NL1026104C2 - Meerlaagse PWB stralende schakeling en fasegestuurd antennestelsel waarin deze wordt toegepast. - Google Patents

Description

Meerlaagse PWB stralende schakeling en fasegestuurd antennestelsel waarin deze wordt toegepast

Deze uitvinding heeft betrekking op een meerlaagse PWB (Printed 5 Wiring Board, prentpaneel) stralende schakeling. Met name heeft de uitvinding betrekking op fasegestuurde antennestelsels die op een dergelijke technologie zijn gebaseerd.

De veelheid aan functionaliteiten van APAR (Acttve Phased Array 10 Radar, actieve fasegestuurde radar-) antennes zijn op dit moment moeilijk te realiseren binnen een gegeven klein volume en een beperkt acceptabel gewicht onder handhaving van hoge prestaties en grote betrouwbaarheid tegen aanvaardbare kosten, met name bij hoge werkfrequenties (> 10 6Hz). Deze antennes moeten nog compacter worden vanwege zich aandienende 15 eisen voor bijvoorbeeld planaire en verzonken stelsels.

APAR antennes worden meestal gekenmerkt door een grote verscheidenheid aan materialen. Een groot aantal op zichzelf staande, apart gefabriceerde stralers (bijvoorbeeld gotfgeleiders of Vivaldl-type stralers) 20 moet worden samengesteld uit afzonderlijke delen waarbij nauwe assemblagetoleranties vereist zijn en vele complexe koppelingen en verbindingen moeten worden aangebracht Dientengevolge zijn de produetie-en assembiagekosten hoog en zijn de mogelijkheden voor verdergaande miniaturisatie beperkt 25

Traditioneel worden uiteenlopende fabricage- en assemblagetechnoiogieën toegepast, bij voorbeeld voor stralers, voedingsdrcuits en doorverbindingen.

3© Octrooiaanvraag EP 1 071 161 heeft betrekking op een dergelijke antenne. De stralerconstructie bestaat uit een stapel schijven of patches, omvattende een lagere actieve straier op een “dieleetrie puck” (diiiektrisch vulstuk), gevoed door een stel °probes° (naaidachtige voedlngslijnen, In principe een aantal "via^verbindingen) en een secundaire straier, 35 gescheiden van de actieve straier door diëlektrisch materiaal. De antenne !§ 1026104 \ daardoor niet geoptimaliseerd en heeft de bovenvermelde in de techniek bekende nadelen.

Bovendien moeten bij deze antenne de dielectrfc pucks die de s lagere actieve stralers bevatten elk geplaatst worden in een omringende uitsparing gevormd in een bovenliggende diëlektrische laag van een ander materiaal. Dit is een tamelijk gecompliceerde constructie die aan strenge foleraniievoorwaarden onderworpen assemblagestappen vereist 10 Een modem X-band antennestelsel voor redartoepassingen kan een samenstel zijn van duizenden separaat gefabriceerde deelsamenstellingen, die elk bijvoorbeeld een straler omvatten en een aantal impedantie-aanpassingscomponenten, een connectorsamenstel, enz. Elk deel moet gefabriceerd en geassembleerd worden, hetgeen een aanzienlijke 1 § inspanning en grote nauwgezetheid vergt. Het zal duidelijk zijn dat de hiermee gemoeide kosten hoog zijn. Een radarsysteem van dit type kan bijvoorbeeld beduidend meer dan 3000 T/R (Transmit/Receive, zend» /ontvang-) modulekanalen per antennestelsel omvatten.

20 Deze uitvinding elimineert de bovengenoemde nadelen door een PWB stralende eenheid te gebruiken die, ten minste In de benutting van het beschikbare volume, in hoge mate is geoptimaliseerd, door de mogelijkheid te scheppen dat ten minste enkele stralers niet uitgelijnd hoeven te zijn op hun respectieve Ingangs-/uitgangsconnectoren. De verkregen 25 systeemconstructie is daardoor minder complex en vereist minder stringente assemblagetoleranties.

