KR20200075848A - 이중 대역 gps/iff 안테나 - Google Patents

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KR20200075848A
KR20200075848A KR1020207013876A KR20207013876A KR20200075848A KR 20200075848 A KR20200075848 A KR 20200075848A KR 1020207013876 A KR1020207013876 A KR 1020207013876A KR 20207013876 A KR20207013876 A KR 20207013876A KR 20200075848 A KR20200075848 A KR 20200075848A
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antenna element
vertical
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iff
antenna
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Application number
KR1020207013876A
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Inventor
게리 에이. 샤이
존 코센자
마이클 에스. 머피
Original Assignee
배 시스템즈 인포메이션 앤드 일렉트로닉 시스템즈 인티크레이션, 인크.
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Abstract

수평 GPS 패치 안테나 요소 및 수직 IFF 안테나 요소를 포함하는 어셈블리는 최소의 IFF-GPS 간섭으로 고성능 IFF 통신 및 GPS 수신을 동시에 제공한다. IFF 요소는 모노폴 요소일 수 있다. IFF 요소와 공선형인 제 2 모노폴은 동시 UHF 통신을 제공할 수 있다. 실시예들에서, 어셈블리는 항공기 또는 다른 자산에 있는 현존 IFF 블레이드를 대체할 수 있는 블레이드이다. 별개의 IFF 및 GPS 커넥터가 제공될 수 있고, 또는 단일 커넥터가 내장 다이플렉서를 사용하여 공유될 수 있다. 실시예는 블레이드에 내장되는 GPS 전치증폭기를 포함한다. 다른 실시예들에서, IFF 요소는 GPS 패치 요소에 중심을 두는 환형 슬롯 트랜스폰더이다. 이러한 실시예 중 일부는 아래의 표면에 대해 완전히 공형이다(conformal). 시스템 실시예는 GPS 수신기를 IFF 송신으로부터 더욱 보호하기 위한 대역통과 필터 및/또는 GPS 블랭킹을 포함한다.

Description

이중 대역 GPS/IFF 안테나
본 발명은 무선 주파수 안테나에 관한 것이고, 특히 다중-대역 무선 주파수 안테나에 관한 것이다.
민간 및 군용 항공기, 선박, 육상 차량, 및 다른 모바일 자산에 적용되는 통신 요건은 계속하여 진화하고 있다. 흔히, 동시 또는 거의 동시적인 통신이 상이한 목적에만 적용으로 사용되는 복수의 주파수 대역에 요구된다. 예를 들어, 군용 항공기는, 글로벌 위치설정 시스템(GPS) ADS-B(Automatic Dependent Surveillance-Broadcast) 공중 트래픽 제어 및 모니터링을 위해서 1565 MHz 내지 1585 MHz 대역에서 신호를 수신할 수 있으면서, IFF(피아식별)를 위해 1020 MHz 내지 1100 MHz 대역에서 통신하도록 요구될 수 있다. 일부 경우에는, 255 - 400 MHz 대역에서의 초고 주파수(UHF) 통신도 역시 소망될 수 있다.
효율적이고 신뢰가능한 무선 통신은 신호를 브로드캐스트하고 수신하기 위해서 사용되는 안테나의 최적의 디자인에 크게 의존한다. 특히, 특정 주파수에서 사용하도록 최적화된 안테나는 브로드밴드 안테나 디자인보다 일반적으로 훨씬 좋은 성능을 제공할 것이다. 그러나, 불행하게도 콤팩트한 IFF / GPS 대역 특정 안테나는 이용가능하지 않고, 및 소위 넓은 L 대역 안테나(1-2 GHz)가 성능이 크게 떨어지는 별개의 두 안테나의 단순한 절충적 "혼합(mash ups)"이다.
물론, 하나의 가능한 솔루션은 각각의 요구되는 주파수 대역에 대해서 별개의 안테나를 전개하는 것이다. 그러나, 일부 애플리케이션의 경우 이러한 접근법은, 항공기에 대한 증가된 항력(drag) 및/또는 레이더 시그너쳐(radar signature)와 같이 바람직하지 않은 효과를 가질 수 있다. 또한, 요구 사항이 변하기 때문에, 추가 안테나를 더하지 않고서 현존하는 자산에 추가적 주파수 대역을 더하는 것이 가끔 바람직하다. 예를 들어, 비용이 추가되지 않고 설치된 안테나의 개수가 증가되는 다른 단점이 없이 현존 IFF-가능 항공기에 GPS 수신기, 및 가능하게는 UHF 능력을 더 추가한다면 바람직할 수 있다.
또한, 다중-대역 통신을 제공하기 위한 현존 접근법은 흔히 통신 대역들 사이의 간섭으로 어려움을 겪는다. 예를 들어, IFF 송신이 GPS 안테나에 검출되면 잠재적으로 GPS 수신이 재밍되거나 및/또는 GPS 수신기 내의 컴포넌트를 포화시킬 수 있다.
그러므로, IFF 송신 및 GPS 수신 사이의 간섭을 최소화하면서 안테나 어셈블리가 IFF 및 GPS 통신 양자 모두에 대해서 고성능을 제공하는, 바람직하게는 안테나 어셈블리가 현존 IFF 안테나를 대체할 수 있는 개선된 안테나 어셈블리 및 무선 통신 시스템이 필요하다.
IFF 송신 및 GPS 수신 사이의 간섭을 최소화하면서 안테나 어셈블리가 IFF 및 GPS 통신 양자 모두에 대해서 고성능을 제공하는, 개선된 안테나 어셈블리 및 무선 통신 시스템이 개시된다. 실시예들에서, 안테나 어셈블리는 콤팩트한 점유공간을 가져서, 개시된 어셈블리가 항공기 또는 다른 IFF-가능 자산 상에서 현존 IFF를 대체할 수 있게 된다.
