KR20190123236A

KR20190123236A - 위상 어레이들을 위한 단위 셀 안테나

Info

Publication number: KR20190123236A
Application number: KR1020190046856A
Authority: KR
Inventors: 알렉 아담스; 리신 카이
Original assignee: 더 보잉 컴파니
Priority date: 2018-04-23
Filing date: 2019-04-22
Publication date: 2019-10-31
Also published as: EP3561951A1; JP2019193264A; CN110391495A; US10651566B2; EP3561951B1; CN110391495B; JP7366580B2; KR102623004B1; US20190326685A1

Abstract

위상 어레이 안테나들을 위한 단위 셀들이 설명된다. 단위 셀들은 위상 어레이 안테나를 형성하기 위해 사용되는 복수의 다이폴 안테나들을 포함한다. 특히, 위상 어레이 안테나를 형성하는 단위 셀들 각각은 집합적으로 삼각형을 형성하도록 배열되는, 기판의 표면 상에 형성된 복수의 다이폴 안테나들을 포함한다. 복수의 단위 셀들은 거의 모든 원하는 크기 및 개구를 갖는 삼각 격자 어레이를 형성하도록 함께 링크될 수 있고, 이로써 RF 엔지니어가 위상 어레이 안테나를 설계할 때 매우 다양한 성능 목표들을 자유롭게 달성할 수 있게 된다.

Description

위상 어레이들을 위한 단위 셀 안테나{UNIT CELL ANTENNA FOR PHASED ARRAYS}

본 개시내용은 위상 어레이(phased array)들의 분야에 관한 것이며, 특히, 단위 셀(unit cell) 안테나들의 어레이로 형성되는 위상 어레이 안테나들에 관한 것이다.

위상 어레이들은 빔 형성을 수행하는 안테나 엘리먼트들에 연결된 전자장치들(electronics)과 함께 많은 수의 안테나 엘리먼트들을 포함하는 전자기 안테나 시스템들이다. 안테나 엘리먼트들은 통상적으로, 안테나 개구 내의 질서 있는(orderly) 그리드에 포지셔닝된다.

위상 어레이가 수신 모드에 있을 때, 안테나 엘리먼트들 각각은 들어오는 신호들로부터 라디오 주파수(RF; Radio Frequency) 에너지의 일부 부분을 포착하고, RF 에너지를 전자장치에 피딩되는 별개의 전기 신호들로 변환한다. 전자장치들은, 특정 방향으로부터 도달하는 신호들을 강하게 선호하는(favor) 공간 필터를 생성하기 위하여, 재구성가능한 이득 및 위상 지연(phase delay)들을 별개의 전기 신호들에 대해 활용한다. 이 선호 방향은 그것의 빔의 주사각(look angle)을 표현하는데, 빔의 형상은 별개의 전기 신호들에 적용되는 가중 팩터들에 기반하여 조정가능하다.

위상 어레이가 송신 모드에 있을 때, 전자장치들에 의해 생성된 전기 신호들은 안테나 엘리먼트들에 피딩되며, 이 안테나 엘리먼트들은 전기 신호들을 방사 에너지로 변환한다. 제어 전자장치들은, 원치 않는 방향들의 방사선을 억제하도록 소거하면서 원하는 방향의 방사선을 증가시키기 위해, 별개의 안테나 엘리먼트들로부터의 라디오 파들이 함께 합쳐지도록, 안테나 엘리먼트들 사이의 위상 관계를 변화시킨다.

하나의 현재 솔루션은 위상 어레이 안테나의 개구를 형성하기 위해 원형 단면을 갖는 비교적 부피가 큰 그리고 협대역의 도파관들을 활용한다. 그러나, 이러한 그리고 다른 기존의 솔루션들은 스캐닝 동안의 초광대역폭(ultra-wide bandwidth) 및 현재 개발되고 있는 일부 애플리케이션들에 대한 다른 요건들을 충족시킬 수 없다.

그러므로, 오늘날 사용되고 있는 초광대역 애플리케이션들을 지원하기 위하여 위상 어레이 안테나들이 개선될 수 있다는 것은 자명하다.

위상 어레이 안테나들을 위한 단위 셀들이 설명된다. 단위 셀들은 위상 어레이 안테나를 위한 어레이를 형성하기 위해 사용되는 복수의 다이폴 안테나들을 포함한다. 특히, 위상 어레이 안테나를 형성하는 단위 셀들 각각은 집합적으로 삼각형을 형성하도록 배열되는, 기판의 표면 상에 형성된 복수의 다이폴 안테나들을 포함한다. 복수의 단위 셀들이 거의 모든 원하는 크기 및 안테나 개구를 갖는 삼각 격자(lattice) 어레이를 형성하도록 함께 링크될 수 있고, 이로써 RF 엔지니어가 위상 어레이 안테나를 설계할 때 매우 다양한 성능 목표들을 자유롭게 달성할 수 있게 한다.

일 실시예는 적어도 하나의 단위 셀을 포함하는 위상 어레이 안테나를 포함한다. 적어도 하나의 단위 셀은 제1 표면을 갖는 기판, 그리고 집합적으로 삼각형을 형성하도록 제1 표면 상에 배열된 복수의 다이폴 안테나들을 포함한다.

다른 실시예는 위상 어레이 안테나를 위한 단위 셀을 제작하는 방법을 포함한다. 방법은 제1 표면 및 제1 표면에 대향하는 제2 표면을 갖는 기판을 획득하는 단계를 포함한다. 방법은 제1 표면 상에, 집합적으로 삼각형을 형성하도록 배열되는 복수의 다이폴 안테나들을 형성하는 단계를 더 포함한다.

