KR101332487B1 - 형상화된 반사기를 구비한 공간 반송식 고전력 증폭기 - Google Patents

형상화된 반사기를 구비한 공간 반송식 고전력 증폭기 Download PDF

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Abstract

공간 반송식 고전력 증폭기는 초기 파면(103)을 반사하기 위한 하나 이상의 형상화된 반사기(104)(106)와, 고전력 평면 파면(109)을 생성하도록 반사된 파면(107)을 증폭하는 능동 어레이 증폭기(108)를 포함한다. 형상화된 반사기는 능동 어레이 증폭기(108)에 입사할 때 실질적으로 균일한 진폭을 갖는 반사된 파면(107)을 제공한다. 초기 파면(103)은 실질적으로 구형인 파면일 수 있고, 형상화된 반사기는 능동 어레이 증폭기(108) 상의 입사를 위해 실질적으로 균일한 진폭을 갖는 반사된 파면(107)을 제공하도록 초기 파면(103)의 진폭 테이퍼를 보상할 수 있다. 일부 실시예에서, 형상화된 반사기는 또한 스필오버를 최소화하는 것을 돕기 위해 능동 어레이 증폭기의 형상에 꼭 맞도록 윤곽을 이루어 조명한다.
공간 반송식 증폭기, 도파관, 형상화된 반사기, 능동 어레이, 파면

Description

형상화된 반사기를 구비한 공간 반송식 고전력 증폭기 {SPATIALLY-FED HIGH-POWER AMPLIFIER WITH SHAPED REFLECTORS}
도1a는 본 발명의 일부 실시예에 따른 평면 출력파를 생성시키기 위한 공간 반송식 고전력 증폭기를 도시한 도면.
도1b는 본 발명의 다른 일부 실시예에 따른 평면 출력파를 생성하기 위한 공간 반송식 고전력 증폭기를 도시한 도면.
도2는 본 발명의 일부 실시예에 따른 어레이 증폭기의 증폭기 셀을 도시한 도면.
도3은 본 발명의 다른 일부 실시예에 따른 평면 출력파를 생성하기 위한 공간 반송식 고전력 증폭기를 도시한 도면.
도4는 본 발명의 일부 실시예에 따른 고전력 RF 신호를 생성하기 위한 공간 반송식 고전력 증폭기를 도시한 도면.
도5는 본 발명의 다른 일부 실시예에 따른 고전력 RF 신호를 생성하기 위한 공간 반송식 고전력 증폭기를 도시한 도면.
도6은 본 발명의 또 다른 일부 실시예에 따른 고전력 RF 신호를 생성하기 위한 공간 반송식 고전력 증폭기를 도시한 도면.
도7은 본 발명의 일부 실시예에 따라서 반사면에 의해 파면의 형상을 도시하 는 도면.
도8은 능동 어레이 증폭기 상에 예시적인 전기장 조명의 3차원도.
도9는 본 발명의 일부 실시예에 따른 형상화된 반사기를 생성하기 위한 절차의 흐름도.
본 발명의 실시예들은 마이크로파 에너지의 고전력 증폭에 관한 것이다.
특히 고마이크로파 및 밀리미터파 주파수에서 고전력 RF(high-power radio frequency) 에너지의 솔리드 스테이트 생성은 개별 트랜지스터의 전력 출력에 의해 제한된다. 예컨대, W 밴드 주파수에서, 현재 입수 가능한 고전력 트랜지스터는 일차적으로 유용한 게인을 얻기 위하여 트랜지스터의 크기가 상당히 작아야만 하기 때문에 단지 50 내지 100 밀리와트만 생성한다. 예컨대 100와트 보다 큰 고전력 수준을 생성하기 위해서는 수천 개의 트랜지스터의 출력 전력이 결합되어야만 한다. 도파관 또는 마이크로스트립 전력 결합기를 이용하는 종래의 전력 결합 기술은 W 밴드 주파수에서 실질적인 손실을 가지며 비효율적이다. 이것은 더욱 많은 트랜지스터의 출력이 결합될 때, 트랜지스터들 사이의 거리가 증가하고 따라서 전력 결합기의 전선 길이가 증가하기 때문이다. 이것은 결합기의 삽입 손실 및 결합기의 각 다리 사이의 위상 매치 에러(phase match error)를 증가시킨다.
따라서, 개선된 고전력 RF 증폭기, 특히 밀리미터파 및 W 밴드 고전력 증폭 기에 대한 일반적인 필요가 있다.
공간 반송식 고전력 증폭기는 초기 파면을 반사하기 위한 하나 이상의 형상화된 반사기와, 고전력 평면 파면을 생성하기 위해 반사된 파면을 증폭하는 능동 어레이 증폭기를 포함한다. 형상화된 반사기는 능동 어레이 증폭기 상에 입사할 때 실질적으로 균일한 진폭을 갖는 반사된 파면을 제공한다. 일부 실시예에서, 형상화된 반사기는 또한, 능동 어레이 증폭기의 형상에 꼭 맞도록 윤곽을 이루어 조명하여 스필오버(spillover)를 최소화하는 것을 돕는다. 초기 파면은 실질적으로 구형인 파면이 될 수 있고, 형상화된 반사기는 능동 어레이 증폭기 상에 입사를 위한 실질적으로 균일한 진폭 성분을 갖는 반사된 파면을 제공하도록 초기 파면의 임의의 진폭 테이퍼를 보상할 수 있다.
