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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft Hochfrequenztechnik. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Hochfrequenzbaugruppe mit einer Anschlussschnittstelle. Weiter betrifft die Erfindung einen Satelliten mit einer solchen Hochfrequenzbaugruppe, wobei die Hochfrequenzbaugruppe beispielsweise als Teil einer Kommunikationseinrichtung bzw. einer Datenübertragungsstrecke, insbesondere einer Satellitenübertragungsstrecke oder einer Satellitenfunkübertragungsstrecke genutzt werden kann.
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Hintergrund der Erfindung
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Systeme aus dem Bereich der Hochfrequenztechnik werden genutzt, um Signale und Daten von einer Sendeanlage zu einer Empfangsanlage zu übertragen. Hochfrequenztechnik wird bevorzugt genutzt, wenn Daten über eine große Entfernung (bis zu mehreren Hundert oder mehreren Tausend Kilometern) übertragen werden müssen.
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Bevor Signale an die Luftschnittstelle (z.B. Antenne) übergeben werden, können sie beispielsweise eine Verarbeitung oder Aufbereitung erfordern. Hochfrequenztechnik wird beispielsweise auf Kommunikationssatelliten eingesetzt, um Kommunikationssignale zu verstärken, zu kombinieren und zu filtern. Oft besteht ein Hochfrequenzsystem aus einzelnen Modulen (rauscharme Verstärker, auch als low noise amplifier, LNA, bezeichnet, Filter, Koppler, Isolatoren, Vorverstärker, Leistungsverstärker, etc.), die miteinander verbunden sind.
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Zwischen diesen Modulen sind Schnittstellen vorgesehen, um eine mechanische und elektrische Kopplung zwischen den Modulen herzustellen. Dabei werden die Schnittstellen unter verschiedenen Gesichtspunkten ausgestaltet, beispielsweise um die elektrischen Verluste zu minimieren und/oder die mechanische Festigkeit der Schnittstelle gemäß Vorgaben auszugestalten.
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EP 2 775 612 A1 und
US 9,530,604 B2 beschreiben eine Signalübertragungseinheit, welche im Hochfrequenzbereich eingesetzt wird und insbesondere Verwendung in einem Kommunikationssatelliten findet.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es kann als Aufgabe der Erfindung betrachtet werden, eine Anschlussschnittstelle für eine Hochfrequenzbaugruppe so auszugestalten, dass ein Montagevorgang der Hochfrequenzbaugruppe vereinfacht wird. Bei der Anschlussschnittstelle kann es sich um eine Hochfrequenzschnittstelle, beispielsweise eine Ausgangsschnittstelle oder Eingangsschnittstelle, handeln.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs. Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie aus der folgenden Beschreibung.
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Gemäß einem Aspekt ist eine Hochfrequenzbaugruppe mit einer elektronischen Einheit und einem Gehäuse angegeben. Das Gehäuse umgibt die elektronische Einheit zumindest teilweise und die elektronische Einheit ist zumindest teilweise in einem Innenraum des Gehäuses angeordnet. Das Gehäuse weist einen inneren Anschluss auf, welcher mit der elektronischen Einheit so gekoppelt ist, dass elektrische Signale zwischen der elektronischen Einheit und dem inneren Anschluss übertragen werden können. Der innere Anschluss ist einstückig mit zumindest einem Teil des Gehäuses, wie beispielsweise einer Bodenwand oder Seitenwand, ausgestaltet.
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Insbesondere wird ein Signalausgang oder ein Signaleingang der elektronischen Einheit mit dem inneren Anschluss verbunden. Ein Signalausgang der elektronischen Einheit liefert beispielsweise ein Nutzsignal, welches von der elektronischen Einheit als Ergebnis zumindest eines Verarbeitungsschrittes ausgegeben und an nachfolgende Einheiten (z.B. eine Antenne) übertragen wird. Im Falle einer Verwendung des Anschlusses der elektronischen Einheit als Signaleingang empfängt dieser ein Signal.
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Die elektronische Einheit kann eine Signalquelle oder eine Signalsenke sein. Beispielsweise kann die elektronische Einheit mehrere Schnittstellen aufweisen, wobei jeweils eine Schnittstelle der elektronischen Einheit mit einem inneren Anschluss des Gehäuses gekoppelt ist. Hierzu kann das Gehäuse mehrere innere Anschlüsse aufweisen. Weiterhin kann dann eine Schnittstelle der elektronischen Einheit als Empfangsschnittstelle und eine andere Schnittstelle als Sendeschnittstelle ausgestaltet sein, so dass die elektronische Einheit zur gleichen Zeit über unterschiedliche Schnittstellen sendet bzw. empfängt. Es gibt also in diesem Fall getrennte Sende-/Empfangskanäle. Es ist aber auch denkbar, dass eine Schnittstelle der elektronischen Einheit im Zeitduplex-Modus nacheinander entweder als Sendeschnittstelle oder als Empfangsschnittstelle betrieben wird.
