In a conventional phased-array, a constant phase progression is established using electronically-controlled phase shifters at each element. This approach is conceptually simple, but can be complicated in practice, especially in recent efforts to develop monolithic T/R modules where it is difficult to integrate the phase shifter circuitry, RF distribution network, control signals and DC bias lines along with the planar antenna. However, an attractive feature of injection locking techniques is the ability to manipulate the phase distribution without phase-shifting circuitry, suggesting a potential for low cost beam scanning systems.
We propose a new technique for electronic beam scanning without phase shifter circuitry. A constant phase progression which is independent of both the number of oscillators and the locking range is accomplished by controlling the coupling phase of the outmost coupling circuits only, while that of the innermost coupling circuits is zero and all free-running frequencies of the oscillators are same. A constant phase progression is a piecewise linear function of coupling phases only and is not arcsine nonlinear function of free-running frequency. This technique is tested using an experiment of a four-element oscillator array. The radiation pattern of patch antenna attached to innermost two-element oscillators could be continuously steered over a range of angles from -17° to 18° off broadside. This scan range is very close to the theoretically achievable scan range.
One apparent limitation of the injection-locked or coupled oscillator topologies is the limited range of phase progression that can be synthesized. A coupled oscillator array at fundamental frequency produces a phase shift up to 180° when free-running frequency is pulled across the locking bandwidth.
In this dissertation, enhanced beam scanning range is achieved by using frequency doubler circuit and control technique of coupling angle. The full scan range is measured to be -22° to 24° off broadside. This beam scanning range is enhanced to 11° if we compared with only fundamental injection locking technique without using frequency doubler.
근래에 들어 우리나라는 물론 세계계적으로 개인 휴대통신 등을 포함한 정보 통신의 폭발적인 신장은 앞으로도 계속 지속될 것으로 예상되고 있으며, 새로운 형태의 통신 서비스와 그 품질의 향상 그리고 새로운 주파수 대역의 개척이 중요 과제로 대두되고 있다. 한편, 통신의 품질 향상을 위해서는 나날이 열악해지고 있는 전파환경에 대한 대처나 통신시스템의 효율적인 운영을 위해서 새로운 형태의 안테나의 연구개발이 뒤따라야 한다. 이에 대한 해결책의 하나로 위상배열 안테나의 채택이 신중히 검토되고 있다. 위상배열 안테나 시스템은 위성통신 및 이동통신, 레이더 등 여러 분야에 걸쳐 안테나의 빔을 원하는 방향으로 제어하기 위하여 널리 사용되고 있다. 이러한 기존의 위상배열 안테나에서는 빔을 제어하기 위하여 원상천이기를 이용하고 있고 이로 인하여 전체 시스템이 복잡하고 고가의 위상천이기로 인해 전체 시스템비용이 비싸지게 되는 결정적인 단점이 있게 된다. 뿐만 아니라 위상천이기의 삽입 손실로 인하여 시스템의 신호 대 잡음비가 감소하고 위상천이기의 삽입손실의 변화로 인하여 부가적인 가변 감쇄기가 가변 증폭기가 필요하다. 그러므로 위상배열 안테나 시스템에서 위상천이기를 사용하지 않고 빔을 제어할 수 있는 방법을 개발하는 것이 매우 중요하다.
본 논문에서는 위상천이기를 사용하지 않고 결합발진기 배열안테나의 결합각을 이용하는 새로운 빔 제어 방법을 제시하였다. 배열소자간의 위상차는 결합발진기 배열의 수와 locking범위에 독립적이고 결합각의 선형함수로서 단순히 양끝에 위치한 결합회로의 결합각을 제어함으로써 변화하게 된다. 4개의 결합발진기 배열 안테나를 구현하여 이 방법을 검증하였다. 구현된 결합발진기 배열안테나의 빔 제어범위는 -17° to 18°로 이론적으로 가능한 빔 제어 범위(-19° to 19°)에 매우 근접한 것이다. 제시한 이 방법은 결합발진기 배열을 이용하는 다른 방법들보다도 보다 안정적이며 빔 제어 범위가 넓은 방법이다.
결합발진기 배열안테나의 명확한 단점중의 하나가 결합발진기 배열간의 위상차는 180°로 제한되어 있다는 것이다. 본 논문에서는 이것을 극복하기 위하여 결합각을 제어함으로써 생성된 180°의 위상차를 주파수체배기를 이용하여 360°로 확장하는 방법을 이용하였다. 빔 제어범위는 -22° to 24°로 주파수체배기를 이용하지 않은 방법보다 11°가 확장된 빔 제어 범위를 얻었다.
