KR102010303B1 - 위상 배열 안테나 - Google Patents

Abstract

본 명세서는 장거리 통신을 위한 복수의 방사 소자가 배열되어 있는 위상 배열 안테나 관한 것으로, 복수의 방사 소자를 포함하는 방사 소자부, 상기 복수의 방사 소자 각각의 위상을 천이하는 제1 위상 천이부, 상기 복수의 방사 소자의 위상을 실시간 지연 시간 방식으로 천이하는 제2 위상 천이부, 상기 제1 및 제2 위상 천이부 사이에 구비되어, 상기 제1 및 제2 위상 천이부를 연결시키는 연결부 및 상기 제1 및 제2 위상 천이부를 제어하는 제어부를 포함하는 하이브리드형 위상 배열 안테나에 관한 것이다.

Description

위상 배열 안테나{PHASED ARRAY ANTENNA}

본 명세서는 위상 배열 안테나에 관한 것으로, 구체적으로는 장거리 통신을 위한 복수의 방사 소자가 배열되어 있는 위상 배열 안테나에 관한 것이다.

위상 배열 안테나는 각 방사소자의 급전 신호 위상을 제어하여 배열 안테나 전체의 방사 패턴을 형성 및 제어하는 안테나이다. 이때, 급전신호 위상 천이는 위상 천이기 소자를 이용한다.

위상 배열 안테나 구현을 위해 배열된 방사소자 간 간격은 물리적으로 고정되어 있다. 이에 따른 전기적 관점에서의 방사소자 간 간격은 주파수에 따라 서로 상이하게 된다.

일반적인 위상 천이기는 급전 신호의 위상을 0°에서 360°까지 변화시키는 소자로 주파수에 따라 동일하게 위상 천이 되도록 설계되어 있다.

광대역 동작 위상 배열 안테나에 있어, 주파수에 따라 전기적으로 서로 상이한 방사소자 간 간격을 갖는 배열 안테나 구성과 주파수에 따라 동일한 위상 천이값을 설정하는 일반적인 위상 천이기의 특징에 의해 위상 배열 안테나는 요구 지향각 대비 주파수에 따라 서로 상이한 각도로 지향하게 된다. 이와 같은 현상을 광대역 동작에 따른 위상 배열 안테나의 주파수별 빔 편이(Beam Squint) 현상이라 한다.

대용량 정보 송수신을 위해 광대역 동작을 요하는 위상 배열 안테나의 경우, 일반적인 위상 천이기를 사용하게 되면 주파수별 빔 편이 현상이 발생하게 되고 이는 요구 조향 각 기준 주파수 별 이득 편차 현상으로 나타나 통신 품질 저하를 야기하게 된다. 상기 문제는 요구 최대 빔 조향각이 크고, 동작 대역폭이 넓을수록 커지게 된다. 따라서 일반적인 위상 천이기를 갖는 위상 배열 안테나는 대용량 통신용으로 사용하기에 부적절하다.

이와 같은 문제를 해소하기 위해, 실시간 지연(TTD : True Time Delay) 위상 천이기에 관한 연구가 진행되어 왔다. 실시간 지연 위상 천이는 각 방사소자의 급전 신호 위상을 신호의 시간 지연을 통해 제어하는 방법이다.

시간 지연 값은 물리적으로 고정된 방사소자 간 간격과 주파수에 관계없이 빛의 속도로 동일한 전파의 전파속도에 의해 산출되기 때문에 주파수에 따라 빔 편이 없이 동일한 조향 각을 갖게 된다.

실시간 지연 위상 천이기는 전파 경로가 동일하면 전파가 동일한 시간에 도착하는 원리를 이용하기 때문에, 주로 전송선로를 통해 구현된다.

장거리 통신을 위해 고 이득 방사특성을 요구해 다수의 방사소자가 배열된 위상 배열 안테나의 경우, 방사소자 수에 비례하여 지연 시간이 추가되어야 하기 때문에 매우 긴 전송선로가 필요하게 된다. 실시간 지연 위상 천이기가 RF(Radio Frequency) 단에 장착될 경우, 지연 선로에 의한 신호 손실이 발생하게 되며, 이에 따라 통신 품질 저하가 야기 된다.

