KR20050103956A - 콤팩트 ｃｔｓ 피드 및 ｍｅｍｓ 위상 시프터를 갖는광대역 2차원 전자 주사 어레이 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 MEMS(microelectromechanical system) 조종가능 전자 주사 렌즈 어레이(ESA) 안테나 및 주파수 주사 방법을 공개한다. MEMS ESA 안테나는 광대역 피드쓰루 렌즈(11) 및 CTS(continuous transverse stub) 피드 어레이(12)를 포함한다. 광대역 피드쓰루 렌즈(11)는 제1 및 제2 어레이 광대역 방사 소자(14)와 상기 제1 및 제2 어레이 방사 소자(14) 사이에 배치된 MEMS 위상 시프터 모듈(18)의 어레이를 포함한다. CTS 피드 어레이(12)는 근접 필드의 전단에 평면파를 제공하기 위해 상기 제1 어레이 방사 소자(14)에 인접하게 배치된다. MEMS 위상 시프터 모듈(18)은 CTS 피드 어레이(12)로부터 방사된 빔을 2차원으로 조종한다.

Description

콤팩트 ＣＴＳ 피드 및 ＭＥＭＳ 위상 시프터를 갖는 광대역 2차원 전자 주사 어레이{WIDEBAND 2-D ELECTRONICALLY SCANNED ARRAY WITH COMPACT CTS FEED AND MEMS PHASE SHIFTERS}
본 발명은 전반적으로 전자 주사 안테나에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 MEMS(microelectromechanical system) 무선 주파수(RF) 위상 시프터를 구비한 전자 주사 안테나에 관한 것이다.
지금까지의 진보된 공중 및 공간(airborne and space) 기반의 레이더 시스템에는 수천개의 방사 소자들을 구비한 전자 주사 안테나(ESA: electronically scanned antennas)를 사용해왔다. 예를 들어, 여러 타겟과 동시에 교전중인 대형 화재 제어 레이더들은 ESA를 사용하여 필요한 전력 개구(power aperture) 프로덕트를 제공할 수 있다.
공간 기반의 렌즈 아키텍쳐가 공중 및 공간 기반의 레이더 시스템에 ESA를 구현시키는 한가지 접근법이다. 그러나, 공간 기반의 렌즈 아키텍쳐가 보다 높은 주파수, 예를 들어 X-대역에서 이용되고, 위상 시프터와 같은 액티브 소자가 주어진 영역 내에 속해 있는 경우, 중량, 증가된 열적 밀도 및 전력 소모는 그 시스템의 비용 및 적용성에 악영향을 미칠 수 있다.
지금까지, 전자 주사 렌즈 어레이 안테나용 위상 시프터 회로는 페라이트, PIN 다이오드 및 FET 스위치 소자를 구비했다. 이러한 위상 시프터는 무거우며, 상당량의 DC 전력을 소모하며, 고가이다. 또한, PIN 다이오드 및 FET 스위치를 RF 위상 시프터 회로에서 구현하는 것은 RF 경로를 따라 추가의 DC 바이어싱 회로가 필요하므로 복잡해진다. PIN 다이오드 및 FET 스위치에 요구되는 DC 바이어싱 회로는 위상 시프터 주파수 성능을 제한하고, RF 손실을 증가시킨다. 현재 이용가능한 송수신(T/R) 모듈에 ESA를 보편화하는 것은 높은 비용, 열악한 열소모 및 비효율적인 전력 손실때문에, 바람직하지 못하다. 요약하면, 이용가능한 위상 시프터 회로의 중량, 비용 및 성능은 이 소자들이 수천개가 사용되는 공간 기반의 레이더 및 통신 ESA가 요구하는 것에 미치지 못한다.
도 1은 본 발명에 따른 MEMS 위상 시프터를 갖는 전자 주사 렌즈 어레이(ESA) 안테나를 구현하는 수개의 레이더를 적용한 개략적인 환경을 도시한 도면.
도 2는 본 발명에 따른 한쌍의 광대역 방사 소자 및 MEMS 위상 시프터 모듈의 상면도를 도시한 도면.
도 3은 본 발명에 따른 전자 주사 렌즈 어레이 안테나 - 상기 렌즈 어레이는 7개의 MEMS 위상 시프터 모듈을 갖는 광대역 피그쓰루 렌즈 및 7개의 CTS 방사 소자를 갖는 CTS 피드 어레이를 포함함 - 를 도시한 도면.
