(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】5902310
(24)【登録日】2016年3月18日
(45)【発行日】2016年4月13日
(54)【発明の名称】能動電子走査アレイ(AESA)カード
(51)【国際特許分類】
H01Q 21/06 20060101AFI20160331BHJP
G01S 7/02 20060101ALI20160331BHJP
H01Q 3/26 20060101ALI20160331BHJP
H05K 3/46 20060101ALI20160331BHJP
H01L 23/36 20060101ALI20160331BHJP
【FI】
H01Q21/06
G01S7/02 216
H01Q3/26 Z
H05K3/46 Q
H05K3/46 N
H05K3/46 T
H05K3/46 B
H01L23/36 Z
【請求項の数】19
【全頁数】10
(21)【出願番号】特願2014-541098(P2014-541098)
(86)(22)【出願日】2012年10月30日
(65)【公表番号】特表2015-506118(P2015-506118A)
(43)【公表日】2015年2月26日
(86)【国際出願番号】US2012062542
(87)【国際公開番号】WO2013074284
(87)【国際公開日】20130523
【審査請求日】2014年7月14日
(31)【優先権主張番号】13/295,437
(32)【優先日】2011年11月14日
(33)【優先権主張国】US
(73)【特許権者】
【識別番号】503455363
【氏名又は名称】レイセオン カンパニー
(74)【代理人】
【識別番号】100140109
【弁理士】
【氏名又は名称】小野 新次郎
(74)【代理人】
【識別番号】100075270
【弁理士】
【氏名又は名称】小林 泰
(74)【代理人】
【識別番号】100101373
【弁理士】
【氏名又は名称】竹内 茂雄
(74)【代理人】
【識別番号】100118902
【弁理士】
【氏名又は名称】山本 修
(74)【代理人】
【識別番号】100147681
【弁理士】
【氏名又は名称】夫馬 直樹
(72)【発明者】
【氏名】プゼラ,アンジェロ・エム
(72)【発明者】
【氏名】デュプイス,パトリシア・エス
(72)【発明者】
【氏名】レムラー,クレイグ・シー
(72)【発明者】
【氏名】ボザ,ドナルド・エイ
(72)【発明者】
【氏名】ベラーロッシ,カサム・ケイ
(72)【発明者】
【氏名】ロビンズ,ジェームズ・エイ
(72)【発明者】
【氏名】フランシス,ジョン・ビー
【審査官】
岩井 一央
(56)【参考文献】
【文献】
特表2010−507929(JP,A)
【文献】
特開2004−235629(JP,A)
【文献】
特開2003−298231(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H01Q 21/06
G01S 7/02
H01L 23/36
H01Q 3/26
H05K 3/46
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
能動電子走査アレイ(AESA)カードであって、
RF信号配布を提供するために用いる金属層の第1のセットと、
デジタル論理的配布を提供するために用いる金属層の第2のセットと、
パワー配布を提供するために用いる金属層の第3のセットと、
RF信号配布を提供するために用いる金属層の第4のセットと、
を有するプリント配線板(PWB)と、
PWBの表面に配置されている一つ以上のモノリシックマイクロ波集積回路(MMIC)と、
複数の金属導管であって、各導管が複数の層のうちの1つを複数の層の他の1つに電気的に結合することを特徴とする複数の金属導管と、
前記複数の金属導管の第1の金属導管に結合された第1の端と、前記複数の金属導管の第2の金属導管に結合された前記第1の端と対向する第2の端とを有するRFバイアと、
を有し、
