KR100223368B1 - 주파수 체배형 합성 개구 어레이 안테나 구성장치 - Google Patents

Abstract

1. 청구 범위에 기재된 발명이 속한 기술분야:

어래이 안테나에 관한 것이다.

2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제:

안테나의 수를 물리적으로 증가시키지 않고, 신호 처리 방법을 통해 예리한 빔폭과 낮은 부로브(Sidelobe)의 지향성을 달성하기 위한 주파수 체배형 합성 개구 어래이 안테나 구성 장치를 제공한다.

3. 발명의 해결방법의 요지:

상관 어래이 안테나 구성 장치는, 제1, 제2안테나로부터의 출력을 소정의 주파수 채배수가 다른 복수의 상관검파부에 의해 각각 체배한 후 그 출력을 합성하는 장치로 구성된다.

4. 발명의 중요한 용도:

안테나의 설치 공간 및 중량을 대폭적으로 줄일 수 있기 위해 이를 구현한다.

Description

주파수 체배형 합성 개구 어래이 안테나 구성 장치{SYNTHETIC APERTURE ANTENNA APPARATUS WITH FREQUENCY MULTIPLIERS}

본 발명은 어래이 안테나에 관한 것으로, 특히 예리한 주빔(main beam)과 낮은 부로브(side lobe)를 추구하여 지향성을 높이기 위한 주파수 체배형 합성 개구 어래이 안테나 구성 장치에 관한 것이다.

통상적으로 방송(broadcasting)을 제외한 거의 대부분의 무선통신은 점대점(point to point)통신이 많다. 특히, 이동통신에서는 이러한 통신이 거의 주류를 이루고 있으며, 센서 시스템에서도 높은 정밀도의 측정이 요구된다. 또한 상기 통신 및 센서 시스템은 설치 장소, 제작, 비용면에서 많은 제약을 받는다. 따라서 시스템의 특성 및 구조면에서 큰 비중을 차지하는 안테나에 대한 요구조건이 점점 까다로워지고 있다. 이러한 요구조건의 첫째는 주빔폭은 예리하게 좁게하고, 부로브(Sidelobe)는 낮게 억제하여 높은 빔효율을 달성하는 것이며, 두번째는 안테나를 소형, 경량으로 구현하는 것이다. 즉, 상기 첫째는 안테나의 지향성을 높이기 위함이고, 상기 두번째는 안테나의 구조에 관한 것이다.

이에 통상적인 단일 개구 안테나의 지향성에 있어서 주빔의 반전력 빔폭 θ은 다음식과 같이 주어진다.

[식 1]

여기서 L은 안테나의 개구 길이, λ는 수신파의 파장이며, η는 안테나의 개구면의 전류분포에 의해 결정되는 정수로서 그 범위는 0.88∼2정도이다. 즉, 단일 개구 안테나에서는 수신 주파수가 정해지면 빔폭은 거의 사용 안테나의 길이에 의해 결정된다. 상기 식 1에서 알 수 있듯이 빔폭을 좁일려면 결과적으로 안테나의 길이 L를 증가시켜야 한다. 그러나 대형 안테나는 중량과 크기에서 제작과 설치상 큰 제약이 따르며 비용도 많이 요구된다.

도 1은 종래의 통상적인 선형 어래이 안테나의 구성도를 보여주는 도면이다. 이하 상기 도 1을 참조하면, 선형 어래이 안테나는 다수의 소형 안테나 1-7을 이용하여 각 안테나의 수신신호를 가산함으로써 큰 사이즈의 단일 개구 안테나와 등가적인 방사패턴을 얻을 수 있다. 이때 안테나간의 간격 d, 상기 다수의 소형 안테나들 1-7의 배열 방법, 계수기 12-24의 계수값 b0-b±m을 조정하여 신호 합성기 50에 의한 가산 출력의 지향성 RL(θ)은 원하는 형태로 근사적으로 얻을 수 있게 된다. 이때 θ는 전파의 도래 방향각에 대한 변수이다. 따라서 상기 선형 어래이 안테나는 다수의 소형 안테나 1-7들을 사용함으로 동일 지향성의 단일 개구 안테나에 비해 증량성이 감소된다.

도 2는 종래의 상관 어래이 안테나에서 단일 상관 어래이 안테나의 구성도를 보여주는 도면이다.

