DE69119280T2

DE69119280T2 - Systemstruktur einer Gruppenantenne

Info

Publication number: DE69119280T2
Application number: DE69119280T
Authority: DE
Inventors: William A Allard; Toshikazu Tsukii
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1990-03-22
Filing date: 1991-03-18
Publication date: 1997-01-23
Anticipated expiration: 2011-03-19
Also published as: US5099254A; EP0448318A3; JPH0583144A; DE69119280D1; EP0448318B1; JP2966949B2; EP0448318A2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hochfrequenzsystem mit einer Gruppenantenne, wobei das System eine Anzahl von Modulen aufweist, von denen jeder folgendes enthält:
eine Trägerbasis mit einem vorderen Rand, einem hinteren Rand und einer zwischen dem vorderen und dem hinteren Rand befindlichen Oberfläche, und eine Anzahl von Hochfrequenzschaltungspackungen, die auf der genannten Oberfläche montiert sind, und wobei die Gruppenantenne eine Anzahl von Sätzen von Antennenelementen enthält, von denen jeder längs des vorderen Randes einer entsprechenden Basis angeordnet ist und jede Hochfrequenzschaltungspackung, die an der betreffenden Basis befestigt ist, mit einem entsprechenden Antennenelement des Satzes hochfrequenzgekoppelt ist.
In vielen Arten von Hochfrequenzsystemen finden phasengesteuerte Gruppenantennen Verwendung. Beispielsweise können Radargeräte, Peilgeräte und Richtstrahler sämtlich phasengesteuerte Gruppenantennen verwenden. Einige dieser Systeme benutzen eindimensionale Gruppen oder Reihen, während andere zweidimensionale Gruppen einsetzen. Außerdem kann die Zahl von Elementen in einer Gruppe von verhältnismäßig wenigen, beispielsweise vier, bis zu einer großen Zahl variieren, etwa hunderten von Elementen. Die Größe und Gestalt der Gruppe bestimmt die Form des von der Antenne ausgesendeten Strahls. (Durchgehend wird hier auf Antennen als Signale aussendende Einheiten Bezug genommen, doch versteht der Fachmann, daß die Antennen in gleicher Weise zum Empfang der Signale verwendbar sind.) Die Größe und Gestalt einer Antennengruppe ergibt sich also aus den Anforderungen an das System, in welchem sie verwendet wird. Es folgt somit, daß die Größe und Gestalt des benötigten Senders, der sämtliche Elemente in der Gruppe speist, sich ebenfalls aus den Anforderungen an das System bestimmt.
Nach der gegenwärtigen Konstruktionspraxis wird, wenn ein Systeln definiert ist&sub1; die Systemarchitektur bestimmt und die geeignete Größe und Gestalt einer Antenne wird errechnet. Dann wird ein Gehäuse konstruiert, welches die erforderliche Anzahl von Gruppenelementen aufnimmt und es wird die Eiektronik für den Sender, beispielsweise Verstär ker, Phasenschieber, Steuerungen für Phasenschieber, Hochfrequenzsignalwege und Verteilerschaltungen für die Gleichstromvorspannung gestaltet. Auch enthält das Gehäuse oft mechanische Einrichtungen zur Abführung der Wärme, die von den elektronischen Einrichtungen erzeugt wird, um eine überhitzung der elektronischen Teile zu vermeiden.
Ein Hersteller muß vollständig einen neuen Konstruktionsaufwand jedesmal dann treiben, wenn ein neues System mit einer Antennengruppe unterschiedlicher Größe erforder lich ist. Dieser Konstruktionsaufwand kann kosten- und zeitaufwendig sein.
In einer Veröffentlichung mit dem Titel "V-Band, Space- Based Phased Arrays", in Microwave Journal, Januar 1987, Seiten 89 bis 102, beschreiben J.A. Kinzel, B.J. Edward und D. Rees einen V-Band-Modulbaustein, der durch einen Stapel von Einsatzmodulen gebildet ist. Vierundzwanzig Strahlerelemente können einer Schaltungsanordnung zugeordnet werden, die in einem Einsatzmodul untergebracht ist. Der Einsatzmodul weist ein hartes Substrat mit Ausschnitten auf, um darin die aktive monolithische Sender/Empfängergchaltung unterzubringen. Hochfrequenz-Verbindungsleitungen und Dipol-Bögen sind auf das Substrat aufgedruckt. Ein zweites Substrat verteilt Steuersignale von einer Steuereinrichtung zu Phasenschiebern und Sende/Empfangsschaltern. Jeder Einsatzmodul ist an einer Gruppen-Haltestruktur angeordnet, welche Kanäle für ein Warmeabfuhr-Strömungsmittel aufweist.
Ein Hochfrequenzsystem der zuvor eingangs definierten Art ist in einer Veröffentlichung mit dem Titel "A Phased Array Bread Board for Future Remote Sensing Applications", Band 4 von IGARSS 89, 12 Canadian Symposium on Remote Sensing, July 1989, Vancouver, Canada, auf den Seiten 2269 bis 2272 von R.W. Zahn und E. Schmidt beschrieben. Das be schriebene System umfaßt eine Strahlerplatte, einen Hochfrequenz-Vorderabschnitt, der durch Sender/Empfängermodulplatten gebildet ist, ein Strahlformungsnetzwerk, ein digitales Steuer-Subsystem und ein Subsystem zur Leistungszuführung. Die Strahlerplatte besteht aus mikrostreifengespeisten Untergruppen quadratischer Ausschnitte mit der jeweiligen Möglichkeit der dualen Polarisation. Acht Ausschnitte bilden eine Untergruppe, die an einen Verstärker und einen Phasenschieber angekoppelt ist. Die Ausschnitte sind auf ein dielektrisches Substrat nied riger Dielektrizitätskonstante als acht horizontal ausgerichtete lineare Untergruppen von acht Ausschnitten je Untergruppe aufgedruckt. Die Untergruppen werden durch zwei Sätze (einer für jede Polarisation) von koaxialen Durchführungen von der Rückseite (Erdungsebene) des