KR20200075508A - 2차원 배열형 대전력 초고주파 송신 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 2차원 배열형 대전력 초고주파 송신 시스템을 공개한다. 본 발명의 2차원 배열의 안테나 배치 구조를 가지는 초고주파 송신 시스템은, 고출력이 요구되는 안테나 배열의 중심부에 마그네트론 진공 전자 소자에서 발생된 초고주파를 출력하고, 상대적으로 저출력이 요구되는 안테나 배열의 외곽부에 초고주파 반도체 소자에서 발생된 초고주파를 출력함으로써, 효율적으로 가우시안 빔 형태의 초고주파 신호를 송신할 수 있다. 또한, 초고주파 반도체 소자에서 발생하는 출력의 일부를 분배기(또는 방향성 결합기)로 분기하여 중심부에 안테나가 배치된 초고주파 마그네트론의 주파수 및 위상을 제어하기 위한 주입 잠금 신호로 활용함으로써, 초고주파 가우시안 빔을 구성하기 위해 출력 밀도를 낮춰야하는 최외각 부위에 안테나가 배치된 초고주파 반도체 소자도 허용 가능한 출력 범위 내에서 최대한의 활용률을 확보할 수 있어, 효율적인 2차원 배열형 대전력 초고주파 송신 시스템을 제공할 수 있다.

Description

2차원 배열형 대전력 초고주파 송신 시스템{Two-dimension array type super high frequency transmission system}

본 발명은 초고주파 송신 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 2차원 배열형 대전력 초고주파 송신 시스템에 관한 것이다.

최근 초고주파 반도체 소자기술의 발전으로 레이더 등의 응용분야에서 반도체 기반 배열형 초고주파 송신 시스템이 활발히 개발되어 왔다. 그러나 반도체 소자가 가진 출력밀도의 한계와 단위 출력 당 무게의 한계로 인하여, 마그네트론과 같은 고출력 진공전자 소자를 단위 소자로 활용하는 배열형 초고주파 무선전력 송신 시스템을 구성하려는 노력이 병행되고 있다.

도 1 및 도 2는 종래 기술의 일 예에 따른 배열형 초고주파 송신 시스템의 구성 및 원리를 설명하는 도면이다.

도 1은 2차원 배열형 (n×n) 송신시스템의 1×n 배열에 대하여, 각 소자에서 발생하는 전자파의 위상(Φi)을 조정해서 합성되는 초고주파 빔의 방향이 제어되는 원리를 나타낸다.

도 2는 n×n 배열형 송신시스템 개념도를 도시하며, 1개 column(or row)에 대응되는 1×n 배열의 구성예가 좌측에 예시되어 있다. 1×n 배열의 각 pixel은 위상천이기와 2단의 고출력 증폭기(SSPA)로 구성되어 있으며 발진기에서 발생한 기준 주파수에 대하여 각각의 진폭(Ai)과 위상(Φi)을 독립적으로 제어할 수 있다.

도 2에 예시된 1×n 배열을 구성하는 각각의 소자에서 발생하는 진폭(Ai)을 제어함으로써 가우시안 빔을 구성하는 해당 column(or row)에 대응하는 신호를 생성할 수 있다. 이를 2차원으로 확장하면 도 1의 (b)와 같이 n×n 배열형 송신시스템으로부터 초고주파 가우시안 빔을 발생 시킬 수 있다.

2차원 초고주파 소자 배열에서 각 소자의 출력(Ai)뿐만 아니라 위상(Φi)을 조정하면 초고주파 가우시안 빔의 방향을 조정할 수 있게 되므로 공간적으로 제한되고 방향을 제어할 수 있는 고출력 초고주파 빔을 형성할 수 있게 된다.

2차원 배열을 구성하기 위하여 상기 예시한 바와 같이 독립적으로 위상 및 출력 조정이 가능한 n×n개의 초고주파 반도체 소자를 사용하거나 마그네트론과 같은 고출력 진공전자 소자에서 발생하는 초고주파를 n×n 혹은 하위 단위로 분기하여 각각의 단말에서 출력과 위상을 조절할 수 있다.

