KR20040027980A - 통합된 위상 천이기를 구비한 조정 가능한 안테나 공급네트워크 - Google Patents

통합된 위상 천이기를 구비한 조정 가능한 안테나 공급네트워크 Download PDF

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Abstract

본 발명은 공통 라인(10)과 둘 이상의 포트(20 내지 28)들 사이에 신호를 공급하기 위한 장치에 관한 것이다. 장치는 공통 라인을 포트들과 결합시키는 공급 라인(1 내지 18)들의 분지된 네트워크를 포함한다. 공급 라인은 네트워크를 통과하는 신호의 반사를 감소시키기 위해 가변 폭의 트랜스포머 부분(11, 12, 29)을 갖는다. 유전성 부재(47a, 47b)가 네트워크에 인접하여 장착되며, 공통 라인과 하나 이상의 포트 사이의 위상 관계를 동기적으로 조정하도록 이동될 수 있다. 유전성 부재는 또한 네트워크를 통과하는 신호의 반사를 감소시키기 위한 트랜스포머 부분(91, 93)을 갖는다. 네트워크의 연결부(69)들 중 적어도 하나는 유전성 부재와 중첩하지 않거나, 또는 유전율이 감소된 영역을 중첩한다.

Description

통합된 위상 천이기를 구비한 조정 가능한 안테나 공급 네트워크 {ADJUSTABLE ANTENNA FEED NETWORK WITH INTEGRATED PHASE SHIFTER}
종래에, 조정 가능한 안테나 요소들은 안테나 배열부 내에 캐스케이딩된 전력 분할기, 트랜스포머, 및 위상 천이기로 구성된다. 고성능 안테나에서, 이러한 구성 요소들은 서로 강하게 상호 작용하여, 때때로 바람직한 비임 형상을 바람직하지 않게 만든다.
복수의 표준 비임 형성 네트워크가 과거에 이러한 문제점을 해결하기 위해 제안되었다.
도1은 미국 특허 제5,949,303호에 설명된 위상 천이기의 일부의 평면도이다. 입력 단자(100)가 입력 공급 라인(101)에 결합되어 있다. 공급 라인(102)이 연결부(103)로부터 분지 되어 제1 출력 단자(104)로 이어진다. 제2 출력 단자(105)가 사행형 루프(106)에 의해 연결부(110)에서 공급 라인(102)에 결합된다. 유전성 슬래브(107)가 공급 라인(102) 및 루프(106)를 부분적으로 덮으며, 공급 라인(102)의길이를 따라 루프(106) 위에서 이동 가능하다.
슬래브(107)의 선단 모서리(108)는 도2에 도시된 바와 같이 단차형 리세스(109)를 구비하여 형성된다. 단차형 리세스(109)는 공급 라인을 따라 전파되는 전파(radio wave) 에너지의 반사를 최소화하도록 치수가 결정된다.
이러한 배열은 여러 단점을 겪는다.
첫째, 이동식 유전성 몸체(107)의 리세스(108)가 트랜스포머와 같이 작동하여 입력 단자(100)로부터 출력 단자로의 방향에서 전파 임피던스를 증가시킨다. 입력부 및 모든 출력부에서 동일한 임피던스를 갖기 위해, 미국 특허 제5,949,303호에 도시된 장치는 연결부(110)와 출력 단자(104) 사이에 추가적인 트랜스포머를 요구한다.
둘째, 입력 단자(100)로부터 첫 번째인 101을 제외한 모든 공급 라인은 유전성 판의 모서리와 두 번 교차한다. 그러므로, 2개의 리세스에서의 반사가 가산되어 유전성 판의 위치에 따라 하나의 리세스에서의 반사를 배가시킬 수 있다.
셋째, 출력 단자들의 상대 위치는 배치에 대해 제약을 가하고, 이는 몇몇 장치를 위한 비임 형성 네트워크의 물리적인 실현과 양립 불가능할 수 있다.
넷째, 슬래브(107) 내에 리세스(109)를 정확하고 일관되게 제조하는 것이 곤란할 수 있다.
다섯째, 이러한 접근은 홀수의 출력포트를 포함하는 선형 어레이에 대해 적합하지 않다.
본 발명은 공통 라인과 둘 이상의 포트들 사이에 신호를 공급하기 위한 장치에 관한 것이다. 본 발명은 또한 유전성 위상 천이기(phase shifter) 및 유전성 위상 천이기를 제조하는 방법에 관한 것이다.
도1은 종래 기술의 장치의 개략적인 평면도이다.
도2는 도1에 도시된 종래 기술의 장치의 모서리의 측면도이다.
도3a 내지 도3c는 이동식 유전성 바아가 3개의 다른 위치에 있는, 통합된 조정식 다채널 위상 천이기를 구비한 안테나 비임 형성 네트워크를 위한 10-포트 장치의 세 가지 평면도(폭은 길이 감소의 1/3로 감소됨)이다.
도4는 도3a의 선A-A를 따라 취한 단면도이다.
도5는 도3b의 선B-B를 따라 취한 단면도이다.
도6은 도3b의 장치의 우측면의 확대된 평면도(폭은 길이 감소의 1/3로 감소됨)이다.
도7은 공급 라인(16)의 일부를 따라 취한 이동식 유전성 바아(47a, 47b)의 유전율(εr)의 변동을 도시하는 그래프이다.
도8은 공급 라인(17)의 일부를 따라 취한 이동식 유전성 바아(47a, 47b)의 유전율(εr)의 변동을 도시하는 그래프이다.
도9는 다른 이동식 유전성 바아의 세그먼트의 개략적인 평면도이다.
도10a 내지 도10c는 이동식 유전성 바아가 3개의 다른 위치에 있는, 통합된 조정식 다채널 위상 천이기를 구비한 안테나 비임 형성 네트워크를 위한 5-포트 장치의 세 가지 평면도(폭은 길이 감소의 1/2로 감소됨)이다.
도11은 도10a의 선C-C를 따라 취한 단면도이다.
