LTCC技术在有源相控阵天线中的应用

LTCC技术在有源相控阵天线中的应用

一、研究意义

随着人们在无线通信、雷达探测、射电天文等军民领域的研究不断深入，能够满足机载、星载或是舰载平台应用要求的有源相控阵雷达已经成为研究的热点。由于相控阵雷达的信号的发射和接收必须有若干个收/发组件和辐射单元完成，不仅需要快速改变天线扫描方向，还需要同时形成多波束，其系统性能实现的关键已不再是单个子通道收/发（T/R）组件和辐射单元的性能，大规模收发组件和辐射单元的低成本高一致性及多通道的高密度系统集成是制约有源相控阵雷达系统性能的关键因素。利用系统封装技术是将多个不同功能的半导体裸片以平面或重叠方式，表面安装或者埋入基板，同时将尽可能多的无源元件埋入基板，使基板功能化，表面只安装不能埋入基板的有源元件和无源元件，是实现高密度系统集成的有效途径。目前基于HMIC工艺的毫米波收发组件已无多少新意可言，尤其是高性能MMIC 的广泛使用，已将HMIC的集成度推向了极至。单一平面布局，各单元子电路逐级、多层次集成的实现手段，已逐渐成为制约毫米波收发组件向小型化、轻量化、高性能、高可靠性方向发展的技术瓶颈。而采用低温共烧陶瓷（LTCC）技术则能有效地减小系统的体积和重量、提高系统性能。LTCC技术是MCM中的一种多层布线基板技术。其多层三维立体结构为毫米波收发组件的设计提供了一种全新的理念：一方面采用在LTCC多层布线基板上将MMIC裸芯片直接组装；另一方面，将无源元件（如滤波器、电容、电感等）埋置在LTCC多层互连布线基板中并通过通孔互连，使芯片之间靠得更近，互连线变短，从而大大提高了组装密度，改善了频率特性和传输速度。同时，由于采用通孔互连减小了互连寄生参量，有利于增加系统的带宽和性能。因此LTCC技术是解决毫米波收发前端系统小型化、轻量化、多功能化、高可靠性问题的一种有效途径。基于这种全新的微组装技术和设计理念，现以相关参考相关文献中关于毫米波LTCC收发组件的系统结构布局列举如下：

毫米波LTCC收发组件关键单元电路的设计

在整个毫米波LTCC收发组件中，驱动放大器（Driver）、高功率放大器（HPA）、倍频器（Multiplier）、开关（SPDT）等单元电路采用MMIC裸芯片或表贴元件形式直接表面安装，而毫米波波导到微带的过渡、微波毫米波频段滤波器、层间互连结构以及电阻偏置网络等无源结构都采用LTCC技术集成到多层陶瓷基板中。这种结构形式最大限度地利用了LTCC多层立体结构的优点，将大量无源结构埋置在层间，与整个组件基板加工一次成型，并通过LTCC 多层基板中的垂直互连结构与表层贴装元件相连，实现了真正意义上的高密度组装。另一方面，这些无源结构在整个组件中发挥着至关重要的作用，其性能的好坏直接关系到整个组件的性能指标。因此，毫米波LTCC收发组件实现的关键在于如何充分依托和发挥LTCC的技术优势，设计出结构新颖、性能优异的无源电路，并实现合理的系统结构布局。在此基础上将层间埋置无源结构和表面贴装元件与LTCC多层封装结构进行有效的融合，最终实现小型化，高性能和高可靠性的毫米波收发组件。综合上述分析，在LTCC收发模块的关键设计电路主要集中在LTCC毫米波波导到微带的过渡结构，本振倍频链中的LTCC集成带通滤波器，发射支路的毫米波带通滤波器以及LTCC层间互连结构等单元的设计上。

二、毫米波收/发组件实现中的几项关键技术

(一)L TCC层间互连过渡技术和同层相互耦合的研究

毫米波集成传输线是LTCC毫米波集成电路技术的基础，因此对其中传输线各种传输技术的研究和攻关将是推动和发展LTCC毫米波技术的一个关键要素。众所周知，随着频率的升高，微波传输线的性质和传播特性将变得越发复杂，特别是在毫米波段的LTCC结构中，多层介质板上传输线的结构和布线变得异常精细和紧密，影响传输线及其互连过渡传输性能的因素变得复杂，电磁场信号在这种复杂的多层介质结构中的特性和传播模式也随之变得异常复杂。在这种情况下，传输线的互连过渡技术作为LTCC的一项关键技术被国内外研究者提了出来，对其进行了大量研究，并在微波频段成功地建立了不少传输性能优良的互连过渡模型。但是在毫米波频段这方面的研究还相对滞后，一方面是因为在毫米波频段上电路结构对加工条件的要求更高，受限于工艺水平；另一方面是由于电磁场信号在LTCC这种多层的不连续传输结构中带来了更多的寄生效应，甚至激励起了电磁场的寄生模式，对其传输特性的研究变得异常复杂，所以设计适当的过渡模型将是设计者面临的一项新的亟待解决的任务。

在毫米波LTCC收发组件中，通常将MMIC裸芯片等有源部分放置在LTCC多层基板的表层，而无源单元结构（如滤波器、电容电感、电阻偏置网络等）则埋置在层间。这样位于不同层的电路元件、信号传输线等结构就需要用层间互连结构来实现有效的立体连接，实现组件的功能。互连通常分为直流上的电连接和微波信号上的高频连接。直流连接结构简单，只要保证可靠的直流连通即可；而实现微波信号的高频互连，则必须考虑到互连结构的寄生参量对微波信号传输所带来的影响，需要仔细分析和优化互连结构参数，设计和实现难度相对较大。主要有（1）表层标准微带线与层间埋置带状线的互连，（2）表层共面线（CPW）与层间带状线的互连，和（3）同层埋置带状线之间的互耦问题。

