DE69914354T2

DE69914354T2 - Zweikanaliges Mikrowellen-Sende-Empfangs-Modul für eine aktive Apertur eines Radarsystems

Info

Publication number: DE69914354T2
Application number: DE69914354T
Authority: DE
Inventors: John W. Cassen; Stephanie A. Helston PARKS; Iii Edward L. Rich; Gary N. Bonadies; L. Gary FERRELL; S. John FISHER; W. John GIPPRICH; D. John GORNTO; J. Daniel HEFFERNAN; A. David HERLIHY; K. Patrick RICHARD; W. David Eldersberg STRACK; K. Scott SUKO; T. George HALL
Original assignee: Northrop Grumman Corp
Current assignee: Northrop Grumman Corp
Priority date: 1998-09-23
Filing date: 1999-09-23
Publication date: 2004-11-11
Anticipated expiration: 2019-09-24
Also published as: ATE258313T1; CA2344400A1; WO2000021159A2; KR20010079871A; AU2705200A; CA2344427A1; WO2000022451A2; KR100758554B1; AU2472100A; WO2000022451A3; JP2002527971A; DE69914354D1; US6094161A; US6114986A; EP1125144B1; US6097335A; WO2000022451A9; EP1110276A2; WO2000021159A3; JP2002527724A

Description

Hintergrund der Erfindung
Bezugnahme auf verwandte Anmeldungen
Die vorliegende Anmeldung steht in Beziehung zur US-Anmeldung Nr. 09/158,832 (Northrop Grumman Aktenzeichen Nr. BD-98-112) mit dem Titel "Sende-Empfangs-Modul mit mehrfachen Sende-Empfangspfaden mit gemeinsamen Schaltkreisen", eingereicht im Namen von John W. Cassen et al. am 23. September 1998; und die US-Anmeldung Nr. 09/158,827 (Northrop Grumman Aktenzeichen Nr. BD-98-111) mit dem Titel "Antennenanordnung, welche zweikanalige Mikrowellen-Sende-Empfangs-Module enthält", eingereicht im Namen von John W. Cassen et al. am 23. September 1998.
Beide Anmeldungen sind auf Anmelder der vorliegenden Erfindung übertragen worden und es ist weiterhin beabsichtigt, daß sie im folgenden durch in Bezugnahme eingeschlossen sind.
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf Sende-Empfangs-(TR)-Schaltkreismodule, die zum Beispiel verwendet werden in Radarsystemen mit phasengesteuerten Gruppenantennen, und insbesondere auf ein zweikanaliges Sende-Empfangs-Modul, wobei zwei diskrete Sende-Empfangs-Hochfrequenzkanäle Seite an Seite in einer gemeinsamen Packung ausgeführt sind.
Beschreibung des Stands der Technik
Radarsysteme mit phasengesteuerten Gruppenantennen, die elektronisch abgetastete Gruppenantennenanordnungen verwenden, die auch als aktive Aperturen bezeichnet werden, erfordern einzeln regelbare Sende-Empfangs-Module, welche in einer Gruppenanordnung angeordnet sind. Die Sende-Empfangs-Module sind verbunden mit vorderseitig angebrachten Strahlerelementen, welche gemeinsam einen ausgesandten Radarstrahl erzeugen. Der Strahl wird normalerweise unter elektronischer Steuerung der auf die einzelnen Strahler gegebenen Signale hinsichtlich seines Azimuths und seiner Höhe über dem Boden mit Energie beaufschlagt, geformt und ausgerichtet.
Ein Radarsystem mit einer phasengesteuerten Gruppenantenne sendet nacheinander Impulse aus, welche durch einen Sendemehrfachaufbau sowie Mikrowellenschaltkreise auf die verschiedenen Antennenstrahler verteilt werden. Zwischen Sendeimpulsen empfängt und bearbeitet das Radarsystem aufeinanderfolgende Rückkehrsignale von den Antennenstrahlern. Die Rückkehrsignale werden durch Mikrowellenschaltkreise im Sende-Empfangs-Modul bearbeitet, durch einen Empfangsmehrfachaufbau gesammelt und dann in dem System zur Zielidentifikation bearbeitet.
Solch ein Radarsystem verwendet auch einen programmierten digitalen Prozessor, um die Verstärkung zu regeln, die Dämpfung sowie die Phasenverschiebung der Sende- und Empfangssignale, wodurch die Amplitude, Richtung und Form des zusammengesetzten Hochfrequenzenergiestrahls festgelegt wird, der durch die Apertur ausgesandt oder empfangen wird. Verschiedene Phasenverschiebungen sorgen für verschiedene Sende- oder Empfangsschaltungsverzögerungen bei der Abgabe individueller Hochfrequenzstrahlersignale, um das Muster der Hochfrequenzenergiewellenfronten zu regeln, welche mit den verschiedenen Strahlern zusammenhängen, und welche kombiniert werden, um die Richtung und Form eines ausgesandten oder empfangenen Antennenstrahls festzulegen.
Ein jedes Sende-Empfangs-Modul gemäß dem Stand der Technik umfaßt typischerweise einen Gehäuseaufbau oder eine Packung, welche Mikrowellensignalbearbeitungsmittel umfaßt zum Bearbeiten ausgesandter und empfangener Radarsignale, Steuersignalbearbeitungsmittel, die mit den Mikrowellensignalbearbeitungsbauteilen verbunden sind, um Steuersignale daran anzukoppeln, sowie Leistungsbeeinflussungsmittel, die eine Vielzahl von Leistungsbeeinflussungsbauteilen umfassen, die wahlweise mit den Mikrowellensignalbearbeitungsbauteilen und den Steuersignalbearbeitungsbauteilen verbunden sind, um elektrische Leistung dahin abzugeben. Da eine solche Vorrichtung bei relativ hohen Leistungspegeln arbeitet, gibt es normalerweise auch Mittel zum Ableiten der Wärme, die durch die verschiedenen Bauteile erzeugt wird, insbesondere die Mikrowellenleistungsverstärker und die Leistungsbeeinflussungsbauteile, die damit in Verbindung stehen.
Dementsprechend gibt es eine fortlaufende Entwicklung in diesem Gebiet der Mikrowellentechnologie, um Sende-Empfangs-Module zu produzieren, welche kleiner sind, leichter im Gewicht und niedriger hinsichtlich der Kosten, während sie zum selben Zeitpunkt eine Verbesserung darstellen hinsichtlich ihrer Einsatzleistung und Zuverlässigkeit sowie auch bei der Erleichterung der Montagefreundlichkeit in einer Antennenanordnung.
Ein bekanntes Sende-Empfangs-Modul, welches durch den Inhaber der vorliegenden Erfindung entwickelt wurde, ist im US-Patent 4,967,201 mit dem Titel "Multi-Layer Single Substrate Microwave Transmit/Receive Modul" gezeigt und beschrieben, welches am 30. Oktober 1990 an Edward L. Rich, III, einem in der vorliegenden Anmeldung genannten Erfinder, erteilt wurde. Das darin offenbarte Modul wird als "Zuckerwürfel"-Sende-Empfangs-Modul bezeichnet und umfaßt ein einzelnes Mehrfachschichtsubstrat mit zumindest zwei gegenüberliegenden Montageoberflächen des Substrats. Das Substrat umfaßt eine Vielzahl von integrierten dielektrischen Schichten, elektrischen Leitern und Wärmeleitern, die wahlweise verbunden sind zwischen den Schichten des Substrats. Mikrowellensignalbearbeitungsmittel sind aufgesetzt auf zumindest eine der Montageoberflächen des Substrats zum Bearbeiten von Mikrowellenradarsignalen. Kontrollsignalbearbeitungsmittel sind auch auf zumindest eine der Montageoberflächen des Substrats aufgesetzt zur Bereitstellung von Steuersignalen für die Mikrowellensignalbearbeitungsmittel. Leistungsbeeinflussungsmittel sind zusätzlich aufgesetzt auf zumindest eine der Montageoberflächen des Substrats, um elektrische Leistung zur Inbetriebnahme der Mikrowellensignalbearbeitungsmittel und Steuersignalbearbeitungsmittel bereitzustellen. Eine Wärmesenkenschnittstelle ist an einem Satz von Wärmeleitungselementen angekoppelt oder an Durchleitungen, die vertikal durch die Substratschichten hindurchlaufen und welche unter thermischen Aspekten in der Nähe von ausgewählten Bereichen der Mikrowellensignalbearbeitungsmittel, der Leistungsbeeinflussungsmittel und der Steuersignalbearbeitungsmittel angebracht sind, um thermische Energie von den Wärmeerzeugungselementen wegzuleiten, die auf dem Substrat aufgesetzt sind, und zwar hin zu einer Kühlplatte.
Das "Zuckerwürfel"-Modul umfaßt einen relativ frühen Sende-Empfangs-Modulaufbau, in welchem grundlegende Sende- und Empfangsfunktionen, wie sie seinerzeit ersonnen wurden, in einer einzelnen modularen Sende-Empfangseinheit ausgeführt sind, wobei der Betriebsaufbau solche Funktionen unterstützt, die gemeinsam auf einem Hauptsubstrat integriert sind. Während diese Vorrichtung wohl so arbeitet wie beabsichtigt, wurde festgestellt, daß bestimmte inhärente Mängel existieren. Zum Beispiel gilt, daß das "Zuckerwürfel"-Modul einen kompakten Aufbau zeigt, dabei aber nur einen einzigen Sende-Empfangs-Kanal aufweist und beschränkt ist durch seinen Aufbau auf einen Betrieb mit relativ niedriger Hochfrequenzleistungsausgabe und strukturell beschränkt ist auf eine einzelne Hochfrequenzverbindung mit einem Hochfrequenzmehrfachaufbau. Weiterhin gilt, obwohl dieser Typ von Modul eine Fähigkeit zum Einstecken von bestimmten elektrischen Verbindungen an seinem rückwärtigen Ende aufweist, es keine leicht zugängliche Möglichkeit zum Einstecken von Antennenverbindungen aufweist. Stattdessen weist jedes Modul einen Antennenstrahler auf, der an seinem vorderen Ende eingebaut ist, wobei bei der Installation Probleme verursacht werden beim Ausrichten von fehlausgerichteten Strahlern zwischen den eingebauten Sende-Empfangs-Modulen. Dies liegt daran, daß ausgesandte und empfangene Strahlen ausgerichtete Antennenstrahler benötigen, um eine Strahlkontrolle in Übereinstimmung mit Systembefehlen zu ermöglichen.
Weiterhin beschränkt der modulintegrierte Strahler des "Zuckerwürfel"-Moduls die Bandbreite während des Aussendens und Empfangens, und da er einen einfachen unpolarisierten zusammengefügten Aufbau aufweist, beschränkt er den Betrieb des Strahlers auf eine festgelegte Polarisation. Das "Zuckerwürfel"-Sende-Empfangs-Modul ist somit gekennzeichnet durch eine fehlende Flexibilität hinsichtlich der Polarisation, wohingegen ein guter Systemaufbau Polarisationsflexibilität erfordert, um verschiedene Einstellungen der Strahlungseigenschaften inklusive Bandbreite und Polarisation zu ermöglichen. Trägt zum Beispiel ein empfangenes Signal einen hohen Rauschpegel in einer bestimmten Polarisation, so ist es wünschenswert, eine Flexibilität zu haben, um die Polarisation auf einen Winkel einzustellen, bei dem das Rauschen reduziert ist. Auf diese Weise wird das Signal-Rauschverhältnis verstärkt und schwächere Signale können erfaßt werden mit einer im wesentlichen verringerten Rauschinterferenz.
Weiterhin kann in einer Antennenanordnung, die "Zuckerwürfel"-Sende-Empfangs-Module verwendet, der Stift innerhalb des einzigen koaxialen Hochfrequenzsteckverbinders zwischen einem jedem "Zuckerwürfel"-Modul und dem Systemmehrfachaufbau anfällig sein für eine zu große axiale Bewegung in Abhängigkeit von mechanischen Vibrationen der Antenne. Solche Stiftbewegungen können Hochfrequenzpfadlängen verändern, wodurch es zu einem erhöhten Rauschpegel sowie fehlerhaften Phasenänderungen kommt, was zu einer Strahldispersion führt, und dadurch die beabsichtigte Strahlkontrolle beeinflußt.
Neben anderen in Verbindung mit dem "Zuckerwürfel"-Sende-Empfangs-Modul auftretenden Problemen tritt auch die Entfernung von Wärme als Problem auf, die durch die sich darin befindlichen aktiven Bauteile erzeugt wird. Thermische Leiter, die vertikal durch den Schichtaufbau des Moduls hin zu einer Wärmeübertragungsschnittstelle verlaufen, sorgen nur für eine begrenzte Wärmeübertragung zur Entfernung von Wärme aus den aktiven Schaltkreisbauteilen. Im Ergebnis führt eine schlechte thermische Leistung mit dazu, daß nur relativ niedrige Hochfrequenzleistungsausgaben stattfinden.
In jüngerer Vergangenheit wurde ein verbessertes Sende-Empfangs-Modul durch den Inhaber der vorliegenden Erfindung entwickelt und ist offenbart im US-Patent 5,745,076 mit dem Titel "Transmit/Receive Module For Planar Active Apertures", ausgegeben an Thomas R. Turlington et al. am 28. April 1998. Das darin offenbarte Sende-Empfangs-Modul, welches vom Inhaber der vorliegenden Erfindung als "StackPak" bezeichnet wird, umfaßt einen Modulaufbau, welcher in die Rückseite einer aktiven Apertur eingesteckt werden kann und welcher diskrete Hochfrequenzgleichstrom- und Datenverteilungsmehrfachaufbauten umfaßt, die planar sind in ihrem Aufbau, und zusammengesteckt sind, und zwar eine auf der anderen zwischen einer kalten Platte und einer Antennenanordnung, wobei die Antennenelemente und Zirkulatoren angeordnet sind in einer einzelnen physikalischen Einheit, welche die vordere Schicht der Apertur bildet.
