阅读说明：本技术 一种集成毫米波瓦片式tr组件 (Integrated millimeter wave tile formula TR subassembly ) 是由 郑轶 于 2019-11-08 设计创作，主要内容包括：本发明涉及无线通信设备技术领域,具体涉及一种集成毫米波瓦片式TR组件。包括瓦片式叠层布设的公共输入端口、供电与控制信号端口、控制模块、毫米波电路模块和发射输出端口,毫米波电路模块包括一分二功分器、一分八功分器和一分四功分集成芯片,一分四功分集成芯片内集成有一分四功分器、VM移相器和功率放大电路,毫米波发射信号从公共输入端口接入,并通过一分二功分器、一分八功分器和一分四功分集成芯片功分成六十四路发射信号,控制模块对VM移相器对毫米波发射信号进行幅相调整。本发明可以有效提高TR组件的集成度,具有高集成、低剖面、轻量化、高效率的优点,适应新的系统设备平台对相控阵天线的应用需求。(The invention relates to the technical field of wireless communication equipment, in particular to an integrated millimeter wave tile type TR component. The millimeter wave transmission signal is accessed from the common input port and is divided into sixty-four paths of transmission signals through the one-two power divider, the one-eight power divider and the one-four power dividing integrated chip, and the control module adjusts the amplitude and phase of the millimeter wave transmission signal by the VM phase shifter. The invention can effectively improve the integration level of the TR component, has the advantages of high integration, low profile, light weight and high efficiency, and meets the application requirements of a new system equipment platform on the phased array antenna.)

一种集成毫米波瓦片式TR组件

技术领域

本发明涉及无线通信设备技术领域，具体涉及一种集成毫米波瓦片式TR组件。

背景技术

随着毫米波相控阵天线技术的发展，其在通讯及数据传输等系统设备中的应用逐渐普及，其灵活便捷的电子波束扫描体制替代了传统的固定波束天线结合机械扫描的体制，满足高速率、高精度、高可靠的应用需求。但平台载体及其应用场景与环境的综合化、复杂化、多元化演变，对装载的相控阵天线的功能、性能及平台适应性提出了新的严苛要求，如低剖面、小型化、轻量化、低功耗等。因毫米波频段波长小，为适应应用需求，通道之间的间距受到限制，同时毫米波电路受到寄生参数的影响很大，性能指标的实现很大程度取决于加工制造的工艺能力。精密加工和微组装工艺是研制毫米波器件、组件必不可少的环节。作为相控阵天线核心部件的TR组件，若采用现有成熟的砖块式集成方式，沿信号的传输方向纵向实现电路布局，横向组合装配为阵面，将需要足够的纵向空间开展分部件布局、连接，从而引入较大的厚度尺寸，使相控阵天线体积较大；同时，纵向布局的装配形式使TR组件的工程实现十分依赖金属腔体及***结构，引入较大的重量；此外，沿信号传输方向的纵向布局形式，使组件内的元器件功能单一、布局分散，尽管有利于性能稳定性设计与布线设计，但集成度较低，使用元器件数量较大，不利于低成本、批量化制造。因此，现有的砖块式TR组件纵存在向尺寸大、重量大、集成度低、效率低、成本高等缺陷，使其无法适应新一代的系统设备平台对相控阵天线的应用需求。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种集成毫米波瓦片式TR组件，其应用时，可以有效提高TR组件的集成度，具有高集成、低剖面、轻量化、高效率的优点，适应新的系统设备平台对相控阵天线的应用需求。

