Приемопередающий модуль активной фазированной антенной решетки
Владельцы патента RU 2657336:
Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Исток" имени А.И. Шокина" (АО "НПП "Исток" им. Шокина") (RU)
Заявлен приемопередающий модуль активной фазированной антенной решетки, содержащий, по меньшей мере, четыре одноканальных модуля, каждый из которых содержит последовательно соединенные защитное устройство и малошумящий усилитель приемного канала, выходной усилитель мощности передающего канала, два переключателя прием/передача, двунаправленный фазовращатель, схему управления, элементы электрической связи и питания, два вывода - первый и второй, при этом упомянутые электронные компоненты каждого из четырех одноканальных модулей выполнены в виде, по меньшей мере, трех фрагментов, каждый из заданных разных по составу электронных компонентов на отдельной диэлектрической подложке, при этом упомянутые фрагменты с одинаковыми электронными компонентами расположены на одном из, по меньшей мере, трех уровней - первом, втором, третьем соответственно, уровни соединены между собой посредством, по меньшей мере, трех соединительно-разделительных элементов, в каждом из них выполнены четыре полости по центру квадрантов зеркально симметрично относительно двух взаимно перпендикулярных плоскостей, проходящих через продольную ось модуля, конфигурацией повторяющей упомянутый квадрант, при этом на первом уровне выполнены выходной усилитель мощности передающего канала, второй переключатель прием/передача, контакт первого переключателя прием/передача К1 соединен через двунаправленный фазовращатель с первым выводом, его контакт в положении передача К2 - с входом выходного усилителя мощности передающего канала, выход последнего - с контактом второго переключателя прием/передача К2, его контакт К1 - с вторым выводом, контакт второго переключателя прием/передача К3 - с входом защитного устройства, выход последнего - с входом малошумящего усилителя приемного канала, его выход - с контактом первого переключателя прием/передача К3, электрическую связь между электронными компонентами упомянутых фрагментов и каждого уровня обеспечивают элементы связи, при этом приемопередающий модуль имеет корпус, основание, стенки и крышка которого соединены с обеспечением герметичности. При этом отдельные диэлектрические подложки каждого упомянутого фрагмента и каждого уровня выполнены из алмаза, при этом каждый упомянутый фрагмент выполнен на лицевой стороне каждой упомянутой отдельной диэлектрической подложки из алмаза, на обратной ее стороне - металлизационное покрытие, в ее объеме - металлизированные заземляющие отверстия, на первом уровне дополнительно выполнены защитное устройство и малошумящий усилитель приемного канала, на втором - первый переключатель прием/передача, двунаправленный фазовращатель, на третьем - схема управления, элементы электрической связи и питания, а электрическую связь между электронными компонентами упомянутых фрагментов и каждого уровня обеспечивают отрезки экранированной копланарной линии и планарные проводники, соединительно-разделительный элемент каждого уровня выполнен в виде квадратной пластины со стороной, равной длине волны λ, высотой - 2-3 мм, из металла или его сплава, имеющего высокую теплопроводность и обеспечивающего согласованный температурный коэффициент линейного расширения с каждой диэлектрической подложкой из алмаза, при этом который одновременно является основанием каждого уровня, основание первого уровня - основанием корпуса приемопередающего модуля, боковые стенки основания каждого уровня образуют наружную стенку корпуса приемопередающего модуля, а упомянутые четыре полости каждого уровня выполнены на лицевой стороне основания глубиной 1-1,5 мм, толщиной стенки 1,5-2 мм, при этом последние образуют внутренние стенки корпуса соответствующего уровня приемопередающего модуля, в основании второго, третьего уровней и крышки корпуса выполнено центральное отверстие соосно, симметрично относительно двух взаимно перпендикулярных плоскостей, проходящих через продольную ось модуля, и которое заглублено в основание первого уровня на 1-1,5 мм, на лицевой стороне основания каждого уровня выполнены четыре канавки кратчайшим путем по биссектрисе квадранта, проходящей через продольную ось модуля, глубиной и шириной 1-1,5 мм соответственно, обеспечивающие соединение четырех полостей каждого уровня с центральным отверстием для последующей герметизации приемопередающего модуля, обратная сторона основания каждого уровня выполнена плоской, на обратной стороне основания первого уровня выполнен второй вывод для соединения с выводом плоской антенной решетки, крышка корпуса выполнена высотой 1-1,5 мм, соразмерной с основанием корпуса приемопередающего модуля, основание, стенки и крышка приемопередающего модуля соединены между собой герметично по их периметру посредством пайки. Технический результат - повышение: выходной мощности, коэффициента полезного действия, надежности и долговечности, стабильности во времени и повторяемости амплитудных и фазовых характеристик, снижение массогабаритных характеристик. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к электронной технике СВЧ, а именно к приемопередающим модулям активной фазированной антенной решетки, и предназначено для использования в радиолокационных станциях, системах связи и системах радиопротиводействия.
Радиолокационная станция (РЛС) состоит из сотен и тысяч элементарных приемопередающих модулей активных фазированных антенных решеток (ППМ АФАР) (далее приемопередающий модуль).
На сегодня практически нашли широкое применение элементарные приемопередающие модули активных фазированных антенных решеток, содержащие четыре одноканальных модуля.
