KR100756785B1 - 개별형 용량성 커플링을 갖는 위상 배열 안테나 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

위상 배열 안테나(100)는 기판(104), 및 기판(104)상의 다이폴 안테나 소자(40)의 배열로 구성된다. 각 다이폴 안테나 소자(40)는 중간 피드부(42), 및 그들로부터 외곽으로 연장된 한쌍의 다리(44)로 구성되고, 인접한 다이폴 안테나 소자(40)들의 인접한 다리(44)들은 각각 이격된 말단부(46)를 포함한다. 각 임피던스 소자는 그들 사이의 증가된 용량성 커플링을 제공하기 위하여 인접한 다이폴 안테나 소자(40)의 인접한 다리(44)의 이격된 말단부(46) 사이에서 전기적으로 연결된다.
위상, 배열, 안테나, 다이폴, 다리, 용량성, 개별형, 커플링, 기판

Description

개별형 용량성 커플링을 갖는 위상 배열 안테나 및 그 제조 방법{PHASED ARRAY ANTENNA WITH DISCRETE CAPACITIVE COUPLING AND ASSOCIATED METHODS}
본 발명은 위상 배열 안테나 및 이에 관련된 제조 방법에 관한 것이다.
오늘날에 있어서, 마이크로파 안테나는 위성수신, 원격방송, 또는 군사용 통신 등과 같이 여러 분야에서 다양하게 변형되어 응용되고 있다. 가격의 저렴화, 경량화, 저 프로파일 및 대량생산 등의 바람직한 특성들은 일반적으로 인쇄형 안테나(printed circuit antennas)에 의해 제공된다. 이 인쇄형 안테나의 가장 단순한 형태로서는 마이크로스트립 안테나가 있는데, 이 마이크로스트립 안테나에서는 모노폴 또는 다이폴 안테나 소자와 같은 평판형 도체소자들이 균일한 두께의 유전체 기판에 의해 단일 연속 접지면으로부터 서로 격리되어 있다. 이러한 마이크로스트립 안테나의 하나의 예시가 올리펀트의 미국특허 제3,995,277호에 개시되어 있다.
안테나는 배열형태로 설계되며, 상기의 가격의 저렴화, 경량화, 저 프로파일 및 저 사이드 로브 등의 특성을 요구하는 피아식별(IFF) 시스템, 개인통신 서비스(PCS) 시스템, 위성통신 시스템, 및 항공우주 시스템과 같은 통신시스템들에서 사용된다. 하지만, 상기 안테나의 대역폭과 지향성 정도는 일부 응용예에 있어서는 제한받게 된다.
그러나, 전자기적 결합 다이폴 안테나 소자를 사용함으로써 대역폭을 증가시킬 수 있다. 또한, 다이폴 안테나 소자 배열을 사용함에 따라 최대 스캔 각도를 확보하여 지향성을 향상시킬 수도 있다.
하지만, 다이폴 안테나 소자 배열을 활용하는데에는 몇 가지 문제점이 드러났다. 최대 그레이팅 로브 자유 스캔 각도는 다이폴 안테나 소자들을 서로 근접하게 배치하면 증가 될 수는 있으나, 이러한 안테나 소자들의 근접배치는 소자들 사이에 바람직하지 않은 결합을 증가시키고, 이에 따라 안테나의 성능을 악화시킨다. 또한, 이러한 바람직하지않은 결합은 주파수의 변경에 따라 급속도로 변동되기 때문에, 넓은 대역폭을 유지하기가 곤란하다.
이러한 다이폴 안테나 소자들 간의 바람직하지않은 결합의 문제점을 해결하려는 하나의 대응책이 더함의 미국특허 제6,417,813호에서 개시되어 있는데, 이 특허는 본 출원의 현 양수인에 양도되어 있으며, 또한, 그 내용이 본 명세서에 참조로서 병합되어 있다. 더함의 특허에서는 중간 피드부와 외부로 뻗쳐진 한 쌍의 다리를 각각 갖는 다이폴 안테나 소자들의 배열을 구비한 광대역 위상 배열 안테나가 개시되어 있다.
특히, 인접 다이폴 안테나 소자들의 인접 다리들은, 소정의 형상을 취하고 있으며, 인접 다이폴 안테나들 사이의 용량성 커플링을 증가시키도록 상대배치된 각각의 이격된 말단부들을 포함하고 있다. 이 증가된 용량성 커플링은 근접배치된 다이폴 안테나들의 고유 인덕턴스에 맞서게 되고, 이로써 주파수가 변경될지라도 광대역이 유지될 수 있게 된다.
그러나, 인접한 다이폴 안테나 소자와 인접한 다리로부터 각각 이격된 말단부의 형상 및 위치와 관련되어 증가된 용량성 커플링은 위상 배열 안테나에 포함된 인접 유전체와 접착층들의 특성에 의존하게 된다. 결과적으로, 이들 층들은 위상 배열 안테나의 성능에 영향을 미치게 된다.
상술한 배경기술의 관점에서, 내부에 포함된 인접한 유전체층과 접착제층에 의존하지 않고, 위상 배열 안테나에서 인접한 다이폴 안테나 소자 사이의 용량성 커플링을 증가시키는 것이 본 발명의 목적이다.
본 발명에 따른 이러한 목적 및 그 밖의 목적들, 특징들 및 효과들은 기판, 및 기판상의 다이폴 안테나 소자의 배열로 구성된 위상 배열 안테나에 의해 제공될 수 있다. 각 다이폴 안테나 소자는 중간 피드부, 및 그로부터 외곽으로 연장된 한쌍의 다리로 구성되고, 인접한 다이폴 안테나 소자들의 인접한 다리들은 각각 이격된 말단부를 포함한다. 각 임피던스 소자는 그들 사이의 증가된 용량성 커플링을 제공하기 위하여 인접한 다이폴 안테나 소자의 인접한 다리의 이격된 말단부 사이에서 전기적으로 연결된다.
