KR101148293B1

KR101148293B1 - 레이돔 편파변환 보상장치 및 방법

Info

Publication number: KR101148293B1
Application number: KR1020040051666A
Authority: KR
Inventors: 안토니디.몽크
Original assignee: 더 보잉 컴파니
Priority date: 2003-07-23
Filing date: 2004-07-02
Publication date: 2012-05-21
Also published as: DE602004005635T2; CN1577969B; KR20050011682A; JP4528567B2; TW200511648A; EP1501156A1; DE602004005635D1; EP1501156B1; CA2469516C; US6946990B2; JP2005045790A; CN1577969A; US20050017897A1; TWI338413B; CA2469516A1

Abstract

안테나 레이돔을 통과하는 무선신호의 편파변환을 감소시키는 방법이 개시된다. 레이돔에 대한 신호의 입사각이 결정된다. 결정된 입사각으로부터, 레이돔에 기인한 신호 편파변환에 대한 적어도 하나의 오프셋이 결정된다. 신호의 편파변환을 감소시키기 위해 오프셋을 신호에 적용한다. 상기 방법이 구현되는 경우, 송신 및/또는 수신모드에서 레이돔 편파변환의 효과가 실질적으로 감소되거나 제거된다.

Description

레이돔 편파변환 보상장치 및 방법{APPARATUS AND METHODS FOR RADOME DEPOLARIZATION COMPENSATION}

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 레이돔 편파변환 보상을 제공하는 편파 제어장치의 블록도,

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 편파 제어장치의 블록도,

도 3은 예시적인 입사면과 편파면을 나타내는 좌표 시스템,

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 레이돔 편파변환 보상장치의 블록도,

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 레이돔 편파변환 보상장치의 블록도,

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 레이돔 편파변환 보상장치의 블록도,

도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 레이돔 편파변환 보상장치의 블록도,

도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 레이돔 편파변환 보상장치의 블록도,

도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 레이돔 편파변환 보상장치의 블록도,

도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 레이돔 편파변환 보상장치의 블록도이다.

본 발명은 안테나 시스템에 관한 것으로, 특히 안테나 시스템의 레이돔(radome)을 통과하는 신호의 편파변환 보상시스템 및 방법에 관한 것이다.

비행기나 다른 운송수단에서의 안테나 시스템은 일반적으로 공기역학적 형상의 레이돔에 의해 덮혀 있다. 안테나 시스템은 안테나 스캔 범위의 적어도 일부분에 걸쳐 레이돔 표면을 비스듬한 입사각도로 조명한다. 그러나, 레이돔은 비스듬히 입사하여 레이돔을 통과하는 전자기파의 편파변환(depolarization)을 야기하는 경향이 있다. 따라서 신호의 크로스-편파(cross-polarization) 레벨은 신호가 레이돔을 비스듬한 각도로 통과함에 따라 증가할 수 있다.

레이돔 벽 설계는, 예컨대 편파변환을 감소시키기 위해 코어 및 중앙 스킨(skin)의 두께를 조절함으로써 변경될 수 있다. 그러나, 그러한 개량은 한정된 효과만을 갖게 되고, 전송 손실, 레이돔 무게 및, 비용을 증가시킬 수 있다고 알려져 왔다. 따라서 수반되는 레이돔의 변형 없이 레이돔 편파변환을 감소시키기 위한 시스템 및 방법이 필요하다.

본 발명은 상기한 점을 감안하여 발명된 것으로, 수반되는 레이돔의 변형 없이 레이돔 편파변환을 감소시키기 위한 시스템 및 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명은, 일실시예에 있어서, 안테나 레이돔을 통과하는 무선 신호의 편파변환을 감소시키기 위한 방법에 관한 것이다. 레이돔에 대한 신호의 입사각을 결정 한다. 결정된 입사각으로부터, 레이돔에 기인한 신호 편파변환에 대한 적어도 하나의 오프셋을 결정한다. 신호의 편파변환을 감소시키기 위해 오프셋을 신호에 적용한다.

본 발명은, 다른 실시예에 있어서, 안테나 레이돔을 통과하는 신호의 편파변환을 보상하는 방법에 관한 것이다. 신호를 복수의 편파된 신호로 분할한다. 이 방법은 레이돔에 기인한 편파변환을 보상하도록 미리 결정된 적어도 하나의 오프셋을 적어도 하나의 편파된 신호에 적용하게 된다.

또 다른 실시예에 있어서, 본 발명은 신호가 안테나 레이돔을 통과하는 것에 기인한 무선신호의 편파변환을 보상하는 장치에 관한 것이다. 장치는 무선신호를 반대로 편파된 신호로 나누도록 된 편파회로를 포함한다. 장치는 레이돔에 기인한 편파변환을 보상하는, 편파된 신호에 대한 적어도 하나의 오프셋을 결정하도록 된 프로세서를 더욱 포함한다. 장치는 적어도 하나의 편파된 신호에 오프셋을 적용하도록 된 적용회로를 더욱 포함한다.

또 다른 실시예에 있어서, 안테나 시스템은 무선신호가 통과하도록 된 레이돔을 포함한다. 편파회로는 무선신호를 반대로 편파된 신호로 나누도록 구성된다. 프로세서는 레이돔에 기인한 편파변환을 보상하는, 편파된 신호에 대한 적어도 하나의 오프셋을 결정하도록 구성된다. 적용회로는 적어도 하나의 편파된 신호에 오프셋을 적용하도록 구성된다.

