KR20050109320A - 유전자 알고리즘을 이용한 배열 안테나의 배열 간격 결정방법 및 이를 이용한 소파형 부등간격 배열 안테나 - Google Patents

유전자 알고리즘을 이용한 배열 안테나의 배열 간격 결정방법 및 이를 이용한 소파형 부등간격 배열 안테나 Download PDF

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Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야
본 발명은, 유전자 알고리즘을 이용한 배열 안테나의 배열 간격 결정 방법 및 이를 이용한 소파형 부등간격 배열 안테나에 관한 것임.
2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제
본 발명은, 안테나의 배열 구조에 있어서, 뒤쪽 부배열에 앞쪽 부배열에 의한 전파 그늘이 발생하지 않도록 최소한의 간격을 유지하면서, 방사 소자들을 최적의 저부엽 특성을 갖는 간격으로 배치하기 위한 유전자 알고리즘을 이용한 배열 간격 결정 방법 및 상기 방법을 이용한 최적의 저부엽 특성을 갖는 소파형 부등간격 배열 안테나를 제공하는데 그 목적이 있음.
3. 발명의 해결방법의 요지
본 발명은, 소파형 부등간격 배열 안테나에 있어서, 수평면을 기준으로 경사각을 갖고, 부등간격으로 배열되어 전파 신호를 방사 또는 수신하기 위한 다수의 방사 수단; 상기 방사 수단에서 방사하는 방사 신호 및 상기 방사 수단에서 수신하는 수신 신호를 증폭하고, 상기 방사 수단에서 방사하는 방사 신호 및 상기 방사 수단에서 수신하는 수신 신호의 위상을 제어하기 위한 다수의 위상변위 수단; 및 소파형 부등간격 배열 안테나에서 송신하고자 하는 신호를 상기 방사 신호로 분리하여 상기 다수의 위상변위 수단으로 전달하고, 상기 다수의 위상변위 수단으로부터의 수신 신호를 결합하기 위한 전파신호결합 수단을 포함함.
4. 발명의 중요한 용도
본 발명은 배열 안테나 등에 이용됨.

Description

유전자 알고리즘을 이용한 배열 안테나의 배열 간격 결정 방법 및 이를 이용한 소파형 부등간격 배열 안테나{Array Spacing Decision Method at Array Antenna using Genetic Algorithm and Array Antenna with Sofa Structure and Irregular Array Spacing}
본 발명은 유전자 알고리즘을 이용한 배열 안테나의 배열 간격 결정 방법 및 이를 이용한 소파형 부등간격 배열 안테나에 관한 것으로, 보다 상세하게는 배열 안테나가 최적의 저부엽 특성을 갖도록 하기 위하여 유전자 알고리즘을 이용하여 배열 간격을 결정하는 방법 및 상기 방법을 이용한 최적의 저부엽 특성을 갖는 소파형 부등간격 배열 안테나에 관한 것이다.
일반적으로 배열 안테나(Array Antenna)는 전자적 빔 조향이 가능한 능동형 위상 배열 안테나 형태로 이동통신, 위성통신 그리고 레이더 분야 등에 널리 응용되고 있다.
그런데, 종래의 배열 안테나에서는 단위소자의 배열 간격에 의해 그레이팅 로브(greating lobe) 등의 불필요한 부엽이 발생한다. 이 때, 높은 수준의 부엽 레벨은 원하지 않는 방향으로 전파를 송신하거나 수신하게 되어 안테나 성능을 열화시키는 치명적인 문제를 야기한다.
종래의 배열 안테나의 경우 일반적으로 사각형의 등간격 배열 구조를 가지고 있다. 이러한 등간격 배열 구조에서는 그레이팅 로브 억압을 위해 배열 소자간의 간격을 다음의 [수학식 1]과 같은 조건으로 결정한다.
여기서 D는 배열 소자간의 간격이며, λ는 파장이다. 그리고, θ 0 는 전자적 빔 최대 조향각이다.
