KR100719764B1 - 위상 배열 안테나의 다층 용량성 커플링 - Google Patents

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Abstract

위상 배열 안테나(10)는 기판(23) 상에 커런트 시트 배열(20), 커런트 시트 배열과 접지 평면(25) 사이에 적어도 하나의 유전체층(24), 및 커런트 시트 배열의 인접하는 다이폴 안테나 부재들 간에 부가적인 커플링을 제공하기 위한 기판에 인접한 적어도 하나의 도전 평면(25)을 포함한다.
위상 배열 안테나, 기판, 접지 평면, 유전체층, 다이폴 안테나 부재

Description

위상 배열 안테나의 다층 용량성 커플링{MULTI-LAYER CAPACITIVE COUPLING IN PHASED ARRAY ANTENNAS}
발명의 배열들은 일반적으로 통신 분야에 관련되고, 좀 더 구체적으로 위상 배열 안테나들에 관련된다.
현존하는 마이크로파 안테나들은 위성 수신, 원격 방송, 또는 군사 통신과 같은, 여러 응용분야들을 위하여 구성들의 넓은 다양성을 포함한다. 낮은 비용, 가벼운-무게, 낮은 프로파일 및 대량 생산의 바람직한 특성들은 일반적으로 인쇄 회로 안테나들에 의해 제공된다. 인쇄 회로 안테나들의 가장 간단한 형태들은 평평한 도전 부재들이 균일한 두께의 유전체 시트에 의해 하나의 필수적으로 연속적인 접지 부재들로부터 떨어진 마이크로스트립 안테나들이다. 마이크로스트립 안테나들의 예는 오리판트(Olyphant)의 미국 특허 번호 3,995,277에 명세된다.
안테나들은 배열로 설계되고 친구/적 (적기(IFF)) 시스템들, 개인 통신 서비스(PCS), 위성 통신 시스템들, 및 항공 시스템들의 식별과 같이 통신 시스템들을 위해 사용될 수 있다. 여기서, 낮은 비용, 가벼운 무게, 낮은 프로파일, 및 낮은 사이드로브와 같은 특징들이 요구된다.
그러나, 이러한 안테나들의 대역폭 및 방향성 성능들은, 어떤 응용들에 대해 서는 제한적일 수 있다. 전자기적으로 커플된 마이크로스트립 패치 쌍들은 대역폭을 증가시킬 수 있지만, 이 이득을 얻는 것은, 특히 낮은 프로파일 및 넓은 빔 폭의 유지가 요구되는 곳에서 중요한 설계 도전을 준다. 또한, 마이크로스트립 패치들의 배열의 사용은 소정의 스캔 앵글을 제공함에 의해 지향성을 향상시킬 수 있다. 그러나, 마이크로스트립 패치들의 배열을 사용하는 것은 딜레마를 준다. 만약 배열 부재들이 함께 가까이 위치하면 스캔 앵글은 증가될 수 있지만, 가까운 간격은 안테나 부재들 간의 원하지 않는 커플링을 증가시킬 수 있고 그것에 의해 성능을 떨어뜨린다.
더욱이, 마이크로스트립 패치 안테나는 등각 배열을 요구하는 응용분야(예를 들면, 항공 시스템들)에 있어 유리하지만, 안테나를 설치하는 것은 그것이 등각성 및 충분한 방사 커버리지 및 지향성이 유지되고 그리고 주위 표면으로의 손실들이 감소될 수 있도록 공급되는 방식과 관련하여 도전들을 준다. 좀 더 구체적으로, 넓은 스캔 앵글을 가진 위상 배열 안테나의 대역폭을 증가시키는 것은 전통적으로 주파수 범위를 복수의 대역들로 분할함에 의해 성취된다.
이런 안테나의 한 예는 웡(Wong) 등의 미국 특허 번호 5,485,167에 명세된다. 이 안테나는 각각 다른 주파수 밴드에 맞추어지고 송신/수신 방향을 따라서 서로에 관하여 쌓아진 쌍극자 쌍 배열들의 쌍들을 포함한다. 가장 높은 주파수 배열은 다음의 가장 낮은 주파수 배열 등의 정면에 있다.
이러한 접근법은 라디오 주파수(RF) 인터페이스 문제를 발생시키면서 안테나의 사이즈와 무게에 있어서 상당한 증가에 귀착될 수 있다. 또 다른 접근법은 기계 적으로 요구되는 스캔 각도를 얻기 위해 짐벌을 사용하는 것이다. 그러나, 여기서 다시, 이 접근법은 안테나의 사이즈와 무게를 증가시키고 더 늦은 응답 시간에 귀착될 수 있다.
