KR100270038B1

KR100270038B1 - 송수신장치

Info

Publication number: KR100270038B1
Application number: KR1019970030467A
Authority: KR
Inventors: 요헤이 이시카와; 도루 다니자키; 히로시 니시다
Original assignee: 무라타 야스타카; 가부시키가이샤 무라타 세이사쿠쇼
Priority date: 1996-07-01
Filing date: 1997-07-01
Publication date: 2000-10-16
Also published as: CN1081852C; EP0817394A3; EP0817394B1; KR980012713A; DE69731030D1; JPH1022864A; CN1171667A; EP0817394A2; US5867120A; JP3163981B2; DE69731030T2

Abstract

본 발명은 송수신 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 비방사 유전체(nonradiative dielectric ; NRD) 도파관(waveguide)의 굴곡부(bend portion)의 곡률반경과 굴곡각에 제약을 받지 않으면서, 굴곡부와 결합기 부분(coupler portion)의 점유면적을 감소시킴으로써 전체적으로 소형화시킬 수 있는 송수신 장치에 관한 것이다.

본 발명에 따른 송수신 장치에서는, 파를 LSM01 모드의 단일 모드로 전송시키기 위해 NRD 도파관을 채택하였다. 또한, 발진기, 아이솔레이터, 믹서 및 결합기를 유전체 렌즈의 후부에 배치하였다. 따라서, 송수신 장치의 크기를 안테나 크기로 만들 수 있다.

Description

송수신 장치{Transmitter-receiver}

본 발명은 예를 들어 자동차나 선박 등의 이동수단용 송수신 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이동수단 상호간의 거리와 상대속도 등을 계측하는데 사용되는 송수신 장치에 관한 것이다.

도로 위를 주행하는 동안에, 전방 또는 후방에서 주행하는 다른 자동차와의 거리를 계측할 목적으로 자동차용 밀리파 레이더(millimeter-wave radar)가 개발되었다. 이러한 송수신 장치는 일반적으로 밀리파 발진기(millimeter-wave oscillator), 서큘레이터(circulator), 결합기(coupler), 믹서(mixer) 및 안테나로 이루어진 모듈로서 제조되어 자동차의 전방부 또는 후방부에 장착된다.

예를 들면, 도 16에서 보는 바와 같이, 트럭은 그의 전방에 주행하는 승용차와의 상대거리 및 상대속도를, 주파수 변조-지속파(frequency modulated-continuous wave; FM-CW) 방식으로 밀리파를 송수신함으로써 계측한다. 도 17은 밀리파 레이더의 전체 구성을 보여주는 블록도이다. 이 도면에 나타낸 송수신 장치와 안테나는 도 16에 나타낸 예에서는 자동차나 트럭의 전방부에 장착된다. 그러나, 신호처리 장치는 통상적으로 자동차의 임의의 장소에 설치될 수 있다. 신호처리 장치에 제공된 신호처리부는, 송수신 장치를 사용하여 전방을 주행하는 자동차까지의 거리와 상대속도를 수치정보로서 유출한다. 또한 제어-경보부(control-alarm portion)는, 자동차나 트럭의 주행속도와 이들의 상대속도와의 관계로부터, 예를 들어 소정의 조건을 충족하였을 때, 또는 전방에서 주행하는 자동차에 대한 상대속도가 소정의 수치를 초과하였을 때, 경보음을 발한다.

도 18은 종래의 송수신 장치의 구성을 보여주는 개략 평면도이다. 도면에서, 참고번호 2는 서큘레이터를 나타내며, 그의 양측에는 각각 발진기 1과 종단기(terminating device) 3이 배치된다. 참고번호 11은 송신용 1차 방사기로서 작용하는 유전체 공진기를 나타낸다. 또한, 이 유전체 공진기 11과 서큘레이터 2와의 사이에는 유전체 스트립 4가 배치된다. 참고번호 12는 수신용 1차 방사기로서 작용하는 유전체 공진기를 나타내며, 15는 믹서(mixer)를 나타내고, 이들 사이에는 유전체 스트립 14가 배치된다. 또한 직선상의 유전체 스트립 6과, 각각 굴곡부를 구성하는 유전체 스트립 5, 7 및 종단부 8, 9는 도면에 나타낸 바와 같이 배치된다. 또한 유전체 스트립 4와 5에 근접하여 결합부(coupler) 10이 배치된다. 또 유전체 스트립 14와 7에 근접하여 결합부 13이 배치된다. 유전체 공진기 11, 12의 각 상부에는 유전체 렌즈 16, 17이 각각 장착된다.

도 19는 도 18에 나타낸 송수신 장치의 등가회로도이다. 발진기 1에는 버랙터 다이오드(varactor diode)와 건 다이오드(Gunn diode)가 설치된다. 또한 이의 발진 신호는 서귤레이터 2를 통하여 유전체 공진기 11에 전파된 후, 유전체 렌즈 16을 통하여 방사된다. 서귤레이터 2와 종단기 3은 아이솔레이터를 구성한다. 유전체 렌즈 17, 유전체 공진기 12를 경유하여 수신된 RF 신호는 유전체 스트립 14로 전파된다. 이때, 결합기 10, 13에 의해 유전체 스트립 14에 LO 신호가 혼합되고, 믹서 15에 입력된다. 믹서 15는 쇼트키 장벽 다이오드(Schottky barrier diode)로 구성되고, IF 신호(중간 주파수)를 발생한다.

도 20은 송수신 안테나를 송신용 및 수신용으로 공용한 경우의 송수신 장치를 보여주는 개략 평면도이다. 도면에서, 참고번호 2는 서귤레이터를 나타내고, 각각의 포트에, 유전체 스트립 4, 14, 18을 통하여 각각 발진기 1, 믹서 15 및 1차 방사기로 작용하는 유전체 공진기 11이 배치된다. 또한, 양단이 종단된 굴곡부를 구성하는 유전체 스트립 19를 유전체 스트립 4와 14에 근접시켜 결합기를 구성한다.