LTCC层间互连初始模型结构示意图（表面微带—层间带状线）

在毫米波收发组件中，波导到微带的过渡是最常见同时也是最重要的结构之一。为了便于MMIC的集成，需要使用诸如微带线等平面传输线结构；同时，空气填充波导相比于微带线在传输性能上又有着明显的优势，在毫米波系统中也被广泛使用。因此在电磁波能量需要从一种传输结构转移到另一种结构时，波导到微带的过渡结构就被大量使用。过渡结构的重要性也是不言而喻的，好的过渡结构总希望其插损越小越好，保证信号能量转换最大化。在毫米波收发组件的发射支路末端一般都采用波导口输出，而在之前是高功率放大器（HPA）。若是过渡插损过大，经HPA放大的信号能量将有一部分白白损失掉。而对接收支路过渡结构的影响更为显著：从接收天线接收到的信号首先经过的是波导到微带的过渡，然后才是低噪放（LNA）。对于整个系统的噪声系数而言，过渡的插入损耗是作为第一项直接加在NF total 上，贡献是最为显著的。要想把系统的噪声系数做低，过渡的插入损耗必须低。在混合微波集成电路（HMIC）中，微带探针、波导-鳍线-微带等过渡结构的应用非常广泛，且过渡性能也相当不错。但在LTCC工艺条件下，这些常用的结构都不再适用。主要原因在于LTCC基板厚度很薄，共烧之后硬而脆，易折断且不易切割，在对形状有特殊要求的过渡结构中很不适用。同时将LTCC基板作为平面电路基片来使用，没有充分发挥出LTCC多层结构的优势。因此获得一种既有良好过渡性能又适合LTCC工艺条件的过渡新结构，成为毫米波LTCC收发组件实现中的首要难点问题。

开槽耦合型波导到微带的过渡结构

根据缝隙耦合和贴片天线辐射理论，开槽耦合型波导到微带的过渡结构被提出，并应用到平面电路中。特点在于结构简单紧凑,保持了基片的完整性，气密性相比于传统的过渡结构有根本改善。这些优点使得该结构在LTCC过渡中有很高的借鉴价值。根据国外有关文献报道在Ku波段内，背靠背实测插损小于1.25dB。扣除微带损耗，单边插损小于0.45dB，完全满足组件对过渡结构的性能要求。

(二)微波毫米波LTCC集成带通滤波器的研究

由于该滤波器将集成到整个收发组件的LTCC基板中，必须考虑与组件中其它电路元件的电磁窜扰问题，我们可以采用一种与地相连的栅状隔离结构可将滤波器的电磁能量约束在基板的小范围内，这与HMIC中对滤波器采用分腔隔离的方法目的是一样的。这种结构既保证了滤波器的性能又充分利用了LTCC工艺特点，避开了LTCC基板不易切割分块的缺点。

将滤波器埋置在介质基片中，优势还在于谐振器的电磁波能量主要集中在介质层间，基片以上的自由空间中辐射非常少。这与HMIC中常见的处于半开放自由空间中的平面滤波器相比，辐射损耗和所受到外界的干扰都明显降低。结合前期关于C波段带通滤波器的设计研究工作，已经针对基于LTCC工艺的准集总参数带通滤波器积累了相应设计和仿真经验。下步工作将针对更高频段要求，结合未来生产工艺水平要求，采用其他适合形式（如平行耦合，发

卡型，交指型，腔体滤波器）

LTCC埋置型发卡滤波器机构示意图

LTCC交指型带通滤波器示意图

(三)L TCC工艺多层结构中电磁场高次模式和寄生模式的影响

在微波毫米波电路中，尤其是在毫米波频段，传输电路和封装电路结构中有可能存在多种类型的电磁场高次模式或寄生模式，这些模式的存在会影响和干扰电路的正常工作，情况严重时甚至会恶化整个系统及装置的电性能。所以在具体的电路结构中分辨这些对电路有重大影响的寄生模式的类型，寻找出其激发的机制，是理解寄生模式本身以及找出相应的抑制措施来改善电路性能的一个关键。

LTCC技术发展到毫米波频段后，一个不容忽视的问题就是LTCC多层介质电路结构中的电磁兼容和电磁干扰的问题，这里主要理解为电磁场串扰影响或者高次模式和寄生模式的影响。传输电路结构的不连续性极易在这种多层结构中激发起高次模或寄生模式，当其对电路的影响比较严重时，不得不进行考虑和对这些寄生模式展开进一步的研究，以提出适当的抑制措施，最大限度地减小寄生模式的影响，改善电路性能。对寄生模式的分析和研究也将是理解和改善电磁兼容和信号完整性，从而改善整个集成电路性能的关键。

(四)收发组件的结构布局设计

如果将整个毫米波收发组件集成在多层LTCC基板上，高密度的多层封装结构和多频率信号的传输将会导致严重的电磁窜扰（EMI）问题。因此如何将组件中的各单元子电路进行合理布局，将会成为实现LTCC收发组件另一至关重要的问题。

毫米波LTCC收发组件的规划结构布局截面示意图

1.整体上采用有源电路表面安装，无源元件大量埋置的实现方式。这里有源电路主要是表面贴装元件（SMD）和微波单片集成电路（MMIC），实现组件中信号放大，混频及信号通路的选择切换等功能；而无源元件如滤波器，层间互连等则埋置在层间，节省了表面空间。

2.组件中微波毫米波信号的传输主要集中在表面微带线上，LTCC基板中第n层为层间埋置地结构，而直流偏置网络埋置在第n层以下，并通过金属填充通孔与表面元件连接。层间埋置地一方面起到表面微带线地的作用，另一方面将组件中射频部分与直流部分进行了有效的整体隔离。埋置地以上为主要存在微波毫米波信号，而地结构以下主要是由埋置厚膜电阻构成的直流偏置网络。这种布局非常有利于整个组件电磁窜扰状况的改善。

3.由于LTCC工艺的限制，集成在基板中滤波器无法用分腔隔离的方法来解决EMI问题。因此，在滤波器周围采用接地金属填充通孔阵列的结构来对滤波器进行电磁屏蔽。

4.组件的散热问题。对于发热量不是很大的有源电路单元可采用散热通孔解决，这种结构完全符合LTCC工艺规范。发射支路末级的大功率功放单片可考虑将其焊在载体上，并将其所在区域的基板掏空，直接固定在金属腔体上。

