NL1027641C2 - Radio/microgolfstructuren en op de betreffende technologie gebaseerde phased array antennes. - Google Patents

Description

Radio/microgolfstructuren en op de betreffende technologie gebaseerde phased array antennes 5 Deze uitvinding heeft betrekking op radio/microgolfstructuren, met name op verliesarme, in hoge mate geïntegreerde radio/microgolfstructuren. In het bijzonder heeft deze uitvinding betrekking op phased array antennes die gebaseerd zijn op een dergelijke technologie.

10 De traditionele PWB (Printed Wiring Board, prentpaneel) fabricagetechnieken voldoen uitstekend voor hooggeïntegreerde elektronische structuren. De PWB fabricagetechnieken worden toegepast voor ontwerpen die op of met vrij lage frequenties werkende elektronica omvatten. De diëlektrische verliezen zijn derhalve gering en dus van weinig 15 betekenis.

Bij standaard PWB materialen doen zich diëlektrische verliezen voor, die de voornaamste verliesfactor vormen bij frequenties boven 1 of 2 GHz. Tevens hebben gewoonlijk voor PWB’s gebruikte materialen een 20 diëlektrische factor in een bereik van 2 tot 4, waardoor de voortplanting via de PWB hinder ondervindt en de vertraging met 50 procent toeneemt tot ongeveer 100 procent van de snelheid in lucht.

Tegenwoordig werkt men echter met steeds hogere frequenties en 25 worden verliezen steeds belangrijker. Zowel de diëlektrische constante als de diëlektrische verliesfactor zijn zelfs frequentie-afhankelijk, hetgeen spreiding veroorzaakt bij de overgang van de ene naar een andere spanningtoestand. Het gevolg is vervormde en verlengde stijg- en afvaltijden en jitter in het eye-diagram. Hieruit komen weer datafouten voort en onbevredigende 30 bitfoutmarges. Bijgevolg presteren aantrekkelijk geprijsde hooggeïntegreerde radio/microgolfstructuren slecht door toedoen van verliezen.

1027641 2

In de microgolfwereld is een veel voorkomende reactie op verliezen om de PWB fabricagetechnieken te laten voor wat ze zijn en lucht te gebruiken als een diëlectricum in structuren aangeduid als zwevende substraten. Een zwevend substraat is een mechanisch middel om een dun substraat met een 5 geleidend spoor te monteren tussen twee geleidende vlakken met een luchtdiëlectricum tussen het spoor en het bovenste geleidende vlak en het onderste geleidende vlak. Het luchtdiëlectricum vermindert het diëlektrische verlies (vgl. “Microstrip Lines for Microwave Integrated Circuits” door M.V. Schneider, The Journal of Bell System, 48, May-June 1969, pp. 1421-1444).

10

De implementatiewerkwijze bestond uit het invoegen van de substraatlaag tussen het bovenste geleidende vlak en het onderste geleidende vlak, waarbij in de naar de substraatlaag gekeerde geleidende zijden groeven waren uitgefreesd ter voorkoming van kortsluiting van het 15 substraatspoor met de vlakken. Het freespatroon van de beide geleidende platen vormt eikaars spiegelbeeld. Een of meer signaalsporen worden aangebracht tussen de platen via een dunne diëlektrische dragerlaag. Het freespatroon in de geleidende platen vormt een luchtkanaal dat de geleidende sporen volgt. Het kanaal is breder dan het geleidende spoor, om 20 contact of kortsluiting van de sporen met de vlakken te voorkomen. De freesdiepte is nauwkeurig bepaald. De bovenste en onderste geleidende vlakken en de diëlektrische dragerlaag zijn onderling mechanisch en elektrisch verbonden met moeren en bouten. Van opzij ziet men dat de sporen lopen op een dun diëlektrisch membraan in een dooreen geleider 25 omgeven luchtkanaal, waarbij een coaxiale structuur wordt nagebootst.

Dergelijke zwevend-substraattechnieken zijn moeilijk toe te passen bij integratie en brengen daarom betrekkelijk hoge kosten met zich mee.

30 Deze uitvinding elimineert de bovengenoemde nadelen door een radio/microgolfstructuur voor te stellen, die gekenmerkt wordt door een hoge 1027647 3 mate van integratie bij gering verlies, door een combinatie van PWB technieken en het gebruik van een diëlektrisch verliesarm medium, bijvoorbeeld lucht, als diëlectricum. Een PWB laag zorgt voor de hoge graad van integratie.