본 발명의 또 다른 실시예는, 레이돔을 갖는 안테나를 통과하는 무선신호의 편파를 제어하기 위한 편파제어기에 관한 것이다. 제어기는 신호를 반대로 편파된 신호로 분할하는 신호분할기, 원하는 직선 편파면 방위각에 따라 가변 차동 위상변위를 신호에 적용하는 조절회로 및, 적어도 하나의 프로세서를 구비하여 구성되며, 프로세서는, 레이돔에 대한 신호의 입사각을 결정하고, 결정된 입사각으로부터, 레이돔에 기인한 신호 편파변환에 대한 적어도 하나의 오프셋을 결정하며, 오프셋을 신호에 적용하기 위해 조절회로를 제어하도록 된다.

본 발명의 실시예가 구현되는 경우, 송신 및/또는 수신 모드에서 레이돔 편파변환의 효과는 실질적으로 감소되거나 제거될 수 있다.

(실시예)

이하, 예시도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명의 실시예에 대한 다음의 설명은 단지 예시적인 것이고, 발명, 발명의 응용, 또는 사용을 한정하기 위한 것이 아니다. 여기에서 본 발명의 실시예가 비행기 안테나 시스템과 관련하여 기술되었지만, 본 발명이 이것에 한정되지 않는다는 것을 인식해야 한다. 본 발명은 다른 플랫폼(platform), 예컨대 배 및 지상 운송수단에서 레이돔에 의해 둘러싸인 안테나 시스템과 관련하여 실행될 수 있다. 고정된 지상에 근거한 안테나 시스템과 관련한 실시예도 생각되어질 수 있다. 본 발명이 어레이 안테나(array antenna), 반사 안테나(reflector antenna), 및/또는 렌즈를 포함하지만 이것에 한정되지 않는 복수의 안테나 타입과 관련하여 실행될 수 있다는 것을 인식해야 한다.

본 발명의 일실시예에 의한 레이돔 편파변환 보상을 제공하는 편파 제어장치가 참조번호 100에 의해 도 1에 도시된다. 장치(100)는 신호 송신의 측면에서 하기 에 설명되었지만, 도 1에 도시된 장치(100)는 수신된 신호의 레이돔 편파변환에 대한 다른 실시예에서도 보상이 가능하다. 또 다른 실시예에서, 도 1에 도시된 편파 제어장치는 레이돔 양면에서의 신호의 편파변환에도 가능하며, 즉 장치(100)는 송신 및 수신된 신호 양자의 레이돔 편파변환을 보상한다.

장치(100)는 신호를 전달하는, 예컨대 안테나 에퍼처(aperture)를 통해 전송하기 위한 제어유니트(104;control unit)를 포함한다. 포트(110)에서 장치(100)로 들어가는 무선 신호, 예컨대 저레벨 RF 신호는 분할기(112)에 의해 좌선회 및 우선회 원편광(left-handed and right-handed circularly polarized;LHCP and RHCP) 신호 E_L및 E_R로 분할된다. 신호 E_L및 E_R은 가변 위상변위기(116;variable phase shifter)와 가변 감쇠기(120;variable attenuator)를 통과한다. 신호 E_L및 E_R은, 위상변위기(116)를 통해, 결과적으로 결합된 신호의 원하는 직선 편파면(linear polarization plane) 방위각(orientation angle)과 관련된 가변 차동(differential) 위상변위로 조절된다. 직선편파를 생성하기 위해, 예컨대 "a" 각도에서 위상변위기(116)는, 예컨대 b = a - 45°에 따라 위상변위 "b"를 만들기 위해 설정된다. 또한, 아래에서 더욱 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따라 레이돔 편파변환을 보상하기 위해, 위상변위기(116)의 이전 설정은 조절되고 감쇠기(120)는 설정된다.

신호 E_L및 E_R은 고전력 증폭기(124;high-power amplifier)에 의해 증폭되고, 쿼드러처 하이브리드(128;quadrature hybrid)를 통해 직선 편파된다. 수직 및 수평 신호 E_Y및 E_X는 직교모드 트랜스듀서(132;ortho-mode transducer)로 송신되고, 안테나 피드 혼(136;antenna feed horn)을 통해 송신된다. 신호가 송신됨에 따라, 신호는 레이돔(140)을 통과하게 된다. 그러나, 일반적으로 비스듬한 각도로 레이돔을 통과하는 신호는 약간 편파변환되는 경향이 있는데, 편파변환은 각도의 기울기가 증가함에 따라 증가하는 경향이 있다.

일반적으로, 신호는 신호 E 벡터가 입사면에 수직인 경우 TE 편파되었다고 일컬어지고, 신호 E 벡터가 입사면에 평행한 경우 TM 편파되었다고 일컬어진다. 레이돔을 통과하는 신호의 입사면은, 신호의 입사파 방향 벡터 및 레이돔 벽에 대해 로컬 수직(local normal)인 것 양자를 포함하는 면으로 정의될 수 있다. 레이돔 편파변환의 근본 원인은 비스듬한 입사에서 레이돔 벽 복소 송신계수(complex transmission coefficients) τ_TE 및 τ_TM(즉, TE 및 TM 편파의 사이) 사이의 차이와 관련된다. 최악의 경우는 입사 편파가 입사면에 대해 45°로 정렬된 때일 수 있고, 따라서 편파는 TE와 TM 성분으로 동등하게 분해된다.

신호의 TE와 TM 성분은 레이돔을 통해 다른 감쇠와 위상지연을 가질 수 있고, 따라서 레이돔 벽을 통과한 후에 이러한 성분이 다시 결합된다면, 파는 유한 편파변환(finite depolarization)을 나타낼 수 있다. 최대 크로스-편파 레벨, (τ_TE - τ_TM)/(τ_TE + τ_TM)은 복소 레이돔 벽 송신계수 사이의 차이에 정비례한다.

