KR100285042B1 - 발진기배열안테나의빔제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발진기 배열 안테나의 빔 제어 방법에 관한 것으로서, 특히 발진기의 주파수를 이용하지 않고 양 끝에 위치한 발진기와 인접 발진기 사이의 결합 각을 이용하여 빔을 제어할 수 있도록 한 발진기 배열 안테나의 빔 제어 방법에 관한 것이다.

각도별로 방사되는 빔의 위상을 제어하기 위하여 본 발명은 인쇄회로기판 상에 복합 분배기와 동위상 분배기를 사용하는 것이 아니라 상호 결합 발진기를 배열 안테나의 입력으로 사용하여 발진기들 사이의 상호 결합을 이용한다. 발진기 배열 안테나의 배열 소자간의 상호 결합 각은 일정 값으로 고정시키고, 단지 선형 배열의 양 끝에 위치한 발진기 소자와 인접 소자간의 결합 각을 조정하여 빔의 위상을 제어함으로써, 발진기 사용에 기인하여 입력과 출력 단자 사이의 신호 전송선로인 마이크로스트립 선로가 필요없고 복합 분배기와 동위상 분배기도 필요로 하지 않게 되어 마이크로스트립 선로와 복합 분배기, 그리고 동위상 분배기에서 야기되는 손실을 줄일 수 있고 발진기가 능동 소자이므로 입력되는 신호를 발진기의 출력 전력만큼 증폭할 수 있으며, 또한 안정적으로 넓은 빔 제어 범위를 얻을 수 있는 것이다.

Description

발진기 배열 안테나의 빔 제어 방법{beam-scanning method by controlling the coupling angle in a coupled oscillator array antenna}

본 발명은 발진기 배열 안테나의 빔 제어 방법에 관한 것으로서, 특히 발진기의 주파수를 이용하지 않고 양 끝에 위치한 발진기와 인접 발진기 사이의 결합 각을 이용하여 빔을 제어하여 급전선(feeder) 방사 손실을 줄일 수 있도록 한 발진기 배열 안테나의 빔 제어 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 배열 안테나(array antenna)는 안테나의 지향성을 날카롭게 하기 위하여 다수의 동형 단위 안테나를 일정 방향으로 배열한 다소자 안테나로서 안테나 어레이라고도 하며, 단위 안테나로는 dipole, monoploe, microstrip patch 및 유전체 기판 위에서 사용될 수 있는 여러 종류의 평면 안테나들이 사용될 수 있다. 각 단위 안테나는 같은 전력을 방사하고, 위상도 일치시키는 것이 보통이나, 적당한 위상차를 주어서 최대 지향성의 방향을 단위 안테나의 중심을 잇는 방향으로 한 것도 있다.

이러한 배열 안테나는 이동 통신이나 위성 통신등 여러 가지 분야에서 활용되고 있다. 특히 최근 들어 이동 통신 시스템에서 셀 용량을 증가시키는 방법중의 하나가 배열 안테나를 사용하여 원하는 방향으로 복사 빔을 제어하는 것이다.

종래에는 위상 천이기(phase shifter)나 복합 분배기 그리고 동위상 분배기를 구비하여 각도별로 방사되는 빔을 제어하였으며, 한편 도 1에 도시한 바와 같이 발진기 배열 안테나에서 복사 빔을 제어하기 위하여 종래에는 양 끝에 위치한 발진기의 주파수를 이용하였다.

하지만, 이러한 종래의 빔 제어 방법은 주파수가 증가함에 따라 위상 천이기와 복합 분배기 그리고 동위상 분배기에 의한 손실이 증가되는 단점이 있다.

종래 기술에 대하여 부연 설명하면, 인접 상호 결합(nearest mutual coupling)이 지배적인 발진기 배열 안테나의 발진기 출력의 위상 방정식은 하기의 수학식 1로 표현된다.

여기서, ω_i, θ_i, α_i는 i 번째 발진기의 free-running 주파수, 순시 위상(instantaneous phase), 순시 진폭(instantaneous amplitude)을 각각 나타내며, Φ는 발진기 사이의 상호 결합 위상각이다.

수학식 1에서 보면, 정상 상태()에서 상호 결합각이 작은 경우 각 발진기의 진폭은 같다고 할 수 있다(α₁≒α₂≒ ... ≒α_N).

