DE3822880B3

DE3822880B3 - A group antenna element for an electronically pivotable antenna, electronically pivotable array antenna and method for producing a plurality of array antenna elements

Info

Publication number: DE3822880B3
Application number: DE3822880A
Authority: DE
Inventors: Claude Vergnolle
Original assignee: Thales SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1987-07-10
Filing date: 1988-07-06
Publication date: 2007-09-06
Anticipated expiration: 2008-07-07
Also published as: IT8867585A0; FR2890792A1; GB8816320D0

Abstract

Gruppenantennenelement für eine elektronisch verschwenkbare Antenne, welches vor einer reflektierenden Masseebene angeordnet ist und durch einen Primärstrahler angestrahlt wird, mit einem durch einen aktiven Reflektor gebildeten integrierten Phasenschieber, wobei das Gruppenantennenelement auf einem eigenleitenden Halbleiterplättchen einen Schaltungskreis trägt, der aus einer diffundierten oder implantierten Diode und aus einer Metallisierungsstruktur gebildet ist, welche ein Dipolelement zur Ankopplung an die vom Primärstrahler ausgehende Welle bildet; ferner mit:
– einem ersten Teil, der einen Mikrowellenteil bildet und auf dem Halbleiterplättchen (26; 50, 51) gebildet ist, auf dessen Vorderfläche die Diode (20) mit ihren Anschlußleitern (22) angeordnet ist, wobei das Halbleiterplättchen mit metallisierten Löchern (25) versehen ist, welche an die Anschlußleiter (22) angeschlossen sind, während die Rückseite metallisiert ist, um die reflektierende Masseebene (30) sowie Anschlußflächen (31) zu bilden, die mit den Ausmündungen der metallisierten Löcher (25) verbunden sind;
– einem zweiten Teil, der einen Steuerteil bildet und auf wenigstens einem weiteren,...A group antenna element for an electronically pivotable antenna, which is arranged in front of a reflecting ground plane and is illuminated by a primary radiator, with an integrated phase shifter formed by an active reflector, wherein the array antenna element on an intrinsic semiconductor chip carries a circuit consisting of a diffused or implanted diode and is formed of a metallization structure, which forms a dipole element for coupling to the outgoing from the primary radiator shaft; furthermore with:
- A first part which forms a microwave part and on the semiconductor chip (26; 50, 51) is formed, on the front surface of the diode (20) is arranged with their connecting conductors (22), wherein the semiconductor chip with metallized holes (25) which are connected to the leads (22) while the back surface is metallized to form the reflective ground plane (30) and pads (31) connected to the mouths of the metallized holes (25);
- A second part, which forms a control part and on at least one other, ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Gruppenantennenelement für eine elektronisch verschwenkbare Antenne, eine elektronisch verschwenkbare Gruppenantenne unter Verwendung des Gruppenantennenelements sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Mehrzahl von Gruppenantennenelementen.The The invention relates to a group antenna element for an electronically pivotable Antenna, using an electronically pivotable array antenna of the array antenna element and a method of manufacturing a plurality of array antenna elements.

Elektronisch verschwenkbare Antennen sind bekannt. Sie umfassen einen Primärstrahler, der eine reflektierende aktive Gruppenstruktur anstrahlt, durch welche die Phase der auftreffenden und daran reflektierten Welle örtlich Punkt für Punkt verändert werden kann. Auf diese Weise kann das reflektierte Bündel in Abhängigkeit von den verursachten Phasenverschiebungen abgelenkt werden, um so eine elektronisch verschwenkbare Antenne zu verwirklichen, wenn die Phasenverschiebungen elektronisch gesteuert werden.electronic pivotable antennas are known. They include a primary radiator, which illuminates a reflective active group structure which locally spot the phase of the impinging and reflected wave for point to be changed can. In this way, the reflected bundle can be caused depending on the Phase shifts are deflected so as to electronically pivot Antenna realize when the phase shifts electronically controlled become.

Eine erste Lösung zur Verwirklichung einer derartigen Antenne ist in 1 gezeigt. Eine Primärquelle 1 strahlt einen allgemein ebenen Reflektor an, der aus einem Mosaik von Moduln gebildet ist. Jeder Modul umfaßt ein Strahlerelement 3 und einen Phasenschieber 4, der durch einen Kurzschluß geschlossen ist. Die von der Quelle 1 ausgehende Welle wird von den Elementen 3 aufgenommen, erfährt eine erste Phasenverschiebung ψ in den Phasenschiebern, wird an dem Kurzschluß reflektiert und erfährt eine zweite Phasenverschiebung in den Phasenschiebern, um anschließend von den Elementen 3 abgestrahlt zu werden. Wenn die Phasenverschiebungen in den verschiedenen Phasenschiebern in geeigneter Weise gesteuert werden, so kann die Senderichtung der Antenne gesteuert werden. Ein dieser Lösung anhaftender Mangel besteht darin, daß eine vollkommene Anpassung jedes Strahlerelementes gefordert wird. Jegliche Fehlanpassung kann einerseits dazu führen, daß ein Teil der aus der Primärquelle empfangenen Energie reflektiert wird, ohne daß die Phase durch den zugeordneten Phasenschieber geändert wird, und andererseits dazu, daß ein Teil der Energie, der den normalen Weg durchlaufen hat und nach Durchgang durch den Phasenschieber abgestrahlt werden soll, zu dem Kurzschluß reflektiert wird. Dieser Energieanteil durchläuft erneut den Phasenschieber und weist daher nicht mehr die gewählte Phase auf, wenn er ausgesendet wird. Das Strahlerelement muß daher sorgfältig angepaßt werden, was in der Praxis und in der umgebenden Gruppenstruktur sehr schwierig ist.A first solution for realizing such an antenna is in 1 shown. A primary source 1 illuminates a generally planar reflector formed by a mosaic of modules. Each module comprises a radiating element 3 and a phase shifter 4 which is closed by a short circuit. The one from the source 1 outgoing wave is from the elements 3 is received, undergoes a first phase shift ψ in the phase shifters, is reflected at the short circuit, and undergoes a second phase shift in the phase shifters to subsequently from the elements 3 to be radiated. If the phase shifts in the various phase shifters are controlled appropriately, the transmission direction of the antenna can be controlled. One of this solution inherent defect is that a perfect fit of each radiator element is required. Any mismatch, on the one hand, may result in part of the energy received from the primary source being reflected, without the phase being changed by the associated phase shifter, and, on the other hand, a portion of the energy that has traveled the normal path and after passing through the phase shifter is to be radiated, is reflected to the short circuit. This part of the energy goes through the phase shifter again and therefore no longer has the selected phase when it is sent out. The radiating element must therefore be carefully adapted, which is very difficult in practice and in the surrounding group structure.

