KR20140090165A - 전자적으로 조종 가능한 평면 위상 어레이 안테나 - Google Patents

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Abstract

튜닝 가능한 재료 또는 가변 유전 재료, 바람직하게는 액정 재료를 포함하는 연속적으로 전자적으로 조종 가능한 재료를 포함하는 이차원(2-D) 빔 조종 가능 위상 어레이 안테나가 제시된다. 패치 안테나 배열, 튜닝 가능한 위상 시프터, 급전 네트워크 및 바이어스 네트워크를 포함하는 소형 안테나 아키텍처가 제안된다. LC 디스플레이와 유사하게, 제안된 안테나는 자동화 제조 기술을 사용하여 제작되고 따라서 제작 비용이 많이 저감된다.

Description

전자적으로 조종 가능한 평면 위상 어레이 안테나{ELECTRONICALLY STEERABLE PLANAR PHASED ARRAY ANTENNA}
튜닝 가능한(tunable) 재료 또는 가변 유전 재료, 바람직하게는 액정 재료를 포함하는 연속적으로 전자적으로 조종 가능한 재료를 포함하는 이차원(2-D) 빔 조종 가능 위상 어레이 안테나가 제시된다. 패치 안테나 배열, 튜닝 가능한 위상 시프터(phase shifter), 급전 네트워크 및 바이어스 네트워크를 포함하는 소형 안테나 아키텍처가 제안된다. LC 디스플레이와 유사하게, 제안된 안테나는 자동화 제조 기술을 사용하여 제작되고 따라서 제작 비용이 많이 저감된다.
본 발명은 위상 어레이 안테나(phased array antenna)에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 본 발명은 저손실 유전 재료가 인가 전압으로 튜닝될 수 있는 전압 튜닝 가능한 위상 시프터에 근거하는 전자적으로 조종 가능한 위상 어레이 안테나에 관한 것이다.
최근, 조종 가능한 안테나에 대한 수요가 방송 위성 서비스의 급속한 발전에 기인하여 이동 단말에 대하여 극적으로 증가했다. 무선 인터넷, 멀티미디어 및 방송 서비스는 조종 가능한 안테나에 의해 L-밴드, Ku-밴드 또는 K/Ka-밴드에서 동작하는 위성으로부터, 예컨대 자동차 또는 비행기 또는 선박과 같은 이동 차량 또는 모바일 TV 또는 GPS와 같은 다른 휴대 기기에 제공된다.
조종 가능한 안테나는 주 빔(main beam)이 연속적으로 위성을 향하고 있는 것을 보장하기 위해 그 주 빔 방향을 변경할 수 있다. 시장에 있어서의 조종 가능한 안테나의 대부분은 기계적으로 제어된다. 모터에 의해 구동되는 기계 시스템의 도움에 의해, 안테나의 방향이 수직면(elevation plane) 및 방위면(azimuth plane)에 있어서 조정된다. 안테나 시스템의 몇몇 다른 형태는 수직면에 있어서 전자적으로 조종하고 방위면에 있어서 기계적으로 조정하는 등의 하이브리드 방식을 이용한다. 이러한 종류의 이동 단말은, 기계 시스템이 사용되므로, 부피가 크고, 비교적 느린, 즉 45°/s의 빔 조종 속도를 갖고, 중력에 민감하고, 높은 유지비를 필요로 한다. 그들은 주로 군사 용도로 사용되고, 미적 외관이 중요한 요건인 이동 단말에 대하여, 즉 자동차 산업에 대해서는 바람직하지 않다.
위상 어레이 안테나는 기계적으로 조종 가능한 것에 비하여 고속이고, 소형이고, 신뢰성이 높고, 유지가 용이한 전자적 조종 가능 안테나(ESA)의 잘 알려져 있는 형태의 하나이다. 그것은 RF 급전/분배 네트워크, 전자적으로 튜닝 가능한 위상 시프터, 송신/수신 모듈(액티브 배열용) 및 방사 소자로 구성된다. 각 방사 소자 또는 방사 소자의 그룹의 위상은 방사된 위상면을 지정된 방향으로 기울이기 위해 전자적으로 튜닝 가능한 위상 시프터에 의해 미리 정의된 위상치로 조정된다. 이들 안테나는 중량이 낮고 높이가 낮은(low profile) 반면, 과제는 고가의 전자 기기로 인한 각각의 단말의 높은 가격이다.
전자적으로 튜닝 가능한 위상 시프터는 ESA의 성능, 비용 및 치수에 관한 중요한 역할을 한다. 튜닝 가능한 위상 시프터의 RF 성능을 정량화하기 위한 공통 파라미터는 위상 시프터의 주파수 의존성 성능 지수(FoM)이다. 이것은 최대 차분 위상 시프트 및 모든 튜닝 상태에 있어서의 가장 높은 삽입 손실의 비율에 의해 정의된다. 일반적으로, 목적은 높은 FoM으로 이어지는 가장 낮은 삽입 손실을 동반하는 가능한 한 가장 높은 차동 위상 시프트를 달성하는 것이다. 당해 분야에 있어서, 전자적으로 튜닝 가능한 위상 시프터를 위한 기술적 접근은 미소 전기 기계 시스템(MEMS), 반도체, 티탄산바륨스트론튬(BST) 및 액정(LC)과 같은 연속적으로 조정 가능한 유전체를 포함한다. 이들 기술은 튜닝 가능성, 전력 소비, 응답 시간 및 비용과 같은 상이한 측면의 관점에서 비교되었다. MEMS 기반 위상 시프터의 최신 FoM은 약 50°/㏈~100°/㏈이다. 반도체 기반 모놀리식 마이크로파 집적 회로(MMIC) 위상 시프터는 20㎓를 넘는 마이크로파 주파수에서 약 40°/㏈~70°/㏈의 FoM을 갖는다. 마찬가지로, BST 기반 위상 시프터는 최대 10㎓까지의 주파수에 대하여 비교적 높은 성능(FOM이 약 40°/㏈~90°/㏈이다)을 갖는다.
액정(LC)은 고출력 마이크로파 및 밀리미터파 용도에 사용될 수 있는 다른 가능한 튜닝 가능 유전체이다. LC는 낮은 유전 손실을 갖는 연속적으로 튜닝 가능한 재료이다. 실제의 적용에 있어서는, 그 튜닝 가능성은 제어될 수 있다. 즉 낮은 소비 전력의 바이어스 전압을 인가할 수 있다. 그 튜닝 가능성은 인가 전압에 대한 유전율의 작은 변화로서 정의된다. LC의 실효 유전율은 RF 전계에 대한 분자의 배향에 의존한다. 분자의 소망하는 배향(즉 RF 전계에 평행 또는 수직)은 표면 처리 또는 정전계를 사용하는 것에 의해 달성될 수 있다. 최신식의 마이크로스트립 선로 기반 LC 위상 시프터의 FoM은 약 110°/㏈이고, 부분적으로 충전된 도파관 기반 LC 위상 시프터의 FoM은 20㎓에서 200°/㏈이다.
