KR20060064816A

KR20060064816A - 2차원 위상배열 안테나 시스템을 위한 광 실시간 지연선로빔 성형기

Info

Publication number: KR20060064816A
Application number: KR1020040103474A
Authority: KR
Inventors: 신종덕; 김부균; 정병민; 윤영민
Original assignee: 학교법인 숭실대학교
Priority date: 2004-12-09
Filing date: 2004-12-09
Publication date: 2006-06-14
Also published as: KR100689056B1

Abstract

본 발명은 2차원 위상배열 안테나 시스템을 광학적으로 제어하기 위하여, FBG 프리즘과 금속 박막을 이용한 파장 의존형 광 실시간 지연선로(true time-delay), 및 2×2 광 스위치 열과 광섬유 지연선로를 이용한 파장 비의존형 광 TTD로 구성된 빔 성형기에 관한 것이다. 이를 위하여, 파장 의존형 광 TTD 에서는 FBG 프리즘을 이용하여 한쪽 방향(고도 혹은 방위각)의 배열 안테나 소자에 입력되는 시간 지연 차이를 선형적으로 발생 시키고, 파장 비의존형 광 TTD 에서는 2×2 광 스위치 열과 광섬유 지연선로로 구성된 행렬을 통해 한쪽 방향에 수직된 방향의 배열 안테나 소자에 입력되는 시간 지연 차이 또한 선형적으로 발생 시키도록 하였으며, 특히 파장 의존형 광 TTD 에서는 각 지연선로 끝단에 금속 박막을 장착함으로써 용이한 방법으로 한 행의 FBG를 더한 효과를 얻을 수 있도록 하였고, 파장 비의존형 광 TTD 에서는 전기적으로 동작하는 스위치를 이용하여 2×2 광 스위치의 각 열을 동시에 바(BAR)와 크로스(CROSS)로 동작시킴으로써 주사 빔 제어를 매우 빠르고 간단히 할 수 있도록 하였다.

위상배열 안테나, PAA, 광 실시간 지연선로, TTD, 광섬유 브래그 격자, FBG, 금속 박막, 2×2 광 스위치 열, 광섬유 지연선로, 빔 성형기(Beamformer)

Description

2차원 위상배열 안테나 시스템을 위한 광 실시간 지연선로 빔 성형기 {An optical true time-delay beamformer for two-dimensional phased-array antenna systems}

도 1은 종래의 2차원 다파장 광 제어 위상배열 안테나의 블록 구성도이다.

도 2는 도 1의 분산 행렬(PDM)의 구성도이다.

도 3은 도 1의 스위칭 광섬유 지연선로(SODL)의 구성도이다.

도 4는 본 발명에 따른 광 실시간 지연선로 빔 성형기를 사용한 2차원 위상배열 안테나의 전체 시스템 구성도이다.

도 5는 도 4의 파장 비의존형 광 실시간 지연선로의 예로서 4 비트 광 실시간 지연선로 각각의 주사 각 방향에 대한 시간지연을 측정하기 위한 실험 구성도이다.

도 6은 도 5에 따른 실험결과를 보여주는 오실로그래프이다.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ※

4000 : 다파장 광원

4100 : 광변조기

A : 파장 의존형 광 실시간 지연선로

4200, 4210 : 1×2 광 스위치

4300, 4310, …, 43(m-2)0 : 2×2 광 스위치

4400, 4410, …, 44(m-1)0 : 써큘레이터

4500, 4501, …, 45(m-1)(p-1) : 광섬유 브래그 격자

4600, 4610, …, 46(m-1)0 : 금속 박막

4700 : 1×q 광 결합기

B : 파장 비의존형 광 실시간 지연선로

4800, 4801, …, 48(n-1)(q-1) : 2×2 광 스위치

4900, 4901, …, 49(n-1)(q-1) : 광섬유 지연선로

4A00, 4A01, …, 4A0(q-1) : 바이어스 광섬유 지연선로

4B00, 4B01, …, 4B0(q-1) : WDM 역다중화기

4C00, 4C10, …, 4Cp(q-1) : 광 검출기

4D00, 4D10, …, 4Dp(q-1) : 증폭기

4E00 : 2차원 배열 안테나

4F00 : 1×2 광 스위치 및 2×2 광 스위치 제어수단

본 발명은 고도와 방위각에 대하여 동시에 빔 스캐닝이 가능한 2차원 위상배열 안테나(Phased Array Antenna : 이하 PAA라고 함) 시스템을 광학적으로 제어하기 위한 것으로서, 특히 파장 의존 및 파장 비의존 광 실시간 지연선로(True Time-Delay : 이하 TTD라고 함)로 구성된 2차원 위상배열 안테나 시스템을 위한 빔 성형기(Beamformer)에 관한 것이다.

