NO337453B1 - Radomkonstruksjon. - Google Patents

Description

Konvensjonelle bredbånds fasede antenneoppstillinger anvender diskrete, avsmalnede utstrålingselementer for å tilpasse lavimpedansen i inngangsmatelinjene til høyimpe-dansen (377 ohm) i fritt rom. Utspredningene er vanligvis kostbare å maskinere eller fremstille og kan begrense systemintegreringsmuligheter for en faset antenneoppstillingsapertur. Denne oppfinnelse erstatter de diskrete utspredninger eller avsmal-ninger med en laminert, dielektrisk random som er fylt med ledende lapper laget basert på enkel trykt kretsteknologi. Den plane geometrien reduserer drastisk produksjons-kostnaden og tillater mekanisk frihet knyttet til laminater som ellers er utilgjengelige innenfor teknikkens stand.

Bredbåndsantenneoppstillinger, for eksempel med større enn 3:1 båndbredde kan typisk være kompliserte og kostbare konstruksjoner. Utspredte dipoler eller avsmalnede spalter er festet til matelinjene intrikat på en 3-D måte for en typisk faset antenneoppstilling slik det er nødvendig for impedanstilpasning mellom matelinjene og fritt rom. Den kompliserte fremstillingssammenstilling og grensesnittet til matelinjene bidrar til kostnad og vekt med hensyn til aperturen. Lappeoppstillinger eller andre tryktkretskort-oppstillinger er blitt anvendt for å redusere kostnader ved å dra fordel av fotolitografiteknikker. Imidlertid har disse trykte teknikker begrensning med hensyn til båndbredde.

WO 03/034545 Al viser en multifrekvens mikrobånd lappantenne med parasittisk koblede elementer. Den viste antennen omfatter en aktiv lapp og et flertall parasittiske elementer plassert under den aktive lappen, og fremviser lignende oppførsel ved et flertall radiofrekvensbånd.

En randomkonstruksjon fremstilles av adskilte lag av ledende lapper, der sett av ledende lapper i nevnte lag i en retning på tvers av en sideveis utstrekning av lagene har en avtagende sideveis utstrekning for å danne en bølgeledende konstruksjon.

Oppfinnelsen er definert ved radomkonstruksjonen og faseoppstilt antenne som definert i henholdsvis uavhengige krav 1 og 14. Fordelaktige utførelser av radomkonstruksjonen er definert i de tilhørende avhengige kravene 2-13.

Trekk og fordeler i beskrivelsen vil lett forstås av fagfolk basert på den etterfølgende beskrivelse når denne leses i forbindelse med tegningen, der: Fig. 1 er et skjematisk tverrsnittsriss av en utførelse av en antenneoppstilling som anvender en laminert, tilpasset random.

Fig. 2 er et isometrisk, skjematisk riss over en laminert randomkonstruksjon.

Fig. 3 er et forenklet skjema som viser randomeksiteringsnettverket ifølge fig. 1.

Fig. 4 viser en alternativ teknikk for å eksistere randomkonstruksjonen, ved å anvende et dipolmatenettverk. Fig. 5 viser en annen alternativ teknikk for å eksitere randomkonstruksjonen, ved å anvende et sløyfematenettverk. Fig. 6 er et skjematisk isometrisk riss over en alternativ utførelsesform av en laminert randomkonstruksj on.

I den etterfølgende detaljerte beskrivelse og i flere av tegningsfigurene er like elementer identifisert med like henvisningstall.

I en eksempelvis utførelsesform av en randomkonstruksjon blir massive, diskrete utstrålingselementer eliminert ved å anvende laminerte, flerlags, plane, trykte kretser. Med laminerte lag og fotolitografiproduksjonsteknikker kan geometrien redusere produksjonskostnadene, i en utførelsesform tilsvarende integrerte kretsskiveproduksjon. I en eksempelvis utførelsesform kan kostnad og vekt i vesentlig grad reduseres uten å begrene båndbredden i oppstillingen ved å anvende trykt kretskortteknologi. I en eksempelvis utførelsesform for lavere frekvenser og større konstruksjoner kan bruk av tynn polyamid Kapton J innfelt mellom skum til å gi en bredbånds antenneoppstilling i vesentlig grad redusere vekten av faseoppstilt antenne. Den laveste frekvensen avhenger av den tillatelige dybde i systemet som er en avveining med båndbredde. Den høyeste benyttede frekvens ville avhenge av grensesnittelektronikkytelse og den minste oppnåelige avstand mellom lagene. Driftsfrekvensen kan være så høy som W-bånd. Et eksempel på W-båndtilpasningselektronikk og halvlederfremstilling er beskrevet i US-patentnr. 6.157.347.

