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構，其中天線陣面、收發組件和和差網絡是橫向集成、縱向垂直連接的，層與層之間的垂直互聯通過接插件的上下導通來完成電連接。

圖 1 瓦式相控陣天線結構示意圖

為了進一步提高瓦式相控陣天線的結構密度和體積小型化，我們開發了一種高密度集成技術，用于設計其核心部件——收發組件和和差網絡。這種技術顯著降低了縱向高度，減少了收發組件與和差網絡之間互聯所占用的空間，并且優化了收發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，我們將多通道收發電路和和差網絡設計在同一塊印制電路板上。在這塊板上，放大器、移相器和功分網絡的走線位于同一層，通過PCB板間的金屬化過孔實現射頻信號的上下聯通；同時，和差網絡、收發電路控制、供電等低頻信號也通過PCB多層板進行布局。加工完成后，一體化收發電路和和差網絡的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。此外，為了滿足移相器和放大器的工作需求，上蓋板預留了空氣腔。

圖 2 一體化集成的收發電路與功分網絡組裝圖

多通道收發電路和和差網絡在同一介質基板上完成布局，射頻和低頻電路的走線既有層內也有層間。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，實現了無插拔力的高密度互聯。在較薄的介質基板內，完成了射頻和低頻電路的布置。作為接收射頻輸入、發射射頻輸出的功分端口和合成端口，它們通過介質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基板間的走線分布到基板四周。多通道收發電路和和差網絡之間僅靠介質基板層間走線實現高低頻互聯，這種一體化、高密度集成設計無需接插件，簡化了多通道收發電路和和差網絡的設計，節省了收發組件模塊與和差網絡間的接插件，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。

在探討多通道收發電路和和差網絡的一體化集成技術時，我們以毫米波頻段的8×16陣列為例，進行深入的設計分析。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，這使得多通道收發電路和和差網絡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絡的走線層位于同一層面，并通過金屬隔離柱進行四周隔離，以減小不同電路走線之間的相互干擾。功分網絡與和差網絡被放置在不同的層面，并通過板內打孔的方式實現射頻信號的垂直互聯。多通道收發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，我們設計了實心接地柱。這些接地柱不僅為芯片提供了接地功能，還充當了散熱通道的角色，將芯片產生的熱量傳導至印制板底部，從而保證了芯片的穩定工作溫度。

研究人員已經成功制造了一種針對毫米波頻段的8×16通道收發電路和和差網絡的一體化集成電路。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。為了檢驗這一集成電路的性能，研究人員在適當的位置安裝了功分器，并進行了無源測試。測試的結果如圖4所示，而圖5則展示了128個射頻通道的測試數據。

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，在21至23吉赫茲的頻帶內，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，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異，在21至23吉赫茲頻帶內，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行良好，微波印制板加工工藝是可行的，能夠實現相控陣收發組件的電路和和差網絡功能，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。

毫米波多通道收發電路和和差網絡的高密度集成技術不僅提供了良好的通道電氣性能，而且在毫米波頻段實現了收發電路和和差網絡的高密度集成，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現方法，并為未來蒙皮天線技術的設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，不僅降低了制作成本和周期，還實現了小型化、輕量化、一體化高密度集成，易于加工實現，成本低，周期短，對工程應用具有重大意義。