TW201334286A - 電子掃描陣列雷達（ａｅｓａ）卡 - Google Patents

電子掃描陣列雷達（ａｅｓａ）卡 Download PDF

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Abstract

在一態樣中，一種電子掃描陣列雷達(Active electronically scanned array；AESA)卡包括印刷配線板(Printed wiring board；PWB)，其包括用以提供射頻(RF)信號分配的第一組金屬層，用以提供數位邏輯分配的第二組金屬層，用以提供電源分配的第三組金屬層，以及用以提供射頻信號分配的第四組金屬層。印刷配線板包含用於電子掃描陣列雷達中的至少一傳送/接收(Transmit/receive；T/R)通道。

Description

電子掃描陣列雷達(AESA)卡 相關申請案
本專利申請案是申請案序號12/484626的延續案，申請於2009年6月15日，命名為「面板陣列」，其全部內容在此納入。
本發明係關於電子掃描陣列雷達(Active electronically scanned array；AESA)卡。
如所屬技術領域中所周知，相位陣列天線包括複數個以已知的距離彼此間隔的主動電路。每一主動電路透過複數個相位偏移器電路，放大器電路，和/或其他電路耦合至傳送器或接收器之任一者或兩者。在某些情況中，相位偏移器，放大器電路和其他電路(例如：混合器電路)被設置在所謂的傳送/接收(Transmit/receive；T/R)模組並且被視為傳送器和/或接收器的一部分。
相位偏移器，放大器和其他電路(例如：T/R模組)經常需要外部電源供應(例如：DC電源供應)以正確地操作。因此，電路被稱為「主動電路」或「主動元件」。因此，包括主動電路的相位陣列天線常被稱為「主動相位陣列」。主動相位陣列雷達被公知為電子掃描陣列雷達(Active electronically scanned array；AESA)。
主動電路以熱量的形式耗散功率。大量的熱量可導致無法操作主動電路。因此，主動相位陣列應被冷卻。在一例子中，散熱器被依附於每一主動電路以耗散熱量。
在一態樣中，一種電子掃描陣列雷達(Active electronically scanned array；AESA)卡包括印刷配線板(Printed wiring board；PWB)，其包括用以提供射頻(RF)信號分配的第一組金屬層，用以提供數位邏輯分配的第二組金屬層，用以提供電源分配的第三組金屬層，以及用以提供射頻信號分配的第四組金屬層。印刷配線板包含用於電子掃描陣列雷達中的至少一傳送/接收(Transmit/receive；T/R)通道。
在另一態樣中，一種電子掃描陣列雷達(AESA)組裝包括電子掃描陣列雷達卡，其包括印刷配線板(PWB)。印刷配線板包括用以提供射頻(RF)信號分配的第一組金屬層，用以提供數位邏輯分配的第二組金屬層，用以提供電源分配的第三組金屬層，以及用以提供射頻信號分配的第四組金屬層。電子掃描陣列雷達(AESA)組裝亦包括一或多個微波單晶積體電路(Monolithic microwave integrated circuits；MMICs)設置於印刷配線板的表面上。印刷配線板包括用於電子掃描陣列雷達中的至少一傳送/接收(T/R)通道。
整合用於每個電子掃描陣列雷達(Active electronically scanned array；AESA)傳送/接收(Transmit/receive；T/R)通道的微波單晶積體電路(Monolithic microwave integrated circuit；MMIC)之以前的方法包括設置這些元件於金屬容器(有時也被稱為「傳送/接收模組」)中，其導致昂貴的組裝。除了高材料和測試的勞動力成本，還需要衍伸的非經常性工程(Non-recurring engineering；NRE)用於電子掃描陣列雷達架構中(例如，主動孔徑大小的改變，晶格改變，每單位單元的傳送/接收通道的數量等的改變)或冷卻的方法。這些以前的方法也可以使用於射頻(Radio frequency；RF)，電源，和用於傳送/接收模組的邏輯信號之引線結合；然而，射頻引線結合可導致傳送/接收通道之間或傳送/接收通道內不必要的電磁耦合。