상기와 같은 문제를 해소하기 위해, 실시간 지연 위상 천이기를 IF(Intermediate Frequency) 단에 구성하는 방법이 있다. 그러나 상기 방법은 방사소자 수에 해당하는 능동 소자(RF 신호를 IF 신호로 변환하는 소자)가 필요해 위상 배열 안테나 제작비용이 매우 증가하게 된다.

더불어, 위상 배열 안테나의 원활한 빔 조향 성능을 위해서는 위상 천이기에 의해 제어되는 분해능 값이 낮아야 한다. 일반적인 위상 천이기의 경우, 0° ~ 360° 사이의 값만 변화하기 때문에 위상 제어 회로 수에 비례하여 분해능 값을 효율적으로 낮출 수 있다. 그러나 실시간 지연 위상 천이기의 경우, 방사소자 배열 수에 따라 지연 시간 값이 증가하기 때문에 고 이득 방사 특성을 위해 다수의 방사 소자가 배열된 경우에는 적절한 분해능을 얻기 위해 매우 많은 위상 제어 회로가 필요하게 된다. 위상 제어 회로 수의 증가는 제작비용 증가와 신호 손실을 야기한다.

결과적으로, 장거리 광대역 통신을 위한 위상 배열 안테나에 있어, 일반적인 위상 천이기만 사용된 경우에는 주파수별 빔 편이 현상이 발생하고, 실시간 지연 위상 천이기만 사용된 경우에 발생하는 능동소자 수 및 위상 제어 회로 수에 따른 위상 배열 안테나 구현 제작비용이 증가하게 된다.

따라서, 본 명세서는 고 이득 방사 특성, 광대역 동작 그리고 광각 빔 조향을 요구하는 위상 배열 안테나에 있어, 일반적인 위상 천이기에 의해 발생하는 빔 편이 현상을 개선함과 동시에 실시간 지연 위상 천이기를 사용함에 있어 발생하는 능동 소자 및 위상 제어 회로 수의 증가 문제를 해결할 수 있는 위상 배열 안테나를 제공하고자 한다.

상술한 바와 같은 과제를 해결하기 위한 본 명세서에 개시된 위상 배열 안테나는, 복수의 방사 소자를 포함하는 방사 소자부, 상기 복수의 방사 소자 각각의 위상을 천이하는 제1 위상 천이부, 상기 복수의 방사 소자의 위상을 실시간 지연 시간 방식으로 천이하는 제2 위상 천이부, 상기 제1 및 제2 위상 천이부 사이에 구비되어, 상기 제1 및 제2 위상 천이부를 연결시키는 연결부 및 상기 제1 및 제2 위상 천이부를 제어하는 제어부를 포함한다.

일실시 예에서, 상기 방사 소자부는, 상기 복수의 방사 소자 각각 및 상기 제1 위상 천이부와 연결되는 복수의 RF(Radio Frequency) 커넥터를 포함할 수 있다.

일실시 예에서, 상기 제1 위상 천이부는, 상기 복수의 방사 소자 각각과 연결되어, 상기 복수의 방사 소자 각각의 위상을 천이하는 복수의 제1 위상 천이기를 포함할 수 있다.

일실시 예에서, 상기 제2 위상 천이부는, 상기 제1 위상 천이부에 포함된 복수의 제1 위상 천이기와 연결되어, 상기 복수의 방사 소자의 위상을 실시간 지연 시간 방식으로 천이하는 하나 이상의 제2 위상 천이기를 포함할 수 있다.

일실시 예에서, 상기 제2 위상 천이기는, 실시간 지연 위상 천이기일 수 있다.

일실시 예에서, 상기 연결부는, 상기 복수의 제1 위상 천이기 및 상기 하나 이상의 제2 위상 천이기 중 하나가 연결되는 하나 이상의 IF(Intermediate Frequency) 커넥터를 포함할 수 있다.

일실시 예에서, 상기 제어부는, 상기 방사 소자부의 빔 조향에 따라 상기 제2 위상 천이부의 위상 천이를 제어한 후, 상기 제1 위상 천이부의 위상 천이를 제어할 수 있다.

일실시 예에서, 상기 복수의 방사 소자는, 기설정된 구비 기준에 따른 개수로 구비될 수 있다.