前記RFバイアが、前記RF信号配布を提供するのに用いる金属層の第4のセットを介して延びることなく、前記RF信号配布を提供するために用いる金属層の第1のセットから前記デジタル論理的配布を提供するために用いる金属層の第2のセットに、前記パワー配布を提供するために用いる金属層の第3のセットを介して延び、
PWBが、AESAにおいて、用いられる少なくとも一つの送信/受信(T/R)チャネルを備え、
AESAカードが、ワイヤー接合を含まない、
ことを特徴とする能動電子走査アレイ(AESA)カード。
【請求項2】
金属層の第2のセットの金属層と金属層の第3のセットの金属層との間のエポキシおよび炭素繊維の第1の複合層と、
金属層の第3のセットの金属層と金属層の第4のセットの金属層と間のエポキシおよび炭素繊維の第2の複合層と、
を更に有することを特徴とする請求項1に記載のAESAカード。
【請求項3】
PWBが更に、
金属層の第1のセットの2つの金属層の間のエポキシ樹脂の層と、
金属層の第2のセットの2つの金属層の間のエポキシ樹脂の層と、
金属層の第1のセットの2つの金属層の間のエポキシ樹脂の層と
を有することを特徴とする請求項2に記載のAESAカード。
【請求項4】
PWBは、金属層の第3のセットの2つの金属層の間にポリイミド誘電体の層を更に含む請求項2に記載のAESAカード。
【請求項5】
PWBの表面に配置されている一つ以上のモノリシックマイクロ波集積回路(MMIC)を更有することを特徴とする請求項1のAESAカード。
【請求項6】
MMICがはんだ球を用いてPWBに取り付けられる請求項1のAESAカード。
【請求項7】
複数の金属導管、複数の層の別のものに対する複数の層の各電気導管結合のうちの1つを更に有することを特徴とする請求項1のAESAカード。
【請求項8】
第2の金属導管に連結する第1端部の反対側に第1の金属導管、および、第2の端に連結する第1端部を有するRFバイアを更に有し、
RFバイアは、パワー配布に関し用いられる金属層を通って延びる、ことを特徴とする請求項7のAESAカード。
【請求項9】
PWBが、
金属層の第1のセットの2つの金属層間のエポキシ樹脂の層と、
金属層の第2のセットの2つの金属層間のエポキシ樹脂の層と、
金属層の第1のセットの2つの金属層間のエポキシ樹脂の層と、
金属層の第3のセットの2つの金属層間のポリイミド誘電体の層と、
を更に有することを特徴とする請求項1のAESAカード。
【請求項10】
AESAカードがワイヤー接合を含まないことを特徴とする請求項1のAESAカード。
【請求項11】
能動電子走査アレイ(AESA)アセンブリであって、
RF信号配布を提供するために用いる金属層の第1のセットと、
デジタル論理的配布を提供するために用いる金属層の第2のセットと、
パワー配布を提供するために用いる金属層の第3のセットと、
RF信号配布を提供するために用いる金属層の第4のセットと、
を有するプリント配線板(PWB)を備えるAESAカードと、
PWBの表面に配置されている一つ以上のモノリシックマイクロ波集積回路(MMIC)と、
複数の金属導管であって、各導管が複数の層のうちの1つを複数の層の他の1つに電気的に結合することを特徴とする複数の金属導管と、
前記複数の金属導管の第1の金属導管に結合された第1の端と、前記複数の金属導管の第2の金属導管に結合された前記第1の端と対向する第2の端とを有するRFバイアと、
を有し、
前記RFバイアが、前記RF信号配布を提供するのに用いる金属層の第4のセットを介して延びることなく、前記RF信号配布を提供するために用いる金属層の第1のセットから前記デジタル論理的配布を提供するために用いる金属層の第2のセットに、前記パワー配布を提供するために用いる金属層の第3のセットを介して延び、
PWBは、AESAにおいて、用いられる少なくとも一つの送信/受信(T/R)チャネルを備え、
AESAカードが、ワイヤー接合を含まない、
ことを特徴とする、能動電子走査アレイ(AESA)アセンブリ。
【請求項12】
MMICの一つ以上と接触する冷却機構を更に有することを特徴とする請求項11のAESAアセンブリ。
【請求項13】
冷却機構が、
MMICと接触する熱的熱分散部材と、熱的熱分散部材と接触するコールドプレートと、を有することを特徴とする請求項12のASEAアセンブリ。