Известен приемопередающий модуль активной фазированной антенной решетки СВЧ-диапазона, который с целью увеличения угла обзора, повышения точности определения координат цели и потенциала системы (дальности обнаружения цели) путем обеспечения возможности формирования одновременно двух диаграмм направленности антенны и увеличения быстродействия путем уменьшения времени параллельной обработки принимаемых сигналов содержит, по меньшей мере, один переключатель прием/передача, контакт вход-выход которого является входом-выходом приемопередающего модуля, контакт выход в положении переключателя передача подключен к входу передающего канала, включающего последовательно соединенные, по меньшей мере, один управляемый n-разрядный ступенчатый фазовращатель, предварительный усилитель мощности, выходной усилитель мощности, выход передающего канала, который является выходом модуля и, по меньшей мере, один контакт вход в положении переключателя прием, который подключен к выходу приемного канала, содержащего последовательно соединенные, по меньшей мере, один управляемый n-разрядный ступенчатый фазовращатель, один управляемый n-разрядный ступенчатый аттенюатор, один малошумящий усилитель, защитное устройство и вход приемного канала, который является входом приемопередающего модуля.
При этом переключатель имеет второй контакт вход, к которому подключен коммутатор, передающий канал содержит дополнительный n-разрядный ступенчатый фазовращатель и два согласующих усилителя, при этом вход одного из усилителей соединен с контактом выход переключателя, а выход усилителя с входом дополнительного n-разрядного ступенчатого фазовращателя, вход второго усилителя соединен с выходом дополнительного n-разрядного ступенчатого фазовращателя, а выход усилителя с входом n-разрядного ступенчатого фазовращателя, причем оба фазовращателя подключены к одной схеме управления, приемный канал содержит дополнительный n-разрядный ступенчатый аттенюатор, выход которого соединен с входом n-разрядного ступенчатого аттенюатора, причем аттенюаторы подключены к одной схеме управления, дополнительный n-разрядный ступенчатый фазовращатель, выход которого соединен с входом первого n-разрядного ступенчатого фазовращателя, причем фазовращатели подключены к одной схеме управления, два согласующих усилителя, вход одного из которых соединен с выходом n-разрядного ступенчатого аттенюатора, а выход усилителя с входом дополнительного n-разрядного ступенчатого фазовращателя, вход второго усилителя соединен с выходом n-разрядного ступенчатого фазовращателя, а выход второго усилителя с контактом вход переключателя, и делитель мощности СВЧ-сигнала, вход которого соединен с выходом малошумящего усилителя, первый выход делителя соединен с входом дополнительного n-разрядного ступенчатого аттенюатора, а ко второму выходу делителя подключен второй приемный канал, содержащий последовательно соединенные дополнительный n-разрядный аттенюатор и n-разрядные ступенчатые фазовращатели, имеющие одну схему управления, и два согласующих усилителя, вход одного из которых соединен с выходом n-разрядного ступенчатого фазовращателя, а выход усилителя с входом дополнительного n-разрядного ступенчатого аттенюатора, вход второго усилителя соединен с выходом n-разрядного ступенчатого аттенюатора, а выход второго усилителя соединен с выходом второго приемного канала, который является выходом приемопередающего модуля, при этом в каждом канале каждая схема управления фазовращателями или аттенюаторами содержит преобразователь последовательного кода управления в параллельный код и преобразователь уровней сигналов управления [Патент 2454763 РФ приоритет 13.10.2010, МПК H01Q 21/00, опубликовано 27.06.2012].
Известен приемопередающий модуль активной фазированной антенной решетки, включающий четыре независимых приемопередающих канала и блок управления, в котором с целью возможности создания 4-канального модуля с малыми габаритными размерами при высокой воспроизводимости электрических характеристик и технологичности настроек критичных СВЧ-узлов.
СВЧ-узлы, а также индивидуальные узлы управления каждого канала образуют конструкцию с зеркальной симметрией относительно двух взаимно перпендикулярных плоскостей, проходящих через продольную ось модуля, при этом общие узлы управления, питания и защиты размещены в средней части приемопередающего модуля и имеют несимметричную конструкцию [Патент 2380803 РФ, приоритет 23.04.2008, MПК H01Q 21/00, опубликовано 27.01.2010].
Известен приемопередающий модуль активной фазированной антенной решетки, который с целью обеспечения высокого коэффициента полезного действия (КПД) в режиме передачи и одновременно - широкого диапазона управления амплитудой излучаемого сигнала при сохранении управления фазой содержит переключатель прием/передача, контакт вход-выход которого подключен к распределительной системе, а контакт выход в положении А-передача подключен к входу передающего канала, состоящего из предварительного усилителя мощности и выходного 2-тактного усилителя мощности передающего канала с СВЧ-делителем на его входе и СВЧ-сумматором на выходе, являющимся выходом передающего канала, который подключен к входу циркулятора прием/передача, контакт выход-вход которого соединен с излучателем, а контакт выход - с входом приемного канала, содержащего последовательно соединенные защитное устройство, малошумящий усилитель, управляемый аттенюатор, усилитель, управляемый фазовращатель, выход которого подключен к контакту вход переключателя прием/передача.