개시된 안테나 어셈블리는 GPS "패치" 안테나 요소를 직교 IFF 요소와 결합한다. GPS 패치는 실질적으로 평평한 프로파일을 가지고, 실시예들에서 안테나 어셈블리의 베이스에 평행하게 설치된다. 일부 실시예들에서, IFF 요소는, GPS 패치의 중심으로부터 상향 연장되는 기다란 튜브 또는 막대로서 구성되는 모노폴 요소이다. 실시예들에서, IFF 모노폴 및 GPS 패치 어셈블리는 현존 IFF 블레이드 안테나를 대체할 수 있는 블레이드 안테나로서 구성된다. 다른 실시예들에서, IFF 요소는 GPS 패치 상에 중심을 두는 환형 슬롯 IFF 트랜스폰더 안테나이다. 이러한 실시예 중 일부는 안테나 어셈블리가 장착되는 외부 표면과 완전히 공형이다(conformal).
IFF 성능은 1020 MHz 내지 1100 MHz 대역에서 개시된 안테나 어셈블리 및 시스템의 실시예에 의해 제공되는 반면에, GPS 성능은 1565 MHz 내지 1585 MHz 대역에서 제공된다. 일부 실시예들에서, GPS 패치는 L2(1216 MHz 내지 1240 MHz) 대역 및 L1(1565 MHz 내지 1585 MHz) 주파수 대역 양자 모두에서 신호를 수신할 수 있다. 실시예들에서, 개시된 안테나 어셈블리는 225 MHz 내지 400 MHz 대역에서 UHF 통신에 대한 고성능을 더 제공한다.
IFF 및 GPS 안테나 요소의 물리적으로 직교하는 배치는, 이들 사이에 자연적 격리를 제공하여, GPS 수신을 전자적으로 "로딩(load)"하고 및/또는 GPS 수신과 간섭하는 IFF 송신에 대한 경향성(tendency)이 감소된다. 격리 필터 및/또는 GPS 수신기 블랭킹(blanking)도 개시된 안테나 및/또는 통신 시스템의 실시예들에 포함되어, IFF 트랜스폰더 안테나에 의해 전송되는 파워가 GPS 수신을 재밍하는 것을 더욱 방지한다.
IFF 송신에 의한 GPS 수신의 재밍은 적어도 두 메커니즘으로 발생할 수 있다. 첫째로, IFF 송신으로부터의 에너지의 작은 양이 GPS 주파수 범위에 속하게 될 것이고, 잠재적으로 GPS 신호에 과급전(overpower)할 수 있다. 추가적으로, GPS 채널에 진입하는 IFF 주파수에서의 에너지는 잠재적으로 GPS 수신기의 하나 이상의 나란한 저잡음 증폭기(LNA) 중 하나 이상을 포화시킬 수 있고, 이것이 IFF 송신이 중단된 후에도 계속되고 GPS 수신과 간섭을 일으킬 수 있다.
실시예들에서, IFF 안테나 요소에 의해 전송된 파워는, GPS 안테나에 의해 수신되는 GPS 주파수에서 적어도 60dB만큼 감쇠되고, 일부 실시예들에서는 70dB 이상 감쇠된다. 개시된 안테나 요소가 IFF 및 GPS 대역통과 필터와 결합되면, IFF 주파수에서 +58 dBm으로 전송되고 GPS 요소에 의해 검출되는 에너지는 일부 실시예들에서 -15 dBm 아래로 감소되고, 일부 실시예들에서는 IFF 주파수에서 -25 dBm 미만으로 감소되는, 반면에 GPS 주파수에서의 에너지는 -110 dBm 미만으로 감소된다. 일부 실시예는 안테나 어셈블리의 IFF 및 GPS 기능을 위해 별개의 RF 커넥터들을 제공하는 반면에, 다른 실시예는 내부 다이플렉서 및 하나의 RF 커넥터만을 포함한다.
실시예들에서, 안테나 어셈블리는 IFF 모노폴 요소와 공선형인(하지만, 중첩하지는 않음) UHF 모노폴 요소를 더 포함한다. 실시예들은 두 개의 RF 커넥터를 포함하고, 이러한 경우 적어도 하나의 내부 다이플렉서가 안테나 요소들 중 두 개의 요소들 사이에서 커넥터 중 하나를 공유하기 위해 사용된다. 실시예들은 IFF 송신 중에 GPS 수신기의 블랭킹을 더 포함한다.
본 발명의 제 1 일반적 양태는 두 무선 주파수 F1 및 F2에서의 무선 통신을 위한 안테나 어셈블리이다. 안테나 어셈블리는, F2를 포함하지만 F1을 포함하지 않는 제 2 주파수 범위에 걸친 통신을 위하여 구성되는 수평 패치 안테나 요소 - 수평 패치 안테나는 원편광 및 실질적으로 상기 수평 패치 안테나의 수평선에서 최대인 옴니-아지무스(omni-azimuth) 이득 패턴을 가짐 -; 및 상기 수평 패치 안테나 요소의 중심으로부터 상향 연장되고, F1을 포함하지만 F2를 포함하지 않는 제 1 주파수 범위에 걸친 통신을 위하여 구성되는 제 1 수직 안테나 요소 - 상기 제 1 수직 안테나 요소는 수직 편광 및 실질적으로 상기 제 1 수직 안테나 요소의 정점에서 최대인 옴니-아지무스 이득 패턴을 가짐 - 를 포함한다.
실시예들에서, F1은 1000 MHz 내지 1200 MHz이고, F2는 1200 MHz 내지 1600 MHz이다.
앞선 실시예들 중 임의의 실시예에서, 제 1 수직 안테나 요소는 수직 모노폴 안테나 요소일 수 있다. 이러한 실시예들 중 일부에서, 안테나 어셈블리는, F1 및 F2 양자 모두를 포함하지 않는 주파수 범위 내에서의 무선 통신에 대해 최적화된 현존 블레이드 안테나에 대한 대체물로서 차량에 설치되기 위한 블레이드로서 구성된다.
