DE69521252T2

DE69521252T2 - Antennenspeiseanordnung und Netzwerk zur Strahlformung

Info

Publication number: DE69521252T2
Application number: DE69521252T
Authority: DE
Inventors: Richmond D. Bruno; Richard W. Lemassena; Phillip L. Metzen
Original assignee: Space Systems Loral LLC; Loral Space Systems Inc
Current assignee: Maxar Space LLC
Priority date: 1994-09-15
Filing date: 1995-02-06
Publication date: 2001-10-31
Anticipated expiration: 2015-02-07
Also published as: DE69521252D1; CA2145446A1; US5539415A; EP0702424B1; CA2145446C; JPH0897633A; EP0702424A1

Description

Die Erfindung betrifft allgemein den Bereich elektronischer Schaltungen und insbesondere Antennen und Netzwerke zur Strahlformung.
Kommunikation ist die Übertragung von Intelligenz zwischen zwei oder mehr Punkten. Die Wissenschaft und Technik der Kommunikation befasst sich mit der Art und Weise, in der Information von einer Ausgangsquelle gesammelt, in elektrische Ströme oder Felder transformiert, über elektrische Netzwerke oder den Raum zu einem anderen Punkt übertragen und in eine Form zurückverwandelt wird, die für eine Interpretation beim Empfänger geeignet ist.
Typischerweise sind Kommunikationssysteme aus Netzwerkkaskaden gebildet, wobei jedes Netzwerk so ausgelegt ist, dass es einen Vorgang an der informationsübertragenden Energie ausführt. Antennen sind oft die Netzwerke, die zum Übertragen der Signalenergie von Schaltkreisen in den Raum und, umgekehrt, vom Raum in Schaltkreise dienen. Die Signalenergie liegt in Form von Strahlen vor, d. h. einer Vielzahl von geraden Linien, in denen jede gerade Linie einen Strahl darstellt. Die Strahlen sind eine kollimatisierte oder ungefähr gleichgerichtete Strömung elektromagnetischer Strahlung. Die Verteilung der gestrahlten Energie schwankt mit der Richtung im Raum und mit dem Abstand von der Antenne. Dies beeinflusst die Richtungseigenschaften der Antenne.
Es wurden Satellitenkommunikationsantennen entwickelt, um genau massgeschneiderte Strahlen zur Verfügung zu stellen, um zahlreiche bezeichnete Abdeckungsbereiche auf der Erde abzudecken, ohne Antennenstrahlleistung auf Regionen zu verschwenden, wo es keine interessierten Benutzer gibt. Im Stand der Technik werden Mehrstrahlantennen oder Phasenanordnungen verwendet, um genau massgeschneiderte Strahlen zu erhalten.
Für den Raum bestimmte Antennen wurden einzeln konstruiert und für einen bestimmten Satelliten zusammengebaut. Jeder Satellit wurde üblicherweise für einen speziellen Zweck ausgesetzt. Jedes Element der vielen Elemente der Antenne musste individuell hergestellt und eingebaut werden. Daher war die Antenne sehr teuer in der Herstellung und Montage. Die Satellitenantennenindustrie hat bisher keine Antenne zur Verfügung gestellt, die nicht ganz unterschiedliche Antennenbauteile verwendet, obwohl Einbringen in feste Baugruppen Effizienz bei der Herstellung erzeugt und auch in hohem Mass die nötige Flexibilität in der Antennenkonstruktion ergibt, die unterschiedlichen Satellitenbedürfnissen gerecht wird.
Die Europäische Patentanmeldung EP-A-0600715 beschreibt eine Mehrstrahlphasenanordnungsantenne umfassend eine Anordnung von Strahlungshörnern, die in der Lage sind, in jede der beiden orthogonalen Polarisationen abzustrahlen. Sie umfasst ein Netzwerk zur Strahlformung unter Verwendung von Phasenverschiebern, Leistungsverteilern und Dämpfern. In einen Hohlraum eingesetzte Verstärker sind vorgesehen, um die Outputs des Strahlformungsnetzwerks in Bandpassfilter zu verstärken, um unerwünschte Frequenzen zu unterdrücken.