(五)基板散热和损耗问题研究

虽然LTCC基板比传统的PCB板在散热方面已经有了很大的改进，但由于集成度高、层数多、器件工作功率密度高，LTCC基板的散热仍是一个关键问题，成为影响系统工作稳定性的决定因素之一。目前解决散热的方法主要是采用热通孔。在LTCC基板上打孔，向孔中加人Ag、Au、Cu等高导热的金属材料，这样可有效改善基板在叠层方向的散热性，但层面散热仍未解决。为了使层面的散热也得到改善，最常用的方法是在基板的背面镀以良导热性金属薄片，增大二维方向散热率。较为复杂的方法还有在LTCC基板材料中引人少量高导热率材料形成复合基板材料。但引入高导热材料易使LTCC材料烧结温度提高，故此方法不常使用。另外由于采用厚膜印刷工艺，所以导体材料本身就必然会带来一定的损耗，虽然在微波频段不是很明显，但是当到了毫米波频段的时候问题就比较突出。这个问题如果不很好的解决，就会严重影响系统的整体特性，这个问题除了在工艺方面改进以外，还应该特别注意

在设计电路拓扑的时候采用合适的方案。

相控阵天线的馈电选取方式

由于相控阵天线一般包含大量的天线单元，在发射机、接收机与天线阵各单元之间有一个多路的馈线系统，该馈线系统包括发射馈线、接收馈线、收发公用馈线和监测馈线。对于发射天线阵来说，在采用集中式发射机的情况下，在发射机与天线单元之间必须要有一个功率分配网络，将发射信号由发射机输出端传送至各个天线单元。因此，功率分配网络是发射馈线系统的一个主要组成部分。在有源相控阵发射天线阵的每一天线单元通道中的发射组件，是发射相控阵天线馈线系统的重要组成部分。对于接收天线阵而言，由于各个天线单元接收的信号，在经过移相器后，必须经过功率相加网络，实现同相相加，然后再传送到接收输入端。对于要形成的多个接收波束，如单脉冲测角需要的和波束（∑）、方位差波束（?A）、仰角差波束（?E），或多个并行排列的波束时，功率相加网络更复杂一些，是一个具有N 个输入端和M个输出端的微波网络。

根据馈电选取方式不同，相控阵天线的馈电方式可以分为

1)强制馈电方式

2)空间馈电方式

3)视频馈电方式

4)光纤馈电方式

针对本项目的应用背景要求，拟采用强制馈电方式。采用基于LTCC技术的带状线馈电系统实现功率分配网络（对发射阵）或功率相加网路（对接收阵）已完成对发生信号的分配或接收信号的相加。

三、国外相关进展

以下是德国著名IMST公司有关LTCC组件产品的相关报道。

1)蓝牙模块

2)FMCW Radar Sensor

3)LMDS Transceiver

4)Point-to-Point Transceiver

5)4*4阵列天线

相控阵天线的平台布局仿真设计

相控阵天线的平台布局仿真设计Simulation and Design of the phased array antenna placement 王真刘志惠 (南京电子技术研究所南京210039) 摘要: 随着相控阵天线技术的发展，天线设计工程师除了进行相控阵天线自身性能的详细设计以外，还更多地关注相控阵天线在载体平台上的布局设计，因为这样的载体平台布局设计才决定了相控阵天线最终可实现的性能特性，而非实验室的理论性能。相控阵天线与平台的一体化仿真也越来越借助FEKO等高频电磁仿真软件，本文从具体实例出发，论述了利用FEKO软件对相控阵天线的平台布局进行仿真优化设计。 关键词: 相控阵天线平台布局FEKO Abstract:Along with the development of the phased array antenna technology, phased array antenna design engineers in addition to their own performance of detailed design, also pay more attention to the platform layout of the phased array antenna, because it determines the performance characteristics which the phased array antenna can realize, not the theoretical performance of laboratory. The platform layout simulation of phased array antenna is becoming more and more with the help of a high frequency electromagnetic simulation software FEKO, etc, starting from the concrete examples, this paper discusses the platform layout of phased array antenna simulation optimization design by using FEKO. Key words:phased array antenna，platform layout，FEKO 1 概述 随着相控阵天线技术的发展，天线设计工程师除了进行相控阵天线自身性能的详细设计以外，还更多地关注相控阵天线在载体平台上的布局设计，因为这样的载体平台布局设计才决定了相控阵天线最终可实现的性能特性，而非实验室的理论性能。 相控阵天线按照载体的不同可以分为地基固定、车载、机载、星载等不同类型，每一种类型的相控阵天线都会遇到需要连带载体一起进行的平台布局设计。而这样的平台布局设计所依赖的仿真软件一定要具备足够强大的仿真运算能力，可以进行平台级别的电磁仿真能力。相控阵天线按照工作体制可以分为无源相控阵天线和有源相控阵天线，其中有源相控阵

