KR20030042024A - 버틀러 매트릭스 및 렌즈 ｅｓａ를 갖는 등각의 2차원전자 스캔 안테나 - Google Patents

버틀러 매트릭스 및 렌즈 ｅｓａ를 갖는 등각의 2차원전자 스캔 안테나 Download PDF

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KR20030042024A
KR20030042024A KR10-2003-7005594A KR20037005594A KR20030042024A KR 20030042024 A KR20030042024 A KR 20030042024A KR 20037005594 A KR20037005594 A KR 20037005594A KR 20030042024 A KR20030042024 A KR 20030042024A
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Abstract

본 발명은 안테나 및 안테나 여기 방법에 관한 것이다. 본 발명의 안테나는 방사 소자의 실린더형 어레이(20)를 포함한다. 상기 각각의 소자는 세로축에 대하여 소정의 실질적으로 횡단하는 각도로 장착된다. 회로(30)는 세로축에 대하여 적어도 실질적으로 횡단하는 고도축을 따라 전자기 에너지의 송신 또는 수신 빔을 스캔하는 데 효과적인 적어도 2개의 소자들 사이에 전위를 제공하도록 포함된다. 예시적인 실시예에서, 어레이는 평면, 평행, 도전성, 링-형의 방사 소자의 적층을 포함하며, 각각은 강유전체 벌크 재료로 채워져 있다. 제2 회로(70)는 적어도 몇 개의 소자들을 여기하도록 포함되어, 상기 소자들이 세로축에 대하여 전자기 에너지 오프-축의 송신 또는 수신 빔을 생성하게 한다. 바람직한 실시예에서, 제2 회로는 버틀러 매트릭스이며, 상기 빔이 상기 세로축에 대하여 방위각으로 스캐닝하게 하는 데 효과적이며, 상기 방위각의 축은 세로축 및 고도축에 대하여 적어도 실질적으로 횡단한다.

Description

버틀러 매트릭스 및 렌즈 ＥＳＡ를 갖는 등각의 2차원 전자 스캔 안테나{CONFORMAL TWO DIMENSIONAL ELECTRONIC SCAN ANTENNA WITH BUTLER MATRIX AND LENS ESA}
탐색 장치(seeker)는 전자기 방사를 감지하는 데 사용된다. 특정 어플리케이션에 대해서, 적어도 2개의 탐색 장치가 필요하다. 예를 들어, 미사일 기술에서, 적외선(IR) 탐색 장치 및 무선 주파수(RF) 탐색 장치가 필요하다. 탐색 장치 둘 다 미사일의 두부(nose)에 장착되어야만 하기 때문에, 하나는 통상 다른 하나의 시야를 적어도 부분적으로 가린다. IR 탐색 장치는 RF 탐색 장치에 대한 사각 지역(blind spot)을 생성할 뿐만 아니라, 그 안테나의 필드 방사 패턴을 퇴화시킨다.
이러한 상태는 타겟 검출 및 판별에서의 보다 높은 레벨의 성능을 달성하기 위해 보다 높은 주파수의 탐색 장치를 사용하려는 경향이 있다는 사실에 의해 악화된다. 현재의 RF 탐색 장치가 X 대역(8 내지 12GHz)에서 동작하는 동안, 보다 새로운 탐색 장치는 Ka 대역 또는 W 대역(27 내지 40GHz)에서 동작하도록 계획된다. 그러나, X 대역 특성에 대한 필요성이 존재하고 있다. 따라서, 2개의 안테나들이필요하고 상술된 폐색(occlusion)의 문제를 일으키게 된다.
따라서, 탐색 장치가 다른 것의 동작에 간섭하지 않는 방식으로, 2개 이상의 탐색 장치를 단일 하우징(housing)으로 통합하기 위한 시스템 또는 방법에 대한 기술이 필요하다.
<발명의 개시>
본 발명의 안테나 및 안테나 여기 방법(excitation method)에 대한 필요성이 제기된다. 본 발명의 독창적인 안테나는, 각각의 소자가 세로축에 대해 소정의 실질적으로 횡단하는 각도로 장착되는 방사 소자들의 어레이와, 세로축에 대해 적어도 실질적으로 횡단하는 고도축(elevation axis)을 따라 전자기 에너지의 송신 또는 수신 빔을 스캔하는 데 효과적인 적어도 2개의 소자들 사이에 전위를 제공하는 회로를 포함한다.
