KR102205367B1 - 사행 도파관을 이용하여 듀얼 편파 신호들을 생성하기 위한 안테나 어레이 시스템 - Google Patents

사행 도파관을 이용하여 듀얼 편파 신호들을 생성하기 위한 안테나 어레이 시스템 Download PDF

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파타사라티 라마누잼
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Abstract

안테나 빔을 지향 및 조종하기 위한 안테나 어레이 시스템이 본 발명에 따라 설명된다. 안테나 어레이 시스템은 피드 도파관 길이를 가지는 피드 도파관, 피드 도파관과 신호 통신하는 2개 이상의 방향성 커플러들, 피드 도파관 길이에 따른 두 개 이상의 쌍들의 평면 커플링 슬롯들, 및 2개 이상의 혼 안테나들을 포함할 수 있다.

Description

사행 도파관을 이용하여 듀얼 편파 신호들을 생성하기 위한 안테나 어레이 시스템 {ANTENNA ARRAY SYSTEM FOR PRODUCING DUAL POLARIZATION SIGNALS UTILIZING A MEANDERING WAVEGUIDE}
본 발명은 일반적으로 마이크로파 디바이스들에 관한 것으로, 더 자세하게는 안테나 어레이들에 관한 것이다.
오늘날의 현대 사회에서는 위성 통신 시스템들이 널리 사용되어 왔다. 현재 지구 주위의 다양한 궤도들에는 엄청난 양들의 정보를 전송하고 수신하는 다양한 유형들의 통신 위성들이 있다. 원격 통신 위성들은 예를 들면 선박들, 차량들, 항공기들, 개인 모바일 단말기들, 인터넷 데이터 통신, 텔레비젼, 및 라디오 방송으로의 통신들과 같은 마이크로파 무선 릴레이 및 모바일 어플리케이션(mobile application)들에 이용된다. 추가 예로서, 인터넷 데이터 통신들에 대해, 대륙 횡단 비행 및 국내 비행시 운항 중 Wi-Fi
Figure 112015019410218-pat00001
인터넷 연결에 대한 요구가 또한 늘어나고 있다. 불행하게도, 이러한 어플리케이션들 때문에, 더 많은 통신 위성들의 이용 및 이러한 통신 위성들 각각의 대역폭 용량 증가에 대한 요구가 계속 증가하고 있다.
이러한 요구의 해결에 대한 명확한 문제는 개별 통신 위성 시스템들을 제작하고 지구 궤도에 위치시키고 작동시키고 유지하는데 비용이 매우 많이 든다는 것이다. 이러한 요구의 해결에 대한 또 다른 문제는 새로운 통신 위성에서 대역폭 용량의 증가에 대한 설계 제한 인자들이 있다는 것이다. 이러한 설계 제한 인자들 중 하나는 통신 위성의 비교적 컴팩트한(compact) 물리적 크기 및 중량이다. 통신 위성 설계들은, 현대 위성 전달 시스템(즉, 로켓 시스템) 내에 실어서 이 위성 전달 시스템에 의해 궤도 내로 전달할 수 있는, 크기 및 중량 매개변수들에 의해 제한된다. 통신 위성의 크기 및 중량 제한들은 통신 위성 내에 포함될 수 있는 전기적, 전자적, 파워 발생, 및 기계적 서브시스템들의 유형을 제한한다. 결과적으로, 이러한 유형들의 서브시스템들의 제한은 또한 위성 통신의 대역폭 용량의 증가에 대한 제한 인자들이다.
일반적으로, 통신 위성의 대역폭 용량 증가에 대한 제한 인자들은 통신 위성의 트랜스폰더들, 안테나 시스템(들), 및 프로세싱 시스템(들)에 의해 결정된다는 것이 당업자에 의해 인정된다.
안테나 시스템(또는 시스템들)에 관해, 대부분의 통신 위성 안테나 시스템들은 일부 유형의 안테나 어레이 시스템을 포함한다. 종래에는, (파라볼릭 디쉬(parabolic dish)들과 같은) 반사기 안테나들에는 가변 개수들의 (피드 혼(feed horn)들과 같은)피드 어레이 요소들이 이용되었다. 불행하게도, 전형적으로 이러한 반사기 안테나 시스템들은 전자 수단 대신 기계 수단을 이용하여 반사기 안테나 시스템들의 안테나 빔들을 스캐닝하였다. 이러한 기계 수단은 일반적으로 비교적 대형이고, 부피가 크고, 무거운 메카니즘들(즉, 안테나 짐벌(antenna gimbal)들)을 포함한다.
보다 더 최근에는, 비-반사기 위상(phased) 어레이 안테나 시스템들을 이용하여 설계된 위성들이 있었다. 이 위상 어레이 안테나 시스템들은 종래의 반사기 유형의 안테나 시스템들에 비해 안테나 시스템의 대역폭 용량을 증가시킬 수 있다. 부가적으로, 이러한 위상 어레이 안테나 시스템들은 때때로 위상 어레이 안테나 시스템을 기계적으로 이동시키지 않으면서 안테나 빔들을 지향 및 조종할 수 있다. 일반적으로, 동적 위상 어레이 안테나 시스템들은 위상 어레이 안테나 시스템을 물리적으로 이동시키지 않으면서 안테나 빔을 이동시키기 위한 가변 이상기(variable phase shifter)들을 이용한다. 다른 한편으로, 고정식 위상 어레이 안테나 시스템들은 고정식 이상기(fixed phase shifter)들을 이용하여 위상 어레이 안테나 시스템의 면에 대해 변하지 않는(stationary) 안테나 빔을 생성한다. 이로써, 고정식 위상 어레이 안테나 시스템들은 안테나 빔을 지향 및 조종하는데 전체 안테나 시스템(예를 들면, 안테나 짐벌을 구비함)의 이동을 요구한다.
불행하게도, 동적 위상 어레이 안테나 시스템들이 고정식 위상 어레이 안테나 시스템들보다 더 바람직하지만, 동적 위상 어레이 안테나 시스템들이 (파워 증폭기들 및 능동 이상기들과 같은) 특수 능동 컴포넌트들 및 제어 시스템들을 요구하기 때문에 동적 위상 어레이 안테나 시스템들은 더 복잡하고 비용이 많이 든다. 이로써, 강력하고 효율적이고 컴팩트하고 앞에서 설명된 문제점들을 해결하고 안테나 빔을 전자적으로 스캐닝할 수 있는 새로운 유형의 위상 어레이 안테나 시스템에 대한 요구가 있다.
안테나 빔을 지향하고 조종하기 위한 안테나 어레이 시스템이 본 발명에 따라 설명된다. 구현 예에서, 안테나 어레이 시스템은 피드 도파관 길이를 가지는 피드 도파관, 피드 도파관과 신호 통신하는 2개 이상의 방향성 커플러들, 피드 도파관 길이를 따르는 2개 이상의 쌍들의 평면 커플링 슬롯들, 및 2개 이상의 혼 안테나들을 포함할 수 있다. 피드(feed) 도파관은 피드 도파관 벽, 피드 도파관 길이를 따르는 하나 이상의 턴(turn), 피드 도파관의 제 1 단부에 있는 제 1 피드 도파관 입력부, 및 피드 도파관의 제 2 단부에 있는 제 2 피드 도파관 입력부를 가질 수 있다. 피드 도파관은 제 1 피드 도파관 입력부에서 제 1 입력 신호 및 제 2 피드 도파관 입력부에서 제 2 입력 신호를 수신하도록 구성된다.
2개 이상의 방향성 커플러들 중 각각의 방향성 커플러는 피드 도파관의 도파관 벽에 인접한 저부 벽을 가지며, 각각의 방향성 커플러는 제 1 입력 신호로부터 제 1 커플링 신호 및 제 2 입력 신호로부터 제 2 커플링 신호를 생성하도록 구성된다. 2개 이상의 쌍들의 평면 커플링 슬롯들 중 제 1 쌍의 평면 커플링 슬롯들은 2개 이상의 방향성 커플러들 중 제 1 방향성 커플러에 대응하고, 2개 이상의 쌍들의 평면 커플링 슬롯들 중 제 2 쌍의 평면 커플링 슬롯들은 2개 이상의 방향성 커플러들 중 제 2 방향성 커플러에 대응한다. 부가적으로, 제 1 쌍의 평면 커플링 슬롯들은 피드 도파관의 피드 도파관 벽 및 제 1 방향성 커플러의 인접한 저부 벽 내로 커팅되고, 제 2 쌍의 평면 커플링 슬롯들은 피드 도파관의 피드 도파관 벽 및 제 2 방향성 커플러의 인접한 저부 벽 내로 커팅된다.
2개 이상의 혼 안테나들 중 제 1 혼 안테나는 제 1 방향성 커플러와 신호 통신하고, 2개 이상의 혼 안테나들 중 제 2 혼 안테나는 제 2 방향성 커플러와 신호 통신한다. 제 1 혼 안테나는 제 1 방향성 커플러로부터의 제 1 커플링 신호 및 제 2 커플링 신호 모두를 수신하도록 구성되고, 제 2 혼 안테나는 제 2 방향성 커플러로부터의 제 1 커플링 신호 및 제 2 커플링 신호 모두를 수신하도록 구성된다. 부가적으로, 제 1 혼 안테나는 수신된 제 1 커플링 신호로부터 제 1 편파 신호(polarized signal) 및 수신된 제 2 커플링 신호로부터 제 2 편파 신호를 생성하도록 구성되고, 제 2 혼 안테나는 수신된 제 1 커플링 신호로부터 제 1 편파 신호 및 수신된 제 2 커플링 신호로부터 제 2 편파 신호를 생성하도록 구성되고, 여기서 제 1 혼 안테나의 제 1 편파 신호는 제 1 혼 안테나의 제 2 편파 신호와 교차 편파되고, 제 2 혼 안테나의 제 1 편파 신호는 제 2 혼 안테나의 제 2 편파 신호와 교차 편파된다. 게다가, 제 1 혼 안테나의 제 1 편파 신호는 제 2 혼 안테나의 제 1 편파 신호와 동일 방향으로 편파되고, 제 1 혼 안테나의 제 2 편파 신호는 제 2 혼 안테나의 제 2 편파 신호와 동일 방향으로 편파된다.
작동의 일 예에서, 안테나 어레이 시스템은 제 1 피드 도파관 입력부에서 제 1 입력 신호 및 제 2 피드 도파관 입력부에서, 제 1 입력 신호의 반대 방향으로 전파하는, 제 2 입력 신호를 수신하는 단계, 2개 이상의 방향성 커플러들 중, 제 1 방향성 커플러의 제 1 커플링 출력 신호를 생성하는, 제 1 방향성 커플러에 제 1 입력 신호를 커플링하는 단계, 및 2개 이상의 방향성 커플러들 중, 제 2 방향성 커플러의 제 1 커플링 출력 신호를 생성하는, 제 2 방향성 커플러에 제 1 입력 신호를 커플링하는 단계를 포함하는 방법을 수행한다. 상기 방법은 또한, 제 2 방향성 커플러의 제 2 커플링 출력 신호를 생성하는, 제 2 방향성 커플러에 제 2 입력 신호를 커플링하는 단계, 및 제 1 방향성 커플러의 제 2 커플링 출력 신호를 생성하는, 제 1 방향성 커플러에 제 2 입력 신호를 커플링하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 2개 이상의 혼 안테나들 중 제 1 혼 안테나가 제 1 방향성 커플러의 제 1 커플링 출력 신호를 수신하는 것에 응답하여, 제 1 혼 안테나로부터 제 1 편파 신호를 방사하는 단계 및 제 1 혼 안테나가 제 1 방향성 커플러의 제 2 커플링 출력 신호를 수신하는 것에 응답하여, 제 1 혼 안테나로부터 제 2 편파 신호를 방사하는 단계를 더 포함한다. 상기 방법은 더욱이, 2개 이상의 혼 안테나들 중 제 2 혼 안테나가 제 2 방향성 커플러의 제 2 커플링 출력 신호를 수신하는 것에 응답하여, 제 2 혼 안테나로부터 제 1 편파 신호를 방사하는 단계 및 제 2 혼 안테나가 제 2 방향성 커플러의 제 2 커플링 출력 신호를 수신하는 것에 응답하여, 제 2 혼 안테나로부터 제 2 편파 신호를 방사하는 단계를 포함한다.
다른 구현 예에서, 안테나 어레이 시스템은 피드 도파관 길이를 가지는 피드 도파관, 상기 피드 도파관과 신호 통신하는 4개 이상의 방향성 커플러들, 상기 피드 도파관 길이를 따르는 4개 이상의 쌍들의 평면 커플링 슬롯들, 및 2개 이상의 혼 안테나들을 포함할 수 있다. 피드 도파관은 피드 도파관 벽, 피드 도파관 길이를 따르는 5개 이상의 턴들, 피드 도파관의 제 1 단부에 있는 제 1 피드 도파관 입력부, 및 피드 도파관의 제 2 단부에 있는 제 2 피드 도파관 입력부를 가질 수 있다. 피드 도파관은 제 1 피드 도파관 입력부에서 제 1 입력 신호 및 제 2 피드 도파관 입력부에서 제 2 입력 신호를 수신하도록 구성된다.
4개 이상의 방향성 커플러들 중 각각의 방향성 커플러는 피드 도파관의 도파관 벽에 인접한 저부 벽을 가지며, 각각의 방향성 커플러는 제 1 입력 신호 또는 제 2 입력 신호로부터 커플링 신호를 생성하도록 구성된다. 4개 이상의 쌍들의 평면 커플링 슬롯들 중 제 1 쌍의 평면 커플링 슬롯들은 4개 이상의 방향성 커플러들 중 제 1 방향성 커플러에 대응하고; 4개 이상의 쌍들의 평면 커플링 슬롯들 중 제 2 쌍의 평면 커플링 슬롯들은 4개 이상의 방향성 커플러들 중 제 2 방향성 커플러에 대응하고; 4개 이상의 쌍들의 평면 커플링 슬롯들 중 제 3 쌍의 평면 커플링 슬롯들은 4개 이상의 방향성 커플러들 중 제 3 방향성 커플러에 대응하고; 4개 이상의 쌍들의 평면 커플링 슬롯들 중 제 4 쌍의 평면 커플링 슬롯들은 4개 이상의 방향성 커플러들 중 제 4 방향성 커플러에 대응한다. 제 1 쌍의 평면 커플링 슬롯들은 피드 도파관의 피드 도파관 벽 및 제 1 방향성 커플러의 인접한 저부 벽 내로 커팅되고; 제 2 쌍의 평면 커플링 슬롯들은 피드 도파관의 피드 도파관 벽 및 제 2 방향성 커플러의 인접한 저부 벽 내로 커팅되고; 제 3 쌍의 평면 커플링 슬롯들은 피드 도파관의 피드 도파관 벽 및 제 3 방향성 커플러의 인접한 저부 벽 내로 커팅되고; 그리고 제 4 쌍의 평면 커플링 슬롯들은 피드 도파관의 피드 도파관 벽 및 제 4 방향성 커플러의 인접한 저부 벽 내로 커팅된다.