5G集成相控阵天线：设计,制造和测试

Received February6,2020,accepted March4,2020,date of publication March13,2020,date of current version March25,2020. Digital Object Identifier10.1109/ACCESS.2020.2980595 Research on Structurally Integrated Phased Array for Wireless Communications QING-QIANG HE1,SHUAI DING2,CHEN XING1,JUN-QUAN CHEN1,GUO-QING YANG1,AND BING-ZHONG WANG2,(Senior Member,IEEE) 1Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu610036,China 2Institute of Applied Physics,University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu610054,China Corresponding authors:Qing-Qiang He(heqingqiang518@https://www.sodocs.net/doc/e114252959.html,)and Shuai Ding(uestcding@https://www.sodocs.net/doc/e114252959.html,) This work was supported in part by the National Natural Science Foundation of China under Grant61601087,in part by the Fundamental Research Funds for the Central Universities under Grant ZYGX2019Z016,and in part by the Sichuan Science and Technology Program under Grant2018GZ0518and Grant2019YFG0510. ABSTRACT Structurally integrated antenna is a kind of highly integrated microwave device with a load-bearing function,and it is usually installed on the structural surface of the air,water and ground vehicles.This paper presents the design,fabrication and testing of a novel structurally integrated Ka-band active antenna for airborne5G wireless communications.The proposed antenna is mainly composed of three parts:a package layer,a control and signal process layer and a RF layer.In the RF layer,the microstrip antenna array,tile transmitting(Tx)modules,micro-channel heat sinks and a stripline feeding network are highly integrated into a functional block with a thickness of2.8mm.Electromechanical co-design methods are developed to design the active antenna array with the superstrates,and two schemes for designing micro-channel heat sinks are evaluated to obtain a uniform temperature distribution.The RF layer is fabricated by using the low-temperature co?red ceramic process,and the three layers are assembled to form the full-size antenna prototype.The mechanical and electromagnetic experiments are carried out,and the results demonstrate the feasibility of the structurally integrated active antenna for airborne wireless communications. INDEX TERMS5G communications,phased array antenna,structurally integrated active antenna,low-temperature co?red ceramic(LTCC),micro-channel heat sinks. I.INTRODUCTION Signi?cant momentum has started to build around the5G wireless communication technologies for delivering mobile experience differentiation by providing higher data rates, lower latency,and improved link robustness[1],[2].In this regard,millimeter-wave phased array antenna is a very promising solution for5G wireless communications,due to the wide bandwidths and steerable beams.The millimeter-wave phased array antenna can be applied to realize the wireless connection between the base stations and wireless terminals in a mobile vehicle such as the aircraft,high-speed train,car,and ship.Moreover,it can be continuously steered to the base stations,which could guarantee reliable connec-tions in these mobile environments[3]–[5].In addition,the multi-gigabits-per-second data speeds in5G will provide new wireless communication applications such as uncompressed video streaming,mobile distributed computing,fast large?le The associate editor coordinating the review of this manuscript and approving it for publication was Yasar Amin.transfer,and of?ce in a high-speed mobile environment[6]. However,because of the limited space in a mobile vehicle like the aircraft,the phased array antenna is usually required to have a compact size,light weight and easy installation[7]. In this condition,it is highly desirable to use structurally integrated active antennas for5G wireless communications in a mobile vehicle. Structurally integrated active antennas can embed an active planar printed antenna into the structural surface of the aircraft,high-speed train,car,ship,and armored vehi-cles[8]–[11].For example,the active microstrip antenna array is integrated into the wing or fuselage of an aircraft. Compared with the antennas mounted on the structural sur-face,structurally integrated active antenna features several advantages such as reduced weight,volume and aerodynamic drag.Structurally integrated active antenna is a kind of highly integrated antenna,which receives great attention in recent years.Antenna-on-chip(AoC)and antenna-in package(AiP) solutions are two commonly used techniques to realize the highly integrated antennas[12]–[14].Compared to AiP,AoC VOLUME8,2020 This work is licensed under a Creative Commons Attribution4.0License.For more information,see https://https://www.sodocs.net/doc/e114252959.html,/licenses/by/4.0/52359

CST-偶极子相控阵天线的仿真及优化

实验报告 学生：学号：指导教师： 实验地点：实验时间： 一、实验室名称： 二、实验项目名称：微波工程CAD实验 三、实验学时：20 四、实验原理： CST仿真软件是基于有限积分法，将整个计算区域离散化并进行数值计算，模拟各种实际器件得出场分布及其各种参数的特性曲线，最后可根据实际要求对所得结果进行优化，得出最优化下的器件尺寸参数。 本次实验利用CST对偶极子相控阵天线及微带到波导转换模型进行了仿真模拟，以此来掌握CST的应用。 五、实验目的： 了解并掌握CST仿真软件的基本操作，学习利用CST仿真软件进行一些简单的工程设计。 六、实验容： 第一题偶极子相控阵天线的仿真与优化：①偶极子天线尺寸如下图，在4~12GHz的频率围，请优化单个偶极子天线的工作频率谐振在f0=8GHz，待优化的变量Lambda初值取为29mm，绘出在该工作频率点的方向图；②将该单个天线在x和y方向分别以Lambda/4作为空间间隙、以90度作为相位间隙，扩展成一个2*2的相控阵天线阵，请使用三种方法计算该天线阵的方向图；③对结果进行比较、分析和讨论。

第二题微带到波导转换的仿真与优化：在26~30GHz频率围优化下图微带到波导的转换，使全频带反射最小，并绘出中心频点28GHz的电场、磁场与表面电流的分布；微带是Duroid5880基片，介电常数2.2，基片厚0.254mm，金属层厚0.017mm，介质上的空气尺寸3*1*8mm，标准50欧姆微带线宽0.77mm；波导是Ka波段的BJ320波导，尺寸7.112*3.556*10mm；L 是微带基片底面到波导短路面距离，W0*L0是伸入波导中的微带探针的宽与长，W1*L1是第一段变阻线的宽与长，W2*L2是第二段变阻线的宽与长，7个待优化变量可取下图给的初值。 七、实验器材（设备、元器件）： 台式计算机；CST Design Environment 2009仿真软件；U盘（学生自备）。 八、实验步骤： 第一题：偶极子相控阵天线的仿真 a.单个偶极子天线模型 单个偶极子天线方向图

