KR19990028745A - 페이즈드 어레이 레이더용 회로 모듈 - Google Patents

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Abstract

페이즈드 어레이 레이더(10)용 회로 모듈은 RF 분할기/결합기(52)와, 동상 및 쿼드래쳐 RF 기준 신호에 접속된 레이더 주파수(RF) 믹서(54a, 54b)를 포함한다. RF 믹서(54a, 54b)는 RF 신호 및 IF 기준 신호의 위상 제어를 위해 제공하는 중간 주파수(IF) 처리 회로(60 내지 68)에 또한 접속된다. 송신 모드에서, RF 믹서(54a, 54b)는 클럭으로 동작되는 발생기(68a, 68b)로부터 위상 제어 및 디지털로 합성된 IF 신호를 수신한다. 이들의 출력은 RF 분할기/결합기(52)에서 결합되어, 위상 제어된 IF 신호의 단측대역 상향-변환을 제공한다. 수신 모드에서, RF 분할기/결합기(52) 및 RF 믹서(54a, 54b)는 위상 제어된 IF 신호가 국부 발진기 신호인 이미지 제거 믹서 회로로서 작용한다. 빔형성은 수신의 경우 모듈(12) 어레이로부터 출력된 신호들의 아날로그 혹은 디지털 합산과 함께, IF 위상의 컴퓨터 제어에 의해서 수행된다.

Description

페이즈드 어레이 레이더용 회로 모듈
본 발명은 페이즈드 어레이(phased array) 레이더용 회로 모듈에 관한 것이다.
페이즈드 어레이 레이더는 기계적으로 스캔되는 레이더의 문제를 극복하기 위해 20년 이상 동안 개발되고 있다. 통상 이러한 레이더는 서보모터에 의해 회전되는 반사 접시 안테나를 채용하고 있다. 안테나 및 서보모터는 모두 고가이며 불편하며, 최대 빔 스캔율은 안테나 조립체의 관성 및 한정된 모터 파워에 의해 제한된다.
페이즈드 어레이 레이더 시스템에서, 빔 조향 혹은 빔 형성, 즉 레이더 송신 혹은 수신 방향은 기계식이 아닌 전자식으로 제어된다. 이러한 시스템은 레이더 신호 발생 및 수신 회로에 각각 접속된 안테나 소자들의 어레이로 구성된다. 각각의 안테나 소자는 이에 레이더 주파수(RF) 파워가 공급된 때 방사하며, 적당한 주파수의 입사 방사에 응답하여 수신 신호를 생성한다. 수신 신호는 국부 발진기(LO)의 신호와 믹싱함으로써 중간 주파수(IF)로 하향-변환, 즉 기존의 슈퍼헤테로다인 검출이 사용된다. 송신에서, 출력된 레이더 빔 방향은 어레이 내 개개의 안테나 소자들에 대한 RF 구동 신호간 위상 관계에 의해서 제어된다. 구동 신호가 모두 서로 동일 위상이면, 출력된 빔 방향은 플래너 시스템의 경우 페이즈드 어레이("보어사이트(boresight)에")에 수직하다. 구동 신호 위상이 어레이 내 안테나 소자 위치에 따라 선형으로 변하면, 출력 빔은 어레이 보어사이트 쪽으로 기울어진다. 위상이 위치에 따라 변하는 비율을 변경하는 것은 출력 빔의 기울기를 변경하는 것이며 어레이 위치의 함수로써 수신 신호 위상을 제공한다. 이것은 어레이의 LO 위상을 변화시킴으로써 달성될 수도 있고, 혹은 수신 신호 경로에 상이한 지연을 삽입하여 달성될 수도 있다. 수신 및 송신에서, 각각의 개개의 어레이 소자에서 신호 위상의 제어는 페이즈드 어레이 레이더에 있어서는 필수불가결한 것이다. 기존의 위상 시프터는 전송 라인의 스위치된 길이, 페라이트 장치 혹은 캐패시터의 스위칭 망을 사용한다. 이들은 부피가 크고, 비싸며 완벽하지 못하다.
상충되는 위상 제어 요구조건 및 레이더 주파수와 파워를 증가시킬 필요성으로 페이즈드 어레이 레이더를 개발하지 못하였다. 각도 분해능이 주어졌을 때 주파수에 역비례하는 안테나 크기를 줄이기 위해서, 가능한한 높은 주파수를 사용하는 것이 바람직하다. 그러나, 레이더 주파수가 증가함에 따라, 레이더 신호원 가격이 증가하고, 사용할 수 있는 파워는 감소된다. 더구나, 높은 주파수에 적합한 전자 소자들 가격이 상당히 증가하여 이들의 유용성이 악화된다. 예를 들면 실리콘 집적 회로는 종래의 페이즈드 어레이 레이더가 동작하는데 필요한 GHz 주파수에서 사용하기에는 적합하지 않다. 이에 따라 GHz 주파수에서 동작을 위해 GaAs 모노리식 마이크로파 집적 회로(MMIC)를 개발하게 이르렀다.
페이즈드 어레이 레이더에 대한 본 설계원리는 1987년 9월 마이크로파 저널, 167-172 페이지, 위즈만 등이 기술한, 각각의 송신/수신 회로 모듈을 각각의 안테나 소자에 제공하는 것이다. 이 모듈은 위상 제어용 위상 시프터, 송신 파워 증폭기 및 수신 신호용의 저잡음 증폭기를 포함한다. 이것은 1 GHz보다 훨씬 높은 주파수에서 사용하기 위한 것으로, 13.0 X 4.5 X 0.15 mm 크기의 GaAs 칩으로 구성된다. 위상 시프터는 4비트 디지털 입력에 의해서 제어되는 스위치로 선택할 수 있는 16개의 위상 각도의 선택을 제공하는 아날로그 전자 회로이다. 칩 영역의 반 이상이 위상 시프트에 할애되었고, 이에 따라 칩 가격, 고장율 및 불량품의 실제적인 부분을 차지하고 있다. 이런류의 칩은 매우 높은 가격 및 저수율로 특징지어 진다.
수신 모드로 동작하는 페이즈드 어레이 레이더에 개개의 위상 시프터를 사용하지 않을 수 있다. 이 방식은 개개의 안테나 신호에 대한 통상의 주파수 하향-변환 및 이에 이은 디지털화 및 컴퓨터에서의 디지털 신호의 처리를 포함한다. 컴퓨터는 디지털 신호 각각에 가중 인자를 곱하고, 이와 같이 곱한 것들을 합산하여, 각각의 빔 형성에 대응하는 결과를 생성하도록 한다. 그러나, 송신 모드에서는 이러한 과정에 상응하는 것은 없다.
제어할 수 있는 위상 시프트를 달성하는 문제를 개선하기 위해서, 아날로그 RF 파형의 다이렉트 디지털 합성 기술이 개발되었다. 이 기술은 1988년 3월 RF 설계, 27 내지 31페이지, 알 제이 자브렐에 의해 기술되어 있다. 이것은 필요한 아날로그 파형을 디지털 숫자 세트로서 메모리에 저장하는 단계, 및 선택된 주파수에 적합한 비율로 연속하여 그 숫자들을 판독해 내는 단계를 포함한다. 디지털 아날로그 변환기로 제공되는 디지털 숫자 스트림의 결과로 나타난다. 변환기 출력은 필요로 하는 파형이다. 위상 변경은 단순히 시작 어드레스 변경만으로 달성될 수 있다. 이 방식은 아날로그 위상 시프터 회로를 사용하는 것보다 상당히 편리하다. 페이즈드 어레이 레이더 시스템의 모든 곳에서 발생하는 부정확에 의해 도입된 에러를 보상하는 충분한 융통성이 있다는 큰 이점이 있다. 예를 들면, 하나의 어레이 모듈에 의해 도입된 위상 시프트는 캘리브레이션 조작으로 검출될 수 있다. 시작 어드레스를 변경함으로써 그 모듈에 적용된 위상 시프트에 의해 보상될 것이다.