Einer der Nachteile des Standes der Technik ist, dass Mehrstrahlantennen und Phasenanordnungen gross und schwer sind.
Ein weiterer Nachteil des Standes der Technik ist, dass Mehrstrahlantennen und Phasenanordnungen wiederholt schwierig und teuer aufzubauen sind.
Die vorliegende Erfindung überwindet die Nachteile des Standes der Technik, indem eine kostengünstige, kleine, kompakte, leichtgewichtige, leicht zusammenzubauende Mehrstrahl- oder Phasenanordnungsvorrichtung zur Verfügung gestellt wird, die als direkte Strahlungsanordnung oder als Speiseeinrichtung für eine Reflektoren- oder Linsenantenne verwendet werden kann.
Gemäss der Erfindung wird eine Mehrstrahlphasenanordnung zur Verfügung gestellt, die in eine kompakte Baugruppe integriert ist, die eine verbundene Streifenleiteranordnungsbaugruppe umfasst, die eine Vielzahl von planaren Strahlungselementen aufweist, die auf der Anordnungsbaugruppe geätzt sind und in der Lage sind, eine gewünschte Polarisation zu erreichen, eine zusätzliche Anordnung von Verstärkermodulen für jedes der Strahlungselemente, worin jeder der Module einen MMIC-Isolator enthält und einen Bandpassfilter, wobei ein mehrstufiges gebundenes Streifenleiterstrahlformungsnetzwerk, das mehrfache Strahlenaussendungen zur Verfügung stellt, und eine zwischen die Anordnungsbaugruppe, die zusätzliche Anordnung von Verstärkermodulen und das Strahlformungsnetzwerk eingesetzte Steckschnittstelle und worin das Strahlformungsnetzwerk eine Vielzahl von benachbarten Leiterplatten umfasst, die M Inputports und N Outputports aufweisen, worin M und N ganze Zahlen sind, bei denen Verbindungen zwischen den benachbarten Leiterplatten durch plattierte durchgehende Löcher stattfinden, worin benachbarte Paare von Leiterplatten geschichtet und verbunden sind, und worin elektrische Kopplung zwischen benachbarten Leiterplattenpaaren durch Überlappungen von einer Viertelwellenlänge getrennt durch Klebeschicht gebildet ist.
Die planaren Strahlungselemente können in der Lage sein, lineare Polarisation zu erreichen. Alternativ können die planaren Strahlungselemente in der Lage sein, Zirkularpolarisation zu erreichen.
Die Anordnung von planaren Strahlungselementen kann mit Streifenleiterhybriden gekoppelt sein, um einzelne Zufuhr- oder Antennenelemente auszubilden. Die Zufuhr- oder Antennenelemente sind dann in einen Filter gekoppelt, um das gewünschte Frequenzband passieren zu lassen und unerwünschte Frequenzbänder zurückzuhalten. Die Filter sind entweder an die MMIC-LNAs gekoppelt für die Empfangsversion oder mit den MMIC-SSPAs für die Übertragungsversion.
Die MMICs können in ein Streifenleiterstrahlformungsnetzwerk (BFN, beamforming network) kombiniert sein, das M Strahlen erzeugt, wobei jeder alle N der Antennenstrahlungselemente nutzt. Die Form jedes der M Strahlen ist durch die Phasen- und Amplitudencharakteristiken seines Teil des Strahlformungsnetzwerks bestimmt. Jeder der M Strahlen kann einen separaten Input- (Übertragung) oder Outputport (Empfang) besitzen. Die zuvor genannten Funktionen können in eine einzige Baugruppe integriert sein, die auf mehrschichtige kupferplattierte Leiterplatten geätzte Mikrowellenschaltungen zusammen mit MMIC-Verstärkern und integrierten Filtern aufweist.
