ES2302985T3 - Modulo activo integrado y compacto de banda ancha para sistemas de radar y de comunicacion. - Google Patents
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Abstract
Un módulo integrado (14) para alimentar un conjunto radiador de antenas activas (10), siendo el módulo integrado conmutable entre un modo de recepción y un modo de transmisión, comprendiendo el módulo integrado un primer amplificador (26) para amplificar señales para ser transmitidas por el radiador, un segundo amplificador (36) para amplificar señales recibidas por el radiador, un acoplamiento equilibrado (34) de banda ancha de doble entrada que tiene una salida única equilibrada, una línea de transmisión (30) acoplada a una salida del primer amplificador y a la primera entrada del acoplamiento equilibrado, una línea de recepción (40) acoplada a una entrada del segundo amplificador y a la segunda entrada del acoplamiento equilibrado, siendo dichas líneas de transmisión y de recepción líneas de transmisión desequilibradas, un primer conmutador (24) de MEMS para conectar a tierra la línea de recepción cuando el módulo integrado está colocado en el modo de transmisión, y un segundo conmutador (22) de MEMS para conectar en paralelo la línea de transmisión a tierra cuando el módulo integrado está colocado en el modo de recepción.
Description
Módulo activo integrado y compacto de banda
ancha para sistemas de radar y de comunicación.
El presente invento se refiere generalmente a un
módulo activo integrado para uso en sistemas de radiofrecuencia
(RF) y, más particularmente, a un módulo activo integrado que puede
incluir un conjunto que tiene un acoplamiento equilibrado de banda
ancha, amplificadores y conmutadores de sistemas
microelectromecánicos (MEMS) dispuestos con un radiador para
conectarse a una energía RF de un transmisor y/o a un receptor.
Se usa una amplia variedad de antenas para
transmitir y/o recibir señales (por ejemplo, señales de RF) con
frecuencias de microondas y/o de ondas milimétricas. A menudo, las
antenas están formadas por una pluralidad de radiadores. Cada
radiador puede estar asociado con un transmisor usado para generar
señales para ser transmitidas por la antena y con un receptor usado
para procesar las señales recibidas por la antena. Muchos módulos
transmisores/receptores (TR) están provistos de un amplificador
para el camino de transmisión y de un amplificador para el camino
de recepción.
El módulo TR puede incluir conmutadores que se
usan para seleccionar cuál de los dos, el transmisor o el receptor
está acoplado al radiador. En el pasado, los conmutadores han sido
provistos con díodos PIN, con transistores de efecto de campo
(FETs) de arseniuro de galio (GaAs), con circuladores de enganche y
con dispositivos electromecánicos tales como contactores.
La pérdida de red es un problema inherente en
los circuitos transmisores-receptores que pueden
degradar el la calidad de funcionamiento del sistema. Entre los
factores que contribuyen a la pérdida de red están incluidos, por
ejemplo, la pérdida de conductor, la pérdida de material dieléctrico
y otros. Los intentos anteriores para compensar la pérdida de red y
de mejorar el funcionamiento del sistema consistían en proporcionar
una ganancia de señal adicional con los amplificadores del módulo
TR. Sin embargo, proporcionando una ganancia adicional en los
amplificadores del módulo TR puede dar lugar a un aumento del tamaño
y consumo de potencia del módulo TR. Además, se pueden producir
problemas de disipación de calor cuando se emplean amplificadores
de ganancia mayor.
La colocación del módulo TR con respecto al
radiador también es un problema ya que la pérdida aumentará con una
mayor longitud de los conductores que se acoplan al módulo TR y al
radiador. El tamaño de los componentes del módulo TR influye en la
colocación del módulo TR. Esto es, cuanto mayor es el módulo TR más
lejos ha de estar colocado el módulo del radiador para alojar cada
módulo TR de una antena de radiadores múltiples.
Por lo tanto, existe la necesidad en la técnica
de módulos radiador/TR integrados de mayor calidad de funcionamiento
con un tamaño compacto para uso en aplicaciones de RF.
Un módulo integrado similar está expuesto en el
documento US-B-4.724.441.
De acuerdo con un aspecto del invento, el
invento está dirigido a un módulo integrado para un conjunto
radiador de antenas activas, de acuerdo con la reivindicación
1.
De acuerdo con otro aspecto del invento, el
invento está dirigido a un conjunto radiador de antenas activas, de
acuerdo con la reivindicación 9.
