KR100272711B1 - 단일 패키지에 집적된 안테나-변환기 장치 - Google Patents

Abstract

모노리딕 마이크로웨이브로 집적된 회로(MMIC) 기술은, 안테나 및 그 연관된 변환기 회로를 단일 패키지에 함께 집적시키는 안테나-변환기 시스템용 마이크로웨이브 회로를 제조하는데 양호하게 사용된다. 신뢰성있는 작은 무선주파수(RF) 회로, 극성화 스위치 메트릭스 회로, 중간주파수(IF) 회로 그리고 변환기용 전원 및 제어 회로가 제조되어 MIC/MMIC 기술을 사용하여 복수개의 작은 면적을 갖는 마이크로웨이브 회로의 디스크상에 집적된다. 복수개의 변환기 회로 디스크는 단일 패키지를 형성하기 위하여 함께 샌드위치되어 안테나의 후방에 대해 편평하게 직접 장착된다. 변환기 회로용 디스크는 안테나의 크기 및 형태에 의해서 한정된 포락선 체적내에 회로 디스크가 맞도록 크기가 정해진다.

Description

단일 패키지에 집적된 안테나-변환기 장치

제1도는 본 발명의 단일패키지에 집적된 안테나-변환기에 대한 개략도.

제2도는 제1도에 도시된 것과 같은 단일 안테나-변환 패키지의 조립도.

제3도는 본 발명의 단일 안테나-변환 패키지에 사용된 동축 도파관 안테나의 정면도.

제4도는 본 발명의 단일 안테나-변환 패키지의 집적된 동축 도파관 안테나 및 변환 회로 디스크에 대한 측단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

100 : 단일패키지 102 : 안테나부분

104 : 변환기부분 106 : 안테나

108 : 공동 110 : 전도성 실린더

116 : 공통축 118 : 디스크 기판

122 : 극성화 스위치 메트릭스 디스크

124 : 중간주파수 디스크 126 : 전원 및 제어 디스크

130 : 포락선 132 : 접속기

134 : 탐침 136 : 플레이트

138 : 동축선 140 : 동축-대-마이크로스트립 전이

본 발명은 안테나 및 연관된 변환 회로를 패키지화 하는 것으로, 특히 안테나의 후방에 직접 장착된 복수개의 기판상에 마이크로웨이브 집적회로 및 모노리딕 마이크로웨이브 직접회로 기술을 사용하는 변환회로를 제조함으로서 단일패키지에 구현된 집적된 안테나-변환기 시스템에 관한 것이다.

종래에, 안테나와 그것과 관련된 변환기 회로 소자들(무선주파수 수신기, 극성화 스위치 메트릭스 회로, 중간주파수 수신기 및 전력 및 제어회로와 같은)은 개별적인 패키지로서 각각 설계되었다. 그다음 개별적인 안테나-변환기 시스템의 패키지는 케이블과 접속기를 사용하여 안테나-변환기 시스템을 일체화하기 위해 서로 상호 접속되었다. 그러나, 이와 같은 종래의 조립방법은 몇가지 이유 때문에 만족스럽지 못한 성능을 나타내는 것으로 증명되고 있다. 예를들어, 개별적인 안테나 및 변환기 패키지를 상호 접속시키기 위해 케이블과 접속기를 사용하게되면 종종 케이블내의 신호 손실로 인하여 시스템 성능이 저하되며 시스템의 신뢰성이 떨지게 된다. 더우기, 안테나 및 여러 가지 변환기 회로를 위해 개별적인 패키지를 사용하게 되면 안테나-변환기 시스템의 크기의 전반적인 무게가 증가하게 된다.

본 발명의 안테나-변환기 시스템은, 안테나에 직접 장착된 복수개의 기판위에 여러 변환기 회로를 제조하기 위해 마이크로웨이브 집적회로(MIC) 및 모노리딕 마이크웨이브 집적회로(MMIC) 기술을 양호하게 이용한다. 이것은 연관된 변환기 회로를 안테나와 통합하여 종래의 안테나-변환기 시스템보다 더 작고, 더 가벼우며 보다 신뢰성 있는 단일패키지를 형성한다. 이와 같이 집적된 안테나-변환기 시스템은 군사용 비행기와 우주비행기와 같이 공간과 무게를 고려하여야 하는 응용에 사용하기에 적합하다.