Eine weitere Lösung besteht darin, einen Reflexionskoeffizient der Größe Eins und mit variabler Phase vorzusehen, indem eine reaktive variable Impedanz vor dem Kurzschluß angeordnet wird, wie in 2 gezeigt ist. Auf diese Weise kann der Reflexionskoeffizient örtlich gesteuert werden, indem eine Gruppenstruktur von reaktiven Elementen vor einem Reflektor angeordnet wird. In der Praxis sind diese reaktiven Elemente durch ein Element zur Ankopplung an die auftreffende Welle, beispielsweise ein Strahlerdipol, und eine reaktive variable Last gebildet, z.B. eine Diode mit variabler Kapazität oder eine Diode mit zwei Zuständen wie eine PIN-Diode oder eine Gruppe solcher Dioden. Diese Dioden werden durch Spannungen polarisiert, die über eine Verdrahtung herangeführt werden, welche von der Mikrowelle entkoppelt ist.Another solution is to provide a one and variable phase reflection coefficient by placing a reactive variable impedance before shorting, as in FIG 2 is shown. In this way, the reflection coefficient can be locally controlled by arranging a group structure of reactive elements in front of a reflector. In practice, these reactive elements are constituted by an element for coupling to the impinging wave, for example a radiator dipole, and a reactive variable load, eg a variable capacitance diode or a two state diode such as a PIN diode or a group of such diodes , These diodes are polarized by voltages that are brought in via a wiring that is decoupled from the microwave.

Eine erste, in 3 gezeigte bekannte Ausführung besteht darin, eine Verdrahtung zu verwenden, die senkrecht zur Reflektorebene 10 verläuft. In diesem Falle wird jeder Modul, der das Strahlerelement 7, die Diode 8, die Verdrahtung und eine Entkopplungskapazität 9 umfaßt, von einer einzigen Karte 6 getragen, die senkrecht zum Reflektor steht. Eine solche Bauform ist leichter zu verwirklichen als die zuvor beschriebene, es verbleibt jedoch die Schwierigkeit, daß die Anordnung der Dioden ein aufwendiger Vorgang ist.A first, in 3 The known embodiment shown is to use a wiring which is perpendicular to the reflector plane 10 runs. In this case, each module that is the radiator element 7 , the diode 8th , the wiring and a decoupling capacity 9 includes, from a single card 6 worn, which is perpendicular to the reflector. Such a design is easier to implement than that described above, but there remains the difficulty that the arrangement of the diodes is a complex process.

Eine weitere, in 4 gezeigte Lösung besteht darin, eine Verdrahtung zu verwenden, die parallel zur Reflektorebene verläuft, jedoch senkrecht zu dem elektrischen Feld der Mikrowelle. Die gezeigte einfachste Verwirklichung dieser Lösung besteht darin, daß alle Elemente einer selben Zeile (oder Spalte) miteinander verbunden werden, um sie gemeinsam zu speisen, wodurch die Anzahl von Polarisations-Zuleitungsdrähten erheblich vermindert wird. So werden die Kopplungselemente 13, die Zeilen 11, 12 und die Dioden 10 von einem selben Träger getragen, der parallel zur Reflektorebene ist. Auch hier tritt aber der Mangel auf, daß die Dioden in Stellung gebracht werden müssen. Überdies erfolgt die Steuerung der Phase nur Zeile für Zeile und nicht Element für Element, wodurch somit die Verschwenkung des Bündels auf eine einzige Ebene begrenzt wird.Another, in 4 The solution shown is to use a wiring that is parallel to the reflector plane, but perpendicular to the electric field of the microwave. The simplest implementation of this solution shown is that all the elements of a same row (or column) are connected together to feed them together, thereby significantly reducing the number of polarization lead wires. This is how the coupling elements become 13 , the lines 11 . 12 and the diodes 10 supported by a same carrier, which is parallel to the reflector plane. Again, however, the lack occurs that the diodes must be brought into position. Moreover, the control of the phase is done only line by line rather than element by element, thus limiting the pivoting of the beam to a single plane.

