KR102071221B1

KR102071221B1 - 위상 배열 레이다의 복사 소자 구성 장치 및 방법

Info

Publication number: KR102071221B1
Application number: KR1020180166195A
Authority: KR
Inventors: 김기중
Original assignee: 한화시스템 주식회사
Priority date: 2018-12-20
Filing date: 2018-12-20
Publication date: 2020-03-02

Abstract

본 개시의 실시 예에 따른 방법은, 위상 배열 레이다의 복사 소자 구성 방법에 있어서, 신호를 확인하는 과정; 상기 신호가 이중 대역일 경우, UHF(Ultra High Frequency) 안테나의 복사 소자 간격을 VHF(Very High Frequency) 대역의 주파수의 파장을 기반으로 하여 결정하는 과정; 및 상기 결정된 복사 소자 간격으로 전체 복사 소자를 구성하는 과정을 포함한다.

Description

위상 배열 레이다의 복사 소자 구성 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR FORMING RADIATING ELEMENT OF PHASED ARRAY RADAR}

본 개시는 위상 배열 레이다의 복사 소자 구성 장치 및 방법에 관한 것이다.

4세대(4th-generation: 4G, 이하 "4G"라 칭하기로 한다) 통신 시스템 상용화 이후 증가 추세에 있는 무선 데이터 트래픽 수요를 충족시키기 위해, 개선된 5세대(5th-generation: 5G, 이하 "5G"라 칭하기로 한다) 통신 시스템 또는 프리-5G(pre-5G, 이하 "pre-5G"라 칭하기로 한다) 통신 시스템을 개발하기 위한 노력이 이루어지고 있다. 이러한 이유로, 5G 통신 시스템 또는 pre-5G 통신 시스템은 4G 네트워크 이후 (beyond 4G network) 통신 시스템 또는 LTE 시스템 이후 (post LTE) 이후의 시스템이라 불리고 있다.

높은 데이터 전송률을 달성하기 위해, 5G 통신 시스템은 밀리미터파(millimeter wave: mmWave, 이하 "mmWave"라 칭하기로 한다) 대역 (예를 들어, 60기가 (60GHz) 대역과 같은 주파수 대역)에서의 구현이 고려되고 있다. 초고주파 대역에서의 전파의 경로 손실 완화 및 전파의 전달 거리를 증가시키기 위해, 5G 통신 시스템에서는 빔포밍(beamforming), 거대 배열 다중 입력 다중 출력(massive multi-input multi-output: massive MIMO, 이하 "massive MIMO"라 칭하기로 한다) 기술과, 전차원 다중 입력 다중 출력(full dimensional MIMO: FD-MIMO, 이하 "FD-MIMO"라 칭하기로 한다) 기술과, 어레이 안테나(array antenna) 기술과, 아날로그 빔포밍(analog beamforming) 기술 및 대규모 안테나 (large scale antenna) 기술이 논의되고 있다.

또한 시스템의 네트워크 개선을 위해, 5G 통신 시스템에서는 진화된 소형 셀, 개선된 소형 셀 (advanced small cell), 클라우드 무선 액세스 네트워크 (cloud radio access network: cloud RAN), 초고밀도 네트워크 (ultra-dense network), 디바이스 대 디바이스 (device to device: D2D, 이하 "D2D"라 칭하기로 한다) 통신, 무선 백홀 (wireless backhaul), 이동 네트워크 (moving network), 협력 통신 (cooperative communication), CoMP (coordinated multi-points), 및 수신 간섭제거 (interference cancellation) 등의 기술 개발이 이루어지고 있다.

이 밖에도, 5G 시스템에서는 진보된 코딩 변조 (advanced coding modulation: ACM, 이하 "ACM"이라 칭하기로 한다) 방식인 하이브리드 주파수 쉬프트 키잉(frequency shift keying: FSK, 이하 "FSK"라 칭하기로 한다) 및 직교 진폭 변조(quadrature amplitude modulation: QAM, 이하 "QAM"이라 칭하기로 한다)(hybrid FSK and QAM: FQAM, 이하 "FQAM"라 칭하기로 한다) 방식 및 슬라이딩 윈도우 중첩 코딩(sliding window superposition coding: SWSC, 이하 "SWSC"라 칭하기로 한다) 방식과, 진보된 억세스 기술인 필터 뱅크 멀티 캐리어(filter bank multi carrier: FBMC, 이하 "FBMC"라 칭하기로 한다) 기술과, 비직교 다중 억세스(non orthogonal multiple access: NOMA, 이하 "NOMA"라 칭하기로 한다) 기술 및 성긴 코드 다중 억세스(sparse code multiple access: SCMA, 이하 "SCMA"라 칭하기로 한다) 기술 등이 개발되고 있다.

한편, 레이더(Radar)는 전자파를 방사하여 목표 물체의 표면으로부터 반사되는 전자파의 에코를 수신하는 장치로, 목표물의 존재를 에코의 검출 또는 목표물 내 자동응답기(레이더응답기)로부터의 응답신호를 수신하는 것에 의하여 확인할 때 주로 사용하는 장치이다.

상기 레이더에서 빔을 방사하기 위해 사용되는 안테나로는 접시 안테나(Parabolic Antenna), 위상 배열 안테나(Phased Array Antenna) 등이 사용된다.

상기 접시 안테나는 기계식 회전방식에 의하여 빔을 주사(Scan)하고 있으며, 위상 배열 안테나는 위상을 제어하여 전자빔을 전자적으로 주사한다.

상기 위상 배열 안테나는 많은 수의 복사 소자(radiating element)를 수평면에 배치시키고 각 복사 소자의 위상차를 주어 여러 방향으로 전파를 방사하고 대기 신호를 수신한다. 위상 배열 안테나의 복사 소자는 통상적으로 동축 선상 안테나(coaxial collinear antenna; CoCo antenna)와 야기 안테나(Yagi antenna)가 이용된다.

