KR19980703316A - 캘리브레이션 네트워크를 구비한 위상 정렬 안테나 - Google Patents

캘리브레이션 네트워크를 구비한 위상 정렬 안테나 Download PDF

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브레텔러 안토니우스 베르나르두스 마리아 클라인
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더블유. 데케르
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Abstract

본 발명은 다수의 도파관 방사기(19)와 전원 시스템을 포함하고 테스트 펄스를 제공하기 위한 캘리브레이션 네트워크(20, 21, 22)를 더 포함하는 위상 정렬 안테나에 관한 것이다. 상기 캘리브레이션 네트워크를 도파관 방사기에 직접적으로 연결하는 것에 의해, 더 정확한 캘리브레이션이 획득되는데, 도파관 방사기에서 발생하는 임의의 위상 및 진폭 에러가 캘리브레이션 알고리즘에서 처리되기 때문이다. 양호한 실시예에서, 캘리브레이션 네트워크는 도파관(20, 21, 22)의 시스템으로 디자인된다.

Description

캘리브레이션 네트워크를 구비한 위상 정렬 안테나
이러한 종류의 위상 정렬 안테나는 유럽 특허 명세서 EP-B 제 0.110.260호에 공지되어 있다. 이 명세서는 송신기, 송신 안테나, 에코 신호(echo signals)를 위상간섭(phase-coherent) 감지에 의해 두 성분을 구비하는 직각 비디오 신호(quadrature video signals)로 변환하는데 적합한 간섭 수신기(coherent receivers)에 결합된 다수의 수신 안테나를 통합한 간섭성 송신 및 수신 유닛(coherent transmitting and receiving unit)을 포함하는 펄스 레이다 장치를 설명한다. 상기 간섭 송신 및 수신 유닛은 빔 형성기(beam former)를 부가적으로 포함하고, 상기 송신기는 테스트 단계에서 테스트 신호의 전송에 적합하며 상기 테스트 단계동안 테스트 신호가 수신기 채널로 주입된다. 수신기에 의해 생성되는 비디오 신호에 기초해서, 진폭 및 위상보정 신호(phase-correcting signal)가 결정되는데, 상기 결정된 진폭 및 위상보정 신호는 수신기에 의해 발생되는 진폭 및 위상 에러를 나타낸다. 캘리브레이션 또는 테스트 네트워크를 제공할 필요성은 수신기의 이득 및 위상에서의 차이가 희망하는 사이드로브(side-lobe) 감소에 방해가 된다는 사실로부터 발생한다. 종래 기술의 위상 정렬 안테나의 결점은 테스트 신호가 수신 채널로 직접 주입된다는 점이다. 결과적으로, 예를 들면 수신기 및 도파관 방사기 사이에 접속 및 도파관 방사기에 일반적으로 포함된 변압기 소자에서, 수신기 채널의 범위를 넘어서 발생되는 위상 및 진폭 에러는 테스트 절차에 포함되지 않고, 그러므로 보상되지 않는다. 가능한 해결책은 안테나의 전면부에 위치될 개벽적인 피드혼(feedhorn)에 의해 테스트 신호를 주입하는 것이다. 그러나 각각의 도파관 방사기에 대해서 상이한 피드혼 및 도파관 방사기 사이의 거리에 의해 유발되는 에러에 대해 보상이 또한 필요되어진다는 결점이 있다. 본 발명에 따른 위상 정렬 안테나의 목적은 적어도 실질적으로 모든 도파관 방사기에 테스트 신호를 직접적으로 주입하는 것에 의해 이러한 문제점에 대한 해결책을 제공하는 것이다. 이것은 도파관 방사기에서 위상 및 진폭 에러가 테스트 절차에 또한 포함된다는 이점을 갖는다. 이것은 적어도 실질적으로 모든 도파관 방사기가 캘리브레이션 네트워크에 접속된 연결 장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 공급 시스템(supply system)에 연결된 도파관 방사기(waveguide radiators)의 어레이를 포함하는 위상 정렬 안테나(phased array antenna)에 관한 것으로, 특히 공급 시스템을 보정(calibrating)하기 위한 캘리브레이션 네트워트(calibration network)를 포함하는 위상 정렬 안테나에 관한 것이다.
