KR20080072649A - 위상 어레이 레이더 시스템들 및 이들의 서브 어셈블리들 - Google Patents
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Abstract
위상 쉬프터(92, 17a, …, 16n)는 입력 신호를 공급받고, 주파수 f 및 mp/2 라디안(단, m은 정수)의 상대적인 위상 쉬프트를 갖는 신호 쌍을 제공하기 위한 출력 단자 쌍을 갖는 커플러(34)를 포함한다. 각기 상기 커플러의 상기 출력 단자 쌍 중에서 상응하는 하나와 연결되는 입력 쌍을 갖는 스위치(34)도 포함된다. 상기 스위치(36)는 출력을 갖고, 상기 스위치(36)의 상기 입력들 중에서 하나는 상기 스위치(36)에 공급되는 제1 제어 신호(39)에 따라 선택적으로 상기 출력에 연결된다. 또한, 상기 스위치(36)의 상기 출력에 연결되는 튜닝 가능한 공진 회로를 포함하는 발진기(38)도 포함된다. 상기 스위치의 상기 출력에서의 상기 신호의 상기 고조파에 대하여 상기 공칭 공진 주파수를 쉬프팅하기 위하여 상기 공진 회로(41)의 상기 주파수는 상기 공칭 공진 주파수로부터 이조된다.
Description
본 발명은 일반적으로 위상 어레이 레이더 시스템들 및 이들의 서브 어셈블리들에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 이들 내에서 사용되고, 집적 회로 제조를 위해 개량된 빔 포밍(beam forming) 송수신 소자들에 관한 것이다.
해당 기술 분야에서 알려진 바와 같이, 전자 위상 쉬프터들을 구비하는 마이크로웨이브 위상 어레이 소자들은 광범위한 어플리케이션(application)을 갖는다. 그러한 어플리케이션 중 하나는 위상 어레이 시스템(phased array system)들 내에서 사용되는 것이다. 보다 상세하게는, 빔 포밍 장치는 전자기 방사(electromagnetic radiation)되는 빔들을 형성하기 위하여 사용된다. 이러한 빔의 형태는 빔 포밍 장치의 개구(aperture)를 통하여 송수신되는 신호들에 제공되는 위상 및 진폭과 관련되어 있다. 예를 들면, 위상 어레이 안테나(phased array antenna)에서, 빔 포밍 장치의 개구는 복수의 안테나 소자들을 포함한다. 이러한 안테나 소자들 각각은 복수의 가변 위상 쉬프터-가변 이득 모듈(variable phase shifter-variable gain module)들 중에서 상응하는 하나를 거쳐 공급 구조(feed structure)에 연결된다. 이러한 공급 구조는 공동 공급(corporate feed)일 수도 있 고, 또는 공간 공급 위상 어레이 시스템(space fed phased array system)에서와 같이 조명(illumination)들을 거칠 수도 있다. 어떤 경우에는 시준되고 유도된 방사 빔(collimated and directed beam of radiation)을 제공하기 위하여 상기 모듈들은 빔 조향 컴퓨터(beam steering computer)로부터의 신호들에 의해 제어된다. 예를 들면, 브로드사이드(broadside) 즉, 보어사이트(boresight) 빔을 위하여 각각의 안테나 소자에서 방사되는 신호들의 위상 쉬프트(phase shift)는 어떠한 임의의 기준에 대하여 0이다. 만약 소자에서 소자로의 위상 쉬프트가 0으로부터 고정된 양만큼 달라진다면, 그에 따라 주 방사 로브(main radiation lobe)의 방향은 브로드사이드로부터 쉬프팅된다.
레이더 에너지를 송신하기 위하여 사용될 때, 송신된 펄스들은 fC의 캐리어 주파수(carrier frequency)를 가지고, 각각의 모듈들은 이러한 fC의 캐리어 주파수에서 동작한다. 그러므로 상기 어레이의 적절한 동작을 위해서는 상기 공급 구조를 거쳐 각각의 소자로 전달되는 공통 기준 주파수(common reference frequency)가 있어야만 한다.
또한 해당 기술 분야에서 알려진 바와 같이, 집적 회로 제조를 위해 개량된 모듈들을 포함하는 것은 바람직하다. 오늘날, 많은 어플리케이션들이 III-V 기술(예를 들어, GaAs, GaN, InP) 물질들로 만들어지도록 모듈들의 증폭기 섹션(amplifier section)들이 제한된다. 이러한 모듈들의 위상 쉬프터의 일부들은 종종 방사되는 마이크로웨이브 주파수에서 동작하는 개별적이고 스위칭된 위상 쉬프 터들을 이용하여 일체형으로(monolithically) 만들어진다. 실리콘 씨모스(CMOS) 기술의 최근의 발전은 아날로그 방식으로도 위상 쉬프팅 기능들의 구현을 가능하게 하였다. 이것의 이점은 위상 쉬프팅 및 어레이 소자의 주파수 제어에 있어서 더 큰 유연성을 제공하면서도 더 적은 비용을 들게 한다는 것이다. 제시된 하나의 테크닉은 "IEEE MICROWAVE AND GUIDED WAVE LETTERS, VOL.3, NO.1, JANUARY 1993"에서 출판된 Xiangdong Zhang의 "Full 360
Phase Shifting of Injection-Locked Oscillators"라는 제목의 문헌에 설명되어 있다. 이 테크닉의 단점은 빔을 조향할 때 수반되는, 원하지 않는 주파수 쉬프트가 잠재되어 있다는 것이다. 더 큰 단점은 레이더 어플리케이션을 위해 필요로 되는 효율적이고 유연성이 있는 수신 경로가 생략된다는 것이다.