상기한 바와 같이, 종래의 배열 안테나에서는 부엽을 억압하기 위해 배열 소자간의 간격을 상기 [수학식 1]을 만족하도록 설계해야 하지만, 현실적으로 안테나를 제작함에 있어 여러 구조적 이유로 이 조건을 만족하기 어렵다.
특히, 소파 구조에 있어서는 뒤쪽 배열 소자에서 앞쪽 배열 소자에 의한 전파 그늘(shadowing)이 발생하는 문제가 있다.
따라서, 배열 소자간의 간격은 상기 [수학식 1]의 조건을 만족하지 못하더라도 부엽 레벨을 억압시킬 수 있는 방식이 필요한데, 이러한 방식 중의 하나가 삼각형 배열 구조이다.
삼각형 배열 구조 방식은 일반적인 사각형의 배열 구조 방식에 비해 부엽 레벨을 낮출 수 있고, 사각형 배열 구조 방식으로 배열한 경우보다 허용 간격이 넓다는 장점을 지닌다.
하지만, 삼각형 배열 구조 방식 또한 등간격 배열에 기반하기 때문에 최적의 저부엽 특성을 갖는 배열 안테나를 구현하는데는 한계가 있다.
도 1은 종래의 평판 선형 배열 안테나의 일실시예 구성 및 전파 합성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 평판 선형 배열 안테나는 다수의 방사소자(100)가 일정한 간격(d, 120)으로 배열되어 있다.
또한, 각 방사소자(100)로부터 수신된 전파(125)를 합성하기 위해 각 방사소자(100)는 전파 신호 결합기(110)와 동축 케이블(A1 내지 An, B1 내지 Bn)에 의해 연결되어 있으며, 상기 동축 케이블(A1 내지 An, B1 내지 Bn) 사이에는 위상변위기(105)가 위치한다.
여기서, 상기 위상변위기(105)는 수신된 전파(125)의 위상을 조절하여, 전파 도래각(θ, 130)으로 안테나 빔을 형성하도록 한다. 그리고 이러한 배열 안테나 빔 형성방법은 전파 수신인 경우뿐만 아니라 전파 송신인 경우에도 적용된다.
전술한 종래의 등간격 배열 안테나의 경우, 방사 단위소자의 구조적 이유로 더 이상 좁게 배열하지 못하는 경우가 발생함으로써, 원하지 않는 부엽이 높게 발생하는 문제가 있다.
또한, 전술한 종래의 등간격 배열 안테나의 경우, 경사진 방향으로 전파가 수신 또는 송신될 경우 기본적으로 그 방향으로 안테나 빔을 조향해야 하는데 이 경우 조향손실에 의해 안테나 이득이 크게 떨어지는 문제가 있다.
본 발명은, 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 안테나의 배열 구조에 있어서, 뒤쪽 부배열이 앞쪽 부배열에 의한 전파 그늘이 발생하지 않도록 최소한의 간격을 유지하면서, 방사 소자들을 최적의 저부엽 특성을 갖는 간격으로 배치하기 위한 유전자 알고리즘을 이용한 배열 간격 결정 방법 및 상기 방법을 이용한 최적의 저부엽 특성을 갖는 소파형 부등간격 배열 안테나를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 소파형 부등간격 배열 안테나에 있어서, 수평면을 기준으로 경사각을 갖고, 부등간격으로 배열되어 전파 신호를 방사 또는 수신하기 위한 다수의 방사 수단; 상기 방사 수단에서 방사하는 방사 신호 및 상기 방사 수단에서 수신하는 수신 신호를 증폭하고, 상기 방사 수단에서 방사하는 방사 신호 및 상기 방사 수단에서 수신하는 수신 신호의 위상을 제어하기 위한 다수의 위상변위 수단; 및 소파형 부등간격 배열 안테나에서 송신하고자 하는 신호를 상기 방사 신호로 분리하여 상기 다수의 위상변위 수단으로 전달하고, 상기 다수의 위상변위 수단으로부터의 수신 신호를 결합하기 위한 전파신호결합 