일부 실시예에서, 형상화된 반사기는 수정된 포물면인 단면, 수정된 쌍곡면인 단면, 또는 수정된 타원면인 단면을 포함한다. 형상화된 반사기의 표면은 실질적으로 진폭이 균일한 능동 어레이 증폭기 상에 입사하는 반사 파면을 제공하기 위해 선택된 계수들을 갖는 다항식으로 나타낼 수 있고, 능동 어레이 증폭기의 형상에 꼭 맞도록 윤곽이 이루어질 수 있다. 다항식의 계수들은 능동 어레이 상에 입사된 모의 파면이 진폭에 있어서 실질적으로 균일할 때까지 반복적으로 조정될 수 있다. 얻어진 계수들은 반사면의 형상을 생성하는데 사용될 수 있다.
일부 실시예에서, 반사면은 상부에 RF 반사 코팅을 갖는 3차원(3D) 플라스틱 표면을 포함한다. 3D 플라스틱 표면은 스테레오리소그래피 프로세스에 의해 형성 될 수 있다.
다음의 설명 및 도면은 본 기술 분야의 당업자가 실시하기에 충분하도록 본 발명의 특정 실시예를 예시한다. 다른 실시예들은 구조적, 논리적, 전기적인 프로세스 및 다른 변형예들을 포함할 수 있다. 실시예들은 가능한 변형예들을 대표한다. 개개의 구성성분 및 기능들은 명확하게 요구되지 않는 한은 선택적이고, 조작 순서는 변경될 수 있다. 일부 실시예들의 부분들과 특징들은 다른 실시예들에 포함될 수도 있고 대체될 수도 있다. 청구범위에 기재된 본 발명의 실시예들은 청구범위의 모든 이용가능한 균등물을 포함한다. 본 발명의 실시예들은 실제로 하나 이상이 개시되어 있다면 본 출원의 범주를 어떤 하나의 발명 또는 발명의 개념으로 제한하려는 의도 없이 개별적으로 또는 집합적으로 순전히 편의를 위해 본 발명으로 인용될 수 있다.
본 발명은 전력 증폭기 요소의 어레이를 조명하기 위해 공기 또는 자유 공간을 기본적으로 사용하는 공간 전력 결합 기술을 사용하는 고전력 증폭기를 제공한다. 이 방식으로, 이 결합 기술의 삽입 손실은 트랜지스터의 수에 대해 대략 일정하다. 일부 실시예에서, 본 발명은 통신 시스템에서 사용되기에 적합한 고전력 마이크로파 송신기의 일부일 수 있는 공간 반송식 고전력 증폭기를 제공한다. 다른 실시예에서, 본 발명은 본 발명의 범주가 제한되지는 않을지라도 유도된 에너지 시스템에서 사용되기에 적합할 수 있는 공간 반송식 고전력 증폭기를 제공한다.
도1a는 본 발명의 일부 실시예들을 따른 평면 출력파를 생성하는 공간 반송식 고전력 증폭기를 도시한다. 공간 반송식 고전력 증폭기(100)는 저전력 RF 입력 신호(101)로부터 초기 파면(103)을 생성하기 위한 피드 호온(102)을 포함한다. 공간 반송식 고전력 증폭기(100)는 초기 파면(103)을 반사시키고 반사된 파면(107)을 생성하기 위해 RF 반사면을 갖는 반사기(104, 106)를 또한 포함한다. 공간 반송식 고전력 증폭기(100)는 반사된 파면(107)을 증폭시키고 고전력 평면 파면(109)을 생성하는 능동 어레이 증폭기(108)를 또한 포함한다. RF 반사기(104, 106)의 반사면들은 반사된 파면(107)이 능동 어레이 증폭기(108) 상에 입사될 때 진폭이 실질적으로 일정하도록 선택된다. 이것은 하기에 더욱 상세히 설명된다. 일부 실시예들에서, 반사된 파면(107)은 진폭에 있어서 실질적으로 균일하고 위상에 있어서 가간섭성(coherent)일 수 있으나 본 발명의 범주는 이러한 점으로 제한되지는 않는다. 일부 실시예들에서, 반사된 파면(107)은 능동 어레이 증폭기(108)의 형상에 맞도록 실질적으로 윤곽이 이루어질 수 있으나 본 발명의 범주는 이러한 점으로 제한되지는 않는다.
본 발명의 실시예들의 공간 반송식 고전력 증폭기는 마이크로파 주파수 및 밀리미터파 주파수, 특히 W 밴드 밀리미터파 주파수를 포함하는 대부분의 RF 주파수로서 사용되기에 적합하지만, 본 발명의 범주는 이러한 점으로 제한되지는 않는다.
일부 실시예들에서, 고전력 평면 파면(109)은 시준 파면(즉, 칼럼으로)일 수 있고, 다른 실시예들에서 고전력 평면 파면(109)은 수렴 또는 발산 파면일 수 있다.
일부 실시예들에서, 능동 어레이 증폭기(108)는 실질적으로 동일한 복수의 증폭기 셀(110)을 포함할 수 있다. 각각의 증폭기 셀(110)은 반사된 파면(107)을 수신하기 위한 수신 안테나, 수신 안테나를 통해 수신된 RF 신호를 증폭하기 위한 전력 증폭기 및 전력 증폭기에 의해 제공된 증폭된 RF 신호를 송신하기 위한 송신 안테나를 구비할 수 있다. 복수의 증폭기 셀(110)에 의해 전달된 그러한 증폭 RF 신호는 출력 파면(109)을 포함할 수 있다. 초기 파면(103)은 테이퍼형 진폭 성분(즉, 테이퍼형 조명)으로 사실상 구형 파면을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 피드 호온(102)은 호온 안테나일 수 있고, 저전력 RF 입력 신호(101)는 도파관 구조로 제공될 수 있지만 본 발명의 범주는 이러한 점으로 제한되지는 않는다.