현재는, 우주태양광 발전과 같은 초장거리 무선 전력송신 시스템을 구현하기 위하여 출력밀도가 높아야 하므로, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같은 방식으로, 고출력 초고주파 진공전자 소자를 독립적인 단위소자로 활용하여 n×n 배열을 구성하기도 한다.

그런데, 초고주파 진공전자 소자는 여러 가지 우수성을 가지고 있음에도 불구하고, 마그네트론의 기본적인 동작 특성상 잡음이 많아 정밀한 위상 제어가 어렵다는 단점이 있다. 이를 극복하기 위하여 주파수와 위상이 안정화된 외부 신호원을 활용하여 마그네트론을 주입 잠금 상태로 구동하기 위한 노력이 진행되고 있으며 상당한 진전을 이루고 있다.

하지만, 초고주파 송신 시스템으로 형성하고자 하는 초고주파 가우시안 빔의 특성을 고려할 때, n×n 배열을 모두 마그네트론으로 구성하게 되면 중심부 이외의 소자는 최대 출력이하에서 동작하게 되므로 전체 시스템의 효율이 저하되고 가용 자원의 활용도가 낮아지는 단점이 있다.

본 발명은 이러한 단점을 개선하기 위해 초고주파 반도체 소자와 진공전자 소자를 결합하는 것을 주요 내용으로 한다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 상기한 종래기술의 단점을 극복하기 위하여, 초고주파 반도체 소자와 진공 전자 소자를 결합하여, 고효율의 2차원 배열형 대전력 초고주파 송신 시스템을 제공하는 것이다.

상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초고주파 송신 시스템은, 초고주파 신호를 방출하는 안테나가 2차원 평면으로 배치되되, 중심부에는 마그네트론들에서 출력되는 초고주파 신호를 방출하는 안테나들이 배치되고, 중심부를 둘러싸는 외곽부에는 초고주파 반도체 소자들에서 출력되는 초고주파 신호를 방출하는 안테나들이 배치된다.

또한, 상기 초고주파 송신 시스템에서 방출되는 초고주파 신호는 중심부로 갈수록 신호의 세기가 증가하고, 외곽부로 갈수록 신호의 세기가 감소하는 가우시안 빔 형태를 나타내는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 초고주파 송신 시스템에서, 안테나가 외곽부에 설치된 초고주파 반도체 소자에서 출력되는 초고주파 신호의 일부는, 주입 잠금 신호로서 안테나가 중심부에 설치된 마그네트론으로 입력된다.

또한, 상기 초고주파 송신 시스템에서, 상기 초고주파 반도체 소자들 중 안테나가 중심부로부터 멀리 배치된 초고주파 반도체 소자일수록, 중심부에 가까운 마그네트론으로 주입 잠금 신호를 제공할 수 있다.

또한, 상기 초고주파 송신 시스템에서, 상기 초고주파 반도체 소자들 중에서, 그 안테나가 중심부에 가장 인접하게 배치된 초고주파 반도체 소자는 모든 출력을 안테나를 통해서 방출할 수 있다.

또한, 상기 초고주파 송신 시스템에서, 상기 안테나들은 사각형 배열로 배치될 수 있다.

또한, 상기 초고주파 송신 시스템은, 신호 발생기에서 입력된 신호의 위상을 조절하여 출력하는 제 1 위상 조절기; 상기 제 1 위상 조절기로부터 입력된 신호를 증폭하여 외곽부에 배치된 안테나로 출력하는 증폭기; 상기 증폭기로부터 출력된 신호의 일부를 분기시켜 주입 잠금 신호로서 출력하는 분배기; 상기 분배기로부터 입력된 주입 잠금 신호를 마그네트론으로 입력하고, 상기 마그네트론으로부터 입력된 초고주파 신호를 상기 중심부에 배치된 안테나로 출력하는 써큘레이터; 및 상기 제 1 위상 조절기 및 상기 제 2 위상 조절기의 위상을 제어하고, 상기 신호 발생기의 주파수 및 위상을 제어하는 제어기를 포함할 수 있다.