Substrates her zu die Ausschnitte speisenden Mikrostreifenleitungen auf der Vorderseite hin gespeist. Die Strahlerplatte ist über kurze Koaxialkabel mit Sender-/Empfängereinheiten verbunden. Es sind acht Sender-/Empfängermodulplatten in einem Stapel hinter der Strahlerplatte vorgesehen, so daß jede lineare Untergruppe von Ausschnitten sich längs des vorderen Randes der jeweiligen Sender-/Empfängermodulplatte befindet. Die Sender-/Empfängermodulplatten sind über Koaxialkabel mit dem Strahlformungsnetzwerk verbunden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Hochfrequenzsystem der zuvor eingangs definierten Art dadurch gekennzeichnet, daß jeder Satz von Antennenelementen längs des vorderen Randes der jeweiligen Basis befestigt ist, um Teil des jeweiligen Moduls zu bilden und daß das System Mittel zur Befestigung der Anzahl von Modulen mittels ihres jeweiligen hinteren Randes in solcher Weise aufweist, daß die Sätze von Antennenelementen der Module die Gruppenantenne des Systems bilden.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung können folgendes enthalten:
Sendermodule, welche zu einem Sender mit einer linearen oder zweidimensionalen phasengesteuerten Gruppenantenne zusammensetzbar sind;
einen Modul, welcher Antennen und Phasenschieber enthält, welche zu einem Hochfrequenzsender zusammengesetzt werden können;
eine Einrichtung, welche eine rasche und billige Konstruktion eines Senders ermöglicht;
eine Struktur zur Abführung von Wärme, die durch eine Anzahl von Modulen erzeugt wird, welche elektronische Komponenten enthält.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat ein Modul eine Mehrzahl von Antennenelementen dualer Polarisation. Ein Verstärker und ein Phasenschieber für jedes Antennenelement sind auf der oberen Oberfläche der Basis angeordnet. Diese elektronischen Bauteile speisen den Eingang gleicher Polarisation der Antennenelemente. Entsprechende elektronische Bauteile sind auf der unteren Oberfläche der Basis angeordnet. Diese Bauteile speisen den Eingang der Kreuzpolarisation der Antennenelemente. Die Dicke der elektronischen Bauteile zuzüglich der Dicke der Basis ist geringer als die Höhe der Antennenelemente und die Breite der elektronischen Bauteile ist geringer als die Breite der Antennenelemente.
Die Basis und die Antennenelemente des Moduls sind so ausgebildet, daß der Modul entweder in Horizontalrichtung oder in Vertikalrichtung neben andere gleiche Module gesetzt werden kann.
Zum Abfuhren der von elektronischen Komponenten erzeugten Wärme enthält die Basis des Moduls eine Mehrzahl von Wärmeabführungskanälen, wobei ein Wärmeabführungskanal neben jedem der elektronischen Bauteile angeordnet ist. Jeder Wärmeabführungskanal endet an einem Anschluß in einer Berandung des Moduls. Der Anschluß paßt in einen Schlitz in einem Befestigungsblock, an welchen die Module angesetzt sind. Der Befestigungsblock enthält einen Kanal, der ein Kühl- Strömungsmittel führt, und in welchen der Schlitz hineinreicht. Hochfrequenzsignale und Gleichstromsignale werden an den Modul über den Befestigungsblock angekoppelt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung kann noch besser durch Bezugnahme auf die folgende, mehr ins einzelne gehende Beschreibung und die begleitenden Zeichnungen verstanden werden, in welchen:
Fig. 1A eine perspektivische Ansicht eines Moduls und eines Abschnittes eines Befestigungsblockes zeigt, die gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut sind;
Fig. 1B eine perspektivische Ansicht des Moduls von Fig. 1A in einer Ausrichtung zeigt, welche die in Fig. 1A verdeckte Seite erkennbar werden läßt;
Fig. 2 einen Querschnitt des Moduls und des Befestigungsblocks von Fig. 1 entsprechend der Linie 2-2 darstellt; und
Fig. 3 einen Querschnitt des Moduls von Fig. 1 entsprechend der Linie 3-3 wiedergibt.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Fig. 1 zeigt einen Sendermodul 10. Dieser Modul enthält eine Anzahl von Antennenelementen 14A bis 14D. Hier sind die Antennenelemente 14A bis 14D in einer 4 x 1-Antennengruppe geordnet. Der Modul 10 ist so ausgebildet, daß er an einem Befestigungsblock 12 angesetzt werden kann. In einem System sind weitere gleiche Module ebenfalls an den Befe stigungsblock 12 anzusetzen, um eine Antennengruppe der gewünschten Größe zu bilden. Um beispielsweise einen Sender mit einer 16 x 2-Antennengruppe zu erzeugen, wären drei gleiche Module in den Befestigungsblock 12 in einer Reihe neben dem Modul 10 einzustecken, um eine Reihe von 16 Elementen zu bilden. Eine weitere Reihe von vier gleichen Modulen sind in den Befestigungsblock 12 oberhalb der ersten Reihe von Elementen einzustecken, um die Gruppe von 16 x 2 zu vervollständigen. Die Antennenelemente 14A bis 14D sind hier Elemente dualer Polarisation. Jedes sendet ein Signal der Gleichpolarisation und der Kreuzpolarisation oder Querpolarisation aus. Die Antennenelemente 14A bis 14D sind in irgendeiner bekannten Weise aufgebaut. Beispielsweise können goldptatierte Kupferbahnen, die auf einem Duroidsubstrat geätzt sind, dazu verwendet werden, die Antennenelemente 14A bis 14D auszubilden.
