(57)【要約】  レンズアレイ増幅器の形態に基づくモジュラー・ソリッドステートＭＭＷパワーソースは、出力パワーを調整フレキシビリティと効果的な熱管理の両方を提供する。モジュラーパワーソースは、１以上のパワーディバイダと１以上のソリッドステート増幅ステージとを使用する単一のサブモジュールを含んでいて、ＲＦ入力信号をＲ個の増幅ＲＦ信号に分割し増幅する。サブモジュールはヒートシンクの表面上の適切にはＸ−Ｙ平面にマウントされ、冷たいバックプレーンに適切に結合されて熱を除去する。Ｒ個の１：Ｎ低ロスパワーディバイダは増幅されたＲＦ信号をＲ＊Ｎ個の放射素子に導く。１：Ｎパワーディバイダの各々は、Ｘ−Ｚ平面に適切に存在し、Ｙ方向に積層されて、Ｙ−Ｚ平面のＲ＊Ｎ個の放射素子のプレーナ出力を提供する。単一のサブモジュール上に増幅チップを配置すると、増幅チップ数、即ち放射素子数からの出力パワーを分離できる。増幅チップを放射素子から離して配置すると、ヒートシンクからバックプレーンに向かう大きな断面を有する短経路を形成でき熱を除去できる。この形態によると、高いアンテナ利得と結合される高出力パワーを生成でき、以前はジャイロトロンでのみ達成可能であった大きなパワーアパーチャー製品を作成できる。増幅チップはよりパワフルになるので、この形態によるとより少ないチップを使用することを可能とする。【選択図】    図２ｂ
2011530958.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ミリメータ波（ＭＭＷ）パワーソースモジュールであって、
Ｘ−Ｙ平面に方向付けられた表面を有するヒートシンクと、
前記ヒートシンクの表面上にあるサブモジュールと、を含み、
前記サブモジュールは、
基板と、
導波管からのＲＦ入力信号を受信し、ストリップラインの前記ＲＦ入力信号を結合する入力アンテナと、
それぞれのストリップラインからのＲＦ入力信号を受信し、前記複数のＲＦ入力信号をそれぞれの導波管に結合するＲ個の出力アンテナと、
第1のパワー増幅ステージとを含み、
前記第1のパワー増幅ステージは、
１：Ｍ１（Ｍ１は整数）ストリップラインパワーディバイダであり、前記パワーディバイダは前記入力アンテナからの前記ＲＦ入力信号を受信して、前記ＲＦ入力信号をＭ１個の導電性伝達経路に沿ってＭ１個の出力に導くように結合されている1つの入力を有する、前記１：Ｍ１ストリップラインパワーディバイダと、
Ｍ１個の回路装置であって、各回路装置は、Ｍ１個の出力と、前記ＲＦ入力信号を増幅する第１ステージのソリッドステート増幅チップと、回路出力との対応する１つに結合された入力を有する、前記Ｍ１個の回路装置と、
Ｍ１個の１：Ｍ２（Ｍ２は整数、Ｍ１またはＭ２の少なくとも１つは１より大きい整数）ストリップラインパワーディバイダであり、各１：Ｍ２ストリップラインパワーディバイダは、前記増幅されたＲＦ入力信号を受信して、前記増幅されたＲＦ入力信号をＭ２個の導電性伝達経路に沿って、前記Ｒ個の出力アンテナの１つに結合されたＭ２個の出力に導くための１つの前記回路出力に結合された１つの入力を有する、前記Ｍ１個の１：Ｍ２ストリップラインパワーディバイダとを含み、
前記ミリメータ波（ＭＭＷ）パワーソースモジュールは更に、
Ｒ個の１：Ｎ（Ｎは１より大きな整数）導波管パワーディバイダであって、各導波管パワーディバイダは、前記サブモジュールのＲ個の出力アンテナの１つからのフリースペースＲＦ入力信号を受信して、前記増幅されたＲＦ入力信号をＮ個のフリースペース伝達経路に沿って、Ｎ個のフリースペース放射素子に導くように結合された１つのフリースペース入力を有し、各前記導波管パワーディバイダはＸ−Ｚ平面にあり、Ｙ方向に積層されていて、Ｙ−Ｚ平面のＲ＊Ｎ個の放射素子のプレーナ出力を提供する、前記Ｒ個の１：Ｎ導波管パワーディバイダを含む、ＭＭＷパワーソースモジュール。
【請求項２】
前記ヒートシンクは、Ｚ方向の寸法において前記導波管パワーディバイダの厚みの半分にほぼ等しい厚みを有する請求項１に記載のＭＭＷパワーソースモジュール。
【請求項３】
前記Ｒ個の１：Ｎ導波管パワーディバイダの反対の側のヒートシンクと熱コンタクトするバックプレーンを更に有する請求項１に記載のＭＭＷパワーソースモジュール。
【請求項４】
前記ヒートシンクは流動性の冷媒を循環する通路を有する請求項１に記載のＭＭＷパワーソースモジュール。
【請求項５】
前記入力アンテナとＲ個の出力アンテナは前記基板にプリントされている請求項１に記載のＭＭＷパワーソースモジュール。
【請求項６】
前記増幅チップは前記ＲＦ入力を１８ＧＨｚから３００ＧＨｚスペクトラムの部分を占めるバンドに増幅する請求項１に記載のＭＭＷパワーソースモジュール。
【請求項７】
前記増幅チップは前記ＲＦ入力を７５−１１０ＧＨｚスペクトラムの部分を占めるＷバンドに増幅する請求項１に記載のＭＭＷパワーソースモジュール。
【請求項８】
前記増幅チップは窒化ガリウム装置である請求項１に記載のＭＭＷパワーソースモジュール。
【請求項９】
前記増幅チップは電気的に絶縁体で熱的に導伝体であるベース層を含み、前記基板は前記増幅チップのベース層をヒートシンクに直接マウントするホールを有している請求項１に記載のＭＭＷパワーソースモジュール。
【請求項１０】
前記モジュールは複数の同様のモジュールを並置してモジュールアレイを提供するように構成され、
前記モジュールアレイの放射素子は、Ｙ軸上でほぼλｙに等しく、Ｚ軸上でほぼλｚに等しい隣接グリッド点間にスペースを有するＹ−Ｚ平面内の直線で囲まれたグリッド上に配置され、ここでλはミリメータ波パワーソースモジュールの動作周波数であり、ｙとｚは０．５から１．０の範囲で選択された定数であり、
放射素子のたった１つのロウまたはコラムも、隣接して並置されたモジュール間の境界には存在しない請求項１に記載のＭＭＷパワーソースモジュール。
