In the wireless communications, sensor applications, imaging, and automotive electronics markets for active smart antenna array systems, a plenty of commercial opportunities have been arisen for many years. In comparison with a wanted phase distribution achievable in a conventional phased array antenna system, although without a phase-shifting circuitry, a progressive phase distribution can be achieved by means of the control of oscillating frequencies or coupling angles between oscillators in a coupled oscillators array for the beam scanning application. Through the advancement in semiconductor device and integrated circuit technology, the coupled oscillators array has gained much attention. Some promising techniques was proposed for a beam scanning applications in highly integrated and low cost systems by controlling the couplings between mutually coupled or inter-injection locked oscillators array.
Due to the nonlinear feature of the operation of oscillators, those arrays's dynamic behavior forming a required phase distribution in transient response is governed by complicated differential equations with dependence on time. As a result, a continuum model of dynamics for a coupled oscillator array presenting an intuitive insight into the behavior of the frequency-tuned array was introduced recently. In this thesis, we evolved the continuous dynamics for the coupled oscillator array with coupling phase adjustments of the coupling circuits at the peripheries of the array and verified it by related experimental measurements followed by a fabrication of 6-element linear array composed of commercially available VCOs.
And we implemented two dimensional beam scanning functionality with peripheral coupling phase adjustments in a 2 dimensional array of coupled oscillators based upon the considerable insight into the dynamic operation of those arrays from continuous dynamics. This is the first implementation of 2 dimensional coupled oscillators array with coupling phase adjustments. Vertical arrangement of the array elements and other components such as coupling circuits was done in planar structure. And the compact design of the coupling structures is performed with a reflection type analogue phase shifter using a reduced size branch line hybrid coupler. Obtained total phase differences between 2 by 2 central oscillators in array are 25.4˚ in horizontal, 42.5˚ in vertical, and 32.0˚ in oblique direction.
지난 몇 년 동안 능동 스마트 배열 안테나 시스템에 대한 상업적인 수요는 마이크로파 대역의 방송 시스템, 무선 및 이동통신 시스템, 센서 및 이미지화 시스템, 차량용 전자 시스템 분야 등에서 활발하게 시장을 형성해가고 있다. 기존의 배열 안테나 시스템에서는 빔 스캔에 응용하는데 필요한 위상분포를 얻기 위해 전력 분배기 (power divider)와 위상 천이기 (phase shifter) 같은 부가적인 회로를 사용하는데 반해, 결합발진기 배열 (coupled oscillators array)은 위상 천이 회로를 사용하지 않더라도 배열 내의 발진 주파수 조정이나 발진기 사이의 결합 위상을 조절함으로써 배열을 따라 전진하는 위상분포를 만들어 낼 수 있다. 결합발진기 배열은 반도체 소자와 집적 회로 기술의 발전과 더불어 많은 관심을 끌고 있으며, 상호 결합된 발진기들의 결합 (coupling) 특성을 조절함으로써 얻은 빔 스캔 기능을 집적도가 높고 가격이 싼 시스템에 활용할 수 있도록 하는 몇 가지 유망한 기술들이 제안되었다.
발진기의 비선형적인 특성 때문에 이를 결합하여 배열한 결합발진기 배열의 특성 또한 비선형적이며 그 역학적인 동작 (dynamic behavior)은 빔 스캔에 필요한 위상 분포를 형성하는 과도 응답 (transient response) 동안 시간의 함수인 복잡한 미분 방정식에 의해 결정된다. 그러나 최근 결합발진기 배열의 역학적인 동작에 대한 연속방정식 모델이 소개되어, 발진주파수를 조정하는 방식의 결합발진기 배열의 동작에 대한 직관적인 이해를 가능하게 하였다. 본 논문에서는 배열의 가장자리에 위치한 결합회로의 결합 위상 (coupling phase)을 조절하는 방식의 결합발진기 배열에 대한 연속적인 역학방정식 모델을 유도하고, 6개의 상용 VCO들로 구성된 1차원 배열의 제작과 측정 결과를 통해 이를 검증하였다.
또한 연속방정식 모델을 통해 얻은 결합발진기 배열의 동작에 대한 상당한 통찰을 바탕으로 배열을 2차원으로 확대하였으며, 배열의 주변부에서 결합 위상을 조절하는 방식의 2차원 빔 스캔 기능을 구현하였다. 이는 결합위상을 조정하는 방식의 결합발진기 배열을 2차원으로 확대한 최초의 연구 결과이다. 배열의 기본 구성 소자인 발진기들과 결합회로를 평면의 다층기판 안에서 수직으로 집적하였으며, 결합 회로의 간결한 설계를 위해 크기를 줄인 브랜치 라인 하이브리드 커플러 (branch-line hybrid coupler)를 이용한 반사형의 아날로그 위상 천이기 (reflection type analogue phase shifter)를 제작하였다. 배열의 중앙에 위치한 2 × 2 발진기 배열로부터 수평으로 25.4˚, 수직으로 42.5˚, 그리고 대각선 방향으로 32.0˚의 위상차를 얻었다.
