KR20120134684A

KR20120134684A - 분산보상 광섬유 및 가변 다중 파장 레이저를 이용한 위상배열 안테나

Info

Publication number: KR20120134684A
Application number: KR1020110053776A
Authority: KR
Inventors: 이호준
Original assignee: 호서대학교 산학협력단
Priority date: 2011-06-03
Filing date: 2011-06-03
Publication date: 2012-12-12
Also published as: KR101236598B1

Abstract

위상배열 안테나를 개시한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 위상배열 안테나는 전기 신호를 광신호로 변조하는 전기-광학 변조기, 광신호로 변조된 신호를 파장에 따라 다른 지연시간을 갖도록 하는 분산 보상 광섬유, 상기 파장 대역 내에 고정된 광 지연 선로를 구성하기 위한 박막 필터와 고정시간 지연선로, 상기 변조된 광신호를 전기신호로 복조하는 광 수신기 및 상기 복조된 전기신호를 선형적으로 증가하는 지연시간을 가지고 방사하는 안테나 요소를 포함한다. 이에 따라 위상배열 안테나는 단순한 구조를 가질 수 있고 이에 따른 비용 절감까지 도모할 수 있게 된다.

Description

분산보상 광섬유 및 가변 다중 파장 레이저를 이용한 위상배열 안테나 {PHASED ARRAY ANTENNA USING DISPERSION COMPENSATING FIBER AND TUNABLE MULTI-WAVELENGTH LASER}

본 발명은 위상배열 안테나에 대한 것으로, 더욱 상세하게는 분산보상 광섬유 및 가변 다중 파장 레이저를 이용하여 구조적으로 간단하고 안정적인 위상배열 안테나에 관한 발명이다.

현재 무선통신 기술은 단말기 휴대의 편리성과 이동 중에 사용이 가능하다는 점 때문에 매우 유용하게 사용되고 있다. 그러나 미래의 무선통신 기술은 대역폭의 증가로 인한 다중경로 페이딩에 의한 성능저하가 더욱 증가하고 반송 주파수의 증가로 인해 가시 거리가 크게 감소되는 문제가 있어 현재 3G 시스템과 4G 시스템에서는 위상-배열 안테나(phased-array antenna: PAA) 기술의 적용으로 상기 문제를 해결하려 하고 있다. 특히 중국, 대만과 일본 등의 3세대 이동통신 시스템에서는 위상-배열 안테나 기술을 이미 상용화하여 그 성능을 검증하고 현재 이를 이용한 시범 서비스를 하고 있는 실정이다. 위상배열 안테나 기술은 하드웨어 복잡도나 전력 소비가 증가되더라도 가격이나 송수신 신호 전력 관점에서 위상배열 안테나 기술을 사용한 빔-형성이 유리하기 때문이다.

빔-형성을 위한 위상배열 안테나는 높은 방향성과 높은 이득을 제공하고 다양한 빔 패턴 형성을 민첩하게 수행할 수 있다. 이러한 안테나를 조절하기 위해 TTD(true-time delay) 시스템이 적용된다. TTD 시스템은 배열 안테나를 기계적으로 움직이지 않고 전자회로를 조절하는 속도로 빔 방사각의 조절이 가능하도록 하는 위상 천이기를 위한 중요한 기술이다. 최근 무선 통신 기술의 확장으로 TTD 시스템의 전파 간 간섭, 제작 비용, 하드웨어의 안정성, 신뢰성, 그리고 무게의 문제점이 중요하게 부각되었다. 또한 전기 빔-형성 기술은 높은 RF 주파수를 기저대역으로 다운 컨버전(down conversion)하여 위상을 조절하게 되고 이것 때문에 부가적인 구성 부품으로 인한 하드웨어의 부피가 증가하며 비용이 상승한다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기 문제점을 감안하여 안출된 것으로 본 발명의 목적은 단순한 구조를 가질 뿐만 아니라 이에 따른 비용 절감을 도모할 수 있는 위상배열 안테나를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 위상배열 안테나는, 전기 신호를 광신호로 변조하는 전기-광학 변조기; 상기 광신호로 변조된 신호를 파장에 따라 다른 지연시간을 갖도록 하는 분산 보상 광섬유; 상기 파장 대역 내에 고정된 광 지연 선로를 구성하기 위한 박막 필터; 상기 변조된 광신호를 전기신호로 복조하는 광 수신기; 상기 복조된 전기신호를 규칙적인 지연시간을 가지고 방사하는 안테나;를 포함한다.