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Nicht das gesamte Gehäuse muss einstückig sein, aber der innere Anschluss, auf den die elektronische Einheit signaltechnisch geführt ist, ist ein Teil des Gehäuses, d.h. der innere Anschluss ist einstückig mit diesem Teil des Gehäuses ausgestaltet. Beispielsweise kann der innere Anschluss ein Teil einer Gehäusewanne oder eines Gehäusedeckels sein.
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Der hier beschriebene Aufbau hat den Vorteil, dass er ein Montageverfahren der Hochfrequenzbaugruppe stark vereinfacht. Das Signal von der elektronischen Einheit muss beispielsweise nicht mittels einer Koaxialleitung durch die Gehäusewand nach außen bzw. nach innen geführt werden. Stattdessen wird das Nutzsignal vom Ausgang der elektronischen Einheit unmittelbar auf den inneren Anschluss als Teil des Gehäuses geführt und über das Gehäuse weitergeleitet, oder anders herum.
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Die Hochfrequenzbaugruppe ermöglicht eine mechanische Entkopplung der elektronischen Einheit sowie der an der elektronischen Einheit angeschlossenen Verbindung von den außerhalb des Gehäuses befindlichen Elementen.
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Der innere Anschluss kann einen in das Gehäuse, insbesondere in die Gehäusewand, eingefrästen Signallaufpfad enthalten. Über diesen inneren Anschluss wird dann das Nutzsignal nach außen geführt. Der Signallaufpfad kann auch sog. Korrugationen enthalten oder daraus bestehen. Die Korrugationen sind in das Material des Gehäuses eingebrachte Eigenschaften, welche beispielsweise ausgestaltet sind, das zu übertragende Signal anzupassen.
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Im Zusammenhang dieser Beschreibung ist unter Hochfrequenz ein Frequenzbereich oberhalb von einem GHz (Gigahertz, 1 x 10E9 Hertz) zu verstehen. Solche Frequenzbereiche werden beispielsweise bei Satellitenfunkübertragungsstrecken genutzt. Bei einer solchen Satellitenfunkübertragungsstrecke kann es sich beispielsweise um eine Ka-Band Übertragungsstrecke handeln in einem Frequenzbereich von 17,7 - 21,2 GHz für die Abwärtsstrecke (downlink) und 27,5 - 31 GHz für die Aufwärtsstrecke (uplink), um eine Ku- oder X-Band-Implementierung im Bereich um 11 bzw. 7 GHz, oder um eine L-Band- (um 1,5 GHz), S-Band- (um 2,5 GHz) oder C-Band-Implementierung (um 4 GHz).
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Es wird darauf hingewiesen, dass sämtliche Ausführungen in dieser Beschreibung sowohl für das Betreiben der elektronischen Einheit als Signalquelle wie auch als Signalsenke gelten, soweit nicht explizit anders dargestellt. Die allgemeine Bezugnahme in der Beschreibung auf einen Signalausgang gilt auch für einen Signaleingang.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der innere Anschluss von einer inneren Oberfläche des Gehäuses gebildet.
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Die elektronische Baugruppe wird also signaltechnisch auf die innere Oberfläche des Gehäuses geführt. Ein gesondertes und von dem Gehäuse getrenntes Anschlusselement ist also nicht nötig.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der innere Anschluss von einer in den Innenraum ragenden Nase des Gehäuses gebildet.
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Der innere Anschluss bildet also einen Steg oder einen Stift, welcher in den Innenraum ragt und von der Innenfläche des Gehäuses ausgeht. Die elektronische Baugruppe ist mit diesem Steg oder Stift verbunden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist in einem Spalt zwischen der Nase und benachbarten Gehäusewandabschnitten mindestens teilweise ein elektrisch nicht-leitendes Material angeordnet.
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Bei diesem Material kann es sich beispielsweise um ein dielektrisches Material wie Teflon handeln. Hierdurch werden Störeffekte bei hohen Frequenzen reduziert oder gar unterdrückt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Gehäuse Aluminium oder eine Aluminiumlegierung auf.