통상적인 상관 어래이 안테나는 두개의 소형 안테나를 사용하여 얻어진 각각의 수신신호를 상관 검파함으로서 안테나의 중량과 크기, 둘 다를 증대시키지 않고, 빔폭을 좁게 할 수 있다. 이때 상기 상관 어래이 안테나는 기본적으로 두가지 방법, 즉, 상기 도2도의 단일 상관 어래이 안테나와, 이후에 설명될 도 3의 주파수 2체배형 상관 어래이 안테나가 있다.

이하 상기 도 2를 참조하여 설명하며, 2개의 소형 안테나 1, 2의 수신신호를 단순히 상관검파하는 구조로 되어있다. 이에 수신된 신호는 승산기 26에 의해 곱셈처리되어 로우패스 필터(LPF) 28에 의해 상관 검파된다. 소형 안테나 1, 2의 수신신호 사이에는 파원에서 부터 각 안테나에 이르는 전반거리의 차에 의해 아래 식 2와 같은 상대 위상차 Ф가 발생한다.

[식 2]

[식 3]

여기서 d는 두 안테나 1, 2간의 간격을 나타내며, k는 수신신호의 파수로서 식 3과 같다. 따라서 두 안테나 신호의 상관 검파 출력의 지향성은 아래 식 4와 같다.

[식 4]

식 4의 DA(θ), DB(θ)는 안테나 1, 2 각각의 지향성을 표시한다. 식 4에서 알 수 있듯이 단일 상관 어래이 안테나의 지향성은 각 안테나 1, 2의 지향성과 두 수신신호의 상관 검파에서 생기는 간섭패턴(grating lobe), 즉 COS(d·k·SINθ)의 곱으로 나타낸다.

도 3은 종래의 상관 어래이 안테나에서 주파수 2체배 상관 어래이 안테나의 구성도를 보여주는 도면이다. 이하 상기 도 3을 참조하면, 두 안테나 1, 2의 수신신호는 주파수 2체배부 30, 32에 의해 2체배되고, 승산기 38에 의해 곱셈처리되며, LPF 40에 의해 필터링되어 상관검파 된다. 즉, 수신신호를 각각 2체배한 후에 상관검파를 하면, 단일 상관 어래이 안테나 보다 지향성을 더욱 예리하게 좁일 수 있다. 이는 2체배로 인해 두 신호간의 위상차는 2배로 증가되므로 주파수 2체배된 두 신호의 상관 검파 출력의 지향성 R2(θ)는 식(5)와 같이 나타낸다.

[식 5]

도 2 및 도 3의 두 상관 어래이 안테나의 지향성인 식 4와 식 5를 비교해 보면, 각 안테나의 수신신호를 주파수 2체배하여 상관 처리함으로써 간섭 패턴인 COS함수는 방위 변수 θ에 대하여 단일 상관 어래이 보다 2배로 빠른 주기로서 변화하는 것을 알수 있다. 따라서 주파수 2체배형 상관 어래이 안테나는 단일 상관 어래이 안테나 보다 빔폭을 반으로 더 좁힐 수 있다.

이에 단일 개구 안테나는 식1에서 알 수 있듯이 그 빔폭은 안테나의 길이에 의해 거의 결정되므로 예리한 빔폭을 얻게 위해서는 안테나의 대형화가 요구된다. 그러나 대형 안테나는 그 중량과 크기로 인해 설치 장소, 제작, 비용 등의 면에서 많은 제약이 따른다. 또한 도 1의 선형 어래이 안테나는 다수의 소형 안테나로 구성함으로 상기 단일 개구 안테나에 비해 중량은 감소시킬 수 있으나, 수신신호를 선형적으로 가산하므로 안테나 전체가 차지하는 공간은 절약할 수 없다.

이에 비해 도 2, 도3의 상관 어래이 안테나는 두 개의 소형 안테나의 수신신호를 상관 검파함으로서 동일한 크기의 단일 개구 안테나 보다 주빔을 좁일수 있으나. 반면에 부로브가 크게 증가해 버리는 결점이 있다. 예로서 상관 어래이 안테나에서 제1안테나 1의 길이를 1.5λ, 제2안테나 2의 길이를 반파장 다이폴로 구성하고, 상기 제1, 제2안테나 1, 2간의 간격을 λ로 설정한 경우, 단일 및 주파수 2체배의 상관 어래이 안테나의 지향성을 고찰해 본다. 이때 제1안테나 1의 개구상의 전류분포는 균일 분포로 생각하면, 제1안테나 1 및 제2안테나 2의 지향성 D1(θ), D2(θ)는 각각 식 6과 같다.