발진기 배열 안테나에서 빔을 특정 방향으로 제어하기 위해서는 인접 발진기들간의 위상차는 일정한 값을 가져야 한다. 이 값을로 정의하면 수학식 1은 하기의 수학식 2와 같다.

수학식 2로부터 배열 안테나의 내부에 위치한 발진기들의 주파수는 동일하고 양 끝에 위치한 발진기들의 주파수 분포만이 다름을 알 수 있다. 그러므로 발진기 배열 양 끝에 위치한 발진기 소자의 주파수만을 가변함으로써 발진기들의 인접 출력단 사이의 일정한 위상차를 제어할 수 있게 된다. 만약 발진기들 사이의 상호 결합 각(Φ)이 0°라면 상술한 수학식 2로부터 양 끝에 위치한 발진기 소자들의 주파수를 반대 방향으로 가변함으로써 일정한 위상차를 제어할 수 있게 된다.

위상 배열 안테나에서 복사 빔은 배열 소자들이 서로 일정한 위상차를 가지게 함으로써, 특정 방향으로 향하도록 조정된다. 선형 배열에서 빔을 broadside 로부터 각도 Ψ만큼 조정하기 위해서 인접 배열 소자들간의 위상차는 하기의 수학식 3에서 나타난가 필요하다.

여기에서, d는 안테나 사이의 거리, λ₀는 자유 공간 파장이다. 그러므로 발진기 배열 안테나에서 양 끝에 위치한 발진기의 주파수를 가변함으로써를 변화시킬 수 있고 복사 빔의 각도(Ψ)를 제어할 수 있게 된다.

한편, 발진기 배열 안테나는 발진 주파수가 특정 범위(locking range)에 존재할 때 동작하게 된다. 종래의 시스템에서는 이 특정 범위내에서 발진기의 주파수를 변화시켜야 한다. 그러므로 양 끝에 위치한 발진기는 넓은 범위를 가지는 전압 조정 발진기로 구성되어야 한다. 종래의 발진기 배열 안테나에서 빔 제어 범위는 양 끝에 위치한 발진기의 발진 주파수가 앞에서 언급한 특정 범위의 경계 값 근처에 존재할 때 증가하게 되는데, 이 부분에서는 전체 시스템의 위상 잡음이 증가하고 양 끝에 위치한 발진기의 주파수에 따른 발진기의 출력이 일정하지 않으므로 특정 범위가 변하게 되고 이로 인하여 전체 시스템이 동작하지 않게 된다. 그러므로 발진기 배열 안테나의 이론적인 빔 제어 범위보다 실현 가능한 빔 제어 범위가 줄어들게 되는 문제점이 있었다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 발진기 배열 안테나에서 발진기의 주파수를 이용하지 않고 양 끝에 위치한 발진기와 인접 발진기 사이의 결합 각을 이용하여 빔을 제어하여 보다 안정적이고 넓은 빔 제어 범위를 얻을 수 있도록 한 발진기 배열 안테나의 빔 제어 방법을 제공하는데 있다.

도 1은 종래의 발진기 배열 안테나의 빔 제어 설명을 위한 개념도

도 2는 본 발명에 따른 발진기 배열 안테나의 빔 제어 설명을 위한 개념도

도 3은 발진기 배열 안테나에서 상호 결합 각에 따른 인접 발진기 출력의 위상차를 도시한 그래프

도 4a는 본 발명에 따라 채용된 발진기 배열 안테나를 유전체 기판위에 에칭된 패턴의 평면도

도 4b는 도 4a의 기능별 블럭도

도 5a, 5b, 5c는 도 4b의 발진기 배열안테나의 결합 회로(coupling circuit)에 대한 예시 구성도

도 6a, 도 6b는 도 4a의 발진기 배열 안테나에서 본 발명에 따른 빔 제어 실험 결과와 이론치를 비교한 그래프

도 7은 상호 결합 각에 따른 배열 안테나의 빔 제어의 실험 결과를 비교한 그래프

도 8은 위상 제어 가능한 단 방향 결합 증폭기를 이용한 발진기 배열 안테나에 대한 평면도

도 9는 도 8에 보여진 단방향 증폭기의 구성도

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 다수의 발진기들과, 양 끝에 위치한 발진기를 제외한 나머지 내부 발진기 각각에 결합되는 안테나들과, 인접 안테나들 사이에 마이크로스트립 라인으로 구성한 내부 결합 회로가 접속되며 양 끝에 위치한 발진기들 각각은 상기와 같은 내부 결합 회로를 통해 인접 안테나와 결합되는 발진기 배열 안테나에 있어서,

