KR101304069B1 - 진시간지연을 이용한 위상배열 안테나 시스템 - Google Patents

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이호준
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호서대학교 산학협력단
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Abstract

진시간지연을 이용한 위상배열 안테나 시스템이 개시된다. 본 발명의 안테나 시스템에서는, 다중파장 출력단과 단일파장 출력단을 가지는 레이저를 포함하여, 위상배열 안테나 시스템 전체의 소자의 수를 최소화하며, FP필터보다 작은 채널간격을 사용하는 진시간지연부를 포함하여, 시간지연을 최대로 사용할 수 있다.

Description

진시간지연을 이용한 위상배열 안테나 시스템{PHASED ARRAY ANTENNA SYSTEM USING OPTICAL TRUE TIME DELAY}
본 발명은 위상배열 안테나에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 이동통신 시스템의 기지국 등에 사용되는 위상배열 안테나 시스템에 관한 것이다.
무선통신기술은 단말기 휴대의 편리성과 이동중에 사용가능한 장점으로 인해, 매우 유용하게 사용되고 있다. 그러나, 최근의 무선통신기술에서는 대역폭의 증가로 인한 다중경로 페이딩에 의한 성능저하가 더욱 증가하고, 반송주파수의 증가로 인하여 가시거리가 크게 감소되는 문제가 있어, 현재 3세대(3G) 시스템과 4세대(4G) 시스템에서는 위상배열 안테나(phased-array antenna)를 적용하여 위와 같은 문제를 해결하려고 한다.
위상배열 안테나는 하드웨어가 복잡하고 전력소비는 많지만, 가격이나 송수신 신호전력 관점에서 빔형성이 유리하기 때문에 최근 많이 사용되고 있다.
한편, 빔형성(electrical beam-forming)에서는, 높은 RF 주파수를 기저대역으로 하향변환(down conversion)하여 위상을 조절하므로, 이로 인한 부가적인 구성부품으로 인한 하드웨어의 부피가 증가하고 비용이 증가하므로, 그 대역폭이 협대역으로 제한되기 때문에, 광대역 다중빔형성은 매우 실현이 어렵다.
광대역 빔형성을 실현하기 위한 가장 우수한 방법은 진시간지연(true-time delay; TTD)이다. 진시간지연은 설계가 단순하고, 연결의 표준화가 가능하고, 하나의 빔이나 다중표적에 대한 획득/추적이 필요한 경우에도 송수신 빔들을 신속하게 형성/회전할 수 있다. 그러나,
한편, 광자 TTD기술이 결합된 위상배열 안테나를 광 빔형성기(optical beam-former)라 부른다. 광자 TTD기술은 작은 사이즈와 경량으로 구현할 수 있고, RF 선로에 비해 극도로 낮은 분산을 가지면서 전파손실이 낮으므로 위상배열 안테나를 먼 거리에서도 조정 가능하며, 전자기간섭(ElectroMagnetic Interference; EMI)에 무관하다. 또한 하드웨어 특성이 전자회로 성능을 제한하지 않는 장점을 가진다. 광자 TTD기술은 이와 같은 장점들 때문에 많은 연구가 진행되고 있다.
광자 TTD기술은, 위의 빔형성에 대한 여러 문제점의 해답을 제시할 수 있으므로, 광 빔형성 위상배열 안테나에 관한 기술개발이 시급하다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 광학기술이 접목된 진시간지연(TTD)을 이용하여 빔의 방사각을 제어하는 위상배열 안테나 시스템을 제공하는 것이다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 복수의 안테나 소자를 통해 RF신호를 송신하는 본 발명의 위상배열 안테나 시스템은, 다중파장의 광을 출력하는 레이저; 상기 레이저로부터 출력되는 다중파장의 광을 이용하여, RF신호를 광신호로 변환하는 제1변환부; 광섬유의 분산을 보상하여, 상기 제1변환부가 변환한 신호의 시간을 각각 파장별로 지연하는 진시간지연부; 상기 진시간지연부의 출력을 단일파장의 광신호로 역파장 다중화하는 역파장 다중화부; 및 상기 복수의 안테나 소자에 각각 연결되어, 상기 역파장 다중화부로부터 수신되는 단일파장의 광신호를 RF신호로 변환하여 상기 복수의 안테나 소자에 각각 전달하는 복수의 제2변환부를 포함한다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 제1변환부와 상기 진시간지연부 사이에 배치되며, 상기 제1변환부로부터 출력되는 신호를 증폭하는 광증폭부를 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 레이저는, 링형상이고, 박막필터를 이용하여 다중파장의 광을 출력하는 패브리-페로(FP)필터; 및 상기 링형상의 소정 지점에서, 상기 FP필터에서 출력된 다중파장의 광을 소정 비율로 분기하는 