DE60318106T2

DE60318106T2 - Phasengesteuerte Gruppenantenne für im Weltraum stationiertes Radar

Info

Publication number: DE60318106T2
Application number: DE60318106T
Authority: DE
Inventors: Ty L. Columbia BARKDOLL; John W. Millersville GIPPRICH; Bradley L. Baltimore MCCARTHY; Robert Q. Severn WENERICK; Benjamin R. Columbia MYERS; Charles R. Pasadena ROBINSON
Original assignee: Northrop Grumman Corp
Current assignee: Northrop Grumman Corp
Priority date: 2002-08-09
Filing date: 2003-06-19
Publication date: 2011-03-31
Anticipated expiration: 2023-06-20
Also published as: EP1573855A2; US6686885B1; EP1573855B1; DE60318106D1; WO2004015809A2; EP1573855A3; WO2004015809A3

Description

Verweis auf verwandte Anmeldungen:
Die Erfindung steht in Zusammenhang mit der in der Anmeldung mit der US-Seriennummer 10/157,935 (Hinterlegungsnummer 1215-0463P, BD-01-016) gezeigten und beschriebenen Erfindung mit dem Titel „Mikroelektomechanischer Schalter”, welche am 31. Mai 2002 im Namen von L. E. Dickens at all eingereicht wurde und veröffentlicht wurde als US 2003/0227361A1 beziehungsweise US 665 525B1 . Diese Anmeldung ist auch auf den Erwerber der vorliegenden Erfindung überschrieben worden.
Hintergrund der Erfindung:
Gebiet der Erfindung:
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf phasengesteuerte Gruppenantennen und insbesondere auf die Architektur einer phasengesteuerten Gruppenantenne, die aus einem oder mehreren Antennenplättchen besteht, die aus einer Vielzahl von laminierten Platinen aufgebaut sind, die unterschiedliche Aufbauten aus gedruckten Schaltkreisverdrahtungen und Bauteilen enthalten.
Beschreibung des Stands der Technik:
Phasengesteuerte Gruppenantennen für Radaranwendungen sind allgemein bekannt. Vor kurzem führte der Aufbau einer Radarantenne, insbesondere für Weltraum-gestützte Radaranwendungen zum Aufbau von grundlegenden Bausteinen in der Form von „Kacheln”, wobei eine jede Kachel ausgebildet ist aus einem mehrlagigen gedruckten Platinenaufbau, welcher Antennenelemente umhält sowie zugehörige HF-Schaltkreis, die in einem laminierten Aufbau umschlossen sind, und wobei eine jede Antennenkachel selbständig arbeiten kann, als phasengesteuerte Gruppe oder als Untergruppe einer sehr viel größeren Gruppenantenne.
Eine jede Kachel ist ein hochintegriertes Modul, das als Strahler dient, als Sende-/Empfangs-(TR = Transmit/Receive)-Modul, HF- und Leistungsmehrfachaufbauten und die Steuerungsschaltkreise hierfür, wobei alles kombiniert ist in einem preiswerten Aufbau von niedrigem Gewicht zum implementieren eines elektronisch abgetasteten Arrays mit aktiver Apertur (AESA = active aperture, electronically scanned, array). Eine solche Architektur ist insbesondere angepasst an luftgestützte oder weltraumgestützte Anwendungen.
WO02/23672 offenbart eine Array-Antenne, die mikroelektromechanische Systemschichten (MEMS = Micro electromechanical systems) mit einer Vielzahl von MEMS-Phasenschiebern umfasst.
EP0840394A2 beschreibt ultrabreitbandige adaptive phasengesteuerte Gruppenantennensysteme, die mikroelektromechanische elektromagnetische Bauteile verwenden.
US6191735B1 offenbart eine Zeitverzögerungsvorrichtung, die monolithisch integrierte Mikrowellenschaltkreise umfasst. Die Zeit kann in Antennensystemen verwendet werden.
Zusammenfassung:
Dementsprechend ist es dann Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Verbesserung bei phasengesteuerten Gruppenantennen bereitzustellen.
Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, eine Verbesserung in Antennenkachelarchitekturen bereitzustellen. Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Architektur einer Antennenkachel bereitzustellen, die insbesondere angepasst ist für weltraumgestützte Radaranwendungen.
Die vorstehend genannten und weitere Ziele werden erreicht durch einen Plättchenaufbau für phasengesteuerte Gruppenantennen gemäß Anspruch 1, welcher gesteuert wird durch microelektromechanische Systeme (MEMS) geschaltete Zeitverzögerungseinheiten (TDU = time delay units) in einer Array-Architektur, welche die Anzahl von Verstärkern und Zirkulatoren vermindert, die benötigt werden zum Implementieren einer elektronisch gescannten Array-Antenne mit aktiver Apertur, um so den Gleichstromleistungsverbrauch zu minimieren, die Kosten und die Masse des Systems, was es insbesondere geeignet macht für luftgestützte und weltraumgestützte Radaranwendungen.
