JP2018506870A - 縦型無線周波数モジュール - Google Patents

Abstract

複数のチャネルを有する無線周波数(RF)モジュールは、少なくとも1つの先細りエッジを有するヒート・シンクと、ヒート・シンクの先細りエッジが基板の境界を越えて延びるように、ヒート・シンクの表面上に配置される基板とを有する。RF、論理及び電力回路が基板に配置され、1つ以上のRF信号ポートが基板のエッジに形成され、RFモジュールが、レンガ状アーキテクチャを有するアレイ・アンテナで使用されることを許容する。先細りエッジのヒート・シンクは、RF信号コンポーネントのための地板と、基板に配置される発熱回路の熱経路との双方を提供する。

Description

当該技術分野で知られているように、アクティブ電子走査アレイ(actively electronic scanned array：AESA)アンテナ・システムを含むRFシステムの無線周波数(RF)モジュールの高密度/電力パッケージングは、熱管理及びコンポーネント間隔に関する問題を提起する。AESAアンテナにおけるコンポーネント間隔は、一般に、アレイ・アンテナ・エレメントの間隔(すなわち、アレイを構成する個々のアンテナ・エレメント間の物理的な距離)によって決定される。アンテナ・エレメント間隔は、AESA動作周波数の関数である。そして、アンテナ・エレメント間隔は、一般に、RF動作周波数の増加とともに小さくなる。

しばしば、比較的高いRF周波数で動作するAESAアンテナでは、RFコンポーネント(例えば、T/R回路)を含むRFモジュールを搭載するのに利用可能な領域(又はフットプリント)は、一般に、いわゆるパネル・アーキテクチャを収容するには小さすぎる(パネル・アーキテクチャでは、RF及び他の回路コンポーネントが平面状に配置され、その平面はAESAアンテナ開口に対して平行又は垂直である)。

AESAアンテナの回路密度を増やすための或る種のアレイ・アーキテクチャ及び関連する構築記述は、いわゆる「レンガ」アーキテクチャ("brick" architecture)を利用してAESAアンテナ・システムを形成することである(このアーキテクチャは、縦型アーキテクチャとして言及されてもよい)。レンガ・アーキテクチャでは、AESEアンテナにつながるRF信号、論理信号及び電力信号は、概して、アンテナ開口に合致する(又はそれによって規定される)平面に実質的に垂直な平面内に分散される。従って、AESAアンテナ・システムで使用されるRF、論理及び電力回路を収容するRFモジュールは、例えば、アンテナ開口に関して縦向きに(又はそれに対して垂直に)方向付けられる。これは、RFモジュールのエッジが、AESA開口に対向する方向で搭載されることを意味する。

縦型アーキテクチャでは、RFモジュールのエッジはAESA開口の方を向くように搭載されるので、RFモジュールから消耗熱を熱伝導で除去するのに一般的に利用可能なRFモジュールの表面領域の面積は、限られてしまう。更に、その同じエッジの部分は、RFモジュールとAESAアンテナとの間の電気接続にも必要とされる。これは、モジュールから熱を除去するのに利用可能なRFモジュールのエッジにおける表面領域の面積を更に制限してしまう。従って、レンガ状又は縦型のアレイ・アーキテクチャでは、RFモジュール自体から熱を遠ざける熱伝導を支援することに関し、RFモジュールのエッジについて比較的小さな面積しか利用可能でない。従って、縦型(又はレンガ状)アーキテクチャは、RFモジュールにおけるコネクションの提供、及び、RFモジュールの熱管理に関して問題をもたらす。

本願で説明される概念、システム及び技術の一形態によれば、無線周波数(RF)モジュールは、発熱素子が配置される基板と、基板に結合されるヒート・シンクとを有し、ヒート・シンクの一部分は基板のエッジを超えて延在し、RF、論理及びDC回路が基板に配置されている。少なくともRF信号の信号経路は、基板の何れかのエッジまで延びる。基板のエッジは、電気的に伝導性の材料でめっきされ、基板のエッジにおいてRF信号経路に配置される信号パッドを形成する。ヒート・シンクは、基板に配置される発熱回路に対する熱伝導体及び地板(又はグランド・プレーン)の双方得として機能する。多機能コネクタが基板のエッジに配置され、DC及び論理信号に対する入力及び出力信号経路を提供する。

この特定の構成に関し、アレイ・アンテナで使用するRFモジュールが提供される。RFモジュールのエッジにRF信号パッドを形成することにより、RF信号に対する小型化されたコネクタ・サイズのRFモジュールが提供される。これは、複数のそのようなRFモジュールが、アレイ・アンテナの中で密集して配置されることを許容し、その密集した配置は、アレイ・アンテナが、アレイ・アンテナを有する密集したアンテナ要素を有するように提供されることを許容する。従って、複数のそのような縦型RFモジュール及び/又はそのようなモジュールのサブアセンブリは、例えば、アクティブ電子走査アレイ(AESA)アンテナで使用するように結合されてよい。

更に、発熱素子(例えば、いわゆる「アクティブ回路コンポーネント」又は更に簡単に言えば「アクティブ回路」)が配置される基板のエッジを越えて(又は通り過ぎて)RFモジュール・ヒート・シンク構造を拡張することにより、熱経路が提供され、その熱経路を通って、熱がRFモジュールから遠ざかるように方向付けられる。ヒート・シンクの拡張された部分は、コールド・プレート又は他のヒート・シンキング構造(RFモジュールにとって外部の構造)の中に埋め込まれ、RFモジュールからの熱の除去を更に改善する。

更に、拡張されたヒート・シンキング構造を有するRFモジュールを提供することにより、RFモジュールは、アレイ・アンテナに関して縦型の配置に構成される。アレイ・アンテナ(例えば、AESAアンテナ)においてRFモジュールを縦に向けることにより、RFモジュールのRF回路素子とフェーズド・アレイ・アンテナの信号ポートとの間で、RF信号経路(すなわち、RF相互接続)の長さを短縮し理想的には最小化する回路及び技術が、提供される。RF信号経路長及び全ての接地経路長を短縮し理想的には最小化することにより、RFモジュールの入力/出力信号ポートとアンテナの入力/出力信号ポートとの間の挿入損失特性は、同様に、低減され理想的には最小化される。チャネル同士のカップリングも低減され、アイソレーションが改善される。そのような回路の挿入損失特性の低減及び/又はチャネル間のアイソレーション特性の増加は、レンガ状アーキテクチャを有するAESAアンテナを利用するシステムのパフォーマンス特性を改善する。

