フェーズドアレイアンテナ装置およびその製造方法
実施例は、フェーズドアレイアンテナ装置およびそれらを製造する方法を含む。ある実施例では、フェーズドアレイアンテナ装置は、複数の層を有する少なくとも1つのプリント配線基板(PWB)、少なくとも1つのビーム結合器/分割器を備えた少なくとも1つのビーム形成器モジュール、少なくとも1つの増幅器および少なくとも1つの一体的放射素子を含む。PWBは、ビーム結合器/分割器の対応するポート間において複数の層の中に埋込まれたRFマニホルドを含む。少なくとも1つの一体的放射素子は、PWBの縁部近くに位置し、フェーズドアレイアンテナ装置のボアサイトと平行して向き付けられる。ある実施例では、ビーム結合器/分割器はH形状結合器を含んでもよい。PWBの開口部はある実施例では増幅器が直接ヒートシンクと接触することを可能にするようにされる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
技術分野
ここに記載された実施例は、一般にフェーズドアレイアンテナ装置に関し、より特定的には、複数層のプリント配線基板を有するフェーズドアレイアンテナ装置およびその製造の方法に関する。
【背景技術】
【0002】
背景
フェーズドアレイアンテナシステムは可変であり整形可能な1つ以上のビームを生成するために用いられてもよい。多くの実例では、進行波管増幅器(TWT)は、非励振アンテナと共に用いられて、整形されたまたはスポットビーム発生する。発展する半導体技術および改善された生産コスト、およびソリッドステート技術の信頼性で、ソリッドステート電力増幅器(SSPA)素子を備えたフェーズドアレイシステムが衛星通信システムに対して実現可能になった。
【0003】
複数ビームの、送信フェーズドアレイアンテナシステムは典型的には複数のビームドライバ、電力分割器およびビーム形成器モジュールを含む。さらに、複数のビームに関連付けられた信号を結合するために、ビーム形成器モジュールはさらに結合器ネットワーク(例えばウィルキンソン結合器ネットワーク)を含み、それは、個々に位相重み付けされたビーム信号を結合し、複数の増幅器モジュールおよび放射素子に複合信号を与える。
【0004】
これらのアンテナ構成要素の多くは、無線周波数(RF)相互接続(例えば同軸の相互接続)、直流(DC)相互接続および制御信号相互接続を用いて相互に接続される。相互接続の構造および構成は、フェーズドアレイアンテナ構成の型に依存する。フェーズドアレイアンテナシステムは多くのコネクタおよびケーブルを用いてシステム要素を相互接続すると知られている。
【0005】
基本的な2つの型のフェーズドアレイアンテナ構成が用いられている。これらの基本の型は「タイル」アレイアンテナおよび「ブリック」アレイアンテナを含む。タイル構成は、放射開口の面にタイル状の構成で、RF、DCおよび制御信号分散ネットワークを包含するプリント配線基板(PWB)上に取付けられた要素電子機器を配置する。ブリック構成は、放射開口の面の下に位置する直立位置に要素電子機器を配置する。図1に示されるように、放射素子、関連付けられた電子機器および支持構造物は典型的には数列に分割される。
【0006】
図1は、タイルアレイアンテナに関連づけた複数層PWB100の分解図を示す。PWB100はウィルキンソン分割器ネットワーク102、複数の増幅器モジュール104、および、PWB100の表面110上にタイルアレイ構成で取付けた複数の放射素子106を含む。ビームドライバ増幅器(図示せず)からの入来信号112は、ウィルキンソン分割器ネットワーク102によって、放射素子106の数に対応する、信号の数に分割される。次いで、各信号は増幅器モジュール104によって増幅される。それはSSPAを含む。次いで、各増幅された信号は放射素子106に与えられる。それは、方向114(例えばアンテナのボアサイト)に一般に進む電磁波を生成する。マルチビームアレイはすべてのビーム用にビームドライバ増幅器およびウィルキンソン分割器ネットワークを含む。ビームは次いでウィルキンソン結合器ネットワークを用いて結合され、複合信号は次いで増幅器モジュールに与えられる。従来のタイルアレイシステムでは、増幅器モジュール104は、アンテナのボアサイトに垂直に向き付けられる。
【0007】
タイルアレイ構成を有するフェーズドアレイシステムはそれらのブリック相対物より少数のケーブルおよびコネクタを含んでもよいが、タイルアレイシステムはいくつかの否定的局面を有する。まず、増幅器モジュール104がアンテナのボアサイトに垂直に向き付けられるので、増幅器モジュール104の物理的な寸法は、アレイの格子間隔(例えば放射素子106の間の距離)に制限される。アレイの格子間隔は動作頻度増加につれて減少し、従って、増幅器モジュール104の物理的な寸法は、動作頻度が増加するにつれ、より小さくなるはずである。たとえば、λがRF信号の自由空間波長である場合、典型的なフェーズドアレイシステムは妥当なグレーティングローブフリーの性能を与えるために、およそ0.5のλ格子間隔を有してもよい。より高速の動作周波数(例えば、Ku−帯周波数かまたはそれより高い周波数)では、格子間隔は、十分に小さな寸法を有する増幅器モジュールだと現在の半導体生産技術を用いては容易に製造可能ではないかもしれないような非常に小さなものかもしれない。
【0008】
さらに、より大きな層数(例えば28以上)が、ウィルキンソン結合器ネットワーク102、電力線、制御線および放射素子106を実現するために用いられてもよい。多数のビアおよび伝送線路が層の内に存在するので、1つ以上の欠陥ビアまたは伝送線路が新しく製造されたPWBの内に存在するかもしれない大きな可能性が存在する。さらに、伝送線路またはビア欠陥の場合には、PWBの再補整は困難かもしれないしまたは不可能かもしれない。従って、製造歩留まりは、特に大きなアレイ(例えば何百または何千もの放射素子を備えたアレイ)を支持するPWBにおいては、比較的低いかもしれない。
【0009】
タイルアレイ構成の別の負の局面はPWB層を通して熱を放散することに関する。いくつかのフェーズドアレイシステムについては、高い電力レベル(例えば2〜8ワット(W))が各増幅器モジュール(例えば各SSPA)から必要かもしれない。PWB材料は一般に貧弱な熱導電体であるので、耐えられない熱勾配が、増幅器モジュールに近いPWB層の内に生成されるかもしれない。
【0010】
フェーズドアレイアンテナシステムのためのブリックアレイ構成はタイルアレイ構成に対する代替例を与える。ブリックアレイ構成も平面構造を含み、その上において放射素子のアレイが位置決めされる。増幅器モジュールのアレイおよびウィルキンソン結合器ネットワークが平面構造の下に位置する。しかしながら、増幅器モジュールはアンテナのボアサイトと平行して配置される。従って、ブリックアレイ構成は、ブリックアレイ構成の増幅器モジュールが放射素子の格子間隔によって全く制限されるとは限らないという点で、タイルアレイ構成より優れている。従って、ブリックアレイ構成は、タイルアレイ構成より高速の周波数で動作するようにされてもよい。
【0011】
しかしながら、ブリックアレイ構成の負の局面は、それが多くのRFケーブル/コネクタ型の相互接続を含むということである。これらの相互接続は高価であり、組み立てが困難で、システムにかなりな量の重量を加える。さらに、コネクタは、(例えば宇宙船の打ち上げ中の)高い振動状況において外れやすい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0012】
比較的高周波で動作し、改善された熱性能、製造歩留まり、重量、信頼性および/またはコストを有するフェーズドアレイシステム、装置および方法を与えることは望ましい。この発明の主題の実施例の他の望ましい特徴および特性は、添付図面ならびに先の技術分野および背景に関連して、以下の詳細な説明および特許請求の範囲から明らかになるだろう。
【図面の簡単な説明】
【0013】
図面の簡潔な説明
さまざまな実施例が、以下の図面に関連して下に記載され、そこでは同様の番号は同様の要素を示す。
【図1】タイルアレイアンテナに関連付けられた複数の層のPWBの分解図を示す。
【図2】この発明の主題の例示的実施例に従った、単一ビームの送信フェーズドアレイアンテナシステムの単純化されたブロック図である。
【図3】例示的実施例に従った、2ビームの送信フェーズドアレイアンテナシステムの単純化されたブロック図である。
【図4】従来の8ビーム送信フェーズドアレイアンテナシステム用の1組の減衰器/移相器およびビーム結合器の概略を示す。
【図5】従来の送信フェーズドアレイアンテナシステムのビーム結合器ネットワークのレイアウトを示す。
【図6】例示的実施例に従って、8ビーム送信フェーズドアレイアンテナシステムの減衰器/移相器の組およびビーム結合器の概略を示す。
【図7】例示的実施例に従って、H形状結合器のレイアウトを示す。
【図8】8ビーム8素子送信フェーズドアレイアンテナシステム用の、列パネル、およびRFマニホルドと従来のビーム形成器モジュールとの間の相互接続を示す。
【図9】8ビーム8素子送信フェーズドアレイアンテナシステム用の、列パネル、およびRFマニホルドとビーム形成器モジュールとの間の相互接続を示す。
【図10】例示的実施例に従って、フェーズドアレイアンテナアセンブリの側面図を示す。
【図11】例示的実施例に従って、フェーズドアレイアンテナアセンブリの正面図を示す。
【図12】例示的実施例に従って行列に配置された複数のアンテナアセンブリの側面図を示す。
【図13】例示的実施例に従って、フェーズドアレイアンテナシステムについての三次元の図を示す。
【図14】例示的実施例に従って、フェーズドアレイアンテナシステムを製造する方法のフローチャートを示す。
【発明を実施するための形態】
【0014】
詳細な説明
以下の詳細な説明は、本質において単に例示的で、記載された実施例または記載された実施例の適用および使用を制限するようには意図されない。更に、先の技術分野または背景、または以下の詳細な説明に示された、いかなる明示的または暗示的理論に縛られるようにも意図されない。
【0015】
この発明の主題の実施例は、従来のタイルアレイおよびブリックアレイ構成から区別する1つ以上の特徴を有するフェーズドアレイアンテナ装置、アセンブリ、およびシステムを含む。他の実施例は、さまざまなフェーズドアレイアンテナシステムを用いて信号を送信し受取る方法を含む。さらに、他の実施例は、フェーズドアレイアンテナアセンブリを製造する方法を含む。
【0016】
図2は、この発明の主題の例示的実施例に従った、単一ビームの送信フェーズドアレイアンテナシステム200の単純化されたブロック図である。ある実施例では、アンテナシステム200はビームドライバ202、RFマニホルド204、複数のRF電子機器モジュール206および複数の放射素子208を含む。
【0017】
示された実施例では、システム200は4つのRF電子機器モジュール206および4
つの放射素子208を含む。他の実施例では、システムはより多くの(例えば何十、何百または何千もの)RF電子機器モジュール206および放射素子208を含んでもよい。ある単純化された単一ビームの4素子システムが、説明を容易にするために示される。
【0018】
ビームドライバ202は、ホストシステム(例えば人工衛星に搭載されたプロセッサシステム)の別の構成要素(図示せず)から入力RF信号220を受取る。たとえば、入力RF信号220は、複数の意図した受取側のための通信データを含む多重通信信号を含んでもよい。代替的には、入力RF信号220は、たとえば、レーダ信号を含むが、それには限定されない、他の種類の信号を含んでもよい。ビームドライバ202は、入力RF信号220を前置増幅して、増幅された入力RF信号222を生成する。入力RF信号220の増幅は、信号がRFマニホルド204で分割されるときに生じる信号電力減少を補償し、かつ所望の動作点に増幅器208を駆動するために十分な信号レベルを与えるために実行される。
【0019】
RFマニホルド204は受動的RF電力分割器として機能する。従って、RFマニホルド204は、増幅された入力RF信号222を受取り分割して、複数のRF信号224を生成する。ある実施例では、RFマニホルド204は増幅された入力RF信号222をNARRAY個のRF信号224に分割する。NARRAYは放射素子210の数と等しい。各RF信号224は放射素子210の特定の1つに関連付けられたビーム経路に対応する。RFマニホルド204は一つから複数の段を含んでもよく、各段はその入力信号を複数の出力信号に分割してもよい。たとえば、NARRAY=500については、RFマニホルド204は2つの段を含んでもよく、第1の段は1:5信号分割を行ない、第2の段は1:10信号分割を行なう。従って、単一の入力信号については、第1の段は5つの出力信号を生成するだろう。また、第2の段は500の出力信号を生成するだろう。各段はさまざまな実施例において、同じまたは異なる入力信号対出力信号比を有してもよい。ある実施例では、各RF信号224の電力は、P/NARRAY―PLOSSにおおよそ等しく、Pは増幅された入力RF信号222の電力であり、PLOSSは各ビーム経路のRFマニホルド204を通しての伝導性の損失である。さらに、RF電力分割は非一様であってもよい(例えば出力ポートでの不等の電力レベル)。
【0020】
RF電子機器モジュール206は複数のRF信号224を受取る。ある実施例では、各RF電子モジュール206は減衰器240および移相器242を含む。それらはともにビーム形成器を含むと考えられてもよい。さらに、ある実施例では、各RF電子モジュール206は増幅器208を含んでもよい。代替の実施例では、増幅器208は別個のモジュールに含まれてもよい。
【0021】
各ビーム経路に沿って、減衰器240は、RF信号224のひとつを受取り重み付けを適用して、減衰されたRF信号226をある実施例において生成する。代替の実施例では、RF信号224は減衰されず、減衰器240はシステム200から排除されてもよい。移相器242は、移相を、減衰されたRF信号226に(または、減衰器が排除される場合には、RF信号224のうちの1つに)適用して、移相されたRF信号228を生成してもよい。別の実施例では、信号は移相された後減衰されてもよい(例えば、減衰器240および移相器242が逆の順序で生じてもよい)。増幅器208は、移相されたRF信号228を受取り増幅して、増幅されたRF信号230を生成する。ある実施例では、各ビーム経路に沿って、各増幅器208は少なくとも1つのSSPAを含む。
【0022】
各放射素子210は増幅されたRF信号230を受取り放射して出力信号232を生成する。それは空気インターフェース上に放射される。ある実施例では、放射素子210は、各増幅されたRF信号230ごと(例えば各ビーム経路ごと)に存在する。放射素子210は、さまざまな実施例において、一偏波または二偏波される出力信号232を生成す
るよう構成されてもよい。
【0023】
上の図2の記載は、送信アンテナシステム200のための信号処理を記載する。受信フェーズドアレイアンテナシステム(図示せず)は、図2に示された送信フェーズドアレイアンテナシステム200と類似点を有する。また、受信アンテナの実施例はこの発明の主題の範囲内に含まれる。受信アンテナシステムのための信号処理をここに簡潔に記載する。
【0024】
受信アンテナシステムについては、各放射素子(例えば放射素子210の相対物)は、空気インターフェースから無線アナログ信号を受取り、RF入力信号を生成する。増幅器(例えば増幅器208の相対物)は、RF入力信号を受取り増幅して、増幅されたRF信号を生成する。移相器(例えば移相器242の相対物)は、増幅されたRF信号を受取り、移相を適用する。次いで、減衰器(例えば減衰器240の相対物)は、重み付けを移相されたRF信号に適用して、減衰されたRF信号を生成してもよい。減衰器は代替的に排除されてもよい。
