KR101691868B1

KR101691868B1 - 간섭제거 시간 단축 타입 배열안테나

Info

Publication number: KR101691868B1
Application number: KR1020150113936A
Authority: KR
Inventors: 서승모
Original assignee: 국방과학연구소
Priority date: 2015-08-12
Filing date: 2015-08-12
Publication date: 2017-01-02

Abstract

본 발명의 간섭제거 시간 단축 타입 배열안테나는 배열형상의 중앙에 위치되어 수직높이를 갖는 1개의 기준안테나(1)가 중심인 배열반경으로 원형을 이루는 9개의 보조안테나(10-1,...,10-9)로 수직형 배열안테나로 구성됨으로써 이동환경에서 간섭 입사방향의 빠른 변화에 의한 수신기 SINR 성능저감 현상을 개선하고, 특히 중앙의 기준 안테나(1)의 수직높이와 보조안테나(10-1,...,10-9)의 배열반경 조절로 undesired pattern null 생성억제와 개선된 null 조향시간으로 간섭제거 성능도 함께 향상시켜주는 특징을 갖는다.

Description

간섭제거 시간 단축 타입 배열안테나{Interference Cancellation Time Reduction type Array Pattern Antenna}

본 발명은 배열안테나에 관한 것으로, 특히 안테나 배열 형상을 이용한 null 조향 속도 개선으로 간섭제거 시간 단축이 이루어지는 배열안테나에 관한 것이다.

일반적으로 위성항법시스템은 지구로부터 2만 km 상공으로부터 송신되는 위성신호를 수신기로 수신함으로써 실시간 위치 및 시간 정보의 예측에 이용된다.

특히, 위성항법시스템은 휴대용 모바일 기기의 실시간 위치 및 시간 예측에 이용됨으로써 수신기의 SINR(Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio)성능 중요성이 크게 요구되고 있다. 이러한 이유는 다중경로에 의한 간섭의 영향을 받은 수신기는 SINR 성능이 저감됨으로써 실시간 위치 및 시간 예측을 어렵게 하기 때문이다.

이로 인하여 수신기는 SINR 성능저감을 해소하도록 배열안테나로 구현되고, 특히 배열안테나에 다양한 기술을 접목하고 있다.

일례로, 배열안테나를 CRPA(Controlled Reception Pattern Antenna)로 구현하고, STAP(Space-Time Adaptive Processing)알고리즘을 연동한 CRPA 배열안테나의 설계 기술을 예로 들 수 있다. CRPA 배열안테나와 STAP알고리즘의 연동으로 배열패턴의 null 방향을 간섭원 입사 방향으로 조향함으로써 간섭영향을 최소화 할 수 있다.

국내특허공개공보 10-2014-0134452(2014.11.24)

하지만, STAP알고리즘과 연동된 CRPA 배열안테나는 휴대용 모바일 기기와 같이 이동하는 물체에 장착될 경우 수시로 빠르게 변화하는 간섭 입사방향에 의해 null 조향 속도가 간섭의 입사방향 변화를 따라가지 못하고, 이는 간섭제거 성능의 급격한 저하를 가져올 수밖에 없다.

이로 인해, CRPA 배열안테나 기술 분야에서는 null 조향 속도의 개선을 위한 빠른 null 조향 알고리즘 개발 혹은 개별소자 복사특성 개선을 통한 수신기의 SINR 특성을 개선하는 기술 개발 등이 이루어지고 있다.

이에 상기와 같은 점을 감안한 본 발명은 수직하게 설치된 기준안테나를 원형으로 둘러싼 보조안테나의 최적 배열형상을 적용함으로써 이동환경에서 간섭 입사방향의 빠른 변화에 의한 수신기 SINR 성능저감 현상을 개선하고, 특히 중앙의 기준 안테나의 수직높이와 보조안테나의 배열반경 조절로 undesired pattern null 생성억제와 개선된 null 조향시간으로 간섭제거 성능도 함께 향상시킨 간섭제거 시간 단축 타입 배열안테나를 제공하는데 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 간섭제거 시간 단축 타입 배열안테나는 평면상에서 수직하게 세워진 수직높이를 갖고, 배열형상의 중앙에 위치되는 기준안테나; 복수개로 구성되고, 상기 기준안테나가 중심인 배열반경으로 평면상에서 원형을 이루어 상기 기준안테나를 둘러싼 보조안테나; 를 포함한 것을 특징으로 한다.

