KR20060016075A - 콤팩트 ｃｔｓ 피드 및 ｍｅｍｓ 위상 천이기들을 갖는2차원 전자 스캐닝 어레이 - Google Patents

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KR20060016075A
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자 제이. 리
클리프톤 콴
브라이언 엠. 피어스
로버트 씨. 알리손
로버트 와이. 루
제임스 에이치. 샤프너
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레이티언 캄파니
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Abstract

MEMS 조향용 전자 스캐닝 렌즈 어레이(ESA) 안테나(10) 및 주파수 스캐닝 방법이 개시된다. MEMS ESA 안테나(10)는 MEMS E-평면 조향용 렌즈 어레이(11) 및 MEMS H-평면 조향용 선형 어레이(12)를 포함한다. MEMS E-평면 조향용 렌즈 어레이(11)는, 제1 및 제2 광대역 방사요소 어레이(14a, 14b)와, 제1 및 제2 방사요소 어레이(14a, 14b) 사이에 배치된 MEMS E-평면 위상 천이기 모듈(18)들을 포함한다. MEMS H-평면 조향용 선형 어레이(12)는 연속 횡단 스터브(CTS) 피드 어레이(16)와 CTS 피드 어레이(16)의 입력에 MEMS H-평면 위상 천이기 모듈(17)들의 어레이를 포함한다. MEMS H-평면 조향용 선형 어레이(12)는 MEMS E-평면 조향용 렌즈 어레이(12)의 제1 방사요소 어레이(14a)에서 평면 파두(planar wave front)를 제공하기 위하여 MEMS E-평면 조향용 렌즈 어레이(12)의 제1 방사요소 어레이(14a)에 인접하게 배치된다. H-평면 위상 천이기 모듈(17)들은, H-평면 위상 천이기 모듈(17)들의 위상 설정치들에 기초하여 CTS 피드어레이(16)로 입력되는 RF 신호들을 천이시키고, E-평면 위상 천이기 모듈(18)들은 E-평면 위상 천이기 모듈(18)들의 위상 설정치들에 기초하여, E-평면에서 CTS 피드 어레이(16)로부터 방사되는 빔을 조향시킨다.
RF 에너지, 어레이 안테나, 전송선로, 마이크로스트립 RF 피드, probe transition

Description

콤팩트 ＣＴＳ 피드 및 ＭＥＭＳ 위상 천이기들을 갖는 2차원 전자 스캐닝 어레이{2-D ELECTRONICALLY SCANNED ARRAY WITH COMPACT CTS FEED AND MEMS PHASE SHIFTERS}
본 발명은 전자 스캐닝 안테나(electronically scanned antennas)에 관한 것으로, 특히 MEMS(Microelectromechanical System) RF(Radio Frequency) 위상 천이기를 갖는 전자 스캐닝 안테나에 관한 것이다.
현재까지의 진보된 무선 및 공간 기반의 레이더 시스템은 수천 개의 방사 요소(radiating elements)들을 포함하는 전자 스캐닝 안테나(ESA: Electronically scanned antenna)를 사용하여 왔다. 예컨대, 다중의 타겟들을 동시에 대상으로 하는 대형 화재 통제 레이더는 전자 스캐닝 안테나(ESA)를 사용하여 요구되는 전력-개구 곱(power aperture product)을 제공할 수도 있다.
공간 기반의 렌즈 구조(space based lens architecture)는 무선 및 공간 기반의 레이더 시스템용 전자 스캐닝 안테나를 구현하는 하나의 접근법이다. 그러나, 공간 기반의 렌즈 구조가 고 주파수, 예컨대, X-대역에서 사용되며, 주어진 영역 내에서 위상 천이기와 같은 능동 소자가 더 많이 팩키지화 되면, 무게, 증가된 열밀도, 및 전력 소비가 이러한 시스템의 비용과 활용성에 심각하게 영향을 줄 수 도 있다.
현재까지, 전자 스캐닝형 렌즈 어레이 안테나들은 페라이트, PIN 다이오드, 및 FET 스위치 장치들을 포함하였다. 이러한 위상 천이기들은 무거우며, 대량의 DC 전력을 소모하며, 고가이다. 또한, PIN 다이오드 및 FET 스위치를 RF 위상 천이기 회로에 구현하는 것은, RF 경로를 따라 DC 바이어스 회로를 추가적으로 요구하므로, 복잡한 것이다. PIN 다이오드 및 FET 스위치에 필요한 DC 바이어스 회로는 위상 천이기 주파수 성능을 제한하며, RF 손실을 증가시킨다. 현재 활용가능한 송수신 모듈에 전자 스캐닝 안테나를 보편화시키는 것은 높은 비용과, 열악한 냉각성능, 및 비효율적인 전력 소비로 인하여 바람직하지 못하다. 종합적으로, 현재 활용가능한 위상 천이기의 무게, 비용, 및 성능은, 이러한 장치들이 수천개 사용되는, 공간 기반의 레이더 및 통신 전자 스캐닝 어레이에 대하여 요구되는 바에 못 미친다.