높이가 낮은, 이차원적 조종 가능한 어레이는 전자적으로 튜닝 가능한 위상 시프터가 방사 소자에 대하여 평행한 다른 층에 실장되는 "타일" 아키텍처로 제작될 수 있다. 16×16의 방사 소자를 갖는 큰 어레이의 경우, 전자적으로 튜닝 가능한 위상 시프터의 소형화가 문제가 된다. 각 위상 시프터 또는 위상 시프터의 그룹은 한정된 영역에 제작되어야 한다. 또한, 그들은 수직면과 방위면의 양쪽에서 안테나의 주 빔을 조종하기 위해 개별적으로 바이어스되어야 한다. MEMS 또는 반도체 기반 위상 시프터는 그 차동 위상 시프트 분해능에 따라 2개 이상의 바이어스 선로를 필요로 한다. 예컨대, 3비트 위상 시프터는 세 개의 바이어스 선로로 바이어스되어야 한다. 반면에, 튜닝 가능한 유전체 기반 위상 시프터가 사용되는 경우에는 한 개의 바이어스 선로만이 필요하게 된다. 그렇지만, 360°의 차동 위상 시프트를 갖는 전기적으로 튜닝 가능한 위상 시프터의 소형 설계는 여전히 곤란하다.
또한, 큰 ESA의 소형 설계로 인해, 전자적으로 튜닝 가능한 위상 시프터와 다른 부품의 사이의 커플링(coupling)은 안테나 성능을 저하시키지 않기 위해 방지되어야 한다. US 2009/0091500에 안테나를 위한 LC의 가능한 사용법이 주어진다. 그렇지만, 튜닝 가능한 위상 시프터를 개별적으로 바이어스하는 것과 안테나에 RF 신호를 공급하는 것 등의 실용상의 문제가 논의되지 않았다. 또한, 소형의 위상 시프터를 설계하고 방사 소자와 급전 네트워크의 사이의 바람직하지 않은 커플링을 방지하기 위한 특정한 시도가 본 발명의 범위 내에서 행해졌다. 마찬가지로, 다른 가변 유전체 기반 안테나 어레이가 US 6,759,980, US 6,864,840 에 기재되지만, 각 안테나 소자에 대한 개개의 위상 시프터는 서로 다른 기판에 소자별로 장착되어야 한다. 본 발명은 균일한 기판에 위상 시프터를 통합(integrate)하고, 또한 액체의 튜닝 가능 유전체를 사용할 수 있게 한다.
US 7,361,288 및 WO 2011/036243은 조종 가능 유전체로서 액정을 이용하는 고주파 기술을 위한 부품을 개시한다. 그렇지만, 이것은 평면 디바이스가 아니다. 이들 특허 문헌에 기재된 위상 시프터는 높이가 낮은 안테나를 제작하는 데에 사용될 수 없다.
고주파 기술에 있어서의 용도를 위해 개발된 특별한 액정은 예컨대 WO 2011/009524 및 WO 2011/035863에 개시된다.
본 발명은 그 주 빔이 1차원적으로 또는 2차원적으로 연속적으로 조종 가능한, 높이가 낮고(low profile) 전자적으로 조종 가능한 평면 위상 어레이 안테나를 제공한다. 안테나는 입력, 급전 네트워크, 적어도 1개의 전력 분배기(컴바이너), 적어도 1개의 전자적으로 튜닝 가능한 위상 시프터, 바이어스 네트워크 및 적어도 2개의 방사 소자를 포함한다. 전자적으로 조종 가능한 위상 어레이 안테나는 적어도 3개의 유전체 기판, 바람직하게는 균일한 유전체 기판의 적층체(stack)를 포함하며, 그 중 적어도 2개의 유전체 기판이 고체이고 복수의 전극을 가질 수 있다. 어레이 안테나의 개개의 요소는 적어도 전자적으로 튜닝 가능한 위상 시프터, 바이어스 네트워크 및 방사 소자를 포함한다. 위상 시프터 전극은 복수의 개개의 안테나 소자를 형성하기 위해 그룹화되지만 단일의 균일한 기판은 임의의 수의 안테나 소자에 대한 전극을 가질 수 있다. 기판은 급전 네트워크를 위한 전극을 더 가질 수 있다. 액체 또는 고체 중 어느 하나인 연속 가변 유전체는 2개의 상술한 고체 유전체 기판 사이에 끼어 있다. 이에 의해 가변 유전체 기판을 이용한 전자적으로 튜닝 가능한 위상 시프터는 안테나에 통합된다. 연속적인 빔의 조종을 위한 방사 소자간의 소망하는 차동 위상 시프트를 달성하여, 안테나가 수직면 및 방위면에 있어서 조정될 수 있도록, 가변 유전체 기판의 유전율, 나아가서는 위상 시프터의 전기적 특성이 연속적으로 제어된다.
실시형태에서는 안테나는 복수의 전력 분배기 및/또는 복수의 전자적으로 튜닝 가능한 위상 시프터 및/또는 복수의 방사 소자를 포함한다. 전자적으로 조종 가능한 위상 어레이 안테나는 적어도 3개의 유전 재료의 적층체(stack)로서 구축된다. 이들 재료는 전면 유전체 기판(고체), 가변 유전체(고체 또는 액체) 및 배면 유전체 기판(고체)이다. 본 발명의 주요 이점의 하나는, 안테나가 구축되는 때에, 위상 시프터 및 모든 다른 부품이, 미리 제조되어 큰 하나로 조립되는 것이 아니고, 대신에 상술한 3개의 기판상에 동시에 제조되는 것이다.
평면 전송 선로, 바람직하게는 마이크로스트립 선로에 근거하는 전자적으로 튜닝 가능한 위상 시프터는 안테나에 통합된다. 가변 유전 재료의 유전 특성, 나아가서는 위상 시프터의 전기적 특성이 바이어스 전압을 인가하는 것에 의해 변경될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 마이크로스트립 선로 대신에, 로디드 선로(loaded line)가 전송 선로(transmission line)로서 사용될 수 있다. 로디드 선로 위상 시프터를 사용하면, LC층의 두께는 수 마이크로미터로 감소될 수 있으므로, 응답 시간이 대폭 개선된다. 평면 전송 선로는 또한 위상 시프터 전극 또는 위상 시프터의 전극이라고 불린다.
본 발명에 따라 구성된 안테나의 바람직한 예는 4개(2×2)의 방사 소자를 갖는다. 이것은 높이가 낮은 평면 안테나이다. 안테나는 가변 유전체 기판으로서 액정(LC) 재료를 이용한다. LC 디스플레이 기술과 유사하게, LC는 전면 및 배면 유전체 기판의 사이에 끼어 있다. 0.05의 최대 손실 탄젠트(tangent)를 갖는 LC 재료는 예컨대 네마틱 LC가 바람직하다. 다른 형태도 마찬가지로 사용될 수 있지만 성능은 나빠질 것이다. 본 발명의 다른 측면에 따르면, 방사 소자는 서브어레이(sub-array)를 형성하기 위해 그룹화될 수 있다. 그러한 서브어레이는 입력, 급전 네트워크, 전자적으로 튜닝 가능한 위상 시프터 및 복수의 방사 소자를 포함한다. 각 서브어레이에 대해 단지 1개의 위상 시프터만이 필요하므로, 큰 어레이 안테나의 바이어싱 복잡성이 저감되고 안테나의 신뢰성이 증가된다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 저잡음 증폭기 또는 송신/수신 모듈을 포함하는 높이가 낮은 액티브 위상 어레이 안테나가 구성될 수 있다.