Een doel van deze uitvinding is een meeriaagse PWB strelende schakeling, omvattende: 30 - een RF (Radio Frequency, hoogfrequente) voedingslaag met de voedingsdrcu'rts; en - een aan het eerste vlak van de RF voedingslaag gekoppelde straleriaag, welke straleriaag een stelsel van stralerelementen (bijvoorbeeld microstrip "patch” stralerelementen) omvat, 1026104 3 - ingangs-Mgangsconnectoren voor het aansluiten van T/R modules op de corresponderende stralerelementen, en - een offset-laag voor het corrigeren van de positleverschuiving tengevolge van een niet-uitgelijnd zijn van een straler met de corresponderende Ingange- 5 /uitgangsconnector, welke offset-laag rechtstreeks of indirect gekoppeld is aan het tweede vlak van de RF voedingslaag.

Een ander doei van de uitvinding is een fasegestuurd antennestelsel dat de bovenbeschreven meeriaagse PWB stralende 10 schakeling omvat en ten minste één T/R module, die aangesloten is op de met het te activeren stralerelement corresponderende ingangs-/ultgangsconnector.

Verdere kenmerken en gunstige eigenschappen van de uitvinding 16 zullen duidelijk worden uit de volgende beschrijving van voorbeelden van uitvoeringsvormen van de uitvinding, aan de hand van afbeeldingen, die voor de uitvinding essentiële bijzonderheden laten zien, en uit de conclusies. De afzonderlijk® eigenschappen kunnen apart, allemaal of in elke gewenste combinatie worden gerealiseerd in een van de mogelijke uitvoeringsvormen 20 van de uitvinding.

- Afbeelding 1, impressie van een deel van een PWB stralende schakeling volgens de uitvinding, - Afbeelding 2, dwarsdoorsnede door een PWB stralende 26 schakeling volgens de uitvinding, - Afbeelding 3, voorbeeld van een offeet-laag volgens de uitvinding, - Afbeeldingen 4a en 4b, implementatie van mn PWB strelend© schakeling volgens d® uitvinding met T/R modules; Afbeelding 4a is ©en 30 uitvergroting van een deel van Afbeelding 4b en laat de link zien tussen de T/R modules en de stralen, = Afbeelding 5, voorbeeld van een kalibretielaag volgens de uitvinding.

1026104 4

Afbeelding 1 geeft een indruk van de gelaagde structuur (gedeeltelijk weergegeven en niet op schaal) van een antenne PWB.

De PWB omvat diëlekfrische laminaten in een aantal door 5 kleefmiddel 19 gekoppelde stripllnes 11 =14. Elke straler kan omgeven zijn door gemetalliseerde goten 18, op de zijden waarvan een metalllsering i® aangebracht, om een “doos-0 structuur te creëren. Ook kan Sn plaat® van d® goten een patroon van dicht bijeen geplaatste gemetalliseerde gaten (blind® vla's) worden aangebracht.

1©

Afbeelding 2 toont de dwarsdoorsnede van een karakteristieke antenne PWB.

De PWB stralende schakeling 1 integreert stralen 143, In fase 15 overeenkomende offset-schakelingen 11, voedingsciroults 13 inclusief hun respectieve microgolfdoorverbindingen, Ingebed in één meeriaagse PWB 1, en eventueel kalibratienetwerken 12.

Het functionele ontwerp past een tweelaagse diêlektrisch geladen 2© stripline structuur toe, waarbij het voedlngscircult is opgenomen in de stripline RF voedlngslaag 13 en een offset-schakeling in de stripline offset-laag 11. De offset-schakeling, bijvoorbeeld een in fase overeenkomende offset-schakeling, wordt gebruikt ter vermijding van een planaire offset tussen de positie van straler 143 en de bijbehorende voedingsconnector 111 aan de 25 achterzijde van de samenstelling. Voedingsconnector 111 kan een RF coaxiale ingang/uitgang zijn.

Het geheel kan worden aangevuld met een stripline laag 12, die een testpulsdistributienetwerk omvat ten behoeve van antennekalibratie en 3© dat gebruik maakt van koppelingen voor elk kanaal, zoals weergegeven op Afbeelding 5.

De schakeling van de stripline RF voedlngslaag 13 is slot- (141) gekoppeld (niet-galvanisch) aan een stelsel van willekeurig gevormde 35 microstrip patch-stralers 143. De overdracht kan plaatsvinden binnen een 1026104 5 diëlektrische hotte om RF koppeling binnen de structuur te verminderen.