본 발명은 MEMS 조절형 전자 스캐닝 렌즈 어레이(ESA) 안테나를 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명의 일 양태에 따르면, MEMS ESA 안테나는 MEMS 위상 천이기 모듈을 사용하여 E-평면에서 조향(steering)이 가능하며, MEMS 위상 천이기 모듈을 사용하여 H-평면에서 조향이 가능하다. MEMS ESA 안테나는 MEMS E-평면 조향용 렌즈 어레이와 MEMS H-평면 조향용 선형 어레이를 포함한다. MEMS E-평면 조향용 렌즈 어레이는, 제1 광대역 방사요소 어레이 및 제2 광대역 방사요소 어레이와, 상기 제1 및 제2 방사요소 어레이 사이에 위치된 MEMS E-평면 위상 천이기 모듈들의 어레이를 포함한다. MEMS H-평면 조향용 선형 어레이는, 연속 횡단 스터브(CTS) 피드 어레이와 상기 CTS 피드 어레이의 입력에 MEMS H-평면 위상 천이 모듈들의 어레이를 포함한다. MEMS H-평면 조향용 선형 어레이는 부근의 필드에 평면 파두를 제공하기 위하여, 상기 MEMS E-평면 조향용 렌즈 어레이의 상기 제1 방사요소 어레이에 인접하게 배치된다. H-평면 위상 천이기 모듈들은 H-평면 위상 천이기 모듈들의 위상 설정치들에 기초하여 CTS 피드 어레이로 입력되는 RF 신호들을 천이시키고, E-평면 위상 천이기 모듈들은 E-평면 위상 천이기 모듈들의 위상 설정치들에 기초하여 E-평면에서 CTS 피드 어레이로부터 방사되는 빔을 조향시킨다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, RF(Radio Frequency) 에너지를 주파수 스캐닝하는 방법으로서, RF 에너지를 MEMS H-평면 위상 천이기 모듈(17)들의 어레이로 입력하는 단계; 상기 MEMS H-평면 위상 천이기 모듈(17)들의 위상 설정치들에 기초하여 상기 RF 에너지의 위상을 조절하는 단계; 복수의 CTS 방사요소(68)들을 통해서 근방의 필드에 평면파의 형태로 상기 H-평면 위상 조절된 RF 신호들을 방사하는 단계; 상기 H-평면 위상 조절된 RF 평면파를 MEMS E-평면 위상 천이기 모듈들의 어레이를 포함하는 MEMS E-평면 조향용 렌즈 어레이(11)의 입력 개구(54)로 방출하는 단계; 상기 RF 평면파를 이산 RF 신호들로 변환하는 단계; 상기 MEMS E-평면 위상 천이기 모듈(18)들의 위상 설정치들에 기초하여 상기 이산 RF 신호들의 위상을 조절하는 단계; 및 상기 MEMS E-평면 조향용 렌즈 어레이(11)의 방사 개구(58)를 통하여 상기 H-평면 및 E-평면 조절된 RF 신호들을 방사하여, 상기 RF 신호들을 결합하여 안테나 빔을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 주파수 스캐닝 방법이 제공된다.
전술한 관련 목적의 달성을 위하여, 본 발명은 이하 충분하게 설명되는 특징들, 특히 청구항에서 지적하고 있는 특징들을 포함한다. 이하의 설명과 첨부 도면들은 특정한 일례의 본 발명의 실시예들에서 상세하게 주어진다. 그러나, 이러한 실시예들은 본 발명의 원리들이 채용될 수 있는 다양한 방법들중 몇몇 만을 나타내는 것이다. 기타의 목적, 장점 및 본 발명의 신규한 특징들은 도면과 연계하여 고려될 때 이하의 본 발명의 상세한 설명으로부터 명백하게 될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 MEMS 위상 천이기들을 갖는 전자 스캐닝 렌즈 어레이(ESA)을 채용하는 레이더 적용예의 환경을 나타낸 개략도.
도 2는 본 발명에 따른 한 쌍의 광대역 방사요소와 MEMS 위상 천이기 모듈을 나타낸 평면도.
도 3은 본 발명에 따른 2차원 MEMS 조향용(steerable) 전자 스캐닝 렌즈 어레이 안테나를 나타낸 도면(렌즈 안테나는 1차원 MEMS E-평면 조향용 렌즈 어레이와 1차원 MEMS H-평면 조향용 연속 횡단 스터브 (CTS: Continuous Transverse Stub) 전자 스캐닝 피드 어레이를 포함함).
도 4는 도 3의 전자 스캐닝 렌즈 어레이 안테나의 평면도(도 4의 렌즈 안테나는 16개의 MEMS 위상 천이기 모듈과 CTS 방사요소를 갖는다는 점을 제외함).
도 5는 도 3의 연속 횡단 스터브(CTS) 전자 스캐닝 피드 어레이의 일부의 단면도.
도 6은 본 발명에 따른 E-평면 스캐닝을 수행하기 위하여 MEMS 위상 천이기들의 열 제어를 포함하는 1차원 MEMS E-평면 조향용 렌즈 어레이를 나타낸 개략도.
도 7은 본 발명에 따른 MEMS 조향용 전자 스캐닝 렌즈 어레이 안테나의 측면도(안테나는 인쇄 배선 기판(PWB), 복수의 위상 천이기 PCB 어셈블리, 및 DC 열 배선을 포함하는 복수의 스페이서들을 포함함).
도 8은 본 발명에 따른 도 7의 MEMS 조향용 전자 스캐닝 렌즈 어레이 안테나의 전면 부분 절개도.
도 9는 도 7의 MEMS 조향용 전자 스캐닝 렌즈 어레이 안테나의 PCB를 나타낸 도면(본 발명에 따른 PCB 상의 MEMS 위상 천이기 모듈들의 어레이, 및 프린트형(printed) 광대역 방사요소들을 포함함).
도 10은 도 9에서 라인 10-10에서 본 도 9의 PCB 및 MEMS 위상 천이기 모듈들을 나타낸 측면도.
도 11은 도 9의 PCB 및 MEMS 위상 천이기 모듈들의 저면도.
도 12는 본 발명에 따른 MEMS 위상 천이기 모듈의 확대도.
도 13은 도 7의 본 발명에 따른 MEMS 조향용 전자 스캐닝 렌즈 어레이 안테나의 분해도.
도 14는 도 7의 본 발명에 따른 MEMS 조향용 전자 스캐닝 렌즈 어레이 안테나의 스페이서들 중 하나를 나타낸 개략도.
도 15는 도 3의 MEMS H-평면 조향용 연속 횡단 스터브(CTS) 전자 스캐닝 피드 어레이의 개략도(입사 파면은 점선으로, H-평면 스캐닝은 화살표로 나타냄).
도 16a 내지 도 16c는 도 15의 CTS 전자 스캐닝 피드 어레이의 일부와 그 위상 상수를 각각 나타낸 도면.
