KR101554635B1 - 적응형 배열안테나의 합성 수신패턴 측정방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 적응형 배열안테나의 합성 수신패턴 측정방법 및 장치에 관한 것으로 하드웨어 장치 부분과 측정방법 부분으로 나뉜다.
먼저 하드웨어 장치 부분은 위상면모의기, GNSS 시뮬레이터, 외부제어기, 신호측정기, GNSS 수신기를 포함한다.
상기 하드웨어 장치를 사용한 측정방법은 재밍 도래방향을 설정하고 가중치벡터를 계산하는 단계, 계산된 가중치벡터로 고정하고 모든 시험신호 방향에 대해 배열안테나시스템 출력을 수집하는 단계, 그리고 수집된 데이터를 2차원 평면 격자에 도시하는 단계를 포함한다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 특정 재밍상황에서 계산된 가중치벡터를 시험신호 모든 도래방향에 대해 유지하여 배열안테나시스템의 합성 수신패턴 측정이 가능하고 이를 통해 널 깊이, 널 폭, 위성 차단율의 세 가지 성능 지표를 실내 환경에서 획득할 수 있다.
또한 별도의 추가장치 없이 배열안테나시스템을 구성하는 각 구성요소 단계 별로 성능 지표를 측정하고 그 영향 정도를 분석할 수 있다.

Description

적응형 배열안테나의 합성 수신패턴 측정방법 및 장치{Method and Apparatus for Measurement of Synthetic Reception Patterns of Antenna Array with Adaptive Nulling Algorithm}

본 발명은 적응형 배열안테나의 합성 수신패턴을 측정하는 방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 GNSS 간섭신호로부터 GNSS 수신기를 보호하는 효과적인 방법 중 하나인 배열안테나를 이용한 항재밍 널링(Nulling) 기술에 있어서 적응형 배열안테나시스템의 주요 성능 지표인 Null 깊이(Null Depth), Null 폭(Null Width) 및 위성차단율(Satellite Blind Ratio) 정보를 배열안테나시스템의 각 구성 단계 별(안테나 소자, RF모듈, 신호처리 모듈)로 측정, 평가하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

GPS(Global Positioning System)로 대표되는 GNSS(Global Navigation Satellite System)는 위성으로부터 위성의 위치, 시간 및 기타 오차 보정 요소에 관한 정보를 수신하여 사용자의 정확한 시각 및 위치 정보를 획득하는 위성기반 항법시스템이다. 현재 GNSS는 군사 및 민간 영역의 육상, 해상, 항공 시스템에서 다양하게 활용되고 있다.

GNSS 위성은 20,000 km 이상의 원거리에서 소출력의 신호를 송신하기 때문에 수신기에서 수신되는 전력이 10^-16 W 정도로 미약하다. 따라서, GNSS 시스템은 다중 경로와 같은 비의도적인 전자파 간섭이나 의도적인 전자파 재밍에 태생적으로 취약할 수 밖에 없다. 각종 통신, 방송, 금융, 물류 등 사회 기반시설의 핵심으로 다양하게 활용 중인 GNSS가 재밍된다면 사회혼란을 야기시키는 심각한 문제를 초래할 것으로 예상된다.

이와 같이, GNSS에 심각한 위협이 되는 재밍 또는 전파간섭에 대응하기 위해 다양한 기술이 활용되고 있으며, 그 중에서 배열안테나를 이용한 공간필터링 기술(일명 널링, Nulling)은 가장 효과적인 항재밍 방법으로 알려져 있다. 여기서 널링 기술은 다수의 안테나를 공간적으로 배치하여 각각의 출력에 복소수 가중치(혹은 가중치 벡터)를 곱하는 방법을 사용하여 원하는 방향으로의 신호를 증대시키고 원하지 않는 재밍신호를 감소시키는 원리를 사용한다. 동일한 원리를 구현하는 방법으로는 아날로그 방식 및 디지털 방식으로 구분이 가능하다.

최근에는 안테나 소자에서 수신된 신호를 하향변환기를 통해 중간주파수(IF, Intermediate Frequency)로 변환하고, 주파수가 낮은 중간주파수에서 디지털 신호로 변환 후 적응형 널링 알고리즘이 탑재된 디지털 신호처리 프로세서를 통해서 항재밍 신호처리를 구현하는 디지털 배열안테나 시스템 방식이 널리 사용되고 있다.

이러한 적응형 배열안테나를 이용한 항재밍 시스템의 성능 지표는 크게 ① Null 깊이, ② Null 폭, ③ 위성 차단율로 구분할 수 있으며 배열안테나의 합성 수신패턴으로부터 얻을 수 있다. 각 성능 지표의 간략한 설명은 다음과 같다.

① Null 깊이 - 적응 필터링을 통해 얻는 원하지 않는 방향의 재밍신호 감소 정도를 나타내는 지표.

② Null 폭 - 적응 필터링의 부수 효과(Side Effect)로 인해 발생하는 재밍 방향 주위의 신호 감쇄 정도를 나타내는 지표, 등방형(Omni-directional) 안테나 대비 신호 강도가 1/2(전력단위로는 -3 dB)로 감소하는 빔 폭으로 평가.

