EP1328042A1 - Phasengesteuertes Antennen-Subsystem - Google Patents

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EP1328042A1
EP1328042A1 EP02025792A EP02025792A EP1328042A1 EP 1328042 A1 EP1328042 A1 EP 1328042A1 EP 02025792 A EP02025792 A EP 02025792A EP 02025792 A EP02025792 A EP 02025792A EP 1328042 A1 EP1328042 A1 EP 1328042A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
radar system
data
transmit
supply network
transmitter
Prior art date
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Granted
Application number
EP02025792A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP1328042B1 (de
Inventor
Heinz-Peter Feldle
Helmut Dr. Leier
Marc Schreiner
Wolfgang Prof.Dr. Menzel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Airbus Defence and Space GmbH
Original Assignee
EADS Deutschland GmbH
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Filing date
Publication date
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Publication of EP1328042A1 publication Critical patent/EP1328042A1/de
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Publication of EP1328042B1 publication Critical patent/EP1328042B1/de
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/0087—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing antenna arrays
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/0006—Particular feeding systems
    • H01Q21/0025—Modular arrays
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q23/00—Antennas with active circuits or circuit elements integrated within them or attached to them

Definitions

  • the invention relates to a phase-controlled antenna subsystem with a phase-controlled Antenna array according to the preamble of claim 1.
  • the invention is particularly applicable to a radar system in particular SAR, for antennas for electronic warfare or operational systems and for Navigation or communication systems.
  • Possible platforms for the integration of the Functions according to the invention are ground, marine systems, aircraft, satellites, drones and missile as well as building or vehicle-bound systems.
  • a radar system with a phase-controlled antenna array known that a data and supply network and a number of arranged thereon interchangeable, each containing a transmitter and receiver circuit Transmit / receive modules, a number of circulator circuits and a number of coupled to the transmitter and receiver circuits via the circulator circuits Includes antenna elements.
  • the transmit / receive modules arranged at the back of the data and supply network which in several, a heat sink structure, an energy supply structure and an RF supply structure containing layers is built up.
  • RF connecting elements to each located on the front of the data and supply network and each carried out with an antenna element coupled circulator circuits.
  • the transmit / receive modules are from the back of the data and supply network interchangeable so that the radar system for the purpose of maintenance work must be accessible from the back.
  • the object of the invention is to provide a radar system of the type mentioned in the introduction, which requires little space and in which the transmit / receive modules for Maintenance and repair purposes are easily interchangeable.
  • the object is achieved by the radar system specified in claim 1.
  • the invention provides a radar system with a phase-controlled antenna array created a data and supply network and a number of on the data and Supply network arranged interchangeable, each a transmitter and receiver circuit containing transmit / receive modules, a number of circulator circuits and a number of via the circulator circuits with the transmitter and receiver circuits coupled antenna elements. According to the invention, it is provided that in each of the transmit / receive modules transmitter and receiver circuit, Circulator circuit and antenna element are combined, and that the transmit / receive modules on the radiation side or on the front of the radar system are arranged interchangeably.
  • a major advantage of the radar system according to the invention is that an exchange of transmit / receive modules from the radiation side or from the front of the Radar system can take place, which is a great advantage for many applications.
  • the antenna array too can be adapted to a curved surface if a structure-integrated antenna is desired.
  • Yet another advantage of the radar system according to the invention are short RF lines to the antenna and thus a low noise figure, lower RF losses and less signal coupling.
  • it is an advantage of the invention Radar system that thereby a simple structure of the data and supply network is possible.
  • the Transmitter and receiver circuit and the circulator circuit and the antenna element in Form of a multi-layer structure are integrated in the transmission / reception module.
  • the antenna element is preferably in the form of a planar antenna on the top of the Transmit / receive module arranged.
  • the multilayer structure contains several superimposed, the components of the transmitter and receiver circuit and substrates supporting the circulator circuit.
  • a first substrate on the side of the transmission / reception module facing the data and supply network is arranged and an RF power amplifier of the transmitter and Receiver circuit carries.
  • a second Substrate on the side of the transmitting / receiving network facing away from the data and supply network Module is arranged and the circulator circuit, the antenna element as well as parts of the transmitter and receiver circuit. This can result in a reduction of space requirements and an optimization of the noise figure possible.
  • a further substrate is arranged, which further circuits, in particular an RF processing part and / or carries a digital processing part.
  • the substrates are formed in one piece with a frame structure are, which are simultaneously a housing of the transmit / receive module and a mechanical Forms connection of the substrates to one another.
  • the data and supply network is preferably in the form of a mechanical support structure trained for the transmit / receive modules, which at the same time a cooling structure for the Includes transmit / receive modules.
  • the data and supply network is preferably designed as a multilayer structure, which the cooling structure in the form of a first layer and at least one further Circuit structure containing RF, data and power supply network in the form of a second layer includes.
  • the cooling structure is preferably on the side facing the transmit / receive modules Side of the data and supply network arranged.
  • the cooling structure is preferably in the form of an active cooling structure through which a cooling fluid flows educated.