도 17은 도 3의 MEMS H-평면 조향용 CTS 전자 스캐닝 피드 어레이의 패키지 개념을 나타낸 블록도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
11: MEMS 조향용 렌즈 어레이 14a: 제1 광대역 방사요소
14b: 제2 광대역 방사요소 16: CTS 피드 어레이
18: MEMS E-평면 위상 천이기 모듈들
58: 방사 개구 110: MEMS 조향용 안테나
114: DC 분배 PWB 122: 스페이서
118: 복수의 위상 천이기 PCB 어셈블리
이하의 상세한 설명에서, 본 발명의 다른 실시예들에 무관하게 동일한 구성성분에는 동일한 참조번호가 주어졌다. 본 발명을 명확하고 간결한 방법으로 표현하기 위하여, 도면이 반드시 척도변환 되는 것은 아니며, 특정한 면들은 다소 개략적인 형태로 도시되어 있을 수도 있다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명은 1차원 MEMS E-평면 조향용(steerable) 렌즈 어레이(11) 및 1차원 MEMS H-평면 조향용 CTS 전자 스캐닝 피드 어레이(12)를 포함하는 2차원 MEMS 조향용 전자 스캐닝 렌즈 어레이 안테나(도 3의 10)이다. MEMS 조향용 렌즈 어레이(11)는 광대역 방사요소(14a)로 이루어지는 후 방 어레이, 광대역 방사요소(14b)로 이루어지는 전방 어레이, 및 전방 어레이와 후방 어레이 사이에 협지된 MEMS 위상 천이기 모듈(18)의 어레이를 포함한다(도 2). MEMS 조향용 CTS(12)는 CTS 피드 어레이(16)와 CTS 피드 어레이(16)의 입력의 한 행의 MEMS 위상 천이기 모듈(17)들을 포함한다. 위상 천이기 모듈(17)들은 CTS 피드 어레이(16)가 H-평면에서 1차원으로 전자 스캐닝을 수행하도록 한다. MEMS 조향용 CTS(12)는 MEMS 조향용 렌즈 어레이(11)의 후방 방사요소 어레이(14a)에 인접하게 위치되어, 근방의 필드에 평면 파두(planar wave front)를 제공한다. MEMS 조향용 렌즈 어레이(11)의 MEMS 위상 천이기 모듈(18)은 MEMS 조향용 CTS(12)로부터 방사되는 빔을 E-평면에서 일차원으로 조향(steering)한다. E-평면의 조향은 다르게는 주파수를 변화시킴으로써 수행될 수도 있는데, 이는 MEMS 조향용 CTS(12)의 각각의 위상들이 변화되도록 하여, 안테나 빔을 E-평면상에서 다른 각도 위치로 움직이도록 하는 것이다.
즉, 본 발명은 전송 선로, 전력 분할기, 및 통합 피드 안테나와 관련되는 통상의 배선들에 대한 필요성을 일소시킨다. 또한, 본 발명은 대형의 안테나 어레이 시스템(N>100)에서는 비용이 과다하고 복잡하게 될 수 있는 MEMS 조향용 렌즈 어레이(11)에 배선된 제어 DC 바이어스 라인들의 수를 감소시킨다.
본 안테나(10)는 예컨대 항공기, 함선, 초계기, 및 우주선을 포함하는 군용 및 상용의 적용예 모두에 적합하다. 도 1은 본 안테나(10)가 적절하게 통합될 수 있는 진보된 무선 및 공간 기반의 레이더 시스템들의 환경을 나타낸 도면이다. 이러한 시스템들은 예컨대 SAR(Synthetic Aperture Radar) 시스템(22), GMTI(Ground Moving Target Indication) 시스템(26), 및 AMTI(Airborne Moving Target Indication) 시스템(28)을 포함하는 경량의 X-대역 공간 기반의 레이더를 포함한다. 이러한 시스템들은 실질적인 수의 안테나들을 사용하며, MEMS 위상 천이기 모듈들(18)을 수단으로 한 본 발명의 안테나(10)는 비교적 저 비용이며, 저 전력을 소모하며, PIN 다이오드 및 FET 스위치 위상 천이기들 또는 송수신 모듈들을 사용하는 종래 기술의 안테나 보다 가벼운 것으로 판명되었다.
도 2에 도시된 바와 같이, 각각의 MEMS 위상 천이기 모듈(17 및 18)은 한 쌍의 대향하는 광대역 방사요소들(14) 사이에 협지되어 있다. 도시된 실시예에서, 방사요소들(14)은 실질적으로 동일한 기하구조로서, MEMS 위상 천이기 모듈(18) 주위 및 안테나(10)를 통한 피드/방사 방향, 특히 MEMS 위상 천이기 모듈(18)을 통한 피드/방사 방향을 나타내는 A 축 주위에 대칭으로 배치되어 있다. 다르게는 방사요소들(14)은 다른 기하구조를 가질 수도 있으며, 및/또는 MEMS 위상 천이기 모듈(18) 및/또는 피드/방사 축(A) 주위에 비대칭적으로 배치될 수도 있다. 즉, 전방 또는 출력 방사요소(14b)는 후방 또는 입력 방사요소(14a)와는 다른 기하구조를 가질 수도 있다.
각각의 광대역 방사요소(14)는 직사각형의 기저부(34)를 갖는 한 쌍의 갈고리 모양의 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(예컨대, 피드/방사 축(A)의 방향)를 제공하는 슬롯(36)을 형성한다. 기저부(34)(이하, "접지면"이라고도 함)는 피드/방사 축(A) 주위에서 서로 인접하며, 위 상 천이기 모듈(18)의 양단부에서 피드/방사 축(A)의 방향으로 위상 천이기 모듈(18)과 인접한다. 또한, 기저부(34)는 MEMS 위상 천이기 모듈(18)과 실질적으로 동일한 폭을 갖는다. 줄기부(38)는 해당 기저부(34) 보다 좁으며, 피드/방사 축(A) 방향으로 기저부(34)로부터 돌출되며, 또한 피드/방사 축(A) 주위에서 서로 인접한다. 아치형 말단부(42)들은 각각의 줄기부(38)들에서 피드/방사 축(A) 방향으로 돌출하며, 피드/방사 축(A)으로부터 길이 방향으로 서로 떨어지도록 분기된다. 아치형 말단부(42)들은 함께, 피드/방사 축(A) 방향에서 위상 천이기 모듈(18)로부터 바깥쪽으로 벌어지는, 나팔관 모양의 또는 아치형 V자 모양의 개방부(opening)를 형성한다. MEMS 조향용 렌즈 어레이(11)의 후단부의 광대역 방사요소(14)의 벌어진 개방부는 MEMS 조향용 CTS(12)로부터의 RF 에너지를 수신하여 채널링하며, 해당 MEMS 위상 천이기 모듈(18)로 해당 슬롯(36)을 따라 RF 에너지를 전파한다. MEMS 조향용 렌즈 어레이(11)의 전단부 또는 반대편에서의 광대역 방사요소(14)의 벌어진 개방부는 해당 MEMS 위상 천이기 모듈(18)로부터 해당 슬롯(36)을 따라서 자유 공간으로 RF 에너지를 방사한다.