При этом первый и второй выходы СВЧ-делителя мощности сигнала подключены соответственно к первому и второму входам соответствующих дополнительно введенных первого и второго управляемых фазовращателей, выход каждого из которых подключен соответственно к входу первого и второго усилителей 2-тактного выходного усилителя мощности, а на вход управления каждого из упомянутых управляемых фазовращателей поданы заданные сигналы управления U1 и U2 [Патент 2338306 РФ, приоритет 11.01.2007, МПК H01Q 21/00, H01Q 3/26, опубликовано 10.11.2008].
Недостатки вышеописанных приемопередающих модулей, выполненных в одной плоскости (конструкцией 2D), обусловлены этой конструкцией, а именно размещением всех электронных компонентов в одной плоскости на одной плате из низкотемпературной совместно обжигаемой керамики (LTCC) или в отверстиях этой платы и заключаются в:
- недостаточно высокой стабильности во времени и повторяемости амплитудных и фазовых характеристик из-за большого количества проволочных соединений;
- больших массогабаритных характеристиках, размеры приемопередающего модуля в плоскости больше половины длины волны -λ/2;
- необходимости специального теплоотвода, поскольку приемопередающий модуль невозможно установить непосредственно на плоскость водоохлаждаемого плоского полотна антенны;
- необходимости изготовления в многослойной плате LTCC, имеющей низкую теплопроводность, отверстий под мощные электронные компоненты и соединения последних с многослойной платой с помощью проволочных соединений, что дополнительно приводит к снижению стабильности во времени и повторяемости амплитудных и фазовых характеристик приемопередающего модуля;
- возможности возбуждения приемопередающего модуля из-за возникновения паразитных связей между электронными компонентами, расположенными в одной плоскости и в одном объеме приемопередающего модуля.
Известен приемопередающий модуль активной фазированной антенной решетки, который с целью повышения выходной мощности содержит, по меньшей мере,
четыре одноканальных модуля,
каждый из которых содержит последовательно соединенные защитное устройство и малошумящий усилитель приемного канала, выходной усилитель мощности передающего канала, два переключателя прием/передача, двунаправленный фазовращатель, схему управления, элементы электрической связи и питания, два вывода - первый и второй, при этом
упомянутые электронные компоненты каждого из четырех одноканальных модулей выполнены в виде, по меньшей мере, четырех фрагментов, каждый из заданных разных по составу электронных компонентов на отдельной диэлектрической подложке из низкотемпературной совместно обжигаемой керамики (LTCC), при этом упомянутые фрагменты с одинаковыми электронными компонентами расположены на одном из, по меньшей мере, четырех уровней - первом, втором, третьем, четвертом соответственно,
уровни соединены между собой посредством, по меньшей мере, четырех соединительно-разделительных элементов, в каждом из них выполнены четыре полости по центру квадрантов зеркально симметрично относительно двух взаимно перпендикулярных плоскостей, проходящих через продольную ось приемопередающего модуля, конфигурацией повторяющей упомянутый квадрант, при этом:
на первом уровне выполнены выходной усилитель мощности передающего канала, второй переключатель прием/передача,
на втором - защитное устройство и малошумящий усилитель приемного канала,
на третьем - двунаправленный фазовращатель, первый переключатель прием/передача
на четвертом - схема управления, элементы питания.
Контакт первого переключателя прием/передача К1 соединен через двунаправленный фазовращатель с первым выводом,
в положении передачи его контакт К2 - с входом выходного усилителя мощности передающего канала, выход последнего - с контактом второго переключателя прием/передача К2, его контакт К1 - с вторым выводом,
в положении прием контакт второго переключателя прием/передача К3 - с входом защитного устройства, выход последнего - с входом малошумящего усилителя приемного канала, его выход - с контактом первого переключателя прием/передача К3.
Электрическую связь между электронными компонентами упомянутых фрагментов каждого уровня обеспечивают элементы связи.
При этом приемопередающий модуль снабжен отдельным корпусом, основание, стенки и крышка которого соединены с обеспечением герметичности [Ju-Young Moon and Sang-Won Yun Korea. New Tile Structure for Microwave Modules Using Solderless Vertical Interconnections / MICROWAVE JOURNAL OCTOBER 2012, №10, стр. 76] - прототип.
Данный приемопередающий модуль выполнен в объеме (конструкцией 3D). Это позволило максимально возможно минимизировать вышеуказанные недостатки приемопередающего модуля, выполненного в одной плоскости (конструкцией 2D).
Недостатки приемопередающего модуля - прототипа заключаются в:
- ограничении получения высокой выходной мощности, более 0,4 Вт и высокого КПД, обусловленные прежде всего низкой теплопроводностью материала LTCC диэлектрической подложки;
- ненадежности из-за ненадежности механических контактов между четырьмя уровнями;
- низкой стабильности во времени и повторяемости амплитудных и фазовых характеристик;
- значительных массогабаритных характеристиках.
Технический результат заявленного приемопередающего модуля активной фазированной антенной решетки - повышение выходной мощности более 0,4 Вт, коэффициента полезного действия, надежности и долговечности, стабильности во времени и повторяемости амплитудных и фазовых характеристик, снижение массогабаритных характеристик.
