DE602004008653T2

DE602004008653T2 - Flexible konforme antenne

Info

Publication number: DE602004008653T2
Application number: DE602004008653T
Authority: DE
Inventors: Stephen R. Culver City KERNER; Clifton Arcadia QUAN; Raquel Z. Redondo Beach ROKOSKY
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 2003-09-03
Filing date: 2004-07-22
Publication date: 2008-06-05
Anticipated expiration: 2024-07-23
Also published as: EP1661207B1; JP4571638B2; NO20061449L; CA2729740C; ATE371965T1; CA2525620A1; ES2290766T3; DE602004008653D1; AU2004303071A1; WO2005025001A1; AU2004303071B2; CA2525620C; US20050046510A1; JP2007504749A; CA2729740A1; WO2005025001A8; US6992629B2; KR100733103B1; KR20060083200A; DK1661207T3

Description

HINTERGRUND
Typische aktive Array-Architekturen umfassen einen oder mehrere Ferrit-Zirkulatoren für ein passives Duplexing und zum Steuern der Streuung einer Mikrowellenantenne. Diese Zirkulatoren sind passive „diskrete" Mirkowellenvorrichtungen, die bspw. eine Mikrostreifen/Streifenleitungsresonatorschaltung auf einem Ferritsubstrat aufweisen, das zwischen einem Magnet und einer magnetischen Trägerplatte liegt.
Für eine konforme Plattenarchitektur können die aktiven Vorrichtungen, die die T/R-Module umfassen, auf der Rückseite der Platte befestigt sein. Die Zirkulatoren liegen zwischen den abstrahlenden Aperturen bzw. Öffnungen und den T/R-Modulen. Es gibt einen Bedarf, diese Mikrowellenvorrichtungen, bspw. Zirkulatoren und andere Mikrowellenvorrichtungen, bspw. integrierte Schaltungen mit Schaltern, Filtern und MEMs, vergraben zu können, während die vertikalen Übergänge realisiert werden, um die Vorrichtungen mit den anderen Komponenten innerhalb der Antenne, bspw. Sende/Empfangsmodule (T/R-Module) und Strahler miteinander zu verbinden. Vergrabene Mikrowellen-Zirkulatoren und andere diskrete Mikrowellenvorrichtungen stellen eine Herausforderung dar.
EP 0 534 826 A1 offenbart ein RF-Signalübergangssystem.
ZUSAMMENFASSUNG DER OFFENBARUNG
Ein RF-Signalübergang, wie er in Anspruch 1 definiert ist, umfasst eine kanalisierte Mikrostreifenübertragungsstruktur und eine koplanare Wellenleiterstruktur in elektrischer Verbindung mit der kanalisierten Mikrostreifenübertragungsstruktur. Eine eingehauste Rinnenübergangsstruktur ist in elektrischer Verbindung mit der koplanaren Wellenleiterstruktur. Eine eingehauste koaxiale Übertragungsstruktur ist in elektrischer Verbindung mit der Rinnenübergangsstruktur. Der Signalübergang kann in einer flexiblen gedruckten Leiterplattenstruktur mit einem Zirkulator für eine konforme Antennenstruktur eingebettet sein.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHUNGEN
Merkmale und Vorteile der Offenbarung ergeben sich für den Fachmann aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung, wenn sie zusammen mit den Zeichnungen gelesen wird, wobei:
1 ein funktionales Blockdiagramm einer Ausführungsform eines aktiven Arrays ist, das entsprechend den Gesichtspunkten der Erfindung hergestellt werden kann.
2 zeigt eine perspektivische Explosionsansicht einer konformen Antennenanordnung mit einer mehrlagigen konformen RF-Übergangsstruktur entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2A ist eine vereinfachte schematische freigeschnittene Darstellung eines Bereichs des RF-Übergangsbereichs von 2.
3A zeigt eine Querschnittsansicht, die teilweise in Explosionsdarstellung gezeigt ist, eines ersten Abschnitts einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3B zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines zweiten Abschnitts der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3C zeigt eine schematische Querschnittsansicht in Explosionsdarstellung der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die in 3A und 3B gezeigt ist;
4 zeigt eine schematische Draufsicht eines Abschnitts eines Mikrostreifens, der den Zirkulator mit einem vertikalen RF-Übergang entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verbindet.
5A und 5B zeigen eine Draufsicht bzw. eine Querschnittsansicht längs der Linien 5B einer schematischen Darstellung eines Abschnitts eines Mikrostreifens, der den Zirkulator mit einem vertikalen RF-Übergang entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verbindet.
5C und 5D zeigen eine Draufsicht bzw. eine Querschnittsansicht längs der Linien 5D einer schematischen Darstellung eines anderen Abschnitts des Mikrostreifens, der den Zirkulator mit dem vertikalen RF-Übergang verbindet, entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
6A und 6B zeigen eine Draufsicht bzw. eine Querschnittsansicht längs der Linien 6B einer eingehausten Rinnenleitungsübergangsleitung, die innerhalb der PWB 16 entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthalten ist.
7B und 7A zeigen eine Draufsicht bzw. eine Querschnittsansicht entlang der Linien 7B einer eingehausten koaxialen Übergangsleitung, die innerhalb der Balun- bzw. Symmetrieschaltungslage entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthalten ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER OFFENBARUNG
In der nachfolgenden detaillierten Beschreibung und in den verschiedenen Figuren der Zeichnung werden gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
1 ist ein schematisches Blockdiagramm einer beispielhaften Ausführungsform eines aktiven Array bzw. Gruppensystems 200, das entsprechend den Gesichtspunkten dieser Erfindung implementiert werden kann. In einem allgemeinen Sinn umfasst das Array eine Strahlerschicht 200A, eine Zirkulatorschicht 200B, eine T/R-Modulschicht 200C und eine RF-Einspeiseschicht 200D mit einem RF-Eingangs-/Ausgangs(I/O)-Anschluss 200E. Die T/R-Modulschicht umfasst für jeden Zirkulator in der Schicht 200B einen Phasenschieber und ein Dämpfungsglied, sowie einen Empfängerverstärker und einen Sendeverstärker, die mit den Anschlüssen des Zirkulators über einen T/R-Schalter verbunden sind. Strukturen des Arraysystems können in mehreren Schichten implementiert werden, um eine konforme abstrahlende Apertur bzw. Öffnung bereitzustellen.
