NO336361B1 - Todimensjonal elektronisk avsøkt gruppeantenne med kompakt CTS-mating og MEMS-faseforskyvere - Google Patents

Abstract

En mikroelektromekanisk systems (MEMS) styrbar, elektronisk avsøkt linsegruppe (ESA) antenne (10) og fremgangsmåte for frekvensavsøkning er beskrevet. MEMS ESA antennen (10) innbefatter en MEMS E-plan styrbar linsegruppe (11) og en MEMS H-plan styrbar lineær gruppe (12). Den MEMS E-plan styrbare linsegruppen (11) innbefatter første og andre grupper av bredbåndsstrålingselementer (14a, 14b), og en gruppe av MEMS E-plan faseforskyvermoduler (18) anbrakt mellom nevnte første og andre grupper av strålingselementer (14a, 14b). Den MEMS H-plan styrbare lineære gruppe (12) innbefatter en kontinuerlig tverrstump (CTS) mategruppe (16) og en gruppe av MEMS H-plan faseforskyvermodul (17) ved en inngang på CTS mategruppen (16). Den MEMS H-plan styrbare lineære gruppe (12) er anbrakt hosliggende den første gruppen av strålingselementer (14a) hos nevnte MEMS E-plan styrbare linsegruppe (12) for å tilveiebringe en plan bølgefront i nærfeltet. H-plan faseforskyvermodulen (17) forskyver RF signaler innmatet i CTS mategruppen (16) basert på faseinnstillingene hos H-plan faseforskyvermodulen (17), og E-plan faseforskyvermodulene (18) styrer en stråle utstrålt fra CTS mategruppen (16) i et E-plan basert på faseinnstillingene hos E-plan forskyvermodulene (18).

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører et mikroelektromekanisk system (MEMS) styrbar elektronisk avsøkt linsegruppe (ESA) antenne, omfattende: en MEMS H-plan styrbar lineær gruppe innbefattende en kontinuerlig tverrstump (CTS) mategruppe og en gruppe av MEMS H-plan faseforskyvermoduler ved en inngang hos CTS mategruppen, og

hvori H-plan fadeforskyvermodulene forskyver RF signalinnmatninger inn i CTS mategruppe basert på faseinnstillinger hos H-plan faseforskyvermoduler.

Den foreliggende beskrivelse vedrører generelt elektronisk avsøkte antenner, og nærmere bestemt en elektronisk avsøkt antenne med et mikroelektromekanisk (MEMS) radiofrekvens (RF) faseforskyver.

Antenne og Fremgangsmåte for elektronisk avsøkte antenner er kjent fra publikasjoner som "Array antennas using low loss MEMS phase shifters", IEEE Antennas and propagation society international symposium. 2002 DIGEST. APS. San Antonio, TX, 16.-21. juni 2002, New York, NY: IEEE; US, vol. VOL. 1 av 4, 16. juni 2002, sidene 14-17. ISBN: 0-7803-7330-8.

Patent US 6,421,021 Bl omtaler en aktiv styrbar linseantenne for å reduserer antenne dybde, der en E-plan styrbar linsegruppeantenne innbefattende første og andre grupper av bredbåndsstrålingselementer.

Avanserte luftbårende og rombasert radarsystemer har hittil anvendt elektronisk avsøkte antenner (ESA) innbefattende et tusentalls av utstrålende elementer. Eksempelvis kan store avfyringsstyringsradarer som er oppsatt med flere mål samtidig anvende ESA'er til å tilveiebringe det nødvendige effektaperturprodukt.

Rombasert linsearkitektur er en løsning for å realisere ESA for luftboblene og rombaserte radarsystemer. Når imidlertid en rombasert linsearkitektur anvendes ved høyere frekvenser, for eksempel i X-båndet, og mer aktive komponenter slik som faseforskyvere er pakket innenfor et gitt område, kan vekt, økt varmetetthet og effektforbruk på skadelig måte påvirke kostnaden og anvendbarheten av slik systemer.

Hittil har faseforskyverkretser for elektronisk avsøkt linsegruppeantenner innbefattet ferriter, PIN dioder og FET svitsj eanordninger. Disse faseforskyvere er tunge, forbruker en betydelig mengde av DC effekt, og er kostbare. Videre er implementeringen av PIN dioder og FET svitsjer i faseforskyverkretser kompliserte på grunn av behovet for en ytterligere DC forspenningskrets langs RF banen. DC forspenningskretsen som behøves av PIN dioder og FET svitsjer begrenser faseforskyverfrekvensytelse og øker RF tap. Å utøke nevnte ESA med i øyeblikket tilgjengelige sende/mottak (T/R) moduler er uønsket på grunn av høye kostnader, dårlig varmeavledning og ineffektivt effektforbruk. Sammenfatningsvis vil vekten, kostnaden og ytelsen for tilgjengelige faseforskyverkretser komme til kort med hensyn til hva som behøves for rombaserte radar- og kommunikasjons ESA'er, der tusen av disse anordninger anvendes.

Den foreliggende oppfinnelse tilveiebringer et mikroelektromekanisk system (MEMS) styrbare, elektronisk avsøkt, linsegruppe (ESA) antenne. I henhold til et aspekt ved oppfinnelsen er MEMS ESA antennen styrbar i E-planet ved å anvende MEMS faseforskyvermoduler, og styrbar i H-planet ved å anvende MEMS faseforskyvermoduler. MEMS ESA antennen innbefatter en MEMS E-plan styrbar linsegruppe og en MEMS H-plan styrbar lineær gruppe. MEMS E-plan styrbar linsegruppen innbefatter første og andre grupper bredbånd strålingselementer, og en oppstilling av MEMS E-plan faseforskyvermoduler anbragt mellom nevnte første og andre oppstillinger av strålingselementer. Den MEMS H-plan styrbare lineære gruppe innbefatter en kontinuerlig tverrstump (CTS = continious transfers stub) mategruppe og en gruppe av MEMS H-plan faseforskyvermoduler ved en inngang til CTS mategruppen. Den MEMS H-plan styrbare lineære gruppe er anbragt hosliggende den første gruppen av strålingselementer i den MEMS E-plan styrbare linsegruppen for å tilveiebringe en plan bølgefront i nærfeltet. H-plan faseforskyvermodulene forskyver RF signalinnmatninger inn i CTS mategruppen basert på faseinnstillingene for H-plan faseforskyvermodulen, og E-plan faseforskyvermodulen styrer en stråle utstrålt fra CTS mategruppen i et E-plan basert på faseinnstillingene av E-plan faseforskyvermodulene.

