DE60127662T2

DE60127662T2 - Sende-/empfängermodul für aktivphasenarrayantenne

Info

Publication number: DE60127662T2
Application number: DE60127662T
Authority: DE
Inventors: Udayshankar C.V. Raman Nagar KASHINATHRAO REVANKAR; Thomas Sophy CV Raman Nagar KALAPPURAKKAL; Sreenivasulu CV Raman Nagar KILARI; Malleshappa Veerabhadra C.V. Raman Nagar KORI
Original assignee: India Defence Ministry of Research and Development Organization
Current assignee: India Defence Ministry of Research and Development Organization
Priority date: 2000-04-07
Filing date: 2001-04-09
Publication date: 2007-12-27
Anticipated expiration: 2021-04-10
Also published as: EP1279046B1; IL152139A; WO2001077706A1; US6784837B2; EP1279046A1; CA2405143A1; IL152139A0; US20030156060A1; DE60127662D1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft ein Sende-/Empfangsmodul für aktivphasengesteuerte Feldantennen und insbesondere ein Sende-/Empfangsmodul für aktivphasengesteuerte Feldantennen/-Öffnungen im L-Band, welche bei weitreichenden aktivphasengesteuerten Feldradarsystemen eingesetzt werden, wie in dem Oberbegriff des angefügten Hauptanspruchs offenbart.
STAND DER TECHNIK
Bekannte Systeme werden z. B. in US-5,412,414, US-4,806,937, US-5,093,667, US-5,994,965 oder in Merrill Skolnik, Radar-Handbook 2. Aufl., McGraw Hill, 1990 (ISBN 0-07-057913-x), Seiten 5.16 bis 5.17, offenbart.
Ein Radar auf der Grundlage eines aktivphasengesteuerten Feldantennensystems umfasst im Grunde mehrere aktiv abstrahlende Antennenelemente, welche jeweils von einem individuellen Sendemodul angetrieben werden bzw. ein individuelles Empfangsmodul antreiben, welche nahe benachbart dazu angeordnet sind. Aktivphasengesteuerte Felder oder aktive Öffnungsfelder werden heute in modernen Radarsystemen eingesetzt. Die aktive Feldarchitektur überwindet die Hauptprobleme passiver Felder, d. h. geringe Zuverlässigkeit, welche Radarsendern vom Röhrentyp und ihren dazugehörenden Hochspannungs-Stromversorgungen und -Modulation inhärent ist, sowie die Verluste, welche durch ihre reziproken Ferrit-/PIN-Diodenphasenschieber mit dem dazugehörigen Passivfeld-HF-Verteiler entstehen. Aktivphasengesteuerte Felder verwenden ein individuelles Halbleiter-T/R-Kurzwellenmodulelement an jedem ihrer Abstrahlelemente (Antennen), wodurch folglich die Verluste bei der Verteilung und im Phasenschieber vermieden werden, welche bei dem Passivfeldentwurf auftreten. Bei gleicher abgestrahlter Leistung wurden aktivphasengesteuerte Feldsysteme als deutlich effizienter, kleiner und leichter als die herkömmlichen Passivfeldsysteme befunden. Die Anforderung, eine sehr große Leistung zu erzeugen, um ein großes Leistungsöffnungsprodukt für ein weitreichendes Überwachungssystem zu erhalten, kann nur mit aktivphasengesteuerten Feldsystemen erfüllt werden, welche das Verfahren des aktiven Öffnungsfelds einsetzen.
Das Leistungsvermögen moderner Radarsysteme mit aktivphasengesteuerten Feldantennen wird hauptsächlich von dem Leistungsvermögen der Sende-/Empfangsmodule bestimmt, welche in dem System eingesetzt werden. Wie oben stehend beschrieben, kann ein Radarsystem mit aktivphasengesteuerter Feldantenne eine große Anzahl Sende-/Empfangsmodule einsetzen, welche jeweils mit individuellen Abstrahlelementen (Antennen) des Aktivfelds verbunden sind. Tatsächlich ist das Schlüsselelement des aktivphasengesteuerten Felds das Kurzwellen-Sende-/Empfangsmodul, dessen Leistungsvermögen über das Gesamtleistungsvermögen des Radars entscheidet. Ein weitreichender Radar, welcher im L-Band (1,2 bis 1,4 GHz) arbeitet, kann typischerweise 200 individuelle Sende-/Empfangsmodule einsetzen. Das Leistungsvermögen des Radarsystems mit aktivphasengesteuerter Feldantenne ist von der Verfügbarkeit kompakter und leichter, wenig verbrauchender und hoch zuverlässiger Kurzwellen-Sende-/Empfangsmodulen kritisch abhängig. Die Hauptfunktionen eines Sende-/Empfangsmoduls sind die Erzeugung der Sendeleistung, welche dem jeweiligen Abstrahlelement eingekoppelt wird, die rauscharme Verstärkung der Empfangssignale, welche von dem jeweiligen Abstrahlelement empfangen werden, die Phasenverschiebung im Sende- und Empfangsmodus zur Strahlsteuerung und die variable Verstärkungseinstellung zur Öffnungsgewichtung beim Empfang. Die Architektur des Sende-/Empfangsmoduls ist eng mit der Funktionalität verbunden, welche in den aktiven Öffnungen des Felds erforderlich ist, in welchem es verwendet wird.