도12는 도10c의 선D-D를 따라 취한 단면도이다.
도13은 이동식 유전성 바아의 개략적인 평면도(폭은 길이 감소의 1/2로 감소됨)이다.
도14는 스터브를 구비하여 형성된 스트립 라인을 구비한 3-포트 장치의 개략적인 평면도이다.
도15는 사행 라인으로서 형성된 스트립 라인을 구비한 3-포트 장치의 개략적인 평면도이다.
도16은 비대칭 스트립 라인 배열을 갖는 도10에 도시된 바와 같은 장치의 단면도이다.
본 발명의 목적은 종래 기술의 이러한 단점들 중 하나 이상을 해결하거나, 또는 적어도 유용한 대안을 제공하는 것이다.
본 발명의 제1 태양은 공통 라인과 둘 이상의 포트들 사이에 신호를 공급하기 위한 장치를 제공하고, 장치는 공통 라인을 포트와 결합시키는 공급 라인들의 분지된 네트워크와, 공통 라인과 하나 이상의 포트 사이의 위상 관계를 동기적으로 조정하도록 이동될 수 있는 네트워크에 인접하여 장착된 유전성 부재를 포함하고, 공급 라인들 중 적어도 하나는 네트워크를 통과하는 신호의 반사를 감소시키기 위해 가변 폭의 트랜스포머 부분을 갖고, 유전성 부재는 네트워크를 통과하는 신호의 반사를 감소시키기 위한 하나 이상의 트랜스포머 부분을 갖는다.
본 발명의 제1 태양은 두 가지 유형의 트랜스포머를 동일한 장치 내로 통합하기 위한 수단을 제공한다. 결과적으로, 공통 라인에서의 전파 임피던스는 비교적 콤팩트한 설계를 유지하면서 포트들에서의 전파 임피던스에 더 잘 정합될 수 있다.
전형적으로, 공급 라인 트랜스포머 부분은 공급 라인 폭의 단차 변화부를 포함한다.
유전성 부재 내의 트랜스포머 부분은 도2에 도시된 바와 같이 부재의 모서리 내의 리세스에 의해 제공될 수 있다. 그러나, 후술하는 양호한 실시예에서, 트랜스포머 부분은 유전율이 감소된 공간 또는 영역의 형태로 제공된다.
본 발명의 제2 태양은 공통 라인과 둘 이상의 포트들 사이에 신호를 공급하기 위한 장치를 제공하고, 장치는 공통 라인을 하나 이상의 연결부를 거쳐 포트들과 결합시키는 공급 라인들의 분지된 네트워크와, 공통 라인과 하나 이상의 포트 사이의 위상 관계를 동기적으로 조정하도록 이동될 수 있는 네트워크에 인접하여 장착된 유전성 부재를 포함하고, 연결부들 중 적어도 하나는 유전성 부재와 중첩하지 않는다.
본 발명의 제2 태양은 도1의 배열에 대해 다른 배열을 제공한다. (유전성 부재가 연결부(103)를 중첩하는) 도1의 시스템에 대조적으로, 유전성 부재는 연결부와 중첩하지 않는다. 이는 유전성 부재 내에 공간을 형성함으로써 달성될 수 있다.
본 발명의 제3 태양은 공통 라인과 둘 이상의 포트들 사이에 신호를 공급하기 위한 장치를 제공하고, 장치는 공통 라인을 하나 이상의 연결부를 거쳐 포트들과 결합시키는 공급 라인들의 분지된 네트워크와, 공통 라인과 하나 이상의 포트 사이의 위상 관계를 동기적으로 조정하도록 이동될 수 있는 네트워크에 인접하여 장착된 유전성 부재를 포함하고, 유전성 부재는 유전율이 비교적 높은 제1 영역과, 연결부들 중 적어도 하나와 중첩하는 유전율이 비교적 낮은 제2 영역을 갖는다.
제3 태양은 제2 태양과 유사한 장점을 제공한다.
전형적으로, 유전성 부재는 유전율이 낮은 공간 또는 영역의 선단부 또는 후연 단부를 지나는 신호의 반사를 감소시키기 위해 트랜스포머 부분을 구비하여 형성된다. 도1의 배열에 대조적으로, 트랜스포머 부분에서의 전파 임피던스는 포트들의 방향으로 감소할 수 있다.
다양한 트랜스포머 부분이 사용될 수 있다. 예를 들어, 유전율이 감소된 공간 또는 영역의 선단부 및/또는 후연 단부는 도2에 도시된 바와 같이 형성될 수 있다. 그러나, 양호한 실시예에서, 유전성 부재는 제1 공간 또는 영역의 모서리에 인접한 유전율이 비교적 낮은 적어도 하나의 제2 공간 또는 영역을 구비하여 형성되고, 각각의 제2 공간 또는 영역은 유전성 부재의 이동 방향에서 제1 공간 또는 영역에 비해 상대적으로 짧고, 각각의 제2 공간 또는 영역의 위치 및 크기는 각각의 제2 공간 또는 영역이 임피던스 트랜스포머로서 작용하도록 선택된다.
본 발명의 제4 태양은 공통 라인과 둘 이상의 포트들 사이에 신호를 공급하기 위한 장치를 제공하고, 장치는 공통 라인을 포트들과 결합시키는 공급 라인들의 분지된 네트워크와, 공급 라인과 하나 이상의 포트 사이의 위상 관계를 조정하도록 이동될 수 있는 네트워크에 인접하여 장착된 유전성 부재를 포함하고, 유전성 부재는 유전율이 비교적 낮은 제1 공간 또는 영역과, 제1 공간 또는 영역의 모서리에 인접하여 이격된 유전율이 비교적 낮은 적어도 하나의 제2 공간 또는 영역을 구비하여 형성되고, 각각의 제2 공간 또는 영역은 유전성 부재의 이동 방향에서 제1 공간 또는 영역에 비해 상대적으로 짧고, 각각의 제2 공간 또는 영역의 위치 및 크기는 각각의 제2 공간 또는 영역이 임피던스 트랜스포머로서 작용하도록 선택된다.