도 3으로 돌아가서, MEMS 위상 천이기(18)는 MEMS 조향용 렌즈 어레이(11)에서 어레이로 구성된다. 따라서, MEMS 조향용 렌즈 어레이(11)는 MEMS 위상 천이기(18) 뒤에서 입력 방사요소(14a)의 어레이를 포함하는 입력 개구(54), MEMS 위상 천이기(18) 앞에서 출력 방사요소(14b)의 어레이를 포함하는 출력 또는 방사 개구(58)를 포함한다. 도 3의 MEMS 조향용 렌즈 어레이(11)는 4행 7열의 MEMS 위상 천이기(18)들 및 4행 7열의 입력 및 출력 방사요소들의 어레이(14a 및 14b)를 갖는 다. 어레이는 특정한 적용예에서 요구될 수 있는 만큼의 적합한 수량의 MEMS 위상 천이기들(18)과 입력 및 출력 방사요소들(14a 및 14b)을 포함할 수도 있다. 예컨대, 도 4에서, MEMS 조향용 렌즈 어레이(11)는 16개의 MEMS 위상 천이기들(18)과 16개의 입력 및 출력 광대역 방사요소들(14a 및 14b)를 포함한다.
MEMS 조향용 렌즈 어레이(11)는 MEMS 조향용 CTS(12)에 의해 공간에 공급된다. 도 3 및 도 4에 도시된 MEMS 조향용 CTS(12)는 복수의 MEMS 위상 천이기 모듈들(17)(도 3의 실시예에서는 4개), 복수의 RF 입력(62)(도 3의 실시예에서는 4개), 및 CTS 피드 어레이(16)를 포함한다. CTS 피드 어레이(16)는 연속 스터브(64)와 이 연속 스터브(64)에서 MEMS 조향용 렌즈 어레이(11)의 입력 개구(54)쪽으로 돌출된 복수의 CTS 방사요소들(68)을 포함한다. 도시된 실시예에 있어서, CTS 방사요소들(68)은 수량에 있어서 입력 및 출력 방사요소들(14a 및 14b)에 대응한다. 또한, 도시된 실시예에 있어서, CTS 방사요소들(68)은 입력 방사요소들(14a) 사이의 횡단 간격 및 출력 방사요소들(14b) 사이의 횡단 간격과 실질적으로 동일하게 횡으로 이격되어 있다. 이 때, CTS 방사요소들(68) 사이의 간격은 반드시 입력 방사요소들(14a) 사이의 간격과 동일하거나 대응할 필요는 없다. 또한, MEMS 조향용 CTS(12)의 RF 입력(62)(즉, 행), 및/또는 CTS 방사요소들(68)(즉, 열), 및/또는 MEMS 위상 천이기 모듈들(17)은 MEMS 조향용 렌즈 어레이(11)의 MEMS 위상 천이기 모듈들(18) 및/또는 입력 및 출력 방사요소들(14a 및 14b)의 열 및 행들과 동일하거나, 정렬 또는 대응할 필요는 없다. 따라서, MEMS 조향용 CTS(12)는 예컨대 특정의 안테나 적용예에 따라서는 MEMS 조향용 렌즈 어레이(11) 보다 더 많거나 더 적은 행 및/또는 열(row and/or column)들을 가질 수도 있다.
도 5는 도 3의 MEMS 조향용 CTS(12)의 일부의 단면도이다. MEMS 조향용 CTS(12)는 렉솔라이트(rexolite) 또는 폴리프로필렌(polypropylene) 등의 플라스틱으로 이루어지는 유전체(70)를 포함하며, 도 5에 도시된 형태로 기계가공 또는 사출된다. 그 후, 유전체(70)는 금속층(74)으로 금속화되어 연속 스터브(64) 및 CTS 방사요소들(68)을 형성한다. MEMS 조향용 CTS(12)는 자동 제조 분야에서는 통상적인, 고 용적 플라스틱 압출 및 금속 도금 공정(high volume plastic extrusion and metal plating processes)으로 제조되어, 낮은 제조 비용을 가능하게 한다.
MEMS 조향용 CTS(12)는 마이크로파 결합/방사 어레이이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 임의의 형상의 1차 라인 피드를 통해 도착하는 입사 평행 도파관 모드는 연속 스터브(64)의 존재로 방해를 받는 종방향 전류 성분에 관여하여, 스터브/평행판 계면을 가로지르는 종방향, z-방향의 변위 전류를 여기시킨다. 이렇게 유도된 변위 전류는 반대로 연속 스터브(64)에서 CTS 방사요소(68)들에 대하여 x 방향으로 자유공간을 향하여 진행하는 등가의 전자기파를 여기시킨다. 이러한 CTS 비스캐닝형 안테나는 94GHz 까지의 주파수에서 동작할 수 있음이 판명되었다. 일례의 CTS 피드 어레이에 관한 더 자세한 세부사항은, 미국특허공보 제6,421,021호, 제5,361,076호, 제5,349,363호, 및 제5,266,961호를 참조하기 바라며, 모두 본 명세서에 그 전체가 참조로 포함되어 있다.