Wendet man sich nun der 2 zu, ist eine perspektivische Ansicht in Explosionsdarstellung einer konformen Antennenanordnung gezeigt, die eine mehrlagige konforme RF-Übergangsstruktur 10 entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung umfasst. Die konforme Antenne umfasst auch eine Aperturstruktur 11 und eine Rückplatte 13, zwischen der die RF-Übergangsstruktur 10 vorgesehen werden kann. Um eine Anpassung an die gekrümmte Form der Antennenapertur zu erreichen, umfasst die Struktur 10 in einer beispielhaften Ausführungsform eine flexible gekrümmte mehrlagige konforme Antennen-RF-Übergangsstruktur.
Die Innovationen umfassen eine neue Kombination der Übertragungsleitungsstrukturen, die bei diesem Übergang verwendet werden, und Laminierungsprozesse, die beim Herstellen dreidimensionaler Mikrowellenübertragungsleitungsstrukturen in den flexiblen Abschnitten, bspw. Abschnitt 12 benutzt werden.
2A zeigt eine schematische freigeschnittene Ansicht eines unteren Abschnitts an der Übergangsstruktur 10. Ein Mikrostreifenzirkulator 44 ist in den flexiblen mehrlagigen unteren Abschnitt 12 der Struktur 10 in einer im Allgemeinen rechteckigen Öffnung 70 befestigt, die im Abschnitt 12 ausgebildet ist, wie nachfolgend im Detail erläutert werden wird. Die Hohlraumlufttaschen 46 können ebenfalls in ausgewählte Schichten des Abschnitts 12 vor einem Laminierungsprozess eingear beitet werden, wie nachfolgend beschrieben werden wird. Golddrähte oder Bandverbindungen 74 werden eingesetzt, um entsprechende Mikrostreifenspuren zu und von dem Zirkulator 44 mit Mikrostreifenspuren 42 und 80 auf der Oberseite des Abschnitts 12 zu verbinden.
2A zeigt eine schematische Darstellung der Positionierung eines vertikalen RF-Übergangs 90 durch eine laminierte mehrlagige flexible gedruckte Leiterplatte (PWB) 12 und die Balun- und Strahleraperturanordnung 60. Die Verbindung 90 verbindet den Mikrostreifenleiter 80, der mit dem Zirkulator 44 verbunden ist, mit der oberen Schichtanordnung 60. Der vertikale RF-Übergang 90 kann mehrere Mikrowellenübertragungsleitungsstrukturen 80, 150, 110, 120 umfassen, um den elektromagnetischen Feld-Aufbau des RF-Signals von dem mit dem Zirkulator 44 verbundenen Mikrostreifen 80 auf den einer „eingehausten" koaxialen Übertragungsleitungsstruktur neu zu formen, wenn das RF-Signal in die Schichtanordnung 60 gelangt. Es gibt ebenfalls eine Übertragungsstruktur 40 von Mikrostreifen auf vertikale eingehauste koaxiale Leitungen, um das T/R-Modul mit dem Zirkulator zu verbinden. Bei dieser Ansicht ist nur eine Struktur 40 dargestellt; allerdings versteht sich, dass zwei Strukturen 40 für jeden Zirkulator vorgesehen sein können, um die Sende- bzw. Empfangsverbindung zwischen dem T/R-Modul und dem Zirkulator bereitzustellen, wie in 1 gezeigt.
Es versteht sich, dass die beispielhafte Ausführungsform der Antenne von 1 für Sende- und Empfangsoperationen ausgelegt ist, und es versteht sich, dass allgemein die „Eingangs-" und „Ausgangs-"anschlüsse verschiedener Schaltungen ebenfalls als „Ausgänge" und „Eingänge" verwendet werden können, solange sich nichts anderes aus den Schaltungen ergibt.
3A zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Bereichs der PWB 12, die einen unteren Bereich der Struktur 10 aufweist. Ein RF-Sende-Empfangsschnittstellenmodul 30 ist mit der PWB 12 verbunden und kann eine Flip-Chip-Anordnung oder ein Chip-Scale-Gehäuse aufweisen, das ein IC-Flip-Chip 203 mit einem Kugelgitter 201 aufweist, das Lotkugeln 202 aufweist, die entsprechend zu vielen der Einfanganschlussflächen 16e in dem Laminat 12 ausgerichtet sind. Der IC-Chip 203 integriert Funktionen eines T/R-Moduls bei dieser beispielhaften Ausführungsform. Das Modul 30 ist elektrisch mit der Struktur 10 über Lotkugelverbindungen mit den Einfanganschlussflächen verbunden. Das Modul 30 ermöglicht es, dass RF- und DC-Signale an die PWB verbunden werden.
3B zeigt einen Querschnitt des oberen Bereichs 60 der Struktur 10, die mit dem Bereich 12 zusammengesetzt wird. Der obere Bereich 60 umfasst eine Balun bzw. Symmetrieschltungsschicht 62 (nachfolgend Balunschicht genannt) und eine Strahleranordnungsschicht 64. Die Balunschicht 62 kann aus einer unteren dielektrischen Balunschicht 66 und einer oberen dielektrischen Balunschicht 67 ausgebildet sein, zwischen denen eine untere Metallschicht 60b und eine obere Metallschicht 60c vorgesehen sind. Die untere Metallschicht 60b bildet eine Masseebene und besitzt Ausschnitte 60f, innerhalb denen eine Einfanganschlussfläche 60e ausgebildet sein kann, die geformt ist, um die vertikale Übergangsleitung 102 (3A) mit dem koaxialen vertikalen Übergang 120 zu verbinden. Die untere Balunschicht 66 kann ebenfalls ein Via (Durchgangsbohrung) und eine Einfanganschlussfläche aufweisen, die einen Bereich einer Masseebene-Verbindung 122 bildet. Die untere Balunschicht 66 kann ebenfalls ein darin ausgebildetes Signalübertragungsstreifenleitungsmuster aufweisen, das in einer metallisierten Schicht 66g ausgebildet ist, die auf der oberen Fläche der unteren Balunschicht 66 ausgebildet ist. Die obere Balunschicht 67 kann auf ihrer oberen Fläche die metallisierte Schicht 60c aufweisen, die aus einer Masseebene gebildet ist und die darin Freischnitte 60f besitzt, durch die ein vertikaler koaxialer Signalübergang 120a hindurchlaufen kann.