【請求項14】
MMICが、はんだ球を用いてPWBに取り付けられることを特徴とする請求項13のASEAアセンブリ。
【請求項15】
複数の金属導管、複数の層の別のものに複数の層のひとつを結合する各電気導管を更に有することを特徴とする請求項11のASEAアセンブリ。
【請求項16】
第1の金属導管に結合された第1端部と、第2の金属導管に接続している第1端部の反対側の第2の端部とを有するバイアを更に有し、
前記バイアは、パワー配布に関し用いられる金属層を通って延びる、ことを特徴とする請求項15のASEAアセンブリ。
【請求項17】
金属層の第2のセットの金属層と金属層の第3のセットの金属層の間のエポキシおよび炭素繊維の第1の複合層と、
金属層の第3のセットの金属層と金属層の第4のセットの金属の層と間のエポキシおよび炭素繊維の第2の複合層と、
を更に有することを特徴とする請求項11のASEAアセンブリ。
【請求項18】
金属層の第1のセットの2つの金属層間のエポキシ樹脂の層と、
金属層の第2のセットの2つの金属層間のエポキシ樹脂の層と、
金属層の第1のセットの2つの金属層間のエポキシ樹脂の層と、
金属層の第3のセットの2つの金属層間のポリイミド誘電体の層と
を更に有する請求項17のASEAアセンブリ:。
【請求項19】
AESAカードがワイヤー接合を含まないことを特徴とする請求項11のASEAアセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
この特許出願は出願番号12/484,626に対する一部継続出願である。2009年6月15日に「PANEL ARRAY」という発明の名称で出願され、それは完全に本願明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【0002】
周知のように、フェーズドアレイアンテナは、周知の距離によって、離れて各々から間隔を置いて配置される複数の作動中の回路を包含する。作動中の回路の各々は、送受信機のどちらかまたは両方ともに複数の位相シフタ回路、アンプ回路および/または他の回路により連結される。場合によっては、位相シフタ、アンプ回路および他の回路(例えば、ミキサ回路)は、いわゆる送信/受信(T/R)モジュールで提供され、送信機および/またはレシーバの一部であるとみなされる。
【0003】
位相シフタ、アンプおよび他の回路(例えば、T/Rモジュール)は、外部電源(例えば、DCパワー供給)が正しく作動することをしばしば必要とする。かくして、回路は、「作動中の回路」または「作動部品」と呼ばれる。したがって、作動中の回路を包含するフェーズドアレイアンテナは、「作動中の段階的な配列」としばしば呼ばれる。作動中の段階的な配列レーダーは、作動中の電子的に走査された配列(AESA)としても公知である。
【0004】
作動中の回路は、熱の形でパワーを放散させる。高い量の熱は、作動中の回路を実施不可能であるようにすることがありえる。かくして、作動中の段階的な配列は、冷やされるべきである。1つの例において、放熱板は、熱を放散させるために、各作動中の回路に取り付けられる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【0005】
一つの態様では、作動中の電子的に走査された配列(AESA)カードは、RF信号配布を提供するために用いる金属層の第1のセットと、デジタル論理的配布を提供するために用いる金属層の第2のセットと、パワー配布を提供するために用いる金属層の第3のセットと、RF信号配布を提供するために用いる金属層の第4のセットと、を包含するプリント配線板(PWB)を包含する。PWBは、AESAにおいて、用いられる少なくとも一つの送信/受信(T/R)チャネルを備える。
【0006】
別の態様においては、作動中の電子的に走査された配列(AESA)アセンブリは、プリント配線板(PWB)を包含するAESAカードを包含する。PWBは、RF信号配布を提供するために用いる金属層の第1のセット、デジタル論理的配布を提供するために用いる金属層の第2のセット、パワー配布を提供するために用いる金属層の第3のセット、および、RF信号配布を提供するために用いる金属層の第4のセットを包含する。AESAアセンブリも、PWBの表面に配置されている一つ以上のモノリシックマイクロ波集積回路(MMIC)を包含する。PWBは、AESAにおいて、用いられる少なくとも一つの送信/受信(T/R)チャネルを包含する。