그러나, 다이렉트 합성은 현재 발생될 수 있는 가장 높은 주파수는 콤팩트한 페이즈드 어레이 레이더에 필요한 것보다 10배 이상 미만이라는 결점이 있다. 콤팩트한 페이즈드 어레이 레이더는 수 GHz 이상의 송신 주파수를 필요로 하나, 디지털 합성은 수백 MHz의 주파수로 한정된다. 결국, 이러한 약점에도 불구하고, 위즈만 등에 의해 기술된 바와 같은 종래 장치에 페이즈드 어레이 송신 모드에서, 레이더 주파수에서 동작하는 아날로그 위상 시프터 회로가 여전히 사용된다.
본 발명의 목적은 RF 아날로그 위상 시프터를 필요로 하지 않는 위상 단열 레이더용 회로 모듈을 제공하는 것이다.
본 발명은 페이즈드 어레이 레이더용으로서, 레이더 주파수(RF) 수신된 신호를 중간 주파수(IF)로 변환하는 하향-변환 수단 및 다른 동일 모듈에 관련된 때 레이더 수신 빔을 구성(configuring)하는 빔형성 수단을 포함하는 회로 모듈에 있어서, 상기 빔형성 수단은 디지털로 제어된 위상을 가진 중간 주파수의 국부 발진기 신호들을 생성하도록 구성된 LO 신호 발생 수단 및 LO 신호를 IF 신호와 믹스하도록 구성된 IF 믹싱 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 빔형성을 달성하는 RF 아날로그 위상 시프터를 필요로 하지 않는 이점을 제공한다. 위상 제어는 디지털로 IF로 달성되는데, 이것은 RF에서 부적당하게 되는 저렴한 기술을 사용할 수 있게 한다. 다음에 상세히 기술되는 바와 같이, 이것은 본 발명이 상용 대량 생산된 소자들을 사용하여 비교적 저렴한 형태로 구성할 수 있게 한다.
일 실시예에서, 본 발명의 모듈은 수신 및 송신 모드에서 동작하도록 구성되며, 상기 하향-변환 수단은 가역동작되는 것으로, 수신 모드에서는 이미지 제거 믹서로서 구성되며, 송신 모드에서는 상기 LO 신호 발생 수단에 의해서 생성된 위상 제어 신호에 RF 신호를 결합하도록 단측대역 상향-변환기로서 구성된다. 이 실시예에서, 상기 모듈은 송신 및 수신 신호 경로를 정하도록 구성된 스위칭 수단을 포함한다. 상기 회로 모듈은 각각 다른 것의 출력이 입력에 접속되어 있으며, 송신 신호 및 수신 신호 각각을 증폭하도록 구성된 2개의 증폭기를 또한 포함한다. 가역 하향-변환 수단의 사용으로 종래 기술과 비교하여 페이즈드 어레이 모듈에서 필요한 회로의 양이 상당히 줄어든다.
모듈은 복수의 동일 LO 신호 발생 수단 및 복수의 빔을 구성(configuration)하기 위한 IF 믹싱 수단을 포함할 수 있다. 상기 IF 믹싱 수단은 복수의 동일 모듈에서 LO 및 IF 신호의 믹싱으로부터 도출된 아날로그 신호들을 합산함으로써 레이더 수신 빔을 형성하도록 구성된 아날로그 합산 수단에 접속된다.
상기 LO 신호 발생 수단은 LO 신호의 다이렉트 디지털 합성을 위해 구성된다. 이 LO 신호 발생 수단은 대안으로, 아날로그 IF 기준 신호 및 2개의 디지털 위상 제어 신호를 수신하여 이로부터 위상 제어된 LO 신호를 생성하도록 구성될 수도 있다. 이 제 2 대안에서, 상기 LO 신호 발생 수단은 디지털 위상 제어 신호의 공급을 위한 제어 버스, 디지털 위상 제어 신호를 아날로그 전압으로 변환하는 아날로그 변환 수단, 및 상기 IF 기준 신호 및 상기 디지털 위상 제어 신호의 입력에 응하여 위상 제어된 LO 신호를 생성하기 위한 실리콘 벡터 변조기 집적 회로를 포함할 수 있다.
상기 하향-변환 수단은 RF 증폭기 및 RF 믹서를 포함하는 집적 회로를 포함할 수 있다.
본 발명의 상기 회로 모듈은 별도의 송신기 모듈 어레이에 관련하여 동일 수신기 모듈의 페이즈드 어레이에서 사용하기 위한 수신기 모듈이며, 상기 LO 신호 발생 수단은 디지털 위상 제어 신호 공급을 위한 수단, 디지털 위상 제어 신호를 아날로그 전압으로 변환하는 디지털 아날로그 변환 수단, 및 IF 기준 신호 및 상기 디지털 위상 제어 신호에 응하여 위상 제어된 LO 신호를 생성하기 위한 실리콘 벡터 변조기 집적회로를 포함하며, 각각의 송신기 모듈은 디지털 위상 제어 신호 공급을 위한 제어 버스, 상기 디지털 위상 제어 신호를 아날로그 전압으로 변환하는 디지털 아날로그 변환 수단, 및 IF 기준 신호 및 상기 디지털 위상 제어 신호의 입력에 응하여 위상 제어된 IF 신호를 생성하는 실리콘 벡터 변조기 집적회로 및 레이더 송신 신호를 제공하도록 RF 기준 신호와 상기 위상 제어된 IF 신호를 믹싱하는 믹싱 수단을 포함한다.
바람직한 실시예에서, 본 발명의 회로 모듈은 복수의 동일 LO 신호 발생 수단 및 복수의 빔의 구성(configuration)을 위한 IF 믹싱 수단을 포함한다.
본 발명을 보다 충분히 이해할 수 있도록, 본 발명의 단지 일예로 든 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 페이즈드 어레이 레이더 장치의 블록도이다.
도 2 및 도 3은 도 1의 장치에서 사용되는 것으로, 각각의 수신 및 송신 모드에서 도시한 본 발명의 모듈의 회로도이다.
도 4는 도 2 및 도 3의 모듈에서 사용하는 가역 RF 믹서의 개략도이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 페이즈드 어레이 회로 모듈의 대안을 개략적으로 도시한 것이다.
도 7은 모듈 어레이와 사용하기 위한 아날로그 빔 형성 회로와 함께 다중 빔을 구성하는 본 발명의 모듈의 회로도이다.
도 8은 디지털 빔 형성 회로를 사용하는 본 발명의 모듈의 회로도이다.
도 9는 신호 위상 제어용 실리콘 벡터 변조기를 포함하는, 수신/송신 동작을 위한 본 발명의 회로 모듈을 개략적으로 도시한 것이다.
도 10은 신호 위상 제어를 위한 실리콘 벡터 변조기를 포함하는 본 발명의 분리된 RF 하향-변환용 집적 회로를 포함하는 수신기, 및 송신기 모듈을 개략적으로 도시한 것이다.
도 1은 전체를 10으로 표시한 페이즈드 어레이 레이더 장치의 전자 회로의 개략적인 블록도를 도시한 것이다. 장치(10)는 각각의 안테나 방출 소자(14)를 갖는 많은 개개의 전자 모듈(12)을 포함한다. 모듈(12) 및 안테나(14)는 동일 구성이며, 일부 실시예에서 각각의 안테나(14)는 이의 관련 모듈(12)의 회로 보드(도시 없음)에 장치될 수도 있다. 안테나(14)(이 중 세 개가 도시되어 있음)는 플래너 어레이를 형성하도록 배열된다.
코히어런트(conherent) 기준 신호 발생기(16) 및 클럭 신호 발생기(18)는 각각의 파워 분할기(20 및 22)를 거쳐 모듈(12)에 각각 접속된다. 모듈(12)로부터 출력 신호는 버스(24)를 거쳐 중앙 프로세서(26) 즉 디지털 컴퓨터로 전달된다. 명확히 하기 위해서 단지 3개의 모듈(12)만이 도시되었으나, 28과 같이 불연속 연결선으로 표시된 바와 같이, 장치(10)는 휠씬 많은 모듈을 포함한다.
