KR102433667B1 - 혼합 폴리오미노 구조를 갖는 능동 위상 배열 안테나 - Google Patents

Abstract

혼합 폴리오미노 구조를 갖는 능동 위상 배열 안테나가 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 능동 위상 배열 안테나는, 하나 이상의 송수신 모듈에 의해 부배열 단위로 위상이 조절되는 능동 위상 배열 안테나로서, 면 배열된 복수의 배열 소자들을 포함하고, 상기 복수의 배열 소자들은 하나 이상의 혼합 폴리오미노 구조를 갖는 하나 이상의 부배열로 설계된다.

Description

혼합 폴리오미노 구조를 갖는 능동 위상 배열 안테나{ACTIVE PHASED ARRAY ANTENNA WITH MIXED POLYOMINO STRUCTURE}

본 발명은 혼합 폴리오미노 구조를 갖는 능동 위상 배열 안테나에 관한 것이다.

배열 안테나는 2 이상의 안테나를 직선 또는 면 상에 배치한 것을 말한다. 배열 안테나는 첨예한 빔폭을 구현할 수 있으며, 레이더, 통신, 전파망원경 등에 이용될 수 있다. 배열 안테나의 종류는, 예를 들어, 선형배열, 평면배열, 3차원 배열(곡면배열)이 있다.

위상배열 안테나는 안테나 소자 간의 위상차를 전자적으로 제어하여 특정 방향으로 안테나의 빔을 고속으로 스캔할 수 있으며, 통신, 레이더(군용 탐지/추적 레이더) 등에 이용될 수 있다. 위상배열 안테나의 종류는, 예를 들어, PESA(passive electronically scanned array), AESA(active electronically scanned array) 등이 있다. PESA는 각 소자에 전자적으로 제어되는 위상 변위기를 설치하여 고속으로 빔을 조향할 수 있다. AESA는 각 소자에 송수신기를 설치하여 고속으로 빔을 조향할 수 있다. 여기서, 안테나 소자는 '배열 소자'로 지칭된다.

복수의 배열 소자들은 도 1과 같이 일정 영역에 배치된다. 이때, 모든 배열 소자들의 가중치(또는 위상)를 복수의 송수신기를 이용하여 개별적으로 조절한다면 이상적인 빔 조향 특성을 얻을 수 있을 것이나, 배열 소자의 수에 비례하여 비용이 증가하고, 자원 활용의 효율성이 저해된다. 따라서, 배열 소자들의 가중치를 효율적으로 조절하기 위해 몇몇 배열 소자들을 부배열 단위로 그루핑(grouping)하고, 부배열 단위로 가중치를 조절하는 부배열 시스템이 제안된다.

본 발명은 전술한 필요성 및/또는 문제점을 해결하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 배열 안테나에서 가중치를 조절하는 송수신 모듈의 개수를 줄이기 위한 목적으로 부배열을 구성할 때 일반적인 부배열 구조보다 더 좋은 빔 조향 성능을 얻을 수 있는 혼합 폴리오미노 구조를 갖는 능동 위상 배열 안테나를 구현하는 것을 목적으로 한다.

일 실시예에서, 능동 위상 배열 안테나(AESA)는 하나 이상의 송수신 모듈에 의해서 부배열 단위로 위상이 조절되는 것이며, AESA 는 면 배열된 복수의 배열 소자들을 포함한다. 상기의 복수의 배열 소자들은 하나 이상의 혼합 폴리오미노 구조를 갖는 하나 이상의 부배열로 설계될 수 있다.

일 실시예에서, 하나 이상의 부배열에 포함된 배열 소자들의 개수는 안테나의 배열 영역에 따라 상이하게 제공될 수 있다.

일 실시예에서, 안테나의 배열 영역은 안테나의 중심으로부터의 거리에 기반하여 구분될 수 있다.

