KR101167097B1 - 부배열 근접 전계 데이터를 이용한 능동 위상배열 안테나 복사소자의 위상 획득 방법 - Google Patents

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Abstract

근접 전계 측정 과정에서 모든 채널의 근접 전계 데이터의 합인
Figure 112011089296336-pat00006
을 이용하지 않고 각 채널의 근접 전계 데이터
Figure 112011089296336-pat00007
를 이용하여 능동 위상 배열 안테나 복사소자의 위상을 획득하는 방법.

Description

부배열 근접 전계 데이터를 이용한 능동 위상배열 안테나 복사소자의 위상 획득 방법 {Acquisition method on phase of active phased array antenna radiating elements using sub-array's near-field data}
본 발명은 능동 위상배열 안테나 복사 소자의 위상 획득 방법에 관한 것으로서, 좀 더 상세하게는 전체 배열이 여러 개의 부배열로 나누어져 있을 때 각 부배열의 근접 전계 데이터를 이용하여 능동 위상 배열 안테나의 위상을 획득하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 레이더(radar)는 전자파를 방사하여 목표 물체의 표면으로부터 반사되는 전자파의 에코를 수신하는 장치로, 송신부, 안테나, 송수신전환부, 수신부, 표시부 등으로 구성되며, 접시안테나(parabolic antenna), 위상배열안테나 (phased array antenna) 등을 주로 사용한다.
상기 레이더에 사용되는 안테나에 있어서, 접시안테나는 기계식 회전방식에 의하여 빔을 주사(scan)하고 있으며, 위상배열안테나는 위상을 제어하여 전자빔을 전자적으로 주사한다.
최근에는 다수의 고속으로 이동하는 목표(표적)를 동시에 추적할 필요성이 크게 증대되고 있다. 그러나 기계식 회전방식으로 주사하는 접시안테나의 경우에는 1분에 6회, 최대 12회 회전하여도 좁은 각도(대략 2°정도)의 빔을 방사하므로, 음속 3배 이상의 비행체를 탐지하여 식별, 추적하는 것은 불가능하다. 따라서 레이더용으로 고정된 위치에서 전자적으로 위상을 제어하여 전자빔을 주사하는 위상배열안테나의 사용이 크게 증대되고 있다.
차세대 무선이동통신기술로 각광받고 있는 스마트안테나에 있어서도 기지국의 송수신안테나로 위상배열안테나를 사용하고 있다. 위상배열안테나는 복사소자(radiating element), 급전장치(loading unit), 위상 변위기(phase shifter) 등으로 구성되며, 수백～수만개의 소자 안테나(예를 들면 다이폴(dipole) 또는 더블렛(doublet) 안테나 등을 사용)를 소정의 패턴으로 배열하여 설치하고, 배열된 각 소자 안테나의 전류 위상을 변화시키는 것에 의하여 방사패턴을 공간에서 주사할 수 있는 안테나이며, 하나의 위상배열로 다수의 목표물을 추적하는 것이 가능하고, 비행기와 같은 이동체의 표면에 설치하는 경우 표면의 형상에 대응하여 소자 안테나를 배열하는 것이 가능하다.
복사소자(radiating element)는 위상변위기와 자유공간 사이의 임피던스 정합과 복사패턴을 조절하는 역할을 하고, 단위 소자가 차지하는 단면적을 작게 하여 인접소자 간의 전자기적 결합량을 줄일 수 있도록 하여야 한다.
위상배열 안테나는 다시 수동형 위상배열 안테나와 능동형 위상배열 안테나로 나눌 수 있고 종래에는 수동형 위상배열 안테나가 대부분이었으나 점차 능동형 위상배열 안테나로 발전하고 있는 추세이다.
수동형 위상배열 안테나는 TWT와 같은 고출력 송신기가 큰 출력을 발생시키면 수백에서 수천 개의 배열 안테나 소자에 미리 예정된 양에 따라 분배되고, 각 소자의 위상을 변화시켜줌으로써 빔의 방향을 제어하는 방식을 사용한다. 반면 능동형 위상배열 안테나는 각각의 소자 또는 소자그룹이 작은 출력을 송신하는 송신모듈을 가지며 이 모듈 내부에는 위상변위기를 장착하여 수동형 위상배열 안테나와 같이 전자적으로 빔을 조향한다.