다른 실시예는 위상 어레이 안테나를 포함한다. 위상 어레이 안테나는 삼각 격자를 갖는 밀착 결합 다이폴 어레이(TCDA; Tightly Coupled Dipole Array)를 형성하도록 배열된 복수의 단위 셀들을 포함한다. 단위 셀들 각각은 제1 표면을 갖는 기판, 그리고 집합적으로 삼각형을 형성하도록 제1 표면 상에 배열된 복수의 다이폴 안테나들을 포함한다.

논의된 특징들, 기능들 및 장점들은 다양한 실시예들에서 독립적으로 달성될 수 있거나, 또는 또 다른 실시예들에서 결합될 수 있으며, 이들에 대한 추가적인 세부사항들은 다음의 설명 및 도면들을 참조하여 알 수 있다.

이제, 일부 실시예들이 첨부된 도면들을 참조하여 단지 예로서 설명된다. 동일한 참조 번호는 모든 도면들 상에서 동일한 엘리먼트 또는 동일한 유형의 엘리먼트를 표현한다.
도 1은 예시적인 실시예에서 위상 어레이 안테나를 갖는 공수 모바일 플랫폼을 예시한다.
도 2는 예시적인 실시예에서 위상 어레이 안테나를 위한 단위 셀을 예시한다.
도 3은 예시적인 실시예에서 위상 어레이 안테나를 형성하는 복수의 단위 셀들을 예시한다.
도 4는 예시적인 실시예에서 위상 어레이 안테나를 위한 단위 셀을 제작하는 방법을 예시한다.
도 5-도 6은 예시적인 실시예에서 도 4의 방법의 단계들을 수행한 결과를 예시한다.
도 7은 예시적인 실시예에서 도 4의 방법의 부가적인 단계들을 예시한다.
도 8은 예시적인 실시예에서 도 7에서 설명된 부가적인 단계들을 수행한 결과를 예시한다.
도 9는 예시적인 실시예에서 도 4의 방법의 부가적인 단계들을 예시한다.
도 10은 예시적인 실시예에서 도 9에서 설명된 부가적인 단계들을 수행한 결과를 예시한다.
도 11은 예시적인 실시예에서 도 4의 방법의 부가적인 단계들을 예시한다.
도 12는 예시적인 실시예에서 도 11에서 설명된 부가적인 단계들을 수행한 결과를 예시한다.

도면들 및 다음의 설명은 특정 예시적인 실시예들을 예시한다. 본원에서 명시적으로 설명되거나 또는 도시되지 않지만, 본원에서 설명된 원리들을 구현하며 그리고 본 설명 다음의 청구항들의 고려되는 범위 내에 포함되는 다양한 어레인지먼트들을 당업자들이 창안할 수 있을 것임이 인식될 것이다. 더욱이, 본원에서 설명된 임의의 예들은 본 개시내용의 원리들을 이해하는 것을 보조하는 것으로 의도되며, 제한 없이, 있는 그대로 해석되어야 한다. 결과적으로, 본 개시내용은 아래에서 설명된 특정 실시예들 또는 예들로 제한되는 것이 아니라, 청구항들 및 그들의 등가물들에 의해 제한된다.

위상 어레이들은 통상적인 기계적 스캐닝 안테나들보다 늘어난 수용을 갖는데, 그 이유는 위상 어레이들이 기계적이 아닌 전자적으로 빠른 빔 조종을 가능하게 하기 때문이다. "위상 어레이"란 용어와 "전자적 스캔 어레이(ESA; Electronically Scanned Array)"란 용어는 종종 상호교환가능하게 사용된다. 이전 세대의 위상 어레이들은 수동 전자적 스캔 어레이(PESA; Passive Electronicically Scanned Array)로서 구현되었다. PESA들에서, 위상 어레이의 안테나 엘리먼트들은 조정가능한 위상 시프터들을 통해 단일 송신기 및/또는 수신기에 연결된다.

전자장치들의 최신 발전들은 위상 어레이의 각각의 안테나 엘리먼트에 통신가능하게 결합되는 고체 상태 송신/수신 모듈(TRM; transmit/receive module)들을 활용하는 능동 전자적 스캔 어레이(AESA; Active Electronically Scanned Array)들의 개발로 이어졌다. 단일 소스에 연결된 위상 시프터들을 사용하는 PESA들과 비교하여, TRM들의 사용은 위상 어레이의 개별적인 방사 엘리먼트에서의 위상, 이득 및 주파수의 제어를 가능하게 한다. AESA들은 PESA의 더욱 정교한 버전으로 간주된다. PESA가 한 번에 단일 주파수에서 라디오 파들의 단일 빔만을 방출할 수 있지만, AESA들은 다중 주파수들에서 라디오 파들의 다수의 빔들을 동시에 방사할 수 있다. 가장 최신 항공기는 AESA를 사용하는 라디오 탐지 및 거리 측정(RADAR; Radio Detection and Ranging) 시스템을 구현한다.

RADAR가 위상 어레이들의 하나의 용도이지만, 다른 용도들은 무선 통신 및 전자전(EW; Electronic Warfare)을 포함할 수 있다. 위상 어레이들은 안테나를 기계적으로 움직이지 않고 빔형성을 수행하는 능력에 기인하여 모바일 플랫폼들에 양방향 통신 능력들을 제공하는 데 유용하다. 예컨대, 비행중인 항공기는 안테나를 기계적으로 움직이는 것이 아니라 위성을 추적하기 위해 위상 어레이 안테나를 전자적으로 조종함으로써 하나 이상의 위성들과 통신하는 데 위상 어레이 안테나를 활용할 수 있다. 항공기가 비행중인 동안, 통상적인 안테나의 기계적 조종이 아니라 위상 어레이의 전자적 조종을 사용하여 항공기의 피치, 요 및 롤이 전자적으로 보상될 수 있다. 이는 데이터 연결의 신뢰성을 개선시킨다. EW 애플리케이션들에서, 위상 어레이는 타겟으로 지향되는 빔형성을 사용하여 재머(jammer)로서 동작할 수 있다. 초광대역은 주파수가 다양한 타겟들에 관여하는 데 부가적인 능력들을 제공한다. 수신 전용 모드, 이를테면 신호 인텔리전스(SigInt)에서, 초광대역은 더 넓은 주파수 스펙트럼에 걸쳐 관심 신호들을 커버한다.

