KR20050086593A - 광학적으로 주파수 스캐닝된 어레이 - Google Patents

Abstract

능동 레이더 어레이에서 사용하도록 적응화된 안테나 어레이(26)를 스캐닝하기 위한 시스템이다. 제1 메카니즘(14, 18, 20, 24)은 소정의 주파수에서 발진하는 광신호를 생성한다. 제2 메카니즘(32, 34)은 소정의 위상관계를 갖는 공급 신호를 도출하기 위해 광신호를 사용한다. 제3 메카니즘(22)은 공급 신호를 수신하고 소정의 위상 관계에 따라 안테나 어레이(26)를 스티어링하기 위해서 이에 응답하여 해당하는 송신 신호를 안테나 어레이(28)에 방사한다. 특정 실시예에서, 송신 신호는 마이크로파 주파수 신호이다. 제1 메카니즘(14, 18, 20, 24)은 제2 메카니즘(32, 34)의 제1 광 매니폴드(32) 및 제2 광 매니폴드(34)를 각각 공급하는 제1 광 발진기(18) 및 제2 광 발진기(20)를 포함한다. 제1 광 매니폴드(32)는 소정의 위상 관계에 해당하는 점진적 위상을 제공하기 위해서 다른 길이의 광 공급기를 통해 제1 광 발진기(18)로부터 출력된 신호에 차동 지연을 제공하는 광 공급기를 포함한다.

Description

광학적으로 주파수 스캐닝된 어레이{OPTICALLY AND FREQUENCY SCANNED ARRAY}

본 발명은 안테나에 관한 것으로, 구체적으로 능동 어레이 안테나를 위한 송수신기(transceiver)에 관한 것이다.

능동 어레이 레이더 시스템은 미사일 목표물 추적, 공중 트래픽 제어, 비행기 유도 및 지상 매핑 시스템을 포함하는 요구되는 다양한 응용예에서 사용되고 있다. 이러한 응용예는 정확하게 목표물을 검출하고 추적하는 신뢰할 만하고 효율적이고 비용 효과적인 레이더 시스템을 요구한다.

목표물 검출 및 추적 정확도를 향상시키기 위해서, 레이더 시스템은 종종 고주파수 마이크로파 또는 밀리미터파를 사용한다. 그러나, 밀리미터파 또는 고주파수 마이크로파는 특히 안테나 소자 도파관 공급기에서 과도한 신호 손실을 일으킬 수 있다. 이러한 손실은 관련 레이더 시스템의 전체 목표물 검출 및 트랙킹 능력을 저하시킬 수 있다.

작은 밀리미터파는 소형의 구성요소 및 근접한 구성요소 간격을 가진 상대적으로 복잡한 능동 어레이를 필요로 한다. 안테나 어레이 소자에 공급하는데 사용되는 도파관은 작은 능동 안테나 어레이 소자에 비해 크다. 이는 능동 어레이 레이더 시스템에 바람직하지 않은 설계 제약을 준다.

종래에, 능동 어레이는 어레이에 공급되는 신호의 선택적 위상 시프트를 포함하는 빔 조준 기술에 의해 스티어링된다. 이 기술은 종종 모든 능동 어레이 소자마다 위상 시프트기를 요구한다. 불행히도, 위상 시프트기는 종종 작은 밀리미터파 안테나 소자에 비해 손실적이고 크기가 크다. 모든 소자에 있는 큰 위상 시프트기는 안테나 어레이에 바람직하지 않은 설계 제약을 준다.

대안으로서, 지그재그형(serpentine) 라디오 주파수 도파관 공급기가 위상 시프트기 대신 사용된다. 원하는 위상 시프트는 지그재그형 공급기의 전략적 위치에 탭을 놓아 달성된다. 상이한 탭으로부터의 방사는 탭 간격 및 입력 주파수에 따라 다른 위상을 갖는다. 그러나, 이 지그재그형 공급기도 바람직하지 않게 복잡하고 크고 손실적이다. 또한, 지그재그형 공급기 및/또는 위상 시프트기를 사용하는 종래의 레이더 시스템은 방위각 및 앙각 모두에서 레이더 안테나를 스캐닝하거나 스티어링하기 위해 별도의 송/수신 모듈 세트를 요구할 수 있다. 추가의 송/수신 모듈은 크고 비싸며 추가적인 레이더 설계 제약을 부과한다.

그러므로, 당업계에는 크고 손실적인 안테나 공급기 및 위상 시프트기에 대한 필요가 없는 효율적인 능동 어레이 레이더 설계에 대한 요구가 있다. 종래의 위상 시프트기를 요구하지 않고 동일한 세트의 송/수신 모듈을 가지고 방위각 및 앙각에서 스캐닝될 수 있는 능동 어레이 레이더에 대해 또 다른 요구도 있다.

도 1은 본 발명의 원리에 따라 구성된 광 주파수 스캐닝된 능동 어레이 레이더 시스템의 도면.

도 2는 도 1의 능동 어레이 레이더 시스템의 광 발진기 및 광송신 매니폴드를 도시하는 보다 상세한 도면.

도 3은 도 2의 차동 광송신 매니폴드의 대체 실시예를 도시하는 도면.

도 4는 도 1의 능동 어레이 레이더 시스템의 송/수신 모듈의 보다 상세한 도면.

당업계의 요구는 본 발명의 안테나 어레이를 스캐닝하는 시스템에 의해 해결된다. 도시된 실시예에서, 시스템은 능동 레이더 어레이(active radar array) 시스템에서 사용하기 위한 것이다. 시스템은 소정의 주파수에서 발진하는 광신호를 생성하는 제1 메카니즘을 포함한다. 제2 메카니즘은 소정의 위상 관계를 갖는 안테나 빔 스티어링 공급 신호를 유도하기 위해 광신호를 사용한다. 제3 메카니즘은 공급 신호를 수신하고 이에 응답하여 안테나 어레이에 해당 송신 신호를 방사한다.

더 구체적인 실시예에서, 송신 신호는 마이크로파 주파수 신호이고, 제1 메카니즘은 주파수 조절가능(frequency-tunable) 광 발진기(optical oscillator)를 포함한다. 광신호는 광 반송파 상에 변조된 라디오 주파수 신호이다. 광 발진기는 지연 라인을 통과하여 검출기에 보내지는 피드백 광신호를 포함한다. 검출기는 피드백 광신호를 라디오 주파수 피드백 신호로 변환하여, 광 발진기의 광 변조기로 피드백시킨다. 광 변조기는 광 발진기의 출력을 제공한다.

제1 메카니즘은 각각 제2 메카니즘의 제1 광 매니폴드(manifold) 및 제2 광 매니폴드에 공급하는 제1 광 발진기 및 제2 광 발진기를 포함한다. 시스템이 위상 스캐닝이거나 방위각 스캐닝일 때, 제1 광 발진기 및 제2 광 발진기는 콘트롤러로부터 수신된 제어 신호에 응답하여 소정의 주파수 오프셋으로 서로 주파수 트랙킹 한다.

제1 광 발진기에 의해 생성된 제1 주파수와 제2 광 발진기에 의해 생성된 제2 주파수 사이의 관계는, 방위각(azimuth)과 같은 주어진 차원에서 안테나 어레이를 스캐닝하는 경우, 제1 주파수와 제2 주파수의 믹싱이 일정한 출력 주파수를 생성하도록 하는 것이다. 결국, 안테나 방사 주파수는 안테나의 스캐닝 주파수인 제1 주파수의 변화와 상관없이 일정하게 유지된다.

제1 광 매니폴드는 상이한 길이의 광 공급기를 통해 제1 광 발진기로부터의 신호 출력에 차동 지연(differential delay)을 제공하는 광 공급기(optical feed)를 포함한다. 결과의 상이한 광 지연은 안테나 위상 스캐닝을 위해 필요한 제3 메카니즘의 출력에서 점진적인 위상(progressive phase)이 생기도록 한다. 이는 상이한 광 지연에서 점진적인 위상을 생성하는 광 발진기의 주파수의 변화임에 주목한다.

