JP5684494B2 - アンテナ複合ユニット、及びコールドプレート一体型反射板 - Google Patents

Description

本発明は、例えばアクティブフェーズドアレイ型アンテナ装置等において複数個組み合わせて用いられるアンテナ複合ユニット、及びこのアンテナ複合ユニットに用いられるコールドプレート一体型反射板に係り、特に、小型軽量化しつつ冷却効率を向上させたアンテナ複合ユニット、及びコールドプレート一体型反射板に関する。

レーダシステム等の空中線として用いられるアクティブフェーズドアレイ型のアンテナ装置においては、例えば、配列された複数のアンテナ素子とこれら各アンテナ素子に対応する送受信モジュールとを対にして設け、さらに給電回路や制御回路、電源等を含み構成された、アンテナ複合ユニットをひとつの構成単位とし、これをさらに複数配列してアンテナ装置としての開口面を形成している（例えば、特許文献１参照。）。この特許文献１に開示された事例のアンテナ装置では、構成単位となるアンテナ複合ユニットは、２次元に配列された複数のアンテナ素子とこれらアンテナ素子と対をなして設けられた送受信モジュールとがフレキシブルな基板面の両側にそれぞれ配置されたアンテナモジュールユニットと、これを挟むように、送受信モジュール側の面には軟性充填材シートを介してパルス電源ユニットが、またアンテナ素子側の面には外層板がそれぞれ設けられており、これらが一体化された薄型の構造をなしている。冷却については、内部からの発熱を外層板に伝導し、この外層板に直接外気を当てることによる空冷方式としている。

特開２００８−２５２３０３号公報（第７ページ、図１）

ところで、アクティブフェーズドアレイ型のアンテナ装置等に用いられるこの種のアンテナ複合ユニットでは、小型・軽量化等の要求に伴い、回路も高集積かつ高密度に実装されるので、自ずと発熱密度は高くなる。加えて送受信モジュールを中心に、発熱量の多いアクティブ素子が多数実装される。従って、ユニット全体としては発熱密度の高いものとなっているため、効率の良い冷却手法が必要となる。

しかしながら、上述した従来のアンテナ複合ユニットにおいては、空冷方式を採用し、かつその冷却効果は、特定の運用環境において最適化されている。このため、小型・軽量で簡素化された構造ではあるものの、使用環境によっては、必ずしも十分な冷却効果を得られない場合があった。また、冷却効果の良好な液冷構造とするには、冷媒の流路を有するコールドプレートを、発熱密度の高い部位に隣接して配置する必要があるが、対象の部位がユニット内部に入り組んでいるため、コールドプレートの取付が困難、あるいはコールドプレートの構造が複雑化してしまい、ユニットとしての形状にも大きな影響を与える場合があった。このように、出来る限り小型・軽量かつ薄型な形状を維持したまま、広い運用環境に適用できる冷却構造を採用することが望まれていた。

本発明は、上述の事情を考慮してなされたものであり、構造を複雑化させることなく、小型・軽量かつ薄型の形状を維持したまま、液冷による効率の良い冷却が可能なアンテナ複合ユニット、及びコールドプレート一体型反射板を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明のアンテナ複合ユニットは、ベースとなる平板状の基板の一方の面に複数のアンテナ素子が配列されて実装され、他方の面にこれら各アンテナ素子に対応して設けられアンテナ素子と送受信高周波信号を授受する複数の送受信モジュールが実装されたアンテナモジュールユニットと、このアンテナモジュールユニットの複数の送受信モジュールが実装された面側に対向して設けられ、前記送受信モジュールと駆動信号を授受する駆動回路ユニットと、前記アンテナモジュールユニットと前記駆動回路ユニットとの間に設けられ、これら２つのユニット間で授受される前記駆動信号を中継接続するコネクタを含み全体を所定の形状に支持する構造体と、前記アンテナモジュールユニットの複数のアンテナ素子が実装された面側に平板上に形成されて積層するように配置されるとともに、前記複数のアンテナ素子を露出させるようにこれらアンテナ素子の対向する部位に開口部を設けた、前記アンテナ素子で送受信される電波の反射面となる反射板とを備えたアンテナ複合ユニットにおいて、前記反射板は、２枚の平板を接合した構造を有し、これら平板の互いに対向する面の両方あるいはどちらか一方に液冷用の冷媒の流路となる溝を形成するとともに、前記アンテナモジュールユニット、駆動回路ユニット、及び構造体と一体に積層して熱的に結合させたことを特徴とする。

