KR100626652B1 - 능동 위상 배열 안테나 시스템의 직선 모드 변환기 및 그제조 방법 - Google Patents
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Abstract
1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야
본 발명은 능동 위상 배열 안테나 시스템의 직선 모드 변환기 및 그 제조 방법에 관한 것임.
2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제
본 발명은 능동모듈의 동축선 내심을 연납부를 이용하여 스텝 임피던스 변환부에 연결함으로써, 능동모듈과 방사모듈을 직선 형태로 연결하는 직선 모드 변환기를 제공하는데 그 목적이 있음.
3. 발명의 해결방법의 요지
본 발명은, 능동모듈과 방사모듈을 연결하는 직선 모드 변환기에 있어서, 유전체로 둘러싸여 TEM(Transverse Electro Magnetic) 모드의 무선 신호를 전파하는 동축선 내심; 상기 동축선 내심과 연결되어 임피던스 변환을 수행하고, 상기 TEM 모드의 무선 신호를 TE(Transverse Electro) 또는 TM(Transverse Magnetic) 모드의 무선 신호로 변환시키는 임피던스 변환부; 및 상기 유전체와 상기 임피던스 변환부 사이에 존재하고, 반사계수 및 삽입손실 특성을 유지시키는 이격부를 포함함.
4. 발명의 중요한 용도
본 발명은 능동 위상 배열 안테나 시스템에 이용됨.
Ka 대역, 능동 위상 배열 안테나, 직선 모드 변환기
Description
도 1은 일반적인 위상 배열 안테나 시스템의 구성도,
도 2는 종래의 직각 모드 변환기의 구성도,
도 3은 종래의 직선 모드 변환기의 구성도,
도 4는 마이크로스트립 기판과 스텝 임피던스 변환부를 와이어 본딩으로 연결하여 제작한 직선 모드 변환기의 구성도,
도 5는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 능동 위상 배열 안테나 시스템의 직선 모드 변환기의 단면도,
도 6은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 직선 모드 변환기의 제작 과정을 설명하는 흐름도,
도 7은 도 6의 솔더링 과정을 설명하는 도면이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
400 : 도파관 410 : 동축선 내심
420 : 유전체 430 : 이격부
440 : 정합핀 450 : 연납부
460 : 스텝 임피던스 변환부
본 발명은 직선 모드 변환기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 능동모듈과 방사모듈 간의 전파 모드(mode) 변환을 위한, 능동 위상 배열 안테나 시스템의 직선 모드 변환기 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
위상 배열 안테나 시스템은 동축선로(coaxial line) 인터페이스를 가지는 능동모듈 및 균일한 거리로 배열된 방사 소자로 구성되며, 각 배열 방사 소자에서 방사되는 전파의 크기와 위상을 조절함으로써 방사패턴을 제어할 수 있는 시스템이다.
일반적으로 Ka(20∼30㎓) 대역과 같은 높은 주파수 대역에서 사용되는 위상 배열 안테나 시스템은 배열 방사 소자로 주로 TEM(Transverse Electro Magnetic) 모드의 무선 신호를 방사하는 마이크로스트립 배열 안테나, TE(Transverse Electro) 또는 TM(Transverse Magnetic) 모드의 무선 신호를 방사하는 도파관 형태의 혼 안테나가 사용된다.
상기 마이크로스트립 배열 안테나가 상기 위상 배열 안테나 시스템의 배열 방사 소자로 사용될 경우 방사효율이 매우 낮다. 또한, 상기 위상 배열 안테나 시스템에서 서브 어레이 개념이 사용될 경우 상기 마이크로스트립 배열 안테나는 서브 어레이의 각 소자를 전력 분배기로 연결해 주어야 하기 때문에 추가적인 손실을 발생시킨다.
따라서, 능동 위상 배열 안테나 시스템의 배열 방사 소자로 방사효율이 우수하고, 위상 배열 안테나 시스템에 서브 어레이 개념이 사용될 경우에도 추가적인 손실이 발생하지 않는 도파관 형태의 혼 안테나가 주로 사용된다.
