KR100289355B1 - 이동통신 위성 페이로드 - Google Patents

이동통신 위성 페이로드 Download PDF

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KR100289355B1
KR100289355B1 KR1019930018742A KR930018742A KR100289355B1 KR 100289355 B1 KR100289355 B1 KR 100289355B1 KR 1019930018742 A KR1019930018742 A KR 1019930018742A KR 930018742 A KR930018742 A KR 930018742A KR 100289355 B1 KR100289355 B1 KR 100289355B1
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허쉬필드 에드워드
알렉스 챠오 치-싱
Original Assignee
쥴리에 비이. 반네르만
스페이스 시스템스/로랄 인코포레이티드
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Abstract

통신위성 페이로드는 전세계의 공중전화 및 전보망(PTTs)에 연결된 휴대 셀룰라폰과 지상의 게이트웨이(gateway)와 같은 사용자장치간에 효율적인 통신을 제공한다. 위성 페이로드는 전이중통신(full duplex communications)방식을 채택한 사용자 장치를 위한 업링크와 다운링크에서 동시에 다수개의, 예를들어 12 또는 16개의 독립된 안테나 빔을 원조해 준다. 더 나아가서 위성 페이로드는 지상의 게이트웨이와 위성 사이에 있는 고유번호를 갖는 다수개의 전이중채널(full duplex channels)을 원조해 준다. 통신 위성 페이로드는 전세계의 통신을 제공하기 위해 낮은 궤도를 도는 다수개의 위성중의 한개의 위성으로 수행되어 진다. 다운링크 빔 형성은 전송된 신호의 최종 증폭전에 일어남으로써 빔을 형성하는 장치에서 일어나는 손실을 줄여준다. 수신 안테나의 다중소자 페이스드 어레이와 송신안테나의 다중소자 페이스드 어레이 또한 설치되었는데 각 페이스드 어레이의 각 소자는 다수개의 수신 빔 또는 송신빔의 각각을 위해 사용된다 .

Description

이동통신 위성 페이로드
본 발명은 일반적으로 통신시스템에 관한 것으로, 더 구체적으로는 위성 플랫폼에서 수행되는 통신장치에 관한 것이다.
우주기지의 플랫폼에 적합한 통신장비를 설계할 때의 중요한 사항으로는 장비의 무게, 전력소비량 및 복잡성 등이 있다. 나아가 다른 고려해야할 중요한 사항은 그라운드 스테이션(ground-based stations)으로부터 업링크(up-link)를 통해 수신되는 신호와, 다운링크(down-link)를 통해 그라운드 스테이션 측으로 전송되는 신호에서의 손실을 최소화하는 것이다. 예를 들어, 안테나들의 위상 어레이를 적용하는 종래의 송신기 경우에 상당한 양의 손실이 전력증폭기의 출력과 안테나들의 위상 어레이의 입력사이에서 연결되어 있는 빔 형성시스템 내에서 일어난다.
본 발명의 목적은 종래의 시스템과 비교하여 감소된 복잡성 및 증가된 전력소비효율을 갖는 위성통신 페이로드를 제공하는 데에 있다.
본 발명의 다른 목적은 송신신호를 최종적으로 증폭하기 전에 빔을 형성하는 위성통신 페이로드를 제공함으로써 빔형성시스템 내에서 발생되는 손실을 감소시키는 데에 있다.
본 발명의 다른 목적은 수신 안테나들의 다중소자 위상 어레이와 송신 안테나들의 다중소자 위상 어레이를 사용하는 위성통신 페이로드를 제공하는 것인데, 여기서 각 위상 어레이에 있는 각 소자는 다수의 수신 또는 송신 빔 중 각 개별적으로 하나를 위해 사용된다.
본 발명의 또 다른 목적은 다중소자 위상 어레이 수신 안테나와 다중소자 위상 어레이 송신 안테나를 사용하는 위성통신 페이로드를 제공하는 것인데, 여기서 유효 전력은 명령 또는 제어 논리부의 필요 없이 업링크 전력의 요소로서 다운링크 빔에 할당된다.
제1도는 본 발명에서 예시한 내용을 적용한 통신 시스템의 구성도.
제2(a)도는 본 발명에 따른 위성통신 페이로드의 주요부를 나타낸 도면.
제2(b)도는 본 발명에서 예시한 내용에 따라 구성되고 운용되는 제2(a)도의 위성통신 페이로드를 상세히 나타낸 구성 블럭도.
제3(a)도에서 제3(c)도는 제2(a)도 및 제2(b)도에 도시된 송신 위상 어레이의 라디에이터들 중의 하나를 상세히 나타낸 도면인데, 제3(a)도는 위상 어레이 송신 요소의 측면도이고, 제3(b)도는 위상 어레이 송신 요소의 평면도이고, 제3(c)도는 또 다른 위상 어레이 송신 요소로부터 90°에 위치한 네 개의 증폭기의 사용을 나타낸 개략도.
제3(d)도는 제2(a)도 및 제2(b)도에 있어 두 개의 수신 증폭기의 사용을 보여주는 위상 어레이 수신 안테나의 평면도.
제4(a)도와 제4(b)도는 제2(a)도 및 제2(b)도에 도시된 위상 어레이 송신 안테나의 전체 구성을 상세히 나타낸 도면.
제5도는 12빔 위상 어레이 안테나의 커버리지 프로파일(Coverage profile)을 도시한 도면.
제6(a)도는 2-웨이 전력분할기/결합기의 실시예를 보인 사시도.