도 4는 렌즈 어레이가 16개의 MEMS 위상 시프터 모듈 및 CTS 방사 소자를 가지고 있다는 것을 제외하면 도 3의 전자 주사 렌즈 어레이 안테나와 동일한 상면도.
도 5는 도 3의 CTS 어레이의 세그먼트의 단면도.
도 6은 본 발명에 따른 인쇄된 광대역 방사 소자를 포함하는 인쇄 회로 기판(PCB) 및 상기 PCB 상에 MEMS 위상 시프터 모듈의 어레이를 도시한 도면.
도 7은 도 6의 라인 7-7에서 볼 수 있는 바와 같이 도 6의 PCB 및 MEMS 위상 시프터 모듈의 측면도.
도 8은 도 6은 PCB 및 MEMS 위상 시프터 모듈의 하부도.
도 9는 본 발명에 따른 MEMS 위상 시프터 모듈의 확대도.
도 10은 장착 구조 및 그 접속선들을 도시한 본 발명에 따른 MEMS 조종가능 전자 주사 렌즈 어레이 안테나를 도시한 도면.
본 발명은 MEMS(microelectromechanical system) 조종가능 전자 주사 렌즈 어레이(ESA) 안테나를 제공한다. 본 발명의 일양상에 따르면, MEMS ESA 안테나는 광대역 피드쓰루(feedthrough) 렌즈 및 CTS(continuous transverse stub) 피드 어레이를 포함한다. 광대역 피드쓰루 렌즈는 광대역 방사 소자의 제1 및 제2 어레이와 그 방사 소자의 제1 어레이와 제2 어레이 사이에 배치된 MEMS 위상 시프터 모듈의 어레이를 포함한다. CTS 피드 어레이는 근접 필드 앞에 평면파를 제공하기 위한 제1 어레이 방사 소자에 인접하게 배치된다. MEMS 위상 시프터 모듈은 2차원의 CTS 피드 어레이로부터 방사되는 빔을 조종한다.
본 발명의 또 다른 양상에 따르면, CTS 피드 어레이에 무선 주파수(RF) 에너지를 입력하는 단계, 복수의 CTS 방사 소자를 통해 근접 필드에 평면파의 형태로 RF 에너지를 방사하는 단계, 복수의 MEMS 위상 시프터 모듈을 포함하는 광대역 피드쓰루 렌즈의 입력 구경으로 RF 평면파를 방출하는 단계, RF 평면파를 이산 RF 신호로 변환하는 단계, 상기 RF 신호를 처리하기 위해 MEMS 위상 시프터 모듈을 사용하는 단계, 광대역 피드쓰루 렌즈의 방사 구경을 통해 상기 RF 신호를 방사하여 RF 신호를 재결합하고 안테나 빔을 형성하는 단계, 및 입력된 상기 RF 신호의 주파수를 CTS 피드 어레이로 변경하여 상기 광대역 피드쓰루 렌즈의 E-평면에서의 안테나 빔의 각 위치를 변경하고 상기 안테나 빔에 의해 주파수 주사를 달성하는 단계를 포함하는 무선 주파수 에너지를 주사하는 주파수 주사 방법을 제공한다.
상기 및 관련 목적들을 달성하기 위해, 본 발명은 이후 상세하게 기술되고 특히 청구범위에 지시된 특징들을 포함한다. 다음 상세한 설명 및 첨부 도면은 본 발명의 임의의 실시예를 상세히 살명한다. 그러나, 이 실시예들은 본 발명의 원리가 이용될 수 있는 다양한 방식들 중 단지 몇개만을 나타낸다. 본 발명의 다른 목적들, 이점들 및 새로운 특징들은 첨부 도면들을 참조하여 본 발명의 다음 상세한 설명으로부터 명백해 질 것이다.
다음의 상세한 설명에서, 본 발명의 다른 실시예들에 도시되어 있는지의 여부와는 무관하게 동일한 구성요소에는 동일한 참조번호가 주어진다. 본 발명을 명확하고 간결한 방식으로 설명하기 위해, 도면이 반드시 비율에 맞게 그려져 있지 않을 수도 있으며, 어떤 모양은 다소 개략적인 형태로 도시되어 있을 수도 있다.