위상 배열 레이다는 단일 대역의 주파수 대역에서 동작이 가능하다. 따라서 탐지 항공기의 특정 대역에서 흡수되는 전파 흡수 물질(Radar-absorbent material : RAM) 등의 기법으로 탐지를 어렵게 하는 기술이 발달되고 있다. 탐지물의 전방 레이다 반사 면적(Radar Cross Section : RCS)는 통상적으로 주파수 대역에 따라서 다른 RCS 특성을 보여주는데, 이중 대역으로 탐지가 가능한 위상 배열 레이다는 탐지확률을 높일 수 있다. 여기서, 이중 대역이란 UHF(Ultra High Frequency) 대역 주파수와 VHF(Very High Frequency) 대역 주파수를 동시에 운용하는 주파수 대역을 의미한다.

그러나 이중 대역의 레이다 운용이 어려웠고, 이중 대역으로 운용하더라도 이득 특성이 각 대역별로 충분하도록 구현하기 어려운 문제점이 있었다.

본 개시는 전체 복사 소자를 exiting하기 때문에 배열 안테나 이득이 증가할 수 있는 장치 및 방법을 제공한다.

본 개시는 RCS 특성이 주파수에 대해서 틀리기 때문에 표적탐지확률을 높일 수 있는 장치 및 방법을 제공한다.

본 개시의 실시 예에 따른 방법은, 위상 배열 레이다의 신호 수신 방법에 있어서, 수신된 신호를 확인하는 과정; 수신된 신호가 이중 대역으로 수신된 신호인 경우, VHF(Very High Frequency) 대역의 주파수의 파장을 기반으로 하여 결정된 UHF(Ultra High Frequency) 안테나의 복사 소자 간격으로 상기 신호가 수신된 것으로 결정하는 과정; 상기 수신된 신호가 UHF(Ultra High Frequency) 대역의 신호인가를 확인하는 과정; 및 상기 수신된 신호가 UHF 대역의 신호일 경우, 주파수 체배기가 없는 path로 상기 수신된 신호를 전달하는 과정을 포함한다.

본 개시의 실시 예에 따른 방법은, 위상 배열 레이다의 신호 수신 방법에 있어서, 수신된 신호를 확인하는 과정; 및 상기 수신된 신호가 이중 대역으로 수신된 신호인 경우, VHF(Very High Frequency) 대역의 주파수의 파장을 기반으로 하여 결정된 UHF(Ultra High Frequency) 안테나의 복사 소자 간격으로 상기 신호가 수신된 것으로 결정하는 과정을 포함한다.

본 개시의 실시 예에 따른 장치는, 위상 배열 레이다의 복사 소자 구성 장치에 있어서, 신호를 송수신하는 트랜시버; 및 상기 신호를 확인하고, 상기 신호가 이중 대역일 경우, UHF(Ultra High Frequency) 안테나의 복사 소자 간격을 VHF(Very High Frequency) 대역의 주파수의 파장을 기반으로 하여 결정하고 및 상기 결정된 복사 소자 간격으로 전체 복사 소자를 구성하는 제어부를 포함한다.

본 개시의 실시 예에 따른 장치는, 위상 배열 레이다의 신호 수신 장치에 있어서, 상기 신호를 송수신하는 트랜시버; 및 수신된 신호를 확인하고, 수신된 신호가 이중 대역으로 수신된 신호인 경우, VHF(Very High Frequency) 대역의 주파수의 파장을 기반으로 하여 결정된 UHF(Ultra High Frequency) 안테나의 복사 소자 간격으로 상기 신호가 수신된 것으로 결정하고, 상기 수신된 신호가 UHF(Ultra High Frequency) 대역의 신호인가를 확인하고, 및 상기 수신된 신호가 UHF 대역의 신호일 경우, 주파수 체배기가 없는 path로 상기 수신된 신호를 전달하는 제어부를 포함한다.

본 개시의 실시 예에 따른 장치는, 위상 배열 레이다의 신호 수신 장치에 있어서, 상기 신호를 송수신하는 트랜시버; 및 수신된 신호를 확인하고, 및 상기 수신된 신호가 이중 대역으로 수신된 신호인 경우, VHF(Very High Frequency) 대역의 주파수의 파장을 기반으로 하여 결정된 UHF(Ultra High Frequency) 안테나의 복사 소자 간격으로 상기 신호가 수신된 것으로 결정하는 제어부를 포함한다.

본 개시는 고효율의 UHF/VHF 이중 대역으로 동작 가능한 위상 배열 레이다 구성이 가능할 수 있다.

본 개시는 RCS 특성이 주파수에 대해서 틀리기 때문에 표적 탐지 확률을 높일 수 있다.

본 개시는 TRM의 수신단에서 주파수 체배하는 구성으로 하여 ADC 및 DDC 구조를 각 대역마다 틀리게 가져가지 않아도 TRM 구성이 가능할 수 있다.

본 개시는 주파수가 협소할 때 UHF, VHF 두 대역을 사용이 가능하여 장비 운용 유연성이 향상될 수 있다.

도 1a은 본 개시의 실시 예에 따른 위상 배열 레이다 장치의 송신단을 개략적으로 도시한 블록 구성도;
도 1b는 본 개시의 실시 예에 따른 위상 배열 레이다 장치의 송신단(100)의 배열 안테나부(110)를 개략적으로 도시한 블록 구성도;
도 2는 본 개시의 실시 예에 따른 위상 배열 레이다 장치의 수신단을 개략적으로 도시한 블록 구성도;
도 3은 본 개시의 실시 예에 따라 이중 대역이 가능한 복사 소자의 예시도;
도 4는 UHF 대역의 주파수의 파장/2 간격으로 복사 소자로 구성된 배열 안테나의 예시도;
도 5는 위상 배열 안테나의 빔 조향 원리를 나타낸 예시도;
도 6은 본 개시의 실시 예에 따른 VHF 대역의 주파수의 파장/2 간격으로 복사 소자로 구성된 배열 안테나의 예시도;
도 7은 본 개시의 실시 예에 따른 고효율의 VHF/UHF 이중 대역 배열 안테나의 예시도;
도 8은 고 출력 증폭 소자 및 저 잡음 증폭 소자 이득 특성을 도시한 예시도;
도 9는 일반적인 TRM의 구조도;
도 10a 및 도 10b는 본 개시의 실시 예에 따른 UHF 대역 및 VHF 대역(UHF/2)를 수신하는 TRM 구조도;
도 11은 본 개시의 실시 예에 따른 UHF 대역 및 VHF 대역(UHF/2)를 수신하는 TRM의 동작 흐름도; 및
도 12는 본 개시의 실시 예에 따른 복사 소자 구성 방법을 도시한 흐름도.