本願で説明される概念、システム及び技術についての更なる形態によれば、RFシステムは、放射表面及び信号ポート表面を有するアンテナ・アセンブリと、アンテナ・アセンブリの信号ポート表面上に配置されるヒート・シンクと、複数のRFモジュールとを含み、RFモジュールの各々は、ヒート・シンクの表面に埋め込まれる少なくとも1つの先細りエッジを有するRFモジュール・ヒート・シンクを有し、そのヒート・シンクは、アンテナ・アセンブリの信号ポート表面上に配置される。RFモジュールは、RFモジュール・ヒート・シンク上に配置される基板を更に含み、基板は或る幅を有し、それにより、ヒート・シンキング構造の先細り部分が基板のエッジを越えて延在する。RF、論理及びDC回路は基板に配置される。RFモジュール・ヒート・シンクは、基板に配置される発熱回路のための熱伝導体及び地板の双方として機能する。少なくともRF信号のための信号経路は、基板の何れかのエッジまで延びている。基板のエッジは、電気伝導性の材料でめっきされ、基板のエッジにおけるRF信号経路に関するRF信号パッドを形成する。地板は、基板の或るエッジに配置され、RF信号経路から電気的に絶縁されている。DC及び論理信号の入力及び出力信号経路を提供するように、多機能コネクタが基板のエッジに配置されてもよい。

この特定の構成により、比較的高い密度/電力の特性を有するRFシステムが提供される。拡張されたヒート・シンク構造を有するRFモジュールを利用することにより、RFモジュールは、追加的なスペースを必要とすることなく、より大きな外部ヒート・シンクに熱的に結合されることが可能である。これは、RFシステムの熱管理条件及び素子間隔要請を充足することを促す。一実施形態では、RFシステムは、AESAアンテナ・アセンブリを有するレーダー・システムとして提供される。

RFパッケージ・サイズの小型化を追い続ける際の障害の1つは、関連するRFコネクタである。本願で説明される概念、回路及び技術は、基板内の様々な層に電気トレースを配置することを許容する積層体を作成することにより、無駄な熱を除去する特有の技術との組み合わせにより、小型化されたRFコネクタ・サイズを有するRFモジュールという結果をもたらす。その結果のアセンブリは、RF信号接続に必要な面積を大幅に減らす一方、コールド・プレートのような2次的なヒート・シンク構造とRFコンポーネント熱源との間の距離を短縮し理想的には最小化する。

コールド・プレートのような別のヒート・シンク構造の中に延びることが可能な熱及び電気伝導性のヒート・シンクを有するRFモジュールを提供することは、例えば、伝わる無駄な熱の除去に利用可能なエリアを増やす一方、RFモジュール間の間隔を減らす(理想的には最小化する)。

RFモジュール・アセンブリが、高温焼成セラミック(High Temperature Co-fired Ceramic：HTCC)の積層により製造される場合、それは、基板内で様々な層に電気トレースを配置することを許容する。そのプロセスは、RF信号ラインが基板内に組み込まれること(又は「埋め込まれること」)を許容し、かつ、必要な接地(例えば、伝送ラインの形成に必要な接地)が所望の場所に配置されることを許容する。RF信号トレースは、RFモジュールの外側エッジに経路設定され、及び、RFモジュール基板のエッジを選択的にめっきすることにより、基板のエッジにパッドが形成されることが可能である。

選択的なめっきは、信号パッドから地板を分離し、RF伝送ラインのためのポートを作成するための非伝導性の領域を許容する。この設計では、RF地板を作成するめっきは、RF地板の一部を為す金属ヒート・シンクとの電気コンタクトにもなる。RFグランドの延長は、コールド・プレートを貫通する小さな直径のコネクタ・ピンを利用して、アンテナ・アセンブリとの接続を行う一方、RF信号の完全性を保持することを許容する。その結果のアセンブリは、RF信号コネクションに必要なエリアを大幅に削減する一方、RFコンポーネント熱源及びコールド・プレート間の距離を短縮する(理想的には最小化する)。

本願で説明される概念の更なる形態によれば、無線周波数(RF)モジュールは、1つ以上の凹部が設けられる基板であって、基板の少なくとも1つの層に設けられる1つ以上のRF信号経路を有し、基板の第1エッジは、1つ以上のRFパッドを形成するために基板に配置される伝導体を有し、1つ以上のRFパッドの各々は、1つ以上のRF信号経路の対応するものに結合される、基板と、1つ以上のRFパッドの各々の近辺で第1エッジ上に配置される地板とを含む。熱及び電気伝導性ヒート・シンクは、基板の表面に配置され、熱及び電気伝導性ヒート・シンクの少なくとも一部分は、基板のエッジを通り過ぎて延びる。

RFモジュールの特徴は、以下の特徴のうちの1つ又は複数個を個別的に又は組み合わせで含んでよい。

基板は多層基板として提供されてもよい。少なくともRF回路を含む回路は、基板の1つ以上の凹部のうちの少なくとも何れかの中に配置されてよい。伝導性の蓋は回路上に配置され、コネクタは、多層基板の第2エッジに配置され、回路に電気的に結合される。回路はディジタル及び/又は電力回路を含み、コネクタは、多層基板のエッジに配置される多機能コネクタとして提供され、RF、ディジタル及び電力回路のそれぞれに結合されるRF、DC及びディジタル・コネクションを有する。RFモジュール・アセンブリは、回路周辺で基板に配置されるフレームを有してもよい。ヒート・シンクは金属により提供されてもよい。ヒート・シンクは、相対的に低い電気及び熱伝導性の特性を有するコア材料により提供され、電気及び熱伝導性の材料はコア材料の表面上に配置される。

