KR102673366B1 - 어레이 안테나 - Google Patents

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KR102673366B1
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Abstract

본 개시의 일 실시예에 따른 어레이 안테나는 기판, 기판의 일면에 형성된 복수의 방사소자 및 복수의 방사소자로부터 미리 설정된 거리만큼 이격되어 기판의 일면에 형성된 결합선로를 포함하는 안테나부, 복수의 방사소자를 이용하여 송신신호를 송신하거나 수신신호를 수신할 수 있도록 복수의 방사소자 각각에 전기적으로 연결되는 복수의 능동소자를 포함하는 송수신부 및 결합선로에 커플링되는 신호를 감지하고, 감지한 신호를 기초로 복수의 능동소자 각각에 대한 교정을 수행하는 제어부를 포함한다.

Description

어레이 안테나{Array Antenna}
본 개시는 어레이 안테나에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 결합선로(coupled line)가 통합된 어레이 안테나에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 개시에 대한 배경정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
어레이 안테나(array antenna)는 복수의 방사소자(radiation element)를 배열하여 각 방사소자에서 급전된 신호(fed signal)의 진폭 및 위상을 조정하여 원하는 방사 패턴(radiation pattern)을 형성한다. 이를 위해서는 방사소자와 함께 구성되는 복수의 능동소자(active device)를 필요로 한다.
어레이 안테나를 항공기, 선박 등에 탑재하여 운용하는 과정에서 어레이 안테나는 거친 외부 환경에 노출된다. 어레이 안테나는 지속적인 온도변화, 습도 변화 및 다양한 외부 환경요인으로부터 유발되는 스트레스에 의해 고장이 발생하거나 성능이 저하된다. 어레이 안테나를 구성하는 복수의 능동소자는 자체 발열, 주변의 온도변화, 주변의 습도변화에 의하여 방사 패턴을 형성(forming)하기 위한 동작특성이 변화할 수 있다. 다수의 능동소자 중 일부분의 동작에 오류가 발생하면, 이는 어레이 안테나의 성능 저하로 이어지고 어레이 안테나의 정상적인 운용이 불가능해진다.
종래의 어레이 안테나에서는 일반적으로 방사소자와 능동소자 사이에 고장 진단 및 자가 교정(self- calibration)을 수행하기 위한 결합기(coupler)를 삽입한다. 그러나, 결합기는 어레이 안테나에서 추가적인 삽입손실(Insertion Loss, IL)을 일으켜 안테나 성능을 저하시키는 문제가 있다.
이러한 방법 이외에도, 어레이 안테나 주변에 기생 안테나(parasitic antenna)를 구성하거나, 복수의 안테나들 사이의 상호결합(mutual coupling)을 이용한 고장 진단 및 자가 교정 방법이 제안되었으나, 이 또한 추가적인 회로를 구성하여야 하므로 안테나 시스템의 복잡성(complexity)을 증가시키는 문제점이 있다.
본 개시의 실시예들은 고장 진단 및 자가 교정을 위한 결합선로를 어레이 안테나에 통합시켜, 삽입 손실에 의한 안테나 성능 저하가 발생하지 않는 어레이 안테나 구조를 제공하는 데 주된 목적이 있다.
또한, 본 개시의 다른 실시예들은 어레이 안테나 시스템의 복잡성을 증가시키지 않고 고장 진단 및 자가 교정을 간편히 수행할 수 있는 어레이 안테나 구조를 제공하는 데 다른 주된 목적이 있다.
본 개시의 실시예에 따르면, 어레이 안테나에 있어서, 기판, 기판의 일면에 형성된 복수의 방사소자 및 복수의 방사소자로부터 미리 설정된 거리만큼 이격되어 기판의 일면에 형성된 결합선로를 포함하는 안테나부, 복수의 방사소자를 이용하여 송신신호를 송신하거나 수신신호를 수신할 수 있도록 복수의 방사소자 각각에 전기적으로 연결되는 복수개의 능동소자를 포함하는 송수신부 및 결합선로에 커플링되는 신호를 감지하고, 상기 감지한 신호를 기초로 상기 복수개의 능동소자 각각에 대한 교정을 수행하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 어레이 안테나를 제공한다.
본 개시의 일 실시예에 의하면, 어레이 안테나에 결합선로를 통합시켜 기존에 발생하였던 삽입 손실에 의한 어레이 안테나의 성능 저하 없이 어레이 안테나의 고장 진단 및 자가 교정이 가능한 효과가 있다.
본 개시의 다른 실시예에 의하면 어레이 안테나 시스템의 복잡성을 증가시키지 않고 고장 진단 및 자가 교정을 수행할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 어레이 안테나의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 어레이 안테나를 구성하는 하나의 방사소자와 하나의 결합선로를 나타낸 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 선형 어레이 안테나의 안테나부를 나타낸 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 복수의 선형 어레이 안테나의 안테나부를 나타낸 도면이다.
도 5는 일 실시예에 따른 어레이 안테나가 능동소자를 자가 교정하는 과정을 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
첨부된 도면과 함께 이하에 개시될 발명의 설명은 본 발명의 예시적인 실시 형태를 설명하고자 하는 것이며, 본 발명이 실시될 수 있는 유일한 실시 형태를 나타내고자 하는 것이 아니다.
