KR20130141580A - 안테나 시스템 - Google Patents
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Abstract
안테나 시스템은, 타겟으로부터, 2개의 직교 편파(orthogonal polarisation)로, 추적 모드 신호를 수신하도록 구성된 입력 포트; 입력 포트로부터 추적 모드 신호를 수신하도록 구성되는 추적 커플러로서, 직교 편파 중의 제1 직교 편파에서의 추적 모드 신호로부터 추적 신호를 추출하도록 구성된 제1 쌍의 대향 슬롯 커플러와, 직교 편파 중의 제2 직교 편파에서의 추적 모드 신호로부터 추적 신호를 추출하도록 구성된 제2 쌍의 대향 슬롯 커플러를 포함하는 추적 커플러; 및 타겟을 추적하도록 안테나 시스템을 제어하기 위해 이용하기 위한 추적 출력 신호를 발생하기 위해, 대향 슬롯 커플러의 쌍들로부터 추출된 추적 신호를 합성하도록 구성된 추적 합성기 네트워크(tracking combiner network)를 포함한다.
Description
본 발명은 예컨대 위성 통신을 위한 안테나 시스템 및 안테나 시스템용 도파관 커플러와 같은 안테나 시스템, 안테나 시스템용 컴포넌트, 안테나 시스템용 추적 커플러(tracking coupler), 및 안테나 시스템을 이용하여 타겟을 추적하는 방법에 관한 것이다.
안테나 시스템은 무선 통신, RADAR(Radio Detecting And Ranging) 응용 기기, 및 전자 전쟁(예컨대, 재밍(jamming))에 이용된다. 효율적인 작동을 위해, 시스템의 안테나를 타겟까지의 최상의 직접 전자기 전파 경로와 정렬시키는 것이 바람직하다. 예컨대, 접시 안테나는 안테나의 보어사이트(boresight)로 지칭되는 접시의 중심축과 전반적으로 정렬된 방향으로 라디에이션(radiation)을 가장 효율적으로 보내고 이러한 방향으로부터 라디에이션을 가장 효율적으로 수신한다. 안테나 정렬은 구체적으로 안테나 시스템과 타겟이 서로에 대해 이동하고 있을 때(예컨대, 차량에 탑재된 안테나의 경우, 또는 위성 타겟의 경우)와, 수신된 전자기력이 변동을 거듭할 때(예컨대, 타겟과 안테나 시스템 간의 전자기 경로에서의 환경적 변화로 인해)에 많은 문제점을 나타낸다.
위성 통신(SATCOM) 응용 기기를 위해, 구체적으로 차량에 탑재된 안테나의 경우, 그 안테나 시스템의 대응하는 타겟 위성을 추적하기 위해 안테나 시스템에 의해 코니컬 스캐닝(conical scanning)으로서 알려진 기술이 이용될 수 있다. 코니컬 스캐닝에서, 안테나 시스템의 안테나는 안테나와 위성 사이의 중앙 경로 주위의 원으로 지속적으로 스캔한다. 안테나 시스템은 원의 각각의 반복(iteration)이 종단되는 때에 발생하는 신호 변동으로부터 안테나가 타겟을 가리키고 있는지를 판정하고, 타겟의 이동을 추적하도록 안테나를 제어할 수 있다. 코니컬 스캐닝이 갖는 문제점은 안테나가 타겟을 직접적으로 가리키지 못하고, 그러므로 항상 신호 수신 및 전송에 연관된 파워 손실이 있다는 점이다. 예컨대, 일부 통신 프로토콜에 의해 요구되는 바와 같이, 넓게 분리된 전송 주파수 및 수신 주파수의 경우, 전송 대역 또는 수신 대역에서의 파워 손실이 커질 수 있다. 타겟의 외견상의 각속도가 안테나 빔 폭에 관련하여 증가함에 따라, 요구되는 스캐닝 속도가 증가한다. 이것은 예컨대 타겟의 속도 또는 안테나 플랫폼의 신속한 이동으로 발생하거나, 또는 안테나가 매우 좁은 빔 폭을 갖는 경우에 발생할 수 있다. 더욱이, 코니컬 스캐닝에서 정정될 수 있는 정렬 오차의 각도는 커다란 정렬 오차에 대해서는 충분하지 않을 수도 있으며, 안테나 시스템은 타겟의 위치를 확인하기 위해 효율적이지 못하고 시간이 소요되는 탐색 모드에 진입할 필요가 있을 수도 있다.
타겟 추적을 위한 다른 기술로는, 안테나 보어사이트(즉, 지향성 안테나의 최대 이득 방향 또는 광학축)를 따라 수신된 에너지를 운반하는 중앙 메인 빔 패턴(대칭적인 "합계(sum)" 빔에 대응하는)과, 보어사이트에 대해 전반적으로 반대칭(anti-symmetric)을 이루는 보어사이트에서 벗어난 방향(off-boresight direction)으로부터 수신된 라디에이션을 운반하는 하나 이상의 비중앙 "널(null)" 빔 패턴("차이(difference)" 빔에 대응하는)(그에 따라 차이 빔은 안테나 보어사이트와 정렬된 널을 가짐)의 2가지 상이한 빔 패턴으로부터, 안테나 시스템이 전파 전자기 에너지(propagating electromagnetic energy)를 수신하는 모노펄스 추적(monopulse tracking)이 있다. 보어사이트의 대향 측면들 간의 수신 파워에서의 비대칭성은 타겟이 축에서 벗어나 있다는 것을 나타낸다. 합계 빔에 의해 수신된 신호에 비하여, 차이 빔에서 수신된 신호의 크기 및 위상은 안테나 보어사이트와 타겟 간의 각도 정렬 오차의 크기 및 방향 둘 다를 나타내며, 그 방향을 정정하고 타겟을 추적하기 위해 모노펄스 스캐닝 안테나 시스템에 의해 이용될 수 있다.
그러나, 모노펄스 추적은 일반적으로 추적 신호를 추출하기 위해 비교적 큰 도파관 피드(waveguide feeds)를 갖는 안테나 시스템을 요구하며(일부는 온-보어사이트 신호와 오프-보어사이트 신호를 분리하여 검출하는 커다란 기계 구조를 요구함), 그러므로 더 작은 안테나 시스템을 요구하는(예컨대, 차량에 탑재된 안테나 시스템의 경우) 적어도 일부의 추적 응용 기기에서 이용되지 않을 수도 있다. 더욱이, 모노펄스 추적 시스템은 추적 정보를 단지 1차원(예컨대, 위와 아래)으로 제공할 수 있거나, 또는 다양한 편파(polarisation)에서 수신된 라디에이션을 이용하여 타겟을 추적하기 위한 유연성이 충분하지 못할 수도 있다. 예컨대, 기존의 멀티홀 추적 모드 커플러(multihole tracking mode coupler)는 예컨대 안테나 시스템을 이동시키기 위한 SATCOM에서와 같은 특정 응용 기기용으로는 지나치게 긴 것일 수도 있다.
기존의 단일 슬롯 모노펄스 커플러는 매우 짧게 될 수 있지만, 메인 원형 도파관 경로에서 불연속성(discontinuity)을 가질 수 있으며, 이것은, 이러한 불연속성이 고차 도파관 모드(higher-order waveguide mode)(예컨대, 원형 도파관에서의 TM11 모드)의 수용 가능하지 않은 레벨을 야기하기 때문에, 2개의 폭넓게 분리된 전송 대역과 수신 대역이 있는 응용 기기에는 적합하지 않게 한다.
종래 기술에 관련된 하나 이상의 단점 또는 한계를 해소 또는 개선시키거나, 또는 적어도 유용한 대안을 제공하는 것이 요망된다.
본 발명에 따라,
타겟으로부터, 2개의 직교 편파(orthogonal polarisation)로, 추적 모드 신호를 수신하도록 구성된 입력 포트;
상기 입력 포트로부터 상기 추적 모드 신호를 수신하도록 구성되며,
상기 직교 편파 중의 제1 직교 편파에서의 상기 추적 모드 신호로부터 추적 신호를 추출하도록 구성된 제1 쌍의 대향 슬롯 커플러와,
상기 직교 편파 중의 제2 직교 편파에서의 상기 추적 모드 신호로부터 추적 신호를 추출하도록 구성된 제2 쌍의 대향 슬롯 커플러
를 포함하는 추적 커플러; 및
상기 타겟을 추적하도록 안테나 시스템을 제어하기 위해 이용하기 위한 추적 출력 신호를 발생하기 위해, 상기 대향 슬롯 커플러의 쌍들로부터 추출된 추적 신호를 합성하도록 구성된 추적 합성기 네트워크(tracking combiner network)
를 포함하는 안테나 시스템이 제공된다.
또한, 본 발명은,
타겟으로부터 추적 모드 신호를 수신하도록 구성된 입력 포트;
수신된 상기 추적 모드 신호로부터 추적 신호를 추출하도록 구성된 추적 커플러;
상기 타겟을 추적하도록 안테나 시스템을 제어하는데 이용하기 위한 추적 출력 신호를 발생하기 위해, 추출된 추적 신호를 합성하도록 구성된 추적 합성기 네트워크;
상기 타겟에 보내기 위한 전송 신호를 발생하도록 구성된 전송 서브시스템; 및
상기 추적 합성기 네트워크로부터의 전송 신호를 거부하도록 구성된 전송-거부 필터
를 포함하는 안테나 시스템을 제공한다.
또한, 본 발명은,
타겟으로부터 수신된 수신 모드 신호로부터 수신 신호를 추출하도록 구성된 슬롯 커플러를 포함하는 수신 커플러;
추출된 수신 신호를 합성하여 수신된 신호를 발생하도록 구성된 수신 합성기 네트워크;
상기 타겟에 보내기 위한 전송 신호를 발생하도록 구성된 전송 서브시스템; 및
상기 수신 합성기 네트워크로부터의 전송 신호를 거부하도록 구성된 전송-거부 필터
를 포함하는 안테나 시스템을 제공한다.
또한, 본 발명은,
타겟을 추적하도록 안테나 시스템을 제어하는데 이용하기 위해, 상기 안테나 시스템에 의해 수신된 직교 고차 모드로부터 추적 신호를 추출하도록 구성된 2개 이상의 직교 슬롯 커플러; 및
수신 신호를 발생하는데 이용하기 위해, 추적 커플러를 통해 상기 안테나 시스템에 의해 수신된 기본 모드를 커플링하도록 구성된 기다란 릿지
를 포함하는 안테나 시스템용 추적 커플러를 제공한다.
또한, 본 발명은,
안테나 시스템을 이용하여, 타겟으로부터, 2개의 직교 편파로, 추적 모드 신호를 수신하는 단계;
제1 쌍의 대향 슬롯 커플러를 이용하여 상기 직교 편파 중의 제1 직교 편파에서의 상기 추적 모드 신호로부터 추적 신호를 추출하는 단계;
제2 쌍의 대향 슬롯 커플러를 이용하여 상기 직교 편파 중의 제2 직교 편파에서의 상기 추적 모드 신호로부터 추적 신호를 추출하는 단계; 및
상기 타겟을 추적하도록 상기 안테나 시스템을 제어하는데 이용하기 위한 추적 출력 신호를 발생하기 위해 상기 직교 편파 둘 다로부터 추출된 추적 신호를 합성하는 단계
를 포함하는 안테나 시스템을 이용하여 타겟을 추적하는 방법을 제공한다.
본 발명의 바람직한 실시예가 이하의 첨부 도면을 참조하여 단지 예로서 설명된다.
도 1a는 안테나 시스템을 포함하는 통신 시스템의 개요도이다.
도 1b는 안테나 시스템의 안테나 패턴의 개요도이다.
도 2는 안테나 시스템의 반사기 서브시스템의 개요도이다.
