KR20090086562A - 선형 위상 어레이 및 사용 방법 - Google Patents

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Abstract

개선된 위상 어레이 기술 및 아키텍처가 제공된다. 예컨대, 선형 위상 어레이는 N 개의 이산 위상 천이기 및 N-1 개의 가변 위상 천이기를 포함하되, N-1 개의 가변 위상 천이기는 N 개의 이산 위상 천이기의 인접하는 출력 노드 사이에 각각 결합되어, N 개의 이산 위상 천이기가 N-1 개의 가변 위상 천이기에 의해 제공된 연속적인 위상 천이량을 감소시킨다. N 개의 이산 위상 천이기 각각은 2 개 이상의 이산 위상 천이 중에서 선택할 수 있다. N 개의 이산 위상 천이기는 또한 선형 위상 어레이 내의 가변 종단 임피던스에 대한 필요성을 바람직하게 제거할 수 있다.

Description

선형 위상 어레이 및 사용 방법{PHASE SHIFTING AND COMBINING ARCHITECTURE FOR PHASED ARRAYS}
정부 권리의 성명
본 발명은 미국방위고등연구계획국에 의해 재정된 계약 번호: N66001-02-C-8014 하에 정부 지원으로 이루어졌다. 정부는 본 발명에 대한 특정 권리를 갖는다.
본 발명은 일반적으로 신호 송신 및 수신 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 이러한 시스템에서 사용된 위상 어레이에 관한 것이다.
시스템 요구 및 기존의 실행을 설명하는 맥락에서 이 단락에 위상 어레이의 간략한 개요가 제공된다. 이 단락에서, 주로 수신기에 초점을 맞출 것이지만, 설명된 개념은 송신기에도 적용될 수 있다.
위상 어레이는 수신기의 최대 감도의 방향을 전자적으로 조종하여 공간 선택도 또는 균등하게 높은 안테나 이득을 제공하는 데 사용된다. 위상 어레이는 레이 더(RADAR) 및 데이터 통신을 포함하는 다수의 상이한 무선 애플리케이션에서의 사용을 발견하지만, 이것으로 제한되지 않는다. 빔 조종은 도달 위상들 사이의 연속적 차이를 보상하기 위해 먼저 각각의 수신된 신호의 위상을 진행량(progressive amount) 만큼 천이시킴으로써 달성된다. 이어서 이들 신호는 합성되는데, 여기서 신호는 원하는 방향을 향해 건설적으로 그리고 다른 방향을 향해 파괴적으로 더해진다.
도 1은 N(N=4) 개의 요소를 가진 무선 주파수(RF)에서 조합된 종래의 선형 위상 어레이 수신기(100)의 블록도를 도시한다. 안테나(102-0 내지 102-3)는 거리(d)만큼 이격되고, z축을 따라 배치된다. 구좌표 시스템을 사용하면, 어레이 내의 n번째 요소에 입사각(θ)으로 도달한 신호는 다음과 같이 위상 천이(ψn)를 겪을 것이다.
Figure 112009031843967-PCT00001
여기서, k는 2π/λ와 같은 위상 속도이며, λ는 파장이다. 수신 요소 내의 위상 천이기(104-0 내지 104-3)는 (N-n)α와 동일한 보상 지연을 더한다. 합성기(106)를 통해 병렬 수신기 모두의 출력을 합성하면, 페이저 표시로의 결과적인 신호는 다음과 같다.
Figure 112009031843967-PCT00002
이 식에서는 전류가 사용되지만, 다른 메트릭이 사용될 수 있다. 최대 감도의 각도(θmax)가 발생함이 도시될 수 있다.
Figure 112009031843967-PCT00003
여기서 kdcos(θmax)=α이므로, α는 빔을 조종하는 데 사용된다. θmax에서, 전류는 각각의 개별 전류의 N 배인 결과적인 값에 동상으로 더해진다. 이는 수신된 전력 레벨의 N2 증가를 초래한다.