일부 실시예에서, RF 반사기(104, 106)의 반사면은 초기 파면(103)의 진폭 테이퍼를 보상하도록 그리고 능동 어레이 증폭기(108) 상에 입사되는 가간섭 위상 성분 및 실질적으로 동일한 진폭 성분을 반사된 파면(107)에 제공하도록 선택될 수 있다. 일부 실시예에서, RF 반사기(104, 106)의 RF 반사면은 실질적으로 진폭이 동일하고 대체로 가간섭 상인 능동 어레이 상에 입사되는 파면을 제공하도록 선택된 계수를 갖는 다항식 또는 다른 수학 함수로 나타낼 수 있다. 일부 실시예에서, 표면들은 다항식에 따라 제조된다. 이러한 프로세스는 이하에 더 구체적으로 설명된다.
일부 실시예에서, RF 반사기(104, 106)는 수정된 포물면인 단면, 수정된 쌍곡면인 단면 및/또는 수정된 타원면인 단면을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 반사기(104)는 파면(105)을 생성하도록 수정된 포물면인 단면을 포함하고, 반사 기(106)는 파면(107)을 생성하도록 수정된 쌍곡면인 단면을 포함한다. 일부 실시예에서, 반사기(104)는 서브 반사기일 수 있고, 반사기(106)는 메인 반사기일 수 있다. 본 발명의 다수의 실시예들이 2개의 반사기들을 가지는 것으로 예시되고 설명되었지만, 본 발명의 범주는 이러한 점으로 제한되지는 않는다. 본 발명의 일부 실시예들은 하나의 RF 반사기와 같이 적은 수를 사용할 수 있지만, 다른 실시예들은 3개 이사의 RF 반사기를 사용할 수 있다.
일부 실시예들에서, RF 반사기(104, 106)의 RF 반사면들은 상부에 배치된 박막 RF 반사 (예컨대, 금속제) 코팅을 갖는 3차원(3D) 플라스틱 층을 포함할 수 있다. 이 실시예들에서, 3D 플라스틱 층은 아래에 보다 상세히 설명하는 바와 같이 스테레오리소그래피 프로세스로 형성될 수 있다.
도2는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 어레이 증폭기의 증폭기 셀을 도시한다. 증폭기 셀(210)은 어레이 증폭기(108)(도1a)의 하나의 셀(110)(도1a)로 사용하기에 적합할 수 있지만, 다른 구성도 적합할 수 있다. 증폭기 셀(210)은 실질적으로 일정한 게인 및 위상 특성을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 증폭기 셀(210)은 다른 실시예들에서 개개의 반도체 다이일 수 있고, 복수의 증폭기 셀(210)은 단일 반도체 다이를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 각각의 증폭기 셀은 입사 파면을 수신하는 수신 안테나(202), 수신 안테나(202)를 통해 수신된 RF 신호를 증폭하기 위한 전력 증폭기(204), 및 전력 증폭기(204)에 의해 제공된 증폭된 RF 신호를 송신하기 위한 송신 안테나(206)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 복수의 증폭기 셀들에 의 해 전달된 증폭된 RF 신호는 평면 출력 집속 파면을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 도1a에 도시된 실시예들과 같이, 능동 어레이 증폭기(108)(도1a)는 평면 출력 파면(109)(도1a)을 생성하기 위해 평면의 동일한 측면 상에 반사된 방향으로 수신 안테나(202) 및 송신 안테나(206)를 갖는 능동 반사 어레이 증폭기일 수 있다. 일부 실시예들에서, 출력 평면 파면(109)(도1a)은 입사 파면(107)(도1a)으로부터 기인하는 반사된 고전력 파면으로 도시될 수 있다.
일부 실시예들에서, 이하에 설명되는 도3에 도시된 것과 같이, 능동 어레이 증폭기는 RF 반사면으로부터 반사된 파면을 수신하기 위해 능동 어레이 증폭기의 제1 측면 상에 수신 안테나(202)와, 관통 방향으로 평면 출력 파면을 생성하기 위해 능동 어레이 증폭기의 제2 대향 측면 상에 송신 안테나(206)를 가지는 능동 렌즈 어레이 증폭기일 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 반사된 파면(107)(도1a)은 어레이 증폭기의 효율적인 사용을 위한 어레이에서 대부분 또는 모든 셀(210)(도2)을 포화시키는 전력 밀도 레벨을 갖는 일정한 평면파일 수 있다.
안티 테이퍼 실시예로 지칭되는 다른 실시예에서, 증폭기 셀(210)(도2)은 초기 파면(103)(도1a)의 테이퍼형 진폭 성분을 오프셋하기 위해 설정된 게인을 가질 수 있어서 어레이 증폭기(108)(도1a)는 출력 파면(109)(도1a)의 실질적으로 균일한 진폭 성분 및/또는 일정한 위상 성분을 생성한다. 이 실시예에서, 반사기(104, 106)는 본 명세서에 설명된 바와 같은 수정된 면을 반드시 가질 필요는 없지만, 본 발명의 범주는 이러한 점으로 제한되지는 않는다.
이 실시예에서, 각각의 증폭기 셀(110)(도1a)은 평면 출력 파면(109)(도1a)의 대체로 균일한 진폭 성분을 생성하기 위해 비평면 입력 파면(103)(도1a)의 테이퍼형 진폭 성분을 누적해서 오프셋하도록 개별적으로 설정된 게인을 가질 수 있다. 이 실시예에서, 자동 게인 제어기(AGC) 프로세스는 각각의 유닛 셀이 포화 상태 또는 그 상태에 가깝게 조작될 수 있도록 각각의 증폭기 셀(110)(도1a)의 게인을 개별적으로 제어하기 위해 어레이 증폭기(108)(도1a)에 의해 구현될 수 있어서 어레이 증폭기의 출력 전력 성능을 효율적으로 사용할 수 있다.
