KR102005654B1 - 원통형 피드 안테나의 개구 분할 - Google Patents

원통형 피드 안테나의 개구 분할 Download PDF

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Abstract

개구 분할에 대한 방법 및 장치가 개시된다. 일실시예에서, 안테나는 원통형 피드파를 입력하기 위한 안테나 피드, 및 안테나 피드와 결합된 그리고 결합될 때, 복수의 동심 링이 안테나 피드에 대해 동심인, 안테나 요소의 복수의 폐쇄 동심 링을 형성하는 안테나 요소를 갖춘 복수의 세그먼트를 포함하는 물리적 안테나 개구를 구비하여 구성된다.

Description

원통형 피드 안테나의 개구 분할
본 발명은 대응하는 2015년 3월 5일에 출원된 "Cell Placement with Predefined Matrix Drive Circuitry for Cylindrical Feed"라는 명칭의 가출원 번호 62/128,894, 2015년 3월 5일에 출원된 "Vortex Matrix Drive Lattice for Cylindrical Feed Antennas"라는 명칭의 가출원 번호 62/128,896, 2015년 3월 20일에 출원된 "Aperture Segmentation of a Cylindrical Feed Antenna"라는 명칭의 가 출원 번호 62/136,356, 및 2015년 4월 27일에 출원된 "A Metamaterial Antenna System for Communications Satellite Earth Stations"라는 명칭의 가출원 번호 62/153,394에 대해 우선권을 주장하고, 참조에 의해 통합한다.
본 발명은 2016년 3월 3일에 출원된 "Antenna Element Placement for a Cylindrical Feed Antenna"라는 명칭의 미국 특허 출원 번호 15/059,843의 동시 계속 출원에 관한 것이고, 본 발명의 공동 양수인에게 양도되었다.
본 발명의 실시예는 안테나 분야에 관한 것이고; 특히, 본 발명의 실시예는 안테나 개구를 위한 안테나 요소 배치(placement) 및 예를 들면, 원통형 피드 안테나와 같은 안테나를 위한 개구의 분할(segmentation)에 관한 것이다.
사용된 기술과 관련 없이 매우 큰 안테나의 제작은 크기에 있어서 기술의 한계에 종종 접근하고, 궁극적으로는 매우 높은 제작 비용으로 이어진다. 게다가, 큰 안테나에서의 작은 오차는 안테나 제품의 고장을 초래할 수 있다. 이것은 다른 산업에서도 사용될 수 있는 특정 기술의 접근이 안테나 제조에 쉽게 적용될 수 없는 이유이다. 이러한 기술 중 하나는 능동 행렬 기술(active matrix technology)이다.
능동 행렬 기술은 액정 디스플레이를 구동하기 위해 사용되어져 왔다. 이러한 기술에서, 하나의 트랜지스터는 각 액정 셀(cell)에 결합될 수 있고, 각 액정 셀은 트랜지스터의 게이트에 결합된 선택 신호에 전압을 인가함으로써 선택될 수 있다. TFT(thin-film transistor)를 포함하는, 많은 여러 종류의 트렌지스터가 사용된다. TFT의 경우에서, 능동 행렬은 TFT 능동 행렬로 지칭된다.
능동 행렬은 어레이에서 각 액정을 제어하기 위해 어드레스(address) 및 구동 회로(drive circuitry)를 이용한다. 각 액정 셀이 고유하게 어드레스 되는 것을 보장하기 위해서, 행렬은 행과 열의 도체(conductor)를 이용해서 선택 트렌지스터에 대한 연결을 생성한다.
행렬 구동 회로의 이용은 안테나와 함께 이용하기 위해 제안되어 왔다. 그러나, 행과 열의 도체를 이용하는 것은 행과 열로 정렬된 안테나 요소를 갖는 안테나 어레이에서는 유용할 수 있지만, 안테나 요소가 그러한 방식으로 정렬되지 않았을 때에는 실행가능하지 않을 수 있다.
타일링(tiling) 및 분할는 이러한 안테나의 제작과 연관된 문제들을 감소시키는데 도움을 주기 위해서 위상 어레이(phased array) 및 정적 어레이(static array) 안테나를 제작하는 일반적인 방법이다. 큰 안테나 어레이를 제작할 때, 큰 안테나 어레이는 일반적으로 동일한 세그먼트(segment)인 LRU(Line Replaceable Unit)로 세그먼트 된다. 개구 타일링 및 분할은 큰 안테나, 특히 위상 어레이와 같은 복잡한 시스템의 경우 매우 일반적이다. 그러나 원통형 피드 안테나에 대한 타일링 방식을 제공하는 분할의 적용은 발견되지 않았다.
개구 분할에 대한 방법 및 장치가 개시된다. 일실시예에서, 안테나는 원통형 피드파(cylindrical feed wave)를 입력하기 위한 안테나 피드, 및 안테나 피드와 결합된 그리고 결합될 때, 복수의 동심 링이 안테나 피드에 대해 동심인, 안테나 요소의 복수의 폐쇄 동심 링을 형성하는 안테나 요소를 갖춘 복수의 세그먼트를 포함하는 물리적 안테나 개구를 구비하여 구성된다.
본 발명은 이제부터 주어진 상세한 설명, 및 본 발명의 다양한 실시예의 도면으로부터 더 잘 이해될 것이지만, 특정 실시예로 본 발명을 제한하는 것으로 해석되어서는 안 되며, 오직 설명과 이해를 돕기 위함이다.
도 1a는 원통형 파동 피드를 제공하기 위해 사용된 동심축 피드의 실시예의 상면도를 나타낸다.
도 1b는 원통형으로 피드된 안테나의 출력 피드 주변으로 동심 링에 배치된 안테나 요소의 하나 이상의 어레이를 갖는 개구를 나타낸다.
도 2는 접지면 및 재구성 가능한 공진기 레이어를 포함하는 한 열의 안테나 요소의 투시도를 나타낸다.
도 3은 튜닝 가능한 공진기/슬롯의 실시예를 나타낸다.
도 4는 물리적 안테나 개구의 실시예의 단면도를 나타낸다.
도 5a 내지 도 5d는 슬롯 어레이의 생성에 대한 여러 레이어의 실시예를 나타낸다.
도 6은 나가는 파를 생산하는 원?형 피드와 함께 안테나 시스템의 다른 실시예를 나타낸다.
도 7은 동심 정사각형(직사각형)을 형성하기 위해 그룹화된 셀의 예시를 보여준다.
도 8은 동심 8각형을 형성하기 위해 그룹화된 셀의 예시를 보여준다.
도 9는 조리개 및 행렬 구동 회로를 포함하는 작은 개구의 예시를 보여준다.
도 10은 셀 배치를 위해 이용되는 격자 나선의 예를 보여준다.
도 11은 더 균일한 밀도를 달성하기 위해 추가적인 나선을 사용하는 셀 배치의 예를 보여준다.
도 12는 전체 개구를 채우기 위해 반복되는 나선의 선택된 패턴을 나타낸다.
도 6은 원통형 피드 개구의 사분면으로의 분할의 실시예를 나타낸다.
도 14a 및 도 14b는 도 6에 적용된 행렬 구동 격자의 단일 세그먼트를 나타낸다.
도 15는 원통형 피드 개구의 사분면으로의 분할의 다른 실시예를 나타낸다.
도 16a 및 도 16b는 도 15에 적용된 행렬 구동 격자의 단일 세그먼트를 나타낸다.
도 17은 안테나 요소에 대한 행렬 구동 회로의 배치의 실시예를 나타낸다.
도 18은 TFT 패키지의 실시예를 나타낸다.
도 19a 내지 도 19b는 홀수의 세그먼트와 함께 안테나 개구의 예시를 나타낸다.
플랫 패널(flat panel) 안테나의 실시예가 개시된다. 플랫 패널 안테나는 안테나 개구 상의 안테나 요소의 하나 이상의 어레이를 포함한다. 일실시예에서, 안테나 요소는 액정 셀로 구성된다. 일실시예에서, 플랫 패널 안테나는 열 및 행으로 배치(place)되지 않은 각 안테나 요소를 고유하게 어드레스하고 구동하기 위해서 행렬 구동 회로를 포함하는 원통형으로 피드된 안테나이다. 일실시예에서, 요소는 링 모양으로 배치된다.
일실시예에서, 안테나 요소의 하나 이상의 어레이를 갖는 안테나 개구는 함께 결합된(coupled) 다수의 세그먼트(segment)로 구성된다. 함께 결합될 때, 세그먼트의 조합(combination)은 안테나 요소의 폐쇄 동심 링(closed concentric ring)을 형성한다. 일실시예에서, 동심 링은 안테나 피드에 대해 동심이다.
앞으로의 설명에서, 본 발명의 더욱 완전한 설명을 제공하기 위해 많은 세부사항이 제시된다. 그러나 당업자에게는, 본 발명이 이러한 특정 세부사항 없이 실행될 수 있음이 명백할 것이다. 다른 예시에서, 잘 알려진 구조 및 장치가 본 발명을 모호하게 하는 것을 피하기 위해, 상세하지 않은 블록도 형식으로 보여진다.