이하, 본 개시의 다양한 실시예가 첨부된 도면을 참조하여 기재된다. 그러나, 이는 본 개시에 기재된 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 개시의 실시예의 다양한 변경(modifications), 균등물(equivalents), 및/또는 대체물(alternatives)을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다.

본 개시에서, "가진다", "가질 수 있다", "포함한다", 또는 "포함할 수 있다" 등의 표현은 해당 특징(예: 수치, 기능, 동작, 또는 부품 등의 구성요소)의 존재를 가리키며, 추가적인 특징의 존재를 배제하지 않는다.

본 개시에서, "A 또는 B", "A 또는/및 B 중 적어도 하나", 또는 "A 또는/및 B 중 하나 또는 그 이상"등의 표현은 함께 나열된 항목들의 모든 가능한 조합을 포함할 수 있다. 예를 들면, "A 또는 B", "A 및 B 중 적어도 하나", 또는 "A 또는 B 중 적어도 하나"는, (1) 적어도 하나의 A를 포함, (2) 적어도 하나의 B를 포함, 또는 (3) 적어도 하나의 A 및 적어도 하나의 B 모두를 포함하는 경우를 모두 지칭할 수 있다.

본 개시에서 사용된 "제 1", "제 2", "첫째", 또는 "둘째" 등의 표현들은 다양한 구성요소들을, 순서 및/또는 중요도에 상관없이 수식할 수 있고, 한 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위해 사용될 뿐 해당 구성요소들을 한정하지 않는다. 예를 들면, 제 1 사용자 기기와 제 2 사용자 기기는, 순서 또는 중요도와 무관하게, 서로 다른 사용자 기기를 나타낼 수 있다. 예를 들면, 본 개시에 기재된 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 바꾸어 명명될 수 있다.

어떤 구성요소(예: 제 1 구성요소)가 다른 구성요소(예: 제 2 구성요소)에 "(기능적으로 또는 통신적으로) 연결되어((operatively or communicatively) coupled with/to)" 있다거나 "접속되어(connected to)" 있다고 언급된 때에는, 상술한 어떤 구성요소가 상술한 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나, 다른 구성요소(예: 제 3 구성요소)를 통하여 연결될 수 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소(예: 제 1 구성요소)가 다른 구성요소(예: 제 2 구성요소)에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 어떤 구성요소와 다른 구성요소 사이에 다른 구성요소(예: 제 3 구성요소)가 존재하지 않는 것으로 이해될 수 있다.

본 개시에서 사용된 표현 "~하도록 구성된(또는 설정된)(configured to)"은 상황에 따라, 예를 들면, "~에 적합한(suitable for)", "~하는 능력을 가지는(having the capacity to)", "~하도록 설계된(designed to)", "~하도록 변경된(adapted to)", "~하도록 만들어진(made to)", 또는 "~를 할 수 있는(capable of)"과 바꾸어 사용될 수 있다. 용어 "~하도록 구성된(또는 설정된)"은 하드웨어적으로 "특별히 설계된(specifically designed to)" 것만을 반드시 의미하지 않을 수 있다. 대신, 어떤 상황에서는, "~하도록 구성된 장치"라는 표현은, 그 장치가 다른 장치 또는 부품들과 함께 "~할 수 있는" 것을 의미할 수 있다. 예를 들면, 문구 "A, B, 및 C를 수행하도록 구성된(또는 설정된) 프로세서"는 해당 동작을 수행하기 위한 전용 프로세서(예: 임베디드 프로세서), 또는 메모리 장치에 저장된 하나 이상의 소프트웨어 프로그램들을 실행함으로써, 해당 동작들을 수행할 수 있는 범용 프로세서(generic-purpose processor)(예: CPU 또는 AP(application processor))를 의미할 수 있다.

본 개시에서 사용된 용어들은 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 다른 실시예의 범위를 한정하려는 의도가 아닐 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 용어들은 본 개시에 기재된 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가질 수 있다. 본 개시에 사용된 용어들 중 일반적인 사전에 정의된 용어들은, 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 동일 또는 유사한 의미로 해석될 수 있으며, 본 개시에서 명백하게 정의되지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 경우에 따라서, 본 개시에서 정의된 용어일지라도 본 개시의 실시예들을 배제하도록 해석될 수 없다.

본 개시의 다양한 실시예들에 따른 배열 안테나 장치는 배열 안테나를 구비한 장치로서, 예를 들면, 스마트폰(smartphone), 태블릿 PC(tablet personal computer), 이동 전화기(mobile phone), 영상 전화기, 전자책 리더기(e-book reader), 데스크탑 PC(desktop personal computer), 랩탑 PC(laptop personal computer), 넷북 컴퓨터(netbook computer), 워크스테이션(workstation), 서버, PDA(personal digital assistant), PMP(portable multimedia player), MP3 플레이어, 모바일 의료기기, 카메라(camera), 또는 웨어러블 장치(wearable device) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

본 개시는 UHF 신호에 대해 동작 가능한 위상 배열 레이다로 추가적으로 VHF(UHF/2)대역의 주파수에 대해서도 동작하도록 구성하여 이중 대역으로 동작하는 레이다를 제안한다.

