KR102631079B1 - 능동위상배열 레이더 시스템의 공간 급전 방법 및 능동위상배열 레이더 시스템의 공간 급전 장치 - Google Patents

능동위상배열 레이더 시스템의 공간 급전 방법 및 능동위상배열 레이더 시스템의 공간 급전 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 능동위상배열 레이더 시스템의 공간 급전 방법 및 능동위상배열 레이더 시스템의 공간 급전 장치에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 능동위상배열 레이더 시스템의 공간 급전 장치는 복수개의 이중 편파 안테나와 각각의 이중 편파 안테나에 대응되게 설치된 복수개의 송수신모듈을 포함하여 구성되는 능동위상배열 안테나; 능동위상배열 안테나의 전면과 기설정된 일정 간격을 갖고 마주하도록 설치되고, 제1 편파신호(X-pol)는 반사하고, 제2 편파신호(Co-pol)는 투과시키는 편광 반사판; 능동위상배열 안테나의 전면 일단에 설치되어서, 모노펄스 빔 운용을 위하여 송신모드시에는 제1 편파신호를 편광 반사판을 향해서 방사하고, 수신모드시에는 편광 반사판에서 반사되는 제1 편파신호를 수신하는 다중 모드 급전 혼을 포함할 수 있다.

Description

능동위상배열 레이더 시스템의 공간 급전 방법 및 능동위상배열 레이더 시스템의 공간 급전 장치{SPACE FEED METHOD FOR AESA AND SPACE FEED DEVICE FOR AESA}
본 발명은 능동위상배열 레이더 시스템의 공간 급전 방법 및 능동위상배열 레이더 시스템의 공간 급전 장치에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
능동위상배열 레이더 시스템{Active Electronically Scanned Array Radar ; AESA}은 다수개의 송수신모듈이 배치되고, 송수신 모듈은 수백개에서 수천개까지 포함될 수 있다. 각각의 송수신 모듈은 독립적인 개별 송수신 채널을 형성하므로, 능동위상배열 레이더 시스템은 각 송수신 모듈의 크기 및 위상을 조절하므로써 빔조향을 전자적으로 수행하는 것이 가능하다.
이와 같은 능동위상배열 레이더 시스템은 항공국과 지상국(관제국) 사이에서 항공국을 향해 지속적으로 빔을 조향할 수 있는 추적 안테나 시스템으로 활용된다. 특히, 능동위상배열 레이더 시스템은 이동중인 항공국을 고려해 빠른 빔 조향을 가능케 하는데, 각 방사소자에 여기되는 급전신호의 위상 및 크기 값을 가중하여 빔을 조향 및 형성할 수 있어서 빠르고 정밀한 빔 조향이 가능하다.
그리고 표적 추적 방법으로는 모노펄스 추적 알고리즘이 있다. 모노펄스 추적 알고리즘은 대국에서 방사하는 전파를 다수의 안테나로 수신한 후, 신호 합성을 통해 대국의 위치를 추정하는 알고리즘으로서, 추정각 산출 속도가 빠르기 때문에 항공국과 같이 이동중인 대국을 추적하는 분야에 많이 사용된다.
도 1은 종래 능동위상배열 레이더 시스템의 제어 구성도를 도시하고 있다.
기존 능동위상배열 레이더 시스템은 다수의 송수신모듈(또는 TR 단위모듈), 부배열 급전기, 빔 조향기, 제어 및 타이밍 인터페이스, 전원 공급기 등을 포함하여 구성된다.
그리고 RF 처리장치는 여자기, 4채널 수신기, 신호 처리기 등을 포함하고 있다. 여자기는 다중 모드 파형 발생 신호, 보정신호와 수신기 및 신호 처리기 기준 클럭 신호를 생성하여 분배한다. 도시되고 있는 수신기는 4채널 수신기이고, 각 채널을 모드에 따라 광대역 및 레이더 모드 신호를 수신하여 IF 단까지 주파수 하양 변환을 하고, 각 채널은 디지털 감쇄 소자를 두어 STC(Sensitivity Time Control) 기능을 수행한다. 신호 처리기는 획득된 신호를 분석하여 상황 판단에 의한 각종 기능 수행에 있어서 성공적으로 제어되는 것을 확인하고, 차체 점검 상태를 모니터링한다.
이와 같이 구성되는 종래 능동위상배열 레이더 시스템은 부배열 급전기에서 RF 신호를 각 송수신모듈에 분배 및 결합하여 신호를 송신하거나 수신하는 경로를 형성한다. 이때 부배열 급전기는 송신 및 수신 동작시 모든 송수신모듈에 동일한 위상과 이득이 전달되도록 설계되어야 한다. 또한 부배열 급전기는 일정 모듈들을 묶어서 하나의 부분 집합체를 형성하여 레이더 운용에 필요한 채널을 형성한다.
일 예로 능동위상배열 레이더 시스템에서 모노펄스 빔 운용을 위해서는 1개의 균일 급전 송신빔(Tx)과 3개의 수신빔(Rx Az Del, Rx El Del, Rx Sum) 형성이 필요하다. 이와 같이 모노펄스 빔 운용에 필요한 빔 형성을 위하여 부배열 급전기는 다수의 송수신 모듈들의 수신신호를 결합하여 모노펄스 빔 운용에 필요한 한개의 합 채널, 두개의 차 채널 등을 생성한다. 이 과정에서 복잡한 분배기의 사용이 필요하다.
또한, 종래 능동위상배열 레이더 시스템은 빔 운용에 필요한 각각의 송수신빔 형성을 위하여 가중치를 부여하고, 위상을 조절하기 위하여 다수개의 위상변위기와 감쇠기를 사용하고 있다.