도 1은 일 실시예에 따른 어레이 안테나의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 1에 도시된 바와 같이 일 실시예에 따른 어레이 안테나(100)는 안테나부(antenna unit, 110), 송수신부(transmit/receive unit, 120) 및 제어부(control unit, 130)를 포함한다.
안테나부(110)는 기판, 복수의 방사소자 및 결합선로를 포함한다. 복수의 방사소자는 인접하는 개별 방사소자 간에 미리 설정된 간격을 갖도록 기판 상에 배열된다. 복수의 방사소자는 기판의 일 평면 상에 일렬로 배열되어 선형의 어레이를 형성할 수 있다. 복수의 방사소자는 기판의 일 평면 상에 격자 형태로 배열되어 복수의 선형의 어레이를 형성할 수 있으나 복수의 방사소자들의 배열 형태가 이에 한정되는 것은 아니다.
복수의 방사소자는 기판과 일체를 이루도록 기판의 일 평면 상에 형성될 수 있다. 복수의 방사소자는 평판형의 패치일 수 있다. 여기서, 패치형의 패치는 정사각형 형태일 수 있다.
예를 들어, 기판은 인쇄회로기판(printed circuit board, PCB) 일 수 있다. 기판의 타 평면 상에는 급전선로가 형성될 수 있다. 여기서, 급전 선로의 일단은 복수의 방사소자와 전기적으로 연결될 수 있다. 급전 선로의 타단은 송수신부(120)의 능동소자들과 전기적으로 연결될 수 있다.
결합선로는 방사소자가 형성된 기판의 일 평면 상에 방사소자로부터 미리 설정된 거리만큼 이격된 위치에 형성된다. 결합선로는 방사소자가 형성된 기판의 일 평면 상에 기판과 일체를 이루도록 형성될 수 있다. 여기서, 미리 설정된 거리는 방사소자와 결합선로 간에 미리 설정된 결합계수를 갖도록 하는 거리가 될 수 있다. 방사소자와 결합선로간에는 미리 설정된 결합계수에 따라 신호의 커플링이 발생한다.
송수신부(120)는 복수의 능동소자를 포함한다. 복수의 능동소자는 매칭되는 복수의 방사소자를 이용하여 미리 설정된 값에 따라 신호를 송신하거나 신호를 수신할 수 있도록, 복수의 능동소자에 각각 매칭되는 복수의 방사소자에 전기적으로 연결된다. 각각의 능동소자는 위상 변환기(phase shifter), 저잡음 증폭기(low noise amplifier, LNA), 대역 통과 필터(band pass filter, BPF), 전력 증폭기(power amplifier) 및 감쇄기(attenuator) 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다. 복수의 능동소자는 복수의 방사소자의 개수와 같은 개수로 구성될 수 있다.
제어부(130)는 결합선로의 일단에 전기적으로 연결된다. 어레이 안테나의 송신이 이루어지는 경우, 제어부(130)는 결합선로에 커플링된 커플링신호를 감지한다. 제어부(130)는 감지한 커플링신호를 분석하여 신호의 크기 및 위상을 획득한다. 여기서, 결합선로에 커플링되는 커플링신호는 방사소자에 급전되는 송신신호의 일부가 방사소자와 결합선로 간의 미리 설정된 결합계수에 따라 결합선로에 커플링되는 신호일 수 있다.
제어부(130)는 결합선로에 커플링된 신호의 크기 및 위상과 결합계수를 기초로 각각의 능동소자와 그에 대응되는 방사소자를 포함하는 각 송수신 경로의 이득 및 위상차를 계산한다. 제어부(130)는 계산한 각 송수신 경로의 이득 및 위상차를 송수신 경로별 송신신호의 기준이득 및 기준위상차와 비교한다. 여기서, 송수신 경로별 송신신호의 기준이득 및 기준위상차는 위상 안테나가 정상적으로 동작하기 위하여 미리 설정된 이득 및 위상차이다.
결합선로에 커플링되는 신호를 기초로 계산한 송수신 경로별 이득 및 위상차와 송수신 경로별 송신신호의 기준이득 및 기준위상차가 상이한 경우, 제어부(130)는 채널에 연결된 능동소자가 교정이 필요한 것으로 판단한다. 제어부(130)는 교정이 필요한 것으로 판단된 능동소자에 대하여 자가 교정을 수행한다. 여기서, 제어부(130)는 송수신 경로별 이득 및 위상차와 송수신 경로별 송신신호의 기준이득 및 기준위상차의 차이를 기초로 능동소자의 증폭기 이득을 조절하거나 위상 변환기의 위상을 조절하여 자가 교정을 수행할 수 있다.
제어부(130)는 결합선로에 미리 정의된 신호를 인가할 수 있다. 여기서, 미리 정의된 신호는 어레이 안테나의 고장 검출을 위하여 임의로 생성한 신호일 수 있다.