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Allgemein gesagt ist das Gehäuse aus einem elektrisch leitfähigen Material. Dies kann Aluminium oder eine Aluminiumlegierung sein, beispielsweise eine Aluminium-Silizium-Legierung. Andere Materialien sind möglich. Das Gehäuse kann vollständig aus demselben Material gefertigt sein. Insbesondere kann das Gehäuse eine Wanne und einen Deckel aufweisen. Der Innenraum des Gehäuses befindet sich in der Wanne bzw. wird von der Wanne gebildet. Deckel und Wanne können aus demselben Material gefertigt sein. Am Ende eines Montagevorgangs der Hochfrequenzbaugruppe wird der Deckel auf der Wanne befestigt und bedeckt oder schließt den Innenraum mindestens teilweise.
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Für die Verwendung im Weltall oder im Erdorbit sind solche Materialien bevorzugt, welche sich auf Grund ihres thermischen Ausdehnungskoeffizienten für diese Verwendung eignen. Die Temperaturschwankungen außerhalb der Erdatmosphäre können sehr groß sein, was insbesondere daran liegt, dass die Atmosphäre für den Abtransport der Wärme fehlt. Der Wechsel zwischen vorhandener und fehlender Sonneneinstrahlung kann dann zu sehr großen Temperaturschwankungen in Satelliten sowie deren Komponenten führen.
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Um mechanische Belastungen an den Schnittstellen zwischen unterschiedlichen Komponenten, insbesondere Komponenten aus unterschiedlichen Materialien, gering zu halten, können die Materialien so ausgewählt werden, dass die thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufeinander abgestimmt sind, d.h. nahezu gleich sind oder innerhalb eines bestimmten Wertebereichs liegen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die elektronische Einheit ein Hochleistungsverstärker, insbesondere ein Hochleistungs-Transistorverstärker.
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In einer weiteren alternativen Ausführungsform ist die elektronische Einheit ein rauscharmer Verstärker (low noise amplifier, LNA) oder ein Empfänger bzw. Receiver (LNA mit Frequenzumsetzer).
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Weitere Ausführungen sind hiermit möglich. Die Ausführungen können für hoch integrierte Hochfrequenzbaugruppen im Eingangsbereich oder im Ausgangsbereich angeordnet sein.
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Ein Hochleistungsverstärker wird beispielsweise in Kommunikationssatelliten genutzt, um Kommunikationssignale zu verstärken und über einen Sendepfad weiterzuleiten, z.B. an eine Abstrahleinheit oder Antenneneinheit.
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Ein Hochleistungs-Transistorverstärker kann auch als solid-state power amplifier (SSPA) bezeichnet werden. Dieser Art Verstärker wird bei hohen Frequenzen alternativ oder zusätzlich zu sog. Wanderfeldröhrenverstärkern genutzt. SSPAs sind in verschiedenen Leistungsklassen und für sehr hohe Frequenzbänder verfügbar. Beispielsweise können SSPAs in den folgenden Frequenzbändern genutzt werden: C-, X-, Ku-, Ka- und Q-Band. Bei diesen Frequenzen und Leistungsklassen sind Wellenleiter auf der Ausgangsseite des Verstärkers bevorzugt, wenn nicht gar notwendig. Die elektronische Einheit kann also ein SSPA für die oben genannten Frequenzbänder sein.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist eine Verbindung zwischen der elektronischen Einheit und dem inneren Anschluss eine Mikrostreifenverbindung.
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Bei einer sog. Mikrostreifenleitung handelt es sich um einen elektrischen Wellenleiter, der aus einem oder mehreren elektrisch leitfähigen Streifen besteht. Die Streifen können auf einem Dielektrikum aufgebracht sein.
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Die Mikrostreifenverbindung wird an einem Ende mit der elektronischen Einheit verbunden. Im Falle eines Hochleistungs-Transistorverstärkers wird ein Ende der Mikrostreifenverbindung unmittelbar auf dem Halbleitersubstrat platziert und ist damit gekoppelt, so dass keine weitere gesonderte Mikrostreifenleitung nötig ist, um die Verbindung von dem Halbleitersubstrat zu dem Hohlleiterübergang herzustellen.
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Die Verbindung kann mittels sog. Drahtbonden hergestellt werden. Hierbei werden die Anschlüsse des SSPA, also eines integrierten Schaltkreises, über die Mikrostreifenverbindung mit dem inneren Anschluss des Gehäuses verbunden. Für das Bonden können auch Flachkabel oder Flachleitungen genutzt werden, sog. ribbon bonding.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Gehäuse einen zweiten inneren Anschluss auf, welcher einstückig mit dem Gehäuse ausgeführt ist, wobei der zweite innere Anschluss mit der elektronischen Einheit verbunden ist.