Das Sende-Empfangs-Modul selbst umfaßt eine Mehrfachchipmikrowellenpackung, welche aus einer Vielzahl von Schichten einer Hochtemperaturkeramik (HTCC = High Temperature Cofired Ceramic) besteht, und Erdungsebenen umfaßt, Streifenleitungen, Daten- und Gleichstromverbinder, thermische Durchleitungen und Hochfrequenzeingaben/-ausgaben, die durch die Hochfrequenzanordnung für eine Vielzahl von monolithisch integrierten Mikrowellenschaltkreisen (MMIC = Monolithic Microwave Integrated Circuit Chips) verlaufen, die angeordnet sind in Hohlräumen, die in der Schicht der Hochfrequenzanordnung ausgebildet sind. Die Architektur des Moduls umfaßt einen einzelnen Sende-Empfangs-Hochfrequenzsignalkanal, welcher seine Steuerfunktionen hinsichtlich des Verstärkungsabgleichs, der Phasenverschiebung und der Zwischenleistungsverstärkung sowohl in den Sende- als auch den Empfangsbetriebsarten teilt.
Werden "StackPak"-Sende-Empfangs-Module eingebaut, so liegen sie an der kalten Platte an, um intern erzeugte Wärme abzuführen. Weiterhin hat jedes Sende-Empfangs-Modul Steckverbinderstifte, die sich von einer vorderen Modulseite nach vorne erstrecken, um alle Leistungs-, Steuerungs- und Hochfrequenzverbindungen, die für das Modul erforderlich sind, wenn es installiert wird, durch Einstecken in die rückwärtige Seite einer Antennenanordnung bereitzustellen. Die sich nach vorne erstreckenden Stifte laufen durch zugeordnete Hülsen, welche sich wiederum durch die übereinander angeordneten Schichten erstrecken, wodurch die notwendigen Verbindungen bereitgestellt werden, die zwischen den Stiften und den Antennenstrahlern bereitzustellen sind, den Hochfrequenzmehrfachaufbauten und den Steuer- und Leistungssystemen in den verschiedenen Schichten.
Das "StackPak"-Schema erinnert so an einen Schweizer Käse, in dem Sinne, daß die Hülsen durch die Öffnungen der Anordnung verlaufen, um die notwendigen Verbindungen für die Gleichstromleistung, Gleichstromdigitalsteuerung und Hochfrequenzsignalverbindungen für die Sende-Empfangs-Module bereitzustellen.
Wird Wärme auf einen Wärmetauscher abgeführt, so kann ein "StackPak" Sende-Empfangs-Modul nur einen Teil seiner vorderen Oberfläche zum Abführen von Wärme verwenden. Integrierte Galliumarsenid-Schaltkreise werden normalerweise für die Hochfrequenzleistungsverstärkung in Sende-Empfangs-Modulen verwendet und die Temperatur und Zuverlässigkeitsspezifikationen für diese Vorrichtungen verlangen eine Erhöhung der Wärmeabführung zum Vergrößern der Leistungseinstufung.
Somit zeigen "StackPak" Sende-Empfangs-Module eine relativ schlechte Wärmeabführung, und dementsprechend beschränken sie die Erzeugung von Hochfrequenzleistung, und zwar größtenteils aufgrund der Tatsache, daß der vorne angebrachte "Vorhof" des Sende-Empfangs-Moduls die Wärmeübertragungs- und elektrischen Verbindungsfunktionen teilen muß, wodurch sich ein Betrieb mit einer stark beschränkten Oberfläche zur Wärmeentfernung ergibt.
Während der substratbasierte Aufbau des "StackPak" Kavitäten in einer Hochfrequenzaufbaulage verwendet zur Anordnung von verschiedenen Hochfrequenzhalbleitervorrichtungen, um die Hochfrequenzschaltkreise in einem einzelnen Hochfrequenzkanal zu unterstützen, sind zwischen zwei oder mehreren diskreten Sende-Empfangs-Kanälen keine Halbleitervorrichtungslayouts oder Hochfrequenzschaltkreisdurchführungen und Hochfrequenzabschirmungen und Isolierungen vorgesehen.
Das "StackPak" Sende-Empfangs-Modul ist auch beschränkt aufgrund der Tatsache, daß es Hochfrequenzeingabe-/Ausgabekoaxialsteckverbinder an drei verschiedenen Kanten des Moduls verwendet, wodurch die Fähigkeit der Modulinstallation beeinträchtigt wird, die Hochfrequenzschaltkreislänge, der Hochfrequenzleistungsverlust und die Hochfrequenzkanalisolation.
Das "StackPak" Sende-Empfangs-Modul wird weiterhin behindert aufgrund der beschränkten Kapazität zum Weiterleiten von Gleichstromleistung von einer externen Gleichstromquelle auf das Sende-Empfangs-Modul. Somit liefert in einer aktiven Apertur ein Niedrigspannungsbus normalerweise Leistung an Sende-Empfangs-Module von einer externen Leistungsquelle, d. h. von einem Kleinstromwandler, welcher eine Hauptquellenspannung (wie zum Beispiel 240 Volt) auf eine niedrige Gleichspannung (wie z. B. 10 V oder 11 V) für die Verwendung im Modul wandelt. Das Gewicht des Gleichspannungsbusses (LVDC = Low Voltage DC) vergrößert sich im Verhältnis zum Quadrat der Länge des Buspfades und im Verhältnis zum Quadrat des Stroms, welcher durch den LVDC fließt. Eine vergrößerte Hochfrequenzausgabeleistung erfordert vergrößerte Sendestromimpulse, welche erhöhte Anforderungen an den Spitzenstrom der Eingabeversorgungsleistungsschaltkreise stellen, d. h. einen vergrößerten Buspfadquerschnitt und Gewicht erfordern, falls Vergrößerungen bei den Busleistungsverlusten und der Wärmeerzeugung vermieden werden sollen. Diese Prinzipien sind auch anwendbar auf jede beliebige Eingabe LVDC Pfadlänge, die mit der den externen LVDC Buspfad verbunden ist, und welche sich innerhalb des Sende-Empfangs-Moduls hin zu Leistungsverteilungspunkten erstreckt. Jedoch wäre die interne LVDC Buspfadlänge normalerweise relativ kurz und würde weniger Auswirkung haben auf die Busleistungsverluste und Wärmeerzeugung, als dies beim externen LVDC Bus der Fall wäre. In Übereinstimmung mit einer ordnungsgemäßen Praxis beim Designaufbau führt der LVDC Busaufbau wünschenswerterweise dazu, daß Verluste bei oder unterhalb eines vorgegebenen Prozentsatzes der Hochfrequenzleistungsausgabe liegen, was einer Kontrolle des Wirkungsgrads beim Herstellen der Ausgabe von Hochfrequenzausgabeleistung dient. Somit verlangen die Erhöhungen bei der Hochfrequenzleistungsausgabe wesentlich vergrößerte LVDC Busgröße und Gewicht.
Somit beeinflußt der Aufbau des "StackPak" Sende-Empfangs-Moduls im wesentlichen die Hochfrequenzleistungsausgabe, da eine zu große Busgröße und Gewicht erforderlich sind, um wünschenswerte Pegel der Hochfrequenzausgabeleistung zu erreichen. Andere Faktoren, wie eine schlechte Wärmeabführung beschränken ebenfalls die Hochfrequenzausgabeleistung beim "StackPak" Aufbau. Obwohl das Modul zu einigen Kostenverbesserungen führen kann durch Drahtbonden von Chip zu Chip, führt es immer noch zu einigen Kostennachteilen, die sich aus Faktoren ergeben, die die Verwendung von Mehrfachgehäuse/Verbindungs-/Abdichtungsstücken umfassen.
Ein weiteres elektronisches Modul für eine Anordnung einer phasengesteuerten Gruppenantenne ist in US-A-5 276 455 offenbart. Das dort offenbarte Modul kann entweder ein Sender oder ein Empfänger sein, oder kann beide Funktionen ausfüllen. Gemäß der Offenbarung umfaßt ein jedes Modul ein Substrat und eine Trägerschicht, wobei die Trägerschicht elektrische und thermische Leitfähigkeit aufweist. Einige aktive Schaltkreisbauteile sind direkt auf die Trägerschicht innerhalb der Kavitäten aufgesetzt, die innerhalb des Substrats ausgebildet sind. Ein Deckel wird bereitgestellt, welcher auf dem Substrat abdichtend angebracht ist und einen einzelnen inneren Gehäuseraum für alle Schaltkreisbauteile bereitstellt, die von der Außenseite des Moduls isoliert sind. Hochfrequenzeingabe- und Ausgabeanschlüsse sind an jeweiligen gegenüberliegenden Enden des Substrats angebracht. Gleichstromleistungszuführungsverbindungen und logische Verbindungen sind ebenfalls bereitgestellt an wechselseitig gegenüberliegenden Enden des Substrats.
Trotz der Fortschritte, die beim Stand der Technik bei den oben genannten Sende-Empfangs-Modulen gemacht worden sind, gibt es nach wie vor ein Bedürfnis für Verbesserungen, die zu Reduktionen bei Gewicht, Kosten und Größe führen, während zur selben Zeit die erforderlichen Leistungsparameter beizubehalten sind.
Beim Durchführen weiterer Entwicklungen von Sende-Empfangs-Modulen, ist es wünschenswert, daß die folgenden Ziele erfüllt werden: (1) Maximale Hochfrequenzausgabeleistung; (2) Minimierung der abgeschirmten Hochfrequenzschaltkreisdurchführungen innerhalb eines Moduls; (3) Minimierung der Kennziffern für das empfangene Rauschen; (4) Maximale Isolierung zwischen Hochfrequenzkanälen, um eine ordentliche Strahlsteuerung und -formung zu ermöglichen; (5) Phasenanpassbarkeit zum Erleichtern der Strahlsteuerung; (6) Minimierung der Wärmeerzeugung; (7) Minimierung des thermischen Widerstands, was eine maximale Wärmeableitung ermöglicht; (8) Minimierung eines Halbleiterübergangstemperaturanstiegs; (9) Minimierung der einfließenden Stromleistung; (10) Minimierung der Wegführung der logischen Schaltkreise; und (11) eine relative Einfachheit bei der Installation in einer Antennenanordnung.
Zusammengefaßt ist zu sagen, daß der Stand der Technik gemäß seinen früheren und gegenwärtig bekannten Ausbildungen im allgemeinen mangelhaft gewesen ist beim Erfüllen der oben genannten Ziele, und zwar sowohl jeweils einzeln als auch gemeinschaftlich. Die vorliegende Anmeldung zielt deshalb auf ein verbessertes Sende-Empfangs-Modul ab, welches die oben genannten Ziele erfüllt, während gleichzeitig Kosten reduziert werden, eine größere Verläßlichkeit erreicht wird, sowie eine größere Handhabbarkeit.
Zusammenfassung
Dementsprechend ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Verbesserung bei Mikrowellen-Sende-Empfangs-(T/R)-Modulen bereitzustellen.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Verbesserung bei Sende-Empfangs-Modulen bereitzustellen, die in Verbindung mit einer aktiven Apertur eines Impulsradarsystems verwendet werden.
Und es ist nochmals ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Packung für Sende-Empfangs-Module bereitzustellen, die in in einem Radarsystem mit phasengesteuerter Gruppenantenne verwendet werden.
Und es ist ein nochmals weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine preiswerte Packung für ein Sende-Empfangs-Modul bereitzustellen, was zu einer reduzierten thermischen Impedanz führt, während eine hohe Kanalisolation zwischen einer Vielzahl von diskreten Sende-Empfangs-Kanälen bereitgestellt wird, die Seite an Seite in einem gemeinsamen Gehäuseaufbau untergebracht sind.
Die zuvorstehend erläuterten und weitere Ziele werden erreicht durch ein Sende-Empfangs-Modul, wie in Anspruch 1 definiert. Weitere bevorzugte Ausführungsformen sind in den Ansprüchen 2 bis 55 definiert. Gemäß weiteren Aspekten der vorliegenden Erfindung sind eine Vielzahl, bevorzugterweise zwei, diskrete Sende-Empfangs-(T/R)-Kanäle ausgebildet in einer einzelnen gemeinsamen Packung und weisen die Fähigkeit auf, kombinierte Funktionen bereitzustellen, Steuerungs- und Leistungsbeeinflussung, während ein einziges Mehrfachschichtsubstrat mit mehreren Kavitäten verwendet wird, welches aus Hochtemperaturkeramikschichten (HTCC = High Temperature Cofired Ceramics) besteht. Die Keramikschichten haben äußere Oberflächen mit jeweiligen Metallisierungsmustern von Erdungsebenen und Leitern sowie Durchführungen oder vertikale Durchleitungen, die darin ausgebildet sind, um eine dreidimensionale Führung von sowohl Hochfrequenz- als auch Gleichstromsignalen bereitzustellen, um so neben anderem ein Paar von Hochfrequenzmehrfachsignalkopplern zu konfigurieren, welche in dem Substrat eingebettet sind und deren Übergang zu einer Hoch frequenzschnittstelle einen Mehrfachstift-Hochfrequenzsteckverbinderaufbau am vorderen Ende der Packung auweist. Die Hochfrequenzsignalpfade sind in elektrischen Abschirmungen eingeschlossen, die durch parallele Leitungen von Durchführungen und darübergreifenden streifenleiterförmigen Leiterelementen gebildet sind. Eine Gleichstrom- und Logikschnittstelle ist am rückwärtigen Ende der Packung angebracht und umfaßt Mittel, mit denen Gleichstrom und Steuersignale auf eine Vielzahl von aktiven Schaltbausteinen gegeben werden, und die anwendungsspezifische integrierte Schaltkreise (ASIC = Application Specific Integrated Circuit Chips) sowie monolithisch integrierte Mikrowellenschaltkreise (MMIC = Microwave Integrated Circuit Chips) mittels Federkontaktelementen enthalten. Die MMIC, welche Hochfrequenzleistungsschaltkreise umfassen, erzeugen den Großteil der Wärme, sind in Mehrfachebenenkavitäten untergebracht, die in dem Substrat ausgebildet sind, und sind direkt angebondet an eine im wesentlichen flache Kühlplatte, die an der Unterseite des Substrats befestigt ist, und die als effiziente thermische Schnittstelle zu einem externen Wärmetauscher in Art einer kalten Platte dient. Eine Beeinflussung der Gleichstromleistung wird ebenfalls durchgeführt durch einen Energiespeicherungsunteraufbau in Form einer Kondensatorbank, die extern angebracht ist an der Rückseite der Sende-Empfangs-Modulpackung, um zusätzliche Leistung zur Erzeugung von Spitzenleistung bereitzustellen.
Ein weiterer Bereich der Anwendbarkeit der vorliegenden Erfindung wird ersichtlich aus der im folgenden gegebenen ausführlichen Beschreibung. Es sei jedoch angemerkt, daß die ausführliche Beschreibung und das spezifische Beispiel, obwohl sie die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutern, nur zum Zwecke der Veranschaulichung gegeben wird, da zahlreiche Veränderungen, Abänderungen und Modifiktionen, die innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung liegen, für den Fachmann aus dieser ausführlichen Beschreibung in naheliegender Weise ersichtlich werden.
