JPH07303007A - ユニットパッケージに一体化されたアンテナ・変換器システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 モノリシックマイクロ波集積回路技術を利用
して、アンテナ・変換器システムのためのマイクロ波回
路を作製し、アンテナとその関連の変換器回路とをユニ
ットパッケージに一体化する。 【構成】 小型で信頼性の高い無線周波数（ＲＦ）回
路、極性切換え用マトリックス回路、中間周波数（Ｉ
Ｆ）回路および変換器のための電力・制御回路をＭＩＣ
／ＭＭＩＣ技術によって製造し、複数の小さなマイクロ
波回路ディスクの上に集積している。複数の変換器回路
ディスク１１８を接合し、アンテナ１０６の背面に直接
ぴったりと取り付けてユニットパッケージ１００を形成
している。変換器回路のためのディスクはさらに、回路
ディスクがアンテナの大きさおよび形状によって決まる
包絡面体積の中に収まるような大きさを有している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、アンテナと、関連する
変換器回路とのパッケージングに関し、特に、マイクロ
波集積回路およびモノリシックマイクロ波集積回路技術
を利用して、変換器回路をアンテナの背面に直接取り付
けられた複数の基板上に作製することにより、ユニット
パッケージ（unitary package）において実施される一
体化アンテナ・変換器システム（integrated antena-co
nvertor system）に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来的に、アンテナおよびその関連の変
換器回路の種々の構成部品（例えば、無線周波数受信
器、極性切換え用マトリックス回路、中間周波数受信器
および電力・制御回路）は、それぞれが別々のパッケー
ジとして設計されてきた。そして、ケーブルやコネクタ
を使用することにより、アンテナ・変換器システムの個
別の各パッケージを相互接続して、アンテナ・変換器シ
ステムを組み立てるものであった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、この従来の組
立て法は、いくつかの理由から、満足な性能を提供しえ
ないということがわかった。例えば、アンテナおよび変
換器の別々のパッケージを相互接続するためにケーブル
およびコネクタを使用すると、ケーブルにおける信号損
失およびシステムの信頼性の低下により、システムの性
能低下を招くことがしばしばある。さらには、アンテナ
および種々の変換器回路に別々のパッケージを使用する
と、アンテナ・変換器システムに必要とされる大きさお
よび総重量を増してしまう。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明のアンテナ・変換
器システムは、マイクロ波集積回路（ＭＩＣ）技術およ
びモノリシックマイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ）技術を
利用して、種々の変換器回路をアンテナに直接取り付け
られた複数の基板上に作製する。これが、アンテナを関
連の変換器回路と一体化して、従来のアンテナ・変換器
システムアセンブリよりも小型かつ軽量で、信頼性の高
いユニットパッケージを形成する。このような一体化ア
ンテナ・変換器システムは、空間および重量に影響され
やすい用途、例えば軍用航空機や宇宙機への使用に好ま
しい。

【０００５】特に、ＭＩＣ／ＭＭＩＣ設計技術は、小型
で信頼性の高い無線周波数（ＲＦ）回路を製造し、より
少数の相互接続を利用して比較的狭い区域、例えばディ
スクの中に集積することを可能にする。極性切換え用マ
トリックス回路、中間周波数（ＩＦ）回路および電力・
制御回路をも同様に製造し、小型のディスク上に集積す
る。そして、複数の変換器回路ディスクを並べ、接合
し、アンテナの背面に直接取り付けて、ユニット型アン
テナ・変換器パッケージを形成する。アンテナと、変換
器回路のための種々のＭＭＩＣディスクとの電気接続
は、同軸線からマイクロストリップへの直角転移を使用
して設けられる。コネクタがユニット型アンテナ・変換
器パッケージを外部の電源、制御回路および処理装置に
結合する。

