DE69930256T2

DE69930256T2 - Empfangsschaltung für funkfrequenzen

Info

Publication number: DE69930256T2
Application number: DE69930256T
Authority: DE
Inventors: John Reading TOTH; J. Michael Andover DELCHECCOLO; George Tewksbury LEFAVE; Joseph Lawrence LICCIARDELLO
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1998-06-19
Filing date: 1999-04-28
Publication date: 2006-12-07
Anticipated expiration: 2019-04-29
Also published as: JP2002518923A; US6100841A; EP1090443B1; EP1090443A1; AU4181899A; WO1999066596A1; DE69930256D1; JP4298921B2

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft im Allgemeinen Empfängerkreise und insbesondere einen einpulsigen HF-Empfänger.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Wie in der Technik bekannt ist, umfasst ein Radarsystem im Allgemeinen eine Antenne, einen Sender und einen Empfänger. Als allgemeiner Überblick erzeugt der Sender ein elektromagnetisches Signal, das durch die Antenne abgegeben oder ausgestrahlt wird. Das ausgestrahlte elektromagnetische Signal wird in einem vorherbestimmten Raumbereich ausgebreitet und fängt ein oder mehrere Objekte auf dem Weg der elektromagnetischen Strahlung auf. Teile der elektromagnetischen Strahlung werden von den Objekten reflektiert und zurück in Richtung des Radarsystems ausgebreitet, wo die reflektierten Signale von dem Empfänger erfasst werden. Derartige reflektierte Signale werden manchmal als Rückkehr- oder Echosignale bezeichnet.
Wenn das Radarsystem eine Richtantenne verwendet, wird ein relativ schmaler Strahl von elektromagnetischer Strahlung abgegeben, wobei die Richtung, aus der die Rückkehrsignale ausgebreitet werden, und somit die Lage des Objekts ermittelt werden können. Der Abstand oder die Entfernung zu dem reflektierenden Objekt kann durch Senden von Signalimpulsen und Messen der Zeitspanne zwischen der Sendung des gesendeten Impulses und dem Empfang des Rückkehrsignalimpulses ermittelt werden.
Ein bestimmter Radarsystemtyp ist ein einpulsiges Radarsystem. Ein einpulsiges Radarsystem bezeichnet ein Radarsystem, das eine komplette Messung der Winkelposition eines Objekts durch Senden eines einzelnen Signalimpulses und Empfangen des entsprechenden Rückkehr- oder Echoimpulses erhält. Zusammen mit einer Entfernungsmessung, die mit demselben Impuls ausgeführt wird, wird die Position des Objekts in drei Dimensionen vollständig ermittelt. Typischerweise wird eine Reihe oder Folge von Echoimpulsen verwendet, um eine große Anzahl wiederholter Messungen durchzuführen und eine präzisierte Ermittlung der Position des Objekts zu erzeugen.
Ein einpulsiges Empfangssystem umfasst typischerweise einen einpulsigen Schaltkreis, der Signale von der Antenne empfängt und einpulsige Summen- und Differenzausgangssignale bildet. Die Summen- und Differenzsignale werden gebildet, indem empfangene Antennensignale in einer bestimmten Weise kombiniert werden. Die Signale können unter Verwendung von Schaltkreisen, die als Hybridschaltkreise bezeichnet werden, kombiniert werden. Die Hybridschaltkreise können als sogenannte Magic-T- oder Wettbewerbsschaltkreise bereitgestellt werden, die daran angelegte Signale empfangen und die Signale in bekannter Weise addieren und/oder subtrahieren. Derartige Hybridschaltkreise können entweder unter Verwendung von gedruckten Schaltkreisleitungen oder Wellenleiterübertragungsleitungen hergestellt werden.
Zur Ermittlung der Position eines Objekts in einer einzelnen Winkelkoordinate (z.B. entweder Azimut oder Höhe) braucht der einpulsige Schaltkreis nur einen einzelnen Hybridschaltkreis zu enthalten, weshalb der einpulsige Schaltkreis relativ kompakt ist. Zur Ermittlung der Position eines Objekts in zwei Winkelkoordinaten (z.B. sowohl Azimut als auch Höhe) benötigt der einpulsige Schaltkreis mehrere Hybridschaltkreise. Somit können herkömmliche einpulsige Schaltkreise, die die Position eines Objekts in zwei Winkelkoordinaten ermitteln können, relativ groß werden.
Die einpulsigen Summen- und Differenzsignale können entweder bei der übertragenen Signalfrequenz oder nach der Abwärtswandlung eines Rückkehrsignals bei einer niedrigeren Frequenz gebildet werden. Die Übertragungssignalfrequenz liegt typischerweise im Mikrowellen- oder Millimeterwellenfrequenzbereich. Wenn die einpulsigen Summen- und Differenzsignale bei der übertragenen Signalfrequenz gebildet werden, wird das einpulsige Signal typischerweise direkt an die Antenne angelegt, wobei zwischen den Antennenausgangsanschlüssen und den einpulsigen Eingangsanschlüssen relativ wenige oder gar keine Schaltkreise angeordnet sind. Die Vorgänge zur Erzeugung von einpulsigen Summen- und Differenzsignalen werden von den Hybridschaltkreisen typischerweise bei Mikrowellen- oder Millimeterwellenfrequenzen ausgeführt, wobei die Hybridschaltkreise typischerweise unter Verwendung von gedruckten Schaltkreisleitungen oder Wellenleiterübertragungsleitungen hergestellt werden.
Durch die Erzielung der Summen- und Differenzsignale bei der übertragenen Signalfrequenz (d.h. vor etwaigen Abwärtswandlungen) wird die Menge an zusätzlichen Fehlern verringert, die anderfalls in die Signale eingeführt werden können, die zur Bildung der einpulsigen Signale durch Schaltkreise (z.B. Mischerkreise), die zwischen den Antennenausgangsanschlüssen und den einpulsigen Eingangsanschlüssen gekoppelt sind, verwendet werden. Um beispielsweise die einpulsigen Signale nach der Abwärtswandlung eines Rückkehrsignals auf eine niedrigere Frequenz zu bringen, ist es erforderlich, einen Mischer oder eine andere Frequenzübersetzungsvorrichtung zwischen den Antennenausgangsanschlüssen und den einpulsigen Eingangsanschlüssen anzuschließen. Praktische Frequenzübersetzungsvorrichtungen (z.B. Mischerkreise) leiten Fehler in die Signale ein, die in dem einpulsigen Schaltkreis kombiniert werden, um die einpulsigen Ausgangssignale bereitzustellen.
Typischerweise werden von dem einpulsigen Schaltkreis ein einzelner Summenkanal und ein Paar Differenzkanäle gebildet, um die Auflösung von zwei Winkelkoordinaten zu ermöglichen. Bei Systemen, die eine herkömmliche Wellenleitermehrmodenhornspeisung verwenden, kann ein einpulsiges Wellenleiternetz ein Radarrückkehrsignal verarbeiten, um einpulsige Summen- und Differenzsignale zu erzeugen, die in geeigneten einpulsige Summen- und Differenzkanälen ausgebreitet werden. Die Hochfrequenzsignale (HF-Signale), die durch die einpulsigen Kanäle ausgebreitet werden, werden unter Verwendung von Wellenleitermischern in Zwischenfrequenzsignale (ZF-Signale) umgewandelt. Die ZF-Signale werden für eine zusätzliche Verarbeitung an einen ZF-Empfänger angelegt.
Ein Problem bei diesem HF-Wellenleiterkonzept zur Implementierung des einpulsigen Netzes besteht darin, dass der einpulsige Schaltkreis relativ groß ist und unter Verwendung relativ teuerer und zeitaufwändiger Präzisionsbearbeitungs- oder Elektroformungsverfahren hergestellt werden muss. Dies gilt insbesondere für Systeme, die im Millimeterwellenfrequenzbereich arbeiten. Um diesen Nachteil zu überwinden, können Systeme, die bei Millimeterwellenlängenfrequenzen arbeiten, empfangene Signale vor der einpulsigen Verarbeitung auf eine Zwischenfrequenz abwärtswandeln. Bei diesem Konzept kann die einpulsige Verarbeitung bei der Zwischenfrequenz anstatt bei der höheren Fundamentalfrequenz oder Übertragungsfrequenz durchgeführt werden. Während die Herstellungstoleranzen des Schaltkreises im Allgemeinen bei niedrigeren Frequenzen weniger streng sind, liegt eine gleichzeitige Zunahme der Größe der Komponenten des Wellenleiterschaltkreises vor. Daher ist die Verwendung von Wellenleiterübertragungsleitungen zur Verarbeitung und Umwandlung der einpulsigen Informationen (insbesondere bei Millimeterwellenfrequenzen) keine praktische kostengünstige Lösung, die für die Massenproduktion geeignet ist.
Erschwerend kommt hinzu, dass Geschosse, wie beispielsweise Flugkörper und Tochtergeschosse mit einem relativ kleinen Durchmesser, einpulsige Empfänger mit einer relativ hohen Auflösung erfordern, um eine exakte Verfolgung eines Ziels zu ermöglichen. Herkömmliche einpulsige Empfangssysteme, die im Frequenzbereich von 1 Gigahertz (GHz) bis 20 GHz arbeiten, bieten nicht die Winkelauflösung, die zur exakten Verfolgung von Zielen nötig ist. Des Weiteren ist die Größe von HF-Schaltkreiskomponenten, die im Bereich von 1 GHz bis 20 GHz arbeiten, physikalisch zu groß und unhandlich, um in eine Vielzahl kleiner Geschosse verpackt zu werden. Daher ist ein Betrieb bei Millimeterwellenfrequenzen oberhalb von 30 GHz erforderlich.
Flugkörpersuchsysteme mit einem relativ großen Durchmesser arbeiten typischerweise bei Mikrowellenfrequenzen und bilden einpulsige Ausgangsempfangssignale mit Vergleichernetzen, die von Hybridschaltkreiskomponenten bereitgestellt werden, die unter Verwendung von Steifenleitungs-, koaxialen oder Wellenleiterübertragungsmedien implementiert werden. Die einpulsigen Ausgangssignale werden typischerweise an Verstärker angelegt, die einen relativ hohen Verstärkungswert und einen relativ niedrigen Rauschwert aufweisen. Die verstärkten Signale werden daraufhin mit Hilfe eines Hochfrequenzmikrowellenmischermoduls (HF-Mikrowellenmischermodul) auf eine angemessene Zwischenfrequenz (ZF-Frequenz) abwärtsgewandelt. Bei Anwendungen, bei denen der einpulsige Empfänger in einem Geschoss mit einem relativ kleinen Durchmesser angeordnet werden muss, beeinflussen die Signalübertragungsverluste und die Gesamtgröße herkömmlicher Empfangssysteme die Leistung des Suchers jedoch nachteilig. Ein Betrieb bei höheren Frequenzen, wie beispielsweise Millimeterwellenfrequenzen (MMW-Frequenzen), ist nötig, um die erforderliche Auflösung zu erzielen, jedoch liegen Beschränkungen hinsichtlich der Verfügbarkeit von Empfängervorrichtungen vor, die bei diesen Frequenzbändern arbeiten. Beispielsweise ist es relativ schwierig und teuer, HF-Vorrichtungen bereitzustellen, die die Leistungsmerkmale (z.B. Rauschwert, Stromhandhabung, Strombeschränkung usw.) aufweisen, die für einen effizienten aktiven Suchervorgang im MMW-Frequenzbereich erforderlich sind.