Die folgenden Parameter bestimmen die Architektur des T/R Moduls: (1) die Anforderung einer hohen Sendeleistung mit maximierter, leistungsverbesserter Effizienz, (2) die Anforderung, den Empfangseingang der Erfassung 3. Ordnung mit einem geringen Rauschwert an der Vorstufe zu maximieren, (3) die Anforderung zur Eigenkalibrierung und einer eingebauten Prüffähigkeit in dem Modul, (4) die Anforderung geringer Seitenkeulen des Felds im Empfangsmodus, (5) die Anforderung einer verteilten Berechnung der Strahlsteuerung und (6) die Anforderung einer wirksamen Wärmeübertragung bei einer geringen Modulmasse und geringen Kosten.
Die Sende-/Empfangsmodule, welche bei aktivphasengesteuerten Feldantennen eingesetzt werden, sind in der Technik bekannt. Jedoch leiden diese Sende-/Empfangsmodule, welche in der Technik bekannt sind, unter folgenden Nachteilen.
Primärer Nachteil von Sende-/Empfangsmodulen, welche in der Technik bekannt sind, ist, dass diese durch eine Architektur integrierter Schaltkreise für Kurzwellen (MIC) realisiert werden, wodurch die Größe des T/R-Moduls sperrig wird.
Ein anderer Nachteil der Sende-/Empfangsmodule, welche in der Technik bekannt sind, ist, dass aufgrund einer großen Anzahl von Schaltungsverbindungen darin die Zuverlässigkeit dieser T/R-Module gering ist.
Wieder ein anderer Nachteil der Sende-/Empfangsmodule, welche in der Technik bekannt sind, ist, dass ihre Wiederholbarkeitseigenschaften für Phase und Amplitude über alle Sende-/Empfangsmodule sehr gering ist.
Noch ein weiterer Nachteil der Sende-/Empfangsmodule, welche in der Technik bekannt sind, ist, dass ihre Einstellgenauigkeit von Phase und Amplitude minderwertig ist.
Wieder ein anderer Nachteil der Sende-/Empfangsmodule, welche in der Technik bekannt sind, ist, dass diese nicht kosteneffektiv sind.
AUFGABEN DER ERFINDUNG
Primäre Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Sende-/Empfangs-(Transmit/Receive – T/R)-Modul bereitzustellen, welches durch eine Hybridarchitektur durch integrierte Schaltkreise für Kurzwellen (Microwave Integrated Circuit – MIC) und durch monolithische integrierte Schaltkreise für Kurzwellen (Monolithic Microwave Integrated Circuit – MMIC) realisiert wird, womit beide ein Miniaturisieren des gesamten T/R-Modul erleichtern.
Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Sende-/Empfangsmodul bereitzustellen, bei welchem die Sendekette durch MIC-Architektur realisiert wird, wobei es folglich ermöglicht wird, den hohen Ausgangsleistungspegel zu bewältigen, welcher für weitreichende Radarsysteme nötig ist.
Wieder eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Sende-/Empfangsmodul bereitzustellen, bei welchem die Empfangskette durch MMIC-Architektur realisiert wird, welche folglich ein Miniaturisieren des Empfängermoduls erleichtert.
Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Sende-/Empfangsmodul bereitzustellen, bei welchem die Sendekette eine hohe Peak- und Durchschnittsleistungsausgabe bereitstellen kann, wodurch der Reichweite des Radarsystems verbessert wird.
Noch eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Sende-/Empfangsmodul bereitzustellen, bei welchem eine hohe Kühleffizienz durch den Einsatz einer Kühlplatte mit eingebetteten Mikrokanälen unter jeder Leistungsvorrichtung in dem Sendemodul realisiert wird.
Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Sende-/Empfangsmodul bereitzustellen, welches in der Lage ist, in der gesamten L-Band-Radarfrequenz zu arbeiten.
Noch eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Sende-/Empfangsmodul bereitzustellen, welches einen geringen Rauschwert und einen linearen Verstärkungswert aufweist.
Wieder eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Sende-/Empfangsmodul bereitzustellen, welches mit einem hochwiederholbaren Leistungsvermögen in dem gesamten L-Band sehr zuverlässig ist.