도 1 은 본 발명의 제 1의 실시예에 따른 도파관 방사기 어레이.
도 2A 는 본 발명의 제 1의 실시예에 따른 도파관 방사기의 정면도.
도 2B 는 본 발명의 제 1의 실시예에 따른 도파관 방사기의 측면도.
도 3 은 본 발명의 제 2의 실시예에 따른 도파관 방사기 어레이.
도 4 는 도파관 방사기를 캘리브레이션 네트워크의 도파관에 접속하는 실행가능한 방법의 조립도.
도파관 방사기를 구비하는 위상 정렬 안테나에 있어서, 공급 시스템은 일반적으로 도파관 방사기마다 또는 도파관 방사기의 그룹마다 하나의 T/R 모듈을 포함한다. 결과적으로 캘리브레이션 네트워크에 접속될 연결 장치를 제공하기 위한 입력부에 충분한 공간이 존재하지 않는다. 방사 에너지의 방해받지 않은 방출을 보장하기 위해서 출력부에 방해물이 없어야 할 때, 도파관 방사기의 출력부에서도 역시 캘리브레이션에 접속될 연결 장치에 대한 충분한 공간이 존재하지 않는다. 특정 실시예는 상기 전술된 문제점에 대한 해결책을 제공하고 연결 장치가 도파관 방사기의 측벽에서 장착되는(mounted) 것을 특징으로 한다.
캘리브레이션 네트워크는 마이크로파 에너지의 저손실 전송을 보장하기 위해서 요구되어 진다. 이 때문에, 두로이드(Duroid)가 일반적으로 유전체의 역할을 하는 스트립라인 네트워크가 일반적으로 사용된다. 그러나 이러한 네트워크는 아주 고가이다. 본 발명에 따른 위상 정렬 안테나의 양호한 실시예의 목적은 저가의 캘리브레이션 네트워크를 실현하는 것이고 캘리브레이션 네트워크가 적어도 하나의 도파관을 포함하는 것을 특징으로 한다.
도파관 형태의 캘리브레이션 네트워크가 도파곤 방사기 사이에 장착되어 도파관 방사기의 측벽과 접하는 경우, 도파관의 존재에도 불구하고, 도파관 방사기의 열(rows) 사이의 거리가 가능하면 작게 유지되어야만 한다. 이것은 도파관의 가장 넓은 측벽을 도파관에 접하도록하여 도파관 방사기의 열 사이의 거리가 가장 좁은 도파관 측벽에 의해 결정되도록 하는 것에 의해 실현될 수 있다. 다른 양호한 실시예는 도파관의 가장 넓은 측벽이 도파관 방사기의 가장 넓은 측벽과 접하는 점을 특징으로 한다.
캘리브레이션 네트워크가 적어도 하나의 도파관을 포함하는 실시예는 각각의 도파관 방사기가 도파관에 연결되도록 열을 지어서 정렬된 다수의 도파관 방사기로 확대되는 도파관 시스템으로 연장될 수 있다. 도파관 방사기의 열마다, 도파관 방사기의 대응하는 열에 직각으로 위치된 되도록 하나의 도파관이 제공될 수 있다. 따라서 다른 양호한 실시예는 적어도 하나의 도파관이 도파관 방사기에 적어도 실질적으로 직각으로 위치되는 점을 특징으로 한다.
마지막에 언급한 실시예는 각 도파관 방사기의 연결 장치를 도파관 및 상기 도파관 방사기의 사이의 접속으로서 실현하는 것에 의해 효과적으로 사용될 수 있다. 다른 양호한 실시예는 각 도파관 방사기의 연결 장치가 도파관 방사기 및 도파관 사이의 접속을 구성하는 점을 특징으로 한다.
도파관 방사기 및 캘리브레이션 네트워크 도파관 사이의 접속을 도파관 및 도파관 방사기의 측벽에 하나 또는 여러 구멍(apertures)을 제공하는 것에 의해 이제 간단하게 그리고 효과적으로 실현될 수 있다. 따라서 다른 양호한 실시예는 상기 접속이 도파관 방사기 측벽에 적어도 하나의 구멍과 도파관 측벽에 적어도 하나의 구멍을 포함하는 점을 특징으로 하는데, 상기 구멍을 일치한다.
