KR20020024338A - 위상 어레이 안테나 - Google Patents

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KR20020024338A
KR20020024338A KR1020027003318A KR20027003318A KR20020024338A KR 20020024338 A KR20020024338 A KR 20020024338A KR 1020027003318 A KR1020027003318 A KR 1020027003318A KR 20027003318 A KR20027003318 A KR 20027003318A KR 20020024338 A KR20020024338 A KR 20020024338A
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센굽타루이스씨
코지레브안드레이
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추후기재
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Abstract

위상 어레이 안테나는 다수의 방사 요소와, 피드 라인 어셈블리와, 다수의 방사 요소와 피드 라인 어셈블리 사이에 배치되고 그 다수의 방사 요소와 피드 라인 어셈블리 사이에 배치된 다수의 개구를 갖는 접지면 및 피드 라인 어셈블리에 결합된 다수의 전압 동조성 유전 위상 시프터를 포함한다.

Description

위상 어레이 안테나{SERIALLY-FED PHASED ARRAY ANTENNAS WITH DIELECTRIC PHASE SHIFTERS}
관련 출원
본 출원은 1999년 9월 14일 출원된 미국 가특허 출원 제 60/153,859 호의 우선권을 주장한다.
위상 어레이 안테나는 무선빔을 형성하기 위해 위상 신호를 방출하는 상당수의 방사 요소(radiating element)를 갖는 안테나를 지칭한다. 무선 신호는 개별 안테나 요소의 상대 위상의 능동 조작을 통해 전자 스트어링될 수 있다. 전자빔 스트어링 개념은 송신기와 수신기 모두에 이용되는 안테나에 적용된다. 전자 스캐닝 위상 어레이 안테나(electronically scanned phased array antenna)는 속도, 정확도 및 신뢰도의 관점에서 기계 안테나에 비해 이점이 많다. 기계 스캐닝 안테나의 짐발(gimbals)을 전자 스캐닝 안테나의 전자 위상 시프터(shifter)로 대체하는 것은 방어 시스템에서 이용되는 안테나의 존속성(survivability)을 더욱 빠르고 정확한 목표 식별을 통해 증가시킨다. 복잡한 트래킹 동작은 또한 위상 어레이 안테나 시스템을 통해 빠르고 정확하게 조종될 수 있다.
위상 시프터는 위상 어레이 안테나의 동작에 주요한 역할을 한다. 전기적으로 제어되는 위상 시프터는 동조성 강유전 물질을 이용할 수 있는데, 이 물질의 유전율(보통은 유전 상수라고 지칭됨)은 인가되는 전계의 세기를 변화시킴으로써 변할 수 있다. 이러한 물질이 퀴리 온도(Curie temperature) 이상인 자신의 상유전상(paraelectric phase)에서 동작하더라도, 이들 물질은 퀴리 온도 미만의 온도에서 자발적인 분극을 나타내기 때문에 "강유전성"이라 통상 지칭되고 있다. 바륨-스트론튬 티탄산염(Barium-Strontium Titanate : BST) 혹은 BST 합성물을 포함하는 동조성 강유전 물질은 여러 특허들의 주제가 되어 왔다.
바륨 스트론튬 티탄산염을 포함하는 유전성 물질은 "Ceramic Ferroelectric Material"이란 제목의 센굽타(Sengupta)등의 미국 특허 제 5,312,790호, "Ceramic Ferroelectric Composite Material-BSTO-MgO"란 제목의 센굽타 등의 미국 특허 제 5,427,988호, "Ceramic Ferroelectric Composite Material-BSTO-ZrO2"란 제목의 센굽타 등의 미국 특허 제 5,486,491호, "Ceramic Ferroelectric CompositeMaterial-BSTO-Magnesium Based Compound"란 제목의 센굽타 등의 미국 특허 제 5,635,434호, "Multilayered Ferroelectric Composite Waveguides"란 제목의 센굽타 등의 미국 특허 제 5,830,591호, "Thin Film Ferroelectric Composites and Method of Making"이란 제목의 센굽타 등의 미국 특허 제 5,846,893호, "Method of Making Thin Film Composites"란 제목의 센굽타 등의 미국 특허 제 5,766,697호, "Electronically Graded Multilayer Ferroelectric Composites"란 제목의 센굽타 등의 미국 특허 제 5,693,429호 및 "Ceramic Ferroelectric Composite Material-BSTO-ZnO"란 제목의 센굽타의 미국 특허 제 5,635,433호에 개시되어 있다. 이러한 특허들을 본 명세서에 참조 인용하였다. 센굽타에 의해 2000년 6월 15일 출원되어, 본 출원인에게 공동 양도된 "Electronically Tunable Ceramic Materials Including Tunable Dielectric And Metal Silicate Phases"란 제목의 미국 특허 출원은 추가적인 동조성 유전 물질을 개시하고 있는데, 이 또한 본 명세서에 참조 인용하였다. 이러한 특허들에 개시되어 있는 물질, 특히 BSTO-MgO 합성물은 저 유전 손실 및 높은 동조성을 보인다. 동조성은 인가 전압에 따른 유전 상수에서의 변화율(fractional change)로서 규정된다.