세부적인 설명의 일부분은 컴퓨터 메모리 내의 데이터 비트에 대한 작동의 알고리즘 및 상징적 표현으로 제공된다. 이러한 알고리즘식 설명 및 표현은 데이터 처리 분야의 당업자가 그들의 작업 핵심을 가장 효과적으로 다른 당업자에게 전달하는 수단이다. 알고리즘은, 일반적으로, 원하는 결과로 이어지는 단계의 일관된 순서(self-consistent sequence)로 표현된다. 이 단계는 물리량(physical quantity)을 물리적으로 조작(manipulation)을 요구한다. 일반적으로, 필수적이지 않지만, 이러한 양은 저장, 이동, 결합, 비교 및 기타 조작이 가능한 전기 또는 자기 신호의 형태를 취할 수 있다. 원칙적으로 공통적인 사용의 까닭으로 비트(bit), 값(value), 요소(element), 기호(symbol), 문자(character), 용어(term), 숫자(number) 등과 유사한 것과 같은 신호로 지칭할 때 편리하다고 판명되었다.
그러나, 이러한 이들 및 유사한 용어 모두는 적절한 물리량과 연관되어야하고, 이러한 양에 적용되는 단지 편리한 라벨(label)일 뿐임을 명시해야한다. 앞으로의 설명으로부터 명백해지는 바와 같이, 특별히 다르게 언급되지 않는 한, 본 발명에서, "처리(processing)" 또는 "컴퓨팅" 또는 "연산" 또는 "결정" 또는 "디스플레이(displaying)" 또는 이와 유사한 것들과 같은 용어를 활용하는 논의는, 컴퓨터 시스템의 레지스터(register) 및 메모리 내에서 물리적(전자)량과 같이 표현된 데이터를, 컴퓨터 시스템 메모리 또는 레지스터 또는 다른 정보 저장 장치, 송신 또는 디스플레이 장치와 같은 것 내에서 물리량과 같이 유사하게 표현된 다른 데이터로, 조작 또는 변형시키는 컴퓨터 시스템, 또는 유사 전자 컴퓨팅 장치의 행동 및 처리를 언급하는 것으로 여겨진다.
안테나 시스템 예시의 개요
일실시예에서, 플랫 패널 안테나는 메타 물질(metamaterial) 안테나 시스템의 일부이다. 통신 위성 지구 기지용 메타 물질 안테나 시스템의 실시예가 설명된다. 일실시예에서, 안테나 시스템은 Ka-대역(Ka-band) 주파수 또는 민간 상용 위성 통신용 Ku-대역 주파수를 이용해서 작동하는 모바일 플랫폼(mobile platform)(예를 들면, 항공, 해상, 육상, 등등)에서 작동하는 위성 지구 기지국(ES;earth station)의 구성 요소 또는 서브 시스템이다. 또한, 안테나 시스템의 실시예는 모바일 플랫폼 (예를 들면, 고정된 또는 이동 가능한 지구 기지국) 상이 아닌 지구 기지에서 사용될 수 있음에 유의해야 한다.
일실시예에서, 안테나 시스템은 개별 안테나를 통해 빔을 형성, 조종, 송신 및 수신하기 위해 표면 산란하는 메타 물질(surface scattering metamaterial) 기술을 이용한다. 일실시예에서, 안테나 시스템은 (위상 어레이 안테나와 같은) 빔을 전기적으로 형성 및 조종하도록 처리하는 디지털 신호를 채용하는 안테나 시스템과는 대조적으로, 아날로그 시스템이다.
일실시예에서, 안테나 시스템은 (1) 원통형 파동 피드 구조(cylindrical wave feed architecture)로 구성된 도파관 구조; (2) 안테나 요소의 부분인 메타 물질 유닛 셀을 산란시키는 파의 어레이; 및 (3) 홀로그래픽 원리를 이용해서 메타 물질 산란 요소(metamaterial scattering element)로부터 조정 가능한 복사장(빔)(radiation field(beam))의 형성을 일으키는 제어 구조와 같은 3개 기능의 서브 시스템으로 구성된다.
도파관 구조의 예시
도 1a는 원통형 파동 피드를 제공하기 위해 사용된 동축 피드(coaxial feed)의 실시예의 상면도를 나타낸다. 도 1a를 참조하면, 동축 피드는 중심 도체 및 외부 도체를 포함한다. 일실시예에서, 원통형 파동 피드 구조는 피드 포인트(feed point)로부터 원통형으로 바깥쪽으로 퍼지는 여기(excitation)와 함께 중심점(central point)으로부터 안테나를 피드한다. 즉, 원통형으로 피드된 안테나는 외부로 진행하는 동심원 피드파(concentric feed wave)를 생성한다. 그렇지만, 원통형 피그 주위의 원통형 피드 안테나의 모양은 원형, 정사각형 또는 어떠한 모양도 될 수 있다. 다른 실시예에서, 원?형으로 피드된 안테나는 내부로 진행하는 피드파를 생성한다. 이러한 경우에서, 피드파는 원형 구조가 가장 자연적으로 나온다.
도 1b는 원통형으로 피드된 안테나의 출력 피드 주변으로 동심 링에 배치된 안테나 요소의 하나 이상의 어레이를 갖는 개구를 나타낸다.
안테나 요소
일실시예에서, 안테나 요소는 패치 및 슬롯 안테나(유닛 셀)의 그룹으로 구성된다. 유닛 셀의 그룹은 산란하는 메타 물질 요소(scattering metamaterial element)의 어레이로 구성된다. 일실시예에서, 안테나 시스템에서 각 산란하는 요소는 하부 전도체, 절연체 기판, 및 상부 전도체에 새겨지거나(etched) 그 위에 내려놓은(deposited) CELC(complementary electric inductive-capacitive resonator)를 끼운(embed) 상부 전도체로 이루어진 유닛 셀(unit cell)의 일부이다.
일실시예에서, 액정(liquid crystal)은 산란하는 요소 주위의 공간(gap)에 배정(dispose)된다. 액정은 각 유닛셀에 압축되고(encapsulate), 패치에 연관된 상부 전도체로부터 슬롯에 연관된 하부 전도체를 분리시킨다. 액정은 액정을 구성하는 분자의 방향의 기능인 유전율을 갖고, 분자의 방향(orientation)(및 따른 유전율)은 액정을 가로지르는 바이어스 전압(bias voltage)를 조정함으로써 제어될 수 있다. 이러한 성질을 이용하여, 일실시예에서, 액정은 도파(guided wave)에서 CELC까지 에너지의 송신을 위해 온/오프 스위치(on/off switch) 및 온과 오프 사이의 중간 상태(intermediate state)를 통합한다. 스위치가 켜지면, CELC는 전기 소형 쌍극자 안테나(electirically small dipole antenna)와 같은 전자기파를 방출한다. 본 발명에서의 기술은 에너지 송신에 따른 2진법 방식으로 작동하는 액정을 갖는 것에 제한되지 않음에 유의해야 한다.
일실시예에서, 안테나 시스템의 피드 기하구조(feed geometry)는 안테나 요소가 파동 피드(wave feed)에서 파동의 벡터에 대해 45도로 배치(position)되도록 한다. 요소의 다른 배치(예를 들면 40°각도에서)도 이용될 수 있음에 유의해야 한다. 이러한 요소의 배치는 요소에 의해 수신된 또는 이로부터 송신된/복사된 자유공간 파(free space wave)의 제어를 가능하게 한다. 일실시예에서, 안테나 요소는 안테나의 작동 주파수의 자유 공간 파장보다 작은 내부 요소 공간(inter-element spacing)으로 정렬된다. 예를 들면, 만약 파장 당 4개의 산란하는 요소가 있다면, 30G㎐ 송신 안테나에서 요소는 대략 2.5㎜(즉, 30G㎐의 자유 공간 파장 10㎜의 1/4)가 된다.
일실시예에서, 요소의 2개의 세트는 서로에 수직이며, 동일한 튜닝 상태(tuning state)로 제어되었다면 동시에 동일한 진폭 여기(amplitude excitation)를 갖는다. 피드파 여기(feed wave excitation)에 관하여 +/-45도로 이들을 회전시키는 것은 한 번에 양쪽을 원하는 특징(desired feature)으로 달성시킨다. 하나의 세트를 0도로, 다른 하나를 90도로 회전시키는 것은 수직적 목표를 달성할 수 있지만, 진폭 여기 목표는 달성할 수 없다. 0도 및 90도는 앞에서 설명한 바와 같이 2개의 측면(side)으로부터 단일 구조(single structure)에서 안테나 요소의 어레이를 피드할 때, 격리(isolation)를 달성하기 위해 이용될 수 있음을 유의해야 한다.