위상 어레이들은 위상 어레이의 설계 및 라디오 주파수(RF; Radio Frequency) 회로들의 통합에서의 유연성을 제공하기 위해 PCB 제작 기법들을 사용하여 점점 더 구현되었다. 일부 경우들에서, 위상 어레이를 위한 단위 셀들은 안테나 엘리먼트들을 포함하는 PCB들로 형성된다. 이러한 단위 셀들은 PCB들의 어레이를 형성하기 위해 원하는 대로 결합될 수 있으며, 이로써 위상 어레이의 기하학적 구조에서의 유연성이 있게 된다. 그러나, 초광대역(UWB; ultra-wideband) 애플리케이션들에서의 위상 어레이들을 위한 기존의 단위 셀들은 직사각형 격자를 활용하며, 이 직사각형 격자는 위상 어레이들의 다양한 기하학적 구조들을 구현하는 데 유연성이 없다. UWB 가능 셀들을 활용하는 위상 어레이들이 원해지는데, 그 이유는 이 위상 어레이들이 위상 어레이 안테나가 더 넓은 주파수 대역에 걸쳐 동작하는 것을 가능하게 하기 때문이다. 예컨대, UWB 위상 어레이들은 고대역폭 통신들, UWB RADAR 구현 및 UWB EW 구현들에 유용할 수 있다.

본원에서 설명된 실시예들에서, 위상 어레이 안테나를 형성하도록 결합될 때 삼각 격자를 구현하는 삼각 다이폴 구성을 활용하는 단위 셀들이 설명된다. UWB 위상 어레이들에서의 삼각 격자의 사용은, 그레이팅-로브 프리 최대 가능 제한치(grating-lobe free maximum can limit)를 손상시키지 않고 직사각형 어레이들보다 약 15 퍼센트 더 큰 단위 셀 크기를 가능하게 한다. 추가로, 삼각 격자 위상 어레이 안테나는 더 큰 단위 셀 크기에 기인하여 밀리미터 파장들에서의 전자장치 통합에 더 적절하다. 추가로, 삼각 격자 위상 어레이 안테나의 사용은 또한, 비-직사각형 안테나 개구들을 형성하는 데 더 많은 유연성을 제공하며, 이 비-직사각형 안테나 개구들은 사이드로브 레벨 타겟들을 달성하는 능력, 교차 편파를 감소시키는 능력 및 스캔 볼륨 및/또는 관찰 시야에 걸쳐 다른 파라미터들을 개선시키는 능력을 포함하는 RF 성능을 개선시키기 위해 사용될 수 있다. 다른 솔루션들, 이를테면 연결된 어레이들 또는 밀착 결합 어레이(TCA; Tightly Coupled Arrays)들은 스캐닝 동안 초광대역폭을 충족시킬 수 있지만, 일반적으로, 더욱 바람직한 삼각 격자가 아닌 직사각형 또는 정사각형 어레이 격자에 의존한다. 본 개시내용은 스캐닝 동안의 초광대역폭과 삼각 격자를 결합한다. 삼각 격자의 장점들은 더 큰 허용가능 단위 셀 크기 및 이에 따른 감소된 RF 패키징, 스캔 시의 개선된 교차 편파 또는 축비(axial ratio) 성능을 포함한다.

도 1은 예시적인 실시예에서 위상 어레이 안테나(102)를 갖는 모바일 플랫폼(100)을 예시한다. 이 실시예에서, 모바일 플랫폼(100)은 특정 구성을 갖는 항공기이지만, 다른 실시예들에서 모바일 플랫폼(100)은 원하는 대로 상이한 구성들을 갖는 다른 항공기(유인 및 무인 둘 모두)를 포함할 수 있다. 모바일 플랫폼(100)은 원하는 대로 드론들, 미사일들, 차량(vehicle)들, 고정 통신 설비들, 핸드 헬드 통신 장비 등을 포함할 수 있다. 따라서, 도 1의 모바일 플랫폼(100)에 대한 특정 예시는 단지 논의의 목적들을 위한 것이다.

이 실시예에서, 모바일 플랫폼(100)은 위상 어레이 안테나(102)를 사용하여 하나 이상의 위성(들)(104)과 통신하지만, 다른 실시예들에서 위상 어레이 안테나(102)는 공통 데이터 링크(CDL; Common Data Link) 프로토콜들을 활용하는 다른 엔티티들과 통신하기 위해 사용될 수 있다. 이 실시예에서, 위상 어레이 안테나(102)는 모바일 플랫폼(100)과 위성(들)(104) 사이의 양방향 통신 링크를 제공한다. 예컨대, 위상 어레이 안테나(102)는 26.5 GHz 내지 40 GHz의 주파수들을 커버하는 Ka 대역을 통해 모바일 플랫폼(100)에 고속 양방향 데이터 서비스들을 제공하기 위해 위성(들)(104)과 통신할 수 있다. 위성(들)(104)에 의해 제공될 수 있는 Ka 대역 데이터 서비스의 일 예는 Inmarsat의 GX(Global Xpress) 프로그램을 포함한다. 다른 실시예들에서, 위상 어레이 안테나(102)는 RADAR(예컨대, UWB RADAR) 또는 EW(예컨대, UWB EW)를 구현하기 위해 활용될 수 있다. 본원에서 설명된 실시예들에서, 위상 어레이 안테나(102)는 위상 어레이 안테나(102)를 위한 엘리먼트 안테나 단위를 형성하는 복수의 단위 셀들로 형성된다. 특히, 단위 셀들은 정삼각형을 형성하도록 기판의 표면 상에 배열된 복수의 다이폴 안테나들을 포함한다. 일반적으로, 본원에서 설명된 단위 셀들은 위상 어레이 안테나들을 위한 RF 빌딩 블록들이다. 예컨대, 단위 셀들이 PCB 상에 구현되면, 단위 셀들을 형성하는 개별적인 PCB들은 위상 어레이 안테나를 형성하도록 어레이로 배열될 수 있다.