강유전성 물질을 이용하는 동조성 위상 시프터는 미국 특허 제 5,307,033호, 제 5,032,805호 및 제 5,561,407호에 개시되어 있다. 이러한 위상 시프터는 위상 변조 요소로서 강유전성 기판을 포함한다. 강유전성 기판의 유전율은 기판에 인가되는 전계의 세기를 변화시킴으로써 변할 수 있다. 기판의 유전율을 동조시키는 것은 RF 신호가 위상 시프터를 통과할 때 위상 시프트를 야기한다. 이러한 특허들에 개시되어 있는 강유전성 위상 시프터는 K(18GHz 내지 27GHz) 및 Ka(27GHz 내지 40GHz) 대역에서 큰 컨덕터 손실, 고속 모드, DC 바이어스 및 임피던스 매칭 문제가 발생한다.
하나의 공지된 유형의 위상 시프터는 마이크로스트립 라인 위상 시프터(microstrip line phase shifter)이다. 동조성 유전 물질을 이용하는 마이크로스트립 라인 위상 시프터의 예들이 미국 특허 제 5,212,463호, 제 5,451,567호 및 제 5,479,139호에 개시되어 있다. 이러한 특허들은 가이드(guide)된 전자기파의 전달 속도를 변화시키기 위해 전압 동조성 강유전 물질로 로드(load)되는 마이크로스트립 라인을 개시하고 있다. 미국 특허 제 5,561,407호는 벌크 세라믹(bulk ceramic)으로부터 제조되는 마이크로스트립 전압-동조 위상 시프터를 개시하고 있다. 벌크 마이크로스트립 위상 시프터는 큰 바이어스 전압, 복잡한 제조 프로세싱 및 고비용 문제점이 있다.
코플래너 도파관은 또한 위상 시프터로서 동작할 수 있다. 미국 특허 제 5,472,935호 및 제 6,078,827호는 고온 초전도 물질의 컨덕터가 동조성 유전 물질상에 장착된 코플래너 도파관을 개시하고 있다. 이와 같은 장치를 이용할 때는 비교적 저온으로 냉각시키는 것이 필요하다. 또한, 미국 특허 제 5,472,935호 및 제 6,078,827호는 Sr의 비율이 큰 SrTiO3혹은 (Ba, Sr)TiO3의 동조성막을 이용하고 있다. SrTiO3및 (Ba, Sr)TiO3은 작은 특성 임피던스를 야기하는 고 유전 상수를 갖는다. 이것은 작은 임피던스의 위상 시프터를 통상 이용되는 50Ω임피던스로 바꾸는 것을 필요로 한다.
미국 특허 제 5,617,103호는 강유전성 위상 시프트 성분을 이용하는 강유전성 위상 시프트 안테나 어레이를 개시하고 있다. 이 미국 특허 제 5,617,103호에 개시되어 있는 안테나는 강유전성 위상 시프터가 다수의 패치 안테나와 단일 기판상에 집적된 구조를 이용하고 있다. 전자 위상 시프터를 이용하는 위상 어레이 안테나의 추가 예들은 미국 특허 제 5,079,557호, 제 5,218,358호, 제 5,557,286호, 제 5,589,845호, 제 5,917,455호 및 제 5,940,030호에 개시되어 있다.
실온 및 전술한 Ku 대역(12GHz 내지 18GHz)과 같은 고주파수에서 동작할 수 있는 저가의 위상 시프터를 이용하는 위상 어레이 안테나를 제공하는 것이 바람직할 것이다. 이것은 전자 스캐닝 위상 어레이 안테나를 상업용 애플리케이션에 실용화하는데 중요한 역할을 할 수 있다.
발명의 개요
위상 어레이 안테나는 다수의 방사 요소와, 피드 라인 어셈블리(feed line assembly)와, 다수의 방사 요소와 피드 라인 어셈블리 사이에 배치된 다수의 개구를 가지고 그 다수의 방사 요소와 피드 라인 어셈블리 사이에 배치된 접지면 및 피드 라인 어셈블리에 결합된 다수의 전압 동조성 유전 위상 시프터를 포함한다.
본 발명에 따라서 구현된 안테나는 저 손실의 동조성막 유전 요소를 이용하고, 넓은 주파수 범위에서 동작할 수 있다. 코플래너 도파관을 형성하는 컨덕터는 실온에서 동작한다. 본 명세서의 장치는 고유한 설계로, 전술한 Ku 대역(12GHz 내지 18GHz)의 주파수에서도 저 삽입 손실을 보인다.
본 발명은 일반적으로 위상 어레이 안테나(phased array antenna)에 관한 것으로, 구체적으로 코플래너 도파관 전압 동조성 위상 시프터(coplanar waveguide(CPW) voltage-tuned phase shifter)를 갖는 마이크로스트립 패치 안테나(microstrip patch antenna)에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라서 구현된 1개의 직렬 배치 열의 패치 요소를 갖는 개구 결합 마이크로스트립 안테나의 분해도,
도 2는 도 1의 안테나의 방사 요소 중 하나의 정면도,
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따라서 구현된 5개의 직렬 배치 열의 패치 요소를 갖는 개구 결합 마이크로스트립 안테나의 분해도,
도 4는 본 발명에 따라서 구현된 안테나에서 이용될 수 있는 코플래너 도파관 위상 시프터의 정면도,
도 5는 라인 4-4를 따라 절단된 도 4의 위상 시프터의 단면도,
도 6은 본 발명에 따라서 구현된 안테나에서 이용될 수 있는 다른 위상 시프터의 정면도,
도 7은 라인 7-7을 따라 절단된 도 6의 위상 시프터의 단면도,
도 8은 본 발명에 따라서 구현된 안테나에서 이용될 수 있는 또다른 위상 시프터의 정면도,
도 9는 라인 9-9를 따라 절단된 도 8의 위상 시프터의 단면도,
도 10은 본 발명에 따라서 구현된 안테나에서 이용될 수 있는 위상 시프터의 등축도,
도 11은 본 발명에 따라서 구현된 안테나에서 이용될 수 있는 위상 시프터어레이의 분해 등축도,
도 12 및 도 13은 다른 개구 형상의 평면도.