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Der zweite innere Anschluss ist bevorzugt von dem ersten inneren Anschluss (der oben genannte innere Anschluss) beabstandet. Ein zweiter Ausgang der elektronischen Einheit kann mit dem zweiten inneren Anschluss gekoppelt sein, wobei hierfür die gleichen Möglichkeiten bestehen, wie bereits oben im Zusammenhang mit dem ersten inneren Anschluss beschrieben.
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In einem Ausführungsbeispiel kann eine zweite elektronische Einheit in dem Innenraum des Gehäuses angeordnet sein und die zweite elektronische Einheit ist mit dem zweiten inneren Anschluss verbunden, um ein Nutzsignal auszugeben.
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Der erste innere Anschluss und der zweite innere Anschluss bilden jeweils einen Signallaufpfad oder Kanal. Jeder Kanal kann mindestens ein Halbleitersubstrat oder einen Halbleiter, beispielsweise einen Transistor aufweisen. Der jeweilige Transistor eines Signallaufpfads ist auf einer elektrisch nichtleitenden Substratkachel platziert, was eine galvanische Trennung für Gleichströme bietet. Um im Hochfrequenzbereich eine Trennung zwischen den Signallaufpfaden bereitzustellen, wird ein geeigneter Abstand zwischen den Signallaufpfaden und deren Elementen gewählt, so dass sich die Signallaufpfade nicht gegenseitig beeinflussen oder stören. Um dies zu erreichen, können in das Gehäusematerial auch weitere Elemente eingearbeitet werden, beispielsweise metallische Elemente, Dichtungen, oder HF-Absorbermaterial.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist eine Oberfläche des Gehäuses mindestens teilweise mit Gold oder Silber beschichtet.
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Dies kann die elektrische Leitfähigkeit positiv beeinflussen. Mindestens ein Teil der Oberfläche, innen und/oder außen, des Gehäuses ist entsprechend beschichtet. Die Beschichtung kann wenige µm dick sein.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Hochfrequenzbaugruppe weiterhin einen ersten Hohlleiterabschnitt auf. Der erste Hohlleiterabschnitt liegt an einer äußeren Oberfläche des Gehäuses an.
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Somit wird das Nutzsignal von der elektronischen Einheit in dem Gehäuse über die Verbindung zu dem inneren Anschluss des Gehäuses und von dem Gehäuse auf den Hohlleiter geführt.
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Dieser Aufbau ermöglicht es, die Hochfrequenzbaugruppe modular aufzubauen. Zunächst kann das Gehäuse mit innenliegender elektronischer Einheit sowie der Verbindung zwischen Gehäuse und elektronischer Einheit hergestellt und/oder montiert werden. Bis hierhin ist der Hohlleiter nicht mit dem Gehäuse verbunden oder gekoppelt. Erst wenn die elektronische Einheit in dem Innenraum des Gehäuses mit dem inneren Anschluss verbunden ist, wird das Gehäuse mit dem Hohlleiter gekoppelt. Das Gehäuse wird als abgeschlossenes Modul mit dem Hohlleiter verbunden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform besteht der erste Hohlleiterabschnitt aus einer ersten Halbschale und einer zweiten Halbschale, wobei das Gehäuse zwischen der ersten Halbschale und der zweiten Halbschale angeordnet ist.
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Das Gehäuse wird also von dem Hohlleiter umgeben und das Signal von der elektronischen Einheit wird über das Gehäuse auf den Hohlleiter übertragen. Hierzu kann an dem Gehäuse mindestens ein äußerer Anschluss vorhanden sein.
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Stellt das Gehäuse mehrere Kanäle bereit, kann für jeden Kanal ein eigener äußerer Anschluss vorgesehen sein.
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Die Signalverbindung zwischen dem Gehäuse und dem Hohlleiter wird beispielsweise dadurch hergestellt, dass die beiden Halbschalen miteinander verbunden sind und an der äußeren Oberfläche des Gehäuses anliegen. Der Hohlleiter wird also an die Außenfläche des Gehäuses gedrückt. Es ist aber ebenso denkbar, dass die Hohlleiter mit dem Gehäuse formschlüssig verbunden werden, z.B. verschraubt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Hochfrequenzbaugruppe weiterhin einen zweiten Hohlleiterabschnitt auf, welcher sich an den ersten Hohlleiterabschnitt anschließt, so dass das Gehäuse durch den ersten Hohlleiterabschnitt und den zweiten Hohlleiterabschnitt umschlossen ist.
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Das Gehäuse mit der elektronischen Einheit ist also in dem Hohlleiter bestehend aus erstem und zweitem Hohlleiterabschnitt gekapselt. Somit ist die elektronische Einheit in dem Gehäuse thermomechanisch von dem Hohlleiter und jedem einzelnen der Hohlleiterabschnitte entkoppelt.