In einem Aspekt der Erfindung bezieht sie sich auf eine phasengesteuerte Gruppenantenne mit einem elektronisch abgetasteten Antennensystem mit aktiver Apertur, welche umfasst: Eine oder mehrere Antennenplättchenaufbauten, wobei ein jedes Plättchen weiterhin umfasst einen laminierten Aufbau, der eine Vielzahl von zusammenhängenden Schichten aus dielektrischem Material umfasst mit Metallisierungsmustern, die ausgebildet sind auf einer oder mehrerer Oberflächen hiervon und selektiv untereinander verbunden sind durch eine Anordnung von an der Oberfläche angebrachten Leitern und leitenden Durchführungen zum Implementieren des Sendens, des Empfangens und der Steuerung von HF-Signalen zwischen einem HF-Eingabe/Ausgabeanschluss und einem Antennenaufbau, der eine Vielzahl von Strahlerelementen umfasst, wobei ein jedes Strahlerelement Elemente umfasst eines strahlungsgespeisten Catch-Antennenaufbaus, der erste und zweite wechselseitig aneinandergrenzende Arrays umfasst aus ausgerichteten Patchstrahlerelementen, die angebracht sind auf jeweiligen Schichten aus Schaummaterial auf einer Seite des Antennenplättchenaufbaus und einer Vielzahl von MEMS-artig geschalteten Zeitverzögerungseinheiten (TDU), die aufgesetzt sind auf der anderen Seite des Antennenplättchenaufbaus, und welche gepackt sind in Gruppen von vier in einer Quad-TDU-Packung und gekoppelt sind zwischen den Antennenelementen und einem Signalzirkulator, der ein Schaltkreiselement einer Sende-/Empfangs-(TA)-Schaltung umfasst, die einen Sendesignalverstärker umfasst sowie einen Empfangssignalverstärker mit niedrigem Rauschen, wobei eine jede der MEMS-artig gestalteten Zeitverzögerungseinheiten jeweils einen Satz von vier identischen Verzögerungssendeleitungsaufbauten umfasst, die eine Vielzahl von Zeitverzögerungssegmenten unterschiedlicher Länge aufweisen, die selektiv untereinander verbunden sind durch eine Vielzahl von microelektromechanischen Schaltungsvorrichtungen (MEMS) zum Ansteuern eines Strahlerelements.
Ein weiterer Bereich der Anwendbarkeit der vorliegenden Erfindung ergibt sich aus der ausführlichen Beschreibung, die im folgenden bereitgestellt wird. Es sollte jedoch verständlich sein, dass die ausführliche Beschreibung und das ausdrücklich erwähnte Beispiel nur zum Zwecke der Veranschaulichung dienen, obwohl sie bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung offenbaren, da verschiedene Abwandlungen und Modifikationen innerhalb des Geistes und des Schutzbereichs der Erfindung für den Fachmann auf diesem Gebiet ersichtlich sein werden.
Kurze Figurenbeschreibung:
Die vorliegende Erfindung wird besser verständlich, wenn die im folgenden gegebene ausführliche Beschreibung betrachtet wird in Zusammenhang mit den beigefügten Figuren, welche nur zur Veranschaulichungszwecken bereitgestellt sind.
Es zeigen:
1 ein elektrisches Blockdiagramm, welches die bevorzugten Ausführungsformen eines Antennenplättchens in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
2 ein elektrisches schematisches Diagramm, welches einen Zeitverzögerungsabschnitt einer Quad-Zeitverzögerungseinheit (TDU), wie sie in 1 gezeigt ist, veranschaulicht;
3 eine Draufsicht auf eine Realisierung des in 2 gezeigten Zeitverzögerungsabschnitts;
4 einen vertikalen Teilquerschnitt eines Antennenplättchens in Übereinstimmung mit der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5 eine Draufsicht, die die physische Anordnung der Bauteile zeigt, die auf der Oberseite des in 4 gezeigten Antennenplättchens angebracht sind;
6 eine Draufsicht auf die Metallisierungsschicht, die auf einer ersten Oberfläche des in 4 gezeigten Antennenplättchens ausgebildet ist;
7 eine Draufsicht auf den gedruckten Schaltkreis, der ausgebildet ist auf einer zweiten Oberfläche des in 4 gezeigten Antennenplättchens;
8 eine Draufsicht auf den gedruckten Schaltkreis, der ausgebildet ist auf einer dritten Oberfläche des in 4 gezeigten Antennenplättchens;
9 eine Draufsicht auf die Metallisierungsschicht, die ausgebildet ist auf einer vierten Oberfläche des in 4 gezeigten Antennenplättchens;
10 eine Draufsicht auf die Metallisierungsschicht, die ausgebildet ist auf einer fünften Oberfläche des in 4 gezeigten Antennenplättchens;
11 eine Draufsicht auf den gedruckten Schaltkreis, der ausgebildet ist auf einer sechsten Oberfläche des in 4 gezeigten Antennenplättchens;
12 eine Draufsicht auf den gedruckten Schaltkreis, der ausgebildet ist auf einer siebten Oberfläche des in 4 gezeigten Antennenplättchens;
13 eine Draufsicht auf die Metallisierungsschicht, die ausgebildet ist auf einer achten Oberfläche des in 4 gezeigten Antennenplättchens;