③ 위성 차단율 - 적응 필터링을 적용하여 발생하는 GNSS 가시위성 개수 감소율을 나타내는 지표, 등방형 안테나 사용 시 위성신호 수신가능 영역 대비 적응형 배열안테나 사용 시 위성 수신가능 영역의 비율을 표시하며 사용하는 수신기의 성능에 따라 가변.

하지만, 상술한 적응형 배열안테나시스템의 세 가지 성능 지표는 재밍신호의 개수, 세기, 방향, 신호 유형 등에 따라 적응형으로 변하기 때문에 기존 고정패턴 안테나(FRPA, Fixed Reception Pattern Antenna)의 고전적인 성능측정 방법으로는 정확한 측정이 불가능하다.

특성이 잘 보정(Calibration)된 야외 시험 시설에서 일부 파라미터 측정을 수행할 수 있으나, 시험 준비 및 보정 작업에 많은 시간이 소요되고 성능 평가의 전제 조건인 재현성(Repeatability) 확보가 어려운 것이 단점이다. 또한 재현성 문제를 해결하기 위하여 전자파 무반사실에서 측정할 수 있으나, 고가의 다채널 위성 시뮬레이터를 구비해야 하며 많은 측정 시간이 소요되는 문제점이 존재한다.

따라서 재현성을 확보하면서도 비용 및 측정 노력을 줄일 수 있는 모의장치(Simulator)를 이용한 주입(Injection) 시험방법이 필요하다.

이와 관련된 선행기술로는, 전자파 무반사실 및 야외 환경이 아닌 실험실에서 성능 평가가 가능하도록 배열안테나에 입사되는 GPS 재밍신호의 위상면(Wavefront)을 임의로 생성할 수 있는 내용이 대한민국 등록특허 제 1030236호(GPS 적응배열안테나 시험용 위상면 모의장치)에 개시되었다.

상술한 대한민국 등록특허 제 1030236호에 개시된 발명은 배열안테나 시스템의 합성 수신패턴을 측정할 수 없기 때문에 특정 재밍 방향에 대한 널 깊이만을 알 수 있으며, 널 폭 및 위성 차단율 등의 추가 성능 지표는 평가할 수 없는 단점이 있다.

또한, 상술한 대한민국 등록특허 제 1030236호에 개시된 발명은 배열안테나시스템을 구성하고 있는 안테나 소자, RF 모듈, 신호처리 모듈 각각에 대해서 상기의 성능 지표를 평가할 수 없다. 구성요소의 단계별 성능 평가는 항재밍 배열안테나시스템 개발에서 전체 시스템 성능에 대한 한계 수준 및 제한 원인을 파악하는데 아주 중요하다.

따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 기존 특허에서 제안한 방법 대비 별도의 하드웨어 추가 없이 적응형 배열안테나시스템의 Null 깊이, Null 폭, 위성 차단율을 재현성있게 평가할 수 있는 측정 방법 및 측정장치를 제공함에 그 목적이 있다.

특히 제안하는 측정방법 및 장치만으로 배열안테나시스템을 구성하는 각 구성요소 단계 별로 합성 수신패턴 측정이 가능하여 안테나 소자, RF 모듈, 디지털 신호처리 모듈 각각의 성능 지표에 대한 영향 정도를 분석할 수 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시양태에 따른 적응형 배열안테나의 합성 수신패턴 측정 장치는,

복수 안테나의 출력간 신호의 위상차를 이용하여 재밍신호 및 시험신호의 도래방향을 모의하고 상기 위상차 신호와 GNSS 위성 신호가 혼합된 복수의 신호를 출력하는 위상면모의기;

위상면모의기 및 배열안테나시스템의 신호처리 모듈 동작을 순차적으로 제어하고, 재밍신호의 도래방향(DOA, Direction of Arrival)을 사용자로부터 입력받아 안테나 배열구조에 따른 안테나 출력간 위상차를 계산하는 외부제어기;

GNSS 위성 신호를 모의할 수 있는 GNSS 시뮬레이터, 배열안테나시스템 출력을 측정하는 신호측정기, GNSS 위성신호 수신상태를 확인할 수 있는 GNSS 수신기를 포함한다.

요약하면, 재밍신호의 도래방향을 모의할 수 있는 위상면모의기와 GNSS 위성 신호를 모의할 수 있는 GNSS 시뮬레이터를 사용하여 외부제어기의 약속된 제어에 따라 배열안테나시스템의 RF 모듈 입력단에 배열안테나의 출력을 모의하는 신호를 주입하여 실내 환경에서 시험할 수 있도록 구성된다.

바람직하게, 상기 위상면모의기는 GNSS 주파수 대역뿐 아니라 디지털 신호 처리를 위한 중간주파수 신호도 발생하는 것을 특징으로 한다. 따라서, RF 모듈이나 별도의 추가 시험장치 없이 신호처리 모듈에 대해 단독으로 주입시험이 가능한 특징을 가진다.

바람직하게, 위상면모의기에 각 배열안테나의 실제 측정 이득과 위상을 반영할 경우 안테나 소자, RF 모듈, 신호처리 모듈이 조합된 전체 시스템의 성능을 측정할 수 있다. 따라서 시험대상을 자유롭게 구성하여 각 구성요소의 단계별 측정을 통해 각각의 구성요소가 시스템 전체 성능에 미치는 영향을 분석할 수 있다.