도 1a은 본 개시의 실시 예에 따른 위상 배열 레이다 장치의 송신단을 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.

위상 배열 레이다 장치의 송신단(100)은 배열 안테나부(110), 송신부(120), 및 디지털 변환부(130) 등을 포함한다.

배열 안테나부(110)는 복수의 단일 안테나들로 구성될 수 있다. 본 개시에서는, 단일 안테나들의 개수를 7개로 가정하고 설명하나, 이는 일 예에 불과하며 본 개시의 실시 예들은 둘 이상의 단일 안테나들을 대상으로 적용될 수 있다.

배열 안테나부(110)는 예컨대 7개의 복사 소자와 7개의 TRM을 포함하며 각 복사 소자의 여기 전류의 위상을 조절하여 안테나를 특정 방향 및 동일 위상으로 만들어 주 빔을 형성한다. 빔의 형태는 각 배열의 변위기 및 고출력증폭기(Solid State Power Amplifier : SSPA)에 의해 형성되는 가중치와 복사 소자의 특성에 의해 결정될 수 있다. 배열 안테나부(110)는 각 TRM의 출력 레벨 및 위상 정보를 취합하여 송신부(120)의 타이밍/제어 처리부(도면에 기재하지 않음)로 전달한다. 타이밍/제어 처리부는 각 TRM의 정보를 전달받아 DDS(Direct Digital Synthesizer)의 출력 레벨 및 위상 정보를 변경하여 동일한 출력 레벨 및 빔 조향에 따른 위상을 조절한다.

송신부(120)는 송신부(120) 내부의 DDS(122)가 명령을 통하여 UHF 주파수 또는 VHF 주파수의 펄스로 송신하고 각각 TRM(114)으로 연결되어 증폭하여 복사 소자(112)로 방사하게 된다. DDS(122)가 포함된 송신부의 채널과 TRM(114), 복사 소자(112)는 각각 1 path로 각각 구성된다.

디지털 변환부(130)는 디지털 단계에서 신호를 처리하기 위해서 아날로그 신호를 이진 코드로 구성되는 디지털 신호로 변환한다.

도 1a에 도시하지 않았지만, 위상 배열 레이다 장치의 송신단(100)은 제어부를 더 포함할 수 있다. 상기 위상 배열 레이다 장치의 송신단(100)의 제어부는 위상 배열 레이다 장치의 전반적인 동작을 제어할 수 있다. 위상 배열 레이다 장치의 송신단(100)의 제어부는 하나 이상의 프로세서(processor)로 구현 가능하며, 어플리케이션 프로세서, MCU(Micro Control Unit), 커뮤니케이션 프로세서(communication processor(CP)) 중 하나 또는 그 이상을 포함할 수 있다. 위상 배열 레이다 장치의 송신단(100)의 제어부는 SoC(system on chip) 또는 SiP(system in package)으로 구현될 수 있다. 위상 배열 레이다 장치의 송신단(100)의 제어부는, 예로, 운영 체제 또는 응용 프로그램을 구동하여 제어부에 연결된 위상 배열 레이다 장치의 송신단(100)의 적어도 하나의 다른 구성요소(예: 하드웨어 또는 소프트웨어 구성요소)을 제어할 수 있고, 각종 데이터 처리 및 연산을 수행할 수 있다. 또한, 제어부는 다른 구성요소들 중 적어도 하나로부터 수신된 명령 또는 데이터를 휘발성 메모리(미도시)에 로드하여 처리하고, 결과 데이터를 비휘발성 메모리(미도시)에 저장할 수 있다.

메모리(미도시)는 휘발성 메모리 또는 또는 비휘발성 메모리를 포함할 수 있다. 휘발성 메모리는, 예를 들면, RAM(random access memory)(예: DRAM, SRAM, 또는 SDRAM)로 구성될 수 있다. 비휘발성 메모리는, 예를 들면, OTPROM(one time programmable read-only memory(ROM)), PROM(programmable read-only memory), EPROM(erasable programmable read-only memory), EEPROM(electrically erasable programmable read-only memory), mask ROM, flash ROM, 플래시 메모리, 하드 드라이브, 또는 솔리드 스테이트 드라이브(SSD))로 구성 될 수 있다.

메모리(미도시)는, 예를 들면, 위상 배열 레이다 장치의 송신단(100)의 적어도 하나의 다른 소프트웨어 구성요소, 예를 들어, 프로그램에 관계된 명령 또는 데이터를 저장할 수 있다.

도 1b는 본 개시의 실시 예에 따른 위상 배열 레이다 장치의 송신단(100)의 배열 안테나부(110)를 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.

배열 안테나부(110)는 복사 소자(112), 및 송수신 모듈(transmit/receive module : TRM)(114) 등을 포함한다.

복사 소자(112)는 위상 변위기와 자유공간 사이의 임피던스 정합과 복사패턴을 조절하는 역할을 수행한다. 복사 소자(112)는 수백∼수만개의 소자 안테나(예를 들면 다이폴(Dipole) 또는 더블렛(Doublet) 안테나 등을 사용)를 소정의 패턴으로 배열하여 설치할 수 있다.

TRM(114)은 레이다의 송ㆍ수신 기능에 필요한 고주파를 만들어내는 부품으로, 빔을 형성하는 이득 조절기와 레이다 진행 방향을 바꿀 수 있는 위상 변위기가 내장되어 있어 전 방위 탐색이 가능하다.

복사 소자(112) 및 TRM(114)는 도 1b에서 블록화하여 기재하고 있다. 그러나, 단일 안테나들의 개수를 7개로 가정하고 설명하고 있으므로, 복사 소자(112) 및 TRM(114)의 개수는 예컨대 7개가 될 수 있다.

도 2는 본 개시의 실시 예에 따른 위상 배열 레이다 장치의 수신단을 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.

위상 배열 레이다 장치의 수신단(200)은 배열 안테나부(210), 수신부(220), 및 디지털 변환부(230 등을 포함한다.

