KR940000797B1 - 위상-어레이 안테나용 방사소자 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

위상-어레이 안테나용 방사소자

제1도는 본 발명에 따른 어레이에 사용하기 위한 플레어된 노치 방사기의 개략 정면도.

제2도는 제1도의 플레어된 노치 방사기를 복수개 포함하는 어레이의 부분의 개략 사시도.

제3도는 제2도의 각각 플레어된 노치 방사기를 위한 동일한 격자 셀들의 어레이를 개략적으로 도시한 단면도.

제4도는 본 발명에 따른 플레어된 노치 방사기를 위한 방사기 윤곽의 예를 개략적으로 도시한 도면.

제5도는 임의 편광을 제공하는 제1도의 인터리브되고, 직교 배향된 노치 방사기의 어레이 부분의 개략 사시도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

11 : 노치 방사기 15 : 윤곽 노치

15a, 15b :윤곽 연부 17 : 슬롯라인

본 발명은 일반적으로 위상 어레이 안테나용 방사 소자에 관한 것으로, 특별하게 윤곽진 플레어(flare)개구를 갖는 광대역 노치 방사 소자에 관한 것이다.

위상 어레이 안테나의 방사 소자들은 고주파(RF) 에너지의 전송선 전파와 에너지의 자유 공간 전파 사이의 변환기로서 기능한다. 송신중에, 방사 소자들은 방사된 에너지를 형성 빔으로 집중시키고 ; 수신중에 방사 소자들은 에너지를 수집하여 에너지를 전송선들과 결합시킨다.

안테나 방사 소자를 좁은 빔, 고 이득, 낮은 측로브, 전자적으로 조종가능한 방사 패턴을 제공할 수 있는 대형 안테나의 구성을 가능하게 하는 빌딩 블럭이다. 방사 소자의 여기를 제어함으로써 안테나의 방사 패턴은 바람직한 성능을 제공하도록 바꾸어질 수 있다. 반사기 안테나 보다 오히려 소자의 어레이를 사용하면, 예를들어 안테나 여기의 정밀 제어가 가능하게 되고, 소자의 위상을 변화시킴으로써 전자 빔 조종이 가능하게 된다. 여러가지 상이한 형태의 방사 소자가 사용되고 있고 소자 형태의 선택은 편광 및 대역폭과 같은 안테나 성능 요건에 달려있을 뿐만 아니라, 가용한 공간과 같은 물리적 제한 조건에 달려있다.

공지된 형태의 방사 소자는 슬롯라인에 전기적으로 접속되고 슬롯라인 입력으로부터 방사기 축을 따르는 거리에 따라 크기가 증가되는 노치된 개구를 형성하는 제1 및 제2 코플래너 도전성 소자를 포함하는 플레이된 노치 방사기이다.

플레어된 노치 방사기는 소자 공급 점으로부터 애퍼츄어까지의 크기의 점진적 전이가 공급점과 애퍼츄어 사이의 파의 반사를 최소화시키는 경향이 있기 때문에 광대역 어레이에서 바람직한 것이다.

공지된 플레어된 노치 방사 소자의 윤곽은 선형 테이퍼, 원형 아크, 지수 곡선 및 계산식 변환기를 포함한다. 그러나, 선형 테이퍼, 원형 아크 및 지수 곡선은 등가인 임피던스 정합을 제공하기 위해서 본 발명보다 긴 길이를 요구하고, 계단식 플레어된 노치는 고역 통과 구조라기 보다는 오히려 대역 통과 구조이다. 게다가, 계단식 구조는 제조하기가 더욱 어렵다.

주어진 허용가능한 피크 반사 계수를 위한 선형 테이퍼, 원형 아크, 및 지수 곡선의 보다 긴 길이는 어레이를 보다 두껍게 하고 가용한 공간이 넉넉치 못한 비행 레이더 시스템과 같은 응용에서의 어레이 체적의 관점에서는 바람직하지 못하다.

그러므로, 고역 통과 장치를 포함하고 등가 임피던스 정합을 제공하기 위해서 보다 짧은 길이를 필요로 하는 플레어된 노치 방사 소자를 제공하는 것이 본 발명의 장점이다.

또 하나의 장점은 용이하게 제조되는 플레어된 노치 방사 소자를 제공하는 것이다.

전술한 장점 및 다른 장점들은 공급 라인으로부터 연장된 제1윤곽 연부를 갖고 있는 제1플래너 금속성 도전체 및 제1플래너 금속성 도전체와 동일 평면에 있고 제1윤곽 연부와 인접하고 공급 라인으로부터 연장된 제2윤곽 연부를 갖고 있는 제2플래너 금속성 도전체를 포함하고, 윤곽 연부들이 공급 라인으로부터의 거리에 따라 서로 갈라지고 고역-통과 체비세프형 반사 계수 대 주파수 특성을 제공하도록 형성된 어레이 방사 소자인 본 발명에 의해 제공된다.

개시된 본 발명의 장점 및 특징은 도면과 관련한 다음의 상세한 설명으로부터 본 기술 분야에 의해 숙련된 자들에 의해 용이하게 이해될 수 있을 것이다.