Der Modul 10 enthält eine Basis 18. Die Basis 18 liefert den strukturellen Halt für den Modul 10 und muß auch thermisch leitfähig sein. Die Basis 18 wirkt ferner als eine Erdungsebene und muß elektrisch leitfähig sein. Demgemäß ist die Basis 18 vorzugsweise aus einem Metall, beispielsweise Alumlnium, hergestellt.
Wie aus Fig. 1 zu erkennen dient die Basis 18 als ein Befestigungspunkt für die Antennenelemente 14A bis 14D. Außerdem sind die Hochfrequenzschaltung und die logische Steuerschaltung an der Basis 18 befestigt. Hochfrequenz schaltungspackungen 16A bis 16D enthalten die Hochfrequenzschaltung, beispielsweise Verstärker und Phasenschieber. Der Fachmann erkennt, welche Schaltungsteile zur Speisung jedes Antennenelementes in einer phasengesteuerten Gruppenantenne erforderlich sind. Die Hochfrequenzschaltungs packungen 16A bis 16D sind auf der oberen Oberfläche der Basis 18 angeordnet. Vier weitere entsprechende Hochfrequenzschaltungspackungen sind an der unteren Oberfläche der Basis 18 befestigt, doch sind mit Ausnahme der Hochfrequenzschaltungspackung 16E die Schaltungspackungen auf der Unterseite der Basis 18 in Fig. 1 nicht sichtbar.
Die Hochfrequenzschaltungspackungen 16A bis 16D sind an der oberen Oberfläche der Basis 18 unter Verwendung nicht dargestellter Schrauben befestigt. Jede der Hochfrequenz schaltungspackungen hat vier Befestigungsausnehmungen 26A bis 26C (für die Darstellung sind nur drei Ausnehmungen mit Bezugszeichen versehen). Der Schaft einer Schraube (nicht dargestellt) kann in die Befestigungsausnehmung gesetzt und dann in die Basis 28 eingeschraubt werden. Der Kopf der Schraube überlappt die Hochfrequenzschaltungspackung und legt sie dadurch fest. Nachdem die Hochfrequenzschaltungspackungen 16A bis 16D nebeneinander befestigt werden, werden die Befestigungsausnehmungen der benachbarten Packungen nebeneinander gesetzt, so daß eine einzige Schraube zur Befestigung zweier Packungen dient.
Auf der oberen Oberfläche der Basis 18 ist auch ein logisches Chip 22 befestigt. Das logische Chip 22 enthält die Steuerlogik, welche weiter unten im einzelnen beschrieben wird. Vorliegend ist das logische Chip 22 mit 12 Eingangs- Ausgangsstiften dargestellt, doch ist offensichtlich, daß tatsächlich ein bedeutend größeres Chip erforderlich ist.
Das logische Chip 22 ist auf einer gedruckten Schaltungsplatte 24 oder einer PC-Platte befestigt. Die PC-Platte 24 ist beispielsweise durch Klebung an der oberen Oberfläche der Basis 18 befestigt. Wie bekannt, enthält eine gedruckte Schaltungsplatte eine Mehrzahl von nicht dargestellten Leiterbahnen zur Verbindung der elektronischen Schaltungselemente. Beispielsweise haben die Stifte des logischen Chips 22, etwa die Stifte 28A oder 28B, Verbindung zu Leiterbahnen auf der PC-Platte 24. Diese Leiterbahnen führen Gleichstromleistungssignale oder digitale logische Signale. Zusätzlich können andere Chips auf der gedruckten Schaltungsplatte 24 befestigt sein. Zum Beispiel können Leistungsregler oder andere Chips erforderlich sein.
Zur Verbindung der Leiterbahnen auf der PC-Platte 24 mit den Hochfrequenzschaltungspackungen 16A bis 16D dienen flexible Kabel. Es ist ein flexibles Kabel 32 dargestellt, welches die Hochfrequenzschaltungspackung 16D mit der PC- Platte 24 verbindet und andere solche flexible Kabel, welche nicht dargestellt sind, bilden die Verbindungen zu den Hochfrequenzschaltungspackungen 16A bis 16C. Wie bekannt weist ein flexibles Kabel oder ein Jumper flexibles Kunststoffmaterial auf, in welchem Leiterbahnen eingebettet sind. Flexible Kabel dieser Art sind von Fa. Minco, Minneapolis, Minnesota, erhältlich.
Die gedruckte Schaltungsplatte 24 enthält auch einen Vielfachstecker 30. Gleichstromleistungssignale und logische Signale werden über die Stifte 34A bis 34D des Vielfachsteckers 30 an die PC-Platte 24 angekoppelt. Vorliegend sind im einzelnen vier Stifte gezeigt, doch versteht es sich, daß einige Systeme bedeutend mehr Stifte erforderlich machen.
Hochfrequenzsignale werden über einen Koaxialverbinder zu dem Modul 10 hingeführt oder von ihm abgeführt. Der Außenleiter des Koaxialverbinders 36 befindet sich auf Erdungspotential. Der Innenleiter 38 ist mit einer nicht dargestellten Metall-Leiterbahn verbunden, die in ein Dielektrikum 42 eingebettet ist. Der Fachmann erkennt, daß eine derartige Verbindung eine Streifenleitungsschaltung bildet, wie sie unten beschrieben wird.
Hochfrequenzsignale werden an die Hochfrequenzschaltungspackungen 16A bis 16D über eine Streifenleitungsschal tung innerhalb des Dielektrikums 42 angekoppelt. Wie bekannt ist, besteht eine Streifenleitungsschaltung aus einem leitfähigen Streifen, der von einem oberen und einem unteren geerdeten Leiter Abstand hat. Vorliegend sind leitfähige Streifen unter Einsatz bekannter Technik in dem Dielektrikum 42 angeordnet. Das Dielektrikum 42 sitzt auf der Basis 18 auf, welche sich auf Erdpotential befindet und die untere Erdungsebene bildet. Das Dielektrikum 42 ist durch eine Metallplatte 40 abgedeckt. Schrauben, beispielsweise die Schrauben 44A und 44B, befestigen die Platte 40 an der Basis 18. Da die Schrauben 44A und 44B leitfähig sind, stellen sie sicher, daß sich die Platte 40 auf Erdpotential befindet, so daß sie die obere Erdungsebene für die Streifenleitung im Dielektrikum 42 bildet.