本发明所采用的技术方案为：

一种集成毫米波瓦片式TR组件，包括公共输入端口、供电与控制信号端口、控制模块、毫米波电路模块、发射输出端口和供电模块，所述毫米波电路模块包括一分二功分器、一分八功分器和一分四功分集成芯片，所述公共输入端口一端用于接入毫米波发射信号，另一端连接一分二功分器的输入端，所述一分二功分器的两个输出端分别连接一个一分八功分器，各一分八功分器的输出端再分别连接一个一分四功分集成芯片，在每个一分四功分集成芯片内集成有一分四功分器、VM移相器和功率放大电路，一分四功分器四个输出端的发射通道内均连接有VM移相器和功率放大电路，VM移相器用于对一分四功分器输出的毫米波发射信号进行幅相调整，功率放大电路用于对相位调整后的毫米波发射信号进行功率放大，功率放大电路的输出端连接发射输出端口，公共输入端口接入的毫米波发射信号通过一分二功分器、一分八功分器和一分四功分集成芯片功分成六十四路毫米波发射信号，分别通过六十四个发射输出端口输出，所述供电与控制信号端口一端用于接入外部供电和遥测遥控指令，另一端分别连接供电模块和控制模块并传输遥测遥控指令至控制模块，控制模块的输出端对接VM移相器，控制模块用于接收处理遥测遥控指令，并根据遥测遥控指令控制VM移相器对毫米波发射信号进行幅相调整，所述供电模块接入外部供电，并为控制模块和毫米波电路模块供电，所述公共输入端口、供电与控制信号端口、控制模块、毫米波电路模块、发射输出端口和供电模块分层布设，并垂直互连形成3D叠层的瓦片式架构。

作为上述技术方案的优选，还包括结构腔体、盖板、波控子板、供电分配电路板、低频控制电路板和高频电路板，所述公共输入端口集成在盖板上，所述供电与控制信号端口集成在波控子板上，所述供电模块集成在供电分配电路板上，所述控制模块集成在低频控制电路板上，所述毫米波电路模块集成在高频电路板上，所述供电分配电路板、低频控制电路板和高频电路板均布设在结构腔体内，波控子板连接在盖板上，盖板与结构腔体密封盖合。

作为上述技术方案的优选，所述供电分配电路板、低频控制电路板和高频电路板依次垂直互连设置在结构腔体内，供电分配电路板靠近盖板端，高频电路板设在结构腔体的内底端，在波控子板上的供电与控制信号端口插有微矩形连接器，波控子板与供电分配电路板通过穿过盖板的排针垂直互连，微矩形连接器用于接入遥测遥控指令和外部电源，外部电源传至供电分配电路板，波控子板上的公共输入端口依次穿过盖板、电分配电路板和低频控制电路板，最终与高频电路板对接。

作为上述技术方案的优选，在结构腔体的底板上设有8×8分布的六十四个发射输出端口，发射输出端口与结构腔体的高频电路板对接。

作为上述技术方案的优选，所述结构腔体与盖板之间、盖板与波控子板之间均通过螺栓紧固连接。

作为上述技术方案的优选，所述一分四功分集成芯片采用SOC芯片，在高频电路板上共集成十六个SOC芯片、两个一分八功分器和一个一分二功分器。

作为上述技术方案的优选，在一分二功分器的两个输出端分别连接有驱动放大芯片，用于对一分二功分器输出的毫米波发射信号进行驱动放大。

作为上述技术方案的优选，所述控制模块包括DAC数模转换芯片，在低频控制电路板上共集成四个DAC数模转换芯片，每个DAC数模转换芯片对应控制四个SOC芯片内的共十六个VM移相器。

作为上述技术方案的优选，所述十六个SOC芯片可分别选取不同的功率等级，使对应发射输出端口输出不同功率的毫米波发射信号。

作为上述技术方案的优选，所述公共输入端口和发射输出端口均采用同轴连接器。

本发明的有益效果为：

本发明应用时，毫米波发射信号经公共输入端口进入毫米波瓦片式发射组件，通过一分二功分器分成两路信号；两路信号再分别经一分八功分器分配至十六个四通道合一的一分四功分集成芯片；在每个一分四功分集成芯片中，信号经过一分四功分后分配至四个发射通道；在每个通道内通过VM移相器配置相位与幅度，再经末级功率放大电路放大后通过发射输出端口输出至外部连接的天线单元，通过这样的信号通道结构设计，既能满足TR组件高速率、高精度、高可靠的应用需求，又便于高效集成六十四个标准发射通道的毫米波瓦片式TR组件，能有效提高集成度，同时，通过将将公共输入端口、供电与控制信号端口、供电模块、控制模块、毫米波电路模块和发射输出端口各自分层布局在盖板、波控子板、供电分配电路板、低频控制电路板、高频电路板及结构腔体上，并通过垂直互连实现3D叠层的瓦片式构架，可以有效减少TR组件的纵向尺寸和重量，大幅提高组件集成度，标准化的构架还可大幅节省批量生产成本，能很好地适应新一代系统设备平台对相控阵天线的应用需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的信号传输结构示意框图；