바람직하게, 상기 외부제어기는 특정 재밍상황에서 상기 재밍신호의 도래방향에 대해 계산된 가중치 벡터를 모든 시험신호에 대한 가중치 벡터로 고정하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 외부제어기는 재밍이 없는 상황에서 배열안테나시스템의 신호처리 모듈이 적응형 널링 알고리즘을 적용하지 않고 안테나 출력 중 하나를 바이패스(bypass)하는 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명의 바람직한 실시양태에 따른 적응형 배열안테나의 합성 수신패턴 측정 방법은,

지상에 위치한 수신 안테나를 기준으로 지구 반구(Hemisphere) 표면을 방위각, 고각에 따라 2차원 평면의 격자(Grid)로 구분하는 단계;

외부제어기가 특정 재밍 상황에서 재밍신호 및 복수의 시험신호 각각에 대해 안테나 출력간 위상차를 계산하고 이 값을 위상면모의기로 전달하여 상기 재밍신호 및 시험신호의 도래방향에 대한 위상면 모의기의 출력을 설정하는 단계;

특정 재밍신호 상황에서 가중치 벡터를 구하고, 이 후 모든 시험신호에 대한 가중치 벡터를 앞서 구한 값으로 고정하는 단계;

가중치 벡터가 적용된 합성신호의 세기를 신호측정기를 사용하여 측정하고, 상기 측정세기를 해당 격자의 영역에 기록하는 단계;

외부제어기가 재밍이 없는 상황에서 적응형 널링 알고리즘을 비활성화시키고 바이패스된 안테나 출력 중 하나를 신호측정기를 사용하여 측정하고, 상기 측정세기를 해당 격자의 영역에 기록하는 단계;

재밍 유무에 따라 획득한 2개의 안테나 수신패턴(등방형 안테나 수신패턴, 적응형 배열안테나 합성 수신패턴)을 비교하여 적응형 배열안테나시스템의 재밍상황에 대한 널 깊이, 널 폭, 위성 차단율을 측정하는 단계를 포함한다.

바람직하게, 상기 성능지표 측정 단계에서는 재밍이 없는 경우 등방형 안테나 패턴 대비 재밍이 있는 경우의 적응형 배열안테나 패턴의 재밍신호 도래방향에서의 신호 세기 감소량으로 상기 널 깊이를 측정할 수 있다.

바람직하게, 상기 성능지표 측정 단계에서는 상기 널이 생성된 부근에서 임계치 이상의 이득에 해당하는 빔폭 각도로 상기 널 폭을 측정할 수 있다.

바람직하게, 상기 성능지표 측정 단계에서는 GNSS 위성이 위치하는 반구 상에서 상기 널 폭에 포함되는 위성 개수의 평균을 계산하여 상기 위성 차단율을 평가할 수 있다.

바람직하게, 상기 측정 단계를 적용하여 배열안테나시스템의 각 구성요소 별로 상기 성능 지표를 평가할 수 있다.

본 발명은 적응형 배열안테나시스템의 성능 지표 측정을 위한 시험 방법 및 장치에 관한 것으로서 적응형 널링 알고리즘을 적용하는 배열안테나시스템의 재밍 신호에 대한 널 깊이뿐 아니라 널 폭, 위성 차단율 등의 성능 지표를 실내 환경에서 용이하게 측정할 수 있으며, 별도의 추가 시험장치 없이 배열안테나시스템을 구성하는 각 구성요소 단계 별로 합성 수신패턴을 측정, 각각의 영향을 분석할 수도 있다. 따라서 GNSS 배열안테나시스템의 항재밍 성능에 대한 시험평가 장비로 다양하게 활용 가능하다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 재밍신호 도래방향 및 시험신호 도래방향 설정 예를 나타낸 도면이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 적응형 배열안테나의 합성 수신패턴 측정장치와 시험대상 장비와의 연결을 나타낸 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 적응형 배열안테나의 합성 수신패턴 측정방법 흐름도이다.
도 4 는 본 발명의 일 실시 예에 따른 측정된 적응형 배열안테나의 합성 수신패턴을 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 적응형 배열안테나 합성 수신패턴 측정장치와 신호처리모듈과의 연결을 나타낸 구성도이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다.

그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시 예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.

본 발명은 현재 전자파 무반사실 또는 야외 시험 환경 조건에서 이루어지고 있는 GPS 적응형 배열안테나시스템 측정 방법 및 장치에 대한 것으로, 재밍신호의 도래방향만을 모의하여 재밍신호의 감소 정도, 즉 널 깊이만 평가하는 기존 방식에서 확장하여 특정 재밍 상황에서 적응형 널링 알고리즘이 적용된 배열안테나의 합성 수신패턴을 획득하여 널 깊이뿐 아니라 널 폭, 위성 차단율 등의 보다 다양한 성능 지표를 측정할 수 있도록 개선하는 것이 주요 내용이다.

도 1은 본 발명의 실시 예에서 재밍신호 도래방향 및 시험신호 도래방향의 설정 예를 나타낸 도면이다.