【０００６】

【実施例】まず、本発明のユニットパッケージ１００に
一体化されるアンテナ・変換器の分解図を示す図１を参
照する。ユニットパッケージ１００は、以下に説明する
ようにしてアンテナ部１０２を変換器部１０４に一体に
取り付けたものからなる。アンテナ部１０２は、一また
はそれ以上の所定の周波数範囲にある、電磁信号を搬送
する電磁波を受信、生成することに必要なハードウェア
を含む。変換器部１０４は、アンテナ部１０２が受信、
出力する伝播電磁波の形態の電磁信号を受信、生成、処
理することに関連する無線周波数回路、中間周波数回
路、極性切換え用マトリックス回路および電力・制御回
路を実施するために必要な回路を含む。

【０００７】アンテナ部１０２は、異なる範囲の周波数
の電磁波を伝播させるための大きさをそれぞれ有する複
数の空洞１０８を有する多空洞同軸導波管アンテナ１０
６であることが好ましい。各空洞１０８は、複数の導電
シリンダ１１０によって画定され、これらのシリンダは
それぞれ開放端１１２および閉鎖端１１４を有している
（図４を参照）。大きさの異なる多数の空洞１０８は、
多数の周波数範囲にわたって作動することができるアン
テナ１０６を形成する。各導電シリンダ１１０は、互い
に対して同心的に配置されて軸１１６を共有している。
同軸導波管アンテナ１０６のための導電シリンダ１１０
の各閉鎖端１１４は、共有の導電板および複数のプロー
ブ（図３および図４に示す）をもって終端している。プ
ローブは、空洞の大きさによって決まる周波数範囲にお
いて伝播する電磁波の形態にある電磁信号を空洞１０８
において生成、受信する。アンテナ部１０２は、一つの
周波数範囲の電磁信号を伝播させるために単一の空洞１
０８しか含まないものでもよいし、所望するならば、異
なる導波管形状（例えば多空洞長方形）を有するもので
もよい。

【０００８】モノリシックマイクロ波集積回路（ＭＭＩ
Ｃ）製造技術の出現とともに、アンテナ・変換器システ
ムの変換器部１０４にとって必要な回路を１個またはそ
れ以上の小さな基板１１８（例えば図１に示す回路ディ
スク）の上に集積することが可能になった。このような
集積マイクロ波回路作製方法は、各ディスク基板１１８
上に実施される回路設計を、信号を損なう傾向にある従
来のＲＦケーブル相互接続設計の場合よりも少数の相互
接続をもって、相互に、および他のディスクに接続する
ことを可能にする。さらには、ディスク１１８どうしの
相互接続が、比較的小さな体積しか占有しない、必要な
変換器回路をすべて含む回路パッケージを提供する。本
明細書に開示するアンテナ変換器の実施においては、Ｍ
ＩＣ／ＭＭＩＣによる作製が、変換器部１０４のための
無線周波数供給ネットワークの必要な回路をすべて単一
の小さな供給ネットワークディスク１２０上に集積する
ことを可能にする。同様に、変換器部１０４の極性切換
え用マトリックス制御回路、中間周波数変換器および電
力・制御回路もまた、それぞれ極性切換え用マトリック
スディスク１２２、中間周波数ディスク１２４および電
力・制御回路ディスク１２６の上に集積することができ
る。

【０００９】ＭＭＩＣによって実施される各ディスク１
２０〜１２６は、同軸空洞アンテナ１０６を構成する複
数の同心シリンダ１１０の軸線１１６に並ぶ中心点１２
８を有している。図１に示すようなアンテナ部１０２の
各同心シリンダ１１０と変換器部１０４の各ディスク１
１８とを軸線１１６沿いに組み立て、このとき変換器部
１０４の各ディスクを接合し、アンテナ部１０２の背面
に直接ぴったりと取り付けて、図２に示すユニットパッ
ケージ１００において一体化アンテナ・変換器を作製す
る。さらには、ＭＭＩＣによって回路を実施する場合、
各ディスク基板１１８の円形面積は、基板の円周が破線
１３０によって示すアンテナ部１０２の包絡線（面）の
外に広がらないようなものを選択する。包絡面１３０
は、アンテナの背面から後方に延びる仮想体積を表すも
のである。包絡面１３０の大きさおよび形状は、アンテ
ナ部１２０の外面の大きさおよび形状によって決まる。
図示のような同軸アンテナ１０６の場合、包絡面１３０
は、もっとも外側の同心シリンダ１１０の外面によって
画定される円筒形体積を表す。ユニットパッケージを形
成するためには、この円筒形体積の中に変換器回路部１
０４のための接合したディスク基板１１８が収まらなけ
ればならない。コネクタ１３２が設けられて、変換器回
路ディスク１２０〜１２６に電力および制御信号を供給
して、ユニット型アンテナ・変換器パッケージ１００の
作動を可能にする。