图2为本发明的集成结构***图；

图3为波控子板连接结构示意图；

图4为发射输出端口的设置结构示意图；

图5为实施例3中TR组件扩展应用阵列布局示意图。

图中：1、结构腔体；2、盖板；3、供电分配电路板；4、低频控制电路板；5、高频电路板；6、波控子板；7、SOC芯片；8、DAC数模转换芯片；9、排针；10、微矩形连接器；11、公共输入端口；12、发射输出端口。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步阐述。在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。本文公开的特定结构和功能细节仅用于描述本发明的示例实施例。然而，可用很多备选的形式来体现本发明，并且不应当理解为本发明限制在本文阐述的实施例中。

应当理解，术语第一、第二等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。尽管本文可以使用术语第一、第二等等来描述各种单元，这些单元不应当受到这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个单元和另一个单元。例如可以将第一单元称作第二单元,并且类似地可以将第二单元称作第一单元，同时不脱离本发明的示例实施例的范围。

应当理解，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，单独存在B，同时存在A和B三种情况，本文中术语“/和”是描述另一种关联对象关系，表示可以存在两种关系，例如，A/和B，可以表示：单独存在A，单独存在A和B两种情况，另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”关系。

应当理解，在本发明的描述中，术语“上”、“竖直”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系，是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

应当理解，当将单元称作与另一个单元“连接”、“相连”或“耦合”时，它可以与另一个单元直相连接或耦合，或中间单元可以存在。相対地，当将单元称作与另一个单元“直接相连”或“直接耦合”时，不存在中间单元。应当以类似方式来解释用于描述单元之间的关系的其他单词(例如，“在……之间”对“直接在……之间”,“相邻”对“直接相邻”等等)。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本文使用的术语仅用于描述特定实施例，并且不意在限制本发明的示例实施例。如本文所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”意在包括复数形式，除非上下文明确指示相反意思。还应当理解术语“包括”、“包括了”、“包含”、和/或“包含了”当在本文中使用时,指定所声明的特征、整数、步骤、操作、单元和/或组件的存在性,并且不排除一个或多个其他特征、数量、步骤、操作、单元、组件和/或他们的组合存在性或增加。

还应当注意到在一些备选实施例中，所出现的功能/动作可能与附图出现的顺序不同。例如,取决于于所涉及的功能/动作,实际上可以实质上并发地执行,或者有时可以以相反的顺序来执行连续示出的两个图。

在下面的描述中提供了特定的细节,以便于对示例实施例的完全理解。然而,本领域普通技术人员应当理解可以在没有这些特定细节的情况下实现示例实施例。例如可以在框图中示出系统，以避免用不必要的细节来使得示例不清楚。在其他实施例中，可以不以非必要的细节来示出众所周知的过程、结构和技术，以避免使得示例实施例不清楚。

实施例1：

本实施例提供了一种集成毫米波瓦片式TR组件，如图1所示：

包括公共输入端口、供电与控制信号端口、控制模块、毫米波电路模块、发射输出端口和供电模块，所述毫米波电路模块包括一分二功分器、一分八功分器和一分四功分集成芯片，所述公共输入端口一端用于接入毫米波发射信号，另一端连接一分二功分器的输入端，所述一分二功分器的两个输出端分别连接一个一分八功分器，各一分八功分器的输出端再分别连接一个一分四功分集成芯片，在每个一分四功分集成芯片内集成有一分四功分器、VM移相器和功率放大电路，一分四功分器四个输出端的发射通道内均连接有VM移相器和功率放大电路，VM移相器用于对一分四功分器输出的毫米波发射信号进行幅相调整，功率放大电路用于对相位调整后的毫米波发射信号进行功率放大，功率放大电路的输出端连接发射输出端口，公共输入端口接入的毫米波发射信号通过一分二功分器、一分八功分器和一分四功分集成芯片功分成六十四路毫米波发射信号，分别通过六十四个发射输出端口输出，所述供电与控制信号端口一端用于接入外部供电和遥测遥控指令，另一端分别连接供电模块和控制模块并传输遥测遥控指令至控制模块，控制模块的输出端对接VM移相器，控制模块用于接收处理遥测遥控指令，并根据遥测遥控指令控制VM移相器对毫米波发射信号进行幅相调整，所述供电模块接入外部供电，并为控制模块和毫米波电路模块供电，所述公共输入端口、供电与控制信号端口、控制模块、毫米波电路模块、发射输出端口和供电模块分层布设，并垂直互连形成3D叠层的瓦片式架构。