また、本発明のコールドプレート一体型反射板は、ベースとなる平板状の基板の一方の面に複数のアンテナ素子が配列されて実装され、他方の面にこれら各アンテナ素子に対応して設けられアンテナ素子と送受信高周波信号を授受する複数の送受信モジュールが実装されたアンテナモジュールユニットの、前記複数のアンテナ素子が実装された面側に平板状に形成されて配置されるとともに、前記アンテナモジュールと、前記アンテナモジュールユニットの複数の送受信モジュールが実装された面側に対向して設けられた駆動回路ユニットと、前記アンテナモジュールユニットとこの駆動回路ユニットとの間に設けられた、全体を所定の形状に支持する構造体と一体に積層して熱的に結合されたアンテナ複合ユニットに用いられ、前記複数のアンテナ素子を露出させるようにこれらアンテナ素子の対向する部位に開口部を設け、前記アンテナ素子で送受信される電波の反射面となるとともに、２枚の平板を接合した構造を有し、これら平板の互いに対向する面の両方あるいはどちらか一方に液冷用の冷媒の流路となる溝を形成したことを特徴とする。

本発明によれば、構造を複雑化させることなく、小型・軽量かつ薄型の形状を維持したまま、液冷による効率の良い冷却が可能なアンテナ複合ユニット、及びコールドプレート一体型反射板を得ることができる。

本発明に係るアンテナ複合ユニットの一実施例を示す外観図。 図１に例示したアンテナ複合ユニットの主要な構成品の展開斜視図。 本発明に係るコールドプレート一体型反射板の一実施例を示す平面図。 図３に例示したコールドプレート一体型反射板の拡大斜視図。 図３に例示したアンテナモジュールユニット１１の高発熱部位とコールドプレート一体型反射板１４内の冷媒流路との位置関係の一例を示す図。 冷媒流路の構成の事例を説明する図。

以下に、本発明に係るアンテナ複合ユニット、及びコールドプレート一体型反射板を実施するための最良の形態について、図１乃至図６を参照して説明する。

図１は、本発明に係るアンテナ複合ユニットの一実施例を示す外観図であり図１（ａ）は、後述するコールドプレート一体型反射板側からの、また図１（ｂ）は、駆動回路ユニット側からの外観図である。また、図２は、図１に示したアンテナ複合ユニットを展開して主要な構成品を例示した展開斜視図である。図１及び図２に例示したように、このアンテナ複合ユニット１は全体として平板薄型の形状をなしており、アンテナモジュールユニット１１、駆動回路ユニット１２、構造体１３、及びコールドプレート一体型反射板１４から構成されている。後述するが、アンテナモジュールユニット１１の送受信モジュール側には、構造体１３を挟んで駆動回路ユニット１２が配置され、またアンテナモジュールユニット１１のアンテナ素子側には、コールドプレート一体型反射板１４が積層されるように配置され、全体として平板薄型の形状に保持されている。

アンテナモジュールユニット１１は、平板状の基板をベースにして、一方の面には複数のアンテナ素子が規則的に２次元配列されて実装されており、他方の面にはこれらの各アンテナ素子に対応して設けられた複数の送受信モジュール及び給電回路等が実装されている。本実施例においては、複数のアンテナ素子は、市松状に配置されているものとしている。また、送受信モジュールは、対応するアンテナ素子と送受信高周波信号を授受し、その内部には送受信する高周波信号の電力増幅や低雑音増幅、位相調整・給電等の機能回路を含み構成される。このように送受信モジュールは、信号増幅のためのアクティブ素子を含むことから、アンテナモジュールユニット１１内において高発熱なモジュールのひとつである。

このアンテナモジュールユニット１１の送受信モジュールが実装された側には、駆動回路ユニット１２が配置されている。駆動回路ユニット１２は、前述の各送受信モジュールを駆動するのに必要な電源を含む各種駆動信号等を、アンテナモジュール１１との間で授受する。加えて、本実施例においては、このアンテナ複合ユニット１と外部とを接続するためのコネクタ等を有するものとしている。そして、アンテナモジュールユニット１１と駆動回路ユニット１２との間には、構造体１３が配置されている。この構造体１３は、アンテナモジュールユニット１１と駆動回路ユニット１２との間で授受される駆動信号を中継接続するためのコネクタを有するとともに、アンテナモジュールユニット１１、駆動回路１２、及びコールドプレート一体型反射板１４を含むアンテナ複合ユニット１全体を一体にして所定の形状に支持しつつ、これらを熱的に結合している。また、アンテナモジュールユニット１１及び駆動回路ユニット１２からの発熱をコールドプレート一体型反射板１４に伝導するための排熱経路としても機能する。

