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Diese
Erfindung betrifft Phasenarrayantennen, und im Besonderen betrifft
diese Erfindung Phasenarrayantennen, weiche bei Millimeterwellenlängen verwendet
werden.
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Mikrostreifenantennen
und andere Phasenarrayantennen, welche bei Millimeterwellenlängen verwendet
werden, sind zur Verwendung mit einem Antennengehäuse und
einer MMIC ("millimeter microwave
integrated circuit";
integrierte Schaltung für
Millimetermikrowellen)-Teilsystemanordnung ausgestaltet, welches
als ein strahlbildendes Netzwerk verwendet wird. Das Gehäuse kann
als eine Waffel(struktur)wand-Anordnung
oder als ein anderer Modulträger
ausgebildet sein, um ein strahlbildendes Netzwerkmodul zu tragen,
welches typischerweise orthogonal zu jeder Anordnung von Antennenelementen
ausgestaltet ist. Verschiedene Arten von Phasenarrayantennen-Anordnungen,
welche für
monolithische Teilsystemanordnungen für Millimeterwellenlängen verwendet
werden könnten,
sind in der Beschreibung von
US
5,065,123 offenbart, welches einen Wellenleiter-Modefilter
und ein Antennengehäuse
lehrt. Andere Mikrowellen-Chipträgerbaugruppen mit
abdeckungsbefestigten Antennenelementen und einer hermetisch abgedichteten
Waffelwand oder andere eingerichtete Anordnungen in der Beschreibung zu
US 5,023,624 und
5,218,373 offenbart.
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Mit
diesen und anderen Ansätzen
nach dem Stand der Technik sind bestimmte Nachteile verbunden. Oberhalb
von 20 und 30 GHz weist die kommerziell erhältliche gedruckte Schaltungsplatten-Technologie
bzw. Platinen-Technologie mit weichen Substraten nicht die für zirkular
polarisierte Mehrschicht-Strahlungselemente benötigte Genauigkeit auf, wie
beispielsweise für
Quadraturelemente. Ein zirkular polarisiertes Einzelspeisungs-Patchantennenelement
mit einer integrierten versteckten zirkular polarisierten Schaltung
wird für
aktuelle breit abtastende Millimetermikrowellen (MMW)-Phasenarray-Anwendungen
gewünscht.
Verschiedene kommerziell erhältliche
Weichsubstratschichten weisen Kupferfilmschichten auf, die für eine Präzisionsherstellung
von Millimetermikrowellenschaltungen dicker als gewünscht sind.
Verschiedene befestigbare kommerziell erhältliche weiche dielektrische
Substrate weisen bei Mikrowellenmillimeterwellenlängen hohe
Verluste auf, und die notwendigerweise raue Grenzfläche vom
Dielektrikum zum Metall bewirkt eine zusätzliche Dämpfung. Viele kommerziell erhältliche
dielektrische Substrate sind nicht in optimalen Dicken verfügbar. Verschiedene
Zweifachspeisungs-Mikrostreifenelemente mit polarisierten Oberflächenschaltungsnetzwerken
sind bereitgestellt worden, und einige mit polarisierenden Filmabdeckungen,
aber diese haben sich als nicht adäquat erwiesen. Es wäre wünschenswert,
die verschiedenen Schichten zu minimieren und Materialien und Herstellungstechnologien
für integrierte
Mikrowellenschaltungen auch für
Pha senarrayantennen mit orthogonal angeordneten strahlbildenden
Netzwerkmodulen bei Millimeter-Mikrowellen-Wellenlängen zu verwenden.
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Zusätzlich zeigt
der vorherrschende Trend in Richtung von Phasenarrays bzw. -anordnungen
mit höherer
Frequenz. In Phasenarrayantennen-Anwendungen im Ka-Band ist die Verbindung
vom Element zu den strahlbildenden Netzwerkmodulen sehr schwierig
auszubilden, weil die Arrayfläche
typischerweise orthogonal zu den strahlbildenden Netzwerkmodulen
und jeder anderen Antennengehäusehalterungsstruktur
liegt.
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Voll
periodische Breitabtast-Phasenarrayantennen benötigen eine dichte Anordnung
von Antennenelementen, wie beispielsweise mit einem Abstand von
ca. 0,23 inches (2,875 mm), und mit vielen Verbindungen und sehr
kleinen Abmessungen. Für zirkular
polarisierte Mikrostreifenantennen benötigt man normalerweise zwei
Quadraturspeisungen bzw. -zuführungen,
was die Verbindungen bei diesen begrenzten Abmessungen noch schwieriger
macht. Einige ebene Verbindungen bzw. Zusammenschaltungen mit linearer
Polarisation sind vorgeschlagen worden zusammen mit einer stiftförmigen Speisung durch
einen Boden, falls die Fläche
es erlaubt. Auch ist keine herstellbare, umarbeitbare Verbindung,
welche die hohen Leistungsanforderungen an dreidimensionale Anwendungen
mit der Millimetermikrowellen-Technologie für integrierte Schaltungen dort verfügbar, wo
ebene Elemente elektrisch mit einer Schaltung verbunden werden müssen, welche
orthogonal zu Elementen angeordnet ist, und die Mikrowellenfrequenz-Leistungsbedingungen
erfüllt.
Die Leistung muss für
jede Verbindung gleichbleibend sein, und die Technologie muss einfach
herstellbar und einfach zusammenbaubar sein, wo die Verbindung auf
hohen Ebenen des Zusammenbaus reparierbar sein muss. Die Technologie
muss auch mehrfache Zusammenschaltungen über eine kleine Fläche unterstützen.
