CN1849851A - 双面的、边缘安装的带状线信号处理模块和模块化网络 - Google Patents

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Abstract

一类模块化的、双面的、边缘安装的印刷电路(PC)板模块和相关的模块化网络结构，用于构建包括用于驱动多波束天线系统的波束形成网络和高功率模拟放大器的带状线信号处理网络。带状线信号处理网络的特征在于由限定长度的传输媒介段构建的网络单元被配置成呈现精确确定的相位和阻抗特性。这些电路还可包括诸如电阻、电容和电感的传统的无源“集中参数”的电元件；诸如二极管的非线性电路元件；和诸如放大器和晶体管的有源电元件。

Description

双面的、边缘安装的带状线 信号处理模块和模块化网络
技术领域
本发明涉及用于射频和微波频率应用的带状线信号处理系统，更具体地，涉及一类双面的、边缘安装的印刷电路(PC)模块和相关的模块化网络结构，用于构建包括用于成形的(shaped)波束和/或多波束天线系统的波束形成网络和高功率模拟放大器的带状线信号处理网络。
背景技术
带状线信号处理电路可被用来对于以射频(RF)和微波传输频率的电路内传播的电磁能量实现各种模拟信号操作。一般地说，带状线信号处理电路，正如该术语在本说明书中使用的那样，是包括一个或多个具有特定的长度和阻抗特性的传输媒介段的电路，这些传输媒介段典型地被互连成网络，并且它们呈现想要的频率响应(也称为“传递函数”)，对于在电路内传播的电磁能量实现想要的信号处理操作。术语“微带”通常被用来指具有两个导体的带状线电路，其中传输媒介段被暴露到其第一面由导电面支持的一个或多个介质材料和其第二面没有第二导电面的包括空气的一个或多个介质材料。术语“三板带状线(tri-plate stripline)”通常被用来指包括传输媒介段的带状线电路，该传输媒介段被暴露到其两个面被在每个面上的导电面包围的一个或多个介质材料。另外，术语“空气微带”或“空气带状线”通常被用来指带状线电路，其中传输媒介段在两个面上被暴露到空气。所有的这些电路配置都属于在本说明书中被称为“带状线”的这类电路的范围。
带状线电路常常，但不一定必须，包括与电路内的带状线段互连的一个或多个集中参数(lumped)(也称为“分立的”或“传统的”)电元件，诸如电阻、电容和电感。这些电路也可以，但不一定必须，包括诸如有源放大器级那样的有源元件或级，和诸如二极管、晶体管那样的非线性元件，以及其它传统的电路元件。另外，这些电路也可以，但不一定必须，包括诸如同轴电缆、管状波导等等的其它类型的传输媒介段，以及在不同的类型的传输媒介之间的接头(junction)。因为当信号传播通过电路时电磁能量由电路处理，因此，这些电路典型的特征为在于多个输入端口与多个输出端口之间连接的带状线段的网络，其中当信号从输入端口传播到输出端口时对信号实现想要的信号处理操作。
带状线信号处理电路可被用来实现各种功能，诸如信号分离、信号放大、信号组合、信号编码等等。通常，它们典型地被用来构建如上所述的相对较简单的功能或模块，这些模块被组合成更复杂的结构，其被配置来实现较高级别的部件，诸如波束形成网络、混合矩阵放大器、射频放大器等等。这些较高级别的部件又可被互连和被控制成实现各种商业设备，诸如用于导弹和反导弹的雷达、卫星通信系统、无线电话基站天线、多卜勒(Doppler)雷达等等。
带状线信号处理电路在对于从输入端口传播到输出端口的信号的传递函数是与对于从输出端口传播到输入端口的信号的传递函数相同时，典型地被称为“可逆的(reciprocal)”。可逆信号处理电路特别适合于在通过同一个传输路径发射和接收电磁能量的雷达系统中使用。正交信号处理电路是特别重要的一类信号处理电路，其特征在于多个输入端口互相隔离。这允许独立地控制被注入到每个输入端口的信号而基本上不受其它输入端口干扰。可逆正交电路，甚至更具体地，是特别重要的一类信号处理电路，它们很适合于使用模拟放大器和波束形成网络的各种应用。可逆特性可以通过再使用用于双向信号流的无源电路的全部或一部分而得到。
如上所述，正交电路包括多个隔离的输入端口，并且典型地还包括多个输出端口，每个输出端口接收被注入到输入端口的输入信号的加权的、相位调节的组合。也就是，在每个输出端口处的输出信号典型地包括输入分量的线性组合或“叠加”，其中每个输入分量是被注入到输入端口之一的信号的幅度加权的、相位调节的部分或划分。换句话说，输入信号互相隔离，并且每个输入信号被划分成多个加权的、相位调节的分量，这些分量被传递到输出端口，以使得每个输出端口产生输入信号的幅度加权和相位调节的组合。另外，正交电路的输入和输出阻抗典型地与连接接头或部分相匹配，以使得理想的非吸收电路在理论上对于在端口之间的信号流是无损的。也就是，正交电路不吸收或反射回被注入到输入端口的输入能量，而是分离或传递所有的输入能量到输出端口，在其中它们被组合成输入信号的幅度加权的、相位调节的线性组合。
混合电路是正交信号处理网络的一个子类，其特征在于两个输入、两个输出和从每个输入端口到各输出端口的能量的划分。术语“混合接头”典型地是指混合电路，其中从每个输入端口到各输出端口有相等的功率划分。另一方面，术语“混合耦合器”典型地是指混合电路，其中功率划分成通常是不相等的。其中从每个输入端口到两个输出端口的相移分别是0度(0°)和90度(90°)的混合接头被称为“正交”接头或电路；以及其中从每个输入端口到两个输出端口的相移分别是0度(0°)和180度(180°)的混合接头被称为“魔T(magic T)”接头或电路。这些电路另外也被称为0°/90°和0°/180°混合。这些熟知的构建块通常是可逆的，并且形成用于构建较高级别的正交电路的基本构建块，它们常常被称为混合矩阵、Butler矩阵、波束形成网络、混合矩阵放大器、RF放大器、双工器、单脉冲比较器等等。这些构建块可以结合包括非隔离的电抗T接头的其它类型的接头而被使用，并且可被用于各种类型的相位或延时元件或部件。
更具体地，Butler矩阵是一种较高级别的可逆正交无源电路，其特征在于相等的数目的输入端口和输出端口，以及每个输入信号到几个输出端口的相等的功率划分。Butler矩阵电路提供被传递到每个输出端口的相等功率的信号幅度。3×3Butler矩阵包括三个输入端口和三个输出端口，4×4Butler矩阵包括四个输入端口和四个输出端口，8×8Butler矩阵包括八个输入端口和八个输出端口，等等。另外，其它熟知的电路和电路部件可以从混合接头被构建，以及诸如移相器和电阻的其它部件被用于阻抗匹配和用于模拟信号处理。例如，单脉冲比较器、双工器、模拟放大器和波束操控电路可以以这种方式被构建。这样的电路的重要的例子是高级别的Butler矩阵，它可被用来实现波束形成网络(BFN)，用于具有大量波束的多波束天线系统。这些高级别Butler矩阵可以由4×4Butler矩阵的复合体被构建，该4×4Butler矩阵又可由混合接头和诸如移相器的其它电路元件的复合体被构建。
