(57)【要約】  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。
2010514373.tif 000002
【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。
【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。
【図１】
2010514373.tif 000003
【図２】
2010514373.tif 000004
【図３】
2010514373.tif 000005
【図４】
2010514373.tif 000006
【図５】
2010514373.tif 000007
【図６】
2010514373.tif 000008
【図７】
2010514373.tif 000009
【図８】
2010514373.tif 000010
【図９】
2010514373.tif 000011
【図１０】
2010514373.tif 000012
【図１１】
2010514373.tif 000013
【図１２】
2010514373.tif 000014
【図１３】
2010514373.tif 000015
【図１４】
2010514373.tif 000016
【国際調査報告】
2010514373.tif 000017
2010514373.tif 000018
2010514373.tif 000019