이러한 실시예들 중 임의의 실시예는, 상기 제 1 수직 모노폴 요소와 공선형(co-linear)이고 F1 및 F2보다 낮은 주파수 F3에서의 최적 통신을 위하여 구성되는 제 2 수직 모노폴 안테나 요소를 더 포함할 수 있고, 상기 제 2 수직 모노폴 안테나 요소는 수직 편광 및 실질적으로 상기 제 2 수직 모노폴 안테나 요소의 정점에서 최대인 옴니-아지무스 이득 패턴을 가진다. 이러한 실시예들 중 임의의 실시예에서, 제 1 수직 모노폴 안테나 요소는 상기 수평 패치 안테나 요소와 상기 제 2 모노폴 안테나 요소 사이에 있다. 이러한 실시예들 중 임의의 실시예에서, 제 2 수직 모노폴 안테나 요소는 상기 수평 패치 안테나 요소와 상기 제 1 모노폴 안테나 요소 사이에 있을 수 있다. 이러한 실시예들 중 임의의 실시예에서, F3는 200 MHz 내지 400 MHz일 수 있다. 이러한 실시예들 중 임의의 실시예는, 제 1 커넥터를 통해 상기 수평 패치 안테나 요소 및 제 1 수직 모노폴 안테나 요소로의, 그리고 제 2 커넥터를 통해 상기 제 2 수직 모노폴 안테나로의 액세스를 제공하는 다이플렉서(diplexer)를 더 포함할 수 있다.
앞선 실시예들 중 어느 한 실시예는, 상기 수평 패치 안테나 요소와 협동하는 제 1 커넥터 및 상기 제 1 수직 안테나 요소와 협동하는 제 2 커넥터를 더 포함할 수 있다.
앞선 실시예들 중 어느 한 실시예는 상기 안테나 어셈블리에 내장되고 상기 수평 패치 안테나와 협동하는 RF 증폭기를 더 포함할 수 있다.
앞선 실시예들 중 어느 한 실시예는, 상기 안테나 어셈블리에 내장되고, 상기 수평 패치 안테나 요소 및 상기 제 1 수직 안테나 요소 양자 모두와 협동하는 다이플렉서; 및 상기 다이플렉서와 협동하는 커넥터를 더 포함할 수 있다.
앞선 실시예들 중 어느 한 실시예에 있어서, 상기 제 1 수직 안테나 요소는, GPS 패치 안테나 요소에 중심이 위치된 환형 슬롯 트랜스폰더 안테나 요소일 수 있다. 앞선 실시예들 중 일부에서, 상기 안테나 어셈블리는, 상기 안테나 어셈블리가 장착되는 표면에 완전히 공형이다(conformal).
본 발명의 제 2 일반적 양태는 두 무선 주파수 F1 및 F2에서 통신하도록 구성되는 무선 통신 시스템이다. 상기 시스템은, 제 1 항에 따른 안테나 어셈블리, 상기 수평 패치 안테나 요소와 통신하는 수신기 입력을 가지고, 주파수 F1에서 신호를 수신하도록 구성되는 수신기, 및 상기 제 1 수직 안테나 요소와 통신하고, 주파수 F2에서 신호를 송신하고 수신하도록 구성되는 제 1 송수신기를 포함한다.
실시예들에서, 상기 무선 통신 시스템은, 상기 수평 패치 안테나 요소와 상기 수신기 입력 사이에 개재된 제 1 대역통과 필터 - 상기 제 1 대역통과 필터는 F1을 포함하지만 F2는 포함하지 않는 제 1 필터 범위 내의 주파수만을 통과시키도록 튜닝됨 -, 및 상기 제 1 수직 안테나 요소와 상기 제 1 송수신기 사이에 개재된 제 2 대역통과 필터 - 상기 제 2 대역통과 필터는 F2를 포함하지만 F1은 포함하지 않는 제 2 필터 범위 내의 주파수만을 통과시키도록 튜닝됨 -를 더 포함한다.
앞선 실시예들 중 어느 한 실시예에서, 상기 무선 통신 시스템은, 상기 제 1 송수신기가 주파수 F1에서 에너지를 전송하고 있는 동안에 상기 수신기 입력을 차단할 수 있는 블랭킹(blanking) 장치를 더 포함할 수 있다.
앞선 실시예들 중 어느 한 실시예에 있어서, 상기 수신기는 GPS 신호를 수신하도록 구성될 수 있고, 상기 제 1 송수신기는 IFF 신호를 전송하고 수신하도록 구성된다.
앞선 실시예들 중 임의의 실시예에서, 상기 무선 통신 시스템은, 상기 제 1 수직 모노폴 요소와 공선형(co-linear)이고 F1 및 F2보다 낮은 주파수 F3에서의 최적 통신을 위하여 구성되는 제 2 수직 모노폴 안테나 요소 - 상기 제 2 수직 모노폴 안테나 요소는 수직 편광 및 실질적으로 상기 제 2 수직 모노폴 안테나 요소의 정점에서 최대인 옴니-아지무스 이득 패턴을 가짐 -, 및 상기 제 2 수직 안테나 요소와 통신하고 주파수 F3에서 신호를 송신하고 수신하도록 구성되는 제 2 송수신기를 더 포함할 수 있다. 그리고, 이러한 실시예 중 일부에서, 제 2 송수신기는 UHF 신호를 전송하고 수신하도록 구성된다.
본 명세서에서 설명되는 특징과 장점은 포괄적인(all-inclusive) 것이 아니고, 특히, 많은 추가적인 특징과 장점이 도면, 명세서, 및 청구항을 기초로 당업자에게 명백해질 것이다. 더욱이, 명세서에서 사용되는 용어가 이론적으로 쉽게 읽히고 정보를 제공하기 위하여 주로 선택되었고, 본 발명의 기술 요지의 범위를 한정하려는 것이 아님에 주의해야 한다.