커플러를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 제1변환부는, RF신호를 증폭하는 제1증폭부; 및 상기 제1증폭부에 의해 증폭된 RF신호에 의해 다중파장의 광을 변조하는 변조부를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 제2변환부는, 상기 역파장 다중화부로부터 수신되는 단일파장의 광신호를 RF신호로 변환하는 광검출부; 및 상기 광검출부에 의해 변환된 RF신호를 증폭하는 제2증폭부를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 진시간지연부는, 상기 FP필터가 사용하는 채널간격보다 작은 채널간격을 사용하여, 각 파장의 시간지연을 달리 부여하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 진시간지연부는, 상기 진시간지연부의 분산값을 조절하는 온도제어부를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여, 복수의 안테나 소자가 RF신호를 수신하는 본 발명의 위상배열 안테나 시스템은, 복수의 단일파장의 광을 출력하는 레이저; 상기 복수의 안테나 소자에 각각 연결되어, 상기 레이저로부터 출력되는 복수의 단일파장의 광을 이용하여, 수신된 RF신호를 광신호로 변환하는 복수의 제1변환부; 상기 복수의 제1변환부의 출력을 다중파장의 광신호로 다중화하는 다중화부; 광섬유의 분산을 보상하여, 상기 복수의 안테나 소자가 수신한 신호의 시간지연을 동일하게 하는 진시간지연부; 및 상기 진시간지연부로부터 입력되는 신호를 RF신호로 변환하는 제2변환부를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 레이저는, 링형상이고, 박막필터를 이용하여 다중파장의 광을 출력하는 FP필터; 및 상기 링형상의 소정 지점에서, 상기 FP필터에서 출력된 다중파장의 광을 복수의 단일파장으로 역파장 다중화하는 역파장 다중화부를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 제1변환부는, 상기 복수의 안테나 소자로부터 수신되는 RF신호를 증폭하는 제1증폭부; 및 상기 제1증폭부에 의해 증폭된 RF신호에 의해 상기 레이저로부터 입력되는 단일파장의 광을 변조하는 변조부를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 제2변환부는, 상기 진시간지연부로부터 수신되는 다중파장의 광신호를 RF신호로 변환하는 광검출부; 및 상기 광검출부에 의해 변환된 RF신호를 증폭하는 제2증폭부를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 진시간지연부는, 상기 진시간지연부의 분산값을 조절하는 온도제어부를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 복수의 안테나 소자를 포함하는 본 발명의 위상배열 안테나 시스템은, 다중파장의 광 및 복수의 단일파장의 광을 출력하는 레이저; 상기 레이저로부터 출력되는 다중파장의 광을 이용하여 송신할 RF신호를 광신호로 변환하고, 광신호의 형태로 입력되는 상기 복수의 안테나 소자가 수신한 RF신호를 RF신호로 변환하는 제1변환부; 광섬유의 분산을 보상하여, 상기 제1변환부가 변환한 신호의 시간을 각각 파장별로 지연하는 제1진시간지연부; 광섬유의 분산을 보상하여, 상기 복수의 안테나 소자가 수신한 신호의 시간지연을 동일하게 하는 제2진시간지연부; 상기 제1진시간지연부의 출력을 단일파장의 광신호로 역파장 다중화하는 역파장 다중화부; 상기 복수의 안테나 소자에 각각 연결되어, 상기 레이저로부터 출력되는 복수의 단일파장의 광을 이용하여 상기 복수의 안테나 소자가 수신한 RF신호를 광신호로 변환하고, 상기 역파장 다중화부로부터 수신하는 광신호를 RF신호로 변환하여 상기 복수의 안테나 소자로 전달하는 제2변환부; 및 상기 복수의 제2변환부의 출력을 다중파장의 광신호로 다중화하는 다중화부를 포함한다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 제1변환부와 상기 제1진시간지연부 사이에 배치되며, 상기 제1변환부로부터 출력되는 신호를 증폭하는 광증폭부를 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 레이저는, 링형상이고, 박막필터를 이용하여 다중파장의 광을 출력하는 FP필터; 상기 링형상의 소정 지점에서, 상기 FP필터에서 출력된 다중파장의 광을 소정 비율로 분기하는 커플러; 및 상기 링형상의 소정 지점에서, 상기 FP필터의 다중화된 광을 복수의 단일파장으로 역파장 다중화하는 역파장 다중화부를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 진시간지연부는, 상기 FP필터가 사용하는 채널간격보다 작은 채널간격을 사용하여, 각 파장의 시간지연을 달리 부여하는 것이 바람직하다.