예시적 실시예에서, 어레이는 평면, 평행, 도전성, 링-형의 방사 소자의 적층을 포함하며, 그 각각은 강유전체 벌크 재료로 채워진다. 공간 매칭 재료는 각 소자의 내부 및 외부 주변 위에 배치된다.
제2 회로가 적어도 몇 개의 소자를 여기시키기 위해 특정 구현에 포함되어, 소자가 세로축에 대하여 전자기 에너지 오프-축(off-axis)의 송신 또는 수신 빔을 생성하게 한다. 바람직한 실시예에서, 제2 회로는 버틀러(Butler) 매트릭스이며 상기 빔이 세로축에 대한 방위각으로 스캔하도록 하는 데 효과적이며, 상기 방위각의 축은 세로축 및 고도축에 대해 적어도 실질적으로 횡단한다.
본 발명은 안테나에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 전자적으로 스캐닝된 안테나에 관한 것이다.
도 1은 종래의 교시에 따라 구성된 다중-모드 미사일의 원추형 두부(nose cone)의 간략한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 교시에 따라 구성된 다중-모드 안테나의 블록도이다.
도 3은 도 2의 렌즈 어레이의 개략적인 분해 측면 투시도이다.
도 4는 도 3에 도시된 어레이의 단일 방사 소자의 상면도이다.
도 5는 도 4에 도시된 플레이트의 일부의 측단면도이다.
도 6은 도 2에 도시된 바이너리 피드(binary feed)의 일부를 도시한 도면이다.
도 7은 버틀러 매트릭스가 본 발명에 따른 단일 방사 소자에 어떻게 접속되어 있는지를 도시하는 도면이다.
도 8은 버틀러 매트릭스의 출력이 본 발명의 안테나 어레이의 방사 소자 각각에 접속된 구성을 도시한 개략도이다.
도 9는 본 발명에 따른 실린더형 렌즈 전자 스캔 어레이 및 버틀러 매트릭스를 갖는 단일 펄스(monopulse) 구성을 도시한 도면이다.
이제 예시적 실시예 및 예시적 어플리케이션이 첨부한 도면을 참조하여 설명되어, 본 발명의 이점이 있는 교시를 개시할 것이다.
본 발명은 여기에서 특정 어플리케이션에 대한 예시적 실시예를 참조하여 설명되었으나, 본 발명은 이에 제한되지 않음을 이해해야할 것이다. 본 발명에 제공된 교시에 접근할 수 있고 본 기술 분야에서의 숙련자라면 본 발명이 중요하게 사용될 수 있는 추가 분야 및 그 범주내에서의 추가 수정, 응용, 및 실시예를 인식할 것이다.
도 1은 종래의 교시에 따라 구성된 다중-모드 미사일의 원추형 두부의 개략적인 단면도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 미사일(10')은 RF 탐색 장치(14')가 장착된 원추형 두부(12')를 갖는다. 탐색 장치(14')에 의해 방사된(또는 수신된) 전자기 에너지(16')는 원추형 두부(12')의 말단부에 배치되어 있는 IR 탐색 장치(18')에 의해 적어도 부분적으로 차단된다. 따라서, 도 1은 어떠한 탐색 장치도 다른 것의 동작에 간섭을 주지 않는 방식으로, 2개 이상의 탐색 장치를 단일 하우징으로 통합하기 위한 시스템 또는 방법에 대한 본 기술 분야의 필요성을 나타낸다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 안테나 및 안테나 여기 방법에 대한 필요성이 제기된다. 하기에서 보다 상세히 설명되는 바와 같이, 본 발명의 안테나는 각각의 소자가 세로축에 대하여 소정의 실질적으로 횡단하는 각도로 장착되는 방사 소자들의 어레이와, 세로축에 적어도 실질적으로 횡단하는 고도축을 따라 전자기 에너지의 송신 또는 수신 빔을 스캔하는 데 효과적인 적어도 2개의 소자들 사이에 전위를 제공하는 회로를 포함한다. 예시적 실시예에서, 어레이는 평면, 평행, 도전성, 링-형 방사 소자의 적층을 포함하며, 그 각각은 강유전체 벌크 재료로 채워져 있다. 공간 매칭 재료는 각 소자의 내부 및 외부 주변 위에 배치되어 있다. 제2 회로는 적어도 몇 개의 소자를 여기하기 위해 특정 구현에 포함되어, 소자가 세로축에 대하여 전자기 에너지 오프-축(off-axis)의 송신 또는 수신 빔을 생성하게 한다. 바람직한 실시예에서, 제2 회로는 버틀러 매트릭스이며, 상기 빔이 세로축에 대한 방위각으로 스캐닝하도록 하는 데 효과적이며, 상기 방위각의 축은 세로축 및 고도축에 대하여 적어도 실질적으로 횡단한다.