그리고, 파장이 가변하는 광을 발생하기 위한 가변 다중 파장 레이저;를 더 포함하며, 상기 발생된 파장은 상기 전기-광학 변조기가 전기 신호를 광신호로 변조하기 위한 반송 파장으로 이용될 수 있다.

또한, 상기 다중 파장 레이저는 Lyot-Sagnac 필터, Fabry-Perot 필터, 균일한 FBG 필터 그리고 샘플링 FBG 등 적어도 하나의 필터를 포함하며, 상기 적어도 하나의 필터는 상기 발생되는 파장을 가변할 수 있다.

그리고, 상기 다중 파장 레이저는, 상기 적어도 하나의 필터로 하여금 상기 파장의 가변을 조절하기 위한 Lyot-Sagnac 필터의 편광 조절기 또는, Fabry-Perot 필터의 PZT, 균일한 FBG 필터나 샘플링 FBG의 스트레인이나 온도 변화를 위한 장치를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 다중 파장 레이저는 사용되는 안테나 요소(antenna elements)의 수(N)과 같은 파장을 발생시킨다. 본 실시예에서는 C-밴드에서 4파장을 발생시킬 수 있다.

그리고, 상기 전기-광학 변조기의 편광 의존성을 제거하기 위한 편광 제어기;를 더 포함할 수 있다.

또한, RF 신호를 발생하는 RF 신호 발생기;를 더 포함하며, 실제 시스템에서 신호는 실제 안테나로 송출될 신호로 대치되며, 상기 전기-광학 변조기는 상기 다중 파장 레이저로부터 광신호가 입력되면 상기 RF 신호 발생기에서 발생된 RF 신호와 같은 형태로 강도 변조할 수 있다.

상기 고정 시간 지연 선로의 길이는 아래의 식으로 정의하는 경우,

(여기서, i=1,2,3…N이며,

는 파장에 대한 선로의 지연시간이고, υ는 광 섬유 내 광속임)

발생되는 최대 시간 지연(±τ_max)는 아래의 식을 만족할 수 있다.

(여기서, D(ps/nm-km)는 분산,

는 필터의 대역폭, L_DCF는 분산 보상 광섬유의 길이임)

상기 구성에 따른 위상배열 안테나는 단순화된 구조를 가질 뿐만 아니라 이에 따라 위상배열 안테나 생산에 필요한 비용을 절감할 수 있는 효과를 가진다.

도 1은 위상 배열 안테나를 위한 TTD(true-time delay) 선로 빔 형성 개념도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 위상배열 안테나의 구성을 나타내는 구성도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 위상배열 안테나의 일구성인 다중 파장 레이저(110)의 구성을 나타내는 도면,
도 4는 Lyot-Sagnac 필터의 전송 특성을 나타내는 도면,
도 5는 가변 파장 레이저의 출력 스펙트럼을 나타내는 도면,
도 6은 분산 보상 광섬유의 측정된 군속도 지연과 손실을 나타내는 도면,
도 7은 파장의 함수로서 손실과 시간 지연을 나타내는 도면,
도 8은 ODA로 측정된 분산을 나타내는 도면,
도 9a 내지 도 9d는 본 발명의 일 실시예에 따른 위상배열 안테나의 시간 지연을 측정하는 동안 TTD 각 부의 스펙트럼을 나타내는 그래프,
도 10은 4개의 광 수신기에서 시간 지연과 강도를 파장의 함수로 측정한 결과를 중첩하여 표시한 그래프,
도 11는 요소 1을 기준으로 하여 나타낸 안테나 요소수에 대한 위상배열 안테나의 시간 지연 특성을 나타내는 도면, 그리고,
도 12은 도 11에 나타난 위상배열 안테나의 시간 지연으로부터 시뮬레이션에 의해 얻은 방사 패턴을 나타내는 도면이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 대하여 더욱 상세히 설명하기로 한다. 도 1은 위상 배열 안테나를 위한 TTD(true time-delay) 선로 빔 형성 개념도를 나타낸다. 이를 통해 위상 배열 안테나의 기본적인 원리를 설명하고자 한다.