在此描述的是新的傳送/接收通道架構，電子掃描陣列雷達卡。電子掃描陣列雷達卡降低了經常性裝配成本和測試時間，並顯著地降低用於新應用或新微波單晶積體電路技術的整合到電子掃描陣列雷達應用中之非經常性工程。電子掃描陣列雷達卡可使用全自動化裝配流程被製造，並且允許修改的晶格尺寸和每一組裝的傳送/接收通道單元的數量之每一者。如果不消除傳送/接收通道之間，或在傳送/接收通道內的電磁耦合和其他電磁干擾(Electromagnetic interference；EMI)，電子掃描陣列雷 達卡就不包括引線結合，從而顯著地減少。因此，存在一致的通道至通道的射頻性能。
參照圖1A和圖1B，電子掃描陣列雷達卡可被用在許多應用中。例如，如圖1A所示，電子掃描陣列雷達卡100的陣列12可用於移動環境中，例如在移動平台單位10。在這個例子中，電子掃描陣列雷達卡100被佈置在4×4陣列。雖然圖1A和圖1B示出矩形的形狀的電子掃描陣列雷達卡100，但是它們可被構造為圓形，三角形或任意多邊形的形狀。此外，雖然陣列12是正方形，但是陣列可以是矩形，圓形，三角形或任何多邊形的佈置。另外，電子掃描陣列雷達卡100的數量可以是電子掃描陣列雷達卡100的一至任意數量。
在其他應用，一或多個電子掃描陣列雷達卡100可被使用在船艦的側邊上，於地面結構等。正如本文將顯示電子掃描陣列雷達卡100是建設電子掃描陣列雷達系統的「建立區塊」。
參照圖2，電子掃描陣列雷達卡100的例子是包括印刷配線板(PWB)101和微波單晶積體電路104(例如，倒裝晶片)於印刷配線板101的表面(例如，在圖3所示的表面120)上的電子掃描陣列雷達卡100’。在這個例子中，電子掃描陣列雷達卡100’包括傳送/接收通道單元102的4×8陣列或32傳送/接收通道單元102。每一傳送/接收通道單元102包括微波單晶積體電路104，汲極調變器106(例如，汲極調變器的積體電路(Integrated circuit； IC))，限制器暨低噪聲放大器(Low noise amplifier；LNA)108(例如，具有限制器之砷化鎵(Gallium-arsenide；GaAs)LNA)，功率放大器110(例如，氮化鎵(Gallium-nitride；GaN)功率放大器)。電子掃描陣列雷達卡100’亦包括一或多個電源和邏輯連接器112。雖然傳送/接收通道單元102被佈置在矩形陣列中，但是傳送/接收通道單元102可以圓形，三角形或任何類型的佈置被佈置。
參照圖3，電子掃描陣列雷達組裝150包括具有由焊料球105設置在印刷配線板101的表面120上的印刷配線板101和微波單晶積體電路104之電子掃描陣列雷達卡(例如，電子掃描陣列雷達卡100”)。電子掃描陣列雷達組裝150亦包括透過熱環氧樹脂152耦合到每個微波單晶積體電路的散熱片板160和冷卻板170。冷卻板170包括接收如氣體或液體的流體的通道172以冷卻微波單晶積體電路104。因此，每個微波單晶積體電路104被並行散熱。也就是說，對於所有微波單晶積體電路104和在每個傳送/接收通道單元102中越過電子掃描陣列雷達卡100”的元件(例如，汲極調變器106，LNA108，功率放大器110等)，從熱源(例如，微波單晶積體電路104)到散熱片(冷卻板170)的熱電阻是相同的，從而降低傳送/接收通道單元102之間的熱梯度。電子掃描陣列雷達卡100”沿R方向輻射射頻信號。
參照圖4，印刷配線板(PWB)101的例子是印刷配 線板101’。在一例子中，印刷配線板101’的厚度t約為64密耳。
印刷配線板101’包括金屬層(例如，金屬層202a-202t)和設置於每一金屬層(202a-202t)之間之環氧樹脂層(例如，環氧樹脂層204a-204m)，聚亞醯胺介電層(例如，聚亞醯胺介電層206a-206d)或複合材料層(例如，複合材料層208a，208b)之一者。特別是，複合材料層208a設置於金屬層210e，210f之間，並且複合材料層208b設置於金屬層210o，210p之間。聚亞醯胺電介質層206a設置於金屬層202g，202h之間，聚亞醯胺電介質層206b設置於金屬層202i，202j之間，聚亞醯胺電介質層206c設置於金屬層202k，202l之間，以及聚亞醯胺電介質層206d設置於金屬層202m，202n之間。其餘的金屬層包括設置於金屬層之間的環氧樹脂層(例如，環氧樹脂層204a-204m之一者)如圖4所示。