本願で説明される概念の更に別の形態によれば、RFシステムは、アンテナ・アセンブリと、アンテナ・アセンブリ上に配置されるヒート・シンキング構造と、 ヒート・シンキング構造上に配置されるRFモジュール・アセンブリであって、ヒート・シンキング構造に埋め込まれる拡張部を有するヒート・シンクを有する、RFモジュール・アセンブリと、 ヒート・シンキング構造を貫通して配置されるRF信号経路であって、RF信号経路の第1端部はRFモジュールに電気的に結合され、RF信号経路の第2端部はアンテナ・アセンブリに電気的に結合される、RF信号経路とを有するRFシステムである。

RFシステムの特徴は、以下の特徴のうちの1つ又は複数個を個別的に又は組み合わせで含んでよい。

ヒート・シンキング構造は、複数の隙間を有するように提供され、RFシステムは複数のRFモジュールを有し、各々のRFモジュールは、ヒート・シンキング構造に設けられる複数の隙間のそれぞれに配置される拡張されたセクションを有する。ヒート・シンキング構造は、コールド・プレートとして提供されてもよい。RFシステムは、複数のRF信号経路を有し、そのうち少なくとも幾つかは、ヒート・シンキング構造を貫通するように配置され、各RF信号経路の第1端部はRFモジュールに電気的に結合されるように配置され、RF信号経路の第2端部はアンテナ・アセンブリに電気的に結合されるように配置される。一実施形態において、RF信号経路はコネクタ・ピンとして提供されてもよい。一実施形態において、RFモジュール・アセンブリは、そこに設けられる1つ以上の凹部と、そこに設けられる1つ以上のRF信号経路とを有する多層基板として提供され、第1エッジは1つ以上のRFパッドを形成するようにそこに配置される伝導体を有し、1つ以上のRFパッドの各々は、多層基板に設けられる1つ以上のRF信号経路のうちの対応するものに結合され、RFモジュール・アセンブリは、1つ以上の各RFパッド近辺で第1エッジに配置される地板を有する。少なくともRF回路を含む回路は、基板の1つ以上の凹部のうちの少なくとも何れかの中に配置されてもよい。ヒート・シンクは、基板に配置され、かつ、基板のエッジを越えて延びる部分を少なくとも有する熱及び電気伝導性ヒート・シンクとして提供されてよい。一実施形態では、伝導性の蓋が、RF回路上に配置され、コネクタが基板上に配置され、RF回路に電気的に結合される。一実施形態では、ヒート・シンキング構造はコールド・プレートとして提供されてもよい。一実施形態では、RF信号経路は、コールド・プレート又はその他のヒート・シンキング構造を貫通するバネ仕掛けの(spring-loaded)電気RFコネクタとして提供される。

一実施形態では、RFモジュールは、先細りのエッジを少なくとも有する金属製のヒート・シンクと、露出したRF信号経路を有する少なくとも1つのエッジを有する基板と、基板の表面に配置されるRF回路と、RF回路の近辺で基板に配置されるフレームとを含む。一実施形態では、RF回路の上方のフレーム上に蓋が配置され、多機能コネクタが、基板のエッジに配置され、RF回路と電気的に結合される。一実施形態では、多機能コネクタは、基板のエッジで露出されるRF信号経路と電気的に接触することが可能なバネ仕掛けの電気RFコネクタを含む。

本願で説明される概念の更に別の形態では、コールド・プレートが、そこに設けられる複数の隙間を有し、複数のRFモジュールがヒート・シンクを有し、ヒート・シンクは、コールド・プレートに設けられる複数の隙間のそれぞれに配置される拡張部を有する。

一実施形態では、複数のRF信号経路がコールド・プレートを貫通して配置され、各RF信号経路の第1端部はRFモジュールに電気的に結合され、各RF信号経路の第2端部は別のRFアセンブリに電気的に結合される。

上記の特徴は、以下の図面の説明から更に十分に理解されるであろう：

マルチ・チャネル縦型無線周波数(RF)モジュールの等角図。

図1の縦型RFモジュールの分解等角図。

垂直RFモジュールの代替例についての分解等角図。

コールド・プレートに熱的に結合され且つアンテナ・アセンブリに電気的に結合される縦型RFモジュールを含むRFシステムの側面図。

アクティブ電子走査アレイ(AESA)アンテナで使用されるサブアセンブリを提供するように配置される複数の縦型RFモジュールを含むRFシステムの側面図。

図1及び1Aに関し、同様なエレメントには同様な参照指示が付与され、例示のRFモジュール10は、複数のチャネル(図1及び1Aでは図示されていないが、ここでは4つのチャネル)を有し、第1及び第2の表裏の(又は反対側の)表面12a,12bを有するヒート・シンク12を含む。第1及び第2の反対側の表面16a,16bを有する基板16は、ヒート・シンク12の表面12b上に配置される。ヒート・シンク12の表面12aは、電気伝導性であり且つ熱伝導性であり、そこに配置される電気回路及び熱生成回路に対して、地板として機能するだけでなく熱的な経路としても機能する。

以下で為される記述から明らかになる理由により、ヒート・シンク12は、そこに配置される回路に対する導電体であり且つ熱伝導体の双方として機能し、基板16のエッジ(又は辺端)を越えて延びるヒート・シンクの少なくとも一部分14は、先細りにされている(すなわち、テーパーがかけられている)。ヒート・シンク12は、任意のタイプのヒート・シンキング構造として提供されてよく、例えば、電気伝導性及び熱伝導性の双方の性質を有する任意の材料により提供されてよいことが、認められるべきである。代替的に、ヒート・シンク12は、(例えば、電気伝導性ではなく且つ熱伝導性ではない)非伝導性の材料により提供され、(例えば、追加プロセス又は除去プロセスにより)熱及び電気伝導性の材料がそれらの上に配置され、それにより、ヒート・シンク12の表面のうち少なくとも一部分が、電気伝導体及び熱伝導体の双方として機能するようにしてもよい。

一実施形態では、基板16はいわゆる混合信号多層基板として提供され、これは、基板がRF信号、論理信号及び電力信号のような多種多様な信号のための信号経路及び回路を含むことを意味する。基板16は、例えば、高温焼成セラミック(HTCC)材料の積層により提供されてもよい。信号経路(例えば、RF送信ライン)、グランド・プレーン及びその他の回路を形成するために、導電性ペーストがHTCC又はHTCCに基づく材料上に配置される。