Vorliegend bildet die Streifenleitungsschaltung im Dielektrikum 42 einen 1:4-Teiler zur Leistungsaufteilung mit gleicher Phase. Auf diese Weise wird das Hochfrequenzsignal am koaxialen Koppler 36 zu gleichen Teilen auf jede der Hochfrequenzschaltungspackungen 16A bis 16D aufgeteilt. Eine nicht dargestellte Durchführung bekannter Konstruktion muß verwendet werden, um ein Hochfrequenzsignal von der Streifenleitung im Dielektrikum 42 zu irgendeiner der Hochfrequenzschaltungspackungen 16A bis 16D zu überkoppeln. Verbindungen zu und nach der Streifenleitungsschaltung im Dielektrikum 42 können in irgendeiner bekannten Weise hergestellt werden. Beispielsweise kann eine Überlappungsverbindung oder eine Handverdrahtung oder eine Bandverbindung vorgesehen sein.
Hochfrequenzsignale werden von den Hochfrequenzschal tungspackungen 16A bis 16D über Streifenleitungsschaltungen innerhalb des Dielektrikums 46 zu den Antennenelementen 14A bis 14D geführt. Eine Platte 48 dient als die obere Erdungsebene und ist mittels Schrauben 50A bis 50D befestigt.
Der Modul 10 ist als Systemteil an dem Befestigungsblock 12 befestigt. Ein Stift 14A paßt in eine Öffnung 56A. Ein zweiter, nicht dargestellter Stift paßt in die Öffnung 568. Die Stifte werden in den Öffnungen 56A und 56B beispielsweise mittels Schrauben festgelegt, um eine mechani sche Befestigung für den Modul 10 vorzusehen. Zusätzlich reicht ein Ansatz (Fig. 2, Ansatz 201A) passend in einen Schlitz 52A. Der Schlitz 52A bietet für den Modul 10 zusätzlichen mechanischen Halt, dient aber außerdem der Wärmeabfuhr in einer nachfolgend zu beschreibenden Weise.
Elektrische Verbindungen zu dem Modul 10 werden über den Befestigungsblock 12 hergestellt. Der koaxiale Verbinder 36 paßt in eine koaxiale Anschlußbuchse 58A zur Ankopplung von Hochfrequenzsignalen an den Modul 10. Der Vielfachstecker 30 paßt in die Vielfach-Steckerbuchse 60A. Wie oben beschrieben werden Gleichstromleistungs- und logische Signale dem Modul 10 über die Vielfachanordnung im Verbinder 30 zugeführt.
Die vorstehende Beschreibung erwähnt mit Bezugszeichen versehene Bauteile auf der oberen Oberfläche 20A der Basis 18. Die untere Oberfläche 20B der Basis 18 enthält aber identische Schaltungen in entsprechender Anordnung. Beispielsweise stellt die Hochfrequenzschaltungspackung 16E das Spiegelbild der Hochfrequenzschaltungspackung 16A der oberen Oberfläche 20A auf der unteren Oberfläche 20B dar. Es sind drei weitere Hochfrequenzschaltungspackungen 16F bis 16H (Fig. 3) auf der unteren Oberfläche 20B vorgesehen, welche den Schaltungspackungen 16B bis 16D entsprechen. Streifenleitungen in den Dielektrikas 42B und 46B entsprechen den Streifenleitungen in den Dielektrikas 42 und 48. Platten 40B und 48B dienen demselben Zweck wie die Platten und 48. Die PC-Platte 24B arbeitet genauso wie die PC- Platte 24.
Zusätzlich enthält die untere Oberfläche 20B der Basis 18 ein logisches Chip (nicht dargestellt), das dem logischen Chip 22 entspricht. In gleicher Weise enthält die untere Oberfläche 20B einen Koaxialverbinder und einen Vielfachstecker, welche dem Koaxialverbinder 36 bzw. dem Vielfachstecker 30 entsprechen. Der Koaxialverbinder an der un teren Oberfläche 20B wird jedoch in die koaxiale Aufnahmebuchse 58B bzw. die Vielfach-Verbinderbuchsen in der Vielfach-Steckerbuchse 60B eingesteckt.
Die gut erkennbare Verdopplung der Schaltung auf der oberen und der unteren Oberfläche der Basis 18 wird verständlich, wenn man in Betracht zieht, daß die Antennenelemente 14A bis 14D Elemente dualer Polarisation sind. Hier verarbeitet die Schaltung auf der oberen Oberfläche 20A die Signale der Gleichpolarisation. Die Schaltung auf der unte ren Oberfläche 20B verarbeitet die Signale der Kreuzpolarisation. In diesem Sinne kann der Modul 10 als eine Gruppe von vier Elementen und dualer Polarisation bezeichnet werden.
Zur Herstellung eines Senders mit einer großen Gruppe können gleiche Module zusammengekoppelt werden. Beispielsweise weist der Befestigungsblock 12 Öffnungen 56C und 56D, einen Schlitz 52B, koaxiale Steckerbuchsen 58C und 58D und Vielfachstecker 60C und 60D auf, welche sämtlich so ausgebildet sind, daß sie ein Modul identisch dem Modul 10 aufzunehmen vermögen. Der zweite Modul paßt über den Modul 10. Beispielsweise zeigt Fig. 2 im Querschnitt den in den Befestigungsblock 12 eingesetzten Modul 10. Ein zweiter, gleicher Modul 10' kann in den Schlitz 52B oberhalb des Moduls eingesetzt werden. Sind beide Module in den Befestigungsblock 12 eingesetzt, so befinden sich die Antennenele mente 14 (Fig. 2) des Moduls 10 in Nachbarschaft zu den Antennenelementen 14' des Moduls 10'. Die Kombination der Module bildet eine 4 x 2-Elementengruppe. Mit mehr Befestigungsöffnungen, Schlitzen, koaxialen Aufnahmebuchsen und Vielfachsteckerbuchsen in dem Befestigungsblock 12 können mehr Module einer über den anderen gestapelt werden, um eine größere Gruppe herzustellen.
Der Modul 10 hat verschiedene Merkmale, welche das Übereinanderstapeln von Modulen ermöglichen. Der Modul 10 hat an der unteren Oberfläche 20B Vorsprünge 62A und 62B. Vorsprünge 62C und 62D (Fig. 1B) sind auf der abliegenden Seite 21B des Moduls 10 vorgesehen. Ein oben auf den Modul aufgesetzter Modul hat entsprechende Vorsprünge, welche in Ausnehmungen oder Schlitze 64A, 64B, 64C und 64D passend eingreifen würden. Eine nicht dargestellte Schraube, welche durch Bohrungen 70A bzw. 70B bzw. 70C bzw. 70D in den Vorsprüngen und den Ausnehmungen oder Schlitzen geführt ist, kann dazu verwendet werden, die Module aneinander zu befestigen.