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Der erste Hohlleiterabschnitt und der zweite Hohlleiterabschnitt sind miteinander mechanisch verbunden. Beispielsweise sind die beiden Hohlleiterabschnitte miteinander verschraubt. Bevorzugt sind die Hohlleiterabschnitte reversibel miteinander verbunden, so dass das Gehäuse aus dem Hohlleiter auch entnommen werden kann. Es ist aber ebenso denkbar, dass die beiden Hohlleiterabschnitte stoffschlüssig und nicht reversibel miteinander verbunden sind.
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Die Verbindungsstelle des ersten Hohlleiterabschnitts mit dem zweiten Hohlleiterabschnitt kann durch direkten Kontakt der metallischen Gehäusewände hergestellt werden. Ebenso kann ein Spalt zwischen den metallischen Gehäusewänden bestehen, über den kapazitiv gekoppelt wird. Ebenso kann ein weiches, elektrisch leitfähiges, elastisch verformbares oder nachgebendes Material in die Verbindungsstelle des ersten Hohlleiterabschnitts mit dem zweiten Hohlleiterabschnitt eingebracht werden, um den galvanischen Kontakt sicherzustellen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist in dem zweiten Hohlleiterabschnitt mindestens ein Element aus der Gruppe aufweisend die folgenden Elemente enthalten: Filter, Isolatoren, Biegungen, Antennen, Zirkulatoren, Multiplexer.
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In dem zweiten Hohlleiterabschnitt können somit sämtliche Elemente angeordnet sein, die für die Verarbeitung der Hochfrequenzsignale der elektronischen Einheit benötigt oder gewünscht sind.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Gehäuse mit dem ersten inneren Anschluss und mit dem zweiten inneren Anschluss, soweit dieser vorhanden ist, sowie mit allen anderen Komponenten des Gehäuses einstückig ausgestaltet.
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Alternativ kann das Gehäuse aus zwei oder mehreren Teilen bestehen, beispielsweise aus Teilschalen oder Halbschalen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Kommunikationssatellit angegeben. Der Kommunikationssatellit weist eine Hochfrequenzbaugruppe wie oben und im Folgenden beschrieben auf, wobei die Hochfrequenzbaugruppe in einer Datenübertragungsstrecke in dem Kommunikationssatelliten angeordnet ist.
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Ein Kommunikationssatellit ist ein für die Verwendung im Erdorbit vorgesehenes Raumfahrzeug, welches eine Kommunikationsanlage zum Empfangen und Senden von Daten bzw. Signalen enthält. Daneben kann ein Kommunikationssatellit auch Einheiten zum Verarbeiten der Daten enthalten. Die Hochfrequenzbaugruppe kann bevorzugt in einem Signalverarbeitungspfad der Kommunikationsanlage des Kommunikationssatelliten verwendet werden.
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Die Hochfrequenzbaugruppe dient der Aufbereitung, Verarbeitung und Verstärkung von Signalen, insbesondere von Hochfrequenzsignal in den oben genannten Frequenzbändern.
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Durch den hierin beschriebenen Aufbau der Hochfrequenzbaugruppe eignet sich diese insbesondere für die Verwendung außerhalb oder in den äußersten Schichten der Erdatmosphäre. Die thermomechanische Entkopplung der elektronischen Einheit (beispielsweise einer Verstärkereinheit) von dem Hohlleiter reduziert die mechanische Belastung der elektronischen Einheit sowie einer von der elektronischen Einheit abgehenden Verbindung.
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Figurenliste
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Nachfolgend wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher auf Ausführungsbeispiele der Erfindung eingegangen. Die Darstellungen sind schematisch und nicht maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen beziehen sich auf gleiche oder ähnliche Elemente. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Kommunikationssatelliten gemäß einem Ausführungsbeispiel.
- 2 eine schematische Darstellung eines Blockschaltbildes eines Hochleistungs-Transistorverstärkers.
- 3 eine schematische Darstellung einer Koaxialkopplung eines Verstärkers mit einem Hohlleiter.
- 4 eine schematische Darstellung einer kraftschlüssigen Kopplung zwischen einem Verstärker und einem Hohlleiter.
- 5 eine schematische Darstellung einer kraft- und formschlüssigen Kopplung zwischen einem Verstärker und einem Hohlleiter.
- 6 eine schematische isometrische Darstellung einer Hochfrequenzbaugruppe gemäß einem Ausführungsbeispiel.