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명은, 유전자 알고리즘을 이용한 배열 안테나의 배열 간격 결정 방법에 있어서, 전파를 방사하기 위한 방사 수단간의 간격을 나타내는 위치정보를 기술하는 개체에 대한 무작위 개체 모집단을 생성하는 개체 모집단 생성 단계; 개체 모집단의 개체 각각에 대한 안테나 빔 패턴을 계산하는 빔 패턴 계산 단계; 상기 빔 패턴 계산 결과에 의해 부엽 적합도를 평가하는 부엽 적합도 평가 단계; 상기 평가한 적합도가 미리 설정한 기준 값에 해당하는 개체가 있는지를 판단하는 판단 단계; 상기 판단 단계의 판단 결과, 기준 값에 해당하는 개체가 있는 경우에는 상기 기준 값에 해당하는 개체의 값으로 상기 방사 수단의 배열 간격을 결정하는 배열 간격 결정 단계; 및 상기 판단 단계의 판단 결과, 상기 기준 값에 해당하는 개체가 없는 경우에는 개체의 선택, 교배 및 돌연변이 과정을 이용하여 새로운 개체 모집단을 생성하고, 상기 빔 패턴 계산 단계부터 반복 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 목적, 특징 및 장점들은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 소파형 부등간격 배열 안테나의 일실시예 구성도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 소파형 부등간격 배열 안테나의 방사 부배열(210)은 고정면(215)을 기준으로 일정한 지향각(α, 235)을 갖는 소파형 구조를 이룬다.
보다 상세하게 설명하면, 본 발명에 따른 소파형 부등간격 배열 안테나는, 고정면(215)을 기준으로 일정한 지향각(α, 235)을 갖고 부등간격으로 배열되어 전파 신호를 방사 또는 수신하기 위한 다수의 방사 부배열(210), 상기 방사 부배열(210)에서 방사하는 방사 신호 및 상기 방사 부배열(210)에서 수신하는 수신 신호를 증폭하고, 상기 방사 부배열(210)에서 방사하는 방사 신호 및 상기 방사 부배열(210)에서 수신하는 수신 신호의 위상을 제어하기 위한 다수의 위상변위기(220) 및 소파형 부등간격 배열 안테나에서 송신하고자 하는 신호를 상기 방사 신호로 분리하여 상기 다수의 위상변위기(220)로 전달하고, 상기 다수의 위상변위기(220)로부터의 수신 신호를 결합하기 위한 전파신호결합기(225)를 포함한다.
또한, 상기 방사 부배열(210)은 고정면(215)에 불규칙한 간격(d1 내지 dn-1)으로 배열되어 있으며, 각 방사 부배열(210)은 전파 신호 결합기(225)와 동축 케이블(L1 내지 Ln, H1 내지 Hn)로 연결되어 있고, 각 동축 케이블(L1 내지 Ln, H1 내지 Hn) 사이에는 위상변위기(220)가 위치한다.
여기서, 상기 동축 케이블 길이(L1 내지 Ln, H1 내지 Hn)는, 안테나 전자빔이 조향되기 전에 전파 신호의 초기 위상을 맞추기 위하여, 아래의 [수학식 2]를 이용하여 결정한다.
여기서, L 0 는 동축 케이블 최소 길이이며, ε r 는 동축 케이블 유전율이다.
종래의 위상배열 안테나에 있어서는 안테나 전자빔이 조향되기 전에 전파신호의 위상을 맞추는 초기 위상 조절을 위하여, 각 방사 부배열단에 연결되어 있는 동축 케이블 길이를 동일하게 하면서 위상변위기를 이용하여 위상을 조절할 수 있다.
하지만, 상기 위상변위기를 이용하여 위상을 조절하는 방식은 전파의 주파수 별로 위상을 조절해야 하므로, 여러 주파수를 동시에 송/수신하는 광대역의 다중 전파에는 적용하기 곤란한 문제가 있다.