Die Komplexität von Radarsystemen, die im Millimeterwellenfrequenzband arbeiten, wird ersichtlich, wenn erkannt wird, dass die Abmessungen eines herkömmlichen rechteckigen Wellenleiters bei einer Betriebsfrequenz von beispielsweise 94 GHz in der Größenordnung von 1,27 bis 2,54 mm (0,050 bis 0,100 Zoll) liegen, mit Toleranzen, die besser als 0,025 mm (0,001 Zoll) sind und die bei vielen kritischen Baugruppen erforderlich sind. Obwohl es unter Umständen möglich ist, derartige Millimeterwellenleiterkonstruktionen unter Verwendung moderner Fertigungsverfahren bei etwas verringerten Kosten herzustellen, sind die Kosten im Zusammenhang mit der Abstimmung und dem Testen derartiger Geräte mit kritischen Toleranzen oftmals zu hoch.
Des Weiteren werden die Probleme der Verpackung und Abstimmung eines Millimeterwellensuchers in einem herkömmlichen Tochtergeschoss ersichtlich, wenn erkannt wird, dass ein einpulsiger Sucher mit einer einpulsigen Verfolgungsfunktion, die Wellenleiterkomponenten verwendet, mehr als zwanzig unterschiedliche Wellenleiterkomponenten erfordern kann, um die Weiterleitung und Duplexierung der verschiedenen Signale, die von dem Sender kommen und zu den Empfängern zurückkehren, zu steuern. Wenn eine einpulsige Funktion erforderlich wäre, müssten alle vorgenannten Wellenleiterkomponenten sowohl hinsichtlich der Amplitude als auch der Phase von Kanal zu Kanal eine Verfolgung durchführen.
Bei einer Betriebsfrequenz von 94 GHz entspricht jeder tausendstel Zoll der Länge einer Wellenleiterübertragungsleitung etwa 2° der Phase. Daher ist ersichtlich, dass es relativ schwierig ist, die erforderliche Phasen- und Amplitudenverfolgung zwischen unterschiedlichen Empfängerkanälen kostengünstig zu erzielen.
Ein anderes Problem, das Millimeterwellenradarsuchern inhärent ist, die Wellenleitervorrichtungen verwenden, besteht in der Bereitstellung einer ausreichenden Isolierung zwischen einem Sender und einem Empfänger. Dieses Problem wird durch die Tatsache vergrößert, dass Wellenleiterschalter und -zirkulatoren, die Übertragungssignalen mit relativ hoher Leistung standhalten und einen hohen Grad an Isolierung bereitstellen können, im Allgemeinen nicht in einer kompatiblen Größe bei relativ hohen Betriebsfrequenzen verfügbar sind.
Es wäre daher wünschenswert, einen relativ kompakten einpulsigen Empfänger zu schaffen, der einen relativ niedrigen Rauschwert aufweist, im Millimeterwellenfrequenzbereich arbeitet und in einem System betrieben werden kann, das einen Sender umfasst, der Signale überträgt, die relativ hohe Leistungspegel aufweisen.
US 5,315,304 offenbart ein digitales einpulsiges Radar, das während des Betriebs eine dynamische Echtzeitkalibrierung verwendet. Empfangene HF-Signale werden in ZF-Signale umgewandelt und vor der Digitalisierung verstärkt. Daraufhin wird ein Kalibrierungsfaktor auf die Signale angewendet, um korrigierte Signale zu erzeugen.
EP-A-0 389 673 offenbart einen reziproken HF-Schaltkreis zur Kopplung eines HF-Sende-/Empfangsgeräts an einen HF-Strahler. Ein Zirkulator ist so angeordnet, dass störende Reflexionen innerhalb des Schaltkreises von ankommenden HF-Signalen zu einem passenden Anschluss geleitet werden.
US 5,463,872 offenbart ein Tieftemperaturkühlsystem für elektronische Komponenten, bei dem elektronische Komponenten in einer Immersionskammer untergebracht sind, in der sich aus einem kondensierungsfähigen Gas eine kondensierte Flüssigkeit bildet und sammelt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung schafft einen einpulsigen HF-Empfänger nach Anspruch 1.
Ein Hochfrequenzsystem (HF-System) umfasst eine Antenne mit einer Vielzahl von Antennenanschlüssen und einer Vielzahl von Schutzschaltkreisen, wobei jeder der Schutzschaltkreise Folgendes aufweist: einen ersten Anschluss, der direkt mit einem entsprechenden der Vielzahl von Antennenanschlüssen gekoppelt ist, sowie einen zweiten Anschluss. Als Reaktion auf ein erstes Steuersignal ermöglicht jeder Schutzschaltkreis Signalen, sich von einem entsprechenden der Antennenanschlüsse zum zweiten Anschluss des jeweiligen Schutzschaltkreises entlang eines Signalpfades auszubreiten, der eine relativ geringe Einfügungsverlustcharakteristik aufweist. Jeder Schutzschaltkreis reagiert ebenfalls auf ein zweites Steuersignal in einer ersten Richtung zwischen dem ersten Schutzschaltkreisanschluss und dem zweiten Schutzschaltkreisanschluss und reagiert auf ein zweites Steuersignal, das den ersten Schutzschaltkreisanschluss vom zweiten Schutzschaltkreisanschluss isoliert. Durch diese besondere Anordnung wird ein kompaktes HF-System bereitgestellt. Durch direktes Koppeln der Antennenanschlüsse an die Anschlüsse des Schutzschaltkreises kann das HF-System in einem Empfangsmodus betrieben werden und vor Sendesignalen geschützt werden, die hohe Signalpegel aufweisen, die von einem Senderschaltkreis während eines Sendevorgangsmodus erzeugt werden. Um in einem Empfangsmodus betrieben zu werden, wird der Schutzschaltkreis so vorgespannt, dass ein Signalpfad bereitgestellt wird, der eine relativ niedrige Einfügungsverlustcharakteristik gegenüber Signalen aufweist, die von den Antennenanschlüssen durch die Schutzschaltkreisanschlüsse ausgebreitet werden. Während des Sendemodus wird der Schutzschaltkreis so vorgespannt, dass ein Signalpfad bereitgestellt wird, der eine hohe Einfügungsverlustcharakteristik von Signalen aufweist, die von den Antennenanschlüssen ausgebreitet werden. Bei einer bestimmten Ausführungsform umfasst das HF-System des Weiteren eine Vielzahl von Mischern, die jeweils Folgendes aufweisen: einen ersten Anschluss, der mit einem jeweiligen der Vielzahl von Schutzschaltkreisanschlüssen gekoppelt ist, einen zweiten Anschluss für den Empfang eines Mischervorspannungssignals und einen dritten Anschluss zur Bereitstellung eines frequenzverschobenen Signals. Durch Koppeln der Mischer an die Schutzschaltkreisanschlüsse wird eine kompakte Empfängerbaugruppe bereitgestellt. Ein Verstärker kann an den dritten Anschluss jedes Mischers gekoppelt werden, um somit ein System bereitzustellen, das eine relativ hohe Verstärkungscharakteristik aufweist, während ebenfalls ein System bereitgestellt wird, das einen relativ niedrigen Rauschwert bereitstellt. Ebenfalls kann ein einpulsiges Element an die Ausgangsanschlüsse der Verstärker gekoppelt werden, um ein einpulsiges HF-Empfangssystem bereitzustellen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Mischer, die Verstärker und der einpulsige Schaltkreis als integrierte Monolithmikrowellenschaltkreise (MMICs) bereitgestellt, weshalb das HF-System eine relativ kleine physikalische Fläche einnimmt. Des Weiteren kann die Antenne als gewelltes Horn bereitgestellt werden, das eine Modenstruktur aufweist, die in einem Basisabschnitt desselben angeordnet ist, um Signale zwischen dem Antenneneingang und den Antennenanschlüssen in der Basiskonstruktion des gewellten Horns zu koppeln, die an den ersten Anschluss jedes der Schutzschaltkreise gekoppelt werden. Das Empfangssystem kann ebenfalls einen Kalibriersignalanlegkreis umfassen, der an den Schutzschaltkreis gekoppelt ist, um ein Kalibriersignal an das Empfangssystem anzulegen. Bei einer bestimmten Ausführungsform ist der Schutzschaltkreis eine Einrastferritisolatormatrix, die eine Vielzahl von Isolatoren umfasst, die jeweils erste, zweite und dritte Anschlüsse aufweisen, wobei der Kalibriersignalanlegkreis an den dritten Anschluss jedes der Vielzahl von Isolatoren gekoppelt ist.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung umfasst ein einpulsiger Hochfrequenz-(HF)-Empfänger eine Vielzahl von Mischern, wobei jeder Mischer einen HF-Signalanschluss, einen Lokaloszillator-(LO)-Signalanschluss und einen Zwischenfrequenz-(ZF)-Signalanschluss aufweist und jeder der Mischer eine oder mehrere Mischerdiodenantiparallelpaare sowie Mittel zum Koppeln von HF-Energie an den HF-Signalanschluss jedes der Vielzahl von Mischern umfasst. Der einpulsige HF-Empfänger umfasst des Weiteren eine Vielzahl von ZF-Verstärkern, wobei jeder der ZF-Verstärker Folgendes aufweist: einen Verstärkereingangsanschluss, der mit dem ZF-Signalanschluss eines jeweiligen der Vielzahl von Mischern gekoppelt ist, und einen Verstärkerausgangsanschluss, der mit einem jeweiligen der Vielzahl von Eingangsanschlüssen eines einpulsigen Vergleichernetzes gekoppelt ist. Als Reaktion auf eine angemessene Einspeisung von Eingabesignalen in dasselbe stellt das einpulsige Vergleichernetz einpulsige Ausgangssignale an Ausgangsanschlüssen desselben bereit. Mit Hilfe dieses bestimmten Verfahrens wird ein kompakter einpulsiger Millimeterwellenempfänger mit einem relativ niedrigen Rauschwert bereitgestellt. Durch Anordnen eines Einrastferritisolatormatrixschutzkreises zwischen einer Antenne und den Mischeranschlüssen wird der einpulsige HF-Empfänger vor Hochleistungsübertragungssignalen geschützt. Des Weiteren ermöglicht die Einrastferritisolatormatrix die Verwendung einer Empfängerschaltkreisarchitektur, die es dem kompakten einpulsigen Millimeterwellenempfängerkreis ermöglicht, in einem HF-Radarsystem mit einer relativ hohen Übertragungsleistung zu arbeiten. Bei einer Ausführungsform ist der einpulsige HF-Empfänger beispielsweise für die Verwendung in einem aktiven Flugkörpersuchsystem geeignet. Der HF-Empfänger kann direkt in einem kleinen Tochtergeschoss verwendet werden oder alternativ als einpulsiger Empfänger für eine Antenne mit höherer Auflösung dienen, die quasi optisch gespeist wird und eine Öffnung aufweist, die wesentlich größer als der Durchmesser der Hornantenne ist. Bei einer Ausführungsform ist ein Tieftemperaturkühlsystem mit dem Empfänger gekoppelt, um einen Empfängerrauschwert bereitzustellen, der niedriger ist als der Rauschwert, der erreicht wird, wenn der Empfänger bei Umgebungstemperaturen betrieben wird.