제2 광 매니폴드는 제2 광 매니폴드를 통과하는 광신호의 주파수 변화가 제1 광 매니폴드를 통과하는 신호를 통해 영향받는 방위각 또는 앙각 스캐닝에 영향을 주지 않도록 동일한 길이의 광 공급기를 갖는 통합 공급기(corporate feed)를 포함한다. 제2 광 매니폴드는 펄스 압축 또는 기타의 신호 코딩을 용이하게 하기 위해서 제2 광 매니폴드를 통과하는 광신호 상의 라디오 주파수 변조에 위상 코딩을 선택적으로 추가하기 위한 광 라디오 주파수 위상 시프트기를 포함한다.

제3 메카니즘은 송/수신 모듈을 포함한다. 송/수신 모듈은 합 및 차 라디오 주파수를 출력하는 포토다이오드 검출기 믹서를 포함한다. 송/수신 모듈은 합 라디오 주파수를 출력으로서 선택하기 위한 고대역 통과 필터를 포함한다.

송/수신 모듈은 합 주파수가 안테나 어레이를 스티어링하기 위한 위상을 제공하고 수신 신호의 코히런트 가산을 용이하게 하기 위해 수신 신호에 인가된 위상을 제공하도록 구성된다. 제2 광 매니폴드로부터의 주파수 출력은 제1 광 매니폴드와 연관된 스캐닝에 영향을 주지 않고 변경될 수 있다.

도시된 실시예에서, 스캐닝 시스템은, 수신 신호에 응답하여 합 레이더 수신 신호를 제공하기 위해서 수신 신호를 코히런트하게 합산하는 합 매니폴드를 더 포함하는 전체 레이더 시스템의 일부이다. 레이더 시스템은 합 레이더 수신 신호를 레이더 시스템에서 사용하기 위한 디지털 신호로 변환하기 위한 아날로그 디지털 변환기를 더 포함한다.

바람직한 실시예에서, 본 안테나 어레이는 연속 횡단 스터브 능동 안테나 어레이이다. 콘트롤러는 어레이를 빔 스티어링하도록 능동 어레이 공급기에서 점진적 위상을 제어하기 위해서 광 발진기로부터의 주파수 출력을 선택적으로 변경하기 위한 제어 신호를 발행한다.

본 시스템은 메타모픽 고에너지 이동성 트랜지스터(MHEMT)를 포함할 수 있는 송/수신 모듈을 포함한다. 송/수신 모듈은 송신과 수신 사이에서 송신 신호를 스위칭하기 위한 하나 이상의 마이크로전자기계적(MEMS: Microelectromechanical) 스위치를 포함할 수 있다.

본 발명은 광소자로 조절가능 마이크로파 주파수를 생성한다. 제2 메카니즘의 제1 및 제2 광 매니폴드를 통해 구현된 고유한 공급기는 본 발명의 원리에 따라 구성된 레이더 시스템이 한 세트의 송/수신 모듈로 방위각 및 앙각 모두에서 연속 횡단 능동 어레이 안테나를 효율적으로 스티어링할 수 있게 한다. 제1 광 매니폴드는 종래의 대형의 위상 시프트기에 대한 필요를 없애기 위해서 광화이버 출력 사이에 상이한 지연 및 적절한 점진적 위상 관계를 구현하도록 상이한 길이의 광화이버를 채용함으로써 방위각(azimuth)에서의 스캐닝을 용이하게 한다. 제2 광 매니폴드는 동일한 길이의 제2 광 매니폴드 광화이버로부터 출력된 주파수를 변경하여 앙각에서의 스캐닝을 용이하게 한다. 제1 및 제2 광 발진기에 의해 제1 및 제2 광 매니폴드에 입력된 주파수를 선택적으로 조정하여, 안테나는 스캐닝될 수 있다. 즉, 원하는 안테나 출력 주파수를 유지하면서, 방위각과 같은 주어진 차원에서 빔 조준되거나 스티어링될 수 있다. 큰 위상 시프트기 및 추가적인 송/수신 모듈을 없앨 수 있도록 본 발명에서 상대적으로 소형의 광소자를 대형의 마이크로파 도파관 대신 사용하는 것과 본 발명의 광 공급기를 독특하게 설계하는 것은 효율적이고 신뢰할 만하고 초소형이며 다기능인 능동 어레이 레이더 시스템을 달성한다.

본 명세서에서 본 발명이 특정 응용예에 대한 도시적인 실시예를 참조하여 설명되었지만, 본 발명이 이에 한정되는 것이 아님을 알아야 한다. 본 명세서에서 제공된 원리를 습득한 당업자는 그 범위 및 본 발명이 상당히 유용할 추가적인 분야에서 추가적인 변형예, 응용예, 실시예를 인식할 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 원리에 따라 구성된 광 주파수 스캐닝된 능동 어레이 레이더 시스템의 도면이다. 명확히 하기 위해, 전원, 냉각 시스템 등과 같은 다양한 공지된 구성요소는 도면에서 생략되었다. 그러나, 본 발명의 원리를 습득한 당업자는 주어진 응용예의 요구를 만족하기 위해 구현할 구성요소 및 이를 구현하는 방법을 알 것이다.

레이더 시스템(10)은 디스플레이(16)와 통신하는 콘트롤러/프로세서(14)와 통신하는 플랫폼 인터페이스(12)를 포함한다. 콘트롤러/프로세서(14)는 제1 광 발진기(18) 및 제2 광 발진기(20)와 통신한다. 콘트롤러/신호 프로세서(14)는 n개의 송/수신(T/R) 모듈(22) 및 레이저(24)에 제어 입력도 제공한다. n개의 송/수신(T/R) 모듈(22)은 n개의 해당 안테나 포트(28)를 통해 능동 안테나 어레이(26)와 신호를 송수신한다.

특정 실시예에서, 능동 안테나 어레이(26)는 연속 횡단 스터브(CTS: Continuous Transverse Stub) 안테나 어레이이고, 이는 당업계에 공지되어 있으며, 레이시온(Raytheon)사로부터 구매할 수 있다. CTS 안테나는 동시 계류중이고 본 명세서에 참조로서 포함된 미국 특허 제5,266,961호 "CONTINUOUS TRANSVERSE STUB ELEMENT DEVICES AND METHODS OF MAKING SAME"에 보다 자세하게 설명되어 있다.

레이저(24)는 레이저 빔을 광 반송파로서 사용하기 위해 분할기(30)에 제공한다. 분할기(30)는 레이저 빔을 제1 광 발진기(18) 및 제2 광 발진기(20)에 출력하고, 이들은 송신 매니폴드(36)의 차동 매니폴드(32) 및 통합 매니폴드(34)에 각각 입력을 제공한다. 차동 매니폴드(32)는 n개의 해당 T/R 모듈(22)에 n개의 다른 입력을 제공한다. 마찬가지로, 통합 매니폴드(34)은 n개의 해당 T/R 모듈(22)에 n개의 동일한 입력을 제공한다.

수신 매니폴드(38)는 n개의 해당 T/R 모듈(22)로부터 n개의 다른 입력을 수신하고 n개의 해당 입력을 수신 신호 합산기(44)에 제공한다. 수신 신호 합산기(44)는 아날로그 디지털(A/D) 변환기(46)에 입력을 제공하고, 이는 콘트롤러/신호 프로세서(14)에 입력을 제공한다.

동작에 있어서, 레이저(24)는 제1 및 제2 발진기(18, 20)에 광 분할기(30)를 통해 광 반송파를 제공한다. 제1 및 제2 광 발진기(18, 20)는 콘트롤러/신호 프로세서(14)로부터 수신된 제어 정보에 기초하여 광 반송파 상에 라디오 주파수(RF) 또는 밀리미터파 신호를 변조한다. 콘트롤러/신호 프로세서(14)는 본 발명의 원리를 습득한 당업자에 의해 구현될 수 있거나 당업계에 이미 공지된 컴퓨터 실행하는 다양한 소프트웨어로서 구현될 수 있다.

제1 및 제2 발진기(18, 20)는 광송신 매니폴드(36)의 차동 매니폴드(32) 및 통합 매니폴드(34) 각각에 변조된 광신호를 제공한다. 레이더 시스템(10)이 안테나 어레이(26)를 방위각에서 스티어링하는 경우, 즉 안테나 어레이(26)의 방위각 스캐닝을 구현하는 경우, 제1 및 제2 광 발진기(18, 20)의 출력은 서로 주파수 트랙킹한다. 제2 광 발진기(20)로부터 출력된 변조된 광신호의 주파수는 제1 광 발진기(18)로부터 출력된 주파수로부터 소정의 양만큼 오프셋된다.