본 발명의 2차원 배열의 안테나 배치 구조를 가지는 초고주파 송신 시스템은, 고출력이 요구되는 안테나 배열의 중심부에 마그네트론 진공 전자 소자에서 발생된 초고주파를 출력하고, 상대적으로 저출력이 요구되는 안테나 배열의 외곽부에 초고주파 반도체 소자에서 발생된 초고주파를 출력함으로써, 효율적으로 가우시안 빔 형태의 초고주파 신호를 송신할 수 있다.

또한, 초고주파 반도체 소자에서 발생하는 출력의 일부를 분배기(또는 방향성 결합기)로 분기하여 중심부에 안테나가 배치된 초고주파 마그네트론의 주파수 및 위상을 제어하기 위한 주입 잠금 신호로 활용함으로써, 초고주파 가우시안 빔을 구성하기 위해 출력 밀도를 낮춰야하는 최외각 부위에 안테나가 배치된 초고주파 반도체 소자도 허용 가능한 출력 범위 내에서 최대한의 활용률을 확보할 수 있어, 효율적인 2차원 배열형 대전력 초고주파 송신 시스템을 제공할 수 있다.

도 1 은 종래 기술의 일 예에 따른 배열형 초고주파 송신 시스템의 원리를 설명하는 도면이다.
도 2는 종래 기술의 일 예에 따른 배열형 초고주파 송신 시스템의 구성을 설명하는 도면이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 2차원 배열형 대전력 초고주파 송신 시스템의 전체적인 구성을 도식적으로 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 2차원 배열형 대전력 초고주파 송신 시스템의 세부 구성을 도시하는 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 2차원 배열형 대전력 초고주파 송신 시스템의 전체적인 구성을 도식적으로 설명하는 도면이고, 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 2차원 배열형 대전력 초고주파 송신 시스템의 세부 구성을 도시하는 도면이다.

도 3 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 2차원 배열형 대전력 초고주파 송신 시스템은, 초고주파 반도체 소자의 출력 안테나와 진공 전자 소자인 마그네트론의 출력 안테나를 2차원 사각형 배열 형상으로 배치한 하이브리드 타입의 초고주파 송신 시스템이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 2차원 배열형 대전력 초고주파 송신 시스템은, 도 3에 도시된 바와 같이, 초고주파 가우시안 빔을 출력하기 위해서, 높은 출력밀도가 요구되는 배열형 전송 시스템의 중심부(적색 표시)에는 고출력 초고주파 마그네트론의 안테나를 배치하고, 상대적으로 낮은 출력밀도가 요구되는 외각 부위(청색 gradient)에는 초고주파 반도체 소자의 안테나를 배치한다.

또한, 2차원 배열의 외각부위에 안테나가 배치된 초고주파 반도체 소자에서 발생하는 출력의 일부를 분배기(또는 방향성 결합기)로 분기하여 중심부에 안테나가 배치된 초고주파 마그네트론의 주파수 및 위상을 제어하기 위한 주입 잠금 신호로 활용함으로써, 초고주파 가우시안 빔을 구성하기 위해 출력 밀도를 낮춰야하는 최외각 부위에 안테나가 배치된 초고주파 반도체 소자도 허용 가능한 출력 범위 내에서 최대한의 활용률을 확보할 수 있어, 효율적인 2차원 배열형 대전력 초고주파 송신 시스템을 제공할 수 있다.