도 2 및 도 3은 페이즈드 어레이 레이더 모듈(12)에 대한 본 발명의 전자회로(40)를 도시한 것이다. 도 2 및 도 3은 각각 수신 및 송신을 위해 구성된 회로(40)를 도시한 것이다. 회로(40)는 모듈 안테나 소자(14)(도시안됨)에 접속된 순환기(circulator; 42)를 포함한다. 이 순환기(42)는 레이더 주파수(RF) 파워 증폭기(44)로부터 신호를 송신하며, 수신 신호를 제 1 일극, 이중편(SPDT;single pole, double throw) 스위치(46a)의 극으로 보내도록 구성된다. 스위치(46a)는 저잡음 증폭기(48)와 정합 부하(50) 각각에 접속된 수신 및 전송편(R 및 T)을 갖는다. 증폭기(44 및 48)는 제 2 SPDT 스위치(46b)의 전달 및 수신편(T 및 R)에 접속된다. 스위치(46b)의 극은 RF 파워 분할기/결합기(52)에 접속되고, 이에 2개의 RF 다이오드 믹서 회로(믹서)(54a 및 54b)의 RF 신호 입력/출력(I/O) 포트(s)가 또한 접속된다.
제 1 쿼드래쳐(90˚) 하이브리드 커플러(56)는 믹서(54a 및 54b)의 입력(r), 정합 부하(58) 및 코히어런트 기준 신호 발생기(16)(도시안됨)에 접속된다.
RF 믹서(54a 및 54b)는 이하 보다 상세히 기술되는 바와 같이 가역이다. 이들은 제 3 및 제 4 SPDT 스위치(46c 및 46d) 각각에 접속된 중간 주파수(IF) 신호 I/O 포트(i)를 가지며, 각각의 포트(i)는 각각의 스위치 극에 접속된다. 스위치(46c 및 46d)는 제 5 및 제 6 SPDT 스위치(46e 및 46f) 각각의 전송편(T)에 접속된 전송편, 및 제 2 쿼드래쳐(90˚) 하이브리드 커플러(60)에 접속된 수신편(R)들을 갖는다. 커플러(60)는 정합 부하(62) 및 동위상 IF 파워 분할기(64)에 접속된다. 2개의 IF 다이오드 믹서(66a 및 66b)는 파워 분할기(64)에 접속된 IF 신호 입력 포트(s)에 접속되며, 이들은 제 5 및 제 6 SPDT 스위치(46e 및 46f) 각각의 수신편(R)에 접속된 기준 신호 입력 포트(r)를 갖는다. 스위치(46e 및 46f)의 극들은 각각의 다이렉트디지털 합성(DDS) 발생기(68a 및 68b)에 접속되고, 이들 발생기는 클럭 신호 발생기(18)(도시안됨)로부터 도출된 출력을 생성한다.
IF 믹서(66a 및 66b)는 아날로그 디지털 변환기(ADC; 70a 및 70b) 각각에 접속된 기저대 출력(b)을 갖는다. ADC(70a 및 70b)로부터 출력은 디지털 버스(72를 통해 중앙 프로세서(26)(도시안됨)로 공급된다.
회로(40)는 다음과 같이 수신 모드에서 동작한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 모든 6개의 스위치(46a 내지 46f)는 R위치로 설정된다. 안테나(14)에 의해 수신된 레이더 복귀 신호는 순환기(42)로 전달되고, 제 1 스위치(46a)를 통해 저잡음 증폭기(48)로 보내진다. 증폭된 복귀 신호는 제 2 스위치(46b)를 통해 RF 분할기/결합기(52)로 전달되는데, 이들은 복귀 신호를 2개의 동일한 동상의 신호로 분할하여 제 1 믹서(54a 및 54b) 각각에 입력시킨다. 이들 믹서는 90˚하이브리드 커플러(56)로부터 각각 동상(I) 및 쿼드래쳐(Q) 기준 신호를 또한 수신한다. 커플러(56)는 발생기(16)에 의해 공급된 코히어런트 신호로부터 이들 신호를 통상의 방식으로 도출한다. 필요없는 신호는 정합 부하(58)에서 제거한다. 코히어런트 기준 신호는 국부 발진기(LO)로서 사용되며 지정된 fLO의 주파수를 갖는다.
믹서(54a 및 54b) 각각은 그 포트(r 및 s)의 LO 기준 및 안테나 신호를 믹스하여 i에서 IF 신호 출력을 스위치(46c 및 46d) 각각으로 제공한다. 이들 IF 신호는 제 2 쿼드래쳐 하이브리드 커플러(60)에 전달되는데, 이 커플러는 상위 및 하위 레이더 주파수로 분리한다. 즉 레이더 신호는 fLO- fIF및 fLO+ fIF주파수에서 안테나(14)에 의해서 수신될 수 있는 것으로, 여기서 fIF는 54a/54b에서 믹싱으로부터 발생된 중간 주파수이다. 커플러(60)는 이들 레이더 주파수 중 한 주파수를 갖는 신호와 동일한 주파수 하향-변환된 신호를 IF 분할기/결합기(64)로 보내고, 다른 신호는 제 2 정합 부하(62)에서 제거된다. 어느 신호를 후속 처리하고 어느 신호를 부하(62)에서 제거할 것인가는 설계적 선택 문제이다. 소자(52 내지 64)의 조합은 레이더 주파수 fLO± fIF중 하나가 효과적으로 제거되므로 이미지 제거 믹서로 작용한다.
실제적으로, 이하 기술되는 바와 같이, 레이더 주파수 fLO- fIF및 fLO+ fIF중 단지 하나만이 송신 모드에서 사용된다. 이 송신 주파수의 레이더 복귀만이 존재할 수 있다. 그러나, 원치않는 잡음 및 이미지 주파수 대역으로부터 간섭이 억제되도록 다른 주파수에 대응하는 신호를 제거하는 것이 중요하다.
IF 분할기/결합기(64)는 하이브리드 커플러(60)로부터의 IF 신호를 IF 믹서(66a 및 66b) 각각의 s에 입력하기 위해 2개의 동일 위상의 신호로 분할한다. 이들 믹서는 DDS 발생기(68a 및 68b)에 의해서 생성되어 각각 스위치(46a 및 46f)를 통해 전달된 동상 및 쿼드래쳐 IF 기준 신호의 r 입력을 수신한다. IF 믹서(66a 및 68b)는 도플러-시프트된 IF로 사전에 하향-변환된 레이더 신호로부터 IF의 DDS 신호를 감하여 발생한 차 주파수 신호를 출력한다. 이것은 연이은 주파수 하향-변환하여 각각 발생한 동상 및 쿼드래쳐 기저대(도플러) 주파수 신호를 ADC(70a 및 70b)에 제공한다. ADC(70a 및 70b)는 버스(72)를 통해 순방향 전송을 위해 기저대 신호를 디지털화 한다. 중앙 프로세서(26)는 디지털화된 신호를 모든 모듈(12)로부터 수신한다. 이것은 이 분야에 공지된 방식으로, 모듈(12)로부터 디지털화된 신호의 조합들을 합함으로써 레이더 수신 빔을 형성한다. 다른 종래기술, 예를 들면 도플러 필터링 및 타겟 검출 알고리즘 또한 수행될 수도 있다.