Éstas y otras características del presente
invento serán evidentes con referencia a la siguiente descripción y
dibujos, en los que:
la Figura 1 es una vista en despiece ordenado de
un conjunto radiador de antenas activas que incluye un radiador de
antenas y un módulo integrado de acuerdo con el presente
invento;
la Figura 2 es una representación esquemática de
una primera realización del módulo integrado;
la Figura 3 es un diagrama de bloques de una
unidad de conmutación del sistema microelectromecánico (MEMS) del
ejemplo adecuado para uso como parte del módulo integrado de la
Figura 2;
la Figura 4A es una sección recta de un
conmutador de MEMS configurado para uso en el módulo integrado de
la Figura 2 en una posición cerrada y tomada a lo largo de la línea
4-4 de la Figura 2;
la Figura 4B es una sección recta del conmutador
de MEMS configurado para uso en el módulo integrado de la Figura 2
en una posición abierta y tomada a lo largo de la línea
4-4 de la Figura 2;
la Figura 5 es una disposición de antenas del
ejemplo que incluye una matriz de conjuntos de radiador de antena
de acuerdo con el presente invento;
la Figura 6 es una representación esquemática de
una segunda realización del módulo integrado;
la Figura 7 es un diagrama de bloques de una
unidad de conmutación de MEMS adecuada para uso como parte del
módulo integrado de la Figura 6;
la Figura 8A es una sección recta de un
conmutador de MEMS configurado para uso en el módulo integrado de
la Figura 6 en una posición cerrada y tomada a lo largo de la línea
8-8 de la Figura 6; y
la Figura 8B es una sección recta del conmutador
de MEMS configurado para uso en el módulo integrado de la Figura 6
en una posición abierta y tomada a lo largo de la línea
8-8 de la Figura 6.
En la descripción detallada que sigue, a
componentes similares se les ha dado los mismos números de
referencia, independientemente de si se muestran en realizaciones
diferentes del presente invento. Para ilustrar el presente invento
de una forma clara y concisa, los dibujos pueden no estar
necesariamente a escala, y ciertas características pueden mostrarse
en algún modo de forma esquemática.
Ciertas características del invento están
dirigidas a un módulo integrado de un conjunto radiador de antenas
activas. El módulo integrado es conmutable entre un modo de
recepción y un modo de transmisión e incluye un primer amplificador
para amplificar las señales para ser transmitidas por el radiador,
un segundo amplificador para amplificar las señales recibidas por
el radiador, un acoplamiento equilibrado de banda ancha de doble
entrada, una línea de transmisión para dirigir señales de salida del
primer amplificador, una línea de recepción para dirigir señales de
entrada a la entrada del segundo amplificador, un primer conmutador
de MEMS para conectar en paralelo la línea de microbanda para
conectar a tierra cuando el módulo integrado está colocado en el
modo de transmisión y un segundo conmutador de MEMS para conectar
en paralelo a tierra la línea de banda de transmisión cuando el
módulo integrado está colocado en el modo de recepción.
Ciertas otras características del invento están
dirigidas a un módulo integrado de un conjunto radiador de antenas
activas. El conjunto incluye un radiador, un acoplamiento
equilibrado, amplificadores y módulo de conmutadores de MEMS
dispuestos detrás del radiador. El módulo es conmutable entre un
modo de recepción y un modo de transmisión, e incluye: un
amplificador de alta potencia (HPA) para amplificar las señales para
ser transmitidas por el radiador; un amplificador de bajo nivel de
ruido (LNA) para amplificar las señales recibidas por el radiador;
y un acoplamiento equilibrado de banda ancha que tiene un camino de
recepción y un camino de transmisión. Las señales recibidas del
radiador están acopladas al acoplamiento equilibrado a través de un
par de sondas que están 180º fuera de fase. El acoplamiento
equilibrado combina, entra en resonancia y acopla las señales a una
línea de recepción que dirige energía a una entrada del LNA. Una
línea de transmisión acopla la energía de una salida del HPA al
acoplamiento equilibrado en el que la energía (en la forma de una
señal para ser transmitida) se divide en dos señales que están 180º
fuera de fase. Las dos señales fuera de fase 180º, a su vez,
alimentan al radiador a través de las sondas. Un conmutador de
sistema microelectromecánico (MEMS) acopla selectivamente la línea
de recepción y el camino de recepción del acoplamiento equilibrado a
tierra cuando el módulo integrado está colocado en el modo de
transmisión; y un conmutador de MEMS de transmisión para acoplar
selectivamente la línea de transmisión y el camino de transmisión
del acoplamiento equilibrado a tierra cuando el módulo integrado
está colocado en el modo de recepción.
Con referencia inicialmente a la Figura 1, se
muestra una vista en despiece ordenado de un conjunto integrado
activo 10 de radiador de antena. El conjunto del radiador 10 incluye
un radiador 12 y un módulo integrado 14. Se debería considerar que
una pluralidad de conjuntos 10 de radiador puede usarse
conjuntamente para formar una disposición de antena para uso en
aplicaciones tales como barrido, comunicaciones, etc. En la
realización ilustrada, el radiador 12 es un radiador circular (o
cilíndrico), altamente dieléctrico, multicapa, de perfil bajo, de
barrido ancho, de banda ancha. En una realización, el radiador 12
puede ser un radiador de banda X y, en otra realización, el
radiador puede ser un radiador de doble frecuencia (por ejemplo,
banda X y banda C). El radiador ilustrado 12 en la Figura 1 tiene
una polarización lineal en la que una sonda de entrada 16a está
180º fuera de fase con respecto a otra sonda 16b. El presente
invento no está limitado al anterior radiador 12, y se pueden usar
otros tipos de radiadores como parte del conjunto del radiador 10,
tal como, por ejemplo, radiadores espirales y radiadores vivaldi.
