DE69313477T2

DE69313477T2 - Antenne und Mikrowellenumsetzer, in einer Schaltungspackung integriert

Info

Publication number: DE69313477T2
Application number: DE69313477T
Authority: DE
Inventors: Krishna Kumar Agarwal; Donald Frank Shea
Original assignee: E Systems Inc
Current assignee: L3Harris Technologies Integrated Systems LP
Priority date: 1992-02-14
Filing date: 1993-02-02
Publication date: 1998-01-08
Anticipated expiration: 2013-02-03
Also published as: NO930474D0; NO930474L; DE69313477D1; NO303306B1; ES2105092T3; DK0556941T3; EP0556941A1; GR3024826T3; KR930018775A; IL104702A0; KR100272711B1; US5276457A; IL104702A; EP0556941B1

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Packungstechnik von Antennen und dazugehörigen Umsetzern und insbesondere auf ein in einem unitären Paket implementiertes integriertes Antennen-Umsetzersystem durch Herstellen der Umsetzer-Schaltkreise unter Verwendung von integrierten Mikrowellen- und monolithischen integrierten Mikrowellen-Schaltkreistechniken bei einer Vielzahl von Substraten, die direkt an der Rückseite der Antenne montiert sind.

Hintergrund der Erfindung

Konventionell wurden eine Antenne und die verschiedenen Bestandteile ihrer dazugehörigen Umsetzerschaltkreise (wie beispielsweise Hochfrequenzempfangs-, Polarisations-Schaltmatrixschaltungen, Zwischenfrequenzempfänger und Speise- und Steuerschaltungen) jeweils als gesonderte Pakete gestaltet. Die verschiedenen gesonderten Pakete des Antennen-Wandlersystems wurden dann miteinander verbunden, um ein montiertes Antennen-Wandler-System mit Hilfe der Verwendung von Kabeln und Steckern zu bilden. Es hat sich jedoch erwiesen, daß dieses konventionelle Montageverfahren aus verschiedenen Gründen ein unzufriedenstellendes Leistungsverhalten liefert. Beispielsweise führt häufig die Verwendung von Kabeln und Steckern für das Verbinden der gesonderten Antennen- und Umsetzerpakete miteinander zu einem verschlechterten Leistungsverhalten des Systems als Folge von Signalverlusten in den Kabeln und einer verminderten Systemzuverlässigkeit. Weiterhin erhöht die Verwendung gesonderter Baueinheiten für die Antenne und verschiedene Umsetzerschaltungen die erforderliche Größe und das Gesamtgewicht des Antennen-Umsetzer- Systems.
US-A-4,411,022 offenbart eine Mischstufe aus einem integrierten Schaltkreis, während EP-A-0 377 155 eine Antenne mit einer Vielzahl von konzentrischen Wellenleiter-Hohlräumen offenbart.

Zusamenfassung der Erfindung

Diese Erfindung bezieht sich auf einen integrierten Antennenumsetzer mit:
einem Antennenabschnitt, der eine Einrichtung zum Empfangen und Ausstrahlen von elektromagnetischen Signalen in der Form von elektromagnetischen Wellen enthält;
einem Umsetzerschaltkreisabschnitt, der eine Einrichtung zum Verarbeiten von elektromagnetischen Signalen enthält, wobei der Umsetzerschaltkreisabschnitt auf zumindest einer Leiterplatte implementiert ist, die einzeln, mechanisch und elektrisch mit der Einrichtung zum Empfangen und Ausstrahlen von elektromagnetischen Signalen verbunden ist, wobei die zumindest eine Leiterplatte für den Umsetzerschaltkreisabschnitt direkt an dem Antennenabschnitt angebracht ist; und
einer Polarisationsmatrixschaltereinrichtung, die eine Leiterplatte enthält, die elektrisch mit einer Leiterplatte einer Speisungsnetzwerkschaltkreiseinrichtung für den Umsetzerschaltkreisabschnitt verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterplatte für die Polarisationsmatrixschaltereinrichtung an zumindest einer Leiterplatte für den Umsetzerschaltkreisabschnitt und an dem Antennenabschnitt angebracht ist, um einen integrierten Antennenumsetzer in einer Schaltungspackung zu bilden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Ein vollständigeres Verstehen des integrierten Antennenumsetzers in einem unitären Paket der vorliegenden Erfindung kann man unter Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung erhalten, wenn man sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen betrachtet, bei welchen:
Fig. 1 eine auseinandergezogene schematische Ansicht des integrierten Antennenumsetzers in einem unitären Paket der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 2 eine montierte Ansicht des integrierten Antennenumsetzers in einem unitären Paket der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 3 eine Vorderansicht der koaxialen Wellenleiterantenne ist, die bei dem unitären Paket der vorliegenden Erfindung verwendet wird; und
Fig. 4 eine Seiten-Schnittansicht der integrierten koaxialen Wellenleiterantennen- und Wandlerschaltungsscheiben des unitären Pakets der vorliegenden Erfindung ist.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen

Es wird jetzt auf Fig. 1 Bezug genommen, in welcher eine auseinandergezogene schematische Ansicht des integrierten Antennenumsetzers in einem unitären Paket 100 der vorliegenden Erfindung gezeigt wird. Das unitäre Paket 100 besteht generell aus einem Antennenabschnitt 102, der mit einem Umsetzerabschnitt 104 in einer noch zu beschreibenden Art und Weise integriert und daran montiert ist. Der Antennenabschnitt 102 enthält die Hardware, die für das Empfangen und Erzeugen elektromagnetischer Wellen, die elektromagnetische Signale in einem oder mehreren vorbestimmten Frequenzbereichen tragen, erforderlich ist. Der Umsetzerabschnitt 104 enthält die Schaltkreise, die für das Implementieren der Funkfrequenz, der Polarisationsschaltermatrix und der Energiesteuerschaltkreise erforderlich sind, die mit dem Empfang, der Erzeugung und der Verarbeitung elektromagnetischer Signale, die von dem Antennenabschnitt 102 in der Form sich ausbreitender elektromagnetischer Wellen empfangen und abgestrahlt werden, verbunden sind.
Der Antennenabschnitt 102 ist vorzugsweise eine Antenne 206 mit einer Vielzahl hohler Wellenleiter 108, die jeweils für die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen in einem unterschiedlichen Frequenzbereich dimensioniert sind. Die Hohlleiter 108 werden durch eine Vielzahl leitfähiger Zylinder 110 definiert, welche jeweils ein offenes Ende 112 und ein geschlossenes Ende 114 haben (siehe auch Fig. 4). Die Vielzahl dimensionierter Hohlleiter 108 bilden eine Antenne 106, die in der Lage ist, über eine Vielzahl von Frequenzbereichen zu arbeiten. Die leitfähigen Zylinder 110 sind bezogen auf einander konzentrisch so angeordnet, daß sie eine gemeinsame Achse 116 haben. Jedes geschlossene Ende 114 eines leitfähigen Zylinders für die koaxiale Wellenleiterantenne 106 wird durch eine gemeinsame Platte und eine Vielzahl von Sonden abgeschlossen (in Fig. 3 und 4 gezeigt). Die Sonden erzeugen und empfangen in den Hohlleitern 108 elektromagnetische Signale in der Form elektromagnetischer Wellen, die sich in dem Frequenzbereich ausbreiten, der durch die Größe des Hohlleiters diktiert wird. Es ist natürlich selbstverständlich, daß der Antennenabschnitt 102 auch nur einen einzigen Hohlleiter 108 für die Ausbreitung elektromagnetischer Signale in einem einzigen Frequenzbereich oder auch eine andere Wellenleiterform (beispielsweise rechteckige Mehrfach-Hohlleiter) haben kann, wenn es gewünscht wird.
Mit dem Kommen von Herstellungstechniken für monolithische integrierte Mikrowellenschaltungen (MMIC) ist es möglich geworden, die notwendigen Schaltkreise für den Umsetzerabschnitt 104 eines Antennen-Umsetzer-Systems auf einem oder mehreren kleinflächigen Substraten 118 zu integrieren (beispielsweise den in Fig. 1 gezeigten Schaltkreisscheiben). Eine solche Herstellung integrierter Mikrowellenschaltungen ermöglicht es, daß die auf jedem Scheibensubstrat 118 implementierten Schaltkreiskonstruktionen miteinander und mit anderen Scheiben mit einer geringeren Anzahl gegenseitiger Verbindungen, als bei konventionellen, das Signal verschlechternden HF-Kabel-Verbindungskonstruktionen zu verbinden. Weiterhin liefert das Verbinden der Scheiben 118 miteinander ein Schaltkreispaket, das alle