각 임피던스 소자의 용량은 위상 배열 안테나내에 포함된 유전체와 접착층들로부터 분리되는 것이 바람직하다. 덧붙여, 각 임피던스 소자들이 인접한 다이폴 안테나 소자의 인접한 다리와 겹치기 때문에, 용량성 커플링은 상대적으로 작은 면적을 차지하고, 이는 위상 배열 안테나의 동작 주파수를 더 낮추는데 도움이 된다. 각 임피던스 소자의 또 다른 장점은 그들이 다른 임피던스 값을 가짐으로써, 위상 배열 안테나의 대역폭이 다른 어플리케이션에서 조절될 수 있다는 것이다.
각 임피던스 소자는 상호 직렬로 연결된 캐패시터와 인덕터를 포함할 수 있다. 그러나, 캐패시터와 인덕터의 다른 구성도 가능하다. 예를 들어, 캐패시터와 인덕터는 병렬로 연결될 수도 있고, 또는 임피던스 소자가 인덕터 없이 캐패시터를 포함하거나 또는 캐패시터 없이 인덕터를 포함할 수 있다.
인접한 다이폴 안테나 소자들 사이의 용량성 커플링을 더 증가시키기 위하여, 각 다이폴 안테나 소자는 소정의 형상과 상대 위치를 갖는 각각의 이격된 말단을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 임피던스 소자도 이격된 말단부 사이에서 겹침 또는 맞물림부로 구성된 인접한 다리들 사이에서 전기적으로 연결될 수 있다. 이러한 구성에서, 임피던스 소자는 맞물린 캐패시터부내에서 흐르는 비대칭 전류를 제거함으로써 안테나 패턴내의 더 낮은 교차 편차를 제공하는 것이 바람직하다. 이와 유사하게, 임피던스 소자는 확대된 폭 말단부를 가진 인접한 다리 사이에도 연결될 수 있다.
위상 배열 안테나는 소요(所要) 주파수 범위를 갖고, 인접한 다이폴 안테나 소자의 인접한 다리의 말단부 사이의 간격은 최고 소요 주파수의 파장의 약 절반 미만이다. 덧붙여, 접지면은 다이폴 안테나 소자의 배열로부터 최고 소요 주파수의 파장의 약 1/2보다 작게 이격된다.
다이폴 안테나 소자의 배열은 이중 편파를 제공하기 위해 직교성 다이폴 안테나 소자의 제 1, 2 세트로 구성된다. 다이폴 안테나 소자의 배열은 위상 배열 안테나가 약 2 내지 30 GHz의 주파수 범위에 걸쳐, 그리고 약 ±60°의 스캔각도에 걸쳐 동작 가능하도록 하기 위해 적절한 크기와 상대적 위치를 갖는다.
본 발명의 또 다른 관점은 기판을 구비하는 단계, 및 기판상에 다이폴 안테나 소자의 배열을 형성하는 단계로 구성된 위상 배열 안테나의 제조방법이다. 각 다이폴 안테나 소자는 중간 피드부, 및 그로부터 외곽으로 연장된 한쌍의 다리로 구성되고, 그리고 인접한 다이폴 안테나 소자의 인접한 다리는 각각 이격된 말단부를 포함한다. 상기 방법은 그들 사이에 증가된 용량성 커플링을 제공하기 위하여 인접한 다이폴 안테나 소자의 인접한 다리의 이격된 말단부 사이를 각각의 임피던스 소자를 이용하여 전기적으로 연결하는 단계를 더 포함한다.
도 1은 배위에 설치된, 본 발명에 따른 위상 배열 안테나의 개략도,
도 2는 도 1의 위상 배열 안테나와 대응되는 용량성 설치 구조의 개략적인 사시도,
도 3은 도 2의 위상 배열 안테나의 분해 사시도,
도 4는 도 2의 배열 부분의 확대도,
도 5A 및 도 5B는 도 2의 위상 배열 안테나에 사용될 수 있는 인접 다이폴 안테나 소자의 인접한 다리의 이격된 말단의 개략적인 확대도,
도 5C는 도 2의 광대역 위상 배열 안테나에 사용될 수 있는 인접 다이폴 안테나 소자의 인접 다리의 이격된 말단을 가로질러 전기적으로 연결된 임피던스 소자의 개략적인 확대도,
도 5D는 도 2의 광대역 위상 배열 안테나에 사용될 수 있는 인접 다이폴 안테나 소자의 인접 다리의 이격된 말단을 가로질러 전기적으로 연결된 임피던스 소자의 또 다른 실시예의 개략적인 확대도,
도 6A 및 도 6B는 도 2의 위상 배열 안테나에 사용될 수 있는 다이폴 안테나 소자의 중간 피드부를 가로 질러 연결되는 개별형 임피던스 소자와 인쇄된 임피던스 소자의 개략적인 확대도,
도 7A 및 도 7B는 도 2의 위상 배열 안테나에서 에지 부재에 인접한 능동 다이폴 안테나 소자 및 에지 부재가 위치하지 않는 동일 능동 다이폴 안테나 소자에 대한 계산된 VSWR 대 주파수의 그래프이고,
도 8A 및 도 8B는 도 2의 위상 배열 안테나의 중심에 위치한 에지 부재를 갖는 능동 다이폴 안테나 소자 및 에지 부재가 위치하지 않는 동일 능동 다이폴 안테나 소자에 대한 계산된 VSWR 대 주파수의 그래프이고,
도 9는 부재가 본 발명에 따른 흡수기로서의 기능을 선택적으로 수행할 수 있도록 하기 위하여 스위치를 갖는 다이폴 안테나 소자 및 그에 연결된 부하의 개략도,
도 10은 도 9의 다이폴 안테나 소자를 갖는 위상 배열 안테나의 단면도,
도 11은 빌딩벽에 위치하는 본 발명에 따른 피드쓰루 렌즈 안테나를 단면으로 나타내는 빌딩 부분의 평면도이다.