회로(40)는 다음과 같이 송신 동작을 한다. 도 3에 도시한 바와 같이, 스위치(46a 내지 46f)는 이들의 T 위치에 설정되어 있다. 이것은 클럭으로 도출된 동상 및 쿼드래쳐 IF 기준 신호를 DDS 발생기(68a 및 68b)를 RF 믹서(54a 및 54b)로 각각 보낸다. IF 기준 신호는 주파수 fLO를 갖는 코히어런트 기준 신호와, 현재 역동작하는 RF 믹서에 의해서 믹스된다. 이것은 RF 믹서 출력(s) 각각에 합산 및 차분 주파수 fLO- fIF및 fLO+ fIF(상위 및 하위 주파수)를 출력한다. RF 분할기/결합기(52)는 RF 믹서(54a 및 54b)로부터 신호를 결합하도록 역으로 동작한다. 그러나, RF 믹서로부터 공급된 IF 신호 중 하나는 동상의 다른 것을 90˚만큼 앞선다. 결국, RF 분할기/결합기(52)에서 신호 결합은 상위 및 하위 측대역 중 하나의 진폭을 크게 억압하고, 다른 하나는 증대시켜 제 2 스위치(46b)로 송신한다. 그러므로 RF 믹서(54a 및 54b) 및 RF 분할기/결합기(52)는 단측대역 주파수 상향-변환기로서 반대로 동작한다. RF 분할기/결합기의 출력(상기 단측대역으로 구성됨)은 파워 증폭기(44)에 의해서 증폭되어, 순환기(42)에 의해서 모듈 안테나(14)로 보내진다. 순환기(42)에서 제 1 스위치(46a)로 어떤 RF 파워 누설이라도 정합 부하(50)에서 제거되며, 이것은 저잡음 증폭기(48)를 보호하는 것이다.
중앙 프로세서(26)는 모든 모듈(12)의 DDS 발생기(68a 및 68b)에 의해 인가된 상대 신호 위상을 제어한다. 이것은 페이즈드 어레이 빔 조정에 필요한 바와 같이 IF 위상이 어레이(12) 내 안테나 위치에 따라 변하도록 구성된다.
회로(40)는 수신 혹은 송신에서 아날로그 RF 위상 시프터 회로에 대한 어떤 요구조건 없이도 페이즈드 어레이 레이더 모듈에 대한 신호 처리를 제공한다. 이것은 전적으로 이러한 부피가 크고 비싼 소자가 없어도 되게 한다. 그대신 수신에서 빔 형성을 위한 계산과 더불어, 송신 및 수신에서 위상 제어를 위한 디지털 신호 합성을 사용한다. 수신 및 송신에서 RF 위상 시프터 필요성을 피하고 동일한 믹싱 및 IF 발생 수단을 사용함으로써 종래와 비교하여 회로(40) 내 RF 소자수를 대폭 감소시킨다.
도 4에 도 2 및 도 3의 RF 믹서(54)를 보다 상세히 도시하였다. 믹서(54)는 1차 코일(81a, 82b) 및 2차 코일(81b, 82b)를 갖는 제 1 및 제 2 RF 변압기(81, 82)를 포함한다. 2차 코일(81b, 82b)는 상단(83a, 84a) 및 하단(83b, 84b)를 각각 갖는다. 2차 코일 양단 각각은 반대극의 각각의 다이오드(85)를 통해 다른 2차 코일의 양단에 접속되는데, 예를 들면 RF 변압기(81)의 상위 2차 코일단(83a)은 이로부터 먼쪽의 극 및 그쪽을 향한 극을 갖는 다이오드(85)들에 의해서, 제 2 RF 변압기(92)의 상위 및 하위 2차 코일 양단(84a 및 84b) 각각에 접속된다.
제 1 변압기의 1차 코일(81a)은 접지와 믹서 기준 신호 입력(r) 사이에 접속된다. 이의 2차 코일(81b)은 접지된 중앙 접속점(83c)을 갖는다. 2차 변압기의 2차 코일(82b)은 믹서의 IF 입력/출력 포트(i)에 접속된 중앙 탭 접속점(83c)을 갖는다. 이의 1차 코일(82a)은 접지와 믹서의 RF 신호 입력/출력 포트(s) 사이에 접속된다.
송신 모드에서, r에 입력된 기준 신호는 제 1 RF 변압기(81)에 의해서 다이오드(85)에 결합된다. i에 입력된 IF 신호는 제 2 변압기의 1차 코일을 통해 다이오드(85)에 접속되며 다이오드에 의해서 기준 신호와 믹스된다. 믹싱으로 산출된 주파수 fLO- fIF및 fLO+ fIF(앞에서 정의된)은 제 2 변압기의 1차 코일(82b)에서 나타나 앞에서 기술한 바와 같은 RF 분할기/결합기(52)(도시안됨)로 전송을 위해서 RF 입력/출력 포트(s)로 결합된다.
수신 모드에서, 믹서(54)는 역으로 동작한다. RF 입력/출력 포트(s)는 RF 신호를 수신한다. 이것은 제 2 변압기(82)에 의해 다이오드(85)에 결합되어, 기준신호와 믹스됨으로서 IF 신호를 발생하고 IF 입력/출력 포트(i)에 출력한다. 이 모드에서, 2차 변압기(82)의 코일(82a 및 82b)의 1차 및 2차 역할은 상호교환된다.
믹서(54)는 공지되어 있는 것으로, 상용 장치이다. 언급한 바와 같이 이 믹서는 일 방향(송신)으로 작용하며, 다른 방향(수신)으로 하향-변환기로 작용하므로 가역동작되는 장치이다. 이것은 모든 믹서 회로의 보편적인 특성이 아님에 유념해야 한다. 증폭기(예를 들면 전계효과 트랜지스터)게 근거한 비가역 동작되는 믹서가 존재한다.
도 5는 본 발명의 페이즈드 어레이 모듈 회로(14)의 대안 형태를 도시한 것이다. 도 2 및 도 3과 동일하나 일부 소자는 제거되었거나 다음 기술되는 다른 장치들로 대치되어 있다. 회로(140)의 설명에 대해서는 앞의 실시예(40)에 비교하여 차이점에 대해서 주로 기술할 것이다.
IF 믹서(166a 및 166b)의 신호 입력이 직접 스위치(146c 및 146d) 각각에 접속된 점을 제외하고, 회로(140)의 소자(142 내지 168b)는 이들의 등가물인 42 내지 68b로서 구성되어 있다. 이들 믹서의 기저대 출력(b)은 합산 증폭기(176)로의 입력으로서 접속되고, 증폭기는 이어서 ADC(178)에 접속된다. ADC(178)로부터의 신호는 중앙 프로세서(26)(도시안됨)으로 전달된다.
회로(140)는 다음와 같이 수신 모드에서 동작한다. 스위치(146a 내지 146f)는 도시된 바와 같이 이들의 R위치에 모두 설정되어 있다. DDS 발생기(168a 및 168b)는 주파수가 fIF-fO인 동상 및 쿼드래쳐 IF 기준 신호 각각을 제공한다. 여기서, fIF는 송신 모드에서, RF 믹서(154a 및 154b)에 의해 상향-변환된 중간 주파수이며, fO는 레이더 송신 대역폭의 반보다 약간 크게 되도록 구성된 오프셋 주파수이다. 증폭기(176)는 IF 믹서(166a 및 166b)의 출력을 합한다. 이렇게 하면 주파수 fLO± fIF중 한 주파수를 갖는, 안테나 수신에 대응하는 신호들의 감산 및 다른 주파수를 갖는 수신에 대응하는 신호들의 합이 되는 결과가 된다. 결국, 레이더 주파수 측대역 중 하나는 증폭기(60)로부터 출력된 유효한 저주파 혹은 기저대를 제공하며, 다른 것은 억압된다. 레이더 주파수 fLO± fIF및 fLO± fIF중 어느것이 기저대 증폭기 출력을 제공하며 어느 것이 그렇지 않은가 하는 것은 쿼드래쳐 IF 기준 신호가 동상의 등가의 것을 90˚만큼 지연 혹은 앞서는지에 따라 비롯되는 설계적 문제이다.
증폭기(176)의 기저대 출력은 0 내지 2fO, 즉 fO±fO의 주파수 범위에 있다. 이것은 IF 믹서(166a 및 166b)에서 fIF-fO의 IF 기준 신호 주파수를 사용하는 것에 기인한다. 결국, 정지(제로 도플러 주파수) 타겟은 fO의 기저대 신호를 제공한다. 멀어지는 타겟은 0 내지 fO범위의 신호를 제공하며, 다가오는 타겟은 fO내지 2fO범위의 신호를 제공한다.
