DE602004001041T2 - Aktive elektronisch gescannte antenne (aesa) mit niedrigem profil für ka-band-radarsysteme - Google Patents
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Description
- Hintergrund der Erfindung
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Radar- und Kommunikationssysteme und insbesondere auf ein aktives phasengesteuertes Gruppenradarsystem, welches im Ka-Band oberhalb 30 Gigahertz arbeitet.
- Aktive elektronisch gescannte Antennen (AESA = Active electronically scanned antenna)-Gruppenanordnungen sind im Allgemeinen wohl bekannt. Eine solche Vorrichtung erfordert typischerweise Verstärker- und Phasenschieber-Elektronikbauteile, welche voneinander beabstandet angebracht sind im Abstand einer halben Wellenlänge in einer zweidimensionalen Gruppenanordnung (Array). Aus dem Stand der Technik bekannte AESA-Systeme sind für 10 Gigahertz und darunter entwickelt worden und in solchen Systemen ist der Abstand zwischen Arraryelementen größer als 0,8 Zoll und bietet eine ausreichende Fläche für die Arrayelektronikbausteine, damit sie in einer Einzelschaltkreisschicht ausgelegt werden können. Jedoch muss im Ka-Band (> 30 Gigahertz) der Abstand zwischen den Elementen in der Größenordnung von 0,2 Zoll oder weniger sein, das sind weniger als 1/10 der Fläche eines Arrays, welches bei 10 Gigahertz arbeitet.
- Dementsprechend sind frühere Versuche, eine elektronisch gescannte Gruppenantenne mit niedrigem Profil für Boden- und Luftfahrzeuge, welches im Ka-Band arbeitet, zu entwickeln, auf scheinbar unüberwindliche Schwierigkeiten gestoßen, und zwar aufgrund der Anforder ungen der Beabstandung kleiner Elemente. Ein beachtliches Problem, welches angetroffen wurde, war auch die Entfernung von Wärme von den Hochleistungselektronikbauteilen, welche eingeschlossen waren in den Schaltkreisen eines Arrays einer solchen hohen Dichte. Zum Beispiel erzeugen Sendeverstärker von Sende-/Empfangs-(T/R)-Schaltkreisen in solchen Systemen große Mengen an Wärme, welche abgeleitet werden muss, um sichere Betriebstemperaturen für die verwendeten Elektronikbausteine bereitzustellen.
- Aufgrund der Schwierigkeiten der extrem kleinen Abstände zwischen Elementen, die benötigt werden für den Ka-Band-Betrieb, überkommt die vorliegende Erfindung diese inneren Probleme durch "vertikale Integration" der Gruppenelektronikbausteine, was erzielt wird durch sandwichartiges Stapeln mehrerer zueinander paralleler Schichten von Schaltelementen gegen eine Antennenabdeckung. Durch Einebnen von T/R-Kanälen, HF-Signalmehrfachaufbauten und Wärmesenken, kann die Größe und insbesondere die Tiefe des gesamten Aufbaus wesentlich verringert werden, während immer noch eine ausreichende Kühlung für einen sicheren und wirksamen Betrieb bereitgestellt wird.
- Zusammenfassung
- Dementsprechend ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung eine Verbesserung für phasengesteuerte Hochfrequenz-Gruppenradarsysteme bereitzustellen.
- Es ist ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung eine Architektur für ein aktives elektronisch gescanntes phasengesteuertes Gruppenradarsystem, welches im Ka-Band bei Frequenzen oberhalb 30 Gigahertz arbeitet, bereitzustellen.
- Es ist ein noch weiteres Ziel der Erfindung ein aktives elektronisch gescanntes phasengesteuertes Ka-Band-Gruppenradarsystem bereitzustellen mit Multifunktionseigenschaften in der Verwendung sowohl für Boden- als auch für Luftfahrzeuge.
- Diese und weitere Ziele werden erreicht durch eine Architektur für ein Ka-Band-Multifunktionsradarsystem (KAMS = Ka-band-multi function radar system), welches aus mehreren parallelen Lagen von elektronischen Schaltkreisen und Wellenleiterbauteilen besteht, die zusammengesteckt sind, um einen einheitlichen Aufbau hinter einer Antennenabdeckplatte zu bilden. Die Erfindung umfasst die Konzepte der vertikalen Integration und lötfreier Zwischenverbindungen von aktiven elektronischen Schaltkreisen, während der benötigte Arraygitterabstand für Ka-Band-Betrieb eingehalten wird, und umfasst u. a. eine überleitende HF- Wellenleiterumleitungstafel, die angebracht ist hinter einer Strahlerabdeckplatte und einem Array aus Strahlsteuerungsplättchen, die jeweils über einen HF-Mehrfachaufbau an eines aus einer Vielzahl von Transceivermodulen angekoppelt sind. Ein jedes der Strahlsteuerungsplättchen enthält jeweils Hochleistungssende-Empfangs-(T/R)-Zellen sowie eine HF-Streifenleitung und koaxiale Sendeleitungselemente. In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht die Wellenleiterumleitungstafel aus einem diffusionsgebondeten Kupferlaminatstapel mit einer dielektrischen Füllung, während die Strahlsteuerungsplättchen hergestellt sind durch die Verwendung mehrerer Lagen eines bei niederer Temperatur gebrannten Keramikmaterials (LTCC = Low temperature cofired ceramic), welches zusammenlaminiert ist und ausgelegt ist, um HF-Signale durchzuleiten und wegzuleiten von einem jeweiligen Transceivermodul aus vier Transceivermodulen und einer Quadraturarrayanordnung von Antennenstrahlern, die an den freien Raum angepasst sind, der in der Abdeckplatte ausgebildet ist. Planarförmige Metallfederdichtungen sind bereitgestellt zwischen den aneinandergrenzenden Schichten um HF-Streuverluste um den Umfang der Wellenleiterports von angrenzenden Schichtelementen herum zu verhindern. Die Kühlung der verschiedenen Bauteile wird erreicht durch ein Paar von planaren zwangsbelüfteten Wärmesenkenelementen, welche auf einer jeden Seite des Arrays von Strahlsteuerungsplättchen angebracht sind. Gleichstromversorgung und Steuerung der T/R-Zellen werden bereitgestellt durch einen gedruckten Platinenverdrahtungstafelaufbau, der angrenzend an das Array von Strahlsteuerungsplättchen angebracht ist mit lötfreien Gleichstromverbindungen, die bereitgestellt werden durch eine Anordnung von "Fuzz-Button"-(= elastische Kontaktelemente aus Drahtgeflecht)-Elektrosteckverbinderelementen. Ausrichtungsstifte sind auf verschiedenen Niveaus der ebenen Schichten bereitgestellt, um sicherzustellen, dass Wellenleiter, elektrische Signale und die Leistungsversorgung ordnungsgemäß miteinander verbunden sind.
- Ein weiterer Bereich der Anwendbarkeit der vorliegenden Erfindung wird ersichtlich aus der ausführlichen Beschreibung, die im Folgenden gegeben wird. Es sollte jedoch ersichtlich sein, dass während sich die ausführliche Beschreibung und das spezielle Beispiel auf die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beziehen, dies nur zu Veranschaulichungszwecken gegeben wird.
- Kurze Figurenbeschreibung
- Die vorliegende Erfindung wird besser verständlich, wenn die ausfürliche Beschreibung die im Folgenden gegeben wird, in Verbindung mit den beigefügten Figuren betrachtet wird, welche nur zu Veranschaulichungszwecken beigefügt sind und somit nicht beschränkend sein sollen.