对于通过使用混合接头构建高级别Butler矩阵来说，可参阅J.P.Shelton和K.S.Kelleher的“Multi Beams from Linear Arrays”，在1961年3月的“IRE Transactions on Antennas and Propagation”中出版。对于通过使用混合接头构建单脉冲比较器来说，可参阅Kian SenAng，Yoke Choy Leong和Chee How Lee的“A Wide-Band MonopulseComparator With Complete Nulling in All Delta ChannelsThroughout Sum Channel Bandwidth”，在2003年2月的“IEEETransactions on Microwave Theory and Techniques”中出版。对于通过使用混合接头构建双工器电路来说，可参阅Leon J.Ricardi的“ADiplexer Using Hybrid Junctions”，在1966年8月的“IEEETransactions on Microwave Theory and Techniques”中出版。对于通过使用混合接头构建混合矩阵放大器(HMA)来说，可参阅A.Angelucci，P.Audagnotto，P.Corda，和B.Piovano的“Multiport Power AmplifiersFor Mobile-Radio Systems Using Microstrip Butler Matrices”，在1994年6月的Antennas and Propagation Society InternationalSymposium。本领域技术人员将会看到，其它装置以及具体地更加复杂的、用于多波束天线系统的HMA和波束形成网络可使用在本说明书中和在以上参考的文件中教导的原理和技术而被构建，这些文件在此引入以供参考。
具体地，混合接头形成用于波束形成网络的基本构建块，波束形成网络在具有广泛应用的、成形的波束和/或多波束天线系统中被使用，这些应用包括，但不限于，用于无线电话基站的天线、雷达、导弹导引系统、导弹防御系统、卫星监管系统、和卫星通信系统。通常，分量波束可以指向不同的方向，以使得允许基本上隔离的输入端口相应于每个分量波束。分量波束可以以不同的方式被组合，形成复合的波束。每个波束可以用波束特定的信息被编码，并且对于模拟或数字信号可以进行组合。
为了产生这些能力，多波束天线系统包括波束形成网络或电路，它把信号能量从一个或多个输入端口传送到多个输出端口，所述多个输出端口被连接到发射和接收想要的波束的一个或多个天线单元。虽然最关键的设计考虑可以随不同的应用而变化，但总是希望制造便宜的和容易制造的、性能特性可重复的、重量轻的、尺寸小的、结构可靠和耐久的、RF信号损耗低的、噪声生成低的、易于适当地接地的、和易于维护的波束形成网络。虽然其它设计目的在具体应用中也可能是重要的，但这个清单包括对于许多应用的许多最重要的设计考虑。
这些设计目的中的许多设计目的可以通过在由介质基片构建的印刷电路板上制造信号处理电路和使用在介质基片上承载的带状线作为传输媒介而被满足。介质基片典型地具有被附着在其一面上的接地面(ground plane)和在另一面上承载的带状线。该配置产生可以使用传统蚀刻技术和处理在PC板伤大量生产的电路。最终得到的装置呈现低的制造成本、可靠性、耐久性、可重复的性能特性、和可接入的和坚固的接地特性。这些电路可容易地被设计成呈现低的RF信号损耗和低的噪声生成。使用这种结构范例的缺点在于，使用混合接头的波束形成网络常常具有交叉(crossover)点的特征，其中带状线段必须在物理上互相穿过但在电气上互相不干扰。
在PC板上，对于交叉点的需要呈现设计挑战，因为带状线段必须保持物理上互相分开的，以避免电的互连(如果带状线段在物理上互相接触)或辐射干扰或串扰(如果带状线段变得太靠近在一起但在物理上没有互相接触)。多种技术被开发来实现用于在PC板上实现的带状线信号处理器的交叉，诸如在物理上使一个带状线段跳过另一个带状线段的PC板的“飞线桥接(flying-bridge)”段，互相交叉的同轴电缆链路，和具有悬浮在空中的和在PC板之间延伸以实现交叉的导体的多层PC板构造。每个这些设计增加了电路的成本，减小了电路的物理坚固性，和具有增加噪声生成和RF信号损耗的潜在因素，特别是在不同类型的传输媒介段之间的接头处。更重要地，这些对于交叉问题的多少有些笨拙的解决方案使得制造过程很大地复杂化，因为整个电路不能使用被形成在PC板上的带状线传输媒介段而被安排在单个PC板上，带状线传输媒介段可以通过传统的蚀刻技术和处理过程而被制造。
另一个技术采用被称为“零dB交叉”的电路，它由两个级联的正交混合接头组成。虽然这种类型的交叉可被实现在单个平的PC板上而没有物理迹线(trace)跳跃，但它占用相对较大的PC板空间部分。因为交叉是在创建较高级别的波束形成网络时重复许多次的基本构建块，当波束形成网络的复杂性增加时，为实现零dB交叉所需要的相当大的电路板尺寸很快加倍到过分大的和昂贵的PC板程度。
除了交叉的问题以外，被安排在PC板上的带状线信号处理电路在带状线段之间必须保持适当的物理间隔，以避免辐射干扰。而且，设计每个带状线段在RF和微波工作频率上具有精确地确定的相位特性，也需要带状线电路在物理上以消耗相对较大的平板空间的方式被安排在印刷电路板。为了保持适当的间隔和使得所需要的交叉数目最小化，和利用电路的自然对称性，它们典型地被直线的排列，输入端口沿一面间隔开，以及输出端口沿带状线电路的另一面间隔开。然后当信号在PC板上从输入端口传播到输出端口时，带状线电路的传递函数处理信号。
对于工作在1.92GHz的载频(它是批准的PCS无线电话频段的中心频率)的这种类型的电路配置，传统的混合接头布局典型地占用约为“在波导中(in the guide)”的平方波长(λg)的四分之一的PC板空间(例如，在每个边上其长度为λg/2的PC板的大约方的部分)。具有等于2.2(εr＝2.2)的介电常数的、典型的介质材料(例如，PTFE Teflon)可被用来构建PC板，它对于一面暴露到PC板和另一面暴露到空气的微带传输媒介段将呈现1.85(εr＝1.85)的有效介电常数。对于这种类型的PC电路板，在波导中的波长(λg)(即，在布置在PC板上一面暴露到介质基片和另一面暴露到空气的带状线传输媒介中传播时的波长)约为4.52英寸(11.48cm)，这导致对于实现正交混合接头所需要的约1.13英寸(2.87cm)的PC板的一边的尺寸。本领域技术人员将熟知的，使用具有较高的介电常数值的基片材料可以减小电路的总的尺寸。具有高得多的介电常数值的材料可以是昂贵得多的，可以具有较高的RF信号消耗，以及由于减小的带状线迹线宽度值，可以具有较低数值的RF功率操纵极限。希望具有足够宽的导电迹线宽度值和低的RF信号损耗特性的电路，以适应于缓和高的工作RF功率电平的情况。通常，当RF功率电平是重要的设计考虑时，常常希望使用具有低的介电常数值的基片材料。
使用这个技术和把四个混合接头连接在一起构建4×4Butler矩阵，占用了在波导中的约一个平方波长(λg)的PC电路板空间，这在1.92GHz的载频时导致，在使用在具有等于2.2(εr＝2.2)的介电常数的介质材料上的微带的情况下，实现4×4Butler矩阵所需要的PC板的一边的尺寸至少是4.52英寸(11.48cm)。当混合接头元件的数目增加到超过8个到16个元件的水平时，PC板的物理尺寸开始变得庞大的和昂贵的。例如，当混合接头元件的数目增加到超过8个到16个元件的水平时，64×64Butler矩阵开始变得庞大的和昂贵的。例如，64×64Butler需要48个混合接头和相关的交叉，以及128×128Butler矩阵需要160个混合接头和相关的交叉。对于这些电路以传统的方式在平面PC板上安排带状线信号处理电路将导致非常大的PC板，以安全的方式制造和安装它们将是非常昂贵的。
