KR102602720B1 - Beam Steering Device of Phased Array Antenna - Google Patents

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KR102602720B1
KR102602720B1 KR1020220151493A KR20220151493A KR102602720B1 KR 102602720 B1 KR102602720 B1 KR 102602720B1 KR 1020220151493 A KR1020220151493 A KR 1020220151493A KR 20220151493 A KR20220151493 A KR 20220151493A KR 102602720 B1 KR102602720 B1 KR 102602720B1
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유지웅
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한국 천문 연구원
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Abstract

본 발명은 위상 배열 안테나의 빔 조향 장치에 관한 것으로 더욱 상세하게는 주파수 변조와 위상 천이를 동시에 사용하여 광대역 신호의 송수신 시 출력되는 조향 빔의 빔 폭이 넓어지거나 게인이 저하되는 문제를 방지할 수 있는 위상 배열 안테나의 빔 조향 장치에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은 수신되는 신호를 소정의 빔 방향으로 출력하고, 복수개가 이격 설치되는 안테나 소자; 외부의 제어에 따라 수신되는 신호의 위상을 조정하되, 복수의 상기 안테나 소자에 각각 연결되어 상기 안테나 소자로 출력하거나 상기 안테나 소자로부터 신호를 수신받는 복수의 위상 천이기; 상기 베이스밴드(baseband) 파형의 IQ 신호를 생성하여 상기 위상 천이기로 전달하거나 상기 위상 천이기로부터 수신된 신호로부터 상기 IQ 신호를 추출하되, 외부의 제어에 따라 출력되는 주파수를 변조시키는 신호 처리기; 및 복수의 상기 안테나 소자를 통해 소정의 빔 방향으로 신호가 출력되도록 복수의 안테나 소자별로 출력되는 신호의 시간 지연을 수행하는 제어부;를 포함하고, 상기 제어부는, 복수의 위상 천이기를 통한 위상 천이 및 상기 신호 처리기의 주파수 변조를 통해 시간 지연을 수행한다.
The present invention relates to a beam steering device for a phased array antenna. More specifically, the present invention relates to a beam steering device for a phased array antenna. More specifically, it is possible to prevent the problem of broadening the beam width or lowering the gain of the steering beam output when transmitting and receiving a broadband signal by simultaneously using frequency modulation and phase shift. It relates to a beam steering device for a phased array antenna.
To this end, the present invention outputs a received signal in a predetermined beam direction and includes a plurality of antenna elements installed spaced apart from each other; A plurality of phase shifters that adjust the phase of a received signal according to external control and are respectively connected to a plurality of antenna elements and output to the antenna elements or receive signals from the antenna elements; A signal processor that generates an IQ signal of the baseband waveform and transmits it to the phase shifter or extracts the IQ signal from a signal received from the phase shifter and modulates the output frequency according to external control; And a control unit that performs a time delay of the signal output from each of the plurality of antenna elements so that the signal is output in a predetermined beam direction through the plurality of antenna elements, wherein the control unit performs phase shift through a plurality of phase shifters and Time delay is performed through frequency modulation of the signal processor.

Description

위상 배열 안테나의 빔 조향 장치{Beam Steering Device of Phased Array Antenna}Beam Steering Device of Phased Array Antenna}

본 발명은 위상 배열 안테나의 빔 조향 장치에 관한 것으로 더욱 상세하게는 주파수 변조와 위상 천이를 동시에 사용하여 광대역 신호의 송수신 시 출력되는 조향 빔이 주파수에 따라 상이하여 빔 폭이 넓어지거나 게인이 저하되는 문제를 방지할 수 있는 위상 배열 안테나의 빔 조향 장치에 관한 것이다. The present invention relates to a beam steering device for a phased array antenna. More specifically, the present invention relates to a beam steering device for a phased array antenna, and more specifically, when transmitting and receiving a broadband signal using frequency modulation and phase shift simultaneously, the steering beam output is different depending on the frequency, so that the beam width is widened or the gain is lowered. It relates to a beam steering device for a phased array antenna that can prevent problems.

위상배열 안테나는 복수의 안테나 소자를 일차원 또는 공간상에 배열한 후 각 소자의 위상을 조절하는 위상천이기를 통해 각 소자의 위상을 전기적으로 제어하면 합성된 빔의 방향을 신속하게 제어할 수 있게 되는 원리를 이용한 것으로서, 빔을 지향함에 있어서 기계적인 구동과 무관하게 안테나 배열의 위상을 제어함으로써 신뢰성이 높고 신속, 정확한 지향이 가능해지는 등 다양한 장점이 있다. A phased array antenna can quickly control the direction of the synthesized beam by arranging a plurality of antenna elements in one dimension or space and then electrically controlling the phase of each element through a phase shifter that adjusts the phase of each element. By using the principle, there are various advantages such as high reliability, rapid and accurate direction by controlling the phase of the antenna array regardless of mechanical drive in directing the beam.

이러한 장점으로 인해서, 전투기나 함선에 탑재된 레이더 빔의 지향속도를 개선하는 것 외에도, 최근에는 항공기나 위성용 영상레이더(SAR)의 송수신 안테나, 이동 통신의 중계 기술 등으로도 그 활용 범위가 점차 확대되고 있다.Due to these advantages, in addition to improving the direction speed of radar beams mounted on fighter planes or ships, the scope of its use has gradually expanded to include transmission/reception antennas for aircraft and satellite imaging radar (SAR) and relay technology for mobile communications. It is becoming.

도 1은 종래의 위상 배열 안테나의 개략적인 구성도를 나타낸다. Figure 1 shows a schematic configuration diagram of a conventional phased array antenna.

도 1에 도시된 바와 같이 종래의 위상 배열 안테나는 M개의 안테나 소자(1)와, 안테나 소자(1) 각각에 입력되는 신호의 위상을 조정하는 위상 천이기(2)와, 상기 위상 천이기(2)로 전달할 베이스밴드(Baseband) 형태의 IQ 신호를 생성 및 주파수를 Up-converting하는 송신기(3) 및 상기 송신기(3)와 위상 천이기(2)를 제어하어 목적하는 방향으로 빔이 출력되도록 하는 제어기(4)를 포함한다. As shown in Figure 1, a conventional phased array antenna includes M antenna elements 1, a phase shifter 2 that adjusts the phase of the signal input to each of the antenna elements 1, and the phase shifter ( 2) A transmitter (3) that generates an IQ signal in the form of a baseband to be transmitted and up-converts the frequency, and controls the transmitter (3) and the phase shifter (2) so that the beam is output in the desired direction. It includes a controller (4) that does.

아울러 안테나 소자(1)는 외부 신호를 수신할 수 있으며, 수신되는 신호를 위상 천이기(2)가 수신하여 제어기(4)의 제어에 따라 위상을 조정하고, 조정된 신호는 수신기(도면 미표시)로 수신되어 IQ 신호가 추출된다. In addition, the antenna element 1 can receive an external signal, and the phase shifter 2 receives the received signal and adjusts the phase under the control of the controller 4, and the adjusted signal is sent to the receiver (not shown). is received and the IQ signal is extracted.

이와 같은 위상 배열 안테나를 이용한 빔 조향 장치에 있어서, 만일 안테나 소자(1)가 2차원 평면 상에 복수개가 배열되는 경우 위상배열 안테나의 array factor는 하기와 같이 표현할 수 있다. In the beam steering device using such a phased array antenna, if a plurality of antenna elements 1 are arranged on a two-dimensional plane, the array factor of the phased array antenna can be expressed as follows.