【0025】
受信アンテナシステムについては、RFマニホルド(例えばRFマニホルド204の相対物)は受動的RF電力結合器として機能する。従って、RFマニホルドは、移相されたRF信号を受取り結合して、RFマニホルド出力信号を生成する。先に記載されるように、RFマニホルドは1つから複数の段を含んでもよい。受信アンテナについては、最終段が単一の出力信号を生成するまで、各段は複数の入力信号をより少数の出力信号に組合せてもよい。
【0026】
ビームドライバは受信アンテナシステムに含まれない。代りに、受信アンテナシステムは低雑音増幅器(LNA)(図示せず)を含んでもよい。それはRFマニホルド出力信号を受取る。LNAは、RFマニホルド出力信号を増幅してLNA出力信号を生成してもよい。代替的には、受信アンテナシステムはLNAを含まなくてもよい。受信アンテナシステムの出力信号は、ホストシステムの他の構成要素(図示せず)によってさらに処理されてもよいし、または操作されてもよい。
【0027】
図3は、例示的実施例に従って、2ビームの送信フェーズドアレイアンテナシステム300の単純化されたブロック図を示す。アンテナシステム300はある実施例において、各ビームごとにビームドライバ302およびRFマニホルド304を含む。さらに、アンテナシステム300は、ある実施例において、各放射素子310ごとにビーム形成器モジュール306および増幅器モジュール308を含む。NBEAMがアンテナシステム300によって与えられるビームの数である場合、アンテナシステム300は特にNBEAM個のビームドライバ302およびRFマニホルド304を含む。NELEMENTがアンテナシステム300に含まれる放射素子310の数である場合、アンテナシステム300はさらにNELEMENT個のビーム形成器モジュール306および増幅器モジュール308を含む。
【0028】
示された実施例では、システム300は2つのビームドライバ302およびRFマニホルド304を含む。他の実施例では、複数ビームシステムはより多くのビームドライバ302およびRFマニホルド304を含んでもよい。換言すれば、複数ビームのフェーズドアレイアンテナシステムは、2つから多くのビーム(例えば2から64まで、またはそれ以上)を与えてもよい。与えられるビームの数は2の因数(例えば2n)であってもよい。または、他のなんらかの数であってもよい。示されたシステムはさらに4つのビーム形成器モジュール306、増幅器モジュール308および放射素子310を含むと示される。他の実施例では、システムはより多くの(例えば何十、何百または何千もの)ビーム形成器モジュール306、増幅器モジュール308および放射素子310を含んでもよい。単純化された、2ビームの4素子システムを、説明を容易にするよう示す。
【0029】
送信モードにおいて、ビームドライバ302は、入力RF信号320、321を、ホストシステム(例えば人工衛星に搭載されたプロセッサシステム)の1つ以上の他の構成要素(図示せず)から受取る。たとえば、入力RF信号(例えば信号320)は多重通信信号を含んでもよい。それは、複数の意図した受取側のための通信データを含む。代替的には、入力RF信号320、321は、たとえば、レーダ信号を含むが、それらには限定されない、他の種類の信号を含んでもよい。ビームドライバ302は、入力RF信号320、321を前置増幅して、増幅された入力RF信号322、323を生成する。入力RF信号320、321の増幅は、信号がRFマニホルド304で分割されるときに生じる信号電力減少を補償し、かつ所望の動作点に電力増幅器を駆動するために十分な信号レベルを与えるために実行される。
【0030】
RFマニホルド304は、送信モードにおける動作中、受動的RF電力分割器として機能する。従って、RFマニホルド304は、増幅された入力RF信号322、323を受取り分割して、RF信号324、325、326、327、328、329、330、331の複数の組を生成する。ある実施例では、各RFマニホルド304はそれのそれぞれの増幅された入力RF信号322、323をNARRAY個のRF信号324−331に分割する。NARRAYは放射素子310の数と等しい。従って、たとえば、NARRAY=4およびNBEAM=2のとき、各RFマニホルド304は4つのRF信号を生成してもよく、結果、合計8つのRF信号324−331をもたらす。各RFマニホルド304は一つから複数の段を含んでもよく、各段はその入力信号を複数の出力信号に分割してもよい。
【0031】
ビーム形成器モジュール306はRFマニホルド304から出力されるRF信号324−331を受取る。先に述べられるように、システム300はNELEMENT個のビーム形成器モジュール306を含む。ある実施例では、各ビーム形成器モジュール306はNBEAM個の減衰器350(「ATT」)、NBEAM個の移相器352(「PS」)およびビーム結合器354を含む。各ビーム/素子組み合せに対する減衰器350および移相器352は、ブロック350および352におけるかっこに表示される。たとえば、「ATT(Bl−El)」は、ビーム1および素子1に関連付けられた経路に沿った減衰器350を示す。
【0032】
先に記載されるように、各減衰器350および移相器352はそれぞれ入力RF信号324−331のうちの1つを減衰および移相してRF信号332、333、334、335、336、337、338、339を生成してもよい。最終的には、信号は、移相器352によって適用された位相重みに基づくアンテナの遠距離電磁界で明確に受け取り可能になる。
【0033】
各ビーム結合器354は、NBEAM個のRF信号332−339を結合してNELEMENT個の複合RF信号340、341、342、343を生成する。受信モードでは、ビーム結合器354は、ビーム分割器の役割をする。従って、この構成要素はより一般的にビーム結合器/分割器と呼ばれてもよい。ある実施例では、ビーム結合器354は、合計NARRAY個の複合RF信号340−343を生成する。増幅器モジュール310内の増幅器は、ビーム形成器モジュール306に動作可能に接続される。これらの増幅器は、複合RF信号340−343を受取り増幅して、増幅された複合RF信号344、345、346、347を生成する。次いで、増幅器に動作可能に接続される放射素子310は空気インターフェース上に信号348を放射する。さまざまな実施例において、後で記載されるように、実質的に、RFマニホルド304、ビーム形成器モジュール306、増幅器モジュール308および放射素子310のすべてまたは部分は、PWBアセンブリに内に埋込まれるか、またはそれに取付けられてもよい。さらに、これらのさまざまなモジュール間の相互接続のうちのいくつかはPWBアセンブリ内に埋込まれてもよい。
【0034】
上の図3の記載は、複数ビームの送信アンテナシステム300のための信号処理を記載する。複数ビームの受信フェーズドアレイアンテナシステム(図示せず)は、図3に示された複数ビームの送信フェーズドアレイアンテナシステム300と類似点を有する。また、受信アンテナの実施例はこの発明の主題の範囲内に含まれる。送信アンテナシステム(例えばシステム300)と異なり、複数ビームの受信フェーズドアレイアンテナシステムはビームドライバ(例えば、ビームドライバ302(図3))を含まないが、その代り、図2の説明に関連して先に記載されるように、低雑音増幅器(LNA)を含んでもよい。さらに、複数ビームのフェーズドアレイアンテナシステムは、ビーム結合器(例えば、ビーム結合器354(図3))ではなく、各素子ごとにビーム分割器を含む。単一ビームの受信アンテナシステムのための信号処理を先に図2に関連して記載した。その記載は複数ビームの受信アンテナシステムのための信号処理を記載するよう推定されてもよい。しかしながら、簡潔さのため、その記載はここには含まれない。
【0035】
図2および図3が関係する記載は一偏波アレイに関する。実施例はさらに二偏波アレイを含むと理解される。二偏波アレイでは、単一の放射素子は同時に2つの独立した直交する信号を放射(または受取る)してもよい。図2および図3に関連して示され記載されたシステムは、各偏波ごと、および各ビームごとに、2つのビームドライバおよびRFマニホルドを含むよう修正されてもよい。さらに、図2および図3に関連して示され記載されたシステムは、各二偏波放射素子ごとに、2つのビーム形成器モジュールおよび2つの増幅器モジュールを含むよう修正されてもよい。二偏波アレイの実施例はここに詳細には記載されない。
【0036】
図4〜図9に関連して、複数ビームのフェーズドアレイアンテナシステム用のさまざまな概略図、レイアウトおよびパネルアセンブリが、従来のシステム用、およびこの発明の主題の実施例を実現するシステム用の、さまざまなシステムモジュールおよび構成要素のビーム形成器モジュール、RFマニホルドおよび向き付けに関する、区別を与える特徴を示すために記載される。図4および図5は、従来の技術を使用する複数ビームのフェーズドアレイアンテナシステムに対応する。図6および図7はさまざまな実施例の複数ビームのフェーズドアレイアンテナシステムに対応する。
【0037】
簡潔さのため、図4〜図9に示されるモジュールおよびシステムは、それらが送信モードで動作している場合のように記載される。受信モードにおける動作はここには詳細には記載されない。この発明の主題の実施例は、送信モードまたは受信モードのいずれかにおけるアンテナ動作に関する実施例を含むように意図される。
【0038】
図4は、従来の8ビーム送信フェーズドアレイアンテナシステム用の減衰器/移相器402の組およびビーム結合器404の概略を示す。減衰器/移相器402およびビーム結合器404は、単一のビーム形成器モジュールの一部であってもよい。減衰器/移相器402は、入力信号410を受取り減衰して移相をそれら信号に適用する。そこでは、各適用された移相は、異なるビームごとの位相重み付けに対応する。ビーム結合器404は移相された出力信号412を受取り結合して複合RF信号414を生成する。
【0039】
従来のビーム結合器404は、3つの層420、422、424を有する8ウェイ結合器ネットワークを含む。送信モードにおいて、第1の層420は4つの従来の2ウェイウィルキンソン結合器ネットワークを含み、それらの各々は8つの入力信号412の対を結合して4つの第1層出力信号416を生成する。ウィルキンソン結合器ネットワークは2つの入力ポートおよび1つの出力ポートを含む。さらに、ウィルキンソン結合器ネットワークは複数の四分の一波長変成器および分離抵抗器を含む。
【0040】
8ウェイ結合器の第2の層422は2つの従来の2ウェイウィルキンソン結合器ネットワークを含み、それらの各々は4つの第1層出力信号416の対を結合して2つの第2層出力信号418を生成する。第3の層424は、第2の層出力信号418を結合して複合RF信号414を生成する1つの従来の2ウェイウィルキンソン結合器ネットワークを含む。次いで、出力信号414は、放射素子に与えられる前に、増幅されてもよい。
【0041】
図5は、従来の送信フェーズドアレイアンテナシステムのビーム結合器のレイアウト500を示す。たとえば、レイアウト500はビーム結合器404(図4)用のレイアウトであってもよい。レイアウト500は入力コネクタ502、結合器ネットワーク504および出力コネクタ506を含む。入力コネクタ502および出力コネクタ506は「仮想の」同軸コネクタであり、各々、単一のRF信号ビアを囲む複数の接地ビアを含む。図5が示すように、すべての入力コネクタ502は結合器ネットワーク504の一方の側510近くに位置決めされ、出力コネクタ506は結合器ネットワーク504の別(たとえば反対)の側512近くに位置決めされる。
【0042】
結合器ネットワーク504は入力コネクタ502を通して複数の移相された入力信号を受取り、RF入力信号を複合RF出力信号に結合する。複合RF出力信号は出力コネクタ506を通して与えられる。結合器ネットワーク504は8ウェイ結合器ネットワークを含む。図4に関連して記載されるように、それは、従来のウィルキンソン結合器ネットワークの3つの層514、516、518を用いて実現される。従来のシステムでは、mウェイ(m=2n)結合器ネットワークはn個の層を含むことになる。そこでは、各層は、信号対を結合して入力信号の半分の出力信号を生成する。
【0043】
ウィルキンソン結合器を用いる従来の複数層結合器では、伝導性の経路の全長は、層の数が増加するにつれ、結合器の入力と出力との間で増加する。従って、挿入損(例えば、金属の伝導性の損失)も増加する。所望の電力レベルで出力RF信号を達成するためには、システムは、複数のウィルキンソン結合器段を備えた従来の複数層結合器に内在する挿入損を補償する十分な電力を有する入力RF信号を与えるべきである。たとえば人工衛星または他のバッテリで駆動されるシステムのような、電力を制限されたシステムにおけるそのような損失を最小限にすることが望ましい。
【0044】
この発明の主題の実施例は、従来の複数層結合器を実現するビーム結合器より著しく低い挿入損を有するであろうmウェイビーム結合器を与える。図6および図7に関連して説明されるように、この発明の主題の実施例は入力RF信号と出力RF信号との間の全体的な距離を減じるであろう「H形状」構成を有するビーム結合器を含む。
【0045】
図6は、例示的実施例に従って、8ビーム送信フェーズドアレイアンテナシステムの減衰器/移相器602の組およびビーム結合器604の概略を示す。減衰器/移相器602およびビーム結合器604は、単一のビーム形成器モジュール(例えばモジュール306(図3))の一部であってもよい。簡潔さのため、減衰器/移相器602およびビーム結合器604は、それらが送信モードで動作している場合のように、記載される。従って、ビーム結合器604は複数の移相されたRF信号を結合することにより単一の複合RF出力信号を生成するものとして記載されることになる。受信モードにおいて、ビーム結合器604は、代替的に、単一の複合RF信号を複数の出力RF信号に分割するビーム分割器として機能してもよいことが理解される。しかしながら、受信モードにおける動作はここには詳細には記載されない。
【0046】
減衰器/移相器602は、入力信号610を受取り減衰して移相をそれら信号に適用する。そこでは、各適用された移相は、異なるビームごとの位相重み付けに対応する。ビーム結合器604は移相された出力信号612を受取り結合して複合RF信号614を生成
する。
【0047】
ある実施例に従うと、ビーム結合器604は、2つの層620、622を有する8ウェイ結合器ネットワークを含む。送信モードにおいて、第1の層620は4ウェイ結合器ネットワークを含み、それは8つの入力信号612の対を結合して2つの第1層出力信号616を生成する。8ウェイ結合器ネットワークの第2の層622は2ウェイウィルキンソン結合器ネットワークを含み、それは2つの第1層出力信号616を結合して複合の第2層出力信号614を生成する。次いで、出力信号614は、(例えば図3の増幅器モジュール308によって)増幅されてから、放射素子(例えば放射素子310(図3))に与えられてもよい。ビーム結合器604は、ここにおいて、「H形状」結合器として言及され、なぜならば、図6および図7に示されるように、入力、伝送線路および出力の向きがおおよそH形状を有するからである。
【0048】