2개 이상의 혼 안테나들 중 제 1 혼 안테나는 제 1 방향성 커플러 및 제 2 방향성 커플러와 신호 통신하고, 2개 이상의 혼 안테나들 중 제 2 혼 안테나는 제 3 방향성 커플러 및 제 4 방향성 커플러와 신호 통신한다. 제 1 혼 안테나는 제 1 방향성 커플러로부터의 커플링 신호 및 제 2 방향성 커플러로부터의 커플링 신호를 수신하도록 구성되고, 제 2 혼 안테나는 제 3 방향성 커플러로부터의 커플링 신호 및 제 4 방향성 커플러로부터의 커플링 신호를 수신하도록 구성된다. 부가적으로, 제 1 혼 안테나는 제 1 방향성 커플러로부터의 수신된 커플링 신호로부터 제 1 편파 신호 및 제 2 방향성 커플러로부터의 수신된 커플링 신호로부터 제 2 편파 신호를 생성하도록 구성되고, 제 2 혼 안테나는 제 3 방향성 커플러로부터의 수신된 커플링 신호로부터 제 1 편파 신호 및 제 4 방향성 커플러로부터의 수신된 커플링 신호로부터 제 2 편파 신호를 생성하도록 구성되며, 여기서 제 1 혼 안테나의 제 1 편파 신호는 제 1 혼 안테나의 제 2 편파 신호와 교차 편파되고, 제 2 혼 안테나의 제 1 편파 신호는 제 2 혼 안테나의 제 2 편파 신호와 교차 편파된다. 더욱이, 제 1 혼 안테나의 제 1 편파 신호는 제 2 혼 안테나의 제 1 편파 신호와 동일 방향으로 편파되고, 제 1 혼 안테나의 제 2 편파 신호는 제 2 혼 안테나의 제 2 편파 신호와 동일 방향으로 편파된다.
본 발명의 다른 디바이스들, 장치들, 시스템들, 방법들, 특징들 및 장점들은 아래의 도면들 및 상세한 설명들의 검토시 당업자에게 명백하거나 명백하게 될 것이다. 이 같은 부가 시스템들, 방법들, 특징들 및 장점들 모두는 이러한 설명 내에 포함되고 본 발명의 범위 내에 있고 첨부된 청구범위에 의해 보호되는 것으로 의도된다.
본 발명은 아래 도면들을 참조함으로써 더 잘 이해될 수 있다. 도면들 내의 컴포넌트들은 반드시 실척 대로 도시되지는 않는 대신, 본 발명의 원리들을 예시할 때 강조된다. 도면들에서, 동일한 도면부호들은 상이한 도면들 전반에 걸쳐서 대응 부분들을 표시한다.
도 1a는 본 발명에 따른 안테나 어레이 시스템의 구현 예의 평면도이다.
도 1b는 도 1a에 도시된 안테나 어레이 시스템의 구현 예의 정면도이다.
도 1c는 도 1a 및 도 1b에 도시된 안테나 어레이 시스템의 구현 예의 측면도이다.
도 1d는 도 1a, 도 1b, 및 도 1c에 도시된 안테나 어레이 시스템의 구현 예의 후면도이다.
도 2는 도 1a, 도 1b, 도 1c, 및 도 1d에 도시된 방향성 커플러들 및 피드 도파관의 작동 예의 블록도이다.
도 3은 본 발명에 따른 피드 도파관(도 1a, 도 1b, 도 1c, 및 도 1d에 도시됨)의 구현 예의 평면도이다.
도 4a는 TE10 모드 여기된 전기장 및 자기장을 도시하는, 도 3에 도시된 피드 도파관의 일 부분의 측면 사시도이다.
도 4b는 도 4a에 도시된 여기된 전기장 및 자기장에 대응하는 넓은 벽 및 좁은 벽을 따른 TE10 모드에서의 결과적인 유도 전류들을 도시하는, 도 3에 도시된 피드 도파관의 일 부분의 측면 사시도이다.
도 5는 피드 도파관의 길이를 따라 복수의 여기된 자기장 루프들을 구비한 도 3에 도시된 피드 도파관의 평면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 피드 도파관, 평면 커플링 슬롯들의 쌍, 및 방향성 커플러의 구현 예의 측면 절단도이다.
도 7a는 본 발명에 따른 안테나 어레이 시스템에 사용하기 위한 혼 안테나의 구현예의 정면 사시도이다.
도 7b는 제 1 혼 입력부, 제 2 혼 입력부, 및 셉텀 편파기(septum polarizer)를 도시하는 혼 안테나(도 7a에 도시됨)의 후면도이다.
도 8은 5개의 예시적인 안테나 방사 패턴들의 진폭(데시벨 단위) 대 브로드사이드 각도(broadside angle)(각도 단위)의 도표(plot)이다.
도 9a는 본 발명에 따른 다른 안테나 어레이 시스템의 구현 예의 평면도이다.
도 9b는 도 9a에 도시된 안테나 어레이 시스템의 구현 예의 측면도이다.
도 10은 본 발명에 따른 피드 도파관(도 9a 및 도 9b에 도시됨)의 구현 예의 평면도이다.
도 11은 본 발명에 따른 안테나 어레이 시스템을 이용한 반사기 안테나 시스템의 구현 예의 사시도이다.
도 12는 도 11에 도시된 반사기 안테나 시스템을 이용하는 통신 위성의 사시도이다.
안테나 빔을 지향 및 조종하기 위한 안테나 어레이 시스템이 본 발명에 따라 설명된다. 구현 예에서, 안테나 어레이 시스템은 피드 도파관 길이를 가지는 피드 도파관, 피드 도파관과 신호 통신하는 2개 이상의 방향성 커플러들, 피드 도파관 길이를 따르는 2개 이상의 쌍들의 평면 커플링 슬롯들, 및 2개 이상의 혼 안테나들을 포함할 수 있다. 피드 도파관은 피드 도파관 벽, 피드 도파관 길이를 따르는 하나 이상의 턴(turn), 피드 도파관의 제 1 단부에 있는 제 1 피드 도파관 입력부, 및 피드 도파관의 제 2 단부에 있는 제 2 피드 도파관 입력부를 가질 수 있다. 피드 도파관은 제 1 피드 도파관 입력부에서 제 1 입력 신호 및 제 2 피드 도파관 입력부에서 제 2 입력 신호를 수신하도록 구성된다.
2개 이상의 방향성 커플러들 중 각각의 방향성 커플러는 피드 도파관의 도파관 벽에 인접한 저부 벽을 가지며, 각각의 방향성 커플러는 제 1 입력 신호로부터 제 1 커플링 신호 및 제 2 입력 신호로부터 제 2 커플링 신호를 생성하도록 구성된다. 2개 이상의 쌍들의 평면 커플링 슬롯들 중 제 1 쌍의 평면 커플링 슬롯들은 2개 이상의 방향성 커플러들 중 제 1 방향성 커플러에 대응하고, 2개 이상의 쌍들의 평면 커플링 슬롯들 중 제 2 쌍의 평면 커플링 슬롯들은 2개 이상의 방향성 커플러들 중 제 2 방향성 커플러에 대응한다. 부가적으로, 제 1 쌍의 평면 커플링 슬롯들은 피드 도파관의 피드 도파관 벽 및 제 1 방향성 커플러의 인접한 저부 벽 내로 커팅되고, 제 2 쌍의 평면 커플링 슬롯들은 피드 도파관의 피드 도파관 벽 및 제 2 방향성 커플러의 인접한 저부 벽 내로 커팅된다.
2개 이상의 혼 안테나들 중 제 1 혼 안테나는 제 1 방향성 커플러와 신호 통신하고, 2개 이상의 혼 안테나들 중 제 2 혼 안테나는 제 2 방향성 커플러와 신호 통신한다. 제 1 혼 안테나는 제 1 방향성 커플러로부터 제 1 커플링 신호 및 제 2 커플링 신호 모두를 수신하도록 구성되고, 제 2 혼 안테나는 제 2 방향성 커플러로부터 제 1 커플링 신호 및 제 2 커플링 신호 모두를 수신하도록 구성된다. 부가적으로, 제 1 혼 안테나는 수신된 제 1 커플링 신호로부터 제 1 편파 신호 및 수신된 제 2 커플링 신호로부터 제 2 원형 편파 신호를 생성하도록 구성되며, 제 2 혼 안테나는 수신된 제 1 커플링 신호로부터 제 1 편파 신호 및 수신된 제 2 커플링 신호로부터 제 2 편파 신호를 생성하도록 구성되며, 여기서 제 1 혼 안테나의 제 1 편파 신호는 제 1 혼 안테나의 제 2 편파 신호와 교차 편파되고, 제 2 혼 안테나의 제 1 편파 신호는 제 2 혼 안테나의 제 2 편파 신호와 교차 편파된다. 더욱이, 제 1 혼 안테나의 제 1 편파 신호는 제 2 혼 안테나의 제 1 편파 신호와 동일 방향으로 편파되고, 제 1 혼 안테나의 제 2 편파 신호는 제 2 혼 안테나의 제 2 편파 신호와 동일 방향으로 편파된다.
제 1 혼 안테나 및 제 2 혼 안테나의 제 1 편파 신호들 및 제 2 편파 신호들의 편파들 각각은 선형 편파, 원형 편파, 타원형 편파 등을 포함하는 임의의 바람직한 편파 체계(scheme)일 수 있다. 일 예로서, 제 1 혼 안테나의 제 1 편파 신호 및 제 2 편파 신호는 제 1 선형 편파 신호 및 제 2 선형 편파 신호일 수 있고, 여기서 제 1 선형 편파 신호 및 제 2 선형 편파 신호는 교차 편파되는데(즉, 편파들이 직교됨), 이는 하나의 편파 신호가 "수직" 편파될 수 있고 다른 편파 신호가 "수평" 편파될 수 있기 때문이다. 유사하게, 제 2 혼 안테나의 제 1 편파 신호 및 제 2 편파 신호는 제 1 선형 편파 신호 및 제 2 선형 편파 신호일 수 있으며, 여기서 제 1 선형 편파 신호 및 제 2 선형 편파 신호가 교차 편파된다. 부가적으로, 이러한 예에서, 제 1 혼 안테나의 제 1 선형 편파 신호 및 제 2 혼 안테나의 제 1 선형 편파 신호는 동일 방향으로 편파될 수 있다(즉, 둘다 수직 편파되거나 둘다 수평 편파될 수 있다). 유사하게, 제 1 혼 안테나의 제 2 선형 편파 신호 및 제 2 혼 안테나의 제 2 선형 편파 신호는 동일 방향으로 편파될 수 있다.
원형 편파의 경우, 제 1 혼 안테나의 제 1 편파 신호 및 제 2 편파 신호는 제 1 혼 안테나의 제 1 원형 편파 신호 및 제 2 원형 편파 신호일 수 있고, 여기서 제 1 원형 편파 신호 및 제 2 원형 편파 신호는 교차 편파되는데, 이는 제 1 혼 안테나의 제 1 원형 편파 신호가 제 1 혼 안테나의 제 2 원형 편파 신호의 반대 방향으로 회전하기 때문이다(즉, 하나의 편파 신호가 우선회 원형 편파될 수 있고 다른 하나의 편파 신호는 좌선회 원형 편파될 수 있기 때문이다). 유사하게, 제 2 혼 안테나의 제 1 편파 신호 및 제 2 편파 신호는 제 2 혼 안테나의 제 1 원형 편파 신호 및 제 2 원형 편파 신호일 수 있고, 여기서 제 1 원형 편파 신호 및 제 2 원형 편파 신호는 교차 편파되는데, 이는 제 2 혼 안테나의 제 1 원형 편파 신호가 제 2 혼 안테나의 제 2 원형 편파 신호의 반대 방향으로 회전하기 때문이다.
부가적으로, 이러한 예에서, 제 1 혼 안테나의 제 1 원형 편파 신호 및 제 2 혼 안테나의 제 1 원형 편파 신호는 동일 방향으로 편파될 수 있다(즉, 둘다 우선회 원형 편파("RHCP")될 수 있거나 둘다 좌선회 원형 편파("LHCP")될 수 있도록 둘다 동일 방향으로 회전할 수 있다). 유사하게, 제 1 혼 안테나의 제 2 원형 편파 신호 및 제 2 혼 안테나의 제 2 원형 편파 신호는 동일 방향으로 편파될 수 있다.
작동의 일 예에서, 안테나 어레이 시스템은, 제 1 피드 도파관 입력부에서 제 1 입력 신호 및 제 2 피드 도파관 입력부에서, 제 1 입력 신호의 반대 방향으로 전파하고 있는 제 2 입력 신호를 수신하는 단계, 2개 이상의 방향성 커플러들 중, 제 1 방향성 커플러의 제 1 커플링 출력 신호를 생성하는 제 1 방향성 커플러에 제 1 입력 신호를 커플링하는 단계, 및 2개 이상의 방향성 커플러들 중, 제 2 방향성 커플러의 제 1 커플링 출력 신호를 생성하는 제 2 방향성 커플러에 제 1 입력 신호를 커플링하는 단계를 포함하는 방법을 수행한다. 상기 방법은 또한, 제 2 방향성 커플러의 제 2 커플링 출력 신호를 생성하는, 제 2 방향성 커플러에 제 2 입력 신호를 커플링하는 단계, 및 제 1 방향성 커플러의 제 2 커플링 출력 신호를 생성하는, 제 1 방향성 커플러에 제 2 입력 신호를 커플링하는 단계를 포함한다. 상기 방법은, 2개 이상의 혼 안테나들 중 제 1 혼 안테나가 제 1 방향성 커플러의 제 1 커플링 출력 신호를 수신하는 것에 응답하여, 제 1 혼 안테나로부터 제 1 원형 편파 신호를 방사하는 단계 및 제 1 혼 안테나가 제 1 방향성 커플러의 제 2 커플링 출력 신호를 수신하는 것에 응답하여, 제 1 혼 안테나로부터 제 2 원형 편파 신호를 방사하는 단계를 더 포함한다. 상기 방법은 게다가, 2개 이상의 혼 안테나들 중 제 2 혼 안테나가 제 2 방향성 커플러의 제 2 커플링 출력 신호를 수신하는 것에 응답하여, 제 2 혼 안테나로부터 제 1 원형 편파 신호를 방사하는 단계 및 제 2 혼 안테나가 제 2 방향성 커플러의 제 2 커플링 출력 신호를 수신하는 것에 응답하여, 제 2 혼 안테나로부터 제 2 원형 편파 신호를 방사하는 단계를 포함한다.
다른 구현 예에서, 안테나 어레이 시스템은 피드 도파관 길이를 가지는 피드 도파관, 피드 도파관과 신호 통신하는 4개 이상의 방향성 커플러들, 피드 도파관 길이를 따르는 4개 이상의 쌍들의 평면 커플링 슬롯, 및 2개 이상의 혼 안테나들을 포함할 수 있다. 피드 도파관은 피드 도파관 벽, 피드 도파관 길이를 따르는 5개 이상의 턴들, 피드 도파관의 제 1 단부에 제 1 피드 도파관 입력부, 및 피드 도파관의 제 2 단부에 제 2 피드 도파관 입력부를 가질 수 있다. 피드 도파관은 제 1 피드 도파관 입력부에서 제 1 입력 신호 및 제 2 피드 도파관 입력부에서 제 2 입력 신호를 수신하도록 구성된다.