Figure 112022120812079-pat00001
Figure 112022120812079-pat00001

여기서,

Figure 112022120812079-pat00002
,
Figure 112022120812079-pat00003
은 x축, y축 방향의 안테나 소자 위치이며, θ는 고도각, φ는 방위각이고, 각도 θ 및 φ에 빔을 조향하기 위해서는
Figure 112022120812079-pat00004
,
Figure 112022120812079-pat00005
의 위치에 있는 안테나 소자의 위상 천이값은
Figure 112022120812079-pat00006
가 된다. here,
Figure 112022120812079-pat00002
,
Figure 112022120812079-pat00003
is the location of the antenna element in the x-axis and y-axis directions, θ is the elevation angle, and ϕ is the azimuth angle. In order to steer the beam at angles θ and ϕ,
Figure 112022120812079-pat00004
,
Figure 112022120812079-pat00005
The phase shift value of the antenna element at the position is
Figure 112022120812079-pat00006
It becomes.

도 2는 일반적인 빔 패턴의 예를 나타내는 도면이며, 도 3은 d/λ에 따른 빔 패턴의 예를 나타내는 도면이다. FIG. 2 is a diagram showing an example of a general beam pattern, and FIG. 3 is a diagram showing an example of a beam pattern according to d/λ.

도면을 참조하면, 도 2의 (a)와 (b)는 빔 패턴 즉, 안테나 지향성(Directivity)을 나타내는 도면으로 (a)의 경우, 정상적인 빔 패턴으로서 그레이팅 로브(6, Grating Lobe)가 없이 메인 로브(5, Main Lobe)만 형성된 빔 패턴이고, (b)의 경우 그레이팅 로브(6)가 메인 로브(5)의 양측으로 형성된 불량한 빔 패턴을 나타내는 도면이다. Referring to the drawings, (a) and (b) of FIG. 2 are diagrams showing the beam pattern, that is, the antenna directivity. In the case of (a), it is a normal beam pattern and the main beam pattern has no grating lobe (6). This is a beam pattern in which only the lobe 5 (main lobe) is formed, and (b) is a diagram showing a poor beam pattern in which the grating lobes 6 are formed on both sides of the main lobe 5.

이와 같이 빔 패턴에서 그레이팅 로브(6)가 발생되면, 원하지 않는 방향으로 조향 빔이 출력되어 목적하는 방향으로 출력되어야 할 조향 빔의 게인이 떨어지고 원하지 않는 방향으로 빔이 방사되는 문제가 발생된다. In this way, when the grating lobes 6 are generated in the beam pattern, the steering beam is output in an undesired direction, causing a problem in that the gain of the steering beam that should be output in the desired direction decreases and the beam is radiated in an undesired direction.

이러한 그레이팅 로브(6)는 안테나 소자(1)의 간격이 커지게 되면 발생하는 현상으로서 일반적으로는 안테나 소자의 스페이싱(spacing)이 파장/2 이하에서는 발생하지 않는다. These grating lobes 6 are a phenomenon that occurs when the spacing between the antenna elements 1 increases, and generally spacing of the antenna elements does not occur below wavelength/2.

아울러 도 3의 (a)의 경우 d/λ= 0.5인 경우와 d/λ= 0.7인 경우의 빔 패턴으로서 d/λ= 0.5인 경우, 그레이팅 로브(6)가 발생하지 않고, 30°에 메인 로브(5)가 존재하지만, d/λ= 0.7인 경우, 30°의 메인 로브(5) 이외에 약 -70°에 그레이팅 로브(6)가 존재하는 빔 패턴을 갖는다. In addition, in the case of (a) of Figure 3, the beam pattern is for d/λ = 0.5 and d/λ = 0.7. In the case of d/λ = 0.5, the grating lobe 6 does not occur, and the main beam pattern at 30° Although the lobe 5 exists, when d/λ=0.7, it has a beam pattern in which the grating lobe 6 exists at about -70° in addition to the main lobe 5 at 30°.

아울러 도 3의 (b)와 같이 d/λ= 1.5인 경우, 빔 조향을 하지 않아도 약 40°와 -40°에 그레이팅 로브(6)를 갖게 된다.In addition, when d/λ = 1.5 as shown in (b) of FIG. 3, the grating lobes 6 are located at approximately 40° and -40° even without beam steering.

이뿐만 아니라, 광대역 신호를 사용하는 위상배열안테나는 빔 조향 각이 커지면서 조향 빔의 게인이 떨어지고 빔 폭이 넓어지는 문제가 발생된다. In addition, phased array antennas that use broadband signals have the problem that as the beam steering angle increases, the gain of the steering beam decreases and the beam width widens.

아울러 그레이팅 로브의 발생 위험에 따라 위상 배열 안테나 소자의 크기가 제한받게 되는데, 이로 인해 안테나 소자의 면적이 커질수록 안테나 게인이 커지고 메인 로브의 빔 폭 또한 좁아질 수 있는 잇점을 살릴 수 없게 된다. In addition, the size of the phased array antenna element is limited depending on the risk of occurrence of grating lobes, which makes it impossible to take advantage of the fact that the larger the area of the antenna element, the larger the antenna gain and the narrower the beam width of the main lobe.

따라서 안테나 소자의 크기를 증대시키더라도 그레이팅 로브가 발생되지 않도록 한다면 송신 전력을 증가시키지 않더라도 더 멀리 신호를 송수신할 수 있으므로 그레이팅 로브의 발생을 제한할 수 있는 빔 조향 장치의 개발이 절실히 요구된다. Therefore, if the size of the antenna element is increased to prevent the generation of grating lobes, signals can be transmitted and received further even without increasing the transmission power. Therefore, there is an urgent need for the development of a beam steering device that can limit the generation of grating lobes.

한국등록실용신안 제20-0406784호Korea Registered Utility Model No. 20-0406784

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서 주파수 변조와 위상 천이를 동시에 사용하여 광대역 신호의 송수신 시 출력되는 조향 빔이 주파수에 따라 달라져 빔 폭이 넓어지거나 게인이 저하되는 문제를 방지할 수 있는 빔 조향 장치를 제공함에 그 목적이 있다. The present invention was developed to solve the above problems, and by using frequency modulation and phase shift simultaneously, it is possible to prevent the problem of the beam width being widened or the gain being lowered due to the steering beam being output when transmitting and receiving a wideband signal depending on the frequency. The purpose is to provide a beam steering device with

아울러 그레이팅 로브가 발생함으로 원치 않는 곳에 빔이 방사되는 것을 광대역신호를 사용함으로 방지 또는 최소화할 수 있는 빔 조향 장치를 제공함에 그 목적이 있다. In addition, the purpose is to provide a beam steering device that can prevent or minimize the radiation of the beam to unwanted areas due to the occurrence of grating lobes by using a broadband signal.

본 발명은 상기의 과제를 해결하기 위해 아래와 같은 특징을 갖는다. The present invention has the following features to solve the above problems.

본 발명은 수신되는 신호를 소정의 빔 방향으로 출력하고, 복수개가 이격 설치되는 안테나 소자; 외부의 제어에 따라 수신되는 신호의 위상을 조정하되, 복수의 상기 안테나 소자에 각각 연결되어 상기 안테나 소자로 출력하거나 상기 안테나 소자로부터 신호를 수신받는 복수의 위상 천이기; 상기 베이스밴드(baseband) 파형의 IQ 신호를 생성하여 상기 위상 천이기로 전달하거나 상기 위상 천이기로부터 수신된 신호로부터 상기 IQ 신호를 추출하되, 외부의 제어에 따라 출력되는 주파수를 변조시키는 신호 처리기; 및 복수의 상기 안테나 소자를 통해 소정의 빔 방향으로 신호가 출력되도록 복수의 안테나 소자별로 출력되는 신호의 시간 지연을 수행하는 제어부;를 포함하고, 상기 제어부는, 복수의 위상 천이기를 통한 위상 천이 및 상기 신호 처리기의 주파수 변조를 통해 시간 지연을 수행한다. The present invention outputs a received signal in a predetermined beam direction and includes a plurality of antenna elements installed spaced apart from each other; A plurality of phase shifters that adjust the phase of a received signal according to external control and are respectively connected to a plurality of antenna elements and output to the antenna elements or receive signals from the antenna elements; A signal processor that generates an IQ signal of the baseband waveform and transmits it to the phase shifter or extracts the IQ signal from a signal received from the phase shifter and modulates the output frequency according to external control; And a control unit that performs a time delay of the signal output from each of the plurality of antenna elements so that the signal is output in a predetermined beam direction through the plurality of antenna elements, wherein the control unit performs phase shift through a plurality of phase shifters and Time delay is performed through frequency modulation of the signal processor.