図7は、例示的実施例に従って、H形状ビーム結合器のレイアウト700を示す。たとえば、レイアウト700はビーム結合器604(図6)用のレイアウトであってもよい。図6の記載でのように、簡潔さのため、結合器が送信モードで動作している場合のように、レイアウト700は記載される。レイアウト700は入力コネクタ702(またはポート)、結合器ネットワーク704および出力コネクタ706(またはポート)を含む。入力コネクタ702および出力コネクタ706はある実施例では、仮想の同軸コネクタを含んでもよく、各々、単一のRF信号ビアを囲む複数の接地ビアを含んでもよい。特定の実施例では、入力コネクタ702および出力コネクタ706は、他のアンテナ構成要素または基板上に装着されてもよい仮想の同軸コネクタを含んでもよい。
【0049】
ビーム結合器704は入力コネクタ702を通して複数のRF入力信号を受取り、RF入力信号を単一の複合RF出力信号に結合する。複合RF出力信号は出力コネクタ706を通して与えられる。ビーム結合器704は、ある実施例では、2層を用いて実現されるH形状の8ウェイ結合器ネットワークを含む。他の実施例では、ビーム結合器は8つを越えるRF入力信号を複合RF出力信号に結合してもよい。
【0050】
ある実施例では、第1の層は、各々約0.7071Zoの回線インピーダンスをともなう四分の一波長インピーダンス変成器を含む。変成器は、各変成器線の出力で信号インピーダンスを約0.5Zoに変成し、各出力は次いで第2の層において結合される。第2の層は、各々約Zoの終端インピーダンスをともなう2つの2ウェイウィルキンソン結合器を含む。ある実施例の8ウェイ結合器ネットワークは、3つではなく、2つの層を含んでおり、第3の層に関連付けられた伝送線路をこのように含んでいないので、入力と出力との間の伝導性の経路の長さは、従来の8ウェイウィルキンソン結合器ネットワーク用の伝導性の経路の長さより実質的に短いだろう。従って、この発明の主題の実施例を用いて、ビーム結合器702を介した挿入損は従来のウィルキンソン結合器ネットワークに対する挿入損よりも著しく少ないであろう。H形状のビーム結合器の実施例は多くの2nウェイ結合器ネットワークにあてはまってもよい。これらの代替の実施例では、すべて、いくらかまたは1つほどの層(例えば入力コネクタに接続された層)は、H形状を有してもよい。
【0051】
図7のビーム結合器704を、図5のビーム結合器504と比較するとき、さまざまな違いが明らかである。たとえば、図7のビーム結合器704は、図5のビーム結合器504の一方の側512近くではなく、ビーム結合器704の中央部近く(例えば、H形状の水平部材の中央近く)に位置決めされる出力コネクタ706を含む。さらに、図7のビーム結合器704の入力コネクタ702は、出力コネクタ502からの図5のビーム結合器504の一つの反対側510近くではなく、ビーム結合器704の複数の側710、712近く(例えば、H形状の頂部側および底部側近く)に位置決めされる。
【0052】
ある実施例では、この区別は、図5のビーム結合器504の入力コネクタ502と出力コネクタ506との間の伝導性の経路の長さと比較して、入力コネクタ702と出力コネクタ706との間に著しくより短い伝導性の経路を有してもよいビーム結合器704を与える。従って、この発明の主題の実施例は、従来のビーム結合器(例えば、ビーム結合器504(図5))より低い挿入損を有するビーム結合器(例えば、ビーム結合器704(図7))を含んでもよい。これは、この発明の主題の実施例によって消費される直流電力を減じるという利点を与えるであろう。
【0053】
図3に関連して先に論じられるように、複数ビームのフェーズドアレイアンテナシステムは、NBEAM個のRFマニホルド(例えばRFマニホルド304(図3))に接続されるNELEMENT個のビーム形成器モジュール(例えばビーム形成器モジュール306(図3))を含んでもよい。RFマニホルドは、従来のシステムで、実現するのにかなりの数のPWB層をとる。さまざまな実施例に従って、H形状ビーム結合器(または、受信アレイに対しては、ビーム分割器)のための入力および出力の構成は、相互接続RFマニホルドが、著しくより少数のPWB層を用いて実現されることを可能にする。従来のビーム形成器モジュールを備えた複数ビームのフェーズドアレイアンテナシステム用、およびさまざまな実施例による複数ビームのフェーズドアレイアンテナシステム用のRFマニホルドが、図8および図9に関連してそれぞれ示され記載される。
【0054】
図8は8ビームの8素子送信フェーズドアレイアンテナシステムのための行パネル800およびRFマニホルド812を示す。図8は特に行パネル800を示す。それは8つの放射素子802、8つの増幅器モジュール804および8つのビーム形成器モジュール806を含む。ビーム形成器モジュール806の1組の対応する入力810(またはポート)が、複数層PWBの層に配置されたストリップ線路RFマニホルド812と相互接続される。従来の技術を用いて、対応する入力の単一の組用のRFマニホルド812が2つのPWB層を用いて実現される。明瞭性のため示されないが、同様に構成されたRFマニホルドが、(例えば他の7つのビーム用の)対応する入力の他の7つの組のために含まれる。対応する入力の組の物理的構成のために、対応する入力の各組に対するRFマニホルドは、2つの別個の区別されるPWB層を用いて、層内のRF伝送線路のクロスオーバーを回避する。従って、8ビームフェーズドアレイアンテナシステムに対し、RFマニホルドは実現するべき少なくとも16のPWB層を含む。
【0055】
さらに、およそ4〜6層が、直流電圧、制御データおよびクロック線を担持するために用いられてもよい。従って、およそ20〜22層が行パネル相互接続に用いられる。仮想の同軸の相互接続の損失は非常に多くの層を通して高いかもしれないので、信号増幅のレベルは、相互接続配線のストリップ線路損失を回復し、かつ妥当に低いシステム雑音係数を維持するのに十分に高くあるべきである。より高い増幅は直流電力消費を増加させ、従来のビーム形成器モジュールを用いるフェーズドアレイアンテナシステムにある熱放散問題の一因となる。
【0056】
図9は、例示的実施例に従って、8ビームの8素子送信フェーズドアレイアンテナシステムのための行パネル900およびRFマニホルド912、916を示す。図9は特に行パネル900を示す。それは複数の放射素子902、複数の増幅器モジュール904および複数のビーム形成器モジュール906を含む。行パネル900は8つの各々の放射素子902、増幅器モジュール904およびビーム形成器モジュール906を含むが、行パネルサイズはさまざまな実施例においてNELEMENTのいかなる整数でもあり得る。
【0057】
ビーム形成器モジュール906の対応する入力910(またはポート)の第1の組が、複数層PWBの層に配置された第1のストリップ線路RFマニホルド912と相互接続さ
れる。RFマニホルド912は、複数のビーム形成器モジュール906の対応するポートの第1の組間の相互接続を表す。さらに、対応する入力914の第2の組が、第2のストリップ線路RFマニホルド916と相互接続される。RFマニホルド916は、複数のビーム形成器モジュール906の対応するポートの第2の組間の相互接続を表す。明瞭性のため示されないが、同様に構成された相互接続配線が(例えば他の6つのビーム用の)対応する入力の他の6つの組のために含まれる。対応する入力の組の物理的構成のため、さまざまな実施例に従って、ビーム形成器モジュール906の対応する入力914の第2の組は、RFマニホルド912と916との間のクロスオーバーを生じさせることなく、対応する入力910の第1の組用のRFマニホルド912と同じPWBの層に配置された、RFマニホルド916と相互接続されてもよい。従って、8ビームフェーズドアレイアンテナシステムについては、RFマニホルド912および916は、従来のビーム形成器モジュール(例えばモジュール806(図8))に関連して用いられる16の層に対立するものとして、8つほどのPWB層を含んでもよい。
【0058】
より少数の層がRFマニホルドを実現するために用いられてもよいので、仮想の同軸の相互接続の損失は従来のビーム形成器モジュールを用いて遭遇した損失より著しく低いであろう。従って、この発明の主題の実施例を用いて、信号増幅のレベルはより低く、それにより、直流電力消費および熱発生を減じるであろう。
【0059】
上に記載されるように、この発明の主題の実施例は、従来のフェーズドアレイアンテナシステムと関連付けられるものとは異なって構成されるビーム結合器およびRFマニホルドを含んでもよい。実施例は、さらに、または代替的に、PWB基板と一体的に接続される放射素子を含む他の卓越した特徴を含んでもよい。実施例は、さらに、または代替的に、熱を発生する素子(例えばSSPA)と熱放散装置との間の優れた熱的経路を与える他の特徴を含んでもよい。他の卓越した特徴および/または特徴の組み合せは、さまざまな実施例の中にあってもよい。これらの卓越した特徴を、以下に詳細に記載する。
【0060】
図10は、フェーズドアレイアンテナアセンブリ1000の側面図を示す。また、図11は、例示的実施例に従って、フェーズドアレイアンテナアセンブリ1000の正面図を示す。ある完全なアンテナシステムは、複数のアセンブリ1000を含んでもよい。図10および図11を同時に参照して、アセンブリ1000はある実施例において、2つの複数層PWB1002、およびヒートシンク1004を含む。各PWB1002は、ある実施例では、直交放射素子1008が接続される複数の一体的放射素子1006を含む。直交放射素子1008は、一体的放射素子1006に直交して配列され、PWB1002に接続される。さらに、少なくとも1つの制御電子機器モジュール1010、電力制御モジュール1011、入出力RFコネクタ1012、ビーム形成器モジュール1014および増幅器モジュール1016が、ある実施例では各PWB1002に接続される。
【0061】
第1のPWB1002は、ヒートシンク1004の第1の側に接続されることを示される。また、第2のPWB1002は、ヒートシンク1004の第2の側に接続されることを示される。ヒートシンク1004は、ある実施例では、液体またはガスの冷媒がそれを通って流れてもよい少なくとも1つのチャネル1020を含んでもよい。たとえば、ヒートシンク1004は、2つのチャネル1020を有する2重ボアのヒートシンクを含んでもよい。チャネル1020は、アンモニアまたはなんらかの他の冷媒がその中を通って流れて、PWB1002、およびPWB1002に接続されたさまざまな電子機器から熱を取り出すことを容易にするよう構成されてもよい。
【0062】
PWB102はたとえば、ストリップ線路導電体が上に形成されかつビアが中を通って形成される複数の積層された誘電体層(例えば有機基板)を含んでもよい。RFマニホルド(例えばRFマニホルド304(図3))の実質的にすべてまたは一部分を、ある実施
例ではPWB102の内に埋込んでもよい。これは、従来のシステムに比して、ケーブルとコネクタとがRF信号をビーム形成器モジュールへ運ぶ必要性をなくすという利点がある。さらに、ある実施例では、一体的放射素子1006、制御線(図示せず)およびDC線(図示せず)は単一のPWB1002に統合されてもよい。さまざまな実施例では、上に記載されるように、従来のネットワーク内で用いられるより少数のPWB層がRFマニホルドおよび放射素子を実現するために用いられるように、ビーム形成器モジュールおよび放射素子1006は構成される。たとえば、1つの層は各対のRFマニホルドのためのストリップ線路相互接続を実現するために用いられてもよく、4〜6層はDC線および制御線を経路付けるために用いられてもよい。一体的放射素子1006はPWBの別個の領域に位置するので、一体的放射素子1006は、RFマニホルド、DC線または制御線層の1つ以上の上に実現されてもよい。上記の例を用いて、8ビームフェーズドアレイアンテナアセンブリ用のPWBは、従来のフェーズドアレイアンテナアセンブリのための20〜22の層と比較して、さまざまな実施例に従って、約12〜16の層を含んでもよい。
【0063】
より少数のPWB層を有することの利点は、垂直の同軸の相互接続損失が、より多くのPWB層を含む従来のフェーズドアレイアンテナアセンブリを用いて経験される損失より著しく低いであろうということである。さらに、より小さな層数および減じられたビア高さはPWB欠陥について減じられた可能性を有するので、PWB製造歩留まりはより高いであろう。従って、この発明の主題の実施例は、実施例がより安価でありかつより信頼性が高く、製造するのにより複雑にならないことに加えて従来のシステムのための対応するアセンブリよりも重量が小さいという点において、従来のシステムを越える1つ以上の利点を有するであろう。
【0064】
PWB1002は、電子機器搭載表面1022およびヒートシンク取付け表面1024を含む。ヒートシンク取付け表面1024はヒートシンク1004に接続される。ビーム形成器モジュール1014および増幅器モジュール1016は電子機器搭載表面1022に取付けられる。ある実施例では、ビーム形成器モジュール1014および増幅器モジュール1016は、バネ押し接点(例えば「ファズボタン」)を含んでもよい仮想の同軸コネクタ(例えばコネクタ702、706、図7)を用いて、PWB1002と接続される。代替の実施例では、ビーム形成器モジュール1014および増幅器モジュール1016のうちのいくらかまたはすべての構成要素は、離散的なモジュールに含まれるのではなく、PWB1002に直接取付けられてもよい。
【0065】
PWB1002は、ある実施例では、増幅器モジュール1016近くに位置決めされ、電子機器搭載表面1022とヒートシンク取付け表面1024との間を延びる開口部1026を含む。開口部1026は増幅器が直接ヒートシンク1004と接触することを可能にするようにされる。SSPA(図示せず)および/または増幅器モジュール1016の別の部分は、PWB1002と組立てられた時、ある実施例では、開口部1026を通って延在して直接ヒートシンク1004と接する。従って、SSPAによって生成された熱は、従来のフェーズドアレイアンテナシステムで生じるように、PWBの層を通して伝えられるのではなく、ヒートシンク1004に直接伝えられてもよい。直接の増幅器モジュールの接触、およびSSPAからヒートシンクまでの直接の熱伝達は、ある実施例に従って、従来のシステムに対し、アセンブリ1000の熱放散特性における著しい改善を結果として生ずるだろう。
【0066】
一体的放射素子1006はPWB1002の1つ以上の層の中および/または表面に形成される。一体的放射素子1006はPWB1002の縁部近くに位置し、フェーズドアレイアンテナ装置のボアサイトと平行して向き付けられる。ある実施例では、一体的放射素子1006は、PWB1002の頂部の部分に沿って並んで配置される。
【0067】
ある実施例では、2つほどのPWB層が一体的放射素子1006を実現するために用いられてもよい。一体的放射素子1006はある実施例では、PWB1002の表面上にエッチングされてもよい端部出発型放射素子を含んでもよい。直交放射素子1008も、別の基板の表面上にエッチングされてもよい端部出発型放射素子を含んでもよい。直交する素子基板は機械的および電気的接続(図示せず)を用いてPWB1002に取付けられる。一体的放射素子1006および直交放射素子1008によって、アセンブリ1000は、第1の偏波を有する第1の信号の送信を、第2の偏波を有する第2の信号の送信と同時に行なうことができる。ある実施例では、一体的放射素子1006および直交放射素子1008は平坦な放射素子である。一体的放射素子1006および直交放射素子1008は、アセンブリ1000のボアサイトと同じ方向に向き付けられる。それは矢印1030によって概して示される方向である。
