KR101321797B1 - 페라이트 위상 변위기 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은 3차원 다기능 레이다 등에 주로 사용되는 마이크로 웨이브 주파수대의 위상 변위기를 제공하는 것이다. 본 발명의 장치는, 마이크로웨이브 레이더 안테나를 구성함에 있어서, 중앙의 페라이트 봉 양쪽에 유전체 봉을 각각 부착한 후 연결된 봉 둘레에 금속도금하여 원형 도파관화하고, 유전체 봉의 양 끝은 도금하지 않아 유전체 복사소자를 구성하며, 봉의 중간 부분의 페라이트 절연 코팅한 부분에 이중코일을 감아 3단자에 접속하게 하고, 코일 위에 페라이트 초크를 도포하여 코일에 펄스 전원 인가시 자화율을 높이게 한 페라이트 위상 변위기 소자를 다단, 다열로 배열하고, 1개의 컨트롤보드로 위상 변위용 펄스신호를 위상 변위기 소자에 인가하여 위상 변위기 코일을 제어한다.

Description

페라이트 위상 변위기 모듈{FERRITE PHASE SHIFTING MODULE}

본 발명은 위상 배열 안테나(Phase Array Antenna)에 사용되는 위상 변위기(Phase Shifter)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 3차원 다기능 레이다 등에 주로 사용되는 마이크로 웨이브 주파수대의 위상 변위기에 관한 것이다.

일반적으로, 안테나는 무선전파를 방사하거나 수신하기 위한 수단으로서 선상 안테나와, 개구면 안테나, 마이크로스트립 안테나, 배열 안테나, 반사기 안테나 등으로 구분된다.

방사소자의 집합체를 전기적, 기하학적으로 배열하여 요구하는 방사특성을 얻기 위한 배열 안테나는 수직 다단 복사소자, 또는 수평 다단 복사소자에 삽입하여 원하는 방향으로 빔이 복사되도록 하기 위해 위상 변위기를 사용한다.

그런데 종래의 위상 변위기는 페라이트 유전체 봉을 좁은 금속 도파관에 삽입하고 전류를 흘리는 방식으로 삽입 손실도 많고, 입력특성과 출력특성이 서로 비대칭적인 비가역적 성질을 가졌으며, 정합장치, 혹은 편파기가 없어서 편파 손실이 매우 크고, 또 외부에 요크가 없어서 자성회로가 구성되지 않아 손실이 큰 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 3차원 다기능 레이다 등에 주로 사용되는 마이크로 웨이브 주파수대의 위상 변위기를 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 장치는, 마이크로웨이브 레이더 안테나를 구성함에 있어서, 중앙의 페라이트 봉 양쪽에 유전체 봉을 각각 부착한 후 연결된 봉 둘레에 금속도금하여 원형 도파관화하고, 유전체 봉의 양 끝은 도금하지 않아 유전체 복사소자를 구성하며, 봉의 중간 부분의 페라이트 절연 코팅한 부분에 이중코일을 감아 3단자에 접속하게 하고, 코일 위에 페라이트 초크를 도포하여 코일에 펄스 전원 인가시 자화율을 높이게 한 페라이트 위상 변위기 소자를 다단, 다열로 배열하고, 1개의 컨트롤보드로 위상 변위용 펄스신호를 위상 변위기 소자에 인가하여 위상 변위기 코일을 제어하는 것을 특징으로 한다.