따라서 종래 능동위상배열 레이더 시스템에서 모노펄스 빔 운용을 위한 한개의 송신빔, 세개의 수신빔 형성을 위하여 각각의 빔 패턴 형성에 따른 가중치 적용 및 각 패턴 마다 추가적인 위상변위기와 감쇠기를 사용해야 한다. 또한, 동일한 수신신호로 모두 다른 가중치를 적용한 3개의 수신 빔패턴을 얻기 위하여 매우 복잡한 분배기의 사용이 요구되어진다.
그러나 능동위상배열 레이더 시스템에서 모노펄스 빔 운용에 따른 추가적인 위상변위기, 감쇠기, 그리고 복잡한 분배기 등의 사용은 능동위상배열 레이더 시스템의 무게 및 제조 비용을 증가시키는 문제점이 있다.
따라서 본 발명의 목적은 능동위상배열 레이더 시스템에서 공간 급전을 통하여 모노펄스 빔 운용을 제어할 수 있는 능동위상배열 레이더 시스템의 공간 급전 방법 및 능동위상배열 레이더 시스템의 공간 급전 장치를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 모노펄스 빔 운용에 필요한 4가지 종류의 빔 형성을 위하여 다중 모드 급전 혼을 이용하는 능동위상배열 레이더 시스템의 공간 급전 방법 및 능동위상배열 레이더 시스템의 공간 급전 장치를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 이중 편파 안테나와 편광 반사판을 사용하여 모노펄스 빔 운용에 따른 능동위상배열 레이더 시스템의 공간 급전 방법 및 능동위상배열 레이더 시스템의 공간 급전 장치를 제공함에 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 능동위상배열 레이더 시스템의 공간 급전 장치는 복수개의 이중 편파 안테나와 각각의 이중 편파 안테나에 대응되게 설치된 복수개의 송수신모듈을 포함하여 구성되는 능동위상배열 안테나; 능동위상배열 안테나의 전면과 기설정된 일정 간격을 갖고 마주하도록 설치되고, 제1 편파신호(X-pol)는 반사하고, 제2 편파신호(Co-pol)는 투과시키는 편광 반사판; 능동위상배열 안테나의 전면 일단에 설치되어서, 모노펄스 빔 운용을 위하여 송신모드시에는 제1 편파신호를 편광 반사판을 향해서 방사하고, 수신모드시에는 편광 반사판에서 반사되는 제1 편파신호를 수신하는 다중 모드 급전 혼을 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서 다중 모드 급전 혼은 능동위상배열 안테나 전면의 중심 위치에 설치될 수 있다.
일 실시예에 있어서 송신 모드시, 다중 모드 급전 혼에서 방사된 제1 편파신호는 편광 반사판에서 반사되어서 능동위상배열 안테나를 구성하는 복수개의 이중 편파 안테나로 입사되고, 능동위상배열안테나는 편광 반사판에서 반사된 제1 편파신호를 입사하고, 제2 편파신호로 변환하여 시스템 외부로 방사하며, 수신 모드시, 편광 반사판을 투과하여 능동위상배열 안테나를 구성하는 복수개의 이중 편파 안테나에 입사된 제2 편파신호는 제1 편파신호로 변환되어 편광 반사판으로 방사되고, 편광 반사판에서 반사된 제1 편파신호는 다중 모드 급전 혼으로 입사될 수 있다.
일 실시예에 있어서 다중 모드 급전 혼은 수신 모드에서 제1 편파신호를 입사하고, 한 개의 합 신호 패턴, 두개의 차신호 패턴을 생성하여 출력할 수 있다.
일 실시예에 있어서 수신 모드에서 다중 모드 급전 혼을 통해서 생성되는 세개의 신호 패턴은 다중 모드 급전 혼의 빔 설정 패턴에 의해서 조절될 수 있다.
일 실시예에 있어서 수신 모드에서 다중 모드 급전 혼을 통해서 생성되는 세개의 신호 패턴은 다중 모드 급전 혼과 편광 반사판 사이의 거리에 의해서 조절될 수 있다.
일 실시예에 있어서 수신 모드에서 다중 모드 급전 혼을 통해서 생성되는 세개의 신호 패턴은 편광 반사판의 크기에 의해서 조절될 수 있다.
일 실시예에 있어서 수신 모드에서 다중 모드 급전 혼을 통해서 생성되는 세개의 신호 패턴은 능동위상배열 안테나에 구비된 송수신모듈의 감쇠량 제어값으로 조절될 수 있다.
일 실시예에 있어서 수신 모드에서 다중 모드 급전 혼을 통해서 생성되는 세개의 신호 패턴은 편광 반사판의 형상에 의해서 조절될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 송신 모드시, 다중 모드 급전 혼에서 제1 편파신호를 방사하는 1 단계; 다중 모드 급전 혼에서 방사된 제1 편파신호가 편광 방사판에서 반사되어 능동위상배열 안테나를 구성하는 복수개의 이중 편파 안테나로 입사하는 2 단계; 능동위상배열 안테나가 입사된 제1 편파신호를 송신 신호 처리하고, 복수개의 이중 편파 안테나를 통해서 제2 편파신호로 변환하여 방사하는 3 단계; 능동위상배열 안테나에서 방사된 제2 편파신호가 편광 반사판을 투과하여 시스템 외부로 방사되는 4 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서 능동위상배열 안테나는 반파장(λ/2) 간격으로 배열된 20 * 20 배열 안테나를 적용할 수 있다.
일 실시예에 있어서 능동위상배열 안테나와 편광 반사판 사이의 거리는 5파장(5λ)으로 설정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 수신 모드시, 편광 반사판을 투과하여 능동위상배열 안테나를 구성하는 복수개의 이중 편파 안테나에 제2 편파신호가 입사하는 1 단계; 능동위상배열 안테나가 입사된 제2 편파신호를 수신 신호 처리하고, 복수개의 이중 편파 안테나를 통해서 제1 편파신호로 변환하여 방사하는 2 단계; 능동위상배열 안테나에서 방사된 제1 편파신호가 편광 반사판에서 반사되어 다중 모드 급전 혼으로 입사되는 3 단계; 다중 모드 급전 혼에서 제1 편파신호를 이용해서 모노펄스 수신 빔에 따른 한개의 합신호와 두개의 차신호를 생성하여 출력하는 4 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면 능동위상배열 안테나는 반파장(λ/2) 간격으로 배열된 20 * 20 배열 안테나를 적용할 수 있다.