본 발명에서 파장 의존 광 TTD는 다파장 광원과 광섬유 브래그 격자(Fiber Bragg Grating : 이하 FBG라고 함) 프리즘 및 금속 박막을 이용하며, 파장 비의존 광 TTD는 2×2 광 스위치 열과 광섬유 지연선로를 이용한다.

PAA는 안테나 소자들의 위상을 개별적으로 조정하여 안테나를 기계적으로 회전시키지 않고도 안테나로부터 방사되는 빔을 원하는 방향으로 주사시킬 수 있는 시스템으로서, 주로 육상, 항공 및 선박 레이더 시스템이나 위성통신 및 이동통신에서 널리 사용되고 있다.

PAA로부터 방사되는 빔의 주사 방향을 제어하는 방식에는 위상천이 주사방식(Phase Shift Scanning)과 시간지연 주사방식(Time Delay Scanning)이 있다.

위상 천이 주사방식은 안테나 소자에 연결되어 있는 위상 천이기의 위상이 RF(radio frequency) 주파수 변화에 무관하게 일정하기 때문에, 안테나로부터 방사 되는 주 빔의 방향이 RF 주파수에 따라 변화하는 현상이 발생하여, 광대역 신호나 RF 반송파 주파수의 급격한 변화를 필요로 하는 시스템에서는 적합하지 않다.

이에 대하여, 시간지연 주사방식은 각 안테나 소자에 급전되는 RF 신호들을 시간 지연선로를 통해 공급하므로, 각 안테나 소자의 위상이 RF 주파수에 비례하여 변하게 되어 위상배열 안테나에서 방사되는 빔의 주사 방향은 주파수와 무관하게 일정하며, 특히 넓은 대역폭, 저 손실, 높은 유연성, EMI(Electro-Magnetic Interference)에 무관, 소형, 경제적인 장점 등이 있다.

현재까지 제안된 위상배열 안테나를 위한 광 TTD의 구조는 분산 보상 광섬유(Dispersion Compensation Fiber ; DCF) 프리즘 방식, PLC(Planar Lightwave Circuit) 방식, 첩 광섬유 격자(Chirped Fiber Grating ; CFG) 방식 등이 있다. 그러나 이와 같은 방식의 구조를 사용하는 시스템들은 파장 가변 광원을 필요로 하기 때문에 파장 안정화 및 파장 가변 속도 등의 문제점이 있다. 또한 상기의 선형 빔 성형기를 이용한 PAA는 소자의 중심을 잇는 직선에서만 위상주사를 할 수 있기 때문에 비행기 동체와 같은 복잡한 표면에 배열이 부착되면 소자의 중심을 잇는 선과 수직한 평면에서의 빔 폭에 의해 실현 가능한 이득을 제한 받게 된다. 그러므로, 높은 이득을 얻을 수 있고, 빠르고 안정화된 빔 주사를 하기 위해서는 파장 가변 광원의 문제점을 해결한 다차원 PAA가 요구된다.

이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 2차원 다파장 광 제어 PAA(MWOCPAA : multiwavelength optically controlled phased-array antenna)가 제시되었다(IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, VOL. 46, NO. 1, JANUARY 1998, Multiwavelength Optically Controlled Phased-Array Antennas, Dennis T. K. Tong and Ming C. Wu).

도 1은 FBG 프리즘을 이용한 파장 의존형 광 TTD 및 2진 광섬유 지연선로 (binary fiber optic delay line ; BIFODEL)를 이용한 파장 비의존형 광 TTD의 결합에 의한 종래의 2차원 MWOCPAA의 블록 구성도로서, 다파장 광원(1000)과, 광 변조기(1100)와, 프로그램 가능한 분산 행렬(programmable dispersion matrix ; PDM)(1200)과, 1×q 광 분배기(1300)와, q 개의 스위칭 광섬유 지연 선로(switched optical delay lines : SODL)(1400, 1401, …, 140(q-1))와, 증폭기 및 단위 안테나를 포함하는 p×q 배열 안테나(1500)로 구성된다.

상기 PDM(1200)은 p×m 개의 FBG들로 이루어진 FBG 프리즘을 이용한 파장 의존형 광 TTD로서, 도 2에 도시된 바와 같이 1×2 광 스위치(2000, 2010), 2×2 광 스위치(2100, 2110, …, 21(m-2)0), 써큘레이터(2200, 2210, … 22(m-1)0), p×m 개의 FBG(2300, 2301, …, 230(p-1), 2310, 2311, …, 231(p-1), …, 23(m-1)0, 23(m-1)1, …, 23(m-1)(p-1))로 구성되는 분산 행렬이다.