제6(b)도는 제6(a)도에 도시된 2-웨이 전력분할기/결합기로 구성된 빔형성네트워크의 블럭도.
제7도는 위상 어레이 수신 및 송신 안테나에 대해 방사 패치를 적용한 본 발명의 실시예를 도시한 도면.
제8도는 제7도의 방사 패치의 다층 회로 구현의 일부분으로 방사 패치 및 조합된 투 캐비티 필터(two cavity filter)의 정면 분해도.
제9도는 제8도에 도시된 방사 패치와 투 캐비티 필터를 구비하는 다층 집적회로의 횡단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 스페이스(space) 세그먼트 2 : 사용자 세그먼트
3 : 그라운드(Ground) 세그먼트 4 : 전화하부 구조 세그먼트
10 : 통신 시스템 12 : 위성
12a : 위성 페이로드 13 : 사용자 장치
14 : 무선 전화 15 : 이동무선전화
16 : 페이징/메세징 타입의 장치
17 : L밴드 RF업링크 및 S밴드 RF다운링크
18 : 게이트웨이(Gateway) 19 : C밴드 RF링크
22 : 지역전화운용 센터(Regional Bell Operating Centers)
24 : 장거리 캐리어 26 : 국제 캐리어
28 : 사설망 30 : 공중전화 및 전보망(PTT)
32 : 전화기
34 : 원격측정제어시스템(Telemetry Control System)
36 : 위성동작제어센터(Satellite Operation Control Center)
38 : 네트워크제어센터(Network control center)
39 : 통신로 40 : 위상 어레이 수신 안테나
40a : 위상 어레이 수신 안테나 소자
40b,42c : 프로브(probe)
42a : 위상 어레이 송신 안테나 소자
42 : 위상 어레이 송신 안테나 42b : 쇼트(short)원통도파관
44,80,82 : 저잡음 증폭기 46,68,70 : 전력 증폭기
48 : 업링크 빔 형성기 50 : 다운링크 빔 형성기
52 : 업링크 전력분할기 53 : 이중전력분할기/결합기
53a : 제1 그라운드 평면 53b : 제2 그라운드 평면
53c : 유전체 물질 53d : 전기 전도 회로
53e : 절연저항 54 : 다운링크 전력합산기
56,90 : 증폭기 믹서 58,62,88,94 : 필터
60,92 : 국부발진기 64,66 : 다중채널합산망
72,74 : 다이플렉서 76 : 안테나
76a,76b : C 밴드 혼(horn) 78 : 편파기
84,86 : 전력분할기 100 : 빔 형성 네트워크보드
102 : 빔형성 네트워크보드(100)의 출력단
104 : 동축케이블 104a : 접속기
110 : 패치 110a,126 : 유전체 물질
110b : 격리면 112a,112b : 아이리스(iris)
114a,114b : 공진기 116 : 이극 대역 통과 필터
118,120 : 선로
122 : 솔리드 코퍼 접지면(solid copper ground plane)
122a : 도금관통 통로(plated through feedthrough)
124 : 도금관통 통로(plated through holes)
128 : (MMIC)전력트레이스 130 : MMIC 제어선
132 : 전력분할기 140 : 다층 회로기판
142 : 열흡수층
본 발명은 전세계의 공중전화 및 전보망(PTTS)을 통해 서로 연결되는 지상의 게이트웨이(Gateway)와, 다수의 휴대 셀룰라폰 또는 다른 무선전화 사이의 효과적인 통신을 제공하는 통신위성 페이로드에 관련되어 있다. 본 발명에 따른 위성통신 페이로드는 동시에 다수개의 독립된 안테나 빔, 예를 들어 전이중(full-duplex) 통신방식을 사용하는 셀룰라폰으로부터의 업링크와 다운링크 양쪽 모두에 12개 또는 16개의 빔을 지원한다. 또한, 본 발명에 따른 위성통신 페이로드는 지상 게이트웨이와 위성사이에 전이중채널의 고유번호를 갖고 있는 다수의 채널을 지원한다. 본 발명의 바람직한 실시예에서는 전세계를 연결하는 통신을 제공하기 위하여 LEO(Low Earth Orbit)의 성위(constellation)내에 있는 다수개의 위성중에서 한개의 위성에 의해 수행되는 통신페이로드를 보여주고 있다.
본 발명에 따르면 통신 시스템으로 사용하기 위한 위성통신 페이로드를 제공한다. 페이로드는 제1 주파수 대역 내의 RF신호를 수신하기 위한 다수개 (n)의 수신소자를 구비하는 위상 어레이 수신안테나를 포함한다. 다수개(m) 업링크 빔 형성기는 위상 어레이 수신안테나에 의해 수신된 RF신호로부터 다수개(m)의 업링크 빔을 형성하기 위한 다수 수신소자의 각각에 연결된 입력단을 구비한다.
페이로드는 그라운드 스테이션 통신회로를 포함하고 있는데, 이 통신회로는 입력단이 업링크 빔 형성기의 출력과 연결되고 다수개(m)의 업링크 빔을 제2 주파수 대역 내의 RF신호로 변환한다. 또한, 이 그라운드 스테이션 통신회로는 그라운드 스테이션으로 부터 RF신호를 수신하고 그라운드 스테이션으로 RF신호를 송신하는 회로부와 안테나를 구비한다. 송신 및 수신 RF신호는 제 2주파수 대역에 포함된다.
