A 4-bit optical true time-delay for phased array antennas using 2×2 optical MEMS switches and fiber-optic delay lines

In this paper, we designed a 4-bit optical true time-delay(TTD) for phased array antennas(PAAs), which is composed of a wavelength-fixed optical source, 2 ${\times}$ 2 optical MEMS switches, and fiber-optic delay lines. A 4-bit TTD with a unit time delay difference of 6 ps for 10-GHz PAAs has been implemented. Measurement results on time delay show an error of -0.4 ps at maximum, corresponding to a radiation angle error of less than 1.63$^{\circ}$. Thus, the TTD implemented in this research performs in excellent agreement with theory. Each TTD line, composed of MEMS switches and fiber-optic delay lines, connected to the corresponding antenna element has insertion loss in between 1.36 ㏈ and 2.40 ㏈ depending upon the setup of the switches. On the other hand, the insertion loss difference between TTD lines was 0.32 ㏈ at maximum for a fixed radiation angle. The TTD structure proposed in this paper might be more reliable and economical than those previously proposed using tunable wavelength sources if proper power equalization either with gain control of RF amplifiers or variable attenuators is achieved.

2×2 광 MEMS 스위치와 광섬유 지연선로를 이용한 위상배열 안테나용 4-비트 광 실시간 지연선로

본 논문에서는 파장 고정 광원 한 개와 2${\times}$2 광 MEMS 스위치, 그리고 광섬유 지연선로로 구성된 4-비트 선형 위상배열 안테나(Phased Array Antenna: PAA)용 광 실시간 지연선로 (True Time-Delay; TTD)의 구조를 설계하였고, 두 개의 안테나 소자로 구성된 10-GHz PAA 구동을 위해 단위 시간 지연 차이가 6 ps인 4-비트 TTD를 구현하였다. 실험 결과, 최대 시간지연 오차는 -0.4 ps로 측정되었으며, 이에 대한 최대 주사각 오차는 1.63$^{\circ}$로 나타나, 구현한 TTD의 성능이 이론치와 서로 일치하는 것을 확인하였다. 각 안테나 소자에 연결된 광 MEMS 스위치와 광섬유 지연선로의 삽입손실은 스위치 상태에 따라 최소 1.36 ㏈에서 최대 2.4 ㏈로 측정되었으며, 또한 정해진 주사각의 경우에는, 안테나 소자 간 삽입손실 차이가 최대 0.32 ㏈로 측정되었다. 안테나 소자 전단의 증폭기 이득 조정이나 가변 감쇄기를 사용하여 삽입손실을 균등화시키면, 기존의 파장 가변 광원을 이용하는 TTD 구조들 보다 안정적이며 경제적인 TTD 구조가 될 것으로 예상된다.