상기 위상변위기는 2개의 선을 연동으로 감아서 2중 코일이 되게 하여 4개 단자를 형성하고, 2개 단자는 공통으로 연결하고 나머지 2개의 단자는 각각 별개로 접속하여 송,수신시에 스위칭되도록 구성하며, 각 유전체 봉의 양단 끝부분의 일정간격은 도금되지 않게 하여 송신 및 수신이 가능하게 한 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 장치는 다수의 위상 변위기 소자와 상기 위상 변위기를 제어하기 위한 컨트롤보드로 이루어진 위상 변위기 모듈에 있어서, 상기 위상 변위기 소자는 페라이트 봉; 상기 페라이트 봉의 일단에 부착된 제1 유전체 봉; 상기 페라이트 봉의 타단에 부착된 제2 유전체 봉; 상기 부착된 봉들에 형성된 도금층; 상기 도금층의 일부에 형성된 절연피막; 상기 절연피막 위에 감긴 이중 코일; 및 상기 이중 코일을 감싸는 페라이트 초크로 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 컨트롤 보드는 다수의 변위기 접속부; 제어신호에 따라 상기 변위기 접속부를 통해 접속된 위상 변위기 소자들의 구동을 온/오프하는 다수의 구동 스위치; 발진기; 상기 발진기의 클럭을 입력받고 제어명령에 따라 상기 구동 스위치를 구동하기 위한 제어신호를 출력하는 FPGA; 메인 컨트롤 빔 스티어링 유닛과 접속하기 위한 메인 접속부; 상기 메인 접속부를 통해 상기 메인 컨트롤 빔 스티어링 유닛과 통신하는 통신칩; 이이피롬에 탑재된 소프트웨어를 실행하여 상기 통신칩을 통해 수신된 제어명령으로 상기 FPGA를 제어하는 마이크로 컨트롤 유닛; 및 상기 메인 접속부를 통해 인입된 DC 전원으로 보드에서 필요로 하는 전원을 공급하는 전원부로 구성된 것이다.

본 발명에 따른 위상 변위기 모듈은 페라이트 봉의 양단에 유전체 봉을 부착한 후 금속도금을 하여 원형 도파관화 함과 아울러 양단의 유전체 봉이 노출되게 하여 유전체 복사기능을 갖게 하고 2중의 코일을 감아 송수신이 가능하도록 하는 가역특성을 갖는 효과가 있다.

또한 본 발명에 따른 위상 변위기 모듈은 위상 변위기 소자를 다단, 다열로 구성한 후 수평방향과 수직방향으로 빔의 조향을 자유롭게 구현할 수 있다.

도 1은 본 발명의 위상 변위기 모듈이 적용된 3차원 다기능 레이더의 사시도,
도 2는 본 발명에 따른 단일 위상 변위기 소자를 도시한 도면,
도 3은 본 발명에 따른 위상 변위기 모듈을 도시한 평면도,
도 4는 본 발명에 따른 위상 변위기 모듈을 도시한 정면도,
도 5는 본 발명에 따른 위상 변위기 모듈을 도시한 측면도,
도 6은 본 발명에 따른 위상 변위기 모듈을 도시한 후면도,
도 7은 본 발명에 따른 위상 변위기 모듈의 컨트롤 보드의 구성을 도시한 블럭도,
도 8은 본 발명에 따른 위상 변위기 모듈의 컨트롤 보드의 3면도,
도 9는 본 발명이 적용된 3차원 다기능 레이더를 대출력용으로 구현한 예,
도 10은 본 발명이 적용된 3차원 다기능 레이더를 소출력용으로 구현한 예이다.

본 발명과 본 발명의 실시에 의해 달성되는 기술적 과제는 다음에서 설명하는 본 발명의 바람직한 실시예들에 의하여 보다 명확해질 것이다. 다음의 실시예들은 단지 본 발명을 설명하기 위하여 예시된 것에 불과하며, 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 위상 변위기 모듈이 적용된 3차원 다기능 레이더의 사시도로서, 3차원 다기능 레이더(10)는 수평으로 N 열, 수직으로 N 단의 복사소자모듈(11)이 배열된 위상변위기 모듈 조립체(13)와, 피라미드 혼(14)과, 분배 및 합성기가 포함된 마이크로웨이브 송수신기(15)와, 제어신호처리기(16)와, 전시기(17) 등으로 구성된다. 복사소자모듈(11)들의 전파 복사 개구면의 전방에는 방습커버(12)가 위치하여 모듈들을 보호하도록 되어 있다.