印刷配線板101’亦包括耦合金屬層202d至金屬層202q的射頻層間連接點(例如，射頻層間連接點210a，210b)。每一射頻層間連接點210a，210b包括一對金屬板(例如，射頻層間連接點210a包括金屬板214a，214b，並且的射頻層間連接點210b包括射頻金屬板214c，214d)。金屬板214a，214b由環氧樹脂216a所分隔，並且金屬板214c，214d由環氧樹脂216b所分隔。雖然圖4中未示出，所屬技術領域中具有通常知識者會辨識用於數位邏輯層和電源層的存在之其他類型的層間連接點 以攜帶這些信號到電子掃描陣列雷達卡100”的表面或到其他金屬層。
印刷配線板101’亦包括電性耦合射頻層間連接點210a，210b到金屬層202a，202t的金屬管道(如金屬管道212a-212l)。例如，金屬管道212a-212c以耦合金屬層202a到金屬層202b的金屬管道212a，耦合金屬層202b到金屬層202c的金屬管道212b，以及耦合金屬層202c到金屬層202d和射頻層間連接點210a的金屬管道212c，一個堆疊在另一個的頂部。金屬管道212a-212l藉由鑽孔被形成(例如，直徑約4或5密耳)於印刷配線板101’中，並以金屬填充孔。
此外，金屬管道212d-212f以耦合金屬層202r和射頻層間連接點210a到金屬層202s的金屬管道212d，耦合金屬層202s到金屬層202t的金屬管道212e，以及耦合金屬層202t到金屬層202u的金屬管道212f，一個堆疊在另一個的頂部。
金屬層202a-202c和環氧樹脂層204a-204b被用以分配射頻信號。金屬層202p-202t，環氧樹脂層204j-204m也被用以分配射頻信號。金屬層202c-202e和環氧樹脂層204c-204d被用以分配數位邏輯信號。金屬層202f-202o，環氧樹脂層204e-204i和聚亞醯胺介電層206a-206d被用以分配電源。
在一例子中，一或多個金屬層202a-202r包括銅。每個金屬層202a-202t可在厚度中變化，例如從約0.53密耳 到約1.35密耳。在一例子中，射頻層間連接點210a，210b由銅製成。在一例子中，金屬管道212a-212l由銅製成。
在一例子中，每一環氧樹脂層204a-204m包括與習知的FR-4處理相容之高速/高性能環氧樹脂材料並具有機械性能，其使它成為無鉛的組裝且相容以包括：約200℃的玻璃化轉變溫度Tg(示差掃描式量熱法(Differential scanning calorimetry；DSC))，熱膨脹係數(Coefficient of thermal expansion；CTE)<Tg 16,16 & 55ppm/℃，和熱膨脹係數>Tg 18,18 & 230ppm/℃。低熱膨脹係數和360℃的高Td分解溫度(Decomposition temperature；Td)也有利於堆疊的金屬管道212a-212l之順序處理。例如，環氧樹脂層204a-204m的可在厚度從約5.6密耳至約13.8密耳中變化。在一特定的例子中，環氧基的樹脂材料由Isola集團SARL根據產品名稱FR408HR製造。在一例子中，環氧樹脂216a，216b是與環氧樹脂層204a-204m所用材料相同的材料。
在一例子中，每一聚亞醯胺介電層206a-206d包括聚亞醯胺介電層，其設計以作用為印刷配線板中的電源和地平面用於電源匯流排去耦合，並在高頻率提供EMI和電源平面阻抗減少。在一例子中，每一聚亞醯胺介電層約是4密耳。在一具體的例子，聚亞醯胺介電層是由DUPONT®根據產品名稱HK042536E製造。
在一例子中，每一複合材料層208a，208b包括環氧 樹脂和碳纖維的複合材料以提供熱膨脹係數控制和熱管理。在一例子中，複合材料層可以是作為接地平面的功能，也可以是作為機械抑制層。在一例子中，每一複合材料層約為1.8密耳。在一特定的例子中，環氧樹脂和碳纖維的複合材料被STABLCOR®科技公司根據產品名稱ST10-EP387製造。