Ifølge et annet aspekt ved oppfinnelsen er det tilveiebragt en fremgangsmåte for frekvensavsøkning av radiofrekvensenergi, omfattende trinnene å innmate radiofrekvens (RF) energi inn i en gruppe av MEMS H-plan faseforskyvermoduler, og justere fasen av nevnte RF energi basert på faseinnstillingene av MEMS H-plan-fase faseforskyvermodulene, og utstråle nevnte H-plan fasejusterte RF signaler gjennom et flertall av CTS utstrålingselementer i form av en plan bølge i nærfeltet, å avgi den H-plan fasejusterte RF plan bølge inn i en innmatningsapertur i en MEMS E-plan styrbar linsegruppe innbefattende en gruppe av MEMS E-plan faseforskyvermoduler, å omforme RF planbølgen til diskret RF signaler, å justere fasen av de diskrete RF signaler basert på faseinnstillingene hos MEMS E-plan faseforskyvermodulene, og å utstråle de H-plan og E-plan justert RF signaler gjennom en utstrålende apertur i den MEMS E-plan styrbar linsegruppe, for derved å rekombinere RF signalene og danne en antennestråle.

For oppnåelsen av de foregående og relaterte mål omfatter oppfinnelsen så de trekk som her i det etterfølgende er fullstendig beskrevet og særlig fremhevet i patentkravene. Den etterfølgende beskrivelse og de vedlagte tegninger angir i detalj visse illustrative utførelsesformer av oppfinnelsen. Disse utførelsesformer er imidlertid indikerende kun for noen få av de forskjellige måter som prinsippene for den foreliggende oppfinnelse kan anvendes. Andre formål, fordeler og nye trekk ved oppfinnelsen vil bli åpenbare fra den etterfølgende detaljerte beskrivelse av oppfinnelsen når den vurderes i forbindelse med tegningene. Fig. 1 er et skjematisk, miljømessig riss av flere radarapplikasjoner som innehar en elektronisk avsøkt linsegruppe (ESA) antenne med mikroelektromekanisk systems (MEMS) faseforskyvere i henhold den foreliggende oppfinnelsen. Fig. 2 viser et øvre planriss over et par av bredbånd strålingselementer og en MEMS faseforskyvermodul i henhold til den foreliggende oppfinnelsen. Fig. 3 viser en todimensjonal, mikroelektromekanisk systems (MEMS) styrbar, elektronisk avsøkt linsegruppeantenne i henhold til den foreliggende oppfinnelse, idet linseantennen innbefatter en-dimensjonal MEMS E-plan styrbar linsegruppe og en en-dimensjonal MEMS H-plan styrbar, kontinuerlig tverrstump (CTS), elektronisk avsøkt mategruppe. Fig. 4 er et øvre planriss av den i fig. 3 viste elektronisk avsøkt linsegruppeantenne, bortsett fra at den i fig. 4 viste linseantenne har 16 MEMS faseforskyvermoduler og CTS strålingselementer. Fig. 5 er et tverrsnittsriss over et segment av den kontinuerlige tverrstump (CTS), elektronisk avsøkt mategruppe ifølge fig. 3. Fig. 6 er et skjematisk riss som viser en en-dimensjonal MEMS E-plan, styrbar linsegruppe, innbefattede kolonnestyring av MEMS faseforskyver for å oppnå E-plan avsøking i henhold til den foreliggende oppfinnelsen. Fig. 7 er et sideriss i elevasjon av en MEMS styrbar elektronisk avsøkt linsegruppeantenne i henhold til den foreliggende oppfinnelse, idet antennen innbefatter et trykt ledningskort (PWB), et flertall av faseforskyver PCB sammenstillinger, og et flertall av avstandsinnretninger som inneholder DC kolonnesammenkoblinger. Fig. 8 er et frontaperturriss av den i fig. 7 viste MEMS styrbare elektronisk avsøkt linsegruppeantenne i henhold til den foreliggende oppfinnelsen. Fig. 9 viser et trykt kretskort (PCB) av den på fig. 7 viste MEMS styrbare, elektronisk avsøkte linsegruppeantenne, innbefattende en gruppe av trykte, bredbånd strålingselementer, og en gruppe av MEMS faseforskyvermoduler på nevnte PCB i henhold til den foreliggende oppfinnelse. Fig. 10 er et sideriss i elevasjon av de i fig. 9 viste PCB og MEMS faseforskyvermoduler slik det sees fra linjen 10-10 på fig. 9. Fig. 11 er et riss fra undersiden av de på fig. 9 viste PCB og MEMS faseforskyvermoduler. Fig. 12 er et forstørret riss av en MEMS faseforskyvermodul i henhold til den foreliggende oppfinnelse. Fig. 13 er et sprengriss av den på fig. 7 viste MEMS styrbare, elektronisk avsøkt linsegruppeantenne i henhold til den foreliggende oppfinnelse. Fig. 14 er et perspektivisk riss over en av avstandsinnretningen hos den på fig. 7 viste MEMS styrbare, elektronisk avsøkt linsegruppeantenne i henhold til den foreliggende oppfinnelse. Fig. 15 er et perspektivisk riss over den MEMS H-plan, styrbare, kontinuerlig tverrstump (CTS), elektronisk avsøkte mategruppe ifølge fig. 3, idet en innfallende bølgefront er vist via stiplede linjer, og H-plan avsøking via piler. Fig. 16a-16c viser hver et segment av den kontinuerlige tverrstump (CTS) elektronisk avsøkt mategruppe ifølge fig. 15, idet det vises en fasekonstant derav. Fig. 17 er et blokkskjema over et pakkingskonsept for den MEMS H-plan, styrbare, kontinuerlige tverrstump (CTS), elektronisk avsøkt mategruppe ifølge fig. 3.