- Es zeigen:
-
1 ein elektrisches Blockdiagramm, welches in allgemeiner Weise veranschaulichend ist für den Gegenstand der Erfindung; -
2 eine perspektive Explosionsdarstellung der verschiedenen planaren Systembausteine der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung; -
3 ein vereinfachtes Blockdiagramm, welches die relativen Positionen der Systembausteine zeigt, welche in der in1 gezeigten Ausführungsform enthalten sind; -
4 eine perspektivische Darstellung, die die Antennenabdeckplatte der in2 gezeigten Ausführungsform veranschaulicht; -
5A bis5C Diagramme, die Einzelheiten der Strahlerelemente in der Abdeckplatte zeigen, die in4 gezeigt ist; -
6 eine ebene Ansicht eines ersten Federdichtungselements, welches angebracht ist zwischen der in4 gezeigten Abdeckplatte und einer Wellenleiterumleitungstafel; -
7A und7B ebene Ansichten, die die vorderen und hinteren Stirnseiten- der Wellenleiterumleitungstafeln veranschaulichen; -
7C eine perspektivische Ansicht eines von 16 Wellenleiterumleitungstafelunterbereichen der in7a und7b gezeigten Wellenleiterumleitungstafeln; -
8A bis8C Diagramme, die die Einzelheiten der in7c gezeigten Wellenleiterumleitungsuntertafel veranschaulichen; -
9 eine ebene Ansicht eines zweiten Federdichtungselements, welches angebracht ist zwischen der in den7a und7b gezeigten Wellenleiterumleitungstafel und einem in2 gezeigten äußeren Wärmesenkenelement; -
10 eine perspektivische Ansicht der in2 gezeigten äußeren Wärmesenke; -
11 eine ebene Ansicht, die einen dritten Satz von fünf Federdichtungselementen veranschaulicht, die angebracht sind zwischen der Unterseite der in10 gezeigten äußeren Wärmesenke und einer Anordnung von 16 koplanaren Strahlsteuerungsplättchen, die hinter der Wärmesenke in2 angeordnet gezeigt sind; -
12 eine perspektivische Ansicht der Unterseite der äußeren Wärmesenke, die in10 gezeigt ist, wobei der dritte Satz von in11 gezeigten Federdichtungen sowie eines von 16 Strahlsteuerungsplättchen hierin angebracht ist; -
13 eine perspektivische Ansicht der in12 gezeigten Strahlsteuerungsplättchen; -
14A bis14J Ansichten von oben, die die Einzelheiten der Keramikschichten veranschaulichen, die die HF-Gleichstromvorspannungs- und Steuerungssignalschaltkreispfade des in13 gezeigten Strahlsteuerungsplättchen implementieren; -
15 eine ebene Ansicht der Schaltkreiselemente, die in einer Sende-Empfangs-(T/R)-Zelle enthalten sind, die angebracht ist auf einer Schicht des in14C gezeigten Strahlsteuerungsplättchens; -
16 eine plane Ansicht von der Seite, die ein HF-Übergangselement aus einer T/R-Zelle zeigt, wie es in15 gezeigt ist, auf einen Wellenleiter in dem in14 gezeigten Strahlsteuerungsplättchen; -
17A und17B perspektivische Ansichten, die das in16 gezeigte HF-Übergangselement weiter veranschaulichen; -
18 eine perspektivische Ansicht einer dolchförmigen Last für ein Streifenleiterbeendigungselement, welches in der Schicht des in13 gezeigten Strahlsteuerungsplättchens enthalten ist; -
19A und19B perspektivische Seitenansichten, die Einzelheiten der HF-Durchleitung durch verschiedene Schichten eines Strahlsteuerungsplättchens veranschaulichen; -
20 eine perspektivische Ansicht eines Arrays aus 16 Strahlsteuerungsplättchen, die auf der Unterseite der äußeren Wärmesenke, die in12 gezeigt ist, aufgebracht sind, zusammen mit einem Satz von Gleichstromsteckverbinder-"Fuzz Button"-Karten, die hieran angebracht sind; -
21 eine perspektivische Ansicht der Unterseite des in20 gezeigten Aufbaus, wobei eine gedruckte Gleichstromverdrahtungstafel zusätzlich daran angebracht ist; -
22 eine ebene Ansicht einer Seite der in21 gezeigten Gleichstromverdrahtungstafel, wobei die "Fuzz Button"-Tafeln, die in20 gezeigt sind, darin angebracht sind; -
23 eine ebene Ansicht eines vierten Satzes von vier Federdichtungselementen, die angebracht sind zwischen dem Array aus Strahlsteuerungsplättchen und der in21 gezeigten gedruckten Gleichstromverdrahtungstafel; -
24 eine längliche mittige Querschnittsansicht der in21 gezeigten Anordnung von Bauteilen; -
25 eine perspektivische Explosionsdarstellung einer Verbundstruktur, die eine innere Wärmesenke und ein Array eines HF-Mehrfachaufbaus enthält; -
26 ist eine ebene Ansicht von oben auf die innere Wärmesenke, die in25 gezeigt ist; -
27A und27B perspektivische und Seitenaufrissansichten, die eines der HF-Übergangselemente veranschaulichen, die angebracht sind in der Stirnseite des Wärmesenkenelements, das in26 gezeigt ist; -
28 eine ebene Ansicht von oben auf die innere Stirnseite des in25 gezeigten HF-Mehrfachaufbaus, welcher einen Satz von vier "magischen T"-HF-Wellenleiterkoppelvorrichtungen darin ausgebildet enthält; und -
29 eine perspektivische Ansicht eines von vier Transceivermodulen, die an der Unterseite des in25 und28 gezeigten HF-Mehrfachaufbaus befestigt sind; - Ausführliche Beschreibung der Erfindung
- Unter Bezugnahme auf die verschiedenen Figuren, worin dieselben Bezugszeichen sich durchgängig auf dieselben Bauteile beziehen, wird zuerst Bezug genommen auf die
1 , worin ein elektrisches Blockdiagramm gezeigt ist, welches in allgemeiner Weise den Gegenstand der vorliegenden Erfindung veranschaulicht und welches sich auf eine aktive bidirektionale elektronisch gescannte Ka-Band-Multifunktionssystem (KAMS = Ka-band multifunction system) Antennen-(AESA = active bidirectional electronically scanned antenna)-Arrayanordnung bezieht, die sowohl zum Senden als auch zum Empfangen von HF-Signalen zu und von einem Zielobjekt verwendet wird. - In
1 bezeichnet das Bezugszeichen30 einen Transceivermodulsubaufbau, der aus vier Transceivermodulen321 ... 324 besteht, von denen ein jedes einen Eingabeanschluss34 für auszusendende HF-Signale umfasst, einen lokalen Oszillatoreingabeanschluss36 und einen Empfangs-IF-Ausgabeanschluss38 . Ein jedes Transceivermodul, z. B. das Modul321 , umfasst auch einen Frequenzdoppler40 , Sende-HF-Verstärkungsschaltkreise42 , und einen Sende-/Empfangs-(T/R)-Schalter44 . Der Empfangsverstärker46 ist gekoppelt an einen zweiten harmonischen (X2) Signalmischer48 , welcher gekoppelt ist an einen lokalen Oszillatoreingabeanschluss36 . Die Ausgabe des Mischers48 ist verbunden mit einem IF-Verstärkerschaltkreis50 , dessen Ausgabe gekoppelt ist an den IF-Ausgabeanschluss38 . Das Sende-HF-Signal, welches auf den Eingabeanschluss34 gegeben wird, und das auf den Anschluss36 gegebene lokale Oszillatoreingabesignal werden außerhalb des Systems erzeugt und das IF-Ausgabesignal wird auch durch wohlbekannte externe Schaltkreise verwendet, die nicht gezeigt sind. - Die vier Transceivermodule
321 ...324 des Transceivermodulbereichs30 sind an einen HF-Mehrfachunteraufbau52 gekoppelt, der aus vier Mehrfachbereichen541 ...544 besteht, von denen ein jedes einzelne Port56 gekoppelt ist an einen T/R-Schalter44 eines jeweiligen Transceivermoduls32 und vier Signalports581 ... 584 , welche jeweils gekoppelt sind an ein Strahlsteuerungsplättchen60 aus einem Satz62 von 16 identischen Strahlsteuerungsplättchen601 ...6016 , die in einem rechteckförmigen Array angeordnet sind, welches in2 gezeigt ist. - Ein jedes der Strahlsteuerungsplättchen
601 ...6016 implementiert 16 HF-Signalkanäle641 ...6416 , um so eine außerhalb des Gitters liegende Anhäufung von 256 Wellenleitern661 ...66256 bereitzustellen, welche auf ein Gitter von 256 Strahlerelementen671 ...67256 eingespeist werden, die in der Form von winklig verlaufenden Schlitzen ausgeführt sind, die an den freien Raum angepasst sind in einer Strahlerabdeckplatte68 über 16 Wellenleiterumleitungstafelunterbereiche701 ...7016 einer in7A und7B gezeigten Wellenleiterumleitungstafel69 . Die Wellenleiterumleitungstafel69 leitet die 256 Wellenleiter661 ...66256 in den Strahlsteuerungsplättchen641 ...6416 zurück auf das Gitter bei der Abdeckplatte68 und arbeitet als eine Quadraturarrayanordnung mit den vier Transceivermodulen321 ...324 . - Die Architektur des in