Gemäß noch einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung umfasst ein einpulsiger HF-Empfänger eine Schaltkreisbaugruppe, die eine Vielzahl von HF-Eingangsanschlüssen und eine Vielzahl von ZF-Ausgangsanschlüssen aufweist. Die Schaltkreisbaugruppe umfasst (a) ein Gehäuse, (b) eine Vielzahl von subharmonisch gepumpten Mischerkreisen, die in dem Gehäuse angeordnet sind, wobei jeder der Mischerkreise Folgendes aufweist: einen HF-Signalanschluss, einen LO-Signalanschluss und einen ZF-Signalanschluss, und jeder der Mischerkreise Folgendes umfasst: (1) eine Vielzahl von Mischerdiodensubstraten, die in dem Gehäuse angeordnet sind, wobei jedes der Mischerdiodensubstrate einen Diodenbefestigungsbereich und einen Übertragungskopplungsbereich aufweist, der in einen HF-Speisebereich hervorsteht, der dadurch gebildet wird, dass eine Öffnung in einer Gehäuseabdeckung bereitgestellt wird, die über dem Diodenbefestigungsbereich der Vielzahl von Substraten angeordnet ist; (2) ein antiparalleles Diodenpaar, das auf dem Diodenbefestigungsbereich jedes der Vielzahl von Mischerdiodensubstraten angeordnet ist; (3) einen LO-Verteilerkreis, der zwischen dem LO-Signalanschluss jedes subharmonisch gepumpten Mischerkreises und einer LO-Signalquelle gekoppelt ist; (4) einen ZF-Verteilerkreis, der zwischen dem ZF-Signalanschluss jedes subharmonisch gepumpten Mischerkreises und einem ZF-Ausgangsanschluss des einpulsigen HF-Empfängers gekoppelt ist; (c) einen HF-Speisekreis, der mit dem Gehäuse gekoppelt ist; (d) Mittel zum Koppeln von HF-Energie an den HF-Signalanschluss jedes der Vielzahl von subharmonisch gepumpten Mischerkreisen; (e) ein einpulsiges Substrat; und (f) ein einpulsiges Vergleichernetz mit integriertem Monolithmikrowellenschaltkreis (MMIC), das auf dem einpulsigen Substrat angeordnet ist, wobei das einpulsige MMIC-Vergleichernetz eine Vielzahl von einpulsigen Schaltkreiseingangsanschlüssen aufweist, und jeder der Vielzahl von einpulsigen Schaltkreiseingangsanschlüssen an einen jeweiligen der ZF-Anschlüsse der Vielzahl von subharmonisch gepumpten Mischerkreisen gekoppelt ist und eine Vielzahl von einpulsigen Schaltkreisausgangsanschlüssen aufweist, die mit den ZF-Ausgangsanschlüssen des einpulsigen Substrats gekoppelt sind. Mit Hilfe dieser bestimmten Anordnung wird ein einpulsiger HF-Empfänger bereitgestellt, der zur Verwendung im W-Band-Frequenzbereich geeignet ist. Das System kann des Weiteren eine gewellte Hornantenne umfassen, bei der eine Modenstruktur in einem Basisabschnitt derselben angeordnet ist, um vier separate Antennenanschlüsse bereitzustellen. Die Antennenbasisanschlüsse sind mit den HF-Anschlüssen der Mischerkreise gekoppelt, wodurch Signale zwischen den Antennenanschlüssen in der Basiskonstruktion des gewellten Horns und dem HF-Anschluss der Mischerkreise bereitgestellt werden. Ein Schutzschaltkreis kann in einem Wellenleitersignalpfad angeordnet werden, der zwischen den Antennenanschlüssen und dem HF-Eingangsanschluss der Mischerkreise angeordnet ist. Bei einer bestimmten Ausführungsform ist der Schutzschaltkreis als Einrastferritisolatormatrix bereitgestellt, die eine Vielzahl von Isolatoren umfasst, von denen jeder einen ersten, zweiten und dritten Anschluss aufweist. Der einpulsige HF-Empfänger kann ebenfalls einen Kalibriersignalanlegkreis umfassen, der mit dem Schutzschaltkreis gekoppelt ist, um an den Empfänger ein Kalibriersignal anzulegen. Wenn der Schutzschaltkreis als Einrastferritisolatormatrix bereitgestellt ist, kann ein Kalibriersignalanlegkreis mit dem dritten Anschluss jedes der Vielzahl von Isolatoren gekoppelt werden. Als Reaktion auf ein erstes Steuersignal ermöglichen die Einrastferritisolatoren Signalen, sich in eine erste Richtung zwischen einem ersten Paar von Isolatoranschlüssen auszubreiten, und als Reaktion auf ein zweites Steuersignal ermöglichen die Einrastferritisolatoren Signalen, sich in eine zweite Richtung zwischen einem zweiten Paar von Isolatoranschlüssen auszubreiten. Bei einer derartigen Anordnung kann der einpulsige HF-Empfänger in jenen HF-Systemen betrieben werden, die einen Sender umfassen, ohne beschädigt zu werden. Des Weiteren kann das Gehäuse als einzelnes Gehäuse bereitgestellt werden, das sowohl HF- als auch ZF-Schaltkreiskomponenten aufweist, die darin angeordnet sind, einschließlich des einpulsigen MMIC-Vergleichernetzes. Alternativ kann das Gehäuse aus einem HF-Gehäuse und einem ZF-Gehäuse bereitgestellt werden, die physikalisch und elektrisch miteinander gekoppelt sind. Die HF-Signalkomponenten, einschließlich des HF-Mischers und eines Verstärkers, sind in dem HF-Gehäuse angeordnet und das einpulsige MMIC-Vergleichernetz sowie ein Amplitudeneinstellkreis und ein Phasenschieber sind in dem ZF-Gehäuse mit einer Vielzahl von HF-Verbindungssignalpfaden angeordnet, die HF-Signalpfade zwischen dem HF-Gehäuse und dem ZF-Gehäuse bereitstellen. Die Verwendung von MMIC-LNAs und eines neuartigen einpulsigen MMIC-Elements zusammen mit der Entwicklung eines geringen Umwandlungsverlustes, eines niedrigen Rauschwerts und eines W-Bandmischers führen zu einem relativ kleinen und effizienten einpulsigen W-Bandempfänger, der mit Flugkörpern und Tochtergeschossen mit kleinem Durchmesser kompatibel ist und eine verbesserte Empfindlichkeit bietet, um dem Sucher somit zu ermöglichen, Ziele exakt zu verfolgen. Diese verbesserte Empfindlichkeit wird durch die Integration von Kühlgeräten erreicht, die zur lokalen Kühlung der Mischerdioden verwendet werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorgenannten Merkmale der Erfindung sowie die Erfindung selbst sind aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der Zeichnungen besser verständlich, wobei:
1 ein schematischer Schaltplan eines Empfangssystems ist;
1A ein schematischer Schaltplan eines Empfangssystems mit daran gekoppeltem Kalibriersystem ist;
2 eine auseinandergezogene isometrische Ansicht eines Empfangssystems ist;
2A eine Seitenansicht eines gewellten Mehrmodenspeisehorns ist;
2B eine Endansicht des Mehrmodenspeisehorns ist;
2C eine Draufsicht eines Empfängers ist;
2D eine Draufsicht eines HF-Mischerkreises ist, die entlang den Linien 2D-2D aus 2C genommen ist;
3 eines Draufsicht eines Empfängers ist; und
4 eine auseinandergezogene isometrische Ansicht eines Abschnitts eines Empfangssystems ist, das ein Kühlsystem aufweist.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Unter Bezugnahme auf 1 umfasst ein Hochfrequenz-(HF-)Empfangssystem 10 eine Antenne 12, die eine Vielzahl von Antennenausgangsanschlüssen 12a–12d aufweist. Die Antenne 12 kann als jeder beliebige Antennentyp bereitgestellt werden, der in der Lage ist, Signale in einem gewünschten Frequenzbereich zu empfangen. Die Antenne 12 kann beispielsweise als Hornantenne, Gruppenantenne oder als jeder beliebige andere Antennentyp bereitgestellt sein, der in der Lage ist, HF-Signale an einem ersten Ende 13 zu empfangen und Ausgangssignale an den Antennenanschlüssen 12a–12d bereitzustellen.
Die Antennenanschlüsse 12a–12d sind mit jeweiligen Eingangsanschlüssen eines Schutzschaltkreises 16 gekoppelt. Bei einer bestimmten Ausführungsform ist die Antenne 12 als gewelltes Wellenleiterhorn bereitgestellt, das auf Signale im W-Band-Frequenzbereich anspricht und eine Modenstruktur 14 aufweist, die in einem Basisabschnitt desselben bereitgestellt ist, um separate Antennenanschlüsse bereitzustellen. Die Antenne 12 empfängt HF-Energie an dem ersten Ende 13 und die Modenstruktur 14 trennt die HF-Energie, die sich in dem Horn 12 ausbreitet, zur Übertragung auf vier separaten Übertragungsleitungssignalpfaden. Bei einer Ausführungsform sind die Übertragungsleitungen als Wellenleiterübertragungsleitungen bereitgestellt, die eine Größe und Form aufweisen, die so ausgewählt sind, dass eine effiziente Ausbreitung von HF-Signalen in dem Frequenzbereich, der von Interesse ist, ermöglicht wird.
Der Schutzschaltkreis 16 kann verhindern, dass Signale mit relativ hohen Amplitudenpegeln zu den restlichen Schaltkreiskomponenten des Systems 10 ausgebreitet werden, wodurch die Möglichkeit verringert wird, dass derartige Komponenten durch Signale mit übermäßigen Signalamplituden beschädigt werden.
Der Schutzschaltkreis 16 ist bei einer Ausführungsform als Einrastferritisolatormatrix bereitgestellt, die eine Vielzahl von Einrastferritisolatoren 18a–18d umfasst, die im Allgemeinen mit 18 bezeichnet werden. Jeder der Isolatoren 18 weist einen ersten, zweiten und dritten Anschluss 19a–19c auf, wobei ein Abschluss 22 an die Anschlüsse 19c gekoppelt ist. Als Reaktion auf ein erstes Steuersignal, das durch eine Vorspannungsleitung 20 an die Isolatoren 18a–18d angelegt wird, werden die Isolatoren 18 polarisiert oder vorgespannt, so dass sich Signale in einer ersten Richtung durch die Isolatoren 18 ausbreiten. Als Reaktion auf ein erstes Steuersignal, das an die Isolatoren 18 angelegt wird, werden beispielsweise HF-Signale, die an den Anschluss 19a angelegt werden, im Uhrzeigersinn an den Anschluss 19b gekoppelt und vom Anschluss 19c isoliert.
Als Reaktion auf ein zweites Steuersignal, das an die Isolatoren 18 angelegt wird, werden die Isolatoren 18 vorgespannt, so dass sich Signale in einer zweiten unterschiedlichen Richtung durch die Isolatoren 18 ausbreiten. Signale, die an den Anschluss 19c angelegt werden, werden beispielsweise gegen den Uhrzeigersinn durch den Isolator 18 an den Anschluss 19b gekoppelt und vom Anschluss 19a isoliert. Das erste und zweite Steuersignal können beispielsweise als Stromsignale bereitgestellt werden, die während einer relativ kurzen Zeitdauer eine relativ hohe Amplitude (d.h. „Stromspitzen") aufweisen, die die Isolatoren 18 in eine erste und zweite entgegengesetzte Richtung vorspannen.
Wenn der Schutzschaltkreis 16 vorgespannt ist, um Signalen zu ermöglichen, sich von den jeweiligen Antennenanschlüssen 12a–12d durch den Anschluss 19a zum Anschluss 19b der jeweiligen Isolatoren 18a–18d auszubreiten, breiten sich die Signale von der Antenne 12 durch den Schutzschaltkreis 16 zu einem Empfänger 23 an den Eingangsanschlüssen 23a–23d aus. Bei dieser bestimmten Ausführungsform ist der Empfänger 23 hier als einpulsiger Empfänger gezeigt.
Der Empfänger 23 umfasst ein HF-Schaltkreismodul 24, das vier gleiche Empfängerkanäle 25a–25d aufweist. Wenn der Empfängerkanal 25a für die Empfängerkanäle 25b–25d als repräsentativ angenommen wird, umfasst der Empfängerkanal 25a einen Übergangskreis 26, bei dem ein Eingangsanschluss 26a mit dem Eingangsanschluss 23a des Empfängers gekoppelt ist und ein Ausgangsanschluss 26b mit einem HF-Anschluss 28a eines HF-Mixers 28 gekoppelt ist. Ein Mischervorspannungssignal wird durch einen HF-Schaltkreismodulanschluss 27a an einen Mischervorspannungsanschluss 28b angelegt. Bei dieser bestimmten Ausführungsform wird das Mischervorspannungssignal als Lokaloszillator-(LO-)-Vorspannungssignal bereitgestellt. Bei einer anderen Ausführungsform kann der Mischer jedoch mit einem Gleichspannungsvorspannungssignal vorgespannt werden, das separat von dem LO-Signal an den Mischer angelegt werden kann. Das LO-Signal und die HF-Signale, die jeweils an die Anschlüsse 28a, 28b angelegt werden, werden auf bekannte Weise kombiniert, um an einem dritten Mischeranschluss 28c ein Zwischenfrequenz-(ZF-)Signal anzulegen.