제1 및 제2 광 발진기(18, 20)로부터 출력된 변조된 광신호의 주파수는 제1 광 발진기(18)로부터 출력된 주파수가 방위각 스캐닝을 위해 조정되는 동안에도 원하는 전 주파수(total frequency)가 안테나 어레이(26)로부터 방사될 수 있도록 조정된다. 차동 매니폴드(32)의 출력에서 위상 변화를 주도록 제1 광 발진기(18)에 의해 출력된 제1 광신호의 변조 주파수를 조정하여 안테나 어레이(26)를 스캐닝하는 것은 위상 스캐닝이라 한다.

제1 광 발진기(18)로부터 변조된 광 입력신호를 수신하는 차동 매니폴드(32)는 변조된 광 입력신호를 길이가 상이한 광화이버 등의 복수의 광 도파관에 공급한다. 설명을 목적으로, 차동 공급기라 하는 상이한 광 도파관으로부터 출력된 신호 사이에 점진적 위상 관계가 존재하도록 길이가 선택된다. 변조된 광 입력신호의 주파수가 빔 포인트하도록, 즉 콘트롤러/신호 프로세서(14)로부터 수신된 제어 신호에 응답하여 능동 어레이(26)의 출력을 스캐닝하도록 변경되면서, 점진적 위상 관계가 유지된다. 공지된 바와 같이, 이러한 점진적 위상 관계는 안테나 어레이의 스캐닝을 위해 요구된다. 어레이를 스티어링하는데 있어서, 안테나 소자에 의해 방사되거나 수신되는 신호의 상대적 위상은 유효 빔 조준 방향을 제어한다. 위상 시프트를 , 소자 간격, 반송파 주파수(파장)의 면에서 계산하는 수학식은 다음과 같다.

여기서, λ는 여기 신호(excitation)의 파장이고 c/f와 동일하며, Φ_n은 소자 n의 위상 시프트이고, n은 1부터 m까지의 정수이고, m은 방사 소자의 개수이고, c는 라디오 주파수 신호의 공중에서의 속도이고, f는 여기 신호의 주파수이다. 각각의 위상 시프트기는 해당 안테나 소자에 신호를 제공하고, 그로부터 신호를 수신한다. 조준 각도는 각 위상 시프트기에서 신호를 송수신하기에 적절한 위상 시프트를 벗어나지 않고 설정된다. RF(라디오 주파수) 파면(wavefront)는 각 안테나 소자에서 송수신되는 신호가 이를 따라 위상 면에서 늘어설 선을 나타낸다. 빔 조준 방향은 RF 파면에 수직이다. 빔 조준 방향 및 RF 파면는 안테나 소자의 평면, 즉 어레이 측면(array side) 또는 방위 중심 축선(boresight)에 대한 빔 조준 각도 θ를 정의한다. 유효 빔 조준 각도는 신호들이 어레이의 소자들에 의해 송수신 될 때 적절한 위상 시프트를 신호에 적용함으로써 송수신 신호에 대해 설정된다. 상기 수학식을 사용하여 계산된 위상 시프트는 각 방사 소자에서의 위상이 1 내지 m까지 변하는 정수 n만큼 증가하는 점진적 위상 시프트일 것이다.

이하, CTS 안테나의 안테나 빔 조준이 각 송수신(T/R)모듈에서 방사되는 점진적 위상을 사용하는 방위각 스캐닝에 대해 설명한다. 앙각 빔 스티어링은 빔 스티어링을 달성하기 위한 점진적 위상을 생성하기 위해 주파수를 사용하여 달성된다. 방위각 차원이 앙각 차원이 되도록 CTS 안테나가 회전하면 마찬가지의 빔 스티어링이 달성될 수 있다.

차동 매니폴드(32)를 통해 구현된 n 개의 차동 공급기는 n개의 T/R 모듈(22)에 n 개의 해당 입력을 제공한다. n 개의 입력 각각은 CTS 안테나 어레이(26)의 방위각 스캐닝을 위해 요구되는 점진적 위상 관계를 설정하는데 요구되는 상이한 위상을 갖는다. 안테나 어레이 소자의 수 n은 T/R 모듈(22)의 수, 차동 공급기의 수, 통합 공급기의 수에 해당하고, 응용예 특정이며, 주어진 응용예의 요구를 만족하기 위해서 당업자에 의해 결정될 수 있다.

통합 매니폴드(34)는 제2 광 발진기(20)로부터 입력을 수신하고 입력을 n 개의 통합 공급기로 분할한다. n 개의 통합 공급기는 동일한 길이를 가져서, n개의 통합 공급기의 출력에서 동일한 위상을 갖는다. n 개의 통합 공급기의 출력은 n 개의 T/R 모듈(22)에 각각 입력을 제공한다.

n 개의 T/R 모듈(22)은 차동 매니폴드(32) 및 통합 매니폴드(34)로부터의 입력을 검출하고 믹싱하기 위해 요구되는 믹서, 필터, 증폭기 등을 포함한다. T/R 모듈(22)은 검출, 즉 매니폴드(32 34)로부터 수신된 광신호를 마이크로파 신호로 변환하여, 안테나 어레이(26)를 통해 송신하기 위한 준비로 안테나 포트(28)로 제공되어, 방사 포트(48)로부터 송신된다. 안테나 어레이(26)의 개구는 본 페이지의로부터 밖으로 향한다. 다양한 안테나 어레이 소자는 안테나 포트(28)에 의해 공급되고, 방사 포트(48)의 각각으로부터 특정 양의 방사선을 방사하는 진행파 공급기(travelling wave feeds)로서 작용한다.

T/R 모듈(22)은 수신 신호를 중간 주파수(IF) 또는 기저대역 신호로 믹스 다운하기 위해 송신 주파수를 사용하는 믹서도 포함한다. IF 또는 기저대역 신호는 수신 매니폴드(38)에 입력된다. 수신 매니폴드(38)는 코히런트(coherent) 합산을 위한 수신 신호에 대하여 증폭기, 이득 제어 회로 등과 같은 회로를 포함할 수 있다. 수신 매니폴드(38)의 완전한 상세설명은 응용예에 따라 특정적인 것이고, 주어진 응용예의 요구를 만족하기 위해 당업자에 의해 결정될 수 있다. 수신 매니폴드(38)는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 생략될 수 있다.

수신 신호 합산기(44)는 n 개의 T/R 모듈(22)로부터의 수신 신호 출력에 해당하는 n 개의 수신 신호를 코히런트하게 합산한다. 결과의 합 신호는 A/D 변환기(46)를 통해 디지털 신호로 변환되는 아날로그 신호이다. A/D 변환기(46)는 콘트롤러/신호 프로세서(14)에 입력으로서 디지털 수신 신호를 제공한다.

콘트롤러/신호 프로세서(14)는 디스플레이(16)를 통해 목표물 정보를 표시하기 위해서 A/D 변환기(46)로부터의 입력을 사용할 수도 있다. 콘트롤러/신호 프로세서(14)는 플랫폼 인터페이스(12)에도 목표물 정보를 제공할 수 있다. 또한, 콘트롤러/신호 프로세서(14)는 안테나 어레이(26)를 빔 조준하기 위한 알고리듬의 입력으로서 A/D 변환기(46)로부터 획득된 수신 신호 정보를 사용할 수 있다.

빔 조준하기 위해서, 즉 안테나 어레이(26)를 방위각에서 스캐닝 또는 스티어링하기 위해서, 콘트롤러/신호 프로세서(14)는 광 발진기(18)의 변조 주파수를 조정하고, 이는 차동 매니폴드(32)의 차동 공급 출력 사이의 위상 관계를 변경시킨다. 위상 관계는 차동 매니폴드(32)의 차동 공급기의 길이의 차이가 미리 정해져 있고 점진적이므로, 주파수에 따라 예측 가능하게 변한다. 다른 T/R 모듈(22)로의 신호 위상 입력의 변화는 안테나 어레이(26)로부터 출력된 마이크로파 또는 밀리미터파 전자기 에너지의 결과의 빔에서 대응되는 변화를 가져온다.