解决与PC板带状线信号处理电路设计有关的某些问题的一个方法在 Tanaka等的美国专利6,252,560中提供，其描述了被安排在具有位于中间的接地面的双面介质PC板上的4×4Butler矩阵。参见Tanaka的图7。这允许第一级混合接头被承载在双面介质PC板的第一面以及第二级混合接头被承载在双面介质PC板的另一个面。通过使用在位于PC板的相对面上的带状线电路之间的抽头过通(tap-through)连接，方便地实现交叉。这提供用于实现交叉的第一流的、低损耗的、和空间节省的机制。然而，电路就位于电路的与输出端口的不同的一面的输入端口来说仍旧直线地布局。另外， Tanaka参考文献显示被实现在具有功分器网络的公共板上的Butler矩阵馈送一组节距辐射器(pitch radiator)。 Tanaka没有教导或提出减小Butler矩阵电路的物理尺寸的其它步骤。它也没有教导或提出用于使得对于实现高阶模拟信号处理电路所需要的PC板空间最小化的机制。
因此，不断需要便宜和易于制造的、性能特性可重复的、重量轻的、尺寸小的、结构可靠和耐久的、RF信号损耗低的、噪声生成低的、易于适当地接地的、和易于维护的带状线信号处理网络。更具体地，需要对带状线信号处理电路设计进行改进，以减小实现较高阶的带状线信号处理电路所需要的PC板的空间。
发明内容
本发明满足在用于构建包括成形的波束和/或多波束天线系统中使用的波束形成网络(BFN)和高功率模拟放大器的带状线信号处理网络的双面的、边缘安装的模块化印刷电路(PC)板和相关的模块化网络结构中的上述需要。每个模块是从具有位于中间的接地面的双面介质电路板制造的。然而，不像现有技术的双面PC板设计，本发明包括沿由双面电路板的一面或两面限定的公共接口边缘(interface edge)的输入和输出接口端口。这允许无交叉的电路部分承载在双面电路板的每面上，交叉是用在电路部分之间的抽头过通连接实现的，以及输入-输出端口沿接口边缘放置，这样，创建了边缘安装的系统，用于由双面的、边缘安装的模块的系统构建模块化信号处理网络。
典型地，电路的第一级直线地延伸远离位于接口边缘的输入端口，抽头过通连接器参与实现对位于双面PC板的另一面的电路的第二级的交叉。第二级电路然后往回延伸向也位于接口边缘的输出端口。这样，电路的第一和第二级在双面PC板的相对面上互相重叠，并且所有的输入和输出端口都沿公共接口边缘放置。另外，电路部分本身，典型混合接头和包括混合接头的复合体的电路部分，可包括在想要的尺度(dimension)上减小PC板的长度的弯曲的(sinuous)带状线迹线元件。例如，混合接头的第一和第二级复合体可以通过使用弯曲的迹线元件被放置，以使得向远离接口边缘延伸的PC板的深度最小化。
结果，紧凑的、边缘安装的、双面的、模块化信号处理PC板设计很适用于由较低阶的、边缘安装的复合体来组装较高阶电路的。这个结构可被用来构建用于多波束天线系统的混合矩阵放大器(HMA)和波束形成网络，它们比起现有技术HMA和波束形成网络来说呈现许多优点，包括减小的尺寸、降低的成本、模块化设计的标准化、可缩放性、制造产品的可重复性、易于制造以及易于修理和维护。这样实现的电路配置也可容易地配置成呈现低的噪声生成、低的功率和信号损耗、以及坚固的物理结构。
一般地说，本发明可被实现为带状线信号处理模块，包括限定边缘的第一平面介质基片、限定边缘的第二平面介质基片、和接地面。第一介质基片、第二介质基片、和接地面以重叠的配置被粘接(adhere)在一起，接地面位于第一和第二介质基片之间以及边缘被对准以形成接口边缘。第一带状线电路被承载在第一介质基片上以及第二带状线电路被承载在第二介质基片上。模块还包括位于接口边缘且被电连接到第一或第二带状线电路的一个或多个输入端口和一个或多个输入端口。第一和第二带状线电路被配置成在输入端口处接收传播的信号，对接收的传播的信号执行信号处理操作，以及把处理的信号传递到输出端口。
典型地，第一介质基片、第二介质基片、和接地面在它们的平面尺度上是近似共同扩展的(coextensive)，以形成具有被夹在中间的导电接地面的双面介质PC板。另外，第一和第二带状线电路典型地从其一面被暴露到介质基片而相对面被暴露到空气的带状线被构建。模块还可包括在第一和第二带状线电路之间的一个或多个电连接，它们典型地被实现为穿过接地面并与接地面绝缘的抽头过通连接器。而且，第一和第二带状线电路可以是非交叉的，并且在带状线电路之间的电连接可以参与形成连接带状线电路的交叉，以形成正交信号处理电路，诸如由混合接头组成的电路。
具体地，第一和第二带状线电路可以分别实现第一和第二级正交波束形成网络，它们被组合来形成多级正交波束形成网络。例如，多级正交波束形成网络可以是2×4波束操控电路、具有至少三个端口的双工器滤波器电路、3×3Butler矩阵电路、4×4Butler矩阵电路、8×8Butler矩阵电路、4×4单脉冲比较器电路、3×4单脉冲比较器电路、8×8单脉冲比较器电路、或2×12单脉冲比较器电路、和其它类似的结构。这些模块然后可被组合以构建较高阶装置，诸如用于成形的波束和/或多波束天线的波束形成网络和HMA。
对于所有的这些模块，带状线电路可包括一个或多个弯曲的迹线，其被配置成呈现想要的相位和阻抗特性而同时减小在选择的尺度上迹线的位移。例如，第一和第二带状线电路可以实现被配置成用于工作载频的4×4Butler矩阵电路，其中第一介质基片、第二介质基片、和接地面的平面尺度小于在带状线传输媒介中载频的波长的一倍半。更具体地，平面尺度可包括小于在波导中载频的波长的一倍半的、在接口边缘方向的长度尺度，和小于在波导中载频的波长的一半的、垂直于接口边缘的宽度尺度。甚至更具体地，长度可以近似等于在带状线传输媒介中载频的波长，以及宽度可以近似等于在带状线传输媒介中载频的波长的四分之一。
本发明也可被体现为一种包括互连的网络模块组的模块化带状线信号处理网络，其中每个网络模块包括位于双面介质基片板的第一面上的第一带状线电路、位于双面介质基片板的第二面上的第二带状线电路、以及沿由介质基片板限定的接口边缘定位的一个或多个输入端口和输出端口。在这种情形下，每个网络模块被配置成在输入端口处接收传播的信号，对接收的传播的信号执行信号处理操作，以及把处理的信号传递到输出端口。
如上所述，每个网络模块的接口端口可以通过焊接的连接被边缘连接到另一个网络板。替换地，它们例如通过实现接口端口为盲插式(blind-mate)同轴连接器而可被配置成通过分开的连接可拆卸与另一个网络板的边缘连接。典型地，每个网络模块实现较低阶混合接头电路，并且互连的网络模块组组合网络模块，以实现较高阶混合接头电路。例如，每个较低阶混合接头电路可以是3×3、4×4、或8×8Butler矩阵电路。并且，较高阶混合接头电路可包括至少16个输入端口和至少16个输出端口。例如，较高阶混合接头电路可以是64×64或128×128Butler矩阵，其被用作为用于多波束天线的波束形成网络。替换地，较高阶混合接头电路可以是包括许多混合接头的多级高功率HMA。许多其它最终产品可以通过使用由本发明使能的、模块化的、边缘连接的、双面的介质PC板结构而被构建。
鉴于上述的内容，将会看到，本发明避免了现有的用于在PC板上实现诸如模拟放大器和波束形成网络的带状线信号处理电路的方法的缺点。从以下的实施例的详细说明和附图与权利要求中将会清楚特定的技术和结构，其用于创建带状线信号处理模块，以及从较低阶网络模块的复合体构建的较高阶模块化信号处理网络，由此实现上述的优点。
附图说明
图1是包括体现本发明的模块化波束形成网络的多波束天线系统的框图；
图2是包括体现本发明的模块化波束形成网络的垂直电下倾(vertical electrical downtilt)天线系统的框图；
图3A是用于双面的、边缘安装的带状线信号处理模块的概念性设计的透视图；
图3B是用于双面的、边缘安装的带状线信号处理模块的另一个概念性设计的透视图；
图4是双面的、边缘安装的带状线信号处理模块的透视分解图；
图5A是在单波束垂直电下倾天线系统中使用的、2×4波束形成网络的功能性框图；
图5B是实现如图5A所示的2×4波束形成网络的双面的、边缘安装的带状线信号处理模块的背面部分的电路板布局图；