도 21은 도 20에 나타낸 송수신 장치의 등가회로도이다. 발진기 1에서 출력된 신호는, 유전체 스트립 4, 서귤레이터 2 및 유전체 스트립 18을 경유하여, 유전체 공진기 11과 유전체 렌즈 16으로 구성된 안테나에 의해 방사된다. 또한 물체로부터의 반사파는 유전체 스트립 18, 서귤레이터 2 및 유전체 스트립 14를 경유하여 믹서 15에 입력된다. 이때, 입력된 파는 유전체 스트립 4, 14 및 19로 이루어진 결합기에 의해 (RF 신호 + LO 신호)로서 혼합되어, 믹서 15에 입력된다. 믹서 15는 쇼트키 장벽 다이오드로 구성되며, IF 신호를 발생한다.

그런데, 종래의 비방사 유전체(nonradiative dielectric ; NRD) 도파관을 사용하는 밀리파 레이더용 송수신 장치는, 그의 NRD 도파관으로서 도 22a 및 도 22b에 나타낸 구성을 갖는 것을 기본적으로 사용하도록 설계되었다. 도 22a에서, 참고번호 101과 102는 각각 도전체판(conductive plate)을 나타낸다. 이들 두 개의 도전체판 사이에 유전체 스트립 100a, 100b 및 기판 103이 배치된다. 이들 도전체판 사이의 간격, 유전체 스트립의 크기 및 비유전율(relative dielectric constant 또는 permittivity)을 결정함으로써, 유전체 스트립 부분을 전파역(propagating region)으로, 그외 다른 부분을 비전파역(non-propagating region, 즉 차단역(blocking region))으로 설정한다. 예를 들면 각 부분의 치수 및 비유전율을 도 23b에 나타낸 바와 같이 결정하는 경우, 전파역에서의 신호의 전송은, 도 23a에 나타낸 위상 상수 특성으로부터 보는 바와 같이, 소정의 주파수 이상에서만 가능하다.

그러나, NRD 도파관의 기본적인 전송 모드인 LSM01 모드와 LSE01 모드는 서로 직교하기 때문에, 직선 경로에서는 저손실 특성을 나타내지만, 곡선 경로(즉, 굴곡부)에서는 직교성이 상실되고 이들 모드 사이에 결합이 이루어진다. 따라서 곡률반경과 굴곡각에 의해 제약된 범위에서만 저손실 특성이 얻어진다. 도 23에 나타낸 치수의 도파관에서는, 예를 들어 굴곡각이 60°인 경우에는 곡률반경이 36.3㎜일때 최저 손실 특성이 얻어지며, 굴곡각이 90°인 경우에는 곡률반경이 22.5㎜일 때 최저 손실 특성이 얻어진다. 그러므로, 예를 들어 굴곡각이 60°인 경우에는 곡률반경이 36.3㎜ 이외의 값일 때에는 손실이 증가하게 된다. 따라서, 종래의 송수신 장치에서는 굴곡부를 설계함에 있어서, 그리고 이 굴곡부로 결합기를 구성함에 있어서 자유도가 낮다. 결과적으로, 굴곡부의 크기 및 결합기의 전송 손실을 최소화하도록 송수신 장치를 설계할 때에도 송수신 장치의 크기를 감소시킬 수 없다.

한편, 안테나의 개구경(aperture diameter)은 송수신 장치의 형태에 따라서 결정된다. 즉, 안테나의 100m 전방에서의 송신파(transmitted beam 또는 wave)의 방사 패턴의 주 로브(major lobe)의 폭이 3.5m 이하인 조건에서는, 빔폭(beam width)은 2°이다. 예를 들어 안테나(의 방사기)의 개구경을 170㎜로 설정할 필요가 있다. 또, 안테나의 50m 전방에서의 송신파의 방사 패턴의 주 로브의 폭이 3.5m 이하인 조건에서는, 빔폭은 4°이다. 예를 들어 안테나(의 방사기)의 개구경을 80㎜로 설정할 필요가 있다. 따라서, 안테나의 개구경은 송수신 장치의 형태에 따라서 필연적으로 결정된다. 도 18에서 보는 바와 같이, 종래의 송수신 장치에서는, 발진기, 서귤레이터, 믹서 등의 각 소자들의 형성 영역이 안테나 크기(antenna size)보다 더 크기 때문에, 송수신 장치의 크기는 대형화를 면할 수가 없다.

따라서, 본 발명의 목적은 상술한 NRD 도파관의 굴곡부의 곡률반경과 굴곡각에 제약을 받지 않으면서 굴곡부와 결합기 부분의 점유면적을 감소시킴으로써 전체적으로 소형화시킬 수 있는 송수신 장치를 제공하는 것이다.

도 1a 및 도 1b는 본 발명의 첫 번째 구현예에 따른 송수신 장치에 사용되는 NRD 도파관의 구성을 보여주는 부분 사시도이다.

도 2a 및 도 2b는 각각 상술한 NRD 도파관의 주파수에 대한 위상 상수(phase constant)의 특성을 보여주는 그래프 및 도면이다.

도 3a 및 도 3b는 각각 상술한 NRD 도파관의 굴곡부의 굴곡각과 손실과의 관계를 보여주는 그래프 및 도면이다.

도 4는 본 발명의 첫 번째 구현예에 따른 송수신 장치의 회로 유닛(circuit unit)의 구성을 보여주는 평면도이다.

도 5는 상술한 송수신 장치의 평면도 및 단면도이다.

도 6a 및 도 6b는 각각 상술한 송수신 장치의 1차 방사기(radiator)의 평면도 및 단면도이다.