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Ein
Aufsatz von Löffler
et al., betitelt "RF
Interconnects Based on Electromagnetic Coupling for the Transition
between Components in Highly Integrated SAR-Systems", Frequenz, Schiele
und Schon GmbH, Berlin, DE, Band 53, Nr. 7/8, Juli 1999, Seiten 145–150, betrifft
eine Funkfrequenzverbindung, welche eine elektromagnetische Kopplung
durch eine Öffnung
verwendet.
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EP-A-0
542 595 beschreibt eine UHF (Ultrahochfrequenz)-Mikrostreifenantennenvorrichtung, welche
spezifisch zur Verwendung bei einer Empfangsmittelfrequenz von 1,545
GHz und einer Sendemittelfrequenz von 1,645 GHz zur Verwendung mit Telefonübertragungen
durch einen Satelliten eingerichtet ist.
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Die
vorliegende Erfindung umfasst eine Phasenarrayantenne, aufweisend
ein Antennengehäuse mit
einer als einem Schachtinnenraum ausgebildeten Teilarrayanordnung
mit einer Modulhalterung, wobei eine seitliche Aussparung an der
seitlichen Oberfläche
des Schachtinnenraums ausgebildet ist und es einem strahlbildenden
Netzwerkmodul erlaubt, darin befestigt zu werden, sowie eine Arrayfläche, welche eine
im wesentlichen zur Teilarrayanordnung und zu den strahlbildenden
Netzwerkmodulen orthogonale Grundplatte definiert; eine Vielzahl
von Millimeterwellenlängen-Patchantennenelementen,
die auf der Arrayfläche
angeordnet sind und jeweils benachbart zu einem entsprechenden strahlbildenden
Netzwerkmodul positioniert sind, und wo jedes Patchantennenelement
angeordnet ist, ist ein Hohlraum für einen Wellenleiter unter
der Grenzfrequenz an der Arrayfläche
ausgebildet und einem entsprechenden strahlbildenden Netzwerkmodul
zugeordnet, wobei die Millimeterwellenlängen-Patchantennenelemente
jeweils umfassen: ein angetriebenes Millimeterwellenlängen-Antennenelement
mit einer Vorderseite und einer Rückseite; ein parasitäres Millimeterwellenlängen-Antennenelement,
das vor der Vorderseite des angetriebenen Antennenelements angeordnet
ist; eine Millimeterwellenlängenmikrostreifen-Quadratur-zu-Zirkular-Polarisationsschaltung,
die hinter der Rückseite
des angetriebenen Antennenelements angeordnet und wirkend mit dem
angetriebenen Antennenelements verbunden ist, wobei die Millimeterwellenlängenmikrostreifen-Quadratur-zu-Zirkular-Polarisationsschaltung
mindestens teilweise innerhalb des Hohlraums für den Wellenleiter unter der
Grenzfrequenz aufgenommen ist; und eine Einzelmillimeterwellenlängenspeisung,
die sich von der Nachbarschaft des Hohlraums für den Wellenleiter unter der Grenzfrequenz
zum strahlbildenden Netzwerkmodul erstreckt und welche die Mikrostreifen-Quadratur-zu-Zirkular-Polarisationsschaltung
mit einem entsprechenden benachbarten strahlbildenden Netzwerkmodul
wirkend verbindet, das an der orthogonal angeordneten Teilarrayanordnung
gehalten wird.
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Vorteilhafterweise
stellt die Erfindung eine Phasenarrayantenne bereit, die ein gestapeltes Patchantennenelement
und eine einzelne Millimeterwellenlängenspeisung von einer Mikrostreifen-Quadratur-zu-Zirkular-Polarisationsschaltung
verwendet. Dies erlaubt es der Mikrostreifen-Quadratur-zu-Zirkular-Polarisationsschaltung,
wirkend mit einem entsprechenden benachbarten strahlbildenden Netzwerkmodul
verbunden zu sein, das auf der orthogonal positionierten Teilarrayanordnung
gehalten wird.
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Die
Phasenarrayantenne umfasst ein Antennengehäuse mit einer Teilarrayanordnung,
die eine Vielzahl von strahlbildenden Netzwerkmodulen trägt. Eine
Antennenarrayfläche
definiert eine Grundplatte, die im wesentlichen orthogonal zur Teilarray anordnung
liegt. Eine Vielzahl von Millimeterwellenlängen-Patchantennenelementen
ist an der Arrayfläche benachbart
zu einem entsprechenden strahlbildenden Netzwerkmodul angeordnet.
Die Millimeterwellenlängen-Patchantennenelemente
umfassen jeweils ein angetriebenes Antennenelement mit Vorderseite
und Rückseite
und ein parasitäres
Antennenelement, das vor der Vorderseite des angetriebenen Antennenelements
angeordnet ist. Eine Mikrostreifen-Quadratur-zu-Zirkular-Polarisationsschaltung ist
hinter der Rückseite
des angetriebenen Antennenelements angeordnet und mit dem angetriebenen Antennenelement
wirkend verbunden. Eine einzelne Millimeterwellenlängenspeisung
ist wirkend mit dem Mikrostreifen, der Quadratur-zu-Zirkular-Polarisationsschaltung
und mit einem entsprechenden benachbarten strahlbildenden Netzwerkmodul
verbunden, das an der orthogonal positionierten Teilarrayanordnung
gehalten wird.
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Unter
einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung umfasst die Phasenarrayantenne
eine Grundplattenschicht und eine dielektrische Schicht, die zwischen
dem parasitären
Antennenelement und der Mikrostreifen-Quadratur-zu-Zirkular-Polarisationsschaltung
angeordnet sind. Die Einzelmillimeterwellenlängenspeisung umfasst ferner
einen leitfähigen
Anschlussstift mit einer Kugelverbindung, welche die Mikrostreifen-Quadratur-zu-Zirkular-Polarisationsschaltung
zusammenschaltet.