I den detaljerte beskrivelse som følger, er identiske komponenter blitt gitt de samme henvisningstall, uansett hvorvidt de er vist i forskjellige utførelsesformer av den foreliggende oppfinnelsen. For å illustrere den foreliggende oppfinnelse på en klar og konsis måte, trenger tegningene ikke nødvendigvis å være i målestokk og visse trekk kan vises på en noe skjematisk måte.

Idet det vises initielt til figurene 1-3 er den foreliggende oppfinnelsen et to-dimensjonalt mikroelektromekanisk systems (MEMS) styrbare, elektronisk avsøkt linsegruppeantenne 10 (fig. 3) som innbefatter en en-dimensjonal MEMS E-plan styrbar linsegruppe 11 og en en-dimensjonal MEMS H-plan styrbar, kontinuerlig tverrstump (CTS), elektronisk avsøkt mategruppe 12. Den MEMS styrbare linsegruppe 11 innbefatter en bakre gruppe av bredbånd strålingselementer 14a, en frontgruppe av bredbånd strålingselementer 14b, og en oppstilling av MEMS faseforskyvermoduler 18 (fig. 2) innføyet mellom nevnte bakre og fremre gruppe av strålingselementer 14a og 14b. Nevnte MEMS styrbare CTS 12 innbefatter en CTS mategruppe 16 og en rad av MEMS faseforskyvermoduler 17 ved inngangen til nevnte CTS mategruppe 16. Faseforskyvermodulene 17 tillater CTS mategruppen 16 elektronisk å avsøke i en dimensjon i H-planet. Den MEMS styrbare CTS 12 er posisjonert hosliggende den bakre gruppen av strålingselementer 14a i nevnte MEMS styrbare linsegruppe 11 og tilveiebringer en plan bølgefront i nærfeltet. MEMS faseforskyvermodulene 18 i den MEMS styrbare linsegruppen 11 styrer en stråle utstrålt fra den MEMS styrbare CTS 12 i en dimensjon i E-planet. E-planstyring kan også eller alternativt gjennomføres ved å variere frekvensen, hvilket bevirker de respektive faser av nevnte MEMS styrbare CTS 12 til å endre seg, for derved å bevege antennestrålen til en forskjellig vinkelmessig posisjon langs E-planet.

Slik det vil forstås unngår den foreliggende oppfinnelse behovet for transmisjonslinjer, effektdelere og sammenkoblinger som vanligvis assosieres med felles mateantenner. Videre reduserer den foreliggende oppfinnelse antallet av styrings DC forspenningslinjer rutet til den MEMS styrbare linsegruppen 11, hvilke kan bli kostbare og kompliserte for store (der N > 100) antennegruppesystemer.

Antennen 10 er egnet i både kommersielle og militære applikasjoner, innbefattende eksempelvis aerostater (for eksempel luftskip eller luftballonger) skip, overvåkningsluftfartøy og romfartøy. Fig. 1 viser et miljømessig riss over flere avanserte luftbårende og rombaserte radarsystemer i hvilke antennen 10 kan på passende måte innbefattes. Disse systemer innbefatter eksempelvis lettvekts, X-bånd, rom-basert radar for syntetisk aperturradar (SAR) systemer 22, bakkebasert bevegelig-mål-indikasjon (GMTI = grand moving target indication) systemer 26, og luftbåren bevegelig-mål-indikasjon (AMTI = airborn moving target indication) systemer 28. Disse systemer anvender et vesentlig antall av antenner, og antennen 10 ifølge den foreliggende oppfinnelsen ved hjelp av MEMS faseforskyvermodulen 18 er blitt funnet å ha en relativt lavere kostnad, og anvender relativt mindre effekt, og har lavere vekt enn tidligere kjente antenner som anvender PIN diode og FET svitsj faseforskyvere eller sende/motta (T/R) moduler.

Slik det er vist på fig. 2 er hver MEMS faseforskyvermodul 17 og 18 innsatt mellom et par av motsattvendende bredbånd strålingselementer 14.1 den viste utførelsesform har strålingselementene i alt vesentlig den samme geometri og er anbragt symmetrisk om MEMS faseforskyvermodulen 18 og om en akse A som representerer mate/strålingsretningen gjennom antennen 10 og nærmere bestemt gjennom MEMS faseforskyvermodulen 18 derav. Slik det vil forstås kan alternativt strålingselementene 14 ha en forskjellig geometri og/eller være anbragt asymmetrisk om MEMS faseforskyvermodulen 18 og/eller mate/utstrålingsaksen A. Med andre ord kan det fremre eller utgangsstråleelementet 14b ha en forskjellig geometri enn det bakre eller inngangsstrålingselementet 14a.

Hvert bredbånd strålingselement 14 innbefatter et par av klo-lignende utspring 32 som har en rektangulær basisdel 34, en relativt smal stammedel 38, og en buet, fjerntliggende del 42. De klo-lignende fremspring 32 danner spalter 36 seg i mellom som tilveiebringer en bane langs hvilken RF energi forplanter seg (eksempelvis i retningen av mate/strålingsaksen A) under operasjon av antennen 10. Basisdelen 34, også henvist til her som jordplan, er hosliggende hverandre om mate/strålingsaksen A og hosliggende faseforskyvermodulen 18 ved motsatte ender av faseforskyvermodulen i retningen av mate/strålingsaksen A. Sammen har basisdelene 34 en bredde som er i alt vesentlig den samme som bredden av MEMS faseforskyvermodulen 18. Stammedelene 38 er smalere enn de respektive basisdeler 34 og strekker seg fra basisdelene 34 i retningen av mate/strålingsaksen A og er også hosliggende hverandre om mate/strålingsaksen A. De buede fjerntliggende partier 42 strekker seg ut fra de respektive stammepartier 38 i retningen av mate/strålingsaksen A og avgrenes sideveis vekk fra mate/strålingsaksen A og vekk fra hverandre. De buede fjerntliggende partier 42 danner sammen en utsvingt eller bueformet, V-formet åpning som svinger utad fra faseforskyvermodulen 18 i retningen av mate/strålingsaksen A. Den utsvingte åpning hos et bredbånd strålingselement 14 ved den bakre ende av den MEMS styrbare linsegruppe 11 mottar og kanaliserer radiofrekvens (RF) energi fra den MEMS styrbare CTS 12, og forplanter RF energien langs den tilsvarende spalte 36 til den tilsvarende MEMS faseforskyvermodul 18. Den utsvingte åpning hos et bredbånd strålingselement 14 ved den motsatte eller fremre ende av den MEMS styrbare linsegruppe 11 utstråler RF energi fra den tilsvarende MEMS faseforskyvermodul 18 langs den tilsvarende slisse 36 og inn i fritt rom.