첨부한 도면과 함께 바람직한 실시예의 상세한 설명을 참조하면 본 발명을 완전히 이해할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예는 전압 동조성 코플래너 도파관(CPW) 위상 시프터 및 원편광 개구 결합 마이크로스트립 패치 요소(circularly polarized aperture-coupled microstrip patch element)를 포함하는 전기 스캐닝 위상 어레이 안테나이다. CPW 위상 시프터는 전압 동조성 유전막을 포함하는데, 이 유전막의 유전 상수(유전율)는 인가되는 전계의 세기를 변화시킴으로써 변할 수 있다. 기판의 유전율을 동조시키는 것은 무선 주파수(RF) 신호가 CPW 라인을 통과할 때 위상 시프트된다. 이 유전막은 표준 후막/박막 프로세스에 의해 MgO, LaAlO3, 사파이어, Al2O3과 같은 저 유전 손실 및 높은 화학적 안정성 기판 및 다양한 세라믹 기판상에 증착될 수 있다.
도면들을 참조하면, 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라서 구현된 1개의 직렬 배치 열의 패치 요소(one serially fed column of patch elements)를 갖는 개구 결합 마이크로스트립 안테나(aperture-coupled microstrip antenna : 10)의 분해도이다. 이 안테나는 정방형 마이크로스트립 패치(12) 형태인 다수의 방사 요소를포함한다. 마이크로스트립 패치는 로하셀 포말(Rohacell?foam)과 같은 표준의 저 유전 상수 물질(14)상에 제조된다. 이 포말은 두꺼워서(> 2mm) 넓은 대역폭을 제공한다. 일반적으로, 포말이 두꺼울수록 더 넓은 대역폭을 생성한다. 그러나, 두꺼운 포말은 효율성을 저하시킨다. 전형적인 포말 두께는 파장의 약 12.5% 내지 25%이다. 정방형 패치(12)의 대칭성은 안테나의 원편광을 유지하는데 도움이 된다. 마이크로스트립 패치 요소는 다수의 개구(20)를 갖는 접지면(18)을 통해 피드 어셈블리(feed assembly : 16)에 결합된다. 접지면은 바람직하게 구리로 제조된다. 개구는 늘어난다, 즉 개구는 수직 방향과는 다른 어느 한 방향으로 늘어난다. 바람직한 실시예에서, 개구는 장방형이다. 다른 형상의 개구가 이용될 수 있다. 특정한 개구 형상의 선택은 대역폭과 프로세싱 허용치에 좌우된다. 개구는 직교쌍으로 정렬되는데, 각 쌍에서의 개구의 장축들은 원편광을 만들기 위해 서로에 대해 거의 90°로 놓여 있다.
피드 어셈블리(16)는 선형 마이크로스트립 라인(24)에 결합된 코플래너 도파관(22)을 포함하는데, 선형 마이크로스트립 라인(24) 및 코플래너 도파관(22) 모두는 기판(26)의 바닥상에 장착된다. 다수의 추가 마이크로스트립 라인(28)이 선형 마이크로스트립 라인(24)으로부터 거의 수직하게 연장된다. 각각의 추가 마이크로스트립 라인은 한 쌍의 개구 아래에 놓이도록 구부려진다. 코플래너 도파관은 중앙 스트립 라인(32)에 결합된 입력(30) 및 이 중앙 스트립 라인(32)의 한 쪽에 배치되어 갭(38 및 40)에 의해 중앙 스트립 라인(32)으로부터 분리된 한 쌍의 접지면전극(34 및 36)을 포함한다. 코플래너 도파관 끝의 전환부(42)는 도파관을 마이크로스트립 라인(24)에 결합한다. 컨덕터 패턴을 기판상에 제조하기 위해, 양 측면은 초기에 구리로 코팅된다. 그 후, 에칭 프로세싱이 이용되어 금속 시트(18) 및 기판(16)의 바닥부상에 보이는 바와 같이 특정한 패턴을 얻는다. 피드 어셈블리에서의 마이크로스트립 라인은 보통 50Ω의 특성 임피던스를 갖는다. 그러나, 코플래너 도파관 위상 시프터는 약 20Ω의 특성 임피던스를 갖는다. 임피던스 매칭은 그 차이를 바꾸는데 필요하다. 컨덕터(34 및 36)의 가늘어진 끝은 코플래너 도파관 위상 시프터를 50Ω으로 바꾼다. 그 후, 50Ω의 코플래너 도파관은 50Ω의 마이크로스트립 라인에 결합된다.