도 7은 본 발명의 첫 번째 구현예에 따른 송수신 장치의 등가회로도이다.

도 8a, 도 8b 및 도 8c는 1차 방사기의 다른 구성예를 보여주는 단면도들이다.

도 9a 및 도 9b는 케이스 위에 실장된 회로 유닛의 다른 구성예를 보여주는 단면도들이다.

도 10a 및 도 10b는 각각 본 발명의 두 번째 구현예에 따른 송수신 장치의 회로 유닛의 평면도 및 단면도이다.

도 11은 도 10a 및 도 10b에 나타낸 송수신 장치의 등가회로도이다.

도 12는 본 발명의 두 번째 구현예에 따른 송수신 장치의 회로 유닛의 다른 구성예를 보여주는 평면도이다.

도 13은 본 발명의 세 번째 구현예에 따른 송수신 장치의 회로 유닛의 평면도이다.

도 14는 본 발명의 세 번째 구현예에 따른 송수신 장치의 회로 유닛의 다른 구성예를 보여주는 평면도이다.

도 15는 유전체 렌즈의 다른 구성예를 보여주는 평면도이다.

도 16은 자동차용 밀리파 레이더(millimeter-wave radar)의 사용형태 및 송신파의 빔폭(beam width)과 탐지 거리(detected distance)와의 관계를 보여주는 도면이다.

도 17은 자동차용 밀리파 레이더의 구성을 보여주는 블록도이다.

도 18은 종래의 송수신 장치의 구성을 보여주는 개략 평면도이다.

도 19는 도 18에 나타낸 송수신 장치의 등가회로도이다.

도 20은 종래의 송수신 장치의 다른 구성예를 보여주는 개략 평면도이다.

도 21은 도 20에 나타낸 송수신 장치의 등가회로도이다.

도 22a 및 도 22b는 종래의 송수신 장치에 사용되는 NRD 도파관의 일례를 보여주는 부분 사시도이다.

도 23a 및 도 23b는 도 22a 및 도 22b에 나타낸 NRD 도파관의 주파수에 대한 위상 상수의 특성을 보여주는 도면이다.

＜도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명＞

1 ... 발진기 2 ... 서큘레이터

3 ... 종단기 4~7 ... 유전체 스트립

8, 9 ... 종단기 10, 13 ... 결합기(coupler)

11, 12 ... 유전체 공진기 14 ... 유전체 스트립

15 ... 믹서 16, 17 ... 유전체 렌즈

16a, 17a ... 유전체 렌즈 모체 16b, 17b ... 정합층

18, 19 ... 유전체 스트립 21~23 ... 유전체 스트립

24 ... 바이어스 단자 25 ... VCO-IN 단자

26, 27 ... 접지 단자 28 ... IF-OUT 단자

30 ... 회로 유닛 31 ... 케이스

32 ... 백 캡(back cap) 33 ... 정합층

41, 42 ... 도전체판 43 ... 개구부

44 ... 유전체 로드 45 ... 슬롯판(slot plate)