notwendigen Umsetzerschaltungen enthält, welches ein verhältnismäßig geringes Volumen belegt. Bei der hierin offenbarten Antennenwandler-Implementierung gestattet die MIC/MMIC-Herstellung eine Integration aller notwendigen Schaltkreise eines Hochfrequenz-Speisungsnetzwerkes für den Umsetzerabschnitt 104 auf einer einzigen Speis;ungsnetzwerkscheibe geringer Fläche 120. Man kann in ähnlicher Weise die Polarisationsschaltermatrix-Steuerschaltkreise, die Zwischenfrequenzumsetzer und die Speise- und Steuerschaltkreise für den Umsetzerabschnitt 104 auf einer Polarisationsschaltermatrixscheibe 122, einer Zwischenfrequenzscheibe 124, beziehungsweise einer Steuerschaltkreisscheibe 126 integrieren.
Jede MMIC-implementierte Scheibe 120 - 126 hat eine Mitte 128, die mit der Achse 116 für die Vielzahl konzentrischer Zylinder 110, aus denen die koaxiale Hohlleiterantenne 106 besteht, fluchtet. Die konzentrischen Zylinder 110 und die Scheiben 118 des Antennenabschnitts 102 und des Umsetzerabschnitts 104, wie sie in Fig. 1 gezeigt werden, werden entlang der Achse 116 montiert, wobei die Scheiben des Umsetzerabschnitts 104 zusammengeschichtet und direkt an der und flach gegen die Rückseite des Antennenabschnitts 102 montiert sind, um einen integrierten Antennenumsetzer in einem unitären Paket 100 wie in Fig. 2 gezeigt herzustellen. Weiterhin wird bei der MMIC-Implementierung der Schaltkreise die Kreisfläche, die für jedes Scheibensubstrat vorgesehen wird, so gewählt, daß der Umfang des Substrats sich nicht außerhalb einer Hüllkurve für den Antennenabschnitt 102, die generell in unterbrochenen Linien 130 gezeigt wird, erstreckt. Die Hüllkurve 130 ist ein imaginäres Volumen, das sich nach hinten von der Rückseite der Antenne aus erstreckt. Die Größe und Gestalt der Hüllkurve 130 wird durch die Größe und Gestalt der Außenseite des Antennenabschnitts 102 diktiert. Bei einer koaxialen Antenne 106 wie gezeigt, ist die Hüllkurve 130 ein zylindrisches Volumen, welches durch die Außenseite des äußerten konzentrischen Zylinders 110 definiert wird. Innerhalb dieses zylindrischen Volumens müssen die zusammengeschichteten Substrate 118 für den Umsetzer-Schaltkreisabschnitt 104 hineinpassen, um das unitäre Paket zu bilden. Ein Steckanschluß 132 ist vorgesehen, um Energie und Steuersignale den Umsetzer- Schaltkreisscheiben 120 - 126 zuzuführen, um ein Betreiben des unitären Antennenwandlerpakets 100 zu ermöglichen.
Es wird jetzt auf Fig. 4 Bezug genommen, in welcher eine Seiten- Schnittansicht des integrierten Antennenumsetzers in einem unitären Paket 100 der vorliegenden Erfindung gezeigt wird. Der Antennenabschnitt 102 des Pakets 100 ist eine koaxiale Wellenleiterantenne 106, die aus einer Vielzahl konzentrischer leitender Zylinder 110 besteht, wobei jeder Zylinder ein offenes Ende 112 und ein geschlossenes Ende 114 hat. Der Abschluß für das geschlossene Ende 114 der montierten konzentrischen Zylinder 110 ist eine leitende Platte 136. Die Größe jedes Hohlleiters 108 der Antenne 106 wird selektiv gewählt, um elektromagnetische Wellen in einem vorbestimmten Frequenzbereich auszubreiten. Beispielsweise sind bei dem in Fig. 4 gezeigten Beispiel die größen der Hohlleiter so gewählt, daß Hohlleiter 108 (1) über den Bereich von 2 - 3,5 GHz, Hohlleiter 108 (2) über den Bereich 3,5 - 6 GHz, Hohlleiter 108 (3) über den Bereich 6 10 GHz und Hohlleiter 108 (4) über den Bereich 10 - 18 GHz arbeitet. Die gezeigte Ausführungsform ist folglich in der Lage, über einen breiten Bereich von zwei bis zu achtzehn Gigahertz zu arbeiten.