도 1은 1개의 직렬 배치 열의 패치 요소를 갖는 개구 결합 마이크로스트립 안테나를 도시하고 있다. 마이크로스트립 패치 요소는 가이드(guide)된 RF 신호 파장 길이의 거의 1/2을 갖는 정방형으로, 로하셀 포말과 같은 저 유전 상수 두께(> 2mm)의 물질상에 제조된다. 정방형 패치의 대칭성은 원편광을 유지하는데 도움이 된다. 원편광이 2개의 직교 패치 모드를 직각 위상으로 여기시켜 생성될 수 있는데, 각각의 마이크로스트립 패치는 원편광을 생성하기 위해 서로에 대해 90°위상 차이를 갖는 2개의 직교 슬롯에 의해 삽입된다. 약 2 내지 3의 유전 상수를 갖는 피드 기판상의 하나의 수직 굽힘 마이크로스트립 라인은 2개의 개구를 제공한다. 2개의 직교 슬롯간의 마이크로스트립 라인의 길이는 90°위상차를 야기한다. 도 2는 도 1의 안테나의 방사 요소 중 하나의 정면도이다.
도 3은 5개의 코플래너 위상 시프터(48)를 갖는 피드 어셈블리(46) 및기판(52)상에 장착된 5 X 5 어레이의 패치 방사 요소(50)를 갖는 위상 어레이 안테나(44)의 구조를 도시하고 있다. 접지면(54)은 피드 어셈블리(46)로부터의 신호를 방사 요소(50)에 결합하는 다수의 쌍인 직교 개구(56)를 포함한다. 피드 어셈블리는 도 1에 도시된 코플래너 도파관 및 스트립 라인과 유사한 다수의 코플래너 도파관 및 스트립 라인을 포함한다. 안테나(44)는 강자성 CPW 위상 시프터에 의해 스티어링되는 원편광 개구 결합 마이크로스트립 안테나의 예이다. 하나의 CPW 위상 시프터는 마이크로스트립 패치의 각 열의 위상을 제어하여 2차원 스캐닝을 얻는다.
도 4는 본 발명에 따라서 구현된 위상 어레이 안테나에서 이용될 수 있는 30GHz 360°의 코플래너 도파관 위상 시프터 어셈블리(60)의 정면도이다. 도 5는 라인 5-5를 따라 절단된 도 4의 위상 시프터 어셈블리(60)의 단면도이다. 위상 시프터는 약 300의 유전 상수(유전율) 및 10㎛의 두께를 갖는 동조성 유전막(80)상에 제조된다. 이 유전막은 저 유전 상수(~ 10)의 기판(90)상에 증착된다. 유전막의 두께는 증착 방법에 따라 0.5㎛에서 10㎛까지 조절될 수 있다. 또한, 실온 증착을 제공하는 다른 프로세싱이 이용되어 유전막을 기판상에 바로 증착할 수도 있다.
어셈블리(60)는 중앙 라인(64)을 포함하는 주 코플래너 도파관(62) 및 갭(70 및 72)에 의해 중앙 라인으로부터 이격된 한 쌍의 접지면 컨덕터(66 및 68)를 구비한다. 코플래너 도파관의 중앙부(74)는 약 20Ω의 특성 임피던스를 갖는다. 두 개의 테이퍼 매칭 섹션(76 및 78)은 도파관의 끝에 위치하고, 임피던스 변형기(impedance transformer)를 형성하여 20Ω임피던스를 50Ω임피던스에 매칭시킨다. 코플래너 도파관(62)은 동조성 유전 물질층(80)상에 배치된다. 또한, 도전극(66 및 68)이 동조성 유전층상에 배치되어 CPW 접지면을 형성한다. 또한, 추가의 접지면 전극(82 및 84)이 동조성 유전 물질(80)의 표면상에 배치된다. 전극(82 및 84)은 또한 도 5에 도시된 바와 같이 도파관의 에지 주위로 연장한다. 전극(66 및 68)은 제각기 갭(86 및 88)에 의해 전극(82 및 84)으로부터 분리된다. 갭(86 및 88)은 DC 전압이 CPW 갭을 통해 바이어스될 수 있도록 DC 전압을 차단한다. 전극(66 및 68)의 폭은 약 0.5mm이다. 약 200에서 400까지의 유전 상수 범위 및 MgO 기판에 있어서, 중앙 라인폭 및 갭은 약 10에서 60㎛이다. 동조성 유전 물질(80)은 저 유전 상수(약 10)의 기판(90)의 평면상에 배치되는데, 바람직한 실시예에서 기판(90)은 0.25mm의 두께를 갖는 MgO이다. 그러나, 기판은 LaAlO3, 사파이어, Al2O3및 그 밖의 세라믹 기판과 같은 다른 물질일 수 있다. 금속 홀더(92)는 도파관의 바닥과 측면을 따라 연장한다. 바이어스 전압원(94)은 인덕터(96)를 통해 스트립(64)에 연결된다.
코플래너 도파관과 마이크로스트립 라인의 접지면은 기판의 측면 에지를 통해 서로 연결된다. 위상 시프트는 코플래너 도파관의 갭을 통해 DC 전압을 인가하는 유전 상수 동조에 기인한다. 코플래너 도파관의 전압 동조성 위상 시프터는 저 손실의 동조성 유전막을 이용한다. 바람직한 실시예에서, 동조성 유전막은 DC 바이어스 전압을 인가함으로써 변할 수 있고, 실온에서 동작할 수 있는 유전 상수를 갖는 바륨 스트론튬 티탄산염(BST) 기반 합성 세라믹이다.