Bei der Bildung einer Gruppe beeinflußt die Beabstandung zwischen den Anenntenelementen wesentlich das von der Gruppe erzeugte Strahlungsdiagramm. Die Anordnung von Vorsprüngen und Schlitzen stellt den richtigen Abstand der Module sicher. Es ist von Wichtigkeit festzustellen, daß die Hochfrequenzschaltungspackungen 16A bis 16D über die obere Oberfläche 20A weniger vorstehen, als die Antennenelemente 14A bis 14D. In gleicher Weise stehen die Hochfrequenzschaltungspackungen 16E bis 16H unter die untere Oberfläche 20B weniger vor als die Antennenelemente 14A bis 14D. Die Dicke der elektronischen Bauteile 16A bis 16H zuzüglich der Dicke der Basis 18 ist demgemäß geringer als die Höhe der Antennenelemente 14A bis 14D. Diese Dicken der Hochfrequenzschaltungspackungen und der Basis 18 stellen sicher, daß die Module innerhalb des erforderlichen Abstandes gestapelt werden können. Es ist auch festzustellen, daß das flexible Kabel 32 aufgrund seiner Flexibilität flach auf der Platte 40 aufliegt, wenn der Modul 10 mit einem anderen Modul in gestapelte Anordnung gebracht ist.
Zwei Module nach der Art des Moduls 10 können in horizontaler Richtung verbunden werden, um eine lineare Gruppe von acht Elementen zu bilden. Hier sind Schlitze 66A und 66B dazu ausgebildet, Vorsprünge aufzunehmen. Die Vorsprünge 67A und 67B (Fig. 1B), welche dazu bestimmt sind, in Schlitze, etwa die Schlitze 66A und 66B passend einzugreifen, sind auf der abliegenden Seite 21B des Moduls 10 angeordnet. Die Module sind durch Schrauben in den Bohrungen 70A und 70B befestigt, die sowohl durch die Vorsprünge als auch die Schlitze reichen. Hier können die Schrauben in den Bohrungen 70A und 70B die Module befestigen, wenn sie entweder in horizontaler oder in vertikaler Richtung gestapelt werden.
Der Modul 10 enthält auch einen Vorsprung 68 und einen Schlitz 69 (Fig. 1B) auf der abliegenden Seite 21B, welch letzterer dem Vorsprung 68 gegenüber liegt. Wenn zwei Module Seite an Seite nebeneinander gesetzt werden, so paßt der Vorsprung 68 des einen Moduls in den Schlitz 69 (Fig 1B) des anderen Moduls. An dem Modul 10 liegt der Schlitz unterhalb der Hochfrequenzschaltungspackung 16D. Wenn also die Module Seite an Seite gesetzt sind, so wird eine Hochfrequenzschaltungspackung von jedem Modul auf einem Vorsprung von einer anderen Anordnung montiert. Diese Ausbildung gibt die Möglichkeit zur Befestigung der außenliegenden Hochfrequenzschaltungspackungen 16A und 16E, da sie längs des Randes zwischen zwei benachbarten Modulen angeordnet sind.
Ein Problem bei der Stapelung von Modulen, welche elektronische Bauteile enthalten, besteht in der Wärmeabfuhr. Jedes elektronische Bauteil erzeugt Wärme und viele solche Bauteile, die nahe beieinander angeordnet sind, wie dies zutrifft, wenn elektronische Bauteile auf beiden Seiten der Basis 18 montiert sind, können genug Wärme erzeugen, um den Betrieb der elektronischen Schaltungen 207A bis 207D zu stören. In Fig. 2 repräsentieren die elektronischen Schaltungen 207A bis 207D die elektronischen Bauteile an den Modulen 10 und 10'. Beispielsweise repräsentiert die elektronische Schaltung 207A die Bauteile in den Hochfrequenzschaltungspackungen 16A bis 16D und das logische Chip 22.
Für die Wärmeabfuhr besitzt der Befestigungsblock 12 einen Kanal 72, in welchem ein Kühlmittel strömt. Hier wird Coolonal verwendet. Die Schlitze 52A und 52B reichen in den Kanal 72, so daß auch die Vorsprünge 201A und 201B sich in den Kanal 72 hinein erstrecken. Die Vorsprünge 201A und 201B sind so dem Kühlmittel ausgesetzt, so daß ein Wärmeübergang von den Vorsprüngen 21A und 21B zu dem Kühlmittel stattfinden kann. Der Fachmann erkennt, daß nur ein Teil des Befestigungsblockes 12 dargestellt ist. Es ist ein System erforderlich, welches nicht dargestellte Mittel enthält, um das Kühlmittel im Kanal 72 zirkulieren zu lassen.
Die Wärme wird von den elektronischen Komponenten 207A und 207B auf die Ansätze oder Vorsprünge 201A über Wärmeleitungsröhren in der Basis 18 übertragen. Wie bekannt besteht eine Wärmeleitungsröhre aus einem Dampfkanal 203 und einem Docht 205. Geeignete Materialien für einen Docht umfassten Polypropylen oder Nylon.
Dampf in dem Dampfkanal 203 kondensiert an dem Ende der Wärmeleitungsröhre nahe dem Vorsprung 201A aufgrund des Kühleffektes des Kühlungsmittels im Kanal 72. Die Flüssigkeit wird von dem Docht 205 in Richtung auf die elektronischen Komponenten 207A und 207B gesogen. Die von den elektronische Komponenten 207A und 207B erzeugte Warme verdampft die Flüssigkeit, während diese von den elektronischen Komponenten erzeugte Wärme absorbiert. Die verdampfte Flüssigkeit strömt in den Dampfkanal 203. Da der Dampf nahe dem Vorsprung 201A kondensiert, herrscht ein Dampfdruckgefälle in dieser Richtung, so daß der Dampf in Richtung auf den Vorsprung 201A strömt. Der Kreislauf von Verdampfung und Kondensation setzt sich fort und bewirkt einen Wärmetransport von den elektronischen Komponenten 207A und 207B zu dem Kühlmittel in dem Kanal 72.