도 2는 예시적인 실시예에서 위상 어레이 안테나(예컨대, 위상 어레이 안테나(102))를 위한 단위 셀(202)을 예시한다. 이 실시예에서, 단위 셀(202)은 집합적으로 삼각형을 형성하는, 기판(502) 상에 형성된 다이폴 안테나들(204-206)을 포함한다. 다이폴 안테나(204)는, 라인(204-3)을 따라 배치되고 갭(204-4)에 의해 분리되는 안테나 엘리먼트(204-1) 및 안테나 엘리먼트(204-2)를 포함한다. 안테나 엘리먼트(204-1)는 갭(204-4)에 근접한 부분(204-5) 및 갭(204-4)으로부터 먼 쪽의 부분(204-6)을 포함한다. 부분(204-6)은 기판(502)의 둘레(201)에 근접하고, 테이퍼링된다(tapered). 안테나 엘리먼트(204-2)는 갭(204-4)에 근접한 부분(204-7) 및 갭(204-4)으로부터 먼 쪽의 부분(204-8)을 포함한다. 부분(204-8)은 기판의 둘레(201)에 근접하고, 테이퍼링된다.

다이폴 안테나(205)는, 라인(205-3)을 따라 배치되고 갭(205-4)에 의해 분리되는 안테나 엘리먼트(205-1) 및 안테나 엘리먼트(205-2)를 포함한다. 안테나 엘리먼트(205-1)는 갭(205-4)에 근접한 부분(205-5) 및 갭(205-4)으로부터 먼 쪽의 부분(205-6)을 포함한다. 부분(205-6)은 기판(502)의 둘레(201)에 근접하고, 테이퍼링된다. 안테나 엘리먼트(205-2)는 갭(205-4)에 근접한 부분(205-7) 및 갭(205-4)으로부터 먼 쪽의 부분(205-8)을 포함한다. 부분(205-8)은 기판의 둘레(201)에 근접하고, 테이퍼링된다. 라인(204-3)과 라인(205-3)은 60도의 각도(205-9)로 교차한다. 부분(204-8)과 부분(205-6)은 갭(205-10)에 의해 분리된다.

다이폴 안테나(206)는, 라인(206-3)을 따라 배치되고 갭(206-4)에 의해 분리되는 안테나 엘리먼트(206-1) 및 안테나 엘리먼트(206-2)를 포함한다. 안테나 엘리먼트(206-1)는 갭(206-4)에 근접한 부분(206-5) 및 갭(206-4)으로부터 먼 쪽의 부분(206-6)을 포함한다. 부분(206-6)은 기판(502)의 둘레(201)에 근접하고, 테이퍼링된다. 안테나 엘리먼트(206-2)는 갭(206-4)에 근접한 부분(206-7) 및 갭(206-4)으로부터 먼 쪽의 부분(206-8)을 포함한다. 부분(206-8)은 기판의 둘레(201)에 근접하고, 테이퍼링된다. 라인(206-3)과 라인(205-3)은 60도의 각도(206-9)로 교차한다. 부분(205-8)과 부분(206-6)은 갭(206-10)에 의해 분리된다. 라인(206-3)과 라인(204-3)은 60도의 각도(204-9)로 교차한다. 부가하여, 부분(204-6)과 부분(206-8)은 갭(204-10)에 의해 분리된다.

도 3은 예시적인 실시예에서 위상 어레이 안테나(102)를 형성하는 복수의 단위 셀들(202)을 예시한다. 도 3은 단위 셀들(202)의 비-직사각형 어레이인 위상 어레이 안테나(102)의 하나의 가능한 구성을 예시한다. 그러나, 위상 어레이 안테나(102)에 대한 복수의 상이한 어레이 구성들로 단위 셀(202)을 결합하는 유연성에 기인하여, 당업자는 상이한 어레이 구성들이 원하는 대로 구현될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 단위 셀들(202)이 도 3에서 예시된 바와 같이 어레이로 조직화될 때, 단위 셀들(202)은 밀착 결합 다이폴 어레이(TCDA; Tightly Coupled Dipole Array)를 형성한다. 예컨대, 단위 셀(202-1)과 단위 셀(202-2)은 서로 근접한다. 단위 셀(202-1)은 다이폴 안테나(302)를 포함하고, 단위 셀(202-2)은 다이폴 안테나(303)를 포함한다. 다이폴 안테나(302)는 다이폴 안테나(303)에 종단 결합된다(end-coupled). 특히, 다이폴 안테나(302)의 안테나 엘리먼트(302-1)는 다이폴 안테나(303)의 안테나 엘리먼트(303-1)에 전자기적으로 결합된다. 이 프로세스는 유사한 안테나 엘리먼트 쌍들에 대해 반복된다.

