KR20180006294A - 컨포멀 안테나를 동작시키기 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

컨포멀 위상 어레이 안테나의 동작을 관리하기 위한 방법 및 시스템이 제공된다. 상기 방법은, 동작될 안테나에 대한 구조적 데이터를 제공하는 단계 - 상기 구조적 데이터는 위상 어레이의 N개의 안테나 요소의 배열에 의해 정의되는 곡면형 복사 표면의 지오메트리를 나타내는 데이터 및 N개의 안테나 요소의 배열을 나타내는 데이터를 포함함 - , 안테나 동작의 선택된 방향을 나타내는 입력 데이터를 이용하고 안테나에 대한 구조적 데이터를 처리하는 단계 - 상기 처리하는 단계는 선택된 방향에 대한 안테나의 희망 복사 패턴을 정의하는 안테나 요소 각각에 대해 동작 데이터를 결정하는 단계를 포함하고 상기 동작 데이터는 각각의 안테나 요소에 대한 복사의 진폭, 위상 및 편광을 포함함 - 를 포함한다.

Description

컨포멀 안테나를 동작시키기 위한 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR OPERATING CONFORMAL ANTENNA}
본 발명은 컨포멀 안테나 분야이며, 컨포멀 안테나를 동작시키기 위한 시스템 및 방법과 관련된다.
컨포멀 안테나(conformal antenna)는 안테나가 장착되는 특정 형태의 표면, 일반적으로 곡선형 표면을 따르도록 설계된다. 컨포멀 안테나가 항공기(민간용 또는 군용), 선박, 육상 탈 것에서 사용되고, 예를 들면, 열차 안테나, 자동차 라디오 안테나, 및 셀룰러 기지국 안테나가 있다. 이러한 장치에서의 컨포멀 안테나의 사용이 공간을 절약하고 또한 안테나를 기존 물체에 일체화시킴으로써 안테나가 눈에 덜 거슬리게 만들 수 있다.
일반적으로 컨포멀 안테나는 안테나 요소의 위상 어레이를 이용하고, 여기서 각각의 안테나 요소는 제어되는 위상 편이기(위상 편이기)에 의해 구동되어, 안테나의 복사 패턴의 지향성을 제공할 수 있다. 따라서 안테나는 규정된 방향으로(특정 타깃 구역으로) 복사를 대부분 전송할 수 있고, 다른 방향으로부터 간섭 신호를 거절하면서 특정 타깃으로부터의 신호에 감응할 수 있다. 컨포멀 안테나에서, 안테나 요소가 곡면 상에 장착되며, 따라서 곡면 상의 개별 안테나 요소의 위치로 인한 복사 파의 가변 경로 길이에 의해 위상 편이기(phase shifter)가 서로 다른 위상 편이치를 보상하도록 동작한다.
특정 공간 방향으로 희망 안테나 복사 패턴을 제공하도록 컨포멀 위상 어레이 안테나의 동작을 제어하기 위한 신규한 방식에 대한 필요성이 존재한다. 본 발명은 안테나 성능을 개선하기 위해 안테나에 대한 구조적 데이터를 고려하는 안테나 동작에 대한 방법 및 시스템을 제공한다. 컨포멀 안테나의 구조적 데이터는 이 안테나가 따를 표면의 지오메트리(형태), 및 위상 어레이의 복사 요소(안테나 요소)의 배열에 의해 정의된다. 이러한 표면의 형태는 일반적으로 전자기가 아닌 다른 고려사항, 가령, 공기역학적 또는 유체역학적 고려사항에 의해 결정된다.
본 발명에 따르면, 안테나 및 선택된 복사 방향에 대한 구조적 데이터가 분석되어 컨포멀 안테나 내 각각의 안테나 요소에 대한 동작 데이터, 즉, 각각의 안테나 요소에 대한 복사의 진폭, 위상 및 편광을 결정할 수 있다. 안테나에 대한 구조적 데이터가 위상 어레이의 N개의 안테나 요소의 배열에 의해 정의된 곡면 복사 표면의 지오메트리를 나타내는 데이터 및 N개의 안테나 요소의 이 배열을 나타내는 데이터를 포함한다.
구조적 데이터를 분석/처리하는 단계는, 안테나 동작의 각각의 선택된 방향에 대해, N개의 요소 중 안테나의 희망 복사 패턴을 제공하도록 (동작 데이터에 의해) 동작될 M개의 요소의 세트(M≤N)를 결정하는 단계를 포함한다. 이들은 선택된 방향으로의(가령, 선택된 방향에 대한 조준방향에 따르는) 충분한 이득을 제공하는 요소이다.
그 후, 선택된 방향에 대해, 특정 빔 형성 데이터가 결정된다. 빔 형성 데이터는 희망 복사 패턴에 대응하는 위상 패턴 및 편광 패턴을 적어도 포함하고, 선택된 M개의 안테나 요소에 대한 동작 위상 및 편광에 의해 정의된다. 바람직하게는, 빔 형성 데이터는 M개의 요소에 대한 강도 값을 포함하는 강도 패턴 데이터를 더 포함한다.
안테나 요소의 동작 편광이 각각의 안테나 요소의 복사의 편광 상태를 나타낸다. 동작 편광은 안테나 요소 복사의 2개의 직교하는 편광 간 비에 의해, 이 비의 변화가 안테나 요소의 편광 상태의 변화를 제공하도록 정의될 수 있다. 안테나 요소 내 2개의 직교하는 편광 간 비가, 안테나 요소의 조준 방향에 대한 선택된 안테나 복사 방향의 상대적 배향을 기초로 결정된다.
안테나 요소의 동작 위상은 곡면 복사 표면 상의 각자의 안테나 요소와 가상 평면 간 거리에 의해 정의되며, 상기 가상 평면은 지정 파장의 복사에 대한 선택된 안테나 복사 방향에 수직인 평면이다. 안테나 요소의 동작 진폭이 또한, 곡면 상의 각자의 요소와 상기 선택된 안테나 복사 방향에 수직인 가상 평면 간 거리에 따라 결정될 수 있다. 실제로, 컨포멀 안테나는 3D 구조이며, 따라서 이러한 가상 평면으로부터 이격된 위상 및 크기가 특정 공간 방향으로의 희망 안테나 빔(지향된 복사 패턴)을 형성하도록 교정될 수 있다.
본 발명의 방법에 따르면, 각각의 안테나 요소에 대한 동작 데이터는 입력 방향 데이터의 변형(즉, 복사 방향의 조향)에 따라 제어 가능하게 수정될 수 있다.
따라서 본 발명의 하나의 넓은 양태에 따르면, 컨포멀 위상 어레이 안테나의 동작을 관리하기 위한 방법이 제공된다. 상기 방법은 다음을 포함한다:
동작될 안테나에 대한 구조적 데이터를 제공하는 단계 - 상기 구조적 데이터는 위상 어레이의 N개의 안테나 요소의 배열에 의해 정의된 복사 표면의 지오메트리를 나타내는 데이터 및 N개의 안테나 요소의 상기 배열을 나타내는 데이터를 포함함 - ,
안테나 동작의 선택된 방향을 나타내는 입력 데이터를 이용하고 상기 안테나에 대한 구조적 데이터를 처리하는 단계 - 상기 처리하는 단계는 상기 선택된 방향에 대한 안테나의 희망 복사 패턴을 정의하는 안테나 요소 각각에 대한 동작 데이터를 결정하는 단계를 포함하며, 상기 동작 데이터는 각각의 안테나 요소에 대한 진폭, 위상 및 편광을 포함함 - .
구조적 데이터는, 예를 들어, 곡면 상의 각각의 안테나 요소의 위치 및 (가령, 상기 위치에서 곡면에 수직인) 각각의 안테나 요소의 조준 방향을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 컨포멀 위상 어레이 안테나의 동작을 관리하기 위한 컴퓨터화된 시스템을 제공하며, 상기 시스템은:
동작될 특정 안테나에 대한 구조적 데이터를 저장하기 위한 메모리 유틸리티 - 상기 구조적 데이터는 상기 안테나의 곡면형 복사 표면의 지오메트리를 나타내는 데이터 및 위상 어레이 내 N개의 안테나 요소의 배열을 나타내는 데이터를 포함함 - ,
안테나 동작의 선택된 방향을 나타내는 입력 데이터를 수신하기 위한 데이터 입력 유틸리티, 및
안테나에 대한 구조적 데이터를 처리하고, 안테나 요소 각각에 대한 동작 데이터를 생성하여 상기 선택된 방향에 대해 안테나의 희망 복사 패턴을 획득하도록 구성된 데이터 프로세서 및 분석기 유틸리티 - 상기 동작 데이터는 각각의 안테나 요소에 대한 복사의 진폭, 위상 및 편광을 포함함 - .