Die Strahlerschicht 64 umfasst eine dielektrische Schicht 64a, die ein darin eingebettetes Strahlerleitermuster aufweist, das eine Vielzahl von Strahlern definiert, und bspw. den Strahler 94 umfasst, der mit dem vertikalen Übergang 120a elektrisch verbunden ist. Die Strahleranordnungsschicht 64 hat darin, wie in 3B gezeigt ist, ein Via 96 zur Verbindung mit dem vertikalen koaxialen Übergang 120a durch einen Freischnitt 60f in der oberen Metallschicht 60c der Balunschicht 62. Eine dielektrische Kuppelschicht 76 bedeckt die obere Fläche der Schicht 64a.
Die Balun- und Strahlerschichtanordnung 60 kann an einer oberen Metallschicht 28g (3A) eines oberen dielektrischen Laminats 28 der PWB 12 über eine Klebeschicht 68 angebracht sein. Die Schicht 68 kann eine Schicht 68a eines Haftlagen(engl. bondply)-Klebers enthalten, die Vias 68b besitzt, die mit einer leitfähigen Tinte für eine elektrische Verbindung über die Kleberschicht 68a gefüllt ist, bspw. zwischen der Einfanganschlussfläche 60e an dem unteren Ende der Signalübergangsleitung 120 und der Einfanganschlussfläche 28e an dem oberen Ende der Rinnenleitung 102, oder zwischen der Masseebene 28g auf der oberen Fläche des Laminats 28 und der Masseebene, die durch die Metallisierungsschicht 60b auf der Unterseite der laminierten Schicht 60 gebildet ist. Dies kann eine Verbindung zu einer Masseebene-Zwischenverbindung 122 bereitstellen, die die Masseebene 60b auf der Unterseite der Balunschicht 66 mit der Masseebene 60c der oberen Fläche der Balunschicht 67 verbindet. Bei dieser beispielhaften Ausführungsform ist die Balunschicht 62 aus zwei Balunschichten 66, 67 gebildet, um das Ausbilden der Metallisierung 66g auf der oberen Fläche der unteren Balunschicht 66 zu erleichtern, um ein horizontales Signalübergangsmuster 66g darauf auszubilden.
Die Klebeschicht 68 kann bei dieser beispielhaften Ausführungsform ein Z-Achsen-Kleber sein, der die Einfanganschlussflächen 60e (in der unteren Metallschicht 60b der Balunschicht 66) mit 28e (verbunden mit dem oberen Ende der Rinnenleitung 102) elektrisch verbindet und ebenfalls die entsprechenden Massenebenen 60b und 28g. Der Z-Achsen-Kleber, bspw. eine Schicht von 3M 7373 oder 3M 9703, die von 3M hergestellt werden, in dem Bereich der Einfanganschlussflächen 60e, 28e und der Masseebenen 60b und 28g werden zusammen gequetscht und in Gebiete der Freischnitte bzw. Ausnehmungen 60f und 28f gequetscht. Deshalb werden zufällig verteilte leitende Partikel, die in dem Z-Achsen-Kleber enthalten sind, eine anisotropische vertikale elektrische Verbindung zwischen der Einfanganschlussfläche 60e und der Einfanganschlussfläche 28e und zwischen den Masseebenen 60b und 28g ausbilden, während sie die vertikalen Übergänge 102, 120 nicht mit den jeweiligen Masseebenen 60b und 28g im Bereich der Ausnehmungen 60f und 28f kurzschließt. Dies ermöglicht, dass die flexible DC/RF-Manifold-Anordnung 12 elektrisch mit dem oberen Balun und mit den Strahlerschichten 60, 62 angebracht ist, da diese Anordnung mit zunehmender Krümmung ausgebildet ist. Derartige Verbindungen sind für DC und Mikrowellenfrequenzen geeignet, bspw. über eine planare Schnittstelle und eine Schnittstelle mit gekrümmter Oberfläche, wobei angenommen wird, dass der Abschnitt 12 relativ planar bzw. eben ist, d.h. weniger gekrümmt ist als der Balun-/Strahlerabschnitt 6. Der Balun-/Strahlerabschnitt 60 kann Teil der Struktur der Aperturstruktur 11 sein, bspw. eine eingebettete Dipolaperturstruktur.
Diese Benutzung eines Z-Achsen-Klebstoffs kann auch als Ersatz dienen für einige oder alle der anderen Klebeschichten 18, 22 und 26, bspw. um eine weitere Flexibilität des Abschnitts 12 zu erreichen.
Wenden wir uns nun der 3C zu, in der eine Schnittansicht in Explosionsdarstellung einer beispielhaften mehrlagigen konformen PWB-Anordnung 12 gezeigt ist, die als ein RF/DC-Einspeiseabschnitt bei dieser Ausführungsform dient. Bei einer beispielhaften Ausführungsform umfasst die PWB 12 Abschnitte 14 und 15. Der Abschnitt 14 kann aus einem unteren dielektrischen Laminat 16 und einem oberen dielektrischen Laminat 20 hergestellt sein.
Das untere dielektrische Laminat 16 kann etwa 6 Milliinch dick sein und kann eine untere dielektrische Schicht 16a von etwa 2 Milliinch Dicke umfassen, die aus Kapton (TM) hergestellt ist, die zwischen einer unteren Metallschicht 16b und einer oberen Metallschicht 16c liegt, deren jede geätzt sein kann, um bspw. Einfanganschlussflächen 16e, Ausnehmungen 16f und eine Masse-/Signalebene 16g zu bilden. Diese Abmessungen sind für eine beispielhafte Ausführungsform. Die dielektrische Schicht 16a kann selbst mit vorgeschnittenen oder vorgebohrten Viaöffnungen 16h ausgebildet sein, die mit einer leitfähigen Tinte gefüllt sein können, wie das im Stand der Technik bekannt ist, um bspw. eine Einfanganschlussfläche 16e in der unteren Metallschicht 16b mit einer Masse-/Signalebene 16g in der oberen Metallschicht 16c zu verbinden.
