KR20110115465A - Phased Array Antenna Beam Nulling Method Using Coded Cross-Phase Control - Google Patents
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Abstract
본 발명은 부호교차 위상제어 방식의 위상배열 안테나 빔 널링 방법에 관한 것이다. 일반 유전 알고리즘을 적용한 위상 배열안테나의 빔 형성 알고리즘의 경우, 이진부호로 표현된 위상 값들의 교배 및 변이를 통해 위상 값을 조절하여 널을 형성하게 되므로 배열 소자의 개수가 늘어날수록 조절해야할 위상 가중치 역시 증가하게 된다. 본 발명은 이에 따른 수렴 속도의 저하 및 실시간으로 빔 형성이 되지 않는 단점을 개선하기 위해 고안된 알고리즘으로, 다수의 소자가 배열된 위상 배열 안테나의 위상을 조정함에 있어, 모든 소자의 위상을 직접 구하였던 기존 유전 알고리즘에 비해 배열안테나의 중심 소자를 기점으로 좌우의 위상 값은 같고 부호가 소자 단위로 바뀌는 형태의 위상 값이 인가되도록 개선함으로써, 알고리즘 측면에서 수렴 속도를 크게 감소시켜 실시간 빔 형성할 수 있는 장점이 있다. The present invention relates to a phased array antenna beam nulling method of a coded crossover phase control method. In the case of the beamforming algorithm of a phased array antenna using a general genetic algorithm, a null is formed by controlling a phase value by crossing and shifting phase values represented by binary codes, so that the phase weight to be adjusted as the number of array elements increases. Will increase. The present invention is an algorithm designed to improve the degradation of the convergence speed and the disadvantage that the beam is not formed in real time, in order to adjust the phase of the phased array antenna in which a plurality of elements are arranged, the phase of all devices directly obtained Compared to the existing genetic algorithm, the phase values on the left and right sides of the array antenna are the same and the sign is changed in units of elements, so that the convergence speed can be greatly reduced in terms of algorithm. There is an advantage.
Description
본 발명은 적응 빔 형성 안테나에 관한 것으로서, 특히 사용자 신호와 방해 신호간의 공간적 분리 특성을 이용하여 재머 방향으로 안테나 패턴 상에 널을 형성해 재밍 신호를 억압하기 위한 적응 빔 형성 안테나에 적용되는 널 합성 기술에 관한 것이다. The present invention relates to an adaptive beamforming antenna, and in particular, a null synthesis technique applied to an adaptive beamforming antenna for suppressing a jamming signal by forming a null on an antenna pattern in a jammer direction by using a spatial separation characteristic between a user signal and an interference signal. It is about.
적응 빔 형성 안테나에서 방해 신호가 입사하는 방향으로 널을 합성하기 위해 사용되는 적응 빔 형성 알고리즘은, 각 배열 소자에 인가되는 가중치 벡터를 구하기 위해 요구 되는 정보에 따라 여러 가지로 분류될 수 있다. 그 중 유전 알고리즘을 이용한 적응 빔 형성 알고리즘은, 최종 출력 전력을 이용한 알고리즘에 속하며, 하드웨어의 구현이 용이하고 저비용으로 구현이 가능한 장점이 있다. 한편, 유전 알고리즘을 이용한 적응 빔 형성 알고리즘은 상기 언급한 장점으로 인해 많은 연구가 이루어졌으나 대부분 이론적인 측면에 국한하여 실적용을 위한 기술이 미흡한 실정이다.
The adaptive beamforming algorithm used to synthesize nulls in the direction in which the interference signal is incident in the adaptive beamforming antenna may be classified into various types according to information required to obtain a weight vector applied to each array element. Among them, the adaptive beamforming algorithm using the genetic algorithm belongs to the algorithm using the final output power, and the hardware can be easily implemented and can be implemented at low cost. On the other hand, the adaptive beamforming algorithm using the genetic algorithm has been studied a lot because of the above-mentioned advantages, but most of the techniques for the performance for the performance is limited to the theoretical aspects.
