DE19636084A1 - Phase controlled antenna for radar device - Google Patents

Phase controlled antenna for radar device

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Klaus Dr Ing Solbach
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Airbus Defence and Space GmbH
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Daimler Benz Aerospace AG
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    • H01Q21/0087—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing antenna arrays
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    • H01Q3/26—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture
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Abstract

The antenna has several transmission and reception radiator elements (ST) arranged in several lines, or in a matrix configuration. The elements are connected to respective transmission/reception modules (SE). These modules are mounted on one side of a metallic carrier plate (TR) in thermal contact with the plate, with at least two hollow metal waveguides (HO) on the opposite side of the carrier plate, which are coupled to the modules via high frequency (HF) connections. The radiator elements are attached to the waveguides on the opposite side to the carrier plate and covered by a foil (FO) which is transparent to electromagnetic radiation.

Description

Die Erfindung geht aus von einer phasengesteuerten Antenne nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention is based on a phase-controlled antenna according to the preamble of claim 1.

Bei einer phasengesteuerten Antenne, insbesondere für den Radarfrequenzbereich, wird eine vorgebbare Anzahl von Sen­ de-/Empfangsstrahlerelementen zeilen- und/oder matrixförmig im wesentlichen in einer Ebene angeordnet. Es ist zweckmä­ ßig, unmittelbar hinter dieser Ebene die zur Steuerung be­ nötigten aktiven sowie passiven Bauelemente und/oder Bau­ gruppen anzuordnen. Denn dadurch entsteht eine mechanisch kompakte Anordnung, die auch Frontend genannt wird und die als Ganzes mechanisch dreh- und/oder schwenkbar ist, bei­ spielsweise um die Azimutachse, die im wesentlichen senk­ recht zur Erdoberfläche steht. Ein solches Frontend muß im allgemeinen vor Umwelteinflüssen, insbesondere Nieder­ schlägen, allseitig geschützt werden. Ein solcher Schutz, im allgemeinen ein aus Kunststoff bestehendes Radom, muß aber in der Sende-/Empfangsrichtung durchlässig sein für die zu sendende und/oder zu empfangende Strahlung.With a phase-controlled antenna, especially for the Radar frequency range, a predetermined number of Sen de- / receiving radiator elements in line and / or matrix form arranged essentially in one plane. It is appropriate ßig, immediately behind this level be the control necessary active and passive components and / or construction arrange groups. Because this creates a mechanical compact arrangement, which is also called frontend and which is mechanically rotatable and / or pivotable as a whole, at for example about the azimuth axis, which is essentially lower is right to the surface of the earth. Such a frontend must general from environmental influences, especially low  strikes, be protected on all sides. Such protection generally a plastic radome must but be permeable in the send / receive direction for the radiation to be sent and / or received.

Es ist ersichtlich, daß ein solches Frontend insbesondere bei einer hohen Sendeleistung mittels eines Kühlmittels, vorzugsweise Luft, gekühlt werden muß, damit die entstehen­ de und störende Verlustwärme abgeführt werden kann. Dafür ist es zweckmäßig, einen geschlossenen Kühlkreislauf, in dem ein gereinigtes Kühlmittel kreist, zu verwenden. Dieses durchströmt im allgemeinen einen Wärmetauscher, über wel­ chen die Verlustwärme im allgemeinen an die (ungereinigte) Umgebungsluft abgegeben wird. In Abhängigkeit von der zu erwartenden maximalen Verlustwärme wird ein passiver Wärme­ tauscher, der im wesentlichen lediglich eine große (Außen-)Ober­ fläche besitzt, oder ein aktiver Wärmetauscher, bei­ spielsweise eine Wärmepumpe, verwendet.It can be seen that such a frontend in particular with a high transmission power using a coolant, preferably air, must be cooled so that they arise de and annoying heat loss can be dissipated. Therefore it is useful to have a closed cooling circuit, in with a clean coolant circulating. This generally flows through a heat exchanger, via wel dissipate heat in general to the (unpurified) Ambient air is emitted. Depending on the to Expected maximum heat loss is passive heat exchanger, which is essentially just a large (external) upper surface or an active heat exchanger at for example a heat pump used.

