KR101236598B1 - Phased array antenna using dispersion compensating fiber and tunable multi-wavelength laser - Google Patents
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Abstract
위상배열 안테나를 개시한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 위상배열 안테나는 전기 신호를 광신호로 변조하는 전기-광학 변조기, 광신호로 변조된 신호를 파장에 따라 다른 지연시간을 갖도록 하는 분산 보상 광섬유, 상기 파장 대역 내에 고정된 광 지연 선로를 구성하기 위한 박막 필터와 고정시간 지연선로, 상기 변조된 광신호를 전기신호로 복조하는 광 수신기 및 상기 복조된 전기신호를 선형적으로 증가하는 지연시간을 가지고 방사하는 안테나 요소를 포함한다. 이에 따라 위상배열 안테나는 단순한 구조를 가질 수 있고 이에 따른 비용 절감까지 도모할 수 있게 된다.A phased array antenna is disclosed. A phased array antenna according to an embodiment of the present invention is an electro-optic modulator for modulating an electrical signal into an optical signal, a dispersion compensation optical fiber for causing the optical signal modulated signal to have a different delay time according to the wavelength, and fixed within the wavelength band. A thin film filter and a fixed time delay line for constituting the optical delay line, an optical receiver for demodulating the modulated optical signal into an electrical signal, and an antenna element for radiating the demodulated electrical signal with a linearly increasing delay time. Include. Accordingly, the phased array antenna can have a simple structure, thereby reducing costs.
Description
본 발명은 위상배열 안테나에 대한 것으로, 더욱 상세하게는 분산보상 광섬유 및 가변 다중 파장 레이저를 이용하여 구조적으로 간단하고 안정적인 위상배열 안테나에 관한 발명이다.
The present invention relates to a phased array antenna, and more particularly, to a structurally simple and stable phased array antenna using a distributed compensation optical fiber and a variable multi-wavelength laser.
현재 무선통신 기술은 단말기 휴대의 편리성과 이동 중에 사용이 가능하다는 점 때문에 매우 유용하게 사용되고 있다. 그러나 미래의 무선통신 기술은 대역폭의 증가로 인한 다중경로 페이딩에 의한 성능저하가 더욱 증가하고 반송 주파수의 증가로 인해 가시 거리가 크게 감소되는 문제가 있어 현재 3G 시스템과 4G 시스템에서는 위상-배열 안테나(phased-array antenna: PAA) 기술의 적용으로 상기 문제를 해결하려 하고 있다. 특히 중국, 대만과 일본 등의 3세대 이동통신 시스템에서는 위상-배열 안테나 기술을 이미 상용화하여 그 성능을 검증하고 현재 이를 이용한 시범 서비스를 하고 있는 실정이다. 위상배열 안테나 기술은 하드웨어 복잡도나 전력 소비가 증가되더라도 가격이나 송수신 신호 전력 관점에서 위상배열 안테나 기술을 사용한 빔-형성이 유리하기 때문이다.Currently wireless communication technology is very useful because of the convenience of the portable terminal and the use in the mobile. However, the future wireless communication technology has a problem in that the performance degradation due to the multipath fading due to the increase in bandwidth is further increased and the visible distance is greatly reduced due to the increase in the carrier frequency. The problem is solved by the application of phased-array antenna (PAA) technology. In particular, the third-generation mobile communication systems such as China, Taiwan, and Japan have already commercialized the phased-array antenna technology to verify its performance and are currently providing trial services using the same. Phased array antenna technology is advantageous in that beam-forming using phased array antenna technology is advantageous in terms of price and transmit / receive signal power even though hardware complexity and power consumption are increased.
빔-형성을 위한 위상배열 안테나는 높은 방향성과 높은 이득을 제공하고 다양한 빔 패턴 형성을 민첩하게 수행할 수 있다. 이러한 안테나를 조절하기 위해 TTD(true-time delay) 시스템이 적용된다. TTD 시스템은 배열 안테나를 기계적으로 움직이지 않고 전자회로를 조절하는 속도로 빔 방사각의 조절이 가능하도록 하는 위상 천이기를 위한 중요한 기술이다. 최근 무선 통신 기술의 확장으로 TTD 시스템의 전파 간 간섭, 제작 비용, 하드웨어의 안정성, 신뢰성, 그리고 무게의 문제점이 중요하게 부각되었다. 또한 전기 빔-형성 기술은 높은 RF 주파수를 기저대역으로 다운 컨버전(down conversion)하여 위상을 조절하게 되고 이것 때문에 부가적인 구성 부품으로 인한 하드웨어의 부피가 증가하며 비용이 상승한다는 문제점이 있다.
Phased array antennas for beam-forming provide high directionality and high gain and can perform a variety of beam pattern agileness. To adjust this antenna, a true-time delay (TTD) system is applied. The TTD system is an important technique for phase shifters that allows the beam radiation angle to be adjusted at a speed that adjusts the electronic circuits without moving the array antenna mechanically. With the recent expansion of wireless communication technology, problems of radio wave interference, fabrication cost, hardware stability, reliability, and weight of TTD systems have been highlighted. In addition, the electric beam-forming technology down-converts the high RF frequency to baseband to adjust the phase, which increases the volume and hardware cost of additional components.
본 발명은 상기 문제점을 감안하여 안출된 것으로 본 발명의 목적은 단순한 구조를 가질 뿐만 아니라 이에 따른 비용 절감을 도모할 수 있는 위상배열 안테나를 제공함에 있다.