본 발명의 실시예들이 반사면을 사용하여 설명되었지만, 본 발명의 범주는 이러한 점으로 제한되지는 않는다. 다른 실시예에서, 하나 이상의 반사면 대신에, RF 렌즈가 사용될 수 있다. 이 실시예에서, RF 렌즈는 증폭기 어레이 상에 입사 평면파를 생성하도록 유사하게 선택 및 제공될 수 있다. 다른 실시예에서, 형성된 RF 반사면 및 형성된 렌즈의 조합이 사용될 수 있다.
일부 실시예에서, 본 발명은 초기 파면(103)(도1a)의 진폭 및/또는 위상 특성을 변화시키고 대체로 균일한 진폭 파면(107)(도1a)을 생성하기 위한 하나 이상의 형성된 RF 렌즈를 갖는 증폭기를 제공한다. 이 실시예에서, 형성된 렌즈는 능동 어레이 증폭기(108)(도1a) 상에 입사되는 대체로 균일한 진폭 성분을 갖는 파면(107)(도1a)을 제공하기 위해 초기 파면(103)(도1a)의 진폭 테이퍼를 보상할 수 있다. 이 실시예에서, 형성된 렌즈는 대체로 균일한 진폭 성분을 가지는 능동 어레이 증폭기 상에 입사되는 파면을 제공하도록 선택된 계수를 가지는 다항식으로 나타날 수 있다.
도1b는 본 발명의 일부 다른 실시예들에 따른 평면 출력파를 생성하기 위한 공간 반송식 고전력 증폭기를 도시한다. 공간 반송식 고전력 증폭기(101)(도1b)는 공간 반송식 전력 증폭기(100)(도1a)와 유사하지만, 공간 반송식 전력 증폭기(101)(도1b)는 반사기(106) 및 능동 어레이 증폭기(108) 사이에 위치한 편광자 그리드(112)를 포함한다. 편광자 그리드(112)는 하나의 편광의 파면을 통과할 수 있고 다른 편광의 파면을 반사할 수 있다. 일부 실시예에서, 파면(107)은 예를 들어 수평으로 편광될 수 있다. 이 실시예에서, 편광자 그리드(112)는 수평 편광 파면(107)을 통과할 수 있고 어레이 증폭기(108)는 수평 편광 파를 수신하고 수직 편광 파를 송신할 수 있다(즉, 편광을 회전시킬 수 있다). 편광자 그리드(112)는 파면(109)으로서 수직 편광 파를 반사할 수 있다. 본 발명의 이 실시예들은 능동 어레이 증폭기(108)가 그 표면에 대체로 법선인 각도로 입사 파면(107)을 수신할 수 있게 한다. 이 실시예에서, 능동 어레이 증폭기(108)의 각각의 셀(210)(도2)의 수신 안테나(202)(도2) 및 송신 안테나(206)(도2)는 직교 편광을 가질 수 있다. 용어 수평 및 수직은 본 명세서에서 직교 편광의 예로서 사용되고 상호 바꾸어질 수 있다. 본 발명의 실시예들은 다른 직교 편광을 갖고 사용되기에 또한 적합할 수 있다.
도3은 본 발명의 다른 실시예들에 따른 평면 출력 파를 생성하기 위한 공간 반송식 고전력 증폭기를 도시한다. 공간 반송식 고전력 증폭기(300)는 저전력 RF 입력 신호(301)로부터 초기 파면(303)을 생성하는 피드 호온(302)과, 초기 파면(303)을 반사하고 반사 파면(307)을 생성하는 RF 반사면을 갖는 반사기(304, 306)와, 고전력 평면 파면(309)을 생성하기 위해 반사 파면(307)을 증폭하는 능동 렌즈 어레이 증폭기(308)를 포함한다. RF 반사기(304, 306)의 반사면은 반사 파면(307)이 능동 어레이 증폭기(308) 상에 입사될 때 진폭에서 실질적으로 균일하도록 선택될 수 있다.
일부 실시예에서, 능동 렌즈 어레이 증폭기(308)는 RF 반사면(306)으로부터의 반사 파면(307)을 수신하기 위하여 능동 어레이 증폭기(308)의 제1 측면(310) 상에 수신 안테나(202)[도1 참조]와 같은 수신 안테나를 구비할 수도 있다. 이러한 실시예에서, 능동 렌즈 어레이 증폭기(308)는 도시된 바와 같은 관통 방향으로 평면 출력 파면(309)을 생성하도록 능동 어레이 증폭기(308)의 제2 대향 측면(312) 상에 송신 안테나(206)[도2 참조]와 같은 송신 안테나를 구비할 수도 있다.
도1 및 도3에 도시된 공간 반송식 증폭기는 (공기 내의)증폭된 에너지를 방사하지만, 몇몇 경우에서는 방사되지 않는 방식에서 고전력의 사용이 요구된다. 예를 들어, 이는 다른 타입의 전송 매체의 도파관 내에 포함될 필요가 있을 수도 있다. 도파관 매체에 고전력 에너지를 제공하는 본 발명의 다른 실시예는 아래 설명된 도4 내지 도6에 도시된다.