【0068】
PWB1002は第1の軸方向1032および第2の軸方向1034に沿ってそれぞれ規定された長さおよび幅の寸法を有する実質的に平面の構造を有する。ビーム形成器モジュール1014および増幅器モジュール1016も、第1および第2の軸方向1032、1034に沿って規定された長さおよび幅の寸法を有する実質的に平面の構造を有する。図10および図11が示すように、ある実施例では、ビーム形成器モジュール1014および増幅器モジュール1016は、それらの幅寸法1036、1038がそれぞれ、アセンブリ1000のボアサイト1030と平行なように、接続される。
【0069】
先に論じられたように、従来のタイルアレイ構成、ビーム形成器モジュールおよび増幅器モジュールは、それらの長さおよび幅の寸法がアンテナのボアサイトに直交するように、接続される。ビーム形成器および増幅器のモジュールの最小の可能な面積(例えば長さ×幅)は、現在の半導体生産技術によって制限され、将来の半導体生産技術によって制限されるだろう。ビーム形成器モジュールおよび増幅器モジュールは0.5λによって規定された空間内に適合するべきなので、従来のタイルアレイ構成用の可能な最大動作周波数はビーム形成器および増幅器のモジュールの最小の可能な面積によって制限される。
【0070】
現在および将来の半導体生産技術の状態を与えられるとして、実施例はより高速の動作周波数で動作するよう設計されるかもしれないため、この発明の主題の実施例は、従来のタイルアレイに構成されたアセンブリを含むフェーズドアレイアンテナシステムを越える利点を有するだろう。これは少なくとも一部には、ビーム形成器モジュール(例えばモジュール1014)および/または増幅器モジュール(例えばモジュール1016)が、従来のタイルアレイ構成されたアセンブリにおける対応するモジュールの面積より大きい面積を有してもよいからである。これは、ビーム形成器および/または増幅器モジュールの幅(例えば幅1036、1038)が、さまざまな実施例では、ボアサイトまたはアセンブリと平行な方向(例えば方向1030)に拡大してもよいからである。従って、さまざまな実施例のビーム形成器および増幅器のモジュールの寸法は、従来のタイルアレイに構成されたアセンブリのためには存在しない寸法上の自由度を有する。
【0071】
2つのPWB1002はヒートシンク1004に接続されることを示されるが、代替の実施例では単一のPWBがヒートシンクに接続されてもよい。さらに、PWB1002は図11に8つのビーム形成器モジュール1014およびそれに接続される増幅器モジュール1016を有するよう示されるが、8つを越える、またはそれ未満のビーム形成器モジュール1014および/または増幅器モジュール1016がPWB1002に接続されてもよい。別の代替の実施例では、直交放射素子1008は排除されてもよく、フェーズドアレイアンテナアセンブリ1000は、2つではなく、単に1つの偏波を用いて、信号を送信してもよい。さらに他の代替の実施例では、ビーム形成器モジュール1014および増幅器モジュール1016は、単一のモジュールとして実現されてもよいし、または2つを越えるモジュールとして実現されてもよい。用語「モジュール」は、機能性を指すよう
に意図され、必ずしも、別途パッケージングされる電子機器モジュールを指すように意図されるものではない。
【0072】
図12は、例示的実施例に従って行列1200に配置された複数のアンテナアセンブリの側面図を示す。行列1200は、並んで配置された4つのアセンブリ1202を含む。各アセンブリ1204は2つのPWB1206を含む。各PWB1206は8つの一体的放射素子1208および8つの直交放射素子1210(例えば図11にしめされるように)を含むと仮定して、行列1200は8x8の二偏波フェーズドアレイアセンブリを含むとして特徴付けられてもよい。行列は、より多くまたはより少数のアセンブリを含むことにより、示されたアレイより大きくてもよいしまたはより小さくてもよい。さらに、ある行のアセンブリ1202だけを図12に示すが、アセンブリは列と行とに配置され得、または他の実施例では列でのみ配置されてもよい。
【0073】
図13は、例示的実施例に従って、フェーズドアレイアンテナ1300についての三次元の図を示す。アンテナ1300は、複数のアンテナアセンブリ1304を収容する構造1302を含む。一体的放射素子1306および直交放射素子1308は、アンテナ1300のアパーチャ面1310を越えて延在してもよい。従って、アンテナ1300は二偏波システムを収容してもよい。代替の実施例では、直交放射素子1308は一偏波システムを収容するために排除されてもよい。アンテナ1300は六角形の形状化されたアレイを含む。他の実施例では、アンテナは、正方形か、長方形か、または他の態様で形状化されたアレイを含んでもよい。
【0074】
図14は、例示的実施例に従って、フェーズドアレイアンテナシステムを製造する方法のフローチャートを示す。この方法は、ブロック1402において、さまざまな実施例に従って構成されてもよい埋込まれた相互接続(例えばRFマニホルド)、DC線および制御線を含むPWBの製造により始まってもよい。ある実施例では、PWBの製造は、ストリップ線路導電体をPWB層のさまざまな層の上に適用し、それらの層を積層し、それら層を相互接続するためにビアを形成することにより、埋込まれた相互接続、DC線および制御線を形成することを含む。PWBの製造はさらにPWBを通して開口部(例えば、開口部1026、図10)を形成することを含んでもよい。それは、図10に関連して先に記載されるように、SSPAおよび/またはアンテナモジュールの一部が、直接ヒートシンクと接触することを可能にするよう構成される。
【0075】
PWBの製造は、さらに、放射素子、増幅器モジュールおよびビーム形成器モジュールの間の相互接続を与えるためにPWB層のさまざまな層の上にストリップ線路導電体を適用すること、ならびに放射素子に対応するPWBの面積に端部出発型放射素子をエッチングすることを含んでもよい。別の実施例では、増幅器モジュールとビーム形成器モジュールとの間の相互接続は、PWBを通る相互接続ではなく、モジュール上に、側部に取付けられた相互接続を含んでもよい。上に記載された製造プロセスは、ある場合には、平行に実行されてもよいし、および/または記載されたものとは異なる順序で実行されてもよい。さらに、PWBの製造は、簡潔さのため、ここには記載されない、いくつかの付加的なプロセスを含んでもよい。
【0076】
ブロック1402の前、後またはそれと平行して実行されてもよいブロック1404では、1つ以上のモジュールが製造されてもよい。それらはこの発明の主題の実施例を実現する。たとえば、さまざまな実施例に従って構成されるビーム形成器モジュール(例えばビーム形成器モジュール1014(図10))および増幅器モジュール(例えば増幅器モジュール1016(図10))が製造されてもよい。
【0077】
ブロック1406では、PWBおよびさまざまなモジュールを組立ててPWBアセンブ
リを製造してもよい。ある実施例では、先に記載されるように、モジュールのうちのいくつかまたはすべてを、ばね荷重コネクタを用いて、PWBに接続してもよい。他の実施例では、モジュールのうちのいくつかまたはすべてを、適所にはんだ付けするか、および/または他の態様でPWBに接続してもよい。さらに、他の構成要素(例えば制御電子機器モジュール1010、入出力コネクタ1012および電力制御モジュール1011(図10))を、PWBに接続してもよい。ある実施例では、モジュールのうちのいくつかまたはすべてを、比較的低コストの大量製造に対して、自動化されたピックアンドプレイス技術を用いて、PWBとともに組立ててもよい。
【0078】
ブロック1408では、PWBアセンブリの1つ以上を、ヒートシンク(例えばヒートシンク1006(図10))および他の構造上部材に接続してもよい。直交放射素子(例えば直交放射素子1008、図10)を、ブロック1410で、一体的放射素子および/またはPWBアセンブリに接続してもよい。
【0079】
ブロック1402−1410に関連して記載された製造プロセスは、図10に示されるように、フェーズドアレイアンテナアセンブリを結果として生じてもよい。より大きなアレイを製造するために、フェーズドアレイアンテナアセンブリの複数のアセンブリが、ブロック1412で、ある構造(例えば構造1302(図13))にともに配置されてもよい。
【0080】
次いで、フェーズドアレイアンテナアセンブリは、図2および図3に関連して記載されたもののように、ブロック1414で、1つ以上のRFマニホルドおよび/またはビームドライバに接続されてもよい。結果として生じるフェーズドアレイアンテナシステムは、ブロック1416で、より大きなシステム、たとえば衛星通信システム、人工衛星レーダシステム、またはフェーズドアレイアンテナシステムを用いてさまざまな種類の信号を送受信する別の種類のシステムなどに組込まれてもよい。次いで、この方法は終了する。
【0081】
この発明の主題の実施例は、衛星通信システム、人工衛星レーダシステムおよび地上ベースの通信ならび/またはレーダシステムを含むが、これらに限定されないさまざまな種類のシステムに組込まれてもよい。上に記載されたこの発明の主題の実施例は従来の装置および方法を越える1つ以上の技術的および/または経済的便益を与えてもよい。たとえば、実施例は、それらのシステムを特徴づけるケーブルおよびコネクタの多くをなくすことにより、TWTに基づくかつ従来のブリックアレイアーキテクチャより著しく重量が小さいフェーズドアレイアンテナシステムを結果として生じてもよい。さらに、実施例は、従来のタイルアレイ構成より著しく少数の層を有するPWBを含むことにより、よりよい歩留まりおよびよりよい信頼性を有するフェーズドアレイアンテナシステムを結果として生じてもよい。さまざまな実施例は、さらに、よりよい熱的性能によって特徴づけられるフェーズドアレイアンテナシステムを結果として生じてもよい。
【0082】
いくつかの例示的な実施例が先の詳細な記載に示されたが、多数の変形例が存在することが認識されるべきである。例示的な実施例は例にすぎず、記載された実施例の範囲、適用可能性または構成をいかなる態様においても制限するようには意図されないことも認識されるべきである。もっと正確に言えば、先の詳細な記載は、例示的な実施例を実現するための便利な道路図を当業者に与えるだろう。特許請求の範囲およびそれの法的な等価物で述べられるような範囲から逸脱せずに、要素の機能および構成にさまざまな変更を行ない得ることが理解されるべきである。
【技術分野】
【0001】
技術分野
ここに記載された実施例は、一般にフェーズドアレイアンテナ装置に関し、より特定的には、複数層のプリント配線基板を有するフェーズドアレイアンテナ装置およびその製造の方法に関する。
【背景技術】
【0002】
背景
フェーズドアレイアンテナシステムは可変であり整形可能な1つ以上のビームを生成するために用いられてもよい。多くの実例では、進行波管増幅器(TWT)は、非励振アンテナと共に用いられて、整形されたまたはスポットビーム発生する。発展する半導体技術および改善された生産コスト、およびソリッドステート技術の信頼性で、ソリッドステート電力増幅器(SSPA)素子を備えたフェーズドアレイシステムが衛星通信システムに対して実現可能になった。
【0003】
複数ビームの、送信フェーズドアレイアンテナシステムは典型的には複数のビームドライバ、電力分割器およびビーム形成器モジュールを含む。さらに、複数のビームに関連付けられた信号を結合するために、ビーム形成器モジュールはさらに結合器ネットワーク(例えばウィルキンソン結合器ネットワーク)を含み、それは、個々に位相重み付けされたビーム信号を結合し、複数の増幅器モジュールおよび放射素子に複合信号を与える。
【0004】
これらのアンテナ構成要素の多くは、無線周波数(RF)相互接続(例えば同軸の相互接続)、直流(DC)相互接続および制御信号相互接続を用いて相互に接続される。相互接続の構造および構成は、フェーズドアレイアンテナ構成の型に依存する。フェーズドアレイアンテナシステムは多くのコネクタおよびケーブルを用いてシステム要素を相互接続すると知られている。
【0005】
基本的な2つの型のフェーズドアレイアンテナ構成が用いられている。これらの基本の型は「タイル」アレイアンテナおよび「ブリック」アレイアンテナを含む。タイル構成は、放射開口の面にタイル状の構成で、RF、DCおよび制御信号分散ネットワークを包含するプリント配線基板(PWB)上に取付けられた要素電子機器を配置する。ブリック構成は、放射開口の面の下に位置する直立位置に要素電子機器を配置する。図1に示されるように、放射素子、関連付けられた電子機器および支持構造物は典型的には数列に分割される。
【0006】
図1は、タイルアレイアンテナに関連づけた複数層PWB100の分解図を示す。PWB100はウィルキンソン分割器ネットワーク102、複数の増幅器モジュール104、および、PWB100の表面110上にタイルアレイ構成で取付けた複数の放射素子106を含む。ビームドライバ増幅器(図示せず)からの入来信号112は、ウィルキンソン分割器ネットワーク102によって、放射素子106の数に対応する、信号の数に分割される。次いで、各信号は増幅器モジュール104によって増幅される。それはSSPAを含む。次いで、各増幅された信号は放射素子106に与えられる。それは、方向114(例えばアンテナのボアサイト)に一般に進む電磁波を生成する。マルチビームアレイはすべてのビーム用にビームドライバ増幅器およびウィルキンソン分割器ネットワークを含む。ビームは次いでウィルキンソン結合器ネットワークを用いて結合され、複合信号は次いで増幅器モジュールに与えられる。従来のタイルアレイシステムでは、増幅器モジュール104は、アンテナのボアサイトに垂直に向き付けられる。
【0007】
タイルアレイ構成を有するフェーズドアレイシステムはそれらのブリック相対物より少数のケーブルおよびコネクタを含んでもよいが、タイルアレイシステムはいくつかの否定的局面を有する。まず、増幅器モジュール104がアンテナのボアサイトに垂直に向き付けられるので、増幅器モジュール104の物理的な寸法は、アレイの格子間隔(例えば放射素子106の間の距離)に制限される。アレイの格子間隔は動作頻度増加につれて減少し、従って、増幅器モジュール104の物理的な寸法は、動作頻度が増加するにつれ、より小さくなるはずである。たとえば、λがRF信号の自由空間波長である場合、典型的なフェーズドアレイシステムは妥当なグレーティングローブフリーの性能を与えるために、およそ0.5のλ格子間隔を有してもよい。より高速の動作周波数(例えば、Ku−帯周波数かまたはそれより高い周波数)では、格子間隔は、十分に小さな寸法を有する増幅器モジュールだと現在の半導体生産技術を用いては容易に製造可能ではないかもしれないような非常に小さなものかもしれない。
【0008】
さらに、より大きな層数(例えば28以上)が、ウィルキンソン結合器ネットワーク102、電力線、制御線および放射素子106を実現するために用いられてもよい。多数のビアおよび伝送線路が層の内に存在するので、1つ以上の欠陥ビアまたは伝送線路が新しく製造されたPWBの内に存在するかもしれない大きな可能性が存在する。さらに、伝送線路またはビア欠陥の場合には、PWBの再補整は困難かもしれないしまたは不可能かもしれない。従って、製造歩留まりは、特に大きなアレイ(例えば何百または何千もの放射素子を備えたアレイ)を支持するPWBにおいては、比較的低いかもしれない。
【0009】