【請求項１１】
前記サブモジュールは前記第1のパワー増幅ステージとＲ個の出力アンテナとの間の第２のパワー増幅ステージを更に含み、
Ｍ１＊Ｍ２回路装置であって、各回路装置は前記Ｍ１個の１：Ｍ２パワーディバイダと、前記ＲＦ入力信号を増幅する第２のステージのソリッドステート増幅チップと、回路出力との内の対応した１つの出力に結合された入力を有する、前記Ｍ１＊Ｍ２回路装置と、
Ｍ１＊Ｍ２個の１：Ｍ３（Ｍ３は１以上の整数）パワーディバイダであって、各１：Ｍ３パワーディバイダは、前記増幅ＲＦ入力信号と前記Ｒ個の出力アンテナの１つに結合されたＭ３出力とを受信するための回路出力に結合された１つの入力を有する、前記Ｍ１＊Ｍ２個の１：Ｍ３パワーディバイダと、を含む請求項１に記載のＭＭＷパワーソースモジュール。
【請求項１２】
前記積層されたＲ個の１：Ｎ導波管パワーディバイダは、導電性ブロックを規定して、前記フリースペース入力と、伝達経路と、複数の出力は前記増幅ＲＦ信号を導く導電性壁を有する請求項１に記載のＭＭＷパワーソースモジュール。
【請求項１３】
前記フリースペース放射素子は前記フリースペース伝達経路の解放端である請求項１に記載のＭＭＷパワーソースモジュール。
【請求項１４】
前記導波管パワーディバイダの単位長当たりのロスは、前記ストリップラインパワーディバイダの単位長当たりのロスより少なくとも１０ｄＢのファクタ少ない請求項１に記載のＭＭＷパワーソースモジュール。
【請求項１５】
前記ＲｘＮ個の放射素子は、隣接する対の放射素子間のスペースがＹ軸上でλｙにほぼ等しく、Ｚ軸上でλｚにほぼ等しいように、Ｙ−Ｚ平面に直線で囲まれたグリッド上に配置されていて、λはミリメータ波パワーソースモジュールの動作周波数であり、ｙとｚは０．５から１．０の範囲で選択された定数である請求項１に記載のＭＭＷパワーソースモジュール。
【請求項１６】
Ｙ−Ｚグリッドに沿って測定されたミリメータ波パワーソースモジュールの全体の寸法は、ＲλｙにＮλｚを乗じたもの、或いはＲλｙに（Ｎ＋１）λｚを乗じたものである請求項１５に記載のＭＭＷパワーソースモジュール。
【請求項１７】
ミリメータ波（ＭＭＷ）パワーソースモジュールであって、
ヒートシンクと、
前記ヒートシンクの表面上にあるサブモジュールと、を含み、
前記サブモジュールは、
基板と、
入力アンテナと、
Ｒ個の出力アンテナと、
第1のパワー増幅ステージとを含み、
前記第1のパワー増幅ステージは、
前記パワーディバイダは前記入力アンテナからの前記ＲＦ入力信号を受信して、前記ＲＦ入力信号をＭ１個の出力に導くように結合されている1つの入力を有する１：Ｍ１（Ｍ１は１以上の整数）パワーディバイダと、
Ｍ１個の回路装置であって、各回路装置は、Ｍ１個の出力と、前記ＲＦ入力信号を増幅する第１ステージのソリッドステート増幅チップと、及び回路出力の対応する１つに結合された入力を有する、前記Ｍ１個の回路装置と、
Ｍ１個の１：Ｍ２（Ｍ２は１以上の整数、Ｍ１またはＭ２の少なくとも１つは１より大きい整数）パワーディバイダであり、各１：Ｍ２パワーディバイダは、前記増幅されたＲＦ入力信号を受信して、前記増幅されたＲＦ入力信号を前記Ｒ個の出力アンテナの１つに結合されたＭ２個の出力に導くための１つの前記回路出力に結合された１つの入力を有する、前記Ｍ１個の１：Ｍ２パワーディバイダとを含み、
前記ミリメータ波（ＭＭＷ）パワーソースモジュールは更に、
Ｒ個の１：Ｎ（Ｎは１より大きな整数）パワーディバイダであって、各パワーディバイダは、前記サブモジュールのＲ個の出力アンテナの１つからの前記ＲＦ入力信号を受信して、前記増幅されたＲＦ入力信号をＮ個の放射素子に導くように結合された１つの入力を有する、前記Ｒ個の１：Ｎ導波管パワーディバイダを含む、ＭＭＷパワーソースモジュール。
【請求項１８】
前記サブモジュールのパワーディバイダはストリップラインを含み、前記Ｒ個の１：Ｎパワーディバイダはフリースペース導波管を含む請求項１７に記載のＭＭＷパワーソースモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ミリメータ波（ＭＭＷ）ＲＦ電力に対するソリッドステートソースに関し、特にＷバンドアプリケーションに対する高パワーソースに関する。
【０００２】
この出願は、２００８年８月１２日に出願された「低電力ソリッドステートモジュールの方法と装置」という米国仮特許出願61/088,073号と、２００９年２月１６日に出願された「モジュラー・ソリッドステート・ミリメータ波（ＭＭＷ）ＲＦパワーソース」という米国特許出願12/371,857号の35 U.S.C. 119(e)の優先権の利益を請求し、それらの全内容は参照文献として取り込まれている。この出願は、２００８年９月２４日に出願された「レンズアレーモジュール」という継続中の米国特許出願12/237,321号と、２００７年８月２０日に出願された「モジュラーＭＭＷパワーソース」という継続中の米国特許出願11/841,580号に関連している。
【背景技術】
【０００３】
中間と高電力ＭＭＷ放射源は、通信システムと指向されたエネルギ兵器に応用されている。低周波ＭＭＷはソリッドステートソースで応用されているが、Ｗバンド(７５ＧＨｚから１１０ＧＨｚ)の高パワーソースはマグネトロンやギロトロンのようなチューブに慣例上合体されている。大きな出力が非常に高利得のアンテナと結合されて大きな電力アパーチャーを生成するので、ギロトロンの方が効果的である。しかしながらそのようなチューブは高価であり、かさばり、もろく、高圧な電力を必要とする。だからチューブを合体されたＭＭＷ源は容易に持ち運びできない。
【０００４】