En una realización, el radiador 12 es un panel circular impreso
sobre un cilindro dieléctrico.
El módulo integrado 14 está colocado
directamente detrás del radiador 12. Tal disposición aumenta la
proximidad del módulo integrado 14 al radiador 12. Por lo tanto, la
longitud de los conductores usados para acoplar el módulo integrado
14 al radiador 12 pueden ser mantenidos en un mínimo y se puede
minimizar la pérdida del conductor. El módulo integrado 14 incluye
también amplificadores para los caminos de recepción y de
transmisión. El módulo integrado 14 incluye también un acoplamiento
equilibrado de doble entrada, de banda ancha. En la realización
ilustrada, el radiador 12 está acoplado a las salidas del módulo
integrado 14 con el par de sondas 16. Una cúpula 18 y una capa
dieléctrica 20 pueden colocarse sobre el radiador 12 como es
convencional. En una realización, está dispuesto entre el radiador
12 y la capa dieléctrica 20 un panel parásito (no ilustrado) para
aumentar el ancho de banda.
Volviendo a la Figura 2, se ilustra una primera
realización del módulo integrado 14. Con el fin de colocar el
módulo integrado 14 directamente detrás del radiador 12, el tamaño
del módulo integrado 14 es un problema. Como se describirá más
adelante con más detalle, el módulo integrado 14 utiliza los
conmutadores del sistema microelectromecánico (MEMS) para conseguir
una disposición compacta e integrada del módulo 14. Más
específicamente, el módulo integrado 14 integra conmutadores de
MEMS y otros dispositivos activos (por ejemplo, amplificadores) con
una acoplamiento equilibrado para conseguir un circuito de
microondas multicapa compacto.
El módulo integrado 14 incluye un primer
conmutador de MEMS usado conjuntamente con el acoplamiento de un
transmisor (no mostrado) al radiador 12. Este conmutador de MEMS
será referido aquí como un conmutador de MEMS 12 de transmisión. El
módulo integrado 14 también incluye un segundo conmutador MEMS usado
conjuntamente con el acoplamiento de un receptor (no mostrado) al
radiador 12. Este conmutador de MEMS será referido aquí como un
conmutador de MEMS 24 de recepción.
El módulo integrado 14 incluye un amplificador
de alta potencia (HPA) 26 que está acoplado para recibir y
amplificar las señales producidas por el transmisor antes de que las
señales sean conectadas al radiador 12 para transmisión. La
conexión entre el HPA 26 y el transmisor puede llevarse a efecto,
por ejemplo, mediante una línea de microbanda 28. Una salida del
HPA 26 está acoplada a una línea 30 de microbanda de transmisión.
Como se explicará más adelante con más detalle, la línea 30 de
microbanda de transmisión puede ser considerada parte de un camino
de transmisión usado para acoplar la señal de salida a un
acoplamiento equilibrado 34 de banda ancha. El acoplamiento
equilibrado 34 incluye un primer par de brazos 32 y 33 y un segundo
par de brazos 42 y 43. El brazo 32 del acoplamiento equilibrado 34
está conectado a una de las sondas 16, y el brazo del acoplamiento
equilibrado 34 está conectado a la otra de las sondas 16.
El módulo integrado 14 incluye también un
amplificador de bajo nivel de ruido (LNA) 36 que está acoplado para
recibir y amplificar las señales recibidas por el radiador 12 antes
de que las señales sean conectadas al receptor para un
procesamiento adicional. La conexión entre el LNA 36 y el receptor
puede ser llevada a efecto, por ejemplo, mediante una línea de
microbanda 38. Una entrada del LNA 36 está acoplada a una línea 40
de microbanda de recepción. Como se explicará más adelante con más
detalle, la línea 40 de microbanda de recepción puede considerarse
parte de un camino de recepción usado para acoplar la señal entrante
del acoplamiento equilibrado 34 al LNA 36.
La integración de los dispositivos activos (los
conmutadores de MEMS 22, 24, los HPA 26 y el LNA 36) y el
acoplamiento equilibrado 34, así como colocando el módulo integrado
14 directamente detrás del radiador 12, mejora la calidad de
funcionamiento del sistema sobre el de los diseños convencionales.
Es decir, se pueden minimizar las pérdidas de red y la ganancia del
LNA 36 y del HPA 26 contribuyen a una mayor calidad de
funcionamiento.