테스트 펄스를 적용할 때, 예를들면 레이더 침묵(radar silence)이 요구되지만, 캘리브레이션이 요구되는 경우, 테스트 펄스 에너지가 안테나 출력측에서 방출되는 것을 방지하는 것이 중요하다. 이것은 전원 시스템의 방향에서 에너지를 실질적으로 결합하는 방향성 결합기(directional coupler) 연결 장치에 제공하는 것에 의해 실현될 수 있다. 따라서 다른 양호한 실시예는 도파관 방사기마다의 연결 장치가 전원 시스템의 방향에서 실질적으로 방향성을 갖는 방향성 연결 장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
캘리브레이션 네트워크가 각 도파관 방사기 및 대응하는 도파관 사이에 접속을 갖는 하나 또는 여러 도파관을 포함하는 경우, 접속된 테스트 신호 에너지를 가능하면 낮게 유지하여, 충분한 에너지가 더 멀리 떨어진 도파관 방사기에 대해서 유효하도록 하는 것이 유익하다. 이러한 관점에서 각 도파관 방사기가 실질적으로 동일한 에너지 부분을 수신하는 것이 바람직하다. 따라서 다른 양호한 실시예는 상기 접속이 -35dB 내지 -45dB의 신호 약화를 초래하는 점을 특징으로 한다.
도파관 형태의 캘리브레이션 네트워크를 갖는 도파관 방사기의 다수의 열을 제공하는 것에 의해 도파관 방사기 열에 속하는 도파관의 끝에서 180도 도파관 굴곡부(bends)를 통해 여러 도파관을 연결하는 것이 가능한데, 상기 굴곡부는 도파관의 출력을 도파관 방사기의 다음 열에 속하는 평행한 도파관의 입력으로 연결한다. 이러한 방식에서 캘리브레이션 네트워크는 확장될 수 있고 단일의 전원이 캘리브레이션 입력에서 테스트 신호를 인가하기에 충분할 것이다. 양호한 실시예는 적어도 하나의 도파관이 다수의 도파관을 포함하고, 한 도파관의 출력은 다른 도파관의 입력에 접속되는 점을 특징으로 한다.
각 도파관 방사기가 단지 상대적으로 적은 양의 마이크로파 에너지를 수신하게 하는 적어도 하나의 도파관으로 구현되는 캘리브레이션 네트워크의 출력으로 충분한 세기의 신호를 발생하는 신호 발생기를 접속하는 것에 의해, 마이크로파 방사는 도파관 방사기 전체에 고르게 분포된다. 결과적으로, 마이크로파 방사의 특정양이 정합된(matched) 부하에 의해 유지되는 접속된 도파관 방사기를 넘어서 캘리브레이션 네트워크의 출력에서 존재할 것이다. 따라서 양호한 실시예는 적어도 하나의 도파관이 한 단부에서 캘리브레이션 신호 발생기에 접속되고 다른 단부는 정합된 부하를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 위상 정렬 안테나는 도면과 연계해서 더욱 상세히 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 제 1의 실시예에 따른 캘리브레이션 네트워크를 포함하는 도파관 방사기(1) 어레이의 정면도를 나타낸다. 도파관 방사기는 위쪽(2), 중간(3) 및 바닥 열(4)에 존재하도록 정렬된다. 전형적인 실시예는 단지 3개의 열만을 포함하지만, 실제 실시예에서는 수십개의 열과 그에 따라 한 열당 수십개의 도파관 방사기가 존재할 것이다. 각 열의 도파관 방사기는 인접한 열에 대해서 두 도파관 방사기 사이의 중심 대 중심 간격의 1/2만큼 천이된다. 이것은 양호한 낮은 사이드로브 안테나를 형성하게 된다. 그러나 엄격하게는 이것이 필수적인 것은 아니다. 한 도파관 방사기에서 다른 도파관 방사기로의 누화를 방지하기 위해서 정면에는 조리개 판(iris plate)(도시되지 않음)이 일반적으로 제공될 것이다. 