图5C是如图5A所示的2×4波束形成网络的前面部分的电路板布局图；
图6A是在单波束垂直电下倾天线系统中使用的2×4波束形成网络的另一个实施例的功能性框图；
图6B是实现如图6A所示的2×4波束形成网络的双面的、边缘安装的带状线信号处理模块的背面部分的电路板布局图；
图6C是如图6A所示的2×4波束形成网络的前面部分的电路板布局图；
图7A是4×4Butler矩阵模块的功能性框图；
图7B是实现如图7A所示的4×4Butler矩阵电路的双面的、边缘安装的带状线信号处理模块的背面部分的电路板布局图；
图7C是如图7A所示的4×4Butler矩阵模块的前面部分的电路板布局图；
图8A是单脉冲比较器模块的功能性框图；
图8B是实现如图8A所示的单脉冲比较器模块的双面的、边缘安装的模拟信号处理模块的背面部分的电路板布局图；
图8C是如图8A所示的单脉冲比较器模块的前面部分的电路板布局图；
图9是8×8Butler矩阵模块的功能性框图；
图10A是实现如图9所示的8×8Butler矩阵电路的双面的、边缘安装的模拟信号处理模块的背面部分的电路板布局图；
图10B是如图9所示的8×8Butler矩阵模块的前面部分的电路板布局图；
图11A是用于从两个4×4Butler矩阵模块和实现每个为被边缘安装到母板的子板(daughter board)的四个混合接头的第三模块来实现8×8Butler矩阵的边缘安装的模块化的带状线信号处理网络的概念图；
图11B是显示在如图11A所示的模块中间信号处理功能的划分的8×8Butler矩阵的功能性框图；
图12是包括被边缘安装到母板的子板的系统的树型的带状线信号处理网络的概念图；
图13显示包括通过使用可分开的盲插式同轴连接器被边缘安装到母板的子板的模块化带状线信号处理网络；
图14是用于设计模块化带状线信号处理网络的处理过程的逻辑流程图；
图15A是用于模块化带状线信号处理网络的三板带状线模块的透视分解图；
图15B是图15A的三板带状线模块的第一带状线电路的侧视图；
图15C是图15A的三板带状线模块的第二带状线电路的侧视图；
图15D是图15A的三板带状线的组装透视图；
图16A是双工器滤波器模块的功能性框图；
图16B是实现如图8A所示的双工器滤波器模块的双面的、边缘安装的模拟信号处理模块的背面部分的电路板布局图；
图16C是如图16A所示的双工器滤波器模块的前面部分的电路板布局图。
具体实施方式
本发明涉及一类双面的、边缘安装的印刷电路(PC)模块和相关的模块化网络结构，用于构建包括用于多波束天线系统的波束形成网络的和高功率模拟放大器的带状线信号处理网络。带状线信号处理网络的特征在于，网络单元由被配置成呈现精确确定的相位与阻抗特性的带状线的限定长度的段来构建。这些电路还可包括诸如电阻、电容和电感的传统的无源的“集中参数”电元件；诸如二极管的非线性元件；和诸如放大器和晶体管的有源电元件。
带状线段典型地由被承载在例如由嵌入玻璃纤维的PTFETeflon叠片构建的介质PC板基片上的、诸如镀锡的铜迹线的导电带状线而被构建。虽然可以使用其它类型的介质PC板基片，但这种特定的基片呈现想要的介质、成本、硬度、耐久性、一致性、和蚀刻特性，其很适合于大量生产PC板用于相对较低的成本、高产量的应用，诸如用于无线电话基站天线和类似的应用。双面PC板可以通过使用介质粘接层粘接承载附着的接地面的第一PC板到不带有附着的接地面的第二PC板，以创建具有被夹在中间的接地面的整体的双面介质PC板而被制造。
这种材料的大的平面片然后可被大批生产、蚀刻和切割成多个PC板或模块，其中每个最终得到的模块具有介质PC板的两面，每个面承载蚀刻的带状线电路，以及具有中间的接地面。典型地，介质PC板的面和中心接地面用共同的压模(die)被切割，结果，它们在平面尺度上基本上是共同扩展的。对于许多应用，在PC板的每个面上的带状线电路可以是非交叉的，以及整体地由蚀刻的带状线形成，这避免了对于同轴链路、“飞线桥接”、“空中桥接”、“零dB交叉”、或其它装置来实现交叉的需要，它们会给PC板加入噪声、增加尺寸、成本和脆弱性。在位于板的任一面上的带状线电路之间的连接典型地通过抽头过通连接器来实现，以及输入和输出端口沿公共接口边缘被放置。另外，对于某些应用，模块可包括用于把诸如电阻、电容、电感、二极管、晶体管、和放大器的分立的电元件焊接安装在带状线电路上的连接点。
各种标准的和专用的“低级别”模块，诸如正交混合器、双工器滤波器、放大器功分器、放大器交叉、单脉冲比较器、Butler矩阵电路、和定制的波束形成网络，可以以这种方式大批量构建。这些模块化部件然后可以一起被组装成边缘安装的“树”结构，以创建较高的级别带状线信号处理机，诸如高功率混合矩阵放大器、其它类型的RF放大器、用于多波束天线系统的波束形成网络。
具体地，具有熟知的特性的较低级别的正交电路模块，诸如Butler矩阵、正交接头、“魔T”接头、和单脉冲比较器，可以便宜地大量生产，而具有严格的性能公差，和具有想要的尺寸，坚固性和耐久性质量。在双面的、边缘安装的模块中实现的双向信号处理系统的这些基本构建块然后可被组装来构建较高阶信号处理网络。这些较高阶信号处理网络又提供对于组装各种商业上和科学上重要的高功率和多波束系统，诸如多波束多卜勒雷达、多波束导弹防御系统、导弹跟踪系统、卫星侦察系统、卫星通信系统等等所需要的信号处理网络基础结构。本领域技术人员将会知道，从正交信号处理系统的基本构建块到可被便宜地大量生产和容易地组装成较高阶信号处理模块的双面的、边缘安装的模块的标准化代表这种特定的技术的主要的进步。
而且，通过使用具有在PC板的每个面上的非交叉带状线电路和由抽头过通连接器实现的穿过板的连接的、标准化的、双面的、边缘安装的模块来进行的复杂的多波束和高功率放大器的模块设计呈现其它想要的设计特性。例如，模块可以与诸如盲插式同轴连接的分开的连接器被边缘安装在一起，以允许容易地拆卸和替换各个部件。边缘连接的模块结构的“树”特性产生三维处理单元，它与大的平面结构不同，是更加容易移动和安装的，减少所需要的支撑，减小重量，减小对于室外安装的风和拉曳的考虑，以及提供在三维处理单元内固有的通风管道。基本上，双面的、边缘安装的模块允许在任何给定的实际的范围内特别便宜地制造和安装大得多的处理能力。
另外，被放置在双面介质板的中间的导电接地面隔离在板的任一面上的电路不会互相受到辐射干扰，这允许电路在空间上互相接近地放置，还保持电隔离。在板的每个面上以非交叉配置部署带状线电路的能力--该交叉通过抽头过通连接被实现--产生低噪声、低损耗和坚固的板设计。边缘连接的IO的使用还通过避免对于和被放置在板之间的边缘安装的接头处的边缘连接不同的、在板之间的导体、同轴电缆或其它类型的链路的自由跨度的需要而降低成本，并且简化模块系统的设计。
本系统的发明人还开发一种使用弯曲的带状线迹线来减小在想要的平面尺度上模块的尺寸的技术。本发明，与双面的、边缘安装的板设计相组合，使得平面带状线信号处理PC板能够紧凑到以前对于使用低介电常数基片材料的电路结构从未达到的程度。对于具体的例子，导电带状线传输媒介段可以通过使用传统的PC板蚀刻技术被形成在PC板上。PTFE Telflon介质材料呈现等于2.2(εr＝2.2)的介电常数，这导致一面暴露到PC板和另一面暴露到空气的带状线段呈现1.85(εr＝1.85)的有效介电常数。对于工作在1.92GHz的载频(它是批准的PCS无线电话频段的中心频率)的这种类型的PC电路板，在波导中的波长(λg)(即，在被承载在带状线的一面暴露到介质基片和另一面暴露到空气的PC板上的带状线中传播时的波长)约为4.52英寸(11.48cm)，这导致对于在传统的平面布局中实现混合接头所需要的约2.26英寸(5.74cm)的PC板的一边的尺寸。使用平面技术和把四个混合接头连接在一起来构建4×4Butler矩阵占用约在波导中的约一个平方波长(λg)，这导致对于实现4×4Butler矩阵所需要的约4.52英寸(11.48cm)的PC板的一边的尺寸。将会看到，对于不同的载频和对于具有不同的介电常数的PC板基片，对于不同于空气的周围媒介，以及对于其中介质材料位于带状线电路的两面且带状线电路可以针对整个板或选择的分段而被实现的配置，波长发生改变。为此，板尺度最好被表示为λg的倍数而不用绝对长度。