有源相控阵天线G-T测量及误差分析

有源相控阵天线G/T值测量及误差分析 任冀南秦顺友陈辉吴伟伟 (中国电子科技集团公司第54研究所，河北石家庄050081 ) 摘要：简述了地面站天线系统G/T值测量的传统方法。论述了室外远场直接法测量有源相控阵天线G/T值的原理方法，推导出测量的原理方程。分析了G/T值测量误差，其均方根误差小于或等于±0.422dB。最后给出了S波段19元阵天线系统G/T测量结果，实测结果与预算结果吻合很好。 关键词：有源相控阵天线；G/T测量；误差分析 G/T Measurement and Error Analysis for Active Phased Array Antenna REN Ji-nan, QIN Shun-you, CHEN Hui, WU Wei-wei (The Fifty Fourth Institute of CETC, Shijiazhuang Hebei 050081, China ) Abstract: In this paper, traditional measurement methods are described simply for earth station system G/T value. Measuring principle and procedure of active phased array antenna G/T value are discussed using outdoor direct far-field method, and measuring principle equation is derived. Error of G/T value measurement is analyzed, and results show that RMS error of G/T value measurement is less than or equal to ±0.422dB. Measuring result of S-band 19-unit array antenna G/T value is given, test result agrees with prediction result. Key words：active phased array antenna; G/T measurement; error analysis 引言 G/T是地面站系统的重要性能参数之一，其性能好坏直接影响系统的灵敏度。目前G/T值传统的测量方法有间接法和直接法[1][2][3]。所谓间接法就是分别测量出天线接收增益和系统噪声温度，从而计算系统G/T值的方法；直接法又可细分为卫星载噪比法和射电源法。卫星载噪比法就是直接测量地面站天线接收卫星信号的载噪比，从而确定G/T值的方法，该方法非常适合卫星通信地面站天线系统G/T测量；射电源法就是测量地面站天线指向射电星和冷空时的Y因子，从而计算G/T值的方法。由于射电源的信号很微弱，对于小型地面站，其系统G/T很小，则很难观测到射电源的信号[4]。 对于有源相控阵天线，因其射频单元与天线单元集成在一起，其天线测试方法不同于常规的无源天线测量[5][6]。对于有源相控阵天线系统G/T 值测量，无法采用间接法测量系统G/T值；另外如果天线工作频段与卫星频段不符，且系统G/T 值较小，则采用卫星载噪比或射电源法测量其G/T值具有局限性。为此我们提出了在室外远场直接法测量有源相控阵天线G/T值的方法。实践证明：该方法是切实可行的，在G/T值测量中值得推广和应用。 1 测量原理和方法 图1所示为室外远场法测量有源相控阵天线G/T值原理方框图。 图1 室外远场法测量相控阵天线G/T值原理方框图图1中，R为测试距离，R应满足远场测试距离条件，即R≥2D2/λ（D为待测天线最大尺寸，λ为工作波长）。由功率传输方程可得：频谱分析仪测量的载波功率C为[7]： RF P net S t L L GG G P C （1) 式中： 相控阵天线 标准天线 R

扫描法测量有源相控阵天线方向图及误差分析

扫描法测量有源相控阵天线方向图及误差分析 摘要：本文从单元一致性、地面反射、测量天线相位中心误差和方向图等方面分析了波束扫描法的误差来源，讨论了减小误差的方法，给出了改进后的实测方向图，结果表明，该方法原理简单、实施有效，对外场测量大尺寸阵列天线方向图具有重要意义。 【关键词】有源相控阵扫描法误差分析地面反射 1 引言 随着大规模相控阵天线的应用，在外场不具备精确坐标测量条件时，仅有测量天线情况下，波束扫描法可以准确的测量大型有源相控阵天线方向图，其测量误差主要来自单元一致性、地面反射、测量天线、相位中心等。 2 扫描法测量方向图基本原理 被测天线有N个距离为d的单元组成，如图1所示。根据相控阵天线理论，天线方向图为： 天线方向图F（θ，φ0）是指固定波束指向φ=φ0，阵列天线对不同方向电磁波响应的集合；而扫描方向图F（θ0，φ）是指连续调整波束指向，阵列天线对固定方向θ=θ0电磁波响应的集合。可以证明，不考虑单元方向图、地面反射等影响，天线方向图F（θ，φ0）与扫描方向图F（θ0，φ）

相等。 3 波束扫描法测量方向图误差分析 单元一致性主要通过单元方向图Fi（θ，φ）对扫描法测量精度产生影响，这是由于天线单元一致性差别及阵列中互耦环境的变化引起的。 地面反射通过多径效应影响扫描法测量误差。架设测量天线应满足远场条件，有条件时，在阵面前方的合适位置摆放一定高度的“吸波墙”。 几何中心与相位中心的偏移造成最大电平的偏移，影响扫描法测量的精度，如图2所示。因此，若外场不具备坐标精确测量的条件，可以优先通过扫描法对准测量天线相位中心与被测天线相位中心。 测量天线的方向性及有限的波束宽度影响扫描法在多大的角度范围内有效。为减小这一误差，测量天线方向图不宜过窄，对整个阵面单元的最大张角须控制在一个较小的范围以内。 4 实验与结论 以测量现有的一个全数字有源相控阵方向图验证了波束扫描方法的有效性，该阵列为24×1的线阵，得到接收均匀加权方向图如图3所示。结果均表明，线阵接收扫描方向图与天线实际方向图吻合良好，表明该测试方法在外场测试有较高的精度。