도 1은 적응 빔 형성 안테나에 사용되는 위상 배열안테나의 기하학적 구조이다. 도 1을 참조하면, 위상 배열안테나의 구성은 선형 위상배열 안테나(100)와, 가변앰프(variable amp)(110)와, 위상변위기(120)로 이루어진다.1 is a geometry of a phased array antenna used in an adaptive beamforming antenna. Referring to FIG. 1, a phased array antenna includes a linear
즉, 도 1에서 도시한 바와 같이, 선형 위상배열 안테나(100)의 후속단에 전류의 크기를 조절할 수 있는 가변 앰프(110)와 위상을 조절할 수 있는 위상 변위기(120)가 부착되어 있다. 한편, 경우에 따라서는 가변 앰프를 사용하지 않는 경우도 있다.That is, as shown in Figure 1, the
일반 유전 알고리즘을 적용한 위상 배열안테나의 빔 형성 알고리즘의 경우, 이진부호로 표현된 위상 값들의 교배 및 변이를 통해 위상 값을 조절하여 널을 형성하게 되므로 배열 소자의 개수가 늘어날수록 조절해야할 위상 가중치 역시 증가하게 된다. 종래 기술에서 다수의 소자가 배열된 위상 배열 안테나의 위상을 조정함에 있어, 모든 소자의 위상을 직접 구하기때문에, 위상 계산에 많은 시간이 소요된다.In the case of the beamforming algorithm of a phased array antenna using a general genetic algorithm, a null is formed by controlling a phase value by crossing and shifting phase values represented by binary codes, so that the phase weight to be adjusted as the number of array elements increases. Will increase. In the prior art, in adjusting the phase of a phased array antenna in which a plurality of elements are arranged, since the phases of all the elements are directly obtained, a large amount of time is required for phase calculation.
즉, 종래의 유전 알고리즘을 이용해 널을 합성할 경우 실제 적응 빔 형성 안테나에 사용된 다수의 안테나의 배열 소자를 가정하지 않았기 때문에, 널 합성에 소요되는 시간이 매우 길어지게 되고, 이에 따라 필연적으로 원활한 통신을 유지하기 힘들다. 유전 알고리즘의 특성상 이진부호로 표현된 위상 값들의 교배 및 변이를 통해 널을 형성하게 되므로 배열 소자의 개수가 늘어날수록 조절해야할 위상 가중치 역시 증가하게 되어 계산양이 기하급수적으로 증가하게 되는 단점을 가지고 있다. 따라서 유전 알고리즘을 이용한 널 형성 시, 하나의 후보군의 길이가 전체 안테나 수에 비례하여 증가하기 때문에 교배 및 돌연변이에 의한 수렴이 원활하지 못하게 되는 단점이 존재한다. 이로 인해 유전 알고리즘을 적용한 빔 형성 알고리즘 구현 시, 제한된 수의 위상배열 안테나에서의 구현만이 가능한 형태이다. In other words, when synthesizing nulls using a conventional genetic algorithm, since the array elements of the plurality of antennas used in the actual adaptive beamforming antennas are not assumed, the time required for null synthesis becomes very long, thus inevitably smooth. Difficult to maintain communication Due to the characteristics of the genetic algorithm, nulls are formed through the crossover and variation of the phase values represented by binary codes. As the number of array elements increases, the phase weight to be adjusted also increases, so that the amount of calculation increases exponentially. . Therefore, when the null formation using the genetic algorithm, the length of one candidate group increases in proportion to the total number of antennas, there is a disadvantage that the convergence due to hybridization and mutation is not smooth. For this reason, only a limited number of phased array antennas can implement the beamforming algorithm using the genetic algorithm.
한편, 쇼어(Shore)는 유전 알고리즘을 이용한 적응 빔 형성 알고리즘의 수행 속도를 개선하기 위해 안테나 배열의 중심을 기점으로 양쪽의 대칭되는 소자에 인가되는 위상 값의 크기는 같고 부호는 다른 값을 가지도록 하였다. 이 기술로 인해 수행 속도는 개선되었으나 배열 소자의 수가 많아질수록 메인 빔이 한쪽 방향으로 이동되는 문제가 발생하게 되었다.
On the other hand, Shore is designed to have the same phase value and different sign values applied to both symmetrical elements from the center of the antenna array to improve the performance of the adaptive beamforming algorithm using the genetic algorithm. It was. This technique improves performance, but as the number of array elements increases, the main beam moves in one direction.