半導体装置は現在、Ｗバンドの発信器或いは増幅器として使用可能であるが、各半導体装置から出力される利用可能なパワーは数ワット未満に限られている。だから中間とハイパワーのソリッドステートＷバンドソースは、導波管内或いはフリースペースで非常に多数の半導体装置から出力されたパワーを結合する準オプティカルな方法を使用している。複数の半導体装置から出力されたパワーを結合することを示唆したアプローチは、米国特許6,765,535に開示された反射アレー増幅器や、米国特許6,559,724に記述されたグリッドアレー増幅器や、米国特許5,736,908に開示されたレンズアレー或いはトレイ増幅器に含まれている。
【発明の概要】
【０００５】
以下の記述は、発明のある知見を基本的に理解するための発明の概要である。この概要は発明のキー或いは重要な要素を確認して、発明の範囲を描くことを意図したものではない。後に提示されるより詳細な説明および規定された請求項に対する前触れとして、簡単な形式で発明のあるコンセプトを提示するだけの目的である。
【０００６】
本発明は、増幅チップの数、即ちパワーを放射素子のアレイサイズから切り離して、増幅チップにより発生される熱のサーマル管理を改善する、ソリッドステート増幅チップの回りに組み立てられたモジュラー・ソリッドステートＭＭＷ電力源（パワーソース）を提供する。その形態により、高いアンテナ利得と結合される高い出力パワーを生成でき、以前にはジャイロトロンでのみ達成可能である大電力アパーチャー製品を作り出すことができる。
【０００７】
モジュラー・ソリッドステートＭＭＷパワーソースの実施例は、1以上のパワーディバイダと1以上のソリッドステート増幅ステージを使用して、ＲＦ入力信号をＲ増幅ＲＦ信号に分割および増幅する単一のサブモジュールを含んでいる。サブモジュールは、適切に冷却バックプレーンに結合されているヒートシンクの表面上であるＸ−Ｙ平面に適切にマウントされ、熱を除去する。Ｒ個の１：Ｎ低ロスパワーディバイダは増幅されたＲＦ信号をＲ＊Ｎ放射素子に送る。１：Ｎパワーディバイダの各々は、適切にはＸ−Ｚ面にあり、Ｙ方向に積み上げられていて、Ｙ−Ｚ面にＲ＊Ｎ放射素子のプレーナ出力を提供する。単一のサブモジュール上に増幅素子を位置づけることにより、チップの数、即ち多数の放射素子からの出力パワーを切り離すことができる。放射面から離れて増幅チップを配置することにより、大きな熱断面を有する短経路をヒートシンクからバックプレーンに形成できるので、熱を除去できる。
【０００８】
実施態様において、サブモジュールは入力アンテナ、第1のパワー増幅ステージと複数のＲ出力アンテナを含んでいる。第1のパワー増幅ステージは、入力が入力アンテナに結合された１：Ｍ１パワーディバイダ、各々がソリッドステート増幅チップを含んでいるＭ１個の回路装置、及び出力がＲ出力アンテナに結合されたＭ１個の１：Ｍ２パワーディバイダを含んでいる。サブモジュールは、Ｍ１＊Ｍ２個の回路装置と、出力がＲ出力アンテナの一つに結合されたＭ１＊Ｍ２個の１：Ｍ３パワーディバイダとを含む第２のパワー増幅ステージを含んでいてもよい。パワーディバイダと回路装置の構成により、増幅チップの数を選択して、回路装置の機能性を構成するフレキシビリティが得られる。複数の増幅チップはよりパワフルになるので、放射素子の数を減ずることなくより少数のチップを使用する形態を得ることができる。
【０００９】
実施態様において、サブモジュールパワーディバイダは好ましくは、導電性の送信路に沿ってＲＦ信号を導くストリップラインであり、Ｒ個の１：Ｎパワーディバイダは好ましくは、フリースペースの送信路に沿って増幅されたＲＦ信号を導く導波管である。ストリップラインは、製造が容易で低価格であり、ソリッドステート増幅チップに容易に結合する。導波管は製造が難しいがストリップラインよりロスが少ない。
【００１０】
発明のこれらの及び他の特徴と利点は、添付の図面を参照して好ましい実施態様の以下の詳細な記述から当業者には明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】レンズアレイ増幅器の図である。
【図２ａ】本発明によるモジュラー・ソリッドステートＭＭＷパワーソースの側面図である。
【図２ｂ】本発明によるモジュラー・ソリッドステートＭＭＷパワーソースの斜視図である。
【図２ｃ】本発明によるモジュラー・ソリッドステートＭＭＷパワーソースの拡大図である。
【図３ａ】サブモジュールの構成の概略図である。
【図３ｂ】サブモジュールの構成の概略図である。
【図３ｃ】サブモジュールの構成の概略図である。
【図４】ＭＷＭ増幅チップを含む回路装置の概略図である。
【図５ａ】図３ｃに描かれたサブモジュールの図である。
【図５ｂ】個々のチップへのワイヤーボンドの詳細図である。
【図６ａ】冷却剤ラインを含むヒートシンクの別の実施例の斜視図である。
【図６ｂ】冷却剤ラインを含むヒートシンクの別の実施例の内部図である。
【図７ａ】１：８の導波管パワーディバイダの図である。
【図７ｂ】積層された導波管パワーディバイダのフリースペース放射素子の８:８アレイの斜視端面図である。
【図８ａ】１：４の導波管パワーディバイダの図である。
【図８ｂ】図７ｂに示された８：８アレイと同じフットプリントを有するフリースペース放射素子の８：４アレイの斜視図である。