  • the substrates and / or the Frame structure made of aluminum nitride (AIN).
  • the substrates themselves are made up of several Layers of aluminum nitride built up and contain vertical and horizontal electrical Contacts. These are multilayer systems that consist of several layers are built up. Electrical conductor tracks (horizontal electrical contacts). These interconnects are vertically interconnected by so-called vias connected (vertical electrical contacts).
  • the substrates are stacked on top of each other and soldered together.
  • the solder joint is preferably with hard solder balls, which are surrounded by solder.
  • the substrates are preferably soldered to one another on the frame structures.
  • the transmit / receive module is advantageously enclosed by a metal sleeve, which is attached using a soldering, welding or adhesive technique.
  • the cuff will advantageously used to electromagnetic shrinkage of the module and to ensure the electrical contacts between the substrates and to make the module hermetic seal.
  • the transmit / receive modules are preferably the same.
  • the transmit / receive modules are advantageously from the radiation side or the Front placed on the data and supply network.
  • a phase-controlled antenna array consisting of a larger number of antenna elements 9 is composed.
  • the antenna elements 9 are part of each of a transmit / receive module 3.
  • the transmit / receive modules 3 are for radiation and the reception of a radar transmission signal in the direction indicated by the arrow intended.
  • a data and supply network 2 is used to supply the transmit / receive Module 3 with RF and data signals and for power supply and cooling the same provided.
  • a system circuit 40 is arranged, which further processing circuits of the radar system includes. System circuit 40 may also be from the data and utility network be attached separately.
  • the transceiver module 3 comprises a transmitter and receiver circuit 4 an RF power amplifier 5, a digital processing section 6 and an RF processing section 7 contains.
  • the transmitter and receiver circuit 4 is via a circulator circuit 8 coupled to an antenna element 9, which is on the top or front of the transmit / receive module 3.
  • each transmit / receive module 3 are thus each transmitter and receiver circuit 4, circulator circuit 8 and antenna element 9 summarized.
  • the antenna element 9 is in the form of a front or top of the transmit / receive module 3 arranged planar antenna.
  • the data and supply network 2, which the send / receive module 3 on its Front or on its radiation side is in the form of several layers, which a cooling structure 18 in the form of a first layer and another one RF, data and Circuit structures 19 comprising power supply networks in the form of second ones Layers.
  • the cooling structure 18 is on that of the transmit / receive module 3 facing side of the data and supply network 2 arranged so that an intensive cooling contact between the cooling structure 18 and the transmit / receive module 3, in particular its HF power amplifier 5.
  • Fig. 3 which shows an embodiment, such as a transmit / receive module 3 could be constructed in practice, are the transmitter and receiver circuit 4, the the RF power amplifier 5, the digital processing section 6 and the RF processing section 7, and the circulator circuit 8 in the form of a multi-layer structure in the transmit / receive module 3 integrated.
  • the antenna element 9 is in the form of a planar antenna arranged on the top or front of the transmission / reception module 3.
  • the multilayer structure contains several components arranged one above the other Transmitter and receiver circuit 4 and the circulator circuit 8 carrying substrates 11, 12, 13.
  • a first substrate 11 is on the data and supply network 2 facing Arranged side of the transmit / receive module 3 and carries the RF power amplifier 5 of the transmitter and receiver circuit 4.
  • a second substrate 12 is on the Data and supply network remote side of the transmit / receive module 3 arranged and carries the circulator circuit 8, the planar antenna and parts of the transmitter and Receiver circuit, essentially for reasons of space and to improve the Noise figure.
  • the substrates 11, 12, 13 are in one piece formed with a respective frame structure 14, 15 or 16. These framework structures 14, 15, 16 simultaneously form a housing 17 of the transmit / receive module 3 and a mechanical one Connection of the substrates 11, 12, 13 to one another.
  • the transmit / receive module is advantageously at least partially enclosed by a metal sleeve, which is fastened by means of a soldering, welding or adhesive technique.
  • the sleeve is advantageously used to ensure electromagnetic shredding of the module and the electrical contacts between the substrates and to hermetically seal the module.
  • the cuff is designated by the reference numeral 26 in the figures.
  • the data and supply network 2 is designed as a mechanical support structure for the transmit / receive modules 3 and at the same time contains a cooling structure 18 for the transmit / receive modules 3.
  • the first substrate carrying the RF power amplifier 5 of the transmitter and receiver circuit 4 11 is in intensive cooling contact with the cooling structure 18 of the data and supply network 2.
  • the data and supply network 2 is designed in the form of a multi-layer structure, which the cooling structure 18 in the form of a first layer and at least one further a circuit structure 19 in the form of an RF data and power supply network a second layer.
  • the cooling structure 18 is on the Transmit / receive module 3 facing side of the data and supply network 2 arranged.
  • the one carrying the RF power amplifier 5 of the transmitter and receiver circuit 4 first substrate 11 is in intensive cooling contact with the cooling structure 18 of the Data and supply network 2 held.