Kurze Figurenbeschreibung
Die vorliegende Erfindung wird besser verständlich, wenn sie in Zusammenschau mit den beigefügten Zeichnungen betrachtet wird, welche nur zum Zwecke der Veranschaulichung beigefügt sind und somit nicht zu einer Beschränkung der vorliegenden Erfindung führen sollen.
Es zeigen:
1 ein elektrisches Blockdiagramm, welches ein Radarsystem mit phasengesteuerter Gruppenantenne grob veranschaulicht, die ein Sende-Empfangs-Modul in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung aufweist;
2A bis 2D eine perspektivische Ansicht von oben, sowie Draufsichten von der Seite und unten auf ein Sende-Empfangs-Modul in Übereinstimmung mit der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
3 eine perspektivische Darstellung einer Engergiespeicherkondensatorbank, die am rückwärtigen Ende des in 1 gezeigten Sende-Empfangs-Moduls angebracht ist;
4 eine Explosionsdarstellung der in 3 gezeigten Kondensatorbank;
5A, 5B, 5C und 5D Ansichten von oben, der Seite und unten sowie einen schematischen Schaltplan der Schaltkreisanordnung der in 4 gezeigten Kondensatorbank;
6 eine Draufsicht auf das Innere der in 1 gezeigten Sende-Empfangs-Modulpackung, welche versehen ist mit Bauteilen eines jeden funktionellen Untersystems, welches darin untergebracht ist;
7A bis 7B Ansichten von der Seite, von oben, von unten und von vorne einer nicht bestückten Sende-Empfangs-Modulpackung, wie in 1 gezeigt;
8 einen Querschnitt durch die in 7B gezeigte Sende-Empfangs-Modulpackung, und zwar längs der Linien 8-8 hiervon;
9 einen Querschnitt der in 7B gezeigten Sende-Empfangs-Modulpackung, und zwar längs der Linen 9-9 hiervon;
10 einen Querschnitt der in 7B gezeigten Sende-Empfangs-Modulpackung, und zwar längs der Linien 10-10 hiervon;
11 eine vergrößerte Ansicht des linken Seitenbereichs des in 8 gezeigten Querschnitts, welche weiterhin die Aufeinanderschichtung der verschiedenen HTC Keramikschichten zeigt, die im vorderen Bereich des in 7B gezeigten Sende-Empfangs-Modulpackung angebracht sind;
12A bis 12D Ansichten von der Seite, von oben, von unten und von vorne auf eine nicht bestückte Sende-Empfangs-Modulpackung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung, wie in 7A bis 7G gezeigt, die dabei eine unten angebrachte Kühlplatte aufweisen, die mit einem Hochfrequenzkoaxialsteckverbinderaufbau im vorderen Bereich der Packung angebracht ist;
13 einen Querschnitt der in 12B gezeigten Sende-Empfangs-Modulpackung, und zwar längs der Linie 13-13 hiervon;
14 ein Diagramm, welches weiterhin die HTCC Keramikschichten im vorderen Bereich der Packung zeigt zusammen mit Mustern der Erdungs- und Signaldurchleitungen, die einen Hochfrequenzübergang zwischen bestimmten Schichten bilden;
15 einen schematischen elektrischen Schaltplan, der die Hochfrequenzsignalpfade veranschaulicht, die innerhalb der Packung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ausgeführt sind;
16 ein vereinfachtes elektrisches Blockdiagramm der Zweikanalsende-/Empfangsschaltkreisarchitektur, welche mit den in 6 gezeigten Bauteilen ausgeführt ist;
17A bis 17C Veranschaulichungen des Erdungsmetallisierungsmusters, der Metallisierung der Durchleitungen und des Musters der oberen Metallisierung, die ausgebildet sind in Verbindung mit der in 14 gezeigten HTCC Schicht 1;
18A bis 18B Veranschaulichungen der Metallisierungsmuster der Durchleitungen und der oberen Oberfläche, die ausgebildet sind in Verbindung mit der in 14 gezeigten HTCC Schicht 2;
19A bis 19B eine Veranschaulichung des Metallisierungsmusters der Durchleitungen und der oberen Oberfläche, die in Verbindung mit der in 14 gezeigten HTCC Schicht 3 gezeigt sind;
20A bis 20B Veranschaulichungen des Metallisierungsmusters der Durchleitungen und einer Erdung, die in Verbindung mit der in 14 gezeigten HTCC Schicht 4 ausgebildet sind;
21A bis 21B Veranschaulichungen des Metallisierungsmusters der Durchleitung und der oberen Oberfläche, die in Verbindung mit der in 14 gezeigten HTCC Schicht 5 ausgebildet sind;
22A bis 22B Veranschaulichungen der Metallisierungsmuster der Durchleitungen an der oberen Oberfläche, die in Verbindung mit der in 14 gezeigten HTCC Schicht 6 ausgebildet sind;
23A bis 23B Veranschaulichungen des Metallisierungsmusters der Durchleitung und Erdung, die in Verbindung mit der in 14 gezeigten HTCC Schicht 7 ausgebildet sind;
24A bis 24B Veranschaulichungen des Metallisierungsmusters der Durchleitung an der oberen Oberfläche, die in Verbindung mit der in 14 gezeigten HTCC Schicht 8 ausgebildet sind;
25A bis 26B Veranschaulichungen der Metallisierungsmuster der Durchleitung an der oberen Oberfläche, die in Verbindung mit der in 4 gezeigten HTCC Schicht 9 ausgebildet sind; und
26A bis 26B Veranschaulichungen des Metallisierungsmusters der Durchleitung und der Erdung, welche in Verbindung mit der in 14 gezeigten HTCC Schicht 10 ausgebildet ist.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Betrachtet man die Figuren und insbesondere 1, so ist ein Blockdiagramm offenbart, welches in allgemeiner Form eine aktive Apertur 1 eines Radarsystems 2 offenbart, welches eine Vielzahl von phasengesteuerten Gruppenantennenelementen 3 umfaßt, die mit einer Vielzahl von identischen Zweikanal-Sende-Empfangs-Modulen 10 mittels jeweiligen Hochfrequenzzirkulatoren 4 verbunden sind. Ein jedes Sende-Empfangs-Modul 10 umfaßt ein Paar von Hochfrequenzsendeports TX1 und TX2 sowie ein Paar von Empfangsports RX1 und RX2, die mit verschiedenen Antennenelementen 3 und Zirkulatoren 4 verbunden sind, um zwei getrennte und unterschiedliche Sende-Empfangs-Kanäle zu verwirklichen, die innerhalb eines gemeinsamen Sende-Empfangs-Moduls 10 ausgebildet sind. Beide Sende-Empfangs-Kanäle teilen weiterhin einen gemeinsamen Eingangsport TXM eines Sendemehrfachaufbaus 5 und ein gemeinsames Ausgangsport RXM eines Empfangsmehrfachsaufbaus 6, die Teil eines gemeinsamen Hochfrequenzmehrfachaufbaus für das System darstellen. Die kombinierte Ausgabe aus dem Empfangsmehrfachaufbau 6 wird auf den Empfangsabschnitt (nicht gezeigt) des Radarsystems 2 gegeben. Hochfrequenzimpulse, die zur Aussendung erzeugt werden, werden über einen Gruppentreiber 7 auf den Sendemehrfachaufbau 5 gegeben. Die sechs Hochfrequenzeingabe-/ausgabe ports TX1, TX2, RX1, RX2, TXM und RXM definieren eine Hochfrequenzschnittstelle für das Sende-Empfangs-Modul 10. Das Modul 10 empfängt weiterhin Gleichstromleistung aus einer Gleichstromquelle 8 sowie Strahlsteuerungskontrollsignale, welche empfangen werden von einem Strahlregler 9 über eine Leistungs-Logikschnittstelle. All diese Untersysteme sind unter der Kontrolle eines oder mehrerer Mikroprozessoren (nicht gezeigt), die in dem Radarsystem 2 untergebracht sind.
Betrachtet man nun die Einzelheiten der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wie in den 2A bis 2D gezeigt, so zeigt das Sende-Empfangs-Modul 10 ein längliches, relativ dünnes Profil und verwirklicht ein Paar diskreter Sende-Empfangs-Kanäle innerhalb einer einzelnen gemeinsamen Packung, die einen Mehrfachschichtsubstrataufbau 12 zeigen, der aus einer Vielzahl von Hochtemperaturkeramikschichten (HTCC) besteht, die später beschrieben werden, die miteinander verbunden sind in einer im wesentlichen flachen, rechteckförmigen Anordnung, welche einen relativ breiten vorderen Endbereich 14 und einen relativ schmalen hinteren Endbereich 16 umfaßt. Das Substrat 12 dient als Mittel zum Verbinden einer Anzahl von aktiven und passiven Bauteilen, die im folgenden beschrieben werden, zum Bereitstellen einer doppelten Sende-/Empfangsfunktion für ein Radarsystem mit phasengesteuerter Gruppenantenne.
Wie in den 2A bis 2C gezeigt, reicht ein flaches metallisiertes rechteckförmiges Gehäuse 18 über einen Metallringrahmen, welcher im folgenden gezeigt wird, und verbunden ist mit der Oberseite des Substrats 12 zum Schutze der elektronischen Bauteile, die innerhalb des Substrats untergebracht sind, und um auch eine Hochfrequenzabschirmung hierfür bereitzustellen. Eine flache rechteckförmige Kühlplatte 20 ist ebenfalls mit der Unterseite des Substrats 12 verbunden, wie in 2D gezeigt, und dient als thermische Schnittstelle zum Verteilen und Übertragen von Wärme, die innerhalb des Moduls 10 erzeugt wird, auf einen externen Wärmetauscher, zum Beispiel eine kalte Platte (nicht gezeigt). Am vorderen Ende des Substrats 12 sind, wie im besten aus 2A ersichtlich, sechs (6) diskrete Hochfrequenzsteckverbinder angebracht in einem einzigen Steckverbinderunteraufbau 22, der leicht in die Rückseite der Antennenordnung eingesteckt werden kann, und welcher als Hochfrequenzschnittstelle für alle Hochfrequenzsignale dient, die auf das Modul ein- und ausgekoppelt werden. Diese Bauteile sind weiterhin an das Substrat 10 hart angelötet und bilden eine Packung, die hermetisch abgedichtet ist.
Alle weiteren elektrischen Bauteile zwischen dem Modul 10 und der externen Vorrichtung, um z. B. Gleichstromleistung und Steuersignale herbeizuführen, werden durch die Gleichstrom/Logikschnittstelle geführt, die an der unteren Seite des Substrats angebracht ist, wobei die Kühlplatte 20 dazwischen liegt, und umfassen einen Satz von zwölf (12) federähnlichen Fingern 24₁ , 24₂ ... 24₁₂ (2C), und sind auf einer kleinen, im wesentlichen rechteckigen Schaltplatine 26 (5A bis 5C) aufgesetzt, die an der Unterseite des Moduls 10 hinter der Kühlplatte 20 angebracht sind. Die Schaltplatine 26 bildet einen Teil des Gleichstromleistungsspeicherungssystems, welche einen Kondensatorbankunteraufbau 28 umfaßt, der fünf (5) elektrische Kondensatoren 30₁ , 30₂ ... 30₅ und fünf (5) Sicherungen 32₁ , 32₂ ... 32₅ aufweist (2A), die jeweils in Reihe verbunden sind mit den Kondensatoren 30₁ ... 30₅ und deren Zweck darin besteht, dem Modul auf wohlbekannte Weise zusätzliche Gleichstromleistung zuzuführen, und zwar während des Spitzenleistungsbetriebs.
Der Kondensatorbankunteraufbau 28 ist weiterhin in den 3, 4 und 5A bis 5D gezeigt. Zusätzlich zu der Schaltplatine 26 umfaßt der Kondensatorbankunteraufbau 28 zusätzlich ein flaches Gehäuseelement oder "Kamm" 34, der an der unteren Oberfläche 36 der Schaltplatine 26 angebracht ist zum Schutz der Finger 24₁ , 24₂ ... 24₁₂ (5C) und ein relativ größeres oberes Element oder "Organisationshilfsmittel" 38, welches an der oberen Oberfläche 40 der Schaltplatine 26 angebracht ist zum Schutz der Kondensatoren 30₁ ... 30₅ und Sicherungen 32₁ ... 32₅ , die darauf aufgesetzt sind.
Die Elemente 34 und 38 bestehen bevorzugterweise aus gegossenem Kunststoff. Wie in 4 gezeigt, umfaßt der "Kamm" 34 einen vergrößerten Bereich 42 an einem Ende hiervon, welcher die Breite hiervon überspannt und zwölf relativ kurze identische parallele Schlitze 44₁ , 44₂ ... 44₁₂ umfaßt, die so ausgelegt sind, daß sie über und um die Finger 24₁ , 24₂ ... 24₁₂ passen, die in den 5B und 5C dargestellt sind.
Das "Organisationshilfsmittel" 38 umfaßt einen erhöhten Bereich 46, wie in 4 gezeigt, welcher fünf offene Kavitäten 48₁ ... 48₅ umfaßt, die um die Kondensatoren 30₁ ... 30₅ paßt. Hinter den Kavitäten 48₁ ... 48₅ sind fünf kleinere Kavitäten 50₁ ... 50₅ ausgebildet in einem relativ dünneren Bereich 52, welcher die Sicherungen 32₁ ... 32₅ umgibt und schützt.