이때, 상술한 바와 같이 능동 위상 배열 안테나 시스템의 배열 방사 소자로 도파관 형태의 혼 안테나가 사용될 경우, 능동 위상 배열 안테나 시스템의 능동모듈은 TEM 모드의 무선 신호를 전파하는 동축선로 인터페이스를 갖기 때문에, TEM 모드의 무선 신호를 TE 또는 TM 모드의 무선 신호로 변환시키는 모드 변환기 모듈이 필요하다.
도 1은 일반적인 위상 배열 안테나 시스템의 구성도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명이 적용되는 위상 배열 안테나 시스템은 능동모듈(110), 모드 변환기(120) 및 방사모듈(130)을 포함한다.
능동모듈(110)은 TEM 모드의 무선 신호를 증폭하여 모드 변환기(130)로 출력하는 기능을 수행한다. 이때, 모드 변환기(130)로 무선 신호를 출력하는 능동모듈(110)의 출력단은 주로 동축선로(coaxial line)가 사용된다.
방사모듈(120)은 TE 또는 TM 모드의 무선 신호를 방사하는 기능을 수행하며 주로 도파관 형태의 혼 안테나가 사용된다.
모드 변환기(130)는 능동모듈(110)과 방사모듈(120) 사이에 위치하여 능동모듈(110)로부터 증폭된 TEM 모드의 무선 신호를 전달받아 TE 또는 TM 모드의 무선 신호로 변환한다.
모드 변환기(130)는 전파 모드를 변환시키는 구조물의 형태에 따라 직각 모드 변환기와 직선 모드 변환기로 분류된다.
도 2는 종래의 직각 모드 변환기의 구성이다.
도시된 바와 같이, 동축선(210)을 통과한 TEM 모드의 무선 신호는 임피던스를 완만하게 변화시키는 유전체 또는 금속 형태의 아이리스(iris, 220)를 통과하면서 TE 모드로 변환되어 도파관(230)을 통하여 방사된다.
도 3은 종래의 직선 모드 변환기의 구성도이다.
도시된 바와 같이, 직선 모드 변환기는 제1동축선로(240), 제2동축선로(250) 및 정합핀(260)을 포함하는 하이브리드부(270)와 스텝 임피던스 변환부(280)를 포함한다.
제1동축선로(240)를 통과한 TEM 모드의 무선 신호는 제1동축선로(240)보다 두꺼운 제2동축선로(250) 및 정합핀(260)을 포함하는 하이브리드부(270)를 지나 스텝 임피던스 변환부(280)를 통과하면서 TE 모드로 변환된다.
상기 직선 모드 변환기는 상술한 도 2의 직각 모드 변환기보다 기구상 안정성이 있고 또한 시스템의 부피를 감소시키는 이점이 있다.
그러나, 상기 직선 모드 변환기는 제1동축선로(240)의 동축선 내심이 공기(air)로 둘려싸여있기 때문에 기구상 안정성을 완전하게 해결하지 못한다.
또한, 상기 직선 모드 변환기는 제1동축선로(240), 하이브리드부(270) 및 스텝 입피던스 변환부(280)가 일체형인 이론적 구조로, 파장에 비례한 크기로 제작해야 하는 RF 부품 특성상 Ka 대역과 같은 높은 주파수 대역에서 일체형으로 제작하기에는 어려운 문제점이 있다.
한편, 이와 관련하여 미국 등록특허 제5969580호는 도파관 내부에 마이크로스트립 기판을 삽입하고 와이어 본딩(wire bonding)으로 상기 마이크로스트립 기판과 도파관 내부의 스텝 임피던스 변환부를 연결한 직선 모드 변환기를 제안한다.
도 4는 상기 제안된 마이크로스트립 기판과 스텝 임피던스 변환부를 와이어 본딩으로 연결하여 제작한 직선 모드 변환기의 구성도이다.
도시된 바와 같이, 직선 모드 변환기는 도파관(300) 내부에 마이크로스트립 기판(310), 정합핀(320), 스텝 임피던스 변환부(330) 및 와이어 본딩(340)을 포함한다.
마이크로스트립 기판(310)을 통해 전파되는 TEM 모드의 무선 신호가 와이어 본딩(340)을 지나 스텝 임피던스 변환부(330)를 통과하면서 TE 또는 TM 모드의 무선 신호로 변환된다.