1 gezeigten AESA-Systems ist weiter in2 gezeigt und enthält eine Explosionsdarstellung von mehreren Lagen von ebenen Bauteilen, welche zusammengestapelt sind in einem vertikal integrierten Aufbau mit Metallfederdichtungselementen, die sandwichförmig eingeschlossen sind zwischen Grenzschichten oder Tafeln aus Bauteilen, um die elektrische HF-Integrität der Wellenleiter661 ...66256 während des Aufbaus zu gewährleisten. Zusätzlich zu dem Transceiverbereich30 umfasst der Mehrfachaufbaubereich52 , das Strahlsteuerungsplättchenarray62 , die Wellenleiterumleitungstafel69 und die in1 in Bezug genommene Abdeckplatte68 bei dieser Ausführung der Erfindung ein erstes Federdichtungselement72 , welches hergestellt ist aus Berylliumkupfer (Be-Cu), welches angebracht ist zwischen der Antennenabdeckplatte68 und der Wellenleiterumleitungstafel69 , ein zweites Be-Cu-Federdichtungselement74 , welches angebracht ist zwischen der Wellenleiterumleitungstafel69 und einem äußeren Wärmesenkenelement76 , einen dritten Satz aus Be-Cu-Federdichtungselementen781 ... 785 , welche sandwichförmig angeordnet sind zwischen dem Array62 als Strahlsteuerungsplättchen601 ...6016 , und einem vierten Satz aus vier Be-Cu-Federdichtungselementen821 ... 824 , welche angeordnet sind unterhalb des Strahlsteuerungsplättchenarrays62 und einer gedruckten Gleichstromverdrahtungstafel84 , welche einen Aufbau aus Gleichstrom-"Fuzz Button"-Steckverbinderplatten80 umfasst, die darauf aufgesetzt sind. Unterhalb der gedruckten Verdrahtungstafel84 befindet sich eine innere Wärmesenke86 und der HF-Mehrfachaufbaubereich52 , der oben in Bezug genommen war, und auf den der in2 gezeigte Transceivermodulaufbau30 folgt, der ein Transceivermodul321 aus vier Modulen321 ... 324 umfasst, die in1 gezeigt sind. Falls erwünscht, können die Antennen die Antennenabdeckplatte, die Umleitungstafel, und die äußere Wärmesenke als ein einzelner Verbundaufbau hergestellt werden. - Die relativen Positionen der verschiedenen in
2 gezeigten Bauteile sind weiter veranschaulicht in einer Blockdiagrammform in3 . In dem Diagramm der3 sind die "Fuzz Button"-Tafeln80 und der vierte Satz von Federdichtungselementen82 als gemeinsamer Block gezeigt, da sie in einem koplanaren Unteraufbau zwischen dem Array62 auf Strahlsteuerungsplättchen601 ...604 und der inneren Wärmesenke angebracht sind. Die innere Wärmesenke86 und der HF-Mehrfachmehraufbau52 sind in einen gemeinsamen Block in3 gezeigt, da sie aus Elementen bestehen, die, wie gezeigt wird, zusammen gebondet sind, um einen mechanischen Verbundunteraufbau zu bilden. - Nimmt man nun Bezug auf die Einzelheiten der verschiedenen in
2 gezeigten Bauteile, so veranschaulichen die4 und5A bis5C die Antennenabdeckplatte68 , welche aus einem Aluminiumlegierungsplattenelement68 besteht und welches maschinell bearbeitet wird, um ein Gitter aus 256 Strahlerelementen671 ... 67256 zu umfassen, welche an den freien Raum angepasst sind und längliche Schlitze enthalten, die abgerundete Endbereiche umfassen. Wie in den5A und5B gezeigt, umfasst ein jeder Strahlerschlitz67 eine Impedanzanpassungsstufe90 in der Breite des äußeren Endbereichs92 . Die äußere Oberfläche94 der Aluminiumplatte88 umfasst eine Schicht aus Schaummaterial96 , welches bedeckt ist durch eine Schicht aus Dielektrikum98 , welche eine Breitwinkelimpedanzanpassung (WAIM = wide angle impedance matching) an den freien Raum bereitstellt. - Dielektrische Klebeschichten
95 und99 werden verwendet, um das Schaummaterial96 an die Platte88 und die WAIM-Schicht98 zu bonden. Bezugszeichen100 und102 in4 beziehen sich auf einen Satz von Aufsatz- und Ausrichtungslöchern, die um den Umfang des Gitters der Strahlerelemente671 ...67256 angebracht sind. - Nimmt man nun Bezug auf
6 , so sieht man unmittelbar unterhalb und in Kontakt mit der Antennenabdeckplatte68 angebracht das erste Be-Cu-Federdichtungselement72 , welches dargestellt ist mit einem Gitter104 aus 256 länglichen Öffnungen1061 ...106256 welche wechselweise winklig zueinander angeordnet sind und an die Größe und Gestalt der Strahlerelemente671 ... 67256 angepasst sind, die in der Abdeckplatte68 ausgebildet sind. Die Dich tungsfeder72 umfasst auch einen Satz von Aufsatzlöchern108 und Ausrichtungslöchern110 , die angrenzend an die äußeren Kanten der Öffnungen ausgebildet sind, welche mit den Aufstecklöchern100 und Ausrichtungslöchern102 in der Abdeckplatte68 zusammengehören. - Unmittelbar angrenzend an das erste Federdichtungselement
72 ist die Wellenleiterumleitungstafel69 , die in den7A und7B gezeigt ist und die aus 16 Wellenleiterumleitungstafelunterbereichen701 ...7016 besteht, von denen eine in7C gezeigt ist.7A zeigt die Vorderseite der Umleitungstafel69 , während7B die Rückseite hiervon zeigt. - Die Umleitungstafel
69 besteht bevorzugterweise aus mehreren Schichten aus diffusionsgebondeten Kupferlaminaten mit dielektrischer Füllung. Falls erwünscht könnten jedoch mehrere Lagen aus bei niedriger Temperatur gebranntem Keramikmaterial (LTCC = low temperature co-fired ceramic) oder bei hoher Temperatur gebranntem Keramikmaterial (HTCC = high temperature co-fired ceramic) oder anderen geeignetem Keramikmaterial verwendet werden, basierend auf dem Frequenzbereich der Plättchenanwendung. - Wie in
7C gezeigt, umfasst jeder Umleitungstafelunterbereich70 ein reckteckförmiges Gitter aus 16 Wellenleiterports1121 ...11216 , die geneigt zueinander unter 45° stehen und angebracht sind in einer äußeren Oberfläche114 . Die Wellenleiterports1121 ...11216 sind in Ausrichtung mit einer entsprechenden Anzahl von Strahlerelementen67 in der Abdeckplatte68 und passenden Öffnungen1061 ...106256 in der Federdichtung72 (6 ). - Die Wellenleiterports
1121 ... 11216 sorgen für einen Übergang zwischen zwei linear wechselseitig zueinander versetzten Sätzen aus acht Wellenleiterports1161 ... 1168 und1169 ... 11616 , die in den8A bis8C gezeigt sind, und angebracht sind auf einer inneren Oberfäche118 . Die Wellenleiterports1161 ... 1168 und1169 ... 1166 koppeln zwei ähnliche linear wechselseitig zueinander versetzte Sätze von acht Wellenleiterports1221 ... 1228 und1229 ... 12216 auf den äußeren Kantenoberflächenbereichen124 und126 der Strahlsteuerungsplättchen601 ... 6016 , von denen eines in13 gezeigt ist. Solch eine Anordnung ergibt Raum für 16 Sende-/Empfangs-(T/R)-Zellen, die später beschrieben werden, damit diese untergebracht werden in dem mittigen vertieften Bereich128 eines jeden der Strahlsteuerungsplättchen601 ... 6016 Die Umleitungstafelunterbereiche701 ... 7016 der Wellenleiterumleitungstafel69 dienen somit dazu, die Ports1221 ... 12216 der Strahlsteuerungsplättchen601 ... 6016 von der Seite hiervon wiederum mit dem Gitter104 der Federdichtung72 (6 ) und den Strahlerelementen67 in der Abdeckplatte68 auszurichten. - Wie weiter in den
8A bis8C gezeigt, umfasst ein jeder Umleitungstafelunterbereich70 zwei Sätze von acht Wellenleiterübergängen1301 ...1308 und1321 ...1328 , die darin ausgebildet sind, durch aufeinanderfolgende inkrementale Winkeldrehung, z. B. 45°/25 = 1,8°, der verschiedenen rechteckförmigen Wellenleitersegmente, die in den Tafelschichten - ausgebildet sind. Die Übergänge
130 umfassen vertikale Übergänge, während die Übergänge132 sowohl vertikale als auch seitliche Übergänge umfassen. Wie gezeigt enden die vertikalen und seitlichen Übergänge1301 ...1308 und1321 ...1328 in den wechselseitig parallelen Ports1121 ...11216 , die an die Öffnungen106 in der Federdichtung72 , die in6 gezeigt ist, sowie an die Strahlerelemente67 in der Abdeckplatte68 angepasst sind. - Unter Bezugnahme auf
9 ist dort das zweite Be-Cu-Dichtungsfederelement74 gezeigt, welches angebracht ist zwischen der inneren Fläche der in7b gezeigten Wellenleiterumleitungstafel69 und der äußeren Oberfläche des äußeren Wärmesenkenelements76 , welches in10 gezeigt ist. Die Federdichtung74 umfasst fünf Sätze1361 ...1365 von rechteckförmigen Öffnungen138 , welche so angeordnet sind, dass sie mit den Ports1161 bis11616 der Umleitungsuntertafelbereiche701 ...7016 zusammenzukommen. Die fünf Sätze1361 ...1365 der Öffnungen138 sind so ausgelegt, dass sie auch fünf ähnlichen Sätzen1401 ...1405 der Wellenleiterports142 in der äußeren Oberfläche134 der äußeren Wärmesenke76 zu entsprechen, welche Bereiche von fünf Sätzen von mit einem HF-Dielektrikum gefüllten Wellenleitern bilden, die nicht gezeigt sind, und die ausgebildet sind in den erhabenen länglichen parallelen Wärmesenkenkörperbereichen1441 ...1445 . - Unter Bezugnahme auf
