KR20040111702A - 안테나 제어 장치, 페이즈드 어레이 안테나 및 2차원안테나 제어 장치 - Google Patents

안테나 제어 장치, 페이즈드 어레이 안테나 및 2차원안테나 제어 장치 Download PDF

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KR20040111702A
KR20040111702A KR10-2004-7019075A KR20047019075A KR20040111702A KR 20040111702 A KR20040111702 A KR 20040111702A KR 20047019075 A KR20047019075 A KR 20047019075A KR 20040111702 A KR20040111702 A KR 20040111702A
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Abstract

도 1에 도시한 바와 같이, 상유전체 전송 선로 층(102) 및 강유전체 전송 선로 층(105)은 접지 도체(107)를 통해 적층되고, 접지 도체(107)를 관통하는 스루홀(108)을 통해 접속되는 복수의 위상 쉬프터는 모든 안테나 단자와, 고주파가 인가되는 입력 단자 사이의 입력 단자로부터 분기된 급전 선로 상의 일부 위치에서 양 전송 선로 층에 배치된다. 또한, 각각 위상 쉬프터와 동일한 전송 손실량을 갖는 손실 소자 또는 위상 쉬프터는, 모든 안테나 단자로부터 입력 단자까지의 전송 손실량이 같아지도록 배치된다. 따라서, 더 적은 제작 공정으로 제작될 수 있고 조준 빔 및 큰 빔 틸트량을 갖는 안테나 제어 장치와, 이러한 안테나 제어 장치를 사용하는 페이즈드 어레이 안테나가 얻어질 수 있다.

Description

안테나 제어 장치, 페이즈드 어레이 안테나 및 2차원 안테나 제어 장치{ANTENNA CONTROL UNIT AND PHASED-ARRAY ANTENNA}
일본 특허 공개 번호 제 2000-236207 호(이하, 종래 기술 1이라 함)에 설명된 "Active phased-array antenna and antenna control unit"과 같은 시스템은 강유전체를 위상 쉬프터로서 사용하는 통상적인 페이즈드 어레이 안테나의 예로서 제안되었다.
이하, 도 9 및 도 10을 참조하여 통상적인 페이즈드 어레이 안테나에 대해 설명한다.
먼저, 도 9를 참조하여, 통상적인 위상 쉬프터의 동작 원리에 대해 설명한다. 도 9는 통상적인 페이즈드 어레이 안테나에 제안된 위상 쉬프터를 나타낸 도면이다. 도 9(a)는 위상 쉬프터의 구성을 나타낸 도면이고, 도 9(b)는 강유전체 재료의 유전율(permittivity) 변화 특성을 나타낸 도면이다.
이 위상 쉬프터(700)는, 상유전체 재료(paraelectric material)(701)를 기재(base material)로서 사용하는 마이크로스트립 하이브리드 커플러(microstrip hybrid coupler)(703)와, 강유전체 재료(702)를 기재로서 사용하며 마이크로스트립 하이브리드 커플러(703)에 인접하게 형성된 마이크로스트립 스터브(microstrip stub)(704)를 포함한다. 이 위상 쉬프터(700)는, 마이크로스트립 스터브(704)에 인가되는 DC 제어 전압에 따라, 마이크로스트립 하이브리드 커플러(703)를 관통하는 고주파 전력의 위상 변화량(phase shift amount)이 변하도록 구성된다.
다시 말해, 위상 쉬프터(700)의 기재는 상유전체 재료(701)와 강유전체 재료(702)로 구성된다. 직사각형 루프 형상의 도체 층(703a)이 상유전체 기재(701) 상에 배치되고, 이 루프 형상의 도체 층(703a)과 상유전체 기재(701)가 마이크로스트립 하이브리드 커플러(703)를 형성한다.
또한, 2개의 선형 도체 층(704a1, 704a2)은, 각각, 직사각형 루프 형상의 도체 층(703a)의 2개의 대향하는 선형 부분(703a1, 703a2)의 연장 선로 상에 위치되어 두 선형 부분(703a1, 703a2)의 종단에 링크되도록 강유전체 기재(702) 상에 배치된다. 이들 2개의 선형 도체 층(704a1, 704a2)과 강유전체 기재(702)가 마이크로스트립 스터브(704)를 형성한다.
또한, 도체 층(715a, 720a)은, 각각, 두 선형 부분(703a1, 703a2)의 연장 선로 상에 위치되어 두 선형 부분(703a1, 703a2)의 다른 쪽 선단에 링크되도록 상유전체 기재(701) 상에 배치된다.
이 도체 층(715a)과 상유전체 기재(701)는 입력 선로(715)를 형성하고, 도체 층(720a)과 상유전체 기재(701)는 출력 선로(720)를 형성한다.
여기에서, 루프 형상의 도체 층(703a) 상의 선형 부분(703a1)의 종단 및 다른 종단은 각각 마이크로스트립 하이브리드 커플러(703)의 포트(2, 1)이다. 반면, 루프 형상의 도체 층(703a) 상의 선형 부분(703a2)의 종단 및 다른 쪽 종단은, 각각, 마이크로스트립 하이브리드 커플러(703)의 포트(3, 4)이다.
상술한 구성을 갖는 위상 쉬프터(700)에서는, DC 제어 전압이 마이크로스트립 스터브(704)에 인가될 때, 그것을 관통하는 고주파 전력의 위상 변화량이 변한다.
이하에서, 상세히 설명한다. 적절히 설계된 마이크로스트립 하이브리드 커플러(703)의 인접하는 2개의 포트(포트(2, 3))에 하나의 반사 소자(마이크로스트립 스터브(704))가 접속되는 구성을 갖는 위상 쉬프터(700)에서는, 입력 포트(포트(1))로부터 입력된 고주파 전력은 입력 포트(1)로부터 출력되지 않지만, 반사 소자로부터 반사된 전력이 반영되었던 고주파 전력이 출력 포트(포트(4))로부터만 출력된다. 반사 소자로서의 마이크로스트립 스터브(704)로부터의 반사에 있어서는, 도 9(a)에 도시한 바와 같이, 제어 전압에 의해 발생된 바이어스 필드(705)가, 마이크로스트립 스터브(704)를 관통하는 고주파 전력에 의해 생성된 필드와 방향이 같다. 따라서, 도 9(b)에 도시한 바와 같이, 제어 전압이 변화할 때, 고주파 전력에 대해마이크로스트립 스터브(704)의 유효 유전율(effective permittivity)이 적응적으로(adaptively) 변한다. 이에 따라, 고주파 전력에 대한 마이크로스트립 스터브(704)의 등가 전기 길이(equivalent electrical length)가 변하고, 마이크로스트립 스터브(704) 상의 위상이 변화한다.
일반적인 강유전체 기재의 경우에 있어서, 마이크로스트립 스터브(704)의 유효 유전율을 변화시키는 데 필요한 바이어스 전압(705)은, 수 킬로볼트/밀리미터 내지 수십 킬로볼트/밀리미터의 범위에 있다. 따라서, 마이크로스트립 스터브(704)를 관통하는 고주파 전력이 생성한 필드에 의해 유효 유전율이 영향을 받게 되어 어떠한 고주파도 발생하지 않는다.
다음, 도 10을 참조하여 통상적인 페이즈드 어레이 안테나의 구성 및 그 동작 원리에 대해 설명한다.
도 10(a)는 통상적인 페이즈드 어레이 안테나의 구성을 나타낸 도면이고, 도 10(b)는 빔 틸트 전압(beam tilt voltage)이 인가된 경우 및 빔 틸트 전압이 인가되지 않은 경우의 통상적인 페이즈드 어레이 안테나의 지향성(directivity)을 나타낸 도면이다.
통상적인 페이즈드 어레이 안테나(830)는, 유전체 기재 상에 규칙적인 간격으로 일렬로 배치된 복수의 안테나 소자(806a 내지 806d), 안테나 제어 장치(800) 및 빔 틸트 전압(820)을 포함한다. 안테나 제어 장치(800)는, 고주파 전력이 인가되는 급전 단자(이하, 입력 단자라 함)(808), 고주파 차단 소자(809) 및 복수의 위상 쉬프터(807a1 내지 807a4)를 포함한다.
이 통상적인 페이즈드 어레이 안테나(830)에서는, 급전 선로(feeding line)(이하, 전송 선로라 함)에 의해, 안테나 소자(806a)는 입력 단자(808)에, 안테나 소자(806b)는 하나의 위상 쉬프터(807a1)를 거쳐 입력 단자(808)에, 안테나 소자(806c)는 2개의 위상 쉬프터(807a3, 807a4)를 거쳐 입력 단자(808)에, 안테나 소자(806d)는 3개의 위상 쉬프터(807a2, 807a3, 807a4)를 거쳐 입력 단자(808)에, 각각, 접속된다. 빔 틸트 전압(820)은 고주파 차단 소자(809)를 거쳐 입력 단자(808)에 접속된다.
여기에서, 위상 쉬프터(807a1 내지 807a4)의 각 구성은 도 9를 참조하여 설명한 것과 동일하고 위상 쉬프터(807a1 내지 807a4)는 동일한 특성을 갖는 것을 전제로 한다.
상기 구성을 갖는 페이즈드 어레이 안테나(830)에서는, 안테나 소자(806a 내지 806d) 중의 하나와 입력 단자(808) 사이에 위치한 위상 쉬프터(807)의 수가, 인접한 안테나 소자(806)와 입력 단자(808) 사이에 위치한 위상 쉬프터(807)의 수보다 각각 1개 더 많으며, 또한, 모든 위상 쉬프터(807)는 동일한 특성을 갖는다. 따라서, 도 10(b)에 도시한 바와 같이, 안테나의 지향성(빔 틸트)의 제어는 하나의 빔 틸트 전압(820)에 의해 수행된다.
안테나 지향성의 제어에 대해 더욱 상세히 설명한다. 예를 들어, 각각의 위상 쉬프터(807a1 내지 807a4)가 각 위상 쉬프터를 관통하는 고주파 전력의 위상을 위상 변화량 Φ만큼 지연시키며, 인접 위상 쉬프터(807)가 각각 거리(d)만큼 이격되어 있다는 것을 가정하면, 도 10(a)에 도시한 바와 같이, 안테나 소자(806a)로입력되었던 고주파 전력은, 위상 변화 없이 입력 단자(808)에 공급된다. 이와 반대로, 안테나 소자(806b)로 입력되었던 고주파 전력은, 그 위상이 위상 쉬프터(807a1)에 의해 위상 변화량 Φ만큼 지연되어 입력 단자(808)에 공급된다. 안테나 소자(806c)로 입력되었던 고주파 전력은, 그 위상이 위상 쉬프터(807a3, 807a4)에 의해 위상 변화량 2Φ만큼 지연되어 입력 단자(808)에 공급된다. 또한, 안테나 소자(806d)로 입력되었던 고주파 전력은, 그 위상이 위상 쉬프터(807a2, 807a3, 807a4)에 의해 위상 변화량 3Φ만큼 지연되어 입력 단자(808)에 공급된다.
다시 말해, 안테나 소자(806a 내지 806d)에 의해 수신된 전파(radio waves)에 대한 최대 감도의 방향은 안테나 소자(806a 내지 806d)의 열(row) 방향에 대해 사전 결정된 각도 Θ(Θ= cos-1(Φ/d))를 형성하는 거리 d이다. 여기에서는, 도 10(a)에서의 참조부호(w1 내지 w3)가 각각 동일 위상의 수신 전파의 파면을 나타내는 것으로 가정한다.
그러나, 상술한 구성을 갖는 통상적인 페이즈드 어레이 안테나(803)에서는, 각각의 안테나 소자(806)와 입력 단자(808) 사이에 위치한 위상 쉬프터(807)의 수가 다르고, 또한, 각각의 위상 쉬프터(807)에는 전송 손실이 존재한다. 따라서, 각각의 안테나 소자(806a 내지 806d)로부터의 전력을 결합한 효과가 저하되어, 도 10(b)에 도시한 빔의 형상이 변형되고, 이에 의해, 조준 빔(pointed beam)(큰 지향성 이득)을 얻기가 곤란하고 빔 틸트량이 감소함에 따라, 안테나 지향성의 제어가 열화(deteriorte)된다.