능동형 위상배열 안테나의 송신모듈은 보통의 경우 수신 경로를 함께 포함하고 있는 송수신 모듈로 구성되며 이 송수신모듈이 위상배열레이더의 성능과 가격을 결정하는 중요한 부품으로 점점 부각되고 있다.
종래의 수동 위상배열 안테나 근접 전계 측정과정에서는 측정용 프로브(probe)의 각 위치에서 급전포트에 나타나는 출력데이터를 회로망분석기를 통하여 S-파라미터로 변환된 물리량을 측정/기록한다. 이 S 파라미터 데이터로부터 원전계(Far-field) 패턴을 얻고, 백 프로젝션하여 전체 복사소자의 전류 크기 및 위상 값을 한꺼번에 얻는 것이 통상의 방법이었다. 이 경우 모든 복사소자와 급전포트 사이가 동위상일 때에는 백 프로젝션에 의해 안테나 개구면의 전원분포를 정확히 측정할 수 있다. 그러나 안테나 개발초기에는 복사소자와 급전 포트간에 위상오차가 존재할 수밖에 없으므로 백 프로젝션으로 구한 개구면의 전류분포에는 위상차에 의한 오류성분이 포함된다. 이 오류성분을 제거하기 위해서는 장시간의 측정과 보정의 과정이 필요하다. 특히 측정대상인 안테나가 능동배열인 경우에는 장시간 측정에 의한 성능저하 및 고장의 위험을 배제할 수가 없다. 이렇게 된 것은 인접한 복사소자를 통하여 급전포트로 전달되는 프로브 신호는 측정대상인 복사소자의 신호를 방해하는 요소로 작용하기 때문에 나타나는 현상이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 능동형 위상 배열 안테나가 k개의 부배열로 구성되는 경우, 부배열 수가 곧 카세트의 수가 된다. 이하에서 부배열과 카세트, 그리고 채널은 동일한 의미로 사용된다. 도 1은 하나의 카세트가 8개의 복사소자와 송수신 모듈로 구성되는 예시도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 배열면에서의 복사소자 전류 크기 및 위상을 얻는 과정을 나타낸 흐름도이다.
능동형 위상 배열 안테나의 수신 패턴을 측정하고자 근접 전계 측정을 수행할 때, 스캐너 프로브의 위치에 따라 k개 채널의 디지털 출력
Figure 112011089296336-pat00001
이 얻어진다. 이 k개의 디지털 출력을 더한 하나의 측정값
Figure 112011089296336-pat00002
은
Figure 112011089296336-pat00003
이 되며, 여기에서 n=1, 2, …, N이고 m=1, 2, …, M 이다. N과 M은 수평과 수직축에서의 측정 포인트 수(스캐너 프로브의 위치)를 의미한다. 도 2의 S21 파라미터는
Figure 112011089296336-pat00004
의 크기와 위상이다. 안테나 설계시에 배열면에서 모든 복사소자에 유기된 전류의 크기와 위상이 동일하도록 고려하지만 실제 근접 전계 측정 결과는 도 3과 같이 불균일한 특성을 보인다. 도 3과 같은 근접 전계 결과로부터 푸리에 변환(FFT)하면 원전계(Far-field) 패턴을 얻게된다. 도 4와 같이 원전계(Far-field) 패턴에 문제가 있음을 알 수 있다. 따라서 배열면에서 복사소자에 유기된 전류의 크기와 위상을 정렬할 필요가 있다. 아마도 만족스러운 수준의 정렬상태를 얻기 위해서는 종래 기술에서와 같은 과정을 여러번 반복 수행해야 할 것이다.