4개 이상의 방향성 커플러들 중 각각의 방향성 커플러는 피드 도파관의 도파관 벽에 인접한 저부 벽을 가지며, 각각의 방향성 커플러는 커플링 신호를 제 1 입력 신호 또는 제 2 입력 신호로부터 생성하도록 구성된다. 4개 이상의 쌍들의 평면 커플링 슬롯들 중 제 1 쌍의 평면 커플링 슬롯들은 4개 이상의 방향성 커플러들 중 제 1 방향성 커플러에 대응하고; 4개 이상의 쌍들의 평면 커플링 슬롯들 중 제 2 쌍의 평면 커플링 슬롯들은 4개 이상의 방향성 커플러들 중 제 2 방향성 커플러에 대응하고; 4개 이상의 쌍들의 평면 커플링 슬롯들 중 제 3 쌍의 평면 커플링 슬롯들은 4개 이상의 방향성 커플러들 중 제 3 방향성 커플러에 대응하고; 그리고 4개 이상의 쌍들의 평면 커플링 슬롯들 중 제 4 쌍의 평면 커플링 슬롯들은 4개 이상의 방향성 커플러들 중 제 4 방향성 커플러에 대응한다. 제 1 쌍의 평면 커플링 슬롯들은 피드 도파관의 피드 도파관 벽 및 제 1 방향성 커플러의 인접한 저부 벽 내로 커팅되고; 제 2 쌍의 평면 커플링 슬롯들은 피드 도파관의 피드 도파관 벽 및 제 2 방향성 커플러의 인접한 저부 벽 내로 커팅되고; 제 3 쌍의 평면 커플링 슬롯들은 피드 도파관의 피드 도파관 벽 및 제 3 방향성 커플러의 인접한 저부 벽 내로 커팅되고; 그리고 제 4 쌍의 평면 커플링 슬롯들은 피드 도파관의 피드 도파관 벽 및 제 4 방향성 커플러의 인접한 저부 벽 내로 커팅된다.
2개 이상의 혼 안테나들 중 제 1 혼 안테나는 제 1 방향성 커플러 및 제 2 방향성 커플러와 신호 통신하고, 2개 이상의 혼 안테나들 중 제 2 혼 안테나는 제 3 방향성 커플러 및 제 4 방향성 커플러와 신호 통신한다. 제 1 혼 안테나는 제 1 방향성 커플러로부터 커플링 신호 및 제 2 방향성 커플러로부터 커플링 신호를 수신하도록 구성되고, 제 2 혼 안테나는 제 3 방향성 커플러로부터 커플링 신호 및 제 4 방향성 커플러로부터 커플링 신호를 수신하도록 구성된다. 부가적으로, 제 1 혼 안테나는 제 1 방향성 커플러로부터의 수신된 커플링 신호로부터 제 1 편파 신호 및 제 2 방향성 커플러로부터의 수신된 커플링 신호로부터 제 2 편파 신호를 생성하도록 구성되고, 제 2 혼 안테나는 제 3 방향성 커플러로부터의 수신된 커플링 신호로부터 제 1 편파 신호 및 제 4 방향성 커플러로부터의 수신된 커플링 신호로부터 제 2 편파 신호를 생성하도록 구성된다. 제 1 혼 안테나의 제 1 편파 신호는 제 1 혼 안테나의 제 2 편파 신호의 반대 방향으로 교차 편파되고, 제 2 혼 안테나의 제 1 편파 신호는 제 2 혼 안테나의 제 2 편파 신호의 반대 방향으로 교차 편파된다. 더욱이, 제 1 혼 안테나의 제 1 편파 신호는 제 2 혼 안테나의 제 1 편파 신호와 동일 방향으로 편파되고, 제 1 혼 안테나의 제 2 편파 신호는 제 2 혼 안테나의 제 2 편파 신호와 동일 방향으로 편파된다.
도 1a, 도 1b, 도 1c, 및 도 1d를 참조하면, 안테나 어레이 시스템(100)의 구현 예의 다양한 도면들이 본 발명에 따라 도시된다. 도 1a에서, 안테나 어레이 시스템(100)의 구현 예의 평면도가 도시된다. 안테나 어레이 시스템(100)은 피드 도파관(102), 복수의 방향성 커플러들(도시 안됨), 복수의 혼 안테나(104, 106, 108, 110, 112, 및 114)들, 및 복수의 파워 증폭기들(도시 안됨)을 포함할 수 있다. 피드 도파관(102)은 피드 도파관(102)의 제 1 단부(118)에 제 1 피드 도파관 입력부(116) 및 피드 도파관(102)의 제 2 단부(122)에 제 2 피드 도파관 입력부(120)를 포함하고, 여기서 제 2 단부(122)는 제 1 단부(118)에 대해 피드 도파관(102)의 반대 단부에 있다. 피드 도파관(102)은 복수의 턴들(즉, 굽힘부(bend)들)(124, 126, 128, 130, 및 132)을 포함하는 사행상(serpentine) 또는 구불 구불한(meandering) 도파관일 수 있다. 이러한 예에서, 피드 도파관(102)의 물리적 배치는 좌표 축(X 134, Y 136, 및 Z 138)들을 구비한 3차원 직교 좌표(Cartesian coordinate)들로 설명될 수 있으며, 여기서 피드 도파관(102)은 X 134 및 Y 136 좌표 축들에 의해 형성된 평면에 위치된다. 부가적으로, Z 138 좌표 축선을 따라, X 134 및 Y 136 좌표 축선들에 의해 형성된 평면으로부터 수직하게 연장하는 복수의 혼 안테나(104, 106, 108, 110, 112, 및 114)들이 도시된다. 피드 도파관(102) 내에 단지 6개의 혼 안테나(104, 106, 108, 110, 112, 및 114)들 및 5개의 턴(124, 126, 128, 130, 및 132)들이 도시되지만, 이는 단지 예시 목적만을 위한 것이며 안테나 어레이 시스템(100)은 임의의 짝수의 방향성 커플러들(도시 안됨), 혼 안테나들, 및 파워 증폭기들(도시 안됨)을 포함할 수 있으며, 대응하는 개수의 턴들이 방향성 커플러들에 피딩하기 위해 요구되는 것이 당업자에 의해 인정된다. 다른 예로서, 안테나 어레이 시스템(100)은 피드 도파관 내에 60개의 방향성 커플러들 및 혼 안테나들, 및 59개의 턴들을 포함할 수 있다. 혼 안테나들의 개수가 피드 도파관 내의 방향성 커플러들, 및 턴들의 개수들을 결정하는 것이 인정된다. 복수의 혼 안테나(104, 106, 108, 110, 112, 및 114)들의 각각의 혼 안테나들은 안테나 어레이 시스템(100)의 개별 방사 요소로서 작용한다. 작동 중, 각각의 혼 안테나의 개별 방사 패턴은 전형적으로 각각의 다른 혼 안테나의 방사 패턴과 진폭 및 위상에 있어 다르다. 각각의 혼 안테나에 대한 방사 패턴의 진폭은 혼 안테나의 여기 전류(excitation current)의 진폭을 제어하는 파워 증폭기(도시 안됨)에 의해 제어된다. 유사하게, 각각의 혼 안테나의 방사 패턴의 위상은, 혼 안테나에 대응하는 방향성 커플러에 피딩하는데 있어, 피드 도파관(102)에 의해 유발되는 대응하는 지연된 위상에 의해 결정된다.
도 1b에서, 안테나 어레이 시스템(100)의 구현 예의 정면도가 도시된다. 이러한 정면도에서, 피드 도파관(102) 및 복수의 파워 증폭기(152, 154, 156, 158, 160, 및 162)들 모두와 신호 통신하는, 복수의 방향성 커플러(140, 142, 144, 146, 148, 및 150)들이 도시된다. 복수의 혼 안테나(104, 106, 108, 110, 112, 및 114)들 각각과 신호 통신하는 복수의 파워 증폭기(152, 154, 156, 158, 160, 및 162)들이 도시된다. 이러한 예에서, 피드 도파관(102) 및 방향성 커플러(140, 142, 144, 146, 148, 및 150)들은 직사각형 도파관들로 도시된다. 참고로, 이러한 정면도에서 안테나 어레이 시스템(100)의 물리적 배치는 Y 136 및 Z 138 좌표 축선들에 의해 형성된 평면 내에 도시되며, X 134 좌표 축선은 Y 136 및 Z 138 좌표 축선들에 의해 형성된 평면에 수직하면서 또한 Y 136 및 Z 138 좌표 축선들에 의해 형성된 평면으로 들어가는 방향으로 지향된다.
도 1c에는, 안테나 어레이 시스템(100)의 구현 예의 측면도가 도시된다. 참고로, 이러한 측면도에서 안테나 어레이 시스템(100)의 물리적 배치는 X 134 및 Z 138 좌표 축선들에 의해 형성된 평면 내에 도시되며, Y 136 좌표 축선은 X 134 및 Z 138 좌표 축선들에 의해 형성된 평면에 수직하면서 또한 X 134 및 Z 138 좌표 축선들에 의해 형성된 평면 밖으로 나오는 방향으로 지향된다. 이러한 측면도에는, 혼 안테나(114) 및 방향성 커플러(150)와 신호 통신하는 다른 파워 증폭기(164)가 도시된다. 이러한 예에서, 피드 도파관(102)에 인접하게 위치되고 2개의 굽힘부(166 및 168)들을 가지는 "U"자형 도파관 구조물로 방향성 커플러(150)가 도시된다. 제 1 굽힘부(166)는 제 1 파워 증폭기(162)에 근접하게 위치되고, 제 2 굽힘부(168)는, 방향성 커플러(150)를 따라 반대 방향에, 제 2 파워 증폭기(164)에 근접하게 위치된다. 특히, 방향성 커플러(150)는 방향성 커플러 제 1 단부(170) 및 제 2 단부(172) 각각에서 파워 증폭기(162 및 164)들 모두와 신호 통신한다.
자기장을 왜곡시키기 때문에 "H-굽힘부"들로서 공지되는 피드 도파관(102) 내의 굽힘부(즉, 턴들)(124, 126, 128, 130, 및 132)들과 달리, 방향성 커플러(150)의 굽혀진 도파관 구조물은 전기장을 왜곡시키기 때문에 "E-굽힘부"로서 공지된다. 일반적으로, E-굽힘 도파관은 점진적인 굽힘부를 이용하여 또는 도파관에서의 반사들을 최소화하도록 설계되는 다수의 단차형 전이부(step transiton)들(도 1c에 도시된 바와 같음)을 이용함으로써 구성될 수 있다. 유사하게, H-굽힘 도파관은 또한 점진적인 굽힘부(도 1a에 도시된 바와 같음)를 이용하여 또는 도파관에서의 반사들을 최소화하도록 설계되는 다수의 단차형 전이부들(도 9a, 도 9b, 및 도 10에 도시됨)을 이용함으로써 구성될 수 있다. 이러한 유형들의 H-굽힘 및 E-굽힘 도파관들의 설계가 또한 기술 분야에 공지된다.
방향성 커플러(150)에 대해 굽혀진 도파관 구조물을 이용하는 이유는 혼 안테나(114)가 피드 도파관(102)의 물리적 배치 구조를 형성하는 X-Y(134 및 136) 평면으로부터 멀리 법선(즉, 수직) 방향으로 방사하는 것을 허용하기 때문이다. 혼 안테나(114)가 피드 도파관(102)의 물리적 배치 구조를 형성하는 X-Y(134 및 136) 평면에 대해 평행한 방향으로 방사하도록 설계되는 경우, 방향성 커플러(150)가 또한 굽혀지지 않을 수 있음이 인정된다.
방향성 커플러(150), 혼 안테나(114), 파워 증폭기(162 및 164)들, 및 피드 도파관(102) 턴(128)의 단지 하나의 조합이 도시되었지만, 이러한 조합은 또한 다른 방향성 커플러(140, 142, 144, 146, 148, 및 150)들, 복수의 파워 증폭기(152, 154, 156, 158, 160, 162, 및 164)들, 혼 안테나(104, 106, 108, 110, 112, 및 114)들, 및 피드 도파관(102) 턴(124 및 126)들을 나타내는 것이 인정된다. 피드 도파관(102) 턴(130 및 132)들이 이러한 측면도에서 볼 수 없는데, 이는 이 피드 도파관 턴들이 피드 도파관(102)의 제 2 단부(122)에 의해 차단되기 때문이라는 점에 주목된다.
도 1d를 참조하면, 안테나 어레이 시스템(100)의 구현 예의 후면도가 도시된다. 이러한 후면도에서, 피드 도파관(102) 및 복수의 부가적 파워 증폭기(164, 174, 176, 178, 180, 및 182)들 모두와 신호 통신하는 복수의 방향성 커플러(140, 142, 144, 146, 148, 및 150)들이 도시된다. 복수의 혼 안테나(114, 112, 110, 108, 106, 및 104)들 각각과 신호 통신하는 복수의 파워 증폭기(164, 174, 176, 178, 180, 및 182)들이 도시된다. 참고로, 이러한 후면도에서, 안테나 어레이 시스템(100)의 물리적 배치는 Y 136 및 Z 138 좌표 축선들에 의해 형성된 평면 내에 도시되며, X 134 좌표 축선은 Y 136 및 Z 138 좌표 축선들에 의해 형성된 평면에 수직하면서 또한 Y 136 및 Z 138 좌표 축선들에 의해 형성된 평면 밖으로 연장하는 방향으로 지향된다.
이러한 예에서, 넓은 벽들(피드 도파관(102)에 대해 도 1a 그리고 방향성 커플러(140, 142, 144, 146, 148, 및 150)들에 대해 도 1b 및 도 1d에 도시된 바와 같음) 및 좁은 벽들(피드 도파관(102)에 대해 도 1b 및 도 1d 그리고 방향성 커플러(140, 142, 144, 146, 148, 및 150)들에 대해 도 1c에 도시된 바와 같음)을 가지는 직사각형 도파관들로 피드 도파관(102) 및 방향성 커플러(140, 142, 144, 146, 148, 및 150)들 모두가 도시된다. 작동 중, 각각의 방향성 커플러(140, 142, 144, 146, 148, 및 150)들은 방향성 커플러(140, 142, 144, 146, 148, 및 150)들의 넓은 벽, 및 각각의 방향성 커플러(140, 142, 144, 146, 148, 및 150)의 넓은 벽에 인접한 피드 도파관(102)의 넓은 벽의 대응 부분에 위치되며 그 안으로 커팅되는 한 쌍의 평면 커플링 슬롯들(도시 안됨)을 이용한다.
작동 예에서, 피드 도파관(102)은, 복수의 방향성 커플러(140, 142, 144, 146, 148, 및 150)들에 피딩되는 이동파(traveling wave)의 구불 구불한 라인 어레이로서 작용한다. 안테나 어레이 시스템(100)은 제 1 입력 신호(184) 및 제 2 입력 신호(186)를 수신한다. 제 1 입력 신호(184) 및 제 2 입력 신호(186) 모두는 TE10, 또는 TE01 모드 전파 신호들일 수 있다. 제 1 입력 신호(184)는 피드 도파관(102)의 제 1 단부(118)에서 제 1 피드 도파관 입력부(116) 내로 입력되고, 제 2 입력 신호(186)는 피드 도파관(102)의 제 2 단부(122)에서 제 2 피드 도파관 입력부(120) 내로 입력된다. 이러한 예에서, 제 1 입력 신호(184) 및 제 2 입력 신호(186) 모두는 X 134 좌표 축선의 방향을 따라 피드 도파관(102)의 반대 단부들 내로 전파한다.