각 유닛 셀로부터 복사된 전력량(amount of radiated power)은 컨트롤러를 사용해서 패치에 (LC 채널 양단의 전위) 전압을 인가함으로써 제어된다. 패치에 대한 트레이스(trace)는 패치 안테나에 전압을 제공하기 위해 사용된다. 전압은 캐패시턴스(capacitance)을 튜닝(tune) 또는 디튜닝(detune)하기 위해 사용되며, 따라서 각 요소의 공진 주파수는 빔 형성을 유발시킨다. 요구되는 전압은 사용되는 액정 혼합물(LC mixture)에 의존한다. 액정 혼합물의 특성을 튜닝하는 전압은 액정이 전압에 의해 영향을 받기 시작하는 부분에서의 문턱 전압(threshold voltage) 및 더이상 전압의 증가가 액정에서 주요한 튜닝(major tuning)을 일으키지 않는 포화 전압(saturation voltage)에 의해 주로 설명된다. 2개의 특성 변수(characteristic parameter)는 상이한 액정 혼합물에 대해 변할 수 있다.
일실시예에서, 각 셀에 대한 개별적인 연결(직접적인 구동(direct drive))을 갖지 않고도 다른 모든 셀로부터 따로따로 각 셀을 구동하도록 패치에 전압을 인가시키기 위해 행렬 구동(matrix drive)이 이용된다. 요소의 높은 밀도 때문에, 행렬 구동은 각 셀을 하나씩 처리하기 위한 가장 효율적인 방법이다.
일실시예에서, 안테나 시스템을 위한 제어 구조는 2개의 주요 구성 요소를 갖는다; 안테나 시스템용 구동 전자 장치를 포함하는 컨트롤러는 파동 산란 구조(wave scattering structure) 아래에 있지만, 어레이를 스위칭하는 행렬 구동이 복사에 간섭되지 않는 방식으로 복사 RF 어레이 전체에 산재(intersperse)되어있다. 일실시예에서, 안테나 시스템용 구동 전자 장치는 AC 바이어스 신호의 진폭을 요소에 따라 조정함으로써 각 산란하는 요소에 대해 바이어스 전압을 조정하고, 상업용 TV(television) 기기에서 이용되는 상업용 규격의 LCD 컨트롤을 구비하여 구성된다.
일실시예에서, 컨트롤러는 또한 소프트웨어를 실행하는 마이크로프로세서(microprocessor)를 포함한다. 제어 구조는 또한 위치 및 방향 정보를 프로세서에 제공하기 위해 센서(예컨대, GPS 수신기, 삼축 나침반, 3축 가속도계, 3축 자이로, 3축 자기계, 등)를 포함할 수 있다. 위치 및 방향 정보는 지구 기지의 다른 시스템에 의해 프로세서로 제공될 수 있고, 또는 안테나 시스템의 일부가 아닐 수도 있다.
특히, 컨트롤러는 어느 요소가 오프 되는지 및 어느 요소가 온 되는지, 그리고 작동 주파수에서 위상 및 진폭 레벨을 제어한다. 요소는 전압 인가에 의한 주파수 동작에 대해 선택적으로 디튜닝된다.
송신을 위해, 컨트롤러는 변조(modulation) 또는 제어 패턴을 생성하기 위해, RF 패치에 전압 신호의 어레이를 공급한다. 제어 패턴은 요소를 온 또는 오프되도록 야기시킨다. 일실시예에서, 다양한 요소가 변하는 레벨(varying level)로 온 및 오프되고, 구형파(즉, 사인곡선 회색 음영 변조 패턴(sinusoid gray shade modulation pattern))에 반대로 사인곡선의 제어 패턴(sinusoidal control pattern)에 더 비슷해지는 다중 제어(multistate control)가 이용된다. 일실시예에서, 일부 요소는 복사하고 일부는 복사하지 않는 것보다, 일부 요소가 더욱 강하게 복사된다. 가변 복사는 액정 유전율을 변하는 양으로 조정하는 특정 전압 레벨을 인가함으로써 달성되고, 그렇게 함으로써 요소를 변하기 쉽게 디튜닝하고, 일부 요소가 다른 요소보다 더 많이 복사할 수 있도록 야기시킨다.
요소의 메타 물질에 의해 초점이 맞춰진 빔(focused beam)의 발생은 보강 및 상쇄 간섭 현상에 의해 설명될 수 있다. 각 전자기파는 자유공간에서 만나 같은 위상을 가질 때 중첩되고(보강 간섭), 자유공간에서 만나 반대 위상을 가질 때 전자기파는 서로 상쇄시킨다(상쇄 간섭). 각 연속적인 슬롯이 도파의 여기 포인트(excitation point)로부터 상이한 거리로 배치되어서, 슬롯이 슬롯 안테나 안에 배치되면, 요소로부터 산란된 파는 이전 슬롯의 산란된 파와는 상이한 위상을 갖게 된다. 만약 슬롯이 도파의 파장의 1/4로 공간을 두었을 때, 각 슬롯은 이전 슬롯으로부터 1/4 위상만큼 지연된 파를 산란시킬 것이다.
빔은 홀로그래피의 원리를 이용해서, 안테나 어레이의 보어 사이트(bore sight)로부터 이론적으로 + 또는 - 90도 어느 방향으로든 포인팅될 수 있어서, 어레이를 이용해서, 생성될 수 있는 보강 및 상쇄 간섭의 패턴 수가 증가될 수 있다. 따라서, 메타 물질 유닛 셀을 키거나 끄는 것을 제어함으로써 (즉, 어느 셀을 키고, 어느 셀을 끄는 것의 패턴을 변화시킴으로써), 보강 및 상쇄 간섭의 상이한 패턴이 생성될 수 있고, 안테나는 주요 빔의 방향을 변화시킬 수 있다. 유닛 셀을 키고 끄기 위해 필요한 시간은 빔이 하나의 위치에서 또 다른 위치로 스위칭 되는 속도를 좌우한다.
일실시예에서, 안테나 시스템은 상향 링크(uplink)용의 하나의 이동 가능한 빔(steerable beam) 및 하향 링크(downlink)용의 하나의 이동 가능한 빔을 생성한다. 일실시예에서, 안테나 시스템은 빔을 수신하고, 위성으로부터의 신호를 디코딩(decode)하며, 위성을 향한 송신 빔을 형성하기 위해 메타 물질 기술을 이용한다. 일실시예에서, 안테나 시스템은 아날로그 시스템으로, (예컨대, 위상 어레이 안테나) 빔을 전기적으로 형성하고 조종하기 위해 처리하는 디지털 신호를 채용하는 안테나 시스템과는 대비된다. 일실시예에서, 안테나 시스템은 특히 종래의 위성 접시 수신기에 비교했을 때, 평면이고, 상대적으로 낮은 측면(profile)의 "표면" 안테나로 고려될 수 있다.
도 2는 접지면(ground plane) 및 재구성 가능한 공진기 레이어(reconfigurable resonator layer)를 포함하는 하나의 행(row)의 안테나 요소의 투시도를 나타낸다. 재구성 가능한 공진기 레이어(230)는 튜닝 가능한 슬롯(210)의 어레이를 포함한다. 튜닝 가능한 슬롯(210)의 어레이는 원하는 방향으로 안테나를 포인팅 하도록 구성될 수 있다. 각 튜닝 가능한 슬롯(210)은 액정을 가로지르는 전압을 변화시킴으로써 튜닝/조정될 수 있다.
제어 모듈(280)은 도 2에서 액정을 가로지르는 전압을 변하게 함으로써 튜닝 가능한 슬롯(210)의 어레이를 변조시키도록 재구성 가능한 공진기 레이어(230)와 결합될 수 있다. 제어 모듈(280)은 FPGA(Field Programmable Gate Array), 마이크로프로세서, 컨트롤러, 단일 칩 시스템(SoC;System-on-a-Chip) 또는 다른 처리 로직(processing logic)을 포함할 수 있다. 일실시예에서, 제어 모듈(280)은 튜닝 가능한 슬롯(210)의 어레이를 구동하기 위해 로직 회로(예컨대, 멀티플렉서(multiplexer))를 포함한다. 일실시예에서, 제어 모듈(280)은 튜닝 가능한 슬롯(210)의 어레이 상에 구동될 홀로그래픽 회절 패턴(holographic diffraction pattern)에 대한 사양을 포함하는 데이터를 수신한다. 홀로그래픽 회절 패턴이 통신에 대해 적절한 방향으로 하향 링크 빔(및 만약 안테나 시스템이 송신하면 상향 링크 빔)을 조종해서, 홀로그래픽 회절 패턴은 안테나와 위성 사이의 공간적 관계에 대응하여 발생될 수 있다. 각 도면에서 도시되진 않았지만, 제어 모듈(280)과 유사한 제어 모듈은 본 발명의 도면에서 설명된 튜닝 가능한 슬롯의 각 어레이를 구동할 수 있다.