특히, MIC/MMIC 설계기술을 사용함으로서 신뢰성이 있는 작은 무선주파수(RF) 회로가 디스크와 같이 비교적 작은 면적에 상호 접속을 보다 적게함으로서 제조되어 함께 집적시키는 것이 가능케된다. 극성화 스위치 메트릭스 회로, 중간 주파수(IF)회로 그리고 전력 및 제어회로도 이와 유사하게 작은 디스크상에 제조되어 함께 집적된다. 다음에 복수개의 변환기 회로 디스크가 정렬되고, 함께 샌드위치되어 단일의 안테나-변환기 패키지를 형성하기 위해 안테나의 후방에 직접 장착된다. 변환기 회로를 위한 안테나와 여러 MMIC 디스크간의 전기적 접속은 직각의 동축-대-마이크로스트립 전이(right angle coax-to-microstrip transitions)를 사용하여 이루어진다. 상기 접속기는 단일의 안테나-변환기 패키지를 외부의 전원공급, 제어회로 및 프로세서에 결합시킨다.

제1도와 관련, 본 발명의 단일패키지(100)내에 집적된 안테나-변환기에 대한개략도가 도시되어 있다. 단일패키지(100)는, 이하 상술되는 바와 같이 변환기부분(104)에 집적되어 장착된 안테나부분(102)으로 총체적으로 구성되어 있다. 안테나부분(102)은 한개이상의 선정된 주파수 범위로 전자기 신호를 운반하는 전자기파를 수신하고 발생시키는데 필요한 하드웨어를 포함한다. 변환기부분(104)은 무선주파수, 중간주파수, 극성화 스위치 메트릭스 그리고 안테나부분(102)에 의해서 수신되고 출력된 전자기 신호를 전자기파를 전파하는 형식으로 수신하는 것, 발생시키는 것 그리고 처리하는 것과 관련된 전력-제어 회로를 포함한다.

안테나부분(102)은 바람직하게, 각각 다른 주파수 범위로 전자기파를 전파하도록 크기가 정해진(sized) 복수개의 공동(cavities)을 구비하는 다수의 공동을 갖는 동축 도파관 안테나(a multi-cavity coaxial waveguide antenna)(106)이다. 공동(108)은 복수개의 전도성 실린더(conductive cylinders)(100)에 의해 한정되며, 각 전도성 실린더는 개방단(an open end)(112)과 폐쇄단(a closed end)(114)을 구비한다(또한 제4도 참조). 다수이며, 크기가 정해진 공동(108)은 여러 주파수 범위를 통해 동작할 수 있는 안테나(106)를 형성한다. 전도성 실린더(110)는 공통축(a common axis)(116)을 공유하기 위해 서로에 대하여 동심으로 위치되어 있다. 동축 도파관 안테나(106)를 위한 전도성 실린더(110)의 각 폐쇄단(114)은 공유전도판(a shared conductive plate)과 복수개의 탐침(probes)(제3도 및 제4도에 도시됨)으로 끝(terminated)난다. 탐침은, 공동(108)내에서 공동의 크기에 의해 규정된 주파수 범위에서 전파하는 전자기파의 형태로 전자기 신호를 발생시키고 수신한다. 물론, 안테나부분(102)이 단일주파수 범위에서 전자기 신호를 전파하기 위해 단지 하나의 공동(108)만을 포함하거나, 혹은 필요하다면, 다른 도파관 형태(예를들어, 다수의 공동을 갖는 직사각형)를 가질 수 있다.