따라서, 넓은 주파수 대역폭 및 넓은 스캔 각도를 가지며, 등각으로 표면에 설치 가능한 경량의 위상 배열 안테나에 대한 요구가 있다. 이러한 요구는 양수인에게 양도된, 듀어함(Durham)의 미국 특허 번호 6,417,813에서 논의되는 것처럼 부가적인 대역폭의 증가에 귀착되는 커패시터 "디지트들" 또는 "핑거들"을 길게 함으로써 커플링을 증가시키는 인터디지털 커패시터를 사용하는 커런트(current) 시트 배열들 또는 쌍극자 층들의 사용을 통하여 충족되었다.
이 구조의 어떤 안테나들은 요구되는 작동 대역폭 안의 특정한 주파수에서 중요한 이득 드롭아웃을 보인다. 따라서, 넓은 주파수 대역폭 및 넓은 스캔 각도를 가지며 등각으로 표면에 설치 가능하고 더욱이 상기한 바와 같이 이득 드롭아웃에 종속되지 않는 경량의 위상 배열 안테나에 대한 요구가 존재한다.
더욱이, 특허 '813에서 논의된 것처럼 피드스루 렌즈 안테나들 또한 존재하고, 그것은 또한 이득 드롭아웃 문제를 극복한다. 피드스루 렌즈 안테나들은 특정한 대역폭에 걸쳐서 구조안에서 구조의 밖에 존재하는 전자기(EM) 환경을 복제하는 것이 요구되는 다양한 응용분야들에서 사용될 수 있다. 예를 들면, 피드스루 렌즈들은 그렇지 않으면 그것에 의해 반사될 수 있는 빌딩 또는 항공기 안에서 셀룰러 전화 신호들과 같은, 신호들을 복제하는데 사용될 수 있다. 더욱더, 피드스루 렌즈 안테나들은 매우 넓은 대역폭이 요구되는 응용들에 대해 특히 유리한, 하이패스 필 터 응답 특성을 제공하는데 사용될 수 있다. 이러한 피드스루 렌즈 안테나의 한 예는 웡 등의 특허에서 명세되었다. 웡 등의 특허에서 명세된 피드스루 렌즈 구조는 몇개의 다층 위상 배열 안테나들을 포함한다. 그러나, 위에서 언급된 제한들은 이러한 안테나들이 피드스루 렌즈 안테나들에 사용될 때 관련해서 존재한다.
본 발명의 첫번째 관점에서, 위상 배열 안테나는 기판과 그 위에 다이폴 안테나 부재들의 배열을 포함하고 거기에서 각 다이폴 안테나 부재는 중간의 피드 부분 및 그것으로부터 밖으로 연장된 레그들의 쌍을 포함한다. 인접하는 다이폴 안테나 부재들의 인접하는 레그들은 바람직하게 개개의 일정간격으로 떨어진 단부들을 포함한다. 위상 배열 안테나는 더욱이 기판과 접지 평면 사이에 적어도 하나의 유전체층 및 인접하는 다이폴 안테나 부재들 간에 부가적인 커플링을 제공하기 위한 기판에 인접하는 적어도 하나의 도전 평면을 포함한다.
본 발명의 두번째 관점에서, 위상 배열 안테나는 기판 상에 커런트 시트 배열, 커런트 시트 배열과 접지 평면 사이에 적어도 하나의 유전체층 및 커런트 시트 배열의 인접하는 다이폴 안테나 부재들 간에 부가적인 커플링을 제공하기 위해 기판에 인접한 적어도 하나의 도전 평면을 포함한다.
본 발명의 세번째 관점에서, 위상 배열 안테나를 제조하기 위한 방법은 기판을 제공하는 단계, 위상 배열 안테나를 정의하기 위해 기판 상에 다이폴 안테나 부재들의 배열을 형성하는 단계, 각 다이폴 안테나 부재가 중간의 피드 부분 및 그것으로부터 밖으로 연장된 레그들의 쌍을 포함하는 단계, 및 인접하는 다이폴 안테나 부재들 간에 증가된 용량성 커플링을 제공하기 위해 인접하는 다이폴 안테나 부재들의 인접하는 레그들의 개개의 일정간격으로 떨어진 단부들을 위치시키고 형체짓는 단계, 인접하는 다이폴 안테나 부재들 간의 한층 더한 용량성 커플링을 제공하기 위해 다이폴 안테나 부재들의 배열에 인접하는 도전 평면을 제공하는 단계를 포함한다.