RF 홀로그래피는 또한 RF 참조 빔(reference beam)이 RF 홀로그래픽 회절 패턴과 만날(encounter) 때, 원하는 RF 빔이 생성될 수 있는 유사한 기술을 이용해서 가능하다. 위성 통신의 경우, 참조 빔은 예컨대, 피드파(205)(일부 실시예에서 대략 20G㎐)와 같은, 피드파의 형태이다. 피드파를 (송신 또는 수신 목적을 위해서) 복사된 빔(radiated beam)으로 변형시키기 위해, 간섭 패턴은 원하는 RF 빔(목표 빔(object beam)) 및 피드파(참조 빔) 사이에서 계산된다. 피드파는 (원하는 모양과 방향을 갖는) 원하는 RF 빔으로 "조종"되어서, 간섭 패턴이 회절 패턴과 같이 튜닝 가능한 슬롯(210)의 어레이 상에 구동된다. 다시 말해, 홀로그래픽 회절 패턴을 만나게 되는 피드파는 통신 시스템의 설계 필요조건에 따라 형성된 목표 빔을 "재구성"한다. 홀로그래픽 회절 패턴은 각 요소의 여기를 보유하고,
Figure 112017094442566-pct00001
로 계산되며,
Figure 112017094442566-pct00002
는 도파관(waveguide)에서 파동 방정식 및
Figure 112017094442566-pct00003
는 나가는 파(outgoing)에 대한 파동 방정식이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 튜닝 가능한 공명기/슬롯을 나타낸다. 튜닝 가능한 슬롯(210)은 조리개(iris)/슬롯(212), 복사 패치(radiating patch)(211), 및 조리개(212) 및 패치(211) 사이에 배정된 액정(213)을 포함한다. 일실시예에서, 복사 패치(211)는 조리개(212)와 동일하게 위치된다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라, 물리적 안테나 개구의 단면도를 나타낸다. 안태나 개구는 접지면(245), 및 재구성 가능한 공진기 레이어(230)에 포함된 조리개 레이어(233)내의 금속 레이어(236)를 포함한다. 일실시예에서, 도 4의 안테나 개구는 도3의 다수의 튜닝 가능한 공진기/슬롯(210)을 포함한다. 조리개/슬롯(212)은 금속 레이어(236)에서 틈(opening)에 의해 정의된다. 피드파(205)는, 도 2의 피드파(205)와 같이, 위성 통신 채널과 호환할 수 있는 마이크로파 주파수를 가질 수 있다. 피드파(205)는 접지면(245) 및 공진기 레이어(230) 사이에서 전파한다.
재구성 가능한 공진기 레이어(230)는 또한 개스킷(gasket) 레이어(232) 및 패치 레이어(231)를 포함한다. 개스킷 레이어(232)는 패치 레이어(231) 및 조리개 레이어(233) 사이에 배정된다. 일실시예에서, 스페이서(spacer)가 개스킷 레이어(232)를 대체 할 수 있다는 것에 유의해야 한다. 조리개 레이어(233)는 금속 레이어(236)와 같은 구리 레이어를 포함하는 PCB(printed circuit board)이다. 일실시예에서, 조리개 레이어(233)는 유리이다. 조리개 레이어(233)는 다른 종류의 기판일 수 있다.
틈은 슬롯(212)을 형성하기 위해 구리 레이어에 새겨질 수 있다. 하나의 실시 예에서, 조리개 레이어(233)는 도 4에서 전도적 결합 레이어(234)에 의해 다른 구조(예컨대, 도파관)에 전도적으로 결합된다. 일실시예에서, 조리개 레이어는 전도적 결합 레이어(234)에 의해서 전도적으로 결합되지 않으며, 대신에 비-전도적 결합 레이어에 간섭되는 것에 유의해야 한다.
패치 레이어(231)는 또한 복사 패치(211)와 같은 금속을 포함하는 PCB일 수 있다. 일실시예에서, 개스킷 레이어(232)는 금속 레이어(236) 및 패치(211) 사이의 크기를 정의하는 기계적인 격리자(mechanical standoff)를 제공하는 스페이스(239)를 포함한다. 일실시예에서, 스페이서는 75㎛이지만, 다른 크기(예를 들면, 3-200㎜)도 사용될 수 있다. 앞서 언급한 바와 같이, 일실시예에서, 튜닝 가능한 공진기/슬롯(210)이 도3의 패치(211), 액정(213), 및 조리개(212)를 포함하는 것과 같이, 도 4의 안테나 개구가 다중 튜닝 가능한 공진기/슬롯을 포함한다. 액정(213)용 챔버(chamber)는 스페이서(239), 조리개 레이어(233), 및 금속 레이어(236)에 의해 정의된다. 챔버가 액정으로 채워졌을 때, 패치 레이어(231)는 공진기 레이어(230) 내에 액정을 동봉하기 위해 스페이서(239) 위에 라미네이트(laminate)된다.
패치 레이어(231) 및 조리개 레이어(233) 사이의 전압은 패치 및 슬롯(210) 사이의 공간에서 액정을 튜닝하기 위해 변조될 수 있다. 액정(213)을 가로지르는 전압을 조정하면 슬롯(210)(예컨대, 튜닝 가능한 공진기/슬롯)의 캐패시턴스(capacitance)를 변하게 한다. 따라서, 캐패시턴스을 변화시킴으로써 슬롯(210)(예컨대, 튜닝 가능한 공진기/슬롯)의 유도저항(reactance)이 변할 수 있다. 슬롯(210)의 공진 주파수는 또한 방정식
Figure 112017094442566-pct00004
에 따라 변하고, 여기서
Figure 112017094442566-pct00005
는 슬롯(210)의 공진 주파수, L 및 C는 각각 슬롯(210)의 유도 용량(inductance) 및 캐패시턴스이다. 슬롯(210)의 공진 주파수는 도파관을 통해 전파하는 피드파(205)로부터 복사된 에너지에 영향을 끼친다. 예를 들면, 만약 피드파(205)가 20G㎐일 때, 슬롯(210)은 피드파(205)로부터 실질적으로 에너지를 결합하지 않아서, 슬롯(210)의 공진 주파수가 (캐패시턴스를 변화시킴으로써) 17G㎐로 조정될 수 있다.
또는, 슬롯(210)이 피드파(205)로부터 에너지를 결합하고, 자유 공간으로 에너지를 복사해서, 슬롯(210)의 공진 주파수가 20G㎐로 조정될 수 있다. (완전히 복사되거나 완전 복사되지 않는) 2진법, 자기 저항(reluctance)의 전체 그레이 스케일 제어(full grey scale control)로 주어진 예에도 불구하고, 그러므로 슬롯(210)의 공진 주파수는 다중 범위(multi-valued)에 걸친 전압 변동(voltage variance)과 함께 가능하다. 따라서, 세부적인 홀로그래픽 회절 패턴은 튜닝 가능한 슬롯의 어레이에 의해 형성될 수 있어서, 각 슬롯(210)으로부터 복사된 에너지가 미세하게 제어될 수 있다.
일실시예에서, 하나의 행에서 튜닝 가능한 슬롯은 서로에 대해 λ/5로 공간지우고 있다. 다른 공간이 이용될 수도 있다. 일실시예에서, 하나의 행에서 각 튜닝 가능한 슬롯은 인접한 행에서 가장 가까운 튜닝 가능한 슬롯으로부터 λ/2로 공간지우고 있으며, 따라서 일반적으로 다른 행에서 배향된 튜닝 가능한 슬롯은 λ/4로 공간지우고 있고, 다른 공간(예를 들면, λ/5, λ/6.3)도 가능하다. 다른 실시예에서, 하나의 행에서 각 튜닝 가능한 슬롯은 인접한 행에서 가장 가까운 튜닝 가능한 슬롯으로부터 λ/3로 공간지우고 있다.
본 발명의 실시예는 시장의 다중-개구 요구에 대해, 2014년 11월 21에 출원된 미국 특허 출원 "Dynamic Polarization and Coupling Control from a Steerable Cylindrically Fed Holographic Antenna"라는 명칭의 번호 제 14/550,178 호, 및 2015년 1월 30일에 출원된 미국 특허 출원 "Ridged Waveguide Feed Structures for Reconfigurable Antenna"라는 명칭의 번호 제 14.610,502 호에서 설명된 바와 같이 재구성 가능한 메타 물질 기술을 사용한다.
도 5a 내지 도 5d는 슬롯 어레이를 생성하기 위한 상이한 레이어의 하나의 실시예를 나타낸다. 예시에서 안테나 어레이가 2개의 상이한 종류의 주파수 대역용으로 사용되는 2개의 상이한 종류의 안테나 요소를 갖는다는 것에 유의해야 한다. 도 5a는 슬롯에 대응하는 위치를 갖는 제1 조리개 보드 레이어(iris board layer)의 일부분을 나타낸다. 도 5a를 참고해서, 원형 모양은 조리개 기판/유리의 하부면에 있는 메탈리제이션(metallization)된 개방 구역(open area)/슬롯이며, 이는 피드(피드파) 및 요소의 결합을 제어하기 위함이다. 이러한 레이어는 선택적인 레이어이며, 모든 설계에서 이용되지 않음에 유의해야 한다. 도 5b는 슬롯을 보유하는 제2 조리개 보드 레이어의 일부분을 나타낸다. 도 5c는 제2 조리개 보드 레이어 위의 패치를 나타낸다. 도 5d는 슬롯 어레이의 상면도를 나타낸다.