도 1a는 수직 모노폴 IFF 대역 안테나 요소를 포함하는 일 실시예의 측면으로부터의 사시도이다;
도 1b는 도 1a의 실시예의 위에서 본 사시도이다;
도 2a는 도 1a 및 도 1b의 수직 모노폴 안테나 요소에 대한 통상적인 고도 평면(elevation plane) 방사선 패턴을 보여주는 그래프이고, 아지무스 평면 방사선 패턴은 옴니-방향성이다;
도 2b는 도 1a 및 도 1b의 수직 모노폴 IFF 대역 안테나 요소에 대한 통상적 VSWR 값을 보여주는 그래프이다;
도 3a는 도 1a 및 도 1b의 수평 패치 안테나 GPS L1 대역 요소에 대한 통상적인 고도 평면 방사선 패턴을 보여주는 그래프이고, 아지무스 평면 방사선 패턴은 옴니-방향성이다;
도 3b는 도 1a 및 도 1b의 수평 패치 안테나 요소에 대한 통상적 VSWR 값을 보여주는 그래프이다;
도 4는 블레이드 구조 내에 통합된 도 1a 및 도 1b의 안테나 어셈블리를 포함하는 일 실시예의 사시도이다;
도 5a는, 저잡음 GPS 증폭기 및 GPS 및 IFF 주파수 양자 모두에 대한 대역통과 필터와 결합된, 별개의 IFF 및 GPS 커넥터로 구성된 본 발명의 안테나 어셈블리를 포함하는 무선 통신 시스템을 예시하는 블록도이다;
도 5b는 다이플렉서 및 결합기(combiner)로 구성된 본 발명의 안테나 어셈블리를 포함하는 무선 통신 시스템을 예시하는 블록도이고, 여기에서 GPS 수신기는 GPS 블랭킹에 의한 IFF 송신으로부터 보호된다;
도 6은 도 1a와 유사하지만, IFF 수직 안테나 요소 위에 있으며 공선형인 수직 UHF 모노폴 안테나 요소를 포함하는 일 실시예의 사시도이다;
도 7a는 도 6의 수평 GPS 패치 안테나 요소에 대한 통상적인 고도 평면 방사선 패턴을 보여주는 그래프이다;
도 7b는 도 6의 수평 GPS 패치 안테나 요소에 대한 통상적인 VSWR 값을 보여주는 그래프이다;
도 8a는 도 6의 수직 UHF 모노폴 안테나 요소에 대한 통상적인 고도 평면 방사선 패턴을 보여주는 그래프이다;
도 8b는 도 6의 수직 UHF 모노폴 안테나 요소에 대한 통상적인 VSWR 값을 보여주는 그래프이다;
도 9a는 도 6의 수직 UHF 대역 모노폴 안테나 요소에 대한 통상적인 고도 평면 방사선 패턴을 보여주는 그래프이다;
도 9b는 도 6의 수직 IFF 모노폴 안테나 요소에 대한 통상적인 VSWR 값을 보여주는 그래프이다;
도 10은 블레이드 구조 내에 통합된 도 6의 안테나 어셈블리를 포함하는 일 실시예의 사시도이다;
도 11은 IFF 및 GPS 안테나 요소 사이에서 다이플렉서에 의해 공유되는 제 1 커넥터와 다이플렉서에 전용인 UHF 안테나 요소로의 제 2 커넥터로 구성되는 도 6의 안테나 어셈블리를 포함하는 무선 통신 시스템을 예시하는 블록도이다;
도 12는 IFF 안테나 요소가 GPS 패치 안테나 요소 상에 중심이 위치된 환형 슬롯 IFF 트랜스폰더 안테나 요소인 일 실시예의 사시도이다;
도 13a는 도 12의 수직 IFF 안테나 요소에 대한 통상적인 고도 평면 방사선 패턴을 보여주는 그래프이다; 그리고
도 13b는 도 12의 수평 GPS 패치 안테나 요소에 대한 통상적인 고도 평면 방사선 패턴을 보여주는 그래프이다.
본 발명은 개선된 안테나 어셈블리 및 무선 통신 시스템이고, 안테나 어셈블리는 IFF 송신 및 GPS 수신 사이의 간섭을 최소화하면서 안테나 어셈블리가 IFF 및 GPS 통신 양자 모두에 대해서 고성능을 제공한다. 실시예들에서, 안테나 어셈블리는 콤팩트한 점유공간을 가져서, 개시된 어셈블리가 항공기 또는 다른 IFF-가능 자산 상에서 현존 IFF를 대체할 수 있게 된다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 개시된 안테나 어셈블리(100) 는 GPS "패치" 안테나 요소(102) 를 직교 IFF 요소(104)와 결합한다. GPS 패치(102) 는 실질적으로 평평한 프로파일을 가지고, 도 1a 및 도 1b의 실시예에서는 안테나 어셈블리(100)의 베이스(106) 에 평행하게 설치된다. 도 1a 및 도 1b의 실시예에서, IFF 요소(104)는, GPS 패치(102)의 중심으로부터 상향 연장되는 기다란 튜브 또는 막대로서 구성되는 모노폴 요소이다. 도시된 실시예에서, IFF 모노폴(104) 은, 유전체 베이스 재료(106) 를 통해 제작되어 GPS 패치 안테나 요소(102)의 중심을 통과하는 홀을 통해 안테나 베이스(106) 의 후면 상에서 IFF 커넥터(미도시) 에 연결된다. IFF 커넥터로부터 오는 동축 케이블의 외부 도체는 GPS 패치 요소(102)에 납땜되고, 동축 케이블 중심 도체는 IFF 모노폴(104)에 납땜된다. GPS 패치 요소(102) 는, 이러한 피쳐가 그 성능과 간섭을 일으키지 않도록 튜닝된다.