먼저, 도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명은 광대역 피드쓰루 렌즈(11) 및 CTS 피드 어레이(12)를 구비한 2차원 MEMS 조종가능 전자 주사 렌즈 어레이 안테나(10)(도 3)이다. 광대역 피드쓰루 렌즈(11)는 광대역 방사 소자의 후단 어레이(14a), 광대역 방사 소자의 전단 어레이(14b), 및 방사 소자의 후단 어레이(14a)와 전단 어레이(14b) 사이에 샌드위칭되어 있는 MEMS 위상 시프터 모듈(18)의 어레이를 포함한다(도 2). 방사 소자의 후단 어레이(14a)에 인접하게 위치된 CTS 피드 어레이(12)는 근접 필드에 평면파면(planar wave front)을 제공한다. MEMS 위상 시프터 모듈(18)은 CTS 피드 어레이(12)로부터 방사된 빔을 2차원, 즉 E-평면 및 H-평면으로 조종하므로, CTS 피드 어레이(12)는 고정 빔만을 발생시킬 필요가 있다. 이해되듯이, 본 발명은 전송 라인, 전력 분배기 및 통상적으로 통합 급전 안테나와 연관되어 있는 상호접속에 대한 필요성을 미연에 방지한다.
안테나(10)는 예를 들어, 비행기, 배, 정찰기 및 우주선을 포함하는 상업용 및 군사용으로 적용시키기에 적합하다. 도 1은 안테나(10)가 적절하게 통합될 수 있는 몇가지 개선된 공중 및 공간 기반의 레이더 시스템의 환경도를 도시한다. 이러한 시스템들은 예를 들어, 합성 구경 레이더(SAR: synthetic aperture radar) 시스템(22), 지상 이동 목표물 표시(GMTI) 시스템(26), 및 공간 이동 목표물 표시(AMTI) 시스템(28)용의 경량 X-대역 공간 기반의 레이더를 포함한다. 이러한 시스템은 많은 수의 안테나를 이용하며, MEMS 위상 시트터 모듈(18)에 의한 본 발명의 안테나(10)는 비교적 낮은 비용을 가지며, 비교적 전력 소모가 적으며, PIN 다이오드 및 FET 스위치 위상 시프터 또는 송수신(T/R) 모듈을 이용하는 종래 기술의 안테나보다 가볍다는 것을 알아냈다.
도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 각각의 MEMS 위상 시프터 모듈(18)은 한쌍의 마주보고 있는 광대역 방사 소자(14) 사이에 샌드위치되어 있다. 도시된 실시예에서, 방사 소자(14)는 실질적으로 동일한 기하구조를 가지며, MEMS 위상 시프터 모듈(18)에 대해 대칭으로 배치되어 있으며, 안테나(10)를 통해, 보다 구체적으로는, 그 MEMS 위상 시프터 모듈(18)을 통해 피드/방사 방향을 나타내는 축 A에 대해 대칭으로 배치되어 있다. 이해되듯이, 대안으로 방사 소자(14)는 다른 기하구조를 가질 수 있으며, 및/또는 MEMS 위상 시프터 모듈(18) 및/또는 피드/방사 축 A에 대해 비대칭으로 배치될 수 있다. 다시 말해서, 전단 또는 출력 방사 소자(14b)는 후단 또는 입력 방사 소자(14a)와는 다른 기하구조를 가질 수 있다.
각각의 광대역 방사 소자(14)는 직사각형의 기저부(34)를 갖는 한쌍의 갈고리형 돌출부(32), 비교적 좁은 줄기부(38), 및 아치형 말단부(42)를 포함한다. 갈고리형 돌출부(32)는 그 사이에 안테나(10)의 동작중 RF 에너지가 전파하는 경로(예를 들어, 피드/방사 축 A의 방향)를 제공하는 슬롯(36)을 형성한다. 본 명세서에서 접지부라고도 언급되는 기저부(34)는 피드/방사 축 A에 대해 서로 인접해 있으며, 위상 시프터 모듈(18)의 마주보는 단부들에서 피드/방사 축 A의 방향으로 위상 시프터 모듈(18)과 인접해 있다. 또한, 기저부(34)는 MEMS 위상 시프터 모듈(18)의 폭과 실질적으로 동일한 폭을 갖는다. 줄기부(38)는 각각의 기저부(34) 보다 좁으며, 피드/방사 축 A 방향으로 기저부(34)로부터 돌출해 있으며, 또한 피드/방사 축 A에 대해 서로 인접해 있다. 아치형 말단부(42)는 각각의 줄기부(38)들에서 피드/방사 축 A 방향으로 돌출해 있으며, 피드/방사 축 A으로부터 옆으로 서로 멀어지도록 분기된다. 아치형 말단부(42)들은 함께 피드/방사 축 A 방향으로 위상 시프터 모듈(18)로부터 바깥쪽으로 벌어지는, 나팔관 모양 또는 아치형 V자 모양의 개방부(opening)를 형성한다. 광대역 피드쓰루 렌즈(11)의 후단부의 광대역 방사 소자(14)의 벌어진 개방부는 CTS 피드 어레이(12)로부터 RF 에너지를 수신하여 채널링하며, 대응하는 슬롯(36)을 따라 대응하는 MEMS 위상 시프터 모듈(18)로 RF 에너지를 전파한다. 광대역 피드쓰루 렌즈(11)의 전단부 또는 반대편에서의 광대역 방사 소자(14)의 벌어진 개방부는 대응하는 슬롯(36)을 따라 대응하는 MEMS 위상 시프터 모듈(18)로부터 자유 공간으로 RF 에너지를 방사한다.