일단 피드 도파관(102) 내에서, 제 1 입력 신호(184) 및 제 2 입력 신호(186)가 피드 도파관(102)을 따라 반대 방향들로 전파하면, 이 신호들의 각각의 에너지들의 커플링 부분들은 상이한 방향성 커플러들 내로 전파한다. 제 1 입력 신호(184) 및 제 2 입력 신호(186)가 피드 도파관(102)의 길이(188)를 따라 반대 방향들로 이동하고 있는 이동파 신호들이기 때문에, 이 제 1 입력 신호 및 제 2 입력 신호는 피드 도파관(102) 내의 임의의 주어진 지점에서 서로에 대해 약 180도의 위상 지연(phase delay)을 가질 것이다. 일반적으로, 피드 도파관(102)의 도파관 길이(188)는 평면 커플링 슬롯들의 쌍들(도시 안됨) 사이에 길이(도시 안됨)를 생성하기에 충분히 길 정도의 (제 1 입력 신호(184) 및 제 2 입력 신호(186)의 작동 파장의) 수 배의(several) 파장 길이이며, 이는 또한 제 1 입력 신호(184) 및 제 2 입력 신호(186)의 작동 파장들의 배수의 파장들이다. 평면 커플링 슬롯들의 쌍들(도시 안됨) 사이에 이러한 길이를 갖는 이유는, 주파수에 따라(as a function of) 안테나 어레이 시스템(100)의 안테나 빔(도시 안됨)을 조종하는 빔에 대해 요구되는 위상 증가분을 생성하기 때문이다. 예로서, 평면 커플링 슬롯들의 쌍들 사이의 길이는 5 내지 7 파장 길이가 될 수 있다.
이러한 예에서, 제 1 입력 신호(184)가 피드 도파관(102)의 제 1 단부(118)로부터 제 2 단부(122)로 이동함에 따라, (만약 있다면) 잔여 에너지의 남아 있는 제 1 신호(190)가 피드 도파관(102)의 제 2 단부(122)로부터 출력될 때까지 제 1 입력 신호(184)는 제 1 입력 신호의 에너지의 일 부분을 각각의 방향성 커플러(140, 142, 144, 146, 148, 및 150)에 연속적으로 커플링한다. 유사하게, 제 2 입력 신호(186)가 피드 도파관(102)의 제 2 단부(122)로부터 제 1 단부(118) 까지 반대 방향으로 이동함에 따라, 제 2 입력 신호(186)의 (만약 있다면) 잔여 에너지의 남아 있는 제 2 신호(192)가 피드 도파관(102)의 제 1 단부(118)로부터 출력될 때까지, 제 2 입력 신호(186)는 제 2 입력 신호의 에너지의 일 부분을 각각의 방향성 커플러(140, 142, 144, 146, 148, 및 150)에 연속적으로 커플링한다. 방향성 커플러(140, 142, 144, 146, 148, 및 150)들의 설계를 최적화함으로써, 남아 있는 제 1 신호(190) 및 남아 있는 제 2 신호(192) 모두가 0에 근접하게 감소될 수 있는 것이 인정된다.
이러한 예에서, 제 1 입력 신호(184)가 피드 도파관(102)을 따라 이동할 때, 제 1 입력 신호는 제 1 입력 신호의 에너지의 제 1 부분을 방향성 커플러(140)에 커플링할 것이며 이 방향성 커플러는 이러한 제 1 커플링 출력 신호를 혼 안테나(104)로 전달할 것이다. 제 1 입력 신호(184)의 남아 있는 부분은 이어서 피드 도파관(102)을 따라 방향성 커플러(142)로 이동할 것이며, 여기서 제 1 입력 신호의 남아 있는 부분은 제 1 입력 신호의 에너지의 다른 부분을 방향성 커플러(142)에 커플링할 것이며, 이 방향성 커플러는 제 2 커플링 출력 신호를 제 2 혼 안테나(106)로 전달할 것이다. 제 1 입력 신호(184)의 다른 부분이 방향성 커플러(144, 146, 148, 및 150)들에 커플링되고 혼 안테나(108, 110, 112, 및 114)들 각각으로 전달되도록 이러한 프로세스가 계속될 것이다. 제 1 입력 신호(184)의 남아 있는 부분은 이어서 남아 있는 제 1 신호(190)로서 피드 도파관(102)의 제 2 단부(122)로부터 출력될 것이다. 유사하게, 제 2 입력 신호(186)가 피드 도파관(102)을 따라 이동할 때, 제 1 입력 신호의 남아 있는 부분은 제 2 입력 신호의 에너지의 제 1 부분을 방향성 커플러(150)에 커플링할 것이며 이 방향성 커플러는 이러한 제 1 커플링 출력 신호를 혼 안테나(114)로 전달할 것이다. 제 2 입력 신호(186)의 남아 있는 부분은 이어서 피드 도파관(102)을 따라 방향성 커플러(148)로 이동할 것이고 여기서 제 2 입력 신호의 남아 있는 부분은 제 2 입력 신호의 에너지의 다른 부분을 방향성 커플러(148)에 커플링할 것이며, 이 방향성 커플러는 이러한 제 2 커플링 출력 신호를 제 2 혼 안테나(112)로 전달할 것이다. 제 2 입력 신호(186)의 다른 부분이 방향성 커플러(146, 144, 142, 및 140)들에 커플링되고 혼 안테나(110, 108, 106, 104)들 각각으로 전달되도록, 이러한 프로세스가 계속될 것이다. 제 2 입력 신호(186)의 남아 있는 부분은 이어서 남아 있는 제 2 신호(192)로서 피드 도파관(102)의 제 1 단부(118)로부터 출력될 것이다.
결과적으로, 제 1 입력 신호(184) 및 제 2 입력 신호(196)는 혼 안테나(104, 106, 108, 110, 112, 및 114)들의 여기를 유발할 것이다. 제 1 입력 신호(184) 및 제 2 입력 신호(186)의 커플링 부분들에 의해 여기될 때, 각각, 혼 안테나(104, 106, 108, 110, 112, 및 114)들은 RHCP 및 LHCP 신호들을 생성하도록 구성될 수 있다. 대안적으로, 제 1 입력 신호(184) 및 제 2 입력 신호(186)의 커플링 부분들 여기될 때, 각각, 혼 안테나(104, 106, 108, 110, 112, 및 114)들은 수평 편파 및 수직 편파 신호들을 생성하도록 구성될 수 있다.
제 1 서큘레이터(circulator), 또는 다른 분리 디바이스(isolation device)(도시 안됨)가 제 1 단부(118)에 연결되어, 제 1 입력 신호(184)를 남아 있는 제 2 출력 신호(192)로부터 분리할 수 있고, 제 2 서큘레이터, 또는 다른 분리 디바이스(도시 안됨)가 제 2 단부(122)에 연결되어, 제 2 입력 신호(186)를 남아 있는 제 1 출력 신호(190)로부터 분리할 수 있다는 것이 인정된다. 피드 도파관(102)으로부터 각각의 방향성 커플러(140, 142, 144, 146, 148, 및 150)들로의 커플링 에너지의 양은 안테나 어레이 시스템(100)의 원하는 방사 안테나 패턴을 야기할 미리 결정된 설계 선택들에 의해 결정되는 것이 당업자에 의해 인정된다.
안테나 어레이 시스템(100)의 또는 이와 관련된 회로들, 컴포넌트들, 모듈들, 및/또는 디바이스들이 서로 신호 통신하는 것으로서 설명되며, 여기서 신호 통신은 회로, 컴포넌트, 모듈, 및/또는 디바이스가 다른 회로, 컴포넌트, 모듈, 및/또는 디바이스로부터의 신호들 및/또는 정보를 전달하고/하거나 수신하는 것을 허용하는 회로들, 컴포넌트들, 모듈들, 및/또는 디바이스들 사이의 임의의 유형의 통신 및/또는 연결을 지칭하는 것이 당업자에 의해 인정된다. 통신 및/또는 연결은 신호들 및/또는 정보를 하나의 회로, 컴포넌트, 모듈, 및/또는 디바이스로부터 다른 회로, 컴포넌트, 모듈, 및/또는 디바이스에 전달하는 것을 허용하는, 회로들, 컴포넌트들, 모듈들, 및/또는 디바이스들 사이의 임의의 신호 경로(무선 또는 유선 신호 경로들을 포함함)를 따를 수 있다. 신호 경로들은, 예를 들면 전도성 와이어들, 전자기파 가이드들, 케이블들, 부착된 및/또는 전자기 또는 기계적 커플링 단자들, 반도체 또는 유전체 재료들, 또는 디바이스들, 또는 다른 유사한 물리적 연결부들 또는 커플링들과 같이 물리적인 것일 수 있다. 부가적으로, 신호 경로들은, (전자기 전파의 경우에) 자유-공간 또는 직접적인 전자기 연결부를 통하지 않고 다양한 디지털 포맷들로, 통신 정보가 하나의 회로, 컴포넌트, 모듈, 및/또는 디바이스로부터 다른 회로, 컴포넌트, 모듈, 및/또는 디바이스에 전달되는, 디지털 컴포넌트들을 통한 정보 경로들과 같이 비-물리적인 것일 수 있다.
도 2는 도 1a, 도 1b, 도 1c, 및 도 1d에 도시된 방향성 커플러들 및 피드 도파관의 작동 예의 블록도이다. 앞에서 설명된 바와 같이, 제 1 입력 신호(200)는 피드 도파관(도시 안됨) 내로 도입된다(injected). 이어서 피드 도파관은 제 1 입력 신호(200)를 방향성 커플러(202)에 전달하는데, 이 방향성 커플러는 "순방향(forward)" 커플링 신호(204)를 생성하고 이 순방향 커플링 신호를 제 1 혼 안테나(도시 안됨)에 전달한다. 남아 있는 제 1 입력 신호(206)는 이어서 방향성 커플러(208)에 전달되는데, 이 방향성 커플러는 다른 순방향 커플링 신호(210)를 생성하고 이 순방향 커플링 신호를 다른 혼 안테나(도시 안됨)에 전달한다. 남아 있는 제 1 입력 신호(212)는 이어서 방향성 커플러(214)에 전달되는데, 이 방향성 커플러는 다른 순방향 커플링 신호(216)를 생성하고 이 순방향 커플링 신호를 다른 혼 안테나(도시 안됨)에 전달한다. 남아 있는 제 1 입력 신호(218)는 이어서 방향성 커플러(220)에 전달되는데, 이 방향성 커플러는 다른 순방향 커플링 신호(222)를 생성하고 이 순방향 커플링 신호를 다른 혼 안테나(도시 안됨)에 전달한다. 남아 있는 제 1 입력 신호(224)는 이어서 방향성 커플러(226)에 전달되는데, 이 방향성 커플러는 다른 순방향 커플링 신호(228)를 생성하고 이 순방향 커플링 신호를 다른 혼 안테나(도시 안됨)에 전달한다. 마지막으로, 남아 있는 제 1 입력 신호(230)는 이어서 방향성 커플러(232)에 전달되는데, 이 방향성 커플러는 다른 순방향 커플링 신호(234)를 생성하고 이 커플링 신호를 다른 혼 안테나(도시 안됨)에 전달한다. 남아 있는 제 1 신호(234)는 이어서 피드 도파관으로부터 출력된다. 유사하게, 제 2 입력 신호(236)는 피드 도파관(도시 안됨) 내로 도입된다. 피드 도파관은 이어서 제 2 입력 신호(236)를 방향성 커플러(232)에 전달하는데, 이 방향성 커플러는 "역방향(reverse)" 커플링 신호(238)를 생성하고 이 역방향 커플링 신호를 순방향 커플링 신호(234)가 전달되는 동일한 혼 안테나(도시 안됨)에 전달한다. 남아 있는 제 2 입력 신호(240)는 이어서 방향성 커플러(226)에 전달되는데, 이 방향성 커플러는 다른 역방향 커플링 신호(242)를 생성하고 이 역방향 커플링 신호를 순방향 커플링 신호(228)가 전달되는 동일한 혼 안테나(도시 안됨)에 전달한다. 남아 있는 제 2 입력 신호(244)는 이어서 방향성 커플러(220)에 전달되는데, 이 방향성 커플러는 다른 역방향 커플링 신호(246)를 생성하고 이 역방향 커플링 신호를 순방향 커플링 신호(222)가 전달되는 동일한 혼 안테나(도시 안됨)에 전달한다. 남아 있는 제 2 입력 신호(248)는 이어서 방향성 커플러(214)에 전달되는데, 이 방향성 커플러는 다른 역방향 커플링 신호(250)를 생성하고 이 역방향 커플링 신호를 순방향 커플링 신호(216)가 전달되는 동일한 혼 안테나(도시 안됨)에 전달한다. 남아 있는 제 2 입력 신호(252)는 이어서 방향성 커플러(208)에 전달되는데, 이 방향성 커플러는 다른 역방향 커플링 신호(254)를 생성하고 이 역방향 커플링 신호를 순방향 커플링 신호(210)가 전달되는 동일한 혼 안테나(도시 안됨)에 전달한다. 마지막으로, 남아 있는 제 2 입력 신호(256)는 이어서 방향성 커플러(202)에 전달되는데, 이 방향성 커플러는 다른 역방향 커플링 신호(258)를 생성하고 이 역방향 커플링 신호를 순방향 커플링 신호(204)가 전달되는 동일한 혼 안테나(도시 안됨)에 전달한다. 남아 있는 제 2 신호(260)가 이어서 피드 도파관으로부터 출력된다.
도 3을 참조하면, 피드 도파관(300)의 구현 예의 평면도가 본 발명에 따라 도시된다. 피드 도파관(300)은 넓은 벽(302) 및 복수의 평면 커플링 슬롯(304, 306, 308, 310, 312, 314, 316, 318, 320, 322, 324, 및 326)들을 포함하며, 이 슬롯들은 각각 평면 커플링 슬롯들의 쌍(328, 330, 332, 334, 336, 및 338)들로 편성된다. 이러한 예에서, 평면 커플링 슬롯들은 피드 도파관(300)의 넓은 벽(302) 내로 커팅되고 평면 커플링 슬롯(304, 306, 308, 310, 312, 314, 316, 318, 320, 322, 324, 및 326)들의 각각의 쌍들은 대략 1/4 파장으로 공간(340) 이격되는 평면 커플링 슬롯들의 한 쌍(328, 330, 332, 334, 336, 및 338)들을 갖는다. 이러한 예에서, 평면 커플링 슬롯들은 피드 도파관(300)으로부터 외부로 에너지를 방사하는 방사 슬롯들이다. 피드 도파관(300)이 금속과 같은 전도성 재료로 구성되고 공기, 유전체 재료, 또는 이 둘다로 채워질 수 있는 피드 도파관(300)의 길이(342)로 연장하는 내부 공동을 갖는 직사각형 튜브를 형성하는 것이 인정된다.