Um die Erfindung und ihre verschiedenen anderen bevorzugten Merkmale leichter verständlich zu machen, werden nun einige Ausführungsformen davon, nur als Beispiel, mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
Fig. 1 ein Blockdiagramm des erfindungsgemässen Geräts darstellt,
Fig. 2 eine Zeichnung einer Draufsicht der Strahlungselemente 11 von Fig. 1 darstellt,
Fig. 3 eine Zeichnung einer Seitenansicht der Antennenanordnung darstellt,
Fig. 4 eine Zeichnung der PC-Platten darstellt, die Strahlungselemente 11 und Quadraturkoppler 12 enthalten,
Fig. 5 eine Zeichnung eines Elektronikmoduls 25 darstellt,
Fig. 6 eine Zeichnung eines integrierten Elektronikmoduls 25 und einer Anordnungsbaugruppe 20 darstellt,
Fig. 7 eine Zeichnung einer Schicht eines 16-schichtigen Strahlformungsnetzwerks 22 darstellt,
Fig. 8 eine Zeichnung des Stapels von 32 PC-Platten darstellt, und
Fig. 9 eine schematische Abbildung des vierstufigen binären Leistungskombinationsschemas darstellt, das in dem verbundenen Stapel von 32 mit dem verbundenen Streifenleitungsstrahlformer 24 eingesetzt ist.
Mit Bezug zu den einzelnen Zeichnungen und insbesondere der Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 11 eine Vielzahl von planaren Strahlern mit ringförmigen Schlitzen im TE11- Modus, die N Strahler 11 enthalten. Die Strahler 11 sind mit einer Vielzahl von Streifenleiterhybriden oder Quadraturstreifenleiterkopplem 12 gekoppelt, um zirkularpolarisierte Strahler zu bilden. Es können jedoch linearpolarisierte Strahlen gebildet werden, wenn die Quadraturstreifenleiterkoppler 12 weggelassen werden. Die Hybride 12 sind mit einer Vielzahl von Bandpassfiltern 13 gekoppelt, die N Bandpassfilter 13 enthalten, um nur die gewünschten Frequenzbänder passieren zu lassen. Die Filter 13 sind mit monolithischen integrierten Mikrowellenschaltungsverstärkern 14 (MMIC-Verstärker, monolithic microwave integrated circuits) gekoppelt, die N Verstärker 14 mit einem integrierten Isolator enthalten. Die Verstärker 14 sind Halbleiterleistungsverstärker (SSPA, solid state power amplifiers) oder geräuscharme Verstärker (LNA, low noise amplifier). Die SSPAs werden für den Übertragungsmodus verwendet und die LNAs werden für den Empfangsmodus verwendet. Die Verstärker 14 werden zum Verstärken der zuvor genannten RF-Signale genutzt.
Die Verstärker 14 sind mit einer Vielzahl von M-fach Leistungsverteilern 15 gekoppelt, die N Leistungsverteiler 15 enthalten, und M-fach Leistungsverteiler 15 sind mit einer Vielzahl von N-fach Leistungsverteilern 16 gekoppelt, die M Verteiler 16 enthalten.
Für den Fall, dass sechzehn Strahlen von dem in Fig. 1 dargestellten Gerät erzeugt werden, ist N gleich 91 und M gleich 16. Es gibt 16 separate N-fach Leistungsverstärker 16, 91 separate MMICs 14, 91 separate Filter 13, 91 separate Quadraturkoppler 12 und 91 separate Strahlungselemente 11. Die Outputs der N-fach Leistungsverstärker 16 werden in M-fach Leistungsverstärkern 15 rekombiniert. Es gibt 91 M-fach Leistungsverteiler 15. Der Output jedes der M-fach Leistungsverstärker 15 ist durch einen Verstärker 14, einen Filter 13 und Quadraturkoppler 12 mit einem Strahlungselement 11 gekoppelt. Die Form jedes der 16 Antennenstrahlen ist durch den diesem Strahl zugeordneten N-fach Leistungsverstärker 16 spezifisch festgesetzt, indem die Amplitude und Phasenelemente eingestellt werden. Der Phasen- und Amplitudengang jedes der MMICs 14 ist gleich, ebenso die Phase und Amplitude der Filter 13, der Quadraturkoppler 12 und der Strahlungselemente 11.