상기와 같은 본 발명은, 다중파장 출력단과 단일파장 출력단을 가지는 레이저를 제시하여, 다중파장의 광과 단일파장의 광을 동시에 출력하며, 이와 같은 링레이저 구조에 의해 위상배열 안테나 시스템 전체의 소자의 수를 최소화하도록 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 분산보상기를 시간지연소자로 사용하여, 채널마다 다른 시간지연을 얻을 수 있다. FP필터와 같은 채널간격을 갖는 분산보상기를 사용할 때 모든 파장에서 같은 시간지연이 발생하므로, 본 발명에서는 FP필터보다 작은 채널간격을 사용하는 분산보상기를 채용하여, FP필터의 채널간격도 조절하고 사용파장을 선택하여 시간지연을 최대로 사용할 수 있게 하는 효과가 있다.
도 1은 위상배열 안테나를 위한 진시간지연(TTD) 선로 빔형성 개념을 설명하기 위한 예시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 위상배열 안테나 시스템의 일실시예 구성도이다.
도 3은 도 2의 다중파장 레이저의 일실시예 상세 구성도이다.
도 4는 도 2의 변환부의 일실시예 상세 구성도이다.
도 5a 내지 도 5c는 다중파장 링레이저 내의 FP필터의 전송특성과 진시간지연부의 시간지연과 분산특성을 측정한 그래프이다.
도 6a 내지 도 6d는 다중파장 링레이저의 단일파장의 광스펙트럼의 일예시도이다.
도 7은 본 발명의 다중파장 링레이저의 다중파장출력의 광스펙트럼의 일예시도이다.
도 8은 본 발명의 위상배열 안테나 시스템의 송신특성을 측정하기 위한 일실시예 구성도이다.
도 9는 도 8의 구성에서 온도변화에 따른 각 안테나에서의 시간지연을 설명하기 위한 일예시도이다.
도 10은 도 9의 시간지연에 의해 안테나 소자가 방사하는 방사패턴의 일예시도이다.
도 11은 본 발명의 위상배열 안테나 시스템의 수신특성을 측정하기 위한 일실시예 구성도이다.
도 12a 내지 도 12d는 각 안테나 소자(60a 내지 60d)에 의해 수신된 신호의 일예시도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소들은 이와 같은 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 이 용어들은 하나의 구성요소들을 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결되어' 있다거나, 또는 '접속되어' 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '직접 연결되어' 있다거나, '직접 접속되어' 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 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 출원에서, '포함한다' 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.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 위상배열 안테나의 배열인수에 관하여 살펴본 후, 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 위상배열 안테나를 위한 진시간지연(TTD) 빔형성 개념을 설명하기 위한 예시도이다.
위상배열 안테나에서, 정규화 배열인수(normalized array factor: AF)는 선형적인 안테나 배열간격인 경우 다음과 같이 표시된다.
Figure 112012016467450-pat00001
Figure 112012016467450-pat00002
여기서, N은 안테나 소자의 수이고, b=2pf/c는 RF신호의 전파상수이고, c는 광속, f는 RF신호의 주파수, d는 두 연속되는 안테나 소자 사이의 거리이고, q는 안테나 소자의 축과 방사축 사이의 공간각도이다.
n번째 안테나에 공급되는 전기전류는 다음과 같이 표시할 수 있다.
Figure 112012016467450-pat00003
Figure 112012016467450-pat00004
이때, An과 αn은 각각 전류의 진폭과 위상이다. τn은 n번째 안테나 소자의 군속도 지연이다. 수학식2 내지 수학식4를 수학식1에 대입하면 정규화 배열인수는 다음과 같다.
Figure 112012016467450-pat00005
즉, TTD기술은 지연시간을 변화하여 방사각도를 조절하는 기술임을 알 수 있다. 본 발명의 위상배열 안테나 시스템은, 진시간지연부를 통해 수신신호에 지연시간을 부여하여,
도 2는 본 발명에 따른 위상배열 안테나 시스템의 일실시예 구성도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 시스템은, 다중파장 링레이저(multi-wavelength ring Laser)(10), 제1변환부(20), 광증폭부(30), 진시간지연부(40a 및 40b), 제2변환부(50a 내지 50d), 복수의 안테나(60a 내지 60d)를 포함한다. 또한, 진시간지연부(40b)를 통과하는 신호를 역파장 다중화하여 제2변환부(50a 내지 50d)에 전달하는 역파장 다중화부(70b)와 제2변환부(50a 내지 50d)로부터 수신되는 신호를 다중화하여 진시간지연부(40a)에 전달하는 다중화부(70a)를 포함한다.