현재 비상관(uncorrelated) 잡음을 생성하는 N 개의 수신 요소가 존재하므로, 총 잡음 전력도 N 배이며(분산 가산), 따라서 수신된 신호 대 잡음비는 N 배만큼 증가한다. 위상 어레이에 대한 다른 유용한 메트릭은 지향성으로서, 최대 방사 전력 대 등방성 라디에이터로부터의 방사 전력의 비율이다. 이것은 또한 N으로 도시될 수 있으므로, 높은 지향성은 위성 어레이 내에 더 많은 요소를 필요로 한다.
이들 식으로부터, 몇몇 기본 시스템 요구가 유도될 수 있다. 우선, 안테나가 반파장 떨어져 이격되어 kd=π가 된다고 가정한다. 이러한 이격은 격자 로브(grating lobe)의 존재를 제거한다. 4 요소 선형 어레이 예에 있어서, θ=0이면 ψo=π이고 각각의 수신 안테나에서의 입사 위상은 (0, -π, -2π, -3π)이다. 각각의 위상 천이기에서 요구된 위상 천이는 (αmin-3π, αmin-2π, αmin-π, αmin)이며, αmin은 장치를 통하여 최소 가능 위상 천이이다. θ=π/2에서, ψo=0이고 안테나에서의 입사 위상은 (0, 0, 0, 0)이다. 위상 천이기를 통하여 요구된 위상 천이는 모두 αmin과 같다. 이들 2 가지 경우는 각 요소에서 요구된 위상 천이의 범위 (αmin 내지 αmin-3π)를 규정한다. 보다 일반적으로, N 요소 어레이의 경우에, 위상 천이기는 αmin 내지 αmin-(N-1)π로 변해야 한다. 이러한 큰 위상 천이 범위는 달성하기 어려울 수 있다.
제 2 시스템 요구는 위상 천이기의 삽입 손실에서 발생한다. 이것은 식 (2)에 k=β-jα를 대입하는 것에 해당하되, α는 단위 길이당 손실이며, 그 결과 합계 내에서 항이 지수적으로 감소하게 된다. 상관 신호 가산의 경우에, 가변 신호 진폭을 균등하게 하기 위해 증폭기가 삽입되어야 한다. 이들 증폭기가 없으면, 어레이의 지향성은 손상될 것이다.
이상의 예는 RF 합성 위상 어레이에 대한 것이었다. 수신된 신호 경로 내의 임의의 지점에서, 예컨대, 중간 주파수(IF), 기저대역 주파수, 또는 디지털 영역에서도 신호를 합성하는 것이 가능하다. 각기 그 자신의 장점 및 단점을 갖는다. 2 가지 극단 -RF 합성 및 디지털 합성- 을 비교하면, RF 합성이 최저 전력 소비 및 필요 영역을 초래한다는 것을 발견한다. 이는 고주파에서 상당히 정확한 위상 천이 및 진폭 평형을 생성해야 하는 불이익에 부수된다. 반면에, 디지털 합성(디지털 빔형성으로도 알려져 있음)은 아날로그-디지털 변환기(ADC)의 정확도 내에서 상당히 정확한 위상 천이 및 진폭 평형을 생성할 수 있다는 장점을 갖는다. 디지털 빔형성의 중요한 결점은 모두 단일 ADC를 급전하는 완전한 병렬 수신기가 필요하다는 것이다. 데이터 속도가 상당히 높은 경우에, 이 ADC는 꽤 복잡할 수 있다. 따라서, 디지털 빔형성은 영역 및 전력 집약적일 수 있다.
위상 어레이에 대한 다른 선택사항은 혼합기 다음에 IF에서 합성하는 것이다. 이어서 신호 경로 또는 국부 발진기(LO) 경로에서 신호에 대한 위상 천이가 실행될 수 있음을 알아야 한다. LO 신호의 다수의 위상은 포괄적으로 또는 국부적으로 생성될 수 있고, 이들 상이한 위상은 어레이 요소에 필요한 위상 천이를 제공하는 데 사용될 수 있다. 이는 진폭을 더 잘 정합시킬 수 있다는 장점을 가지는데, 신호 경로에서 손실된 위상 천이기가 필요하지 않기 때문이다. 그럼에도, 이 방안의 단점은 LO 생성 및 분배 회로가 꽤 많은 전력 및/또는 영역을 소비할 수 있다는 것이다. 또한, 이러한 방안은 혼합기 비선형성으로 인해 손상될 수 있으며, 원하는 방향의 외부에 배치된 신호를 차단하는 것은 그 지점에서 신호가 아직 소거되지 않았으므로 방향이 여전히 혼합기에 이르게 한다.