Fig. 2 ist eine Zeichnung einer Draufsicht von Strahlungselementen 11, die in der Beschreibung von Fig. 1 beschrieben wurden. Die Strahlungselemente 11 sind in einer Anordnungsplatte 20 in einer Weise angeordnet, dass die Empfangsversion des Geräts dieser Erfindung 61 Strahlungselemente 11 aufweist und die Übertragungsversion dieser Erfindung 91 Strahlungselemente 11 aufweist.
Fig. 3 ist eine Seitenansicht der Antennenanordnung. Die sechzehn Koaxialkabel 21 ergeben eine Schnittstelle zum Input zur Antenne im Übertragungsfall und im Empfangsfall sind die Kabel 21 eine Schnittstelle zum Output der Antenne. Zweiunddreissig verbundene PC- Plattenstapel, die alle M-fach und N-fach Kombinatoren in einem integrierten Strahlformungsnetzwerk (BFN, beamforming network) enthalten, sind durch Bezugszeichen 22 dargestellt. Die Schnittstelle des Strahlformungsnetzwerks 22 ist in PC-Platten 23 enthalten (BFN-Schnittstelle). Verbindungen zwischen der BFN-Schnittstelle 23 und N Elektronikmodulen 25 verlaufen durch eine Wärmesenke 24.
Die Wärmesenke 24 kann aus Beryllium oder einem anderen bekannten Material konstruiert sein, das ausreichende Mengen an Wärme entfernen kann, wenn die Antenne in Betrieb ist.
Anordnungsplatten 20, die Strahlungselemente 11 und Quadraturkoppler 12 umfassen, sind auf Elektronikmodulen 25 angebracht. Die Wärmesenke 24 ist unter den Modulen 25 angebracht. Die BFN-Schnittstelle 23 ist unter der Wärmesenke 24 angebracht und das Strahlformungsnetzwerk 22 ist unter der BFN-Schnittstelle 23 angebracht. Die Inputs zur Antenne 21 sind am Netzwerk 22 angebracht. Jeder Elektronikmodul 25 umfasst einen Filter 13 und MMIC 14. Jeder MMIC enthält einen integrierten Outputisolator, um störungsfreien Betrieb in Gegenwart des Bandpassfilters 13 zu gewährleisten.
Fig. 4 ist eine Zeichnung der PC-Platten, die Strahlungselemente 11 und Quadraturkoppler 12 enthalten. Konzentrische Ringe 30 sind dielektrisch, d. h. die Teile des Strahlungselements 11, in denen Kupfer von der PC-Platte weggeätzt wurde. Eine Schicht oder eine Platte unter den Strahlungselementen 11 sind Strahlungselementsonden 31 und die Inputleitungen 32 zu den Sonden 31. Eine Schicht oder eine Platte unter den Sonden 31 und Inputleitungen 32 sind eine Vielzahl von Quadraturkopplern 12 und die Inputleitungen 33 zu den Kopplern 12. Die Inputleitungen 32 zu den Sonden 31 und die Inputleitungen zu den Quadraturkopplern 12 regeln einander ein. Auf diese Weise sind die Leitungen 31 mit einander durch plattierte Löcher miteinander verbunden (nicht gezeigt). Die Inputleitungen 32 sind mit Zweigleitungskopplern 60 verbunden. Der Koppler 60 ist mit einer Stichleitung 61 von einer Viertelwellenlänge (λ/4) mit offenem Ende verbunden und ein Ätzfilmwiderstand 62 von 50 Ohm ist auf die Stichleitung 61 geätzt.