일정간격으로 떨어진 단부들은 소정의 형상을 가지고 인접하는 다이폴 안테나 부재들 간에 증가된 용량성 커플링을 제공하기 위해 적절하게 위치한다. 바람직하게, 인접하는 레그들에서 일정간격으로 떨어진 단부들은 서로 얽힌 부분들을 포함하고 각 레그는 연장된 몸체 부분, 연장된 몸체 부분의 끝에 연결된 확장된 폭 단부, 및 상기 확장된 폭 단부으로부터 연장된 복수(예를 들어, 4개)의 핑거들을 포함한다.
광대역 위상 배열 안테나는 요구되는 주파수 범위를 가지고 인접하는 레그들의 단부들 간의 간격은 대략 가장 높은 요구 주파수의 파장의 절반보다 작다. 또한, 다이폴 안테나 부재들은 이중 분극을 제공하기 위해 직교의 다이폴 안테나 부재들의 첫번째 및 두번째 세트들을 포함할 수 있다. 접지 평면은 바람직하게 다이폴 안테나 부재들의 배열에 인접하여 제공되고 다이폴 안테나 부재들의 배열로부터 대략 가장 높은 요구 주파수의 파장의 1/2보다 작게 떨어져있다.
바람직하게, 각 다이폴 안테나 부재들은 인쇄된 도전층을 포함하고, 그리고 다이폴 안테나 부재들의 배열은 제곱 피트 당 약 100 ~ 900의 범위 안의 밀도로 배열된다. 다이폴 안테나 부재들의 배열은 광대역 위상 배열 안테나가 약 2 ~ 30 GHz 주파수 범위에 걸쳐서, 그리고 약 ±60 도의 스캔 각도에서 작동하도록 사이즈가 정해지고 적절하게 위치된다. 다이폴 안테나 부재들의 배열 상에 적어도 하나의 유전체층이 존재할 수 있고, 유연한 기판은 2차원이 아닌 3차원 형상을 가지는 단단한 마운팅 부재 상에서 지지될 수 있다.
본 발명에 따른 특징들 및 장점들은 또한 유연한 기판 상에 다이폴 안테나 부재들의 배열을 형성하는 단계, 그리고 각 다이폴 안테나 부재가 중간의 피드 부분 및 그것으로부터 밖으로 연장된 레그들의 쌍을 포함하는 단계를 포함하는 광대역 위상 배열 안테나를 제조하는 방법에 의해 제공된다. 다이폴 안테나 부재들의 배열을 형성하는 단계는 인접하는 다이폴 안테나 부재들 간의 증가된 용량성 커플링을 제공하기 위해 인접하는 다이폴 안테나 부재들의 인접하는 레그들의 개개의 일정간격으로 떨어진 단부들을 형성하고 위치시키는 단계를 포함한다. 개개의 일정간격으로 떨어진 단부들을 형성하고 위치시키는 단계는 바람직하게 서로 맞물리는 부분들을 형성하는 단계를 포함한다.
도 1은 예를 들면, 항공기의 앞부분에 상에 설치된 본 발명의 광대역 위상 배열 안테나를 예시하는 개략도이다.
도 2A, 2B 및 2C는 여러 배열들에서 도 1의 광대역 위상 배열 안테나의 분해도들이다.
도 3은 소정의 길이의 디지트들을 가지는 현존 시스템들에서 경험되는 이득 드롭아웃을 예시하는 그래프이다.
도 4 및 5는 각각 도 7A 및 7B의 실시예들에 대해 인-밴드 이득 노치가 없음을 보여주는 그래프들이다.
도 6은 도 1의 광대역 위상 배열 안테나의 인쇄된 도전층의 개략도이다.
도 7A 및 도 7B는 도 2의 광대역 위상 배열 안테나의 인접하는 다이폴 안테나 부재들의 인접하는 레그들의 일정간격으로 떨어진 단부들의 개략적인 확대도이다.
도 8은 도 2의 광대역 위상 배열 안테나의 또 다른 실시예의 광대역 위상 배열 안테나의 인쇄된 도전층의 개략도이다.