IFF 성능은, 도 1a 및 도 1b의 실시예에 의해 1020 MHz 내지 1040 MHz 및 1080 MHz 내지 1100 MHz 대역에서 제공된다. 도시된 실시예에서, IFF 모노폴(104) 은 약 2.85 인치 높이이고, 패치 안테나(102) 는 1.135 인치의 길이와 0.15 인치의 높이인 정방형이다. 정재파 전압비(voltage standing wave ratio; VSWR)는 IFF 대역들 각각에 대해 1.5:1 미만이고, 편광은 수직이며, 이득은, 실질적으로 수평선에서 최대인 이득을 가지는 옴니-아지무스 패턴과 함께 3.5 dBi 피크이다.
도 2a 및 도 2b는, 도 1a 및 도 1b의 실시예에 대한 IFF 고도 평면 방사선 패턴 및 정재파 전압비(VSWR)를 각각 예시하는 그래프이다. 이러한 그래프의 경우, 이득 계산 시에 1.5 dB 송신 손실과 3.5 dBi IFF 트랜스폰더가 가정된다.
도 1a 및 도 1b의 실시예에 의해 GPS 성능이 1565 MHz 내지 1585 MHz 대역(L1 오직)에서 제공된다. VSWR은 1.5:1 보다 작고, 편광은 오른손 원형(right hand circular; RHCP)이며, 이득은 정점(zenith)에서 최대 이득을 가지는 옴니-아지무스 패턴과 함께 3.5 dBic이다.
도 3a 및 도 3b는, 도 1a 및 도 1b의 실시예에 대한 GPS 고도 평면 방사선 패턴 및 VSWR을 각각 예시하는 그래프이다. 이러한 그래프의 경우, 이득 계산 시에 1.5 dB 송신 손실과 3.5 dBic GPS 수신기가 가정된다.
IFF(104) 및 GPS(102) 안테나 요소의 물리적으로 직교하는 배치는, 이들 사이에 자연적 격리를 제공하여, GPS 채널을 전자적으로 "로딩(load)"하는 IFF 안테나의 경향성이 감소된다. IFF 송신에 의한 GPS 수신의 재밍은 적어도 두 메커니즘으로 발생할 수 있다. 첫째로, IFF 주파수 대역폭은 무한대로 첨예한 컷오프를 가지지 않아서, IFF 송신으로부터의 에너지의 작은 양이 GPS 주파수 범위에 속하게 될 것이고 잠재적으로 GPS 신호에 과급전(overpower)할 수 있다. 추가적으로, GPS 채널에 진입하는 IFF 주파수에서의 에너지는 잠재적으로 GPS 수신기의 하나 이상의 나란한 저잡음 증폭기(LNA) 중 하나 이상을 포화시킬 수 있고, 이것이 IFF 송신이 중단된 후에도 계속되고 GPS 수신과 간섭을 일으킬 수 있다.
실시예들에서, IFF 안테나 요소에 의해 전송된 파워는, GPS 안테나에 의해 수신되는 GPS 주파수에서 적어도 50dB만큼 감쇠되고, 일부 실시예들에서는 70dB 이상 감쇠된다. 개시된 안테나 요소가 IFF 및 GPS 대역통과 필터와 결합되면, IFF 주파수에서 +58 dBm으로 전송되고 GPS 요소에 의해 검출되는 에너지는 일부 실시예들에서 -15 dBm 아래로 감소되는 반면에 GPS 주파수에서의 에너지는 -100 dBm 미만으로 감소된다. 도 1a 및 도 1b의 실시예에 대해 계산된 IFF / GPS 파라미터가 표 1에 제공된다.
IFF(1090 MHz) GPS(1575 MHz)
트랜스폰더 포트로의 입력 파워 +58 dBm +58 dBm
트랜스폰더 스펙트럼 손실 0 dB 70 dB
트랜스폰더 송신 손실 1.0 dB 5 dB
GPS 안테나 송신 손실 10 dB 1 dB
커플링 손실 10 dB 10 dB
GPS 모드 사전 손실 25 dB 35 dB
GPS 안테나 출력 - 12 dBm -63 dBm
GPS 대역 통과 필터 30 dB 0 dB
- 트랜스폰더 대역-통과 필터 0 dB 35 dB
GPS 수신기로의 입력 - -18 dBm -98 dBm
표 1: 도 1a 및 도 1b의 실시예에 대한 IFF / GPS 커플링
도 4를 참조하면, 도 2a 및 도 2b의 어셈블리(100) 는 현존 IFF 블레이드 안테나를 대체할 수 있는 블레이드 안테나(400)로서 구성될 수 있다. 도 4의 실시예에서, 블레이드는 2.375 인치 폭, 6 인치 길이, 및 3 인치 높이이다.
도 5a를 참조하면, 일부 실시예는 안테나 어셈블리(100)의 IFF 및 GPS 기능에 대해서 별개의 RF 커넥터(502A, 502B) 를 제공한다. 이러한 실시예 중 일부는, 안테나(100) 에 또는 더 나아가 대역통과 필터(514) 이전의 RF 케이블(516) 과 나란히 통합된 GPS 저잡음 증폭기(514)를 더 포함한다. 일부 실시예들에서, 저잡음 증폭기(514)를 위한 DC 파워는 RF 동축 케이블(516)을 통해 GPS 수신기(508) 에 의해 공급된다. 표 1의 예에서, LNA(514) 에서의 IFF 레벨은 -10 dBm을 초과할 것이라는 것을 알 수 있다. 그러면 LNA 증폭기(514)가 포화될 것이고, 결과적으로 GPS 수신기에서의 L1 신호 레벨이 감소된다. 그러므로, LNA(514)가 포화되는 것을 피하기 위해서 LNA(514)(도 5a) 이전에 IFF 블랭킹 스위치(512)(도 5b)를 포함하는 것이 필요할 수 있다. 도 5a의 실시예는, IFF(506) 및 GPS(508) 채널의 격리를 더욱 개선하는 대역통과 필터(504)를 IFF 및 GPS 채널 양자 모두에 더 포함한다.