상기 다파장 광원(1000)으로부터 p 개의 서로 다른 파장을 갖는 광 신호가 광 변조기(1100)에서 RF 신호에 의해 동시에 변조된 후, p×m 개의 FBG들로 구성된 분산 행렬(1200)에 입력된다. 상기 분산 행렬에서는 주사 빔의 각도에 따라 각 안테나 소자에 입력되는 시간 지연이 발생하도록 광 스위치들의 상태가 결정되어 2^m개의 경우의 수를 갖는 FBG 지연선로가 선택되며, FBG 간격에 따라 파장 신호들 사 이의 시간 지연 차이가 발생된다.

또한, 상기 SODL(1400, 1401, …, 140(q-1))은 2진 형태의 광섬유 지연선로 행렬로서, 2진 광섬유 지연선로(binary fiber optic delay line ; BIFODEL)와, WDM(wavelength-division multiplexing) 역다중화기와, 광 검출기를 포함하는데, 상기 BIFODEL은 도 3에 도시된 바와 같이 1×2 광 스위치(3000, 3001, …, 300(q-1), 3010, 3011, …,301(q-1)), 2×2 광 스위치(3100, 3101, …, 310(q-1), 3110, 3111, …, 311(q-1) , …, 31(n-2)0, 31(n-2)1, …,31(n-2)(q-1))와, 2진의 단위 시간 지연을 갖는 광섬유 지연선로(3200, 3201, …, 320(q-1), 3210, 3211, …, 321(q-1) , …, 32(n-1)0, 32(n-1)1, …,32(n-1)(q-1))로 구성되어 있다.

상기 파장 의존형 PDM(1200)과 대조적으로, SODL(1400, 1401, …, 140(q-1))에 의해 발생된 시간 지연은 파장 비의존 특성을 가지며, 시간 지연은 광섬유 지연선로(3200, 3201, …, 320(q-1), 3210, 3211, …, 321(q-1) , …, 32(n-1)0, 32(n-1)1, …,32(n-1)(q-1)) 사이의 광 경로 길이의 차이에 의해 발생된다. 즉, 상기 광섬유 지연 선로 행렬에서는 주사 빔의 각도에 따라 각각의 배열 안테나에 입력되는 시간 지연이 발생하도록 1×2 광 스위치(3000, 3001, …, 300(q-1), 3010, 3011, …,301(q-1)) 및 2×2 광 스위치(3100, 3101, …, 310(q-1), 3110, 3111, …, 311(q-1) , …, 31(n-2)0, 31(n-2)1, …,31(n-2)(q-1))의 상태가 결정되어 2진 형태의 광섬유 지연선로(3200, 3201, …, 320(q-1), 3210, 3211, …, 321(q-1) , …, 32(n-1)0, 32(n-1)1, …,32(n-1)(q-1))가 선택되며, 각 행에서의 지연선로에 의해 시간 지연이 발생된 신호는 WDM 역다중화기에서 파장별로 분리된 다음, 광 검출기 에 의해 전기적 신호로 변환되어, 각 단위 안테나에 입력되고 정해진 주사각으로 방사된다. 이때, 주사 빔의 각도에 따라 각각의 배열 안테나에 입력되는 시간 지연을 얻기 위해서는 도 3에서 표현된 것과 같이 q×n 행렬로 이루어진 모든 1×2 광 스위치 및 2×2 광 스위치를 개별적으로 동작하도록 제어해야 한다.

상기한 종래의 2차원 다파장 광 제어 PAA는 선형 PAA에 비해 2차원 빔 스캐닝 시스템을 사용함으로써 안테나 이득을 높이는 장점은 있으나, SODL에서 BIFODEL 기술을 이용하여 q 개의 안테나 배열에 n 비트로 동작하는 광 TTD를 구현하기 위해서는 모든 빔 주사 방향에 대해 q×n 개의 스위치를 개별적으로 동작시켜야 하기 때문에 스위치 제어가 매우 복잡하다는 문제점이 있다. 따라서, 실제 환경에서 PAA를 사용하기 위해서는 보다 간단하고 빠른 빔 스캐닝이 가능하고 효율적으로 주사 빔의 방향을 제어할 수 있는 다차원의 PAA를 위한 광 TTD가 필요하다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 종래의 2차원 광 실시간 지연선로에 2×2 광 스위치와 2진 형태의 광섬유 지연선로를 대신하여 2×2 광 스위치 열과 광섬유 지연선로를 이용함으로써 스위치 제어를 매우 빠르고 간단히 하며, 효율적으로 주사 빔의 방향을 제어할 수 있는 2차원 PAA 시스템을 구현하는데 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 파장 의존 광 실시간 지연선로 끝단에 금속 박막을 장착함으로써 용이한 방법으로 한 행의 FBG를 더한 효과를 얻을 수 있도록 하 는데 있다.