다중파장 링레이저(10)는 균일한 파장간격을 가지며, 파장이동이 가능한 가변 다중파장 레이저인 것이 바람직하다. 예를 들어 가변파장 광섬유 레이저이지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 3은 도 2의 다중파장 링레이저(10)의 일실시예 상세 구성도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다중파장 링레이저(10)는 링(ring) 형상이며, 패브리-페로(Fabry-Perot; FP) 필터(11), 열전소자((Thermal Electronic Cooler; TEC)(12), 고밀도 파장분할 다중화부(Dense Wavelength Division Multiplexer; DWDM)(13), 광 아이솔레이터(optical isolator)(14a, 14b), 반도체 광증폭부(Semiconductor Optical Amplifier; SOA)(15a, 15b), 감쇄기(attenuator; ATT)(16) 및 광 스펙트럼 분석부(Optical Spectrum Analyzer; OSA)(17)와, 복수의 커플러(C1 내지 C8)를 포함한다.
FP필터(11)는 박막필터(Thin Film Filter; TFF)를 이용하여 채널간격이 동일한 다중파장의 광을 출력한다. 박막필터는 굴절률이 다른 유전체 박막(dielectric thin film)을 유리기판 위에 교대로 쌓아올려 제작한 광필터를 말한다.
TEC(12)는 펠티에 효과를 이용하여 FP필터(11)의 열을 흡수 또는 공급하는 소자이다.
SOA(15a, 15b)는 레이저 다이오드와 비슷한 구조를 가지지만, 공진기의 양단말의 반사율을 낮춰 레이저 공진이 발생하지 않게 제작된 소자로서, 본 발명의 다중파장 링레이저(10)에서 광섬유와의 접속손실을 보상한다.
광 아이솔레이터(14a, 14b)는 광이 순방향으로 진행할때는 통과시키며, 역방향으로는 차단한다.
DWDM(13)은 FP필터(11)에서 출력되는 다중파장의 광을 역파장 다중화한다. 일반적으로 채널간격이 200GHz 이하인 WDM을 DWDM이라 한다. 본 발명에서는 채널간격을 193.1THz(1552.52nm)를 사용하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
DWDM(13)을 통해 역파장 다중화된 다중파장의 광은 50:50 커플러(C1 내지 C4)에 의해 분기되어, 도 2의 변환부(50a 내지 50d)에 각각 입력된다(λ1, λ6, λ11, λ16). 다만, 본 발명의 설명에서는 DWDM(13)에 의해 4개의 신호가 역파장 다중화되는 것을 설명하겠으나, 이는 위상배열 안테나의 개수에 의해 결정되는 것이므로, 그 수에 한정되는 것이 아니다.
50:50 커플러(C1 내지 C4)에 의해 분기된 나머지 광은 C5 커플러에 의해 결합되고, SOA2(15b) 및 광 아이솔레이터(14b)를 거쳐 70:30 커플러(C7)에 의해 분기되어, 30%는 분기되어 90:10 커플러(C8)로 출력된다.
C7에 의해 분기된 70%의 다중파장 광은 감쇄기(16)에 의해 감쇄되고, SOA1(15a)에 의해 증폭되어 광 아이솔레이터(14a)를 통해 다시 FP필터(11)에 입력된다.
또한, C7에 의해 분기된 30%의 다중파장 광은 90:10 커플러(C8)에 의해 분기되어, 90%의 광은 변환부(20)로 출력되고(λALL), 10%의 광은 OSA(17)가 분석에 사용한다.
본 발명의 다중파장 링레이저(10)는 링형상이므로, 순환에 의해 노이즈가 증폭되어, 원하지 않는 파장이 출력파장에 혼입될 수 있다. 따라서, 본 발명의 레이저(10)는 50:50 커플러(C6)를 사용하여, 서브링(sub-ring)을 구성하여, 신호가 불균일해지는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 다중파장 링레이저(10)의 설명에서 커플러의 분기비율(예를 들어, 50:50, 70:30, 90:10 등)은 예시적인 것으로서, 이에 한정되지 않는 것임은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 자명하다 할 수 있다.