【図９】バックプレーンに結合された４ｘ４ソリッドステートＭＭＷパワーソースの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１に示されているように、本発明のモジュラー・ソリッドステートＭＭＷパワーソースは、レンズアレイタイプの増幅器である。一般に、レンズアレイ増幅器１０は、空間的に送られたＲＦビーム１２を受信し、そのビームをチャネルに分割し、ソリッドステート増幅チップを使用して各チャネルを増幅して、放射素子アレイに送り、放射素子アレイは増幅ＲＦビームを放射されたＲＦビーム１４に空間的に結合する。アレイの形態により多重増幅チップを使用可能となり、多重増幅チップは所望の出力パワーを提供できる。反射型の形態と比べると、レンズアレイはチップ材料を減じ、従ってコストを減じ、放射素子のアレイはより強固に一定の間隔を保つことができる。レンズアレイ増幅器の以前の形態は、各増幅チップを放射素子と一緒に位置させている。その結果、増幅チップの数が放射アレイのサイズによって決められる。更に、増幅チップは放射面の近傍に凝縮したアレイとして詰め込まれる。これらの形態は、最大出力パワーを提供するように構成される。しかしながら、これらの形態によれば、出力パワーを効果的な調整できない。
【００１３】
本発明は、レンズアレイ増幅器の形態に基づくモジュラー・ソリッドステートＭＭＷパワーソースを提供し、このレンズアレイ増幅器の形態によると、出力パワーを調整するフレキシビリティと、効果的な熱管理の両方を達成できる。モジュラーパワーソースは、冷たいバックプレーンに適切に結合されたヒートシンクと、そのヒートシンク上に設けられ、ＲＦ入力信号を複数の増幅ＲＦ信号に分割及び増幅するための１以上のパワーディバイダと１以上のソリッドステート増幅ステージとを使用する単一のサブモジュールと、その増幅されたＲＦ信号を放射素子のプレーナアレイに導く同様に複数の低ロスパワーディバイダとを含む。このモジュラーパワーソースは全てのＭＭＷアプリケーションに一般的に応用可能であるが、Ｋバンド（１８−２７ＧＨｚ）、Ｋａバンド（２７−４０ＧＨｚ）、Ｖバンド（４０−７５ＧＨｚ）、Ｗバンド（７５−１１０ＧＨｚ）及びミリバンド（１１０−３００ＧＨｚ）に特に応用可能である。増幅チップを単一のサブモジュール上に配置すると、増幅器の数、即ち出力パワーを放射素子数から分離することができる。放射面から増幅チップを離して配置すると、ヒートシンクからバックプレーンに向けての大きな熱断面を有する短経路を形成でき、熱を除去できる。効果的に熱管理を行なうことにより、パワーソースを高いデューティサイクルで動作できる。この形態により、高いアンテナ利得と結合された高い出力パワーを生成でき、以前にはジャイロトロンにのみ達成できた大電力アパーチャー製品を製造できる。増幅チップはよりパワフルになり、その形態によりより少ないチップを使用可能となる。
【００１４】
図２ａないし図２ｃを参照すると、モジュラー・ソリッドステートＭＭＷパワーソース２０は、ＲＦ入力信号２４をＲ個の増幅ＲＦ信号２６に分割及び増幅する単一のサブモジュールを含んでいる。サブモジュールはヒートシンク２８の表面にマウントされ、ヒートシンク２８は冷却バックプレーン３０に適切に結合されていて、サブモジュールからの熱を除去する。Ｒ個の１：Ｎ低ロスパワーディバイダ３２は、増幅ＲＦ信号２６をＲ＊Ｎ個の放射素子３４に導き、Ｒ＊Ｎ個の放射素子３４は空間的に結合された増幅ＲＦ出力信号３６を生成する。サブモジュール２２は適切にＸ−Ｙ面にあるヒートシンク２８の一般的なプレーナ表面にマウントされ得る。Ｒ個の１：Ｎパワーディバイダ３２の各々は、Ｘ−Ｚ面に適切に位置されており、Ｙ方向に積み重ねられて、Ｙ−Ｚ面にＲ＊Ｎ個の放射素子３４のプレーナ出力を提供する。
【００１５】
サブモジュール２２は、入力アンテナ４２を支持する一般的にプレーナである基板４０、ソリッドステート前段増幅チップ４４、少なくとも１つの増幅ステージ４６及びＲ個の出力アンテナ４８を含みうる。第１のパワー増幅ステージ４６は、入力が前段増幅チップを介して入力アンテナに結合された１：Ｍ１パワーディバイダ５０、それぞれソリッドステート増幅チップ５４を含む複数のＭ１回路装置５２、及び出力がＲ個の出力アンテナに結合されたＭ１個の１：Ｍ２パワーディバイダ５６を含んでいる。Ｍ１、Ｍ２は整数であり、代表的には２の冪乗である。Ｍ１或いはＭ２の少なくとも１つは、１より大きな整数である。Ｒは１より大きな整数であり、代表的には２の冪乗である。単一のステージに対して、Ｒ＝Ｍ１＊Ｍ２であり、装置の数Ｄ＝Ｍ１である。サブモジュールは第１ステージとＲ出力アンテナ間に第２のパワー増幅ステージを含んでもよく、この第２のパワー増幅ステージはＭ１＊Ｍ２個の回路装置と、出力がＲ出力アンテナの１つに結合されたＭ１＊Ｍ２個の１：Ｍ３パワーディバイダとを含んでいる。Ｍ３は整数であり、代表的には２の冪乗である。２ステージサブモジュールに対して、Ｒ＝Ｍ１＊Ｍ２＊Ｍ３であり、Ｄ＝Ｍ１＋（Ｍ１＊Ｍ２）である。
【００１６】
パワーディバイダ５０、５６は、ＲＦ信号を導電性送信路に沿って導くストリップラインである。ストリップラインは、導電性グランド面上の基板表面に導電性トレースをプリントすることにより形成されてもよい。ストリップラインは、製造が容易で低コストであり、ソリッドステート増幅チップに容易に結合できる。入力アンテナ４２は基板上にプリントされ得り、導波管からのＲＦ入力信号２４を受信して、その信号をストリップラインパワーディバイダ５０の入力に結合するように構成されている。Ｒ個の出力アンテナ４８は、基板上にプリントされ得り、ストリップラインパワーディバイダ５６のそれぞれの出力から増幅ＲＦ信号２６を受信して、その信号をそれぞれの導波管に結合するように構成されている。
【００１７】
ヒートシンク２８を設けると、回路装置５２、特にソリッドステート増幅チップ５４からバックプレーン３０までの、大きな断面６２を有する短熱経路６０を形成でき、熱を除去できる。増幅チップ５４は、基板の表面にマウントされるか、基板のホールを介してヒートシンクの表面にダイレクトにマウントされ得る。短熱経路６０は、増幅チップを放射素子３４の面から空間的に離したことの結果生じる。大きな断面６２は、単一のサブモジュール２２を有する結果生じる。増幅チップを密集したアレイに詰め込むよりもむしろ、チップはヒートシンクのプレーナ表面にマウントされる。ヒートシンク２８は、Ｚ方向の出力パワーディバイダ３２の厚みの約半分の厚みを有する。厚みと体積が増加すると、熱を除去するためのより大きな断面を得ることができる。ヒートシンクは、例えば固体金属或いは熱分解グラファイト（thermal pyrolytic graphite TPG）から形成される大きな導電性を有するブロックであり得る。代わりに、ヒートシンクの厚みにより、流体冷却剤を循環するように経路を形成できる。フィードスルー６３はＤＣバイアス信号をサブモジュールに導く。