도 1을 참조하면, 본 발명은 3차원 다기능 레이더(10)에서 X밴드 또는 C 밴드, S밴드 안테나의 빔을 자동으로 조향하기 위한 위상 변위기로서, 본 발명의 위상 변위기는 나중에 자세히 설명하는 바와 같이 페라이트(ferrite) 위상 변위기 소자를 다수개( 예컨대, 8개, 16개, 32개 등) 조합하여 모듈로 구성한 후, 1개의 PCB 컨트롤러에서 각각 위상 변위기의 위상을 콘트롤하도록 된 것이다. 이러한 위상 변위기가 채택된 3차원 다기능 레이더(10)는 고주파 송수신기의 출력을 원뿔형 혹은 피라미드형의 복사혼으로 분배 복사하고, 이 복사혼 개구면에 많은 위상 변위기 모듈들을 수십개 또는 수백개 조립하여 최종 복사 개구면에서 수직 및 수평 방향으로 빔을 조향하는 것이다. 이와 같이 본 발명의 위상 변위기를 구비한 다기능 레이더(10)는 마이크로웨이브 송수신기의 출력을 혼 복사기로 복사해서 위상 변위기 모듈 조립체에 수신한 후 전파복사 개구면에서 위상 변위 후 재복사하는 것이다.

도 2는 본 발명에 따른 단일 위상 변위기 소자를 도시한 도면으로서, (a)는 측면도, (b)는 평면도, (c)는 코일 배선도, (d)는 상세도이다.

본 발명에 따른 단일 위상 변위기 소자(100)는 도 2에 도시된 바와 같이, 페라이트 봉(120)의 양 끝에 유전체(誘電體, dielectric substance) 봉(110,140)을 부착한 후, 봉의 표면을 금속 도금한 후 절연피막을 입히고, 중간부분의 페라이트 봉(120)에 2중 도체선으로 권선된 코일(132)을 구성하고 페라이트 초크(130)를 형성한 후, 접속단자(134)를 통해 컨트롤 보드(도 7의 210)와 접속하여 펄스 신호로 컨트롤하도록 되어 있다. 이때 유전체 봉(110,140)의 양쪽 끝부분은 도금하지 않아 유전체 안테나 역할을 하게 함으로써 양방향에서 송수신 가능케 되어 있다. 이와 같이 본 발명의 위상 변위기 소자(100)는 페라이트 코어(120)에 코일을 감은 후 절연 피막을 입히고, 그 위에 페라이트 초크(130)를 부착하여 자기회로를 구성해 위상 변위 효율을 극대화하였다.

또한 위상 변위기 소자의 양단은 도체를 도금하지 않고 양측 유전체 봉의 단부를 노출시켜 혼 복사기에서 복사되는 무선신호를 수신하여 페라이트 위상 변위기와 개구면의 복사기(11)를 통해 복사하게 하고, 개구면의 복사기(11)에서 수신된 무선신호를 역으로 위상 변위기를 거쳐 유전체 봉(140) 끝에서 복사해 합성 혼으로 입력되게 한다.

그리고 페라이트 봉(120)을 도금한 것은 원형 도파관의 내부를 유전체 페라이트를 삽입한 형태로 하여 외부 도체인 코일에 펄스 전원을 인가하는 시간에 자화율이 증가되어 강도 크기에 준하여 위상 변위가 되도록 하여 각각의 소자에 각기 다른 위상을 컨트롤하여 빔을 조향한다.

본 발명의 위상 변위기는 송신과 수신 양방향으로 가역특성을 구현하기 위하여 도체 코일을 이중으로 감은(바이파일러) 후, 1',2' 단자를 1개의 접속단자에 연결하여 한개로 조합하고, 개별단자 1, 2는 각각의 접속단자에 개별적으로 독립 접속시켜 컨트롤보드(210)에서 송수신별로 교차 펄스를 보내어 양방향으로 통신할 수 있게 한다

도 3은 본 발명에 따른 위상 변위기 모듈을 도시한 평면도이고, 도 4는 본 발명에 따른 위상 변위기 모듈을 도시한 정면도이며, 도 5는 본 발명에 따른 위상 변위기 모듈을 도시한 측면도이고, 도 6은 본 발명에 따른 위상 변위기 모듈을 도시한 후면도이다.

본 발명에 따른 위상 변위기 모듈(200)은 도 3 내지 도 6에 도시된 바와 같이 단일 위상 변위기 소자(100)를 다수개 조합한 후 1개의 컨트롤 보드(210)와 연결하여 구성한 것으로서, 본 발명의 실시예에서는 16개의 단일 위상 변위기 소자(100-1~100-16)를 조합하여 모듈로 구성한 것을 예로 들어 설명한다.