데이터 프로세서 및 분석기 유틸리티는 방향 제어기 모듈 및 빔 형성 모듈을 포함할 수 있다. 상기 방향 제어기 모듈은 안테나 동작의 선택된 방향에 대한 입력 데이터를 이용하고, 각각의 선택된 방향에 대해, N개의 안테나 요소 중, 안테나의 희망 복사 패턴에 대한 동작 데이터에 의해 동작될 M개의 안테나 요소의 세트를 결정하도록 구성 및 동작한다. 빔 형성 모듈은, 각각의 선택된 방향에 대해, 희망 복사 패턴에 대응하는 위상 패턴 및 편광 패턴을 포함하는 빔 형성 데이터를 적어도 결정하도록 구성 및 동작 가능하며, 상기 위상 및 편광 패턴은, 각각 M개의 요소에 대해 동작 위상 및 편광을 포함한다.
빔 형성 모듈은 앞서 기재된 바와 같이, 상기 곡면 상의 각자의 안테나 요소와 선택된 방향에 수직인 평면인 가상 평면 간 거리를 기초로 각자의 안테나 요소의 위상 및 편광 패턴을 적어도 결정하도록 구성 및 동작될 수 있다. 바람직하게는, 빔 형성 모듈은 M개의 요소에 대한 진폭 값, 상기 곡면 상의 각자의 안테나 요소와 상기 가상 평면 간 거리를 기초로 결정되는 각자의 안테나 요소의 진폭 값을 각각 포함하는 진폭 패턴 데이터를 결정하도록 더 구성 및 동작 가능하다.
시스템은 빔 형성 모듈에 연결 가능하고 안테나 요소의 위상 및 편광을 적어도 조절하고, 또한 입력 방향 데이터의 변화에 따라 각각의 안테나 요소에 대해 동작 데이터를 수정하기 위한 동작 데이터를 이용하도록 동작하는 제어 유틸리티를 더 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시된 사항들을 더 잘 이해하고 이들이 실제로 수행될 수 있는 방식의 예시를 들기 위해, 실시예가, 비제한적 방식으로, 도면을 참조하여 기재될 것이다.
도 1a는 컨포멀 위상 어레이 안테나의 동작을 관리/제어하기 위한 본 발명의 컴퓨터화된 시스템의 구성 및 동작의 예시를 드는 블록도이다.
도 1b는 컨포멀 위상 어레이 안테나의 동작을 제어하기 위한 봉 발명의 방법의 예시를 드는 흐름도이다.
도 2a 내지 2c는 컨포멀 위상 어레이 안테나에서 복사 유닛의 예시를 개략적으로 도시한다.
도 3a 내지 3c는 컨포멀 위상 어레이 안테나의 안테나 요소의 좌표의 결정을 개략적으로 도시한다.
도 4는 복사 유닛의 원통형 표면 상의 안테나 요소의 배열의 예시를 더 특정하게 도시한다.
도 5는 요소 복사 방향과 희망 안테나 복사 간 각도의 계산에서 사용되는 구면 안테나의 다이어그램이다.
도 6은 희망 안테나 빔을 생성하기 위해 컨포멀 위상 어레이 안테나에 대한 위상 및 크기 교정의 계산 원리를 기술하는 다이어그램을 예시로 보여준다.
도 7a 및 7b는 가상 안테나 평면에서 가상 복사 요소들 간 동일한 간격 및 동일하지 않은 간격에 대한 2개의 계산 예시를 더 특정하게 도시한다.
도 8은 N개의 복사 요소와 특정 안테나 복사 방향에 대해 선택된 M개의 복사 요소에 의해 형성된 활성 섹터를 갖는 안테나의 원통형 복사 표면의 예시를 도시한다.
도 9는 각각의 요소에 대해 2개의 직교하는 편광 성분들 간 지정 비를 제공함으로써, 편광 교정에 대해 고려될 선택된 활성 섹터의 10개의 안테나 요소의 어레이/매트릭스의 예시를 개략적으로 도시한다.
도 10a 및 10b는 편광 교정의 계산에서 고려될 안테나 요소의 2개의 요소를 도시한다.
컨포멀 위상 어레이 안테나(12)의 동작을 관리하도록 구성 및 동작하는 본 발명의 시스템(10)을 블록도로서 도시하는 도 1a를 참조할 수 있다. 컨포멀 위상 어레이 안테나의 구성 자체는 잘 알려져 있으며 본 발명의 일부가 아님으로, 컨포멀 안테나가 특정 표면, 일반적으로 평면이 아닌(곡면) 표면에 순응하도록 설계되는 것을 제외하고, 특정하게 기재될 필요가 없다.
일반적으로, 안테나 구조는 메인 기능 부분, 가령, 복사 유닛(12A), 시그널링 유닛(12B), 및 급전 회로(12C)를 가진다. 복사 유닛(12A)은 N개의 안테나 요소(복사 요소)의 위상 어레이의 배열을 포함하고, 시그널링 유닛(12B)은 각각 안테나 요소의 어레이를 동작시키는 전자 회로(수신기/송신기)의 대응하는 어레이를 가져 (수신 모드 및 송신 모드에서) 안테나의 희망 복사 패턴을 제공할 수 있다.
본 발명의 관리 시스템(10)은 안테나의 시그널링 유닛(12B)과 연관된 컴퓨터화된 시스템이다. 상기 시스템(10)은 (유선 또는 무선 신호 전송을 통해) 시그널링 유닛(12B)에 포함되거나 연결될 수 있다. 상기 시스템(10)은 각각의 안테나 요소에 대해 (각자의 전자 회로를 통해) 동작 데이터(OD)를 제공하도록 구성 및 동작되어, 안테나 복사의 특정(선택된) 방향에 대해 안테나의 희망 복사 패턴을 획득할 수 있다.
시스템(10)은 이러한 메인 구조적 및 기능적 부분(소프트웨어/하드웨어 유틸리티)을 데이터 입력 및 출력 유틸리티(14 및 16), 메모리(18), 및 데이터 프로세서 및 분석기(20)로서 포함한다. 동작될 안테나(12)의 특정 복사 유닛(12A)에 대한 구조적 데이터(SD)가 제공되고(가령, 사용자에 의해 입력되고) 메모리(18)에 저장된다. 이러한 구조적 데이터(SD)는 복사 유닛(12A)의 곡면형 복사 표면의 지오메트리를 나타내는 기하학적 데이터(GD) 및 복사 표면 상에 분포되는 위상-어레이 내 N개의 복사 요소의 특정 배열을 나타내는 데이터를 포함한다.
앞서 지시된 바와 같이, 기하학적 데이터(GD)가 복사 유닛이 순응되는 표면의 지오메트리(형태 및 크기)에 의해 결정된다. 복사 요소의 개수 및 위상 어레이에서의 이들의 배열에 대해, 이들은 일반적으로 복사 패턴의 주파수의 요건 및 이득 요건을 충족시키도록 선택되는 것이 일반적이다. 일반적으로 위상 어레이 안테나를 구성하는 데 고려되는 요인들 자체는 잘 알려져 있으며 본 발명의 대상이 아니므로, 다음의 사항을 제외하고 상세히 설명되지 않는다. 일반적으로 안테나 어레이(가령, 평면 안테나 어레이)에 대해, 어레이의 안테나 요소가 배열되는 세그먼트의 길이가 클수록, 빔이 더 좁아지고(빔 폭이 작아지고), 획득될 수 있는 이득이 커진다, 즉, 복사 패턴의 지향성이 우수해진다. 다른 한편으로, 위상 어레이 내 인접 안테나 요소들 간 거리가 안테나 어레이의 동작 주파수 및 사이드로브(sidelobe)의 원하는 감소/억제에 의해 지시된다. 이러한 거리에 대한 실제 상한은 λ/2이다.