【００１８】
熱管理は、ヒートシンク２８を冷たいバックプレーン３０に結合することにより改善される。モジュールは、バックプレーン無で単にヒートシンクから熱を放射するように構成できる。しかしながら、冷たいバックプレーンは熱をヒートシンクから奪い、その結果全体的な熱伝導を改善する。バックプレーンは異なる方法で冷たくすることもできる。熱は積極的に或いは活発にバックプレーンから除去され、その温度を低下させる。代わりに、ヒートシンクの経路に介して流体の冷却剤を循環させるシステムを設けてもよい。バックプレーン３０はＲＦ入力信号をサブモジュール上の入力アンテナに結合する手段と、ＤＣパワーをサブモジュールに導く手段を提供する。
【００１９】
Ｒ１：Ｎパワーディバイダ３２は、増幅信号２６をフリースペース送信経路に沿って導く適切な導波管である。導波管は製造がより難しいが、ストリップラインよりより少ないロスを有し、ｄＢで測定して１０以上のファクタ少ない。増幅チップ５４以降の送信経路は２つの理由から低ロスであることが重要である。第１に、低ロスは、パワーソースの全体効率を維持するために必要とされ、第２に、低ロスは、積み重ねられたパワーディバイダで発生する熱を最小に維持するのに必要とされる。パワーディバイダ３２で発生する熱を除去するには、経路長が長く、断面が小さいことが必要である。記述されている実施態様では、パワーディバイダに追加のヒートシンクは設けられていない。パワーディバイダはＭＭＷ動作波長によって規定されるように接近していて離隔されている必要がある。
【００２０】
図３ａないし図３ｃを参照すると、放射素子の面から離れてサブモジュールを配置することにより、回路装置の数、特に増幅チップの数を、Ｒ＊Ｎ個の放射素子から分離できる。回路装置の数、配置及び機能は、パワー増幅ステージ例えば１または２の数および各ステージのパワーディバイダの構成を選択することにより制御される。この形態により、種々のデザインゴールに適応させるのに十分なフレキシビリティが得られる。第１に、モジュールは出力ビームに対してトータルパワーの特定の量を提供できるように構成され、トールパワーの最大量を必ずしも提供する必要はない。第２に、モジュールは、チップテクノロジーの電流状態、即ちチップ当たり最大パワーを与えられる増幅チップの最小数で特定のトータルパワーを提供するように構成され、コストを最小化することができる。第３に、チップは最大パワー及び最大効率で動作され、全体の効率を維持する。以前の形態とは違い、回路装置の数は、最大トータルパワーよりより少ないパワーに縮小され、各装置は最大効率で動作する。更に、各装置のパワー出力能力は向上するので、回路装置の数は、同じトータルパワーを得るためには減少する。
【００２１】
図３ａを参照すると、図２ａ−２ｃに示されたサブモジュール２２は、基板４０上に形成された入力アンテナ４２、前段増幅チップ４４、単一の増幅ステージ４６及びＲ出力アンテナ４８を含んでいる。増幅ステージは、１：８ストリップラインパワーディバイダ５０、それぞれ増幅チップ５４を有する８個の回路装置５２、及び８個の１：１ストリップラインディバイダ５６を含んでいる。パワーディバイダ５０は、前段増幅チップ４４を介して入力アンテナ４２に結合されたストリップライン入力７０と、ＲＦ信号をそれぞれ回路装置に結合された８個のストリップライン出力７４を含んでいる。各パワーディバイダ５６は、ストリップライン入力７６、ストリップライン送信経路７８、及びストリップライン出力８０を含み、増幅ＲＦ信号を回路装置５２からその出力アンテナ４８へ導く。
【００２２】
この構成において、Ｍ１＝８、Ｍ２＝１、Ｒ＝Ｍ１＊Ｍ２＝８である。回路装置のトータル数は、前段増幅器を無視すると、Ｄ＝Ｍ１＝８である。図２ｂに示されているように、各増幅ＲＦ信号２６は、８＊８＝６４個の放射素子の全体に対する１：８導波管パワーディバイダ３２に結合されている。こうして、８個の回路装置、即ち８個の増幅チップは、６４個の放射素子アレイにパワーを送る。トータルパワー要求がより低下し、或いは増幅チップの出力パワーが増加すると、回路装置の数を減少できる。例えば、パワーディバイダ５０が１：４で、パワーディバイダ５６が１:２であると、４個のみの増幅チップが使用される。単一の増幅ステージを有するサブモジュールにおける回路装置の最大数Ｄは、Ｒであり、最少数は１である。
【００２３】
追加のパワー或いは機能が必要とされるなら、サブモジュールを第１と第２の増幅ステージで構成してもよい。この場合、回路装置の最大数Ｄは、２＊Ｒとなる。２つの増幅ステージを設けると、第１と第２のステージの回路装置の機能性を変更するフレキシビリティが得られる。各回路装置は増幅チップを含んでいるが、図４を参照して以下に説明されるように他の回路素子を含み得る。
【００２４】
図３ｂを参照すると、サブモジュール９０は、第１と第２のパワー増幅ステージ９２、９４を含んでいて、入力アンテナ９６で受信したＲＦ信号を分割して増幅し、ストリップライン送信経路に沿って、それをＲ＝８個の出力アンテナ９８に導く。第１のパワー増幅ステージ９２は、１：２ストリップラインパワーディバイダ１００と、１対の回路装置１０２と、Ｍ１＝２及びＭ２＝２の１対の１：２ストリップラインパワーディバイダ１０４とを含んでいる。第２のパワー増幅ステージ９４は、４個の回路装置１０６と、Ｍ３＝２である４個の１：２ストリップラインパワーディバイダ１０８とを含んでいる。この構成において、Ｍ１＝２、Ｍ２＝２、Ｍ３＝２、Ｒ＝８である。回路装置のトータル数Ｄは、Ｄ＝Ｍ１＋（Ｍ１＊Ｍ２）＝６である。