모노리딕 마이크로웨이브 집적회로(MMIC) 제조기술이 도래함에 따라, 안테나-변환기 시스템의 변환기 부분(104)에 필요한 회로를 한개이상의 작은 면적을 갖는 기판(118)(예를들어, 제1도에 도시된 회로디스크)상에 집적시키는 것이 가능해지고 있다. 이렇게 집적된 마이크로웨이브 회로를 제조하게 되면, 각 디스크 기판(118)상에 구현된 회로설계가 상호 그리고 종래에 신호의 질을 떨어뜨리는 RF 케이블 접속설계보다 보다 적은 접속수로서 다른 디스크가 접속되는 것이 가능케된다. 더군다나, 디스크(118)를 상호 접속시키면 비교적 적은 체적을 차지하는 소요되는 모든 변환기 회로를 포함하는 회로패키지화가 가능해진다. 이하에 공개되는 안테나 변환기를 구현하는데 있어서, MIC/MMIC를 제조함으로서 변환기부분(104)을 위한 무선주파수 피드 네트워크(feed network)의 필요한 모든 회로를 하나의 작은 면적을 갖는 피드 네트워크 디스크상에 집적시키는 것이 가능하다. 극성화 스위치 메트릭스 제어회로, 중간주파수 변환기 그리고 변환기부분(104)을 위한 전력 및 제어 회로도 이와 유사하게 극성화 스위치 메트릭스 디스크(122), 중간주파수 디스크(124) 그리고 전원 및 제어 디스크(126)상에 각각 집적시킬 수 있다.

MMIC로 구현된 각각의 디스크(120-126)는 동축의 공동 안테나(106)를 구비하는 복수개의 동심형 실린더(110)를 위해 축(116)에 대하여 정렬된 중심(128)을 갖는다. 제1도에 도시된 바와 같이 안테나부분(102)과 변환기부분(104)의 동심형 실린더(110)와 디스크(118)는, 함께 샌드위치되어 직접 장착된 변환기부분(104)의 디스크로서 축(116)을 따라 조립되어 있으며, 제2도에 도시된 단일패키지(100)에 집적된 안테나-변환기를 제조하기 위해 안테나부분(102)의 후방에 대해 편평하다. 더군다나, 회로를 MMIC로 구현함으로서, 기판둘레가 안테나부분(102)에 대하여 전체적으로 점선(130)으로 도시된 포락선(an envelope)을 벗어나 연장하지 않도록 하기 위해 각 디스크 기판(118)에 대비한 원형의 면적(the circular area)이 선택된다. 포락선(130)은 안테나의 후방으로부터 뒷방향(rearward direction)으로 연장하는 상상의 체적(an imaginary volume)이다. 포락선(130)의 크기와 형태는 안테나부분(102)의 외각면(the outer surface)의 크기와 형태에 의해 정(dictated)해진다. 도시된 동축안테나(106)와 같이, 포락선(130)은 최외각 동심형 실린더(110)의 외각면에 의해 한정된 변환기 회로부분(104)을 위해 샌드위치된 디스크 기판(118)이 반드시 일치하여 단일 패키지를 형성하는 것은 상기 원주의 체적(cylindrical volume)내에서이다. 접속기(132)가 제공되어 변환기 회로디스크(120-126)에 전원 및 제어 신호를 공급함으로서 단일 안테나-변환기 패키지(100)의 동작이 가능하게 된다.

제4도와 관련, 본 발명의 단일패키지(100)에 집적된 안테나-변환기의 측단면도가 도시되어 있다. 패키지(100)의 안테나부분(102)은, 각각의 실린더가 개방(112)과 폐쇄단(114)을 갖는 복수개의 동심형 전도성 실린더(110)로 이루어진 동축 도파관 안테나(106)이다. 조립된 동심형 실린더(110)의 폐쇄단(114)을 끝맺는 것(the termination)은 전도성 플레이트(136)이다. 안테나(106)의 각 공동(108)의 크기는 선정된 주파수 범위로 전자기파를 전파하도록 선택적으로 선정된다. 예를들어, 제4도에 도시된 실시예에서, 공동의 크기는, 공동(108(1))이 2-3.5GHz 범위에서, 공동(108(2))은 3.5-6GHz, 공동(108(3))은 6-10GHz 범위에서 그리고 공동(108(4))은 10-18GHz 범위에서 동작하도록 선택된다. 그리하여 도시된 실시예는 2 내지 18GHz까지 광범위한 주파수 범위에 걸쳐 동작할 수 있다.