위상 배열 안테나에서 정규화 배열 인수(normalized array factor:AF)는 선형적인 안테나 배열 간격인 경우,

(1)

(2)

와 같이 표시되고, 여기서 N은 요소의 수이고, β=2πf/c는 RF신호의 전파 상수이고, c는 광속, f는 전기 RF 신호의 주파수, d는 두 연속 안테나 요소 사이의 거리이고, θ는 요소들의 축과 방사축 사이의 공간 각도이다. n번째 안테나 요소에 공급되는 전기 전류는,

(3)

(4)

와 같이 표시될 때, 여기서

과

은 각각 전기 전류와의 진폭과 위상이다. τ_n은 n번째 요소의 군속도 지연이다. 식 (2)-(4)를 식 (1)에 대입하면 정규화 배열인수는,

(5)

와 같이 표시된다.

결과적으로 TTD 기술은 지연 시간을 변화함으로써 방사 각도를 조절하는 기술이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 위상배열 안테나(100)의 구성을 나타내는 구성도이다. 도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 위상배열 안테나(100)는 다중 파장 레이저(110), RF 신호 발생기(120), 전기-광학 변조기(130), 편광 조절기(140), 분산 보상 광섬유(150), 대역 선택 필터(160-1, 160-2, 160-3, 160-4), 고정 시간 지연 선로(170-1, 170-2, 170-3, 170-4), 광 수신기(180-1, 180-2, 180-3, 180-4) 그리고 안테나 요소(190-1, 190-2, 190-3, 190-4)로 구성되어 있다.

다중 파장 레이저(110)는 파장들을 발생시킨다. 이때 발생된 파장은 이후 설명할 전기-광학 변조기(130)에 의하여 광신호로 변조되기 위한 반송 파장으로 이용된다. 이와 관련해서는 도 3을 참조하며 설명한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 위상배열 안테나의 일구성인 다중 파장 레이저(110)의 구성을 나타내는 도면이다. 여기서는 PMF Lyot-Sagnac 필터를 사용한 광섬유 링 레이저를 상정하였다. 편광 유지 광섬유(polarization maintaining fiber: PMF)와 결합기(coupler) 1은 Lyot-Sagnac 필터로 구성된다. 여기서 PMF의 길이는 1m정도이며, 결합기 1은 2X2 3dB 결합기가 사용될 수 있다.

Lyot-Sagnac 필터의 전송 특성은 첨부된 도면 4와 같다.여기서 PMF를 사용한 Lyot-Sagnac 필터는 7.2nm의 FSR(free-spectral range)를 갖는 가변 Fabry-Perot 필터나 균일한 FBG들이나 가변 샘플링 FBG를 사용할 수 있다. 도 4의 손실 스펙트럼을 보면 900GHz(~7.2nm)의 균일한 파장 간격을 가짐을 알 수 있다. 편광 조절기는 필터의 선택 파장을 가변하는데 사용된다. 광섬유 링 레이저의 발진을 위한 이득 매질은 어븀 도핑 광섬유(Erbium-doped fiber:EDF)가 사용된다. EDF는 C-band 전체에서 이득 스펙트럼을 갖는다. 여기서 EDF는 Raman 광섬유 증폭기로 대치 될 수 있다. 또한 다중 파장 레이저는 다중 모드에서 동작되는 반도체 Fabry-Perot 반도체 레이저로 대치될 수 있다.

가변 감쇄기(variable optical attenuator:VOA)는 광섬유 레이저의 이득 조절을 위해 사용되며 결합기 2는 1X2 10dB 결합기로 일부를 레이징을 위해 다시 이득매질로 보내고 일부는 출력으로 내보낸다. 이에 따른 가변 파장 레이저의 출력 스펙트럼은 도 5에 도시하였다.