Fig. 3 zeigt genauere Einzelheiten der Wärmeleitungsröhren innerhalb der Basis 18. Fig. 3 zeigt einen Querschnitt des Moduls 10 entsprechend der in Fig. 1 angedeuteten Linie 3-3. Hier finden vier Wärmeleitungsröhren 301A bis 301D Verwendung. Jede der Wärmeleitungsröhren 301A bis 301D verläuft nahe einer der Hochfrequenzschaltungspackungen 16A auf der oberen Oberfläche 20A der Basis 18 und nahe einer der Schaltungspackungen 16E bis 16H auf der unteren Oberfläche 20B der Basis 18.
Die Wärmeleitungsröhren 301A bis 301D sind durch Räume 303A bis 303E voneinander getrennt. Die Räume 303A bis 303E liegen neben den Befestigungsausnehmungen in den Schaltungspackungen 16A bis 16H, beispielsweise den Befestigungsausnehmungen 26A, 26B und 26C. Nicht dargestellte Schrauben zur Befestigung der Schaltungspackungen 16A bis 16D können in den Räumen 303A bis 303E Platz finden.
Fig. 3 zeigt weitere Details der Konstruktion des Moduls 10. Die Naht 305 ist eine Lötfuge. Beim Zusammenbau der Basis 18 wird ein oberer Abschnitt 307 und ein unterer Abschnitt 309 zusammengefügt, etwa durch Verlöten längs der Naht 305.
Im Betrieb erzeugt eine elektronische Einrichtung 210 (Fig. 2) das Hochfrequenzsignal, das auszusenden ist, sowie Signale, die als Strahlsteuerbefehle zu bezeichnen sind und welche die Richtung anzeigen, in welche das Signal auszu senden ist. Der Fachmann erkennt, daß die Wirkungsweise der elektronischen Einrichtung 210 durch die Funktion, die der Sender erfüllen soll, bestimmt wird. Beispielsweise erzeugt ein Radarsystem andere Arten von Signalen als ein Richtstrahler. Die elektronischen Einrichtungen 210 sind daher entsprechend bekannte Techniken auf der Basis der Verwendung des Senders aufgebaut, der aus den zusammengesetzten Modulen gebildet wird.
Das Hochfrequenzsignal, die Strahlsteuerbefehle und die Gleichstromvorspannungen gelangen über Drähte oder Kabel (nicht dargestellt) durch den Kanal 72 zu den Vielfachsteckerbuchsen 60A bis 60D und zu den Koaxialbuchsen 58A bis 58D (Fig. 1). Für diese Verbindungen können herkömmliche Verdrahtungstechniken eingesetzt werden. Es sei aber bemerkt, daß der Querschnitt der Drahtverbindung im Kanal 72 minimal gehalten werden soll, so daß die Strömung des Kühlmittels im Kanal 72 nicht behindert wird.
Die Strahlsteuerbefehle werden zu dem logischen Chip 22 (Fig. 1) über Leiterbahnen auf der PC-Platte 24 geführt, während die Hochfrequenzsignale der Mikrostreifenschaltung im Dielektrikum 42 zugeführt werden. Die Hochfrequenzsignale werden dann zu den Eingängen der Hochfrequenzschaltungspackungen 16A bis 16D geleitet.
Die Steuerlogik 22 verarbeitet die Strahlsteuerbefehle und leitet hiervon Phasenverschiebungs-Steuersignale und Verstärkungsgewinn-Steuersignale für jeden der Phasenschieber und Verstärker in den Hochfrequenzschaltungspackungen 16A bis 16D ab. Zu der geeigneten Zeit liefert die Steuerlogik im Steuerchip 22 die Phasenschieber-Steuersignale und die Verstärkungsgewinn-Steuersignale an den Ausgangskontaktstiften 28A bis 28l (wobei nur zwei dieser Anschlußstifte bezeichnet sind). Die Signale werden über Leiterbahnen auf der PC-Platte 24 und flexible Kabel, beispielsweise das flexible Kabel 32, zu den Steuereingängen der Hochfrequenzschaltungspackungen 16A bis 16D weitergeführt.
Die Hochfrequenzschaltungen in den Hochfrequenzschaltungspackungen 16A bis 16D verwenden bekannte Techniken zur Verstärkung und zur Phasenverschiebung der Hochfrequenzsignale, welche ihnen zugeführt werden. Diese Hochfrequenzsignale gelangen dann durch die Streifenleitungsschaltung im Dielektrikum 46 zu den Antennenelementen 14A bis 14D, wo sie als das gleichpolarisierte Signal ausgesendet werden.
Zur gleichen Zeit, zu der Signale zu den elektronischen Bauteilen auf der oberen Oberfläche 20A gelangen, werden auch Signale zu den elektronischen Bauteilen auf der unteren Oberfläche 20B geführt. Diese Signale erzeugen die querpolarisierten Signale, die von den Antennenelementen 14A bis 14D ausgesendet werden.
Wenn viele Module miteinander verbunden werden, um einen Sender zu bilden, so werden Steuersignale an alle diese Module geführt. In diesem Falle muß die elektronische Einrichtung 210 (Fig. 2) Schaltungen enthalten, welche die richtigen Signale zu den entsprechenden hin abgeben.
Nach der Beschreibung einer Ausführung der Erfindung erkennt man, daß verschiedene alternative Ausführungsformen gebaut werden können. Beispielsweise ist der Modul 10 mit vier Antennenelementen dargestellt, doch können mehr oder weniger Elemente vorgesehen sein. Es ist ein System mit dualer Polarisation beschrieben, doch kann ebenso leicht ein System mit einer einzigen Polarisation verwirklicht werden. Ferner ist die vorliegende Beschreibung auf ein Sendermodul beschränkt, doch kann die Erfindung auch auf ein Empfängermodul, ein Sender-/Empfängermodul oder auf andere Arten von Hochfrequenzsystemen angewendet werden. Ferner wurde oben ein bestimmter Wärmeabführmechanismus beschrieben. Andere Einrichtungen zur Wärmeabfuhr können ebenfalls verwendet werden. Alternativ kann der hier angegebene Wärmeabfuhrmechanismus für Module eingesetzt werden, welche irgendeine Art von elektronischen Einrichtungen enthält, ohne daß eine Beschränkung auf ein Sendermodul gegeben ist.