본 발명에 따르면, 위상 쉬프터(phase shifter)가 제공된다. 상기 위상 쉬프터는 주파수 f를 갖는 입력 신호를 공급받는다. 상기 입력 신호를 공급받는 커플러(coupler)가 포함된다. 상기 커플러는 상기 주파수 f 및 m
/2(단, m은 정수) 라디안(radian)의 상대적인 위상 차이를 갖는 신호 쌍을 제공하기 위한 출력 단자 쌍을 갖는다. 입력 쌍을 갖는 스위치도 포함된다. 상기 입력 쌍들 각각은 상기 커플러의 상기 출력 단자 쌍 중에서 상응하는 하나에 연결된다. 상기 스위치는 출력을 갖는데, 상기 스위치의 상기 입력 쌍 중에서 하나는 상기 스위치에 공급되는 제1 제어 신호에 따라 선택적으로 상기 스위치의 상기 출력에 연결된다. 튜닝 가능한 공진 회로(tunable resonant circuit)는 상기 스위치의 상기 출력에 연결된다. 상기 튜닝 가능한 공진 회로는 상기 주파수 f의 정수 배(multiple)인 공칭 공진 주파수(nominal resonant frequency)를 갖는다. 상기 스위치의 상기 출력에서의 상기 신호의 상기 고조파(harmonic)에 대하여 상기 공칭 공진 주파수를 쉬프팅하기 위해서 상기 공진 회로의 상기 주파수는 상기 튜닝 가능한 공진 회로에 공급되는 제2 제어 신호에 응답하여 상기 공칭 공진 주파수로부터 이조(detuned)된다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 주파수 f를 갖는 상기 입력 신호를 생성하기 위하여 제2 신호의 주파수 f/M(단, M은 정수)에 인수 M을 곱하기 위한 주파수 곱셈기(frequency multiplier)가 포함된다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 주파수 곱셈기는 위상 고정 루프(phase locked loop)를 포함하고, 상기 위상 고정 루프는 상기 주파수 곱셈기로 상기 제2 신호를 공급받는 제1 입력을 갖는 위상 검출기(phase detector) 및 상기 입력 신호를 생성하기 위하여 상기 위상 검출기에 의해 제어되는 발진기(oscillator)를 포함한다. 상기 위상 검출기는 상기 발진기에 의해 생성된 상기 신호의 일부를 공급받는 제2 입력을 갖는다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 위상 고정 루프는 상기 발진기에 의해 생성된 상기 신호의 일부를 공급받는 주파수 디바이더(frequency divider)를 포함한다. 상기 주파수 디바이더의 상기 출력은 상기 위상 검출기의 상기 제2 입력에 공급된다. 상기 주파수 디바이더는 상기 발진기에 의해 생성된 상기 신호의 상기 주파수를 상기 인수 M으로 나눈다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 송수신 모듈(transmit/receive module)이 제공된다. 상기 모듈은 (A) 위상 쉬프터를 포함하는 송신 경로, 및 (B) 상기 송신 신호 경로로부터 연결된 파워를 공급받는 믹서(mixer)를 포함하는 수신 경로를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에서, 주파수 f/2를 갖는 제1 출력 신호를 생성하기 위하여 입력 신호의 상기 주파수 f/(2M)(단, M은 1보다 큰 정수)를 변환하기 위한 주파수 곱셈기 및 공칭 주파수 nf/2(단, n은 1 이상의 정수)를 갖는 제2 출력 신호를 생성하기 위한 상기 주파수 곱셈기에 연결된 튜닝 가능한 공진 회로를 포함한다. 상기 제2 출력 신호의 상기 위상은 상기 튜닝 가능한 공진 회로에 공급되는 제어 신호에 응답하여 그의 공칭 위상(nominal phase)으로부터 이조된다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 위상 쉬프터는 상기 출력들 중에서 다른 하나의 출력에서의 신호에 대하여 고정된 90도 위상 쉬프트를 갖는 신호를 하나의 출력에서 제공하기 위한 출력 쌍을 갖는 하이브리드 접합(hybrid junction)을 포함한다. 이러한 하이브리드 접합은 상기 주파수 곱셈기에 연결되는 입력을 갖는다. 그리고, 스위치 제어 신호에 따라 선택적으로 상기 튜닝 가능한 공진 회로에 상기 출력 쌍 중의 하나를 연결하기 위한 스위치를 포함한다.
전술한 배열, 즉, 주입 고정 발진기(injection locked oscillator) 또는 증폭기와 같은 상기 튜닝 가능한 공진 회로 뒤에 배치되는 상기 주파수 곱셈기를 이용하여 상기 주파수를 일정하게 유지하는 위상 쉬프터가 제공된다. 이러한 배열은 상기 주파수 곱셈기 내의 상기 주파수 디바이더의 계수 M 및 n을 변경함으로써 상기 상향-변환 비(up-conversion ratio)를 선택하는 데 있어서 유연성을 제공한다. n이 2인 경우에, 90도의 하이브리드 및 상기 튜닝 가능한 공진 회로와 연결되어 있는 상기 스위치를 이용하는 것은 완전 주사 가능한 위상 어레이 안테나 어플리케이션(fully scannable phased array antenna application)에 의해 필요로 되는 +/-180도의 위상 쉬프팅 범위(phase shifting range)를 제공한다.
본 발명은 상기 송신 주파수에서 동작하는 마이크로 빔 포밍 네트워크를 필요로 하지 않고도 상기 빔의 방향을 디지털 제어 가능하게 하는 송신 위상 어레이 소자를 위한 아키텍쳐를 제공한다. 상기 기능들이 상기 방사된 주파수와 합리적으로 관련된 주파수들의 저조파(subharmonic)들에서 구현되기 때문에 많은 상기 회로는 CMOS 회로로 구현될 수 있다. 상기 설계는 주파수 제어 및 기준 데이터와의 멀티플렉싱 제어(multiplexing control)를 고려한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 되돌아오는 신호를 위한 수신 경로는 상기 송신 경로로부터 얻어진 하나 이상의 로컬 발진기 신호들을 사용한다. 이러한 로컬 발진기 신호들은 송수신하는 동안에 동일한 원하는 위상 쉬프트를 갖는다. 이에 따라, 상기 시스템은 아날로그 투 디지털 변환(anolog to digital conversion)이 구현될 수 있는 베이스 밴드(base band)로의 단일 변환(single conversion)의 선택을 허용한다. 택일적으로, 이중 변환(double conversion)은 인-페이즈(in-phase; I) 및 직교 페이즈(quadrature phase; Q) 프로세싱을 포함하는 다른 검출 방법(scheme)들을 고려하면서 구현될 수 있다. 이러한 실시예는 상기 수신 경로에서 상기 위상들을 개별적으로 설정할 필요 없이 상기 수신 모드에서 상기 송신 빔 패턴(transmit beam pattern)의 유지를 고려한다.