아래에서 더욱 상세히 설명되는 바와 같이, 레이돔(140)을 통과하는 신호 편파변환의 보상방법은 장치(100)를 통해 구현된다. 장치(100)는, 편파된 신호의 적 어도 하나에 대해, 레이돔에 기인한 편파변환을 보상하도록 미리 결정된 적어도 하나의 오프셋을 적용한다. 이러한 오프셋은 위상 오프셋 및/또는 진폭 오프셋을 포함한다. 이러한 오프셋은 상기에 설명한 위상변위기(116)를 위한 편파각 조절 설정과 결합된다. 위상변위기(116) 및/또는 감쇠기(120)는 편파각 조절 및 레이돔 편파변환 오프셋의 결합을 신호에 적용한다. 위상변위기(116)와 감쇠기(120)의 순서는 성능이나 기능에 영향을 주지 않고 바뀔 수 있다.

상기 방법은 도 2의 참조번호 200에 의해 나타내어진 편파 제어장치와 관련하여 아래에서 더욱 상세히 설명된다. 본 발명에서, 장치(200)는 레이돔(206)을 통과하는 신호의 편파변환을 보상하도록 구성된 프로세서(204)를 구비한다. 본 발명이 송신 및/또는 수신된 신호를 제어하기 위한 많은 다른 타입의 제어기 및 장치와 관련하여 실행될 수 있다는 것을 인식해야 한다.

도 2를 참조하면, 장치(200)는 RF 입력을 송신하기 위한 입력포트(210)를 구비한다. 전력분할기(220;power divider)는 입력포트(210)로부터의 신호를, 2개의 채널(222,224)을 통해, 계단감쇠기(238;step attenuator), 위상변위기(242), 전력증폭기(254) 및, 포트(226,230)를 통해 쿼드러처 하이브리드(258)로 송신되는 2개의 신호로 분할한다. 감쇠기(238)와 위상변위기(242)는 프로세서(204)로부터 제어입력을 수신한다. 프로세서(204)는 복수의 프로세서를 포함할 수 있고, 데이터 송수신기/라우터(DTR) 및/또는 안테나 제어유니트(ACU)를 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.

장치(200)가 작동 중인 경우, 포트(210)에서 장치(200)로 들어가는 저레벨 RF 신호는 분할기(220)에 의해, 바람직하게는 동등하게 분할된다. 2개의 결과적인 신호인, 좌선회 및 우선회 원편파(LHCP 및 RHCP) 신호 E_L및 E_R은, 도 1을 참조하여 설명한 바와 같이, 감쇠기(238)와 위상변위기(242)를 통해 조절된다. 신호 E_L및 E_R은 고전력 증폭기(254)에 의해 증폭되고, 쿼드러처 하이브리드(258)를 통해 직선 편파된다. 수직 및 수평 신호 E_Y및 E_X는 직교모드 트랜스듀서(260)로 송신되고, 안테나 혼(262)을 통해 송신된다. 신호가 송신되면서, 신호는 안테나 에퍼처(276)와 레이돔(206)을 통과한다.

안테나 레이돔(206)을 통과하는 신호의 편파변환을 보상하기 위한 방법의 실시예는, 분할기(220)와 출력포트(226,230) 사이를 통과하는 LHCP 및 RHCP 신호에 대해 조절 가능한 위상 변위에 연속하여 조절 가능한 감쇠를 하는 단계로 이루어진다. 특정 원하는 편파면 및 원하는 안테나 포인팅각(pointing angle)에 대해, 레이돔(206)에 의해 야기된 파의 편파변환을 상쇄하도록 된 조절이, 예컨대 감쇠기(238) 및 위상변위기(242)에 적용된다. 하기의 알고리즘은 레이돔에 기인하는 신호 편파변환을 보상하기 위한 다양한 실시예에서 구현될 수 있다. 알고리즘은 다음의 방식으로 구현될 수 있다.

레이돔(206)의 측정은, 레이돔 편파변환을 상쇄하기 위해 프로세서(204)를 통해 적용되는 진폭 및 위상 오프셋을 위한 하나 이상의 색인 테이블(284)을 생성하기 위해 사용된다. 색인 테이블(284)은 프로세서(204)의 메모리에 저장된다. 소정의 속도, 예컨대 초당 약 10번의 속도에서, 프로세서(204)는 진폭 및 위상 오프 셋에 대한 값을 테이블(284)로부터 추출하고, 예컨대 하기에서 더욱 상세히 설명하는 바와 같이, 오프셋을 위해 보간된(interpolated) 값을 계산한다. 프로세서(204)는, 새로운 레이돔 편파변환 오프셋 값이 테이블(284)로부터 추출될 때 까지, 레이돔 편파변환 오프셋을 감쇠기(238)와 위상변위기(242)를 통해 신호에 적용되고 있는 진폭 및 위상 설정에 적용한다.

상기 오프셋 값은 다음의 법칙에 기초하여 계산될 수 있다. 위상변위기(242)를 조절하는 것은 안테나 OMT(260)에서 신호 E_X및 E_Y(E_H및 E_V로도 알려진)의 진폭에 영향을 미친다. 보통 레이돔 편파변환에 끼치는 영향이 작은, 레이돔 송신계수 τ_TE 및 τ_TM사이의 진폭 불균형은, 위상변위기(242)의 설정에 오프셋을 적용함으로써 보상될 수 있다. 레이돔 송신 진폭 불균형이, 원하는 각도로부터 약간 삐뚤어진 각도에서, 직선 편파를 유지하는 경향이 있다는 것을 알아야 한다. 그러한 편파 삐뚤어짐은 위상변위기(242)를 통해 편파면을 조절함으로써 수정될 수 있다.