Über dem unteren dielektrischen Laminat 16 kann eine untere Klebeschicht 18 sein, die eine Dicke im Bereich von etwa 3 Milliinch hat. Die untere Klebeschicht 18 kann eine Schicht eines Haftlagenklebers 18a umfassen, die vorgebohrt oder vorgeschnitten sein kann, um Viaöffnungen 18b auszubilden, die mit einer leitfähigen Tinte gefüllt sind, um bspw. Einfanganschlussflächen 16e und/oder Masse-/Signalebenen 16g in der oberen Metallschicht 16c des unteren dielektrischen Laminats 16 durch die untere Klebeschicht 18 zu verbinden. In die Klebeschicht 18 kann auch ein Bereich der Öffnung 70 eingeschnitten sein, der ausgebildet werden wird, wenn die Schichten 16, 18, 20, 22 und 24 miteinander laminiert werden.
Oberhalb der unteren Klebeschicht 18 kann ein oberes dielektrisches Laminat 20 sein, das etwa 6 Milliinch dick ist und eine obere dielektrische Schicht 20a von etwa 2 Milliinch Dicke umfasst, die aus Kapton (TM) hergestellt ist, die zwischen einer unteren Metallschicht 20b und einer oberen Metallschicht 20c liegt, deren jede geätzt sein kann, um bspw. Einfanganschlussflächen 20e, Ausnehmungen 20f und Masse-/Signalebenen 20g zu bilden. Die dielektrische Schicht 20a kann selbst mit vorgeschnittenen oder vorgebohrten Viaöffnungen 20h ausgebildet sein, die mit einer leitfähigen Tinte gefüllt sein können, wie dies im Stand der Technik bekannt ist, um bspw. eine Einfanganschlussfläche 20e in der unteren Metallschicht 20b mit einer Masse-/Signalebene 20g in der oberen Metallschicht 20c zu verbinden. In die obere dielektrische Schicht 20a kann auch ein Bereich der Öffnung 70 eingeschnitten sein, die ausgebildet wird, wenn die Schichten 16, 18, 20, 22 und 24 zusammen laminiert werden.
Über dem oberen dielektrischen Laminat 20 kann eine mittlere Klebeschicht 22 liegen, die eine Dicke im Bereich von etwa 3 Milliinch hat. Die mittlere Klebeschicht 22 kann eine Schicht eines Haftlagenklebers 22a aufweisen, die vorgebohrt oder vorgeschnitten sein kann, um Viaöffnungen 22b auszubilden, die mit einer leitfähigen Tinte gefüllt sind, um bspw. Einfanganschlussflächen 22e und/oder Masse-/Signalebenen 20g in der oberen Metallschicht 20c des oberen dielektrischen Laminats 20 durch die mittlere Klebeschicht 22 zu verbinden. In die Klebeschicht 20 kann auch ein Bereich der Öffnung 70 eingeschnitten sein, die ausgebildet werden wird, wenn die Schichten 16, 18, 20, 22 und 24 zusammen laminiert werden.
Über der mittleren Klebeschicht 22 kann der obere Abschnitt 15 des mehrlagigen Laminatabschnitts 12 liegen. Der obere Abschnitt 15 kann ein unteres dielektrisches Laminat 24 umfassen, das eine Dicke im Bereich von etwa 10 Milliinch hat. Das untere dielektrische Laminat 24 kann aus einer dielektrischen Schicht 24a, wie bspw. Duroid (TM) hergestellt sein, kann zwischen einer unteren Metallschicht 24b und einer oberen Metallschicht 24c liegen, deren jede geätzt sein kann, um bspw. Einfanganschlussflächen 24e, Ausnehmungen 24f und Masse-/Signalebenen 24g auszubilden. Die untere dielektrische Schicht 24a kann selbst mit vorgeschnittenen oder vorgebohrten Viaöffnungen 24h versehen sein, die mit einer leitfähigen Tinte gefüllt sein können, wie dies im Stand der Technik bekannt ist, um bspw. eine Einfanganschlussfläche 24e in der unteren Metallschicht 24b mit einer Masse-/Signalebene 24g in der oberen Metallschicht 24c zu verbinden. In das untere dielektrische Laminat 24 kann auch ein Bereich der Öffnung 70 eingeschnitten sein, die ausgebildet werden wird, wenn die Schichten 16, 18, 20, 22 und 24 zusammen laminiert werden.
Über dem unteren dielektrischen Laminat 24 kann eine obere Klebeschicht 26 ausgebildet sein, die eine Dicke im Bereich von etwa 3 Milliinch hat. Die obere Klebeschicht 26 kann eine Schicht eines Haftlagenklebers 26a umfassen, die vorgebohrt oder vorgeschnitten sein kann, um Viaöffnungen 26b auszubilden, die mit einer leitfähigen Tinte gefüllt sind, um bspw. Einfanganschlussflächen 24e und/oder Masse-/Signalebenen 24g in der oberen Metallschicht 24c des unteren dielektrischen Laminats 24 durch die obere Klebeschicht 26 zu verbinden. In die obere Klebeschicht 26 kann auch ein Bereich der Öffnung 70 eingeschnitten sein, der ausgebildet werden wird, wenn die Schichten 16, 18, 20, 22 und 24 zusammen laminiert werden.