【００１０】次に、本発明のユニットパッケージ１００
に一体化されたアンテナ・変換器の側断面図を示す図４
を参照する。パッケージ１００のアンテナ部１０２は、
複数の同心導電シリンダ１１０からなる同軸導波管アン
テナ１０６であり、各シリンダとも開放端１１２および
閉鎖端１１４を有している。組み立てられた同心シリン
ダ１１０の閉鎖端１１４を終端しているものは導電板１
３６である。アンテナ１０６の各空洞１０８の大きさ
は、所定の周波数範囲の電磁波を伝播させるものを選択
する。例えば、図４に示す実施態様においては、空洞の
大きさは、空洞１０８（１）が２〜３．５GHz の範囲で
作動し、空洞１０８（２）が３．５〜６GHz の範囲で作
動し、空洞１０８（３）が６〜１０GHz の範囲で作動
し、空洞１０８（４）が１０〜１８GHz の範囲で作動す
るようなものを選択している。このように、図示した実
施態様は、２〜１８GHz の広い周波数範囲にわたって作
動することができる。

【００１１】各空洞１０８の閉鎖端にあるプローブ１３
４は、その空洞の大きさによって決まる周波数範囲の電
磁波のみを受信、放射する。プローブ１３４が受信した
電磁信号を処理したり、プローブによって放射される信
号を生成したりするために、各空洞１０８（１）〜１０
８（４）に関連するプローブは、別々の供給ネットワー
クディスク１２０（１）〜１２０（４）にそれぞれ接続
されている。各供給ネットワークディスク１２０は、自
らに電気的に結合された空洞１０８にとっての周波数範
囲にわたって作動するように設計された回路を含む。こ
のように、各供給ネットワークディスク１２０は、ＭＭ
ＩＣによって実施される変調および復調回路（無線周波
数変換器および変換器のいくつかのサブ帯域を含む）を
含む。アンテナ部１０２の全作動周波数に必要な無線周
波数変換器回路をすべて１枚のディスクに設け、そのデ
ィスクをアンテナの背面に取り付けた場合、そのディス
クの面積がアンテナ包絡面１３０（図１を参照）の体積
内に収まるならば、図１および図２に示すように、各回
路を単一のディスク１２０の上にＭＭＩＣによって実施
してもよいことが当然に理解されよう。

【００１２】各アンテナ空洞１０８と関連の供給ネット
ワークディスク１２０との接続は、短い同軸線１３８を
用いて行う。この同軸線１３８は、内側および外側の同
軸導体を一端に有し、これらの導体はそれぞれプローブ
１３４およびプレート１３６に接続されている。同軸線
１３８の他端では、内側および外側の導体は、同軸線か
らマイクロストリップへの直角転移（符号１４０で示
す）により、供給ネットワークディスク１２０の上のマ
イクロストリップ線に接続されている。ディスク上のマ
イクロ波回路をストリップ線によって実施するならば、
同様の相互接続方法を用いてもよい。変換器部１０４は
さらに、ＭＩＣ／ＭＭＩＣ技術を使用して１枚またはそ
れ以上のディスク１４２の上に実施された極性切換え用
マトリックス回路、中間周波数変換器回路および電力・
制御回路を含む。供給ネットワークディスク１２０と残
る変換器ディスク１４２との接続は、短い同軸線１３８
を用いて行う。この同軸線の両端は、同軸線からマイク
ロストリップへの直角転移１４０により、各ディスクの
マイクロストリップ線に接続されている。変換器部１０
４に用いられる種々のディスクと、外部電源、指令・制
御回路および処理回路との間の接続は、所望により、あ
るいは必要に応じて、コネクタ１３２および／または同
軸線１３８を介して行うことができる。