본 명세서에 개시된 위상 배열 안테나는, 상술한 바와 같은 구성의 해결수단을 통해서, 고 이득 방사특성을 요구해 다수의 방사소자가 배열되고, 광대역 동작 및 광각 빔 조향 성능을 동시에 만족시키며 원활한 빔 조향을 구현할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 명세서에 개시된 위상 배열 안테나는, 일반적인 위상 천이기만 사용된 위상 배열 안테나와 비교해 빔 편이 현상을 개선할 수 있을 뿐만 아니라, 실시간 지연 위상 천이기만 사용된 위상 배열 안테나와 비교해서 부 배열 단위로 실시간 지연 위상 천이기가 사용되기 때문에 능동소자 수를 줄일 수 있는 효과가 있다.

더불어, 본 명세서에 개시된 위상 배열 안테나는, 실시간 지연 위상 천이기의 분해능 값이 커도 세부 위상 천이를 일반적인 위상 천이기에서 수행하기 때문에, 실시간 지연 위상 천이기만을 사용한 경우와 비교해 위상 제어 회로를 줄일 수 있는 효과도 있다.

도 1은 본 명세서에 개시된 위상 배열 안테나의 구성을 나타낸 구성도.
도 2는 본 명세서에 개시된 위상 배열 안테나의 실시 예에 따른 부 배열 내부 Array Factor 분석도.
도 3은 본 명세서에 개시된 위상 배열 안테나의 실시 예에 따른 부 배열 단위 Array Factor 분석도.
도 4는 본 명세서에 개시된 위상 배열 안테나의 실시 예에 따른 위상 배열 안테나 전체의 Array Factor 분석도.
도 5는 본 명세서에 개시된 위상 배열 안테나의 추가 실시 예(부 배열 내부 방사소자 수 = 5)에 따른 위상 배열 안테나 전체의 Array Factor 분석도.
도 6은 본 명세서에 개시된 위상 배열 안테나의 추가 실시 예(부 배열 내부 방사소자 수 = 6)에 따른 위상 배열 안테나 전체의 Array Factor 분석도.

본 명세서는 위상 배열 안테나에 적용될 수 있다. 그러나 본 명세서에 개시된 기술은 이에 한정되지 않고, 상기 기술의 기술적 사상이 적용될 수 있는 모든 안테나 장치, 안테나 시스템에 적용되어 실시될 수 있다.

본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 명세서에 개시된 기술의 사상을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 본 명세서에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 명세서에 개시된 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적인 용어가 본 명세서에 개시된 기술의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라, 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.

또한, 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예들을 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

또한, 본 명세서에 개시된 기술을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 기술의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 기술의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 그 기술의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.

먼저, 도 1을 참조하여 본 명세서에 개시된 위상 배열 안테나의 구성을 설명한다.

도 1은 본 명세서에 개시된 위상 배열 안테나의 구성을 나타낸 구성도이다.

본 명세서에 개시된 위상 배열 안테나는, 도 1에 도시된 바와 같이, 복수의 방사 소자(10a 내지 10d)를 포함하는 방사 소자부(10), 상기 복수의 방사 소자(10a 내지 10d) 각각의 위상을 천이하는 제1 위상 천이부(20), 상기 복수의 방사 소자(10a 내지 10d)의 위상을 실시간 지연 시간 방식으로 천이하는 제2 위상 천이부(30), 상기 제1 위상 천이부(20) 및 제2 위상 천이부(30) 사이에 구비되어, 상기 제1 위상 천이부(20) 및 제2 위상 천이부(30)를 연결시키는 연결부(40) 및 상기 제1 위상 천이부(20) 및 제2 위상 천이부(30)를 제어하는 제어부(50)를 포함한다.

여기서, 상기 방사 소자부(10)는, 상기 복수의 방사 소자(10a 내지 10d)를 둘 이상 포함할 수 있으나, 이하에서는 설명의 편의를 위해 상기 복수의 방사 소자(10a 내지 10d)가 도 1에 도시된 바와 같이 4개인 형태를 중점으로 본 발명의 실시 예를 설명한다.

상기 복수의 방사 소자(10a 내지 10d)는, 지향하는 방향(주빔 방향)으로부터 외부 신호를 수신하거나, 송신 신호를 방사하는 안테나를 의미할 수 있다.

상기 복수의 방사 소자(10a 내지 10d)는, 상기 외부 신호를 수신하여, 수신된 신호에 대한 신호를 상기 제어부(50)로 출력할 수 있고, 상기 제어부(50)로부터 전달된 신호 방사 명령에 따라 상기 송신 신호를 외부로 방사할 수 있다.