一方、アンテナモジュールユニット１１のアンテナ素子が実装された面側には、このアンテナモジュールユニット１１の面に積層するように、平板状のコールドプレート一体型反射板１４が設けられている。このコールドプレート一体型反射板１４は、電波の反射板として機能するとともに、アンテナ複合ユニット１を冷却するためのコールドプレートとしても機能する。コールドプレート一体型反射板１４の平面図を図３に、また拡大斜視図を図４に例示する。

図３に例示したように、コールドプレート一体型反射板１４には、アンテナモジュールユニット１１に実装された複数のアンテナ素子を露出させるための窓１４１が、アンテナ素子の配列に合致させて市松状に設けられている。また、冷却のための冷媒の出入口部１４２、ならびに内部には冷媒の流路となる分集流路部１４３及び流路細管部１４４が形成されている。図３の事例では、この紙面上において、コールドプレート一体型反射板１４の左上及び右下に冷媒の出入口１４２ａ及び１４２ｂが設けられており、左右の両端に沿った内部には分集流路部１４３ａ及び１４３ｂが、またこれら２つの分集流路部の間にジグザグ形の流路細管部１４４が全面に複数形成されている。そして、例えば出入口１４２ａを冷媒の流入側、出入口１４２ｂを流出側として外部の機器等（図示せず）から冷媒が供給され、良好な冷却効果を有するコールドプレートとして機能する。

加えて、本実施例においては、このコールドプレート一体型反射板１４は、２枚の平板をロウ付けや熱伝導接着剤等で接合した構造とし、上記した冷媒の流路はそれぞれの平板に溝状に形成されているものとしている。また、平板の材料としては、銅系やアルミ合金等、熱伝導率の高い金属が適用可能である。

次に、上述のように構成されたアンテナ複合ユニット１の冷却作用について説明する。アンテナ複合ユニット１は、高周波信号の送受信動作時を中心に、アンテナモジュールユニット１１や駆動回路ユニット１２から大量に発熱する。

特にアンテナモジュールユニット１１は、多数のアクティブ素子を含む送受信モジュール等が高密度に実装されているため高温になるが、このアンテナモジュールユニット１１の一方の面には、液冷により良好な冷却効果を有するコールドプレート一体型反射板１４が積層されて配置されており、両者は熱的にも結合されている。従って、このアンテナモジュールユニット１１からの発熱は、冷却用のコールドプレートとして機能するコールドプレート一体型反射板１４に直接伝達して放熱・冷却される。

アンテナモジュールユニット１１の高発熱部位とコールドプレート一体型反射板１４内の冷媒流路との位置関係の一例を図５に示す。本実施例においては、アンテナモジュールユニット１１には、市松状に配列された複数のアンテナ素子のそれぞれに対応させて、送受信モジュールが実装されている。一方、コールドプレート一体型反射板１４には、これら送受信モジュールの配置に合わせるように、流路細管部１４４がジグザグ形に形成されており、特に高発熱部位となる送受信モジュールを中心に、効率的な冷却を可能にしている。

また、駆動回路ユニット１２、及びアンテナモジュールユニット１１のもう一方の面側も、排熱経路になる構造体１３を挟んでコールドプレート一体型反射板１４に熱的に結合されているので、アンテナ複合ユニット１の内部となる部位からの発熱も構造体１３を主要な排熱経路としてコールドプレート一体型反射板１４に伝導され、放熱される。従って、構造的に外部に露出していない内側の部位に対しても、良好な冷却効果を得ている。

以上説明したように、本実施例においては、アンテナ複合ユニットを冷却するにあたって、アンテナ複合ユニットの構成品の一部である反射板の内部に冷媒の流路を形成することにより、この反射板を液冷方式のコールドプレートとしても機能させるとともに、アンテナモジュールユニット、駆動回路ユニット、及び構造体と熱的に結合させた構造としている。これにより、反射板とコールドプレートとがひとつの構成品として一体化され、コールドプレートを新たな構成品として準備する必要がないので、全体構造を複雑化することなく、液冷方式による良好な冷却効果を得ることができる。しかも、コールドプレート一体型反射板による厚みの増加はわずかなものと見込まれ、アンテナ複合ユニット全体としては薄型の形状を維持することができ、かつ小型軽量な構成も維持される。