여기서 상기 신호 처리기는 상기 IQ 신호를 생성하여 상기 위상 천이기로 전달하는 송신부; 및 상기 위상 천이기로부터 수신된 신호로부터 상기 IQ 신호를 추출하는 수신부;를 포함하되, 상기 송신부는, 상기 IQ 신호를 생성하는 IQ 신호 생성부; 상기 제어부의 제어에 따라 상기 IQ 신호의 주파수를 변조시키기 위한 변조 신호를 생성하는 변조 신호 생성부; 캐리어 신호를 생성하는 캐리어 신호 생성부; 및 상기 제어부의 제어에 따라 수신한 상기 IQ 신호, 상기 변조 신호 및 상기 캐리어 신호 중 적어도 둘을 조합하여 주파수 변조를 수행하는 주파수 변조부;를 포함한다.Here, the signal processor includes a transmitter that generates the IQ signal and transmits it to the phase shifter; and a receiver that extracts the IQ signal from the signal received from the phase shifter, wherein the transmitter includes: an IQ signal generator that generates the IQ signal; a modulation signal generator that generates a modulation signal for modulating the frequency of the IQ signal under the control of the control unit; A carrier signal generator that generates a carrier signal; and a frequency modulator that performs frequency modulation by combining at least two of the IQ signal, the modulation signal, and the carrier signal received under the control of the control unit.

또한 상기 제어부는, 상기 주파수 변조부에서 상기 IQ 신호와 상기 변조 신호를 조합하여 주파수 변조시키는 것과, 상기 주파수 변조부에서 상기 IQ 신호와 변경하여 생성된 캐리어 신호를 조합하여 주파수 변조를 수행하는 것과, 상기 주파수 변조부에서 정현파 함수가 곱해진 상기 IQ 신호와 상기 캐리어 신호를 조합하여 주파수 변조를 수행하는 것 중 적어도 하나를 통해 주파수 변조를 수행한다. In addition, the control unit performs frequency modulation by combining the IQ signal and the modulation signal in the frequency modulator, and performs frequency modulation by combining the IQ signal and a modified carrier signal in the frequency modulator, The frequency modulation unit performs frequency modulation through at least one of combining the IQ signal multiplied by a sinusoidal function and the carrier signal to perform frequency modulation.

아울러 상기 제어부는, 상기 IQ 신호가 LFM(Linear Frequency Modualation) 신호인 경우, 상기 LFM 신호에서 복수의 위상 천이기별 위상 천이값(

Figure 112022120812079-pat00008
) 및 상기 변조 신호의 주파수 변조값(
Figure 112022120812079-pat00009
)을 산출하여 시간 지연을 수행하되, 상기 위상 천이값(
Figure 112022120812079-pat00010
) 및 주파수 변조값(
Figure 112022120812079-pat00011
)은 하기 식 (1) 및 식 (2)로 산출된다.In addition, when the IQ signal is a Linear Frequency Modualization (LFM) signal, the control unit provides a phase shift value for each phase shifter in the LFM signal (
Figure 112022120812079-pat00008
) and the frequency modulation value of the modulation signal (
Figure 112022120812079-pat00009
) is calculated to perform time delay, and the phase shift value (
Figure 112022120812079-pat00010
) and frequency modulation value (
Figure 112022120812079-pat00011
) is calculated using the following equations (1) and (2).

식 (1)

Figure 112022120812079-pat00012
Equation (1)
Figure 112022120812079-pat00012

식 (2)

Figure 112022120812079-pat00013
Equation (2)
Figure 112022120812079-pat00013

(여기서, 상기

Figure 112022120812079-pat00014
,
Figure 112022120812079-pat00015
,
Figure 112022120812079-pat00016
,
Figure 112022120812079-pat00017
는 시간 지연값(Time Delay)이고,
Figure 112022120812079-pat00018
이다.) (here, the above
Figure 112022120812079-pat00014
,
Figure 112022120812079-pat00015
,
Figure 112022120812079-pat00016
,
Figure 112022120812079-pat00017
is the time delay value,
Figure 112022120812079-pat00018
am.)

또한 상기 제어부는, 상기 시간 지연을 수행할 때, 디지털 대역에서 1차 시간 지연을 수행하여 상기 IQ 신호를 생성하고, 상기 위상 천이값(

Figure 112022120812079-pat00019
) 및 상기 주파수 변조값(
Figure 112022120812079-pat00020
)에서 2차 시간 지연을 수행하여 목적하는 총 시간 지연을 수행하되, 상기 총 시간 지연은 상기 1차 시간 지연과 2차 시간 지연의 합이고, 상기 1차 시간 지연은 2차 시간 지연보다 크다.In addition, when performing the time delay, the control unit generates the IQ signal by performing the first time delay in the digital band, and the phase shift value (
Figure 112022120812079-pat00019
) and the frequency modulation value (
Figure 112022120812079-pat00020
), a secondary time delay is performed to achieve a desired total time delay, wherein the total time delay is the sum of the first time delay and the secondary time delay, and the primary time delay is greater than the secondary time delay.

아울러 상기 제어부는, 상기 시간 지연을 수행할 때, 상기 IQ 신호의 파형에서 시작 시간을 변경하거나, 상기 IQ 신호의 파형의 전단 및 후단을 소정 영역 제거한 후 시작 시간을 변경한다. In addition, when performing the time delay, the control unit changes the start time in the waveform of the IQ signal, or changes the start time after removing a predetermined area from the front and rear ends of the waveform of the IQ signal.

또한 상기 수신부는, 상기 제어부의 제어에 따라 상기 위상 천이기로부터 수신한 신호에서 캐리어 신호를 제거하는 캐리어 신호 제거부; 수신한 신호에서 변조 신호를 추출하기 위한 변조 신호 추출부; 상기 IQ 신호를 추출하는 IQ 신호 추출부; 및 상기 제어부의 제어에 따라 상기 송신부의 주파수 변조와 동기화하여 상기 위상 천이기로부터 수신한 신호에서 상기 IQ 신호, 상기 변조 신호 및 상기 캐리어 신호 중 적어도 둘을 분리하는 주파수 변조부;를 포함한다. Additionally, the receiving unit may include a carrier signal removal unit that removes a carrier signal from the signal received from the phase shifter under the control of the control unit; A modulation signal extraction unit for extracting a modulation signal from the received signal; IQ signal extraction unit for extracting the IQ signal; and a frequency modulator that synchronizes with the frequency modulation of the transmitter under the control of the control unit and separates at least two of the IQ signal, the modulation signal, and the carrier signal from the signal received from the phase shifter.

아울러 복수의 상기 안테나 소자는 2차원 평면 상에 복수개가 배열되되, 상기 안테나 소자 간의 간격은 0.5λ이상을 갖는 값이다. In addition, a plurality of antenna elements are arranged on a two-dimensional plane, and the distance between the antenna elements is 0.5λ or more.

본 발명에 따르면 광대역 신호를 사용하더라도 출력되는 조향 빔의 빔 폭이 넓어지고, 조향 빔의 게인이 저하되는 문제를 방지할 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, even when a wideband signal is used, the beam width of the output steering beam is widened and the problem of lowering the gain of the steering beam can be prevented.