Der Mischer-ZF-Anschluss 28c wird mit einem Eingangsanschluss eines ZF-Verstärkers 30 gekoppelt, der das ZF-Signal empfängt, das daran angelegt wird, und an einem Ausgangsanschluss desselben ein verstärktes Ausgangssignal bereitstellt. Somit stellt jeder der Empfängerkanäle 25a–25d an Ausgangsanschlüssen derselben ZF-Ausgangssignale bereit.
Die ZF-Ausgangssignale werden an jeweilige Eingangsanschlüsse 34a–34d eines ZF-Moduls 34 gekoppelt. Das ZF-Modul 34 empfängt die ZF-Signale, die daran angelegt werden, und legt jedes der ZF-Signale an jeweilige Amplituden- und Phaseneinstellkreise 36 an. Bei einer bestimmten Ausführungsform umfasst der Phasen- und Amplitudeneinstellkreis einen variablen Abschwächer 37 und einen Sechs-Bit-Phasenschieber 38, mit denen jeweils die Amplituden- und Phaseneinstellung erreicht wird. Fachleuten ist ersichtlich, dass der Phasenschieber 38 mit weniger oder mehr als sechs Bits bereitgestellt werden kann. Die Anzahl der Bits, die der Phasenschieber 38 umfasst, wird gemäß einer Vielzahl von Faktoren ausgewählt, einschließlich, ohne darauf beschränkt zu sein, der gewünschten Genauigkeit des korrigierten Signals, der Anzahl an Steuerleitungen, die für den Betrieb des Phasenschiebers erforderlich ist, der Packungsgröße, des Packungsgewichts usw. Bei einem Sechs-Bit-Phasenschieber hat das niedrigstwertige Bit einen Wert von 5 Grad.
Die angemessen amplituden- und phaseneingestellten Signale werden von jedem der Phasen- und Amplitudeneinstellkreise 36 an Eingangsanschlüssen 40a–40d an einen einpulsigen Schaltkreis 40 gekoppelt. Der einpulsige Schaltkreis 40 kombiniert Signale, die an die Eingangsanschlüsse 40a–40d desselben angelegt werden, und stellt an Anschlüssen 41a–41d einpulsige Ausgangssignale (Σ, ΔEL, ΔAZ, ΔQ) bereit.
Es wird angemerkt, dass das einpulsige Element 40 bei einer bevorzugten Ausführungsform als passiver einpulsiger Schaltkreis mit integriertem Monolithmikrowellenschaltkreis (MMIC) bereitgestellt werden kann. Bei anderen Ausführungsformen kann es jedoch wünschenswert sein, den einpulsigen Schaltkreis 40 als aktiven MMIC-Schaltkreis bereitzustellen. Als weitere Alternative kann der einpulsige Schaltkreis aus einem Übertragungsmedium hergestellt werden, das von einem Medium verschieden ist, das zur Herstellung eines MMIC-Schaltkreises geeignet ist.
Unter kurzer Bezugnahme auf 1A umfasst das System 10' bei einer anderen Ausführungsform einen Kalibrierkreis 44, der eine Kalibriersignalquelle 45 umfasst, die ein Kalibriersignal durch einen Schutzschaltkreis 46 bereitstellt, der beispielsweise als Isolator oder Schalter bereitgestellt sein kann. Bei einer bevorzugten Ausführungsform entspricht das Kalibriersignal, das von der Kalibriersignalquelle 45 bereitgestellt wird, einem im Wesentlichen reinen Sinussignal mit einer vorherbestimmten Signalamplitude.
Das Kalibriersignal wird durch den Schutzschaltkreis 46 an einen Eingangsanschluss 47 eines Leistungsteilers 48 gekoppelt. Bei dieser bestimmten Ausführungsform umfasst der Leistungsteiler 48 Ausgangsanschlüsse 48a bis 48d, von denen jeder an Isolatoranschlüssen 19c mit einem jeweiligen der Isolatoren 18a–18d gekoppelt ist.
Der Leistungsteiler 48 ist hier mit einer Anzahl von Ausgangsanschlüssen versehen, die der Anzahl von Empfängerkanälen entspricht. Jedoch ist bei manchen Anwendungen möglicherweise nicht erforderlich, an jeden der Empfängerkanäle ein Kalibriersignal anzulegen. Somit stellt der Leistungsteiler 48 im Allgemeinen für jeden zu kalibrierenden Empfängerkanal 25 ein Kalibriersignal bereit.
Bei manchen Anwendungen kann es wünschenswert sein, die Abschlüsse 22 (1), die mit den Anschlüssen 19c der Isolatoren 18 gekoppelt sind, zu entfernen, damit ein Kalibriersignal daran angelegt werden kann, während es bei anderen Anwendungen wünschenswert sein kann, die Kalibriersignale durch einen Schalter (nicht gezeigt) mit den Isolatoranschlüssen 19c zu koppeln. Bei diesem Konzept wird der gemeinsame Anschluss des Schalters mit dem Isolatoranschluss 19c gekoppelt, ein erster Schalterarm wird mit einem Abschluss gekoppelt und ein zweiter Schalterarm wird so gekoppelt, dass er ein Kalibriersignal von dem Kalibrierkreis 44 empfängt. Bei noch anderen Anwendungen kann es wünschenswert sein, das Kalibriersignal mit einem Teil der Empfängerkanäle zu koppeln.
Das Empfangssystem 10 wird entweder in einem Kalibriermodus oder einem Empfangsmodus betrieben. Um das Empfangssystem in den Kalibriermodus zu versetzen, werden die Isolatoren 18 so vorgespannt, dass sich Signale gegen den Uhrzeigersinn dort hindurch ausbreiten, so dass sich Signale vom Anschluss 19c zum Anschluss 19b ausbreiten. Der Schutzschaltkreis 46 stellt einen Signalpfad mit einem relativ geringen Einfügungsverlust zwischen der Signalquelle 45 und dem Leistungsteilerkreis 48 bereit.
Im Kalibriermodus legt die Kalibriersignalquelle 45 Kalibriersignale an den Anschluss 19c jedes Isolators 18 an. Die Kalibriersignale werden ausgehend von den Isolatoranschlüssen 19c mit den Anschlüssen 19b gekoppelt und an den Anschlüssen 23a–23d als Eingabesignale an das HF-Schaltkreismodul 24 angelegt. Das HF-Schaltkreismodul 24 stellt als Reaktion auf das Kalibriersignal an den Ausgangsanschlüssen 24a–24d frequenzumgesetzte (d.h. abwärtsgewandelte) Kalibriersignale bereit.
Das ZF-Modul 34 empfängt die abwärtsgewandelten Kalibriersignale von den HF-Modulanschlüssen 24a–24d und stellt an den Anschlüssen 41a–41d einpulsige Kalibrierausgabesignale bereit. Amplitude und Phase der Kalibrierausgabesignalausgänge 41a–41d können überwacht und erwarteten Kanal-Kanal-Signaleigenschaften zugeordnet werden, um für die gemessenen Ausgangssignale eine Fehlerkorrektur bereitzustellen. Die erwarteten Kanal-Kanal-Signaleigenschaften werden basierend auf bekannten Betriebsbedingungen, die eine akzeptable Leistung des einpulsigen Elements erbringen, während der anfänglichen Integration und Einstellung des Empfängers definiert. Somit ermöglicht der Kalibriermodus eine Korrektur von Kanal-Kanal-Fehlern, die aus den Betriebsumgebungen resultieren, die nicht im Voraus vorhergesagt werden können wie beispielsweise (ungleichförmige Modulerwärmung).
Ein zweiter Kalibrierkreis zur Einspeisung eines Kalibriersignals in das ZF-Modul 34 umfasst einen ZF-Kalibriersignalanschluss 42, durch den ein Kalibriersignal an einen Kopplerkreis 43 angelegt wird. Der Kopplerkreis 43 koppelt einen vorherbestimmten Teil des Kalibriersignals an den Eingang des Amplituden- und Phaseneinstellkreises 36. Das Kalibriersignal wird durch den Schaltkreis 36 zum einpulsigen Element 40 ausgebreitet und Kalibrierausgabesignale werden an den Anschlüssen 41a–41d bereitgestellt. Hier ist gezeigt, dass das ZF-Kalibriersignal nur an einen einzigen Kanal des ZF-Moduls 34 angelegt wird. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass das ZF-Kalibriersignal an jeden einzelnen Kanal des ZF-Moduls 34 angelegt werden könnte oder alternativ jeder Kanal des ZF-Moduls einen Koppler 43 umfassen könnte und das ZF-Kalibriersignal (gleichzeitig oder nicht) an alle Kanäle des ZF-Moduls 34 angelegt werden könnte.
Unter nochmaliger Bezugnahme auf 1 wird ebenfalls darauf hingewiesen, dass es bei manchen Anwendungen wünschenswert sein kann, das Empfangssystem 10 als Speisekreis für eine Reflektorantenne zu verwenden. Dies wird dadurch erreicht, dass das Mehrmodenspeisehorn 12 mit der fokalen Ebene eines Reflektors ausgerichtet wird. Bei anderen Anwendungen kann das Mehrmodenspeisehorn 12 jedoch direkt als einpulsige Antenne verwendet werden.
Ein optionales Kühlsystem 49 kann mit den aktiven Schaltkreiskomponenten, wie beispielsweise den Mischern 28 und den Verstärkern 30, in jedem Empfängerkanal 25 gekoppelt werden, um aktive Vorrichtungen, wie beispielsweise die Mischerdioden in den Komponenten 28 und die Feldeffekttransistoren (FETs) in den Verstärkern 30, zu kühlen, um auf diese Weise den Rauschwert des Empfängers 23 zu senken. Das Kühlsystem 49 kann dazu verwendet werden, jeweils die Mischer 28 und/oder die Verstärker 30 zu kühlen.
Um das System 10 mit einer kompakten Größe bereitzustellen, können die Verstärker 30, die Amplituden- und Phaseneinstellkreise 36, die Phasenschieber 38 und der einpulsige Schaltkreis 40 alle als integrierte Monolithmikrowellenschaltkreise (MMICs) bereitgestellt werden. Eine derartige Baugruppe hat einen Empfänger 23 zur Folge, der bei Zimmertemperaturen einen relativ niedrigen Rauschwert aufweist und eine Größe aufweist, die die Verwendung des Empfangssystems 10 in Flugkörpern, Munitionen und anderen Geschossen mit relativ kleinem Durchmesser ermöglicht.
Unter Bezugnahme auf 2 umfasst ein einpulsiger Millimeterwellenempfänger 50 eine gewellte Hornbaugruppe 51, die eine erste Öffnung mit einem darin angeordneten Druckfenster 52 aufweist. Das Druckfenster 52 stellt aus Gründen, die weiter unten ausführlicher beschrieben werden, für den Empfänger 50 einen Abdichtungsmechanismus bereit. Ein zweites Ende des gewellten Horns 51 umfasst eine Basisplatte 53, die eine Vielzahl von Befestigungslöchern 54 aufweist, die darin bereitgestellt sind.
Das gewellte Horn 51 und das Druckfenster 52 stellen eine Kennlinie mit einem relativ geringen Einfügungsverlust für Signale bereit, die Frequenzen innerhalb eines vorherbestimmten Frequenzbandes aufweisen, während über das Druckfenster 52 nach wie vor eine abgedichtete Öffnung bereitgestellt wird. Bei einer bestimmten Ausführungsform ist das gewellte Horn 51 für die effiziente Kopplung an ein quasi-optisches Eingabesignal eines Gaußschen Strahls im W-Band geeignet.