11 ist dort ein dritter Satz von fünf diskreten Be-Cu-Federdichtungselementen781 ,782 ...785 gezeigt, welche aufgebracht sind auf der Rückseite146 der äußeren Wärmesenke76 , wie in12 gezeigt und welche eine rechteckförmige Öffnung148 umfassen, und angepasst sind an die Anordnung von Öffnungen138 in der zweiten Federdichtung74 , die in9 gezeigt ist, sowie an die Wellenleiterports143 in der Wärmesenke76 und die mit Dielektrikum gefüllten Wellenleiter, die nicht gezeigt sind, und welche sich durch die Körperbereiche1441 ... 1445 der inneren Oberfläche146 erstrecken, wie in12 gezeigt.12 zeigt für Veranschaulichungszwecke auch ein Strahlsteuerungsplättchen60 (13 ), welches angebracht ist an der inneren Oberfläche146 der äußeren Wärmesenke76 gegen die Federdichtungselemente784 und785 . Es sei jedoch angemerkt, dass 16 identische Strahlsteuerungsplättchen601 ... 60 16 , wie in13 gezeigt, tatsächlich Seite an Seite in einer rechteckförmigen Arrayanordnung auf der Rückseite der Wärmesenke76 zusammengebaut sind. - Betrachtet man nun den Aufbau der Strahlsteuerungsplättchen
601 ...6016 , von denen eines in13 perspektivisch gezeigt ist und mittels des Bezugszeichens60 bezeichnet ist, so wird dieses bevorzugterweise hergestellt aus mehreren Lagen aus LTCC-Material. Falls erwünscht, kann jedoch bei hoher Temperatur gebranntes Keramikmaterial (HTCC) verwendet werden. Wie oben bemerkt, umfasst ein jedes Strahlsteuerungsplättchen60 der Plättchen601 ...6016 16 Wellenleiterports1221 ...12216 und zugehörige dielektrische Wellenleiter1231 ...12316 , die angeordnet sind in zwei zueinander versetzten Sätzen aus acht Wellenleiterports1221 ...1128 und1229 ...12216 , die wechselweise gestützt sind auf den äußeren Oberflächenbereichen124 und126 einer äußersten Schicht150 . - Unter Bezugnahme auf
14A sieht man, dass dort eine obere Draufsicht gezeigt ist auf das in13 gezeigte Strahlsteuerungsplättchen60 . Unter der mittig angeordneten, im Wesentlichen rechteckförmigen vertieften Kavitätsregion128 sind 16 T/R-Chips1661 ...16616 angebracht, die aus Galliumarsenid (GaAs) hergestellt sind, die angebracht sind auf einer darunterliegenden Schicht152 des Strahlsteuerungsplättchens60 , wie in14B gezeigt. Die Schicht150 , die in14A gezeigt ist, umfasst die äußeren Oberflächenbereiche und umfasst auch metallische Durchleitungen170 , welche durch die verschiedenen LTCC-Schichten gehen, um so HF-Durchleitungswände auf einer jeden Seite der beiden Sätze von eingelassenen Streifenleitersendeleitungen1741 ...1748 und1749 ...17416 zu bilden, die auf der Schicht152 (14B ) angebracht sind. Die Wände der Durchleitungen170 stellen sicher, dass HF-Signale nicht aus einem angrenzenden Kanal in einen anderen streuen. - Weiterhin ist eine Anordnung von Durchleitungen
172 gezeigt, welche zwei Sätze der acht HF-Wellenleiter1231 ...1238 und1239 ...12316 bilden, wie in13 gezeigt. Zwei voneinander getrennte Schichten aus Metallisierung178 und180 sind ausgebildet auf den äußeren Oberflächenbereichen124 und126 , welche über den Durchleitungen170 und172 liegen und als Abschirmungsschichten dienen. -
14B zeigt die nächste darunterliegende Schicht152 des Strahlsteuerungsplättchens60 , wobei 16 GaAs-T/R-Chips1661 ...16616 im Kavitätsbereich128 angebracht sind. Die T/R-Chips1661 ...16616 werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die15 betrachtet. Die Schicht152 umfasst, wie gezeigt, zusätzlich die Metallisierung für die 16 Wellenleiter1231 ...1238 und1239 ...12316 , welche über den Durchleitungen172 liegen, die in den14A ,14C und14E gezeigt sind, sowie die Streifenleitersendeleitungselemente1741 ...1748 und1749 ...17416 , welche in jeweiligen Wellenleitersondenelementen1751 ...1758 und1759 ...17516 enden. - In
14B sind vier koaxiale Sendeleitungselemente1861 ...1864 gezeigt, welche die äußeren Leiter1841 ...1844 und die mittigen Leiter1881 ...1884 im mittigen Bereich des Kavitätsbereichs128 umfassen. Die mittigen Leiter1881 ...1884 sind verbunden mit vier HF-Signalteilern1901 ...1904 , bei denen es sich z. B. um wohlbekannte Wilkinson-Signalteiler handeln kann, welche HF-Signale zwischen die T/R-Chips1661 ...16616 und die koaxialen Sendeleitungen1861 ...1864 koppeln. Gleichstromsteuerungssignale werden innerhalb des Strahlsteuerungsplättchens und der Oberfläche im Kavitätsbereich128 durchgeleitet und sind an die T/R-Chips mit Golddrähten192 gebondet, wie gezeigt. Weiterhin gezeigt in14B sind vier Ausrichtungsstecker1961 und1964 , die angebracht sind an oder nahe den Ecken des Plättchens60 . - Mit Bezugnahme auf
14C ist eine Plättchenschicht198 unterhalb der Schicht152 (14B ) gezeigt. Die Schicht198 umfasst den Aufbau von Durchleitungen172 , die verwendet werden um Wände aus Wellenleitern1231 ...123 4 auszubilden. Zusätzlich ist eine Vielzahl von Durchleitungen202 nahe beieinander liegend angebracht, um einen Schlitz in der dielektrischen Schicht zu bilden, um sicher zu stellen, dass eine gute Erdung bereitgestellt wird für die T/R-Chips1661 ...16616 , die in14B gezeigt sind an dem Punkt, wo HF-Signale zwischen die T/R-Chips1661 ...16616 und die Wellenleiter1231 ...1234 zu den jeweiligen Chips gekoppelt werden. Ein anderer Satz von Durchleitungsschlitzen204 ist enthalten in den äußeren Leiterbereichen1841 ...1844 der koaxialen Sendeleitungselemente1861 ...1864 , um ein kapazitives Anpasselement zu erzeugen, um eine Anpassung an die Bonddrähte bereitzustellen, die verbunden sind mit den HF-Signalteilern1901 ...1904 zu den inneren Leiterelementen1881 ...1884 , wie in14B gezeigt. Weiterhin ist auch bereitgestellt ein Satz von Durchleitungen206 zum Bereitstellen geerdeter Trennelemente zwischen den darüberliegenden T/R-Chips1661 ...16616 . - Wendet sich man nun der
14D zu, so ist dort eine eingelassene Erdungsschicht208 gezeigt, die eine metallisierte Erdungsebenenschicht210 der Metallisierung für die Wände der Wellenleiter1231 ...1234 die Unterseite der aktiven T/R-Chips1661 ...16616 sowie der koaxialen Sendeleitungselemente1861 ...1864 umfasst. Weiterhin bereitgestellt auf der Schicht208 ist eine Anordnung aus Gleichstromsteckverbinderpunkten211 für die verschiedenen Bauteile in den T/R-Chips1661 ...16616 . Teile der mittigen Leiter1881 ...1884 und der äußeren Leiter1841 ...1844 für die Koaxial-Sendeleitungselemente1861 ...1864 sind auch auf der Schicht208 zu finden. - Unterhalb der geerdeten ebenen Schicht
208 ist eine Signaldurchleitungsschicht214 , die in14E gezeigt ist, welche ebenfalls die vertikalen Durchleitungen172 für die 16 Wellenleiter1231 ...1234 umfasst. Auch gezeigt sind Durchleitungen für die inneren und äußeren Leiter1881 ...1884 und1841 ...1844 der vier koaxialen Sendeleitungen1861 ...1864 . Ebenfalls angebracht auf der Schicht214 ist ein Muster219 aus Streifenleiterelementen zum Durchlassen von Gleichstromsteuerungs- und Vorspannungssignalen auf ihre jeweils passenden Orte. - Unterhalb der Schicht
214 ist eine dielektrische Schicht220 , die in14F gezeigt ist, und die aus 16 rechteckförmigen Anordnungen2221 ...22216 der Metallisierung besteht, um die Seitenwände der Wellenleiter1761 ...17616 zusammen mit den längs der Durchleitungen,172 die in den14A ,14C und14E gezeigt sind, festzulegen. Vier Ringe aus Metallisierung sind gezeigt, welche weiterhin die äußeren Leiter1841 ...1844 der koaxialen Leitungen1861 ... 1864 festlegen, zusammen mit Durchleitungen, die die mittigen Leiter1881 ...1884 bilden. Weiterhin gezeigt sind Muster226 aus Metallisierung, die verwendet wird zum Durchlassen von Gleichstromsignalen auf ihre passenden Orte. - Nimmt man Bezug auf