또한, 도 9(a)를 참조하여 설명한 바와 같이, 통상적인 페이즈드 어레이 안테나(830)에 사용되는 각각의 위상 쉬프터(807)는, 동일면 상의 영역을 위상 쉬프터(700)를 구성하는 강유전체 기재(702) 및 상유전체 기재(701)에 각각 할당함으로써, 단일체(one piece)로 형성된다. 따라서, 마이크로스트립 하이브리드 커플러(703)에 대한 선로의 단위 길이 당 분포된 커패시턴스 Cn과 마이크로스트립 스터브(704)에 대한 선로의 단위 길이 당 분포된 커패시턴스 Cf는 서로 상당히 다르다. 이에 따라, 고주파 전력 반사가 마이크로스트립 하이브리드 커플러(703)와 마이크로스트립 스터브(704) 사이의 커넥션에서 발생하여, 마이크로 하이브리드 커플러(703)로부터의 전력이 마이크로스트립 스터브(704)에 그리 충분하게 입력되지 않으며, 그 결과, 충분한 위상 변화량이 얻어질 수 없다.
이하에서, 상세히 설명한다. 예를 들어, 선로 임피던스 Z는 일반적으로 선로의 단위 길이 당 분포된 인덕턴스 L과 선로의 단위 길이 당 분포된 커패시턴스 C에 의해 Z^2(Z의 제곱) = L/C로 표현된다. 또한, 모든 필드가 기재 내에만 존재하고, 모든 필드가 선형이면서 접지 도체에 수직하도록 근사화된다고 가정하면, 선로의 단위 길이 당 분포된 커패시턴스 C는, 선로 폭 W, 기재의 두께 H, 및 기재의 유전율 ε에 의해, C = εW/H로 표현된다. 마이크로스트립 하이브리드 커플러(703)에 대한 단위 길이 당 분포된 커패시턴스 Cn과 마이크로스트립 스터브(704)에 대한 선로의 단위 길이 당 분포된 커패시턴스 Cf를 상술한 수식을 이용하여 서로 비교하는 경우, 마이크로스트립 하이브리드 커플러(703)의 기재로서의 상유전체 기재(701)의 유전율이 εn이고 마이크로스트립 스터브(704)의 기재로서의 강유전체 기재(702)의 유전율이 εf라고 가정하면, 일반적으로 관계 εn << εf가 성립된다. 또한, 마이크로스트립 하이브리드 커플러(703) 및 마이크로스트립 스터브(704)의 선로 폭 W와, 각각의 도체의 두께 H가 동일하므로, 마이크로스트립 하이브리드 커플러(703)에 대한 선로의 단위 길이 당 분포된 커패시턴스 Cn(=εnW/H)와 마이크로스트립 스터브(704)에 대한 선로의 단위 길이 당 분포된 커패시턴스 Cf(=εfW/H)는 상당히 다르다. 결과적으로, 상술한 바와 같이, 마이크로스트립 하이브리드 커플러(703)로부터의 전력은 마이크로스트립 스터브(704)에 그리 충분하게 입력되지 않으며, 이에 따라, 충분한 위상 변화량이 얻어질 수 없다.
이 문제점을 극복하기 위하여, 자기 재료를 마이크로스트립 스터브(704) 근처에 마련하여, 마이크로스트립 스터브(704)에 대한 선로의 단위 길이 당 분포된 인덕턴스 L을 증가시킴으로써, 선로 임피던스 Z를 증가시키는 방법이, 상술한 종래 기술 1에 개시되어 있으며, 그 구성도 또한 제안된다.
그러나, 자기 재료가 위상 쉬프터(700)의 마이크로스트립 스터브(704) 근처에 마련되어 양 선로 섹션(703, 704) 사이의 선로 임피던스 Z의 정합도(matching degree)의 감소를 억제하여, 상술한 종래 기술 1에서와 같이, 더 큰 위상 변화량을 얻는 경우에는, 위상 쉬프터(700)가 소성(firing)에 의해 생성될 때 더 많은 공정이 필요하고, 이에 따라, 불리하게도 위상 쉬프터의 제작 비용이 증가하게 된다는 추가적인 문제점이 발생한다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 이 목적을 위해, 본 발명은, 더 적은 제작 공정(저비용)으로 제작될 수 있고, 조준 빔(큰 지향성 이득)과큰 빔 틸트량을 갖는 안테나 제어 장치, 및 이러한 제어 장치를 사용하는 페이즈드 어레이 안테나를 제공해야 한다.
본 발명은, 강유전체를 위상 쉬프터(phase shifter)로서 사용하는 안테나 제어 장치 및, 이러한 안테나 제어 장치를 이용하는 페이즈드 어레이 안테나(phased-array antenna)에 관한 것이다. 더 구체적으로는, 본 발명은 이동체 식별용 무선기(radio) 또는 자동차 충돌 방지용 레이더와 같은 안테나 제어 장치, 및 이러한 안테나 제어 장치를 이용하는 페이즈드 어레이 안테나에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따라 페이즈드 어레이 안테나에 사용되는 위상 쉬프터의 구성을 나타낸 사시도(도 1(a)) 및 단면도(도 1(b)),
도 2는 본 발명의 실시예 2에 따라 페이즈드 어레이 안테나에 사용되는 위상 쉬프터의 구성을 나타낸 사시도(도 2(a)) 및 단면도(도 2(b)),
도 3은 본 발명의 실시예 3에 따른 페이즈드 어레이 안테나의 구성을 나타낸 도면(도 3(a)) 및 이 페이즈드 어레이 안테나의 지향성을 도시한 도면(도 3(b)),
도 4는 본 발명의 실시예 4에 따른 페이즈드 어레이 안테나의 구성을 나타낸 도면(도 4(a)) 및 이 페이즈드 어레이 안테나의 지향성을 도시한 도면(도 4(b)),
도 5는 본 발명의 실시예 5에 따른 페이즈드 어레이 안테나의 구성을 나타낸 도면,
도 6은 본 발명의 실시예 6에 따른 페이즈드 어레이 안테나의 구성을 나타낸 도면,
도 7은 실시예 6에 따른 안테나 제어 장치 또는 페이즈드 어레이 안테나에서의 브랜치 단(stage)의 수(k), 안테나 소자의 수(m) 및 위상 쉬프터의 수(Mk)의 관계를 나타낸 테이블,
도 8은 k=1이고 m=2인 경우(도 8(a)), k=2이고 m=4인 경우(도 8(b)), k=3이고 m=8인 경우(도 8(c))의 위상 쉬프터의 배치를 나타낸 도면,
도 9는 통상적인 페이즈드 어레이 안테나에 사용되는 위상 쉬프터의 구성을 나타낸 도면(도 9(a)) 및 강유전체 재료의 유전율 변화 특성을 나타낸 도면(도 9(b)),
도 10은 통상적인 페이즈드 어레이 안테나의 구성 및 동작 원리를 나타낸 도면(도 10(a)) 및 통상적인 페이즈드 어레이 안테나의 지향성을 나타낸 도면(도 10(b))이다.
본 발명의 제 1 항에 따르면, 안테나 소자가 접속되는 복수의 안테나 단자와, 고주파 전력이 인가되는 급전 단자와, 상기 급전 단자로부터 분기된 급전 선로에 의해 상기 각각의 안테나 단자에 접속되고 상기 각각의 안테나 단자와 상기 급전 단자 사이를 관통하는 고주파 신호의 위상을 전기적으로 변화시키는 위상 쉬프터 - 상기 이 변환기는 각각의 급전 선로 상의 일부 위치에 배치됨 - 를 구비하고 있는 안테나 제어 장치에 있어서, 이 위상 쉬프터는 상유전체 재료를 기재(base material)로서 사용하는 상유전체 전송 선로 층에 마련된 하이브리드 커플러와, 강유전체 재료를 기재로서 사용하는 강유전체 전송 선로 층에 마련된 스터브를 포함하되, 상기 상유전체 전송 선로 층과 상기 강유전체 전송 선로 층은 접지 도체를 사이에 두고 적층되고, 상기 하이브리드 커플러와 상기 스터브는 상기 접지 도체를 관통하는 스루홀(through hole)에 의해 접속되며, 상기 강유전체 전송 선로 층 상에 전송 선로를 형성하는 도체들 사이의 거리는 상기 상유전체 전송 선로 층 상에 전송 선로를 형성하는 도체들 사이의 거리보다 더 큰 안테나 제어 장치가 제공된다.
따라서, 효과적인 위상 변화량을 제공하며 적은 공정으로 제작되는 저비용 위상 쉬프터를 얻는 것이 가능하며, 그 결과, 안테나 제어 장치가 적은 공정으로제작될 수 있어서, 안테나 제어 장치의 제작 비용이 저감될 수 있다.
본 발명의 제 2 항에 따르면, 안테나 소자가 접속되는 복수의 안테나 단자와, 고주파 전력이 인가되는 급전 단자와, 상기 급전 단자로부터 분기된 급전 선로에 의해 상기 각각의 안테나 단자에 접속되고 상기 각각의 안테나 단자와 상기 급전 단자 사이를 관통하는 고주파 신호의 위상을 전기적으로 변화시키는 위상 쉬프터 - 이 위상 쉬프터는 상기 각각의 급전 선로 상의 일부 위치에 배치됨 - 를 구비하고 있는 안테나 제어 장치에 있어서, 이 위상 쉬프터는 상유전체 재료를 기재로서 사용하는 상유전체 전송 선로 층에 마련된 하이브리드 커플러와, 강유전체 재료를 기재로서 사용하는 강유전체 전송 선로 층에 마련된 스터브를 포함하되, 상기 상유전체 전송 선로 층과 상기 강유전체 전송 선로 층은 접지 도체를 사이에 두고 적층되고, 상기 하이브리드 커플러와 상기 스터브는 상기 접지 도체 상에 형성된 커플링 윈도우(coupling window)를 통해 전자기적으로 접속되며, 상기 상유전체 전송 선로 층 상에 전송 선로를 형성하는 도체들 사이의 거리는 상기 강유전체 전송 선로 층 상에 전송 선로를 형성하는 도체들 사이의 거리보다 더 큰 안테나 제어 장치가 제공된다.
따라서, 더욱 효과적인 위상 변화량을 제공하며 더 적은 공정으로 제작되는 더 적은 비용의 위상 쉬프터를 얻는 것이 가능하며, 그 결과, 안테나 제어 장치가 더 적은 공정으로 제작될 수 있어서, 안테나 제어 장치의 제작 비용이 저감될 수 있다.
본 발명의 제 3 항에 따르면, 유전체 기판 상에, 복수의 안테나 소자와, 고주파 전력이 인가되는 급전 단자와, 상기 급전 단자로부터 분기된 급전 선로에 의해 상기 각각의 안테나 소자에 접속되고 상기 각각의 안테나 소자와 상기 급전 단자 사이를 관통하는 고주파 신호의 위상을 전기적으로 변화시키는 위상 쉬프터 - 이 위상 쉬프터는 상기 급전 선로 상의 일부 위치에 배치됨 - 를 구비하고 있는 안테나 제어 장치를 포함하는 페이즈드 어레이 안테나(phased-array antenna)에 있어서, 이 위상 쉬프터는 상유전체 재료를 기재로서 사용하는 상유전체 전송 선로 층에 마련된 하이브리드 커플러와, 강유전체 재료를 기재로서 사용하는 강유전체 전송 선로 층에 마련된 스터브를 포함하되, 상기 상유전체 전송 선로 층과 상기 강유전체 전송 선로 층은 접지 도체를 사이에 두고 적층되고, 상기 하이브리드 커플러와 상기 스터브는 상기 접지 도체를 관통하는 스루홀(through hole)에 의해 접속되며, 상기 강유전체 전송 선로 층 상에 전송 선로를 형성하는 도체들 사이의 거리는 상기 상유전체 전송 선로 층 상에 전송 선로를 형성하는 도체들 사이의 거리보다 더 큰 페이즈드 어레이 안테나가 제공된다.