본 발명은 2차원 PAA 시스템을 광학적으로 제어하기 위하여, FBG 프리즘과 금속 박막을 이용한 파장 의존형 광 TTD와 2×2 광 스위치 열과 광섬유 지연선로를 이용한 파장 비의존형 광 TTD로 구성된 빔 성형기에 관한 것이다.

이를 위하여, 파장 의존형 광 TTD 에서는 FBG 프리즘을 이용하여 한쪽 방향(고도 혹은 방위각)의 배열 안테나 소자에 입력되는 시간 지연 차이를 선형적으로 발생 시키고, 파장 비의존형 광 TTD 에서는 2×2 광 스위치 열과 광섬유 지연선로로 구성된 행렬을 통해 한쪽 방향에 수직된 방향의 배열 안테나 소자에 입력되는 시간 지연 차이 또한 선형적으로 발생 시키도록 하였으며, 특히 파장 의존형 광 TTD 에서는 각 지연선로 끝단에 금속 박막을 장착함으로써 용이한 방법으로 한 행의 FBG를 더한 효과를 얻을 수 있도록 하였고, 파장 비의존형 광 TTD 에서는 전기적으로 동작하는 스위치를 이용하여 2×2 광 스위치의 각 열을 동시에 바(BAR)와 크로스(CROSS)로 동작시킴으로써 주사 빔 제어를 매우 빠르고 간단히 할 수 있도록 하였다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예가 첨부된 도면을 참조하면서 상세히 설명될 것이다.

도 4는 본 발명에 따른 2차원 PAA의 전체 시스템 구성도이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 2차원 PAA를 위한 광 TTD는 서로 다른 p+1 개의 파장의 광 신호를 생성하는 다파장 광원(4000)과; 상기 생성된 광 신호를 RF 신호에 의해 변조시키는 광 변조기(4100)와; 상기 광 변조기(4100)로부터 입력된 변조신호에 대한 주사 빔의 방위각에 따른 실시간 지연을 제어하는 파장 의존형 광 TTD(A)와; 상기 파장 의존형 광 TTD(A)에 의해 제 1 실시간 지연을 얻은 광 신호를 동일한 크기의 신호로 분리하는 1×q 광 결합기 (4700)와; 상기 1×q 광 결합기 (4700)로부터 입력된 신호에 대한 주사 빔의 고도에 따른 파장 비의존 제 2 실시간 지연을 제어하는 파장 비의존형 광 TTD(B)와; 상기 파장 의존형 광 TTD(A) 및 파장 비의존형 광 TTD(B)를 통해 방위각과 고도에 따라 2차원적으로 분리된 신호들을 파장 별로 분리하는 1×(p+1) WDM 역다중화기(4B00, 4B01, …, 4B0(q-1))와, 광 검출기(4C00, 4C10, …, 4Cp0, 4C01, 4C11, …, 4Cp1, …, 4C0(q-1), 4C1(q-1), …, 4Cp(q-1))와, 증폭기(4D00, 4D10, …, 4Dp0, 4D01, 4D11, …, 4Dp1, …, 4D0(q-1), 4D1(q-1), …, 4Dp(q-1))와, (p+1)×q 2차원 배열 안테나(4E00), 그리고 주사 빔의 방향을 조절하는 스위치 제어기(4F00)를 포함하여 구성되어 있다.

상기 파장 의존형 광 TTD(A)는 방위각에 해당하는 시간 지연을 얻기 위하여 서로 독립적으로 바(BAR)와 크로스(CROSS) 상태로 동작하는 1×2 광 스위치(4200, 4210) 및 2×2 광 스위치(4300, 4310, …, 43(m-2)0), 써큘레이터(4400, 4410, …, 44(m-1)0), 상기 1×2 광 스위치 및 2×2 광 스위치의 바 포트에 연결되고 p×m개의 FBG(4500, 4501, …, 450(p-1), 4510, 4511, …, 451(p-1), …, 45(m-1)0, 45(m-1)1, …, 45(m-1)(p-1))로 이루어진 FBG 프리즘, 및 상기 FBG 프리즘의 끝단 에 첨가되는 금속 박막(4600, 4610, …, 46(m-1)0)을 구비하는 분산 행렬로 구성되어 있다.