I en utførelsesform kan en faserettet antenneoppstilling fremstilles med billig flerlags kretskortteknologi ved å anvende fotolitografiteknikker. Denne faseoppstilte antenne kan gi 2-D elektronisk avsøk over et bredt avsøkningsvolum og bredbånd, dersom elementene i randomen hver er forbundet med en aktiv elektronikkmodul. Produksjons-kostnader kan reduseres. Flerlagsteknikker kan anvendes for å konstruere en korrugert randomkonstruksjon for å lede bølgen som forplanter seg fra oppstillingens apertur til fritt rom på effektiv måte. Teknikkene er anvendbare på enkelt- eller dobbeltpolariser-inger.

En randomkonstruksjon kan erstatte den tradisjonelle eggkartongoppstilling av diskrete, massive utstrålere, slik som avsmalnede spalter eller utspredte dipoler. En eksempelvis utførelsesform av en dielektrisk random laminert med lag av trykte folieledere på en uhyre tynn polyamid Kapton J innleiret mellom skum er meget lett, fleksibel og kan lages til å være tilpasset spesielle krumninger eller konfigurasjoner.

En eksempelvis utførelsesform av en faseoppstilt antenne 10 er vist på fig. 10, som viser et skjematisk tverrsnittsriss av en del av antenneoppstillingen 10. Antenne innbefatter en bredbånds randomkonstruksjon 30, hvilken kan fremstilles av lag av dielektriske media 32 på hvilke ledende folielapper 34 er dannet. I en eksempelvis utførelsesform kan lagene være adskilt ved hjelp av dielektriske adskillerlag 36, for eksempel skum eller andre dielektriske lag, for eksempel lag som er kompatible med integrert krets-produksjon som et eksempel. Virkningsgraden av antenneoppstillinger som fremstilt på integrerte kretsskiver kan vise seg fordelaktige med en tilpasset random som kan avsettes som ekstra lag under skiveproduksjon, i en eksempelvis utførelsesform.

I en eksempelvis utførelsesform er lagene tette nok med hensyn til driftsbølgelengden til å danne en pyramidebølgelederkonstruksjon 40, som oppviser tilpasset transmisjonsimpedanse for bølgen til å forplante seg fra aperturen til fritt rom. En eksempelvis avstand mellom lagene er 1/10 bølgelengde, selv om avstander mindre eller større enn 1/10 bølgelengde kan anvendes, avhengig av anvendelsen. I en eksempelvis utførelses-form blir flerlags tryktkretsteknologi anvendt til å fremstille en tre-dimensjonal (3-D) korrugert konstruksjon for effektiv utstråling, der hvert lag av oppstillingen av lapper er avsatt ned en etter den andre mellom dielektrikumlagene. En to-dimensjonal plan fremstillingsprosess, slik som trykt kretskort eller halvlederskiveteknologi kan anvendes i flere trinn til å danne sekvensmessig ett lag på toppen av det neste for å danne tre-dimensjonale RF bølgelederkonstruksjoner for hver enhetscelle av randomens element. Geometrien gjentar seg, typisk ca. halvbølge eller mindre, selv om en større avstand kan anvendes. Denne grunnleggende bygningsblokk benevnes som en enhetscelle i faseoppstilt teknologi.

En korrugert transmisjonslinjekonstruksjon kan støtte bredbånd (for eksempel i en utførelsesform > 10:1) operasjon. Transmisjonskonstruksjonen muliggjør at et signal kan forplante seg i fininnstillingsretningen på grunn av grensebetingelsene for enhets-cellenettet av elementer i en stor oppstilling. Derfor er avstanden mellom utstrålerne, typisk mindre enn en bølgelengde, et konstruksjonskriterium. Enhetscelleavstanden er avstanden mellom toppene av tilliggende pyramider, idet hver celle inneholder en utstråler, hvilken utstråler RF energi fra kretsbølgelederen til fritt rom. Den lille enhetscelleavstanden tillater de utstrålende elementer å bli individuelt eksitert med en vilkårlig fasefront, slik at to-dimensjonale (2-D) stråleavsøk kan oppnås for mange kommunikasjons- og radaranvendelser. Spaltebredden er gapet innenfor utstrålerens hals, hvilken øker til å være større ved spissene. Avhengig av anvendelsen, kan parametrene for randomkonstruksjonen optimaliseres av konstruktøren, avhengig av avveininger slik som forsterkning og avsøkningsvolum.