작동 예에서, 제 1 입력 신호(344) 및 제 2 입력 신호(346)가 피드 도파관(300)내로 도입(즉, 입력)될 때, 제 1 입력 신호 및 제 2 입력 신호는 피드 도파관(300) 내의 자기장 및 전기장 모두를 여기한다. 이는 자기장에 대해 직각인 피드 도파관(300)의 벽들(즉, 넓은 벽(302) 및 좁은 벽(도시 안됨)) 내에 유도 전류들을 유발한다. 일 예로서, 도 4a에서, (도 3의) 피드 도파관(300)의 일 부분(400)의 측면 사시도가 도시된다. 이러한 예에서, 제 1 입력 신호(402)는 제 1 피드 도파관 입력부(406)에서(피드 도파관(300)의 제 1 단부(408)에서) 피드 도파관(300)의 공동(404) 내로 도입된다. 제 1 입력 신호(402)가 TE10 모드 신호인 경우, 피드 도파관(300)의 좁은 벽(412)의 수직 방향을 따라 지향되는 전기장(410), 및 전기장(410)에 대해 수직하며 상부(302) 및 저부(418) 넓은 벽들에 대해 평행하고 측벽들(즉, 좁은 벽(412))에 접하는(tangential) 전파 방향(416)을 따라 루프들을 형성하는 자기장(414)을 유도할 것이다. TE10 모드에 대해, 전기장(410)은 전파 방향을 따른 거리에 따라 사인 곡선 방식으로(in a sinusoidal fashion) 변화하는 것이 인정된다. 도 4b에서, 제 1 입력 신호(402)에 의해 생성되는, 넓은 벽(302) 및 좁은 벽(412)을 따른 TE10 모드의 결과적인 유도 전류(420)와 함께 (도 3의) 피드 도파관(300)의 일 부분(400)의 측면 사시도가 도시된다. 이러한 개념을 확대하면, 도 5에서, 피드 도파관(500)의 길이를 따라 여기된 복수의 자기장 루프들과 함께 피드 도파관(500)의 평면도가 도시된다. 자기장 루프들은 피드 도파관(500)의 길이를 따라 제 1 입력 신호(344)의 전파에 의해 유발된다.
도 4a, 도 4b, 및 도 5에서는 제 1 입력 신호(344 및 402)와 관련하여 예들이 설명되었지만; 상호 관계에 의해(by reciprocity), 동일한 예들이 제 2 입력 신호(346)에 대한 피드 도파관(300 및 500)을 따른 전기장 및 자기장 그리고 유도 전류들을 설명하는데 유효하다는 것이 인정된다는 점에 주목한다. 제 1 입력 신호(344 및 402)와 관련하여 제 2 입력 신호(346)의 반대 방향 전파때문에 극성들이 반대가 될 것이라는 것이 유일한 차이점이다.
(도 4a 및 도 4b를 참조하여) 도 3을 다시 참조하면, 각각의 평면 커플링 슬롯(304, 306, 308, 310, 312, 314, 316, 318, 320, 322, 324, 및 326)은 피드 도파관(300)의 넓은 벽(302)에서의 유도 전류(420)들의 전류 흐름을 차단하도록 설계되며 그 결과로서 내부 전기장(410) 및 자기장(414)의 교란(disturbance)이 생성되어 피드 도파관(300)의 공동(404)으로부터 피드 도파관(300)의 외부 환경으로 방사되는 에너지, 즉 피드 도파관(300)으로부터 외부 환경으로의 커플링 에너지를 초래한다. 도 1a 내지 도 1d 및 도 2를 다시 참조하면, 평면 커플링 슬롯(328, 330, 332, 334, 336, 및 338)들의 쌍들 중 이러한 쌍들은 에너지를 피드 도파관(300)으로부터 도 1a 내지 도 1d 및 도 2에 도시된 각각의 방향성 커플러들에 커플링한다.
도 4a, 도 4b, 및 도 5는 입력 신호들이 TE10 모드 신호들인 것으로서 설명하였지만; 이 대신에, 입력 신호들은 당업자에게 또한 주지되는 TE01 모드 신호들일 수 있다는 것이 당업자에 의해 인정된다. TE10 모드 신호들의 경우, 피드 도파관(300 및 500) 내의 유도 전류들 및 전기장들은 상이할 것이며 각각의 평면 커플링 슬롯은 위에서 설명된 TE10 모드 예에 대한 슬롯들과 상이할 것이다. 그러나, 각각의 평면 커플링 슬롯이 여전히 피드 도파관의 넓은 벽에서의 유도 전류들의 전류 흐름을 차단하도록 설계된다는 점에서 설계 이론은 유사하다.
도 6을 참조하면, 도 6에서, 피드 도파관(600), 평면 커플링 슬롯(602 및 604)들의 쌍, 및 방향성 커플러(606)의 구현 예의 측면 절단도가 본 발명에 따라 도시된다. 방향성 커플러(606)는 피드 도파관(600)으로부터 방향성 커플러(606)에 에너지를 커플링하는 평면 커플링 슬롯(602 및 604)들의 쌍을 통해 피드 도파관(600)에 커플링된다. 이러한 예에서, 피드 도파관(600)은 피드 도파관(600)의 상부 넓은 벽(608) 내로 커팅된 평면 커플링 슬롯들의 쌍을 가지며 방향성 커플러가 방향성 커플러(606)의 저부 넓은 벽(610) 내로 커팅된 평면 커플링 슬롯들의 대응하는 쌍을 갖는다는 것이 인정된다. 피드 도파관(600)으로부터의 평면 커플링 슬롯들의 쌍 및 방향성 커플러(606)으로부터의 평면 커플링 슬롯들의 쌍은 위 아래로 배치되어 평면 커플링 슬롯(602 및 604)들의 조합된 쌍을 형성하는데, 이는 피드 도파관(600) 내부의 공동(612)으로부터 방향성 커플러 내부의 공동(614)으로 에너지가 커플링되는 것을 허용한다. 방향성 커플러(606)는 제 1 파워 증폭기(616) 및 제 2 파워 증폭기(618)와 신호 통신한다. 도 1c에 도시된 방향성 커플러(150)와 유사하게, 피드 도파관(600)에 인접하게 위치되고 2개의 굽힘부(620 및 622)들을 가지는 "U"자형 도파관 구조물로 방향성 커플러(606)가 도시된다. 제 1 굽힘부(620)는 제 1 파워 증폭기(616)에 근접하게 위치되고, 제 2 굽힘부(622)는 방향성 커플러(606)를 따라 반대 방향에서 제 2 파워 증폭기(618)에 근접하게 위치된다. 상세하게는, 방향성 커플러(606)는 방향성 커플러 제 1 단부(624) 및 제 2 단부(626) 각각에서 파워 증폭기(616 및 618)들 모두와 신호 통신한다. 이러한 예에서, 도 1c에 도시된 굽힘부(166 및 168)들과 달리, 비-단차형 전이 굽힘부로 제 1 굽힘부(620) 및 제 2 굽힘부(622)가 도시된다. 앞에서 논의된 바와 같이, 방향성 커플러에서 이용될 수 있는, 다양한 유형들의 공지된 E-굽힘부들은 안테나 어레이 시스템의 설계 목적을 기초로 한다.
작동의 예에서, (제 1 입력 신호에 대응하는) 제 1 신호(628)는 피드 도파관(600)을 따라 전파 중이다. 제 1 신호(628)가 평면 커플링 슬롯(602 및 604)들에 도달할 때, 대부분의 파워는 남아 있는 제 1 입력 신호(630)에 의해 도시된 바와 같이 피드 도파관(600)을 따라 계속하여 전파될 것이지만; 제 1 신호(628)의 작은 부분은 평면 커플링 슬롯(602 및 604)들의 쌍을 통해 피드 도파관(600)으로부터 방향성 커플러(606)로 커플링될 것이다. 이러한 커플링 에너지는 순방향 커플링 신호(632)로서 도시된다. 순방향 커플링 신호(632)는 이어서 제 1 파워 증폭기(616)에 전달되는데, 제 1 파워 증폭기는 신호의 진폭을 증폭하고 증폭된 제 1 커플링 신호(634)를 혼 안테나(도시 안됨)의 입력 피드에 전달한다.
유사하게, (제 2 입력 신호에 대응하는) 제 2 신호(636)는 피드 도파관(600)을 따라 제 1 신호(628)의 반대 방향으로 전파하고 있다. 제 2 신호(636)가 평면 커플링 슬롯(602 및 604)들의 쌍에 도달할 때, 대부분의 파워는 남아 있는 제 2 입력 신호(638)에 의해 도시된 바와 같이 피드 도파관(600)을 따라 계속하여 전파할 것이지만; 제 2 신호(636)의 작은 부분은 평면 커플링 슬롯(602 및 604)들의 쌍을 통해 피드 도파관(600)으로부터 방향성 커플러(606)로 커플링될 것이다. 이러한 커플링 에너지는 역방향 커플링 신호(640)로서 도시된다. 이어서 역방향 커플링 신호(640)는 제 2 파워 증폭기(618)에 전달되는데, 제 2 파워 증폭기는 신호의 진폭을 증폭하고 증폭된 제 2 커플링 신호(642)를 혼 안테나의 다른 입력 피드에 전달한다. 혼 안테나는 이어서 증폭된 제 1 커플링 신호(634)를 이용하여 RHCP 신호를 생성 및 방사하고 증폭된 제 2 커플링 신호(642)를 이용하여 LHCP 신호를 생성 및 방사할 수 있다. 대안적으로, 혼 안테나는 이어서 증폭된 제 1 커플링 신호(634)를 이용하여 수평 편파 신호를 생성 및 방사하고 증폭된 제 2 커플링 신호(642)를 이용하여 수직 편파 신호를 생성 및 방사할 수 있다.
이러한 예에서, 평면 커플링 슬롯(602 및 604)들의 쌍은 대략 1/4 파장만큼 공간(644)으로 이격된다. 1/4 파장 공간을 이격하는 이유는 방향성 커플러들에 대한 기술 분야에서 주지되었지만, 제 1 신호(628)가 에너지를 피드 도파관(600)으로부터 방향성 커플러(606)로 하나의 방향으로 커플링하게 하는 반면, 제 2 신호(636)가 피드 도파관(600)으로부터 방향성 커플러(606)로 반대 방향으로 에너지를 커플링하게 하는 것으로서 일반적으로 설명될 수 있기 때문이다. 이에 대한 이유는, 일반적으로 커플링 신호가 양 방향들로 전파하지만, 평면 커플링 슬롯(602 및 604)들에 의해 유발된 위상 지연은 커플링 신호들 중 하나의 커플링 신호가 하나의 방향에서는 상쇄되는 것을 유발할 것인 한편, 다른 방향에서는 위상들을 부가할 것이기 때문에다. 자세하게는, 제 1 신호(628)가 제 1 평면 커플링 슬롯(602)에 도달할 때, 제 1 신호(628)로부터의 에너지(즉, 커플링 신호)의 일 부분은 제 1 평면 커플링 슬롯(602)을 통해 방향성 커플러(606) 내로 커플링할 것이다. 남아 있는 제 1 신호가 제 2 평면 커플링 슬롯(604)에 도달할 때, 남아 있는 제 1 신호로부터의 에너지의 다른 부분이 제 2 평면 커플링 슬롯(604)을 통해 방향성 커플러(606) 내로 커플링할 것이다. 이러한 2개의 커플링 신호들이 동일 방향으로(즉, 제 1 파워 증폭기(616)를 향하여) 전파하고 있기 때문에, 2개의 커플링 신호들은 동 위상(in-phase)이고 구조적으로 순방향 커플링 신호(632)를 생성하도록 위상에 부가된다. 그러나, 반대 방향으로(즉, 제 2 파워 증폭기(618)를 향하여) 커플링된 임의의 에너지는 구조적으로 상쇄될 것인데, 이는 제 2 파워 증폭기(618)를 향하여 이동하는 제 1 신호(628)로부터의 (제 1 평면 커플링 슬롯(602)에 의해 생성된) 커플링 신호가, 남아 있는 제 1 신호로부터의 (제 2 평면 커플링 슬롯(604)에 의해 생성된) 커플링 신호를 위상에서 대략 180도 만큼 앞설 것이기 때문이다. 이는 기준으로서 제 1 평면 커플링 슬롯(602)을 취하면, 제 2 평면 커플링 슬롯(604)으로 가는 커플링 신호가 피드 도파관(600) 내에서 추가 1/4 파장 및 이어서 방향성 커플러(606)에서 다시 역으로 1/4 파장을 이동하여야 하기 때문이다. 이런 이유로 제 2 파워 증폭기(618)의 방향으로 2개의 커플링 신호들이 서로 상쇄된다. 실제로, 방향성 커플러(606) 설계의 불완전성 때문에 적은 양의 파워(즉, 에너지)가 제 2 파워 증폭기(618)에 도달할 것이라는 점이 인정된다. 그러나, 이는 당업자에게 공지되는 적절한 설계 기술들에 의해 최소화될 수 있다. 제 2 신호(636)에 대해 동일한 커플링 프로세스가 적용 가능하여, 역방향 커플링 신호(640)는 구조적으로 부가되는 결과가 되는 한편, 제 1 파워 증폭기(616)의 방향으로의 제 2 신호(636)로부터의 커플링 신호들은 상쇄된다는 것이 인정된다.
도 7a에서, 안테나 어레이 시스템과 함께 사용하기 위한 혼 안테나(700)의 구현예의 정면 사시도가 본 발명에 따라 도시된다. 일반적으로, 혼 안테나(700)는 무선 파(radio wave)들을 빔 내에 지향시키기 위해 혼과 같은 형상의 플레어링(flaring) 금속(702) 도파관으로 이루어지는 안테나이다.
이러한 예에서, 혼 안테나(700)는 혼 안테나(700)의 피드 입력부(708)에 제 1 혼 입력부(704) 및 제 2 혼 입력부(706)를 포함한다. 이러한 예에서, 혼 안테나(700)는 셉텀 편파기(710)를 포함한다. 셉텀 편파기(710)가 제 1 혼 입력부(704) 및 제 2 혼 입력부(706)에서의 선형 편파 신호를 혼 안테나 통공(714) 내로의 도파관의 출력부(712)에서 원형 편파 신호로 변환하도록 구성되는 도파관 디바이스인 것이 당업자에 의해 인정된다. 이어서 혼 안테나(700)는 원형 편파 신호(716)를 자유 공간 내로 방사한다. 도 7b는 제 1 혼 입력부(704), 제 2 혼 입력부(706), 및 셉텀 편파기(710)를 도시하는 혼 안테나(700)의 후면도이다. 이러한 예에서, 혼 안테나(700)는 셉텀 혼인 것으로 도시되지만, 혼 안테나(700)가 또한 안테나 어레이 시스템의 요구된 설계 매개변수들을 기초로 한 다른 유형의 혼 안테나일 수 있다. 혼 안테나(700)로서 이용될 수 있는 다른 유형들의 혼 안테나의 예들은 예를 들면 피라미드형 혼, 원추형 혼, 지수 혼(exponential horn), 및 리지 혼(ridged horn)을 포함한다.