따라서, 효과적인 위상 변화량을 제공하며 적은 공정으로 제작되는 저비용의 위상 쉬프터를 얻는 것이 가능하며, 그 결과, 페이즈드 어레이 안테나가 적은 공정으로 제작될 수 있어서, 페이즈드 어레이 안테나의 제작 비용이 저감될 수 있다.
본 발명의 제 4 항에 따르면, 유전체 기판 상에, 복수의 안테나 소자와, 고주파 전력이 인가되는 급전 단자와, 상기 급전 단자로부터 분기된 급전 선로에 의해 상기 각각의 안테나 소자에 접속되고 상기 각각의 안테나 소자와 상기 급전 단자 사이를 관통하는 고주파 신호의 위상을 전기적으로 변화시키는 위상 쉬프터 -이 위상 쉬프터는 상기 급전 선로 상의 일부 위치에 배치됨 - 를 구비하고 있는 안테나 제어 장치를 포함하는 페이즈드 어레이 안테나에 있어서, 이 위상 쉬프터는 상유전체 재료를 기재로서 사용하는 상유전체 전송 선로 층에 마련된 하이브리드 커플러와, 강유전체 재료를 기재로서 사용하는 강유전체 전송 선로 층에 마련된 스터브를 포함하되, 상기 상유전체 전송 선로 층과 상기 강유전체 전송 선로 층은 접지 도체를 사이에 두고 적층되고, 상기 하이브리드 커플러와 상기 스터브는 상기 접지 도체에 형성된 커플링 윈도우를 통해 전자기적으로 접속되며, 상기 강유전체 전송 선로 층 상에 전송 선로를 형성하는 도체들 사이의 거리는 상기 상유전체 전송 선로 층 상에 전송 선로를 형성하는 도체들 사이의 거리보다 더 큰 페이즈드 어레이 안테나가 제공된다.
따라서, 더욱 효과적인 위상 변화량을 제공하며 더 적은 제작 공정으로 제작되는 저비용의 위상 쉬프터를 얻는 것이 가능하며, 그 결과, 페이즈드 어레이 안테나가 적은 공정으로 제작될 수 있어서, 페이즈드 어레이 안테나의 제작 비용이 저감될 수 있다.
본 발명의 제 5 항에 따르면, 고주파 전력이 인가되는 급전 단자와, m = 2^k (2의 k승)(m, k는 정수)일 때, k번째 단 브랜치에서, 상기 급전 단자로부터 m개의 선로로 분기되는 급전 선로와, m개의 급전 선로의 종단에 마련된, 안테나 소자를 접속하는 m개의 안테나 단자 - 상기 안테나 단자는 각각 제 1, 제 2, …, 제 m 안테나 단자로 하여 열 형태로 배치됨 - 와, 모두 동일한 특성을 가지며, 상기 급전선로를 관통하는 고주파 신호의 위상을 전기적으로 변화시키는 Mk개의 위상 쉬프터(k ≥1이고 M1= 1일 때, Mk= M(k-1)x 2 + 2^(k-1))와, 모두 동일한 특성을 가지며, 상기 위상 쉬프터의 전송 손실량과 같은 전송 손실량을 갖는 Mk개의 손실 소자를 포함하되, 상기 위상 쉬프터는, 제 (n+1) 안테나 단자(n은 1 내지 m-1 사이의 정수)와 상기 급전 단자 사이에 위치한 위상 쉬프터의 수가 제 n 안테나 단자와 상기 급전 단자 사이에 위치한 위상 쉬프터의 수보다 1개 더 많도록, m개의 선로로 분기되는 상기 급전 선로 상의 일부 위치에 배치되고, 상기 손실 소자는, 상기 제 n 안테나 단자로부터 상기 급전 단자까지의 전송 손실량이 제 (n+1) 안테나 단자로부터 상기 급전 단자까지의 전송 손실량보다 하나의 위상 쉬프터에 해당하는 전송 손실량만큼 더 많도록, m개의 선로로 분기된 상기 급전 선로 상의 일부 위치에 배치되는 안테나 제어 장치가 제공된다.
따라서, m개의 안테나 단자에 대한 분포된 전력량의 변화가 회피되어, 빔 형상의 변형 또는 빔 방향의 변화량 감소가 회피될 수 있다. 그 결과, 조준 빔(큰 지향성 이득) 및 만족스러운 빔 틸트량을 갖는 안테나 제어 장치가 구현될 수 있다.
본 발명의 제 6 항에 따르면, 고주파 전력이 인가되는 급전 단자와, m = 2^k (2의 k승)(m, k는 정수)일 때, k번째 단 브랜치에서, 상기 급전 단자로부터 m개의 선로로 분기되는 급전 선로와, m개의 급전 선로의 종단에 마련된, 안테나 소자를 접속하는 m개의 안테나 단자 - 상기 안테나 단자는 각각 제 1, 제 2, …, 제 m 안테나 단자로 하여 열 형태로 배치됨 - 와, 모두 동일한 특성을 가지며, 상기 급전 선로를 관통하는 고주파 신호의 위상을 양의 방향으로 전기적으로 변화시키는 Mk개의 정방향 빔 틸트용 위상 쉬프터(positive beam tilting phase shifters)(k ≥1이고 M1= 1일 때, Mk= M(k-1)x 2 + 2^(k-1))와, 모두 동일한 특성을 가지며, 상기 급전 선로를 관통하는 상기 고주파 신호의 상기 위상을 음의 방향으로 전기적으로 변화시키는 Mk개의 부방향 빔 틸트용 위상 쉬프터(negative beam tilting phase shifters)를 포함하되, 상기 정방향 빔 틸트용 위상 쉬프터는, 제 (n+1) 안테나 단자(n은 1 내지 m-1 사이의 정수)와 상기 급전 단자 사이에 위치한 상기 정방향 빔 틸트용 위상 쉬프터의 수가 제 n 안테나 단자와 상기 급전 단자 사이에 위치한 상기 정방향 빔 틸트용 위상 쉬프터의 수보다 1개 더 많도록, m개의 선로로 분기되는 상기 급전 선로 상의 일부 위치에 배치되고, 상기 부방향 빔 틸트용 위상 쉬프터는, 제 n 안테나 단자와 상기 급전 단자 사이에 위치한 부방향 빔 틸트용 위상 쉬프터의 수가 제 (n+1) 안테나 단자와 상기 급전 단자 사이에 위치한 부방향 빔 틸트용 위상 쉬프터의 수보다 1개 더 많도록, m개의 선로로 분기되는 상기 급전 선로 상의 일부 위치에 배치되는 안테나 제어 장치가 제공된다.
따라서, m개의 안테나 단자에 대한 분포된 전력량의 변화가 회피되어, 빔 형상의 변형 또는 빔 방향의 변화량 감소가 회피될 수 있고, 더욱이, 위상 쉬프터의 위상 변화량이 작을 때에도 빔 틸트량의 감소가 회피될 수 있다. 그 결과, 정조준 빔(more pointed beam)(큰 지향성 이득) 및 더욱 만족스러운 빔 틸트량을 갖는 안테나 제어 장치가 구현될 수 있다.
본 발명의 제 7 항에 따르면, m2개의 행 방향 안테나 제어 장치 - 이 행 방향 안테나 제어 장치는 m = m1개의 안테나 단자를 포함하는 청구항 5에 기재된 안테나 제어 장치임(m1은 정수) - 와, 하나의 열 방향 안테나 제어 장치 - 이 열 방향 안테나 제어 장치는 m = m2개의 안테나 단자를 포함하는 청구항 5에 기재된 안테나 제어 장치임(m2는 정수) - 을 포함하되, 상기 m2개의 행 방향 안테나 제어 장치의 급전 단자는 제각각 상기 열 방향 안테나 제어 장치의 상기 m2개의 안테나 단자에 접속되는 2차원 안테나 제어 장치가 제공된다.
따라서, 조준 빔(큰 지향성 이득) 및 만족스러운 빔 틸트량을 가지며, X축 및 Y축 빔 틸트를 구현할 수 있는 2차원 안테나 제어 장치가 구현될 수 있다.
본 발명의 제 8 항에 따르면, m2개의 행 방향 안테나 제어 장치 - 이 행 방향 안테나 제어 장치는 m = m1개의 안테나 단자를 포함하는 청구항 6에 기재된 안테나 제어 장치임(m1은 정수) - 와, 하나의 열 방향 안테나 제어 장치 - 이 열 방향 안테나 제어 장치는 m = m2개의 안테나 단자를 포함하는 청구항 6에 기재된 안테나 제어 장치임(m2는 정수) - 을 포함하되, 상기 m2개의 행 방향 안테나 제어 장치의 급전 단자는 제각각 상기 열 방향 안테나 제어 장치의 상기 m2개의 안테나 단자에접속되는 2차원 안테나 제어 장치가 제공된다.
따라서, 정조준 빔(큰 지향성 이득) 및 더욱 만족스러운 빔 틸트량을 가지며 X축 및 Y축 빔 틸트를 구현할 수 있는 2차원 안테나 제어 장치가 구현될 수 있다.
본 발명의 제 9 항에 따르면, 청구항 3에 기재된 페이즈드 어레이 안테나에서, 안테나 제어 장치는 청구항 5 또는 청구항 6에 기재된 상기 안테나 제어 장치이다.
따라서, 조준 빔(큰 지향성 이득)을 및 만족스러운 빔 틸트량을 갖는 2차원 안테나 제어 장치가 적은 공정으로 제작될 수 있어서, 제작 비용을 저감시킨다.
본 발명의 제 10 항에 따르면, 청구항 3에 기재된 페이즈드 어레이 안테나에 있어서, 상기 안테나 제어 장치는 청구항 7 또는 청구항 8에 기재된 상기 안테나 제어 장치이다.
따라서, 조준 빔(큰 지향성 이득) 및 만족스러운 빔 틸트량을 가지며, X축 및 Y축 빔 틸트를 구현할 수 있는 페이즈드 어레이 안테나가 적은 공정으로 제작될 수 있어서, 제작 비용을 저감시킨다.
본 발명의 제 11 항에 따르면, 청구항 4에 기재된 페이즈드 어레이 안테나에 있어서, 상기 안테나 제어 장치는 청구항 5 또는 청구항 6에 기재된 상기 안테나 제어 장치이다.
따라서, 정조준 빔(더 큰 지향성 이득) 및 더욱 만족스러운 빔 틸트량을 갖는 페이즈드 어레이 안테나가 적은 공정으로 제작될 수 있어서, 제작 비용을 저감시킨다.
본 발명의 제 12 항에 따르면, 청구항 4에 기재된 페이즈드 어레이 안테나에 있어서, 상기 안테나 제어 장치는 청구항 7 또는 청구항 8에 기재된 상기 안테나 제어 장치이다.
따라서, 정조준 빔(더 큰 지향성 이득) 및 더욱 만족스러운 빔 틸트량을 가지며, X축 및 Y축 빔 틸트를 구현할 수 있는 페이즈드 어레이 안테나가 더 적은 공정으로 제작될 수 있어서, 제작 비용을 저감시킨다.
(실시예 1)
이하에서, 도 1을 참조하여 본 발명의 실시예 1에 대해 설명한다.
실시예 1에서는, 본 발명의 페이즈드 어레이 안테나에 사용되는 위상 쉬프터에 대해 설명한다.
도 1은 실시예 1에 따른 본 발명의 페이스트 어레이 안테나에 사용되는 위상 쉬프터의 구성을 나타낸 사시도(도 1(a)) 및 단면도(도 1(b))이다.
도 1에서, 참조 부호(100)는 위상 쉬프터를 나타낸다. 부호(101)는 상유전체 기재를 나타내고, 부호(102)는 상유전체 전송 선로 층을 나타내고, 부호(103)는 마이크로스트립 하이브리드 커플러를 나타내고, 부호(104)는 강유전체 기재를 나타내고, 부호(105)는 강유전체 전송 선로 층을 나타내고, 부호(106)는 마이크로스트립 스터브를 나타내고, 부호(107)는 접지 도체를 나타내며, 부호(108)는 접지 도체(107)를 통해 마이크로스트립 하이브리드 커플러(103)와 마이크로스트립 스터브(106)를 접속시키는 스루홀을 나타낸다.