RF 신호 발생기(120)는 RF 신호를 발생하는 기능을 가지며 실제 시스템에서는 안테나를 통해 방사될 RF 신호로 대치된다.

전기-광학 변조기(130)는 전기 신호를 광신호로 변조한다. 전기-광학 변조기(electro-optic modulator:EOM)는 다중 파장 레이저(110)에서 발생된 광신호가 입력되면 RF 신호 발생기(120)에서 발생된 신호와 같은 형태로 강도 변조된다. RF 신호 발생기(120)의 신호는 안테나 소자들에 의하여 방사되는 신호이다.

분산 보상 광섬유(150)는 상기 광신호로 변조된 신호를 파장에 따라 다른 지연시간을 갖도록 한다. 단일 모드 광섬유에서 광 펄스가 전송될 때 펄스가 퍼지는 현상이 발생되며 이것을 분산이라 한다. 단일 모드 광섬유의 분산을 모드 내 분산이라고도 하며 발생원인은 구조 분산과 재료 분산이 원인이며 이는 파장의 함수이다. 이러한 분산 때문에 많은 정보량을 멀리 전송하는 것이 어려워지므로 이것을 보상하기 위해 본 발명에서는 분산 보상 광섬유(dispersion compensating fiber: DCF)가 사용되며 본 발명에서는 이 분산 보상 광섬유를 시간 지연 소자로 사용하였다. 이에 따라 분산 값은 파장에 따라 다르므로 각각의 파장이 같은 거리를 이동한다 해도 다른 지연시간을 갖게 된다. Lucent Technology사의 Truewave 광섬유를 보상하기 위한 DCF가 사용될 수 있다.

분산 보상 광섬유의 군속도 지연 τ_d(λ)과 손실은 광 분산 측정기 (optical dispersion analyzer: ODA, Agilent 86038A)를 사용하여 측정되었으며 도 6과 같다.

여기서 점선은 군속도 지연을 나타내며 실선은 파장에 따른 손실을 나타낸다. 손실은 약 -3.9 dB 이고, 시간 지연은 1525 와 1565 nm 사이에서 약 18 ns의 시간 지연의 차이를 갖는다. DCM의 길이는 약 5.5 km이다.

대역 선택 필터(160-1,160-2,160-3,160-4)는 광 지연 선로들과 함께 각각의 파장 대역 내에서 고정된 광 지연을 얻기 위해 사용되는 대역 선택 필터 또는 파장 add/drop 필터 중 drop 기능만을 수행한다. 필터는 FBG 필터에 비해 위상 리플이 적고 선택 파장의 대역폭 내에 손실이 편형하다는 장점을 가진다. 본 발명에 있어서 대역 선택 필터(160-1, 160-2, 160-3, 160-4)는 DWDM 9-skip-filter로 C-band 내에서 약 7.2nm의 대역폭을 가지며 DWDM 100G 시스템에서 연속된 8개의 채널을 선택하는 박막 필터가 사용된다. 같은 지연 시간을 얻고자 할 때 분산 보상 광섬유의 길이를 최소화하기 위해 긴 파장 간격을 갖는 필터가 요구된다.

분산 보상 광섬유(150)에서 광 수신기 (180-1, 180-2, 180-3, 180-4) 까지의 고정 시간 지연선로 (170-1, 170-2, 170-3, 170-4)는 대역 선택 필터(160-1,160-2,160-3,160-4) 통과 후 적절한 길이의 광섬유의 첨가로 완전히 구현될 수 있다. 이때 광섬유의 물리적 길이를 정확히 맞추기 어려울 때는 가변 지연 선로 (optical variable delay line)가 광 고정 시간 지연 선로(170-1, 170-2, 170-3, 170-4)와 광 수신기(180-1, 180-2, 180-3, 180-4) 사이에 추가될 수 있다

TTD의 파장에 따른 시간 지연을 정확하게 측정하기 위하여 1X4 광 커플러가 PD들에 입력되는 모든 광 신호를 결합하는데 사용된다. DCF의 입력과 1X4 광 커플러의 출력을 ODA의 입력과 출력 포트에 각각 연결하였다.