본 발명의 제4 태양은 도2의 트랜스포머보다 제조하기가 더 쉬운 양호한 형태의 트랜스포머에 관한 것이다. 트랜스포머는 또한 (제2 공간 또는 영역의 위치 및 크기를 선택함으로써) 공급 네트워크의 요구에 따라 조정하기가 더 쉽다.
다음의 설명은 본 발명의 제1, 제2, 제3, 및 제4 태양에 따른 장치에 관한 것이다.
전형적으로, 장치는 네트워크의 일측면 상에 위치된 제1 접지 평면을 포함한다. 더욱 양호하게는, 장치는 또한 네트워크의 대향 측면 상에 위치된 제2 접지 평면을 갖는다.
전형적으로, 공급 라인은 스트립 공급 라인이다.
유전성 부재는 복수의 유전성 몸체를 서로 결합시킴으로써 형성될 수 있다. 그러나, 양호하게는 유전성 부재는 단일편으로서 형성된다.
전형적으로, 유전성 부재는 (예를 들어 사각형 바아의 형태로) 길며, 인접한 공급 라인에 대해 평행한 방향에서 그의 길이를 따라 이동 가능하다.
전형적으로, 장치는 대체로 직선을 따라 배열된 셋 이상의 포트를 갖는다.
사행부 또는 스터브와 같은 다양한 지연 구조물이 공급 라인 내에 형성될 수 있다.
본 발명의 제5 태양은 유전성 위상 천이기를 제조하는 방법을 제공하고, 방법은 유전성 부재의 길이를 따라 중간 위치에 공간을 형성하도록 긴 유전성 부재로부터 재료를 제거하는 단계를 포함한다.
본 발명의 제5 태양은 본 발명의 제2, 제3, 또는 제4 태양의 장치에서, 또는 그러한 설계가 유용한 임의의 다른 장치에서 이용될 수 있는 유전성 부재를 제조하는 양호한 방법을 제공한다.
공간은 비어 있을 수 있거나, 또는 이후에 제거된 재료에 대해 다른 (전형적으로 더 낮은) 유전율을 갖는 고체 재료로 채워질 수 있다. 이는 더욱 강성의 구조물을 제공한다.
공간은 유전성 부재의 측면 내에 형성된 (예를 들어 사각형 절결부 형태의) 개방 공간일 수 있다. 또는, 공간은 유전성 부재의 내부에 형성된 (예를 들어 사각형 구멍 형태의) 폐쇄 공간일 수 있다.
부재는 그 다음 그의 길이가 공급 라인과 정렬되게 공급 라인에 인접하여 장착될 수 있고, 이에 의해 유전성 부재는 공급 라인과 유전성 부재 사이의 중첩 정도를 조정하도록 공급 라인의 길이를 따라 이동될 수 있다.
전형적으로, 공급 라인은 공통 라인을 둘 이상의 포트들과 결합시키는 공급 라인들의 분지된 네트워크의 일부이다. 전형적으로, 유전율이 비교적 낮은 공간 또는 영역은 분지된 네트워크의 연결부와 중첩한다.
본 발명의 제6 태양은 긴 부재의 길이를 따라 중간 위치에서 유전율이 비교적 낮은 공간 또는 영역을 구비하여 형성된 긴 유전성 부재를 포함하는 유전성 위상 천이기를 제공한다.
예를 들어, 노치 또는 리세스가 부재의 측면 내에 형성될 수 있거나, 또는 구멍이 부재의 내부에 형성될 수 있다.
장치는 이동전화 기지국 패널 안테나 등에 사용될 수 있다.
이제 본 발명의 여러 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 설명될 것이다.
후술하는 양호한 배열들은 선형 안테나 어레이를 위한 비임 형성 네트워크와 통합된 조정식 다채널 위상 천이기를 제공한다. 이러한 안테나 어레이의 비임 방향 및 비임 형상을 제어하기 위해, 방사 요소들 사이에 일정한 위상 관계를 제공할 필요가 있다. 이후의 제어 및 비임 방향의 변화를 위해, 이러한 위상 관계는 특정한 방식으로 변경되어야 한다. 비임 형성 네트워크는 또한 신호 반사를 최소화하고 방출장을 최대화하기 위한 회로 정합 요소들을 포함한다.
동조된 어레이 안테나를 위한 통합된 위상 천이기를 구비한 10-포트 공급 라인 네트워크가 도3 내지 도6에 도시되어 있다. 도전체 스트립(1 내지 18)들이 공급 라인 네트워크(도3에서 점으로 표시된 영역)를 형성한다. 이러한 도전체 스트립은 도전성 시트(예를 들어, 황동 또는 구리) 또는 PCB 라미네이트로부터 예를 들어 에칭, 스탬핑, 또는 레이저 절삭에 의해 제조될 수 있다. 명확하게 하기 위해, 장치의 폭 치수는 도3a 내지 도3c의 도면에서 길이 감소의 1/3만큼 감소되었다는 것을 알아야 한다. 결과적으로, 공급 라인의 도면은 여러 곳에서 다소 왜곡되어 있다.
도4 및 도5에 도시된 바와 같이, 공급 라인 네트워크(1 내지 18)는 고정식 유전성 블록(43a, 43b, 46a, 46b)들 그리고 이동식 유전성 바아(47a, 47b)들 사이에 위치된다. 전체 조립체는 금속 블록(48a, 48b)으로 만들어진 도전성 케이스 내에 둘러싸인다. 전체 조립체는 유전성 장하 스트립 라인 배열을 형성한다.
활주식 유전성 바아(47a, 47b)의 쌍은 금속 블록(48a, 48b)들 사이에서 고정식 유전성 블록(43a, 43b, 46a, 46b)들 사이의 공간 내에 하우징된다. 명확하게 하기 위해, 상부 바아(47a)의 윤곽은 도3의 세 가지 평면도에서 굵은 선으로 도시되어 있다. 바아(47a)는 도3a, 도3b, 및 도3c에서 3개의 다른 위치에 도시되어 있다. 하부 바아(47b)는 상부 바아(47a)와 동일한 외형을 갖는다. 바아 외형은 단일편의 유전성 재료로부터 재료의 일부를 절단함으로써 형성된다.