Указанный технический результат достигается заявленным приемопередающим модулем активной фазированной антенной решетки, содержащим, по меньшей мере,
четыре одноканальных модуля,
каждый из которых содержит последовательно соединенные защитное устройство и малошумящий усилитель приемного канала, выходной усилитель мощности передающего канала, два переключателя прием/передача, двунаправленный фазовращатель, схему управления, элементы электрической связи и питания, два вывода - первый и второй, при этом
упомянутые электронные компоненты каждого из четырех одноканальных модулей выполнены в виде, по меньшей мере, трех фрагментов, каждый из заданных разных по составу электронных компонентов на отдельной диэлектрической подложке, при этом упомянутые фрагменты с одинаковыми электронными компонентами расположены на одном из, по меньшей мере, трех уровней - первом, втором, третьем соответственно,
уровни соединены между собой посредством, по меньшей мере, трех соединительно-разделительных элементов, в каждом из них выполнены четыре полости по центру квадрантов зеркально симметрично относительно двух взаимно перпендикулярных плоскостей, проходящих через продольную ось приемопередающего модуля, конфигурацией повторяющей упомянутый квадрант, при этом
на первом уровне выполнены выходной усилитель мощности передающего канала, второй переключатель прием/передача,
контакт первого переключателя прием/передача К1 соединен через двунаправленный фазовращатель с первым выводом,
в положении передача его контакт К2 - с входом выходного усилителя мощности передающего канала, выход последнего - с контактом второго переключателя прием/передача К2, его контакт К1 - с вторым выводом,
в положении прием контакт второго переключателя прием/передача К3 - с входом защитного устройства, выход последнего - с входом малошумящего усилителя приемного канала, его выход - с контактом первого переключателя прием/передача К3,
электрическую связь между электронными компонентами упомянутых фрагментов и каждого уровня обеспечивают элементы связи,
при этом приемопередающий модуль имеет корпус, основание, стенки и крышка которого соединены с обеспечением герметичности.
В котором
отдельные диэлектрические подложки каждого упомянутого фрагмента и каждого уровня выполнены из алмаза, при этом
каждый упомянутый фрагмент выполнен на лицевой стороне каждой упомянутой отдельной диэлектрической подложки из алмаза, на обратной ее стороне - металлизационное покрытие, в ее объеме - металлизированные заземляющие отверстия,
на первом уровне дополнительно выполнены защитное устройство и малошумящий усилитель приемного канала,
на втором - первый переключатель прием/передача, двунаправленный фазовращатель,
на третьем - схема управления, элементы питания,
а электрическую связь между электронными компонентами упомянутых фрагментов и каждого уровня обеспечивают отрезки экранированной копланарной линии и планарные проводники,
соединительно-разделительный элемент каждого уровня выполнен в виде квадратной пластины со стороной, равной длине волны λ, высотой - 2-3 мм, из металла или его сплава, имеющего высокую теплопроводность и обеспечивающего согласованный температурный коэффициент линейного расширения с каждой диэлектрической подложкой из алмаза, при этом который одновременно является основанием каждого уровня, основание первого уровня - основанием корпуса приемопередающего модуля, боковые стенки оснований каждого уровня являются наружными стенками корпуса приемопередающего модуля,
а упомянутые четыре полости каждого уровня выполнены на лицевой стороне основания в центре каждого квадранта глубиной 1-1,5, толщиной стенки 1,5-2 мм, при этом последние являются внутренними стенками корпуса соответствующего уровня приемопередающего модуля,
в основании второго, третьего уровней и крышки корпуса выполнено центральное отверстие соосно, симметрично относительно двух взаимно перпендикулярных плоскостей, проходящих через продольную ось приемопередающего модуля, и которое заглублено в основание первого уровня на 1-1,5 мм,
на лицевой стороне основания каждого уровня выполнены четыре канавки кратчайшим путем по биссектрисе квадранта, проходящей через продольную ось премопередающего модуля, глубиной и шириной 1-1,5 мм соответственно, обеспечивающие соединение четырех полостей каждого уровня с центральным отверстием для последующей герметизации приемопередающего модуля,
обратная сторона основания каждого уровня выполнена плоской, на обратной стороне основания первого уровня выполнен второй вывод для соединения с выводом плоской антенной решетки,
крышка корпуса выполнена высотой 1-1,5 мм, соразмерной с основанием корпуса приемопередающего модуля,
основание, стенки и крышка корпуса соединены между собой герметично по их периметру посредством пайки.
Каждый упомянутый фрагмент каждого уровня выполнен на лицевой стороне каждой упомянутой отдельной диэлектрической подложки из алмаза в виде гибридно-монолитной интегральной схемы, при этом пассивные электронные компоненты - монолитно, активные - в виде кристаллов.
Раскрытие сущности изобретения.
Совокупность существенных признаков заявленного приемопередающего модуля активной фазированной антенной решетки, а именно
выполнение отдельных диэлектрических подложек каждого упомянутого фрагмента и каждого уровня из алмаза, который обладает высоким коэффициентом теплопроводности - (900-2300) Вт/м×К (в отличие от материала диэлектрической подложки LTCC - прототипа коэффициент теплопроводности которого - (2-4) Вт/м×К) и когда:
каждый упомянутый фрагмент выполнен на лицевой стороне каждой упомянутой отдельной диэлектрической подложки из алмаза,
на обратной ее стороне - металлизационное покрытие,
в ее объеме - металлизированные заземляющие отверстия обеспечивают:
во-первых, возможность выполнения электронных компонентов на лицевой стороне каждой отдельной диэлектрической подложки из алмаза в виде гибридно-монолитной интегральной схемы, при этом пассивных электронных компонентов - монолитно, активных - в виде кристаллов и тем самым - уменьшение числа проволочных проводников и, как следствие, - повышение воспроизводимости амплитудных и фазовых характеристик приемопередающего модуля,
во-вторых, возможность последующего размещения основания приемопередающего модуля с диэлектрическими подложками из алмаза с мощными активными электронными компонентами непосредственно на водоохлаждаемую плоскость антенной решетки и тем самым - улучшение отвода тепла от мощных активных электронных компонентов и тем самым - снижение их рабочей температуры и, как следствие, - повышение выходной мощности и КПД выходного усилителя мощности и приемопередающего модуля в целом.