Über der oberen Klebeschicht 26 kann ein oberes dielektrisches Laminat 28 ausgebildet sein, das eine Dicke im Bereich von etwa 60 Milliinch haben kann. Die obere dielektrische Schicht 28 kann aus einer dielektrischen Schicht 28a gebildet sein, bspw. einer Duroid(TM)-Schicht, die zwischen einer unteren Metallschicht 28b und einer oberen Metallschicht 28c liegt, deren jede geätzt sein kann, um bspw. Einfanganschlussflächen 28e, Ausnehmungen 28f und Masse-/Signalebenen 28g zu bilden. Die obere dielektrische Schicht 28a kann mit vorgeschnittenen oder vorgebohrten Viaöffnungen 28a versehen sein, die gefüllt sind mit einer leitfähigen Tinte, um bspw. eine Einfanganschlussfläche 28a in der unteren Metallschicht 28b mit einer Einfanganschlussfläche 28e in der oberen Metallschicht 28c zu verbinden, bspw. als Teil des Übergangs 102. In das obere dielektrische Laminat 28 kann auch eine Öffnung 46 eingeschnitten sein.
Beim Zusammenlaminieren, wie in 3A gezeigt, können die jeweiligen Einfanganschlussflächen 16e, 20e, 26e und 28e zusammen mit den jeweiligen Masse-/Signalebenen 16g, 20g, 24g und 28g einen Masseebene-Verbindungspfad 32 oder einen vertikalen RF-Signalübergang 40 bilden, bspw. zwischen dem T/R-Modul 30 und dem vergrabenen RF-Einspeisemikrostreifen 42, der aus einem Bereich der oberen Metallschicht 28c des oberen dielektrischen Laminats 28 ausgebildet ist, wie in 4 gezeigt.
Der vergrabene Mikrostreifenzirkulator 44 (3a) kann einen Permanentmagnet 50 umfassen, der oben auf der vergrabenen Mikrostreifenzirkulatorschaltung liegt, die in einer Metallisierungsschicht 54 ausgebildet ist, die oben auf einer Ferritschicht 56 ausgebildet ist, die ihrerseits auf einem Stahlträger 57 liegt, der mit einem Bereich einer Masseebene 16g verbunden ist, die in der Metallschicht 16c des Laminats 16 ausgebildet ist, über eine Schicht 58 eines leitfähigen Epoxiharzes. Der Permanentmagnet 50 ist von der Zirkulatorschicht 54 durch einen dielektrischen Abstandshalter 52 getrennt. Der Zirkulator 44 kann mit dem vergrabenen RF-Einspeisemikrostreifen 42 über einen Draht oder ein Goldband 74 verbunden sein.
Die Struktur bzw. der Aufbau 10 kann aus einer gekrümmten konformen Struktur gebildet werden, wie in 2 dargestelit.
4 zeigt eine schematische Draufsicht eines Bereichs des Mikrostreifenleiters 80. Der Mikrostreifenleiter 80 besitzt eine Kontaktanschlussfläche 82 an dessen einem Ende und ist auf der oberen Schicht des unteren Laminats 24 hergestellt. Vias bzw. Durchgangsbohrungen 85 (3A), die mit einem Leiter gefüllt und plattiert sind, werden entlang des Umfangs jedes Lufttaschen-Hohlraums 46 und dem umgebenden Übergang 102 ausgebildet, wie nachfolgend detailliert erläutert werden wird. Die plattierten Vias 85 dienen auch dazu, Masseebenenverbindungen 96 (4) auszubilden, um eine virtuelle Seitenwand für die Hohlräume 46 zu erzeugen, die ausreichen, um einen RF-abgeschirmten Hohlraum 46 aufzubauen, der für RF-Übertragungsleitungsstrukturen erforderlich ist.
Wie in 4 gezeigt, enthält das Gebiet des Hohlraums 46 in Richtung des Pfeils A den Mikrostreifenleiter 80, wobei ein Luftdielektrikum über dem Mikrostreifenleiter vorgesehen ist. Im Bereich des Hohlraums 46 in Richtung des Pfeils B verläuft die Mikrostreifenkontaktanschlussfläche 82 durch die Ausnehmung 28f und erstreckt sich zu der Einfanganschlussfläche 28e auf dem unteren Ende des vertikalen Übergangs 102, und die Kontaktanschlussfläche 82 wird über die Einfanganschlussfläche 28e kontaktiert. In diesem Bereich kann die Leiterspur mit einem Dielektrikum abgedeckt sein, das bspw. ein Laminat 28 umfasst. Der Ort des Übergangs, der durch die Pfeile A und B markiert ist, ist auch in 2A gezeigt.
5A und 5B zeigen eine Draufsicht bzw. eine Querschnittsansicht, die entlang der Linien 5B-5B aus 5A genommen wurde, einer schematischen Darstellung eines Bereichs der Mikrostreifenspur 80, mit einer kanalisierten Mikrostreifenübertragungsstruktur 81 im Gebiet 5A (2A), die den Golddraht oder die Bandkontaktierung 74 vom Zirkulator 44 zu der Kontaktanschlussfläche 82 (4) im Gebiet 5B (2A) verbindet. Seitenwände der Öffnung 46 haben darin ausgebildete leitfähige Vias 96, um einen metallisierten Kanal zu bilden. Feldlinien 86 stellen die Form des elektrischen Felds für die kanalisierte Übertragungsstruktur dar.
5C und 5D zeigen eine Draufsicht bzw. eine Querschnittsansicht, die entlang der Linien 5D-5D von 5C genommen ist, einer schematischen Darstellung einer anderen Übertragungsstruktur 150, die den Golddraht oder die Bandkontaktierung 74 von dem Zirkulator 44 mit der Kontaktanschlussfläche 82 verbindet. Der Ort von 5D ist ebenfalls in 2A gezeigt. Der kanalisierte Mikrostreifen 81 geht in die kanalisierte, auf einem Leiter liegende, mit einem Dielektrikum gefüllte koplanare Wellenleiter(CPW)-Übertragungsstruktur 150 über, da die Masseebenen 24g sich auf dem Leiterstreifen 80 schließen, was zu einer Neuformung der elektromagnetischen Felder führt. Der Spalt 84 zwischen dem Mikrostreifenleiter 80 und den Masseleitern 24g verjüngt sich deshalb von dem Abstand am Übergang zwischen den Strukturen 81 und 150 zu einem kleineren Spalt an der vertikalen Übertragungsstruktur 100 (6A).