본 발명의 실시예들은 아래에 수반되는 도면들 및 상세한 설명에서 상세하게 설명될 것이다. 본 발명의 다른 특징들, 목적들 및 이점들은 도면들, 상세한 설명 및 청구항들로부터 명백할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 레이더 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 2는 도 1의 레이더 시스템에서 사용되는 복수의 동일한 가변 송수신 위상 쉬프팅 및 진폭 조정 소자들(identical variable transmit/receive phase shifting and amplitude adjusting elements) 중에서 전형적인 하나의 송신부(transmit portion)를 나타내는 블록도이다.
도 3은 복수의 집적 회로 칩들로 구현되는 도 1의 레이더 시스템에서 사용되는 복수의 동일한 가변 송수신 위상 쉬프팅 및 진폭 조정 모듈들 중에서 전형적인 하나를 나타내는 블록도이다.
상기 다양한 도면들에서 동일한 참조 부호들은 동일한 소자들을 나타낸다.
도 1을 참조하면, 위상 어레이 레이더 시스템(10)은 빔 포밍 네트워크를 통하여 레이더 시스템 프로세서(14)에 연결된 안테나 소자들(12a, …, 12n)의 어레이를 포함하고 있음을 보여준다. 빔 포밍 네트워크는 복수의 동일한 가변 송수신 위상 쉬프팅 및 진폭 조정 모듈들(16a, …, 16n)로의 인터페이스(interface)들을 포함한다.
각각의 가변 송수신 위상 쉬프팅 및 진폭 조정 모듈들(16a, …, 16n)은 레이 더 시스템 프로세서(14)에 의해 생성된 공통 기준 주파수 신호를 라인(18)에서 공급받는 위상 고정 루프(Phase locked loop; PLL)(19)를 포함한다. 라인(18) 상의 신호 주파수는 fs=fant/(2M)으로 표현된다. 이 때, M은 1보다 큰 정수이고, 일반적으로 2의 거듭제곱(power of 2)이다. 여기, 이 예에서 M=16이고 fant는 10㎓이므로 라인(18) 상의 기준 신호는 625㎒이다. 이러한 상대적으로 낮은 주파수 때문에 보통의 빔 포밍 네트워크는 종래의 UHF 송신 매체들(transmit media), 예를 들어, 동축 케이블(coax), 인쇄된 트레이스들(printed traces) 또는 복조된 광학 신호들(demodulated optical signals)로 대체될 수 있다는 것을 인지해야 할 것이다.
위상 고정 루프(19)는 설명될 마스터 발진기(master oscillator)(22)에서 얻어진 피드백 신호뿐만 아니라 라인(18) 상의 기준 신호를 공급받는 위상 검출기(phase detector; PD)(20)를 포함한다. 위상 검출기(20)의 출력은 로우 패스 필터(low pass filter; LPF)(24)에 공급된다. 로우 패스 필터(24)의 출력은 전압 제어 발진기(voltage controlled oscillator)(22)를 제어하기 위해 사용되는 DC 신호이다. 전압 제어 발진기(22)의 출력은 공칭 주파수(nominal frequency) fant/2를 갖는다. 즉, 로우 패스 필터(24)에 의해 생성된 DC 신호가 0일때, 공칭 주파수 fant/2가 생성된다. 전압 제어 발진기(22)에 의해 생성된 출력 신호의 일부는 커플러(26) 및 주파수 디바이더(28)를 거쳐 위상 검출기(20)에 다시 공급된다. 주파수 디바이더(28)는 커플러(26)에서 피드백 된 신호의 주파수 fant/2를 인수 M(여기서, M은 정 수)으로 나누어 주파수 fant/(2M)를 갖는 신호를 생성한다. 따라서 위상 고정 루프(19)는 위상 고정 루프(19)의 출력(30)에서 주파수 fs/2를 갖는 신호를 생성하기 위하여 라인(18) 상의 기준 신호의 주파수 fs를 인수 M(여기서, M은 정수)으로 곱하기 위한 주파수 곱셈기를 제공한다.
위상 고정 루프(19) 출력의 주된 일부(major portion)는 버퍼 증폭기(buffer amplifier)(32)로 공급된다. 버퍼 증폭기(32)의 출력은 90도 하이브리드 접합(90-degree hybrid junction)(34)에 공급된다. 하이브리드 접합(34)은 0
단자 및 90
단자와 같은 출력 신호 쌍을 생성한다. 이러한 출력 신호들은 진폭이 서로 동일하고, 위상은 90도가 차이난다.
하이브리드 접합(34)의 출력들은 스위치(36)에 공급된다. 스위치(36)는 레이더 시스템 프로세서(14)에 의해 생성된 라인(39) 상의 제어 신호에 응답하여 동작한다. 라인(39) 상의 제어 신호는 두 개의 DC 상태들을 갖는다. 하나의 상태에서는, 0
에서 90
까지의 위상 변화를 확보하기 위하여 라인(39) 상의 제어 신호가 0
단자 상의 신호를 주입 고정 발진기(injection locked oscillator; ILO)(38)의 입력에 연결하도록 스위치(36)를 동작시킨다. 반면에 다른 상태에서는, 180
에서 360
까지의 위상 쉬프트 변화를 확보하기 위하여 라인(39) 상의 제어 신호가 90
단자에서의 신호를 주입 고정 발진기(38)의 입력에 연결하도록 스위치(36)를 동작시킨다. 이유는 아래에 설명될 것이다.