또한, 상기 파장 비의존형 광 TTD(B)는 q×n 행렬로 배열되어 각 열의 2×2 광 스위치 열들이 동시에 바 또는 크로스 상태로 동작하는 2×2 광 스위치 행렬(4800, 4801, …, 480(q-1), 4810, 4811, …, 481(q-1), …, 48(n-1)0, 48(n-1)1, …, 48(n-1)(q-1)), 상기 2×2 광 스위치 행렬을 이루는 각각의 스위치의 크로스 포트에 연결되어 있는 광섬유 지연 선로(4900, 4901, …, 490(q-1), 4910, 4911, …, 491(q-1), …, 49(n-1)0, 49(n-1)1, …, 49(n-1)(q-1)), 및 바이어스 광섬유 지연선로(4A00, 4A01, …, 4A0(q-1))로 구성된다.

그리고, 상기 파장 의존형 광 TTD(A)의 1×2 광 스위치 및 2×2 광 스위치와 상기 파장 비의존형 광 TTD(B)의 2×2 광 스위치 열을 제어하는 스위치 제어수단(4F00)을 포함한다.

본 발명에 따른 PAA의 전체적인 동작원리를 설명하면 다음과 같다.

다파장 광원(4000)으로부터 p+1 개의 서로 다른 파장을 갖는 광 신호가 광변조기(4100)에서 RF 신호에 의해 동시에 변조된 후, p×m 개의 FBG(4500, 4501, …, 450(p-1), 4510, 4511, …, 451(p-1), …, 45(m-1)0, 45(m-1)1, …, 45(m-1)(p-1))와 m 개의 금속 박막(4600, 4610, …, 46(m-1)0)으로 구성된 분산 행렬, 즉 파장 의존형 광 TTD(A)에 입력된다.

상기 파장 의존형 광 TTD(A)에서는 주사 빔의 방위각에 따라 (p+1)×q 배열 안테나(4E00)에 입력되는 시간 지연이 발생하는데, 이것은 스위치 제어수단(4F00)의 파장 의존형 광 TTD 제어에 의해 1×2 광 스위치(4200, 4210) 및 2×2 광 스위치(4300, 4310, …, 43(m-2)0)의 상태를 조절하여 결정된다. 첫 번째 1×2 광 스위치(4200)와 m-1 개의 2×2 광 스위치(4300, 4310, …, 43(m-2)0)는 방위각에 해당하는 시간 지연을 얻기 위해 바와 크로스상태로 동작하고 마지막 1×2 광 스위치(4210)는 출력을 한쪽 포트로 모으기 위해 설정해 놓은 것이다. 이들 광 스위치들은 주사 빔의 방위각에 해당하는 시간 지연을 얻기 위하여 서로 독립적으로 바와 크로스 상태로 동작하는데, 1×2 광 스위치(4200) 및 2×2 광 스위치(4300, 4310, …, 43(m-2)0) 중 임의의 스위치가 FBG 프리즘과 금속 박막으로 이루어진 분산행렬의 한 열이 동작하도록 연결된 상태일 경우, p+1 개의 파장을 갖는 변조신호는 써큘레이터를 통해 p 개의 FBG와 1 개의 금속 박막으로 이루어진 지연선로로 입력되어 각 FBG 간격에 의해 파장에 따른 시간 지연이 발생되고, FBG 프리즘과 금속 박막으로 이루어진 분산행렬의 한 열이 동작하지 않도록 연결된 상태일 경우는 FBG 간격에 의해 추가되는 시간지연 없이 다음 스위치로 입력된다. 따라서, 마지막 스위치에서의 출력 신호는 주사 빔의 방위각에 따라 파장의 함수로 시간 지연이 발생되어 있다. 상기 파장 의존형 광 TTD(A)를 통해 발생시킬 수 있는 주사 빔의 방향의 개수는 지연선로의 열의 개수가 m 개이므로

이 된다.

2×2 광 스위치의 바 포트에 연결되어 있는 FBG 간격은 첫 번째 FBG 지연선 로의 경우 모든 간격이

에 해당하는 시간지연이 발생하도록 설정되어 있고, 열의 번호가 하나씩 증가할 때마다

배수에 해당하는 단위 시간지연이 발생하도록 FBG 간격이 증가하게 되어, 마지막 m번째 열에는

에 해당하는 FBG 간격이 설정되어 있다. 그리고, 본 발명은 도 1의 경우와 달리 m 개의 FBG 지연선로 끝단에 금속 박막(4600, 4610, …, 46(m-1)0)을 첨가함으로써 용이한 방법으로 각 열에 한 개의 FBG를 대신할 수 있도록 하였다. 이러한 금속 박막(4600, 4610, …, 46(m-1)0)은 모든 파장 신호를 반사시키는 역할을 담당한다.