본 발명은 능동 배열 안테나의 복사소자와 급전포트 사이에 위상차가 존재할 때 복사소자에 유기되는 전류의 크기와 위상을 정밀하게 측정하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 원하는 방향으로 빔을 조향하기 위해 크기와 위상을 조정할 수 있는 능동 배열 안테나의 위상을 획득하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 여러 채널을 갖는 능동형 위상 배열 안테나의 배열면 위상 정렬을 효율적으로 수행할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 부배열 근접 전계 데이터를 이용한 능동 위상배열 안테나 복사소자의 위상 획득 방법은 근접 전계 측정과정에서 얻게 되는 채널 출력의 합이 아니라, 각각의 채널(혹은 카세트)의 출력데이터를 이용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 부배열 근접 전계 데이터를 이용한 능동 위상배열 안테나 복사소자의 위상 획득 방법의 다른 특징은 모든 채널의 출력 데이터를 합하지 않고 각 채널의 근접 전계 측정결과를 저장하고, 이 채널별 근접 전계 데이터를 이용하여 원전계(Far-field) 패턴을 얻고 그 채널 해당 소자의 전류 크기 및 위상값을 얻는 점이다.
본 발명에 따른 부배열 근접 전계 데이터를 이용한 능동 위상배열 안테나 복사소자의 위상 획득 방법의 또 다른 특징은 저장된 각 채널의 데이터를 동일하게 처리하면 모든 복사소자의 전류 크기 및 위상값을 얻는 것이다.
본 발명에 따른 부배열 근접 전계 데이터를 이용한 능동 위상배열 안테나 복사소자의 위상 획득 방법의 또 다른 특징은, a) i번째 카세트 근접 전계 측정 결과 데이터 xi[n,m]를 저장하고, S파라미터로 변환하는 과정; b) 상기 근접 전계 측정 결과 데이터 xi[n,m]를 퓨리에 변환(FFT)하여 원전계(Far-field) 패턴을 획득하는 과정; c) 상기 원전계(Far-field) 패턴을 백 프로젝션하여 i번째 카세트 해당 복사 소자의 전류 크기 및 위상을 획득하는 과정; d) 상기 a), b), c) 과정을 상기 i가 k에 이를 때까지 수행하면 전체 복사소자에 대한 배열면에서의 위상을 얻을 수 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 부배열 근접 전계 데이터를 이용한 능동 위상배열 안테나 복사소자의 위상 획득 방법의 또 다른 특징은 상기 카세트의 수만큼의 원전계 패턴 계산 및 백 프로젝션 계산을 수행하는 점이다.
본 발명에 따른 근접 전계 데이터를 이용한 능동 위상배열 안테나 복사소자의 위상 획득 방법은 다음과 같은 효과를 가질 수 있다.
첫째, 여러 채널을 가지는 능동형 위상배열 안테나의 배열면 위상정렬을 매우 효율적으로 수행할 수 있다.
둘째, 수동 위상배열 안테나를 위한 측정과 동일한 측정 시스템을 이용할 수 있다.
셋째, 스캐너 프로브의 위치에서 모든 채널의 출력이 한꺼번에 저장되므로 측정에 소요되는 시간이 동일하다.
도 1은 능동형 위상 배열 안테나 시스템의 구성 예시도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 배열면에서의 복사소자 전류 크기 및 위상을 얻는 과정의 예시도이다.
도 3은 배열면 위상정렬 수행 전의 근접 전계 측정결과 예시도이다.
도 4는 배열면 위상정렬 수행 전의 원전계(Far-field) 계산결과 예시도이다.
도 5은 본 발명에 따라 배열면에서의 복사소자 전류 크기 및 위상을 얻는 과정을 나타낸 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예와 관련된 백 프로젝션 결과 예시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예와 관련된 배열면 위상정렬 수행 후의 근접 전계 측정결과 예시도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예와 관련된 배열면 위상정렬 수행 후의 원전계(Far-field) 계산결과를 나타낸 예시도이다.