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Eine
Keilverbindung und ein keramisches Mikrostreifensubstrat schalten
den leitfähigen
Anschlussstift mit dem strahlbildenden Netzwerkmodul zusammen. Eine
Einzelmillimeterwellenlängenspeisung
umfasst eine Drahtverbindung, welche das keramische Mikrostreifensubstrat
mit dem strahlbildenden Netzwerkmodul zusammenschaltet. Eine Bandverbindung
schaltet die Einzelmillimeterwellenlängenspeisung mit den keramischen
oder anderen Komponenten zusammen. Eine Vielzahl der Millimeterwellenlängen-Patchantennenelemente
ist mit der Arrayfläche
des Antennengehäuses
leitend verbunden. Das strahlbildende Netzwerkmodul umfasst ferner
einen Verstärker
und eine monolithische integrierte Mikrowellenschaltung. Das Antennengehäuse umfasst
einen Gehäuseinnenraum,
der die Teilarrayanordnung definiert, sowie eine Modulhalterung, eine
Abdeckung und Wellenleitermodus-Filtersäulen, die sich von der Abdeckung
zum Gehäuseinnenraum erstrecken.
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Unter
noch einem anderen Gesichtspunkt der Erfindung umfasst das Antennengehäuse eine Vielzahl
von Modulhalterungen, die jeweils ein strahlbildendes Netzwerkmodul
halten, als auch eine im wesentlichen orthogonal zu den Modulhalterungen befindliche
Arrayfläche.
Die Arrayfläche
umfasst eine Vielzahl von Hohlräumen
für Wellenleiter
unter der Grenzfrequenz, die in der Arrayfläche ausgebildet sind und jeweils
benachbart zu einer entsprechenden Modulhalterung angeordnet sind.
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Ein
Millimeterwellenlängen-Patchantennenelement
ist über
jedem Hohlraum für
einen Wellenleiter unter der Grenzfrequenz angeordnet und umfasst ein
angetriebenes Antennenelement mit einer Vorder- und einer Rückseite
und ein parasitäres
Antennenelement, das vor der Vorderseite des angetriebenen Antennenelements
angeordnet ist. Eine Quadratur-Mikrostreifen-Zirkular-Polarisationsschaltung
ist hinter der Rückseite
des angetriebenen Antennenelements angeordnet, zumindest teilweise
in dem Hohlraum für
einen Wellenleiter unter der Grenzfrequenz aufgenommen und wirkend
mit dem angetriebenen Antennenelement verbunden. Eine Einzelmillimeterwellenlängenspeisung
verbindet die Mikrostreifen-Quadratur-zu-Zirkular-Polarisationsschaltung und
ein entsprechendes benachbartes strahlbildendes Netzwerkmodul, das
an der orthogonal angeordneten Teilarrayanordnung gehalten wird.
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Unter
noch einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung kann
die Phasenarrayantenne ein Antennengehäuse umfassen, das eine Teilarrayanordnung
umfasst, die eine Vielzahl von strahlbildenden Netzwerkmodulen trägt, sowie
eine Arrayfläche,
die im wesentlichen orthogonal zur Teilarrayanordnung liegt, und
eine Vielzahl von Hohlräumen
für Wellenleiter
unter der Grenzfrequenz, die in der Arrayfläche ausgebildet sind.
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Ein
Millimeterwellenlängen-Patchantennenelement
ist über
jedem Hohlraum für
einen leitenden Wellenleiter angeordnet und umfasst ein primäres Substrat
mit einer Vorderseite und einer Rückseite. Ein angetriebenes
Antennenelement ist an der Vorderseite des primären Substrats angeordnet. Ein
sekundäres
Substrat ist vor dem angetriebenen Antennenelement beabstandet angeordnet
und weist in einer Ausführungsform
ein darauf angebrachtes parasitäres
Antennenelement auf. Das parasitäre
Antennenelement wird jedoch nicht benötigt. Eine Grundplattenschicht
ist an der Rückseite
des primären
Substrats angeordnet. Eine dielektrische Schicht ist an der Grundplattenschicht
angeordnet. Eine Mikrostreifen-Quadratur-zu-Zirkular-Polarisationsschaltung
ist an der dielektrischen Schicht angeordnet und zumindest teilweise
im Hohlraum für
einen Wellenleiter unter der Grenzfrequenz aufgenommen. Leitfähige Signaldurchkontaktierungen
erstrecken sich von der Mikrostreifen-Quadratur-zu-Zirkular-Polarisationsschaltung
zur Grundplattenschicht und dem angetriebenen Antennenelement. Eine
Einzelmillimeterwellenlängenspeisung
verbindet die Mikrostreifen-Quadratur-zu-Zirkular-Polarisationsschaltung
mit einem entsprechenden benach bart angeordneten strahlbildenden
Netzwerkmodul, das auf der orthogonal positionierten Teilarrayanordnung
getragen wird.
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Die
Erfindung wird nun exemplarisch mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen
beschrieben, in welchen:
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1 eine
Querschnittsansicht eines Antennengehäuses mit einer Vielzahl von
Millimeterwellenlängen-Patchantennenelementen
ist, die an einer Arrayfläche
angeordnet sind, und zwar in Übereinstimmung
mit einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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2 ist
eine Draufsicht von oben auf das in 1 gezeigte
Antennengehäuse.
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3 ist
eine Darstellung einer Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Patchantennenelements,
das einen leitfähigen
Stift als eine einzelne Millimeterwellenspeisung verwendet.
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4 bis 6 sind
verschiedene Ausschnittsansichten des Patchantennenelements aus 3 entlang
der Linien 4-4, 5-5 und 6-6 aus 3.
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7 ist
eine Draufsicht auf die Mikrostreifenabdecktasche und den leitfähigen Befestigungsfilm.
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8 ist
eine Vorderansicht des vorgeformten Phasenarrayantennen-Wafers der
Antennenelemente vor einem Zuschneiden.