Diese Mängel sind noch stärker ausgeprägt, und die Kosten werden untragbar, wenn die Antennen im Millimeterband betrieben werden sollen. Für einen Betrieb im Millimeterband können die Abmessungen der Antennen einige Zehn Wellenlängen betragen, während die Anzahl von Dioden, die ungefähr um eine halbe Wellenlänge in den beiden Dimensionen beabstandet sind, auf Tausende oder Zehntausende anwächst. In einem solchen Falle ist es praktisch ausgeschlossen, die Dioden einzeln anzuordnen. Um diesem Mangel abzuhelfen, ist in der nicht vorveröffentlichten EP 0 237 429 A2 eine Technik zur Sammelherstellung von Dioden und Verdrahtungen vorgeschlagen. Hierbei werden die Kopplungselemente CP (5), die Steuerdioden D und die Verdrahtungen auf demselben Halbleitersubstrat S mittels Techniken der monolithischen Integration hergestellt. Die den Kopplungselementen CP gegenüberliegende Substratoberfläche weist eine Masseebene PM auf, welche die Funktion der Reflektorebene erfüllt. Die 6 zeigt eine Draufsicht eines sich räumlich wiederholenden Schaltungskreises, bei dem dieses Prinzip angewandt wird und eine Phasensteuerung möglich ist. Dieser Schaltungskreis umfaßt drei metallisierte Streifen 14, 15, 16, die untereinander mit einem Teilungsschritt, der ungefähr eine halbe Wellenlänge beträgt, durch Dioden 17 verbunden sind. Die aufeinanderfolgenden Streifen sind an ihrem Ende durch eine Entkopplungskapazität verbunden; der Streifen 15 ist mit Masse verbunden, und Spannungen V1, V2 sind an die Streifen 14, 16 angelegt, um die Dioden in geeigneter Weise zu polarisieren. Diese Dioden sind beispielsweise in Planartechnik hergestellt, durch direktes Diffundieren in einem Halbleiterabschnitt 18, der als Substrat dient, wobei die Rückseite eine Metallisierung 19 trägt, wie in 7 gezeigt ist.These shortcomings are even more pronounced and the cost becomes prohibitive if the antennas are to be operated in the millimeter band. For operation in the millimeter band, the dimensions of the antennas may be tens of wavelengths, while the number of diodes spaced approximately half a wavelength in the two dimensions increases to thousands or tens of thousands. In such a case, it is practically impossible to arrange the diodes individually. To remedy this deficiency is in the not previously published EP 0 237 429 A2 proposed a technique for collecting diodes and wirings. In this case, the coupling elements CP ( 5 ), the control diodes D, and the wirings on the same semiconductor substrate S are fabricated by monolithic integration techniques. The opposite the coupling elements CP lying substrate surface has a ground plane PM, which fulfills the function of the reflector plane. The 6 shows a plan view of a repeating circuit circuit, in which this principle is applied and a phase control is possible. This circuit circuit comprises three metallized strips 14 . 15 . 16 which are interconnected by diodes with a pitch step that is approximately half a wavelength 17 are connected. The successive strips are connected at their end by a decoupling capacity; the stripe 15 is connected to ground, and voltages V1, V2 are connected to the strips 14 . 16 applied to polarize the diodes in a suitable manner. These diodes are manufactured, for example, in planar technology, by direct diffusion in a semiconductor section 18 which serves as a substrate, the back of which is a metallization 19 carries, as in 7 is shown.

Eine solche Lösung zeichnet sich durch sehr geringe Herstellungskosten und sehr geringe Streuung der Kenndaten von einem Element zum anderen aus, was für die Verwirklichung einer Antenne mit elektronischer Verschwenkung von grundlegender Bedeutung ist. Diese oben beschriebene Lösung ermöglicht zwar ein Verdrahtungsnetzwerk, das nur eine Parallelschaltung der reaktiven Elemente durchführt, indem die Dioden zeilenweise gesteuert werden, ist jedoch mit dem Mangel behaftet, daß eine Verschwenkung nur in einer einzigen Ebene möglich ist.A such solution is characterized by very low production costs and very low Scattering of the characteristic data from one element to another, resulting in the realization an antenna with electronic pivoting of fundamental importance is. This solution described above allows Although a wiring network that only a parallel connection of performs reactive elements, By controlling the diodes line by line, however, is with the Lack of that pivoting only in a single plane is possible.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gruppenantennenelement für eine Antenne mit elektronischer Verschwenkung zu schaffen, bei dem die Vorteile einer Anwendung bekannter monolithischer Integrationstechniken ausgenutzt werden, wobei jedoch eine individuelle Ansteuerung der Dioden erhalten bleibt, so daß eine Verschwenkung in zwei aufeinander senkrechten Ebenen ermöglicht wird.Of the Invention is based on the object, a group antenna element for one To provide antenna with electronic pivoting, in which the Advantages of using known monolithic integration techniques be exploited, but with an individual control of the Diodes is preserved, so that a Pivoting is possible in two mutually perpendicular planes.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist das Gruppenantennenelement gemäß der Merkmalskombination des Patentanspruchs 1 ausgebildet.to solution This task is the group antenna element according to the feature combination of Patent claim 1 is formed.

Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, das Antennenelement in zwei Teilen auszubilden, so daß jeder Teil, nämlich der Mikrowellenteil und der Steuerteil, in der hierfür üblichen Technik ausgeführt werden kann.The Invention is based on the idea of the antenna element in two parts train so that everyone Part, namely the microwave part and the control part, in the usual for this Technology to be performed can.

Durch die Erfindung wird weiterhin eine Gruppenantenne mit elektronischer Verschwenkung und mit integrierten Phasenschiebern geschaffen, die mehrere Antennenelemente der oben beschriebenen Art umfaßt, die in gleichen Abständen nebeneinander angeordnet und auf einem einzigen Sockel angebracht sind, der einen Kühlkörper bildet.By The invention will further be a group antenna with electronic Pivoting and created with integrated phase shifters that comprises a plurality of antenna elements of the type described above, the at equal intervals arranged side by side and mounted on a single base are, which forms a heat sink.

Weiterhin wird durch die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Mehrzahl von Gruppenantennenelementen geschaffen, welches im Patentanspruch 8 angegeben ist.Farther is a method for producing a plurality by the invention created by array antenna elements, which in the claim 8 is indicated.

Durch ein solches Verfahren wird eine wirtschaftliche Herstellung in voll befriedigender Qualität selbst für Wellenlängen im Bereich der Millimeterwellen ermöglicht.By Such a process will be an economical production in full satisfactory quality itself for wavelengths in the Range of millimeter waves.