감쇠기(238)의 조절은 안테나 OMT(260)에서 신호 E_X및 E_Y의 위상에 영향을 미친다. 보통 레이돔 편파변환에 끼치는 영향이 큰, 레이돔 송신계수 τ_TE 및 τ_TM사이의 진폭 불균형은, 감쇠기(238)의 설정에 오프셋을 적용함으로써 보상될 수 있다. 레이돔 송신 위상 불균형이 미리 조절한 편파각을 유지하는 경향이 있으나, 입사된 직선 편파를 타원 편파로 변환한다는 것을 알아야 한다.

레이돔(206)에 의해 야기된 송신 신호의 편파변환은 하나 이상의 오프셋이 위상변위기(242) 및 감쇠기(238)에 적용된 경우 실질적으로 상쇄될 수 있으며, 그 러한 오프셋의 크기(magnitude)는 레이돔(206) TE 및 TM 복소 송신계수 τ_TE 및 τ_TM(소정 입사각과 소정 주파수에서)과, 원하는 편파각과, 레이돔(206)에 입사하는 신호 입사면의 방위로부터 계산된다.

오프셋은 다음과 같은 법칙에 기초해서 계산될 수 있다. 참조 좌표 시스템은 도 3에 참조번호 300에 의해 나타내어 진다. 도 3을 참조하면, 편파 방향 벡터(polarization direction vector) u_TE및 u_TM는 입사면(304)에 대해 정의되고, 크로스(cross)-편파 및 코(co)-편파 방향 벡터 u_CROSS 및 u_CO는 원하는 편파면(308)에 대해 정의된다. 또한, 도 3에서는 입사각 α와, 원하는 편파각 ψ이 보여진다.

일반적으로, 일실시예에 따른 오프셋을 결정하는 알고리즘은 다음의 단계를 포함한다. 레이돔 조명 필드 성분(illumination field components) E_X및 E_Y는 각각 위상변위기 및 감쇠기 설정 φ 및 A에 기초하여 안테나 좌표에서 계산된다. 레이돔 조명 필드 성분 E_X및 E_Y는 레이돔 입사면 좌표 E_TE및 E_TM로 변환된다. 레이돔 조명 필드 성분 E_TE및 E_TM은 레이돔 복소 송신계수 τ_TE 및 τ_TM에 의해 곱해져, 레이돔 벽 먼 쪽의 필드 성분, E'_TE및 E'_TM이 된다. 필드 성분 E'_TE및 E'_TM은 코-편파된(co-polarized), 그리고 크로스-편파된(cross-polarized) 성분 E_CO 및 E_cross로 분해된다. 크로스-편파 판별비(discrimination ratio) XPD = ｜E_CO/E_cross｜이다. XPD는 비율이기 때문에, 각 단계에서 직교 필드 벡터 진폭의 엄격한 정규화(normalization)는 필요하지 않다.

더욱 상세하게는,

차동 감쇠기 설정 없이(즉, A=1), 수학식 1과 2는 다음의 식으로 정리된다.

체크로서(as a check), 원하는 편파각 ψ에 대한 크로스-편파된 성분 E_cross는 다음과 같이 유도된다.

φ=ψ-45°인 경우, E_cross가 0이 된다는 것은 명확하다.

레이돔에 입사된 일반 필드(general field) E_X및 E_Y는 입사면 좌표로 변환될 수 있다.

상기 값들은 레이돔 송신계수에 의해 곱해져 레이돔 벽 먼 쪽의 필드가 된다.

상기 값들은 코-편파 및 크로스-편파 성분으로 분해된다.

상기 식은 다음을 의미한다.

따라서,

수학식 1 및 2를 수학식 14와 결합함으로써, 위상변위기 및 감쇠기 설정(각각 φ 및 A)에 의한 레이돔 XPD를 위한 식이 얻어진다. 위상변위기 및 감쇠기 설정은 φ 및 A에 관해 1/XPD에 대한 식의 수적 최소화(numerical minimization)에 의해 얻어진다.

일실시예에서 도 2를 참조하면, 채널(222,224)의 신호 사이에서 차동 진폭 및 차동 위상은, 신호에 적용되는 경우, 레이돔(206)에 의해 야기된 편파를 보상하도록 결정된다. 이러한 레이돔 편파변환 오프셋은 상기 장치(200)에 의해 적용된 진폭 및/또는 위상 설정과 결합된다. 복수의 레이돔 편파변환 오프셋은, 예컨대 안테나 에퍼처(276) 스캔 범위의 복수의 고도각(elevation angle)과 방위각(azimuth angle) 쌍(여기에서는 포인팅각 쌍이라고 불리우는)을 위해 미리 결정될 수 있고, 테이블에, 예컨대 상기의 프로세서(204)에 저장된다. 스캔 범위 디멘션(scan range dimension)은 테이블 스페이싱(spacing)을 결정하는데 사용될 수 있다. 예컨대, 10° 스페이싱은 고도 및 방위 양자에 제공될 수 있다. 따라서, 90°의 고도 스캐닝 범위 및 180°의 방위 스캐닝 범위에 대해, 테이블의 총 엔트리(entry) 수는, 예컨대 10x19=190이 될 수 있다.

테이블 엔트리는 여러가지 방법으로 스페이스되고, 또 결정될 수 있음을 알아야 한다. 예컨대, 어떠한 경우에는 테이블 에러가 레이돔 크로스-편파의 저하(degradation)를 야기할 수 있다는 것이 작은 입사각(예컨대, 20°와 30°사이의 대략적 한계 아래에 있는 입사각)과 관련하여 관찰되었다. 그러한 경우에, 레이돔 편파변환 보상은 그러한 입사각에 상응하는 보상 테이블 엔트리에 0을 배치함으로써 향상될 수 있다.