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9 ist
eine Ansicht des vorgeformten Phasenarrayantennen-Wafers aus 8.
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10 ist
eine rückwärtige Ansicht
des Wafers aus 8 und zeigt die Mikrostreifen-Quadratur-zu-Zirkular-Polarisationselemente.
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11 bis 16 sind
unterschiedliche Ausführungsformen
der Millimeterwellenlängen-Patchantennenelemente
mit einem Abstand zwischen dem primären Substrat und dem sekundären Substrat,
welches die angetriebenen und parasitären Elemente einschließt.
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17 ist
eine Querschnittsansicht einer anderen Ausführungsform, welche das Antennengehäuse mit
dem Hohlraum für
einen Wellenleiter unter der Grenzfrequenz genauer zeigt.
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18 ist
eine Durchsicht von der Vorderseite, welche die parasitäre Patchmetallschicht,
Abstandskugeln, die ausgebildete dielektrische Schicht an der Rückseite
des primären
Substrats und die Mikrostreifen-Quadratur-zu-Zirkular-Polarisationsschaltung
zeigt.
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18A ist eine Querschnittsansicht einer anderen
Ausführungsform
unter Verwendung einer Vierecksstift-Koaxialleitung mit Teflon.
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18B ist eine Aufsicht auf das in 18A gezeigte Antennenelement.
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19 ist
eine Aufsicht auf ein Starterelement, das in dem Zwischenschaltungselement
in einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
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20 ist
eine Seitenansicht des in 19 gezeigten
Starterelements.
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21 ist
eine vergrößerte Ansicht
des in 20 gezeigten Starterelements.
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22 ist
eine isometrische Ansicht des Starterelements und des Trägerelements,
welche zusammengebacken worden sind.
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23 ist
eine unvollständige
Ansicht des Trägerelements
und des Starterelements, die mit dem Antennengehäuse verbunden sind.
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24 ist
eine unvollständige
Vorderansicht einer Arrayfläche,
welche eines der Verbindungsmitglieder zeigt, welches in dem Antennengehäuse befestigt
ist.
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Nun
Bezug nehmend auf die 1 und 2 sind die
Querschnittsdarstellung und die Draufsicht auf eine Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Phasenarrayantenne 30 gezeigt.
Das Antennengehäuse 32 weist
eine Arrayfläche 34 auf, welche
eine Grundplattenschicht bzw. Masseplattenschicht 36 definiert,
wie sie beispielsweise aus der Grundierungsschicht-Metallisierung
oder anderen dem Fachmann bekannten Techniken bekannt ist. Eine
Vielzahl von Millimeterwellenlängen-Patchantennenelementen 38 sind
an der Arrayfläche
angeordnet, wie durch das Patchantennenelement aus 3 gezeigt.
Wie in den 1 und 2 gezeigt, umfasst
das Antennengehäuse 32 eine
Teilarrayanordnung, die in der gezeigten Ausführungsform als ein Schachtinnenraum 40 mit
einem Modulträger 40a ausgebildet
ist. Der Schachtinnenraum 40 könnte aus einem metallisierten
Keramikmaterial oder einem anderen dem Fachmann bekannten Material
gebildet sein. Unter einem Gesichtspunkt der Erfindung wird der
Schachtinnenraum aus einer Metalllegierung ausgebildet, welche einen
thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der damit verträglich ist, welche
Art von strahlbildendem Netzwerkmodul verwendet wird. Eine seitliche
Aussparung, oder Hohlraum, wird an der Seitenoberfläche des
Schachtinnenraums gebildet und erlaubt es einem strahlbildenden
Netzwerkmodul 39, darin befestigt zu werden. Das strahlbildende
Netzwerkmodul 39 ist leitend mit dem Schachtinnenraum in
der Modulhalterung verbunden. Ein leitfähiger Verbindungsfilm wird
verwendet. Das strahlbildende Netzwerkmodul umfasst einen KaECA-Träger, wie
er dem Fachmann bekannt ist, welcher leitfähig mit dem Schachtinnenraum
verbunden ist. Eine monolithische integrierte Millimeterwellenschaltung 39a und
ein Filtersubstrat 41a sind Teil des strahlbildenden Netzwerkmoduls.
Diese Teile umfassen eine Verstärkerkomponente.
Diese Teile sind an dem Träger
befestigt, d.h., dem Modul 39, und zwar durch Verwenden
eines leitfähigen
Verbindungsfilms. Das Modul umfasst eine Wellenleitermoden-Filtersäule 42 und
eine Abdeckung 44 und umfasst ein Grundierungs- bzw. Erdungsband 46 entlang
der Oberfläche
der Abdeckung. Das Filtersubstrat 41a und andere Komponenten
des strahlbildenden Netzwerkmoduls sind, wie dargestellt, als orthogonal
zur Arrayfläche 34 angeordnet
dargestellt. In 2 sind Aussparungen 39d dargestellt
und in der Abdeckung ausgebildet, wo ein Drahtanschluss-Maschinenkopf
hineinragen kann, um das notwendige Verbinden durchzuführen. Die
große
Oberfläche
des Bandes ist tatsächlich
die äußere Oberfläche der
Modulabdeckung.
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Wo
jedes Patchantennenelement angeordnet ist, wird ein Hohlraum 50 für einen
Wellenleiter unter der Grenzfrequenz an der Arrayfläche ausgebildet
und einem entsprechenden strahlbildenden Netzwerkmodul 39 zugeordnet.
Dieser flache Hohlraum beseitigt eine dielektrische und metallische Schicht
und agiert als Teil der Grund- bzw.
Masseplatte. Er könnte
aus metallisierten Grünkörperbandschichten
mit internen Schaltungen oder anderen Strukturen ausgebildet sein,
wie sie dem Fachmann bekannt sind.