そのような導電性ペーストはRF周波数に対して比較的損失を伴うので(例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTEE)に基づく基板で使用される純粋な銅の伝送線を通ってRF信号が伝搬する場合の損失と比較して損失を伴うので)、基板上での信号経路長を短くすることは、挿入損失や基板16に提供されるRF回路の他の特性を改善する等の理由から、望ましい。更に、HTCC材料は、(例えば)PTEEに基づく基板の誘電定数より高い誘電定数を有し、高誘電率は、HTCCにより提供される多層基板で効率的な(例えば、直線的で短い)伝送ラインの利用に望ましいものにする。

代替的な実施形態では、基板16は、低温焼成セラミック(LTCC)に基づく材料の積層により提供されてもよい。LTCC材料は、信号経路(例えば、RF伝送ライン)及びグランド・プレーンを形成するために導電性ペーストを利用し、及び、PTEEに基づく基板の誘電定数より高い誘電定数を持つ傾向があり、例えばこれは、RF伝送ライン及び効率的なRF放射体の双方にとって相応しいものではない。従って、少なくとも上記の理由から、多層HTCC基板の中で効率的な(例えば、直線的で短い)伝送ラインを使用することが望ましい。

更に別の代替的な実施形態では、基板16が、ポリテトラフルオロエチレン(PTEE)に基づく材料により提供されてもよく、その理由は、そのような材料は、HTCC及びLTCC材料のようなセラミック材料と比較して好ましい特性(例えば、好ましい挿入損失特性)を有するからである。

基板16を提供する元となる特定の材料によらず、回路が基板に配置される。好ましい実施形態では、基板16は、そこに配置される1つ以上のRF、ディジタル及び電力回路を有し、かつ、その中を伝搬する1つ以上のRF、ディジタル及び電力信号を有する多層基板として提供される。

図1及び1Aに例示する実施形態では、RFモジュール10は、送信/受信(T/R)チャネルについての対応する個数(ここでは、4つのT/Rチャネル)に対する複数の回路(ここでは、4つの回路18a，18b，18c，18d)を有する。回路18a-18dは集積回路を含んでもよい(例えば、モノリシック・マイクロ波集積回路(MMICs)又はいわゆるチップ・アンド・ボンド集積回路を含んでもよい)。特定のアプリケーションのニーズを充足するように、使用される特定のタイプの回路が選択される。当該技術分で通常の知識を有する者(いわゆる当業者)は、RFモジュール10は、特定のアプリケーションの要請を充足するために必要な任意の個数の回路及び/又はT/R回路を含んでよいことを、当然に認めるであろう。あるアプリケーションでは、回路18a-18dは、受信チャネルのみの部分又は送信チャネルのみの部分として提供されてもよい。

回路18a-18dは、少なくともRF回路及び/又はデバイスを含み、ディジタル回路及び電力回路を含んでもよい。図1Aに示されるように、回路18a，18b，18c，18dはそれぞれ基板16に設けられる凹部(又はリセス)領域19a-19dのそれぞれに配置され、それにより、回路18a，18b，18c，18dが、基板16の表面16bにより規定される平面より上に延びないようにする。

基板16と回路18a-18dとがヒート・シンク12の表面上に配置される場合に、ヒート・シンク12は、そこに配置される回路に対する電気及び熱伝導体の双方として機能する。一実施形態では、ヒート・シンク12の表面に対して配置される基板16の表面(ここでは、基板表面16a)は、その上に配置される電気及び熱伝導材料を含むように提供されてもよい(例えば、電気的又は熱的なグリース又はペースト又は伝導性材料が、スパッタリング等のような追加式のプロセスにより表面に配置される)。

伝導体20は、回路18a-18dの周りの基板表面16b上に配置される。フレーム22は、基板表面16b上に配置され、伝導体20と電気的に接触する。蓋24が、RF回路上方のフレーム上に配置される。伝導体20、フレーム22及び蓋24は、回路18a-18d上の伝導体シールドを形成し、回路18a-18dが気密封止(又は密閉)されることを可能にする。一実施形態では、フレーム及び/又は伝導体20が省略される場合には、回路18a-18dが気密封止されること(又はハーメチックシールによること)は必須でない。

コネクタ26は、基板16の一方の側端部16cに配置され(図1A)、RF回路に電気的に結合される。コネクタ26は、ディジタル信号(例えば、TTLレベル論理信号)及び電力信号(例えば、DC信号)を、ピン28を介して回路18a-18dの個々の部分につなぎ、コネクタ26は、信号ピン32(図1)を有するコネクタ30(図1A)を介して回路18a-18dのそれぞれの部分にRF信号をつなぐ。このようにして、RF信号、ディジタル信号及び電力信号がコネクタ26を通るので、コネクタ26は、多機能コネクタとして言及されてよい。

基板16の側端部16dには、そこに配置される伝導体材料34が設けられる。上述したように、基板16の層内に、1つ以上の信号経路が設けられる。図1に最も明確に見受けられるように、少なくとも幾つかの信号経路(例えば、RF信号経路)の端部は、基板16の側端部16dで終端している。そのような信号経路にアクセスするために、信号経路が終端している場所である側端部の領域内の側端部にパッド36が形成されている。個々のパッドは、信号経路の端部のうちの対応するものに電気的に結合され、信号経路からRFモジュールにとって外部の回路(例えば、デバイス、モジュール、追加的な回路)への電気信号(例えば、RF信号)のカップリングを促す。

非伝導性のリリーフ領域がパッド36各々の周囲に設けられ、グランド・プレート34からパッド36を電気的に絶縁することに、留意すべきである。グランド・プレーン34は、伝導体20(図1A)だけでなく、基板表面16aに配置されるグランド・プレーン導体(図1、1Aでは図示せず)とも電気的に接触することが、認められるべきである。