지상에 위치한 수신 안테나를 기준으로 지구 반구(Hemisphere) 범위, 즉 방위각(Angle of Azimuth, phi) 0~360도, 고각(Angle of Elevation, theta) 0~90도 범위를 2차원 평면도 형식으로 나타내었다.

0~360도 범위의 방위각을 M등분하고, 0~90도 범위의 고각을 N등분하여 2차원 평면을 격자로 구분한다.

구분된 영역을 재밍신호 도래방향 또는 시험신호의 도래방향으로 할당(Mapping)한다. 도 1에서는 하나의 예로, 방위각을 M=16등분하고, 고각을 N=10등분하였을 경우 X로 표시된 재밍신호 도래방향은 "(m, n)=(6,3)"으로 할당된다.

특정 방향으로부터 배열안테나에 입사되는 전자파에 대해 배열안테나 소자 각각의 출력은 서로 상관된 특정 위상차를 나타내기 때문에, 물리적인 안테나가 없더라도 상기의 특정 위상차를 갖는 신호로 물리적 안테나 출력을 모의할 수 있다.

따라서, 물리적 안테나 없이 특정 방향에서 입사되는 전자파 신호에 대해서 적응형 배열안테나 시스템의 출력을 측정할 수 있다.

그러기 위해서는 상기 격자의 개별 구역으로 지정된 도래방향의 "시험신호"에 대해 시스템 출력을 각각 측정해야 한다. 단, 재밍 상황에서 측정해야 한다. 따라서, 특정 재밍신호의 도래방향을 설정하고 적응형 널링 알고리즘을 적용하여 상기 재밍신호를 감소시키도록 가중치를 계산한다.

이후, 격자의 구역으로 할당된 반구상의 모든 방향(M*N개)에 해당하는 각 시험신호를 인가하고, 각 시험신호에 대한 적응형 배열안테나 시스템의 출력을 측정하고 격자의 각 구역에 그 측정세기를 기록하여 안테나 패턴을 그린다.

하나의 시험 주파수에서 하나의 안테나 패턴을 측정할 때 재밍신호 도래방향은 한 가지이고, 시험신호 도래방향은 격자의 구획수(M*N개) 만큼 존재한다. (M*N)개의 시험신호 도래방향 중 하나는 재밍신호 도래방향과 일치한다.

요약하면, 재밍신호 도래방향은 재밍신호가 입사되는 방향을 의미하며 이 상황에서 시스템의 가중치 벡터를 계산한다. 시험신호 도래방향은 재밍 상황(가중치 벡터가 결정된 상황)에서 안테나 수신패턴을 얻기 위해 모의하는 격자의 개별 구역을 의미한다.

도 2a 및 도 2b는 본 발명의 실시 예에 따른 적응형 배열안테나의 합성 수신패턴 측정장치와 시험대상인 배열안테나시스템의 구성 및 상호간의 연결 상태를 나타낸 구성도이다. 설명의 편의상 안테나 출력이 3개일 때를 예로 들었다.

먼저, 도 2a에 도시된 적응형 배열안테나의 합성 수신패턴 측정장치(100)는 크게 위상면모의기(20), GNSS 시뮬레이터(10), 외부제어기(30), 신호측정기(40), GNSS 수신기(50)를 포함한다. 배열안테나시스템(200)은 주입시험을 위해 배열안테나를 제거한 상태로 RF 모듈(60)과 신호처리 모듈(70)을 포함한다.

위상면모의기(20)는 3개의 안테나 출력 신호간 위상차를 조절하여 물리적인 배열안테나 없이 재밍신호 및 시험신호의 도래방향을 모의할 수 있다. 위상면모의기(20)는 분배기(22) 및 결합기(24, 26, 28)를 통해 배열안테나시스템(200)의 RF모듈(60)의 입력단에 신호를 주입하여 실내 환경에서 시험할 수 있다.

신호처리 모듈(70)은 적응형 널링 알고리즘을 적용하여 특정 재밍상황에 대해 재밍신호를 감소시키기 위한 가중치벡터를 계산한다. 외부제어기(30)의 제어에 의해 이 가중치벡터가 유지된 상태에서 재밍방향을 포함한 모든 시험신호 도래방향에 대한 배열안테나시스템(200)의 출력 신호 세기를 신호측정기(40)에서 측정하면, 재밍상황에서의 적응형 배열안테나의 합성 수신패턴을 획득할 수 있다.

또한, 위상면모의기(20)는 GNSS 주파수 대역뿐 아니라 디지털 신호 처리를 위한 중간주파수도 발생하므로, RF 모듈(60) 또는 별도의 추가 시험장치 없이 신호처리 모듈(70)에 대해 단독으로 주입시험이 가능하다. 또한, 위상면모의기(20)에서 배열안테나를 구성하는 각 안테나 소자의 실제 측정 이득과 위상을 반영할 경우 안테나 소자, RF 모듈(60), 신호처리 모듈(70)이 조합된 전체시스템의 성능을 측정할 수 있다. 따라서, 시험대상을 자유롭게 구성하여 각 구성요소의 단계별 측정을 통해 각각의 구성요소가 시스템 전체 성능 지표에 미치는 영향을 분석할 수 있다.

