高，更小型化。此外，如图5所示，所述功分网络41嵌入所述结构组件中，与所述tr组件结构一体化集成，使得结构更小型化。
39.具体实施的时候，当组件工作状态时，所述tr组件收发切换时序为(设收发通道加电和关闭需要时间t，典型时间小于50ns，收发开关换时间t
tr
，典型小于20ns)：发射通道需要工作时，发射通道开始加电，接收停止加电，接收通道关闭，收发开关切换到负载状态，t
‑
t
tr
时间后收发开关切到发射状态，t
tr
时间后给tr组件的信号；接收通道需要工作时，发射电源开始断电时，同时关闭tr组件的信号，接收电源开始打开，同时收发开关切换到负载状态，t
‑
t
tr
时间后收发开关切到接收状态；给tr组件信号采用pin开关实现ns级(典型值小于4ns)开关。
40.在本实施例中，所述w/v波段系统级封装模块30与所述波导功分网络41之间的壳体中填充相变材料，用于延缓组件温升。
41.基于同一发明构想，本实施例还提供了一种w/v波段前端制造方法，用于制造上述任一项所述的新型高集成度w/v波段前端，包括如下步骤：
42.1、将所述波导功分网络41嵌入所述组件结构中，与所述tr组件一体化集成，更小型化；
43.2、将所述一体化馈电网络、阵列天线和所述tr组件采取多层加工的方式进行加工，并且一体化焊接成形。
44.本发明提供的新型高集成度w/v波段前端，包括基于多层陶瓷的馈电网络和类喇叭天线、具有气密特性的波导
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微带转换电路、功率管理电路、双向放大电路、基于cmos的多功能芯片和波导功分网络。tr组件对外结构为开口波导，组件内部仍实现了气密，保证了气密性；进一步地，本发明创新了加电模式，能有效减少驱动电路使用，成本低，不影响配相精度；进一步地，本发明的收发切换时间短，可适用于gif引信；再进一步地，本发明的天线单元及转接板在多层板上一体化设计，集成度高，相比喇叭天线极大压缩了体积，并且加入相变材料，使得组件温升更慢；最后，本发明的功分网络嵌入组件内部，与tr组件结构一体化集成，更小型化。
45.尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。