Einzelheiten mehrerer Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und aus der Zeichnung, auf die Bezug genommen wird. In der Zeichnung zeigen:details several embodiments of the Invention will become apparent from the following description and from the Drawing to which reference is made. In the drawing show:

1 bis 4 Skizzen zur Erläuterung bekannter Ausführungen von Gruppenantennen mit elektronischer Verschwenkung durch Reflexion; 1 to 4 Sketches for explaining known versions of group antennas with electronic pivoting by reflection;

5 bis 7 Prinzipskizzen zur Erläuterung einer bekannten Ausführung unter Anwendung der Technik monolithischer Integration; 5 to 7 Schematic diagrams for explaining a known embodiment using the technique of monolithic integration;

8 ein Schema zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung des Mikrowellenteils der erfindungsgemäßen Gruppenantenne; 8th a diagram for explaining the method according to the invention for the preparation of the microwave part of the array antenna according to the invention;

9 einen Schnitt des erfindungsgemäßen Antennenelementes vor dem Zusammenbau des Mikrowellenteils und des Steuerteils; 9 a section of the antenna element according to the invention prior to assembly of the microwave part and the control part;

10 ein Schaltbild, welches die Schaltkreise zeigt, die der Steuerteil des erfindungsgemäßen Antennenelementes aufweist; 10 a circuit diagram showing the circuits having the control part of the antenna element according to the invention;

11 ein Schaltbild einer vollständigen erfindungsgemäßen Gruppenantenne; 11 a circuit diagram of a complete inventive array antenna;

12 eine Schnittansicht der erfindungsgemäßen Gruppenantenne; 12 a sectional view of the array antenna according to the invention;

13 einen Schnitt einer anderen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Antennenelementes; und 13 a section of another embodiment of an antenna element according to the invention; and

14 eine Schnittansicht einer weiteren Variante nach der Erfindung. 14 a sectional view of another variant of the invention.

Die 1 bis 7 wurden eingangs bereits zum Stand der Technik beschrieben.The 1 to 7 were already described at the beginning of the prior art.

Wie eingangs bereits ersichtlich wurde, kann in der Praxis nur durch Anwendung der monolithischen Integration für den Bereich der Millimeterwellen eine Antenne mit elektronischer Verschwenkung durch Reflexion bei tragbaren Rosten verwirklicht werden.As was already apparent in the beginning, can in practice only by Application of monolithic integration for the range of millimeter waves an antenna with electronic pivoting by reflection at portable grates are realized.

Die bekannten Lösungen ermöglichen jedoch keine Verschwenkung in zwei Ebenen.The known solutions ever allow but no pivoting in two levels.

Das durch die Erfindung vorgeschlagene Grundprinzip zur Lösung dieses Problems besteht darin, die Antenne bzw. das Antennenelement in zwei Teile aufzugliedern. Zur Herstellung der vielen Tausend Dioden, die für einen Teilungsschritt im Millimeterbereich benötigt werden, müssen diese Dioden mit ihrem Kopplungselement monolithisch integriert werden. Soweit es sich um Siliziumdioden oder Galliumarsenid-Dioden oder Dioden aus einem anderen Material handelt, müssen sie auf einem eigenleitenden Halbleiterplättchen integriert werden, welches den gesamten Mikrowellenteil umfaßt.The proposed by the invention basic principle to solve this Problem is the antenna or the antenna element in to split two parts. To make the many thousands of diodes the for a division step in the millimeter range are needed, this must Diodes are monolithically integrated with their coupling element. As far as silicon diodes or gallium arsenide diodes or Diodes are made of a different material, they must be integrated on an intrinsic semiconductor chip which covers the entire microwave part.

Zur Erzielung einer elektronischen Verschwenkung in zwei Ebenen ist es weiterhin erforderlich, die Dioden (oder Gruppen von Dioden) unabhängig voneinander zu polarisieren. Ihnen müssen folglich elementare Ansteuer-Verstärker zugeordnet werden, die ihrerseits leicht gesteuert werden können.to Achieving electronic pivoting in two levels it still requires the diodes (or groups of diodes) independently polarize each other. They must therefore be assigned elementary drive amplifiers, which in turn can be easily controlled.

Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, diese Verstärker und ihre Steuerlogik auf demselben Halbleiterplättchen zu integrieren, welches auf der Rückseite der Reflektorebene liegt und leicht mit dem Mikrowellenplättchen verbunden werden kann.According to the invention is provided, these amplifiers and to integrate their control logic on the same die, which on the back side the reflector plane is located and slightly connected to the microwave plate can be.

Die 8 zeigt eine Teilansicht des Mikrowellenplättchens in zwei verschiedenen Herstellungsstufen. In einer ersten Stufe wird auf der Vorderseite des Plättchens aus einem eigenleitenden Halbleiter eine Matrix von PIN-Dioden 20 diffundiert, mit einem Teilungsschritt von der Größenordnung einer halben Wellenlänge, gemeinsam mit Prüf-Metallisierungsflächen 21 (linker Teil in 8). Diese Metallisierungen für die so vordiffundierten Dioden ermöglichen eine Überprüfung der Dioden und gegebenenfalls eine Durchtrennung der Verbindungen der kurzgeschlossenen Dioden mittels eines Laserstrahls, wodurch anschließend vermieden wird, daß die Polarisationsquellen diese Dioden unnötig mitspeisen.The 8th shows a partial view of the microwave wafer in two different stages of production. In a first stage, an intrinsic semiconductor becomes a matrix of PIN diodes on the front of the die 20 diffused, with a pitch step of the order of half a wavelength, along with test metallization surfaces 21 (left part in 8th ). These metallizations for the thus pre-diffused diodes allow a review of the diodes and optionally a cut through the connections of the shorted diodes by means of a laser beam, thereby subsequently avoiding that the polarization sources unnecessarily mitigate these diodes.