5

Een doel van deze uitvinding is een radio/microgolfstructuur, die ten minste omvat: - een bovenste laag in de vorm van een PWB, - een functielaag binnen de structuur, waarin de functie van de structuur 10 besloten ligt, - een onderste laag die bestaat uit een metalen afdekplaat of gemetalliseerde afdekplaten, - een bovenlaag en een onderlaag, vanuit het perspectief van de genoemde functielaag, tussen de bovenste laag en de onderste laag, welke 15 bovenlaag en onderlaag plaatselijk uitgefreesd zijn..

Het uit de uitvinding resulterende object is dus een op lucht gebaseerde meerlaagse PWB. Het gebruik van lucht in de delen van de lagen van een PWB boven en onder de functielaag vermindert de verliezen, welke 20 vermindering zelfs de resultaten te boven gaat die verkregen worden met zwevende substraten, dankzij een synergie-effect van het gebruik van een PWB in combinatie met lucht, waardoor het mogelijk is deze structuur te gebruiken met microgolffrequenties.

25 Een ander doel van deze uitvinding is een meerlaagse PWB stralende schakeling die de eerdergenoemde radio/microgolfstructuur omvat, waarbij de functielaag stralerelementen omvat.

Bovendien is een ander doel van deze uitvinding een phased array 30 antenne die de bovengenoemde meerlaagse PWB stralende schakeling 102764? 4 omvat en ten minste één zender/ontvangermodule, die aangesloten is op de met het te activeren stralende element verbonden invoer/uitvoer connector.

Verdere kenmerken en gunstige eigenschappen van de uitvinding zullen 5 duidelijk worden uit de volgende beschrijving van voorbeelden van uitvoeringsvormen van de uitvinding, aan de hand van afbeeldingen, die voor de uitvinding essentiële bijzonderheden laten zien en uit de conclusies. De afzonderlijke eigenschappen kunnen apart, allemaal of in elke gewenste combinatie worden gerealiseerd in een van de mogelijke uitvoeringsvormen 10 van de uitvinding.

- Afbeelding 1, een uitgetrokken schematisch aanzicht van de radio/microgolfstructuur volgens de uitvinding, - Afbeelding 2, een schematische dwarsdoorsnede van de 15 radio/microgolfstructuur volgens de uitvinding, - Afbeelding 3, een dwarsdoorsnede door een voorbeeld van een PWB stralende schakeling volgens de uitvinding.

Afbeelding 1 toont een uitgetrokken aanzicht van de 20 radio/microgolfstructuur 1 volgens de uitvinding en Afbeelding 2 een dwarsdoorsnede van deze radio/microgolfstructuur 1. De radio/microgolfstructuur 1 omvat ten minste 5 lagen.

Een onderste laag 14, ook aangeduid als onderste afdekplaat, wordt 25 verkregen door een laag met metaal te bekleden of door gebruik te maken van een metalen plaat. Deze onderste laag 14 kan worden gebruikt als een aardschild. Een ander alternatief is het gebruik van een standaard PWB als onderste afdekplaat 14.

1027647 5

Een onderlaag 13 in de vorm van een dik microgolflaminaat 130 wordt aangebracht op de onderste laag 14. Deze onderlaag 13 wordt uitgefreesd zodat een holte 131 ontstaat zoals weergegeven in Afbeelding 1.

5 Een tussenlaag 12 in de vorm van een, van een spoor 121 voorzien dun microgolflaminaat 120 wordt aangebracht op de onderlaag 13. Deze tussenlaag 12 wordt ook aangeduid als de functielaag omdat deze de structuren bevat die de gewenste functie vervullen (bijvoorbeeld, signaaldistributie, filter, koppeling enz.).

10

Een bovenlaag 11 in de vorm van een dik microgolflaminaat 110 wordt aangebracht op de functielaag 12. Deze bovenlaag 11 wordt uitgefreesd zodat een holte 111 ontstaat zoals weergegeven in Afbeelding 1.

15 Een bovenste laag 10 wordt aangebracht op de bovenlaag 11. Als bovenste laag 10 wordt een standaard PWB gebruikt. Deze, een metalen plaat omvattende bovenste laag 10 kan worden gebruikt als aardschild.

De weggefreesde delen 111 en 131 in respectievelijk de bovenlaag 11 20 en de onderlaag 13, gevat tussen de bovenste laag 10 en de onderste laag 14, vormen een holte. Het spoor 121 bevindt zich ongeveer in het midden van de holtebreedte. Op deze wijze worden verliezen verminderd.

De weggefreesde delen 111 en 131 van de bovenlaag 11 en onderlaag 25 13, de gemetalliseerde afdekplaat van de bovenste en onderste lagen 10 en 14 vormen tezamen met de functielaag 12 een stripline.