일 실시예에서, 부배열은 안테나의 중심으로부터 제1 기준 거리까지는 모노미노(monomino) 구조를 갖고, 상기 제1 기준 거리부터 가장자리까지 중심으로부터의 거리가 멀어질수록 폴리오미노를 구성하는 배열 소자의 수가 증가할 수 있다.

일 실시예에서, 안테나의 전체 배열 영역은 안테나의 중심으로부터의 거리에 기반하여 복수의 배열 영역으로 구분되며, 중심으로부터 가장 가까운 배열 영역은 모노미노 구조의 부배열을 갖고, 중심으로부터 먼 배열 영역일수록 더 많은 수의 배열 소자들로 구성된 폴리오미노 구조의 부배열을 가질 수 있다. 바람직한 실시예에서, 부배열을 구성하는 배열 소자들의 개수는 안테나의 중심으로부터의 소정의 거리만큼 멀어지는 것에 기반하여 2 배씩 증가할 수 있다.

한편, 일 실시예에서, 안테나의 배열 영역은 안테나의 중심과 인접한 제1 배열 영역, 안테나의 가장자리와 인접한 제2 배열 영역, 상기 제1, 제2 배열 영역 사이의 제3 배열 영역으로 구성될 수 있다. 여기서, 제1 배열 영역의 부배열들은 모노미노 구조이며, 제2 배열 영역의 부배열들은 도미노 구조이며, 제3 배열 영역의 부배열들은 테트로미노일 수 있다.

일 실시예에서, 안테나의 전력 분포는 중심에 가까이 위치한 배열 소자일수록 높은 출력 레벨을 갖고, 중심으로부터 멀리 위치한 배열 소자일수록 낮은 출력 레벨을 가질 수 있다.

일 실시예에서, 출력 레벨은, 안테나의 중심으로부터의 거리에 따라 구분된 안테나의 배열 영역 단위로 같은 값을 가질 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 혼합 폴리오미노 구조를 갖는 능동 위상 배열 안테나의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 배열 안테나에서 가중치를 조절하는 송수신 모듈의 개수를 줄이기 위한 목적으로 부배열을 구성할 때 일반적인 부배열 구조보다 더 좋은 빔 조향 성능을 얻을 수 있다.

본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는, 첨부 도면은 본 발명에 대한 실시예를 제공하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 특징을 설명한다.
도 1은 기본 면배열의 예시적인 도면이다.
도 2는 종래의 부배열 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 배열 소자의 수가 일정한 폴리오미노 배열을 갖는 부배열 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 혼합 폴리오미노 배열을 갖는 부배열 구조를 설명하기 위한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 개시된 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 발명에 개시된 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명에 개시된 실시예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명에 개시된 실시예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 발명에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 기본 면배열의 예시적인 도면이다.

배열 안테나는 2 이상의 안테나를 직선 또는 면 상에 배치한 것을 말한다. 배열 안테나는 첨예한 빔폭을 구현할 수 있으며, 레이더, 통신, 전파망원경 등에 이용될 수 있다. 배열 안테나의 종류는, 예를 들어, 선형배열, 평면배열, 3차원 배열(곡면배열)이 있다. 본 명세서는, 면배열 안테나에 관한 것이다.

위상배열 안테나는 안테나 소자 간의 위상차를 전자적으로 제어하여 특정 방향으로 안테나의 빔을 고속으로 스캔할 수 있으며, 통신, 레이더(군용 탐지/추적 레이더) 등에 이용될 수 있다. 위상배열 안테나의 종류는, 예를 들어, PESA(passive electronically scanned array), AESA(active electronically scanned array) 등이 있다. PESA는 각 소자에 전자적으로 제어되는 위상 변위기를 설치하여 고속으로 빔을 조향할 수 있다. AESA는 각 소자에 송수신기를 설치하여 고속으로 빔을 조향할 수 있다. 본 명세서는, AESA에 관한 것이며, 이하 명세서에서 안테나 소자는 '배열 소자'로 지칭된다. 복수의 배열 소자들은 도 1과 같이 일정 영역에 배치된다. 이때, 모든 배열 소자들의 가중치(또는 위상)를 복수의 송수신기를 이용하여 개별적으로 조절한다면 이상적인 빔 조향 특성을 얻을 수 있을 것이나, 배열 소자의 수에 비례하여 비용이 증가하고, 자원 활용의 효율성이 저해된다. 따라서, 배열 소자들의 가중치를 효율적으로 조절하기 위해 몇몇 배열 소자들을 부배열 단위로 그루핑(grouping)하고, 부배열 단위로 가중치를 조절하는 부배열 시스템이 제안된다.