본 발명이 첨부된 도면을 참조하여 더욱 상세하게 설명될 것이고, 본 발명의 바람직한 실시예가 도시된다. 그러나, 본 발명은 다수의 실시예로 구체화될 수 있으며, 이하에서 설정된 실시예들로 구한되어서는 안될 것이다. 더욱이, 이들 실시예들은 본 개시가 철저하고 완벽하도록 제공되는 것이며, 당업자에게 본 발명의 범위를 충분히 전달할 것이다. 유사한 참조번호는 전체적으로 유사한 부재를 지칭하고, 프라임, 이중 프라임, 삼중 프라임 표식은 선택적인 부재내에서 유사한 부재들을 가르킨다.
도 1과 도 2를 우선적으로 참조하면, 본 발명에 따른 광대역 위상 배열 안테나(100)가 설명되어진다. 위상 배열 안테나(100)는 설계적 구속이 배열에서 능동 다이폴 안테나 소자의 갯수를 한정할 때 특히 유효하다. 설계적 구속은 한정된 설치 공간을 갖는 플랫폼, 및 예를 들어 도 1에 도시된 배(112)와 같이 낮은 레이더 반사단면적(RSC)에 의해 유발될 수 있다. 나타난 위상 배열 안테나(110)는 당업자가 알고 있는 바와 같이 트랜스시버와 제어기(114)에 연결된다.
위상 배열 안테나(100)는 도 2에서 개략적인 사시도로 나타낸 바와 같이, 에지 부재(40b), 및 대응하는 설치 공간(200)을 갖는다. 위상 배열 안테나(100)는 제 1 면(106), 및 이에 인접한 제 2 면(108)을 갖고, 그들 사이에서 각 에지(110)를 정의하는 기판(104)을 포함한다. 복수의 다이폴 안테나(40a)는 제 1 면(106)상에 있고, 적어도 하나의 다이폴 안테나 소자(40b)의 적어도 일부분은 제 2 면(108)상에 있다. 제 2 면(108)상의 다이폴 안테나 소자(40b)는 위상 배열 안테나(100)용 "에지 부재"를 형성한다.
통상적으로, 능동 및 수동 다이폴 안테나 소자들은 동일 기판 표면상에 있 다. 그러나, 능동 및 수동 다이폴 안테나 소자(40a 40b)를, 표면(106, 108) 사이에서 정의되는 각각의 에지(110)를 갖는 2개의 다른 기판 표면(106, 108) 상에 분리함으로써, 능동 다이폴 안테나 소자용으로 더 많은 공간이 유용될 수 있다. 결과적으로, 설계적 구속에 의해 영향을 받는 위상 배열 안테나의 경우 안테나의 성능이 향상된다.
도시된 실시예에서, 제 2 면(108)은 제 1 면(106)에 직교한다. 기판(104)은 상면, 상면에 인접하는 제 1, 2 대항 측면쌍을 갖는 일반적인 사각 형상을 갖고, 그들 사이에서 각각 정의되는 에지(110)를 갖는다. 제 1 면(106)은 상면에 대응하고, 제 2 면(108)은 제 1, 2 대항 측면쌍에 대응한다. 도시된 에지 부재(40b)는 대항 측면들의 각 쌍상에 있다. 다른 실시예에서, 에지 부재(40b)는 대항 측면쌍중 하나만 또는 심지어 일측면상에 있다. 덧붙여, 기판(104)은 사각 형상에 국한되지 않고, 상면에 대해 직교하는 측면에 한정되지 않는다.
에지 부재(40b), 즉 제 2 면(108)상의 다이폴 안테나 소자는 제 2 면상에서 완전하게 형성되거나 또는 이들 부재들중 일부가 제 1 면(106)상에 연장되도록 형성된다. 후자의 실시예인 경우, 기판(104)은 모놀리식 유연 기판일 수 있고, 제 2 면은 에지 부재(40b)의 다리들중 하나가 제 1 면(106)상으로 연장되도록 단지 기판을 구부림으로써 형성될 수 있다. 선택적으로는, 제 1 면(106)상의 다이폴 안테나 소자(40a)의 다리들중 적어도 하나가 제 2 면(108)으로 연장될 수 있다.
구부림도 제 1, 2 면(106, 108) 사이의 각 에지들(110)을 정의한다. 모놀리식 기판 대신에, 제 1, 2 기판(106, 108)이 별도로 형성되고(각각의 표면(106, 108)상에서 완전하게 형성된 각각의 다이폴 안테나 소자(40a, 40b)와 함께), 당업자에게 잘 알려진 바와 같이, 기판(104)을 형성하기 위하여 함께 결합된다.
도시된 위상 배열 안테나(100)는 이중 편파를 방지하기 위하여 직교성 다이폴 안테나 소자의 제 1, 2 세트를 포함한다. 선택적인 실시예에서, 위상 배열 안테나(100)는 한 세트의 다이폴 안테나만을 포함할 수 있다.
위상 배열 안테나(100)는 도 3에 도시된 바와 같이, 복수의 유연층들로 이루어진다. 앞서 설명한 바와 같이, 복수의 유연층들 내에 포함되어지는 기판(104)은 모놀리식 유연 기판이 될 수 있고, 그리고 제 2 기판(108)은 예를 들어, 도시된 점선을 따라 층들을 단순히 구부림으로써 형성될 수 있다. 당업자가 잘 알고 있는 바와 같이, 접혀진 제 2 면(108)으로부터 발생되는 접혀진 층들의 코너에 있는 여분의 재료는 제거된다.
기판(104)은 접지면(30)과 캡층(28) 사이에 끼워진다. 당업자에게 잘 알려진 바와 같이, 기판(104)도 다이폴 층 또는 전류 시트로 알려져 있다. 부가적으로, 폼(24)의 유전체층 및 폼(26)의 외측 유전체층이 구비된다. 각각의 접착층(22)은 위상 배열 안테나(100)를 형성하기 위해 기판(104), 접지면(30), 캡층(28) 및 폼(24, 26)의 유전체층을 함께 확보한다. 물론, 층들을 확보하는 다른 방법들도 당업자에게 잘 알려져 있다.