【００１３】一体化されたユニット型アンテナ・変換器
パッケージの好ましい実施態様を本実施例に説明し、添
付の図面に例示してきたが、本発明は、開示の実施態様
に限定されず、本発明の真髄から逸脱することなく、多
数の再構成、代用および変形を受けうるということが理
解されよう。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のユニットパッケージにおける一体化ア
ンテナ・変換器を示す分解図である。

【図２】図１に示すユニット型アンテナ・変換器パッケ
ージを組み立てたものを示す図である。

【図３】本発明のユニット型アンテナ・変換器パッケー
ジに使用される同軸導波管アンテナを示す正面図であ
る。

【図４】本発明のユニット型アンテナ・変換器パッケー
ジの一体化された同軸導波管アンテナおよび変換器回路
を示す側断面図である。

【符号の説明】

１００ ユニットパッケージ １０２ アンテナ部 １０４ 変換器部 １１０ 導電シリンダ １１８ 基板 １３８ 同軸線

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ダナルド、フランク、シー アメリカ合衆国テクサス州75023、ダラ ス・カウンティ、プレイノゥ、ラムバディ 1117番

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一体化アンテナ変換器において、 所定の周波数範囲の電磁波の形態の電磁信号を受信、放
   射するための手段を有するアンテナと、 所定の周波数範囲の電磁信号を処理するための供給ネッ
   トワーク回路手段と、を含み、該供給ネットワーク回路
   手段が、電磁信号を受信、放射するための手段に個々
   に、機械的に、かつ電気的に接続された複数の回路板か
   らなり、前記一体化アンテナ・変換器をユニットパッケ
   ージ内に構成するように、前記複数の回路板が、アンテ
   ナに直接取り付けられた供給ネットワーク回路手段から
   なることを特徴とする一体化アンテナ・変換器。
2. 【請求項２】 電磁信号を受信、放射するための手段が
   複数の電磁プローブからなる請求項１記載のアンテナ・
   変換器装置。
3. 【請求項３】 アンテナの大きさおよび形状が、アンテ
   ナから離れて広がるアンテナ包絡面体積を画定し、アン
   テナに取り付けられた供給ネットワーク回路手段のため
   の回路板が、画定されたアンテナ包絡面体積の中に収ま
   る面積を有している請求項１記載のアンテナ・変換器装
   置。
4. 【請求項４】 供給ネットワーク回路手段のための回路
   板に電気的に接続された回路板からなる極性マトリック
   ス切換え手段をさらに含み、極性マトリックス切換え手
   段のための回路板が、供給ネットワーク回路手段のため
   の回路板に取り付けられ、かつアンテナに取り付けられ
   て、一体化アンテナ・変換器をユニットパッケージ内に
   構成している請求項１記載のアンテナ・変換器装置。
5. 【請求項５】 極性マトリックス切換え手段のための回
   路板に電気的に接続された回路板からなる中間周波数回
   路手段をさらに含み、中間周波数回路手段のための回路
   板が、極性マトリックス切換え手段および供給ネットワ
   ーク回路手段のための各回路板に取り付けられ、かつア
   ンテナに取り付けられて、一体化アンテナ・変換器をユ
   ニットパッケージ内に構成している請求項４記載のアン
   テナ・変換器装置。
6. 【請求項６】 中間周波数回路手段のための回路板に電
   気的に接続された回路板からなる電力・制御回路手段を
   さらに含み、電力・制御回路手段のための回路板が、中
   間周波数回路手段、極性マトリックス切換え手段および
   供給ネットワーク回路手段のための各回路板に取り付け
   られ、かつアンテナに取り付けられて、一体化アンテナ
   ・変換器をユニットパッケージ内に構成している請求項
   ５記載のアンテナ・変換器装置。
7. 【請求項７】 アンテナが、所定の周波数範囲の電磁信