Afbeelding 2 toont een dwarsdoorsnede van de in Afbeelding 1 op locatie A-A voorgestelde radio/microgolfstructuur 1.

30 1027641 6

De door de weggefreesde delen 111 en 131 gevormde holte 16 van de bovenlaag 11 en de onderlaag 13 blijkt duidelijk afgebakend te zijn door de bovenste laag 10 aan de bovenzijde, de onderste laag 14 aan de onderzijde en bovenlaag 11 en onderlaag 13 rondom. Deze holte 16 kan een 5 diëlektrisch verliesarm materiaal omvatten, bijvoorbeeld lucht.

Lucht dat gebruikt wordt als een diëlectricum heeft van alle diëlektrische materialen de laagste dissipatiefactor en de laagste diëlektrische constante. Aangezien de dissipatiefactor nagenoeg nul is worden de hoge-10 frequentieverliezen in het diëlectricum zo goed als geëlimineerd en voor hoge-frequentiesignalen zijn de overwegende resterende verliezen skineffect en stralingsverliezen.

Zoals aangegeven kunnen de weggefreesde delen 111 en 131 in de 15 bovenlaag 11 en de onderlaag 13 symmetrisch zijn gezien vanuit de functielaag 12. De zich tussen de bovenlaag 11 en de onderlaag 13 bevindende functielaag 12 kruist de door deze weggefreesde delen 111 en 131 gevormde holte. Het spoor 121 van de functielaag 12 kan dubbel bekleed zijn, zoals aangegeven in Afbeelding 2. Bovendien kunnen, zoals 20 aangegeven in Afbeelding 2, de wanden 17 van de holte 16 gemetalliseerd zijn.

Afbeelding 3 toont een dwarsdoorsnede door een voorbeeld van de PWB stralende schakeling volgens de uitvinding.

25

De uit een aantal traditionele meerlaagse PWB’s - in dit voorbeeld een bestaande PWB stralende schakeling - bestaande bovenste laag 10 wordt aangebracht op de, weggefreesde delen 111 omvattende bovenlaag 11, die op zijn beurt aangebracht wordt op de van sporen 121 voorziene functielaag 30 12, welke functielaag 12 aangebracht wordt op de onderlaag 13, die eveneens weggefreesde delen 131 omvat en zelf aangebracht wordt op de 1027641 7 onderste laag 14. In deze structuur is de onderste laag 14 een metalen plaat, die twee functies heeft: aardvlak en tevens koelplaat.

PWB 10 omvat diëlektrische laminaten in een aantal, met kleefmiddel 5 109 gekoppelde striplines 101-104. De in het voorbeeld van Afbeelding 3 getoonde PWB stralende schakeling 10 van de bovenste laag integreert stralers 1043, in fase overeenkomende offset-schakelingen 101, voedingscircuits 103 inclusief hun respectieve microgolfdoorverbindingen, ingebed in één meerlaagse PWB 10 en eventueel kalibratienetwerken 102.

10

Het functionele ontwerp past een tweelaagse diëlektrisch geladen stripline structuur toe, waarbij het voedingscircuit is opgenomen in de stripline voedingslaag 103 en een offset-schakeling binnen de stripline offset-laag 101. De offset-schakeling, bijvoorbeeld een in fase overeenkomende 15 offset-schakeling, wordt gebruikt ter vermijding van een planaire offset tussen de positie van straler 1043en de bijbehorende voedingsconnector 101i aan de achterzijde van de samenstelling. Voedingsconnector 1011 kan een RF coaxiale ingang/uitgang zijn.

20 Het geheel kan worden aangevuld met een stripline laag 102, die een testpulsdistributienetwerk omvat ten behoeve van antennekalibratie en dat gebruik maakt van koppelingen voor elk kanaal.

De schakeling van de stripline voedingslaag 103 is slot- (104i) gekoppeld 25 (niet-galvanisch) aan een stelsel van willekeurig gevormde microstrip patch-stralers 1043. De overdracht kan plaatsvinden binnen een diëlektrische holte om RF koppeling binnen de structuur te verminderen. Straler 1043 is omgeven door een geleidende "doos" 1042,108 om oppervlaktegolfkoppelverschijnselen te elimineren. Straler 1043 zelf kan 30 bestaan uit een willekeurig gevormde patch-metallisering 142, omgeven door verspaande goten 108, op de zijden waarvan een metallisering is 1027841 8 aangebracht om de genoemde doosstructuur te creëren. In essentie is deze doos een gemetalliseerde structuur, die eveneens gerealiseerd is door toepassing van geavanceerde PWB technologie.