51 ... 유전체 스트립 52 ... 서큘레이터

53 ... 유전체 스트립 54 ... 결합기

100, 100a, 100b ... 유전체 스트립

101, 102 ... 도전체판 103 ... 기판

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 한 측면에 따르면, 송신용 안테나(transmit antenna), 수신용 안테나(receive antenna) 및 적어도 밀리파 발진기와 믹서를 포함하는 복수개의 소자들을 포함하는 송수신 장치(이하에서는 이를 본 발명의 "제 1 송수신 장치"라고도 한다)가 제공된다. 상기한 복수개의 소자들은 NRD 도파관을 통하여 서로 접속되며, NRD 도파관 각각은 대략 평행한 두 개의 도전체판 사이에 배치된 유전체 스트립을 구비하고 있다. 본 송수신 장치에서는, 상기한 송신용 안테나 및 수신용 안테나 각각은 수직 1차 방사기와 유전체 렌즈를 포함한다. 또한 상기한 송신용 안테나와 수신용 안테나는 병렬로 배치된다. 게다가, 상기한 각각의 NRD 도파관에서, 전파역과 비전파역 사이의 간격과, 상기한 전파역과 비전파역 사이에 배치된 유전체 재료의 유전율은, LSM01 모드에서의 차단 주파수(cut-off frequency)가 LSE01 모드에서의 차단 주파수보다 작게 되도록 설정된다. 또한, 상기한 복수개의 소자들과 NRD 도파관들은 상기한 유전체 렌즈의 후부에, 또는 상기한 유전체 렌즈가 장착된 영역의 후부에 배치된다. 따라서, LSM01 모드에서의 차단 주파수가 LSE01 모드에서의 차단 주파수 보다 작게 설정되기 때문에, 단일 모드, 즉 LSM01 모드에서만 전파가 이루어진다. 그러므로 굴곡부의 곡률반경을 작게하고 굴곡각을 크게하여도, 저손실 특성이 항상 얻어진다. 따라서 발진기와 믹서등의 복수개의 소자들을 상기한 유전체 렌즈의 후부에, 또는 상기한 유전체 렌즈가 장착된 영역의 후부에 배치할 수 있으며, 결과적으로 송수신 장치의 전체 크기를 가능한한 최저의 안테나 크기로 감소시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 송수신용 안테나(transmit/receive antenna)와, 적어도 밀리파 발진기와 믹서를 포함하는 복수개의 소자들을 포함하는 송수신 장치(이하에서는 이를 본 발명의 "제 2 송수신 장치"라고도 한다)가 제공된다. 상기한 복수개의 소자들은 NRD 도파관을 통하여 서로 접속되며, NRD 도파관 각각은 대략 평행한 두 개의 도전체판 사이에 배치된 유전체 스트립을 구비하고 있다. 본 송수신 장치에서는, 상기한 송수신용 안테나는 수직 1차 방사기와 유전체 렌즈를 포함한다. 게다가, 상기한 각각의 NRD 도파관에서, 전파역과 비전파역 사이의 간격과, 상기한 전파역과 비전파역 사이에 배치된 유전체 재료의 유전율은, LSM01 모드에서의 차단 주파수가 LSE01 모드에서의 차단 주파수보다 작게 되도록 설정된다. 또한, 상기한 복수개의 소자들과 NRD 도파관들은 상기한 유전체 렌즈의 후부에, 또는 상기한 유전체 렌즈가 장착된 영역의 후부에 배치된다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 제 1 및 제 2의 송수신 장치에서는, LSM01 모드에서의 차단 주파수가 LSE01 모드에서의 차단 주파수 보다 작게 설정되기 때문에, 단일 모드, 즉 LSM01 모드에서만 전파가 이루어진다. 그러므로 굴곡부의 곡률반경을 작게하고 굴곡각을 크게하여도, 저손실 특성이 항상 얻어진다. 이것에 의해, 발진기와 믹서 등의 복수개의 소자들을 상기한 유전체 렌즈의 후부에, 또는 상기한 유전체 렌즈가 장착된 영역의 후부에 배치할 수 있으며, 결과적으로 송수신 장치의 전체 크기를 가능한한 최저의 안테나 크기로 감소시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 제 2 송수신 장치의 구현예로서(이하에서는 이를 본 발명의 "제 3 송수신 장치"라고도 한다), 상기한 수직 1차 방사기는 HE111 모드의 유전체 공진기로 구성된다. 또한 상기한 유전체 공진기에 송신 신호를 주는 NRD 도파관의 선단과, 상기한 유전체 공진기로부터 수신 신호를 받는 NRD 도파관의 선단은, 상기한 유전체 공진기에 대하여 90°의 각도로 서로 대향하도록 배치된다. 또한 상기한 두개의 NRD 도파관 사이에는 3-dB 방향성 결합기가 구성된다. 게다가, 상기한 밀리파 발진기와 상기한 아이솔레이터와의 사이, 상기한 아이솔레이터와 상기한 3-dB 방향성 결합기와의 사이, 및 상기한 3-dB 방향성 결합기와 상기한 믹서와의 사이 각각을 NRD 도파관이 접속한다. 또한, 송신 신호를 전송하는 NRD 도파관과 수신 신호를 전송하는 NRD 도파관에 접속되고, 상기한 믹서에 송신 신호와 수신 신호와의 혼합 신호를 주는 결합기는 NRD 도파관으로 구성된다. 이러한 구성에 의해서는, 송신 신호는 3-dB 방향성 결합기에 입력된 후, 등분되어 90°의 위상차로 유전체 공진기에 출력된다. 따라서 HE111 모드의 유전체 공진기는 원형으로 편향된(분극화된) 파를 그의 축방향으로 방사한다. 반면, 송신파와 동선광성(conrotatorily polarized)으로 입사된 수신파는 송신파와 유사하게 유전체 공진기를 통하여 그의 유전체 공진기에 대향하는 두 개의 NRD 도파관에 대하여 90°위상차로 전파한다. 또한, 입사된 수신파는 3-dB 방향성 결합기를 통하여, 송신파의 입력 포트측으로 출력되지 않고 믹서로 출력된다. 이렇게 하여, 분파용 서귤레이터가 불필요하며, 유전체 렌즈 또는 그의 부착 영역 내에의 각 소자들의 배치를 용이하게 할 수 있다.

또한, 본 발명의 첫 번째 구현예 내지 세 번째 구현예 중 어느 한 구현예에 있어서, 상기한 유전체 렌즈는 유전율이 다른 유전체 재료를 다층화하여 구성된다. 이것에 의해 1차 방사기의 위치로부터 유전체 렌즈의 돌출 선단의 거리를 단축할 수 있으며, 전체 송수신 장치의 두께를 감소시킬 수 있다. 또한, 유전체 렌즈의 개구를 통하여 전파하는 전자파의 강도를 균일화하여 안테나 이득(antenna gain)을 향상시킬 수 있으며, 이에 상응하는 만큼 송수신 장치를 소형화시킬 수 있다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 구현예들을 보다 구체적으로 설명한다. 본 발명의 다른 특징들, 목적들 및 장점들은 도면을 참조로 한 바람직한 구현예의 설명으로부터 명백해질 것이다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 또는 유사한 부분을 나타낸다.

먼저, 본 발명의 첫 번째 구현예에 따른 송수신 장치를 도 1a 내지 도 9b를 참조하여 하기에서 설명한다.

도 1a 및 도 1b는 본 구현예의 송수신 장치에 사용되는 NRD 도파관의 구성을 보여주는 부분 사시도이다. 도 1a에서, 참고번호 101과 102는 도전체판을 나타낸다. 이들 두 개의 도전체판 각각에는 홈들이 형성되어 있다. 또한, 이들 두 도전체판 사이에는 유전체 스트립 100a, 100b 및 기판(또는 보드) 103이 배치된다. 도 1b의 NRD 도파관의 경우에, 기판 103을 사용하지 않으며, 도전체판 101과 102와의 사이에 유전체 스트립 100이 배치된다. 도전체판들 사이의 간격, 유전체 스트립의 치수와 비유전율을 결정함으로써, 이 유전체 스트립 부분과 나머지 영역은 각각 전파역과 비전파역(또는 차단 영역)으로 설정된다.