작동 예에서, 제 1 혼 입력부(704) 내로 피드된 선형 신호들은 도파관의 출력부(712)에서 RHCP 신호들로 변환(transformed)될 수 있는 반면, 제 2 혼 입력부(706) 내로 피드된 선형 신호들은 도파관의 출력부(712)에서 LHCP 신호들로 변환될 수 있다. RHCP 또는 LHCP 신호들은 이어서 원형 편파 신호(716)로서 자유 공간 내로 전송될 수 있다.
대안적으로, 제 1 혼 입력부(도시 안됨) 및 제 2 혼 입력부(도시 안됨) 내로 피드된 선형 신호들로부터, 원형 편파 신호들 대신에, 선형 편파 신호들을 생성하는 상이한 혼 안테나 설계가 이용될 수 있다. RHCP 및 LHCP 신호들 대신에, 수직 및 수평 편파 신호들이 이어서 자유 공간 내로 전송될 수 있다. 이러한 예에서, 직교모드 트랜스듀서("OMT")는 셉텀 편파기가 아닌 각각의 요소에서 이용될 수 있다.
도 8에는, 5개 예의 안테나 방사 패턴(804, 806, 808, 810, 및 812)들의 진폭(데시벨("dB") 단위)(802) 대 브로드사이드 각도(broadside angle)(각도 단위)(814)의 도표(800)가 도시된다. 안테나 방사 패턴(804, 806, 808, 810, 및 812)들은 일 예로, 60개 요소의 안테나 어레이 시스템 대 주파수에 대한 것이다. 일 예로서, 제 1 도표(804)는 19.7 GHz에서의 안테나 빔 패턴이고, 제 2 도표(806)는 19.825 GHz에서의 안테나 빔 패턴이고, 제 3 도표(808)는 19.95 GHz에서의 안테나 빔 패턴이고, 제 4 도표(810)는 20.075 GHz에서의 안테나 빔 패턴이고, 그리고 제 5 도표(812)는 20.2 GHz에서의 안테나 빔 패턴이다.
도 9a 및 도 9b를 참조하면, 안테나 어레이 시스템(900)의 다른 구현 예의 다양한 도면들이 본 발명에 따라 도시된다. 도 9a에서, 다른 안테나 어레이 시스템(900)의 구현 예의 평면도가 도시된다. 안테나 어레이 시스템(900)은 피드 도파관(902), 복수의 순방향 방향성 커플러(904, 906, 908, 910, 912, 및 914)들, 복수의 역방향 방향성 커플러(916, 918, 920, 922, 924, 및 926)들, 복수의 혼 안테나(928, 930, 932, 934, 936, 및 938)들, 및 복수의 파워 증폭기(940, 942, 944, 946, 948, 950, 952, 954, 956, 958, 960, 및 962)들을 포함할 수 있다. 이러한 예에서, 피드 도파관(902)은 복수의 순방향 방향성 커플러(904, 906, 908, 910, 912, 및 914)들 및 복수의 역방향 방향성 커플러(916, 918, 920, 922, 924, 및 926)들 모두와 신호 통신한다. 순방향 방향성 커플러(904, 906, 908, 910, 912, 및 914)들은 각각 파워 증폭기(940, 944, 948, 952, 956, 및 960)들과 신호 통신한다. 유사하게, 역방향 방향성 커플러(916, 918, 920, 922, 924, 및 926)들은 각각 파워 증폭기(942, 946, 950, 954, 958, 및 962)들과 신호 통신한다. 혼 안테나(928)는 2개의 파워 증폭기(940 및 942)들과 신호 통신한다. 혼 안테나(930)는 2개의 파워 증폭기(944 및 946)들과 신호 통신한다. 혼 안테나(932)는 2개의 파워 증폭기(948 및 950)들과 신호 통신한다. 혼 안테나(934)는 2개의 파워 증폭기(952 및 954)들과 신호 통신한다. 혼 안테나(936)는 2개의 파워 증폭기(956 및 958)들과 신호 통신한다. 마지막으로, 혼 안테나(938)는 2개의 파워 증폭기(960 및 962)들과 신호 통신한다.
피드 도파관(902)은 피드 도파관(902)의 제 1 단부(966)에 제 1 피드 도파관 입력부(964) 및 피드 도파관(902)의 제 2 단부(970)에 제 2 피드 도파관 입력부(968)를 포함하며, 여기서 제 2 단부(970)는 제 1 단부(966)에 대해 피드 도파관(902)의 반대 단부에 있다. 피드 도파관(902)은 복수의 턴(즉, 굽힘부들)(972, 974, 976, 978, 980, 982, 및 984)들을 포함하는 사행상 또는 구불 구불한 도파관일 수 있다. 이러한 예에서, 피드 도파관(902)의 물리적 배치는 좌표 축선(X 985, Y 986, 및 Z 987)들을 구비한 3차원 직교 좌표들에 의해 설명될 수 있으며, 여기서 피드 도파관(902)은 X 985 및 Y 986 좌표 축선들에 의해 형성된 평면 내에 위치된다. 부가적으로, X 985 및 Y 986 좌표 축선들에 의해 형성된 평면에서 연장하는 복수의 혼 안테나(928, 930, 932, 934, 936, 및 938)들이 또한 도시된다.
또한, 피드 도파관(902)에 단지 6개의 혼 안테나(928, 930, 932, 934, 936, 및 938)들 및 7개의 가시적인 턴(972, 974, 976, 978, 980, 982, 및 984)들, 및 6개의 비가시적인 턴들이 도시되어 있지만, 이는 단지 예시 목적만을 위한 것이며 안테나 어레이 시스템(900)은 임의의 짝수(even number)의 방향성 커플러들, 혼 안테나들, 및 방향성 커플러들에 피딩(feed)하기 위해 요구되는 대응하는 개수의 턴들을 갖춘 파워 증폭기들을 포함할 수 있음이 당업자에 의해 인정된다. 다른 예로서, 안테나 어레이 시스템(900)은 피드 도파관에 120개의 방향성 커플러들 및 60개의 혼 안테나들, 및 121개의 턴들을 포함할 수 있다. 혼 안테나들의 개수가 피드 도파관 내의 방향성 커플러들의 개수 및 턴들의 개수를 결정한다는 것이 또한 인정된다. 또한, 복수의 혼 안테나(928, 930, 932, 934, 936, 및 938)들 중 각각의 혼 안테나는 안테나 어레이 시스템(900)의 개별 방사 요소로서 작용한다. 작동 중, 각각의 혼 안테나들의 개별 방사 패턴은 전형적으로 각각의 다른 혼 안테나의 방사 패턴과 진폭 및 위상이 달라진다. 각각의 혼 안테나에 대한 방사 패턴의 진폭은 혼 안테나의 여기 전류의 진폭을 제어하는 파워 증폭기에 의해 제어된다. 유사하게, 각각의 혼 안테나의 방사 패턴의 위상은 혼 안테나에 대응하는 방향성 커플러들에 피딩하는데 있어서 피드 도파관(902)에 의해 유발된 대응하는 지연 위상에 의해 결정된다.
도 9b에서, 안테나 어레이 시스템(900)의 구현 예의 측면도가 도시된다. 참고로, 이러한 측면도에서 안테나 어레이 시스템(900)의 물리적 배치가, X 985 및 Z 987 좌표 축선들에 의해 형성된 평면 내에 도시되며, Y 986 좌표 축선은 X 985 및 Z 987 좌표 축선들에 의해 형성된 평면에 수직하면서 또한 X 985 및 Z 987 좌표 축선들에 의해 형성된 평면 밖으로 나오는 방향으로 지향된다. 이러한 측면도에서, 피드 도파관(902)에 인접하게 위치되는 직사각형 도파관 구조물로 역방향 방향성 커플러(926)가 도시된다. 자세하게는, 역방향 방향성 커플러(926)는 파워 증폭기(962)를 통하여 혼 안테나(938)와 신호 통신한다.
작동 예에서, 제 1 입력 신호(988)가 제 1 피드 도파관 입력부(964) 내로 도입될 때, 제 1 입력 신호(988)는 피드 도파관(902)을 따라 이동하여 제 1 입력 신호의 에너지의 제 1 부분을 순방향 방향성 커플러(904)에 커플링하게 되는데, 이 순방향 방향성 커플러는 이러한 제 1 커플링 출력 신호를 파워 증폭기(940)를 통해 혼 안테나(928)에 전달할 것이다. 제 1 입력 신호의 남아 있는 부분은 이어서 피드 도파관(902)을 따라 역방향 방향성 커플러(916)로 이동할 것이며, 여기서 제 1 입력 신호의 남아 있는 부분은 어떠한 에너지와도 커플링하지 않을 것인데, 이는 역방향 방향성 커플러(916)가 단지 반대 방향으로 이동하는 신호들만을 커플링하도록 설계되기 때문이다. 이와 같이, 제 1 입력 신호의 남아 있는 부분은 계속해서 피드 도파관(902)을 따라 순방향 방향성 커플러(906)로 이동하게 될 것이고 제 1 입력 신호의 에너지의 제 2 부분을 순방향 방향성 커플러(906)에 커플링하게 되는데, 이는 이러한 제 2 커플링 출력 신호를 파워 증폭기(944)를 통해 혼 안테나(930)에 전달할 것이다. 제 1 입력 신호의 남아 있는 부분은 이어서 피드 도파관(902)을 따라 역방향 방향성 커플러(918)로 이동할 것이며 여기서 제 1 입력 신호의 남아 있는 부분을 어떠한 에너지와도 커플링하지 않을 것인데, 이는 역방향 방향성 커플러(918)가 단지 반대 방향으로 이동하는 신호들만을 커플링하도록 설계되기 때문이다. 이와 같이, 제 1 입력 신호의 남아 있는 부분은 계속해서 피드 도파관(902)을 따라 순방향 방향성 커플러(908)로 이동하고 제 1 입력 신호의 에너지의 제 3 부분을 순방향 방향성 커플러(908)에 커플링하는데, 이는 이러한 제 3 커플링 출력 신호를 파워 증폭기(948)를 통해 혼 안테나(932)에 전달할 것이다. 제 1 입력 신호의 남아 있는 부분은 이어서 피드 도파관(902)을 따라 역방향 방향성 커플러(920)로 이동하게 될 것이며, 여기서 제 1 입력 신호의 남아 있는 부분은 어떠한 에너지와도 커플링하지 않을 것인데, 이는 역방향 방향성 커플러(920)가 단지 반대 방향으로 이동하고 있는 신호들만을 커플링하도록 설계되기 때문이다. 이와 같이, 제 1 입력 신호의 남아 있는 부분은 계속해서 피드 도파관(902)을 따라 순방향 방향성 커플러(910)로 이동하고 제 1 입력 신호의 에너지의 제 4 부분을 순방향 방향성 커플러(910)에 커플링하게 되는데, 이는 이러한 제 4 커플링 출력 신호를 파워 증폭기(952)를 통해 혼 안테나(934)에 전달할 것이다. 제 1 입력 신호의 남아 있는 부분은 이어서 피드 도파관(902)을 따라 역방향 방향성 커플러(922)로 이동할 것이며, 여기서 제 1 입력 신호의 남아 있는 부분은 어떠한 에너지와도 커플링하지 않을 것인데, 이는 역방향 방향성 커플러(922)가 단지 반대 방향으로 이동하고 있는 신호들만을 커플링하도록 설계되기 때문이다. 이와 같이, 제 1 입력 신호의 남아 있는 부분은 계속해서 피드 도파관(902)을 따라 순방향 방향성 커플러(912)로 이동하게 될 것이고 제 1 입력 신호의 에너지의 제 5 부분을 순방향 방향성 커플러(912)에 커플링하게 되는데, 이는 제 5 커플링 출력 신호를 파워 증폭기(956)를 통해 혼 안테나(936)에 전달할 것이다. 제 1 입력 신호의 남아 있는 부분은 이어서 피드 도파관(902)을 따라 역방향 방향성 커플러(924)로 이동하게 될 것이며 여기서 제 1 입력 신호의 남아 있는 부분은 어떠한 에너지와도 커플링하지 않을 것인데, 이는 역방향 방향성 커플러(924)가 단지 반대 방향으로 이동하고 있는 신호들만을 커플링하도록 설계되기 때문이다. 이와 같이, 제 1 입력 신호의 남아 있는 부분은 계속해서 피드 도파관(902)을 따라 순방향 방향성 커플러(914)로 이동하게 될 것이며 제 1 입력 신호의 에너지의 제 6 부분을 순방향 방향성 커플러(914)에 커플링하게 되는데, 이는 이러한 제 6 커플링 출력 신호를 파워 증폭기(960)를 통해 혼 안테나(938)에 전달할 것이다. 제 1 입력 신호의 남아 있는 부분은 이어서 피드 도파관(902)을 따라 역방향 방향성 커플러(926)로 이동할 것이며, 여기서 제 1 입력 신호의 남아 있는 부분은 어떠한 에너지와도 커플링하지 않을 것인데, 이는 역방향 방향성 커플러(926)가 단지 반대 방향으로 이동하고 있는 신호들만을 커플링하도록 설계되기 때문이다. 이와 같이, 제 1 입력 신호의 남아 있는 부분은 계속해서 피드 도파관(902)을 따라 이동하게 될 것이며, 제 2 피드 도파관 입력부(968)를 통해 남아 있는 제 1 신호(990)로서 출력될 것이다. 순방향 방향성 커플러(904, 906, 908, 910, 912, 및 914)들의 설계를 최적화함으로써, 남아 있는 제 1 신호(990)가 0에 근접하게 감소될 수 있다는 것이 인정된다.