도 5b를 참조하면, 다른 실시예는 내부 다이플렉서(500) 및 오직 하나의 RF 커넥터(502)를 포함하고, 이러한 경우 GPS 수신기(508) 및 IFF 송수신기(506) 의 출력은 이들 모두가 단일 커넥터(502)에 액세스할 수 있도록 결합된다(510). 도 5b의 실시예는, 공유된 커넥터(502) 에 인가된 IFF 파워가 GPS 수신기(508)에 직접적으로 커플링되는 것을 방지하는 GPS 블랭킹(512) 을 더 포함한다. 도 5b의 실시예에서, GPS 블랭킹(512)이 포함되면 LNA(514) 및 GPS 수신기(508)를 보호하기 위해서 격리 필터(504)가 필요가 없어진다. 어떤 단일-커넥터 실시예는 GPS 애퍼쳐로의 입력에 통합된 GPS 저잡음 증폭기(514)를 더 포함한다.
도 6을 참조하면, 실시예들에서 안테나 어셈블리(600) 는 IFF 모노폴 요소(104)와 공선형인(하지만, 중첩하지는 않음) UHF 모노폴 요소(602)를 더 포함한다.
실시예들은 두 개의 RF 커넥터를 포함하고, 이러한 경우 적어도 하나의 내부 다이플렉서가 안테나 요소들 중 두 개의 요소들 사이에서 커넥터 중 하나를 공유하기 위해 사용된다. 실시예들은 IFF 송신 중에 GPS 수신기의 블랭킹을 더 포함한다.
도 6을 참조하면, 실시예들에서 개시된 안테나 어셈블리는 225 MHz 내지 400 MHz 대역에서 UHF 통신에 대한 고성능을 더 제공한다. 도시된 실시예에서, 안테나 어셈블리(600)는 IFF 모노폴 요소(104)와 공선형인(하지만, 중첩하지는 않음) UHF 모노폴 요소(602)를 더 포함한다. 이러한 실시예에서, IFF(104) 및 UHF(602) 요소가 결합되면 높이가 약 9 인치가 된다.
도 6의 실시예는 1565 MHz 내지 1585 MHz의 주파수 범위(L1 오직)에서 GPS 통신을 제공하고, VSWR은 1.5:1 보다 적다. 이득은 3.5 dBic 피크이고, 편광은 정점에서 최대 이득을 가지는 옴니-아지무스 패턴이 있는 오른손 원편광(RHCP)이다.
도 7a 및 도 7b는, 도 6의 실시예에 대한 GPS 고도 평면 방사선 패턴 및 VSWR을 각각 예시하는 그래프이다. 이러한 그래프의 경우, 계산은 정점에서 +3.5 dBic를 가정하는데, 여기에서 GPS 안테나의 내부 손실은 약 1.5 dB로 가정되고, VSWR은 급전점에서 2.5:1 미만이며, VSWR은 하이브리드 커플러 입력(내부 다이플렉서 출력)에서 1.5:1보다 작다.
도 6의 실시예는 225 내지 400 MHz의 주파수 범위에서 UHF 통신을 제공하고 VSWR은 2.5:1 미만이며, 일부 실시예들에서는 2.0:1 미만이다. 이득은 2.0 dBi 피크이고, 편광은 실질적으로 수평선에서 최대 이득을 가지는 옴니-아지무스 패턴이 있는 수직이다.
도 8a 및 도 8b는, 도 6의 실시예에 대한 UHF 방사선 패턴 및 VSWR을 각각 예시하는 그래프이다. 이러한 그래프의 경우, 계산은 실질적으로 수평선에서 +2.0 dB 피크 이득 및 2.5:1 미만의 VSWR을 가정한다.
도 6의 실시예는 1020 MHz 내지 1040 MHz(수신) 및 1080 MHz 내지 1100 MHz(송신) 의 주파수 범위에서 IFF 통신을 제공하고, 각각의 대역에서 VSWR은 1.5:1 미만이다. 이득은 2.0 dBi 피크이고, 편광은 실질적으로 수평선에서 최대 이득을 가지는 옴니-아지무스 패턴이 있는 수직이다.
도 9a 및 도 9b는, 도 6의 실시예에 대한 IFF 방사선 패턴 및 VSWR을 각각 예시하는 그래프이다. 이러한 그래프의 경우, 계산은 +3.8 dB 피크 이득 및 2:1 미만의 VSWR을 가정한다.
도 10을 참조하면, 도 2a 및 도 2b의 어셈블리(600) 는 현존 IFF 블레이드 안테나를 대체할 수 있는 블레이드 안테나(1000)로서 구성될 수 있다. 도 10의 실시예에서, 블레이드는 3.8 인치 폭, 7.74 인치 길이, 및 9.75 인치 높이이다.
일부 실시예들에서, UHF 안테나 요소는 별개의 rf 커넥터로 지향되는 반면에, IFF 및 GPS 요소는 하나의 커넥터를 공유한다. 도 10의 실시예에서, 그리고 또한 도 11을 참조하면, GPS(102) 및 IFF(104) 안테나 요소가 하나의 커넥터(1002)를 공유하게 하는 내부 다이플렉서(1100, 1102) 의 쌍이 블레이드(1000) 내에 제공되는 반면에, 다른 커넥터(1004) 는 UHF 안테나 요소(602)에 전용이다. 도 11의 실시예에서, 통합된 GPS 저잡음 증폭기는 GPS 애퍼쳐로의 실시예에 포함되고, IFF 파워가 GPS 수신기에 직접적으로 커플링되지 않도록 GPS 블랭킹이 구현된다. GPS 블랭킹에 기인하여, 이러한 실시예에서 GPS 및 IFF 채널을 격리하기 위한 추가적 격리 필터링이 요구되지 않는다. 저역 통과 필터는 IFF/UHF 다이플렉서(1100) 내에 통합되어 UHF 및 GPS 채널들 사이의 격리를 보장한다.