따라서 특정 복사 유닛에 대한 구조적 데이터가 지정 설정 데이터(가령, 시스템으로의 사용자 입력)이다. 이 데이터는 메모리(가령, 통신 네트워크를 통해 액세스될 수 있는 시스템의 내부 메모리 또는 외부 저장 장치임)에 미리 저장될 수 있다.
또한 시스템으로의 입력이 지향성 데이터(directional data)(DD), 즉, 안테나 동작의 선택된 복사 방향을 나타내는 데이터이다. 이 데이터는, 복사 방향이 예를 들어 조향 목적에 따라 달라질 수 있기 때문에, 동적 데이터일 수 있다. 따라서 특정 안테나 어레이의 요소에 대한 동작 데이터가 복사 방향의 변화에 따라 달라진다.
데이터 프로세서 및 분석기 유틸리티(20)가 입력 방향 데이터(DD)를 이용하고 복사 유닛(12A)에 대한 구조적 데이터(SD)를 처리하며, (이하에서 더 기재될 바와 같이) 안테나 요소 중 적어도 일부에 대해 동자 데이터를 생성함으로써, 선택된 방향에 대해 안테나의 원하는 복사 패턴을 획득하도록 사전프로그램(설정)된다. 따라서 데이터 프로세서 및 분석기 유틸리티(20)에 의해 생성되는 출력 데이터가, 각각의 안테나 요소에 대해, 복사의 진폭, 위상 및 편광 등의 파라미터를 포함한다.
도 1a에서 더 예시로 든 바와 같이, 데이터 프로세서 및 분석기 유틸리티(20)가 방향 제어기 모듈(22) 및 빔 형성 모듈(24)을 포함한다. 방향 제어기 모듈(22)은 입력 방향 데이터(DD)를 이용하고 N개의 요소 중 동작 데이터에 의해 원하는 복사 패턴을 제공하기 위해 동작될 M개의 요소의 세트(가령, 서브-배열)(M≤N)를 결정하도록 구성된다. M개 요소의 이러한 서브-배열이 실제로 어레이의 활성 섹터를 제공한다. 이는 이하에서 더 특정하게 기재될 것이다.
빔 형성 모듈(24)은 각각의 선택된 안테나 복사 방향에 대해, 즉, 어레이의 선택된 활성 섹터를 정의하는 선택된 M개의 안테나 요소에 대해, 빔 형성 데이터(BFD)를 결정하도록 구성된다. 빔 형성 데이터(BFD)는 안테나의 원하는 복사 패턴에 대응하는 위상 패턴(Pph) 및 편광 패턴(Ppol)(및 강도/진폭 패턴(Pampl))을 포함한다. 위상 패턴(Pph)이 M개의 안테나 요소의 동작 위상 Pph(P(1) ph; … P(m) ph)에 의해 정의되고(상기 동작 위상의 함수이다), 편광 패턴(Ppol)은 M개의 안테나 요소의 동작 편광 Ppol(P(1) pol; … P(m) pol)에 의해 정의된다(상기 동작 편광의 함수이다). 또한 이하에서 구체적으로 더 설명될 바와 같이, 각자의 안테나 요소의 동작 편광이 안테나 요소 복사의 2개의 직교 편광들 간 비에 의해 결정된다.
따라서 빔 형성 모듈(24)은 위상 분석기(24A) 및 편광 분석기(24B)를 포함하고, 진폭 분석기(24C)를 더 포함할 가능성이 있다. 이하에서 더 특정하게 기재될 바와 같이, 안테나 요소의 동작 위상 및 진폭이 복사 유닛(12A)의 물리 복사 표면(비-평면)과 선택된 안테나 복사 방향에 수직인 가상 평면 상의 안테나 요소 간 거리를 기초로 결정된다. 동작 위상은 사용되는 특정 파장에 대해서도 결정된다.
도 1a를 더 참조하면, 시스템(10)은 입력 방향 데이터의 변경에 반응하고 입력 방향 데이터의 변경에 따라 각각의 안테나 요소에 대한 동작 데이터를 수정하도록 구성된 제어기 유틸리티(26)를 더 포함할 수 있다. 이러한 제어기(26)는 제어기 모듈(22)의 일부일 수 있다. 예를 들어, 시스템은 특정 안테나 구조적 데이터에 대한 동작 데이터 및 특정 활성 섹터(각도 범위)를 생성하고, 이러한 동작 데이터를 메모리에 저장하도록 동작할 수 있고, 그 후 이들 각 세그먼트의 스캐닝 동안, 동작 데이터가 제어기(26)에 의해 제공되는 방향 변경 데이터에 따라 수정된다. 시스템 동작 스킴은 도 1b를 참조하여 이하에서 더 특정하게 기재된다.
앞서 기재된 바와 같이, 안테나 요소의 동작 데이터가 안테나 빔을 원하는 방향으로 제공하기 위한 것이다. 이는 복수의 안테나 요소의 (송신 또는 수신되는) 복사 성분의 코히런트 추가를 야기하는 빔 형성에 의해 달성된다. 복수의 복사 성분들 간 이러한 코히런트 추가를 원하는 방향으로 획득하기 위해, 원하는 방향으로 전파하는 (간섭 복사 성분을 갖는) 선택된 상이한 안테나 요소의 복사 성분의 주파수, 위상 및 편광이 서로 정합되어야 한다.
종래의 빔 형성은 일반적으로, 원하는 방향으로의 빔을 획득하기 위해 위상 조절(원하는 방향으로의 구성적 간섭)을 다룬다. 실제로, 평면 위상 어레이에서, 모든 안테나 요소가 동일한 방향으로 "바라보고"(즉, 모든 안테나 요소가 동일한 조준 방향을 가짐), 서로 다른 요소의 복사 성분의 편광이 유사하다. 따라서 이들 복사 성분이 코히런트하게 더해져서, 편광 및 위상 오정합과 연관된 어떠한 손실도 실질적으로 없이 상기 복사 방향으로의 복사 빔을 형성할 수 있다. 따라서 이러한 평면 케이스에서, 위상의 적절한 조절만 안테나 동작의 원하는 지향성을 획득할 수 있다.
그러나 컨포멀 안테나에서, 요소들은 일반적으로 동일한 방향을 바라보지 않고, 따라서 선택된 복사 방향에 대해 (안테나 요소가 서로 유사한 경우에도) 이들의 복사 성분의 편광 및 위상뿐 아니라 진폭이 다소 상이하다. 이는 원하는 방향의 복사 패턴에서의 에너지 손실의 공급원이다.
따라서 본 발명의 발명자는 컨포멀 위상 어레이 안테나가 컨포멀 안테나 복사의 지향성을 개선하도록 적절하게 동작될 수 있음을 보였다. 앞서 기재된 바와 같이, 그리고 도 1b의 흐름도(100)에 의해 개략적으로 도시된 바와 같이, 이의 구현은 다음과 같이 설명된다:
복사 유닛에 대한 구조적 데이터가 제공되고(단계(102)) (메모리에) 시스템 메모리(18) 또는 시스템에 의해 통신 네트워크를 통해 액세스될 수 있는 외부 저장 장치에 저장된다. 구조적 데이터(SD)는 복사 표면에 대한 기하학적 데이터(형태 및 치수) 및 복사 표면 상의 안테나 요소의 배열에 대한 데이터를 포함한다. 더 구체적으로, 구조적 데이터는 요소의 위치 및 이들의 조준방향(boresight)을 나타낸다. 이와 관련하여, 본 발명은 더 복잡한 형태를 갖는, 즉, 서로 다른 형태의 표면 부분을 포함하는 형태를 갖는 복사 표면의 임의의 구성과 함께 사용될 수 있다(아래에서 기재될 바와 같이, 가령, 서로 다른 곡면부가 서로 다른 원통의 부분/세그먼트이며, 따라서 서로 다른 깊이 또는 "높이"에 의해 특징 지어진다).
그 후 방향 데이터(DD)가 제공된다(단계(104)). 방향 데이터는 빔 형성이 제공될 방향을 나타내는 데이터(가령, 벡터)를 포함할 수 있다. 스캐닝이 추구되는 케이스에서, 스캐닝/조향 데이터, 즉, 안테나 복사 방향의 변경의 시간 패턴을 더 포함할 수 있다. 방향 데이터는 안테나의 복사 표면 내(곡면 내)에서 선택될 활성 섹터, 즉, M개의 복사 요소의 그룹/세트/서브-어레이의 위치 및 크기를 정의한다. 이하에서 더 기재될 바와 같이, 선택된 방향은 유효 표면(이른바 제로 위상(zero phase) 및 편광 표면)으로서 역할하는 (선택된 방향에 수직인) 가상 평면을 정의한다(단계(106)). 이 유효 표면은 실제로 선택된 방향별 빔 형성 표면/평면이며, 동작 위상 및 편광, 및 진폭이 이 유효 표면을 참조하여 결정된다.