위상면모의기(20)는 여러 가지 구현방법이 있으며 특정 구현방법으로 제한하지 않는다. 위상면모의기(20)의 각각의 출력에 GNSS 위성 신호를 모의할 수 있도록, 분배기(22) 및 결합기(24, 26, 28)를 포함한다.

위상면모의기(20)의 분배기(22)는 GNSS 위성신호를 모의할 수 있는 GNSS 시뮬레이터(10)로부터의 GNSS 위성신호를 3개로 분기시킬 수 있다.

위상면모의기(20)의 결합기(24, 26, 28)는 각 신호발생기(SG1, SG2, SG3)의 출력신호와 GNSS 시뮬레이터(10)의 GNSS 위성신호를 결합하여 위상면모의기(20) 출력신호로서 배열안테나시스템(200)에게로 보낸다. 즉, 결합기(24)는 신호발생기(SG1)의 출력신호와 GNSS 위성신호를 결합하여 첫 번째 안테나 소자의 모의 출력신호를 생성하게 된다. 유사하게, 결합기(26)는 신호발생기(SG2)의 출력신호와 GNSS 위성신호를 결합하여 두 번째 안테나 소자의 모의 출력신호를 생성하게 된다. 결합기(28)는 신호발생기(SG3)의 출력신호와 GNSS 위성신호를 결합하여 세 번째 안테나 소자의 모의 출력신호를 생성하게 된다.

상기 세 개의 신호발생기(SG1, SG2, SG3)의 출력 신호간의 위상차는 모의하고자 하는 재밍신호(혹은 시험신호)의 도래방향에 상관된 위상차 관계를 만족하도록 설정된다.

다시 말해서, 위상면모의기(20)는 물리적인 안테나 없이 실험실 환경에서 사용 가능하도록 안테나 배열 구조에 따른 안테나 출력간 위상차 관계를 임의의 도래방향 설정에 따라 생성할 수 있다.

한편, 필요에 따라서는 GNSS 시뮬레이터(10)가 위상면모의기(20)에 포함되어도 무방하다.

외부제어기(30)는 위상면모의기(20) 및 배열안테나시스템(200)의 신호처리 모듈(70)의 동작을 순차적으로 제어한다. 또한, 외부제어기(30)는 재밍신호의 도래방향을 사용자로부터 입력받아 안테나 배열구조에 따른 안테나 출력간 위상차를 계산한다.

상기 외부제어기(30)에서 계산된 안테나 출력간 위상정보는 위상면모의기(20)에 전달되어 채널간 상대적 위상차를 생성하는데 사용된다.

한편, 시험대상인 배열안테나시스템(200)은 일반적으로 안테나 소자, RF 모듈(60), 신호처리 모듈(70)로 구성되지만, 본 발명의 실시 예에서는 주입시험을 위해 안테나 소자는 제외한 상태로 나타내었다.

RF 모듈(60)은 신호처리 모듈(70)에서 디지털 변환 후 신호처리할 수 있도록 위상면모의기(20)의 출력신호를 중간주파수로 변환하는 복수의 주파수 하향변환부(62, 64, 66), 및 신호처리 모듈(70)의 중간주파수 출력을 다시 GNSS 신호 주파수로 변환하는 하나의 상향변환부(68)를 포함한다.

신호처리 모듈(70)은 RF 모듈(60)의 출력인 다수의 중간주파수 신호를 각각 ADC를 통해 디지털 신호로 변환하고, 외부제어기(30)의 명령에 따라 탑재된 적응형 널링 알고리즘을 적용하여 3 채널 디지털 신호를 합산하거나 3 채널 중 하나를 바이패스하고 DAC를 통해 중간주파수의 아날로그 신호로 변환하는 역할을 한다.

도 2a에서, 신호측정기(40)는 스위치(80)를 통해 입력되는 신호처리 모듈(70)의 중간주파수 출력에 대한 신호세기를 측정한다. 위상면모의기(20)와 마찬가지로 신호세기 측정을 위한 신호측정기(40)는 스펙트럼 분석기로 범위를 제한하지 않는다.

도 2b는 상술한 도 2a의 구성과 동일하고, 차이점은 스위치(80)의 연결상태이다. 도 2a에서는 스위치(80)가 신호처리 모듈(70)과 신호측정기(40)를 연결하였으나, 도 2b에서는 스위치(80)가 신호처리 모듈(70)과 상향변환부(68)를 연결한다. 신호처리 모듈(70)의 중간주파수 출력 신호는 RF 모듈(60)의 상향변환부(68)를 거쳐 GNSS 수신기(50)에 입력되어 GNSS 위성 수신 상태를 측정할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 배열안테나 합성 수신패턴 측정방법을 설명하기 위한 흐름도를 나타낸다.

특정 재밍 상황에서의 성능 지표(널 깊이, 널 폭, 위성 차단율)를 평가하기 위해서는 다음과 같이 두 개의 수신패턴을 확보할 필요가 있다.