증폭기(176)로부터 기저대 출력 신호는 ADC(178)에서 디지털화 되어 중앙 프로세서(26)로 공급된다. 프로세서(26)는 레이더 기술에 숙련된 자들에게 알려진 계산 기술에 의해 디지털 빔 형성, 도플러 처리 및 검출을 수행한다.
송신 모드에서, 스위치(146a 내지 146f)는 이들의 T 위치, 즉 도 3에 도시한 것들과 동일한 세팅으로 설정된다. DDS 발생기(168a 및 168b)는 주파수 f인 IF 기준 신호를 생성하도록 구성되며, 이 주파수는 fO만큼 수신 모드에서 사용된 것보다 높다. 이들은 레이더 주파수 측대역 fLO+ fIF혹은 fLO- fIF중 하나가 안테나(14)에 의해서 송신되도록 하고, 다른 하나는 억압되도록 제공한다. 송신 모드에서 빔 형성은 DDS 발생기(168a 및 168b)로부터 IF 기준 신호 위상을 변화시키는 중앙 프로세서(26)에 의해서 수행된다. IF 위상은 페이즈드 어레이에서 개개의 안테나(14)의 위치의 함수로서 변화된다.
도 6은 본 발명의 또 다른 대안 회로(240)를 도시한 것으로 이 실시예는 단순화된 구성을 갖는다. 도 2 및 도 3에 기술된 것들과 동일한 구성요소는 200을 덧붙여 동일 참조부호로 하였다. 회로(240)는 도 2 및 도 3에 도시한 것과 동일하게 송신 동작을 한다. 수신 모드에서 IF에서 기저대로 제 2 주파수 하향-변환단이 없다는 점만이 앞의 실시예(40)와 다르다. 이 모드에서, RF 믹서(254a 및 254b)로부터 IF 신호는 직접 스위치(246c 및 246d)를 거쳐 ADC(270a 및 270b) 각각에 공급된다. 이들 ADC는 결국에 IF 신호를 직접 디지털화여, 기저대로 주파수 하향-변환하는 계산은 디지털 알고리즘을 사용하여 중앙 프로세서(26)에 의해서 수행된다. 회로(240)는 앞의 실시예보다 단순하나, 고속의 ADC(270a 및 270b)가 있어야 한다.
도 7은 중간 주파수(IF) 및 저주파(LF) 회로 보드(301 및 302)를 포함하는, 전체를 300으로 표시한 하이브리드 빔형성기를 도시한 것이다. 빔형성기(300)는 2개의 RF 믹서(도시안됨)에 접속된 쿼드래쳐 하이브리드 커플러(도시안됨)에 접속된 입력/출력(I/O) 라인(303)을 포함한다. 커플러 및 RF 믹서는 안테나 회로에 관련하며 도 2 및 도 3에 동일 요소(60), 54a 및 54b)와 같은 방식으로 접속된다. I/O 라인(303)은 제 1 SPDT 스위치(304)의 극에 접속되며, 이 스위치의 전달 및 수신편(T 및 R)은 송신 및 수신 각각에서 동작하는 12.5 MHz 대역통과 필터(306T 및 306R)에 접속되어 있다.
수신 필터(306R)는 저잡음 증폭기(308)에 접속되며 이어서 IF 믹서(310E, 310A, 310S) 각각의 신호 입력(x)에 접속되고, 여기서 E, A, S는 고도, 방위각 및 합산 각각을 표시하는 것이다. 방위각 및 합산 믹서(310A 및 310S)의 LO 입력(L)은 위상이 디지털 입력 신호에 의해 제어되는 출력 신호를 공급하는 다이렉트 디지털 합성(DDS) 국부 발진기(312A 및 312S) 각각에 접속된다.
고도 믹서(310E)의 LO 입력(L)은 제 2 SPDT 스위치(134)의 수신편(R)에 접속되고, 이 스위치의 전송편(T)은 파워 증폭기(316)에 접속되며 이어서 송신 필터(306T)에 접속된다. 이 스위치는 고도 DDS 국부 발진기(312F)에 접속되는 극을 갖는다. 국부 발진기(312E, 312A, 312S) 각각은 버스(319)에 의해서 컴퓨터 인터페이스(318)에 접속된다. 인터페이스(318)는 컴퓨터(도시안됨)에 접속되는데, 이 컴퓨터는 DDS 국부 발진기(312E, 312A, 312S)에 디지털 위상 제어 신호를 제공한다.
국부 발진기(312E, 312A, 312S)의 저주파(LF) 출력(y)은 LF 보드(302) 상의 각각의 합산기(320E, 320A, 320S)에 접속된다. 도 7에 도시한 예는 19개 소자 페이즈드 어레이에 대해 설계된 것으로, 결국 이들 합산기 각각은 IF 보드(301) 및 점선(322) 및 화살표(324)로 표시된 19개의 다른 등가 IF 보드로부터 전부 19개의 LF 신호 입력을 수신한다. 각각의 IF 보드(301 혹은 322)는 앞서 기술된 각각의 RF 회로 및 안테나에 접속된다. 합산기(320E, 320A, 320S)의 출력은 2.5 MHz 대역 통과 필터(326E, 326A, 326S)를 거쳐, 공통의 2.5 MHz 국부 발진기(330)을 갖는 각각의 기저대 믹서(328E, 328A, 328S)에 접속된다. 필터(326E) 등은 또한 캘리브레이션 출력(331)에 접속된다. 기지대 믹서는 고도, 방위각 및 합산 출력(332E, 332A, 332S)에 125KHz 저역 통과 필터(334E, 334A, 334S) 각각을 통해 접속된다.
빔형성기(300)는 다음과 같이 동작한다. 송신 모드에서 스위치(304 및 314)는 이들의 전송편(T)에 설정되어 있어, 12.5 MHz의 디지털로 합성된 국부 발진기 신호는 인터페이스(318)를 통한 컴퓨터 제어하에서, 고도 DDS 국부 발진기(312F)에서 I/O 라인(303)으로, 증폭기(316) 및 송신 필터(306T)를 통과한다. 이 신호는 IF 보드(301 및 322)가 접속된 안테나 어레이(도시안됨)에 의해 송신된 RF 빔 조향에 기여하는 올바른 위상을 갖는다. 이 신호는 쿼드래쳐 하이브리드 커플러를 통해 2개의 RF 믹서로 절달되어 RF 코히어런트 기준 신호를 변조하고 이어서 도 3을 참조하여 앞에서 설명한 바와 같이 안테나로부터 송신된다.
수신 모드에서, 스위치(304 및 314)는 이들의 수신편(R)에 설정되어, 도 2를 참조하여 기술된 바와 같이 RF회로에서 12.5 MHz의 IF 신호가 생성된다. 이 신호는 I/O 라인(303)으로 전달되어 이로부터 수신 필터(306R) 및 저잡음 증폭기(308)로 전달된다. 306R에서 필터링 및 308에서 증폭된 후, IF 신호는 IF 믹서(310E, 310A, 310S) 각각에 공급된다. 여기서 차이 고도 빔형성, 차이 방위각 빔형성 및 합산 빔형성 각각에 대한 적합한 위상 조절 및 진폭 가중된 3개의 디지털 합성된 국부 발진기 신호와 개별적으로 믹스된다. 이것은 각각의 합산기(320E, 320A, 320S)로 출력하기 위해 3개의 LF 신호를 제공한다. 다른 18개의 IF 보드(322) 각각은 같은 방식으로 3개의 LF 신호를 생성한다. 합산기(320E, 320A, 320S)는 모든 19개의 회로 보드로부터의 고도, 방위각 혹은 합산 LF 신호를 각각 더하며, 이들은 2.5 MHz 대역통과 필터(326E, 326A, 326S) 각각을 통해 기저대 믹서(328E, 328A, 328S)로 전달되는 출력 신호를 제공한다. 믹서(328E, 328A, 328S)는 고도, 방위각 및 합산 출력(332E, 332A, 332S) 각각으로 전달되기 전에, 125 KHz의 저역 통과 필터(332E, 332A, 332S)에 의해 필터된 기저대 출력 신호를 발생한다.