Wie aus 2A, 2B deutlicher ersichtlich ist, ist in dem Übergangsbereich zwischen dem Horntrichter und der Basisplatte ebenfalls eine Modenstruktur gebildet, die die eingefangene Energie in vier identische Wellenleiterübertragungsleitungen 57 aufteilt.
Unter kurzer Bezugnahme auf 2B sind die Wellenleiter 57, die in dem Flansch 53 gebildet sind, deutlich zu sehen. Von einer Fläche des Flansches 53 stehen optionale Ausrichtungsstifte 54a hervor, die in ein entsprechendes Loch in der Oberfläche einer Schalterbaugruppe 55 (2) eingreifen, um somit die Wellenleiteröffnungen 57 in dem Flansch 53 mit entsprechend geformten Öffnungen 57 in der Schalterbaugruppe 55 auszurichten.
Unter nochmaliger Bezugnahme auf 2 wird die Wellenleiterenergie durch die Einrastferritisotator-(schalt-)matrix 55 geleitet, die hauptsächlich zu Schutzzwecken verwendet wird. Die Schaltmatrix 55 ermöglicht ebenfalls die Einspeisung eines Kalibriertons im W-Band, indem ein Kalibriersignal, das eine Frequenz im W-Band-Frequenzbereich aufweist, durch einen oder mehrere Signalanschlüsse des Isolators bzw. der Isolatoren, die dem Isolatoranschluss 19c aus 1 entsprechen, eingespeist wird.
In einem Empfangsbetriebsmodus empfängt das Horn 51 HF-Signale und koppelt die empfangene HF-Energie über eine Modenstruktur in die vier rechteckig geformten Wellenleiterübertragungsleitungen 57 ein, die in dem Flansch 53 am zweiten oder Basisende des gewellten Horns 51 angeordnet sind. Der Flansch 53 ist so auf einer ersten Oberfläche der Schalterbaugruppe 55 angeordnet, dass Ausrichtungslöcher und der Stift 54, 54a mit entsprechenden Löchern 59 in der Schalterbaugruppe 55 ausgerichtet sind.
Die Schalterbaugruppe 55 kann eine Einrastferritisolatormatrix des Typs sein, der von der Electromagnetic Systems (EMS) Corporation bereitgestellt wird und als Modell-Nr. 449D-68 identifiziert ist. Wenn der Empfänger 50 in einem Flugkörper oder einem anderem Geschoss, das einen Sender umfasst, angeordnet wird, verhindert die Schalterbaugruppe 55, dass Senderverlustsignale, die auf das Horn 51 auftreffen, zu einem Empfängerkreis 56 ausgebreitet werden, da ein Verlustsignal mit relativ hoher Leistung Schaltkreiskomponenten des Empfängerkreises 56 beschädigen könnte.
Da die Zeit bekannt ist, während der ein HF-Sendesignalimpuls in die Antenne 51 austreten könnte, kann die Schalterbaugruppe 55 zu entsprechenden Zeitpunkten aktiv zwischen einem Sende- und einem Empfangszustand hin- und hergeschaltet werden.
Wenn die Schalterbaugruppe 55 als Einrastferritzirkulator bereitgestellt ist, trägt ein isolierter Draht, der durch einen Ferritkern geführt ist, ein Steuersignal, das als Gleichstrom bereitgestellt und durch den Draht gespeist wird, und baut Magnetfelder in dem Einrastferritisolator 55 auf, wodurch der Ferrit vorgespannt wird und bestimmt wird, welcher der Zirkulatorsignalpfade mit einer Kennlinie mit relativ niedrigem Einfügungsverlust bereitgestellt wird und welche Zirkulatorsignalpfade mit einer Kennlinie mit relativ hohem Einfügungsverlust (Isolierung) bereitgestellt werden. Auf diese Weise werden vorherbestimmte Anschlüsse des Einrastferritisolators als Durchgangsanschlüsse bezeichnet (d.h. dass Signale, die sich in einer bestimmten Richtung von einem Anschluss zum anderen ausbreiten, ein relativ geringes Ausmaß an Signalabschwächung erfahren) und vorherbestimmte Anschlüsse des Einrastferritisolators werden als isolierte Anschlüsse bezeichnet (d.h. dass Signale, die sich in einer bestimmten Richtung von einem Anschluss zum anderen ausbreiten, ein relativ großes Ausmaß an Signalabschwächung erfahren).
Nachdem die Magnetfelder in der Schalterbaugruppe 55 aufgebaut sind, sind sie selbsterhaltend (d.h. einrastend) und der Gleichstrom kann entfernt werden. Wenn gewünscht wird, die Kennlinien des Einfügungsverlustes zwischen den Anschlüssen der Schalterbaugruppe 55 zu ändern, wird ein Gleichstrom mit einem vorherbestimmten minimalen Strompegel angelegt, um das Vorspannungfeld zu versetzen, das mit Hilfe des zuvor angelegten Signals aufgebaut wurde, und die Magnetfelder in dem Ferritkern wieder aufzubauen und dadurch die Pegel des Einfügungsverlustes zwischen den verschiedenen Anschlüssen in einer zweiten vorherbestimmten Weise zu ändern.
Somit wird der Zirkulator 55 bei dieser bestimmten Anwendung dazu verwendet, jeweils während der Empfangs- und Sendefunktion einen Signalpfad mit einer Kennlinie mit einem relativ geringen Einfügungsverlust zwischen der Antenne 51 und einem der Empfängerkanäle oder einen Hochleistungs-HF-Abschluss (wie beispielsweise den Abschluss 22 in 1) auszuwählen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform stellt die Schalterbaugruppe 55 entweder einen Isoliersignalpfad mit einer Isolierkennlinie von 20 Dezibel (dB) oder mehr oder einen Signalpfad mit einem relativ geringen Verlust mit einer Einfügungsverlustkennlinie von etwa 0,5 dB bereit.
Die Schalterbaugruppe 55 stellt ebenfalls einen angemessenen Ort für die Einspeisung eines einpulsigen HF-Vorkalibriersignals bereit. Insbesondere kann der Schalteranschluss, an den der Abschluss gekoppelt ist (z.B. der Anschluss 19c in 1) als Kalibriersignaleingangsanschluss verwendet werden, wie weiter oben im Zusammenhang mit 1A beschrieben.
Wenn ein Hochleistungsschutz für eine bestimmte Anwendung nicht erforderlich ist, kann die Schalterbaugruppe 55 aus dem Empfänger 50 ausgelassen werden, wodurch die Größe des Empfängers 50 verringert wird. Da der Schalter 55 des Weiteren einen zusätzlichen Einfügungsverlust in Signale einführt, die sich von der Antenne 51 zum Empfängerkreis 56 ausbreiten, wird durch die Entfernung oder Auslassung der Schalterbaugruppe 55 ebenfalls der Rauschwert des Gesamtsystems 50 verbessert.
Die Schalterbaugruppe 55 ist über einer HF-Modulabdeckung 58 angeordnet. Die Modulabdeckung 58 weist eine Öffnung 58a und eine Vielzahl von Befestigungslöchern 59, die darin vorgesehen sind, auf, die zu Befestigungslöchern 59 passen, die in der Schalterbaugruppe 55 vorgesehen sind. Die HF-Modulabdeckung 58 umfasst ebenfalls einen oder mehrere Ausrichtungsstifte 59a, die in Ausrichtungslöcher der Schalterbaugruppe 55 hervorstehen, um so die HF-Modulabdeckung 58 mit der Schalterbaugruppe 55 auszurichten.
In der Öffnung 58a der HF-Modulabdeckung ist eine HF-Isolierabdeckung 60 angeordnet. Die HF-Isolierabdeckung 60 umfasst eine Vielzahl von Wellenleitersignalpfaden 62, die mit den Wellenleitersignalpfaden 57 ausgerichtet sind, die sowohl in dem Basisabschnitt 53 des gewellten Horns 51 als auch in der Schalterbaugruppe 55 vorgesehen sind. Die HF-Isolierabdeckung 60 umfasst ebenfalls einen oder mehrere Schlitze 63, die in einer weiter unten beschriebenen Weise verwendet werden, um eine korrekte Ausrichtung zwischen den Wellenleitern 57 des Horns 51, der Schalterbaugruppe 55 und den Wellenleitern 62 in der Isolierabdeckung 60 sicherzustellen.
Der Empfänger 50 umfasst des Weiteren ein HF-Gehäuse 64, das ein Paar Ausrichtungsvorsprünge 66 aufweist, die von einer inneren Bodenfläche desselben hervorstehen. Die Ausrichtungsvorsprünge 66 greifen in entsprechende Schlitze 63 in der HF-Isolierabdeckung 60 ein, wodurch eine korrekte Ausrichtung und Positionierung der HF-Isolierabdeckung 60 in Bezug auf den Wellenleiter 57 in dem gewellten Horn 51 und den Schalter 55 sichergestellt wird. Die Ausrichtungsvorsprünge 66 stellen ebenfalls eine korrekte Ausrichtung und Positionierung der Wellenleitersignalpfade 62 in Bezug auf Mischerkreise sicher, die auf Substraten 68 gebildet sind, wenn die Substrate in dem HF-Gehäuse 64 angeordnet sind, und unterstützen die Isolierung zwischen benachbarten Empfängerkanälen.
Unter kurzer Bezugnahme auf 2C, 2D ist vor der Anordnung der HF-Modulabdeckung 58 über dem HF-Gehäuse 64 eine Vielzahl von Mischersubstraten 68 in entsprechend geformten vertieften Abschnitten 64a (2D) angeordnet, die in einem inneren Basisabschnitt des HF-Gehäuses 64 bereitgestellt sind, von denen nur ein Teil in 2D gezeigt ist. Auf dem Substrat 68 ist ein Mischerkreis 69 (2D) angeordnet. Jedes der Mischersubstrate 68 umfasst einen vorstehenden Abschnitt 70 (2D), wobei die vorstehenden Abschnitte 70 sogenannte E-Ebenen-Sonden bilden, die elektrische Feldenergie, die sich im Wesentlichen im TE10-Wellenleitermodus in dem Wellenleiter 62 ausbreitet, in einen Mikrostreifenmodus koppeln, um die W-Band-Wellenleitersignale in der HF-Isolierabdeckung 60 somit effizient zu subharmonischen Mischern 69 (2D) in jedem Empfängerkanal überzuleiten. Somit bilden die vorstehenden Abschnitte 70 der Mischersubstrate und der zugehörigen Übertragungsleitung, die darauf angeordnet ist, Wellenleiter-Mikrostreifen-Übergangskreise.
Mischerdioden 71 und Übertragungsleitungen 72 sind auf dem Mischersubstrat 68 angeordnet, um somit den Mischerkreis 69 zu bilden. Die Leistung des Wellenleiter-Mikrostreifen-Übergangskreises kann mit Hilfe einer Wellenleiterrückschlussbaugruppe 73 optimiert werden, die durch Beabstanden einer unteren Fläche des Vertiefungsbereichs 64a im Bereich des vorstehenden Bereichs 70 um einen vorherbestimmten Abstand von der E-Ebenen-Sonde 70a, die auf dem vorstehenden Bereich 70 angeordnet ist, gebildet wird. Teile des Substrats 70 wurden hier entfernt, um den Rückschluss 73 freizulegen. Die Konfiguration des elektrischen Feldes, die von dem Rückschluss 73 eingerichtet wurde, kann durch Verwendung von Unterlegscheiben oder eines anderen geeigneten Mechanismus eingestellt werden, um dem Signal des elektrischen Feldes zu ermöglichen, effizient mit der E-Ebenen-Sonde 70a gekoppelt zu werden. Idealerweise richtet eine derartige Rückschlussbaugruppe eine Kurzschlussimpedanz an einer bestimmten physikalischen Stelle in dem Wellenleiter ein. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Rückschlussbaugruppe in einem Abstand angeordnet, der einem ungeraden Vielfachen einer Viertelwellenlänge (im Wellenleitermedium) von der vorstehenden Sonde 70a entspricht.