The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a phased array antenna capable of not only having a simple structure but also reducing costs accordingly.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 위상배열 안테나는, 전기 신호를 광신호로 변조하는 전기-광학 변조기; 상기 광신호로 변조된 신호를 파장에 따라 다른 지연시간을 갖도록 하는 분산 보상 광섬유; 상기 파장 대역 내에 고정된 광 지연 선로를 구성하기 위한 박막 필터; 상기 변조된 광신호를 전기신호로 복조하는 광 수신기; 상기 복조된 전기신호를 규칙적인 지연시간을 가지고 방사하는 안테나;를 포함한다.A phased array antenna according to an embodiment of the present invention for achieving the above object comprises an electro-optic modulator for modulating the electrical signal into an optical signal; A dispersion compensation optical fiber for causing the signal modulated by the optical signal to have a different delay time according to a wavelength; A thin film filter for forming an optical delay line fixed in the wavelength band; An optical receiver for demodulating the modulated optical signal into an electrical signal; And an antenna for radiating the demodulated electrical signal with a regular delay time.
그리고, 파장이 가변하는 광을 발생하기 위한 가변 다중 파장 레이저;를 더 포함하며, 상기 발생된 파장은 상기 전기-광학 변조기가 전기 신호를 광신호로 변조하기 위한 반송 파장으로 이용될 수 있다.And a variable multi-wavelength laser for generating light having a variable wavelength, wherein the generated wavelength can be used as a carrier wavelength for the electro-optic modulator to modulate an electrical signal into an optical signal.
또한, 상기 다중 파장 레이저는 Lyot-Sagnac 필터, Fabry-Perot 필터, 균일한 FBG 필터 그리고 샘플링 FBG 등 적어도 하나의 필터를 포함하며, 상기 적어도 하나의 필터는 상기 발생되는 파장을 가변할 수 있다.In addition, the multi-wavelength laser includes at least one filter, such as a Lyot-Sagnac filter, a Fabry-Perot filter, a uniform FBG filter, and a sampling FBG, and the at least one filter may vary the generated wavelength.
그리고, 상기 다중 파장 레이저는, 상기 적어도 하나의 필터로 하여금 상기 파장의 가변을 조절하기 위한 Lyot-Sagnac 필터의 편광 조절기 또는, Fabry-Perot 필터의 PZT, 균일한 FBG 필터나 샘플링 FBG의 스트레인이나 온도 변화를 위한 장치를 더 포함할 수 있다.The multi-wavelength laser may include a polarization controller of a Lyot-Sagnac filter or a PZT of a Fabry-Perot filter, a strain or a temperature of a uniform FBG filter or a sampling FBG for causing the at least one filter to adjust the variation of the wavelength. The apparatus may further include a device for change.
또한, 상기 다중 파장 레이저는 사용되는 안테나 요소(antenna elements)의 수(N)과 같은 파장을 발생시킨다. 본 실시예에서는 C-밴드에서 4파장을 발생시킬 수 있다.The multi-wavelength laser also generates a wavelength equal to the number N of antenna elements used. In this embodiment, four wavelengths can be generated in the C-band.
그리고, 상기 전기-광학 변조기의 편광 의존성을 제거하기 위한 편광 제어기;를 더 포함할 수 있다.And a polarization controller for removing the polarization dependency of the electro-optic modulator.
또한, RF 신호를 발생하는 RF 신호 발생기;를 더 포함하며, 실제 시스템에서 신호는 실제 안테나로 송출될 신호로 대치되며, 상기 전기-광학 변조기는 상기 다중 파장 레이저로부터 광신호가 입력되면 상기 RF 신호 발생기에서 발생된 RF 신호와 같은 형태로 강도 변조할 수 있다.The RF signal generator may further include an RF signal generator for generating an RF signal. In an actual system, a signal is replaced with a signal to be transmitted to an actual antenna, and the electro-optic modulator is provided with an RF signal generator when an optical signal is input from the multi-wavelength laser. The intensity modulation can be performed in the same form as the RF signal generated by the.
상기 고정 시간 지연 선로의 길이는 아래의 식으로 정의하는 경우,When the length of the fixed time delay line is defined by the following equation,
(여기서, i=1,2,3…N이며, 는 파장에 대한 선로의 지연시간이고, υ는 광 섬유 내 광속임)(Where i = 1,2,3… N, Is the delay time of the line with respect to wavelength, and υ is the speed of light in the optical fiber)
발생되는 최대 시간 지연(±τmax)는 아래의 식을 만족할 수 있다.The maximum time delay (± τ max ) generated may satisfy the following equation.
(여기서, D(ps/nm-km)는 분산, 는 필터의 대역폭, LDCF는 분산 보상 광섬유의 길이임)
Where D (ps / nm-km) is the variance, Is the bandwidth of the filter, L DCF is the length of the dispersion compensation fiber)
상기 구성에 따른 위상배열 안테나는 단순화된 구조를 가질 뿐만 아니라 이에 따라 위상배열 안테나 생산에 필요한 비용을 절감할 수 있는 효과를 가진다.
The phased array antenna according to the above configuration has not only a simplified structure but also an effect of reducing the cost required for producing the phased array antenna.