Straler 143 is omgeven door een geleidende "doos” 142,18 om opperviaktegoifkoppelverschijnselen te elimineren. Straler 143 zelf kan bestaan uit een willekeurig gevormde patch-metallisering 142, omgeven door 5 verspaande goten 18, op de zijden waarvan een metallisering is aangebracht om de genoemde doosstmctuur te creëren. In essentie is deze doos een gemetalliseerde structuur, die eveneens gerealiseerd is door toepassing van geavanceerde PWB technologie.

10 Ook kunnen de stralers 143 een verschillende 3D vorm krijgen, gebruik makend van dezelfde PWB technologie. Een straler 143 kan bijvoorbeeld opgebouwd zijn uit één of meer gestapelde patches, met of zonder de gemetalliseerde doosstructuur, bijvoorbeeld door de patches te omgeven door gemetalliseerde goten 18. De stripline RF voedingslaag 13 15 kan ook galvanisch verbonden zijn met de (onderste) patch door middel van een gemetalliseerd gat (een via). De doosstructuur kan ook dienen als een diëlektrisch geladen golfgelelderstraler en de patch-metallisering 142 kan geschikt gemaakt worden voor een iris-type apertuur.

20 De binnen laminaat 1 aanwezige meervoudige doorgaande metallieke aardlagen 18 en 20 genereren een schild met een zeer grote EMI (ElectroMagnetic Interference, elektromagnetische storing) effectiviteit

Een optie is een verdere integratie met een radome 16 en een 2§ FSS (Frequency Selectieve Screen, frequentieselectief scherm) 161, welke laatste dient voor het reduceren van de RCS (Radar Cross-Section, radarterugstraaMak) van de antenne. |

De basisconfiguratie van de meerlaagse PWB stralende 30 schakeling kan dus in totaal 10 individuele diëlektrische lagen omvatten, met de mogelijkheid om specifieke lagen toe te voegen, bijvoorbeeld In hef geval dat geïntegreerd filteren wordt verlangd. De veélheid van verspaande goten (of via's) kan de mechanische stabiliteit van het laminaat ondermijnen en om dit probleem te elimineren wordt een diëlektrische hulplaag 1 S aangebraeht 35 die er voor moet zorgen dat de structurele integriteit gehandhaafd blijft tijdens | 1026104 β het hele fabricageproces. Deze hulplaag wordt later gebruikt als een afsfandsplaai voor een radome 16/FSS structuur 161.

Een optionele feature kan zijn een ingebouwd RF filter dat 5 bijvoorbeeld gebruik maakt van een fotonische-bandafistandstruduur binnen een van de aanwezige stripline lagen of een aanvullende doelspecifiek® laag (niet weergegeven).

De toegepaste meeriaagse PWB technologie is een enabling-ΐ o technologie,, waarbij met de organische, gecontroleerde diêlektrische laminaten A t/m J en patroonmetalliseringen 18 alle vereiste eigenschappen in een batch-proces gerealiseerd kunnen worden. Hierdoor kan het aantal gewoonlijk met fasegestuurde antennestelsels geassocieerde individuele onderdelen en assemblagestappen aanzienlijk verminderd worden. Ook 15 wordt hierdoor een flexibeler, compacter en in hoge mate geïntegreerd ontwerp mogelijk, dat tevens minder gevoelig is voor assemblagetoleranties. Verder faciliteert deze technologie de realisatie van een goede structurele integriteit, schaalbaarheid, geïntegreerde kalibratie, grote bandbreedte, goede scanprestaties, voortreffelijke EMI bescherming en geringe RCS.

20

Omdat het stelsel van stralers 143 van buiten niet meer Is dan een plenaire structuur, kan het stelsel worden beschouwd als een vlakke plaat en heeft de meeriaagse PWB stralende schakeling daardoor een geringe RCS.

25 Bovendien kan een RF via Z-as laag-naar-laag doorverbinding worden geïmplementeerd via offset-laag 11 en, indien nodig, kalibratielaag 12 naar de RF voedingslaag 13, om lagen 11 en 12 te mijden.