본 발명의 원리는 개선된 위상 어레이 기술 및 아키텍처를 제공한다.
예컨대, 본 발명의 일 측면에서, 선형 위상 어레이는 N 개의 이산 위상 천이기 및 N-1 개의 가변 위상 천이기를 포함하되, N-1 개의 가변 위상 천이기는 N 개의 이산 위상 천이기의 인접하는 출력 노드 사이에 각각 결합되어, N 개의 이산 위상 천이기가 N-1 개의 가변 위상 천이기에 의해 제공된 연속적인 위상 천이량을 감소시킨다. N 개의 이산 위상 천이기 각각은 2 개 이상의 이산 위상 천이 중에서 선택할 수 있다. N 개의 이산 위상 천이기는 또한 선형 위상 어레이 내의 가변 종단 임피던스에 대한 필요성을 바람직하게 제거할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에서, 선형 위상 어레이에서 사용하는 방법은 후속하는 단계를 포함한다. 우선, N 개의 이산 위상 천이기 및 N-1 개의 가변 위상 천이기가 제공된다. N-1 개의 가변 위상 천이기는 N 개의 이산 위상 천이기의 인접하는 출력 노드 사이에 각각 결합된다. 그 다음에, N 개의 이산 위상 천이기와 관련된 다수의 위상 천이 모드 중에서 하나의 위상 천이 모드가 선택된다. N 개의 이산 위상 천이기와 관련된 이산 위상 천이 설정은 이산 위상 천이 설정의 수가 증가함에 따라 N-1 개의 가변 위상 천이기의 가변 위상 천이 범위가 감소하는 모드로 형성된다.
유리하게, 본 발명의 예시적인 원리는 실리콘의 단일 칩 집적에 적합한 위상 어레이를 제공한다. 이는 낮은 삽입 손실 및 낮은 반사 손실을 가진 광범위하게 조정가능한 위상 천이기를 제공함으로써 달성된다. 보다 구체적으로, 본 발명의 예시적인 원리는 위상 천이기의 요구 범위를 감소시키고 삽입 손실과 반사 손실을 최소화하는 위상 천이 및 합성 아키텍처를 제공한다.
본 발명의 이들 및 다른 목적, 특징 및 장점은 첨부 도면과 관련하여 읽혀질 본 발명의 예시적인 실시예의 후속하는 상세한 설명으로부터 자명해질 것이다.
도 1은 종래의 선형 위상 어레이를 도시한다.
도 2a는 본 발명의 실시예에 따라, 선형 위상 어레이를 도시한다.
도 2b는 본 발명의 실시예에 따라, 중간 주파수단이 이어지는 선형 위상 어 레이를 도시한다.
도 2c는 본 발명의 다른 실시예에 따라, 중간 주파수단이 이어지는 선형 위성 어레이를 도시한다.
도 2d는 본 발명의 실시예에 따라, 중간 주파수단에서 발생하는 선형 위상 어레이를 도시한다.
도 3(a) 내지 도 3(c)는 본 발명의 실시예에 따라, 튜닝 범위에 걸친 각각의 위상 천이 할당을 도시한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라, 3 가지 상이한 모드에 대한 시뮬레이션 어레이 이득을 도시한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라, 양방향 가변 위상 천이기의 시뮬레이션 위상 천이를 도시한다.
본 발명의 예시적인 원리는 수신기에 대한 N 요소 선형 어레이에 관하여 설명되었지만, 이 원리는 송신기에도 적용함을 알아야 한다.