도 1은 위상 배열 안테나를 위한 TTD(true-time delay) 선로 빔 형성 개념도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 위상배열 안테나의 구성을 나타내는 구성도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 위상배열 안테나의 일구성인 다중 파장 레이저(110)의 구성을 나타내는 도면,
도 4는 Lyot-Sagnac 필터의 전송 특성을 나타내는 도면,
도 5는 가변 파장 레이저의 출력 스펙트럼을 나타내는 도면,
도 6은 분산 보상 광섬유의 측정된 군속도 지연과 손실을 나타내는 도면,
도 7은 파장의 함수로서 손실과 시간 지연을 나타내는 도면,
도 8은 ODA로 측정된 분산을 나타내는 도면,
도 9a 내지 도 9d는 본 발명의 일 실시예에 따른 위상배열 안테나의 시간 지연을 측정하는 동안 TTD 각 부의 스펙트럼을 나타내는 그래프,
도 10은 4개의 광 수신기에서 시간 지연과 강도를 파장의 함수로 측정한 결과를 중첩하여 표시한 그래프,
도 11는 요소 1을 기준으로 하여 나타낸 안테나 요소수에 대한 위상배열 안테나의 시간 지연 특성을 나타내는 도면, 그리고,
도 12은 도 11에 나타난 위상배열 안테나의 시간 지연으로부터 시뮬레이션에 의해 얻은 방사 패턴을 나타내는 도면이다.1 is a conceptual diagram of a true-time delay (TTD) line beam for a phased array antenna;
2 is a block diagram showing the configuration of a phased array antenna according to an embodiment of the present invention;
3 is a diagram illustrating a configuration of a
4 is a view showing the transmission characteristics of the Lyot-Sagnac filter,
5 is a diagram showing an output spectrum of a variable wavelength laser;
6 shows measured group velocity delay and loss of dispersion compensation fiber;
7 shows loss and time delay as a function of wavelength,
8 shows the variance measured by ODA,
9A to 9D are graphs showing the spectrum of each part of the TTD while measuring the time delay of the phased array antenna according to the embodiment of the present invention;
10 is a graph showing superimposed results of measuring time delay and intensity as a function of wavelength in four optical receivers,
11 is a view showing a time delay characteristic of a phased array antenna with respect to the number of antenna elements expressed based on
FIG. 12 is a diagram showing a radiation pattern obtained by simulation from the time delay of the phased array antenna shown in FIG.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.While the invention is susceptible to various modifications and alternative forms, specific embodiments thereof are shown by way of example in the drawings and will herein be described in detail. It is to be understood, however, that the invention is not to be limited to the specific embodiments, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. Terms including ordinal numbers such as first and second may be used to describe various components, but the components are not limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.When a component is referred to as being "connected" or "connected" to another component, it may be directly connected to or connected to that other component, but it may be understood that other components may be present in between. Should be. The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In this specification, the terms "comprises" or "having" and the like refer to the presence of stated features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof, But do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.In the following description of the present invention with reference to the accompanying drawings, the same components are denoted by the same reference numerals regardless of the reference numerals, and redundant explanations thereof will be omitted. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description, well-known functions or constructions are not described in detail since they would obscure the invention in unnecessary detail.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 대하여 더욱 상세히 설명하기로 한다. 도 1은 위상 배열 안테나를 위한 TTD(true time-delay) 선로 빔 형성 개념도를 나타낸다. 이를 통해 위상 배열 안테나의 기본적인 원리를 설명하고자 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in more detail with respect to the present invention. 1 illustrates a conceptual diagram of a true time-delay (TTD) line beam for a phased array antenna. Through this, the basic principle of the phased array antenna will be described.
위상 배열 안테나에서 정규화 배열 인수(normalized array factor:AF)는 선형적인 안테나 배열 간격인 경우,In a phased array antenna, if the normalized array factor (AF) is a linear antenna array interval,
(1) (One)
(2) (2)
와 같이 표시되고, 여기서 N은 요소의 수이고, β=2πf/c는 RF신호의 전파 상수이고, c는 광속, f는 전기 RF 신호의 주파수, d는 두 연속 안테나 요소 사이의 거리이고, θ는 요소들의 축과 방사축 사이의 공간 각도이다. n번째 안테나 요소에 공급되는 전기 전류는,Where N is the number of elements, β = 2πf / c is the propagation constant of the RF signal, c is the speed of light, f is the frequency of the electrical RF signal, d is the distance between two consecutive antenna elements, and Is the spatial angle between the axis of the elements and the radial axis. The electrical current supplied to the nth antenna element is