Ser man på fig. 3 er MEMS faseforskyverne 18 konfigurert som en gruppe i den MEMS styrbare linsegruppen 11. Således innbefatter den MEMS styrbare linsegruppen 11 en inngangsapertur 54 som omfatter en gruppe av inngangs-strålingselementer 14a bak MEMS faseforskyverne 18, og en utgang eller strålingsapertur 58 som omfatter en gruppe av utgangs-strålingselementer 14b i front av MEMS faseforskyverne 18. Den MEMS styrbare linsegruppe 11 ifølge fig. 3 har en gruppe av fire (4) rader og syv (7) kolonner av MEMS faseforskyvere 18 og fire (4) rader og syv (7) kolonner av inngangs- og utgangs strålingselementer 14a og 14b. Det vil forstås at gruppen kan bestå av en hvilken som helst passende mengde av MEMS faseforskyvere 18 og inngangs- og utgangs-strålingselementer 14a og 14b slik det måtte være ønskelig for en bestemt applikasjon. Eksempelvis, slik som vist på fig. 4, innbefatter den MEMS styrbare linsegruppen 11 seksten MEMS faseforskyvere 18 og seksten inngangs- og utgangs bredbånd strålingselementer 14a og 14b.

Den MEMS styrbare linsegruppe 11 rommates ved hjelp av den MEMS styrbare CTS 12. Den MEMS styrbare CTS 12, vist på fig. 3 og 4, innbefatter flertallet av MEMS faseforskyvermoduler 17 (fire ifølge utførelsesformen på fig. 3), et flertall av RF innganger 62 (fire i utførelsesformen i fig. 3), og CTS mategruppen 16. CTS mategruppen 16 innbefatter en kontinuerlig stump 64 mot inngangsaperturen 54 hos den MEMS styrbare linsegruppen 11.1 den viste utførelsesform svarer de CTS strålingselementer 68 i mengde til inngangs- og utgangs-strålingselementene 14a og 14b. Dessuten, i den viste utførelsesform er de CTS strålingselementer 68 adskilt på tvers i alt vesentlig med den samme avstand som tverravstanden mellom inngangs-strålingselementene 14a og tverravstanden mellom utgangs-strålingselementene 14b. det vil forstås at avstanden mellom CTS strålingselementene 68 ikke trenger å være den samme som eller svare til avstanden mellom inngangs-strålingselementene 14a. Dessuten vil det forstås at CTS strålingselementene 68 (dvs. kolonnene) og/eller MEMS faseforskyvermodulene 17 og/eller RF inngangene 62 (dvs. radene) hos den MEMS styrbare CTS 12 ikke trenger å være de samme og/eller innrettet med eller svare til kolonnene og radene hos inngangs- og utgangs-strålingselementene 14a og 14b og/eller MEMS faseforskyvermodulen 18 hos den MEMS styrbare linsegruppen 11. Således kan nevnte MEMS styrbare CTS 12 ha flere eller færre rader og/eller kolonner enn den MEMS styrbare linsegruppen 11 avhengig av eksempelvis den bestemte antenneapplikasj on.

Fig. 5 er et tverrsnittriss over et segment av den MEMS styrbare CTS 12 ifølge fig. 3. Den MEMS styrbare CTS 12 innbefatter et dielektrikum 70 som er laget av plast, slik som rexolit eller polypropylen, og er maskinert eller ekstrudert til den form som er vist på fig. 5. Dielektrikumet 70 blir så metallisert med et metallsjikt 74 til å danne den kontinuerlige stump 64 og CTS strålingselementene 68. Den MEMS styrbare CTS 12 gir mulighet for høyvolum plastekstrudering og metallpletteringsprosesser som er vanlig innenfor kjøretøyfremstillingsoperasjoner og følgelig muliggjør lave produksjonskostnader.

Den MEMS styrbare CTS er en mikrobølgekobling/strålingsgruppe. Slik det er vist på fig. 5 vil innfallende parallelle bølgeledermodi avgitt via en primær linjemating av vilkårlig konfigurasjon ha tilhørende seg langsgående, elektrisk strømkomponenter avbrutt ved nærværet av den kontinuerlige stump 64, og vil eksiteres en langsgående z-rettet forflytningsstrøm over stump/parallell plategrensesnittet. Denne induserte forflytningsstrøm vil i sin tur eksitere ekvivalente elektromagnetiske bølger som vandrer i den kontinuerlige stump 64 i x-retningen til CTS strålingselementene 68 inn i fritt rom. Det er blitt funnet at slike CTS ikke-avsøkende antenner kan operere på frekvenser så høye som 94 GHz. For ytterligere detaljer vedrørende en eksempelvis CTS mategruppe kan det henvises til US-patentene nr. 6.421.021; 5.361.076; 5.349.363; og 5.266.961, der alle av disse her innbefattes ved henvisning dertil i deres respektive helhet.