조종 가능한 안테나에 대한 수요는 방송 위성 서비스의 급속한 발전으로 인해 이동 단말에 대하여 극적으로 증가했다. 본 발명은, 조종 가능한 안테나에 의해, L-밴드에서 예컨대 약 1~2㎓의 높은 주파수에서, 또는 예컨대 Ku-밴드 또는 K/Ka-밴드에서 10㎓보다 높은 주파수에서까지 동작하는 위성에서부터, 예컨대 휴대 기기 내 또는 자동차와 같은 차량 또는 비행기 또는 선박 내의 이동 수신기에 이르기까지 제공되는 무선 인터넷, 멀티미디어 및 방송 서비스를 위해 사용될 수 있다. 그러나, 안테나는 다른 동작 주파수에 대해서도 확장 가능(scalable)할 수 있다.
BST는 10㎓까지의 주파수에 대하여 바람직하다. LC는 보다 낮은 유전 손실로 인해 10㎓보다 높은 주파수에 대하여 바람직하다. 본 발명에 따르면 특히 77㎓ 또는 W-밴드 어플리케이션 등의 고주파 동작에 대하여 LC가 바람직하다.
2차원 조종 가능 안테나의 경우, 방사 소자가 그룹화되면, 각 그룹에 1개의 위상 시프터만이 필요하게 된다. 그렇지 않은 경우, 1개의 방사 소자에 1개의 위상 시프터가 필요하게 된다.
위상 시프터의 전극의 기하학적 형상에 대한 과제는, 전극이 구불구불한(meandered) 경우에, 전극 사이의 커플링을 저감하는 것이다. 위상 시프터가 제작되는 영역이 한정되는 경우 전극을 구불구불하게 하는 것이 필요하다. 서로 다른 형상이 이론적으로 사용될 수 있다. 하지만, 성능을 향상시키기 때문에, 바람직한 기하학적 형상은 나선형 기하학적 형상이다. 나선형 기하학적 형상에 있어서 출력 포트는 중앙에 있다. 위상 시프터가 안테나에 통합되는 경우에 이것은 이점이다.
또한 나선형 위상 시프터의 모서리의 바람직한 기하학적 형상은 금속 손실을 저감하기 위해 둥글게 되어 있다.
위상 시프터는 신호 위상을 변화시키고 주파수에 걸쳐 평탄한 위상 응답을 갖는 장치이다. LC 기반 위상 시프터는, 통상, 주파수에 의존하는 위상 응답을 갖지만, 본 발명에 따른 안테나에서는 평탄한 위상 응답을 LC 기반 위상 시프터에 통합하여 이 형태를 사용할 수 있다. 본 발명의 다른 실시형태에서는 위상 시프터는 시간 지연 장치이다. 시간 지연 장치는 멀티패스 구조를 사용하여, 특정한 시간 지연, 또는 프로그램 가능한 시간 지연을 제공하는 구조이다. 또한 시간 지연 장치에서는 지연선(delay line)의 바람직한 기하학적 형상은 나선형 기하학적 형상이다.
안테나의 길이 및 폭은 기술과는 관계가 없고, 따라서 정도의 차이는 있지만 주파수에 의존하여 일정하다. 이론적으로는, 2개의 방사 소자의 사이의 거리는 λ/2이고, λ는 방사되고 수광된 방사의 파장이다. "N"이 정수일 때, "N×N"의 방사 소자가 존재하는 경우, 바람직하게는 N이 10~100의 범위에 있어서 안테나의 크기는 길이 및 폭에 대하여 Ν(λ/2)×Ν(λ/2)이다. 그러나, 그 두께는 기술에 의존한다. 본 발명에 따른 LC를 사용하면, 얇은 안테나 배열을 간단히 구축할 수 있다. 이것은 LC 디스플레이 또는 모니터와 유사하다.
안테나의 길이 및 폭은 안테나 이득과 관련된다. 표 1은 가능한 안테나 크기 및 20㎓에서 동작하는 마이크로스트립 패치 안테나의 대응하는 안테나 이득을 나타낸다. 이론값은 괄호 내에 주어지고, 괄호가 없는 것은 실제값이다. 몇몇의 공간이 밀봉, LC 충전, 바이어스 패드를 위해 필요하기 때문에 후자(실제값)는 전자(이론값)보다 크다.
Figure pct00001
이들 안테나는 1.5㎜의 바람직한 두께를 갖지만 이것으로 한정되는 것은 아니고, 예컨대 0.7㎜로 감소될 수 있다.
본 발명의 이점은 비용 효과, 위상 시프터 전극의 나선형 기하학적 형상에 근거한 높은 기하학적 형상의 효율, 및 연속적으로 조종 가능한 안테나의 높은 소형화도 및 낮은 높이(low profile)이다.
본 발명에 따른 안테나는 적어도 3개의 기판층으로 이루어지고, 양면에 전극을 갖는 균일한 전면 유전체 기판과, 전면 유전체 기판의 상면상의 복수의 방사 소자와, 전면 유전체 기판의 하면을 덮는 복수의 개구부를 갖는 접지(ground) 전극과, 접지 전극에 통합된 복수의 평면 전송 선로와, 액체 또는 고체 중 어느 하나인 균일한 가변 유전체와, 상면에 도전층을 갖는 배면 유전체 기판과, 배면 유전체 기판의 상면상에 서로 다른 도전율의 복수의 도전성 전극을 갖는다.
바람직한 실시형태에서는 전면 및 배면 유전체 기판은 예컨대 유리 기판, 용융 실리카, 세라믹 기판 및 세라믹 열경화성 수지 폴리머 복합체 등의 기계적으로 안정된 저손실 기판을 포함한다.
전면 및 배면 유전체 기판은 예컨대 액체 유전 재료를 위한 공동(cavity)을 형성하는 천공된 시트 또는 구형(spherical) 스페이서에 의해 이격된 상태로 유지될 수 있다.
수직 상호 접속은 기판을 관통하는 비아(via)에 의해 이루어질 수 있다.
실시형태에 있어서 급전 네트워크는 3개의 상측 기판에 부착된 기판 적층체에 걸쳐 분산될 수 있다.
각 요소의 전극의 기하학적 형상은 요소마다 상이할 수 있다. 바람직한 위상 어레이 안테나는 마이크로스트립 안테나 또는 마이크로스트립 패치 안테나라고도 불리는 패치 안테나이다. 바람직한 실시형태에서는 접지 전극상의 개구부는 방사 소자의 아래에 있다.
바람직하게 방사 소자 및 접지 전극상의 개구부는 중앙에 위치한다.
접지 전극에 통합되는 평면 전송 선로는 마이크로스트립 선로, 동일 평면 도파관(coplanar waveguide), 슬롯 선로 및/또는 스트립 선로를 포함한다.
가변 유전체 기판은 바람직하게는 액정 재료인 액체 가변 유전체 기판, 및/또는 바람직하게는 티탄산바륨스트론튬으로서의 고체 유전 재료일 수 있다. 이것은 기판층이 두 재료의 조합물일 수 있는 것을 의미한다.
액체의 튜닝 가능 기판은 탄소나노튜브, 강유전체 또는 금속나노부품과 같은 화합물로 도핑될 수 있다.
전면 유전체의 하면 및/또는 배면 유전체의 상면은 액체 가변 유전 재료를 사전에 배향시키기 위해 배향막으로 완전히 또는 국소적으로 덮일 수 있다.