使用与双面的、边缘安装的板设计相组合的弯曲的带状线迹线，允许在板上实现4×4Butler矩阵，它沿接口边缘是约一个λg(即4.52英寸或11.48cm)，但在向远离接口边缘延伸的方向上仅仅是λg/4(即1.13英寸或2.27cm)。这代表减小到对于通过使用传统的布局实现4×4Butler矩阵所需要的板尺寸的四分之一。对于大量生产，对价格高度敏感的项目，诸如无线电话基站天线，仅板尺寸的这种减小就代表很大的成本的好处。这个好处连同包括精致的、低噪声的、通过抽头过通连接的低损耗交叉实现方案、低成本、小尺寸、低重量和易于制造的模块设计的其它好处一起，导致带状线信号处理电路设计的主要的改进。
现在转到附图，其中在几个图上相同的标号表示相同的元件，图1是体现本发明的、包括模块化波束形成网络102的多波束天线系统100的框图。如上所述，许多不同类型的带状线信号处理模块和模块化系统可以通过使用本发明的双面的、边缘安装的PC板模块化技术被构建。多波束天线系统是这些系统的重要的一类，它可被用来驱动无线基站天线、多卜勒雷达系统、卫星通信系统、导弹防御和引导系统、以及其特征一般由给模块化的、双面的、边缘安装的带状线波束形成网络102(该波束形成网络又驱动天线阵列106产生多波束108)馈电的多个电压源104表征的许多其它装置。通常，这些波束中的每个可以包括来自每个电压信号104的波束分量，并可以用信息来独立的操控和编码。再有，这些波束的每个波束可被组合来形成一个或多个可以产生“成形的波束”覆盖图案的复合波束。
图2是垂直电下倾(“VED”)的天线系统200的框图，它是类似于多波束天线系统100的简化的单波束变形。这个系统包括一对互补的电压源204，它典型地产生其幅度互相反比地变化的同相电压信号。也就是，电压源204a和204b典型地在控制范围内互相同相，但电压源204a的幅度在控制的范围内以互补的方式随电压源204b的幅度减小按比例地增加，以及反之亦然。典型地，这种互补电压源对可以通过把单个恒定的幅度的电压信号划分成两个信道并且改变在两个信道之间的功率分配而被生成。互补电压源对204给模块化的、双面的、边缘安装的垂直电下倾网络202馈电。这个网络产生天线驱动信号，它使得天线阵列206生成在响应于电压源204a和204b之间的分压比的改变而向下和向上倾斜的方向中传播的单个波束208。例如，当所有的驱动功率被引导到电压源204a时，波束208可以是在它的最高的指向方向208a；当所有的驱动功率被引导到电压源204b时，它可以是在它的最低的指向方向208b；当驱动功率在电压源204a和204b之间相等地划分时，它可以是在中心指向方向208c；并且当在电压源204a和204b上的功率分配平滑地变化时，它可以在这些指向方向之间平滑地变化。
图3A是用于双面的、边缘安装的带状线信号处理模块300的概念性设计的透视图。这个具体的例子包括第一介质PC板302，其整个接地面304通过矩阵粘接剂308被粘接到第二介质PC板306。PC板介质基片面302，306的平面尺度是与公共接地面304层共同扩展的，以创建具有被夹在中间的接地面的双面介质PC板。边缘连接器310沿公共接口边缘312被放置，以允许把模块300边缘安装到插座或另一个PC板上。双面介质PC板的第一面302承载第一带状线电路314，其典型地是通过传统的蚀刻处理过程被形成在PC板上的导电带状线。同样地，双面介质PC板的第二面306承载第二带状线电路316，其也是通过传统的蚀刻处理过程被形成在PC板上的导电带状线。当需要时，第一和第二带状线电路314，316通过接地连接被连接到接地面304层。带状线电路314，316还可以通过穿过接地面304层但与其电绝缘的一个或多个抽头过通连接器318而互相连接。然而，设计者可覆盖围绕板边缘的连接器，创建在第一和第二带状线电路314，316之间的不太精致的但功能性的电连接。
如前所讨论的，在某些实施例中，第一和第二带状线电路314，316是非交叉的，并且抽头过通连接器318参与交叉的实现，以实现混合耦合器、混合接头、混合矩阵、或其特征为低级别混合部件通过交叉被连接在一起以创建较高级别的电路的其它正交信号处理模块。例如，4×4Butler矩阵的非交叉第一级混合接头可以在双面PC板300的第一面302上被实现。这些第一级混合接头包括沿接口边缘312放置的输入端口，并且电路被布置为向远离接口边缘延伸。4×4Butler矩阵的第二级混合接头然后在板300的第二面306上被实现，并通过远离接口边缘312被放置的交叉与第一级混合接头互连。第二级混合接头然后向接口边缘312返回，其中它们在沿接口边缘放置的输出端口处终止。对于把第一和第二级混合接头连接成4×4Butler矩阵所需要的交叉可以通过抽头过通连接器318与第一和第二带状线电路314，316关于彼此的策略性放置或重叠的组合而被实现。这创建其所有的8个输入和输出端口沿接口边缘被放置的、紧凑的、坚固构建的、双面的、边缘安装的4×4Butler矩阵模块。
图3B是用于双面的、边缘安装的带状线信号处理模块320的另一个概念性设计的透视图。该模块类似于参考图3A描述的模块300，除了接口边缘312’是从双面PC板的单个面306’被形成的以外。接口端口可以位于如图3B所示的PC板306’的两个面上，或它们可以按照制造商的设计喜好都被放置在一个面上。
图4是双面的、边缘安装的带状线信号处理模块400的透视分解图。为了清晰起见，以分解的方式显示了前述的单元，包括第一面电路部分402、背面电路部分404、接地面406、边缘输入和输出端口408、接地连接410、和穿过公共接地面406但与其电隔离的抽头过通连接器412。
图5A是可被用来实现图2所示的单波束垂直电下倾网络206的、2×4波束形成网络500的功能性框图。该功能性框图等同于具有终止于阻抗负载电阻R1和R2的两个输入端的传统的4×4Butler矩阵波束形成网络。元件502和504代表第一级2×2正交(如由“0/90°”符号表示的)混合接头部件。元件505和506代表第二级2×2正交混合接头部件，元件510和512代表交叉。有四个输出端口(out1-out4)，但只有两个输出端口(in1-in2)，因为不必要的附加输入端通过阻抗匹配电阻R1和R2被并联到地，正如示意图所示。
图5B是实现如图5A所示的2×4波束形成网络500的双面的、边缘安装的带状线信号处理模块520的背面部分的电路板布局图。第二级混合接头506用弯曲的迹线元件522被实现，以及第二级混合接头508用类似的弯曲的迹线元件524被实现，这样，减小从接口526远离的方向的直线的板长度。5C显示板530的前面电路部分的电路板布局图，它承载具有类似的弯曲的迹线元件的第一级混合接头502和504。共同标记的抽头点(A，B，C等等)表示连接背面电路部分的抽头过通连接器的位置，以及输入和输出端口被加标记。前面和背面部分通过在双面的、边缘安装的配置中对准的接口边缘被连在一起。另外，图5B和5C互相相对地布局展开，以蝶形方式显示电路图。