제2 광 발진기(20)로부터 출력된 변조 주파수는 제1 광 발진기(18)로부터의 출력의 변조 주파수를 트랙킹한다. 차동 매니폴드(32)의 차동 공급기 및 통합 매니폴드(34)의 통합 공급기는 T/R 모듈(22)에 조정된 변조 주파수를 가진 신호를 공급한다. T/R 모듈(22)은 광송신 매니폴드(36)로부터의 광신호를 마이크로파 신호로 변환하고, 이는 제1 광 발진기(18)로부터 출력된 변조 주파수의 변화에 해당하는 소정의 양만큼 방위각에서 안테나 어레이(26)를 스캐닝한다.

제1 광 발진기(18)에 의해 출력된 주파수(제1 주파수) 및 제2 광 발진기(20)에 의해 생성된 주파수(제2 주파수)는 제1 주파수와 제2 주파수의 믹싱이 안테나 어레이(26)를 방위각에서 스캐닝할 때 안테나 어레이(26)로부터 일정한 출력 주파수가 생성되도록 설정된다. 결국, 안테나 방사 주파수는 방위각에서 스캐닝하기 위해 선택적으로 조정되는 제1 주파수의 변화에 상관없이 일정하게 유지된다.

안테나 어레이(26)는 통합 매니폴드(34)에 의해 출력된 신호의 변조 주파수를 선택적으로 조정하여 앙각에서 스캐닝된다. 통합 매니폴드(34)에 의해 출력된 신호의 변조 주파수는 제2 광 발진기(20)를 통해 콘트롤러/신호 프로세서(14)에 의해 조정된다. 안테나 어레이(26)를 앙각에서 스캐닝할 때, 안테나 어레이(26)로부터의 전체 출력 방사선의 주파수는 제2 발진기(20)로부터의 주파수를 변경하여 변경된다.

안테나 어레이(26)가 각각 차동 매니폴드(32) 및 통합 매니폴드(34)를 통해 부분적으로 구현된 앙각 및 방위각 스캐닝을 스위치하기 위해 회전될 수 있음을 당업자는 알 것이다. 설명하기 위한 목적으로, 방위각 및 앙각이라는 용어는 각각 수평 및 수직 차원과 같은 두 가지 다른 안테나 차원을 지칭한다. 이러한 차원은 본 발명의 범위를 벗어남 없이 교환될 수 있다. 용어, 앙각의 예는 용어 방위각으로 대체될 수 있고 그 역도 가능하며, 본 발명의 설명이 계속 사용 가능할 것이다.

본 발명은 전술한 미국 특허 제5,933,113호에 개시된 방법과 관련된 일정한 안테나 스캐닝 방법을 사용한다. 그러나, 상술한 특허에 개시된 레이더 시스템은 그 위해 변조된 고주파수 마이크로파 또는 밀리미터파를 갖는 광신호를 생성하기 위해서 전압 조절된 광 발진기를 사용하지 않는다.

그러므로, 레이더 시스템(10)은 능동 어레이(26)에 광화이버 전압 조절가능 마이크로파 발진기 소스(18, 20)로부터 입력을 공급하는 광화이버 매니폴드(32, 34) 및 전기 신호 매니폴드(T/R 모듈의 출력)(22)를 통해 고주파수 마이크로파에서 연속 횡단 능동 어레이(26)를 사용하여 빔 스티어링을 용이하게 한다. 레이더 시스템(10)은 방위각 및 앙각에서 위상 스캐닝을 생성하기 위해서 주파수 스캐닝될 수 있고, 종래의 개별 위상 시프트기를 필요로 하지 않는다. 두 경우에 주파수 스캐닝은 위상 스캐닝(또는 빔 조준)을 얻기 위해서 사용된다는 것을 이해하여야 한다. 주파수 스캐닝은 CTS 안테나에서 앙각 위상 스캐닝을 획득하는데 사용되는 것과 다른 기술을 가지고 방위각에서 위상 스캐닝을 생성한다.

제1 및 제2 발진기(18, 20)의 주파수는 어레이(26)를 빔 스티어링하기 위해 어레이 매니폴드 안테나 공급기(T/R 모듈의 출력)(22)에서 점진적 위상을 생성하기 위해서 콘트롤러/신호 프로세서(14)로부터의 제어 신호에 응답하여 변경된다. 레이더 시스템(10)은 때에 따라 MHEMT 및 MEMS 기술을 포함할 수 있다. T/R 모듈(22)은 수신 신호를 하향변환하는데 필요한 신호를 제공하기 위해서 송신 신호를 사용한다.

이 레이더 시스템(10)은 안테나 공급 손실을 줄이고 구성요소 크기를 줄이기 위해서 많은 다른 기술을 사용하는데, 이는 안테나 시스템 설계 제약을 감소시킨다. 기술은 무시할 만한 광화이버 매니폴드 손실을 보이고 종래의 도파관 안테나 공급기에 비해 작은 광송신 매니폴드(36)를 사용하는 것을 포함한다. CTS 안테나 어레이(26)를 스티어링하기 위해 광 주파수 소스(18, 20) 및 광 매니폴드(32, 34)를 사용하는 것은 본 발명에 의해 얻어진 상술한 많은 장점을 부여하게 된다.

레이더 시스템(10)은 광 주파수 생성의 스캐닝된 능동 어레이 레이더 시스템이다. CTS 안테나 어레이(26)는 보다 높은 전력 송신 신호 및 저잡음 수신 신호의 통상적 능동 어레이 T/R 기능을 제공하는 송/수신(T/R) 모듈(22)을 구비하지만 송신 또는 수신에서 빔 스티어링을 위한 위상 시프트기를 구비하지 않는다. 빔 스티어링은 두 개의 광 매니폴드(32, 34)에 공급하는 두 개의 광 발진기(18, 20)에 의해 공급된다. T/R 모듈(22)의 출력은 수신 매니폴드(38)에서 스캐닝되고, 안테나 어레이(26)는 제어 매니폴드를 통해 구현될 수 있는 콘트롤러/신호 프로세서(14)를 통해 제어된다. 수신 매니폴드(38)의 출력은 수신 신호 합산기(44)에 의해 합산되고, A/D 변환기에서 디지털화되어 콘트롤러/신호 프로세서(14)에 전달된 다음 디스플레이(16)에 전달될 합산 수신 신호를 형성하기 위해 스캐닝된다.

능동 어레이 레이더 시스템(10)의 개별 구성요소는 당업계에 공지되어 있다. 결국, 레이더 시스템(10)은 과도한 실험 없이 본 발명의 원리를 습득한 당업자에 의해 구현될 수 있다.

도 2는 도 1의 능동 어레이 레이더 시스템의 광 발진기(18, 20) 및 광송신 매니폴드(36)를 도시하는 보다 상세한 도면이다. 안테나 어레이(26)는 n 개의 T/R 모듈(22)로부터의 입력을 공급받는다. 각 T/R 모듈(22)은 차동 매니폴드(32)로부터의 n 개의 입력 중 하나 그리고 광송신 매니폴드(36)의 통합 매니폴드(34)로부터의 n 개의 입력 중 하나를 수신한다.

차동 매니폴드(32)는 제1 광 발진기(18)로부터의 광입력을 다른 길이의 n 개의 광 도파관 공급기(52)로 분할하는 제1 광 분할기(50)를 포함한다. 광 도파관 공급기(52)는 그 길이가 방위각 스캐닝을 위해 공급기 출력들 사이에 요구되는 점진적 위상 관계를 달성하기에 요구되는 작은 양만큼씩 다르기 때문에 차동 공급기라 지칭된다. 제1 광 발진기(18)로부터 입력된 제1 광신호의 주파수의 변화는 차동 공급기(52)에서 위상을 변화시켜 방위각에서 안테나 어레이(26)를 스티어링한다.

통합 매니폴드(34)는 제2 광 발진기(20)로부터의 광입력을 동일한 길이의 n 개의 광 도파관 공급기(56)에 분할하는 제2 광 분할기(54)를 포함한다. 광 도파관 공급기(56)는 그 길이가 동일하기 때문에 통합 공급기라 지칭된다. 제2 광 발진기(20)로부터 출력된 제2 광신호의 주파수의 변화는 차동 매니폴드(32)에 의해 실현되는 방위각 스캐닝에 영향을 주지 않는다.