본 발명의 위상 시프터의 바람직한 실시예에서 이용되는 동조성 유전 물질은종래의 동조성 물질 보다 작은 유전 상수를 갖는다. 유전 상수는 20V/㎛에서 20%에서 70%까지 변할 수 있는데, 전형적으로 약 50% 정도 변할 수 있다. 바이어스 전압의 크기는 갭 사이즈에 따라 변하는데, 전형적으로 20㎛ 갭에 대해 약 300에서 400V의 범위이다. 낮은 바이어스 전압 레벨이 많은 이점을 갖지만, 필요한 바이어스 전압은 구현하는 장치 구조 및 물질에 좌우된다. 도 4 및 도 5의 위상 시프터는 360°위상 시프트되도록 설계된다. 유전 상수는 70에서 600까지의 범위일 수 있는데, 전형적으로 300에서 500까지의 범위이다. 바람직한 실시예에서, 동조성 유전 물질은 제로 바이어스 전압에서 약 500의 유전 상수를 갖는 바륨 스트론튬 티탄산염(BST) 기반 막이다. 바람직한 물질은 높은 동조성 및 저손실을 보일 것이다. 그러나, 동조성 물질은 보통 높은 동조성 및 큰 손실을 갖는다. 바람직한 실시예는 약 50%의 동조성 및 24GHz에서 0.01 내지 0.03의 범위(손실 탄젠트)인 가능한 저 손실을 갖는 물질을 이용한다. 구체적으로, 바람직한 실시예에서의 물질의 조성은 70에서 600까지의 유전 상수, 20에서 60%까지의 동조 범위 및 K와 Ka 대역에서 0.008에서 0.03까지의 손실 탄젠트를 갖는 바륨 스트론튬 티탄산염(BaxSr1-xTiO3(BSTO), 여기서 x는 1 이하인) 혹은 BSTO 합성물이다. 동조성 유전층은 박막 혹은 후막일 수 있다. 이와 같은 필요한 성능 파라미터를 갖는 BSTO 합성물의 예에는 BSTO-MgO, BSTO-MgAl2O4, BSTO-CaTiO3, BSTO-MgTiO3, BSTO-MgSrZrTiO6및 이들의 조합이 포함되지만, 이에 국한되지는 않는다.
본 발명의 바람직한 실시예의 K 및 Ka 대역의 코플래너 도파관 위상 시프터는 제로 바이어스에서 약 300 내지 500의 유전 상수(유전율) 및 10㎛의 두께를 갖는 동조성 유전막상에 제조된다. 그러나, 동조성 유전 물질의 박막 및 후막 모두가 이용될 수 있다. 동조성 유전막은 0.25mm의 두께를 갖는 CPW 영역에서 저 유전 상수의 기판 MgO상에 증착된다. 이 설명에 있어서, 저 유전 상수는 25 미만이다. MgO는 약 10의 유전 상수를 갖는다. 그러나, 기판은 LaAlO3, 사파이어, Al2O3및 그 밖의 세라믹과 같은 다른 물질일 수 있다. 동조성 물질의 막 두께는 증착 방법에 따라서 1에서 15㎛까지 조절될 수 있다. 기판에 주요하게 요구되는 것은 동작 주파수에서의 유전 손실(손실 탄젠트)외에도 막 점호 온도(film firing temperature)(~ 1200℃)에서 동조성막과 화학적으로 안정하게 반응하는 것이다.
도 6은 바이어스 전압을 접지면 전극(66 및 68)에 연결하기 위해 추가된 바이어스 돔(bias dome : 130)을 갖는 도 4의 위상 시프터 어셈블리(60)의 정면도이다. 도 7은 라인 7-7을 따라 절단된 도 6의 위상 시프터 어셈블리(60)의 단면도이다. 돔은 코플래너 도파관의 두 개의 접지면을 연결하고 주 도파관 라인을 덮는다. 전극 종단(electrode termination)(132)은 돔의 상단상에 땜납되어 DC 바이어스 전압 제어에 연결된다. DC 바이어스 제어 회로의 다른쪽 종단(도시되지 않음)은 코플래너 도파관의 중앙 라인(64)에 연결된다. DC 바이어스 전압을 CPW에 인가하기 위해, 작은 갭(86 및 88)은 DC 바이어스 돔의 안쪽 접지면 전극(66 및 68)을 코플래너 도파관의 다른쪽(바깥쪽) 접지면(전극(82 및 84))과 분리하도록 제조된다. 바깥쪽 접지면은 기판의 측면 및 바닥면 주위로 연장한다. 바깥쪽 혹은 바닥접지면은 RF 신호 접지면(134)에 연결된다. DC 전원의 양극과 음극은 제각기 돔(130)과 중앙 라인(64)에 연결된다. 접지면의 작은 갭은 DC 전압을 차단하는 DC 차단 커패시터로서 동작한다. 그러나, 커패시턴스는 RF 신호가 갭을 통과할 수 있도록 충분히 커야 한다. 돔은 접지면(66 및 68)을 전기적으로 연결한다.