또한, 페이로드는 다운링크 빔 형성기를 포함하고 있는데, 다운링크 빔 형성기는 그라운드 스테이션으로부터 수신된 RF신호로부터 다수개(m)의 다운링크 빔을 형성하기 위한 그라운드 스테이션 통신회로의 출력단에 연결된 입력단을 구비한다. 다수개(m)의 다운링크 빔은 제 3 주파수 대역 내에서 형성된다. 위상 어레이 송신안테나는 제 3주파수 대역 내의 RF신호로서 다수개(m)의 다운링크 빔을 전송하기 위한 다수의 전송소자를 구비한다. 각각의 전송소자는 전력증폭기를 구비하고 있으며, 각각의 전력증폭기는 다운링크 빔 형성기의 출력단에 연결된 입력단과 송신소자중의 하나에 연결된 출력단을 구비한다. 따라서, 다운링크 빔 형성은 최종 증폭전에 일어난다.
바람직한 실시예에서, 제 1 주파수 대역은 L-밴드 내에 있으며, 제 2 주파수 대역은 C-밴드 내에 있으며, 제 3 주파수대역은 S-밴드내에 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 각 수신소자는 자신에게 연결된 다수개의 수신증폭기를 구비하며, 각 수신증폭기의 입력단은 수신소자중 하나에 자유공간으로 연결된다. 마찬가지로, 각 전력 증폭기의 출력단은 위상 어레이 송신 안테나의 송신자 중 하나와 자유공간을 통해 연결된다.
또한, 본 발명에 따르면, 다수개(m)의 업링크 빔 각각은 업링크 빔이 원래 시작되었던 같은 지역을 비추고있는 대응 다운링크 빔을 갖고 있으며 또한 대응 다운링크 빔 중 하나의 전력레벨은 업링크 빔의 전력레벨함수이다.
또한 본 발명의 실시예에 의하면, 위상 어레이 송신 안테나와 각각의 위상 어레이 수신 안테나는 다층 회로기술을 사용하여 제조되며, 송신 및 수신소자는 각각 전기적으로 전도되는 패치로서 다층 인쇄회로기판의 표면에 제공된다. 투 캐비터 필터 (two cavity filer)는 전기적으로 각각의 패치에 연결되며, 필터는 다층 인쇄회로기판의 아래층에 형성된다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.
제1도는 본 발명의 통신위성 페이로드가 동작하는 전형적인 환경을 보여준다. 통신시스템(10)은 개념적으로 다수개의 세그먼트(1 - 4)로 세분되어진다. 여기서 제1세그먼트(1)는 스페이스(space) 세그먼트, 제2세그먼트(2)는 사용자 세그먼트, 제3세그먼트(3)는 그라운드(Ground) 세그먼트, 그리고 제4세그먼트(4)는 전화 하부구조 세그먼트라고 칭한다.
본 발명은 스페이스 세그먼트(1)에 관련되어 있는데, 특히 LEO 위성 (12a)의 성위 중의 하나에 의해 수행되는 통신페이로드(12)에 관련되어 있다.
사용자 세그먼트(2)는 위성(12)과 통신하기에 적합한 여러가지 형태의 사용자 장비를 포함한다. 이 사용자 장비는 다음과 같이 한정되는 것은 아니나, 예를 들어 휴대무선전화기(14), 이동무선전화기(15) 및 페이징/메세징(paging/messaging) 타입의 장치(16)등과 같은 다양한 사용자 장치(13)를 포함한다. 사용자 장치(13)는 전이중모드(full duplex mode)로 작동할 수 있고 S밴드 RF링크(다운링크)와 L밴드 RF링크(업링크)를 통해 위성 페이로드(12a)와 통신한다. 업링크 L밴드 RF링크는 1.61GHz로 부터 1.6265GHz까지의 주파수 대역, 16.5MHz의 대역폭에서 작동하며, 스펙트럼 확산기술(spread spectrum technique)에 의하여 음성신호 및/또는 RDSS(Radio Determined Satellite Service) 신호를 변조한다. 다운링크로서의 S-밴드 RF링크는 2.4835GHz로부터 2.5GHz까지의 주파수 대역 16.5MHz의 대역폭에서 작동한다. 업링크와 다운링크의 RF링크(17)는 스펙트럼 확산 기술에 의하여 음성신호 및/또는 RDSS 신호를 변조한다.
그라운드 세그먼트(3)는 5GHz를 중심으로 하는 주파수 대역에서 동작하는 전이중 C-밴드 RF링크(19)를 통해 위성(12a)과 통신하는 다수개의 게이트웨이(18)를 포함한다. 게이트웨이(18)는 위성(12)의 통신페이로드(12a)를 전화하부구조 세그먼트(4)에 연결하는 기능을 한다. 전화하부구조 세그먼트(4)는 이미 존재하는 전화시스템으로 이루어져 있으며 셀룰라 게이트웨이(20), 지역전화운용센터(22; Regional Bell Operating Centers), 장거리캐리어(24), 국제캐리어(26), 사설망(28) 및 공중전화 및 전보시스템(30)을 포함한다. 통신 시스템(10)은 사용자 세그먼트(2)와 전화하부구조 세그먼트(4)의 전화기(32)사이에서 통신을 제공하기 위해 동작하며, 사용자 세그먼트(2)의 사용자장치 사이를 게이트웨이(18)를 통해 통신할 수 있도록 작동한다.
또한 제1도에서 보여주는 바와 같이 그라운드 세그먼트(3)의 한부분으로서의 원격측정제어시스템(34)은 위성동작제어센터(36)와 네트워크제어센터(38)를 포함한다. 통신로(39)는 그라운드 세그먼트(3)의 게이트웨이(18), 위성동작제어센터(36) 및 네트워크제어센터(38)를 상호 연결하기 위해 제공된다. 통신시스템(10)에서의 이 부분은 위성 제어 기능을 제공하며 본 발명의 통신 페이로드(12)의 동작에 직접적인 관여를 하지 않는다.