14 eine Draufsicht, die die Patch-Antennenelemente veranschaulicht, die angeordnet sind auf einer neunten Oberfläche des in 4 gezeigten Antennenplättchens;
15 eine Draufsicht auf die Patch-Antennenelemente, die angebracht sind auf einer zehnten Oberfläche des in 4 gezeigten Antennenplättchens;
16 ein Azimuthantennenmuster für den Empfang eines Fernfelds für das in 5 bis 15 gezeigte Antennenplättchen;
17 ein erhabenes Muster zum Empfangen eines Fernfelds für das in den 5 bis 15 gezeigte Antennenplättchen; und
18 ein Satz von Azimuthmustern zum Empfangen eines Fernfelds über das gesamte Frequenzband des in den 5 bis 15 gezeigten Antennenplättchens.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung:
Es gibt verschiedene Herausforderungen, die zu beachten sind bei der nächsten Generation von im Weltraum stationiertem Radar, nämlich insbesondere: Reduzieren der Masse, Kosten und Leistungen, die erforderlich sind für das Sende-/Empfangsantennenmodul (TRN = transmit receive antenna module) und einen aus „Plättchen/Kachel” bestehenden Aufbau, insbesondere da, wo die größere Systemantenne aus einem Array von Plättchen besteht. Die Größe und somit die Antennenausrichtung können variiert werden durch einfaches Ändern der Anzahl von verwendeten Plättchen.
In einem herkömmlichen elektronisch abgetasteten Array mit aktiver Apertur (AESA) gibt es einen separaten Strahleraufbau, der eine Gruppenantenne für viele Strahlerelemente umfasst. Individuelle TR-Module speisen in einen jeden Strahler ein. Hinter dem Array von Strahlerelementen sind verschiedene Mehrfachaufbauten für AF, Leistungs- und Steuerungsverteilung angebracht. In einem plättchenförmigen Aufbau sind andererseits all diese Funktionen integriert in einer Verbundsstruktur, um so ihre Masse zu erniedrigen und somit die Masse des Gesamtradarsystems. Wo solch ein System verwendet wird für im Weltraum gestütztes Radar, steht zunächst die Gleichstromversorgung im Vordergrund, insbesondere in einem Satellitensystem z. B., da sie durch an Bord befindliche Solarzellen erzeugt werden muss und in relativ massiven Batterien gespeichert werden muss. Vergrößern der Antennenverstärkung oder der Fläche reduziert schnell die benötigte Leistung und somit werden die Kosten und die Masse des Radarsystems kritisch. Dementsprechend zielt die vorliegende Erfindung ab auf ein Radarsystem, bei dem die Masse minimiert wird durch Integrieren der Funktionen verschiedener Systemblöcke in einem Plättchenaufbau.
Betrachtet man, was gegenwärtig als bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anzusehen ist, so wird Bezug genommen auf verschiedene Zeichnungen, die dazu dienen sollen, die Einzelheiten eines Antennenplättchens zu veranschaulichen, welches verwendet werden kann als Einzelphasenarrayelement oder als ein Element eines aus mehreren Elementen bestehenden zweidimensionalen phasengesteuerten Arrays.
Betrachtet man 1, so sieht man ein elektrisches Blockdiagramm des HF-Abschnitts des phasengesteuerten Antennenplättchens in Übereinstimmung mit der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welches u. a. eine Vielzahl von Schaltkreiselementen umfasst, die aus identischen MEMS geschalteten Zeitverzögerungseinheiten (TDU) 10 bestehen, gepackt sind in Gruppen von vier TDU, um ein Quad-TDU 12 zu bilden zum Steuern eines jeweiligen Strahlerelements 14 in einem Array mit 64 Elementen. Wie gezeigt sind 64 TDU 101, 102, ..., 1064 in 16 Quad-TDU 121, 122, ..., 1215, 1216 gepackt und werden verwendet, um 64 Strahler 141, 142, ..., 1464 über jeweils abgestimmte Sendeleitungen 161, 162, ..., 1664 zu speisen. Weiterhin umfasst, wie in 1 gezeigt, zusätzlich zu den vier TDU 10 ein jedes der Quad-TDU-Packungen 12 drei Signalteile 18, 19 und 20, die untereinander verbunden sind zwischen den vier TDU, z. B. TDU 101, 104, im Quad-TDU 121. Ein jedes TDU 10 der 64 TDU 101, ..., 1064 sind identisch und sind in den 2 und 3 so gezeigt, dass sie aus vier Zeitverzögerungsbits λ/2, λ/4, λ/8 beziehungsweise λ/16 bestehen, die implementiert sind mit unterschiedlichen Längen von Mikrostreifenschaltkreissegmenten 22, 23, 24 und 25. Diese Segmente sind angepasst, um selektiv verbunden zu werden zwischen Anschlüssen 26 und 27 durch Paare von identischen MEMS-Schaltvorrichtung 281, 282, 301, 302 und 321, 322 und 341, 342, bevorzugterweise von der Art wie sie in der oben erwähnten verwandten Anmeldung der Serien-Nummer 10/157,935 (1215-463P, BD-01-016) gezeigt und beschrieben sind, welche den Titel „Mikroelektromechanischer Schalter” L. E. Dickens at all. trägt.