  • the cooling structure 18 is one of one Active cooling structure through which cooling fluid flows.
  • the substrates 11, 12, 13 and the respective frame structures connected to it in one piece 14, 15 and 16 are made of Aln (aluminum nitrite) for efficient heat dissipation to ensure.
  • the substrates themselves are made up of several layers of aluminum nitride constructed and contain vertical and horizontal electrical contacts.
  • the substrates 11, 12, 13 are stacked one on top of the other and in the area of the frame structures 14, 15, 16 soldered together.
  • Hard solder balls 26 are preferably used for the soldering, which are surrounded by solder during the soldering process and thus the electrical Connect contacts on the surface of the substrates. A blunt soldering without solder balls is also possible.
  • the transmit / receive modules 3 are preferably all the same.
  • a small section shows from a practical embodiment of the radar system according to the invention, it can be seen that the transmit / receive modules 3 from the radiation side to the data and supply network 2 put on and by attacking at the corner areas Screws 25 are attached to the data and supply network 2.
  • the electrical Connection between the individual transmit / receive modules 3 and the data and supply network 2 is accomplished by electrical contact strips 50 which are in the top of the data and supply network 2, i.e. the cooling structure 18 embedded therein are, and by corresponding contact strips 60 on the underside of the transmission / reception modules 3.
  • the contact strips designated by reference number 60 on the The underside of the modules is not visible in FIG. 4b.
  • the module is to be connected to the data and supply network using CIN: APSE contacts be connected. It is a flexible cylindrical one Wire mesh, which forms a pressure contact in a plastic socket, which the electrical Connection between two surfaces that are pressed on from both sides, manufactures.
  • the module is preferably with the help of such flexible pressure contacts Data and supply network connected.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Radar Systems Or Details Thereof (AREA)
  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
  • Transceivers (AREA)

Abstract

Es wird ein Radarsystem mit einem phasengesteuerten Antennen- Array beschrieben, das ein Daten- und Versorgungsnetzwerk (2) und eine Anzahl von an dem Daten- und Versorgungsnetzwerk (2) angeordneten austauschbaren, jeweils eine Sender- und Empfängerschaltung (4) enthaltenden Sende/Empfangs-Modulen (3), eine Anzahl von Zirkulatorschaltungen (8) und eine Anzahl von über die Zirkulatorschaltungen (8) mit den Senderund Empfängerschaltungen (4) gekoppelten Antennenelementen (9) umfasst. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass in jedem der Sende/Empfangs-Module (3) jeweils Senderund Empfängerschaltung (4), Zirkulatorschaltung (8) und Antennenelement (9) zusammengefasst sind, und dass die Sende/Empfangs-Module (3) an der Abstrahlungsseite des Radarsystems (1) austauschbar angeordnet sind. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein phasengesteuertes Antennen-Subsystem mit einem phasengesteuerten Antennen-Array nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die Erfindung ist insbesondere anwendbar auf ein insbesondere für ein Radarsystem, ein SAR, für Antennen für Systeme der elektronischen Krieg- oder Einsatz-Führung sowie für Navigations- oder Kommunikations-Systeme. Mögliche Plattformen für die Integration der erfindungsgemäßen Funktionen sind Boden-, Marine-Systems, Flugzeuge, Satelliten, Drohnen und Flugköper sowie gebäude- oder fahrzeug-gebundene Systeme.
Aus der US 5 940 031 ist ein Radarsystem mit einem phasengesteuerten Antennen-Array bekannt, das ein Daten- und Versorgungsnetzwerk und eine Anzahl von an demselben angeordneten austauschbaren, jeweils eine Sender- und Empfängerschaltung enthaltenden Sende/Empfangs-Modulen, eine Anzahl von Zirkulatorschaltungen und eine Anzahl von über die Zirkulatorschaltungen mit den Sender- und Empfängerschaltungen gekoppelten Antennenelementen umfasst. Bei dem bekannten Radarsystem sind die Sende/Empfangs-Module an der Rückseite des Daten- und Versorgungsnetzwerks angeordnet, welches in mehreren, eine Kühlkörperstruktur, eine Energieversorgungsstruktur und eine HF-Versorgungsstruktur enthaltenden Lagen aufgebaut ist. Von den an der Rückseite des Daten- und Versorgungsnetzwerks angeordneten Sende/Empfangs-Modulen sind HF-Verbindungselemente zu jeweiligen an der Vorderseite des Daten- und Versorgungsnetzwerks angeordneten und jeweils mit einem Antennenelement gekoppelten Zirkulatorschaltungen durchgeführt. Die Sende/ Empfangs-Module sind von der Rückseite des Daten- und Versorgungsnetzwerks her austauschbar, so dass das Radarsystem zum Zwecke von Wartungsarbeiten von der Rückseite her zugänglich sein muss.