Noch eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Sende-/Empfangsmodul bereitzustellen, welches eine sehr gute Übereinstimmung des Phasen- und des Amplitudenpegels für alle individuellen T/R-Module aufweist.
Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Sende-/Empfangsmodul bereitzustellen, welches sehr kompakt und kosteneffektiv ist.
Noch eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Sende-/Empfangsmodul bereitzustellen, welches eine selbstkalibrierende und eingebaute Prüfeinrichtung aufweist.
Wieder eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Sende-/Empfangsmodul bereitzustellen, welches eine verteilte Berechnungseinrichtung der Strahlsteuerung aufweist.
Noch eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Sende-/Empfangsmodul bereitzustellen, welches einen geringen Rauschwert an der Vorstufe aufweist.
Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Sende-/Empfangsmodul bereitzustellen, welches eine Fähigkeit zum Steuern der Sendeleistungsausgabe aufweist, um ein Sendestrahlungsmuster mit geringen Seitenkeulen zu realisieren.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Gemäß dieser Erfindung wird ein Sende-/Empfangsmodul für ein aktivphasengesteuertes Hochleistungs-Feldantennensystem mit den Merkmalen bereitgestellt, wie in dem angefügten Hauptanspruch offenbart.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird das verbesserte Sende-/Empfangsmodul für aktivphasengesteuerte Feldantennenelemente, welche im L-Band arbeiten, durch eine Hybridarchitektur realisiert, welche sowohl integrierte Schaltkreise für Kurzwellen (MIC) als auch monolithische integrierte Schaltkreise für Kurzwellen (MMIC) einsetzt. Die Verwendung von MIC-Komponenten in der Sendekette des Moduls erleichtert ein Erzeugen der hohen Leistungsausgabe, welche für eine lange Reichweite nötig ist, während ein Einbezug der MMIC-Technik in der Empfangskette des Moduls sein Miniaturisieren erleichtert, wobei folglich die Größe des gesamten Sende-/Empfangsmoduls reduziert wird. Das vorgeschlagene Sende-/Empfangsmodul kann im gesamten L-Band arbeiten, wobei eine hohe Peak- und Durchschnittsleistungsausgabe mit einem sehr hohen Zuverlässigkeits- und Wiederholbarkeitsgrad bereitgestellt wird. Das Modul ist in der Lage, eine sehr gute Übereinstimmung und Nachverfolgung des Amplituden- und Phasenpegels der Sende-/Empfangsmodule bereitzustellen. Die Sendekette des Moduls ist entworfen, um eine hohe Peak-Leistungsausgabe mit einer großen Impulsbreite und einem großen Impulstastverhältnis über die große HF-Bandbreite unter Verwendung von bipolaren Silizium-(Si)-Transistoren zu erzeugen, welche in dem effizienten Modus der Klasse ,C' arbeiten. Ein rauscharmer Verstärker (LNA), ein digitaler Dämpfer und ein gemeinsam genutzter Phasenschieber mit T/R-Schaltern in der Empfangskette des T/R-Moduls verwenden GaAs-(Galliumarsenid)-MMICs als eine zuverlässige, kosteneffektive Lösung. Si-PIN-Dioden mit einer hohen Durchbruchspannung werden zum Realisieren von Empfängerschutzschaltkreisen verwendet. Das Modul weist integrale, aufmontierte Treiber-/Steuerungsschaltkreise unter Verwendung einer Mikrosteuereinheit und eine Hybrid-Miniaturpackung auf, welche SMDs (Vorrichtungen mit Oberflächenmontage) einsetzt. Die Sende- und Empfangsketten werden unter Verwendung von Mikrostreifenschaltkreisen auf zwei weichen Kurzwellen-Keramiklaminaten konfiguriert, welche in einem T/R-Signalmodulgehäuse kompakt gestapelt werden. Die Platine der Sendeschaltung wird auf die integrierte, flüssigkeitsgekühlte Kühlplatte des Modulgehäuses geschraubt, welche die beste Kühleffizienz durch Einsetzen von Mikrokanalkühlung unterhalb jeder Leistungsvorrichtung der Sendekette bereitstellt. Die gesamte Modulgröße ist kompakt und passt in ein dreieckiges Feldgitter.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Alle weiteren Eigenschaften, Vorteile und Anwendungen der Erfindung werden aus der ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform offensichtlich, welche mit Hilfe der folgenden Zeichnungen beschrieben und illustriert wird, wobei
1 ein elektrisches Blockdiagramm ist, welches das Sende-/Empfangsmodul darstellt.
2 ein ausführliches elektrisches Blockdiagramm ist, welches die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
3 ein Diagramm ist, welches die beiden gestapelten Schichten des T/R-Moduls mit den Einzelheiten auf den Mikrostreifen- und Digitalschaltungslayouts darstellt.