【図面の簡単な説明】
【0007】
【
図1A】
図1Aは、モバイルプラットフォームに配置されている能動電子走査アレイ(AESA)カードの列を有する能動電子走査アレイ(AESA)の図である。
【
図2】
図2は、AESAカードの表面に配置されているモノリシックマイクロ波集積回路(MMIC)を有するAESAカードの例示の図である。
【
図3】
図3は、AESAカード、MMICおよび冷却機構を有するAESAアセンブリの横断面図である。
【
図4】
図4は、プリント配線板(PWB)の横断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0008】
各作動中の電子的に走査された配列(AESA)Transmit/Receive(T/R)チャンネルに関し集積しているアクティブMonolithic Microwave集積回路(MMIC)への以前のアプローチは金属コンテナ(しばしば「T/R Module」と呼ばれる)にこれらの構成要素を配置することを包含した。そして、それは高価なアセンブリに結果としてなる。高い材料および試験人件費に加えて、広範囲な非反復的なエンジニアリング(NRE)は、AESAアーキテクチャ(例えば、能動的な口径、格子の変化、ユニットセルその他当たりのT/Rチャネルの数の変化)または冷却アプローチの変化に関し必要とされる。これらの以前のアプローチも、T/Rモジュールに関し無線周波数(RF)、パワーおよび論理信号に関し用いられるワイヤー接合を用いる、しかしながら、ワイヤー接合がそうすることがありえるRFは、T/Rチャネルの間に、または、T/Rチャネルの中で不必要な電磁結合を生じさせる。
【0009】
新しいT/Rチャンネル・アーキテクチャ(AESAカード)は、本願明細書において、記載される。AESAカードは、アセンブリ再発コストおよび試験時間を低減させて、新規なアプリケーションまたは新規なMMIC技術のAESAアプリケーションへの統合に関し著しくNREを低減させる。AESAカードは、十分に自動アセンブリ・プロセスを用いて製作されることができ、アセンブリ当たり格子の寸法を修正することの容易さおよびT/Rチャネルの数に関しセルを許容する。AESAカードは、このことにより、T/Rチャネルの間に、または、T/Rチャネルおよび他の電磁干渉(EMI)の中で電磁結合を除去することと、まではいかないが著しく低減させているワイヤー接合を包含しない。かくして、一貫したチャネル間RFパフォーマンスがある。
【0010】
図1Aおよび1Bを参照する。AESAカードは、多くのアプリケーションで用いられることが可能である。例えば、
図1Aに示すように、AESAカード100の列12は、例えばモバイルプラットフォーム・ユニット10の移動環境において、用いられることが可能である。この例では、AESAカード100は、4×4の配列に配置される。
図1Aおよび1Bが長方形の形状において、あるAESAカード100を表すが、円、三角形またはいかなるポリゴン形状でもあるように、それらは造られることが可能である。また、配列12が四角の形状において、あるが、配列は長方形、円、三角形またはいかなるポリゴン配置でもよい。更に、AESAカード100の数は、1乃至いかなる数のAESAカード100でもよい。
【0011】
他の用途では、接地構造その他に、一つ以上のAESAカード100は、艦艇側に用いられることが可能である。本願明細書において、AESAカード100は、AESAシステムを構築するための「建築用ブロック」である。
【0012】
図2を参照する。AESAカード100の例示は、AESAカード100’であり、それは、PWB 101(例えば、