Como se ha indicado, el acoplamiento equilibrado
34 incluye un primer par de brazos interconectados 32, 33 y un
segundo par de brazos interconectados 42, 43. Los pares de brazos
32/33 y 42/43 forman estructuras en forma de "L" dispuestas en
oposición. Una ranura 44 separa los pares de brazos 32/33 y 42/43.
En la realización ilustrada, cada brazo 32, 33, 42 y 43 del
acoplamiento equilibrado 34 son secciones de un cuarto de longitud
de onda (1/4 \lambda). Una salida del brazo 42 está acoplada al
radiador 12 a través de una de las sondas 16 en una posición que
está 180º fuera de fase con respecto al acoplamiento del brazo 32
con el radiador 12 por la otra de las sondas 16.
La línea 30 de microbanda de transmisión y la
línea 40 de microbanda de recepción están dispuestas sobre el
acoplamiento equilibrado 34. En la realización ilustrada, la línea
30 de microbanda de transmisión se extiende desde el conmutador 22
de MEMS de transmisión hacia el conmutador 24 de MEMS de recepción,
y la línea 40 de microbanda de recepción se extiende desde el
conmutador 24 de MEMS de recepción hacia el conmutador 22 de MEMS
de transmisión. La línea 30 de microbanda de transmisión y la línea
40 de microbanda de recepción pueden estar separadas por unas pocas
anchuras de banda.
En la realización ilustrada, la línea 30 de
microbanda de transmisión está acoplada eléctricamente a los brazos
33 y 43 del acoplamiento equilibrado 34. Extendiéndose desde el
conmutador 22 de MEMS de transmisión, la línea 30 de microbanda de
transmisión está dispuesta sobre y separada del brazo 33 del
acoplamiento equilibrado 34. Continuando a lo largo del eje
longitudinal de la línea 30 de microbanda de transmisión, la línea
30 de microbanda de transmisión está dispuesta sobre y separada del
brazo 43 del acoplamiento equilibrado 34. La longitud de la línea
30 de microbanda de transmisión, medida desde el centro de la ranura
44 hasta un extremo distal de la línea 30 de microbanda de
transmisión, el conmutador 22 de MEMS (esto es, el extremo dispuesto
sobre el brazo 43 del acoplamiento equilibrado 34) es un cuarto de
longitud de onda (es decir, 1/4 \lambda) para el establecimiento
de un resonador de ondas estacionarias cuando el módulo integrado 14
está situado en un modo de recepción como se describirá más
adelante con más detalle. La longitud de la línea 30 de microbanda
de transmisión desde la ranura 44 al conmutador 22 de MEMS de
transmisión es menos significativa para el funcionamiento del
módulo integrado 14.
Igualmente, la línea 40 de microbanda de
recepción está eléctricamente acoplada a los brazos 43 y 33 del
acoplamiento equilibrado 34. Extendiéndose desde el conmutador 24
de MEMS de recepción, la línea 40 de microbanda de recepción está
dispuesta sobre y separada del brazo 43 del acoplamiento equilibrado
34. Continuando a lo largo del eje longitudinal de la línea 40 de
microbanda de recepción, la línea 40 de microbanda de recepción está
dispuesta sobre y separada del brazo 33 del acoplamiento
equilibrado 34. La longitud de la línea 40 de microbanda de
recepción, medida desde el centro de la ranura 44 a un extremo del
conmutador 24 de MEMS de la línea 40 de microbanda de recepción
distal (esto es, el extremo dispuesto sobre el brazo 33 del
acoplamiento equilibrado 34) es un cuarto de longitud de onda (es
decir, 1/4 \lambda) para el establecimiento de un resonador de
ondas estacionarias cuando el módulo integrado 14 está colocado en
un modo de transmisión descrito con mayor detalle más adelante. La
longitud de la línea 40 de microbanda de recepción desde la ranura
44 hasta el conmutador 24 de MEMS de recepción es menos
significativa para el funcionamiento del módulo integrado 14.
En operación, el módulo integrado 14 puede ser
colocado en un modo de transmisión y en un modo de recepción. En el
modo de transmisión, el módulo integrado 14 acopla las señales
generadas por el transmisor al radiador 12 y conecta en paralelo el
camino de recepción a una línea de tierra 46. Como se describirá con
mayor detalle más adelante, la conexión en paralelo se establece
por la actuación del conmutador 24 de MEMS de recepción. La
conexión en paralelo del acoplamiento equilibrado 34 y de la línea
40 de microbanda de recepción con la línea de tierra 46 forma un
cortocircuito virtual en el conmutador 24 para el camino de
recepción (es decir, el camino de conducción desde el radiador 12
al receptor) permitiendo la máxima transferencia de energía a
través del acoplamiento equilibrado 34 a lo largo del camino de
transmisión (esto es, el camino de conducción desde el transmisor
al radiador 12).