결합선로에 인가된 미리 정의된 신호는 미리 설정된 결합계수에 따라 대응되는 방사소자에 각각 커플링된다. 방사소자에 커플링된 신호는 송수신 경로를 따라 송수신부(120)의 능동소자를 거쳐 배열안테나의 수신단에 인가된다. 여기서 송수신 경로는 어느 하나의 방사소자와 대응하는 능동소자를 포함하는 어레이 안테나의 송수신 신호의 이동경로이다.
제어부(130)는 수신단에 인가된 커플링신호를 감지한다. 제어부(130)는 감지한 커플링신호를 분석하여 커플링신호의 크기 및 위상을 획득한다. 여기서, 커플링신호는 각 송수신 경로의 능동소자에 따라 각기 다른 미리 설정된 이득 및 위상차를 갖는 신호일 수 있다. 제어부(130)는 각각의 송수신 경로의 커플링신호를 감지하여 송수신 경로별 커플링신호의 크기 및 위상을 획득할 수 있다.
제어부(130)는 각 송수신 경로별 커플링신호의 이득 및 위상차와 결합계수를 기초로 각각의 능동소자와 그에 대응되는 방사소자가 연결된 송수신 경로의 신호이득 및 신호위상차를 계산한다. 제어부(130)는 계산한 송수신 경로의 신호이득 및 신호위상차를 각 송수신 경로별 기준이득 및 기준위상차와 비교한다. 여기서, 송수신 경로별 기준이득 및 기준위상차는 어레이 안테나가 정상적으로 동작할 경우 미리 정의된 신호에 의하여 나타나는 송수신 경로별 이득 및 위상차이다.
각 송수신 경로별 커플링신호를 기초로 계산한 각 송수신 경로별 신호이득 및 신호위상차와 각 송수신 경로별 기준이득 및 기준위상차가 상이한 경우, 제어부(130)는 송수신 경로의 능동소자가 교정이 필요한 것으로 판단한다. 제어부(130)는 교정이 필요한 것으로 판단된 능동소자에 대하여 자가 교정을 수행한다. 여기서, 제어부(130)는 각 송수신 경로의 신호이득 및 신호위상차와 각 송수신 경로별 기준이득 및 기준위상차의 차이를 기초로 능동소자의 증폭기 이득을 조절하거나 위상 변환기의 위상을 조절하여 자가 교정을 수행할 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 어레이 안테나를 구성하는 하나의 방사소자와 하나의 결합선로를 나타낸 도면이다.
도 2의 (a)는 기판(200)에 형성된 방사소자(210)의 가로 방향으로 결합선로(220)가 형성된 형태를 나타낸 도면이다.
도 2의 (b)는 기판(230)에 형성된 방사소자(240)의 세로 방향으로 결합선로(250)가 형성된 형태를 나타낸 도면이다.
도 2의 (a) 및 도 2의 (b)를 참조하면, 각각의 결합선로(220, 250)는 기판(200, 230)의 일 평면 상에 각각의 방사소자(210, 240)와 미리 설정된 거리만큼 이격된 위치에 형성된다. 각각의 결합선로(220, 250)는 각각의 방사소자(210, 240)가 형성된 기판(200, 230)의 일 평면과 동일 평면상에 형성되고 기판(200, 230)과 일체를 이룰 수 있다.
결합선로(220, 250)의 일단은 결합선로(220, 250)에 커플링된 신호가 출력되는 출력포트이며 타단은 접지된 격리포트이다. 접지된 격리포트는 커플링 된 신호가 반사되어 돌아오지 않도록 미리 정해진 임피던스, 예를 들어, 50Ω(ohm)으로 저항 접지될 수 있다.
안테나에 급전되어 방사소자(210, 240)에서 신호의 송신이 이루어지는 경우, 방사소자(210, 240) 주변에 전계 및 자계가 형성된다. 방사소자(210, 240)와 결합선로(220, 250)는 미리 설정된 결합계수를 갖도록 서로 결합되어 있으므로, 방사소자(210, 240)의 송신신호 일부가 결합선로(220, 250)에 커플링된다. 어레이 안테나는 커플링 된 송신신호를 기초로 고장 감지 또는 자가 교정을 수행할 수 있다.
결합선로(220, 250)에 미리 정의된 신호가 인가되면, 방사소자(210, 240)와 결합선로(220, 250)는 미리 설정된 결합계수를 갖도록 서로 결합되어 있으므로 결합선로(220, 250)의 미리 정의된 신호 일부가 방사소자(210, 240)에 커플링된다. 커플링 된 미리 정의된 신호는 어레이 안테나의 수신채널을 통하여 수신되고, 어레이 안테나는 수신된 신호를 기초로 고장 감지 또는 자가 교정을 수행할 수 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 선형 어레이 안테나의 안테나부를 나타낸 도면이다.
도 3의 (a)는 기판(300)의 일면에 선형의 어레이를 형성하는 복수의 방사소자(311, 313, 315, 317)와 직선의 결합선로(320)를 나타낸 도면이다.
도 3의 (b)는 기판(330)의 일면에 선형의 어레이를 형성하는 복수의 방사소자(341, 343, 345, 347)와 병렬연결 형태의 결합선로(350, 352, 354, 356, 358)를 나타낸 도면이다.