바람직한 실시예로서, 상기 기준안테나와 상기 보조안테나는 적응형 LMS(Least Mean Square) 알고리즘과 결합하는 GPS안테나이다. 상기 기준안테나는 1개로 구성되고, 상기 보조안테나는 40도 각도의 동일간격으로 배열된 9개로 구성된다. 상기 기준안테나는 간섭제거시간 향상과 undesired pattern null 생성 억제를 위해 수직높이가 조절된다. 상기 보조안테나는 간섭제거시간 향상을 위해 배열반경이 조절된다.

이러한 본 발명의 CRPA 배열안테나는 최적 배열형상을 이용한 간섭제거 성능 향상기법이 적용됨으로써 중앙 기준안테나의 장착높이의 조절이 이루어지고, 이를 통해 간섭제거 시간 및 undesired pattern null의 생성을 억제함으로써 CRPA 배열안테나의 간섭제거 성능의 개선이 이루어지는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 간섭제거 시간 단축 타입 배열안테나 시스템의 구성이고, 도 2는 본 발명에 따른 LMS 간섭제거 알고리즘에 의한 간섭방향 이득 변화의 선도이며, 도 3은 본 발명에 따른 배열반경에 따른 성능 변화가 간섭제거 시간대 배열반경로 나타낸 예이고, 도 4는 본 발명에 따른 배열반경에 따른 성능 변화가 Undesired pattern null 이득대 배열반경으로 나타낸 예이며, 도 5는 본 발명에 따른 간섭제거 배열 방사패턴의 중앙 기준안테나 장착높이에 따른 성능 변화를 나타낸 예이고, 도 6은 본 발명에 따른 간섭제거 배열 방사패턴의 예이며, 도 7은 본 발명에 따른 간섭제거 배열 방사패턴과 대비되는 평면 10소자 균일 원형배열형상의 간섭제거 배열 방사패턴의 예이다.

이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1은 본 발명에 따른 간섭제거 시간 단축 타입 배열안테나의 구성을 나타낸다.

도시된 바와 같이, 배열안테나는 1개의 기준안테나(1), 상기 기준안테나(1)를 원형으로 둘러싼 N개(N은 1이상의 정수)의 보조안테나로 구성되고, 상기 N개의 보조안테나는 제1,..,제9 보조안테나(10-1,...,10-9)로 이루어진다. 그러므로, 상기 배열안테나는 기준안테나(1)와 제1,..,제9 보조안테나(10-1,...,10-9)가 적응형 LMS(Least Mean Square) 알고리즘과 결합하는 GPS안테나이고, 1개의 기준안테나(1)를 중심에 수직하게 세운 상태에서 9개의 제1,..,제9 보조안테나(10-1,...,10-9)가 평면상에서 원형으로 배열된 CRPA(Controlled Reception Pattern Antenna)이다. 이하, 상기 배열안테나는 수직형 배열안테나로 정의한다.

구체적으로, 상기 수직형 배열안테나는 기준안테나(1)와 제1,..,제9 보조안테나(10-1,...,10-9)의 배열형상은 r,h,φ _n 을 설계변수로 하여 결정된다. 여기서, r은 배열의 반경으로 mm단위이고, h는 중앙의 기준안테나 높이로 mm단위이며, φ _n 는 보조안테나의 위치로 deg 단위이다. 또한, 배열안테나의 SNR(Signal Noise Ratio)(또는 SINR)특성이 위성이 undesired pattern null 방향에 위치할 경우 저감되어 위성항법 시스템의 정확도를 크게 낮추므로 undesired pattern null은 특정한 값으로 제한한다.

일례로, 상기 수직높이 h와 상기 배열반경 r은 조절될 수 있고, 이를 위해 상기 기준안테나(1)와 상기 제1,..,제9 보조안테나(10-1,...,10-9)의 각각은 설치되는 부재에 탈장착되는 통상의 구조를 가지며 높이 조절을 위한 텔레스코픽 구조를 적용할 수 있다.