일 실시예에 따르면 능동위상배열 안테나와 편광 반사판 사이의 거리는 5파장(5λ)으로 설정할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면 능동위상배열 레이더 시스템의 공간 급전 방법 및 능동위상배열 레이더 시스템의 공간 급전 장치는 공간 급전을 통하여 모노펄스 빔 운용을 제어하므로서, 능동위상배열 레이더 시스템의 각각의 빔 패턴마다 별도의 분배기를 필요로 하지 않는다. 즉, 구성의 간소화와 제조 비용을 감소시키는 효과를 얻는다.
또한, 본 발명의 다양한 실시예에 따르면 능동위상배열 레이더 시스템에서 하나의 공간 급전 경로를 통해서 모노펄스 빔 운용에 필요한 4가지 빔을 모두 형성 가능하다. 따라서 모노펄스 빔 운용을 위하여 송수신모듈 내 위상변위기 및 감쇠기를 추가적으로 이용할 필요가 없어서, 그에 따른 구성의 간소화와 제조 비용을 감소시키는 효과를 얻는다.
또한, 본 발명의 다양한 실시예에 따르면 이중 편파 안테나 및 편광 반사판을 사용하여 편파를 분리해 사용하므로써, 추적 시스템에서의 안테나 패턴(co-pol 및 cross-pol)에 따른 효율적인 빔 운용 및 구조의 최적화를 이룰 수 있다.
도 1은 일반적인 능동위상배열 레이더 시스템의 구성도를 도시하고 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 능동위상배열 레이더 시스템의 송신 모드 동작 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 능동위상배열 레이더 시스템의 수신 모드 동작 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 모드 급전 혼의 합신호 방사 패턴 예시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 모드 급전 혼의 차신호 방사 패턴 예시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 합신호 방사시 20 * 20 배열 안테나의 입력 진폭 분포 예시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 차신호 방사시 20 * 20 배열 안테나의 입력 진폭 분포 예시도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 합신호 방사시 20 * 20 배열 안테나의 방사 패턴 예시도이다.
도 9은 본 발명의 일 실시예에 따른 차신호 방사시 20 * 20 안테나의 방사 패턴 예시도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 능동위상배열 레이더 시스템의 송신 모드시의 동작 흐름도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 능동위상배열 레이더 시스템의 수신 모드시의 동작 흐름도이다.
본 발명의 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것이다. 본 발명에 따른 권리범위가 이하에 제시되는 실시예들이나 이들 실시예들에 대한 구체적 설명으로 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 사용되는 모든 기술적 용어들 및 과학적 용어들은, 달리 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해되는 의미를 갖는다. 본 발명에 사용되는 모든 용어들은 본 발명을 더욱 명확히 설명하기 위한 목적으로 선택된 것이며 본 발명에 따른 권리범위를 제한하기 위해 선택된 것이 아니다.
본 발명에서 사용되는 "포함하는", "구비하는", "갖는" 등과 같은 표현은, 해당 표현이 포함되는 어구 또는 문장에서 달리 언급되지 않는 한, 다른 실시예를 포함할 가능성을 내포하는 개방형 용어(open-ended terms)로 이해되어야 한다.
본 발명에서 기술된 단수형의 표현은 달리 언급하지 않는 한 복수형의 의미를 포함할 수 있으며, 이는 청구범위에 기재된 단수형의 표현에도 마찬가지로 적용된다.
본 발명에서 사용되는 "제1", "제2" 등의 표현들은 복수의 구성요소들을 상호 구분하기 위해 사용되며, 해당 구성요소들의 순서 또는 중요도를 한정하는 것은 아니다.
본 발명에서 사용되는 용어 "부"는, 소프트웨어, 또는 FPGA(field-programmable gate array), ASIC(application specific integrated circuit)과 같은 하드웨어 구성요소를 의미한다. 그러나, "부"는 하드웨어 및 소프트웨어에 한정되는 것은 아니다. "부"는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고, 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 일 예로서, "부"는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스, 함수, 속성, 프로시저, 서브루틴, 프로그램 코드의 세그먼트, 드라이버, 펌웨어, 마이크로코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조, 테이블, 어레이 및 변수를 포함한다. 구성요소와 "부" 내에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소 및 "부"로 결합되거나 추가적인 구성요소와 "부"로 분리될 수 있다.
본 발명에서 사용되는 "~에 기반하여(또는 ~에 기초하여)"라는 표현은, 해당 표현이 포함되는 어구 또는 문장에서 기술되는, 결정 판단의 행위 또는 동작에 영향을 주는 하나 이상의 인자를 기술하는데 사용되며, 이 표현은 결정, 판단의 행위 또는 동작에 영향을 주는 추가적인 인자를 배제하지 않는다.
본 발명에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 경우, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수 있거나 접속될 수 있는 것으로, 또는 새로운 다른 구성요소를 매개로 하여 연결될 수 있거나 접속될 수 있는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명한다. 첨부된 도면에서, 동일하거나 대응하는 구성요소에는 동일한 참조부호가 부여되어 있다. 또한, 이하의 실시예들의 설명에 있어서, 동일하거나 대응하는 구성요소를 중복하여 기술하는 것이 생략될 수 있다. 그러나, 구성요소에 관한 기술이 생략되어도, 그러한 구성요소가 어떤 실시예에 포함되지 않는 것으로 의도되지는 않는다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 능동위상배열 레이더 시스템에서 송신 제어 동작을 설명하는 구성도이다. 그리고 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 능도위상배열 레이더 시스템에서 수신 제어 동작을 설명하는 구성도이다.