① 특정 재밍 상황에서의 적응형 배열안테나 합성 수신패턴

② 재밍이 없는 상황에서의 단일 안테나 수신패턴(등방형 패턴)

먼저, 설정된 재밍상황에서의 적응형 배열안테나 합성 수신패턴 획득 과정을 설명한다. 설정된 재밍상황(S10에서 "Yes")에서 외부제어기(30)는 도 1의 X 표시와 같이 사용자가 입력한 재밍신호 도래방향(phi_J, theta_J)에 대한 배열안테나의 안테나 출력간 이득 및 위상 관계를 계산하여 위상면모의기(20)의 출력을 설정한다 (S12).

신호처리 모듈(70)은 상기 재밍상황에 대해 적응형 널링 알고리즘을 적용하여 가중치 벡터를 계산하게 되고, 외부제어기(30)는 신호처리 모듈(70)을 제어하여 상기 계산값으로 가중치 벡터를 고정한다(S14).

여기서 가중치 벡터를 고정하는 이유는 다음과 같다. 일반적으로 적응형 널링 알고리즘에서 생성되는 가중치 벡터는 재밍신호의 세기, 도래 방향, 특성 등에 따라 적응하여 달라진다. 특정 재밍 상황에 대해 적응형 알고리즘이 적용되면 신호처리 모듈(70)은 그 재밍신호에 대해서 재밍신호 세기를 감소시키도록 가중치 벡터를 계산하게 된다. 외부제어기(30)가 신호처리 모듈(70)에게 가중치 벡터를 고정하라는 지시를 내리지 않으면 각각의 시험신호에 대해서도 적응형 널링 알고리즘이 계속 적용되어 각 시험신호마다 가중치 벡터가 계산된다.

본 발명은 특정 재밍신호 상황에서 특정 재밍신호를 감소시키는 알고리즘이 적용되었을 때의 안테나 수신패턴을 측정하기 위한 것이므로, 재밍신호 뿐만 아니라 시험신호에 대해서도 가중치 벡터를 계산하면 안테나 수신패턴을 얻을 수가 없다.

따라서, 안테나 수신패턴을 구하기 위해서는 재밍신호 도래방향에 대한 가중치 벡터를 구하고, 이 후 격자의 각 방향을 나타내는 시험신호 도래방향에 대한 가중치 벡터는 앞서 구한 값으로 고정한 후 시험신호를 시스템에 주입하여 출력을 측정해야 한다.

외부제어기(30)는 신호처리 모듈(70)에 사용자가 설정한 재밍신호의 도래방향 정보(예를 들어 m, n 값 등)를 알려주지는 않는다. 다만, 외부제어기(30)는 적응형 널링 알고리즘 적용에 대한 지시만을 신호처리 모듈(70)로 전달한다.

이 후, 외부제어기(30)는 방위각(phi_m)과 고각(theta_n)으로 정의된 시험신호 도래방향(m=1, n=1)에 대한 위상면모의기(20)의 출력을 설정하고(S16), 신호측정기(40)는 상기 S14에서 결정된 가중치벡터가 적용된 합성신호(즉, 신호처리 모듈(70)에서 가중치 벡터가 적용된 세 개의 신호를 합성한 신호)의 세기를 측정하고(S18), 외부제어기(30)는 측정세기를 해당 격자의 영역에 기록한다(S20).

이후 외부제어기(30)에 설정된 모든 시험신호 도래방향(1≤m≤M, 1≤n≤N)에 대해 상기의 과정이 수행되었는지를 판단한다(S22).

설정된 모든 시험신호 도래방향(1≤m≤M, 1≤n≤N)에 대해 상기의 과정이 수행되지 않은 경우에는 외부제어기(30)에 설정된 모든 시험신호 도래방향(1≤m≤M, 1≤n≤N)에 대해 상기 과정을 반복 수행하면(S24), 본 발명에서 제안하는 특정 재밍 상황에서의 배열안테나의 합성 수신패턴이 완성된다.

다음으로, 재밍이 없는 상황에서 단일 안테나 수신패턴을 획득하는 과정을 설명한다.

재밍이 없는 상황에서 외부제어기(30)는 신호처리 모듈(70)이 적응형 널링 알고리즘을 수행하지 않도록 제어한다(S26).

그리고, 외부제어기(30)는 신호처리 모듈(70)에 입력되는 다수의 신호 중 하나를 임의로 선택하여 바이패스 처리하도록 제어한다(S28).

이후, 상기 S24 과정을 수행하면 배열안테나 소자 중 하나에 대한 수신패턴을 얻을 수 있다.

적응형 널링 알고리즘이 적용되지 않은 상황에서 다수의 안테나 소자 각각의 출력특성은 거의 동일하다. 외부제어기(30)는 이 수신패턴과 앞서 획득한 합성 수신패턴의 비교를 통해 배열안테나시스템의 널 깊이, 널 폭, 위성차단율을 측정할 수 있다. 물론, 필요에 따라서는 외부제어기(30) 대신 사용자가 직접 특정 재밍 상황에서의 적응형 배열안테나 합성 수신패턴과 재밍이 없는 상황에서의 단일 안테나 수신패턴을 비교하여 배열안테나시스템의 널 깊이, 널 폭, 위성차단율을 구할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 측정된 특정 재밍 상황에서의 적응형 배열안테나 합성 수신패턴을 그레이 스케일(gray scale)과 함께 나타내었다. 어둡게 표시된 부분은 신호가 크게 들어오는 방향이며, 밝게 표시된 부분은 신호가 작게 들어오는 방향을 나타낸다. 따라서, 도 1에서 X로 표시한 재밍신호 도래방향으로 널이 형성되어 재밍신호를 감소시키는 것을 알 수 있다.