배면 유전체 기판 위의 도전층은 전자적으로 튜닝 가능한 위상 시프터인 평면 전송 선로에 바람직하다. 전자적으로 튜닝 가능한 위상 시프터는 전자기적으로 방사 소자에 결합될 수 있다.
실시형태에서는 비접촉 RF 상호 접속은 서로 다른 층에 실장되는 동일한 또는 상이한 전송 선로 사이의 RF 신호의 전자기 커플링을 이용한다.
도전층은 금 및 구리를 포함하는 높은 도전성의 전극을 포함할 수 있다.
바람직한 실시형태에 있어서의 전송 선로는 마이크로스트립 선로이다. 마이크로스트립 선로는 규칙적 또는 불규칙적으로 구불구불한 것이 바람직하고, 특히 마이크로스트립 선로는 나선형이다.
실시형태에서는 가변 유전체 기판의 유전율, 나아가서는 위상 시프터의 전기적 특성이, 빔 조종을 위한 방사 소자 사이의 소망하는 차동 위상 시프트를 달성하기 위해, 평면 전송 선로 및 접지 전극의 양단에 바이어스 선로를 거쳐서 전압을 인가하는 것에 의해 변경된다.
바이어스 선로는 인듐주석 산화물 또는 크롬 또는 니켈크롬 합금을 포함하는 도전성이 낮은 전극 재료를 포함할 수 있다.
또한 실시형태에서는 박막 트랜지스터 회로는 배면 기판의 상측에 구현된다.
전자적으로 조정 가능한 위상 시프터는 로디드 선로(loaded line) 위상 시프터를 포함할 수 있고, 평면 전송 선로는 버랙터(varactors)에 의해 주기적 또는 비주기적으로 로드되는 반면, 버랙터는 평면 전송 선로에 션트(shunt) 또는 직렬로 로드될 수 있다. 또한 여기서는 평면 전송 선로는 마이크로스트립 선로, 동일 평면 도파관, 슬롯 배선 및/또는 스트립 배선을 포함할 수 있다. 가변 유전체 기판의 유전율, 나아가서는 버랙터의 부하는 빔 형성을 위한 로디드 선로 위상 시프터의 전기적 특성을 제어하기 위해 저도전성 바이어스 선로를 통해 바이어스 전압을 인가하는 것에 의해 변경될 수 있다. 바람직한 실시형태에 있어서 방사 소자는 서브어레이를 형성하기 위해 그룹화될 수 있다. 이 경우 서브어레이 내의 방사 소자는 공통의 전기적으로 튜닝 가능한 위상 시프터를 통해 급전될 수 있다. 특히 서브어레이는 2×2의 방사 소자를 포함한다.
실시형태에서는 안테나는 전면 유전체 기판 대신에 하면에 도전층을 갖는 2개의 적층된 유전체 기판을 갖고, 고체 유전체 기판은 캡톤 폴리오(Kapton Folio), 액정 폴리머 및 마일라 폴리오(Mylar Folio)를 포함하는 얇은 기판을 포함할 수 있다. 방사 소자는 얇은 유전체 기판의 하면에 실장될 수 있다. 개구부 및 평면 전송 선로를 갖는 접지 전극은 제 2 유전체 기판의 하면에 실장될 수 있다.
다른 실시형태에서는 안테나는 배면 유전체 기판의 하면상의 도전층과, 저잡음 증폭기(LNA) 및/또는 배면 유전체 기판의 하면상에 배치된 송신/수신 모듈(TRM)을 포함하고, 방사 소자는 그룹화될 수 있고 공통의 LNA를 이용할 수 있다. LNA는 방사 소자와 위상 시프터의 사이 또는 그 뒤에 배치될 수 있다.
역(inverted) 마이크로스트립 선로(IMSL) 위상 시프터(지연선)의 동작의 경우, 위상 시프터 전극(111)의 아래에 있는 LC 재료가 필요하다. 이것은 최소한의 요건이다. 바람직한 실시형태에서는 LC는 2개의 유리 기판의 사이에 충전된다. 이것은 마찬가지로 유효하지만 필수는 아니다. LC가 충전된 웰 또는 풀은 충분하다.
자동화된 제조 기술을 사용하여 제작될 수 있는 낮은 비용, 낮은 중량의 전자적으로 조종 가능한 위상 어레이는 자동차, 비행기 및 레이더와 같은 이동 단말에 적합하다. 안테나의 주 빔 방향은 위성을 거쳐서 서비스, 예컨대 무선 인터넷 또는 방송을 이동하는 차량에 동시에 제공하기 위해 연속적으로 조종 가능할 수 있다. 높이가 낮은 안테나의 평면성 및 미적 외관은 이들이 즉, 자동차 산업에 대해 다른 중요한 문제이기 때문에, 유지되어야 한다. 그러한 안테나는 방사 소자 및 급전 네트워크에 통합될 수 있는 소형, 저손실의 전자적으로 튜닝 가능한 위상 시프터를 필요로 한다. 모든 위상 시프터가 개별적으로 바이어스될 수 있는 바이어스 네트워크는 필요하다. 그러한 전자적으로 조종 가능한 안테나는 본 발명의 주제이다.
도 1은 본 발명에 따른 이차원적 전자적으로 조종 가능한 위상 어레이 안테나의 일례의 블록도이다.
도 2(a) 및 2(b)는 본 발명의 실시형태에 따른 전자적으로 조종 가능한 안테나의 단위 요소의 분해도 및 측면도이다.
도 3은 나선형 위상 시프터의 레이아웃의 개략도이다.
도 4(a), 4(b) 및 4(c)는 도 2에 주어진 본 발명의 실시형태에 따른 조종 가능한 위상 어레이 안테나의 3개의 레이아웃의 개략도이다.
도 5(a), 5(b) 및 5(c)는 도 4에 주어진 본 발명의 실시형태에 따른 실현된 위상 어레이 안테나의 사진이다.
도 6(a), 6(b) 및 6(c)는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 조종 가능한 위상 어레이 안테나의 3개의 레이아웃의 개략도이다.
도 7(a) 및 7(b)는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 액티브 위상 어레이 안테나의 단위 요소 및 단위 서브어레이 요소의 측면도이다.
도 8은 CPW(동일 평면 도파관) 대 마이크로스트립 선로간 천이(transition)가 없는 사행(meander) 위상 시프터 및 나선형 위상 시프터의 시뮬레이션된 ΔΦb 및 FoM이다.
이하에서는, 본 발명의 하나의 가능한 실시형태에 따른 상세한 설명이 주어진다. 실시형태는 본 발명의 모든 특징을 제시하기 위한 것만은 아니고, 대신에 본 발명의 몇몇 측면의 기본적인 이해를 제공한다. 그것은 수동적(passive)이고 상호적인 안테나이므로 수신 또는 송신 모드에서 사용될 수 있는 이차원적 조종 가능한 안테나이다. 그러나, 설명의 대부분은 명확한 방법으로 본 발명을 설명하기 위해 수신 안테나에 대해서만 주어진다. 도면이나 상대 치수는 보다 효율적으로 본 발명을 설명하기 위해 반드시 크기가 조절되지 않을 수 있다.
도면을 참조하면, 도 1은 본 발명에 따른 전자적으로 조종 가능한 위상 어레이 안테나(100)의 블록도이다. 위상 어레이 안테나는 예컨대 RF 신호 입력 포트 등의 신호 입력 포트(101)와, 급전 네트워크(102)와, 복수의 전력 결합기(103-109)와, 복수의 DC 차단 구조체(a plurality of DC block structures)(110)와, 복수의 전자적으로 튜닝 가능한 위상 시프터(111) 및 복수의 방사 소자(112)를 포함한다.