도 3a는 안테나 시스템의 피드 서브시스템의 개요도이다.
도 3b는 다른 스퀘어 도파관 피드 서브시스템(square waveguide feed subsystem)의 개요도이다.
도 3c는 수신 전용 피드 시스템의 개요도이다.
도 3d는 다른 수신 전용 피드 서브시스템의 개요도이다.
도 4는 안테나 시스템의 추적 서브시스템의 개요도이다.
도 5는 안테나 시스템의 수신 서브시스템의 개요도이다.
도 6a는 피드 서브시스템의 혼(horn)의, 진공 배경 머터리얼(vacuum background material)을 갖는, 전자기(EM) 모델의 사시도이다.
도 6b는 혼의, 진공 배경 머터리얼을 갖는, EM 모델의 횡단면 사시도이다.
도 7a는 피드 서브시스템의 추적 커플러, 추적 합성기 네트워크 및 테이퍼의, 금속 배경 머터리얼(metal background material)을 갖는, EM 모델의 사시도이다.
도 7b는 입력 포트에서의 TE11 수평 모드의 전계를 보여주는 추적 커플러의, 금속 배경 머터리얼을 갖는, EM 모델의 사시도이다.
도 7c는 입력 포트에서의 TE11 수직 모드의 전계를 보여주는 EM 모델의 사시도이다.
도 7d는 입력 포트에서의 TM01 모드의 전계를 보여주는 EM 모델의 사시도이다.
도 7e는 입력 포트에서의 제1 TE21 모드의 전계를 보여주는 EM 모델의 사시도이다.
도 7f는 입력 포트에서의 제2 TE21 모드의 전계를 보여주는 EM 모델의 사시도이다.
도 7g 및 도 7h는 위상 보상기 및 브랜치 가이드 커플러를 포함하는 추적 커플러 및 추적 합성기의, 금속 배경 머터리얼을 갖는, EM 모델의 사시도이다.
도 7i는 모드 가이드 릿지(mode guide ridge)를 포함하는 테이퍼 및 추적 커플러의, 금속 배경 매터리얼을 갖는, EM 모델의 사시도이다.
도 7j는 추적 커플러, 테이퍼, 및 필터-프리 추적 합성기 네트워크(filter-free tracking combiner network)의, 금속 배경 머터리얼을 갖는, EM 모델의 사시도이다.
도 7k는 옥탈 릿지 모드 커플러(octal ridge mode coupler)의, 금속 배경 머터리얼(릿지로부터 떨어진)을 갖는, EM 모델의 횡단면도이다.
도 8은 수신 서브시스템 및 피드 서브시스템의 수신 합성기 네트워크의, 금속 배경 머터리얼을 갖는, EM 모델의 사시도이다.
도 9a는 피드 서브시스템의 트랜스포머 및 셉텀 편파기(septum polariser)의, 금속 배경 머터리얼을 갖는, EM 모델의 사시도이다.
도 9b는 트랜스포머 및 셉텀 편파기의, 금속 배경 머터리얼을 갖는, EM 모델의 횡단면 사시도이다.
도 10a는 안테나 시스템의 작동 프로세스의 흐름도이다.
도 10b는 제1 TE21 모드의 전계를 갖는 입력 포트의 개요도이다.
도 10c는 제2 TE21 모드의 전계를 갖는 입력 포트의 개요도이다.
도 10d는 방위각(azimuth) 및 수직 안테나 포인팅 오차를 갖는 수평 입력 편파로부터 발생된 추적 차이 신호를 보여주는 추적 합성기 네트워크의 개요도이다.
도 10e는 방위각 및 수직 안테나 포인팅 오차를 갖는 수직 입력 편파로부터 발생된 추적 차이 신호를 보여주는 추적 합성기 네트워크의 개요도이다.
도 11은 일례의 안테나 시스템의 기계 모델의 사시도이다.
도 12a는 일례의 안테나 시스템의 전방 사시도를 보여주는 사진이다.
도 12b는 일례의 안테나 시스템의 후방 사시도를 보여주는 사진이다.
도 12c는 일례의 혼의 전방 사시도를 보여주는 사진이다.
도 12d는 일례의 피드 서브시스템의 일부분에 대한 측면 사시도를 보여주는 사진이다.
도 12e는 일례의 피드 서브시스템의 일례의 추적 커플러부의 전방 사시도의 사진이다.
도 12f는 Y축에는 밀리미터 단위의 반경(r)을 나타내고 X축에는 밀리미터 단위의 길이(z)를 나타내는 일례의 Ka-대역 혼의 횡단면의 그래프이다.
도 1a는 안테나 시스템을 포함하는 통신 시스템의 개요도이다.
도 1b는 안테나 시스템의 안테나 패턴의 개요도이다.
도 2는 안테나 시스템의 반사기 서브시스템의 개요도이다.
도 3a는 안테나 시스템의 피드 서브시스템의 개요도이다.
도 3b는 다른 스퀘어 도파관 피드 서브시스템(square waveguide feed subsystem)의 개요도이다.
도 3c는 수신 전용 피드 시스템의 개요도이다.
도 3d는 다른 수신 전용 피드 서브시스템의 개요도이다.
도 4는 안테나 시스템의 추적 서브시스템의 개요도이다.
도 5는 안테나 시스템의 수신 서브시스템의 개요도이다.
도 6a는 피드 서브시스템의 혼(horn)의, 진공 배경 머터리얼(vacuum background material)을 갖는, 전자기(EM) 모델의 사시도이다.
도 6b는 혼의, 진공 배경 머터리얼을 갖는, EM 모델의 횡단면 사시도이다.
도 7a는 피드 서브시스템의 추적 커플러, 추적 합성기 네트워크 및 테이퍼의, 금속 배경 머터리얼(metal background material)을 갖는, EM 모델의 사시도이다.
도 7b는 입력 포트에서의 TE11 수평 모드의 전계를 보여주는 추적 커플러의, 금속 배경 머터리얼을 갖는, EM 모델의 사시도이다.
도 7c는 입력 포트에서의 TE11 수직 모드의 전계를 보여주는 EM 모델의 사시도이다.
도 7d는 입력 포트에서의 TM01 모드의 전계를 보여주는 EM 모델의 사시도이다.
도 7e는 입력 포트에서의 제1 TE21 모드의 전계를 보여주는 EM 모델의 사시도이다.
도 7f는 입력 포트에서의 제2 TE21 모드의 전계를 보여주는 EM 모델의 사시도이다.
도 7g 및 도 7h는 위상 보상기 및 브랜치 가이드 커플러를 포함하는 추적 커플러 및 추적 합성기의, 금속 배경 머터리얼을 갖는, EM 모델의 사시도이다.
도 7i는 모드 가이드 릿지(mode guide ridge)를 포함하는 테이퍼 및 추적 커플러의, 금속 배경 매터리얼을 갖는, EM 모델의 사시도이다.
도 7j는 추적 커플러, 테이퍼, 및 필터-프리 추적 합성기 네트워크(filter-free tracking combiner network)의, 금속 배경 머터리얼을 갖는, EM 모델의 사시도이다.
도 7k는 옥탈 릿지 모드 커플러(octal ridge mode coupler)의, 금속 배경 머터리얼(릿지로부터 떨어진)을 갖는, EM 모델의 횡단면도이다.
도 8은 수신 서브시스템 및 피드 서브시스템의 수신 합성기 네트워크의, 금속 배경 머터리얼을 갖는, EM 모델의 사시도이다.
도 9a는 피드 서브시스템의 트랜스포머 및 셉텀 편파기(septum polariser)의, 금속 배경 머터리얼을 갖는, EM 모델의 사시도이다.
도 9b는 트랜스포머 및 셉텀 편파기의, 금속 배경 머터리얼을 갖는, EM 모델의 횡단면 사시도이다.
도 10a는 안테나 시스템의 작동 프로세스의 흐름도이다.
도 10b는 제1 TE21 모드의 전계를 갖는 입력 포트의 개요도이다.
도 10c는 제2 TE21 모드의 전계를 갖는 입력 포트의 개요도이다.
도 10d는 방위각(azimuth) 및 수직 안테나 포인팅 오차를 갖는 수평 입력 편파로부터 발생된 추적 차이 신호를 보여주는 추적 합성기 네트워크의 개요도이다.
도 10e는 방위각 및 수직 안테나 포인팅 오차를 갖는 수직 입력 편파로부터 발생된 추적 차이 신호를 보여주는 추적 합성기 네트워크의 개요도이다.
도 11은 일례의 안테나 시스템의 기계 모델의 사시도이다.
도 12a는 일례의 안테나 시스템의 전방 사시도를 보여주는 사진이다.
도 12b는 일례의 안테나 시스템의 후방 사시도를 보여주는 사진이다.
도 12c는 일례의 혼의 전방 사시도를 보여주는 사진이다.
도 12d는 일례의 피드 서브시스템의 일부분에 대한 측면 사시도를 보여주는 사진이다.
도 12e는 일례의 피드 서브시스템의 일례의 추적 커플러부의 전방 사시도의 사진이다.
도 12f는 Y축에는 밀리미터 단위의 반경(r)을 나타내고 X축에는 밀리미터 단위의 길이(z)를 나타내는 일례의 Ka-대역 혼의 횡단면의 그래프이다.
개요
도 1a에 도시된 바와 같은 안테나 시스템(102)은 타겟(104)과 안테나 시스템(102) 사이의 전자기 경로 또는 링크(106)를 따라 타겟(104)으로부터 전자기 라디에이션을 검지하고 수신한다. 안테나 시스템(102)은 위성 통신(도 1a에 도시된 통신 시스템(100)에서), RADAR 응용 기기, 또는 전자 전쟁 응용 기기(예컨대, 추적 재머(tracking jammer) 및 추적 수신기)용으로 이용될 수 있다.
안테나 시스템(102)은 링크(106)를 따라 전자기 라디에이션을 수신 및 전송하기 위한 반사기 서브시스템(200)을 포함한다. 반사기 서브시스템(200)은, 전자기 라디에이션을 반사기 서브시스템(200)에 안내하고 반사기 서브시스템(200)으로부터 전자기 라디에이션을 안내하기 위한 도파관을 갖는 안테나 시스템(102)의 피드 서브시스템(300)에 연결되어 있다.
안테나 시스템(102)은 마운트(110)(페데스털(pedestal)로도 지칭되는)에 의해 플랫폼(108) 상에 탑재된다. 플랫폼(108)은 차량(예컨대, 무인 차량을 포함한 육로 차량, 선박, 또는 항공기)과 같은 이동 플랫폼일 수 있다. 마운트(110)는 반사기 서브시스템(200)을 링크(106)를 따라 타겟(104)을 가리키도록, 즉 타겟(104)을 추적하도록 안테나 시스템(102)의 이동을 허용하고 제어한다. 마운트(110)는 방위각 및 수직(고도) 방향에서의 포인팅 제어(pointing control)를 제공하기 위해 적어도 2개의 축의 이동을 가지며, 제3 축 또한 향상된 추적 이동을 위해 제공될 수 있다. 안테나 시스템(102)의 포인팅 방향은 마운트(110)(전자 제어 접속부를 이용하여) 및 피드 서브시스템(300)(안테나 시스템(102)으로부터 추적 신호를 수신하기 위해 전자 통신을 이용하여)과의 통신으로 추적 컨트롤러(112)에 의해 제어된다.
안테나 시스템(102)은 안테나 시스템(102)을 공기 이동(바람 및 공기 저항) 및 주변 환경(예컨대, 기후 및 먼지)으로부터 보호하는 실질적으로 밀봉된 레이돔(radome)(114)으로 플랫폼(108)에 탑재된다. 안테나 시스템(102)은 타겟(104)을 추적하기 위해 안테나 시스템(102)의 충분한 이동을 허용하도록 레이돔(114)에 탑재된다.