도 6은 나가는 파(outgoing wave)를 생산하는 안테나 시스템의 다른 실시예를 나타낸다. 도 6을 참조하면, 접지면(602)은 RF 어레이(616)에 실질적으로 평행하며, 이 둘 사이에 유전체 레이어(612;dielectric layer)(예컨대, 플라스틱 레이어, 등)가 함께 있다. RF 흡수체(619; RF absorber)(예컨대, 저항)는 접지면(602) 및 RF 어레이(616)를 함께 결합한다. 일실시예에서, 유전체 레이어(612)는 2 내지 4의 유전 상수를 갖는다. 일실시예에서, RF 어레이(616)는 도 2 내지 도 4에 관련하여 설명된 안테나 요소를 포함한다. 동축 핀(601;coaxial pin)(예컨대, 50Ω)은 안테나에 피드한다.
작동 중에, 피드파는 동축핀(601)을 통해 피드 되고, 동심으로(concentrically) 밖을 향해 진행하고, RF 어레이(616)의 요소와 상호작용 한다.
다른 실시예에서, 피드파는 가장자리(edge)로부터 피드되고, RF 어레이(616)의 요소와 상호작용한다. 가장자리-피드(edge-fed) 안테나 개구의 예시는 2014년 11월 21에 출원된 미국 특허 출원 "Dynamic Polarization and Coupling Control from a Steerable Cylindrically Fed Holographic Antenna"라는 명칭의 번호 제 14/550,178 호에서 논의된다.
도 6의 안테나에서 원통형 피드는 다른 종래 기술의 안테나에 비해 안테나의 스캔 각도(scan angle)를 개선시킨다. + 또는 - 45도 방위각 (±45°Az) 및 + 또는 - 25도 양각(±25°El)의 스캔 각도 대신에, 일실시예에서, 안테나 시스템은 모든 방향에서 보어 사이트로부터 75도(75°)의 스캔 각도를 갖는다. 많은 개별 복사기(radiator)로 구성된 임의의 빔 형성 안테나와 마찬가지로, 전반적인 안테나 이득(antenna gain)은 그 자체로 각-의존적인, 구성 요소의 이득에 의존한다. 일반적인 복사 요소를 이용할 때, 일반적으로 전반적인 안테나 이득은 빔이 오프 보어 사이트에서 더 포인팅되므로 감소된다. 오프 보어 사이트에서 75도 멀어졌을 때, 약 6dB의 상당한 이득 저하가 예상된다.
셀 배치(cell placement)
일실시예에서, 안테나 요소는 체계적인 행렬 구동 회로를 허용하는 방식으로 원통형 피드 안테나 개구 상에 배치된다. 셀의 배치는 행렬 구동용 트랜지스터의 배치를 포함한다. 도 17은 안테나 요소에 대한 행렬 구동 회로의 배치의 실시예를 나타낸다. 도 17을 참조하면, 열 컨트롤러(1701)는 각각, 열 선택 신호(row select signal) Row1 및 Row2 를 통해, 트랜지스터(1711 및 1712)에 결합되고, 행 컨트롤러(1702)는 행 선택 신호(column select signal) Column1을 통해 트랜지스터(1711 및 1712)에 결합된다. 트랜지스터(1711)는 또한 패치(1731)와의 연결을 통해 안테나 요소(1721)에 결합되지만, 트랜지스터(1712)는 패치(1732)와의 연결을 통해 안테나 요소(1722)에 결합된다.
비균일 그리드(non-regular grid)에 배치된 유닛 셀과 함께 원통형 피드 안테나 상의 행렬 구동 회로를 실현하는 초기 접근법에서, 두 단계가 수행된다. 제1 단계에서, 셀은 동심 링 상에 배치되고, 각 셀은 셀 옆에 배치된 트랜지스터에 연결되어 각 셀을 개별적으로 구동시키는 스위치와 같은 역할을 한다. 제2 단계에서, 행렬 구동 회로는 행렬 구동 방식에서 요구하는 바와 같이 고유한 어드레스와 함께 모든 트랜지스터에 연결되도록 내장(built in)되어있다. 셀이 링 상에 배치되었지만 행렬 구동 회로가 (LCD와 유사한) 열 및 행 트레이스(row and column trace)에 의해 구축되기 때문에, 각 트랜지스터로 고유한 어드레스를 할당(assign)하는 체계적인 방식은 없다. 매핑(mapping) 문제로 인해 모든 트랜지스터를 덮을 수 있는 매우 복잡한 회로가 생성되고, 라우팅(routing)을 이루기 위해 물리적인 트레이스의 수에서 실질적인 증가로 이어진다. 셀의 높은 밀도 때문에, 이러한 트레이스는 결합 효과에 기인하여 안테나의 RF 성능(performance)을 방해한다. 또한, 트레이스의 복잡성 및 높은 패키징 밀도로 인해, 트레이스의 라우팅은 상업적으로 이용 가능한 레이아웃 툴(layout tool)에 의해 이루어질 수 없다.
일실시예에서, 행렬 구동 회로는 셀 및 트랜지스터가 배치되기 전에 미리 정의된다. 고유한 어드레스를 가진 각 모든 셀을 구동하는데 필요한 최소의 트레이스의 수를 보장한다. 이 전략은 구동 회로의 복잡성을 감소시키고 라우팅을 단순화하여, 후에 안테나의 RF 성능을 개선시킨다.
특히, 하나의 접근법에서, 제1 단계에서, 셀은 각 셀의 고유한 주소를 설명하는 열 및 행으로 구성된 균일한 직사각형 그리드 상에 배치된다. 제2 단계에서, 셀은 제1 단계에서 정의된 바와 같이, 셀의 어드레스 그리고 열 및 행과의 연결을 유지하는 동안, 그룹화되고, 동심원으로 변형된다. 변형의 목표는 셀을 링 상에 두는 것뿐만 아니라, 셀 사이의 거리 및 링들 사이의 거리를 전체 개구에 걸쳐 일정하게 유지하는 것이다. 목표를 이루기 위해서, 셀을 그룹화하는 여러 가지 방법이 있다.
도 7은 동심 정사각형(직사각형)을 형성하기 위해 그룹화된 셀의 예시를 보여준다. 도 7을 참조하면, 정사각형(701 내지 703)은 열 및 행의 그리드(700) 상에서 보여진다. 이들은 정사각형의 예시이며, 모든 정사각형이 도 7의 오른쪽 상의 그리드를 생성하는 것은 아님에 유의해야 한다. 정사각형(701 내지 703)과 같은, 각 정사각형은 이후에, 수학적인 등각 사상 처리(mathematical conformal mapping process)를 통해, 안테나 요소의 링(711 내지 713)과 같은 링으로 변형된다. 예를 들어, 외부 링(711)은 왼쪽의 외부 정사각형(701)의 변형이다.
변형 후의 셀의 밀도는 이전 정사각형에 더하여 다음의 더 큰 사각형이 보유하는 셀의 수에 의해 결정된다. 일실시예에서, 정사각형을 이용하면 최종적으로 추가 안테나 요소의 수 ΔN은 다음의 더 큰 사각형 상에 8개의 추가 셀이 된다. 일실시예에서, 상기 수는 전체 개구에 대해 일정하다. 일실시예에서, 셀피치1(cellpitch)(CP1:링 사이의 거리) 대 셀피치2(CP2:링을 따라서 셀 사이의 거리)의 비율은 다음과 같이 주어진다:
Figure 112017094442566-pct00006
따라서, CP2는 CP1의 함수이다(반대의 경우도 마찬가지). 도 7의 예에 대한 셀피치 비율은
Figure 112017094442566-pct00007
으로,
이는 CP1이 CP2보다 큰 것을 의미한다.
일실시예에서, 변형을 수행하기 위해, 예를 들면 정사각형(701) 상의 시작점(721)과 같이, 각 정사각형 상의 시작점은 선택되며, 시작점과 연관된 안테나 요소는 링(711) 상의 시작점(731)과 같은 링에 대응하는 링의 하나의 위치에 배치된다. 예를 들면 x축 또는 y축을 시작점으로 이용될 수 있다. 그 후, 시작점으로부터 하나의 방향(시계방향 또는 시계 반대방향)으로 이어지는 정사각형 상의 다음 요소가 선택되고, 그 요소는 정사각형 내에서 이용된 같은 방향(시계방향 또는 시계 반대방향)으로 가는 링 상의 다음 위치에 배치된다. 이 과정은 모든 안테나 요소의 위치가 링 상의 위치에 할당될 때까지 반복된다. 사각형에서 링으로의 변형 과정은 모든 정사각형에 대해 반복된다.
그러나 분석 연구(analytical study) 및 라우팅 제약 조건(routing constraint)에 따르면, CP1보다 큰 CP2를 적용하는 것이 바람직하다. 이를 이루기 위해서, 도 8에서 보여진 두 번째 전략이 이용된다. 도 8을 참조하면, 셀은 그리드(800)와 관련하여, 8각형(801 내지 803)과 같은, 8각형으로 초기에 그룹화된다. 셀을 8각형으로 그룹화함으로써, 추가 안테나 요소의 수 ΔN이 4가 되고 다음과 같은 비율이 주어진다:
Figure 112017094442566-pct00008
최종적으로 CP2>CP1이 된다.
도 8에 따른 그리드를 위해 8각형으로부터 동심원으로의 변형은 시작점을 초기에 선택함으로써 도 7과 관련해 앞에서 설명한 바와 같이 동일한 방식으로 수행될 수 있다.