먼저, 통상적인 위상 쉬프터(700)보다 더 우수한 실시예 1에 따른 위상 쉬프터(100)의 특성에 대해 상세히 설명한다.
상술한 바와 같이, 도 9(a)에 도시한 위상 쉬프터에서, 마이크로스트립 하이브리드 커플러(703)에 대한 선로의 단위 길이 당 분포된 커패시턴스 Cn과 마이크로스트립 스터브(704)에 대한 선로의 단위 길이 당 분포된 커패시턴스 Cf는 상당히 다르며, 이에 따라, 마이크로스트립 하이브리드 커플러(703)로부터의 전력이 마이크로스트립 스터브(704)로 그리 충분히 입력되지 않게 되어, 충분한 위상 변화량이 얻어질 수 없다. 이 문제점을 극복하기 위해, 종래 기술 1에 나타낸 바와 같이 위상 쉬프터(700)의 마이크로스트립 스터브(704)에 자기 재료를 추가하여 선로의 단위 길이 당 분포된 인덕턴스 L을 증가시키는 경우, 동일면 상의 영역을 강유전체 기재(702)와 상유전체 기재(701)에 각각 할당함으로써 단일체로 형성된 통상적인 위상 쉬프터의 구성은 더 많은 공정을 필요로 하며, 이에 의해, 불리하게도 제작 비용이 증가한다.
따라서, 실시예 1의 위상 쉬프터(100)에서, 도 1(a)에 도시한 바와 같이, 마이크로스트립 하이브리드 커플러(103)는 상유전체 재료를 기재(101)로 사용하는 상유전체 전송 선로 층(102) 상에 형성되고, 마이크로스트립 스터브(106)는 강유전체 재료를 기재(104)로 사용하는 강유전체 전송 선로 층(105) 상에 형성되며, 이들 두 전송 선로 층(102, 105)은 접지 도체(107)를 거쳐서 적층되어, 마이크로스트립 하이브리드 커플러(103)와 마이크로스트립 스터브(106)가 접지 도체(107)를 관통하는 스루홀(108)을 통해 접속된다. 또한, 도 1(b)에 도시한 바와 같이, 강유전체 도체 선로 층(103)의 전송 선로를 구성하는 도체들 사이의 거리 Hf는 상유전체 전송 선로 층(102)의 전송 선로를 구성하는 도체들 사이의 거리 Hn보다 크다.
이에 따라, 마이크로스트립 하이브리드 커플러(103)와 마이크로스트립 스터브(106)의 선로 임피던스 Z가 정합될 수 있고, 이에 의해, 유효 위상 변화량을 제공하는 위상 쉬프터(100)가 더욱 간단한 제작 공정으로 제작될 수 있다.
이하에서, 위상 쉬프터에 대해 상세히 설명한다. 예를 들어, 마이크로스트립 하이브리드 커플러(103)에 대한 기재로서의 상유전체 기재(101)의 유전율이 εn이고, 마이크로스트립 스터브(106)에 대한 기재로서의 강유전체 기재(104)의 유전율이 εf라고 가정하면, 마이크로스트립 하이브리드 커플러(103)에 대한 선로의 단위 길이 당 분포된 커패시턴스 Cn은 수식 Cn = εn·W/Hn으로 주어지고, 마이크로스트립 스터브(106)에 대한 선로의 단위 길이 당 분포된 커패시턴스 Cf는 수식 Cf = εf·W/Hf로 주어진다. Cn 및 Cf를 서로 비교하면, 상술한 바와 같은 관계 εn << εf가 성립되지만, 도 1(b)에 도시한 바와 같은 관계 Hn < Hf가 성립되어, 마이크로스트립 하이브리드 커플러(103)에 대한 선로의 단위 길이 당 분포된 커패시턴스 Cn과 마이크로스트립 스터브(106)에 대한 선로의 단위 길이 당 분포된 커패시턴스 Cf의 차이가 작아진다. 결과적으로, 마이크로스트립 하이브리드 커플러(103)와 마이크로스트립 스터브(106)의 선로 임피던스 Z사이의 정합도의 감소가 회피될 수 있어서, 마이크로스트립 하이브리드 커플러(103)로부터의 전력이 마이크로스트립 스터브(106)에 효과적으로 입력됨으로써, 충분한 위상 변화량이 얻어질 수 있다.
이하에서, 실시예 1에 따른 위상 쉬프터의 동작 원리에 대해 설명한다.
위상 쉬프터(100)에서는, 상유전체 기재(101)를 사용하는 마이크로스트립 하이브리드 커플러(103), 접지 도체(107), 및 강유전체 기재(104)를 사용하는 마이크로스트립 스터브(106)가 적층되고, 마이크로스트립 하이브리드 커플러(103)와 마이크로스트립 스터브(106)는 접지 도체(107)를 관통하는 스루홀(108)을 통해 접속된다. 이 위상 쉬프터(100)는, 마이크로스트립 스터브(106)에 인가되는 DC 제어 전압에 따라, 마이크로스트립 하이브리드 커플러(103)를 관통하는 고주파 전력의 위상 변화량이 변하도록 구성된다.
다시 말해, 위상 쉬프터(100)의 기재는 상유전체 기재(101), 접지 도체(107) 및 강유전체 기재(104)로 구성된다. 사각형 루프 형상의 도체 층(103a)이 상유전체 기재(101) 상에 배치되고, 이 루프 형상의 도체 층(103a)과 상유전체 기재(101)가 마이크로스트립 하이브리드 커플러(103)를 형성한다.
강유전체 기재(104) 아래에는, 2개의 선형 도체 층(106a1, 106a2)이, 각각, 사각형 루프 형상의 도체 층(103a)의 2개의 대향하는 선형 부분(103a1, 103a2)의종단에 스루홀(108)을 거쳐 링크되도록 배치된다. 이들 두 선형 도체 층(106a1, 106a2)과 강유전체 기재(104)는 마이크로스트립 스터브(106)를 형성한다.
상유전체 기재(101) 상에는, 도체 층(115a, 120a)이, 각각, 두 선형 부분(103a1, 103a2)의 연장 선로 상에 위치하고 두 선형 부분(103a1, 103a2)의 다른 쪽 선단에 링크되도록 배치된다.
이 도체 층(115a)과 상유전체 기재(101)는 입력 선로(115)를 형성하고, 도체 층(120a)과 상유전체 기재(101)는 출력 선로(120)를 형성한다. 여기에서, 루프 형상의 도체 층(103a)의 선형 부분(103a1)의 종단 및 다른 쪽 종단은, 각각, 마이크로스트립 하이브리드 커플러(103)의 포트(2, 1)이고, 루프 형상의 도체 층(103a)의 선형 부분(103a2)의 종단 및 다른 쪽 종단은, 각각, 마이크로스트립 하이브리드 커플러(103)의 포트(3, 4)이다.
상술한 구성을 갖는 위상 쉬프터(100)에서는, DC 제어 전압이 마이크로스트립 스터브(106)에 인가되는 경우, 그것을 관통하는 고주파 전력의 위상 변화량이 변한다.
이하에서, 상세히 설명한다. 적합하게 설계된 마이크로스트립 하이브리드 커플러(103)의 2개의 인접 포트(포트(2,3))에 동일한 반사 소자(마이크로스트립 스터브(106))가 스루홀(108)을 거쳐 접속되는 구성을 갖는 위상 쉬프터(100)에서, 입력 포트(포트(1))로부터 입력되었던 고주파 전력은 이 입력 포트(1)를 통해서는 출력되지 않으나, 반사 소자로부터의 반사된 출력이 반영되었던 고주파 전력은 출력 포트(포트(4))를 통해서만 출력된다. 그러면, 바이어스 필드는 제어 전압이 마이크로스트립 스터브(106)에 인가되는 경우에 발생하고, 고주파 전력에 대한 마이크로스트립 스터브(106)의 유효 유전율은 제어 전압이 변화하는 경우에 변한다. 이에 따라, 고주파 전력에 대한 마이크로스트립 스터브(106)의 등가 전력 길이(equivalent power length)가 변하고, 마이크로스트립 스터브(106)의 위상이 등가 전력 길이의 변화에 따라 변함에 따라 변하여, 출력 포트(포트(4))를 통해 출력된 고주파 전력의 위상이 변한다.
상술한 바와 같이, 실시예 1에 따른 위상 쉬프터(100)는, 평면 시트형 재료, 즉, 상유전체 기재(101), 접지 도체(107) 및 강유전체 기재(104)를 적층하고, 접지 도체(107)를 관통하는 스루홀(108)을 형성함으로써 구성되어, 상유전체 전송 선로 층(102) 상에 형성된 마이크로스트립 하이브리드 커플러(103)와 강유전체 전송 선로 층(105) 상에 형성된 마이크로스트립 스터브(106)가 서로 접속되며, 이 위상 쉬프터에서, 마이크로스트립 스터브(106)가 마련된 강유전체 전송 선로 층(105)의 기재 두께 Hf는 마이크로스트립 하이브리드 커플러(103)가 마련된 상유전체 전송 선로 층(102)의 기재 두께 Hn보다 크다. 따라서, 마이크로스트립 하이브리드 커플러(103)와 마이크로스트립 스터브(106) 사이의 선로 임피던스 정합의 열화가 억제되어, 유효 위상 변화량을 제공하는 위상 쉬프터가 얻어질 수 있다. 또한, 이 위상 쉬프터는, 통상적인 위상 쉬프터(700)에서와 같이 동일면 상의 영역을 각각의 기재에 할당하도록 기재가 배치되는 방법에 비해, 더 적은 제작 공정으로 제작될 수 있으며, 이에 따라, 위상 쉬프터가 더 적은 비용으로 생산될 수 있다.
또한, 이 위상 쉬프터(100)가 페이즈드 어레이 안테나에 사용되는 경우, 페이즈드 어레이 안테나는 더 적은 공정으로 제작될 수 있어서, 제작 비용을 저감시킨다.
(실시예 2)
도 2를 참조하여 본 발명의 실시예 2에 대해 설명한다.
이 실시예 2에서는, 본 발명의 페이즈드 어레이 안테나에 사용되는 위상 쉬프터에 대해 설명한다.
도 2는 실시예 2에 따라 본 발명의 페이즈드 어레이 안테나에 사용되는 위상 쉬프터의 구성을 나타내는 사시도(도 2(a)) 및 단면도(도 2(b))이다.
도 2에서, 참조 부호(200)는 위상 쉬프터를 나타낸다. 부호(201)는 상유전체 기재를 나타내고, 부호(202)는 상유전체 전송 선로 층을 나타내고, 부호(203)는 마이크로스트립 하이브리드 커플러를 나타내고, 부호(204)는 강유전체 기재를 나타내고, 부호(205)는 강유전체 전송 선로 층을 나타내고, 부호(206)는 마이크로스트립 스터브를 나타내고, 부호(207)는 접지 도체를 나타내며, 부호(208)는 접지 도체(207)에 형성되어 마이크로스트립 하이브리드 커플러(203)와 마이크로스트립 스터브(206)를 전자기적으로 연결하는 커플링 윈도우를 나타낸다.
먼저, 통상적인 위상 쉬프터(700)보다 더 우수한 실시예 2에 따른 위상 쉬프터(200)의 특성에 대해 상세히 설명한다.
실시예 1에서 설명한 바와 같이, 종래 기술 1에 나타낸 바와 같이 도 9(a)에 도시한 통상적인 위상 쉬프터(700)의 마이크로스트립 스터브(704)에 자기 재료를추가하여 선로의 단위 길이 당 분포된 인덕턴스 L을 증가시키는 경우, 통상적인 위상 쉬프터(700)에 대한 충분한 위상 변화량이 얻어지지 않는 문제점을 해결하기 위해, 동일면 상의 영역을 강유전체 기재(702)와 상유전체 기재(701)에 각각 할당함으로써 단일체로 형성된 통상적인 위상 쉬프터(700)는 더 많은 공정을 필요로 하며, 이에 의해, 제작 비용이 증가한다.