도 2a는 일반적으로 수신기와 송신기 양자 모두에 적용가능한 4 요소 선형 위상 어레이의 일 실시예를 도시한다. 위상 어레이 아키텍처(200)의 주요 기능 구성요소는 각각 노드(270, 271, 272, 273)에 접속된 병렬 이산 위상 천이기(230, 231, 232, 233)를 포함한다. 또한, 본 발명의 아키텍처는 인접한 노드(270 및 271; 271 및 272; 272 및 273) 사이에 양방향 가변 위상 천이기(VPS)(262, 263, 264)를 각각 삽입하는 것을 제공한다. 또한, 종단 임피던스(261, 265)가 노드(270, 273)에 각각 부착되고, 이들 노드는 선형 위상 어레이로부터의 2 개의 출력이다. 이들 노드가 수신기 구현에 대한 출력으로서 제공되지만, 가변 위상 천이기가 양방향성이므로 송신기 구현에 대한 입력으로서 제공될 수 있음을 알아야 한다.
본 발명의 예시적인 원리는 도시된 바와 같이 가변 위상 천이기에서 요구된 연속적인 위상 천이를 감소시키는 데 이산 위상 천이 요소(230 내지 233)를 사용하는 것을 제공한다. 이산 위상 천이기는 0 내지 δn의 위상 천이를 선택할 수 있다. 이러한 변경은, VPS의 위상 천이 범위가 감소함에 따라 임피던스 변화도 감소하므로, VPS의 요구 범위를 감소시킬 뿐만 아니라 가변 종단 임피던스의 필요성을 제거할 수도 있다. 또한, 하나 이상의 이산 위상 천이기는 180°위상 천이를 포함한다.
본 발명의 원리에 따라 형성된 이러한 위상 천이 요소 간의 일반적인 관계가 주어지면, 여러 가지 예시적인 실시예가 후술된다.
도 2b는 RF 위상 천이기의 요구를 제한하면서 RF에서 합성함으로써 병렬 하드웨어의 총합을 최소화하는 위상 어레이의 실시예를 도시한다. 이 실시예에서, 이산 위상 천이 요소(230 내지 233)는 RF 프런트 엔드에 배치된다. 도 2b는 또한 위상 어레이의 2 개의 출력 노드(즉, 270, 273)가 혼합기(268, 269)에 각각 부착될 수 있는 방법과, 혼합기 중간 주파수(IF) 신호(노드 278, 279)가 장치(280)를 사용 하여 선택적으로 선택되어 노드(290)(송신기 구현에서는 IF 입력 노드)에 단일 IF 출력을 제공할 수 있는 방법을 도시한다. RF 요소 및 가변 위상 천이기의 수를 적절히 스케일링함으로써 N 요소 선형 위성 어레이가 획득될 수 있음을 알아야 한다.
도 2b에 상술한 바와 같이, RF 프런트 엔드(250)는 안테나(210)를 포함하되, 안테나는 RF 증폭기(220)에 접속되고 RF 증폭기는 이산 위상 천이기(230)에 접속되며 이산 위상 천이기는 버퍼(240)에 접속된다. 마찬가지로, 프런트 엔드(251, 252, 253)는 251에 대해 211, 221, 231 및 241로, 252에 대해 212, 222, 232 및 242로, 253에 대해 213, 223, 233 및 243로 넘버링된 동일한 요소를 포함한다. 수신기에 있어서, RF 증폭기는 수신 어레이의 전체 잡음 특성을 감소시키는 저잡음 증폭기이다. 송신기에 있어서, RF 증폭기는 출력 전송 전력을 증가시키는 전력 증폭기이다. 이들 RF 증폭기는 위상 천이 네트워크의 손실을 보상하는 가변 이득을 필요로 한다.
전술한 바와 같이, 각각의 프런트 엔드에 이산 위상 천이 요소(230 내지 233)가 삽입되어, 가변 위상 천이기(262 내지 264) 내의 요구된 연속적 위상 천이를 감소시킨다. 이산 위상 천이기는 0 내지 δn의 위상 천이를 선택한다. 다시 한번, 이것은 VPS의 요구 범위를 감소시킬 뿐만 아니라, 가변 종단 임피던스의 제거도 허용하는데, 이는 VPS의 위상 천이 범위가 감소함에 따라 임피던스 변화도 감소하기 때문이다. 마지막으로, 프런트 엔드 내의 버퍼(240 내지 243)는 연속적인 위상 천이기로부터 이산 위상 천이기의 동작을 분리시킨다.