활성 섹터 데이터 및 빔 형성 평면이 스캐닝/조향 동안 달라질 수 있다. 각각의 복사 방향에 대해, 유효 표면에서의 가상 요소가 선택된 안테나 요소 각각에 대해 결정되고, 따라서 스캔 방향별 복사 요소의 가상 배열을 결정할 수 있다. 가상 요소가 가상 평면 상으로의 물리 요소에 대한 투영 위치이며, 이때 가상 요소의 조준이 가상 평면에 수직이다.
따라서 "가상 요소(virtual element)"라는 용어는 본 명세서에서 물리 컨포멀 안테나로부터의 빔 형성의 계산 작업의 이해 및 보조를 촉진시키기 위해 사용되는 것에 불과하다. 실제로, 목표는 물리 요소를 각자의 가상 요소(가상 평면 위상 어레이)가 최소한의 손실로 원하는 방향으로의 코히런트 추가를 위한 위상, 편광 및 진폭을 제공하는 것이다.
따라서 빔 형성기 모듈(beam former module)이 앞서 기재된 바와 같이, 각각의 안테나 요소에 대한 동작 위상, 진폭, 및 편광을 결정하도록 동작한다(단계(108)). 이들은 실제로, 빔 형성 목적의 위상, 진폭 및 편광 교정이다. 선택된 요소의 위상 및 진폭이 먼저 교정되어, 곡면으로부터 가상 평면 표면으로 위상 및 진폭 값을 "투사"하여, 가상 요소가 (물리 곡면 및 가상 평면 상의 요소들 간 거리를 도출하는) 어떠한 위상 및 진폭 차이를 갖지 않도록 할 수 있다(단계(110)). 그 후, 위상 및 편광이 더 조절되어 빔을 원하는 방향으로 최대화, 즉, 요소들의 복사 성분들 간 코히런트 추가를 최대화/개선할 수 있다(단계(112)). 더 구체적으로, 빔을 원하는 방향으로 형성하기 위해, 가상 요소가 동일한 위상(제로 위상 차이 평면)을 가져야 하고 동일한 편광(제로 편광 차이)를 가져야 한다. 그 후 본 발명에 따르면, 각각의 가상 요소와 이의 각자의 물리 요소 간 거리가 사용되어, 물리 요소와 물리 요소를 동작하도록 사용될 가상 요소 간 위상 차이(교정 데이터)(이들 간 진폭 붕괴)를 결정할 수 있다. 가상 요소와 물리 요소의 조준 간 각도 배향 차이가 사용되어 편광 교정을 결정할 수 있다.
이렇게 결정된 동작 데이터가 안테나의 시그널링 유닛(12B)으로 전송되어, 원하는 안테나 패턴을 생성하기 위한 각각의 안테나 요소를 적절히 동작시킬 수 있다. 복사 방향의 변경에 의해 동작 데이터가 수정된다. 이와 관련하여, 특정 조향/스캐닝 각에 대해 동일한 활성 섹터가 사용될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서 활성 섹터 및 이에 따라 빔 형성 평면이 유지되는 한, 유일하게 수행되는 단계는 위상 및 편광의 조정/수정을 위한 단계(112)이다.
안테나의 복사 유닛(12A)의 비제한적 예시를 보여주는 도 2a, 2b 및 2c를 참조할 수 있다. 도면에 나타난 다이어그램은 복수의 반사체, 복수의 피드 및/또는 복수의 피드 어레이로 구성된 시스템으로부터 전자기 복사를 계산하기 위해 TICRA(덴마크, 코펜하겐)사의 GRASP(General Reflector Antenna Software Package)에 의해 생성되었다.
도시된 바와 같이, 복사 유닛(12A)이 곡면형 복사 표면(32) 상의 공간 관계로 배열된 복수의 안테나 요소(30)에 의해 형성된 3D 구조이다. 특정하게 도시되지 않는 한, 더 복잡한 경우에서, 컨포멀 안테나가 서로 다른 지오메트리(곡면)의 일부분으로 형성될 수 있고, 따라서 각각의 이러한 부분의 동작이 따로 따로 처리되고 분석된다.
이해를 촉진시키기 위해, 기능적으로 유사한 요소/특징부가 모든 예시에서 동일한 도면 부호에 의해 지시된다. 도 2a의 예시에서, 복사 유닛(12A)이 벤트 안테나(bent antenna)로서 구성되는데, 즉, 복사 표면(32)이 특정 각도 α로 함께 접합되는 2개의 평면 표면(32A 및 32B)으로 형성된다. 도 2b의 예시에서, 복사 유닛(12A)이 원통형 안테나로 구성되며, 도 2c의 예시에서 복사 유닛(12A)이 구면 안테나로서 구성된다.
도 2a-2c에서 나타난 바와 같이, (일반적으로 컨포멀 안테나의 경우인) 비-평면 안테나 구성에서, 비평면 복사 표면 상에 복사 요소가 배열된다. 따라서 선택된 복사 방향에 대해 빔 형성 평면을 형성하는 유효 복사 표면(이른바 "제로 위상" 표면)이, 선택된 복사 방향에 수직인 평면인 가상 평면 VP 내에 위치한다. 이러한 구성에서, 각각의 복사 요소에 대한 동작 데이터, 즉, 위상, 편광 및 진폭이 유효 복사 표면(가상 빔 형성 평면)에 대해 고려될 것이다.
이러한 컨포멀 안테나의 최적 동작에 대해, 안테나 요소의 가중화(테이퍼)에서, 안테나 요소의 3D 구조의 위상 및 편광뿐 아니라 크기(진폭)까지 교정되어, 특정 공간 방향에서 안테나 빔(지향된 복사)을 형성할 수 있다. 이를 위해, 안테나 요소 좌표가 규정될 것이다.
이와 관련하여, 도 3a 내지 3c의 다이어그램에 대한 참조가 이뤄진다. 방위각-오버-고도 설정을 적용함으로써, (안테나와 관련된) 3D 좌표 격자가 정의될 수 있다. 이 예시에서, -30°≤Az≤30° 및 0°≤El≤30°의 방위각 Az 및 고도 El에 대해 격자가 그려진다. 구면 섹터에 대한 3D 공간 내 임의의 지점까지의 동경 벡터가 다음과 같이 주어진다:
Figure pat00001
개별 좌표 축 및 공간 각도 Az 및 El이 다음에 의해 기재된다:
Figure pat00002
;
Figure pat00003
;
Figure pat00004
도 3c는 위상 어레이 안테나(복사 유닛)의 축 방향이 정의되는 방식을 예시로 든다. 여기서 X-Y 평면은 가상 안테나 평면(평면 안테나)이고 Z-축은 안테나의 복사 방향을 정의한다. 따라서 안테나 복사 유닛이 안테나 요소의 단순 평면 위상 어레이인 경우, 복사 요소에 의해 전송/수신되는 복사의 주 축(즉, 조준 방향)이 안테나의 Z-축에 평행 또는 평면 X-Y에 수직이다. 이 경우, Y-축에 대한 안테나 요소의 조준의 배향의 각도(θ) 및 X-축에 대한 안테나 요소의 조준의 배향의 각도(φ)가 모두 0도이다. 이러한 평면 설정으로 X 및 Y-축에 대한 안테나 요소의 복사 편광 성분의 배향을 기술하는 각도(도시되지 않음)가 또한 0이다(편광 성분이 복사 방향에 수직이다).
