王志剛 彭 偉 王志海

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 合肥 230088)

0 引言

隨著現(xiàn)代有源相控陣天線技術(shù)的發(fā)展，為了減少陣面前端設(shè)備量及減小體積重量，通常采用一種新型瓦片式結(jié)構(gòu)來(lái)代替常規(guī)的磚塊式結(jié)構(gòu)來(lái)提高系統(tǒng)的集成度，實(shí)現(xiàn)較低的質(zhì)量面密度和天線剖面高度。

片式有源天線是新一代雷達(dá)相控陣系統(tǒng)的核心組成部分，它將天線構(gòu)成要素進(jìn)行層狀組裝和高密度集成，相對(duì)于傳統(tǒng)的磚塊式天線，具有剖面低、重量輕、集成度高以及模塊化、易擴(kuò)充、易共形等特點(diǎn)。因此非常適合新一代的空天飛行器平臺(tái)。片式有源天線已成為當(dāng)前雷達(dá)天線領(lǐng)域內(nèi)的研究熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[3]提出了一種Ka頻段“瓦式”有源相控陣天線設(shè)計(jì)方法，該方法采用了多功能集成芯片和子陣模塊化設(shè)計(jì)思路。文獻(xiàn)[4]介紹了一種毫米波通信64單元瓦片相控陣天線，該天線采用多功能收發(fā)芯片集成了TR通道，簡(jiǎn)化了相控陣天線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[5]介紹了一種X波段64單元低剖面片式集成陣列天線，該天線采用復(fù)合多層基板綜合饋電和垂直互連技術(shù)集成了一個(gè)低剖面有源天線模塊。

本文根據(jù)某平臺(tái)的設(shè)計(jì)要求，介紹了一種片式有源天線的集成架構(gòu)，針對(duì)其各個(gè)組成部分進(jìn)行了關(guān)鍵設(shè)計(jì)，主要包括天線輻射層、背腔兼結(jié)構(gòu)熱控板層、片式T/R組件層和綜合饋電網(wǎng)絡(luò)層，并簡(jiǎn)要闡述了其集成技術(shù)路線。設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行了熱仿真分析和力學(xué)仿真分析，并加工組裝出原理樣機(jī)實(shí)物。

1 設(shè)計(jì)要求

某雷達(dá)系統(tǒng)采用片式有源天線來(lái)滿足平臺(tái)對(duì)體積重量的限制，對(duì)原理樣機(jī)提出如下具體要求：

1)片式有源天線剖面高度不大于42mm；

2)片式有源天線面密度不大于40kg/m；

3)滿足測(cè)試熱環(huán)境和10g過(guò)載力學(xué)環(huán)境要求。

2 集成架構(gòu)

片式有源天線采用分層結(jié)構(gòu)，將多個(gè)相同功能通道的芯片或電路集成在數(shù)個(gè)平行放置的瓦片上，然后垂直互聯(lián)。片式有源天線模塊在結(jié)構(gòu)上采用層狀架構(gòu)，層數(shù)分為四層，即天線輻射層、背腔兼結(jié)構(gòu)/熱控層、片式T/R組件層和綜合饋電網(wǎng)絡(luò)層，如圖1所示。

圖1 片式有源天線架構(gòu)示意圖

各層的主要完成功能有：

1)天線輻射層：寬帶、寬掃、高效的天線輻射單元。

2)背腔兼結(jié)構(gòu)/熱控層：此結(jié)構(gòu)件完成有源天線的結(jié)構(gòu)支撐和散熱功能，同時(shí)該結(jié)構(gòu)還與天線輻射層的背腔一體化設(shè)計(jì)，提高集成度，減輕有源天線重量。

3)片式T/R組件層：T/R組件是整個(gè)模塊中重量比例最大的一部分，本方案中采用層狀疊層的片式結(jié)構(gòu)，利用3D-MCM技術(shù)在有限的空間尺寸來(lái)降低組件的重量設(shè)計(jì)，保證片式有源天線的輕量化。

4)綜合饋電網(wǎng)絡(luò)層：綜合饋電網(wǎng)絡(luò)層是集成了射頻與低頻、模擬和數(shù)字的一體化多功能板。其主要功能是實(shí)現(xiàn)片式有源天線波束掃描控制、脈沖電源波形調(diào)制、片式T/R組件控制與管理等。

3 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

3.1 天線輻射層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

天線輻射層由微帶貼片天線和空氣背腔組成。與波導(dǎo)、振子等天線形式相比，微帶貼片天線具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、剖面低、重量輕和易加工等優(yōu)點(diǎn)，便于工程實(shí)現(xiàn)。因此天線輻射層采用微帶貼片天線形式?？諝獗城粸橹锌帐角惑w結(jié)構(gòu)，可以有效減輕天線重量。饋電連接器穿過(guò)空氣背腔，與微帶貼片天線上表面的饋電微帶線焊接。饋電連接器采用SMP 盲配連接器與T/R組件相連，可減小饋電損耗，提高天線效率。圖2是天線輻射層結(jié)構(gòu)剖面示意圖。