안테나 시스템(102)은 플랫폼(108)과 타겟(104) 간에 정보를 전송 및 수신하기 위해 안테나 시스템(102)에 대해 신호를 전송 및 수신하는 통신 처리 시스템(116)에 접속된다(하나 이상의 전자 통신 접속부를 통해). RARAR 응용 기기에서, 정보는 타겟(104)의 검지 및 거리측정을 위해 이용될 수 있다. SATCOM 응용 기기에서, 정보는 WGS(Wideband Global Satcom System)에 연관된 프로토콜과 같은 통신 프로토콜에 따라 배열된 디지털 방식으로 인코딩된 데이터일 수 있다. RADAR 또는 SATCOM 프로토콜은 또한 어느 편파가 전송 및 수신되는지를 정한다(예컨대, 업링크 또는 다운링크에 대해서는 원형 편파 또는 선형 편파).
모노펄스
추적
안테나 시스템(102)은 링크(106)를 따라 전파 전자기 라디에이션을 보내고 수신하도록 구성된다. 안테나 시스템(102)은 2가지 타입의 라디에이션 패턴, 즉 합계 패턴 및 하나 이상의 차이 패턴으로부터 라디에이션을 수신하도록 구성된다. 합계 패턴은 안테나 시스템(102)의 축에 대해 대칭성을 가져서, 최대치가 안테나 보어사이트와 정렬된다. 차이 패턴은 안테나 시스템(102)의 축에 대해 반대칭적이며, 안테나 보어사이트(118)와 정렬된 널을 갖는다.
2가지 타입의 패턴에서 라디에이션을 수신하기 위해, 안테나 시스템(102)은, 합계 패턴에 연관된 메인 빔 패턴(122)과 수직 및 방위각에 대응하는 차이 패턴에 연관된 2개의 직교 널 빔 패턴(124)을 포함하는 안테나 패턴(120)을 갖는다(일례의 합계 패턴과 하나의 일례의 차이 패턴이 도 1b에 도시되어 있다).
메인 빔 패턴(122)의 제1 널에 대응하는 각도 범위의 상당 부분에 걸쳐, 널 빔 패턴(124) 및 메인 빔 패턴(122)으로부터 수신된 전압의 상대적인 크기 및 위상은 안테나 보어사이트(118)와 타겟(104) 간의 각도 포인팅 오차의 크기 및 방향에 대한 정보를 포함하고 있다.
반사기 서브시스템(200)
반사기 서브시스템(200)은 도 2에 도시된 바와 같이 타겟(104)으로부터 방출된 신호를 수신하고 포커싱하기 위해 예컨대 변위-축 그레고리안 구성(displaced-axis Gregorian configuration)으로 탑재된 2개의 반사기(즉, 주반사기(202) 및 부반사기(204))를 포함한다(변위된 축을 갖는다는 것은 주반사기(202)가 부반사기(204) 상의 포커스의 단일 포인트가 아닌 링 포커스를 갖는다는 것을 의미함).
부반사기(204)는 서포트(206)를 통해 주반사기(202)에 탑재된다. 지지부(206)는 서포트 스트럿츠(support struts) 및/또는 모노포드 서포트(monopod support)를 포함할 수 있다. 부반사기(204)는, 레이돔(114)의 반경이 주반사기(202)를 필수적인 움직임 범위에 걸쳐 맞도록 하기 위해 요구되는 것보다 더 커지지 않게 되도록, 주반사기(202)의 반경에 의해 정해진 호(arc) 내에 탑재된다(즉, 주반사기(202)의 중심으로부터의 부반사기(204)의 최대 거리가 주반사기(202)의 반경과 동일하거나 작다).
반사기 서브시스템(200)은 안테나 시스템(102)의 광대역 동작을 허용한다. 예컨대, 반사기 서브시스템은 약 20㎓에서의 하나의 대역과 약 30㎓에서의 상이한 대역(Ka-대역 통신에서 이용되는 바와 같이)과 같은 폭넓게 분리된 주파수 대역에서 동작할 수 있다. 반사기 서브시스템(200)은, 메인 빔 패턴(122) 및 널 빔 패턴(124) 둘 다로부터 라디에이션을 수신하고, 이들 빔 패턴으로부터의 라디에이션을 피드 서브시스템(300)으로 향하게 하도록 구성된다.
피드
서브시스템(300)
피드 서브시스템(300)은 반사기 서브시스템(200)과 피드 서브시스템(300)의 나머지(remainder)에서의 도파관 컴포넌트 간의 복수 모드 및 복수 대역의 신호를 안내하도록 구성된 혼(600)을 포함한다. 혼(600)은 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이 원뿔대 보어(frustoconical bore)(즉, 원뿔의 일부분과 같은 형상으로 된 중앙에 위치한 가이드(central guide)) 및 주름이 형성된(corrugated) 내면을 포함한다.
혼(600)은 부반사기(204)에 의해 포커스된 라디에이션을 자신의 혼 입력 포트(602)에서 수신하고, 이 라디에이션을 도 3a에 도시된 바와 같이 피드 서브시스템(300)의 추적 커플러(702)의 입력 포트(404)("포트 1"으로서 지칭됨)에 안내한다.
혼(600)은 피드 서브시스템(300)의 나머지로부터의(전송 서브시스템(302)에서 최초 발생하는) 전송 라디에이션(transmit radiation)을 반사기 서브시스템(200)에 안내한다.
혼(600)은 TE11 모드 형태의 중앙 기본 모드(즉, 원형 도파관의 기본 모드) 및 TE21 모드 형태의 비중앙 고차 모드(즉, 원형 도파관의 고차 모드)를 지원하며, 이들 모두는 혼(600)을 통해 추적 커플러(702)의 입력 포트(404)에 전파된다.
혼 입력 포트(602)의 직경은 피드 서브시스템(300) 내로 통과할 수 있는 고차 원형 도파관 모드에 대한 상한치를 정한다. 이들 직경은 원형 혼(600)에서의 원하지 않는 고차 모드, 예컨대 선택된 작동 주파수(예컨대, 약 20㎓에서의 Ka 대역 내에서의) TE21보다 높은 임의의 모드를 차단하도록 선택된다.
피드 서브시스템(300)은 추적 커플러의 입력 포트(404)에서 혼(600)으로부터 기본 모드 및 고차 모드 신호(즉, 각각 TE11 신호와 TE21 신호)를 수신하는 추적 커플러(702)를 포함한다. 추적 커플러(702)는 타겟(104)을 추적하기 위해 안테나 시스템(102)을 제어하는데 이용하기 위한 추적 신호(즉, 모노펄스 추적을 위한 차이 신호)를 발생하기 위해 고차 모드 신호를 이용한다. 추적 커플러(702)는 기본 모드 신호를 출력 포트(405)("포트 3"으로서 지칭됨)를 통해 수신 서브시스템(500)의 수신 커플러(802)에 보내지도록 할 수 있다.
수신 커플러(802)는 수신된 TE11 모드 신호로부터 수신 신호를 추출하도록 구성된다. 기본 모드 신호는 타겟(104)을 추적하기 위해 안테나 시스템(102)을 제어하는데 이용하기 위한 추적 참조 신호(즉, 모노펄스 추적을 위한 합계 신호)를 발생하기 위해 그리고 통신 처리 시스템(116)을 위한 수신된 통신 신호를 발생하기 위해 이용된다.
주파수 재사용을 위해, 수신 서브시스템(500)은 양자의 편파를 이용하여 동시에 수신하도록 구성된다(즉, 각각의 수신기 포트단(502)을 위한 LNA(512)와 대응 체인을 필요로 한다).
피드 서브시스템(300)은 하나 이상의 전송 포트를 통해 전자 전송 신호를 수신하는 전송 서브시스템(302)을 포함한다. 전송 서브시스템(302)은 셉텀 편파기(904) 및 원형-대-스퀘어 트랜스포머(902)를 포함한다. 전송 서브시스템(302)은 타겟(104)에 신호(예컨대, RADAR 또는 SATCOM 신호)를 전송하기 위해 피드 서브시스템(300)의 다른 부분을 통해, 즉 수신 커플러(802), 추적 커플러(702) 및 혼(600)을 통해, 전파 전자기 신호를 다시 반사기 서브시스템(200)에 보낸다.
전송 서브시스템(302)은 도 3a에 도시된 바와 같이 제1 전송 포트(304) 및 제2 전송 포트(306)의 2개의 전송 포트를 포함한다. 제2 전송 포트(306)는 도 3a에 도시된 바와 같이 매칭된 로드 터미네이션(matched load termination)(308)으로 종단될 수 있거나, 또는 이와 달리 주파수 재사용을 위해 이중-편파 신호의 전송을 위해 전자장치 입력에 접속될 수 있다. 일부 응용 기기에서, 포트(304, 306)는 전송 편파가 스위칭되도록 할 수 있는 트랜스퍼 스위치(transfer switch)에 맞도록 될 수 있다.
전송 서브시스템(302)은 제1 전송 포트(304)로부터의 오른손 원형 편파(RHCP : right hand circular polarised) 신호 및 제2 전송 포트(306)로부터의 왼손 원형 편파(LHCP : left hand circular polarised) 신호를 전송하도록 구성될 수 있다. 전송 신호의 주파수는 약 30-31㎓에서 Ka 대역에 있을 수 있다.
주파수 재사용을 위해, 전송 서브시스템(302)은 트랜스퍼 스위치에 의해 선택 가능한 단일 편파로 전송하도록 구성될 수 있다.
셉텀 편파기(904)는 전송 주파수 범위(예컨대, 약 30-31㎓에서 Ka 대역)에 걸쳐 이중 원형 편파를 발생하기 위해 도 9b에 도시된 바와 같이 계단형 금속 셉텀(906)을 포함한다.
트랜스포머(902)는 전송 서브시스템(302)의 정사각형/직사각형 도파관 컴포넌트로부터의 전송 신호를 수신 커플러(802), 추적 커플러(702) 및 혼(600)의 원형 또는 라운드형 도파관 컴포넌트로 변환하기 위한 표준 원형-대-정사각형 도파관 트랜스포머일 수 있다.
스퀘어
피드
서브시스템(
Square
Feed
Subsystem
)(300B)
피드 서브시스템(300)에 대한 대안에서, 스퀘어 피드 서브시스템(300B)은 도 3b에 도시된 바와 같이 동등한 구성의 혼(600) 및 추적 커플러(702)를 포함하지만, 수신 커플러(802) 및 전송 서브시스템(302)에 대해서는 다른 컴포넌트를 포함한다. 스퀘어 피드 서브시스템(300B)에서, 추적 커플러(702)는 수신 신호를 스퀘어 수신부(310)에 통과시키며, 이 스퀘어 수신부가 통신 처리 시스템(116) 및 추적 컨트롤러(112)를 위한 수신 신호(추적 합계 신호를 포함하는)를 검출한다. 스퀘어 피드 서브시스템(300B)은 스퀘어 수신부(310), 추적 커플러(702) 및 혼(600)을 통한 전송을 위한 전송 신호를 발생하는 스퀘어 전송부(311)를 포함한다.