6A und 6B zeigen eine Draufsicht bzw. eine Querschnittsansicht entlang der Linien 6B-6B einer eingehausten Rinnenleitungsübergangsleitungsstruktur 100, die in der Laminatschicht 28 ausgebildet ist. Der Ort von 6B ist auch in 2A gezeigt.
7B und 7A zeigen eine Draufsicht bzw. eine Querschnittsansicht entlang der Linien 7B-7B einer eingehausten koaxialen Übergangsleitung 120, die innerhalb der unteren Balunschicht 66 und der oberen Balunschicht 64 der Balunschicht 60 enthalten ist.
Wie in 5A, 5B, 5C und 5D gezeigt, geht der kanalisierte Mikrostreifen 81-Feldaufbau innerhalb des Gebiets des Hohlraums 46 in eine kanalisierte auf einem Leiter liegende CPW-Übertragungsstruktur 150 über. Der kanalisierte leiterkaschierte koplanare Wellenleiter 150 kann aus dem Kanal oder dem Spalt 84 gebildet werden, der sich vom Eingang der CPW 150 zu dem Ausgang verjüngt. Die Spaltabmessungen der kanalisierten Mikrostreifenstruktur 81, wie in 5A angedeutet, bleiben im Wesentlichen konstant als Spalte 84 zwischen den Masseebenen 24g, die in der oberen Metallisierungsschicht 24c des unteren Laminats 24 ausgebildet sind, und dem Mikrostreifenleiter 80. Wie in 5B gezeigt, verlaufen die Feldlinien 86 in diesem Bereich des Lufthohlraums 46 allgemein zwischen dem Mikrostreifen 80 und der Masseebene 24g, die in der unteren Metallisierungsschicht 24b des unteren Laminats 24 ausgebildet ist. Diese Feldlinien laufen durch das Dielektrikum 24a des unteren Laminats 24. Wie in 5C gezeigt, verengen sich die Kanäle 84 in Richtung des vertikalen Übergangs 102, während ein geeigneter Widerstand, bspw. eine Impedanz von 50 Ohm, erhalten bleibt. Gleichzeitig konzentriert sich das E-Feld 86 stärker über die Spalte 84 und weniger entlang der Boden-Masseebene 24g durch das Dielektrikum 24a, auf dem der Mikrostreifen 80 ausgebildet ist. Diese Neuverteilung der E-Felder 86 über die Spalte 84 setzt sich fort, so dass die E-Felder im Wesentlichen parallel zu der Ebene des Mikrostreifenleiters 80 geformt werden, um es dem RF-Signal zu ermöglichen, in die eingehauste Rinnenleitung 102 (6B) überzugehen, um einen angepassten vertikalen Übergang mit minimaler Diskontinuität zu realisieren. Die eingehauste Rinnenleitung 102 geht dann über in eine eingehauste Koaxialleitung 120, da das RF-Signal in die Balunschicht gelangt, wie in größerem Detail nachfolgend beschrieben werden wird.
Wie in 6A gezeigt, wird der eingehauste Rinnenleitungsübergang 100 durch einen vertikalen Signaltibergangspfosten 102 gebildet, der sich vertikal durch das obere Laminat 28 von der Kontaktanschlussfläche 82 des Mikrostreifens 80 zum Ende der konischen Bereiche des Spalts 84 erstreckt, wobei die E-Felder im Wesentlichen horizontal angegeben sind. Um den Pfosten 102 liegt eine Vielzahl von im Allgemeinen gleichmäßig voneinander beabstandeten Pfosten 104a–104g. Die Pfosten 104a bis 104g sind allgemein in einem kreisförmigen Muster um den Pfosten 102 angeordnet, wie in 6B gezeigt, wobei eine Öffnung 106 in dem Muster vorgesehen ist, um eine Verbindung mit dem am stärksten konifizierten Ende der CPW-Struktur 150 zu ermöglichen, wie in 5C und 5D dargestellt. Die oberen Enden der Pfosten 104a–g sind in elektrischem Kontakt mit einer dazwischen liegenden Masseebene 60b des Balun-/Strahlerlaminats 60. Die Pfosten 104a bis 104g, die den Stift in der 0,060 Inch dicken Schicht 28a umgeben, können in Vias in dem oberen Laminat 28 ausgebildet werden. Die geerdeten Pfosten 104a bis 104g sind eine Annäherung an eine kontinuierliche leitende Wand, die eine geerdete Abschirmung für den Übergangspfosten 102 bildet, was eine Streuung in die umgebenden Schichten minimiert. Die geerdeten Pfosten 104a bis 104g stellen ebenfalls ein Mittel dar, um die Form der E-Feldlinien des Signals 86, die vertikal entlang des Pfostens 102 übergehen, im Allgemeinen horizontal zu halten, wie in 6B gezeigt.
7A und 7B zeigen einen eingehausten koaxialen vertikalen Übergang 119, der einen vertikalen Pfosten 120 umfasst, der mit dem Pfosten 102 quer über eine Klebeschicht 68 durch Via 68b verbunden ist, das die Kontaktanschlussflächen 28e und 60 verbindet. Die Pfosten 122a bis 122h bilden im Allgemeinen ein geschlossenes gleichmäßig beabstandetes kreisförmiges Muster um den Pfosten 120 und liefern eine äußere Abschirmung für den mittleren Leiterpfosten 102. Die E-Felder 86 gehen vertikal entlang der Pfosten 122a bis h über, wie dies allgemein der Fall war für die Pfosten 102a–102g, wobei die horizontale Ausrichtung von dem Pfosten 120 zu den Pfosten 122a–h aufrechterhalten bleibt und die Pfosten 122a–102h ebenfalls dazu dienen, den Pfosten 120 abzuschirmen und eine Signalstreuung in die umgebende Schicht zu verhindern.