도 7 및 도 8에 관련해서 설명된 그리드가 다수의 특징을 갖는다는 것에 유의해야 한다. 이러한 특징은 다음을 포함한다:
1) 전체 개구에 걸쳐 일정한 CP1/CP2 (일실시예에서, 개구에 걸쳐서 실질적으로 일정한 (예를 들면, 90% 일정) 안테나가 여전히 기능 한다는 것에 유의해야 한다);
2) CP2는 CP1의 함수이다;
3) 중심에 위치된 안테나 피드로부터 링 거리가 증가함에 따라, 안테나 요소의 수에서 링 당(per) 일정한 증가가 있다;
4) 모든 셀은 행렬의 열 및 행에 연결된다;
5) 모든 셀은 고유한 어드레스를 갖는다;
6) 셀은 동심 링 상에 배치된다; 및
7) 4분 면이 동일하고, 1/4 웨지(wedge)가 어레이를 구축(build)하기 위해 회전될 수 있다는 점에서, 회전 대칭이 있다. 이는 분열에 유용하다.
2가지 모양이 주어졌지만, 다른 모양도 이용될 수 있음에 유의해야 한다. 다른 증분(increment)(예를 들면, 6 증분)도 가능하다.
도 9는 조리개 및 행렬 구동 회로를 포함하는 작은 개구의 예시를 보여준다. 열 트레이스(901) 및 행 트레이스(902)는 각각 열 연결(row connection) 및 행 연결(column connection)을 나타낸다. 이러한 선(line)은 (물리적 트레이스는 안테나 요소, 또는 그 일부의 주위로 라우팅 되어야 하기 때문에) 물리적인 트레이스가 아닌 행렬 구동 네트워크를 설명한다. 조리개의 각 쌍 옆에 있는 정사각형은 트랜지스터이다.
도 9는 또한 각 구성 요소가 PCB 어레이에서 2개의 셀을 구동하는 이중-트랜지스터를 사용하기 위한 그리드 기술의 가능성을 보여준다. 이 경우에서, 하나의 개별 장치 패키지(package)는 2개의 트랜지스터를 보유하고, 각 트랜지스터는 하나의 셀을 구동한다.
일실시예에서, TFT 패키지는 행렬 구동에서 배치 및 고유한 어드레스를 가능하도록 이용된다. 도 18은 TFT 패키지의 실시예를 나타낸다. 도 18을 참조하면, TFT 및 홀드 축전기(1803;hold capacitor)가 입력 및 출력 포트와 함께 보여진다. 열 및 행을 이용해서 TFT를 함께 연결하기 위해서 트레이스(1801)에 연결된 2개의 입력 포트 및 트레이스(1802)에 연결된 2개의 출력 포트가 있다. 일실시예에서, 열 및 행 트레이스는 열 및 행 트레이스 사이의 결합을 감소시키기 위해, 및 잠재적으로 최소화시키기 위해 90°각도로 교차한다. 일실시예에서, 열 및 행 트레이스는 상이한 레이어 상에 있다.
도 7 내지 도 9에서 보여진 제안된 그리드의 다른 중요한 특징은 레이아웃의 각 1/4이 다른 것과 동일한 반복 패턴이라는 것이다. 어레이의 서브 섹션(sub-section)이 중심 안테나 피드의 위치 주변에서 회전 방향으로 반복되도록 하여, 차례로 서브-개구(sub-aperture)로 개구의 분할을 가능하게 한다. 이는 안테나 개구의 제작에 도움이 된다.
다른 실시예에서, 원통형 피드 안테나 상의 행렬 구동 회로 및 그리드는 다른 방식으로 이루어진다. 원통형 피드 안테나 상의 행렬 구동 회로를 실현하기 위해서, 레이아웃은 어레이 회전 방향의 서브 섹션을 반복함으로써 실현된다. 실시예는 또한, 조도의 감소(illumination tapering)를 위해 이용될 수 있는 셀 밀도가 RF 성능을 개선시키기 위해 변화되도록 한다.
대안적인 접근법에서, 원통형 피드 안테나 개구 상의 셀 및 트랜지스터의 배치는 나선형 트레이스(spiral shaped trace)에 의해 형성된 격자(lattice)를 토대로 이루어진다. 도 10은 시계 방향으로 휘어진, 나선(1001 내지 1003)과 같이, 시계방향 나선 격자 및 시계 반대 방향으로 휘어진, 나선(1011 내지 1013)과 같은, 나선의 예시를 나타낸다. 나선의 상이한 방향은 결과적으로 시계 방향 및 시계 반대방향 나선 사이의 교차점(intersection)을 야기한다. 최종 격자는 시계 반대 방향 트레이스 및 시계 방향 트레이스의 교차점에 의해 주어진 고유한 어드레스를 제공하고, 행렬 구동 격자와 같이 사용될 수 있다. 게다가 교차점은 원통형 피드 안테나의 RF 성능에 중요한 동심 링 상에 그룹화될 수 있다.
앞에서 설명한 원통형 피드 안테나 개구 상의 그리드에 대한 접근법과 달리, 도 10과 관련해서 앞서 설명한 접근법은 셀의 불균일한(non-uniform) 분포를 제공한다. 도 10에서 보여진 바와 같이, 셀 사이의 거리는 동심 링의 반지름의 증가와 함께 증가된다. 일실시예에서 변화하는 밀도는 안테나 어레이용 컨트롤러의 제어 아래에서 조도의 감소를 통합하는 방법으로 이용된다.
셀의 크기 및 트레이스를 위해 셀 사이의 필요한 공간에 기인하여, 셀 밀도는 특정 수를 초과할 수 없다. 일실시예에서, 거리는 작동 주파수에 토대로 /5이 된다. 앞서 설명된 바와 같이, 다른 거리가 이용될 수 있다. 중심에 가까워질수록 과밀집된 밀도(overpopulated density)를 피하기 위해, 또는 다시 말해, 가장자리에 가까워질수록 과소 밀도(under-population)를 피하기 위해서, 추가 나선은 연속적인 동심 링이 증가함에 따라 초기 나선에 추가될 수 있다. 도 11은 더 균일한 밀도를 달성하기 위해 추가적인 나선을 사용하는 셀 배치의 예를 보여준다. 도 11을 참조하면, 추가 나선(1101)과 같은, 추가 나선이 연속적인 동심 링의 반지름이 증가됨에 따라, 나선(1102)와 같은, 초기 나선에 추가된다. 분석 시뮬레이션에 따르면, 이러한 접근법은 셀의 전체적인 균일한 분포의 성능으로 수렴(converge)하는 RF 성능을 제공한다. 설계는 앞서 설명된 소정의 실시예 보다 감소된 요소 밀도 때문에 더 나은 사이드 로브 반응(side lobe behavior)을 제공함에 유의해야 한다.
셀 배치용 나선의 이용의 다른 이점은 라우팅하는 수고를 단순화하고 제작 비용을 줄일 수 있는 회전 대칭 및 반복 가능한 패턴이라는 것이다. 도 12는 전체 개구를 채우기 위해 반복되는 나선의 선택된 패턴을 나타낸다.
도 10 내지 도 12와 관련해서 개시된 셀 배치는 다수의 특징을 갖는다는 것에 유의해야 한다. 그러한 특징은 다음을 포함한다:
1) CP1/CP2는 전체 개구에 걸쳐 적용되지 않는다;
2) CP2는 CP1의 함수이다;
3) 중심에 위치된 안테나 피드로부터의 링 거리가 증가함에 따라 안테나 요소의 수에 있어서 링 당 증가가 없다;
4) 모든 셀은 행렬의 열 및 행에 연결된다;
5) 모든 셀은 고유의 어드레스를 갖는다;
6) 셀은 동심 링 상에 배치된다; 및
7) (앞서 설명된 바와 같이) 회전 대칭이다.
따라서, 도 10 내지 도 12와 관련해서 설명된 셀 배치 실시예는 도 7 내지 도 9와 관련해서 설명된 셀 배치 실시예와 비슷한 특징을 많이 갖는다.
개구 분할(Aperture Segmentation)
일실시예에서, 안테나 개구는 안테나 요소의 다중 세그먼트를 함께 조합함으로써 생성된다. 안테나 요소의 어레이가 세그먼트되는 것을 요구하고, 분할은 이상적으로 안테나의 반복 가능한 풋프린트 패턴(repeatable footprint pattern)을 요구한다. 일실시예에서, 원통형 피드 안테나 어레이의 분할은 안테나 풋프린트가 각 복사 요소의 상이한 회전 각도에 기인하여 직선(straight) 및 인라인(inline) 방식으로 반복 가능한 패턴이 제공되지 않도록 존재한다. 본 발명에서 개시된 분할 접근법의 하나의 목표는 안테나의 복사 성능을 손상시키지 않으면서 분할을 제공하는 것이다.
본 발명에서 설명된 분할 기술은 개선하는 것, 잠재적으로 최대화 하는 것에 초점을 맞추지만, 직사각형 모양의 산업 표준 기판의 표면 활용, 분할 접근은 이러한 기판 모양에 한정되지 않는다.