제2(a)도 및 제2(b)도는 제1도에 도시된 위성 페이로드(12) 중의 하나에 대한 블럭도이다. 위성 페이로드(12)는 다음과 같은 주요한 요소들로 구성되어진다.
L밴드 수신 안테나(40) 및 S밴드 송신 안테나(42)는 각각 업링크와 다운링크를 사용자 세그먼트(2)의 사용자장치에 연결한다. 안테나(40,42)는 예를들어 각각 61개의 소자(40a,40b)로 이루어진 위상 어레이(phased array)로 되어 있고, 소자들은 일반적으로 육변형으로 밀집된다. 예를 들어 수신안테나(40)의 최대폭은 약40인치이며 송신안테나(42)의 최대폭은 약 25인치이다. 각 소자(40a)는 약 4.4인치의 직경을 가지며 각 소자(42a)는 약 2.7인치의 직경을 갖는다. 각 안테나(40,42)는 같은수의 빔으로, 예를 들어 12 또는 16개로 동작하며 모든 빔을 위하여 61개 소자 모두를 사용한다.
제5도는 전형적인 12빔 안테나의 커버리지 형태(coverage configuration)를 보여주는데 여기서 나타나지 않은 아랫부분은 나타나 있는 윗부분의 미러이미지(mirror image)이다. 12개 빔의 사용은 약110° 의 커버리지 영역(10° 의 고각)을 제공한다. 사용자 세그먼트(2)에 있는 200개의 사용자장치는 한 개의 빔에 의해 서비스받게 되는데, 결국 12개의 빔으로는 2400개의 사용자장치를 서비스 할 수 있고 16개의 빔으로는 3600개의 사용자장치를 서비스할 수 있다.
이 숫자의 사용자 장치를 수용하기 위해서, 페이로드(12)는 각각 1.25MHz의 밴드폭을 갖는 13개의 서브밴드(Sub-band)를 제공하기 위해 CDMA(Code Division Multiple Access)를 이용한 주파수 재사용을 채택한다.
저잡음증폭기(44; LNA)는 L밴드의 업링크 신호수신을 위해 수신안테나(40)의 61개 소자(40a)와 직접 연결된다. 고전력 증폭기(46; HPA)는 S밴드의 다운링크 신호를 송신하기 위해 송신 안테나(42)의 61개 소자(42a)와 직접 연결된다. 고전력증폭기(46)는 여러 개의 다른 전력 레벨로 송신할 수 있다. 저잡음증폭기(44)와 고전력증폭기(46)는 출력신호가 입력신호와 정비례하는 선형 영역에서 작동되도록 설계된다. 선형동작은 송신되는 신호의 충실도를 보존해 주며 또한 안테나의 각 소자에게 다중 독립빔을 동시에 운반할 수 있는 능력을 제공해 준다.
위성(12a)이 사용자장치의 그룹 위를 통과할 때 위성(12a)으로의 액세스는 위성의 움직이는 반대 방향으로 빔에서 빔으로 이동한다. 따라서 위성(12a)으로부터의 S밴드다운링크를 위한 송신 전력도 같은 방식으로 빔에서 빔으로 이동한다.
본 발명의 양상에 따라서 페이로드(12)는 사용중인 업링크 빔과 같이 동일한 지역을 조명하는 특정한 다운링크 빔에 할당되는 유효 전력을 제공한다.
이런 것이 발생하는 이유는 다운링크에서의 고전력증폭기(46)가 다운링크 피드 소자(42a)의 각각과 접속되어 있으므로 각각의 소자(42a)는 모든 빔에 참여하게 된다. 따라서 전력은 명령이나 논리 제어의 필요없이 요구에 따라 자동적으로 게이트웨이(18)와 협조해서 할당된다.
더욱 상세히 말하자면, 각각의 위상 어레이 안테나(40,42)는 각 빔이 위성(12a)에 관련하여 지시하는 방향을 설정하는 다중 빔형성기(48,50)에 의해서 형성된다. 제시된 실시예에서는 16개의 업 링크 빔과 다운링크 빔이 있으므로 16개의 업링크 빔 형성기(48)와 16개의 다운링크 빔 형성기(50)를 구비한다.
동시에 16개의 업링크 빔을 생성하기 위해서 각 수신 안테나 소자(40a)의 출력은 저잡음증폭기(44)에 의해 증폭된 후 업링크 빔 형성기(48)로 들어가는 16개의 통로로 세분되어짐으로써, 각 업링크 빔의 방향과 형태를 만든다. 다운링크빔도 마찬가지로 16개의 입력이 결합된 후 송신하기 위해서 고전력증폭기(46)에 의해 증폭된다. 다중통로의 분할은 업링크 전력분할기(52)와 다운링크 전력 결합기 또는 다운링크 전력 결합기 또는 합산기(54)에 의해 이루어진다.
61개의 업링크전력분할기(52)가 있는데, 각 업링크전력분할기(52)의 입력은 저잡음 증폭기(44) 중 한 개의 출력과 결합되며, 16개의 출력 각각은 16개 빔 형성기(48)중의 하나와 결합된다. 같은 방식으로, 61개의 다운링크 전력합산기(54)가 구비된다. 각 다운링크 전력결합기(54)의 16개 입력은 16개 빔 형성기(50)중 한 개의 출력과 결합되며, 한 개의 출력은 고전력증폭기(46)중 한 개와 결합된다.