각 공동(108)의 폐쇄단에 있는 탐침(134)은 공동의 크기에 의해서 정해진 주파수 범위에서만 전자기파를 수신하고 복사한다. 탐침(134)에 의해 수신된 전자기 신호를 처리하거나 또는 탐침에 의한 복사 신호를 발생시키기 위해, 각 공동(108(1)-108(4))과 연관된 탐침은 개별적인 피드 네트워크 디스크(120(1)-120(4))에 각각 접속된다. 각각의 피드 네트워크 디스크(120)는 전기적으로 결합된 공동(108)을 위하여 주파수 범위에 주파수 범위에 걸쳐 동작하도록 설계된 회로를 구비한다. 그리하여, 각각의 피드 네트워크 디스크(120)는 MMIC로 구현된 변조 및 복조회로(변환기의 무선주파수 변환기 및 일부 서브-밴드를 포함하는)를 포함한다. 물론, 제1도와 제2도에 도시된 바와 같이, 만약 안테나의 뒤에 장착될 때 회로에 필요한 면적이 안테나 포락선(130)(제1도 참조)의 체적안에 맞는 디스크 크기가 된다면, 안테나부분(102)의 동작하는 모든 주파수를 위한 필수적인 무선 주파수 변환기 회로가 하나의 디스크(120)상에 MMIC로 구현될 수도 있다. 탐침(134)과 플레이트(136) 각각에 접속된 하나의 끝단(at one end)에 내부 및 외각의 동축 전도체를 구비한 짧은 동축선(138)을 사용하여 각 안테나 동축(108)과 연관된 피드 네트워크 디스크(120)간에 접속이 이루어진다. 선(138)의 한 끝단에서, 내부 및 외각의 전도체는 직각의 동축-대-마이크로스트립 전이(총체적으로 140에 표시되어 있음)를 사용하여 피드 네트워크 디스크(120)상의 마이크로스트립선에 접속된다. 디스크상의 마이크로웨이브 회로가 스트립선(striplines)으로 구현될 때, 유사한 상호 접속 방법이 사용될 수 있다. 변환기부분(104)은 MIC/MMIC 기술을 사용하여 한개이상의 디스크(142)상에 구현된 극성화 스위치 메트릭스 회로, 중간주파수 변환기 회로 그리고 전원 및 제어회로를 부가적으로 구비할 수 있다. 피드 네트워크 디스크(12)와 나머지 변환기 디스크(142)사이의 접속은, 직각의 동축-대-마이크로스트립 전이(140)를 사용하여 선의 끝단을 각 디스크의 마이크로스트립선에 연결시킴으로서 몇가닥의 짧은 동축선(138)을 사용하여 이루어진다. 변환기부분(104)과 외부의 전원공급, 명령 및 제어에 이용된 다양한 디스크와 처리회로간의 접속은 필요하다면, 접속기(132)와 동축선(138)을 거쳐 이루어질 수도 있다.

비록 집적된 단일 안테나-변환기 패키지의 바람직한 실시예가 상기 상세한 설명에 그리고 첨부하는 도면에 서술되고 예시되었지만, 본 발명은 공개된 실시예에 한정된 것이 아니라, 본 발명의 정신으로부터 벗어나지 않고 다양하게 재배치하고, 치환하며 그리고 변경시킬 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다.