Claims

1. Hochfrequenzsystem mit einer Gruppenantenne, wobei das System eine Anzahl von Modulen (10) aufweist, von denen jeder folgendes enthält:

eine Trägerbasis (18) mit einem vorderen Rand, einem hinteren Rand und einer zwischen dem vorderen und dem hinteren Rand befindlichen Oberfläche (20A) und

eine Anzahl von Hochfrequenzschaltungspackungen (16A, 16B, 16C, 16D), die auf der genannten Oberfläche (20A) montiert sind,

und wobei die Gruppenantenne eine Anzahl von Sätzen von Antennenelementen (14A, 14B, 14C, 14D) enthält, von denen jeder längs des vorderen Randes einer entspre chenden Basis (18) angeordnet ist und jede Hochfrequenzschaltungspackung (16A, 16B, 16C, 16D), die an der betreffenden Basis (18) befestigt ist, mit einem entsprechenden Antennenelement des Satzes (16A, 16B, 16C, 16D) hochfrequenzgekoppelt ist,

dadurch gekennzeichnet, daß jeder Satz von Antennenelementen (14A, 14B, 14D) längs des vorderen Randes der jeweiligen Basis (18) befestigt ist, um Teil des jeweiligen Moduls (10) zu bilden und daß das System Mittel (12) zur Befestigung der Anzahl von Modulen (10) mittels ihres jeweiligen hinteren Randes in solcher Weise aufweist, daß die Sätze von Antennenelementen (14A, 14B, 14C, 14D) der Module (10) die Gruppenantenne des Systems bilden.

2. Hochfrequenzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Hochfrequenz-Schaltungspackung (16A, 16B, 16C, 16D) folgendes enthält:

a) einen Verstärker für Hochfrequenzsignale; und

b) einen Phasenschieber.

3. Hochfrequenzsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Modul (10) ein integriertes Schaltungschip (22) aufweist, das logische Schaltkreise zur Erzeugung von Steuersignalen für die Verstärker und Phasenschieber in jeder der Hochfrequenz-Schaltungspackungen (16A, 16B, 16C, 16D) enthält.

4. Hochfrequenzsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Modul (10) eine gedruckte Schaltungsplatte (24) aufweist, die auf der genannten Oberfläche (20A) der Basis (18) befestigt ist und daß das integrierte Schaltungschip (22) auf der gedruckten Schaltungsplatte (24) befestigt ist.

5. Hochfrequenzsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das System eine Steuerelektronik aufweist, welche mit jedem integrierten Schaltungschip (22) über Mittel (60A) elektrisch verbunden ist, die durch die Befestigungsmittel (12) führen.

6. Hochfrequenzsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungsmittel (12) einen Kanal (72) zur Leitung eines Kühlströmungsmittels enthalten.

7. Hochfrequenzsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Anzahl von Modulen (10) thermisch mit dem genannten Kanal (72) gekoppelt ist.

8. Hochfrequenzsystem nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungsmittel (12) eine Mehrzahl von Schlitzen (52A, 528) aufweisen, von denen jeder durch Wände begrenzt ist, die in den Kanal (72) hineinreichen.

9. Hochfrequenzsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis (18) jeder Moduls (10) einen Vorsprung (201A, 201B) aufweist, der in einen der Schlitze (52A, 52B) hineinreicht.

10. Hochfrequenzsystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis (18) jeder Moduls (10) mindestens einen Wärmeleitungskanal (301A, 301B, 301C, 301D) enthält, wobei ein Ende jedes Wärmeleitungskanals in dem Vorsprung (201A; 201B) gelegen ist.

11. Hochfrequenzsystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein, oder der zumindest eine, Wärmeleitungskanal (31A, 31B, 31C, 31D) in der Basis (18) nahe einem der Anzahl von Hochfrequenz Schaltungspackungen (16A, 16B, 16C, 16D) gelegen ist.

12. Hochfrequenzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Modul (10) eine Anzahl von Wärmeleitungskanälen (301A, 301B, 301C, 301D) aufweist, die in der Basis (18) gelegen sind.

13. Hochfrequenzsystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Wärmeleitungskanal (301A, 301B, 301C, 301D) neben einer der Hochfrequenz-Schaltungs packungen (16A, 16B, 16C, 16D) des Moduls (10) gelegen ist.

14. Hochfrequenzsystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungsmittel (12) Einrichtungen (72) zur Abführung von Wärme aufweisen und daß jeder der Anzahl von Wärmeleitungskanälen (301A, 301B, 301C, 301D) in jedem Modul (10) thermisch mit den Mitteln (72) zur Abführung von Wärme gekoppelt ist.

15. Hochfrequenzsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Modul (10) eine dielektrische Schicht (46) aufweist, auf der sich eine Streifenleitungsschaltung befindet, wobei die dielektrische Schicht (46) auf der genannten Oberfläche (20A) der Basis (18) zwischen der Anzahl von Hochfrequenz-Schal tungspackungen (16A, 16B, 16C, 16D) und dem jeweiligen Satz von Antennenelementen (14A, 14B, 14C, 14D) befestigt ist.

16. Hochfrequenzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß jeder Modul (10) einen Vorsprung (201A; 210B) aufweist, der längs des hinteren Randes der Basis (18) angeordnet ist und wobei mindestens ein Wärme leitungskanal (203, 205) sich in der Basis (18) befindet und jeder Wärrneleitungskanal (203, 205) ein Ende aufweist, das in dem Vorsprung (201A; 201B) gelegen ist, und daß in den Befestigungsmitteln (12) ein Kanal (72) und eine Anzahl von Schlitzen (52A; 52B) ausgebildet sind, wobei die Befestigungsmittel (12) in dem Kanal (72) befindliche Mittel zur Abführung von Wärme aufweist und der Vorsprung (201A; 201B) jedes Moduls (10) in einen der Anzahl von Schlitzen (52A; 52B) hineinreicht und in thermischem Kontakt mit den Mitteln zur Abführung von Wärme steht.

17. Hochfrequenzsystem nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Abführung von Wärme ein gekühltes Strömungsmittel enthalten.

18. Hochfrequenzsystem nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungsmittel (12) zusätzlich Einrichtungen (58A, 58B, 58C, 58D; 60A, 60B, 60C, 60D) zur Kopplung elektrischer Signale enthalten, wobei die genannten Kopplungseinrichtungen durch den Kanal (72) geführt sind.

19. Hochfrequenzsystem nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Modul (10) eine Anzahl von elektronischen Schaltungspackungen (207A, 207B; 207C, 207D) aufweist, die auf zwei Seiten der Basis (18) montiert sind.

20. Hochfrequenzsystem nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wärmeleitungskanal (301A, 301B, 301C, 301) für jede Schaltungspackung (16A, 16B, 16C, 16D) auf einer Seite der Basis (18) vorgesehen ist und daß ein Wärmeleitungskanal neben jeder Packung gelegen ist.

21. Hochfrequenzsystem nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß jede Schaltungspackung (16A, 16B, 16C, 16D) der elektronischen Schaltungen monolitische integrierte Mikrowellenschaltungen (MMIC) enthält.

22. Hochfrequenzsystem nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß jede Schaltungspackung (16A, 16B, 16C, 16D) der elektronischen Schaltungen einen Verstärker und einen Phasenschieber enthält.