Sofern die Anzahl von nicht einwandfreien Dioden kleiner als etwa 10% pro Plättchen bleibt und ihre Verteilung zufällig ist, wird die Leistungsfähigkeit der Antenne nicht merklich beeinträchtigt.Provided the number of improper diodes is less than about 10% per Tile remains and their distribution at random is, the performance of the Antenna not noticeably affected.

Anschließend werden in dem Plättchen feine Löcher (25 im rechten Teil der 8) gebohrt, entweder mittels Laserstrahlen oder chemisch, oder auch mittels jedes anderen geeigneten Verfahrens, um die Zuführung der Polarisation zu den Dioden zu ermöglichen. Anschließend wird das Plättchen auf seinen beiden Flächen und in den Löchern metallisiert. Daraufhin werden auf der Vorderseite des Plättchens durch ein Gravierverfahren wie die Fotolithografie die Kopplungsmuster 23 und die Polarisationsleiter 22 zwischen den metallisierten Löchern 25 und den Dioden 20 (rechter Teil in 8) gebildet. Die Löcher liegen in denjenigen Zonen der Antenne, bei denen die Feldstärke minimal ist, und nehmen daher nur einen sehr kleinen Bruchteil der Mikrowellenenergie auf. Erforderlichenfalls können aber auch Entkopplungskapazitäten 24 vorgesehen werden, die in herkömmlicher Weise nach dem Zweischichtverfahren gebildet werden, welches bei integrierten Scnhaltungen angewendet wird.Subsequently, fine holes (25 in the right part of the 8th ), either by laser beams or chemically, or by any other suitable method to allow the polarization to be delivered to the diodes. Subsequently, the plate is metallized on its two surfaces and in the holes. Then, on the front side of the chip, by an engraving method such as photolithography, the coupling patterns 23 and the polarization conductors 22 between the metallized holes 25 and the diodes 20 (right part in 8th ) educated. The holes lie in those zones of the antenna where the field strength is minimal, and therefore absorb only a very small fraction of the microwave energy. If necessary, but can also decoupling capacity 24 are provided, which are formed in a conventional manner by the two-layer method, which is used in integrated Scnhaltungen.

Mittels desselben Gravierverfahrens werden dann auf der Rückseite des Plättchens die Masseebene und die Anschlußstellen für die Polarisation an der Ausmündung der metallisierten Löcher gebildet. Dieser Herstellungsschritt ist in 9 veranschaulicht, welche das erfindungsgemäße Antennenelement im Schnitt entlang der Linie IX-IX in 8 vor dem Zusammenfügen der beiden Teile, nämlich des Mikrowellenteils und des Steuerteils, zeigt. Das Mikrowellenplättchen besteht aus einer Scheibe 26 eines eigenleitenden Halbleiters, dessen Vorderfläche, wie bereits ersichtlich wurde, die Dioden 20 und die Kopplungselemente 23 trägt und dessen Rückseite die Masseebene 30 sowie die Polarisations-Anschlußstellen 31 um die metallisierten Löcher 25 herum trägt. Die Dicke des Plättchens muß die Größenordnung einer viertel Wellenlänge im Inneren des Materials aufweisen. Unter dem Mikrowellenplättchen ist das Steuerplättchen gezeigt, das, wie weiter unten ersichtlich wird, durch Integration auf einer Scheibe 34 aus dotiertem Halbleiter gebildet wird.By means of the same engraving process, the ground plane and the polarization connection points at the mouth of the metallized holes are then formed on the rear side of the chip. This manufacturing step is in 9 illustrates which the antenna element according to the invention in section along the line IX-IX in 8th before the joining of the two parts, namely the microwave part and the control part, shows. The microwave plate consists of a disk 26 an intrinsic semiconductor whose front surface, as has already been seen, the diodes 20 and the coupling elements 23 carries and whose back the ground plane 30 as well as the polarization connection points 31 around the metallized holes 25 carries around. The thickness of the wafer must be on the order of a quarter wavelength in the interior of the material. Below the microwave wafer is shown the pad which, as will be seen below, is integrated on a wafer 34 is formed of doped semiconductor.

Die Schaltungskreise, welche das Steuerplättchen trägt, sind in 10 gezeigt. Auf dem dotierten Halbleiter sind in herkömmlicher Weise Steuerschaltungen 37 für PIN-Dioiden diffundiert, mit demselben Teilungsschritt wie die Dioden auf dem Mikrowellenplättchen. Eine Steuerschaltung 37 umfaßt in bekannter Weise zwei Steuerverstärker 35, von denen jeder an einen der komplementären Ausgänge einer Schieberegisterstufe 36 angeschlossen ist, welche die Steuerlogik bildet. Die Ausgänge 32 der Steuerverstärker sind in Form von lötfähigen Metallisierungsflächen ausgebildet, die in 9 ebenfalls ersichtlich sind. Diese Flächen sind gegenüber den entsprechenden Anschlußstellen 31 des Mikrowellenplättchens angeordnet. Die eindiffundierten Schaltungskreise 37 werden anschließend untereinander durch Metallisierungen verbunden, die durch Aufbringen einer einfachen oder einer doppelten Schicht auf der Vorderseite des Steuerplättchens gebildet werden und ein Netzwerk von Speiseleitern Ca bilden, wozu ein gemeinsamer Leiter C, die Versorgungsleiter + und –, welche die verschiedenen Steuerschaltungen und über diese die Dioden speisen, eine Taktleitung H und eine Steuerimpulsleitung Cm gehören, welche die unabhängige Ansteuerung aller Dioden einer Zeile in Serie ermöglicht, indem eine Reihe von codierten Impulsen auf den Leiter C gegeben wird.The circuits carrying the pad are in 10 shown. On the doped semiconductor are conventionally control circuits 37 diffused for PIN dioxides, with the same division step as the diodes on the microwave plate. A control circuit 37 comprises in known manner two control amplifiers 35 each of which is connected to one of the complementary outputs of a shift register stage 36 connected, which forms the control logic. The exits 32 the control amplifiers are in the form of solderable metallization surfaces, which in 9 are also apparent. These surfaces are opposite the corresponding connection points 31 arranged the microwave plate. The diffused circuit circuits 37 are then interconnected by metallizations formed by applying a single or double layer on the front of the pad to form a network of feeders Ca, including a common conductor C, the supply conductors + and -, covering the various control circuits and over them the diodes, a clock line H and a control pulse line Cm belong, which allows the independent driving of all the diodes of a line in series by a series of coded pulses is applied to the conductor C.