5 Ook kunnen de stralers 1043 een verschillende 3D vorm krijgen, gebruik makend van dezelfde PWB technologie. Een straler 1043 kan bijvoorbeeld opgebouwd zijn uit één of meer gestapelde patches, met of zonder de gemetalliseerde doosstructuur, bijvoorbeeld door de patches te omgeven door gemetalliseerde goten 108. De stripline voedingslaag 103 kan ook 10 galvanisch verbonden zijn met de (onderste) patch door middel van een gemetalliseerd gat (een via). De doosstructuur kan ook dienen als een diëlektrisch geladen golfgeleiderstraler en de patch-metallisering 1042 kan geschikt gemaakt worden voor een iris-type apertuur.

15 De binnen laminaat 10 aanwezige meervoudige doorgaande metallieke aardlagen 108 genereren een schild met een zeer grote EMI (ElectroMagnetic Interference, elektromagnetische storing) effectiviteit.

Een optie is een verdere integratie met een radome 106 en een FSS 20 (Frequency Selective Screen, frequentieselectief scherm) 1061, welke laatste dient voor het reduceren van de RCS (Radar Cross-Section, radarterugstraalvlak) van de antenne.

De basisconfiguratie van de meerlaagse PWB stralende schakeling kan 25 dus in totaal 10 individuele diëlektrische lagen omvatten, met de mogelijkheid om specifieke lagen toe te voegen, bijvoorbeeld in het geval dat geïntegreerd filteren wordt verlangd. De veelheid van verspaande goten (of via's) kan de mechanische stabiliteit van het laminaat ondermijnen en om dit probleem te elimineren wordt een diëlektrische hulplaag 105 aangebracht die er voor 30 moet zorgen dat de structurele integriteit gehandhaafd blijft tijdens het hele 1027641 9 fabricageproces. Deze hulplaag wordt later gebruikt als een afstandsplaat voor een radome 106/FSS structuur.

Een optionele feature kan zijn een ingebouwd RF filter dat bijvoorbeeld 5 gebruik maakt van een fotonische-bandafstandstructuur binnen een van de aanwezige stripline-lagen of een aanvullende doelspecifieke laag (niet weergegeven).

De toegepaste meerlaagse PWB technologie is een enabling-10 technologie, waarbij met de organische, gecontroleerde diëlektrische laminaten en patroonmetalliseringen 108 alle vereiste eigenschappen in een batch-proces gerealiseerd kunnen worden. Hierdoor kan het aantal gewoonlijk met phased array antennestelsels geassocieerde individuele onderdelen en assemblagestappen aanzienlijk verminderd worden. Ook 15 wordt hierdoor een flexibeler, compact en in hoge mate geïntegreerd ontwerp mogelijk, dat tevens minder gevoelig is voor assemblagetoleranties.

Verder faciliteert deze technologie de realisatie van een goede structurele integriteit, schaalbaarheid, geïntegreerde kalibratie, grote bandbreedte, goede scanprestaties, voortreffelijke EMI bescherming en geringe RCS.

20

Omdat het stelsel van stralers 1042 van buiten niet meer is dan een planaire structuur, kan het stelsel worden beschouwd als een vlakke plaat en heeft de meerlaagse PWB stralende schakeling daardoor een geringe RCS.

25 Bovendien kan een RF via Z-as laag-naar-laag doorverbinding worden geïmplementeerd via offset-laag 11 en, indien nodig, kalibratielaag 12 naar de voedingslaag 13, om lagen 11 en 12 te mijden.

In het algemeen is meerlaagse PWB technologie gebaseerd op een 30 gelamineerde structuur die bestaat uit selectief gemetalliseerde diëlektrische lagen, die tezamen één schakeling vormen, dankzij naverspanen en 1027641 10 nametalliseren. De combinatie van daarbij betrokken basistechnieken, d.w.z. fotochemisch etsen, lamineren, verspanen en galvanische technologieën, stellen een ervaren ontwerper in staat om meer onconventionele RF structuren te creëren, zoals stralende elementen en 3D overgangen, ingebed 5 in en functioneel gekoppeld aan de aanwezige RF schakelingen, alles in één product. Dit kan worden bereikt door de 3D RF structuren te beschouwen als een stapel 2D substructuren, die samengesmolten kunnen worden tot één totaalstructuur na uitvoering van een uitgekiende reeks processtappen. Elke PWB kan honderden of zelfs duizenden identieke RF structuren bevatten.