[식 6]

식 3, 식 6을 식 4, 식 5에 각각 대입하면, 하기 도 4와 같이 단일(점선) 및 주파수 2체배 상관 어래이의 지향성(실선)이 각각 구해진다. 이에 상기 도 4는 종래의 도2, 도3 안테나의 지향성을 보여주는 도면이다. 이하 상기 도 4를 참조하여 설명하기로 한다.

먼저 비교하기 위해 개구길이가 도 2의 안테나 어래이 전체길이 l과 같고, 전류분포는 제1안테나 1과 동일한 분포를 가진 단일 개구 안테나의 경우 얻어지는 지향성을 일점 쇄선으로 나타내었다.

단일 상관 어래이는 단일 개구 안테나 보다 주 로브의 빔폭을 약 67%로 좁일 수 있으나, 부로브가 크게 증가해 버리는 것을 알수 있다. 또한 주파수 2체배 상관 어래이는 상기의 단일 상관 어래이의 빔폭을 또 다시 50% 더욱더 좁힐 수 있다는 것을 알수 있다. 따라서 주파수 2체배 상관 어래이는 동일한 길이의 단일 개구 안테나에 비해 빔폭이 33%에 불과한 예리한 주빔을 실현할 수 있다. 그러나 도 4에서 알수 있듯이 부로브가 극단적으로 크게 증가해 버리고 만다. 이와 같이 상관 어래이는 같은 길이의 단일 개구 안테나에 비해 예리한 주빔을 얻을 수 있지만 부로브가 크게 증가해 버리는 큰 결점이 있다. 안테나의 지향성에서 이와 같은 큰 부로브의 존재는 무선 통신에서 통신 품질의 저하 및 가입자 용량 등을 크게 감소시키며, 레이더, 복사계, 음향탐지기 등의 센서 시스템에는 큰 측정 오차를 야기 시키는 원인이 된다.

상기한 바와 같이 단일 개구 및 선형 어래이 안테나는 좁은 빔폭의 구현을 위해서는 안테나의 길이를 증가시켜야 한다. 또한 상관 어래이는 동일 크기의 단일 개구 안테나에 비해 33%까지 예리한 빔을 얻을 수 있지만. 반면에 커다란 부로브의 동반 발생을 피할 수 없다.

따라서 본 발명의 목적은 안테나를 물리적으로 증가시키지 않고, 신호 처리 방법으로 예리한 빔폭과 낮은 부로브의 지향성을 달성할 수 있기 위한 주파수 체배형 합성 개구 어래이 안테나 구성 장치를 제공함에 있다.

도 1는 종래의 통상적인 선형 어래이 안테나의 구성도를 보여주는 도면.

도 2는 종래의 상관 어래이 안테나에서 단일 상관 어래이 안테나의 구성도를 보여주는 도면.

도 3는 종래의 상관 어래이 안테나에서 주파수 2체배 상관 어래이 안테나의 구성도를 보여주는 도면.

도 4는 종래의 도 2, 도 3 및 도2의 안테나 어래이 길이L과 같은 크기의 단일개구 안테나의 지향성을 보여주는 도면.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 주파수 체배형 합성 개구 어래이 안테나의 구성도를 보여주는 도면.

도 6는 도 5의 지향성을 보여주는 도면.

도 7는 도 5에서 주파수 체배 상관 검파부의 주파수체배율 증가에 따른 빔폭의 압축효과추이를 보여주는 도면.

도 8는 도 5에서 주파수 체배 상관 검파부의 주파수체배율 증가에 대한 사이드 로브 레벨의 변화추이를 보여주는 도면.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예가 첨부된 도면의 참조와 함깨 상세히 설명될 것이다. 도면들중 동일한 구성요소들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 참조 부호들을 나타내고 있음을 유의하여야 한다. 또한 하기의 실시예의 설명에서는 본 발명에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흐트리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 주파수 체배형 합성 개구 어래이 안테나의 구성도를 보여주는 도면이다. 이하 상기 도 5를 참조하여 설명하기로 한다.