파장 의존형 광 TTD(A)에 의해 주사 빔의 방위각에 해당하는 시간 지연을 얻은 광 신호는 1×q 광 결합기 (4700)를 통하여 같은 크기를 갖는 q 개의 신호로 분리된 후, 2×2 광 스위치 행렬(4800, 4801, …, 480q, 4810, 4811, …, 481q, …, 48(n-1)0, 48(n-1)1, …, 48(n-1)(q-1))과 광섬유 지연 선로들(4900, 4901, …, 490(q-1), 4910, 4911, …, 491(q-1), …, 49(n-1)0, 49(n-1)1, …, 49(n-1)(q-1))로 구성된 파장 비의존형 광 TTD(B)로 입력된다.

상기 파장 비의존형 광 TTD(B)에서는 주사 빔의 고도에 따라 각 안테나 소자에 입력되는 시간 지연이 발생하는데, 이것은 스위치 제어수단(4F00)의 파장 비의존형 광 TTD 제어에 의해 각 열의 2×2 광 스위치 열을 동시에 바 또는 크로스 상태로 조절함으로써 결정된다.

파장 비의존형 광 TTD(B)의 구조는 q×n 행렬로 배열된 2×2 광 스위치 행렬과 광섬유 지연선로로 구성된다. 각 2×2 광 스위치 열(n column)들은 동시에 바 또는 크로스 상태로 동작하는데, n 개의 열 중 임의의 한 2×2 광 스위치 열이 크로스 상태일 경우, q 개의 행으로 구성된 변조 신호는 각 행에 해당하는 광섬유 지연선로의 길이 차이에 의해 시간 지연이 발생되고, 바 상태일 경우는 광섬유 지연선로의 길이 차이에 의해 추가되는 시간지연 없이 다음 2×2 광 스위치 열로 입력된다.

따라서, 마지막 2×2 광 스위치 열에서의 출력 신호는 주사 빔의 고도에 따라 각 행의 함수로 시간 지연이 발생되어 있다. 이러한 행렬을 통해 발생시킬 수 있는 주사 빔의 방향의 개수는 2×2 광 스위치 열의 개수가 n 개이므로

이 된다.

2×2 광 스위치 열의 크로스 포트에 연결되어 있는 광섬유 지연선로의 길이는 첫 번째 2×2 광 스위치 열의 경우에는, 행(row)의 번호가 하나씩 증가할 때마다 시간 지연은

에 해당하는 광섬유 길이만큼 증가하게 되어, 마지막 q번째 행에는 첫 번째 행보다

만큼 긴 광섬유 지연선로가 연결된다. 두 번째 열의 경우에는 시간 지연의 증가가

씩 이루어지며, 이와 같은 방식으로 q번째 행에서의 시간지연은 첫 번째 행보다

씩 증가한다. 세 번째 열의 경우에는 시간 지연의 증가가

씩 증가한다. 이와 같은 방식으로 마지막 n 번째 열의 경우에는 시간 지연의 증가가

씩 이루어지며, 이와 같은 방식으 로 q 번째 행에서의 시간 지연은 첫 번째 행보다

씩 증가한다.

본 발명은 도 1의 경우와 달리 임의의 빔 주사 방향에 대하여 2×2 광 스위치와 광섬유 지연선로로 이루어진 열을 동시에 크로스(CROSS)와 바(BAR)로 동작시키기 때문에 모든 스위치의 상태를 개별적으로 조절해야 하는 BIFODEL의 스위치 제어에 비해 복잡성을 효율적으로 줄일 수 있는 장점이 있다. q 개의 안테나 배열에 n 비트로 동작하는 파장 비의존형 광 TTD에 대하여 모든 빔 주사 방향에 해당하는 시간 지연을 얻기 위해서 한 행에 해당하는 n 개의 스위치만 제어하면 되기 때문에 그 복잡성을 효율적으로 줄일 수 있는 장점이 있다.