양방향 가변 위상 천이기(VPS)(262 내지 264)는 인접한 RF 프런트 엔드(250 내지 253) 사이에서 신호를 결합한다. 이 인접한 결합은 어떤 요소의 위상 천이가 다음 요소에 의해 재사용되게 하며, 차례로 각각의 위상 천이기에 필요한 총 위상 천이를 감소시킨다. 즉, 다수의 라인을 따라 위상 천이를 공유하는 것은 위상 천이기의 요구 범위를 감소시킨다. 이들 VPS 장치에서 요구된 위상 천이는 이산 위상 천이기(230 내지 233)가 RF 프런트 엔드에서 사용되는지 여부에 달려 있다. VPS 장치의 실행에 따라, 그 특성 임피던스는 위상 천이에 좌우될 수 있다. 따라서, 종단 임피던스(261, 265)는 VPS의 특성 임피던스를 추적하기 위해 가변적일 필요가 있을 수 있다.
도시되는 바와 같이, RF 출력(270, 273)은 상이한 입사각으로 지향된다. 이는 상이한 입사 각도의 동시 조사를 제공한다. 예로써, 노드(270)는 RADAR의 하나의 각도 범위를 스캐닝하는 데 사용될 수 있지만, 노드(273)는 상이한 각도 범위를 스캐닝하는 데 사용될 수 있다. 만일 동시 작동이 바람직하지 않으면, 단일 라인 상에서 이들 2 개의 출력을 다중화하는 데 선택기(280)가 사용될 수 있다.
입사각(θ)을 가진 입력 평면파에 있어서, 어레이 내의 각 신호의 도달 위상은 ψo의 양만큼 균일하게 감소하고 있으며, ψo은 식 (1)에 정의된다. 이산 위상 천이기(230 내지 233)는 추가 위상 지연(δn)을 더한다. 어레이로부터 RFp 및 RFn으로 라벨링되고 270 및 273으로 넘버링된 2 개의 출력이 존재한다. 출력(RFp)에서 결과적인 신호는 다음과 같다.
Figure 112009031843967-PCT00004
코히런트 신호 가산에 있어서, 합산 내의 각 요소는 동일해야 하므로, RFp에 대해
Figure 112009031843967-PCT00005
이다.
ψo를 α와 δ의 함수로서 풀면
Figure 112009031843967-PCT00006
이 산출된다.
식 (6)은 이산 위상 천이기가 입사각(ψo)과 VPS 각(α) 사이의 관계를 변경하는 방법을 도시한다. 다른 출력(RFn)에 대해 동일한 절차가 후속되어, 다음 관계를 산출할 수 있다.
Figure 112009031843967-PCT00007
이들 관계는 δn의 다양한 값에 대해 ψo과 α 사이의 관계를 유도하는 데 사용될 수 있다. ψo은 안테나 이격이 π/2인 경우에 -π 내지 π로 변할 것임을 알아야 한다. 이 ψo의 범위를 커버하는 데 필요한 α의 범위를 계산하는 것이 필요하다.
우선, 이산 위상 천이기가 없는, 따라서 모든 n에 대해 δn=0인 경우를 검사 하게 한다. 이는 본 발명의 "실시예 A"로 간주한다. 식 (6)은 ψo=-α에 대응하는 각도를 조사하는 데 RFp 출력이 사용될 수 있음을 나타내지만, 식 (7)은 ψo=α에 대응하는 각도를 조사하는 데 RFn 출력이 사용될 수 있음을 나타낸다. α가 π 내지 2π로 변하는 경우에, 위상 어레이는 ψo의 모든 값을 연속적으로 커버할 수 있다. 출력 RFp와 RFn 사이의 ψo의 결과적인 할당은 도 3(a)에 도시되고 표 1에 요약된다. 이어서 ψo 값을 θmax 값으로 변환하는 데 식 (3)이 사용된다. 요컨대, 실시예 A는 이산 위상 천이기를 필요로 하지 않는다. 그러나, 180°튜닝 범위를 가진 VPS는 필요하다. 2 개의 출력을 구비하는 것은 입력 각도의 범위가 2 개의 출력 사이에서 확산되게 하며, 따라서 ψo의 2π 범위를 커버하기 위해 α의 π 범위만을 필요로 함을 알아야 한다.