従って、RFモジュール10が高温焼成セラミック(HTCC)の積層により形成される場合、それは、基板16内の様々な層に電気トレースが配置されることを許容する。本プロセスは、RF信号ラインが基板16内に組み込まれること(すなわち、「埋め込まれる」こと)、及び、必要な接地(例えば、伝送ラインの形成に必要な接地)が所望の場所に設けられることを許容する。RF信号トレースは、RFモジュールの1つ以上の外端部(例えば、側端部16d)にルーティングされ、パッド36は、RFモジュール基板の端部16dを選択的にめっきすることにより、基板16の端部16dに形成されることが可能である。

選択的なめっきは、グランド・プレーン34を信号パッド36から分離し、RF伝送ラインのためのポートを形成する非伝導領域38を可能にする。このような技術により、RFグランド・プレーン34を形成するめっきは、RFグランド・プレーン34の一部を形成することになるヒート・シンク12と電気的に接触する。図2及び図3に関連して更に後述されるように、このRF接地の連続性は、ある直径を有するコネクタ・ピンの利用を許容し、その直径は(典型的なRFコネクタ・システム本体の直径と比較して)、コールド・プレート(又は他のヒート・シンキング構造)を貫通し、RF信号の完全性を維持する一方でアンテナ・アセンブリとの接続を為す程度に十分に小さくされている。小さな直径の具体例は、例えば、約0.74インチ(18.8mm)、約0.21インチ(5.33mm)及び約0.01インチ(0.254mm)であるが、これらの数値に限定されない。しかしながら、スプリング・プローブ・コネクタ本体の直径は、広範囲に変化してもよく、使用する特定の直径は、特定のアプリケーションの必要性に応じて選択されることが、認められるべきである。RFモジュールのエッジにRFポートを設けるこの技術は、別個のRFコネクタの必要性を排除し、かつ、RFコンポーネントの熱源(例えば、回路18a-18d)と外的なヒート・シンキング構造(例えば、コールド・プレート)との間の距離を短くする(及び理想的には最小化する)一方、RF信号コネクションに必要なRFモジュールの面積をかなり削減する。

RFモジュール10はアライメント・ポート31も含み、アライメント・ポート31は、一般的に知られているように、RFモジュール10の他の回路コンポーネント(図示せず)との所謂「ブラインド・メイト(blind-mate)」アライメントを可能にする。

図1Bを参照すると、図1及び図1Aと同様な要素が同様な参照番号を有するように示され、例示のRFモジュール10’の代替的な実施形態は、反対側にある第1及び第2の表面12a,12bを有するヒート・シンク12を含む。反対側にある第1及び第2の表面16a’,16b’を有する基板16’は、ヒート・シンク12の表面12b上に配置される。ヒート・シンク12の表面12aは、電気及び熱伝導体であり、そこに配置される電気及び熱発生回路に対する、グランド・プレーン34及び熱経路として機能する。

基板16’は、混合信号多層基板として提供されてもよく、それは、基板が、RF信号、論理信号及び電力信号などのような多種多様な信号に対する信号経路及び回路を含むことを意味する。基板16’及びそこに配置される伝導体材料は、例えば、基板16及び関連する伝導体に関して図1で説明したのと同じ何らかの材料及び技術により提供されてもよい(例えば、RF伝送ライン、グランド・プレーン及び他の回路を含む信号経路を形成する技術であるが、これらに限定されない)。

図1Bに示す実施形態では、RFモジュール10’が、対応する個数の送信/受信(T/R)チャネルについて(ここでは、4つのT/Rチャネルについて)、複数の回路(ここでは、4つの回路18a，18b，18c，18d)を含む。回路18a，18b，18c，18dは、図1に関連して上述した回路18a，18b，18c，18dと同一又は類似するものであってよい。当該技術分野で通常の知識を有する者は、当然に、図1のRFモジュール10と同様に、RFモジュール10’が、特定のアプリケーションの必要性を充足するために必要な任意の数の回路又はT/Rチャネルを含んでよいことを認めるであろう。あるアプリケーションでは、回路18a-18dは、受信チャネルのみの部分又は送信チャネルのみの部分として提供されてもよい。

回路18a，18b，18c，18dは、それぞれ、基板16’に設けられる穴又は凹部領域19a’−19d’のうちのそれぞれに配置され、それにより、回路18a，18b，18c，18dの第1及び第2の表面(反対側にある表面)が、基板16’の表面16a’，16b’により規定される平面を越えて延びないようにする。

基板16’及び回路18a-18dがヒート・シンク12の表面上に配置される場合、ヒート・シンク12は、そこに配置される回路に対する電気及び熱伝導体として機能する。一実施形態では、ヒート・シンク12の表面に対向して配置される基板16’の表面(ここでは、基板表面16a)は、その上に電気的に及び熱的に伝導性の材料を有するように提供される(例えば、導電性又は伝熱性のグリース又はペースト又は伝導性材料が、スパッタリング等のような付加的なプロセスにより表面に配置される)。

伝導性フレーム25は、回路18a-18d周辺の基板表面16b’上に配置され、(例えば、少なくとも何らかの伝導体27を介して)基板16’と電気的に接触し、かつ、蓋24とも電気的に接触し、蓋24はRF回路上方でフレームを覆うように配置される。伝導性フレーム25は、アーム25a-25cを有し、それにより、フレーム25が回路18a-18d各々の周辺で個別的な囲いを形成する。従って、フレーム25及び蓋24は、回路18a-18dの上方及び周辺で伝導性シールドを形成する。一実施形態では、回路18a-18dは気密封止であってもよい。

簡明化のため、図1Bではコネクタが省略されている。しかしながら、FRモジュール10’は(多機能コネクタを含む)コネクタを含んでもよいことが認められるべきであり、そのコネクタは、図1に関連して上述したような信号ピン28,32及びコネクタ・ボディ26,30と同じ又は類似するものであってよい。

図1に関連して上述したRFモジュール10と同様に、RFモジュール10’が高温焼成セラミック(HTCC)の積層により製造される場合、そのような製造は、基板16’内の様々な層に電気トレースが配置されることを許容する。このプロセスは、基板16’内にRF信号ラインが組み込まれること(又は「埋め込まれる」こと)を許容し、かつ、必要な接地(例えば、伝送ラインの形成に必要なもの)が所望の場所に配置されることを許容する。RF信号トレースはRFモジュールの1つ以上の外縁にルーティングされてもよく、パッドは、RFモジュール基板のエッジを選択的にめっきすることにより、基板16’のエッジに形成されることが可能である。