스퀘어 수신부(310)는, 스퀘어 피드 서브시스템(300B)의 전파축(propagation axis)에 전반적으로 직각을 이루는 방향으로 포트를 통해 수신 주파수(예컨대, 약 20㎓)에서 기본 모드 신호(예컨대, TE01 또는 TE10 신호)의 수직 편파를 추출하는 수직 편파부(314)를 포함한다. 수직 편파부(314)는 도 3b에 도시된 바와 같이 추출된 신호를 위상 보상기(316)에 통과시킨다. 스퀘어 수신부(310)는 수신 주파수(예컨대, 약 20㎓)에서 기본 모드 신호(즉, 제1 수신 수직 편파에 대한 직교 편파)의 수평 편파를 수신하는 수평 편파부(318)를 포함한다. 수평 편파부(318)는 스퀘어 피드 서브시스템(300B)의 중심축에 직각으로 정렬된 도파관(319) 내로의 사이드 포트(side port)를 통해 기본 모드 신호의 수평 편파를 추출한다. 수직 및 수평 편파 기본 모드 신호는 3-dB 하이브리드(320)를 이용하여 합성될 수 있으며, 이 하이브리드(320)가 합성된 신호를 RHCP 및 LHCP 수신 포트(322)에 통과시킨다. 수신 포트(322)는 수신 신호를 나타내는 전자 신호를 통신 처리 시스템(116)에 운반하고 추적 합계 신호를 나타내는 전자 신호를 추적 컨트롤러(112)에 운반하는 각각의 저잡음 증폭기(LNA)에 연결된다.
스퀘어 전송부(311)는 스퀘어 수신부(310)와 동등한 방식으로 구성되지만, 전송 주파수 대역(예컨대, 약 30㎓)을 위한 크기로 된다. 도 3b에 도시된 바와 같이, 스퀘어 전송부(311)는 RHCP 및 LHCP 전송 포트(324)에서의 전송을 위한 전자 신호를 수신하며, 2개의 편파에서의 전송 신호가 3-dB 하이브리드(326)에서 2개의 각각의 도파관 아암(arm)으로 스플리트되며, 2개의 각각의 도파관 아암이 스퀘어 피드 서브시스템(300B)의 메인 가이드(편파부(314, 318)를 포함하는)에 다시 연결된다. 2개의 도파관 아암에서의 신호의 위상은 아암 중의 하나에서의 위상 보상기(328)를 이용하여 매칭되고, 스퀘어 전송 OMT(312)에서 합성된다.
스퀘어 피드 서브시스템(300B)은 정사각형 및 직사각형 도파관 컴포넌트를 이용하는 피드의 나머지에 직접 연결되거나 또는 원형-대-정사각형 트랜스포머를 통해 연결될 수 있는 원형 추적 커플러(702)를 이용한다. 스퀘어 피드 서브시스템(300B)은 통상적으로 혼(600)에서부터 전송 포트(324)까지의 길이가 피드 서브시스템(300)보다 더 길게 될 것이며, 그에 따라 더 많은 공간을 이용할 수 있는 응용 기기에 이용될 수 있다.
수신 전용
피드
서브시스템(300C, 300D)
안테나 시스템(102)은, 어떠한 응용 기기에서, 수신 전용이 되도록, 즉 전송 서브시스템(302)이 없이 구성될 수 있다. 수신 전용 시스템에서, 혼(600)은 수신 대역만이 통과되도록 요구되는 때에는 단일 대역 혼(330)으로 대체될 수 있다. 추적 커플러(702)는 여전히 추적 제어를 발생하기 위한 신호(예컨대, 모노펄스 추적을 위한 차이 신호)를 추출하지만, 추적 합성기 네트워크가 저역 통과 필터를 요구하지 않고, 그에 따라 필터-프리 합성기 네트워크(filter-free combiner network)(708)로 대체될 수 있다. 필터-프리 합성기 네트워크(708)는, 도 7j에 도시된 바와 같이, 전송-거부 필터(transmit-reject filter)(710)가 없다. 도파관 컴포넌트에서 고차 모드 신호의 발생을 방지할 필요가 없을 때, 추적 커플러(702)에서의 코사인-스퀘어드 트랜스포머(cosine-squared transformer) 또는 테이퍼(706)가 도 7j에 도시된 바와 같이 스텝 트랜스포머(722)에 의해 대체될 수 있다.
수신 전용 피드 서브시스템(300C)에서, 수신 커플러(802)는 도 3c에 도시된 바와 같이 분기점(bifurcation)을 갖는 셉텀 편파기(332)에 의해 대체될 수 있다. 다른 수신 전용 피드 서브시스템(300D)에서, 수신 커플러(802)는 도 3d에 도시된 바와 같이 편파기(334)(주름이 형성된 편파기, 측판을 갖는 원형 편파기, 또는 유전체 베인(dielectric vane)일 수 있는) 및 수신기 OMT(336)에 의해 대체될 수 있다.
추적 서브시스템(400)
안테나 시스템(102)은 도 4에 도시된 바와 같이 추적 커플러(702), 추적 합성기 네트워크(704) 및 추적 포트단(tracking port end)(402)을 포함하는 추적 서브시스템(400)을 포함한다.
추적 커플러(702)는 도 4 및 도 7a에 도시된 바와 같이 서로에 대해 45도로 정렬된 대향하는 포트쌍(각각의 커플러가 추적 커플러(702)의 원형 메인 도파관의 벽에 슬롯을 갖는, 직경 방향으로 대향하고 있는 슬롯 커플러의 쌍에 의해 형성된)을 갖는 4-포트 단일 슬롯 커플러("턴스타일 정션(turnstile junction)" 형태일 수 있는)의 형태로 된다. 각각의 슬롯 커플러는 추적 커플러를 따라 길이 방향으로 정렬된 단일 슬롯을 포함한다. 포트의 쌍은 입력 포트(404)를 통해 전파하는 고차 모드 신호로부터 추적 신호를 추출하기 위한 추적 커플러(702)의 메인 중앙 도파관 챔버의 측면을 따라 위치된다.
제1 포트쌍은 추적 커플러(702)의 중심축을 가로질러 서로에 대해 직경 방향으로 정반대측에 있는 제1 좌측 포트(406) 및 제1 우측 포트(408)를 포함한다. 제1 포트쌍은 제1 편파에서 고차 모드 신호를 추출한다. 제2 포트쌍은 추적 커플러(702)의 중심축을 가로질러 서로에 대해 직경 방향으로 정반대측에 있는 제2 좌측 포트(410) 및 제2 우측 포트(412)를 포함한다. 제2 포트쌍은 제2 편파에서 고차 모드 신호를 추출하며, 제2 편파는 제1 편파와 상이하고 제1 편파에 대해 직교한다.
추적 커플러(702)에서의 포트쌍은 추적 커플러(702)의 원주 둘레에서 각도가 어긋나 있으며, 추적 커플러(702)의 길이를 따라 간격이 어긋나 있다. 포트쌍은 고차 모드 신호의 파장의 약 절반(즉, λg/2)만큼 추적 커플러(702)의 길이를 따라 이격되어 있다. 포트쌍은 각각의 포트쌍(406 및 408과, 410 및 412) 간의 최소 길이만큼 추적 커플러(702)의 길이를 따라 어긋나 있고, E-평면 Y 정션(E-plane Y junction)(414) 형태의 합성기에 연관된다. 최소 길이 어긋남에 의하여, 측면 포트(406, 408, 410, 412)에 커플링하는 임의의 기본 모드 신호(예컨대, 메인 빔 패턴(122)에 대응하고, 수신 서브시스템(500)을 위한 것인)가, 정확한 위상으로(즉, 동상으로) 추적 커플러(702)의 중앙 원형 도파관 내로 역으로 재주입(re-inject)될 수 있게 된다.
추적 합성기 네트워크(704)는 도 7a에 도시된 바와 같이 포트(406, 408, 410, 412)에 연결된 각각의 4개의 전송-거부 필터(710)를 통해 4개의 포트(406, 408, 410, 412)로부터 추출된 신호를 운반하는 도파관 컴포넌트를 포함한다. 전송-거부 필터(710)는 전송 주파수(즉, 예컨대 30㎓에서 전송 서브시스템(302)에 의해 발생된 주파수)에서의 라디에이션이 추적 합성기 네트워크(704)에 진입하는 것을 거부하도록 구성된다. 각각의 전송-거부 필터(710)는 2개 이상의 주름(corrugation)을 포함하는 저역 통과의 주름 형성된 도파관 필터이다. 각각의 아암은 저역 통과 필터를 가지며, 각각의 필터는 복수의 주름을 갖는다. 전송-거부 필터(710)는 2개 이상의 주름을 갖는 종래의 주름진 필터이어도 되며, 더 많은 주름을 갖는 것은 추적 합성기 네트워크(704)로부터의 전송 신호의 거부를 향상시키지만, 더 많은 물리적 공간을 차지한다. 전송-거부 필터(710)는 추적 커플러(702)의 중앙 챔버에 있는 각각의 대응하는 슬롯으로부터 선택된 길이에 위치된다. 슬롯에서부터 필터까지의 거리는 전송 신호에 대하여 최소의 교란(disruption)을 야기하도록 선택되며, 전송 모드에 대하여 추적 커플러(702)의 최적의 리턴 손실을 위한 슬롯에서부터 필터까지의 거리를 최적화함으로써 선택될 수 있다(예컨대, 전자기 시뮬레이션 소프트웨어를 이용하여). 추적 합성기 네트워크(704)는 정사각형/직사각형 도파관 컴포넌트를 포함하며, 이러한 도파관 컴포넌트는 각각의 쌍에서의 2개의 대향 포트로부터 추출된 신호를 안내하고, 이들을 도 4 및 도 7a에 도시된 바와 같이 하나의 E-평면 Y 정션(414) 형태의 180도 하이브리드(또는 180도 하이브리드 합성기)에서 합성한다. Y 정션(414) 대신에 180도 하이브리드 합성기로서 매직 T 커플러(magic T coupler)가 이용될 수도 있지만, 각각의 합성기로부터의 합계 신호만이 이용되는 경우에는, Y 정션(414)이 매직 T보다 더 짧게 될 수 있기 때문에, Y 정션(414)이 바람직할 것이다.
각각의 E-평면 Y 정션(414)은 실질적으로 동일한 길이의 레그를 갖고, 추적 커플러(702) 주위에 대칭을 이루며 형성된다. 각각의 E-평면 Y 정션(414)은 추적 합성기 네트워크(704)에 연결되며, 각각의 포트(406, 408, 410, 412)로부터 Y 정션(414) 중의 대응하는 Y 정션까지의 길이는, 각각의 Y 정션(414)이 서로 역위상(anti-phase)에 있는 각각의 쌍에서의 포트로부터의 고차 모드 전파 전자기장(예컨대, TE21)들을 더하도록 선택된다. 고차 추적 모드는 역위상으로 포트에서 유입되어, 이들은 역위상으로 합성될 필요가 있다. 반대로, 하나의 E-평면 Y 정션(414)의 레그 중의 하나에 커플링되는 임의의 기본 비추적 신호(fundamental non-tracking signal)(예컨대, TE11)들은 동상으로 될 것이므로, Y 정션에 의해 반대로 반사될 것이다. 비추적 신호들을 반대로 반사함으로써, 추적 커플러(702)에서의 비추적 신호의 신호 손실 및 감쇄가 감소되므로, 수신 서브시스템(500)에서의 검지를 위한 비추적 신호가 더 많이 남게 된다.
제1 E-평면 Y 정션(414)의 출력 포트(726)는 포트 4(차이 포트)로서 지칭될 수 있으며, 제2 E-평면 Y 정션(414)의 출력 포트(728)는 포트 2(역시 차이 포트)로서 지칭될 수 있다.
추적 합성기 네트워크(704)는 2개의 E-평면 Y 정션(414)으로부터의 신호를 합성하기 위해 90도 하이브리드(416)(도 4에 도시된 바와 같이 Y 정션(414)의 합성기 출력 포트(726, 728)에 연결된)를 제공하는 도파관 컴포넌트를 포함한다. 90도 하이브리드(416)는 브랜치 가이드 커플러(714)(branch guide coupler)(도 7g 및 도 7h에 도시된 바와 같이) 또는 이와 달리 슬롯 커플러 형태로 된다.