Nimmt man Bezug auf 1, so sind Paare von Quad-TDU-Einheiten 121, 122, ..., 1215, beziehungsweise 1216 jeweils an acht dazwischen liegende HF-Signalzirkulatoren 361, ..., 368 über Signalsplitter 381, ..., 388 gekoppelt, welche jeweils einen Teil von acht jeweiligen Sende-/Empfangs-(TR)-Schaltkreisen 401, ..., 408 bilden, von denen ein jeder jeweils TR-Schalter 421, ..., 428 umfasst, die an Leistungsverstärker 441, ..., 448 gekoppelt sind für eine HF-Signalaussendung und für Verstärker mit niedrigem Rauschen (LNA = low noise amplifier) 461, ..., 468 zum Empfang.
Weiterhin sind die TR-Schaltkreise 401, ..., 408 an einen dazwischen liegenden Signalzirkulator 369 eines TR-Schaltkreises 409 gekoppelt, welcher all den Strahlern 401, ..., 4064 gemeinsam ist über ein MEMS-Quad-TDU 1217 und vier Leistungssplitter 481, ..., 484. Der Quad-TDU 1217 ist identisch im Aufbau zu den vorgenannten Quad-TDU 121, ..., 1616 und umfasst vier TDU 1065, ..., 1068 und drei Signalteile 18, 19 und 20.
Der TR-Schaltkreis 409 ist identisch mit den TR-Schaltkreisen 401, ..., 408 und ist so gezeigt, dass er einen Sendeleistungsverstärker 449 umfasst und einen geschalteten Empfangsverstärker mit niedrigem Rauschen (LNA) 469. Die Verstärker 449 und 469 sind so gezeigt, dass sie angekoppelt sind an einen Sende-/Empfangsverstärker-/Abschwächerschaltkreis 50, der aus variablen Abschwächer 52 besteht, der zwischen einen Sendeleistungsverstärker 54 und einem Empfangsverstärker 56 mit niedrigem Rauschen geschaltet ist. Der Abschwächer 52 ist an eine „lange” Zeitverzögerungseinheit (LTDU = long time delay unit) 58 angekoppelt, welche mit dem HF-Signal Eingabe-/Ausgabe-Steckverbinder 60 verbunden ist. Der LTDU 58 sorgt für eine gemeinsame Steuerungsphase der 64 individuellen Strahler 141, ..., 1464, die weiter modifiziert sind durch ihre jeweiligen TDU 121, ..., 1064.
Die Quad-TDU 121, ..., 1216 vermindern in signifikanter Weise die Anzahl von Verstärkern, die benötigt wird, im Vergleich zu einem herkömmlichen elektronisch abgetasteten Arrayaufbau mit aktiver Apertur (AESA), wodurch die Gleichstromleistungsversorgung minimiert wird sowie die Kosten und die Masse des Systems.
Der in 1 gezeigte Schaltkreis wird implementiert durch einen geschichteten Laminatplättchenaufbau 70, wie er in 4 gezeigt ist und der sieben zusammenhängende Schichten aus dielektrischem Material 721, 722, ..., 727 und zwei Schichten aus Schaummaterial 761 und 762 umfasst. Die dielektrischen Schichten 721, ..., 727 umfassen acht Oberflächenmuster aus Metallisierung 741, 742, ..., 748. Die Schaumschichten 761 und 762 umfassen zwei wechselseitig ausgerichtete Sätze von 64 rechteckförmigen Patchstrahlern 801, ..., 8064 und 821, ..., 8264, wie in den 14 und 15 gezeigt. Die Einzelheiten der Metallisierungsmuster sind in den 5 bis 13 gezeigt.
4 offenbart die Anordnung eines Leistungssteckverbinders 16 zum Anlegen einer Gleichstromversorgungsspannung für die aktiven Schaltkreisbauteile sowie für den HF-Eingabe-/Ausgabe-Steckverbinder 62 (1). Der in 4 gezeigte Querschnitt zeigt auch zwei Quad-TDU-Packungen 12m und 12n, die auf der oberen Oberfläche 741 hiervon angebracht sind. 4 zeigt auch ein Paar von metallisierten Durchleitungen 84, 86, welche wie im folgenden gezeigt werden wird, als innere und äußere Leiter dienen von z. B. einer koaxialen HF-Sendeleitung 16i zum Koppeln von HF-Energie auf einen der Strahler und von diesem weg, wobei zwei hiervon gezeigt sind mittels der Bezugszeichen 14m und 14n, von denen ein jedes aus jeweiligen strahlungsgespeisten Patchstrahlern 80m, 82n und 80n, 82n besteht. Ein zweites Paar von koaxialartigen leitenden Durchführungen 88 und 90 werden verwendet zum Einkoppeln des HF-Steckverbinders 62 auf die LTDU 58 (1).