在一例子中，相對於製造電子掃描陣列雷達卡，上述材料無鉛的。因此，在此所提出的對策符合需要無鉛產品的環境規範。
本文所描述的處理不限於所描述具體的實施例。本文所描述的不同的實施例的元件也可以組合以形成如上未具體提出的其他實施例。在此沒有具體描述的其它實施例中也在以下的申請專利範圍的範圍內。
10‧‧‧移動平台單位
12‧‧‧陣列
100,100’‧‧‧電子掃描陣列雷達卡
101,101’‧‧‧印刷配線板
102‧‧‧傳送/接收通道單元
104‧‧‧微波單晶積體電路
105‧‧‧焊料球
106‧‧‧汲極調變器
108‧‧‧限制器暨低噪聲放大器
110‧‧‧功率放大器
112‧‧‧邏輯連接器
120‧‧‧表面
150‧‧‧電子掃描陣列雷達組裝
152‧‧‧熱環氧樹脂
160‧‧‧散熱片板
170‧‧‧冷卻板
172‧‧‧通道
202a-202t‧‧‧金屬層
204a-204m‧‧‧環氧樹脂層
206a-206d‧‧‧聚亞醯胺介電層
208a，208b‧‧‧複合材料層
210a，210b‧‧‧頻層間連接點
212a-212l‧‧‧金屬管道
214a-214d‧‧‧金屬板
216a,216b‧‧‧環氧樹脂
圖1A是具有電子掃描陣列雷達(Active electronically scanned array；AESA)卡的陣列設置於移動平台上的電子掃描陣列雷達(AESA)的圖。
圖1B是圖1A中的電子掃描陣列雷達的陣列的圖。
圖2是具有微波單晶積體電路(Monolithic microwave integrated circuits；MMICs)設置於電子掃描陣列雷達的表面上的電子掃描陣列雷達卡的例子的圖。
圖3是具有電子掃描陣列雷達卡，微波單晶積體電路和冷卻機構的電子掃描陣列雷達組裝的剖視圖。
圖4是印刷配線板(PWB)的剖視圖。
100’‧‧‧電子掃描陣列雷達卡
202a-202t‧‧‧金屬層
204a-204m‧‧‧環氧樹脂層
206a-206c‧‧‧聚亞醯胺介電層
208a,208b‧‧‧複合材料層
210a，210b‧‧‧頻層間連接點
212a-212l‧‧‧金屬管道
214a-214d‧‧‧金屬板
216a,216b‧‧‧環氧樹脂

Claims (19)

  1. 一種電子掃描陣列雷達(Active electronically scanned array；AESA)卡，包含：一印刷配線板(Printed wiring board；PWB)，包含：一第一組金屬層，用以提供射頻(RF)信號分配；一第二組金屬層，用以提供數位邏輯分配；一第三組金屬層，用以提供電源分配；以及一第四組金屬層，用以提供射頻信號分配，其中該印刷配線板包含用於一電子掃描陣列雷達中的至少一傳送/接收(Transmit/receive；T/R)通道。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電子掃描陣列雷達卡，其中該複數個層更包含：該第二組金屬層的一金屬層和該第三組金屬層的一金屬層之間的碳纖維和環氧樹脂的一第一複合材料層；以及該第三組金屬層的一金屬層和該第四組金屬層的一金屬層之間的碳纖維和環氧樹脂的一第二複合材料層。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之電子掃描陣列雷達卡，其中該印刷配線板更包含：該第一組金屬層的兩個金屬層之間的環氧樹脂的一層；該第二組金屬層的兩個金屬層之間的環氧樹脂的一層；以及該第一組金屬層的兩個金屬層之間的環氧樹脂的一 層。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之電子掃描陣列雷達卡，其中該印刷配線板更包含該第三組金屬層的兩個金屬層之間的聚亞醯胺介電層的一層。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之電子掃描陣列雷達卡，更包含一或多個微波單晶積體電路(Monolithic microwave integrated circuits；MMICs)設置於該印刷配線板的該表面上。