표 1: α=π 내지 2π인 실시예 A에 대한 이산 위상 천이와 입사 위상 천이의 범위의 관계
Figure 112009031843967-PCT00008
가변 위상 천이기에 대한 180°튜닝 범위를 달성하는 것은 여전히 전압 의존 캐패시터(버랙터)와 함께 로딩된 전송선과 같은 표준 실리콘 기반 장치를 사용하여 도전하고 있다. α의 범위를 반감하기 위해, 2 개 모드 중 하나로 작동하는 이산 위상 천이기가 필요하다. 제 1 모드는 모든 위상 천이기 사이에서 0인 상대적 위상 천이에 관한 것이다. 이는 현재 α가 π 내지 3π/2로 변하고 있음을 제외하고는 전술한 경우인데, 여기서 출력 RFp에 대해 ψo=-α이고, 출력 RFn에 대해 ψo=+α이다. 제 2 모드는 δi+1-δi=π에 대한 것이므로, δ0=0, δ1=π, δ2=0, δ3=π이다. 이것을 식 (6)과 식 (9)에 대입하면, 표 2가 된다. 결과는 도 3(b)에도 도시된다. 이 경우는 "실시예 B"로 간주하는데, 0 내지 180°의 위상 천이를 전환하는 이산 위상 천이기가 필요하다. 부가적으로, 90°튜닝 범위를 가진 VPS가 필요하다. 여기서, 2 개의 출력과 2 개의 모드가 모두 사용되므로 ψo의 2π 범위를 커버하기 위해 α의 π/2 범위만 필요하다.
표 2: α=π 내지 3π/2인 실시예 B에 대한 이산 위상 천이와 입사 위상 천이의 범위의 관계
Figure 112009031843967-PCT00009
α의 요구 범위를 더 감소시키기 위해, 다른 2 개 이상의 모드가 도입될 수 있다. α의 범위의 감소는 위상 천이가 변하므로 VPS의 특성 임피던스 변화의 범위를 제어하는 데 이롭다. 실시예 "A"와 "B" 양자 모두에 있어서, VPS의 임피던스는 위상 천이 범위에 걸쳐 상당히 변하여, 위상 어레이의 양 종단에 가변 종단 임 피던스가 필요하다. α의 범위를 π 내지 5π/4로 목표로 하면, 우선 실시예 B로부터 모드 1 및 2를 계속 유지한다. 다른 2 가지 모드는 δi+1-δi=±2π에 대한 것이다. 이산 위상 천이기의 단계의 수를 감소시키기 위해, 모드 3과 4가 모드 1과 2와 함께 가능한 만큼 오버랩되도록 구성된다. 결과는 표 3에 요약되고 도 3(c)에 도시된다. 이 경우는 본 발명의 "실시예 C"로 간주하는데, 여기서 0/90, 0/180, 0/270 및 0/180°위상 천이를 제공하는 데 이산 위상 천이기가 필요하다. 부가적으로, 45°튜닝 범위를 가진 VPS가 필요하다. 여기서, ψo의 2π 범위를 커버하기 위해 α의 π/4 범위만 필요하다.
표 3: α=π 내지 5π/4인 실시예 C에 대한 이산 위상 천이와 입사 위상 천이의 범위의 관계
Figure 112009031843967-PCT00010
3 가지 실시예(A, B 및 C) 모두는 θ 범위(π 내지 0)에 대응하는 ψo 범위(-π 내지 +π)에 걸쳐 스캔할 수 있다. 가변 위상 천이기의 연속적인 튜닝 범 위는 이산 위상 천이기가 프런트 엔드에서 필요한지 여부를 규정할 것이다.