각각의 E-평면 Y 정션(414)과 브랜치 가이드 커플러(714) 사이에서, 추적 합성기 네트워크(704)는 각각의 포트쌍으로부터 추출된 신호의 위상을 등화시키기 위해 도파관의 길이부 형태의 위상 보상기(716)를 포함한다. 도 7g 및 도 7h에 도시된 바와 같이 각각의 Y 정션(414)과 브랜치 가이드 커플러(714) 사이에는 위상 보상기(716)가 연결된다. 위상 보상기(716)는 추적 커플러(702)의 메인 원형 도파관에 대한 등가의 전파 상수(equivalent propagation constant)를 갖는 직사각형 도파관(도 7g 및 도 7h에 도시된 바와 같은)을 포함한다. 구체적으로, 위상 보상기(716)의 직사각형 도파관은 추적 커플러(702)의 원형 도파관과 실질적으로 동일한 차단 파장을 갖도록 구성되며, 이로써 메인 원형 도파관에서의 상이한 직교 편파에서의 신호에 의해 이동된 상이한 거리를 보상한다.
합성기 네트워크(704)는 상이한 도파관 크기의 Y 정션(414)과 브랜치 가이드 커플러(714) 사이에서 변환하기 위해 계단 트랜스포머(상이한 치수의 직사각형 도파관부 형태의)를 포함할 수 있다.
추적 포트단(402)은 제1 차이 포트(418)에 대한(예컨대, RHCP 신호에 대한) 도파관 터미네이션 및 제2 차이 포트(422)에 대한(예컨대, LHCP 신호에 대한) LNA(420)를 갖는 90도 하이브리드(416)의 추적 출력 포트(417)를 종단한다. 도 10b 내지 도 10e를 참조하여 이후에 추가로 설명되는 추적 차이 신호를 표현하는 전자 신호는, 추적 포트단(402)으로부터, 타겟(104)을 추적하기 위한 안테나 시스템(102)을 제어하기 위한 추적 컨트롤러(112)에 전자 방식으로 전송된다.
수신 서브시스템(500)
안테나 서브시스템(102)은 도 5에 도시된 바와 같이 수신 커플러(802), 수신 합성기 네트워크(804) 및 수신기 포트단(502)을 포함하는 수신 서브시스템(500)을 포함한다. 수신 커플러(802)는 도 5 및 도 8에 도시된 바와 같이 서로에 대해 90도로 배치된 직경 방향으로 대향하고 있는 포트쌍을 갖는 마이크로파 4-포트 정션의 형태로 된다.
수신 커플러(802)는 도 8에 도시된 바와 같이 추적 커플러(702)로부터 기본 모드(TE11 모드)로 전파하는 전자기 신호를 수신하기 위한 수신 입력 포트(806)를 갖는다. 수신 커플러(802)의 중앙 챔버의 반대측에 있는 직경 방향으로 대향하고 있는 포트쌍은 기본 모드 신호로부터 수신 신호를 추출하도록 구성된다.
추적 커플러(702)에서의 포트쌍과는 달리, 수신 커플러(802)에서의 포트쌍은 수신 커플러(802)의 중앙 챔버를 따라 동일한 길이에 위치된다.
수신 합성기 네트워크(804)는, 수신 커플러(802)의 각각의 포트에 연결되고 각각의 포트로부터 연결되어 나오는 도파관 컴포넌트를 포함한다. 추적 합성기 네트워크(704)의 전송-거부 필터(710)와 동등한 전송-거부 필터(808)(주름이 형성된 저역 통과 필터 형태의)가, 도 8에 도시된 바와 같이 수신 커플러(802)의 각각의 포트로부터 연결되어 나오는 도파관에서 수신 합성기 네트워크(804)에 탑재된다. 전송-거부 필터(808)는 전송 주파수(즉, 전송 서브시스템(302)에 의해 발생된 주파수, 예컨대 약 30㎓)에서의 라디에이션이 수신 합성기 네트워크(804)에 진입하는 것을 거부하도록 구성된다.
수신 합성기 네트워크(804)는 도 5 및 도 8에 도시된 바와 같이 각각의 쌍에서의 포트 둘 다에 연결된 H-평면 Y 정션(504) 형태의 180도 하이브리드를 포함한다. 각각의 포트쌍에서 추출된 신호는 H-평면 Y 정션(504)에서 동상으로 합성된다.
각각의 H-평면 Y 정션(504)은 실질적으로 동일한 길이의 레그를 가지며(예컨대, 정션(504)과 각각의 포트 사이에), 수신 커플러(802) 주위에 대칭을 이루며 형성된다.
수신 합성기 네트워크(804)는, 각각의 Y 정션(504)으로부터의 신호를 합성하고, 이들을 수신기 출력단(814)에 전달하기 위해, 도 8에 도시된 바와 같이 양자의 Y 정션(504)에 연결된 브랜치 가이드 커플러(812) 형태의 90도 하이브리드(506)를 포함한다. 수신기 출력 포트(814)로부터 수신된 신호는 수신기 포트단(502)에 전달되며, 수신기 포트단은, 도 5에 도시된 바와 같이, 수신 주파수에서 터미네이션 형태의 제1 수신기 포트(508)(예컨대, RHCP 신호에 대한)와, 수신기 출력 포트(814) 중의 하나에 연결된 LNA(512)로부터 증폭된 신호를 수신하는 제2 수신기 포트(510)(예컨대, LHCP 신호에 대한)를 포함한다.
수신기 포트단(502)으로부터의 수신 신호는 통신 처리 시스템(116) 및 추적 컨트롤러(112)에 전자 방식으로 전송된다. 수신 신호는 타겟(104)을 추적하도록 안테나 시스템(102)을 제어하기 위해 추적 컨트롤러(112)에 의해 이용되는 양자의 편파에서의 추적 합계 신호를 포함한다. 수신 신호는 데이터 통신 신호(예컨대, 위상 통신을 위한) 및/또는 검지 및 거리측정 데이터와 같은 타겟(104)으로부터의 정보를 표현하는 데이터 채널 신호를 포함한다.
추적 서브시스템(400) 및 수신 서브시스템(500)에서의
모드
기본 모드 신호는 도 7b에 도시된 TE11 수평 모드(750)에 있거나, 도 7c에 도시된 TE11 수직 모드(752)에 있거나, 및/또는 오른손 또는 왼손 원형으로 편파된 TE11 모드에 있을 수 있다.
파워가 도 7d에 도시된 바같이 추적 커플러(702)의 TM01 모드(754)에 커플링할 수 있지만, 추적 커플러(702)는 이 모드에서의 파워가 추적 출력 포트(417)에서 실질적인 신호를 발생하지 않도록 구성된다. 포트(406, 408, 410, 412)의 슬롯(슬롯 커플러에 의해 형성된)은 TM01 모드를 추적 합성기 네트워크(704)에 커플링하지 않게 하기 위해 추적 커플러(702)의 전송 축에 길이 방향으로 정렬되도록 구성된다.
수신 서브시스템(500)의 포트의 슬롯(슬롯 커플러에 의해 형성된)은 또한 TM01 모드를 수신 합성기 네트워크(804)에 커플링하지 않게 하기 위해 수신 커플러(802)의 전송 축에 길이 방향으로 정렬되도록 구성된다.
추적 커플러(702) 및 수신 커플러(802)에서의 슬롯은 일반적으로 그 길이가 파장의 대략 절반이다(추적 및 수신 파장/주파수에 대해, 예컨대 약 20㎓에서). 슬롯은, 요구된 신호(예컨대, TE21 또는 TE11 모드로부터의)의 커플링을 허용하지만 TM01 모드의 상당 부분을 커플링하지 않게 하거나 또는 추적 커플러(702) 또는 수신 커플러(802)를 통한 모드 커플링을 왜곡(distort)시키기에 충분한 작은 높이(즉, 추적 커플러(702) 또는 수신 커플러(802)의 전송 축에 대해 원주 방향에서의)를 갖는다. 예컨대, Ka 대역 시스템에서의 각각의 슬롯의 높이는 약 1mm로 될 수 있다.
테이퍼(706)
피드 서브시스템(300)은 추적 커플러(702)와 수신 커플러(802) 사이에 테이퍼(706)를 포함한다. 테이퍼(706)는 코사인-스퀘어드 테이퍼(또한 코사인 테이퍼로서도 지칭됨)로서 형성된다. 테이퍼(706)는 추적 커플러(702)를 통과하는 어떠한 추적 모드 신호를, 추적 커플러(702)의 포트에 커플링하는 추적 모드 신호의 효율을 향상시키기 위해 정확한 위상으로, 역으로 추적 커플러(702)에 반사함으로써 추적 커플러(702)를 위한 반사 평면을 제공한다. 반사된 추적 모드 신호는 포트(406, 408, 410, 412)의 슬롯에서 입력 포트(404)에 도달하는 에너지와 동상으로 된다.
테이퍼(706)는 도 7a, 도 7g 및 도 7i에 도시된 바와 같이 추적 커플러(702)의 직경과 수신 커플러(802) 사이에 매끄러운 전환부(smooth transition)를 갖는다. 테이퍼(706)는 기본 수신 모드 신호(예컨대, 약 20㎓ 이상에서의 TE11)를 통과시키지만 고차 추적 모드 신호(예컨대, 약 20㎓에서의 TE21)를 반사하도록 구성되어, 특히 전송 주파수 대역에 들어 있을 수 있는 더 높은 주파수(예컨대, 약 30㎓와 같은 더 높은 주파수)에서 원하지 않은 고차 원형 도파관 모드(예컨대, TM11 모드)를 발생하지 않게 한다. 코사인-스퀘어드 테이퍼(706)는 전송 주파수와 수신 주파수 간의 주파수 간격이 일부 다른 대역에서보다 크기 때문에 Ka 대역 시스템에서 이로울 수 있다.
예컨대, 도 3c 및 도 3d에 도시된 피드 서브시스템과 같이 전송 서브시스템(302)이 사용되지 않은 시스템에서, 이곳에서는 피드 시스템을 통해 역으로 더 높은 주파수의 전송 대역을 통과시킬 필요가 없기 때문에 테이퍼(706)를 계단 트랜스포머로 대체할 수 있다.
릿지형 도파관(Ridged Waveguide)
추적 커플러(702) 및 테이퍼(706)는 수신 모드 신호(TE11)를 추적 커플러(702)를 통해 더욱 타이트하고 더 우수한 효율로 커플링하도록 구성된 릿지형 도파관을 포함할 수 있다. 이들 릿지형 도파관은 수신 모드 신호(즉, TE11 모드) 및 추적 모드 신호(즉, TE21 모드)의 차단 주파수를 낮추도록 구성된다. TE11 모드는 TE21 모드보다 릿지에 더욱 타이트하게 커플링하며, 이로써 TE11 모드가 커플링 슬롯(406, 408, 410, 412)과의 감소된 수준의 상호작용으로 커플러를 통과하면서, TE21 모드에 대한 슬롯의 강한 커플링이 유지된다. TE11 모드에 대해서는, TE11 전류가 주로 릿지를 따라 흐르므로, 커플링 슬롯(406, 408, 410, 412)이 TE11 모드에 연관된 전류 라인의 다수를 단절하지 않으며, 반대로, TE21 모드에 대해서는, TE21 전류의 상당 부분이 원주 방향으로 흐르므로, TE21 전류 라인이 커플링 슬롯(406, 408, 410, 412)에 의해 단절되는 강한 원주 방향의 컴포넌트를 갖는다. 릿지 구조는 안테나 시스템(102)의 주요 수신 및 전송 기능을 저하시키지 않고서도 향상된 추적 주파수 대역폭을 제공할 수 있다.
릿지형 도파관은 추적 커플러(702)를 통한 신호의 전파의 방향을 따라 정렬되는 복수의 도파관 릿지(720)를 포함하며, 도 7i에 도시된 바와 같이 추적 커플러(702)의 내부 챔버 내로 돌출한다. 도파관 릿지(720)는 추적 커플러(702)의 챔버 주위에 동등하게 원주 방향으로 이격되고, 도 7i에 도시된 바와 같이 테이퍼(706) 내로 연장한다.