さらに、例えば特定の運用環境条件にのみ最適化された空冷方式の場合とは異なり、液冷方式としているので、より広汎な運用環境条件に適応させることができ、また運用環境条件が大きく変化した場合にも安定かつ効率の良い冷却効果を得ることができる。従って、構造を複雑化させることなく、小型・軽量かつ薄型の形状を維持したまま、液冷による効率の良い冷却が可能なアンテナ複合ユニット、及びコールドプレート一体型反射板を得ることができる。

なお、本実施例においては、冷媒の流路を図３の破線に示したようにジグザグ形の流路とし、冷媒の流入口を左上端部、流出口を右下端部としたが、この形状以外にも、アンテナ素子の配列等を考慮して種々の形状を選択することができる。これらの事例を図６に示す。図６（ａ）は流路を直線状で一方向とした事例である。図６（ｂ）は流路を直線状とし、端部から供給される冷媒を複数の流路に同時分配した事例である。図６（ｃ）は図６（ｂ）における冷媒の出入口を分集路中央とした事例である。図６（ｄ）は流路をジグザグ状の一方向とした事例である。図６（ｅ）は、本実施例に相当する。図６（ｆ）は図６（ｅ）における冷媒の出入口を分集路中央とした事例である。

また、本発明は、上記した実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。さらに、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

１ アンテナ複合ユニット
１１ アンテナモジュールユニット
１２ 駆動回路ユニット
１３ 構造体
１４ コールドプレート一体型反射板
１４１ 窓
１４２ 出入口部
１４３ 分集流路部
１４４ 流路細管部

Claims (2)

1. ベースとなる平板状の基板の一方の面に複数のアンテナ素子が配列されて実装され、他方の面にこれら各アンテナ素子に対応して設けられアンテナ素子と送受信高周波信号を授受する複数の送受信モジュールが実装されたアンテナモジュールユニットと、
   このアンテナモジュールユニットの複数の送受信モジュールが実装された面側に対向して設けられ、前記送受信モジュールと駆動信号を授受する駆動回路ユニットと、
   前記アンテナモジュールユニットと前記駆動回路ユニットとの間に設けられ、これら２つのユニット間で授受される前記駆動信号を中継接続するコネクタを含み全体を所定の形状に支持する構造体と、
   前記アンテナモジュールユニットの複数のアンテナ素子が実装された面側に平板上に形成されて積層するように配置されるとともに、前記複数のアンテナ素子を露出させるようにこれらアンテナ素子の対向する部位に開口部を設けた、前記アンテナ素子で送受信される電波の反射面となる反射板と
   を備えたアンテナ複合ユニットにおいて、
   前記反射板は、２枚の平板を接合した構造を有し、これら平板の互いに対向する面の両方あるいはどちらか一方に液冷用の冷媒の流路となる溝を形成するとともに、前記アンテナモジュールユニット、駆動回路ユニット、及び構造体と一体に積層して熱的に結合させたことを特徴とするアンテナ複合ユニット。
2. ベースとなる平板状の基板の一方の面に複数のアンテナ素子が配列されて実装され、他方の面にこれら各アンテナ素子に対応して設けられアンテナ素子と送受信高周波信号を授受する複数の送受信モジュールが実装されたアンテナモジュールユニットの、前記複数のアンテナ素子が実装された面側に平板状に形成されて配置されるとともに、
   前記アンテナモジュールと、前記アンテナモジュールユニットの複数の送受信モジュールが実装された面側に対向して設けられた駆動回路ユニットと、前記アンテナモジュールユニットとこの駆動回路ユニットとの間に設けられた、全体を所定の形状に支持する構造体と一体に積層して熱的に結合されたアンテナ複合ユニットに用いられ、
   前記複数のアンテナ素子を露出させるようにこれらアンテナ素子の対向する部位に開口部を設け、前記アンテナ素子で送受信される電波の反射面となるとともに、
   ２枚の平板を接合した構造を有し、これら平板の互いに対向する面の両方あるいはどちらか一方に液冷用の冷媒の流路となる溝を形成したことを特徴とするコールドプレート一体型反射板。

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