Solche Wärmetauscher sind in nachteiliger Weise technisch aufwendig, insbesondere bei einer industriellen Serienpro­ duktion eines Frontends, erfordern elektrische Leistung zur Umwälzung des Kühlmittels in dem Kühlkreislauf und erfor­ dern außerdem eine ständige Wartung (Reinigung) für eine optimale Funktion.Such heat exchangers are technically disadvantageous complex, especially in an industrial series pro production of a front end, require electrical power for Circulation of the coolant in the cooling circuit and research also constant maintenance (cleaning) for a optimal function.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine gat­ tungsgemäße Antenne anzugeben, die mechanisch kompakt sowie wartungsarm ist, ein geringes Gewicht besitzt und welche die Ableitung einer großen Wärmemenge ermöglicht ohne zu­ sätzlichen Leistungsaufwand für die Kühlung.The invention is therefore based on the object of a gat to specify antenna, which is mechanically compact as well is low-maintenance, lightweight and which the dissipation of a large amount of heat allows without too additional performance for cooling.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale. Vorteilhafte Ausgestaltungen und/oder Weiterbildungen sind den weiteren Ansprüchen entnehmbar.This problem is solved by the in the characterizing part of claim 1 specified features. Beneficial  Refinements and / or further developments are the others Removable claims.

Ein erster Vorteil der Erfindung besteht darin, daß keine Kosten entstehen für einen Wärmetauscher und kein Lei­ stungsbedarf für eine Wärmeabführung und daß lediglich ge­ ringe Wartungs- und/oder Reinigungsarbeiten nötig sind, da kein gesonderter Wärmetauscher vorhanden ist.A first advantage of the invention is that none Costs arise for a heat exchanger and no lei need for heat dissipation and that only ge rings maintenance and / or cleaning work are necessary because there is no separate heat exchanger.

Ein zweiter Vorteil besteht darin, daß eine kostengünstige Herstellung des Frontends möglich ist, da kein Radom benö­ tigt wird.A second advantage is that it is inexpensive Manufacturing of the front end is possible since no radome is required is done.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Be­ schreibung.Further advantages result from the following Be spelling.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbei­ spielen näher erläutert unter Bezugnahme auf schematisch dargestellte Figuren.The invention is described below with reference to exemplary embodiments play explained in more detail with reference to schematically illustrated figures.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel. Fig. 1 shows a section through an embodiment.

Fig. 2 zeigt eine zugehörige Aufsicht. Fig. 2 shows an associated supervision.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch ein sogenanntes Frontend. Dieses besteht aus einer metallischen Trägerplatte TR, de­ ren Abmessungen entsprechend der Anzahl der verwendeten Sende-/Empfangsstrahlerelemente gewählt ist. Auf der einen Seite (Elektronikseite, rechte Seite in Fig. 1) der Träger­ platte TR sind die für das Frontend erforderlichen elektro­ nischen Bauteile und/oder Baugruppen SE, beispielsweise die Sende-/Empfangsmodule sowie die dafür erforderliche Strom/ Spannungsversorgungs-Baugruppen, befestigt und zwar derart, daß insbesondere ein guter Wärmekontakt zu der Trägerplatte erreicht wird. Dieses ist beispielsweise mittels Schraub-, Löt- und/oder Klebverbindungen erreichbar sowie einer Wär­ meleitpaste, die in der Elektrotechnik derzeit üblich ist. Die Elektronikseite ist gegen Umwelteinflüsse, insbesondere Niederschläge, geschützt durch eine Abdeckhaube AH, die beispielsweise aus Metall (Blech) oder Kunststoff besteht. Fig. 1 shows a section through a so-called front end. This consists of a metallic carrier plate TR, whose dimensions are selected in accordance with the number of transmitting / receiving radiator elements used. On one side (electronics side, right side in Fig. 1) of the carrier plate TR are the required for the front end electronic components and / or assemblies SE, for example the transmitter / receiver modules and the required current / voltage supply modules, attached in such a way that in particular good thermal contact with the carrier plate is achieved. This can be achieved for example by means of screw, solder and / or adhesive connections and a heat-conducting paste, which is currently common in electrical engineering. The electronics side is protected against environmental influences, in particular precipitation, by a cover hood AH, which is made, for example, of metal (sheet metal) or plastic.