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Ein
keramisches Mikrostreifensubstrat 52 mit mindestens einer
Mikrostreifenspeisungsleitung 52a erstreckt sich von benachbart
dem Hohlraum 50 für den
Wellenleiter unter der Grenzfrequenz zu dem strahlbildenden Netzwerkmodul 39.
Das keramische Mikrostreifensubstrat 52 kann eine Goldbandverbindung 54 umfassen,
welche die Speisungsleitung 52a und das Modul zusammenschaltet.
Der untere Teil der Speisungsleitung 52a auf dem keramischen
Mikrostreifensubstrat ist durch eine Antennenelementausgabe-Drahtverbindung
als ein Stift 56 zu einer Mikrostreifen-Quadratur-zu-Zirkular-Polarisationsschaltung 58 hin
ausgebildet, welche als Teil des Patchantennenelements 38 ausgebildet
ist. Der flache Hohlraum für
den Wellenleiter unter der Grenzfrequenz stellt die obere Grundplatte
und die Abdeckung/das Gehäuse
für die
rückseitige
Mikrostreifenschaltung 58 bereit. Der Stift 56,
und in einigen Fällen die
Bandverbindung, und das Substrat 52 minimieren die effektive
Induktivität
der Drahtlänge.
Die Hohlraumtiefe kann 3 bis 5 mal der Dicke einer dielektrischen
Schicht entsprechen, welche an der Rückseite eines primären Substrats
des Patchantennenelements ausgebildet ist, wie weiter unten beschrieben.
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Die 3 bis 7 zeigen
grundsätzliche Details
eines Patchantennenelements 38 unter einem Gesichtspunkt
der vorliegenden Erfindung. In dieser bestimmten Ausführungsform
ist das Patchantennenelement 38 mittels eines leitfähigen Verbindungsfilms 60 auf
der Arrayfläche
befestigt, wie in 7 gezeigt, wo ein Mikrostreifenabdeckhohlraum 61 in
der Arrayfläche
vorhanden ist, um Schaltungen aufzunehmen. Das Antennenelement umfasst
die rückseitige
Mikrostreifen-Quadratur-zu-Zirkular-Polarisationsschaltung 58,
wie in 4 gezeigt, mit der befestigten Signalspeisung
gespeist über
die Signalstift 56-Verbindung und Signaldurchkontaktierungen 62,
die mit einem angetriebenen Antennenelement 64 verbunden
sind. Ein primäres
Substrat 66 weist eine Vorderseite und eine Rückseite
auf, und das angetriebene Antennenelement 64 ist auf der
Vorderseite des primären
Substrats ausgebildet. Eine Grundplattenschicht 68 ist
auf der Rückseite
des primären
Substrats ausgebildet, und eine dielektrische Schicht 70 ist
auf der Grundplattenschicht 68 ausgebildet. Die Mikrostreifen-Quadratur-zu-Zirkular-Polarisationsschaltung
ist über
dieser dielektrischen Schicht ausgebildet und könnte andere Polyamidschichten
umfassen (nicht im Detail gezeigt). Das primäre Substrat könnte eine
aufgeschleuderte Schicht sein, welche auf eine gewünschte Dicke
geläppt
ist und könnte
Siliziumdioxid sein. Die Quadratur-zu-Zirkular-Polarisationsschaltung könnte ein
reaktiver Leistungsteiler und eine 90°-Verzögerungsleitung oder
ein Lange-Koppler mit Kreuzverbindungen sein.
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Ein
Schaumstoffabstandshalter 52 (1) trennt
ein sekundäres
Substrat 74 mit einem parasitären Antennenelement 76,
welches vorne vor dem angetriebenen Antennenelement 62 beabstandet
ist. Der Schaumstoffabstandshalter 72 bildet mindestens ein
Abstandselement zwischen der Parasitärantennenelementschicht und
dem primären
Substrat. Dieser Schaumstoffabstandshalter 72 ist zur verbesserten
Parasitärantennenelementleistung
bei Millimeterwellenlängen-Funkfrequenzsignalen
dimensioniert. Wenn die Patchantennenelemente zusammen ausgebildet
werden, ist es klar, dass sie durch Bestückungsvorrichtungen auf einem
Antennengehäuse angebracht
werden können,
wobei der Stift 56 sich zur Mikrostreifenspeisungsleitung 52a auf
dem Substrat erstreckt.
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Nun
bezüglich 17 ist
eine weitere Ausführungsform
eines Phasenarrayantennenelements dargestellt, wobei der Abstandshalter
als ein Dielektrikum ausgebildet und zwischen einer sekundären Antennenelementschicht 82 mit
einem parasitären Element
und dem primären
Substrat 80 ausgebildet ist. Der Abstandshalter ist als
beabstandete Kugeln 84 mit genauem Durchmesser ausgebildet,
wodurch er einen vorbestimmten Abstand zwischen dem primären und
dem sekundären
Substrat erlaubt. Eine leitfähige
Haftverbindung (oder eine Gold/Zinn-Lötbefestigung) 86 befestigt
das primäre
Substrat (oder die Gold/Zinn-Befestigung). Die rückseitige dielektrische Schicht
und Grundplatte 88 umfassen die Mikrostreifen-Quadratur-zu-Zirkular-Polarisationsschaltung 58 wie
oben beschrieben, und sind in dem Hohlraum angeordnet. 18 ist
eine Durchsicht durch das Strahlungselement (Antennenelement). Von
der Vorderseite aus betrachtet ist das erste Element das sekundäre Substrat 78 mit
dem zirkularen parasitären
Antennenelement 76-Metallfilm auf der Rückseite. Darunter kann man
die tragenden Abstandskugeln 84 mit Präzisionsdurchmessern erkennen.