Das Steuerplättchen kann durch jedes herkömmliche Integrationsverfahren hergestellt werden, beispielsweise in Bipolar technik durch epitaxiales Wachsen auf einem stark dotierten Halbleitersubstrat. Es kann auch in MOS-Schaltungstechnik oder auch AsGa-Technik hergestellt werden, wenn eine hohe Geschwindigkeit gewünscht wird. Die zwei oben beschriebenen Plättchen werden auf sehr einfache Weise zusammengefügt. Die Metallisierungsflächen 32 des Steuerplättchens und die Polarisations-Anschlußstellen 31 des Mikrowellenplättchens, welche sich gegenüber befinden, sind nämlich mit einer herkömmlichen Endbearbeitung ausgestattet, damit sie lötfähig sind, während der übrige Teil der Schaltung ganz passiviert ist, beispielsweise durch eine Schicht aus SiO₂ oder Si₃N₄. Das Zusammenbauen nach Verzinnung oder gleichwirkender Vorbereitung besteht darin, die Anschlußbereiche und die ihnen gegenüberliegenden Anschlußstellen miteinander zu verlöten, indem sie in einen Infrarotofen oder eine andere geeignete Einrichtung eingebracht werden. Dies gewährleistet neben den erforderlichen elektrischen Verbindungen auch eine ausgezeichnete mechanische Verbindung, da eine sehr große Anzahl von Lötpunkten hergestellt wird.The control plate can be produced by any conventional integration method, for example in bipolar technology by epitaxial growth on a heavily doped semiconductor substrate. It can also be produced in MOS circuit technology or AsGa technology, if a high speed is desired. The two platelets described above are assembled in a very simple way. The metallization surfaces 32 of the pad and the polarization pads 31 That is, the microwave plate opposite to each other is provided with a conventional finish to be solderable while the remainder of the circuit is completely passivated, for example by a layer of SiO ₂ or Si ₃ N ₄ . Assembling after tinning or equivalent preparation consists of soldering the terminal portions and their opposite terminals together by placing them in an infrared oven or other suitable means. This ensures not only the required electrical connections but also an excellent mechanical connection, since a very large number of soldering points is produced.

Wenn das Mikrowellenplättchen und das Halbleiterplättchen aus verschiedenem Material bestehen, so ermöglicht eine ausreichend dicke Lötschicht den Ausgleich von Dehnungsunterschieden zwischen diesen beiden Werkstoffen.If the microwave plate and the semiconductor chip made of different material, so allows a sufficiently thick solder layer the compensation of expansion differences between these two materials.

Die Reflektor-Gruppenstruktur nach der Erfindung kann leicht mit einem einzigen Antennenelement der beschriebenen Art verwirktlicht werden, wenn die Abmessungen der verwendeten Halbleiterscheiben ausreichend groß gegenüber der Wellenlänge sind, was bei den höchsten Frequenzen im Millimeterband zutrifft. Andernfalls werden, wie in 11 gezeigt, mehrere Antennenelemente Re nebeneinander angeordnet, um die Kontur der gewünschten Antenne A zu erhalten.The reflector array structure according to the invention can be easily applied with a single antenna element of the type described if the dimensions of the semiconductor wafers used are sufficiently large in relation to the wavelength which applies at the highest frequencies in the millimeter band. Otherwise, as in 11 shown, several antenna elements Re arranged side by side to obtain the contour of the desired antenna A.

Da die angewendete Dichte von Dioden sehr groß ist, müssen die zusammengebauten Antennenelemente auf einen gut gekühlten Kühlkörper aufgebracht werden. In 12 sind zwei Plättchen 26, 34 ersichtlich, die auf einen Sockel 38 aufgesetzt sind, der einen Kühlkörper bildet und gleichzeitig den mechanischen Zusammenhalt im Falle der 11 gewährleistet. Der Sockel 38 kann aus SiC oder AlN bestehen, also aus Stoffen, deren Dehnungskoeffizienten sehr nahe bei denen von Silizium und Galliumarsenid liegen und die eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit aufweisen. In 12 ist auch die Primärquelle 39 mit ihrer Speisung 40 gezeigt.Since the applied density of diodes is very large, the assembled antenna elements must be mounted on a well-cooled heat sink. In 12 are two tiles 26 . 34 visible on a pedestal 38 are attached, which forms a heat sink and at the same time the mechanical cohesion in the case of 11 guaranteed. The base 38 may consist of SiC or AlN, ie of substances whose coefficients of expansion are very close to those of silicon and gallium arsenide and which have a very good thermal conductivity. In 12 is also the primary source 39 with their feed 40 shown.