Bei hohen Frequenzen (5–15 GHz) kann es zu einer Fehlanpassung zwischen der eingehausten Rinnenleitungsübertragungsleitung 100 und der Mikrostreifenleitung 81 kommen. Um dem Rechnung zu tragen implementiert eine Ausführungsform der Erfindung eine Mikrostreifenanpassungsschaltung, um eine bessere Impedanzanpassung für den Übergang zu erhalten. Um eine bessere Anpassung zu erhalten wird eine Zweibereichs-Anpassungstopologie auf der Mikrostreifenleitung 80 implementiert, die durch ein induktives und ein kapazitives Element dargestellt werden kann. Wie in 4 gezeigt, dient eine verengte Diskontinuität 83 in dem Mikrostreifenleiter 80 dazu, ein induktives Element auszubilden, und die Diskontinuität durch das Luftdielektrikum in dem Hohlraum 46 und dem Dielektrikum 28a bildet das kapazitive Element.
Wichtig für die Realisierung der Mikrowellenübertragungsleitungsstrukturen innerhalb einer vergrabenen mehrlagigen flexiblen PWB ist die Herstellung von blinden und vergrabenen Vias, die zwischen der Schicht der Laminate eine Verbindung herstellen. 3A zeigt die RF-Einspeisung 40 in den Zirkulator 44 über Via strukturen in den Klebschichten 18 und 22 und den Laminaten 16 und 20 zusammen mit den Einfanganschlussflächen 16e und 20e mit Laminaten 16 und 20.
Bei einer herkömmlichen PWB-Herstellung werden Einfanganschlussflächen benötigt, um das Plattieren in die Vialöcher zu erleichtern. Häufig wurden komplexe sequentielle Plattierungs- und Laminierungsverfahren verwendet, um blinde und vergrabene Vias und Einfanganschlussflächen zu bilden. Darüber hinaus fügt die Einführung von Öffnungen 70 und Lufthohlraumtaschen 46 einen Faktor hinzu, der die Verwendung herkömmlicher Laminierungsverfahren verbietet. Zwei neue und vereinfachte Laminierungsverfahren können eingesetzt werden, um vergrabene Mikrowellensignal- und Masseverbindungen herzustellen, wie sie bei den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden. Abhängig von der Anwendung kommt entweder eines oder eine Kombination dieser beiden neuen Verfahren zum Einsatz, um den neuen Aufbau von neuen vertikalen Mikrowellenverbindungen über ein großes Gebiet mehrerer flexibler Laminate des Abschnitts 12 entsprechend den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu benutzen. Das erste Verfahren ist ein Co-Laminierungsverfahren und das zweite Verfahren benutzt anisotropisch leitende Z-Achsen-Klebemittel.
Bei dem Co-Laminierungsverfahren kann das Muster der Vias 16h, 20h, 24h, 28h, 18b, 22b und 26b in jede der Laminatsschichten 16, 20 und 24 und jede Haftlagenschichten 18, 22 und 26 vorgebohrt werden. Die Vialöcher 16h, 20h, 24h, 28h, 18h, 22h und 26h können mit einer/einem einer Vielzahl von geeigneten leitfähigen Metalltinten oder Epoxidharzen gefüllt werden, bspw. Transcent Liquid Phase Scintering („TLPS"), hergestellt von Ormer Circuits, Inc., oder einer Kupferpaste mit dem Namen ALIVH („Any Layer Interstitial Via Hole"), die von Matsushita vermarktet wird. Die Vialöcher 16h, 20h, 24h, 28h, 18b, 22b und 26b bilden geschichtete Paare und werden mit Material(ien) vor dem Laminieren gefüllt, und die Klebehaftlagenschichten 18, 22, 26 werden dann zusammengesetzt und zusammenlaminiert. Die leitenden Tinten erzeugen eine Verbindung zwischen den Einfanganschlussflächen, bspw. 16e auf dem Laminat 16 und 20e auf dem Laminat 20, und realisieren somit die Mikrowellen-Viastrukturen für die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Dieses Verfahren ist im Stand der Technik bekannt, wurde aber bisher nicht zur Ausbildung von Signalübergängen durch ein flexibles gedrucktes Leiterplattenlaminat, bspw. für gemischte Signal- und Mikrowellenanwendungen, verwendet. Testergebnisse haben die Funktionsfähigkeit der RF-Verbindung bis zu 13 GHz für eine Mehrlagenanordnung in einer beispielhaften Ausführungsform gezeigt.
Das zweite Verfahren benutzt anisotop leitende Z-Achsen-Klebefilme („ZAF"), wie jene, die zuvor angegeben wurden, als ein Klebemittel, um die Verbindungen zwischen den Laminaten, bspw. 16, 20, 24, 28 und 60, zu realisieren. ZAF ist ein Klebefilm, der mit leitfähigen Partikeln gefüllt ist, die Verbindungen zwischen geschichteten Paaren durch die Klebemitteldicke (die „z-Achse") ermöglichen. Die leitenden Partikel sind weit genug voneinander beabstandet, um die ZAF in der Ebene des Klebefilms elektrisch zu isolieren. Ähnlich zum Co-Laminieren könne die ZAF in einem herkömmlichen Laminierungsverfahren benutzt werden, um RF- und DC-Verbindungen mehrerer Schichten mit nur einer oder zwei Operationen zu realisieren. Anders als bei der Co-Laminierung sind die durch ZAF realisierten Verbindungen unterschiedslos und folglich können die geschichteten Paar, bspw. 14, zusätzliche Mustermerkmale benötigen, wie bspw. Einfanganschlussflächen und/oder Masseebenen und Ausnehmungen. Die zwischen den ZAF liegenden paarweisen Einfanganschlussflächen und Masseebenen werden zusammengedrückt weit genug, um einen leitfähigen Pfad zwischen den jeweiligen Merkmalen durch die stärker dichter komprimierten leitfähigen Partikel herzustellen. In einem Bereich einer Ausnehmung(en) tritt diese Komprimierung nicht auf, und das Z-Achsen-Klebemittel bleibt dielektrisch. Testergebnisse haben die Funktionsfähigkeit der RF-Verbindung bis zu 16 GHz für eine mehrlagige Anordnung gezeigt.