도4는 도3a의 선A-A를 따른 단면을 도시하고, 바아(47a, 47b)는 절결부를 갖지 않으며 금속 블록(48a, 48b)들 그리고 유전성 블록(43a, 43b, 46a, 46b)들 사이의 공간을 완전히 채운다. 도5는 도3b의 선B-B를 따라 취한 단면을 도시하고, 바아(47a, 47b)는 절결부(49a, 49b)를 가지며 금속 블록(48a, 48b)들 그리고 유전성 블록(43a, 43b, 46a, 46b)들 사이의 공간을 부분적으로 채운다. 바아(47a, 47b) 내의 모든 절결부는 포트(20 내지 28)에서 원하는 위상 및 전력 관계에 따르는 잘 정의된 위치 및 치수를 갖는다. 동시에, 절결부는 공급 라인 네트워크를 위한 회로 정합 트랜스포머로서 사용된다.
바아(47a, 47b)는 원하는 위상 시프트를 제공하도록 그의 길이를 따라 연속적으로 이동될 수 있다. 바아(47a, 47b)의 이동은 모든 포트(20 내지 28)에서의위상 시프트의 동시 조정을 제공한다. 절결부의 위치 및 치수는 일정한 한도 내에서의 바아(47a, 47b)의 이동이 입력포트(19)에서 임피던스 정합을 변화시키지 않으면서 특정한 방식으로 포트(20 내지 28)들 사이의 위상 관계를 바꾸도록 선택된다.
공급 라인 네트워크의 각각의 연결부에서 원하는 전력 분할을 제공하기 위해, 회로 정합 트랜스포머가 공급 라인 네트워크 내로 통합된다. 그러한 회로 정합 요소의 예는 연결부(33) 근방의 섹션(11, 12) 및 스트립 도전체(2) 내의 섹션(29)이다. 여기서, 회로 정합은 공급 라인 섹션의 폭을 변경시킴으로써 달성된다. 이러한 회로 정합 섹션(11, 12)의 길이 및 폭은 연결부(33)에서의 신호 반사를 최소화하도록 선택된다. 양호한 배열에서, 섹션(11, 12)들은 모두 대략 λ/4의 길이를 갖는다 (여기서, λ는 의도하는 주파수 대역의 중심에 대응하는 공급 라인 내의 파장임). 이러한 유형의 회로 정합 트랜스포머는 이하에서 고정식 트랜스포머로서 불릴 것이다.
이러한 장치 내의 회로 정합 요소의 다른 예가 도6에 도시되어 있다. 이동식 유전성 바아 상의 절결부(52) 및 돌출부(51)는 연결부(37, 38)들 사이의 공급 라인 세그먼트(17)를 위한 임피던스 정합 트랜스포머로서 사용된다. 이러한 트랜스포머는 그가 돌출부(51)의 좌측 모서리와 교차하는 스트립 라인(17)의 부분과 그가 절결부(52)의 우측 모서리와 교차하는 스트립 라인(17)의 부분 사이에서 전파 임피던스를 정합시킨다. 이러한 유형의 회로 정합 트랜스포머는 이하에서 이동식 트랜스포머로서 불릴 것이다. 연결부(38)와 절결부(52)의 우측 모서리 사이의 공급 라인의 길이 및 연결부(37)와 돌출부(51)의 좌측 모서리 사이의 공급 라인의 길이는 바아(47a, 47b)의 이동에 의해 변동한다. 그러나, 두 길이의 합은 바아(47a, 47b)의 (그의 작동 범위 내에서의) 위치에 관계없이 일정하게 유지되고, 따라서 적절한 정합을 유지한다.
장치 내의 이동식 및 고정식 트랜스포머 모두는 출력 방향으로 공급 라인 네트워크를 따라 전파 임피던스를 감소시킨다. 그러므로, 이동식 트랜스포머를 갖지 않는 유사한 장치와 비교하면, 고정식 트랜스포머 내의 폭 변동의 단차는 더 작고 고정식 트랜스포머의 길이는 더 짧다. 고정식 트랜스포머의 감소된 길이는 균일한 폭을 구비한 스트립 라인의 길이를 따른 이동식 바아의 더 큰 이동을 가능케 하고, 따라서 더 많은 위상차를 허용한다. 고정식 트랜스포머 내의 폭 변동의 더 작은 단차는 더 낮은 복귀 손실을 생성한다.
다른 유형의 이동식 트랜스포머가 연결부(33, 37)들 사이에 위치된다 (도6). 트랜스포머는 연결부(37, 38)들 사이의 이동식 트랜스포머와 유사하지만, 이러한 경우에 2개의 돌출부(41, 42) 및 2개의 절결부(44, 45)에 의해 형성된다.
이동식 트랜스포머는 절결부/돌출부(41, 42, 44, 45, 51, 52)에 인접한 공급 라인을 따른 εr의 변동을 도시하는 도7 및 도8에 도시된 바와 같은 캐스케이드형 임피던스 트랜스포머로서 작용한다.
도3의 스트립 도전체의 패턴은 포트(20 내지 28)에 연결된 (도시되지 않은) 안테나 방사/수신 요소들을 위한 전력 분배 네트워크로서 사용된다. 도전체 패턴은 복수의 분할기 및 회로 정합 요소들을 포함한다. 따라서, 장치는 유입 신호를특정 위상 및 크기 분포로 공통 포트(19)로부터 포트(20 내지 28)로 송출할 수 있다 (송신 모드). 또한, 장치는 모든 유입 신호를 유입 신호들 사이의 소정의 위상 및 진폭 관계로 포트(20 내지 28)로부터 공통 포트(19)로 조합할 수 있다 (수신 모드).