그러나 위상 어레이 복사 유닛이 도 3a에서 예로 든 바와 같이 (GRASP를 이용해 생성된 다이어그램의 형태로 된) 컨포멀 표면 유형을 갖는 경우, 즉, 복사 표면이 자신이 장착되는 플랫폼의 일부 기하학적 형태의 표면(비평면)에 적응되는 경우, 안테나 요소의 조준이 원하는 안테나 복사 방햐 Z에 평행하지 않을 수 있고 따라서 물리 복사 표면에 대한 상기 각도 θ 및 φ가 상이하다. 이러한 비평면 설정에서, 안테나 복사 패턴이 가상 평면 VP 내에 위치하는 유효 복사 표면의 복사 요소의 "가상" 배열에 의해 결정된다. 복사 요소의 가상 배열이 물리 곡면형 복사 표면으로부터 유효 복사 표면을 형성하는 가상 평면으로의 실제 안테나 요소의 투사에 대응한다.
도 2a, 2c의 비-평면 설정에 대해 예시로서 복사 유닛 설정을 특정하게 고려할 수 있다.
벤트 안테나 설정(도 2a)의 경우, 복사 요소(30)는 각도 α로 서로 접합되는 2개의 평면 표면(32A 및 32B)에 의해 형성되는 복사 표면(32) 상에 이격되어 배열된다. 이 경우, 각도 θ가 θ=±α/2 로 결정되며, 이때, 부호는 X-Z 평면에서 피드(복사 요소)가 원점의 어느 쪽에 놓이는지를 가리키고, 각도 φ는 0이고, 각도를 기술하는 편광은 ψ=0이다. 도면에 도시된 바와 같이, 가상 평면 VP은 평면 표면(32A 및 32B) 사이의 교차점을 통해 통과하는 X-Y 평면이다.
원통형 안테나(도 2b)의 경우, 이들 각도는 다음과 같다:
Figure pat00005
Figure pat00006
여기서, 부호는 X-Y 평면에서 원점의 어느 쪽에 피드가 놓이는지를 가리키고, Lz는 Z-축을 따르는 길이(반지름)이며, Dx는 원통 안테나의 물리 표면 상의 안테나 요소들 간 공간과 관련된다(동일하거나 거의 동일하다).
이와 관련하여, 원통형 표면(32) 상의 안테나 요소(30)의 배열을 더 특정하게 도시하는 도 4를 참조할 수 있다. 요소들은 원의 중심으로부터 원통형 안테나의 곡면의 깊이(이른바 "높이" h)를 정의하는 거리만큼 이격된 반지름 Lz을 갖는 원의 세그먼트이다.
이 설정에서, 유효 복사 표면이 각각의 요소의 복사 방향에 수직인 X-Y 평면이고 원통 세그먼트(32)의 접평면인 가상 평면 VP 내에 위치한다. 유효 복사 표면에서, N개의 요소의 배열이 Nx개 요소의 대응하는 어레이에 의해 나타나며, 각각의 요소는 X-Y 평면 상으로의 각자의 복사 요소의 투사이다.
따라서 원통 안테나의 높이 h가 다음과 같이 결정될 수 있다:
Figure pat00007
이때, Dx는 원통 안테나 표면(물리 안테나)을 따르는 이웃 복사 요소들 사이의 동일한 거리이다. 동일하게 또는 거의 동일하게 이격된 물리 안테나 요소들의 이러한 가장 실용적인 경우에서, 가상 평면 안테나 상으로의 가상 안테나 요소(투사)가 서로 다르게 이격될 것이며, 덧붙여 상이한 가상 어레이가 동일한 물리 요소에 대응하는 가상 요소들 간 상이한 간격에 의해 특징지어질 것이다. 가상 요소들 간 이러한 간격이 쉽게 계산될 수 있고 원하는 방향성 빔을 위해 사용될 안테나 요소의 적절한 선택을 위해 고려될 수 있다.
안테나의 표면 (위 또는 아래의) 가상 평면 상의 이들의 투사가 가상 평면 상의 가상 요소의 동일한 간격을 도출한다고 가정할 때 안테나 요소들 간 간격을 두면서 안테나 요소가 물리 곡면 상에 배열되도록 물리 안테나가 구축되는 경우를 고려할 수 있다. 도 4에 따르면, 가상 평면 상의 특정 동일한 간격 xc 및 안테나 표면의 곡면의 반지름 Lz에 대해, 다음의 공식을 가질 수 있다:
Figure pat00008
여기서, Dxn는 안테나 표면 상의 n번째 요소의 간격이고 n은 좌표 축의 원점으로부터의 요소의 개수이다. 특정 빔 방향에 대한 요소의 개수에 대한 제한은 다음과 같을 것이다:
Figure pat00009
구면 안테나(도 2c)의 경우, 각도가 다음과 같이 결정된다:
Figure pat00010
여기서, 부호는 각각 X-Z 평면과 Y-Z 평면에서 원점의 어느 쪽 상에 피드가 놓이는지를 가리키며, Dx 및 Dy는 X-축을 따르는 요소들 사이의 간격(동일 간격) 및 Y-축을 따르는 요소들 사이의 간격(동일 간격)이다. 이와 관련하여, Z-축이 페이지에 수직인 뒤쪽에서 바라본 안테나의 다이어그램을 도시하는 도 5를 참조할 수 있다.
컨포멀 안테나에 대한 원하는 안테나 빔(복사 패턴)을 만들기 위해 수행될 안테나 테이퍼(antenna taper)에 대한 위상 및 크기 교정의 계산의 원리를 기술하는 다이어그램을 보여주는 도 6을 참조할 수 있다. 비제한적 특정 예시에서, 벤트 안테나 설정이 사용된다. 물리 안테나(복사 유닛(12A))의 복사 표면(32)은 복사 요소(30)가 공간 이격된 관계로 배열될 때 따르는 2개의 기울어진 표면(32A 및 32B)의 형태를 가진다. 안테나의 광 측부에 수직인 앞서 기재된 바와 같이 배향되는 가상 평면(VP) 내에 위치하는 유효 복사 표면(32') 내 복사 요소의 가상 배열에 의해 이러한 복사 유닛의 복사 패턴이 정의된다. 이는 이른바 "허수 평면 안테나(imaginary planar antenna)"를 만든다. 도면에서 또한 예시로 드는 바와 같이, 복사 표면(32)의 표면 영역/부분(32A 및 32B)은 가상 평면(VP)과 상이한 각을 이룰 수 있다.
계산의 단순성을 위해, 허수 평면 안테나가 관리되는 배향을 갖는 안테나의 복사 유닛의 물리 구조의 복사 표면(32)의 접점에 위치한다. 그러나 선택된 방향(안테나 조준)에 수직이라고 가정할 때 허수 평면 안테나(가상 평면)는 전방에서 또는 후방에서 물리 안테나로부터 임의의 거리에 위치할 수 있음이 이해되어야 한다. 허수 평면 안테나는 컨포멀 안테나의 원하는 복사 방향에 따라 구성된다. 이는 허수 평면 안테나의 유효 표면이 선택된 방향에 따라, 즉, 원하는 안테나 패턴을 만들기 위해 동작될 어레이(N개의 안테나 요소 중 M개의 안테나의 세트)의 선택된 희망 활성 섹터에 대해 선택됨을 의미한다. 따라서 유효 복사 표면은 (상기 접평면까지의 임의의 거리, 가령 0 거리에서) 원하는 방향에 수직인 선택된 접평면에 평행이다.
따라서 물리 곡면형 복사 표면(32) 상의 복사 요소(30)가 유효 평면 복사 표면(32')으로부터 상이하게 이격되어 있다. 따라서 요소의 동작 복사의 위상 및 크기(가중치 - 테이퍼)가 교정되어, 가중치가 투사되는 공간(유효 복사 표면)에서 허수 평면 안테나를 만들 수 있고, 그 후 이 허수 평면 안테나(빔 형성 가상 평면)로부터 수학적으로 원하는 안테나 빔(패턴)을 필요한 어느 방향으로도 만들 수 있다. 이는 물리 및 전기 속성에 의해 한정됨이 이해되어야 한다. 그 후 안테나 요소에서부터 허수 평면 안테나(유효 복사 표면(32'))까지의 거리 z'가 계산되고 기본 유닛으로 사용되어, 위상 및 크기 교정을 결정할 수 있다. 위상 교정이 개별 물리 안테나 요소로부터 허수 평면 안테나까지의 거리와 들어맞는 복사의 파장의 개수의 직접 계산이다. 동일한 거리 계산을 기초로 하는 진폭 교정이 요소로부터 허수 평면 안테나까지의 거리의 거듭제곱으로서 감소하는 진폭의 감쇠이도록 취해진다.
