EP1328042B1 - Phasengesteuertes Antennen-Subsystem - Google Patents

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EP1328042B1
EP1328042B1 EP02025792A EP02025792A EP1328042B1 EP 1328042 B1 EP1328042 B1 EP 1328042B1 EP 02025792 A EP02025792 A EP 02025792A EP 02025792 A EP02025792 A EP 02025792A EP 1328042 B1 EP1328042 B1 EP 1328042B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
radar system
transmission
data
supply network
transmitter
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP02025792A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1328042A1 (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
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by EADS Deutschland GmbH filed Critical EADS Deutschland GmbH
Publication of EP1328042A1 publication Critical patent/EP1328042A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1328042B1 publication Critical patent/EP1328042B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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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 phased array antenna subsystem with a phased array antenna according to the preamble of claim 1.
  • the invention is particularly applicable to a particular for a radar system, a SAR, for antennas for systems of electronic war or mission leadership and for navigation or communication systems.
  • Possible platforms for the integration of the functions according to the invention are ground, naval systems, aircraft, satellites, drones and missiles as well as building or vehicle-bound systems.
  • a radar system with a phased array antenna comprising a data and supply network and a number of interchangeable, each containing a transmitter and receiver circuit transceiver modules, a number of circulator circuits and comprises a number of antenna elements coupled via the circulator circuits to the transmitter and receiver shades.
  • the transceiver modules are arranged on the rear side of the data and supply network, which is constructed in a plurality of layers containing a heat sink structure, a power supply structure and an RF supply structure.
  • HF connectors are arranged at respective circulator circuits arranged at the front of the data and supply network and coupled to an antenna element.
  • the transceiver modules are interchangeable from the back of the data and utility network, so the radar system must be accessible from the rear for maintenance.
  • a transmission / reception module of the type described in the introduction in which the transmitter and receiver circuit, the circulator circuit and the antenna elements are combined and which is arranged interchangeably on the emission side of the radar system.
  • the radar system is further characterized by the fact that a cooling system is provided for dissipating the heat generated by the transceiver module
  • the object of the invention is to provide a radar system of the type mentioned with an improved cooling system.
  • the object is achieved by the radar system specified in claim 1.
  • the invention provides a radar system with a phased array antenna having a data and supply network and a number of interchangeable arranged on the data and supply network, each containing a transmitter and receiver circuit in multi-layer structure transceiver modules, a Number of circulator circuits and a number of antenna elements coupled via the circulator circuits to the transmitter and receiver circuits.
  • each transmitter and receiver circuit, circulator circuit and antenna element are combined in each of the transmit / receive modules and the transmit / receive modules are arranged interchangeably on the emission side and at the front of the radar system.
  • the data and supply network is designed as a mechanical support structure in multi-layer structure for the transmit / receive modules, which simultaneously in a first position on a the transmit / receive module side facing the data and supply network arranged, includes a cooling structure and arranged in at least one second layer below the cooling structure, comprising a circuit structure containing HF, data and power supply network.
  • a significant advantage of the radar system according to the invention is that an exchange of transmit / receive modules can be carried out from the emission side or from the front of the radar system, which is a great advantage for many applications.
  • a further advantage of the radar system according to the invention is that the antenna array can also be adapted to a curved surface if a structure-integrated antenna is desired.
  • Yet another advantage of the radar system according to the invention Short RF cables to the antenna and thus a low noise figure, lower RF losses and lower signal coupling.
  • it is an advantage of the radar system according to the invention that thereby a simple construction of the data and supply network is possible.
  • the transmitter and receiver circuit and the circulator circuit and the antenna element are integrated in the form of a multi-layer structure in the transmission / reception module.
  • the antenna element is arranged in the form of a planar antenna at the top of the transceiver module.
  • the multilayer structure comprises a plurality of superimposed, the components of the transmitter and receiver circuit and the circulator circuit supporting substrates.
  • a first substrate is arranged on the side facing the data and supply network side of the transmitting / receiving module and carries an RF power amplifier of the transmitter and receiver circuit.