Fig. 2 er et isometrisk, skjematisk riss over en del av en eksempelvis laminert randomkonstruksjon 30, som oppviser et kvadratisk nett av fire eksempelvise pyramidekon-struksjoner 40. For enkelthets skyld er kun de ledende lapper 34 av randomkonstruksjonen vist på fig. 2, idet de dielektriske lag som adskiller lagene av lapper ikke er vist. Randomkonstruksjonen er montert på en matelagsammenstilling 20.

Den laminerte randomkonstruksjon 30 danner et transmisjonsmedium, hvilket er tilpasset den lave impedansen i en utstrålende lang spalte 36 til den høye impedansen for det frie rom. Impedansene bestemmes av spalten og matelinjedimensjoner på en side og nettavstanden på den annen, typisk henholdsvis 50 ohm og 377 ohm med et kvadratisk nett av pyramidekonstruksjon 40. Matelinjene 50-1, 50-2, 50-3 ved grensesnittet eksiterer hver et respektivt lavimpedans spaltegap, dvs. gap 36-1 som tilsvarer matelinje 50-1, på det første laget. Spaltegapene 36-2 .... 36-N på påfølgende lag økes for å avsmalne den karakteristiske impedansen for den korrugerte transmisjons-linjen fra lav til høy impedanse. Impedanseavsmalnere slik som beskrevet av R. W. Klopfenstein, "A Transmission Line Taper Of Improved Design," Proe. IRE, januar 1956, sidene 31-35; eller R.E. Collin, "The Optimum Tapered Transmission Line Matching Section," Proe. IRE, april 1956, sidene 539-548, kan anvendes for bredbånds-applikasjoner. Den pyramideformede bølgelederkonstruksjonen er, i en eksempelvis utførelsesform, konstruert til å oppvise en tilpasset transmisjonsimpedans for en elektromagnetisk bølge til å forplante seg fra aperturen til det frie rom. Dette kan gjøres ved å velge dybden av spalten mellom pyramidekonstruksj onene og endre gapbredden til å endre impedansen pr. enhetslengde, for eksempel som beskrevet i dokumentet "The Optimum Tapered Transmision Line Matching Sections", hvilket beskriver dybden som er nødvendig avhengig av båndbredden for den bestemte utforming.

"Utspredningen" dannet i det avsmalnede enhetscelleelementet er ikke en massiv 3-D utspredning som beskrevet i US-patenter nr. 5.428.364 eller 6.127.984.1 en eksempelvis utførelsesform er det avsmalnede enhetscelleelementet en laminert konstruksjon med tynne metallfolier 34 i x-y planet, normalt på forplantningsretningen. Metallfolien kan trykkes på et tynt substrat 32, slik som polyamid Kapton J (typisk 0,0076 cm), som er innfelt mellom lettvektssubstrater 36 i lett lav-k skummateriale. Alternativt kan lagene av dielektrium og metallfolier fremstilles på et dielektrisk substrat som anvender integrert krets (IC) skiveproduksjonsteknikker. Nevnte halvlederdielektrikum kan være silisium, galliumarsenid eller indiumfosfid for å nevne eksempler. Et første ledende lag er dannet på overflatene av halvledersubstratet, og så vekslende lag av halvlederdielektrikum og/eller oksidlag med ledende lag til å danne bølgeledende områder.