Bei vielen Einsatzgebieten von Radar- und ECM-Systemen (ECM = Electronic Counter Measures) mit aktiven phasengesteuerten Antennen-Arrays, z.B. für Flugzeuge, besteht eine Schwierigkeit darin, dass für die Unterbringung des Radarsystems nur wenig Platz zur Verfügung steht und dass eine Zugänglichkeit von der Rückseite des Radarsystems oft nicht oder nur unter erschwerten Bedingungen möglich ist.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Radarsystem der eingangs genannten Art zu schaffen, welches einen geringen Platzbedarf erfordert und bei dem die Sende/Empfangs-Module für Wartungs- und Reparaturzwecke leicht austauschbar sind.
Die Aufgabe wird durch das im Anspruch 1 angegebene Radarsystem gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Radarsystems sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Durch die Erfindung wird ein Radarsystem mit einem phasengesteuerten Antennen-Array geschaffen, das ein Daten- und Versorgungsnetzwerk und eine Anzahl von an dem Datenund Versorgungsnetzwerk angeordneten austauschbaren, jeweils eine Sender- und Empfängerschaltung enthaltende Sende/Empfangs- Module, eine Anzahl von Zirkulatorschaltungen und eine Anzahl von über die Zirkulatorschaltungen mit den Sender- und Empfängerschaltungen gekoppelten Antennenelementen umfasst. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass in jedem der Sende/ Empfangs-Module jeweils Sender- und Empfängerschaltung, Zirkulatorschaltung und Antennenelement zusammengefasst sind, und dass die Sende/Empfangs-Module an der Abstrahlungsseite bzw. an der Vorderseite des Radarsystems austauschbar angeordnet sind.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Radarsystems ist es, dass ein Austausch von Sende/Empfangs-Modulen von der Abstrahlungsseite bzw. von der Vorderseite des Radarsystems her erfolgen kann, was für viele Anwendungsfälle ein großer Vorteil ist. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Radarsystems ist es, dass das Antennen-Array auch an eine gekrümmte Oberfläche angepasst werden kann, wenn eine strukturintegrierte Antenne gewünscht ist. Noch ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Radarsystems sind kurze HF-Leitungen zur Antenne und damit eine geringe Rauschzahl, geringere HF-Verluste und eine geringere Signalverkopplung. Schließlich ist es ein Vorteil des erfindungsgemäßen Radarsystems, dass dadurch ein einfacher Aufbau des Daten- und Versorgungsnetzwerk möglich ist.
Gemäß einer sehr vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Sender- und Empfängerschaltung und die Zirkulatorschaltung und das Antennen-Element in Form einer Mehrlagen-Struktur in das Sende/Empfangsmodul integriert sind.
Vorzugsweise ist das Antennen-Element in Form einer Planar-Antenne an der Oberseite des Sende/Empfangs-Moduls angeordnet.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält die Mehrlagen-Struktur mehrere übereinander angeordnete, die Bauelemente der Sender- und Empfängerschaltung und die Zirkulatorschaltung tragende Substrate.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform hiervon ist es vorgesehen, dass ein erstes Substrat an der dem Daten- und Versorgungsnetzwerk zugewandten Seite des Sende/Empfangsmoduls angeordnet ist und einen HF-Leistungsverstärker der Sender- und Empfängerschaltung trägt.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform ist es vorgesehen, dass ein zweites Substrat an der dem Daten- und Versorgungsnetzwerk abgewandten Seite des Sende/Empfangs- Moduls angeordnet ist und die Zirkulatorschaltung, das Antennen-Element sowie Teile der Sender- und Empfänger-Schaltung trägt. Dadurch kann eine Verringerung des Raum-Bedarfs sowie eine Optimierung der Rauschzahl möglich.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorgenannten Ausführungsformen ist es vorgesehen, dass zwischen dem ersten Substrat und dem zweiten Substrat noch mindestens ein weiteres Substrat angeordnet ist, welches weitere Schaltungen, insbesondere einen HF-Verarbeitungsteil und/oder einen Digitalverarbeitungsteil trägt.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Radarsystems ist es vorgesehen, dass die Substrate einstückig mit einer Rahmenstruktur ausgebildet sind, welche gleichzeitig ein Gehäuse des Sende/Empfangs-Moduls und eine mechanische Verbindung der Substrate untereinander bildet.
Vorzugsweise ist das Daten- und Versorgungsnetzwerk als eine mechanische Trägerstruktur für die Sende/Empfangs-Module ausgebildet, welche gleichzeitig eine Kühlstruktur für die Sende/Empfangs-Module beinhaltet.
Vorzugsweise ist das Daten- und Versorgungsnetzwerk als eine Mehrlagenstruktur ausgebildet, welche die Kühlstruktur in Form einer ersten Lage und mindestens eine weitere, ein HF-, Daten- und Stromversorgungsnetzwerk enthaltende Schaltungsstruktur in Form einer zweiten Lage umfasst.
Vorzugsweise ist die Kühlstruktur auf der den Sende/Empfangs- Modulen zugewandten Seite des Daten- und Versorgungsnetzwerks angeordnet.
Vorzugsweise ist die Kühlstruktur als eine von einem Kühlfluid durchströmte aktive Kühlstruktur ausgebildet.