タイルアレイ構成の別の負の局面はPWB層を通して熱を放散することに関する。いくつかのフェーズドアレイシステムについては、高い電力レベル(例えば2〜8ワット(W))が各増幅器モジュール(例えば各SSPA)から必要かもしれない。PWB材料は一般に貧弱な熱導電体であるので、耐えられない熱勾配が、増幅器モジュールに近いPWB層の内に生成されるかもしれない。
【0010】
フェーズドアレイアンテナシステムのためのブリックアレイ構成はタイルアレイ構成に対する代替例を与える。ブリックアレイ構成も平面構造を含み、その上において放射素子のアレイが位置決めされる。増幅器モジュールのアレイおよびウィルキンソン結合器ネットワークが平面構造の下に位置する。しかしながら、増幅器モジュールはアンテナのボアサイトと平行して配置される。従って、ブリックアレイ構成は、ブリックアレイ構成の増幅器モジュールが放射素子の格子間隔によって全く制限されるとは限らないという点で、タイルアレイ構成より優れている。従って、ブリックアレイ構成は、タイルアレイ構成より高速の周波数で動作するようにされてもよい。
【0011】
しかしながら、ブリックアレイ構成の負の局面は、それが多くのRFケーブル/コネクタ型の相互接続を含むということである。これらの相互接続は高価であり、組み立てが困難で、システムにかなりな量の重量を加える。さらに、コネクタは、(例えば宇宙船の打ち上げ中の)高い振動状況において外れやすい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0012】
比較的高周波で動作し、改善された熱性能、製造歩留まり、重量、信頼性および/またはコストを有するフェーズドアレイシステム、装置および方法を与えることは望ましい。この発明の主題の実施例の他の望ましい特徴および特性は、添付図面ならびに先の技術分野および背景に関連して、以下の詳細な説明および特許請求の範囲から明らかになるだろう。
【図面の簡単な説明】
【0013】
図面の簡潔な説明
さまざまな実施例が、以下の図面に関連して下に記載され、そこでは同様の番号は同様の要素を示す。
【図1】タイルアレイアンテナに関連付けられた複数の層のPWBの分解図を示す。
【図2】この発明の主題の例示的実施例に従った、単一ビームの送信フェーズドアレイアンテナシステムの単純化されたブロック図である。
【図3】例示的実施例に従った、2ビームの送信フェーズドアレイアンテナシステムの単純化されたブロック図である。
【図4】従来の8ビーム送信フェーズドアレイアンテナシステム用の1組の減衰器/移相器およびビーム結合器の概略を示す。
【図5】従来の送信フェーズドアレイアンテナシステムのビーム結合器ネットワークのレイアウトを示す。
【図6】例示的実施例に従って、8ビーム送信フェーズドアレイアンテナシステムの減衰器/移相器の組およびビーム結合器の概略を示す。
【図7】例示的実施例に従って、H形状結合器のレイアウトを示す。
【図8】8ビーム8素子送信フェーズドアレイアンテナシステム用の、列パネル、およびRFマニホルドと従来のビーム形成器モジュールとの間の相互接続を示す。
【図9】8ビーム8素子送信フェーズドアレイアンテナシステム用の、列パネル、およびRFマニホルドとビーム形成器モジュールとの間の相互接続を示す。
【図10】例示的実施例に従って、フェーズドアレイアンテナアセンブリの側面図を示す。
【図11】例示的実施例に従って、フェーズドアレイアンテナアセンブリの正面図を示す。
【図12】例示的実施例に従って行列に配置された複数のアンテナアセンブリの側面図を示す。
【図13】例示的実施例に従って、フェーズドアレイアンテナシステムについての三次元の図を示す。
【図14】例示的実施例に従って、フェーズドアレイアンテナシステムを製造する方法のフローチャートを示す。
【発明を実施するための形態】
【0014】
詳細な説明
以下の詳細な説明は、本質において単に例示的で、記載された実施例または記載された実施例の適用および使用を制限するようには意図されない。更に、先の技術分野または背景、または以下の詳細な説明に示された、いかなる明示的または暗示的理論に縛られるようにも意図されない。
【0015】
この発明の主題の実施例は、従来のタイルアレイおよびブリックアレイ構成から区別する1つ以上の特徴を有するフェーズドアレイアンテナ装置、アセンブリ、およびシステムを含む。他の実施例は、さまざまなフェーズドアレイアンテナシステムを用いて信号を送信し受取る方法を含む。さらに、他の実施例は、フェーズドアレイアンテナアセンブリを製造する方法を含む。
【0016】
図2は、この発明の主題の例示的実施例に従った、単一ビームの送信フェーズドアレイアンテナシステム200の単純化されたブロック図である。ある実施例では、アンテナシステム200はビームドライバ202、RFマニホルド204、複数のRF電子機器モジュール206および複数の放射素子208を含む。
【0017】
示された実施例では、システム200は4つのRF電子機器モジュール206および4
つの放射素子208を含む。他の実施例では、システムはより多くの(例えば何十、何百または何千もの)RF電子機器モジュール206および放射素子208を含んでもよい。ある単純化された単一ビームの4素子システムが、説明を容易にするために示される。
【0018】
ビームドライバ202は、ホストシステム(例えば人工衛星に搭載されたプロセッサシステム)の別の構成要素(図示せず)から入力RF信号220を受取る。たとえば、入力RF信号220は、複数の意図した受取側のための通信データを含む多重通信信号を含んでもよい。代替的には、入力RF信号220は、たとえば、レーダ信号を含むが、それには限定されない、他の種類の信号を含んでもよい。ビームドライバ202は、入力RF信号220を前置増幅して、増幅された入力RF信号222を生成する。入力RF信号220の増幅は、信号がRFマニホルド204で分割されるときに生じる信号電力減少を補償し、かつ所望の動作点に増幅器208を駆動するために十分な信号レベルを与えるために実行される。
【0019】
RFマニホルド204は受動的RF電力分割器として機能する。従って、RFマニホルド204は、増幅された入力RF信号222を受取り分割して、複数のRF信号224を生成する。ある実施例では、RFマニホルド204は増幅された入力RF信号222をNARRAY個のRF信号224に分割する。NARRAYは放射素子210の数と等しい。各RF信号224は放射素子210の特定の1つに関連付けられたビーム経路に対応する。RFマニホルド204は一つから複数の段を含んでもよく、各段はその入力信号を複数の出力信号に分割してもよい。たとえば、NARRAY=500については、RFマニホルド204は2つの段を含んでもよく、第1の段は1:5信号分割を行ない、第2の段は1:10信号分割を行なう。従って、単一の入力信号については、第1の段は5つの出力信号を生成するだろう。また、第2の段は500の出力信号を生成するだろう。各段はさまざまな実施例において、同じまたは異なる入力信号対出力信号比を有してもよい。ある実施例では、各RF信号224の電力は、P/NARRAY―PLOSSにおおよそ等しく、Pは増幅された入力RF信号222の電力であり、PLOSSは各ビーム経路のRFマニホルド204を通しての伝導性の損失である。さらに、RF電力分割は非一様であってもよい(例えば出力ポートでの不等の電力レベル)。
【0020】
RF電子機器モジュール206は複数のRF信号224を受取る。ある実施例では、各RF電子モジュール206は減衰器240および移相器242を含む。それらはともにビーム形成器を含むと考えられてもよい。さらに、ある実施例では、各RF電子モジュール206は増幅器208を含んでもよい。代替の実施例では、増幅器208は別個のモジュールに含まれてもよい。
【0021】
各ビーム経路に沿って、減衰器240は、RF信号224のひとつを受取り重み付けを適用して、減衰されたRF信号226をある実施例において生成する。代替の実施例では、RF信号224は減衰されず、減衰器240はシステム200から排除されてもよい。移相器242は、移相を、減衰されたRF信号226に(または、減衰器が排除される場合には、RF信号224のうちの1つに)適用して、移相されたRF信号228を生成してもよい。別の実施例では、信号は移相された後減衰されてもよい(例えば、減衰器240および移相器242が逆の順序で生じてもよい)。増幅器208は、移相されたRF信号228を受取り増幅して、増幅されたRF信号230を生成する。ある実施例では、各ビーム経路に沿って、各増幅器208は少なくとも1つのSSPAを含む。
【0022】
各放射素子210は増幅されたRF信号230を受取り放射して出力信号232を生成する。それは空気インターフェース上に放射される。ある実施例では、放射素子210は、各増幅されたRF信号230ごと(例えば各ビーム経路ごと)に存在する。放射素子210は、さまざまな実施例において、一偏波または二偏波される出力信号232を生成す
るよう構成されてもよい。
【0023】
上の図2の記載は、送信アンテナシステム200のための信号処理を記載する。受信フェーズドアレイアンテナシステム(図示せず)は、図2に示された送信フェーズドアレイアンテナシステム200と類似点を有する。また、受信アンテナの実施例はこの発明の主題の範囲内に含まれる。受信アンテナシステムのための信号処理をここに簡潔に記載する。
【0024】
受信アンテナシステムについては、各放射素子(例えば放射素子210の相対物)は、空気インターフェースから無線アナログ信号を受取り、RF入力信号を生成する。増幅器(例えば増幅器208の相対物)は、RF入力信号を受取り増幅して、増幅されたRF信号を生成する。移相器(例えば移相器242の相対物)は、増幅されたRF信号を受取り、移相を適用する。次いで、減衰器(例えば減衰器240の相対物)は、重み付けを移相されたRF信号に適用して、減衰されたRF信号を生成してもよい。減衰器は代替的に排除されてもよい。
【0025】
受信アンテナシステムについては、RFマニホルド(例えばRFマニホルド204の相対物)は受動的RF電力結合器として機能する。従って、RFマニホルドは、移相されたRF信号を受取り結合して、RFマニホルド出力信号を生成する。先に記載されるように、RFマニホルドは1つから複数の段を含んでもよい。受信アンテナについては、最終段が単一の出力信号を生成するまで、各段は複数の入力信号をより少数の出力信号に組合せてもよい。
【0026】
ビームドライバは受信アンテナシステムに含まれない。代りに、受信アンテナシステムは低雑音増幅器(LNA)(図示せず)を含んでもよい。それはRFマニホルド出力信号を受取る。LNAは、RFマニホルド出力信号を増幅してLNA出力信号を生成してもよい。代替的には、受信アンテナシステムはLNAを含まなくてもよい。受信アンテナシステムの出力信号は、ホストシステムの他の構成要素(図示せず)によってさらに処理されてもよいし、または操作されてもよい。
【0027】
図3は、例示的実施例に従って、2ビームの送信フェーズドアレイアンテナシステム300の単純化されたブロック図を示す。アンテナシステム300はある実施例において、各ビームごとにビームドライバ302およびRFマニホルド304を含む。さらに、アンテナシステム300は、ある実施例において、各放射素子310ごとにビーム形成器モジュール306および増幅器モジュール308を含む。NBEAMがアンテナシステム300によって与えられるビームの数である場合、アンテナシステム300は特にNBEAM個のビームドライバ302およびRFマニホルド304を含む。NELEMENTがアンテナシステム300に含まれる放射素子310の数である場合、アンテナシステム300はさらにNELEMENT個のビーム形成器モジュール306および増幅器モジュール308を含む。
【0028】
示された実施例では、システム300は2つのビームドライバ302およびRFマニホルド304を含む。他の実施例では、複数ビームシステムはより多くのビームドライバ302およびRFマニホルド304を含んでもよい。換言すれば、複数ビームのフェーズドアレイアンテナシステムは、2つから多くのビーム(例えば2から64まで、またはそれ以上)を与えてもよい。与えられるビームの数は2の因数(例えば2n)であってもよい。または、他のなんらかの数であってもよい。示されたシステムはさらに4つのビーム形成器モジュール306、増幅器モジュール308および放射素子310を含むと示される。他の実施例では、システムはより多くの(例えば何十、何百または何千もの)ビーム形成器モジュール306、増幅器モジュール308および放射素子310を含んでもよい。単純化された、2ビームの4素子システムを、説明を容易にするよう示す。
【0029】
送信モードにおいて、ビームドライバ302は、入力RF信号320、321を、ホストシステム(例えば人工衛星に搭載されたプロセッサシステム)の1つ以上の他の構成要素(図示せず)から受取る。たとえば、入力RF信号(例えば信号320)は多重通信信号を含んでもよい。それは、複数の意図した受取側のための通信データを含む。代替的には、入力RF信号320、321は、たとえば、レーダ信号を含むが、それらには限定されない、他の種類の信号を含んでもよい。ビームドライバ302は、入力RF信号320、321を前置増幅して、増幅された入力RF信号322、323を生成する。入力RF信号320、321の増幅は、信号がRFマニホルド304で分割されるときに生じる信号電力減少を補償し、かつ所望の動作点に電力増幅器を駆動するために十分な信号レベルを与えるために実行される。
【0030】
RFマニホルド304は、送信モードにおける動作中、受動的RF電力分割器として機能する。従って、RFマニホルド304は、増幅された入力RF信号322、323を受取り分割して、RF信号324、325、326、327、328、329、330、331の複数の組を生成する。ある実施例では、各RFマニホルド304はそれのそれぞれの増幅された入力RF信号322、323をNARRAY個のRF信号324−331に分割する。NARRAYは放射素子310の数と等しい。従って、たとえば、NARRAY=4およびNBEAM=2のとき、各RFマニホルド304は4つのRF信号を生成してもよく、結果、合計8つのRF信号324−331をもたらす。各RFマニホルド304は一つから複数の段を含んでもよく、各段はその入力信号を複数の出力信号に分割してもよい。
【0031】
ビーム形成器モジュール306はRFマニホルド304から出力されるRF信号324−331を受取る。先に述べられるように、システム300はNELEMENT個のビーム形成器モジュール306を含む。ある実施例では、各ビーム形成器モジュール306はNBEAM個の減衰器350(「ATT」)、NBEAM個の移相器352(「PS」)およびビーム結合器354を含む。各ビーム/素子組み合せに対する減衰器350および移相器352は、ブロック350および352におけるかっこに表示される。たとえば、「ATT(Bl−El)」は、ビーム1および素子1に関連付けられた経路に沿った減衰器350を示す。
【0032】
先に記載されるように、各減衰器350および移相器352はそれぞれ入力RF信号324−331のうちの1つを減衰および移相してRF信号332、333、334、335、336、337、338、339を生成してもよい。最終的には、信号は、移相器352によって適用された位相重みに基づくアンテナの遠距離電磁界で明確に受け取り可能になる。
【0033】