도 3의 (a)를 참조하면, 기판(300)의 일 평면 상에 복수의 방사소자(311, 313, 315, 317)가 일정 간격으로 배열되어 선형의 어레이를 형성한다. 결합선로(320)는 복수의 방사소자(311, 313, 315, 317)가 형성한 선형의 어레이와 미리 설정된 거리만큼 이격된 위치에 형성된다.
결합선로(320)는 복수의 방사소자(311, 313, 315, 317)가 형성한 선형의 어레이의 길이 방향으로 형성된 직선의 선로이다. 결합선로(320)는 복수의 방사소자(311, 313, 315, 317)가 형성된 기판(300)의 일 평면과 동일 평면 상에 형성되어 기판(300)과 일체를 이룰 수 있다.
결합선로(320)는 복수의 방사소자(311, 313, 315, 317)에 대응되는 복수의 결합선로를 직렬연결 하여 형성한 직선 선로일 수 있다. 결합선로의 직렬연결은 복수의 결합선로 중 어느 한 결합선로의 타단과 인접하는 다른 결합선로의 일단을 순차적으로 연결하여 구성될 수 있다. 여기서, 결합선로의 일단은 결합선로의 격리포트이고 타단은 결합선로의 출력포트일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
안테나에 급전되어 방사소자(311, 313, 315, 317)에서 송신이 이루어지는 경우, 방사소자(311, 313, 315, 317) 주변에 전계 및 자계가 형성되어 방사소자(311, 313, 315, 317)에 인가된 신호의 일부가 결합선로(320)에 커플링된다. 따라서, 방사소자(311, 313, 315, 317)에 인가되는 송신신호는 미리 설정된 비율로 결합선로(320)에 커플링된다. 여기서, 미리 설정된 비율은 방사소자(311, 313, 315, 317)와 결합선로(320) 간의 결합계수를 기초로 결정된다. 결합선로(320)에 커플링되는 신호의 위상은 방사소자(311, 313, 315, 317)에 인가되는 송신신호로부터 결합선로(320)의 길이에 비례하여 위상이 지연될 수 있다.
도 3의 (b)를 참조하면, 기판(330)의 일 평면 상에 복수의 방사소자(341, 343, 345, 347)가 일정 간격으로 배열되어 선형의 어레이를 형성한다.
결합선로(350, 352, 354, 356, 358)는 복수의 선형 커플링 구간(350, 352, 354, 356) 과 연결구간(358)을 포함한다. 복수의 방사소자(341, 343, 345, 347)와 미리 설정된 거리만큼 이격된 위치에, 각각의 방사소자(341, 343, 345, 347)에 대응되는 선형의 커플링 구간(350, 352, 354, 356)이 형성된다. 복수의 선형 커플링 구간(350, 352, 354, 356) 각각은 연결구간(358)에 연결되어 결합선로를 형성한다. 여기서 연결구간(358)은 복수의 선형 커플링 구간(350, 352, 354, 356) 각각이 단일 노드에 동일한 거리로 병렬 연결되는 구간이다.
결합선로(350, 352, 354, 356, 358)는 기판(330)에 복수의 방사소자(341, 343, 345, 347)가 형성된 평면과 동일 평면에 형성되어 기판(330)과 일체를 이룰 수 있다.
안테나에 급전되어 방사소자(341, 343, 345, 347)에서 송신이 이루어지는 경우, 방사소자(341, 343, 345, 347) 주변에 전계 및 자계가 형성되어 방사소자(341, 343, 345, 347)에 인가된 신호의 일부가 결합선로(350, 352, 354, 356, 358)에 커플링된다. 따라서, 방사소자(341, 343, 345, 347)에 인가되는 송신신호는 미리 설정된 비율로 선형의 커플링 구간(350, 352, 354, 356)에 커플링된다. 여기서, 미리 설정된 비율은 방사소자(341, 343, 345, 347)와 선형의 커플링 구간(350, 352, 354, 356) 간의 결합계수를 기초로 결정된다. 결합선로(350, 352, 354, 356, 358)에 커플링되는 신호의 위상은 방사소자(341, 343, 345, 347)에 인가되는 신호의 위상과 동일하다.
도 4는 일 실시예에 따른 복수의 선형 어레이 안테나의 안테나부를 나타낸 도면이다.
도 4의 (a)는 기판(400)의 일면에 복수의 선형 어레이를 형성하는 복수의 방사소자(411, 413, 415, 417)와 복수의 직선 결합선로(420)를 나타낸 도면이다.
도 4의 (b)는 기판(430)의 일면에 복수의 선형 어레이를 형성하는 복수의 방사소자(441, 443, 445, 447)와 병렬연결 형태의 결합선로(450, 452, 454, 456, 458)를 나타낸 도면이다.
도 4의 (a)를 참조하면, 기판(400)의 일 평면 상에 복수의 방사소자(411, 413, 415, 417)가 일정 간격으로 배열되어 복수의 어레이를 형성한다. 여기서, 일정 간격은 어느 하나의 선형 어레이에 속하는 인접한 방사소자 간의 간격 및 인접한 두 선형 어레이의 방사소자 간의 간격 중 적어도 어느 하나 일 수 있다.