Fig. 5 ist eine Zeichnung eines Elektronikmoduls 25. In diesem Modul ist ein MMIC- Verstärker/Isolator 14 und ein Filter 13 enthalten (nicht gezeigt). Koaxiale RF-Input- und Outputschnittstellen 50 und 51 sind Subminiatursteckanschlüsse und die Leistungsschnittstelle verwendet einen Keramikdurchführsteckanschluss 52. Ein integraler Montageflansch 53 ermöglicht, dass der Modul 25 sicher an der Wärmesenke 24 befestigt wird (nicht gezeigt). Der Flansch 54 ergibt eine Montagefläche für die Anordnungsplatte 20 (nicht gezeigt).
Fig. 6 ist eine Zeichnung eines integrierten Elektronikmoduls 25 und der Anordnungsplatten 20. Ebenso gezeigt sind die relativen Stellungen der Wärmesenke 24, der BFN- Schnittstellenplatten 23 und des Strahlformungnetzwerks (BFN) 22. Alle RF- Schnittstellenkabel sind koaxiale Anschlüsse vom SMA-Typ. Diese Kabel sind am Strahlformungsnetzwerk 22 angebracht.
Fig. 7 ist eine Zeichnung einer Schicht eines 16-schichtigen Streifenleiterstrahlformungsnetzwerks 22. Der zentrale Bereich der gezeigten Leiterplatte umfasst einen gleichverteilten Leistungsverteiler mit 91 Wegen unter Verwendung einfacher "V-förmiger"-Leistungsteiler vom Wilkinsonhybridtyp.
Jeder Output der 91 Verteiler ist mit einem Phasentrimmer in Form einer Reihe von Transmissionsleitungsmäandern verbunden. Die Mäanderlänge bei jedem Output der 91- Wegeverteiler bestimmt die Strahlform und Raumposition eines gegebenen Antennenstrahls. Wegen des vorstehenden Merkmals kann jeder der 16 Strahlformer diskrete Strahlformen und Zielrichtungen ergeben. Phasentrimmeroutputs sind mit einer Vielzahl von Wilkinsonleistungskombinatoren verbunden ("U-förmig"), die dazu dienen, Outputs des Strahlformungsnetzwerk 22 von zahlreichen Schichten des Strahlformungsnetzwerks zu kombinieren, was in den Beschreibungen der Fig. 8 und 9 beschrieben wird. Die RF- Koaxialschnittstellenoutputs 51 umfassen M-fach Leistungsverteiler 15 (nicht gezeigt), die in der vertikalen Ebene der verbundenen Streifenleiterstrahlformungsanordnung enthalten sind.
Fig. 8 ist eine Zeichnung eines Stapels von 32 PC-Platten. Die M-fach Leistungsverteiler 15 sind entlang des Umfangs jeder der 32 PC-Platten im Stapel positioniert. Die PC-Platten sind durch Überlappungen von 1/4-Wellenlänge verbunden.
Fig. 9 ist eine schematische Abbildung des vierfachen binären Leistungskombinationsschemas, das in dem verbunden Stapel von 32 eingesetzt ist, der den verbundenen Streifenleiterstrahlformer 22 umfasst.
Im Strahlformungsnetzwerkteil des Geräts dieser Erfindung werden sechzehn Strahlen von 32 PC-Platten erzeugt, die 16 Inputkabel aufweisen, worin jedes Inputkabel einen Strahl im Raum darstellt. Alle Verbindungen finden zwischen den PC-Platten statt. Die Verwendung einer Überlappung von 1/4-Wellenlänge ermöglicht, dass beim Gerät dieser Erfindung nur durch zwei Platten hindurchgegangen werden muss. Zu keiner Zeit muss eine Verbindung durch mehr als zwei Platten gleichzeitig durchgehen. Die Anzahl der Platten sind Rücken-an-Rücken angeordnet. Die Löcher sind plattiert und die Platten sind miteinander verbunden.
Die obige Beschreibung beschreibt eine neue und verbesserte, kostengünstige, kleine, kompakte, leichtgewichtige, leicht zusammenbaubare Mehrstrahl- oder Phasenanordnungsvorrichtung, die leicht mit einem hohen Mass an Genauigkeit reproduziert werden kann, die als direkte Strahlungsanordnung oder als Zufuhr für eine Reflektor- oder Linsenantenne verwendet werden kann.