상기 양 끝에 위치한 두 개의 발진기를 제외한 나머지 내부 발진기들 사이에 위치한 내부 결합 회로의 상호 결합각을 일정하게 고정하는 과정과, 빔의 출력이 일정한 위상차()를 가지도록 상기 양 끝에 위치한 각각의 발진기와 그 발진기들 각각에 인접하는 발진기 사이에 위치하는 내부 결합 회로의 결합각()을의 수학식(≥0일 경우에 sng()=-1이고,＜0일 경우에 sng()=1)에 의거하여 가변 제어함을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 다수개의 발진기들과, 상기 발진기들 각각과 결합되는 다수개의 안테나와, 각 안테나 사이에 위상 제어 가능하도록 단방향 결합 증폭기로 구성한 내부 결합 회로가 결합되는 발진기 배열 안테나에 있어서,

상기 발진기들의 주파수를 일정 주파수로 고정시키는 과정과,

상기 단방향 결합 증폭기 각각의 위상을 제어하여 빔 제어를 수행하는 과정으로 이루어짐을 특징으로 한다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

본 발명의 기술적 원리를 도 2를 참조하여 간단히 설명하면, 종래의 발진기 배열 안테나에서는 빔을 제어하기 위하여 배열 양 끝에 위치한 발진기 소자의 주파수를 제어하였으나, 원리적으로 위상의 시간 변화분은 주파수와 동일하므로 주파수를 제어하지 않고 모든 배열 안테나의 발진 주파수를 동일하게 하고 대신 양 끝에 위치한 발진 소자와 인접 발진 소자 사이의 결합 위상을 제어함으로써 같은 결과를 도출할 수 있는 것이다.

먼저, 인접 결합이 지배적인 발진기 배열 안테나의 위상 방정식은 상술한 수학식 1에서 표현된 것처럼 하기의 수학식 4와 같이 표현될 수 있다.

여기에서 ω_i, θ_i, α_i는 i 번째 발진기의 free-running 주파수, 순시 위상(instantaneous phase), 순시 진폭(instantaneous amplitude)을 각각 나타낸다. 그리고, Φ_ij는 i 번째 발진기와 j 번째 발진기 사이의 상호 결합 위상각이다.

가역 정리(reciprocity)가 성립하므로 Φ_ij=Φ_ji이다. 모든 발진기가 동일하다고 가정할 수 있으므로 각 발진기의 free-running 주파수는 동일하다.

도 2에 보여진 발진기 배열 안테나에서 내부 결합 회로(coupling circuit)가 한 파장의 마이크로스트립 라인으로 구성된다고 한다면 내부 결합 회로의 결합 각들은 0°이다. 뿐만 아니라 발진기들 사이의 상호 결합이 약하다고 한다면 발진기들의 순시 진폭은 같다고 할 수 있다.라고 정의하면 수학식 4는 하기의 수학식 5와 같이 표현된다.

정상 상태에서 Δθ₁의 시간 미분은 0이다. 그러므로 수학식 5는 하기의 수학식 6과 같이 표현된다.

Φ₁₂= -Φ_(N-1)N=Φ일 때 수학식 6의 해는 수치해석적인 방법을 사용하지 않고 하기의 수학식 7과 같이 쉽게 발견된다.

여기에서, Φ≥0일 경우에 sng(Φ)=-1이고, Φ＜0일 경우에 sng(Φ)=1이다.

수학식 7로부터 발진기 배열 안테나의 양 끝에 위치한 발진기와 인접 발진기 사이의 상호 결합 각(Φ)을 제어함으로써 내부 발진기 배열의 출력이 일정한 위상차를 가지도록 제어할 수 있음을 알 수 있다. 도 3은 수학식 7의 결과로서 상호 결합 각에 따른 내부 발진기 사이의 위상차를 나타낸다. 그러므로 도 2에 보여진 것처럼 양끝을 제외한 모든 내부 발진기의 출력을 안테나에 연결함으로써 배열 안테나의 빔을 제어할 수 있게 된다.

