射频模块的制作方法

本发明涉及旨在形成直接辐射天线(dra，directradiatingarray)的无源部分的射频(rf)模块。

现有技术

天线是用于在自由空间中发射电磁信号或接收这样的信号的元件。简单的天线例如偶极子在增益和方向性方面的性能有限。抛物面天线提供较高的方向性，但是体积大且笨重，使得其不适合在例如需要减小重量和体积的应用例如卫星中使用。

天线阵列(dra)也是已知的，其结合了多个相移辐射元件(基元天线(elementaryantenna))以改善增益和方向性。在不同辐射元件上接收的或由这些元件发射的信号被以可变增益放大并彼此相移，以控制阵列的接收波瓣和发射波瓣的形状。

在高频下，例如在微波频率下，不同的辐射元件中的每一个均连接至波导，该波导朝向电子射频模块传输接收的信号，或者向该辐射元件提供要发射的射频信号。由每个辐射元件发射或接收的信号也可以根据其极化来使用极化器进行分离。

由阵列中的辐射元件(基元天线)、相关联的波导、使用的任何滤波器以及极化器形成的组件在本文中被称为无源射频模块。波导和相关联的极化器被称为馈送单元(“馈送网络”)。该组件旨在形成直接辐射阵列(dra)的无源部分。

用于高频特别是微波频率的辐射元件的阵列是难以设计的。特别地，通常希望将阵列的不同辐射元件尽可能紧密地放置在一起，以在除了要优先考虑的发射或接收方向之外的方向上减小次级发射波瓣或接收波瓣的幅度。然而，阵列的不同辐射元件之间的间距的这种减小一方面与极化器所需的最小大小不相容，并且另一方面与极化器上游的电子放大和相移电路的整体尺寸不相容。

因此，极化器和电子系统的大小通常决定了阵列的不同辐射元件之间的最小间距。由此产生的宽间距引起不期望的次级发射波瓣或接收波瓣。

然而，其他射频模块需要较宽的辐射元件间距，以向其提供例如发射锥(transmissioncone)。还可能希望更改辐射元件的相对位置。

技术实现要素：

因此，本发明的目的是提出一种旨在形成直接辐射阵列(dra)的无源部分的无源射频模块，该无源射频模块不受已知设备的限制或使已知设备的限制最小化。

这些目的特别地借助于射频模块来实现，该射频模块包括：

第一层，其包括辐射元件的阵列，每个辐射元件具有支持至少一种波传播模式的截面；

第二层，其形成波导的阵列；

第四层，其形成端口的阵列；

第二层介于第一层与第四层之间；

每个波导旨在在第四层的端口与辐射元件之间沿一个方向或另一个方向传输射频信号；

第一层的表面积不同于第四层的表面积；

波导在第四层与第一层之间或者在第一层与第四层之间彼此靠近。

这些目的特别地借助于射频模块来实现，该射频模块包括：

第一层，其包括辐射元件的阵列，每个辐射元件具有支持至少一种波传播模式的截面，每个截面设置有平行于信号的传播方向的至少一个脊；

第二层，其形成波导的阵列；

第四层，其形成端口的阵列；

第二层介于第一层与第四层之间；

每个波导旨在在第四层的端口与辐射元件之间沿一个方向或另一个方向传输射频信号；

第一层的表面积小于第四层的表面积；

波导在第四层与第一层之间彼此靠近。

因此，波导具有双重功能；一方面，其使得信号能够在第四层的端口与第一层的辐射元件之间传输，并且另一方面，其使得辐射元件的间距和第四层的端口的间距能够被独立地选择。

在第一实施方式中，波导以会聚的方式在第四层与第一层之间彼此靠近。第一层的表面积小于第四层的表面积。

因此，这种布置使得能够减小第一层的辐射元件之间的间距，以减小不期望的旁瓣(“栅瓣”)的幅度。

出于该目的，第一层的两个辐射元件之间的间距(p1)优选地小于λ/2，λ是最大工作频率处的波长。

因此，波导从第四层朝向辐射元件的会聚布置使得第四层的端口能够间隔开。端口之间的宽间距使得可以例如将供给每个端口的电子放大和相移电路放置在每个端口的紧邻处，从而减少对该电路尺寸的限制。如果需要，这种宽的间隔还使得足够大小的极化器能够被放置在每个端口附近，以根据信号的极化提供信号的有效分离。