도 1은 종래의 위상 배열 안테나의 개략적인 구성도를 나타낸다.
도 2는 일반적인 빔 패턴의 예를 나타내는 도면이다.
도 3은 d/λ에 따른 빔 패턴의 예를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 빔 조향 장치의 구성을 개략적으로 도시한 블럭도이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 안테나 구조를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시에에 따른 신호 처리기의 구성을 나타내는 블럭도이다.
도 8는 본 발명의 일실시예에 따른 디지털 형태의 송신부를 나타낸 도면이다.
도 9은 본 발명의 일실시예에 따른 아날로그 형태의 송신부가 적용된 빔 조향 장치의 송신 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
Figure 1 shows a schematic configuration diagram of a conventional phased array antenna.
Figure 2 is a diagram showing an example of a general beam pattern.
Figure 3 is a diagram showing an example of a beam pattern according to d/λ.
Figure 4 is a block diagram schematically showing the configuration of a beam steering device according to an embodiment of the present invention.
Figures 5 and 6 are diagrams showing an antenna structure according to an embodiment of the present invention.
Figure 7 is a block diagram showing the configuration of a signal processor according to an embodiment of the present invention.
Figure 8 is a diagram showing a digital transmitter according to an embodiment of the present invention.
Figure 9 is a diagram schematically showing the transmission configuration of a beam steering device to which an analog type transmitter is applied according to an embodiment of the present invention.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 설명하기 위하여 이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하고 이를 참조하여 살펴본다.In order to explain the present invention, its operational advantages, and the purpose achieved by practicing the present invention, preferred embodiments of the present invention are illustrated and discussed with reference to them.

먼저, 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니며, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 또한 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 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.First, the terms used in this application are only used to describe specific embodiments and are not intended to limit the present invention, and singular expressions may include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In addition, in the present application, terms such as "comprise" or "have" are intended to designate the presence of features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof described in the specification, but are not intended to indicate the presence of one or more other It should be understood that this does not exclude in advance the presence or addition of features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.In describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known configuration or function may obscure the gist of the present invention, the detailed description will be omitted.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 빔 조향 장치의 구성을 개략적으로 도시한 블럭도이고, 도 5 및 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 안테나 구조를 나타내는 도면이다. FIG. 4 is a block diagram schematically showing the configuration of a beam steering device according to an embodiment of the present invention, and FIGS. 5 and 6 are diagrams showing an antenna structure according to an embodiment of the present invention.

또한 도 7은 본 발명의 일실시에에 따른 송신부의 구성을 나타내는 블럭도이며, 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 디지털 형태의 송신부를 나타낸 도면이고, 도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 아날로그 형태의 송신부가 적용된 빔 조향 장치의 송신 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다. Additionally, Figure 7 is a block diagram showing the configuration of a transmitter according to an embodiment of the present invention, Figure 8 is a diagram showing a digital type transmitter according to an embodiment of the present invention, and Figure 9 is an embodiment of the present invention. This is a diagram schematically showing the transmission configuration of a beam steering device using an analog type transmitter according to .

도면을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 빔 조향 장치(1000)는 본 발명은 수신되는 신호를 소정의 빔 방향으로 출력하고, 복수개가 이격 설치되는 안테나 소자(100)와, 외부의 제어에 따라 수신되는 신호의 위상을 조정하되, 복수의 상기 안테나 소자(100)에 각각 연결되어 상기 안테나 소자(100)로 출력하거나 상기 안테나 소자(100)로부터 신호를 수신받는 복수의 위상 천이기(200)와, 상기 베이스밴드(baseband) 파형의 IQ 신호를 생성하여 상기 위상 천이기(200)로 전달하거나 상기 위상 천이기(200)로부터 수신된 신호로부터 상기 IQ 신호를 추출하되, 외부의 제어에 따라 출력되는 주파수를 변조시키는 신호 처리기(300) 및 복수의 상기 안테나 소자(100)를 통해 소정의 빔 방향으로 신호가 출력되도록 복수의 안테나 소자별로 출력되는 신호의 시간 지연을 수행하되, 복수의 위상 천이기(200)를 통한 위상 천이 및 상기 신호 처리기(300)의 주파수 변조를 통해 시간 지연을 수행하는 제어부(400)를 포함하여 구성된다. Referring to the drawings, the beam steering device 1000 according to an embodiment of the present invention outputs a received signal in a predetermined beam direction, includes a plurality of antenna elements 100 installed spaced apart, and external control. The phase of the received signal is adjusted according to the plurality of phase shifters (200), which are each connected to the plurality of antenna elements 100 and output to the antenna elements 100 or receive signals from the antenna elements 100. ) and, generate an IQ signal of the baseband waveform and transmit it to the phase shifter 200, or extract the IQ signal from a signal received from the phase shifter 200, according to external control. Time delay of the signal output from each of the plurality of antenna elements is performed so that the signal is output in a predetermined beam direction through the signal processor 300 that modulates the output frequency and the plurality of antenna elements 100, and a plurality of phase shifts are performed. It is configured to include a control unit 400 that performs time delay through phase shift through the signal processor 200 and frequency modulation of the signal processor 300.

여기서 상기 안테나 소자(100)는 1차원의 선상으로 복수개가 배열되거나 2차원의 평면상에 복수개가 배열되며, 각 안테나 소자(100)에는 입력되는 신호의 위상을 천이시키는 위상 천이기(200)가 연결된다. Here, a plurality of antenna elements 100 are arranged in a one-dimensional line or a plurality is arranged on a two-dimensional plane, and each antenna element 100 is equipped with a phase shifter 200 that shifts the phase of the input signal. connected.

상기 안테나 소자(100)들은 위상 천이기(200)로부터 신호를 수신받아 각각 출력하되, 복수의 안테나 소자(100)들로부터 출력되는 신호가 서로 상쇄 또는 보강되어 소정의 빔 방향으로 출력되게 된다. The antenna elements 100 receive signals from the phase shifter 200 and output each signal, and the signals output from the plurality of antenna elements 100 cancel or reinforce each other and are output in a predetermined beam direction.

이러한 빔 방향은 상기 제어부(400)에서 목적하는 방위각(φ) 및 고도각(θ)으로 메인 로브(Main Lobe)가 형성되도록 출력되게 된다. This beam direction is output from the control unit 400 so that a main lobe is formed at the desired azimuth angle (ϕ) and elevation angle (θ).

이와 같은 본 발명의 안테나 소자(100)들은 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이 일실시예에 따라 2차원 평면 상에 복수개가 배열되는 안테나 조립체(110)로 형성될 수 있고, 필요에 따라 지지대 조립체(120)에 지지되어 수평 조절기(130)를 통해 정밀한 수평 조절이 수행되도록 구성될 수 있다. The antenna elements 100 of the present invention may be formed as a plurality of antenna assemblies 110 arranged on a two-dimensional plane, as shown in FIGS. 5 and 6, and may be provided with a support stand as necessary. It may be supported on the assembly 120 and configured to perform precise horizontal adjustment through the level adjuster 130.

아울러 안테나 조립체(110)의 전방측에는 안테나 조립체(110)를 보호하기 위한 레이돔 조립체(140)가 구성될 수 있다. In addition, a radome assembly 140 may be formed on the front side of the antenna assembly 110 to protect the antenna assembly 110.

이와 같은 2차원 배열 구조의 안테나 소자(100)들 간 간격은 본 발명의 일예에 따라 출력되는 신호의 파장인 λ로 표현하면, 1.1λ로 설정될 수 있으며, 바람직하게는 상기 안테나 소자 간의 간격이 0.5λ 이상을 가지도록 구성된다. The spacing between the antenna elements 100 of such a two-dimensional array structure, expressed in λ, which is the wavelength of the signal output according to an example of the present invention, can be set to 1.1λ, and preferably the spacing between the antenna elements is It is configured to have more than 0.5λ.