상기 복수의 방사 소자(10a 내지 10d)의 위상, 즉 조향 방향은, 상기 제1 위상 천이부(20) 및 상기 제2 위상 천이부(30)에 의해 천이될 수 있다.

상기 방사 소자부(10)는, 상기 복수의 방사 소자(10a 내지 10d) 각각 및 상기 제1 위상 천이부(20)와 연결되는 복수의 RF(Radio Frequency) 커넥터(11a 내지 11d)를 포함할 수 있다.

즉, 상기 복수의 방사 소자(10a 내지 10d)는, 상기 복수의 RF 커넥터(11a 내지 11d)를 통해 상기 제1 위상 천이부(20)와 연결될 수 있다.

상기 복수의 RF 커넥터(11a 내지 11d)는, 통신 대상 신호를 고주파수의 무선 주파수로 변환하는 변환하는 커넥터를 의미할 수 있다.

상기 복수의 RF 커넥터(11a 내지 11d)는, 상기 복수의 방사 소자(10a 내지 10d) 각각 및 상기 제1 위상 천이부(20)와 연결되어, 상기 복수의 방사 소자(10a 내지 10d) 각각에서 고주파수 신호가 송수신되도록 신호를 변환할 수 있다.

이를테면, 상기 복수의 방사 소자(10a 내지 10d) 각각에서 수신된 고주파수의 외부 신호를 상기 제어부(50)에서 처리 가능한 신호 형태로 변환하거나, 상기 제어부(50)에서 전달받은 신호를 상기 복수의 방사 소자(10a 내지 10d) 각각에서 송신 가능한 고주파수의 신호 형태로 변환할 수 있다.

상기 제1 위상 천이부(20)는, 상기 복수의 방사 소자(10a 내지 10d) 각각과 연결되어, 상기 복수의 방사 소자(10a 내지 10d) 각각의 위상을 천이하는 복수의 제1 위상 천이기(20a 내지 20d)를 포함할 수 있다.

상기 복수의 제1 위상 천이기(20a 내지 20d)는, 상기 복수의 RF 커넥터(11a 내지 11d)를 통해 상기 복수의 방사 소자(10a 내지 10d) 각각과 연결될 수 있다.

상기 복수의 제1 위상 천이기(20a 내지 20d) 각각은, 상기 복수의 방사 소자(10a 내지 10d) 각각의 위상을 천이할 수 있다.

이를테면, 제1 위상 천이기a(20a)는 방사 소자a(10a)의 위상을, 제1 위상 천이기b(20b)는 방사 소자b(10b)의 위상을, 제1 위상 천이기c(20c)는 방사 소자c(10c)의 위상을, 제1 위상 천이기d(20d)는 방사 소자d(10d)의 위상을 천이하게 될 수 있다.

상기 복수의 제1 위상 천이기(20a 내지 20d)는, 상기 제2 위상 천이부(30)와 다른 방식으로 상기 복수의 방사 소자(10a 내지 10d) 각각의 위상을 천이하는 위상 천이기일 수 있다.

이를테면, 상기 복수의 제1 위상 천이기(20a 내지 20d)는, 특정 대역의 전파의 위상의 길이를 조절해 상기 복수의 방사 소자(10a 내지 10d)에 조사되는 각 빔마다 위상값을 다르게 변경하여 위상차를 발생시키는 방식으로 위상을 천이하는 일반 위상 천이기일 수 있다.

상기 복수의 제1 위상 천이기(20a 내지 20d)는, 상기 제어부(50)의 제어에 의해, 상기 복수의 방사 소자(10a 내지 10d) 각각의 위상을 천이할 수 있다.

상기 복수의 제1 위상 천이기(20a 내지 20d)는, 상기 복수의 방사 소자(10a 내지 10d) 각각의 세부 위상을 천이할 수 있다.

여기서, 상기 세부 위상을 천이하는 것의 의미는, 상기 복수의 방사 소자(10a 내지 10d)의 위상이 상기 제2 위상 천이부(30)에 의해 전체적으로 천이된 후, 상기 복수의 방사 소자(10a 내지 10d) 각각과 연결된 상기 복수의 제1 위상 천이기(20a 내지 20d) 각각이 상기 복수의 방사 소자(10a 내지 10d) 각각의 위상을 세부적으로 천이하는 것을 의미할 수 있다.