In het algemeen is meeriaagse PWB technologie gebaseerd op 30 een gelamineerde structuur die bestaat uit selectief gemetalliseerde diêlektrische lagen, die tezamen één schakeling vormen, dankzij naverspanen en nametalliseren. De combinatie van daarbij betrokken basistechnieken, d.w.z. fotochemisch etsen, lamineren, verspanen en galvanische technologieën, stellen een ervaren ontwerper in staat om meer 35 onconventionele RF structuren te creëren, zoals stralende elementen en 3D

1026104 7 overgangen, ingebed in en functioneel gekoppeld aan de aanwezige RF schakelingen, alles in één product. Dit kan worden bereikt door de 3D RF structuren te beschouwen als een stapel 2D substructuren, die samengesmolten kunnen worden tot één totaalstructuur na uitvoering van s een uitgekiende reeks processtappen. Elke PWB kan honderden of zelfs duizenden identieke RF structuren bevatten. Bovendien wordt hierdoor verdere integratie van aanvullende functionaliteit mogelijk gemaakt

Dankzij de mechanische eenvoud van de technologie van 10 meerlaagse PWB stralende schakelingen is het betrekkelijk gemakkelijk deze af te stemmen zodat met een grote bandbreedte kan worden gewerkt

Verder zorgt bij een werkfrequentie tot maximaal 12 GHz, het hoge integratieniveau dat door deze technologie mogelijk wordt gemaakt, 1 § ervoor dat de stralers 143 ruim binnen een halve golflengte van elkaar ! geplaatst kunnen worden. Daardoor zijn extreme scan-hoeken (bundelbeweeglijkheid) mogelijk zonder dat zich buigingslussen voordoen.

Aangezien zich bovendien achter patch-straler 142 een metallieke holte 18 bevindt, heeft deze een veel beter richteffect dan wat gewoonlijk kan worden 20 bereik door patch-stralers, terwijl oppervlaktegolven onderdrukt worden. Dit draagt er toe bij dat een goede scanprestatie wordt bereikt. De stripline voedingsschakeling 13 is slotgekoppeld (niet-galvanisch) aan elk van de patch-stralers 142.

20 Afbeelding 3 toont de offset-laag in groter detail. In dit voorbeeld is offset-Iaag 11 geschikt gemaakt voor een stelsel van 256 kanalen. Voor X-band is de grondafmeting van het stralenooster ongeveer 15 mm x 15 mm.

Dankzij offset-laag 11 is het niet nodig datT/R modules 2 op het stratenrooster uitgelijnd worden, waardoor er ruimte vrijkomt waar, 30 bijvoorbeeld, ondersteunende structuren, bekabeling, koelmiddelspruitstukken enz. aangebracht kunnen worden.

Het doel van offset-laag 11 is dus: meer flexibiliteit mogelijk maken in het mechanische ontwerp, omdat T/R modules 2 niet langer uitgelijnd 35 hoeven te worden op de corresponderende stralers 143, die In een vast 1026104 8 rooster gepositioneerd moeten zijn. Voor dit doel» dat samengevat kan worden ais het corrigeren van de uitlijnafwijking, introduceert offsef-laag (11) een in fase overeenkomende offset op elk kanaal dat een stralerelement 143 en de bijbehorende ingangs-/uftgangsconnector 111 bevat zodanig dat d® in s fase overeenkomende offset de roosters van straletelement 143 en bijbehorend® externe actieve moduSe 2 ontkoppel.

Afbeeldingen 4a en 4b demonstreren het voordeel van de offset» laag. namelijk dat hierdoor ruimte achter het antennestelsel overblijft voor 10 hulpfuncties.

De afbeelding laaf alleen de verticale offset zien. maar het voordeel geldt evenzeer een horizontale offset 1 § Afbeelding 4b toont een antenne-multilayer (meeriaagse PWB) 1.

verbonden met T/R modules 2 en aangebracht in rekken tussen structurele steunen 3 die, indien gewenst, een koeimiddelspmitstuk, bekabeling of gedrukte bedrading omvatten. De structurele steun is op deze manier geschikt gemaakt voor de plaatsing van T/R modules 2. waarbij de laatste 20 niet uitgeiijnd hoeven te zijn op de bijbehorende antennestraler 1. Bovendien kan de beschikbare ruimte achter het straierstelsel worden benut met maximale doelmatigheid.