배열 안테나부(210)는 복사 소자 및 TRM을 포함하며, TRM에서 UHF 또는 VHF(UHF/2) 대역을 수신받고, 디지털 변환부(220)로 전달한다. 수신부(230)의 수신 채널, TRM, 및 복사 소자는 각각 1 path로 구성될 수 있다.

수신부(230)는 배열 안테나를 통해 수신된 신호를 수신하여 처리한다. 수신부(230)는 예컨대, 변위기, LNA(Low Noise Amplifier), SSPA(Solid State Power Amplifier) 등이 될 수 있다.

디지털 변환부(220)는 수신부(230)를 통해 전달된 신호에 대해 디지털 단계에서 신호를 처리하기 위해서 아날로그 신호를 이진 코드로 구성되는 디지털 신호로 변환하고, Digital Down Conversion(DDC)을 한다.

도 2에 도시하지 않았지만, 위상 배열 레이다 장치의 수신단(200)은 제어부를 더 포함할 수 있다. 상기 위상 배열 레이다 장치의 수신단(200)의 제어부는 위상 배열 레이다 장치의 수신단에 대한 전반적인 동작을 제어할 수 있다. 상기 위상 배열 레이다 장치의 수신단(200)의 제어부는 하나 이상의 프로세서(processor)로 구현 가능하며, 어플리케이션 프로세서, MCU(Micro Control Unit), 커뮤니케이션 프로세서(communication processor(CP)) 중 하나 또는 그 이상을 포함할 수 있다.

고효율의 UHF 및 VHF 이중 대역이 가능한 위상 배열 레이다 구성을 위하여 이중 대역이 가능한 복사 소자, TRM의 사전 구성이 필요하다. 우선 이중 대역이 가능한 복사 소자는 일반적으로 이중 대역에서 최적화된 야기우다 복사 소자에 대해서 도 3과 같은 특성을 가져야 한다.

도 3은 본 개시의 실시 예에 따라 이중 대역이 가능한 복사 소자의 예시도이다.

도 3은 이중 대역을 도시한 것으로, 이중 대역이란 UHF 대역 주파수(320)와 VHF 대역 주파수(310)를 동시에 운용하는 주파수 대역을 의미한다. 본 개시의 실시 예에서는 이중 대역을 지원하면서 이득이 높은 방안을 제안한다.

복사 소자(300)로 구성된 00 x 00 의 배열 안테나가 구성되고, 복사 소자 간격은 일반적으로 UHF 대역 중심 주파수의 파장/2의 간격으로 구성한다.

도 4는 UHF 대역의 주파수의 파장/2 간격으로 복사 소자로 구성된 배열 안테나의 예시도이다.

도 4를 참조하면, 복수 개의 복사 소자들 중에서 복사 소자간 거리 d(410)은 UHF 대역 중심 주파수의 파장/2의 간격으로 결정될 수 있다. 참조번호 410 뿐만 아니라, 다른 복사 소자들간 간격도 UHF 대역 중심 주파수의 파장/2의 간격으로 결정될 수 있다.

한편, 위상 배열 안테나의 빔 조향은 다음과 같은 원리로 빔 조향을 하게 된다.

도 5는 위상 배열 안테나의 빔 조향 원리를 나타낸 예시도이다.

안테나의 빔 조향(beam steering)은 크게 기계적인 방법과 전자적인 방법이 있다. 기계적인 방법은 주로 반사형 안테나에서 물리적인 방법으로 안테나의 구조를 변경하여 빔의 방향을 조정하고, 전자적인 방법은 배열 안테나에서 각 소자에 공급되는 신호의 위상이나 지연시간을 조절하여 빔 방향을 조정한다. 대표적인 예로 물리적인 방법에 의한 안테나 구동 방식의 경우 반사판 안테나가 많이 사용된다. 이러한 물리적인 방법에 의한 빔 조향은 다소 빔 조향 속도가 느리지만 구조가 간단하다.

반면에, 전자적 빔 조향 방법에는 대표적으로 위상 배열 안테나가 많이 사용된다. 이 방식의 경우, 제작이 어렵고 빠른 연산에 의한 발열이 많이 발생하여 냉각 장치가 필요한 복잡한 구조이지만, 기계적인 방법에 비해 빠른 빔 스케쥴링을 가지며, 다양한 모드 운용과 안테나의 구동 없이 넓은 도 5와 같이 어레이(Array) 안테나의 빔을 제어하기 위하여 소자 B(520)의 위상이 소자 A(510)의 위상보다 위상 지연

만큼 앞서야 된다.

는 방사 소자 B(520)로부터 진행 거리

(530)에 의해 정의된다.

진행 거리

(530)는

와 같이 계산되며, 넓은 면(법선방향)에서

도 만큼 떨어지도록 빔을 제어하기 위하여 필요한 소자의 위상차는 하기 <수학식 1>로부터 획득될 수 있다.

따라서 상기 수학식 1에 따라서 UHF 대역의 안테나는 빔 조향 각도(Az, El)에 따라서 각 복사 소자의 위상 각도를 셋팅하여 인가시키면 빔 조향이 가능할 수 있다. 여기서, Az는 방위각 정보를 나타내고, El은 앙각 정보를 나타낸다.

이때 전체 배열 안테나 이득은 '10xlog(#복사 소자갯수) + 복사 소자이득' 으로 계산될 수 있다. 예컨대, 도 4와 같이 한 개의 복사 소자가 운용 대역에서 5dBi이고 복사 소자가 168개라면 배열 안테나의 이득은 27.25dBi가 된다.

동일하게 같은 배열 안테나로 VHF 대역으로 사용하기 위해서 제안하는 2가지 방법이 있다.

본 개시의 실시 예에 따른 첫 번째 방법은 VHF 대역의 주파수의 파장/2 간격으로 배치된 복사 소자만 Exiting 하는 방법이다.