Иное выполнение (иная компоновка) электронных компонентов трех фрагментов и каждого уровня, а именно:
на первом уровне - защитного устройства и малошумящего усилителя приемного канала, выходного усилителя мощности передающего канала, второго переключателя прием/передача,
на втором - первого переключателя прием/передача, двунаправленного фазовращателя,
на третьем - схемы управления, элементов питания.
Это обеспечивает:
во-первых, максимально возможный эффективный отвод тепла прежде всего от всех активных электронных компонентов приемопередающего модуля и тем самым - снижение их рабочей температуры;
во-вторых, снижение потерь СВЧ в приемном канале благодаря максимально коротким связям между электронными компонентами и тем самым - уменьшение коэффициента шума приемного канала и, как следствие первого и второго - увеличение выходной мощности и КПД, уменьшение коэффициента шума приемопередающего модуля;
в-третьих, максимально плотную компоновку электронных компонентов и тем самым - уменьшение количества межсоединений и тем самым уменьшение числа проволочных проводников и, как следствие, - повышение стабильности во времени и повторяемости амплитудных и фазовых характеристик приемопередающего модуля.
в-четвертых, уменьшение массогабаритных характеристик благодаря уменьшению:
а) количества уровней - три в отличие от четырех в прототипе,
б) количества межсоединений.
в) высоты каждого уровня и соответственно высоты приемопередающего модуля в целом.
Выполнение электрической связи между электронными компонентами упомянутых фрагментов и каждого уровня в виде отрезков экранированной копланарной линии и планарных проводников обеспечивает воспроизводимую, неразъемную электрическую связь между электронными компонентами и, как следствие, - повышение стабильности во времени и повторяемости амплитудных и фазовых характеристик приемопередающего модуля.
Выполнение соединительно-разделительного элемента каждого уровня в виде квадратной пластины со стороной, равной длине волны λ, высотой 2-3 мм, из металла или его сплава, имеющего высокую теплопроводность и обеспечивающего согласованный температурный коэффициент линейного расширения с каждой диэлектрической подложкой из алмаза, при этом:
- который одновременно является основанием каждого уровня,
- когда основание первого уровня - основанием корпуса приемопередающего модуля,
- когда боковые стенки основания каждого уровня являются наружными стенками корпуса приемопередающего модуля.
Это обеспечивает:
во-первых, высокую механическую прочность и плоскостность основания корпуса приемопередающего модуля и, как следствие, - надежный механический контакт с:
а) каждой диэлектрической подложкой из алмаза и тем самым - максимально эффективный отвод тепла от активных электронных компонентов,
б) плоской антенной решеткой при последующем размещении приемопередающего модуля в соответствующую ее позицию и, как следствие того и другого, - повышение долговечности приемопередающего модуля и плоской антенной решетки в целом.
Согласованный температурный коэффициента линейного расширения обеспечивает повышение долговечности приемопередающего модуля.
Выполнение:
четырех полостей на лицевой стороне основания каждого уровня глубиной 1-1,5 мм, толщиной стенки 1,5-2 мм, при этом последние (стенки четырех полостей) являются внутренними стенками корпуса соответствующего уровня приемопередающего модуля;
в основании второго, третьего уровней и крышки корпуса центрального отверстия соосно, симметрично относительно двух взаимно перпендикулярных плоскостей проходящих через продольную ось приемопередающего модуля, и которое заглублено в основание первого уровня на 1-1,5 мм;
на лицевой стороне основания каждого уровня четырех канавок кратчайшим путем по биссектрисе квадранта, проходящей через продольную ось приемопередающего модуля, глубиной и шириной 1-1,5 мм.
Совокупность этих признаков обеспечивает герметизацию электронных компонентов непосредственно в объеме приемопередающего модуля и тем самым:
во-первых, чистую среду в упомянутом объеме расположения электронных компонентов.
во-вторых, их защиту от внешних воздействий и, как следствие первого и второго, - повышение надежности и долговечности приемопередающего модуля;
в-третьих, уменьшение массогабаритных характеристик благодаря исключению необходимости отдельного корпуса (прототипа).
Выполнение обратной стороны основания каждого уровня плоской обеспечивает высокую плоскостность и герметичность их соединений и тем самым высокую плоскостность и герметичность приемопередающего модуля в целом.
Выполнение на обратной стороне основания первого уровня - второго вывода приемопередающего модуля обусловлено последующим его размещением на плоской антенной решетке.
Выполнение крышки корпуса высотой, равной 1-1,5, соразмерной с основанием корпуса приемопередающего модуля, равно как соединение основания, стенки и крышка корпуса по их периметру посредством пайки обеспечивает надежную герметичность приемопередающего модуля.