도 3으로 돌아가서, MEMS 위상 시프터(18)는 광대역 피드쓰루 렌즈(11)에서 어레이로 구성된다. 따라서, 광대역 피드쓰루 렌즈(11)는 MEMS 위상 시프터(18) 뒤에서 입력 방사 소자(14a)의 어레이를 포함하는 입력 개구(54), MEMS 위상 시프터(18) 앞에서 출력 방사 소자(14b)의 어레이를 포함하는 출력 또는 방사 개구(58)를 포함한다. 도 3의 피드쓰루 렌즈(11)는 4개의 행과 7개의 열의 MEMS 위상 시프터(18) 및 4개의 행과 7개의 열의 입력 및 출력 방사 소자들(14a, 14b)의 어레이를 갖는다. 상기 어레이는 특정의 적용예에 요구될 수 있는 만큼의 임의의 적절한 수량의 MEMS 위상 시프터들(18)과 입력 및 출력 방사 소자들(14a, 14b)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 4에서, 광대역 피드쓰루 렌즈(11)는 16개의 MEMS 위상 시프터들(18)과 16개의 입력 및 출력 광대역 방사 소자들(14a, 14b)을 포함한다.
광대역 피드쓰루 렌즈(11)는 CTS 피드 어레이(12)에 의해 공간 공급된다. 도 3 및 도 4에 도시되어 있는 CTS 피드 어레이(12)는 복수의 RF 입력(62)(도 3의 실시예에서는 4개), 연속 스터브(64) 및 그 연속 스터브(64)로부터 광대역 피드쓰루 렌즈(11)의 입력 개구(54) 쪽으로 돌출한 복수의 CTS 방사 소자(68)를 포함한다. 도시된 실시예에서, CTS 방사 소자(68)는 입력 및 출력 방사 소자(14a, 14b)에 수량이 대응한다. 또한, 도시된 실시예에서, CTS 방사 소자(68)는 입력 방사 소자들(14a) 간의 가로 공간 및 출력 방사 소자들(14b) 간의 가로 공간과 실질적으로 동일한 거리만큼 가로로 이격되어 있다. CTS 방사 소자들(68) 간의 공간은 입력 방사 소자들(14a) 간의 공간과 동일하거나 이에 대응할 필요는 없다. 또한, CTS 피드 어레이(12)의 CTS 방사 소자들(68)(즉, 열들) 및/또는 RF 입력(62)(즉, 행들)은 광대역 피드쓰루 렌즈(11)의 MEMS 위상 시프터 모듈(18) 및/또는 입출력 방사 소자(14a, 14b)의 열 및 행과 동일하거나 및/또는 이들과 정렬하거나 이들에 대응할 필요는 없다. 그러므로, CTS 피드 어레이(12)는 예를 들어, 특정의 안테나 적용예에 따라서 광대역 피드쓰루 렌즈(11)보다 더 많거나 더 적은 행 및/또는 열을 가질 수도 있다.
도 5는 도 3의 CTS 피드 어레이(12)의 일부의 단면도이다. CTS 피드 어레이(12)는 렉솔라이트(rexolite) 또는 폴리프로필렌(polypropylene) 등의 플라스틱으로 이루어지는 유전체(70)를 포함하며, 도 5에 도시된 모양으로 기계가공 또는 압출된다. 이어서, 유전체(70)는 금속층(74)으로 금속화되어 연속 스터브(64) 및 CTS 방사 소자들(68)을 형성한다. CTS 피드 어레이(12)는 자동 제조 조작시에는 통상적인 고용적 플라스틱 압출 및 금속 도금 공정(high volume plastic extrusion and metal plating processes)으로 제조되므로, 낮은 제조 비용을 용이하게 한다.