본 발명의 능동위상배열 레이더 시스템은 복수개의 이중 편파 안테나(20)와 각각의 이중 편파 안테나(20)에 대응되게 설치된 복수개의 송수신모듈(100)을 포함하여 구성되는 능동위상배열 안테나(200)를 포함한다.
본 발명의 설명에서 이중 편파 안테나(20)와 능동위상배열 안테나(200)는 구분된 안테나가 아니다. 본 발명에서 이중 편파 안테나(200)는 능동위상배열 안테나(200)에 포함된 복사소자의 기능을 갖는다.
본 발명의 능동위상배열 레이더 시스템은 능동위상배열 안테나(200)의 전면과 기설정된 일정 간격을 갖고 마주하도록 설치되고, 제1 편파신호(X-pol)는 반사하고, 제2 편파신호(Co-pol)는 투과시키는 편광 반사판(10)을 포함한다. 여기서 능동위상배열 안테나(200)의 전면은 이중 편파 안테나(20)가 배치된 부분으로, 편광 반사판(10)과 마주하여 신호를 입사하고 방사하는 면이다.
본 발명의 능동위상배열 레이더 시스템은 능동위상배열 안테나(200)의 전면 일단에 설치되어서, 모노펄스 빔 운용을 위하여 송신모드시에는 제1 편파신호를 편광 반사판(10)을 향해서 방사하고, 수신모드시에는 편광 반사판(10)에서 반사되는 제1 편파신호를 수신하는 다중 모드 급전 혼(30)을 포함한다.
본 발명의 능동위상배열 레이더 시스템은 수십에서 수천개의 송수신모듈(100)을 포함하여 구성한다. 따라서 능동위상배열 안테나(200) 후면에는 각각의 이중 편파 안테나(20)에 대응되는 송수신모듈(100)이 설치된다.
복수의 송수신모듈(100)은 이중 편파 안테나(20)를 통해서 수신한 신호는 수신 신호 처리하고, 송수신모듈(100)에서 송신 처리된 신호는 이중 편파 안테나(20)를 통해서 시스템 외부로 방사한다.
복수의 송수신모듈(100)은 송수신 빔 패턴의 최적화를 위하여 감쇠기(120), 위상변위기(110), 이득 증폭기(130,140), 송수신경로 선택 스위치(150,160) 등을 포함한다. 복수의 송수신 모듈(100)은 감쇠기(120)와 위상변위기(110)를 이용하여 위상과 진폭을 조절하고, 모노펄스 빔 운용에 필요한 빔 패턴을 최적화하는데 이용할 수 있다. 여기서 이득 증폭기(130,140)는 레이더 시스템에서 적용되는 고이득, 고출력 증폭기를 사용할 수 있다.
복수의 이중 편파 안테나(20)는 능동위상배열 안테나(200)를 구성하는 모 기판(마더 보드 ; 210)의 전 영역에 걸쳐서 형성되고, 구현되는 안테나 특성에 따라서 일정 간격을 가지고 다중 모드 급전 혼(30)을 중심으로 균일하게 배치될 수 있다.
복수의 이중 편파 안테나(20)는 송신 모드 동작시에는 제1 편파신호(X-pol)를 입력하고, 송수신모듈(100)에서 송신 신호 처리하고 제2 편파신호(Co-pol)로 변환하여 방사한다. 반대로 수신 모드 동작시에는 제2 편파신호(Co-pol)를 입력하고, 송수신모듈(100)에서 수신 신호 처리하고 제1 편파신호(X-pol)로 변환하여 방사한다.
복수의 이중 편파 안테나(20)를 배치하고 있는 안테나의 모 기판(210)은 급전 홀(35)을 포함할 수 있다. 안테나 본체(200)에 형성된 급전 홀(35)에는 다중 모드 급전 혼(30)이 결합된다. 일 실시예에서 다중 모드 급전 혼(30)은 안테나 본체(200)의 중심 위치에 배치할 수 있다.
다중 모드 급전 혼(30)은 모노 펄스 빔 운용에 따른 4가지 빔 패턴을 생성한다. 다중 모드 급전 혼(30)은 송신 모드 동작시에, 신호생성기(도시하지 않음)에서 생성된 송신신호를 Tx 단자를 통해서 입력하고, 제1 편파신호(X-pol)의 빔 패턴으로 변환해서 편광 반사판(10)으로 방사한다.
다중 모드 급전 혼(30)은 수신 모드 동작시에, 편광 반사판(10)에서 반사하는 제1 편파신호(X_pol)를 입력하고, 합신호와 차신호에 따른 합성된 신호를 생성하여 다중 모드 급전 혼(30)에서 연결된 Rx Az Del 단자, Rx El Del 단자, Rx Sum 단자를 통해서 각각의 빔 패턴을 갖는 신호를 출력한다. 다중 모드 급전 혼(30)에서 출력된 신호는 모노펄스 수신 신호 처리를 수행하는 신호처리기(도시하지 않음)에 제공된다.
다중 모드 급전 혼(30)은 모노펄스 빔 운용에 따른 추적 시스템 및 안테나 패턴(Co-pol, X-pol)의 요구 규격을 만족하는 특성으로 구현된다. 다중 모드 급전 혼(30)은 송수신모드에서 각 신호가 가지는 주파수, 진폭 등 신호의 특성이 다중 모드 급전 혼을 구성하는 구성요소들의 물리적 특성에 적합하게 이루어진다.