동작에 있어서, RF 입력(62)으로부터 MEMS H-평면 위상 천이기 모듈(17)들로 RF 에너지가 나란하게 공급된 후, MEMS 조향용 CTS(12)의 병렬의 판 도파관을 통해 CTS 방사요소들(68)로 공급된다. 다음, H-평면 위상 조정된 RF 신호들은 평면파 형태로 근처의 필드에 CTS 방사요소들(68)을 통해 방출된다. 이 때, RF 입력(62)에서 CTS 방사요소들(68)로 RF 에너지가 진행하는 거리는 동일하지 않다. CTS 방사요소들(68)에 의해 MEMS 조향용 렌즈 어레이의 입력 개구(54)로 RF 평면파가 방사된 후, 이산 RF 신호들로 변환된다. 다음, RF 신호들은 MEMS E-평면 위상 천이기 모듈들(18)에 의해 처리되어 이하에서 자세하게 설명하는 방식으로 E-평면 스캐닝에 영향을 미친다. MEMS 위상 천이기에 관한 더욱 상세한 세부사항은, 미국특허공보 제6,281,838호, 제5,757,379호, 및 제5,379,007호를 참조하기 바라며, 모두 본 명세서에 참조로서 그 전체가 포함되어 있다.
다음, MEMS로 처리된 신호들은, MEMS 조향용 렌즈 어레이(11)의 방사 개구(58)를 통해 재방출 되며, 이는 RF 신호들을 조합하여 스티어링 안테나 빔을 형성한다. 이렇게 연속적으로 공급되는 MEMS 조향용 CTS(12)에 있어서, 예컨대 도 4의 참조번호 80으로 나타낸 바와 같이, 안테나 빔은 주파수의 함수로 E-평면(78)을 따라 다른 각도 위치들로 움직인다. 주파수가 변함에 따라서, 각 CTS 방사요소(68)의 출력 위상은 다른 속도로 변화하여, E-평면에서의 주파수 스캐닝을 가져온다. 따라서, 안테나는 주파수 변화 및 위상 천이를 수단으로 하여 E-평면에서 조절가능하다.
대체 실시예로서, 통합 병렬 판 도파관 피드(도시 생략)를 사용하여 병렬로 CTS 방사요소들(68)을 피딩시킴으로써 광대역 주파수가 성취된다. CTS 방사요소들(68)을 병렬로 피딩함으로써, RF 입력(62)에서 CTS 방사요소들(68)까지 RF 에너지 가 진행하는 거리들이 동일하다. 주파수가 변함에 따라, 각 CTS 방사요소(68)의 출력 위상은 실질적으로 동일한 속도로 변화하므로, 방사 개구(58)를 통해 방출되는 안테나 빔은 고정 위치에 유지된다.
도 6은 본 발명에 따라 E-평면 스캐닝을 수행하기 위하여 MEMS 위상 천이기들의 열 제어(column control)을 포함하는 1차원 MEMS E-평면 조향용 렌즈 어레이(90)를 나타내는 개략도이다. 도 6에 있어서, 화살표(94)는 E-평면 스캐닝을 나타낸다. H-평면 조향을 위한 CTS 피드 어레이(98)는 MEMS 조향용 렌즈 어레이(90) 뒤의 도 6의 배경에 도시되어 있다. MEMS 조향용 렌즈 어레이(90)는 3행의 위상 천이기 모듈들(18) 및 해당 PCB 상에 장착된 방사 요소들(14a 및 14b)과, 각각 위상 천이기 바이어스 라인을 포함하며, 각각 위상 천이기 모듈들(18) 및 방사요소들(14a 및 14b)의 격자 배치를 유지하는, 5개의 렌즈 컬럼 서포트(106)를 포함한다. 각 컬럼 서포트(106) 내의 바이어스 라인들은, 예컨대 도 6의 상부에서 PWB(108)에 연결되며, 이는 또한 빔 스티어링 컴퓨터와 전원(도시 생략)에 연결된다. 제어 회로는 위상 천이기 모듈(18)들의 각 열(column)을 바이어스시켜, 전술한 E-평면 스캐닝에 영향을 미친다. 더욱 자세하게는, 위상 천이기 모듈들(18)의 각 열(column)은, 열 상의 각 위상 천이기 모듈(18)이 해당 렌즈 컬럼 서포트(106)상의 해당 바이어스 라인으로부터 동일한 위상 설정치를 수신하는 한편, 위상 천이기 모듈들(18)의 다음 또는 인접한 열이 다음 또는 인접한 렌즈 컬럼 서포트(106)에 의해 다른 위상 설정치(예컨대, 위상 선행)에 해당하도록, 함께 하나의 군으로서 제어된다.
도 7 내지 도 14는 본 발명에 따른 MEMS 위상 천이기(18)의 열 제어를 실행하는 MEMS 조향용 전자 스캐닝 렌즈 어레이 안테나(110)의 일 실시예를 나타낸다. MEMS 조향용 안테나(110)는 DC 분배 PWB(114), 복수의 위상 천이기 PCB 어셈블리(118), 및 MEMS 조향용 안테나(110)에 기골 지지구조를 제공하고, DC 컬럼 연결배선(interconnect) 및 바이어스 라인들을 연결하기 위한 복수의 스페이서들(122)을 포함한다.
각각의 PCB 어셈블리(118)는 PCB(126)와 광대역 방사요소(14a 및 14b)와 MEMS 위상 천이기 모듈(18)들의 어레이를 포함한다. 도 9에 도시된 바와 같이, 광대역 방사요소(14a 및 14b)들이 PCB(126) 상에 제작되고, MEMS 위상 천이기 모듈들(18)은 입력 및 출력 방사요소(14a 및 14b)들 사이의 PCB(126)상에 장착된다. 각각의 MEMS 위상 천이기 모듈(18)은, 예컨대 코바(kovar)로 이루어지는 하우징(130)(도 12 참조)과, 하우징(130)에 장착된 적절한 수, 예컨대 2 개의 MEMS 위상 천이기 스위치들(도시 생략)을 포함한다. 이 때, MEMS 위상 천이기 스위치들의 수는 특정의 적용예에 따라 다르다.