도 4는 예시적인 실시예에서 위상 어레이 안테나를 위한 단위 셀을 제작하는 방법(400)을 예시한다. 방법(400)은 도 2에서 예시된 단위 셀(202)에 대해 설명될 것이지만, 대안적인 실시예들에서 방법(400)은 단위 셀(202)에 대한 다른 구성들에 적용될 수 있다. 본원에서 설명된 방법들의 단계들은 도시되지 않은 다른 단계들을 포함할 수 있다. 단계들은 또한, 상이한 순서로 수행될 수 있고 그리고/또는 대안적인 실시예들에서 결합될 수 있다.

방법(400)의 단계(402)는, 제1 표면 및 제1 표면에 대향하는 제2 표면을 갖는 기판을 획득하는 단계(예컨대, 유전체 기판을 획득하는 단계)를 포함한다. 예컨대, 기판은 다이폴 안테나들(204-206)을 형성하기 위해 에칭되는, 제1 표면 상의 금속 막을 포함하는 인쇄 회로 보드(PCB; Printed Circuit Board)를 포함할 수 있다. 그러나, 기판은 원하는 대로 다른 재료들을 포함할 수 있다. 도 5는 예시적인 실시예에서 제1 표면(504) 및 제1 표면(504)에 대향하는 제2 표면(506)을 포함하는 기판(502)을 예시한다. 방법(400)의 단계(404)는, 집합적으로 삼각형을 형성하도록 배열되는 복수의 다이폴 안테나들을 제1 표면(504) 상에 형성하는 단계를 포함한다. 도 6은 예시적인 실시예에서 제1 표면(504) 상에 형성된 다이폴 안테나들(204-206)을 포함하는 기판(502)을 예시한다. 다이폴 안테나들(204-206)을 제작하는 단계는 기판(502)의 제1 표면(504) 상에 다이폴 안테나들(204-206)을 형성하거나 또는 제작하기 위해 사용되는 증착 프로세스, 에칭 프로세스 등을 포함할 수 있다. 예컨대, 기판(502)이 PCB를 포함하면, 다이폴 안테나들(204-206)을 제작하는 단계는 기판(502)의 제1 표면(504)에 적용된 금속 막을 에칭하는 단계를 포함할 수 있다.

도 7은 예시적인 실시예에서 방법(400)의 부가적인 단계들을 예시한다. 단계들(702-706)에서, 다이폴 안테나들(204-207)에 전기적으로 결합되는, 단위 셀(202)을 위한 RF 피드라인들이 제작된다. RF 피드라인들은, 다이폴 안테나들(204-207)에 전기 신호들을 제공하여서 이 다이폴 안테나들(204-207)로 하여금 송신 모드에서 동작하게 하기 위해 사용될 수 있다. RF 피드라인들은 또한, 다이폴 안테나들(204-207)로부터 전기 신호들을 수신하여서 이 다이폴 안테나들(204-207)로 하여금 수신 모드에서 동작하게 하기 위해 사용될 수 있다. 도 8은 예시적인 실시예에서 방법(400)의 단계들(702-706)을 수행한 결과를 예시한다. 특히, RF 피드라인(802)은 다이폴 안테나(204)에 전기적으로 결합되고(예컨대, RF 피드라인(802)은 안테나 엘리먼트(204-2)에 전기적으로 결합됨), RF 피드라인(803)은 다이폴 안테나(205)에 전기적으로 결합되며(예컨대, RF 피드라인(803)은 안테나 엘리먼트(205-2)에 전기적으로 결합됨), 그리고 RF 피드라인(804)은 다이폴 안테나(205)에 전기적으로 결합된다(예컨대, RF 피드라인(804)은 안테나 엘리먼트(206-2)에 전기적으로 결합됨). RF 피드라인들(802-804)을 제작하는 것은 다수의 상이한 방식들로 수행될 수 있다. 예컨대, RF 피드라인들(802-804)은 제1 표면(504)과 제2 표면(506) 사이의 기판(502)을 통해 횡단하는 비아들을 사용하여 제작될 수 있다. 그러나, 다이폴 안테나들(204-207) 각각에 전기적으로 연결되는 RF 스트립라인들의 사용을 포함하는, RF 피드라인들(802-804)을 제작하기 위한 다른 제작 옵션들이 존재한다.

도 9는 예시적인 실시예에서 방법(400)의 부가적인 단계들을 예시한다. 특히, 단계들(902-906)은 다이폴 안테나들(204-206)을 제작하는 것에 관한 것이며, 이는 도 6에서 예시된다. 도 9의 단계(908)는 다이폴 안테나들(204-206)과 기판(502)의 제2 표면(506) 상의 금속 막 사이의 전기 연결부들을 형성하는 단계를 설명한다. 단계(910)는 다이폴 안테나들(204-206)에 대한 전기 연결부들을 형성하는 단계(예컨대, 앞서 설명된 RF 피드라인들(802-804)을 제작하는 단계)를 설명한다. 도 10은 예시적인 실시예에서 단계들(902-910)을 수행한 결과를 예시한다. 기판(502)은 제2 표면(506) 상에 금속 막(1002)을 포함한다. 예컨대, 기판(502)이 PCB이면, 금속 막(1002)은 단위 셀(202)을 위한 제작 프로세스 동안 에칭되는, PCB의 금속 표면 층들 중 하나를 포함할 수 있다. 도 10은 다이폴 안테나들(204-206)과 금속 막(1002) 사이의 전기 연결부들(1004-1006)을 예시한다. 특히, 전기 연결부(1004)는 다이폴 안테나(204)의 안테나 엘리먼트(204-1)를 금속 막(1002)에 전기적으로 결합하고, 전기 연결부(1005)는 안테나 엘리먼트(205-1)를 금속 막(1002)에 전기적으로 결합하며, 그리고 전기 연결부(1006)는 안테나 엘리먼트(206-1)를 금속 막(1002)에 전기적으로 결합한다. 금속 막(1002)은 일부 실시예들에서 다이폴 안테나들(204-206)을 위한 접지 평면을 포함할 수 있지만, RF 피드라인들(802-804)은 금속 막(1002)으로부터 전기적으로 격리된다. RF 피드라인들(802-804)은, 각각, 금속 막(1002) 상의 릴리프(relief)들(1008-1010)을 사용하여 금속 막(1002)으로부터 전기적으로 격리될 수 있다. 릴리프들(1008-1010)은 RF 피드라인들(802-804)이 제2 표면(506)까지 연장되는, 제2 표면(506) 상의 위치들 주위에 있는 금속 막(1002)의 부분들을 에칭함으로써 형성될 수 있다.