도 2(a)에 도시한 바와 같은 실시예 2에 따른 위상 쉬프터(200)에서, 마이크로스트립 하이브리드 커플러(203)는 상유전체 재료를 기재(201)로 사용하는 상유전체 전송 선로 층(202) 상에 형성되고, 마이크로스트립 스터브(206)는 강유전체 재료를 기재(204)로 사용하는 강유전체 전송 선로 층(205) 상에 형성되어, 이들 두 전송 선로 층(202, 205)은 접지 도체(207)를 거쳐서 적층되고, 마이크로스트립 하이브리드 커플러(203)와 마이크로스트립 스터브(206)는 접지 도체(207)에 형성된 커플링 윈도우(208)를 통해 전자기적으로 접속되며, 또한, 도 2(b)에 도시한 바와 같이, 강유전체 전송 선로 층(205) 상의 전송 선로를 형성하는 도체들 사이의 거리 Hf는 상유전체 전송 선로 층(202) 상의 전송 선로를 형성하는 도체들 사이의 거리 Hn보다 크다.
이에 따라, 마이크로스트립 하이브리드 커플러(203)와 마이크로스트립 스터브(206)의 선로 임피던스 Z가 정합될 수 있고, 이에 의해, 유효 위상 변화량을 제공하는 위상 쉬프터(200)가 더욱 간단한 제작 공정으로 제작될 수 있다.
이하에서, 상세히 설명한다. 예를 들어, 마이크로스트립 하이브리드 커플러(203)의 기재로서의 상유전체 기재(201)의 유전율이 εn이고, 마이크로스트립 스터브(206)의 기재로서의 강유전체 기재(204)의 유전율이 εf라고 가정하면, 마이크로스트립 하이브리드 커플러(203)에 대한 선로의 단위 길이 당 분포된 커패시턴스 Cn은 수식 Cn = εn·W/Hn으로 주어지고, 마이크로스트립 스터브(206)에 대한 선로의 단위 길이 당 분포된 커패시턴스 Cf는 수식 Cf = εf·W/Hf로 주어진다. Cn 및 Cf를 서로 비교하면, εn << εf이지만, 이 실시예 2에서는, 도 2(b)에 도시한 바와 같이, Hn < Hf가 성립되어, 마이크로스트립 하이브리드 커플러(203)에 대한 선로의 단위 길이 당 분포된 커패시턴스 Cn과 마이크로스트립 스터브(206)에 대한 선로의 단위 길이 당 분포된 커패시턴스 Cf의 차이가 작아진다. 결과적으로, 마이크로스트립 하이브리드 커플러(203)와 마이크로스트립 스터브(206)의 선로 임피던스 Z사이의 정합의 열화가 회피될 수 있어서, 마이크로스트립 하이브리드 커플러(203)로부터의 전력이 마이크로스트립 스터브(206)에 효과적으로 입력되고, 충분한 위상 변화량이 얻어질 수 있다.
이하에서, 실시예 2에 따른 위상 쉬프터의 동작 원리에 대해 설명한다.
위상 쉬프터(200)에서는, 상유전체 기재(201)를 사용하는 마이크로스트립 하이브리드 커플러(203), 접지 도체(207), 및 강유전체 기재(204)를 사용하는 마이크로스트립 스터브(206)는 적층되고, 마이크로스트립 하이브리드 커플러(203)와 마이크로스트립 스터브(206)는 접지 도체(207)에 형성된 커플링 윈도우(208)를 통해 전자기적으로 접속된다. 이 위상 쉬프터(200)는, 마이크로스트립 스터브(206)에 인가되는 DC 제어 전압에 따라, 마이크로스트립 하이브리드 커플러(203)를 관통하는 고주파 전력의 위상 변화량이 변하도록 구성된다.
다시 말해, 위상 쉬프터(200)의 기재는 상유전체 기재(201), 접지 도체(207) 및 강유전체 기재(204)로 구성된다. 사각형 루프 형상의 도체 층(203a)이 상유전체 기재(201) 상에 배치되어, 이 루프 형상의 도체 층(203a)과 상유전체 기재(201)가 마이크로스트립 하이브리드 커플러(203)를 형성한다.
2개의 선형 도체 층(206a1, 206a2)은, 각각, 사각형 루프 형상의 도체 층(203a)의 2개의 대향하는 선형 부분(203a1, 203a2)의 종단에 커플링 윈도우(208)를 거쳐 전자기적으로 접속되도록 강유전체 기재(204) 아래에 배치된다. 이들 두 선형 도체 층(206a1, 206a2)과 강유전체 기재(204)는 마이크로스트립 스터브(206)를 형성한다.
또한, 도체 층(215a, 220a)은, 각각, 두 선형 부분(203a1, 203a2)의 연장 선로 상에 위치하고 두 선형 부분(203a1, 203a2)의 다른 쪽 선단에 링크되도록 상유전체 기재(201) 상에 배치된다.
이 도체 층(215a)과 상유전체 기재(201)는 입력 선로(215)를 형성하고, 도체 층(220a)과 상유전체 기재(201)는 출력 선로(220)를 형성한다. 여기에서, 루프 형상의 도체 층(203a)의 선형 부분(203a1)의 종단 및 다른 쪽 종단은, 각각, 마이크로스트립 하이브리드 커플러(203)의 포트(2, 1)이고, 루프 형상의 도체 층(203a)의 선형 부분(203a2)의 종단 및 다른 쪽 종단은 각각, 마이크로스트립 하이브리드 커플러(203)의 포트(3, 4)이다.
상술한 구성을 갖는 위상 쉬프터(200)에서는, DC 제어 전압이 마이크로스트립 스터브(206)에 인가되는 경우, 그것을 관통하는 고주파 전력의 위상 변화량이변한다.
이하에서, 상세히 설명한다. 적합하게 설계된 마이크로스트립 하이브리드 커플러(203)의 2개의 인접 포트(포트(2,3))에 동일한 반사 소자(마이크로스트립 스터브(206))가 커플링 윈도우(208)를 거쳐 전자기적으로 접속되는 구성을 갖는 위상 쉬프터(200)에서, 입력 포트(포트(1))로부터 입력되었던 고주파 전력은 이 입력 포트(1)로부터는 출력되지 않고, 반사 소자로부터의 반사된 출력이 반영되었던 고주파 전력은 출력 포트(포트(4))를 통해서만 출력된다. 그러면, 바이어스 필드는 제어 전압이 마이크로스트립 스터브(206)에 인가되는 경우에 발생하고, 고주파 전력에 대한 마이크로스트립 스터브(206)의 유효 유전율은 제어 전압이 변화하는 경우에 변한다. 이에 따라, 고주파 전력에 대한 마이크로스트립 스터브(206)의 등가 전기 길이가 변하여, 출력 포트(포트(4))로부터 출력된 고주파 전력의 위상이 변한다.
상술한 바와 같이, 실시예 2에 따르면, 위상 쉬프터(200)는, 평면 시트형 재료, 즉, 상유전체 기재(201), 커플링 윈도우(208)를 포함하는 접지 도체(207) 및 강유전체 기재(204)를 적층함으로써 구성되며, 마이크로스트립 스터브(206)가 마련된 강유전체 전송 선로 층(205)에 대한 기재 두께 Hf는 마이크로스트립 하이브리드 커플러(203)가 마련된 상유전체 전송 선로 층(202)에 대한 기재 두께 Hn보다 크다. 따라서, 마이크로스트립 하이브리드 커플러(203)와 마이크로스트립 스터브(206) 사이의 선로 임피던스 정합의 열화가 회피될 수 있어서, 유효 위상 변화량을 제공하는 위상 쉬프터가 얻어질 수 있다. 또한, 이 위상 쉬프터는, 통상적인 위상 쉬프터(700)에서와 같이 하나의 면 위의 영역이 각각의 기재에 할당되도록 기재를 배치하는 방법에 비해, 더 적은 제작 공정으로 제작될 수 있으며, 이에 의해, 위상 쉬프터가 더 적은 비용으로 생산될 수 있다.
또한, 위상 쉬프터(200)가 페이즈드 어레이 안테나에 사용되는 경우, 페이즈드 어레이 안테나는 더 적은 공정으로 제작될 수 있어, 제작 비용을 저감시킨다.
(실시예 3)
도 3을 참조하여 본 발명의 실시예 3에 대해 설명한다.
도 3(a)는 실시예 3에 따른 페이즈드 어레이 안테나의 구성을 나타낸 도면이고, 도 3(b)는 빔 틸트 전압이 인가된 경우 및 빔 틸트 전압이 인가되지 않은 경우에 실시예 3에 따른 페이즈드 어레이 안테나의 지향성을 나타낸 도면이다.
도 3(a)에서, 실시예 3에 따른 페이즈드 어레이 안테나(330)는 안테나 제어 장치(300), 도 3(b)에 도시한 바와 같은 지향성(빔 틸트)의 제어를 수행하기 위한 빔 틸트 전압(320), 및 4개의 안테나 소자(310a 내지 310d)를 포함한다. 안테나 제어 장치(300)는 입력 단자(급전 단자)(301), 4개의 안테나 단자(307a 내지 307d), 4개의 위상 쉬프터(308a1 내지 308a4), 4개의 손실 소자(309a1 내지 309a4), 고주파 차단 소자(311), DC 차단 소자(312), 입력 단자(301)로부터의 전송 선로(급전 선로)(302), 제 1 브랜치(303)에서 분기된 2개의 전송 선로(304a, 304b), 제 2 브랜치(305a, 305b)에서 전송 선로(304a, 304b)로부터 분기된 4개의 전송 선로(306a 내지 306d)를 포함한다.
이하에서, 실시예 3에 따른 페이즈드 어레이 안테나(330)를 구성하는 안테나 제어 장치(300)의 구성에 대해 더욱 상세히 설명한다.
실시예 3에 따른 안테나 제어 장치(300)는 하나의 입력 단자(301)를 포함하여, 입력 단자(301)로부터의 전송 선로(302)가 제 1 브랜치(303)에서 2개의 전송 선로(304a, 304b)로 분기되고, 또한, 제 1 브랜치(303)에서 분기된 2개의 전송 선로(304a, 304b)가 제 2 브랜치(305a, 305b)에서 2개의 전송 선로로 또한 분기되어, 분기된 4개의 전송 선로(306a 내지 306d)가 얻어진다.
또한, 입력 단자(301)는 차단 소자(312)를 통해 제 1 브랜치(303)에 접속되고, 빔 틸트 전압(320)은 고주파 차단 소자(311)를 통해 제 1 브랜치(303)에 접속된다.
4개의 전송 선로(306a 내지 306d)에는 4개의 안테나 소자(310a 내지 310d)와의 접속을 위한 4개의 안테나 단자(307a 내지 307d)가 마련된다.
4개의 안테나 단자(307a 내지 307d)가 일렬로 배열되어, 각각, 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 안테나 단자로 지칭되고, n이 0 < n < 4를 만족하는 정수라고 가정하는 경우, 위상 쉬프터(308a1 내지 308a4)는, 제 (n+1) 안테나 단자(307)와 입력 단자(301) 사이에 위치한 위상 쉬프터(308a)의 수가 제 n 안테나 단자(307)와 입력 단자(301) 사이에 위치한 위상 쉬프터(308a)의 수보다 1개 더 많도록 배열된다. 여기에서, 각각의 위상 쉬프터(308a1 내지 308a4)는 동일한 특성을 갖는다.
또한, 실시예 3에 따른 안테나 제어 장치(300)에서, 손실 소자(309a1 내지 309a4)는 각각 하나의 위상 쉬프터(308a)에 대응하는 전송 손실량과 같은 전송 손실을 가지며, 제 n 안테나 단자(307)와 입력 단자(301) 사이에 위치한 손실 소자(309a)의 수가 제 (n+1) 안테나 단자(307)와 입력 단자(301) 사이에 위치한 손실 소자(309a)의 수보다 1개 더 많도록 배치된다. 따라서, 모든 안테나 단자(307a 내지 307d)로부터 입력 단자(301)까지의 전송 손실량은 동일한 값이다.