도 3 내지 도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 위상 변위기 모듈(200)은 금속 케이스(220)의 전면 금속판에 원형 구멍을 16개 뚫고 여기에 유전체 복사 소자(11)를 삽입하고, 16개의 페라이트 위상 변위기 소자(100-1~100-16)를 밀착시켜 고주파 신호가 유도되어 복사되도록 구성한다. 이때 본 발명의 실시예에서는 금속 케이스(220)에 수직으로 2 단, 수평으로 8 열의 홀(hole)을 형성한 후 복사소자(11)와 16개의 페라이트 위상 변위기 소자(100-1~100-16)를 2단, 8열로 각 홀에 조립하여 구성한다.

도 7은 본 발명에 따른 위상 변위기 모듈의 컨트롤 보드의 구성을 도시한 블럭도이고, 도 8은 본 발명에 따른 위상 변위기 모듈의 컨트롤 보드의 3 면도이다.

본 발명에 따른 위상 변위기 모듈의 컨트롤 보드(210)는 도 7에 도시된 바와 같이, 위상 변위기 소자(100-1~100-16)와 접속하기 위한 변위기 접속부(211-1~211-16), 구동 스위치(212-1~212-16), FPGA부(213), 발진기(OSC:214), 마이크로 컨트롤 유닛(MCU: 215), EPROM(216), 통신칩(217), 빔 스티어링 유니트와 접속하기 위한 메인 접속부(218), 전원칩(219)으로 구성되어 16개 위상 변위기 소자(100-1~100-16)에 펄스 전원을 공급한다.

도 7을 참조하면, 컨트롤 보드(210)는 메인 접속부(218)를 통하여 메인 컨트롤 빔 스티어링 유닛(미도시)과 연결되고, 통신칩(217)을 통해 마이크로웨이브 통제기의 MCU(미도시)와 통신하며, 컨트롤 보드의 MCU(215)는 통신칩(217)을 통해 메인 컨트롤 빔 스티어링 유닛으로부터 수신된 명령에 따라 FPGA(213)를 통해 펄스 신호들을 구동하여 구동 스위치(212-1~212-16)의 온/오프를 통해 각 위상 변위기(100-1~100-16)를 제어한다. 발진기(214)는 FPGA 동작에 필요한 클럭을 제공하고, EPROM(216)에는 펌웨어와 데이터가 탑재되어 MCU(215)가 변위기 위상 제어 알고리즘을 실행할 수 있게 한다.

도 9는 본 발명이 적용된 3차원 다기능 레이더를 대출력용으로 구현한 예이다.

대출력용 3차원 다기능 레이더는 도 9에 도시된 바와 같이, 마그네트론이나 진행파관(TWT)으로 이루어진 송신기(330)의 송신출력을 써큘레이터(320)를 통해 혼(310)으로 복사하고, 혼(310)의 개구에는 본 발명에 따른 위상 변위기 소자들(100-1~100-N)이 탑재되어 복사되는 빔을 수직방향과 수평방향으로 조향시키며, 위상 변위기(100-1~100-N)를 거쳐 혼(310)을 통해 수신된 신호는 써큘레이터(320)를 거쳐 수신기(340)로 전달하고, 신호처리기(16)로 신호처리 후 전시기(17)에서 표적을 감지할 수 있게 한다.

도 10은 본 발명이 적용된 3차원 다기능 레이더를 소출력용으로 구현한 예로서, (a)는 전체 구성 블럭도이고, (b)는 RF 모듈의 세부 구성 블럭도이다.

도 10을 참조하면, 소출력용 3차원 다기능 레이더는 위상 변위기 소자들(100-1~100-N)이 탑재된 복사기 조립체(402)와, 송신신호 위상과 증폭 가변부(414)를 거쳐 고출력 증폭기(HPA:412)로 증폭한 후 써큘레이터(411)를 거쳐 복사기 조립체(402)측으로 송신하고, 복사기 조립체(402)로부터 수신된 신호를 써큘레이터(411)를 통해 저잡음 증폭기(LNA:416)로 증폭하여 위상과 증폭 가변부(414)를 통해 수신측으로 전달하는 RF 모듈(410-1~410-16)과, 분배/합성기(420)로 이루어진다. 그리고 제1 스위치(413)와 제2 스위치(415)는 송신(TX)시에는 가변부(414)를 송신신호 경로로 연결하고, 수신(RX)시에는 수신신호 경로로 연결하는 스위칭 기능을 수행한다.