릿지형 도파관은 동등하게 원주 방향으로 이격된 8개의 릿지를 포함할 수 있으며(그러므로, "옥탈 커플러"를 형성함), 이것은 추적 모드 신호의 2개의 직교 편파의 각각에 대하여 4개의 릿지를 갖는 것에 대응한다. 단지 4개의 릿지를 갖는 것은 2개의 직교 추적 모드 신호의 동등하지 않은 커플링을 야기할 수 있으며, 이것은 2개의 추적 모드가 상이한 위상 속도를 갖도록 할 수 있고, 그에 따라 추적 성능을 현저하게 저하시킬 수 있다. 예컨대 16, 24 또는 32 등과 같은 8의 배수 또는 양자의 직교 추적 모드에 대해 동등한 위상 속도를 제공하는 더 많은 개수의 릿지가 제공될 수 있다.
"옥탈 커플러"에서의 8개의 릿지(720)는 Ka 대역의 하단/최저 주파수까지의 추적을 허용하도록 추적 커플러(702)의 대역폭을 향상시킬 수 있으며, 예컨대 대역폭이 거의 2배로 향상될 수 있거나, 및/또는 차단 주파수가 약 20% 낮아질 수 있다.
추적 커플러(702)의 주몸체부(724) 내로 돌출하는 릿지(720)는, 도 7k(2개의 릿지의 중심을 통과하여 절취한 횡단면도로, 주몸체부(724)가 진공(vacuum)인 것으로 도시되어 있고, 릿지(720)가 금속으로 이루어진 것으로 도시됨)에 도시된 바와 같이, 커플러(702)의 양쪽 끝부분에서 먼쪽으로 테이퍼되어(즉, 높이가 점차적이면서 지속적으로 감소되어), 릿지(720)의 끝부분들에서 수직의 원형 도파관 입력 및 출력이 남겨지게 된다.
작동 프로세스(1000)
작동 프로세스(1000)에서, 추적 컨트롤러(112)는 개방 루프 위치확인 프로세스(단계 1002)에서 모노펄스 추적 시스템의 풀-인 범위(pull-in range) 이내(즉, 메인 빔 패턴(122)의 제1 널 이내)까지 타겟(104)의 방향을 결정하기 위해 상업적으로 이용 가능한 INU(Inertial Navigation Unit)으로부터의 신호를 이용한다.
타겟(104)은 수신 주파수 대역(예컨대, 20㎓)에서 안테나 시스템(102)에 신호(예컨대, 통신 신호 또는 RADAR 반사)를 방출한다. 타겟(104)(예컨대, 비콘(beacon))은 선형으로 편파된 신호를 발생할 수 있거나, 일부 타겟(104)(예컨대, 위성)의 경우에는, 편파가 고도에 따라 원형 편파에서 선형 편파로 바뀔 수 있다.
방출된 신호는 적어도 2가지의 빔 패턴, 즉 메인 빔 패턴(122) 및 널 빔 패턴(124)으로 수신된다. 수신된 신호는 2개의 직교 추적 도파관 모드에서 추적 모드 신호에 커플링되고, 비추적/수신 도파관 모드에서 수신 모드 신호에 커플링된다.
피드 서브시스템(300)은 원형 및 선형으로 편파된 신호 둘 다를 추적하도록 구성된다. 직교 추적 도파관 모드는 2개의 선형 또는 원형 편파의 고차 모드, 예컨대 TE21일 수 있다. 수신 도파관 모드는 기본 모드, 예컨대 TE11일 수 있다.
작동 프로세스(1000)에서, 안테나 시스템(102)은 단계 1002에서의 "개방 루프" 탐색 모드를 이용하여 타겟(104)을 획득한 후에는 수신 전용 모드에 있게 된다.
안테나 시스템(102)은 추적 커플러(702) 및 수신 커플러(802)를 이용하여 수신된 신호로부터 추적 신호를 발생한다(단계 1004). 추적 커플러(702)는 추적 차이 신호를 발생하기 위해 추적 모드 신호 모드로부터 신호를 추출하며, 수신 커플러(802)는 수신 모드 신호로부터 추적 합계 신호를 발생한다. 추적 합계 신호 및 추적 차이 신호는 타겟(104)을 추적하기 위해 모노펄스 기술에 따라 이용된다. 추적 커플러(702)는 수직 및 방위각 포인팅 오차에 대응하는 양자의 편파에서의 추적 차이 신호를 발생한다. 수신 커플러(802)는 양자의 편파에서 추적 합계 신호를 발생하며, 이에 따라 추적 컨트롤러(112)가 안테나 시스템(102)을 제어하여 타겟(104)을 2차원으로 추적하도록(즉, 방위각 및 수직 추적 오차 양자를 정정하도록) 할 수 있다.
수신 커플러(802)는 데이터 채널 신호를 포함하는 수신 신호를 수신 모드 신호로부터 발생한다(단계 1006).
추적 컨트롤러(112)는 아래에 더욱 상세하게 설명되는 추적 신호를 이용하는 모노펄스 기술을 기반으로 하는 안테나 시스템(102) 상에서의 추적 프로세스를 수행한다(단계 1008).
안테나 시스템(102)이 타겟(104)에 지향되면, 안테나 시스템은 타겟(104)에 신호를 전송할 수 있다. 이것은 안테나 시스템(102)이 타겟(104)과 정렬되지 않은 상태에서 전송하는 경우에는 인접한 위성들에게 커다란 간섭이 야기될 수 있기 때문에 강제적 사유(regulatory reason)로 요구될 수 있다. 안테나 시스템(102)은 피드 서브시스템(300)의 다른 부분을 통해 전송 서브시스템(302)으로부터 반사기 서브시스템(200)에 전송 주파수 대역(예컨대, 30㎓)의 신호(2개의 직교 편파에 있을 수 있는)를 전송한다. 반사기 서브시스템(200)은 전송 신호를 표시하는 라디에이션을 타겟(104)으로 향하게 한다(단계 1009). 통신 시스템(100)에서, 전송 신호는 위성 네트워크에 대한 명령 및 제어 신호와 같은 타겟(104)에 전송하기 위한 정보 또는 데이터를 표시할 수 있다.
모노펄스 추적 프로세스
원형 추적 커플러(702)의 실시예의 경우, 널 빔 신호는 도 10b에 도시된 바와 같이 제1 TE21 모드(1010)(제1 선형 또는 원형 편파에 대응하는) 및 도 10c에 도시된 바와 같이 제2 선형 또는 원형 편파에 대응하는 제2 TE21 모드(1012)에 있게 된다. 제1 TE21 모드(1010)와 제2 TE21 모드(1012)는 각각 도 7e와 도 7f에도 도시되어 있다.
추적 커플러의 제1 좌측 포트(406) 및 제1 우측 포트(408)는 도 10b에 도시된 바와 같이 제1 TE21 모드(1010)의 모드 패턴에서 최대/최소 포인트에 위치된다. 추적 커플러의 제2 좌측 포트(410) 및 제2 우측 포트(412)는 도 10c에 도시된 바와 같이 제2 TE21 모드(1012)의 모드 패턴에서 최소/최대 포인트에 위치된다.
제1 TE21 모드(1010)와 제2 TE21 모드(1012)가 직교하고, 직교 널 빔 패턴(124)으로부터 수신된 라디에이션에 대응할 때, 제1 포트쌍(406, 408)은 보어사이트(118)를 따라 정렬된 제1 평면에 대응하는 신호를 추출할 수 있고, 제2 포트쌍(410, 412)은 보어 사이트(118)를 따라 정렬된 제2 평면에 대응하는 신호를 추출할 수 있다. 제2 평면은 제1 평면에 직교한다(또는 직각을 이룬다).
포트쌍들이 직교 TE21 편파를 검지할 때, 추적 커플러(702)는 TE21 신호의 편파에 상관없이 제1 오정렬 평면(first misalignment plane) 및 제2 오정렬 평면에 대응하는 신호를 발생한다.
수평 입력 편파(예컨대, 방위각 방향으로 정렬된 TE21 편파)의 경우, 도 10d에 도시된 방향에 대해서는, 양의 방위각 방향으로의 이동(+A로서 표시된)은 수직 및 방위각 방향 양자에 대해 45도로 정렬되는 포트쌍(406, 408)에 연결된 E-평면 Y 정션(414)의 출력에서 대응하는(음의) 전압 신호(-Vaz)를 발생한다. 양의 수직 방향으로의 이동(+E로서 표시된)은 E-평면 Y 정션(414)의 출력에서 대응하는(양의) 전압 신호(Vel)를 발생한다. 다른 E-평면 Y 정션(414)은 방위각 방향에 정렬된 포트쌍(410, 412)에 연결된다.
수평 입력 편파의 경우, 도 10d에 도시된 바와 같이, 90도 하이브리드(416)의 출력은 하나의 포트에서는 Vel-jVaz 이고, 다른 하나의 포트에서는 jVel-Vaz 이며, 여기서 수학적 복소수 표기 "V1+jV2"는 서로에 대해 직교 위상 관계(quadrature)에 있는 전압 "V1 및 V2"를 표현한다.
수직 입력 편파(예컨대, 수직 방향으로 정렬된 TE21 편파)의 경우, 도 10e에 도시된 방향에 대해서는, 양의 방위각 방향으로의 이동(+A로서 표시된)은 방위각 방향으로 정렬되는 포트쌍(410, 412)에 연결된 E-평면 Y 정션(414)의 출력에서 대응하는(양의) 전압 신호(Vaz)를 발생한다. 양의 수직 방향으로의 이동(+E로서 표시된)은 수직 및 방위각 방향 양자에 대해 45도로 정렬되는 포트쌍(406, 408)에 연결된 E-평면 Y 정션(414)의 출력에서 대응하는(양의) 전압 신호(Vel)를 발생한다.
수직 입력 편파에 대해서는, 도 10e에 도시된 바와 같이, 90도 하이브리드(416)의 출력은 하나의 포트에서는 Vaz+jVel 이며, 다른 포트에서는 Vel+jVaz 이다.
90도 하이브리드(416)의 출력은 LNA에 의해 증폭되고, 추적 컨트롤러(112)에 공급된다. 수신기 포트(814)의 출력 또한 LNA를 이용하여 증폭되고, 추적 컨트롤러(112)에 공급된다. 추적 컨트롤러(112)에서, 추적 차이 신호는 추적 합계 신호를 이용하여 추적 차이 신호의 위상 및 세기 불균일에 대해 정규화되며, 차이 신호의 동상 및 직교 위상 성분은 수직 및 방위각 오정렬 오차를 표시하는 신호를 발생하기 위해 이용된다. 추적 차이 신호를 제공하는 추적 출력 신호는 포인팅 오차의 양을 결정하기 위해 이용될 수 있으며, 수신 출력 신호를 기반으로 하는 추적 합계 신호는 이 포인팅 오차의 방향을 결정하기 위해 요구된다(수신 신호의 위상에 대해 정정함으로써). 방위각 및 수직 오차는 복소수를 이용한 부호로 표시될 때에는 동상 직교 위상으로 출력된다.
선형으로 편파된 신호를 수신하기 위해, 추적 신호는 2개의 원형으로 편파된 신호로 분해된다. 추적 출력 신호를 발생하기 위해 이들 중의 단지 하나만이 이용된다. 선형으로 편파된 신호는 왼손 원형 편파 신호(left-hand circularly polarised signal)와 오른손 원형 편파 신호(right-hand circularly polarised signal)의 쌍에 의해 표현될 수 있다. 수신 서브시스템(500)(합계 채널을 제공하는)은 추적 서브시스템(400)(차이 채널을 제공하는)과 동일한 손의 편파를 수신하도록 설정될 수 있으며, 다른 손의 원형 편파는 버려지도록 될 수 있다.