다중 모드 급전 혼(30)은 광대역(Ka 대역, 20~30GHz)의 특성에 맞게 형성되고, 공중으로 전파를 방사하고 받아들이는 것이 가능한 공간 급전이 가능한 구성이다. 다중 모드 급전 혼(30)은 하나의 송신 단자(Tx)와 세개의 수신 단자(Rx Az Del 단자, Rx El Del 단자, Rx Sum 단자)를 외부로 노출하고, 노출된 단자에 신호생성기(도시하지 않음), 신호 처리기(도시하지 않음)가 연결되어진다.
다중 모드 급전 혼(30)는 제어모듈(도시하지 않음)의 제어하에 수신 빔 패턴을 최적화할 수 있다. 본 발명에서 다중 모드 급전 혼(30)은 빔 패턴 설정이 제어 가능한 공지된 기술을 사용할 수 있다.
본 발명의 능동위상배열 레이더 시스템은 능동위상배열 안테나(200) 전면과 마주하도록 편광 반사판(10)을 설치하고 있다. 편광 반사판(10)은 제1 편파신호(X-pol)는 반사하고, 제2 편파신호(Co-pol)는 투과하는 특성을 갖도록 구현된다.
따라서 편광 반사판(10)은 송신 모드 동작시에 이중 편파 안테나(20)에서 방사하는 제2 편파신호(Co-pol)는 투과시켜서 시스템 외부로 방사시킨다. 그리고 편광 반사판(10)는 수신 모드 동작시에 시스템 외부에서 입사되는 제2 편파신호(Co-pol)는 투과시켜서 이중 편파 안테나(20)에 입사되도록 한다.
또한 편광 반사판(10)은 송신 모드 동작시에 다중 모드 급전 혼(30)에서 방사하는 제1 편파신호(X-pol)는 반사시켜서 이중 편파 안테나(20)에 입사되도록 한다. 그리고 편광 반사판(10)은 수신 모드 동작시에 이중 편파 안테나(20)에서 방사하는 제1 편파신호(X-pol)는 반사시켜서 다중 모드 급전 혼(30)에 입사되도록 한다.
편광 반사판(10)은 전도체 재료로 구현되고, 반사되는 신호가 입사되는 신호와 서로 직교하도록 편광된다. 레이더에 사용되는 안테나에 의해 발신된 전자기파 신호는 특정한 편광 방향을 갖는다. 따라서 편광 반사판(10)을 이용하여 산란되는 전자기파 신호의 편광 방향을 입사 신호의 편광 방향과 직교하도록 변환 시킨다. 즉, 편광 반사판(10)을 구성하는 전도체 표면 구조의 배열에 의해서 반사될 때, 획득한 위상이 서로 차이가 나도록 전도체 표면 구조를 설계하면, 항상 특정 편광 방향으로 입사되는 신호는 반사될 때 반드시 직교하는 편광 방향으로 반사되어진다.
편광 반사판(10)은 오목형, 볼록형, 평판형, 주파수 선택 표면형(Frequency Selective Surface), 메타표면형(Metasurface) 등, 구현되는 안테나 설계 특성에 따라서 형상, 재질, 구조, 구성 등을 다르게 구성할 수 있다. 또한 편광 반사판(10)과 다중 모드 급전 혼(30)과의 거리, 편광 반사판(30)의 크기 등을 구현되는 안테나 설계 특성에 따라서 다르게 구성할 수 있다.
편광 반사판(10)은 Wire를 이용한 mesh 형상 또는 또는 Frequency Selective Surface나 Metasurface와 같이 특정 구조를 갖는 유닛셀을 주기적으로 배치하여 형성할 수 있고, 한쪽 방향 pol(x-pol)은 반사시키지만 크로스폴(y-pol)은 투과시키는 반사판의 성질을 갖는다.
일 실시예에 따르면 다중 모드 급전 혼(30)을 통해서 생성되는 세개의 신호 패턴(Rx Az, Rx El, Rx Sum)은 다중 모드 급전 혼(30)과 편광 반사판(10) 사이의 거리에 의해서 최적화 제어 가능하다.
일 실시예에 따르면 다중 모드 급전 혼(30)을 통해서 생성되는 세개의 신호 패턴(Rx Az, Rx El, Rx Sum)은 편광 반사판(10)의 크기에 의해서 조절할 수 있다.
일 실시예에 따르면 다중 모드 급전 혼(30)을 통해서 생성되는 세개의 신호 패턴(Rx Az, Rx El, Rx Sum)은 편광 반사판(10)의 형상에 의해서 최적화 제어 가능하다.
이 외에도 본 발명의 일 실시예에 따른 능동위상배열 레이더 시스템은 레이더 운용에 필요한 각종 장치들을 더 포함할 수 있다. 일 예로 제어모듈(도시하지 않음)을 포함하고, 모노펄스 빔 운용의 과정을 전체적으로 제어할 수 있다.
또한 본 발명의 능동위상배열 안테나(200)는 제어모듈의 제어하에 일반적인 능동위상배열 안테나 기능을 제어할 수 있다. 그리고 도시하지 않고 있지만 능동위상배열 안테나의 기능 구현 및 모노펄스 빔 운용 제어을 위한 일반적인 구성들을 더 포함할 수 있다.
그리고 도 2와 도 3에 도시된 보정경로위치의 표시는 이중 편파 안테나(20)와 송수신모듈(100)의 연결 위치이고, 초기 위상값 제어를 위한 보정경로 급전기의 경로 위치이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 능동위상배열 레이더 시스템에서 공간 급전을 통한 송신 제어 동작은 다음과 같이 이루어진다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 능동위상배열 레이더 시스템의 공간 급전을 이용한 송신 제어 흐름도를 도시하고 있다.
단계 S302에서, 제어모듈(도시하지 않음)에서 모노펄스 빔 운용에 따른 송신 모드를 제어하면, 신호발생기(도시하지 않음)에서 발생한 RF 송신 신호가 송신 단자(Tx)를 통해서 다중 모드 급전 혼(30)에 입력된다. 단계 S304에서, 다중 모드 급전 혼(30)은 송신 신호를 제1 편파신호(X-pol)로 변환시켜서 방사한다.