- 7 eine schematische isometrische Darstellung einer Hochfrequenzbaugruppe gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
- 8 eine schematische isometrische Darstellung einer Hochfrequenzbaugruppe gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
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Detaillierte Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Kommunikationssatelliten 1. In dem Kommunikationssatelliten 1 ist eine Hochfrequenzbaugruppe 10 angeordnet. Die Hochfrequenzbaugruppe 10 kann Bestandteil eines Signalübertragungspfads in dem Kommunikationssatelliten sein. Beispielsweise kann die Hochfrequenzbaugruppe 10 Teil einer Steuereinheit oder der Signalverarbeitung für eine Übertragungseinheit 2 sein, wobei die Übertragungseinheit 2 beispielsweise eine Antenne ist.
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Die hierin beschriebene Hochfrequenzbaugruppe eignet sich insbesondere für die signaltechnische Anbindung von Transistorverstärkern oder allgemein Halbleiterverstärkern (SSPA) an einen Signalausgang.
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2 zeigt beispielhaft ein Blockschaltbild eines Halbleiterverstärkers 20 (SSPA). Gerade in Hochleistungsanwendungen haben SSPAs in jüngster Zeit die Wanderfeldröhrenverstärker ersetzt oder ergänzt. Insbesondere in Anwendungen wo die SSPAs die Wanderfeldröhren ersetzen, sind hohe Leistungsanforderungen bei sehr hohen Frequenzen an die Verstärkerkomponenten gestellt. Bei hohen Leistungen und hohen Frequenzen (z.B. C, X, Ku, Ka und Q-Band) sind Hohlleiterausgänge die bevorzugte Technologie.
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Ein typischer SSPA 20 weist eine Eingangsschnittstelle 22, einen Vorverstärker 24, einen Hochleistungsverstärker 26 und eine Ausgangsschnittstelle 28 auf. Um Verluste in der Ausgangsschnittstelle so gering wie möglich zu halten, ist es wünschenswert, einen Hohlleiterausgang so nah wie möglich an der Endstufe des Hochleistungsverstärkers, also dem Element 26, anzuordnen.
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Zumindest der Hochleistungsverstärker 26, aber auch andere in 2 gezeigte Baugruppen, können innerhalb des Gehäuses der hierin beanspruchten Hochfrequenzbaugruppe angeordnet sein und als elektronische Einheit bezeichnet werden.
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3 bis 5 zeigen dem besseren Verständnis der Erfindung dienend existierende Anschlussschnittstellen eines Hohlleiters an ein Verstärkerelement.
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3 zeigt eine Anschlussvariante unter Verwendung einer Koaxialleitung, welche einen induktiven Übergang zu dem Hohlleiter bildet. Ein innerer elektrischer Leiter 33 der Koaxialleitung ist mittels eines Befestigungselements 35, beispielsweise einer Schraubverbindung, mit dem Hohlleiter 36 verbunden. Die Koaxialleitung wird durch das Gehäuse 37 geführt. Dabei ist der innere elektrische Leiter 33 mit einer isolierenden Hülle 34 versehen. Die isolierende Hülle 34 umgibt den Leiter 33 und kann beispielsweise aus Polytetrafluorethylen oder einem anderen isolierenden Material bestehen. Innerhalb des Gehäuses 37 in dessen Innenraum 46 ist der Leiter 33 mit einem elektronischen Substrat 31 verbunden. Diese Verbindung 32 kann beispielsweise in Streifenleitertechnik mittels eines Mikrostreifens hergestellt werden. Das Substrat 31 kann der in 2 gezeigte Hochleistungsverstärker 26 sein.
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Der Signalpfad des zu verstärkenden Signals wird mit zwei Pfeilen angezeigt. Ein Signal wird dem Hochleistungsverstärker 31 zugeführt, dort verarbeitet (d.h. verstärkt) und über die Verbindung 32 und die Koaxialleitung 33, 34 auf den Hohlleiter 36 geführt.
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Der Aufbau in 3 hat folgende Eigenschaften, die unter Umständen und in Abhängigkeit des Verwendungsgebiets unerwünscht sein können: Weil der Koaxialleiter 33 mechanisch mit dem Hohlleiter 36 verbunden ist, kann eine hohe mechanische Belastung auf die Verbindung 32 ausgeübt werden, beispielsweise im Falle von Temperaturschwankungen und daraus resultierender thermischer Ausdehnung des Hohlleiters und des Gehäuses sowie der anderen Komponenten. Um dieser Belastung vorzubeugen, kann das Gehäuse aus einem steifen Material hergestellt werden, was allerdings das Gewicht nachteilig erhöhen könnte. Weiterhin hat die Koaxialleitung einen großen Einfluss auf die Verluste. Letztlich zeichnet sich dieser Aufbau durch eine ungünstige Montagereihenfolge aus, weil der Hohlleiter mit der Koaxialleitung verbunden wird, bevor die Koaxialleitung über eine Streifenleitung 32 mit dem Substrat 31 verbunden wird. Hierdurch kann der Zugang zu dem Substrat 31 sowie den Bonding-Stellen erschwert werden.