일실시예에서, 원통형 피드 안테나의 분할은 4개의 세그먼트의 조합이 동심원의 폐쇄 링 상에 배치된 안테나 요소에서 패턴을 실현하는 방식으로 수행된다. 이러한 측면은 RF 성능을 유지하기 위해 중요하다. 게다가 일실시예에서, 각 세그먼트는 개별의 행렬 구동 회로를 필요로 한다.
도 13은 원통형 피드 개구의 4분면으로의 분할을 나타낸다. 도 13을 참조하면, 세그먼트(1301 내지 1304)는 원형 안테나 개구를 구축하도록 결합된 동일한 4분면이다. 각 세그먼트(1301 내지 1304) 상의 안테나 요소는 세그먼트(1301 내지 1304)가 결합될 때, 동심원의 폐쇄 링을 형성하는 링의 일부분에 배치된다. 세그먼트를 결합하기 위해서, 세그먼트는 케리어(carrier)에 고정되거나 라미네이트 될 것이다. 다른 실시예에서, 세그먼트의 중첩된 가장자리가 이들을 함께 결합하는데 이용된다. 이러한 경우, 일실시예에서, 전도성 결합(conductive bond)은 RF가 새는 것을 방지하고자 가장자리를 가로질러 생성된다. 요소 종류는 분할에 의해 영향을 받지 않음에 유의해야 한다.
도 13에 나타내진 분할 방법의 결과와 같이, 세그먼트(1301 내지 1304) 사이의 경계선(seam)은 중심에서 만나고, 안테나 개구의 중심으로부터 가장자리까지 방사상으로 이동한다. 이러한 구성은 원통형 피드의 생성된 전류가 방사상으로 전파되고, 방사형 경계선이 전파된 파에 대한 비여진 영향(parasitic impact)이 적기 때문에 유리하다.
도 13에서 보여진 바와 같이, LCD 산업에서 표준인, 직사각형 기판은 개구를 실현하기 위해 이용될 수 있다. 도 14a 및 도 14b는 적용된 행렬 구동 격자와 함께 도 13의 단일 세그먼트를 나타낸다. 행렬 구동 격자는 각 트랜지스터에 고유한 어드레스를 할당한다. 도 14a 및 도14b를 참조하면, 행 커넥터(1401;column connector) 및 열 커넥터(1402;row connector)는 구동 격자선(drive lattice line)에 결합된다. 또한 도 14b는 격자선에 결합된 조리개를 보여준다.
도 13으로부터 명백한 바와 같이, 사각형이 아닌 기판이 이용되는 경우, 기판 표면의 넓은 영역이 차지(populate)될 수 없다. 다른 실시예에서, 사각형이 아닌 기판 상에 사용 가능한 표면의 더욱 효율적으로 이용하기 위해, 세그먼트는 직사각형 보드(board) 상에 있지만, 안테나 어레이의 세그먼트된 부분에 대한 더 많은 보드 공간을 활용한다. 이러한 실시예의 예시는 도 15에서 보여진다. 도 15를 참조하면, 안테나 개구는 그 안에 포함된 안테나 어레이의 일부분을 갖는 기판(예를 들면, 보드)을 구성하는 세그먼트(1501 내지 1504)를 결합함으로써 생성된다. 각 세그먼트가 원형 4분면을 나타내지는 않지만, 4개의 세그먼트(1501 내지 1504)의 조합은 요소가 배치된 링을 폐쇄한다. 즉, 각 세그먼트(1501 내지 1504) 상의 안테나 요소는 세그먼트(1501 내지 1504)가 결합될 때, 동심원의 폐쇄 링을 형성하는 링의 일부분에 배치된다. 일실시예에서, 사각형이 아닌 보드의 더 긴 측면이 개방 영역(1505;open area)과 같이 지칭되는, 직사각형의 제한 영역(keep-out area)을 도입해서, 기판은 슬라이딩 타일(sliding tile) 방식으로 결합된다. 개방 영역(1505)은 중심에 위치된 안테나 피드가 안테나에 위치되고 포함된 곳에 있다.
안테나 피드는 피드가 하부에서부터 나오기 때문에 개방 영역이 존재할 때 세그먼트의 나머지 부분에 결합되고, 개방 영역은 개방 영역으로부터 복사를 방지하기 위해 금속 조각에 의해 폐쇄될 수 있다. 종단 핀(termination pin)이 또한 이용될 수 있다.
이러한 방식의 기판의 이용은 사용 가능한 표면 영역을 보다 효율적으로 이용하도록 하고, 최종적으로 증가된 개구 직경이 된다.
도 13, 도 14a 및 도 14b에서 보여진 실시예와 유사하게, 실시예는 셀 배치 전략이 고유한 어드레스와 함께 각 셀을 덮기 위한 행렬 구동 격자를 보유하기 위해 이용하도록 한다. 도 16a 및 도 16b는 적용된 행렬 구동 격자와 함께 도 15의 단일 세그먼트를 나타낸다. 행렬 구동 격자는 각 트랜지스터에 고유한 어드레스를 할당한다. 도 16a 및 도 16b를 참조하면, 행 커넥터(1601) 및 열 커넥터(1602)는 구동 격자선에 결합된다. 도 16b는 또한 조리개를 보여준다.
앞서 설명된 두 가지 접근법 모두에 대해, 셀 배치는 앞서 설명된 바와 같이, 체계적이고 미리 정의된 격자에서 행렬 구동 회로가 발생하도록 하는 최근에 개시된 접근법을 토대로 수행될 수 있다.
안테나 어레이의 분할이 4개의 세그먼트로 되어있지만, 필수 조건은 아니다. 어레이는 예를 들면, 3개의 세그먼트 또는 5개의 세그먼트와 같이, 홀수 세그먼트로 분할될 수 있다. 도 19a 및 도 19b는 홀수 세그먼트를 갖는 안테나 개구의 예시를 나타낸다. 도 19a를 참조하면, 세그먼트(1901 내지 1903)와 같은, 결합되지 않은 3개의 세그먼트가 있다. 도 19b를 참조하면, 세그먼트(1901 내지 1903)와 같은, 3개의 세그먼트가 결합되었을 때, 안테나 개구를 형성한다. 이러한 배열은 모든 세그먼트의 경계선이 직선으로 개구를 통해 모든 방향으로 이동하지 않기 때문에 유리하지 않다. 하지만, 이것은 사이드로브를 완화(mitigate)시킨다.
제1 실시예에서, 플랫 패널 안테나는 원통형 피드파를 입력하기 위한 안테나 피드, 및 안테나 피드에 결합되고, 결합될 때, 안테나 요소의 복수의 폐쇄 동심 링을 형성하는 안테나 요소를 갖춘 복수의 세그먼트를 포함하는, 복수의 동심 링이 안테나 피드에 대해 동심인, 물리적 안테나 개구를 구비하여 구성된다.
다른 실시예에서, 제1 실시예의 주요 요지는 세그먼트의 수가 4이고, 세그먼트는 동일한 것을 선택적으로 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 제1 실시예의 주요 요지는 세그먼트가 직사각형 보드를 구비하는 것을 선택적으로 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 제1 실시예의 주요 요지는 세그먼트의 수가 홀수인 것을 선택적으로 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 제1 실시예의 주요 요지는 복수의 세그먼트를 결합시키는 것은 안테나 피드가 위치되는 중심으로 위치된 개방 구역을 초래하는 것을 선택적으로 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 제1 실시예의 주요 요지는 복수의 동심 링 중 링들이 링-투-링 거리에 의해 분리되고, 복수의 동심 링 중 링들을 따르는 요소 사이의 제1 거리가 복수의 동심 링 중 링들 사이의 제2 거리의 함수이며, 더욱이 안테나 요소의 복수의 동심 링에 의해 형성된 안테나 요소의 어레이가 회전 대칭을 갖는다는 것을 선택적으로 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 본 실시예의 주요 요지는 제2 거리 대 제1 거리의 비율은 안테나 개구에 걸쳐 일정한 것을 선택적으로 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 제1 실시예의 주요 요지는 복수의 동심 링에서 각 링이 원통형 피드에 더 가까운 인접 링(adjacent ring)에 걸쳐 다수의 부가 요소(additional element)를 갖고, 부가 요소의 수는 일정한 것을 선택적으로 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 제1 실시예의 주요 요지는 복수의 링의 링은 동일한 수의 안테나 요소를 갖는 것을 선택적으로 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 제1 실시예의 주요 요지는 행렬 구동 회로를 이용해서 개별적으로 어레이의 각 안테나 요소를 제어하기 위한, 각 안테나 요소가 행렬 구동 회로에 의해 고유하게 어드레스되는, 컨트롤러를 선택적으로 포함할 수 있다.
제2 실시예에서, 플랫 패널 안테나는: 원통형 피드파를 입력하기 위한 안테나 피드와; 물리적 안테나 개구로서, 안테나 피드에 결합되고, 결합될 때 안테나 요소의 복수의 폐쇄 동심 링으로 어레이를 형성하는 안테나 요소를 갖는 복수의 세그먼트를 포함하는, 복수의 동심 링은 안테나 피드에 대해 동심이고, 복수의 세그먼트를 결합하는 것이 안테나 피드가 위치되는 중심으로 위치된 개방 구역을 초래하는, 물리적 안테나 개구; 및 행렬 구동 회로를 이용해서 개별적으로 어레이의 각 안테나 요소를 제어하기 위한 컨트롤러로서, 각 안테나 요소가 행렬 구동 회로에 의해 고유하게 어드레스되는, 컨트롤러를 구비하여 구성된다.
