KR101776518B1

KR101776518B1 - Crpa 배열안테나의 구조

Info

Publication number: KR101776518B1
Application number: KR1020160095382A
Authority: KR
Inventors: 서승모
Original assignee: 국방과학연구소
Priority date: 2016-07-27
Filing date: 2016-07-27
Publication date: 2017-09-07

Abstract

본 발명은 STAP(Space Time Adaptive Processing) 기반의 LMS (Least Mean Square) 알고리즘을 이용하여 GPS 위성신호를 수신하기 위한 복수의 안테나가 한정된 장착 공간 상에 배열되되, 상기 복수의 안테나의 유전율이 상이한 것을 특징으로 하는 CRPA 배열안테나의 구조로서, 본 발명에 의하면, 한정된 안테나 장착공간 상에서 안테나의 배열 구조를 개선하여 CRPA 배열안테나의 성능을 향상시켜 수신감도를 개선하는 것이 가능하다.

Description

CRPA 배열안테나의 구조{ARRANGEMENT OF CONTROLLED RECEPTION PATTERN ANTENNA}

본 발명은 CRPA 배열안테나에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 CRPA 배열안테나의 성능 향상을 위한 구조에 관한 것이다.

세계적으로 사용자의 정확한 위치를 제공하는 GPS(Global Positioning System)은 우리 생활에 보편화되었다.

GPS는 휴대폰, 차량, 해양, 항공, 군무기 체계 등 우리 생활에 없어서는 안 될 중요한 기술로 자리를 잡았다.

GPS 신호는 지상에서 20,000km 이상 떨어진 곳에서 신호를 보내기 때문에 세기가 매우 약하여 항상 이용자 수신기의 열잡음(thermal noise) 아래 존재한다.

그로 인해 다중경로(multi-path) 환경이나 의도적인 재밍(jamming) 신호에 의해 쉽게 방해를 받는다.

따라서, 수신기의 수신감도(CNOR, Carrier-to-Noise-Ratio)를 확보하는 것은 매우 중요하다.

이를 해결하기 위한 방법으로 CRPA 배열안테나를 이용한 STAP(Space-Time Adaptive Processing) 기반의 LMS(Least Mean Square) 알고리즘이 사용되어 배열패턴의 널(Null) 형성을 이용하여 주파수 영역에서 간섭신호를 최소화하는 연구가 이루어지고 있다.

도 1은 그러한 방법을 이용하기 위한 종래의 CRPA 배열안테나의 일 예로서, 안테나의 장착 공간 상에 동일한 소자의 안테나(1)가 등간격으로 원형 상에 배열된 것이다.

그러나, 이 같은 구조는 수신감도 및 항재밍 성능의 개선을 가져오지만 여전히 구조적인 한계를 가지고 있으며, 배열 안테나의 장착 공간이 한정된 상황에서 수신감도 및 항재밍 성능을 보다 개선시키는 것에는 한계가 있었다.

이상의 배경기술에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 돕기 위한 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명은 한정된 안테나 장착공간 상에서 안테나의 배열 구조를 개선하여 CRPA 배열안테나의 성능을 향상시켜 수신감도를 개선하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 관점에 의한 CRPA 배열안테나의 구조는, STAP(Space Time Adaptive Processing) 기반의 LMS (Least Mean Square) 알고리즘을 이용하여 GPS 위성신호를 수신하기 위한 복수의 안테나가 한정된 장착 공간 상에 배열되되, 상기 복수의 안테나의 유전율이 상이한 것을 특징으로 한다.

상기 복수의 안테나는 하나의 기준 안테나를 포함하고, 상기 기준 안테나의 유전율과 상기 기준 안테나 이외의 보조 안테나의 유전율이 상이한 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 기준 안테나의 유전율이 상기 보조 안테나의 유전율보다 작은 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 기준 안테나와 상기 보조 안테나의 크기가 상이한 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 기준 안테나의 크기가 상기 보조 안테나의 크기보다 큰 것을 특징으로 한다.