본 개시의 실시 예에 따른 두 번째 방법은 4개 단위로의 복사 소자는 같은 위상을 가지고, 전체 빔 조향 각도에 맞추어 위상을 설정하는 방법이다.

본 개시의 실시 예에 따른 첫 번째 방법은 일부만 복사 소자를 Exiting 하기 때문에 전체 배열 안테나 이득은 작아진다.

본 개시의 실시 예에 따른 두 번째 방법은 전체 복사 소자를 Exiting 하기 때문에 배열 안테나 이득이 상대적으로 증가하도록 운용하는 방식이다.

먼저 배열 안테나 관점에서 본 개시의 실시 예에 따른 첫 번째 방법은 다음과 같다.

UHF 대역의 특정 주파수 K MHz 파장은 A cm이며 파장/2는 A/2 cm로 상기 도 4의 복사 소자 간격은 A/2 cm로 배열된다.

UHF 대역의 배열 안테나가 VHF 대역으로 동작을 위해서 K/2 MHz로 구성된다. 그때 (A/2)*2이다. 그래서 상기 UHF 대역의 배열 안테나를 VHF로 동작을 위해서는 도 6과 같이 주황색 부분(예컨대, 610, 620...)만 해당 TRM 및 송신부/디지털 변환부를 동작시킨다. 도 6은 본 개시의 실시 예에 따른 VHF 대역의 주파수의 파장/2 간격으로 복사 소자로 구성된 배열 안테나의 예시도이다.

이때 배열 안테나의 이득은 복사 소자 이득이 5dBi라 가정하면 10xlog(42)+5 = 21.2dBi가 된다. 배열 안테나의 이득(21.2dBi)이 27.25dBi 보다 낮다.

배열 안테나 이득을 높이면서, 배열 안테나 관점에서 이중 대역을 구현 하기 위한 본 개시의 실시 예에 따른 두 번째 방법은 다음과 같다.

도 7은 본 개시의 실시 예에 따른 VHF 대역의 주파수의 파장/2 간격으로 복사 소자로 구성된 배열 안테나의 예시도이다.

복사 소자간은 UHF 대역의 주파수의 파장/2로 배열되며 도 7과 같이 4개 단위(주황색 박스)(730)의 복사 소자 중심과 인접한 4개 단위의 복사 소자 중심 간의 거리(710, 720)는 VHF 주파수에 해당하는 간격(즉 A/2 cm)으로 배열된다. 이때 주황색 박스의 복사 소자(4개)는 같은 위상값을 가지며 빔 조향하려는 방향에 따라서 주황색 박스 단위로 Exiting 하는 위상값을 변경하게 된다. 이때 배열 안테나의 VHF 대역의 이득은 이론적으로 다음과 같이 계산된다. 예를 들어 한 개의 복사 소자 이득이 5dBi라고 가정하면 주황색 박스의 이득과 전체 배열 안테나의 이득은 하기 수학식 2 및 수학식 3과 같다.

본 방법을 적용하였을 때 첫번째 방법보다 고효율의 이중 대역 배열 안테나 구현이 가능할 수 있다.

TRM 관점에서 이중 대역을 구현하기 위하여 광대역 특성의 AMP(amplifier) 소자를 적용하였을 때 상대적으로 주파수가 낮을수록 복사 소자 이득이 높고, 마찬가지로 TRM의 송신 이득 및 안테나로 입력되는 신호의 크기에 따라서 적정한 이득을 주기 위한 저 잡음 증폭기(Low Noise Amplifier : LNA)의 이득 또한 높아서 추가 보상이 가능하다.

본 발명은 이중 대역으로 주파수를 운용하기 위해서, UHF 대역의 주파수의 파장/2로 복사 소자를 배열하고, 상기 복사 소자를 4개 단위로 그룹핑하고, 여기서, 4개 단위(주황색 박스)의 복사 소자의 중심과 인접한 4개 단위의 복사 소자 중심간의 거리는 VHF 주파수에 해당하는 간격(즉 A/2 cm)으로 결정한다.

복사 소자(4개)는 같은 위상값을 가지며 빔 조향하려는 방향에 따라서 주황색 박스 단위로 Exiting 하는 위상값을 변경한다.

4개 단위(주황색 박스, 730)의 복사 소자의 중심과 인접한 4개 단위의 복사 소자 중심간의 거리를 결정할 수 있는 요소는 파장/2에 대한 거리이다. 세뷰 튜닝을 위해서는 복사 소자간의 x축간의 거리(dx), y축간의 거리(dy)를 그레이팅로브를 하여 최적화한다. 그 값에 따라서 빔 조향 각도에 따른 각 복사 소자의 Exiting 하는 위상이 결정된다. 만약에 이중 대역을 운용하기 위해서 두 가지 대역의 그레이팅로브 최소화된 최적화된 dx, dy의 분석이 이루어져야 한다.

즉, 복사 소자간 거리를 그레이팅로브를 기반으로 하여 최적화하고 최적화한 값에 따라서 빔 조향 각도에 따른 각 복사 소자의 Exiting 하는 위상이 결정될 수 있다.

도 8은 고 출력 증폭 소자 및 저 잡음 증폭 소자 이득 특성을 도시한 예시도이다.

도 8은 고 출력 증폭 소자 특성(810)을 나타낸 것으로, 동작 전력 이득 G_p가 UHF 대역에서 감소함을 알 수 있다. 또한 도 8은 저 출력 증폭 소자 특성(820)을 나타낸 것으로, 순방향 전달 계수 S₂₁이 UHF 대역에서 감소함을 알 수 있다.

다음은 UHF 대역 및 VHF 대역에서 동작할 수 있도록 TRM의 수정된 구조가 필요하다.

도 9는 일반적인 TRM의 구조도이다.

일반적인 TRM은 송신부(transmit state)(910)와 수신부(receive state)(920)로 크게 구분된다.