마이크로스트립 라인 및 코플래너 도파관 라인은 하나의 전송 라인에 연결될 수 있다. 도 8은 다른 위상 시프터(136)의 정면도이다. 도 9는 라인 9-9를 따라 절단된 도 8의 위상 시프터의 단면도이다. 도 8 및 도 9는 마이크로스트립(138) 라인이 어떻게 코플래너 도파관 어셈블리(140)로 변형되는지를 도시하고 있다. 마이크로스트립(138)은 기판(144)상에 장착된 컨덕터(142)를 포함한다. 컨덕터(142)는 예를 들어 땜납 혹은 본딩에 의해 코플래너 도파관(148)의 중앙 컨덕터(146)에 연결된다. 접지면 컨덕터(150 및 152)는 동조성 유전 물질(154)상에 장착되고, 갭(156 및 158)에 의해 컨덕터(146)로부터 분리된다. 도시된 실시예에서, 본딩(160)은 컨덕터(142 및 146)를 연결한다. 동조성 유전 물질(154)은 비동조성 유전 기판(162)의 표면상에 장착된다. 기판(144 및 162)은 금속 홀더(164)에 의해 지지된다.
코플래너 도파관의 갭(< 0.04mm)이 기판의 두께(0.25mm) 보다 훨씬 작기 때문에, 거의 모든 RF 신호는 마이크로스트립 라인보다는 코플래너 도파관을 통해 전송된다. 이 구조는 비아 혹은 결합 변형을 필요로 하지 않고서 코플래너 도파관을 마이크로스트립 라인으로 매우 쉽게 바꾸게 한다.
도 10은 본 발명에 따라서 구현된 안테나에 관한 위상 시프터의 등축도이다.하우징(166)은 바이어스 돔 위에 형성되어 단지 두 개의 50Ω마이크로스트립 라인만이 노출되어 외부 회로에 연결되도록 전체 위상 시프터를 덮는다. 라인(168)만이 도 10에 도시되어 있다.
도 11은 위상 어레이 안테나에서 이용하기 위해 본 발명에 따라서 구현된 30GHz의 코플래너 도파관 위상 시프터 어레이(170)의 분해 등축도이다. 절연 물질로 제조되어 바이어스 네트워크(173)를 지지하는 바이어스 라인판(172)은 위상 시프터 어레이를 덮고 바이어스 전압을 위상 시프터에 연결하는데 이용된다. 각각의 위상 시프터의 돔상의 전극은 홀(174, 176, 178 및 180)을 통해 바이어스 라인판상의 바이어스 라인에 땜납된다. 위상 시프터는 무선 주파수 입력/출력 신호를 위상 시프터에 연결하기 위한 다수의 마이크로스트립 라인(184, 186, 188, 190, 192, 194, 196 및 198)을 포함하는 홀더(182)에 장착된다. 도 11에 도시된 특정한 구조는 자체의 보호 하우징을 갖는 각각의 위상 시프터를 제공한다. 위상 시프터는 위상 어레이 안테나에 설치되기 전에 개별적으로 어셈블링되고 테스트된다. 이것은 보통 수십 개에서 수천 개의 위상 시프터를 갖는 안테나의 수율을 크게 개선한다.
도 12 및 도 13은 다른 형상의 개구의 평면도이다. 도 12의 개구는 일반적으로 각각의 끝에 가로의 장방형 부분을 갖는 "I" 형상이다. 도 13의 개구는 각각의 끝에 플레이 부분(flared portions)을 갖도록 늘어난다. 특정한 형상의 개구를 선택하는 것은 대역폭과 프로세싱 허용치에 좌우된다.
위상 어레이 안테나를 구현하기 위해, 위상 시프터는 도 7에 도시된 바와 같이 개별적으로 형성된다. 코플래너 도파관은 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이 땜납과 같은 방법에 의해 마이크로스트립 라인에 결합된다. 금속 하우징은 도 10에 도시된 바와 같이 위상 시프터상에 위치한다. 방사 패치, 개구 결합 및 피드 라인은 위상 시프터(48)를 제외하면 도 3에 도시된 바와 같이 형성된다. 안테나 보드의 끝 라인은 도 11의 라인(192, 194, 196 및 198)으로 도시되어 있다. 마지막으로, 개별 위상 시프터는 도 11에 도시된 바와 같이 보드에 장착된다.
위상 시프터는 기판과, 70에서 600 사이의 유전 상수, 20에서 60%까지의 동조 범위 및 K와 Ka 대역에서 0.008에서 0.03 사이의 손실 탄젠트를 가지고 기판의 표면상에 배치된 동조성 유전막과, 기판의 맞은편에서 동조성 유전막의 표면상에 배치된 코플래너 도파관과, 무선 주파수 신호를 코플래너 도파관에 결합하기 위한 입력부와, 코플래너 도파관으로부터 무선 주파수 신호를 수신하기 위한 출력부 및 제어 전압을 동조성 유전막에 인가하기 위한 연결부를 포함한다. 본 명세서의 장치는 고유한 설계이며, K 및 Ka 대역의 주파수에서도 저 삽입 손실을 보인다.