CTS 피드 어레이(12)는 마이크로파 결합/방사 어레이이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 임의의 형상의 1차 라인 피드를 통해 라운칭되는 입사 평행 도파로 모드는 연속 스터브(64)의 존재로 방해를 받는 종방향 전류 성분과 연관되므로, 스터브/평행판 인터페이스를 가로지르는 종방향, z-방향의 변위 전류를 여기시킨다. 이렇게 유도된 변위 전류는 차례로 연속 스터브(64)에서 CTS 방사 소자(68)들에 대해 x 방향으로 자유공간으로 진행하는 등가의 전자기파를 여기시킨다. 이러한 CTS 비주사형 안테나는 94GHz정도의 주파수에서 동작할 수 있음을 알아냈다. 일례의 CTS 피드 어레이에 관한 보다 상세한 사항에 대해서는, 미국특허공보 제6,421,021호, 제5,361,076호, 제5,349,363호, 및 제5,266,961호를 참조할 수 있으며, 이 모두는 본 명세서에 그 전체가 참조로 포함되어 있다.
동작시, RF 입력(62)으로부터 CTS 피드 어레이(12)의 평행판 도파로를 통해 CTS 방사 소자(68)로 RF 에너지가 직렬로 급전되고, 근접 필드에서 평면파의 형태로 방사된다. RF 에너지가 RF 입력(62)으로부터 CTS 방사 소자(68)로 진행하는 거리는 동일하지 않다. RF 평면파는 CTS 방사 소자(68)에 의해 광대역 피드쓰루 렌즈(11)의 입력 개구(54)로 방출된 후, 이산 RF 신호로 변환된다. RF 신호는 이어서 MEMS 위상 시프터 모듈(18)에 의해 처리된다. MEMS 위상 시프터에 관한 보다 상세한 사항에 대해서는, 미국특허공보 제6,281,838호, 제5,757,379호, 제5,379,007호를 참조할 수 있으며, 이 모두는 본 명세서에 그 전체가 참조로 포함되어 있다.
이어서, MEMS 처리 신호들은, 광대역 피드쓰루 렌즈(11)의 방사 개구(58)를 통해 재방출되며, 이는 RF 신호들을 조합하여 스티어링 안테나 빔을 형성한다. 이렇게 직렬로 급전된 CTS 피드 어레이(12)에 대해서는, 예를 들어 도 4에서 참조번호 80으로 나타낸 바와 같이, 안테나 빔은 주파수의 함수로 E-평면(78)(도 3 참조)을 따라 다른 각위치로 이동한다. 주파수가 변함에 따라, 각 CTS 방사 소자(68)의 출력 위상은 다른 비율로 변화하여, 주파수 주사를 가져온다.
대안의 실시예에서, 통합 병렬 판 도파로 급전(corporate pararrel plate waveguide feed)(도시되지 않음)을 이용하여 CTS 방사 소자들(68)을 병렬로 급전함으로써 광대역 주파수가 달성된다. CTS 방사 소자들(68)을 병렬로 급전함으로써, RF 에너지가 RF 입력(62)에서 CTS 방사 소자들(68)로 진행하는 거리가 동일해진다. 주파수가 변함에 따라, 각 CTS 방사 소자(68)의 출력 위상은 실질적으로 동일한 속도로 변화하므로, 방사 개구(58)를 통해 방출되는 안테나 빔은 고정 위치에 유지된다.
도 6 내지 도 10은 광대역 방사 소자(14a, 14b)가 인쇄 회로 기판(PCB)(84) 상에 제조되고, 그 MEMS 위상 시프터 모듈(18)이 입출력 방사 소자(14a, 14b) 사이의 PCB(84)에 장착되는 광대역 방사 소자(14a, 14b) 및 MEMS 위상 시프터 모듈(18)의 어레이의 전형적인 실시예를 도시한다. 각각의 MEMS 위상 시프터 모듈(18)은 예를 들어, 코바(kovar)로 이루어진 하우징(86) 및 그 하우징(86)에 장착된 적절한 수, 예를 들어 2개의 MEMS 위상 시프터 스위치(도시되지 않음)를 포함한다. MEMS 위상 시프트 스위치의 수는 특정의 적용예에 의존할 것이다.