Nimmt man nun Bezug auf 5, so offenbart diese Figur die obere Oberfläche 741 der dielektrischen Schicht 721. Darauf angebracht sind die meisten der Bauteile zum implementieren des Schaltkreisaufbaus, der in 1 gezeigt ist, und welcher z. B. die Quad-TDU-Packungen 121, ..., 1217 zusammen mit anderen Schaltkreiselementen zeigen, die nicht innerhalb des Plättchenaufbaus 10 (4) untergebracht werden können. Zusätzlich zu den Bauteilen, die auf der Oberseite des Plättchens 10 aufgesetzt sind, umfasst der Großteil der Oberfläche 741 eine Erdungsebene 75, wie in 6 gezeigt. Es ist wichtig, dass man wahrnimmt, dass die obere Oberfläche 741 auch die oberen Enden eines Satzes aus metallisierten vertikalen Durchleitungen 861, ..., 8664 umfasst, welche die inneren Leiter der abgestimmten HF-Einspeisungsleitungen 161, ..., 1664 zu den Strahlerelementen 141, ..., 1464 und von diesen weg umfassen, die die Patchstrahlerelemente 801, ..., 8064 und 821, ..., 8264 beinhalten, die in 14 und 15 gezeigt sind.
Die inneren Leiter 861, 862, ..., 8663, 8664 der Einspeiseleitungen 161, ..., 1664 sind weiterhin in den 7 bis 12 gezeigt und enden in 13. Die äußeren Leiter 841, 842, ..., 8463, 8464 der Koaxialen HF Einspeisungsleitungen sind z. B. veranschaulicht durch jeweilige Ringe von Durchleitungen, die die inneren leitenden Durchführungen 861, ..., 8664 umfassen. Die Ringe der einkreisenden Durchleitungen 841, ..., 8464 stehen auch in Verbindung mit den ringförmigen Metallisierungselementen 871, ..., 8764 in einem Metallisierungsmuster 744 der 9, sowie über Metallisierungsmuster 745, 746, 747, 748, die in den 10 bis 13 gezeigt sind.
Zusätzlich in 7 gezeigt ist ein relativ breiter Abschnitt der Streifenleitung 92 und vier sich nach außen erstreckender Arme 94, 96, 98 und 100, die als Gleichstromversorgungsleitungen dienen für Bauteile, die im HR-Sendeabschnitt der Plättchenstruktur 70 verwendet werden. Der HF-Eingabe-Ausgabe-Steckverbinder 62 (4) steht in Verbindung mit einem inneren Leiter 88 und einem kreisförmigen Satz aus Durchleitungen 90, einer koaxialen Einspeisungsleitung auf der linken Seite der Oberfläche der Metallisierung 742, die in 7 gezeigt ist. Diese Einspeisungsleitung 91 verbindet die Elemente der „langen” variablen Zeitverzögerungsleitung (LTDU), die durch das Bezugszeichen 58 der 1 bezeichnet ist, um eine gemeinsame Zeitverzögerung für die HF-Signale, die in das Antennenplättchen 17 hineingehen und aus diesem hinausgehen, bereitzustellen.
Die LTDU 68 besteht aus fünf diskreten streifenleiterförmigen Leitungssegmenten 1021, 1022, 1023, 1024 und 1025 von variabler Länge, die ausgebildet sind auf der linken Seite der unteren Oberfläche 742 der dielektrischen Schicht 722, wie in 7 gezeigt. Die Verzögerungsleitungssegmente aus Streifenleitungen 1021, ..., 1025 sind auch umgeben durch angrenzende Wände oder Zäune 1041, 1042, 1043, 1044 und 1045 von Erdungsdurchleitungen, welche mit jeweiligen durchgängigen Zaunelementen 1051, 1052, 1054 und 1055 bestehen, wie in 8 gezeigt, um die benötigte Isolierung zu erreichen. Die fünf Verzögerungsleitungssegmente 1021, ..., 1025 sind weiterhin verbunden mit einem Satz von Schalterelementen 106, die in 5 gezeigt sind wie sie angeordnet sind auf der oberen Oberfläche 741 des Plättchens.
8 zeigt das dritte Metallisierungsmuster 743 (4). Zusätzlich zu den Zahnelementen 1051, ..., 1055 für die fünf Verzögerungsleitungssegmente 1021, ..., 1025, die in 7 gezeigt sind, gibt es auch einen zentralen länglichen Streifen als (aus) ??? Metallisierung 107 und vier sich nach außen erstreckende Armsegmente 108, 110, 112 und 114, die als Abschirmung dienen zwischen den oberen Gleichstromleistungsleitungssegmenten 92, 94, 96, 98 und 100 der 7 und einem Satz von darunterliegenden Leistungsleitungssegmenten 116, 118, 120, 122 und 124 auf der nächst niedrigeren Oberfläche 744 (9), die verwendet werden zum Bereitstellen von Gleichstromleistung für den Empfangsteil des Antennenplättchenaufbaus 70.