결합선로(420)는 복수의 방사소자(411, 413, 415, 417)가 형성한 선형 어레이와 미리 설정된 거리만큼 이격된 위치에 형성된다. 결합선로(420)는 복수의 방사소자(411, 413, 415, 417)가 형성한 선형의 어레이의 길이 방향으로 형성된 직선의 선로이다. 복수의 결합선로(420)는 대응되는 복수의 선형 어레이 각각으로부터 미리 설정된 거리만큼 이격된 위치에 하나씩 형성된다. 복수의 결합선로(420)의 수는 복수의 선형 어레이의 수와 같은 수로 형성될 수 있다.
복수의 결합선로(420)는 연결구간을 더 포함할 수 있다. 여기서, 연결구간은 복수의 결합선로(420) 각각의 일단이 하나의 단일 노드에 동일한 거리로 연결되고 각각의 타단이 또다른 하나의 단일 노드에 동일한 거리로 연결되는 구간이다. 복수의 결합선로(420)는 복수의 방사소자(411, 413, 415, 417)가 형성된 기판(400)의 일 평면과 동일 평면 상에 형성되어 기판(400)과 일체를 이룰 수 있다.
결합선로(420)는 동일한 어레이에 속하는 복수의 방사소자(411, 413, 415, 417)에 대응되는 복수의 결합선로들이 직렬로 연결되어 형성될 수 있다. 결합선로의 직렬연결은 복수의 결합선로 중 어느 한 결합선로의 타단과 인접하는 다른 결합선로의 일단을 순차적으로 연결하여 구성될 수 있다.
복수의 방사소자(411, 413, 415, 417)가 형성한 선형 어레이의 수만큼 형성된 직선 결합선로(420)의 일단과 타단을 각각 하나로 연결하여 일 실시예에 따른 어레이 안테나의 안테나부를 구성한다.
안테나에 급전되어 복수의 방사소자(411, 413, 415, 417)에서 송신이 이루어지는 경우, 복수의 방사소자(411, 413, 415, 417) 주변에 전계 및 자계가 형성되어 복수의 방사소자(411, 413, 415, 417)에 인가된 신호의 일부가 결합선로에 커플링된다. 따라서, 복수의 방사소자(411, 413, 415, 417)에 인가되는 송신신호는 미리 설정된 비율로 결합선로에 커플링된다. 여기서, 미리 설정된 비율은 방사소자(411, 413, 415, 417)와 결합선로(420) 간의 결합계수를 기초로 결정된다. 결합선로에 커플링되는 신호의 위상은 방사소자에 인가되는 송신신호로부터 결합선로의 길이에 비례하여 위상이 지연될 수 있다.
도 4의 (b)를 참조하면, 기판(430)의 일 평면 상에 복수의 방사소자(441, 443, 445, 447)가 일정 간격으로 배열되어 복수의 어레이를 형성한다. 여기서, 일정 간격은 어느 하나의 선형 어레이에 속하는 인접한 방사소자 간의 간격 및 인접한 두 선형 어레이의 방사소자 간의 간격 중 적어도 어느 하나 일 수 있다.
결합선로(450, 452, 454, 456, 458)는 복수의 선형 커플링 구간(450, 452, 454, 456)과 연결구간(458)을 포함한다. 복수의 방사소자(441, 443, 445, 447)와 미리 설정된 거리만큼 이격된 위치에, 각각의 방사소자(441, 443, 445, 447)에 대응되는 선형의 커플링 구간(450, 452, 454, 456)이 형성된다.
선형의 커플링 구간(450, 452, 454, 456)은 연결구간(458)에 연결되어 결합선로를 형성한다. 여기서 연결구간은 선형의 커플링 구간(450, 452, 454, 456)이 단일 노드에 동일한 거리로 병렬 연결되는 구간이다. 결합선로(450, 452, 454, 456, 458)는 기판(430)에 복수의 방사소자(431, 433, 435, 437)가 형성된 평면과 동일 평면에 형성되어 기판(430)과 일체를 이룰 수 있다.
안테나에 급전되어 복수의 방사소자(441, 443, 445, 447)에서 송신이 이루어지는 경우, 복수의 방사소자(441, 443, 445, 447) 주변에 전계 및 자계가 형성되어 복수의 방사소자(441, 443, 445, 447)에 인가된 신호의 일부가 커플링 구간(450, 452, 454, 456)에 커플링된다. 따라서, 복수의 방사소자(441, 443, 445, 447)에 인가되는 송신신호는 미리 설정된 비율로 커플링 구간(450, 452, 454, 456)에 커플링된다. 여기서, 미리 설정된 비율은 커플링 구간(450, 452, 454, 456)과 방사소자 간의 결합계수를 기초로 결정된다. 커플링 구간(450, 452, 454, 456)에 커플링되는 신호의 위상은 방사소자(441, 443, 445, 447)에 인가되는 신호의 위상과 동일하다.