본 발명은 그 위상을 변경하기 위해서 전압 조절되는 RF 위상 시프트기를 사용하여 주파수 조절될 수 있는 하나 이상의 광 발진기(18, 20)를 사용한다. 관련 광 발진기(RF 위상 시프트기가 없는)는 J. Optical Society of America, vol. 13, No. 8, 1996년 8월, 1725-1735 쪽에 공개된 X.S. Yao와 L. Maleki의 "Optoelectronic Microwave Oscillator" 논문에 설명되어 있다. 본 발명의 원리를 습득하면, 당업자는 과도한 실험 없이 광 발진기(18, 20)를 구현할 수 있다.

본 발명에서 사용하기 위한 특수한 외부 광 변조기를 구현하기 위해서, 상술한 X.S. Yao와 L. Maleki의 참조 논문에 설명된 광 변조기는 IEEE Microwave and Guided Wave Letters, Vol. 9, No. 9, 1999년 9월, 357-359쪽에 공개된 S.-S. Lee, A.H. Udupa, H. Erlig, H. Zhang, Y. Chang, C. Zhang, D.H. Chang, D. Bhaltacharay, B. Tsap, W.H. Steier, L.R. Dalton, H.R. Felterman의 "Demonstration of a Photonically Controlled RF Phase Shifter" 논문에 개시된 RF 위상 시프트기와 같은 RF 위상 시프트기로 대체된다.

상술한 참조 논문에서는, 본 발명의 원리에 따라 도 2의 특수한 외부 광변조기(60, 74) 및 광 RF 위상 시프트기(86)의 구현을 용이하게 하기 위한 당업계에 공지된 추가적인 원리를 상세히 설명한다.

도 2의 각각의 특수 광 변조기(60, 74)는 하나의 광학 회로(60, 74)에 광 변조기 및 위상 시프트기를 결합한다. 본 발명의 원리에 따라 상술한 참조 논문에 설명된 기술을 결합하여, 당업자는 과도한 실험 없이 능동 어레이 레이더(10)에서 사용하기 위한 주파수 조절가능 광 발진기를 구현할 수 있다.

제1 광 발진기(18)는 제1 외부 광 변조기(60)(상기 설명됨), 지연 라인(52), 포토다이오드 검출기(64), 필터(66), RF 증폭기(68), 선택적 RF 결합기(70)를 포함한다. 제1 광 증폭기(72)는 광 발진기(18)의 특수한 외부 광 변조기(60)로부터 출력된 광신호를 증폭한다. 제1 외부 광 변조기(60)는 콘트롤러/신호 프로세서(14)로부터 제어 입력을 수신하고 분할기(30)로부터 광 반송파 신호 입력을 수신한다. 제1 외부 광 변조기(60)는 제1 지연 라인(62) 및 광 증폭기(72)에 출력을 제공한다. 제1 광 증폭기(72)의 출력은 제1 광 발진기(18)의 출력을 나타내고 광송신 매니폴드(36)의 제1 광 분할기(50)에 입력된다.

제1 지연 라인(62)의 출력은 제1 포토다이오드 검출기(64)로의 입력으로서 피드백된다. RF 변조된 전기 신호를 나타내는 제1 포토다이오드 검출기(64)의 출력은 RF 필터인 제1 필터(66)에 입력된다. 제1 필터(66)의 출력은 제1 RF 증폭기(68)에 입력되고, 제1 RF 증폭기(68)의 출력은 제1 선택적 RF 결합기(70)에 입력된다. 제1 선택적 RF 결합기(70)는 RF 전기 출력을 제공하고, 이는 광 발진기(18)의 제어를 용이하게 하기 위해 콘트롤러/신호 프로세서(14)에 피드백된다. 제1 선택적 RF 결합기(70)는 제1 외부 광 변조기(60)에도 입력을 제공한다.

제2 광 발진기(20)는 제2 외부 광 변조기(74), 지연 라인(76), 포토다이오드 검출기(78), 필터(80), RF 증폭기(82), RF 결합기(84), 광 RF 위상 시프트기(86), 제2 광 증폭기(88)를 포함한다. 제2 외부 광 변조기(74)는 콘트롤러/신호 프로세서(14)로부터 입력을 수신하고, 분할기(30)로부터 광 반송파 입력을 수신한다. 제2 외부 광 변조기(74)는 그 출력이 제2 포토다이오드 검출기(78)에 입력되는 제2 지연 라인(76)에 입력된다. 제2 포토다이오드 검출기(78)의 출력은 RF 필터인 제2 필터(80)에 입력된다. 제2 필터(80)의 출력은 그 출력이 제2 RF 결합기(84)에 입력되는 제2 RF 증폭기(82)에 입력된다. 제2 RF 결합기의 제1 출력은 광 RF 위상 시프트기(86)에 입력되고, 제2 RF 결합기(84)의 제2 출력은 제2 외부 광 변조기(74)에 입력된다. 광 RF 위상 시프트기(86)는 분할기(30)로부터 광 반송파 신호를 수신하고 제2 광 증폭기(88)에 입력을 제공한다. 제2 광 증폭기(88)의 출력은 제2 광 발진기(20)의 출력을 나타내고 광송신 매니폴드(36)의 통합 공급기(34)의 제2 광 분할기(54)에 입력된다.

동작에 있어서, 제1 광 발진기(18)는 밀리미터파 신호와 같은 RF 신호를 분할기(30)를 통해 레이저(24)에 의해 제공된 광 반송파 신호 상에 변조시킨다. RF 변조는 콘트롤러/신호 프로세서(14)로부터 수신된 제어 신호에 기초하여 결정된다. 제1 외부 광 변조기(60)는 제어 입력에서의 전압 변화에 응답하는 결합된 전압 제어 변조기 및 RF 위상 시프트기이다.

특정 실시예에서, 입력 제어 신호의 전압은 선택적으로 변경되어, 외부 광 변조기(60)의 출력의 위상을 변경한다. 광 발진기(18)에 의해 출력된 신호의 변조 주파수는 위상의 변화에 기초하여 변경된다. RF 변조는 제1 외부 광 변조기(60)로부터 제1 포토다이오드 검출기(64)로 광 출력의 지연된 버전을 전달하는 지연 라인(62)에 의해 용이하게 된다. 제1 포토다이오드 검출기(64)는 제1 지연 라인(62)의 광 출력을 전기 RF 신호로 변환한다. 전기 RF 신호는 제1 RF 결합기(70)를 통해 외부 광 변조기(60)에 피드백되기 전에 제1 필터(66) 및 제1 RF 증폭기(68)에 의해 필터링되고 증폭된다. 제1 외부 광 변조기(74)로부터의 광 출력은 차동 매니폴드(32)의 제1 광 분할기(50)에 전달되기 전에 제1 광 증폭기(72)에 의해 증폭된다.

제2 광 발진기(20)는 제1 광 발진기(18)와 마찬가지로 제2 외부 광 변조기(74), 제2 지연 라인(76), 포토다이오드 검출기(78), 필터(80), RF 증폭기(82)를 통해 RF 변조된 광신호를 생성한다. 그러나, 제1 광 발진기(18)와 달리, 제2 RF 결합기(84)는 분할기(30)로부터 입력된 광 반송파를 수신하는 광 RF 위상 시프트기(86)에 RF 변조된 전기 신호를 출력한다. 광 RF 위상 시프트기(86)는 광 발진기(20)로부터 출력된 RF 주파수를 가진 광 반송파에 위상 코딩(phase coding)과 같은 특수 변조의 가산을 용이하게 한다. 위상 코딩은 레이더 시스템(10)의 신호 대 잡음 비(signal-to-nose ratio)를 개선할 수 있고 범위 해상도(range resolution) 및 평균 방사 전력을 개선할 수 있는 펄스 압축을 구현하기 위해 사용될 수 있다. 광 RF 위상 시프트기(86)는 위상 코딩을 용이하게 하기 위해 콘트롤러/신호 프로세서(14)로부터 전압 입력을 수신한다.

광 발진기(18, 20)의 개별적 구성요소는 당업계에 공지되어 있다. 본 발명의 원리를 습득한 당업자는 과도한 실험 없이 광 발진기(18, 20)를 구현할 수 있다. 광 발진기(18, 20)는 80과 100 GHz 사이의 광대역을 포함하는 마이크로파 대역에 걸쳐 변조 주파수를 달성할 수 있다.