제6도는 2-웨이 전력 분할기/결합기(53)를 보여주고 있다. 전력분할기/결합기(53)는 제1그라운드 평면(53a), 제2그라운드 평면(53b), 그리고 제1그라운드 평면(53a)과 제2그라운드 평면(53b)사이에 놓여있는 유전체물질(53c)로 이루어진 영역을 포함한다. 또한 전기전도회로(53d)는 유전체물질(53c)에 포함되어 있으며 절연저항(53e)을 포함한다. 전력을 세분하는 경우, 입력신호가 A라고 표시된 단자로 인가되어 B 및 C라고 표시된 단자로 출력된다. 전력을 결합하는 경우, 결합되어진 신호가 B 및 C단자로 들어가고 두개 신호의 합이 A단자로 나오게 된다. 이들 여러 요소들의 크기와 두께는 주파수 이득 및 유전체물질(53c)의 유전율에 작용한다. 16-웨이 또는 61-웨이 전력 결합기/분할기도 유사한 방법으로 구성되거나 다수개의 2-웨이 전력 결합기/분할기(53)를 직렬연결 함으로써 구성된다.
예를 들어, 제6(b)도는 6개 레벨의 전력결합기/분할기(53)를 함께 직렬 연결함으로써 만들어진 빔 형성네트워크(48,50)를 보여준다. 'Pl'에서 'P6l'까지는 각 안테나 소자에서 다른 위상을 만들게 하기 위해 다른 경로 길이를 나타낸다. 전력결합기/분할기(53)의 사용되지 않는 부분은 적당한 부하로 종결된다.
위에서 설명한 바와 같이, 통신시스템(10)은 위성(12a)에 의해 수집된 신호를 수신하기'위한 게이트웨이(18)를 수용하며 관련된 PTT네트워크에 신호를 송신한다. 또한, 게이트웨이(18)는 위성 페이로드(12)를 통해 사용자장치에게 재전송되게 하기위해 PTT네트워크로부터 신호를 수신한다. 게이트웨이(18)와 위성(12a)사이의 전송은 C밴드 RF링크(19)를 통해 이루어진다.
이 형태의 동작을 수용하기 위하여, 16개의 빔에 의해 수신된 L밴드 신호는 C밴드 주파수 대역을 통해 전송되게 하기 위해 주파수 분할 다중화(FDM; Frequency Division Multiplexing)된다. 제2(b)도를 다시 언급하자면, 이것은 L밴드 신호를 C밴드 신호로 상향 변환하기 위해 동작하는 다수개(16개)의 증폭기믹서(56)에 의해 수행된다. 각 FDM채널의 주파수는 증폭기 믹서(56)에 관련하여 필터(62)와 국부 발진기(60)에 의해 만들어진다. 다중의 8개 채널은 합산망(64,66)의 하나에 각각 결합되며 전력증폭기(68,70; SSPA)에 각각 제공된다.
전력증폭기(68,70)의 출력은 다이플렉서(Diplexer; 72,74)를 통해 안테나(76)에서 게이트웨이(18)로 전송하기 위한 직교채널에 입력된다. 직교채널은 편파기(78)에 의해 만들어 진다.
게이트웨이(18)로 부터 되돌아온 원형편파된 직교신호는 안테나(76)를 통해 도달하게 되며 편파기(78)에 의해 분할된다. 게이트웨이(18)로부터의 업링크와 다운링크신호는 다른 주파수 대역에 있으며 다이플렉서(72,74)에 의해 분할된다. 업링크 게이트웨이신호는 저잡음 증폭기(80,82)에 의해 증폭되며 전력분할기(84,86)에 각각 공급된다. 전력분할기(84,86)의 출력은 국부발진기(92)와 함께 빔 형성 네트워크(50)에 S밴드 복귀 채널을 만들기 위해 C밴드 게이트웨이 전송을 하향 변환하는 16개의 필터(88)와 증폭기 믹서(90)에 공급된다. 증폭기 믹서(90)의 출력은 필터(94)를 통해 빔 형성 네트워크(50)에 연결된다.
빔 형성 네트워크(50)를 구동하기 위해 필요한 이득은 저잡음증폭기(80,82)와 증폭기 믹서(90)에 의해 얻어진다. 빔 형성 네트워크(50)로부터의 신호는 n-웨이(예를 들어 n=16) 전력 결합기(54)에서 수집되며 위상 어레이 수신 안테나(42)의 각 소자(42a)에 공급된다.
위에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 제어 시스템이나 원하지 않는 시간 지연없이 필요한 페이로드 전력을 인가하기 위한 유효한 수단을 제공한다. 즉, 선형증폭기의 사용과 16개 빔의 각각에 대한 각 위상 어레이 안테나의 모든 소자의 사용을 통해 L밴드 업링크 빔 각각의 신호전력이 수신회로부, C밴드 상향변환, S밴드 하향변환 및 마지막 증폭을 통해서 위상 어레이 송신 안테나(42)에 까지 유지된다. 마찬가지로, S밴드 다운링크 빔 각각의 신호전력은 대응되는 L밴드 업링크 빔의 신호전력에 작용한다. L밴드 업링크 빔의 신호전력은 빔에 의해 서비스 받는 사용자장치의 갯수에 영향을 미친다.