빔형성은 IF 보드(301 및 322) 각각의 인터페이스(318)에 접속된 컴퓨터의 도움으로 수행된다. 컴퓨터는 모든 57개의 DDS 국부 발진기(IF 보드당 3개, 예를 들면 312E, 312A, 312S)를 제어하여, IF 보드(301 및 322)가 접속된 RF 안테나를 포함하는 페이즈드 어레이로부터의 3개의 출력 빔을 구성하는데 적합한 IF 위상각을 제공한다. 예를 들면, 차이 고도 빔을 구성하기 위해서, 312E와 같은 19개의 고도 DDS 국부 발진기는 페이즈드 어레이의 감도가 어레이 보어사이트에서 눌(null)이며 보어사이트에 인접해서는 감도가 최대가 되도록 각각의 IF 위상각을 제공한다. 이것은 보어사이트에 있을 때 타겟이 제로 레이더 복귀를 제공하도록 하고, 타겟이 보어사이트를 벗어나 수직차원으로 이동할 때 제로가 아닌 것으로 변경되도록 하는 것이다. 유사한 빔이 방위각(수평) 차원에서 형성된다. 합산 출력(332S)는 보어사이트 상의 타겟들에 대해 최대의 레이더 복귀를 제공한다. 보다 많은 빔이 필요하면, 보드(301, 302, 322)에는 추가적으로 국부 발진기, 믹서, 합산기 등이 제공될 수도 있다. 첨자 E, A, S가 있는 구성요소들 세트는 고도, 방위각, 및 채널이 더 부가될 수 있는 합산 채널을 정의한다.
하이브리드 빔형성기(300)는 디지털 IF 국부 발진기 및 아날로그 LF와 기저대 회로를 겸비하고 있다. 이것은 신호를 디지털화하기 위한 고속의(10MHz) 아날로그 디지털 변환기가 필요하지 않다는 이점이 있다. 더구나, 빔형성기는 종래의 RF 스위치식의 위상 시프터보다 위상의 정확도를 크게 할 수 있으며, 8비트 분해능의 위상각(1.4˚)을 쉽게 달성할 수 있으며, 16비트 분해능이 가능하다. 종래의 스위치식의 위상 시프터는 5 혹은 6비트 분해능이 가능하며, RF 아날로그 회로 제약에 의해 그 한계가 정해진다. 빔형성기(300)는 또한 비교적 좁은 공간 요구조건, 및 저가격으로 특징지워지며 실리콘 VLSI가 사용된다.
도 8은 전체를 800으로 표시한 본 발명의 회로의 또 다른 실시예를 도시한 것으로, 이것은 수신 모드에서 사용하기 위한 디지털 빔형성기를 구현한 것이며, 도 7에 도시한 것과 동일한 요소에는 E, A, 혹은 S 첨자없이 300 대신 400으로 참조부호가 할당되었다. 이들 요소는 403 내지 419로 참조부호가 할당된 것으로 고도 채널에 관련된 구성요소인 303 내지 319에 관련하여 기술된 바와 같이 접속되어 동작한다. 이들 구성 및 동작에 대해서 설명하지 않겠다.
회로(400)는 도 7을 참조하여 기술된 송신에서 동작한다. 수신에서, IF 믹서(410)로부터 2.5MHz 출력 IF 신호는 캐패시터(423)로 분로된 증폭기(421)로 전달되고, 이어서 아날로그 디지털(A/D) 변환기(425)로 전달된다. 믹서 출력 신호는 A/D 변환기(425)에 의해서 10MHz로 샘플된다. 이 A/D 변환기는 4MHz 대역폭의 전 레이더 펄스 스펙트럼을 디지털화한다.
A/D 변화기로부터 디지털 신호 출력은 이 기술에 숙련된자들에게 알려진 방식으로 빔형성을 위해 디지털 처리 회로(도시안됨)로 전달된다.
페이즈드 어레이의 각각의 RF 모듈(도 1 참조)은 각각의 회로(400)에 관련되어, 이에 따라 예를 들면 19개의 안테나 어레이는 이러한 회로를 19개 필요로 할 것이다.
도 9는 전체를 500으로 표시한, 저가격 제작을 위해 설계된 IF 빔형성 시스템을 개략적으로 도시한 것이다. 시스템(500)은 동일 구성의 많은 빔형성 회로(502)로 구성된다. 회로(502) 개수는 본래 임의적인 것이므로, 공간(504) 및 506과 같은 단속적인 것으로 표시하였다. 다른 회로(502)는 동일하므로 그중 하나를 설명한다.
회로(502)는 송신 및 수신 증폭기(510T 및 510R)에 접속된 레이더 안테나(508)를 포함하며, 이들 증폭기는 각각의 출력이 다른것의 입력에 접속된 상태로 병렬 구성되어 있다. 이 한쌍의 증폭기는 점선 512로 표시된 모노리식 마이크로파 집적 회로(MMIC) 칩으로서 형성된다. 이들은 GaAs FET를 포함한다. 증폭기 중 하나가 동작중에 있을 때 다른 증폭기는 적당한 바이어싱에 의해서, 동작하지 않는다.
MMIC 칩(512)은 모든 회로(502)에 공통인 마이크로파(RF) 기준 신호 공급 라인(518)에 연결된 국부 발진기 입력 피드(516)를 갖는 RF 믹서(514)에 접속된다. RF 믹서(514)는 송신 및 수신편(T 및 R)을 갖는 SPTDT 스위치(520)의 극에 접속된다. 수신편(R)은 IF 대역통과 필터(522)를 거쳐 IF 믹서(524)에 접속되며, 이 믹서는 점선 내에 표시된 실리콘 바이폴라 벡터 변조기 칩 혹은 집적 회로(526)로부터의 국부 발진기 입력 신호를 수신한다. 변조기 칩(526)은 상용 통신 제품에 포함된 류의 것이다. IF 믹서(524)는 합산 출력(532)이 있는 비디오 합산기(530)에 접속되고, 모든 회로(502)에 공통되는 라인(528)에 기저대 출력 신호를 제공한다.
변조기 칩(526)은 공통 중심 IF 기준 신호 라인(534)과 동상 및 쿼드래쳐 믹서(536I 및 536Q)에 접속된 90˚ 파워 분할기(532)를 포함한다. 이들 믹서는 근본적으로 선형 곱셈기인 정합 길버트(Gilbert) 셀 장치이다. 이들은 각각의 디지털 아날로그 변환기(DAC; 538I 및 538Q)에 접속되며, 이들 변환기 모두는 이어서 컴퓨터(도시안됨)에 결합되고 모든 회로(502)에 공통인 디지털 제어 버스(540)에 접속된다. DAC(538I 및 538Q)는 어드레스 디코딩을 위한 디지털 회로 및 디지털 숫자를 저장하기 위한 메모리를 포함한다. 믹서(536I 및 536Q)는 합산기(542)에 출력 신호를 제공하며, 이 합산기로부터 합산 출력은 증폭기(544)를 거쳐 스위치(520)의 송신편(T)에 전달되고 또한 국부 발진기 입력으로서 IF 믹서(524)에 전달된다.