I den eksempelvise utførelsesform som er vist på fig. 1 blir oppstilling eksitert av energi som føres av matelinjene 50-1, 50-2, 50-3, .... som omfatter et koaksialt grensesnitt til en respektiv spalte, for eksempel spalte 36 i en matelagsammenstilling 20. Matelagsammenstillingen i denne eksempelvise utførelsesform omfatter et ledende jordlag 22 dannet på et tynt dielektrisk lag 22A. Sirkulære åpninger 22B er dannet i det nedre jordplanlag. Matelagsammenstillingen innbefatter dessuten suksessive lag 24, 26, med lag 24 som danner et annet jordplan med sirkulære åpninger 24B dannet i det ledende jordplanlag i samsvar med åpningene 22B i det nedre jordplanlag 22. De respektive lag 22, 24, 26 er adskilt ved hjelp av dielektriske lag, for eksempel substrater av lett, lav-k skummateriale. Matelinjene omgis av et flertall av vertikale, ledende pletterte gjennom-gående forbindelser 52 som strekker seg mellom lagene 22, 24 til å danne den koak-sielle ytre skjerm som omgir matelinjene, for eksempel linje 50-1. Det andre jordplanet er et valgfritt finjusteringstrekk, anvendt til å bevirke hulrommet bak utstråleren til å se større ut. Avstanden mellom lagene 34 og 26 avhenger av mikrobåndleder 26 som kan velges av konstruktøren for å tilpasses resten av systemet. Avstanden for en gitt anvendelse kan lett beregnes, ved å anvende teknikker som er velkjente innenfor mikrobåndlederkretsutforming.

I en eksempelvis utførelsesform strekker mateledningene seg gjennom åpningene i grunnplanene 22, 24 til mikrobåndlederlag 26, der hver matelinje er koblet til en mikrobåndleder. Således er matelinje 50-1 koblet til en ende av mikrobåndleder 26A, matelinje 50-2 til en ende av mikrobåndleder 26B, og matelinje 50-3 til en ende av mikrobåndleder 26C. De fjerntliggende ender av respektive mikrobåndledere er respektivt koblet til pletterte gjennomføringer 29 dannet i et dielektrisk lag 27 som adskiller laget 26 fra lag 32 i randomkonstruksjonen 30. Gjennomføringene 29 danner forbindelse med en kant av en folielapp 34 på lag 32. Jordgjennomkoblinger 52 strekker seg fra lag 24 opp til lag 32 for elektrisk å koble folielappen 34 ved et sted som er romlig adskilt fra forbindelsen til matelinjen. Avstanden mellom enhetscellene er stor nok til å gi transittforsinkelse mellom eksiteringen ogjordbanene, slik at de ikke kortsluttes. I andre utførelsesformer, for eksempel utførelsesformene i fig. 4 og 5, kan folielappene endog ikke danne kontakt med verken matingen eller jord, hvilket kan være ønskelig for visse fremstillingsprosesser der vertikale sammenkoblinger er vanskelige å oppnå.

Fig. 3 er et forenklet skjema som viser randomeksiteringsnettverket som omfatter lapper 34 som er forbundet ved hjelp av koaksiale matelinjer 50-1, 50-2, 50-3, .... og jordlinjer

52 til en tilsvarende eksiteringskilde 51-1, 51-2, 51-3.

Randomkonstruksjonen 30 kan eksiteres på forskjellige måter som er andre enn de koaksiale matelinjene som er vist på fig. 1 og 3. Eksempelvis kan randomkonstruksjonen eksiteres ved hjelp av et dipolmatenettverk, som generelt vist på fig. 4. Her blir spaltene mellom pyramidekonstruksjonene 40 eksitert med et dipolmatenettverk som omfatter dipoler 102, 104, 106 ...., som hver drives av en tilsvarende eksiteringskilde 102A, 104A, 106A ... Eksisteringskildene i en eksempelvis utførelsesform kan være utgangene fra aktive elektroniske kretser i T/R moduler, og T/R modulene kan danne lasten i resiprositetstilfellet med mottaksoperasjon. Fig. 4 viser en alternativ teknikk for å eksistere randomkonstruksjonen, ved å anvende et dipolmatenettverk 100 som omfatter dipoler 102, 104, 106, ... som hver respektivt drives av en tilsvarende eksiteringskilde 102A, 104A, 106A ... Fig. 5 viser en annen alternativ teknikk for å eksitere randomkonstruksjonen, ved å anvende et sløyfematenettverk 110 som omfatter sløyfer, 112, 114, 116, .... som hver respektivt drives av en tilsvarende eksiteringskilde 112A, 114A, 116A...