본 발명은 본 발명의 바람직한 실시예들이 보여진 첨부된 도면을 참조하여, 여기서부터 좀 더 충분히 설명되어질 것이다. 본 발명은, 그러나, 많은 다른 형태로 구현될 수 있고 여기서 보이는 실시예들에 한정되는 것처럼 해석되어서는 안된다. 차라리, 이들 실시예들은 이 명세서가 철저하고 완벽하며, 본 발명의 범위를 당업자에게 충분히 전달하도록 하기 위해 제공되는 것이다. 처음부터 끝까지 같은 숫자는 같은 부재들을 언급하고, 프라임 및 더블 프라임 기호는 대체 실시예들에서 유사한 부재들을 가리킨다.
먼저, 도 1 및 도 2(A-C)를 참조하면, 본 발명에 따른 광대역 위상 배열 안테나(10)가 예시된다. 안테나(10)는, 예를들면 항공기 또는 우주선의, 앞부분(12), 또는 평면 또는 평면이 아닌 3-차원 형상의 다른 단단한 마운팅 부재에 설치될 수 있고, 또한 당업자에 의해 인지될 수 있듯이 송신 및 수신 제어기(14)에 연결될 수 있다.
광대역 위상 배열 안테나(10)는 바람직하게 도 2A-C에 보이는 것처럼 복수의 유연한 층들로 형성된다. 이들 층들은 접지 평면(30)과 도시된 폼(foam)의 외부 유전체층과 같은 외부의 유전체층(26) 사이에서 샌드위치된 다이폴 층(20) 또는 커런트 시트 배열을 포함한다. 다른 유전체층(24)(바람직하게, 폼으로 성형된)이 도시된 바와 같이 중간에 구비될 수 있다. 부가적으로, 위상 배열 안테나(10)는 더욱이 적어도 하나의 커플링 평면(25)을 포함한다. 커플링 평면은 단지 부분적으로 금속화되거나 전부 금속화된 평면들을 포함하는 많은 다른 형태들, 다이폴 층(20) 위 또는 아래에 위치하는 커플링 평면들, 또는, 다이폴 층 위 또는 아래 중 하나 또는 양쪽 모두에 위치할 수 있는 복수의 커플링 평면들로 실시될 수 있다. 예를 들면, 도 2A의 안테나(10)는 다이폴 층(20) 위에 위치하는 커플링 평면(25)을 예시하며, 반면에 도 2B는 다이폴 층(20) 아래에 위치하는 커플링 평면(25)을 예시한다. 도 2C의 안테나(10)는 한개는 다이폴 층(20) 위 그리고 한개는 다이폴 층(20) 아래에 위치하는, 복수의 커플링 평면들(25)을 예시한다. 도 2의 각 실시예는 유연하고 등각의 안테나(10)를 형성하기 위해 다이폴 층(20), 접지 평면(30), 커플링 평면(25), 및 폼의 유전체층들(24, 26)을 함께 보호하는 접착 층들(22) 사용한다. 물론 당업자에게 인지될 수 있듯이 층들을 보호하는 다른 방법들이 사용될 수 있다. 유전체층들(24, 26)은 스캔 각도를 향상시키기 위해 점점 작아지는 유전체 상수들을 가질 수 있다. 도 2A에서 예를 들면, 접지 평면(30)과 다이폴 층(20) 사이의 유전체층(26)은 3.0의 유전체 상수를 가지고, 다이폴 층(20) 대비 반대편에 있는 유전 체층(24)은 1.7의 유전체 상수를 가지고, 외부의 유전체층(26)은 1.2의 유전체 상수를 가질 수 있다.