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4 zeigt eine alternative Verbindungstechnik, bei der der Hohlleiter 36 metallische Rippen 38 hat. Die metallischen Rippen sind in direkter galvanischer Verbindung mit einer Mikrostreifenverbindung 32.
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Bei diesem Aufbau übt die metallische Rippe 38 eine Druckkraft auf die Mikrostreifenleitung aus, um die galvanische Verbindung herzustellen. Diese Druckkraft hat Einfluss auf die Güte der galvanischen Verbindung. Bei Temperaturschwankungen kann die Druckkraft allerdings schwanken, und zwar auf Grund der verschiedenen Materialien der Rippe 38 und dem Substrat 31 sowie der Mikrostreifenleitung 32. Die Materialien haben unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten, was in mechanischer Belastung der Verbindungsstellen resultiert, wenn die Temperatur schwankt. Der Hohlleiter 36 ist in diesem Aufbau ebenfalls nicht thermomechanisch von dem Substrat 31 entkoppelt. Außerdem ist ein Substrat mit einer aufgeprägten Mikrostreifenleitung 32 erforderlich, was ebenfalls Verluste einbringt.
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5 zeigt eine weitere Möglichkeit für eine Verbindung zwischen dem Hohlleiter 36 und einer elektronischen Komponente 31. Das Substrat 31 weist eine Metallisierung 32 auf und wird direkt in den Hohlleiter 36 außerhalb des Gehäuses 37 eingekoppelt. Hierzu ragt das Substrat 31 teilweise aus dem Gehäuse 37 heraus.
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In diesem Aufbau ragt das Substrat 31 jedoch in den Hohlleiter 36 ohne mechanische Stütze hinein und kann erheblicher mechanischer Belastung ausgesetzt werden.
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Im Gegensatz hierzu zeigt 6 einen Aufbau, bei dem die elektronische Einheit 45 (entspricht dem Substrat 31) über eine Mikrostreifenverbindung 32 mit dem Gehäuse 37 verbunden ist. Die elektronische Einheit 45 ist in dem Innenraum 46 des Gehäuses 37 angeordnet. Beispielsweise ist die elektronische Einheit 45 an einer Bodenfläche des Gehäuses angeordnet und mit der Bodenfläche mechanisch verbunden bzw. hieran fixiert. Es ist möglich, dass die elektronische Einheit auch an einer anderen Position in dem Innenraum des Gehäuses montiert ist.
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Der innere Anschluss 41 ist Teil des Gehäuses, In dem Beispiel der 6 ist der innere Anschluss 41 als Nase ausgestaltet. Die Nase ist einstückig mit dem Gehäuse, beispielsweise einer Seitenwand des Gehäuses, ausgeführt. In 6 ragt die Nase in einem rechten Winkel mit Bezug zu der Seitenwand in Richtung des Innenraums 46. Die Verbindung 32 verbindet die elektronische Einheit 45 mit einer Oberfläche der Nase. Die Nase kann so angeordnet und ausgestaltet sein, dass sich eine Oberfläche der Nase mit einer Oberfläche der elektronischen Einheit auf gleicher Höhe befindet. In dem Beispiel der 6 ist die obere Fläche der Nase auf gleicher Höhe mit der oberen Fläche der elektronischen Einheit. Die Verbindung 32 ist damit so angeordnet, dass sich ihre beiden Enden auf gleicher Höhe befinden.
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Das Gehäuse 37 ist umgeben von einer Hohlleiterstruktur 36. Die Hohlleiterstruktur 36 besteht in diesem Beispiel aus zwei Halbschalen 39, 40. Die Halbschalen sind so zusammengefügt, dass das Gehäuse 37 von den Halbschalen zumindest teilweise oder auch vollständig umgeben wird. Somit wird das Signal von der elektronischen Einheit 45 über den inneren Anschluss 41 und das Gehäuse 37 auf den Hohlleiter 36 geführt. Mindestens eine Halbschale des Hohlleiters liegt zumindest teilweise an der Außenwand des Gehäuses 37 an, so dass eine galvanische Verbindung hergestellt wird und das Signal in den Hohlleiter eingekoppelt werden kann.