  • a second substrate is arranged on the side facing away from the data and supply network side of the transmission / reception module and carries the circulator circuit, the antenna element and parts of the transmitter and receiver circuit. This makes it possible to reduce the space requirement and to optimize the noise figure.
  • At least between the first substrate and the second substrate at least a further substrate is arranged, which carries further circuits, in particular an HF processing part and / or a digital processing part.
  • the substrates are integrally formed with a frame structure which simultaneously forms a housing of the transmission / reception module and a mechanical connection of the substrates to one another.
  • the data and supply network is designed as a mechanical support structure for the transmit / receive modules, which simultaneously includes a cooling structure for the transmit / receive modules.
  • the data and supply network is designed as a multi-layer structure, which comprises the cooling structure in the form of a first layer and at least one further, a HF, data and power supply network containing shading structure in the form of a second layer.
  • the cooling structure is preferably arranged on the side of the data and supply network facing the transceiver modules.
  • the cooling structure is preferably designed as an active cooling structure through which a cooling fluid flows.
  • the first substrate carrying the RF power amplifier of the transmitter and receiver circuit is preferably in intensive cooling contact with the cooling structure of the data and supply network.
  • the substrates and / or the frame structure are made of aluminum nitride (AIN).
  • AIN aluminum nitride
  • the substrates themselves are composed of several layers of aluminum nitride and contain vertical and horizontal electrical Contacts. These are multilayer systems that are made up of several layers. Between these layers are electrical conductors (horizontal electrical contacts). These tracks are connected by so-called vias vertically (vertical electrical contacts).
  • the substrates are stacked on top of each other and soldered together.
  • the solder joint is preferably made with hard solder balls encased in solder.
  • the substrates are soldered to each other at the frame structures.
  • the transmit / receive module is advantageously enclosed by a metal collar, which is attached by means of a soldering, welding or gluing technique.
  • the collar is advantageously used to ensure electromagnetic chamfering of the module and the electrical contacts between the substrates and to hermetically seal the module.
  • an electrical connection between the substrates forming electrical contacts are integrated in the frame structure.
  • the transmit / receive modules are the same.
  • the transmission / reception modules are placed on the data and supply network from the emission side or the front side.
  • the transmit / receive modules are fastened to the data and supply network by means of screws engaging at their edge or corner regions.
  • the reference numeral 30 denotes a phased array antenna, which is composed of a larger number of antenna elements 9.
  • the antenna elements 9 are each part of a transmission / reception module 3.
  • the transmission / reception modules 3 are provided for radiation and the reception of a radar transmission signal in the direction indicated by the arrow.
  • a data and supply network 2 is provided for supplying the transmitting / receiving modules 3 with RF and data signals and for power supply and cooling thereof.
  • a system circuit 40 is arranged, which includes further processing circuits of the radar system.
  • the system circuit 40 may also be attached separately from the data and utility network.
  • the transmission / reception module 3 includes a transmitter and receiver circuit 4 including an RF power amplifier 5, a digital processing section 6, and an RF processing section 7.
  • the transmitter and receiver circuit 4 is coupled via a circulator circuit 8 to an antenna element 9, which is located at the top or front side of the transceiver module 3.
  • the circulator circuit 8 and the antenna element 9 are thus combined.
  • the antenna element 9 is in the form of a planar antenna arranged on the front side or upper side of the transceiver module 3.
  • the data and supply network 2 which carries the transmitting / receiving module 3 on its front side or on its emission side, is in the form of a plurality of layers, which have a cooling structure 18 in the form of a first layer and further an HF, data and power supply network containing circuit structures 19 in the form of second layers.
  • the cooling structure 18 is arranged on the side facing the transmitting / receiving module 3 side of the data and supply network 2, so that an intensive cooling contact between the cooling structure 18 and the transmitting / receiving module 3, in particular its RF power amplifier 5 exists.
  • the transmitter and receiver circuit 4 the RF power amplifier 5, the digital processing part 6 and the RF processing part 7 includes, and the circulator circuit 8 integrated in the form of a multi-layer structure in the transmission / reception module 3.