圖2 天線輻射層結(jié)構(gòu)剖面示意圖

3.2 背腔兼結(jié)構(gòu)熱控層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

背腔兼結(jié)構(gòu)熱控層作為片式有源天線機(jī)電熱的載體，它既是天線背腔和接地板，又是片式T/R組件和綜合饋電網(wǎng)絡(luò)的安裝結(jié)構(gòu)件，同時(shí)也是片式T/R組件的散熱通道。為保證整個(gè)片式有源天線的結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度以及減輕天線重量，背腔兼結(jié)構(gòu)熱控層采用一體化設(shè)計(jì)。

背腔兼結(jié)構(gòu)熱控層可選擇鋁合金材料、鎂合金材料、碳纖維復(fù)合材料等。鋁合金具有比模量/比強(qiáng)度高、耐腐蝕性能好、加工性能好、成本低廉等突出優(yōu)點(diǎn)。鎂合金最大的優(yōu)勢(shì)是密度低。碳纖維復(fù)合材料具有重量輕、模量高、熱膨脹系數(shù)低等特點(diǎn)，但是熱傳導(dǎo)性能差，加工工藝復(fù)雜。對(duì)于原理樣機(jī)來(lái)說(shuō)，鋁合金材料仍是背腔兼結(jié)構(gòu)熱控層的首選。

3.3 片式T/R組件層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

常規(guī)T/R組件的布局形式是平面布局，電路互聯(lián)采用平面連接，易于匹配。組件測(cè)試與封裝技術(shù)成熟，工程實(shí)現(xiàn)難度小。但是，因其電路布局尺寸受芯片數(shù)量及面積影響，無(wú)法再進(jìn)一步縮小，所以組件結(jié)構(gòu)尺寸較大。而且組件和天線、電源及控制電路之間一般通過(guò)射頻電纜、低頻連接器相連，損耗較大，重量較重。在較高的頻段，由于陣元間距小，不利于與天線進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)。

片式T/R組件采用疊層結(jié)構(gòu)，由多個(gè)層疊的電路通過(guò)垂直互聯(lián)組成。由于采用薄而緊湊的層狀結(jié)構(gòu)，片式組件體積更小，重量更輕。同時(shí)，片式組件易于和天線集成，能夠大幅度減少與天線、控制電路、電源組件等之間的信號(hào)互聯(lián)連接電纜, 減少機(jī)械裝配結(jié)構(gòu)件，降低損耗和重量。

片式T/R組件層包括片式T/R組件和支撐圍框。片式T/R組件由盒體、蓋板、隔腔以及基板等組成，如圖3所示。支撐圍框是位于片式T/R組件和綜合饋電網(wǎng)絡(luò)層之間的結(jié)構(gòu)件，為兩者之間的低頻互連和射頻互連提供固定和支撐。T/R組件的射頻接口采用SMP盲配連接器，可以與天線輻射層進(jìn)行盲配連接。

圖3 片式組件結(jié)構(gòu)剖面示意圖

3.4 綜合饋電網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計(jì)

綜合饋電網(wǎng)絡(luò)層是集成了射頻與低頻、模擬和數(shù)字的一體化多功能板，是實(shí)現(xiàn)片式有源天線模塊小型化、輕量化、高可靠設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一，其采用了多功能基板工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)。多功能基板工藝技術(shù)是在普通多層印制板工藝和微波多層板工藝基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的新工藝，是設(shè)計(jì)綜合饋電網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一，采用新型的復(fù)合半固化片將多層微帶電路與高密度數(shù)字電路壓合在一起，通過(guò)金屬化孔、材料和形狀的立體組合等新技術(shù)實(shí)現(xiàn)電性能的互聯(lián)與集成。

4 技術(shù)路線

片式有源天線采用了高密度垂直互連集成技術(shù)，其中饋電網(wǎng)絡(luò)與T/R組件之間采用毛紐扣垂直互連，低頻信號(hào)采用彈性連接器垂直互連，天線與T/R組件采用SMP盲配連接器垂直互連，從而實(shí)現(xiàn)了片式有源天線無(wú)電纜設(shè)計(jì)，極大提高了天線系統(tǒng)的集成度。

4.1 基于SMP盲配連接器的集成技術(shù)路線

SMP垂直互連通常采用“兩個(gè)SMP陽(yáng)頭+一個(gè)SMP雙陰轉(zhuǎn)接頭”的形式。由于加工和裝配存在偏差，當(dāng)SMP軸向和徑向間距偏大時(shí)，電性能會(huì)變差；當(dāng)SMP軸向間距偏小時(shí)，SMP可能會(huì)損壞。因此必須對(duì)SMP和其盲配的板間零部件進(jìn)行軸向和徑向公差設(shè)計(jì)和分析。引入SMP雙陰轉(zhuǎn)接頭可以有效補(bǔ)償板間軸向和徑向尺寸偏差，提供安全可靠的連接。