Dit wordt mogelijk gemaakt door de specifieke structuur van de 25 antenne-multilayer 1 van deze uitvinding, zoals aangeduid in Afbeelding 4b, waarbij stralers 143 niet uitgelijnd hoeven te zijn op voedingsconnectoren 111 dankzij de positie-afwijklngcom'gerende functie van offset-laag 11 binnen de meerlaagsantenne 1.

30 OffseMaag 11 vergemakkelijkt op deze wijze de doorverbinding tussen T/R kanalen 2 en de bijbehorende stralers, die niet uitgelijnd hoeven te zijn. Dit geeft meer ontwerpvrijheid. De vereiste afstand tussen individuele stralers is niet langer bepalend voor de fysieke layout van de elektronische hoofdonderdelen onmiddellijk achter het stralende stelsel.

35 1026104 9

Dit vergroot aanmerkelijk de vrijheid van de antennesysteemarchitect en kan bijvoorbeeld resulteren in verbeterde modulariteit en schaalbaarheid.

5 Afbeelding 5 toont in groter detail de kalibratielaag die een testpulsdistributienetwerk omvat en koppelingen voor elk van de 768 kanalen in dit voorbeeld. Het testpulssignaal wordt via de koppelingen geïnjecteerd in elk kanaal. Dit is een gemakkelijke en goedkope manier om te zorgen dat de antenne te allen tijde gekalibreerd is.

10

In de radarindustrie wordt geïntegreerde kalibratie zelden toegepast vanwege de fabricageproblemen. In bijvoorbeeld de golfgeleldertechnologie betekent geïntegreerde kalibratie dat een complete testpulsdistributieschakeling vervlochten moet worden met alle actieve 1 s stralerkanalen (minstens enkele duizenden), waardoor veel meer onderdelen nodig zijn en assemblage veel ingewikkelder is bij een steeds hoger vereist niveau van nauwkeurigheid.

De meeste systemen baseren zich op een afzonderlijk extern zo systeem voor de kalibratie. Dit is zeer eenvoudig maar het heeft een belangrijk nadeel: kalibratie moet periodiek plaatsvinden om een continue, stabiele werking te garanderen. In het geval van een extern systeem betekent dit dat het systeem zeer nauwgezet vóór de antenne gepositioneerd moet worden en dan weer snel moet worden verwijderd om het gezichtsveld 25 zo kort mogelijk te blokkeren. Dit is een zeer lastige procedure, die bovendien niet op elk tijdstip kan worden uitgevoerd, in het bijzonder in slecht weer en met name bij maritieme toepassingen.

Een geïntegreerde kalibratielaag 12, daarentegen, kan zeer 30 frequent worden gebruikt en onder alle omstandigheden, zodat antenne 1 te allen tijde gekalibreerd kan blijven voor een maximale prestatie.

De assemblage is geheel gebaseerd op bekende productieprocessen, aangepast om voor deze toepassing de vereiste 35 structuren en eigenschappen te verkrijgen. Het assemblageproces bestaat 1026104 10 uit een sequentie van fotollthografische, 3D verspanende, galvanische en lamineerprocessen voor het creëren van de gewenste meeriaagse PWB stralende schakelingen. De volgorde waarin deze processtappen worden uitgevoerd is een factor van beslissende betekenis, waarde uitvoerbaarheid 5 van het ontwerp vanaf hangt

Met ontwerp van deze meeriaagse PWB stralende schakeling heeft een inherente structurele integriteit. Van een mechanisch standpunt is een meeriaagse PWB een gelamineerd paneel op basis van een 10 polymeercomposiet. De dikte van een paneel zoals beschreven is meer dan ongeveer 10 mm. Het is daarom zeer stijf en er hoeft gewoonlijk geen aanvullende structurele steun te worden aangebracht hetgeen de eenvoud van het mechanische ontwerp van de stralende schakeling ten goede komt 1§ Het gebruik van een dergelijke meeriaagse PWB stralende schakeling in actieve fasegestuurde antennestelsels is interessant omdat het de aansluiting vergemakkelijkt op elke soort T/R modules, zoals aangegeven in Afbeeldingen 4a en 4b.