본 발명의 다중파장 링레이저(10)의 출력(λALL, λ1, λ6, λ11, λ16)은, 각각 도 2의 제1 및 제2변환부(20, 50a 내지 50d)의 광입력이다.
도 2에서, 제1변환부(20)와 제2변환부(50a 내지 50d)는 기본적으로 동일한 구성이다. 따라서, 이하에서는 도 4를 참조로, 제1변환부(20)의 구성을 상세하게 설명하기로 하겠으나, 제2변환부(50a 내지 50d)의 구성은 제1변환부(20)의 구성과 동일하므로, 설명을 생략한다.
복수의 제2변환부(50a 내지 50d)의 개수에 대해서는, 이는 연결된 안테나 소자(60a 내지 60d)의 개수에 의해 결정되는 것이므로, 4개에 한정되는 것은 아니다.
도 4는 도 2의 변환부의 일실시예 상세 구성도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1변환부(20)는, 제1증폭부(21), 제2증폭부(22), 변조부(23), 및 광검출부(24)를 포함하며, 전기-광변환 및 광-전기변환을 수행한다.
제1증폭부(21)는, 수신되는 RF신호를 증폭하여 변조부(23)에 전달한다.
변조부(23)는 다중파장 링레이저(10)에서 출력된 광신호를 제1증폭부(21)에 의해 증폭된 RF신호에 의해 변조한다. 변조부(23)는, 예를 들어, 전기-광학(electro-optical modulator)이지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 광검출부(photo detector)(24)는 수신되는 광신호를 전기신호로 변환한다.
또한, 제2증폭부(22)는 광검출부(24)가 변환한 신호를 증폭한다. 제2증폭부(22)는, 예를 들어 저잡음 증폭기(Low Noise Amplifier; LNA)이지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 2의 광증폭부(30)는 예를 들어 EDFA(Erbium-Doped Fiber Amplifier)이며, 변조부(23)에 의해 변조된 광신호를 증폭하여, 진시간지연부(40b)에 전달한다. SOA의 사용도 가능하다.
도 2의 진시간지연부(40a, 40b)는 광섬유의 모드내 분산을 보상하는 원리를 이용하여, 각 안테나 소자(60a 내지 60d)로 전달되는 신호에 대하여 시간을 지연한다.
단일모드 광섬유(single mode fiber)에서는 광펄스가 전송될 때 펄스가 퍼지는 현상이 발생하며, 이것을 분산이라고 한다. 단일모드 광섬유의 분산을 모드내 분산이라 하며, 이는 구조분산과 재료분산을 원인으로 한다. 모드내 분산은 파장의 함수이다.
이러한 분산으로 인해 많은 정보량을 멀리 전송하는 것이 어려워지므로, 본 발명의 진시간지연부(40a, 40b)가 사용된다. 진시간지연부(40a, 40b)는 예를 들어 분산보상모듈(Dispersion Compensating Module; DCM)이지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 광섬유 브라그 격자(FBG)를 이용한 다중채널 분산보상기일 수도 있다.
본 발명의 진시간지연부(40a 및 40b)의 분산값은 파장에 따라 다르므로, 각각의 파장이 같은 거리를 이동한다 하여도 다른 지연시간을 가지게 된다. 따라서, 본 발명의 진시간지연부(40a 및 40b)는 분산값을 조절하기 위해, 온도제어부(도시되지 않음)를 포함한다.
도 5a 내지 도 5c는 다중파장 링레이저 내의 FP필터의 전송특성과 진시간지연부의 시간지연과 분산특성을 측정한 그래프이다.
도 5a의 그래프는, FP필터(11)의 온도변화시 전송특성을 알려준다. 즉, 온도변화에 의해 FP필터(11)의 공진파장을 미세하게 조절할 수 있다.
도 5b 및 도 5c는 진시간지연부(40a 및 40b)의 시간지연과 분산을 측정한 것으로, 본 발명의 진시간지연부(40a 및 40b)는 DWDM을 위한 것이므로, 채널간격이 1.6nm이다. 복수의 중첩된 그래프는 온도를 10단계로 변화하였을 때의 시간지연과 분산을 측정하였음을 나타낸다.
도면에 도시된 바와 같이, FP필터(11)와 진시간지연부(40a 및 40b)의 채널간격을 다르게 하여 적절한 파장을 선택하였을 때, 각 파장의 시간지연을 달리할 수 있음을 알 수 있다. 즉, 본 발명의 진시간지연부(40a 및 40b)는 FP필터(11)가 사용하는 채널간격보다 다소 작은 채널간격을 사용하여, 각 파장의 시간지연을 효율적으로 부여할 수 있다.