차동 공급기(52) 및 통합 공급기(56)는 종래의 크고 손실 많은 도파관 구조를 최소한의 신호 손실을 보이는 공간 효율적인 광 도파관(52, 56)으로 대체한다. 또한, 차동 지연(52)의 사용은 큰 위상 시프트기에 대한 필요를 없앤다. 또한, 단일 광 레이저 소스(24)의 사용은 광 반송파 상에 변조된 RF 신호만이 T/R 모듈(28)에서 합쳐짐을 보장한다. 또한, 통합 공급기(56)는 추가적인 위상 코드 변조가 통합 공급기의 출력에 포함될 수 있게 한다. 통합 공급기(56)의 출력은 방위각 스캐닝에 영향을 주지 않는다.

통합 공급기(56)의 길이는 동일하다. 결국, 제2 광 발진기(20)의 변조 주파수를 변경하여 통합 공급기(56)로부터 출력된 신호의 변조 주파수를 변경하는 것은 통합 공급기(56)의 출력에서 상이한 상대적 위상을 가져오지는 않게 된다. 결국, 제2 광 발진기(20)와 관련된 제2 주파수는 콘트롤러/신호 프로세서(14), 제1 광 발진기(18), 차동 매니폴드(32)를 통해 부분적으로 구현된 방위각 스캐닝에 영향을 주지 않고 변경될 수 있다. 이는 위상 코딩과 같은 추가적인 변조가 제2 광 발진기(20)의 출력에 추가될 수 있게 한다.

또한, CTS 안테나 어레이(26)는 제1 주파수와 독립적인 제2 주파수를 조정하여 방위각 스캐닝에 영향을 주지 않고 앙각에서 스캐닝될 수 있다. 방위각 스캐닝 동안 유지되는 제1 주파수와 제2 주파수 사이의 고정된 주파수 오프셋 또는 차이는 앙각 스캐닝을 할 때 유지될 필요가 없으므로, 방사된 주파수는 변할 것이다. 안테나 어레이(26)와 같은 CTS 능동 안테나 어레이는 CTS 안테나 어레이(26)에 의해 방사된 주파수를 변경하여 앙각에서 스캐닝될 수 있음이 공지되어 있다.

통합 공급기(56)는 본 발명의 범위를 벗어남 없이 차동 공급기(52)로 대체될 수 있다. 그러나, 이 경우, 통합 공급기는 안테나를 스캐닝하지 않고 주파수를 변경할 수 없을 것이다. 결국, 통합 공급기에 주어진 위상 코딩 또는 광대역 변조는 방위각 스캐닝에 영향을 줄 것이다.

본 발명의 특정 실시예에서, 광송신 매니폴드(36)의 출력에 해당하는 광 스캐닝 공급기는 차동 공급기(52) 및 통합 공급기(56)에 해당하는 두 개의 별도 부분으로 구성된다. 이 공급기 부분들(52, 56)은 CTS 어레이(26)에 공급하고 방위각 스캐닝 및 앙각 스캐닝 모두를 용이하게 한다.

당업자라면, CTS 안테나 어레이(26)가 본 발명의 범위를 벗어남 없이 종래의 능동 어레이로 대체될 수 있음을 알 것이다. 이 경우, 능동 어레이는 앙각 스캐닝을 허용하기 위해서 추가적인 광송신 매니폴드를 필요로 할 수 있다.

발진기(18, 20)는 발진기(18, 20)의 각각에 광 변조기(미도시)의 일부로서 포함된 RF 위상 시프트기를 통해 발진기(18, 20)의 전압 주파수 조절을 허용하는 외부 광 변조기(60, 74)를 사용한다. 발진기(18, 20)는 광 반송파 상의 RF 로서, 및 전기적으로 RF 신호로서, 모두 주파수 스캐닝 출력을 제공한다. 두 개의 발진기(18, 20)는 CTS 안테나 어레이(26)에 공급하고, 방위각과 같은 소정의 차원에서 스캐닝할 때 안테나 스캐닝을 달성하기 위해 일정한 주파수 오프셋으로 서로 주파수 트랙킹하도록 전압 제어된다.

제1 광 발진기(18)는 차동 지연 공급기(52)를 통해 공급된 주파수를 변경하여 안테나(26) 스캐닝을 용이하게 한다. 어레이(26)의 각각의 T/R 모듈(22)로의 다른 광 지연은 안테나 어레이 위상 스캐닝을 위해 필요한 점진적 RF 위상을 생성한다.

제2 광 발진기(20)는 각각의 어레이 T/R 모듈(22)에 합동 광 공급기(56)를 통해 또 하나의 주파수를 공급한다. 두 개의 발진기(18, 20)는 차동 광 공급기(52)의 주파수가 변경할 때 합동 광 공급기(56)의 주파수가 두 주파수 믹싱이 항상 동일한 출력 주파수를 생성하도록 일정한 주파수 간격을 가지고 트랙킹하도록 서로 트랙킹한다. 결국, 안테나 방사된 주파수는 항상 동일하고 차동 광 공급기(52)에서의 스캐닝 주파수 변화에 독립적이다.

통합 공급기(56)로서 공급기(52, 56) 중 하나를 사용하는 것은 다른 공급기(52)에 의해 제공된 방위각 스캐닝에 영향을 주지 않으면서 방사된 주파수를 변경하기 위해 신호 주파수가 사용될 수 있게 한다. 그러므로, CTS 어레이(26)를 통해 송신 주파수를 변경하여, 어레이(26)는 방위각 스캐닝에 독립적으로 앙각에서 주파수 스캐닝된다. 이는 CTS 어레이(26)의 구현이 앙각 빔 스캐닝을 위해 사용될 수 있는 한 차원에서 주파수 스캐닝 능력을 제공하기 때문이다. 일례의 주파수 스캐닝 기술은 본 명세서에 참조로서 포함된 미국 특허 제5,933,113호 "SIMULTANEOUS MULTIBEAM AND FREQUENCY ACTIVE PHOTONIC ARRAY RADAR APPARATUS" 에 개시되어 있다.

차동 공급기(52) 사이의 기본 차이(델타) 길이는 제1 발진기(18)가 주파수를 변경할 때 스캐닝을 제공하여, 방위각에서 어레이(26)를 스티어링하기 위한 점진적 위상 값을 생성한다. 도 2의 실시예는 서브어레이(sub-array)의 사용을 필요로 하지 않는다. 그러나, 서브어레이는 본 발명의 범위를 벗어남 없이 사용될 수 있다. 당업자는 본 발명의 기술을 주어진 응용예의 요구를 만족하기 위해서 과도한 실험 없이 서브어레이 및/또는 지그재그형 라인과 사용하기 위해 적응화하는 방법을 알 것이다.

단일 레이저(24)는 레이더 시스템(10)의 모든 광 회로(18, 20, 36)를 제공하기 위해 사용된다. 이는 다른 레이저 광원이 사용되었으면 더 용이하게 일어날 수 있는 직접 광신호 믹싱을 방지하기 위해서, 광 반송파 상에 변조된 RF 신호만이 T/R 모듈(22)의 포토다이오드 검출기 믹서에서 믹싱됨을 보장한다.

방위각 안테나 스캐닝만이 필요할 때, 두 개의 광 매니폴드(32, 34)는 방위각 주파수 스캐닝 동안 동일한 주파수를 방사하면서, 주파수 스캐닝을 가능하게 하기 위해 서로 트랙킹하는 상이한 주파수를 가지고 동작된다. 앙각 스캐닝을 하고자 하는 경우, 출력 송신 주파수는 차동 매니폴드(32)에서 트랙킹되고 있는 변경 없이 통합 매니폴드(34)의 주파수를 변경하여 방위각 주파수 스캐닝과 상관없이 변경될 수 있다.

CTS 어레이가 사용될 때, 송신 주파수의 이러한 변경은 어레이(26)를 앙각에서 스티어링한다. 결합된 방위각 및 앙각 스캐닝을 위해, 광 매니폴드(32, 34)의 주파수는 이러한 이중 스캐닝을 허용하도록 제어될 수 있다. 이는 통합 매니폴드(34)가 그 입력 주파수가 변경될 때 어레이 방위각 위상 변경을 생성하지 않을 것이기 때문이다.