이하에서 본 발명에 따른 부배열 근접 전계 데이터를 이용한 능동 위상배열 안테나 복사소자의 위상 획득 방법에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
위성방송은 위성으로부터 전파를 직접 수신하기 때문에 화상이 깨끗하며 지형에 관계없이 명료한 영상을 얻을 수 있다. 이러한 위성 방송을 효과적으로 수신하기 위해서는 높은 이득과 편파특성을 갖는 고성능의 안테나가 필요하다. 이러한 성능을 충족하기 위하여 파라볼라(parabola) 안테나가 사용되어 왔으나 부피가 크고, 무거우며, 눈, 비, 바람 등 기상에 크게 영향을 받는 등 여러 가지 단점이 있다. 최근 이에 대한 대안으로 개발된 것이 작고, 가벼운 마이크로스트립 배열 안테나이다.
기존의 고정된 빔의 형태를 갖는 안테나는 서로 간의 위치에 따라서 수신감도가 나빠지는 문제점이 발생하게 되었는데 이를 해결하기 위해서 안테나의 상호 위치에 따라 지향성이 있는 빔의 방사 방향을 바꾸어주는 위상 배열 안테나가 이동체의 송수신을 위해서 적합하다.
위상배열 안테나는 주사(scan)능력을 가지고 있어서 레이다 시스템을 비롯하여 광범위하게 응용되고 있다. 주사방법에는 기계적인 회전방법과 전자적인 회전방법의 두 가지로 나누어지는데, 전자적인 주사방식은 무작위 조절이 가능하고, 경량 제작이 가능하며, 기계적인 움직임이 요구되지 않으므로 기계적인 회전방법보다 안정되어 있다. 또한 빠른 속도로 빔의 위치를 바꿀 수가 있어 빔에 대한 연속적인 주사가 가능하며, 안테나를 배열하므로 높은 이득을 얻을 수가 있다.
위상배열 안테나는 많은 수의 복사소자가 밀집하게 되므로 인접 복사소자들의 영향(상호결합)이 나타나 효과적인 전자파 빔형성 및 조향을 위한 전류원 형성이 용이하지 않게 된다. 상호결합 현상을 상쇄시키기 위해서는 안테나 배열면에 형성되는 전류원의 크기와 위상을 정렬하는 것이 반드시 필요하다. 이를 위해 근접 전계 측정시스템(Near-Field Probing)이 주로 사용된다.
근접 전계 측정시스템은 원래 실내에서 안테나의 원전계(Far-field) 패턴을 측정하기 위한 장치로 개발되었으나, 능동배열 안테나가 발전함에 따라 배열면 보정의 수단으로 활용되는 사례가 점차 많아지고 있다. 즉, 근접 전계 측정시스템을 통하여 안테나의 송신 또는 수신 근접 전계를 측정하면 이를 수학적으로 계산하여 원거리 빔 패턴뿐만 아니라 배열면에서의 각각의 복사소자에 유기된 전류의 크기와 위상을 알 수 있기 때문에 능동배열 안테나의 성능측정은 물론 교정 및 보정과정에서도 널리 활용될 수가 있기 때문이다. 원거리 빔 패턴으로부터 수학적으로 배열면에서의 각각의 복사소자에 유기된 전류의 크기와 위상을 계산하는 과정을 백 프로젝션(Back-projection)이라고 한다.
상호결합현상으로 배열면에 형성된 전류원이 의도하지 않게 분포하더라도 근접 전계측정장치로 각각의 복사소자에 유기된 전류의 크기와 위상을 정확히 알 수 있다면 송수신 모듈에 있는 감쇄기와 위상변위기를 재조정하여 원하는 모양의 전류원이 분포하도록 할 수가 있다.
능동 위상배열 안테나가 각 복사소자에 송수신모듈을 하나씩 가지고 있는 경우 수신채널 수는 복사소자의 개수와 동일하다. 그러나 여러 개의 복사소자를 묶어 하나의 카세트(Cassette)을 만들게 되면 카세트 수가 곧 채널 수가 된다. 따라서, 이하에서 카세트와 채널은 동일한 의미로 사용된다. 수신 채널 수가 많으면 이를 이용하여 수신 다중 빔을 얻을 수도 있고 수신 적응 빔을 얻을 수도 있다.
각각의 송수신모듈에는 독립적인 감쇄기와 위상변위기를 가지고 있기 때문에 크기와 위상을 조정하는 것이 가능하다.