図2を参照すると、図1及び1Aに関連して上述されたRFモジュール10と同じ又は類似するものであってよいRFモジュール40が示されている。RFモジュール40は、コールド・プレート42上に配置されている。コールド・プレート42は、アンテナ・アセンブリ44上に配置され、アンテナ・アセンブリを冷却する役割を果たす。一実施形態では、アンテナ・アセンブリ44はAESAアンテナに対応する。当然に、コールド・プレート42は、アンテナ・アセンブリ44を冷やすことが可能な任意のタイプのヒート・シンキング又はクーリング構造として提供されてよいことが、認められるべきである。上述したように、RFモジュール40は、コールド・プレート42に少なくとも熱的に結合され、かつ、アンテナ・アセンブリ42に少なくとも電気的に結合される。機械的なエレメント(例えば、ファスナー、留め具、フレーム、ハウジング、筐体、及びその他の機械的な構造)が、RFモジュール40、コールド・プレート42及びアンテナ・アセンブリ42を互いに機械的にしっかりと取り付けるために使用されてよい。

電気コネクタ46(例えば、バネ仕掛けの電気コネクタとして提供されてもよい)はコールド・プレート42を貫通して配置され、電気コネクタ46の第1端部はアンテナ・アセンブリ44のRF信号ポートに結合され、電気コネクタ46の第2端部はRFモジュール40の側端部に設けられるRF信号ポート51に結合される。RF信号ポート51は、図1及び1Aに関連して上述したRF信号ポート36と同じ方式でRFモジュール40に設けられてもよい。したがって、RF信号は、電気コネクタ46を介して、RFモジュール40とアンテナ・アセンブリ44との間を伝搬する。

RFモジュール40は、拡張部52を有するRFモジュール・ヒート・シンク50を含み、拡張部52は、この実施形態では、先細りのセクション52として提供される(すなわち、拡張部52の側面図又は断面図は、先細りであり(テーパーがかけられた形状であり)、三角形の断面形状を有すると言及されてもよい)。RFモジュール40に含まれる回路に対する電気伝導体としての役割を果たすことに加えて、ヒート・シンク50は、熱伝導体としても機能し、その熱伝導体は、RFモジュール40からコールド・プレート42へ熱エネルギの伝達を可能にする。

コールド・プレート42に設けられる穴又は隙間(opening)54の中に、ヒート・シンク50の先細り部分52を埋め込むことによって、効率的な熱の移動が達成される。隙間54は、好ましくは、拡張部52の形状に対して実質的に相補的である形状を有するように提供されるが、相補的な形状であることは厳密に必要なことではない。実際には、拡張されたヒート・シンク50のセクション52とコールド・プレート42との間の電気的及び熱的なコネクションを改善するために、熱的及び電気的な伝導性の材料(例えば、ペースト又はグリース)が、先細り領域52の表面と、隙間54のはまり合う表面との間に配置される。これは、例えば、先細り領域52又は隙間54のうちの一方又は双方の表面に、熱的及び電気的な伝導性の材料を塗布することにより、達成されてもよい。

拡張部52及び隙間54のサイズ及び形状は、RFモジュールが使用される特定のアプリケーションのニーズに適合するように選択され、かつ、様々なファクタに応じて選択され、様々なファクタは、例えば、RFモジュールの動作周波数、RFモジュールにより生じる熱量、RFモジュールのサイズ(例えば、RFモジュール・ヒート・シンクの長さ、幅、高さ、厚さ)、RFモジュール・ヒート・シンクの拡張部が埋め込まれるヒート・シンキング構造(例えば、コールド・プレート)のサイズ(例えば、ヒート・シンキング構造の長さ、幅、高さ、厚さ)、並びに、RFモジュール・ヒート・シンク及びヒート・シンキング構造の双方を為す材料などを含むが、これらに限定されない。

コールド・プレート42内にヒート・シンク52の先細り部分54を埋め込むことは、以下のような幾つかの機能を発揮する：(1)ヒート・シンク50とコールド・プレート42との間の接触表面積が増加し、その増加は、ヒート・シンク50とコールド・プレート42との間で熱移動の増加を付随的にもたらす；(2)コールド・プレート内にヒート・シンクを埋め込むことは、RFモジュールからコールド・プレートへのRFグランドの継続性をもたらし、その継続性は、RF信号の完全性を維持しつつ、RFモジュールとアンテナ・アセンブリとの間で電気接続を提供するようにコールド・プレートを貫通するために、比較的小さな直径のコネクタ・ピンを利用することを許容し；(3)RFモジュールとコールド・プレートとの間で機械的な接続を改善し；及び(4)ヒート・シンクの拡張部とコールド・プレートの対応する隙間との寸法の機械的な耐性(the mechanical tolerances)が、小さな範囲内に制御されることが可能であるならば、RFモジュールとコールド・プレートとの間の機械的なアライメントを改善する。

その結果のRFモジュール〜コールド・プレート〜アンテナ・アセンブリは、RF信号接続に必要なエリアを大幅に削減する一方、RFモジュールの発熱回路(すなわち、RFコンポーネントの熱源)とコールド・プレートとの間の距離を減らし(理想的には最小化し)、そのような発熱RFコンポーネントの冷却を改善することに役立つ。

ヒート・シンク50の拡張部は先細りのセクションとして示されているが、当然に、拡張部52は先細り又は先細りでない任意の形状を有するように提供されてよいことが、認められるべきである。例えば、あるアプリケーションでは、拡張部52が四角形の形状を有するように提供されることが望ましいかもしれない。上述したように、隙間54は、拡張部52の形状と実質的に相補的である形状を有するように提供されることが好ましいが、そのことは厳密に必要なことではない。他の形状が使用されてもよいが、本願で記述されている先細り(テーパー)は、定着させる特徴を提供し且つ熱伝導性の改善を支援することが、認められるべきである。はまり合う表面同士の間のギャップを排除することにより、熱伝導性が改善され、そのようなギャップは、製造許容限界に基づく或る程度のサイズ変動に起因して生じるおそれがある。従って、先細りは、熱伝導及びパーツ配置に関する許容性の影響を減らすこと(理想的には最小化すること)を支援する。