Eksiteringskretsene som er vist på fig. 4 og 5 kan eksistere randomkonstruksjonen, og i disse tilfeller vil folielappene ikke en gang danne kontakt verken med matingen eller jord, hvilken kan være ønskelig i visse fremstillingsprosesser der vertikale sammenkoblinger er vanskelige å oppnå, slik som i integrert kretsskiveproduksjon.

I en eksempelvis utførelsesform omfatter randomkonstruksjonen en korrugert transmisjonslinjekonstruksjon, dannet i et periodisk oppstillingsmiljø. I et slikt nett hindrer den ideelle enhetscelle definert av to parallelle elektriske vegger (topp og bunn) og to parallelle magnetiske vegger på sidene signalflyten i X- og Y-retningene. Grensebetingelsene som pålegges ved en ensartet periodisk oppstilling av magnetiske og elektriske vegger, hindrer den sideveis strømning av signal og tvinger signalet til å forplante seg i Z-retningene, så lenge som enhetscellen er mindre enn en bølgelengde og enhetscellen gjentar seg selv i det minste til en aperturstørrelse som er flere bølgelengder stor. I en eksempelvis utførelsesform er gapet mellom de laminerte lag ca. 6% av senterbånd-bølgelengde, dog ikke nødvendigvis begrenset til denne tykkelse så lenge som den resulterende virkningsgrad er akseptabel.

I en eksempelvis utførelsesform kan plettering av tynn Kapton (0,0076 cm tykk) med kvadratiske lapper danne metallfolier på lagene som omfatter den korrugerte transmisjonslinje. På en eksempelvis utførelsesform, avhengig av båndbredden på den spesielle utforming, er hvert lag av lapper adskilt med en avstand, for eksempel 1/10 bølgelengde, slik at antallet av lag vil avhenge av dybden som er nødvendig for å passe med hensyn til bølgelengder multiplisert med 10 for dette eksempel. Skummateriale kan anvendes til å bygge opp lagene til å støtte metallfoliene, men andre lav-k dielektriske substrater er imidlertid også akseptable. Skum er et ønskelig materiale på grunn av dets lave vekt og lave dielektriske konstant. En lav dielektrisk konstant foretrekkes for randomen for å redusere vekt og linjevirkende (dielektrisk belastning) effekt, slik at et spredt nett kan anvendes til å oppnå gitterlobefrie 2-D avsøk. Avstanden mellom hvert lag av lapper kan variere, avhengig av anvendelsen. Visse anvendelser kan anvende avstander som er mindre enn 1/10 bølgelengde, og andre anvendelser kan anvende avstander som er større enn 1/10 bølgelengde. Avstanden mellom lappelagene vil typisk være en brøkdel av en driftsbølgelengde.

Simulering viser at en eksempelvis utførelsesform av en ledende utspredt konstruksjon, for eksempel pyramidekonstruksjonen, kan gi en god stambølgeforhold (VSWR) inn-matingstilpasning over en 4:1 båndbredde. Andre utførelsesformer kan tilveiebringe forskjellige tilpasninger.

Avsmalning av den korrugerte utspredte konstruksjon vil effektivt danne et pyramide-formet utstrålende element. En avsmalningslengde, dvs. høyden av pyramidekonstruksjonen, lik 2 bølgelengde ved midtbåndet kan være tilstrekkelig til å gi en stor 4:1 båndbredde. Dokumentet R.W. Klopfenstein, "A Transmission Line Taper of Improved Design," Proe. IRE, januar 1956, sidene 31-35, beskriver en eksempelvis teknikk for å bestemme dybden som er nødvendig avhengig av båndbredden for den bestemte utforming.

Denne randomarkitektur kan gi dobbel polarisering ved å innfelle to ortogonale sett av spalter og mate spaltene i henhold til dette som beskrevet ovenfor for utførelsesformen i fig. 1. Fig. 2 viser en del av en randomkonstruksjon for det to-dimensjonale tilfellet, der "gapene eller spaltene eller kanalene mellom folielappene løper i både X- og Y-retningen. Således løper spaltene 36A i Y-retningen, og spaltene 36B løper i X-retningen.