따라서, 상기 [수학식 2]를 이용하면 전파신호의 주파수에 관계없이 동축 케이블 길이를 조절함으로써 초기 위상을 맞출 수 있어 상기 광대역의 다중 전파 적용상의 문제를 해결할 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 소파형 부등간격 배열 안테나의 일실시예 전파 합성도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 소파형 부등간격 배열 안테나의 방사 부배열(210)이 지향하는 각(α,235)을 기준으로 전파 도래각(θ, 305)으로 전파(325)를 수신하게 될 경우, 상기 전파 도래각(305)으로 안테나 빔을 조향한다.
여기서, 상기 안테나 빔 조향은 각 위상변위기(220)에 의한 전파 위상제어로 이루어진다.
예를 들어, 안테나가 지향하고자 하는 위상이 수평면을 기준으로 α만큼 경사져 있을 경우 방사 부배열의 지향각을 α로 함으로써 안테나 빔 조향에 따른 안테나 이득 손실을 막을 수 있다.
그리고, 안테나 방사 부배열 간격(d1 내지 dn-1)을 불규칙하게 함으로써 부엽을 억제할 수 있다. 이와 같은 불규칙한 배열에 따른 부엽 억제 효과는 도 5와 도 6을 참조하여 후술하기로 한다.
도 4는 본 발명에 따른 최적의 부등 배열 간격 결정을 위해 적용한 유전자 알고리즘에 대한 일실시예 흐름도이다.
먼저, 방사 부배열(210)의 배치 간격(d1 내지 dn-1) 정보를 포함하는 개체(Chromosome)에 대한 무작위 개체 모집단(Population)을 생성한다(420).
여기서, 상기 개체는 방사 부배열(210)의 간격 정보를 0과 1의 이진수로서 하나의 열로 표시한다.
이어서, 상기 생성한 각 개체에 대한 배열 안테나의 빔 패턴을 계산한다(430).
이어서, 상기 계산한 배열 안테나의 빔 패턴들로부터 각각의 부엽 레벨에 대한 적합도를 평가하고(440), 평가한 적합도가 원하는 값인지 여부를 판단한다(450).
여기서, 상기 적합도 평가는 안테나 주빔(main beam)을 제외한 모든 영역에서 최대 부엽 레벨이 클수록 적합도가 낮아지도록 한다.
상기 판단 결과, 원하는 값이 아닌 경우에는 생성된 각 개체를 선택(selection)하여 교배(crossover) 및 돌연변이(mutation) 과정을 거쳐 새로운 개체를 생성하고(470), 상기 "430" 과정으로 진행한다.
한편, 상기 판단 결과, 원하는 값인 경우에는 절차를 종료한다(460).
이하에서는, 소파형 배열 안테나의 부배열 개수는 14개, 부배열 패턴은 무지향성(omni-directional), 안테나 송신 주파수는 14.25GHz로 가정하여, 안테나 배열이 등간격인 경우, 부등간격인 경우와 빔 조향을 했을 경우의 부엽 레벨을 각각 도 5, 도 6 및 도 7을 참조하여 살펴보기로 한다.
도 5는 소파형 등간격 배열 안테나의 정방향 방사패턴에 대한 예시도로서, 배열 간격(240)은 34.94mm로 동일하다.
여기서, 상기 34.94mm의 배열 간격은 뒤쪽 부배열이 앞쪽 부배열에 의한 전파 그늘이 발생하지 않는 최소한의 간격으로 더 이상 좁히기 힘든 경우로 가정한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 등간격 배열에 따른 안테나 그레이팅 로브(greating lobe)가 약 -40도에서 주빔(main lobe)과 같은 크기로 나타나는 심각한 현상을 보인다.
또한, 배열 안테나에 있어 그레이팅 로브는 주빔 조향에 따라 함께 이동하는 것이 통상적이다.