在另一实施方式中，第一层的表面积大于第四层的表面积。然后，波导变得在第四层与第一层之间更加远离彼此。该实施方式使得能够使用相对大的辐射元件，而不需要大的端口层。

第一层的辐射元件的布置可以不同于第四层的端口的布置。例如，第一层的辐射元件可以位于矩形矩阵m×n中，而第四层的端口位于矩形矩阵k×l中，m不同于k并且n不同于l。这种不同的布置也可以导致不同的形状，例如在一个层上的矩形布置以及在另一层上的圆形、椭圆形、十字形、中空矩形、多边形布置或其他布置。

射频模块可以包括介于第二层与第四层之间的第三层。

第三层的元件可以引起信号的变换。

第三层还可以包括元件的阵列，该元件的阵列在第四层的端口的输出截面与波导的不同形状的截面之间提供截面适配。特别地，当仅端口或仅波导成脊状时，可以提供这种类型的第三层。

介于第二层与第四层之间的第三层也可以包括作为元件的极化器的阵列。

在变型中，射频模块可以包括紧接在空气中的辐射元件之后的外部极化器。

介于第二层与第四层之间的第三层可以包括滤波器。

第一层的每个辐射元件可以设置有平行于信号的传播方向的至少一个脊。

第一层的辐射元件也可以是无脊的，并且可以由开波导或者正方形、圆形、角锥形或曲线形的角状物构成。

辐射元件可以具有方形、矩形或者优选地六边形、圆形或椭圆形的外部截面。

两个辐射元件之间的间距(p1)在模块内是可变的。

射频模块可以包括具有正方形、矩形、圆形、椭圆形或六边形截面的波导，波导的内表面设置有沿波导的每个内表面纵向延伸的至少一个脊。

第二层的每个波导优选地被设计成仅传输基模，或者传输基模和单个简并模。

有利地，第二层的不同波导的长度相同。

第二层的不同波导的长度也可以是可变的；在这种情况下，优选的是使用在相关波长下等相的波导，也就是说，全部都产生相同的相移的波导。

在一个实施方式中，不同波导具有不同的长度和不同的截面，以补偿由不同长度产生的相位变化。不同波导优选地是等相的；也就是说，跨不同波导的相移是相同的。

不同波导的通道优选地是非直线的。

第二层的波导优选地是弯曲的。

第二层的不同波导的曲率可以是可变的。例如，外围的波导可能比中心的波导更弯曲。

第四层的端口可以形成极化器的输入。

所有波导的第一端可以位于第一平面中，而所有波导的第二端位于第二平面中。

有利地，该模块是通过增材制造形成的模块。

特别地，可以使用增材制造来形成具有复杂形状的波导，特别是在辐射元件层与极化器层之间以漏斗形式会聚的弯曲波导。

“增材制造”是指通过根据存储在计算机介质上的计算机数据添加材料来制造零件并定义零件的模型的任何方法。除了立体平版印刷术和选择性激光熔化之外，该表述表示通过液体或粉末的凝固或凝结进行的其他制造方法，特别地包括但不限于基于以下的方法：喷墨(粘合剂喷射)、ded(直接能量沉积)、ebff(电子束自由成形制造)、fdm(熔融沉积建模)、pff(塑性自由成形)、气溶胶的使用、bpm(弹道粒子制造)、粉末床、sls(选择性激光烧结)、alm(添加剂层制造)、聚合物喷射(polyjet)、ebm(电子束熔化)、光聚合等。然而，通过立体平版印刷术或选择性激光熔化的制造是优选的，因为其使得能够以具有低粗糙度的相对清洁的表面状态来生产零件。

该模块优选地是整体式的。

模块的整体式制造使得能够降低成本，同时避免对组装的需求。其还使得可以确保不同部件的精确相对定位。

本发明还涉及包括上述元件的模块以及具有连接至每个端口的放大器和/或移相器的电子电路。

附图说明

本发明的实施方式的示例在附图所示的描述中指出，在附图中：

·图1示出了根据本发明的模块的不同层的示意性侧视图。

·图2示出了第三层的实施方式的两个示例，其中，该层的每个元件在面向第四层的一侧包括一个或两个输入。

·图3a示出了根据本发明的模块示例的第二层和第三层的透视图。

·图3b示出了从第三层观察的根据本发明的模块示例的第二层和第三层的前视图。

·图3c示出了从对应于第一层的一侧观察的根据本发明的模块示例的第二层和第三层的前视图。

·图4示出了根据本发明的模块的第一层的示例的透视图。

·图5a至图5c示出了可以在根据本发明的模块的第一层中使用的辐射元件的三个示例。

·图6示出了根据本发明第二实施方式的模块的第一层的另一示例的前视图。

·图7示出了根据本发明第三实施方式的模块的透视图，该模块包括朝向第一层的辐射元件会聚的波导集。

·图8示出了从根据本发明第三实施方式的模块的第四层看的视图。

·图9示出了根据本发明第三实施方式的模块的侧视图。

·图10示出了根据本发明第三实施方式的模块的另一侧视图。

·图11示出了根据本发明第四实施方式的模块的透视图，该模块包括朝向第一层的辐射元件发散的波导集。

·图12示出了根据本发明第四实施方式的模块的侧视图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明第一实施方式的无源射频模块1，其旨在形成直接辐射阵列(dra)的无源部分。