도 4a, 4b는 인쇄회로 기판으로 유전체 기판을 사용하여 에칭한 4개의 발진기 배열 안테나의 평면도 및 기능 블럭도이다. 능동 소자는 FET를 사용하였다. 도 4a에 나타낸 microstrip ring은 발진기의 공진기로 사용되었다.

도 4b의 결합 회로(coupling circuit)에 따라서 양 끝에 위치한 발진기와 인접 발진기 사이의 상호 결합 각(Φ)을 제어하기 위한 방법은 여러 가지가 있을 수 있다.

예를 들면, 도 5a에서처럼 양 끝에 존재하는 결합 회로의 길이를 가변 하던지, 결합 회로(coupling circuit)사이의 커패시터(capacitor)의 값을 변화시킬 수도 있다.

또한, 도 5b에서 처럼 버랙터 다이오드(varactor diode)에 제어 전압을 인가하여 양 끝에 위치한 발진기와 인접 발진기 사이의 상호 결합 각(Φ)을 제어할 수 있으며, 그리고 도 5c에서 처럼 기존의 위상 천이기(phase shifer)를 이용할 수도 있다.

도 6a, 6b, 7은 상호 결합 각에 따른 배열 안테나의 빔 제어 방법의 실험 결과를 비교한 그래프로서, 발진기의 가장 바깥쪽 결합 각도의 조정에 의거하여 -17°부터 18°까지의 비교적 안정적이고 넓은 빔제어 범위를 얻을 수 있게 된다.

한편 도 8은 위상 제어 가능한 단 방향 결합 증폭기를 이용한 발진기 배열 안테나에 대한 평면도를 도시한 것이며, 도 9는 도 8에 도시한 단방향 증폭기의 구성도를 도시한 것이다.

도 8에서 발진기는 도 4b에 도시한 구성과 같고 단지 내부 결합 회로 부분만을 쌍방향 결합 회로 대신 단방향 결합 증폭기로 대체한 것이다. 이는 이전의 발진기 출력이 다음 단의 발진기 출력에만 영향을 주고 다음 단이 이전에는 영향을 주지 않는 즉, 한쪽 방향으로만 발진기간의 결합이 이루어지기 때문에 쌍방향 결합과는 달리 각 발진기간의 결합각을 모두 조정하여 빔을 제어할 수 있도록 구성한 것이다. 쌍방향 결합의 경우에는 외부에서 영향을 주는 발진기와 영향을 받는 발진기가 서로 교환적인 관계에 있기 때문에 가장 바깥에 있는 발진기간의 결합각만을 제어하고 내부 결합 회로에서는 내부의 발진기들간에 일정한 결합각을 얻도록 결합회로를 설계하면 수학식 7로부터 원하는 발진기들간의 일정한 위상차를 얻을 수 있게 된다.

하지만 단방향 결합의 경우에는 영향을 주는 발진기와 영향을 받는 발진기가 교환적 관계에 있지 않기 때문에 내부의 발진기들 간의 일정한 위상차이를 얻기 위해서는 내부의 결합회로에서도 모두 결합각을 조정할 수 있도록 해야 한다. 이러한 단방향 결합의 특성은 비가역적인 특성을 갖고 있는 소자를 통해 구현할 수가 있다. 이러한 구조의 장점은 결합시키는 신호의 크기를 증폭시켜서 결합을 시키기 때문에 발진기의 락킹 레인지(locking range)를 증가시킬 수 있게 된다. 즉, 발진기의 락킹 레인지는 결합시키는 신호의 크기에 비례하고 공진기의 Q값에 반비례하게 되는데, 신호의 크기가 크므로 락킹 레인지가 증가하게 되고 일정한 락킹 레인지에 대해서는 증가되어진 시노의 크기만큼 공진기의 Q값을 증가시킬 수 있게 된다. Q값이 큰 공진기를 사용하게 되면 위상 노이즈 특성이 좋은 발진기를 설계할 수 있으므로 전체 시스템의 노이즈 특성이 개선되어질 수 있다. 따라서양 끝의 발진기에서 결합각을 조정하여 빔을 제어할 수 있는 쌍방향 결합의 경우에 비해 내부의 모든 결합각을 조정하여 빔을 제어하는 단방향 결합이 좀 더 안정적인 결합특성을 보이게 된다.