10 Bovendien wordt hierdoor verdere integratie van aanvullende functionaliteit mogelijk gemaakt.

Dankzij de mechanische eenvoud van de technologie van meerlaagse PWB stralende schakelingen is het betrekkelijk gemakkelijk deze af te 15 stemmen zodat met een grote bandbreedte kan worden gewerkt.

Verder zorgt, bij een werkfrequentie tot maximaal 12 GHz, het hoge integratieniveau dat door deze technologie mogelijk wordt gemaakt, ervoor dat de stralers 1042 ruim binnen een halve golflengte van elkaar geplaatst 20 kunnen worden. Daardoor zijn extreme scan-hoeken (bundelbeweeglijkheid) mogelijk zonder dat zich buigingslussen voordoen. Aangezien zich bovendien achter patch-straler 1042 een metallieke holte 108 bevindt, heeft deze een veel beter richteffect dan wat gewoonlijk kan worden bereikt door patch-stralers, terwijl oppervlaktegolven onderdrukt worden. Dit draagt er toe 25 bij dat een goede scanprestatie wordt bereikt. De stripline voedingsschakeling 103 is slotgekoppeld (niet-galvanisch) aan elk van de patch-stralers 1042.

Een phased array antenne kan dus bestaan uit een meerlaagse PWB 50 stralende schakeling met luchtholtes, bijvoorbeeld zoals weergegeven in Afbeelding 3 en ten minste één zender/ontvangermodule, die aangesloten is J 027641 11 op de met het te activeren stralende element verbonden invoer/uitvoer connector.

Meer in het algemeen kunnen, dankzij de flexibiliteit van een dergelijke 5 PWB/lucht radio/microgolfstructuurtechnologie, alle mogelijke radio/microgolffuncties worden geïntegreerd in één paneel, met name: verliesarme radio/microgolf doorverbindingen, alle typen koppelingen/verdelers, filters.

10 Zo kunnen andere toepassingen van de radio/microgolfstructuur zijn: hoge-frequentiepanelen, bijvoorbeeld moederborden in computers, planaire antennes, geïntegreerde koppelingen/verdelers, geïntegreerde hoge Q filters.

1027641

Claims (10)

1. Radio/microgolfstructuur, die ten minste een bovenste laag omvat in de vorm van een PWB (Printed Wiring Board, prentpaneel), met het kenmerk dat de structuur verder omvat: - een functielaag binnen de structuur, waarin de functie van de structuur 5 besloten ligt, - een onderste laag die bestaat uit een metalen afdekplaat of gemetalliseerde afdekplaten, - een bovenlaag en een onderlaag, vanuit het perspectief van de genoemde functielaag, tussen de bovenste laag en de onderste laag, welke 10 bovenlaag en onderlaag plaatselijk willekeurig uitgefreesd zijn.

2. Radio/microgolfstructuur volgens de voorgaande conclusie, met het kenmerk dat de weggefreesde delen in de bovenlaag en de onderlaag symmetrisch zijn gezien vanuit de functielaag. 15

3. Radio/microgolfstructuur volgens de voorgaande conclusie, met het kenmerk dat de weggefreesde delen in de bovenlaag en de onderlaag, de gemetalliseerde afdekplaat van de bovenste laag en de onderste laag samen met de functielaag een stripline vormen. 20

4. Radio/microgolfstructuur volgens een van de voorgaande conclusies, met het kenmerk dat de onderste laag een aardvlak is.

5. Radio/microgolfstructuur volgens de voorgaande conclusie, met het 25 kenmerk dat de onderste laag een koelplaat is.

6. Radio/microgolfstructuur volgens een van de voorgaande conclusies, met het kenmerk dat de functielaag een signaaldistributieschakeling of een filter of een koppeling bevat. 1027641

7. Radio/microgolfstructuur volgens een van de voorgaande conclusies, met het kenmerk dat de weggefreesde delen van de bovenlaag en de onderlaag 5 een diëlektrisch verliesarm materiaal omvatten.

8. Radio/microgolfstructuur volgens de voorgaande conclusie, met het kenmerk dat het diëlektrisch veriiesarme materiaal bestaat uit lucht, waardoor de weggefreesde delen luchtholtes zijn. 10

9. Meerlaagse PWB stralende schakeling, omvattende de radio/microgolfstructuur volgens een van conclusies 1 t/m 3, met het kenmerk dat de functielaag stralerelementen omvat.

10. Phased array antenna, omvattende de meerlaagse PWB stralende schakeling volgens de voorgaande conclusie en ten minste één zender/ontvangermodule, die aangesloten is op de met het te activeren stralende element verbonden invoer/uitvoerconnector. 1027641