도 7은 파장의 함수로서 손실과 시간 지연을 나타내는 도면이다. 변조된 광 신호는 대역 선택 필터에 의해 분리되고 SMF로 구성된 고정 시간 지연 선로 (170-1, 170-2, 170-3, 170-4)의 길이는 파장 대역의 중심 파장에서 같은 시간 지연을 갖도록 조절된다.

여기서 i=1,2,3…N이다.

손실 곡선은 광 통과 경로가 다르므로 약간의 차이를 보이고 있다. DCF의 분산과 군속도 지연 사이의 관계는

으로 정의 되므로, D( ps / nm - km )가 파장의 함수라면 대역 간에 시간 지연 슬로프는 다르다. 여기서

,

그리고 D( ps / nm - km )는 각각 그룹 지연 차이, 대역 선택 필터의 대역폭과 DCF의 분산이다.

TTD에 의하여 발생되는 최대 시간 지연(±τ_max)는 아래의 식을 만족한다.

여기서, D(ps/nm-km)는 분산,

는 필터의 대역폭, L_DCF는 분산 보상 광섬유의 길이이다.

도 8은 ODA로 측정된 분산을 나타내는 도면이다. 도 8에 도시된 바와 같이 사용된 DCF의 분산 D?L_DCF는 대역에 따라 -443.3, -459.9, -478.3 그리고 -498.4 ps/nm로 감소하며 손실은 대역 필터 통과 대역 내에서 13.2 dB이다. 짧은 DCF를 사용하기를 원한다면, 큰 분산 기울기, ΔD(λ_i)/Δλ?L_DCF를 갖는 DCF를 선택해야 한다. 그리고 10 GHz 시스템에서 0°에서 180° 까지의 주사각을 변화시키기 위하여 안테나 소자 간의 지연 시간은 최대 -150 에서부터 +150 ps를 가져야 한다.

광 수신기(180-1, 180-2, 180-3, 180-4)는 변조된 광신호를 전기신호로 복조하는 기능을 갖는다. 즉, 광신호는 광 수신기(photo detector:PD)에 의하여 전기 신호로 변환된다. 본 발명에서는 RF 신호의 주파수로 10GHz를 사용할 수 있고, 이 경우에 광 전치 증폭기의 수신 주파수가 10GHz를 검파하여야 한다. 4-요소를 갖는 PAA용 TTD라면 같은 수의 광 검파기가 요구될 수 있다. 이때 광 수신기에 입력되는 광이 파장 선택 필터와 광 고정 시간 지연 선로에 의한 손실이 다를 때 광 수신기에 인가되는 광 강도가 다를 수 있다. 이때 가변 광 감쇄기가 고정 시간 지연 선로(170-1, 170-2, 170-3, 170-4)와 광 수신기 (180-1, 180-2, 180-3, 180-4) 사이에 추가될 수 있다.

상기 설명한 본 발명의 일 실시예에 따른 위상배열 안테나(100)의 구성을 다시 도 2를 참조하면서 요약하기로 한다.

도 2는 본 발명이 제안하는 4-요소 PAA를 위한 TTD 빔 형성기를 나타낸다. 여기서 레이저는 C-Band에서 4파장을 발생시키는 다중 파장 레이저(110)가 사용되며, 파장 가변을 위하여 다중 파장 레이저(110) 내에 다수의 균일한 FBG를 직렬로 연결하여 사용하거나 가변 SFBG(sampled-fiber Bragg grating) 그리고 가변 Fabry-Perot 필터를 이용하여 파장을 가변할 수 있다.

전기-광학 변조기(130)에서 파장들은 안테나 소자들에 의하여 방사되기 위해 RF 신호로 변조된다. 분산 보상 광섬유(150)를 통과하는 파장들은 각각 다른 지연시간을 가진다. 박막 필터(160-1, 160-2, 160-3, 160-4)를 사용하여 다중 파장 레이저의 파장들을 분리하고 고정 지연선로를 사용하여 대역 선택 필터의 대역폭 내의 파장들에 대해 같은 지연시간을 제공한다. 총 시간지연은 대역 안에 파장 의존성을 갖는 분산 보상 광섬유(150)와 대역 내의 파장에 의존하지 않는 고정 시간지연 선로 (170-1, 170-2, 170-3, 170-4)로 구성된다. 광 신호는 광 수신기(180-1, 180-2, 180-3, 180-4)에 의하여 전기 신호로 변환된다.