Claims (15)

1. 집적된 안테나 컨버터에 있어서, 전자기파 형태의 전자기 신호를 수신 및 복사하는 수단을 갖는 안테나부와, 전자기 신호를 처리하는 수단을 포함하는 컨버터 회로부로서, 상기 회로부는 전자기 신호를 수신하고 복사하는 상기 수단에 전기적으로 접속된 적어도 하나의 회로 기판 상에서 실행되고, 상기 컨버터 회로부용의 적어도 한 회로 기판은 단일패키지로 집적된 안테나 컨버터를 제조하기 위해 상기 안테나부에 직접 장착되는, 컨버터 회로부와, 상기 컨버터 회로부용 회로 기판을 포함하는 극성화 메트릭스 스위치 수단으로서, 상기 극성화 메트릭스 스위치 수단용 상기 회로 기판은 상기 단일 패키지 내에 집적화된 안테나 컨버터를 제조하기 위한 상기 안테나부에 장착되고 상기 컨버터 회로부를 위한 적어도 하나의 회로에 장착된 극성화 메트릭스 스위치 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 집적된 안테나 컨버터.
2. 제1항에 있어서, 전자기 신호를 수신하고 복사하는 상기 수단은 다수의 전자기 탐침을 포함하는 것을 특징으로 하는 집적된 안테나 컨버터.
3. 제1항에 있어서, 상기 안테나부는 상기 안테나부의 후측으로부터 연장되는 안테나 포락선을 한정시키는 구성이며, 상기 안테나부에 장착된 상기 컨버터 회로부용의 상기 적어도 하나의 회로 기판은 상기 한정된 안테나 포락선 내에 들어맞는 것을 특징으로 하는 집적된 안테나 컨버터.
4. 제1항에 있어서, 상기 극성화 메트릭스 스위치 수단용 상기 회로 기판에 전기적으로 접속된 회로 기판을 포함하는 중간 주파수 회로 수단으로서, 상기 중간 주파수 회로 수단용 상기 회로 기판은 단일 패키지로 집적화된 안테나 컨버터를 제조하기 위해 상기 극성화 메트릭스 스위치 수단 및 상기 컨버터 회로부용 회로 기판에 장착되고 안테나부에 장착되는 중간 주파수 회로 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 집적된 안테나 컨버터.
5. 제4항에 있어서, 상기 중간 주파수 회로 수단의 상기 회로 기판에 전기적으로 접속된 회로 기판을 포함하는 전원 및 제어 회로 수단으로서, 상기 전원 및 제어 회로 수단용 상기 회로 기판은 단일 패키지 내에 집적된 안테나 컨버터를 제조하기 위해 상기 중간 주파수 회로 수단, 상기 극성화 메트릭스 스위치 수단, 상기 컨버터 회로부용 상기 회로 기판에 장착되고 상기 안테나부에 장착되는 전원 및 제어 회로 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 집적된 안테나 컨버터.
6. 집적된 안테나 컨버터에 있어서, 전자기파 형태의 전자기 신호를 수신하고 복사하는 수단을 갖는 안테나부로서, 상기 안테나부는 다수의 도파관 동공을 갖는 도파관 안테나를 포함하며, 각각은 소정의 주파수 범위 내에서 전자기 신호를 전파시키는 안테나부와, 전자기 신호를 처리하는 수단을 포함하는 컨버터 회로부로서, 상기 회로부는 전자기 신호를 수신하고 복사하는 상기 수단에 전기적으로 접속된 적어도 하나의 회로 기판 상에서 실행되며, 상기 컨버터 회로부용의 상기 적어도 하나의 회로 기판은 단일 패키지로 집적화된 안테나 컨버터를 제조하기 위해 상기 안테나부에 직접 장착되는 컨버터 회로부를 포함하는 것을 특징으로 하는 집적된 안테나 컨버터.
7. 제6항에 있어서, 상기 도파관 안테나는 전도성 플레이트에 의해 한쪽 끝에서 끝나는 다수의 동심형인 전도성 공동 실린더를 더 포함하며, 상기 컨버터 회로부용의 적어도 하나의 회로 기판은 상기 도파관 안테나의 상기 전도성 플레이트에 장착되는 것을 특징으로 하는 집적된 안테나 컨버터.