일반적으로, 빔형성 네트워크(48,50)는 빔형성에 있어서 진폭 및 위상변동 둘 다를 사용한다. 그러나 본 발명의 바람직한 빔형성 네트워크는 위상만의 빔 형성을 채용한다. 이것은 관련 증폭기와 안테나의 각 소자가 동등하게 동작하게 한다. 증폭기의 위상 전달특성이 구동전력레벨의 함수로서 변한다는 점에서 안테나 소자간의 위상관계를 보존하는 것은 중요하다. 같은 레벨에서 모든 증폭기를 구동함으로써 잠재적인 문제는 제거된다.
또한, 전력을 소비하는 고전력증폭기(46)전의 신호통로에 위상 어레이 송신 안테나(42)를 위한 빔 형성 네트워크(50)를 수용함으로써 빔 형성 과정에 따른 손실이 종래기술보다 충분히 감소된다.
증폭하기 전의 빔형성은 모든 소자(42a)에 있는 마지막 증폭기(46)가 고정밀도(+/-2° 및 f/-0.5dB)로 진폭과 위상 전달특성을 서로 복제하는 것이 요구된다. 바람직하기로는, 이것은 고전력 증폭기(46)용 MMICI(Monolothic Microwave Integrated Circuit)를 사용함으로써 성최되는데 MMIC는 증폭기에서 증폭기로 반복할 수 있는 성능을 갖고있다.
본 발명의 또다른 양상을 보여주기 위해 제3(a)도, 제3(b)도, 제3(c)도 및 제3(d)도에 대한 설명을 하기로 한다. 본 발명의 양상은 저잡음 증폭기(44)가 수신 안테나소자(40a)에 설치되며, 또한 고전력증폭기(46)가 위상 어레이 송신 소자(42a)에 설치되는 방법과 관련되어 있다. 저잡음증폭기(44)의 입력과 고전력증폭기(46)의 출력은 직접 자유공간으로 연결된다. 그 결과, 케이블, 도파관 또는 다른 마이크로 웨이브구성요소에 기인한 손실을 초래하지 않는다.
제3(a)도는 위상 어레이 송신 소자(42a)의 측면도이다. 제3(b)도는 평면도이며, 제3(c)도는 서로 90° 간격으로 떨어져 놓여진 4개의 고전력증폭기(46)의 사용을 나타낸 개략도이다. 각각의 방사소자(42a)는 수직축을 따라 전파하는 것을 원조하기 위한 크기의 원통형 구조(42b)로 형성된다. 원통형 구조(42b)는 작동 주파수에서 짧은 원형도파관을 형성한다. 고전력 증폭기(46)는 원하는 원형편파된 파(wave)를 만들기 위해 원통형 구조(42b)의 둘레주위에서 90° 의 위상증가로 최대한 4개까지 놓여질 수 있다. 위상 어레이 송신 안테나(42) 경우에 관련된 고전력 증폭기(46)와 2개 또는 4개의 프로브(42c; probe)가 요구되는데, 전력증폭기의 크기와 요구되는 전력량에 따라서 다르게 요구된다.
제3(d)도에서 보여진 바와 같이, 수신소자(40a)경우에는 90° 의 위상편차를 갖는 두개의 프로브(40b)와 정방형의 구역이 원형편파된 신호를 수신하기 위해 제공된다.
위상 어레이 안테나(40,42)의 물리적 구조는, 무게 및 전체 직렬 전력 소비량을 최소화하는 것은 비용에 큰 영향을 미친다는 관점에서 페이로드(12)의 효율성에 중요한 요소로 작용한다. 바람직한 구조의 예가 제4(a)도 및 제5(a)도에 도시 되어있다.
제4(a)도는 61개의 소자 피드 어레이(42)안을 바라본 평면도이며 제4(b)도는 그것의 정면도이다. 소자(42a)는 3개면의 플레이트 디스크(plate disc)로써 구현된 빔 형성 네트워크 다층보드(100)위에 놓여 있다. 16개의 빔 형성 네트워크 다층보드(100)가 서로 쌓여있는 형태로 되어있으며 이것은 제2(a)도에 있는 빔 형성기(50)를 구현한다. 각각의 빔형성 네트워크다층보드(100)는 바깥쪽으로 방사상으로 확장된 61개의 출력(102)을 갖고있다. 16개 빔형성 네트워크다층보드(100) 각각으로 부터의 대응되는 출력(102)은 16-웨이 전력결합기(54)에서 합해진다. 각 전력결합기(54)의 합계 출력은 동축 케이블(104) 및 관련된 접속기(104a)에 의해 61개의 소자(42a)에 연결되어 진다. 각 소자(42a)는 제3(a)도 내지 제3(c)도에서 보여진 바와 같이 4개의 고전력증폭기(4b)를 포함하고 있다.
안테나(40,42)의 어레이 소자들을 구현하는 다른 실시예는 제7도에 도시되어 있다. 이 실시예에서는 방사 소자들이 아이리스(112a; iris)를 통해 공진기(114a)에 연결되는 전도패치(110)로 이루어진다. 같은 방법으로 공진기(114a)는 아이리스(l12b)를 통해 공진기(l14b)에 연결된다. 공진기(114a,l14b)는 2극대역통과필터(116)를 형성한다. 에너지는 정방형의 전도통로(118,120)에 의해 필터(116)로 부터 인출되거나 필터(116)에 연결된다. 이들 두 개의 통로(118, 120)는 90° 하이브리드 커플러 (122)에서 결합되며 원형편파된 파의 앞부분은 패치방사기(110)에 의해 발사되거나 수신된다. 이 경우 각 소자는 하나의 저잡음증폭기/고전력증폭기와 함께 공급 받는다. 대안으로서 이 구조는 위에서 언급한 동일한 방법으로 원형편파방사를 형성하기 위한 2개 또는 4개의 저잡음증폭기/고전력증폭기와 함께 공급받는다. 본 발명의 실시예에 대한 장점은 유전체 물질이 이전에 언급된 캐비티/혼(cavity/horn)의 자유공간에서 보다 더 많은 손실이 있지만 다층 인쇄회로 기술로 형성할 수 있는데 있다. 그러나, 인쇄회로는 제조하는데 비용이 적게든다.