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之電子掃描陣列雷達卡，該微波單晶積體電路使用焊錫球依附於該印刷配線板。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之電子掃描陣列雷達卡，其中該複數個層包含：複數個金屬管道，每一電性管道耦合該複數個層之一者至該複數個層之另一者。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之電子掃描陣列雷達卡，更包含一射頻層間連接點，具有耦合到一第一金屬管道的一第一端和耦合到一第二金屬管道並與該第一端相對的一第二端，其中該射頻層間連接點延伸穿過用於電源分配的金屬層。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之電子掃描陣列雷達卡，其中該印刷配線板更包含：該第一組金屬層的兩個金屬層之間的環氧樹脂的一 層；該第二組金屬層的兩個金屬層之間的環氧樹脂的一層；該第一組金屬層的兩個金屬層之間的環氧樹脂的一層；以及該第三組金屬層的兩個金屬層之間的聚亞醯胺介電層的一層。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之電子掃描陣列雷達卡，其中該電子掃描陣列雷達卡不包括引線結合。
  11. 一種電子掃描陣列雷達(AESA)組裝，包含：一電子掃描陣列雷達卡，包含：一印刷配線板(PWB)，包含：一第一組金屬層，用以提供射頻信號分配；一第二組金屬層，用以提供數位邏輯分配；一第三組金屬層，用以提供電源分配；以及一第四組金屬層，用以提供射頻信號分配；以及一或多個微波單晶積體電路(MMICs)設置於該印刷配線板的該表面上，其中該印刷配線板包含用於一電子掃描陣列雷達中的至少一傳送/接收(T/R)通道。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之電子掃描陣列雷達組裝，更包含接觸該一或多個微波單晶積體電路的一冷卻機構。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之電子掃描陣列雷達 組裝，其中該冷卻機構包含：接觸該微波單晶積體電路的一散熱片；以及接觸該散熱片的一冷卻板。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之電子掃描陣列雷達組裝，其中該微波單晶積體電路使用焊錫球附著於該印刷配線板。
  15. 如申請專利範圍第11項所述之電子掃描陣列雷達組裝，其中該複數個層包含：複數個金屬管道，每一電性管道耦合該複數個層之一者至該複數個層之另一者。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之電子掃描陣列雷達組裝，更包含一層間連接點，具有耦合到一第一金屬管道的一第一端和連接到一第二金屬管道並與該第一端相對的一第二端，其中該層間連接點延伸穿過用於電源分配的金屬層。
  17. 如申請專利範圍第11項所述之電子掃描陣列雷達組裝，其中該複數個層更包含：該第二組金屬層的一金屬層和該第三組金屬層的一金屬層之間的碳纖維和環氧樹脂的一第一複合材料層；以及該第三組金屬層的一金屬層和該第四組金屬層的一金屬層之間的碳纖維和環氧樹脂的一第二複合材料層。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之電子掃描陣列雷達組裝，其中該複數個層更包含：該第一組金屬層的兩個金屬層之間的環氧樹脂的一 層；該第二組金屬層的兩個金屬層之間的環氧樹脂的一層；該第一組金屬層的兩個金屬層之間的環氧樹脂的一層；以及該第三組金屬層的兩個金屬層之間的聚亞醯胺介電層的一層。
  19. 如申請專利範圍第11項所述之電子掃描陣列雷達組裝，其中該電子掃描陣列雷達卡不包括引線結合。
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