相控陣天線主要分為兩種類型：磚式和瓦式。瓦式相控陣天線相較于磚式，具有更高的集成度和更小的縱向尺寸，因此更適合安裝在空間受限的平臺之上。圖1展示了一般的瓦式相控陣天線結(jié)構(gòu)，其中天線陣面、收發(fā)組件和和差網(wǎng)絡(luò)是橫向集成、縱向垂直連接的，層與層之間的垂直互聯(lián)通過接插件的上下導(dǎo)通來完成電連接。

圖 1 瓦式相控陣天線結(jié)構(gòu)示意圖

為了進(jìn)一步提高瓦式相控陣天線的結(jié)構(gòu)密度和體積小型化，我們開發(fā)了一種高密度集成技術(shù)，用于設(shè)計其核心部件——收發(fā)組件和和差網(wǎng)絡(luò)。這種技術(shù)顯著降低了縱向高度，減少了收發(fā)組件與和差網(wǎng)絡(luò)之間互聯(lián)所占用的空間，并且優(yōu)化了收發(fā)組件的低頻控制和供電走線，從而提升了電路的可靠性。如圖2所示，我們將多通道收發(fā)電路和和差網(wǎng)絡(luò)設(shè)計在同一塊印制電路板上。在這塊板上，放大器、移相器和功分網(wǎng)絡(luò)的走線位于同一層，通過PCB板間的金屬化過孔實(shí)現(xiàn)射頻信號的上下聯(lián)通；同時，和差網(wǎng)絡(luò)、收發(fā)電路控制、供電等低頻信號也通過PCB多層板進(jìn)行布局。加工完成后，一體化收發(fā)電路和和差網(wǎng)絡(luò)的PCB多層板被焊接在金屬基板上，并通過毛紐扣等形式與天線陣面和波控等模塊完成互聯(lián)。此外，為了滿足移相器和放大器的工作需求，上蓋板預(yù)留了空氣腔。

圖 2 一體化集成的收發(fā)電路與功分網(wǎng)絡(luò)組裝圖

多通道收發(fā)電路和和差網(wǎng)絡(luò)在同一介質(zhì)基板上完成布局，射頻和低頻電路的走線既有層內(nèi)也有層間。射頻端口和低頻端口可以通過彈性觸碰方式與天線單元和波控器等連接，實(shí)現(xiàn)了無插拔力的高密度互聯(lián)。在較薄的介質(zhì)基板內(nèi)，完成了射頻和低頻電路的布置。作為接收射頻輸入、發(fā)射射頻輸出的功分端口和合成端口，它們通過介質(zhì)基板打孔方式形成同軸傳輸；低頻控制及電源接口則通過介質(zhì)基板間的走線分布到基板四周。多通道收發(fā)電路和和差網(wǎng)絡(luò)之間僅靠介質(zhì)基板層間走線實(shí)現(xiàn)高低頻互聯(lián)，這種一體化、高密度集成設(shè)計無需接插件，簡化了多通道收發(fā)電路和和差網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計，節(jié)省了收發(fā)組件模塊與和差網(wǎng)絡(luò)間的接插件，同時可以采用成熟的微波印制板加工工藝一體成形，與LTCC相比，工藝更簡單、成本更低。

在探討多通道收發(fā)電路和和差網(wǎng)絡(luò)的一體化集成技術(shù)時，我們以毫米波頻段的8×16陣列為例，進(jìn)行深入的設(shè)計分析。鑒于毫米波頻段天線單元的緊湊間距（大約7 mm×7 mm），單通道的平均占地面積較小，這使得多通道收發(fā)電路和和差網(wǎng)絡(luò)的電路布局非常緊湊。因此，我們選擇了非等間距布局方式，如圖3所示。

在圖3(a)中，我們可以看到，器件安裝界面與功分網(wǎng)絡(luò)的走線層位于同一層面，并通過金屬隔離柱進(jìn)行四周隔離，以減小不同電路走線之間的相互干擾。功分網(wǎng)絡(luò)與和差網(wǎng)絡(luò)被放置在不同的層面，并通過板內(nèi)打孔的方式實(shí)現(xiàn)射頻信號的垂直互聯(lián)。多通道收發(fā)芯片的低頻控制和供電通過金絲鍵合方式與芯片附近的焊盤連接，然后通過焊盤下方的金屬化過孔垂直向下延伸至印制板四周，如圖3(b)所示。此外，在芯片安裝界面的下方，我們設(shè)計了實(shí)心接地柱。這些接地柱不僅為芯片提供了接地功能，還充當(dāng)了散熱通道的角色，將芯片產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)至印制板底部，從而保證了芯片的穩(wěn)定工作溫度。

研究人員已經(jīng)成功制造了一種針對毫米波頻段的8×16通道收發(fā)電路和和差網(wǎng)絡(luò)的一體化集成電路。該集成電路的尺寸為114毫米×68毫米，整體厚度大約為3毫米，單個通道的重量大約為2克。為了檢驗(yàn)這一集成電路的性能，研究人員在適當(dāng)?shù)奈恢冒惭b了功分器，并進(jìn)行了無源測試。測試的結(jié)果如圖4所示，而圖5則展示了128個射頻通道的測試數(shù)據(jù)。

在圖5中，我們可以看到四個不同的圖表。左上角的是S11圖，它顯示了公共口的駐波系數(shù)，在21至23吉赫茲的頻帶內(nèi)，S11的值均低于-11分貝；右上角的是插入損耗曲線，顯示出各通道間的一致性非常好，考慮到測試電纜的損耗，總損耗大約為24分貝（其中分配損耗為21分貝）；左下角的是S21相位圖，表明通道間的一致性也很好；右下角的是S22圖，它顯示了與天線接口端的反射系數(shù)，S22的值均低于-10分貝。這些圖表共同說明了高密度集成的射頻板工作正常，通道間幅度和相位一致性優(yōu)異，在21至23吉赫茲頻帶內(nèi)，128個通道的幅度均方根為0.8分貝，相位均方根為5度。這表明多通道一體化集成電路運(yùn)行良好，微波印制板加工工藝是可行的，能夠?qū)崿F(xiàn)相控陣收發(fā)組件的電路和和差網(wǎng)絡(luò)功能，提高了瓦式相控陣的集成度，適用于需要高精度波束掃描的相控陣天線。

毫米波多通道收發(fā)電路和和差網(wǎng)絡(luò)的高密度集成技術(shù)不僅提供了良好的通道電氣性能，而且在毫米波頻段實(shí)現(xiàn)了收發(fā)電路和和差網(wǎng)絡(luò)的高密度集成，顯著降低了縱向尺寸和重量。這為相控陣天線的小型化和輕量化提供了有效的實(shí)現(xiàn)方法，并為未來蒙皮天線技術(shù)的設(shè)計提供了重要的啟示。同時，采用成熟的微波印制板制備技術(shù)，不僅降低了制作成本和周期，還實(shí)現(xiàn)了小型化、輕量化、一體化高密度集成，易于加工實(shí)現(xiàn)，成本低，周期短，對工程應(yīng)用具有重大意義。