단계 S306에서, 다중 모드 급전 혼(30)에서 방사된 제1 편파신호는 편광 반사판(10)에 의해서 반사된다. 단계 S308에서, 반사되는 제1 편파신호가 이중 편파 안테나(20)의 X_pol 포트로 입사된다.
즉, 본 발명에서는 이중 편파 안테나(20)와 편광 반사판(10), 그리고 편광 반사판(10)과 다중 모드 급전 혼(30) 사이에 일정 간격을 갖는 공간을 확보하고 있다. 이 공간을 통하여 다중 모드 급전혼(30)은 제1 편파신호를 편광 반사판(10)으로 방사하고, 편광 반사판(10)은 제1 편파신호를 반사하여 이중 편파 안테나(20)로 입사시킨다. 이와 같이 도 2에 빨간색 점선으로 도시된 송신 동작시에 공간으로 방사된 빔이 편광 반사판(10)을 이용하여 반사되는 경로를 형성하여 송신 동작에 필요한 공간 급전이 이루어지도록 하고 있다.
단계 S310에서, 이중 편파 안테나(20)에 입사된 제1 편파신호는 이중 편파 안테나(20)에 연결된 송수신모듈(100)에 입력된다. 송수신모듈(100)에 입력된 제1 편파신호(X-pol)는 감쇠기(120), 위상변위기(110), 송수신경로 선택 스위치(150), 이득 증폭기(130), 송수신경로 선택 스위치(160)를 경유하면서 위상과 진폭이 조절된다.
단계 S312에서, 송수신모듈(100)에서 신호 처리된 송신 신호는 이중 편파 안테나(20)를 통해서 제2 편파신호(Co-pol)로 변환되고, 이중 편파 안테나(20)의 Co-pol 포트로 방사된다. 이때 방사되는 신호를 도 2에서 파란색 점선으로 표시하였다.
단계 S314에서, 이중 편파 안테나(20)에서 방사된 제2 편파신호는 Co-pol 신호를 투과시키는 편광 반사판(10)을 투과하여 시스템 외부로 방사된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 능도위상배열 레이더 시스템에서 수신 제어 동작은 다음과 같이 이루어진다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 능동위상배열 레이더 시스템의 공간 급전을 이용한 수신 제어 흐름도를 도시하고 있다.
S402 단계에서, 제어모듈(도시하지 않음)은 모노 펄스 빔 운용의 수신 모드를 동작 제어한다.
S404 단계에서, 표적으로부터 반사되어 돌아온 RF 수신 신호인 제2 편파신호(Co-pol)는 편광 반사판(10)을 투과하여, 이중 편파 안테나(20)의 Co-pol 포트로 입사된다. 이때 입사되는 신호를 도 3의 파란색 점선으로 표시하였다.
S406 단계에서, 이중 편파 안테나(20)에 입사된 제2 편파신호는 송수신모듈(100) 내 송수신경로 선택 스위치(160), 이득 증폭기(160), 송수신경로 선택 스위치(150), 위상 변위기(110), 감쇠기(120)를 경유하면서 위상과 진폭이 조절된다.
그리고 S408 단계에서, 제1 편파신호(X_pol)로 변환되어 이중 편파 안테나(20)의 X-pol 포트로 방사된다.
S410 단계에서, 이중 편파 안테나(20)에서 방사된 제1 편파신호는 편광 반사판(10)에서 반사된다. S412 단계에서, 편광 반사판(10)에서 반사된 제1 편파신호는 다중 모드 급전 혼(30)에 입사된다.
이때 이중 편파 안테나(20)에서 방사되고, 편광 반사판(10)에서 반사되어 다중 모드 급전 혼(30)으로 입사되는 제1 편파신호를 도 3의 빨간색 점선으로 표시하였다.
즉, 본 발명에서는 이중 편파 안테나(20)와 편광 반사판(10), 그리고 편광 반사판(10)과 다중 모드 급전 혼(30) 사이에 일정 간격을 갖는 공간을 확보하고 있다. 이 공간을 통하여 이중 편파 안테나(20)는 제1 편파신호를 편광 반사판(10)으로 방사하고, 편광 반사판(10)은 제1 편파신호를 반사하여 다중 모드 급전 혼(30)으로 입사시킨다. 이와 같이 도 3에 빨간색 점선으로 도시된 바와 같이, 수신 동작시에 공간으로 방사된 빔이 편광 반사판(10)을 이용하여 반사되는 경로를 형성하여 수신 동작에 필요한 공간 급전이 이루어지도록 하고 있다.
S414 단계에서, 다중 모드 급전 혼(30)은 수신 모드 동작시에, 편광 반사판(10)에서 반사하는 제1 편파신호(X_pol)를 입력하고, 합신호와 차신호에 따른 합성된 신호를 생성하여 다중 모드 급전 혼(30)에 연결된 Rx Az Del 단자, Rx El Del 단자, Rx Sum 단자를 통해서 각각의 빔 패턴을 갖는 신호를 출력한다. 다중 모드 급전 혼(30)에서 출력된 신호는 모노펄스 수신 신호 처리를 수행하는 신호처리기(도시하지 않음)에 제공된다.
다음은 본 발명의 실시예에 따른 능동위상배열 레이더 시스템의 공간 급전 장치의 시뮬레이션 동작에 대해서 살펴본다.
본 발명에서 설명되는 능동위상배열 레이더 시스템의 공간 급전 장치의 방사 패턴은 상호적(Reciprocal)이기 때문에 수신 빔 패턴과 송신 빔 패턴은 동일하다.