후면(back; 5)에서 도파관 방사기는 일반적으로 백플레인(backplane)(도시되지 않음)에 접속된다. 백플레인은 안테나 강성율을 강화하고 도파관 방사기 사이에서 그들의 대응하는 T/R(Transmit/Receive; 전송/수신) 모듈로 전기적 접속을 설정한다. 생성 부정확 또는 온도 표류의 결과로서 T/R 마다 일반적으로 발생하는 위상 및 진폭을 보상하기 위해서, 해당 T/R 모듈의 제어를 위해 사용되는 보정 인자는 T/R 모듈마다 결정된다. 이 때문에, 각 개별적인 T/R 모듈은 설정 시간에 공지된 위상 및 진폭을 구비하는 테스트 신호를 구비한다. 이러한 테스트 신호는 T/R 모듈을 제공하기 위해서, 캘리브레이션 네트워크는 백플레인 및 T/R 모듈 사이에서 적합하게 될 것이다. 하지만, 이것은 여러 결점을 갖는다. 먼저, 캘리브레이션 네트워크를 수용하기 위해서 T/R 모듈 및 백플레인 사이에 공간이 생성되어져야 한다. 이러한 갭을 연결하기 위해서, 연결 라인이 각 도파관 방사기와 그와 관련된 T/R 모듈 사이에 장착되어져야만 하는데, 이것은 손실로 나타난다. 두 번째로는, 백플레인을 지나서 발생하는 위상 및 진폭 에러는 보정 절차에 포함되지 않는다. 전형적인 실시예에서 캘리브레이션 네트워크는 도파관 방사기의 측벽을 따라 장착된 다수의 도파관(6, 7, 8)을 포함한다. 각 도파관 방사기는 구멍(hole) 형상의 연결 장치(9)를 포함하는데, 하나의 도파관 방사기에 대해서만 도해되었다. 상기 연결장치는 종래 기술의 방향성 연결 장치로서 되도록 디자인되는데, 에너지의 연결은 실질적으로 백플레인의 방향이다. 방향성 연결 장치는 도파관 및 도파관 방사기의 중첩에 의해 형성되는 직사각형에서 두 대각 구멍으로서 디자인 될 수 있다. 연결 장치는 보정될(calibrated) 도파관에 대해서만 요구되어진다. 이것은, 필수적인 것은 아니지만, 일반적으로 모든 도파관 방사기에 대해서 통용된다. 도파관 방사기당 여러 구멍을 형성하는 것도 또한 가능하다. 도파관(6, 7, 8)은 도파관 굴곡부(10, 11)에 의해 상호접속되는데, 상기 굴곡부는 테두리(flanges; 12)를 통해 접속될 수 있다. 결과적으로, 하나의 테스트 신호는 도파관의 전체 시스템에 대해서 충분하다. 도파관의 시스템은 굴곡부(13)를 통해 백플레인을 향해 구부러 지는데, 상기 굴곡부는 백플레인이 테스트 신호를 제공하기에 적합하도록 한다. 도파관 시스템의 단부(14)에서, 정합된 부하(도시되지 않음)는 테스트 신호 반사를 피하기 위해서 되도록 제공된다. 방사 소자의 열마다, 각 도파관에 테스트 신호 및 정합된 부하를 제공하는 것도 또한 가능하다. 굴곡부(10, 11)는 이때 생략된다. 테스트 신호 발생기 고장의 경우, 다른 열에 테스트 신호를 제공하는 것도 여전히 가능하다. 전형적인 실시예에 있어서, 도파관 방사기는 직사각형 소자로 구성되고, 상기 소자의 하부 벽은 도파관 인터페이스에서 생략된다. 도파관의 상부(15)는 따라서 하부 벽을 구성한다. 이것은 단지 도파관이 하나 이상의 구멍을 구비한다는 이점을 갖는다.
도 2A 및 도 2B는 도파관 방사기(1)의 확대도를 도시한다. 도파관 방사기는 직사각형 모양이다. 도파관(6)에서, 하부 벽이 제거되었기 때문에, 그것은 전도된 U자형이다. 도파관의 뒤쪽에서, 도파관 방사기는, 도 2B에 도시된 바와 같이, 여전히 직사각형 소자이다. 이 방식에서, 도파관(6)의 좁은 후면 벽(16)은 도파관 방사기의 상승된 에지와 인접하고, 여기서 도파관 방사기의 하부벽이 시작되어 백플레이 방향으로 계속된다. 이것은 도파관 방사기가 조립동안 올바르게 위치되도록 한다.