가상 평면(유효 표면)과 각 α을 이루는 표면 부분(32B)을 따라 배열되는 복사 요소에 대한 동작 데이터(위상 및 진폭)를 고려하자. 복사 부분(32A)에 의해 만들어진 허수 평면 안테나의 유효 길이 A가 다음과 같이 결정된다:
Figure pat00011
이때, B는 표면 부분(32B)의 길이이고, n은 복사 부분(32B)을 따라 배열되는 복사 요소(30)의 개수이며, Dx는 이들 사이의 간격이다.
위상 및 진폭이 교정될 가상 평면(VP)에 대한 n번째 안테나 요소의 "높이" 또는 깊이 zn가 다음과 같이 결정된다:
Figure pat00012
위상 교정치 Δp 및 진폭 교정치 ΔI가 다음과 같이 결정될 수 있다:
Figure pat00013
더 구체적으로 2개의 계산 예시를 도시하는 도 7a 및 7b가 참조되며, 여기서 안테나 요소의 가상 배열(즉, 가상 평면에서의 배열)이 가상 복사 요소 간 동일한 간격을 갖거나(도 7a) 동일하지 않은 간격을 가진다(도 7b). 이에 따라 안테나의 물리 복사 유닛이 설정, 즉, 물리 안테나 요소가 복사 유닛 상에 배열되어, 대응하는 가상 안테나 요소가 동일하거나 동일하지 않은 간격을 갖고, (안테나의 원하는 복사 방향에 대응하는) 허수 평면 안테나 상에 분포됨을 이해해야 한다.
도 7a에 도시된 바와 같이, 물리 복사 요소(하나의 이러한 요소(30)가 도면에 도시되어 있음)가 원통 형태의 복사 표면(32) 상에 위치한다. 물리 복사 요소가 동일한 간격을 두거나 동일하지 않은 간격으로 표면(32) 상에 배열되는지와 무관하게, 허수 안테나/유효 복사 표면(32') 내 가상 요소가 동일하게 이격되어 있다. 따라서 일반적으로 말하면, 안테나 요소(30)가 표면(32') 상의 직접 투사로부터 이격된 안테나 요소(30B')로서 가상 평면에 표시될 것이다. 도면은 추가 설명이 필요치 않는 방식으로, 가상 요소들 간 동일한 간격 xc에 대응하는 표면(32') 상 가상 요소 위치에 대해 "높이"(Z-축을 따르는 교정 거리 Zc)를 계산하도록 고려될 모든 파라미터를 보여준다. 더 구체적으로 다음과 같다:
Figure pat00014
여기서,
Figure pat00015
이다.
위상 교정치가 다음과 같이 결정된다:
Figure pat00016
따라서 허수 평면 안테나(가상 평면) 상의 투사가 유효 복사 표면 내 가상 요소의 동일한 간격을 도출하도록 하는 복사 요소들 간 간격을 두고 물리 안테나를 구축함으로써 물리 컨포멀(비평면) 안테나의 평면 표현(가상 표현)이 획득될 수 있다. 도 7a에 도시된 바와 같이, 거리가 유효 표면 상의 동일한 간격이고 물리 복사 표면(32)의 곡면의 반지름인 경우, 다음과 같은 식을 얻을 수 있고:
Figure pat00017
따라서,
Figure pat00018
이며,
Dxn는 물리 복사 표면 상의 복사 요소의 간격이고, 제한은 다음의 조건에 의해 정의된다:
Figure pat00019
도 7b는 실질적으로 동일한 간격 Dx을 두고 복사 요소(30)가 원통형 또는 구면 복사 표면(32) 상에 배열되는 예시를 보여준다. 이 배열은 유효 표면(32')(가상 평면 또는 허수 평면 안테나 설정) 상의 대응하는 가상 요소들 간 동일하지 않은 간격 Δx을 도출한다. 각각의 2개의 이웃하는 인접 요소들에 대한 간격 Δx뿐 아니라, 각각의 가상 요소에 대한 높이/깊이(물리 복사 표면 및 유효 복사 표면(32 및 32') 간 거리)까지 쉽게 계산될 수 있다.
일반적인 위상 어레이 안테나(가령, 평면 안테나 어레이)와 관련하여 앞서 기재된 바와 같이, 물리 복사 표면 상의 위상 어레이 내 인접 안테나 요소들 간 거리가 안테나 어레이의 동작 주파수 및 사이드로브의 원하는 축소/억제에 의해 지시된다.
복사 패턴의 인터카디널 사이드로브의 증가분을 감소시키기 위해, 협각 빔을 갖는 안테나 요소가 사용될 수 있다. 덧붙여, 앞서 기재된 컨포멀 안테나를 고려할 때, 허수 평면 안테나로 테이퍼링이 투영되고 교정되면, 안테나 빔의 조향이 표준 위상 추가 기법으로 수행될 수 있다.
허수 평면 안테나 상으로의 투영의 제한은 조향을 위해 필요한 방향으로 조준선(line of sight)을 벗어나는 각도까지 "보기" 위한 안테나 요소의 물리 한계와 연관된다. 이러한 목적으로, 앞서 기재된 바와 같이, 각각의 안테나 복사 방향에 대해, 어레이의 적절한 활성 섹터가 선택된다(N개의 안테나 요소 중 M개의 안테나 요소).
이와 관련하여, N개의 복사 요소가 표면(32) 상에 이격되어 배열된 안테나의 원통형 복사 표면의 예시를 보여주는 도 8이 참조된다. 반지름 R 및 높이 h를 갖는 원통에 대한 총 안테나 면적은 다음과 같이 결정된다:
Figure pat00020
특정 복사 방향에 대해, M개의 요소의 그룹/세트에 의해 정의되는 활성 섹터(40)가 선택된다. 특정 안테나 복사 방향에 대한 유효 복사 표면(32') 상의 면적 Aeff(즉, 투영된 면적)이 사용되는 원통 형태(활성 면적/섹터)의 각 섹터의 크기
Figure pat00021
에 따라 달라진다. 도 8의 예시에서 알 수 있다시피:
Figure pat00022
이며,
여기서,
Figure pat00023
는 최대 요소 주사각(look angle)(최대 스캔 각 또는 시야)이다. 사용될 수 있는 최대 투영되는 면적 2Rh이지만, 이는 가장자리 요소가 로컬 법선에 대해 90°까지 조향될 것을 필요로 할 것이다. 이는 아마도 가능하지 않거나 적어도 그다지 효율적이지 않을 수 있다.
60°의 최대 요소 주사각에 대응하는 약 120°의 활성 섹터를 선택하는 것이 더 합리적이다. 따라서 앞서 지시된 바와 같이, 복사 표면의 선호되는 활성 섹터를 정의하는 M개의 복사 요소가 안테나의 각각의 원하는 복사 방향마다 선택된다.
앞서 기재된 바와 같이, 안테나 요소의 동작 데이터는 원하는 방향으로의 안테나 빔을 제공하기 위한 것이다. 이는 복수의 안테나 요소의 (전송 또는 수신되는) 복사의 코히런트 추가를 야기하는 빔 형성에 의해 달성된다. 원하는 방향으로의 복수의 복사 성분들 간 코히런트 추가를 획득하기 위해, 선택된 서로 다른 안테나 요소의 복사 성분(간섭을 일으키는 복사 성분)이 주파수, 위상 및 편광에서 서로 정합해야 한다.
일반적으로 종래의 빔 형성은 주파수 및 위상 조절을 다뤄서, 원하는 방향으로 빔을 획득할 수 있다. 실제로, 앞서 기재된 바와 같이, 평면 위상 어레이에서, 모든 안테나 요소가 동일한 방향을 "바라보고" 서로 다른 요소로부터의 복사 성분의 편광이 유사하고, 따라서 복사 성분의 위상이 적절하게 조절된다고 가정하면, 이들은 코히런트하게 추가되어, 편광 오정합과 연관된 어떠한 손실 없이, 원하는 방향으로 복사 빔을 형성할 수 있다.
그러나 컨포멀 안테나에서, 일반적으로 요소는 동일한 방향을 바라보지 않으며 따라서 (안테나 요소가 서로 유사한 경우라도) 이들의 복사 성분의 편광이 다소 상이하다. 이는 원하는 방향의 복사 패턴에서 유사한 편광의 성분만 코히런트하게 추가되기 때문에, 에너지 손실(편광 오정합과 연관된 손실)의 원인이다. 이들 편광 손실은 감소/최소화되어야 한다.