주입 고정 발진기(38) 즉, 슬레이브 발진기(slave oscillator)는 레이더 시스템 프로세서(14)에 의해 생성된 라인(42) 상의 신호에 의해 제어된다. 더욱 상세하게는, 주입 고정 발진기(38)는 나타난 바와 같이 증폭기(37)를 포함하는데, 증폭기(37) 주위에 튜닝 가능한 공진 회로(41)(즉, 가변 커패시터(C)-인덕터(L) 공진 회로)가 연결되는 피드백 관계를 갖는다. 튜닝 가능한 공진 회로(41)는 예를 들어, 평행 공진 회로(parallel resonant circuit)와 같은 다른 형태를 가질 수 있음을 이해하여야 할 것이다. 여기서, 튜닝 가능한 공진 회로(41)의 공진(resonance)은 가변 커패시터(C)의 커패시턴스를 변화시키는 라인(42) 상의 전압에 의해 제어된다. 주입 고정 발진기(38)의 출력은 가변 이득 증폭기(variable gain amplifier)(44) 또는 감쇠기(attenuator)에 공급되고, 이들의 이득(gain) 또는 어텐션(attention)은 레이더 시스템 프로세서(14)에 의해 생성되는 라인(46) 상의 (일반적으로 DC 전압인) 제어 신호에 의해 제어되거나 경우에 따라 제어될 수 있다. 가변 이득/어텐션 장치(variable gain/attention device; VGA)(44)의 출력은 커플러(52)를 거쳐 고전력 증폭기(high power amplifier)(50)에 공급된다. 고전력 증폭기(50)의 출력은 주파수 fant를 갖고, 송신하는 동안 송수신 스위치(56)를 거쳐 예를 들어, 모듈(16a)의 경우에는 안테나 소자(12a)에 공급된다.
여기서 종종 주입 고정 발진기(38)는 슬레이브 발진기로 불리고, 발진기(22)는 마스터 발진기로 불리는데, 주입 고정 발진기(38)에 의해 생성되는 주파수는 마스터 발진기(22)에 의해 생성되는 주파수의 2배이다. 그러므로 슬레이브 발진 기(38)의 위상은 마스터 발진기(22)의 제2 고조파에 관련된다. 이러한 고조파는 슬레이브 발진기(38) 고유의 비선형성에 의해 생성된다. 슬레이브 발진기(38)의 위상은 기준 위상 즉, 마스터 발진기(22)의 제2 고조파에 대하여 +/-90도 만큼 변할 수 있다. 하나의 상태에서는, 기준 위상은 스위치(36)를 0도로 설정함으로써 얻어진다. 벡터 표현에서, 슬레이브 발진기(38) 출력의 위상 출력은 180도 반원으로 나타내어질 수 있다. 그러나 어떤 위상 어레이 소자의 동작을 위해서는 위상이 +/-180도의 범위에서 가변되는 것이 필요하다. 이 때, 완전한 360도 원을 형성하기 위하여 요구되는 인접하는 반원은 스위치(36)를 90도 극성에 설정함으로써 달성된다. 이것은 슬레이브 발진기(38) 내의 위상 기준 신호의 180도 위상 쉬프트를 만든다. 따라서 슬레이브 발진기(38) 내에서 가능한 모든 위상 상태는 반대 극성의 카운터파트(counterpart)를 갖는다. 그러므로 출력 페이저(output phasor)는 원하는 360도 범위를 커버한다. 달리 말하자면, 0
단자에서의 신호가 주입 고정 발진기(38) 즉, 슬레이브 발진기(38)의 입력에 연결될 때, 슬레이브 발진기(38)의 출력에서는 -90도에서 +90도까지의 위상 쉬프트 변화들을 얻을 수 있다. 반면에, 스위치(36)가 90
단자에서의 신호가 주입 고정 발진기(38) 즉 슬레이브 발진기(38)의 입력에 연결될 때에는, 슬레이브 발진기(38)의 출력에서는 위상 쉬프트 변화들이 +90도에서 +270도까지 증가한다.
T/R 스위치(56)는 레이더 시스템 프로세서(14)에 의해 생성된 라인(47) 상의 제어 신호에 의해 동작한다. 또한, 송신을 위한 RF 에너지의 펄스들은 예를 들어, 레이더 시스템 프로세서(14)로부터의 XMT 커맨드 신호들에 응답하여 고전력 증폭기(50)의 펄스 변조에 의해 생성된다.
가변 이득/어텐션 장치(44)에 의해 생성되는 신호의 종된 일부(minor portion)는 커플러(52)를 거쳐 믹서(60)로 공급된다. 이 신호는 펄스가 레이더 시스템 프로세서(14)에 의해 생성된 라인들(39, 42) 상의 신호에 의하여 제어되는 로컬 발진기(local oscillator)처럼 행동한다. 따라서 수신 모드 동안에, 안테나 소자들(12a, …, 12n)에 의해 수신된 에너지는 증폭기(62)를 거쳐 상응하는 모듈(16a, …, 16n) 내의 믹서(60)에 공급된다. 나타난 바와 같이, 믹서(60)의 출력은 로우 패스 필터(64) 및 아날로그 투 디지털 컨버터(analog to digital converter)(66)를 거쳐 레이더 시스템 프로세서(14)에 공급된다. 직교 검출(즉, 인페이즈(in-phase; I) 및 직교(Q) 채널)과 관련된 것들을 포함하는 베이스 밴드에 있어서 다른 검출 방법들이 사용될 수 있다.