Unter nochmaliger Bezugnahme auf 2 und 2C sind in dem HF-Gehäuse 64 ebenfalls ein LO- und ZF-Verteilerkreissubstrat 75 sowie ein ZF-Phasenregelungssubstrat 76 angeordnet. Das LO- und ZF-Verteilersubstrat 75 umfasst LO- und ZF-Verteilerkreise, um das Signal des lokalen Oszillators und das Zwischenfrequenzsignal auf entsprechende Anschlüsse in dem HF-Gehäuse 64 zu verteilen. Das ZF-Phasenregelungssubstrat 76 wird zur Bereitstellung einer groben Phasenkompensation zur Phasenangleichung jedes der Empfängerkanäle verwendet und stellt eine zusätzliche ZF-Signalverstärkung bereit.
Nachdem die Mischersubstrate 68, das LO- und ZF-Verteilersubstrat 75 und das ZF-Phasenregelungssubstrat 76 in dem Gehäuse 64 angeordnet sind, wird die HF-Isolierabdeckung 60 darüber angeordnet. Die HF-Modulabdeckung 58, der Schalter 55 und das Horn 51 können daraufhin mit dem HF-Modulgehäuse 64 gekoppelt werden.
In dem HF-Gehäuse 64 ist ebenfalls eine Vielzahl von Öffnungen 88 bereitgestellt, durch die entsprechende der ZF-Schnittstellenanschlüsse 90 angeordnet sind, um eine HF-Verbindung zwischen dem HF-Gehäuse 64 und einem ZF-Gehäuse 92 zu bilden. Im dem ZF-Gehäuse 92 ist ein ZF-Substrat 94 angeordnet. Auf dem ZF-Substrat 94 ist ein einpulsiges Vergleichernetz mit integriertem Monolithmikrowellenschaltkreis (MMIC) angeordnet. Es reicht hier aus, darauf hinzuweisen, dass das einpulsige MMIC-Vergleichernetz Signale empfängt, die daran angelegt werden, und an den Ausgangsanschlüssen 92a–92d des ZF-Gehäuses 92 einpulsige Ausgangssignale bildet. Eine ZF-Modulabdeckung 96 ist über der offenen Fläche des ZF-Gehäuses 92 angeordnet und ein ZF-Evakuierungsgehäuse 98 ist über einer zweiten gegenüberliegenden Fläche des ZF-Gehäuses 92 angeordnet. Die ZF-Baugruppe wird über einen Evakuierungsanschluss 98a evakuiert, der in dem ZF-Evakuierungsgehäuse 98 vorgesehen ist. Das ZF-Modul kann ebenfalls Amplituden- und Phaseneinstellkreise umfassen, die den Amplituden- und Phaseneinstellkreisen 36 entsprechen, die oben im Zusammenhang mit 1 und 1A beschrieben wurden.
Die Mischerkreise 69 legen ZF-Signale an entsprechende der LNAs 30 an (2C), die ihrerseits über Durchführungskreise 90 verstärkte ZF-Signale an Amplituden- und Phaseneinstellkreise 36 (2C) und den einpulsigen Schaltkreis 40 (2C) anlegen.
Wie aus 2 ersichtlich ist, stehen von dem HF-Gehäuse 64 von einer unteren Fläche desselben ein Paar Kältereglerrohrgehäuse 80 hervor. Die Kältereglerrohrgehäuse 80 nehmen Kältereglerbaugruppen 82 auf, die zur Kühlung der Mischerdioden und der rauscharmen Verstärker verwendet werden, wodurch der Rauschwert der Empfängerbaugruppe 56 verringert wird. Ein HF-Evakuierungsgehäuse 84 ist über den Kältereglerrohrgehäusen und den Kältereglerbaugruppen 82 angeordnet und mit Hilfe einer luftdichten Dichtung, die durch eine Dichtung 86 gebildet wird, mit der unteren Fläche des HF-Gehäuses 64 gekoppelt. Die HF-Baugruppe wird über einen Evakuierungsanschluss 86a evakuiert, der in dem HF-Evakuierungsgehäuse 84 vorgesehen ist.
Bei einer Ausführungsform ist das Tieftemperaturkühlgerät aus rostfreiem Stahl hergestellt. Zwei Kälteregler führen Argongas zur Rückseite des HF-Gehäuses 64 unterhalb der Mischerdioden 71 (2D). Die beiden Kälteregler sind in einer Dewar-Baugruppe angeordnet, die ebenfalls als Evakuierungskammer dient. Durch die Dewar-Empfänger-Baugruppe wird ein Teilvakuum bis zur abgedichteten Hornbaugruppe gesogen. An allen mechanischen Grenzflächen werden zwischen der Horn- und Dewar-Baugruppe mit gefetteten O-Ringen Vakuumabdichtungen aufrechterhalten.
Typische Betriebsmerkmale eines voll integrierten W-Band-Empfängers 50, der Horn- und Schalterbaugruppen umfasst, sind in Tabelle 1 gezeigt. Diese Empfängerleistung wurde unter der Annahme einer Verbesserung aufgrund von Kühlung der Mischerdioden ermittelt.
TABELLE 1
Wie ebenfalls in 2 gezeigt, wurde der Empfänger 50 in zwei Hauptgehäuse unterteilt. Bei dieser Ausführungsform fängt das HF-Gehäuse 66 die HF-Energie ein, unterteilt das eingefangene HF-Signal in vier Kanäle und wandelt das HF-Signal abwärts auf den C-Band-Frequenzbereich. Die C-Band-Frequenzsignale werden an die rauscharmen Verstärker (LNAs) 30 in dem HF-Modul angelegt, die eine rauscharme Verstärkung bereitstellen. Die verstärkten C-Band-Frequenzsignale werden ausgehend von den Ausgangsanschlüssen 88 des HF-Gehäuses über die Anschlüsse 90 mit Eingangsanschlüssen des ZF-Gehäuses 92 gekoppelt. Das ZF-Gehäuse 92 umfasst Phasen- und Amplitudeneinstellkreise, die den Schaltkreisen 36 entsprechen, die oben im Zusammenhang mit 1 beschrieben wurden und zur korrekten Einstellung der Amplitude und der Phase der C-Band-Frequenzsignale verwendet werden, bevor die vier Signale von einem einpulsigen Schaltkreis verarbeitet werden, der einpulsige C-Bandausgangssignale des Empfängers 50 erzeugt.
Der tieftemperaturgekühlte rauscharme einpulsige Millimeterwellenempfänger 50 kann so konfiguriert werden, dass er an eine quasi-optische Übertragungsleitung angepasst ist, die die Speisung für eine Reflektorantenne mit großem Durchmesser bildet. Eine derartige Einheit kann ebenfalls unabhängig von dem Reflektor verwendet werden, um eine einpulsige Antennenleistung mit breiterem Strahl für kleine Geschosse bereitzustellen, oder sie kann in der fokalen Ebene einer Linsenbaugruppe angeordnet werden, um geeignete Speisebeleuchtungsmerkmale bereitzustellen. Zusätzlich zu Flugkörperradaranwendungen könnten andere Konfigurationen der grundlegendenen Mischerarchitektur (gekühlt oder ungekühlt) für verschiedene andere kommerzielle Millimeterwellenanwendungen von Nutzen sein, wie beispielsweise: Wetterradars, weltraumbasierte Radiometer sowie Satelliten- und Luftfahrzeugbord-Bildverarbeitungssysteme.
Unter Bezugnahme auf 3 ist eine HF-Empfängerbaugruppe 100 gezeigt, die als integrierter Millimeterwellenkreis (MIC) in einem einzelnen Modul hergestellt ist und Folgendes aufweist: einen Eingangsanschluss 100a für ein lokales Oszillatorsignal, einen Eingangsanschluss 100b für ein Kalibriersignal, Ausgangsanschlüsse 88a–88d für ein einpulsiges ZF-Signal und ein Paar Gleichstromvorspannungsabschlüsse 100c. Der HF-Mischerkreis 69 ist auf einem Substrat 68 angeordnet, das hier aus Aluminiumoxid mit einer Dicke von 0,005 Zoll oder einem anderen geeigneten Mikrowellen- bzw. Millimeterwellensubstratmaterial besteht, wie beispielsweise Quarz, geschmolzenem Siliciumdioxid, Galliumarsenid oder jedem anderen geeigneten Material, das Fachleuten bekannt ist. Auf einer unteren Fläche des Substrats 68 ist ein Masseebenenleiter 102 angeordnet. Über einer oberen Fläche des Substrats 68 ist eine Vielzahl von Streifenleitern 105 angeordnet, die HF-Signalpfade und ein antiparalleles Diodenpaar 104 bilden.
LO-Signale, die an den LO-Eingangsanschluss 100a angelegt werden, werden durch einen Stromteiler 106 gekoppelt und an einen zweiten und dritten Stromteiler 108, 110 angelegt, die den Strom weiter teilen und das LO-Signal an entsprechende Anschlüsse der Mischerkreise 69a–69c anlegen. Wenn die Mischer korrekt vorgespannt sind, erzeugen HF-Signale, die über die Wellenleiter an die antiparallelen Diodenpaare 104 angelegt werden, Zwischenfrequenzsignale an den ZF-Ausgangsanschlüssen des Mischers, die an Eingangsanschlüsse der rauscharmen Verstärker (LNAs) 112 mit integriertem Monolithmikrowellenschaltkreis (MMIC) gekoppelt werden. Jeder der LNAs 112 legt die ZF-Signale, die daran angelegt werden, an einen entsprechenden einer Vielzahl von Eingangsanschlüssen eines einpulsigen MMIC-Netzvergleichers 116 an. Der einpulsige MMIC-Vergleicher bildet einpulsige Signale und legt die einpulsigen Signale an ZF-Ausgangsanschlüsse 88a–88d an.
Es wird darauf hingewiesen, dass der Empfänger 100 bei dieser bestimmten Ausführungsform in einem einzelnen Gehäuse 101 angeordnet ist (im Gegensatz zu dem Konzept der mehrfachen Gehäuse, das oben im Zusammenhang mit 2 beschrieben wurde).
Bei Betrieb treten die W-Band-Signale durch Wellenleiterübertragungsleitungen, wie beispielsweise eine Wellenleiterübertragungsleitung WR 10, die in der vergoldeten Abdeckung 60 aus rostfreiem Stahl (2) bereitgestellt ist, in die HF-Baugruppe ein. Ein LO-Signal im Q-Band-Frequenzbereich wird durch einen HF-Anschluss, wie beispielsweise einen 2,4 Millimeter (mm) Koaxialanschluss, an den Eingangsanschluss 100a angelegt. Das LO-Signal wird durch eine Reihe von Wilkinson-Stromteilern 106, 108, 110 gekoppelt und an jeden der Mischerkreise 69a–69d angelegt.
Jeder der Mischer 69a–69d legt ein ZF-Signal an einen Eingang eines Galliumarsenid-(GaAs-)MMIC-LNA 112 an, der jedes der ZF-Ausgangssignale verstärkt. Die verstärkten ZF-Ausgangssignale werden von dem LNA 112 an entsprechende Eingangsanschlüsse eines einpulsigen Vergleicherkreises 116 gekoppelt. Der einpulsige Schaltkreis 116 empfängt die ZF-Signale, die daran angelegt werden, und erzeugt an ZF-Ausgangsanschlüssen 88a–88d einpulsige Ausgangssignale.
Bei einer bestimmten Ausführungsform wird der einpulsige Vergleicherkreis unter Verwendung von GaAs-MMIC-Verarbeitungsverfahren hergestellt und bildet die Summen- und Differenzsignale unter Verwendung von konzentrierten MMIC-Schaltkreiselementen.