En el modo de recepción, el módulo integrado 14
acopla las señales recibidas por el radiador 12 al receptor y
conecta en paralelo el camino de transmisión a una línea de tierra
48. Como se describirá posteriormente con más detalle, la conexión
en paralelo se establece por la actuación del conmutador 22 de MEMS
de transmisión. La conexión en paralelo del acoplamiento
equilibrado 34 y la línea 30 de microbanda de transmisión a la línea
de tierra 48 forma un cortocircuito virtual en el conmutador 22
para el camino de transmisión permitiendo la máxima transferencia
de energía a través del acoplamiento equilibrado 34 a lo largo del
camino de recepción.
Además de la anterior operación del módulo
integrado 14, la conexión en paralelo de la línea 40 de microbanda
de transmisión a la línea de tierra 46 durante la transmisión
protege (por ejemplo, aísla) el LNA 36 de las señales de
transmisión. Igualmente, la conexión en paralelo de la línea 30 de
microbanda de transmisión a la línea de tierra 48 durante la
recepción protege (por ejemplo, aísla) el HPA 26 de las señales
recibidas.
El conmutador 24 de MEMS de recepción y el
conmutador 22 de MEMS de transmisión funcionan conjuntamente como
un conmutador unipolar de dos vías (SPDT). Cuando el módulo
integrado 14 está colocado en el modo de transmisión, el conmutador
24 de MEMS de recepción funciona como un aislante para bloquear las
señales entrantes (por ejemplo, una señal de interferencia o una
contramedida).
Con referencia ahora a la Figura 3, se ilustra
un diagrama de bloques de una unidad de conmutación de MEMS 50 de
ejemplo que podría ser usada como el conmutador 22 de MEMS de
transmisión y/o del conmutador 24 de MEMS de recepción del módulo
integrado 14. Se ha observado que la disposición de las patillas de
conexión y de los miembros conductores ilustrados en la Figura 3
pueden ser modificados para uso en el módulo integrado 14. Las
Figuras 4A y 4B ilustran una sección recta del conmutador 24 de MEMS
de recepción que está fabricado usando la disposición general de la
unidad de conmutación 50 de MEMS, pero configurada para uso en el
módulo integrado 14. En la realización ilustrada, una sección recta
del conmutador 22 de MEMS de transmisión sería generalmente una
imagen especular de la sección recta del conmutador 24 de MEMS de
recepción. Por lo tanto, el conmutador 22 de MEMS de transmisión no
será ilustrado de forma independiente. Se ha observado que la
sección recta de la Figura 4A ilustra el conmutador 24 de MEMS de
recepción en una posición cerrada (también referida como un estado
de conducción para generar la conexión en paralelo descrita
anteriormente), y la sección recta de la Figura 4B ilustra el
conmutador 24 de MEMS de recepción en una posición abierta (también
referida como un estado de desconexión).
En la primera realización del módulo integrado
14, los conmutadores 22 y 24 de MEMS pueden estar provistos de
conmutadores de MEMS con voladizo de conexión en paralelo, tal como
la unidad de conmutación 50 de MEMS. Aunque las propiedades y
características de la unidad de conmutación 50 de MEMS se
describirán más adelante, se pueden encontrar detalles adicionales
de una unidad de conmutación apropiada en el documento US Patent Nº
6.046.659, cuya explicación está aquí incorporada como referencia en
su totalidad.
La unidad de conmutación 50 de MEMS puede ser
vista como un conmutador unipolar de una vía (SPDT). Más
particularmente, la unidad de conmutación 50 de MEMS puede estar
provista de un conmutador de MEMS que interrumpe la transmisión de
señal mediante conexión en paralelo (o "cortocircuito") de un
camino de conducción de señal a tierra.
La unidad de conmutación 50 incluye una armadura
52 unida a una primera línea 54 de transmisión de señal en un
extremo próximo 56 de la armadura 52. Un extremo distal (o extremo
de contacto 58) de la armadura 52 está situado sobre una segunda
línea 60 de transmisión de señal. Un electrodo de polarización 62
del sustrato puede estar dispuesto debajo de la armadura 52 y,
cuando la armadura 52 está en la posición abierta, la armadura 52
está separada del electrodo de polarización 62 del sustrato y la
segunda línea de transmisión 60 por un espacio de aire.