일반적인 페이즈드 어레이 안테나에 있어서, 각각의 안테나 소자(310a 내지 310d)로부터 전력 합성점(power composition point)인 입력 단자(301)까지의 전송 손실량이 서로 다르면, 전력 합성 효과가 저하되어, 도 3(b)에 도시한 바와 같은 빔 형상이 변형되고, 조준 빔(pointed beam)(큰 지향성 이득)을 얻기 곤란하며 빔 틸트량이 감소하게 되며, 이에 따라, 안테나 지향성의 제어가 열화된다.
그러나, 실시예 3에 따른 안테나 제어 장치(300)에서, 손실 소자(309a)는, 제 n 안테나 단자(307)로부터 입력 단자(301)까지에서 발생하는 전송 손실량이 제 (n+1) 안테나 단자(307)로부터 입력 단자(301)까지에서의 전송 손실량보다 하나의 위상 쉬프터(308a)에 대응하는 전송 손실량만큼 더 크도록 배치된다(n은 0 < n < 4를 충족하는 정수). 따라서, 모든 안테나 소자(310a 내지 310d)로부터 입력 단자(301)까지에서의 전송 손실량은 동일한 값의 것이고, 이에 의해, 조준 빔 및 만족스러운 빔 틸트량을 갖는 페이즈드 어레이 안테나가 구현될 수 있다.
상술한 바와 같이, 실시예 3에 따르면, n이 0 < n < 4를 충족하는 정수일 때, 위상 쉬프터(308a)는, 제 (n+1) 안테나 단자(307)와 입력 단자(301) 사이에 위치한 위상 쉬프터(308a)의 수가 제 n 안테나 단자(307)와 입력 단자(301) 사이에 위치한 위상 쉬프터(308a)의 수보다 1개 더 많도록 배치되며, 또한, 손실 소자(309a)는 제 n 안테나 단자(307)로부터 입력 단자(301)까지에서의 전송 손실량이 제 (n+1) 안테나 단자(307)로부터 입력 단자(301)까지에서의 전송 손실량보다 하나의 위상 쉬프터(308a)에 대응하는 전송 손실량만큼 더 많도록 배치된다. 따라서, 위상 쉬프터(308a1 내지 308a4)에서 임의의 통과 손실이 발생할 때에도, 각각의 안테나 소자(310a 내지 310d)에 대한 분포된 전력량이 서로 다르며, 그 결과, 빔 형상이 변형되지 않거나 빔 방향의 변화가 감소되지 않는 안테나 제어 장치(300)가 얻어질 수 있다. 또한, 이 안테나 제어 장치(300)가 페이즈드 어레이 안테나에 사용되는 경우에는, 모든 안테나 소자(310a 내지 310d)로부터 입력 단자(301)까지에서의 전송 손실량이 같아질 수 있어서, 조준 빔 및 만족스러운 빔 틸트량을 갖는 페이즈드 어레이 안테나가 구현될 수 있다.
또한, 실시예 1 또는 실시예 2에서 설명한 바와 같은 위상 쉬프터가 실시예 3에 따른 페이즈드 어레이 안테나에 사용되는 경우, 페이즈드 어레이 안테나의 제작 비용이 더욱 저감될 수 있다.
(실시예 4)
도 4를 참조하여 본 발명의 실시예 4에 대해 설명한다.
이 실시예 4에서는, 실시예 3의 것과는 상이한 구성을 갖는 페이즈드 어레이 안테나에서의 안테나 제어 장치에 대해 상세히 설명한다.
도 4(a)는 실시예 4에 따른 페이즈드 어레이 안테나의 구성을 나타낸 도면이고, 도 4(b)는 빔 틸트 전압이 인가된 경우 및 빔 틸트 전압이 인가되지 않은 경우에 실시예 4에 따른 페이즈드 어레이 안테나의 지향성을 나타낸 도면이다.
도 4(a)에서는, 실시예 4에 따른 페이즈드 어레이 안테나(440)는 안테나 제어 장치(400), 도 4(b)에 도시한 바와 같은 음 및 양의 지향성(빔 틸트)에 대한 제어를 각각 수행하는 음 및 정방향 빔 틸트 전압(421, 422), 및 4개의 안테나 소자(410a 내지 410d)를 포함한다. 안테나 제어 장치(400)는 입력 단자(401), 4개의 안테나 단자(407a 내지 407d), 4개의 정방향 빔 틸트용 위상 쉬프터(408a1 내지 408a4), 4개의 부방향 빔 틸트용 위상 쉬프터(408b1 내지 408b4), 고주파 차단 소자(411a 내지 411f), DC 차단 소자(412a 내지 412f), 입력 단자(401)로부터의 전송 선로(402), 제 1 브랜치(403)에서 분기된 2개의 전송 선로(404a, 404b), 제 2 브랜치(405a, 405b)에서 전송 선로(404a, 404b)로부터 분기된 4개의 전송 선로(406a 내지 406d)를 포함한다.
이하에서, 실시예 4에 따른 페이즈드 어레이 안테나(340)를 구성하는 안테나 제어 장치(400)의 구성에 대해 더욱 상세히 설명한다.
실시예 4의 안테나 제어 장치(400)는 하나의 입력 단자(401)를 포함하여, 입력 단자(401)로부터의 전송 선로(402)가 제 1 브랜치(403)에서 2개의 전송 선로(404a, 404b)로 분기되고, 또한, 제 1 브랜치(403)에서 분기된 2개의 전송 선로(404a, 404b)는 제 2 브랜치(405a, 405b)에서 2개의 전송 선로로 각각 분기되어, 4개의 전송 선로(406a 내지 406d)로 된다.
제 1 브랜치(403)에서 분기된 2개의 전송 선로(404a, 404b) 각각에는 하나의 DC 차단 소자(412)가 각각 마련되고, 또한, 제 2 브랜치(405a, 405b)에서 각각 분기된 4개의 전송 선로(406a 내지 406d) 각각에는 하나의 DC 차단 소자(412)가 마련된다. 고주파 차단 소자(411)는 각각의 부방향 빔 틸트용 위상 쉬프터(408b1, 408b4, 408b2)의 종단과, 각각의 정방향 빔 틸트용 위상 쉬프터(408a1, 408a4, 408a2)의 종단에 배치된다.
4개의 전송 선로(406a 내지 406d)에는 4개의 안테나 소자(410a 내지 410d)에 접속되는 4개의 안테나 단자(407a 내지 407d)가 각각 마련된다.
이들 4개의 안테나 단자(407a 내지 407d)는, 각각, 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 안테나 단자로 지칭되고 일렬로 배열되며, n이 0 < n < 4를 만족하는 정수라고 가정하면, 정방향 빔 틸트용 위상 쉬프터(408a1 내지 408a4)는, 제 (n+1) 안테나 단자(407)로부터 입력 단자(401)까지에 위치한 위상 쉬프터의 수가 제 n 안테나 단자(407)로부터 입력 단자(401)까지에 위치한 위상 쉬프터의 수보다 1개 더 많도록 배치된다.
또한, 부방향 빔 틸트용 위상 쉬프터(408b 내지 408b4)는, 제 n 안테나 단자(407)와 입력 단자(401) 사이에 위치한 위상 쉬프터의 수가 제 (n+1) 안테나 단자(407)와 입력 단자(401) 사이에 위치한 위상 쉬프터의 수보다 1개 더 많도록 배치된다.
여기에서, 정방향 빔 틸트용 위상 쉬프터(408a1 내지 408a4) 및 부방향 빔 틸트용 위상 쉬프터(408b1 내지 408b4)는 모두 동일한 특성(동일한 전송 손실량)을 갖는다.
따라서, 상술한 구성을 갖는 안테나 제어 장치(400)에서, 모든 안테나 단자(407a 내지 407d)로부터 입력 단자(401)까지의 전송 손실량은 동일하다.
일반적인 페이즈드 어레이 안테나에 있어서, 각각의 안테나 소자(410a 내지 410d)로부터 전력 합성점인 입력 단자(401)까지의 전송 손실량이 서로 다르면, 전력 합성 효과가 저하되어, 도 4(b)에 도시한 바와 같은 빔 형상이 변형되고, 이에 의해, 조준 빔(큰 지향성 이득)을 얻기 곤란하게 되고 빔 틸트량이 감소하여, 안테나 지향성에 대한 제어가 열화된다.
또한, 강유전성 재료를 위상 쉬프터(408)로서 사용하는 페이즈드 어레이 안테나에 있어서, 강유전체 재료의 유전율의 변화율이 작다면, 하나의 위상 쉬프터(408)에 의해 구현될 수 있는 위상 변화량이 적어서, 큰 빔 틸트량을 갖는 페이즈드 어레이 안테나를 얻기가 매우 곤란하다.
그러나, 실시예 4에 따른 이 안테나 제어 장치(400)에서는, 모든 안테나 소자(410a 내지 410d)로부터 입력 단자(401)까지의 전송 손실량이 같고, 또한, 정방향 빔 틸트용 위상 쉬프터(408a)와 부방향 빔 틸트용 위상 쉬프터(408b)가 마련된다. 따라서, 각각의 위상 쉬프터(408)는 더 적은 위상 변화량만을 담당하여, 정조준 빔(more pointed beam)과 더욱 만족스러운 빔 틸트량을 갖는 페이즈드 어레이 안테나가 구현될 수 있다.
상술한 바와 같이, 실시예 4에 따르면, n이 0 < n < 4를 충족하는 정수인 경우, 정방향 빔 틸트용 위상 쉬프터(408a1 내지 408a4)는, 제 (n+1) 안테나 단자(407)와 입력 단자(401) 사이에 위치한 정방향 빔 틸트용 위상 쉬프터(408a)의 수가 제 n 안테나 단자(407)와 입력 단자(401) 사이에 위치한 정방향 빔 틸트용 위상쉬프터(408a)의 수보다 1개 더 많도록 배치되며, 또한, 부방향 빔 틸트용 위상 쉬프터(408b1 내지 408b4)는, 제 n 안테나 단자(407)와 입력 단자(401) 사이에 위치한 부방향 빔 틸트용 위상 쉬프터(408b)의 수가 제 (n+1) 안테나 단자(407)와 입력 단자(401) 사이에 위치한 부방향 빔 틸트용 위상 쉬프터(408b)의 수보다 1개 더 많도록 배치된다. 따라서, 각각의 위상 쉬프터(408a1 내지 408a4)는 더 적은 위상 변화량만을 담당하고, 그 결과, 각 위상 쉬프터(408)의 강유전체 재료에 대한 유전율 변화율이 낮을 때에도 빔 틸트량을 감소시키지 않는 안테나 제어 장치(400)가 얻어질 수 있다. 또한, 안테나 제어 장치(400)가 사용되는 경우, 모든 안테나 소자(410a 내지 410d)로부터 입력 단자(401)까지의 전송 손실량이 같아질 수 있어서, 정조준 빔 및 더욱 만족스러운 빔 틸트량을 갖는 페이즈드 어레이 안테나가 구현될 수 있다.
또한, 실시예 1 또는 실시예 2에서 설명한 바와 같은 위상 쉬프터가 실시예 4에 따른 페이즈드 어레이 안테나에 사용되는 경우, 페이즈드 어레이 안테나의 제작 비용이 더욱 저감될 수 있다.
(실시예 5)
도 5를 참조하여 본 발명의 실시예 5에 대해 설명한다.
이 실시예 5에서는, 실시예 3에서 설명했던 안테나 제어 장치를 다수 개 결합시킴으로써 얻어지고, X축 방향 및 Y축 방향에서의 지향성을 제어할 수 있는 2차원 안테나 제어 장치를 포함하는 페이즈드 어레이 안테나에 대해 설명한다.
도 5는 실시예 5에 따른 페이즈드 어레이 안테나의 구성을 나타낸 도면이다.