Выполнение:
соединительно-разделительного элемента (основания) каждого уровня в виде квадратной пластины высотой менее 2 мм недопустимо, а более 3 мм нежелательно, равно как
четырех полостей на лицевой стороне основания каждого уровня глубиной более 1,5 мм, толщиной стенки менее 1,5 мм, равно как
крышки корпуса высотой менее 1 мм, а более 1,5 мм в первых случаях из-за возможного нарушения целостности конструкции, во вторых - из-за увеличения массогабаритных характеристик.
Заглубление центрального отверстия в основание первого уровня менее 1 мм ограничено возможностями герметизации приемопередающего модуля, а более 1,5 мм недопустимо из-за возможной его разгерметизации.
Выполнение четырех канавок на лицевой стороне основания каждого уровня глубиной и шириной менее 1 мм равно как и более 1,5 мм недопустимо из-за возможного нарушения целостности конструкции.
Итак, заявленный приемопередающий модуль активной фазированной антенной решетки в полной мере обеспечивает заявленный технический результат, а именно - повышение выходной мощности, коэффициента полезного действия, надежности и долговечности, стабильности по времени и воспроизводимости амплитудных и фазовых характеристик, уменьшение массогабаритных характеристик.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 (а, б) дан заявленный приемопередающий модуль активной фазированной антенной решетки в разрезе, по вертикали - разрез А-А (фиг. 1а), по горизонтали - разрез Б-Б (фиг. 1б), где
- четыре одноканальных модуля - 1, 2, 3, 4 соответственно,
- защитное устройство - 5, малошумящий усилитель - 6 приемного канала,
- выходной усилителя мощности - 7 передающего канала,
- два переключателя прием/передача - 8, 9 соответственно,
- двунаправленный фазовращатель - 10,
- схема управления - 11,
- элементы электрической связи и питания - 12, 13 соответственно,
- два вывода - первый - 14, второй - 15,
- три фрагмента - 16, 17, 18 соответственно, каждый из заданных разных по составу электронных компонентов на отдельной диэлектрической подложке каждого из четырех одноканальных модулей,
- три уровня первый - 19, второй - 20, третий - 21 (они же соединительно-разделительные элементы, они же основания каждого уровня, при этом основание первого уровня является одновременно основанием корпуса, боковые стенки оснований каждого уровня являются наружными стенками корпуса приемопередающего модуля) (позиции чертежа те же),
- четыре полости - 22 (а, б, в, г) соответственно выполнены на лицевой стороне основания каждого уровня соответственно, (стенки которых являются внутренними стенками корпуса соответствующего уровня приемопередающего модуля),
- корпус приемопередающего модуля - 23,
- металлизационное покрытие - 24, на обратной стороне каждой отдельной диэлектрической подложки из алмаза,
- металлизированные заземляющие отверстия - 25 в ее объеме,
- центральное отверстие - 26 в основании второго, третьего уровней и крышке корпуса,
- четыре канавки - 27 (а, б, в, г) соответственно на лицевой стороне основания каждого уровня.
На фиг. 2 дана его блок-схема.
Приемопередающий модуль активной фазированной антенной решетки работает следующим образом.
В режиме передачи - сигнал передачи от базовой станции поступает на первый вывод 14 приемопередающего модуля, далее через двунаправленный фазовращатель 10 на контакт первого переключателя прием/передача (К1) 8, с контакта этого переключателя (К2) на вход выходного усилителя мощности 7 передающего канала, с его выхода на контакт (К2) второго переключателя прием/передача 9, далее на его контакт (К1), далее на второй вывод 15 приемопередающего модуля, далее на соответствующий вывод плоской антенной решетки.
В режиме приема - сигнал от антенной фазированной решетки поступает на второй вывод 15 приемопередающего модуля, далее на контакт (К1) второго переключателя прием/передача 9, с контакта (К3) этого переключателя на вход защитного устройства 5, с его выхода на вход малошумящего усилителя 6 приемного канала, с выхода последнего на контакт (К3) первого переключателя прием/передача 8, и далее на контакт (К1) первого переключателя прием/передача 8, далее через двунаправленный фазовращатель 10 на первый вывод 14 приемопередающего модуля.
Пример конкретного выполнения заявленного приемопередающего модуля активной фазированной антенной решетки.
Приемопередающий модуль активной фазированной антенной решетки содержит, по меньшей мере,
четыре одноканальных модуля 1, 2, 3, 4 соответственно,
каждый из которых содержит последовательно соединенные защитное устройство 5 и малошумящий усилитель 6 приемного канала, выходной усилитель мощности 7 передающего канала, два переключателя прием/передача 8, 9 соответственно, двунаправленный фазовращатель 10, схему управления 11, элементы электрической связи и питания 12, 13 соответственно, два вывода - первый 14, второй 15.
При этом упомянутые электронные компоненты каждого из четырех одноканальных модулей выполнены в виде трех фрагментов 16, 17, 18 соответственно, каждый из заданных разных по составу электронных компонентов на отдельной диэлектрической подложке, при этом упомянутые фрагменты с одинаковыми электронными компонентами расположены на одном из трех уровней - первом 19, втором 20, третьем 21.
Отдельные диэлектрические подложки каждого упомянутого фрагмента 16, 17, 18 и каждого уровня 19, 20, 21 выполнены из алмаза, при этом каждый упомянутый фрагмент выполнен на лицевой стороне каждой упомянутой отдельной диэлектрической подложки из алмаза, на обратной ее стороне - металлизационное покрытие 24, в ее объеме - металлизированные заземляющие отверстия 25.