한편 상기 위상 천이기(200)는 전술한 바와 같이 제어부(400)가 안테나 소자(100)들을 통해 목적하는 방향으로 빔을 출력하고자 할 때에는 상기 신호 처리기(300)로부터 수신받은 신호에서 제어부(400)의 제어에 따라 각각 다른 위상 천이값(

Figure 112022120812079-pat00021
)을 갖는 신호로 위상이 조정되어 이들과 각각 연결되는 상기 안테나 소자(100)로 전달되고, 빔을 수신받을 때에는 각 안테나 소자(100)들로부터 수신받은 신호를 제어부(400)의 제어에 따라 각각 다른 위상 천이값(
Figure 112022120812079-pat00022
)을 갖는 신호로 위상이 조정되어 이들과 연결되는 신호 처리기(300)로 조정된 신호를 전달한다. Meanwhile, as described above, the phase shifter 200 uses the signal received from the signal processor 300 when the control unit 400 wants to output a beam in a desired direction through the antenna elements 100. Each different phase shift value (
Figure 112022120812079-pat00021
) The phase is adjusted to a signal with a Different phase shift values (
Figure 112022120812079-pat00022
The phase is adjusted to a signal having ) and the adjusted signal is transmitted to the signal processor 300 connected to them.

또한 상기 신호 처리기(300)는 베이스밴드(baseband) 파형의 IQ 신호를 생성하여 상기 위상 천이기(200)로 전달하거나 상기 위상 천이기(200)로부터 수신된 신호로부터 상기 IQ 신호를 추출하되, 상기 제어부(400)에서 산출된 주파수 변조값(

Figure 112022120812079-pat00023
)을 기초로 출력되는 주파수를 변조시킨다. In addition, the signal processor 300 generates an IQ signal of a baseband waveform and transmits it to the phase shifter 200 or extracts the IQ signal from a signal received from the phase shifter 200. The frequency modulation value calculated by the control unit 400 (
Figure 112022120812079-pat00023
) modulates the output frequency based on

이러한 상기 신호 처리기(300)는 상기 IQ 신호를 생성하여 상기 위상 천이기(200)로 전달하는 송신부(310) 및 상기 위상 천이기(200)로부터 수신된 신호에서 상기 IQ 신호를 추출하는 수신부(320)를 포함하는데, 여기서 상기 송신부(310)는, 상기 IQ 신호를 생성하는 IQ 신호 생성부(311)와, 상기 제어부(400)의 제어에 따라 상기 IQ 신호의 주파수를 변조시키기 위한 변조 신호를 생성하는 변조 신호 생성부(312)와, 캐리어 신호를 생성하는 캐리어 신호 생성부(313) 및 상기 제어부(400)의 제어에 따라 수신한 상기 IQ 신호, 상기 변조 신호 및 상기 캐리어 신호 중 적어도 둘을 조합하여 주파수 변조를 수행하는 주파수 변조부(314)를 포함한다.The signal processor 300 includes a transmitter 310 that generates the IQ signal and transmits it to the phase shifter 200, and a receiver 320 that extracts the IQ signal from the signal received from the phase shifter 200. ), where the transmitter 310 generates an IQ signal generator 311 that generates the IQ signal, and a modulation signal for modulating the frequency of the IQ signal under the control of the controller 400. Combining at least two of the IQ signal, the modulation signal, and the carrier signal received under the control of the modulation signal generator 312, the carrier signal generator 313, which generates a carrier signal, and the controller 400. It includes a frequency modulator 314 that performs frequency modulation.

이러한 상기 송신부(310)는 디지털 형태의 송신부와 아날로그 형태로 송신부로 각각 구성될 수 있는데, 디지털 형태의 송신부는 도 2에서와 같이 캐리어 신호 생성부(313)에서 생성된 캐리어 신호(일예로, 2.5GHz)가 디지털 파형 합성기(DDS)에 전달되고, IQ 신호 생성부(311)에서 생성된 IQ 신호와 합성되고, 합성된 IQ 신호는 상기 변조 신호 생성부(312)에서 생성된 변조 신호와 합성되어 디지털 아날로그 컨버터(DAC)로 전송됨에 따라 최종적으로 위상 천이기(200)로 전달된다. The transmitter 310 may be composed of a digital transmitter and an analog transmitter, respectively. The digital transmitter transmits a carrier signal (for example, 2.5) generated by the carrier signal generator 313 as shown in FIG. 2. GHz) is transmitted to the digital waveform synthesizer (DDS) and synthesized with the IQ signal generated by the IQ signal generator 311, and the synthesized IQ signal is synthesized with the modulation signal generated by the modulation signal generator 312. As it is transmitted to the digital-to-analog converter (DAC), it is finally transmitted to the phase shifter 200.

상기 IQ 신호는 베이스밴드(baseband) 파형으로서, Quadarature signal 또는 complex signal이라고 불리기도 하며, I와 Q 2개로 이루어질 수 있다. The IQ signal is a baseband waveform, also called a quadrature signal or complex signal, and may be composed of two elements, I and Q.

이러한 IQ 신호는 특정 시간에서의 값을 하나의 복소수로 표현할 수 있는 2차원 신호라고 정의될 수 있다. This IQ signal can be defined as a two-dimensional signal whose value at a specific time can be expressed as a single complex number.

도 8에서는 각각 I 신호 및 Q 신호가 일예로 -225 내지 225MHz의 파형으로 형성되고 상기 변조 신호가 일예로 400 내지 850MHz의 파형으로 설명하였다. In Figure 8, the I signal and the Q signal are each formed as a waveform of -225 to 225 MHz, for example, and the modulation signal is explained as a waveform of 400 to 850 MHz, for example.

한편 주파수 변조부(314)는 상기 제어부(400)의 제어에 따라 수신한 상기 IQ 신호, 상기 변조 신호 및 상기 캐리어 신호 중 적어도 둘을 조합하여 주파수 변조를 수행하도록 구비되는데, 이러한 주파수 변조부(314)는 제어부(400)의 제어에 따라 크게 3가지 형태로 주파수 변조가 수행된다. Meanwhile, the frequency modulator 314 is provided to perform frequency modulation by combining at least two of the IQ signal, the modulation signal, and the carrier signal received under the control of the control unit 400. The frequency modulator 314 ) Frequency modulation is largely performed in three forms under the control of the control unit 400.

첫째로 IQ 신호의 파형에 변조 신호를 합성하여 주파수 변조를 수행하거나, IQ 신호의 파형은 일정하고 캐리어 신호를 다르게 변경하여 주파수 변조를 수행하거나 IQ 신호의 파형은 일정하게 유지하면서 이에 정현파(sinusoidal) 함수를 곱하여 주파수 변조를 수행할 수 있다. First, frequency modulation can be performed by combining a modulation signal with the waveform of the IQ signal, the waveform of the IQ signal is constant and the carrier signal is changed differently to perform frequency modulation, or the waveform of the IQ signal is kept constant and thus a sinusoidal waveform is performed. Frequency modulation can be performed by multiplying the function.

물론 설정에 따라 이들의 조합을 통해 주파수 변조가 수행될 수도 있다. Of course, depending on the setting, frequency modulation may be performed through a combination of these.

도 8에서는 주파수 변조부(314)는 변조 신호 생성부(312)를 통해 변조 신호를 IQ 신호와 합성하여 주파수 변조를 수행하게 되는 일예를 나타낸 것이다. FIG. 8 shows an example in which the frequency modulator 314 performs frequency modulation by combining the modulation signal with the IQ signal through the modulation signal generator 312.

상기 정현파 함수를 곱하여 주파수 변조를 수행할 때 정현파 함수를 주파수 변조부(314)의 메모리에 저장해두고 곱하는 방법과, 정현파 함수가 포함된 여러 개의 수식을 이용해 파형을 생성하는 방법이 있을 수 있다. When performing frequency modulation by multiplying the sinusoidal function, there may be a method of storing the sinusoidal function in the memory of the frequency modulator 314 and multiplying it, or a method of generating a waveform using several equations including the sinusoidal function.

한편 상기 도 9에서와 같이 아날로그 형태의 송신부는 IQ 신호와 변조 신호가 합성되어 위상 천이기(200)로 전달된다. Meanwhile, as shown in FIG. 9, in the analog type transmitter, the IQ signal and the modulation signal are synthesized and transmitted to the phase shifter 200.

