Electronic beam steering is a key technology for several commercial and defense applications, including radar, air surveillance, collision detection, and smart antennas for wireless communications. Typically, phased arrays rely on devices known as phase shifters to ensure properties of an antenna array for the reception or transmission of electromagnetic radiation. 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, there exist several beam steering alternatives which do not rely on the use of phase shifters, such as frequency scanning and multiple beam forming networks. An attractive feature of injection locking techniques is the ability to manipulate the phase distribution without phase-shifting circuitry, suggesting a potential strong for low cost beam scanning systems.
In this dissertation, we propose a new technique for electronic beam scanning without a 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 outermost 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 six-element oscillator array. The radiation pattern could be continuously steered over a range from -18.5$\deg$ to 17$\deg$ off broadside. This scan range is very close to the theoretically achievable scan range.
The active integrated antenna that can be used for subelement of active array antenna was investigated antenna elements focused on blocking the DC bias current on patch.
일반적인 위상 배열 안테나는 적절한 급전 분배 네트워크를 이용하여 각각의 방사소자로 전력을 분배하는 구조이다. 이 때 원하는 방향으로 빔을 조향시키기 위해서 개별적인 위상 천이기가 요구되어지는데 위상 천이기를 구동하기 위해 컨트롤 라인과 복잡한 바이어스 회로가 필요하게 된다. 이로 인해 전체 위상 배열 안테나 시스템은 전체 제작 비용이 비싸지게 되고 하나로 집적하기에 매우 복잡해지게 되는 단점이 있다. 뿐만 아니라 위상천이기의 삽입 손실로 인하여 부가적인 가변 감쇄기나 가변 증폭기가 필요하게 된다. 그러므로 위상배열 안테나 시스템에서 위상천이기를 사용하지 않고 빔을 제어할 수 있는 방법을 개발하는 것이 매우 중요하다.
본 논문에서는 위상 천이기를 사용하지 않고 결합 발진기 배열 안테나의 결합각을 이용하는 새로운 빔 제어 방법을 제시하였다. 배열 소자간의 위상차는 결합발진기 배열의 수와 locking 범위에 대하여 독립적이고 결합각의 선형함수로서 단순히 배열 시스템의 양 끝에 위치한 능동 결합기의 결합각을 제어함으로써 변화하게 된다. 능동 배열 안테나는 헤어핀 공진기를 이용하여 설계된 발진기형 패치 능동 안테나와 source follower를 이용한 능동 결합기, 두 파장 길이의 마이크로스트림 라인의 수동 결합기로 구성이 된다. 총 6개의 결합 발진기 배열 안테나를 구현하여 수학적으로 언급된 새로운 방법에 대하여 검증을 하였다. 구현된 결합 발진기 배열 안테나의 빔 제어 범위는 -18.5$\deg$ ~ 17$\deg$로 이론적으로 가능한 빔 제어 범위인 -20$\deg$ ~ 20$\deg$에 매우 근접한 것이다. 제시한 이 방법은 결합발진기 배열을 이용하는 다른 방법들보다도 보다 안정적이며 빔 제어 범위가 넓은 방법이다. 또한 위상 변수와 빔 조향의 관계가 선형적인 특징을 가지고 있다.
그리고 본 논문에서는 능동 배열 안테나 시스템에서 개별 방사 소자로 사용되어질 수 있는 능동 집적 안테나에 대해서도 연구를 하였다. 개발에 대한 초점은 안테나 소자를 통하여 DC전류가 RF 신호선을 따라 흐를 수 있는데, 이것에 대한 차단 방법으로 전자기 결합을 이용하여 커패시터나 적층형 구조를 대신하는 방법에 대한 것들이다.