図3に示される表面120)の表面上のプリント配線板(PWB)101およびMMIC 104(例えば、フリップチップ)を包含する。この例では、AESAカード100’は、T/Rチャネル・セル102または32 T/Rチャネル・セル102の4×8の列を包含する。各T/Rチャネル細胞102は、MMIC 104、ドレイン・モジュレータ106(例えば、ドレイン・モジュレータ集積回路(IC)、リミッタおよび低くノイズ・アンプ(LNA)108(例えば、リミッタを有する砒化ガリウム(GaAs)LNA)(パワー・アンプ110(例えば、窒化ガリウム(GaN)パワー・アンプ)を包含する。AESAカード100’もまた、一つ以上のパワーおよびロジック・コネクタ112を包含する。T/Rチャネル・セル102が方形の配列に配置されるが、T/Rチャネル・セル102は円、三角形またはいかなるタイプの配置にも配置されることができる。
【0013】
図3を参照する。AESAアセンブリ150はPWB 101を有するAESAカード(例えば、AESAカード100」)を包含する。そして、MMIC 104はんだ球105によって、PWB 101の表面120に配置した。AESAアセンブリ150も、熱エポキシ152およびコールドプレート170によるMMICの各々に連結する熱スプレッダ板160を包含する。流体(例えばMMIC 104を冷却するガスまたは液体)を受信するために、コールドプレート170は、チャネル172を包含する。かくして、各MMIC 104は、平行のヒートシンクである。すなわち、ヒートシンク(コールドプレート170)への熱源(例えば、MMIC 104)からの熱抵抗体は、すべてのMMIC 104に関し同じことおよびこのことによりT/Rチャネル・セル102の間に熱勾配を低減させているAESAカード100”全体の各T/Rチャネル・セル102の構成要素(例えば、ドレイン・モジュレータ106、LNA 108、パワー・アンプ110その他)である。AESAカード100”は、R方向のRF信号を放射する。
【0014】
図4を参照する。プリント配線板(PWB)101の例示のは、PWB 101’である。ある例では、PWB 101’の厚み、tは、約64milである。
PWB 101’は、金属層(例えば、金属層202a―202t)および、エポキシ樹脂層(例えば、エポキシ樹脂層204a―204m)、ポリイミド誘電層(例えば、ポリイミド誘電層206a―206d)または、各々の金属層(202a―202t)の間に配置された複合層(例えば、複合層208a、208b)の1つを包含する。特に、複合層208aは金属層210e、210fの間に配置されている。そして、複合層208bは金属層210o、210pの間に配置される。ポリイミド誘電層206aは金属層202g、202hの間に配置されている。そして、ポリイミド誘電層206bは金属層202i、202jの間に配置されていて、ポリイミド誘電層206cは金属層202k、202lの間に配置されていて、そして、ポリイミド誘電層206dは金属層202m、202nの間に配置されている。残りの金属層は、
図4に示すように金属層の間に配置されたエポキシ樹脂層(例えば、エポキシ樹脂層204a―204mの1つ)を含む。
【0015】
PWB 101’もまた、金属層202dを金属層202qに連結しているRFバイア(例えば、RFバイア210a、210b)を包含する。RFバイア210a、210bの各々は、一対の金属プレート(例えば、210aを経たRFは金属プレート214a、214bを包含する。そして、210bを経たRFは金属プレート214c、214dを包含する)を包含する。金属プレート214a、214bはエポキシ樹脂216aにより分離される。そして、金属プレート214c、214dはエポキシ樹脂216bにより分離される。
図4に示されないが、AESAカード100’の表面に、または、他の金属層にこれらの信号を持ってくるように、他のタイプ・バイアがデジタル論理層およびパワー層に関し存在すると、当業者は認める。
【0016】