CTS 어레이의 사용은 각각의 매니폴드에서 RF 주파수를 선택적으로 제어하여 두 개의 광 매니폴드(32, 34)를 통해 이중의 방위각 및 앙각 스캐닝을 용이하게 한다.

CTS 안테나 어레이(26)의 각각의 공급 포트(28)는 RF 에너지가 공급기를 따라 포트에서 방사되고, 각 앙각 방사 포트(48) 사이에 동일한 지연이 있을 때 진행파 공급인 앙각 방향(도 1의 26의 수직 방향)의 신호를 발사한다. 앙각 방사 포트 사이의 이러한 일정한 델타 지연은 점진적 위상이 생성되게 하여 송신 주파수의 변경을 사용하는 앙각 안테나 스캐닝이 얻어진다.

서브어레이를 사용하는 종래의(CTS가 아닌) 안테나 어레이 시스템에서 앙각 스캐닝을 달성하기 위해서, 어레이(26)는 앙각 스캐닝을 제공하기 위해서 각 앙각 서브어레이 사이의 마이크로파 위상 시프트기를 가지고 주요 앙각 서브어레이로 분할될 수 있다. 각 앙각 서브어레이는 각각이 마이크로파 위상 시프트기(미도시)를 가진 동일한 방위각 공급기에 의해 공급된다.

레이더 시스템(10)은 어레이(26)를 스티어링하기 위해서 개별적 위상 시프트기가 아닌 광 발진기(18, 20)를 사용하여 생성된 주파수 스캐닝 기술을 사용한다. 광학 기술은 전기적으로 스캐닝된 능동 어레이 및 기계적으로 스캐닝된 어레이를 위한 현재 실시에 비해 유리함을 제공한다. 또한, 광 스캐닝은 광학적 및 전기적 기술 모두를 사용하여 통합 방위각 스캐닝을 제공하도록 마이크로파 지그재그형 라인을 사용하여 스캐닝된 각 서브어레이와 서브어레이 수준에서 결합될 수 있다.

도 3은 도 2의 차동 광송신 매니폴드의 대체 실시예(32')를 도시한다. 대체실시예의 차동 매니폴드(32')는 서브어레이를 사용하도록 적응화되었다. 이 대체 실시예에서, 도 1 및 2의 안테나 어레이(26)는 k개의 2차적 어레이를 포함하는 것으로 처리되고, 각 서브어레이는 점진적 길이 1 내지 j의 광화이버에 의해 생성된 점진적 위상을 공급받는다.

대체 실시예의 차동 매니폴드(32')는 입력으로서 도 1 및 2의 제1 광 발진기(18)로부터 제1 광신호를 수신하고 모든 k 개의 서브어레이(102)에 출력을 제공하는 1차 광 서브어레이 공급기(100)를 포함한다. 1차 광 서브어레이 공급기(100)는 광 입력신호를 다른 점진적 길이의 k 개의 광 도파관으로 분할하는 분할기(미도시)를 포함한다. 1차 광 공급기(100)로부터 다른 광화이버 길이에 의해 각각이 공급받는 k 개의 2차 서브어레이(102)가 있다. k 가지의 광화이버 길이 각각은 어레이에 걸쳐 연속적인 점진적 위상을 제공하도록 k 개의 2차 서브어레이에 적절한 위상을 제공하도록 길이에서 점진적이다.

그러므로, 1차 광 서브어레이 공급기(100)의 k 개의 광 도파관의 길이는 안테나 방위각 스캐닝을 용이하게 하기 위해서 각 광 서브어레이 공급기(102)의 출력 사이에 원하는 점진적 위상 관계가 유지되도록 조정된다. 대안으로서, 상이한 세트의 k 개의 광 서브어레이 공급기(미도시)의 광 도파관 모두는 어레이의 모든 T/R 모듈에 통합 공급기 주파수를 제공하기 위해 동일한 길이를 갖는다. 이러한 서브어레이의 사용은 큰 어레이를 구비하는 응용예에서 유용할 것이다.

본 발명의 광 서브어레이 공급기는 본 발명의 범위를 벗어남 없이 광 공급기 대신 또는 광 공급기 또는 지그재그형 라인과 결합하여 지그재그형 라인을 통해 구현될 수 있다.

도 4는 도 1의 능동 어레이 레이더 시스템(26)의 송수신(T/R) 모듈(22) 중 하나의 보다 상세한 도면이다. T/R 모듈(22)은 송신 경로에 차례로 연결된 포토다이오드 검출기/믹서(110), 고대역 통과 필터(112), 스위치(114), 고전력 증폭기(116), 스위치(120)를 포함한다. T/R 모듈(22)은 차례로 연결된 저잡음 증폭기(122), 하향 변환기 믹서(118), 비디오 증폭기(124)도 포함한다. MEMS 스위치(114)도 하향변환기 믹서(118)에 연결된다.

포토다이오드 검출기/믹서(110)는 입력으로서 도 1 및 2의 제1 광 발진기(18)로부터 제1 광신호를 수신하고 제2 광 발진기(20)로부터 제2 광신호를 수신한다. 포토다이오드 검출기/믹서(110)는 수신된 광신호를 RF 변조 출력 신호로 믹싱하고 변환한다. RF 변조 출력 신호는 광입력의 믹싱으로부터 얻어진 합 및 차 주파수 모두를 나타낸다. 광입력 상에 변조된 RF 신호의 상대적으로 높은 변조 주파수로 인해, 결과 RF 변조된 신호의 차 주파수 성분은 합 주파수 성분에 비해 작다. 고대역 통과 필터(112)는 작은 차 주파수 성분을 제거한다. 결과적인 합 주파수 성분은 스위치(114)에 입력된다. 스위치(114)는 고대역 통과 필터(112)로부터의 출력을 고전력 증폭기(116)로의 하나와 하향변환기 믹서(118)로의 다른 하나인 두 개의 분리된 경로로 분리한다. 합 주파수 성분 신호는 도 1 및 2의 안테나 어레이(26)에 의해 수신된 수신 신호를 코히런트하게 하향변환하기 위한 기준 발진 신호로서 하향변환기 믹서(118)에 의해 사용되고 스위치(120) 및 저잡음 증폭기(122)를 통해 하향변환기 믹서(118)로 전달될 수 있다.

스위치(114)의 동작은 도 1의 콘트롤러/신호 프로세서(14)로부터의 입력을 통해 제어될 수 있다. 스위치(114)는 고대역 필터(112)의 출력을 도 1의 콘트롤러/신호 프로세서(14)로부터의 제어 신호에 응답하여 고전력 증폭기(116) 또는 하향변환기 믹서(118)로 선택적으로 스위치한다.

고전력 증폭기(116)는 스위치(114)로부터의 합 신호 출력을 증폭하여 증폭된 신호를 스위치(120)로 보낸다. 스위치(120)는 송신 기능과 수신 기능 사이에 안테나 어레이의 자원 공유를 용이하게 하는 듀플렉서 또는 스위치로서 작용한다. 스위치(120)의 동작은 도 1의 콘트롤러/신호 프로세서로부터 수신된 제어 신호를 통해 제어될 수 있다.

도 1 및 2를 참조하면, 고전력 증폭기(116)로부터 출력된 증폭된 송신 신호는 안테나 어레이(26)로부터의 송신을 위한 준비에서 안테나 포트(28) 중 하나로 전달된다. 도시적인 실시예에서, 스위치(120)는 안테나 어레이(26)에 출력을 제공한다. 수신 신호는 스위치(120)에서 T/R 모듈(22)에 입력되고, 이는 저잡음 증폭기(122)에 수신 신호를 전달한다. 저잡음 증폭기(122)는 증폭된 수신 신호를 만들기 위해서 입력 신호를 증폭한다. 증폭된 수신 신호는 하향변환기 믹서(118)를 통해 기저대역 또는 적절한 중간 주파수(IF) 및 송신 경로로부터 스위치(114)에 의해 제공된 국부발진기 신호로 하향변환된다. 하향변환기 믹서(118)는 수신 신호의 공액 위상(conjugate phase)을 가진 신호를 제공한다. 믹서에 입력된 이 공액 위상 신호는 송신과 수신 사이에 광 매니폴드(도 1의 36 참조)에서 RF 주파수를 스위칭하여 생성된다. 결과적인 기저대역 또는 IF 신호는 도 1의 수신 매니폴드(38)로 전달되기 전에 비디오 증폭기(124)에 의해 증폭된다.