도4는 본 발명의 소정 실시예에 따른 고전력 RF 신호를 발생시키는 공간 반송식 고전력 증폭기를 도시한다. 공간 반송식 고전력 증폭기(400)는 저전력 RF 입력 신호(401)로부터 초기 파면(403)을 생성하는 피드 호온(feed horn;402)과, 초기 파면(403)을 반사하고 반사된 파면(407)을 생성하는 RF 반사면을 갖는 반사기(404, 406) 및 고전력 평면 파면(409)을 생성하도록 반사된 파면(407)을 증폭하는 능동 반사 어레이 증폭기(408)를 포함한다.
이들 실시예에서, 공간 반송식 고전력 증폭기(400)는 고전력 평면 파면(409)을 반사하여 실질적으로 구형인 출력 파면(413)을 생성하도록 배치된 RF 반사면을 갖는 반사기(410, 412)를 또한 포함한다. 일부 실시예에서, 파면(409)은 시준될 수 있다. 이들 실시예에서, 공간 반송식 고전력 증폭기(400)는 실질적으로 구형인 출력 파면(413)을 수신하고 고전력 RF 출력 신호(415)를 생성하는 출력 피드 호온(414)을 또한 포함한다. 본 발명의 범주는 이에 한정되지 않지만, 일부 실시예에서, 출력 피드 호온(414)은 호온 안테나일 수 있고, 고전력 RF 출력 신호(415)는 출력 도파관 내에 제공될 수 있다.
소정 실시예에서, 반사기(410)는 수정된 포물면인 단면을 포함할 수 있고, 반사기(412)는 수정된 쌍곡면인 단면을 포함할 수 있지만, 본 발명의 범주는 이에 한정되지 않는다. RF 반사기(404, 406)의 반사면은 반사 파면(407)이 능동 반사 어레이 증폭기(408) 상에 입사될 때 실질적으로 진폭이 균일하게 되도록 선택될 수도 있다.
도5는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 고전력 RF 신호를 생성하는 공간 반송식 고전력 증폭기를 도시한다. 공간 반송식 고전력 증폭기(500)는 저전력 RF 입력 신호(501)로부터 초기 파면(503)을 생성하는 피드 호온(feed horn;502)과, 초기 파면(503)을 반사하고 반사된 파면(507)을 생성하는 RF 반사면을 갖는 반사기(504, 506) 및 고전력 평면 파면(509)을 생성하도록 반사된 파면(507)을 증폭하는 능동 렌즈 어레이 증폭기(508)를 포함한다.
이러한 실시예에서, 공간 반송식 고전력 증폭기(500)는 고전력 평면 파면(509)을 반사하고 실질적으로 구형인 출력 파면(513)을 생성하도록 위치설정된 RF 반사면을 갖는 반사기(510, 512)를 또한 포함한다. 일부 실시예에서, 파면(509)은 시준될 수도 있다. 이러한 실시예에서, 공간 반송식 고전력 증폭기(500)는 실질적으로 구형인 출력 파면(513)을 수신하고 고전력 RF 출력 신호(515)를 생성하는 출력 피드 호온(514)을 또한 포함한다. 본 발명의 범주는 이에 한정되지 않지만, 일부 실시예에서, 출력 피드 호온(514)은 호온 안테나일 수 있고, 고전력 RF 출력 신호(515)는 출력 도파관 내에 제공될 수 있다.
소정 실시예에서, 반사기(510)는 수정된 포물면인 단면을 포함할 수 있고, 반사기(512)는 수정된 쌍곡면인 단면을 포함할 수 있지만, 본 발명의 범주는 이에 한정되지 않는다. RF 반사기(504, 506)의 반사면은 반사 파면(507)이 능동 렌즈 어레이 증폭기(508) 상에 입사될 때 실질적으로 진폭이 균일하게 되도록 선택될 수도 있다.
도6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 고전력 RF 신호를 생성하는 공간 반송식 고전력 증폭기를 도시한다. 공간 반송식 고전력 증폭기(600)는 저전력 RF 입력 신호(601)로부터 초기 파면(603)을 생성하는 피드 호온(feed horn;602)과, 초기 파면(603)을 반사하고 반사된 파면(607)을 생성하는 RF 반사면을 갖는 반사기(604, 606) 및 고전력 평면 파면(609)을 생성하도록 반사된 파면(607)을 증폭하는 능동 반사 어레이 증폭기(608)를 포함한다. RF 반사기(604, 606)의 반사면은 반사된 파면(607)이 능동 반사 어레이 증폭기(608) 상에 입사될 때 실질적으로 진폭이 균일하게 되도록 선택될 수도 있다. 이러한 실시예에서, 어레이 증폭기(608)는 반사기(604, 606)에 의한 반사 및 피드 호온(602)에 의한 입사에 대하여 반사된 파면(607)에 대향 방향으로 고전력 평면 파면(609)을 생성하도록 위치설정될 수도 있다. 이러한 방식으로, 반사기(606, 604)는 피드 호온(602)에 대하여 입사된 고전력 구형 파면을 생성한다. 피드 호온(602)은 피드 호온(602)에 대하여 입사된 고전력 구형 파면으로부터의 고전력 RF 출력 신호(615)를 생성할 수도 있다. 이러한 실시예에서, 직교 모드 변환기(614)는 고전력 RF 출력 신호(615)로부터 저전력 RF 입력 신호(614)를 분리하도록 피드 호온(602)과 결합될 수도 있지만, 본 발명의 범주는 이에 한정되지 않는다. 이러한 실시예에서, 직교 모드 변환기는 호온이 제1 편파(예를 들어, 수직)의 파면(저전력 입력 파면)을 방사하게 하고 제2 편파(예를 들어, 수평)의 파면(고전력 출력 파면)을 동시에 수신하게 한다. 어레이 증폭기(608)는 저전력 입력 파면을 수신하고 반사된 고전력 출력 파면을 생성하도록 대응하는 직교 편파의 수신 및 송신 안테나를 이용할 수도 있다.