  • the antenna element 9 is arranged in the form of a planar antenna at the top or front side of the transceiver module 3.
  • the multi-layer structure contains a plurality of superimposed, the components of the transmitter and receiver circuit 4 and the circulator circuit 8 supporting substrates 11, 12, 13.
  • a first substrate 11 is disposed on the data and supply network 2 side facing the transceiver module 3 and carries the RF power amplifier 5 of the transmitter and receiver circuit 4.
  • a second substrate 12 is arranged on the side facing away from the data and supply network side of the transceiver module 3 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.
  • a further substrate 13 is arranged, which carries further circuits, namely the digital processing part 6 and the RF processing part 7.
  • the substrates 11, 12, 13 are integrally formed with a respective frame structure 14, 15 and 16, respectively. These frame structures 14, 15, 16 simultaneously form a housing 17 of the transmitting / receiving module 3 and a mechanical connection of the substrates 11, 12, 13 with each other.
  • the transmit / receive module is advantageously at least partially enclosed by a metal collar, which is fastened by means of a soldering, welding or adhesive technique.
  • the collar is advantageously used to ensure electromagnetic chamfering of the module and the electrical contacts between the substrates and to hermetically seal the module.
  • the cuff is designated in the figures by the reference numeral 26.
  • 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 in the form of a multi-layer structure is formed, which the cooling structure 18 in the form of a first layer and at least one further a circuit structure 19 containing an RF data and power supply network in the form of a second layer.
  • the cooling structure 18 is arranged on the side of the data and supply network 2 facing the send / receive module 3.
  • the first substrate 11 carrying the RF power amplifier 5 of the transmitter and receiver circuit 4 is kept in intensive cooling contact with the cooling structure 18 of the data and supply network 2.
  • the cooling structure 18 is designed as an active cooling structure through which a cooling fluid flows.
  • the substrates 11, 12, 13 and the respective integrally connected frame structures 14, 15 and 16 are made of Aln (aluminum nitrite) to ensure efficient heat dissipation.
  • the substrates themselves are composed of several layers of aluminum nitride and contain vertical and horizontal electrical contacts.
  • the substrates 11, 12, 13 are stacked and soldered together in the region of the frame structures 14, 15, 16.
  • hard solder balls 26 are preferably used, which are surrounded by solder during the soldering process and thus connect the electrical contacts on the surface of the substrates. Blunt soldering without solder balls is also possible.
  • the transmit / receive modules 3 are preferably all the same.
  • FIGS. 4 a) and b which shows a small section of a practical embodiment of the radar system according to the invention, it can be seen that the transceiver modules 3 are connected to the data transmission from the emission side. and supply network 2 and secured by means engaging at the corners screws 25 on the data and supply network 2.
  • the electrical connection between the individual transmitting / receiving modules 3 and the data and supply network 2 is accomplished by electrical contact strips 50, which are embedded in the top of the data and supply network 2, ie the cooling structure 18 thereof, and by corresponding contact strips 60th on the underside of the transceiver modules 3.
  • the contact strips designated by the reference numeral 60 on the underside of the modules are not visible in FIG. 4b.
  • the module should be connected to the data and supply network using CIN: APSE contacts. It is a flexible cylindrical wire mesh, which forms a pressure contact in a plastic socket, which produces the electrical connection between two surfaces which are pressed from both sides.
  • the module is preferably connected to the data and supply network by means of such flexible pressure contacts.

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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 Empfängerschattungen 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.
  • Aus EP 0 726 612 A1 ist ein Sende/Empfangs-Modul der eingangs beschriebenen Art bekannt, bei welchem die Sender- und Empfängerschaltung, die Zirkulatorschaltung und die Antennenelemente zusammengefaßt sind und welches an der Abstrahlungsseite des Radarsystems austauschbar angeordnet ist. Das Radarsystem zeichnet sich ferner dadurch aus, dass ein Kühlungssystem vorhanden ist, zur Abführung der von dem Sende/Empfangs-Modul erzeugten Wärme
  • Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Radarsystem der eingangs genannten Art mit einem verbesserten Kühlungssystem zu schaffen.