Auf der anderen Seite (Strahlerseite, linke Seite in Fig. 1) der Trägerplatte TR sind die Sende-/Empfangsstrahlerele­ mente angebracht. Diese sind in (Strahler-)Zeilen angeord­ net. Jede Zeile besteht aus einem metallischen Hohlleiter HO mit rechteckförmigem Querschnitt. Dabei ist die Anzahl der Hohlleiter HO (in Fig. 1 lediglich drei dargestellt) entsprechend der erforderlichen Zeilenzahl des Frontends gewählt. Die Hohlleiter HO sind mit ihrer einen Schmalseite an der Trägerplatte TR insbesondere gut wärmeleitend befe­ stigt. Die elektrische Kopplung zwischen den Hohlleitern HO und der Elektronikseite, insbesondere den Sende-/Empfangs­ modulen, erfolgt mittels in der Elektrotechnik üblichen Durchführungen, die für Hochfrequenzsignale geeignet sind. In der anderen Schmalseite der Hohlleiter HO sind Sende-/Em­ pfangsstrahlerelemente ST angeordnet. Diese sind vor­ zugsweise als Schlitzstrahler ausgebildet, welche bei­ spielsweise durch einen Fräsvorgang herstellbar sind. Die Sende-/Empfangsstrahlerelemente ST sind zum Schutz gegen störende Umwelteinflüsse abgedeckt durch eine für elektro­ magnetische Wellen durchlässige, wärmeleitende Folie FO, beispielsweise eine aufgeklebte Kunststoffolie. Es ist zu­ sätzlich möglich, die Hohlleiter durch metallische Stege STE mechanisch zu verbinden, so daß ein Frontend mit beson­ ders hoher Festigkeit, insbesondere gegen Verwindungen ent­ steht. Zwischen den Stegen STE und der Trägerplatte TR ent­ stehen dadurch Kanäle KA, die bedarfsweise zusätzlich als Kühlkanäle nutzbar sind. On the other side (radiator side, left side in Fig. 1) of the carrier plate TR, the transmit / receive Strahleleele elements are attached. These are arranged in (spot) lines. Each line consists of a metallic waveguide HO with a rectangular cross section. The number of waveguides HO (only three in FIG. 1) is selected in accordance with the required number of lines of the front end. The waveguide HO with its one narrow side on the carrier plate TR is particularly good heat-conducting BEFE. The electrical coupling between the waveguides HO and the electronics side, in particular the transmitter / receiver modules, takes place by means of bushings which are customary in electrical engineering and are suitable for high-frequency signals. Transmitter / receiver elements ST are arranged in the other narrow side of the waveguide HO. These are preferably designed as slot radiators, which can be produced by a milling process for example. The transmit / receive radiator elements ST are covered for protection against disturbing environmental influences by a heat-conductive film FO which is permeable to electromagnetic waves, for example a glued-on plastic film. It is additionally possible to mechanically connect the waveguide by means of metallic webs STE, so that a front end with particularly high strength, in particular against warping, is ent. This creates channels KA between the webs STE and the carrier plate TR, which can additionally be used as cooling channels if necessary.

Durch die beschriebene Anordnung wird die in der Elektro­ nikseite entstehende Wärme (Pfeile) im wesentlichen gleich­ mäßig auf das gesamte Frontend verteilt und von diesem ab­ gestrahlt und/oder durch Konvektionskühlung abgeleitet, insbesondere bei einer Rotation um die Azimutachse (senk­ recht zur Erdoberfläche) und bei Betrieb am Erdboden oder auf einem Schiff, da in beiden Fällen eine hohe Luftdichte vorhanden ist.The arrangement described is in the electrical heat generated (arrows) is essentially the same moderately distributed across and from the entire front end blasted and / or derived by convection cooling, especially when rotating around the azimuth axis (lower right to the surface of the earth) and when operating on the ground or on a ship, because in both cases there is a high air density is available.

Fig. 2 zeigt eine schematische Aufsicht auf die Strahler­ seite. Durch diese Ansicht wird die Lage der Sende-/Emp­ fangsstrahlerelemente ST sowie der Folie FO verdeutlicht. Für die derart angeordneten Sende-/Empfangsstrahlerelemente ST wird mittels des Hohlleiters HO vorzugsweise eine soge­ nannte Serienspeisung für die zu sendenden und/oder zu emp­ fangenen (Hochfrequenz-)Signale verwendet. Fig. 2 shows a schematic plan view of the radiator side. This view shows the position of the transmit / receive radiator elements ST and the film FO. For the transmitting / receiving radiator elements ST arranged in this way, a so-called series feed is preferably used by means of the waveguide HO for the (high-frequency) signals to be transmitted and / or received.

Es ist ersichtlich, daß bei der beschriebenen Anordnung ei­ ne große metallische Oberfläche entsteht, die eine gute Wärmeableitung ermöglicht, insbesondere bei mechanischen Schwenk- und/oder Rotationsvorgängen. Die abführbare Wärme­ menge ist von dem gewählten Aufbau abhängig, beispielsweise dem Material und/oder der Wandstärke der Hohlleiter HO und/oder deren Außenoberfläche, die beispielsweise zusätz­ lich durch sogenannte Kühlrippen vergrößerbar ist. Derarti­ ge konstruktive Maßnahmen sind einem Fachmann geläufig so­ wie die Ermittlung der maximal abführbaren Wärmemenge. Die­ se ist beispielsweise abhängig von der maximal zulässigen Temperatur innerhalb der Elektronikseite.It can be seen that in the arrangement described egg A large metallic surface is created, which is a good one Allows heat dissipation, especially with mechanical Panning and / or rotating processes. The heat that can be dissipated quantity depends on the chosen structure, for example the material and / or the wall thickness of the waveguide HO and / or their outer surface, which, for example, additional Lich can be enlarged by so-called cooling fins. Derarti ge constructive measures are familiar to a specialist such as determining the maximum amount of heat that can be dissipated. The For example, it depends on the maximum allowable Temperature inside the electronics side.