Under operasjon blir RF energi seriematet fra RF inngangen 62 inn i MEMS H-plan faseforskyvermodulene 17 og så til CTS strålingselementene 68 via den parallelle-plate-bølgelederen hos den MEMS styrbare CTS 12. De H-plan fasejusterte RF signaler blir så utstrålt gjennom CTS strålingselementene 68 i form av en plan bølge i nærfeltet. Det bemerkes at distansene som RF energien vandrer fra RF inngangen 62 til CTS strålingselementene 68 ikke er like. Den RF plane bølgen avgis inn i inngangsaperaturen 64 hos nevnte MEMS styrbare linsegruppe 11 ved hjelp av CTS strålingselementene 68 og omformes så til diskrete RF signaler. RF signalene blir så behandlet av MEMS E-plan faseforskyvermodulen 18 til å utføre E-plan avsøkning på en måte som mer fullstendig beskrives nedenfor. For ytterligere detaljer vedrørende en MEMS faseforskyverreferanse skal det vises til US-patentene nr. 6.281.838; 5.757.379; og 5.379.007, der samtlige av disse her innbefattes ved henvisning i deres helhet.

De MEMS behandlede signaler blir så gjenutstrålt ut gjennom strålingsaperaturen 58 i nevnte MEMS styrbare linsegruppe 11, som så rekombinerer RF signalene og danner den styrende antennestrålen. For en slik seriematet MEMS styrbar CTS 12, beveger antennestrålen seg med forskjellige vinkelmessig posisjoner langs E-planet 78 (fig. 3) som en funksjon av frekvens, slik det er vist for eksempel ved henvisningstall 80 på fig. 4. Når frekvensen varierer, vil utgangsfasen fra hvert CTS strålings element 68 endre seg med forskjellige hastigheter og som resulterer i frekvensavsøk i E-planet. Således er antennen E-plan styrbar ved hjelp av frekvensvariasjon og faseforskyvning.

I en alternativ utførelsesform oppnås bredbånds-frekvens ved å mate CTS strålingselementene 68 parallelt ved å bruke en felles parallell-platebølgeledermater (ikke vist). Ved parallell mating av CTS strålingselementene 68, er distansene som RF energien vandrer fra RF inngangen 62 til nevnte CTS strålingselementer 68 like. Når frekvensen varierer, vil utgangsfasen for hvert CTS strålingselement 68 endre seg med i det alt vesentlige samme takt, og således forblir antennestrålen som utstråles gjennom strålingsaperaturen 58 i en fast posisjon.

Fig. 6 er en skjematisk fremstilling som viser en en-dimensjonal MEMS E-plan styrbar linsegruppe 90 som innbefatter kolonne eller søylestyring av MEMS faseforskyver for å oppnå E-plan avsøkning i henhold til den foreliggende oppfinnelse. På fig. 6 representerer pilen 94 E-plan avsøkning. En CTS mategruppe 98 for H-plan styring er vist i bakgrunnen av fig. 6 bak den MEMS styrbare linsegruppen 90. Den MEMS styrbare linsegruppen 90 innbefatter tre rader av faseforskyvermoduler 18 og strålingselementene 14a og 14b montert på respektive trykte kretskort (PCB'er) 102, og fem linsekolonnestøtter 106 som hver innbefatter en faseforskyverforspenningslinje og som hver opprettholder nettverkanordningen av radene av faseforskyvermoduler 18 og strålingselementer 14a og 14b. Forspenningslinjene langs eller innenfor hver kolonnestøtte 106 er koblet til et trykt ledningskort 108, for eksempel ved toppen på fig. 6, som i sin tur er koblet til en strålestyringsdatamaskin og kraftforsyninger (ikke vist). Styrekretsen forspenner hver kolonne eller søyle i faseforskyvermodulene 18 for å utføre tidligere nevnte E-plan avsøkning. Nærmere bestemt styres hver kolonne for faseforskyvermodulen 18 sammen som en gruppe, slik at hver faseforskyvermodul 18 langs kolonne mottar den samme faseinnstilling fra respektive forspenningslinje langs den respektive linsekolonnestøtte 106, mens den neste eller hosstående kolonne av faseforskyvermoduler 18 utsettes for en forskjellig faseinnstilling (for eksempel ved en faseprogresjon) ved neste eller hosstående linsekolonnestøtte 106.

Fig. 7-14 viser en eksempelvis utførelsesform av en MEMS styrbar, elektronisk avsøkt linsegruppeantenne 110 som realiserer kolonnestyring av faseforskyvere 18 i henhold til den foreliggende oppfinnelse. Den MEMS styrbare antenne 110 innbefatter et DC fordelingstrykt ledningskort (PWB) 114, et flertall av faseforskyvertrykt kretskort (PCB) sammenstillinger 118, og et flertall av avstandsinnretninger 122 for å tilveiebringe strukturell støtte for den MEMS styrbare antennen 110 og for å rute DC kolonne sammenkoblinger og forspenningslinjer.

Hver PCB sammenstilling 118 innbefatter et trykt kretskort (PCB) 126 og en gruppe av bredbånd-strålingselementer 14a og 14b og MEMS faseforskyvermoduler 18. Slik det er vist på fig. 9 blir de bredbånd-strålingselementer 14a og 14b fremstilt på nevnte PCB 126, og MEMS faseforskyvermodulene 18 monteres til nevnte PCB 126 mellom nevnte inngangs- og utgangs-strålingselementer 14a og 14b. Hver MEMS faseforskyvermodul 18 innbefatter et hus 130 (fig. 12) laget av eksempelvis kovar, og et passende antall av MEMS faseforskyversvitsjer (ikke vist) eksempelvis to, montert i huset 130. Det vil forstås at antallet av MEMS faseforskyversvitsjer vil avhenge av den bestemte applikasjon.