도 6은 본 발명에 따른 소파형 부등간격 배열 안테나의 정방향 방사패턴 예시도이다.
배열 간격 d1 부터 dn 까지의 값은 각각 53.34mm, 50.10mm, 54.31mm, 43.96mm, 52.69mm, 34.26mm, 52.04mm, 33.95mm, 42.34mm, 36.53mm, 33.94mm, 33.94mm, 33.94mm 이다.
상기 배열 간격(d1 내지 dn)은 상기 도 4를 참조하여 설명한 유전자 알고리즘을 적용한 결과이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 도 5에서 발생되었던 그레이팅 로브가 없어진 것을 볼 수 있으며, 전체적인 부엽 레벨이 8dB 이상 억압되었다.
도 7은 본 발명에 따른 소파형 부등간격 배열 안테나의 10도 조향 방사패턴 예시도이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 통상적으로 등간격 배열 안테나의 그레이팅 로브는 주빔 조향에 따라 함께 이동하는 반면, 본 발명에 따른 소파형 부등간격 배열 안테나는 안테나 빔 조향을 하더라도 부엽이 더 이상 높아지지 않는 장점이 있음을 알 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백하다 할 것이다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 배열 안테나에 있어 구조적인 이유로 배열 간격을 더 이상 줄일 수 없는 경우, 보다 넓은 부등 배열 간격을 통하여 최적의 저부엽 특성을 가질 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 부엽 레벨이 전자적 빔 조향에 의한 영향을 거의 받지 않는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 전자적 빔 조향을 하더라도 부엽 레벨에 거의 영향을 주지 않으므로, 경사진 방향에 위치한 위성과의 통신 및 방송 수신, 그리고 레이더 등에 응용되는 저부엽 위상배열 안테나 등에 적용이 용이한 효과가 있다.
또한, 본 발명은 전파신호의 주파수에 관계없이 동축 케이블 길이를 이용하여 안테나의 초기 위상을 맞춤으로써, 광대역 다중 안테나에 적용이 용이한 효과가 있다.
도 1은 종래의 평판 선형 배열 안테나의 일실시예 구성 및 전파 합성도.
도 2는 본 발명에 따른 소파형 부등간격 배열 안테나의 일실시예 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 소파형 부등간격 배열 안테나의 일실시예 전파 합성도.
도 4는 본 발명에 따른 최적의 부등 배열 간격 결정을 위해 적용한 유전자 알고리즘에 대한 일실시예 흐름도.
도 5는 소파형 등간격 배열 안테나의 정방향 방사패턴 예시도.
도 6은 본 발명에 따른 소파형 부등간격 배열 안테나의 정방향 방사패턴 예시도.
도 7은 본 발명에 따른 소파형 부등간격 배열 안테나의 10도 조향 방사패턴 예시도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
210 : 방사 부배열 220 : 위상변위기
225 : 전파 신호 결합기 235 : 지향각
240 : 배열 간격

Claims (9)

  1. 소파형 부등간격 배열 안테나에 있어서,
    수평면을 기준으로 경사각을 갖고, 부등간격으로 배열되어 전파 신호를 방사 또는 수신하기 위한 다수의 방사 수단;
    상기 방사 수단에서 방사하는 방사 신호 및 상기 방사 수단에서 수신하는 수신 신호를 증폭하고, 상기 방사 수단에서 방사하는 방사 신호 및 상기 방사 수단에서 수신하는 수신 신호의 위상을 제어하기 위한 다수의 위상변위 수단; 및
    소파형 부등간격 배열 안테나에서 송신하고자 하는 신호를 상기 방사 신호로 분리하여 상기 다수의 위상변위 수단으로 전달하고, 상기 다수의 위상변위 수단으로부터의 수신 신호를 결합하기 위한 전파신호결합 수단
    을 포함하는 소파형 부등간격 배열 안테나.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 방사 수단에서 상기 전파신호결합 수단까지 연결되는 선로의 길이는 하기의 수학식을 이용하여 결정되는 것을 특징으로 하는 소파형 부등간격 배열 안테나.