如图2至图4所示，所述毫米波瓦片式TR组件还包括结构腔体1、盖板2、波控子板6、供电分配电路板3、低频控制电路板4和高频电路板5，所述公共输入端口11集成在盖板2上，所述供电与控制信号端口集成在波控子板6上，所述供电模块集成在供电分配电路板3上，所述控制模块集成在低频控制电路板4上，所述毫米波电路模块集成在高频电路板5上，所述供电分配电路板3、低频控制电路板4和高频电路板5均布设在结构腔体1内，波控子板6连接在盖板2上，盖板2与结构腔体1盖合。

所述供电分配电路板3、低频控制电路板4和高频电路板5依次垂直互连设置在结构腔体1内，供电分配电路板3靠近盖板2端，高频电路板5设在结构腔体1的内底端，在波控子板6上的供电与控制信号端口插有微矩形连接器10，波控子板6与供电分配电路板3通过穿过盖板2的排针9垂直互连，微矩形连接器10用于接入遥测遥控指令和外部电源，外部电源传至供电分配电路板3，波控子板6上的公共输入端口11依次穿过盖板2、电分配电路板和低频控制电路板4，最终与高频电路板5对接。在结构腔体1的底板上设有8×8分布的六十四个发射输出端口12，发射输出端口12与结构腔体1的高频电路板5对接。所述结构腔体1与盖板2之间、盖板2与波控子板6之间均通过螺栓紧固连接。公共输入端口11和发射输出端口12均采用同轴连接器。

其应用时，毫米波发射信号经公共输入端口11进入毫米波瓦片式发射组件，通过一分二功分器分成两路信号；两路信号再分别经一分八功分器分配至十六个四通道合一的一分四功分集成芯片；在每个一分四功分集成芯片中，信号经过一分四功分后分配至四个发射通道；在每个通道内通过VM移相器配置相位与幅度，再经末级功率放大电路放大后通过发射输出端口12输出至外部连接的天线单元，通过这样的信号通道结构设计，既能满足TR组件高速率、高精度、高可靠的应用需求，又便于高效集成六十四个标准发射通道的毫米波瓦片式TR组件，能有效提高集成度，同时，通过将将公共输入端口11、供电与控制信号端口、供电模块、控制模块、毫米波电路模块和发射输出端口12各自分层布局在盖板2、波控子板6、供电分配电路板3、低频控制电路板4、高频电路板5及结构腔体1上，并通过垂直互连实现3D叠层的瓦片式构架，可以有效减少TR组件的纵向尺寸和重量，大幅提高组件集成度，标准化的构架还可大幅节省批量生产成本，能很好地适应新一代系统设备平台对相控阵天线的应用需求。

实施例2：

作为对上述实施例的优化，所述一分四功分集成芯片采用SOC芯片7，在高频电路板5上共集成十六个SOC芯片7、两个个一分八功分器和一个一分二功分器。在一分二功分器的两个输出端分别连接有驱动放大芯片，用于对一分二功分器输出的毫米波发射信号进行驱动放大，通过对毫米波发射信号进行驱动放大以满足末级输出功率的要求。所述控制模块包括DAC数模转换芯片8，在低频控制电路板4上共集成四个DAC数模转换芯片8，每个DAC数模转换芯片8对应控制四个SOC芯片7上的共十六个VM移相器。

通过芯片级的集成技术，采用半导体工艺提高电路集成度，减少模块级电路的复杂程度和人工处理的环节，提高大规模通道数量下的一致性。多通道多功能集成SOC芯片7是实现毫米波瓦片式TR组件的核心，采用四通道合一的SOC芯片7设计，结合阵元间距的限制，在有限的面积内高密度集成一分四功分器、四个通道发射功率放大电路及VM移相器。毫米波高频电路共包含十六颗SOC芯片7、两个一分八功分器、一分二功分器及两个驱动放大芯片。低频控制电路包括对VM移相器的控制电路，采用多通道低功耗的十一位DAC数模转换芯片8，单颗芯片具备三十二个控制口，对应控制四颗SOC芯片7中的十六个射频通道的VM移相器。组件波控子板6实现与波控系统的遥控遥测数据传输及转换。根据毫米波瓦片式TR组件的构架，与天线阵面互连的发射输出端采用六十四个同轴连接器，公共输入端则采用一个同轴连接器；组件内部的控制与供电信号通过多芯的排针9实现垂直互连，而对外则通过一个多芯微矩形连接器10传输遥控遥测信号与接收供电。