도 5에서, 실시예 5에 따른 페이즈드 어레이 안테나(530)는 안테나 소자(510a(1-4) 내지 510d(1-4)), X축 지향성(빔 틸트)의 제어를 수행하는 X축 안테나 제어 장치(500a1 내지 500a4), Y축 지향성의 제어를 수행하는 Y축 안테나 제어 장치(500b), X축 빔 틸트 전압(520a) 및 Y축 빔 틸트 전압(520b)을 포함한다. 각각의 X축 안테나 제어 장치(500a)는 안테나 단자(507a 내지 507d)와 입력 단자(501a)를 포함한다. Y축 안테나 제어 장치(500b)는 안테나 단자(507a 내지 507d)와 입력 단자(501b)를 포함한다. 여기에서, X축 안테나 제어 장치(500a1 내지 500a4) 및 Y축 안테나(500b) 각각은 실시예 3에서 상세히 상술한 바와 같은 안테나 제어 장치(300)와 같은 구성을 갖는다.
이하에서, 이 실시예에 따른 페이즈드 어레이 안테나(530)에 대해 구체적으로 설명한다.
X축 안테나 제어 장치(500a1 내지 500a4)의 입력 단자(501a1 내지 501a4)는 Y축 안테나 제어 장치(500b)의 안테나 단자(507a 내지 507d)에 각각 접속된다. 여기에는 나타내지 않았으나, 실시예 3에서 설명한 바와 같이, X축 안테나 제어 장치(500a1 내지 500a4) 및 Y축 안테나 제어 장치(500b) 각각에는, 각각 동일한 전송 손실량을 갖는 4개의 위상 쉬프터(308a) 및 4개의 손실 소자(309a)가 도 3에 도시한 바와 같이 배치된다.
따라서, 실시예 5의 페이즈드 어레이 안테나(530)에 따르면, X축 안테나 제어 장치(500a1 내지 500a4)에서의 모든 안테나 단자(507a 내지 507d)로부터 입력단자(501a)까지의 전송 손실량은 동일한 값의 것이고, 또한, Y축 안테나 제어 장치(500b)에서 모든 안테나 단자(507a 내지 507d)로부터 입력 단자(501b)까지의 전송 손실량은 동일한 값의 것이다. 따라서, 조준 빔(큰 지향성 이득) 및 만족스러운 빔 틸트량을 가지며, X축 지향성 및 Y축 지향성을 제어할 수 있는 페이즈드 어레이 안테나가 구현될 수 있다.
상술한 바와 같이, 실시예 5의 페이즈드 어레이 안테나는, X축 지향성을 제어하는 X축 안테나 제어 장치(500a1 내지 500a4) 및 Y축 지향성을 제어하는 Y축 안테나 제어 장치(500b)를 포함하는 안테나 제어 장치와, X축 및 Y축 안테나 제어 장치(500)로서, 위상 쉬프터(508a)와 위상 쉬프터(308a)의 수만큼의 손실 소자(309a)(각 손실 소자는 위상 쉬프터(308a)와 동일한 전송 손실량을 가짐)가 마련되어 있는 실시예 3에서 설명한 바와 같은 안테나 제어 장치를 사용하여, 위상 쉬프터(308)에서 임의의 통과 손실(passage loss)이 발생할 때에도, 각각의 안테나 소자(510)에 대한 분포된 전력량이 같아짐에 따라, 빔 형상의 변형 또는 빔 틸트 변화의 감소를 방지한다. 따라서, 조준 빔(큰 지향성 이득) 및 만족스러운 빔 틸트량을 가지며 X축 및 Y축 지향성을 제어할 수 있는 페이즈드 어레이 안테나가 구현될 수 있다.
(실시예 6)
도 6을 참조하여 본 발명의 실시예 6에 대해 설명한다.
이 실시예 6에서는, 실시예 4에서 설명한 바와 같은 안테나 제어 장치를 다수 개 결합시킴으로써 얻어지며, X축 및 Y축 지향성을 제어할 수 있는 2차원 안테나 제어 장치를 갖는 페이즈드 어레이 안테나에 대해 설명한다.
도 6은 실시예 6에 따른 페이즈드 어레이 안테나의 구성을 나타낸 도면이다.
도 6에서, 실시예 6의 페이즈드 어레이 안테나(630)는 안테나 소자(610a(1-4) 내지 610d(1-4)), X축 지향성(빔 틸트)의 제어를 수행하는 X축 안테나 제어 장치(600a1 내지 600a4), Y축 지향성의 제어를 수행하는 Y축 안테나 제어 장치(600b), X축의 부방향 빔 틸트 전압(621a), X축의 정방향 빔 틸트 전압(622a), Y축의 부방향 빔 틸트 전압(621b) 및 Y축의 정방향 빔 틸트 전압(622b)을 포함한다. 또한, 각각의 X축 안테나 제어 장치(600a)는 안테나 단자(607a 내지 607d)와 입력 단자(601a)를 포함한다. Y축 안테나 제어 장치(600b)는 안테나 단자(607a 내지 607d)와 입력 단자(601b)를 포함한다. 여기에서, X축 안테나 제어 장치(600a1 내지 600a4) 및 Y축 안테나(600b) 각각은 실시예 4에서 구체적으로 설명했던 안테나 제어 장치(400)와 같은 구성을 갖는다.
이하에서, 실시예 6에 따른 페이즈드 어레이 안테나(630)에 대해 상세히 설명한다.
X축 안테나 제어 장치(600a1 내지 600a4)의 입력 단자(601a1 내지 601a4)는 Y축 안테나 제어 장치(600b)의 안테나 단자(607a 내지 607d)에 각각 접속된다. 여기에는 나타내지 않았으나, 실시예 4에서 설명한 바와 같이, X축 안테나 제어 장치(600a1 내지 600a4) 및 Y축 안테나 제어 장치(600b) 각각에는, 4개의 정방향 빔 틸트용 위상 쉬프터(408a) 및 4개의 부방향 빔 틸트용 위상 쉬프터(408b)가 도 4에도시한 바와 같이 포함된다.
따라서, 실시예 6의 페이즈드 어레이 안테나(630)에 따르면, X축 안테나 제어 장치(600a1 내지 600a4) 및 Y축 안테나 제어 장치(600b) 각각에서, 모든 안테나 단자(607a 내지 607d)로부터 입력 단자(601a)까지의 전송 손실량은 동일한 값의 것이고, 각 위상 쉬프터는 더 적은 위상 변화량만을 담당하여, 정조준 빔(큰 지향성 이득) 및 더욱 만족스러운 빔 틸트량을 가지며 X축 지향성 및 Y축 지향성을 제어할 수 있는 페이즈드 어레이 안테나가 구현될 수 있다.
상술한 바와 같이, 실시예 6에 따르면, 페이즈드 어레이 안테나는, X축 지향성을 제어하는 X축 안테나 제어 장치(600a1 내지 600a4) 및 Y축 지향성을 제어하는 Y축 안테나 제어 장치(600b)를 포함한다. 또한, X축 및 Y축 안테나 제어 장치(600)로서, 각각 동일한 전송 손실량을 갖는 같은 수의 정방향 빔 틸트용 위상 쉬프터(408a)와 부방향 빔 틸트용 위상 쉬프터(408b)가 실시예 4에서 설명한 바와 같이 배치되어, 각 위상 쉬프터(408)에 대한 강유전체 재료의 유전율 변화율이 작을 때에도 각각의 위상 쉬프터(408)가 더 적은 위상 변화량만을 담당함으로써, 빔 틸트량의 감소를 회피하고, 또한, 통과 손실이 각 위상 쉬프터에서 발생할 때에도 각각의 안테나 소자에 대한 분포된 전력이 같아짐으로써, 빔 형상의 변형 또는 빔 방향 변화의 감소가 방지될 수 있다. 따라서, 정조준 빔 및 더욱 만족스러운 빔 틸트량을 가지며, X축 및 Y축 지향성을 제어할 수 있는 페이즈드 어레이 안테나가 구현될 수 있다.
또한, 실시예 6의 페이즈드 어레이 안테나를 구성하는 각각의 안테나 제어장치(600)에서는, X축의 정방향 빔 틸트용 위상 쉬프터, X축의 부방향 빔 틸트용 위상 쉬프터, Y축의 정방향 빔 틸트용 위상 쉬프터 및 Y축의 부방향 빔 틸트용 위상 쉬프터가 다른 층에 배치되는 경우, 상술한 효과 이외에도, 더욱 높은 밀도의 소형 안테나 제어 장치가 구현될 수 있다.
임의의 상기 실시예에 대한 설명에서, 위상 쉬프터의 마이크로스트립 하이브리드 커플러 및 마이크로스트립 스터브를 구성하는 전송 선로는 마이크로스트립 선로(microstrip line)형의 것이다. 그러나, 스트립 선로(strip line)형, H선로 유전체 도파관(H-line dielectric waveguide) 또는 NRD 유전체 도파관과 같은 임의의 유형의 유전체 도파관이 사용되는 경우에도, 상술한 바와 동일한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 임의의 상술한 실시예에서는 4개의 안테나 소자가 사용되고 있으나, 그 밖의 수의 안테나 소자가 사용될 수도 있다. 예를 들어, 급전 선로(전송 선로)가, 고주파 전력이 인가되는 입력 단자로부터 k개의 브랜치 단을 통해 m개의 선로로 분기되는 경우(m = 2^k (2의 k승))(k는 정수), m개의 안테나 소자만이 필요하며, 이에 따라 필요한 위상 쉬프터의 수 Mk는 다음 식으로 주어질 수 있다.
Mk= M(k-1)x 2 + 2^(k-1) (k ≥1이고 M1= 1인 경우)
이하에서, 도 7 및 도 8을 참조하여 상세히 설명한다. 도 7은 실시예 6에 따른 안테나 제어 장치 또는 페이즈드 어레이 안테나에서의 브랜치 단의 수(k), 안테나 소자의 수(m) 및 위상 쉬프터(Mk)의 수의 관계를 나타낸 도면이다. 도 8은 도7에서 k=1이고 m=2인 경우(도 8(a)), k=2이고 m=4인 경우(도 8(b)), 및 k=3이고 m=8인 경우(도 8(c))의 위상 쉬프터의 배열을 나타낸 도면이다.
예를 들어, 브랜치 단의 수가 k=3이면, 안테나 소자의 수 m은 도 7에 나타낸 바와 같이 m = 2^3 = 8이고, 위상 쉬프터의 수 M3은 M3= M2x 2 + 2^2 = 12이다. 이 경우의 위상 쉬프터는, 도 8(c)에 도시한 바와 같이, 제 (n+1) 안테나 단자와 입력 단자 사이에 위치한 위상 쉬프터의 수가 제 n 안테나 단자와 입력 단자 사이에 위치한 위상 쉬프터의 수보다 1개 더 많도록 배열된다(0 < n < 8). 설명의 편의를 위해, 도 8에는 Mk개의 위상 쉬프터만을 도시하고 있으나, 실시예 3에서 설명한 바와 같은 안테나 제어 장치(300) 및 이 안테나 제어 장치(300)를 사용하는 페이즈드 어레이 안테나에는, 또한, 위상 쉬프터 수만큼의 Mk개의 손실 소자가 도 3에 도시한 바와 같이 배치된다. 실시예 4에서 설명한 바와 같은 안테나 제어 장치(400) 및 이 안테나 제어 장치(400)를 사용하는 페이즈드 어레이 안테나(430)의 경우에는, 또한, 이 도면에 도시한 Mk개의 위상 쉬프터가 정방향 빔 틸트용 위상 쉬프터일 때, Mk개의 부방향 빔 틸트용 위상 쉬프터가 도 4에 도시한 바와 같이 배치된다.
본 발명에 따른 안테나 제어 장치 및 페이즈드 어레이 안테나는, 조준 빔(큰지향성 이득) 및 만족스러운 빔 틸트량을 가지며 더 적은 제작 공정으로 제작될 수 있는 저비용 안테나 제어 장치 및 페이즈드 어레이 안테나를 구현할 때에 매우 유용하다. 안테나 제어 장치 및 페이즈드 어레이 안테나는 이동체 식별용 무선기 또는 자동차 충돌 방지용 레이더에서의 사용에 특히 적합하다.