제7도에서는 두개의 C밴드 혼 (76a,76b)이 사용되었으며 제2(b)도의 다이플렉서(72,74)가 제거되었다는 것을 유의해야 한다.
위상 어레이 수신 안테나(40)에 있는 패치(110)의 대표적인 크기는 인접한 패치 (110)간의 중심에서 중심까지 거리가 4.5인치로 설정한다. 반면에 위상어레이 송신 안테나(42)의 경우에는 인접한 패치간의 중심에서 중심까지의 거리를 3인치로 설정한다.
지금부터 다층 방사 패치소자의 상세한 구조를 상세하게 보여주는 제8도와 제9도에 따라 설명한다. 제8도에서 패치(110)는 유전체 물질(110a)의 표면에 형성되며 전도 격리면(110b)에 의해 둘러싸여 있다. 패치(110)와 격리면(110b)은 예를 들어 ½ 온스(Ounce)의 코퍼(Copper)로 이루어진다. 패치(110) 밑에 있는 것은 아이리스(112a)를 제한하기 위한 에칭된 개구(opening)을 갖고있는 솔리드 코퍼(solid copper)면이다. 아이리스(112a)가 에칭되어 있는 코퍼면은 유전체 물질(110a)과 패치(110)를 포함하는 인쇄 회로층의 반대편에 있다. 아이리스(112a)의 아래에 있는 것은 필터 (114a)를 형성하기 위한 에칭된 직사각형 코퍼를 갖는 유전체 물질(126)로 이루어지는 단일면의 회로기판이다. 에칭된 직사각형 코퍼는 단일면 회로기판의 위에 있다. 두번째 아이리스(l12b)는 단일면 회로기판에 제공되며 또한 코퍼면 내에 에칭된다. 필터(l14b)는 유전체 물질(12b)을 가지는 인쇄회로기판의 바닥에 있는 에칭된 직사각형 코퍼로 되어 있다. 솔리드 코퍼 접지면(122)은 필터(l14b) 밑에 위치한다. 아이리스(112a, l12b) 및 필터 (114a, l14b)는 관련된 패치(110)를 위한 투 캐비티 필터(two cavity filter)를 형성한다. 도금관통공(124)은 격리면(110b)로부터 접지면(122)까지 이들 모든 층을 통과한다.
제9도는 패치(110)와 제8도에 있는 투 캐비티 필터(two cavity filter)가 MMIC 증폭기 (위상 어레이 수신기(40)를 위한 MMIC 저잡음증폭기와 위상 어레이 송신기(42)를 위한 MMIC SSPA) 측으로의 연결을 제공하는 나머지 층들에 배치 되어있는 것을 보여주는 단면도이다. 부가적인 6개 층은 6개 층을 통하여 지나가는 관련된 도금 관통통로(122a)와 함께 세 개의 다른 접지면(122)을 제공한다. 층중의 하나는 MMIC 전력트레이스(128)를 포함하며, 층중의 하나는 다른 MMIC의 출력부인 전력분할기(132)를 포함한다. 본딩 접속을 위해 요구되는 층을 포함하는 전체 다층 회로기판(140)은 약 0.3인치정도의 전체두께를 갖는다. 본 발명의 바람직한 실시예에서 한개의 다층 회로기판(140)은 61개의 패치(110), 관련된 투 캐비티 필터, 보조회로 및 신호와 전력 경로를 포함하도록 구성된다.
제7도에 도시된 열흡수층(142; thermal layer)은 MMIC에 의해 만들어진 열을 소멸시키기 위해 다층 회로기판(140) 아래에 배치된다. 열흡수층(142)은 열파이프 및/또는 다른 적합한 열전도요소를 구비한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 위에 언급하였다. 그러나, 송신 및 수신소자의 수, 업링크 및 다운링크 빔의 수, 그리고 여러가지 주파수 범위는 본 발명을 실시하는데 있어서 제한적인 것이 아님을 인식해야 한다. 따라서, 본 발명은 바람직한 실시예에서 특별히 제시되고 설명되었지만 당분야의 사람들은 본 발명의 범위 및 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서 장치의 형태나 세부사항을 변형시킬 수 있을 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 본 발명에 따른 통신위성 페이로드에 의하면 전술한 종래기술의 문제점 및 기타 문제점이 극복되어지고 전술한 본 발명의 목적이 실현된다.