도 9a 내지 도 9d는 4 파장 중 2 파장 만이 사용된 경우 본 발명의 일 실시예에 따른 위상배열 안테나의 각 부분에 스펙트럼을 측정한 결과이다. 도 9a에 도시된 바와 같이 두 파장을 이용하여 대역이 다른 두 파장 사이의 시간 차이를 측정하였다. 두 파장의 광파우어는 약 -25dBm정도이고, 도 9b에 도시된 바와 같이 전기-광학 변조기(130)에서 약 5dB 정도의 손실을 보여준다. 도 9c 및 도 9d에서는 이 광이 EDFA에서 약 20dB 정도 증폭되고 분산 보상 광섬유(150)와 대역 필터에서 약 20dB의 손실이 발생되고 있음을 보여준다.

이와 같은 실험에서는 사용한 두 파장 중 한 파장은 고정시키고 다른 파장만을 가변했을 때 광 수신기(180-1, 180-2, 180-3, 180-4)에 입력되는 두 광파의 시간 지연을 측정하는 것을 목적으로 하였다. 도 10a 및 도 10b에 도시된 바와 같이 두 파장은 1530.5와 1553.5nm이고 1553.5nm의 광파를 가변하며 두 파장 사이의 시간 지연을 측정한다. 이 측정에서 RF 신호는 1GHz 구형파를 사용하였으며 실제 RF 신호보다 저주파를 사용한 것은 지연 시간이 RF 신호의 한 주기보다 길 때 지연 시간 측정에 혼동이 없도록 하기 위함이다. 시간 지연을 측정하기 위하여 디지털 통신 분석기(Digital communication analyzer)가 사용한다.

4 파장 레이저를 사용하였을 때 RF 신호를 기준으로 하고 4개의 광 수신기에서 측정한 결과를 중첩하여 표시하면 도 10과 같다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 위상배열 안테나의 성능을 검증하기 위하여, 광 분산 측정기(optical dispersion analyzer:ODA)를 사용하였다. 분산 보상 광섬유(150)의 입출력단을 각각 ODA의 레이저 출력과 입력 포트에 연결하였다. 그 결과 손실은 약 3.9dB이고 시간 지연은 1525와 1565nm 사이에서 약 18ns의 시간 지연의 차이를 가지며 도 6과 같은 결과를 얻을 수 있다.

그리고, 파장에 따른 시간 지연을 정확하게 측정하기 위하여 1X4 광 커플러가 광 수신기들에 입력되는 모든 광 신호를 결합하는데 사용되며 분산 보상 광섬유(150)의 입력과 1X4 광 커플러의 출력을 광 분산 측정기의 입력과 출력 포트에 각각 연결된다. 변조된 광신호는 박막형 대역 선택 필터에 의하여 분리되고 SMF로 구성된 고정 지연 선로의 길이는 파장 대역의 중심파장에서 같은 시간 지연을 갖도록 조절될 수 있다.

도 11는 요소 1을 기준으로 하여 나타낸 안테나 요소수에 대한 위상배열 안테나의 시간 지연 특성을 나타낸다. 다중 채널 레이저의 파장 증가에 따라 시간 지연은 감소한다.

도 11에 나타난 위상배열 안테나의 시간 지연으로부터 시뮬레이션에 의해 얻은 방사 패턴을 도 12에 도시하였다. 이는 앞에서 설명한 식 (5)를 이용하여 계산하였다. 다중 파장 레이저의 파장들을 가변했을 때 방사 방향이 안테나 축을 기준으로 0°에서 180°까지 방사각이 변화하는 것을 볼 수 있다. 시뮬레이션을 위해 RF 주파수는 10GHz, 4-요소 그리고 요소 사이의 거리는 15mm이다. 시뮬레이션 결과에 의하면 방사각을 180°이상으로 하기 위하여 충분한 시간 지연을 얻을 수 있다. 이득도 오차 범위가 1dB 이내로 제한되는 특성을 보여준다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 위상 배열 안테나는 방사 패턴이 우수하며 0~180°의 모든 방사각으로 빔의 방사가 가능함을 알 수 있다.