Die ZF-Ausgangssignale und das Kalibriersignal werden durch OSMP-Glasperlenkoaxialanschlüsse an die jeweiligen Anschlüsse 88a–88d und 100b gekoppelt. Mit dem Gehäuse 101 ist ebenfalls ein Paar Bezugsspannungsvorspannungsklemmen 100b, 100c gekoppelt, durch die ein Gleichstromvorspannungssignal an die beiden Paare von rauscharmen Verstärkern gekoppelt wird. Bei einer bestimmten Ausführungsform wird die Vorspannungsquelle als Vorspannungsquelle mit +5 V Gleichstrom bereitgestellt und die LNAs sind so ausgewählt, dass ein Strom von etwa 80 mA gezogen wird.
Der Wellenleiter-Mikrostreifen-Sondenübergang 70 speist jedes W-Band-Signal in ein Diodenpaar eines subharmonischen Mischers ein. Die Diodenpaare können beispielsweise als Rücken-an-Rücken-Schottkydioden bereitgestellt sein, die auf Signale in dem Frequenzbereich, der von Interesse ist, ansprechen. Die Dioden mischen das W-Band-Signal mit der zweiten Harmonischen des Eingangs des lokalen Q-Band-Oszillators, um ein ZF-Signal zu erzeugen, das eine Frequenz im C-Band-Frequenzbereich aufweist.
Jedes der Aluminiumoxidmischersubstrate 68 ist mit einer Dicke von typischerweise etwa 0,005 Zoll (5 Mil) bereitgestellt, um einen korrekten Betrieb des Mischers im W-Band-Frequenzbereich sicherzustellen. Das Substrat, auf dem das LO-Verteilernetz und die gesamte ZF-Schaltungsanordnung angeordnet sind, ist als Aluminiumoxidsubstrat mit einer Dicke von etwa 0,010 Zoll (d.h. 10 Mil) bereitgestellt. Die HF-Baugruppe 100 verwendet eine Kombination aus Epoxiden und Lötzinn, um eine gute Anhaftung und einen guten Massekontakt zwischen den Substraten und dem Gehäuse 101 sowohl bei Zimmertemperaturbetrieb als auch bei Tieftemperaturbetrieb zu erzielen.
Unter Bezugnahme auf 4 zeigt eine teilweise auseinandergezogene Ansicht eines Empfängers 120 einen Dewar 122, der eine Kältereglerbaugruppe 123, die mit einem ersten Ende desselben gekoppelt ist, und ein HF-Modul 125, das mit einem zweiten Ende desselben gekoppelt ist, aufweist. Die Kältereglerbaugruppe 123 umfasst eine Kältereglerbasisplatte 133, die Kälteregler 134a, 134b und Kältereglerablassabschnitte 136a, 136b, die davon hervorstehen, aufweist. Das HF-Modul 125 umfasst eine HF-Modulabdeckung 124, einen Basisabschnitt 126 des HF-Moduls und Rohre 128a, 128b aus rostfreiem Stahl. Wenn das HF-Modul 125 mit dem Dewar 122 gekoppelt ist, ist das Modul 125 über einer O-Ringrille 130 angeordnet und die Rohre 128a, 128b nehmen Abschnitte der Kältereglerbaugruppe 123 auf. Das HF-Modul 125 besteht aus einem Material mit einem Wärmedehnungskoeffizienten, der relativ nahe an dem Wärmedehnungskoeffizienten der Substrate liegt, die in der HF-Modulbasis 126 angeordnet sind. Wenn die Schaltkreise, die in der Basis 126 angeordnet sind, beispielsweise als Dünnfilmaluminiumoxidmikrostreifenkreise bereitgestellt sind, kann die Basis 126 aus einem Material, wie beispielsweise Legierung 46, bereitgestellt werden, die einen Wärmedehnungskoeffizienten aufweist, der relativ nahe an dem Wärmedehnungskoeffizienten der Dünnfilmaluminiumoxidmikrostreifensubstrate liegt. Fachleuten ist selbstverständlich ersichtlich, dass andere Materialkombinationen ebenfalls verwendet werden können, um das Gehäuse und die darin angeordneten Substrate bereitzustellen.
Wie oben erwähnt, verwenden die subharmonisch gepumpten Mischer bei einer Ausführungsform die zweite Harmonische des LO-Signals, um die W-Band-HF-Energie, die auf die vier Kanalempfänger auftrifft, auf die gewünschte ZF-Frequenz, bei der sie leichter verarbeitet werden kann, effizient abwärtszuwandeln. GaAs-Schottky-Dioden mit Antiparallelstrahlleitung sind die nicht linearen Vorrichtungen, die in den Mischerkreisen 69a–69d verwendet werden. Die Dioden sind auf fünf (5) mm dicken Aluminiumoxidsubstraten befestigt, auf denen die Filterungs- und Übertragungsleitungsstrukturen für eine korrekte Impedanzanpassung an die Dioden bei den entsprechenden Frequenzen unter Verwendung von Dünnfilmtechnologie geätzt werden können.
Nachdem bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben wurden, wird demgemäß Fachleuten nun ersichtlich, dass andere Ausführungsformen, die deren Konzepte umfassen, verwendet werden können. Daher sollen diese Ausführungsformen nicht auf offenbarte Ausführungsformen beschränkt sein, sondern sie sollen nur durch den Bereich der angehängten Ansprüche eingeschränkt werden.

Claims

Einpulsiger HF-Empfänger (23), der Folgendes umfasst: eine Vielzahl von Mischern (48), wobei jeder Mischer einen HF-Signalanschluss (28a), einen LO-Signalanschluss (Lokaloszillator-Signalanschluss) (28b) und einen ZF-Signalanschluss (Zwischenfrequenz-Signalanschluss) (28c) aufweist und jeder der Mischer eine oder mehrere Mischerdioden umfasst; ein Mittel (26) zum Koppeln der HF-Energie an den HF-Signalanschluss jedes der Vielzahl von Mischern; eine Vielzahl von Zwischenfrequenzverstärkern (30), wobei jeder der Vielzahl von Zwischenfrequenzverstärkern einen Verstärkereingangsanschluss aufweist, der mit dem ZF-Signalanschluss (28c) eines jeweiligen der Vielzahl von Mischern gekoppelt ist, und jeder der Zwischenfrequenzverstärker einen Verstärkerausgangsanschluss aufweist; ein einpulsiges Vergleichernetz (40), das eine Vielzahl von einpulsigen Schaltkreiseingangsanschlüssen (40a–40d) und eine Vielzahl von einpulsigen Schaltkreisausgangsanschlüssen (41a–41d) aufweist, wobei jeder der Vielzahl von einpulsigen Schaltkreiseingangsanschlüssen mit dem Ausgangsanschluss eines jeweiligen der Vielzahl der Zwischenfrequenzverstärker gekoppelt ist; einen Amplituden- und Phaseneinstellkreis (36), der zwischen den Ausgangsanschlüssen (24a) der Vielzahl von Zwischenfrequenzverstärkern und den Eingangsanschlüssen (40a) des einpulsigen Vergleichernetzes gekoppelt ist; dadurch gekennzeichnet, dass der Empfänger des Weiteren ein unabhängiges Tieftemperaturkühlsystem (49) zum Kühlen der Mischerdioden auf eine vorherbestimmte Temperatur innerhalb eines vorherbestimmten Temperaturbereichs umfasst.
Empfänger nach Anspruch 1, wobei das Mittel zum Koppeln der HF-Energie an die Vielzahl von Mischern ein Mehrmodenhorn (51) umfasst, das einen ersten Anschluss (52) und einen zweiten Anschluss (57) aufweist, wobei das Mehrmodenhorn (51) benachbart zu der Vielzahl von Mischern angeordnet ist, so dass HF-Signale, die in den ersten Anschluss des Mehrmodenhorns eingespeist werden, an den zweiten Anschluss des Mehrmodenhorns und danach an die Vielzahl von Mischern gekoppelt werden.
Empfänger nach Anspruch 1 oder 2, wobei: jeder der Vielzahl von Mischerkreisen ein subharmonisch gepumpter Mischer ist, der eine Vielzahl von antiparallelen Diodenpaaren umfasst; wobei jeder der Vielzahl von Zwischenfrequenzverstärkern ein Zwischenfrequenzverstärker mit integriertem Monolithmikrowellenschaltkreis ist; das einpulsige Vergleichernetz ein einpulsiges Vergleichernetz mit integriertem Monolithmikrowellenschaltkreis ist und vorzugsweise des Weiteren einen Kalibrierkreis (42) zum Kalibrieren eines Signalpfads zwischen den ZF-Anschlüssen jedes der Vielzahl von subharmonisch gepumpten Mischern und den Ausgangsanschlüssen des einpulsigen Vergleichernetzes mit integriertem Monolithmikrowellenschaltkreis umfasst und optional wobei jedes der antiparallelen Diodenpaare GaAs-Schottky-Dioden umfasst.
Empfänger nach Anspruch 1, der des Weiteren Folgendes umfasst: (a) ein Gehäuse (64) (b) einen HF-Speisekreis, der mit dem Gehäuse gekoppelt ist, und (c) ein einpulsiges Substrat (94), auf dem das einpulsige Vergleichernetz als integrierter Schaltkreis angeordnet ist; wobei jeder der Mischer ein subharmonisch gepumpter Mischerkreis (69) ist, der in dem Gehäuse angeordnet ist, und jeder der Mischerkreise Folgendes umfasst: (1) eine Vielzahl von Mischerdiodensubstraten (68), die in dem Gehäuse angeordnet sind, wobei jedes der Substrate einen Diodenbefestigungsbereich aufweist, der in einen Mischerdiodenspeisebereich hervorsteht, und der Mischerdiodenspeisebereich dadurch gebildet wird, dass eine HF-Öffnung (62) in einer Abdeckung (60) bereitgestellt wird, die über dem Diodenbefestigungsbereich der Vielzahl von Substraten angeordnet ist; (2) ein antiparalleles Diodenpaar (104), das auf dem Diodenbefestigungsbereich jedes der Vielzahl von Substraten angeordnet ist; (3) einen Speisekreis; (4) einen LO-Verteilerkreis (106, 108, 110) und (5) einen ZF-Verteilerkreis.
Empfänger nach Anspruch 4, wobei das einpulsige Vergleichernetz mit integriertem Schaltkreis als einpulsiges Vergleichernetz mit integriertem Monolithmikrowellenschaltkreis bereitgestellt ist.
Empfänger nach Anspruch 5, wobei: das Gehäuse (64) einem HF-Gehäuse entspricht, in dem Folgendes angeordnet ist: die Vielzahl subharmonisch gepumpter Mischerkreise (69), der HF-Speisekreis, das Mittel zum Koppeln von HF-Energie an den HF-Signalanschluss jedes der Vielzahl subharmonisch gepumpter Mischerkreise, das einpulsige Substrat und ein einpulsiges Vergleichernetz mit integriertem Schaltkreis, das auf dem einpulsigen Substrat angeordnet ist; das einpulsige Substrat und das einpulsige Vergleichernetz mit integriertem Schaltkreis eine ZF-Schaltkreisbaugruppe bilden, die eine Vielzahl von ZF-Eingangsanschlüssen und eine Vielzahl von ZF-Ausgangsanschlüssen (92a–92d) aufweist, wobei die ZF-Schaltkreisbaugruppe Folgendes umfasst: ein ZF-Gehäuse (92), in dem das einpulsige Substrat (94) und das einpulsige Vergleichernetz (40) mit integriertem Schaltkreis angeordnet sind, und wobei jeder der Vielzahl von ZF-Eingangsanschlüssen mit einem jeweiligen Ausgangsanschluss der Ausgangsanschlüsse (88) der HF-Schaltkreisbaugruppe gekoppelt ist und wobei das HF- und das ZF-Gehäuse vorzugsweise Öffnungen aufweisen und der Empfänger des Weiteren eine Vielzahl von ZF-Schnittstellenanschlüssen (90) aufweist, wobei jeder der Vielzahl von ZF-Schnittstellenanschlüssen Folgendes aufweist: einen ersten Abschnitt, der in einer entsprechenden Öffnung der Öffnungen (88) in dem HF-Gehäuse angeordnet ist, und einen zweiten Abschnitt, der in einer entsprechenden Öffnung der Öffnungen in dem ZF-Gehäuse (92) angeordnet ist, um einen ZF-Signalpfad zwischen dem HF- und dem ZF-Gehäuse bereitzustellen.