도7은 본 발명의 소정 실시예에 따른 반사면에 의한 파면의 형상을 도시한다. 공간 반송식 어레이에 있어서의 문제점은 어레이의 림 상에서 누출되는 에너지의 양이다. 이러한 문제점은 어레이의 림이 복잡한 형상일 때 악화된다. 대부분의 피드 호온은 원형 또는 타원형 형상 빔을 생성하기 때문에, 원형 또는 타원형이 아닌 어레이 증폭기를 피드시키는데 많은 에너지가 소모된다. 본 발명의 소정의 실시예에 따라, 입력 파면의 조명은 어레이 증폭기의 형상으로 맞춰질 수 있다. 도7에서, 피드 호온(702)에 의해 생성된 구형 파면(703)은 반사기(704, 706)로 실 질적으로 평면인 파면(707)으로 변환될 수도 있다. 이러한 실시예에서, 파면(707)의 전기장의 진폭 요소는 증폭기 어레이(708)의 형상으로 맞춰질 수 있다. 이러한 예에서, 전력은 어레이(708) 내[절결 코너부를 갖춤]에 집중될 수 있고, 어레이의 외측, 특히 코너부에서 감소되어 소비 에너지를 감소시킬 수 있다.
도8은 능동 어레이 증폭기에 대한 전기장 조명의 3차원 예시도이다. 이러한 예에서, 윤곽(802)은 정사각형 증폭기 어레이를 나타낼 수도 있다. 도시된 바와 같이, 증폭기 어레이의 영역 내의 전기장은 증폭기 어레이 외측의 전기장보다 훨씬 크다. 도시된 바와 같이, 공간 반송식 증폭기의 효율은 증폭기 어레이의 형상 내에 에너지를 집중시킴으로써 훨씬 증가될 수 있다. 이러한 실시예에서, 반사 형성면은 이러한 결과를 제공하도록 선택될 수 있다.
도9는 본 발명의 소정 실시예에 따른 형상화된 반사기를 생성하는 공정의 흐름도이다. 공정(900)은 반사기(104, 106)[도1a 및 도1b 참조], 반사기(304, 306)[도3 참조], 반사기(404, 406, 410, 412)[도4 참조], 반사기(504, 506, 510, 512)[도5 참조], 반사기(604, 606)[도6 참조] 및 반사기(704, 706)[도7 참조]와 같은 하나 이상의 형상화된 RF 반사기를 생성하는데 사용될 수 있다.
작동 902에서, 표면(104)[도1a 참조]과 같은 제1 표면은 제1 표면의 단면을 기술하는 제1 다항식에 의해 표시된다. 작동 904에서, 표면(106)[도1a 참조]과 같은 제2 표면은 제2 표면의 단면을 기술하는 제2 다항식에 의해 표시된다. 이 표면들은 예를 들어, 다른 3차원 표면들이 또한 적절할 수 있지만 포물선, 쌍곡선 또는 타원형일 수 있다.
작동 906에서, 이 표면들에 의해 반사된 입사 파면의 진폭 및 위상 성분은 표면들을 나타내는 다항식에 기초하여 모사될 수 있다. 소정의 실시예에서, 입사 파면은 파면(103)[도1a 참조]과 같은 구형 파면일 수 있다.
작동 908에서, 표면을 나타내는 다항식의 계수들은 파면(107)[도1a 참조]과 같은 반사된 파면이 진폭에 있어서 실질적으로 균일하거나 및/또는 상에 있어서 부합될 때까지 반복적으로 조정될 수 있다. 소정의 실시예에서, 이 계수들은 어레이 안테나의 표면을 가로질러 편평한 전력 밀도를 달성하도록 감도 지수를 최대화하게 조정될 수 있다. 소정의 실시예에서 최적화 알고리즘이 사용될 수 있다.
작동 910에서, 반사면은 작동 908로부터 나온 다항식에 기초하여 생성될 수 있다. 소정의 실시예에서, 작동 910은 금속으로 (컴퓨터 제어 밀링 머신에 의해) 반사면을 생성하는 것을 포함할 수 있지만, 본 발명의 범주는 이에 한정되지 않는다.
다른 실시예에서, 작동 910은 입체 스테레오리소그래피 프로세스를 이용하여 반사면을 생성하는 것을 포함한다. 이러한 실시예에서, 입체 스테레오리소그래피 프로세스는 다항식에 기초한 표면의 3차원 컴퓨터 모델을 생성하고, 컴퓨터 모델에 기초한 액체 고분자의 층을 선택적으로 경화시키도록 자외선 레이저를 이용하는 것을 포함한다. 이러한 실시예들에서, 표면의 3차원 모델은 CAD 프로그램에서 생성될 수 있다. 컴퓨터 소프트웨어는 모델을 얇은 층으로(예를 들어, 밀리미터 두께당 5 내지 10개의 층) 할 수 있다. 자외선 레이저는 탱크 내의 액체 플라스틱(즉, 광고분자)의 상부면을 층들 중 하나에 조사되어 이를 경화시킬 수 있다. 광고분자는 자외광에 민감하여 레이저가 닿는 모든 곳에서 고분자는 경화된다. 플랫폼은 탱크 내로 소량 낙하한 후, 레이저는 앞선 층의 상단의 다음 층을 조사한다. 이러한 공정은 3차원 표면 단면이 형성될 때까지 레이저에 층마다 반복될 수 있다. 표면은 탱크로부터 제거되고, 용제로 세척되어 비경화된 플라스틱을 제거한다. 각각의 표면은 이후에 플라스틱을 경화시키도록 자외선 오븐 내에서 경화될 수 있다. 플라스틱 표면은 금속성 페인트 또는 전기 분해 금속성 도금과 같은 RF 반사 코팅으로 도포될 수 있지만, 본 발명의 범주는 이에 한정되지 않는다.