도 5b의 세로직선은 FP필터(11)의 중심파장을 나타낸다. 단파장에서는 온도의 변화에 따라 시간지연이 거의 나타나지 않으나, 장파장에서는 온도변화에 따라 시간지연이 커지는 것을 알 수 있다.
본 발명의 진시간지연부(40a 및 40b)에서는, 온도변화에 따라 시간지연의 변화가 가장 큰 파장에서 약 ±150ps의 시간지연을 얻을 수 있다.
진시간지연부(40a 및 40b)에 입력되는 빔방향신호는, 안테나에서 수신된 전파의 방향을 진시간지연부(40a)의 출력신호를 관찰하여 알 수 있고(가장 신호가 작은 상태가 수신된 방향), 이 방향으로 전파를 방사하기 위해 진시간지연부(40b)로 입력된다.
이하에서는, 본 발명의 위상배열 안테나 시스템의 동작을 설명하기로 한다.
먼저, 도 3의 다중파장 링레이저(10)는 90:10 커플러(C8)를 통해 다중파장의 λALL을 출력하고, 50:50 커플러(C1 내지 C4)를 통해 단일파장의 λ1, λ6, λ11 및 λ16을 출력한다.
도 6a 내지 도 6d는 본 발명의 다중파장 링레이저의 단일파장의 광스펙트럼의 일예시도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다중파장 링레이저(10)에서 출력되는 λ1, λ6, λ11 및 λ16은 예를 들어 1536.61nm, 1544.53nm, 1552.52nm 및 1560.61nm이다.
도 7은 본 발명의 다중파장 링레이저의 다중파장출력의 광스펙트럼의 일예시도이다. 도면에 도시된 바와 같이, 위 λ1, λ6, λ11 및 λ16가 모두 포함되어 있음을 알 수 있다.
도 8은 본 발명의 위상배열 안테나 시스템의 송신특성을 측정하기 위한 일실시예 구성도로서, 신호발생부(80)와 오실로스코프(90)를 이용하여 송신특성을 측정할 수 있다.
다중파장 링레이저(10)에서 출력되는 다중파장 광출력은, 변조부(23)를 통해 변조되고, 광증폭부(30)가 증폭하여, 진시간지연부(40b)에서 분산이 보상되고, 역파장 다중화부(70b)에 의해 역파장 다중화되어 제2변환부(50a 내지 50d)로 입력된다. 역파장 다중화부(70b)는 파장 역다중화기에 의해서 구성할 수 있다.
제2변환부(50a 내지 50d)에서는 각각 광검출부(54)가 각각 전기신호로 변환한다. 제2증폭부(52)에 의해 증폭된 신호는 각각 시간지연을 가지게 된다.
도 9는 도 8의 구성에서 온도변화에 따른 각 안테나에서의 시간지연을 설명하기 위한 일예시도이다.
본 발명에 따라, 10GHz 시스템에서, 0°에서 180°까지의 주사각을 변화시키기 위하여 안테나 소자간의 지연시간은 최대 -150ps에서 +150ps인 것이 바람직하다.
도면에 도시된 바와 같이, 진시간지연부(40b)의 온도변화에 따라, 각 안테나에서 ±150ps의 시간지연이 발생하였음을 알 수 있다.
도 10은 도 9의 시간지연에 의해 안테나 소자(60a 내지 60d)가 방사하는 방사패턴의 일예시도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 다중파장 링레이저(10)의 파장을 가변하였을 때 방사방향이 안테나축을 기준으로 0°에서 180°까지 변화하는 것을 알 수 있다.
도 11은 본 발명의 위상배열 안테나 시스템의 수신특성을 측정하기 위한 일실시예 구성도이다.
안테나 소자(60a 내지 60d)측에 신호발생부(80)에서 발생한 신호를 각각 제2변환부(50a 내지 50d)의 제1증폭부(51)에 입력하였다. 이때, 각각 다른 지연선로를 신호발생부(80)가 제2변환부(50a 내지 50c) 사이에 각각 삽입하였다.
다중파장 링레이저(10)의 단일파장 출력은 제1증폭부(51)가 증폭한 안테나 수신신호에 의해 변조부(53)가 변조한 광신호는 다중화부(70a)를 통해 진시간지연부(70a)로 입력되어 파장에 따라 다른 시간지연을 가진다. 다중화부(70a)는 파장 다중화기나 광섬유 결합기로 구성될 수 있다.