추적 컨트롤러(112)는 폐루프 제어를 이용하여 어떠한 제로가 아닌 수직 및 방위각 오정렬 오차를 지속적으로 정정하도록 마운트(110)를 제어하기 위한 액티브 서보 시스템을 포함한다.
일례의 안테나 시스템(1100)
안테나 시스템(102)의 일례의 안테나 시스템(1100)이 도 11과 도 12a 내지 도 12e에 도시되어 있다.
일례의 주반사기(1102)의 직경은 약 480mm이며, 일례의 부반사기(1104)의 직경은 약 80mm이다. 일례의 부반사기(1104)는 4개의 서포트 스트럿츠(1106)에 의해 일례의 주반사기(1102) 위에 지지된다. 이 일례의 애퍼처 직경은 31㎓에서 50 파장 아래에 불과하며, 군사 표준 MIL-STD-188-164A의 사이드-로브 조건(side-lobe requirements)을 따를 수 있다.
일례의 안테나 시스템(1100)은 일례의 주반사기(1102)의 후면으로부터 약 135mm의 길이를 갖는 일례의 피드 서브시스템(1108)을 포함한다. 일례의 추적 커플러 및 코사인 스퀘어드 테이퍼의 길이는 약 60mm이다. 이것은 휴대 가능한 이동식(on-the-move) 안테나 시스템에 대해서는 실시 불가능한 정도로 큰 종래의 모노펄스 추적 시스템보다는 상당히 작을 것이다.
일례의 혼(1110)은 도 12f에 도시된 바와 같이 약 100mm의 길이를 가지며, 또한 폭이 좁은 끝부분에서의 10-mm 반경 애퍼처에서부터 폭이 넓은 끝부분에서의 30-mm 반경 애퍼처 쪽으로 점차적으로 넓어지는 내부 캐비티를 갖는다.
테이퍼(706)의 예는 약 16.6mm의 입력 직경, 약 10.0mm의 출력 직경, 및 약 25mm의 길이를 가질 수 있다.
8개의 일례의 TE11 모드 안내 릿지는 동등하게 이격되어 있으며, Ka 대역 작동을 위해 약 1mm의 폭과 1.25mm의 높이로 된다.
일례의 전송 포트(1112)에 대한 도파관 인터페이스는 UBR320 플랜지를 갖는 WR28로 수정된다. WR28 도파관은 TE10 차단 주파수를 대략 25㎓로 증가시킬 수 있으므로, 전송-수신 격리(transmit-to-receive isolation)를 향상시킨다. 일례의 수신 포트(1114) 및 일례의 추적 포트(1116)에 대한 도파관 인터페이스는 UBR220 플랜지를 갖는 WR42이다.
일례의 피드 서브시스템에서의 도파관 컴포넌트는 0.02mm의 공차로 알루미늄으로부터 가공되고, 크롬산염(chromate)으로 마무리된다. 일례의 셉텀 편파기는 요구된 공차의 치수를 제공하기 위해 방전 가공(EDM : Electrical Discharge Machining) 또는 "스파크 에로전(spark erosion)"을 이용하여 단일 조각의 알루미늄으로부터 가공된다.
전송-추적 신호 격리, 즉 LNA에서의 추적 차이 신호에 대한 전송 신호(예컨대, 약 30㎓에서의 TE11)의 비율은 약 -90dB 또는 그 미만으로 될 수 있다. 수신-추적 신호 격리, 즉 LNA에서의 추적 차이 신호에 대한 수신 신호(예컨대, 약 20㎓에서의 TE11)의 비율은 약 -36dB 또는 그 미만으로 될 수 있다.
축비(axial ratio)는 전송에 대해서는 약 1dB 및 수신에 대해서는 1.5dB보다 높게 될 수 있다.
응용 기기
안테나 시스템(102)은 종래의 모노펄스 추적 안테나 시스템보다 더욱 소형화될 수 있으며, 이것은 차량 내에서와 같은 이동식 응용 기기에 이로울 수 있다. 구체적으로, 반사기 서브시스템(200)의 직경 및 피드 서브시스템(300)의 축방향 길이는 종래의 모노펄스 추적 시스템보다 훨씬 작게 될 수 있다. 피드 서브시스템(300)의 컴포넌트는 서로가 상당히 많이 일체화되며, 이것은 안테나 시스템(102)의 소형 설계 및 추적 동안의 안테나 시스템(102)의 신속한 회전을 가능하게 할 수 있다.
안테나 시스템(102)의 모노펄스 추적 동작은 다른 추적 방법보다 넓은 풀-인 범위를 제공할 수 있다.
안테나 시스템(102)은 적어도 일부의 종래의 추적 시스템보다 더 넓게 분리된 전송 및 수신 신호로 작동할 수 있다. 안테나 시스템(102)의 실시예는 약 20㎓(예컨대 20.2 내지 21.2㎓)에서의 수신 대역 및 약 30㎓(예컨대, 30.0 내지 31.0㎓)에서의 전송 대역을 갖는 Ka 대역에서 작동할 수 있다.
안테나 시스템(102)의 포인팅의 고속 제어는 대형 선박 또는 비행기(이들이 더욱 저속으로 이동하고 있는 경우에도)보다 높은 주파수로 흔들리고 진동하는 소형 플랫폼(예컨대, 소형 보트 또는 육로 차량)에서와 같이 고속 이동 응용 기기에 적용 가능할 것이다.
높은 포인팅 정확도 및 넓은 풀-인 범위를 갖는 것은, 구축하는데 수 분의 시간을 소요할 수 있는(예컨대, 암호 키의 교환 등으로 인해) 예컨대 암호 통신(cryptographic communication)을 위해 상당한 기간의 시간 동안 링크(106)와 함께 통신 링크를 지속적으로 유지할 필요가 있을 때에 적용할 수 있다.
발명의 해석(
Interpretation
)
본 발명의 범위에서 벗어나지 않고서도 다수의 수정이 이루어질 수 있다는 것은 당업자에게는 명백할 것이다.
본 명세서에서의 어떠한 종래의 공개물(또는 그 공개물로부터 얻어지는 정보) 또는 공지되어 있는 어떠한 사항에 대한 언급은, 이러한 종래의 공개물(또는 그 공개물로부터 얻어지는 정보) 또는 공지된 사항이 본 명세서에 관련되는 분야에서의 공통적인 일반 지식의 일부를 형성한다는 것이 아니며, 또한 이러한 것으로서의 확인 또는 허용 또는 임의의 형태의 제안으로서 받아들여지지 않아야 한다.
관련 출원
본 출원은 호주 가특허 출원 번호 2010904941(BAE Systems Australia Limited를 출원인으로 하여 2010년 11월 8일자로 출원됨)에 관련되며, 상기 특허 출원의 전체 내용이 참조에 의해 본 명세서에 원용되어 있다.
100 : 통신 시스템 102 : 안테나 시스템
104 : 타겟 106 : 링크
108 : 플랫폼 110 : 마운트
112 : 추적 컨트롤러 114 : 레이돔
116 : 통신 처리 시스템 118 : 보어사이트
120 : 안테나 패턴 122 : 메인 빔 패턴
124 : 널 빔 패턴 200 : 반사기 서브시스템
202 : 주반사기 204 : 부반사기
206 : 서포트 300 : 피드 서브시스템
300B : 스퀘어 피드 서브시스템 300C : 수신 전용 피드 서브시스템
300D : 다른 수신 전용 피드 서브시스템
302 : 전송 서브시스템 304 : 제1 전송 포트
306 : 제2 전송 포트 308 : 매칭된 로드 터미네이션
310 : 스퀘어 수신부 311 : 스퀘어 전송부
312 : 스퀘어 전송 OMT 314 : 수직 편파부
316 : 위상 보상기 318 : 수평 편파부
320 : 3-dB 하이브리드 322 : 수신 포트
324 : 전송 포트 326 : 3-dB 하이브리드
328 : 위상 보상기 330 : 단일 대역 혼
332 : 셉텀 편파기 334 : 편파기
336 : 수신 OMT 400 : 추적 서브시스템
402 : 추적 포트단 404 : 입력 포트
406 : 제1 좌측 포트 408 : 제1 우측 포트
410 : 제2 좌측 포트 412 : 제2 우측 포트
414 : E-평면 Y 정션 416 : 90도 하이브리드
417 : 추적 출력 포트 418 : 제1 차이 포트
420 : 저잡음 증폭기(LNA) 422 : 제2 차이 포트
500 : 수신 서브시스템 502 : 수신 포트단
504 : H-평면 Y 정션 506 : 90도 하이브리드
508 : 제1 수신 포트 510 : 제2 수신 포트
512 : LNA 600 : 혼
602 : 혼 입력 포트 702 : 추적 커플러
704 : 추적 합성기 네트워크 706 : 테이퍼
708 : 필터-프리 합성기 네트워크
710 : 전송-거부 필터 714 : 브랜치 가이드 커플러
716 : 위상 보상기 720 : 모드 가이드 릿지
722 : 트랜스포머 724 : 주몸체부
750 : TE11 수평 모드 752 : TE11 수직 모드
754 : TM01 모드 802 : 수신 커플러
804 : 수신 합성기 네트워크 806 : 수신 입력 포트
808 : 전송-거부 필터 812 : 브랜치 가이드 커플러
814 : 수신기 출력 포트 902 : 원형-정사각형 트랜스포머
904 : 셉텀 편파기 906 : 계단형 금속 셉텀
1000 : 작동 프로세스 1010 : 제1 TE21 모드
1012 : 제2 TE21 모드 1100 : 일례의 안테나 시스템
1102 : 일례의 주반사기 1104 : 일례의 부반사기
1106 : 서포트 스트럿츠 1108 : 일례의 피드 서브시스템
1110 : 일례의 혼 1112 : 일례의 전송 포트
1114 : 일례의 수신 포트 1116 : 일례의 추적 포트
104 : 타겟 106 : 링크
108 : 플랫폼 110 : 마운트
112 : 추적 컨트롤러 114 : 레이돔
116 : 통신 처리 시스템 118 : 보어사이트
120 : 안테나 패턴 122 : 메인 빔 패턴
124 : 널 빔 패턴 200 : 반사기 서브시스템
202 : 주반사기 204 : 부반사기
206 : 서포트 300 : 피드 서브시스템
300B : 스퀘어 피드 서브시스템 300C : 수신 전용 피드 서브시스템
300D : 다른 수신 전용 피드 서브시스템
302 : 전송 서브시스템 304 : 제1 전송 포트
306 : 제2 전송 포트 308 : 매칭된 로드 터미네이션
310 : 스퀘어 수신부 311 : 스퀘어 전송부
312 : 스퀘어 전송 OMT 314 : 수직 편파부
316 : 위상 보상기 318 : 수평 편파부
320 : 3-dB 하이브리드 322 : 수신 포트
324 : 전송 포트 326 : 3-dB 하이브리드
328 : 위상 보상기 330 : 단일 대역 혼
332 : 셉텀 편파기 334 : 편파기
336 : 수신 OMT 400 : 추적 서브시스템
402 : 추적 포트단 404 : 입력 포트
406 : 제1 좌측 포트 408 : 제1 우측 포트
410 : 제2 좌측 포트 412 : 제2 우측 포트
414 : E-평면 Y 정션 416 : 90도 하이브리드
417 : 추적 출력 포트 418 : 제1 차이 포트
420 : 저잡음 증폭기(LNA) 422 : 제2 차이 포트
500 : 수신 서브시스템 502 : 수신 포트단
504 : H-평면 Y 정션 506 : 90도 하이브리드
508 : 제1 수신 포트 510 : 제2 수신 포트
512 : LNA 600 : 혼
602 : 혼 입력 포트 702 : 추적 커플러
704 : 추적 합성기 네트워크 706 : 테이퍼
708 : 필터-프리 합성기 네트워크
710 : 전송-거부 필터 714 : 브랜치 가이드 커플러
716 : 위상 보상기 720 : 모드 가이드 릿지
722 : 트랜스포머 724 : 주몸체부
750 : TE11 수평 모드 752 : TE11 수직 모드
754 : TM01 모드 802 : 수신 커플러
804 : 수신 합성기 네트워크 806 : 수신 입력 포트