Vorzugsweise steht das den HF-Leistungsverstärker der Sender- und Empfängerschaltung tragende erste Substrat in einem intensiven Kühlkontakt mit der Kühlstruktur des Datenund Versorgungsnetzwerks.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Substrate und/oder die Rahmenstruktur aus Aluminiumnitrid (AIN) hergestellt. Die Substrate selbst sind aus mehreren Schichten Aluminiumnitrid aufgebaut und enthalten vertikale und horizontale elektrische Kontakte. Dabei handelt es sich um Multilayer-Systeme, die aus mehreren Schichten aufgebaut sind. Zwischen diesen Schichten befinden sich elektrische Leiterbahnen (horizontale elektrische Kontakte). Diese Leiterbahnen sind durch sogenannte Vias vertikal miteinander verbunden (vertikale elektrische Kontakte).
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Substrate übereinander gestapelt und miteinander verlötet. Die Lötverbindung wird vorzugsweise mit harten Lotkugeln, die von Lötmittel umflossen werden, ausgeführt.
Vorzugsweise sind die Substrate an den Rahmenstrukturen miteinander verlötet.
Das Sende/Empfangs-Modul wird vorteilhafterweise von einer Metallmanschette umschlossen, die mittels einer Löt-, Schweiß- oder Klebetechnik befestigt wird. Die Manschette wird vorteilhafterweise verwendet, um eine elektromagnetische Schrimmung des Moduls und der elektrischen Kontakte zwischen den Substraten sicherzustellen und um das Modul hermetisch abzudichten.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind in der Rahmenstruktur eine elektrische Verbindung zwischen den Substraten bildende elektrische Kontakte integriert.
Vorzugsweise sind die Sende/Empfangs-Module gleich.
Vorteilhafterweise sind die Sende/Empfangs-Module von der Abstrahlungsseite bzw. der Vorderseite auf das Daten- und Versorgungsnetzwerk aufgesetzt.
Schließlich ist es gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die Sende/Empfangs-Module mittels an deren Kanten- oder Eckbereichen angreifenden Schrauben an dem Daten- und Versorgungsnetzwerk befestigt sind.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1
eine schematisierte seitliche Ansicht eines Radarsystems mit einem phasengesteuerten Antennen-Array gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 2
eine schematisierte Seitenansicht eines Sende/Empfangs- Moduls aus dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel eines Radarsystems mit einer Blockschaltbild-Darstellung von dessen wesentlichen Bestandteilen;
Fig. 3
eine etwas schematisierte seitliche Schnittansicht eines Sende/Empfangs-Moduls gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
Fig. 4
eine etwas schematisierte perspektivische Darstellung eines Teils eines Radarsystems mit einem phasengesteuerten Antennen-Array (Figur 4a)) und eine vergrößerte, aufgebrochene perspektivische Darstellung eines einzelnen Sende/Empfangs-Moduls (Fig. 4b)).
Bei dem in Fig. 1 in einer schematisierten vereinfachten Seitenansicht dargestellten Radarsystem, das insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet ist, bedeutet das Bezugszeichen 30 ein phasengesteuertes Antennen-Array, das aus einer größeren Anzahl von Antennenelementen 9 zusammengesetzt ist. Die Antennenelemente 9 sind jeweils Bestandteil eines Sende/ Empfangs-Moduls 3. Die Sende/Empfangs-Module 3 sind für eine Abstrahlung und den Empfang eines Radar-Sendesignals in der mit dem Pfeil angedeuteten Richtung vorgesehen. Ein Daten- und Versorgungsnetzwerk 2 ist zur Versorgung der Sende/Empfangs- Module 3 mit HF- und Daten-Signalen und zur Stromversorgung und Kühlung derselben vorgesehen. An der Rückseite des Daten- und Versorgungsnetzwerks 2 ist eine Systemschaltung 40 angeordnet, welche weitere Verarbeitungsschaltungen des Radarsystems beinhaltet. Die Systemschaltung 40 kann auch vom Daten- und Versorgungs-Netzwerk getrennt angebracht werden. Insbesondere bei der Anwendung der Erfindung auf ein Anwendungssystem - z.B. auf ein Radar-System beispielsweise in einen Flugzeug-Flügel - werden nur die Sende/Empfangs-Module sowie das Versorgungs-Netzwerk in den Flügel eingebaut, wobei das auswertende System jedoch an einer anderen Stelle, an der ein größerer Raum zur Verfügung steht, untergebracht werden kann.
Wie die vergrößerte schematisierte Darstellung eines der Sende/Empfangs-Module 3 in Fig. 2 zeigt, umfasst das Sende/Empfangs-Modul 3 eine Sender- und Empfängerschaltung 4, die einen HF-Leistungsverstärker 5, einen Digitalverarbeitungsteil 6 und einen HF-Verarbeitungsteil 7 enthält. Die Sender- und Empfängerschaltung 4 ist über eine Zirkulatorschaltung 8 mit einem Antennenelement 9 gekoppelt, welches sich an der Oberseite bzw. Vorderseite des Sende/Empfangs-Moduls 3 befindet. In jedem Sende/Empfangs-Modul 3 sind somit jeweils Sender- und Empfängerschaltung 4, Zirkulatorschaltung 8 und Antennenelement 9 zusammengefasst. Das Antennenelement 9 ist in Form einer an der Vorderseite bzw. Oberseite des Sende/Empfangs-Moduls 3 angeordneten Planarantenne ausgebildet.