안테나 소자들(12a, …, 12n)에 의해 제공되는 빔의 형태는 복수의 동일한 가변 송수신 위상 쉬프팅 및 진폭 조정 모듈들(16a, …, 16n)에 의하여 입력 신호에 제공된 상대적인 위상 및 진폭 분포(relative phase and amplitude distribution)들과 관련되어 있다. 라인(18) 상의 기준 신호가 각각 마스터 및 슬레이브로 불리는 전압 제어 발진기(22, 38) 쌍과 함께 사용된다는 것을 알아야 한다. 라인(18) 상의 기준 신호는 마스터 발진기 위상 고정 루프 회로(master oscillator phase locked loop)(19) 내의 위상 검출기(20)에 공급된다. 위상 고정 루프(PLL)의 주파수 디바이더 및 로우 패스 필터(LPF)는 종래의 방식에서는 마스터 발진기(22)의 위상을 고정시키기 위한 역할을 한다. 이러한 위상 고정은 마스터 발진기(22)의 도시되지 않은 공진 탱크 회로(resonant tank circuit) 내에 포함된 도시되지 않은 DC 바렉터(DC varactor)로의 루프 입력(loop input), 또는 도시되지 않은 마스터 발진기 공진 탱크 회로 내에 있는 주입 고정 발진기의 위상을 제어하는 어떠한 수단에 의해서 이루어진다. 이러한 예에서, 마스터 발진기(22)의 프리 러닝 주파수(free running frequency)는 fo/2이고, fo/2는 5㎓ 정도이다. 마스터 발진기(22)에 뒤이은 버퍼 증폭기(32)는 마스터 발진기(22)를 위한 일정한 로드(load) 뿐만 아니라 전력 이득(power gain)을 제공한다.
마스터 발진기(22)를 포함하는 소자들의 조합은 낮은 위상 노이즈(low phase noise)를 유지하고, 입력을 컴팩트 직교 하이브리드 커플러(compact quadrature hybrid coupler)(34)에 제공하도록 설계된다. 위에서 언급된 바와 같이, 하이브리드 커플러(34)의 두 개의 출력 단자들은 진폭이 같고, 위상은 90도 만큼 차이가 난다. 스위치(36)는 슬레이브 발진기(38)로 입력되는 위상의 감지를 선택하기 위하여 주파수 fant/2에서 신호를 통과시킨다.
프리 러닝 발진기(free running oscillator)를 위하여, 발진 주파수는 출력 신호의 위상이 이득 소자(gain element)의 입력에 최적의 포지티브 피드백(optimal positive feedback)을 만들도록 결정된다. 이러한 위상은 피드백 경로뿐만 아니라 발진기 내에 존재하는 공진기(resonator)에 의해서 결정된다. 만약 공진기가 인덕터와 조합된 바렉터(varactor)처럼 조절 가능하다면, 상기 주파수는 원하는 피드백 위상(feedback phase)을 유지하기 위하여 변화한다. 도 1a에 나타난 바와 같이, 주입 고정 발진기에서는 신호, 여기서는 스위치(36)로부터 입력된 신호가 피드백 경로 즉, 튜닝 가능한 공진 회로(41)에 주입된다.
주입되는 신호가 프리 러닝 주파수에 있다고 가정하자. 그러면, Proceeding of IRE vol.34의 pp.351-357에 기재된 R.Adler의 "A study of locking phenomena in oscillators"라는 제목의 문헌에 설명된 것처럼, 발진기의 위상은 조정될 것이고, 그 결과, 주입된 신호 및 출력 신호의 벡터 합은 원하는 피드백 위상을 제공하여 발진을 유지할 것이다. 나아가, 발진기의 공진 주파수가 바렉터를 변화시킴으로써 변한다고 가정하자. 그러면, 발진을 유지하기 위하여, 출력 신호의 위상은 위상 쉬프트를 수용하기 위하여 재튜닝(retuned)된 공진기(41)를 거쳐 재조정되어야만 할 것이다. 만약, 주입된 신호가 충분히 세다면, 발진기의 다이나믹(dynamic)들은 주파수가 쉬프팅되는 것을 방지할 것이다.
빔 조향(beam steering)을 위하여 +/-180도가 요구되는 반면에, 이러한 방식으로 생성된 위상 쉬프팅은 +/-90도로 제한되는 것이 나타날 수 있다. 위에서 언급한 것처럼 하이브리드 커플러(34) 및 스위치(36)를 제공함으로써 이러한 문제는 해결될 것이다.
본 발명에 따르면, 스위치(36)의 출력은 주파수 fant/2를 갖고, 슬레이브 발진기(38)에 직접적으로 주입된 신호이다. 슬레이브 발진기(38)는 그 자체로 매우 비선형적인 장치이고, 따라서 프리 러닝 주파수에서 주입된 신호처럼 행동하는 제2 고조파(harmonic) 신호를 내부적으로 생성한다. 상기 주입된 신호는 슬레이브 발진기(38)의 주파수 fant에 고정되는 저조파(subharmonic) 주파수를 만든다.
주입된 신호의 고조파 위상과 관련하여, 위에서 설명한 고전적인 효과는 +/-90도 위상 쉬프트를 허용하는 것이다. 이러한 위상 설정들을 위하여, 기준 신호의 급격한 90도 위상 쉬프트는 제2 고조파의 180도 위상 쉬프트에 상응한다. 이것은 슬레이브 발진기(38)로부터의 출력 신호에 180도 위상 쉬프트를 만들 것이다. 이러한 위상은 단순하게 바렉터 튜너(varactor tuner) 즉, 공진기(41)를 변화시키는 것만으로는 얻기 어려울 것이다. 기준 신호의 급격한 90도 쉬프트는 반대편의 하이브리드 브랜치(opposite hybrid branch)의 스위치 선택에 기인한다.
출력 변화의 전압 민감도(voltage sensitivity)는 주입된 마스터 발진기(22)로부터의 입력 파워(input power) 대 슬레이브 발진기(38)로부터의 출력 파워(output power)의 비에 의존할 것이다. 또한, 슬레이브 발진기(38) 내의 공진기(41)의 Q는 위상 쉬프트의 전압 민감도에 영향을 준다. 따라서 주입된 파워 Q 및 위상 노이즈 사이에는 트레이드 오프가 있다.