도 2는 종래의 부배열 구조를 설명하기 위한 도면이다.

종래의 부배열 구조는 일정한 배열로 구성되었다. 예를 들어, 정사각 배열 또는 직사각 배열로 구성된다. 예를 들어, 1 x 2 부배열 구조(도 2의 (a)), 2 x 1 부배열 구조(도 2의 (b)), 2 x 2 부배열 구조(도 2의 (c)) 등이 있을 수 있다. 도 2의 (a), (b)의 경우에는 송수신기의 수가 부배열 구조를 채택하지 않은 경우에 비해 1/2로 줄어들고, 도 2의 (c)의 경우에는 1/4로 줄어든다.

부배열 시스템의 경우, 빔조향 특성은 부배열 단위로 조절되는 가중치에 의해서도 영향을 받으나, 부배열 단위의 구조, 즉 부배열의 형상에 의해서도 크게 영향을 받는다. 예를 들어, 도 2의 (a)의 경우에는 방위각 방향에서, 도 2의 (b)의 경우에는 고각 방향에서, 도 2의 (c)의 경우에는 방위각 및 고각 모두의 방향에서 빔 조향 시 그레이팅 로브(greating lobe)와 같은 큰 부엽이 발생할 수 있다.

이하 명세서에서는 부배열 단위로 위상을 조절 할 때 안테나의 빔 조향 특성, 특히 빔의 부엽(lobe)를 최소화하기 위한 혼합 폴리오미노(polyonmino) 배열을 활용한 AESA 를 제안한다.

도 3은 배열 소자의 수가 일정한 폴리오미노 배열을 갖는 부배열 구조를 설명하기 위한 도면이다.

도 3의 부배열은 일정한 폴리오미노 배열을 갖는다. 여기서 일정한 폴리오미노란 부배열의 구조가 항상 일정한 것을 의미하는 것은 아니며, 동일한 종류의 폴리오미노임을 의미한다. 예를 들어, 도 3의 부배열 안테나에서, 부배열은 테트로미노 구조를 갖는다.

한 종류의 폴리오미노를 갖는 부배열 안테나의 경우, 도 2의 종래의 부배열 안테나에서 발생하는 부엽이 줄어든다. 종래의 부배열 안테나는 정사각 또는 직사각 배열의 특성으로 인한 부엽이 발생하는데, 폴리오미노 배열은 일정한 정사각 또는 직사각 배열을 갖지 않아 그러한 부엽이 발생하지 않거나 최소화되는 것이다. 즉, 부배열 안테나는 부배열에 폴리오미노 구조를 채택하고, 그 결과 폴리오미노 부배열 패턴의 랜덤성에 의해 종래 배열의 규칙성이 사라지게 되어 빔 조향시 발생하는 부엽 특성이 개선되는 것이다.

그러나, 폴리오미노 배열로 부배열 안테나를 구성하는 경우 전체적인 출력 레벨이 감소되거나, 빔 조향 시 성능 열화가 발생하는 문제가 있었다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 혼합 폴리오미노 배열을 갖는 부배열 구조를 설명하기 위한 도면이다.