各ビーム結合器354は、NBEAM個のRF信号332−339を結合してNELEMENT個の複合RF信号340、341、342、343を生成する。受信モードでは、ビーム結合器354は、ビーム分割器の役割をする。従って、この構成要素はより一般的にビーム結合器/分割器と呼ばれてもよい。ある実施例では、ビーム結合器354は、合計NARRAY個の複合RF信号340−343を生成する。増幅器モジュール310内の増幅器は、ビーム形成器モジュール306に動作可能に接続される。これらの増幅器は、複合RF信号340−343を受取り増幅して、増幅された複合RF信号344、345、346、347を生成する。次いで、増幅器に動作可能に接続される放射素子310は空気インターフェース上に信号348を放射する。さまざまな実施例において、後で記載されるように、実質的に、RFマニホルド304、ビーム形成器モジュール306、増幅器モジュール308および放射素子310のすべてまたは部分は、PWBアセンブリに内に埋込まれるか、またはそれに取付けられてもよい。さらに、これらのさまざまなモジュール間の相互接続のうちのいくつかはPWBアセンブリ内に埋込まれてもよい。
【0034】
上の図3の記載は、複数ビームの送信アンテナシステム300のための信号処理を記載する。複数ビームの受信フェーズドアレイアンテナシステム(図示せず)は、図3に示された複数ビームの送信フェーズドアレイアンテナシステム300と類似点を有する。また、受信アンテナの実施例はこの発明の主題の範囲内に含まれる。送信アンテナシステム(例えばシステム300)と異なり、複数ビームの受信フェーズドアレイアンテナシステムはビームドライバ(例えば、ビームドライバ302(図3))を含まないが、その代り、図2の説明に関連して先に記載されるように、低雑音増幅器(LNA)を含んでもよい。さらに、複数ビームのフェーズドアレイアンテナシステムは、ビーム結合器(例えば、ビーム結合器354(図3))ではなく、各素子ごとにビーム分割器を含む。単一ビームの受信アンテナシステムのための信号処理を先に図2に関連して記載した。その記載は複数ビームの受信アンテナシステムのための信号処理を記載するよう推定されてもよい。しかしながら、簡潔さのため、その記載はここには含まれない。
【0035】
図2および図3が関係する記載は一偏波アレイに関する。実施例はさらに二偏波アレイを含むと理解される。二偏波アレイでは、単一の放射素子は同時に2つの独立した直交する信号を放射(または受取る)してもよい。図2および図3に関連して示され記載されたシステムは、各偏波ごと、および各ビームごとに、2つのビームドライバおよびRFマニホルドを含むよう修正されてもよい。さらに、図2および図3に関連して示され記載されたシステムは、各二偏波放射素子ごとに、2つのビーム形成器モジュールおよび2つの増幅器モジュールを含むよう修正されてもよい。二偏波アレイの実施例はここに詳細には記載されない。
【0036】
図4〜図9に関連して、複数ビームのフェーズドアレイアンテナシステム用のさまざまな概略図、レイアウトおよびパネルアセンブリが、従来のシステム用、およびこの発明の主題の実施例を実現するシステム用の、さまざまなシステムモジュールおよび構成要素のビーム形成器モジュール、RFマニホルドおよび向き付けに関する、区別を与える特徴を示すために記載される。図4および図5は、従来の技術を使用する複数ビームのフェーズドアレイアンテナシステムに対応する。図6および図7はさまざまな実施例の複数ビームのフェーズドアレイアンテナシステムに対応する。
【0037】
簡潔さのため、図4〜図9に示されるモジュールおよびシステムは、それらが送信モードで動作している場合のように記載される。受信モードにおける動作はここには詳細には記載されない。この発明の主題の実施例は、送信モードまたは受信モードのいずれかにおけるアンテナ動作に関する実施例を含むように意図される。
【0038】
図4は、従来の8ビーム送信フェーズドアレイアンテナシステム用の減衰器/移相器402の組およびビーム結合器404の概略を示す。減衰器/移相器402およびビーム結合器404は、単一のビーム形成器モジュールの一部であってもよい。減衰器/移相器402は、入力信号410を受取り減衰して移相をそれら信号に適用する。そこでは、各適用された移相は、異なるビームごとの位相重み付けに対応する。ビーム結合器404は移相された出力信号412を受取り結合して複合RF信号414を生成する。
【0039】
従来のビーム結合器404は、3つの層420、422、424を有する8ウェイ結合器ネットワークを含む。送信モードにおいて、第1の層420は4つの従来の2ウェイウィルキンソン結合器ネットワークを含み、それらの各々は8つの入力信号412の対を結合して4つの第1層出力信号416を生成する。ウィルキンソン結合器ネットワークは2つの入力ポートおよび1つの出力ポートを含む。さらに、ウィルキンソン結合器ネットワークは複数の四分の一波長変成器および分離抵抗器を含む。
【0040】
8ウェイ結合器の第2の層422は2つの従来の2ウェイウィルキンソン結合器ネットワークを含み、それらの各々は4つの第1層出力信号416の対を結合して2つの第2層出力信号418を生成する。第3の層424は、第2の層出力信号418を結合して複合RF信号414を生成する1つの従来の2ウェイウィルキンソン結合器ネットワークを含む。次いで、出力信号414は、放射素子に与えられる前に、増幅されてもよい。
【0041】
図5は、従来の送信フェーズドアレイアンテナシステムのビーム結合器のレイアウト500を示す。たとえば、レイアウト500はビーム結合器404(図4)用のレイアウトであってもよい。レイアウト500は入力コネクタ502、結合器ネットワーク504および出力コネクタ506を含む。入力コネクタ502および出力コネクタ506は「仮想の」同軸コネクタであり、各々、単一のRF信号ビアを囲む複数の接地ビアを含む。図5が示すように、すべての入力コネクタ502は結合器ネットワーク504の一方の側510近くに位置決めされ、出力コネクタ506は結合器ネットワーク504の別(たとえば反対)の側512近くに位置決めされる。
【0042】
結合器ネットワーク504は入力コネクタ502を通して複数の移相された入力信号を受取り、RF入力信号を複合RF出力信号に結合する。複合RF出力信号は出力コネクタ506を通して与えられる。結合器ネットワーク504は8ウェイ結合器ネットワークを含む。図4に関連して記載されるように、それは、従来のウィルキンソン結合器ネットワークの3つの層514、516、518を用いて実現される。従来のシステムでは、mウェイ(m=2n)結合器ネットワークはn個の層を含むことになる。そこでは、各層は、信号対を結合して入力信号の半分の出力信号を生成する。
【0043】
ウィルキンソン結合器を用いる従来の複数層結合器では、伝導性の経路の全長は、層の数が増加するにつれ、結合器の入力と出力との間で増加する。従って、挿入損(例えば、金属の伝導性の損失)も増加する。所望の電力レベルで出力RF信号を達成するためには、システムは、複数のウィルキンソン結合器段を備えた従来の複数層結合器に内在する挿入損を補償する十分な電力を有する入力RF信号を与えるべきである。たとえば人工衛星または他のバッテリで駆動されるシステムのような、電力を制限されたシステムにおけるそのような損失を最小限にすることが望ましい。
【0044】
この発明の主題の実施例は、従来の複数層結合器を実現するビーム結合器より著しく低い挿入損を有するであろうmウェイビーム結合器を与える。図6および図7に関連して説明されるように、この発明の主題の実施例は入力RF信号と出力RF信号との間の全体的な距離を減じるであろう「H形状」構成を有するビーム結合器を含む。
【0045】
図6は、例示的実施例に従って、8ビーム送信フェーズドアレイアンテナシステムの減衰器/移相器602の組およびビーム結合器604の概略を示す。減衰器/移相器602およびビーム結合器604は、単一のビーム形成器モジュール(例えばモジュール306(図3))の一部であってもよい。簡潔さのため、減衰器/移相器602およびビーム結合器604は、それらが送信モードで動作している場合のように、記載される。従って、ビーム結合器604は複数の移相されたRF信号を結合することにより単一の複合RF出力信号を生成するものとして記載されることになる。受信モードにおいて、ビーム結合器604は、代替的に、単一の複合RF信号を複数の出力RF信号に分割するビーム分割器として機能してもよいことが理解される。しかしながら、受信モードにおける動作はここには詳細には記載されない。
【0046】
減衰器/移相器602は、入力信号610を受取り減衰して移相をそれら信号に適用する。そこでは、各適用された移相は、異なるビームごとの位相重み付けに対応する。ビーム結合器604は移相された出力信号612を受取り結合して複合RF信号614を生成
する。
【0047】
ある実施例に従うと、ビーム結合器604は、2つの層620、622を有する8ウェイ結合器ネットワークを含む。送信モードにおいて、第1の層620は4ウェイ結合器ネットワークを含み、それは8つの入力信号612の対を結合して2つの第1層出力信号616を生成する。8ウェイ結合器ネットワークの第2の層622は2ウェイウィルキンソン結合器ネットワークを含み、それは2つの第1層出力信号616を結合して複合の第2層出力信号614を生成する。次いで、出力信号614は、(例えば図3の増幅器モジュール308によって)増幅されてから、放射素子(例えば放射素子310(図3))に与えられてもよい。ビーム結合器604は、ここにおいて、「H形状」結合器として言及され、なぜならば、図6および図7に示されるように、入力、伝送線路および出力の向きがおおよそH形状を有するからである。
【0048】
図7は、例示的実施例に従って、H形状ビーム結合器のレイアウト700を示す。たとえば、レイアウト700はビーム結合器604(図6)用のレイアウトであってもよい。図6の記載でのように、簡潔さのため、結合器が送信モードで動作している場合のように、レイアウト700は記載される。レイアウト700は入力コネクタ702(またはポート)、結合器ネットワーク704および出力コネクタ706(またはポート)を含む。入力コネクタ702および出力コネクタ706はある実施例では、仮想の同軸コネクタを含んでもよく、各々、単一のRF信号ビアを囲む複数の接地ビアを含んでもよい。特定の実施例では、入力コネクタ702および出力コネクタ706は、他のアンテナ構成要素または基板上に装着されてもよい仮想の同軸コネクタを含んでもよい。
【0049】
ビーム結合器704は入力コネクタ702を通して複数のRF入力信号を受取り、RF入力信号を単一の複合RF出力信号に結合する。複合RF出力信号は出力コネクタ706を通して与えられる。ビーム結合器704は、ある実施例では、2層を用いて実現されるH形状の8ウェイ結合器ネットワークを含む。他の実施例では、ビーム結合器は8つを越えるRF入力信号を複合RF出力信号に結合してもよい。
【0050】
ある実施例では、第1の層は、各々約0.7071Zoの回線インピーダンスをともなう四分の一波長インピーダンス変成器を含む。変成器は、各変成器線の出力で信号インピーダンスを約0.5Zoに変成し、各出力は次いで第2の層において結合される。第2の層は、各々約Zoの終端インピーダンスをともなう2つの2ウェイウィルキンソン結合器を含む。ある実施例の8ウェイ結合器ネットワークは、3つではなく、2つの層を含んでおり、第3の層に関連付けられた伝送線路をこのように含んでいないので、入力と出力との間の伝導性の経路の長さは、従来の8ウェイウィルキンソン結合器ネットワーク用の伝導性の経路の長さより実質的に短いだろう。従って、この発明の主題の実施例を用いて、ビーム結合器702を介した挿入損は従来のウィルキンソン結合器ネットワークに対する挿入損よりも著しく少ないであろう。H形状のビーム結合器の実施例は多くの2nウェイ結合器ネットワークにあてはまってもよい。これらの代替の実施例では、すべて、いくらかまたは1つほどの層(例えば入力コネクタに接続された層)は、H形状を有してもよい。
【0051】
図7のビーム結合器704を、図5のビーム結合器504と比較するとき、さまざまな違いが明らかである。たとえば、図7のビーム結合器704は、図5のビーム結合器504の一方の側512近くではなく、ビーム結合器704の中央部近く(例えば、H形状の水平部材の中央近く)に位置決めされる出力コネクタ706を含む。さらに、図7のビーム結合器704の入力コネクタ702は、出力コネクタ502からの図5のビーム結合器504の一つの反対側510近くではなく、ビーム結合器704の複数の側710、712近く(例えば、H形状の頂部側および底部側近く)に位置決めされる。
【0052】
ある実施例では、この区別は、図5のビーム結合器504の入力コネクタ502と出力コネクタ506との間の伝導性の経路の長さと比較して、入力コネクタ702と出力コネクタ706との間に著しくより短い伝導性の経路を有してもよいビーム結合器704を与える。従って、この発明の主題の実施例は、従来のビーム結合器(例えば、ビーム結合器504(図5))より低い挿入損を有するビーム結合器(例えば、ビーム結合器704(図7))を含んでもよい。これは、この発明の主題の実施例によって消費される直流電力を減じるという利点を与えるであろう。
【0053】
図3に関連して先に論じられるように、複数ビームのフェーズドアレイアンテナシステムは、NBEAM個のRFマニホルド(例えばRFマニホルド304(図3))に接続されるNELEMENT個のビーム形成器モジュール(例えばビーム形成器モジュール306(図3))を含んでもよい。RFマニホルドは、従来のシステムで、実現するのにかなりの数のPWB層をとる。さまざまな実施例に従って、H形状ビーム結合器(または、受信アレイに対しては、ビーム分割器)のための入力および出力の構成は、相互接続RFマニホルドが、著しくより少数のPWB層を用いて実現されることを可能にする。従来のビーム形成器モジュールを備えた複数ビームのフェーズドアレイアンテナシステム用、およびさまざまな実施例による複数ビームのフェーズドアレイアンテナシステム用のRFマニホルドが、図8および図9に関連してそれぞれ示され記載される。
【0054】
図8は8ビームの8素子送信フェーズドアレイアンテナシステムのための行パネル800およびRFマニホルド812を示す。図8は特に行パネル800を示す。それは8つの放射素子802、8つの増幅器モジュール804および8つのビーム形成器モジュール806を含む。ビーム形成器モジュール806の1組の対応する入力810(またはポート)が、複数層PWBの層に配置されたストリップ線路RFマニホルド812と相互接続される。従来の技術を用いて、対応する入力の単一の組用のRFマニホルド812が2つのPWB層を用いて実現される。明瞭性のため示されないが、同様に構成されたRFマニホルドが、(例えば他の7つのビーム用の)対応する入力の他の7つの組のために含まれる。対応する入力の組の物理的構成のために、対応する入力の各組に対するRFマニホルドは、2つの別個の区別されるPWB層を用いて、層内のRF伝送線路のクロスオーバーを回避する。従って、8ビームフェーズドアレイアンテナシステムに対し、RFマニホルドは実現するべき少なくとも16のPWB層を含む。
【0055】
さらに、およそ4〜6層が、直流電圧、制御データおよびクロック線を担持するために用いられてもよい。従って、およそ20〜22層が行パネル相互接続に用いられる。仮想の同軸の相互接続の損失は非常に多くの層を通して高いかもしれないので、信号増幅のレベルは、相互接続配線のストリップ線路損失を回復し、かつ妥当に低いシステム雑音係数を維持するのに十分に高くあるべきである。より高い増幅は直流電力消費を増加させ、従来のビーム形成器モジュールを用いるフェーズドアレイアンテナシステムにある熱放散問題の一因となる。
【0056】