이러한 상기 기준 안테나는 원형의 상기 장착 공간의 중앙에 배열되고, 상기 보조 안테나는 상기 장착 공간 상에 등간격으로 배열되는 것을 또한 특징으로 한다.

본 발명의 CRPA 배열안테나의 구조는 기준 안테나와 보조 안테나 간에 유전율이 상이하고, 크기가 상이하며, 배열 방법도 달리하는 것에 의해서 수신감도와 항재밍 성능이 개선될 수 있음을 알 수 있다.

도 1은 종래의 CRPA 배열안테나의 구조를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 CRPA 배열안테나의 구조를 개략적으로 도시한 것이다.
도 3 및 도 4는 종래의 CRPA 배열안테나와 본 발명의 일 실시예에 의한 CRPA 배열안테나의 간섭제거 스펙트럼을 비교한 결과이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 CRPA 배열안테나에서 기준 안테나의 이득을 비교한 결과이다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지의 기술이나 반복적인 설명은 그 설명을 줄이거나 생략하기로 한다.

도 1은 종래의 CRPA 배열안테나의 구조를 개략적으로 도시한 것이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 CRPA 배열안테나의 구조를 개략적으로 도시한 것이다.

본 발명의 일 실시예에 의한 CRPA(Controlled Reception Pattern Antenna) 배열안테나의 구조는 STAP(Space Time Adaptive Processing) 기반의 LMS (Least Mean Square) 알고리즘을 이용하여 GPS 위성신호를 수신하기 위한 배열안테나를 제한된 장착 공간 상에 배열 구성하는 것이고, 이에 의해 기존에 수신감도에 한계를 벗어나 보다 개선된 수신감도와 항재밍 성능을 발휘할 수 있도록 구성된 것이다.

이를 위해 장착 공간(A) 상에 동질의 안테나를 복수로 배치하는 대신 하나의 기준 안테나(10)와 다수의 보조 안테나(20)를 이질적으로 구성하고, 이를 배치하여 성능 개선을 시도한 것이다.

도시와 같이 5개의 안테나 배열을 그 예로 들었으며, 그에 따라 원형의 장착 공간(A) 상에 하나의 기준 안테나(10)가 중앙에 배열되고, 4개의 보조 안테나(20)가 기준 안테나(10)를 둘러싸는 형태로 원주를 따라 배열된다.

이러한 배열 형상은 보조 안테나의 위치(Φ_n), 배열의 반경 (r) 및 유전율(ε_r)에 의해 결정된다.

표 1은 이러한 기준 안테나와 보조 안테나 및 그 배열의 설계 예시를 나타낸 것이다.

변수	r	기준안테나		보조안테나		Φ₁	Φ₂	Φ₃
값	3inch	유전율 (ε_r)	크기 (mm²)	유전율 (ε_r)	크기 (mm²)
		10	50×50	30	30×30	90°	180°	270°

표1의 예시와 같이 본 발명의 일 실시예에서는 제한된 3인치의 배열 반경을 가지고, 중앙에 기준 안테나(10)가 장착된다.

제시된 배열형상의 반경은 기존에 5개의 소자를 등간격으로 원형배열한 안테나에서 수신감도를 확보한 상태에서 배열할 수 있는 경우에 따른 것이다.

그러한 종래의 배열 구조는 GPS L1/L2 대역 적층구조 단일 안테나이며, 유전율이 13이고, 38×38mm²의 크기가 가능하고, 그 이상은 장착이 불가능하다.

이와 달리, 본 발명의 일 실시예에 의한 배열 안테나는 기준 안테나의 유전율이 보조 안테나의 유전율과 상이하고, 기준 안테나의 크기를 보조 안테나의 크기와 다르게 구성한 것을 특징으로 한다.

즉, 기준 안테나를 중앙에 배치하는 대신 크기가 큰 저유전율을 갖는 안테나로 배열하고, 보조 안테나를 크기를 줄이고 고유전율을 갖는 안테나로 배열시키는 것이 가능하게 한다.

표 1에 의한 예시에서 기준 안테나(10)의 유전율이 10이고, 50×50mm²의 저유전율을 갖는 안테나를 배치해서 수신감도를 개선한 것이다.