    [수학식]
    여기서, LH i 는 i번째 방사 수단에서 상기 전파신호결합 수단까지 연결되는 선로의 길이, L 0 는 선로의 최소 길이, d m 은 m 번째 방사 수단과 m+1번째 방사 수단과의 간격, α m 은 m번째 방사 수단의 경사각, ε r 은 선로의 유전율임.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 다수의 방사 수단의 배열 간격은,
    유전자 알고리즘을 이용하여 결정한 값인 것을 특징으로 하는 소파형 부등간격 배열 안테나.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 유전자 알고리즘은,
    상기 방사 수단간의 간격을 나타내기 위한 위치정보를 기술하는 개체에 대한 무작위 개체 모집단을 생성하고,
    개체 모집단의 개체 각각에 대한 안테나 빔 패턴을 계산하며,
    상기 빔 패턴의 계산 결과에 의해 부엽 적합도를 평가하고,
    상기 평가한 적합도가 미리 설정한 기준 값에 해당하는 개체가 있는지를 판단하여 기준 값에 해당하는 개체가 있는 경우에는 상기 기준 값에 해당하는 개체의 값으로 상기 다수의 방사 수단의 배열 간격을 결정하고, 상기 기준 값에 해당하는 개체가 없는 경우에는 개체의 선택, 교배 및 돌연변이 과정을 이용하여 새로운 개체 모집단을 생성한 후에 상기 빔 패턴 계산 과정부터 반복 수행하는 것을 특징으로 하는 소파형 부등간격 배열 안테나.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 개체는,
    상기 방사 수단의 위치정보를 0과 1의 이진수로서 하나의 열로 기술된 것을 특징으로 하는 소파형 부등간격 배열 안테나.
  6. 유전자 알고리즘을 이용한 배열 안테나의 배열 간격 결정 방법에 있어서,
    전파를 방사하기 위한 방사 수단간의 간격을 나타내는 위치정보를 기술하는 개체에 대한 무작위 개체 모집단을 생성하는 개체 모집단 생성 단계;
    개체 모집단의 개체 각각에 대한 안테나 빔 패턴을 계산하는 빔 패턴 계산 단계;
    상기 빔 패턴 계산 결과에 의해 부엽 적합도를 평가하는 부엽 적합도 평가 단계;
    상기 평가한 적합도가 미리 설정한 기준 값에 해당하는 개체가 있는지를 판단하는 판단 단계;
    상기 판단 단계의 판단 결과, 기준 값에 해당하는 개체가 있는 경우에는 상기 기준 값에 해당하는 개체의 값으로 상기 방사 수단의 배열 간격을 결정하는 배열 간격 결정 단계 및
    상기 판단 단계의 판단 결과, 상기 기준 값에 해당하는 개체가 없는 경우에는 개체의 선택, 교배 및 돌연변이 과정을 이용하여 새로운 개체 모집단을 생성하고, 상기 빔 패턴 계산 단계부터 반복 수행하는 단계
    를 포함하는 유전자 알고리즘을 이용한 배열 안테나의 배열 간격 결정 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 개체는,
    상기 방사 수단의 위치정보를 0과 1의 이진수로서 하나의 열로 기술한 것을 특징으로 하는 유전자 알고리즘을 이용한 배열 안테나의 배열 간격 결정 방법.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 부엽 적합도 평가 단계는,
    안테나 주빔(main beam)을 제외한 모든 영역에서 최대 부엽 레벨이 클수록 적합도가 낮아지도록 하는 것을 특징으로 하는 유전자 알고리즘을 이용한 배열 안테나의 배열 간격 결정 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 배열 안테나는,
    소파형 구조를 갖는 배열 안테나인 것을 특징으로 하는 유전자 알고리즘을 이용한 배열 안테나의 배열 간격 결정 방법.
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