다른 실시예에서, 그러한 테이블은 2개 이상의 디멘션(dimension)을 가질 수 있다. 예컨대, 각 테이블 엔트리는 포인팅각 쌍과 원하는 편파각에 대응할 수 있다. 다른 실시예에서, 각 테이블 엔트리는 포인팅각 쌍과 신호 주파수에 대응할 수 있다. 일반적으로, 오프셋 테이블은 다수의 방법으로 정의될 수 있고, 신호 송신에 영향을 주는 다수의 변수를 포함할 수 있다. 테이블 데이터는 계산에 의해 유도될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 테이블 데이터는 특정 레이돔으로부터 측정된다.

상기에서 언급한 바와 같이, 특정 포인팅각 쌍(그리고 테이블(284)이 편파면의 각을 변수로서 포함하는 일실시예에서 특정 원하는 편파면)에 대해, 감쇠기(238) 및 위상변위기(242)를 위한 조절이 레이돔(206)에 의해 야기된 파의 편파변환을 상쇄하도록 결정된다. 상기에서 언급한 바와 같이, 프로세서(204)는 보간된 값을 계산할 수 있다. 예컨대, 신호가 안테나 테이블(284)의 포인팅각 쌍에 나타나 있지 않은 포인팅각으로 에퍼처(276)를 통해 송신되는 경우, 프로세서(204)는 새로운 오프셋 값을 계산하기 위해 2개 이상의 테이블 엔트리에 저장된 오프셋 값을 이용한다.

본 발명의 실시예는 중간 주파수(IF) 신호와 관련하여 실행될 수 있다. 예컨대, 다른 실시예에 따른 레이돔 편파변환 보상을 제공하는 장치는 도 4의 참조번호 400에 의해 나타내어 진다. 아래에서 장치(400)는 신호 송신의 경우에 대해 서술되었지만, 장치(400)는 다른 실시예에서는 수신된 신호의 레이돔 편파변환을 보상한다. 또 다른 실시예에서는, 도 4에 도시된 편파 제어장치는 레이돔의 양면(both side)에서 신호의 편파변환을 보상한다. 즉, 장치(400)는 송신 및 수신된 신호의 레이돔 편파변환을 보상한다.

장치(400)는 신호를 전달하는, 예컨대 안테나 에퍼처(408)를 통해 송신하기 위한 제어유니트(404)를 포함한다. 포트(410)에서 장치(400)로 들어가는 IF 신호는 분할기(412)에 의해 좌선회 및 우선회 원편파(LHCP 및 RHCP) 신호 E_L 및 E_R로 분할된다. 신호 E_L 및 E_R은 위상변위기(416)와 감쇠기(420)를 통해, 도 1을 참조하여 상기에서 설명한 바와 같은 레이돔 편파변환을 위한 오프셋을 이용하여 조절된다.

신호 E_L 및 E_R은 컨버터(422)를 통해 무선 주파수(RF)로 높게 변환되고, 고전력 증폭기(424)에 의해 증폭되며, 쿼드러처 하이브리드(428)를 통해 직선 편파된다. 수평 및 수직 신호 E_Y 및 E_X는 직교모드 트랜스듀서(432)로 송신되고, 안테나 혼(436)을 통해 송신된다. 신호가 송신됨에 따라, 신호는 레이돔(440)을 통과한다. 신호가 수신되는 경우의 실시예에서, 컨버터(422)는 들어오는 신호를 RF에서 IF로 낮게 변환한다. 업-컨버터 및/또는 다운-컨버터(422)는 진폭과 위상에서 온도, 주파수 및, 동작범위(dynamic range)에 대해 매치되는 것이 바람직하다.

레이돔 편파변환 보상장치의 다른 실시예가 도 5의 참조번호 500에 의해 보여진다. 장치(500)는 신호를 전달하는, 예컨대 안테나(508)를 통해 송신하기 위한 제어유니트(504)를 포함한다. 포트(510)에서 제어유니트(504)로 들어가는 신호는 분할기(512)에 의해 좌선회 및 우선회 원편파(LHCP 및 RHCP) 신호 E_L 및 E_R로 분할된다. 신호 E_L 및 E_R은 위상변위기(516)와 감쇠기(520)를 통해, 도 1을 참조하여 상기에서 설명한 바와 같은 레이돔 편파변환을 위한 오프셋을 이용하여 조절된다.

신호 E_L 및 E_R은 고전력 증폭기(524)에 의해 증폭되고, 안테나(508)로 송신되며, 신호는 쿼드러처 하이브리드(528)를 통해 직선 편파된다. 수평 및 수직 신호 E_Y 및 E_X는 직교모드 트랜스듀서(532;OMT)로 송신되고, 안테나 혼(536)을 통해 송신된다. 신호가 송신됨에 따라, 신호는 레이돔(540)을 통과한다. 도 5에 도시된 실시 예에서, 쿼드러처 하이브리드(528)는 안테나(508)에 포함되고, 따라서 안테나(508)는 RHCP 및 LHCP 포트(542,544)를 갖는 듀얼 원편파 안테나로 기능하게 된다.