한쌍의 RF 핀(88)들과 복수의 DC 핀(92)들이 하우징(86)의 평면에 실질적으로 수직인 방향으로 하우징(86)의 하부면으로부터 돌출되어 있다(도 7 참조). RF 핀(88)들은 각각의 입력 및 출력 방사 소자들(14a, 14b)에 대응한다. RF 핀(88)들은 PCB(84)의 두께를 통해서 PCB(84)의 평면에 수직인 방향으로 연장되며, PCB(84)상에 장착된 각각의 마이크로스트립 전송 라인(104)에 RF MEMS 위상 시프터 모듈들(18)이 장착되는 반대 편상에 전기적으로 접속된다(도 7 및 도 8 참조). 전송 라인(104)은 각각의 입력 및 출력 방사 소자들(14a, 14b)에 전기적으로 결합되어, RF 신호들을 입력 및 출력 방사 소자들(14a, 14b)에 송수신한다. 예시된 일실시예에 있어서, 전송 라인들(104)은 L-자형이며, 각각의 방사 소자들(14a, 14b)의 직사각형 기저부(34)(도 2 참조)의 각각의 슬롯(36)을 횡단하여 연장하는 하나의 다리(leg)를 갖는다. 직사각형 기저부(34)는 전송 라인(104)의 접지면으로 기능한다. 슬롯(36)에서는, 전위를 야기하는 접지면(즉, 직사각형부(34))을 가로지르는 단선이 있어서, RF 에너지가 각각의 방사 소자들(14a, 14b)의 슬롯(36)을 따라 전파하도록 강제한다.
DC 핀(92)은 또한 PCB(84)의 두께를 통해 확장하며, DC 제어 신호 및 바이어스 라인(108)에 전기적으로 접속되어 있다. DC 제어 신호 및 바이어스 라인(108)은 PCB(84)의 중심을 따라 라우팅되고 PCB(84)의 에지(110)로 확장한다.
MEMS 위상 시프터 모듈(18)의 하우징(86)의 평면에 대한 RF 핀(88)들 및 DC 핀(92)들의 배향은, RF 핀(88)들 및 DC 핀(92)들이 수직으로 설치될 수 있도록 한다. 이러한 수직 상호접속 형상은, MEMS 위상 시프터 모듈(18)의 설치가 예를 들어 동축 커넥터 또는 외부 배선 결합을 갖는 종래의 MMICS 또는 많은 처리 조작을 요구하는 종대종(end-to-end) 형태의 접속들을 갖는 기타의 종래의 패키지들과 비교하여 간단하게 한다. 수직 상호접속들은 설치시 유연성(flexibility)을 제공하여, 예를 들어 면 장착(surface mount), 핀 그리드 어레이(pin grid array), 또는 BGA 형의 패키지를 가능하게 한다.
도 10에 도시된 바와 같이, 광대역 피드쓰루 렌즈(11)의 행을 각각 나타내는 다수의 PCB(84)(도시된 예시적 실시예에서는 8개)는 열과 같은 형태로 적층되거나 수직으로 배열될 수 있으며, 스페이서(114)에 의해 이격될 수 있다. 이러한 방식으로, 광대역 피드쓰루 렌즈(11)의 각 입력 및 방사 개구(54, 58)의 입출력 방사 소자(14a, 14b)는 2차원으로 구성되고, 입출력 방사 소자(14a, 14b)의 행 및 열의 격자 구조가 형성된다. 격자 공간은 예를 들어, 특정의 적용예에 바람직한 주파수 및 주사 용량에 기초하여 선택될 수 있다.
각 PCB(84)의 DC 제어 신호 및 바이어스 라인(108)은 커넥터(124)에 관련한다. 도시된 실시예에는, 8개의 커넥터(124)가 있다. 커넥터(124)는 차례로 접속 케이블(132)을 통해 함께 전기적으로 결합되며, DC 분포 인쇄 배선 기판(PWB)(138)에 접속된다.