각 행의 함수로 주사 빔의 고도에 해당하는 시간지연을 얻은 광 신호는 각 행의 지연선로 끝에서 바이어스 광섬유 지연선로(4A00, 4A01, …, 4A0(q-1))를 지나 1×(p+1) WDM 역다중화기(4B00, 4B01, …, 4B0(q-1))를 통해 파장별로 분리되어 광 검출기(4C00, 4C10, …, 4Cp0, 4C01, 4C11, …, 4Cp1, …, 4C0(q-1), 4C1(q-1), …, 4Cp(q-1))로 입력된다. 이때, 바이어스 광섬유 지연선로(4A00, 4A01, …, 4A0(q-1))가 하는 역할은 주사 빔이 안테나 배열 면의 수직 방향(broadside)을 기준으로 ± 방향으로 빔 스캐닝을 할 수 있도록 각 행의 시간 지연에 해당하는 광섬유 지연선로를 첨가한 것이다. 그리고, 1×(p+1) WDM 역다중화기는 입력되는 신호를 파장에 따라 분리하여 출력시키는 역할을 하는데, 각 행에서는 파장에 따라 시간 지연된 신호가 들어오기 때문에 이 WDM 역다중화기를 통해 출력되는 신호는 파장 의존 실시간 지연선로에 의해 발생한 빔 주사 방향에 해당하는 신호가 광 검출 기로 입력된다. 파장에 따라 빔의 방위각에 해당하는 시간 지연과 파장에 무관하게 빔의 고도에 해당하는 시간 지연을 얻은 광 변조신호는 광 검출기(4C00, 4C10, …, 4Cp0, 4C01, 4C11, …, 4Cp1, …, 4C0(q-1), 4C1(q-1), …, 4Cp(q-1))에 의해 전기적 신호로 변환되어, (p+1)×q 2차원 배열 안테나(4E00)에 입력된다.

실험결과

도 5는 광 TTD(B)의 각각의 빔 주사 방향에 대한 시간지연을 측정하기 위한 실험 구성도이다. 도 4 에서 파장 의존형 광 TTD(A)에 의해 각각의 파장에 따른 시간 지연을 얻은 광 신호가 1×q 커플러(4700)를 통해 입력된다고 가정하였을 경우에 그 이후 과정의 신호를 측정하는 실험이라 할 수 있다. 본 실험에서는 2×2 광 스위치를 대신하여 2×2 광 MEMS 스위치를 사용하였다.

이득 스위칭으로 발생시킨 반치전폭(FWHM) 43ps의 광 펄스를 2×2 광섬유 결합기의 한 쪽 입력 포트에 입력시켰다. 이 광 펄스는 TTD를 구성하고 있는 두 개의 지연선로에 입력된다. 주사 각에 따라 2×2 MEMS 스위치 상태를 변화시킴으로써 각각의 지연선로가 선택된다. 각각의 경우에 대해 TTD의 최종단에 위치하는 클리빙된 광섬유의 단면에서 프레넬(Fresnel) 반사되어 다시 광섬유 결합기의 나머지 입력 포트로 되돌아오는 펄스들의 시간 차이를 오실로스코프로 측정한 결과는 도 6과 같다.

도 6의 오실로그래프는 두 개의 지연선로들의 왕복 지연시간 차이를 나타내므로 실제 지연시간은 오실로그래프에서 측정된 시간의 1/2이다. 모든 2×2 광 MEMS 스위치를 크로스 상태로 하였을 경우에 광섬유 지연선로의 총 오차는 0.2 ps 이내로 측정되었으며 이로 인한 주사 각의 오차는 약 0.84°로 계산되었다. 2×2 광 MEMS 스위치의 전파 지연 및 상승 시간의 합은 200 sec 이하로 측정되었다. 아래의 표 1에 계산된 빔 주사 각을 얻기 위한 2×2 광 MEMS 스위치들의 상태와 광섬유 지연선로에 의한 시간지연의 계산치와 측정치를 정리하였으며, 측정결과가 계산치와 서로 잘 일치함을 알 수 있다.

본 발명에 있어서, 파장 의존형 광 TTD(A)에서는 주사 빔의 방위각에 따라 해당 시간 지연을 얻고, 파장 비의존형 광 TTD(B)에서는 주사 빔의 고도에 따라 해당 시간 지연을 얻는 것으로 하고 있으나, 이는 안테나 어레이의 배열에 관련하여 변경 가능하다.

이상에서와 같이, FBG 프리즘과 금속 박막을 이용한 파장 의존형 광 TTD와 2×2 광 스위치 열과 광섬유 지연선로를 이용한 파장 비의존형 광 TTD로 구성된 빔 성형기에 관한 본 발명에 따르면 다음과 같은 이점들이 있다.

첫째, 종래의 1차원 광 TTD가 아닌 2차원 빔 스캐닝 시스템을 이용한 광 TTD를 이용하므로 높은 이득을 얻을 수 있다.

둘째, 종래의 대부분의 광 TTD에서 사용하는 파장 가변 광원을 사용하지 않고 다파장 광원을 사용하기 때문에 파장 가변 광원이 갖는 문제점을 해결하여 안정된 시스템 구현이 가능하다.