Die rechteckige Form ist die dielektrische Schicht, die auf der
Rückseite
des primären
Substrats 80 ausgebildet ist. Darunter liegt die Metallschicht
der geätzten
Schaltung der Mikrostreifen-Quadratur-zu-Zirkular-Polarisationsschaltung 58. Verschiedene
Schichten sind nicht gezeigt. In den unterschiedlichen Ausführungsformen
könnte
das primäre
Substrat auf Glas, einschließlich
Quarzglas, Keramik, wie beispielsweise Aluminiumoxid und Berylliumoxid,
Halbleitermaterialien, wie beispielsweise GaAs, oder aus anderen
dem Fachmann bekannten Materialien ausgebildet sein. Der Stift 92 in
dieser Ausführungsform
ist flexibel ausgebildet und könnte eine
gezeigte Bandverbindung sein, welche immer noch eine Einzelmillimeterwellenlängenspeisung
bereitstellt.
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11 zeigt
eine unterschiedliche Ausführungsform
eines Antennenelement-Abstandshalters, welcher
zum Beabstanden des angetriebenen Antennenelements und des parasitären Antennenelements verwendet
wird. 11 zeigt eine parasitäre Elementschicht 100 ohne
ein dickes Substrat. Das primäre
Substrat 80, welches mit einem dielektrischen Niedrigtemperaturglas
oder einem Polyamidmittensockel 102 gebildet (oder abgeschieden)
wird, bildet die Trennverbindung. Auf der Rückseite des primären Substrats
könnte
eine Glas- oder Polyamidschicht 104 vorhanden sein, welche
die Fotoherstellung der Mikrostreifen-Quadratur-zu-Zirkular-Polarisationsschaltung
erlauben würde.
Diese Schaltung weist Signal- und Masse- Durchkontaktierungen 106 auf,
welche sich durch das angetriebene Antennenelement erstrecken, welches
auf der Vorderseite des primären
Substrats angeordnet ist. Die Verbindungsdrahtverbindung ist als
sich von der rückseitigen
Metallisierung 104 aus erstreckend gezeigt.
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12–16 zeigen
andere Ausführungsformen. 12 weist
ein sekundäres
Substrat 110 und den Glas- oder Polyamid-Minensockel 102 auf. 13 weist
Endträgerelemente 112 auf,
welche eine Umfangsrahmenstruktur bilden, und den Glas- oder Polyamid-Minensockel 102. 14 weist
keinen Mittensockel auf, aber umfasst die Endträgerelemente 112. 15 und 16 zeigen
eine Beabstandung mit sphärischen
Kugeln, wobei in 15 eine Kugel mit größerem Durchmesser
für eine
unterschiedliche Beabstandungswellenleiterleistung gezeigt ist.
Diese Kugeln sind als Glas- oder Polyamidkugeln mit genauem Durchmesser
ausgebildet. Die Umfangsrahmenstrukturen 112 können in
ein Dielektrikum eingeätzt
sein, wie beispielsweise verbundenes bzw. gebondetes Glas oder Polyamid,
wie in den 13 und 14 gezeigt,
als auch in den in den 11, 12 und 13 gezeigten
Mittensockel. Die Beabstandung ist für Millimetermikrowellenausdehnungen
eingestellt und verbessert die Leistung der Antennenelemente.
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Der
Durchmesser des Kugelabstandshalters oder des ausgebildeten dielektrischen
Schichtabstandshalter kann auf einer engeren Toleranz gehalten werden
als bei einer weniger genauen Technologie für bedruckte Leiterplatten.
Die ausgebildeten dielektrischen Schichten, vorne und hinten, können auf eine
engere Dickentoleranz geschliffen oder geläppt werden. Das primäre Glas-,
Keramik- oder Kristallsubstrat kann auf eine enge Dickentoleranz
geschliffen und poliert werden, bevor die rückseitige Grundplatte und das
vorderseitige primäre
Strahlungselement ausgebildet werden.
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An
diesem Punkt kann die metallische Parasitärelementschicht lediglich ein
Metallfilm sein oder ein Metallfilm auf einem aufgehängten dielektrischen Substrat
(15 und 16). Für den Fall,
bei dem Kugelabstandshalter verwendet werden, wird keine dielektrische
Schicht auf der Vorderseite des primären Substrats ausgebildet.
Ein Fenster wird in die gebildete dielektrische Schicht auf der
Frontfläche
des primären
Substrats hineingeätzt.
Diese Fensterätzung
kann so tief sein, dass sie das an der Vorderseite des primären Substrats
ausgebildete angetriebene Element freilegt. Die ausgebildete dielektrische Schicht
kann vor der Fensterbildung auf eine enge Dickentoleranz geläppt werden.
Nach Ätzen
der Fensteröffnung über dem
primären
Element wird das parasitäre
Element, das auf einem zweiten Glassubstrat ausgebildet ist, auf
der oberen Oberfläche
der ausgebildeten dielektrischen Schicht befestigt (14).
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Für eine beste
Antennenelementleistung ist es wichtig, die Verwendung dielektrischen
Materials in dem Zylindervolumen zwischen den parasitären und
den angetriebenen Strahlungselement-Metallschichten zu minimieren.
Es ist möglich,
und unter einigen Umständen
vorteilhaft, kein dielektrisches Material in diesem Volumen zu haben.
In den PWB-Versionen niedrigerer Frequenz wird ein Schaumstoff mit niedriger
dielektrischer Konstante verwendet, um dieses Volumen aufzufüllen.
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In
jedem von diesen könnten
die primären und
sekundären
Substrate aus einem dielektrischen Material gebildet werden, wie
beispielsweise aus Glas, Quarzglas, Keramiken, wie beispielsweise
Aluminiumoxid oder Berylliumoxid, oder einem Halbleitersubstrat,
wie beispielsweise GaAs.