Уровни соединены между собой посредством трех соединительно-разделительных элементов 19, 20, 21 соответственно, в каждом выполнены четыре полости 22 (а, б, в, г) соответственно по центру квадрантов зеркально симметрично относительно двух взаимно перпендикулярных плоскостей, проходящих через продольную ось приемопередающего модуля, конфигурацией повторяющей упомянутый квадрант.
При этом
на первом уровне 19 выполнены защитное устройство 5 и малошумящий усилитель 6 приемного канала, выходной усилитель мощности 7 передающего канала, второй переключатель прием/передача 9,
на втором уровне 20 - первый переключатель прием/передача 8, двунаправленный фазовращатель 10,
на третьем уровне 21 - схема управления 11, элементы питания 13.
Электрическую связь между электронными компонентами упомянутых фрагментов 16, 17, 18 и каждого уровня 19, 20, 21 обеспечивают элементы электрической связи 12 в виде отрезков экранированной копланарной линии и планарных проводников.
Соединительно-разделительный элемент каждого уровня 19, 20, 21 соответственно выполнен в виде квадратной пластины со стороной, равной длине волны λ, высотой 2 мм, из сплава МД-50, имеющего теплопроводность 271 Вт/м×К и обеспечивающего согласованный температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) с каждой упомянутой диэлектрической подложкой из алмаза (ТКЛР МД-50 - 10,984×10-6 К-1, ТКЛР алмаза - 1,1×10-6 К-1.
При этом который одновременно является основанием 19, 20, 21 каждого уровня соответственно, основание первого уровня 19 - основанием корпуса 23 приемопередающего модуля, боковые стенки основания каждого уровня являются наружными стенками корпуса приемопередающего модуля
Четыре полости 22 (а, б, в, г) соответственно выполнены на лицевой стороне основания первого 19, второго 20 и третьего 21 уровней глубиной 1,25 мм, толщиной стенки 1,75 мм соответственно, при этом последние являются внутренними стенками корпуса 23 соответствующего уровня приемопередающего модуля.
В основании второго 20, третьего 21 уровней и крышки корпуса 23 выполнено центральное отверстие 26 соосно, симметрично относительно двух взаимно перпендикулярных плоскостей, проходящих через продольную ось приемопередающего модуля, и которое заглублено в основание первого уровня на 1,25 мм.
На лицевой стороне основания каждого уровня 19, 20, 21 выполнены четыре канавки 27 (а, б, в, г) соответственно кратчайшим путем по биссектрисе квадранта, проходящей через продольную ось приемопередающего модуля, глубиной и шириной 1,25 мм соответственно, обеспечивающие соединение четырех полостей 22 (а, б, в, г) с центральным отверстием 26.
Обратная сторона основания каждого уровня 19, 20, 21 выполнена плоской, на обратной стороне основания первого уровня 19 выполнен второй вывод 15 для соединения с соответствующим выводом плоской антенной решетки.
При этом
контакт первого переключателя 8 прием/передача (К1) соединен через двунаправленный фазовращатель 10 с первым выводом 14,
в положении передача его контакт (К2) - с входом выходного усилителя мощности 7 передающего канала, выход последнего - с контактом второго переключателя 9 прием/передача (К2), его контакт (К1) - с вторым выводом 15,
в положении прием контакт второго переключателя 9 прием/передача (К3) - с входом защитного устройства 5, выход последнего - с входом малошумящего усилителя 6 приемного канала, выход последнего - с контактом первого переключателя 8 прием/передача (К3).
Крышка корпуса 23 выполнена толщиной, равной 1,25 мм, соразмерной с основанием корпуса 19 приемопередающего модуля, основание, стенки и крышка корпуса соединены между собой герметично по их периметру посредством пайки ПСиН с обеспечением герметичности приемопередающего модуля.
При этом каждый упомянутый фрагмент каждого уровня выполнен на лицевой стороне каждой упомянутой отдельной диэлектрической подложки из алмаза в виде гибридно-монолитной интегральной схемы:
пассивные электронные компоненты монолитно, а активные - в виде кристаллов посредством тонкопленочной технологии.
Пределы конструкционных параметров слева и справа, указанные в формуле изобретения, а именно: соединительно-разделительный элемент - высотой 2-3 мм, упомянутые четыре полости каждого уровня - глубиной 1-1,5 мм, толщиной стенки 1,5-2 мм, центральное отверстие заглублено в основание первого уровня на 1-1,5 мм, четыре канавки - глубиной и шириной 1-1,5 мм соответственно, крышка корпуса - высотой 1-1,5 мм определены расчетным путем.
На изготовленном образце приемопередающего модуля измерены:
Выходная мощность (Установка для измерения электрических параметров усилителей КГ4 - 3022).
Определен КПД.
Приемопередающий модуль, изготовленный согласно заявленной формулы изобретения, имеет:
выходную мощность порядка 5 Вт,
коэффициент полезного действия порядка 40 процентов.
В отличие от прототипа выходная мощность которого - порядка 0,4 Вт.