유전체층(24, 26)은 스캔각을 개선하기 위하여 점점 줄어드는 유전상수를 갖는다. 예를 들어, 접지면(30)과 다이폴층(20) 사이의 유전체층(24)은 3.0의 유전상수를 갖고, 다이폴층(20)의 반대측상의 유전체층(24)은 1.7의 유전상수를 갖고, 외 부 유전체층(26)은 1.2의 유전상수를 갖는다.
이제 도 4, 5A, 5B에 대해 검토하면, 위상 배열 안테나(100)에 사용되는 기판(104)이 이하에서 더 상세하게 설명될 것이다. 기판(104)은 기판(104)의 부분 확대도에서 더욱 상세하게 도시되는 바와 같이, 그 위에 다이폴 안테나 소자(40)의 배열을 갖는 인쇄 도전층이다. 각 다이폴 안테나 소자(40)는 중간 피드부(42) 및 그들로부터 외곽으로 연장된 한쌍의 다리(44)로 구성된다. 각각의 피드선은 기판(104)의 대항측으로부터 각 피드부(42)에 연결되어진다.
인접한 다이폴 안테나 소자(40)의 인접한 다리들(44)은 인접합 다이폴 안테나 소자들 사이의 증가된 용량성 커플링을 제공하기 위하여 상호 이격된 말단부(46)를 갖는다. 인접한 다이폴 안테나 소자(40)는 증가된 용량성 커플링을 제공하기 위하여 소정의 형상과 상대 위치를 갖는다. 예를 들어, 인접한 다이폴 안테나 소자(40) 사이의 용량은 0.016 내지 0.636 ㎊ 이고, 바람직하게는 0.159 내지 0.239 ㎊ 이다. 물론, 이들 값들은 당업자가 잘 알고 있는 바와 같이 바라는 동일 대역폭을 얻기 위하여 실제 응용에 따라 필요적으로 변할 수 있다.
도 5A에 도시된 바와 같이, 인접한 다리(44)에서 이격된 말단부(46)는 겹침 또는 지상(interdigitated) 캐패시터부(47)를 갖고, 각 다리(44)는 연장된 본체부(49), 연장된 본체부의 끝에 연결되어진 확대된 폭 말단부(51), 및 확대된 폭 말단부(51)로부터 외곽으로 연장된 복수의, 즉 4개의 손가락들(53)으로 구성된다.
인접한 다리들(44)과 각각의 이격된 말단부(46)는 다음과 같은 크기를 갖는다: 확대된 폭 말단부(51)의 길이(E)는 0.061 inch; 연장된 본체부(49)의 폭(F)은 0.034 inch; 인접한 확대된 폭 말단부(51)의 결합폭(G)은 0.044 inch; 인접한 다리들(44)의 결합 길이(H)는 0.276 inch; 복수의 손가락(53)의 각 폭(I)은 0.005 inch; 및 인접한 손가락(53) 사이의 간격은 0.003 inch이다.
광대역 위상 배열 안테나(10)는, 예를 들면, 2 GHz 내지 30 GHz의 소요 주파수 범위를 가지고, 인접한 다리(44)의 말단부(46) 사이의 간격은 최고 소요 주파수의 파장의 약 1/2보다 작다. 실제 응용에 따라서, 소요 주파수는, 예를 들면 2 GHz 내지 18 GHz와 같이, 이러한 범위의 일부일 수 있다.
또는, 도 5B에서 도시되는 바와 같이, 인접한 다이폴 안테나 소자(40)들의 인접한 다리(44')들은 인접한 다이폴 안테나 소자들 사이의 증가된 용량성 커플링을 제공하기 위해 각각의 이격된 말단부(46')를 가질 수 있다. 본 실시예에서, 인접한 다리(44')의 이격된 말단부(46')는 인접한 다이폴 안테나 소자(40) 사이의 증가된 용량성 커플링을 제공하기 위해 연장된 본체부(49')의 말단에 연결된 확대된 폭 말단부(51')를 포함한다. 여기에서, 예를 들면, 분리되어 위치한 말단부(46') 사이의 거리(K)는 약 0.003 inch이다.
인접한 다이폴 안테나 소자(40) 사이의 용량성 커플링을 더 증가시키기 위해, 도 5C에 도시된 바와 같이, 각각의 개별형 또는 벌크 임피던스 소자(70")가 인접한 다이폴 안테나 소자의 인접한 다리(44")의 이격된 말단부(46")를 가로질러 전기적으로 연결된다.
도시된 실시예에서, 이격된 말단부(46")는 연장된 본체부(49")와 같은 폭을 가진다. 바람직하게는 개별형 임피던스 소자(70")는 다이폴 안테나 소자(40)가 인접한 다이폴 안테나 소자(40)의 각각의 인접한 다리(44")를 겹치도록 형성된 이후 적소에 땜납된다. 이것은 동일한 커패시턴스가 더 작은 영역에 제공되도록 하는데 유리하며, 광대역 위상 배열 안테나(10)의 작동 주파수를 낮추는 것을 도와준다.
도시된 개별형 임피던스 소자(70")는 함께 직렬로 연결된 캐패시터(72") 및 인덕터(74")를 포함한다. 그러나, 본 발명의 기술분야에서 당업자에게 자명하듯이, 캐패시터(72") 및 인덕터(74")의 다른 구성이 가능하다. 예를 들면, 캐패시터(72") 및 인덕터(74")는 함께 병렬로 연결될 수 있거나, 개별형 임피던스 소자(70")는 인덕터 없이 캐패시터를 포함하거나 캐패시터 없이 인덕터를 포함할 수 있다. 의도하는 응용에 따라, 개별형 임피던스 소자(70")는 저항을 포함할 수도 있다.
개별형 임피던스 소자(70")는 또한 도 5A에서 도시된 겹침 또는 지상 캐패시터부(47)를 가진 인접한 다리(44) 사이에 연결될 수 있다. 이러한 구성에서, 개별형 임피던스 소자(70")는 지상 캐패시터부(47)에 흐르는 비대칭 전류를 제거하여 안테나 패턴에 낮은 교차 편파를 제공하는데 유리하다. 유사하게, 개별형 임피던스 소자(70")는 또한 도 5B에서 도시되는 확대된 폭의 말단부(51')를 가진 인접한 다리(44') 사이에 연결될 수 있다.