다음의 상세한 설명에서와 여러 도면들에서는, 동일 소자는 동일 참조 번호로 표시된다.

이제 제1도를 참조하면, 내부에 형성된 윤곽 노치(15)를 갖고 있는 플래너 금속성 도전체(13)을 포함하는 플레어된 노치 방사기(11)이 도시되어 있다. 윤곽 노치(15)는 다른 것의 미러 영상을 형성하고 방사기의 접속점으로부터 공급 슬롯라인(17)까지 중심선 축 C를 따르는 거리에 따라 서로 갈라진 윤곽 연부(15a, 15b)를 포함한다. 추후 해석의 목적을 위해, 방사기는 총 길이 ι을 갖고 있고, 중심선 축 C를 따르는 위치 z는 방사기(11)의 길이의 중심으로 되도록 선택된 0 기준점에 대하여 특정화된다. 윤곽 연부들의 모양은 봉사기의 윤곽 연부들 사이의 거리 h만큼 정해진다.

일예로서, 플레어된 노치 방사기(11)은 유전 기판상에 에칭될 수 있거나 또는 금속 판으로부터 가공될 수 있다.

이제 제2도를 참조하면, 전자적 조종 어레이로서 사용하기 위한 노치 방사기(11)의 어레이가 도시되어 있다. 어레이 구성에서, 슬롯라인 공급부 및 플레어된 부분은 특성 임피던스와 전파 상수가 그들사이의 위상차, 결국 스캔 각의 함수인 결합된 전송선을 형성한다.

이제 제3도를 참조하면, 제2도의 어레이 내의 방사기 소자에는 각각의 방사기들에 대하여 대칭으로 배치된 장방형 영역을 포함하는 각각의 동일한 격자 셀이 결합된다. E-평면 내의 격자 셀 크기(a) 및 H-평면내의 격자 셀 크기(b)는 방사기 연부(15a, 15b)의 모양을 결정하는데 사용되는 에퍼추어 특성 임피던스를 계산하는데 관련된 것이다.

어레이에서 동작하는 플레어된 방사기는 공급 라인의 알려진 특성 임피던스와 애퍼추어에서의 스캔된 평면파의 알려진 특성 임피던스 사이의 정합을 제공하는 결합된 불균일한 전송선의 어레이로서 간주될 수 있다. 이러한 정합을 제공하기 위해서, 연부 플레어 또는 윤곽은 이러한 불균일한 전송선의 특성 임피던스가 공급-라인 임피던스를 도미넌트 평면-파 모드 임피던스의 그것으로 변환시키기 위해서 공급 라인으로부터의 거리에 따라 변화하도록 선택된다. 특히, 특성 임피던스 대 소자 공급점으로부터의 거리의 프로필은 고역-통과, 동일-리플, 체비세프형 반사 계수 대 주파수 특성을 제공하기 위해서, 1956년 1월, PROC. IRE의 클로펜스타인(Klopfenstein) 저의 “A Transmission Line Taper of Improved Design”에 기술된 방법을 사용하여 결정된다. 애퍼츄어 임피던스가 또한 스캔 각에 따라 변화하기 때문에, 플레어의 임피던스는 어레이가 조종됨에 따라 입력 정합을 유지시키는데 도움을 주는 스캔 각에 따라 변화한다는 사실이 주목된다.

방사기의 연부의 윤곽은 제1도에 나타낸 좌표 시스템과 관련하여 다음과 같이 결정된다.

1. 동작 대역내의 최대 허용가능한 입력 반사 계수 ρmax가 선택된다.

2. 반사율 ρ₀의 DC 제한값이 다음식으로부터 결정된다.

ρ₀=1/21n(Z₂/Z₁)

여기서, Z₁은 입력 공급 라인의 특성 임피던스이고, Z₂는 애퍼츄어의 특성 임피던스이다. 가로형 빔의 애퍼추어 특성 임피던스는

Z₂=(b/a)η₀

여기서, b는 E-평면내의 어레이 격자 크기이고, a는 H-평면내의 격차 크기이며, η₀는 자유 공간의 임피던스이다.

3. 체비세프형 반사 계수 대 클로펜스타인에 의해 정의되는 주파수 특성의 연산의 위치 측정인 파라메타 A는 다음식으로 부터 결정된다 :

A=cosh^-1(ρ₀/ρmax)=1n[((ρ₀/ρmax)²-1)¹²+ρ₀/ρmax]

4. 윤곽을 따르는 필요한 임피던스 변화는 다음 식으로부터 결정된다 :

1n[Z₀(z)]=^1/21n(Z₁Z₂)+(ρ₀A²/cosh A)[ψ(2z/ι, A)]

여기서 :

ψ(y, A)= ^y ₀[I₁[A(1-x²)^1/2]A(1-x²)^1/2]dx

ι은 플레어의 축 길이이고, I₁(y)는 제1종 제1차의 수정된 베셀함수이다.