図9は、例示的実施例に従って、8ビームの8素子送信フェーズドアレイアンテナシステムのための行パネル900およびRFマニホルド912、916を示す。図9は特に行パネル900を示す。それは複数の放射素子902、複数の増幅器モジュール904および複数のビーム形成器モジュール906を含む。行パネル900は8つの各々の放射素子902、増幅器モジュール904およびビーム形成器モジュール906を含むが、行パネルサイズはさまざまな実施例においてNELEMENTのいかなる整数でもあり得る。
【0057】
ビーム形成器モジュール906の対応する入力910(またはポート)の第1の組が、複数層PWBの層に配置された第1のストリップ線路RFマニホルド912と相互接続さ
れる。RFマニホルド912は、複数のビーム形成器モジュール906の対応するポートの第1の組間の相互接続を表す。さらに、対応する入力914の第2の組が、第2のストリップ線路RFマニホルド916と相互接続される。RFマニホルド916は、複数のビーム形成器モジュール906の対応するポートの第2の組間の相互接続を表す。明瞭性のため示されないが、同様に構成された相互接続配線が(例えば他の6つのビーム用の)対応する入力の他の6つの組のために含まれる。対応する入力の組の物理的構成のため、さまざまな実施例に従って、ビーム形成器モジュール906の対応する入力914の第2の組は、RFマニホルド912と916との間のクロスオーバーを生じさせることなく、対応する入力910の第1の組用のRFマニホルド912と同じPWBの層に配置された、RFマニホルド916と相互接続されてもよい。従って、8ビームフェーズドアレイアンテナシステムについては、RFマニホルド912および916は、従来のビーム形成器モジュール(例えばモジュール806(図8))に関連して用いられる16の層に対立するものとして、8つほどのPWB層を含んでもよい。
【0058】
より少数の層がRFマニホルドを実現するために用いられてもよいので、仮想の同軸の相互接続の損失は従来のビーム形成器モジュールを用いて遭遇した損失より著しく低いであろう。従って、この発明の主題の実施例を用いて、信号増幅のレベルはより低く、それにより、直流電力消費および熱発生を減じるであろう。
【0059】
上に記載されるように、この発明の主題の実施例は、従来のフェーズドアレイアンテナシステムと関連付けられるものとは異なって構成されるビーム結合器およびRFマニホルドを含んでもよい。実施例は、さらに、または代替的に、PWB基板と一体的に接続される放射素子を含む他の卓越した特徴を含んでもよい。実施例は、さらに、または代替的に、熱を発生する素子(例えばSSPA)と熱放散装置との間の優れた熱的経路を与える他の特徴を含んでもよい。他の卓越した特徴および/または特徴の組み合せは、さまざまな実施例の中にあってもよい。これらの卓越した特徴を、以下に詳細に記載する。
【0060】
図10は、フェーズドアレイアンテナアセンブリ1000の側面図を示す。また、図11は、例示的実施例に従って、フェーズドアレイアンテナアセンブリ1000の正面図を示す。ある完全なアンテナシステムは、複数のアセンブリ1000を含んでもよい。図10および図11を同時に参照して、アセンブリ1000はある実施例において、2つの複数層PWB1002、およびヒートシンク1004を含む。各PWB1002は、ある実施例では、直交放射素子1008が接続される複数の一体的放射素子1006を含む。直交放射素子1008は、一体的放射素子1006に直交して配列され、PWB1002に接続される。さらに、少なくとも1つの制御電子機器モジュール1010、電力制御モジュール1011、入出力RFコネクタ1012、ビーム形成器モジュール1014および増幅器モジュール1016が、ある実施例では各PWB1002に接続される。
【0061】
第1のPWB1002は、ヒートシンク1004の第1の側に接続されることを示される。また、第2のPWB1002は、ヒートシンク1004の第2の側に接続されることを示される。ヒートシンク1004は、ある実施例では、液体またはガスの冷媒がそれを通って流れてもよい少なくとも1つのチャネル1020を含んでもよい。たとえば、ヒートシンク1004は、2つのチャネル1020を有する2重ボアのヒートシンクを含んでもよい。チャネル1020は、アンモニアまたはなんらかの他の冷媒がその中を通って流れて、PWB1002、およびPWB1002に接続されたさまざまな電子機器から熱を取り出すことを容易にするよう構成されてもよい。
【0062】
PWB102はたとえば、ストリップ線路導電体が上に形成されかつビアが中を通って形成される複数の積層された誘電体層(例えば有機基板)を含んでもよい。RFマニホルド(例えばRFマニホルド304(図3))の実質的にすべてまたは一部分を、ある実施
例ではPWB102の内に埋込んでもよい。これは、従来のシステムに比して、ケーブルとコネクタとがRF信号をビーム形成器モジュールへ運ぶ必要性をなくすという利点がある。さらに、ある実施例では、一体的放射素子1006、制御線(図示せず)およびDC線(図示せず)は単一のPWB1002に統合されてもよい。さまざまな実施例では、上に記載されるように、従来のネットワーク内で用いられるより少数のPWB層がRFマニホルドおよび放射素子を実現するために用いられるように、ビーム形成器モジュールおよび放射素子1006は構成される。たとえば、1つの層は各対のRFマニホルドのためのストリップ線路相互接続を実現するために用いられてもよく、4〜6層はDC線および制御線を経路付けるために用いられてもよい。一体的放射素子1006はPWBの別個の領域に位置するので、一体的放射素子1006は、RFマニホルド、DC線または制御線層の1つ以上の上に実現されてもよい。上記の例を用いて、8ビームフェーズドアレイアンテナアセンブリ用のPWBは、従来のフェーズドアレイアンテナアセンブリのための20〜22の層と比較して、さまざまな実施例に従って、約12〜16の層を含んでもよい。
【0063】
より少数のPWB層を有することの利点は、垂直の同軸の相互接続損失が、より多くのPWB層を含む従来のフェーズドアレイアンテナアセンブリを用いて経験される損失より著しく低いであろうということである。さらに、より小さな層数および減じられたビア高さはPWB欠陥について減じられた可能性を有するので、PWB製造歩留まりはより高いであろう。従って、この発明の主題の実施例は、実施例がより安価でありかつより信頼性が高く、製造するのにより複雑にならないことに加えて従来のシステムのための対応するアセンブリよりも重量が小さいという点において、従来のシステムを越える1つ以上の利点を有するであろう。
【0064】
PWB1002は、電子機器搭載表面1022およびヒートシンク取付け表面1024を含む。ヒートシンク取付け表面1024はヒートシンク1004に接続される。ビーム形成器モジュール1014および増幅器モジュール1016は電子機器搭載表面1022に取付けられる。ある実施例では、ビーム形成器モジュール1014および増幅器モジュール1016は、バネ押し接点(例えば「ファズボタン」)を含んでもよい仮想の同軸コネクタ(例えばコネクタ702、706、図7)を用いて、PWB1002と接続される。代替の実施例では、ビーム形成器モジュール1014および増幅器モジュール1016のうちのいくらかまたはすべての構成要素は、離散的なモジュールに含まれるのではなく、PWB1002に直接取付けられてもよい。
【0065】
PWB1002は、ある実施例では、増幅器モジュール1016近くに位置決めされ、電子機器搭載表面1022とヒートシンク取付け表面1024との間を延びる開口部1026を含む。開口部1026は増幅器が直接ヒートシンク1004と接触することを可能にするようにされる。SSPA(図示せず)および/または増幅器モジュール1016の別の部分は、PWB1002と組立てられた時、ある実施例では、開口部1026を通って延在して直接ヒートシンク1004と接する。従って、SSPAによって生成された熱は、従来のフェーズドアレイアンテナシステムで生じるように、PWBの層を通して伝えられるのではなく、ヒートシンク1004に直接伝えられてもよい。直接の増幅器モジュールの接触、およびSSPAからヒートシンクまでの直接の熱伝達は、ある実施例に従って、従来のシステムに対し、アセンブリ1000の熱放散特性における著しい改善を結果として生ずるだろう。
【0066】
一体的放射素子1006はPWB1002の1つ以上の層の中および/または表面に形成される。一体的放射素子1006はPWB1002の縁部近くに位置し、フェーズドアレイアンテナ装置のボアサイトと平行して向き付けられる。ある実施例では、一体的放射素子1006は、PWB1002の頂部の部分に沿って並んで配置される。
【0067】
ある実施例では、2つほどのPWB層が一体的放射素子1006を実現するために用いられてもよい。一体的放射素子1006はある実施例では、PWB1002の表面上にエッチングされてもよい端部出発型放射素子を含んでもよい。直交放射素子1008も、別の基板の表面上にエッチングされてもよい端部出発型放射素子を含んでもよい。直交する素子基板は機械的および電気的接続(図示せず)を用いてPWB1002に取付けられる。一体的放射素子1006および直交放射素子1008によって、アセンブリ1000は、第1の偏波を有する第1の信号の送信を、第2の偏波を有する第2の信号の送信と同時に行なうことができる。ある実施例では、一体的放射素子1006および直交放射素子1008は平坦な放射素子である。一体的放射素子1006および直交放射素子1008は、アセンブリ1000のボアサイトと同じ方向に向き付けられる。それは矢印1030によって概して示される方向である。
【0068】
PWB1002は第1の軸方向1032および第2の軸方向1034に沿ってそれぞれ規定された長さおよび幅の寸法を有する実質的に平面の構造を有する。ビーム形成器モジュール1014および増幅器モジュール1016も、第1および第2の軸方向1032、1034に沿って規定された長さおよび幅の寸法を有する実質的に平面の構造を有する。図10および図11が示すように、ある実施例では、ビーム形成器モジュール1014および増幅器モジュール1016は、それらの幅寸法1036、1038がそれぞれ、アセンブリ1000のボアサイト1030と平行なように、接続される。
【0069】
先に論じられたように、従来のタイルアレイ構成、ビーム形成器モジュールおよび増幅器モジュールは、それらの長さおよび幅の寸法がアンテナのボアサイトに直交するように、接続される。ビーム形成器および増幅器のモジュールの最小の可能な面積(例えば長さ×幅)は、現在の半導体生産技術によって制限され、将来の半導体生産技術によって制限されるだろう。ビーム形成器モジュールおよび増幅器モジュールは0.5λによって規定された空間内に適合するべきなので、従来のタイルアレイ構成用の可能な最大動作周波数はビーム形成器および増幅器のモジュールの最小の可能な面積によって制限される。
【0070】
現在および将来の半導体生産技術の状態を与えられるとして、実施例はより高速の動作周波数で動作するよう設計されるかもしれないため、この発明の主題の実施例は、従来のタイルアレイに構成されたアセンブリを含むフェーズドアレイアンテナシステムを越える利点を有するだろう。これは少なくとも一部には、ビーム形成器モジュール(例えばモジュール1014)および/または増幅器モジュール(例えばモジュール1016)が、従来のタイルアレイ構成されたアセンブリにおける対応するモジュールの面積より大きい面積を有してもよいからである。これは、ビーム形成器および/または増幅器モジュールの幅(例えば幅1036、1038)が、さまざまな実施例では、ボアサイトまたはアセンブリと平行な方向(例えば方向1030)に拡大してもよいからである。従って、さまざまな実施例のビーム形成器および増幅器のモジュールの寸法は、従来のタイルアレイに構成されたアセンブリのためには存在しない寸法上の自由度を有する。
【0071】
2つのPWB1002はヒートシンク1004に接続されることを示されるが、代替の実施例では単一のPWBがヒートシンクに接続されてもよい。さらに、PWB1002は図11に8つのビーム形成器モジュール1014およびそれに接続される増幅器モジュール1016を有するよう示されるが、8つを越える、またはそれ未満のビーム形成器モジュール1014および/または増幅器モジュール1016がPWB1002に接続されてもよい。別の代替の実施例では、直交放射素子1008は排除されてもよく、フェーズドアレイアンテナアセンブリ1000は、2つではなく、単に1つの偏波を用いて、信号を送信してもよい。さらに他の代替の実施例では、ビーム形成器モジュール1014および増幅器モジュール1016は、単一のモジュールとして実現されてもよいし、または2つを越えるモジュールとして実現されてもよい。用語「モジュール」は、機能性を指すよう
に意図され、必ずしも、別途パッケージングされる電子機器モジュールを指すように意図されるものではない。
【0072】
図12は、例示的実施例に従って行列1200に配置された複数のアンテナアセンブリの側面図を示す。行列1200は、並んで配置された4つのアセンブリ1202を含む。各アセンブリ1204は2つのPWB1206を含む。各PWB1206は8つの一体的放射素子1208および8つの直交放射素子1210(例えば図11にしめされるように)を含むと仮定して、行列1200は8x8の二偏波フェーズドアレイアセンブリを含むとして特徴付けられてもよい。行列は、より多くまたはより少数のアセンブリを含むことにより、示されたアレイより大きくてもよいしまたはより小さくてもよい。さらに、ある行のアセンブリ1202だけを図12に示すが、アセンブリは列と行とに配置され得、または他の実施例では列でのみ配置されてもよい。
【0073】
図13は、例示的実施例に従って、フェーズドアレイアンテナ1300についての三次元の図を示す。アンテナ1300は、複数のアンテナアセンブリ1304を収容する構造1302を含む。一体的放射素子1306および直交放射素子1308は、アンテナ1300のアパーチャ面1310を越えて延在してもよい。従って、アンテナ1300は二偏波システムを収容してもよい。代替の実施例では、直交放射素子1308は一偏波システムを収容するために排除されてもよい。アンテナ1300は六角形の形状化されたアレイを含む。他の実施例では、アンテナは、正方形か、長方形か、または他の態様で形状化されたアレイを含んでもよい。
【0074】
図14は、例示的実施例に従って、フェーズドアレイアンテナシステムを製造する方法のフローチャートを示す。この方法は、ブロック1402において、さまざまな実施例に従って構成されてもよい埋込まれた相互接続(例えばRFマニホルド)、DC線および制御線を含むPWBの製造により始まってもよい。ある実施例では、PWBの製造は、ストリップ線路導電体をPWB層のさまざまな層の上に適用し、それらの層を積層し、それら層を相互接続するためにビアを形成することにより、埋込まれた相互接続、DC線および制御線を形成することを含む。PWBの製造はさらにPWBを通して開口部(例えば、開口部1026、図10)を形成することを含んでもよい。それは、図10に関連して先に記載されるように、SSPAおよび/またはアンテナモジュールの一部が、直接ヒートシンクと接触することを可能にするよう構成される。
【0075】