Die Sonden 134 an dem geschlossenen Ende jedes Hohlleiters 108 empfangen nur elektromagnetische Wellen und strahlen diese nur in dem Frequenzbereich ab, der durch die Größe des Hohlleiters diktiert wird. Um die elektromagnetischen Signale zu verarbeiten, die durch die Sonden 134 empfangen werden oder um ein Signal für die Abstrahlung durch die Sonden zu erzeugen, sind die Sonden, die zu jedem Hohlleiter 108 (1) - 108 (4) gehören, mit einer gesonderten Speisungsnetzwerkscheibe 120 (1) - 120 (4) entsprechend verbunden. Jede Speisungsnetzwerkscheibe 120 enthält Schaltkreise, die so gestaltet sind, daß sie über den Frequenzbereich für den Hohlleiter 108 arbeiten, der damit gekoppelt ist. Folglich hat jede Speisungsnetzwerkscheibe 120 implementierte MMIC-Modulations- und Demodulationsschaltkreise (einschließlich eines Hochfrequenzumsetzers und mehrerer Teilbänder eines Umsetzers). Es ist natürlich selbstverständlich, daß die erforderlichen Hochfrequenzschaltkreise für alle Arbeitsfrequenzen des Antennenabschnitts 102 auf einer einzigen Scheibe 120, wie in Fig. 1 und 2 gezeigt, MMIC-implementiert sein können, wenn die für die Schaltkreise benötigte Fläche zu einer Scheibengröße führt, welche in den Raum der Antennen-Hüllkurve 130 (siehe Fig. 3) paßt, wenn eine Montage an der Rückseite der Antenne erfolgt ist.
Die Verbindung zwischen jedem Antennen-Hohlleiter 108 und der dazugehörigen Speisungsnetzwerkscheibe 120 wird unter Verwendung eines kurzen Stücks Koaxialleitung 138 vorgenommen, wobei der innere beziehungsweise der äußere Koaxialleiter mit der Sonde 134 beziehungsweise der Platte 136 verbunden wird. Am anderen Ende der Leitung 138 werden der innere und äußere Leiter mit einer Mikrostreifenleitung an der Speisungsnetzwerkscheibe 120 unter Verwendung eines rechtwinkligen Adapters Koax- auf Mikrostreifenleitung (generell mit 140 bezeichnet) verbunden. Wenn die Mikrowellenschaltkreise auf den Scheiben mit Streifenleitungen implementiert sind, dann können ähnliche Anschlußverfahren zur Anwendung kommen. Der Umsetzerabschnitt 104 hat weiterhin Polarisationsschaltermatrix-Schaltkreise, Zwischenfrequenz-um setzerschaltkreise und Speisungs- und Steuerschaltkreise, die auf einer oder mehreren Scheiben 142 unter Verwendung der MIC/- MMIC-Technik implementiert werden. Die Verbindungen zwischen den Speisungsnetzwerkscheiben 120 und den restlichen Umsetzerscheiben 142 erfolgen unter Verwendung kurzer Stücke Koaxialleitung 138, wobei die Enden der Leitung mit den Mikrostreifenleitungen jeder Scheibe unter Verwendung rechtwinkliger Adapter von Koaxauf Mikrostreifenleitung 140 verbunden werden. Verbindungen zwischen den verschiedenen im Umsetzerabschnitt 104 verwendeten Scheiben und den externen Energieversorgungs-, Kommando- und Steuer- und Verarbeitungsschaltungen können über einen Stecker 132 und/oder eine Koaxialleitung 138 wie gewünscht oder benötigt vorgenommen werden.

