KR101473283B1

KR101473283B1 - 안테나

Info

Publication number: KR101473283B1
Application number: KR1020107005218A
Authority: KR
Inventors: 그레임 딕 모리슨; 안소니 킹호른; 로날드 리옹; 앵거스 데이비드 맥라클란
Original assignee: 셀렉스 이에스 리미티드
Priority date: 2007-08-17
Filing date: 2008-08-14
Publication date: 2014-12-16
Also published as: KR20100047313A; IL203969A; BRPI0815212A2; US8354973B2; GB0716116D0; JP2010537461A; AU2008290579B2; US20100201601A1; EP2186164A1; AU2008290579A1; WO2009024539A1

Abstract

본 발명은 송수신 모듈이 일련의 별도의 패키지화된 컴포넌트로 대체되는 위상 어레이 안테나에 관한 것이다. 컴포넌트는 예를 들어 벡터 제어 컴포넌트, 고 전력 증폭기 컴포넌트, 저 노이즈 증폭기 컴포넌트, 송수신 듀플렉싱 컴포넌트 및 보조 지지 컴포넌트를 포함한다. 이러한 배치의 이점은 종래의 솔루션에 비해 이러한 어레이와 일체화되는 시스템의 성능 및/또는 성능에 제한을 두지 않고 안테나를 더 저렴하게 구성할 수 있다는 점이다.

Description

안테나{ANTENNA}

본 발명은 많은 이산 송수신 모듈(discrete transmit/receive modules)을 필요하지 않아 비용을 줄일 수 있는 새로운 위상 배열 안테나(phased array antenna)에 관한 것이다. 구체적으로 그러나 독점적이지 않게, 본 발명은 송수신 모듈 대신 이산 컴포넌트를 포함하는 위상 배열 안테나에 관한 것이다.

위상 배열 안테나를 제조할 때, 일반적인 기술 동향은 제조할 안테나의 가장 높은 동작 주파수를 결정하는 것인 데, 안테나의 가장 높은 동작 주파수에 기인하는 방사 소자들의 공간을 마련하는 것에 기초하여, 이 공간에 송수신 모듈에 결합된 방사 소자를 정확하게 설치하여 사용되는 송수신 모듈의 수를 최소화한다. 각각의 송수신 모듈은, 고 전력 송신, 수신 및 빔 포밍(beam foming) 및 빔 스티어링(beam steering)을 위한 게인/위상 제어의 기능을 수행하는 별개의 실체이다.

그렇지만, 이것은 송수신 모듈이 통상적으로 매우 고비용이고 완전한 안테나로 용이하게 조립되지 않으므로, 위상 배열 안테나를 구성하는 데 비용이 많이 드는 방법이다.

따라서, 본 발명은 위상 배열 안테나를 제공하며, 상기 위상 배열 안테나는, 복수의 통신 유닛을 포함하며, 상기 복수의 통신 유닛은 복수의 송수신 모듈의 기능을 수행하는 일련의 컴포넌트를 포함한다.

본 발명은 공지 형태의 위상 배열 안테나의 기능을 재생하는 것이며, 즉, 방사 소자 스페이싱은 동일하고 소자당 전력 출력도 동일하다. 공지의 안테나에서, 각각의 방사 소자는 본 발명의 안테나에서 동일한 송수신 모듈에 연결되어 있으며, 각각의 방사 소자는 종래의 송수신 모듈의 기능을 함께 재생하는 일련의 개별적으로 패키지화된 컴포넌트에 연결되어 있다. 본 발명에서, 필요한 송수신 기능을 수행하는 주요 컴포넌트는 두 개의 패키지, 즉 '저 전력' 유닛 및 '고 전력' 유닛에서 바람직하게 수행된다.

바람직하게, 각각의 통신 유닛은 위상 어레이 안테나가 필요로 하는 모든 지원 회로를 더 포함하는 단일의 인쇄 회로 보드로 이루어진다.

첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 설명한다.

도 1은 일련의 통신 모듈을 포함하는 종래 형태의 위상 배열 안테나의 개략도이며, 통신 모듈은 송수신 모듈 형태로 되어 있는 일련의 방사 통신 모듈에 연결되어 있다.
도 2는 도 1의 종래 형태의 위상 배열 안테나의 송수신 모듈을 나타내는 개략도이다.
도 3은 통신 유닛을 나타내는 본 발명에 따른 위상 배열 안테나의 개략도이며, 통신 유닛은 복수의 송수신 모듈의 기능을 가지는 복수의 컴포넌트를 포함한다.

도 1에 도시된 위상 배열 안테나는, 방사 소자(410)가 위치하는 어레이 페이스(array face)(400)의 뒤에 어레이 안테나(100)의 구성을 나타낸다. 각각의 방사 소자(410, 410', 410")는 송수신 모듈(500, 500', 500")과 연결되어 있고, 이 송수신 모듈(500, 500', 500")은 또한 (화살표(32, 32, 32)로 도시되어 있는) 결합 소자(450)에 연결되어 있다. 각각의 결합 소자(450)는 또한 메인 어레이부(300)에 연결되어 있다(화살표 36으로 도시되어 있다). 복수의 송수신 모듈(500)은 하나의 결합 소자(450)에 연결될 수 있다. 대안으로 이때 하나 이상의 결합 소자가 결합된다.