射频模块1包括四个层3、4、5、6。

在这些层中，第一层3包括用于将电磁信号发射到以太中或者用于接收已接收的信号的n个辐射元件30(天线)的二维阵列。

第二层4包括波导40的阵列。

第三层5是可选的；其也可以集成到层4中。如果第三层5存在，则第三层5包括元件50例如极化器或截面适配器的阵列。

第四层6包括具有n个波导端口60的二维阵列，例如矩形矩阵。每个端口60形成与dra的有源元件例如放大器和/或移相器的接口，从而形成波束形成阵列的一部分。因此，端口使得波导能够连接至电子电路，以用于将信号注入到波导中或者沿相反的方向在波导中接收电磁信号的目的。

在使用线性极化天线或圆极化天线的情况下，也可以使用2n个端口60a、60b。

代替将极化器集成到第三层5中，可以在具有辐射元件的第一层3与具有波导的第二层4之间使用极化器层，或者可以将极化器集成到辐射元件中。这种解决方案的优点是使辐射元件的极化器更靠近在一起，并且避免了在每个波导中传输具有多个极性的信号的复杂性。

该模块1旨在用在多波束环境中。优选地使辐射元件30更靠近在一起，使得两个相邻辐射元件之间的间距p1小于标称频率处的波长，要在该标称频率下使用模块1。以这种方式，次级发射波瓣和次级接收波瓣的幅度减小。

图3a至图3c示出了根据本发明第一实施方式的不具有第三层和第四层的模块示例的不同视图。在该示例中，波导40和辐射元件30具有正方形截面，该截面设置有对称地布置在内侧的四个脊。波导朝向第一层3会聚。

图7至图10示出了类似于图3a至图3c的模块的模块示例的其他视图，但是其中，波导40和辐射元件30具有矩形截面，该截面设置有位于内侧的长边中间的两个脊。波导再次朝向第一层3会聚。

在图3a至图3c和图7至图10的这些实施方式中，第四层6的两个相邻端口60之间的距离优选地大于标称频率处的波长，要在该标称频率下使用模块1。这种布置使得辐射元件30能够彼此更靠近，以减少接收和发射中不期望的次级波瓣，同时隔开第四层6的端口60，以便于连接至在每个波导中发射或接收信号的有源电子元件。

因此，与具有端口60的阵列的第四层6相比，包括辐射元件30的阵列的第一层3在垂直于信号传播方向d的平面中具有更小的表面积。因此，两个相邻辐射元件30的两个对应点之间的间距p1小于两个相邻端口60的两个对应点之间的间距p2。

相邻元件之间的间距p1在两个正交方向上可以相同或不同。类似地，相邻元件之间的间距p2在两个正交方向上可以相同或不同。

图11至图12示出了根据本发明的模块的另一实施方式，其中，波导40朝向辐射元件30发散。因此，第一层3的表面积大于第四层6的表面积，并且第一层3的辐射元件30之间的间距p1大于第四层6的端口之间的间距p2。这种布置使得可以提供具有大尺寸的辐射元件30例如喇叭形辐射元件30的模块，而不增加端口60和连接至这些端口的有源元件阵列(未示出)的总尺寸。

图3a至图3c和图7至图12示出了彼此分离的波导40。然而，在优选的实施方式中，这些波导相互联接以保持其相对位置，并且形成优选地为整体式的组件。波导之间的联接可以例如通过第一层3、第三层5以及/或者第四层6来建立。也可以在不同的波导之间提供桥形式的保持元件。

图4示出了层3中的辐射元件30的阵列的示例。在该示例中，n个辐射元件30以矩形矩阵布置，在该情况下以正方形矩阵布置。每个辐射元件30的截面是正方形的，并且在每个内边缘上设置有脊300，脊的布置是对称的。相邻的辐射元件共享共同的侧边，使得其能够更加紧靠在一起。