상기 변조 신호는 변조 신호 생성부(312)에서 생성되는데, 여기서 변조 신호 생성부(312)는 일예로, 로컬 오실레이터(Local Oscilator)가 될 수 있다. The modulation signal is generated by the modulation signal generator 312, where the modulation signal generator 312 may be, for example, a local oscillator.

한편 상기 제어부(400)는, 복수의 상기 안테나 소자(100)를 통해 소정의 빔 방향으로 신호가 출력되도록 복수의 안테나 소자별로 출력되는 신호의 시간 지연을 수행하되, 복수의 위상 천이기(200)를 통한 위상 천이 및 상기 신호 처리기(300)의 주파수 변조를 통해 시간 지연을 수행하도록 구비되는데, 이러한 제어부(400)는 전술한 바와 같이 목적하는 방향으로 조향 빔이 출력되도록 복수의 안테나 소자별로 위상 천이값(

Figure 112022120812079-pat00024
)을 산출하여 위상 천이를 수행하고, 주파수 변조값(
Figure 112022120812079-pat00025
)을 산출하여 주파수 변조가 수행되도록 상기 위상 천이기(200) 및 신호 처리기(300)를 각각 제어할 수 있다. Meanwhile, the control unit 400 performs a time delay of the signal output from each of the plurality of antenna elements so that the signal is output in a predetermined beam direction through the plurality of antenna elements 100, and uses a plurality of phase shifters 200. It is provided to perform time delay through phase shift and frequency modulation of the signal processor 300. As described above, the control unit 400 performs phase shift for each of the plurality of antenna elements so that the steering beam is output in the desired direction. value(
Figure 112022120812079-pat00024
) is calculated to perform a phase shift, and the frequency modulation value (
Figure 112022120812079-pat00025
) can be calculated to control the phase shifter 200 and the signal processor 300 to perform frequency modulation, respectively.

본 발명에서는 광대역 신호에서 빔 폭이 넓어지고, 그레이팅 로브로 인한 조향 빔이 원치 않는 곳으로 방사되는 것을 광대역 신호를 사용함으로 이를 방지 또는 최소화하기 위해 위상 천이와 주파수 변조를 동시에 수행하게 되는데, 출력할 상기 IQ 신호가 LFM(Linear Frequency Modualation) 신호인 경우, 상기 위상 천이값(

Figure 112022120812079-pat00026
)과 주파수 변조값(
Figure 112022120812079-pat00027
)를 산출하는 과정을 일예로 설명하도록 한다. In the present invention, the beam width is widened in a wideband signal, and phase shift and frequency modulation are performed simultaneously to prevent or minimize the steering beam due to the grating lobe from being radiated to an unwanted place by using a wideband signal. If the IQ signal is a Linear Frequency Modualization (LFM) signal, the phase shift value (
Figure 112022120812079-pat00026
) and frequency modulation value (
Figure 112022120812079-pat00027
) will be explained as an example.

LFM 파형은 아래와 같이 나타낼 수 있다.The LFM waveform can be expressed as follows.

Figure 112022120812079-pat00028
Figure 112022120812079-pat00028

여기서 chirp rate인 k는

Figure 112022120812079-pat00029
이며,
Figure 112022120812079-pat00030
이다. Here, k, the chirp rate, is
Figure 112022120812079-pat00029
and
Figure 112022120812079-pat00030
am.

아울러 위상 지연(phase delay)은 아래와 같이 나타낼 수 있다. Additionally, phase delay can be expressed as follows.

Figure 112022120812079-pat00031
Figure 112022120812079-pat00031

이를 통해 시간 지연(time delay)은 아래와 같이 수행될 수 있다. Through this, time delay can be performed as follows.

Figure 112022120812079-pat00032
Figure 112022120812079-pat00032

Figure 112022120812079-pat00033
Figure 112022120812079-pat00033

Figure 112022120812079-pat00034
Figure 112022120812079-pat00034

Figure 112022120812079-pat00035
Figure 112022120812079-pat00035

Figure 112022120812079-pat00036
Figure 112022120812079-pat00036

따라서

Figure 112022120812079-pat00037
이며, 주파수 변조와 위상 천이(Shift)가 수행된 결과로 나타낼 수 있다. thus
Figure 112022120812079-pat00037
, and can be expressed as the result of frequency modulation and phase shift.

아울러 shift angular velocity는

Figure 112022120812079-pat00038
로 나타낼 수 있고, 주파수 변조값(shift frequency)은
Figure 112022120812079-pat00039
로 나타낼 수 있으며, 전체 주파수(frequency)는
Figure 112022120812079-pat00040
로 나타낼 수 있고, shift wavelength는
Figure 112022120812079-pat00041
로 나타낼 수 있다.In addition, shift angular velocity is
Figure 112022120812079-pat00038
It can be expressed as, and the frequency modulation value (shift frequency) is
Figure 112022120812079-pat00039
It can be expressed as, and the total frequency is
Figure 112022120812079-pat00040
It can be expressed as, and the shift wavelength is
Figure 112022120812079-pat00041
It can be expressed as

따라서, 하기와 같이 전체 주파수를 나타낼 수 있다. Therefore, the total frequency can be expressed as follows.

Figure 112022120812079-pat00042
Figure 112022120812079-pat00042

이를 통해 wavelength는

Figure 112022120812079-pat00043
이고,
Figure 112022120812079-pat00044
이다.Through this, the wavelength
Figure 112022120812079-pat00043
ego,
Figure 112022120812079-pat00044
am.

아울러

Figure 112022120812079-pat00045
로 나타낼 수 있다. together
Figure 112022120812079-pat00045
It can be expressed as

따라서, LFM 신호에서 위상 천이값(

Figure 112022120812079-pat00046
)과 주파수 변조값(
Figure 112022120812079-pat00047
)은 각각
Figure 112022120812079-pat00048
이고,
Figure 112022120812079-pat00049
로 나타낼 수 있다. Therefore, the phase shift value (
Figure 112022120812079-pat00046
) and frequency modulation value (
Figure 112022120812079-pat00047
) are respectively
Figure 112022120812079-pat00048
ego,
Figure 112022120812079-pat00049
It can be expressed as

이에 따라 상기 제어부(400)는 산출된 위상 천이값과 주파수 변조값을 통해 각각 위상 천이기(200) 및 신호 처리기(300)에서 위상 천이 및 주파수 변조를 수행하여 시간 지연을 수행할 수 있다. Accordingly, the control unit 400 can perform time delay by performing phase shift and frequency modulation in the phase shifter 200 and the signal processor 300, respectively, using the calculated phase shift value and frequency modulation value.

아울러 본 발명의 다른 실시예에 따라 제어부(400)는 1차 시간 지연 및 2차 시간 지연을 통해 전체 시간 지연을 수행할 수 있는데, 이는 디지털 형태의 송신부(310)에서는 상대적으로 큰 폭의 시간 지연(Coarse delay)인 1차 시간 지연을 수행할 수 있기 때문에 정밀한 시간 지연인 2차 시간 지연을 통해 제어부(400)에서 달성하고자 하는 전체 시간 지연을 수행할 수 있다.In addition, according to another embodiment of the present invention, the control unit 400 can perform the overall time delay through the primary time delay and the secondary time delay, which is a relatively large time delay in the digital transmitter 310. Since the first time delay, which is a coarse delay, can be performed, the entire time delay that the control unit 400 wants to achieve can be achieved through the second time delay, which is a precise time delay.

즉,

Figure 112022120812079-pat00050
이고,
Figure 112022120812079-pat00051
로 나타낼 수 있다. in other words,
Figure 112022120812079-pat00050
ego,
Figure 112022120812079-pat00051
It can be expressed as

여기서 td는 전체 시간 지연을 나타내고,

Figure 112022120812079-pat00052
(n=0, 1, 2,...)는 1차 시간 지연을 나타내며, td’은 2차 시간 지연을 나타낸다. where td represents the total time delay,
Figure 112022120812079-pat00052
(n=0, 1, 2,...) represents the first time delay, and td' represents the second time delay.