본 발명의 실시예에 따른 수신 빔 패턴 형성의 예시를 보여주기 위하여, 도 4와 도 5에 도시된 바와 같이 다중 모드 급전 혼의 방사 패턴을 설정하였다. 도 4는 고각 방향의 합신호(Sum) 방사 패턴이고, 도 5는 고각 방향의 차신호(El Del) 방사 패턴을 도시하고 있다. 다중 모드 급전 혼은 상용화된 제품을 이용하고, 추가적으로 다중 모드 급전 혼의 방사 패턴은 송수신모듈 내의 위상변위기와 감쇠기를 이용하여 각 방사 소자의 보정, 빔 조향 등, 빔 패턴의 최적화를 위한 제어를 수행할 수 있다.
본 발명의 시뮬레이션 과정에서는 복수의 이중 편파 안테나로 구성되는 능동위상배열 안테나는 반파장(λ/2) 간격으로 배열된 20 * 20 배열 안테나로 설정하고, 능동위상배열 안테나와 편광 반사판 사이의 거리는 5파장(5λ)으로 설정하였다. 그리고 시뮬레이션 과정에서 이중 편파 안테나에 연결된 송수신모듈 내에 포함된 위상변위기는 사용하지 않았으며, 감쇠기는 전체 진폭 패턴이 Taylor 급수 전개에 의해 30dB가 되도록 설정하였다.
이와 같이 시뮬레이션 조건을 설정하고, 제어모듈(도시하지 않음)의 제어하에 다중 모드 급전 혼의 송신단자(Tx)를 통해서 신호가 입력되면, 다중 모드 급전 혼에서 신호가 방사되고, 이 방사신호는 편광 반사판에서 반사되어 능동위상배열 안테나에 입사된다. 이때 입사되는 능동위상배열 안테나의 입력 진폭 분포를 도 6과 도 7에 도시하고 있다.
즉, 도 6은 다중 모드 급전 혼에서 도 4와 같은 합 패턴 설정시 능동위상배열 안테나에 입사되는 진폭의 크기이고, 도 7은 다중 모드 급전 혼에서 도 5와 같은 차 패턴 설정시의 능동위상배열 안테나에 입사되는 진폭의 크기를 도시하고 있다.
능동위상배열 안테나의 이중 편파 안테나를 통해서 입사된 신호는 송수신모듈을 통해서 신호 처리 후, 편파가 변환되어서 이중 편파 안테나를 통해서 방사된다.
이때 20*20 배열 안테나를 통해서 방사되는 신호는 다중 모드 급전 혼에서 도 6에 따른 합 패턴 방사시에 도 8에 도시된 합신호의 방사 패턴을 형성한다. 그리고 다중 모드 급전 혼에서 도 7에 따른 차 패턴 방사시에 도 9에 도시된 차신호의 방사 패턴을 형성한다. 또한 방위각 방향의 차신호(Az Del) 방사 패턴은 고각 방향의 차신호(El Del) 방사 패턴의 형성 방법과 동일한 과정으로 형성할 수 있다.
본 발명의 실시예에서 20*20 배열 안테나의 송수신 빔 측정은 빔 패턴 측정장치(일 예로 근접 전계 시험 장치)를 적용할 수 있다. 즉, 일반적인 근접 전계 시험 장치를 이용하여, 각 배열소자의 빔 패턴을 측정하고, 이를 합성하여 도 8 및 도 9와 같은 송수신 빔 패턴을 형성하는 것이 가능하다.
이상의 시뮬레이션 과정에서 다중 모드 급전 혼에서 도 4와 도 5에 도시된 바와 같은 고각 방향의 합신호 패턴과 고각 방향의 차신호 패턴을 설정하고, 이를 이용하여 20*20 배열 안테나로 구성된 능동위상배열 안테나를 통해서 형성되는 방사 패턴을 확인하였다.
즉, 시뮬레이션 과정을 송신 과정의 빔 방사 패턴으로 설명하고 있으나, 능동위상배열 레이더 시스템의 방사 패턴은 상호적(Reciprocal)이기 때문에 수신 빔 패턴과 송신 빔 패턴은 동일하다. 따라서 수신 과정의 빔 방사 패턴도 도 4 내지 도 9의 과정과 동일하다.
따라서 본 발명의 실시예에 따르면, 복수개의 이중 편파 안테나로 구성된 능동위상배열 안테나와 모노펄스 빔 운용을 위한 다중 모드 급전 혼 그리고 편광 반사판으로 이루어지는 공간 급전 방식을 통해서 Rx Az Del 단자, Rx El Del 단자, Rx Sum 단자로 수신되는 3개의 수신 빔 패턴을 우수하게 구현 가능함을 확인할 수 있다.
그리고 본 발명의 실시예에서 모노펄스 빔 운용시 필요로 하는 3가지 수신 패턴은 다중 모드 급전 혼을 통해서 설정되는 빔 패턴, 다중 모드 급전 혼과 편광 반사판 사이의 거리, 편광 반사판의 크기, 감쇠기의 감쇠량, 편광 반사판의 형상(오목, 볼록, 평판형, 등)을 조절하여 원하는 수신 패턴으로 제어하는 것이 가능하다.
위 방법은 특정 실시예들을 통하여 설명되었지만, 위 방법은 또한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의해 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광데이터 저장장치 등이 있다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 그리고, 위 실시예들을 구현하기 위한 기능적인(functional) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있다.
이상 일부 실시예들과 첨부된 도면에 도시된 예에 의해 본 발명의 기술적 사상이 설명되었지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 이해할 수 있는 본 발명의 기술적 사상 및 범위를 벗어나지 않는 범위에서 다양한 치환, 변형 및 변경이 이루어질 수 있다는 점을 알아야 할 것이다. 또한, 그러한 치환, 변형 및 변경은 첨부된 청구범위 내에 속하는 것으로 생각되어야 한다.