  • 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 Daten- und Versorgungsnetzwerk angeordneten austauschbaren, jeweils eine Sender- und Empfängerschaltung enthaltende in Mehrlagenstruktur ausgeführte Sende/Empfangs- Module, eine Anzahl von Zirkulatorschaltungen und eine Anzahl von über die Zirkulatorschaltungen mit den Sender- und Empfängerschaltungen gekoppelten Antennenelementen umfasst. Außerdem sind in jedem der Sende/Empfangs-Module jeweils Sender- und Empfängerschaltung, Zirkulatorschaltung und Antennenelement zusammengefaßt und die Sende/Empfangs-Module sind an der Abstrahlungsseite bzw. an der Vorderseite des Radarsystems austauschbar angeordnet. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass das Daten- und Versorgungsnetzwerk als eine mechanische Trägerstruktur in Mehrlagenstruktur für die Sende/Empfangs-Module ausgebildet ist, welche gleichzeitig in einer ersten Lage auf einer dem Sende/Empfangs-Modul zugewandten Seite des Daten- und Versorgungsnetzwerks angeordnet, eine Kühlstruktur beinhaltet und in mindestens einer zweiten Lage unterhalb der Kühlstruktur angeordnet, ein HF-, Daten- und Stromversorgungsnetzwerk enthaltene Schaltungsstruktur umfasst.
  • 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 Schattungsstruktur 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 Daten- und 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.
  • lm 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-, Daten- und 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 Sender- und 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 (18)

  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) ein mit der Sender- und Empfängerschaltung (4) gekoppeltes Antennenelement (9) und enthaltenden in Mehrlagenstruktur ausgeführten Sende/Empfangsmodulen (3), umfaßt, wobei in jedem der Sende/Empfangsmodule (3) jeweils eine Sender- und Empfängerschaltung (4), eine Zirkulatorschaltung (8) und ein Antennenelement (9) zusammengefaßt und die Sende/Empfangsmodule (3) an der Abstrahlungsseite des Radarsystems (1) austauschbar angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Daten- und Versorgungsnetzwerk (2) als eine mechanische Trägerstruktur in Mehrlagenstruktur für die Sende/Empfangs-Module (3) ausgebildet ist, welche gleichzeitig in einer ersten Lage, auf einer dem Sende/Empfangs-Modul (3) zugewandten Seite des Daten- und Versorgungsnetzwerks (2) angeordnet, eine Kühlstruktur (18) beinhaltet und in mindestens einer zweiten Lage unterhalb der Kühlstruktur (18) angeordnet eine, ein HF-, Daten- und Stromversorgungsnetzwerk enthaltene Schaltungsstruktur (19) umfasst.
  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 Sender- und 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 die Kühlstruktur (18) als eine von einem Kühlfluid durchströmte aktive Kühlstruktur ausgebildet ist.
  10. Radarsystem nach Anspruch 9 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.
  11. Radarsystem nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Substrate (11, 12, 13) und/oder die Rahmenstruktur (14, 15, 16) aus AIN hergestellt sind.
  12. Radarsystem nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Substrate (11, 12, 13) übereinander gestapelt und miteinander verlötet sind.
  13. Radarsystem nach Anspruch 12 in Verbindung mit Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Substrate (11, 12, 13) an den Rahmenstrukturen (14, 15, 16) miteinander verlötet sind.
  14. Radarsystem nach einem der Ansprüche 8 bis 13, 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.
  15. Radarsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Sende/Empfangs-Module (3) gleich sind.
  16. Radarsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Sende/Empfangs-Module (3) von der Abstrahlungsseite auf das Daten- und Versorgungsnetzwerk (2) aufgesetzt sind.
  17. Radarsystem nach Anspruch 16, 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.
  18. Radarsystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sende/Empfangs-Modul (3) von einer Manschette (26) zumindest teilweise umschlossen wird.
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