8. 제7항에 있어서, 전자기 신호를 수신하고 복사하는 상기 수단은 상기 전도성 플레이트에 의해 한쪽 끝에서 끝나는 상기 도파관 안테나의 각각의 공동 내에 위치한 다수의 전계 탐침을 포함하는 것을 특징으로 하는 집적된 안테나 컨버터.
9. 집적된 안테나 컨버터에 있어서, 다수의 공동을 가지고 한 쪽 끝에서 끝나며, 각각의 공동은 소정의 주파수 범위 내에서 전자기 신호를 전파시키기 위해 소정의 크기를 갖는 도파관 안테나와, 상기 개별 공동의 상기 소정의 주파수 법위내의 전자기 신호를 수신하고 복사하는 상기 안테나의 각각의 공동을 위한 다수의 전자기 탐침과, 상기 다수의 공동에 의해 전파되고 상기 소정의 주파수 범위 내의 전자기 신호를 발생시키고 처리하도록 상기 다수의 전자기 탐침에 전기적으로 연결되며, 단일 안테나 컨버터 패키지를 제조하기 위해 상기 안테나의 끝난 한 쪽 끝에 물리적으로 함께 장착된 다수의 회로 기판을 포함하는 컨버터 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 집적된 안테나 컨버터.
10. 제9항에 있어서, 상기 도파관 안테나는 상기 안테나의 상기 끝난 끝으로부터 떨어져 연장되는 안테나 포락선을 한정하는 크기 및 형태를 가지며, 각각의 회로 기판은 상기 안테나의 상기 끝에 장착될 때 상기 한정된 안테나 포락선 내에 들어 맞는 주변을 갖는 것을 특징으로 하는 집적된 안테나 컨버터.
11. 제9항에 있어서, 상기 도파관 안테나는 상기 폐쇄된 끝의 상기 공동내에 위치된 상기 다수의 전자기 탐침을 갖는 다수의 공동을 한정하도록 한 쪽 끝에서 폐쇄된 다수의 동심 전도성의 빈 실린더를 갖는 동축 도파관 공동 안테나를 포함하는 것을 특징으로 하는 집적된 안테나 컨버터.
12. 제9항에 있어서, 상기 컨버터 회로의 각각의 회로 기판은 상기 공동 및 상기 회로 기판 사이에서 연장되는 동축선에 의해, 회로 기판 상에서 상기 컨버터 회로 수단에 접속된 각각의 전자기 탐침을 갖는 모놀리식 마이크로파 집적 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 집적된 안테나 컨버터.
13. 집적된 안테나 컨버터에 있어서, 소정의 주파수 범위 내의 마이크로파 전자기 신호를 전파시키기 위해 각각이 소정의 크기를 갖는 다수의 공동을 갖는 도파관 안테나로서, 상기 도파관 안테나의 후측으로부터 떨어져 후방으로 연장되는 안테나 포락선을 한정하는 형태를 더 포함하는 도파관 안테나와, 개별 공동의 상기 소정의 주파수 범위 내의 마이크로파 전자기 신호를 수신하고 복사하는 상기 도파관 안테나의 각각의 공동을 위한 다수의 전자기 탐침과, 마이크로파 전자기 신호를 처리하고 발생시키도록 상기 다수의 전자기 탐침에 전기적으로 접속된 마이크로파 컨버터 회로 수단으로서, 상기 회로 수단은 단일 안테나 컨버터 패키지를 제조하기 위해 상기 안테나 포락선 내에서 상기 안테나의 상기 후측에 함께 직접 장착된 모놀리식 마이크로파 회로 기판을 포함하는 마이크로파 컨버터 회로를 구비하는 것을 특징으로 하는 집적된 안테나 컨버터.
14. 제13항에 있어서, 상기 도파관 안테나는 상기 다수의 공동을 한정하기 위해 한 쪽 끝에서 해석된 동축 전도성의 빈 실린더를 포함하며, 상기 동심 전도성 실린더는 상기 안테나 포락선을 한정하는 표면을 갖는 것을 특징으로 하는 집적된 안테나 컨버터.
15. 제13항에 있어서, 각각의 회로 기판은 상기 안테나의 상기 후측에 장착될 때 상기 안테나 포락선 내에 들어 맞는 영역을 한정하는 주변을 갖는 것을 특징으로 하는 집적된 안테나 컨버터.