도 2는 본 발명의 교시에 따라 구성된 다중-모드 안테나의 블록도이다. 안테나(10)는 방사 소자(20)의 등각(바디-고정) 위상 상태(conformal phased)의 어레이를 포함한다.
도 3은 도 2의 렌즈 어레이의 개략적인 분해 측면 투시도이다. 렌즈 어레이(20)의 주된 소자(principal element)는 강유전체 벌크 재료로 채워진 평행 플레이트를 갖는 TEM 모드 전송 라인이다. 등각 어레이에 대하여, 렌즈 어레이(20)는 실린더형이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 어레이(20)는 n이 도 3에 도시된 도전성 재료의 평면, 평행, 링-형 플레이트(22, 24, 26, 28, 및 29)의 적층을 포함한다. 예시적 실시예에서, 상기 플레이트들은 금 혹은 다른 적합한 도전체로 이루어져 있다.
도 4는 도 3에 도시된 어레이의 단일 방사 소자의 상면도이다. 도 3 및 도 4에 예시된 바와 같이, 플레이트는 강유전체 재료(23)로 채워져 있으며 공간 매칭 변압기를 제공하는 내부 링(25) 및 외부 링(27)을 포함한다. 강유전체 재료의 유전 상수는 인가된 DC 바이어스 전압에 따라 변화하며, 렌즈 어레이를 통과하는 RF파의 위상은 인가된 DC 바이어스 전압의 함수로서 변화한다. 따라서, 적층된 실린더형 렌즈 소자는 실린더형 렌즈 소자에 적당한 DC 바이어스를 설정함으로써 고도로(in elevation) 스캐닝할 것이다.
도 5는 도 4에 도시된 플레이트의 일부의 측단면도이다. 공간 매칭 변압기는 고유전체 재료 또는 평행 플레이트로 이루어질 수 있다. 공간 매칭 소자의 기능은 모든 RF 에너지를 공간으로 방사하는 것이다. 본 기술 분야에서 숙련된 자라면 본 발명이 방사 소자(22, 24, 26, 28, 및 29)의 크기, 형태, 갯수 또는 구성에 제한되지 않음을 알 수 있을 것이다. 수많은 다른 설계들이 여러 응용들에 대하여 사용될 수 있다.
본 기술 분야에서의 숙련된 사람이라면 알 수 있는 바와 같이, 강유전체 재료의 사용은 인가된 DC 전압의 제공에 대하여, 재료의 유전 상수가 변화하고 도 3에 예시된 바와 같이 소자로부터 방사된 출력 빔의 고도에서의 변화에 영향을 미치는 데 유리하다. 즉, 평행 플레이내에서의 마이크로웨이브 전파 속도는, 강유전체 재료의 유전 상수가 그에 따라 변화할 때 플레이트들 간의 DC 전압 바이어스의 함수로서 변화한다. 그 결과, 들어오는 RF 신호의 위상은 그 DC 바이어스에 따라 렌즈 소자에 의해 변화한다. 렌즈 소자의 적층된 어레이가 DC 바이어스 전압의 적당한 설정으로 바이어스되고 평면 어레이에 의해 제공될 때, 어레이의 출력은 1차원으로 스캐닝될 것이다.
통상의 강유전체 재료는 BST(베릴륨, 스트론튬 티타네이트(tetanate) 복합물, 액정 등)를 포함한다. 본 기술 분야에서의 숙련자라면 본 발명이 방사 소자에서 강유전체 재료의 사용에 제한되지 않음을 알 수 있을 것이다. 인가된 전압에 응답하여, 출력 빔의 앙각(elevational angle)에서의 변화를 제공하는 구성이 본 발명의 교시의 범위내에서 사용될 수 있다.
다시 도 2로 되돌아와서, 플레이트들 간의 전압 차 Vn은 소스(30)에 의해 공급된다. 실질적으로, 소스(30)는 전력 분리기 회로, 디지털 제어된 전원 또는 다른 적합한 구성일 수 있다. 소스는 입/출력 회로(50)를 통해 수신된 입력에 응답하여 시스템 제어기(40)에 의해 제어된다.