이 신호는 제1변환부(20)의 광검출부(24)에 의해 전기신호로 변환되고, 제2증폭부(22)에 의해 증폭되어 오실로스코프(90)가 수신된 신호의 파장을 측정하였다.
도 12a 내지 도 12d는 각 안테나 소자(60a 내지 60d)에 의해 수신된 신호의 일예시도로서, 5시 방향에서 빔이 수신된 것을 나타낸 것이다. 1×4 커플러(C5)에 의해 도 12a 내지 도 12d의 파형이 결합되고, 이 신호가 진시간지연부(40a)에 입력된다. 이때, 파형의 경사가 가장 심한 파형이 얻어질 때 각 안테나 소자로 입력되는 신호의 시간차가 최소가 되고, 빔의 방향이 결정된다.
도면에 도시된 바와 같이, 도 12a는 가장 긴 시간지연을 보이고, 도 12d는 가장 짧은 시간지연을 보인다.
본 발명의 수신경로에서의 진시간지연부(40a)는 서로 다른 시간지연을 온도를 조절하여 채널간 시간지연을 동일하게 한다.
도 13a 내지 도 13j는 제1변환부(20)의 수신단에서 측정한 신호의 일예시도이다. 도면에 도시된 바와 같이, 진시간지연부(40a)의 온도를 조절하여 채널간 시간지연을 동일하게 변화하였음을 알 수 있다. 이것은 전파의 방향을 측정할 수 있으며, 본 실시예에서는 180° 방ㅎㅇ이다.
본 발명의 레이저는 다중파장 출력단과 단일파장 출력단을 가져, 다중파장의 광과 단일파장의 광을 동시에 출력한다. 이와 같은 링레이저 구조는 위상배열 안테나 시스템 전체의 소자의 수를 최소화할 수 있다.
본 발명의 진시간지연부는, FP필터보다 작은 채널간격을 사용하여, 채널마다 다른 시간지연을 얻을 수 있고, 적당히 채널파장을 조절하여 최대로 사용할 수 있다.
이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
10: 다중파장 링레이저 11: FP필터
12: TEC 13: DWDM
14: 광 아이솔레이터 15: SOA
16: 감쇄기 17: OSA
20, 50: 변환부 21, 22, 51, 52: 증폭부
23, 53: 변조부 24, 54: 광검출부
30: 광증폭부 40: 진시간지연부
60: 안테나 소자

Claims (16)

  1. 복수의 안테나 소자를 통해 RF신호를 송신하는 위상배열 안테나 시스템에 있어서,
    다중파장의 광을 출력하는 레이저;
    상기 레이저로부터 출력되는 다중파장의 광을 이용하여, RF신호를 광신호로 변환하는 제1변환부;
    상기 제1변환부로부터 출력되는 신호를 증폭하는 광증폭부;
    광섬유의 분산을 보상하여, 상기 광증폭부로부터 수신한 신호의 시간을 각각 파장별로 지연하는 진시간지연부;
    상기 진시간지연부의 출력을 단일파장의 광신호로 역파장 다중화하는 역파장 다중화부; 및
    상기 복수의 안테나 소자에 각각 연결되어, 상기 역파장 다중화부로부터 수신되는 단일파장의 광신호를 RF신호로 변환하여 상기 복수의 안테나 소자에 각각 전달하는 복수의 제2변환부를 포함하는 위상배열 안테나 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 레이저는, 링형상이고,
    박막필터를 이용하여 다중파장의 광을 출력하는 패브리-페로(FP)필터; 및
    상기 링형상의 소정 지점에서, 상기 FP필터에서 출력되는 다중파장의 광을 소정 비율로 분기하는 커플러를 포함하는 위상배열 안테나 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1변환부는,
    RF신호를 증폭하는 제1증폭부; 및
    상기 제1증폭부에 의해 증폭된 RF신호에 의해 다중파장의 광을 변조하는 변조부를 포함하는 위상배열 안테나 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제2변환부는,
    상기 역파장 다중화부로부터 수신되는 단일파장의 광신호를 RF신호로 변환하는 광검출부; 및
    상기 광검출부에 의해 변환된 RF신호를 증폭하는 제2증폭부를 포함하는 위상배열 안테나 시스템.
  6. 제3항에 있어서, 상기 진시간지연부는,
    상기 FP필터가 사용하는 채널간격보다 작은 채널간격을 사용하여, 각 파장의 시간지연을 달리 부여하는 위상배열 안테나 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 진시간지연부는,
    상기 진시간지연부의 분산값을 조절하는 온도제어부를 포함하는 위상배열 안테나 시스템.