각각의 개별형 임피던스 소자(70")의 다른 장점은, 본 기술분야의 당업자에게 자명하듯이, 광대역 위상 배열 안테나(10)의 대역폭이 다른 응용에 대해 튜닝될 수 있도록 다른 임피던스 값을 가질 수 있다는 것이다. 또한, 임피던스는 인접한 유전체층(24) 및 접착층(22)의 임피던스 특성에 의존하지 않는다. 개별형 임피던스 소자(70")는 유전체층(24)에 영향받지 않기 때문에, 이러한 접근은 유전체층(24) 사이의 임피던스 및 개별형 임피던스 소자(70")의 임피던스가 서로 결합해제되도록 하는데 유리하다.
인접한 다이폴 안테나 소자(40) 사이의 용량성 결합을 더 증가시키기 위한 또 다른 접근은, 도 5D에 도시된 바와 같이, 인접한 다이폴 안테나 소자(40)의 인접한 다리(44"')의 이격된 말단부(46"')에 인접한 각각의 인쇄 임피던스 소자(80"')를 위치시키는 것을 포함한다.
각각의 인쇄 임피던스 소자(80"')는 유전체층에 의해 인접한 다리(44"')로부터 분리되고, 바람직하게는 인접한 다이폴 안테나 소자(40)의 인접한 다리(44"') 아래에 놓이도록 다이폴 안테나층(20)이 형성되기 이전에 형성된다. 대신, 각각의 인쇄 임피던스 소자(80"')는 다이폴 안테나층(20)이 형성된 이후에 형성될 수 있다. 인쇄 임피던스 소자의 보다 자세한 기술에 대하여는, 본 발명의 현재 양수인에게 양도된 미국 특허 출원 제 10/308,424호에 참조되고, 이는 참조되어 여기에 합치된다.
각각의 부하(150)는 바람직하게는 더미 다이폴 안테나 소자로서 작동하도록 제 2 표면(108) 상의 다이폴 안테나 소자(40d)의 중간 피드부(42)로 연결된다. 부하(150)는 도 6A에 도시된 바와 같이 개별 저항을, 또는 도 6B에 도시된 바와 같이 인쇄 저항 소자(152)를 포함할 수 있다. 각각의 개별 부하(150)는 다이폴 안테나 소자(40d)가 형성된 이후 적소에 땜납된다. 또는, 본 기술분야의 당업자에게 자명하듯이, 각 개별 부하(150)는 중간 피드부(42) 상에 저항 접착제를 침전시켜 형성될 수 있다. 본 기술분야의 당업자에게 자명하듯이, 각각의 인쇄 저항 소자(152)는 다이폴 안테나 소자(40d)의 형성 이전에, 형성 동안에 또는 이후에 인쇄될 수 있다. 부하(150)의 저항은 일반적으로 능동 다이폴 안테나 소자에 연결되는 피드선의 임피던스와 매칭되도록 선택되고, 약 50 내지 100 옴의 범위 내이다.
접지면(30)은 복수의 다이폴 안테나 소자(40a, 40b)에 인접하고, 위상 배열 안테나(100)의 성능을 더 향상시키기 위해, 에지 소자(40b)는 접지면에 전기적으로 연결된다. 접지면(30)은 바람직하게는 기판(104)의 제 1 표면(106)으로부터 최고 소요 주파수의 파장의 약 1/2 미만으로 이격된다.
기판(104)의 제 1 표면(106) 상의 18개 능동 다이폴 안테나 소자의 배열에 대하여, 도 7A는 에지 소자(40b)에 바로 인접한 능동 다이폴 안테나 소자에 관련하여 주파수 대 VSWR의 값을 도시하는 그래프이고, 도 7B는 또한 면 상에 에지 소자가 없는 것을 제외한 동일 능동 다이폴 안테나 소자에 관련하여 주파수 대 VSWR의 값을 도시하는 그래프이다. 선(160)은 적소에 에지 소자(40b)에 대해 0.10 및 0.50 GHz 사이에서 낮은 VSWR의 이점이 있는 것을 도시한다. 에지 소자(40b)는 바로 인접한 능동 다이폴 안테나 소자가, 일반적으로 기판(104) 상의 다이폴 안테나 소자(40a, 40b)를 통해 전도되는, 충분한 전류를 수신하도록 허락한다.
이하에서 도 8A 및 8B를 참조하면, 주파수 대 VSWR은 제 1 표면(106)의 중심부 내에 또는 근처의 능동 다이폴 안테나 소자(40a)에 대한 2개 구성(즉, 에지 소자(40b)가 적소에 있거나 없는 경우) 사이에서 사실상 동일하다. 선(164)은 적소에 에지 소자(40b)를 가진 능동 다이폴 안테나 소자에 대한 계산된 VSWR을 도시하고, 선(166)은 적소에 더미 소자가 없는 동일한 능동 다이폴 안테나 소자에 대한 계산 된 VSWR을 도시한다.
도시된 위상 배열 안테나(100)에서, 제 1 표면(106) 상에 18개 다이폴 안테나 소자(40a) 및 제 2 표면(108) 상에 18개 다이폴 안테나 소자(40b)가 있다. 이러한 형식의 위상 배열 안테나(100)에 대한 다이폴 안테나 소자의 개수가 임의의 특정 개수의 소자에 제한되지 않음에도 불구하고, 소자의 개수는 제 2 표면(108) 상의 에지 소자(40b)의 백분율이 제 1 표면(106) 상의 능동 다이폴 안테나 소자(40a)의 백분율과 비교하여 큰 경우일 때 특히 유리하다. 능동 소자(40a)가 기판(104)의 제 1 표면(106)의 말단(110)으로 확장하기 때문에, 위상 배열 안테나(100)의 성능은 향상된다.