13 zeigt eine erste Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Antennenelementes. Zwar sind die Halbleiterscheiben mit sehr kleinen Ebenheitstoleranzen hergestellt, dennoch können sich in einigen Fällen Schwierigkeiten beim Zusammenbauen durch Verlöten von zwei ganzen Scheiben ergeben. Bei der Variante nach 13 wird jede Steuerschaltung 37 auf einem getrennten Chip 41 hergestellt. Das Netzwerk von Speiseleitern wird dann durch eine Doppelschicht 42 auf der Rückseite des Mikrowellenplättchens 26 gebildet. Zusätzlich zu den Metallisierungsbereichen 32 trägt jeder Chip 41 die Metallisierungsflächen 43, die erforderlich sind, um die Verbindungen mit dem Speisenetzwerk auf der Mikrowellenplatte zu gewährleisten. Jeder Chip 41 wird also auf der Rückseite des Mikrowellenplättchens durch Verlöten seiner verchiedenen Metallisierungsflächen 32 und 43 aufgebaut. 13 shows a first embodiment of the antenna element according to the invention. While the wafers are manufactured with very small flatness tolerances, difficulties can sometimes arise in assembling by soldering two whole wafers. In the variant after 13 becomes every control circuit 37 on a separate chip 41 produced. The network of feeders is then through a double layer 42 on the back of the microwave plate 26 educated. In addition to the metallization areas 32 each chip carries 41 the metallization surfaces 43 which are necessary to ensure the connections to the food network on the microwave plate. Every chip 41 So is on the back of the microwave wafer by soldering his verchiedenen metallization 32 and 43 built up.

Die Doppelschicht der Rückseite des Mikrowellenplättchens kann ausgenutzt werden, um gleichzeitig auf der Höhe der Polarisations-Anschlußstellen die Entkopplungskapazitäten für die Diodenpolarisation zu verwirklichen, anstatt sie auf der Vorderseite zu bilden.The Double layer of the back of the microwave plate can be exploited to simultaneously at the height of the polarization connection points the decoupling capacities for the To realize diode polarization instead of putting it on the front to build.

Eine weitere Variante, die dasselbe Prinzip anwendet, ist in 14 gezeigt, bei welcher das Mikrowellenplättchen in einander völlig gleiche Moduln 50, 51 zerteilt ist, welche durch Schlitze 52 getrennt werden. Die Ausbildung des Antennenelementes ist im übrigen völlig gleich derjenigen, die oben beschrieben wurde, wobei das Steuerplättchen das Versorgungs leiternetzwerk trägt. Es ist lediglich vorgesehen, die Polarisations-Anschlußstellen zum Umfang der Moduln zu verlagern, um ihnen einen besseren Halt zu geben, wobei diese Stellen oder Flächen natürlich mit den entsprechenden metallisierten Löchern verbunden sind. Ferner ist erichtlich, daß die Metallisierungsflächen 32' des Plättchens 34 in gleicher Weise verlagert sind, um sich weiterhin gegenüber den Anschlußstellen zu befinden, mit denen sie verlötet werden sollen. Diese in 14 gezeigte Ausführungsform zeichnet sich durch den Vorteil aus, daß eventuelle Ebenheitsprobleme vermieden werden und der eventuellen Ausbreitung einer Welle im Inneren des Mikrowellenplättchens unter bestimmten Einfallswinkeln, die der Totalreflexion nahe kommen, vorgebeugt wird. Es ist weiterhin zu beachten, daß das Zusammenfügen der zwei Teile des Antennenelementes weiterhin durch eine Sammeloperation erfolgt. Das Mikrowellenplättchen wird also auf einem starren Träger in Moduln zersägt, und die Gesamtheit der nicht auf diesen Träger verlagerten Moduln wird anschließend auf dem Steuerplättchen verlötet. Eine solche Ausführung ermöglicht insbesondere das gegebenenfalls später durchzuführende Ersetzen eines fehlerhaften Mikrowellenmoduls.Another variant that applies the same principle is in 14 shown in which the microwave plate into each other completely identical modules 50 . 51 which is divided by slits 52 be separated. The formation of the antenna element is otherwise completely the same as that described above, wherein the control plate carries the supply ladder network. It is only intended to shift the polarization pads to the periphery of the modules to give them a better grip, these sites or surfaces being naturally connected to the corresponding metallized holes. Furthermore, it is clear that the metallization surfaces 32 ' of the slide 34 are displaced in the same way to continue to be located opposite the terminals with which they are to be soldered. This in 14 embodiment shown is characterized by the advantage that any flatness problems are avoided and the possible propagation of a wave in the interior of the microwave wafer at certain angles of incidence, which come close to the total reflection, is prevented. It should also be noted that the joining of the two parts of the antenna element continues to be done by a collection operation. The microwave plate is therefore sawed on a rigid support in modules, and the entirety of the modules not displaced on this carrier is then soldered to the control plate. Such an embodiment makes it possible, in particular, to replace the faulty microwave module, which may have to be carried out later.

Eine nach den Prinzipien der vorliegenden Erfindung hergestellte Antenne mit elektronischer Verschwenkung weist eine mechanische Festigkeit auf, die gegenüber anderen Systemen sehr günstig ist, denn sie besitzt keinerlei bewegliches Teil und zeichnet sich durch eine sehr kompakte Struktur aus. Diese Festigkeit ist bei bestimmten Anwendungen, bei denen die Antenne hohen Beanspruchungen ausgesetzt ist, von großem Vorteil.An electronic panning antenna made in accordance with the principles of the present invention has mechanical strength which is very favorable over other systems is, because it has no moving part and is characterized by a very compact structure. This strength is of great advantage in certain applications in which the antenna is subjected to high loads.