(3) (3)
(4) (4)
와 같이 표시될 때, 여기서 과 은 각각 전기 전류와의 진폭과 위상이다. τn은 n번째 요소의 군속도 지연이다. 식 (2)-(4)를 식 (1)에 대입하면 정규화 배열인수는,When displayed as and Are the amplitude and phase with electrical current, respectively. τ n is the group speed delay of the nth element. Substituting equations (2)-(4) into equation (1), the normalized array argument is
(5) (5)
와 같이 표시된다.Is displayed as:
결과적으로 TTD 기술은 지연 시간을 변화함으로써 방사 각도를 조절하는 기술이다.As a result, TTD technology is a technique for adjusting the angle of radiation by varying the delay time.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 위상배열 안테나(100)의 구성을 나타내는 구성도이다. 도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 위상배열 안테나(100)는 다중 파장 레이저(110), RF 신호 발생기(120), 전기-광학 변조기(130), 편광 조절기(140), 분산 보상 광섬유(150), 대역 선택 필터(160-1, 160-2, 160-3, 160-4), 고정 시간 지연 선로(170-1, 170-2, 170-3, 170-4), 광 수신기(180-1, 180-2, 180-3, 180-4) 그리고 안테나 요소(190-1, 190-2, 190-3, 190-4)로 구성되어 있다.2 is a block diagram showing the configuration of a phased
다중 파장 레이저(110)는 파장들을 발생시킨다. 이때 발생된 파장은 이후 설명할 전기-광학 변조기(130)에 의하여 광신호로 변조되기 위한 반송 파장으로 이용된다. 이와 관련해서는 도 3을 참조하며 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 위상배열 안테나의 일구성인 다중 파장 레이저(110)의 구성을 나타내는 도면이다. 여기서는 PMF Lyot-Sagnac 필터를 사용한 광섬유 링 레이저를 상정하였다. 편광 유지 광섬유(polarization maintaining fiber: PMF)와 결합기(coupler) 1은 Lyot-Sagnac 필터로 구성된다. 여기서 PMF의 길이는 1m정도이며, 결합기 1은 2X2 3dB 결합기가 사용될 수 있다. 3 is a diagram illustrating a configuration of a
Lyot-Sagnac 필터의 전송 특성은 첨부된 도면 4와 같다.여기서 PMF를 사용한 Lyot-Sagnac 필터는 7.2nm의 FSR(free-spectral range)를 갖는 가변 Fabry-Perot 필터나 균일한 FBG들이나 가변 샘플링 FBG를 사용할 수 있다. 도 4의 손실 스펙트럼을 보면 900GHz(~7.2nm)의 균일한 파장 간격을 가짐을 알 수 있다. 편광 조절기는 필터의 선택 파장을 가변하는데 사용된다. 광섬유 링 레이저의 발진을 위한 이득 매질은 어븀 도핑 광섬유(Erbium-doped fiber:EDF)가 사용된다. EDF는 C-band 전체에서 이득 스펙트럼을 갖는다. 여기서 EDF는 Raman 광섬유 증폭기로 대치 될 수 있다. 또한 다중 파장 레이저는 다중 모드에서 동작되는 반도체 Fabry-Perot 반도체 레이저로 대치될 수 있다.The transmission characteristics of the Lyot-Sagnac filter are shown in Figure 4, where the Lyot-Sagnac filter using PMF is characterized by a variable Fabry-Perot filter with a free-spectral range of 7.2 nm, uniform FBGs or variable sampling FBG. Can be used. Looking at the loss spectrum of Figure 4 it can be seen that it has a uniform wavelength interval of 900GHz (~ 7.2nm). Polarization regulators are used to vary the selected wavelength of the filter. Erbium-doped fiber (EDF) is used as a gain medium for oscillation of the optical fiber ring laser. EDF has a gain spectrum throughout the C-band. EDF can be replaced by Raman fiber amplifier. Multiwavelength lasers can also be replaced by semiconductor Fabry-Perot semiconductor lasers operating in multiple modes.
가변 감쇄기(variable optical attenuator:VOA)는 광섬유 레이저의 이득 조절을 위해 사용되며 결합기 2는 1X2 10dB 결합기로 일부를 레이징을 위해 다시 이득매질로 보내고 일부는 출력으로 내보낸다. 이에 따른 가변 파장 레이저의 출력 스펙트럼은 도 5에 도시하였다.A variable optical attenuator (VOA) is used to adjust the gain of the fiber laser, and
RF 신호 발생기(120)는 RF 신호를 발생하는 기능을 가지며 실제 시스템에서는 안테나를 통해 방사될 RF 신호로 대치된다.The
전기-광학 변조기(130)는 전기 신호를 광신호로 변조한다. 전기-광학 변조기(electro-optic modulator:EOM)는 다중 파장 레이저(110)에서 발생된 광신호가 입력되면 RF 신호 발생기(120)에서 발생된 신호와 같은 형태로 강도 변조된다. RF 신호 발생기(120)의 신호는 안테나 소자들에 의하여 방사되는 신호이다. The electro-
분산 보상 광섬유(150)는 상기 광신호로 변조된 신호를 파장에 따라 다른 지연시간을 갖도록 한다. 단일 모드 광섬유에서 광 펄스가 전송될 때 펄스가 퍼지는 현상이 발생되며 이것을 분산이라 한다. 단일 모드 광섬유의 분산을 모드 내 분산이라고도 하며 발생원인은 구조 분산과 재료 분산이 원인이며 이는 파장의 함수이다. 이러한 분산 때문에 많은 정보량을 멀리 전송하는 것이 어려워지므로 이것을 보상하기 위해 본 발명에서는 분산 보상 광섬유(dispersion compensating fiber: DCF)가 사용되며 본 발명에서는 이 분산 보상 광섬유를 시간 지연 소자로 사용하였다. 이에 따라 분산 값은 파장에 따라 다르므로 각각의 파장이 같은 거리를 이동한다 해도 다른 지연시간을 갖게 된다. Lucent Technology사의 Truewave 광섬유를 보상하기 위한 DCF가 사용될 수 있다. The dispersion compensation
분산 보상 광섬유의 군속도 지연 τd(λ)과 손실은 광 분산 측정기 (optical dispersion analyzer: ODA, Agilent 86038A)를 사용하여 측정되었으며 도 6과 같다. The group velocity delay τ d (λ) and the loss of the dispersion compensation optical fiber were measured using an optical dispersion analyzer (ODA, Agilent 86038A) and are shown in FIG. 6.
여기서 점선은 군속도 지연을 나타내며 실선은 파장에 따른 손실을 나타낸다. 손실은 약 -3.9 dB 이고, 시간 지연은 1525 와 1565 nm 사이에서 약 18 ns의 시간 지연의 차이를 갖는다. DCM의 길이는 약 5.5 km이다. Where the dotted line represents the group velocity delay and the solid line represents the loss with wavelength. The loss is about -3.9 dB and the time delay has a difference in time delay of about 18 ns between 1525 and 1565 nm. The length of DCM is about 5.5 km.