본 발명의 바람직한 실시예의 코플래너 위상 시프터는 전압 동조성 바륨 스트론튬 티탄산염(BST) 기반 합성막상에 제조된다. BST 합성막은 우수한 작은 삽입 손실 및 바람직한 동조성을 갖는다. 이러한 K 및 Ka 대역의 코플래너 도파관 위상 시프터는 반도체 기반 위상 시프터에 비해 높은 파워 처리, 저 삽입 손실, 고속 동조, 저가 및 높은 반방사 특성(high anti-radiation property)의 이점을 제공한다. 물질의 유전 손실은 일반적으로 주파수에 따라서 증가한다. 종래의 동조성 물질은 매우 손실이 큰데, 특히 K 및 Ka 대역에서 그러하다. 종래의 동조성 물질로부터 제조된 코플래너 위상 시프터는 손실이 너무 커서, K 및 Ka 대역에서 위상 어레이안테나에 이용될 수 없었다. 본 발명의 위상 시프터 구조는 어떤 동조성 물질에도 적합하다는 점에 유의해야 한다. 그러나, 저 손실의 동조성 물질이 양호하고 유용한 위상 시프터를 제조할 수 있다. 마이크로스트립 라인 위상 시프터용으로 저 유전 상수의 물질을 이용하는 것이 바람직한데, 이는 고 유전 상수의 물질이 마이크로스트립 라인 위상 시프터의 K 및 Ka 대역의 주파수 범위에서 고속 EM 모드를 쉽게 생성하기 때문이다. 그러나, 종래에는 이와 같은 저 유전 상수(< 100)의 물질이 이용될 수 없었다.
본 발명의 안테나에서의 위상 시프터의 바람직한 실시예는 BST 및 그 밖의 물질을 포함하는 합성 물질 및 두 가지 이상의 위상을 이용한다. 이러한 합성물은 종래의 ST 혹은 BST 막에 비해 훨씬 작은 유전 손실 및 바람직한 동조성을 보인다. 이러한 합성물은 종래의 ST 혹은 BST 막에 비해 훨씬 저 유전 상수를 갖는다. 저 유전 상수는 위상 시프터를 설계하고 제조하는 것을 용이하게 한다. 이러한 위상 시프터는 실온(~ 300°K)에서 동작할 수 있다. 실온 동작은 100°K에서 동작하는 종래 기술의 위상 시프터에서 보다 훨씬 쉽고 저렴하다.
본 발명은 접지 터미널 및 우주 통신 혹은 레이더 애플리케이션을 트래킹하기 위한 저가의 전기 스캐닝 위상 어레이 안테나를 제공한다. 본 발명의 바람직한 실시예는 실온의 전압 동조성 코플래너 도파관(CPW) 위상 시프터 및 원편광 마이크로스트립 위상 안테나를 포함한다. 코플래너 위상 시프터는 전압 동조성 바륨 스트론튬 티탄산염(BST) 기반 합성막상에 제조된다. BST 합성막은 우수한 작은 유전 손실 및 바람직한 동조성을 갖는다. 이러한 CPW 위상 시프터는 반도체 기반 위상시프터에 비해 높은 파워 처리, 저 삽입 손실, 고속 동조, 저가 및 높은 반방사 특성의 이점을 갖는다. 위상 어레이 안테나는 2개의 직교 슬롯을 통해 개구를 결합하여 삽입되는 원편광의 정방형 마이크로스트립 패치를 포함한다. 개구 결합 마이크로스트립 안테나는 전송 라인 혹은 프로브 배치 패치 안테나에 대해 피드 네트워크용의 더 많은 공간, 비아의 필요성 제거, 입력 임피던스의 용이한 제어, 우수한 원편광 및 저가와 같은 여러 이점을 제공한다. 개구 결합 마이크로스트립 안테나는 어떠한 DC 블록도 위상 시프터와 방사 패치 사이에 필요하지 않기 때문에 전압 동조성 위상 시프터에 대해 추가 이점을 갖는다. 이와 같은 이점은 위상 시프터를 안정하게 하고 바이어스를 용이하게 한다.
본 발명은 마이크로스트립 위상 시프터에 비해 Ku 대역 이상과 같은 고주파수 애플리케이션에 적합한 CPW 전압 동조성 위상 시프터를 이용한다. CPW 위상 시프터는 또한 마이크로스트립 위상 시프터 보다 더 넓은 대역폭, 낮은 바이어스 전압 및 간단한 구조를 보인다. 개구 결합 기법은 어떠한 DC 격리도 위상 시프터와 방사 요소 사이에 필요하지 않기 때문에 전압 동조성 위상 시프터 애플리케이션에 대해 고유한 이점을 갖는다. 이와 같은 이점은 안테나 시스템이 간단하고 안정하며 저렴하게 한다.
바람직한 실시예에 관해 본 발명을 설명하였지만, 당업자라면 본 발명의 청구범위에 규정되어 있는 본 발명의 범주를 벗어나지 않고서 바람직한 실시예를 다양하게 변경할 수 있다는 것을 알 것이다.

Claims (20)

  1. 위상 어레이 안테나(a phased array antenna)에 있어서,
    다수의 방사 요소(a plurality of radiating elements)와,
    피드 라인 어셈블리(a feed line assembly)와,
    상기 다수의 방사 요소와 상기 피드 라인 어셈블리 사이에 배치된 접지면 - 상기 접지면은 상기 다수의 방사 요소와 상기 피드 라인 어셈블리 사이에 배치된 다수의 개구를 가짐 - 과,
    상기 피드 라인 어셈블리에 결합된 다수의 전압 동조성 유전 위상 시프터(a plurality of voltage tunable dielectric phase shifters)를 포함하는
    위상 어레이 안테나.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 다수의 전압 동조성 유전 위상 시프터 각각은
    기판과,
    70에서 600 사이의 유전 상수, 20에서 60%까지의 동조 범위 및 K와 Ka 대역에서 0.008에서 0.03 사이의 손실 탄젠트(a loss tangent)를 갖는 동조성 유전막(a tunable dielectric film) - 상기 동조성 유전막은 상기 기판의 표면상에 배치됨 - 과,
    상기 기판의 맞은편에서 상기 동조성 유전막의 표면상에 배치된 코플래너 도파관(a coplanar waveguide)과,
    무선 주파수 신호를 도전성 스트립(a conductive strip)에 결합하기 위한 입력부와,
    상기 도전성 스트립으로부터 상기 무선 주파수 신호를 수신하기 위한 출력부와,
    제어 전압을 상기 동조성 유전막에 인가하기 위한 연결부를 포함하는 위상 어레이 안테나.