RFバイア210a、210bを金属層202a、202tに電気的に結合するために、PWB 101’も、金属導管(例えば、金属導管212a―212l)を包含する。例えば、金属導管212a―212cは、金属層202aを金属層202bに連結している金属導管212aと、金属層202bを金属層202cに連結している金属導管212bと、および、金属層202cを金属層202dに、そして、210aを経たRFに連結している金属導管212cとを有する他の上にスタックされたものである。PWB 101’に穴(例えば、直径約4または5mil)を穿孔して、穴を金属で埋めることによって、金属導管212a―212lは、形成される。
【0017】
更に、金属導管212d―212fは、金属層202sに210aを介して金属層202rおよびRFを連結している金属導管212d、金属層202sを金属層202tに連結している金属導管212eおよび金属層202tを金属層202uに連結している金属導管212fを有する他の上にスタックされたものである。
【0018】
金属層202a―202cおよびエポキシ樹脂層204a―204bは、RF信号を割り当てるために用いる。金属層202p―202t、エポキシ樹脂層204j―204mは、RF信号を割り当てるためにも用いる。金属層202c―202eおよびエポキシ樹脂層204c―204dは、デジタル論理信号を割り当てるために用いる。金属層202f―202o、エポキシ樹脂層204e―204iおよびポリイミド誘電層206a―206dは、パワーを割り当てるために用いる。
【0019】
ある例では、金属層202a―202rの一つ以上は、銅を包含する。例えば、金属層202a―202tの各々は、約.53milから約1.35milまで厚みにおいて、変化できる。1つの例示において、RFバイア210a、210bは、銅でできている。ある例では、金属導管212a―212lは、銅でできている。
【0020】
ある例では、エポキシ樹脂層204a―204mの各々は、従来のFR―4処理と互換性を持つ高速/高性能エポキシ樹脂材を包含して、以下を含むためにそれに互換性を持つ無鉛アセンブリをする機械的特性を有する:約200℃、示差走査熱量測定、DSC、熱膨張係数(CTE)<Tg 16、16及び55ppm/℃およびCTE>Tg 18、18及び230ppm/℃のガラス転移温度、Tg。低いCTEおよび360℃の高いTd(分解温度)は、スタックされた金属導管212a―212lの逐次処理においても、有利である。例えば、エポキシ樹脂層204a―204mの各々は、約5.6milから約13.8milまで厚みにおいて、変化できる。1つの特例において、エポキシ樹脂材は、製品名(FR408HR)の下で、イソラ・グループSARLにより製造される。ある例では、エポキシ樹脂216a、216bは、エポキシ樹脂層204a―204mに関し用いられる同一材料である。
【0021】
ある例では、ポリイミド誘電層206a―206dの各々は、パワー・バス・デカップリングに関し印刷回路基板のパワーおよび接地平面としてファンクションに設計されるポリイミド誘電体を包含して、高周波でEMIおよびパワー平面インピーダンス減少を提供する。ある例では、ポリイミド誘電層の各々は、約4milである。1つの特例において、ポリイミド誘電体は、製品名(HK042536E)で、デュポン(登録商標)により製造される。
【0022】
ある例では、複合層208a、208bの各々は、CTE規制および熱管理を提供するために、エポキシ樹脂および炭素繊維の複合物を包含する。ある例では、複合層は、接地平面としてのファンクションでもよく、更に機械の抑制している層として機能できる。ある例では、複合層の各々は、約1.8milである。1つの特例において、エポキシ樹脂および炭素繊維の合成物は、製品名(ST10―EP387)で、STABLCOR(登録商標)Technology社により製造される。
【0023】
ある例では、AESAカードを製作することに関して上で記載される材料は、無鉛である。かくして、本願明細書において、提案されるソリューションは、ある無鉛である製品を義務づけている環境規制を満たす。
【0024】
本願明細書において、記載されるプロセスは、記載される特定実施形態に制限されない。本願明細書において、記載される異なる実施形態のエレメントは、具体的には、上記に記載でない様態他の実施形態に結合されることができる。本願明細書において、具体的には、記載されない他の実施形態は、以下の請求項の範囲内でもある。