예컨대, 도 4에 도시된 바와 같이, 2차원 배열의 중심을 가로지르는 하나의 열을 가정하면, 정중앙에 안테나가 배치된 초고주파 마그네트론(411,412)의 출력이 가장 높고, 양 옆의 초고주파 마그네트론(421,422)의 출력이 그 다음으로 높으며, 초고주파 마그네트론(421,422)의 옆에 배치된 초고주파 반도체 소자(431,432)의 출력이 그 다음으로 높다. 아울러, 초고주파 반도체 소자(431,432)에 인접한 초고주파 반도체 소자(441,442)의 출력이 그 다음으로 높고, 최외곽의 초고주파 반도체 소자(451,452)의 출력이 가장 낮다.

이 때, 중심으로부터 가장 외곽의 초고주파 마그네트론(421,422)에 인접한 초고주파 반도체 소자(431,432)는 자신의 최대 출력을 100% 방출하고, 그 옆에 배치된 초고주파 반도체 소자(441,442)에서 발생하는 출력의 일부는 분배기(또는 방향성 결합기)에서 분기되어 정중앙으로부터 최외곽에 배치된 초고주파 마그네트론(421,422)에 주입 잠금 신호로서 입력된다. 아울러, 초고주파 반도체 소자(441,442)보다 외곽에 배치된 초고주파 반도체 소자(451,452)에서 발생하는 출력의 일부는 분배기(또는 방향성 결합기)에서 분기되어 정중앙에 배치된 초고주파 마그네트론(411,412)에 주입 잠금 신호로서 입력된다.

상기와 같이, 중심부 마그네트론 중에서도 상대적으로 외곽에 위치한 마그네트론의 경우 주입 잠금을 위해서 초고주파 반도체 소자에서 출력해야 하는 신호의 크기가 작고, 중심부에 가까운 마그네트론일수록 주입 잠금을 위해서 초고주파 반도체 소자로부터 상대적으로 큰 신호를 입력받아야 한다.

따라서, 중심부의 마그네트론 중에서 상대적으로 외곽에 배치된 마그네트론일수록, 외곽 부위의 초고주파 반도체 소자 중에서 상대적으로 가우시안 빔의 안쪽에 배치되어, 최외각에 배치된 초고주파 반도체 소자보다 높은 출력을 방출해야 하는 반도체 소자로부터 상대적으로 작은 출력을 주입 잠금 신호로 제공받는다.

마찬가지로, 중심부의 마그네트론 중에서 상대적으로 중심에 배치된 마그네트론일수록, 외곽 부위의 초고주파 반도체 소자 중에서 상대적으로 가우시안 빔의 바깥쪽에 배치되어, 상대적으로 안쪽에 배치된 초고주파 반도체 소자보다 낮은 출력을 방출하는 반도체 소자로부터 상대적으로 큰 출력을 주입 잠금 신호로서 제공받는다.

즉, 상대적으로 가우시안 빔의 바깥쪽에 위치한 초고주파 반도체 소자일수록 안테나를 통해서 출력하는 신호의 크기가 작고, 주입 잠금 신호로서 마그네트론으로 제공되는 신호의 크기가 크고, 상대적으로 가우시안 빔의 안쪽에 위치한 초고주파 반도체 소자일수록 안테나를 통해서 출력하는 신호의 크기가 크고, 주입 잠금 신호로서 마그네트론으로 제공되는 신호의 크기가 작으므로, 외곽에 배치된 초고주파 반도체 소자들에서 발생되는 전체 출력을 어느 정도 균일하게 조절할 수 있고, 따라서, 효율을 극대화 할 수 있다.

또한, 본 발명의 바람직한 다른 실시예에서는, 기본적으로, 2차원 배열의 외곽부에 배치된 안테나로 초고주파 반도체 소자에서 생성되는 출력의 일부를 마그네트론 주입 잠금을 위한 외부 신호로 활용하되, 최대 출력으로 동작하는 중심부 마그네트론의 주입 잠금을 위해 더 높은 출력이 요구될 경우에는, 마그네트론들 중 중심부로부터 상대적으로 멀리 안테나가 배치된 마그네트론에서 주파수 및 위상 잠금된 출력 일부를, 중심부 중앙에 안테나가 배치된 마그네트론을 위한 외부 주입 잠금 신호로 활용함으로써, 2차원 배열을 구성하는 모든 소자의 활용도를 극대화 할 수도 있다.