대역 선택 필터(160-1,160-2,160-3,160-4)는 광 지연 선로들과 함께 각각의 파장 대역 내에서 고정된 광 지연을 얻기 위해 사용되는 대역 선택 필터 또는 파장 add/drop 필터 중 drop 기능만을 수행한다. 필터는 FBG 필터에 비해 위상 리플이 적고 선택 파장의 대역폭 내에 손실이 편형하다는 장점을 가진다. 본 발명에 있어서 대역 선택 필터(160-1, 160-2, 160-3, 160-4)는 DWDM 9-skip-filter로 C-band 내에서 약 7.2nm의 대역폭을 가지며 DWDM 100G 시스템에서 연속된 8개의 채널을 선택하는 박막 필터가 사용된다. 같은 지연 시간을 얻고자 할 때 분산 보상 광섬유의 길이를 최소화하기 위해 긴 파장 간격을 갖는 필터가 요구된다.The band select filters 160-1, 160-2, 160-3, and 160-4 perform only the drop function of the band select filter or the wavelength add / drop filter used to obtain a fixed optical delay in each wavelength band together with the optical delay lines. do. Filters have the advantages of lower phase ripple and more balanced losses within the bandwidth of the selected wavelength than FBG filters. In the present invention, the band select filters 160-1, 160-2, 160-3, and 160-4 are DWDM 9-skip-filters having a bandwidth of about 7.2 nm in the C-band and continuous in the DWDM 100G system. A thin film filter that selects eight channels is used. In order to achieve the same delay time, a filter having a long wavelength interval is required to minimize the length of the dispersion compensation optical fiber.
분산 보상 광섬유(150)에서 광 수신기 (180-1, 180-2, 180-3, 180-4) 까지의 고정 시간 지연선로 (170-1, 170-2, 170-3, 170-4)는 대역 선택 필터(160-1,160-2,160-3,160-4) 통과 후 적절한 길이의 광섬유의 첨가로 완전히 구현될 수 있다. 이때 광섬유의 물리적 길이를 정확히 맞추기 어려울 때는 가변 지연 선로 (optical variable delay line)가 광 고정 시간 지연 선로(170-1, 170-2, 170-3, 170-4)와 광 수신기(180-1, 180-2, 180-3, 180-4) 사이에 추가될 수 있다The fixed time delay lines 170-1, 170-2, 170-3, and 170-4 from the dispersion compensation
TTD의 파장에 따른 시간 지연을 정확하게 측정하기 위하여 1X4 광 커플러가 PD들에 입력되는 모든 광 신호를 결합하는데 사용된다. DCF의 입력과 1X4 광 커플러의 출력을 ODA의 입력과 출력 포트에 각각 연결하였다. In order to accurately measure the time delay over the wavelength of the TTD, a 1 × 4 optical coupler is used to combine all the optical signals input to the PDs. The input of the DCF and the output of the 1X4 optocoupler were connected to the input and output ports of the ODA, respectively.
도 7은 파장의 함수로서 손실과 시간 지연을 나타내는 도면이다. 변조된 광 신호는 대역 선택 필터에 의해 분리되고 SMF로 구성된 고정 시간 지연 선로 (170-1, 170-2, 170-3, 170-4)의 길이는 파장 대역의 중심 파장에서 같은 시간 지연을 갖도록 조절된다. 7 is a diagram illustrating loss and time delay as a function of wavelength. The modulated optical signal is separated by a band select filter and the lengths of the fixed time delay lines 170-1, 170-2, 170-3, 170-4 composed of SMF have the same time delay at the center wavelength of the wavelength band. Adjusted.
여기서 i=1,2,3…N이다. Where i = 1,2,3... N.
손실 곡선은 광 통과 경로가 다르므로 약간의 차이를 보이고 있다. DCF의 분산과 군속도 지연 사이의 관계는The loss curve is slightly different because the path of light passage is different. The relationship between DCF dispersion and group speed delay
으로 정의 되므로, D( ps / nm - km )가 파장의 함수라면 대역 간에 시간 지연 슬로프는 다르다. 여기서 , 그리고 D( ps / nm - km )는 각각 그룹 지연 차이, 대역 선택 필터의 대역폭과 DCF의 분산이다. Since D ( ps / nm - km ) is a function of wavelength, the time delay slope varies between bands. here , And D ( ps / nm - km ) is the group delay difference, the bandwidth of the band select filter, and the variance of the DCF, respectively.
TTD에 의하여 발생되는 최대 시간 지연(±τmax)는 아래의 식을 만족한다.The maximum time delay caused by TTD (± τ max ) satisfies the following equation.
여기서, D(ps/nm-km)는 분산, 는 필터의 대역폭, LDCF는 분산 보상 광섬유의 길이이다.Where D (ps / nm-km) is the variance, Is the bandwidth of the filter, and L DCF is the length of the dispersion compensation fiber.