송신부(910)와 수신부(920)는 Duplexer (Circulator), Isolator, Limiter, Low noise amplifier (LNA), Phase shifter, High-power amplifier, Common-leg circuit (CLC), Attenuator 등을 포함한다. 각 구성요소에 대한 상세 살명은 생략하기로 한다.

도 10a 및 도 10b는 본 개시의 실시 예에 따른 UHF 대역 및 VHF 대역(UHF/2)를 수신하는 TRM 구조도이다.

본 개시의 실시 예에 따른 TRM은 송신부(1010)와 수신부(1020)로 크게 구분된다. 도 9와 도 10a의 다른 점은 다음과 같다.

이중 대역을 수신하기 위하여 도 10a과 같이 TRM의 수신부에 기재된 참조번호 1025에 AMP(1030), UHF BPF(Band Pass Filter)(1040), 제1 SPDT(Single Pole Double Throw)(1050), 주파수 체배기(1060), 제2 SPDT(1070) 등을 포함한다.

본 개시의 실시 예에 따라 UHF 대역 신호가 수신되면 주파수 체배기(1060)가 없는 path로 가고, VHF(UHF/2) 신호가 수신되면 주파수 체배기(1060)가 있는 path로 수신하여 2배로 체배되서 증폭되어 디지털 변환부로 들어간다. 수신받는 대역이 UHF, VHF 대역 관계없이 TRM 내부에서 VHF 대역 신호에 대해서는 2배로 체배하고, UHF 신호는 체배하지 않고 증폭하여 처리한다.

그래서 별도로 ADC 및 DDC(Digital Down Converter)의 구조를 변경하지 않도록 구성된다.

도 11은 본 개시의 실시 예에 따른 UHF 대역 및 VHF 대역(UHF/2)를 수신하는 TRM의 동작 흐름도이다.

TRM은 1101 단계에서 신호를 수신한다.

TRM은 1103 단계에서 수신된 신호가 UHF 대역 주파수인지 VHF 대역 주파수인지를 확인한다.

만약 수신된 신호가 UHF 대역 주파수인 경우, TRM은 1105 단계에서 주파수 체배기가 없는 path로 수신한다.

그러나 만약 수신된 신호가 VHF 대역 주파수인 경우, TRM은 1107 단계에서 주파수 체배기가 있는 path로 수신한다. 이 경우, VHF 대역 주파수에 대해서는 2배로 체배하고, UHF 대역 주파수에 대해서는 체배하지 않고 증폭하여 처리한다.

도 12는 본 개시의 실시 예에 따른 복사 소자 구성 방법을 도시한 흐름도이다.

TRM은 1201 단계에서 수신된 신호를 확인한다.

TRM은 1203 단계에서 수신된 신호가 이중 대역인가를 확인한다.

만약, 수신된 신호가 이중대역일 경우 TRM은 1205 단계에서 본 개시의 실시 예에 따라서 UHF 안테나를 VHF 안테나로 사용하기 위해서 UHF 안테나의 복사 소자 간격을 VHF 대역의 주파수의 파장/2로 결정한다.

그러나 수신된 신호가 이중대역이 아닐 경우 TRM은 1207 단계에서 UHF 안테나의 복사 소자 간격을 UHF 대역 중심 주파수의 파장/2로 결정한다.

도 12의 동작은 TRM의 송신부의 동작 및 수신부의 동작 모두에 적용 가능함은 물론이다.

본 발명을 적용하였을 때 고효율의 UHF/VHF 이중 대역으로 동작 가능한 위상 배열 레이다 구성이 가능하다. RCS 특성이 주파수에 대해서 틀리기 때문에 표적 탐지 확률을 높일 수 있다. TRM의 수신단에서 주파수 체배하는 구성으로 하여 ADC 및 DDC 구조를 각 대역마다 틀리게 가져가지 않아도 가능하다. 또한 주파수가 협소할 때 UHF, VHF 두 대역을 사용이 가능하여 장비 운용 유연성이 향상된다.

전술된 내용은 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 개시의 실시 예들은 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 개시의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 개시의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 개시의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims

위상 배열 레이다의 복사 소자 구성 방법에 있어서,
신호를 확인하는 과정;
상기 신호가 이중 대역일 경우, UHF(Ultra High Frequency) 안테나의 복사 소자 간격을 30MHz 내지 300MHz의 VHF(Very High Frequency) 대역의 주파수의 파장을 기반으로 하여 결정하는 과정; 및
상기 결정된 복사 소자 간격으로 전체 복사 소자를 구성하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 위상 배열 레이다의 복사 소자 구성 방법.
제1항에 있어서,
상기 위상 배열 레이다를 이용한 안테나의 이득은 상기 전체 복사 소자의 개수 및 상기 전체 복사 소자를 그룹핑한 단위 복사 소자의 이득을 기반으로 하여 결정되는 것을 특징으로 하는 위상 배열 레이다의 복사 소자 구성 방법.
제1항에 있어서,
상기 결정하는 과정은,
복소 소자를 소정의 개수 단위로 그룹핑하여 복수 개의 단위 복사 그룹을 생성하는 과정; 및
단위 복사 그룹 내 복사 소자 중심과 인접한 단위 복사 그룹 내 복사 소자 중심간의 거리를 결정하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 위상 배열 레이다의 복사 소자 구성 방법.
제3항에 있어서,
상기 단위 복사 그룹 내 복사 소자 중심과 인접한 단위 복사 그룹 내 복사 소자 중심간의 거리는 상기 30MHz 내지 300MHz의 VHF(Very High Frequency) 대역의 주파수의 파장/2로 결정되는 것을 특징으로 하는 위상 배열 레이다의 복사 소자 구성 방법.
제4항에 있어서,
상기 단위 복사 그룹 내 복사 소자는 동일한 위상을 가짐을 특징으로 하는 위상 배열 레이다의 복사 소자 구성 방법.
위상 배열 레이다의 복사 소자 구성 장치에 있어서,
신호를 송수신하는 트랜시버; 및
상기 신호를 확인하고, 상기 신호가 이중 대역일 경우, UHF(Ultra High Frequency) 안테나의 복사 소자 간격을 30MHz 내지 300MHz의 VHF(Very High Frequency) 대역의 주파수의 파장을 기반으로 하여 결정하고 및 상기 결정된 복사 소자 간격으로 전체 복사 소자를 구성하는 제어부를 포함함을 특징으로 하는 위상 배열 레이다의 복사 소자 구성 장치.
제6항에 있어서,
상기 위상 배열 레이다를 이용한 안테나의 이득은 상기 전체 복사 소자의 개수 및 상기 전체 복사 소자를 그룹핑한 단위 복사 소자의 이득을 기반으로 하여 결정되는 것을 특징으로 하는 위상 배열 레이다의 복사 소자 구성 장치.
제6항에 있어서,
상기 제어부는 복소 소자를 소정의 개수 단위로 그룹핑하여 복수 개의 단위 복사 그룹을 생성하고, 및 단위 복사 그룹 내 복사 소자 중심과 인접한 단위 복사 그룹 내 복사 소자 중심간의 거리를 결정하도록 더 구성되는 것을 특징으로 하는 위상 배열 레이다의 복사 소자 구성 장치.
제8항에 있어서,
상기 단위 복사 그룹 내 복사 소자 중심과 인접한 단위 복사 그룹 내 복사 소자 중심간의 거리는 상기 30MHz 내지 300MHz의 VHF(Very High Frequency) 대역의 주파수의 파장/2로 결정되는 것을 특징으로 하는 위상 배열 레이다의 복사 소자 구성 장치.
제9항에 있어서,
상기 단위 복사 그룹 내 복사 소자는 동일한 위상을 가짐을 특징으로 하는 위상 배열 레이다의 복사 소자 구성 장치.
위상 배열 레이다의 신호 수신 방법에 있어서,
수신된 신호를 확인하는 과정;
수신된 신호가 이중 대역으로 수신된 신호인 경우, 30MHz 내지 300MHz의 VHF(Very High Frequency) 대역의 주파수의 파장을 기반으로 하여 결정된 UHF(Ultra High Frequency) 안테나의 복사 소자 간격인 UHF 대역 중심 주파수의 파장/2의 파장으로 상기 신호가 수신된 것으로 결정하는 과정;
상기 수신된 신호가 UHF(Ultra High Frequency) 대역의 신호인가를 확인하는 과정; 및
상기 수신된 신호가 UHF 대역의 신호일 경우, 주파수 체배기가 없는 path로 상기 수신된 신호를 전달하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 위상 배열 레이다의 신호 수신 방법.
제11항에 있어서,
상기 수신된 신호가 UHF 대역의 신호가 아닌 경우, 상기 주파수 체배기가 있는 path로 상기 수신된 신호를 전달하는 과정을 더 포함함을 특징으로 하는 위상 배열 레이다의 신호 수신 방법.
위상 배열 레이다의 신호 수신 장치에 있어서,
상기 신호를 송수신하는 트랜시버; 및
수신된 신호를 확인하고, 수신된 신호가 이중 대역으로 수신된 신호인 경우, 30MHz 내지 300MHz의 VHF(Very High Frequency) 대역의 주파수의 파장을 기반으로 하여 결정된 UHF(Ultra High Frequency) 안테나의 복사 소자 간격인 UHF 대역 중심 주파수의 파장/2의 파장으로 상기 신호가 수신된 것으로 결정하고, 상기 수신된 신호가 UHF(Ultra High Frequency) 대역의 신호인가를 확인하고, 및 상기 수신된 신호가 UHF 대역의 신호일 경우, 주파수 체배기가 없는 path로 상기 수신된 신호를 전달하는 제어부를 포함함을 특징으로 하는 위상 배열 레이다의 신호 수신 장치.
제13항에 있어서,
상기 제어부는 상기 수신된 신호가 UHF 대역의 신호가 아닌 경우, 상기 주파수 체배기가 있는 path로 상기 수신된 신호를 전달하도록 더 구성되는 것을 특징으로 하는 위상 배열 레이다의 신호 수신 장치.
위상 배열 레이다의 신호 수신 방법에 있어서,
수신된 신호를 확인하는 과정; 및
상기 수신된 신호가 이중 대역으로 수신된 신호인 경우, 30MHz 내지 300MHz의 VHF(Very High Frequency) 대역의 주파수의 파장을 기반으로 하여 결정된 UHF(Ultra High Frequency) 안테나의 복사 소자 간격인 UHF 대역 중심 주파수의 파장/2의 파장으로 상기 신호가 수신된 것으로 결정하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 위상 배열 레이다의 신호 수신 방법.
제15항에 있어서,
상기 위상 배열 레이다를 이용한 안테나의 이득은 전체 복사 소자의 개수 및 상기 전체 복사 소자를 그룹핑한 단위 복사 소자의 이득을 기반으로 하여 결정되는 것을 특징으로 하는 위상 배열 레이다의 신호 수신 방법.
위상 배열 레이다의 신호 수신 장치에 있어서,
상기 신호를 송수신하는 트랜시버; 및
수신된 신호를 확인하고, 및 상기 수신된 신호가 이중 대역으로 수신된 신호인 경우, 30MHz 내지 300MHz의 VHF(Very High Frequency) 대역의 주파수의 파장을 기반으로 하여 결정된 UHF(Ultra High Frequency) 안테나의 복사 소자 간격인 UHF 대역 중심 주파수의 파장/2의 파장으로 상기 신호가 수신된 것으로 결정하는 제어부를 포함함을 특징으로 하는 위상 배열 레이다의 신호 수신 장치.
제17항에 있어서,
상기 위상 배열 레이다를 이용한 안테나의 이득은 전체 복사 소자의 개수 및 상기 전체 복사 소자를 그룹핑한 단위 복사 소자의 이득을 기반으로 하여 결정되는 것을 특징으로 하는 위상 배열 레이다의 신호 수신 장치.