Das Daten- und Versorgungsnetzwerk 2, welches das Sende/ Empfangs-Modul 3 an seiner Vorderseite bzw. an seiner Abstrahlungsseite trägt, ist in Form von mehreren Lagen ausgebildet, welche ein Kühlstruktur 18 in Form einer ersten Lage und weitere ein HF-, Datenund Stromversorgungsnetzwerk enthaltende Schaltungsstrukturen 19 in Form von zweiten Lagen umfasst. Wie ersichtlich ist, ist die Kühlstruktur 18 auf der dem Sende/Empfangs-Modul 3 zugewandten Seite des Daten- und Versorgungsnetzwerks 2 angeordnet, so dass ein intensiver Kühlkontakt zwischen der Kühlstruktur 18 und dem Sende/Empfangs- Modul 3, insbesondere dessen HF-Leistungsverstärker 5 besteht.
Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, die ein Ausführungsbeispiel zeigt, wie ein Sende/Empfangs-Modul 3 praktisch aufgebaut sein könnte, sind die Sender- und Empfängerschaltung 4, die den HF-Leistungsverstärker 5, den Digitalverarbeitungsteil 6 und den HF-Verarbeitungsteil 7 umfasst, und die Zirkulatorschaltung 8 in Form einer Mehrlagenstruktur in das Sende/Empfangs-Modul 3 integriert. Das Antennenelement 9 ist in Form einer Planarantenne an der Oberseite bzw. Vorderseite des Sende/Empfangs- Moduls 3 angeordnet.
Die Mehrlagenstruktur enthält mehrere übereinander angeordnete, die Bauelemente der Sender- und Empfängerschaltung 4 und die Zirkulatorschaltung 8 tragende Substrate 11, 12, 13. Ein erstes Substrat 11 ist an der dem Daten- und Versorgungsnetzwerk 2 zugewandten Seite des Sende/Empfangs-Moduls 3 angeordnet und trägt den HF-Leistungsverstärker 5 der Sender- und Empfängerschaltung 4. Ein zweites Substrat 12 ist an der dem Daten- und Versorgungsnetzwerk abgewandten Seite des Sende/Empfangs-Moduls 3 angeordnet und trägt die Zirkulatorschaltung 8, die planare Antenne und Teile des Senderund Empfänger-Schaltung, im wesentlichen aus Platzgründen und zur Verbesserung der Rauschzahl. Zwischen dem ersten Substrat 11 und dem zweiten Substrat 12 ist noch ein weiteres Substrat 13 angeordnet, welches weitere Schaltungen, nämlich den Digitalverarbeitungsteil 6 und den HF-Verarbeitungsteil 7 trägt. Die Substrate 11, 12, 13 sind einstückig mit einer jeweiligen Rahmenstruktur 14, 15 bzw. 16 ausgebildet. Diese Rahmenstrukturen 14, 15, 16 bilden gleichzeitig ein Gehäuse 17 des Sende/Empfangs-Moduls 3 und eine mechanische Verbindung der Substrate 11, 12,13 untereinander.
Das Sende/Empfangs-Modul wird vorteilhafterweise von einer Metallmanschette zumindest teilweise umschlossen, die mittels einer Löt-, Schweiß- oder Klebetechnik befestigt wird. Die Manschette wird vorteilhafterweise verwendet, um eine elektromagnetische Schrimmung des Moduls und der elektrischen Kontakte zwischen den Substraten sicherzustellen und um das Modul hermetisch abzudichten. Die Manschette ist in den Figuren mit dem Bezugszeichen 26 bezeichnet.
Das Daten- und Versorgungsnetzwerk 2 ist als eine mechanische Trägerstruktur für die Sende/Empfangs-Module 3 ausgebildet und beinhaltet gleichzeitig eine Kühlstruktur 18 für die Sende/Empfangs-Module 3. Das den HF-Leistungsverstärker 5 der Sender- und Empfängerschaltung 4 tragende erste Substrat 11 steht in einem intensiven Kühlkontakt mit der Kühlstruktur 18 des Daten- und Versorgungsnetzwerks 2.
Weiterhin ist das Daten- und Versorgungsnetzwerk 2 in Form einer Mehrlagenstruktur ausgebildet, welche die Kühlstruktur 18 in Form einer ersten Lage und mindestens eine weitere ein HF-Daten- und Stromversorgungsnetzwerk enthaltende Schaltungsstruktur 19 in Form einer zweiten Lage umfasst. Wie auch bei dem in Fig. 2 gezeigten schematisierten Ausführungsbeispiel ist bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 3 die Kühlstruktur 18 auf der dem Sende/Empfangs-Modul 3 zugewandten Seite des Daten- und Versorgungsnetzwerks 2 angeordnet. Das den HF-Leistungsverstärker 5 der Sender- und Empfängerschaltung 4 tragende erste Substrat 11 ist in einem intensiven Kühlkontakt mit der Kühlstruktur 18 des Daten- und Versorgungsnetzwerks 2 gehalten. Die Kühlstruktur 18 ist als eine von einem Kühlfluid durchströmte aktive Kühlstruktur ausgebildet.