第一层3的每个辐射元件的相位和幅度使得能够在不同的波束之间设置高度隔离。大小小于波长的辐射元件减小了被覆盖区域中的次级波瓣的影响。

图6示出了由辐射元件30的行构成的辐射元件的第一层3的另一示例，其沿着这些行具有可变数量的辐射元件，该层的总体形状形成八边形。

还可以在连续的行上向第一层3提供相移的辐射元件30，相移的值可能小于同一行上的两个相邻元件30之间的间距p1。

也可以提供任何多边形形状的第一层3或基本圆形的第一层3。

辐射元件30也可以通过行对准或相移以三角形、矩形或菱形布置。

在图1和图3至图6所示的实施方式中，元件30优选地由其内腔设置有脊300例如以相等的角距离分布的两个或四个脊300的波导构成。

图5a示出了具有带有四个脊的正方形截面的辐射元件的示例，被称为“四脊正方形”。图5b示出了具有带有两个脊的矩形截面的辐射元件的示例，被称为“四脊正方形”。图5c示出了具有带有四个脊的圆形截面的辐射元件的示例，被称为“四脊圆形”。所示出的具有这些脊的辐射元件的设计使得可以提供具有比要发射或接收的信号的波长小的尺寸的辐射元件。

可以使用支持至少一种传播模式的辐射元件的其他形状，包括矩形、环形或圆形，其可以成脊状，或者可以不成脊状。可以有2、3或4个脊。

辐射元件30可以是单极化或双极化的。极化可以是线性的、倾斜的或圆形的。

第一层3的两个辐射元件30之间的间距p1优选地小于或等于λ/2，λ是模块预期的最大频率处的波长。

辐射元件可以例如在与第二层4的接合处包括未示出的极化器。在另一未示出的实施方式中，紧接在辐射发射的信号的自由空气部分之后设置极化器。如下所描述的，极化器也可以设置在第三层5中。

第二层4包括n个波导40。每个波导40从端口60和/或第三层5的元件朝向对应的辐射元件30传输信号以进行发射，并且反之从对应的辐射元件30朝向端口60和/或第三层5的元件传输信号以进行接收。波导40还在层5和层6上的元件60的布置与辐射元件的第一层3的不同布置之间提供转换。

波导40优选地具有形状和大小几乎恒定的截面。

波导40优选地是弯曲的，以在第三层或第四层5的表面与辐射元件的第一层3的不同表面之间形成转换。波导因此形成漏斗形的体积。在图1、图3a至图3c和图7至图10的实施方式中，波导朝向第一层3会聚。在图11至图12的实施方式中，波导朝向第一层3发散。

第二层4不仅可以使得相邻元件之间的间距能够适配；在一个实施方式中，也可以形成第二层4以在第一层3的辐射元件30的布置与第四层6的端口60的不同布置之间提供转换。例如，第二层4可以在以矩形矩阵布置的元件或端口的阵列与以不同矩阵或者以多边形或圆形布置的元件或端口的阵列之间提供转换。

至少一些波导40是弯曲的，例如如图3a、图7以及图11所示。特别地，至少一些波导在彼此垂直且平行于模块的纵向轴线d的两个平面内弯曲，特别是如图9和图10(第一实施方式)以及图12(第二实施方式)所示。因此，这些波导40在彼此正交且平行于信号的主传输方向d的两个平面内以s形弯曲。

一方面波导40与辐射元件30之间的连接平面和另一方面波导40与元件50之间的连接平面优选地彼此平行并且垂直于信号的主传输方向d。

第二层4外围处的波导40比靠近中心的波导更弯曲且更长。靠近中心的波导40可以是直线的。

根据模块的工作频率确定穿过波导40的内通道和层41的内通道的尺寸及其形状，该工作频率就是针对其模块1被制造并且稳定的且可选地具有最小衰减的传输模式被获得的电磁信号的频率。

如已经看到的，第二层4中的不同波导40具有不同的长度和曲率，这影响了其频率响应曲线。这些差异可以通过供给每个端口60或处理接收的信号的电子系统来补偿。优选地，这些差异至少部分地通过调整不同波导40的截面来补偿，然后不同波导40彼此具有不同的形状和/或尺寸。

有利地，第二层的不同波导40的长度是相同的，从而使得可以提供通过不同波导的信号的相同相移，并且因此保持其相对相移。

不同波导40的长度可以不同；在这种情况下，优选地使用在相关波长下等相的波导，也就是说，全部都产生相同的相移的波导。出于该目的，在一个实施方式中，不同的波导具有不同的长度和不同的截面，以补偿由不同长度产生的相位变化。