유사하게, 제 2 입력 신호(992)가 제 2 피드 도파관 입력부(968) 내로 도입될 때, 제 2 입력 신호(992)는 피드 도파관(902)을 따라 (제 1 입력 신호(988)의 반대 방향으로) 이동할 것이며 제 2 입력 신호의 에너지의 제 1 부분을 역방향 방향성 커플러(926)에 커플링하게 되는데, 이는 이러한 제 1 커플링 출력 신호를 파워 증폭기(962)를 통해 혼 안테나(938)에 전달한다. 제 2 입력 신호의 남아 있는 부분은 이어서 피드 도파관(902)을 따라 순방향 방향성 커플러(914)로 이동될 것이며, 여기서 제 2 입력 신호의 남아 있는 부분은 어떠한 에너지와도 커플링하지 않게 되는데, 이는 순방향 방향성 커플러(914)가 단지 반대 방향으로(즉, 제 1 입력 신호(988)의 방향으로) 이동하고 있는 신호들만을 커플링하도록 설계되기 때문이다. 이와 같이, 제 2 입력 신호의 남아 있는 부분은 계속해서 피드 도파관(902)을 따라 역방향 방향성 커플러(924)로 이동할 것이며 제 2 입력 신호의 에너지의 제 2 부분을 역방향 방향성 커플러(924)에 커플링하게 되는데, 이는 이러한 제 2 커플링 출력 신호를 파워 증폭기(958)를 통해 혼 안테나(936)에 전달한다. 제 2 입력 신호의 남아 있는 부분은 이어서 피드 도파관(902)을 따라 순방향 방향성 커플러(912)로 이동할 것이며, 여기서 제 2 입력 신호의 남아 있는 부분은 어떠한 에너지와도 커플링하지 않게 되는데, 이는 순방향 방향성 커플러(912)가 단지 반대 방향으로 이동하고 있는 신호들만 커플링하도록 설계되기 때문이다. 이와 같이, 제 2 입력 신호의 남아 있는 부분은 계속해서 피드 도파관(902)을 따라 역방향 방향성 커플러(922)로 이동할 것이고 제 2 입력 신호의 에너지의 제 3 부분을 역방향 방향성 커플러(922)에 커플링하게 되는데, 이는 이러한 제 3 커플링 출력 신호를 파워 증폭기(954)를 통해 혼 안테나(934)에 전달한다. 제 2 입력 신호의 남아 있는 부분은 이어서 피드 도파관(902)을 따라 순방향 방향성 커플러(910)로 이동하게 될 것이며 여기서 제 2 입력 신호의 남아 있는 부분은 어떠한 에너지와도 커플링하지 않게 되는데, 이는 순방향 방향성 커플러(910)가 단지 반대 방향으로 이동하고 있는 신호들만을 커플링하도록 설계되기 때문이다. 이와 같이, 제 2 입력 신호의 남아 있는 부분은 계속해서 피드 도파관(902)을 따라 역방향 방향성 커플러(920)로 이동하게 될 것이며 제 2 입력 신호의 에너지의 제 4 부분을 역방향 방향성 커플러(920)에 커플링하게 되는데, 이는 이러한 제 4 커플링 출력 신호를 파워 증폭기(950)를 통해 혼 안테나(932)에 전달한다. 제 2 입력 신호의 남아 있는 부분은 이어서 피드 도파관(902)을 따라 순방향 방향성 커플러(908)로 이동시킬 것이며, 여기서 제 2 입력 신호의 남아 있는 부분은 어떠한 에너지와도 커플링하지 않게 되는데, 이는 순방향 방향성 커플러(908)가 단지 반대 방향으로 이동하고 있는 신호들만을 커플링하도록 설계되기 때문이다. 이와 같이, 제 2 입력 신호의 남아 있는 부분은 계속해서 피드 도파관(902)을 따라 역방향 방향성 커플러(918)로 이동하게 될 것이며 제 2 입력 신호의 에너지의 제 5 부분을 역방향 방향성 커플러(918)에 커플링하게 되는데, 이는 이러한 제 5 커플링 출력 신호를 파워 증폭기(946)를 통해 혼 안테나(936)에 전달한다. 제 2 입력 신호의 남아 있는 부분은 이어서 피드 도파관(902)을 따라 순방향 방향성 커플러(906)로 이동시킬 것이며, 여기서 제 2 입력 신호의 남아 있는 부분은 어떠한 에너지와도 커플링하지 않게 되는데, 이는 순방향 방향성 커플러(906)가 단지 반대 방향으로 이동하고 있는 신호들만을 커플링하도록 설계되기 때문이다. 이와 같이, 제 2 입력 신호의 남아 있는 부분은 계속해서 피드 도파관(902)을 따라 역방향 방향성 커플러(916)로 이동하게 될 것이며 제 2 입력 신호의 에너지의 제 6 부분을 역방향 방향성 커플러(916)에 커플링하게 되는데, 이는 이러한 제 6 커플링 출력 신호를 파워 증폭기(942)를 통해 혼 안테나(928)에 전달한다. 제 2 입력 신호의 남아 있는 부분은 이어서 피드 도파관(902)을 따라 순방향 방향성 커플러(904)로 이동시킬 것이며, 여기서 제 2 입력 신호의 남아 있는 부분은 어떠한 에너지와도 커플링하지 않게 되는데, 이는 순방향 방향성 커플러(904)가 단지 반대 방향으로 이동하고 있는 신호들만을 커플링하도록 설계되기 때문이다. 이와 같이, 제 2 입력 신호의 남아 있는 부분은 계속해서 피드 도파관(902)을 따라 이동하게 될 것이고 남아 있는 제 2 신호(992)로서 제 1 피드 도파관 입력부(964)를 통해 출력될 것이다. 또한, 역방향 방향성 커플러(916, 918, 920, 922, 924, 및 926)들의 설계를 최적화함으로써, 남아 있는 제 2 신호(994)가 0에 근접하게 감소될 수 있다는 것이 인정된다.
또한, 제 1 서큘레이터, 또는 다른 분리 디바이스(도시 안됨)가 제 1 입력 신호(988)를 출력된 남아 있는 제 2 신호(994)로부터 분리하도록 제 1 단부(966)에 연결될 수 있으며, 제 2 서큘레이터 또는 다른 분리 디바이스(도시 안됨)가 제 2 입력 신호(992)를 출력된 남아 있는 제 1 신호(990)로부터 분리하도록 제 2 단부(970)에 연결될 수 있다는 것이 인정된다. 피드 도파관(902)으로부터 각각의 방향성 커플러(904, 906, 908, 910, 912, 914, 916, 918, 920, 922, 924, 및 926)들로의 커플링된 에너지의 양이 안테나 어레이 시스템(900)의 원하는 방사 안테나 패턴을 생성할 미리 결정된 설계 선택들에 의해 결정된다는 것이 또한 당업자에 의해 또한 인정된다.
도 10을 참조하면, (도 9a 및 도 9b의) 피드 도파관(902)의 구현 예의 평면도가 본 발명에 따라 도시된다. 피드 도파관(902)은 넓은 벽(1000) 및 복수의 평면 커플링 슬롯(1002)들을 포함하며, 이 슬롯들은 각각 평면 커플링 슬롯(1004, 1006, 1008, 1010, 1012, 1014, 1016, 1018, 1020, 1022, 1024, 1026, 1028, 및 1030)들의 쌍들로 편성된다. 이러한 예에서, 평면 커플링 슬롯들은 피드 도파관(902)의 넓은 벽(1000)내로 커팅되고 평면 커플링 슬롯(1004, 1006, 1008, 1010, 1012, 1014, 1016, 1018, 1020, 1022, 1024, 1026, 1028, 및 1030)들의 각각의 쌍은 안테나 어레이 시스템(900)의 작동 파장의 1/4 파장과 대략 동일한, 평면 커플링 슬롯들의 쌍들 사이의 간격을 갖는다. 또한 이러한 예에서, 피드 도파관(902)은 13개의 H-굽힘부(1032, 1034, 1036, 1038, 1040, 1042, 1044, 1046, 1048, 1050, 1052, 1054, 및 1056)들을 포함할 수 있다. 다시, 피드 도파관(902)은 금속과 같은 전도성 재료로 구성될 수 있고, 공기, 유전체 재료, 또는 이들 둘다로 채워질 수 있는, 피드 도파관(902)의 길이(1058)로 연장하는 내부 공동을 갖는 직사각형 튜브를 형성한다. 피드 도파관(102, 300, 500, 및 600)(도 1a, 도 3, 도 5 및 도 6에 도시됨)과 달리, 피드 도파관(902)(도 9에 도시됨)은 불연속 턴(1032, 1034, 1036, 1038, 1040, 1042, 1044, 1046, 1048, 1050, 1052, 1054, 및 1056)들 및 피드 도파관(902)의 직선 경로들 사이의 12개의 공통의(common) 좁은-벽들을 갖는다는 것에 주목해야 하지만; 피드 도파관(102)(도 1b, 도 1c, 및 도 1d에서)이 앞에서 설명된 원리들을 이용하여 방향성 커플러(140, 142, 144, 146, 148, 및 150)들에 에너지를 커플링하도록 설계될 수 있는 것과 실질적으로 동일한 방식으로 피드 도파관(902)이 방향성 커플러(904, 906, 908, 910, 912, 914, 916, 918, 920, 922, 924, 및 926)들에 에너지를 커플링하도록 설계될 수 있다는 것이 인정된다.
도 1 내지 도 6에 도시된 안테나 어레이 시스템(100)의 제 1 구현 예와 안테나 어레이 시스템(900)의 제 2 구현 예 사이의 차이는 제 2 구현 예가 두 배만큼 많은 방향성 커플러들을 요구한다는 것이다. 제 2 구현에서, 피드 도파관(902)에서 이동하는 신호가 정확한 방향으로 이동하고 있는 경우, 방향성 커플러(904, 906, 908, 910, 912, 914, 916, 918, 920, 922, 924, 및 926)들은 단지 커플링 신호들을 혼 안테나(928, 930, 932, 934, 936, 및 938)들에만 전달할 수 있다. 이와 같이, 제 1 입력 신호(988)를 혼 안테나(928, 930, 932, 934, 936, 및 938)들에 전달하도록 구성되는 방향성 커플러(904, 906, 908, 910, 912, 및 914)들은 순방향 방향성 커플러들로서 지칭되는 반면, 제 2 입력 신호(992)를 혼 안테나(928, 930, 932, 934, 936, 및 938)들에 전달하도록 구성되는 방향성 커플러(916, 918, 920, 922, 924, 및 926)들은 역방향 방향성 커플러들로서 지칭된다.
제 1 구현에서, 각각의 방향성 커플러(140, 142, 144, 146, 148, 및 150)는 이동 방향과 관계 없이 제 1 입력 신호(184) 및 제 2 입력 신호(186) 모두로부터 신호들을 커플링하도록 설계된다. 커플링 신호들 모두는 방향성 커플러로부터 혼 안테나까지 상이한 피드 경로들을 통해 각각의 혼 안테나(104, 106, 108, 110, 112, 및 114)에 전달된다.
도 1 내지 도 6, 도 9a, 도 9b, 및 도 10에서 도시된 구불 구불한 도파관이 자체적으로 듀얼 모드 방식으로 작동될 수 있으며, 여기서 구불 구불한 도파관들의 단부들은 구불 구불한 도파관 자체 내로 수직방향으로 또는 수평 방향으로 편파된 파들을 방출하도록(launch) 피더 OMTs에 의해 피드(feed)될 수 있다는 것이 인정된다. 이러한 수직 방향으로 그리고 수평 방향으로 편파된 파들은 이어서 각각의 방향성 커플러들에 의해 상이한 혼들 내로 커플링되어, 혼들에서 설계된 편파 출력들이 생성될 수 있다.
작동의 예로서, 안테나 어레이 시스템의 제 1 및 제 2 구현 예들 모두는 독립형(standalone) 안테나 시스템들(즉, 직접 방사 시스템)로서 또는 반사기 안테나 시스템의 부분으로서 이용될 수 있다. 도 11을 참조하면, 반사기 안테나 시스템(1100)의 구현 예의 사시도가 본 발명에 따라 도시된다. 반사기 안테나 시스템(1100)은 안테나 어레이 시스템(1102) 및 원통형 반사기 요소(1104)를 포함할 수 있다. 안테나 어레이 시스템(1102)은 안테나 어레이 시스템(100)의 제 1 구현 예(도 1 내지 도 6에 도시됨) 또는 안테나 어레이 시스템(900)의 제 2 구현 예(도 9 및 도 10에 도시됨)일 수 있다. 작동 중, 안테나 어레이 시스템(1104)은 반사기 요소(1104)를 위한 피드 어레이 역할을 하고 반사기 요소(1104)를 향하여 방사선(1106)을 지향시키는데, 이 방사선은 이어서 반사기 안테나 시스템(1100)의 안테나 빔(1108)을 형성하도록 자유 공간 내로 반사된다. 반사기 안테나 시스템(1100)은 다수의 상이한 응용들을 위해 사용될 수 있다. 다시, 반사기 안테나 시스템(1100)이 안테나 어레이 시스템의 선택적 구현 예라는 것이 당업자에 의해 인정된다. 다른 예(도시 안됨)는 반사기 시스템이 없는 직접 방사 시스템인 독립형 안테나 시스템으로서 이용된 안테나 어레이 시스템을 포함한다.
도 12에서, 도 11에 도시된 반사기 안테나 시스템을 이용하는 통신 위성(1200)의 사시도가 도시된다. 이러한 예에서, 통신 위성(1200)은 전송을 위한 2개의 반사기 안테나 시스템(1202 및 1204) 및 수신을 위한 신호 반사기 안테나 시스템(1206)을 포함할 수 있다.
본 발명의 다양한 양태들 또는 상세들이 본 발명의 범주로부터 벗어남이 없이 변화될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 본 발명의 다양한 양태들 또는 상세들은 완전한 것은 아니며 청구된 발명들을 개시된 바로 그 형태로 제한하지 않는다. 더욱이, 전술한 설명은 단지 예시적인 목적을 위한 것이지 제한의 목적을 위한 것은 아니다. 수정 및 변화예는 상기 설명을 고려하여 가능하거나 본 발명의 실시로부터 얻어질 수 있다. 청구항들 및 이들의 균등예들이 본 발명의 범주를 한정한다.