14G , so ist dort eine dielektrische Schicht230 gezeigt, die eine Oberseitenerdungsebenenschicht232 aus Metallisierung für drei HF-Zweigleitungskoppler aufweist, die in den angrenzenden unteren dielektrischen Schichten236 gezeigt sind, die in14H durch Bezugszeichen2341 ,2342 ,2343 gezeigt sind. Die Schicht aus Metallisierung232 umfasst auch einen rechteckförmigen Bereich aus Metallisierung237 zum Festlegen der Wellenleiterwände eines einzelnen Wellenleiters238 auf der Rückseite des Strahlsteuerungsplättchens60 zum Durchleiten von Hochfrequenz zwischen einem der vier Transceivermodule321 ...323 (2 ) und der 16 Wellenleiter1231 ...1234 , die z. B. in den14A bis14F gezeigt sind. Die14G umfasst auch ein Muster240 aus Metallisierung zum Bereitstellen von Spuren für Gleichstromsteuerung der Vorspannungssignale im Plättchen60 . Weiterhin sind in14G Metallisierungen für die Durchleitungen der vier mittigen Leiter1881 ...1884 der vier koaxialen Sendeleitungselemente1861 ...1864 gezeigt. - Unter Bezugnahme auf
14H sind dort die drei Zweigkoppler2341 ,2342 und2343 gezeigt, auf die oben Bezug genommen worden war. Diese Koppler arbeiten so, dass sie eine HF-Durchleitungswellenleitersonde242 mit dem rückwärtigen Wellenleiter238 auf vier HF-Einspeiselemente2441 ...2444 verbinden, welche HF vertikal auf die vier HF-Koaxialsendeleitungen1861 ...1864 in der in den14D bis14G gezeigten Plättchenstruktur durchleiten. Die drei Zweigleitungskoppler2341 ,2342 ,2343 sind auch verbunden mit jeweiligen Widerstandslastelementen2461 ,2462 und2463 von einem dolchförmigen Typ, die ausführlicher in18 gezeigt sind. Alle diese Elemente grenzen an an einen Zaun aus Metallisierung248 . Wie bei der in14G gezeigten Metallisierung umfasst die rechte Seite der Schicht14H auch einen Satz von Metallisierungsspuren250 für die Gleichstromsteuerungs- und Vorspannungssignale. - Die
14I zeigt eine darunterliegende Durchleitungsschicht252 , die ein Muster254 aus eingelassenen Durchleitungen255 umfasst, die verwendet werden, um den Zaun248 , der in14I gezeigt ist, zusammen mit Durchleitungen für die vier mittigen Leiter1881 ... 1884 der koaxialen Leitungen1861 ...1864 weiter zu implementieren. Die dielektrische Schicht252 umfasst auch drei parallele Säulen aus Durchleitungen256 , welche mit den Metallisierungsmustern240 und250 in Verbindung stehen, die in den14G und14H gezeigt sind. - Die rückwärtige oder am weitesten unten liegende dielektrische Schicht des Strahlsteuerungsplättchens
60 ist in14J gezeigt mit dem Bezugszeichen258 und umfasst eine Erdungsebene260 aus Metallisierung, die eine rechteckige Öffnung aufweist, die einen Port262 für den rückwärtigen Wellenleiter238 festlegt. Ein Gitterarray262 aus kreisförmigen Metallkontaktstellen264 ist angebracht auf einer der Schicht258 und so ausgelegt, dass sie mit einem "Fuzz Button"-Steckverbinderelement auf einer in2 gezeigten Tafel zusammenpassen, um so eine lötfreie Zwischenverbindung für elektrische Bauteile im Plättchen60 bereitzustellen. Weiterhin sind auf der unteren Schicht258 vier Steuerchips2661 ...2664 bereitgestellt, die verwendet werden zum Steuern der T/R-Chips1661 ...16616 , die in14G gezeigt sind. Nachdem die verschiedenen dielektrischen Schichten in dem Strahlsteuerungsplättchen60 betrachtet worden sind, wird nun Bezug genommen auf15 , wo ein Layout von einem Sende-/Empfangs-(T/R)-Chip166 aus 16 T/R-Chips1661 ...16616 gezeigt ist, welche hergestellt werden in Galliumarsenid-(GaAs)-Halbleitermaterial und welche angebracht sind auf der dielektrischen Schicht182 , die in14C gezeigt ist. Wie gezeigt bezieht sich das Bezugszeichen268 auf ein Kontaktpolster aus Metallisierung auf der linken Seite des Chips, welches verbunden ist mit einem dazugehörigen Signalteiler190 von den vier Signalteilern1901 ...1904 , die in14 gezeigt sind. Das Kontaktpolster268 ist verbunden mit einem 3 Bit-HF-Signalphasenschieber270 , der ausgeführt ist mit Mikrostreifenschaltkreisen, die drei Phasenschiftsegmente2721 ,2722 und2723 umfassen. Die Steuerung des Phasenschiebers270 wird bereitgestellt durch Gleichstromsteuerungssignale, die gekoppelt sind an vier Gleichstromsteuerungskontaktpunkte2741 ...2744 . Der Phasenschieber270 ist verbunden mit einem ersten T/R-Schalter276 , der ausgeführt ist als Mikrostreifen und gekoppelt ist an zwei Gleichstromsteuerungskontaktstellen2781 und2782 um von dort Gleichstromsteuerungssignale zu empfangen zum Umschalten zwischen Sende-(TX)- und Empfangs-(Rx)-Betriebsarten. Der T/R-Schalter276 ist verbunden mit einem Dreistufen-Sende-(Tx)-Verstärker280 und einem Dreistufen-Empfangs-(Rx)-Verstärker282 , die jeweils ausgeführt sind mit den Mikrostreifenschaltkreiselementen und einem P-Typ HEMT-Feldeffekttransistor2841 ...2843 und2841 ...2863 . Ein Paar von Steuerspannungskontaktstellen2881 und2882 werden verwendet, um Gate- und Drain-Leistungsversorgungsspannungen auf den Sende-(Tx)-Verstärker280 anzulegen, während ein Paar von Kontaktstellen2901 und2902 Gate- und Drain-Spannungen auf Halbleitervorrichtungen in dem HF-Empfangs-(Rx)-Verstärker282 bereitstehen. Ein zweiter T/R-Schalter292 ist verbunden mit sowohl dem Tx als auch dem Rx HF-Verstärker218 und282 , welche ihrerseits wiederum verbunden sind über die Kontaktstelle294 auf eine von 16 Sendeleitungen1741 ...17416 , die in14C gezeigt sind, wobei diese HF-Signale zu und von den Wellenleitern1761 ...17616 durchleiten. - Die
16 ,17A und17B veranschaulichen die Mikrostreifen- und Streifenleitersendeleitungsbauteile, die den Übergang von einem T/R-Chip166 in einem Strahlsteuerungsplättchen60 auf die Wellenleitersonde175 an der Spitze des Sendeleitungselements174 in einem der Wellenleiter123 der 16 Wellenleiter1231 ...1234 (14B ) bilden. Das Bezugszeichen125 bezieht sich auf einen rückwärtigen Kurzschluss für das Wellenleiterelement123 . Wie gezeigt, umfasst der Übergang die Länge einer Mikrostreifensendeleitung296 , die ausgebildet ist auf einem T/R-Chip166 , welcher mit einem Mikrostreifen-Spurbereich298 über einen gebondeten Golddraht300 verbunden ist in einem Luftbereich302 des Strahlsteuerungsplättchens60 , von wo es dann hindurchtritt durch ein Paar von angrenzenden Schichten304 und306 des LTCC-Keramikmaterials, welches ein Impedanzanpassungssegment173 umfasst, wo es verbunden ist mit der Wellenleitersonde175 , die in17A gezeigt ist. In den16 und17A gezeigt ist der Wellenleiter123 nach oben gekoppelt an die Antennenabdeckplatte68 durch die Umleitungstafel69 . - Betrachtet man kurz
18 , so offenbart diese die Einzelheiten eines der Lastelemente246 von "dolchförmiger" Gestalt der drei "dolchförmigen" Lasten2461 ,2462 und246 3, die in14H gezeigt sind und verbunden sind mit einem Anschlussfuß der Zweigleitungskoppler2341 ,2342 und2343 . Das "dolchförmige" Lastelement246 umfasst ein kegelförmiges Segment308 aus Widerstandsmaterial, welches eingebettet ist in das Mehrschicht-LTCC-Matieral310 . Das schmale Ende des Widerstandselements308 ist verbunden mit einem jeweiligen Zweigleitungskoppler234 der drei Zweigleitungskoppler2341 ,2342 und2343 , die in14H gezeigt sind über die Länge eines Streifenleitermaterials312 . - Nimmt man Bezug auf die
19A und19B , so sind dort Einzelheiten gezeigt der Art, in welcher die koaxialen HF-Sendeleitungen1861 ...1864 , wie sie z. B. in14B bis14G , gezeigt sind, durch die verschiedenen dielektrischen Schichten ausgeführt sind, um so die Arme2451 ...2454 der Zweigleitungskoppler2341 ... 2343 der14H auf die Signalteiler1901 ...1904 zu koppeln, die in14B gezeigt sind. Wie gezeigt, besteht eine Streifenleiterverbindung314 aus einem Signalteiler119 über die Mehrfachschichten316 des LTCC-Materials, in welchem bogenförmige mittige Leiter188 , sowie die äußeren Leiter184 des koaxialen Wellenleiterelements186 ausgebildet sind, und enden in der Streifenleitung245 des Zweigleitungskopplers234 , sodass die oberen und äußeren Randbereiche hiervon voneinander versetzt sind. Das Bezugszeichen204 bezieht sich auf das in14C gezeigte kapazitive Anpasselement. - Betrachtet man den Rest der planaren Bauteile der in
2 gezeigten Ausführungsform der Erfindung, so offenbart z. B.20 , die untere Oberfläche146 des äußeren Wärmesenkenelements76 , welches zuvor in12 gezeigt war. Jedoch zeigt20 nun 16 Strahlsteuerungspiättchen,601 ,602 , ...6016 , die darauf aufgesetzt sind, und welche weiter veranschaulichend sind für das Array62 von Steuerungsplättchen, die in2 gezeigt sind. Unterhalb der Strahlsteuerungsplättchen601 ...6016 sind fünf Federdichtungselemente781 ...785 , die in11 gezeigt sind.20 zeigt nun zusätzlich einen Satz von vier "Fuzz Button"-Steckverbindertafeln801 ,802 , ...804 , die gegen Sätze von vier Strahlsteuerungsplättchen601 ...6016 des Arrays62 angebracht sind. -