沿接口边缘526的λg和在远离接口边缘的方向上的λg/4的近似板尺度被显示于图5B和5C。对于由呈现等于2.2(εr＝2.2)的介电常数的PTFE Telflon介质材料制造的PC板，这导致一面暴露到PC板和另一面暴露到空气的带状线传输媒介段呈现1.85(εreff＝1.85)的有效介电常数。这个电路板设计可以是对于1.92GHz的载频被实现在双面的、边缘安装的PC板模块上，它沿接口边缘是约一个λg(即4.52英寸或11.48cm)，而在向远离接口边缘延伸的方向上是λg/4(即1.13英寸或2.27cm)。
图6A是2×4波束形成网络600的功能性框图，它包括2×2正交混合接头602和604，连同交叉606和608。图6B是实现如图6A所示的2×4波束形成网络的双面的、边缘安装的带状线信号处理模块610的背面部分的电路板布局图，以及图6C是该电路的前面部分620的背面部分的电路板布局图。波束形成网络600可被实现在由相同的材料构建的PC板模块上，该模块具有与以上参考图5A-C描述的2×4波束形成网络500相同的尺寸。换句话说，这些电路可以以相同的方式被制造，除了带状线电路为了实现不同的电路稍微不同以外。
图7A是4×4Butler矩阵波束形成网络模块700的功能性框图，它包括第一级2×2正交混合接头702和704、第二级2×2正交混合接头706和708、移相器710和712、以及交叉714和716。图7B是实现如图7A所示的4×4Butler矩阵的双面的、边缘安装的带状线信号处理模块的背面部分720的电路板布局图，以及图7C是该电路的前面部分722的电路板布局图。4×4Butler矩阵700可被实现在由相同的材料构建的PC板模块上，该模块具有分别与以上参考图5A-C和图6A-C描述的2×4波束形成网络500和600相同的尺寸。
图8A是4×4单脉冲比较器模块800的功能性框图，它包括第一级2×2正交混合接头802和804、第二级2×2正交混合接头806和808、以及交叉810和812。混合接头802和804与相位偏差移相器812和814相组合地被用来有效地产生2×2“魔T”(0°/180°)混合接头的功能性等效特性。如本领域技术人员所熟知的，例如，可以使用“老鼠赛跑(rat-race)”0°/180°混合接头来代替混合接头802与相位偏差移相器812。图8B是实现如图8A所示的4×4单脉冲比较器电路的双面的、边缘安装的带状线信号处理模块的背面部分820的电路板布局图，以及图8C是该电路的前面部分822的电路板布局图。4×4单脉冲比较器电路800可被实现在由相同的材料构建的PC板模块上，该模块具有分别与以上参考图5A-C和图6A-C描述的2×4波束形成网络500和600以及参考图7A-C描述的4×4Butler矩阵700相同的尺寸。
图9是8×8Butler矩阵模块900的功能性框图，电路900包括第一级902，它包括第一4×4“准Butler(quasi-Butler)”矩阵904和第二4×4“准Butler”矩阵906。电路900还包括第二级908，它包括四个混合接头910a-d。第一“准Butler”矩阵904包括第一级正交混合接头912和914、第二级正交混合接头916和918、交叉920、以及67.5°相位偏差移相器921和22.5°相位偏差移相器936。同样地，第二“准Butler”矩阵906包括第一级正交混合接头922和924、第二级正交混合接头926和928、交叉930、以及67.5°相位偏差移相器931和22.5°相位偏差移相器937。另外的交叉940和942与450移相器932、934、935和924把第一级902连接到第二级908，而另外的交叉944、946、948和950把第二级908的混合接头连接到输出端口。
图10A是实现如图9所示的8×8Butler矩阵电路的双面的、边缘安装的带状线信号处理模块的背面电路部分1000的电路板布局图，以及图10B显示该模块的前面电路部分。正如在以前的双面电路板图说明中那样，图10A和10B以蝶形方式被显示，共同的符号(例如，A，B，C等等)表示抽头过通连接器，它们典型地参与交叉的实现。图10A-10B还显示弯曲的迹线支路的使用，正如弯曲的迹线支路1004示例说明的那样，用来减小在向远离接口边缘1006延伸的方向上的板的尺寸。还显示了以λg的倍数计的平面板尺度。
图11A是用于从两个4×4“准-Butler”矩阵模块1102和1104以及实现被边缘连接到母板1108的四个混合接头的第三模块来实现8×8Butler矩阵的、边缘安装的模块化的带状线信号处理网络1100的概念图。当然，这些模块的一个或多个模块，或附加的功能，可以在母板1108上被实现。图11B是类似于图9的图的8×8Butler矩阵的功能性框图，但在本例中，显示了：在图11所示的模块中间，信号处理功能是如何被划分的。具体地，第一4×4“准Butler”矩阵904在第一模块1102中被实现，第二4×4“准Butler”矩阵906在第二模块1104中被实现，以及第二级908的四个混合接头在第一模块1106中被实现。这三个模块被边缘安装到母板1108和通过母板1108被互连，以提供用于实现与参考图10A-10C描述的矩阵相同的8×8Butler矩阵的多模块替换例，它被实现为单个双面的、边缘安装的平面模块。
图12是包括被边缘安装到母板1202的子板1204，1206，1208，1210，和1212的“树”型系统的树型带状线信号处理网络1200的概念图。也就是，在图11A-11B上以相对较简单的级别显示的模块信号处理结构可以以直接的方式被扩展成创建更复杂的处理系统，以驱动较高阶的网络，诸如64×64Butler矩阵、128×128Butler矩阵、多电平高功率混合矩阵放大器等等。这些带状线信号处理引擎又提供用于复杂系统的信号处理基础结构，诸如多波束多卜勒雷达、多波束导弹跟踪和防御系统、多波束卫星侦察系统、和许多其它利用由上述的本发明的示例性实施例显示的模块化信号处理结构的设备。
图13显示包括通过使用由连接器1310、1320示例说明的可分开的盲插式同轴连接器而被边缘安装到母板1308的子板1302、1304和1306的模块化带状线信号处理网络1300。使用可分开的连接器1310和1312把板连接在一起，容易进行板的安装和拆卸，以用于模块化构建和维护的目的。将会看到，可以采用附加的支撑结构，诸如，现有技术中熟知的侧轨道支撑和板锁定(lock-down)机制，来增加构建的单元的物理整体性。
图14是用于设计模块化带状线信号处理网络的处理过程1400的逻辑流程图。以下的说明参考实现如图11A-B所示的、8×8Butler矩阵的四板结构，作为网络设计过程的简单的但说明性的例子。在步骤1402中，电路设计者限定对网络的要求，诸如用于图11A-B所示的例子的8×8Butler矩阵。步骤1402后面接着是步骤1404，在该步骤中，电路设计者把总的网络分割成区域。在图11A-B所示的8×8Butler矩阵的例子中，这些区域包括第一4×4“准Butler”矩阵904作为第一区域、第二4×4“准Butler”矩阵906作为第二区域、和四个混合接头908作为第三区域。步骤1404后面接着是步骤1406，在该步骤中，电路设计者限定实现这些区域的模块，把这些区域定成适当的尺寸用于想要的模块尺寸。步骤1406后面接着是步骤1408，在该步骤中，电路设计者设计前面和背面电路部分，连同在想要的地方的抽头过通连接器，它们互相重叠，以双面的方式实现电路，优选地，该电路是在电路板的每个面上的非交叉电路部分。步骤1408后面接着是步骤1410，在该步骤中，电路设计者设计模块以实现所需要的功能而同时满足可施加的模块约束条件的模块。