蓋51は、コールド・プレート42の表面42aから離れて位置するように示されていることが、認められるべきである(蓋51は、図1及び図1Aに関連して上述した蓋24と同じ又は類似するものであってよい)。理想的には、蓋51のエッジは表面42aに接触し、RFモジュール40からコールド・プレート42への熱エネルギの移動を更に増進し、かつ、RFモジュール40からコールド・プレートへの接地平面の継続性を改善する。しかしながら、製造する機械的なパーツに付随する許容限界に起因して、そのようなことが常に可能であるとは限らない。

図3を参照すると、図1、図1A及び図2と同様な要素が同様な参照番号を有するように示されており、RFシステム59(例えば、AESAアンテナを有するレーダー・システムの一部分であってもよい)は、4つのRFモジュール60a-60dによるサブアセンブリを含み、RFモジュールは、図1、図1A及び図2に関連して上述したRFモジュール10,40と同じ又は類似するものであってよく、それぞれが、埋め込まれて拡張されたヒート・シンク領域52を介してコールド・プレート42に熱的に結合され、かつ、コネクタ46a-46dを介してアンテナ・アセンブリに電気的に結合され、コネクタは、RFモジュール60a-60dのそれぞれと、アンテナ・アセンブリ44における対応するRFポートとの間に延びている。

各々のヒート・シンク50は、上述したように、RFモジュール60a-60dからコールド・プレート42へ、主に、埋め込まれた拡張されたヒート・シンク・セクション52を通じて、熱の移動を許容する。

上述したように、RF信号ポートがRFモジュールの基板に形成されるという方式は、RF信号接続に必要なエリアをかなり削減する一方、RFコンポーネント熱源とコールド・プレートとの間の距離を最小化する。

本願で説明されるシステム、回路及び技術は、広範囲に及ぶ多種多様なアプリケーションを有する。例えば、アンテナ・アセンブリは、帯域幅、リンク・マージンをサポートするための高いゲイン、及び、高いデータ・レートをサポートするための幅広いインピーダンス帯域幅を、小さな体積の中で必要とするミサイル・センサーのためのアクティブ又はパッシブなアンテナ・エレメントを含んでもよい。これらは、陸上、海上又は衛星通信のためのアンテナとして使用されてもよい。本願で説明されたような埋め込まれた拡張されたヒート・シンク構成に起因して、小さな体積を占めるRFシステムが可能になるので、そのシステムは小さなミサイル機体での使用に特に適している。本願で説明される概念、システム及び回路を利用するRFシステムは、例えば、携帯用通信デバイス(例えば、セル・フォン、スマート・フォン等)、市販の航空機通信システム、自動車の通信システム(例えば、個人通信、トラフィック・アップデート、緊急応答通信、衝突回避システム等)、衛星ディジタル・オーディオ無線サービス(SDARS)通信、近接リーダー及びその他のRFID構造、レーダー・システム、グローバル・ポジショニング・システム(GPS)通信、及び/又はその他のもの等において使用されてよい。少なくとも一実施形態において、本願で説明される概念、システム及び回路は、医療撮像システムで使用することに適用されてもよい。本願で説明されるRFシステムは、送信及び受信の動作双方に使用されてよい。他の多くのアプリケーションが可能である。

以上、本技術は開示された実施形態に関連して説明されてきたが、多数の変形例、代替実施形態、均等物などが、特許請求の範囲の精神及び目的から逸脱することなく可能であることが、当然に理解されるべきである。例えば、任意の数のエレメントがフェーズド・アレイで使用されてよい。

更に、本願の特許請求の範囲は、図面を参照しながら本願で説明されたような要素及び構造に対して、予測可能な他の全ての均等物を包含することが、意図される。従って、本願で保護されるべき対象事項は、特許請求の範囲及びその均等物によってのみ規定されるべきである。

本発明の対象となる様々な概念、構造及び技術を説明する役割を果たす好ましい実施形態を説明してきたが、これらの概念、構造及び技術を組み込む他の実施形態が使用されてよいことは、当業者にとって明らかであろう。例えば、本願で説明される様々な実施形態の個々の概念、特徴(又は要素)及び技術は、具体的には上述されていない他の実施形態を形成するように組み合わせられてよいことに、留意すべきである。更に、1つの実施形態の文脈で説明される様々な概念、特徴(又は要素)及び技術は、別々に又は適切な任意のサブコンビネーションで提供されてもよい。従って、本願で具体的には説明されていない他の実施形態も添付の特許請求の範囲に属することが、予想される。

従って、本発明の範囲は、説明された実施形態に限定されるべきではなく、むしろ添付の特許請求の範囲の精神及び目的によってのみ規定されるべきである。

(存在する場合には)本願で引用される全ての文献及びリファレンスは、明示的に全体的にリファレンスとして本願に組み込まれる。

Claims (16)