다른 실시형태(도시하지 않음)에 있어서 급전 네트워크는 다른 기판상에 있다. 급전 네트워크(102)는 방사 소자(112)와 입력 포트(101)의 사이의 임피던스 정합을 제공하기 위해 서로 다른 전기 길이 및 특성 임피던스를 갖는 복수의 전송 선로를 포함할 수 있다. 전력 결합기(103-109)는 균등하게 또는 불균등하게 전력을 결합하여 소망하는 방사 패턴을 위해 안테나 단위 요소(200)에 전달할 수 있다. 안테나 이론에 따르면 방사 소자(112) 사이의 거리는 진공 중에서의 파장의 약 0.5~0.8배이다. 낮은 거리는 소자 사이의 높은 전자기 커플링을 초래하고, 높은 거리는 방사 패턴에 있어서의 그레이팅 로브(grating lobe)를 야기한다.
도 2(a) 및 2(b)는 본 발명의 실시형태에 따른 전자적으로 조종 가능한 안테나의 단위 요소(200)의 분해도 및 측면도이다. 단위 요소(200)는 방사 소자(112)와, 튜닝 가능한 위상 시프터(111)와, DC 차단 구조체(110) 및 전자적으로 튜닝 가능한 위상 시프터(111)에 바이어스 전압을 인가하기 위한 바이어스 선로(201)를 포함한다. 이들 부품은 전면 유전체 기판(202), 튜닝 가능한 유전체 기판(205) 및 배면 유전체 기판(206)이라는 3개의 유전체층상에 배치된다.
방사 소자(112)는 저손실의 전면 유전체 기판(202)의 상면상에 실장된다.
여기에 나타낸 바와 같이, 방사 소자(112)는 서로 다른 극성(polarization)에 사용될 수 있는 직사각형 패치 안테나일 수 있다. 다른 실시형태에서는 방사 소자(112)는 원형, 정사각형 패치 또는 슬롯을 갖는 다른 모든 종류의 패치이다. 직사각형 또는 정사각형 패치는 또한 1개 이상의 모서리가 절단될 수 있다. 그것은 전기적으로 높은 도전성 전극으로 이루어진다. 전면 유전체 기판(202)의 하면은 방사 소자(112)를 위한 접지 전극(203)을 형성하는 도전성 전극으로 덮인다. 접지 전극(203)은 안테나 소자(112)의 위에 놓이는 슬롯(204)을 포함한다. 방사 소자(112)와 위상 시프터(111)의 사이에 RF 신호를 결합하기 위해 개구 커플링이 슬롯(204)을 거쳐서 형성된다. 접지 전극(203)은 또한 DC 차단 구조체(110)의 일부인 동일 평면 도파관(CPW)을 포함한다.
바람직한 실시형태에서는 신호는 서로 다른 전송 선로의 사이에서 결합된다. 다른 실시형태에서는 신호는 용량 결합된다. 이것은 2개의 패치가 존재하고, 평행판 콘덴서와 같이, 한쪽이 전면 유전체 기판의 하면상에 실장되고 다른 쪽이 배면 유전체 기판의 상면상에 실장되는 것을 의미한다.
튜닝 가능한 유전체 기판(205)은 전면 유전체 기판(202)과 배면 유전체 기판(206)의 사이에 봉입된다. 튜닝 가능한 유전체 기판(205)이 액체인 경우 이들 2개의 유전체(202, 206) 사이의 공동(cavity)이 필요하다. 그러한 공동은 적절한 스페이서를 사용하는 것에 의해 달성될 수 있다. 전면 및 배면 유전체(202, 206)의 기계적 안정성은 균일한 공동 높이를 유지하기 위해 중요하다. 공동 높이는 위상 시프터 토폴로지에 따라 1㎛~3㎛에서 수백 밀리미터의 범위에 있을 수 있다. 마이크로스트립 선로 기반 위상 시프터의 경우 보다 높은 공동 높이는 보다 높은 유전체의 두께에 상당하므로, 금속 손실이 저감된다. 그러나, 액정 재료가 이용되는 경우, 장치 응답 시간은 두꺼운 LC층으로 인해 비교적 길어질 것이다. 한편, 로디드 선로 위상 시프터가 사용되는 경우 LC 공동 높이는 1㎛~50㎛로 저감될 수 있다. 본 발명의 실시형태에 있어서는 IMSL 위상 시프터가 사용된다. 금속 손실과 위상 시프터 응답 시간 사이의 타협안으로서 약 100㎛의 공동 높이가 바람직하다. 그러나, 높이는 상기 범위에 따라 저감 또는 증가될 수 있다. 높이가 저감되는 경우 금속 손실을 증가시킬 수 있고, 감소되는 경우 금속 손실을 저감시킬 수 있다.
단위 요소(200)의 동작에 있어서, 방사 소자(112)에 의해 수신된 RF 신호는 접지 전극(203)상의 슬롯(204)에 의해 형성되는 개구 커플링을 거쳐서, 마이크로스트립 선로(111)에 결합된다. 가변 유전체 기판(205)의 유전 특성, 나아가서는 RF 신호의 위상은 접지 전극(203) 및 마이크로스트립 선로(111)의 양단에 바이어스 선로(201)를 통해 바이어스 전압을 인가하는 것에 의해 변경될 수 있다. 바이어스 선로(201)는 위상 시프터(111)의 전극에 비하여 전기적으로 낮은 도전성의 전극이다. 그 후 신호는 전면 유전체 기판(202)의 하면상에 실장되는 접지 전극(203)상의 CPW에 전자기적으로 결합된다. 짧은 CPW 선로를 따라 전파한 후, RF 신호는 단위 요소 입력 포트(207)에 결합된다. 이 방법에 의해, DC 차단 구조체(110)로서의 비접촉 RF 상호 접속은 위상 시프터(111)와 단위 요소 입력 포트(207)의 사이에서 달성된다. 바이어스 전압은 DC 차단 구조체(110)로 인해 안테나의 나머지, 즉 다른 단위 요소에 영향을 줄 수 없으므로, 가변 유전체 기판(205)은 마이크로스트립 선로(111)의 아래에서만 조정된다.
송신 모드에 대한 단위 요소(200)의 동작에 있어서, 어레이 급전 네트워크로부터 수신된 송신 신호는 먼저 단위 요소 입력 포트(207)로부터 접지 전극(203)상의 CPW에 전자기적으로 결합된다. 짧은 CPW 선로를 따라 전파한 후, 신호는 마이크로스트립 위상 시프터(111)에 결합된다. 이와 같이 하는 것에 의해, DC 차단 구조체(110)로서의 비접촉 RF 상호 접속이 위상 시프터(111)와 단위 요소 입력 포트(207)의 사이에서 달성된다. 가변 유전체 기판(205)의 유전 특성, 나아가서는 송신된 신호의 위상은 접지 전극(203) 및 마이크로스트립 위상 시프터(111)의 양단에 바이어스 선로(201)를 거쳐서 바이어스 전압을 인가하는 것에 의해 변경될 수 있다. 바이어스 선로(201)는 위상 시프터(111)의 전극에 비하여 전기적으로 낮은 도전성의 전극이다. 마이크로스트립 선로(111)를 따라 전파한 후, 신호는 그것이 방사되는 방사 소자(112)에 결합된다. 위상 시프터(111)와 방사 소자(112)의 사이의 결합은 접지 전극(203)의 슬롯(204)에 의해 형성되는 개구 커플링을 거쳐서 달성된다.