8 zeigt auch eine Vielzahl von Wand- oder Zaundurchführungen 125, die verwendet werden als HF-Abschirmung für die verschiedenen darüber liegenden Streifen- und Leiterelemente, die in 7 gezeigt sind und die aus Leistungssplittern bestehen, die in 1 gezeigt sind.
Wie der 9 zu entnehmen ist, besteht die Oberfläche 744 hauptsächlich aus einer Erdungsebene 126, jedoch sind die 64 ringförmigen Segmente aus Streifenleitermetallisierungen 871, ..., 8764, welche den oberen Satz von Ringdurchleitungen 841, ..., 8464, die in 7 und 8 gezeigt sind, kontaktieren, dort ebenfalls angebracht wie oben angemerkt.
Unter Bezugnahme auf 10 sieht man, dass dort die Metallisierungsoberfläche 745 (4) angebracht ist. Sie dient auch hauptsächlich als Erdungsebene 130, jedoch umfasst sie schmale längliche Abschnitte aus Streifenleitungen 131 zum Verteilen von Gleichstromleistungen zu den oberen Schichten der Plättchenstruktur 70.
Geht man weiter durch die verbleibenden Schichten aus Metallisierung 746, 767 und 748, die in 4 gezeigt sind und weiter veranschaulicht sind in den 11, 12 und 13, so sieht man unter Bezugnahme auf die 11, wo das Metallisierungsmuster 746 so gezeigt ist, dass es angebracht ist auf der Unterseite der dielektrischen Schicht 725 und hauptsächlich besteht aus 64 HF-Signalisolationsringen aus Metallisierung 1321, 1322, ..., 13264, welche die nach außen sich erstreckenden Abschnitte 1341, ..., 13464 umfasst, wobei durch diese die inneren leitenden Durchleitungen 861, ..., 8664 der HF-Einspeisungsleitungen 161, ..., 1664 (1) hindurch führen. Weiterhin gezeigt sind verschiedene Streifenleiterelemente 133 und 135, die verwendet werden, um die Steuerungssignale hindurch zu leiten sowie Vorspannungssignale mit niedrigem Strom auf die Bauteile an der Oberfläche der Plättchen.
Die Isolationsringe 1321, ..., 13264 stehen in Eingriff mit einem darunter liegenden Satz von ähnlichen Isolationsringen 1361, ..., 13664 und Vorsprüngen 1381, ..., 13864, wie in 12 gezeigt, und umfassen einen Abschnitt der Metallisierungsoberfläche 747 (4). Die Isolationsringelemente 132 (11) und 136 (12) dienen als Resonanzhohlräume für entsprechende HF-Anregungselemente 1401, ..., 14064, die in 12 gezeigt sind und umfassen Strahlerdurchstimmelemente 1421, ..., 14264 mit niedriger Impedanz, die verbunden sind mit den inneren HF-leitenden Durchleitungen 861, ..., 8664, die durch die zusammenhängenden Schichten 721, ..., 727 hindurch laufen, die in 4 gezeigt sind. Verschiedene Gleichstromleiterleitungen aus Streifenleitungen 141 sind auch in 12 gezeigt.
Nimmt man nun Bezug auf 13, so ist dort gezeigt eine Metallisierungsschicht 748 (4), welche hauptsächlich als Erdungsebene 144 dient. Jedoch liegen 64 Strahlerschlitze 1461, 1462, ..., 14664 quer unterhalb den Erregerelementen 1401, ..., 14064 (12), die in der Metallisierung angebracht sind. Die Strahlerschlitze 1461, ..., 14664 dienen zum Koppeln und Empfangen von Energie aus den strahlergespeisten Arrays aus wechselseitig angeordneten rechteckförmigen Patchstrahlern 801, ..., 8064, 821, ..., 8264, die ausgebildet sind auf den äußeren Oberflächen der Schaumschichten 761 und 762, die in den 14 und 15 gezeigt sind und welche die Strahler 141, ..., 1464 implementieren, die in 1 gezeigt sind. 13 zeigt auch die HF-Einspeisungsleitungen aus inneren leitenden Durchleitungen 861, 862, ..., 8664, die sich zu den der Ordnungsebenenoberfläche 144 der Metallisierung 748 hin erstrecken und dort enden. Dieser Bereich der Durchleitungen 861, ..., 8664 dient als HF-Einspeisungsleitungsdurchstimmstummelenden, die HF-Reflektionen von den Strahlerelementen 801, ..., 8064 und 821, ..., 8264 der 14 und 15 minimieren.