스위치(36)를 동작시키기 위해 사용되는 라인(39) 상의 전압뿐만 아니라, 슬레이브 발진기(38)로 제공되는 라인(42) 상의 위상 제어 전압은 레이더 시스템 프로세서(14)에 의하여 제공된다. 하나의 방법은 라인(18) 상의 기준 UHF 신호에 멀티플렉싱되는(multiplexed) 데이터의 디지털 투 아날로그 변환을 사용하는 것이다. 이러한 데이터는 rf 신호들의 위상(빔 방향)을 제어할 수 있을 뿐만 아니라 주파수 변화를 유도할 수 있다. 이것은 위상 고정 루프 내의 디바이더 설정들(즉, M의 선택)의 다양한 조합들 및 슬레이브 발진기(38)의 주파수 고정을 위한 저조파 n을 이용하여 달성될 수 있다.
상기 발명에 따르면, 주파수 쉬프팅 동작(phase shifting operation)은 주파수 곱셈기, 여기서는 기준 신호의 주파수 fant/(2M)(여기서, M은 1보다 큰 정수(일반적으로 2의 거듭 제곱))를 주파수 fant/2를 갖는 제1 출력 신호로 변환하기 위한, 마스터 발진기(22)를 포함하는 위상 고정 루프(19)에 의해 제공된다. 슬레이브 발진기(38)는 주파수 곱셈기에 연결되고, 공칭 주파수 nfant/2(단, n은 1보다 큰 정수이고, 여기서 n은 2)를 갖는 출력 신호를 생성한다. 출력 신호의 위상은 라인(42)을 거쳐 슬레이브 발진기(38)에 공급되는 제어 신호에 응답하여 그것의 공칭 위상으로부터 이조된다.
위상 어레이(phased array)에서 중요한 것은 특정 안테나 소자의 영 위상(zero phase)과 관련된 어레이 안테나 소자들(12a, …, 12n) 사이에 상대적인 위상 쉬프트를 도입하는 것을 가능하게 하는 데 의미가 있는, 주파수 fant에서의 빔 조정을 하기 위한 능력이다. 예를 들어, 안테나 소자(12a)가 기준 위상으로 정의된 어떠한 위상에서 송신한다고 고려하자. 도시되지 않은 안테나 소자(12b)는 주파수 fant에 있고, 안테나 소자(12a)의 위상과 관련하여 위상 X를 갖기 위하여 도시되지 않은 모듈(12b)에 의해 조정된 위상을 갖는다. 도시되지 않은 안테나 소자(12c)는 안테나 소자(12a)의 위상과 관련하여 다시 위상 쉬프트 2X를 갖는다. 계속하여, 안테나 소자(12n)는 안테나 소자(12a)에 관련하여 위상 쉬프트 nX를 갖는다. 라인(18) 상의 주파수 fant/(2M)의 신호는 공통 기준 신호로서 제공된다. 이러한 배열에서, 주파수 fant에서 어레이 내의 안테나 소자들(12a, …, 12n) 사이의 동시에 일어나는 위상 불확실성(instantaneous phase uncertainty)의 크기(magnitude)를 이해하는 것은 중요하다. 위상 고정 루프(19) 및 주입 고정 발진기(38) 내에서의 상향 변환 프로세스(upconversion process)에 기인하여, 이러한 불확실성(또는, 위상 에러)은 2M*델타 파이 공통(delta phi common)이다. 여기서, 델타 파이 공통은 주파수 fant/(2M)에서 안테나 소자들(12a, …, 12n)로의 입력들 사이의 위상 에러(phase error)이다. 이러한 시스템은 그러한 시스템적인 에러(systematic error)들의 원인을 설명하기 위하여 어레이의 초기 측정(initial calibration)을 사용한다.
이제 수신 동작을 고려하면, 수신 모드에서 T/R 스위치(56)는 모듈들(16a, …, 16n) 내의 안테나 소자들(12a, …, 12n)을 모듈들(16a, …, 16n) 내의 상응하는 수신 경로에 연결한다. 송신 체인(transmit chain) 내의 슬레이브 발진기(38)는 수신 경로 내의 다이렉트 변환 믹서(direct conversion mixer)(60)를 위한 로컬 발진기(local oscillator; LO)로서 행동한다. 수신된 신호의 안테나 소자 투 소자 위상 관계(antenna element to antenna element phase relation)들은 변환에 있어서 유지된다. 그러므로 안테나 로브(antennal lobe)의 방향은 송신 로브(transmit lobe)의 방향과 동일하다. 이것은 로컬 발진기의 위상들이 송신하는 동안에 동일한 위상 쉬프팅 모듈들(16a, …, 16n)로부터 얻어지기 때문이다. 믹서(60)는 양 방향에 있어서 로컬 발진기 및 RF 포트(RF port)들 사이에 격리(isolation)를 제공하도록 설계된다. 저잡음 증폭기(low noise amplifier)(62)를 위한 매우 좋은 출력 매치(very good output match)는 이러한 격리를 보충한다.
수신 체인 내의 상기 상향 변환의 다른 요구는 믹서(60)로 입력되는 로컬 발진기의 위상들이 서로 연관된 안테나 소자 투 안테나 소자(coherent antenna element-to-antenna element)이어야 한다는 것이다. 이러한 요구는 위에서 설명한 바와 같이 수신 모드에서의 동작과 같은 메커니즘(mechanism)에 의하여 처리된다. 만약 믹서들이 어떠한 소자 투 소자 위상 쉬프트를 도입한다면, 슬레이브 발진기(38)의 위상은 빔 방향(beam direction)을 유지하기 위하여 송신 모드에서 수신 모드로의 천이(transition)에 기초하여 재조정될 수 있다.