도 12를 참조하면, 다른 실시예들에서, 안테나 어셈블리(1200) 는, 환형 베이스(1206)에 의해 둘러싸인 GPS 패치 안테나 요소(1204) 상에 중심을 두는 환형 슬롯 IFF 트랜스폰더 안테나 요소(1202)인 IFF 요소를 포함한다.
도 12의 실시예에서, GPS 패치(1204) 는 L2(1216 MHz 내지 1240 MHz)) 대역 및 L1(1565 MHz 1585 MHz) 주파수 대역 양자 모두에서 신호를 수신할 수 있고, 각각의 대역에 대해서 VSWR은 1.5:1 미만이다. 편광은 정점에서 최대 이득을 가지는 옴니-아지무스 패턴이 있는 오른손 원편광(RHCP)이다.
도 12의 실시예에서, IFF 안테나 요소(1202) 는 신호를 1220 MHz 내지 1040 MHz 주파수 범위에서 수신하고, 신호를 1080 MHz 내지 1100 MHz 주파수 범위에서 송신할 수 있다. VSWR은 이러한 범위들 각각에 대해서 1.5:1 미만이다. IFF 안테나 요소(1202) 의 편광 은 실질적으로 수평선에서 최대 이득을 가지는 옴니-아지무스 패턴이 있는 수직이다.
안테나 요소(1202, 1204) 각각은 별개의 RF 커넥터로 지향된다. 베이스(1206) 는 직경이 거의 7인치이고, 어셈블리(1200) 는 깊이가 약 1인치이며, 외면 위로 약간 튀어나온 돌출부는 약 0.5 인치이다. 실시예들은 안테나 어셈블리가 장착되는 외면과 완전히 공형이다.
도 12의 실시예에 대해서 계산된 IFF / GPS 파라미터는 다음 표 2에 제공된다.
IFF(1090 MHz) GPS(1575 MHz)
트랜스폰더 포트로의 입력 파워 +58 dBm +58 dBm
트랜스폰더 스펙트럼 손실 0 dB 70 dB
트랜스폰더 안테나 손실 1.0 dB 30 dB
GPS 안테나 손실 10 dB 1 dB
커플링 손실 10 dB 10 dB
GPS 모드 사전 손실 25 dB 35 dB
GPS 포트로부터의 출력 파워 +12 dBm -71 dBm
GPS 대역-통과 필터 30 dB 0 dB
트랜스폰더 대역-통과 필터 0 dB 35 dB
GPS 수신기로의 입력 -18 dBm -106 dBm
표 2: 도 12의 실시예에 대한 IFF / GPS 커플링
도 13 및 도 14는 도 12의 IFF(1202) 및 GPS(1204) 안테나 요소 각각에 대한 방사선 패턴 계산 패턴을 제공한다. 도 14에서, L2 대역이 모델링되었다. L1 대역에 대한 성능이 유사하다. 1.5 dB 송신 손실을 가능하게 하는 도면의 이득들은, 2.0:1 미만의 VSWR이 있는 IFF 안테나 요소(1202)(도 13) 에 대한 3.5 dBi, 및 1.5:1 미만의 VSWR이 있는 GPS 안테나 요소(1204)(도 14)이다.
본 발명의 실시예에 대한 전술된 설명은 예시와 설명을 위하여 제공되었다. 본 명세서의 각각의 그리고 모든 페이지 및 기록된 모든 내용은, 어떻게 특징지어지거나 식별되거나 번호가 부여되는지와 관계 없이, 본 출원 내에서의 형태와 배치와 무관하게 모든 목적에 대해서 본원의 중요 부분이라고 간주된다. 본 명세서는 망라적인 의미를 가지거나 본 발명을 개시된 구체적인 형태로 한정하려는 것이 아니다. 많은 변경예 및 변형예가 이러한 개시 내용을 고려하여 구현될 수 있다.
본원이 제한된 개수의 형태에서 도시되지만 발명의 범위는 이러한 세 가지 형태로 한정되지 않고, 본 발명의 사상에서 벗어나지 않으면서 다양한 변화 및 변경을 할 수 있다. 본 명세서에 제공된 개시 내용은 본 발명의 범위에 속하는 피쳐들의 가능한 모든 조합을 명백하게 개시하는 것이 아니다. 다양한 실시예들에 대해서 본 명세서에 개시된 피쳐들은, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서 일반적으로 교환되고 스스로 모순되지 않는 임의의 조합으로 통합될 수 있다. 특히, 다음 종속항에 표시된 한정은, 종속항이 서로 논리적으로 호환불가능하지 않다면, 그들의 대응하는 독립 청구항과 임의의 개수로 그리고 임의의 순서로 결합될 수 있다.

Claims (20)

  1. 두 무선 주파수 F1 및 F2에서의 무선 통신을 위한 안테나 어셈블리로서,
    F2를 포함하지만 F1을 포함하지 않는 제 2 주파수 범위에 걸친 통신을 위하여 구성되는 수평 패치 안테나 요소 - 상기 수평 패치 안테나 요소는 원편광 및 실질적으로 상기 수평 패치 안테나의 수평선에서 최대인 옴니-아지무스(omni-azimuth) 이득 패턴을 가짐 -; 및
    상기 수평 패치 안테나 요소의 중심으로부터 상향 연장되고, F1을 포함하지만 F2를 포함하지 않는 제 1 주파수 범위에 걸친 통신을 위하여 구성되는 제 1 수직 안테나 요소 - 상기 제 1 수직 안테나 요소는 수직 편광 및 실질적으로 상기 제 1 수직 안테나 요소의 정점(zenith)에서 최대인 옴니-아지무스 이득 패턴을 가짐 - 를 포함하는, 안테나 어셈블리.