다른 실시예에서, 제2 실시예의 주요 요지는 세그먼트의 수가 4이고, 세그먼트는 동일하다는 것을 선택적으로 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 제2 실시예의 주요 요지는 세그먼트가 직사각형 보드를 구비하는 것을 선택적으로 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 제2 실시예의 주요 요지는 세그먼트의 수가 홀수인 것을 선택적으로 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 제2 실시예의 주요 요지는 복수의 동심 링 중 링들이 링-투-링 거리에 의해 분리되고, 복수의 동심 링 중 링들을 따르는 요소 사이의 제1 거리가 복수의 동심 링 중 링들 사이의 제2 거리의 함수이며, 더욱이 안테나 요소의 복수의 동심 링에 의해 형성된 안테나 요소의 어레이가 회전 대칭을 갖는다는 것을 선택적으로 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 본 실시예의 주요 요지는 제2 거리 대 제1 거리의 비율은 안테나 개구에 걸쳐 일정한 것을 선택적으로 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 제2 실시예의 주요 요지는 복수의 동심 링에서 각 링이 원통형 피드에 더 가까운 인접 링에 걸쳐 다수의 부가 요소를 갖고, 부가 요소의 수는 일정한 것을 선택적으로 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 제2 실시예의 주요 요지는 복수의 링의 링은 동일한 수의 안테나 요소를 갖는 것을 선택적으로 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 제2 실시예의 주요 요지는 컨트롤러가 홀로그래픽 빔 형성을 수행하기 위해 어느 안테나가 온 및 오프인지를 제어하기 위한 제어 패턴을 적용하는 것을 선택적으로 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 제2 실시예의 주요 요지는 적어로 하나의 각 안테나 어레이가 안테나 요소의 튜닝 가능한 슬롯 어레이를 구비하여 구성되는 것을 선택적으로 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 제2 실시예의 주요 요지는 튜닝 가능한 슬롯 어레이가 복수의 슬롯을 구비하여 구성되고, 더욱이 각 슬롯이 주어진 주파수에서 원하는 산란을 제공하기 위해 튜닝되는 것을 선택적으로 포함할 수 있다. 앞에서의 설명을 읽고 난 후에 본 발명의 많은 변형 및 수정이 당업자에게는 명백할 것이지만, 예시로서 나타내지고 설명된 임의의 특정 실시예는 어떤 식으로든 제한적인 것으로 고려되고자 하는 의도는 없다는 것이 이해돼야 한다. 그러므로 다양한 실시예의 세부사항에 대한 언급은 그 자체로 본 발명에 필수적인 것으로 간주되는 특징만을 암시하는 청구항의 범위를 제한하려는 것이 아니다.

Claims (20)

  1. 원통형 피드파를 입력하기 위한 단일한 안테나 피드; 및
    상기 안테나 피드에 결합되고, 안테나 요소를 갖춘 복수의 세그먼트들을 포함하는 물리적 안테나 개구로서, 복수의 세그먼트들의 각각이 상기 안테나 피드로부터 상기 복수의 세그먼트들에 제공되는 상기 원통형 피드파에 응답하여 RF 에너지를 복사하도록 동작 가능하고, 복수의 세그먼트들의 각각이 복수의 세그먼트들에서의 다른 세그먼트와 물리적으로 다르며, 복수의 세그먼트들이 안테나 요소의 복수의 폐쇄 동심 링을 형성하도록 서로 결합되고, 복수의 동심 링이 안테나 피드에 대해 동심인, 물리적 안테나 개구를 구비하여 구성되고,
    상기 세그먼트들은 RF가 새는 것을 방지하기 위하여 상기 세그먼트들의 중첩된 가장자리(overlapping edge)들을 이용해서 결합되는 것을 특징으로 하는 플랫 패널 안테나.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 세그먼트가 직사각형 보드를 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는 플랫 패널 안테나.
  4. 제1항에 있어서, 세그먼트의 수가 홀수인 것을 특징으로 하는 플랫 패널 안테나.
  5. 제1항에 있어서, 복수의 세그먼트들을 결합시키는 것이 안테나 피드가 위치되는 중심으로 위치된 개방 구역을 초래하는 것을 특징으로 하는 플랫 패널 안테나.
  6. 제1항에 있어서, 복수의 동심 링 중 링들이 링-투-링 거리에 의해 분리되고, 복수의 동심 링 중 링들을 따르는 요소 사이의 제1 거리가 복수의 동심 링 중 링들 사이의 제2 거리의 함수이며, 더욱이 안테나 요소의 복수의 동심 링에 의해 형성된 안테나 요소의 어레이가 회전 대칭을 갖는 것을 특징으로 하는 플랫 패널 안테나.
  7. 제6항에 있어서, 제2 거리 대 제1 거리의 비율이 안테나 개구에 걸쳐 일정한 것을 특징으로 하는 플랫 패널 안테나.
  8. 제1항에 있어서, 복수의 동심 링에서 각 링이 원통형 피드에 더 가까운 인접 링에 걸쳐 다수의 부가 요소를 갖고, 부가 요소의 수는 일정한 것을 특징으로 하는 플랫 패널 안테나.
  9. 제1항에 있어서, 복수의 링의 링이 동일한 수의 안테나 요소를 갖는 것을 특징으로 하는 플랫 패널 안테나.
  10. 제1항에 있어서, 행렬 구동 회로를 이용해서 개별적으로 어레이의 각 안테나 요소를 제어하기 위한 컨트롤러를 더 구비하여 구성되고, 각 안테나 요소가 행렬 구동 회로에 의해 고유하게 어드레스되는 것을 특징으로 하는 플랫 패널 안테나.
  11. 원통형 피드파를 입력하기 위한 단일한 안테나 피드와;
    상기 안테나 피드에 결합되고, 안테나 요소를 갖춘 복수의 세그먼트들을 포함하는 물리적 안테나 개구로서, 복수의 세그먼트들의 각각이 상기 안테나 피드로부터 상기 복수의 세그먼트들에 제공되는 상기 원통형 피드파에 응답하여 RF 에너지를 복사하도록 동작 가능하고, 복수의 세그먼트들의 각각이 복수의 세그먼트들에서의 다른 세그먼트와 물리적으로 다르며, 복수의 세그먼트들이 안테나 요소의 복수의 폐쇄 동심 링을 형성하도록 서로 결합되고, 복수의 동심 링이 안테나 피드에 대해 동심이며, 복수의 세그먼트들을 결합하는 것이 안테나 피드가 위치되는 중심으로 위치된 개방 구역을 초래하는, 물리적 안테나 개구; 및
    행렬 구동 회로를 이용해서 개별적으로 어레이의 각 안테나 요소를 제어하기 위한 컨트롤러로서, 각 안테나 요소가 행렬 구동 회로에 의해 고유하게 어드레스되는, 컨트롤러;를 구비하여 구성되고,
    상기 세그먼트들은 RF가 새는 것을 방지하기 위하여 상기 세그먼트들의 중첩된 가장자리(overlapping edge)들을 이용해서 결합되는 것을 특징으로 하는 플랫 패널 안테나.
  12. 삭제
  13. 제11항에 있어서, 세그먼트가 직사각형 보드를 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는 플랫 패널 안테나.
  14. 제11항에 있어서, 세그먼트의 수가 홀수인 것을 특징으로 하는 플랫 패널 안테나.
  15. 제11항에 있어서, 복수의 동심 링 중 링들이 링-투-링 거리에 의해 분리되고, 복수의 동심 링 중 링들을 따르는 요소 사이의 제1 거리가 복수의 동심 링 중 링들 사이의 제2 거리의 함수이며, 더욱이 안테나 요소의 복수의 동심 링에 의해 형성된 안테나 요소의 어레이가 회전 대칭을 갖는 것을 특징으로 하는 플랫 패널 안테나.
  16. 제15항에 있어서, 제2 거리 대 제1 거리의 비율이 안테나 개구에 걸쳐 일정한 것을 특징으로 하는 플랫 패널 안테나.
  17. 제11항에 있어서, 복수의 동심 링에서 각 링이 원통형 피드에 더 가까운 인접 링에 걸쳐 다수의 부가 요소를 갖고, 부가 요소의 수는 일정한 것을 특징으로 하는 플랫 패널 안테나.
  18. 제11항에 있어서, 복수의 링의 링이 동일한 수의 안테나 요소를 갖는 것을 특징으로 하는 플랫 패널 안테나.
  19. 제11항에 있어서, 컨트롤러는 홀로그래픽 빔 형성을 수행하기 위해 어느 안테나가 온 및 오프인지를 제어하기 위한 제어 패턴을 적용하는 것을 특징으로 하는 플랫 패널 안테나.
  20. 제11항에 있어서, 적어로 하나의 각 안테나 어레이가 안테나 요소의 튜닝 가능한 슬롯 어레이를 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는 플랫 패널 안테나.
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