한 쌍의 RF 핀(134)들과 복수의 DC 핀(138)들이 하우징(130)의 평면에 실질적으로 직교한 방향으로 하우징(130)의 하부면으로부터 돌출되어 있다(도 10 참조). RF 핀(134)들은 각각의 입력 및 출력 방사요소들(14a 및 14b)에 대응한다. RF 핀(134)들은 PCB(126)의 두께를 통해서 PCB(126)의 평면에 직교하는 방향으로 연장되며, PCB(126)상에 장착된 각각의 마이크로스트립 전송선로(142)에 RF MEMS 위상 천이기 모듈들(18)이 장착되는 편의 반대 편상에 전기적으로 연결된다(도 10 및 도 11 참조). 전송 선로(142)들은 각각의 입력 및 출력 방사요소들(14a 및 14b)에 전기적으로 결합되어, RF 신호들을 입력 및 출력 방사 요소들(14a 및 14b)에 송수신한다. 예시된 일 실시예에 있어서, 전송 선로들(142)은 L-자형이며, 각각의 방사요소들(14a 및 14b)의 직사각형 기저부(34)(도 2 참조)의 각각의 슬롯(36)을 횡단하여 연장하는 하나의 다리를 갖는다. 직사각형 기저부(34)는 전송선로(142)의 접지면으로 기능한다. 슬롯(36)에는, 전위를 일으키는 접지면(즉, 직사각형부(34))을 가로지르는 파단선이 있어서, RF 에너지가 해당 방사요소들(14a 및 14b)의 슬롯(36)을 따라 전파되도록 강제한다.
또한, DC 핀(138)들은 PCB(126)의 두께를 통하여 연장되며, DC 제어 신호와 바이어스 라인(144)들에 전기적으로 연결된다. 도 11에 도시된 바와 같이, DC 제어 신호 및 바이어스 라인(144)들은 PCB(126)의 중간에서부터 해당 MEMS 위상 천이기 모듈(18)의 면적 이상까지 바깥쪽으로 분기된다. DC 제어 신호 및 바이어스 라인(144)들은 PCB(126)의 도금된 통공(148)을 통해 PCB(126)의 타측으로 배선된다. 도금된 통공(48)은, 두 행의 길이 방향으로 정렬된 DC 컬럼 연결배선을 형성하며, 그 기능을 이하에 더욱 자세하게 설명한다. 자명한 바와 같이, DC 제어 신호 및 바이어스 라인(144)들의 배선 및 위치는 전송 선로(142)의 크기 및 치수와, 방사요소(14a 및 14b) 사이의 격자 간격과 같은 요소들에 기초하게 된다.
이 때, MEMS 위상 천이기 모듈(18)의 하우징(130)의 평면에 대한 RF 핀(134)들 및 DC 핀(138)들의 배향은, RF 핀(134)들 및 DC 핀(138)들이 수직으로 장착될 수 있도록 한다. 이러한 수직의 연결배선 형상은, MEMS 위상 천이기 모듈(18)의 장착이 예컨대 동축 커넥터 또는 외부 배선 결합을 갖는 종래의 MMIC 또는 수많은 공정들을 필요로 하는 종대종(end-to-end) 형태의 배선들을 갖는 기타의 종래의 패키지들과 비교하여 상대적으로 간단하게 만든다. 수직의 연결배선들은 장착에 있어서 융통성을 제공하여, 예컨대 면 장착부(surface mount), 핀 그리드 어레이(pin grid array), 또는 BGA 형의 패키지를 가능하게 한다.
도 13 및 14에 도시된 바와 같이, PCB 어셈블리(118)들은 수직으로 적층되어, 스페이서(122)에 의해 분리된다. 더욱 자세하게는, PCB 어셈블리(118)들 및 스페이서(122)들은 교대로 적층되어, PCB 어셈블리(118)들의 방사요소들(14a 및 14b) 사이의 격자 간격을 제공한다. 격자 간격은 예컨대 MEMS 조향용 안테나(110)의 주파수 및 스캐닝 요구사항들에 기초한 것이다.
스페이서(122)들은 긴 직사각형으로서, 성형 플라스틱 또는 액정 폴리머(LCP: Liquid Crystal Polymer)와 같은 적합한 절연 물질로 이루어진다. 각각의 스페이서(122)는 전면벽(150), 후면벽(152), 및 한 쌍의 측벽(156)들을 포함한다. 전면벽(150) 및 후면벽(152) 각각은, PCB(126)의 도금된 통공(148)들에 해당하는 복수의 통공(158)들을 포함한다. 중간벽(160)이 전면벽, 후면벽, 및 측벽(150, 152, 및 156)들의 상부 및 하부 표면(170 및 172) 사이의 대략 중간에 배치된다. 중간벽(160)의 반대편에는, 상부 공동(cavity)(180) 및 하부 공동(182)이 있으며, 전면벽, 후면벽, 및 측벽(150, 152, 156)들로 공동(180 및 182)의 벽들을 형성한다. 전면벽 및 후면벽(150 및 152)들 각각은, 안테나의 동작중 방사요소(14a, 14b)들로 RF 에너지가 진행할 수 있도록 하는 방사요소(14a, 14b)들에 해당하는 복 수의 노치형(notched) 개방부(190)(도 8의 14)를 포함한다.
도 14에 도시된 바와 같이, 스페이서(122)는 위상 천이기 모듈(18)들이 스페이서(122)의 하부 공동(182)에 수용되도록 실질적으로 PCB 어셈블리(118)의 가운데를 따라 길이방향으로 위치되며, 스페이서(122)의 전면벽 및 후면벽(150 및 152)들의 통공(158)들은 PCB(126)의 상기 한 쌍의 길이 방향으로 정렬된 도금된 통공(148)들과 함께 정렬된다.
바이어스 라인(도시 생략)들은 통공(158)들을 경유하여 스페이서(122)에 수용되어 통과하도록 배선되며, PCB 어셈블리(118)의 도금된 통공(148)들을 경유하여 전술한 DC 제어 신호 및 바이어스 라인(142)들에 전기적으로 결합된다. 일 실시예에 있어서, 바이어스 라인들은 퍼즈 버튼(fuzz button) 및 포고 핀(pogo pin)과 같은 압축성 접점들을 포함한다. 바이어스 라인들은 프린트 배선 보드(PWB: Printed Wiring Board)(114)에 배선되며, 프린트 배선 보드에는 MEMS 위상 천이기 모듈(18)들의 각각의 열들을 바이어스 시켜, E-평면의 스캐닝에 영향을 미치는 제어 회로를 포함한다.