도 2a는, 치수와 유전율이 도 2b에 나타낸 바와 같이 결정된 NRD 도파관의 주파수에 대한 위상 상수 β의 특성을 보여주는 특성도이다. 따라서, LSMO1 모드의 차단 주파수를 LSEO1 모드의 차단 주파수보다 작게 설정함으로써, 즉, 이 도면의 경우에는 60-GHz 대역을 이용함으로써, 단일 모드인 LSMO1 모드에서 파들이 전파된다.

도 3a는, NRD 도파관의 굴곡부의 곡률반경 R을 9.6㎜로, 주파수를 60GHz로 설정한 경우에, 굴곡각 θ와 전송 손실과의 관계를 종래의 NRD와 비교하여 나타낸 그래프이다. 도 3a에서, 파선은 도 23b에 나타낸 계산 모델에 의해 얻은 특성들을 나타내고, 실선은 도 2b에 나타낸 계산 모델에 의해 얻은 특성들을 나타낸다. 이러한 예에서 보는 바와 같이, 종래의 NRD 도파관의 구조를 사용하는 경우, 굴곡각 θ에 따른 전송 손실은 0 ~ 약 4dB의 범위로 다양하다. 그러나, 본 발명의 송수신 장치에 사용되는 NRD 도파관의 굴곡부의 경우에는, 굴곡각 θ에 관계없이 손실은 0dB이다. 여기에서, 손실 계산은, 송수신 장치를 유전체 부분과 도전체 부분들로 인한 손실이 무시할 정도로 작은 무손실계(no-loss system)로 가정하여 수행한다.

도 4는 송수신 장치의 회로 유닛의 구성을 보여주는 평면도이다. 도면에서, 회로 유닛은 상부 도전체판이 제거된 상태로 나타낸다. 도면에서, 참고번호 103은 기판(또는 보드)를 나타내며, 이 기판의 상,하면 각각에, 동일한 패턴의 유전체 스트립들이 배치된다. 도면에서, 참고번호 1은 기판 103에 부착된 발진기를 나타낸다. 또한, 유전체 스트립 21에 직교하는 방향으로 도전체 선로(conductive line path)와 RF-초크용 도전체 패턴(RF-choke conductive pattern)이 배설된다. 이 도전체 선로에 건 다이오드가 접속된다. 또, 도전체 선로와 RF 초크용 도전체 패턴과의 사이에 버랙터 다이오드가 접속된다. 바이어스 단자(bias terminal) 24에 건 다이오드용 바이어스 전압이 인가된다. 버랙터 다이오드의 정전용량은 VCO-IN 단자 25에 변조 신호를 입력함으로써 변화된다. 이것에 의해, 건 다이오드의 발진 주파수가 변조된다. 발진기 1의 구성은, 일본특허출원 7-169949호에 기재된 구현예에 나타낸, 발진기로서 사용되는 비방사성 유전체 선로 장치의 구성 또는 FM-CW 전단부에 포함된 발진기의 구성과 유사하다. 도 4에서, 참고번호 2는 서큘레이터를 나타내며, 그의 중심부에 두 개의 원판 형상의 페라이트 소자들이 배치된다. 또한, 이 부분을 샌드위치하는 양상으로 상하에 영구 자석들이 배치된다. 서큘레이터 2의 한 포트인 유전체 스트립 22의 단부에는, 유전체 재료에 저항체 재료를 혼입하여 구성된 종단기 3이 설치된다. 이렇게 하여, 아이솔레이터가 서큘레이터와 종단기로 구성된다. 유전체 스트립 21을 경유하여 전파되는 송신 신호는 서큘레이터 2를 경유하여 유전체 스트립 4로 전파된다. 도면에서는, 직선로와 곡선로(또는 굴곡부)가 각각 별개의 부품으로 구성된 예를 나타낸 것이다. 여기에서, 연속적으로 배치된 유전체 스트립들은 설명을 간편하게 하기 위해 동일한 참고번호로 나타낸다. 참고번호 11은 송신 안테나의 1차 방사기 부분의 유전체 공진기를 나타낸다. 이 유전체 공진기는 유전체 스트립 4로부터 전송된 신호를 축 방향으로 방사한다. 참고번호 12는 수신 안테나의 1차 방사기 부분의 유전체 공진기를 나타낸다. 수신 신호는 유전체 스트립 14를 경유하여 전파된다. 도면에서, 참고번호 23은, 유전체 스트립 23과 4와의 사이 및 유전체 스트립 23과 14와의 사이에 각각 결합기 10과 13을 구성하는 유전체 스트립을 나타내며, 유전체 결합기 10과 13과의 사이를 접속한다. 유전체 스트립 23의 한쪽 단부에는, 상기한 종단기와 동일한 양상으로, 유전체 재료중에 저항체 재료를 혼입하여 얻은 종단기 8이 접속된다. 또한, 유전체 스트립 23의 다른쪽 단부와 유전체 스트립 14의 한쪽 단부에 믹서 15가 설치된다. 믹서 15는 두 유전체 스트립 23과 14를 경유하여 전파되는 전자파에 접속된 쇼트키 장벽 다이오드와, 기판 103에 부착되어 쇼트키 장벽 다이오드의 양단을 접속하도록 작동하는 RF-초크용 도전체 패턴으로 구성된다. 그의 단자 26, 27은 접지되고, 믹서 15의 단자 28로부터 IF 신호가 출력된다. 믹서 15가 평형형 믹서 회로(balanced mixer circuit)이더라도, 유전체 스트립 23의 다른쪽 말단은 종단된다. 믹서 15는 일본특허출원 7-169949호에 기재된 구현예에서 설명된 바 있다. FM-CW 전단부의 믹서의 경우와 유사하게, 믹서 15로서 불평형형 믹서(unbalanced mixer)도 사용될 수 있다. 결합기 13은 3-dB 방향성 결합기를 포함하며, 유전체 스트립 23으로부터 전파된 LO 신호를 90°의 위상차로 믹서 15의 유전체 스트립들에 등분배한다. 게다가, 결합기 13은 유전체 스트립 14로부터 전파된 수신 신호도 90°의 위상차로 믹서 15의 유전체 스트립들에 등분배한다.