이동식 유전성 바아(47a, 47b)를 위한 다른 위상 관계가 도9에 도시되어 있다. 도9에서, 바아(47a, 47b)의 절결부는 예를 들어 폴리메타크릴리마이트인 바아 재료에 대해 유전율이 다른 유전성 재료(80)로 채워진다.
동조된 안테나 어레이를 위한 통합된 다채널 위상 천이기를 구비한 5-포트 공급 라인 네트워크가 도10 내지 도13에 도시되어 있다. 단면은 도4 및 도5에 도시된 바와 같이 10-포트 장치를 위한 것과 대체로 동일하다. 그러나, 10-포트 장치의 배치에 대조적으로, 입력포트(60)는 출력포트(61 내지 64)들과 직선으로 위치된다.
(도10에서 점으로 표시된 영역으로서 도시된) 도전체 스트립은 공급 라인 네트워크의 도전체 패턴을 형성한다. 이러한 도전체 스트립은 도전성 시트(예를 들어, 황동 또는 구리) 또는 PCB 라미네이트로부터 예를 들어 에칭, 스탬핑, 또는 레이저 절삭에 의해 제조될 수 있다. 도11 및 도12에 도시된 바와 같이, 공급 라인 네트워크는 고정식 유전성 블록(67a, 67b)들 그리고 이동식 유전성 바아(68a, 68b)들 사이에 위치된다. 전체 조립체는 금속 블록(69a, 69b)으로 만들어진 도전성 케이스 내에 둘러싸인다. 전체 조립체는 유전성 장하 스트립 라인 배열을 형성한다.
명확하게 하기 위해, 상부 바아(68a)의 윤곽은 도10의 세 가지 평면도에서굵은 선으로 도시되어 있다. 바아(68a)는 도10a, 도10b, 및 도10c에서 3개의 다른 위치에 도시되어 있다. 하부 바아(68b)는 상부 바아(68a)와 동일한 외형을 갖는다. 바아 외형은 도13에 도시된 바와 같이 바아 재료의 일부를 제거함으로써 형성된다.
도11은 도10a의 선C-C를 따라 취한 단면을 도시하고, 이동식 바아(68a, 68b)는 절결부(92a, 92b)를 가지며 고정식 유전성 블록(67a, 67b)에 인접한 금속 블록(69a, 69b)들 사이의 공간을 부분적으로 채운다. 도12는 도10c의 선D-D를 따라 취한 장치 단면을 도시하고, 바아(68a, 68b)는 절결부를 갖지 않으며 고정식 유전성 블록(67a, 67b)에 인접한 금속 블록(69a, 69)들 사이의 공간을 완전히 채운다. 바아(68a, 68b) 내의 모든 절결부는 포트(61 내지 64)에서의 원하는 위상 및 전력 분배에 따르는 잘 정의된 위치 및 치수를 갖는다. 동시에, 절결부는 공급 라인을 위한 정합 트랜스포머로서 사용된다.
바아(68a, 68b)는 원하는 위상 시프트를 제공하도록 그의 길이를 따라 연속적으로 이동될 수 있다. 바아(68a, 68b)의 이동은 모든 포트(61 내지 64)에서의 위상 시프트의 동시 조정을 제공한다. 절결부의 위치 및 치수는 일정한 한도 내에서의 바아(68a, 68b)의 이동이 포트(61 내지 64)들 사이의 위상 관계를 특정한 방식으로 바꾸며 입력포트(60)에서 적절한 정합을 제공하도록 선택된다.
또는, 도13에 도시된 절결부(90 내지 93)는 바아 재료에 대해 유전율이 다른 유전성 재료로 채워질 수 있다. 바아(68a, 68b)에 대한 다른 위상 관계가 10-포트 장치 설명 부분에서 설명된다.
스트립 도전체의 각각의 연결부에서 원하는 전력의 분할을 제공하기 위해, 회로 정합 트랜스포머는 도10의 스트립 도전체에 의해 형성된 분배 네트워크 내로 통합된다. 그러한 고정식 회로 정합 요소의 예는 연결부(69) 근방의 섹션(65, 66), 연결부(70) 근방의 섹션(72, 73), 및 연결부(71) 근방의 섹션(74, 75)이다. 여기서, 회로 정합은 공급 라인 섹션의 치수를 변경시킴으로써 달성된다. 이러한 회로 정합 섹션(65, 66, 72 내지 75)의 길이 및 폭은 연결부(69 내지 71)에서의 신호 반사를 최소화하도록 선택된다. 유전성 바아(68a) 내의 절결부(90 내지 93)는 공급 라인 네트워크의 균일한 부분을 따라서만 이동한다.
절결부(90, 92)는 유전성 바아(68a)가 이동할 때 출력부(61 내지 64)들 사이의 위상 시프트를 변화시킨다. 절결부(91, 93)는 입력부(60)로부터 출력부(61 내지 64)로의 출력 방향에서 전파 임피던스를 감소시키는 이동식 트랜스포머이다. 입력부와 4개의 모든 출력부에서 동일한 전파 임피던스를 갖기 위해, 5-포트 장치의 트랜스포머는 전파 임피던스를 입력부로부터 각각의 출력부(61 내지 64)로의 경로를 따라 1/4의 비율로 감소시켜야 한다. 도10에 도시된 5-포트 장치의 고정식 및 이동식 트랜스포머는 이러한 감소를 다음과 같은 방식으로 용이하게 한다. 전파 임피던스를, 섹션(65, 66)은 그의 시작부에서의 값의 3/4로, 섹션(72, 73)은 그의 시작부에서의 값의 10/16으로, 절결부(91)는 그의 시작부에서의 값의 2/3으로, 절결부(93)는 그의 시작부에서의 값의 4/5로 감소시킨다.
공급 라인 네트워크의 배치를 변화시키고 지연 라인을 생성함으로써 단위 바아 이동에 대한 위상 시프트를 증가시키는 것이 가능하다. 이러한 지연 라인은 (도14에 도시된) 짧은 스터브를 구비하여 형성되거나 (도15에 도시된) 사행 패턴으로 배열될 수 있다. 도14 및 도15에 도시된 배열은 가변 하향 경사를 구비한 안테나에 대해 여전히 적합한 위상 시프트 및 바아 위치의 비선형 의존성을 생성한다.