도 11은 예시적인 실시예에서 방법(400)의 부가적인 단계들을 예시한다. 특히, 기판(502)이 PCB를 포함할 때, 전기 연결부들(1004-1006)이 비아들을 사용하여 형성될 수 있고(도 11의 단계(1102) 참조), RF 피드라인들(802-804)이 또한, 비아들을 사용하여 형성될 수 있다(도 11의 단계(1104) 참조). 비아들은, 기판(502)을 통한 기계적 또는 레이저 드릴링 그리고 기판(502)에 형성된 홀들을 도금하는 것을 포함하는 드릴링 및 도금 프로세스에 기반하여 제작될 수 있다.

일부 실시예들에서, 기판(502)의 제1 표면(504) 상에 유전체 재료가 형성될 수 있다(도 11의 단계(1106) 참조). 도 12는 예시적인 실시예에서 기판(502)의 제1 표면(504)에 적용된 유전체 재료(1202)를 예시한다. 유전체 재료(1202)는, 다이폴 안테나들(204-206)에 물리적 보호를 제공하고 어레이 스캔 성능을 개선시키기 위해 사용될 수 있다. 유전체 재료(1202)의 유전 상수 및 두께는 제한된 최적화를 사용하여 결정될 수 있다.

도 12에서 예시된 단위 셀(202)에 대한 원편파를 생성하기 위해, RF 피드라인들(802-804) 사이의 위상차가 생성된다. 예컨대, 다이폴 안테나들(204-206)이 정삼각형을 형성하면, RF 피드라인들(802-804) 사이의 상대 위상 오프셋은 서로에 대해 120도일 수 있다. 시계방향 또는 반시계방향 위상 지연이 원하는 대로 생성될 수 있다. 예컨대, 시계방향 위상 지연이 왼손 원편파(LHCP; Left-Hand Circular Polarization)를 야기하는 한편, 반시계방향 위상 지연은 오른손 원편파(RHCP; Right-Hand Circular Polarization)를 야기한다. 다이폴 안테나들(204-206)이 정삼각형을 형성하면, 예컨대, RF 피드라인(804)이 0도의 위상 오프셋을 갖고, RF 피드라인(803)이 120도의 위상 오프셋을 가지며, 그리고 RF 피드라인(802)이 240도의 위상 오프셋을 가질 때, LHCP가 형성될 수 있다. 예컨대, RF 피드라인(804)이 0도의 위상 오프셋을 갖고, RF 피드라인(802)이 120도의 위상 오프셋을 가지며, 그리고 RF 피드라인(803)이 240도의 위상 오프셋을 가질 때, RHCP가 형성될 수 있다. 비-정삼각 격자의 경우, 최적의 LHCP 또는 RHCP를 생성하기 위해, 120도 위상 지연 증가(increment)로부터의 섭동(perturbation)이 사용된다.

앞서 논의된 바와 같이, 단위 셀(202)은 PCB 상에 제작될 수 있으며, 위상 어레이 안테나(102)를 형성하는 단위 셀들(202)의 어레이로 조립될 수 있다. 개별적인 PCB 타일들의 어레이는 단위 셀을 사용한 매우 다양한 안테나 개구들의 구현을 가능하게 한다. 도 3을 참조하여 논의된 바와 같이, 하나의 PCB 타일로부터 이웃 PCB 타일까지의 다이폴 안테나들의 근접성이 TCDA 삼각 격자를 야기한다.

단위 셀(202)을 활용하여, 위상 어레이 안테나(102)는 단위 셀들(202)의 어레이를 사용하여 거의 모든 원하는 크기로 스케일링될 수 있으며, 단위 셀(202) 상에서의 다이폴 안테나들(204-206)의 구성으로부터 형성된 삼각 격자를 사용하여 특정 형상 또는 RF 개구를 갖도록 또한 구성될 수 있다. 단위 셀(202)에 대한 PCB 실시예는 기존의 PCB 제조 프로세스들 및 공통 PCB 기판들을 이용하며(leverage), 이로써 위상 어레이 안테나(102)가 단위 셀(202)의 개별적인 빌딩 블록들로 제작될 수 있게 된다.