PWBの製造は、さらに、放射素子、増幅器モジュールおよびビーム形成器モジュールの間の相互接続を与えるためにPWB層のさまざまな層の上にストリップ線路導電体を適用すること、ならびに放射素子に対応するPWBの面積に端部出発型放射素子をエッチングすることを含んでもよい。別の実施例では、増幅器モジュールとビーム形成器モジュールとの間の相互接続は、PWBを通る相互接続ではなく、モジュール上に、側部に取付けられた相互接続を含んでもよい。上に記載された製造プロセスは、ある場合には、平行に実行されてもよいし、および/または記載されたものとは異なる順序で実行されてもよい。さらに、PWBの製造は、簡潔さのため、ここには記載されない、いくつかの付加的なプロセスを含んでもよい。
【0076】
ブロック1402の前、後またはそれと平行して実行されてもよいブロック1404では、1つ以上のモジュールが製造されてもよい。それらはこの発明の主題の実施例を実現する。たとえば、さまざまな実施例に従って構成されるビーム形成器モジュール(例えばビーム形成器モジュール1014(図10))および増幅器モジュール(例えば増幅器モジュール1016(図10))が製造されてもよい。
【0077】
ブロック1406では、PWBおよびさまざまなモジュールを組立ててPWBアセンブ
リを製造してもよい。ある実施例では、先に記載されるように、モジュールのうちのいくつかまたはすべてを、ばね荷重コネクタを用いて、PWBに接続してもよい。他の実施例では、モジュールのうちのいくつかまたはすべてを、適所にはんだ付けするか、および/または他の態様でPWBに接続してもよい。さらに、他の構成要素(例えば制御電子機器モジュール1010、入出力コネクタ1012および電力制御モジュール1011(図10))を、PWBに接続してもよい。ある実施例では、モジュールのうちのいくつかまたはすべてを、比較的低コストの大量製造に対して、自動化されたピックアンドプレイス技術を用いて、PWBとともに組立ててもよい。
【0078】
ブロック1408では、PWBアセンブリの1つ以上を、ヒートシンク(例えばヒートシンク1006(図10))および他の構造上部材に接続してもよい。直交放射素子(例えば直交放射素子1008、図10)を、ブロック1410で、一体的放射素子および/またはPWBアセンブリに接続してもよい。
【0079】
ブロック1402−1410に関連して記載された製造プロセスは、図10に示されるように、フェーズドアレイアンテナアセンブリを結果として生じてもよい。より大きなアレイを製造するために、フェーズドアレイアンテナアセンブリの複数のアセンブリが、ブロック1412で、ある構造(例えば構造1302(図13))にともに配置されてもよい。
【0080】
次いで、フェーズドアレイアンテナアセンブリは、図2および図3に関連して記載されたもののように、ブロック1414で、1つ以上のRFマニホルドおよび/またはビームドライバに接続されてもよい。結果として生じるフェーズドアレイアンテナシステムは、ブロック1416で、より大きなシステム、たとえば衛星通信システム、人工衛星レーダシステム、またはフェーズドアレイアンテナシステムを用いてさまざまな種類の信号を送受信する別の種類のシステムなどに組込まれてもよい。次いで、この方法は終了する。
【0081】
この発明の主題の実施例は、衛星通信システム、人工衛星レーダシステムおよび地上ベースの通信ならび/またはレーダシステムを含むが、これらに限定されないさまざまな種類のシステムに組込まれてもよい。上に記載されたこの発明の主題の実施例は従来の装置および方法を越える1つ以上の技術的および/または経済的便益を与えてもよい。たとえば、実施例は、それらのシステムを特徴づけるケーブルおよびコネクタの多くをなくすことにより、TWTに基づくかつ従来のブリックアレイアーキテクチャより著しく重量が小さいフェーズドアレイアンテナシステムを結果として生じてもよい。さらに、実施例は、従来のタイルアレイ構成より著しく少数の層を有するPWBを含むことにより、よりよい歩留まりおよびよりよい信頼性を有するフェーズドアレイアンテナシステムを結果として生じてもよい。さまざまな実施例は、さらに、よりよい熱的性能によって特徴づけられるフェーズドアレイアンテナシステムを結果として生じてもよい。
【0082】
いくつかの例示的な実施例が先の詳細な記載に示されたが、多数の変形例が存在することが認識されるべきである。例示的な実施例は例にすぎず、記載された実施例の範囲、適用可能性または構成をいかなる態様においても制限するようには意図されないことも認識されるべきである。もっと正確に言えば、先の詳細な記載は、例示的な実施例を実現するための便利な道路図を当業者に与えるだろう。特許請求の範囲およびそれの法的な等価物で述べられるような範囲から逸脱せずに、要素の機能および構成にさまざまな変更を行ない得ることが理解されるべきである。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
フェーズドアレイアンテナ装置(1000)であって:
複数の層を有する第1のプリント配線基板(1002)と;
前記複数の層の中に埋込まれた複数の相互接続(912、916)とを含み、前記複数の相互接続は複数の無線周波数(RF)マニホルド(304)を含み、さらに;
前記複数の相互接続に動作可能に接続された少なくとも1つのビーム結合器/分割器(704)と;
前記少なくとも1つのビーム結合器/分割器に動作可能に接続された少なくとも1つの増幅器(904)と;
前記少なくとも1つの増幅器に動作可能に接続され、前記プリント配線基板の縁部近くに位置し、前記フェーズドアレイアンテナ装置のボアサイトと平行に向けられる、少なくとも1つの一体的放射素子(902)とを含む、フェーズドアレイアンテナ装置(1000)。
【請求項2】
前記少なくとも1つのビーム結合器/分割器はH形状結合器(704)を含む、請求項1に記載のフェーズドアレイアンテナ装置。
【請求項3】
前記複数の相互接続は:
前記少なくとも1つのビーム結合器/分割器の対応するポート(910)の第1の組を相互接続する第1のストリップ線路RFマニホルド(912)と;
前記少なくとも1つのビーム結合器/分割器の対応するポート(914)の第2の組を相互接続する第2のストリップ線路RFマニホルド(916)とを含み、前記第1のストリップ線路RFマニホルドおよび前記第2のストリップ線路RFマニホルドは、前記複数の層のうちの同じ層に置かれる、請求項1または2に記載のフェーズドアレイアンテナ装置。
【請求項4】
前記第1のプリント配線基板が接続されるヒートシンク(1004)をさらに含み、前記第1のプリント配線基板は、増幅器(1016)が直接前記ヒートシンクと接触することを可能にするようにされる開口部(1026)をさらに含む、請求項1〜3のいずれかに記載のフェーズドアレイアンテナ装置。
【請求項5】
前記少なくとも1つの一体的放射素子に直交して配置され、前記プリント配線基板に接続される少なくとも1つの直交放射素子(1008)をさらに含む、請求項1〜4のいずれかに記載のフェーズドアレイアンテナ装置。
【請求項6】
フェーズドアレイアンテナ装置であって、
行列(1300)状に配置された複数のフェーズドアレイアンテナアセンブリ(1202)を含み、各フェーズドアレイアンテナアセンブリは、
ヒートシンク(1004)と;
前記ヒートシンクの第1の側に接続され、複数の層を有する第1のプリント配線基板(1002)と;
前記複数の層の中に埋込まれた複数の相互接続(912、916)とを含み、前記複数の相互接続は複数の無線周波数(RF)マニホルド(304)を含み、さらに;
前記複数の相互接続に動作可能に接続された少なくとも1つのビーム結合器/分割器(704)と;
前記少なくとも1つのビーム結合器/分割器に動作可能に接続された少なくとも1つの増幅器(904)と;
前記少なくとも1つの増幅器に動作可能に接続され、前記プリント配線基板の縁部近くに位置し、前記フェーズドアレイアンテナ装置のボアサイトと平行に向けられる、少なく
とも1つの一体的放射素子(902)とを含む、フェーズドアレイアンテナ装置。
【請求項7】
前記ヒートシンクの第2の側に接続される第2のプリント配線基板(1002)をさらに含む、請求項6に記載のフェーズドアレイアンテナ装置。
【請求項8】
フェーズドアレイアンテナ装置を製造する方法であって:
1つ以上のモジュール(1016、1014)をプリント配線基板(1002)とともに組立てるステップを含み、前記プリント配線基板は、複数の層、複数の一体的放射素子(1006)、および複数のビーム形成器モジュール(1014)内の複数のビーム結合器/分割器(704)の対応するポート(910、914)間の複数の相互接続(912、916)を含み、
前記1つ以上のモジュールは前記複数のビーム形成器モジュールおよび複数の増幅器モジュール(1016)を含み;および
前記プリント配線基板をヒートシンク(1004)に接続してフェーズドアレイアンテナアセンブリを製造するステップを含む、フェーズドアレイアンテナ装置を製造する方法。
【請求項9】
前記複数のビーム結合器/分割器の対応するポート(910)の第1の組を相互接続する第1のストリップ線路RFマニホルド(912)と、前記複数のビーム結合器/分割器の対応するポート(914)の第2の組を相互接続する第2のストリップ線路RFマニホルド(916)とをともなって、前記プリント配線基板を製造するステップをさらに含み、前記第1のストリップ線路RFマニホルドおよび前記第2のストリップ線路RFマニホルドは、前記複数の層のうちの同じ層に置かれる、請求項8に記載の方法。
【請求項10】
増幅器が直接前記ヒートシンクと接触することを可能にするようにされる開口部(1026)とともに前記プリント配線基板を製造するステップを含む、請求項9に記載の方法。
【請求項1】
フェーズドアレイアンテナ装置(1000)であって:
複数の層を有する第1のプリント配線基板(1002)と;
前記複数の層の中に埋込まれた複数の相互接続(912、916)とを含み、前記複数の相互接続は複数の無線周波数(RF)マニホルド(304)を含み、さらに;
前記複数の相互接続に動作可能に接続された少なくとも1つのビーム結合器/分割器(704)と;
前記少なくとも1つのビーム結合器/分割器に動作可能に接続された少なくとも1つの増幅器(904)と;
前記少なくとも1つの増幅器に動作可能に接続され、前記プリント配線基板の縁部近くに位置し、前記フェーズドアレイアンテナ装置のボアサイトと平行に向けられる、少なくとも1つの一体的放射素子(902)とを含む、フェーズドアレイアンテナ装置(1000)。
【請求項2】
前記少なくとも1つのビーム結合器/分割器はH形状結合器(704)を含む、請求項1に記載のフェーズドアレイアンテナ装置。
【請求項3】
前記複数の相互接続は:
前記少なくとも1つのビーム結合器/分割器の対応するポート(910)の第1の組を相互接続する第1のストリップ線路RFマニホルド(912)と;
前記少なくとも1つのビーム結合器/分割器の対応するポート(914)の第2の組を相互接続する第2のストリップ線路RFマニホルド(916)とを含み、前記第1のストリップ線路RFマニホルドおよび前記第2のストリップ線路RFマニホルドは、前記複数の層のうちの同じ層に置かれる、請求項1または2に記載のフェーズドアレイアンテナ装置。
【請求項4】
前記第1のプリント配線基板が接続されるヒートシンク(1004)をさらに含み、前記第1のプリント配線基板は、増幅器(1016)が直接前記ヒートシンクと接触することを可能にするようにされる開口部(1026)をさらに含む、請求項1〜3のいずれかに記載のフェーズドアレイアンテナ装置。
【請求項5】
前記少なくとも1つの一体的放射素子に直交して配置され、前記プリント配線基板に接続される少なくとも1つの直交放射素子(1008)をさらに含む、請求項1〜4のいずれかに記載のフェーズドアレイアンテナ装置。
【請求項6】
フェーズドアレイアンテナ装置であって、
行列(1300)状に配置された複数のフェーズドアレイアンテナアセンブリ(1202)を含み、各フェーズドアレイアンテナアセンブリは、
ヒートシンク(1004)と;
前記ヒートシンクの第1の側に接続され、複数の層を有する第1のプリント配線基板(1002)と;
前記複数の層の中に埋込まれた複数の相互接続(912、916)とを含み、前記複数の相互接続は複数の無線周波数(RF)マニホルド(304)を含み、さらに;
前記複数の相互接続に動作可能に接続された少なくとも1つのビーム結合器/分割器(704)と;
前記少なくとも1つのビーム結合器/分割器に動作可能に接続された少なくとも1つの増幅器(904)と;
前記少なくとも1つの増幅器に動作可能に接続され、前記プリント配線基板の縁部近くに位置し、前記フェーズドアレイアンテナ装置のボアサイトと平行に向けられる、少なく
とも1つの一体的放射素子(902)とを含む、フェーズドアレイアンテナ装置。
【請求項7】
前記ヒートシンクの第2の側に接続される第2のプリント配線基板(1002)をさらに含む、請求項6に記載のフェーズドアレイアンテナ装置。
【請求項8】
フェーズドアレイアンテナ装置を製造する方法であって:
1つ以上のモジュール(1016、1014)をプリント配線基板(1002)とともに組立てるステップを含み、前記プリント配線基板は、複数の層、複数の一体的放射素子(1006)、および複数のビーム形成器モジュール(1014)内の複数のビーム結合器/分割器(704)の対応するポート(910、914)間の複数の相互接続(912、916)を含み、
前記1つ以上のモジュールは前記複数のビーム形成器モジュールおよび複数の増幅器モジュール(1016)を含み;および
前記プリント配線基板をヒートシンク(1004)に接続してフェーズドアレイアンテナアセンブリを製造するステップを含む、フェーズドアレイアンテナ装置を製造する方法。
【請求項9】
前記複数のビーム結合器/分割器の対応するポート(910)の第1の組を相互接続する第1のストリップ線路RFマニホルド(912)と、前記複数のビーム結合器/分割器の対応するポート(914)の第2の組を相互接続する第2のストリップ線路RFマニホルド(916)とをともなって、前記プリント配線基板を製造するステップをさらに含み、前記第1のストリップ線路RFマニホルドおよび前記第2のストリップ線路RFマニホルドは、前記複数の層のうちの同じ層に置かれる、請求項8に記載の方法。
【請求項10】
増幅器が直接前記ヒートシンクと接触することを可能にするようにされる開口部(1026)とともに前記プリント配線基板を製造するステップを含む、請求項9に記載の方法。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【公表番号】特表2010−514373(P2010−514373A)
【公表日】平成22年4月30日(2010.4.30)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2009−543079(P2009−543079)
【出願日】平成19年12月12日(2007.12.12)
【国際出願番号】PCT/US2007/087176
【国際公開番号】WO2008/121168
【国際公開日】平成20年10月9日(2008.10.9)
【出願人】(500520743)ザ・ボーイング・カンパニー (773)
【氏名又は名称原語表記】The Boeing Company
【Fターム(参考)】
【公表日】平成22年4月30日(2010.4.30)
【国際特許分類】
【出願日】平成19年12月12日(2007.12.12)
【国際出願番号】PCT/US2007/087176
【国際公開番号】WO2008/121168
【国際公開日】平成20年10月9日(2008.10.9)
【出願人】(500520743)ザ・ボーイング・カンパニー (773)
【氏名又は名称原語表記】The Boeing Company
【Fターム(参考)】
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