한편 도 9는 발진기들 간의 결합회로에서 위상을 제어할 수 있는 단방향 결합 증폭기를 실제로 구현하기 위하여 위상을 제어할 수 있는 부분(위상 시프터)과 단방향 증폭기 부분으로 분리한 도면이다. 이는 단방향 증폭기에서는 일정한 위상 차만 나고 단지 결합시키기 위한 신호의 크기만을 증폭하게 된다. 이러한 신호의 증폭 역할은 락킹 레인지를 증가시킬 수 있게 하여 보다 넓은 주파수 대역폭에 대해 빔을 제어할 수 있게 한다. 그리고 발진기간의 결합각을 제어하기 위한 신호의 결합각은 위상 시프터를 통해서 얻을 수 있다. 위상 시프터를 사용하면 삽입 손실로 인한 신호의 크기가 줄어들지만 이는 결합각을 제어하는데 거의 영향을 주지 않는다. 기존의 위상 시프터를 사용함으로써 발진기들간의 일정한 위상차이를 얻어서 이를 통해 빔을 제어하는 방식의 경우에는 위상 시프터로 인한 삽입손실이 발진기의 출력에 직접적으로 영향을 주어 신호의 크기에 대한 손실이 큰 반면에, 결합 회로에 위상 시프터를 사용하는 경우에는 신호의 크기에 대한 손실이 거의 없이 빔을 제어할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 발진기로 구성된 배열 안테나를 사용함으로써 기존의 빔 성형 제어 회로에서 사용한 입력과 출력단자 사이의 신호전송선로인 마이크로스트립 선로가 필요없고 복합 분배기와 동위상 분배기도 필요로 하지 않게 되며, 따라서 마이크로스트립 선호와 복합 분배기, 그리고 동위상 분배기에서 야기되는 손실을 줄일 수 있고 발진기가 능동 소자이므로 입력되는 신호를 발진기의 출력 전력 만큼 증폭할 수 있는 효과가 있다.

또한, 기존의 발진기 배열 안테나에서는 빔을 제어하기 위하여 양 끝에 위치한 발진기의 주파수를 이용하였으나, 본 발명에서는 발진기의 주파수를 이용하지 않고 양 끝에 위치한 발진기와 인접 발진기 사이의 결합 각을 이용하여 빔을 제어하여, 발진기 배열 안테나의 이론적인 빔 제어 범위에 근접한 안정적이고 넓은 빔 제어 범위를 얻을 수 있는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 다수의 발진기들과, 양 끝에 위치한 발진기를 제외한 나머지 내부 발진기 각각에 결합되는 안테나들과, 인접 안테나들 사이에 마이크로스트립 라인으로 구성한 내부 결합 회로가 접속되며 양 끝에 위치한 발진기들 각각은 상기와 같은 내부 결합 회로를 통해 인접 안테나와 결합되는 발진기 배열 안테나에 있어서,

   상기 양 끝에 위치한 두 개의 발진기를 제외한 나머지 내부 발진기들 사이에 위치한 내부 결합 회로의 상호 결합각을 일정하게 고정하는 과정과,

   빔의 출력이 일정한 위상차()를 가지도록 상기 양 끝에 위치한 각각의 발진기와 그 발진기들 각각에 인접하는 발진기 사이에 위치하는 내부 결합 회로의 결합각()을 하기 수학식 8에 의거하여 가변 제어하는 과정으로 이루어짐을 특징으로 하는 발진기 배열 안테나의 빔 제어방법.

   ≥0일 경우에 sng()=-1이고,＜0일 경우에 sng()=1
2. 다수개의 발진기들과, 상기 발진기들 각각과 결합되는 다수개의 안테나와, 각 안테나 사이에 위상 제어 가능하도록 단방향 결합 증폭기로 구성한 내부 결합 회로가 결합되는 발진기 배열 안테나에 있어서,

   상기 발진기들의 주파수를 일정 주파수로 고정시키는 과정과,

   상기 단방향 결합 증폭기 각각의 위상을 제어하여 빔 제어를 수행하는 과정으로 이루어짐을 특징으로 하는 발진기 배열 안테나의 빔 제어 방법.