일 실시예에서, 능동 위상 배열 안테나(AESA)는 하나 이상의 송수신 모듈에 의해서 부배열 단위로 위상이 조절되는 것이며, AESA 는 면 배열된 복수의 배열 소자들을 포함한다. 상기의 복수의 배열 소자들은 하나 이상의 혼합 폴리오미노 구조를 갖는 하나 이상의 부배열로 설계될 수 있다. 하나 이상의 혼합 폴리오미노 구조란, 한 종류 이상의 폴리오미노 구조를 말한다. 예를 들어, 폴리오미노 구조는 모노미노, 도미노, 트리오미노, 테트로미노, 펜토미노 등이 있다. 예를 들어, 배열 소자 1개로 구성된 부배열은 모노미노 구조, 2개로 구성된 부배열은 도미노 구조, 3개로 구성된 부배열은 트리오미노 구조, 4개로 구성된 부배열은 테트로미노 구조, 5개로 구성된 부배열은 펜토미노 구조로 구성될 수 있다.

일 실시예에서, 하나 이상의 부배열에 포함된 배열 소자들의 개수는 안테나의 배열 영역에 따라 상이하게 제공될 수 있다. 예를 들어, 한 배열 영역에는 모노미노 구조의 부배열들만 배치되고, 다른 배열 영역에는 도미노 구조의 부배열들만 배치되고, 또 다른 배열 영역에는 테트로미노 구조의 부배열들만 배치될 수 있다. 즉, 배열 영역 별로 서로 다른 폴리오미노 구조를 갖는 부배열들이 배치될 수 있다. 이처럼, 2 이상의 폴리오미노 구조가 혼용되는 구조를 혼합 폴리오미노 구조라고 말한다.

일 실시예에서, 안테나의 배열 영역은 안테나의 중심으로부터의 거리에 기반하여 구분될 수 있다.

일 예로, 부배열은 안테나의 중심으로부터 제1 기준 거리까지는 모노미노(monomino) 구조를 갖고, 상기 제1 기준 거리부터 가장자리까지 중심으로부터의 거리가 멀어질수록 폴리오미노를 구성하는 배열 소자의 수가 증가할 수 있다. 다시 말해, 제1 기준거리까지는 하나의 배열 소자를 갖는 부배열들이 배치되나, 제1 기준 거리부터는 도미노, 트리오미노, 테트로미노, 펜토미노 또는 그 이상의 배열 소자 개수로 구성된 폴리오미노 구조를 갖는 부배열들이 배치되며, 이때, 폴리오미노 구조를 구성하는 배열 소자들의 개수는 중심으로부터의 거리에 비례하여 점진적으로 증가할 수 있다. 예를 들어, 폴리오미노 구조를 구성하는 배열 소자들의 개수는 초기에 1개로 시작하여 2개, 4개, 8개, 16개로 증가할 수 있다. 이처럼, 폴리오미노 구조를 구성하는 배열 소자들의 개수는 중심으로부터의 거리의 증가에 따라 2의 배수로 증가할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

일 예로, 안테나의 전체 배열 영역은 안테나의 중심으로부터의 거리에 기반하여 복수의 배열 영역으로 구분되며, 중심으로부터 가장 가까운 배열 영역은 모노미노 구조의 부배열을 갖고, 중심으로부터 먼 배열 영역일수록 더 많은 수의 배열 소자들로 구성된 폴리오미노 구조의 부배열을 가질 수 있다. 바람직한 실시예에서, 부배열을 구성하는 배열 소자들의 개수는 안테나의 중심으로부터의 소정의 거리만큼 멀어지는 것에 기반하여 2 배씩 증가할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

한편, 안테나의 전체 면 배열 영역을 3 개의 배열 영역으로 구분하는 것으로 가정할 수도 있다. 이 경우, 일 실시예에서, 안테나의 배열 영역은 안테나의 중심과 인접한 제1 배열 영역, 안테나의 가장자리와 인접한 제2 배열 영역, 상기 제1, 제2 배열 영역 사이의 제3 배열 영역으로 구성될 수 있다. 여기서, 제1 배열 영역의 부배열들은 모노미노 구조이며, 제2 배열 영역의 부배열들은 도미노 구조이며, 제3 배열 영역의 부배열들은 테트로미노일 수 있다.