도 5는 도 4의 초고주파 반도체 소자(451,452)와 이에서 발생된 출력의 일부를 주입 잠금 신호로서 입력받는 초고주파 마그네트론(411,412)을 도시한 예이다.

도 5를 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 2차원 배열형 대전력 초고주파 송신 시스템의 세부 구성을 살펴보면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 2차원 배열형 대전력 초고주파 송신 시스템은, 초고주파 반도체 소자에서 초고주파 신호를 발생시키는 구성으로서, 신호 발생기(110), 위상 조절기(120), 증폭기(130), 전원 공급기(140) 및 분배기(또는 방향성 결합기)(150)를 포함한다.

또한, 초고주파 마그네트론 소자에서 초고주파 신호를 발생시키기 위한 구성으로서, 전원 공급기(210), 마그네트론(220), 써큘레이터(230), 및 위상 조절기(240)를 포함하며, 초고주파 반도체 소자 및 초고주파 마그네트론 소자를 제어하기 위한 제어기(300)가 전체 시스템에 포함된다.

전체 시스템의 동작 과정을 설명하면, 제어기(300)는 신호 발생기(110)로 신호 발생기(110)에서 발생되는 신호의 주파수 및 위상을 제어하는 제어 신호를 출력하고, 위상 조절기들(120,240)로 위상 제어 신호를 출력하며, 전원 공급기들(140,210)로 전원 공급기에서 발생될 전원의 전압 및 전류를 제어하는 제어 신호를 출력한다.

제어기(300)의 제어신호에 따라서 신호 발생기가 2.45GHz 또는 5.8GHz의 S-band 신호를 발생시켜 위상 조절기(120)로 출력하면, 위상 조절기(120)는 제어부(300)로부터 입력된 위상 제어 신호에 따라서 배열의 외각부위에 배치된 초고주파 반도체 소자의 안테나 단(160)에서 요구되는 위상(Φi)에 맞도록 위상을 조절하여 증폭기로 출력한다.

증폭기(130)는 전원 공급기(140)로부터 입력된 전원으로, 위상 조절기(120)로부터 입력된 신호를 증폭하여 출력한다. 이 때, 증폭기(130)는 배열의 외각부위에 배치된 초고주파 반도체 소자의 안테나 단(160)에서 요구되는 출력(~Ai^2)과, 중심부에 배치된 안테나 단(260)에 출력(Aj^2)을 공급할 마그네트론(MGT)의 위상을 잠금하는데 필요한 출력을 공급할 수준까지 위상 조절기(120)로부터 입력된 신호를 증폭한다.

증폭기(130)에서 출력된 신호는 배열 외곽부의 안테나 단(160)으로 전송되며, 출력의 일부는 분배기(또는 방향성 결합기)(150)를 통해 분기되어 위상 조절기(240)로 출력된다. 이 때, 분배기(또는 방향성 결합기)(150)에서 분기되는 신호의 세기는 마그네트론 주입 잠금에 필요한 적정 범위(마그네트론 출력의 최대 10% 이내)로 조정되어 있다.

위상 조절기(240)는 분배기(또는 방향성 결합기)(150)로부터 입력된 신호의 위상을 조절하여 서큘레이터(circulator)(230)로 출력하고, 서큘레이터(230)로 입력된 신호는 배열의 중심부 안테나 단(260)에 출력을 공급할 마그네트론(220)에 주입 잠금 신호로서 입력된다.