일례로, 상기 제1,..,제9 보조안테나(10-1,...,10-9)의 큰 배열반경 r은 간섭제거 시간을 줄이기 위해 조절된다. 그리고, 상기 기준안테나(1)의 높이 h는 상기 제1,..,제9 보조안테나(10-1,...,10-9)의 큰 배열반경 r에서 필연적으로 발생하는 undesired pattern null을 억제하기 위해 조절된다. 이때, undesired pattern null은 고도각 15ㅀ 이상의 배열패턴(0° < θ < 75°)에 발생하는 -20 dBic 이하의 배열이득으로 정의된다.

이하, 1개의 기준안테나(1)가 일정한 높이로 수직하게 솟아있고, 9개의 제1,..,제9 보조안테나(10-1,...,10-9)가 기준안테나(1)를 원형으로 둘러싼 배열형성을 갖는 수직형 배열안테나에 대한 실시예를 예시한다.

변수	r	h	φ ₁	φ ₂	φ ₃	φ ₄	φ ₅	φ ₆	φ ₇	φ ₈	φ ₉
값	153.7 mm	55.9 mm	0°	40°	80°	120°	160°	200°	240°	280°	320°

상기 표1은 설계변수들이 특정한 값으로 적용되어 수직형 배열안테나로 구성된 예를 나타낸다.

일례로, 상기 수직형 배열안테나는 기준안테나(1)의 높이 h는 55.9 mm이고, 기준안테나(1)를 중심으로 한 제1,..,제9 보조안테나(10-1,...,10-9)의 배열 반경 r은 153.7 mm이며, 제1 보조안테나(10-1)의 φ ₁ 은 0°, 제2 보조안테나(10-2)의 φ ₂ 는 40°, 제3 보조안테나(10-3)의 φ ₃ 은 80°, 제4 보조안테나(10-4)의 φ ₄ 는 120°, 제5 보조안테나(10-5)의 φ ₅ 는 160°, 제6 보조안테나(10-6)의 φ ₆ 은 200°,제7 보조안테나(10-7)의 φ ₇ 은 240°, 제8 보조안테나(10-8)의 φ ₈ 은 280°,제9 보조안테나(10-9)의 φ ₉ 는 320°이다.

상기 수직형 배열안테나의 특징은 도 2내지 도 7을 통해 예시된다.

도 2는 상기 수직형 배열안테나가 보여주는 시간에 따른 간섭방향 이득의 변화를 나타낸다.. 일반적인 LMS(LEAST MEAN SQUARE) 알고리즘을 이용하여 업데이트되는 배열 weight들에 의해 생성되는 배열패턴에서 간섭방향으로의 이득을 도식화하였으며, 제시된 배열형상의 성능평가를 위해 동일 배열크기를 가지는 평면 10소자 균일 원형배열의 성능과 비교하였다. 본 비교를 통해 기준안테나를 원형배열과 함께 배치시키는 것보다 중앙에 독립적으로 배치시키는 것이 간섭제거 시간의 단축에 유리함을 알 수 있다. 일례로, 7번의 업데이트 iteration이 이루어 진 후 상기 수직형 배열안테나 배열형상의 간섭방향이득이 평면형 배열구조에 비해 약 15.5 dB 낮게 형성됨을 알 수 있다. 결과적으로 상기 수직형 배열안테나는 위성항법시스템이 간섭전력을 15.5 dB 더 낮게 유지할 수 있도록 하므로 높은 정확도를 유지하는 데 유리하다.

도 3과 도 4는 배열안테나가 각각 배열반경에 따른 간섭제거 시간과 undesired pattern null 이득의 변화를 나타낸다. 중앙안테나가 55.9 mm에 장착된 수직형 배열안테나 배열형상과 중앙안테나를 보조안테나와 동일한 평면에 장착한 평면형 배열형상의 성능을 비교하였으며, 두 배열형상 모두 반경이 8 cm, 16 cm일 때 최소 간섭제거 시간을 알 수 있다. 결과적으로, 평면형 배열구조의 경우 8 cm 배열반경에서 -62 dBic의 undesired pattern null을 가지므로 16 cm가 최적 배열반경임을 알 수 있다.