도 5는 일 실시예에 따른 어레이 안테나가 능동소자를 자가 교정하는 과정을 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, 일 실시예에 따른 어레이 안테나는 복수의 방사소자(510), 결합선로(520), 복수의 능동소자(531, 533, 535, 537), 제어부(560)를 포함한다. 방사소자(510)는 능동소자(531)와 전기적으로 연결되어 하나의 송수신 경로(541)를 구성한다. 따라서, 어레이 안테나에는 방사소자(510)마다 별개의 송수신 경로(541)가 구성될 수 있다. 도 5에는 기판(500)의 일면에서 복수의 방사소자(510)가 형성한 복수의 선형 어레이 중 어느 하나의 어레이를 기준으로 복수의 송수신 경로(541, 543, 545, 547)를 예시적으로 나타내었으나, 기판(500) 상에 형성된 복수의 방사소자(510) 모두에 대하여 각각의 송수신 경로가 구성될 수 있다.
송수신 경로(541)를 통과하는 신호는 능동소자(531)에 의하여 신호의 이득, 크기, 위상이 조절된다. 여기서, 능동소자(531)는 신호의 이득을 조절하는 증폭기, 신호의 위상을 조절하는 위상변환기 및 신호의 크기를 조절하는 감쇄기를 포함한다. 능동소자(531)들은 어레이 안테나에 요구된 특성을 기초로 미리 설정된 값에 따라 송수신 경로(541)를 통과하는 신호의 이득, 크기, 위상을 조절한다.
결합선로(520)는 복수의 방사소자(510)와 미리 설정된 거리만큼 이격된 위치에 형성된다. 결합선로(520)는 복수의 방사소자(510)가 형성된 기판(500)의 일 평면과 동일 평면 상에 형성되어 기판(500)과 일체를 이룰 수 있다. 방사소자(510)와 결합선로(520) 중 어느 하나에 인가되는 신호는 방사소자(510)와 결합선로(520) 간의 결합계수를 기초로 다른 하나에 커플링된다.
제어부(560)는 결합선로(520)에 전기적으로 연결된 교정선로(550)를 이용하여 결합선로(520)에 커플링되는 신호를 감지하거나 고장 검출을 위하여 미리 정의된 신호를 결합선로(520)에 인가할 수 있다. 제어부(560)는 복수의 송수신 경로(541, 543, 545, 547)로 송수신 되는 각각의 신호를 감지할 수 있다. 제어부(560)는 감지한 복수의 송수신 경로(541, 543, 545, 547) 각각에 대한 신호들을 기초로 각 송수신 경로(541, 543, 545, 547)의 고장을 감지하고 고장을 감지한 송수신 경로(541, 543, 545, 547)를 교정한다.
어레이 안테나가 수신 상태일때, 제어부(560)는 결합선로(520)에 미리 정의된 신호를 인가한다. 여기서, 미리 정의된 신호는 어레이 안테나의 교정 필요 여부를 검사하기 위하여 임의의 크기와 위상을 갖도록 생성한 신호이다. 미리 정의된 신호는 제어부(560)로부터 교정선로(550)를 거쳐 결합선로(520)에 인가된다.
결합선로(520)에 인가된 미리 정의된 신호는 미리 설정된 결합계수에 따라 대응되는 방사소자(510)에 각각 커플링된다. 방사소자에 커플링된 커플링신호는 방사소자(510)와 대응되는 능동소자(531)가 전기적으로 연결되어 형성한 송수신 경로(541)를 따라 어레이 안테나의 출력단(570)에 출력된다.
제어부는 능동소자(531, 533, 535, 537)에 포함된 감쇄기를 이용하여 복수의 송수신 경로(541, 543, 545, 547)를 통과하는 커플링신호를 선택적으로 출력할 수 있다. 예를 들면, 어느 하나의 능동소자(531)를 제외한 나머지 능동소자(533, 535, 537)에 포함된 감쇄기를 이용하여 어느 하나의 능동소자(531)를 포함하는 송수신 경로(541)를 제외한 나머지 송수신 경로(543, 545, 547)의 커플링신호를 감쇄시키면, 출력단에는 어느 하나의 능동소자(531)를 포함하는 송수신 경로(541)를 통과하는 커플링신호만이 출력되고 나머지 송수신 경로(543, 545, 547)들을 통과하는 커플링신호들은 근사적으로 차단된다. 제어부(560)는 복수의 커플링신호 중에서 검사가 필요한 어느 하나의 송수신 경로를 통과하는 커플링신호 만을 선택적으로 출력할 수 있다.
제어부(130)는 다른 모든 송수신 경로 각각에 대해서도, 검사가 필요한 송수신 경로를 제외한 다른 모든 송수신 경로의 커플링신호들을 감쇄기를 이용하여 차단하는 과정을 반복하여, 모든 송수신 경로 각각에 대한 커플링신호를 감지한다. 제어부(130)는 어레이 안테나의 모든 송수신 경로에서 커플링신호의 크기와 위상을 획득할 수 있다.
제어부(130)는 출력단(570)에 출력된 커플링신호를 감지한다. 제어부(130)는 감지한 커플링신호를 분석하여 각 송수신 경로(541, 543, 545, 547)의 커플링신호의 크기 및 위상을 획득한다. 여기서, 각 송수신 경로(541, 543, 545, 547)의 커플링신호는 어느 하나의 송수신 경로(541)를 통과하는 커플링신호를 제외한 다른 모든 송수신 경로(543, 545, 547)를 통과하는 커플링신호를 근사적으로 차단하여 감지할 수 있다. 여기서, 커플링신호는 능동소자(533, 535, 537)에 포함된 감쇄기를 이용하여 근사적으로 차단될 수 있다.