4 eine auseinander gezogene, perspektivische Ansicht der T/R-Modulkomponenten, d. h. des Modulgehäuses, der Sende- und Empfangskettensubstrate, und der Verbindungen zwischen ihnen und mit den Modulanschlüssen ist.
5 eine perspektivische Ansicht ist, welche die T/R-Einheit allgemein darstellt, welche aus 8 T/R-Modulen und den dazugehörigen Schaltkreisen besteht, welche in die Rückseite eines planaren Felds eines aktivphasengesteuerten Feldantennensystems eingesteckt sind.
6 eine auseinander gezogene Ansicht einer T/R-Einheit ist, welche aus der Feldeinheit der 5 herausgezogen ist, und die T/R-Module und die dazugehörigen Schaltkreise der bestimmten T/R-Einheit darstellt.
Unter Bezugnahme auf 1, welche die allgemeine Arbeitsweise eines T/R-Moduls darstellt, wird ein T/R-Schalter 03 im Sendemodus des Betriebs gezeigt. Während des Sendemodus des Radarsystems wird dem Modul ein gepulstes RF-Signal (Radarerregerausgang) aus dem Feldverteiler geliefert. Dieses Signal wird an allen Modulorten in einem digitalen Phasenschieber 01 phasenverschoben und in einem digitalen Dämpfer 02 amplitudenjustiert, um das erwünschte Strahlungsbündel zu produzieren. Das Signal wird dann durch einen Sendetreiber- und Endverstärker 04 verstärkt und durch den Zirkulator-Duplexer 05 an das Abstrahlelement geleitet. In dem Empfangsmodus werden Radarechos durch den Duplexer 05, den Empfängerschutz 06 und den rauscharmen Verstärker 07 zurückgeleitet, welcher im Wesentlichen den Rauschwert des Systems ausmacht. Das verstärkte Echo wird in dem gleichen digitalen Dämpfer 02 bzw. Phasenschieber 01 amplitudenjustiert und phasenverschoben und zu dem Feldverteiler geleitet.
Die Amplitudengewichtung (durch den digital gesteuerten Dämpfer 02) im Sende- und Empfangsmodus wird zum Synthetisieren des Feldmusters mit geringen Seitenkeulen sowohl während des Sendemodus als auch während des Empfangsmodus verwendet. Folglich wird durch den SPDT-T/R-Schalter 03 während des Sendens der Ausgang des Empfangsverstärkers 07 ausgeschaltet und während des Empfangens der Eingang des Sendeverstärkers ausgeschaltet. Die Totzeit des Radars wird zum Verändern der Phasen- und Dämpfungswerte und zum Schalten des Kanalwahl-T/R-Schalters 03 eingesetzt. Die Steuerelektronik 08 dient als Schnittstelle zwischen dem Modul und den Feldsteuerungsvorrichtungen, welche Strahlsteuerungs- und Zeitsteuerungsinformationen bereitstellen, welche von dem Modul benötigt werden. Der Leistungskonditionierungsblock 09 stellt die nötigen sequentiellen Vorspannungen und Schaltbefehle für die jeweiligen Modulkomponenten bereit.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Unter Bezugnahme auf 2 arbeitet die Verstärkerkette der Sendeleistung des T/R-Moduls im gesättigten Modus unter Verwendung eines mehrstufigen Sendeverstärkers 12 bis 18 auf der Grundlage einer vierstufigen Verstärkung 13 bis 18 der Klasse ,C' mit einem GaAs-MMIC-Mittelleistungsverstärker (MPA) als der Eingangstreiber 12. Es werden bipolare Silizium-Transistoren in der Sendekette der Klasse ,C' verwendet. Die Endleistungsverstärkerkette setzt eine symmetrische Stufe 17 bis 18 mit einem drahtgebundenen Hybridteiler 19/-Kombinator 20 ein, welcher von der Leistungsausgabe angetrieben wird, welche von der Treiberverstärkerkette 12 bis 16 erzeugt wird. Der Endleistungsverstärker entwickelt eine Ausgangsleistung von mindestens +57 dBm (Spitze) bei einem Impulstastverhältnis von 10% mit einer Sendeimpulsbreitenfähigkeit von 100 μsec über die gesamte L-Band-Radarfrequenz. Die erforderliche Gleichstromleistung wird von aufmontierten einstellbaren Spannungsreglern aus dem Leistungskonditionierer 38 gewonnen und wird zur Sendeleistungssteuerung, zur Amplitudengewichtung des Felds in dem Sendemodus verwendet, um ein Muster mit geringen Seitenkeulen zu realisieren. Eine glatte Amplitudenverjüngung über das Feld hinweg kann durch Einsetzen einer geeigneten Steuerung/Einstellung der Gleichstromversorgungen aus dem Leistungskonditionierer an verschiedenen Stufen der Sendekette realisiert werden.