방위각으로의 출력 빔의 스캐닝은 하기에서 보다 상세히 설명되는 바와 같이 다중-빔(예를 들어, 버틀러 매트릭스) 회로의 사용을 통해 영향을 받는다.
도 2에 도시된 바와 같이, RF 전송기(예를 들어, 이동하는(traveling) 웨이브 튜브)(60)로부터의 전송 신호는 순환 장치(62)에 의해 l:m의 전력 분할기(64)로 향한다. 전력 분할기의 'm' 출력 각각은 고정 위상 시프터(66) 및 가변 위상 시프터(68)를 포함하는 위상 시프터 구성을 통해 버틀러 매트릭스의 연관된 입력에 접속된다. 따라서, 전력 분할기의 각각의 출력은 버틀러 매트릭스(70)로의 모드 입력에 입력을 제공한다. 제1 모드에서, 제1 입력에 제공된 신호는 버틀러 매트릭스(70)의 'x' 출력 각각에 제공된다. 버틀러 매트릭스 회로의 출력은 피드 구성(80)을 통해 실린더형 어레이(20)의 방사 소자에 제공된다. 피드 구성(80)은 도 6에 보다 상세히 도시되어 있다.
도 6은 도 2에 도시된 바이너리 피드의 일부를 도시한 도면이다. 도 6에서, 바이너리 피드(80)는 투시적으로 방사 플레이트 또는 렌즈의 단면을 도시하도록 회전되어 있다. 바이너리 피드는 통합 피드(corporate feed), 간단한 전력 분할기, 시리즈 피드 또는 다른 적합한 구성을 포함할 수 있다. 도 6으로부터 분명한 바와같이, 플레이트(22, 24) 등은 원형 또는 링-형의 디스크일 필요는 없다. 작고, 구분적인 사각형의 방사 소자가 본 발명의 교시의 범위 내에서 하나의 바디 또는 하우징에 사용될 수 있다.
도 7은 버틀러 매트릭스가 본 발명의 교시에 따라 단일 방사 소자에 어떻게 접속되는지를 도시하는 도면이다. 도 7에서, 9개의 접속만이 버틀러 매트릭스(70) 및 소자(22) 사이에 도시되어 있다. 실제로, 360°방위각의 커버리지에 대하여, 버틀러 매트릭스(80)의 각각의 출력은 플레이트(22) 상의 대응하는 위치에 접속되어 있다. 또한, 최적의 모드에서, 버틀러 매트릭스(80)의 각각의 출력은 어레이(20)내의 다른 방사 소자들 각각의 동일한 위치에 접속되어 있다. 이것은 도 8에 도시되어 있다.
도 8은 버틀러 매트릭스의 출력이 본 발명의 안테나 어레이의 각각의 방사 소자에 접속된 구성을 도시한 개략도이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 버틀러 매트릭스는 2차원(2D) 개구의 분포(aperture distribution)를 3차원(3D) 개구의 분포로 변환한다.
도 7 및 도 8에 도시된 분포에서, 연관된 개구 분포(83)를 가진 제1 빔(82)은 각각의 모드에 대하여 적당한 위상 시프터 구성을 갖는 버틀러 매트릭스에 의해 생성된 모든 환형 모드(circular mode)를 사용함으로써 방위각의의 제1 각도로 생성되며, 연관된 개구 분포(85)를 가진 제2 빔(84)은 제2 여기 조건에서 방위각의의 제2 각도로 생성된다. 따라서, 방위각으로의 스캐닝은 고정 및 가변 위상 시프터의 적당한 선택에 의해 그리고 신호를 버틀러 매트릭스로의 각각의 입력에 순차적으로 가함으로써 실행된다.
따라서, 방위각 스캔은 버틀러 매트릭스(70) 및 가변 위상 시프터로 달성되며, 고도 스캔(elevation scan)은 가변 DC 전압 바이어스의 셋트를 통해 실린더형 렌즈 전자 스캔 어레이(ESA)(20)로 달성된다. 버틀러 매트릭스의 각각의 입력 포트는 실린더 상의 상이한 환형 모드를 나타낸다. 버틀러 매트릭스의 입력 및 출력은 이산 푸리에 변환 쌍이다. 이들 환형 모드의 단순한 중첩(superposition)은 방위각 스캔 위치에 대하여 소망의 개구 분포를 제공한다. 도 7에서의 개구 분포는, 모든 에너지가 적당한 하측 로브 테이퍼(lob taper)를 포함하는 소망하는 방사 방향으로만 분산되는 것을 가리킨다. 가변 위상 시프터로 새로운 셋트의 위상들을 할당함으로써, 동일한 개구 분포는 어레이(20) 주위에 자유롭게 회전될 수 있다. 각각의 바이너리 피드 출력은 렌즈 어레이(20)의 입력부(실린더의 내부 원)에 공간적으로 또는 끊임없이 공급한다.