따라서, 제안된 장치는 전기적으로 제어 가능한 방사 패턴, 비임 형상 및 방향을 구비한 안테나 어레이를 위한 비임 형성 네트워크를 제공한다. 신규한 배열은 조정식 다채널 위상 천이기 및 전력 분배 회로를 단일 스트립 라인 패키지 내로 통합한다.
5-포트 및 10-포트 장치에 대해 전술한 바와 같은 공급 라인 네트워크는 대칭적이며, 2개의 접지 평면(69a, 69b) 및 2개의 이동식 유전성 바아(68a, 68b)를 포함한다. 다채널 위상 천이기를 실현하기 위해 도16에 도시된 바와 같이 하나의 접지 평면(69b) 및 하나의 이동식 유전성 바아(68b)를 포함하는 다른 배열을 사용하는 것이 가능하다. 이러한 비대칭 배열은 유사한 설계를 제공하지만, 대칭 배열에서보다 더 낮은 위상 시프트 및 더 높은 삽입 손실을 생성한다.
작동 원리
이제 10-포트 장치의 공급 라인 네트워크(2)의 작동이 안테나의 송신 모드를 참조해서 설명될 것이다. 그러나, 안테나는 또한 수신 모드에서, 또는 송신 모드 및 수신 모드에서 동시에 작동할 수 있다는 것이 이해될 것이다.
위상 관계:
공통 라인(10, 도3) 상의 입력 신호는 임피던스 정합 트랜스포머(11, 12)를 거쳐 연결부(33)로 전파된다. 연결부(33)에서, 신호는 분할되어 이후의 공급 라인및 일련의 분할기를 거쳐 9개의 포트(20 내지 28)로 전파된다. (도시되지 않은) 방사 요소들은 사용 시에 9개의 포트(20 내지 28)에 연결된다. 9개의 포트(20 내지 28)에서의 신호들 사이의 진폭 및 위상 관계는 비임 형상 및 비임이 안테나로부터 방출되는 방향을 결정한다. 비임 방향과 수평선 사이의 각도는 통상 '하향 경사' 각도로서 공지되어 있다. 비임은 각 쌍의 이웃한 포트들 사이의 최대 위상 시프트(ΔP)를 생성함으로써 최대 "하향 경사" 방향으로 유도될 수 있다.
이제 도6을 참조하면, 공급 라인(5)은 연결부(33)로부터 중심 포트(24)로 이어진다. 분할기(33)로부터 분지된 공급 라인(5)은 임피던스 정합 단차부(32)를 구비한 스트립 라인의 접힌 길이에 의해 형성된다. 바아(47a, 47b)의 위치에 관계없이, (도3a, 도3b, 및 도3c에서 알 수 있는 바와 같이) 연결부(33)와 포트(24) 사이의 스트립 도전체의 경로를 따른 유전율의 변화가 없다. 그러므로, 연결부(33)와 중심 포트(24) 사이의 공급 라인의 전기적인 길이는 유전성 바아의 모든 위치에서 일정하게 유지된다.
이러한 장치의 치수는 바아(47a, 47b)가 도3b에 도시된 가장 좌측 위치에 설치되면 포트(20 내지 28)들이 동일 위상 (즉, ΔP는 0)인 방식으로 선택된다. 바아(47a, 47b)를 우측으로 이동시키는 것은 동시에 바아(47a, 47b)들 사이의 공급 네트워크의 일정 부분의 전기적인 길이를 변화시킨다. 도6의 연결부(33, 37)들 사이의 공급 라인(16)에 대해, 바아(47a, 47b)를 우측으로 이동시키는 것은 돌출부(40)에 의해 덮인 공급 라인(16)의 길이를 감소시키며 동시에 연결부(33)와 돌출부(41)의 좌측 모서리 사이의 공급 라인(16)의 개방 길이를 증가시킨다. 돌출부의 유전율(εr)이 도7에 도시된 바와 같이 절결부의 유전율보다 더 높으면, 바아(47a, 47b)를 우측으로 이동시키는 것은 더 높은 εr을 갖는 공급 라인(16)의 길이를 감소시키며 더 낮은 εr을 갖는 길이를 증가시킬 것이다. 결과적으로, 이는 연결부(33, 37)들 사이의 위상차(ΔP)를 감소시킬 것이다.
연결부(37, 38)들 사이의 공급 라인(17)에 대해, 바아(47a, 47b)를 우측으로 이동시키는 것은 돌출부(50)에 의해 덮인 이러한 공급 라인의 길이를 감소시키며 동시에 연결부(37)와 돌출부(51)의 좌측 모서리 사이의 이러한 공급 라인의 길이를 증가시킨다.
장치의 치수는 또한 바아(47a, 47b)의 (그의 작동 범위 내에서의) 위치에 관계없이 각 쌍의 이웃한 포트들 사이에 위상 시프트(ΔP/2)가 있도록 선택된다. 바아가 중간 위치(도3a)에 있으면, 포트(24)에 대한 위상 시프트는 좌측 포트(20)에서 -2*ΔP°이고, 우측 포트(28)에서 +2*ΔP°이다. 바아가 가장 우측 위치(도3c)에 있으면, 포트(24)에 대한 위상 관계는 좌측 포트(20)에서 -4*ΔP°이고, 우측 포트(28)에서 +4*ΔP°이다.
위상 시프트(ΔP)의 양은 바아(47a, 47b)에 대해 사용된 재료의 유전율 및 절결부 형상에 의해 결정된다. 사용된 유전성 재료의 유전율은 공급 라인 네트워크 내에서 이동하는 신호의 위상 속도에 영향을 준다. 특히, 유전율이 높을 수록, 위상 속도가 낮거나 송신 라인의 전기적인 길이가 길다. 따라서, (도3의 사시도에서 보이는 바와 같이) 공급 라인의 스트립 도전체를 중첩하는 유전성 바아 섹션의길이를 변경시킴으로써, 포트(20 내지 28)에서의 신호들 사이의 위상 시프트를 제어하는 것이 가능하다. 유전성 재료 "스티렌" 또는 폴리스티렌은 이동식 유전성 바아(47a, 47b)를 제조하기 위해 사용된다.