组件的波控子板6接收遥测遥控指令，对组件内的DAC数模转换芯片8输出的电压进行控制，从而实现对各个输出通道相对应的幅相调整功能；波控子板6接收来自外部的供电，完成组件内各有源器件的供电分配，同时对上电时序控制(负压保护)，确保射频芯片的负压先于Vd上电，避免芯片因此被击穿而烧毁；波控子板6回传反馈当前的DA状态以及子板的温度信息等数据。

实施例3：

作为对上述实施例的优化，十六个SOC芯片7可分别选取不同的功率等级，使对应发射输出端口12输出不同功率的毫米波发射信号。根据不同的系统设备性能要求和应用环境条件，毫米波瓦片式TR组件可通过使用不同功率等级的SOC芯片7实现不同的单通道发射输出功率，如50mW、100mW、200mW、400mW等；针对大规模阵列需求，如图5所示，可采用将标准化的毫米波瓦片式发射组件按照阵列布局拼装，如使用32个毫米波瓦片式TR组件构建具备2048个发射通道的相控阵天线。根据不同的应用，毫米波瓦片式TR组件的工作频率不同，使得满足相控阵天线功能性能需求的通道间距D不同。在毫米波瓦片式TR组件8×8通道的构架下，其外形尺寸为(8×D-0.1)mm×(8×D-0.1)mm×21mm，其中长度与宽度尺寸考虑多个组件大规模批量扩展拼装应用内缩0.1mm，避免物理干涉；厚度尺寸包括腔体厚度(毫米波发射输出端同轴连接器的安装厚度、高频电路板5厚度及其元器件和金丝键合的高度、低频控制电路板4及元器件高度)与盖板2厚度(公共输入端同轴连接器的安装厚度、低频控制信号垂直互连高度、波控子板6厚度及其他元器件高度)。

毫米波瓦片式TR组件，通过芯片级集成与3D多层垂直互连叠层结构集成的方式，与现有成熟的砖块式集成方式，以64个TR通道同等规模为例进行对比：

一、1个瓦片式TR组件即可实现64个TR通道共用1个腔体结构件、1个波控子板6(一个微矩形连接器作为供电与控制信号端口)，构成简单；而砖块式TR组件常规设计需要8个1×8TR模块，横向并列拼接构成64个TR通道，即包含8个结构腔体1件、8个波控子板6(八个微矩形连接器作为供电与控制信号端口)，并需要额外的外部结构使八个模块组装装配为组件，构成复杂；

二、瓦片式TR组件中的四通道多功能集成芯片，为采用GaAs工艺的SOC芯片7，使元器件数量大幅减少，核心射频芯片数量仅为传统砖块式的八分之一，实现低成本；

三、瓦片式TR组件通过完全横向布局、纵向3D多层垂直互连叠层，大幅降低厚度尺寸，不足砖块式模块的1/3，实现低剖面与小型化；

四、瓦片式TR组件节省了电路板、结构件，重量不足砖块式模块的1/2，实现轻量化。

五、瓦片式TR组件通过芯片级集成结合3D多层垂直互连叠层结构集成的高密度集成方式，大副减少元器件数量、缩短元器件之间的连接，降低了组件中的传输损耗，减轻了对功放电路输出功率和功耗的压力，并通过芯片效率优化设计，最终实现组件的高效率。

综上所述，在同等性能与规模下，瓦片式TR组件具备高集成、低剖面、轻量化、低成本、高效率等平台适应性优势，且其标准化设计使其可根据不同系统性能需求进行搭配与拼装组合，具备批量化应用优势。

本发明不局限于上述可选的实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品。上述具体实施方式不应理解成对本发明的保护范围的限制，本发明的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。