Claims

1. Integrierter Antennenumsetzer, mit:

einem Antennenabschnitt (102), der eine Einrichtung zum Empfangen und Ausstrahlen von elektromagnetischen Signalen in der Form von elektromagnetischen Wellen enthält;

einem Umsetzerschaltkreisabschnitt (104), der eine Einrichtung zum Verarbeiten von elektromagnetischen Signalen enthält, wobei der Umsetzerschaltkreisabschnitt (104) auf zumindest einer Leiterplatte (120-126) implementiert ist, die einzeln, mechanisch und elektrisch mit der Einrichtung zum Empfangen und Ausstrahlen von elektromagnetischen Signalen verbunden ist, wobei die zumindest eine Leiterplatte (120-126) für den Umsetzerschaltkreisabschnitt (104) direkt an dem Antennenabschnitt (102) angebracht ist; und

einer Polarisationsmatrixschaltereinrichtung, die eine Leiterpiatte (122) enthält, die elektrisch mit einer Leiterplatte (120) einer Speisungsnetzwerkschaltkreiseinrichtung für den Umsetzerschaltkreisabschnitt (104) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterplatte (122) für die Polarisationsmatrixschaltereinrichtung an zumindest einer Leiterplatte (120-126) für den Umsetzerschaltkreisabschnitt (104) und an dem Antennenabschnitt (106) angebracht ist, um einen integrierten Antennenumsetzer in einer Schaltungspackung (100) zu bilden.

2. Integrierter Antennenumsetzer nach Anspruch 1, außerdem mit: einer Zwischenfrequenzschaltkreiseinrichtung, die eine Leiterplatte (124) enthält, die elektrisch mit der Leiterplatte (122) für die Polarisationsmatrixschaltereinrichtung verbunden ist, wobei die Leiterplatte (124) für die Zwischenfrequenzschaltkreiseinrichtung an den Leiterplatten (122, 120) für die Polarisationsmatrixschaltereinrichtung und die Speisungsnetzwerkschaltkreiseinrichtung und an der Antenne (106) angebracht ist, um einen integrierten Antennenumsetzer in einer Schaltungspackung (100) zu bilden.

Integrierter Antennenumsetzer nach Anspruch 2, außerdem mit: einer Versorgungs- und Steuerschaltkreiseinrichtung, die eine Leiterplatte (126) enthält, die elektrisch mit der Leiterpiatte (124) für die Zwischenfrequenzschaltkreisein richtung verbunden ist, wobei die Leiterplatte (126) für die Versorgungs- und Steuerschaltkreiseinrichtung an den Leiterplatten (124, 122, 120) für die Zwischenfrequenzschaltkreiseinrichtung, die Polarisationsmatrixschaltereinrichtung und die Speisungsnetzwerkschaltkreiseinrichtung und an der Antenne (106) angebracht ist, um einen integrierten Antennenumsetzer in einer Schaltungspackung (100) zu bilden.

Integrierter Antennenumsetzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Antenne (106) eine Hohlleiterantenne mit einer Anzahl von Hohlleiterhohlräumen (108) aufweist, die jeweils für sich ausbreitende elektromagnetische Signale in einem vorbestimmten Frequenzbereich bemessen sind.

Integrierter Antennenumsetzer nach Anspruch 4, bei dem die Hohlleiterantenne außerdem eine Anzahl von konzentrischen, leitfähigen, hohlen Zylindern (110) aufweist, die an einem Ende durch eine leitfähige Platte (136) geschlossen sind, wobei jeder Zylinder (110) einen vorbestimmten Durchmesser hat, wodurch eine Anzahl von Hohlräumen (108) bestimmt ist, die für sich ausbreitende elektromagnetische Wellen in den vorbestimmten Frequenzbereichen bemessen sind.

6. Integrierter Antennenumsetzer nach Anspruch 5, bei dem die Einrichtung zum Empfangen und Ausstrahlen von elektromagnetischen Signalen aufweist:

eine Anzahl von Sonden (134) für elektrische Felder, die in jedem Hohlraum (108) der Hohlleiterantenne (106) an dem Ende angeordnet sind, das durch die leitfähige Platte (136) geschlossen ist.

7. Integrierter Antennenumsetzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem durch die Größe und Form der Antenne (106) ein umschlossenes Antennenvolumen (130) bestimmt ist, das sich von der Antenne (106) weg erstreckt, und bei dem jede Leiterplatte (120-126) einen Umfang hat, so daß sie bei Anbringung an der Antenne (106) in das bestimmte umschlos sene Antennenvolumen (130) paßt.

8. Integrierter Antennenumsetzer nach Anspruch 1, bei dem jede Leiterplatte (120-126) der Umsetzerschaltkreiseinrichtung (104) einen monolithischen integrierten Mikrowellenschaltkreis enthält, wobei jede elektromagnetische Sonde (134) mit der Umsetzerschaltkreiseinrichtung (104) auf einer Leiterplatte (122-126) mit Hilfe einer koaxialen Leitung (138) verbunden ist, die sich zwischen dem Hohlraum (108) und der Leiterplatte (120-126) erstreckt.