공급 라인 네트워크의 배치 및 바아(47a, 47b) 내의 절결부의 위치 및 크기는 포트(20 내지 28)들 사이의 다른 위상 관계를 얻기 위해 바뀔 수 있다.
이제 5-포트 장치의 공급 라인 네트워크(2)의 작동이 안테나의 송신 모드를 참조하여 설명될 것이다. 그러나, 안테나는 또한 수신 모드에서, 또는 송신 모드 및 수신 모드에서 동시에 작동할 수 있다는 것이 이해될 것이다.
공급 라인(60, 도10) 상의 입력 신호는 임피던스 정합 트랜스포머(65, 66)를 거쳐 연결부(69)로 전파된다. 연결부(69)로부터, 신호는 연결부(70)를 거쳐 포트(61, 62)로 그리고 연결부(71)를 거쳐 포트(63, 64)로 공급된다. (도시되지 않은) 방사 요소가 사용 시에 4개의 포트(61 내지 64)에 연결된다. 4개의 포트(61 내지 64)에서의 신호들 사이의 위상 관계는 비임 형상 및 비임이 안테나에 의해 방출되는 방향을 결정한다.
유전성 바아(68a, 68b)의 위치는 포트(61 내지 64)들 사이의 위상 관계를 제어한다. 다음은 도10 및 도13에 도시된 바와 같이 형성된 바아(68a, 68b)의 절결부를 구비한 장치를 언급한다. 절결부의 위치 및 크기는 후술하는 바와 같은 위상 관계를 얻도록 선택된다.
바아(68a, 68b)가 도10b에 도시된 중간 위치에 설치되면, 포트(61 내지 64)는 특정한 위상 관계를 갖는다. 예를 들어 바아(68a, 68b)를 좌측으로 이동시키는것은 동시에 바아(68a, 68b)들 사이의 공급 라인 네트워크의 일정 부분의 전기적인 길이를 변화시킨다. 예를 들어, 바아(68a, 68b)를 중간 위치(도10b)로부터 가장 좌측(도10a)으로 이동시키면, 연결부(69)와 절결부(90)의 좌측 모서리 사이의 공급 라인의 길이는 증가하고 동시에 91의 좌측 모서리와 연결부(70) 사이의 공급 라인의 길이는 감소한다. 절결부(92)는 출력부(61, 62)들 사이의 가변 위상 시프트를 출력부(61, 63)들 사이의 양의 절반만큼만 변화시키도록 절결부(90)보다 더 작은 폭을 갖는다. 이동식 바아(68a, 68b)가 가장 좌측 위치(도10a)에 있으면, 포트(61)에 대한 위상 시프트는 포트(62)에서 -ΔP이고, 포트(63)에서 -2*ΔP이고, 포트(64)에서 -3*ΔP이다.
위상 시프트(ΔP)의 양은 바아(68a, 68)에 대해 사용된 재료의 유전율 및 절결부 형상에 의해 결정된다. 사용된 유전성 재료의 유전율은 공급 라인 네트워크 내에서 이동하는 신호의 위상 속도에 영향을 준다. 특히, 유전율이 높을 수록, 위상 속도가 낮거나 송신 라인의 전기적인 길이가 길다. 따라서, (도1의 사시도에서 보이는 바와 같이) 공급 라인의 스트립 도전체를 중첩하는 유전성 바아 섹션의 길이를 변경시킴으로써, 포트(20 내지 28)에서의 신호들 사이의 위상 시프트를 제어하는 것이 가능하다. 유전성 재료 "스티렌"은 이동식 유전성 바아(68a, 68b)를 제조하기 위해 사용된다.
유전성 바아 내의 절결부는 스탬핑 작업에 의해서, 또는 유체의 좁은 고압의 스트림을 제거되어야 하는 재료 상으로 유도함으로써 제거될 수 있다.

Claims (33)

  1. 공통 라인과 둘 이상의 포트들 사이에 신호를 공급하기 위한 장치이며,
    장치는 공통 라인을 포트와 결합시키는 공급 라인들의 분지된 네트워크와, 공통 라인과 하나 이상의 포트 사이의 위상 관계를 동기적으로 조정하도록 이동될 수 있는 네트워크에 인접하여 장착된 유전성 부재를 포함하고,
    공급 라인들 중 적어도 하나는 네트워크를 통과하는 신호의 반사를 감소시키기 위해 가변 폭의 트랜스포머 부분을 갖고, 유전성 부재는 네트워크를 통과하는 신호의 반사를 감소시키기 위한 하나 이상의 트랜스포머 부분을 갖는 장치.
  2. 제1항에 있어서, 공급 라인 트랜스포머 부분은 공급 라인 폭의 단차 변화부를 포함하는 장치.
  3. 공통 라인과 둘 이상의 포트들 사이에 신호를 공급하기 위한 장치이며,
    장치는 공통 라인을 하나 이상의 연결부를 거쳐 포트들과 결합시키는 공급 라인들의 분지된 네트워크와, 공통 라인과 하나 이상의 포트 사이의 위상 관계를 동기적으로 조정하도록 이동될 수 있는 네트워크에 인접하여 장착된 유전성 부재를 포함하고,
    연결부들 중 적어도 하나는 유전성 부재와 중첩하지 않는 장치.
  4. 제3항에 있어서, 유전성 부재는 연결부와 중첩하는 공간을 구비하여 형성되는 장치.