2® Het toepassingsgebied is hoofdzakelijk radar, maar kan zich ook uitstrekken tot draadloze telecommunicatletoepasslngen. Voor wat betreft radar kan de uitvinding bijvoorbeeld worden toegepast in S-band en X-band systemen, maar ook in een breed scala van andere frequentlebanden. In het algemeen zullen de hogere frequentlebanden meer profijt hebben van de 25 uitvinding, dankzij kleinere afmetingen, die immers proportioneel zijn aan de golflengte.

1026104

Claims (9)

1. Meerlaagse PWB (Printed Wiring Board, prentpaneel) stralende schakeling, omvattende: - een RF (Radio Frequency, hoogfrequente) voedingslaag (13) met de 5 voedingscircuits; en - een aan het eerste vlak van de RF voedingslaag gekoppelde stralerlaag (14), welke stralerlaag een stelsel van °patchB stralerelementen (143) omvat, - ingangs-/uitgangsconnectoren (111) voor het aansluiten van externe actieve modules (2) op de respectieve stralerelementen (143), 10 met het kenmerk dat genoemde meerlaagse PWB stralende schakeling tevens een offset-laag (11) omvat, voor het corrigeren van de door het niet-uitgelijnd zijn van een straler (143) en de corresponderende ingangs-/uitgangsconnector (111) veroorzaakte positie-afwijking, welke offset-laag (11) rechtstreeks of indirect gekoppeld is aan het tweede vlak van de RF 15 voedingslaag (13).

2. Meerlaagse PWB stralende schakeling volgens de voorgaande conclusie, met het kenmerk dat de offset-laag (11) voor het corrigeren van de uitlijnafwijking een In fase overeenkomende offset introduceert op elk kanaal 20 dat een stralerelement (143) en de corresponderende Ingangs- /uitgangsconnector (111) omvat, zodat de in fase overeenkomende offset het rooster van het stralerelement (143) en het rooster van de corresponderende externe T/R (Transmlt/Receive, zend-/ontvang-) modules (2) van elkaar loskoppelt 25 3o Meerlaagse PWB stralende schakeling volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk dat het stralerelement (143) een dlêlektrlsch geladen van patch-metalllsering (142) voorziene golfgeleiderstraler omvat, waarbij de patch° metalliserlng geschikt gemaakt is voor een irls-type apertuur. 30

4. Meerlaagse PWB stralende schakeling volgens een van de voorgaande conclusies, met het kenmerk dat het stralerelement (143) één of meer gestapelde patch-metailiserfngen (142) omvat, die als de apertuur dienen en gekoppeld zijn aan een stripline voeding (17), welke patchss (142) omgeven ! i 1026104 zijn door gemetalliseerde goten (18).

5. Meerlaagse PWB stralende schakeling volgens een van de voorgaande conclusies, met het kenmerk dat deze een laag-diëlektrische hulplaag (15) § omvat die bevestigd Is aan de straterlaag.

0. Meerlaagse PWB stralende schakeling volgens een van de voorgaande conclusies, met het kenmerk dat deze een radome-laag (18) omvat die rechtstreeks of indirect gekoppeld is aan d® stralertaag (14). 10

7. Meerlaagse PWB stralende schakeling volgens de voorgaande conclusie, met het kenmerk dat deze een frequentieselectieve schermstructuur (161) omvat op het binnenvlak van de radome-laag (16).

8. Meerlaagse PWB stralende schakeling volgens de voorgaande conclusie, met het kenmerk dat deze een RF filter omvat binnen een van de aanwezige Dagen, of een extra laag die speciaal voor filteren is ingericht

9. Meerlaagse PWB stralende schakeling volgens de voorgaande conclusie, 20 met het kenmerk dat deze een van een testpulsdistributienetwerk voorziene kalibratielaag (12) omvat, die het mogelijk maakt dat de schakeling te allen tijde kan worden gekalibreerd.

10. Fasegestuurd antennestelsel, dat de meerlaagse PWB stralende 2@ schakeling (1) volgens een van de voorgaande conclusies omvat en verder ten minste één T/R module (2) die aangesloten is op de aan het te activeren stralerelement (143) gekoppelde ingangs-/uftgangsconnector (111). 1026104