즉, 상기 복수의 방사 소자(10a 내지 10d)는, 상기 제2 위상 천이부(30)에 의해 1차적으로 위상이 천이되고, 상기 제1 위상 천이부(10)에 의해 2차적으로 위상이 천이될 수 있다.

상기 제2 위상 천이부(30)는, 상기 제1 위상 천이부(10)에 포함된 상기 복수의 제1 위상 천이기(20a 내지 20d)와 연결되어, 상기 복수의 방사 소자(10a 내지 10d)의 위상을 실시간 지연 시간 방식으로 천이하는 하나 이상의 제2 위상 천이기(30a 및 30b)를 포함할 수 있다.

상기 하나 이상의 제2 위상 천이기(30a 및 30b)는, 실시간 지연 위상 천이기일 수 있다.

상기 하나 이상의 제2 위상 천이기(30a 및 30b)는, 일정한 간격의 메시한 시간차를 이용해 전파의 시작점(위상의 시작점)을 다르게 변경하여 위상차를 발생시키는 방식으로 위상을 천이하는 실시간 지연 위상 천이기일 수 있다.

상기 하나 이상의 제2 위상 천이기(30a 및 30b)는, 상기 제1 위상 천이기(20a 내지 20d)와 부 배열(Sub array) 단위로 연결될 수 있다.

예를들면, 상기 하나 이상의 제2 위상 천이기(30a 및 30b) 각각에 2개의 제1 위상 천이기(20a 내지 20d)가 연결될 수 있다.

이를테면, 제2 위상 천이기a(30a)에는 제1 위상 천이기a(20a) 및 제1 위상 천이기b(20b)가, 제2 위상 천이기b(30b)에는 제1 위상 천이기c(20c) 및 제1 위상 천이기d(20d)가 연결될 수 있다.

상기 하나 이상의 제2 위상 천이기(30a 및 30b)는, 상기 복수의 방사 소자(10a 내지 10d)의 위상을 1차적으로 천이할 수 있다.

상기 하나 이상의 제2 위상 천이기(30a 및 30b)는, 상기 복수의 방사 소자(10a 내지 10d)의 위상을 전체적으로 천이할 수 있다.

상기 하나 이상의 제2 위상 천이기(30a 및 30b)는, 상기 제어부(50)의 제어에 의해, 상기 복수의 방사 소자(10a 내지 10d)의 위상을 천이할 수 있다.

상기 하나 이상의 제2 위상 천이기(30a 및 30b) 각각은, 상기 연결부(40)를 통해 상기 제1 위상 천이부(10)의 복수의 제1 위상 천이기(20a 내지 20d)와 연결될 수 있다.

상기 연결부(40)는, 상기 복수의 제1 위상 천이기(20a 내지 20d) 및 상기 하나 이상의 제2 위상 천이기(30a 및 30b) 중 하나가 연결되는 하나 이상의 IF(Intermediate Frequency) 커넥터를 포함할 수 있다.

상기 하나 이상의 IF 커넥터는, 신호를 무선 주파수와 기저 대역 주파수 사이의 주파수로 변환하는 커넥터를 의미할 수 있다.

상기 제어부(50)는, 상기 방사 소자부(10)의 빔 조향에 따라 상기 제2 위상 천이부(30)의 위상 천이를 제어한 후, 상기 제1 위상 천이부(20)의 위상 천이를 제어할 수 있다.

즉, 상기 제어부(50)는, 상기 제2 위상 천이부(30)의 위상 천이를 1차적으로 제어하고, 상기 제1 위상 천이부(20)의 위상 천이를 2차적으로 제어할 수 있다.

상기 제어부(50)는, 상기 제2 위상 천이부(30)의 위상 천이를 1차적으로 제어하고, 상기 제1 위상 천이부(20)의 위상 천이를 2차적으로 제어하여, 상기 복수의 방사 소자(10a 내지 10d)의 위상을 상기 제2 위상 천이부(30)를 통해 전체적으로 제어하고, 상기 제1 위상 천이부(20)를 통해 개별적으로 제어할 수 있다.

상술한 바와 같은 구성으로 이루어진 본 명세서에 개시된 위상 배열 안테나에서 상기 복수의 방사 소자(10a 내지 10d)는, 기설정된 구비 기준에 따른 개수로 구비될 수 있다.