커런트 시트 배열들 또는 다이폴 층은 전형적으로 접지 평면 위의 유전체층들에 박힌 밀접하게-커플된 다이폴 부재들로 구성된다. 부재간 커플링은 인터디지털 커패시터들을 가지고 이루어진다. 커플링은 도 6 및 도 7A에 보이는 것처럼 커패시터 디지트들을 길게함에 의해 증가될 수 있다. 부가적인 커플링은 더 큰 대역폭을 제공한다. 불행하게, 충분하게 긴 디지트들은 도 3의 그래프에서 예시되는 것처럼 15GHz에서 8dB와 같은, 이득 드롭아웃을 보인다. 커패시터들은 1/4-파동 커플러들의 뱅크처럼 행동하는 경향이 있다고 믿어진다. E-필드 플롯은 오직 수직-분극된 부재들은 특정한 플롯으로 피드되지만 교차-분극된 커패시터는 드롭아웃 주파수에서 공진한다는 것을 확인한다. 이것에도 불구하고, 커플링은 특정 설계의 대역폭을 확장하기 위해 유지되어야 한다. 본 발명은 인터디지털 커패시터들의 주위 또는 인접하는 분리된 층 상에 커플링 평면들을 위치시킴에 의해 부재들 간 커플링의 필요한 정도를 유지한다. 커패시터 디지트들을 짧게하는 것은 이득 드롭아웃을 대역 밖으로 이동시키나, 커플링 및 대역폭을 줄인다. 커플링 평면들을 부가하는 것은 대역폭을 유지하고 향상시키기 위해 용량성 커플링을 증가시킨다. 커플링 평면들의 사용은 도 7B에서 도시된 것처럼 어떤 인터디지털 커패시터들도 사용되지 않은 간단한 설계들에서 대역폭을 향상시킨다. 어떤 인-밴드 이득 노치도 나타내지 않는 주파수 대비 산출된 이득 그림은 도 7A에서 예시된 더 짧은 인터디지털 커패시터들을 사용하는 안테나에 대하여 도 4에서 보여진다. 마찬가지로, 어떤 인-밴드 이득 노치도 나타내지 않는 또 다른 주파수 대비 산출된 이득 그림이 도 7B에서 예시된 어떤 인터디지털 커패시터들을 사용하지 않은 안테나에 대하여 도 5에서 보여진다.
도 6, 도 7A 및 도 7B를 참조하여, 다이폴 층(20)의 첫번째 실시예가 설명되어질 것이다. 다이폴 층(20)은 유연한 기판(23) 상에 다이폴 안테나 부재들(40)의 배열을 가지는 인쇄된 도전층이다. 각 다이폴 안테나 부재(40)는 중간의 피드 부분(42) 및 그것으로부터 밖으로 연장된 레그들의 쌍(44)을 포함할 수 있다. 개개의 피드 선들은 아래에서 매우 상세히 설명되듯이, 기판(23)의 반대 측으로부터 각 피드 부분(42)에 연결된다. 인접하는 다이폴 안테나 부재들(40)의 인접하는 레그들(44)은 인접하는 다이폴 안테나 부재들 사이에 증가된 용량성 커플링을 제공하기 위해 개개의 이격된(또는, 일정간격으로 떨어진) 단부들(46)을 가진다. 인접하는 다이폴 안테나 부재들(40)은 증가된 용량성 커플링을 제공하기 위해 소정의 형태들 및 적절한 위치를 가진다. 예를 들면, 인접하는 다이폴 안테나 부재들(40) 간의 커패서턴스는 약 0.016 및 0.636 pF 사이에, 그리고 바람직하게 0.159 및 0.239 pF 사이에 존재할 수 있다.
바람직하게, 도 7A에 도시된 것처럼, 인접하는 레그들(44)에서 이격된(또는, 일정간격으로 떨어진) 단부들(46)은 겹치는 또는 서로 맞물리는 부분들(47)을 가지고, 그리고 각 레그들(44)은 연장된 몸체 부분(49), 연장된 몸체 부분의 끝에 연결된 확장된 폭 단부(51), 및 확장된 폭 단부으로부터 밖으로 연장된 복수의 핑거들(53)(예를 들면, 네개의 핑거들)을 가진다.
대체적으로, 도 7B에 도시된 바와 같이, 인접하는 다이폴 안테나 부재들(40) 의 인접하는 레그들(44')은 인접하는 다이폴 안테나 부재들 사이에 증가된 용량성 커플링을 제공하기 위해 개개의 이격된(또는, 일정간격으로 떨어진) 단부들(46')을 가진다. 이 실시예에서 인접하는 레그들(44')에서 일정간격으로 떨어진 단부들(46')은 인접하는 다이폴 안테나 부재들 간에 증가된 용량성 커플링을 제공하기 위해 연장된 몸체 부분(49')의 끝에 연결된 확장된 폭 단부(51')을 포함한다. 여기서, 예를 들면, 이격된(또는, 일정간격으로 떨어진) 단부들(46') 간의 거리 K는 약 0.03 인치들이다. 도 7A 및 도 7B에 도시된 바와 같이, 점선으로 예시된 커플링 평면(25)은 다이폴 안테나 부재들에 인접하여, 바람직하게는 다이폴 층(20)의 위 또는 아래에 위치할 수 있다. 커플링 평면(25)은 도 7A에 도시된 것처럼 커플링 평면의 전 표면 상에 금속화(27) 또는 도 7B에 도시된 것처럼 커플링 평면의 선택된 부분들 상에 금속화(27')를 가질 수 있다. 물론, 인접하는 다이폴 안테나 부재들 간에 용량성 커플링을 증가시키는 다른 배열들이 또한 본 발명에 의해 생각되어질 수 있다.