회로(502)는 다음과 같이 송신동작을 한다. 스위치(520)는 송신편(T)으로 설정된다. 컴퓨터는 제어 버스(540)에 연속하여 디지털 신호를 제공한다. 이들 신호 각각은 개개의 DAC 어드레스 및 이 어드레스에 관련된 관련 DAC(538I 혹은 538Q)의 메모리에 저장되는 위상 제어를 위한 디지털 숫자로 구성된다. 제어버스(540)에 의해서 어드레스된 때, DAC는 관련 디지털 숫자를 저장하여 이를 믹서(536I 혹은 536Q)에 입력하기 위해 아날로그 전압으로 변환한다. 각각의 DAC는 이어서 각각의 위상 제어 숫자를 이에 제공하도록 어드레스된다. 신호 라인(534)는 IF 기준 신호를 파워 분할기(532)에 전달하며, 이 분할기는 믹서(538Q 혹은 538Q)에 입력하기 위해서 이를 90˚위상차(동상 및 쿼드래쳐 성분)를 갖는 2개의 신호로 변환한다. 이들 믹서 각각은 이의 아날로그 입력 전압과 기준 입력 신호와의 곱을 합산기(542)로 공급한다.
결국, 합산기(542)는 동일 주파수, 90˚위상차 및 제어 버스(540) 상의 신호에 따라 가중된 진폭을 갖는 2개의 입력 신호를 수신한다. 그러므로 합산기 출력은 디지털 제어 버스 신호에 의해 위상이 제어된 상태로 라인(534)에, IF 기준 주파수를 갖는 신호가 된다. 즉 IF 기준 각도 주파수가 ω이면, 합산기 출력 신호(SO)는 다음과 같이 주어진다.
SO= Asinωt + Bsin(ωt + π/2)
즉, SO= (A2+ B2)1/2sin(ωt + tan-1B/A)
여기서, A 및 B는 DAC(538I 및 538Q)로부터 전압의 크기이다.
그러므로 합산기 출력은 (A2+ B2)1/2의 일정한 진폭을 가지며, 제어 버스(540)에 의해서 공급된 디지털 신호들으 비의 함수인 tan-1B/A의 위상각을 갖는다. 따라서, 디지털 신호는 합산기 출력 신호의 위상의 제어를 제공하며, 이것은 위상 제어를 제공하기 위해서 라인(518)에 마이크로파 기준 신호와 믹싱하는 RF 믹서(514)로 전달된다.
RF 믹서 출력은 서전이 조정된 위상을 갖는 RF 신호이며, 이것은 증폭용 송신 증폭기(510T)로 전달되고 이어서 송신용 안테나(508)로 전달된다. 수신 증폭기(510R)는 스위치 오프된다. 모든 안테나(508)로부터 발생하는 송신된 빔의 빔형성은 안테나 출력 신호의 위상을 제어하는 제어버스(540) 상의 적합한 디지털 신호에 의해서 달성된다.
회로(502)는 다음과 같이하여 수신동작한다. 수신 및 송신 증폭기(510R 및 510T)는 각각의 바이어스 온 및 오프되고, 스위치(520)는 이의 수신편(R)으로 설정된다. 안테나(508)에서 수신된 RF 레이더 복귀 신호는 수신 증폭기(510R)에 의해서 증폭되어 RF 믹서(514)에 의해 중간 주파수로 하향-변환된다. 이어서, IF를 중심주파수로 하는 대역통과 필터(522)에 의해서 필터처리되고, IF 믹서(524)에 의해서 합산기(542)의 출력신호와 믹스된다. 언급한 바와 같이, 합산기(542)의 출력은 제어버스(54) 상의 신호에 의해서 위상이 제어된 상태 IF 신호이다. 그러므로 IF 믹서(524)는 가변 위상 국부 발진기와 IF 레이더 복귀 신호를 믹스하여 수신에서 빔형성에 필요한, 위상이 제어된 신호를 제공한다. 위상 제어된 신호는 기저대 주파수에 있을 수 있으며, 대안으로 IF 기준 주파수가 적합하기 오프셋되면 비디오 주파수일 수도 있다. 기저대 신호는 IF 믹서에서 비디오 합산기(530)로 전달되고, 여기서 다른 회로로부터의 동일 신호와 합산되어 비디오 주파수를 갖는 출력 빔 신호를 제공한다. 출력 빔 신호는 통상의 레이더 신호 처리 회로(도시안됨)에 의해서 처리됨으로써 레이더 디스플레이를 제공한다. 이러한 회로는 레이더 기술에서는 공지된 것으로 설명하지 않겠다.
빔형성 시스템(500)은 GaAs MMIC RF 증폭기 및 실리콘 바이폴라 MMIC 벡터 변조기 칩(526)에 기초하고 있어 구성하는데 저렴하다. 이러한 변조기 칩은 셀룰라 전화 시스템 및 로컬 정보 통신망용 송신기용으로 제조되며, 10$ 이하로 가능하다. 비디오 합산기는 기존의 텔레비전 시스템 기술이다. 더구나, 시스템(500)은 저렴함에도 대단히 높은 정확성이 있다. 이에 대해서, 송신 및 수신에서 빔형성 질은 변조기 칩(256) 내에 합산기(542)의 출력으로서 생성된 가변 위상 IF 신호의 위상 정확성에 상당히 의존한다. 이러한 칩 하나를 테스트해 보면, 측정된 IF 신호 위상은 믹서(536I 및 536Q)에 입력된 아날로그 전압으로부터 산출된 대응하는 의도된 위상값의 4˚범위 내에 있었음을 보였다. 더구나, 측정된 위상과 계산된 위상간 에러는 4˚보다 훨씬 작아지게 반복될 수 있는 것임을 알게 되었다. 그러므로 각각의 변조기 칩(526)로부터 얻어진 IF 위상각을 이들에 제공하는 제어 버스(540) 상의 디지털 위상 제어 신호와 관련시키는 것은 시스템(500)의 캘리브레이션에 의해서 쉽게 감소된다. 레이더 빔의 범위에 필요한 특정의 위상 각을 제공하는 사전 캘리브레트된 제어 신호는 룩업 테이블 메모리에 저정될 수 있고 필요할 때 제어버스(540)에 입력하기 위해 독출해 낼 수 있다.
도 10은 저가격 제작을 위해 설계된 본 발명의 또 다른 레이더 빔형성 시스템(600)을 도시한 것이다. 시스템(600)은 도 9를 참조하여 설명된 것들과 동일한 요소를 가지며, 앞에서 기술된 소자를 포함하고 있다. 다음 설명은 본 실시예와 앞의 실시예간 차이점에 중점둘 것이다.
빔형성 시스템(600)은 송신 모듈(602) 및 별도의 수신 모듈(604)를 포함한다. 송신 모듈(602)은 마이크로파 기준 라인(606), 중심 IF 라인(608) 및 디지털 제어 버스(610)을 포함한다. 마이크로파 기준 라인(606)은 안테나(616)에 RF 신호를 전달하는 파워 증폭기(614)에 접속된 단측대역 상향-변환기(612)에 접속된다.
중심 IF 라인(608) 및 디지털 제어 버스(610)는 실리콘 벡터 변조기 칩(618) 및 이 칩에 아날로그 전압을 제공하는 DAC(620I 및 620Q)에 각각 접속된다. 상향-변환기(612)는 위상 제어 목적으로 변조기 칩(618)로부터 IF 기준 신호를 수신한다. 송신 모듈(602)는 송신용으로 구성된 때 도 9를 참조하여 기술된 시스템(500)과 동일하게 동작하므로 더 이상 설명하지 않겠다.
수신 모듈(604)은 마이크로파 기준 라인(630), 중심 IF 라인(632) 및 디지털 제어 버스(632)를 포함한다. 제어 버스(632)는 두쌍의 DAC(636I/636Q 및 638I/638Q)에 접속되고, 이들 DAC는 아날로그 전압을 각각의 실리콘 벡터 변조기 칩(640 및 642)에 공급한다. 칩(640 및 642)는 라인(632)로부터 IF 신호를 수신하여 위상 제어된 IF 기준 신호를 각각의 IF 믹서(644 및 646)에 제공한다.