본 발명은 모든 채널의 근접 전계 데이터의 합인
Figure 112011089296336-pat00005
를 이용하지 않고 각 채널의 근접 전계 데이터를 이용하여 도 5과 같은 과정으로 각 소자의 전류 크기 및 위상을 얻는다.
근접 전계 측정 과정에서, k개 카세트의 근접 전계 측정 결과 데이터 xi[n,m]를 저장하고 S-파라미터로 변환한다 (S501). 여기에서 i=1,2,…,k이고 n,m은 수평/수직 축에서의 측정 포인트수를 나타낸다.
이어, 상기 근접 전계 측정 결과 데이터 xi[n,m]를 퓨리에 변환(FFT)하여 원전계(Far-field) 패턴을 획득한다. 변환 방식은 FFT 방식을 사용하는데, 이는 연속적인 신호를 시간에 따라 샘플링한 형태의 신호로 생각하여 퓨리에 변환식을 그대로 계산하는 DFT(Discrete Fourier Transform)의 계산 시간이 너무 오래 걸리기 때문이다.
샘플링된 전체 신호를 전체 변환하는 것이 아니라 적절한 알고리즘에 의해 계산에 필요한 신호를 최소화하여 고속으로 퓨리에 변환을 계산한다. 변환시간의 문제로 실제적으로 거의 FFT를 사용하게 된다 (S502).
다음으로 상기 i번째 카세트의 원전계(Far-field) 패턴으로부터 해당 복사 소자의 전류 크기 및 위상을 획득한다. 원전계(Far-field) 패턴에 백 프로젝션 과정을 적용하면 배열면 복사소자 위치에서의 크기와 위상을 얻을 수 있다. 즉, 상기 카세트의 수(다시 말해, 채널의 수)만큼 원전계(Far-field) 패턴의 계산 및 백 프로젝션 계산을 수행한다 (S503). 도시된 바와 같이, 위의 S501 내지 S503의 과정을 k회 실시한다.
원거리 빔 패턴으로부터 수학적으로 배열면에서의 각각의 복사소자에 유기된 전류의 크기와 위상을 계산하는 것이다. 본 발명의 일 실시예와 관련된 첫 번째 카세트의 근접 전계 데이터를 이용하여 첫 번째 카세트에 해당되는 복사소자들의 전류크기와 세 번째 카세트에 해당되는 복사소자들의 전류 크기는 도 6과 같다.
상기 i가 k에 이를 때까지 S502~S503 과정을 수행하면 모든 복사소자에 대해 배열면에서의 위상을 획득하게 된다 (S504).
각 카세트의 근접 전계 데이터로부터 해당 복사소자들의 전류 크기/위상을 얻는 본 발명의 흐름에 따라 모든 소자의 전류 크기 및 위상을 얻고 이를 이용하여 배열면 위상정렬을 수행한 후 측정된 근접 전계(Near-field) 결과는 도 7과 같다. 또한 도 7의 근접 전계(Near-field)의 결과로부터 계산된 원전계(Far-field) 패턴은 도 8과 같다.

Claims (3)

  1. 근접 전계 측정 시스템을 이용하여,
    a) i번째 채널의 근접 전계 측정 결과 데이터 xi[n,m]를 저장하고, S-파라미터로 변환하는 과정(여기서 i=1, 2, … , k이고, n,m은 수평/수직 축에서의 측정 포인트수);
    b) 상기 i번째 채널의 근접 전계 측정 결과 데이터 xi[n,m]를 퓨리에 변환하여 원전계(Far-field) 패턴을 획득하는 과정;
    c) 상기 i번째 채널의 원전계(Far-field) 패턴에 백 프로젝션 계산을 수행하여 상기 i번째 채널의 복사 소자의 전류 크기 및 위상을 획득하는 과정;
    d) 상기 a), b), c) 과정을 상기 i가 k에 이를 때까지 수행하는 것을 특징으로 하는 부배열 근접 전계 데이터를 이용한 능동 위상 배열 안테나 복사소자의 위상 획득 방법.
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  3. 삭제
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