1. 無線周波数(RF)システムであって：
   第1表面及び反対側の第2表面を有するアンテナ・アセンブリ；
   第1表面及び反対側の第2表面を有するヒート・シンキング構造であって、前記ヒート・シンキング構造の前記第1表面は、前記アンテナ・アセンブリの第2表面上に配置される、ヒート・シンキング構造；
   コールド・プレートの第2表面上に配置されるRFモジュール・アセンブリであって、前記ヒート・シンキング構造の第2表面に埋め込まれる拡張部を有するヒート・シンクを有する、RFモジュール・アセンブリ；及び
   前記ヒート・シンキング構造を貫通して配置されるRF信号経路であって、前記RF信号経路の第1端部は前記RFモジュール・アセンブリに電気的に結合され、前記RF信号経路の第2端部は前記アンテナ・アセンブリに電気的に結合される、RF信号経路；
   を有するRFシステム。
2. 前記ヒート・シンキング構造がそこに設けられる複数の隙間を有するように提供され、前記RFシステムは複数のRFモジュールを有し、前記複数のRFモジュールの各々がヒート・シンクを有し、当該ヒート・シンクは、前記ヒート・シンキング構造に設けられる複数の隙間のうちの何れかの中に配置される拡張されたセクションを有する、請求項1に記載のRFシステム。
3. 前記RFシステムが複数のRF信号経路を有し、前記複数のRF信号経路の各々は、前記ヒート・シンキング構造を貫通して配置され、各々のRF信号経路の第1端部は前記RFモジュールに電気的に結合され、各々のRF信号経路の第2端部は前記アンテナ・アセンブリに電気的に結合される、請求項2に記載のRFシステム。
4. 前記RF信号経路はコネクタ・ピンとして提供される、請求項1に記載のRFシステム。
5. 前記RFモジュール・アセンブリは：
   基板であって、第1表面と、1つ以上の凹部が設けられる反対側の第2表面と、前記基板の少なくとも1つの層に設けられる1つ以上のRF信号経路と、前記基板に配置される伝導体を有する第1エッジであって、1つ以上のRFパッドを形成し、前記1つ以上のRFパッドの各々が、前記基板に設けられる1つ以上のRF信号経路のうち対応するものに結合される、第1エッジと、前記1つ以上のRFパッドの各々の近辺で前記第1エッジ上に配置されるグランド・プレーンとを有する基板；
   少なくともRF回路を含む回路であって、前記基板の1つ以上の凹部のうちの少なくとも何れかに配置される回路；
   前記基板の第1表面上に配置される熱及び電気伝導性のヒート・シンクであって、第1表面及び反対側の第2表面を有し、かつ、前記基板のエッジを越えて延在するセクションを少なくとも有するヒート・シンク；
   前記RF回路上に配置される伝導性の蓋；及び
   前記基板の第2エッジ上に配置され、前記RF回路に電気的に結合されるコネクタ；
   を有する請求項1に記載のRFシステム。
6. 前記ヒート・シンキング構造はコールド・プレートを提供し；及び
   前記RF信号経路は、前記コールド・プレートを貫通して配置されるバネ仕掛けの電気RFコネクタとして提供される；
   請求項1に記載のRFシステム。
7. RFモジュール・アセンブリは：
   第1表面と、反対側の第2表面と、少なくとも1つの先細りのエッジとを有する金属製のヒート・シンク；
   第1表面と、反対側の第2表面と、複数のエッジとを有する基板であって、少なくとも1つのエッジはそこで露出したRF信号経路を有し、前記第1表面及び反対側の第2表面のうち第1のものは、前記金属製のヒート・シンクの前記第1表面及び反対側の第2表面のうちの第1のものの上方に配置される、基板；
   前記基板の前記第1表面及び反対側の第2表面のうち少なくとも第2のものに配置されるRF回路；
   前記RF回路の近辺で前記基板の第2表面上に配置されるフレーム；
   前記RF回路の上方で前記フレーム上に配置される蓋；及び
   前記基板のエッジに配置され、前記RF回路に電気的に結合される多機能コネクタ；
   を有し、前記バネ仕掛けの電気RFコネクタの第1端部は、前記基板のエッジにおいて露出したRF信号経路と電気的に接触する；
   請求項6に記載のRFシステム。
8. 前記バネ仕掛けの電気RFコネクタは、小さな直径を有するコネクタ・ピンを有する、請求項7に記載のRFシステム。
9. 前記ヒート・シンキング構造がコールド・プレートとして提供され、前記コールド・プレートはそこに設けられる複数の隙間を有し、前記RFシステムは複数のRFモジュールを有し、前記複数のRFモジュールの各々はヒート・シンクを有し、当該ヒート・シンクは、前記コールド・プレートに設けられる複数の隙間の夫々の中に配置される拡張部を有する、請求項1に記載のRFシステム。
10. 前記RFシステムは複数のRF信号経路を有し、前記複数のRF信号経路の各々は前記コールド・プレートを貫通して配置され、各RF信号経路の第1端部は前記RFモジュールに電気的に結合され、各RF信号経路の第2端部は前記アンテナ・アセンブリに電気的に結合される、請求項9に記載のRFシステム。
11. 前記複数のRF信号経路の各々はバネ仕掛けの電気RFコネクタとして提供される、請求項10に記載のRFシステム。
12. 無線周波数(RF)モジュールであって：
    基板であって、第1表面と、1つ以上の凹部が設けられる反対側の第2表面と、前記基板の少なくとも1つの層に設けられる1つ以上のRF信号経路と、前記基板に配置される伝導体を有する第1エッジであって、1つ以上のRFパッドを形成し、前記1つ以上のRFパッドの各々が、前記基板に設けられる1つ以上のRF信号経路のうち対応するものに結合される、第1エッジと、前記1つ以上のRFパッドの各々の近辺で前記第1エッジ上に配置されるグランド・プレーンとを有する基板；
    少なくともRF回路を含む回路であって、前記基板の1つ以上の凹部のうちの少なくとも何れかに配置される回路；
    前記基板の第1表面上に配置される熱及び電気伝導性のヒート・シンクであって、第1表面及び反対側の第2表面を有し、かつ、前記基板のエッジを越えて延在するセクションを少なくとも有するヒート・シンク；
    前記RF回路上に配置される伝導性の蓋；及び
    前記基板の第2エッジ上に配置され、前記RF回路に電気的に結合されるコネクタ；
    を有するRFモジュール。
13. 前記基板は多層基板として提供され；
    前記回路はディジタル及び電力回路を有し；及び
    前記コネクタは、前記多層基板の第2エッジに配置される多機能コネクタとして提供され、かつ、RF、ディジタル及び電力回路の各々に結合されるRF、DC及びディジタル・コネクションを有する、請求項12に記載のRFモジュール。
14. 前記回路の近辺で前記基板の第2表面上に配置されるフレームを有する請求項12に記載のRFモジュール。
15. 前記ヒート・シンクが金属により形成されている、請求項12に記載のRFモジュール。
16. 前記ヒート・シンクは、相対的に低い電気及び熱伝導性の特性を有するコア材料により提供され、電気及び熱伝導性の材料が前記コア材料の表面上に配置される、請求項12に記載のRFモジュール。
    

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