바람직하게, 다이폴 안테나 부재들(40)의 배열은 제곱 피트 당 약 100 ~ 900의 범위 내의 밀도로 배열된다. 다이폴 안테나 부재들(40)의 배열은 광대역 위상 배열 안테나(10)가 약 2 ~ 30 GHz 주파수 범위에 걸쳐서, 그리고 약 ±60 도(낮은 스캔 손실)의 스캔 각도에서 작동하도록 사이즈가 정해지고 적절하게 위치된다. 이러한 안테나(10)는 10 : 1 또는 더큰 대역폭을 가질 수 있고, 등각 표면 마운팅을 포함하면서, 적절하게 경량이며, 그리고 낮은 비용으로 생산하기 쉽다.
예를 들면, 도 7A는 인접하는 다이폴 안테나 부재들 사이에 증가된 용량성 커플링을 제공하기 위해 개개의 일정간격으로 떨어진 단부들(46)을 가지는 다이폴 안테나 부재들(40)의 인접하는 레그들(44)을 보이는 확대도이다. 이 예에서, 인접하는 레그들(44) 및 개개의 일정간격으로 떨어진 단부들(46)은 다음의 차원들을 가질 수 있다: 확장된 폭 단부(51)의 길이 E는 0.061 인치와 같고; 연장된 몸체 부분(49)의 폭 F는 0.034 인치와 같고; 인접하는 확장된 폭 단부(51)의 결합된 폭 G는 0.044 인치와 같고; 인접하는 레그들(44)의 결합된 길이 H는 0.276 인치와 같고; 복수의 핑거들(53) 각각의 폭 I은 0.005 인치와 같고; 그리고 인접하는 핑거들(53) 간의 간격은 0.003 인치와 같다. 예에서(도 6 참조) 다이폴 층(20)은 다음의 크기를 가진다: 12 인치의 폭 A 및 18 인치의 높이 B. 이 예에서, 폭 A를 따라서 다이폴 안테나 부재들(40)의 숫자 C는 43과 같고, 길이 B를 따라서 다이폴 안테나 부재들의 숫자 D는 65와 같고, 2795 다이폴 안테나 부재들의 배열에 귀착된다.
광대역 위상 배열 안테나(10)는 요구되는 주파수 범위, 예를 들면 2 GHz ~ 18 GHz를 가지고, 그리고 인접하는 레그들(44)의 단부들(46) 사이의 간격은 가장높은 요구 주파수의 파장의 약 1/2보다 작다.
도 8을 참조하면, 다이폴 층(20')의 또 다른 실시예는 이중 분극을 제공하기 위해 서로 직교하는 다이폴 안테나 부재들(40)의 첫번째 및 두번째 세트를 포함할 수 있다.
위상 배열 안테나(10)는 유연한 기판(23) 상에 다이폴 안테나 부재들(40)의 배열을 형성함에 의해 만들어질 수 있다. 이것은 바람직하게 기판(23) 상에 다이폴 안테나 부재들(40)의 도전층을 인쇄 및/또는 에칭하는 것을 포함한다. 도 8에 도시 된 바와 같이, 다이폴 안테나 부재들(40)의 첫번째 및 두번째 세트들은 이중 분극을 제공하기 위해 서로 직교하게 형성될 수 있다.
다시, 각 다이폴 안테나 부재들(40)은 중간의 피드 부분(42) 및 그것으로부터 밖으로 연장된 레그들의 쌍(44)을 포함한다. 인접하는 다이폴 안테나 부재들 간에 증가된 용량성 커플링을 제공하기 위해 인접하는 다이폴 안테나 부재들의 인접하는 레그들(44)의 개개의 일정간격으로 떨어진 단부들을 형성하고 위치시키는 단계를 포함한다. 개개의 일정간격으로 떨어진 단부들(46)을 형성하고 위치시키는 단계는 바람직하게 서로 얽힌 부분들(47)(도 7A) 또는 확장된 폭 단부(51')(도 7B)를 형성하는 단계를 포함한다. 접지 평면(30)은 바람직하게 다이폴 안테나 부재들(40)의 배열에 인접하여 형성되고, 그리고 하나 또는 그 이상의 유전체층(24, 26)은 그 사이에 접착 층들(22)을 가지면서 다이폴 층(20)의 양측에 층으로 형성된다.