도 5는 도 4에 나타낸 송수신 장치의 평면도 및 단면도이다. 도 5에서, 참고번호 31은 도 4에 나타낸 회로 유닛 30의 케이스를 나타내고, 32는 이것의 백캡(back cap)을 나타낸다. 케이스 31의 일부분은 H로 나타낸 뿔 형상을 가지며, 전방부에 유전체 렌즈 16, 17이 각각 배치된다. 유전체 렌즈 16, 17은, 비유전율 ε_r= 4인 유전체 렌즈 모체 16a, 17a와, 그의 전면에 배설된 비유전율 ε_r= 2인 정합층(matching layer) 16b, 17b 및 33으로 구성된다. 유전체 공진기 11로부터 방사된 전자파들은 유전체 렌즈 16을 통하여 빔(beam)을 수렴함으로써 소정의 빔폭으로 방사된다. 물체로부터의 반사파는 유전체 렌즈 17을 통하여 유전체 공진기 12에 입사된다.

도 6a 및 도 6b는 유전체 공진기 부분의 구성을 보여주는 도면으로서, 각각 유전체 공진기 부분의 평면도 및 단면도이다. 유전체 스트립 4와 유전체 공진기 11은 도전체판 41과 42와의 사이에 배치된다. 유전체 공진기 11과 동축으로 홀 43이 도전체판 41에 형성되어 있다. 따라서, 전자파는 유전체 스트립 4를 통하여, 유전체 스트립 4의 길이 방향(도면에서 x-축 방향)에 대해 직각이고, 도전체판 41, 42의 방향(도면에서 y-축 방향)에 대해 평행한 성분을 갖는 전계(electric field)와, 도전체판 41, 42의 방향에 대해 수직인 성분을 갖는 자계(magnetic field)가 생성되는 LSM 모드로 전파한다. 유전체 스트립 4와 유전체 공진기 11과의 전자계결합이 이루어지며, 유전체 공진기 11내에서, 유전체 스트립 4의 전계와 동일한 방향의 전계성분을 갖는 HE111 모드가 발생한다. 게다가, 개구부 43을 경유하여 도전체판 41에 대해 수직인 방향(도면에서 z-축 방향)으로 직선으로 편향된 파가 방사된다.

도 7은 도 4에 나타낸 송수신 장치의 등가회로도이다. 발진기 1에 버랙터 다이오드와 건 다이오드가 설치한다. 발진기로부터 출력된 발진 신호는 유전체 공진기 11과 유전체 렌즈 16을 경유하여 방사된다. 유전체 렌즈 17과 유전체 공진기 12를 경유하여 수신된 RF 신호는 유전체 스트립 14를 경유하여 전파된 후, 결합기 10, 13에 의해 LO 신호와 혼합되어, 믹서 15에 입력된다. 믹서 15는, 상술한 바와 같이, 평형형 믹서로서 작용하며, 혼합 신호(즉, (RF 신호 + LO 신호))로부터 RF 신호와 LO 신호 사이의 차이 성분(difference component)을 얻어서, 얻은 차이 성분을 표시하는 신호를 출력한다.

도 8a, 도 8b 및 도 8c는 안테나 부분의 다른 두 구성예를 보여주는 단면도이다. 도 6에 나타낸 예의 경우에는, 유전체 공진기 11의 상부 도전체판 41에 개구부 43이 설치된다. 그러나, 도 8a에 나타낸 바와 같이, 이 부분에 유전체 로드(dielectric rod) 44가 설치될 수도 있다. 이 유전체 로드에 의해, 이 부분은 유전체 로드 안테나로서 작용하며, 이것에 의해 안테나의 지향성(directivity)이 증진된다. 또한, 도 8b의 평면도 및 도 8c의 단면도에 나타낸 바와 같이, 유전체 공진기 11과 상부 도전체판 41과의 사이에, 금속판에 개구 슬롯(aperture slot)을 형성하거나, 회로 기판의 도전체막에 슬롯 패턴(slot pattern)을 형성하여 얻은 슬롯판(slot plate) 45가 배치될 수 있다.

도 9a 및 도 9b는 케이스에 장치된 회로 유닛의 다른 구성예를 보여주는 단면도이다. 도 5에 나타낸 예의 경우에는, 케이스 31에 뿔 형상인 부분 H가 형성된다. 이것은 본 발명의 송수신 장치에 필수적인 것은 아니다. 또한, 회로 유닛 30은 케이스 31의 하부에 설치될 필요는 없다. 예를 들어, 도 9b에 나타낸 바와 같이, 회로 유닛 30은 케이스 31의 내부에 설치될 수도 있다. 여기에서, 도 5 및 도 9a에서 보는 바와 같이, 케이스 31의 하부에 회로 유닛 30을 장착한 구조는, 1차 방사기와 다른 NRD 도파관과의 사이의 접합부(joint portion)로부터 누설된 파가 유전체 렌즈를 통하여 방사되는 것을 막을 수 있으며, 송수신 장치의 외부로부터 유전체 렌즈를 통하여 상기한 접합부에 전자파가 입사되는 것을 막을 수 있다는 점에서 유리하다.

다음으로, 본 발명의 두 번째 구현예에 따른 송수신 장치를 도 10a, 도 10b 및 도 11을 참조하여 하기에서 설명한다.