에지 소자(40d)를 가진 위상 배열 안테나(100)에 대해 대응하는 공동 마운트(200)가 보다 상세하게 기술될 것이다. 공동 마운트(200)는 위상 배열 안테나(100)를 수용하기 위한 내부 개구를 가진 박스이고, 에지 소자(40b)를 가진 기판(104)의 각 제 2 표면(108)에 인접한 신호 흡수 표면(204)을 포함한다.
상술한 바와 같이, 제 2 표면(108) 상의 다이폴 안테나 소자(40b)는 더미 소자이다. 더미 소자(40b)는 피드선에 연결되지 않았음에도 불구하고, 그들 역시 중앙 피드부(42)를 가로질러 연결된 각각의 부하(150)에서 신호를 수신한다. 이러한 신호가 공동 마운트(200) 내에서 반사되는 것을 방지하기 위해, 신호 흡수 표면(204)이 더미 소자(40b)에 인접하여 위치한다.
적소에 신호 흡수 표면(204)이 없는 경우, 반사된 신호는 전자기파 간섭(EMI) 문제를 일으킬 것이고, 이들은 또한 기판(104)의 제 1 표면(106) 상의 인접 한 능동 다이폴 안테나 소자(40a)에 간섭할 것이다. 그러므로 신호 흡수 표면(204)은 제 1 표면(106) 상의 다이폴 안테나 소자(40a)가 그들이 자유 공간 환경에 있는 경우에서처럼 작동하도록 반사된 신호를 흡수한다.
각각의 신호 흡수 표면(204)은 페라이트 물질층(204a)과 이에 인접한 도전층(204b)을 포함한다. 금속층 등의 도전층(204b)은 RF 신호가 공동 마운트(200) 외부로 방사되는 것을 방지한다. 본 발명의 분야의 당업자에 자명하듯이, 페라이트 물질층을 대신하여, 또 다른 RF 흡수 물질층이 사용될 수 있다.
다른 실시예에서는, 신호 흡수 표면(204)에 저항층과 도전층이 포함될 수 있다. 저항층은 도전층으로 도포되어 도전층이 신호 흡수 표면으로서 기능하도록 한다. 신호 흡수 표면에 관한 실시예에서는 페라이트 물질층(204a)을 포함하지 않는데, 이것은 공동 마운트(200)의 무게를 감소시킨다. 또 다른 실시예에서는, 신호 흡수 표면(204)에 오로지 도전층만이 포함된다.
위상 배열 안테나(100)가 공동 마운트(200)내에 위치되면, 기판(104)의 제 1 표면(106)은 공동 마운트의 윗면과 거의 동일면상이 된다. 페라이트 물질층(204a)의 높이는 기판(104)의 제 2 표면(108)의 높이와 적어도 동일한 것이 바람직하다. 또한, 공동 마운트(200)는 기판(104)의 제 1 표면(106)상에 다이폴 안테나 소자(40a)와의 인터페이싱을 위한 복수개의 전력분배기(208)를 구비한다. 제 2 표면(108)이 기판(104)의 제 1 표면(106)에 직교하는 경우, 공동 마운트(200)는 신호 흡수 표면(204)에 또한 직교하는 바닥면(206)을 갖는다.
본 발명의 다른 실시예는 선택적으로 흡수장치로서 역할을 하게 되는 위상 배열 안테나(300)에 관한 것이다. 구체적으로, 각각의 다이폴 안테나 소자(40)는, 도 9에 도시된 바와 같이, 피드선(303)을 경유하여 중간 피드부(42)에 연결된 스위치(302)와, 스위치에 연결된 수동 부하(304)를 갖는다. 스위치 제어기(307)에 의해 생성된 제어신호에 대한 응답으로, 스위치(302)는 선택적으로 수동 부하(304)를 중간 피드부(42)에 연결시킴으로써 다이폴 안테나 소자(40)가 수신신호를 흡수하는 흡수장치로서 선택적으로 작동하도록 한다.
수동 부하(304)는 수신신호에 연관된 에너지를 소비하도록 규격화되어 있으며, 여기에는 본 발명 기술분야의 당업자에 자명하듯이, 인쇄 저항소자 또는 개별 저항기가 포함될 수 있다. 예를 들어, 다이폴 안테나 소자(40)가 처리될 수신신호를 따라 통과하는 경우에, 수동 부하(304)의 레지스턴스는 피드선(303)의 임피던스와 조화되도록 전형적으로 50 에서 100옴이 된다.
주파수 범위가 GHz대에서 MHz대로 감소됨에 따라, 위상 배열 안테나의 크기는 상당히 증가한다. 이것은 낮은 레이더 반사율(RCS)모드가 요구되는 경우에 문제가 되며, 증가된 위상 배열 안테나의 크기 때문에 설치에 있어서도 문제가 된다.
RCS 문제와 관련하여, 각각의 스위치(302)와 수동부하(304)들은 위상 배열 안테나가 흡수장치로서 동작하도록 해준다. 예를 들어, 위상 배열 안테나(300)를 설치한 선박 또는 이와 다른 (고정 또는 이동) 플랫폼이 낮은 RCS를 유지하려한다면, 안테나 소자는 임의의 수신신호와 관련된 에너지를 소비하는 안테나 소자의 각각의 수동 부하들(304)에 선택적으로 연결된다. 또한 통신이 요구되는 경우, 각각의 스위치들(306)은 수동 부하들(304)을 결합해제시킴으로써 신호가 송수신 제어기 (14)를 따라 통과하도록 한다.
각각의 위상 배열 안테나들은 소요(所要) 주파수 범위를 갖고 있는데, 일반적으로, 접지면(310)은 전형적으로 최고 소요 주파수의 약 1/2 파장 이하만큼 다이폴 안테나 소자 배열들(40)로부터 이격된다. 또한, 다이폴 안테나 소자들(40)은 최고 소요 주파수의 약 1/2 파장 이하만큼 다른 다이폴 안테나 소자로부터 이격된다.