这个过程的这个结果通过如图5A-C、6A-C、7A-C、8A-C和10A-C所示的模块化板设计被显示，其中每个模块以采用在板的每个面上的非交叉电路部分和实现交叉的抽头过通连接的双面的、边缘安装的格式进行布置。步骤1410后面接着是步骤1412，在该步骤中，电路设计者设计模块化组合件。在用于如图11A-B所示的例子的8×8Butler矩阵中，这相应于把模块1102、1104和1106边缘连接到母板1108，以创建完整的模块化设计。将会看到，图11A-B所示的8×8Butler矩阵的四板模块化设计是由本发明使能的设计技术中的仅仅一个相对较简单的例子，该技术可被用来设计和构建在这类双面的、边缘安装的印刷电路(PC)模块和相关的模块化网络结构内的各种带状线信号处理机。
以上参考图3A-10B描述的带状线模块是通常被称为“微带”的那种模块，其中带状线传输媒介段一个面暴露到介质材料而另一个面暴露到空气。应当明白，在本说明书中描述的任何带状线电路可替换地被配置为三板带状线模块，其中带状线传输媒介段每个面都暴露到介质材料。这典型地是通过在微带配置的暴露到空气的带状线电路上增加具有外部接地板的介质盖而完成的。结果是产生多层双面带状线模块，其包括第一外部接地面层，后面是介质层，后面是第一带状线电路层，后面是介质层，后面是中间接地面层，后面是介质层，后面是第二带状线电路层，后面是介质层，后面是第二外部接地面层。
例如，图15A是用于实现类似于图6A-C所示的电路的2×4波束形成网络的三板带状线模块1500的透视分解图。为了创建三板带状线结构，具有外部接地面1502的第一介质盖1501被加到第一微带电路板1503上，它典型地包括介质PC板，该PC板在一个面上具有带状线电路1504(如图15上显示的)，以及在另一个面上粘接到接地面1505。另外，具有外部接地面1507的第二介质盖1506被加到第二微带电路板1508，它典型地包括承载带状线电路1509的介质PC板。也就是，三板带状线模块1500包含类似于图6A-B所示的电路的2×4波束形成网络的等同物(由图15A的元件1503和1508表示)，并具有附加介质盖1501和1506，每个分别具有外部接地面1502和1507。具有外部接地面的附加介质盖保护带状线电路不受辐射损耗和干扰。图15C显示承载第一带状线电路1504的层1503的侧视图，图15B显示承载第二带状线电路1509的层1508的侧视图，图15D显示三板带状线模块1500的组装透视图。
在这个特定的模块中，图15C所示的第一带状线电路1504是与类似于图6B所示的电路的2×4波束形成网络的微带电路610类似的，除了带状线段的长度和宽度被调节成考虑被暴露到带状线段的不同的介质以外(即，在图6A-C的实施例中在带状线段的一个面上的空气和在带状线段的另一个面上的介质基片相对于在图15A-D的实施例中在带状线段的两个面上的介质材料)。同样地，图15B所示的第二带状线电路1509是与图6C所示的2×4波束形成网络的微带电路612类似的，除了带状线段的长度和宽度被调节成考虑被暴露到带状线段的不同的介质以外。本领域技术人员将会明白，带状线段的长度和宽度如何被调节成考虑对于所述段的有效介电常数的改变。虽然这个特定的模块实现2×4波束形成网络，但在本说明书中描述的任何双面带状线电路都可以以类似的三板带状线配置被实现。
图16A是2×2双工器滤波器电路1600的功能性框图，它包括2×2正交混合接头1602和1604，连同相位偏差移相器1606和1608以及一段长度的传输线1610，其用来产生在一条信号路径上的附加信号延时。图16B是实现如图16A所示的2×1双工滤波器电路的双面的、边缘安装的带状线信号处理模块的背面部分1620的电路板布局图，以及图16C是该电路的前面部分1622的电路板布局图。双工器滤波器电路1600可被实现在由相同的材料构建的PC板模块上，该PC板模块具有比以上参考图5A-C描述的2×4波束形成网络500更小的尺寸。换句话说，这些电路可以以相同的方式被制造，除了带状线电路在适应于实现不同的电路时稍微不同以外。
鉴于上述内容，将会看到，本发明提供了在带状线信号处理网络设计方面的重大改进。应当理解，上述的内容仅仅涉及到本发明的示例性实施例，以及这里可以在不背离由以下权利要求限定的本发明的精神和范围的条件下作出许多改变。

Claims (37)

1.一种带状线信号处理模块，包括：
限定边缘的第一平面介质基片；
限定边缘的第二平面介质基片；
接地面；
第一介质基片、第二介质基片、和接地面以重叠的配置被粘接在一起，其中接地面位于第一和第二介质基片之间，以及边缘被对准以形成接口边缘；
被承载在第一介质基片上的第一带状线电路；
被承载在第二介质基片上的第二带状线电路；
位于接口边缘且被电连接到第一或第二带状线电路的一个或多个输入端口；
位于接口边缘且被电连接到第一或第二带状线电路的一个或多个输出端口；以及
第一和第二带状线电路被配置成在输入端口处接收传播的信号，对接收的传播的信号执行信号处理操作，以及把处理的信号传递到输出端口。
2.权利要求1的带状线信号处理模块，其中：
第一介质基片、第二介质基片、和接地面在它们的平面尺度上是近似共同扩展的；以及
第一和第二带状线电路包括其一面被暴露到介质基片和另一面被暴露到空气或介质材料的带状线。
3.权利要求1的带状线信号处理模块，还包括在第一和第二带状线电路之间的一个或多个电连接。
4.权利要求3的带状线信号处理模块，其中在第一和第二带状线电路之间的电连接包括穿过接地面并与接地面绝缘的抽头过通连接器。
5.权利要求1的带状线信号处理模块，其中第一和第二带状线电路是非交叉的。
6.权利要求4的带状线信号处理模块，其中：
第一带状线电路限定第一级正交波束形成网络；
第二带状线电路限定第二级正交波束形成网络；以及
在第一和第二带状线电路之间的电连接参与形成连接第一和第二级正交波束形成网络成为多级正交波束形成网络的交叉。
7.权利要求6的带状线信号处理模块，其中多级正交波束形成网络是从基本上包括以下电路的组中选择的：
2×4波束操控电路；
包括至少三个端口的双工器滤波器电路；
3×3Butler矩阵电路；
4×4Butler矩阵电路；
8×8Butler矩阵电路；
4×4单脉冲比较器电路；
8×8单脉冲比较器电路。
8.权利要求3的带状线信号处理模块，其中：
第一和第二带状线电路限定混合接头电路的非交叉部分；以及
在第一和第二带状线电路之间的电连接参与实现与混合接头电路有关的一个或多个交叉。
9.权利要求1的带状线信号处理模块，其中第一和第二带状线电路限定从基本上包括波束形成网络和模拟放大器的组中选择的网络。
10.权利要求1的带状线信号处理模块，其中第一或第二带状线电路包括一个或多个弯曲的迹线支路，其被配置成呈现想要的相位和阻抗特性而同时减小在选择的尺度上迹线的位移。
11.权利要求1的带状线信号处理模块，其中：
第一和第二带状线电路包括被配置成用于载频的4×4Butler矩阵电路；以及
第一介质基片、第二介质基片、和接地面的平面尺度小于在带状线中载频的波长的一倍半。
12.权利要求1的带状线信号处理模块，其中：
第一和第二带状线电路包括被配置成用于载频的4×4Butler矩阵电路；以及
第一介质基片、第二介质基片、和接地面的平面尺度包括：
在接口边缘方向的长度，其小于在带状线中载频的波长的一倍半；和
垂直于接口边缘的宽度，其小于在带状线中载频的波长的一半。
13.权利要求1的带状线信号处理模块，其中：
第一或第二带状线电路包括被配置成用于载频的4×4Butler矩阵电路；以及
第一介质基片、第二介质基片、和接地面的平面尺度包括：
在接口边缘方向的长度，其近似等于在带状线中载频的波长；和
垂直于接口边缘的宽度，其近似为在带状线中载频的波长的四分之一。
14.一种带状线信号处理模块，包括：
限定边缘的第一平面介质基片；
第二平面介质基片，其是与限定边缘的第一平面介质基片近似共同扩展的；
接地面，其是与第一和第二平面介质基片近似共同扩展的；