  2. 제 1 항에 있어서,
    F1은 1000 MHz 내지 1200 MHz이고, F2는 1200 MHz 내지 1600 MHz인, 안테나 어셈블리.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 수직 안테나 요소는 수직 모노폴 안테나 요소인, 안테나 어셈블리.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 안테나 어셈블리는, F1 및 F2 양자 모두를 포함하지 않는 주파수 범위 내에서의 무선 통신에 대해 최적화된 현존 블레이드 안테나에 대한 대체물로서 차량에 설치되기 위한 블레이드로서 구성되는, 안테나 어셈블리.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 안테나 어셈블리는,
    상기 제 1 수직 모노폴 요소와 공선형(co-linear)이고 F1 및 F2보다 낮은 주파수 F3에서의 최적 통신을 위하여 구성되는 제 2 수직 모노폴 안테나 요소를 더 포함하고,
    상기 제 2 수직 모노폴 안테나 요소는 수직 편광 및 실질적으로 상기 제 2 수직 모노폴 안테나 요소의 정점에서 최대인 옴니-아지무스 이득 패턴을 가지는, 안테나 어셈블리.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 수직 모노폴 안테나 요소는 상기 수평 패치 안테나 요소와 상기 제 2 모노폴 안테나 요소 사이에 있는, 안테나 어셈블리.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 2 수직 모노폴 안테나 요소는 상기 수평 패치 안테나 요소와 상기 제 1 모노폴 안테나 요소 사이에 있는, 안테나 어셈블리.
  8. 제 5 항에 있어서,
    F3은 200 MHz 내지 400 MHz인, 안테나 어셈블리.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 안테나 어셈블리는,
    제 1 커넥터를 통한 상기 수평 패치 안테나 요소 및 제 1 수직 모노폴 안테나 요소로의, 그리고 제 2 커넥터를 통한 상기 제 2 수직 모노폴 안테나로의 액세스를 제공하는 다이플렉서(diplexer)를 더 포함하는, 안테나 어셈블리.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 안테나 어셈블리는,
    상기 수평 패치 안테나 요소와 협동하는 제 1 커넥터 및 상기 제 1 수직 안테나 요소와 협동하는 제 2 커넥터를 더 포함하는, 안테나 어셈블리.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 안테나 어셈블리는,
    상기 안테나 어셈블리에 내장되고 상기 수평 패치 안테나와 협동하는 RF 증폭기를 더 포함하는, 안테나 어셈블리.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 안테나 어셈블리는,
    상기 안테나 어셈블리에 내장되고, 상기 수평 패치 안테나 요소 및 상기 제 1 수직 안테나 요소 양자 모두와 협동하는 다이플렉서; 및
    상기 다이플렉서와 협동하는 커넥터를 더 포함하는, 안테나 어셈블리.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 수직 안테나 요소는, GPS 패치 안테나 요소에 중심이 위치된 환형 슬롯 트랜스폰더 안테나 요소인, 안테나 어셈블리.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 안테나 어셈블리는, 상기 안테나 어셈블리가 장착되는 표면에 완전히 공형인(conformal), 안테나 어셈블리.
  15. 두 무선 주파수 F1 및 F2에서의 통신을 위해 구성되는 무선 통신 시스템으로서,
    제 1 항에 따른 안테나 어셈블리;
    수평 패치 안테나 요소와 통신하는 수신기 입력을 가지고, 주파수 F1에서 신호를 수신하도록 구성되는 수신기; 및
    제 1 수직 안테나 요소와 통신하고, 주파수 F2에서 신호를 송신하고 수신하도록 구성되는 제 1 송수신기를 포함하는, 무선 통신 시스템.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 무선 통신 시스템은,
    상기 수평 패치 안테나 요소와 상기 수신기 입력 사이에 개재된 제 1 대역통과 필터 - 상기 제 1 대역통과 필터는 F1을 포함하지만 F2는 포함하지 않는 제 1 필터 범위 내의 주파수만을 통과시키도록 튜닝됨 -; 및
    상기 제 1 수직 안테나 요소와 상기 제 1 송수신기 사이에 개재된 제 2 대역통과 필터 - 상기 제 2 대역통과 필터는 F2를 포함하지만 F1은 포함하지 않는 제 2 필터 범위 내의 주파수만을 통과시키도록 튜닝됨 -를 더 포함하는, 무선 통신 시스템.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 무선 통신 시스템은,
    상기 제 1 송수신기가 주파수 F1에서 에너지를 전송하고 있는 동안에 상기 수신기 입력을 차단할 수 있는 블랭킹(blanking) 장치를 더 포함하는, 무선 통신 시스템.
  18. 제 15 항에 있어서,
    상기 수신기는 GPS 신호를 수신하도록 구성되고,
    상기 제 1 송수신기는 IFF 신호를 전송하고 수신하도록 구성되는, 무선 통신 시스템.
  19. 제 15 항에 있어서,
    상기 무선 통신 시스템은,
    상기 제 1 수직 모노폴 요소와 공선형(co-linear)이고 F1 및 F2보다 낮은 주파수 F3에서의 최적 통신을 위하여 구성되는 제 2 수직 모노폴 안테나 요소 - 상기 제 2 수직 모노폴 안테나 요소는 수직 편광 및 실질적으로 상기 제 2 수직 모노폴 안테나 요소의 정점에서 최대인 옴니-아지무스 이득 패턴을 가짐 -; 및
    상기 제 2 수직 안테나 요소와 통신하고, 주파수 F3에서 신호를 송신하고 수신하도록 구성되는 제 2 송수신기를 더 포함하는, 무선 통신 시스템.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 제 2 송수신기는 UHF 신호를 전송하고 수신하도록 구성되는, 무선 통신 시스템.
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