도 5는 상기 수직형 배열안테나가 중앙에 위치된 기준안테나(1)의 장착높이 h에 따른 간섭제거 시간 변화 및 undesired pattern null 이득의 성능변화를 나타낸다. 상기 수직형 배열안테나는 중앙에 위치된 기준안테나(1)의 장착높이 h가 높게 장착될수록 간섭제거 시간은 줄어드는 경향을 보이지만 undesired pattern null들이 깊게 형성됨을 알 수 있다. 결과적으로, 상기 수직형 배열안테나는 중앙에 위치된 기준안테나(1)의 장착높이 h를 조절함으로써 빠른 간섭제거와 높은 위성방향 이득의 유지가 가능함을 알 수 있다.

도 6은 간섭 전력이 방위각 (φ) 150°, 고도각 (θ) 5°로부터 입사할 경우 상기 수직형 배열안테나가 생성하는 배열 방사패턴이고, 도 7은 간섭 전력이 방위각 (φ) 150°, 고도각 (θ) 5°로부터 입사할 경우 비교대상인 평면형 배열안테나가 생성하는 배열패턴을 각각 나타낸다. 도 5 및 도 7을 참조하면, 상기 수직형 배열안테나의 경우 빠르게 간섭신호를 제거할 뿐만 아니라 간섭원이 입사하는 방향으로 깊고 좁은 null을 생성한다. 반면, 평면형 배열의 경우, 위성신호가 입사할 경우 위성항법 시스템의 정확도가 크게 저감되는 약 30ㅀ 주변에 undesired pattern null이 생성된다.

전술된 바와 같이, 본 실시예에 따른 간섭제거 시간 단축 타입 배열안테나는 배열형상의 중앙에 위치되어 수직높이를 갖는 1개의 기준안테나(1)가 중심인 배열반경으로 원형을 이루는 9개의 보조안테나(10-1,...,10-9)로 수직형 배열안테나로 구성됨으로써 이동환경에서 간섭 입사방향의 빠른 변화에 의한 수신기 SINR 성능저감 현상을 개선하고, 특히 중앙의 기준 안테나(1)의 수직높이와 보조안테나(10-1,...,10-9)의 배열반경 조절로 undesired pattern null 생성억제와 개선된 null 조향시간으로 간섭제거 성능도 함께 향상시켜준다.

1 : 기준안테나
10-1,...,10-9 : 제1,..,제9 보조안테나

Claims

평면상에서 수직하게 세워진 수직높이를 갖고, 배열형상의 중앙에 위치되는 1개의 기준안테나;
상기 기준안테나가 중심인 배열반경으로 평면상에서 원형을 이루어 상기 기준안테나를 둘러싼 9개의 제1 내지 제 9 보조안테나;를 포함하고,
상기 기준안테나와 상기 제1 내지 제9 보조안테나의 배열형상은 보조안테나 배열 반경 r, 기준안테나 높이 h, 제1 내지 제9 보조안테나 위치φ_{1,2,3,4,5,6,7,8,9} 을 설계변수로 하고;
상기 h는 55.9 mm이고, 상기 r은 153.7 mm이며, 상기 φ₁ 은 0°, 상기 φ₂ 는 40°, 상기 φ₃ 은 80°, 상기 φ₄ 는 120°, 상기 φ₅ 는 160°, 상기 φ₆ 은 200°, 상기 φ₇ 은 240°, 상기 φ₈ 은 280°, 상기 φ₉ 는 320°로 하여 수직형 배열안테나로 구성된
것을 특징으로 하는 간섭제거 시간 단축 타입 배열안테나.
청구항 1에 있어서, 상기 기준안테나와 상기 제1 내지 제 9 보조안테나는 적응형 LMS(Least Mean Square) 알고리즘과 결합하는 GPS안테나인 것을 특징으로 하는 간섭제거 시간 단축 타입 배열안테나.
삭제
청구항 1에 있어서, 상기 기준안테나는 간섭제거시간을 향상하도록 상기 수직높이가 조절되는 것을 특징으로 하는 간섭제거 시간 단축 타입 배열안테나.
청구항 1에 있어서, 상기 기준안테나는 undesired pattern null 생성을 억제하도록 상기 수직높이가 조절되는 것을 특징으로 하는 간섭제거 시간 단축 타입 배열안테나.
청구항 1에 있어서, 상기 제1 내지 제 9 보조안테나는 간섭제거시간을 향상하도록 상기 배열반경이 조절되는 것을 특징으로 하는 간섭제거 시간 단축 타입 배열안테나.
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