이제, 도 2를 참조하면, 도 1에 나타난 모듈의 송신 섹션(section)은 두 개의 칩 구현으로 나타내어진다. 하나의 칩(92)은 CMOS 제조에 적합한 실리콘을, 다른 칩(90)은 RF 성능을 위하여 최적화된 III-V 물질을 사용한다. 따라서 이러한 배열은 빔 방향의 디지털 제어(digital control)를 가능하게 하고, 마이크로웨이브 빔 포머(microwave beam former)를 위한 요구를 제거한다. 그리고 기능(function)들이 방사된 주파수(radiated frequency)의 저조파들에서 구현되기 때문에 많은 회로들이 CMOS 회로(CMOS circuitry)로 구현될 수 있다. 이러한 설계는 주파수 제어(frequency control) 및 레이더 시스템 커맨드(radar system command)들을 통한 멀티플렉싱 제어(multiplexing control)를 고려한다.
이제, 도 3을 참조하면, 가변 송수신 위상 쉬프팅 및 진폭 조정 모듈들의 다른 실시예(여기서는 모듈(16a))가 나타나 있다. 여기서, 로우 패스 필터(64)의 출력은 믹서(70)에 공급된다. 여기서, 모듈(16a) 내의 도 1의 주파수 디바이더(28)는 디바이더 쌍(28a, 28b)으로 대체된다. 주파수 디바이더(28a)는 커플러(72)를 거쳐 믹서(70)의 제2 입력으로 공급되는, 주파수 fant/(M/2)를 갖는 신호를 생성한다. 주파수 디바이더(28b)는 위상 검출기(20)로 공급되는 주파수 fant/2를 갖는 신호를 생성한다. 이로써 라인(74) 상에서 레이더 시스템 프로세서(14)(도 1 참조)에 의한 프로세싱을 위하여 믹서(70)의 출력은 주파수 fant/M으로 상향 변환된다. 따라서 리시버 채널(receiver channel)에 의해 생성된 레이더 시스템 프로세서(14)로의 주파수는 레이더 시스템 프로세서(14)에서 모듈(16)로의 신호와는 다르다. 즉, 송신 주파수 기준(transmit frequency reference) fant/(2M)과는 구분된다.
이러한 상향 변환은 어레이 소자들에 오리지널 기준 신호 fant/2를 전달하는 UHF 시스템/소자 인터페이스(UHF system/element interface)의 잠재적인 재사용을 허용한다. 위상 인입(phase pulling)을 피하기 위하여, 수신 및 송신 UHF 경로들 사이에 격리가 제공되도록 주의하여야 한다. 이러한 격리를 달성하기 위한 수많은 택일적인 접근들이 있다.
1. 양호한 UHF 지향성 커플러(UHF directional coupler)들은 라인(18) 상의 입력 신호 및 믹서(70)로부터의 출력 신호를 라우팅(route)하기 위하여 사용되어야만 한다.
2. 도 3에 나타난 바와 같이, 개별적인 수신 경로 UHF 송신 라인(separate receive path UHF transmission line)(74)은 송신 기준 라인들(transmit reference lines)(18)에 평행하게 배치될 수 있다.
3. 나타난 바와 같이, 수신 체인 상향 컨버터(receive chain up-converter) 즉, 믹서(70) 내에서 사용되는 위상 고정 루프 내의 피드백 신호로부터의 로컬 발진기의 주파수는 마스터 발진기 위상 고정 루프 내의 어떠한 매개 디바이더 스테이지(intermediate divider stage)로부터 얻어질 수 있다. 예를 들어, 로컬 발진기를 마지막 디바이드 바이 투 스테이지(divide by two stage) 앞에 위치시키는 것은 로컬 발진기 주파수 fant/M를 만들게 된다. 이것은 송신 주파수 기준 fant/(2M)과는 구분된다.
4. 수신 체인 내의 다이렉트 변환 믹서의 베이스 밴드 출력은 디지털화될 수 있고, 다른 소자들로부터의 신호들과 함께 멀티플렉싱될 수 있다.
5. 광학 섬유(optical fiber) 상의 광 변조(modulation of light)는 UHF 신호들을 어레이 소자로 또는 어레이 소자로부터 전달하기 위하여 사용될 수 있다.
많은 본 발명의 실시예들이 설명되었지만, 본 발명의 기술적 사상 및 범위를 벗어나지 않는 한 다양한 변경들이 만들어질 수 있음이 이해되어야 할 것이다. 따라서 다른 실시예들은 아래의 특허청구범위들의 범위 내에 있는 것이다.
Claims (9)
- 주파수 f를 갖는 입력 신호의 소스;상기 입력 신호를 공급받고, 상기 주파수 f 및 m/2 라디안(단, m은 정수)의 상대적인 위상 차이를 갖는 신호 쌍을 제공하기 위한 출력 단자 쌍을 갖는 커플러;
입력 쌍 및 출력을 갖고, 상기 입력 쌍 각각은 상기 커플러의 상기 출력 단자 쌍 중에서 상응하는 하나와 연결되어 있으며, 상기 입력 쌍 중에서 하나는 공급되는 제1 제어 신호에 따라 선택적으로 상기 출력에 연결되는 스위치; 및상기 스위치의 상기 출력에 연결되고, 상기 주파수 f의 정수 배인 공칭 공진 주파수를 가지며, 상기 주파수는 공급되는 제2 제어 신호에 응답하여 상기 공칭 공진 주파수로부터 이조되는 튜닝 가능한 공진 회로를 포함하는 위상 쉬프터. - 제 1 항에 있어서, 상기 주파수 f를 갖는 상기 입력 신호를 생성하기 위하여 제2 신호의 주파수 f/M(단, M은 정수)에 인수 M을 곱하기 위한 주파수 곱셈기를 포함하는 것을 특징으로 하는 위상 쉬프터.