Sowohl die obere als auch untere Oberfläche 40 und 36 der Schaltplatine 26 umfassen Metallisierungsmuster in Form von Leiterelementen, wie sie in den 5A und 5C gezeigt sind, zur Bereitstellung der Gleichstrom/Logikschnittstelle. Hinsichtlich des Leitermusters auf der oberen Oberfläche 40 sind, wie in 5A gezeigt, zehn gleich große relativ kleine rechteckförmige Leiter 52₁ , 52₂ , ... 52₁₀ und ein Leiter 54 mit doppelter Breite angebracht. Das Leiterelement 54 verbreitert sich hin zu einem breiteren Bereich der Metallisierung 56, der sich unter den vier größeren Kondensatoren 30₂ ... 30₅ erstreckt. Eine Seite dieser Kondensatoren ist gemeinsam mit der Metallisierungsfläche 56 verbunden. Ein relativ kleiner rechteckförmiger Metallisierungsbereich 58 erstreckt sich teilweise unterhalb des vorderen Endes des kleineren Kondensators 30₁ und ist damit verbunden. Das andere Ende der Kondensatoren 30₁ bis 30₅ endet jeweils in fünf gleichen Metallisierungsflächen 60₁ , 60₂ ... 60₅ und verbindet eine Seite der Kondensatoren 30₁ ... 30₅ an das angrenzende Ende der jeweiligen Sicherungen 32₁ –32₅ . Das gegenüberliegende Ende der Sicherung 32₁ für den kleineren Kondensator 30₁ verbindet einen kleinen Metallisierungsbereich 61, der eine verbindende Durchleitung durch die hintere Oberfläche 36 der Platine 26 umfaßt. Die gegenüberliegenden Enden der Sicherungen 32₂... 33₅ verbinden eine gemeinsame Metallisierungsfläche 63, die auch Verbindungsdurchleitungen zu der hinteren Oberfläche 36 der Platine 26 (5C) umfaßt.
Betrachtet man nun die hintere Oberfläche 36 der Schreibplatine 26, so sieht man, daß die zwölf metallischen Federfingerverbindungselemente 24₁ , 24₂ , ... 24₁₂ mit den oberen Leiterelementen 52₁ , ... 52₁₀ und 54 lagerichtig ausgerichtet sind und wechselweise verbunden sind mittels elektrischer Durchleitungen (nicht gezeigt) durch die Platine 26. Vier Metallisierungsflächen 62, 64, 66 und 68 sind zusätzlich auf der rückwärtigen Oberfläche 36 ausgebildet, wobei die Metallisierungsfläche 62 verbunden ist mit dem Fingerverbindungselement 24₃ , die Metallisierungsfläche 64 verbunden ist mit dem Steckverbinderelement 24₄ , die Metallisierungsfläche 66 gemeinsam verbunden ist mit einem ersten Paar von angrenzenden Verbindungselementen 24₅ und 26₆ , während die Metallisierungsfläche 66 gemeinsam verbunden ist mit einem zweiten Paar von Verbindungselementen 24₇ , 24₈ .
Das Sende-Empfangs-Modul 10 arbeitet mit zwei Spannungsversorgungspotentialen von jeweils externen Gleichstromquellen (nicht gezeigt), nämlich einer positiven Versorgungsspannung (+10,5 V Gleichstrom) und einem negativen Versorgungsspannungspotential (–6,5 V Gleichspannung). Die negative –6,5 V Versorgungsspannung wird mit dem Modul mittels eines Fingerelements 24₄ verbunden und hat eine Erdungsrückleitung mittels des Fingerelements 24₃ . Entsprechende Verbindungen hiervon sind mit den an der oberen Oberfläche vorgesehenen Leiterelementen 52₄ und 54₃ der 5A mittels Durchleitungen (nicht gezeigt) durch die Platine 26 vorgesehen. Die beiden Metallisierungsbereiche 62 und 64 sind über die Reihenschaltung des kleineren Kondensators 30₁ und seiner zugeordneten Sicherung 32₂ mittels der an der oberen Oberfläche angebrachten Leiterelemente 58 und 61 gekoppelt.
Die positive +10,5 Volt Versorgungsspannung ist gemeinsam mit den Verbindungsfingerelementen 24₇ und 24₈ verbunden, wo sie dann auf die oberen Leiterelemente 54 und 56 gegeben werden, die gemeinsam sind an einer Seite der vier parallel verbundenen Kondensatoren 30₂ , 30₃ , 30₄ und 30₅ . Eine +10,5 Volt Erdungsrückführung wird von den Finger 24₅ und 24₆ abzweigend zu der relativ großen Metallisierungsfläche 66 bereitgestellt, die zurück auf das Leiterelement 63 an der vorderen Oberfläche 40 (5A) führt. Diese Schaltkreisanordnung ist weiterhin schematisch in 5D gezeigt. Die verbleibenden Finger 24₁ , 24₂ und 24₉ ... 24₁₂ werden verwendet für logische Eingabe-/Ausgabesignale für das Modul, wie gezeigt, zum Beispiel, enthalten sie die Steuersignale VPROG, BIT, CMD–, CMD+, TR– und TR+.
Werden sie an das Substrat 12 angelegt, so kontaktieren die Leiterelemente 52₁ , ... 52₆ , 52₇ ... 52₁₀ komplementäre gegenüberliegende Kontaktsegmente 55₁ , ... 55₁₀ auf dem Substrat, wie z. B. 7C und 12C zeigen.
Betrachtet man nun die strukturellen Einzelheiten des Pakets des Sende-Empfangs-Moduls, so ist 6 allgemein veranschaulichend für einen Aufbau, welcher als TWIN PAK_TM ("Zwillingspaket") bezeichnet wird, da er bestückt ist mit zwei Sätzen von mit Halbleitern versehenen integrierten Schaltkreischips, die u. a. monolithisch integrierte Mikrowellenschaltkreise (MMIC) und anwendungsspezifische integrierte Schaltkreise (ASIC) umfassen zum Verwirklichen von zwei getrennten und unabhängigen Sende-Empfangs-Kanälen. Während zwei Sende-Empfangs-Kanäle für die bevorzugte Ausführungsform dieser Erfindung vorgesehen sind, ist es vorstellbar, daß mehr als zwei Kanäle verwirklicht werden könnten, falls notwendig, mit einem innovativeren Aufbau.
Nichts desto weniger umfaßt ein jeder der beiden Kanäle der vorliegenden Erfindung jeweils: Einen Modulregler 70, 72, einen Schalter/Phasenschieber 74, 76, einen Vor- oder Nachverstärker/Abschwächer/Schalter/Treiberverstärker 78, 80; einen Verstärker 82, 84 mit niedrigem Rauschen, ein Empfängerschutzelement 86 und 88 und einen Leistungsverstärker 90 und 92. Zwischen diesen Elementen angebracht sind ein Regler 94 mit gemeinsamen Gate, einem Leistungs-FET-Schalter 96 und einem Leistungsregler 98. Diese Elemente sind weiterhin im Blockdiagramm der 16 gezeigt und werden in größerer Einzelheit im folgenden betrachtet.
Das Substrat 12 umfaßt, wie weiter in 7B und 12B gezeigt, sechs Mehrfachebenenkavitäten, von denen drei, wie durch die Bezugszeichen 100, 102 und 104 gezeigt, angebracht sind längs einer Seitenkante des Substrats 12 und verwendet werden in Verbindung mit einem der Sende-Empfangs-Kanäle, während die anderen drei Kavitäten 106, 108 und 110 gleiche Mehrfachebenenkavitäten umfassen längs der anderen Seitenkante des Substrats 12 und verwendet werden in Verbindung mit dem anderen Sende-Empfangs-Kanal.
Die Kavitäten 100 ... 110 sind weiterhin in Querschnitten 8, 9, 10 und 13 gezeigt. Mit Ausnahme der vorne liegenden Kavitäten 104 und 110, die jeweils nur im Leistungsverstärker 90 und 92 vorgesehen sind, umfassen die anderen Kavitäten 100, 102 und 106, 108 zwei oder mehr integrierte Schaltkreisbauteile, die in 6 gezeigt sind. Solch eine Anordnung führt zu separaten isolierten Kavitäten für die Hochfrequenzverstärkungsstufen in der Eingabe und Ausgabe der Sendeschaltkreise. Zum Beispiel teilen die beiden rückwärtigen Kavitäten 100 und 106 jeweilige Schalter/Phasenschieber MMIC 74, 76 und Vorverstärker/Abschwächer/Schalter/Treiberverstärker MMIC 78, 80. Die dazwischenliegenden Kavitäten 102 und 108 umfassen jeweils Verstärker mit niedrigem Rauschen (LNA = Low Noise Amplifiers) 82 und 84 und Empfängerschutzmittel 86, 88. Hinsichtlich der Modulregler 70 und 72 sei angemerkt, daß sie nicht in den Kavitäten liegen, sondern angebracht sind auf einer oberen HTCC Schicht des Substrats 12.
Die beiden Modulregler 70 und 72, der Gateregler 94 und die Leistungssteuerung 98 bestehen aus ASIC, wohingegen die Phasenschieber/Schalter 74, 76; die Nachverstärker/Abschwächer/Schalter/Treiberelemente 78, 80; die Verstärker 82, 84 mit niedrigem Rauschen und die zwei Ausgabeleistungsverstärker 90, 92 MMIC umfassen, die in den Kavitäten 100, 102, 104, 106, 108 und 110 untergebracht sind, und welche in direkten Kontakt gebracht sind mit und angebondet sind an die Kühlplatte 20, wie zum Beispiel in 14 gezeigt. Während die Kühlplatte 20 bevorzugterweise aus einer Kupfer-Wolfram-Legierung besteht, um die Wärmeableitung der durch die MMIC erzeugten Wärme durch die Platte 20 zu einem externen Wärmewandler (nicht gezeigt) zu verbessern, können andere Wärmeleitungsmetallmaterialien auch verwendet werden, je nach Wunsch, wie zum Beispiel Kupfermolybdän oder Aluminiumsiliziumcarbid.
Ein Metallringrahmen, der mit dem Bezugszeichen 112 bezeichnet ist, ist auf der Oberseite des Substrats 12 hartgelötet, wie zum Beispiel in 6 und 13 gezeigt, und ist so ausgelegt, daß er an einen Hauptteil des Substrats 12 jenseits des vorderen Endbereichs 14 angrenzt, um die sechs Kavitäten 100, 102 ... 110 zu umfassen, sowie die Bereiche, die die Modulregler 70 und 72 umfassen und die gemeinsamen Schaltkreisbauteile 94, 96 und 98, die in der Mitte des Substrats auf einer jeden Seite der Sende-Empfangs-Kanäle untergebracht sind. Ihr Zweck besteht darin, das flache Gehäuseelement 18 aufzunehmen und zu stützen, welches in 1 und 2A gezeigt ist, und eine Isolierung und Hochfrequenzabschirmung von jeweiligen Elementen bereitzustellen.
7A bis 7D dienen der Veranschaulichung des Aufbaus des Substrats 12 in seinem nicht bestückten Zustand und ohne einen Hochfrequenzsteckverbinderaufbau 22 und ohne die Kühlplatte 20. Die 12A bis 12D dienen andererseits dazu, denselben nicht bestückten Aufbau des Substrats 12 zu zeigen, umfassen jetzt aber auch die Kühlplatte 20 und den Hochfrequenzsteckverbinderaufbau 22. Die Schraffur dient dazu, Oberflächen anzuzeigen, die Flächen mit freiliegender Metallisierung, zum Beispiel Gold, umfassen.
7 dient der Veranschaulichung der freiliegenden unteren Oberfläche 114 des Substrats 12 und umfaßt darin Öffnungen 116, 118 ... 126, die der Form der Kavitäten 100, 102 ... 110 entsprechen, die in 7B gezeigt sind, und zwar von oben betrachtet. Die Oberfläche 114 umfaßt weiterhin die am tiefsten gelegene Oberfläche der tiefstliegenden Schicht 13₁ , einer Vielzahl von übereinanderliegenden HTCC Schichten 13₁ ... 13₁₅ , wie in 8 bis 11, 13 und 14 gezeigt. Das Metallisierungsmuster umfaßt eine Erdungsebene der Metallisierung 128, die zwei Eingabeleitersegmente 55₃ und 55₅ umfaßt, sowie die isolierten Eingabe-/Ausgabeleitersegmente 55₁ , 55₂ , 55₄ , 55₆ ... 55₁₀ , welche mit den Leitersegmenten 52₁ ... 52₆ , 54, 52₇ ... 52₁₀ der Kondensatorbankverbindungsplatine 26 wie zum Beispiel in 5A gezeigt zusammentreffen. Es ist ersichtlich, daß das Leitersegment 55₃ der 7C und das Segment 52₃ der 5A eine gemeinsame Erdungsverbindung gemeinsam mit dem Segment 55₅ der 7C und den Segmenten 52₅ , 52₆ der 5A bilden.
7D zeigt die Stirnfläche 130 des vorderen Endbereichs 14 des Substrats 12, welche sechs (6) isolierte kreisförmie Metallisierungssegmente 132₁ , 132₂ ... 132₆ umfaßt, welche die Stiftanordnung von sechs (6) ausgerichteten Blindanpassungseinstecksteckverbindern 134₁ , 134₂ ... 134₆ festlegen, die im Steckverbinderaufbau 22 umfaßt sind, wie weiter in 12G gezeigt, und eingeschlossen sind in einem länglichen im wesentlichen rechteckförmigen Abdeckblech 136.
Der Steckverbinderaufbau 22 führt zu einer Inline-Steckverbinderanordnung, die aus zwei getrennten Sende-(TX)-Steckverbindern 134₂ und 134₆ besteht, zwei separaten Empfangs(RX)-Steckverbindern 134₁ und 134₅ für die individuelle Verbindung mit Antennenelementen einer jeden Anordnung, aber nur zu zwei Mehrfachsteckverbindern 134₃ und 134₄ , welche die Verbindung teilen mit einem Sende- und Empfangsmehrfachaufbau, und welche es ermöglichen, daß das Modul 10 leicht in die Anordnung während der Montage eingesteckt werden kann und danach bei Bedarf leicht davon entfernt werden kann.
Es ist ersichtlich unter Bezugnahme auf 12B, daß die innere Oberfläche der Kühlplatte 20 auch eine Metallisierung umfaßt, welche die Kavitätsöffnungen 116, 118 ... 126 der 7C bedeckt. Es ist diese Oberfläche, auf der alle wärmeerzeugenden MMIC in den sechs Kavitäten 100, 102 ... 110 aufgesetzt sind.
Betrachtet man nun die Querschnitte der 8 bis 11 und der 13, 14, so ist dort der Mehrfachebenenaufbau des Hochtemperaturkeramiksubstrats 12 gezeigt. Wie in 11 ersichtlich, besteht das Substrat 12 zum Beispiel aus 15 zusammenhängenden Schichten 13₁ , 13₂ ... 13₁₅ des HTCC Materials, welche Dicken aufweisen zwischen 0,006 Zoll bis 0,020 Zoll, und wobei die Schichten 13₁ bis 13₁₀ verwendet werden, um die sechs Kavitäten 100, 102, 104, 106, 108 und 110 zu bilden.