그러나, 제어유니트(504)는, 원편파를 생성할 때 쿼드러처 하이브리드를 사용하지 않는 안테나를 포함하여 어떠한 듀얼 원편파 안테나라도 함께 사용될 수 있다는 것을 알아야 한다. 그러한 안테나는, 피드 혼과 OMT 사이에서, 예컨대 반사 안테나 피드 시스템에서 도파관 편파기(waveguide polarizer)를 가질 수 있다. 또 다른 안테나는 피드 혼 에퍼처나 반사기 에퍼처(reflector)를 가로질러 평면파(plane wave) 또는 자유공간 편파기 시트(free space polarizer sheet)를 가질 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따라 반사 안테나 대신, 또는 이것에 부가하여 하나 이상의 어레이 안테나를 사용하는 것도 고려할 수 있다.

레이돔 편파변환 보상장치의 또 다른 실시예가 도 6의 참조번호 600에 의해 보여진다. 장치(600)는 신호를 전달하는, 예컨대 안테나(608)를 통해 송신하기 위한 제어유니트(604)를 포함한다. 포트(610)에서 장치(600)로 들어가는 신호는 분할기(612)에 의해 좌선화 및 우선회 원편파(LHCP 및 RHCP) 신호 E_L 및 E_R로 분할된다.

신호 E_L 및 E_R은 고전력 증폭기(614)에 의해 증폭되고, 위상변위기(616)와 감쇠기(620)를 통해, 상기 언급한 바와 같은 레이돔 편파변환을 위한 오프셋을 이용하여 조절된다. 위상변위기(616)와 감쇠기(620)는 고전력 성분, 즉 고전력 증폭기(614)로부터의 입력을 처리하도록 구성된다. 신호 E_L 및 E_R은 쿼드러처 하이브리드(628)를 통해 직선 편파된다. 수평 및 수직 신호 E_Y 및 E_X는 직교모드 트랜스듀서(632)로 송신되고, 안테나 혼(636)을 통해 송신된다. 신호가 송신됨에 따라, 신호는 레이돔(640)을 통과한다.

증폭기(614)는 진폭과 위상에서 적용가능한 온도, 주파수 및, 동작범위에 대해 매치되는 것이 바람직하다. 레이돔 편파변환이 상대적으로 작은 레벨인 경우에 대해, 장치(600)의 증폭기(614)는 동일한 레벨에서 명목상으로 동작하는 경향이 있다. 레이돔 편파변환이 증가함에 따라, 감쇠기 설정 사이의 차이는 증가할 것이고, 이것은 증폭기(614)에 대한 동작 레벨의 불균형을 증가시키는 경향을 보이게 된다.

레이돔 편파변환 보상장치의 또 다른 실시예가 도 7의 참조번호 700에 의해 보여진다. 송신신호는 고전력 증폭기(704)에 의해 증폭되고, 전력분할기(708)로 들어간다. 분할된 신호는 위상변위기(712)를 통해 위상 변위되고, 3dB 하이브리드(716)를 통해 송신되며, 위상변위기(720)를 통해 위상변위된다.

위상변위기(720)는 위상변위기(116;도 1에 도시된)가 사용되는 것과 유사한 방식으로 2개 신호 사이의 위상 차이를 조절하기 위해 사용된다. 3dB 하이브리드(716)와 함께 위상변위기(712)는 가변 전력분할기(724)로서 기능한다. 위상변위기(712) 사이의 차동 위상 변위는 하이브리드(716) 출력 포트(728)에서의 전력 분배 비율을 조절하도록 될 수 있다. 위상변위기(720)를 통해 손실을 변환하는 것은 가변 전력분할기(724)의 설정을 수정함으로써 보상될 수 있다.

상기 법칙에 따라 구성된 안테나 시스템의 실시예에서, 높은 크로스-편파 판별비(XPD)과 함께 실질적으로 단일 직선 편파를 갖는 신호는 방사될 수 있다. 예컨대, (1-σ) 레벨에서 전체 시스템(안테나와 레이돔) XPD가 5.7dB이 되도록, 전형적인 시스템에 대해 안테나 XPD는 17.0dB이고, 보상되지 않은 레이돔 XPD는 7.9dB이다. 레이돔 편파변환 보상이 상기와 같이 적용되고, 보상 오프셋 테이블의 에러가 위상에서 5°이고, (1-σ) 레벨의 진폭에서 0.3dB인 경우, 레이돔 XPD는 7.9dB에서 24.9dB로 향상되고, 전체 시스템 XPD는 5.7dB에서 14.5dB로 향상된다(모든 값은 (1-σ) 레벨에서).

본 발명의 다른 실시예에서는, 레이돔 편파변환 보상은 원편파(circular polarization)로 동작하는 안테나 시스템과 관련하여 수행된다. 원편파에 대한 편파변환 보상을 유도하는 것이 도 3에 도시된 좌표 시스템을 참조하여 설명된다. 다음의 설명에서, 레이돔으로 덮힌 안테나 에퍼처가 듀얼-직선 편파되고, 각각 x 축과 y 축에 평행한 수평 및 수직으로 방사되는 편파를 일으키는 2개의 직교-편파된 포트를 갖는다고 가정된다(그러한 편파는 반드시 수직 및 수평일 필요는 없고, 단지 직교이면 된다). 송신 모드 분석이 가정된다. 또한, 안테나 에퍼처에 연결된 편파변환 제어기에 의한 2개의 안테나 포트의 여기(excitation)는 e_x 및 e_y 라고 가정된다.

레이돔 표면에서 로컬 입사면이 x 축에 대해 각도 α로 향하는 경우, 로컬 입사면에 따른 좌표 시스템으로 변환된, 레이돔 표면에서의 필드는 다음과 같다.