다시 도 9를 참조하면, E-평면 및 H-평면 2차원 주사를 제공하는 주문형 집적 회로(ASIC) 제어/구동 회로(144)는 각 위상 시프터 모듈(18)의 하우징(86)에 또는 하우징 내부에 장착된다. ASIC 회로(144)는 인접한 MEMS 위상 시프터 모듈(18)의 DC 입출력이 직렬로 함께 접속될 수 있도록 한다. ASIC 회로(144)는 설치된 MEMS 위상 시프터 모듈(18)의 개별 MEMS 위상 시프터 위상 설정을 제어하고, MEMS 위상 시프터 스위치의 직렬 커맨드 및 바이어싱을 허용한다. 이해되듯이, ASIC 회로(144)의 설계는 예를 들어, 현재의 CMOS IC 제조 공정에 따라 행해질 수 있다.
또한, 광대역 피드쓰루 렌즈(11)의 방사 개구(58) 및 입력 개구(54)를 구성하는 MEMS 위상 시프터 모듈(80) 및 광대역 방사 소자(14a, 14b)는, 도시된 예시적인 실시예에서 언급한 바와 같이, 방사 소자(14a, 14b)의 행들에 평행하게 발생하는 E-평면(78) 주사 및 방사 소자(14a, 14b)의 행들에 수직으로 발생하는 H-평면 주사를 달성한다. 각각의 MEMS 위상 시프터 모듈(18)에 대한 위상 시프터 설정을 조정하기 위해, 빔 조종 컴퓨터로부터의 직렬 커맨드가 DC 분포 PWB(92)를 통해 행을 따라 각각의 MEMS 위상 시프터 모듈(18)로 보내지며, 이는 ASIC 회로(144) 내에 구축된 차동 라인 수신기(differential line receiver)에 의해 수신된다. 각각의 ASIC 회로(144) 내에 구축된 논리 제어 회로는 원하는 위상 시프트 출력을 실현하기 위해 각각의 MEMS 위상 시프터 스위치의 바이어스를 조정하는데 사용될 수 있다. 그러므로, 각각의 ASIC 회로(144)는 안테나(10)로부터 방사된 빔의 2차원 주사 또는 E-평면 및 H-평면 조종을 달성한다.
본 발명이 임의의 설명된 실시예에 대해 도시되고 기술되었지만, 본 기술분야의 숙련자들이라면 상세한 설명 및 첨부 도면을 탐독하고 이해함으로써 등가의 수정예 및 변경예들이 가능할 것이다. 특히, 상술된 완전체들(구성요소, 어셈블리, 장치, 구성물 등)에 의해 수행된 여러가지 기능에 대해, 그러한 완전체들을 기술하는데 사용되는 용어("수단"이라는 기준을 포함함)는, 비록, 본 발명의 도시된 예시적인 실시예 또는 실시예들을 본 명세서 내의 기능을 수행하는 공개된 구조와 구조적으로 등가가 아닐지라도, 그 기술된 완전체들의 특정 기능을 수행하는 임의의 완전체(즉, 기능적으로 등가물)에 대응하도록 의도된 것이며, 그렇지 않으면, 지시된다. 또한, 본 발명의 특정의 특징이 몇몇 도시된 실시예들 중 단지 하나에 대해 상술되었지만, 그러한 특징은 임의의 주어진 또는 특정의 적용예에 대해 바람직하거나 유리할 수 있으므로 다른 실시예의 하나 이상의 다른 특징들과 결합될 수 있다.
본 발명은 그러한 모든 등가물 및 변경예들을 포함하는 것이며, 다음 청구범위에 의해서만 한정되는 것이다.