Claims (14)

  1. 안테나 빔을 지향 및 조종하기 위한 안테나 어레이 시스템으로서,
    피드 도파관; 상기 피드 도파관과 신호 통신하는 2개 이상의 방향성 커플러들; 상기 피드 도파관 길이를 따르는 2개 이상의 쌍들의 평면 커플링 슬롯들; 및 2개 이상의 혼 안테나들을 포함하며,
    상기 피드 도파관은;
    피드 도파관 벽,
    피드 도파관 길이,
    상기 피드 도파관 길이를 따르는 하나 이상의 턴(turn),
    상기 피드 도파관의 제 1 단부에 있는 제 1 피드 도파관 입력부, 및
    상기 피드 도파관의 제 2 단부에 있는 제 2 피드 도파관 입력부를 포함하며,
    상기 피드 도파관은 상기 제 1 피드 도파관 입력부에서 제 1 입력 신호를 그리고 제 2 피드 도파관 입력부에서 제 2 입력 신호를 수신하도록 구성되며,
    상기 2개 이상의 방향성 커플러들 중 각각의 방향성 커플러는 상기 피드 도파관의 도파관 벽에 인접한 저부 벽을 가지며,
    각각의 방향성 커플러는 상기 제 1 입력 신호로부터 제 1 커플링 신호를 그리고 상기 제 2 입력 신호로부터 제 2 커플링 신호를 생성하도록 구성되며,
    상기 2개 이상의 쌍들의 평면 커플링 슬롯들 중 제 1 쌍의 평면 커플링 슬롯들은 상기 2개 이상의 방향성 커플러들 중 제 1 방향성 커플러에 대응하고, 상기 2개 이상의 쌍들의 평면 커플링 슬롯들 중 제 2 쌍의 평면 커플링 슬롯들은 상기 2개 이상의 방향성 커플러들 중 제 2 방향성 커플러에 대응하며,
    상기 제 1 쌍의 평면 커플링 슬롯들은 상기 피드 도파관의 피드 도파관 벽 및 상기 제 1 방향성 커플러의 인접한 저부 벽 내로 커팅되고 상기 제 2 쌍의 평면 커플링 슬롯들은 상기 피드 도파관의 피드 도파관 벽 및 상기 제 2 방향성 커플러의 인접한 저부 벽 내로 커팅되며,
    상기 2개 이상의 혼 안테나들 중 제 1 혼 안테나는 상기 제 1 방향성 커플러와 신호 통신하고 상기 2개 이상의 혼 안테나들 중 제 2 혼 안테나는 상기 제 2 방향성 커플러와 신호 통신하며,
    상기 제 1 혼 안테나는 상기 제 1 방향성 커플러로부터 상기 제 1 커플링 신호 및 상기 제 2 커플링 신호 모두를 수신하도록 구성되고 상기 제 2 혼 안테나는 상기 제 2 방향성 커플러로부터 상기 제 1 커플링 신호 및 상기 제 2 커플링 신호 모두를 수신하도록 구성되며,
    상기 제 1 혼 안테나는 상기 수신된 제 1 커플링 신호로부터 제 1 편파 신호를 그리고 상기 수신된 제 2 커플링 신호로부터 제 2 편파 신호를 생성하도록 구성되고 상기 제 2 혼 안테나는 상기 수신된 제 1 커플링 신호로부터 제 1 편파 신호를 그리고 상기 수신된 제 2 커플링 신호로부터 제 2 편파 신호를 생성하도록 구성되며,
    상기 제 1 혼 안테나의 제 1 편파 신호는 상기 제 1 혼 안테나의 제 2 편파 신호와 교차 편파되고 상기 제 2 혼 안테나의 제 1 편파 신호는 상기 제 2 혼 안테나의 제 2 편파 신호와 교차 편파되고, 그리고
    상기 제 1 혼 안테나의 제 1 편파 신호는 상기 제 2 혼 안테나의 제 1 편파 신호와 동일 방향으로 편파되고 상기 제 1 혼 안테나의 제 2 편파 신호는 상기 제 2 혼 안테나의 제 2 편파 신호와 동일 방향으로 편파되는,
    안테나 어레이 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    4개 이상의 파워 증폭기들을 더 포함하며,
    상기 4개 이상의 파워 증폭기들 중 제 1 파워 증폭기는 상기 제 1 방향성 커플러 및 상기 제 1 혼 안테나와 신호 통신하고 상기 제 1 방향성 커플러로부터의 상기 제 1 커플링 신호를 증폭하도록 구성되고,
    상기 4개 이상의 파워 증폭기들 중 제 2 파워 증폭기는 상기 제 1 방향성 커플러 및 상기 제 1 혼 안테나와 신호 통신하고 상기 제 1 방향성 커플러로부터의 상기 제 2 커플링 신호를 증폭하도록 구성되며,
    상기 4개 이상의 파워 증폭기들 중 제 3 파워 증폭기는 상기 제 2 방향성 커플러 및 상기 제 2 혼 안테나와 신호 통신하고 상기 제 2 방향성 커플러로부터의 상기 제 1 커플링 신호를 증폭하도록 구성되며, 그리고
    상기 4개 이상의 파워 증폭기들 중 제 4 파워 증폭기는 상기 제 2 방향성 커플러 및 상기 제 2 혼 안테나와 신호 통신하고 상기 제 2 방향성 커플러로부터의 상기 제 2 커플링 신호를 증폭하도록 구성되는,
    안테나 어레이 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 피드 도파관은 넓은 벽 및 좁은 벽을 가지는 직사각형 도파관인,
    안테나 어레이 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 피드 도파관 벽은 넓은 벽인,
    안테나 어레이 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 쌍의 평면 커플링 슬롯들 중 제 1 평면 커플링 슬롯 및 제 2 평면 커플링 슬롯은 대략 1/4 파장 떨어져 위치 설정되며, 그리고
    상기 제 2 쌍의 평면 커플링 슬롯들 중 제 1 평면 커플링 슬롯 및 제 2 평면 커플링 슬롯은 대략 1/4 파장 떨어져 위치 설정되는,
    안테나 어레이 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 혼 안테나 내에 제 1 셉텀 편파기(septum polarizer) 및 상기 제 2 혼 안테나 내에 제 2 셉텀 편파기를 더 포함하며,
    상기 제 1 혼 안테나는 상기 수신된 제 1 커플링 신호로부터 제 1 편파 신호 그리고 상기 수신된 제 2 커플링 신호로부터 제 2 편파 신호를 생성하도록 구성되고 상기 제 2 혼 안테나는 상기 수신된 제 1 커플링 신호로부터 제 1 편파 신호를 그리고 상기 수신된 제 2 커플링 신호로부터 제 2 편파 신호를 생성하도록 구성되고,
    상기 제 1 혼 안테나의 제 1 편파 신호는 상기 제 1 혼 안테나의 제 1 원형 편파 신호이며 상기 제 1 혼 안테나의 제 2 편파 신호는 상기 제 1 혼 안테나의 제 2 원형 편파 신호이며,
    상기 제 2 혼 안테나의 제 1 편파 신호는 상기 제 2 혼 안테나의 제 1 원형 편파 신호이고 상기 제 2 혼 안테나의 제 2 편파 신호는 상기 제 2 혼 안테나의 제 2 원형 편파 신호이고,
    상기 제 1 혼 안테나의 제 1 원형 편파 신호는 상기 제 1 혼 안테나의 제 2 원형 편파 신호의 반대 방향으로 회전하고 상기 제 2 혼 안테나의 제 1 원형 편파 신호는 상기 제 2 혼 안테나의 제 2 원형 편파 신호의 반대 방향으로 회전하고, 그리고
    상기 제 1 혼 안테나의 제 1 원형 편파 신호는 상기 제 2 혼 안테나의 제 1 원형 편파 신호와 동일 방향으로 회전하고 상기 제 1 혼 안테나의 제 2 원형 편파 신호는 상기 제 2 혼 안테나의 제 2 원형 편파 신호와 동일 방향으로 회전하는,
    안테나 어레이 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 피드 도파관은 구불 구불한(meandering) 도파관인,
    안테나 어레이 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    제 1 서큘레이터(circulator) 및 제 2 서큘레이터를 더 포함하며, 상기 제 1 서큘레이터는 상기 제 1 피드 도파관 입력부와 신호 통신하고 상기 제 2 서큘레이터는 상기 제 2 피드 도파관 입력부와 신호 통신하는,
    안테나 어레이 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    복수의 짝 수개의 혼 안테나들과 신호 통신하는 반사기를 더 포함하는,
    안테나 어레이 시스템.
  10. 제 1 피드 도파관 입력부, 제 2 피드 도파관 입력부, 및 피드 도파관 길이를 구비한 피드 도파관, 상기 피드 도파관과 신호 통신하는 2개 이상의 방향성 커플러들, 상기 피드 도파관 길이를 따르는 2개 이상의 쌍들의 평면 커플링 슬롯들, 및 2개 이상의 혼 안테나들을 가지는 안테나 어레이 시스템을 이용하여 안테나 빔을 지향 및 조종하기 위한 방법으로서,
    상기 제 1 피드 도파관 입력부에서 제 1 입력 신호를 그리고 상기 제 2 피드 도파관 입력부에서, 상기 제 1 입력 신호의 반대 방향으로 전파하고 있는, 제 2 입력 신호를 수신하는 단계;
    상기 2개 이상의 방향성 커플러들 중, 제 1 방향성 커플러의 제 1 커플링 출력 신호를 생성하는, 상기 제 1 방향성 커플러에 상기 제 1 입력 신호를 커플링하는 단계;
    상기 2개 이상의 방향성 커플러들 중, 제 2 방향성 커플러의 제 1 커플링 출력 신호를 생성하는, 제 2 방향성 커플러에 상기 제 1 입력 신호를 커플링하는 단계;
    상기 제 2 방향성 커플러의 제 2 커플링 출력 신호를 생성하는 상기 제 2 방향성 커플러에 상기 제 2 입력 신호를 커플링하는 단계;
    상기 제 1 방향성 커플러의 제 2 커플링 출력 신호를 생성하는 상기 제 1 방향성 커플러에 상기 제 2 입력 신호를 커플링하는 단계;
    상기 2개 이상의 혼 안테나들 중 제 1 혼 안테나가 상기 제 1 방향성 커플러의 제 1 커플링 출력 신호를 수신하는 것에 응답하여, 제 1 혼 안테나로부터 제 1 편파 신호를 방사하는 단계;
    상기 제 1 혼 안테나가 상기 제 1 방향성 커플러의 제 2 커플링 출력 신호를 수신하는 것에 응답하여, 상기 제 1 혼 안테나로부터 제 2 편파 신호를 방사하는 단계;
    상기 2개 이상의 혼 안테나들 중 제 2 혼 안테나가 상기 제 2 방향성 커플러의 제 2 커플링 출력 신호를 수신하는 것에 응답하여, 제 2 혼 안테나로부터 제 1 편파 신호를 방사하는 단계; 및
    상기 제 2 혼 안테나가 상기 제 2 방향성 커플러의 제 2 커플링 출력 신호를 수신하는 것에 응답하여, 상기 제 2 혼 안테나로부터 제 2 편파 신호를 방사하는 단계를 포함하며,
    상기 제 1 혼 안테나의 제 1 편파 신호는 상기 제 1 혼 안테나의 제 2 편파 신호와 교차 편파되고 상기 제 2 혼 안테나의 제 1 편파 신호는 상기 제 2 혼 안테나의 제 2 편파 신호와 교차 편파되고, 그리고
    상기 제 1 혼 안테나의 제 1 편파 신호는 상기 제 2 혼 안테나의 제 1 편파 신호와 동일 방향으로 편파되고 상기 제 1 혼 안테나의 제 2 편파 신호는 상기 제 2 혼 안테나의 제 2 편파 신호와 동일 방향으로 편파되는,
    안테나 어레이 시스템을 이용하여 안테나 빔을 지향 및 조종하기 위한 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 방향성 커플러들 모두로부터의 상기 제 1 커플링 출력 신호 및 상기 제 1 및 제 2 방향성 커플러들 모두로부터의 상기 제 2 커플링 출력 신호들을 증폭하는 단계를 더 포함하는,
    안테나 어레이 시스템을 이용하여 안테나 빔을 지향 및 조종하기 위한 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 입력 신호 및 제 2 입력 신호는 상기 피드 도파관을 통하여 반대 방향들로 전파하는 TE1O 모드 신호들인,
    안테나 어레이 시스템을 이용하여 안테나 빔을 지향 및 조종하기 위한 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 피드 도파관은 구불 구불한 도파관이고,
    상기 방법은 상기 구불 구불한 도파관을 이용하여 상기 제 1 입력 신호 및 제 2 입력 신호를 지연시키는 단계를 더 포함하는,
    안테나 어레이 시스템을 이용하여 안테나 빔을 지향 및 조종하기 위한 방법.
  14. 안테나 빔을 지향 및 조종하기 위한 안테나 어레이 시스템으로서,
    피드 도파관; 상기 피드 도파관과 신호 통신하는 4개 이상의 방향성 커플러들; 상기 피드 도파관 길이를 따르는 4개 이상의 쌍들의 평면 커플링 슬롯들; 및 2개 이상의 혼 안테나들을 포함하며,
    상기 피드 도파관은;
    피드 도파관 벽,
    피드 도파관 길이,
    상기 피드 도파관 길이를 따르는 5개 이상의 턴들,
    상기 피드 도파관의 제 1 단부에 있는 제 1 피드 도파관 입력부, 및
    상기 피드 도파관의 제 2 단부에 있는 제 2 피드 도파관 입력부를 가지며,
    상기 피드 도파관은 상기 제 1 피드 도파관 입력부에서 제 1 입력 신호를 그리고 상기 제 2 피드 도파관 입력부에서 제 2 입력 신호를 수신하도록 구성되며,
    상기 4개 이상의 방향성 커플러들 중 각각의 방향성 커플러는 상기 피드 도파관의 도파관 벽에 인접한 저부 벽을 가지며,
    각각의 방향성 커플러는 상기 제 1 입력 신호 또는 상기 제 2 입력 신호로부터 커플링 신호를 생성하도록 구성되며,
    상기 4개 이상의 쌍들의 평면 커플링 슬롯들 중 제 1 쌍의 평면 커플링 슬롯들은 상기 4개 이상의 방향성 커플러들 중 제 1 방향성 커플러에 대응하고, 상기 4개 이상의 쌍들의 평면 커플링 슬롯들 중 제 2 쌍의 평면 커플링 슬롯들은 상기 4개 이상의 방향성 커플러들 중 제 2 방향성 커플러에 대응하고, 상기 4개 이상의 쌍들의 평면 커플링 슬롯들 중 제 3 쌍의 평면 커플링 슬롯들은 상기 4개 이상의 방향성 커플러들 중 제 3 방향성 커플러에 대응하고, 상기 4개 이상의 쌍들의 평면 커플링 슬롯들 중 제 4 쌍의 평면 커플링 슬롯들은 상기 4개 이상의 방향성 커플러들 중 제 4 방향성 커플러에 대응하며,
    상기 제 1 쌍의 평면 커플링 슬롯들은 상기 피드 도파관의 피드 도파관 벽 및 상기 제 1 방향성 커플러의 인접한 저부 벽 내로 커팅되고, 상기 제 2 쌍의 평면 커플링 슬롯들은 상기 피드 도파관의 피드 도파관 벽 및 상기 제 2 방향성 커플러의 인접한 저부 벽 내로 커팅되고, 상기 제 3 쌍의 평면 커플링 슬롯들은 상기 피드 도파관의 피드 도파관 벽 및 상기 제 3 방향성 커플러의 인접한 저부 벽 내로 커팅되고 그리고 상기 제 4 쌍의 평면 커플링 슬롯들은 상기 피드 도파관의 피드 도파관 벽 및 상기 제 4 방향성 커플러의 인접한 저부 벽 내로 커팅되며,
    상기 2개 이상의 혼 안테나들 중 제 1 혼 안테나는 상기 제 1 방향성 커플러 및 상기 제 2 방향성 커플러와 신호 통신하고 상기 2개 이상의 혼 안테나들 중 제 2 혼 안테나는 상기 제 3 방향성 커플러 및 제 4 방향성 커플러와 신호 통신하며,
    상기 제 1 혼 안테나는 상기 제 1 방향성 커플러로부터의 상기 커플링 신호를 그리고 상기 제 2 방향성 커플러로부터의 상기 커플링 신호를 수신하도록 구성되고 상기 제 2 혼 안테나는 상기 제 3 방향성 커플러로부터의 커플링 신호를 그리고 상기 제 4 방향성 커플러로부터의 커플링 신호를 수신하도록 구성되며,
    상기 제 1 혼 안테나는 상기 제 1 방향성 커플러로부터의 상기 수신된 커플링 신호로부터 제 1 원형 편파 신호를 그리고 상기 제 2 방향성 커플러로부터의 상기 수신된 커플링 신호로부터 제 2 원형 편파 신호를 생성하도록 구성되고 상기 제 2 혼 안테나는 상기 제 3 방향성 커플러로부터의 상기 수신된 커플링 신호로부터 제 1 원형 편파 신호를 그리고 상기 제 4 방향성 커플러로부터의 상기 수신된 커플링 신호로부터 제 2 원형 편파 신호를 생성하도록 구성되며,
    상기 제 1 혼 안테나의 제 1 원형 편파 신호는 상기 제 1 혼 안테나의 제 2 원형 편파 신호의 반대 방향으로 회전하고 상기 제 2 혼 안테나의 제 1 원형 편파 신호는 상기 제 2 혼 안테나의 제 2 원형 편파 신호의 반대 방향으로 회전하며, 그리고
    상기 제 1 혼 안테나의 제 1 원형 편파 신호는 상기 제 2 혼 안테나의 제 1 원형 편파 신호와 동일 방향으로 회전하고 상기 제 1 혼 안테나의 제 2 원형 편파 신호는 상기 제 2 혼 안테나의 제 2 원형 편파 신호와 동일 방향으로 회전하는,
    안테나 어레이 시스템.
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