数字相控阵天线测试平台

龙源期刊网 https://www.sodocs.net/doc/e114252959.html, 数字相控阵天线测试平台 作者：戴海青胥志毅吴鸿超 来源：《电子技术与软件工程》2017年第15期 摘要：现代大型数字相控阵天线中，天线内的TR组件数目庞大同时工作频带很宽，阵面的暗室测试工作十分繁琐，工作量巨大。为简化测试过程，提高测试效率，文中对数字相控阵天线阵面的测试方案进行了研究，提出并搭建了一套测试平台，通过对天线阵面样机的试验，验证了测试方法的高效率和正确性。 【关键词】相控阵天线天线测试波控 在现代雷达领域，数字相控阵雷达相比较传统的模拟相控阵雷达，在波束扫描的灵活性、系统时问资源利用率以及多功能应用等多个方而有着明显优势。 为了保证数字相控阵天线性能，需完成天线组件的通道数据采集，对整个天线系统的组件相位幅度配平，以及完成对相控阵雷达天线的方向图测试。尤其对于大型相控阵雷达天线而言，测试工作量（尤其在近场测试）按TR组件数目、工作频点数目乘积激增，测试过程非常繁琐。所以建立一种能够快速、准确地测量出数字相控阵天线的特性参数的天线测试平台，对于满足新型数字相控阵雷达的研制十分重要。 1 数字相控阵天线阵面 数字相控阵天线阵而都包含天线罩、天线阵列、结构骨架和高频箱（内部包含了T/R组件、综合网络、阵而电源、阵而监测设备等），其主要功能是： （1）发射时，阵而对发射前级送来的信号进行放大、辐射和空问功率合成。 （2）接收时，阵而将天线接收到的目标回波信号放大，经过数字接收通道转换成数字信号，交由数字波束形成（DBF）形成自适应波束。 数字相控阵天线阵而的测试主要特点：数字相控阵天线阵而，收发波瓣测试时，天线阵而与测试探头之问一个是发射模拟信号，一个则是经过AD采样之后的接收数字IQ信号，二者之问的同步相参需要额外的硬件设备，并经过特殊的数据处理，同时数字相控阵天线阵而控制接口、下行数据接口一般采用光纤形式，需要测试系统满足该要求。 2 测试系统组成和原理框图 根据数字相控阵天线阵而暗室测试的特点，本文设计了一套测试系统，系统框图如图1所示。

相控阵雷达系统的仿真_王桃桃

计算机与现代化 2014年第2期 JISUANJI YU XIANDAIHUA 总第222期 文章编号：1006- 2475（2014）02-0209-04收稿日期：2013-09-29作者简介：王桃桃（1989-），女，江苏沭阳人， 南京航空航天大学自动化学院硕士研究生，研究方向：雷达系统仿真；万晓冬（1960-），女，江苏南京人， 副研究员，硕士生导师，研究方向：分布式仿真技术，实时分布式数据库技术，嵌入式软件测试技术；何杰（1988- ），男，安徽铜陵人，硕士研究生，研究方向：机载红外弱小目标检测，三维视景仿真。相控阵雷达系统的仿真 王桃桃，万晓冬，何 杰 (南京航空航天大学自动化学院，江苏南京210016) 摘要：雷达的数字仿真及雷达仿真库的建立已经成为近年来雷达领域研究的热点。本文主要进行相控阵雷达系统的仿真研究。首先根据相控阵雷达的组成和原理，建立相控阵雷达的仿真模型与数学模型。然后选择Simulink 作为仿真平台，对相控阵雷达系统进行仿真与研究。仿真的模块主要有天线模块、信号环境模块、信号处理模块以及GUI 人机交互界面模块。最终在Simulink 库中生成自己的雷达子库，形成相控阵雷达系统，为后续相控阵雷达的研究奠定基础。关键词：雷达;相控阵;信号处理中图分类号：TP391．9 文献标识码：A doi :10．3969/j．issn．1006-2475．2014．02．047 Simulation of Phased Array Ｒadar Systems WANG Tao-tao ，WAN Xiao-dong ，HE Jie （College of Automation Engineering ，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics ，Nanjing 210016，China ）Abstract ：The digital simulation of radar and the establishment of radar simulation libraries has become research hot spot in radar field in recent years．This paper mainly focuses on phased array radar system simulation．According to the composition and prin-ciple of phased array radar ，it establishes the simulation model and mathematical model of phased array radar．Then ，the paper does simulation and research on phased array radar system by choosing Simulink as the simulation platform．The simulation mod-ule mainly includes the antenna module ，the signal environment module ，the signal processing module and GUI man-machine in-terface module．Eventually it generates radar sub-libraries and forms phased array radar system ，which lay the foundation for fol-low-up phased array radar study． Key words ：radar ；phased array ；signal processing 0引言 计算机仿真技术应用于雷达源于20世纪70年代，国内雷达仿真起步较晚，仿真主要是基于SPW 、Matlab 、Simulink 、ADS 、HLA 等平台，其中Simulink 是一种在国内外得到广泛应用的计算机仿真工具，它支持线性系统和非线性系统，连续和离散事件系统，或者是两者的混合系统以及多采样率系统。ADS （Ad-vanced Design System ）软件可以实现高频与低频、时域与频域、噪声、射频电路、数字信号处理电路的仿真等。SPW （Signal Processing Workspace ）是用于信号处理系统设计的强有力的软件包，在雷达领域有着广泛的应用。HLA （High Level Architecture ）提供了基于分布交互环境下仿真系统创建的通用技术支撑框架， 可用来快速地建造一个分布仿真系统。比较4种仿 真平台，SPW 比较昂贵，只能在Unix 操作系统下使用，HLA 通信协议复杂，不同版本的ＲTI 可能有无法通信的问题。Simulink 应用于雷达仿真比ADS 广泛并易于推广，所以本文采用Simulink 作为仿真平台。 为了进行后期雷达与红外的数据融合，首先需要建立雷达模块以产生雷达数据源，本文根据相控阵雷达的工作原理，采用数字仿真的方法，仿真雷达模块。首先提出相控阵雷达的仿真结构图以及给出各个模块的数学模型，然后根据数学模型，利用Simulink 仿真平台，仿真实现雷达的各组成模块，从而构建一个完整的雷达系统。同时，也可以通过使用S 函数将各个模块封装，然后建成自己的雷达仿真库，从而可以形成不同类型的雷达系统，便于更好地进行雷达系统