Claims (12)

  1. 안테나 소자가 접속되는 복수의 안테나 단자와, 고주파 전력이 인가되는 급전 단자와, 상기 급전 단자로부터 분기된 급전 선로에 의해 상기 각각의 안테나 단자에 접속되고 상기 각각의 안테나 단자와 상기 급전 단자 사이를 관통하는 고주파 신호의 위상을 전기적으로 변화시키는 위상 쉬프터 - 상기 위상 쉬프터는 상기 급전 선로 상의 일부 위치에 배치됨 - 를 구비하고 있는 안테나 제어 장치에 있어서,
    상기 위상 쉬프터는
    상유전체 재료를 기재(base material)로서 사용하는 상유전체 전송 선로 층에 마련된 하이브리드 커플러와,
    강유전체 재료를 기재로서 사용하는 강유전체 전송 선로 층에 마련된 스터브를 포함하되,
    상기 상유전체 전송 선로 층과 상기 강유전체 전송 선로 층은 접지 도체를 사이에 두고 적층되고, 상기 하이브리드 커플러와 상기 스터브는 상기 접지 도체를 관통하는 스루홀(through hole)에 의해 접속되며,
    상기 강유전체 전송 선로 층 상에 전송 선로를 형성하는 도체들 사이의 거리는 상기 상유전체 전송 선로 층 상에 전송 선로를 형성하는 도체들 사이의 거리보다 더 큰
    안테나 제어 장치.
  2. 안테나 소자가 접속되는 복수의 안테나 단자와, 고주파 전력이 인가되는 급전 단자와, 상기 급전 단자로부터 분기된 급전 선로에 의해 상기 각각의 안테나 단자에 접속되고 상기 각각의 안테나 단자와 상기 급전 단자 사이를 관통하는 고주파 신호의 위상을 전기적으로 변화시키는 위상 쉬프터 - 상기 위상 쉬프터는 상기 급전 선로 상의 일부 위치에 배치됨 - 를 구비하고 있는 안테나 제어 장치에 있어서,
    상기 위상 쉬프터는
    상유전체 재료를 기재로서 사용하는 상유전체 전송 선로 층에 마련된 하이브리드 커플러와,
    강유전체 재료를 기재로서 사용하는 강유전체 전송 선로 층에 마련된 스터브를 포함하되,
    상기 상유전체 전송 선로 층과 상기 강유전체 전송 선로 층은 접지 도체를 사이에 두고 적층되고, 상기 하이브리드 커플러와 상기 스터브는 상기 접지 도체 상에 형성된 커플링 윈도우(coupling window)를 통해 전자기적으로 접속되며,
    상기 상유전체 전송 선로 층 상에 전송 선로를 형성하는 도체들 사이의 거리는 상기 강유전체 전송 선로 층 상에 전송 선로를 형성하는 도체들 사이의 거리보다 더 큰
    안테나 제어 장치.
  3. 유전체 기판 상에, 복수의 안테나 소자와, 고주파 전력이 인가되는 급전 단자와, 상기 급전 단자로부터 분기된 급전 선로에 의해 상기 각각의 안테나 소자에 접속되고 상기 각각의 안테나 소자와 상기 급전 단자 사이를 관통하는 고주파 신호의 위상을 전기적으로 변화시키는 위상 쉬프터 - 상기 위상 쉬프터는 상기 급전 선로 상의 일부 위치에 배치됨 - 를 구비하고 있는 안테나 제어 장치를 포함하는 페이즈드 어레이 안테나(phased-array antenna)에 있어서,
    상기 위상 쉬프터는
    상유전체 재료를 기재로서 사용하는 상유전체 전송 선로 층에 마련된 하이브리드 커플러와,
    강유전체 재료를 기재로서 사용하는 강유전체 전송 선로 층에 마련된 스터브를 포함하되,
    상기 상유전체 전송 선로 층과 상기 강유전체 전송 선로 층은 접지 도체를 사이에 두고 적층되고, 상기 하이브리드 커플러와 상기 스터브는 상기 접지 도체를 관통하는 스루홀(through hole)에 의해 접속되며,
    상기 강유전체 전송 선로 층 상에 전송 선로를 형성하는 도체들 사이의 거리는 상기 상유전체 전송 선로 층 상에 전송 선로를 형성하는 도체들 사이의 거리보다 더 큰
    페이즈드 어레이 안테나.
  4. 유전체 기판 상에, 복수의 안테나 소자와, 고주파 전력이 인가되는 급전 단자와, 상기 급전 단자로부터 분기된 급전 선로에 의해 상기 각각의 안테나 소자에 접속되고 상기 각각의 안테나 소자와 상기 급전 단자 사이를 관통하는 고주파 신호의 위상을 전기적으로 변화시키는 위상 쉬프터 - 상기 위상 쉬프터는 상기 급전 선로 상의 일부 위치에 배치됨 - 를 구비하고 있는 안테나 제어 장치를 포함하는 페이즈드 어레이 안테나에 있어서,
    상기 위상 쉬프터는
    상유전체 재료를 기재로서 사용하는 상유전체 전송 선로 층에 마련된 하이브리드 커플러와,
    강유전체 재료를 기재로서 사용하는 강유전체 전송 선로 층에 마련된 스터브를 포함하되,
    상기 상유전체 전송 선로 층과 상기 강유전체 전송 선로 층은 접지 도체를 사이에 두고 적층되고, 상기 하이브리드 커플러와 상기 스터브는 상기 접지 도체에 형성된 커플링 윈도우를 통해 전자기적으로 접속되며,
    상기 강유전체 전송 선로 층 상에 전송 선로를 형성하는 도체들 사이의 거리는 상기 상유전체 전송 선로 층 상에 전송 선로를 형성하는 도체들 사이의 거리보다 더 큰
    페이즈드 어레이 안테나.
  5. 고주파 전력이 인가되는 급전 단자와,
    m = 2^k (2의 k승)(m, k는 정수)일 때, k번째 단 브랜치에서, 상기 급전 단자로부터 m개의 선로로 분기되는 급전 선로와,
    m개의 각 급전 선로의 종단에 마련된, 안테나 소자를 접속하는 m개의 안테나 단자 - 상기 안테나 단자는 각각 제 1, 제 2, …, 제 m 안테나 단자로 하여 열 형태로 배치됨 - 와,
    모두 동일한 특성을 가지며, 상기 급전 선로를 관통하는 고주파 신호의 위상을 전기적으로 변화시키는 Mk개의 위상 쉬프터(k ≥1이고 M1= 1일 때, Mk= M(k-1)x 2 + 2^(k-1))와,
    모두 동일한 특성을 가지며, 상기 위상 쉬프터의 전송 손실량과 같은 전송 손실량을 갖는 Mk개의 손실 소자를 포함하되,
    상기 위상 쉬프터는, 제 (n+1) 안테나 단자(n은 1 내지 m-1 사이의 정수)와 상기 급전 단자 사이에 위치한 위상 쉬프터의 수가 제 n 안테나 단자와 상기 급전 단자 사이에 위치한 위상 쉬프터의 수보다 1개 더 많도록, m개의 선로로 분기되는 상기 급전 선로 상의 일부 위치에 배치되고,
    상기 손실 소자는, 상기 제 n 안테나 단자로부터 상기 급전 단자까지의 전송 손실량이 제 (n+1) 안테나 단자로부터 상기 급전 단자까지의 전송 손실량보다 하나의 위상 쉬프터에 해당하는 전송 손실량만큼 더 많도록, m개의 선로로 분기된 상기급전 선로 상의 일부 위치에 배치되는
    안테나 제어 장치.
  6. 고주파 전력이 인가되는 급전 단자와,
    m = 2^k (2의 k승)(m, k는 정수)일 때, k번째 단 브랜치에서, 상기 급전 단자로부터 m개의 선로로 분기되는 급전 선로와,
    m개의 각 급전 선로의 종단에 마련된, 안테나 소자를 접속하는 m개의 안테나 단자 - 상기 안테나 단자는 각각 제 1, 제 2, …, 제 m 안테나 단자로 하여 열 형태로 배치됨 - 와,
    모두 동일한 특성을 가지며, 상기 급전 선로를 관통하는 고주파 신호의 위상을 양의 방향으로 전기적으로 변화시키는 Mk개의 정방향 빔 틸트용 위상 쉬프터(positive beam tilting phase shifters)(k ≥1이고 M1= 1일 때, Mk= M(k-1)x 2 + 2^(k-1))와,
    모두 동일한 특성을 가지며, 상기 급전 선로를 관통하는 상기 고주파 신호의 상기 위상을 음의 방향으로 전기적으로 변화시키는 Mk개의 부방향 빔 틸트용 위상 쉬프터(negative beam tilting phase shifters)를 포함하되,
    상기 정방향 빔 틸트용 위상 쉬프터는, 제 (n+1) 안테나 단자(n은 1 내지 m-1 사이의 정수)와 상기 급전 단자 사이에 위치한 정방향 빔 틸트용 위상 쉬프터의수가 제 n 안테나 단자와 상기 급전 단자 사이에 위치한 상기 정방향 빔 틸트용 위상 쉬프터의 수보다 1개 더 많도록, m개의 선로로 분기되는 상기 급전 선로 상의 일부 위치에 배치되고,
    상기 부방향 빔 틸트용 위상 쉬프터는, 제 n 안테나 단자와 상기 급전 단자 사이에 위치한 상기 부방향 빔 틸트용 위상 쉬프터의 수가 제 (n+1) 안테나 단자와 상기 급전 단자 사이에 위치한 부방향 빔 틸트용 위상 쉬프터의 수보다 1개 더 많도록, m개의 선로로 분기되는 상기 급전 선로 상의 일부 위치에 배치되는
    안테나 제어 장치.
  7. m2개의 행 방향 안테나 제어 장치 - 상기 행 방향 안테나 제어 장치는 m = m1개의 안테나 단자를 포함하는 청구항 5에 기재된 안테나 제어 장치임(m1은 정수) - 와, 하나의 열 방향 안테나 제어 장치 - 상기 열 방향 안테나 제어 장치는 m = m2개의 안테나 단자를 포함하는 청구항 5에 기재된 안테나 제어 장치임(m2는 정수) - 을 포함하되,
    상기 m2개의 행 방향 안테나 제어 장치의 급전 단자는 제각각 상기 열 방향 안테나 제어 장치의 상기 m2개의 안테나 단자에 접속되는
    2차원 안테나 제어 장치.
  8. m2개의 행 방향 안테나 제어 장치 - 상기 행 방향 안테나 제어 장치는 m = m1개의 안테나 단자를 포함하는 청구항 6에 기재된 안테나 제어 장치임(m1은 정수) - 와, 하나의 열 방향 안테나 제어 장치 - 상기 열 방향 안테나 제어 장치는 m = m2개의 안테나 단자를 포함하는 청구항 6에 기재된 안테나 제어 장치임(m2는 정수) - 을 포함하되,
    상기 m2개의 행 방향 안테나 제어 장치의 급전 단자는 제각각 상기 열 방향 안테나 제어 장치의 상기 m2개의 안테나 단자에 접속되는
    2차원 안테나 제어 장치.
  9. 제 3 항에 있어서,
    상기 안테나 제어 장치는 청구항 5 또는 청구항 6에 기재된 상기 안테나 제어 장치인 페이즈드 어레이 안테나.
  10. 제 3 항에 있어서,
    상기 안테나 제어 장치는 청구항 7 또는 청구항 8에 기재된 상기 안테나 제어 장치인 페이즈드 어레이 안테나.
  11. 제 4 항에 있어서,
    상기 안테나 제어 장치는 청구항 5 또는 청구항 6에 기재된 상기 안테나 제어 장치인 페이즈드 어레이 안테나.
  12. 제 4 항에 있어서,
    상기 안테나 제어 장치는 청구항 7 또는 청구항 8에 기재된 상기 안테나 제어 장치인 페이즈드 어레이 안테나.
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