도 2는 도 1의 위상 배열 안테나에서 송수신 모듈(500, 500', 500")의 구성을 나타낸다.

도 3의 위상 배열 안테나에서, 본 발명의 한 관점에 따르면, 송수신 모듈(500, 500', 500")은 일련의 컴포넌트(500a, 500b, 500c, 500'a, 500'b, 500'c, 500"a, 500"b, 500"c)로 대체되어 왔다. 컴포넌트는 송수신 모듈의 기능을 함께 수행하며 단일의 회로 보드에 이롭게 장착될 수 있으며, 이 단일의 회로 보드는 통상적으로 송수신 회로 모듈의 외부에 있는 필요한 임의의 지원 회로를 또한 포함한다.

일련의 컴포넌트(500a, 500b, 500c, 500'a, 500'b, 500'c, 500"a, 500"b, 500"c)는, 두 개의 칩이 하나의 패키지에 통합되어 있는 저 전력 모듈(low power module)(이 저 전력 모듈의 목적은 송수신 상의 게인/위상 시프팅, 전체적인 제어, 및 송신용 하부 레벨 드라이브 신호의 발생이다); 다시 멀티-칩 패키지인 고 전력 모듈(이 고 전력 모듈의 목적은 저 레벨 송신 신호를 증폭하는 것이다); 저 노이즈 증폭기/보호 스위치 모듈(이것은 두 개의 변형 중 하나가 될 수 있는 데, 하나는 이것을 별도의 유닛으로서 가지며, 다른 하나는 이것을 고 전력 모듈의 내부에 갖는다); 표면 장착 순환기(surface mount circulator)(송수신 스위치로 대체될 수 있다); 및 커패시터와 같은 적은 수의 간단한 컴포넌트를 포함할 수 있다. 특정한 예들이 이상과 같이 주어지지만, 이것들에 제한되지 않으며 컴포넌트의 임의의 조합을 사용하여 원하는 효과를 달성할 수 있다.

컴포넌트(500a, 500b, 500c, 500'a, 500'b, 500'c, 500"a, 500"b, 500"c)는 표면 장착 패키징 기술을 사용하여 회로 보드 상에 장착되어, 전력, 제어 및 고주파 마이크로웨이브를 위해 필요한 상호접속을 이롭게 제공할 수 있다. 표면 장착 패키지가 사용되면, 산업 표준 솔더링 기술을 사용이 사용되는 동안 필요가 접속이 얻어진다. 발명의 명칭이 "Antenna"인 GB 출원 No ******(XA2192)에 개시된 바와 같은 특별한 접속이 사용될 수 있으며 본 명세서에 원용된다. 이러한 접속은 필수적으로 수직 동축 전환을 모방하는 볼 그리드 어레이 솔더 볼(Ball Grid Array solder balls)의 패턴이다. 이것은 인쇄 회로 보드 내의 내장 스트립라인(stripline)을 상부 표면과 연결하며, 이것은 RF 디바이스 또는 마이크로스트립의 내부 편(internal piece)에 연결되어 있는 패키지를 관통한다. 대안으로, QFN(Quad Flat No leads) 스타일과 함께 사용하기 위한 RF 전환이 사용될 수도 있다.

종래의 송수신 모듈은 금속/세라믹 콤비네이션이며 따라서 온도 계수가 송수신 모듈 내부의 GaAs 컴포넌트와 잘 일치하지만, 이것은 안테나 구조와의 열 불균형(thermal mismatch)을 야기하며 이에 따라 컴플라이언트 상호접속(compliant interconnect)이 필요하다. 이롭게도, 종래의 송수신 모듈 대신, 일련의 콤팩트 패키지를 사용하면, 이 열 불균형을 줄일 수 있다. 열 불균형이 낮을수록, 컴플라이언트 상호접속이 필요하지 않으며 대신 간단한 솔더링 기술이 사용될 수 있다.

위에서 언급된 솔더링 기술은 볼 그리드 어레이(BGA) 기술을 사용할 수 있다. 이것은 이롭게도 우수한 냉각 메커니즘을 제공한다. 통상적으로, 핫 컴포넌트는 냉벽에 부착되는 열 확산기(thermal spreader)에 장착되어 컴포넌트의 열을 낮춘다. 콤팩트 패키지의 경우, BGA 기술이 사용될 수 있으면, 이산 '핫' 컴포넌트 아래의 복수의 솔더 볼은 설계될 수 있는 열 비아(thermal vias)를 통해 회로 보드로 열을 통과시킨다. 이때 회로 보드는 냉벽에 결합될 수 있으며, 이에 의해 통신 유닛의 설계 및 구조를 단순화시킬 수 있다. 또한, 이러한 구성에 의하면, 컴포넌트는 솔더링 부착의 만족스런 방법을 제공하는 충분히 낮은 매스로 되어 있기 때문에, 송수신 모듈의 별도의 기계적 고정이 필요하지 않다.