자승검파부 90은 상기 제2안테나 2의 수신신호를 입력하여 자승검파하는 자승검파기 91과, 상기 자승검파의 출력을 필터링하는 로우패스필터(이하 LPF(Low Pass Filter)라 칭함) 92로 구성된다. 제1상관검파부 80은 상기 제1, 제2안테나 1, 2 의 수신신호를 입력하여 승산하는 승산기 81과, 상기 승산기의 출력을 필터링하는 LPF 82로 구성된다. 제2상관 검파부 70은 상기 제1, 제2안테나 1, 2의 수신신호를 입력하여 2체배하는 제1, 제2주파수 체배부 71, 73과, 상기 제1, 제2주파수 체배부 71, 73의 출력을 필터링하는 밴드패스필터(이하 BPF(Band Pass Filter)라 칭함) 72, 74와, 상기 BPF 72, 74의 출력을 승산하는 승산기 75와, 상기 승산기의 출력을 필터링하는 LPF 76으로 구성된다. 제2상관 검파부 70과 같은 구성의 상관 검파부가 다수 존재할 수 있으며, 이때 복수의 상기 상관 검파부는 상기 제2상관 검파부 70의 2체배 주파수 체배부 71, 73와 다른 3, 4, … 의 정수배로 체배하는 주파수 체배부를 구비한다.

계수기 93은 상기 자승검파부 90의 출력을 임의의 계수비 b0로 계수한다. 제1, 제2, 제m계수기 83, 77, 67은 상기 제1, 제2, 제m상관 검파부 80, 70, 60의 출력을 임의의 계수비 b1, b2, bm의 두배로 계수한다. 이때 상기 계수비에 2를 곱하는 이유는 도 1의 선형 어래이 안테나와 등가성을 갖기 위함이다. 합성부 50은 상기 계수기들의 출력을 합성하여 출력한다.

상기의 구성을 참조하여 원리를 상세하게 설명하기로 한다.

제1, 제2안테나 1, 2의 지향성 D1(θ), D2(θ)를 등방향성, 즉 1로 두면 각각의 상관 검파 출력 R1(θ), R2(θ)는 식 4, 식 5에서부터 아래 식 7과 같이 주어진다.

[식 7]

식 7의 R1(θ)는 도 1의 안테나 소자를 등간격 d로 배열한 선형 어래이에 있어서, 안테나 3과 안테나 5의 수신출력들의 합성에 의해 얻어지는 어래이 인자와 같다. 또 식 7의 R2(θ)는 안테나 2와 안테나 6의 합성에 의한 어래이 인자와 같다.

같은 원리에서 주파수 체배수를 임의의 정수 m으로 확장하여 상관 검파하면 그 출력 Rm(θ)는 아래 식 8과 같이 쓸 수 있다.

[식 8]

식 8은 도 1의 선형 어래이 에서 안테나 1과 안테나 7의 합성에 의한 어래이 인자와 등가인 것을 쉽게 알 수 있다. 또한 도 5에서 제2안테나 2의 수신신호를 자승검파하여 얻은 R0(θ)는 정수항으로 이용되는데, 상기 R0(θ)는 도 1의 안테나 4의 출력에 대응하는 항이다.

도 5에 있어서, 각 검파 출력 R0(θ), R1(θ), R2(θ), …, Rm(θ)에 각각 소정의 계수를 곱하여 합성하면, 그 합성출력 RS(θ)은 아래 식 9와 같이 나타난다.

[식 9]

제1, 제2, 제m계수기 83, 77, 67에서 각 계수비들에 2배를 곱한것은 도 1의 안테나 4의 계수비 bO에 대해 대칭적으로 분포시킨(bn=b-n) 선형 어래이의 출력 RL(θ)에 대응시키기 위해 곱한 것이다. 따라서 도 5의 주파수 체배형 합성 개구 어래이는 도1와 같이 (2m+1)개의 안테나 소자를 등간격 d로 배열한 선형 어래이와 등가적 관계라고 할 수 있다. 식 9를 보다 일반화하기 위해 제1, 제2안테나 1, 2의 지향성 D1(θ), D2(θ)를 고려하면, 본 발명의 주파수 체배형 합성 개구 어래이의 출력 RS(θ)는 아래 식 10과 같이 주어진다.