21 zeigt weiterhin die gedruckte Gleichstromverdrahtungstafel84 , die die in20 gezeigten "Fuzz Button"-Tafeln801 ...804 bedeckt.21 zeigt zusätzlich ein paar von doppelten In-line-Steckstiftverbindern851 und852 .22 veranschaulicht die Unterseite der Gleichstromverdrahtungstafel84 mit den vier "Fuzz Button"-Tafeln801 ,802 ,803 und804 , die in20 gezeigt sind. - Nimmt man Bezug auf
23 , so ist dort der Satz der vierten BeCu-Federdichtungselemente821 ,822 ,823 und824 gezeigt, die koplanar und parallel mit den "Fuzz Button"-Tafeln801 ,802 ,803 und804 , die in20 gezeigt sind, aufgesetzt sind. Ein jedes der Dichtungselemente821 ...824 umfasst vier rechteckförmige Öffnungen831 ...834 , die ausgerichtet sind mit den vier Sätzen von rechteckförmigen Öffnungen871 ,872 ,873 , in der Gleichstromverdrahtungstafel84 . Ein Querschnitt des Unteraufbaus der Bauteile, die in21 bis23 gezeigt sind, ist in24 gezeigt. - Aufgesetzt auf der Unterseite der Gleichstromverdrahtungstafel
84 ist das innere Wärmesenkenelement86 , welches in25 gezeigt ist zusammen mit dem HF-Mehrfachaufbau52 , welcher daran durch Bonden angebracht ist, um so einen einheitlichen Aufbau zu bilden. Das innere Wärmesenkenelement86 umfasst ein im Wesentlichen rechteckförmiges Körperelement, welches hergestellt ist aus Aluminium, und umfasst eine Kavität88 mit vier Kreuzbelüftungsluftkühlungskanälen87.1 ,87.2 ,87.3 und87.4 , die darin ausgebildet sind zum Kühlen eines Arrays von 16 nach außen zeigenden dielektrischen Wellenleitern auf Luftwellenleiterübergängen891 ...896 sowie Gleichstromchips und Bauteile, die aufgebracht sind auf der Verdrahtungstafel84 , und die auch in26 gezeigt sind, welche die Wellenleiter238 (14K ) auf die Wellensteuerplättchen601 ...6016 koppeln. - Die Einzelheiten einer der Übergänge
89 ist in den27A und27B gezeigt. Die Übergänge89 umfassen, wie gezeigt, einen dielektrischen Wellenleiter-auf-Luftwellenleiter-HF-Eingabebereich91 , welcher von der Kavität88 nach außen zeigt, wie in25 gezeigt, und welcher aus einer Vielzahl. von abgestuften Luftwellenleiteranpassbereichen93 bis zu einem länglichen relativ schmalen HF-Ausgabebereich95 besteht, der einen Ausgabeport97 umfasst. Die Ausgabeports971 ...9716 für die 16 Übergänge891 ...8916 sind in26 gezeigt und koppeln auf den jeweiligen rückwärtigen dielektrischen Wellenleiter238 , wie in14K gezeigt, durch Federdichtungselemente82 der 16 Strahlsteuerungsplättchen601 ...6016 . Die in den27A bzw.27B gezeigten Bezugszeichen,238 und242 entsprechen den Wellenleitern und den Streifenleitersonden, die in14E gezeigt sind. - Betrachtet man nun den HF-Mehrfachaufbaubereich
52 , der in1 in Bezug genommen ist, so sind die Details hiervon in den25 und28 gezeigt. Der Mehrfachaufbau52 stimmt in der Größe überein mit dem inneren Wärmesenkenelement86 und umfasst einen im Wesentlichen rechteckförmigen Körperbereich51 , der ausgebildet ist aus Aluminium, und welcher maschinell hergestellt ist, um zwei Kanäle531 und533 zu umfassen, die an der Unterseite hiervon ausgebildet sind, um Luft über den Körperbereich51 zu leiten, um so eine Kühlung bereitzustellen. Wie gezeigt umfasst das Mehrfachaufbauelement524" magische T"-Wellenleiterkoppler541 ...544 , von denen ein jeder vier Arme571 ...574 aufweist, wie in28 gezeigt, und die auf HF-Signalports561 ...564 koppeln, und welche ausgebildet sind in der oberen Oberfläche63 , um der inneren Wärmesenke52 gegenüberzuliegen, wie in25 gezeigt. Die HF-Signalports561 ...564 des "magischen T"-Kopplers541 ...544 koppeln jeweils an einen HF-Eingabe-/Ausgabeport35 , der in29 gezeigt ist, eines Transceivermoduls32 , welches eines von vier Transceivermodulen321 ...324 enthält, die schematisch in1 gezeigt sind. - Das Transceivermodul
32 , welches in29 gezeigt ist, ist so gezeigt, dass es Anschlüsse34 ,36 und38 enthält, die an die Sende-, lokalen Oszillator- und IF-Ausgabeanschlüsse koppeln, die in1 gezeigt sind. Weiterhin umfasst ein jedes Transceivermodul32 einen doppelten In-line-Gleichstromstiftsteckerverbinder37 , zum Koppeln von Gleichstromsteuerungssignalen darauf. Dementsprechend verwendet die Antennenstruktur für die vorliegende Erfindung ein planares Wärmesenkensystem mit erzwungener Luftkühlung, welches eine äußere und innere Wärmesenke76 und86 enthält, die eingebettet sind zwischen elektronischen Schichten, um Wärme abzuführen, die durch die Wärmequelle erzeugt wird, die in den T/R-Zellen den elektrischen Gleichstrombauteilen und den Transceivermodulen erzeugt wird. Alternativ könnten die Luftkanäle531 ,532 und871 ,872 ,873 und874 , die in der inneren Wärmesenke86 und dem Wellenleitermehrfachaufbau52 enthalten sind, gefüllt werden mit einer thermisch leitenden Füllung, um die Wärmeabführung zu erhöhen oder es könnte eine Flüssigkühlung verwendet werden, falls erwünscht. - Nachdem auf diese Art gezeigt worden ist, was als die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung angesehen wird, sei angemerkt, dass die so beschriebene Erfindung auf vielfältige Weise variiert werden kann.
Claims (48)
- Aktive elektronisch gescannte Antennenvorrichtung zum Senden und Empfangen von Ka-Band HF-Signalen, welche umfasst: einen vertikal integrierten, im Wesentlichen flachen Aufbau, welcher enthält, zumindest ein HF-Transceivermodul (
32 ), welches eine Vielzahl von Signalports aufweist, inklusive einem HF-Eingabe-/Ausgabesignalport; Strahlsteuerungsmittel (60 ), die an den HF-Eingabe-/Ausgabesignalport des zumindest einen Transceivermoduls gekoppelt sind, wobei die Strahlsteuerungsmittel ein dielektrisches Substrat enthalten mit einer Anordnung von dielektrischen Wellenleiterleiterbahnen (123 ) und koaxialen Sendeleitungselementen (106 ) und Durchleitungen, die ausgelegt sind, um HF-Signale zu dem und von dem Transceivermodul durchzuleiten, und eine Vielzahl von HF-Signalverstärkerschaltkreisen (166 ), die gekoppelt sind an einen ersten HF-Wellenleiter (230 ), der in dem Substrat ausgebildet ist und in einem HF-Signalport an einer Rückseite hiervon endet, wobei der HF-Signalport gekoppelt ist an den HF-Eingabe-/Ausgabesignalport des Transceivermoduls, und die Vielzahl von HF-Signalverstärkerschaltkreisen gekoppelt ist an eine Vielzahl von zweiten HF-Wellenleitern (122 ), die auch ausgebildet sind in dem Substrat und in einer entsprechenden Vielzahl von Wellenleiterports enden, die einen vorbestimmten Portaufbau in einer Frontplatte hiervon aufweisen; eine Antenne, die ein zweidimensionales Array (60 ) von regelmäßig beabstandeten Antennenstrahlerelementen (67 ) aufweist, die einen vorbestimmten Abstand und Orientierung aufweisen; Wellenleiterumleitungsmittel (69 ), die angebracht sind zwischen den Strahlsteuerungsmitteln und der Antenne, wobei die Wellenleiterumleitungsmittel ein dielektrisches Substrat enthalten mit einer Vielzahl von Wellenleiterports (116 ), die darin ausgebildet und angebracht sind an einer rückwertigen Seite hiervon und gleich sind in der Anzahl und einen Portaufbau haben, der mit dem vorbestimmten Portaufbau in der Frontplatte der Strahlsteuerungsmittel übereinstimmt, und eine gleiche Vielzahl von Wellenleiterports (112 ), die darin ausgebildet sind auf einer Frontplatte hiervon und die im Abstand und der Orientierung an die Antennenstrahlerelemente angepasst sind, wobei die Wellenleiterumleitungsmittel zusätzlich eine Vielzahl von Wellenleiterübergängen (130 ,132 ) umfassen, welche wahlweise die jeweiligen Wellenleiter drehen und verschieben, die in dem Substrat ausgebildet sind, und welche die Wellenleiterports auf der Rückseite der Wellenleiterumleitungsmittel an die Wellenleiterports an der Frontplatte der Wellenleiterumleitungsmittel koppeln; Mittel (78 ,82 ) zum Bereitstellen und Sicherstellen einer Wellenleiterzwischenverbindung zwischen sich wechselseitig gegenüberliegenden Wellenleiterports und Strahlerelementen des vertikal integrierten Aufbaus zum Vermeiden von HF-Streuverlusten hiervon. - Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Strahlsteuerungsmittel eine Vielzahl von im Wesentlichen identischen Strahlsteuerungselementen enthalten.
- Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Wellenleiterumleitungsmittel eine Vielzahl von im Wesentlichen identischen Wellenleiterumleitungselementen enthalten.
- Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Strahlsteuerungsmittel eine Vielzahl von Mehrlagenstrahlsteuerungsplättchen enthalten und wobei die Wellenleiterumleitungselemente eine Vielzahl von Mehrlagenwellenleiterumleitungselementen enthalten.
- Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das zumindest eine HF-Transceivermodul eine Vielzahl von Transceivermodulen enthält, wobei die Strahlsteuerungsmittel eine Vielzahl von Strahlsteuerungselementen enthalten, wobei die Wellenleiterumleitungsmittel eine Vielzahl von Wellenleiterumleitungselementen enthalten, und wobei die Mittel zum Bereitstellen von Wellenleiterzwischenverbindungen Wellenleiterflanschelemente umfassen, die angebracht sind zwischen den Strahlsteuerungselementen und den Wellenleiterelementen.
- Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Vielzahl von Wellenleiterumleitungselementen Untertafelbereiche einer gemeinsamen Wellenleiterumleitungstafel enthalten.
- Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei das zumindest eine HF-Transceivermodul vier Transceivermodule umfasst, wobei das Strahlsteuerungsmittel 16 Strahlsteuerungselemente umfasst, nämlich vier Strahlsteuerungselemente für ein jedes der vier Transceivermodule, und wobei die Wellenleiterumleitungsmitttel 16 Wellenleiterumleitungselemente umfassen, nämlich ein Wellenleiterumleitungselement für ein jedes der Strahlsteuerungselemente.
- Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Antennenelemente der Antenne ausgebildet sind in einer Vorderplatte und ein jedes der Strahlsteuerungsplättchen 16 HF-Signalverstärkungsschaltkreise umfasst und 16 zweite HF-Wellenleiter, die in 16 Wellenleiterports auf der Frontplatte hiervon enden, und wobei die Wellenleiterumleitungselemente Untertafelbereiche einer gemeinsamen Wellenleiterumleitungstafel enthalten, welche 16 Wellenleiterports umfasst auf sowohl der Vorderplatte als auch der Rückplatte hiervon, und wobei die Vorderplatte der Umleitungsuntertafelbereiche einer Rückseite der Vorderplatte der Antenne gegenüberliegt und die Rückseite der Umleitungstafel der Vorderseite der Strahlsteuerungselemente gegenüberliegt.
- Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei das zweidimensionale Array aus Strahlerelementen ein Gitter umfasst aus 64 Antennenelementen, die jeweils gekoppelt sind an die Wellenleiterumleitungstafel.
- Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei der vorbestimmte Portaufbau der Strahlsteuerungsplättchen eine vorbestimmte Anzahl von Wellenleiterports enthält, die selektiv angeordnet sind angrenzend an ein paar von gegenüberliegenden Seitenkanten der Vorderseite hiervon und wobei die Vielzahl von HF-Signalverstärkungsschaltkreisen angebracht ist zwischen den Wellenleiterports.
- Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Vielzahl von Wellenleiterports, die angrenzend angebracht sind an das Paar von Seitenkanten, linear angeordnet in zwei Sätzen von im Wesentlichen parallelen Leitungen von Wellenleiterports an der Frontseite der Strahlsteuerungsplättchen.
- Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Vielzahl von Strahlsteuerungsplättchen Seite an Seite angeordnet ist, in einem im Wesentlichen ebenen Array und weiterhin äußere Wärmesenkenmittel umfasst und innere Wärmesenkenmittel, die an gegenüberliegenden Seiten hiervon angebracht sind.
- Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die äußeren Wärmesenkenmittel angebracht sind zwischen dem Array von Strahlsteuerungsplättchen und der Wellenleiterumleitungstafel.
- Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die äußeren Wärmesenkenmittel und das innere Wärmesenkenelement im Wesentlichen ebene äußere und innere luftgekühlte Senkenelemente enthalten.
- Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei das äußere Wärmesenkenelement eine Vielzahl von Wellenleitern umfasst, die hindurchgehend ausgebildet sind zum Koppeln der Wellenleiterports in der Frontseite der Strahlsteuerungsplättchen auf die Wellenleiterports in der Rückseite der Wellenleiterumleitungstafel.
- Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei das innere Wärmesenkenelement HF-Kopplungsmittel umfasst und eine Vielzahl von Wellenleiterports zum Koppeln des Eingabe-/Ausgabesignalports des Transceivermoduls auf eine vorbestimmte Anzahl der Strahlsteuerungsplättchen.
- Vorrichtung nach Anspruch 16, welche weiterhin umfasst: Mittel (
84 ), die angebracht sind zwischen der Vielzahl von Strahlsteuerungsplättchen (60 ) und dem inneren Wärmesenkenelement (86 ), um die Vielzahl von HF-Signalverstärkungsschaltkreisen in den Strahlsteuerungsplättchen mit Energie zu versorgen und sie zu steuern. - Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei die Mittel um die HF-Signalverstärkungsschaltkreise mit Energie zu versorgen und zu steuern eine Gleichstromsteuerungsplatine (
84 ) umfassen, welche lötfreie Zwischenverbindungen aufweist zum Steuern der aktiven elektronischen Schaltkreisbauteile in den HF-Signalverstärkungsschaltkreisen, und eine Vielzahl von Öffnungen hierin, um das Koppeln der Vielzahl der Wellenleiterports in dem inneren Wärmesenkenelement auf den einzelnen HF-Signalport in der rückwärtigen Seite der Strahlsteuerungsplättchen zu ermöglichen. - Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei die Mittel zum Bereitstellen von Wellenleiterzwischenverbindungen erste Wellenleiterflanschmittel (
72 ) umfassen, die angebracht sind zwischen der Antennenfrontplatte und der Vorderseite der Wellenleiterumadressierungsplättchen, zweite Wellenleiterflanschmittel (74 ), die angebracht sind zwischen der rückwärtigen Seite der Wellenleiterumleitungstafel und einer Vorderseite des äußeren Wärmesenkenelements, dritte Wellenleiterflanschmittel (70 ), die angebracht sind zwischen einer rückwärtigen Seite der äußeren Wärmesenke und der Vorderseite der Strahlsteuerungsplättchen, und vierte HF-Streuverlustverhinderungsmittel (80 ), die angebracht sind zwischen der rückwärtigen Seite der Strahlsteuerungsplättchen und Wellenleiterports auf den inneren Wärmesenkenmitteln. - Vorrichtung nach Anspruch 19, wobei die Wellenleiterflanschmittel im Wesentlichen flache metallische Federdichtungselemente umfassen.
- Vorrichtung nach Anspruch 20, wobei die Federdichtungsmittel eine Vielzahl von länglichen Löchern umfassen, um den Durchgang von HF-Energie hierdurch zu ermöglichen, und welche kompressible Finger an inneren Kanten hiervon aufweisen, um einen Federeffekt bereitzustellen.
- Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei die HF-Kopplungsmittel in den inneren Wärmesenkenelementen (
85 ) Übergangsmittel von dielektrischen Wellenleitern auf Luftwellenleiter umfassen. - Vorrichtung nach Anspruch 22, wobei die Mittel zum Übergang von dielektrischen Wellenleitern auf Luftwellenleiter einen relativ breiten nach außen zeigenden HF-Signaleingabebereich umfassen und eine Vielzahl von dazwischenliegenden abgestuften Luftwellenleiteranpassungsbereichen, die in einem relativ schmalen Ausgabebereich enden, der ein Ausgabeport umfasst.
- Vorrichtung nach Anspruch 22, wobei die HF-Kopplungsmittel einen Mehrfacharmkoppler (
54 ) umfassen, der ausgebildet ist in einem HF-Signalmehrfachaufbaukörperbereich des inneren Wärmesenkenelements. - Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Strahlerelemente jeweils längliche Schlitze umfassen, die Mittel zum Übergang von Wellenleitern in die Luft umfassen, die in einem Gitter auf der Vorderplatte angebracht sind.
- Vorrichtung nach Anspruch 25, wobei die Vorderplatte aus einer im Wesentlichen flachen Metallplatte besteht, die eine innere Schicht aus Schaummaterial umfasst und eine äußere Schicht eines Anpassungsmaterials vom Wellenleiter auf die Luft, welches hierauf untergebracht ist.
- Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei jedes Strahlsteuerungselement der Vielzahl von Strahlsteuerungselementen einen Zweigsignalkoppler (
234 ) umfasst, der einen ersten Zweig aufweist, der gekoppelt ist an den ersten HF-Wellenleiter (238 ), der ausgebildet ist in dem Substrat, und eine Vielzahl von anderen Zweigen, die an ein Ende der jeweiligen koaxialen Sendeleitungen (102 ) gekoppelt sind, und bei denen ein gegenüberliegendes Ende gekoppelt ist an einen HF-Signalteiler (190 ), der verbunden ist mit einem Ende der Vielzahl von HF-Signalverstärkerschaltkreisen (166 ), die angeordnet sind auf einer Schicht des Substrats, wobei die HF-Signalverstärkerschaltkreise jeweils gegenüberliegende Enden aufweisen, die verbunden sind mit der Vielzahl von zweiten HF-Wellenleitern (12 ), die in dem Substrat ausgebildet ist. - Vorrichtung nach Anspruch 27, wobei der Abzweigsignalkoppler einen Signalkoppler umfasst, der ausgebildet ist in einer Leiterbahn auf einer anderen Schicht auf dem Substrat und wobei die koaxialen Sendeleitungen jeweils einen mittigen Leiter umfassen und einen äußeren Leiter, der hergestellt ist durch einen Aufbau aus Metallisierung und Durchleitungen, die verschiedene Schichten des Substrats zwischen der einen Schicht und der anderen Schicht überqueren.
- Vorrichtung nach Anspruch 28, wobei der Abzweigleitungskoppler vier Leitungszweigkoppler umfasst und wobei eine der Leitungen gekoppelt ist an den ersten HF-Wellenleiter, wobei zwei der Leitungen gekoppelt sind auf jeweilige koaxiale Sendeleitungselemente und eine der Leitungen gekoppelt ist auf eine Last, die ein kegelförmiges Segment aus einem Widerstandsmaterial umfasst.
- Vorrichtung nach Anspruch 28, wobei der mittige Leiter und der äußere Leiter der Koaxialsendeleitungen ausgebildet sind in einer ausgezogenen bogenförmigen Anordnung in den mehreren Schichten zwischen der einen Schicht und der anderen Schicht und zusätzlich ein kapazitives Impedanzanpassungselement umfasst, welches angebracht ist auf einer Schicht angrenzend an die andere Schicht.
- Vorrichtung nach Anspruch 23, wobei ein jeder der HF-Signalverstärkerschaltkreise einen Sende-/Empfangs-(T/R)-Schaltkreis umfasst, der einen steuerbaren Multibit-HF-Signalphasenschieber (
272 ) enthält, der gekoppelt ist an den Signalteiler (190 ), einen ersten T/R-Schalter (276 ), der gekoppelt ist an den Phasenschieber, eine zweiten T/R-Schalter (292 ), der an einen Wellenleiter (123 ) aus der Vielzahl von zweiten HF-Wellenleitern gekoppelt ist, und einen Sende-HF-Verstärkerschaltkreis (280 ) und einen Empfangs-HF-Verstärkerschaltkreis (282 ), die jeweils eine oder mehrere Verstärkerstufen enthalten, die verbunden sind zwischen den ersten und zweiten T/R-Schaltern. - Vorrichtung nach Anspruch 31, wobei der Multibitphasenschieber einen Dreibitleiterbahnenphasenschieber umfasst.
- Vorrichtung nach Anspruch 31, wobei die eine oder mehrere Verstärkerstufen drei Verstärkerstufen umfassen.
- Vorrichtung nach Anspruch 33, wobei die drei Verstärkerstufen Verstärkerschaltkreise umfassen, die eine oder mehrere Halbleiterverstärkervorrichtungen umfassen.
- Vorrichtung nach Anspruch 31, welche zusätzlich Mikroleiterbahn-Wellenleiterübergangsmittelumfassen, die gekoppelt sind zwischen dem zweiten T/R-Schalter (
292 ) und dem einen Wellenleiter (123 ). - Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Vielzahl von Wellenleiterübergängen in der Vielzahl von Wellenleiterumleitungselementen eine Vielzahl von gegenseitig versetzten und inkremental gedrehten Wellenleitersegmenten in einer ausgewählten Anzahl von Schichten des Substrats umfasst.
- Vorrichtung nach Anspruch 36, wobei die Wellenleitersegmente gedreht sind in vorbestimmten Winkelinkrementen.
- Vorrichtung nach Anspruch 36, wobei die Wellenleitersegmente in gleichen Winkelinkrementen gedreht sind.
- Vorrichtung nach Anspruch 38, wobei die gedrehten Segmente eine Wellenleiterdrehung von im Wesentlichen 45° bereitstellen.
- Vorrichtung nach Anspruch 36, wobei die versetzten Segmente seitlich in inkrementalen Schritten verschoben sind.
- Vorrichtung nach Anspruch 40, wobei eine vorbestimmte Anzahl der Wellenleiterübergänge auch ein längliches Zwischensegment umfasst zwischen einer ausgewählten Anzahl von versetzten Segmenten und einer ausgewählten Anzahl von gedrehten Segmenten.
- Verfahren zum Senden und Empfangen von Ka-Band-HF-Signalen, welches die folgenden Schritte umfasst: Koppeln eines HF-Eingabe-/Ausgabesignalports von zumindest einem HF-Transceivermodul auf Strahlsteuerungsmittel einer aktiven elektronisch abgetasteten Antenne; Durchleiten von HF-Signalen zu und von dem Transceivermodul und einer Vielzahl von HF-Signalverstärkungsschaltkreisen in den Strahlsteuerungsmitteln über einen ersten HF-Wellenleiter, der in einem HF-Signalport endet, der ausgebildet ist auf einer rückwärtigen Seite der Strahlsteuerungsmittel und einer Vielzahl von zweiten HF-Wellenleitern, die in einer entsprechenden Vielzahl von Wellenleiterports enden, die einen vorbestimmten Portaufbau zeigen, der in einer Frontplatte der Strahlensteuerungsmittel ausgebildet ist; Anbringen von Wellenleiterumleitungsmitteln zwischen den Strahlsteuerungsmitteln und einer Antenne, welche ein zweidimensionales Array von regelmäßig beabstandeten Antennenstrahlerelementen aufweist, die vorbestimmtem Abstand und Orientierung haben; Koppeln der Vielzahl der Wellenleiterports auf der Frontplatte der Strahlensteuerungsmittel auf eine Vielzahl von Wellenleiterports, die angebracht sind auf einer Rückseite der Wellenleiterumleitungsmittel und gleich sind in der Anzahl und im Portaufbau angepasst an den vorbestimmten Portaufbau in der Frontplatte der Strahlsteuerungsmittel, wobei die Wellenleiterumleitungsmittel eine gleiche Anzahl von Wellenleiterports aufweisen, die ausgebildet sind in einer Frontplatte hiervon und angepasst sind an den Abstand und die Orientierung der Antennenstrahlerelemente, und eine Vielzahl von Wellenleiterübergängen, welche selektiv jeweilige Wellenleiter drehen, und verschieben, welche die Wellenleiterports an der Rückseite der Wellenleiterumleitungsmittel koppeln auf die Wellenleiterports an der Vorderseite der Wellenleiterumleitungsmittel; und Bereitstellen einer Zwischenverbindung und Vermeiden von HF-Abstrahlung zwischen wechselseitig gekoppelten Signalports auf die Strahlsteuerungsmittel und die Wellenleiterumleitungsmittel durch Dichtungsmittel.
- Verfahren nach Anspruch 42, wobei die Strahlsteuerungsmittel eine Vielzahl von im Wesentlichen identischen Strahlsteuerungsplättchen umfassen.
- Verfahren gemäß Anspruch 42, wobei die Wellenleiterumleitungsmittel eine Vielzahl von im Wesentlichen identischen Wellenleiterumleitungselementen enthalten.
- Verfahren nach Anspruch 44, wobei die Wellenleiterumleitungsmittel eine Wellenleiterumleitungstafel enthalten, die eine Vielzahl von ähnlichen Unterbereichen aufweist.
- Verfahren nach Anspruch 42, welches zusätzlich den Schritt des Herstellens eines ersten HF-Wellenleiters in einem Substrat umfasst, um den HF-Signalport in der hinteren Seite der Strahlsteuerungsmittel abzuschließen, und Herstellen der Vielzahl von zweiten HF-Wellenleitern in der Vorderseite der Strahlsteuerungsmittel.
- Verfahren nach Anspruch 42, welches zusätzlich umfasst den Schritt des Herstellens der Vielzahl von Wellenleitern und Wellenleiterübergängen in einem Substrat und Koppeln der Wellenleiterports an der Rückseite der Wellenleiterumleitungsmittel auf die Wellenleiterports in der Frontplatte der Wellenleiterumleitungsmittel.
- Verfahren nach Anspruch 42, wobei das zumindest eine HF-Transceivermodul vier Transceivermodule umfasst, wobei die Strahlsteuerungsmitttel 16 Strahlsteuerungsplättchen umfassen, vier Strahlsteuerungsplättchen für ein jedes der vier Transceivermodule, und wobei die Wellenleiterumleitungsmittel eine Wellenleiterumleitungstafel umfassen, welche 16 Wellenleiterumleitungsuntertafelbereiche enthält, wobei eine Wellenleiterumleitungsuntertafel für ein jedes der Strahlsteuerungsplättchen vorhanden ist.
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