DE68913185T2

DE68913185T2 - Anordnung zur abschirmung von elektronischen bausteinen und deren stromversorgung.

Info

Publication number: DE68913185T2
Application number: DE68913185T
Authority: DE
Inventors: Wilfried Eckhardt; Donald Hancock; Ronald Robson; Weldon Williamson
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1988-05-23
Filing date: 1989-04-13
Publication date: 1994-10-06
Anticipated expiration: 2009-04-14
Also published as: EP0379563B1; WO1989011778A1; DE68913185D1; EP0550410A3; EP0379563A1; JPH03500113A; US4977329A; EP0550410A2

Description

Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf die Abschirmung schädigender elektromagnetischer Strahlung und insbesondere auf Vorrichtungen, um elektronische Bauteile vor schädigender Mikrowellen- und Millimeterwellenstrahlung abzuschirmen, und außerdem die Stromversorgung und Steuersignale ohne metallische Durchführungen bereitzustellen.
Elektronische Bauteile sind grundlegende Elemente in Radarsystemen, Kommunikationssystemen, Lenkungsmechanismen, Flugzeugen und Überwachungsgerätschaften, die über die Erde bis hin in den Weltraum verteilt sind. Elektronische Bauteile (besonders VLSI-Schaltkreise) sind empfindlich und anfällig für Störungen oder Zerstörung durch unerwünschte starke Impulse von Mikrowellen- oder Millimeterwellenstrahlung. Zum Beispiel können unabgeschirmte elektronische Bauteile mit genügend Mikrowellenenergie von einer Wanderfeldröhre bestrahlt werden, um sie zu beschädigen.
Herkömmliche Techniken, gegen elektromagnetische Ein-Strahlung zu schützen und unempfindlich zu machen, scheinen, obwohl nützlich, nicht auszureichen. Elektrische Leitungen und mechanisches Gestänge, die durch das übliche metallene Abschirmgehäuse, das eine elektronische Einheit umschließt, hindurchgehen, verschaffen elektromagnetischer Strahlung Zugänge, um in die elektronische Einheit einzudringen und die Bauteile in ihr zu beschädigen.
Aus EP-A-0 260 238 ist eine Anordnung bekannt, um elektronische Bauteile vor unerwünschter elektromagnetischer Strahlung abzuschirmen, die ein erstes die elektronischen Bauteile umschließendes, elektrisch leitfähiges Gehäuse beinhaltet, und eine Einrichtung, um Signale zu und von vorerwähnten elektronischen Bauteilen zu übertragen, die faseroptische Leiter verwendet, die durch das vorerwähnte elektrisch leitfähige Gehäuse hindurchgehen. Weiterhin wird eine piezoelektrische Einrichtung zur Verfügung gestellt, um Energie von außen durch das vorerwähnte Gehäuse hindurch zu übertragen und die vorerwähnten elektronischen Bauteile mit Energie zu versorgen. Die Verwendung der vorerwähnten bekannten piezoelektrischen Einrichtung erfordert notwendigerweise Löcher im umschließenden elektromagnetisch abschirmenden Gehäuse.
Weiterhin ist aus US-A-3 521 089 eine Vorrichtung bekannt, um elektronische Bauteile vor unerwunschter elektromagnetischer Strahlung abzuschirmen und außerdem die Energie bereitzustellen, die Piezokristalle auf der inneren und äußeren Wandung eines Abschirmgehäuses beinhaltet. Um eine hinreichende Energieübertragung von außerhalb des Gehäuses in das Gehäuse hinein zur Verfügung zu stellen, muß die Größe der Piezokristalle an die Größe der Wandung angepaßt sein, d.h. die Dimensionierung und die physikalischen Eigenschaften der Wand beeinflußen die Charakteristik der Energieübertragung.
Deshalb werden verbesserte Vorrichtungen benötigt, um elektronische Bauteile vor unerwünschter elektromagnetischer Strahlung zu schützen, die auf solche Bauteile gerichtet sein und sie beschädigen könnte. Weiterhin müssen diese Vorrichtungen in der Lage sein, elektronische Bauteile über eine ziemlich große Bandbreite hinweg zu schützen, vorzugsweise einschließlich sowohl des Mikrowellen- wie auch des Millimeterwellenbereiches. Jede Abschirmvorrichtung muß außerdem erlauben, genügend Energie hindurchzuleiten, um die elektronischen Bauteile in ihr mit Energie zu versorgen, ohne für unerwünschte Strahlung einen Zugang durch die Abschirmung hindurch zu schaffen. Zusätzlich muß die Abschirmvorrichtung ohne metallische Durchführungen erlauben, Eingangssignale hineinzuleiten, um die Arbeitsweise eines jeden elektrischen Bauteils zu steuern, und sie muß erlauben, Ausgangssignale aus der Abschirmung hinauszuleiten.

KURZFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist folglich Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Abschirmvorrichtung mit verbessertem Abschirmvermögen vor konzentrierter Mikrowellen- und Millimeterwellenstrahlung zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Eine Abschirmvorrichtung, um empfindliche elektronische Bauteile vor unerwünschter Mikrowellen- und Millimeterwellenstrahlung zu schützen, beinhaltet eine metallische, die elektronischen Bauteile umschließende Konstruktion. Eine Energieübertragungsvorrichtung wird zur Verfügung gestellt, um Eingangs- und Ausgangssignale in die und aus der umschließenden metallischen Konstruktion zu ubertragen, und um weiter Energie zur elektrischen Energieversorgung der elektronischen Bauteile durch die umschließende metallische Konstruktion hindurch zu transportieren.
Vorerwähnte Energieübertragungsvorrichtung enthält faseroptische Koppelelemente. Elektrische Eingangssignale, die ausserhalb der umschließenden metallischen Konstruktion erzeugt werden, werden in Lichtsignale umgewandelt und durch einen faseroptischen Leiter, der durch einen kleinen Kanal in der metallischen Konstruktion hindurchgeht, in die metallische Konstruktion übertragen. Einmal innerhalb der metallischen Konstruktion, werden die Lichtsignale zurück in elektrische Signale umgewandelt, entweder unter Verwendung einer photoelektrischen oder photovoltaischen Vorrichtung. Die elektrischen Ausgangssignale, die innerhalb der metallischen Konstruktion durch irgendwelche elektrischen Bauteile erzeugt werden, können auf ähnliche Weise in Lichtsignale umgewandelt und aus der Konstruktion hinaus übertragen werden.
Weitere Aufgaben, Vorteile und charakteristische Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden sogleich ersichtlich aus der folgenden detaillierten Beschreibung der Hauptausführungsformen der Erfindung in Zusammenhang mit den beigefügten Patentansprüchen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Abschirmvorrichtung ohne metallische Durchführungen zur Verfügung zu stellen.
Es ist ein Merkmal dieser Erfindung, optoelektronische Koppelelemente zu besitzen, die es Eingangs- und Ausgangssignalen erlauben, durch eine metallische Abschirmung hindurch zu gehen und elektrische Durchführungen auszumerzen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Abb.1 ist ein Blockdiagramm der Abschirmvorrichtung gemäß der Erfindung.
Ausführlicher bezugnehmend auf Abb.1 ist eine Abschirmvorrichtung gemäß der Erfindung illustriert, mit den grundlegenden Elementen einer Abschirmvorrichtung, die besonders geeignet ist, um elektrische Komponenten einer elektronischen Einheit zu schützen.
Abschirmgehäuse 12 umschließt eine elektronische Einheit 14, wobei die elektronische Einheit elektrische Bauteile enthält, die vor unerwünschter Hochleistungsstrahlung abgeschirmt werden sollen. Abschirmgehäuse 12 ist aus leitfähigem Material gemacht wie zum Beispiel Metall, das starke Pulse von Mikrowellen- oder Millimeterwellenstrahlung abblockt. Die Wanddicke des Abschirmgehäuses kann mehere Eindringtiefen betragen, um eine hinreichende Abschwächung der einfallenden Strahlung sicher zu stellen und auf diese Weise einen Faradayschen Käfig zu bilden.
Eingangssignale, die für den Betrieb der elektronischen Einheit benötigt werden, werden zur elektronischen Einheit mittels eines faseroptischen Leiters 16 übertragen, der durch einen kleinen zylinderförmigen, in die Wandung des Abschirmgehäuses 12 angebrachten Wellenleiter 18 hindurchgeht. Der Wellenleiter 18 hat solch einen Durchmesser, daß seine Grenzwellenlänge beträchtlich unterhalb der kürzesten Wellenlänge von jeder unerwünschten Mikrowellen- oder Millimeterwellenstrahlung liegt. Die Einzelheiten, wie man den passenden Durchmesser und die Lange des Wellenleiters 18 zu wählen