Claims

Antennensystem (200) mit: einer Strahlerschichtanordnung (200A) mit einer Vielzahl von Strahlern; einer Zirkulatorschicht (200B) mit einer Vielzahl von Zirkulatoren, deren jeder in elektrischer Kommunikation mit einem entsprechenden der Vielzahl von Strahlern steht; einer Vielzahl von Sende/Empfänger-T/R-Modulen (30), deren jedes einen Eingangsanschluss und einen Ausgangsanschluss in elektrischer Verbindung mit einem entsprechenden Anschluss einer der Zirkulatoren hat; und einer HF-Einspeiseschicht (200C) mit einem Eingangs/Ausgangs-I/O-Anschluss und einer Vielzahl von T/R-Modulanschlüssen, die mit einem jeweiligen der T/R Module verbunden sind; wobei die Strahlerschichtanordnung und die Zirkulatorschicht als laminierte Mehrschichtstruktur (10) hergestellt sind mit einer gedruckten Leiterplatten-PWB-Struktur (12), wobei die Vielzahl von Zirkulatoren innerhalb von Räumen (46) eingebettet sind, die in der PWB-Struktur ausgebildet sind.
System nach Anspruch 1, ferner mit einem HF-Übergang (90) innerhalb der laminierten Mehrlagenstruktur, um eine elektrische Verbindung zwischen jedem der Vielzahl von Zirkulatoren und der Strahlerschichtanordnung herzustellen, wobei der HF-Übergang für jeden Zirkulator aufweist: eine kanalisierte Mikrostreifenübertragungsstruktur (80) mit einem Eingang und einem Ausgang, wobei der Eingang elektrisch mit dem Zirkulator verbunden ist; eine coplanare Wellenleiterstruktur (150) mit einem Eingang und einem Ausgang, wobei der Eingang des coplanaren Wellenleiters in elektrischer Verbindung mit dem Ausgang der kanalisierten Mikrostreifenübertragungsstruktur ist; einer eingehausten Rinnenübergangsstruktur (100) in elektrischer Verbindung mit dem Ausgang des coplanaren Wellenleiters; und einer eingehausten coaxialen Übertragungsstruktur (120) mit einem Eingang und einem Ausgang, wobei der Eingang des coaxialen Übergangs in elektrischer Verbindung mit Rinnenleitungsübergangsstruktur ist, wobei die coaxiale Übertragungsstruktur eine schräge Ausrichtung relativ zu einer Ausrichtung der Mikrostreifenübertragungsstruktur besitzt.
System nach Anspruch 2, wobei zumindest die kanalisierte Mikrostreifenübertragungsstruktur, die coplanare Wellenleiterstruktur und der Rinnenleitungsübergang in einem Bereich einer konformen Antennenstruktur (10) vergraben ist, wobei der Bereich ein Laminat flexibler Schichten umfasst.
System nach Anspruch 3, wobei der Eingang der kanalisierten Mikrostreifenübertragungsstruktur mit einer Zirkulatorvorrichtung (44) elektrisch verbunden ist, die in dem Laminat flexibler Schichten vergraben ist.
System nach Anspruch 2, wobei die coplanare Wellenleiterstruktur einen mit einem Dielektrikum gefüllten und mit einem Leiter kaschierten Kanal aufweist.
System nach Anspruch 3, wobei die coplanare Wellenleiterstruktur eine Signalleiterspur und eine erste und eine zweite Massespur aufweist, die gegenüber der Signalleiterspur beabstandet sind, und wobei Spalte (84) zwischen der Leiterspur und der jeweiligen ersten und zweiten Massespur (24g) sich von dem Eingang der coplanaren Wellenleiterstruktur zu dem Ausgang der coplanaren Wellenleiterstruktur verjüngen.
System nach Anspruch 2, wobei die Mikrostreifenübertragungsstruktur ein allgemein planares dielektrisches Substrat aufweist, das einen auf einer Oberflä che des Substrats gefertigten Mikrostreifenleiter aufweist, und der Rinnenleitungsübergang aufweist: einen leitfähigen Rinnenleitungssignalpfosten (102) in elektrischer Verbindung mit dem Ausgang der coplanaren Wellenleiterstruktur, wobei der Pfosten schräg zur Oberfläche befestigt ist; eine Vielzahl von leitenden Rinnenleitungspfosten (104a–104g), die mit Masse verbunden sind und sich allgemein parallel zu dem Rinnenleitungssignalpfosten erstrecken und im Allgemeinen so angeordnet sind, dass sie den Rinnenleitungssignalpfosten umgeben.
System nach Anspruch 2, wobei die Mikrostreifenübertragungsstruktur ein im Wesentlichen planares dielektrisches Substrat aufweist, das einen auf einer Oberfläche des Substrats hergestellten Mikrostreifenleiter aufweist, und der coaxiale Übergang aufweist: einen mittleren leitfähigen Coaxialmittelpfosten (120) in elektrischer Verbindung mit dem Ausgang des Rinnenleitungsübergangs, wobei der Mittelpfosten im Wesentlichen quer zum planaren dielektrischen Substrat ausgerichtet ist; einer Vielzahl von geerdeten Pfosten (122a–122h), die sich im Wesentlichen parallel zu den coaxialen Mittelpfosten erstrecken und angeordnet sind, so dass sie den coaxialen Mittelpfosten umgeben, um eine koaxiale äußere leitfähige Abschirmstruktur bereitzustellen.
System nach Anspruch 1, wobei jeder der Vielzahl von Zirkulatoren innerhalb einer Lufttasche (46) befestigt ist, die in der PWB-Struktur ausgebildet ist.
System nach Anspruch 9, ferner mit einer Vielzahl von Masse-Vias (96), die im Wesentlichen die Lufttasche umgeben, um eine HF-Abschirmung der Tasche bereitzustellen.
System nach Anspruch 2 und 9, wobei die kanalisierte Mikrostreifenübertragungsstruktur innerhalb der Lufttasche befestigt ist und zumindest einige der Vielzahl von Masse-Vias Seitenwände der Mikrostreifenübertragungsstruktur bilden.
System nach Anspruch 1, wobei die Strahlerschichtanordnung eine Symmetrieübertragerschicht (62) und eine Strahleranordnungsschicht (64) aufweist.
System nach Anspruch 1 oder 3, wobei die laminierte Mehrlagenstruktur eine gekrümmte Struktur ist.