Ein Mikrostreifenkoppler 22 mit einem Detektor 24 mit passenden Schaltkreisen an dem Sendeverstärkerausgang stellt einen Leistungsmonitor bereit. Ein Drop-in-Zirkulator 21, welcher an dem Leistungsverstärkerausgang verwendet wird, fungiert als ein Hochleistungs-T/R-Duplexer für eine gute Eingangs-VSWR und für nichtreziproke Eigenschaften, wobei er eine Spitzenleistung über +58 dBm bewältigt. Es gibt auch eine Vorkehrung zur Überwachung reflektierter Leistung für Diagnosezwecke durch einen asymmetrischen Koppler 23 und einen Detektor 25 zusätzlich zu der Sendeleistungsabtastung durch den SPST-Schalter 26 für eine Prüfung, welche im Betrieb durchgeführt werden soll. Die gesamte Sendekette ist unter Verwendung von Mikrostreifenschaltkreisen auf dünnem, weichem Kurzwellen-Keramiklaminat mit Aluminium-Rückwand zum Erleichtern der Schaltungsherstellung konfiguriert, wobei auch eine steckerlose Drop-in-Packung hergestellt wird. 2 illustriert das Sendekettensubstrat 10.
Die Empfangskette des T/R-Moduls setzt MMIC-Technik ein. Die verwendeten GaAs-MMICs sind vom Typ gepackter Oberflächenmontage. Zwei rauscharme Eingangsverstärker (Low Noise Amplifiers – LNAs) 31 und 33, jeder mit einem Rauschwert von 1,8 dB, einem Verstärkungswert von 25 dB und einer P_out (1 dB) von +14 dBm, werden vor einem digital gesteuerten Dämpfer 34 in Serie eingesetzt. Ein einstellbarer Dämpfungspuffer 32 wird zwischen den beiden LNAs angeordnet, um den gesamten Empfangsverstärkungswert des T/R-Moduls zu steuern und auch um den Sättigungspegel der gesamten rauscharmen Eingangsverstärkung zu optimieren. Der 6-Bit MMIC-Dämpfer 34 stellt eine maximale Dämpfung von 31,5 dB mit einer Auflösung von 0,5 dB bereit. Der gemeinsam genutzte MMIC-Phasenschieber 36 verwendet eine 6-Bit-Steuerung mit einem LSB von 5,625°. Der T/R-Kanalwahlschalter 35 basiert auch auf der MMIC-Technik und bietet eine minimale Trennung von 40 dB.
Die Empfängerschutzfunktion in dem T/R-Modul wird durch eine Kombination aus einem Hochleistungsschalter 28 und einem Begrenzer 29 realisiert. Ein anderer Drop-in-Zirkulator 27, welcher als ein Isolator an dem Eingang des Hochleistungsschalters 28 konfiguriert ist, bildet einen Teil des Empfängerschutzes. Dies passt auch gut zu der die Sendeleistungsverstärkerausgabe während der Sendeperiode, indem der Schalter 28 vom Hochleistungsreflektionstyp als ein absorbierender fungiert. Der Hochleistungsschalter 28 setzt am Shunt befestigte Hochspannungs-PIN-Dioden ein und wird durch den T/R-Schaltbefehl während der Sendeperiode betätigt und ist ausgelegt, um die erforderliche hohe Spitzen- und Durchschnittsleistung zu bewältigen, welche auftritt, wenn der Antennen-Port des T/R-Moduls durch einen Fehler von dem Antennenfeldelement getrennt wird. Deshalb sind der Hochleistungsschalter 28 und der Isolator 27 für eine geeignete Wärmeübertragung und Kühlung auf dem Sendekettensubstrat 10 selbst befestigt. Der Hochleistungsbegrenzer 29 setzt auch PIN-Dioden mit hoher Durchbruchspannung ein und erfüllt identische Anforderungen an die Bewältigung hoher Leistung, so dass in dem Fall des Versagens des Hochleistungsschalters 28 die LNAs 31 und 33 vor jeder Reflexion der Hochleistungsausgabe aus dem Antennen-Port durch Begrenzen der reflektierten Leistung auf einen begrenzten Schwellenwert mit einer guten Spitzenunterdrückung geschützt werden.
Eine HF-Filterung vor der Wahl am Eingang der Empfangskette des T/R-Moduls wird durch einen verlustarmen MIC-Drop-in-Bandpassfilter 30 realisiert. Dieser Filter wird auf einem temperaturstabilen Keramiksubstrat realisiert und bietet über das HF-Passband hinweg einen sehr geringen Einfügungsverlust mit einer guten Basiserwiderung. Ähnlich der Sendekette sind die Schaltkreise der Empfangskette auch auf einem anderen dünnen, weichen Kurzwellen-Keramiklaminat mit Aluminium-Rückwand ausgelegt.