셋째, 종래의 대부분의 광 TTD에서 사용하는 파장 가변 광원에 의한 빔 스캐닝이 아닌 전기적으로 동작하는 광 스위치 제어기를 사용하여 주사 빔을 조절하기 때문에 빠른 빔 스캐닝이 가능하다.

넷째, 종래의 파장 의존형 광 TTD(PDM)에서 FBG 프리즘에 금속 박막을 첨가함으로써 용이한 방법으로 한 개의 파장 신호를 더한 효과를 얻을 수 있다.

다섯째, 종래의 파장 비의존형 광 TTD(SODL)에서 2진 형태의 광섬유 지연선로 방식을 대신하여 한 열이 동시에 크로스 또는 바 상태로 동작하는 2×2 광 스위치 열과 광섬유 지연선로를 사용하기 때문에 빔 주사 방향을 조절하는 스위치 제어의 복잡성을 효율적으로 줄일 수 있는 장점이 있다.

Claims

상기 생성된 광신호를 RF 신호에 의해 변조시키는 광변조기와;

상기 광변조기로부터 입력된 변조신호에 대한 제1 광 실시간 지연을 제어하는 파장 의존형 광 실시간 지연선로를 포함하는데, 상기 파장 의존형 광 실시간 지연선로는 제1 광 실시간 지연을 얻기 위하여 서로 독립적으로 바(BAR)와 크로스(CROSS) 상태로 동작하는 소정 갯수의 1×2 광 스위치 및 2×2 광 스위치, 써큘레이터, p×m 개의 광섬유 브래그 격자(Fiber Bragg Grating ; FBG)로 구성된 FBG 프리즘을 이용한 FBG 지연선로, 및 상기 FBG 지연선로의 끝단에 첨가되는 금속 박막을 구비하는 분산 행렬로 구성되며;

상기 파장 의존형 광 실시간 지연선로에 의해 제1 광 실시간 지연을 얻은 광 신호를 동일한 크기의 신호로 분리하는 1×q 광 결합기와;

상기 1×q 광 결합기로부터 입력된 신호에 대한 제2 광 실시간 지연을 제어하는 파장 비의존형 광 실시간 지연선로를 포함하는데, 상기 파장 비의존형 광 실시간 지연선로는 2×2 광 스위치가 q×n 행렬로 배열되는 2×2 광 스위치 행렬, 및 상기 각각의 2×2 광 스위치의 크로스 포트에 연결되어 있는 광섬유 지연 선로로 구성되며;

상기 파장 의존형 광 실시간 지연선로 및 파장 비의존형 광 실시간 지연선로를 통해 2차원적으로 분리된 신호들을 파장에 따라 (p+1)×q 배열 안테나로 출력하는 q개의 1×(p+1) WDM 역다중화기와 광 검출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 2 차원 위상배열 안테나 시스템을 위한 광 실시간 지연선로 빔 성형기.
청구항 1에 있어서, 상기 파장 의존형 광 실시간 지연선로 및 파장 비의존형 광 실시간 지연선로의 광 스위치 동작을 제어하는 스위치 제어수단을 더 포함하는데, 상기 스위치 제어수단은 상기 파장 비의존형 광 실시간 지연선로의 제어에 있어서 상기 2×2 광 스위치 행렬을 구성하는 각각의 2×2 광 스위치를 열단위로 동시에 제어하는 것을 특징으로 하는 2차원 위상배열 안테나 시스템을 위한 광 실시간 지연선로 빔 성형기.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 파장 비의존형 광 실시간 지연선로의 n번째 열, q번째 행의 2×2 광 스위치의 크로스 포트에 연결되는 광섬유 길이는 n번째 열의 첫번째 행의 시간지연보다
만큼 더 시간지연을 발생시키도록 선택되는 것을 특징으로 하는 2차원 위상배열 안테나 시스템을 위한 광 실시간 지연선로 빔 성형기.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 파장 비의존형 광 실시간 지연선로 는 상기 마지막 열의 2×2 광 스위치의 바 포트와 WDM 역다중화기 사이에 연결되어 주사 빔이 안테나 배열 면의 수직 방향을 기준으로 ± 방향으로 빔 스캐닝을 할 수 있도록 하는 바이어스 광섬유 지연선로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 2차원 위상배열 안테나 시스템을 위한 광 실시간 지연선로 빔 성형기.
청구항 1에 있어서, 상기 FBG 지연선로 끝단에 첨가되는 금속 박막은 마지막 FBG로부터 각 지연선로의 격자 간격에 해당하는 길이만큼 떨어진 곳에 위치되어 FBG 프리즘 외의 파장 신호를 반사시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 2차원 위상배열 안테나 시스템을 위한 광 실시간 지연선로 빔 성형기.