이상에서 본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

11: 복사소자 12: 방습커버
13: 위상 변위기 조립체 14: 피라미드 혼
15: 송수신기 16: 제어신호 처리기
17: 전시기
100-1~100-16: 단일 위상변위기 소자 110,140: 유전체 봉
120: 페라이트 봉 102: 금속도금층
104: 절연피막 106: 고무패킹
132: 코일 134: 접속단자
200: 위상 변위기 모듈 210: 컨트롤보드
211-1~211-16: 변위기 접속부 212-1~212-16: 스위치IC
213: FPGA 214: 발진기
215: MCU 216: EEPROM
217: 통신칩 218: 메인 접속부
219: 전원칩 220: 금속케이스

Claims (4)

1. 삭제
2. 마이크로웨이브 레이더 안테나를 구성함에 있어서, 중앙의 페라이트 봉 양쪽에 유전체 봉을 각각 부착한 후 연결된 봉 둘레에 금속도금하여 원형 도파관화하고, 유전체 봉의 양 끝은 도금하지 않아 유전체 복사소자를 구성하며, 봉의 중간 부분의 페라이트 절연 코팅한 부분에 이중코일을 감아 3단자에 접속하게 하고, 코일 위에 페라이트 초크를 도포하여 코일에 펄스 전원 인가시 자화율을 높이게 한 페라이트 위상 변위기 소자를 다단, 다열로 배열하고, 1개의 컨트롤보드로 위상 변위용 펄스신호를 위상 변위기 소자에 인가하여 위상 변위기 코일을 제어하는 페라이트 위상 변위기 모듈에 있어서,
   상기 페라이트 위상변위기 소자는
   2개의 선을 연동으로 감아서 2중 코일이 되게 하여 4개 단자를 형성하고, 2개 단자는 공통으로 연결하고 나머지 2개의 단자는 각각 별개로 접속하여 송,수신시에 스위칭되도록 구성하며, 각 유전체 봉의 양단 끝부분의 일정간격은 도금되지 않게 하여 송신 및 수신이 가능하게 한 것을 특징으로 하는 페라이트 위상 변위기 모듈.
3. 삭제
4. 다수의 위상 변위기 소자와 상기 위상 변위기를 제어하기 위한 컨트롤보드로 이루어진 위상 변위기 모듈에 있어서,
   상기 위상 변위기 소자는
   페라이트 봉; 상기 페라이트 봉의 일단에 부착된 제1 유전체 봉; 상기 페라이트 봉의 타단에 부착된 제2 유전체 봉; 상기 부착된 봉들에 형성된 도금층; 상기 도금층의 일부에 형성된 절연피막; 상기 절연피막 위에 감긴 이중 코일; 및 상기 이중 코일을 감싸는 페라이트 초크로 구성되고,
   상기 컨트롤 보드는
   다수의 변위기 접속부;
   제어신호에 따라 상기 변위기 접속부를 통해 접속된 위상 변위기 소자들의 구동을 온/오프하는 다수의 구동 스위치;
   발진기;
   상기 발진기의 클럭을 입력받고 제어명령에 따라 상기 구동 스위치를 구동하기 위한 제어신호를 출력하는 FPGA;
   메인 컨트롤 빔 스티어링 유닛과 접속하기 위한 메인 접속부;
   상기 메인 접속부를 통해 상기 메인 컨트롤 빔 스티어링 유닛과 통신하는 통신칩;
   이이피롬에 탑재된 소프트웨어를 실행하여 상기 통신칩을 통해 수신된 제어명령으로 상기 FPGA를 제어하는 마이크로 컨트롤 유닛; 및
   상기 메인 접속부를 통해 인입된 DC 전원으로 보드에서 필요로하는 전원을 공급하는 전원부로 구성된 것을 특징으로 하는 페라이트 위상 변위기 모듈.

Images