Die Treiber- und Steuerungs-/Logikschaltkreise 37 sind auch auf dem gleichen Substrat befestigt und bilden einen Teil der Empfangsschaltkreise. Diese setzen eine Mikrosteuereinheit zur Berechnung und Bereitstellung der nötigen 6-Bit-Strahlsteuerungsbefehle bzw. der Amplitudenerregung an den Phasenschieber 36 und den Dämpfer 34 ein, wie es für das jeweilige Abstrahlelement, welches mit dem Modul verbunden ist, auf der Grundlage der Phasen- und Amplitudengradienten in X- und Y-Richtung und der Adressidentität erforderlich ist, welche bei einer seriellen Verbindung von der Hauptsteuereinheit zur Strahlsteuerung des Felds erforderlich ist. Die Mikrosteuereinheit speichert auch die Phasen- und Amplitudenfehler, welche durch eine Kalibrierung erzeugt werden, und wendet sie an, um jeweilige Elementerregungen zum Synthetisieren von Mustern mit geringen Seitenkeulen über die Abtastwinkel des Felds hinweg zu realisieren. Die T/R-Schaltbefehle für die beiden Schalter 35 und 28 werden auch in der Mikrosteuereinheit 37 erzeugt. Die Diagnose der Modulstromversorgungen im Betrieb und die Durchlass-/Rückleistungstestausgaben, welche aus den Detektoren 24/25 erhalten werden, werden auch in der Karte der Mikrosteuereinheit 37 durchgeführt, wobei schließlich eine ,Statusausgabe' aus dem Modul bereitgestellt wird. Zusätzlich beherbergen die Schaltkreise der Empfangskette auch eine Vorspannungssequenzer-Modulatorschaltung 39 zum geeigneten Sequenzieren der Gate- und Drain-Versorgungen an die MMICs 31, 33, 34 bis 36 und den MPA 12 und zum Bereitstellen der Drain-Impulsansteuerung, welche für den MPA 12 während der T/R-Sendeperiode erforderlich ist, um so Durchschnittsleistung einzusparen, welche von dem MPA 12 verbraucht/abgestrahlt wird. Diese Schaltung 39 setzt Optokoppler zum schnellen Schalten und für gesteuerte Verzögerungen ein, wobei Stromtreiber für die MMIC-Drain-Versorgungen verwendet werden. Ein zusätzlicher MOSFET-Schaltkreis wird eingesetzt, um die Drain-Impulsansteuerung zu erzeugen, welche für den MPA 12 erforderlich ist. Sowohl die Karte der Mikrosteuereinheit 37 als auch die Vorspannungssequenzer-Modulatorschaltung 39 werden vollständig unter Verwendung von kundenspezifischen Silizium-ICs in Oberflächenmontage und Komponenten realisiert, welche auf mehrlagigen Leiterplatten von Miniaturgröße befestigt sind.
Die Sendekette beherbergt zwei Tx/Rx-Schnittstellenleiterplatten 40 und 41 zum Verbinden von Gleichstrom-/Signaleingangssteckern 50/J1 42 und der Empfangskettenschaltkreise auf der Deckschicht durch die beiden funktionalen Leiterplatten in der Empfangskette, d. h. durch die Karte der Mikrosteuereinheit 37 und durch die Karte des Vorspannungssequenzer-Modulators 39, an das Modul. Die abschließende Sendeleistungsausgabe an das Antennenelement und die Testsendeleistung zur Überwachung/Kalibrierung werden durch die HF-Steckverbinder J2 43 bzw. J3 44 herausgeführt.
Unter Bezugnahme auf 3 werden die Sendekette und die Empfangskette 10 und 11 des T/R-Moduls auf zwei unterschiedlichen, Kurzwellen-Weichkeramiklaminaten (mit hoher Dielektrizitätskonstante) realisiert. Drei kurze verlustarme HF-Kabelanordnungen (J1 42 bis J4 45, J5 46 bis J6 47 und J7 48 bis J8 49) verbinden die HF-Ports zwischen den Sende- und Empfangssubstraten und mit dem Tx-Eingangs-/Rx-Ausgangs-Steckverbinder J1 42.