제어부(560)는 각 송수신 경로(541, 543, 545, 547)의 커플링신호의 이득 및 위상차와 결합계수를 기초로 송수신 경로(541, 543, 545, 547)별 신호이득 및 신호위상차를 계산한다. 제어부(560)는 계산한 송수신 경로(541, 543, 545, 547)별 신호이득 및 신호위상차를 각 송수신 경로(541, 543, 545, 547)별 기준이득 및 기준위상차와 비교한다. 여기서, 송수신 경로(541, 543, 545, 547)별 신호이득 및 신호위상차는 현재 어레이 안테나의 상태에서 각 송수신 경로(541, 543, 545, 547)의 이득 및 위상차이고, 송수신 경로(541, 543, 545, 547)별 기준이득 및 기준위상차는 어레이 안테나가 정상동작 하는 조건에서 송수신 경로(541, 543, 545, 547)의 이득 및 위상차이다.
송수신 경로(541, 543, 545, 547)별 신호이득 및 신호위상차와 각 송수신 경로(541, 543, 545, 547)별 기준이득 및 기준위상차가 상이한 경우, 제어부(130)는 신호채널에 포함된 능동소자가 교정이 필요한 것으로 판단한다. 제어부(130)는 교정이 필요한 것으로 판단된 능동소자에 대하여 자가 교정을 수행한다. 여기서, 제어부(130)는 각 송수신 경로(541, 543, 545, 547)의 이득 및 위상차와 각 송수신 경로(541, 543, 545, 547)별 기준이득 및 기준위상차의 차이를 기초로 능동소자의 증폭기 이득을 조절하거나 위상 변환기의 위상을 조절하여 자가 교정을 수행할 수 있다.
어레이 안테나가 송신 상태일때, 송수신 경로(541, 543, 545, 547)에 송신 신호가 인가된다. 여기서, 송신 신호는 제어부(560)가 생성한 미리 정의된 신호일 수 있다. 미리 정의된 신호는 어레이 안테나의 교정 필요 여부를 검사하기 위하여 임의의 크기와 위상을 갖도록 생성한 신호이다. 미리 정의된 신호는 제어부(560)로부터 송수신 경로(541, 543, 545, 547)를 거쳐 복수의 방사소자(510)에 인가된다.
방사소자(510)에 인가된 미리 정의된 신호는 미리 설정된 결합계수에 따라 대응되는 결합선로(520)에 각각 커플링된다. 결합선로에 커플링된 커플링신호는 결합선로(520)에 전기적으로 연결된 교정선로(550)에 인가된다. 제어부(560)는 교정선로(550)에 인가된 커플링 신호를 감지한다.
제어부는 능동소자(531, 533, 535, 537)에 포함된 감쇄기를 이용하여 복수의 송수신 경로(541, 543, 545, 547)를 통과하는 송신신호 중 어느 하나의 방사소자(510)에 인가되는 송신신호를 선택적으로 인가할 수 있다. 예를 들면, 어느 하나의 능동소자(531)를 제외한 나머지 능동소자(533, 535, 537)에 포함된 감쇄기를 이용하여 어느 하나의 능동소자(531)를 포함하는 송수신 경로(541)를 제외한 나머지 송수신 경로(543, 545, 547)의 송신신호를 감쇄시키면, 어느 하나의 능동소자(531)를 포함하는 송수신 경로(541)를 통과하는 송신신호만이 방사소자에 인가되고 나머지 송수신 경로(543, 545, 547)들을 통과하는 송신신호들은 근사적으로 차단된다. 제어부(560)는 복수의 송신신호 중에서 검사가 필요한 어느 하나의 송수신 경로를 통과하는 송신신호 만을 선택적으로 인가하여 대응하는 커플링 신호만을 선택적으로 감지할 수 있다.
제어부(130)는 다른 모든 송수신 경로 각각에 대해서도, 검사가 필요한 송수신 경로를 제외한 다른 모든 송수신 경로의 송신신호들을 감쇄기를 이용하여 차단하는 과정을 반복하여, 모든 송수신 경로 각각에 대한 송신신호의 커플링신호를 감지한다. 제어부(130)는 어레이 안테나의 모든 송수신 경로에서 커플링신호의 크기와 위상을 획득할 수 있다.
제어부(130)는 교정선로(550)에 인가된 커플링신호를 감지한다. 제어부(130)는 감지한 커플링신호를 분석하여 각 송수신경로(541, 543, 545, 547)의 커플링신호의 크기 및 위상을 획득한다. 여기서, 각 송수신 경로(541, 543, 545, 547)의 커플링신호는 어느 하나의 송수신경로(541)를 통과하는 송신신호를 제외한 다른 모든 송수신 경로(543, 545, 547)를 통과하는 송신신호를 근사적으로 차단하여 어느 하나의 송수신경로(541)를 통과하는 송신신호의 커플링신호 만을 감지할 수 있다. 여기서, 송신신호는 능동소자(533, 535, 537)에 포함된 감쇄기를 이용하여 근사적으로 차단될 수 있다.