5. 단계 4의 결과 및 결합된 슬롯라인의 단면 크기와 그들의 특성 임피던스사이의 관계로부터, 방사기 연부의 윤곽은 z/ι의 함수로서 계산된다. 이 계산은 결합된 슬롯라인의 어레이이 전자기 특성의 해석을 필요로 하고 표준 해석 기술에 의거하여 당해 기술에 숙련된 자들에 의해 이루어진다. 결과적인 윤곽은 선형 테이퍼, 원형 아크, 또는 지수 곡선을 포함하지 않을 것이다.

6. 최소 길이 ι은 다음의 필요 조건에 의해 결정된다. 최저 동작 주파수에서,

B₁ι=A

여기서 B₁은 입력 슬롯라인의 위상 상수이다. 그러므로 :

ι=(A/2Π)λ₁ι

여기서 λ₁ι은 최저 동작 주파수에서의 입력 슬롯라인내의 파장이다. ι은 어레이 구조내의 유효 파장이 빔이 가로축으로부터 조정됨에 따라 증가하는 전자적 조종 안테나로서 어레이를 사용하는 것과 같은 다른 고려를 허용하기 위해서 이 값보다 다소 크게 하는 것이 바람직하다.

전술한 절차는 TEM 전송선의 경우에 플레어의 위상 상구 B가 z에 독립이면, 방사기 연부의 윤곽의 결정을 완결시킨다. 그러나, 쿼시-TEM 전송선의 경우에 β는 플레어된 노치를 따라 변화할 수 있다. 이 변화는 노치들이 1보다 큰 상대 유전율을 갖는 유전 시트상에 에칭될 때 발생한다. 이 경우에 단계 5에서 얻어진 윤곽은 노치를 따르는 적절한 위상 그레디언트를 달성하기 위해 수정되어야 한다. 이 수정은 단계 5에서 얻어진 곡선내의 z값들을 다음식에 의해 주어지는 새로운 셋트의 z'값들로 대체하는 불균일한 “스트레칭(stretching)”이다.

z'= ^z _-ι/2(β₁/β(y))dy-(ι/2)

여기서 적분은 필요하다면 수치적으로 수행될 수 있다. 이 수저은 β₁/β가 관심 대역에 걸쳐 주파수에 실질적으로 독립이라는 것을 묵시적으로 가정한다.

제4도는 전술한 절차를 가공된 금속 판으로부터 만들어지고 다음의 적절한 크기를 갖는 어레이에 적용함으로써 얻어진 윤곽을 도시한 것이다.

a=0.313인치(0.795cm)

b=0.414인치(1.052cm)

판 두께=0.150인치(0.381cm)

입력 슬롯라인의 높이=0.032인치(0.081cm)

수지 축을 따르는 변수는 저부 판 연부로부터 상부 판 연부까지의 총 높이이고 수직 축상에 나타나는 거리 x는 노치 입력으로부터 중심선 축 C를 따라 측정된다.

x=z+(ι/2)

제5도는 임의 편광을 제공하는 제1도의 인터리브되고, 직교 배향된 노치 방사기의 어레이의 부분을 개략적으로 도시한 것이다.

전술한 것은 관심 대역에 걸쳐 주어진 최대 부정합을 위한 최단 최적 길이를 갖고 예를들어 레이더 및 통신의 광범위한 응용을 갖는 전자적 조정 어레이에 유리하게 사용될 수 있는 광대역 양호 정합 방사 소자를 개시한 것이었다. 즉, 주어진 피크 반사 계수에서, 상술한 것과 같은 플레어된 노치 방사기는 최단 길이를 제공한다. 이것은 능동 및 수동 항공 시스템에 사용하기 위한 경량 구성으로 만들어질 수 있다. 방사 소자의 양호 정합 특성은 사용되는 어레이에 낮은 RCS(레이더 단면) 능력을 또한 제공한다.

전술한 설명은 본 발명의 특정한 실시예의 기술 및 예시였지만, 이에 대한 여러가지 수정 및 변화가 첨부된 특허청구의 범위에 의해 정의된 본 발명의 범위 및 원리를 벗어남이 없이 본 기술 분야에 숙련된 자들에 의해 이루어질 수 있다.

Claims (4)

1. 전자적 조종 안테나 어레이에 사용하기 위한 방사 소자에 있어서, 공급 라인으로부터 연장된 제1윤곽 연부를 갖고 있는 제1플래너 금속성 도전체 ; 및 상기 제1플래너 금속성 도전체와 동일 평면에 있고 상기 제1윤곽 연부에 인접하고 공급 라인으로부터 연장된 제2윤곽 연부를 갖고 있는 제2플래너 금속성 도전체를 포함하고, 상기 윤곽 연부들은 공급 라인으로부터의 거리에 따라 서로 갈라지고 고역-통과 체비세프형 반사 계수 대 주파수 특성을 제공하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 방사 소자.
2. 제1항에 있어서, 공급 라인으로부터 측정된 방사기의 축 길이가 선택된 피크 반사 계수를 위해 가능한 최단 길이인 것을 특징으로 하는 방사 소자.
3. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2플래너 금속성 도전체가 유전기판 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 방사 소자.
4. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2플래너 금속성 도전체가 가공된 금속판을 포함하는 것을 특징으로 하는 방사 소자.