hat, sind der Fachwelt allgemein bekannt. Eingangssignale sind elektrische Signale, die außerhalb des Abschirmgehäuses 12 erzeugt werden. Diese elektrischen Signale werden in die Leuchtdiode 20 eingespeist, die jedes elektrische Signal in ein Lichtsignal umwandelt. Das Lichtsignal, das von Diode 20 emittiert wird, wird durch den faseroptischen Leiter 16 übertragen und trifft auf eine Empfänger-Photodiode 22. Die Empfänger-Photodiode 22 wandelt das auftreffende Lichtsignal zurück in ein elektrisches Signal um, das von da ab durch elektrische Leitungen zur elektronischen Einheit 14 übertragen wird.
In ähnlicher Weise können Ausgangssignale, die von der elektronischen Einheit 14 erzeugt werden, aus dem Abschirmgehäuse 12 hinaus übertragen werden. Zum Beispiel kann ein elektrisches Ausgangssignal von der elektronischen Einheit aus an eine weitere Leuchtdiode 24 elektrisch angekoppelt werden, die dieses elektrische Signal in ein Lichtsignal umwandelt. Der faseroptische Leiter 26 nimmt das von der Diode 24 erzeugte Lichtsignal auf und befördert dieses Ausgangs-Lichtsignal durch den Wellenleiter 28 hindurch, der sich durch die Wand des Abschirmgehäuses 12 hindurch erstreckt. Das Ausgangs-Lichtsignal trifft auf die Licht aufnehmende Oberfläche einer Photodiode 30, die außerhalb des Abschirmgehäuses 12 angebracht ist, und wird auf diese Weise in ein elektrisches Signal zur weiteren Signal-Verarbeitung an anderer Stelle umgewandelt.
Faseroptische Koppelelemente können auch verwendet werden, um die elektronische Einheit mit Energie zu versorgen. Zum Beispiel erzeugt eine Stromversorgung (nicht eingezeichnet) elektrische Versorgungssignale, die an eine Leuchtdiodenvorrichtung 40 wie ein Diodenfeld oder Laserdiodenfeld elektrisch angekoppelt sind. Das Diodenfeld 40 wandelt die elektrischen Versorgungssignale in Licht um, das in den faseroptischen Leiter 42 eingekoppelt wird. Der faseroptische Leiter 42 erstreckt sich vom Diodenfeld 40 durch einen Wellenleiter 44 in das Abschirmgehäuse 12. Die Abmessungen dieses Wellenleiters sind gemäß denselben Richtlinien wie weiter oben für den Wellenleiter 18 angegeben gewählt. Der faseroptische Leiter 42 endet direkt an der Solarzelle 46, wobei die vordere, Licht aufnehmende Oberfläche der Solarzelle im wesentlichen senkrecht zum Licht emittierenden Ende des faseroptischen Leiters 42 orientiert ist. Folglich fällt Licht vom faseroptischen Leiter 42 auf die Solarzelle 46, die diese Lichtenergie wiederum in einen elektrischen Ausgangsstrom umwandelt. Der elektrische Ausgangsstrom der Solarzelle 46 reicht typischerweise nicht aus, um elektronische Bauteile direkt mit genügend Energie zu versorgen. Daher kann man den Ausgangsstrom der Solarzelle 46 in einer Batterie speichern. Demgemäß ist die Solarzelle 46 mit einem geregelten Ladegerät oder Leistungsregler 49 verbunden, der die Stärke, mit der der Solarzellenstrom in die Batterie 48 eingespeist wird, reguliert. Auf diese Weise wird in der Batterie 48 elektrische Energie gespeichert, die von der elektronischen Einheit 14 entnommen werden kann, um die Bauteile in ihr mit elektrischer Energie zu versorgen.
Folglich kann durch die Verwendung von Licht als Energieübertragungsmedium eine elektronische Einheit mit Energie versorgt werden, ohne daß dazu elektrische oder mechanische Durchführungen nötig sind. Zur Abschirmung können die Leuchtdioden 20 und 30 und das Diodenfeld 40 beispielsweise ebenfalls in einem weiteren metallischen Abschirmgehäuse 50 eingeschlossen werden. Die faseroptischen Leiter 16, 26 und 42 können vorteilhafterweise bis zu meheren hundert Metern oder mehr lang sein, falls die verschiedenen Abschirmgehäuse weit voneinander entfernt sein sollten. Faseroptische Leiter sind auch flexibel, sodaß sie sich entlang beinahe jedes gewünschten Weges biegen und winden können.