10 : 편광 반사판, 20 : 이중 편파 안테나, 30 : 다중 모드 급전 혼, 100 : 송수신모듈, 110 : 위상변위기, 120 : 감쇠기, 130,140 : 이득증폭기, 150, 160 : 송수신경로 선택 스위치, 200 : 능동위상배열 안테나

Claims (15)

  1. 복수개의 이중 편파 안테나와 각각의 이중 편파 안테나에 대응되게 설치된 복수개의 송수신모듈을 포함하여 구성되는 능동위상배열 안테나;
    능동위상배열 안테나의 전면과 기설정된 일정 간격을 갖고 마주하도록 설치되고, 제1 편파신호(X-pol)는 반사하고, 제2 편파신호(Co-pol)는 투과시키는 편광 반사판;
    능동위상배열 안테나의 전면 일단에 설치되어서, 모노펄스 빔 운용을 위하여 송신모드시에는 제1 편파신호를 편광 반사판을 향해서 방사하고, 수신모드시에는 편광 반사판에서 반사되는 제1 편파신호를 수신하는 다중 모드 급전 혼을 포함하여 구성되고,
    다중 모드 급전 혼은 수신 모드에서 제1 편파신호를 입사하고, 한 개의 합 신호 패턴, 두개의 차신호 패턴을 생성하여 출력하고,
    수신 모드에서 다중 모드 급전 혼을 통해서 생성되는 세개의 신호 패턴은 다중 모드 급전 혼의 빔 설정 패턴에 의해서 조절되는 능동위상배열 레이더 시스템의 공간 급전 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    다중 모드 급전 혼은 능동위상배열 안테나 전면의 중심 위치에 설치되는 능동위상배열 레이더 시스템의 공간 급전 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    송신 모드시, 다중 모드 급전 혼에서 방사된 제1 편파신호는 편광 반사판에서 반사되어서 능동위상배열 안테나를 구성하는 복수개의 이중 편파 안테나로 입사되고,
    능동위상배열안테나는 편광 반사판에서 반사된 제1 편파신호를 입사하고, 제2 편파신호로 변환하여 시스템 외부로 방사하며,
    수신 모드시, 편광 반사판을 투과하여 능동위상배열 안테나를 구성하는 복수개의 이중 편파 안테나에 입사된 제2 편파신호는 제1 편파신호로 변환되어 편광 반사판으로 방사되고,
    편광 반사판에서 반사된 제1 편파신호는 다중 모드 급전 혼으로 입사되는 능동위상배열 레이더 시스템의 공간 급전 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    수신 모드에서 다중 모드 급전 혼을 통해서 생성되는 세개의 신호 패턴은 다중 모드 급전 혼과 편광 반사판 사이의 거리에 의해서 조절되는 능동위상배열 레이더 시스템의 공간 급전 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    수신 모드에서 다중 모드 급전 혼을 통해서 생성되는 세개의 신호 패턴은 편광 반사판의 크기에 의해서 조절되는 능동위상배열 레이더 시스템의 공간 급전 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    수신 모드에서 다중 모드 급전 혼을 통해서 생성되는 세개의 신호 패턴은 능동위상배열 안테나에 구비된 송수신모듈의 감쇠량 제어값으로 조절되는 능동위상배열 레이더 시스템의 공간 급전 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    수신 모드에서 다중 모드 급전 혼을 통해서 생성되는 세개의 신호 패턴은 편광 반사판의 형상에 의해서 조절되는 능동위상배열 레이더 시스템의 공간 급전 장치.
  8. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 따른 능동위상배열 레이더 시스템의 공간 급전 장치를 사용하여,
    수신 모드시, 편광 반사판을 투과하여 능동위상배열 안테나를 구성하는 복수개의 이중 편파 안테나에 제2 편파신호가 입사하는 1 단계;
    능동위상배열 안테나가 입사된 제2 편파신호를 수신 신호 처리하고, 복수개의 이중 편파 안테나를 통해서 제1 편파신호로 변환하여 방사하는 2 단계;
    능동위상배열 안테나에서 방사된 제1 편파신호가 편광 반사판에서 반사되어 다중 모드 급전 혼으로 입사되는 3 단계;
    다중 모드 급전 혼에서 제1 편파신호를 이용해서 모노펄스 수신 빔에 따른 한개의 합신호와 두개의 차신호를 생성하여 출력하는 4 단계를 포함하고,
    수신 모드에서 다중 모드 급전 혼을 통해서 생성되는 세개의 신호 패턴은 다중 모드 급전 혼의 빔 설정 패턴에 의해서 조절되는 능동위상배열 레이더 시스템의 공간 급전 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    능동위상배열 안테나는 반파장(λ/2) 간격으로 배열된 20 * 20 배열 안테나인 능동위상배열 레이더 시스템의 공간 급전 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    능동위상배열 안테나와 편광 반사판 사이의 거리는 5파장(5λ)으로 설정하는 능동위상배열 레이더 시스템의 공간 급전 방법.
  11. 청구항 8에 있어서,
    송신 모드시, 다중 모드 급전 혼에서 제1 편파신호를 방사하는 5 단계;
    다중 모드 급전 혼에서 방사된 제1 편파신호가 편광 방사판에서 반사되어 능동위상배열 안테나를 구성하는 복수개의 이중 편파 안테나로 입사하는 6 단계;
    능동위상배열 안테나가 입사된 제1 편파신호를 송신 신호 처리하고, 복수개의 이중 편파 안테나를 통해서 제2 편파신호로 변환하여 방사하는 7 단계;
    능동위상배열 안테나에서 방사된 제2 편파신호가 편광 반사판을 투과하여 시스템 외부로 방사되는 8 단계를 포함하는 능동위상배열 레이더 시스템의 공간 급전 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20110075218A (ko) * 2009-12-28 2011-07-06 (주)하이게인안테나 편파 변환형 모노펄스 추적 안테나
KR102418508B1 (ko) * 2021-03-03 2022-07-07 엘아이지넥스원 주식회사 안테나 개구면 공유 시스템

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