통상적인 송수신 모듈은 다양한 방식으로 "패키지화되며"(도 2 참조) 전술한 바와 같이, 제조 및 테스트를 위한 이산 실체(discrete entity)로서 보인다. 이에 의해 이 방법에서는 상당한 비용절감을 이룰 수 있으며, 수 개의 개별적인 패키지화된 컴포넌트로의 송수신 기능의 분할은 비용이 더욱 효율적으로 되고, 더욱 소형화되며 도 2에 도시된 바와 같은 종래의 패키지보다 훨씬 저렴해진다.

예에 의하면, 송수신 모듈 기능은 3개의 주요 컴포넌트: 저 전력/제어를 위한 컴포넌트, 고 전력을 위한 컴포넌트, 및 외부의 패키지화된 순환기를 사용하여 달성될 수 있다. 복수의 송수신 모듈 등가물은, 모든 전력, 제어 및 RF 상호접속, 방사 소자, 부가의 제어 및 전력 공급 회로를 통합하여 단일의 통신 유닛을 형성할 수 있는 단일의 인쇄 회로 보드에서 구현된다. 이러한 복수의 통신 유닛은 그런 다음 완전한 위상 배열 안테나를 형성하도록 간단하게 조립된다. 전술한 위상 배열 안테나는 냉벽에 각각의 통신 유닛을 장착하고, 이 냉벽은 안테나의 동작 주파수(치수를 결정함) 및 전력 밀도에 따라 다양한 수단에 의해 냉각될 수 있다. 예에 의하면, 전술한 안테나는 냉벽에 내장된 액체 냉각 채널을 사용하여 X-밴드 안테나에 필요한 전력 밀도를 지지한다. 디바이스는 임의 개수의 방사 소자가 예상될 수 있지만, 단일의 회로 보드 상에 30개의 방사 소자를 설치할 수 있다는 것이 입증되었다.

본 발명의 위상 배열 어레이는 임의의 주파수 범위에 걸쳐 사용될 수 있지만, 특히 5 GHz 이상의 주파수에서 동작하는 어레이와 관련되는 이점이 있다.

Claims

위상 배열 안테나에 있어서,
복수의 송수신 모듈 등가물을 포함하고,
각각의 상기 복수의 송수신 모듈 등가물은 적어도 저전력/제어부, 고전력부 및 순환기(circulator)를 통합하며,
상기 복수의 송수신 모듈 등가물은, 적어도 전력 제어부, RF 상호접속부, 방사 소자, 그리고 제어 및 전력 공급 회로를 통합하는 단일의 인쇄 회로 보드(printed circuit board)에 구성되어 단일의 통신 유닛을 형성하고,
미리 정해진 복수의 통신 유닛들은 조립되어 상기 위상 배열 안테나를 형성하며,
조립된 상기 통신 유닛들의 수는 상기 위상 배열 안테나의 미리 정해진 특성에 의해 결정되고,
각각의 상기 송수신 모듈 등가물은, 상기 통신 유닛을 형성하기 위하여 단일의 인쇄 회로 보드에서 미리 정해진 수로 조합 가능한 이산 컴포넌트(discrete component)(500a, 500b, 500c, 500'a, 500'b, 500'c, 500"a, 500"b, 500"c)를 포함하는, 위상 배열 안테나(100).
삭제
제1항에 있어서,
상기 이산 컴포넌트(500a, 500b, 500c, 500'a, 500'b, 500'c, 500"a, 500"b, 500"c)는, 단순한 솔더링 기술을 이용하여 상기 위상 배열 안테나에 접속되는, 위상 배열 안테나(100).
제3항에 있어서,
상기 솔더링 기술은, 복수의 솔더 볼이 상기 이산 컴포넌트 아래에 배치되어 상기 인쇄 회로 보드 내에 설계된 열 비아를 통해 열을 전달하도록, BGA(Ball Grid Array) 기술을 포함하는, 위상 배열 안테나(100).
제1항, 제3항 또는 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서,
핫 컴포넌트(hot component)를 냉각하기 위한 냉각 수단을 더 포함하는, 위상 배열 안테나(100).
제5항에 있어서,
상기 냉각 수단은, 상기 인쇄 회로 보드가 결합되는 냉벽(cold wall)을 포함하여, 상기 인쇄 회로 보드의 동작 온도를 감소시키고 통신 유닛의 설계 및 구조를 단순화하는, 위상 배열 안테나(100).
제6항에 있어서,
상기 냉벽은, 상기 이산 컴포넌트(500a, 500b, 500c, 500'a, 500'b, 500'c, 500"a, 500"b, 500"c)에 대향하는 상기 인쇄 회로 보드의 일 측에서 상기 인쇄 회로 보드에 장착되는, 위상 배열 안테나(100).
제7항에 있어서,
상기 이산 컴포넌트(500a, 500b, 500c, 500'a, 500'b, 500'c, 500"a, 500"b, 500"c)는, 전력, 제어 및 고주파 마이크로웨이브를 위해 필요한 상호접속을 제공할 수 있는 표면 장착 패키징 기술을 이용하여 상기 인쇄 회로 보드에 장착되는, 위상 배열 안테나(100).
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