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Die 18A und 18B zeigen
eine weitere Ausführungsform
ohne Hohlraum für
einen Wellenleiter unter der Grenzfrequenz wie vorher, aber die Ausführungsform
weist weiterhin ein Patchantennenelement mit einer einzelnen 50 Ω-Quadratstift-Koaxialleitung 120 auf,
welche über
eine Drahtverbindung bzw. -anschluss 122 mit dem Modul 39 verbunden
ist. Sie umfasst einen Koaxialleitungs-Stiftkopf 124 und eine
dielektrische Umkreisung 126, so wie sie aus einem Dielektrikum,
das unter der Handelsbezeichnung Teflon verkauft wird, gebildet
wird.
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Die
rückseitige
Mikrostreifen-Quadratur-zu-Zirkular-Polarisationsschaltung in dem
Hohlraum 50 für
den Wellenleiter unter der Grenzfrequenz kann bei diesem Ansatz
weiterhin verwendet werden. Der Unterschied ist, dass das Signal
nicht durch einen Signalstift 92 oder einen Draht läuft, welcher durch
ein Loch in dem Hohlraum "boden" existiert, wie in 17 gezeigt.
Das Signal läuft
von der rückwärtigen Schaltung
durch Durchkontaktierungen hoch zur vorderen Oberfläche des
primären
Substrats und von dort zur Kante des Substrats durch eine ausgebildete
Mikrostreifenübertragungsleitung.
Ein Gold-Zwischenschaltungsband ist mit der Mikrostreifenübertragungsleitung
an einem Ende verbunden und ist an dem anderen Ende mit dem Stiftkopf 124 der
Viereckstift-Koaxialleitung 20 verbunden, welche in der
Nähe einer
Seite des Patchstrahlungselements 38 angeordnet ist. Der
Draht in 18A befindet sich nicht am gleichen
Ort wie der Draht, welcher, wie in 18B gezeigt,
das Element mit dem Kopf des Viereckanschlussstifts verbindet.
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Es
ist möglich,
dass ein einzelnes lineares oder Quadratur-dual-lineares polarisiertes
Strahlungselement in einigen Fällen
nützlich
sein kann. In diesen Fällen
würde die
bordeigene Mikrostreifen-Quadratur-zu-Zirkular-Polarisationsschaltung nicht
benötigt werden.
Die rückseitigen
Hohlraumanschlussstifte oder Kantenanschlussstifte können jedoch,
wie in den 17 und 18 gezeigt,
weiterhin zur Verbindung mit einem strahlbildenden Netzwerkmodul
verwendet werden.
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Der
viereckige Anschlussstift erlaubt ein einfaches Draht- oder Bandverbinden
mit dem Modul. Der viereckige Anschlussstift wird auch, falls er
geeignet bemaßt
ist, wenn er in das Dielektrikum gedrückt wird, das beispielsweise
unter dem Markennamen Teflon verkauft wird, das Dielektrikum ausreichend
ausdehnen, um den Anschlussstift und das Dielektrikum in dem Bohrloch
von der Arrayfläche
zurück
zum Modul einzufangen. In einigen Fällen mit unterschiedlichen
Arten von Anschlussstiften werden Kugelverbindungen verwendet, welche
eine Thermokompressions-Schweißverbindung
bilden, welche den Anschlussstift mit der Metallanschlussfläche auf der
Mikrostreifen-Quadratur-zu-Zirkular-Polarisationsschaltung verbindet.
Die Keilverbindung andererseits ist eine Art von Thermokompressions-Schweißverbindung,
welches den Anschlussstift an einem Metallfeld befestigt. Eine typische
mikroelektronische Verbindung wird mit einem Golddraht mit 0,001
inch Durchmesser hergestellt, wobei eine Thermokompressions (TC)-Kugelverbindungsbefestigung
an der Halbleiterverbindungsfläche
verwendet wird. Eine Keil-TC-Verbindung wird am anderen Ende des Drahts
hergestellt, um ihn mit einer verpackten Metallanschlussfläche zu verbinden.
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Die 8–10 zeigen,
wie die Patchantennenelemente als ein Wafer 150 von Elementen ausgebildet
und dann mittels einer Diamantsäge
entlang der Schneidlinien 152 aufgeschnitten werden können. Ein
primäres
Substrat 154 ist als ein großer Wafer dargestellt, zusammen
mit dem sekundären Substrat 156,
welches durch sphärische
Kugeln 158 wie oben beschrieben beabstandet ist. Ein parasitäres Patchantennenelement 160 ist
auf dem sekundären
Substrat ausgebildet. Das primäre
Substrat würde
geeignete angetriebene Antennenelemente umfassen und, falls notwendig,
Grundplattenschichten (nicht gezeigt), wie es dem Fachmann bekannt
ist. Mikrostreifen-Quadratur-zu-Zirkular-Polarisationsschaltungen 162 sind
an der Rückseite
des primären Substrats 154 ausgebildet.
In einem Beispiel werden die Elemente auf einem primären Substrat
von 1,00 In2 ausgebildet. Der Wafer könnte auseinander
gesägt
werden, um 25 Elemente auf 0,150 × 0,150 In2 zu
erhalten. Die Standarddicke könnte
1,0 mm und 0,5 mm ± 0,01
mm Dicke betragen, mit Standardhalbleiterwafern von 3 Inch, 4 Inch
und 6 Inch.