   号を伝播させるための大きさをそれぞれ有する複数の導
   波管空洞を有する導波管アンテナからなる請求項１記載
   のアンテナ・変換器装置。
8. 【請求項８】 導波管アンテナが、一端が導電板をもっ
   て終端している複数の同心導電中空シリンダをさらに含
   み、各シリンダが、所定の周波数範囲の電磁波を伝播さ
   せるための大きさを有する複数の空洞を画定する所定の
   直径を有している請求項７記載のアンテナ・変換器装
   置。
9. 【請求項９】 電磁信号を受信、放射するための手段
   が、 導波管アンテナの各空洞の中のうち、導電板をもって終
   端している端部に配置された複数の電界プローブからな
   る請求項８記載のアンテナ・変換器装置。
10. 【請求項１０】 所定の周波数範囲の電磁信号を伝播さ
    せるための所定の大きさをそれぞれ有する複数の空洞を
    有する導波管アンテナと、 個々の空洞の所定の周波数範囲の電磁信号を受信、放射
    するための、アンテナの空洞ごとに設けられた複数の電
    磁プローブと、 複数の回路板からなる変換器回路手段とを含み、該変換
    器回路手段が、複数の電磁プローブに機械的かつ電気的
    に接続されて、複数の空洞によって伝播される所定の周
    波数範囲の電磁信号を生成、処理し、複数の回路板が、
    一体に取り付けられ、かつアンテナに直接取り付けられ
    て、ユニット型の一体化アンテナ・変換器を構成してい
    ることを特徴とする一体化アンテナ・変換器。
11. 【請求項１１】 導波管アンテナの大きさおよび形状
    が、アンテナから離れて広がるアンテナ包絡面体積を画
    定し、各回路板が、アンテナに取り付けられたときに、
    画定されたアンテナ包絡面体積の中に収まる円周を有し
    ている請求項１０記載のアンテナ・変換器。
12. 【請求項１２】 導波管アンテナが、一端が閉じて複数
    の空洞を画定し、該空洞の中のうち、その閉じた端に配
    置された複数の電磁プローブを有する複数の同心導電中
    空シリンダを有する同軸導波管空洞アンテナからなる請
    求項１０記載のアンテナ・変換器。
13. 【請求項１３】 変換器回路手段の各回路板がモノリシ
    ックマイクロ波集積回路からなり、各電磁プローブが、
    空洞と回路板との間に延びる同軸線により、回路板の上
    の変換器回路手段に接続されている請求項１０記載のア
    ンテナ・変換器。
14. 【請求項１４】 所定の周波数範囲のマイクロ波電磁信
    号を伝播させるための大きさをそれぞれ有する複数の空
    洞を有し、導波管アンテナの背面側から離れて後方に広
    がるアンテナ包絡面体積を画定する形状を有する導波管
    アンテナと、 個々の空洞の所定の周波数範囲のマイクロ波電磁信号を
    受信、放射するための、導波管アンテナの空洞ごとに設
    けられた複数の電磁プローブと、 複数の回路板からなる変換器回路手段とを含み、マイク
    ロ波電磁信号を処理、生成するための、複数の電磁プロ
    ーブに接続されたマイクロ波変換器回路手段とを含み、
    該回路手段が、一体に取りつけられ、かつアンテナの背
    面側のうち、アンテナ包絡面体積の中に直接取り付けら
    れた複数の回路板上のモノリシックマイクロ波集積回路
    からなり、ユニット型の一体化アンテナ・変換器を構成
    していることを特徴とする一体化アンテナ・変換器。
15. 【請求項１５】 導波管空洞アンテナが、一端が閉じて
    複数の空洞を画定している複数の同心導電中空シリンダ
    を有する同軸導波管空洞アンテナからなり、同心導電中
    空シリンダのもっとも外側のものが、アンテナ包絡面体
    積の大きさおよび形状を画定する表面を有する請求項１
    ４記載のアンテナ・変換器パッケージ。
16. 【請求項１６】 各回路板が、アンテナの背面に取り付
    けられたときに、アンテナ包絡面体積の中に収まる面積
    を画定する円周を有している請求項１４記載のアンテナ
    変換器。