그러나, 상기 미국 등록특허는 Ka 대역과 같은 높은 주파수 대역에서 활용 가능하지만 상술한 바와 같이 마이크로스트립 기판을 도파관 내부에 삽입해야 하기 때문에 실제 Ka 대역에서 제작이 어렵고, 마이크로스트립 기판과 스탬 임피던스 변환부 간의 연결이 와이어 본딩에 의해 이루어져 고가의 제작 장비가 요구되는 단점이 있다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 능동모듈의 동축선 내심을 연납부를 이용하여 스텝 임피던스 변환부에 연결함으로써, 능동모듈과 방사모듈을 직선 형태로 연결하는 직선 모드 변환기를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 능동모듈과 방사모듈을 연결하는 직선 모드 변환기에 있어서, 유전체로 둘러싸여 TEM(Transverse Electro Magnetic) 모드의 무선 신호를 전파하는 동축선 내심; 상기 동축선 내심과 연결되어 임피던스 변환을 수행하고, 상기 TEM 모드의 무선 신호를 TE(Transverse Electro) 또는 TM(Transverse Magnetic) 모드의 무선 신호로 변환시키는 임피던스 변환부; 및 상기 유전체와 상기 임피던스 변환부 사이에 존재하고, 반사계수 및 삽입손실 특성을 유지시키는 유지시키는 이격부를 포함하고상기 동축선 내심을 고정하기 위한 슬롯이 존재하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은, 도파관 하판에 동축선 내심이 위치할 슬롯을 갖는 스텝 임피던스 변환부를 설치하는 단계; 상기 스텝 임피던스 변환부로부터 일정한 거리의 이격부를 두고 동축선 내심 및 유전체를 삽입하는 단계; 상기 슬롯에 상기 이격부로부터 들어오는 동축선 내심을 올려놓고, 상기 동축선 내심 위에 연납을 올려놓는 단계; 고온의 열풍기로 상기 연납을 가열하여 상기 슬롯과 상기 동축선 내심을 고정하는 단계; 및 정합핀을 포함하는 모드 변환기의 상판을 상기 도파관 하판에 일치시켜 고정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명이 적용되는 능동 위상 배열 안테나 시스템은 능동모듈, 모드 변환기 및 방사모듈을 포함한다.
상기 능동모듈의 출력단은 TEM 모드의 무선 신호를 전파하는 동축선로이다.
상기 방사모듈은 상기 모드 변환기에서 모드 변환된 TE 또는 TM 모드의 무선 신호를 방사하는 도파관 형태의 혼 안테나를 포함한다. 그러나, 상기 방사모듈은 혼 안테나 이외에 다른 도파관 형태의 안테나를 포함할 수 있음은 당업자에게 자명하다.
이하의 실시예에서는 동축선로에서 전파된 TEM 모드의 무선 신호를 TE 또는 TM 모드의 무선 신호로 변환하는 과정을 예로 들어 설명하지만, 본 발명은 TE 또는 TM 모드의 무선 신호를 TEM 모드의 무선 신호로 변환하는 역과정도 수행할 수 있음은 당업자에게 자명하다.
도 5는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 능동 위상 배열 안테나 시스템의 직선 모드 변환기의 단면도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 직선 모드 변환기는 도파관(400), 동축선 내심(410), 유전체(420), 이격부(430), 정합핀(440), 연납부(450), 스텝 임피던스 변환부(460)를 포함한다.
도파관(400)은 전기적 특성이 우수한 알루미늄 또는 금으로 이루어진 사각형 또는 원형의 금속관으로 TE 또는 TM 모드의 고주파 신호를 전송하는 전송로이다.
동축선 내심(410)은 유전체(420)에 의해 둘러싸여 고정되어 있고, 능동모듈의 인터페이스 역할을 한다.
유전체(420)는 동축선 내심(410)을 둘러싸고 고정함으로써 강인한(robust) 구조의 직선 모드 변환기를 가능하게 한다.
이격부(430)는 유전체(420)와 스텝 임피던스 변환부(460) 사이에 위치하여 직선 모드 변환기의 반사계수와 삽입손실 특성을 유지시킨다. 본 실시예에서는 이격부(430)는 공기(air)로 채워진다.