Claims (11)

  1. 위성 페이로드장치에 있어서, 제1 주파수대역 내의 RF신호를 수신하기 위한 다수개(n)의 수신소자를 구비하는 위상 어레이 수신안테나와 상기 위상 어레이 수신안테나 측에 연결된 입력단을 구비하여 상기 위상어레이 수신 안테나에 의해 수신된 RF신호로부터 다수개(m)의 업링크 빔을 형성하는 제1 빔 형성 수단과, 상기 제1 빔 형성 수단의 출력측에 연결된 입력단을 구비하여 상기 다수개(m)의 업링크 빔을 제2 주파수대역 내의 RF신호로 변환하여 그라운드 스테이션에 전송하고 그라운드 스테이션으로부터 송출된 제2 주파수대역 내의 RF신호를 수신하는 그라운드 스테이션 통신수단과, 상기 그라운드 스테이션 통신수단의 출력측에 연결된 입력단을 구비하여 상기 그라운드 스테이션으로부터 수신된 RF신호로부터 제3주파수 대역내의 다수개(m)의 다운링크 빔을 형성하는 제2 빔 형성 수단과, 상기 다수개(m)의 다운링크 빔을 상기 제3 주파수 대역 내의 RF신호로서 전송하기 위한 다수개(m)의 송신소자를 구비하는 위상 어레이 송신안테나를 포함하여 이루어지며, 상기 송신소자는 각각 전력증폭수단을 구비하고 상기 전력 증폭수단의 입력측은 상기 제2빔 형성 수단의 출력측과 연결되어 있으며 상기 전력증폭수단의 출력측은 상기 송신소자 중의 하나와 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 위성 페이로드 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 주파수 대역은 L밴드 내에 있으며 상기 제2 주파수대역은 C밴드 내에 있으며 상기 제3 주파수대역은 S밴드내에 있는 것을 특징으로 하는 위성 페이로드 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 다수개의 수신소자는 각각 다수개의 수신증폭기와 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 위성 페이로드 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 각 수신증폭기의 입력단은 상기 수신소자중 한개의 자유공간에 연결되는 것을 특징으로 하는 위성 페이로드 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 각 전력증폭기의 출력단은 상기 송신소자중 한개의 자유공간에 연결되는 것을 특징으로 하는 위성 페이로드 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 다수개(m)의 업링크 빔 각각은 상기 업링크 빔이 발생한 같은 지역을 비춰주는 대응되는 다운링크 빔을 가지고, 상기 다운링크 빔 중 대응하는 하나의 전력레벨은 상기 업링크 빔의 전력레벨과 함수관계를 이루는 것을 특징으로 하는 위성 페이로드 장치.
  7. 위성 페이로드에 있어서, 제1 주파수대역 내의 RF신호로 이루어진 다수개(m)의 업링크 빔을 수신하기 위한 다수개(n; 1〈m〈n)의 수신소자를 구비하는 위상 어레이 수신안테나와, 상기 다수개(n) 수신소자 중 하나의 출력단에 연결된 입력단을 구비하고 다수개(m)의 출력단을 각각 구비한 다수개(n)의 전력분할기와, 상기 다수개(n) 전력분할기 중 하나에 있는 다수개(m) 출력단 중 하나에 각각 연결된 다수개(m)의 입력단과 한개의 출력단을 구비하는 다수개(m)의 업링크 빔 형성 수단과, 상기 다수개(m)의 빔 형성수단 중 하나에 있는 출력단에 연결된 입력단을 각각 구비하고 제2 주파수 대역 내의 RF신호를 공급하는 한개의 출력단을 각각 구비하는 다수개(m)의 제1 주파수 변환수단과, 상기 다수개(m) 제1 주파수 변환수단의 출력을 결합하고 제2 주파수대역 내의 m-채널RF신호를 그라운드 스테이션 측으로 전송하는 수단과, 그라운드 스테이션으로부터 송출된 제2주파수 대역 내의 m-패널 RF신호를 수신하는 수단과, 상기 그라운드 스테이션에 구비된 수신 수단의 출력단과 연결된 입력단과 제3 주파수 대역 내의 RF신호를 공급하기 위한 한 개의 출력단을 각각 구비하고 상기 수신된 m-채널 중 하나에 각각 응답하는 다수개(m)의 제2주파수 변환 수단과, 상기 다수개(m)의 제2주파수 변환 수단 중 하나의 출력단에 연결된 입력단을 각각 구비하는 다수개(m)의 다운링크 빔 형성 수단과, 상기 다수개(m)의 다운링크 빔 형성 수단의 출력단에 연결된 다수개(m)의 입력단과 한개의 출력단을 각각 구비하는 다수개(n)의 전력결합기와, 상기 다수개(n)의 전력합산기 중 하나의 출력단에 연결된 다수개(n)의 송신소자를 각각 구비하여 제3주파수 대역 내의 RF신호로 이루어진 다수개(m)의 빔을 송출하는 페이로드 어레이 송신안테나를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 위성 페이로드 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제1 주파수대역은 L밴드내에 있고, 상기 제2 주파수대역은 C밴드내에 있으며, 상기 제3 주파수대역은 S밴드에 있는 것을 특징으로 하는 위성 페이로드 장치.
  9. 제7항에 있어서, 상기 다수개(n)의 수신소자 각각은 자신에게 연결된 한 개 이상의 수신증폭기를 구비하고 있으며, 상기 각 수신증폭기의 입력단은 상기 수신소자중 한개의 자유공간에 연결되는 것을 특징으로 하는 위성 페이로드 장치.
  10. 제7항에 있어서, 상기 다수개(n) 송신소자의 각각은 자신에게 연결된 한 개 이상의 송신증폭기를 구비하고 있으며, 상기 각 송신 증폭기의 출력단은 상기 송신소자중 한개의 자유공간에 연결되는 것을 특징으로 하는 위성 페이로드 장치.
  11. 제7항에 있어서, 상기 다수개(n) 업링크 빔의 각각은 상기 업링크 빔이 발생한 동일한 지역을 비추는 대응되는 다운링크 빔을 가지며, 상기 대응되는 다운링크 빔 중 하나의 전력레벨은 상기 업링크 빔의 전력 레벨과 함수 관계를 이루는 것을 특징으로 하는 위성 페이로드 장치.
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