Una muesca de conducción, o contacto 64,
sobresale hacia abajo desde el extremo de contacto 58 de la armadura
52, de forma que en la posición cerrada el contacto 64 hace
contacto con la segunda línea 60 de transmisión de señal. El
contacto 64 está conectado eléctricamente por una línea de
transmisión conductora 66 a la primera línea 54 de transmisión de
señal, de modo que cuando la armadura 52 está en la posición
cerrada, la primera línea 54 de transmisión de señal y la segunda
línea 60 de transmisión de señal están eléctricamente acopladas
entre sí mediante un camino de conducción. Las señales pueden pasar
desde la primera línea 54 de transmisión de señal a la segunda
línea 60 de transmisión de señal (o viceversa) a través de la unidad
de conmutación 50 de MEMS. Cuando la armadura 52 está en la
posición abierta, la primera línea 54 de transmisión de señal y la
segunda línea 60 de transmisión de señal están eléctricamente
aisladas una de otra.
Por encima del electrodo de polarización 62 del
sustrato, la armadura 52 está provista de un electrodo de
polarización 68 de la armadura (obsérvese que el electrodo de
polarización 68 de la armadura puede tener muchos segmentos a cada
lado de la línea de transmisión 66 como está ilustrado, o puede
tener una parte dispuesta debajo de la línea de transmisión 66 y
separado de ella por una capa aislante). El electrodo de
polarización 62 del sustrato está eléctricamente acoplado a una
patilla de polarización 70 del sustrato. El electrodo de
polarización 68 de la armadura (y partes de él) está eléctricamente
acoplado a una patilla de polarización 72 a través de al menos un
conductor 74 de la armadura. Cuando se aplica un voltaje adecuado
entre la patilla de polarización 70 del sustrato y la patilla de
polarización 72 de la armadura, el electrodo de polarización 68 de
la armadura es atraído hacia el electrodo de polarización 62 del
sustrato para actuar la unidad de conmutación de MEMS 50 desde la
posición abierta (por ejemplo, como está ilustrado en la Figura 4B)
hacia la posición cerrada (por ejemplo, como está ilustrado en la
Figura 4A).
La armadura 52 puede incluir miembros
estructurales 76 para soportar componentes tales como el contacto
64, la línea de transmisión 66, el electrodo de polarización 68 y
el conductor 74. Se ha observado que el contacto 64 y la línea de
transmisión 66 pueden estar formados de la misma capa de material o
de diferentes capas de material.
Como está mejor ilustrado en las Figuras 4A y
4B, cuando la unidad de conmutación 50 de MEMS se usa en el módulo
integrado 14 como los conmutadores 22 y 24 de MEMS, la primera línea
54 de transmisión de señal es realizada al igual que las líneas de
microbanda (la línea 40 de microbanda de recepción del conmutador 24
de MEMS de recepción y la línea 30 de microbanda del conmutador 22
de MEMS de transmisión). Igualmente, la segunda línea de
transmisión 60 es realizada al igual que las líneas a tierra (la
línea a tierra 46 del conmutador 24 de MEMS de recepción y la línea
a tierra 48 del conmutador 22 de MEMS de transmisión). Por lo tanto,
cuando la armadura 52 del conmutador 22 de MEMS de transmisión o el
conmutador 24 de MEMS de recepción está en la posición cerrada, la
línea 30 o 40 de microbanda es conectada en paralelo con la
respectiva línea a tierra 48 o 46. Cuando la armadura 52 del
conmutador 22 de MEMS de transmisión o el conmutador 24 de MEMS de
recepción está en la posición abierta, la línea 30 o 40 de
microbanda está aislada de la respectiva línea a tierra 48 o
46.
Continuando con la referencia a las Figuras 4A y
4B, el conmutador 24 de MEMS de recepción se muestra respectivamente
en la posición cerrada (por ejemplo, cuando el módulo integrado 14
está en el modo de transmisión) y en la posición abierta (por
ejemplo, cuando el módulo integrado 14 está en el modo de
recepción). La línea 40 de microbanda de recepción está dispuesta
sobre y separada de los brazos 43 y 33 del acoplamiento equilibrado
34. Una capa aislante 78 aísla la línea 40 de microbanda de
recepción de los brazos 43 y 33. El conmutador 22 de MEMS de
recepción está dispuesto igualmente con la línea 30 de microbanda de
transmisión y los brazos 33 y 43. Las anteriores estructuras (por
ejemplo, el acoplamiento equilibrado 34, las líneas 30 y 40 de
microbanda, los conmutadores 22 y 24 de MEMS, el HPA 26 y el LNA
36) pueden estar dispuestos sobre un sustrato 82.
Un controlador (no mostrado) puede ser usado
para aplicar las señales apropiadas a la patilla de polarización 72
de la armadura y a la patilla de polarización 70 del sustrato del
conmutador 22 de MEMS de transmisión y del conmutador 24 de MEMS de
recepción para colocar el módulo integrado 14 en los modos de
recepción o de transmisión. En una realización, el controlador
puede ser un microprocesador digital.