도면들에서 도시되거나 또는 본원에서 설명된 다양한 엘리먼트들 중 임의의 엘리먼트가 하드웨어, 소프트웨어, 펌웨어, 또는 이들의 임의의 조합으로서 구현될 수 있다. 예컨대, 엘리먼트는 전용 하드웨어로서 구현될 수 있다. 전용 하드웨어 엘리먼트들은 "프로세서들", "제어기들" 또는 어떤 유사한 용어로 지칭될 수 있다. 프로세서에 의해 제공될 때, 기능들은 단일 전용 프로세서에 의해, 단일 공유 프로세서에 의해, 또는 복수의 개별적인 프로세서들에 의해 제공될 수 있으며, 이들 중 일부는 공유될 수 있다. 게다가, "프로세서" 또는 "제어기"란 용어의 명시적인 사용은 소프트웨어를 실행할 수 있는 하드웨어를 배타적으로 지칭하는 것으로 해석되어서는 안되며, 디지털 신호 프로세서(DSP; digital signal processor) 하드웨어, 네트워크 프로세서, 주문형 집적 회로(ASIC; application specific integrated circuit) 또는 다른 회로, 필드 프로그램가능 게이트 어레이(FPGA; field programmable gate array), 소프트웨어를 저장하기 위한 판독 전용 메모리(ROM; read only memory), 랜덤 액세스 메모리(RAM; random access memory), 비-휘발성 저장부, 로직, 또는 어떤 다른 물리적 하드웨어 구성요소 또는 모듈(이에 제한되지 않음)을 암시적으로 포함할 수 있다.

또한, 엘리먼트는 그 엘리먼트의 기능들을 수행하기 위해 프로세서 또는 컴퓨터에 의해 실행가능한 명령들로서 구현될 수 있다. 명령들의 일부 예들은 소프트웨어, 프로그램 코드 및 펌웨어이다. 명령어들은, 프로세서가 엘리먼트의 기능들을 수행하도록 지시하기 위해 프로세서에 의해 실행될 때 동작 상태이다. 명령들은 프로세서에 의해 판독가능한 저장 디바이스들 상에 저장될 수 있다. 저장 디바이스들의 일부 예들은 디지털 또는 고체 상태 메모리들, 자기 디스크들 및 자기 테이프들과 같은 자기 저장 매체, 하드 드라이브들 또는 광학적으로 판독가능한 디지털 데이터 저장 매체이다.

특정 실시예들이 본원에서 설명되었지만, 범위는 그러한 특정 실시예들로 제한되지 않는다. 그보다는, 범위는 다음의 청구항들 및 그들의 임의의 등가물들에 의해 정의된다.

