주파수 스캐닝 안테나 document_id A220623108015

주파수 스캐닝 안테나는 물체의 존재에 대해 소정 영역에 걸쳐 스캐닝하기 위해 레이더 시스템에서 사용된다. 공지된 바와 같이, 이러한 주파수 스캐닝 어레이는 다양한 주파수의 입력 신호들에 응답하여 빔을 각도 평면에서 조종할 수 있다. 주파수 스캐닝 어레이의 구체적인 예는 미국 특허 번호 US4868574에 설명된 바와 같은 S자 도파관, 및 미국 특허 번호 US3290688에 설명된 바와 같은 진행파 와이어 안테나를 포함한다. 빔을 조종하기 위한 대안적인 메카니즘은 공간에서 물리적으로 이동하는 안테나를 포함하는 기계 장치들, 또는 복사선이 송수신될 때 복사선을 조종하도록 배열된 위상 안테나 어레이들을 포함한다. 기계적인 레이더 시스템들의 문제는 이들의 동작이 물리 컴포넌트들 및 관련된 제어 및 이동 부품들에 의존한다는 것이다. 이러한 부품 목록은 비싸며, 비례하여 큰 전원을 필요로 할 수 있다. 하나의 공지된 전자 장치들의 그룹은 다양한 위상 시프트를 신호들에 적용하여 송수신 빔들을 효과적으로 조종하는 위상 안테나 어레이들이다. 이러한 전자 장치들은 RF 센서 및 통신 시스템들에서 일반적으로 사용되는데, 이는 이들이 안테나의 물리적인 이동을 필요로 하지 않고 빔을 하나의 위치에서 다음 위치로 빠르게 이동시킬 수 있기 때문이다. 이러한 장치들을 포함하는 레이더 시스템들은 목표물의 위치에 대한 매우 정확한 측정치를 제공할 수 있지만, 이러한 타입의 전자 장치들의 문제는 빔의 적절한 제어가 종종 여러 전자 컴포넌트 어레이를 필요로 하여, 레이더 시스템의 물리적 크기, 복잡성 및 비용을 증가시킨다는 점이다. 주파수 스캐닝 어레이는 미국 특허 US4868574에 설명된 바와 같이 다른 평면에서 회전하는 이동 부품들과 조합되었다. 그러나, 이러한 조합의 문제는 통상의 기계 스캐닝 시스템의 크기 및 비용 단점을 초래하고, 성능 면에서 위상 안테나 시스템보다 정확하지 않다는 것이다. 003c#발명의 요약003e# 주파수 스캐닝 안테나와 관련하여, 특히 효율적인 안테나(복잡도가 비교적 낮고, 성능이 비교적 양호함)는 진행파 안테나이다. 이러한 진행파 안테나의 응용은 US5765098에 설명되어 있는데, 이 특허는 위성 시스템에서 신호들을 전송하기 위한 단일 안테나 어레이 및 신호들을 수신하기 위한 단일 안테나 어레이를 설명하고 있다. 그러나, 이러한 타입의 안테나의 문제는 주파수가 변경될 때 비교적 좁은 스캔 각도에 걸쳐서만 방사하여 안테나가 사용될 수 있는 스캔 영역을 제한한다는 점인데, 물론 이러한 단일 안테나 어레이는 높은 고도를 고려할 때 위성 시스템과 같은 응용에 완전히 적합할 수 있으며, 이는 비교적 작은 스캔 각도가 위성에 의한 수신 포인트에서 상당한 각도 크기로 변환되기 때문이다. 본 발명의 일 양태에 따르면, 발명자들은 무선 주파수 에너지를 송수신하기 위한 주파수 스캐닝 안테나 구조로서, 상기 안테나 구조는 무선 주파수 빔을 상기 안테나 구조에 대해 복수의 상이한 각도로 조종할 수 있으며, 상기 안테나 구조는 적어도 2개의 어레이 안테나; 및 상기 2개의 어레이 안테나에 대한 에너지의 입력을 제어하기 위한 제어기를 포함하고, 상기 안테나 구조가 상기 2개의 어레이 안테나 중 하나를 이용하여 빔을 제1 각도로 조종하고, 상기 2개의 어레이 안테나 중 다른 하나를 이용하여 빔을 상기 제1 각도와 다른 제2 각도로 조종할 수 있도록 상기 어레이 안테나들이 상기 안테나 구조 내에 배치되는 주파수 스캐닝 안테나 구조를 개발하였다. 따라서, 본 발명의 실시예들에서, 둘 이상의 어레이 안테나가 안테나 구조를 형성하도록 배열되며, 안테나 구조의 각각의 어레이 안테나에 대한 피드는 증가된 전체 스캔 영역을 생성하기 위해 개별 스캔 영역들이 조합될 수 있도록 조정된다. 하나의 배열에서, 안테나 구조는 복수의 불연속 각도 영역에 걸쳐 빔을 조종하도록 배열되고, 다른 배열에서는 연속 각도 영역에 걸쳐 빔을 조종하도록 배열된다. 