Unter Bezugnahme auf 4 wird die Größe des T/R-Modulgehäuses kompakt mit lateralen Abmessungen angefertigt, welche genau zu dem dreieckigen Feldgitter in der L-Band-Radarfrequenz passen. Die Schaltkreise des Sende- und Empfangskanals werden in der gestapelten zweischichtigen Konfiguration in einem kompakten T/R-Modulgehäuse 51 mit der oberen Abdeckung 52 ausgelegt. Die Platine der Sendeschaltung 10 ist die untere und wird folglich so angefertigt, dass sie einen guten thermischen Kontakt mit dem Boden des Gehäuses aufweist. Der Boden des Gehäuses wird als eine integrierte flüssigkeitsgekühlte Kühlplatte mit einem Wassereinlass 53 und einem -Auslass 54 längs auf beiden Seiten des Modulgehäuses angefertigt. Die Sendeschaltkreise werden auf diesen integrierten Kühlplattenboden geschraubt. Wenn das Modul mit seinem vollen Impulstastverhältnis von 10% arbeitet, ist es erforderlich, dass die Sendekette des Moduls Wärme von ungefähr 120 W abführt, und der Kühlplattenentwurf sorgt durch Verwendung von Mikrokanälen dafür, welche unter jeder Hochleistungseinheit der Sendekette eingebettet sind.
Unter Bezugnahme auf 5 gibt das dreieckige Feldgitter der Abstrahlelemente 55, 56, welche auf der Rückwandplatte 57 des Felds befestigt sind, die laterale Größe des T/R-Moduls vor. Die Rückwandstruktur 58 des Felds mit LRUs (auswechselbaren Einheiten) 59 zum Befestigen von T/R-Modulen und den dazugehörigen Schaltkreisen ist im Allgemeinen beispielhaft für eine Architektur eines aktivphasengesteuerten Hochleistungsfelds. Die T/R-Module, acht an der Zahl, werden jeweils mit ihren dazugehörigen Komponentenschaltkreisen des Tx/Rx-HF-Verteilers 60, der Steuerungsschaltkreise auf der Grundlage der Mikrosteuereinheit 61 auf der Ebene der T/R-Einheit und der Stromversorgungen 62 von einer der LRUs 59 (auch T/R-Einheiten genannt) beherbergt gezeigt.
Unter Bezugnahme auf 6 geschieht die Kühlung auf der Ebene der T/R-Einheit durch eine gemeinsame Kühlplatte, welche zum Kühlen der Stromversorgungseinheiten verwendet wird, und durch Kühlmittelverteiler (Einlass und Auslass) für die acht T/R-Module 51 und 52, von welchen vier auf jeder Seite der LRU gestapelt sind. Der Kühlmitteleinlass/-Auslass auf der Ebene der T/R-Einheit geschieht durch die einrastenden Verbindungsports 63 und 64, und die Gleichstrom-/Signalverbindungen geschehen durch den Steckverbinder 65. Die HF-Signalschnittstelle zu der höheren Ebene des Felds (d. h. zu einer Gruppe von T/R-Einheiten) geschieht durch die HF-Verbindungsports 66. Die HF-Verdrahtung in der T/R-Einheit wird auf der Feldseite als einrastende Koaxialverbindungen implementiert und nach außen geführt, so dass die T/R-Einheiten als LRUs für eine Überprüfung oder Reparaturwartung installiert oder entfernt werden können.
Die vorliegende Ausführungsform der Erfindung, welche oben stehend dargelegt wird, dient Darstellungszwecken und ist nicht vorgesehen, den Schutzumfang der Erfindung zu begrenzen. Es versteht sich, dass verschiedene Veränderungen, Anpassungen und Modifikationen an der oben stehend beschriebenen Erfindung von Durchschnittsfachleuten vorgenommen werden können, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen, welcher durch die folgenden Ansprüche definiert wird.

Claims

Ein Sende-/Empfangmodul für ein Hochleistungs-aktivphasengesteuertes Feldantennensystem, das im L-Band arbeitet, basierend auf einer Kombination von Technologien für hybride integrierte Schaltkreise für Kurzwellen (MIC)- und für monolitische integrierte Schaltkreise für Kurzwellen (MMIC)- und mit Leistungsüberwachungsmitteln (22–25) für Online-Diagnosezwecke, einem Senderschutzmittel und einem Empfängerschutzmittel (27–30), wobei das genannte Sende-/Empfangsmodul aufweist: eine Signalsendekette (10) mit einem Leistungskonditionierer (38) und eine Signalempfangskette (11), die eine Steuerelektronik (37) enthält und einen Vorspannungs-Sequenz-Modulator (39); wobei die genannte Signalsendekette (10) besteht aus: T/R-Schaltmitteln (35) zum Schalten des Moduls in den Sendemodus, verbunden mit der Sendeverstärkerkette (12–20) durch einen gemeinsam genutzten 6-bit digitalen Phasenschieber (36); Duplexmitteln, die einen ersten Drop-in