第一介质基片、第二介质基片、和接地面以重叠的配置被粘接在一起，其中接地面位于第一和第二介质基片之间，以及边缘被对准以形成接口边缘；
第一带状线电路，其一面暴露到第一介质基片而相对面暴露到空气或介质材料；
第二带状线电路，其一面暴露到第二介质基片而相对面暴露到空气或介质材料；
位于接口边缘且被电连接到第一带状线电路的多个输入端口；
位于接口边缘且被电连接到第二带状线电路的多个输出端口；
在第一和第二带状线电路之间的一个或多个抽头过通电连接，其穿过接地面电连接并与接地面电连接绝缘；以及
第一和第二带状线电路被配置成在输入端口处接收传播的信号，对接收的传播的信号执行信号处理操作，以及把处理的信号传递到输出端口。
15.权利要求14的带状线信号处理模块，其中：
第一带状线电路限定第一级正交波束形成网络；
第二带状线电路限定第二级正交波束形成网络；以及
在第一和第二带状线电路之间的电连接参与形成连接第一和第二级正交波束形成网络成为多级正交波束形成网络的交叉。
16.权利要求14的带状线信号处理模块，其中第一或第二带状线电路包括一个或多个弯曲的迹线支路，其被配置成呈现想要的相位和阻抗特性而同时减小在选择的尺度上迹线的位移。
17.权利要求15的带状线信号处理模块，其中多级正交波束形成网络是从基本上包括以下电路的组中选择的：
2×4波束操控电路；
包括至少三个端口的双工器滤波器电路；
3×3Butler矩阵电路；
4×4Butler矩阵电路；
8×8Butler矩阵电路；
4×4单脉冲比较器电路；
8×8单脉冲比较器电路。
18.权利要求14的带状线信号处理模块，其中：
第一和第二带状线电路包括被配置成用于载频的4×4Butler矩阵电路；以及
第一介质基片、第二介质基片、和接地面的平面尺度小于在带状线中载频的波长的一倍半。
19.权利要求14的带状线信号处理模块，其中：
第一和第二带状线电路包括被配置成用于载频的4×4Butler矩阵电路；以及
第一介质基片、第二介质基片、和接地面的平面尺度包括：
在接口边缘方向的长度，其小于在带状线中载频的波长的一倍半；和
垂直于接口边缘的宽度，其小于在带状线中载频的波长的一半。
20.权利要求14的带状线信号处理模块，其中：
第一和第二带状线电路包括被配置成用于载频的4×4Butler矩阵电路；以及
第一介质基片、第二介质基片、和接地面的平面尺度包括：
在接口边缘方向的长度，其近似等于在带状线中载频的波长；和
垂直于接口边缘的宽度，其近似为在带状线中载频的波长的四分之一。
21.一种带状线信号处理网络，包括：
双面介质基片板，其具有位于接地面的相对面上的第一和第二平表面；
由介质基片板的至少一个面限定的接口边缘；
被承载在限定带状线信号处理网络的第一非交叉部分的第一平表面上的第一带状线电路；
被承载在限定带状线信号处理网络的第二非交叉部分的第二平表面上的第二带状线电路；
在第一和第二带状线电路之间的一个或多个电连接，其参与形成与带状线信号处理网络有关的交叉；
沿接口边缘定位且被电连接到带状线电路的一个或多个输入端口和输出端口；以及
带状线信号处理网络被配置成在输入端口处接收传播的信号，对接收的传播的信号执行信号处理操作，以及把处理的信号传递到输出端口。
22.权利要求21的带状线信号处理网络，其中：
带状线电路包括具有被选择成呈现想要的相位和阻抗特性的尺寸的带状线段；以及
在第一和第二带状线电路之间的电连接包括穿过接地面并与接地面绝缘的抽头过通连接器。
23.一种由被承载在介质基片板上的带状线构建的带状线信号处理网络，包括：
位于双面介质基片板的第一面上的带状线信号处理网络的第一部分；
位于双面介质基片板的第二面上的带状线信号处理网络的第二部分；
在带状线信号处理网络的第一和第二部分之间的一个或多个电连接；
沿由介质基片板限定的接口边缘定位的一个或多个输入端口和输出端口；以及
带状线信号处理网络被配置成在输入端口处接收传播的信号，对接收的传播的信号执行信号处理操作，以及把处理的信号传递到输出端口。
24.权利要求23的带状线信号处理网络，其中：
网络的第一和第二部分是非交叉的；以及
在网络的第一和第二部分之间的电连接参与形成与网络有关的交叉。
25.一种包括互连的网络模块组的模块化带状线信号处理网络，其中每个网络模块包括：
位于双面介质基片板的第一面上的第一带状线电路；
位于双面介质基片板的第二面上的第二带状线电路；
沿由介质基片板限定的接口边缘定位的一个或多个输入端口和输出端口；以及
网络模块被配置成在输入端口处接收传播的信号，对接收的传播的信号执行信号处理操作，以及把处理的信号传递到输出端口。
26.权利要求25的模块化带状线信号处理网络，其中每个网络模块的接口端口通过焊接连接被边缘连接到另一个网络板。
27.权利要求25的模块化带状线信号处理网络，其中每个网络模块的接口端口被配置成通过可分开的连接而可拆卸地边缘连接到另一个网络板。
28.权利要求27的模块化带状线信号处理网络，其中可分开的连接包括盲插式同轴连接器。
29.权利要求27的模块化带状线信号处理网络，其中：
每个网络模块实现较低阶混合接头电路；以及
互连的网络模块组组合网络模块，以实现较高阶混合接头电路。
30.权利要求29的模块化带状线信号处理网络，其中：
每个较低阶混合接头电路是从包括3×3、4×4、和8×8Butler矩阵电路的组中选择的；以及
较高阶混合接头电路包括至少16个输入端口和16个输出端口。
31.权利要求25的模块化带状线信号处理网络，其中对于每个网络模块，在第一和第二带状线电路之间的电连接包括穿过接地面并与接地面绝缘的抽头过通连接器。
32.权利要求25的模块化带状线信号处理网络，其中对于每个网络模块：
第一带状线电路是非交叉的；
第二带状线电路是非交叉的；以及
在第一和第二带状线电路之间的电连接参与形成与信号处理网络有关的交叉。
33.权利要求25的模块化带状线信号处理网络，其中每个网络模块实现从基本上包括以下电路的组中选择的电路：
2×4波束操控电路；
包括至少三个端口的双工器滤波器电路；
3×3Butler矩阵电路；
4×4Butler矩阵电路；
8×8Butler矩阵电路；
4×4单脉冲比较器电路；
8×8单脉冲比较器电路。
34.权利要求25的模块化带状线信号处理网络，其中每个网络模块包括一个或多个弯曲的迹线支路，被配置成呈现想要的相位和阻抗特性而同时减小在选择的尺度上迹线的位移。
35.一种包括互连的网络模块组的模块化带状线信号处理网络，其中每个网络模块包括：
限定边缘的第一平面介质基片；
限定边缘的第二平面介质基片；
接地面；
第一介质基片、第二介质基片、和接地面以重叠的配置被粘接在一起，其中接地面位于第一和第二介质基片之间，以及边缘被对准以形成接口边缘；
被承载在第一介质基片上的第一带状线电路；
被承载在第二介质基片上的第二带状线电路；
在第一和第二带状线电路之间的一个或多个电连接；
位于接口边缘且被电连接到第一或第二带状线电路的一个或多个输入端口；
位于接口边缘且被电连接到第一或第二带状线电路的一个或多个输出端口；以及
第一和第二带状线电路被配置成在输入端口处接收传播的信号，对接收的传播的信号执行信号处理操作，以及把处理的信号传递到输出端口。
36.权利要求35的模块化带状线信号处理网络，其中对于每个网络模块：
第一带状线电路限定第一级混合接头电路；
第二带状线电路限定第二级混合接头电路；以及
在第一和第二带状线电路之间的电连接参与实现把第一级和第二级混合接头互连成较高阶正交波束形成网络的一个或多个交叉。
37.权利要求36的模块化带状线信号处理网络，其中每个波束形成网络模块的输入和输出端口被边缘连接到另一个网络板。
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