  5. 공통 라인과 둘 이상의 포트들 사이에 신호를 공급하기 위한 장치이며,
    장치는 공통 라인을 하나 이상의 연결부를 거쳐 포트들과 결합시키는 공급 라인들의 분지된 네트워크와, 공통 라인과 하나 이상의 포트 사이의 위상 관계를 동기적으로 조정하도록 이동될 수 있는 네트워크에 인접하여 장착된 유전성 부재를 포함하고,
    유전성 부재는 유전율이 비교적 높은 제1 영역과, 연결부들 중 적어도 하나와 중첩하는 유전율이 비교적 낮은 제2 영역을 갖는 장치.
  6. 제3항, 제4항, 또는 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 유전성 부재는 적어도 하나의 연결부에 인접한 임피던스 트랜스포머를 구비하여 형성되는 장치.
  7. 제4항 또는 제5항에 있어서, 유전율이 비교적 낮은 공간 또는 영역은 유전성 재료의 측면 내에 형성되는 장치.
  8. 제4항 또는 제5항에 있어서, 유전율이 비교적 낮은 공간 또는 영역은 유전성 부재의 내부에 형성되는 장치.
  9. 공통 라인과 둘 이상의 포트들 사이에 신호를 공급하기 위한 장치이며,
    장치는 공통 라인을 포트들과 결합시키는 공급 라인들의 분지된 네트워크와, 공급 라인과 하나 이상의 포트 사이의 위상 관계를 조정하도록 이동될 수 있는 네트워크에 인접하여 장착된 유전성 부재를 포함하고,
    유전성 부재는 유전율이 비교적 낮은 제1 공간 또는 영역과, 제1 공간 또는 영역의 모서리에 인접하여 이격된 유전율이 비교적 낮은 적어도 하나의 제2 공간 또는 영역을 구비하여 형성되고, 각각의 제2 공간 또는 영역은 유전성 부재의 이동 방향에서 제1 공간 또는 영역에 비해 상대적으로 짧고, 각각의 제2 공간 또는 영역의 위치 및 크기는 각각의 제2 공간 또는 영역이 임피던스 트랜스포머로서 작용하도록 선택되는 장치.
  10. 제9항에 있어서, 제1 및/또는 제2 공간 또는 영역은 유전성 부재의 측면 내에 형성되는 장치.
  11. 제9항에 있어서, 제1 및/또는 제2 공간 또는 영역은 유전성 부재의 내부에 형성되는 장치.
  12. 상기 항들 중 어느 한 항에 있어서, 네트워크의 일측면 상에 위치된 제1 접지 평면을 포함하는 장치.
  13. 제12항에 있어서, 네트워크의 대향 측면 상에 위치된 제2 접지 평면을 포함하는 장치.
  14. 상기 항들 중 어느 한 항에 있어서, 공급 라인은 스트립 공급 라인인 장치.
  15. 상기 항들 중 어느 한 항에 있어서, 유전성 부재는 단일편으로서 형성되는 장치.
  16. 상기 항들 중 어느 한 항에 있어서, 유전성 부재는 길며, 인접한 공급 라인에 대해 평행한 방향에서 그의 길이를 따라 이동 가능한 장치.
  17. 상기 항들 중 어느 한 항에 있어서, 장치는 대체로 직선을 따라 배열된 셋 이상의 포트를 갖는 장치.
  18. 상기 항들 중 어느 한 항에 있어서, 공급 라인들 중 적어도 하나는 공급 라인의 전기적인 길이를 증가시키는 지연 구조물을 구비하여 형성되는 장치.
  19. 제18항에 있어서, 지연 구조물은 하나 이상의 사행부를 포함하는 장치.
  20. 제19항에 있어서, 사행부는 네트워크에 의해 운반되는 신호의 파장보다 더작은 사행 주기를 갖는 장치.
  21. 제18항에 있어서, 지연 구조물은 복수의 스터브를 포함하는 장치.
  22. 상기 항들 중 어느 한 항에 있어서, 분지된 네트워크는 둘 이상의 연결부를 갖는 장치.
  23. 상기 항들 중 어느 한 항에 있어서, 분지된 네트워크는 네트워크를 통과하는 신호의 반사를 감소시키기 위해 가변 폭의 트랜스포머 부분을 적어도 하나 가지며, 트랜스포머 부분은 안테나 포트와 분지된 네트워크의 연결부 사이에 위치되는 장치.
  24. 유전성 위상 천이기를 제조하는 방법이며,
    유전성 부재의 길이를 따라 중간 위치에 공간을 형성하도록 긴 유전성 부재로부터 재료를 제거함으로써 유전율이 비교적 낮은 영역을 형성하는 단계를 포함하는 방법.
  25. 제24항에 있어서, 제거된 재료에 대해 다른 유전율을 갖는 고체 재료로 공간을 채우는 단계를 또한 포함하는 방법.
  26. 제24항 또는 제25항에 있어서, 공간은 개방 공간인 방법.
  27. 제24항 또는 제25항에 있어서, 공간은 유전성 부재의 내부에 형성된 폐쇄 공간인 방법.
  28. 제24항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서, 유전성 부재의 길이가 공급 라인과 정렬되게 유전성 부재를 공급 라인에 인접하여 장착하는 단계를 또한 포함하고,
    이로 의해 유전성 부재는 공급 라인과 유전성 부재 사이의 중첩의 정도를 조정하도록 공급 라인의 길이를 따라 이동될 수 있는 방법.
  29. 제22항 내지 제28항 중 어느 한 항의 방법에 의해 형성되는 유전성 위상 천이기.
  30. 긴 부재의 길이를 따라 중간 위치에 유전율이 비교적 낮은 공간 또는 영역을 구비하여 형성된 긴 유전성 부재를 포함하는 유전성 위상 천이기 장치.
  31. 제30항에 있어서, 공간 또는 영역은 유전성 부재의 측면 내에 형성되는 장치.
  32. 제30항에 있어서, 공간 또는 영역은 유전성 부재의 내부에 형성되는 장치.
  33. 제1항 내지 제23항 또는 제30항 내지 제32항 중 어느 한 항에 따른 장치와, 상기 장치에 결합된 둘 이상의 안테나 요소를 포함하는 안테나.
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