도 8은 ODA로 측정된 분산을 나타내는 도면이다. 도 8에 도시된 바와 같이 사용된 DCF의 분산 D·LDCF는 대역에 따라 -443.3, -459.9, -478.3 그리고 -498.4 ps/nm로 감소하며 손실은 대역 필터 통과 대역 내에서 13.2 dB이다. 짧은 DCF를 사용하기를 원한다면, 큰 분산 기울기, ΔD(λi)/Δλ·LDCF를 갖는 DCF를 선택해야 한다. 그리고 10 GHz 시스템에서 0°에서 180° 까지의 주사각을 변화시키기 위하여 안테나 소자 간의 지연 시간은 최대 -150 에서부터 +150 ps를 가져야 한다. 8 is a diagram showing dispersion measured by ODA. The dispersion of the DCF · D used as shown in Figure 8 in accordance with the band L DCF is -443.3, -459.9, -478.3, and reduced to -498.4 ps / nm, and the loss is 13.2 dB in the band pass filter the pass band. If you want to use a short DCF, you should choose a DCF with a large dispersion slope, ΔD (λ i ) / Δλ · L DCF . And in order to change the scanning angle from 0 ° to 180 ° in a 10 GHz system, the delay time between antenna elements should have a maximum of -150 to +150 ps.
광 수신기(180-1, 180-2, 180-3, 180-4)는 변조된 광신호를 전기신호로 복조하는 기능을 갖는다. 즉, 광신호는 광 수신기(photo detector:PD)에 의하여 전기 신호로 변환된다. 본 발명에서는 RF 신호의 주파수로 10GHz를 사용할 수 있고, 이 경우에 광 전치 증폭기의 수신 주파수가 10GHz를 검파하여야 한다. 4-요소를 갖는 PAA용 TTD라면 같은 수의 광 검파기가 요구될 수 있다. 이때 광 수신기에 입력되는 광이 파장 선택 필터와 광 고정 시간 지연 선로에 의한 손실이 다를 때 광 수신기에 인가되는 광 강도가 다를 수 있다. 이때 가변 광 감쇄기가 고정 시간 지연 선로(170-1, 170-2, 170-3, 170-4)와 광 수신기 (180-1, 180-2, 180-3, 180-4) 사이에 추가될 수 있다.The optical receivers 180-1, 180-2, 180-3, and 180-4 have a function of demodulating the modulated optical signal into an electrical signal. That is, the optical signal is converted into an electrical signal by a photo detector (PD). In the present invention, 10 GHz may be used as the frequency of the RF signal. In this case, the reception frequency of the optical preamplifier should detect 10 GHz. The same number of photodetectors may be required for TTDs for 4-A PAAs. At this time, when the light input to the optical receiver is different from the loss due to the wavelength selection filter and the optical fixed time delay line, the light intensity applied to the optical receiver may be different. The variable optical attenuator may be added between the fixed time delay lines 170-1, 170-2, 170-3, 170-4 and the optical receivers 180-1, 180-2, 180-3, 180-4. Can be.
상기 설명한 본 발명의 일 실시예에 따른 위상배열 안테나(100)의 구성을 다시 도 2를 참조하면서 요약하기로 한다.The configuration of the phased
도 2는 본 발명이 제안하는 4-요소 PAA를 위한 TTD 빔 형성기를 나타낸다. 여기서 레이저는 C-Band에서 4파장을 발생시키는 다중 파장 레이저(110)가 사용되며, 파장 가변을 위하여 다중 파장 레이저(110) 내에 다수의 균일한 FBG를 직렬로 연결하여 사용하거나 가변 SFBG(sampled-fiber Bragg grating) 그리고 가변 Fabry-Perot 필터를 이용하여 파장을 가변할 수 있다.2 shows a TTD beamformer for 4-element PAA proposed by the present invention. The laser is a
전기-광학 변조기(130)에서 파장들은 안테나 소자들에 의하여 방사되기 위해 RF 신호로 변조된다. 분산 보상 광섬유(150)를 통과하는 파장들은 각각 다른 지연시간을 가진다. 박막 필터(160-1, 160-2, 160-3, 160-4)를 사용하여 다중 파장 레이저의 파장들을 분리하고 고정 지연선로를 사용하여 대역 선택 필터의 대역폭 내의 파장들에 대해 같은 지연시간을 제공한다. 총 시간지연은 대역 안에 파장 의존성을 갖는 분산 보상 광섬유(150)와 대역 내의 파장에 의존하지 않는 고정 시간지연 선로 (170-1, 170-2, 170-3, 170-4)로 구성된다. 광 신호는 광 수신기(180-1, 180-2, 180-3, 180-4)에 의하여 전기 신호로 변환된다.In the electro-
도 9a 내지 도 9d는 4 파장 중 2 파장 만이 사용된 경우 본 발명의 일 실시예에 따른 위상배열 안테나의 각 부분에 스펙트럼을 측정한 결과이다. 도 9a에 도시된 바와 같이 두 파장을 이용하여 대역이 다른 두 파장 사이의 시간 차이를 측정하였다. 두 파장의 광파우어는 약 -25dBm정도이고, 도 9b에 도시된 바와 같이 전기-광학 변조기(130)에서 약 5dB 정도의 손실을 보여준다. 도 9c 및 도 9d에서는 이 광이 EDFA에서 약 20dB 정도 증폭되고 분산 보상 광섬유(150)와 대역 필터에서 약 20dB의 손실이 발생되고 있음을 보여준다.9A to 9D illustrate a result of measuring spectra at respective portions of a phased array antenna according to an embodiment of the present invention when only two wavelengths of four wavelengths are used. As shown in FIG. 9A, the time difference between two wavelengths having different bands was measured using two wavelengths. The optical power of the two wavelengths is about -25 dBm and shows about 5 dB loss in the electro-
이와 같은 실험에서는 사용한 두 파장 중 한 파장은 고정시키고 다른 파장만을 가변했을 때 광 수신기(180-1, 180-2, 180-3, 180-4)에 입력되는 두 광파의 시간 지연을 측정하는 것을 목적으로 하였다. 도 10a 및 도 10b에 도시된 바와 같이 두 파장은 1530.5와 1553.5nm이고 1553.5nm의 광파를 가변하며 두 파장 사이의 시간 지연을 측정한다. 이 측정에서 RF 신호는 1GHz 구형파를 사용하였으며 실제 RF 신호보다 저주파를 사용한 것은 지연 시간이 RF 신호의 한 주기보다 길 때 지연 시간 측정에 혼동이 없도록 하기 위함이다. 시간 지연을 측정하기 위하여 디지털 통신 분석기(Digital communication analyzer)가 사용한다.In this experiment, when one of the two wavelengths is used and only the other wavelength is changed, the time delay of the two light waves input to the optical receivers 180-1, 180-2, 180-3, and 180-4 is measured. It was for the purpose. As shown in Figs. 10A and 10B, the two wavelengths are 1530.5 and 1553.5 nm, varying the light waves of 1553.5 nm and measuring the time delay between the two wavelengths. In this measurement, the RF signal uses a 1 GHz square wave, and a lower frequency than the actual RF signal is used to avoid confusion in delay measurement when the delay time is longer than one period of the RF signal. A digital communication analyzer is used to measure the time delay.