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Dieser Aufbau ermöglicht es, dass die elektrische Verbindung 32 von dem Hohlleiter 36 mechanisch entkoppelt ist. Der Übergang zu dem Hohlleiter wird durch Rippen oder Stege (z.B. die Nase des inneren Anschlusses) in dem Gehäuse bereitgestellt. Die Rippen oder Stege können in das Gehäuse bzw. eine Gehäusewand gefräst werden. So ein Steg bildet einen Befestigungsvorsprung in dem Gehäuse. Der Befestigungsvorsprung ragt aus der Gehäusewand in Richtung der elektronischen Einheit hervor. Hierdurch wird ein Abstand zu der elektronischen Einheit reduziert, was das Herstellen der Verbindung 32 vereinfachen kann.
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Der Hohlleiter 36 kann mit dem Gehäuse verschraubt werden. Der Hohlleiter kann an dem Gehäuse so angeordnet sein, dass seine Erstreckungsrichtung der Ausbreitungsrichtung des Signalpfads entspricht. Änderungen der Erstreckungsrichtung des Hohlleiters können über Biegungen oder Drehungen erzielt werden.
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Durch den in 6 gezeigten Aufbau werden Verluste des HF-Signals reduziert, weil die Hohlleiterstruktur über das Gehäuse unmittelbar auf den Ausgang der elektronischen Einheit gekoppelt wird. Die empfindliche Verbindung 32 ist mechanisch von dem Hohlleiter entkoppelt. Dies ermöglicht es, dass zunächst nur das Gehäuse mit der darin angeordneten elektronischen Einheit hergestellt und verbunden wird, bevor der Hohlleiter angebracht wird.
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7 zeigt ein anderes Beispiel einer Hochfrequenzbaugruppe. Das Gehäuse 37 ist in diesem Beispiel ebenfalls aus zwei Halbschalen gefertigt und der als Nase oder Steg ausgestaltete innere Anschluss 41 ist Teil einer Halbschale des Gehäuses. Bevorzugt ist der innere Anschluss 41 als Teil derjenigen Halbschale ausgestaltet, an der auch die elektronische Einheit montiert ist.
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Auf der Ausgangsseite des Gehäuses zu dem Hohlleiter kann eine gestufte Hohlleiterverbindung oder eine gerippte Struktur vorhanden sein. Diese Struktur hat die Funktion, das elektrische Signal an dem inneren Anschluss von dem Streifenleiter-Mode auf den Hohlleiter-Mode zu wandeln und gegebenenfalls die Hohlleiterachse in eine gewünschte Richtung zu drehen.
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8 zeigt das Gehäuse 37 innerhalb einer Hohlleiterstruktur bestehend aus den beiden Hohlleiterabschnitten 42, 43. Das Gehäuse 37 ist innerhalb eines ersten Hohlleiterabschnittes 42 angeordnet. Dieser Hohlleiterabschnitt 42 kann aus zwei Halbschalen bestehen, wie im Zusammenhang mit 6 beschrieben. Das Gehäuse kann in dieser Position innerhalb des ersten Hohlleiterabschnitts 42 verschraubt sein.
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Der erste Hohlleiterabschnitt 42 wird in Richtung des Pfeils an den zweiten Hohlleiterabschnitt 43 platziert und mit diesem ebenfalls gekoppelt. Somit befindet sich das Gehäuse 37 vollständig innerhalb der Hohlleiterstruktur. Äußere Anschlüsse 44 kennzeichnen schematisch den Signalübergang von dem Gehäuse 37 zu der Hohlleiterstruktur.
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Ergänzend ist darauf hingewiesen, dass „umfassend“ oder „aufweisend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Satellit
- 2
- Übertragungseinheit, Antenne
- 10
- Hochfrequenzbaugruppe
- 20
- Blockschaltbild einer Verstärkerbaugruppe
- 22
- Eingangsschnittstelle
- 24
- Vorverstärker
- 26
- Hochleistungsverstärker
- 28
- Ausgangsschnittstelle
- 31
- elektronisches Substrat
- 32
- Verbindung
- 33
- elektrischer Leiter
- 34
- Hülle, Dielektrikum
- 35
- Befestigungselement
- 36
- Hohlleiter
- 37
- Gehäuse
- 38
- Anschlussrippe
- 39
- erste Halbschale
- 40
- zweite Halbschale
- 41
- innerer Anschluss
- 42
- erster Hohlleiterabschnitt
- 43
- zweiter Hohlleiterabschnitt
- 44
- äußerer Anschluss
- 45
- elektronische Einheit
- 46
- Innenraum
- 47
- Spalt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2775612 A1 [0005]
- US 9530604 B2 [0005]