Zirkulator (21) enthalten, der das verstärkte Signal von der Sendeverstärkerkette (12–20) erhält und die genannten Senderschutzmittel der genannten Sendekette (10) darstellt; einen Hochleistungsschalter (28), der einen zweiten Drop-in Zirkulator (27) mit seiner Eingangsseite verbunden hat, der zusammen mit einem Hochleistungsbegrenzer (29) der genannten Empfangskette (11) die genannte Empfängerschutzmittel (27–30) der genannten Empfangskette (11) darstellen; Online-Leistungs-Überwachungsmitteln (22–25); einem einpoligen Ein-/Ausschalter (SPST)-Schalter (26) zum Onlineabtasten der Sendeleistung; Tx/Rx-Interface-Leiterplatten (40, 41) für Verbindungen zwischen der genannten Sendekette (10) und der genannten Empfangskette (11); wobei die genannte Empfangskette (11) das Signal von dem genannten zweiten Drop-in Zirkulator (27) und dem Hochleistungsschalter (28) im Empfangsmodus empfängt und besteht aus; einem Hochleistungsbegrenzer (29); einem RF-Vorwahlfilter (30), der mit dem genannten Hochleistungsbegrenzer (29) verbunden ist; rauscharmen Verstärkermitteln (31–33); 6-bit digitalen Dämpfungsmitteln (34), die mit dem gemeinsam genutzten digitalen Phasenschieber (36) über T/R-Schaltmittel (35) verbunden sind; wobei alle verbunden sind über eine Steuerelektronik (37), einen Vorspannungs-Sequenzmodulator (39) und Leistungseinstellmittel (38); dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Leistungsüberwachungsmittel (22–25) einen Mikrostreifenverbinder (22) und einen Detektor (24) aufweisen, die miteinander verbunden sind, für eine Überwachung der Durchgangsleistung, und einen asymmetrischen Mikrostreifenkoppler (23) und einen Detektor (25), die miteinander verbunden sind für eine Überwachung der Sperrleistung, wobei der erste Drop-in Zirkulator (21) angeschlossen ist zwischen dem Mikrostreifen-Koppler (22) und dem asymmetrischen Mikrostreifenkoppler (23).
Ein Sende-/Empfangsmodul gemäß Anspruch 1, wobei der genannte Sendekettenleistungsverstärker (12–20) einen vierstufigen Klasse C-Verstärker (13–20) aufweist, einen GaAs monolithischen integrierten Schaltkreis für Kurzwellen (MMIC) Mittelleistungsverstärkertreiber (12) und eine Endleistungsverstärkerkette (17–20), die balancierte Stufenverstärker (17–18) einschließt mit einem drahtgebundenen Hybrid-Teiler (19)/Kombinator (20).
Ein Sende-/Empfangsmodul gemäß Anspruch 1, wobei die genannte Sendekette (10) basiert auf dem Ansatz für hybride integrierte Schaltkreise (MIC)- für Kurzwellen.
Ein Sende-/Empfangsmodul gemäß Anspruch 1, wobei die genannte Sendekette (10) ausgelegt ist unter Benutzung von Mikrostreifenschaltkreisen auf dünnen weichen Keramik-Kurzwellen-Laminaten mit Aluminiumrücken.
Ein Sende-/Empfangsmodul gemäß Anspruch 1, wobei die genannte Empfangskette (11) basiert auf hybridem GaAs monolithischen integrierten Schaltkreis für Kurzwellen (MMICs).
Ein Sende-/Empfangsmodul gemäß Anspruch 1, wobei die genannte Empfangskette (11) ausgelegt ist unter Benutzung von Mikrostreifenschaltkreisen auf dünnen weichen Keramik-Kurzwellen-Laminaten mit Alluminiumrücken.
Ein Sende-/Empfangsmodul gemäß Anspruch 1, wobei die genannten Sendekette (10) und die genannte Empfangskette (11) in der gestapelten Zweischichtkonfiguration aufgenommen sind in einem kompakten Gehäuse (51) mit Deckel (52).
Ein Sende-/Empfangsmodul gemäß Anspruch 1, wobei das genannte Gehäuse (51) eine integrierte flüssigkeitsgekühlte Kühlplatte als Boden hat mit einem Wassereinlass (53) auf der einen Seite und einem Wasserauslass (54) auf der anderen Seite des Gehäuses und mit Mikrokanälen, die unterhalb jeder der Hochleistungseinheiten der genannten Sendekette (10) eingearbeitet sind.
Ein Sende-/Empfangsmodul gemäß Anspruch 1, wobei der genannte Leistungseinsteller (38) ein Sendeleistungsamplitudenabschrägmittel aufweist.
Ein Sende-/Empfangsmodul gemäß Anspruch 1, wobei die Filterung durch den genannten RF-Vorwahlfilter (30) realisiert wird durch einen verlustarmen integrierten Schaltkreis für Kurzwellen (MIC)-Bandpassfilter.
Ein Sende-/Empfangsmodul gemäß Anspruch 1, wobei die genannte Steuerelektronik (37) und der Vorspannungs-Sequenz-Modulator (39) integriert sind als ein Teil der Empfangskette (11).