Et par av RF stifter 134 og et flertall av DC stifter 138 strekker seg fra bunnen av huset 130 i en retning som er i alt vesentlig normal på planet for huset 130 (fig. 10). RF stiftene 134 svarer til de respektive inngangs- og utgangs-strålingselementene 14a og 14b. RF stiftene 134 strekker seg gjennom tykkelsen av nevnte PCB 126 i en retning som er normal på planet for nevnte PCB 126, og er elektrisk koblet til respektive mikroremse transmisjonslinjer 142 (dvs. et balanseringsledd, såkalt balun) som er montert på nevnte PCB 126 på den siden som er motsatt den som RF MEMS faseforskyvermodulene 18 er montert (fig. 10 og 11). Transmisjonslinjene 142 er elektrisk koblet til respektive inngangs- og utgangsstrålingselementer 14a og 14b for å føre RF signaler til og fra nevnte inngangs og utgangsstrålingselementer 14a og 14b. I den viste eksempelvise utførelsesform er transmisjonslinjen 142 L-formet og har et ben som strekker seg over de respektive slisser 36 i det rektangulære basispartiet 34 (fig. 2) hos de respektive strålingselementene 14a og 14b. Det rektangulære basispartiet 34 fungerer som et jordplan for transmisjonslinjen 142. Ved slissen 36 er det et brudd på tvers av jordplanet (dvs. den rektangulære del 34) som bevirker et spenningspotensial, for derved å tvinge RF energi til å forplante seg langs slissen 36 hos de respektive strålingselementene 14a og 14b.

DC stiftene 138 strekker seg også gjennom tykkelsen av nevnte PCB 126 og er elektrisk koblet til DC styresignal og forspenningslinjer 144. Slik det er vist på fig. 11 avgrenes DC styresignal og forspenningslinjene 144 utad fra midten av nevnte PCB 126 til forbi fotsporet av den respektive MEMS faseforskyvermodul 18. DC styresignalet og forspenningslinjene 144 dirigeres til den andre siden av PCB 126 via pletterte gjennomgående hull 148 i PCB 126. De pletterte gjennomgående hull 148 danner to rader av langsgående innrettede DC kolonne sammenkoblinger, hvis funksjon er beskrevet i nærmere detalj nedenfor. Slik det vil forstås vil rutingen og plasseringen av DC styresignal og forspenningslinjene 144 bli basert på slike faktorer som størrelse og dimensjon av transmisjonslinjen 142 og nettavstanden mellom strålingselementene 14a og 14b.

Det vil forstås at orienteringen av RF stiftene 134 og DC stiftene 138 i forhold til planet for huset 130 hos MEMS faseforskyvermodulene 18 setter RF stiftene 134 og DC stiftene 138 istand til å bli installert vertikalt. Slike vertikale sammenkoblingstrekk gjør installasjon av MEMS faseforskyvermodulene 18 relativt enkel sammenlignet med eksempelvis konvensjonelle MMICS med koaksial koblinger eller eksterne ledningsbindinger, eller andre konvensjonelle pakker som har ende-til-ende type forbindelser som krever tallrike prosessoperasjoner. De vertikale sammenkoblinger gir fleksibilitet med hensyn til installasjon hvilket muliggjør eksempelvis en overflate montert, stift gittergruppe eller BGA type av pakke.

PCB sammenstillingen 118 er stablet vertikalt og adskilt fra hverandre ved hjelp av avstandsinnretninger 122, slik som vist på fig. 13 og 14. Nærmere bestemt er PCB sammenstillingen 118 og avstandsinnretningene 122 stablet på vekslende måte for å gi nettavstand mellom strålingselementene 14a og 14b hos PCB sammenstillingene 118. Nettavstanden er basert eksempelvis på sekvens og avsøkningskravene for nevnte MEMS styrbare antenne 110.

Avstandsinnretningen 122 har en langstrakt, rektangulær form og er laget av et passende isolatormateriale, slik som støpt plast eller flytende krystallpolymer (LCP). Hver avstandsinnretning 122 innbefatter en fremre vegg 150, en bakre vegg 152, og et sideveggpar 156. Fremre og bakre vegger 150 og 152 innbefatter hver et flertall av gjennomgående hull 158 som svarer til de pletterte gjennomgående hull 148 i nevnte PCB 126. En mellomliggende vegg 160 er anbragt ca midtveis mellom øvre og nedre overflater 170 og 172 på nevnte fremre, bakre og sidevegger 150,152 og 156. På motsatte sider av den mellomliggende vegg 160 er der et øvre hulrom 180 og et nedre hulrom 182, der nevnte fremre, bakre og sidevegger 150, 152 og 156 danner veggene hos hulrommene 180 og 182. Fremre og bakre vegger 150 og 152 innbefatter hver et flertall av innsnittåpninger 190 (fig. 8 og 14) som svarer til strålingselementene 14a og 14b som tillater RF energi å vandre til eller fra strålingselementene 14a og 14b under operasjon av antennen.

Slik det er vist på fig. 14 er avstandsinnretningen 122 plassert i langsgående retning i alt vesentlig langs midten av PCB sammenstillingen 118, slik at faseforskyvermodulen 18 mottas i det nedre hulrom 182 hos avstandsinnretningen 122, og de gjennomgående hull 158 i nevnte fremre og bakre vegger 150 og 152 hos avstandsinnretningen er innrettet med et par av langsgående innrettet, pletterte gjennomgående hull 148 i nevnte PCB 126.

Forspenningslinjer (ikke vist) er rutet gjennom og rommes av avstandsinnretningen 122 via de gjennomgående hull 158, og er elektrisk koblet til tidligere nevnte DC styresignaler og forspenningslinjer 142 via de pletterte gjennomgående hull 148 hos PCB sammenstillingene 118.1 en utførelsesform innbefatter forspenningslinjene komprimerbare kontakter slik som fuzz knapper® og pogo stifter. Forspenningslinjen rutes til det trykte ledningskort (PWB) 114, som innbefatter styrekrets som forspenner hver kolonne hos MEMS faseforskyvermodulene 18 for derved å utføre avsøkning i E-planet.