Con referencia ahora a la Figura 5, se muestra
una disposición de antena 84, como ejemplo, compuesta por una
matriz de nueve por nueve de radiadores de la antena 12. Se debería
entender que el presente invento es aplicable a disposiciones de
antena de otras dimensiones, tal como una disposición de antenas en
fase con un gran número de elementos radiantes. Por ejemplo, por la
apropiada excitación de puertos de entrada de los elementos
radiantes se puede obtener una antena de polarización lineal doble
o una antena de polarización circular dual.
Dispuesto detrás de cada radiador de antena 12
de la disposición de antena 84 está un módulo integrado 14 para
formar un conjunto 10 radiador de antena (Figura 1). Para ilustrar
claramente la disposición de antena 84, solamente se ha ilustrado
un módulo integrado 14. Además, el módulo integrado 14 está
ilustrado como estando al lado de la disposición de antena 84. Sin
embargo, como se ha descrito aquí, y como está mejor ilustrado en
la Figura 1, el módulo integrado 14 puede ser colocado directamente
detrás del radiador 12 para minimizar la longitud de los
conductores que acoplan el módulo integrado 14 y el radiador 12.
Con referencia ahora a la Figura 6, se muestra
una segunda realización del módulo integrado 14'. Operativamente,
la segunda realización del módulo integrado 14' funciona de la misma
forma que la primera realización del módulo integrado 14 y está
dimensionado para ser colocado directamente detrás del radiador
12.
Similar al módulo integrado 14, el módulo
integrado 14' incluye un acoplamiento equilibrado 34' que tiene un
brazo 32' y un brazo 42' que están dispuestos opuestos y separados
por una ranura 44'. Sin embargo, en el módulo integrado 14', el
acoplamiento equilibrado 34' está dispuesto como una guía de ondas
coplanarias (CPW). El módulo integrado 14' también incluye un HPA
26' conectado eléctricamente al transmisor por medio de un
conductor 28' y un LNA 36' conectado al receptor por medio de un
conductor 38'. La salida del HPA 26' y la salida del LNA 36' están
conectados respectivamente a una línea CPW 30' y a una línea de
recepción CPW 40'. La línea de transmisión CPW 30' y la línea de
recepción CPW 40' pueden respectivamente ser consideradas partes de
un camino de transmisión y de un camino de recepción.
La línea de transmisión CPW 30' y la línea de
recepción CPW 40' están acopladas eléctricamente al acoplamiento
equilibrado 34'. En la realización ilustrada, la línea 30' de
microbanda de transmisión, la línea 40' de microbanda de
transmisión y el acoplamiento equilibrado 34' están dispuestos en el
mismo plano. Los conmutadores 22' y 24' de MEMS de recepción en la
segunda realización del módulo integrado 14' son conmutadores de
MEMS de membrana capacitivos. Un conmutador de MEMS de membrana
capacitivo adecuado para uso como el conmutador 22' de MEMS de
transmisión y/o el conmutador 24' de MEMS de recepción está descrito
con más detalle en el documento US Patent Nº 6.391.675, cuya
explicación se incorpora aquí como referencia en su totalidad.
Con referencia adicional a las Figuras 7, 8A y
8B, el conmutador 24' de MEMS de recepción y sus conexiones a la
línea CPW 40' y al brazo 42' están ilustrados con más detalle. Como
sería evidente a una persona experta en la materia, una
configuración similar se usa para el conmutador 22' de MEMS de
transmisión, para la línea CPW 30' de transmisión y para el brazo
32' del acoplamiento equilibrado 34'. Por lo tanto, el conmutador
22' de MEMS de transmisión no se ilustrará separadamente.
El conmutador 24' de MEMS de recepción incluye
una membrana conductora 86 que se extiende entre un puerto no
conductor 88 dispuesto en el brazo 42' del acoplamiento equilibrado
34' y una patilla de polarización 90. Dispuesto debajo de la
membrana 86 está un electrodo 92 que forma una parte de la línea CPW
40' de recepción (alternativamente, el electrodo 92 es
independiente de la línea CPW 40' de MEMS pero está conectado a la
línea 40' de microbanda de recepción). Cubriendo el electrodo 92
está una capa dieléctrica 94. Como está ilustrado, la anterior
estructura está formada sobre un sustrato 96.
La patilla de polarización 90, y por tanto la
membrana 86, están conectadas a un voltaje de referencia, tal como
a tierra. En un estado de desconexión del conmutador 24' de MEMS de
recepción (por ejemplo, como está ilustrado en la Figura 8A),
existe un espacio de aire entre la membrana 86 y la capa dieléctrica
94. Si se aplica un voltaje de polarización de corriente continua
al electrodo 92 para crear un diferencial de voltaje entre la
membrana 86 y el electrodo 92, el conmutador 24' de MEMS de
recepción oscilará a un estado de conducción (por ejemplo, como
está ilustrado en la Figura 8B) en el que la membrana 86 es
flexionada hacia abajo hasta que la membrana 86 se apoya en la capa
dieléctrica 94. Este contacto forma un acoplamiento capacitivo que
hace un cortocircuito de forma efectiva, o conecta en paralelo,
señales de alta frecuencia de la línea CPW 40' de recepción y del
brazo 42' del acoplamiento equilibrado 34' a la membrana 86 y, en la
realización ilustrada, a tierra.