Der Mehrfachebenenaufbau des Substrats 12, wie in 14 gezeigt, ermöglicht es, daß passive Bauteile innerhalb der Kavitäten auf der Schicht oder der Stufe 13₄ angebracht sind zum Beispiel, und daß Drahtbonding-Verbindungen zwischen Chips bei der Schicht 13₂ vorgesehen sind und daß Verbindungen bereitgestellt werden zu den MMIC, die auf der Kühlplatte 20 angebracht sind. In 14 bedeutet das Bezugszeichen 90 den Hochfrequenzleistungsausgabeverstärker MMIC 90, der in der Kavität 104 angebracht ist. Die Schicht 13₁₀ umfaßt eine Schicht, auf der der Leistungssteuerungs-ASIC 98 angebracht ist. Weiterhin ist die Schicht 13₁₀ die Schicht, auf der das Ringrahmenelement 112 (13) und die Steckverbinderstifte 138₁ ... 138₆ eines Blindanpassungseinstecksteckverbinderaufbaus 22 durch Hartlöten aufgebracht sind. Die Steckverbinderstifte 138₁ bis 138₆ umfassen Elemente, welche hergestellt und geliefert sind von Gilbert Engineering, Inc., aus Phoenix, Arizona, und werden ausgebildet durch ein Element, welches als Gilbert-Einsteck oder "GPPO" (= Gilbert presson-) Steckverbinder bezeichnet werden. Die fünf am weitesten oben liegenden Schichten 13₁₁ bis 13₁₅ , die in der rechten Seite von 14 gezeigt sind, umfassen was als "Attrappen"-Schichten bezeichnet wird, und bilden den vorderen Bereich 14 des Substrats 12.
Die Substratschichten 13₁ bis 13₁₀ sichern die Fähigkeit, eine 3-D Durchführung von sowohl Hochfrequenzsignalen als auch Gleichstromsignalen innerhalb des Substrats 12 bereitzustellen sowie ein Einbetten eines Paars von Hochfrequenzmehrfachkoppelelementen hierin. Hochfrequenzdurchführung und Übergänge umfassen das Koppeln der Eingaben und Ausgaben von dem sechs Stifte umfassenden Steckverbinderaufbau 22 und stellen einen wohl abgestimmten Aufbau für all die MMIC bereit, die in den Kavitäten 100 ... 110 untergebracht sind. Eine abgeschirmte 3-D Durchführung wird erzielt innerhalb des Substrats 12 und resultiert daraus, daß die Schichten 13₁ ... 13₁₀ , aufgebaut sind aus zusammenhängenden diskreten dielektrischen Schichten, von denen eine jede sein eigenes Muster einer Erdungsebene und vertikale Durchführungen oder Durchleitungen aufweist, zusammen mit jeweiligen Mustern aus streifenförmigen Leitern, die ausgebildet sind aus der oberen Oberfläche hiervon, wie im folgenden gezeigt wird. Hochfrequenzsignale gehen in das Modul 10 hinein und verlassen dieses Mittel des Steckverbinderaufbaus 22.
Der Steckverbinderaufbau 22 umfaßt sechs gleiche Hochfrequenzkoaxialsteckverbinder 134₁ ... 134₆ , und umfaßt Stifte 138₁ ... 138₆ , die linear angeordnet sind (12D), und zwar innerhalb des Abdeckblechs 136 und über dieses. In 14 ist der Steckverbinderstift 138i so gezeigt, daß er mit einem streifenförmigen Leiter 140 auf der Oberseite der HTCC Schicht 13₁₀ verbunden ist. Der streifenförmige Leiter 140 erstreckt sich nach innen, wo er mit einer vertikalen Durchführung 142 verbunden ist, welche sich hinaberstreckt zu einer Länge eines streifenförmigen Leiters 144 auf der Oberseite der Schicht 13₆ . Unmittelbar unterhalb des Leiters 144 auf der Oberseite der Schicht 13₅ ist eine Länge eines streifenförmigen Leiters 146, welcher sich unter den Leiter 144 erstreckt. Solch eine Anordnung erlaubt eine Hochfrequenzkopplung zwischen den Leitern 144 und 146 und soll dazu dienen, das Konzept von zwei Hochfrequenzmehrfachkopplern zu veranschaulichen, bei denen einer als Signalaufteiler und einer als Signalkombinierer dient, welche eingebettet sind im Substrat 12 und im folgenden beschrieben werden.
Weiterhin ist, wie in 14 gezeigt, ein streifenförmiger Leiter 146 mit einer vertikalen Durchführung 148 verbunden, die nach unten abfällt zur Oberseite der Schicht 13₂ und dem streifenförmigen Leiter 150. An dem äußeren Ende des Leiters 150 ist ein angebondetes Drahtelement 151, welches den MMIC 90 verbindet. Ein streifenförmiges Leiterelement 149, welches als kapazitiver Stummel dient, ist ebenfalls auf der Oberseite der Schicht 13₁ gezeigt, unmittelbar unterhalb der Drahtbondingverbindung des Elements 151 mit dem Leiter 150. Isolierung und Abschirmung des Hochfrequenzkopplers, der durch die streifenförmigen Leiter 144 und 146 aufgebaut ist, werden weiterhin bereitgestellt durch die obere und untere Erdungsebene 152 und 154, welche mehrere vertikale Durchführungen 156, 158 und 162 umfassen, welche die Oberseite der Schichten 13₄ und 13₇ jeweils abschließen.
Weiterhin ist, wie in 14 gezeigt, das Abdeckblech 136 mit drei Erdungsebenen 164, 166 und 168 verbunden, welche weiter verbunden sind mit mehreren vertikalen Durchführungen 170, 172 und 174. Dies bringt in Kombination mit der Metallegierungsplatte 20 eine Abschirmung für die Signale, die in den Hochfrequenzsteckverbinderaufbau 22 hinein und aus diesem hinaus gehen.
Dadurch wird ein Hochfrequenzaufbau erreicht, der einen Abschnitt von einem Steckverbinder zu einem streifenförmigen Leiter umfaßt, einen Abschnitt von streifenförmigem Leiter zu streifenförmigem Leiter, einen Kopplerabschnitt und einen Abschnitt von streifenförmigem Leiter zu MMIC.
Eine Minimierung der Hochfrequenzausgabedurchführung wird erzielt durch den Aufbau der Erfindung, wie er in 14 gezeigt ist. Der daraus erzielte Vorteil beruht auf der Tatsache, daß ungefähr eins bis zwei dB Verlust erzeugt werden können durch jeden Zoll der Hochfrequenzdurchführung von einem Leistungsverstärker zur Hochfrequenzschnittstelle durch eine oder mehrere Modulschichten. Solch ein Verlust würde die Ausgabehochfrequenzleistung von nominell 100% auf ungefähr 80% absenken bei Verwendung von Tonerdekeramikdielektrika als Substrat und Schichtmaterial, oder auf ungefähr 63% bei Verwendung einer herkömmlichen schwarzen Keramik.
Betrachtet man die 17A, 17B, 17C bis 26A und 26B, worin sich dieselben Bezugszeichen auf gemeinsame Elemente beziehen, so sind hierin die vertikalen Durchführungen gezeigt, die ausgebildet sind durch eine jede der dielektrischen HTCC Schichten 13₁ ... 13₁₀ und die jeweiligen streifenförmigen Leitermetallisierungsmuster, die an den oberen Oberflächen hiervon ausgebildet sind.
Betrachtet man zunächst 17A, 17B und 17C, so ist hierin die am tiefsten liegende Schicht 13₁ des Substrats 12 gezeigt und eine, welche eine Erdungsebene 128 (7C) umfaßt, wobei die nach oben gerichtete Seite hiervon in 17A gezeigt ist längs den Gleichstromlogikleiterschnittstellenelementen 55₁ ... 55₁₀ . Im allgemeinen rechteckförmige unmetallisierte Flächen 116 ... 126, welche Öffnungen für die sechs Kavitäten 100, 102 ... 110 festlegen, sind ebenfalls in 17A gezeigt. Dieses selbe Muster von Öffnungen existiert auch in den oberen HTCC Schichten 13₁ ... 13₁₀ .
17B offenbart das Muster von Durchführungen, die vertikal durch die HTCC Schicht 13₁ ausgebildet sind. Die kreisförmigen Durchleitungsmuster 180, 182, 184 ... 198, 200 sind Veranschaulichungen für eine Vielzahl von zylindrischen vertikalen Durchführungsmustern, welche in Kombination mit den oberen Keramikschichten 13₂ und 13₁₃ gesehen werden können, sowie den 18A und 19B, um zylinderähnliche abgeschirmte Passagen für hochfrequenzsignaltragende Durchleitungen zu bilden, die in kreisförmigen Mustern von Durchleitungen angeordnet sind und vertikal zwischen Schichten verlaufen. Paare von paarweise parallelen Leitungen von Durchführungen 202, 204 ... 216, 218 entsprechen abschirmenden Passagen für signaltragende streifenförmige Leiter, die in der Schicht 13₂ angebracht sind (18A, 18B) oberhalb der Schicht 13₁ .
Die obere Oberfläche der Schicht 13₁ , wie in 17C gezeigt, umfaßt ein streifenförmiges Metallisierungsmuster, welches im Zusammenspiel mit den darunterliegenden Leitungen der Durchführungen 202 ... 218 dazu dient, eine am Boden kanalförmig ausgebildete Hochfrequenzabschirmungsschicht für die signaltragenden Leiter bereitzustellen, die oberhalb einer Schicht 13₂ zusammen mit streifenförmigen Elementen 222, 224 ... 336, 338 angebracht sind.
Betrachtet man nun die Schicht 13₂ und 18A und 18B, so ist die Anordnung der vertikalen Durchführungen, die in 18A gezeigt ist, im wesentlichen dieselbe wie die in 17A gezeigte, mit Ausnahme der Abwesenheit von Durchführungen im Bereich der Fläche, die mit den Bezugszeichen 240 bezeichnet ist. Das Muster der Metallisierung der 18B paßt zu dem der 17C, umfaßt nun aber auch zum Beispiel hochfrequenzsignaltragende streifenförmige Leiter 240, 242 ... 264, 266, wobei Leiter 240, 242, 250, 254, 256, 258, 260, 262 und 266 in vertikalen Durchführungen 241, 251, 255, 257, 259, 261, 263, 365 und 267 enden. Grenzen der Metallisierung 268, 270 ... 278, 280 umschließen die Kavitätsbereiche 116 ... 126 (17A). Es ist wichtig, daß man sich vor Augen führt, daß die streifenförmigen Leiter 250, 254 und 266 mittels vertikaler Durchführungen 251, 255 und 267 zu Hochfrequenzsteckverbindern 134₁ (RX1), 132₂ (TX1) und 134₆ (TX2) hinausreichen, die in 12D dargestellt sind.
Bei der in 19A und B gezeigten dritten Schicht 13₃ entspricht deren Muster von vertikalen Durchführungen, wie in 19A gezeigt, dem Muster von Durchführungen der 17B und 18A, insbesondere mit Hinblick auf die parallelen Leitungspaare von Durchführungen 202 .. 218. Die obere Oberfläche der Metallisierung der 19B umfaßt im wesentlichen dasselbe streifenförmige Muster wie in 17C gezeigt, wobei aber ein Extra-Metallisierungsbereich 281 enthalten ist, und dient so als obere mit Kanälen versehene Abschirmschicht, wodurch ein abgeschirmter äußerer Leiter oder eine Passage für die in der Schicht 13₂ enthaltenen signaltragenden Leiter bereitgestellt wird.
Die unteren drei Schichten 13₁ , 13₂ und 13₃ des HTCC Materials bilden somit eines von zwei Niveaus der Hochfrequenzführung und eines zum Durchführen von Hochfrequenzsignalen zwischen den verschiedenen MMIC in den Kavitäten 100 ... 110 und dem Steckverbinderaufbau 22 (12D).
Geht man weiter nach oben im Substrat 12, so umfaßt die Schicht 13₄ , wie in den 20A und 20B gezeigt, eine HTCC Schicht, die eine erste innere Erdungsebene realisiert. Seine Anordnung von Durchführungen, wie in 20A gezeigt, paßt im wesentlichen zu dem Durchführungsmuster, wie in der darunterliegenden Schicht 13₃ (19A) gezeigt. Die obere Oberfläche der Schicht 13₄ (20B) umfaßt eine Erdungsebene aus einem streifen förmigen Leiter, der durch das Bezugszeichen 282 dargestellt ist, zusammen mit einer Vielzahl von kreisförmigen Öffnungen, in denen Durchführungen 241, 243 ... 267 wie gezeigt enthalten sind. Diese Durchführungen entsprechen den darunterliegenden Durchführunen mit denselben Nummern wie in 19B.
Als nächstes verwirklichen die Zwischenschichten 13₅ , 13₆ und 13₇ zusätzlich dazu, daß sie spezielle Muster von Leitern und Durchführungen enthalten, auch ein Paar von Hochfrequenzsignalkopplern, die mit beiden Sende-Empfangs-Kanälen verbunden sind, und welche dazu führen, daß zwei relativ teure GPPO Mehrfachsteckverbinder überflüssig werden. Ein Beispiel, wie solch ein Koppler bei der vorliegenden Erfindung hergestellt wird, ist in 14 gezeigt, unter Bezugnahme auf die streifenförmigen Leiter, die mit dem Bezugszeichen 144 und 146 bezeichnet sind.
Betrachtet man nun die fünfte HTCC Schicht 13₅ , wie in 21A und 21B gezeigt, so ist in 21A ein vertikales Durchführungsmuster von Durchführungen und streifenförmigen Leitern gezeigt, welches u. a. auch die kreisförmigen Durchführungsmuster 180, 181, 182 ... 198 , 200 umfaßt, aber nun auch neue parallele Leitungspaare von Durchführungen 284, 286, 288 und 290 umfaßt, wobei die Paare 286, 288 und 290 in jeweiligen zusätzlichen kreisförmigen Durchleitungsmustern 292, 294 und 296 enden, die am Hochfrequenzsteckverbinderende des Substrats angebracht sind.
Mit Hinblick auf das Metallisierungsmuster auf der oberen Oberfläche der Schicht 13₅ , wie in 21B gezeigt, umfaßt es Paare von parallelen streifenförmigen Abschirmungsleitern 298, 300 und 302 oberhalb der parallelen Leitungen von Durchführungen 284, 286 und 288, die in 21A gezeigt sind. Weiterhin sind abschirmende streifenförmige Leitungen 304, 306 ... 312, 314 abermals um die Öffnungen der Kavitäten 102, 104 ... 110 ausgebildet.