Når lagdelte sammensatt (sandwiched) tilveiebringer avstandsinnretningen 122 en kolonne støttestruktur for PCB sammenstillingen 118 og muliggjør kolonnestyring av MEMS faseforskyvermodulene 18 derav. Det bemerkes at hver avstands innretning 122, og nærmere bestemt den mellomliggende vegg 160 derav, kan anvendes til å fastspenne husene 130 hos de respektive MEMS faseforskyvermodulene 18 til PCB'ene 126. Videre, som det er vist på den viste utførelsesform, kan avstandsinnretningen 122 og PCB sammenstillingen 118 innbefatte innretningshull 200 for å motta innrettingsfastgj ørere, slik som styrestifter, skruer og/eller strekkstenger for å muliggjøre innretting sammen og fastspenning på plass av de stablede avstandsinnretninger 122 og PCB sammenstillingene 118.1 en utførelsesform er kantene av avstandsinnretningen 122 metallisert til å gi elektromagnetisk skjerming. I henhold til oppfinnelsen fungerer avstandsinnretningene 122 som grensesnittnav for nevnte MEMS styrbare, elektronisk avsøkt linsegruppeantenne 110, og ved tilveiebringes eller muliggjøres DC forspenning, RF signal transmisjon, mekanisk innretting og strukturell lastbæring. Fig. 15-17 viser et eksempelvis middel for innkomporering av en-dimensjonal avsøkning inn i CTS mateaperturen hos nevnte MEMS H-plan styrbare, kontinuerlige tverrstump (CTS) elektronisk avsøkt mategruppe 12 i fig. 3. Som nevnt over tillater faseforskyvermodulene 17 CTS mategruppen 16 elektronisk å avsøke i én dimensjon i H-planet. Elektronisk avsøkning i H-planet skjer med anvendelsen av skrått innfall av linjemateeksiteringen. På fig. 15 er en innfallende bølgefront vist med stiplet linje 204, og H-planavsøkning er vist via piler 208. Slik det er vist på fig. 16 kan et skrått innfall av forplantningsbølgeledermodi anvendes til å oppnå en variasjon av innkommende fasefront i forhold til CTS strålerelementaksen for avsøkning av strålen i det tverrgående H-plan. Hos en elektronisk avsøkt linsegruppe (ESA) blir denne variasjon pålagt gjennom elektrisk variasjon av den primære linjemating som eksiterer den parallelle plateregion. Den spesielle avsøkningsvinkel 9s for den avsøkte stråle vil bli relatert til innfallsvinkelen Gi for bølgeledermodus fasefronten via Snell's lov. Fig. 17 viser et blokkskjema over et pakkingskonsept for en eksempelvis MEMS styrbar CTS 12. En mikroremse RF mater 220 med Wilkinson effektdeler kan eksempelvis anvendes til å mate RF signaler inn i MEMS faseforskyvermodulene 17. MEMS faseforskyvermodulene 17 mottar i sin tur DC effekt fra et DC manifold effektkablingskort (PWB) 224 og styres av en styreenhet 228. CTS mategruppen 16 mottar RF signalene fra nevnte MEMS faseforskyvermoduler 18 via en mikroremse/koaksial RF sondeovergang 232.1 en eksempelvis utførelsesform av oppfinnelsen er faseforskyvermodulene 17 som er vist på fig. 12 montert på en metallplatesammenstilling som innbefatter mikroremse RF materen 220 og DC manifold PWB 224.1 slik utførelsesform blir RF stiftene og DC stiftene hos faseforskyvermodulene 17 rutet til nevnte RF og DC vertikale grensesnitt hos mikroremse RF mater 220 og DC manifold PWB 224. Nevnte RF og DC vertikale grensesnitt kan omfatte komprimerbar metallkontakter, slik som Fuzz knapper®, som er omgitt av dielektrisk hetter. De dielektriske hetter er formet til å opprettholde 50 ohm for RF og å hindre kortslutning av sammenkoblingene til metallplaten for RF og DC.

Selv om oppfinnelsen er blitt vist og beskrevet med hensyn til visse viste utførelsesformer, vil ekvivalente forandringer og modifikasjoner kunne opptre for andre fagfolk ved lesning og forståelse av denne beskrivelse og de vedlagte tegninger. I særdeleshet med hensyn til de forskjellige funksjner utført av de ovenfor beskrevne helheter (konponenter, sammenstillinger, anordninger, sammensetninger, etc.) er uttrykkene (innbefattende en henvisning til et "middel") anvendt til å beskrive slike helheter tilsiktet å svare til, så fremt det ikke angis på annen måte hvilken som helst helhet som utfører den angitte funksjon for den beskrevne helhet (dvs. som er funksjonelt ekvivalent), selv om ikke konstruksjonsmessige ekvivalent til den beskrevne struktur som utfører funksjonen i den her vist, eksempelvise utførelsesform eller utførelsesformene av oppfinnelsen. I tillegg, selv om et særlig trekk ved oppfinnelsen kan være blitt beskrevet ovenfor med hensyn til kun en av flere viste utførelsesformer, kan slikt trekk kombineres med et eller flere andre trekk hos de andre utførelsesformer, slik det måtte være ønskelig og fordelaktig for en hvilken som helst gitt eller bestemt applikasjon.

Den foreliggende oppfinnelse innbefatter alle slike ekvivalenter og modifikasjoner, og er kun begrenset av omfanget av de etterfølgende patentkrav.

Claims (10)

1. Mikroelektromekanisk system, MEMS, styrbare, elektronisk avsøkt linsegruppe, ESA, antenne (10), omfattende: en MEMS H-plan styrbar lineær gruppe (12) innbefattende en kontinuerlig tverrstump, CTS, mategruppe (16), og en gruppe av MEMS H-plan faseforskyvermoduler (17) ved en inngang hos CTS mategruppen (16), og hvor H-plan fadeforskyvermodulene (17) forskyver RF signalinnmatninger inn i CTS mategruppe (16) basert på faseinnstillinger hos H-plan faseforskyvermoduler (17),karakterisert vedat en MEMS E-plan styrbar linsegruppe (11) innbefattende første og andre grupper av bredbåndsstrålingselementer (14a, 14b), og en gruppe av MEMS E-plan faseforskyvermoduler (18) anbragt mellom nevnte første og andre grupper av strålingselementer (14a, 14b), idet den MEMS H-plan styrbare lineær gruppen (12) er anbragt hosliggende den første gruppen av strålingselementer (14a) i nevnte MEMS E-plan styrbare linsegruppe (11) for å tilveiebringe en plan bølgefront i nærfeltet, i det E-plan faseforskyvermodulene (18) styrer en stråle utstrålt fra CTS mategruppen (16) i et E-plan basert på faseinnstillingene hos E-plan faseforskyvermodulene (18), en flerhet av faseforskyvertrykt kretskort, PCB, sammenstillinger (118), som inkluderer den først og andre gruppen av strålingselementer (14a, 14b), og et flertall av avstandsinnretninger (122) for å tilveiebringe strukturell støtte for antennen (10), hvori PCB sammenstillingen (118) og avstandsinnretninger (122) er anordnet på alernerende vis for å tilveiebringe gitteravstand mellom strålingselementer (14a,14b).