【００２５】
図３ｃを参照すると、サブモジュール１１０は、第１と第２のパワー増幅ステージ１１２、１１４を含んでいて、入力アンテナ１１６で受信したＲＦ信号を分割して増幅し、ストリップライン送信経路に沿って、それをＲ＝８個の出力アンテナ１１８に導く。第１のパワー増幅ステージ１１２は、１：２ストリップラインパワーディバイダ１２０と、１対の回路装置１２２と、Ｍ１＝２及びＭ２＝４の１対の１：４ストリップラインパワーディバイダ１２４とを含んでいる。第２のパワー増幅ステージ１１４は、８個の回路装置１２６と、Ｍ３＝１である８個の１：１ストリップラインパワーディバイダ１２８とを含んでいる。この構成において、Ｍ１＝２、Ｍ２＝４、Ｍ３＝１、Ｒ＝８である。回路装置のトータル数Ｄは、Ｄ＝Ｍ１＋（Ｍ１＊Ｍ２）＝１０である。
【００２６】
各サブモジュールはまた、制御回路１３０により示された他の回路を含みうる。制御回路１３０を設けると、信号により回路装置内の位相シフター及び／または振幅調節器を制御できる。制御回路１３０はマイクロプロセッサまたは他のプロセッサを含み、外部からパワーソースモジュールへのインストラクションを受信して、制御信号を生成する。制御回路１３０は、外部からパワーソースモジュールへのＤＣパワー信号を調節して、その信号を配分し、回路装置にパワーを与える。
【００２７】
図４を参照すると、各回路装置１３２はＲＦ入力信号を対応するバンドを増幅するソリッドステート増幅チップ１３４を含んでいる。増幅チップは、高周波装置の当業者には周知の高エレクトロンモビリティトランジスタ（ＨＥＭＴ）を含んでおり、特にＷバンドのＭＭＷ ＲＦ信号を増幅する。窒化ガリウム（ＧａＮ）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）とインジウムリン（ＩｎＰ）テクノロジーは、ＨＥＭＴ装置の例である。ＧａＮチップは、シリカカーバイドから形成されたベース層を含んでいる。この層は電気絶縁体であり熱導電体である。他のテクノロジーを用いた増幅チップもまた、同様のベース層の組成を示す。ＨＥＭＴチップは効果的に熱を除去するヒートシンクに直接マウント可能である。増幅チップの実施態様は、２００８年１月６日に出願された”ミリメータ波のモノリシック集積回路とそのような集積回路を形成する方法”という同時継続の米国出願12/266,299に記述されていて、その内容は参考としてこの出願に取り込まれる。増幅ステージの各トランジスタはＨＥＭＴである。
【００２８】
各回路装置１３２はまた他の回路素子を含みうる。装置は振幅アジャスタ１３６、位相シフター１３８或いはサーキュレータ１４０を含みうる。各回路装置は、図４には示されていないが、１以上のＲＦスイッチ、サーキュレータ及び低ノイズ増幅器を含みうり、その場合パワーソースモジュールはパワーソースのみなら受信機として機能する能力を持ちうる。振幅アジャスタ１３６は可変減衰器、増幅器１３４内或いは追加の可変利得増幅ステージ、或いはその他の利得調整装置でありうる。増幅アジャスタ１３６、位相シフター１３８及び増幅器１３４は、独立の装置或いはコンポーネントでありえ、或いはそれらで完成し得、或いは１以上のモノリシックマイクロウエーブ集積回路に搭載されうる。サブモジュール上の複数の回路装置は、同一でありえて、異なっていてもよい。他の実施形態では、回路装置は増幅チップを含まなくともよく、ＲＦ信号を変更するために振幅アジャスタ或いは位相シフターのみを含んでいてもよい。
【００２９】
図３ｃに示されたサブモジュール１１０の形態を有するサブモジュール１５０が図５ａ、図５ｂに詳細に示されている。サブモジュール１５０は、平行は前面と背面を有する一般に長方形の絶縁基板１５２を含んでいる。絶縁基板１５２は、パワーソースモジュールの動作周波数での使用に適しているアルミナ、べりリア、窒化アルミニウム、或いは他の絶縁体から作りうる。絶縁基板１５２は、積層物でもよく、背面に向けて導電性の接地平面を含みうる。
【００３０】
サブモジュール１５０は基板の前面にプリントされた導電トレースから形成された、入力アンテナ１５４と８個の出力アンテナ１５６を含んでいる。このような実施では、アンテナは１／４円或いは半分のビバルディ(Vivaldi)アンテナである。入力アンテナ１５４は導波管からのフリースペースＲＦ信号をストリップラインに結合する。反対に、出力アンテナ１５６は、ストリップラインに伝播してきたＲＦ信号をフリースペース導波管に結合する。
【００３１】
サブモジュール１５０は第１の増幅ステージと第２の増幅ステージとを含み、第１の増幅ステージは１：２パワーディバイダ１５８と、このパワーディバイダ１５８に結合された位相シフター１５９と、この位相シフター１５９に結合された入力アンテナ１５４と、一対の増幅チップと、一対の１：４パワーディバイダ１６２とを含み、第２の増幅ステージは８個の増幅チップ１６４と、８個の出力アンテナに結合された８個の１：１パワーディバイダ１６６とを含む。パワーディバイダは基板の前面にプリントされた導電性トレースから形成される。絶縁基板により導電性バックプレーンから離隔された複数のトレースはそれぞれストリップラインを規定する。ＲＦ信号は基板を横切って導電性トレースに進み、パワーディバイダによってほぼ等しい信号に分割される。
【００３２】