DC 차단 구조체(110)는 서로 다른 층에 실장된 유사한 또는 상이한 전송 선로 사이의 전자기 커플링을 이용한다. 실시형태에 따른 CPW와 마이크로스트립 선로 사이의 커플링은 본 발명의 하나의 측면의 일례인 것이 언급되어야 한다. 그러한 구조는 또한 RF 필터로서 기능할 수 있도록 최적화될 수 있다. 과제는 안테나의 방사 특성에 영향을 줄 수 있는 바람직하지 않은 방사를 억제하는 것이고, 이것은 전자기 해법(solver)을 사용하는 것에 의해 해결될 수 있다.
전기적으로 튜닝 가능한 위상 시프터(111)는 역 마이크로스트립 선로 토폴로지로 제작되지만 이것으로 한정되지 않는다. 바람직하게는 나선형인 마이크로스트립 선로(111)는 배면 유전체 기판(206)의 상부에 실장된다. 그 접지 전극(203)은 전면 유전체 기판(202)의 하면에 실장된다. 그 유전 재료는 튜닝 가능한 유전체 기판(205)이므로 그러한 전송 선로의 전기적 특성은 변경될 수 있다.
액정(LC) 재료는 마이크로파 및 밀리미터파 주파수에서 튜닝 가능한 유전체 기판(205)으로서 사용될 수 있다. LC는 이들 주파수에서 낮은 유전 손실을 갖는 이방성 재료이다. RF 필드에 대한 LC의 실효 유전율은 분자의 배향에 의존한다. 이 특성은 LC의 배향을 변경하는 것에 의해 파장 및 전자기파의 위상을 제어하기 위해 이용될 수 있다. 분자의 배향은 외부 전계 또는 자계를 이용하는 것에 의해, 액정의 표면 정렬을 이용하는 것에 의해, 또는 이들 방법의 조합을 이용하는 것에 의해 연속적으로 변화될 수 있다.
다른 실시형태(도시하지 않음)에 있어서 안테나는 고체 기판의 적어도 하나의 층으로 분리된 둘 이상의 LC층 기판을 포함하는 다수 층의 적층체로 이루어질 수 있다.
360°의 차동 위상 시프트를 갖는 튜닝 가능한 위상 시프터는 하나의 단위 요소의 영역인 한정된 영역에 설계되어야 한다. 달성 가능한 최대의 위상 시프트는 주파수 의존적이고, 요건은 위상 시프터의 길이를 설정하는 것에 의해 조정될 수 있다. 한정된 영역으로 인해, 위상 시프터는 소망하는 길이를 달성하기 위해 구불구불하게(사행으로) 되어야 한다. 한편, 전송 선로 사이의 커플링은 방지되어야 한다. 본 발명에 따르면, 위상 시프터는 도 3에 나타낸 바와 같이 나선형으로 구현된다. 그러한 위상 시프터는 동일한 디자인 룰이 사용되고 방사 소자에 통합되는 경우 구불구불한 전송 선로에 비하여 5％~15％ 보다 많은 차동 위상 시프트를 갖는다. 또한, 나선형으로 인해, 위상 시프터와 방사 소자의 사이의 RF 신호의 커플링은 단위 요소의 중앙에서 달성된다. 위상 시프터(111)가 축(301)을 따라 반전되면, 단위 요소 입력 포트(207)는 다른 쪽으로 시프트하지만, 결합점(302)은 여전히 중앙에 있다. 이것은 소형 급전 네트워크를 설계하기 위해 위상 시프터를 반전 가능하게 한다. 동시에, 안테나 방사 특성을 위해 중요한 방사 소자 사이의 거리는 일정하게 유지된다. 위상 시프터의 형상은 나선형으로 한정되지 않는다. 그 형상은 안테나 어레이에 통합될 수 있는 소형이고 고성능인 위상 시프터를 설계하기 위해 최적화될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 로디드 선로 위상 시프터는 안테나 어레이에 통합될 수 있다. 이 접근법 내에서는, 튜닝 불가능한 전송 선로에는 버랙터 부하가 주기적 또는 비주기적으로 로드된다. 버랙터는 전송 선로에 직렬 또는 션트(shunt)로 로드될 수 있다.
도 4는 도 2에 주어진 본 발명의 실시형태에 따른 이차원적 전자적으로 조종 가능한 위상 어레이 안테나의 3개의 레이아웃을 나타낸다. 안테나는 전면 유전체(202)의 상부에 실장되는 16(4×4)개의 방사 소자(112)를 포함하지만 이것으로 한정되지 않는다.
전면 유전체 기판(202)의 하면은 접지 전극(203)으로 덮이고, 접지 전극(203)은 CPW 선로 세그먼트(110)와 DC 차단 구조체 및 개구 커플링의 슬롯(204)을 제각기 포함한다.
RF 신호 입력 포트(101)와, 급전 네트워크(102), 복수의 전력 결합기(103)와, 복수의 전자적으로 튜닝 가능한 위상 시프터(111)와, 복수의 바이어스 선로(201) 및 복수의 바이어스 패치(402)는 배면 유전체 기판(206)의 상면에 배치된다. 여기서는 도시하지 않는 튜닝 가능한 유전체는 접지 전극(203) 및 배면 유전체 기판(206)의 상면과 접촉한다. 층은 상보적인 위치 조정 마크(401)를 이용하여 정확하게 위치 맞춤될 수 있다. 배면 유전체층(206)은 RF 입력 포트(101) 및 바이어스 패치(402)에 대한 컨택트가 필요한 측면으로부터 전면 유전체층(202)으로 확대되어 있다. 도 5는 도 4에 주어진 본 발명의 실시형태에 따른 이차원적 전자적으로 조종 가능한 안테나의 시제품(prototype)의 상면, 측면 및 저면의 사진을 나타낸다.
안테나는 4개의 방사 소자를 포함한다. 시제품의 전체 높이는 전면 유전체 기판, 조정 가능한 유전체 기판 및 배면 유전체 기판을 포함하여 1.5㎜이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 위상 어레이 안테나의 단위 서브어레이 요소를 나타낸다. 단위 서브어레이 요소(700)는 전면 유전체 기판(202)의 상면상에 2×2의 방사 소자(112)를 포함하지만 이것으로 한정되지 않는다. 접지 전극(203), 슬롯(204) 및 DC 차단 구조체(110)는 전면 유전체 기판(202)의 하면상에 실장된다. 전기적으로 튜닝 가능한 위상 시프터(111), 전력 결합기(103) 및 바이어스 선로(201)는 배면 유전체 기판(206)의 상면상에 제작된다. 여기서는 도시하지 않는 튜닝 가능한 유전체는 접지 전극(203) 및 배면 유전체 기판(206)의 상면과 접촉한다.
동작에 있어서, 방사 소자(112)에 의해 수신된 RF 신호는 개구 커플링(204)을 거쳐서 전력 결합기(103)에 결합된다. 전력 결합기(103)는 전력 결합기(103)를 둘러싸는 위상 시프터(111)에 신호를 보낸다. 튜닝 가능한 유전체 기판의 전기적 특성, 나아가서는 RF 신호의 위상은 바이어스 전압을 인가하는 것에 의해 제어된다.