시스템 제어기(40)는 방위각 및 고도 스캔 제어 신호를 제공한다. 따라서, 예시적 응용으로, 도 2의 시스템은 원뿔형/실린더형의 등각 안테나(10)의 시야를 차단하지 않으면서, 미사일의 원추형 두부(12)에 위치한 탐색 장치(19)를 수용한다.
즉, 도 2에 도시된 시스템은 2중 모드(IR & RF 또는 RF & RF) 탐색 장치에 대하여 사용될 수 있다. 이러한 실시예에서, RF 탐색 장치는 타겟 탐지를 위해 순차적인 로빙(sequential lobbing) 또는 단일 펄스 방법일 수 있다.
도 9는 본 발명의 교시에 따라 버틀러 매트릭스 및 실린더형 렌즈 전자 스캔 어레이를 갖는 단일 펄스 구성을 도시한 도면이다. 단일 펄스 RF 탐색 장치는 4개의 여분의 위상 시프터 셋트를 가진 4개의 버틀러 매트릭스로 실현될 수 있다. 본 발명의 교시는 공중 미사일, 항공기 또는 정지 추적 시스템내의 2중 모드의 탐색 장치에 대하여 사용될 수 있다.
따라서, 본 발명은 본원에서 특정 응용에 대한 특정 실시예를 참조하여 설명되었다. 본 교시에 접근할 수 있고 본 기술 분야에서의 숙련자라면 본 발명의 범위내에서의 추가 수정, 응용, 및 실시예를 인식할 것이다.
따라서, 첨부된 청구범위는 본 발명의 범위내에서 임의의 모든 응용, 수정, 및 실시예를 커버하도록 의도되었다.

Claims (11)

  1. 안테나에 있어서,
    방사 소자들(radiating elements) - 상기 각각의 소자는 세로축에 대하여 소정의 실질적으로 횡단하는 각도로 장착됨 - 의 실린더형 어레이(20), 및
    상기 세로축에 대하여 적어도 실질적으로 횡단하는 고도축(elevational axis)을 따라 전자기 에너지의 송신 또는 수신 빔을 스캔하는 데 효과적인 적어도 2개의 소자들 사이에 전위를 제공하는 회로(30)
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 각각의 소자는 강유전체 벌크 재료(25)로 채워진 안테나.
  3. 제1항에 있어서,
    적어도 몇 개의 상기 소자들을 여기하기 위한 제2 회로를 더 포함하여, 상기 소자가 상기 세로축에 대하여 전자기 에너지 오프-축(off-axis)의 송신 또는 수신 빔을 발생하게 하는 안테나.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2 회로는 상기 소자를 여기시키기 위한 회로를 포함하여, 상기 빔이상기 세로축에 대해 방위각으로 스캐닝하도록 하며, 상기 방위각의 축은 상기 세로축 및 상기 고도축에 대하여 적어도 실질적으로 횡단하는 안테나.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제2 회로는 버틀러 매트릭스(Butler matrix)(70)를 포함하는 안테나.
  6. 제5항에 있어서,
    신호 소스(60)를 더 포함하는 안테나.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 소스(60)에 접속된 전력 분할기(64)를 더 포함하는 안테나.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 전력 분할기의 출력 및 상기 버틀러 매트릭스 사이에 접속된 위상 시프팅 소자(66)를 더 포함하는 안테나.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 버틀러 매트릭스(70)와 상기 전력 분할기(64)의 출력 사이에 접속된 가변 위상 시프터(68)를 더 포함하는 안테나.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 버틀러 매트릭스와 상기 어레이 사이에 접속된 피드 네트워크(feed network)(80)를 더 포함하는 안테나.
  11. 제4항에 있어서,
    상기 빔을 방위 및 고도로 제어하기 위한 제어기(40)를 더 포함하는 안테나.
KR10-2003-7005594A 2001-08-22 2002-08-22 버틀러 매트릭스 및 렌즈 ｅｓａ를 갖는 등각의 2차원전자 스캔 안테나 KR20030042024A (ko)

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