En el modo de transmisión, el conmutador 22' de
MEMS de transmisión está colocado en un estado de desconexión para
permitir que las señales generadas por el transmisor se acoplen al
radiador 12, y el conmutador 24' de MEMS de recepción está colocado
en un estado de conducción para conectar en paralelo a tierra la
línea CPW 40' de recepción y el brazo 42' del acoplamiento
equilibrado 34'. En el modo de recepción, el conmutador 22' de MEMS
de transmisión está colocado en un estado de conducción para
conectar en paralelo a tierra la línea CPW 30' de transmisión y el
brazo 32' del acoplamiento equilibrado 34', y el conmutador 24' está
colocado en un estado de desconexión para permitir que las señales
recibidas por el radiador 12 se acoplen al receptor.
Un controlador, no mostrado, puede ser usado
para aplicar señales apropiadas al electrodo 92 del conmutador 22'
de MEMS de transmisión y al conmutador 24' de MEMS de recepción para
colocar el módulo integrado 14' en los modos de recepción o de
transmisión.
Claims (10)
1. Un módulo integrado (14) para alimentar un
conjunto radiador de antenas activas (10), siendo el módulo
integrado conmutable entre un modo de recepción y un modo de
transmisión, comprendiendo el módulo integrado un primer
amplificador (26) para amplificar señales para ser transmitidas por
el radiador, un segundo amplificador (36) para amplificar señales
recibidas por el radiador, un acoplamiento equilibrado (34) de banda
ancha de doble entrada que tiene una salida única equilibrada, una
línea de transmisión (30) acoplada a una salida del primer
amplificador y a la primera entrada del acoplamiento equilibrado,
una línea de recepción (40) acoplada a una entrada del segundo
amplificador y a la segunda entrada del acoplamiento equilibrado,
siendo dichas líneas de transmisión y de recepción líneas de
transmisión desequilibradas, un primer conmutador (24) de MEMS para
conectar a tierra la línea de recepción cuando el módulo integrado
está colocado en el modo de transmisión, y un segundo conmutador
(22) de MEMS para conectar en paralelo la línea de transmisión a
tierra cuando el módulo integrado está colocado en el modo de
recepción.
2. El módulo integrado de acuerdo con la
reivindicación 1, en el que las líneas de transmisión y de recepción
son líneas de microbanda dispuestas sobre el acoplamiento
equilibrado.
3. El módulo integrado de acuerdo con alguna de
las reivindicaciones 1-2, en el que los conmutadores
de MEMS de transmisión y de recepción son conmutadores de MEMS con
voladizo de conexión en paralelo.
4. El módulo integrado de acuerdo con la
reivindicación 1, en el que las líneas de transmisión y de recepción
son líneas de guía de ondas coplanarias (CPW) dispuestas en un
plano del acoplamiento equilibrado.
5. El módulo integrado de acuerdo con alguna de
las reivindicaciones 1 y 4, en el que los conmutadores de MEMS de
transmisión y de recepción son conmutadores capacitivos de MEMS de
membrana.
6. El módulo integrado de acuerdo con alguna de
las reivindicaciones 1-5, en el que la línea de
transmisión está configurada para actuar como un cortocircuito
virtual en el segundo conmutador cuando el módulo integrado está
colocado en el modo de recepción, y la línea de recepción está
configurada para actuar como un cortocircuito virtual en el primer
conmutador cuando el módulo integrado está colocado en el modo de
transmisión.
7. El módulo integrado de acuerdo con alguna de
las reivindicaciones 1-6, en el que el acoplamiento
equilibrado tiene un primer brazo (43) y un segundo brazo (33)
separado por una ranura.
8. El módulo integrado de acuerdo con la
reivindicación 7, en el que el primer brazo está emparejado con un
tercer brazo (42) para formar una primera estructura en forma de
"L", y el segundo brazo está emparejado con un cuarto brazo
(32) para formar una segunda estructura en forma de "L"
dispuesta en oposición a la primera estructura en forma de
"L".
9. Un conjunto radiador integrado de antenas
activas, que comprende: un radiador (12); y un módulo integrado
(14) de acuerdo con alguna de las reivindicaciones 1 a 8.
10. El conjunto de radiador de acuerdo con la
reivindicación 9, en el que la línea de transmisión está configurada
para actuar como un cortocircuito virtual en el segundo conmutador
cuando el módulo integrado está colocado en el modo de recepción, y
la línea de recepción está configurada para actuar como un
cortocircuito virtual en el primer conmutador cuando el módulo
integrado está colocado en el modo de transmisión.
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