보조 안테나(20)들은 유전율 30, 크기는 30×30mm²으로 배치된 것이다.

도 3은 종래의 5소자 배열안테나의 주파수영역 간섭제거 스펙트럼 결과이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 주파수영역 간섭제거 스펙트럼 결과이며, 간섭신호가 고도각 θ = 90°, 방위각 Φ = 0°으로 입사하였을 때 Null Depth를 나타낸다.

도 3을 참조하면, 기존에 의하면, 간섭신호를 60.9 dB 제거하는 것을 보여준다.

그리고, 도 4에서 참조되는 바와 같이, 본 발명에 의하면, 기준 안테나의 크기가 커짐에 따라 보조 안테나의 크기가 작아졌음에도 불구하고 간섭신호를 62.1 dB 제거하는 것을 볼 수 있다.

따라서, 본 발명에 의하면, 기존의 방식과 비교할 때 동등 이상(1.2 dB 개선)의 간섭제거 능력을 나타낸다.

도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 CRPA 배열안테나에서 기준 안테나의 이득을 비교한 결과로서, GPS L1/L2 대역에서 기준 안테나의 반구 방향에서 단일 빔포밍을 갖는 방사패턴을 나타낸다.

도 5는 본 발명에 의해서 GPS L1 중간주파수(1575.42 MHz)에서의 기준 안테나의 이득에 관한 것이고, 도 6은 본 발명에 의해서 GPS L2 중간주파수(1227.6 MHz)에서의 기준 안테나의 이득에 관한 것이다.

즉, 도 5는 GPS L1 중간주파수에서 방위각 Φ = 0°일 때 고도각 θ에서의 방사패턴을 나타내고, 0°≤θ≤90°, 270°≤θ≤360°는 지구의 반구방향을 나타낸다.

지구의 천정방향 θ = 0°에서의 이득을 비교하면 제안된 기법이 6.1 dB 개선되는 것을 볼 수 있다.

그리고, 도 6은 GPS L2 중간주파수에서 방위각 Φ = 0°일 때 고도각 θ에서의 방사패턴을 나타내며, 지구의 천정방향 θ = 0°에서의 이득을 비교하면 본 발명에 의했을 때 8.3 dB이 개선되고 방사 패턴의 왜곡도 없는 것을 볼 수가 있다.

수신기 성능이 선형성을 갖는다고 가정하면, GPS L1/L2 대역에서 수신감도가 6.1/8.3dB 개선된다는 것을 간접적으로 확인할 수 있다.

이상과 같은 본 발명은 예시된 도면을 참조하여 설명되었지만, 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형될 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이며, 본 발명의 권리범위는 첨부된 특허청구범위에 기초하여 해석되어야 할 것이다.

10 : 기준 안테나
20 : 보조 안테나
A : 장착 공간

Claims

STAP(Space Time Adaptive Processing) 기반의 LMS (Least Mean Square) 알고리즘을 이용하여 GPS 위성신호를 수신하기 위한 복수의 안테나가 한정된 장착 공간 상에 배열되되,
상기 장착 공간의 중앙에 배열되는 하나의 기준 안테나; 및
상기 기준 안테나를 기준으로 동심원 상에 배열되는 복수의 보조 안테나를 포함하고,
상기 기준 안테나의 유전율은 10 이하이고, 상기 보조 안테나 각각의 유전율은 상기 기준 안테나의 유전율보다 큰 것을 특징으로 하는,
CRPA 배열안테나의 구조.
청구항 1에 있어서,
상기 보조 안테나 각각의 유전율은 30 이상인 것을 특징으로 하는,
CRPA 배열안테나의 구조.
청구항 2에 있어서,
상기 복수의 보조 안테나가 배열되는 동심원의 반경은 3인치(inch)인 것을 특징으로 하는,
CRPA 배열안테나의 구조.
청구항 3에 있어서,
상기 기준 안테나의 크기가 상기 보조 안테나의 크기보다 큰 것을 특징으로 하는,
CRPA 배열안테나의 구조.
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