정합핀(440)은 동축선 내심(410)에서 전송된 TEM 모드의 무선 신호가 스텝 임피던스 변화부(460)로 잘 여기되도록 임피던스 정합을 수행한다.
연납부(450)는 이격부(420)를 통과하여 도파관(400) 내부로 들어온 동축선 내심(410)을 스텝 임피던스 변환부(460)에 고정시킨다.
스텝 임피던스 변환부(460)는 도파관(400)의 임피던스를 점진적으로 변화시켜 동축선 내심(410)으로부터 전달된 TEM 모드의 무선 신호를 TE 또는 TM 모드의 무선 신호로 변환시킨다.
도 6은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 직선 모드 변환기의 제작 과정을 설명하는 흐름도이고, 도 7은 도 6의 솔더링 과정을 설명하는 도면이다. 도 6과 도 7을 이용하여 직선 모드 변환기의 제작 과정을 설명한다.
먼저, 동축선 내심(410) 및 유전체(420)를 삽입할 삽입부와 슬롯을 갖는 스텝 임피던스 변환부(460)를 포함하는 모드 변환기의 하판을 제작한다(500). 상기 슬롯의 형태는 동축선 내심(410)의 형태에 따라 결정된다.
스텝 임피던스 변환부(460)로부터 일정한 거리의 이격부(430)를 두고 동축선 내심(410) 및 유전체(420)를 삽입한다(510).
스텝 임피던스 변환부(460)의 슬롯에 이격부(430)를 통과하여 삽입되는 동축선 내심(410)을 올려놓고, 동축선 내심(410) 위에 연납을 올려놓는다(520).
다음으로, 도 7에 도시된 바와 같이, 고온의 열풍기로 상기 연납을 가열하여(솔더링) 상기 슬롯과 동축선 내심(410)을 함께 고정한다(530).
슬롯과 동축선 내심(410)을 솔더링에 의해 고정한 후, 정합핀(440)을 포함하는 모드 변환기의 상판(400)을 올려 고정하고 최종적인 직선 모드 변환기를 제작한다(540).
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
상기와 같은 본 발명은, 유전체로 둘러싸인 동축선 내심을 모드 변환기에 솔더링으로 간단하게 연결함으로써, 기구적으로 안정된 직선 형태의 모드 변환기를 제공한다.
또한, 본 발명은 고가의 와이어 본딩에 의한 연결없이 간단하게 구현하여 능동 위상 배열 안테나 시스템의 제작 비용을 절감시킨다.
Claims (4)
- 20GHz 이상의 높은 주파수 대역에서 능동모듈과 방사모듈을 연결하는 직선 모드 변환기에 있어서,유전체로 둘러싸여 TEM(Transverse Electro Magnetic) 모드의 무선 신호를 전파하는 동축선 내심;상기 동축선 내심과 연결되어 임피던스 변환을 수행하고, 상기 TEM 모드의 무선 신호를 TE(Transverse Electro) 또는 TM(Transverse Magnetic) 모드의 무선 신호로 변환시키는 임피던스 변환부; 및상기 유전체와 상기 임피던스 변환부 사이에 존재하고, 반사계수 및 삽입손실 특성을 유지시키는 이격부를 포함하고상기 동축선 내심을 고정하기 위한 슬롯이 존재하는 것을 특징으로 하는 직선 모드 변환기.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,상기 동축선 내심을 상기 임피던스 변환부에 고정하기 위한 연납부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직선 모드 변환기.
- 도파관 하판에 동축선 내심이 위치할 슬롯을 갖는 스텝 임피던스 변환부를 설치하는 단계;상기 스텝 임피던스 변환부로부터 일정한 거리의 이격부를 두고 동축선 내심 및 유전체를 삽입하는 단계;상기 슬롯에 상기 이격부로부터 들어오는 동축선 내심을 올려놓고, 상기 동축선 내심 위에 연납을 올려놓는 단계;고온의 열풍기로 상기 연납을 가열하여 상기 슬롯과 상기 동축선 내심을 고정하는 단계; 및정합핀을 포함하는 모드 변환기의 상판을 상기 도파관 하판에 일치시켜 고정하는 단계를 포함하는 20GHz 이상의 높은 주파수 대역에서 능동모듈과 방사모듈을 연결하는 직선 모드 변환기 제작 방법.
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