그러한 바이어스 전압은 접지 전극(203) 및 위상 시프터(111)의 양단에 바이어스 선로(201)를 거쳐서 인가된다. 그 후 RF 신호는 DC 차단 구조체(110)를 거쳐서 서브어레이 입력 포트(207)에 결합된다.
모든 방사 소자가 1개의 전자적으로 튜닝 가능한 위상 시프터를 거쳐서 급전되므로 위상 시프터 및 바이어스 선로의 필요한 수는 서브어레이 아키텍처에 있어서 방사 소자의 개수분의 1로 저감된다. 마찬가지로, 액티브 위상 어레이 안테나는 보다 적은 수의 증폭기를 필요로 한다. 그것에 따라, 안테나는 비용 효율적이고 신뢰성을 갖게 된다. 안테나 방사 패턴에 관해서는, 방사되는 위상면을 경사시키기 위해 방사 소자의 사이의 차동 위상 시프트가 만족되어야 한다. 서브어레이 아키텍처의 경우, 이 요건은 각 서브어레이에 대해 달성된다. 안테나 이론에 따르면 서브어레이 사이의 거리는 진공 중에서의 파장의 약 0.5~0.8배이다.
이것은 방사 소자 사이의 간격을 감소시키고, 따라서 안테나 개구 효율이 증가된다. 그렇지만, 방사 소자 사이의 상호 결합도 마찬가지로 증가한다. 그러한 안테나에 대하여, 서브어레이 아키텍처, 즉 방사 소자의 개수를 정의할 때 안테나 방사 특성과 비용 효율간의 최적화 처리와, 신뢰성과 바이어스 복잡도간의 최적화 처리가 필요하다.
도 7(a) 및 7(b)는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 액티브 위상 어레이 안테나의 단위 요소 및 단위 서브어레이 요소의 측면도를 나타낸다. 저잡음 증폭기(LNA)(210)는 유전체 기판(206)의 하면상에 실장된다. 방사 소자(112)에 의해 수신된 RF 신호는 배면 유전체 기판(206)의 상면상에 위치하는 전송 선로(21)에 결합된다. 그 후 신호는 배면 유전체 기판(206)의 하면상에 배치되는 LNA(210)에 결합된다. 증폭 후, RF 신호는 튜닝 가능한 유전체 기판(205)을 갖는 튜닝 가능한 위상 시프터(111)에 결합된다. 이와 같이 하는 것에 의해, 안테나의 잡음 지수에 영향을 주는 성분의 잡음이 억제되고, 따라서 안테나 노이즈 레벨이 저감된다.
본 발명은 실시형태에 의해 상세히 설명된다. 실시형태의 모든 변경 및 수정은 이하의 청구항의 범위에 의해 한정된다.
실시형태의 실현은 여기서 설명된다.
LC 기반 역 마이크로스트립 선로(IMSL) 위상 시프터의 실현은 도 2에 나타낸다. 크롬/금층으로 이루어지는 시드층은 저손실 유전체 기판에 증착된다. 크롬(Cr)층은 5㎚의 두께를 갖고, 기판과 60㎚ 두께의 금층의 사이에서 접착층으로서 이용된다. 포토레지스트(PR)는 시트층상에 도포되고 노광되어 현상된다.
구조체의 전극은 2㎛ 두께의 금의 전기 도금에 의해 형성된다. 도금 후, PR이 제거되고, 시드층이 에칭되고, 따라서 오로지 도금된 전극만이 기판에 존재한다. 기판은 정밀하게, 즉 ±5㎛로 두 조각으로 다이싱된다. 각 조각은 배향층으로 덮이고, 표면에 홈을 형성하기 위해 기계적으로 연마된다(rub). 그 후 기판은 정렬 마크를 사용하여 정렬되고 접착제를 사용하여 본딩된다. LC는 기판의 사이에 충전되고, 따라서 적절한 스페이서, 즉 마이크로펄(micro pearl)이 연마 후의 기판에 현상된다. 마지막으로, LC가 충전되고 2개의 기판 사이에 재료가 봉입되는 구조체에 의해 밀봉된다. 기판의 기계적 안정성은 균일한 공동 높이를 유지하기 위해 중요하다. 따라서, 저손실 유리 또는 세라믹 유전체 기판이 제조를 위해 바람직하다. 실시형태는 여기에 기재된다.
마이크로스트립 패치 안테나는 전면 유전체의 상면상에 실장된다. 패치 안테나의 접지 전극은 동일한 유전체의 하면상에 실장된다. 접지 전극은 패치 안테나와 위상 시프터의 사이의 개구 커플링을 형성하는, 패치(도 5(c)) 위에 있는 슬롯을 포함한다. IMSL 위상 시프터의 스트립 전극은 배면 기판의 상면상에 실장된다. LC 재료는 2개의 기판 사이에 봉입된다. 이것은 IMSL의 유전체를 형성하고, 100㎛의 두께를 갖는다. 수신 안테나의 동작에 있어서, 수신된 RF 신호는 먼저 위상 시프터에 결합된다. 위상 시프터를 따라 전파한 후, RF 신호는 접지 전극에 위치하는 동일 평면 도파관(CPW)에 전자기적으로 결합된다. 신호는 짧은 CPW 선로를 따라 전파하고, 그 후 배면 유전체의 상면상에 위치하는 단위 요소 입력 포트에 결합된다. 이와 같이 하는 것에 의해, DC 차단 구조체로서의 비접촉 RF 상호 접속이 위상 시프터와 단위 요소 입력 포트의 사이에서 달성된다.
다른 실시형태에 관한 보다 상세한 정보는 다음과 같다.
단위 요소는 LC 기반 튜닝 가능한 위상 시프터와 통합된다. 위상 시프터는 최적의 빔 조종을 위해 소망하는 차동 위상 시프트 ΔΦb, 즉 360°를 만족하여야 한다. IMSL의 차동 위상 시프트는 다음과 같이 계산된다.
Figure pct00002
한편, f는 주파수, I는 물리적인 길이, c0은 진공 중에서의 광의 속도이고, εr, eff ,⊥는 상대 실효 수직 유전율이고, εr, eff , II는 상대 실효 병렬 유전율이다.
360°의 ΔΦb로 18㎓에서 동작하는 위상 시프터의 길이는 특정한 타입의 LC를 사용하여 5.65λ0으로서 결정된다. 한편, 단위 요소의 크기는 그레이팅 로브(grating lobes)를 방지하기 위해 0.65λ0×0.65λ0으로 설정된다. 따라서, 위상 시프터는 단위 요소의 한정된 영역으로 인해 소형 방법으로 설계되어야 한다. 하나의 가능한 해결책은 위상 시프터를 구불구불하게 하는 것이다. 하지만, 이 경우, 선로 사이의 커플링이 문제가 된다. 이것은 선로 사이의 갭을 최적화하는 것에 의해 시뮬레이션 내에서 최소화될 수 있다. 위상 시프터의 총 길이는 75㎜이고, 위상 시프터 자체(변화 없이)는 18㎓에서 0.5λ0×0.5λ0의 영역을 이용한다. 이 영역은 단위 요소의 영역보다 작다. 이것은 단위 요소가 어레이를 형성하기 위해 결합될 때, RF 급전 네트워크 및 바이어스 네트워크도 어느 정도의 영역을 필요로 한다고 하는 사실에 기인한 것이다.