도 10a 및 도 10b 각각은 송수신 장치의 회로 유닛의 평면도 및 단면도이다. 이때, 도 10a에서는, 상부 도전체판이 제거된 상태의 송수신 장치를 나타낸다. 도면에서, 참고번호 21, 22, 51, 23, 4 및 53은 유전체 스트립들을 나타내며; 참고번호 2와 52는 서큘레이터들을; 참고번호 3과 8은 종단기들을 나타낸다. 또한, 참고번호 10은 유전체 스트립 51과 23을 이용함으로써 형성된 결합기를 나타내고; 참고번호 13은 유전체 스트립 23과 53을 이용함으로써 형성된 3-dB 방향성 결합기로서 작용하는 결합기를 나타낸다. 기판(또는 보드) 103에 발진기 1과 믹서 15가 장착된다. 본 발명의 두 번째 구현예의 경우, 송/수신 안테나(transmit/receive antenna)는 그의 내부에 서큘레이터 52를 설치함으로써 공용으로 사용된다. 발진기 1, 믹서 15, 서큘레이터 2, 종단기 3과 8, 결합기 10과 13의 구성은, 이들간의 배치 관계를 제외하고는, 도 4에 나타낸 예에서 상응하는 구성 소자들의 구성과 유사하다.

도 11은 도 10a 및 도 10b에 나타낸 송수신 장치의 등가회로도이다. 도 11에서, 발진기 1로부터 출력된 신호는 서큘레이터 2, 결합기 10, 서큘레이터 52를 경유하여 유전체 공진기 11로 전파된다. 또한, 이 신호는 유전체 공진기 11과 유전체 렌즈 16을 경유하여 송수신 장치의 외부로 방사된다. 반면에, 수신 신호는 서큘레이터 52와 결합기 13을 경유하여 믹서 15에 공급된다. 믹서 15는 평형형 믹서로서 작용하며, RF 및 LO 신호간의 차이 성분을 IF 신호로 출력한다.

도 12는 상기한 회로 유닛의 변형예이다. 유전체 공진기 11은 접지에 대하여 45°의 각도로 여진된다. 따라서, 기판(또는 보드) 103 위에의 각 소자들의 배치가 용이해지며, 결과적으로 기판 103을 소형화시킬 수 있다.

이하에서는, 본 발명의 세 번째 구현예에 따른 송수신 장치를 설명한다. 도 13은 본 발명의 세 번째 구현예에 따른 송수신 장치의 회로 유닛의 구성을 보여준다. 이 구현예는 원형으로 편향된 파(circularly polarized wave)를 송수신하는데 적합하며, 따라서 도 10에 나타낸 서큘레이터 52는 제거된다. 환언하면, 도 13에서, 참고번호 54는 유전체 스트립 53과 51로 구성되는 평행 직선로(parallel linear path)로부터 형성된 3-dB 방향성 결합기로서 작용하는 결합기를 나타낸다. 결합기 54는 유전체 스트립 53과 51의 선단부를 HE111 모드의 유전체공진기 11에 대해 90°각도로 대향시킨다. 이러한 구성에 의해, 포트 #1으로부터 결합기 54에 입사된 송신 신호는 등분배되어, 포트 #2와 #4에 90°의 위상차로 출력된다. 이것에 의해, 유전체 공진기 11은 여진되어 원형으로 편향된 파를 방사한다. 이에 반하여, 송신파와 동선광성으로 입사된 수신 신호는, 90°의 위상차로 포트 #2와 #4에 도달하기 때문에, 다시 결합기 54를 통하여 포트 #1로 가는 수신 신호는 소멸되어 포트 #3으로만 출력된다. 이렇게 하여 분파기능이 달성된다.

도 14는 상기한 회로 유닛의 변형예를 보여준다. 도 12의 예와 유사하게, 접지에 대하여 45°각도로 유전체 공진기 11에 급전함으로써, 기판 103에 대하여 각 소자들의 배치가 용이해진다. 따라서 기판 또는 보드 103를 소형화시킬 수 있다.

이상의 구현예들의 경우에는, 비유전율이 기본적으로 균일한 유전체 렌즈들이 사용된다. 그러나, 도 15에서 보는 바와 같이, 유전율이 다른 유전체 재료들을 다층화하여 얻은 유전체 렌즈도 사용될 수도 있다. 도 15에서, 참고번호 60은 볼록 표면을 갖는 유전체 렌즈 소자들을 나타내며, 참고번호 61a, 61b, …, 61n은 서로 다른 유전율을 지닌 유전체층을 나타낸다. 또한, 유전체층의 비유전율이 최상부 유전체층 61a에서 최하부 유전체층 61n에 이르기까지 단계적으로 점진적으로 작아지도록 비유전율에 구배를 부여한다. 이들 유전체층들을 적층함으로써 유전체 렌즈가 구성된다. 이렇게 하여, 1차 방사기의 유전체 공진기에서 유전체 렌즈의 상부까지의 높이는 비유전율의 구배를 갖는 유전체 렌즈를 사용함으로써 감소된다. 결과적으로, 전체 송수신 장치의 두께를 감소시킬 수 있다. 또한, 유전체 렌즈 개구를 통하여 전파되는 전자파의 강도(조도 분포)를 균일하게 함으로써, 안테나 이득(antenna gain)을 향상시킬 수 있으며, 이에 상응하는 만큼 송수신 장치를 소형화시킬 수 있다.

또한, 이상의 구현예들에서는, 서큘레이터, 믹서 및 결합기 등의 소자들이 단일 기판 또는 보드를 사용하여 배치된다. 그러나, 회로 유닛은 다음과 같이 구성될 수 있다. 즉, 발진기와 믹서 등과 같이 기판 또는 보드를 필요로 하는 소자들만을 상하의 도전체판과 기판 및 유전체 스트립들로 구성하고, 서큘레이터와 결합기 등과 같이 기판이나 보드를 필요로 하지 않는 소자들은 상하의 도전체판과 유전체 스트립들로 구성한다. 이렇게 하여 얻은 별개의 소자들을 조립함으로써 회로 유닛이 구성된다.