여기서, 상기 기설정된 구비 기준은, 빔 편이 현상에 따른 최대 이득 편차값이 만족되는 방사 소자의 수를 의미할 수 있으며, 이에 대해서는 하술할 구체적인 설명에서 자세히 설명한다.

이하에서는, 도 2 내지 도 6을 추가로 참조하여, 상술한 바와 같은 구성으로 이루어진 위상 배열 안테나의 구체적인 실시 예를 들어 상기 위상 배열 안테나의 구성에 따른 효과를 설명한다.

도 2는 본 명세서에 개시된 위상 배열 안테나의 실시 예에 따른 부 배열 내부 Array Factor 분석도이다.

도 3은 본 명세서에 개시된 위상 배열 안테나의 실시 예에 따른 부 배열 단위 Array Factor 분석도이다.

도 4는 본 명세서에 개시된 위상 배열 안테나의 실시 예에 따른 위상 배열 안테나 전체의 Array Factor 분석도이다.

도 5는 본 명세서에 개시된 위상 배열 안테나의 추가 실시 예(부 배열 내부 방사소자 수 = 5)에 따른 위상 배열 안테나 전체의 Array Factor 분석도이다.

도 6은 본 명세서에 개시된 위상 배열 안테나의 추가 실시 예(부 배열 내부 방사소자 수 = 6)에 따른 위상 배열 안테나 전체의 Array Factor 분석도이다.

본 명세서에 개시된 위상 배열 안테나는, 고 이득 방사특성을 요구해 다수의 방사 소자가 배열되고, 광대역 동작 및 광각 빔 조향 성능을 동시에 요구하는 위상 배열 안테나에 있어, 빔 편이 현상을 개선함과 동시에 실시간 지연 위상 천이기를 사용하기 위한 능동 소자 및 위상 제어 회로 수를 줄일 수 있는 하이브리드형 위상 배열 안테나를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 명세서에 개시된 위상 배열 안테나는, 앞서 설명한 바와 같이, 위상 배열 안테나의 각 방사 소자(10) 뒷 단에는 일반적인 위상 배열 안테나(20)를 구비하고, 이를 부 배열 단위로 결합하여 IF 단에서 실시간 지연 위상 천이기(30)를 구비하는 것을 구성으로 한다.

본 발명의 구성에 따른 하이브리드 위상 배열 안테나의 빔 조향은 요구 빔 조향각을 기준으로 부 배열 단위로 구성된 IF 단의 실시간 지연 위상 천이기(30)를 통해 대략적인 위상 천이를 수행하고, 개별 방사 소자(10) 뒷 단에 있는 일반적인 위상 천이기(20)를 통해 세부 잔여 위상 천이값에 대한 위상 천이를 수행하는 것을 특징으로 한다.

상기 특징에 의해, 주파수 별 빔 편이 현상을 개선할 수 있을 뿐만 아니라, 부배열 단위로 IF 단에 장착된 실시간 위상 천이기(30)를 통해 능동소자 수의 감소와 더불어 지연 선로에 의한 손실을 줄일 수 있는 효과가 있다. 더불어, 일반적인 위상 천이기(20)에 의해 세부 위상 천이값이 제어되기 때문에, 실시간 지연 위상 천이기(30)의 분해능은 상대적(실시간 지연 위상 천이기만 사용된 위상 배열 안테나)으로 큰 분해능 값에서도 원활한 빔 조향 성능을 갖게 되는 효과가 있다.

상기와 같은 목적, 특징 및 효과는 첨부된 도면의 상세한 설명을 통해 보다 명확해 질 것이다. 이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다.

본 명세서에 개시된 위상 배열 안테나의 구체적인 적용 예는, 도 1에 도시된 바와 같은 위상 배열 안테나의 구성에서, 위상 배열 안테나를 부 배열로 구분한 후, 부 배열 내부(In Sub Array)에서는 RF 단에서 각 방사 소자(10)에 연결된 일반적인 위상 천이기(20)를 사용하여 위상 천이를 수행하고, 부 배열 단위(Inter Sub Array)는 IF 단에서 실시간 지연 위상 천이기(30)를 사용하여 위상 천이를 수행하게 된다.

이와 같은 구성으로 이루어진 위상 배열 안테나의 빔 패턴 (Beam Pattern)은, 부 배열 내부의 Array Factor(

)와 부 배열 단위 Array Factor(

)를 분석한 후, 하기 [수학식 1]과 같이 각 Array Factor의 곱으로 표현이 가능하다.