이제 "기술 검증(proof-of-concept)"을 설명하는 몇몇 시뮬레이션 예를 나타낸다. 모드 1, 2 및 4에 대하여, 실시예 "C"의 시뮬레이션 성능의 예는 도 4에 도시된다. 이 플롯은 위상 어레이의 이득을 -π 내지 +π로 순차적으로 변하는 ψ의 함수로서 도시한다. 3 개의 서로 다른 α의 값에 대해, 3 개의 곡선 집합이 플롯화된다. 알 수 있듯이, VPS의 삽입 손실이 위상 지연에 의존하므로, 어레이 이득은 α의 함수로서 변한다. 이것은 RF 프런트 엔드에서의 가변 이득 증폭기에 대한 필요성을 강조한다. VPS 위상 천이의 예는 제어 전압의 함수로서 도 5에 도시된다. 이 위상 천이 라인은 전압 의존형 캐패시터와 함께 주기적으로 로딩된 전송선을 사용하여 형성된다. 도 5는 연속적인 가변 위상 천이기가 -π 내지 -5π/4보다 큰 위상 천이 범위를 사용하여 구현될 수 있음을 설명한다. 삽입 손실은 -0.8 dB 내지 -2 dB로 변하지만, 반사 손실은 모든 설정에 대해 20 dB보다 좋다. 이 VPS는 실시예 "C"에서 사용하기 위해 설계되었다.
이와 달리, 연속적인 스캐닝 범위가 필요하지 않으면, 간단하게 이산 위상 천이기가 사용될 수 있는데, VPS는 단일 설정으로 고정된다. 실시예 "C"에서, 이것은 3 방향 안테나 스위치를 제공한다. 예컨대, 실시예 "C"에서, VPS는 α=π에서 설정될 수 있다. 표 3으로부터, 모드 3, 2 및 4에 대하여, α=π인 경우에, RFp 출력과 RFn 출력이 각각 π/2, 0 및 -π/2로 지향됨을 발견한다. d=λ/2인 경우에, 이것은 θ=60°, 90°, 120°에 대응한다. RFp 출력과 RFn 출력 양자 모두가 동일한 방향을 가리키므로, 출력은 다중화되기 보다 합산된다. 따라서 이 아키 텍처는 3 개의 상이한 각도 사이에서 전환하는 데 사용될 수 있으며, 가시선이 차단되는 경우에 가시선 통신에 유용할 수 있다.
이제 도 2c 및 도 2d를 참조하면, 도 2a의 선형 위상 어레이 아키텍처 상의 변경을 예시하는 다른 실시예가 도시된다.
예컨대, 도 2c는 도 2b의 실시예와 유사한 배치를 도시하는데, 여기서 선택기(280)는 IF 혼합기(299) 앞에 존재한다. 즉, 선형 위상 어레이의 출력(278) 또는 출력(279)의 선택이 RF에서 이루어진다. 이어서, 선택된 출력이 IF로 변환되어 IF 신호(290)를 초래한다.
도 2d는 선형 위상 어레이가 RF보다 낮은 주파수, 즉, IF에서 구현되는 실시예를 도시한다. 즉, 도 2d는 N RF 프런트 엔드(291 내지 294) 및 N IF 혼합기(295 내지 298)와, 이어서 이산 병렬 위상 천이기(230 내지 233) 및 양방향 연속적 위상 천이기(262 내지 264)를 도시한다. 모든 위상 천이기는 중간 주파수에서 발생한다.
본 발명의 원리가 본 명세서에 상세히 설명되면, 당업자는 예시적인 실시예에 대한 다른 변경을 실행할 것임을 알아야 한다.
또한, 다른 위상 어레이를 사용하면, 본 명세서에 설명된 아키텍처는 수신기 또는 송신기에 대한 간단한 다이버시티 스위치로서 사용될 수 있음을 알아야 한다. 그러므로, 완전한 아키텍처는 연속적인 스캐닝, 이산 스캐닝 및 다이버시티 스위치를 제공한다.