Die 16 bis 18 sind beispielhaft für Fernfeldstrahlungsmuster, die erhalten werden aus einem Antennenplättchen 70, welches hergestellt wird in Übereinstimmung mit den Zeichnungen in den 5 bis 15. 16 zeigt zum Beispiel einen Satz von theoretischen Empfangsfernfeldazimuthmustern 148 und einen Satz von gemessenen Muster 150 an einer Breitseite, während 17 einen Satz von theoretischen Empfangsfernfelderhebungsmustern 152 offenbart und einen Satz von gemessenen Muster 154 an einer Breitseite. 18 veranschaulicht einen Satz von Sendefernfeldazimuthmustern 156 über das gesamte Frequenzband, für welches das Plättchen ausgelegt ist und zeigt, dass der Hauptstrahl 158 ortsfest bleibt, während die Frequenz variiert wird aufgrund der Verwendung der tatsächlichen Zeitverschiebung anstelle einer Phasenverschiebung. Die Herstellung einer Plättchenantenne in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung verwendet Techniken mit herkömmlichen gedruckten Platinen und Materialien. Alle Durchleitungen sind Durchbohrungen (im Gegensatz zu Laser-gebohrten Blinddurchleitungen (was die Substratherstellung stark vereinfacht)). Die HF-Mehrfachaufbauten sind als nicht balancierte Streifenleitungen hergestellt. Die symmetrische und binäre Natur der Plättchen erlaubt es, sie als zusammenhängenden Mehrfachaufbau zu verwenden, der gleichwertige geteilte Wilkinson-Leistungsteiler umfasst und sehr tolerant ist gegenüber Herstellfehlern, da alle Leistungsunterteilungen von der selben Größe sind. Die Unterteilungen der Schichten sind notwendig, um die Plättchensubstratmasse zu minimieren, jedoch ist keine spezielle Aufmerksamkeit notwendig, um ein hohes Niveau an Isolierung zwischen den HF- und Gleichstromschaltkreisen zu erzielen. Alle HF-Spuren sind umgeben durch Wände aus geerdeten Durchleitungen, die zusammengeführt sind auf Mehrfachschichten, um die benötigte Isolation zu erreichen. Der logische Mehrfachaufbau befindet sich hauptsächlich zwischen den Strahlereinspeisungskavitäten. Weiterhin wird besondere Sorgfalt benötigt, um die Zeitgeberleitungen von dem HF-Schaltkreis zu isolieren. Das Plättchen erreicht dann, wenn es nur mit Durchbohrungen hergestellt wird, eine hohe Plättchenausbeute, aber dies bedeutet, dass alle Durchleitungen, die mit den Digitalschaltkreisen verbunden sind, abgeschirmte Stummelleitungen aufweisen müssen, die sich bis zu der am tiefsten liegenden Erdungsebenenschicht erstrecken.
Bezugszeichen
Fig. 4

CHIPS/DC/GND = CHIPS/GLEICHSTROM/ERDE
RF & RESISTORS = HF & WIDERSTÄNDE
DC = GLEICHSTROM
POWER & GND = SPANNUNGSVERSORGUNG & ERDE
DC = GLEICHSTROM
DC & RADIATOR FEEDS = GLEICHSTROM & STRAHLUNGSEINSPEISUNGEN
GND = ERDE
FOAM = SCHAUM
FOAM = SCHAUM

Fig. 16, Fig. 18

Amplitude (dB)
Azimuth (Grad)

Fig. 17

Amplitude (dB)
Erhebung (Grad)

Claims

Phasengesteuerte Gruppenantenne eines aktiv elektronisch abgetasteten Antennensystems, welche umfasst: einen oder mehrere Antennenplättchenaufbauten (70), wobei jede der Antennenplättchenaufbauten weiterhin umfasst: einen laminierten Aufbau, der eine Vielzahl von zusammenhängenden Schichten aus dielektrischem Material (74) aufweist mit Metallisierungsmustern, die ausgebildet sind auf einer oder mehreren Oberflächen hiervon und wahlweise untereinander verbunden sind durch eine Anordnung aus Oberflächenleitern und leitenden Durchkontaktierungen (84, 86, 88, 90) zum Implementieren von Aussenden, Empfangen und Steuern von HF-Signalen zwischen einem HF-Eingabe-/Ausgabeanschluss (62) und einer Vielzahl von Strahlerelementen (14) eines Antennenaufbaus; und wobei die Strahlerelemente (14) Elemente eines strahlungsgespeisten Antennenaufbaus mit Patch-Strahlerelementen umfassen, die erste und zweite wechselseitig aneinander grenzende Arrays von ausgerichteten Patch-Strahlerelementen (80m, 80n, 82m, 82n) umfassen, die angebracht sind auf jeweiligen Schichten aus Schaummaterial auf einer Seite des Antennenplättchenaufbaus (70), wobei eine Vielzahl von MEMS-artig geschalteten Zeitverzögerungseinheiten (TDU) (10) zwischen den Strahlerelementen (14) und einem Signalzirkulator (36) gekoppelt sind, der ein Schaltkreiselement enthält einer Vielzahl von dazwischen liegenden Sende-/Empfangs-(TR)-Schaltkreisen (40), wobei ein jeder einen Sende-HF-Signalverstärker (44) umfasst, einen Empfangs-HF-Signalverstärker (46) und einen TR-Schalter (42), wobei eine jede der TDU (10) übereinstimmende Sätze von Verzögerungssendeleitungen umfasst, die eine Vielzahl von verschiedenen Zeitverzögerungsabschnitten aufweisen, die selektiv verbunden sind durch eine Vielzahl von mikroelektromechanischen Schalter-(MEMS)-Vorrichtungen (10) mit einem jeweiligen Strahlerelement des Antennenaufbaus, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlerelemente (14) jeweils an die TDU (10) gekoppelt sind durch HF-Sendeleitungselemente (16, 84, 86), die durch die Schichten aus dielektrischem Material (74) hindurchlaufen und welche einen Aufbau von leitenden Durchkontaktierungen umfassen, welche eine innere Durchkontaktierung (86) aus leitendem Material umfassen und einen Satz aus ringartigen Durchkontaktierungen, die eine koaxiale Sendeleitung bilden und zusätzlich Erregerelemente (140) umfassen, die mit den inneren Durchkontaktierungen (86) verbunden sind und angebracht sind an jeweiligen Resonanzkavitäten (132, 136), die aus Streifenleitermetallisierung bestehen auf zumindest einer der Schichten aus dielektrischem Material (74) und jeweiligen Strahlerschlitzen (146), die angrenzend an die Erregerelemente (140) angebracht sind, die in einem Muster aus einer Streifenleitermetallisierung auf der am weitesten unten liegenden Schicht (748) auf der Vielzahl von Schichten aus dielektrischem Material angrenzend an die Patch-Strahlerelemente (80m, 82m, 80n, 82n) angebracht sind.