Die Substrate 11, 12, 13 und die jeweiligen damit einstückig verbundenen Rahmenstrukturen 14, 15 bzw. 16 sind aus Aln (Aluminiumnitrit) hergestellt, um eine leistungsfähige Wärmeabführung zu gewährleisten. Die Substrate selbst sind aus mehreren Schichten Aluminiumnitrid aufgebaut und enthalten vertikale und horizontale elektrische Kontakte. Die Substrate 11, 12, 13 sind übereinandergestapelt und im Bereich der Rahmenstrukturen 14, 15, 16 miteinander verlötet. Für die Verlötung werden vorzugsweise harte Lotkugeln 26 verwendet, die beim Lötvorgang von Lötmittel umflossen werden und so die elektrischen Kontakte auf der Oberfläche der Substrate verbinden. Eine stumpfe Verlötung ohne Lotkugeln ist ebenfalls möglich. In die Substrate 11, 12, 13 und die Rahmen-Strukturen 14, 15, 16 sind horizontale elektrische Kontakte 20, 21, 22 und vertikale elektrische Kontakte 23, 24, 25 integriert, die eine elektrische Verbindung zwischen den Substraten 11, 12, 13, dem Daten- und Versorgungs-Netzwerk 2 sowie den einzelnen Komponenten der Sender- und Empfänger-Schaltung 4 bilden. In die Rahmenstrukturen 14, 15, 16 sind elektrische Kontakte 20, 21, 22, 23, 24 integriert, die eine elektrische Verbindung zwischen den Substraten 11, 12, 13 bilden.
Die Sende/Empfangs-Module 3 sind vorzugsweise alle gleich.
Aus der in Fig. 4a) und b) gezeigten perspektivischen Darstellung, die einen kleinen Ausschnitt aus einer praktischen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Radarsystems zeigt, ist ersichtlich, dass die Sende/Empfangs-Module 3 von der Abstrahlungsseite auf das Daten- und Versorgungsnetzwerk 2 aufgesetzt und mittels an den Eckbereichen angreifenden Schrauben 25 an dem Daten- und Versorgungsnetzwerk 2 befestigt sind. Die elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Sende/Empfangs-Modulen 3 und den Daten- und Versorgungsnetzwerk 2 ist durch elektrische Kontaktleisten 50 bewerkstelligt, die in die Oberseite des Daten- und Versorgungsnetzwerks 2, d.h. der Kühlstruktur 18 desselben eingelassen sind, und durch entsprechende Kontaktleisten 60 an der Unterseite der Sende/Empfangsmodule 3. Die mit dem Bezugszeichen 60 bezeichneten Kontaktleisten auf der Unterseite der Module sind in der Figur 4b nicht sichtbar.
Das Modul soll mit Hilfe von CIN: APSE -Kontakten an das Daten- und Versorgungs-Netzwerk angeschlossen werden. Dabei handelt es sich um ein flexibles zylinderförmiges Drahtgeflecht, welches in einer Kunststoff-Fassung einen Druck-Kontakt bildet, der die elektrische Verbindung zwischen zwei Flächen, die von beiden Seiten aufgedrückt werden, herstellt. Das Modul ist vorzugsweise mit Hilfe solcher flexibler Druck-Kontakte mit dem Daten- und Versorgungs-Netzwerk verbunden.
Bezugszeichenliste
1
Radarsystem
2
Daten- und Versorgungsnetzwerk
3
Sende/Empfangs-Modul
4
Sender- und Empfängerschaltung
5
HF-Leistungsverstärker
6
Digitalverarbeitungsteil
7
HF-Verarbeitungsteil
8
Zirkulatorschaltung
9
Antennenelement
11
erstes Substrat
12
zweites Substrat
13
weiteres Substrat
14
Rahmenstruktur
15
Rahmenstruktur
16
Rahmenstruktur
17
Gehäuse
18
Kühlstruktur
19
Schaltungsstruktur
20
elektrischer Kontakt
21
elektrischer Kontakt
22
elektrischer Kontakt
23
elektrischer Kontakt
24
elektrischer Kontakt
25
Befestigungsschraube
30
Antennen-Array
40
Systemschaltung
50
Kontaktleiste

Claims (21)

  1. Radarsystem mit einem phasengesteuerten Antennen-Array, das ein Daten- und Versorgungsnetzwerk (2) und eine Anzahl von an dem Daten- und Versorgungsnetzwerk (2) angeordneten austauschbaren, jeweils eine Sender- und Empfängerschaltung (4) enthaltenden Sende/Empfangs-Modulen (3), eine Anzahl von Zirkulatorschaltungen (8) und eine Anzahl von über die Zirkulatorschaltungen (8) mit den Sender- und Empfängerschaltungen (4) gekoppelten Antennenelementen (9) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem der Sende/Empfangs-Module (3) jeweils Sender- und Empfängerschaltung (4), Zirkulatorschaltung (8) und Antennenelement (9) zusammengefasst sind, und dass die Sende/Empfangs-Module (3) an der Abstrahlungsseite des Radarsystems (1) austauschbar angeordnet sind.