이를 수식으로 나타내면, 아래와 같다. If this is expressed in a formula, it is as follows.

Figure 112022120812079-pat00053
Figure 112022120812079-pat00053

Figure 112022120812079-pat00054
Figure 112022120812079-pat00054

Figure 112022120812079-pat00055
Figure 112022120812079-pat00055

Figure 112022120812079-pat00056
Figure 112022120812079-pat00056

Figure 112022120812079-pat00057
Figure 112022120812079-pat00057

Figure 112022120812079-pat00058
Figure 112022120812079-pat00058

한편 다른 실시예에 따라 상기 제어부(400)는, 시간 지연을 수행할 때, 일반적인 IQ 신호의 파형을 사용하는 경우, 상기 IQ 신호의 파형에서 시작 시간을 변경하거나, 상기 IQ 신호의 파형의 전단 및 후단을 소정 영역 제거한 후 시작 시간을 변경하여 시간 지연을 반영할 수도 있다. Meanwhile, according to another embodiment, when performing time delay, when using the waveform of a general IQ signal, the control unit 400 changes the start time in the waveform of the IQ signal, or changes the front and rear ends of the waveform of the IQ signal. After removing a predetermined area of the rear end, the start time can be changed to reflect the time delay.

물론 디지털 형태의 송신부(310)에서 시작 시간을 변경하여 시간 지연을 수행하는 경우, 정밀한 시간 지연이 수행되지 않을 수 있다. Of course, if time delay is performed by changing the start time in the digital transmitter 310, precise time delay may not be performed.

한편 본 발명에 따른 빔 조향 장치(1000)는 목적하는 빔 형태로 출력 신호를 출력할 수 있음과 동시에 안테나 소자(100)를 통해 수신되는 신호를 입력받을 수 있다. Meanwhile, the beam steering device 1000 according to the present invention can output an output signal in a desired beam form and simultaneously receive a signal received through the antenna element 100.

이의 경우, 안테나 소자(100)로 입력되는 신호에서 위상 천이기(200)는 제어부(400)에서 산출된 위상 천이값(

Figure 112022120812079-pat00059
)을 기초로 위상을 조정하고, 신호 처리기(300)는 제어부(400)에서 산출된 주파수 변조값(
Figure 112022120812079-pat00060
)을 기초로 주파수 변조가 수행된다. In this case, in the signal input to the antenna element 100, the phase shifter 200 calculates the phase shift value (
Figure 112022120812079-pat00059
), the signal processor 300 adjusts the phase based on the frequency modulation value calculated by the control unit 400 (
Figure 112022120812079-pat00060
) Frequency modulation is performed based on

물론 제어부(400)가 송신부(310)를 통해 빔 출력을 수행할 때 산출된 주파수 변조 구성을 수신부(320)에서 동기화하여 역으로 IQ 신호를 추출하도록 수행될 수 있다. Of course, when the control unit 400 performs beam output through the transmitter 310, the calculated frequency modulation configuration can be synchronized in the receiver 320 to extract the IQ signal in reverse.

이와 같은 신호 처리기(300)의 수신부(320)는 상기 제어부(400)의 제어에 따라 상기 위상 천이기(200)로부터 수신한 신호에서 캐리어 신호를 제거하는 캐리어 신호 제거부(321)와, 수신한 신호에서 변조 신호를 추출하기 위한 변조 신호 추출부(322)와, 상기 IQ 신호를 추출하는 IQ 신호 추출부(323) 및 상기 제어부(400)의 제어에 따라 상기 송신부의 주파수 변조와 동기화하여 상기 위상 천이기(200)로부터 수신한 신호에서 상기 IQ 신호, 상기 변조 신호 및 상기 캐리어 신호 중 적어도 둘을 분리하는 주파수 변조부(324)로 구성될 수 있다. The receiving unit 320 of the signal processor 300 includes a carrier signal removal unit 321 that removes the carrier signal from the signal received from the phase shifter 200 under the control of the control unit 400, and A modulation signal extractor 322 for extracting a modulation signal from a signal, an IQ signal extractor 323 for extracting the IQ signal, and the phase are synchronized with the frequency modulation of the transmitter under the control of the control unit 400. It may be comprised of a frequency modulator 324 that separates at least two of the IQ signal, the modulation signal, and the carrier signal from the signal received from the shifter 200.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니한다. 즉, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능하며, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정은 균등물들로 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주 되어야 할 것이다.Although preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the specific embodiments described above. In other words, a person skilled in the art to which the present invention pertains can make numerous changes and modifications to the present invention without departing from the spirit and scope of the appended claims, and all such appropriate changes and modifications can be made. Equivalents should be considered as falling within the scope of the present invention.

100 : 안테나 소자
200 : 위상 천이기
300 : 신호 처리기
310 : 송신부
311 : IQ 신호 생성부
312 : 변조 신호 생성부
313 : 캐리어 신호 생성부
314 : 주파수 변조부
320 : 수신부
321 : 캐리어 신호 제거부
322 : 변조 신호 추출부
323 : IQ 신호 추출부
324 : 주파수 변조부
400 : 제어부
1000 : 빔 조향 장치
100: antenna element
200: phase shifter
300: signal processor
310: Transmitting unit
311: IQ signal generator
312: modulation signal generator
313: carrier signal generator
314: Frequency modulation unit
320: Receiving unit
321: carrier signal removal unit
322: Modulation signal extraction unit
323: IQ signal extraction unit
324: Frequency modulation unit
400: control unit
1000: Beam steering device

Claims (8)