4 파장 레이저를 사용하였을 때 RF 신호를 기준으로 하고 4개의 광 수신기에서 측정한 결과를 중첩하여 표시하면 도 10과 같다.When the four-wavelength laser is used, the results measured by the four optical receivers based on the RF signal are superimposed and shown in FIG. 10.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 위상배열 안테나의 성능을 검증하기 위하여, 광 분산 측정기(optical dispersion analyzer:ODA)를 사용하였다. 분산 보상 광섬유(150)의 입출력단을 각각 ODA의 레이저 출력과 입력 포트에 연결하였다. 그 결과 손실은 약 3.9dB이고 시간 지연은 1525와 1565nm 사이에서 약 18ns의 시간 지연의 차이를 가지며 도 6과 같은 결과를 얻을 수 있다. On the other hand, in order to verify the performance of the phased array antenna according to an embodiment of the present invention, an optical dispersion analyzer (ODA) was used. The input and output terminals of the dispersion compensation
그리고, 파장에 따른 시간 지연을 정확하게 측정하기 위하여 1X4 광 커플러가 광 수신기들에 입력되는 모든 광 신호를 결합하는데 사용되며 분산 보상 광섬유(150)의 입력과 1X4 광 커플러의 출력을 광 분산 측정기의 입력과 출력 포트에 각각 연결된다. 변조된 광신호는 박막형 대역 선택 필터에 의하여 분리되고 SMF로 구성된 고정 지연 선로의 길이는 파장 대역의 중심파장에서 같은 시간 지연을 갖도록 조절될 수 있다. In order to accurately measure the time delay according to the wavelength, a 1x4 optical coupler is used to combine all optical signals inputted to the optical receivers, and the input of the dispersion compensation
도 11는 요소 1을 기준으로 하여 나타낸 안테나 요소수에 대한 위상배열 안테나의 시간 지연 특성을 나타낸다. 다중 채널 레이저의 파장 증가에 따라 시간 지연은 감소한다.FIG. 11 shows time delay characteristics of a phased array antenna with respect to the number of antenna elements indicated on the basis of
도 11에 나타난 위상배열 안테나의 시간 지연으로부터 시뮬레이션에 의해 얻은 방사 패턴을 도 12에 도시하였다. 이는 앞에서 설명한 식 (5)를 이용하여 계산하였다. 다중 파장 레이저의 파장들을 가변했을 때 방사 방향이 안테나 축을 기준으로 0°에서 180°까지 방사각이 변화하는 것을 볼 수 있다. 시뮬레이션을 위해 RF 주파수는 10GHz, 4-요소 그리고 요소 사이의 거리는 15mm이다. 시뮬레이션 결과에 의하면 방사각을 180°이상으로 하기 위하여 충분한 시간 지연을 얻을 수 있다. 이득도 오차 범위가 1dB 이내로 제한되는 특성을 보여준다. The radiation pattern obtained by simulation from the time delay of the phased array antenna shown in FIG. 11 is shown in FIG. This was calculated using the above equation (5). It can be seen that the radiation angle varies from 0 ° to 180 ° with respect to the antenna axis when the wavelengths of the multi wavelength laser are varied. For the simulation, the RF frequency is 10 GHz, four elements and the distance between the elements is 15 mm. According to the simulation result, sufficient time delay can be obtained to make the radiation angle more than 180 degrees. Gain also shows a characteristic that the error range is limited to within 1dB.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 위상 배열 안테나는 방사 패턴이 우수하며 0~180°의 모든 방사각으로 빔의 방사가 가능함을 알 수 있다.As described above, it can be seen that the phased array antenna according to the embodiment of the present invention has an excellent radiation pattern and is capable of emitting beams at all radiation angles of 0 ° to 180 °.
상기한 바에서, 다양한 실시예에서 설명한 각 구성요소 및/또는 기능은 서로 복합적으로 결합하여 구현될 수 있으며, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
In the foregoing description, each component and / or function described in various embodiments may be implemented in combination with each other, and those skilled in the art may recognize the present invention described in the claims below. It will be understood that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit and scope.