Claims (7)

1. Phasengesteuerte Antenne, zumindest bestehend aus einer vorgebbaren Anzahl von zeilen- und/oder matrixförmig an­ geordneten Sende-/Empfangsstrahlerelementen, an die zu­ gehörige Sende-/Empfangsmodule angeschlossen sind, da­ durch gekennzeichnet,
  • - daß eine metallische Trägerplatte (TR) vorhanden ist, auf deren einer Seite zumindest die Sende-/Empfangs­ module (SE) wärmeleitend an der Trägerplatte (TR) befe­ stigt sind und
  • - auf deren anderer Seite mindestens zwei im wesentlichen parallel angeordnete metallische Hohlleiter (HO) wärme­ leitend mit der Trägerplatte (TR) befestigt sind,
  • - daß die Hohlleiter (HO) mittels elektrischer Durchfüh­ rungen hochfrequenzmäßig zumindest mit den Sende-/Emp­ fangsmodulen gekoppelt sind,
  • - daß die Hohlleiter (HO) auf ihrer der Trägerplatte (TR) abgewandten Seite eine vorgebbare Anzahl von Sende-/Em­ pfangsstrahlerelementen (ST) besitzen und
  • - daß die Sende-/Empfangsstrahlerelemente (ST) durch eine für elektromagnetische Strahlung durchlässige Folie (FO) abgedeckt sind.
1. Phase-controlled antenna, at least consisting of a predeterminable number of rows and / or matrixes in orderly arranged transmit / receive radiator elements, to which the associated transmit / receive modules are connected, as characterized by
  • - That a metallic carrier plate (TR) is present, on one side of which at least the transmitting / receiving modules (SE) are heat-conducting on the carrier plate (TR) and are fixed
  • on the other side, at least two essentially parallel, metallic waveguides (HO) are attached to the carrier plate (TR) in a heat-conducting manner,
  • - That the waveguide (HO) are coupled by means of electrical feedthroughs at high frequencies, at least with the transmitting / receiving modules,
  • - That the waveguide (HO) on its side facing away from the carrier plate (TR) have a predeterminable number of transmit / receive elements (ST) and
  • - That the transmitting / receiving radiator elements (ST) are covered by a film (FO) which is permeable to electromagnetic radiation.
2. Phasengesteuerte Antenne nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Sende-/Empfangsstrahlerelemente (ST) als Schlitzstrahler ausgebildet sind.2. Phase controlled antenna according to claim 1, characterized ge indicates that the transmit / receive radiator elements (ST) are designed as slot radiators. 3. Phasengesteuerte Antenne nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlleiter (HO) mit den Schlitzstrahlern eine Serien-Speiseleitung bilden für die zu sendenden und/oder zu empfangenden Wellen.3. Phase controlled antenna according to claim 1 or claim 2, characterized in that the waveguide (HO) with the slot radiators form a series feed line for the waves to be transmitted and / or received. 4. Phasengesteuerte Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Hohlleitern (HO) mindestens ein metallischer Steg (STE) vorhanden ist.4. Phase controlled antenna according to one of the preceding Claims, characterized in that between the Waveguides (HO) at least one metallic web (STE) is available. 5. Phasengesteuerte Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Steg (STE), angrenzende Hohlleiter (HO) sowie die Träger­ platte (TR) ein Kanal (KA) entsteht zur Nutzung einer Kühlung mittels einer Zwangsdurchströmung.5. Phase-controlled antenna according to one of the preceding Claims, characterized in that by the web (STE), adjacent waveguide (HO) and the carrier plate (TR) a channel (KA) is created to use a Cooling by means of a forced flow. 6. Phasengesteuerte Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die Sende-/Empfangsmodule durch eine Abschirmhaube (AH) ab­ gedeckt sind. 6. Phase-controlled antenna according to one of the preceding Claims, characterized in that at least the Transmit / receive modules through a shielding hood (AH) are covered.   7. Phasengesteuerte Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet zur Verwendung als Radaranten­ ne.7. Phase-controlled antenna according to one of the preceding Claims marked for use as radarants no
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