増幅チップ１６０、１６４は、基板１５２に設けられた長方形のオープニング１６８、１７０それぞれに位置づけられており、下にあるヒートシンクの表面に直接マウントされている。図５ｂに示されるように、ジャンパーワイヤー（ワイヤーボンディング）１７２、１７３を設けると、チップ上の入力パッド１７４とパワーディバイダの端部の出力パッド１７６間を電気的にコンタクトできる。ジャンパーワイヤー（ワイヤーボンディング）１７８、１７９を設けると、チップ上の出力パッド１８０と次のパワーディバイダへの入力点の入力パッド１８２間を電気的にコンタクトできる。ＲＦ信号に対して、入力と出力に３個のジャンパーワイヤーが存在する。中央のジャンパーワイヤー１７２、１７８はＲＦ経路を接続し、２つの外側のジャンパーワイヤー１７３、１７９は接地される。基板上の接地パッドは基板の接地平面にバイアス接続されている。ワイヤーボンド１８１はドレイン電圧をチップに与え、ワイヤーボンド１８１はゲート電圧をチップに与えている。
【００３３】
ＤＣパワーがパッド１９０においてサブモジュール１５０に与えられている。ＤＣパワーはフィルター１９２により調節される。導電性経路１９４はドレイン電圧を増幅チップ１６４に導く。追加の導電性経路１９６はＤＣパワーを充電ポンプ１９８に送り、充電ポンプ１９８はＤＣパワーの極性を反転し、それを増幅チップ１６４のゲートに対する適切な電圧レベルに変換する。充電ポンプ１９８からの出力はフィルター２００により調整されて、導電性経路２０２を介して各増幅チップのゲートに送られる。
【００３４】
図６ａ、図６ｂを参照すると、ヒートシンク２５０は、熱伝導物質から形成されたブロックであって、かつ流動性の冷媒２５６を循環する通路２５４が設けられたブロック２５２を含んでいる。増幅チップにより生成された熱は、ブロック物質を介して流動性の冷媒に送られ、バックプレーンから除去される。冷媒流体は例えばガス或いは液体である。図６ｂでは、通路２５４は単一の循環オープニングとして示されているが、通路はフィン、翼、柱及び他の構造を含みうる。そのような構造を採用すると、流れている冷媒に晒される表面積が増加し、及び／または冷媒の乱れを増加させて金属構造から冷媒への熱移動の効率を改善できる。ブロック２５２の厚み、即ち放射素子アレイのＺ寸法の約１／２の厚みは、冷媒を循環するためにそのような通路を設けるのに十分である。
【００３５】
図７ａ、図７ｂは、Ｘ−Ｚ平面にある１：８導波管パワーディバイダ３００の断面図と、８個の導波管パワーディバイダ３００をＹ方向に積み重ねることにより形成されるＹ−Ｚ平面にあるフリースペース放射素子３０２の８ｘ８アレイの斜視図である。各導波管パワーディバイダ３００は、フリースペース入力３０４、複数（Ｎ＝８）のフリースペース伝達経路３０６、及びブロック物質３０８に放射素子３０２を設けるＮ個のフリースペース出力とを含んでいる。フリースペース入力、伝達経路及び出力は、ブロック３０８の導電性壁３１０で囲まれており、これによりフリースペース導波管が規定される。ブロック３０８は、アルミニウムのような導電性物質から形成されてもよいし、或いはプラスチックのような非導電性物質から形成されかつ金のような導電性物質をメッキしてもよい。フリースペース導波管のｄＢでのロスは、ストリップライン導波管のロスよりも単位長当たり実質的により小さく、１０以上のファクタであり、例えば０．３ｄＢ対３ｄＢである。
【００３６】
フリースペース放射素子アレイ３０２はＹ−Ｚ平面にある。放射素子のコラム間における中心対中心のスペースはλｙであり、λはパワーソースモジュールの動作周波数であり、ｙは０．５から１．０の間の定数である。素子の隣接コラム間のスペースは名目のスペースλｙに等しいか、許容誤差だけ名目のスペースからはずれ得る。許容誤差は±λ／１０或いはある他の許容誤差でありうる。定数ｙは、放射素子の隣接コラム間のスペースが０．５λから１．０λであるように選ばれる。
【００３７】
放射素子のロウ間における中心対中心のスペースはλｚであり、λはパワーソースモジュールの動作周波数であり、ｚは０．５から１．０の間の定数である。素子の隣接ロウ間のスペースは名目のスペースλｚに等しいか、許容誤差だけ名目のスペースからはずれ得る。許容誤差は±λ／１０或いはある他の許容誤差でありうる。定数ｚは、放射素子の隣接ロウ間のスペースが０．５λから１．０λであるように選ばれる。定数ｘとｙは等しくても等しくなくてもよい。
【００３８】
図８ａ、図８ｂは、Ｘ−Ｚ平面にある１：４導波管パワーディバイダ３２０の断面図と、８個の導波管パワーディバイダ３２０をＹ方向に積み重ねることにより形成されるＹ−Ｚ平面にあるフリースペース放射素子３２２の８ｘ４アレイの斜視図である。Ｙ軸に沿った中心対中心のスペースは上述の例と同じであり、Ｚ軸に沿った中心対中心のスペースは上述の例の２倍であって、放射素子アレイの寸法は等しい。
【００３９】
例えば、０．１２４インチ（９５ＧＨｚ）の動作波長における８ｘ８の放射素子アレイは、０．１００インチの中心対中心のスペースと、０．８ｘ０．８インチのトータル寸法を生み出す。このモジュールは、８ワットの空間的に統合したビームを生み出すことが証明された。このモジュールは、増幅チップテクノロジーの進歩としてより大きなパワー、或いはシステムを考慮することにより必要な少ないパワーを生み出すように構成されうる。このモジュールは小さな体積で大きなパワーを生み出す。アレイサイズからトータルパワーを分離して熱問題を効果的に管理することは、モジュラー・ソリッドステートＭＭＷパワーソースに対する空間的なアレイ形態の重要な特徴である。
【００４０】
複数のサブモジュール上の複数の放射素子からの放射された波面は空間的に結合されて、振幅、方向或いは他の特性において入力波面とは異なる出力波面（図示せず）を提供する。空間的に結合された出力波面は、フリースペースに放射されるか、或いは出力導波管（図示せず）、導波管ホルン（図示せず）、或いは他の装置に結合される。
【００４１】