  2. Radarsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sender- und Empfängerschaltung (4) und die Zirkulatorschaltung (8) in Form einer Mehrlagenstruktur in das Sende/ Empfangsmodul (3) integriert sind.
  3. Radarsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Antennenelement (9) in Form einer Planarantenne an der Oberseite des Sende/Empfangs-Moduls (3) angeordnet ist.
  4. Radarsystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrlagenstruktur mehrere übereinander angeordnete, die Bauelemente der Sender- und Empfängerschaltung (4) und die Zirkulatorschaltung (8) tragende Substrate enthält.
  5. Radarsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Substrat (11) an der dem Daten- und Versorgungsnetzwerk (2) zugewandten Seite des Sende/Empfangsmoduls (3) angeordnet ist und einen HF-Leistungsverstärker (5) der Senderund Empfängerschaltung (4) trägt.
  6. Radarsystem nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites Substrat (12) an der dem Daten- und Versorgungsnetzwerk (2) abgewandten Seite des Sende/Empfangs- Moduls (3) angeordnet ist und die Zirkulatorschaltung (8) trägt.
  7. Radarsystem nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten Substrat (11) und dem zweiten Substrat (12) noch mindestens ein weiteres Substrat (13) angeordnet ist, welches weitere Schaltungen (6, 7), insbesondere einen HF-Verarbeitungsteil (7) und/oder einen Digitalverarbeitungsteil (6) trägt.
  8. Radarsystem nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Substrate (11, 12, 13) einstückig mit einer Rahmenstruktur (14, 15, 16) ausgebildet sind, welche gleichzeitig ein Gehäuse (17) des Sende/Empfangs-Moduls (3) und eine mechanische Verbindung der Substrate (11, 12, 13) untereinander bildet.
  9. Radarsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Daten- und Versorgungsnetzwerk (2) als eine mechanische Trägerstruktur für die Sende/Empfangs-Module (3) ausgebildet ist, welche gleichzeitig eine Kühlstruktur (18) für die Sende/Empfangs-Module (3) beinhaltet.
  10. Radarsystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Daten- und Versorgungsnetzwerk (2) als eine Mehrlagenstruktur ausgebildet ist, welche die Kühlstruktur (18) in Form einer ersten Lage und mindestens eine weitere ein HF-, Daten- und Stromversorgungsnetzwerk enthaltende Schaltungsstruktur (19) in Form einer zweiten Lage umfasst.
  11. Radarsystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlstruktur (18) auf der den Sende/Empfangs-Modulen (3) zugewandten Seite des Daten- und Versorgungsnetzwerks (2) angeordnet ist.
  12. Radarsystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlstruktur (18) als eine von einem Kühlfluid durchströmte aktive Kühlstruktur ausgebildet ist.
  13. Radarsystem nach Anspruch 11 oder 12 in Verbindung mit einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das den HF-Leistungsverstärker (5) der Sender- und Empfängerschaltung (4) tragende erste Substrat in einem intensiven Kühlkontakt mit der Kühlstruktur (18) des Daten- und Versorgungsnetzwerks (2) steht.
  14. Radarsystem nach einem der Ansprüche 4 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Substrate (11, 12, 13) und/oder die Rahmenstruktur (14, 15, 16) aus AlN hergestellt sind.
  15. Radarsystem nach einem der Ansprüche 4 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Substrate (11, 12, 13) übereinander gestapelt und miteinander verlötet sind.
  16. Radarsystem nach Anspruch 15 in Verbindung mit Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Substrate (11, 12, 13) an den Rahmenstrukturen (14, 15, 16) miteinander verlötet sind.
  17. Radarsystem nach einem der Ansprüche 8 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass in der Rahmenstruktur (14, 15, 16) eine elektrische Verbindung zwischen den Substraten (11, 12, 13) bildende elektrische Kontakte (20, 21, 22, 23, 24) integriert sind.
  18. Radarsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Sende/Empfangs-Module (3) gleich sind.
  19. Radarsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Sende/Empfangs-Module (3) von der Abstrahlungsseite auf das Daten- und Versorgungsnetzwerk (2) aufgesetzt sind.
  20. Radarsystem nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Sende/Empfangs-Module (3) mittels an deren Kanten- oder Eckbereichen angreifenden Schrauben (25) an dem Daten- und Versorgungsnetzwerk (2) befestigt sind.
  21. Radarsystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sende/Empfangs-Modul von einer Manschette (26) zumindest teilweise umschlossen wird.
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