  3. 제 2 항에 있어서,
    고 유전 상수의 전압 동조성 유전막은 바륨 스트론튬 티탄산염 합성물(a barium strontium titanate composite)을 포함하는 위상 어레이 안테나.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 입력부에 결합된 상기 코플래너 도파관의 제 1 임피던스 매칭 섹션(a first impedance matching section)과,
    상기 출력부에 결합된 상기 코플래너 도파관의 제 2 임피던스 매칭 섹션을 더 포함하는 위상 어레이 안테나.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 임피던스 매칭 섹션은 제 1 테이퍼 코플래너 도파관 섹션(a first tapered coplanar waveguide section)을 포함하고,
    상기 제 2 임피던스 매칭 섹션은 제 2 테이퍼 코플래너 도파관 섹션을 포함하는 위상 어레이 안테나.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 제어 전압을 상기 동조성 유전막에 인가하기 위한 연결부는
    제 1 전극과 상기 도전성 스트립 사이에 제 1 갭을 형성하기 위해 상기 도전성 스트립의 제 1 측면에 인접해 배치된 제 1 전극과,
    제 2 전극과 상기 도전성 스트립 사이에 제 2 갭을 형성하기 위해 상기 도전성 스트립의 제 2 측면에 인접해 배치된 제 2 전극을 포함하는 위상 어레이 안테나.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 전극과 제 3 전극 사이에 제 3 갭을 형성하기 위해 상기 도전성 스트립의 맞은편에서 상기 제 1 전극의 제 1 측면에 인접해 배치된 제 3 전극과,
    상기 제 2 전극과 제 4 전극 사이에 제 4 갭을 형성하기 위해 상기 도전성 스트립의 맞은편에서 상기 제 2 전극의 제 1 측면에 인접해 배치된 제 4 전극을 더 포함하는 위상 어레이 안테나.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 전기적으로 연결된 도전성 돔(a conductive dome)을 더 포함하는 위상 어레이 안테나.
  9. 제 2 항에 있어서,
    상기 기판은 MgO, LaAlO3, 사파이어, Al2O3및 세라믹 중 하나를 포함하는 위상 어레이 안테나.
  10. 제 2 항에 있어서,
    상기 기판은 25 미만의 유전 상수를 갖는 위상 어레이 안테나.
  11. 제 2 항에 있어서,
    상기 동조성 유전막은 300 보다 큰 유전 상수를 갖는 위상 어레이 안테나.
  12. 제 2 항에 있어서,
    상기 위상 시프터를 덮는 도전성 하우징(a conductive housing)을 더 포함하는 위상 어레이 안테나.
  13. 제 2 항에 있어서,
    상기 동조성 유전막은 바륨 스트론튬 티탄산염(BaxSr1-xTiO3(BSTO), 여기서 x는 1 이하인), BSTO-MgO, BSTO-MgAl2O4, BSTO-CaTiO3, BSTO-MgTiO3, BSTO-MgSrZrTiO6및 이들 조합의 그룹 중 하나를 포함하는 위상 어레이 안테나.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 개구는 늘어나고,
    상기 개구의 직교쌍은 상기 방사 요소 각각에 인접해 배치되는 위상 어레이안테나.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 피드 라인 어셈블리는 제 1 마이크로스트립 라인 및 다수의 추가 마이크로스트립 라인을 포함하되, 상기 다수의 추가 마이크로스트립 라인 각각은 상기 제 1 마이크로스트립 라인으로부터 수직 연장되고, 상기 개구쌍 중 하나에 인접해 위치하는 위상 어레이 안테나.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 다수의 추가 마이크로스트립 라인 각각은 상기 개구의 직교쌍 중 인접한 하나의 개구 사이에 90°위상 시프트를 제공하는 위상 어레이 안테나.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 방사 요소 각각은 정방형 형상을 갖는 위상 어레이 안테나.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 다수의 방사 요소는 다수의 행과 열로 정렬되고, 상기 피드 라인 어셈블리는 상기 방사 요소의 각각의 열에 대해 다수의 추가 마이크로스트립 라인 및 제 1 마이크로스트립 라인을 포함하되, 상기 다수의 추가 마이크로스트립 라인 각각은 상기 제 1 마이크로스트립 라인으로부터 수직 연장되는 위상 어레이 안테나.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 개구는 늘어나고,
    상기 개구의 직교쌍은 상기 방사 요소 각각에 인접해 배치되는 위상 어레이 안테나.
  20. 제 14 항에 있어서,
    상기 다수의 추가 마이크로스트립 라인 각각은 상기 개구쌍 중 하나에 인접해 위치하는 위상 어레이 안테나.
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