포토다이오드 믹서/검출기(110)를 통해 입력 광신호의 검출 및 믹싱하는 것을 포함하는 믹싱 기술은, 송신하기 위해 어레이(26)를 스티어링하도록 위상을 생성하는데 사용되는 동일한 광 매니폴드(36)가, 도 1의 수신 신호 합산기(44)를 통한 코히런트 추가를 용이하게 하기 위해 수신 신호에 사용되는 공액 위상을 생성하는데 사용될 수 있게 한다. 믹싱이 수신에서 차이 주파수를 획득하는데 사용되기 때문에, 믹서(110)의 믹싱된 위상은 수신 신호가 위상에서 더해지기 위해 필요한 공액 위상이 아닐 수 있다. 수신에서 올바른 위상을 얻기 위해서, 스위치(114)로부터 출력된 발진기 신호는 도 1의 수신 신호 합산기(44)로부터 출력된 합산 RF 수신 신호를 달성하기 위해서 모든 수신 신호가 코히런트하게 합산될 수 있게 올바른 위상, 즉 공액 위상을 생성하기 위해 송신과 수신 사이에서 주파수가 조정된다. 통합 매니폴드(34)와 관련된 주파수는 기저대역 비디오 또는 IF에의 믹싱을 위해 필요한 올바른 주파수 값을 얻도록 변경된다. 통합 매니폴드(34)는 그 주파수가 차동 매니폴드(32)에 의해 제공된 안테나 방위각 스캐닝에 영향을 주지 않고 변경될 수 있으므로 사용된다. 이 주파수 스위칭은 송신과 수신 사이에서 빠르게 수행될 수 있고 그 역도 마찬가지다.

도 1의 수신 기저대역 비디오 또는 IF 매니폴드(수신 매니폴드)(38)는 각도 데이터가 제공될 수 있도록 방위각 합 및 차 출력을 갖게 구성될 수 있다. 또한, 동작될 수 있는 많은 수의 T/R 모듈이 있기 때문이다.

본 발명에서 효율적인 광학 부분 및 동작될 수 있는 많은 수의 T/R 모듈로 인해, 증폭기(116, 122, 124)는 RF 저전력에서 동작할 수 있고, 이는 특히 상당한 고전력 증폭기가 달성되기 어려울 때 밀리미터파 주파수에서 유리하다.

또한, 도 2의 광 공급기(52, 56)는 지그재그형 도파관 서브어레이 공급기와 결합하여 서브어레이를 공급하도록 사용될 수 있다. 이 경우, 도 4의 T/R 모듈(22)은 각각의 마이크로파 지그재그형 서브어레이(미도시)에 주파수 스캐닝된 광학적으로 생성되는 점진적 위상을 공급한다. 서브어레이 T/R 모듈(22)로의 광 서브어레이 공급기는 각각의 마이크로파 지그재그형 서브어레이(미도시)에 점진적 위상을 가지고 사용된다. 주파수 스캐닝 및 두 공급기(광 서브어레이 및 마이크로파 지그재그형 서브어레이)는 전체 어레이의 주파수 스캐닝이 하나의 주파수 스캐닝 소스를 사용하여 생성되도록 설계된다. 주파수 소스는 광학적 또는 전기적일 수 있다.

도 4의 실시예에서, T/R 모듈(22)의 증폭기 부분은 MHEMT 기술을 사용하여 구현될 수 있다. 스위치(114, 120)는 MEMS 기술을 통해 구현될 수 있다.

그러므로, 본 발명은 특정 응용예를 위한 특정 실시예를 참조하여 본 명세서에서 설명되었다. 본 발명의 원리를 습득한 당업자는 본 발명의 범위 내에서 추가적인 변형예, 응용예, 실시예를 알 수 있을 것이다. 그러므로, 첨부된 청구의 범위는 본 발명의 범위 내에서 이러한 모든 응용예, 변형예, 실시예를 포함하는 것으로 의도된다.

Claims (10)

1. 안테나 어레이(26)를 스캐닝하기 위한 시스템(10)이며,

   소정의 주파수에서 발진하는 광신호를 생성하는 제1 메카니즘(14, 18, 20, 24);

   상기 광신호를 사용하여 소정의 위상 관계를 갖는 공급 신호를 도출하는 제2 메카니즘(32, 34, 50, 52, 54, 56);

   상기 공급 신호를 수신하여, 이에 응답하는 해당 송신 신호를 상기 안테나 어레이(26)에 방사하는 제3 메카니즘(22)

   을 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나 어레이 스캐닝 시스템.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제1 메카니즘(14, 18, 20, 24)은 주파수 조절가능 광 발진기(18, 20)를 포함하고, 상기 광신호는 광 반송파 상에 변조된 라디오 주파수 신호인 것을 특징으로 하는 안테나 어레이 스캐닝 시스템.
3. 제2항에 있어서,

   상기 광 발진기(18, 20)는 지연 라인(62, 76)을 통과하여 검출기(64, 78)로 보내지는 피드백 광신호를 포함하고, 상기 검출기(64, 78)는 상기 피드백 광신호를 상기 광 발진기(18, 20)의 광 변조기(60, 74)로 피드백시키는 라디오 주파수 피드백 신호로 변환하는 것을 특징으로 하는 안테나 어레이 스캐닝 시스템.
4. 제3항에 있어서,

   상기 제1 메카니즘(14, 18, 20, 24)은 상기 제2 메카니즘(32, 34, 50, 52, 54, 56)의 제1 광 매니폴드(32) 및 제2 광 매니폴드(20)를 각각 급광(feed)하는 제1 광 발진기(18) 및 제2 광 발진기(20)를 포함하는 복수의 상기 광 발진기(18, 20)를 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나 어레이 스캐닝 시스템.
5. 제4항에 있어서,

   상기 제1 광 발진기(18) 및 상기 제2 광 발진기(20)는 상기 시스템이 소정의 차원에서 상기 안테나 어레이(26)를 스캐닝할 때 소정의 주파수 오프셋으로 서로 주파수 트랙킹(tracking)하는 것을 특징으로 하는 안테나 어레이 스캐닝 시스템.
6. 제5항에 있어서,

   상기 제1 광 발진기(18)에 의해 생성된 제1 주파수와 상기 제2 광 발진기(20)에 의해 생성된 제2 주파수의 관계는, 상기 제1 주파수와 상기 제2 주파수의 믹싱이 상기 안테나(26)의 스캐닝 주파수인 상기 제1 주파수의 변화와 상관없이 일정한 출력 주파수인 것을 특징으로 하는 안테나 어레이 스캐닝 시스템.
7. 제6항에 있어서,

   상기 제1 광 매니폴드(32)는 상기 소정의 위상 관계가 점진적인 위상이 되도록, 상이한 길이의 광 공급기(52)를 통해 상기 제1 광 발진기(18)로부터 출력된 신호에 차동 지연을 제공하는 광 공급기를 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나 어레이 스캐닝 시스템.
8. 제7항에 있어서,

   상기 제2 광 매니폴드(34)는 상기 제2 광 매니폴드(34)를 통과하는 광신호의 주파수 변화가 상기 제1 광 매니폴드(32)를 통과하는 신호를 통해 구현된 방위각 또는 앙각 스캐닝에 영향을 주지 않도록 동일한 길이의 광 공급기를 구비한 통합 공급기(56)를 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나 어레이 스캐닝 시스템.
9. 제8항에 있어서,

   상기 제2 광 매니폴드(20)는 상기 제2 광 매니폴드(34)를 통과하는 광신호에 코딩을 선택적으로 추가하기 위해 광 라디오 주파수 위상 시프트기(86)를 포함하는 것을 특징으로 하는 안테나 어레이 스캐닝 시스템.
10. 제9항에 있어서,

    상기 안테나 어레이(26)는 연속 횡단 스터브 어레이(continuous transverse stub array)(26)인 것을 특징으로 하는 안테나 어레이 스캐닝 시스템.