[수학식 1]

도 2 내지 도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 결과를 나타내는 그래프로, 이하 도 2 내지 도 6를 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 결과를 구체적으로 설명한다.

도 2 내지 도 4는, 본 발명의 구성이 중심 주파수는 10 GHz, 대역폭은 1GHz, 요구 지향각은 45°, 부 배열 내부 방사소자 배열 수는 4, 그리고 부 배열 단위 배열 수는 8인 실시 예에 따른 결과를 나타낸다.

도 2는 일반적인 위상 천이기(20)가 사용된 부 배열 내부 Array Factor(

)를 나타낸다. 이때, 위상 천이 값은 중심 주파수로 설정되었다. 낮은 주파수는 요구 조향각을 넘어서 빔이 형성되고 높은 주파수는 요구 조향각에 못 미치게 형성됨을 알 수 있다.

도 3은 실시간 지연 위상 천이기(30)가 사용된 부 배열 단위 Array Factor(

)를 나타낸다. 실시간 지연 위상 천이기(30) 특성에 의해 빔 편이 현상이 발생하지 않음을 알 수 있다. 또한, 부 배열 단위 Array Factor에서 주빔(Main Lobe)이외의 그레이팅 로브(Grating Lobe)에서 빔 편이 현상이 발생함을 알 수 있다. 방사 소자(10) 간 전기적 간격 차이에 발생하는 가시영역(Visible Region)에 의해 발생하는 것으로 위상 배열 안테나 전체 주빔에는 영향을 주지 않는다. 더불어, 지연 시간이 약 1043psec로 RF 단에서 구성될 시에는 전송선로에 의한 손실이 야기 되나 IF에서 구성되어 손실을 개선할 수 있음을 알 수 있다.

도 4는 위상 배열 안테나 전체의 Array Factor (

)를 상기 수식을 참고하여 분석한 자료를 나타낸다. 본 발명의 위상 배열 안테나 구성에 의해 부 배열 내부 Array Factor(

)에 의해 발생한 빔 편이 현상은 부 배열 단위 Array Factor(

)에 의해 상쇄되어 미미한 빔 편이 현상만 발생함을 알 수 있다.

본 발명에 따른 위상 배열 안테나의 경우, 상기 실시 예에서 확인할 수 있듯이, 미미한 빔 편이 현상이 발생한다. 이는 부 배열 내부에 사용된 일반적인 위상 천이기(20)에 의해 발생하는 것으로, 부 배열 내부 방사 소자(10) 수에 따라 변화 된다.

도 5는 본 발명의 실시 예에서 부 배열 내부 방사 소자(10) 수를 5로 변화시켰을 때의 전체 위상 배열 안테나의 Array Factor(

)을 나타내고, 도 6은 부 배열 내부 방사 소자(10) 수를 6으로 변화시켰을 때의 전체 위상 배열 안테나의 Array Factor(

)을 나타낸다.

도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 부 배열 내부 방사 소자(10) 수가 증가할수록 이득 편차가 증가함을 알 수 있다.

본 발명의 위상 배열 안테나는, 상기 현상에 의해 하기 [수학식 2]를 기준으로 부 배열 내부 방사 소자(10) 수를 설정할 수 있다.

[수학식 2]

여기서 floor는 ‘MATLAB’의 함수로 내림 연산, FBW는 중심 주파수 대비 동작 대역폭의 비,

는 최대 빔 조향각,

는 중심 주파수의 전파 상수,

는 방사 소자 간 물리적 간격,

는 본 발명에 따른 위상 배열 안테나에 의해 발생되는 미미한 빔 편이 현상에 따른 최대 이득 편차값 그리고 상기 수식에 의해 산출되는

은 부 배열 내부 방사 소자 수를 의미한다.

즉, 본 발명에 따른 위상 배열 안테나에서 방사 소자는, 상기 [수학식 2]에 따른 수로 구비될 수 있다.

상기 수학식 2는, 앞서 설명한 상기 기설정된 구비 기준일 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 명세서에 개시된 위상 배열 안테나는, 상술한 바와 같은 구성을 통해서, 고 이득 방사특성을 요구해 다수의 방사소자가 배열되고, 광대역 동작 및 광각 빔 조향 성능을 동시에 만족시키며 원활한 빔 조향을 구현할 수 있는 효과가 있다.