  8. 복수의 안테나 소자가 RF신호를 수신하는 위상배열 안테나 시스템에 있어서,
    복수의 단일파장의 광을 출력하는 레이저;
    상기 복수의 안테나 소자에 각각 연결되어, 상기 레이저로부터 출력되는 복수의 단일파장의 광을 이용하여, 수신된 RF신호를 광신호로 변환하는 복수의 제1변환부;
    상기 복수의 제1변환부의 출력을 다중파장의 광신호로 다중화하는 다중화부;
    광섬유의 분산을 보상하여, 상기 복수의 안테나 소자가 수신한 신호의 시간지연을 동일하게 하는 진시간지연부; 및
    상기 진시간지연부로부터 입력되는 신호를 RF신호로 변환하는 제2변환부를 포함하는 위상배열 안테나 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 레이저는, 링형상이고,
    박막필터를 이용하여 다중파장의 광을 출력하는 FP필터; 및
    상기 링형상의 소정 지점에서, 상기 FP필터에서 출력되는 다중파장의 광을 복수의 단일파장으로 역파장 다중화하는 역파장 다중화부를 포함하는 위상배열 안테나 시스템.
  10. 제8항에 있어서, 상기 제1변환부는,
    상기 복수의 안테나 소자로부터 수신되는 RF신호를 증폭하는 제1증폭부; 및
    상기 제1증폭부에 의해 증폭된 RF신호에 의해 상기 레이저로부터 입력되는 단일파장의 광을 변조하는 변조부를 포함하는 위상배열 안테나 시스템.
  11. 제8항에 있어서, 상기 제2변환부는,
    상기 진시간지연부로부터 수신되는 다중파장의 광신호를 RF신호로 변환하는 광검출부; 및
    상기 광검출부에 의해 변환된 RF신호를 증폭하는 제2증폭부를 포함하는 위상배열 안테나 시스템.
  12. 제8항에 있어서, 상기 진시간지연부는,
    상기 진시간지연부의 분산값을 조절하는 온도제어부를 포함하는 위상배열 안테나 시스템.
  13. 복수의 안테나 소자를 포함하는 위상배열 안테나 시스템에 있어서,
    다중파장의 광 및 복수의 단일파장의 광을 출력하는 레이저;
    상기 레이저로부터 출력되는 다중파장의 광을 이용하여 송신할 RF신호를 광신호로 변환하고, 광신호의 형태로 입력되는 상기 복수의 안테나 소자가 수신한 RF신호를 RF신호로 변환하는 제1변환부;
    광섬유의 분산을 보상하여, 상기 제1변환부가 변환한 신호의 시간을 각각 파장별로 지연하는 제1진시간지연부;
    광섬유의 분산을 보상하여, 상기 복수의 안테나 소자가 수신한 신호의 시간지연을 동일하게 하는 제2진시간지연부;
    상기 제1진시간지연부의 출력을 단일파장의 광신호로 역파장 다중화하는 역파장 다중화부;
    상기 복수의 안테나 소자에 각각 연결되어, 상기 레이저로부터 출력되는 복수의 단일파장의 광을 이용하여 상기 복수의 안테나 소자가 수신한 RF신호를 광신호로 변환하고, 상기 역파장 다중화부로부터 수신하는 광신호를 RF신호로 변환하여 상기 복수의 안테나 소자로 전달하는 제2변환부; 및
    상기 복수의 제2변환부의 출력을 다중파장의 광신호로 다중화하는 다중화부를 포함하는 위상배열 안테나 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1변환부와 상기 제1진시간지연부 사이에 배치되며, 상기 제1변환부로부터 출력되는 신호를 증폭하는 광증폭부를 더 포함하는 위상배열 안테나 시스템.
  15. 제13항에 있어서, 상기 레이저는, 링형상이고,
    박막필터를 이용하여 다중파장의 광을 출력하는 FP필터;
    상기 링형상의 소정 지점에서, 상기 FP필터에서 출력되는 다중파장의 광을 소정 비율로 분기하는 커플러; 및
    상기 링형상의 소정 지점에서, 상기 FP필터에서 출력되는 다중파장의 광을 복수의 단일파장으로 역파장 다중화하는 역파장 다중화부를 포함하는 위상배열 안테나 시스템.
  16. 제15항에 있어서, 상기 제1 및 제2진시간지연부는,
    상기 FP필터가 사용하는 채널간격보다 작은 채널간격을 사용하여, 각 파장의 시간지연을 달리 부여하는 위상배열 안테나 시스템.
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