100................................위상배열 안테나
110................................다중 파장 레이저
120................................RF 신호 발생기
130................................전기-광학 변조기
140................................편광 조절기
150................................분산 보상 광섬유
160-1 ~ 160-4......................대역통과필터
170-1 ~ 170-4..................... 고정시간 지연선로
180-1 ~ 180-4..................... 광 수신기
190-1 ~ 190-4..................... 안테나100 ................. Phase array antenna
110 ...................... Multiwavelength Laser
120 ...................... RF Signal Generator
130 ................................. An electro-optic modulator
140 ...................... Polarizer
150 ...................... Distributed Compensation Fiber
160-1 to 160-4 ........... bandpass filter
170-1 ~ 170-4 ..................... Fixed time delay line
180-1 to 180-4 ........ Optical receiver
190-1 to 190-4 ..................... Antenna
Claims (8)
상기 전기-광학 변조기가 상기 전기 신호를 상기 광신호로 변조하기 위한, 반송 파장으로 이용되는 파장을 발생하는 다중 파장 레이저;
상기 광신호로 변조된 신호를 파장에 따라 다른 지연시간을 갖도록 하는 분산 보상 광섬유;
상기 파장 대역 내에 고정된 광 지연 선로를 구성하기 위한 박막 필터와 고정시간 지연선로;
상기 변조된 광신호를 전기신호로 복조하는 광 수신기; 및
상기 복조된 전기신호를 선형적으로 증가하는 지연시간을 가지고 방사하는 안테나;를 포함하는 위상배열 안테나.An electro-optic modulator for modulating the electrical signal into an optical signal;
A multi-wavelength laser generating a wavelength used as a carrier wavelength for the electro-optic modulator to modulate the electrical signal into the optical signal;
A dispersion compensation optical fiber for causing the signal modulated by the optical signal to have a different delay time according to a wavelength;
A thin film filter and a fixed time delay line for forming an optical delay line fixed in the wavelength band;
An optical receiver for demodulating the modulated optical signal into an electrical signal; And
And an antenna radiating the demodulated electrical signal with a linearly increasing delay time.
상기 다중 파장 레이저는 PMF를 사용한 Lyot-Sagnac 필터, 가변 SFBG(sampled-fiber Bragg grating) 및 가변 Fabry-Perot 필터 중 어느 하나를 포함하며,
상기 적어도 하나의 필터는 상기 발생되는 파장을 가변하는 것을 특징으로 하는 위상배열 안테나.The method of claim 1,
The multi-wavelength laser includes any one of a Lyot-Sagnac filter, a variable sampled-fiber bragg grating (SFBG), and a variable Fabry-Perot filter using PMF,
The at least one filter is a phased array antenna, characterized in that for varying the generated wavelength.
상기 다중 파장 레이저는,
상기 적어도 하나의 필터로 하여금 상기 파장의 가변을 조절하기 위한 Lyot-Sagnac 필터의 편광 조절기 또는, 균일한 FBG 필터나 샘플링 FBG의 스트레인이나 온도 변화를 위한 장치 또는 Fabry-Perot 필터의 PZT;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 위상배열 안테나.The method of claim 3,
The multi-wavelength laser,
A polarization controller of a Lyot-Sagnac filter for adjusting the variation of the wavelength by the at least one filter; Phased array antenna, characterized in that.
상기 다중 파장 레이저는,
안테나 요소(antenna element) 수와 같은 파장 수를 발생시키는 것을 특징으로 하는 위상배열 안테나.The method of claim 3,
The multi-wavelength laser,
A phased array antenna which generates a number of wavelengths equal to the number of antenna elements.
상기 전기-광학 변조기의 편광 의존성을 제거하기 위한 편광 제어기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 위상배열 안테나.The method of claim 1,
And a polarization controller for removing the polarization dependence of the electro-optic modulator.
RF 신호를 발생하는 RF 신호 발생기;를 더 포함하며,
상기 전기-광학 변조기는 상기 다중 파장 레이저로부터 광신호가 입력되면 상기 RF 신호 발생기에서 발생된 RF 신호와 같은 형태로 강도 변조하는 것을 특징으로 하며 실제 시스템에서는 안테나로 송신하고자 하는 RF 신호로 대치되는 것을 특징으로 하는 위상배열 안테나.The method of claim 1,
It further comprises an RF signal generator for generating an RF signal,
When the optical signal is input from the multi-wavelength laser, the electro-optic modulator is characterized in that the intensity modulation in the same form as the RF signal generated by the RF signal generator, in the actual system is replaced by the RF signal to be transmitted to the antenna A phased array antenna.
상기 고정 시간 지연 선로의 길이를 아래의 식으로 정의하는 경우,
(여기서, i=1,2,3…)이며, 는 파장에 대한 선로의 지연시간, 는 광섬유 내에서의 광속임.)
상기 안테나에 의하여 발생되는 최대 지연 시간 ±τ max는 아래의 식으로 정의되는 것을 특징으로 하는 위상배열 안테나.
(여기서, D(ps/nm-km)는 분산, 는 필터의 대역폭, LDCF는 분산 보상 광섬유의 길이를 의미함.)
The method of claim 1,
When the length of the fixed time delay line is defined by the following equation,
(Where i = 1,2,3…), Is the delay of the line with respect to wavelength, Is the speed of light in the optical fiber.)
The maximum delay time ± τ max generated by the antenna is characterized by the following equation.
Where D (ps / nm-km) is the variance, Is the bandwidth of the filter, and L DCF is the length of the dispersion compensation fiber.)
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