다시, 각 다이폴 안테나 부재들(40)은 중간의 피드 부분(42) 및 그것으로부터 밖으로 연장된 레그들의 쌍(44)을 포함한다. 인접하는 다이폴 안테나 부재들 간에 증가된 용량성 커플링을 제공하기 위해 인접하는 다이폴 안테나 부재들의 인접하는 레그들(44)의 개개의 일정간격으로 떨어진 단부들을 형성하고 위치시키는 단계를 포함한다. 개개의 일정간격으로 떨어진 단부들(46)을 형성하고 위치시키는 단계는 바람직하게 서로 얽힌 부분들(47)(도 7A) 또는 확장된 폭 단부(51')(도 7B)을 형성하는 단계를 포함한다. 접지 평면(30)은 바람직하게 다이폴 안테나 부재들(40)의 배열에 인접하여 형성되고, 그리고 하나 또는 그 이상의 유전체층(24, 26)은 그 사이에 접착 층들(22)을 가지면서 다이폴 층(20)의 양측에 층으로 형성된다.
전술한 바와 같이, 다이폴 안테나 부재들(40)의 배열은 바람직하게 광대역 위상 배열 안테나(10)가 약 2 ~ 30 GHz 주파수 범위에 걸쳐서 작동되도록, 그리고 약 ±60 도의 스캔 각도에 걸쳐 작동하도록 사이즈가 정해지고 적절하게 위치된다. 안테나(10)는, 예를 들면 항공기와 같은, 평면이 아닌 3차원 형상을 가지는 단단한 마운팅 부재(12) 상에서 지지될 수 있다.
따라서, 넓은 주파수 대역폭 및 넓은 스캔 각도를 가지는 위상 배열 안테나(10)는 큰 상호 용량성 커플링을 가지는 긴밀하게 채워진 다이폴 안테나 부재들(40)을 사용함에 의해 성취된다. 전형적인 접근법은 다이폴들간의 상호 커플링을 줄이기 위해 모색되었으나, 본 발명은 격자 로브들을 방지하고 넓은 대역폭을 얻기 위해 가까이 이격된 다이폴 안테나 부재들 간의 상호 커플링을 사용하고, 증가시킨다. 안테나(10)는 빔 포머를 가지고 스캔할 수 있고, 그리고 각 안테나 다이폴 부재들(40)은 넓은 빔 폭을 가진다. 부재들(40)의 설계는 유연한 기판(23) 또는 인쇄된 회로 기판 상에서 조정될 수 있고, 또는 빔 포머가 그들을 위상에 두기 위해 부재들의 경로 길이를 조정하기 위해 사용될 수 있다.
본 발명은 양수인에게 양도되고 이로써 참조('813)로써 통합되는 티모시 듀어함(Timothy Durham)의 미국 특허 번호 6,417,813에 설명된 피드 스루 렌즈에서 사용될 수 있다. '813 특허에 설명된 것처럼, 피드 스루 렌즈 안테나는 백-투-백(back-to-back) 관계에서 커플링 구조에 의해 연결되는 첫번째 및 두번째 위상 배열 안테나(10)를 포함할 수 있다. 다시, 각각의 첫번째 및 두번째 위상 배열 안테나(10)는 실질적으로 위에서 설명된 안테나(10)에 유사하다. 커플링 구조는 첫번째 위상 배열 안테나의 상응하는 다이폴 안테나 부재를 두번째 위상 배열 안테나의 다이폴 안테나 부재와 각각 연결하는 복수의 전송 부재들을 포함한다. 전송 부재들은 예를 들면, '813 특허의 도 6에 예시적으로 보여지는 바와 같이, 동축의 케이블들일 수 있다.
위에서 서술된 광 대역폭 위상 배열 안테나(10)를 사용함에 의해, 본 발명의 피드 스루 렌즈 안테나는 유리하게 같은 오더상에서 대역폭을 가지는 전송 패스대역을 가질 수 있다. 유사하게, 위상 배열 안테나(10)가 실질적으로 그의 작동 대역 아래의 주파수에서 반사적이기 때문에, 피드 스루 렌즈 안테나는 또한 실질적으로 제한되지 않은 반사 대역을 가질 수 있다. 스캔 보상은 또한 성취될 수 있다. 부가적으로, 이 기술분야의 당업자에게 인지되듯이, 첫번째 및 두번째 위상 배열 안테나들의 여러 층들은 상기한 바와 같이 유연할 수 있고, 또는 그들은 강도 또는 안정성이 필요한 응용들에서의 사용을 위해 좀 더 단단할 수 있다.