In der vorliegenden Beschreibung wurde zur Vereinfachung angenommen, daß die Polarisations-Zuführungsstellen oder -Anschlüsse genau in der Achse der metallisierten Löcher liegen, mit Ausnahme der Ausführungsform nach 14; bei praktischen Ausführungsformen ist dies nicht zwingend erforderlich. Die lötbaren Flächen können nämlich auch gegenüber den metallisierten Löchern exzentrisch liegen, wodurch beispielsweise das Aufsteigen von Lot in den Löchern beim Löten vermieden wird.In the present specification, for simplicity, it has been assumed that the polarization feed points or terminals are exactly in the axis of the metallized holes except for the embodiment of FIG 14 ; in practical embodiments, this is not mandatory. Namely, the solderable surfaces may also be eccentric with respect to the metallized holes, thus avoiding, for example, the rising of solder in the holes during soldering.

Claims

A group antenna element for an electronically pivotable antenna, which is arranged in front of a reflecting ground plane and is illuminated by a primary radiator, with an integrated phase shifter formed by an active reflector, wherein the array antenna element on an intrinsic semiconductor chip carries a circuit consisting of a diffused or implanted diode and is formed of a metallization structure, which forms a dipole element for coupling to the outgoing from the primary radiator shaft; further comprising: - a first part which forms a microwave part and is mounted on the semiconductor chip ( 26 ; 50 . 51 ) is formed on the front surface of the diode ( 20 ) with their connecting conductors ( 22 ), wherein the semiconductor chip with metallized holes ( 25 ) which is connected to the connecting conductors ( 22 ), while the rear side is metallized to the reflecting ground plane ( 30 ) as well as pads ( 31 ) formed with the orifices of the metallized holes ( 25 ) are connected; A second part which forms a control part and at least one further, doped semiconductor chip ( 34 ; 41 ) and associated with the reflecting ground plane, this second part comprising an amplifier ( 35 ) and control logic elements ( 36 ), which are integrated on the doped semiconductor chip, which on one of its surfaces opposite the back of the microwave part solderable metallization ( 32 ), which form the outputs of the control amplifier and opposite the pads ( 31 ) are the microwave part and soldered to it; and a network of supply conductors (Ca) for the amplifiers, the control logic elements and the diodes, said network being formed in the printed circuit technique on the front face of the control part or on the back side of the microwave part.

The array antenna element of claim 1, wherein a plurality of diodes and metallization structures are formed at equal intervals in the intrinsic semiconductor die, and a plurality of amplifiers and control logic elements are formed in the doped semiconductor die, wherein the two die plates are soldered together by soldering the metallization surfaces (12). 32 ) with the corresponding pads ( 31 ) are joined together.

A array antenna element according to claim 2, wherein the amplifiers and the control logic elements are formed on a plurality of doped semiconductor dies, with an amplifier (on each of these semiconductor dies). 35 ) and the control logic elements ( 36 ) of a diode are further arranged, in which further the network of supply conductors (Ca) is arranged on the back of the microwave part and each semiconductor chip ( 41 ) of the control part further solderable pads ( 43 ), via which the supply and control of the circuits takes place, wherein each semiconductor chip is joined together with the microwave part by soldering the metal surfaces.

Array antenna element according to claim 1, wherein the control part is mounted on a single semiconductor chip ( 34 ), which carries the network of supply conductors (Ca), while the microwave part consists of several intrinsic semiconductor chips ( 50 . 51 ) is formed, wherein on each of these semiconductor chip, the diode ( 20 ) or a group of diodes is formed and the associated metallizations ( 23 . 22 . 30 . 31 ) are arranged, these semiconductor chips ( 50 . 51 ) of the microwave part juxtaposed and through slots ( 52 ), and wherein these semiconductor chips ( 50 . 51 ) of the microwave part with the semiconductor chip ( 34 ) of the control part by soldering the metallization surfaces ( 32 ) with the pads ( 31 ) are joined together.

Group antenna element according to one of claims 1 to 4, in which each diode ( 20 ) of the microwave part is associated with at least one capacitor, which is formed in the technique of multi-layer deposition on the front surface or back of the microwave part.

Group antenna element according to one of claims 1 to 5, in which the assembly of microwave part and control part on a base ( 38 ) is arranged, which forms a heat sink.

An electronically pivotable array antenna formed of a plurality of array antenna elements as claimed in any one of claims 1 to 6 juxtaposed at equal intervals of about one-half wavelength and supported on a single pedestal ( 38 ), the one Heatsink forms.

Method for producing a plurality of array antenna elements according to one of the claims 1 to 7, characterized in that: - by means of an integration technique the diodes on the front of at least one first, intrinsic semiconductor chip be diffused or implanted; - a first metallization is formed, which allows a contact for checking the diodes; - these Diodes tested and the connections the diodes are severed, which considered not flawless become; - in the intrinsic semiconductor chip Holes drilled be supplied by which the bias voltages for the diodes; - the semiconductor chip on his two surfaces as well like the holes is metallized; - by an engraving process on the front side of the semiconductor chip the metallization structures and the leads for the diodes and on the back the ground plane and pads for the diodes at the outlets the metallized holes be formed; - one Metallization is formed by a double-layer process, by which forms an insulating layer and then a metal layer is to at least one capacitor on one of the surfaces of the Semiconductor wafer to build; - by an integration technique on at least a second, doped Semiconductor wafer Amplifier with its control logic at the same intervals as the diodes of the first intrinsic semiconductor chip produced, with the outputs of the amplifier to Control of the diodes are formed by solderable metallization, which each in the same position as the pads on the back the first, intrinsic semiconductor chip are located; - a network of supply conductors on the front of the second, doped Semiconductor chip or the back the first, intrinsic semiconductor chip is formed; and - The metallization and the corresponding pads together soldered be to the semiconductor chip put together.

Method according to claim 8, characterized in that that the Thickness of the solder joints between the metallization surfaces and the pads sufficient is chosen big, to compensate for any differences in the expansion of the materials, from which the semiconductor chips are formed.