또한, 이상의 구현예들에서는, 선로와 굴곡부가 분리된다(환언하면, 서로 개별적으로 형성된다). 이들 소자들은 서로 일체적으로 형성될 수도 있다.

게다가, 이상의 구현예들에서는, 삼각파(triangular wave)를 사용하여 변조를 이행하는 FM-CW 방식이 이용되었다. 그러나, 펄스파(pulse wave)를 사용하여 주파수 변조를 이행하는 방식을 적용할 수 있다.

본 발명의 한 측면에 의하면, LSM01 모드의 차단 주파수가 LSE01 모드의 차단 주파수 보다 작게 설정되기 때문에, 단일 모드인 LSM01 모드에서만 전파가 이루어지며, 따라서 굴곡부의 곡률반경을 작게하고 굴곡각을 크게하여도 저손실 특성을 얻을 수 있으며, 안테나의 유전체 렌즈 또는 그의 부착된 영역의 후부에 발진기나 믹서 등의 각 소자들을 배치할 수 있으며, 이런 구성에 의해 송수신 장치의 전체 크기를 가능한한 최저의 안테나 크기로 감소시킬 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 의하면, 분파용 서귤레이터가 불필요하며, 유전체 렌즈 또는 그의 부착 영역 내에의 각 소자들의 배치를 용이하게 할 수 있다.

본 발명의 또다른 측면에 의하면, 1차 방사기의 위치로부터 유전체 렌즈의 돌출 선단의 거리를 단축할 수 있으며, 전체 송수신 장치의 두께를 감소시킬 수 있다. 또한 안테나 이득을 향상시킬 수 있어, 이에 상응하는 만큼 송수신 장치를 소형화시킬 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 구현예들을 들어 설명하였지만, 이들 구현예들에 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 다른 변형들이 가능함은 당업자들에게는 명백한 사실이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 첨부된 특허청구의 범위에 의해서만 결정된다.

Claims

송신용 안테나, 수신용 안테나 및 적어도 밀리파 발진기와 믹서를 포함하는 복수개의 소자들을 포함하는 송수신 장치에 있어서,

상기한 복수개의 소자들이, 각각 대략 평행한 두 개의 도전체판 사이에 배치된 유전체 스트립을 구비한 NRD(비방사 유전체) 도파관을 통하여 서로 접속되며;

상기한 송신용 안테나 및 수신용 안테나 각각은 수직 1차 방사기(vertical primary radiator)와 유전체 렌즈를 포함하고, 상기한 송신용 안테나와 수신용 안테나는 병렬로 배치되며;

상기한 각각의 NRD 도파관에서, LSM01 모드에서의 차단 주파수(cut-off frequency)가 LSE01 모드에서의 차단 주파수보다 작게 되도록, 전파역(propagating region)과 비전파역(non-propagating region) 사이의 간격과, 상기한 전파역과 비전파역 사이에 배치된 유전체 재료의 유전율이 설정되며;

상기한 복수개의 소자들과 NRD 도파관들이 상기한 유전체 렌즈의 후부에, 또는 상기한 유전체 렌즈가 장착된 영역의 후부에 배치되는 것을 특징으로 하는 송수신 장치.
송수신용 안테나(transmit/receive antenna)와, 적어도 밀리파 발진기와 믹서를 포함하는 복수개의 소자들을 포함하는 송수신 장치에 있어서,

상기한 복수개의 소자들이, 각각 대략 평행한 두 개의 도전체판 사이에 배치된 유전체 스트립을 구비한 NRD(비방사 유전체) 도파관을 통하여 서로 접속되며;

상기한 송수신용 안테나는 수직 1차 방사기와 유전체 렌즈를 포함하며;

상기한 각각의 NRD 도파관에서, LSM01 모드에서의 차단 주파수가 LSE01 모드에서의 차단 주파수보다 작게 되도록, 전파역과 비전파역 사이의 간격과, 상기한 전파역과 비전파역 사이에 배치된 유전체 재료의 유전율이 설정되며;

상기한 복수개의 소자들과 NRD 도파관들이 상기한 유전체 렌즈의 후부에, 또는 상기한 유전체 렌즈가 장착된 영역의 후부에 배치되는 것을 특징으로 하는 송수신 장치.
제 2항에 있어서, 상기한 수직 1차 방사기는 HE111 모드의 유전체 공진기로 구성되며;

상기한 유전체 공진기에 송신 신호를 주는 NRD 도파관의 선단과, 상기한 유전체 공진기로부터 수신 신호를 받는 NRD 도파관의 선단은, 상기한 유전체 공진기에 대하여 90°의 각도로 서로 대향하도록 배치되며;

상기한 두 NRD 도파관 사이에는 3-dB 방향성 결합기(3-dB directional coupler)가 구성되며;

상기한 밀리파 발진기와 아이솔레이터와의 사이, 이 아이솔레이터와 상기한 3-dB 방향성 결합기와의 사이, 및 상기한 3-dB 방향성 결합기와 믹서와의 사이 각각을 NRD 도파관들이 접속하며;

송신 신호를 전송하는 NRD 도파관과 수신 신호를 전송하는 NRD 도파관에 접속되고, 상기한 믹서에 송신 신호와 수신 신호와의 혼합 신호를 주는 결합기(coupler)가 NRD 도파관으로 구성되는 것을 특징으로 하는 송수신 장치.
제 1항에 있어서, 상기한 유전체 렌즈는 유전율이 다른 유전체 재료를 적층하여 구성됨을 특징으로 하는 송수신 장치.
제 2항 또는 제 3항에 있어서, 상기한 유전체 렌즈는 유전율이 다른 유전체 재료를 적층하여 구성됨을 특징으로 하는 송수신 장치.