也可以使用具有不同长度和/或产生不同相移的波导，并且通过有源电子相移电路的网络来使用或补偿这些相移，以控制辐射元件之间的相关相移，并且例如控制波束形成。

根据实施方式，第二层4还可以包括其他波导元件，例如滤波器、极化转换器或相位适配器。

每个波导40可以旨在传输单极化或双极化信号。

第三层5是可选的并且包括元件50。在一个实施方式中，元件50使得能够在第四层6的端口60的截面与第二层4的波导40的截面(可以是不同的)之间提供转换，波导40的截面通常对应于第一层3的辐射元件的截面。例如，第三层5的波导在端口60的输出的正方形或矩形截面与分别设置有脊400和300的波导40和辐射元件30的截面之间提供转换。

根据实施方式，第三层5的元件50也可以提供信号的转换，例如通过使用其他波导元件例如滤波器、极化转换器、极化器、相位适配器或其他来提供信号的转换。

第三层5的横向表面积优选地等于第四层6的横向表面积。

图2示出了第三层5的元件50的示例。在该附图上部的实施方式中，该元件50包括连接至端口60的输入51和连接至波导40的输入41的输入53。

在该附图下部的实施方式中，该元件50包括两个输入52a、52b以及输入53，输入52a、52b中的每一个分别连接至第四层的端口60a或60b，输入53连接至波导40的输入41。在该实施方式中，元件60优选地包括用于将端口60a、60b上的两种极性朝向波导40上的组合信号组合或从波导40上的组合信号分离端口60a、60b上的两种极性的极化器。

模块1的组件优选地通过增材制造以整体方式形成。模块1的组件也可以以组装在一起的多个单元形成，每个单元包括四个层3、4、5、6或至少层3、层4以及层6。通过减材加工或通过组装进行的制造也是可能的。

在一个实施方式中，模块通过增材制造完全由金属例如铝制成。

在另一实施方式中，模块1包括聚合物、peek、金属或陶瓷的芯、以及沉积在该芯表面上的导电壳。模块1的芯可以由聚合物材料、陶瓷、金属或合金例如铝、钛或钢合金形成。

模块1的芯可以通过立体平版印刷术或通过选择性激光熔化来形成。芯可以包括例如通过粘合或焊接组装在一起的不同部件。

形成壳的金属层可以包括从cu、au、ag、ni、al、不锈钢、黄铜或这些金属的组合中任意选择的金属。

芯的内表面和外表面覆盖有在没有电流的情况下通过化学沉积进行电镀的导电金属层，例如铜、银、金镍等。该层的厚度例如在1微米与20微米之间，例如在4微米与10微米之间。

该导电涂层的厚度必须足以使表面在选定的射频处导电。这通常通过使用厚度大于趋肤深度δ的导电层来实现。

该厚度优选地跨所有内表面基本恒定，以提供具有精确尺寸公差的成品零件。

通过将芯浸入一系列连续的浴(通常是1至15个浴)中来将导电金属沉积在内表面上，也可能是沉积在外表面上。每个浴需要具有一种或更多种试剂的流体。沉积不需要向要被覆盖的芯施加电流。通过混合流体例如通过在传输通道中和/或在模块1周围泵送流体或者通过振动芯和/或流体容器例如利用超声振动设备产生超声波来提供混合且规则的沉积。

金属导电壳可以以不间断的方式覆盖芯的所有面。在另一实施方式中，模块1包括具有外表面和内表面的侧壁，内表面界定通道，所述导电壳覆盖所述内表面但不覆盖所有外表面。

模块1可以包括旨在至少部分地对芯表面的不规则性进行平滑的平滑层。导电壳沉积在平滑层的顶部。

模块1可以包括沉积在芯上的粘合(或底料)层，来以不间断的方式覆盖芯。

粘合层可以由导电或非导电材料制成。粘合层使得能够提高导电层与芯的粘合。粘合层的厚度优选地小于芯的粗糙度ra，并且小于芯的增材制造方法的分辨率。

在一个实施方式中，模块1依次包括通过增材制造形成的非导电芯、粘合层、平滑层以及导电层。因此，粘合层和平滑层使得波导通道的表面粗糙度能够降低。粘合层使得导电或非导电芯与平滑层和导电层的粘合能够改善。

模块1的形状可以借助于存储在计算机数据介质上的用于控制增材制造设备的计算机文件来确定。

该模块可以例如以安装在端口层5后面的印刷电路的形式连接至具有连接至每个端口的放大器和/或移相器的电子电路。