함께 협지되는 경우, 스페이서(122)들은 PCB 어셈블리(118)들에 대한 컬럼 지지 구조를 제공하여, 그 MEMS 위상 천이기(18)들의 열 제어를 가능하게 한다. 이 때, 각 스페이서(122), 특히 그 중간벽(1600)은 각각의 MEMS 위상 천이기 모듈(18)들의 하우징(130)들을 PCB(126)로 클램핑시키는데 사용될 수도 있다. 또한, 일 실시예에서 나타낸 바와 같이, 스페이서(122)들 및 PCB 어셈블리(118)들은, 적층된 스페이서(122)들 및 PCB 어셈블리(118)들을 함께 정렬시키고 제 위치에 클램 핑하기 위하여, 맞춤 핀(dowel pin), 스크류, 및/또는 타이 로드(tie rod)들과 같은 정렬 패스너들을 수용하기 위한 정렬 홀(200)들을 포함할 수도 있다. 일 실시예에 있어서, 스페이서(122)의 가장자리들은 전자기적 차폐를 제공하기 위하여 금속화 된다. 본 발명에 따르면, 스페이서(122)들은 MEMS 조향용 전자 스캐닝 렌즈 어레이 안테나(110)의 인터페이스 허브로 기능하여, DC 바이어스, RF 신호 송신, 기계적 정렬, 및 구조적 부하 내력(load bearing)을 제공 또는 가능하게 한다.
도 15 내지 도 17은, 1차원 스캐닝을 도 3의 MEMS H-평면 조향용 연속 횡단 스터브(CTS) 전자 스캐닝 피드 어레이(12)의 CTS 피드 개구(feed aperture)로 통합시키는 일례의 수단을 나타낸다. 전술한 바와 같이, 위상 천이기 모듈(17)들은 CTS 피드 어레이(16)가 H-평면에서 1차원으로 전자 스캐닝 하도록 한다. H-평면의 전자 스캐닝은 경사 입사의 라인 공급 여기(line feed excitation)를 적용함으로써 성취된다. 도 15에 있어서, 입사파면은 점선(204)으로 도시되어 있으며, H-평면 스캐닝은 화살표(208)로 도시되어 있다. 도 16에 도시된 바와 같이, 전파 파장 모드의 경사 입사는 횡단 H-평면에서 빔을 스캐닝 하기 위한 CTS 방사요소 축에 대하여 입사 위상 선두의 변동을 달성하기 위하여 사용될 수 있다. 전자 스캐닝 렌즈 어레이(ESA)에 있어서, 이러한 변동은 병렬 판 영역을 여기시키는 1차 라인 피드의 전기적 변동을 통해 부여된다. 스캐닝 빔의 특정의 스캐닝 각도(θs)는 스넬의 법칙을 통해 파장 모드 위상 선두의 입사각(θi)과 관련되게 된다.
도 17은 일례의 MEMS 조향용 CTS(12)의 패키징 개념을 나타낸 블록도이다. 예컨대, 윌킨슨 전력 분할기를 갖는 마이크로스트립 RF 피드(220)가 RF 신호들을 MEMS 위상 천이기 모듈(17)로 공급하는데 사용될 수도 있다. 이에 따라, MEMS 위상 천이기 모듈(17)들은 DC 매니폴드 PWB(224)로부터 DC 전력을 수신하며, 제어기(228)에 의해 제어된다. CTS 피드 어레이(16)는 마이크로스트립/동축 RF 프로브 트랜지션(probe transition)(232)를 통해 MEMS 위상 천이기 모듈(17)로부터 RF 신호들을 수신한다. 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 도 2에 도시된 위상 천이기 모듈(17)들은 마이크로스트립 RF 피드(220) 및 DC 매니폴드 PWB(224)를 포함하는 금속판 어셈블리에 장착된다. 이러한 실시예에 있어서, 위상 천이기 모듈(17)들의 RF 핀 및 DC 핀들은 마이크로스트립 RF 피드(220) 및 DC 매니폴드 PWB(224)의 RF 및 DC 수직 인터페이스들은, 유전체 헤더로 둘러싸인 퍼즈 버튼(fuzz button)과 같은 압축성 금속 접점들을 포함할 수도 있다. 유전체 헤더들은 RF에 대하여 50 오옴을 유지하여, RF 및 DC용의 금속판으로의 연결배선의 단락 회로를 방지하도록 구성된다.
특정한 일례의 실시예에 대하여 본 발명이 도시 및 설명되었지만, 당업자라면 본 명세서와 첨부된 도면들을 탐독하고 이해함으로써 등가의 변형예 및 개조예가 발생할 수 있을 것이다. 특히, 전술한 완전체들(구성성분, 어셈블리, 장치, 구성물, 등)들에 의해 수행되는 다양한 기능들에 있어서, 이러한 완전체들을 설명하는데 사용되는 용어들("수단"이라고 지칭하는 것을 포함함)은, 달리 지시하지 않는 한, 본 발명의 실시예들 또는 본 명세서에서 예시된 실시예들의 기능을 수행하는 개시된 구조와 구조적으로는 균등하지 않을지라도, 설명된 완전체의 지정된 기능들을 수행하는 임의의 완전체(즉, 기능적으로 균등물)에 상응하고자 한 것이다. 또 한, 상기에서 몇몇 예시된 실시예들 중 하나에 대하여만 본 발명의 특정한 특징이 설명되었으나, 임의의 주어진 또는 특정한 적용예에서 요구되거나 장점이 있을 수도 있다면, 이러한 특징은 기타의 실시예들의 하나 이상의 다른 특징들과 조합될 수도 있다.
본 발명은 이러한 모든 균등물과 개조예들을 모두 포괄하는 것으로서, 이하의 청구범위의 범주에 의해서만 제한되는 것이다.