또한, 안테나의 전력 분포는 중심에 가까이 위치한 배열 소자일수록 높은 출력 레벨을 갖고, 중심으로부터 멀리 위치한 배열 소자일수록 낮은 출력 레벨을 가질 수 있다. 일반적으로 저부엽 특성을 위한 전력 분포는 중심에 위치한 배열 소자들이 높은 출력 레벨을 갖고, 가장자리로 갈수록 더 낮은 출력 레벨을 갖는다. 일 실시예에서, 출력 레벨은 안테나의 중심으로부터의 거리에 따라 구분된 안테나의 배열 영역 단위로 같은 값을 가질 수 있다. 도 4와 같이, 부배열을 배치하는 경우, 상대적으로 높은 출력 레벨을 갖는 중심위치의 배열 소자들을 적은 수의 배열 소자로 구성되는 폴리오미노 구조로 구성시킴으로써 전체적인 출력 레벨의 감소를 최소화시킬 수 있다. 또한, 혼합 폴리오미노 구조를 채택함으로써, 중심에 위치한 배열 소자의 위상중심 간 거리가 가까워져 빔 조향 시의 성능 열화도 최소화될 수 있다.

상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

Claims (9)

1. 하나 이상의 송수신 모듈에 의해 부배열 단위로 위상이 조절되는 능동 위상 배열 안테나로서,
   면 배열된 복수의 배열 소자들을 포함하고,
   상기 복수의 배열 소자들은 하나 이상의 혼합 폴리오미노 구조를 갖는 하나 이상의 부배열로 설계되며,
   하나 이상의 부배열에 포함된 배열 소자들의 개수는 안테나의 배열 영역에 따라 상이하게 제공되고,
   안테나의 배열 영역은, 안테나의 중심으로부터의 거리에 기반하여 구분되며,
   부배열은, 안테나의 중심으로부터 제1 기준 거리까지는 모노미노(monomino) 구조를 갖고, 상기 제1 기준 거리부터 가장자리까지 중심으로부터의 거리가 멀어질수록 폴리오미노를 구성하는 배열 소자의 수가 증가하고,
   안테나의 전체 배열 영역은 안테나의 중심으로부터의 거리에 기반하여 복수의 배열 영역으로 구분되며, 중심으로부터 가장 가까운 배열 영역은 모노미노 구조의 부배열을 갖고, 중심으로부터 먼 배열 영역일수록 더 많은 수의 배열 소자들로 구성된 폴리오미노 구조의 부배열을 갖는 것을 특징으로 하는, 능동 위상 배열 안테나.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,
   부배열을 구성하는 배열 소자들의 개수는 안테나의 중심으로부터의 소정의 거리만큼 멀어지는 것에 기반하여 2 배씩 증가하는 것을 특징으로 하는, 능동 위상 배열 안테나.
   
7. 제1항에 있어서,
   안테나의 배열 영역은, 안테나의 중심과 인접한 제1 배열 영역, 안테나의 가장자리와 인접한 제2 배열 영역, 상기 제1, 제2 배열 영역 사이의 제3 배열 영역으로 구성되며,
   제1 배열 영역의 부배열들은 모노미노 구조이며, 제2 배열 영역의 부배열들은 도미노 구조이며, 제3 배열 영역의 부배열들은 테트로미노인 것을 특징으로 하는, 능동 위상 배열 안테나.
   
8. 제1항과 제6항 및 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
   안테나의 전력 분포는 중심에 가까이 위치한 배열 소자일수록 높은 출력 레벨을 갖고, 중심으로부터 멀리 위치한 배열 소자일수록 낮은 출력 레벨을 갖는 것을 특징으로 하는, 능동 위상 배열 안테나.
   
9. 제8항에 있어서,
   출력 레벨은, 안테나의 중심으로부터의 거리에 따라 구분된 안테나의 배열 영역 단위로 같은 값을 갖는 것을 특징으로 하는, 능동 위상 배열 안테나.
   

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