Claims

위상 어레이(phased array) 안테나로서,
적어도 하나의 단위 셀(unit cell)
을 포함하며,
상기 적어도 하나의 단위 셀은,
제1 표면을 갖는 기판; 및
집합적으로 삼각형을 형성하도록 상기 제1 표면 상에 배열된 복수의 다이폴 안테나들
을 포함하는,
위상 어레이 안테나.
제1 항에 있어서,
상기 복수의 다이폴 안테나들은 제1 다이폴 안테나, 제2 다이폴 안테나 및 제3 다이폴 안테나를 포함하며; 그리고
상기 적어도 하나의 단위 셀은,
상기 제1 다이폴 안테나에 전기적으로 결합된(coupled) 제1 라디오 주파수(RF; Radio Frequency) 피드라인;
상기 제2 다이폴 안테나에 전기적으로 결합된 제2 RF 피드라인; 및
상기 제3 다이폴 안테나에 전기적으로 결합된 제3 RF 피드라인
을 더 포함하는,
위상 어레이 안테나.
제1 항에 있어서,
상기 복수의 다이폴 안테나들은,
제1 라인을 따라 배치된 제1 안테나 엘리먼트 및 제2 안테나 엘리먼트를 갖는 제1 다이폴 안테나;
제2 라인을 따라 배치된 제1 안테나 엘리먼트 및 제2 안테나 엘리먼트를 갖는 제2 다이폴 안테나 ―상기 제2 라인과 상기 제1 라인은 60도의 각도로 교차함―; 및
제3 라인을 따라 배치된 제1 안테나 엘리먼트 및 제2 안테나 엘리먼트를 갖는 제3 다이폴 안테나
를 포함하며,
상기 제1 라인 및 상기 제2 라인 각각과 상기 제3 라인은 60도의 각도로 교차하는,
위상 어레이 안테나.
제3 항에 있어서,
상기 기판은,
상기 제1 표면에 대향하는(opposing) 제2 표면 ―상기 제2 표면은 금속 막(film)을 포함함―;
상기 제1 다이폴 안테나, 상기 제2 다이폴 안테나 및 상기 제3 다이폴 안테나 각각의 제1 안테나 엘리먼트와 상기 금속 막 사이의 제1 전기 연결부들; 및
상기 제1 다이폴 안테나, 상기 제2 다이폴 안테나 및 상기 제3 다이폴 안테나 각각의 제2 안테나 엘리먼트에 대한 제2 전기 연결부들
을 더 포함하는,
위상 어레이 안테나.
제4 항에 있어서,
상기 금속 막은 상기 제1 다이폴 안테나, 상기 제2 다이폴 안테나 및 상기 제3 다이폴 안테나에 대한 접지 평면을 포함하며; 그리고
상기 제2 전기 연결부들은 상기 제1 다이폴 안테나, 상기 제2 다이폴 안테나 및 상기 제3 다이폴 안테나에 대한 라디오 주파수(RF; Radio Frequency) 피드 라인들을 포함하는,
위상 어레이 안테나.
제4 항에 있어서,
상기 기판은 인쇄 회로 보드(PCB; Printed Circuit Board)를 포함하는,
위상 어레이 안테나.
제6 항에 있어서,
상기 제1 전기 연결부들은,
상기 제1 다이폴 안테나, 상기 제2 다이폴 안테나 및 상기 제3 다이폴 안테나 각각의 제1 안테나 엘리먼트를 상기 PCB의 상기 제2 표면 상의 상기 금속 막에 전기적으로 연결하는, 상기 PCB의 상기 제1 표면과 상기 PCB의 상기 제2 표면 사이의 비아(via)들의 제1 세트를 포함하는,
위상 어레이 안테나.
제6 항에 있어서,
상기 제2 전기 연결부들은,
상기 제1 다이폴 안테나, 상기 제2 다이폴 안테나 및 상기 제3 다이폴 안테나 각각의 제2 안테나 엘리먼트에 전기적으로 연결되며 상기 PCB의 상기 제2 표면 상의 상기 금속 막으로부터 전기적으로 격리되는, 상기 PCB의 상기 제1 표면과 상기 PCB의 상기 제2 표면 사이의 비아들의 제2 세트를 포함하는,
위상 어레이 안테나.
제1 항에 있어서,
삼각 격자(triangular lattice)를 갖는 밀착 결합 다이폴 어레이(TCDA; Tightly Coupled Dipole Array)를 형성하도록 어레이로 배열된 복수의 상기 적어도 하나의 단위 셀
을 더 포함하는,
위상 어레이 안테나.
위상 어레이 안테나를 위한 단위 셀을 제작하는 방법으로서,
제1 표면 및 상기 제1 표면에 대향하는 제2 표면을 갖는 기판을 획득하는 단계; 및
상기 제1 표면 상에, 집합적으로 삼각형을 형성하도록 배열되는 복수의 다이폴 안테나들을 형성하는 단계
를 포함하는,
위상 어레이 안테나를 위한 단위 셀을 제작하는 방법.
제10 항에 있어서,
상기 복수의 다이폴 안테나들을 형성하는 단계는,
상기 제1 표면 상에 제1 다이폴 안테나, 제2 다이폴 안테나 및 제3 다이폴 안테나를 형성하는 단계
를 더 포함하는,
위상 어레이 안테나를 위한 단위 셀을 제작하는 방법.
제11 항에 있어서,
상기 제1 다이폴 안테나에 전기적으로 결합되는 제1 라디오 주파수(RF; Radio Frequency) 피드라인을 제작하는 단계;
상기 제2 다이폴 안테나에 전기적으로 결합되는 제2 RF 피드라인을 제작하는 단계; 및
상기 제3 다이폴 안테나에 전기적으로 결합되는 제3 RF 피드라인을 제작하는 단계
를 더 포함하는,
위상 어레이 안테나를 위한 단위 셀을 제작하는 방법.
제10 항에 있어서,
상기 복수의 다이폴 안테나들을 형성하는 단계는,
제1 라인을 따라 배치된 제1 안테나 엘리먼트 및 제2 안테나 엘리먼트를 갖는 제1 다이폴 안테나를 형성하는 단계;
제2 라인을 따라 배치된 제1 안테나 엘리먼트 및 제2 안테나 엘리먼트를 갖는 제2 다이폴 안테나를 형성하는 단계 ―상기 제2 라인과 상기 제1 라인은 60도의 각도로 교차함―; 및
제3 라인을 따라 배치된 제1 안테나 엘리먼트 및 제2 안테나 엘리먼트를 갖는 제3 다이폴 안테나를 형성하는 단계
를 더 포함하며,
상기 제1 라인 및 상기 제2 라인 각각과 상기 제3 라인은 60도의 각도로 교차하는,
위상 어레이 안테나를 위한 단위 셀을 제작하는 방법.
제13 항에 있어서,
상기 제1 다이폴 안테나, 상기 제2 다이폴 안테나 및 상기 제3 다이폴 안테나 각각의 제1 안테나 엘리먼트와 상기 제2 표면 상의 금속 막 사이의 제1 전기 연결부들을 형성하는 단계; 및
상기 제1 다이폴 안테나, 상기 제2 다이폴 안테나 및 상기 제3 다이폴 안테나 각각의 제2 안테나 엘리먼트에 대한 제2 전기 연결부들을 형성하는 단계
를 더 포함하는,
위상 어레이 안테나를 위한 단위 셀을 제작하는 방법.
제14 항에 있어서,
상기 금속 막은 상기 제1 다이폴 안테나, 상기 제2 다이폴 안테나 및 상기 제3 다이폴 안테나에 대한 접지 평면을 포함하며; 그리고
상기 제2 전기 연결부들은 상기 제1 다이폴 안테나, 상기 제2 다이폴 안테나 및 상기 제3 다이폴 안테나에 대한 라디오 주파수(RF; Radio Frequency) 피드 라인들을 포함하는,
위상 어레이 안테나를 위한 단위 셀을 제작하는 방법.
제14 항에 있어서,
상기 기판을 획득하는 단계는,
인쇄 회로 보드(PCB; Printed Circuit Board)를 획득하는 단계
를 더 포함하는,
위상 어레이 안테나를 위한 단위 셀을 제작하는 방법.
제16 항에 있어서,
상기 제1 전기 연결부들을 형성하는 단계는,
상기 제1 다이폴 안테나, 상기 제2 다이폴 안테나 및 상기 제3 다이폴 안테나 각각의 제1 안테나 엘리먼트를 상기 PCB의 상기 제2 표면 상의 상기 금속 막에 전기적으로 연결하는, 상기 PCB의 상기 제1 표면과 상기 PCB의 상기 제2 표면 사이의 비아들의 제1 세트를 제작하는 단계
를 포함하는,
위상 어레이 안테나를 위한 단위 셀을 제작하는 방법.
제16 항에 있어서,
상기 제2 전기 연결부들을 형성하는 단계는,
상기 제1 다이폴 안테나, 상기 제2 다이폴 안테나 및 상기 제3 다이폴 안테나 각각의 제2 안테나 엘리먼트에 전기적으로 연결되며 상기 PCB의 상기 제2 표면 상의 상기 금속 막으로부터 전기적으로 격리되는, 상기 PCB의 상기 제1 표면과 상기 PCB의 상기 제2 표면 사이의 비아들의 제2 세트를 제작하는 단계
를 포함하는,
위상 어레이 안테나를 위한 단위 셀을 제작하는 방법.