Mittig angebracht auf der Schicht 13₅ sind zwei darunterliegende Streifenleitungssegmente 316 und 318 der beiden Hochfrequenzsignalkoppler, wobei einer ein Sendemehrfachkoppler 320 ist, der als Hochfrequenzsignalaufteiler dient, und der andere ein Empfangsmehrfachkoppler 322, der als Hochfrequenzsignalkombinierer dient, und dessen jeweiligen übereinanderliegenden streifenförmigen Segmente mittels der Bezugszeichen 324 und 326 in 22B (Schicht 13₆ ) gezeigt sind. Eine Seite des Empfangsmehrfachkopplersegments 316 ist mit dem Leiter 328 und der Durchführung 259 verbunden, während das gegenüberliegende Ende mit einem länglichen Leiter 330 verbunden ist, welcher durch das Leiterpaar 312 zu einer vertikalen Durchführung 334 im kreisförmigen Durchführungsmuster 294 führt, und welcher zu den Hochfrequenzsteckverbindern 134₄ (12D) führt.
Eine Seite des Empfangsmehrfachkopplersegments 322 ist mit dem Leiter 336 und der Durchführung 184 verbunden, während das gegenüberliegende Ende hiervon mit einem länglichen Leiter 338 verbunden ist, der durch ein Leiterpaar 300 hindurch zu einer vertikalen Durchführung 340 im kreisförmigen Durchführungsmuster 292 führt, und dann zu den Verbinder 134; in 12D. 21B zeigt auch ein Abschirmungsleiterpaar 341, welches mit dem angrenzenden Abschirmungsleiterpaar 302 gemeinsam einen Leiter teilt. Eine vertikale Durchführung 342 ist nun auch bereitgestellt im kreisförmigen Durchführungsmuster 296.
Betrachtet man nun die Schicht 13₆ , so ist das Durchführungsmuster der Schicht 13₆ , welches in 22A gezeigt ist, ähnlich zu dem in der darunterliegenden Schicht 13₅ , die in 21A gezeigt ist. Die streifenförmigen Leitermuster auf der oberen Oberfläche der Schicht 13₆ dienen abermals als Abschirmungselemente zum Bereitstellen von Abschirmungsumhüllungen für die darunterliegenden Hochfrequenzleiter 300 und 330, die in 21B gezeigt sind, sowie für eine Hochfrequenzleitung 344, die mittels der Durchführung 179 und einer Seite des Sendemehrfachkopplersegments 324 verbunden ist. Nun wird eine Hochfrequenzleitung 346 für das empfangene Signal (RX2) des zweiten Sende-Empfangs-Kanals verbunden zwischen einer Durchführung 265 und einer vertikalen Durchführung 342 im kreisförmigen Durchführungsmuster 296 am Hochfrequenzverbinderende des Substrats 12. Weiterhin ist, wie in 22B gezeigt, eine Seite des Empfangsmehrfachkopplersegments 322 mit dem Leiter 348 und der Durchführung 257 verbunden, während die andere Seite mit dem Leiter 350 und der Durchführung 263 verbunden ist.
Somit umfassen die Schichten 13₅ und 13₆ , welche die Erdungsebenenmetallisierung 282 der Schicht 13₄ übergreifen, wie in 20B gezeigt, ein zweites Niveau für Hochfrequenzdurchführung, welches haupsächlich verwendet wird zum Führen von Hochfrequenzsignalen hin zu den Mehrfachkopplern 320 und 322 und von diesen weg; jedoch führt, wie oben erläutert, die Schicht 13₆ auch das Hochfrequenzempfangssignal von der Antennenanaordnung und dem Steckverbinderaufbau 22 (12D) zu dem Verstärker 84 mit geringem Rauschen, welcher in der Kavität 108 untergebracht ist.
Die Schicht 13₇ umfaßt eine zweite Erdungsebenenschicht. Sie umfaßt ein Durchführungsmuster, wie in 23A gezeigt, welches im wesentlichen dem Durchführungsmuster in der darunterliegenden Schicht 13₆ entspricht, die in 22A gezeigt ist. 23B veranschau licht das Metallisierungsmuster, welches auf der Oberseite der Schicht 13₇ ausgebildet ist und umfaßt eine Erdungsebenenmetallisierung 352, aber umfaßt nun sechs (6) kreisförmige Öffnungen für die sechs vertikalen Hochfrequenzsteckverbinderdurchführungen 251, 255, 267, 334, 340 und 342. Die Erdungsebenenmetallisierung 352 umfaßt auch sieben (7) Isolationsstummel 354, 356 ... 364, 366, welche angebracht sind zwischen den sechs (6) Hochfrequenzsteckverbindern 134₁ ... 134₆ (12D).
Die oberen HTCC Schichten 13₈ , 13₉ und 13₁₀ stellen ein Niveau bereit zum Durchführen von Gleichstromleistung und logischen Kontrollsignalen zwischen den verschiedenen MMIC und ASIC sowie zum Bereitstellen einer Verbindung der Stifte 138₁ , 138₂ ... 138₆ der Hochfrequenzsteckverbinder 134₁ , 134₂ ... 134₆ des Hochfrequenzsteckverbinderaufbaus 22 am vorderen Bereich 14 des Substrats 12.
Im Hinblick auf die keramischen Schichten 13₈ und 13₉ sind die Muster von vertikalen Durchführungen, wie in 24A und 25A gezeigt ähnlich, aber umfassen nun sechs (6) bogenförmige Durchführungsmuster 368, 370 ... 376, 378, vor den Durchführungen 251 ... 267 am Steckverbinderende des Substrats. Jedoch haben die oberen Oberflächen hiervon ausgewählt unterschiedliche Muster von streifenförmigen Leitermetallisierungen, wie in 24B und 25B gezeigt. Die obere Oberfläche der Metallisierung der Schicht 13₈ , wie in 24B gezeigt, umfaßt ein Leitermuster von streifenförmigen Leitern, Isolierungsgrenzen, sowie sieben (7) Steckverbinderstiftisolationsstummeln 380 ... 402, welche zu den Stummeln 354 ... 366 der Schicht 13₇ (23B) passen.
Das Durchführungsmuster der in 26A gezeigten Schicht 13₁₀ ist ähnlich zu dem in 25 gezeigten Durchleitungsmuster für die darunterliegende Schicht 13₉ ; jedoch sind zusätzlich zu den bogenförmigen Durchleitungsmustern 368 ... 378 hierin Durchleitungen 404 ... 414 enthalten, die ausgerichtet sind mit Durchleitungen 251 ... 267, und welche bereitgestellt sind zum Zusammenfügen mit sechs streifenförmigen Leiterelementen 416 ... 426, wie in 26B gezeigt. Die sechs Steckverbinderstifte 138₁ , 138₂ ... 138₆ sind an die streifenförmigen Leiterelemente 416 ... 426 bei der Herstellung des Substrats 12 hart angelötet worden.
Ein Satz von sieben (7) Stiftisolationsstummeln 430 ... 442 sind, wie in 26B gezeigt, zwischen den Stiftsteckverbinderstreifen 416 .. 426 angebracht und von diesen isoliert. Eine Erdungsebene ist weiter bereitgestellt durch eine große Metallisierungsfläche, die durch das Bezugszeichen 444 angezeigt ist, und welche darin ausgebildete Öffnungen enthält zum Aufnehmen der MMIC und ASIC, die in den Kavitäten 100... 110 des Substrats 12 untergebracht sind.
Nachdem die Aufbaueinzelheiten der HTCC Schichten 13₁ ... 13₁₀ betrachtet worden sind, werden nunmehr die dadurch festgelegten Hochfrequenzsignalpfade betrachtet, die im Blockdiagramm der 15 gezeigt sind. Betrachtet man nun nochmals 15, so kann man sehen, daß Hochfrequenzsignale für zwei diskrete Sende-Empfangs-Kanäle in das Substrat 12 eingekoppelt und von diesem ausgekoppelt werden über den Steckverbinderaufbau 22, der an einem Ende des Substrats angebracht ist. Gleichstromleistungs- und Logiksteuersignale werden auf das Substrat 12 an dem anderen Ende wie gezeigt gegeben. Die Hochfrequenzsignalpfade, die in 15 gezeigt sind, können auf der oberen Oberfläche der Schicht 13₁ gefunden werden, wie in 18B gezeigt, und die oberen Oberflächen der Schichten 13₅ und 13₆ sind in 21B bzw. 22B gezeigt und dabei ist, wie zuvor angemerkt, die Hochfrequenzführung in zwei Bereiche unterbrochen, nämlich einen unteren Bereich, der die Schichten 13₁ , 13₂ und 13₃ enthält, sowie einen oberen Bereich, der die Schichten 13₅ und 13₆ enthält. Die Schicht 13₂ des unteren Hochfrequenzbereichs wird hauptsächlich verwendet für die Durchleitung von Hochfrequenzsignalen zwischen den MMIC und hin zu dem Steckverbinderaufbau 22 und von diesem weg, während Schichten 13₅ und 13₆ des oberen Bereichs verwendet werden für die Realisierung der beiden Mehrfachkoppler 320 und 322. Wie oben erläutert, wird die Schicht 13₆ auch verwendet für die Durchleitung des empfangenen Hochfrequenzsignals für einen der Kanäle.
Betrachtet man nun nochmals 16, so ist darin die elektrische Architektur des Zweikanal-Sende-Empfangs-Hochfrequenzschaltkreises gezeigt, der auf und innerhalb des Substrats 12 angebracht ist. Die Schaltkreise für einen jeden Kanal sind im wesentlichen dieselben wie die, die in US 5,745,076 , Turlington et al., gezeigt und erläutert sind, und zwar insoweit, als dieselben elektrischen Schaltbausteine jeweils in einem jeden Kanal verwendet werden für eine Verstärkungsanpassung, Phasenverschiebung und Zwischenleistungsverstärkung während der beiden Sendebetriebsarten. Jedoch arbeitet ein jeder Kanal unabhängig von dem anderen, während sie in einer speziellen Weise nicht nur die Sende- und Empfangsmehrfachaufbauten mittels der Hochfrequenzkoppler 320 und 322 teilen, sondern auch die Leistung und den Betrieb des Gate-Reglers 94, des POWERFET-Schalters 96 und der Leistungssteuerung 98.
Dementsprechend gilt, wie in 16 gezeigt, daß ein jeder Kanal umfaßt: Ein Empfängerschutzelement 86, 88 (R/P = Receiver Protector); einen Verstärker 82, 84 mit niedrigem Rauschen, der zwei Verstärkungsstufen umfaßt, einen Hochfrequenzschalter und Phasenschieber (SW/PHS = Switch/Phase shifter) 74, 76, der einen Hochfrequenzschalter mit einem einzelnen Pol und doppeltem Schaltweg umfaßt und einen digital geregelten Phasenschieber; einen Verstärker/Abschwächer für die Trimmung des Verstärkers/Schalter/Treiberverstärker (AMP/ATTN/SW/DVR) 78, 80, der drei Stufen einer Vorverstärkung oder Nachverstärkung umfaßt, einen zweiten Schalter mit einzelnem Pol und doppeltem Schaltweg, der angebracht ist zwischen einem Paar von digital geregelten Abschwächern für die Verstärkungstrimmung und zwei Stufen der Treiberverstärkung; und einem Leistungsverstärker 90, 92, der drei Stufen der Hochfrequenzleistungsverstärkung umfaßt.
Strahlreglungssignale werden von dem Strahlsteuerungsregler 9 (1) eingespeist auf separate Modulregler 70 und 72, so daß jeweils Phasen und Amplitudenreglung über Hochfrequenzsende- und Empfangssignale in den jeweiligen Sende-Empfangs-Kanälen bereitgestellt werden. Jedoch arbeiten die Modulregler 70 und 72 bevorzugterweise auf einer beschränkten Basis mit geteilter Modulsteuerung über den Leistungsregler 98 durch Bereitstellen einer Übersprechkanalreglung, so daß in dem Falle, daß einer der Modulregler ausfällt, der andere Modulregler übernimmt. Weiterhin wird ein jeder Modulregler 70 oder 72 das gesamte Modul ausschalten, falls er bestimmte Bedingungen feststellt, um zu verhindern, daß ein fehlerhafter Modulbetrieb die Genauigkeit der gesamten Strahlreglung negativ beeinflußt.
Die Verwendung eines Mehrschichtsubstrats, welches ausgeführt sein kann als ein MLCC wie zum Beispiel eine HTCC-Struktur, führt zu einer Reihe von damit einhergehenden Vorteilen hinsichtlich der Flexibilität des Aufbaus, der Leistung und verringerter Kosten. Der mehrschichtige Aufbau ermöglicht isolierte Querverbindungen für sowohl Hochfrequenz- als auch Gleichstromführung, aufgrund der Tatsache, daß Erdungsebenen zwischen Signalleitungen angebracht sind. Die Gesamtdichte des Aufbaus wird vergrößert aufgrund seiner Fähigkeit, bestimmte passive Mikrowellenbauteile zu integrieren, und der Fähigkeit eine 3D Durchleitung von sowohl Hochfrequenz- als auch Gleichstromsignalen zu erzielen.
In der vorliegenden Erfindung müssen weniger Module zusammengefügt und getestet werden pro Anwendungsort, wodurch sich eine erste Größenordnung von Einsparungen ergibt. Zusätzlich können die Sende-Empfangs-Module 10 so aufgebaut werden, daß sie eine Modulmontage erleichtern und die Montage der Module in die Gruppenantenne erleichtern. Als Ergebnis der verbesserten Sende-Empfangsschaltkreisarchitektur und der verbesserten Layoutarchitektur, die so erreicht wird, ermöglicht die Erfindung weiterhin Verbesserungen im Leistungsvermögen und bei den Kosten, die realisiert werden können in einem Mehrkanal-Sen de-Empfangs-Modul, welches bequem eingesteckt werden kann in einen Antennenaufbau, während elektrische und Wärmesenkenverbindungen gleichzeitig zwischen den Modulen und dem Aufbau realisiert werden. Es ist wichtig hervorzuheben, daß Hochfrequenzverbindungen hergestellt werden, die eine hohe Unempfindlichkeit gegen Erschütterungen aufweisen, wodurch die Qualität der Hochfrequenzsignalbearbeitung unterstützt wird, und daß die Verbindung mit der Wärmesenke durchgeführt wird mit einem großen Oberflächenkontaktbereich, wodurch eine erhöhte Wärmeableitung unterstützt wird, wodurch es zu einem reduzierten Anstieg von Temperaturen bei Übergängen von Halbleitervorrichtungen im Modul kommt, sowie einer höheren Hochfrequenzleistungsfähigkeit des Moduls.