안테나에 의해 방사되고 레이돔을 통해 송신되는 필드에 대한 안테나 피드 포트(feed port) 이전에, 전압이나 전류로부터의 "여기"의 엄밀한 정규화는, 현 해결방법이 모두 여기 비(excitation ratio)에 의한 것이기 때문에 구현되지 않는다.

레이돔이 횡자기(TM) 및 횡전기(TE) 방향에 각각 평행한 필드에 대한 로컬 송신계수 τ_TE 및 τ_TM를 갖는다고 가정한다. 레이돔 먼 쪽에서 방사된 필드는 다음과 같다.

이러한 방사된 필드성분은 우선회 원편파(RHCP)와 좌선회 원편파(LHCP) 성분으로 분해될 수 있다.

단일(pure) RHCP를 방사시키기 위해, e'_LHCP=0에 대해 풀면,

복소수 비 e_x/e_y 에 대한 상기 수학식은, 편파변환 보상장치가 레이돔 편파변환을 보상하고, 단일 RHCP 파를 방사하기 위해 생성하는 2개의 직교 안테나 포트에서의 여기를 정의한다.

체크로서, 만일 레이돔이 0 편파변환(τ_TE=τ_TM)을 갖는다면,

즉, 2개의 안테나 포트는 예상대로 동위상(in phase) 쿼드러처인 동일한 진폭의 여기를 공급받는다.

레이돔 편파변환이 TM 및 TE 레이돔 송신계수의 진폭 및/또는 위상 사이의 불균형 때문에 유한하게 되는 경우, 여기비 e_x/e_y은 상기 결과로부터 발산하고, 조 절은 진폭 및 위상 양자에서 이루어진다.

직선 편파에 대한 보상과는 반대로, 레이돔 송신계수 사이의 진폭 및 위상 불균형은 편파변환 보상장치를 통해 각각 진폭 및 위상 조절을 수반할 수 있고, 레이돔 송신계수 사이의 진폭 또는 위상 불균형은 원평광 보상을 위해 진폭 및 위상 조절을 수반한다.

수신된 신호에 대한 편파변환을 보상하기 위한 장치의 예시적인 실시예가 도 8의 참조번호 750에 의해 도시된다. 안테나 피드 포트(feed port)(도시되지 않음)로부터의 직교 신호는 저잡음 증폭기(754), 가변 감쇠기(758), 위상변위기(762) 및, 쿼드러처 하이브리드(766)를 통과한다. 감쇠기(758)와 위상변위기(762)의 어떠한 손실로부터의 시스템 G/T(게인/온도) 저하를 방지하기 위해, 증폭기(754)는 감쇠기(758)와 위상변위기(762) 전의 잡음지수(noise figure)를 정한다. 감쇠기(758)와 위상변위기(762)는 신호의 편파를 조절한다: 위상변위기(762)는 위상을 조절하고, 감쇠기(758)는 진폭을 조절한다. 레이돔 편파변환이 0인 경우, 순수한 RHCP는 φ_V=φ_H 및 A_V=A_H로 설정함으로써 포트(770)에서 얻어진다. 쿼드러처 하이브리드(766)의 제2포트(774)는 본 실시예에서는 차단된다. 다른 실시예에서는, 포트(774)가 LHCP 신호를 송신할 수 있다.

송신된 신호에 대한 편파변환을 보상하기 위한 장치의 예시적인 실시예가 도 9의 참조번호 800에 의해 도시된다. 저레벨 송신 신호는 차단된 포트(812)를 갖고 있는 쿼드러처 하이브리드(808)의 포트(804)로 들어간다. 한쌍의 신호가 하이브리 드 포트(816,820)로부터 송신되고, 위상변위기(824)와 감쇠기(828)를 통과한다. 신호는 고전력 증폭기(832)를 통해 증폭되는데, 이것은 진폭과 위상에서 적용 가능한 온도, 주파수 및, 동작범위에 대해 조정되거나(calibrated) 매치된다. 레이돔 편파변환의 작은 레벨에 대하여는, 증폭기(832)는 거의 동일한 레벨에서 동작한다.

도 9에 도시된 실시예에서, 위상변위기(824)와 감쇠기(828)에 의해 출력된 신호는 증폭기(832)로 입력된다. 다른 실시예(도시되지 않음)에서는, 증폭기(832)에 의해 출력된 신호가 위상변위기(824)와 감쇠기(828)로 입력되도록, 위상변위기(824)와 감쇠기(828) 및, 증폭기(832)의 위치가 반대로 된다. 그러한 실시예에서, 위상변위기(824)와 감쇠기(828)는 고전력 성분이고, 송신전력은 도 9를 통해 도시된 실시예를 통해 가능한 전력과 비교하면 낮을 수 있다. 또 다른 실시예에서, 티-스플리터(tee-splitter)가 쿼드러처 하이브리드(808) 대신 사용될 수 있고, 따라서 도 9에 도시된 위상변위기(824)보다 더 큰 위상 범위를 갖는 위상변위기가 사용될 수 있다.

송신된 신호에 대한 편파변환을 보상하기 위한 장치의 예시적인 다른 실시예가 도 10의 참조번호 900에 의해 도시된다. 저레벨 송신 신호는 고전력 증폭기(904)와, 전력분할기(908), 위상변위기(912) 및, 3dB 하이브리드(916)에 의해 형성된 가변 전력분할기(906)를 통과한다. 가변 전력분할기(906)는 감쇠기, 예컨대 도 9에 도시된 감쇠기(828)와 동일하거나 유사한 방식으로 수행된다. 위상변위기(912) 사이에서 차동 위상 변위를 조절하는 것은, 3dB 하이브리드(916) 출력 포트(918)에서의 전력 분할비를 조절하게 된다. 한쌍의 위상변위기(920)는 2개의 신호 사이의 위상 차이를 조절한다. 위상변위기(920)를 통한 어떠한 변환 손실도 가변 전력분할기(906)의 설정을 조절함으로써 보상될 수 있다.