Claims (10)

  1. MEMS(microelectromechanical system) 조종가능 전자 주사 렌즈 어레이(ESA) 안테나(10)로서,
    제1 및 제2 어레이 광대역 방사 소자(14) 및 이들 제1 및 제2 어레이 사이에 배치된 MEMS 위상 시프터 모듈(18) 어레이(18)를 포함하는 광대역 피드쓰루 렌즈(11); 및
    근접 필드에 평면파면(planar wave front) 제공하기 위해 상기 제1 어레이 방사 소자(14)에 근접하게 배치된 CTS(continuous transverse stub) 피드 어레이(12)를 포함하고,
    상기 MEMS 위상 시프터 모듈(18)은 상기 CTS 피드 어레이(12)로부터 방사된 빔을 2차원으로 조종하는
    MEMS 조종가능 ESA 안테나.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 어레이 광대역 방사 소자(14)는 인쇄 회로 기판(PCB)(84) 상에 제조되고, 상기 MEMS 위상 시프터 모듈(18)은 상기 광대역 방사 소자(14)의 입력과 출력 사이에서 상기 PCB(84)에 장착되는 MEMS 조종가능 ESA 안테나.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    각각의 MEMS 위상 시프터 모듈(18)은 상기 광대역 피드쓰루 렌즈(11)의 제1 및 제2 어레이 방사 소자(14) 중 각각의 제1 및 제2 방사 소자(14)에 대응하는 한쌍의 RF 핀(88)을 포함하는 MEMS 조종가능 ESA 안테나.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 MEMS 위상 시프터 모듈(18)은, 상기 PCB(84)의 두께를 통해 연장되고, 상기 RF MEMS 위상 시프터 모듈(18)이 장착되어 있는 쪽과 마주보는 상기 PCB(84)의 측면 상에 장착되어 있는 각각의 DC 제어 신호 및 바이어스 라인(108)에 전기적으로 접속하며, 상기 PCB(84)의 중심을 따라 라우팅되어 상기 PCB(84)의 에지로 연장하는 복수의 DC 핀(92)을 구비하며,
    상기 DC 제어 신호 및 바이어스 라인(108)은 DC 배전(distribution) 라인(92)에 접속되어 있는 MEMS 조종가능 ESA 안테나.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 MEMS 위상 시프터 모듈(180)은 상기 광대역 피드쓰루 렌즈(11)의 제1 및 제2 어레이 방사 소자(14) 중 각각의 제1 및 제2 방사 소자(14)에 대응하는 한쌍의 RF 핀(88), 및 상기 CTS 피드 어레이(12)로부터 방사된 상기 빔을 적어도 부분적으로 조종하기 위해 빔 조종 컴퓨터로부터의 연속 명령(serial command)을 수신하기 위한 복수의 DC 핀(92)을 포함하고,
    상기 RF 핀(88) 및 DC 핀(92)은 비교적 수직으로 상기 PCB(84)에 상호접속할 수 있도록 하기 위해 상기 각각의 MEMS 위상 시프터 모듈(18)의 하우징(86)에 대해 수직으로 배향되어 있는 MEMS 조종가능 ESA 안테나.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    인접한 MEMS 위상 시프터 모듈(18)을 전기적으로 직렬로 함께 접속하고, 상기 각각의 MEMS 위상 시프터 모듈(18)의 개별 위상 설정을 제어하기 위해, 각각의 위상 시프터 모듈(18)에 장착되어 있는 ASIC(application specific integrated circuit) 제어/구동 회로(144)를 더 구비하는 MEMS 조종가능 ESA 안테나.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광대역 피드쓰루 렌즈(11)의 광대역 방사 소자(14)는 E-평면 주사가 상기 방사 소자(14)의 행에 평행하게 되도록 배향되어 있는 MEMS 조종가능 ESA 안테나.
  8. 무선 주파수 에너지를 주사하는 주파수 주사 방법으로서,
    무선 주파수(RF) 에너지를 CTS 피드 어레이로 입력하는 단계;
    상기 RF 에너지를 근접 필드에서 평면파의 형태로 복수의 CTS 방사 소자(14)를 통해 방사하는 단계;
    상기 RF 평면파를 복수의 MEMS 위상 시프터 모듈(18)을 포함하는 광대역 피드쓰루 렌즈(11)의 입력 개구(54)로 방출하는 단계;
    상기 RF 평면파를 이산 RF 신호로 변환하는 단계;
    상기 RF 신호를 처리하기 위해 상기 MEMS 위상 시프터 모듈(18)을 사용하는 단계;
    상기 RF 신호를 상기 광대역 피드쓰루 렌즈(11)의 방사 개구(58)를 통해 방사하여, 상기 RF 신호를 재결합하여 안테나 빔을 형성하는 단계; 및
    상기 CTS 피드 어레이(12)로 입력된 RF 신호의 주파수를 변경하여, 상기 안테나 빔의 각위치(angular position)를 2차원으로 변경하고 상기 안테나 빔에 의해 주파수 주사를 실시하는 단계
    를 포함하는 주파수 주사 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 RF 에너지를 입력하는 단계는 상기 CTS 방사 소자(14)를 직렬로 급전하는 단계를 포함하는 주파수 주사 방법.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    각각의 MEMS 위상 시프터 모듈(18) 내의 상기 하나 이상의 MEMS 위상 시프터 스위치들의 바이어스를 상기 조정함으로써, 상기 각각의 MEMS 위상 시프터 모듈(18)에 대한 상기 위상 시프터 출력을 조정하는 단계를 더 포함하는 주파수 주사 방법.
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