Claims (10)

  1. MEMS 조향용 전자 스캐닝 렌즈 어레이(ESA: Electronically Scanned lens Array) 안테나(10)로서,
    제1 및 제2 광대역 방사요소 어레이(14a, 14b), 및 상기 제1 및 제2 방사요소(14a, 14b) 어레이 사이에 배치된 MEMS E-평면 위상 천이기 모듈(18)들의 어레이를 포함하는 MEMS E-평면 조향용 렌즈 어레이(11); 및
    연속 횡단 스터브(CTS: continuous transverse stub) 피드 어레이(16) 및 CTS 피드 어레이(16)의 입력에 MEMS H-평면 위상 천이기 모듈(17)들의 어레이를 포함하는 MEMS H-평면 조향용 선형 어레이(12)를 포함하며 - 상기 MEMS H-평면 조향용 선형 어레이(12)는 부근의 필드에 평면 파두(wave front)를 제공하기 위하여 상기 MEMS E-평면 조향용 렌즈 어레이(11)의 제1 방사 요소 어레이(14a)와 인접하게 배치됨 -,
    상기 H-평면 위상 천이기 모듈(17)들은 상기 H-평면 위상 천이기 모듈(17)들의 위상 설정치에 기초하여 상기 CTS 피드 어레이(16)로 입력되는 RF 신호들을 천이시키고, 상기 E-평면 위상 천이기 모듈(18)들은 상기 E-평면 위상 천이기 모듈(18)들의 위상 설정치에 기초하여 E-평면에서 상기 CTS 피드 어레이(16)로 방사되는 빔을 조향시키는 것을 특징으로 하는 MEMS 조향용 전자 스캐닝 렌즈 어레이 안테나.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 광대역 방사요소들의 어레이(14a, 14b)는, PCB(102, 126) 상에 제조되며, 상기 MEMS E-평면 위상 천이기 모듈들의 어레이(18)는 상기 제1 및 제2 광대역 방사요소(14a, 14b)들 사이의 PCB(102, 126)상에 장착되는 것을 특징으로 하는 MEMS 조향용 전자 스캐닝 렌즈 어레이 안테나.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 MEMS E-평면 위상 천이기 모듈(18) 각각은, 상기 MEMS E-평면 조향 렌즈 어레이(11)의 상기 제1 및 제2 방사요소 어레이의 제1 및 제2 방사요소들 각각에 해당하는 한 쌍의 RF 핀(134)들을 포함하는 것을 특징으로 하는 MEMS 조향용 전자 스캐닝 렌즈 어레이 안테나.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 MEMS E-평면 위상 천이기 모듈(18)들의 어레이는 2 이상의 행 및 적어도 하나의 열로 이루어지는 MEMS E-평면 위상 천이기 모듈(18)들을 포함하며,
    상기 MEMS E-평면 위상 천이기 모듈(18) 각각은 DC 제어신호 및 바이어스 라인들(144) 각각에 전기적으로 연결되는 복수의 DC 핀(138)들을 포함하며,
    상기 2 이상의 행의 MEMS E-평면 위상 천이기 모듈(18)들은 상기 열 상의 상기 2 이상의 MEMS E-평면 위상 천이기 모듈(18)들이 동일한 위상 설정치를 수신하도록 상기 DC 제어신호 및 바이어스 라인(144)들을 경유하여 열(column)과 같은 방 식으로 함께 하나의 그룹으로서 제어되는 것을 특징으로 하는 MEMS 조향용 전자 스캐닝 렌즈 어레이 안테나.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 MEMS E-평면 위상 천이기 모듈(18) 각각은, 상기 MEMS E-평면 조향용 렌즈 어레이(11)의 제1 및 제2 방사요소 어레이(14a, 14b)들의 각각의 제1 및 제2 방사요소들 해당하는 한 쌍의 RF 핀(134)들과, 각각의 MEMS E-평면 위상 천이기 모듈(18)을 동작시키도록 제어 명령들을 수신하기 위한 복수의 DC 핀(138)들을 포함하며,
    상기 RF 핀(134)들 및 DC 핀(138)들은, 각각의 MEMS 위상 천이기 모듈(18)의 하우징에 대하여 직각으로 배향되어, PCB(102, 126)로의 배선이 상대적으로 수직으로 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 MEMS 조향용 전자 스캐닝 렌즈 어레이 안테나.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 MEMS E-평면 조향용 렌즈 어레이(11)의 광대역 방사요소(14a, 14b)들은 E-평면 스캐닝이 상기 방사요소들의 행들에 대하여 평행하게 발생하도록 배향되는 것을 특징으로 하는 MEMS 조향용 전자 스캐닝 렌즈 어레이 안테나.
  7. RF(Radio Frequency) 에너지를 주파수 스캐닝하는 방법으로서,
    RF 에너지를 MEMS H-평면 위상 천이기 모듈(17)들의 어레이에 입력하는 단계;
    상기 MEMS H-평면 위상 천이기 모듈(17)들의 위상 설정치들에 기초하여 상기 RF 에너지의 위상을 조절하는 단계;
    복수의 CTS 방사요소(68)들을 통해서 근방의 필드에 평면파의 형태로 상기 H-평면 위상 조절된 RF 신호들을 방사하는 단계;
    상기 H-평면 위상 조절된 RF 평면파를 MEMS E-평면 위상 천이기 모듈들의 어레이를 포함하는 MEMS E-평면 조향용 렌즈 어레이(11)의 입력 개구(54)로 방출하는 단계;
    상기 RF 평면파를 이산 RF 신호들로 변환하는 단계;
    상기 MEMS E-평면 위상 천이기 모듈(18)들의 위상 설정치들에 기초하여 상기 이산 RF 신호들의 위상을 조절하는 단계; 및
    상기 MEMS E-평면 조향용 렌즈 어레이(11)의 방사 개구(58)를 통하여 상기 H-평면 및 E-평면 조절된 RF 신호들을 방사하여, 상기 RF 신호들을 결합하여 안테나 빔을 형성하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 주파수 스캐닝 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 CTS 피드 어레이(16)에 입력되는 RF 신호의 주파수를 변화시켜, 상기 MEMS E-평면 조향용 렌즈 어레이(11)의 E-평면에서의 상기 안테나 빔의 각도 위치 를 변화시키고, 상기 안테나 빔에 의한 주파수 스캐닝에 영향을 미치는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 주파수 스캐닝 방법.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 RF 에너지를 입력하는 단계는, CTS 방사요소(68)들을 연속적으로 피딩(feeding)하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 주파수 스캐닝 방법.
  10. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 MEMS E-평면 위상 천이기 모듈(18)들의 하나 이상의 MEMS 위상 천이기 스위치들의 바이어스를 조절함으로써, 각각의 MEMS E-평면 위상 천이기 모듈(18)들에 대한 위상 천이기 출력을 조절하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 주파수 스캐닝 방법.
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