상기와 같은 방법 및 장치에 대한 실시예는 송신 및 수신 동작 모드 양자에서 레이돔 편파변환 보상에 사용될 수 있다. 어떠한 실시예에서는, 안테나 시스템에 존재하는 하드웨어가 레이돔 편파변환 보상을 구현하는데 사용될 수 있다. 현존하는 레이돔에 의해 야기된 신호 편파변환은 높은 비용으로 정교하게 레이돔의 디자인을 변경하는 일 없이 감소되거나 제거될 수 있다.

본 발명에 대한 상기 설명은 단지 예시적인 것이며, 따라서 발명의 요지를 변경하지 않는 범위에서의 변화는 본 발명의 범위 내에 있다. 그러한 변화는 본 발명의 기본 개념과 범위를 벗어나지 않는 것으로 인식된다.

상기한 바와 같이 본 발명에 의하면, 송신 및/또는 수신 모드에서 레이돔 편파변환의 효과가 실질적으로 감소되거나 제거될 수 있다.

Claims

안테나 레이돔을 통과하는 무선 신호의 편파변환을 감소시키기 위한 방법에 있어서,

레이돔에 대한 신호의 입사각을 결정하는 단계;

상기 결정된 입사각으로부터, 레이돔에 기인한 신호 편파변환에 대한 적어도 하나의 오프셋을 결정하는 단계 및;

신호의 편파변환을 감소시키기 위해 오프셋을 신호에 적용하는 단계를 구비하여 이루어지고,

적어도 하나의 오프셋을 결정하는 단계는, 신호의 방사된 필드 성분을 RHCP 및 LHCP 성분으로 분해하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 편파변환 감소방법.
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제1항에 있어서,

적어도 하나의 오프셋을 메모리에 저장하는 단계 및;

안테나의 적어도 하나의 포인팅 각에 기초하여, 메모리로부터 적어도 하나의 오프셋을 추출하는 단계를 더 구비하여 이루어진 것을 특징으로 하는 편파변환 감 소방법.
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제1항에 있어서, 적어도 하나의 오프셋을 결정하는 단계는, τ_TE및 τ_TM이 레이돔 송신계수이고, α가 입사각이며, ψ가 원하는 편파각인 경우,

에 따라 크로스-편파 판별비(XPD)를 최소화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 편파변환 감소방법.
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제1항에 있어서, 적어도 하나의 오프셋을 결정하는 단계는, τ_TE및 τ_TM이 레이돔 송신계수이고, α가 입사각인 경우,

에 따라, 안테나의 포트에서 여기 e_x 및 e_y를 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 편파변환 감소방법.
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안테나 레이돔을 통과하는 신호의 편파변환을 보상하는 방법에 있어서,

신호를 복수의 편파된 신호로 분할하는 단계 및;

레이돔에 기인한 편파변환을 보상하도록 미리 결정된 적어도 하나의 오프셋을 적어도 하나의 편파된 신호에 적용하는 단계를 구비하여 이루어지고,

적어도 하나의 오프셋을 적용하는 단계는, 편파된 신호 사이의 차동 위상과 편파된 신호 사이의 차동 진폭 중 하나에 대해 오프셋을 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 편파변환 보상방법.
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신호가 안테나 레이돔을 통과하는 것에 기인한 무선신호의 편파변환을 보상하는 장치에서, 신호가 복수의 반대로 편파된 신호로서 장치로 들어가는 경우, 편파변환 보상장치에 있어서,

레이돔에 기인한 편파변환을 보상하는, 편파된 신호에 대한 적어도 하나의 오프셋을 결정하도록 된 프로세서 및;

적어도 하나의 편파된 신호에 오프셋을 적용하도록 된 적용회로를 구비하여 구성되고,

상기 프로세서는 편파된 신호 사이의 차동 위상과 편파된 신호 사이의 차동 진폭 중 하나에 대해 오프셋을 결정하는 것을 특징으로 하는 편파변환 보상장치.
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무선신호가 통과하도록 된 레이돔;

무선신호를 반대로 편파된 신호로 나누도록 된 편파회로;

레이돔에 기인한 편파변환을 보상하는, 편파된 신호에 대한 적어도 하나의 오프셋을 결정하도록 된 프로세서 및;

적어도 하나의 편파된 신호에 오프셋을 적용하도록 된 적용회로를 구비하여 구성되고,

상기 프로세서는 편파된 신호 사이의 차동 위상과 편파된 신호 사이의 차동 진폭 중 하나에 대해 오프셋을 결정하는 것을 특징으로 하는 안테나 시스템.
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신호를 반대로 편파된 신호로 분할하는 신호분할기, 원하는 직선 편파면 방위각에 따라 가변 차동 위상변위를 신호에 적용하는 조절회로 및, 적어도 하나의 프로세서를 구비하여 구성되며, 레이돔을 갖는 안테나를 통과하는 무선신호의 편파를 제어하기 위한 편파제어기에 있어서,

상기 프로세서는,

레이돔에 대한 신호의 입사각을 결정하고,

결정된 입사각으로부터, 레이돔에 기인한 신호 편파변환에 대한 적어도 하나의 오프셋을 결정하되, 편파된 신호 사이의 차동 위상과 편파된 신호 사이의 차동 진폭 중 하나에 대해 오프셋을 결정하고,

오프셋을 신호에 적용하기 위해 조절회로를 제어하도록 된 것을 특징으로 하는 편파제어기.