- 제 2 항에 있어서, 상기 주파수 곱셈기는 위상 고정 루프를 포함하고,상기 위상 고정 루프는,상기 제2 신호를 공급받는 제1 입력을 갖는 위상 검출기; 및상기 입력 신호를 생성하기 위하여 상기 위상 검출기에 의해 제어되는 발진기를 포함하며,상기 위상 검출기는 상기 발진기에 의해 생성된 상기 신호의 일부를 공급받는 제2 입력을 갖는 것을 특징으로 하는 위상 쉬프터.
- 제 3 항에 있어서, 상기 위상 고정 루프는 상기 발진기에 의해 생성된 상기 신호의 상기 일부를 공급받는 주파수 디바이더를 포함하고, 상기 주파수 디바이더는 상기 위상 검출기의 상기 제2 입력에 공급되며, 상기 주파수 디바이더는 상기 발진기에 의해 생성된 상기 신호의 상기 주파수를 상기 인수 M으로 나누는 것을 특징으로 하는 위상 쉬프터.
- 위상 쉬프터를 포함하는 송신 경로; 및믹서를 포함하는 수신 경로를 포함하고,상기 위상 쉬프터는,주파수 f를 갖는 입력 신호;상기 입력 신호를 공급받고, 상기 주파수 f 및 m/2 라디안(단, m은 정수)의 상대적인 위상 차이를 갖는 신호 쌍을 제공하기 위한 출력 단자 쌍을 갖는 커플러;
입력 쌍 및 출력을 갖고, 상기 입력 쌍 각각은 상기 커플러의 상기 출력 단자 쌍 중에서 상응하는 하나와 연결되어 있으며, 상기 입력 쌍 중에서 하나는 공 급되는 제1 제어 신호에 따라 선택적으로 상기 출력에 연결되는 스위치; 및상기 스위치의 상기 출력에 연결되고, 상기 주파수 f의 정수 배인 공칭 공진 주파수를 가지며, 상기 주파수는 공급되는 제2 제어 신호에 응답하여 상기 공칭 공진 주파수로부터 이조되는 튜닝 가능한 공진 회로를 포함하고,송신 신호는 상기 튜닝 가능한 공진 회로에 의해 생성된 신호로부터 얻어지며,상기 믹서는 상기 송신 신호의 반사들 및 상기 튜닝 가능한 공진 회로에 의해 생성된 상기 신호의 일부를 공급받는 것을 특징으로 하는 송수신 모듈. - 위상 쉬프터를 포함하는 송신 경로; 및믹서를 포함하는 수신 경로를 포함하고,상기 위상 쉬프터는,주파수 f를 갖는 입력 신호;상기 입력 신호를 공급받고, 상기 주파수 f 및 m/2 라디안(단, m은 정수)의 상대적인 위상 차이를 갖는 신호 쌍을 제공하기 위한 출력 단자 쌍을 갖는 커플러;
입력 쌍 및 출력을 갖고, 상기 입력 쌍 각각은 상기 커플러의 상기 출력 단자 쌍 중에서 상응하는 하나와 연결되어 있으며, 상기 입력 쌍 중에서 하나는 공급되는 제1 제어 신호에 따라 선택적으로 상기 출력에 연결되는 스위치; 및상기 스위치의 상기 출력에 연결되고, 상기 주파수 f의 정수 배인 공칭 공진 주파수를 가지며, 상기 주파수는 공급되는 제2 제어 신호에 응답하여 상기 공칭 공진 주파수로부터 이조되는 튜닝 가능한 공진 회로; 및상기 주파수 f를 갖는 상기 입력 신호를 생성하기 위하여 제2 신호의 주파수 f/M(단, M은 정수)에 인수 M을 곱하기 위한 주파수 곱셈기를 포함하고,송신 신호는 상기 튜닝 가능한 공진 회로에 의해 생성된 상기 신호로부터 얻어지고,상기 믹서는 상기 송신 신호의 반사들 및 상기 주파수 곱셈기로부터 얻어진 신호를 공급받는 것을 특징으로 하는 송수신 모듈. - 제 6 항에 있어서, 상기 주파수 곱셈기는 위상 고정 루프를 포함하고, 상기 위상 고정 루프는,상기 제2 신호를 공급받는 제1 입력을 갖는 위상 검출기; 및상기 입력 신호를 생성하기 위하여 상기 위상 검출기에 의해 제어되는 발진기를 포함하며,상기 위상 검출기는 상기 발진기에 의해 생성된 상기 신호의 일부를 공급받는 제2 입력을 갖는 것을 특징으로 하는 송수신 모듈.
- 입력 신호의 주파수 f/(2M)(단, M은 1보다 큰 정수)를 변환하여 주파수 f/2를 갖는 제1 출력 신호를 생성하기 위한 주파수 곱셈기; 및공칭 주파수 nf/2(단, n은 정수)를 갖는 제2 출력 신호를 생성하기 위하여 상기 주파수 곱셈기에 연결된 공진 회로를 포함하고,상기 제2 출력 신호의 상기 위상은 상기 발진기에 공급되는 제어 신호에 응답하여 공칭 위상으로부터 변경되는 것을 특징으로 하는 위상 쉬프터.
- 제 7 항에 있어서,상기 출력들 중에서 다른 하나의 출력에서의 신호에 대하여 고정된 90도 위상 차이를 갖는 신호를 하나의 출력에서 제공하기 위한 출력 쌍을 갖는 커플러; 및스위치 제어 신호에 따라 상기 커플러의 상기 출력 쌍 중에서 하나의 출력을 상기 공진 회로에 선택적으로 연결하기 위한 스위치를 포함하고,상기 하이브리드 접합은 상기 주파수 곱셈기에 연결된 입력을 갖는 것을 특징으로 하는 위상 쉬프터.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US11/292,847 US7298217B2 (en) | 2005-12-01 | 2005-12-01 | Phased array radar systems and subassemblies thereof |
| US11/292,847 | 2005-12-01 |
Publications (2)
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