[식 10]

도 6은 도 5의 지향성을 보여주는 도면이다. 이하 도 6을 참조하면, 상기 식 10에 의해 구해지는 합성출력 RS(θ)의 지향성을 점선으로 표시했다. 또한 비교평가를 위해 도 4에서 나타낸 단일 개구 안테나 및 주파수 2체배 상관 어래이의 지향성을 도 6에 일점 쇄선 및 실선으로 각각 나타내었다.

본 발명의 주파수 체배형 합성 개구 어래이는 2체배 상관 출력까지의 합성만으로도 주파수 2체배 상관 어래이의 지향성 R2(θ)보다 주로브 레벨을 83%나 감소시켰다는 것을 알 수 있다. 한편 빔폭은 동일 길이의 단일 개구 안테나의 주빔보다 50%정도 좁은 빔이 구현되었다. 이 예에서는 합성시 합성계수 b0, b1, b2를 간단하히 균일하게 1을 사용하였다.

한편 주파수 체배 상관 어래이의 출력에 있어서, 그 체배수를 일반화 했을 경우, 합성하는 최종 상관 어래이의 주파수 체배수 m(1, 2, 3, …)에 대한 합성출력의 빔 압축효과(즉, 합성출력의 빔폭/동일길이의 단일 개구 안테나의 빔폭)와 부 로브 레벨의 변화추이를 하기 도 7, 하기 도 8에 각각 나타내었다.

도 7은 도 5도에서 주파수 체배 상관 검파부의 증가에 따른 빔폭의 압축효과추이를 보여주는 도면이다. 이하 상기 도 7을 참조하면, 주파수 체배수를 증가시킴에 따라 합성 출력의 빔폭이 점점 예리하게 압출된다, 특히, 4체배의 상관 출력의 합성까지는 그 효과가 대단히 크다는 사실이 나타나 있다. 이는 동일 길이의 단일 개구 안테나의 빔폭에 약 25%이다. 도 7에서 체배수 0는 본 발명의 안테나 어래이 길이와 동일한 단일 개구 안테나의 경우를 나타낸 것이다.

도 8은 도 5에서 주파수 체배 상관 검파부의 증가에 대한 부 로브 레벨의 변화추이를 보여주는 도면이다. 이하 상기 도 8을 참조하면, 주파수 체배수가 3까지는 부로브 레벨의 감소효과가 크며, 4이상으로 체배수를 증가시킬 경우 감소된 부 로브의 레벨이 서서히 증가 곡선이 된다. 따라서 4체배 수까지의 합성이 효과적이나 최종 체배수의 선택은 설계조건에 따라 설계자가 선택할 수 있다.

전술된 바와 같이 본 발명의 주파수 체배형 합성 개구 어래이는 두개의 소형 안테나 1, 2만을 사용하여 각각의 수신신호의 상관 검파에 의해 형성되는 간섭 패턴을 합성함으로써 안테나를 물리적으로 증대시키지 않고도 예리한 주빔폭과 낮은 부 로브레벨을 동시에 달성할수 있는 이점이 있다.

Claims (4)

1. 제1, 제2안테나를 구비한 상관 어래이 안테나 구성 장치에 있어서,

   상기 제1안테나의 수신신호를 자승검파하여 출력하는 자승검파부와,

   상기 제1, 제2안테나의 수신신호를 서로 다른 임의의 정수배들로 주파수 체배하여 출력하는 상관 검파부와,

   상기 자승검파부의 출력과 상기 상관 검파부의 출력을 합성하여 출력하는 합성부로 구성됨을 특징으로 하는 주파수 체배형 합성 개구 어래이 안테나 구성 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 자승검파부 및 상기 상관 검파부는,

   자승검파 및 체배된 출력의 일정 대역을 필터링하여 출력하는 필터를 더 구비하고 있음을 특징으로 하는 주파수 체배형 합성 개구 어래이 안테나 구성 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 상관 검파부는,

   상기 제1, 제2안테나의 수신신호를 상기 정수배로 체배하는 주파수 체배부와, 상기 주파수 체배부의 출력을 승산하여 출력하는 승산기를 구비함을 특징으로 하는 주파수 체배형 합성 개구 어래이 안테나 구성 장치.
4. 제3항에 있어서,

   상기 상관 검파부 각각의 대응 개수로 구비되며, 상기 상관 검파부의 출력을 임의의 계수비로 계수하여 상기 합성부로 출력하는 계수부를 더 구비함을 특징으로 하는 주파수 체배형 합성 개구 어래이 안테나 구성 장치.