이와 관련하여, 안테나 요소의 위상 어레이에서, 요소 패턴(복사 요소의 복사)이 메인 빔, 즉, 원하는 방향의 빔의 피크에서 요소의 어레이의 편광을 결정한다. 본 발명은 복사 유닛의 활성 섹터 내, 안테나의 원하는 복사 방향에 따라 선택된 M개의 안테나 요소 각각(또는 적어도 일부)의 편광 교정을 제공한다. 앞서 기재된 바와 같이, 안테나 빔에 대한 원하는 편광 패턴(Ppol)이 M개 안테나 요소의 동작 편광 Ppol(P(1) pol; … P(m) pol)에 의해 정의된다. 이들 동작 편광 P(1) pol; … P(m) pol 각각은 안테나 요소 복사에서 2개의 직교하는 편광 성분 간 지정 비에 의해 형성된다, 즉, i번째 복사 요소에 대해, 총 편광 벡터 P(i) pol가 원하는 안테나 복사 방향(안테나 조준 방향)에 대해 적절하게 배향된다. 이러한 비의 변동이 안테나 요소의 편광 상태의 변동을 제공한다.
이는 선택된 복사 방향에 대한 활성 섹터를 정의하는 M개의 요소의 선택된 세트를 구성하는 10개의 안테나 요소의 어레이/매트릭스를 보여주는 도 9에 개략적으로 도시되어 있다. 이들 요소의 복사 성분에 대한 개선된 코히런트 추가를 보장하기 위해, 안테나 요소에 대한 지정 총 편광 벡터를 획득하는 것을 목적으로 2개의 직교 편광 성분 간 지정 비 R을 제공하기 위해 각각의 안테나 요소의 편광이 조절된다.
상기 내용은 이하의 기법들 중 하나에 의해 달성될 수 있다: (i) 복사 요소에 적절하게 피드하기(이하에서 더 설명될 것임), (ii) 안테나 요소에 편광 회전자를 포함시키기, 및 (iii) 안테나 요소를 2-요소 셀로서 설정하고, 각자의 편광이 적절하게 배향된 총 편광 벡터를 제공하도록 셀의 2개의 요소에 개별적으로 피드하기.
어레이의 복사 요소로서 마이크로-스트립의 예시를 고려할 수 있다. 마이크로-스트립 패치의 표준 모델이 이들 사이의 λ/2의 거리에서 λ/2의 길이를 갖는 2개의 복사 슬롯이다. 이는 도 10a에 개략적으로 도시되어 있다. 이중 편광된 어레이에서, 이 구조는 Z-축을 중심으로 하는 90도 회전에 의해 복사된다. 2개의 슬롯 각각은 지평면 위로 λ/2의 길이를 갖는 자기 다이폴(magnetic dipole)에 의해 나타내어진다. 단일 슬롯의 개구부 내 전기장이 원점을 중심으로 센터링된다. 이는 도 10b에 나타난다.
단일 슬롯의 정규화된 전기 원거리 장이 다음과 같다:
Figure pat00024
a<<λ라고 가정할 때, 2개의 슬롯 간 어레이 계수를 추가하여, 요소의 원거리 전기장에 대한 근사치가 다음과 같다:
Figure pat00025
Figure pat00026
여기서, 편광 손실에 대해 책임이 있는 인자들은 다음과 같다:
Figure pat00027
;
Figure pat00028
앞서 기재된 바와 같이, 본 발명에 따르는 편광 교정/조절은, 원하는 안테나 복사 방향으로 컨포멀 위상 어레이 안테나의 편광 손실을 최소화/감소시키기 위해(즉, 코히런트 추가를 개선하기 위해), 상기 방향에 대한 빔 형성에 포함되도록 선택된 각각의 안테나 요소의 복사 성분의 편광이 제어되는 방식으로 조절될 필요가 있다는 발명자의 이해를 바탕으로 한다. 이 조절은 안테나 요소 조준(θ 및
Figure pat00029
각도)에 대한 원하는 빔 형성 방향의 상대 배향을 기초로 한다.
일반적인 방향으로의 선형 편광을 만들기 위한 Eθ 와 E
Figure pat00030
간 실제 유한 비를 고려한다. 다음의 가중화 인수에 따라, 2개의 자기 전류 성분 간 실제 비 R에 의해 이중-편광(dual-polarization)의 피드가 획득된다:
Figure pat00031
그 후, 이를 고려하면, 원거리 전기장은 다음과 같이 장의 상기 x-성분 및 y-성분과 이들 가중화 인수의 중첩이다:
Figure pat00032
Figure pat00033
또는
Figure pat00034
여기서, 괄호속 수식이 편광 손실에 책임이 있는 투영 계수(projection coefficient)이며, 괄호 밖의 수식이 스캐닝 손실 및 스캐닝 방향의 활성 진폭의 종속성에 책임이 있는 요소 패턴에 대응한다.
코사인 방향을 이용해 공간(u, ν)이 다음과 같이 정의된다:
Figure pat00035
원거리 전기장이 다음과 같이 표현될 수 있다:
Figure pat00036
여기서,
Figure pat00037
및
Figure pat00038
은 각각, x-축에 대한 요소 패턴 및 연관된 편광 인자이며,
Figure pat00039
및
Figure pat00040
는 y-축에 대한 요소 패턴 및 연관된 편광 인자이다.
상기의 수학식에서 편광 계수/인자가 1/sinθ부터 절댓값이 작다. 계수 R(직교 편광 성분들 간 비)가 임의의 유한하거나 무한인 값을 획득할 수 있다. 계수 R은 2개의 유한 값의 비로서 기재될 수 있다: R=P/Q. 원거리 전기장에 대한 상기 수학식은 다음과 같이 (상수 값 내로) 표현될 수 있다:
Figure pat00041
여기서, P,Q = P,Q(α,β,u,ν)
모든 방향(u, ν)에서의 수신된 전력 W를 이상적인 편광을 정합하는 상황에서 동일한 방향으로 수신된 최대 전력에 비교할 수 있다.
Figure pat00042
유형의 입사 선형 파에 대한 응답으로서 수신된 전력이며, 여기서, α와 β는 각각 수직(α) 및 수평(β) 편광의 상대 크기이다.
Figure pat00043
의 정규화 조건에 의해,
수신된 전력 W가
Figure pat00044
에 비례한다.
따라서 수신된 전력 W가 다음과 같이 정의될 수 있다:
Figure pat00045
최대 값이 1이도록 전력 W을 정규화함으로써, 전력 W가 편광의 손실 계수의 의미를 획득한다. 이 정규화는 P와 Q 간 관계에 대한 다음을 도출한다:
Figure pat00046
W의 가능한 전역 최댓값은, 상기에서 정의되는 바와 같이, 모든 편광 상태, 모든 스캐닝 방향, 및 모든 피드(복사 요소)에 대해, 1이다. 특정 편광에 대해, 가중치 P 및 Q가, 전력의 정규화의 제약 하에서
Figure pat00047
에 대한 로컬 최댓값을 찾음으로써, 결정될 수 있다. 따라서 우리는 (라그랑주 승수(LaGrange multiplier)를 이용해) 다음을 획득한다:
Figure pat00048
그리고 또한
Figure pat00049
상기 수학식은 (u,ν)의 스캐닝 각에 대해 편광(α,β)에서 입사하는 파에 대한 최대 전력을 수신하기 위해 2개의 편광을 여기시키는 가중치를 제공한다.
이 수학식을 가능한 수신된 전력 W의 수학식에 적용하여, 스캐닝 각(희망 방향)에 종속적이고 동일 편광에 최적으로 매칭되기 위한 입사 파의 편광에서, 수신된 전력에 대해, 수평 편광을 갖는 입사 파로부터 수직 편광으로 편광 손실을 획득한다.
Figure pat00050
이 수학식은 cos2에 종속적이고 각도
Figure pat00051
에 독립적인 단순한 관계를 보여준다. 이는 일정한 θ에 대한 편광 손실이 θ 및 입사 파의 편광에만 종속적인 값을 갖는, 수평 직선으로서 표시될 수 있음을 의미한다.