도 3 은 본 발명에 따른 캘리브레이션 네트워크를 구비하는 위상 정렬 안테나의제 2 의 실시예를 도시한다. 도파관 방사기(19)는 도파관의 양 측면에 장착된다. 이것은 도파관(20, 21, 22)의 요구되는 길이의 50% 감소를 실현한다. 도파관(20, 21, 22)은 테스트 펄스의 연결을 위해 양 측면에서 도파관 방사기에 구멍을 구비하고 있다. 도파관 방사기(19)는 대응하는 구멍(24)을 구비하고 있다. 전형적인 실시예에서, 도파관 방사기는 완전히 그들의 전체 길이에서 직사각형이다. 정합된 부하(25)는 도파관(22)의 단부에 장착된다. 테스트 펄스는 도파관(20)의 입력부(26)에서 유입된다.
도 4 는 도 1에 도시된 것과는 다른 캘리브레이션 네트워크의 도파관(28)으로 직사각형의 도파관 방사기(27)를 부착하는 방법을 도시한다. 도파관 방사기 측벽의 폭을 갖는 부분(29)은 도파관(28)의 위쪽 벽(30)에서 제거되었다. 이것은 직사각형의 도파관 방사기(27)와 실질적으로 정확하게 일치하는 리세스를 형성한다. 도파관 방사기는 방사 에너지의 연결을 가능하게 하는 구멍(31)을 구비한다.
본 발명에 따른 위상 정렬 안테나는 전술된 실시예에 결코 제한되지 않는다. 전술된 실시예로부터의 특징은 공동으로 적용될 수 있다.
내용없음

Claims (11)

  1. 공급 시스템에 연결된 도파관 방사기의 어레이와 상기 공급 시스템을 보정(calibrating)하기 위한 캘리브레이션 네트워크를 더 포함하는 위상 정렬 안테나에 있어서,
    적어도 실질적으로 모든 도파관 방사기는 캘리브레이션 네트워크에 연결된 연결 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 위상 정렬 안테나.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 연결 장치는 도파관 방사기의 측벽에 장착되는 것을 특징으로 하는 위상 정렬 안테나.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 캘리브레이션 네트워크는 적어도 하나의 도파관을 포함하는 것을 특징으로 하는 위상 정렬 안테나.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 도파관의 가장 넓은 측벽은 도파관 방사기의 가장 넓은 측벽과 인접하는 것을 특징으로 하는 위상 정렬 안테나.
  5. 제 3 또는 제 4 항에 있어서, 적어도 하나의 도파관은 적어도 실질적으로 상기 도파관 방사기에 직각으로 위치되는 것을 특징으로 하는 위상 정렬 안테나.
  6. 제 5 항에 있어서, 도파관 방사기마다의 연결 장치는 도파관 방사기와 도파관 사이에 접속을 포함하는 것을 특징으로 하는 위상 정렬 안테나.
  7. 제 6 항에 있어서, 도파관 방사기마다의 연결 장치는 실질적으로 전원 시스템 방향의 방향성을 갖는 방향성 연결 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 위상 정렬 안테나.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 연결 장치는 적어도 도파관 방사기의 측벽에 하나의 개구(opening)와 도파관 측벽에 하나의 개구를 포함하고, 상기 개구들은 일치하는 것을 특징으로 하는 위상 정렬 안테나.
  9. 제 6 내지 제 8 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 연결 장치는 -35dB 내지 -45dB의 신호 약화를 초래하는 것을 특징으로 하는 위상 정렬 안테나.
  10. 제 3 내지 제 9 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 도파관은 다수의 도파관을 포함하고, 한 도파관의 출력은 다른 도파관의 입력에 연결되는 것을 특징으로 하는 위상 정렬 안테나.
  11. 제 3 내지 제 10 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 도파관은 한 단부가 캘리브레이션 신호 발생기에 연결되고 다른 단부가 정합된 부하를 포함하는 것을 특징으로 하는 위상 정렬 안테나.
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