위상 시프터의 성능과 소형화도는 그 기하학적 형상에 따라 더 향상될 수 있다. 이 방법에서는, 마이크로스트립 선로가 구불구불한 기하학적 형상은 중요하다. 하나의 가능한 해결책은 위상 시프터를 나선형으로 구불구불하게 하는 것이다. 그러한 위상 시프터는 사행 선로 위상 시프터에 비하여 여러 개선점을 갖는다. 양 위상 시프터는 동일한 디자인 룰, 즉 2개의 전극의 사이에서의 동일한 갭 사이즈를 이용하여 동일한 크기의 영역에 설계된다. 도 8에서는, 시뮬레이션된 ΔΦb 및 위상 시프터의 FoM 결과가 주어진다. 도 8로부터 알 수 있듯이, 나선형 위상 시프터의 ΔΦb는 사행 위상 시프터에 비하여 5％~15％ 보다 많다. 한편, 삽입 손실은 거의 일정하게 유지되므로, FoM은, 예컨대, 18㎓에서 95°/㏈로부터 105°/㏈로 증가된다. 또한, 나선형 기하학적 형상으로 인해, 위상 시프터와 방사 소자의 사이의 RF 신호의 커플링은 단위 요소의 중앙에서 달성된다. 위상 시프터의 기하학적 형상이 반전될 때, 단위 요소 입력 포트는 다른 쪽으로 시프트하지만 결합점은 여전히 중앙에 있다. 이것은 소형 RF 급전 네트워크를 설계하기 위해 위상 시프터를 반전할 수 있게 한다. 동시에, 안테나 방사 특성을 위해 중요한 방사 소자 사이의 거리는 일정하게 유지된다.
안테나 배열은 위상 시프터를 독립적으로 조정하기 위해 바이어스 네트워크를 필요로 한다. 바이어스 패드 및 접지 전극의 양단에 인가되는 전압은 바이어스 선로를 거쳐서 RF 회로에 전달된다. 바이어스 선로는 저도전성 재료를 사용하여 구현되어야 하고, 따라서 그들은 RF 신호에 무시해도 될 정도의 영향을 갖는다. 가능한 재료는 인듐주석 산화물(ITO), 크롬(Cr) 또는 니켈-크롬(Ni-Cr)이다. 비교적 높은 도전율(σ=7.8×106S/m)을 갖지만, Cr 접착층은 바이어스 선로를 구현하기 위해 이용된다. 그것은 25:3=sq의 시트 저항을 초래하는 5㎚의 두께를 갖는다.
선폭은 바이어스 선로의 저항을 증가시키기 위해 10㎛로 설정된다.
2D-안테나는 또한 구조에 있어서 3D일 수 있고, 예컨대, 물체의 주위에 둘러싸일 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 이차원적 전자적으로 조종 가능한 위상 어레이 안테나의 일례의 블록도이다.
도 2(a) 및 2(b)는 본 발명의 실시형태에 따른 전자적으로 조종 가능한 안테나의 단위 요소의 분해도 및 측면도이다.
도 3은 나선형 위상 시프터의 레이아웃의 개략도이다.
도 4(a), 4(b) 및 4(c)는 도 2에 주어진 본 발명의 실시형태에 따른 조종 가능한 위상 어레이 안테나의 3개의 레이아웃의 개략도이다.
도 5(a), 5(b) 및 5(c)는 도 4에 주어진 본 발명의 실시형태에 따른 실현된 위상 어레이 안테나의 사진이다.
도 6(a), 6(b) 및 6(c)는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 조종 가능한 위상 어레이 안테나의 3개의 레이아웃의 개략도이다.
도 7(a) 및 7(b)는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 액티브 위상 어레이 안테나의 단위 요소 및 단위 서브어레이 요소의 측면도이다.
도 8은 CPW 대 마이크로스트립 선로간 천이(transition)가 없는 사행(meander) 위상 시프터 및 나선형 위상 시프터의 시뮬레이션된 ΔΦb 및 FoM이다.
100 : 전자적으로 조종 가능한 위상 어레이 안테나
101 : 신호 입력 포트
102 : 급전 네트워크
103-109 : 전력 결합기
110 : DC 차단 구조체
111 : 위상 시프터 전극
112 : 방사 소자
200 : 안테나 단위 요소
201 : 바이어스 선로
202 : 전면 유전체 기판
203 : 접지 전극
204 : 슬롯/개구 커플링
205 : 튜닝 가능한 유전체 기판
206 : 배면 유전체 기판
207 : 단위 요소 입력 포트
210 : 저잡음 증폭기(LNA)
211 : 전송 선로
301 : 반전축
302 : 결합점
401 : 위치 조정 마크
402 : 바이어스 패치
700 : 단위 서브어레이 요소

Claims (17)

  1. 급전 네트워크와,
    전극을 포함하는 적어도 1개의 위상 시프터와,
    바이어스 네트워크와,
    적어도 2개의 방사 소자
    를 포함하고,
    상기 위상 시프터는 전자적 가변 유전 재료를 포함하는
    연속적으로 조종 가능한 평면 위상 어레이 안테나.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 안테나는 고체 전면 유전체 기판층과, 고체 배면 유전체 기판층과, 이들 사이에 위치하는 전자적 가변 유전체 기판층의 적어도 3개의 기판층으로 이루어지는 평면 위상 어레이 안테나.
  3. 제 2 항에 있어서,
    적어도 1개의 층이 균일한 기판으로 이루어지는 평면 위상 어레이 안테나.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 위상 시프터의 상기 전자적 가변 유전체 기판은 액정 및/또는 티탄산바륨스트론튬인 평면 위상 어레이 안테나.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 위상 시프터 전극은 규칙적 또는 불규칙적으로 구불구불한 평면 위상 어레이 안테나.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 위상 시프터 전극은 나선형으로 배치되는 평면 위상 어레이 안테나.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 2개의 위상 시프터가 서브어레이를 형성하는 평면 위상 어레이 안테나.

  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    4개의 위상 시프터가 서브어레이를 형성하는 평면 위상 어레이 안테나.
  9. 제 8 항에 있어서,
    입력 급전부(input feed)가 상기 서브어레이의 가운데에 있는 평면 위상 어레이 안테나.
  10. 제 9 항에 있어서,
    복수의 서브어레이를 포함하는 평면 위상 어레이 안테나.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 위상 시프터는 시간 지연 유닛인 평면 위상 어레이 안테나.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전자적으로 튜닝 가능한 위상 시프터는 로디드 선로(loaded line) 위상 시프터를 포함하는 평면 위상 어레이 안테나.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전면 및 배면 유전체 기판은 기계적으로 안정된 저손실 기판을 포함하는 평면 위상 어레이 안테나.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 안테나는 3D 구조인 평면 위상 어레이 안테나.
  15. 청구항 1 내지 청구항 14 중 어느 한 항에 기재된 하나 이상의 위상 어레이 안테나의 사용.
  16. 청구항 1 내지 청구항 15 중 어느 한 항에 기재된 적어도 2개의 구성 요소가 상기 적어도 3개의 기판상에 동시에 제작되는 제조 방법.

  17. 청구항 1 내지 청구항 16 중 어느 한 항에 기재된 하나 이상의 위상 어레이 안테나를 포함하는 장치.
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