Таким образом, заявленный приемопередающий модуль активной фазированной антенной решетки обеспечит по сравнению с прототипом повышение:
выходной мощности примерно в 10 раз;
надежности и долговечности,
стабильности во времени и повторяемости амплитудных и фазовых характеристик.
Коэффициент полезного действия составляет порядка 40 процентов (данные прототипа отсутствуют).
Уменьшение массогабаритных характеристик примерно в 2 раза.
Заявленный элементарный приемопередающий модуль активной фазированной антенной решетки с достигнутыми указанными выше электрическими и функциональными характеристиками на сегодня чрезвычайно важен и актуален.
1. Приемопередающий модуль активной фазированной антенной решетки, содержащий, по меньшей мере,
четыре одноканальных модуля,
каждый из которых содержит последовательно соединенные защитное устройство и малошумящий усилитель приемного канала, выходной усилитель мощности передающего канала, два переключателя прием/передача, двунаправленный фазовращатель, схему управления, элементы электрической связи и питания, два вывода - первый и второй,
при этом упомянутые электронные компоненты каждого из четырех одноканальных модулей выполнены в виде, по меньшей мере, трех фрагментов, каждый из заданных разных по составу электронных компонентов на отдельной диэлектрической подложке, при этом упомянутые фрагменты с одинаковыми электронными компонентами расположены на одном из, по меньшей мере, трех уровней - первом, втором, третьем соответственно, уровни соединены между собой посредством, по меньшей мере, трех соединительно-разделительных элементов, в каждом из них выполнены четыре полости по центру квадрантов зеркально симметрично относительно двух взаимно перпендикулярных плоскостей, проходящих через продольную ось приемопередающего модуля, конфигурацией повторяющей упомянутый квадрант, при этом
на первом уровне выполнены выходной усилитель мощности передающего канала, второй переключатель прием/передача,
контакт первого переключателя прием/передача К1 соединен через двунаправленный фазовращатель с первым выводом,
в положении передача его контакт К2 - с входом выходного усилителя мощности передающего канала, выход последнего - с контактом второго переключателя прием/передача К2, его контакт К1 - с вторым выводом,
в положении прием контакт второго переключателя прием/передача К3 - с входом защитного устройства, выход последнего - с входом малошумящего усилителя приемного канала, его выход - с контактом первого переключателя прием/передача К3,
электрическую связь между электронными компонентами упомянутых фрагментов и каждого уровня обеспечивают элементы связи,
при этом приемопередающий модуль имеет корпус, основание, стенки и крышка которого соединены с обеспечением герметичности,
отличающийся тем, что
отдельные диэлектрические подложки каждого упомянутого фрагмента и каждого уровня выполнены из алмаза, при этом
каждый упомянутый фрагмент выполнен на лицевой стороне каждой упомянутой отдельной диэлектрической подложки из алмаза, на обратной ее стороне - металлизационное покрытие, в ее объеме - металлизированные заземляющие отверстия,
на первом уровне дополнительно выполнены защитное устройство и малошумящий усилитель приемного канала,
на втором - первый переключатель прием/передача, двунаправленный фазовращатель,
на третьем - схема управления, элементы питания,
а электрическую связь между электронными компонентами упомянутых фрагментов и каждого уровня обеспечивают отрезки экранированной копланарной линии и планарные проводники,
соединительно-разделительный элемент каждого уровня выполнен в виде квадратной пластины со стороной, равной длине волны λ, высотой - 2-3 мм, из металла или его сплава, имеющего высокую теплопроводность и обеспечивающего согласованный температурный коэффициент линейного расширения с каждой диэлектрической подложкой из алмаза, при этом который одновременно является основанием каждого уровня, основание первого уровня - основанием корпуса приемопередающего модуля, боковые стенки основания каждого уровня являются наружными стенками корпуса приемопередающего модуля,
а упомянутые четыре полости каждого уровня выполнены на лицевой стороне основания в центре каждого квадранта глубиной 1-1,5 мм, толщиной стенки 1,5-2 мм, при этом последние являются внутренними стенками корпуса соответствующего уровня приемопередающего модуля,
в основании второго, третьего уровней и крышки корпуса выполнено центральное отверстие соосно, симметрично относительно двух взаимно перпендикулярных плоскостей, проходящих через продольную ось приемопередающего модуля, и которое заглублено в основание первого уровня на 1-1,5 мм,
на лицевой стороне основания каждого уровня выполнены четыре канавки кратчайшим путем по биссектрисе квадранта, проходящей через продольную ось приемопередающего модуля, глубиной и шириной 1-1,5 мм соответственно, обеспечивающие соединение четырех полостей каждого уровня с центральным отверстием для последующей герметизации приемопередающего модуля,
обратная сторона основания каждого уровня выполнена плоской, на обратной стороне основания первого уровня выполнен второй вывод для соединения с выводом плоской антенной решетки,
крышка корпуса выполнена высотой 1-1,5 мм, соразмерной с основанием корпуса приемопередающего модуля,
основание, стенки и крышка приемопередающего модуля соединены между собой герметично по их периметру посредством пайки.
2. Приемопередающий модуль активной фазированной антенной решетки по п. 1, отличающийся тем, что каждый упомянутый фрагмент и каждого уровня выполнен на лицевой стороне каждой упомянутой отдельной диэлектрической подложки из алмаза в виде гибридно-монолитной интегральной схемы, при этом пассивная часть - монолитно, активная часть - в виде кристаллов.