Phasengesteuerte Gruppenantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanzkavitäten (132, 136) ringförmige Elemente umfassen aus Streifenleitermaterial, welches jeweils die Erregerelemente umgibt.
Phasengesteuerte Gruppenantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die inneren Durchkontaktierungen in Durchstimmabschlusselementen an der am weitesten unten liegenden Schicht enden.
Phasengesteuerte Gruppenantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Sätze von vier TDU (10) aus der Vielzahl von TDU in einer Vielzahl von Quadrat-Zeitverzögerungseinheiten (Quad TDU 12) gepackt sind.
Phasengesteuerte Gruppenantenne nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein jeder Quad TDU (12) weiterhin einen Satz von Signalteilern (18, 19, 20) umfasst, der mit den vier darin eingepackten TDU (10) verbunden ist.
Phasengesteuerte Gruppenantenne nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von Quad-TDU (12) auf der anderen Seite des Antennenplättchenaufbaus aufgesetzt ist.
Phasengesteuerte Gruppenantenne nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie weiterhin einen weiteren Quad-TDU (1217) enthält, der über entsprechende Signalteiler (18, 19, 20) zwischen der Vielzahl von dazwischenliegenden TR-Schaltkreisen (40) gekoppelt ist, und einem Signalzirkulator (369), der ein Element aus einem ersten gemeinsamen TR-Schaltkreis (409) enthält, wobei der erste gemeinsame TR-Schaltkreis (409) auch einen Sende-HF-Signalverstärker (409) enthält, einen Empfangs-HF-Signalverstärker (469) und einen TR-Schalter (429).
Phasengesteuerte Gruppenantenne nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie weiterhin einen zweiten gemeinsamen TR-Schalter (50) umfasst, der im Doppelpack verbunden ist mit dem ersten TR-Schaltkreis (409), wobei der zweite TR-Schaltkreis (50) weiterhin einen Sende-HF-Verstärker (54) umfasst und einen weiteren Empfangs-HF-Verstärker (56), die zwischen einem variablen HF-Signalabschwächer (52) umgeschaltet werden.
Phasengesteuerte Gruppenantenne nach Anspruch 8, welche weiterhin eine HF-Signalzeitverzögerungseinheit (58) umfasst, die gekoppelt ist zwischen dem variablen HF-Signalabschwächer (52) und dem HF-Signaleingabe-/-ausgabeanschluss (62) zum Bereitstellen einer gemeinsamen Zeitverzögerung für alle HF-Signale, die sich zwischen den Strahlerelementen und dem Eingabe-/Ausgabeanschluss (62) ausbreiten.
Phasengesteuerte Gruppenantenne nach Anspruch 9, wobei die HF-Signalzeitverzögerungseinheit (58) eine Verzögerungseinheit für variable Zeiten umfasst, die eine größere Zeitverzögerung bereitstellt als die, welche bereitgestellt wird durch die Zeitverzögerungsbereiche der TDU (10), und welche eine Vielzahl von diskreten Sendeleitungselementen von selektiv variablen Längen der HF-Sendeleitung umfasst.
Phasengesteuerte Gruppenantenne nach Anspruch 10, wobei die Sendeleitungselemente der HF-Signalzeitverzögerungseinheit (58) auf einer Oberfläche von einer der Schichten aus dielektrischem Material hergestellt werden.
Phasengesteuerte Gruppenantenne nach Anspruch 11, wobei die Sendeleitungselemente der HF-Signalzeitverzögerungseinheit (58) unterschiedliche Längen von Streifenleitungen umfassen und von anderen Schaltkreiselementen isoliert sind durch angrenzende Leitungen von Durchkontaktierungen auf beiden Seiten hiervon.