수신되는 신호를 소정의 빔 방향으로 출력하고, 복수개가 이격 설치되는 안테나 소자;
외부의 제어에 따라 수신되는 신호의 위상을 조정하되, 복수의 상기 안테나 소자에 각각 연결되어 상기 안테나 소자로 출력하거나 상기 안테나 소자로부터 신호를 수신받는 복수의 위상 천이기;
베이스밴드(baseband) 파형의 IQ 신호를 생성하여 상기 위상 천이기로 전달하거나 상기 위상 천이기로부터 수신된 신호로부터 상기 IQ 신호를 추출하되, 외부의 제어에 따라 출력되는 주파수를 변조시키는 신호 처리기; 및
복수의 상기 안테나 소자를 통해 소정의 빔 방향으로 신호가 출력되도록 복수의 안테나 소자별로 출력되는 신호의 시간 지연을 수행하는 제어부;를 포함하고,
상기 제어부는,
복수의 위상 천이기를 통한 위상 천이 및 상기 신호 처리기의 주파수 변조를 통해 시간 지연을 수행하고,
상기 신호 처리기는,
상기 IQ 신호를 생성하여 상기 위상 천이기로 전달하는 송신부; 및
상기 위상 천이기로부터 수신된 신호로부터 상기 IQ 신호를 추출하는 수신부;를 포함하되,
상기 송신부는,
상기 IQ 신호를 생성하는 IQ 신호 생성부;
상기 제어부의 제어에 따라 상기 IQ 신호의 주파수를 변조시키기 위한 변조 신호를 생성하는 변조 신호 생성부;
캐리어 신호를 생성하는 캐리어 신호 생성부; 및
상기 제어부의 제어에 따라 수신한 상기 IQ 신호, 상기 변조 신호 및 상기 캐리어 신호 중 적어도 둘을 조합하여 주파수 변조를 수행하는 주파수 변조부;를 포함하는 것
을 특징으로 하는 위상 배열 안테나의 빔 조향 장치.
A plurality of antenna elements are installed to output a received signal in a predetermined beam direction and are spaced apart from each other;
A plurality of phase shifters that adjust the phase of a received signal according to external control and are respectively connected to a plurality of antenna elements and output to the antenna elements or receive signals from the antenna elements;
A signal processor that generates an IQ signal of a baseband waveform and transmits it to the phase shifter or extracts the IQ signal from a signal received from the phase shifter and modulates the output frequency according to external control; and
A control unit that performs a time delay of the signal output from each of the plurality of antenna elements so that the signal is output in a predetermined beam direction through the plurality of antenna elements,
The control unit,
Performing time delay through phase shifting through a plurality of phase shifters and frequency modulation of the signal processor,
The signal processor is,
a transmitter that generates the IQ signal and transmits it to the phase shifter; and
Including a receiving unit that extracts the IQ signal from the signal received from the phase shifter,
The transmitter,
an IQ signal generator generating the IQ signal;
a modulation signal generator that generates a modulation signal for modulating the frequency of the IQ signal under the control of the control unit;
A carrier signal generator that generates a carrier signal; and
A frequency modulator that performs frequency modulation by combining at least two of the IQ signal, the modulation signal, and the carrier signal received under the control of the control unit.
Beam steering device of a phased array antenna, characterized by a.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 주파수 변조부에서 상기 IQ 신호와 상기 변조 신호를 조합하여 주파수 변조시키는 것과,
상기 주파수 변조부에서 상기 IQ 신호와 변경하여 생성된 캐리어 신호를 조합하여 주파수 변조를 수행하는 것과,
상기 주파수 변조부에서 정현파 함수(Sinusoidal Function)가 곱해진 상기 IQ 신호와 상기 캐리어 신호를 조합하여 주파수 변조를 수행하는 것 중
적어도 하나를 통해 주파수 변조를 수행하는 것
을 특징으로 하는 위상 배열 안테나의 빔 조향 장치.
According to paragraph 1,
The control unit,
Combining the IQ signal and the modulation signal in the frequency modulator to perform frequency modulation,
Performing frequency modulation by combining the IQ signal and the modified carrier signal in the frequency modulator,
Performing frequency modulation by combining the IQ signal and the carrier signal multiplied by a sinusoidal function in the frequency modulation unit.
Performing frequency modulation through at least one
Beam steering device of a phased array antenna, characterized by a.
제3항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 IQ 신호가 LFM(Linear Frequency Modualation) 신호인 경우,
상기 LFM 신호에서 복수의 위상 천이기별 위상 천이값(
Figure 112022120812079-pat00061
) 및 상기 변조 신호의 주파수 변조값(
Figure 112022120812079-pat00062
)을 산출하여 시간 지연을 수행하되,
상기 위상 천이값(
Figure 112022120812079-pat00063
) 및 주파수 변조값(
Figure 112022120812079-pat00064
)은 하기 식 (1) 및 식 (2)로 산출되는 것
을 특징으로 하는 위상 배열 안테나의 빔 조향 장치.
식 (1)
Figure 112022120812079-pat00065

식 (2)
Figure 112022120812079-pat00066

(여기서, 상기
Figure 112022120812079-pat00067
,
Figure 112022120812079-pat00068
,
Figure 112022120812079-pat00069
,
Figure 112022120812079-pat00070
는 시간 지연값(Time Delay)이고,
Figure 112022120812079-pat00071
이다.)
According to paragraph 3,
The control unit,
If the IQ signal is a Linear Frequency Modualization (LFM) signal,
Phase shift values for each phase shifter in the LFM signal (
Figure 112022120812079-pat00061
) and the frequency modulation value of the modulation signal (
Figure 112022120812079-pat00062
) is calculated to perform the time delay,
The phase shift value (
Figure 112022120812079-pat00063
) and frequency modulation value (
Figure 112022120812079-pat00064
) is calculated using the following equations (1) and (2)
Beam steering device of a phased array antenna, characterized by a.
Equation (1)
Figure 112022120812079-pat00065

Equation (2)
Figure 112022120812079-pat00066

(here, the above
Figure 112022120812079-pat00067
,
Figure 112022120812079-pat00068
,
Figure 112022120812079-pat00069
,
Figure 112022120812079-pat00070
is the time delay value,
Figure 112022120812079-pat00071
am.)
제4항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 시간 지연을 수행할 때,
디지털 대역에서 1차 시간 지연을 수행하여 상기 IQ 신호를 생성하고, 상기 위상 천이값(
Figure 112022120812079-pat00072
) 및 상기 주파수 변조값(
Figure 112022120812079-pat00073
)에서 2차 시간 지연을 수행하여 목적하는 총 시간 지연을 수행하되,
상기 총 시간 지연은 상기 1차 시간 지연과 2차 시간 지연의 합이고, 상기 1차 시간 지연은 2차 시간 지연보다 큰 것
을 특징으로 하는 위상 배열 안테나의 빔 조향 장치.
According to paragraph 4,
The control unit,
When performing the above time delay,
The IQ signal is generated by performing a first-order time delay in the digital band, and the phase shift value (
Figure 112022120812079-pat00072
) and the frequency modulation value (
Figure 112022120812079-pat00073
), perform the secondary time delay to achieve the desired total time delay,
The total time delay is the sum of the primary time delay and the secondary time delay, and the primary time delay is greater than the secondary time delay.
Beam steering device of a phased array antenna, characterized by a.
제3항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 시간 지연을 수행할 때,
상기 IQ 신호의 파형에서 시작 시간을 변경하거나,
상기 IQ 신호의 파형의 전단 및 후단을 소정 영역 제거한 후 시작 시간을 변경하는 것
을 특징으로 하는 위상 배열 안테나의 빔 조향 장치.
According to paragraph 3,
The control unit,
When performing the above time delay,
Change the start time in the waveform of the IQ signal, or
Changing the start time after removing a predetermined area of the front and rear ends of the waveform of the IQ signal
Beam steering device of a phased array antenna, characterized by a.
제3항에 있어서,
상기 수신부는,
상기 제어부의 제어에 따라 상기 위상 천이기로부터 수신한 신호에서 캐리어 신호를 제거하는 캐리어 신호 제거부;
수신한 신호에서 변조 신호를 추출하기 위한 변조 신호 추출부;
상기 IQ 신호를 추출하는 IQ 신호 추출부; 및
상기 제어부의 제어에 따라 상기 송신부의 주파수 변조와 동기화하여 상기 위상 천이기로부터 수신한 신호에서 상기 IQ 신호, 상기 변조 신호 및 상기 캐리어 신호 중 적어도 둘을 분리하는 주파수 변조부;를 포함하는 것
을 특징으로 하는 위상 배열 안테나의 빔 조향 장치.
According to paragraph 3,
The receiver,
a carrier signal removal unit that removes a carrier signal from the signal received from the phase shifter under the control of the control unit;
A modulation signal extraction unit for extracting a modulation signal from the received signal;
IQ signal extraction unit for extracting the IQ signal; and
A frequency modulator that synchronizes with the frequency modulation of the transmitter under the control of the control unit and separates at least two of the IQ signal, the modulation signal, and the carrier signal from the signal received from the phase shifter.
Beam steering device of a phased array antenna, characterized by a.
제1항에 있어서,
복수의 상기 안테나 소자는
2차원 평면 상에 복수개가 배열되되,
상기 안테나 소자 간의 간격은
0.5λ 이상을 갖는 값인 것
을 특징으로 하는 위상 배열 안테나의 빔 조향 장치.
According to paragraph 1,
The plurality of antenna elements are
A plurality of them are arranged on a two-dimensional plane,
The spacing between the antenna elements is
A value greater than 0.5λ
Beam steering device of a phased array antenna, characterized by a.
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KR200406784Y1 (en) 2005-10-21 2006-01-24 주식회사 극동통신 Radiating Element Array Structure for Phased Array Antenna
KR100963233B1 (en) * 2009-11-13 2010-06-10 엘아이지넥스원 주식회사 Beam steering system of phased array antenna using frequency
KR20220072189A (en) * 2020-11-25 2022-06-02 남명용 Sar system and method for processing signal of it

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