상기한 바에서, 다양한 실시예에서 설명한 각 구성요소 및/또는 기능은 서로 복합적으로 결합하여 구현될 수 있으며, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

100................................위상배열 안테나
110................................다중 파장 레이저
120................................RF 신호 발생기
130................................전기-광학 변조기
140................................편광 조절기
150................................분산 보상 광섬유
160-1 ~ 160-4......................대역통과필터
170-1 ~ 170-4..................... 고정시간 지연선로
180-1 ~ 180-4..................... 광 수신기
190-1 ~ 190-4..................... 안테나

Claims

전기 신호를 광신호로 변조하는 전기-광학 변조기;
상기 광신호로 변조된 신호를 파장에 따라 다른 지연시간을 갖도록 하는 분산 보상 광섬유;
상기 파장 대역 내에 고정된 광 지연 선로를 구성하기 위한 박막 필터와 고정시간 지연선로;
상기 변조된 광신호를 전기신호로 복조하는 광 수신기; 및
상기 복조된 전기신호를 선형적으로 증가하는 지연시간을 가지고 방사하는 안테나;를 포함하는 위상배열 안테나.
제 1항에 있어서,
파장 발생을 위한 다중 파장 레이저;를 더 포함하며,
상기 발생된 파장은 상기 전기-광학 변조기가 전기 신호를 광신호로 변조하기 위한 반송 파장으로 이용되는 것을 특징으로 하는 위상배열 안테나.
제 2항에 있어서,
상기 다중 파장 레이저는 PMF를 사용한 Lyot-Sagnac 필터, 가변 SFBG(sampled-fiber Bragg grating) 및 가변 Fabry-Perot 필터 중 어느 하나를 포함하며,
상기 적어도 하나의 필터는 상기 발생되는 파장을 가변하는 것을 특징으로 하는 위상배열 안테나.
제 3항에 있어서,
상기 다중 파장 레이저는,
상기 적어도 하나의 필터로 하여금 상기 파장의 가변을 조절하기 위한 Lyot-Sagnac 필터의 편광 조절기 또는, 균일한 FBG 필터나 샘플링 FBG의 스트레인이나 온도 변화를 위한 장치 또는 Fabry-Perot 필터의 PZT;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 위상배열 안테나.
제 3항에 있어서,
상기 다중 파장 레이저는,
안테나 요소(antenna element) 수와 같은 파장 수를 발생시키는 것을 특징으로 하는 위상배열 안테나.
제 1항에 있어서,
상기 전기-광학 변조기의 편광 의존성을 제거하기 위한 편광 제어기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 위상배열 안테나.
제 1항에 있어서,
RF 신호를 발생하는 RF 신호 발생기;를 더 포함하며,
상기 전기-광학 변조기는 상기 다중 파장 레이저로부터 광신호가 입력되면 상기 RF 신호 발생기에서 발생된 RF 신호와 같은 형태로 강도 변조하는 것을 특징으로 하며 실제 시스템에서는 안테나로 송신하고자 하는 RF 신호로 대치되는 것을 특징으로 하는 위상배열 안테나.
제 1항에 있어서,
상기 고정 시간 지연 선로의 길이를 아래의 식으로 정의하는 경우,

(여기서, i=1,2,3…)이며,
는 파장에 대한 선로의 지연시간,
는 광섬유 내에서의 광속임.)
상기 안테나에 의하여 발생되는 최대 지연 시간 ±_τ _max는 아래의 식으로 정의되는 것을 특징으로 하는 위상배열 안테나.

(여기서, D(ps/nm-km)는 분산,
는 필터의 대역폭, L_DCF는 분산 보상 광섬유의 길이를 의미함.)