Claims (19)

  1. 컨포멀 위상 어레이 안테나의 동작을 관리하기 위한 방법으로서, 상기 방법은
    동작될 안테나에 대한 구조적 데이터를 제공하는 단계 - 상기 구조적 데이터는 위상 어레이의 N개의 안테나 요소의 배열에 의해 정의되는 곡면형 복사 표면의 지오메트리를 나타내는 데이터 및 N개의 안테나 요소의 배열을 나타내는 데이터를 포함함 - ,
    안테나 동작의 선택된 방향을 나타내는 입력 데이터를 이용하고 안테나에 대한 상기 구조적 데이터를 처리하는 단계 - 상기 처리하는 단계는 상기 선택된 방향에 대해 안테나의 희망 복사 패턴을 정의하는 안테나 요소 각각에 대한 동작 데이터를 결정하는 단계를 포함하고, 상기 동작 데이터는 각각의 안테나 요소에 대한 복사의 진폭, 위상, 및 편광을 포함함 - 를 포함하는, 컨포멀 위상 어레이 안테나의 동작을 관리하기 위한 방법.
  2. 제1항에 있어서, 구조적 데이터를 처리하는 단계는, 안테나 동작의 각각의 선택된 방향에 대해, 상기 N개의 안테나 요소 중, 안테나의 상기 희망 복사 패턴에 대해 상기 동작 데이터에 의해 동작될 M개의 요소의 세트를 결정하는 단계를 포함하고, M≤N인, 컨포멀 위상 어레이 안테나의 동작을 관리하기 위한 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 처리하는 단계는, 각각의 선택된 방향에 대해, 희망 복사 패턴에 대응하며, 상기 M개의 요소에 대한 동작 위상 및 편광에 의해 각각 정의되는 위상 패턴 및 편광 패턴을 적어도 포함하는 빔 형성 데이터를 결정하는 단계를 포함하는, 컨포멀 위상 어레이 안테나의 동작을 관리하기 위한 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 빔 형성 데이터는 상기 M개의 요소에 대한 강도 값을 포함하는 강도 패턴 데이터를 더 포함하는, 컨포멀 위상 어레이 안테나의 동작을 관리하기 위한 방법.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 동작 편광은 각각의 요소의 복사의 편광 상태를 나타내고, 안테나 요소 복사에서 2개의 직교 편광들 간 비에 의해 정의되고, 상기 비의 변화가 안테나 요소의 편광 상태의 변화를 제공하는, 컨포멀 위상 어레이 안테나의 동작을 관리하기 위한 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 비는 안테나 요소의 조준 방향에 대한 선택된 방향의 상대 배향을 기초로 결정되는, 컨포멀 위상 어레이 안테나의 동작을 관리하기 위한 방법.
  7. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 동작 편광은 상기 곡면 상의 각자의 요소와 지정 파장의 복사에 대한 선택된 방향에 수직인 평면인 가상 평면 간 거리에 의해 정의되는 컨포멀 위상 어레이 안테나의 동작을 관리하기 위한 방법.
  8. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 동작 위상은 상기 곡면 상의 각자의 요소와 지정 파장의 복사에 대해 선택된 방향에 수직인 평면인 가상 평면 간 거리에 의해 정의되는, 컨포멀 위상 어레이 안테나의 동작을 관리하기 위한 방법.
  9. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 동작 진폭은 상기 곡면 상의 각자의 요소와 선택된 방향에 수직인 평면인 가상 평면 간 거리에 따라 결정되는, 컨포멀 위상 어레이 안테나의 동작을 관리하기 위한 방법.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 입력 방향 데이터의 변형에 따라 안테나 요소 각각에 대한 동작 데이터를 제어 가능한 방식으로 수정하는 단계를 더 포함하는, 컨포멀 위상 어레이 안테나의 동작을 관리하기 위한 방법.
  11. 컨포멀 위상 어레이 안테나의 동작을 관리하기 위한 컴퓨터화된 시스템으로서, 상기 시스템은
    동작될 특정 안테나에 대한 구조적 데이터를 저장하기 위한 메모리 유틸리티 - 상기 구조적 데이터는 상기 안테나의 곡면형 복사 표면의 지오메트리를 나타내는 데이터 및 위상 어레이 내 N개의 안테나 요소의 배열을 나타내는 데이터를 포함함 - ,
    안테나 동작의 선택된 방향을 나타내는 입력 데이터를 수신하기 위한 데이터 입력 유틸리티, 및
    안테나에 대한 구조적 데이터를 처리하고, 안테나 요소 각각에 대한 동작 데이터를 생성하여 상기 선택된 방향에 대해 안테나의 희망 복사 패턴을 획득하도록 구성된 데이터 프로세서 및 분석기 유틸리티 - 상기 동작 데이터는 각각의 안테나 요소에 대한 복사의 진폭, 위상 및 편광을 포함함 - 를 포함하는, 컨포멀 위상 어레이 안테나의 동작을 관리하기 위한 컴퓨터화된 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 상기 데이터 프로세서 및 분석기 유틸리티는
    안테나 동작의 선택된 방향에 대한 입력 데이터를 이용하고, 각각의 선택된 방향에 대해, 상기 N개의 안테나 요소 중, 안테나의 희망 복사 패턴에 대해 상기 동작 데이터에 의해 동작될 M개의 요소의 세트(M≤N)를 결정하도록 구성 및 동작 가능한 방향 제어기 모듈, 및
    각각의 선택된 방향에 대해, 희망 복사 패턴에 대응하는 위상 패턴 및 편광 패턴을 적어도 포함하는 빔 형성 데이터를 결정하도록 구성 및 동작 가능한 빔 형성 모듈 - 상기 위상 및 편광 패턴은 각각 상기 M개의 요소 각각에 대한 동작 위상 및 편광을 포함함 - 을 포함하는, 컨포멀 위상 어레이 안테나의 동작을 관리하기 위한 컴퓨터화된 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 상기 빔 형성 모듈은 상기 곡면 상의 각각의 안테나 요소와 선택된 방향에 수직인 평면인 가상 평면 간 거리를 기초로 각각의 안테나 요소의 위상 및 편광 패턴을 적어도 결정하도록 구성 및 동작하는, 컨포멀 위상 어레이 안테나의 동작을 관리하기 위한 컴퓨터화된 시스템.
  14. 제13항에 있어서, 상기 빔 형성 모듈은 상기 M개의 요소 각각에 대한 진폭 값을 포함하는 진폭 패턴 데이터를 결정하도록 구성 및 동작 가능하며, 각각의 안테나 요소의 진폭 값이 상기 곡면 상의 각자의 안테나 요소와 상기 가상 평면 간 거리를 기초로 결정되는, 컨포멀 위상 어레이 안테나의 동작을 관리하기 위한 컴퓨터화된 시스템.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 빔 형성 모듈은 안테나 요소의 편광 상태를 정의하는 안테나 요소 복사에서 2개의 직교하는 편광 간 비에 의해 정의되는 각자의 안테나 요소의 동작 편광을 결정하도록 구성 및 동작 가능한, 컨포멀 위상 어레이 안테나의 동작을 관리하기 위한 컴퓨터화된 시스템.
  16. 제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 빔 형성 모듈은 안테나 요소의 조준 방향에 대해 선택된 방향의 상대적 배향을 기초로 각자의 안테나 요소의 동작 편광을 결정하는, 컨포멀 위상 어레이 안테나의 동작을 관리하기 위한 컴퓨터화된 시스템.
  17. 제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 빔 형성 모듈은 지정 파장의 복사에 대한 상기 거리를 기초로 동작 위상을 결정하도록 구성 및 동작하는, 컨포멀 위상 어레이 안테나의 동작을 관리하기 위한 컴퓨터화된 시스템.
  18. 제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 빔 형성 모듈에 연결 가능하고, 안테나 요소의 위상 및 편광을 적어도 조절하기 위한 동작 데이터를 이용하도록 구성 및 동작하는 제어 유틸리티를 포함하는, 컨포멀 위상 어레이 안테나의 동작을 관리하기 위한 컴퓨터화된 시스템.
  19. 제18항에 있어서, 상기 제어 유틸리티는 입력 방향 데이터의 변화에 따라 안테나 요소 각각에 대하여 동작 데이터를 수정하도록 구성 및 동작하는, 컨포멀 위상 어레이 안테나의 동작을 관리하기 위한 컴퓨터화된 시스템.

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