유리하게, 본 발명의 예시적인 원리는 위상 어레이 무선 수신기 또는 송신기 에 대한 위상 천이 및 신호 합성을 제공하는 방법 및 장치를 제공한다. 본 발명의 예시적인 원리는 인접하는 무선 주파수 프런트 엔드 요소들(예컨대, 안테나 및 증폭기) 사이에 결합된 양방향 가변 위상 천이기를 사용할 수 있다. 이들 위상 천이기는 특정 범위에 걸쳐 연속적인 위상 천이를 제공하기 위해 조정되며, 그 결과 신호는 어레이의 종단에서 코히런트하게 합성된다. 인접하는 프런트 엔드 요소들 사이의 결합은 한 장치의 위상 천이가 인접하는 위상 천이 장치에 의해 "재사용"되게 하며, 이로써 각 장치에서 필요한 총 위상 천이가 제한된다. 이 구조는 각각 상이한 입사각으로 지향되는 2 개 이상의 동시 출력을 제공한다는 다른 이점도 갖는다. 이는 어레이가 2 개 이상의 상이한 방향을 동시에 조사하게 한다. 또한, 가변 위상 천이기의 가능한 제한된 튜닝 범위 및/또는 과도한 삽입 손실을 극복하기 위해, 각 경로에 이산 위상 천이기가 도입된다. 전체 아키텍처는 밀리미터파 주파수에 대한 특정 응용인, 단일 반도체 칩으로의 선형 위상 어레이의 집적에 알맞다.
본 발명의 예시적인 실시예가 첨부 도면을 참조하여 설명되었지만, 본 발명이 바로 그 실시예로 제한되지 않으며, 본 발명의 범위 또는 사상으로부터 벗어나지 않으면서 당업자에 의해 여러 가지 다른 변경 및 변경이 이루어질 수 있음을 알아야 한다.

Claims (10)

  1. 선형 위상 어레이에 있어서,
    N 개의 이산 위상 천이기와,
    N-1 개의 가변 위상 천이기를 포함하되,
    상기 N-1 개의 가변 위상 천이기가 상기 N 개의 이산 위상 천이기의 인접하는 출력 노드 사이에 각각 결합되어, 상기 N 개의 이산 위상 천이기는 상기 N-1 개의 가변 위상 천이기에 의해 제공된 연속적인 위상 천이량을 감소시키는
    선형 위상 어레이.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 N 개의 이산 위상 천이기 각각은 2 개 이상의 이산 위상 천이 중에서 선택하는
    선형 위상 어레이.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 N 개의 이산 위상 천이기는 상기 선형 위상 어레이 내의 가변 종단 임피던스에 대한 필요성을 제거하는
    선형 위상 어레이.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 N 개의 이산 위상 천이기 및 상기 N-1 개의 가변 위상 천이기는 무선 주파수(RF)에서 동작하는
    선형 위상 어레이.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 N 개의 이산 위상 천이기 및 상기 N-1 개의 가변 위상 천이기는 중간 주파수(IF)에서 동작하는
    선형 위상 어레이.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 N-1 개의 가변 위상 천이기는 양방향성인
    선형 위상 어레이.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 N-1 개의 가변 위상 천이기는 주어진 범위에 걸쳐 연속적인 위상 천이를 제공하도록 조정가능하여, 나타난 신호가 상기 위상 어레이의 하나 이상의 노드에서 코히런트하게 합성하는
    선형 위상 어레이.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 선형 위상 어레이의 출력 노드는 상이한 입사각으로 지향되는
    선형 위상 어레이.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 N 개의 이산 위상 천이기의 위상 천이 설정은 입사각이 다수의 섹션으로 분할되는 모드로 형성되는
    선형 위상 어레이.
  10. 선형 위상 어레이에서 사용하는 방법에 있어서,
    N 개의 이산 위상 천이기 및 N-1 개의 가변 위상 천이기를 제공하는 단계 -상기 N-1 개의 가변 위상 천이기는 상기 N 개의 이산 위상 천이기의 인접하는 출력 노드 사이에 각각 결합됨- 와,
    상기 N 개의 이산 위상 천이기와 관련된 다수의 위상 천이 모드 중에서 하나의 위상 천이 모드를 선택하는 단계 -상기 N 개의 이산 위상 천이기와 관련된 이산 위상 천이 설정이 상기 위상 천이 모드들로 형성되어, 이산 위상 천이 설정의 수가 증가함에 따라 상기 N-1 개의 가변 위상 천이기의 가변 위상 천이 범위가 감소함- 를 포함하는
    방법.
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