2. MEMS ESA antenne (10) som angitt i krav 1, hvori nevnte første og andre grupper av bredbåndsstrålingselementer (14a, 14b) er fremstilt på et trykt kretskort, PCB, (102,126), og gruppen av MEMS E-plan faseforskyvermoduler (18) er montert på det nevnte kretskort, PCB, (102,126) mellom nevnte første og andre bredbåndsstrålingselementer (14a, 14b).

3. MEMS ESA antenne (10) ifølge et hvilket som helst foregående krav hvori hver MEMS E-plan faseforskyvermodul (18) innbefatter et par av RF stifter (134) som svarer til det respektive første og andre strålingselementer hos nevnte første og andre grupper av strålingselementer (14a, 14b) hos nevnte MEMS E-plan styrbar linsegruppe (11).

4. MEMS ESA antenne som angitt i et hvilket som helst foregående krav, hvori gruppen av MEMS E-plan faseforskyvermoduler (18) innbefatter to eller flere rader og minst én kolonne av MEMS E-plan faseforskyvermoduler (18) og hver MEMS E-plan faseforskyvermodul (18) innbefatter et flertall av DC stifter (138) som elektrisk er koblet til respektive DC styresignal og forspenningslinjer (144), og at de to eller flere rader av MEMS-plan faseforskyvermoduler (18) styres sammen som en gruppe på kolonne-lignende måte via nevnte DC styresignal og forspenningslinjer (144), slik at de to eller flere MEMS E-plan faseforskyvermoduler (18) langs kolonnen mottar den samme faseinnstilling.

5. MEMS ESA antenne som angitt i et hvilket som helst foregående krav hvori hver MEMS E-plan faseforskyvermodul (18) innbefatter et par av RF stifter (134) som svarer til respektive første og andre strålingselementer i nevnte første og andre grupper av strålingselementer (14a, 14b) hos nevnte MEMS E-plan styrbare linsegruppe (11), og et flertall av DC stifter (138) for å motta styrekommandoer til å operere den respektive MEMS E-plan faseforskyvermodul (18), og at RF stiftene (134) og DC stiftene (138) er orientert perpendikulært med hensyn til et hus hos respektive MEMS faseforskyvermodul (18) for å muliggjøre sammenkobling av samme til nevnte PCB (102, 126) på en relativt vertikal måte.

6. MEMS ESA antenne som angitt i et hvilket som helst foregående krav, hvori bredbåndsstrålingselementene (14a, 14b) i nevnte MEMS E-plan styrbare linsegruppe (11) er orientert slik at E-plan avsøkning skjer parallelt med radene av strålingselementer.

7. Fremgangsmåte for frekvensavsøkning av radiofrekvensenergi ved å anvende mikroelektromekanisk system, MEMS, styrbare, elektronisk avsøkt linsegruppe, ESA, antenne (10), omfatter trinnene: å anbringe en flerhet av faseforskyvertrykt kretskort, PCB, sammenstillinger (118), som inkluderer den først og andre gruppen av strålingselementer (14a, 14b), å anbringe et flertall av avstandsinnretninger (122) for å tilveiebringe strukturell støtte for antennen (110), å stable PCB sammenstillingene (118) og avstandsinnretningene (122) på en vekslende måte for å tilveiebringe gitteravstand mellom strålingselementene (14a, 14b), å innmate radiofrekvens, RF, energi inn i en gruppe av MEMS H-plan faseforskyvermoduler (17), å justere fasen for RF energien basert på faseinnstillingene hos nevnte MEMS H-plan faseforskyvermoduler (17), å utstråle H-plan fasejusterte RF signaler gjennom et flertall av CTS strålingselementer (68) i form av en plan bølge i nærfeltet, å avgi den H-plane fasejusterte RF plan bølge inn i en inngangsapertur (54) hos en MEMS E-plan styrbar linsegruppe (11) innbefattende en gruppe av MEMS E-plan faseforskyvermoduler (18) og nevnte først og andre gruppe av strålingselementer (14a,14b), å omforme RF planbølgen til diskrete RF signaler, å justere fasen for de diskrete RF signalene basert på faseinnstillingene hos nevnte MEMS E-plan faseforskyvermoduler (18), og å utstråle nevnte H-plan og E-plan justerte RF signaler gjennom en strålingsapertur (58) hos nevnte MEMS E-plan styrbare linsegruppe (11), hvorved RF signalene rekombineres og en antennestråle dannes.

8. Fremgangsmåte som angitt i krav 7, omfatter dessuten å innbefatte variering av frekvensen for RF-signalet innmatet inn i CTS mategruppen (16) for derved å endre den vinkelmessig posisjon av antennestrålen i E-planet hos nevnte MEMS E-plan styrbare linsegruppe (11) og utføre frekvensavsøkning ved hjelp av antennestrålen.

9. Fremgangsmåte som angitt i et hvilket som helst foregående krav, hvori trinnet med innmatning av RF energi innbefatter å mate CTS strålingselementene (68) i serie.

10. Fremgangsmåte som angitt i et hvilket som helst foregående krav, omfatter videre trinnet å justere faseforskyverutmatningen for de respektive MEMS E-plan faseforskyvermodulene (18) ved å justere forspenningen for én eller flere MEMS faseforskyversvitsjer i de respektive MEMS E-plan faseforskyvermoduler (18).