相控阵天线的基础理论

第二章相控阵天线的基础理论 相控阵天线是从阵列天线发展起来的，主要依靠相位变化实现天线波束指向在空间的移动或扫描，亦称电子扫描阵列(ESA)天线。虽然用于相控阵雷达的相控阵天线有多种，但相控阵天线均是由多个天线单元，亦称辐射器构成的。天线单元可以是单个的波导喇叭天线、偶极子天线、贴片天线等。在每个天线单元后端都设置有移相器，用来改变单元之间信号的相位关系，信号的幅度变化则通过功率分配/相加网络或者衰减器来实现。在扫描过程中，整个雷达不需要像采用普通阵列天线或者剖物面天线的雷达那样进行机械运动，因此波束指向迅速灵活，且可以实现多波束并行工作，使得雷达具有很强的自适应能力。 在相控阵天线的实际使用过程中，线性相控阵天线平面相控阵天线是较为常见的两种形式。下面分别以这两种形式为例，阐述相控阵天线扫描的基本原理。 2.1相控阵天线扫描的基本原理 2.1.1线性相控阵天线扫描的基本原理 线性相控阵天线广泛应用于一维相控扫描的相控阵雷达中。根据基本的阵列类型，线 性相控阵天线可以划分为垂射阵列和端射阵列。垂射阵列最大辐射方向垂直于阵列轴向，天线波束在线阵法线方向左右两侧进行扫描。相反，端射阵列主瓣方向沿着阵列轴向。由于垂射阵应用最为广泛，因此主要讨论垂射阵。 图2.1是一个由N个天线单元组成的线性阵列原理图，天线单元呈均匀排成一线，途中沿y轴方向按等间距方式分布，天线单元间距为d。每一个天线单元的激励电流为 I i(i =0,1,2,...N -1)。每一单元辐射的电场强度与其激励电流I i成正比。天线单元的方向 图函数用fiG,：)表示。 图2.1 N单元线性相控天线阵原理图 阵中第i个天线单元在远区产生的电场强度为： e丸E i =K i I i fip, ) (2.1) 式中，K i为第i个天线单元辐射场强的比例常数，r i为第i个天线单元至观察点的距离， f i P,)为第i个天线单元的方向图函数，h为第i个天线单元的激励电流，可以表示成为: (2.2) 式中，3i为幅度加权系数，厶B为等间距线阵中，相邻单元之间的馈电相位差，亦称阵内相移值。 在线性传播媒质中，电磁场方程是线性方程，满足叠加定理的条件。因此，在远区观察点P处的总场强E可以认为是线阵中N个辐射单元在P处辐射场强之和，因此有：

相控阵天线集成技术_彭祥龙

相控阵天线集成技术 彭祥龙 ( 西南电子技术研究所 成都 610036 ) 摘 要：低成本、更高频段与可扩展是推动相控阵天线集成技术发展的主要动力。本文综述了砖块式与瓦片式两种相控阵天线集成阵列结构，以及多功能芯片与射频晶圆集成技术的发展，指出开发多功能芯片是当前发展毫米波相控阵天线的重要途径。 关键词：相控阵天线，低成本，集成技术，多功能芯片，毫米波 Phased Array Antennas Integration Technology PENG Xiang-long （Southwest China Institute of Electronic Technology, Chengdu 610036） Abstract ：Low-cost ，higher frequency and scalability are the main impetuses to the development of phased array antennas integration technology. In this paper, the progresses in architecture of phased array antennas (brick-type and tile-type building blocks) and RF circuit integration technology (chips with multi-function and RF-wafer scale integration) are reviewed. Finally, it is pointed out that development of chips performing multi-function is an important way to develop millimeter-wave phased array antennas. Key words ：Phased array antennas, low cost, integration technology, multi-function chips, millimeter-wave 引 言 随着微电子与计算机技术的发展，相控阵系统逐渐应用于战术层面，如战斗机、直升机、无人机、精确制导等领域，通常工作于X 、Ku 与Ka 频段。这些武器平台空间狭小，自身价值有限或者雷达实际使用寿命很短，但是相控阵系统的战术技术指标要求却依然很高。大型天基通信与雷达探测也日益强调采用相控阵技术，成本虽非首要因素，但是体积、重量与功耗要求却非常苛刻。民用智能通信天线尤其关注成本控制。 相控阵天线是相控阵系统的核心部分，特别是两维有源相控阵天线，其集成水平决定了整个系统的性能与成本。工作频率愈高，每个阵元的面积（～λ2/4）愈小，集成度要求愈高。 传统的有源相控阵天线，当应用平台或者功能项目变化，需要扩大或者缩小阵列天线的口径时，除了要增加或减少T/R 组件的数量，还需要重新设计相控阵其它分系统，以适应射频、中频、数字信号与电源接口数量以及负荷能力的变化。开放式可扩展阵列天线，以子阵模块为基本单元，不仅封装了多个相控阵天线通道，还集成了相控阵其它分系统（如波束形成与幅相校正网络，电源、波束控制、频率源、波形产生等）的部分功能，大幅度减少接口类型与数量，实现模块化、通用化，提高可扩展性能。 过去十年间，单片微波集成电路迅速发展，在相控阵天线上得到广泛应用，提高了系统可靠性，减小了体积，降低了重量与成本。但是两维有源相 控阵仍然是代价不菲的，以机载有源相控阵雷达为例，迄今为止，仅仅美国换装了部分战斗机。在保证同样战技指标的条件下，提高相控阵天线集成度是降低成本最有力的措施。 相控阵天线集成阵列结构有两种：砖块式与瓦片式。电路集成技术由多芯片模块（MCM ）向多功能集成芯片与晶圆级单片相控阵发展。 1 阵列结构与封装 将多个通道在电路与结构上封装为一个整体，作为阵列装配的基础积木块或在线可更换单元（LRU ），是相控阵天线最基本的集成手段。基础阵列模块通常集成了多个T/R 组件，射频馈电网络，控制与直流偏置等电路；如果还集成了天线辐射阵元，可称为子阵。 相控阵天线集成的阵列结构有两种：基于砖块式线子阵的纵向集成横向组装；基于瓦片式面子阵的横向集成纵向组装。通常砖块式用于较高频段，瓦片式用于较低频段，但是还要兼顾相控阵天线的且间距小，功耗大，砖块式设计相对容易；通信系统的发射功率要求不高，阵元数少且间距宽，瓦片式集成难度比较小；而共形相控阵天线必须采用瓦片式集成技术。 子阵模块集成能够大幅度减少相控阵天线与波束形成网络、控制电路、电源组件等分系统之间的信号互联，降低损耗，提高效率与电磁兼容水平；减少机械装配结构件，降低重量；简化封装与装配程序，提高相控阵天线的测试性、维修性与可扩展性。在较高的频段，还有利于降低机械公差要求，