광대역 위상 배열 안테나(10)가 그 자체로 사용되든 또는 피드 스루 렌즈 안테나와 통합되든, 본 발명은 바람직하게 9 : 1 또는 더 큰 연속적 대역폭을 요구하는 응용들과 함께 사용될 수 있고 여기서 서술된 커런트 시트 배열들 또는 다이폴 층들의 작동 대역폭을 확실하게 확장시킬 수 있다.
본 발명에 따른 광대역 위상 배열 안테나가 그 자체로 사용되는지 또는 피드 스루 렌즈 안테나와 통합되어 사용되는지 여부에 상관없이, 본 발명에 따른 광대역 위상 배열 안테나는 큰 대역폭을 요구하는 응용들과 함께 사용될 수 있고 여기서 서술된 커런트 시트 배열들 또는 다이폴 층들의 작동 대역폭을 확실하게 확장시킬 수 있다.

Claims (10)

  1. 기판 및 그 위에 다이폴 안테나 부재들의 배열;
    기판과 접지 평면 사이에 적어도 하나의 유전체층; 및
    인접하는 다이폴 안테나 부재들 사이에 부가적인 커플링을 제공하기 위한 기판에 인접하는 적어도 하나의 도전 평면;을 포함하여 구성되고,
    상기 각 다이폴 안테나 부재들은 중간의 피드 부분 및 상기 피드 부분으로부터 밖으로 연장된 레그들의 쌍, 개개의 일정간격 떨어진 단부들을 포함하는 인접하는 다이폴 안테나 부재들의 인접하는 레그들을 포함하는 것을 특징으로 하는 위상 배열 안테나.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 위상 배열 안테나는 요구되는 주파수 범위를 가지고 상기 접지 평면은 다이폴 안테나 부재들의 배열로부터 가장 높은 요구 주파수의 파장의 약 1/2보다 작게 이격되는 것을 특징으로 하는 위상 배열 안테나.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 각 레그는 연장된 몸체 부분 및 상기 연장된 몸체 부분의 끝에 연결된 확장된 폭 단부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 위상 배열 안테나.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 인접하는 레그들에서 일정간격 떨어진 단부들은 서로 맞물리는 부분들을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 위상 배열 안테나.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 다이폴 안테나 부재들의 배열은 이중 분극을 제공하기 위해 직교하는 다이폴 안테나 부재들의 첫번째 및 두번째 세트들을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 위상 배열 안테나.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 도전 평면은 기판과 기판 위에 위치하는 유전체층 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 위상 배열 안테나.
  7. 기판을 제공하는 단계;
    위상 배열 안테나를 정의하기 위해 기판 상에 다이폴 안테나 부재들의 배열을 형성하는 단계, 각 다이폴 안테나 부재가 중간의 피드 부분 및 상기 피드 부분으로부터 밖으로 연장된 레그들의 쌍을 포함하는 단계, 및 인접하는 다이폴 안테나 부재들 간에 증가된 용량성 커플링을 제공하기 위해 인접하는 다이폴 안테나 부재들의 인접하는 레그들의 개개의 일정간격으로 떨어진 단부들을 위치시키고 형체짓는 단계;
    인접하는 다이폴 안테나 부재들 간의 한층 더한 용량성 커플링을 제공하기 위해 다이폴 안테나 부재들의 배열에 인접하는 도전 평면을 제공하는 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 위상 배열 안테나의 제조 방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    다이폴 안테나 부재들이 배열된 상기 기판 위에 적어도 하나의 유전체층을 형성하는 단계를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 위상 배열 안테나의 제조 방법.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 위상 배열 안테나는 요구되는 주파수 범위를 가지고 인접하는 레그들의 단부들 간의 간격은 가장 높은 요구 주파수의 파장의 약 1/2보다 작은 것을 특징으로 하는 위상 배열 안테나의 제조 방법.
  10. 제 7항에 있어서,
    상기 다이폴 안테나 부재들의 배열 형성 단계는 이중 분극을 제공하기 위해 직교하는 다이폴 안테나 부재들의 첫번째 및 두번째 세트들을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 위상 배열 안테나의 제조 방법.
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