주파수가 GHz대에 놓이게 되면, 예를 들어 30 GHz의 경우에서는, 다이폴 안테나 소자 배열과 접지면(310) 사이의 이격 거리는 0.20 inch 이하가 된다. 이것은 RCS와 설치의 측면에서의 문제점을 반드시 부각시키지는 않게 한다. 하지만, 위상 배열 안테나(300)의 동작주파수가 MHz대인 경우, 예를 들어 300 MHz의 경우에서는, 다이폴 안테나 소자 배열와 접지면(310)사이의 이격 거리는 약 19 inch 이상으로 증가된다. 이때에는 위상 배열 안테나(300)의 증가된 크기 때문에 RCS와 설치측면에서의 문제점이 부각된다.
다음으로, 도 10을 참조하여, 여기에서 도시된 위상 배열 안테나(300)는 다이폴 안테나 소자(40) 배열을 그 위에 구비한 팽창식 기판(306)을 포함한다. 팽창장치(308)가 기판(306)을 팽창시키는데에 사용된다. 팽창식 기판(306)은 설치문제를 해결해준다. 위상 배열(300)이 설치되지 않는 경우, 또는 운송되는 중인 경우, 팽창식 기판(306)은 수축된다. 하지만, 일단 위상 배열 안테나(300)가 마련되어 설치준비가 되면, 팽창식 기판(306)은 팽창된다.
팽창장치(308)는 에어 펌프가 될 수 있으며, 팽창된 경우, 공기 유전층이 다이폴 안테나 소자(40) 배열과 접지면(310) 사이에 마련된다. 예를 들어, 300 MHz에 서, 팽창식 기판(306)의 두께는 약 19 inch가 된다. 조절장치 또는 연결부재(312)가 팽창식 기판(306)의 마주보는 양면들 사이에 뻗쳐져 있으며, 그 결과, 본 발명 분야의 당업자에 자명하듯이, 팽창된 경우에 기판에 의해 균일한 두께가 유지된다.
각각의 스위치들(302)과 부하들(304)은 팽창식 기판(306) 내에서 패키지화될 수 있다. 그 결과로, 대응하는 피드선(303)과 제어선들도 또한 팽창식 기판(306)을 통과하게 된다. 다른 실시예에서는, 각각의 스위치들(302)과 부하들(304)이 팽창식 기판(306)의 외부에서 패키지화될 수 있다. 위상 배열 안테나(300)가 흡수장치로서 동작할 경우, 제어기(307)는 부하들(304)이 배열 형태의 다이폴 안테나 소자들(40)의 중간 피드부(42)에 걸쳐 연결되도록 스위치들(302)을 전환시킨다.
추가선택적인 유전층(320)이 다이폴 안테나 소자(40)의 배열과 팽창식 기판(306) 사이에 추가될 수 있다. 이 유전층(320)은 팽창된 경우 팽창식 기판(306)의 유전상수보다 높은 유전상수를 갖는 것이 바람직하다. 특히, 보다 높은 유전상수는, 기판(306)이 유전상수 1의 공기로 팽창된 경우에, 위상 배열 안테나(300)의 성능을 향상시키는데에 도움을 준다. 유전층(320)은 1보다 큰 유전상수를 가질 수 있으며, 바람직하게는, 약 1.2 에서 3 사이의 범위가 좋다. 팽창식 기판(306)은 본 발명의 분야의 당업자에 자명하듯이, 공기 이외의 가스 등으로 채워질 수도 있으며, 이 경우 유전층(320)은 필요하지 않게 된다. 팽창식 기판(306)은 가소성 물질로 부풀리게 될 수도 있다.
바람직하게, 팽창식 기판(306)은 폴리머를 포함한다. 하지만, 본 발명의 당업자에 자명하듯이, 에워싸여진 플랙서블 기판을 유지하도록 하는 다른 물질이 사 용될 수도 있다. 다이폴 안테나 소자(40)의 배열은 팽창식 기판(306)상에서 직접 형성될 수 있거나, 또는 배열이 개별적으로 형성되어 접착제에 의해 기판에 부착될 수도 있다. 이와 유사하게, 접지면(310)이 팽창식 기판(306)의 일부로서 형성될 수도 있거나, 또는 개별적으로 형성되어 접착제에 의해 기판에 부착될 수도 있다.
위상 배열 안테나(300)의 대체 실시예에서, 다이폴 안테나 소자(40)는 도 6A 및 6B에서 설명되는 바와 같이, 각각의 중간 피드부(42)에 연결된 저항 소자를 구비함으로써 흡수체로서 영구적으로 형성된다. 상술한 흡수체는 울림이 없는 챔버내에서 사용되거나, RCS를 줄이도록 대상물(예를들면, 트럭, 탱크 등)에 인접하여 위치되거나, 또는 다른 신호로부터의 다중경로 간섭을 줄이도록 심지어 빌딩 꼭대기에 위치될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 또 다른 특징은 도 5C 및 5D에서 설명되는 바와 같이, 인접한 다이폴 안테나 소자의 인접한 다리(44")의 이격된 말단부(46", 46"')를 가로질러 전기적으로 연결된 인접한 다이폴 안테나 소자(40) 사이에 용량성 커플링을 더 증가시키는 것이다. 본 발명의 이러한 특징은 상술한 위상 배열 안테나(100)에 한정되는 것은 아니다. 다시 말하면, 임피던스 소자(70", 80"')는, 참조문헌으로 본 발명에 병합된 Taylor 등의 미국특허 제6,512,487호에 소개된 바와 같이, 더 큰 크기의 기판(104)에 사용될 수 있다.
예를들면, 이 기판은 12 inch×18 inch가 될 수 있다. 여기서, 다이폴 안테나 소자(40)의 개수는 43개 안테나 소자 × 65개 안테나 소자의 배열에 대응되어, 결과적으로 2795개 다이폴 안테나 소자의 배열이 된다.