相控阵天线协同设计

相控阵天线系统的 协同设计
西安电子科技大学天线系统设计高级培训 2008/06/20
刘 莹 高级应用工程师 aliu@https://www.sodocs.net/doc/e114252959.html, Ansoft公司 Ansoft公司
内容提纲
相控阵天线系统设计挑战 相控阵的协同设计 机载相控阵天线系统设计实例

相控阵天线组成（有源）
相控阵天线组成（无源）

相控阵天线系统概述
运载平台 有源通道 天线阵列
模块级设计要点
T/R 模组 天线阵列
6）通道宽带化设计 7）大功率射频发射模块：TWT, 铁氧体移相器，PA（无源） 8）基于MMIC的T/R模块（有源相控阵） ）基于MMIC的T/R模块（有源相控阵） 9）天线信号处理与DBF技术（有源相控阵） ）天线信号处理与DBF技术（有源相控阵）
1）单元超宽带设计 2）阵列高增益、低副瓣 3）方向图赋形 4）扫描盲区预评估 5）低天线RCS ）低天线RCS

系统级设计难点
1）天线与有源T/R模组的相互作用（有源） ）天线与有源T/R模组的相互作用（有源） 2）T/R模组的系统稳定性（有源） T/R模组的系统稳定性（有源） 3）带运载平台的方向图畸变 4）评估带运载平台的天线系统的扫描盲区 5）对飞机内电缆的电磁干扰（EMI） ）对飞机内电缆的电磁干扰（EMI）
先进的协同设计功能
Ansoft确保相控阵天线系统设计成功的三大特有仿真技术 Ansoft确保相控阵天线系统设计成功的三大特有仿真技术 Dynamic Link － 解决T/R模组的系统稳定性设计 解决T/R模组的系统稳定性设计
Technology that provides bi-directional connection between circuit and electromagnetic simulators. Fully parameterized electromagnetic models are linked to circuits with parameters passed to the electromagnetic simulator and S-parameter results passed back.
Pushed Excitations －T/R模组的副相误差对天线副瓣的影响 T/R模组的副相误差对天线副瓣的影响
Technology that allows results from combined circuits and electromagnetic simulations to produce fields and radiation.
Data Link －运载平台与天线系统间的相互作用
Couples multiple 3D EM simulation projects by linking tangential fields on the outer surface of one project to another. This linkage between projects allows engineers to simulate very large and complex geometries efficiently.

有源相控阵天线的近场校准

doi:10.3969/j.issn.1001-893x.2016.04.018 引用格式:焦禹,陈文俊.有源相控阵天线的近场校准[J].电讯技术,2016,56(4):453-457.[JIAO Yu,CHEN Wenjun.Near-field calibration of active phased array antenna[J].Telecommunication Engineering,2016,56(4):453-457.] 有源相控阵天线的近场校准* 焦禹**,陈文俊 (南京船舶雷达研究所,南京210015) 摘要:为实现对相控阵天线的校准，降低幅相误差和阵元失效对天线性能的影响，提出了一种考虑互耦效应的近场校准方法三在利用近场扫描法完成逐一通道校准的基础上，使用旋转矢量法进行二次校准三在应用旋转矢量法（REV)时，为使被测信号的变化明显，将大规模相控阵天线分为中间二边缘区域进行分区校准三通过二次校准可判定阵元是否失效，提高相控阵天线的幅相一致性；通过分区校准减小阵元间互耦的影响，缩短校准时间三仿真结果表明：此方法用于大型相控阵的校准具有较高的准确性，可改善校准结果三 关键词:相控阵天线校准；旋转矢量法；近场扫描法；互耦效应；幅相一致性 中图分类号:TN820 文献标志码:A 文章编号:1001-893X(2016)04-0453-05 Near-field Calibration of Active Phased Array Antenna JIAO Yu,CHEN Wenjun (Nanjing Marine Radar Institute,Nanjing210015,China) Abstract:In order to calibrate the phased array antenna and reduce the impact of element failure and am-plitude-phase errors,this paper proposes a calibration method which considers the mutual coupling.On the basis of the calibration with the near-field scanning method,the elements is calibrated by the rotating ele-ment electric-field vector(REV)method.With the REV method,the large-scale phased array antenna is distributed into some small areas such as middle areas and edge areas to make the signal vary more signifi-cantly.The re-calibration method can find out the failure elements and improve the phased array antenna＇s amplitude-phase consistency.The calibration of sub-region with the REV method can diminish the effect of the mutual coupling and shorten the calibration period.The simulations validate that the method has a good accuracy to calibrate the large-scale phased array antenna and can improve the calibration results. Key words:phased array antenna calibration;rotating element electric-field vector method;near-field scanning method;mutual coupling effect;amplitude-phase consistency 1 引言 由于制造公差和天线互耦的影响,天线各通道间通常存在较大的幅相误差,因此需对其进行校准,使天线性能达到设计要求三现阶段常用的天线校准方法有快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform, FFT)法二矩阵求逆法二近场扫描法二旋转矢量法二互耦校准法二换相法等[1-2]三近场扫描法[2-3]操作简单,但忽略阵元间存在的互耦效应,因此难以精确地修正通道间的幅相误差三文献[4]提出的互耦技术校准无需外场测量装置,但要求各阵元通道可以独立控制其工作状态,仅适用于相控阵天线的机内测试系统三文献[5]介绍的换相法通过引入Walsh函 四354四 第56卷第4期 2016年4月电讯技术 Telecommunication Engineering Vol.56,No.4 April,2016 * **收稿日期:2015-09-24;修回日期:2015-12-16 Received date:2015-09-24;Revised date:2015-12-16通信作者:jiaoyu0918@https://www.sodocs.net/doc/e114252959.html, Corresponding author：jiaoyu0918@https://www.sodocs.net/doc/e114252959.html,