또한, 일반적인 위상 천이기만 사용된 위상 배열 안테나와 비교해 빔 편이 현상을 개선할 수 있을 뿐만 아니라, 실시간 지연 위상 천이기만 사용된 위상 배열 안테나와 비교해서 부 배열 단위로 실시간 지연 위상 천이기가 사용되기 때문에 능동소자 수를 줄일 수 있는 효과가 있다.

더불어, 실시간 지연 위상 천이기의 분해능 값이 커도 세부 위상 천이를 일반적인 위상 천이기에서 수행하기 때문에, 실시간 지연 위상 천이기만을 사용한 경우와 비교해 위상 제어 회로를 줄일 수 있는 효과도 있다.

결과적으로, 본 명세서에 개시된 위상 배열 안테나는, 일반적인 위상 천이기에 의해 발생하는 빔 편이 현상을 개선함과 동시에 실시간 지연 위상 천이기를 사용함에 있어 발생하는 능동 소자 및 위상 제어 회로 수의 증가 문제를 해결하게 되어, 본 발명의 목적을 해결함과 동시에 종래기술의 한계를 개선하게 될 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명의 바람직한 실시 예들은 기술적 과제를 해결하기 위해 개시된 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자(당업자)라면 본 발명의 사상 및 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가 등이 가능할 것이며, 이러한 수정 변경 등은 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

10: 방사 소자부
20: 제1 위상 천이부
30: 제2 위상 천이부
40: 연결부
50: 제어부

Claims (8)

1. 복수의 방사 소자를 포함하는 방사 소자부;
   상기 복수의 방사 소자 각각의 위상을 천이하는 제1 위상 천이부;
   상기 복수의 방사 소자의 위상을 실시간 지연 시간 방식으로 천이하는 제2 위상 천이부;
   상기 제1 및 제2 위상 천이부 사이에 구비되어, 상기 제1 및 제2 위상 천이부를 연결시키는 연결부; 및
   상기 제1 및 제2 위상 천이부를 제어하는 제어부;를 포함하고,
   상기 제1 위상 천이부는,
   상기 복수의 방사 소자 각각과 연결되어, 상기 복수의 방사 소자 각각의 위상을 천이하는 복수의 제1 위상 천이기를 포함하고,
   상기 제2 위상 천이부는,
   상기 제1 위상 천이부에 포함된 복수의 제1 위상 천이기와 연결되어, 상기 복수의 방사 소자의 위상을 실시간 지연 시간 방식으로 천이하는 하나 이상의 제2 위상 천이기를 포함하되,
   상기 복수의 방사 소자는,
   상기 복수의 제1 위상 천이기에 의해 발생되는 빔 편이 현상에 따른 최대 이득 편차값이 만족되는 방자 소자의 개수로 구비되는 것을 특징으로 하는 위상 배열 안테나.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 방사 소자부는,
   상기 복수의 방사 소자 각각 및 상기 제1 위상 천이부와 연결되는 복수의 RF(Radio Frequency) 커넥터를 포함하는 것을 특징으로 하는 위상 배열 안테나.
3. 제1 항에 있어서,
   상기 복수의 방사 소자는,
   적어도 최대 빔 조향각, 방사 소자 간 간격 및 상기 최대 이득 편차 값 각각에 대한 변수를 포함하는 연산식으로 구비 개수가 산출되는 것을 특징으로 하는 위상 배열 안테나.
4. 삭제
5. 제1 항에 있어서,
   상기 제2 위상 천이기는,
   실시간 지연 위상 천이기인 것을 특징으로 하는 위상 배열 안테나.
6. 제1 항에 있어서,
   상기 연결부는,
   상기 복수의 제1 위상 천이기 및 상기 하나 이상의 제2 위상 천이기 중 하나가 연결되는 하나 이상의 IF(Intermediate Frequency) 커넥터를 포함하는 것을 특징으로 하는 위상 배열 안테나.
7. 제1 항에 있어서,
   상기 제어부는,
   상기 방사 소자부의 빔 조향에 따라 상기 제2 위상 천이부의 위상 천이를 제어한 후, 상기 제1 위상 천이부의 위상 천이를 제어하는 것을 특징으로 하는 위상 배열 안테나.
8. 삭제

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