마그네트론(220)으로 입력되는 주입 잠금 신호는 위상 조절기(240)에 의해, 배열의 중심부 안테나 단(260)에서 요구하는 위상(Φj)을 갖도록 조절되어 입력된 뒤, 마그네트론(220)에서, 전원 공급기(210)가 제어 신호에 따라서 공급한 에너지와 상호작용하여 중심부에서 요구하는 진폭(Aj)과 위상(Φj)을 갖춘 고출력 신호로 변환되어 서큘레이터(230)로 출력된다.

서큘레이터(230)는 상기한 바와 같이, 위상 조절기(240)로부터 입력된 주입 잠금 신호는 마그네트론(220)으로 입력하고, 마그네트론(220)으로부터 입력된 출력 신호는 안테나(260)로 출력하여 방출되도록 한다.

상기와 같은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 2차원 배열형 대전력 초고주파 송신 시스템은, 제어기(300)를 통해서 각 초고주파 반도체 소자 및 마그네트론의 주파수, 위상, 출력 등을 제어함으로써, 초고주파 빔의 모양을 가우시안 형태가 되도록 조절할 수 있을 뿐만 아니라, 위상을 조절하여 가우시안 빔의 방향을 제어할 수 있다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

110 : 신호 발생기 120 : 위상 조절기
130 : 증폭기 140 : 전원 공급기
150 : 분배기(방향성 결합기) 160 : 안테나
210 : 전원 공급기 220 : 마그네트론
230 : 써큘레이터 240 : 위상 조절기
260 : 안테나 300 : 제어기

Claims (7)

1. 초고주파 신호를 방출하는 안테나가 2차원 평면으로 배치되되, 중심부에는 마그네트론들에서 출력되는 초고주파 신호를 방출하는 안테나들이 배치되고, 중심부를 둘러싸는 외곽부에는 초고주파 반도체 소자들에서 출력되는 초고주파 신호를 방출하는 안테나들이 배치되는 것을 특징으로 하는 초고주파 송신 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 초고주파 송신 시스템에서 방출되는 초고주파 신호는 중심부로 갈수록 신호의 세기가 증가하고, 외곽부로 갈수록 신호의 세기가 감소하는 가우시안 빔 형태를 나타내는 것을 특징으로 하는 초고주파 송신 시스템.
3. 제 1 항에 있어서,
   안테나가 외곽부에 설치된 초고주파 반도체 소자에서 출력되는 초고주파 신호의 일부는, 주입 잠금 신호로서 안테나가 중심부에 설치된 마그네트론으로 입력되는 것을 특징으로 하는 초고주파 송신 시스템.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 초고주파 반도체 소자들 중 안테나가 중심부로부터 멀리 배치된 초고주파 반도체 소자일수록, 중심부에 가까운 마그네트론으로 주입 잠금 신호를 제공하는 것을 특징으로 하는 초고주파 송신 시스템.
5. 제 3 항에 있어서,
   상기 초고주파 반도체 소자들 중에서, 그 안테나가 중심부에 가장 인접하게 배치된 초고주파 반도체 소자는 모든 출력을 안테나를 통해서 방출하는 것을 특징으로 하는 초고주파 송신 시스템.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 안테나들은 사각형 배열로 배치된 것을 특징으로 하는 초고주파 송신 시스템.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 초고주파 송신 시스템은
   신호 발생기에서 입력된 신호의 위상을 조절하여 출력하는 제 1 위상 조절기;
   상기 제 1 위상 조절기로부터 입력된 신호를 증폭하여 외곽부에 배치된 안테나로 출력하는 증폭기;
   상기 증폭기로부터 출력된 신호의 일부를 분기시켜 주입 잠금 신호로서 출력하는 분배기;
   상기 분배기로부터 입력된 주입 잠금 신호를 마그네트론으로 입력하고, 상기 마그네트론으로부터 입력된 초고주파 신호를 상기 중심부에 배치된 안테나로 출력하는 써큘레이터; 및
   상기 제 1 위상 조절기 및 상기 제 2 위상 조절기의 위상을 제어하고, 상기 신호 발생기의 주파수 및 위상을 제어하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 초고주파 송신 시스템.

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