본 발명의 실시예는 능동 어레이 증폭기를 사용한 것으로서 설명되지만, 본 발명의 범주는 이에 한정되지 않는다. 소정의 실시예에서, 편평 개구 접시형(FLAPs) 안테나와 같은 능동 어레이 안테나가 본문에 개시된 형상화된 반사기 또는 형상화된 렌즈로 피드될 수 있다.
요약서는 독자가 기술적 개시의 본질을 확인하게 하는 요약서를 요구하는 37 C.F.R. 섹션 1.72(b)에 따라 제공된 것이다. 이는 청구항의 범주 또는 의미를 한정하거나 또는 해석하는데 사용되지 않는다고 이해하고 제출된 것이다.
상기 상세한 설명에서 다양한 특징들은 개시를 간소화할 목적으로 단일의 실시예에 함께 모아질 수도 있다. 이러한 개시 방법은 주제의 청구된 실시예가 각각의 청구항에서 명백하게 인용되는 더 많은 특징들을 요구하는 의도를 반영하는 것으로서 해석되지 않는다. 오히려, 다음의 청구범위가 반영될 때, 본 발명은 단일의 개시된 실시예의 모든 특징들보다 적게 놓일 수 있다. 이에 따라, 다음의 청구범위는 상세한 설명 내에서 구체화되고, 각각의 청구항은 별도의 양호한 실시예로서 각자의 의미를 나타낸다.
본 발명은 결합기의 삽입 손실 및 결합기의 각 다리 사이의 위상 매치 에러를 감소시킨 개선된 고전력 RF 증폭기를 제공한다.

Claims (15)

  1. 공간 반송식 고전력 증폭기이며,
    초기 파면을 반사시켜 반사된 파면을 생성하도록 구성된 곡률을 갖는 관련된 하나 이상의 RF 반사면을 구비한 하나 이상의 곡선형 반사기와,
    고전력 평면 파면을 생성하기 위해 반사된 파면을 증폭시키도록 구성된 복수개의 증폭기 셀을 포함하는 공간 반송식 능동 어레이 증폭기를 포함하며,
    하나 이상의 반사면의 곡률은 초기 파면의 진폭 테이퍼를 적어도 부분적으로 보상하여 공간 반송식 능동 어레이 증폭기에 입사될 시에 균일한 진폭을 갖는 반사된 파면을 제공하고,
    RF 소스는 진폭 테이퍼를 갖는 초기 파면을 발생시키고
    증폭기 셀은 균일한 진폭 성분을 갖는 고전력 평면 파면을 생성하기 위해 반사된 파면의 남아있는 테이퍼형 진폭 성분을 누진적으로 오프셋하도록 게인 세트를 가지는, 공간 반송식 고전력 증폭기.
  2. 제1항에 있어서, 초기 파면은 구형 파면을 포함하고, 반사면은 초기 파면을 포함하는 모든 에너지를 반사시키도록 선택된 반사 물질을 포함하는, 공간 반송식 고전력 증폭기.
  3. 제2항에 있어서, 곡선형 반사기는 수정된 포물면인 단면, 수정된 쌍곡면인 단면 또는 수정된 타원면인 단면 중 적어도 하나를 포함하고,
    반사면의 곡률은 능동 어레이 증폭기 상에 균일한 진폭으로 입사하는 반사된 파면을 제공하기 위해 진폭 테이퍼를 적어도 일부 보상하도록 선택된 계수들을 갖는 다항식으로 나타내는, 공간 반송식 고전력 증폭기.
  4. 제2항에 있어서, 곡선형 반사기는 제1 반사기 및 제2 반사기를 포함하고, 제1 반사기는 수정된 포물면인 단면을 포함하고, 제2 반사기는 수정된 쌍곡면인 단면을 포함하며,
    공간 반송식 능동 어레이 증폭기는 반사된 파면의 남아있는 테이퍼형 진폭 성분을 추가 오프셋하기 위해 게인이 설정될 때 포화 상태 또는 포화에 가까운 상태로 각각의 증폭기 셀을 조작하는 자동 게인 제어기를 포함하는, 공간 반송식 고전력 증폭기.
  5. 제4항에 있어서, 공간 반송식 능동 어레이 증폭기는 반사된 방향으로 고전력 평면 파면을 생성하도록 평면 표면의 동일 측면상에 복수개의 직교 편광 수신 및 송신 안테나와 복수개의 증폭기 셀을 구비하는 공간 반송식 능동 반사 어레이 증폭기이고,
    수신 안테나는 반사된 파면을 수신하도록 구성되어 수신된 반사된 파면을 복수개의 증폭기 셀에 제공하고, 송신 안테나는 고전력 평면 파면을 제공하기 위해 복수개의 증폭기 셀에 의해 증폭된 신호를 송신하도록 구성되는, 공간 반송식 고전력 증폭기.