한편, 본 발명에서는 도 3의 측정방법 흐름도에 따라 상기 특정 재밍 상황에서의 배열안테나 합성 수신패턴과 재밍이 없는 상황에서의 단일 안테나 수신패턴을 확보하게 된다. 널 깊이, 널 폭, 위성차단율 성능 지표는 이 2개의 수신패턴을 비교하여 평가할 수 있다.

예를 들어, 널 깊이는 2개의 수신패턴을 비교하여 재밍이 없는 상황 대비 특정 재밍 상황에서 재밍신호 도래방향에서의 신호 세기 감소량으로 널 깊이를 측정(평가)할 수 있다.

한편 GNSS 수신기(50) 입장에서는 재밍상황이 발생하여 재밍방향으로 널이 형성되어 재밍신호의 세기를 감소시키더라도 널 주변의 수신패턴이 넓게 움푹한 모양으로 형성되면 그 쪽 방향의 GPS 위성신호를 수신하는 데 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 널 폭은 재밍 상황에서의 합성 수신패턴에서 널(Null)이 생성된 부근에서 임계치 이상의 이득에 해당하는 빔폭 각도를 측정하면 된다.

한편, 위성 차단율의 경우, GNSS 위성이 위치하는 반구 상에서 상기 측정된 널 폭에 포함되는 위성 개수를 평균 계산하여 평가한다. 즉, 재밍이 없는 경우의 반구상에서 보이던 전체 위성 개수와, 재밍이 있는 경우 널이 형성되어 위성신호를 수신할 수 없는 반구상의 특정 부분의 면적에 상응하는 위성 개수를 계산하게 되면 위성 차단율을 평가할 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 적응형 배열안테나 합성 수신패턴 측정장치(100)와 신호처리 모듈(70)과의 연결 구성도이다.

위상면모의기(20)는 신호처리 모듈(70)에서 디지털 변환 가능한 중간주파수도 출력할 수 있다. 따라서 주파수 하향변환부 없이 신호처리 모듈(70) 단독의 주입시험을 통해 합성 수신패턴을 확보할 수 있고, 이를 통해 신호처리 모듈(70)에 대한 세 가지 성능 지표(널 깊이, 널 폭, 위성차단율)를 측정할 수 있다.

도 5의 구성도에 RF 모듈(60)을 추가하면 도 2a의 구성과 동일하며, 도 2a, 도 5의 구성에서 각각 측정한 합성 수신패턴을 비교하면 RF 모듈(60)만의 성능 지표를 추론할 수 있다.

또한, 배열안테나의 안테나 소자 특성(이득, 위상)을 전자파 시뮬레이션이나 실제 측정을 통해 확보하고 이를 위상면모의기(20) 설정정보에 반영하여 도 2a의 시험구성에서 측정하면 전체 시스템(안테나 소자, RF 모듈, 신호처리 모듈) 성능지표를 얻을 수 있고 이로부터 배열안테나만의 성능지표를 추론할 수 있다.

따라서 배열안테나시스템 각 구성요소 단계 별로 시험대상을 변경 및 측정하면 각각의 구성요소의 특성이 시스템 전체의 성능 지표에 미치는 영향을 분석할 수 있다.

이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적의 실시 예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

10 : GNSS 시뮬레이터 20 : 위상면모의기
22 : 분배기 24, 26, 28 : 결합기
30 : 외부제어기 40 : 신호측정기
50 : GNSS 수신기 60 : RF 모듈
62, 64, 66 : 하향변환부 68 : 상향변환부
70 : 신호처리 모듈
100 : 적응형 배열안테나 합성 수신패턴 측정장치
200 : 배열안테나시스템

Claims (12)