Nachdem nun auf diese Weise gezeigt und erläutert worden ist, was bei der vorliegenden Erfindung als bevorzugte Ausführungsform zu betrachten ist, sollte darauf gleichzeitig hingewiesen werden, daß dies nur zur Veranschaulichung und nicht zu Zwecken der Beschränkung getan wurde. Dementsprechend sind alle Modifikationen, Abwandlungen und Änderungen, die innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung liegen, wie er in den nachfolgenden Ansprüchen definiert ist, auch als eingeschlossen anzusehen.

Claims

Sende-Empfangs-Modul (10) für eine aktive Strahleröffnung (1) eines Radarsystems (2), welches umfaßt: ein Substrat (12) mit zwei gegenüberliegenden Seitenbereichen und zwei gegenüberliegenden Endbereichen (14, 16); eine Vielzahl von Kavitäten (100, 102, 104, 106, 108, 110), die in dem Substrat untergebracht ist; eine äußere Kühlplatte (20), die an das Substrat (2) gebondet ist, und welche die Vielzahl von Kavitäten bedeckt; eine Sende-Empfangs-Kanal-Schaltung, welche eine Vielzahl von aktiven und passiven Schaltbausteinen umfaßt; wobei eine ausgewählte Anzahl der Vielzahl der aktiven und passiven Schaltbausteine in diesen Kavitäten (100, 102, 104, 106, 108, 110) untergebracht ist, und wobei die aktiven Schaltbausteine direkt auf der Kühlplatte (20) aufgesetzt sind; dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwei Sende-Empfangs-Kanal-Schaltungen auf dem Substrat (12) ausgeführt sind, wobei eine jede der Sende-Empfangs-Kanal-Schaltungen eine besagte Vielzahl von aktiven und passiven Schaltbausteinen umfaßt; eine Hochfrequenzschnittstelle, die an einem der beiden Endbereiche (14) untergebracht ist; eine Gleichstrom- und Logikschnittstelle, die am anderen der beiden Endbereiche (16) untergebracht ist; wobei das Sende-Empfangs-Modul zusätzlich ein Ringrahmenelement (112) umfaßt, welches auf die Oberseite des Substrats (12) gebondet ist und die Kavitäten (100, ... 110) umschließt, sowie ein oberes Abdeckelement (18), welches auf das Ringrahmenelement (112) gebondet ist, um eine abgedichtete Packung zu bilden, um die Kavitäten (100, 102, 104, 106, 108, 110) wechselseitig voneinander zu isolieren und um auch eine Hochfrequenzabschirmung dazwischen bereitzustellen.
Sende-Empfangs-Modul nach Anspruch 1, welches eine Vielzahl von Sende-Empfangs-Kanal-Schaltungen umfaßt.
Sende-Empfangs-Modul nach Anspruch 1, welches zwei Sende-Empfangs-Kanal-Schaltungen umfaßt.
Sende-Empfangs-Modul nach Anspruch 1, wobei das Substrat (12) einen Hochtemperaturkeramikaufbau umfaßt.
Sende-Empfangs-Modul nach Anspruch 1, wobei das Substrat (12) einen laminierten Mehrfachschichtaufbau oder einen gegossenen Mehrfachschichtaufbau mit Leitern/Dielektrika umfaßt.
Sende-Empfangs-Modul nach Anspruch 1, wobei die Hochfrequenzschnittstelle Hochfrequenzverbindungsmittel (22) umfaßt, um Hochfrequenzsignale in die Sende-Empfangs-Kanal-Schaltungen einzukoppeln und von diesen auszukoppeln.
Sende-Empfangs-Modul nach Anspruch 6, wobei die Verbindungsmittel (22) eine Vielzahl von aufsteckbaren Blindpassungs-Hochfrequenzleitern (134₁ ... 134₆ ) umfassen, die in einer Reihe längs eines Endstirnbereichs (130) des Substrats (12) angeordnet sind.
Sende-Empfangs-Modul nach Anspruch 1, wobei die Gleichstrom- und Logikschnittstelle Mittel umfaßt, die mit dem Substrat (12) verbunden sind, um während eines Spitzenleistungsbetriebs zur Hochfrequenzimpulsaussendung zusätzliche elektrische Energie zu der Sende-Empfangs-Kanal-Schaltung zuzuführen.
Sende-Empfangs-Modul nach Anspruch 8, wobei die Mittel zum Zuführen zusätzlicher elektrischer Energie eine Bank von Kondensatoren (30₁ ... 30₅ ) umfassen, welche von einer externen Gleichstromleistungsquelle (8) aufladbar sind.
Sende-Empfangs-Modul nach Anspruch 1, welches eine Vielzahl von Sende-Empfangs-Kanal-Schaltungen umfaßt, die in einer gemeinsamen Packung angebracht sind; wobei das Substrat (12) ein gemeinsames Substrat umfaßt, welches eine Vielzahl von laminierten Keramikschichten (13₁ ... 13₁₅ ) beinhaltet, von denen ein jedes ein vorbestimmtes Muster von elektrischen Durchleitungen durch sie hindurch umfaßt sowie ein vorbestimmtes Muster einer Metallisierung auf zumindest einer Oberfläche hiervon, wodurch eine dreidimensionale Führung von Signalen und elektrischer Leistung zwischen den Schichten des Substrats (12) ermöglicht wird, und welche weiterhin zwei gleiche Sätze von Mehrfachebenenkavitäten (100 ... 110) umfaßt, die darin ausgebildet sind, wobei jeweils ein Satz für einen Sende-Empfangs-Kanal vorgesehen ist, und welche Seite an Seite angeordnet sind und in welchen ein oder mehrere der aktiven und passiven Schaltbausteine jeweils untergebracht sind; wobei das Ringrahmenelement (112) an einen Hauptteil des äußeren Umfangs des Substrats (12) angrenzt und gleichzeitig identische Sätze von Kavitäten (100 ... 110) umschließt; wobei das Modul weiterhin umfaßt: eine Kühlplatte (20) an einer unteren Oberfläche des Substrats (12), welche ebenfalls einen Bereich bedeckt, der die zwei Sätze von Kavitäten (100 ... 110) umfaßt, wobei die aktiven Schaltbausteine in direktem Kontakt stehen mit der Kühlplatte (20) und wo durch eine thermische Übergangsfläche zu einem externen Wärmetauscher bereitgestellt wird; Verbindungsmittel (22), die eine Vielzahl von diskreten Signalsteckverbindern umfassen, die an einem Ende (14) des Substrats (12) angebracht sind, um unabhängig voneinander Hochfrequenzsignale in einen jeden Sende-Empfangs-Kanal einzukoppeln und von diesem auszukoppeln; Mittel an dem gegenüberliegenden Ende des Substrats zum Empfangen von extern erzeugter Gleichstromleistung sowie logischen Bedienungssteuersignalen für die aktiven Schaltbausteine eines jeden Sende-Empfangs-Kanals.
Sende-Empfangs-Modul nach Anspruch 10, wobei das Abdeckelement (18) an das Ringrahmenelement (112) gebondet ist und wobei das Ringrahmenelement (112), die Kühlplatte (20) und der Hochfrequenzsteckverbinderaufbau (22) an das Substrat (12) gebondet sind, so daß eine hermetisch abgedichtete Sende-Empfangs-Packung gebildet wird.
Sende-Empfangs-Modul nach Anspruch 11, wobei das Abdeckelement (18) eine im wesentliche flache äußere Oberfläche umfaßt.
Sende-Empfangs-Modul nach Anspruch 11, wobei die Kühlplatte (20) im wesentlichen flache innere und äußere Oberflächen umfaßt und wobei die aktiven Schaltbausteine auf der flachen inneren Oberfläche der Kühlplatte (20) angebracht sind.
Sende-Empfangs-Modul nach Anspruch 10, wobei die Vielzahl von keramischen Schichten (13₁ ... 13₁₅ ) aus Hochtemperaturkeramik (HTCC) bestehen.
Sende-Empfangs-Modul nach Anspruch 14, wobei ein jeder Satz von Kavitäten (100, 102 ... 110) drei wechselweise zueinander ausgerichtete Mehrfachebenenkavitäten umfaßt, wobei die Kavitäten Zwischenebenen aufweisen, um externe Verbindungen zu den jeweiligen aktiven Schaltbausteinen bereitzustellen, die in den Kavitäten angebracht sind, und zur Aufnahme von passiven Schaltbausteinen hierin.
Sende-Empfangs-Modul nach Anspruch 14, wobei eine erste Kavität eines jeden Satzes darin einen ersten aktiven Schaltbaustein umfaßt, welcher einen Hochfrequenzvorver stärker in einem Sendemodus sowie einen Nachverstärker in einem Empfangsmodus verwirklicht, einen Signalabschwächer, einen Schalter und einen Hochfrequenztreiberverstärker sowie einen zweiten aktiven Schaltbaustein, der einen weiteren Hochfrequenzschalter sowie einen Phasenschieber verwirklicht, wobei eine zweite Kavität eines jeden Satzes hierin einen aktiven Schaltbaustein umfaßt, der einen rauscharmen Verstärker verwirklicht, und wobei eine dritte Kavität eines jeden Satzes einen aktiven Schaltbaustein umfaßt, welcher einen Hochfrequenzausgabeleistungsverstärker verwirklicht.
Sende-Empfangs-Modul nach Anspruch 16, wobei die aktiven Schaltbausteine monolithisch integrierte Mikrowellenschaltkreise (MMIC) umfassen.
Sende-Empfangs-Modul nach Anspruch 16, welches zusätzlich ein Paar von Modulreglern (70, 72) umfaßt, die auf dem Substrat angebracht sind zum Regeln der zwei Sende-Empfangs-Kanäle.
Sende-Empfangs-Modul nach Anspruch 16, welches zusätzlich ein Paar von Nicht-Kavitätsbereichen an dem gegenüberliegenden Ende der beiden Sätze von Kavitäten (100, 102 ... 110) umfaßt, um dort einen jeweiligen aktiven Schaltbaustein unterzubringen, welcher Modulregler (70, 72) für die beiden Sende-Empfangs-Kanäle verwirklicht.
Sende-Empfangs-Modul nach Anspruch 19, wobei der aktive Schaltbaustein in dem Nicht-Kavitätsbereich anwendungsspezifische integrierte Schaltkreise (ASIC) umfaßt.
Sende-Empfangs-Modul nach Anspruch 19, welcher weiterhin einen Nicht-Kavitätsbereich umfaßt zwischen den beiden Sätzen von Kavitäten sowie dem Paar von Nicht-Kavitätsbereichen, um dort aktive Schaltbausteine unterzubringen, die zum Verwirklichen eines Torreglers (94) dienen, eines Gleichstromleistungsreglers (98), eines Leistungsschalters (96), die gemeinsam von beiden Sende-Empfangs-Kanälen verwendet werden.
Sende-Empfangs-Modul nach Anspruch 14, wobei die Verbindungsmittel einen Hochfrequenzsteckverbinderaufbau (22) umfassen, der ein erstes Paar von Hochfrequenzeingabe- und -ausgabesteckverbindern (TX1, RX1) für einen jeden der beiden Sende-Empfangs-Kanäle umfaßt, ein zweites Paar von Hochfrequenzeingabe- und -ausgabesteckverbindern (TX2, RX2) für den anderen der Sende-Empfangs-Kanäle, einen Hochfrequenzempfangsmehrfachsteckverbinder (RXm) für die beiden Sende-Empfangs-Kanäle und einen Hochfrequenzsendemehrfachsteckverbinder (TXm) für die beiden Sende-Empfangs-Kanäle.
Sende-Empfangs-Modul nach Anspruch 22, wobei alle Steckverbinder (TX1, RX1, TX2, RX2, TXm, RXm) linear Seite an Seite angeordnet sind und in einem gemeinsamen Abdeckblech untergebracht sind.
Sende-Empfangs-Modul nach Anspruch 23, wobei die Steckverbinder Blindpassungs-Steckverbinder (134₁ ... 134₆ ) umfassen, um eine relativ einfache Verbindung mit einer Antennenanordnung zu erleichtern.
Sende-Empfangs-Modul nach Anspruch 24, wobei die Blindanpassungs-Steckverbinder (134₁ ... 134₆ ) aufsteckbare Steckverbinder umfassen.
Sende-Empfangs-Modul nach Anspruch 22, wobei die Vielzahl von keramischen Schichten (13₁ ... 13₁₅ ) aus Hochtemperaturkeramik zumindest zwei Sätze von Schichten umfaßt, um zumindest zwei Ebenen bereitzustellen zur Hochfrequenzsignaldurchführung in dem Substrat (12) und zumindest einen Satz von Schichten, um zumindest eine Ebene bereitzustellen, um eine Durchführung von elektrischer Gleichstromleistung und Kontrollsignalen in dem Substrat zu ermöglichen.
Sende-Empfangs-Modul nach Anspruch 26, wobei die Vielzahl von Schichten (13₁ ... 13₁₅ ) aus Hochtemperaturkeramik eine Schicht umfaßt zwischen dem Satz von Schichten mit einer elektrischen Abschirmung oder einem Erdungsebenen-Metallisierungsmuster (128).
Sende-Empfangs-Modul nach Anspruch 26, wobei ein Satz aus den beiden Sätzen von Schichten, die eine Hochfrequenzsignaldurchführung ermöglichen, Hochfrequenzsignale zwischen vorbestimmten Hochfrequenzeingabe- und -ausgabesteckverbindern des Steckverbinderaufbaus und vorbestimmten aktiven Schaltbausteinen des Sende-Empfangs-Kanals koppelt.
Sende-Empfangs-Modul nach Anspruch 28, wobei der andere Satz der beiden Sätze von Schichten einen ersten und einen zweiten aus Streifenleitungen gebildeten Hochfrequenzsignalkoppler umfaßt, der ausgebildet ist zwischen angrenzenden Schichten des anderen Satzes von Schichten, um jeweils Hochfrequenzsignale zwischen dem Empfangsmehrfachsteckverbinder (RXm) und dem Sendemehrfachsteckverbinder (TXm) sowie vorbestimmten aktiven Bausteinen der Sende-Empfangs-Kanäle einzukoppeln.