Empfänger nach Anspruch 5 oder 6, wobei die ZF-Verstärker als ZF-Verstärkerkreise (30) bereitgestellt sind, die in dem HF-Schaltkreisbaugruppengehäuse angeordnet sind, wobei jeder der ZF-Verstärkerausgangsanschlüsse mit einem der Vielzahl von Eingangsanschlüssen des einpulsigen Vergleichernetzes mit integriertem Schaltkreis gekoppelt ist, und wobei vorzugsweise die antiparallelen Diodenpaare als integrierte Monolithmikrowellenschaltkreise bereitgestellt sind und die ZF-Verstärkerkreise als integrierte Monolithmikrowellenschaltkreise bereitgestellt sind.
Empfänger nach Anspruch 5, wobei: die ZF-Verstärker als Zwischenfrequenzverstärkerkreise (112) mit integriertem Monolithmikrowellenschaltkreis bereitgestellt sind, die auf dem Substrat angeordnet sind.
Empfänger nach Anspruch 5, wobei das Mischerdiodensubstrat Folgendes umfasst: ein Mischerbefestigungssubstrat, auf dem ein zu dem Mischer passender Schaltkreis angeordnet ist, und ein Mischerspeisesignalverteilungssubstrat (75), auf dem ein LO- und ein ZF-Verteilerkreis angeordnet sind, wobei der LO-Verteilerkreis einen Eingangsanschluss und eine Vielzahl von Ausgangsanschlüssen und der ZF-Verteilerkreis eine Vielzahl ein Eingangsanschlüssen und eine Vielzahl von Ausgangsanschlüssen aufweist.
Empfänger nach Anspruch 5, der des Weiteren Folgendes umfasst: ein Mehrmodenhorn (51) zum Koppeln von HF-Energie an die Vielzahl von subharmonisch gepumpten Mischern, wobei das Mehrmodenhorn einen ersten Anschluss (52) und einen zweiten Anschluss (57) aufweist und das Mehrmodenhorn benachbart zu der Vielzahl von Mischern angeordnet ist, so dass HF-Signale, die in den ersten Anschluss des Mehrmodenhorns gespeist werden, an den zweiten Anschluss des Mehrmodenhorns und danach an die Vielzahl von Mischern gekoppelt werden.
Empfänger nach Anspruch 5, wobei das Tieftemperaturkühlsystem (49) mit dem HF-Gehäuse gekoppelt ist und wobei der Empfänger des Weiteren ein Druckfenster (52) umfasst, das in dem Mehrmodenhorn (51) angeordnet ist, um eine Druckdichtung in dem Mehrmodenhorn bereitzustellen, und optional wobei jede mechanische Grenzfläche in dem HF-Schaltkreisbaugruppengehäuse und dem ZF-Schaltkreisbaugruppengehäuse O-Ringe umfasst, die eine Dichtung bereitstellen, die eine Evakuierung zum Tieftemperaturkühlen ermöglicht.
Empfänger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der des Weiteren Folgendes umfasst: eine Antenne (12), die eine Vielzahl von Antennenanschlüssen (12a–12d) aufweist, wobei die Antenne auf Signale mit einer Frequenz in einem vorherbestimmten Frequenzbereich reagiert, und eine Vielzahl von Schutzschaltkreisen (18), wobei jeder Schutzschaltkreis einen ersten Anschluss (19a) aufweist, der direkt mit einem entsprechenden der Vielzahl von Antennenanschlüssen (12a–12d) gekoppelt ist, und jeder Schutzschaltkreis auf eine erste Steuerung reagiert, die die Ausbreitung der Signale in einer ersten Richtung zwischen dem ersten Anschluss (19a) und einem zweiten Anschluss (19b) des Schutzschaltkreises ermöglicht, und auf ein zweites Steuersignal reagiert, das die Ausbreitung der Signale in einer zweiten entgegengesetzten Richtung zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss ermöglicht, wobei der zweite Anschluss mit dem HF-Signalanschluss eines der jeweiligen Mischer gekoppelt ist.
Empfänger nach Anspruch 12, wobei die Antenne ein gewelltes Horn (51) umfasst.
Empfänger nach Anspruch 13, der des Weiteren eine Modenstruktur (14) umfasst, die an einen Basisabschnitt (53) des gewellten Horns (51) gekoppelt ist, um Signale zwischen dem gewellten Horn und dem ersten Anschluss (19a) jedes der Vielzahl von Schutzschaltkreisen zu koppeln, und wobei die Vielzahl von Schutzschaltkreisen vorzugsweise eine Einrastferritisolatormatrix umfasst, die eine Vielzahl von Isolatoren (18a–18d) umfasst, wobei jeder der Isolatoren Folgendes aufweist: einen ersten Anschluss (19a), der dem ersten Anschluss (19a) des Schutzschaltkreises entspricht, einen zweiten Anschluss (19b), der dem zweiten Anschluss (19b) des Schutzschaltkreises entspricht, sowie einen dritten Anschluss (19c) und wobei der Empfänger des Weiteren vorzugsweise einen Kalibriersignalanlegkreis (44) umfasst, der mit den Schutzschaltkreisen gekoppelt ist, wobei der Kalibriersignalanlegkreis zum Anlegen eines Kalibriersignals an das Empfangssystem dient.
Empfänger nach einem der Ansprüche 12–14, der des Weiteren einen Kalibriersignalanlegkreis (44) umfasst, der mit der Vielzahl von Schutzschaltkreisen gekoppelt ist, wobei der Kalibriersignalanlegkreis (44) zum Anlegen eines Kalibriersignals an das Empfangssystem (10) dient, und wobei die Vielzahl von Schutzschaltkreisen vorzugsweise eine Einrastferritisolatormatrix umfasst, die eine Vielzahl von Isolatoren (18a–18d) umfasst, wobei jeder der Isolatoren einen ersten Anschluss, der dem ersten Anschluss des Schutzschaltkreises entspricht, einen zweiten Anschluss, der dem zweiten Anschluss des Schutzschaltkreises entspricht, sowie einen dritten Anschluss (19c) aufweist; wobei der Kalibriersignalanlegkreis mit dem dritten Anschluss (19c) jedes der Vielzahl von Isolatoren (18) gekoppelt ist.
Empfänger nach 12–15, der des Weiteren Folgendes umfasst: einen einpulsigen Kalibrierschaltkreis, der mit dem einpulsigen Netz zur Zufuhr eines einpulsigen Kalibriersignals zu dem einpulsigen Netz gekoppelt ist.
Empfänger nach Anspruch 16, der des Weiteren Folgendes umfasst: eine erste Vielzahl von Übertragungsleitungen (62), wobei jede der ersten Vielzahl von Übertragungsleitungen von einem ersten Medium bereitgestellt wird und Folgendes aufweist: ein erstes Ende, das mit einem entsprechenden Antennenanschluss der Vielzahl von Antennenanschlüssen gekoppelt ist, und ein zweites Ende, das mit dem ersten Anschluss eines entsprechenden Schutzschaltkreises der Vielzahl von Schutzschaltkreisen gekoppelt ist; eine zweite Vielzahl von Übertragungsleitungen (72), wobei jede der zweiten Vielzahl von Übertragungsleitungen von einem Medium bereitgestellt wird, das sich von dem der ersten Vielzahl von Übertragungsleitungen unterscheidet, und jede der zweiten Vielzahl von Übertragungsleitungen Folgendes aufweist: ein erstes Ende, das mit dem zweiten Anschluss eines entsprechenden Schutzschaltkreises der Vielzahl von Schutzschaltkreisen gekoppelt ist, und ein zweites Ende, das mit dem ersten Anschluss eines entsprechenden Mischers der Vielzahl von Mischern gekoppelt ist; und ein Mittel (70), das zwischen der ersten Vielzahl von Übertragungsleitungen und der zweiten Vielzahl von Übertragungsleitungen angeordnet ist, um ein Signal, das sich in dem ersten Übertragungsleitungsmedium ausbreitet, mit einem Signal, das sich in dem zweiten Übertragungsleitungsmedium ausbreitet, effizient zu koppeln.
Empfänger nach Anspruch 17, der des Weiteren einen Kalibriersignalanlegkreis (42a, 36) umfasst, der mit der ersten Vielzahl von Eingangsanschlüssen (40a–40d) des einpulsigen Netzes (40) gekoppelt ist, wobei der Kalibriersignalanlegkreis ein Kalibriersignal mit einer Frequenz innerhalb eines vorherbestimmten Bereichs von Frequenzen durch die erste Vielzahl von Eingangsanschlüssen an das einpulsige Netz anlegt, und wobei jeder der Vielzahl von Schutzschaltkreisen vorzugsweise als Einrastferritisolatoren (18a–18d) bereitgestellt ist, das System optional des Weiteren einen Kalibriersignalanlegkreis (44) umfasst, der mit dem Schutzschaltkreis gekoppelt ist, und der Kalibriersignalanlegkreis zum Anlegen eines Kalibriersignals an das Empfangssystem dient.
Empfänger nach Anspruch 17 oder 18, wobei die erste Vielzahl von Übertragungsleitungen als Wellenleiterübertragungsleitungen (62) bereitgestellt ist.
Empfänger nach Anspruch 19, wobei: die zweite Übertragungsleitung als Mikrostreifenübertragungsleitung (72) bereitgestellt ist, und das Mittel zur effizienten Überleitung eines Signals, das sich in dem ersten Übertragungsleitungsmedium (62) ausbreitet, zu einem Signal, das sich in dem zweiten Übertragungsleitungsmedium (72) ausbreitet, mindestens eine E-Ebenen-Sonde (70a) umfasst, die von einer Wand der Wellenleiterübertragungsleitungen in Richtung einer mittleren Längsachse der Wellenleiterübertragungsleitung hervorsteht, um die Energie von dem Wellenleiterübertragungsleitungsmedium effizient zum Mikrostreifenübertragungsleitungsmedium überzuleiten.
Empfänger nach Anspruch 20, wobei jeder der Vielzahl von Mischern (28) als subharmonisch gepumpter antiparalleler Schottky-Diodenmischer bereitgestellt ist.
Empfänger nach Anspruch 21, wobei: die Antenne Signale im W-Band-Frequenzbereich empfängt und der dritte Anschluss (28c) jedes der Mischer einem ZF-Signalanschluss entspricht und die Mischer ein ZF-Signal im C-Band-Frequenzbereich bereitstellen und das einpulsige Netz (40) vorzugsweise als integrierter Monolithmikrowellenschaltkreis bereitgestellt ist.
Empfänger nach einem der Ansprüche 16–22, der des Weiteren Folgendes umfasst: ein Mittel (37), das zwischen dem dritten Anschluss (28c) jedes der Mischer und dem entsprechenden Anschluss (40a–40d) des einpulsigen Netzes (40) angeordnet ist, um die Amplitude eines Signals einzustellen, das zwischen dem dritten Anschluss des Mischers an den einpulsigen Anschluss gekoppelt wird, und ein Mittel (38a), das zwischen dem dritten Anschluss jedes der Mischer und dem entsprechenden Anschluss des einpulsigen Netzes angeordnet ist, um die Phase eines Signals einzustellen, das zwischen den Mischern und dem einpulsigen Netz gekoppelt wird, und wobei der Empfänger vorzugsweise des Weiteren ein Mittel (42) umfasst, um vor dem einpulsigen Netz ein Kalibriersignal anzulegen, um einpulsige Amplituden- und Phasenfehler zu ermitteln.