Claims

1. Mehrstrahlphasenanordnung, die in eine kompakte Baugruppe integriert ist, die eine verbundene Streifenleiteranordnungsbaugruppe umfasst, die eine Vielzahl von planaren Strahlungselementen (11) aufweist, die auf der Anordnungsbaugruppe (20) geätzt sind und in der Lage sind, eine gewünschte Polarisation zu erreichen, eine zusätzliche Anordnung von Verstärkermodulen (25) für jedes der Strahlungselemente (11), worin jeder der Module (25) einen MMIC-Isolator (14) enthält und einen Bandpassfilter (13), wobei ein mehrstufiges gebundenes Streifenleiterstrahlformungsnetzwerk (22), das mehrfache Strahlenaussendungen zur Verfügung stellt und eine zwischen die Anordnungsbaugruppe (20), die zusätzliche Anordnung von Verstärkermodulen (25) und das Strahlformungsnetzwerk (22) eingesetzte Steckschnittstelle (52) und worin das Strahlformungsnetzwerk (22) eine Vielzahl von benachbarten Leiterplatten umfasst, die M Inputports und N Outputports aufweisen, worin M und N ganze Zahlen sind, bei denen Verbindungen zwischen den benachbarten Leiterplatten durch plattierte durchgehende Löcher (80) stattfinden, worin benachbarte Paare von Leiterplatten geschichtet und verbunden sind, und worin elektrische Kopplung zwischen benachbarten Leiterplattenpaaren durch Überlappungen von einer Viertelwellenlänge getrennt durch Klebeschicht gebildet ist.

2. Phasenanordnung nach Anspruch 1, worin die Vielzahl von planaren Strahlungselementen (11) in der Lage sind, lineare Polarisation zu erreichen.

3. Phasenanordnung nach Anspruch 1, worin die Vielzahl von planaren Strahlungselementen (11) in der Lage sind, Zirkularpolarisation zu erreichen.

4. Phasenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine mit der Anordnung von Verstärkermodulen (25) gekoppelten Wärmeableitung (24) zur Entfernung von Wärme.

5. Phasenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das Netzwerk zur Strahlformung (22) eine Vielzahl von Wilkinson-Verteilern (15) in Isolationswiderständen umfasst, die durch Viertelwellenlängenüberlappungen gekoppelt sein können, um den Widerstandstest zu erleichtern.

6. Phasenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin die verbundene Streifenleiteranordnungsbaugruppe (20) eine erste mehrstufige Streifenleiterbaugruppe mit N ringförmigen planaren Strahlungselementen (11) umfasst, die alle auf einer Oberfläche der Streifenleiterbaugruppe ausgebildet sind und N RF-Kopplern (12), wobei die N Strahlungselemente die gewünschte Polarisierung erreichen, N Verstärker (14) mit den N RF-Kopplern (12) gekoppelte Outputs aufweisen und eine zweite mehrstufige Streifenleiterbaugruppe (22) umfassend N M-fach Leistungsverteiler (15), deren jeder einen mit einem der N Verstärker gekoppelten Output aufweist und M Inputs, worin M und N ganze Zahlen sind, wobei einzelne der M Inputs mit einem Output von M N-fach Leistungsverteilern (16) gekoppelt sind, die N Outputs aufweisen und einen Input, worin die zweite mehrstufige Streifenleiterbaugruppe (22) eine Vielzahl von gestaffelten Leiterplatten umfasst, bei denen einzelne der Leiterplattenpaare Rücken-an-Rücken angeordnet sind.

7. Phasenanordnung nach Anspruch 6, worin M gleich 16 und N gleich 91 ist.

8. Phasenanordnung nach Anspruch 6 oder 7, worin mindestens eine Streifenleiterlänge der M N-fach Leistungsverteiler (16) Form und räumliche Anordnung von M Strahlen bestimmt.

9. Kommunikationssatellit mit einer Mehrstrahlphasenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.