808 : 전송-거부 필터 812 : 브랜치 가이드 커플러
814 : 수신기 출력 포트 902 : 원형-정사각형 트랜스포머
904 : 셉텀 편파기 906 : 계단형 금속 셉텀
1000 : 작동 프로세스 1010 : 제1 TE21 모드
1012 : 제2 TE21 모드 1100 : 일례의 안테나 시스템
1102 : 일례의 주반사기 1104 : 일례의 부반사기
1106 : 서포트 스트럿츠 1108 : 일례의 피드 서브시스템
1110 : 일례의 혼 1112 : 일례의 전송 포트
1114 : 일례의 수신 포트 1116 : 일례의 추적 포트
Claims (22)
- 안테나 시스템에 있어서,
타겟으로부터, 2개의 직교 편파(orthogonal polarisation)로, 추적 모드 신호를 수신하도록 구성된 입력 포트;
상기 입력 포트로부터 상기 추적 모드 신호를 수신하도록 구성되며,
상기 직교 편파 중의 제1 직교 편파에서의 상기 추적 모드 신호로부터 추적 신호를 추출하도록 구성된 제1 쌍의 대향 슬롯 커플러와,
상기 직교 편파 중의 제2 직교 편파에서의 상기 추적 모드 신호로부터 추적 신호를 추출하도록 구성된 제2 쌍의 대향 슬롯 커플러
를 포함하는 추적 커플러; 및
상기 타겟을 추적하도록 상기 안테나 시스템을 제어하기 위해 이용하기 위한 추적 출력 신호를 발생하기 위해, 상기 대향 슬롯 커플러의 쌍들로부터 추출된 추적 신호를 합성하도록 구성된 추적 합성기 네트워크(tracking combiner network)
를 포함하는 안테나 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 추적 커플러에 결합되며, 추적 모드 신호 또는 수신 모드 신호보다 높은 주파수에서 고차 도파관 모드 신호(higher-order waveguide mode signal)를 발생하지 않고, 상기 추적 모드 신호를 반사하고, 상기 타겟으로부터의 수신 모드 신호를 통과시키도록 구성되는 코사인 스퀘어드 테이퍼(cosine-squared taper)를 더 포함하는, 안테나 시스템. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 슬롯 커플러에 결합되며, 각각의 쌍에서의 상기 슬롯 커플러로부터 추출된 추적 신호를 합성하고, 상기 타겟으로부터의 수신 모드 신호를 반대로 상기 추적 커플러에 반사하도록 구성되는 하이브리드 합성기(hybrid combiner)를 더 포함하는, 안테나 시스템. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 타겟으로부터의 수신 모드 신호를 상기 추적 커플러를 통해 커플링하도록 구성된, 상기 추적 커플러의 릿지형 도파관(ridged waveguide)을 더 포함하며, 상기 릿지형 도파관은 상기 추적 커플러를 따라 전반적으로 동등하게 이격된 8개의 기다란 릿지를 포함하는, 안테나 시스템. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
각각의 상기 슬롯 커플러는 상기 추적 커플러를 따라 길이 방향으로 정렬된 단일 슬롯을 포함하는, 안테나 시스템. - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 쌍의 슬롯 커플러는 상기 제2 쌍의 슬롯 커플러로부터 상기 추적 커플러의 중심축의 주위에서 약 45도만큼 회전되는, 안테나 시스템. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 쌍의 슬롯 커플러는 상기 추적 커플러의 중심축을 따라 상기 제2 쌍의 슬롯 커플러로부터 상기 추적 모드 신호의 파장의 약 절반의 길이만큼 어긋나는, 안테나 시스템. - 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 타겟으로부터의 신호를 수신하고 포커스하도록 구성된 반사기; 및
상기 반사기로부터 상기 입력 포트까지, 메인 빔 패턴으로부터의 파워를 상기 타겟으로부터의 수신 모드 신호 내로 안내하고, 2개의 널 빔 패턴(null beam pattern)으로부터의 파워를 2개의 직교 편파 내로 안내하도록 구성된 혼(horn)
을 더 포함하며,
상기 반사기는, 주반사기와, 상기 주반사기의 반경에 의해 정해진 호(arc) 내에 탑재되는 부반사기를 포함하며,
상기 혼은 상기 주반사기에 탑재되며, 주름이 형성된 내부 표면을 갖는 원뿔대 보어를 포함하는,
안테나 시스템. - 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 타겟으로부터의 수신 모드 신호로부터 수신 신호를 추출하도록 구성된 수신 커플러; 및
상기 타겟을 추적하도록 상기 안테나 시스템을 제어하는데 이용하기 위한 추적 합계 신호를 표시하는 수신 출력 신호를 발생하기 위해, 추출된 상기 수신 신호를 합성하도록 구성된 수신 합성기
를 더 포함하며,
상기 추적 합계 신호는 상기 안테나 시스템의 포인팅 방향과 상기 타겟 쪽으로의 방향 간의 각도 포인팅 오차를 표현하는 오차 신호를 발생하기 위해 상기 추적 출력 신호와 함께 이용되는,
안테나 시스템. - 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 추적 커플러에 결합된 전송 서브시스템을 더 포함하며,
상기 전송 서브시스템은 상기 타겟에 보내기 위한 전송 신호를 발생하도록 구성되고,
상기 전송 서브시스템은 원형으로 편파된 전송 신호를 발생하도록 구성된 셉텀 편파기(septum polariser)를 포함하며,
상기 추적 커플러는 상기 전송 서브시스템으로부터의 전송 신호를 상기 입력 포트에 통과시키도록 구성되며,
상기 추적 커플러 및/또는 상기 추적 합성기 네트워크는 상기 추적 합성기 네트워크로부터의 전송 신호를 거부하도록 구성된 전송-거부 필터를 포함하며,
상기 전송-거부 필터는 상기 추적 합성기 네트워크의 아암(arm)에 형성된 저역 통과 필터이며,
상기 전송 신호는 TE11 모드에 있으며,
상기 전송 신호는 약 30㎓의 주파수를 포함하는 Ka 대역에서의 마이크로파 주파수 신호인,
안테나 시스템. - 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 타겟으로부터의 수신 모드 신호는 기본 모드에 있고, 상기 추적 모드 신호는 2개의 직교 고차 모드(orthogonal higher-order mode)에 있으며,
상기 추적 커플러는 원형의 메인 도파관을 포함하며,
상기 기본 모드는 TE11 모드이고, 상기 고차 모드는 TE21 모드이며,
상기 추적 커플러는 TM01 모드에 커플링하지 않도록 구성되는,
안테나 시스템. - 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 타겟으로부터의 상기 추적 모드 신호 및 상기 수신 모드 신호는 약 20㎓의 주파수를 포함하는 Ka 대역에 있는 마이크로파 주파수 신호인, 안테나 시스템. - 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 타겟으로부터의 상기 추적 모드 신호 및 상기 수신 모드 신호는 선형으로 편파되거나 및/또는 원형으로 편파되는, 안테나 시스템. - 안테나 시스템에 있어서,
타겟으로부터 추적 모드 신호를 수신하도록 구성된 입력 포트;
수신된 상기 추적 모드 신호로부터 추적 신호를 추출하도록 구성된 추적 커플러;
상기 타겟을 추적하도록 상기 안테나 시스템을 제어하는데 이용하기 위한 추적 출력 신호를 발생하기 위해, 추출된 추적 신호를 합성하도록 구성된 추적 합성기 네트워크;
상기 타겟에 보내기 위한 전송 신호를 발생하도록 구성된 전송 서브시스템; 및
상기 추적 합성기 네트워크로부터의 전송 신호를 거부하도록 구성된 전송-거부 필터
를 포함하는 안테나 시스템. - 안테나 시스템에 있어서,
타겟으로부터 수신된 수신 모드 신호로부터 수신 신호를 추출하도록 구성된 슬롯 커플러를 포함하는 수신 커플러;
추출된 수신 신호를 합성하여 수신된 신호를 발생하도록 구성된 수신 합성기 네트워크;
상기 타겟에 보내기 위한 전송 신호를 발생하도록 구성된 전송 서브시스템; 및
상기 수신 합성기 네트워크로부터의 전송 신호를 거부하도록 구성된 전송-거부 필터
를 포함하는 안테나 시스템. - 제14항 또는 제15항에 있어서,
수신된 신호 및 상기 전송 신호는 Ka 대역에 있는 마이크로파 주파수 신호이며, 상기 수신된 신호는 약 20㎓의 주파수를 포함하며, 상기 전송 신호는 약 30㎓의 주파수를 포함하는, 안테나 시스템. - 안테나 시스템용 추적 커플러에 있어서,
타겟을 추적하도록 안테나 시스템을 제어하는데 이용하기 위해, 상기 안테나 시스템에 의해 수신된 직교 고차 모드로부터 추적 신호를 추출하도록 구성된 2개 이상의 직교 슬롯 커플러; 및
수신 신호를 발생하는데 이용하기 위해, 상기 추적 커플러를 통해 상기 안테나 시스템에 의해 수신된 기본 모드를 커플링하도록 구성된 기다란 릿지
를 포함하는 안테나 시스템용 추적 커플러. - 제17항에 있어서,
동등하게 원주 방향으로 이격된 8개의 릿지를 더 포함하는, 안테나 시스템용 추적 커플러. - 안테나 시스템을 이용하여 타겟을 추적하는 방법에 있어서,
안테나 시스템을 이용하여, 타겟으로부터, 2개의 직교 편파로, 추적 모드 신호를 수신하는 단계;
제1 쌍의 대향 슬롯 커플러를 이용하여 상기 직교 편파 중의 제1 직교 편파에서의 상기 추적 모드 신호로부터 추적 신호를 추출하는 단계;
제2 쌍의 대향 슬롯 커플러를 이용하여 상기 직교 편파 중의 제2 직교 편파에서의 상기 추적 모드 신호로부터 추적 신호를 추출하는 단계; 및
상기 타겟을 추적하도록 상기 안테나 시스템을 제어하는데 이용하기 위한 추적 출력 신호를 발생하기 위해 상기 직교 편파 둘 다로부터 추출된 추적 신호를 합성하는 단계
를 포함하는 안테나 시스템을 이용하여 타겟을 추적하는 방법. - 제19항에 있어서,
코사인 스퀘어드 테이퍼를 이용하여 상이한 주파수에서 고차 도파관 모드 신호를 발생하지 않고 상기 추적 모드 신호를 반사하고 상기 타겟으로부터의 수신 모드 신호를 통과시키는 단계를 더 포함하는, 안테나 시스템을 이용하여 타겟을 추적하는 방법. - 제19항 또는 제20항에 있어서,
하이브리드 합성기를 이용하여, 각각의 쌍에서의 상기 슬롯 커플러로부터 추출된 추적 신호를 합성하고, 상기 타겟으로부터의 수신 모드 신호를 역으로 추적 커플러 내로 반사하는 단계를 더 포함하는, 안테나 시스템을 이용하여 타겟을 추적하는 방법. - 제19항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
릿지형 도파관을 이용하여 상기 슬롯 커플러를 통과한 상기 타겟으로부터의 수신 모드 신호를 커플링하는 단계를 더 포함하는, 안테나 시스템을 이용하여 타겟을 추적하는 방법.
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