1. 외부제어기가, 신호측정기와 연계하여 설정된 재밍 상황에서의 적응형 배열안테나 합성 수신패턴을 확보하는 단계;
   상기 외부제어기가, 상기 신호측정기와 연계하여 재밍이 없는 상황에서의 단일 안테나 수신패턴을 확보하는 단계; 및
   상기 외부제어기가, 재밍 유무에 따라 획득한 상기 2개의 안테나 수신패턴을 비교하여 적응형 배열안테나시스템의 재밍 상황에 대한 널 깊이, 널 폭, 위성 차단율을 측정하는 단계;를 포함하고,
   상기 널 깊이, 널 폭, 위성 차단율을 측정하는 단계를 통해 배열안테나시스템의 각 구성요소 별로 상기 널 깊이, 널 폭, 위성 차단율을 평가하는 것을 특징으로 하는 적응형 배열안테나의 합성 수신패턴 측정 방법.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 적응형 배열안테나 합성 수신패턴을 확보하는 단계는,
   상기 설정된 재밍 상황에서 재밍신호 및 복수의 시험신호 각각에 대해 계산한 안테나 출력간 위상차의 값을 위상면모의기로 전달하여 상기 재밍신호 및 시험신호의 도래방향에 대한 상기 위상면 모의기의 출력을 설정하는 단계;
   상기 설정된 재밍신호 상황에서의 가중치 벡터를 구하도록 신호처리 모듈을 제어하고, 이후의 모든 시험신호에 대한 가중치 벡터를 상기 신호처리 모듈에서 구한 값으로 고정하는 단계;
   상기 고정된 가중치 벡터가 적용된 상기 신호처리 모듈에서의 합성신호의 세기를 측정하는 단계; 및
   상기 측정한 합성신호의 세기를, 수신 안테나를 기준으로 지구 반구 표면을 방위각, 고각에 따라 다수의 격자로 구획한 2차원 평면 중에서 해당 격자의 영역에 기록하여 상기 적응형 배열안테나 합성 수신패턴을 확보하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 적응형 배열안테나의 합성 수신패턴 측정 방법.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 단일 안테나 수신패턴을 확보하는 단계는,
   상기 재밍이 없는 상황에서 적응형 널링 알고리즘이 비활성된 신호처리 모듈에서 바이패스되는 안테나 출력 중 하나를 측정하는 단계; 및
   상기 재밍이 없는 상황에서의 상기 측정세기를 수신 안테나를 기준으로 지구 반구 표면을 방위각, 고각에 따라 다수의 격자로 구획한 2차원 평면 중에서 해당 격자의 영역에 기록하여 상기 단일 안테나 수신패턴을 확보하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 적응형 배열안테나의 합성 수신패턴 측정 방법.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 널 깊이, 널 폭, 위성 차단율을 측정하는 단계는,
   상기 재밍이 없는 경우의 안테나 수신패턴 대비 재밍이 있는 경우의 안테나 수신패턴에서 재밍신호 도래방향에서의 신호 세기 감소량으로 상기 널 깊이를 측정하는 것을 특징으로 하는 적응형 배열안테나의 합성 수신패턴 측정 방법.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 널 깊이, 널 폭, 위성 차단율을 측정하는 단계는,
   상기 널이 생성된 부근에서 임계치 이상의 이득에 해당하는 빔폭 각도로 상기 널 폭을 측정하는 것을 특징으로 하는 적응형 배열안테나의 합성 수신패턴 측정 방법.
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 널 깊이, 널 폭, 위성 차단율을 측정하는 단계는,
   GNSS 위성이 위치하는 반구 상에서 상기 널 폭에 포함되는 위성 개수의 평균을 계산하여 상기 위성 차단율을 평가하는 것을 특징으로 하는 적응형 배열안테나의 합성 수신패턴 측정 방법.
7. 삭제
8. 배열안테나시스템의 안테나 배열구조에 따른 안테나의 출력간 신호의 위상차를 이용하여 재밍신호 및 시험신호의 도래방향을 모의하고 상기 위상차 신호와 GNSS 위성 신호가 혼합된 복수의 신호를 출력하는 위상면모의기;
   상기 재밍신호의 도래방향을 입력받아 상기 안테나 배열구조에 따른 안테나 출력간 위상차를 계산하여 상기 위상면모의기에게로 보내는 외부제어기;
   상기 GNSS 위성 신호를 모의하는 GNSS 시뮬레이터;
   상기 배열안테나시스템 출력을 측정하는 신호측정기; 및
   상기 GNSS 위성 신호의 수신상태를 확인하는 GNSS 수신기;를 포함하고,
   상기 외부제어기는 상기 신호측정기와 연계하여 설정된 재밍 상황에서의 적응형 배열안테나 합성 수신패턴 및 재밍이 없는 상황에서의 단일 안테나 수신패턴을 확보하고, 상기 2개의 안테나 수신패턴을 비교하여 적응형 배열안테나시스템의 재밍 상황에 대한 널 깊이, 널 폭, 위성 차단율을 측정하는 것을 특징으로 하는 적응형 배열안테나의 합성 수신패턴 측정 장치.
9. 청구항 8에 있어서,
   상기 위상면모의기는 GNSS 주파수 대역뿐 아니라 디지털 신호 처리를 위한 중간주파수 신호도 발생하는 것을 특징으로 하는 적응형 배열안테나의 합성 수신패턴 측정 장치.
10. 청구항 8에 있어서,
    상기 외부제어기는, 상기 위상면모의기에 각 배열안테나의 실제 측정 이득과 위상을 반영하여 안테나 소자, RF 모듈, 신호처리 모듈이 조합된 전체시스템의 성능을 측정할 수 있는 것을 특징으로 하는 적응형 배열안테나의 합성 수신패턴 측정 장치.
11. 청구항 8에 있어서,
    상기 외부제어기는 상기 설정된 재밍상황에서 상기 재밍신호의 도래방향에 대해 계산된 가중치 벡터를 모든 시험신호에 대한 가중치 벡터로 고정하는 것을 특징으로 하는 적응형 배열안테나의 합성 수신패턴 측정 장치.
12. 청구항 8에 있어서,
    상기 외부제어기는 상기 재밍이 없는 상황에서 배열안테나시스템의 신호처리 모듈이 적응형 널링 알고리즘을 적용하지 않고 안테나 출력 중 하나를 바이패스하게 하는 것을 특징으로 하는 적응형 배열안테나의 합성 수신패턴 측정 장치.

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