Fig. 6 viser skjematisk en del av en alternativ utførelsesform av en randomkonstruksjon 30-1 for en enkelt eller lineær polariseringsantenne. Denne utførelsesform er tilsvarende den som er vist på fig. 2, med ledende lapper 34-1 innfelt mellom dielektriske lag 32, sammenstilt til en matelagsammenstilling 20.1 dette ene polariseringstilfellet strekker de ledende lapper seg kontinuerlig langs X-retningen, og er av avtagende bredde i Y-retningen til å danne en generelt trekantet konstruksjon 42 i Z-retningen, med kanaler 36-1 mellom de trekantede konstruksjoner. Matelagsammenstillingen 20 kan være av typen som er vist på fig. 1 eller 3-5.

I en eksempelvis utførelsesform har antenneoppstillingen et driftsfrekvensområde mellom 4-13 GHz.

Selv om det foregående har vært en beskrivelse og en illustrasjon av særlige utførelses-former av oppfinnelsen, kan forskjellige modifikasjoner og endringer på denne foretas av fagfolk uten å avvike fra oppfinnelsens omfang og idé som definert av de etterfølg-ende patentkrav.

Claims (14)

1. Randomkonstruksjon (30) for en antenneoppstillingsapertur, hvor randomkonstruksjonen tilveiebringer en tre-dimensjonal (3-D) korrugert transmisjonskonstruksjon og innbefatter adskilte lag av ledende lapper (34), der sett av ledende lapper i nevnte lag i en retning på tvers av en sideveis utstrekning av lagene har en avtagende sideveis utstrekning for å danne en pyramideformede bølgeledekonstruksjonkarakterisert vedat randomkonstruksjonen (30) innbefatter laminerte lag av dielektriske media (32) på hvilke nevnte ledende lapper (34) er dannet, og som har et gap mellom seg, hvori nevnte gap er omtrent 6 % av senterbåndbølgelengde.

2. Randomkonstruksjon som angitt i krav 1,karakterisertved at randomkonstruksjonen oppviser en tilpasset transmisjonsimpedanse for en elektromagnetisk bølge til å forplante seg fra aperturen til fritt rom.

3. Randomkonstruksjon som angitt i krav 1 eller krav 2,karakterisert veddessuten å omfatte dielektriske avstandsdannende lag (32) innleiret mellom hosliggende lag av nevnte ledende lapper (34).

4. Randomkonstruksjon som angitt i et hvilket som helst foregående krav,karakterisert vedat nevnte ledende lapper (34) danner en oppstilling av pyramideformede bølgelederkonstruksjoner (40).

5. Randomkonstruksjon som angitt i et hvilket som helst av kravene 1-3,karakterisert vedat nevnte ledende lapper (34) har en kontinuerlig utstrekning langs nevnte sideveies utstrekning av nevnte lag.

6. Randomkonstruksjon som angitt i et hvilket som helst foregående krav,karakterisert veddessuten å omfatte et matenettverk (20) for å eksitere randomkonstruksjonen (30).

7. Randomkonstruksjon som angitt i krav 6,karakterisertv e d at matenettverket (20) omfatter et flertall av koaksiale mategrensesnitt som hvert innbefatter en koaksial matelinje (50-1, 50-2) koblet til en lapp (34).

8. Randomkonstruksjon som angitt i krav 8,karakterisertv e d at matenettverket (20) omfatter et flertall av sløyfer (112, 114, 116) og tilsvarende eksiteringskilder (112A, 114A, 116A).

9. Randomkonstruksjon som angitt i krav 6,karakterisertved at matenettverket omfatter et dipolnettverk som har et flertall av dipoler (102, 104, 106) og eksiteringskilder (102A, 104A, 106A).

10. Randomkonstruksjon som angitt i krav 4,karakterisertved at nevnte bølgelederkonstruksjoner (40) gjentas langs en akse (X;Y) med en avstand.

11. Randomkonstruksjon som angitt i krav 10,karakterisertv e d at nevnte avstand er en halv bølgelengde eller mindre ved en driftsbølgelengde.

12. Randomkonstruksjon som angitt i krav 12 eller 13,karakterisert vedat nevnte pyramideformede bølgelederkonstruksj oner (40) gjentas langs to ortogonale akser (X;Y).

13. Randomkonstruksjon som angitt i krav 5,karakterisertv e d at nevnte sett av ledende lapper (34) gjentas langs en enkelt akse.

14. Faseoppstilt antenne (10),karakterisert vedat den omfatter en randomkonstruksjon (30) som angitt i et hvilket som helst foregående krav.