図９は、共通のバックプレーン４０４を共有するモジュラー・ソリッドステートＭＭＷパワーソース４０２の４ｘ４アレイからなるソリッドステートＭＭＷパワーソース４００を示している。各モジュラーソース４０２は８ｘ８の放射素子アレイを有する。パワーソース４００は３２ｘ３２の放射素子アレイを有する。放射素子のたった１つのロウまたはコラムも、隣接して並置されたモジュール間の境界には存在しない。バックプレーン４０４は、バックプレーンの中心にある単一のポート４０７でＲＦ入力信号を受信し、それを４ｘ４のＲＦ信号に分けて、それらをそれぞれのモジュールの入力アンテナに導く。バックプレーン４０４はまた、ＤＣバイアス信号を各モジュールに導くフィードスルー４０８を含んでいる。バックプレーン４０６はまた、各モジュールに対するそれぞれのヒートシンクを介して流動性の冷媒を独立に循環する手段を含んでいる。３２ｘ３２の放射素子により出力される増幅されたＲＦ信号は、空間的に結合されてハイパワー出力ビーム４１０を形成する。
【００４２】
発明のいくつかの図示された実施形態が示され記述されたが、多数の変更及び他の実施態様を当業者は可能である。そのような変更及び他の実施態様が熟考され、添付の請求項に規定された発明の精神及び範囲を逸脱することなく創造可能である。
【符号の説明】
【００４３】
１０・・・レンズアレイ増幅器、１２，１４・・・ＲＦビーム、２０・・・モジュラー・ソリッドステートＭＭＷパワーソース、２２・・・サブモジュール、２４・・・ＲＦ入力信号、２６・・・増幅ＲＦ信号、２８・・・ヒートシンク、３０・・・冷却バックプレーン、３２・・・１：Ｎ低ロスパワーディバイダ、３４・・・放射素子、３６…増幅ＲＦ出力信号、４０・・・基板、４２・・・入力アンテナ、４４・・・ソリッドステート前段増幅チップ、４６・・・増幅ステージ、４８・・・出力アンテナ、５０・・・１：Ｍ１パワーディバイダ、５２・・・Ｍ１回路装置、５４・・・ソリッドステート増幅チップ、５６・・・１：Ｍ２パワーディバイダ、６０・・・短熱経路、６２・・・断面、６３・・・フィードスルー、７０・・・ストリップライン入力、７４・・・ストリップライン出力、７６・・・ストリップライン入力、７８・・・ストリップライン送信経路、８０・・・ストリップライン出力、９０・・・サブモジュール、９２，９４・・・第１と第２のパワー増幅ステージ、９６・・・入力アンテナ、９８・・・出力アンテナ、１００・・・１：２ストリップラインパワーディバイダ、１０２・・・１対の回路装置、１０４・・・１：２ストリップラインパワーディバイダ、１０６・・・回路装置、１０８…１：２ストリップラインパワーディバイダ、１１０・・・サブモジュール、１１２、１１４・・・第１と第２のパワー増幅ステージ、１１６・・・入力アンテナ、１１８・・・出力アンテナ、１２２・・・１：２ストリップラインパワーディバイダ、１２２・・・１対の回路装置、１２４・・・１対の１：４ストリップラインパワーディバイダ、１２６…８個の回路装置、１２８・・・８個の１：１ストリップラインパワーディバイダ、１３０・・・制御回路、１３２・・・回路装置、１３４・・・ソリッドステート増幅チップ、１３６・・・振幅アジャスタ、１３８・・・位相シフター、１４０・・・サーキュレータ、１５０・・・サブモジュール、１５２…絶縁基板、１５４・・・入力アンテナ、１５６・・・出力アンテナ、１５８・・・１：２パワーディバイダ、１５９…位相シフター、１６０、１６４・・・増幅チップ、１６２・・・一対の１：４パワーディバイダ、１６４…８個の増幅チップ、１６６・・・８個の１：１パワーディバイダ、１６８、１７０・・・オープニング、１７２、１７３・・・ジャンパーワイヤー（ワイヤーボンディング）、１７４・・・入力パッド、１７６・・・出力パッド、１７８、１７９・・・ジャンパーワイヤー（ワイヤーボンディング）、１８０・・・出力パッド、１８１・・・ワイヤーボンド、１８２・・・入力パッド、１９０・・・パッド、１９２・・・フィルター、１９４・・・導電性経路、１９６・・・追加の導電性経路、１９８・・・充電ポンプ、２００・・・フィルター、２０２・・・導電性経路、２５０・・・ヒートシンク、２５２・・・ブロック、２５４・・・通路、２５６・・・流動性の冷媒、３００・・・１：８導波管パワーディバイダ、３０２・・・フリースペース放射素子、３０４・・・フリースペース入力、３０６・・・フリースペース伝達経路、３０８・・・ブロック物質、３１０・・・導電性壁、３２０・・・１：４導波管パワーディバイダ、３２２・・・フリースペース放射素子、４０２・・・モジュラー・ソリッドステートＭＭＷパワーソース、４０４、４０６・・・バックプレーン、４０８・・・フィードスルー、４１０・・・ハイパワー出力ビーム。
【図１】
2011530958.tif 000003
【図２ａ】
2011530958.tif 000004
【図２ｂ】
2011530958.tif 000005
【図２ｃ】
2011530958.tif 000006
【図３ａ】
2011530958.tif 000007
【図３ｂ】
2011530958.tif 000008
【図３ｃ】
2011530958.tif 000009
【図４】
2011530958.tif 000010
【図５ａ】
2011530958.tif 000011
【図５ｂ】
2011530958.tif 000012
【図６ａ】
2011530958.tif 000013
【図６ｂ】
2011530958.tif 000014
【図７ａ】
2011530958.tif 000015
【図７ｂ】
2011530958.tif 000016
【図８ａ】
2011530958.tif 000017
【図８ｂ】
2011530958.tif 000018
【図９】
2011530958.tif 000019
【国際調査報告】
2011530958.tif 000020
2011530958.tif 000021