4.2 基于毛紐扣的集成技術(shù)路線

毛紐扣的通常用法是將其裝入絕緣介質(zhì)支撐中，絕緣介質(zhì)支撐裝入金屬孔中，利用毛紐扣自身的軸向彈性，使毛紐扣與印制板上的焊盤(pán)形成可靠的彈性接觸。設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是選擇合適的壓縮量、控制絕緣介質(zhì)支撐孔和金屬孔的公差、毛紐扣與印制板焊盤(pán)的定位精度以及通過(guò)工裝實(shí)現(xiàn)對(duì)毛紐扣合理均勻地壓緊。

4.3 基于彈性連接器的集成技術(shù)路線

彈性連接器類似于毛紐扣，它只需要最低的高度和最小的電路板空間。它們還允許具有較高的接觸區(qū)密度，而且不需要焊接，因而可提供快速而不費(fèi)力的表面貼裝端接。

5 熱分析

片式有源天線主要的散熱有片式T/R組件和多功能板中的電源。背腔兼結(jié)構(gòu)熱控層和支撐圍框?yàn)?063鋁合金，饋電網(wǎng)絡(luò)層為多層基板，反面為微帶板，，正面為PCB多層基板。熱分析邊界條件是地面測(cè)試工作，40℃無(wú)風(fēng)，連續(xù)工作8分鐘，初始溫度和速度均為0(無(wú)對(duì)流)。片式有源天線外部視為開(kāi)放空間，各接觸邊界完整，熱流走向分平面向和法向傳導(dǎo)。模塊熱分析仿真結(jié)果見(jiàn)圖4所示。

圖4 片式有源天線熱分析結(jié)果

仿真結(jié)果表明，片式T/R組件的封裝最高溫度約為44.3℃，天線結(jié)構(gòu)件的最高溫度約為43.7℃。自然對(duì)流散熱和天線結(jié)構(gòu)件蓄熱可以解決片式有源天線在地面調(diào)試工作狀態(tài)下散熱問(wèn)題。

6 力學(xué)分析

6.1 有限元建模

按照片式有源天線模型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及有限元建?；驹瓌t和簡(jiǎn)化方法，建立該分析對(duì)象有限元分析模型，坐標(biāo)系定義如圖5所示。約束條件為4個(gè)安裝凸臺(tái)頂端連接處，如圖5中4塊淺灰色區(qū)域。

圖5 有限元模型及約束邊界

6.2 分析工況

1)模態(tài)分析：提取結(jié)構(gòu)的模態(tài)頻率和模態(tài)振型，判斷結(jié)構(gòu)剛度是否滿足設(shè)計(jì)要求；

2)過(guò)載分析：分析10g過(guò)載情況下的應(yīng)力和變形情況是否符合強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

6.3 分析結(jié)果

1)模態(tài)分析結(jié)果如表1所示，圖6為天線單元的1階振型和第4階振型。

圖6 模態(tài)振型

表1 前4階模態(tài)和振型

2)開(kāi)展、、三個(gè)方向的過(guò)載分析，分析結(jié)果表明天線最大應(yīng)力和最大變形均發(fā)生在向，最大應(yīng)力為6.61MPa，位于安裝凸臺(tái)連接處，最大變形為8.15×10mm，位于多功能板區(qū)域。輸入條件和分析結(jié)果見(jiàn)表2所示，圖7是向過(guò)載應(yīng)力和變形云圖。

表2 過(guò)載情況下天線最大應(yīng)力和最大變形

圖7 Y向過(guò)載分析結(jié)果

6.4 結(jié)論

分析結(jié)果表明，在剛強(qiáng)度靜載荷條件下，片式有源天線滿足剛強(qiáng)度要求。

7 設(shè)計(jì)實(shí)例

基于上述片式有源天線關(guān)鍵設(shè)計(jì)和分析結(jié)論，制作出了片式有源天線原理樣機(jī)如圖8所示，該原理樣機(jī)外形尺寸為151mm×132mm，剖面高度40mm，重量約0.79kg，面密度為39.6kg/m。剖面高度和面密度均滿足設(shè)計(jì)要求。

圖8 片式有源天線實(shí)物圖

8 結(jié)束語(yǔ)

片式有源天線是一種新穎的有源天線架構(gòu)，它可以滿足有源天線朝大口徑、高性能的方向發(fā)展。本文以有源天線輕小型化為目標(biāo)，基于垂直盲配互連設(shè)計(jì)，將片式有源天線的天線輻射層、背腔兼結(jié)構(gòu)/熱控層、片式T/R組件層和綜合饋電網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行高密度集成。相對(duì)于傳統(tǒng)有源天線，體積和重量都得到了降低和減輕，通過(guò)對(duì)原理樣機(jī)的加工組裝，實(shí)現(xiàn)了其輕質(zhì)、小型化和無(wú)電纜設(shè)計(jì)。后續(xù)將會(huì)在輕量化、工程化和性能指標(biāo)優(yōu)化上做進(jìn)一步的研究，以滿足未來(lái)新一代的空天飛行器平臺(tái)需求。