Sende-Empfangs-Modul nach Anspruch 29, wobei die beiden Sätze von Schichten, die zwei Ebenen zur Hochfrequenzsignaldurchführung bereitstellen, zwei angrenzende Ebenen zur Signaldurchführung unterhalb des einen Satzes von Schichten umfassen, welche die eine Ebene bereitstellen zum Durchleiten von elektrischer Gleichstromleistung und von Kontrollsignalen.
Sende-Empfangs-Modul nach Anspruch 26, wobei die beiden Sätze von Schichten, die eine Hochfrequenzsignaldurchführung ermöglichen, mehrere Paare von parallelen Zügen von elektrischen Durchführungen sowie Streifenleitungen umfassen, welche die parallelen Züge der elektrischen Durchführungen übergreifen, um eine vorbestimmte Anzahl von abgeschirmten Verbindungsröhren bereitzustellen, die eine ausgewählte Anzahl von aus Streifenleitungen bestehenden Hochfrequenzsignalleitern längs ihrer Länge umgeben.
Sende-Empfangs-Modul nach Anspruch 26, wobei die Schichten ein oder mehrere im wesentlichen kreisförmige Muster (180, 182, 184 ... 200) aus elektrischen Durchführungen und eine mittig darin angebrachte elektrische Durchführung umfassen, um entsprechende abgeschirmte Leiterüberkreuzungen bereitzustellen zwischen Schichten, um eine dreidimensionale Durchführung der Signale und der Leistung innerhalb des Substrats zu bewerkstelligen.
Sende-Empfangs-Modul nach Anspruch 10, wobei die Mittel an dem gegenüberliegenden Ende (16) des Substrats (12) zum Empfangen von elektrischer Gleichstromleistung und logischen Steuersignalen ein Metallisierungsmuster auf der äußeren Oberfläche einer untersten Schicht des Substrats umfassen.
Sende-Empfangs-Modul nach Anspruch 33, wobei die Mittel zum Empfangen von extern erzeugter elektrischer Gleichstromleistung sowie Reglersignalen zusätzlich einen Federkontaktaufbau (24₁ ... 24₁₂ ) umfassen, welcher elektrisch gekoppelt ist mit dem Metallisierungsmuster, und welcher verbindbar ist mit einer externen Quelle (8) für elektrische Gleichstromleistung sowie einer externen Quelle für Sende-Empfangs-Kanal-Steuersignale.
Sende-Empfangs-Modul nach Anspruch 10, welches zusätzlich externe Energiespeichermittel (30₁ ... 30₅ ) umfaßt, die mit den Mitteln zum Empfangen der extern erzeugten elektrischen Gleichstromleistung verbunden sind, um dem Paktet zusätzliche elektrische Gleichstromleistung zuführen zu können.
Sende-Empfangs-Modul nach Anspruch 1, welches zwei diskrete Sende-Empfangs-Kanäle umfaßt und ein gemeinsames Substrat (12) hat, welches eine Vielzahl von laminierten Keramikschichten (13₁ ... 13₁₅ ) aufweist, von denen jedes ein vorbestimmtes Muster von hindurchlaufenden elektrischen Durchführungen aufweist sowie ein vorbestimmtes Metallisierungsmuster auf zumindest einer Oberfläche hiervon, um eine dreidimensionale Durchführung von Signalen und elektrischer Leistung zwischen den Schichten des Substrats zu ermöglichen, und welches weiterhin zwei gleiche Sätze von darin ausgeformten Mehrebenenkavitäten (100, 102 ... 110) aufweist, wobei ein Satz für einen der Sende-Empfangs-Kanäle vorgesehen ist und die Seite an Seite angeordnet sind und in denen ein oder mehrere aktive Schaltbausteine jeweils untergebracht sind; ein Ringrahmenelement (112), welches an die Oberseite des Substrats (12) gebondet ist, wobei das Ringrahmenelement (112) an einen Hauptteil des äußeren Umfangs des Substrats (12) angrenzt und auch die beiden Sätze der Kavitäten (100, 102 ... 110) einschließt; ein Abdeckelement (18), welches an das Ringrahmenelement (112) gebondet ist und einen Bereich bedeckt, der die beiden Sätze von Kavitäten (100, 102 ... 110) umfaßt; eine Kühlplatte (20), die an die untere Oberfläche (114) des Substrats (12) gebondet ist und auch eine Fläche bedeckt, die die beiden Sätze von Kavitäten (100, 102 ... 110) umfaßt, wobei die aktiven Schaltbausteine in direktem Kontakt stehen mit der Kühlplatte (20), wodurch eine thermische Übergangsfläche hin zu einem externen Wärmetauscher bereitgestellt wird; einen unitären Hochfrequenzsteckverbinderaufbau (22), welcher eine Vielzahl von diskreten Signalsteckverbindern umfaßt, die an einem Ende (14) des Substrats (12) angebracht sind, um unabhängig Hochfrequenzsignale in die Sende-Empfangs-Kanäle einzukoppeln und von diesen auszukoppeln; eine Leistungs- und Logikschnittstelle an dem gegenüberliegenden Ende (16) des Substrats (12), um elektrische Gleichstromleistung sowie Betriebssteuerungssignale in die aktiven Schaltbausteine einzukoppeln, die auf dem Substrat angebracht sind; und Energiespeichermittel (30₁ ... 30₅ ), die an dem gegenüberliegenden Ende (16) des Substrats (12) angebracht sind, um zusätzliche Gleichstromleistung in die aktiven Schaltbausteine einzukoppeln, die auf den Substrat (12) angebracht sind.
Sende-Empfangs-Modul nach Anspruch 36, wobei die Vielzahl von keramischen Schichten (13₁ ... 13₁₅ ) aus einem Hochtemperaturkeramik-(HTCC)-Material bestehen.
Sende-Empfangs-Modul nach Anspruch 37, wobei das Ringrahmenelement (112) und das Abdeckelement (18) aus einem elektrisch leitenden Material bestehen und wobei das Abdeckelement (18) an das Ringrahmenelement (112) gebondet ist, so daß dort eine Abdichtung gebildet wird, und wobei das Ringrahmenelement (112) und die Kühlplatte (20) und der Hochfrequenzsteckverbinderaufbau (22) auf dem Substrat hart aufgelötet sind, um so eine hermetisch abgedichtete Sende-Empfangs-Packung zu bilden.
Sende-Empfangs-Modul nach Anspruch 38, wobei das Abdeckelement (18) eine im wesentlichen flache äußere Oberfläche umfaßt, und wobei die Kühlplatte (20) im wesentlichen flache innere und äußere Oberflächen umfaßt, und wobei die aktiven Schaltbausteine angebracht sind auf der flachen inneren Oberfläche der Kühlplatte (20).
Sende-Empfangs-Modul nach Anspruch 36, wobei die Energiespeichermittel eine Vielzahl von Speicherkondensatoren (30₁ ... 30₅ ) umfassen.
Sende-Empfangs-Modul nach Anspruch 40, wobei die Vielzahl von Kondensatoren (30₁ ... 30₅ ) in einem Aufnahmegehäuse (38) untergebracht ist, welches an dem Substrat (12) angebracht ist.
Sende-Empfangs-Modul nach Anspruch 41, wobei die elektrische Gleichstromleistung zumindest eine Gleichstromversorgungsspannung umfaßt und wobei die Vielzahl von Kondensatoren (30₁ ... 30₅ ) zumindest einen Kondensator umfaßt für die zumindest eine Gleichstromversorgungsspannung.
Sende-Empfangs-Modul nach Anspruch 37, wobei ein jeder Satz von Kavitäten (100, 102 ... 110) drei Mehrfachebenenkavitäten mit Zwischenebenen umfaßt, um externe Drahtverbindungen zu den jeweiligen aktiven Schaltbausteinen bereitzustellen, die in den Kavitäten angebracht sind, und zum Aufsetzen von passiven Schaltbausteinen darauf.
Sende-Empfangs-Modul nach Anspruch 43, wobei ein jeder Satz der drei Kavitäten (100, 102 ... 110) wechselseitig längs einer Seitenkante des Substrats (12) miteinander ausgerichtet ist, und wobei eine erste Kavität (100, 106) eines jeden der Sätze einen ersten aktiven Schaltbaustein (76, 78) umfaßt, der einen Hochfrequenzvorverstärker in einem Sendemodus verwirklicht sowie einen Nachverstärker in einem Empfangsmodus, einen Signalabschwächer, einen Schalter und einen Hochfrequenztreiberverstärker, und ein zweiter aktiver Schaltbaustein einen anderen Hochfrequenzschalter verwirklicht sowie einen Phasenschieber, wobei eine zweite Kavität (102, 108) eines jeden Satzes darin einen aktiven Schaltbaustein enthält, der einen rauscharmen Verstärker (82, 84) verwirklicht, und worin eine dritte Kavität (104, 110) eines jeden Satzes einen aktiven Schaltbaustein umfaßt, der einen Hochfrequenzausgabeleistungsverstärker (90, 92) verwirklicht.
Sende-Empfangs-Modul nach Anspruch 44, wobei die aktiven Schaltbausteine (90, 92) monolithisch integrierte Mikrowellenschaltkreise (MMIC) umfassen.
Sende-Empfangs-Modul nach Anspruch 44, welches zusätzlich ein Paar von Nicht-Kavitätsbereichen an dem gegenüberliegenden Ende der beiden Sätze von Kavitäten umfaßt, um dort einen jeweiligen aktiven Schaltbaustein unterzubringen, welcher Modulregler (70, 72) für die beiden Sende-Empfangs-Kanäle verwirklicht.
Sende-Empfangs-Modul nach Anspruch 46, wobei der aktive Schaltbaustein in dem Nicht-Kavitätsbereich anwendungsspezifische integrierte Schaltkreise (ASIC) (98) umfaßt.
Sende-Empfangs-Modul nach Anspruch 46, welcher weiterhin einen Nicht-Kavitätsbereich zwischen den beiden Sätzen von Kavitäten sowie dem Paar von Nicht-Kavitätsbereichen umfaßt, um dort aktive Schaltbausteine unterzubringen und um einen Torregler (94) zu verwirklichen, einen Gleichstromleistungsregler (98), einen Leistungsschalter (96), die gemeinsam von beiden Sende-Empfangs-Kanälen verwendet werden.
Sende-Empfangs-Modul nach Anspruch 48, wobei die aktiven Schaltbausteine in den Nicht-Kavitätsbereichen anwendungsspezifisch integrierte Schaltkreise (ASIC) umfassen.
Sende-Empfangs-Modul nach Anspruch 36, wobei der Steckverbinderaufbau ein erstes Paar von Hochfrequenzeingabe- und -ausgabesteckverbindern (RX1, TX1) umfaßt für einen der beiden Sende-Empfangs-Kanäle, ein zweites Paar von Hochfrequenzeingabeund -ausgabesteckverbindern (RX2, TX2) für den anderen der beiden Sende-Empfangs-Kanäle, einen Hochfrequenz-Empfangsmehrfachsteckverbinder (RXm) für die beiden Sende-Empfangs-Kanäle, und einen Hochfrequenz-Sendemehrfachsteckverbinder (TXm) für die beiden Sende-Empfangs-Kanäle, und wobei die Steckverbinder Blindanpassungssteckverbinder (134₁ ... 134₆ ) umfassen, um eine einfache Verbindung mit einer Antennenanordnung zu ermöglichen.
Sende-Empfangs-Modul nach Anspruch 50, wobei alle Steckverbinder (134₁ ... 134₆ ) wechselseitig ausgerichtet und in einem gemeinsamen Abdeckblech untergebracht sind.
Sende-Empfangs-Modul nach Anspruch 51, wobei weiterhin die Vielzahl von keramischen Schichten aus Hochtemperaturkeramik zwei Sätze von Schichten umfaßt zum Bereitstellen von zwei Ebenen für die Hochfrequenzsignaldurchführung im Substrat und einen Satz von Schichten zum Bereitstellen von elektrischer Gleichstromleistung und zur Durchführung von Steuersignalen in dem Substrat, und weiterhin eine Schicht aus Hochtemperaturkeramikmaterial umfaßt zwischen den Sätzen aus Schichten mit einer elektrischen Abschirmung oder einem Erdungsebenen-Metallisierungsmuster.
Sende-Empfangs-Modul nach Anspruch 52, wobei ein Satz der beiden Sätze von Schichten, welche eine Hochfrequenzsignaldurchführung ermöglichen, Hochfrequenzsignale koppelt zwischen vorbestimmten Hochfrequenzeingabe- und -ausgabesteckverbindern (RX1, TX1, RX2, TX2) des Steckverbinderaufbaus (22) und vorbestimmten aktiven Schaltbausteinen der Sende-Empfangs-Kanäle, wobei der andere Satz der beiden Sätze von Schichten einen ersten und einen zweiten aus Streifenleitungen gebildeten Hochfrequenzsignalkoppler umfaßt, der ausgebildet ist zwischen zwei angrenzenden Schichten eines jeden Satzes der Schichten, um jeweils Hochfrequenzsignale zwischen dem Empfangsmehrfachsteckverbinder (RXm) und dem Sendemehrfachsteckverbinder (TXm) zu koppeln sowie vorbestimmten aktiven Schaltbausteinen der Sende-Empfangs-Kanäle.
Sende-Empfangs-Modul nach Anspruch 53, wobei die beiden Sätze von Schichten, die zwei Ebenen zur Hochfrequenzsignaldurchführung bereitstellen, aneinandergrenzende Ebenen zur Signaldurchführung unterhalb des Satzes der Schichten umfassen, der die eine Ebene zur elektrischen Gleichstromleistungs- und zur Steuersignaldurchführung bereitstellt.
Sende-Empfangs-Modul nach Anspruch 52, wobei die beiden Sätze von Schichten, die eine Hochfrequenzsignaldurchführung ermöglichen, mehrere Paare von parallelen Zügen von elektrischen Durchführungen (202, 204, 206 ... 218) umfassen und jeweils aus Streifenleitungen bestehende elektrische Leiter, die die parallelen Züge der elektrischen Durchführungen übergreifen, um eine vorbestimmte Zahl von abgeschirmten Kanälen bereitzustellen, die die jeweiligen aus Streifenleitungen bestehenden Hochfrequenzsignalleitungen umgeben, die darin angebracht sind, wobei die Vielzahl von Schichten wahlweise ein oder mehrere im wesentlichen kreisförmige Muster von elektrischen Durchführungen umfaßt sowie eine mittig darin angebrachte elektrische Durchführung, um jeweils abgeschirmte Leiterüberkreuzungen zwischen Schichten bereitzustellen, um darin eine dreidimensionale Durchführung von Signalen und Leistung innerhalb des Substrats zu bewirken.