제어부(560)는 각 송수신 경로(541, 543, 545, 547)의 커플링신호의 이득 및 위상차와 결합계수를 기초로 송수신 경로(541, 543, 545, 547)별 신호이득 및 신호위상차를 계산한다. 제어부(560)는 계산한 송수신 경로(541, 543, 545, 547)별 신호이득 및 신호위상차를 각 송수신 경로(541, 543, 545, 547)별 기준이득 및 기준위상차와 비교한다. 여기서, 송수신 경로(541, 543, 545, 547)별 신호이득 및 신호위상차는 현재 어레이 안테나의 상태에서 각 송수신 경로(541, 543, 545, 547)의 이득 및 위상차이고, 송수신 경로(541, 543, 545, 547)별 기준이득 및 기준위상차는 어레이 안테나가 정상동작 하는 조건에서 송수신 경로(541, 543, 545, 547)의 이득 및 위상차이다.
송수신 경로(541, 543, 545, 547)별 신호이득 및 신호위상차와 각 송수신 경로(541, 543, 545, 547)별 기준이득 및 기준위상차가 상이한 경우, 제어부(130)는 신호채널에 포함된 능동소자가 교정이 필요한 것으로 판단한다. 제어부(130)는 교정이 필요한 것으로 판단된 능동소자에 대하여 자가 교정을 수행한다. 여기서, 제어부(130)는 각 송수신 경로(541, 543, 545, 547)의 이득 및 위상차와 각 송수신 경로(541, 543, 545, 547)별 기준이득 및 기준위상차의 차이를 기초로 능동소자의 증폭기 이득을 조절하거나 위상 변환기의 위상을 조절하여 자가 교정을 수행할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명의 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 어레이 안테나
110: 안테나부
120: 송수신부
130: 제어부

Claims (12)

  1. 기판, 상기 기판의 일면에 형성된 복수의 방사소자 및 상기 복수의 방사소자로부터 미리 설정된 거리만큼 이격되어 형성된 결합선로를 포함하는 안테나부;
    상기 복수의 방사소자를 이용하여 송신신호를 송신하거나 수신신호를 수신하도록 상기 복수의 방사소자 각각에 전기적으로 연결되는 복수의 능동소자를 포함하는 송수신부;
    상기 복수의 방사소자와 상기 복수의 능동소자를 각각 전기적으로 연결하는 급전선; 및
    상기 결합선로에 커플링되는 커플링신호를 감지하고, 상기 커플링신호를 기초로 상기 복수의 능동소자 각각에 대한 교정을 수행하는 제어부
    를 포함하되,
    상기 커플링신호는,
    어레이 안테나가 송신 상태일 때, 상기 복수의 방사소자에 인가된 미리 정의된 신호에 의하여 상기 결합선로에 커플링되는 신호이고,
    어레이 안테나가 수신 상태일 때, 상기 결합선로에 인가된 미리 정의된 신호에 의하여 상기 복수의 방사소자에 커플링되는 신호이며,
    상기 미리 설정된 거리는 상기 방사소자와 상기 결합선로가 미리 설정된 결합계수를 갖도록 설정된 거리인, 어레이 안테나.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 안테나부는,
    상기 복수의 방사소자와 상기 결합선로가 상기 기판의 동일 면에 형성된 어레이 안테나.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 방사소자는,
    상기 기판의 일면에서 선형 어레이를 형성하는 어레이 안테나.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 결합선로는,
    상기 선형 어레이의 길이 방향으로 형성된 직선 선로인 어레이 안테나.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 결합선로는,
    상기 복수의 방사소자로부터 미리 설정된 거리만큼 이격되어 위치하고,
    복수의 커플링 구간들과,
    상기 복수의 커플링 구간들을 단일 노드에 동일한 거리로 병렬 연결하는 연결 구간을 포함하는 어레이 안테나.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 방사소자는,
    상기 기판의 일면에서 복수의 선형 어레이를 형성하는 어레이 안테나.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 결합선로는,
    복수의 직선 선로를 포함하고,
    상기 복수의 직선 선로는 상기 복수의 선형 어레이의 길이 방향으로 형성된 어레이 안테나.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 결합선로는,
    상기 복수의 방사소자로부터 미리 설정된 거리만큼 이격되어 위치하고,
    복수의 커플링 구간과,
    상기 복수의 커플링 구간을 단일 노드에 동일한 거리로 병렬 연결하는 연결 구간을 포함하는 어레이 안테나.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 결합선로에 미리 정의된 신호를 전송하고,
    상기 결합선로에 결합된(coupled) 상기 복수의 방사소자 각각으로 커플링된 커플링신호를 수신하고,
    상기 커플링신호를 기초로 상기 송수신부의 상기 복수의 능동소자 각각에 대한 교정을 수행하는 어레이 안테나.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 능동소자는,
    상기 복수의 방사소자에 대응하는 복수의 송신회로 및 복수의 수신회로를 포함하는 어레이 안테나.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 방사소자는,
    평판형의 패치인 어레이 안테나.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 평판형의 패치는,
    정사각형 형태인 어레이 안테나.
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