편리하게도, 안테나 구조는 상기 2개의 어레이 안테나 중 하나를 이용하여 제1 각도 범위(제1 각도 영역)에 걸쳐 빔을 조종하고, 상기 2개의 어레이 안테나 중 다른 하나를 이용하여 제1 각도 영역과 상이한 제2 각도 범위(제2 각도 영역)에 걸쳐 빔을 조종하며, 개별 안테나 어레이들로 달성 가능한 것보다 큰 각도 크기의 스캔 영역을 집합적으로 제공할 수 있다. 편리하게도, 각각의 상기 어레이 안테나는 상기 에너지를 그에게 입력하기 위한 입력 수단을 포함하고, 제어기는 빔을 제1 및 제2 각도들로 조종하기 위하여 에너지를 각각의 어레이 안테나에 입력하도록 배열된다. 구체적으로, 각각의 입력 수단은 빔을 연속 또는 불연속 각도 영역에 걸쳐 조종하기 위해 에너지를 각각의 어레이 안테나에 입력하도록 배열된다. 일 배열에서, 입력 수단은 어레이 안테나의 단부들에 접속 가능하고, 빔을 조종하기 위해 복수의 상이한 주파수의 무선 주파수 에너지를 포함하는 신호들을 수신하도록 -전술한 것과 같은- 주파수 생성기와 연동한다. 바람직하게는, 제어기는 제1 및 제2 각도에 걸쳐 빔을 조종하기 위해 소정의 시퀀스에 따라 에너지를 입력하도록 배열되며, 상기 시퀀스는 예를 들어 제1 어레이 안테나의 제1 단부에 에너지를 입력하는 단계, 제2 어레이 안테나의 제1 단부에 에너지를 입력하는 단계, 제1 어레이 안테나의 제2 단부에 에너지를 입력하는 단계, 및 제2 어레이 안테나의 제2 단부에 에너지를 입력하는 단계를 포함한다. 안테나 구조 자체의 구성과 관련하여, 안테나 구조는 편리하게도 종축 및 상기 종축에 수직인 횡축에 의해 특성화될 수 있는데, 어레이 안테나들 중 제1 어레이 안테나는 횡축에 대해 제1 각도로 경사지고, 어레이 안테나들 중 제2 어레이 안테나는 횡축에 대해 제2 각도로 경사진다. 더욱이, 제1 및 제2 어레이 안테나들은 종축에 대해 대칭으로 배치되며, 어레이 안테나들 각각은 2개의 단부 및 2개의 측부를 포함한다. 일 배열에서, 제2 어레이 안테나의 일 측부는 제1 어레이 안테나의 일 측부에 실질적으로 연접하며, 다른 배열에서 제2 어레이 안테나의 일 단부는 제1 어레이 안테나의 일 단부에 실질적으로 연접한다. 스캔 영역의 크기는 2개의 어레이 안테나 간의 물리적 관계에, 구체적으로 각각의 어레이 안테나가 횡축에 대해 이루는 각도에 의존한다. 일 배열에서, 레이더 시스템의 각도 크기는 실질적으로 80도이지만, 안테나 구조 내의 어레이 안테나들의 다양한 배열에 따라 60도에서 100도, 120도 범위에 걸치는 다른 각도들도 가능하다. 또한, 안테나 구조는 셋 이상의 어레이 안테나를 포함하여, 레이더 시스템의 각도 크기를 더 증가시키도록 구성될 수 있다. 일 배열에서, 어레이 안테나들 각각은 메쉬 구조 및 유전체 기부를 포함한다. 각각의 메쉬 구조는 마이크로 회로 스트립(일반적으로 마이크로스트립이라 한다)으로서 구현되는 복수의 상호접속된 요소를 포함할 수 있으며, 편리하게도 지면에 의해 지지되는 대응 유전체 기부의 표면 상에 배치될 수 있다. 메쉬 구조는 편리하게도 요소들의 각각의 측부 및 단부의 길이에 의해 특성화될 수 있는데, 요소들 각각은 각각의 길이의 2개의 측부 및 2개의 단부를 포함하고, 측부들의 길이는 단부들의 길이보다 크다. 통상적으로, 측부들의 길이는 제1 주파수와 제2 주파수 사이의 중간 주파수의 일 파장 정도이고, 단부들의 길이는 중간 주파수의 일 파장의 절반 정도이다. 각각의 메쉬 요소는 특성 폭을 가지며, 바람직한 배열에서 측부들의 메쉬 폭들은 메쉬의 중앙에서 메쉬의 각각의 단부까지 점차 감소한다. 임피던스는 메쉬 폭에 반비례하므로, 이것은 어레이 안테나 요소들의 임피던스, 따라서 결과적인 방사 패턴을 제어하는 편리한 수단을 제공한다는 것을 이해할 것이다. 본 발명의 추가 특징들 및 이점들은 첨부 도면들을 참조하여 이루어지는, 단지 예시적으로 제공되는, 본 발명의 바람직한 실시예들의 아래의 설명으로부터 명백해질 것이다.