  6. 제1항에 있어서, 능동 어레이 증폭기는 동일한 복수개의 증폭기 셀을 포함하고, 각각의 증폭기 셀은 반사된 파면을 수신하도록 구성된 수신 안테나와, 수신 안테나를 통해 수신된 RF 신호를 증폭시키도록 구성된 전력 증폭기와, 전력 증폭기에 의해 제공되는 증폭된 RF 신호를 송신하도록 구성된 송신 안테나를 가지며, 복수개의 증폭기 셀에 의해 송신된 증폭된 RF 신호는 평면 출력 집속 파면을 포함하는, 공간 반송식 고전력 증폭기.
  7. 제3항에 있어서, 반사면은 상부에 배치된 RF 반사 코팅을 갖는 3차원(3D) 플라스틱 표면을 가지는, 공간 반송식 고전력 증폭기.
  8. 공간 반송식 밀리미터파 증폭기이며,
    수정된 포물면인 단면을 포함하는 제1 형상화된 반사기와,
    구형인 초기 파면을 반사시켜 반사된 파면을 생성하도록 구성된 곡률을 가지며, 수정된 쌍곡면인 단면을 포함하는 제2 형상화된 반사기와,
    고전력 평면 파면을 생성하도록 반사된 파면을 증폭시키도록 구성된 복수개의 증폭기 셀을 포함하는 공간 반송식 능동 어레이 증폭기를 포함하며,
    제1 및 제2 형상화된 반사기의 곡률은 초기 파면의 진폭 테이퍼를 적어도 부분적으로 보상하도록 선택되고 능동 어레이 증폭기에 입사될 시에 균일한 진폭 성분을 갖는 반사된 파면을 제공하도록 선택되며,
    RF 소스는 진폭 테이퍼를 갖는 구형인 초기 파면을 생성하며,
    증폭기 셀은 균일한 진폭 성분을 갖는 고전력 평면 파면을 생성하기 위해 반사된 파면의 남아있는 테이터형 진폭 성분을 추가 오프셋하도록 게인 세트를 가지는, 공간 반송식 밀리미터파 증폭기.
  9. 제8항에 있어서, 제1 및 제2 형상화된 반사기의 반사면은 공간 반송식 능동 어레이 증폭기 상에 균일한 진폭으로 입사되는 반사된 파면을 제공하도록 선택된 계수들을 갖는 다항식으로 나타내는, 공간 반송식 밀리미터파 증폭기.
  10. 제9항에 있어서, 제1 및 제2 형상화된 반사기의 반사면은 상부에 배치된 RF 반사 코팅을 갖는 3차원(3D) 플라스틱 표면을 포함하는, 공간 반송식 밀리미터파 증폭기.
  11. 제10항에 있어서, 공간 반송식 능동 어레이 증폭기는 동일한 복수개의 증폭기 셀을 포함하며, 각각의 증폭기 셀은 반사된 파면을 수신하도록 구성된 수신 안테나와, 수신 안테나를 통해 수신된 RF 신호를 증폭시키도록 구성된 전력 증폭기와, 전력 증폭기에 의해 제공된 증폭된 RF 신호를 송신하도록 구성된 송신 안테나를 가지며,
    복수개의 증폭기 셀에 의해 송신된 증폭된 RF 신호는 평면 출력 집속 파면을 포함하고,
    공간 반송식 능동 어레이 증폭기는 반사된 파면의 남아있는 테이퍼형 진폭 성분을 추가 오프셋하기 위해 게인이 설정될 때 포화 상태 또는 포화에 가까운 상태로 각각의 증폭기 셀을 조작하는 자동 게인 제어기를 포함하는, 공간 반송식 밀리미터파 증폭기.
  12. 공간 반송식 고전력 증폭기이며,
    비평면 입력 파면을 생성하도록 구성된 저전력 RF 소스와,
    입력 파면을 수신하도록 구성되고 균일한 진폭 성분을 갖는 평면 출력 파면을 생성하도록 구성되는 공간 반송식 능동 어레이 증폭기로서, 능동 어레이 증폭기는 복수개의 증폭기 셀을 포함하고, 각각의 증폭기 셀은 평면 출력 파면의 균일한 진폭 성분을 생성하기 위해 비평면 입력 파면의 테이펴형 진폭 성분을 누진적으로 오프셋하도록 개별적으로 설정된 게인을 가지는 공간 반송식 능동 어레이 증폭기와,
    공간 반송식 능동 어레이 증폭기에 의한 수신을 위해 초기 파면을 반사시켜 반사된 파면을 생성하도록 선택된 곡률을 갖는 관련된 하나 이상의 RF 반사면을 구비한 하나 이상의 곡선형 반사기를 포함하는, 공간 반송식 고전력 증폭기.
  13. 제12항에 있어서, RF 소스는 구형인 입력 파면을 생성하도록 호온 안테나를 포함하는, 공간 반송식 고전력 증폭기.
  14. 제13항에 있어서, 곡선형 반사기는 제1 반사기와 제2 반사기를 포함하고, 제1 반사기는 포물면인 단면을 포함하고, 제2 반사기는 쌍곡면인 단면을 포함하는, 공간 반송식 고전력 증폭기.
  15. 제14항에 있어서, 공간 반송식 능동 어레이 증폭기는 반사된 방향으로 고전력 평면 파면을 생성하기 위해 평면 표면의 동일 측면상에 복수개의 직교 편광 수신 및 송신 안테나와 복수개의 증폭기 셀을 구비하는 공간 반송식 능동 반사 어레이 증폭기이고,
    수신 안테나는 반사된 파면을 수신하도록 구성되어 수신된 반사된 파면을 복수개의 증폭기 셀에 제공하고, 송신 안테나는 고전력 평면 파면을 제공하기 위해 복수개의 증폭기 셀에 의해 증폭된 신호를 송신하도록 구성되는, 공간 반송식 고전력 증폭기.
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