마이크로파 기준 라인(630)은 RF 이미지 제거 믹서(548)에 국부 발진기 입력을 제공하도록 접속되며, 이 믹서는 또한 저잡음 증폭기(652)에 의해 증폭된 후 안테나(650)로부터 레이더 복귀 신호를 수신하도록 접속된다. RF 믹서(648) 및 증폭기(652)는 다이렉트 방송 위성 텔레비전 수신기에서 사용되며 MMIC 단일 칩으로서 구입할 수 있는 률의 단일 마이크로파 수신기 칩(654)(점선 내에 도시되어 있음) 내에 포함된다.
IF 신호는 레이더 복귀의 하향-변환으로부터 RF 믹서(648)에서 생성되며, 이들은 IF 기저대 필터(656)를 통해 IF 믹서(644 및 646) 모두에 전달된다. IF 믹서는 도 9에 관련하여 앞에서 서술한 바와 같이 제어 버스(634) 상의 디지털 신호에 의해서 위상이 제어된 비디오 주파수 혹은 기저대 신호를 생성한다. 이들 비디오 주파수 혹은 기저대 신호의 주파수는 수신부(604) 및 송신부(602)의 중심 IF를 오프셋함으로써 제어될 수도 있다.
기저대 혹은 비디오 신호는 IF 믹서(644 및 646)으로부터 출력(658 및 660) 각각으로 전달되며, 이의 각각은 도 9의 구성요소(530)와 동일한 합산기(도시안됨)에 접속된다. 도 7에 관련하여 앞에서 기술한 바와 같이, 각각의 합산기는 모든 수신 모듈로부터 빔(1 혹은 2)에 관련된 신호들을 합산한다. IF 위상 제어를 위한 2 세트의 회로 소자(636I 내지 646)가 있기 때무네, 2개의 빔의 형성되고, 그 이상의 빔은 위상 제어 회로를 더 사용하였다면 얻을 수 있을 것이다. 그러므로 각각의 합산기는 각각의 구성된 출력 빔 신호를 제공한다.
모듈(602 및 604)에 기초한 위상 단열 레이더는 분리된 송신 및 수신 모듈 어레이를 포함한다. 수신 어레이는 이의 주요 부품이 2개의 상용 집적 회로 혹은 칩(642 및 654)이기 때문에 극히 저렴하다. 송신 어레이에 모듈 칩(618)을 사용하므로 송신 어레이이 상대적으로 저렴하게 된다.

Claims (12)

  1. 페이즈드 어레이 레이더용으로서, 레이더 주파수(RF) 수신된 신호를 중간 주파수(IF)로 변환하는 하향-변환 수단(54a, 54b) 및, 다른 동일 모듈에 관련된 때 레이더 수신 빔을 구성(configuring)하는 빔형성 수단(60 내지 70)을 포함하는 회로 모듈에 있어서, 상기 빔형성 수단은 디지털로 제어된 위상을 가진 중간 주파수의 국부 발진기(LO) 신호들을 생성하도록 구성된 LO 신호 발생 수단(68a, 68b) 및, LO 신호를 IF 신호와 믹스하도록 구성된 IF 믹싱 수단(66a, 66b)을 포함하는 것을 특징으로 하는 페이즈드 어레이 레이더용 회로 모듈.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 회로 모듈은 수신 및 송신 모드에서 동작하도록 구성되며, 상기 하향-변환 수단(54a, 54b)은 가역동작되는 것으로, 수신 모드에서는 이미지 제거 믹서로서 구성되며, 송신 모드에서는 상기 LO 신호 발생 수단(68a, 68b)에 의해서 생성된 위상 제어 신호에 RF 신호를 결합하도록 단측대역 상향-변환기로서 구성되는 것을 특징으로 하는 페이즈드 어레이 레이더용 회로 모듈.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 회로 모듈은 각각 다른 것의 출력이 입력에 접속되어 있으며, 송신 신호 및 수신 신호 각각을 증폭하도록 구성된 2개의 증폭기(510T, 510R)를 포함하는 것을 특징으로 하는 페이즈드 어레이 레이더용 회로 모듈.
  4. 제 3항에 있어서, 송신 및 수신 신호 경로를 정하도록 구성된 스위칭 수단(46a 내지 46f)을 포함하는 것을 특징으로 하는 페이즈드 어레이 레이더용 회로 모듈.
  5. 제 1항 내지 4항 중 어느 한 항에 있어서, 복수의 동일 LO 신호 발생 수단(312E, 312A, 312S, 318, 319) 및, 복수의 빔을 구성(configuration)하기 위한 IF 믹싱 수단(310E, 310A, 310S)을 포함하는 것을 특징으로 하는 페이즈드 어레이 레이더용 회로 모듈.
  6. 제 1항 내지 5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 IF 믹싱 수단(310E, 310A, 310S)은 복수의 동일 모듈(300, 322)에서 LO 및 IF 신호의 믹싱으로부터 도출된 아날로그 신호들을 합산함으로써 레이더 수신 빔을 형성하도록 구성된 아날로그 합산 수단(320E, 320A, 320S)에 접속된 것을 특징으로 하는 페이즈드 어레이 레이더용 회로 모듈.
  7. 제 1항 내지 6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 LO 신호 발생 수단(68a, 68b)은 LO 신호의 다이렉트 디지털 합성을 위해 구성된 것을 특징으로 하는 페이즈드 어레이 레이더용 회로 모듈.
  8. 제 1항 내지 6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 LO 신호 발생 수단(532, 534, 536Q, 538I, 538Q, 540)은 아날로그 IF 기준 신호 및 2개의 디지털 위상 제어 신호를 수신하여 이로부터 위상 제어된 LO 신호를 생성하도록 구성된 것을 특징으로 하는 페이즈드 어레이 레이더용 회로 모듈.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 LO 신호 발생 수단(532, 534, 536I, 536Q, 538I, 538Q, 540)은 디지털 위상 제어 신호의 공급을 위한 제어 버스(540), 디지털 위상 제어 신호를 아날로그 전압으로 변환하는 아날로그 변환 수단(538I, 538Q) 및, 상기 IF 기준 신호 및 상기 디지털 위상 제어 신호의 입력에 응하여 위상 제어된 LO 신호를 생성하기 위한 실리콘 벡터 변조기 집적 회로(526)를 포함하는 것을 특징으로 하는 페이즈드 어레이 레이더용 회로 모듈.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 하향-변환 수단은 RF 증폭기(652) 및 RF 믹서(648)를 포함하는 집적 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 페이즈드 어레이 레이더용 회로 모듈.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 회로 모듈은 별도의 송신기 모듈(602) 어레이에 관련하여 동일 수신기 모듈(604)의 페이즈드 어레이에서 사용하기 위한 수신기 모듈(604)이며,
    상기 LO 신호 발생 수단은 디지털 위상 제어 신호 공급을 위한 수단(634), 디지털 위상 제어 신호를 아날로그 전압으로 변환하는 디지털 아날로그 변환 수단(638I, 638Q) 및, IF 기준 신호 및 상기 디지털 위상 제어 신호에 응하여 위상 제어된 LO 신호를 생성하기 위한 실리콘 벡터 변조기 집적회로(642)를 포함하며,
    각각의 송신기 모듈(602)은 디지털 위상 제어 신호 공급을 위한 제어 버스(610), 상기 디지털 위상 제어 신호를 아날로그 전압으로 변환하는 디지털 아날로그 변환 수단(620I, 620Q) 및, IF 기준 신호 및 상기 디지털 위상 제어 신호의 입력에 응하여 위상 제어된 IF 신호를 생성하는 실리콘 벡터 변조기 집적회로(618) 및 레이더 송신 신호를 제공하도록 RF 기준 신호와 상기 위상 제어된 IF 신호를 믹싱하는 믹싱 수단(612)을 포함하는 것을 특징으로 하는 페이즈드 어레이 레이더용 회로 모듈.
  12. 제 11항에 있어서, 복수의 동일 LO 신호 발생 수단(634 내지 642) 및, 복수의 빔의 구성(configuration)을 위한 IF 믹싱 수단(644, 646)을 포함하는 것을 특징으로 하는 페이즈드 어레이 레이더용 회로 모듈.
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