Claims

1. Anordnung zur Abschirmung von elektronischen Bausteinen vor unerwünschter elektromagnetischer Strahlung, insbesondere vor unerwünschter Mikrowellen- oder Millimeterstrahlung, und zur Übertragung von Eingangs- und Ausgangssignalen und zu deren Stromversorgung, mit:

einem ersten die elektronischen Bausteine (14) kapselnden, elektrische leitfähigem Gehäuse (12);

einer Einrichtung (16, 18, 20, 22, 24, 26, 28, 30) zum Übertragen von Eingangs- und Ausgangsignalen durch das Gehäuse ohne, dar ein Pfad zum Eindringen unerwünschter Strahlung in das Gehäuse (12) bereitgestellt wird; und

einer Einrichtung (40, 42, 44, 46) zum Übertragen von Energie von außen durch das Gehäuse (12), um die elektronischen Bausteine (14) mit Energie zu versorgen;

dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (40, 42, 44, 46) zum Übertragen von Energie diese optisch durch das Gehäuse (12) einkoppelt.

2. Abschirmungsanordnung nach Anspruch 1, worin die Einrichtung zum Übertragen von Eingangs- und Ausgangssignalen durch das Gehäuse (12) aufweist:

faseroptische Leiter (16, 26),

einen Wellenleiter (18) mit einem Durchmesser, so daß die Grenzwellenlänge des Wellenleiters (18) kleiner ist als die kürzeste Wellenlänge jeglicher unwerwünschter elektromagnetischer Strahlung, mit wenigstens dem faseroptischen Leiter (16) zum Übertragen von Eingangsignalen durch den Wellenleiter (18),

eine erste innerhalb des ersten Gehäuses angeordnete Einrichtung (24, 22) zum Empfangen und Aussenden von Licht, und

eine zweite außerhalb des ersten Gehäuses (12) angeordnete Einrichtung (30, 20) zum Empfangen und Aussenden von Licht, wobei die erste und zweite Einrichtung (24, 22, 30, 20) zum Empfangen und Aussenden von Licht zum Konvertieren und Transmittieren der Signale durch die faseroptischen Leiter (16, 26) optisch mit den faseroptischen Leitern (6, 26) gekoppelt ist.

3. Abschirmanordnung nach Anspruch 2, worin die lichtaussendende Einrichtung (20, 24) und die lichtempfangende Einrichtung (22, 30) Fotodioden sind.

4. Abschirmanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Einrichtung zum Übertragen von Energie umfaßt:

wenigstens eine außerhalb des ersten Gehäuses (12) angeordnete lichtemittierende Einrichtung (40) zum Erzeugen eines Lichtsignals basierend auf einem vorbestimmten elektrischen Signal;

wenigstens eine Fotodiode oder eine Solarzelle (46) zum Konvertieren von Lichtenergie in elektrischen Strom zur Stromversorgung der elektrischen Bausteine (14);

wenigstens einen faseroptischen Leiter (42) zum Aufnehmen des Lichtsignals aus der lichtemittierenden Einrichtung (40) und zum Übertragen des Lichtsignals durch das erste Gehäuse (12); und

einen Wellenleiter (44) durch das sich der wenigstens eine faseroptische Leiter (42) erstreckt, wobei sich der Wellenleiter (44) durch eine Wand des Gehäuses (12) erstreckt und eine Grenzwellenlänge hat, die kleiner ist als die kürzeste Wellenlänge jeglicher unerwünschter elektromagnetischer Strahlung.

5. Abschirmanordnung gemäß Anspruch 4, worin die Einrichtung zum Übertragen von Energie umfaßt:

eine wiederaufladbare innerhalb des ersten Gehäuses (12) angeordnete Batterie (48), die die elektronischen Bausteine mit elektrische Energie versorgt, und

eine Einrichtung (49) zum Aufladen der Batterie (48) unter Verwendung der von der Fotodiode oder der Solarzelle (46) erzeugten elektrischen Energie.

6. Abschirmanordnung nach Anspruch 5, worin die lichtemittierende Einrichtung (40) zum Konvertieren von elektrischer Leistung in Lichtenergie ein fotoelektrischer Konverter ist.

7. Abschirmanordnung nach Anspruch 6, worin der fotoelektrische Konverter ein Laserdiodenfeld (40) ist.

8. Abschirmanordnung nach Anspruch 7, worin die Einrichtung (49) zum Aufladen der Batterie (48) ein geregeltes Ladegerät ist.

9. Abschirmanordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, worin die zweite Einrichtung (30, 20) zum Empfangen und Aussenden von Licht und die wenigstens eine außerhalb des ersten Gehäuses angeordnete lichtemittierende Einrichtung (40) mit einem zweiten elektrisch leitfähigem Gehäuse (50) gekapselt sind, und wobei sich die faseroptischen Leiter (16, 26, 42) durch das zweite Gehäuse (50) in ähnlicher Weise wie durch das erste Gehäuse (12) erstrecken.

10. Abschirmanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das elektrisch leitfähige erste und/oder zweite Gehäuse (12, 50) aus Metall besteht.