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Unter
noch einem anderen Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist
es möglich,
eine Phasenarrayantenne zu besitzen, welche ein Antennenträger-Zusammenschalt element 200 umfasst,
das an dem Antennengehäuse
befestigt ist. Nun in Bezug auf die 19–24 ist
ein Antennenträger-Zwischenschaltungselement
gezeigt, das in der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
Dieses Antennenträger-Zwischenschaltungselement
erlaubt es ebenen Elementen, elektrisch mit der Schaltung verbunden
zu sein, welche orthogonal zu den Elementen, wie beispielsweise
dem Modul 39, angeordnet ist und Mikrowellen- und Millimeter-Wellenlängen-Frequenzleistungsanforderungen
erfüllen
muss, um für
die Verbindung ausgelegt zu sein. Es erlaubt es einer Kabelverbindung
und einer verbindenden Schaltung, auf den orthogonalen Ebenen enthalten zu
sein, wie weiter unten beschrieben, und beseitigt eine Ebene von
Zusammenbauverbindungen. Sie kann auch Draht- oder Band-Verbindungen
mit einer Epoxidharzbefestigung verwenden und stellt Verbindungen
bzw. Zusammenschaltungen hoher Dichte für eine ausdehnungsmäßige Genauigkeit
bei einer verringerten Systemgröße bereit,
welche für Ka-Band-Systeme
und eine verbesserte Leistung benötigt werden.
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24 zeigt
ein Trägerelement 202,
welches eine vordere Antennenbefestigungsoberfläche 204 aufweist,
die im Wesentlichen orthogonal zum modularen Träger ist und vier Patchantennenelemente 206 trägt, obwohl
die Zahl der Patchantennenelemente sich ändern kann, wie es dem Fachmann bekannt
ist. Die Patchantennenelemente können
im Aufbau ähnlich
sein mit primären
und sekundären Substraten
und anderen Elementen, wie oben beschrieben. Eine rückseitige
Oberfläche 208 weist
einen Empfangsschlitz 210 auf und ist angeordnet, um sich
durch das Trägerelement 202 zu
einem Schaltungselement zu erstrecken, das auf der Befestigungsoberfläche getragen
wird, welche in diesem Fall das Antennenelement ist. Es ist zu erkennen, dass
eine leitfähige
Durchkontaktierung 212 (23 und 24)
dem Empfangsschlitz 210 zugeordnet ist und so angeordnet
ist, dass sie sich durch das Trägerelement 202 zum
Antennenelement hindurch erstreckt.
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Ein
Starterelement 220 ist in dem Empfangsschlitz 210 befestigt
und weist ein Modulverbindungsende 221 auf, das sich rückwärtig zum
strahlbildenden Netzwerk oder anderen orthogonal angeordneten Schaltungen
innerhalb des Antennengehäuses
oder eines anderen Gehäuses
erstreckt. Das Modulverbindungsende könnte mit einem keramischen
Mikrostreifenelement verbunden sein, wie oben beschrieben. Das Starterelement 220 umfasst leitfähige Signalspuren 222,
welche sich beispielsweise entlang des Starterelements von der leitfähigen Durchkontaktierung 212 zu
einem modulverbindenden Ende erstrecken, welches benachbart dem strahlbildenden
Netzwerkmodul angeordnet ist, wobei das Starterelement in größerer Genauigkeit
in den 19–21 gezeigt
ist, welches die leitfähigen
Signalspuren zeigt. Das Starterelement 220 und das Trägerelement 202 werden
aus einer gestapelten Schicht von keramischen Grünkörperbandlagen gebildet, was
es erlaubt, verschiedenen Schaltungen zwischen den Schichten auszubilden.
Daher können verschiedene
Verbindungen und Signalspuren durch eine Bedruckungstechnologien
für Mikrowellenschaltungen
ausgebildet werden, so wie es dem Fachmann bekannt ist. Es ist offensichtlich,
dass, weil die Elemente aus einer Grünkörperkeramik in Schichten ausgebildet
werden, das Trägerelement
und das Starterelement zusammengelegt und dann während des Brennens schrumpfverbunden
werden können, um
eine integrierte Schaltverbindung zu erzeugen. Das Brennen des Grünkörperbandes
erlaubt es den Signalspuren, Durchkontaktierungen und leitenden Signalspuren,
sich miteinander zu verbinden und verbunden zu bleiben. Ein Verbindungsfeld 230 kann ebenfalls
an dem Modulverbindungsende ausgebildet sein. Dieses Verbindungsfeld
kann eine Bandverbindung oder eine andere Verbindung tragen, welche mit
einem strahlbildenden Netzwerkmodul oder einem anderen orthogonal
angeordneten Schaltkreis oder Modul verbindet. Es ist zu erkennen,
dass das Starterelement unter einem Gesichtspunkt der vorliegenden
Erfindung im Wesentlichen 90° zum
Trägerelement
angeordnet ist, es aber unter jedem Winkel angeordnet sein könnte. Sowohl
das Trägerelement als
auch das Starterelement sind im Wesentlichen rechtwinklig eingerichtet,
und der Antennenträger und
das Verbindungselement und das Antennengehäuse können eingerichtet werden, um
in einer schließenden
Beziehung miteinander zu verbinden.
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Eine
Phasenarrayantenne umfasst ein Antennengehäuse mit einer Teilarrayanordnung,
welche strahlbildende Netzwerkmodule trägt, als auch eine Antennenfläche, welche
eine Grundplatte definiert, die im Wesentlichen orthogonal zu der
Teilarrayanordnung liegt. Eine Vielzahl von Millimeterwellenlängen-Patchantennenelementen
ist an der Arrayfläche angeordnet
und jeweils benachbart einer entsprechenden Teilarrayanordnung angeordnet.
Die Millimeterwellenlängen-Patchantennenelemente
umfassen jeweils ein angetriebenes Antennenelement mit einer Vorderseite
und einer Rückseite
und ein parasitäres
Antennenelement, das vor der Vorderseite des angetriebenen Antennenelements
angeordnet ist. Eine Mikrostreifen-Quadratur-zu-Zirkular-Polarisationsschaltung ist
rückwärtig der
Rückseite
des angetriebenen Antennenelements angeordnet und wirkend mit dem
angetriebenen Antennenelement verbunden.