이와 같은 더 큰 크기의 기판에 대하여, 다이폴 안테나 소자(40)의 배열은 대략 100 ~ 900/ft2 범위내의 밀도로 배열된다. 다이폴 안테나 소자(40)의 배열은 위상 배열 안테나가 대략 2 ~ 30 GHz 주파수 범위에서, 그리고 대략 ±60°의 스캔각도(낮은 스캔 손실)에서 동작하도록 하는 크기를 갖고 상대적으로 위치된다. 안테나(100')는 (예를 들면, 비행기에서) 등각면 마운팅을 포함하는 10：1 또는 더 큰 대역폭을 가질 수도 있어, 상대적으로 무게가 가볍게 되고 저렴한 비용으로 제조하는 것이 용이하게 된다. 본 발명의 기술분야의 당업자에게 자명하듯이, 본 발명에 따른 다이폴 안테나 소자(40)의 배열은 광대역 위상 배열 안테나가 다른 주파수 범위, 예를 들면 MHz 범위에서 작동하도록 하는 크기를 갖고 상대적으로 위치된다.
도 11에 도시된, 본 발명의 또 다른 실시예는 이러한 더 큰 크기의 기판을 포함하는 피드쓰루 렌즈 안테나(60)에 관한 것이다. 피드쓰루 렌즈 안테나(60)는 실질적으로 동일한 것이 바람직한, 제 1 및 제 2 위상 배열 안테나(100a', 100b')를 포함한다. 피드쓰루 렌즈 안테나(60)에 대한 더욱 상세한 설명은, 본 발명의 참조문헌으로 전체적으로 본 발명에 병합되고 본 발명의 최근 양수인에게 양도된 Durham의 미국특허 제6,417,813호에 나타나 있다.
피드쓰루 렌즈 안테나는 특별한 대역폭에서 빌딩(62)과 같은 구조내에서 전자(EM) 환경을 복사하는 것이 요구되는 다양한 응용분야에 사용될 수 있다. 예를 들면, 피드쓰루 렌즈 안테나(60)는 빌딩(62)의 벽(61)에 위치될 수 있다. 피드쓰루 렌즈 안테나(60)는 송신기(80)(예를 들면, 휴대전화 기지국)로부터의 EM 신호(63)가 빌딩(62) 내부에서 복사되도록 하고 수신기(81)(예를 들면, 휴대전화)에 의해 수신되도록 한다. 다른 한편으로, 유사신호(64)는 벽(61)에 의해 부분적으로 또는 전체적으로 반사될 수 있다.
제 1 및 제 2 위상 배열 안테나(100a', 100b')는 마주보는 관계의 커플링구조(66)에 의해 연결된다. 제 1 및 제 2 위상 배열 안테나(100a', 100b')는 에지 소자(40b)가 바람직하게 제거된 것을 제외하고는 상술한 안테나(100)와 실질적으로 유사하다.

Claims (9)

  1. 기판;
    각 다이폴 안테나 소자가 중간 피드부 및 그로부터 외곽으로 연장된 한 쌍의 다리를 포함하고, 인접한 다이폴 안테나 소자들의 인접한 다리들은 각각 이격된 말단부를 포함하는, 상기 기판상의 다이폴 안테나 소자들의 배열; 및
    인접한 다이폴 안테나 소자들의 인접한 다리들의 이격된 말단부 사이에 증가된 용량성 커플링을 제공하기 위하여 전기적으로 연결된 각각의 개별형 임피던스 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 위상 배열 안테나.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 각 개별형 임피던스 소자는 캐패시터인 것을 특징으로 하는 위상 배열 안테나.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 각 다리는
    연장된 본체부; 및
    상기 연장된 본체부의 말단에 연결되는 확대된 폭 말단부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 위상 배열 안테나.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 인접한 다이폴 안테나 소자의 인접한 다리는 상기 인접한 다이폴 안테나 소자 사이의 용량성 커플링을 더 증가시키기 위한 소정의 형상 및 상대 위치를 가지는 각각의 이격된 말단부를 포함하는 것을 특징으로 하는 위상 배열 안테나.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 위상 배열 안테나는 소요 주파수 범위를 가지며, 상기 인접한 다이폴 안테나 소자들의 인접한 다리들의 말단부 사이의 간격은 최고 소요 주파수의 파장의 대략 1/2 미만인 것을 특징으로 하는 위상 배열 안테나.
  6. 기판을 제공하는 단계;
    각 다이폴 안테나 소자가 중간 피드부 및 그로부터 외곽으로 연장된 한 쌍의 다리를 포함하고, 인접한 다이폴 안테나 소자들의 인접한 다리들은 각각 이격된 말단부를 포함하는, 상기 기판상의 다이폴 안테나 소자들의 배열을 형성하는 단계; 및
    인접한 다이폴 안테나 소자들의 인접한 다리들의 이격된 말단부 사이에 증가된 용량성 커플링을 제공하기 위하여 각각의 개별형 임피던스 소자를 전기적으로 연결하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 위상 배열 안테나의 제조 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 각 개별형 임피던스 소자는 캐패시터 및 인덕터 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 위상 배열 안테나의 제조 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 다이폴 안테나 소자들의 배열을 형성하는 단계는 연장된 본체부, 및 상기 연장된 본체부의 말단에 연결된 확대된 폭 말단부를 구비한 각 다리를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 위상 배열 안테나의 제조 방법.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 다이폴 안테나 소자들의 배열은 상기 인접한 다이폴 안테나 소자들의 인접한 다리들이 상기 인접한 다이폴 안테나 소자들 사이의 용량성 커플링을 더 증가시키기 위한 소정의 형상 및 상대 위치를 가지는 각각의 이격된 말단부를 포함하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 위상 배열 안테나의 제조 방법.
KR1020067002452A 2003-08-04 2004-07-28 개별형 용량성 커플링을 갖는 위상 배열 안테나 및 그 제조 방법 KR100756785B1 (ko)

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US10/634,036 US6856297B1 (en) 2003-08-04 2003-08-04 Phased array antenna with discrete capacitive coupling and associated methods
US10/634,036 2003-08-04
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