본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 실제 적응 빔 형성 안테나에 적용 가능한 배열수가 많은 위상 배열 안테나의 위상을 조정함에 있어, 기존 모든 안테나에 인가되는 위상을 조절하였던 유전 알고리즘에 배열 안테나의 중심을 기점으로 좌우대칭으로 크기는 같고 인접 위상변위기에 인가되는 부호가 서로 다르게 인가되는 형태로 개선함으로써 위상 값 계산에 소요되는 시간을 획기적으로 줄이는 것이다. An object of the present invention has been proposed to solve the above problems, and in adjusting the phase of the phased array antenna having a large number of arrays applicable to the actual adaptive beamforming antenna, a genetic algorithm that adjusted the phase applied to all existing antennas The time required to calculate the phase value is remarkably reduced by improving the shape of the antennas arranged in the right and left symmetrical with respect to the center of the array antenna.
또한, 본 발명의 목적은 부호가 지속적으로 교차됨으로 인해 메인 빔이 좌우로 왜곡되지 않는 부호교차 위상제어 방식의 위상배열 안테나의 빔 널링 방법을 제공하는 것이다.
It is also an object of the present invention to provide a beam nulling method of a phased array antenna of a coded crossover phase control method in which a main beam is not distorted from side to side due to continuous cross signing.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 위상배열 안테나 빔 널 형성 방법은,In order to solve the above problems, the present invention provides a method for forming a phased array antenna beam null according to the present invention.
위상배열 안테나 시스템에서 유전 알고리즘 기반의 빔 널 형성하는 방법에 있어서, A method of forming beam nulls based on a genetic algorithm in a phased array antenna system,
위상배열 안테나로 수신전력이 급증하면 재맹 신호가 입사한 것으로 판단하는 단계와;Determining that a blind signal is input when the received power increases rapidly with the phased array antenna;
상기 재밍 신호에 대한 억압을 위해, 널 패턴 형성을 위해 상기 안테나의 배열 중심을 기점으로 부호를 교차하여 위상 값을 인가하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.And suppressing the jamming signal, applying a phase value by crossing a sign from the center of the array of the antenna to form a null pattern.
바람직하게는, 상기 위상 값은Preferably, the phase value is
상기 위상배열 안테나의 중심을 기짐으로 좌우대칭이 되도록 크기는 같고, 위상의 부호가 서로 교차하는 것을 특징으로 한다.The size of the phased array antenna is the same, so that the left and right symmetry, characterized in that the sign of the phase cross each other.
바람직하게는, 상기 널 패턴 형성은 전류의 크기를 변경하여 구성할 수 있는 것을 특징으로 한다.Preferably, the null pattern formation may be configured by changing the magnitude of the current.
바람직하게는, 빔 널 형성에서 발생되는 부엽 상승현상을 최소화하기 위한 안테나에 인가되는 전류의 크기를 일정한 형태로 제한하는 것을 특징으로 한다.Preferably, the size of the current applied to the antenna for minimizing the side lobe rise caused in the beam null formation is characterized in that it is limited to a certain form.
바람직하게는, 상기 재밍 신호에 대한 억압을 위한 널 패턴 형성을 위해 필요한 데이터 정보를 입력하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.Preferably, the method may further include inputting data information necessary for forming a null pattern for suppressing the jamming signal.
바람직하게는, 상기 필요한 데이터들은, 배열 안테나의 소자 수 및 배열 간격과, 위상변위기 정보(비트 수)와, 위상 값의 변이 확률 값을 포함하는 것을 특징으로 한다.Preferably, the necessary data is characterized by including the number of elements and the arrangement interval of the array antenna, the phase shift information (number of bits), and the shift probability value of the phase value.
또한, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 위상배열 안테나 시스템은, In addition, the present invention to solve the above problems, the phased array antenna system according to the present invention,
위상배열 안테나 시스템에서 유전 알고리즘 기반의 빔 널 형성하는 방법에 있어서, A method of forming beam nulls based on a genetic algorithm in a phased array antenna system,
위상배열 안테나로 수신전력이 급증하면 재맹 신호가 입사한 것으로 판단하고;Determining that a blind signal is input when the reception power increases rapidly with the phased array antenna;
상기 재밍 신호에 대한 억압을 위해, 널 패턴 형성을 위해 상기 안테나의 배열 중심을 기점으로 부호를 교차하여 위상 값을 인가함으로써 위상제어하는 유전 알고리즘 기반의 빔 널 형성을 수행하는 모듈이 포함된 것을 특징으로 한다.In order to suppress the jamming signal, a module for performing beam null formation based on a genetic algorithm performing phase control by applying a phase value by crossing a sign from the center of the antenna array to form a null pattern is included. It is done.
또한, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 위상배열 안테나 빔 널 형성 방법은In addition, the present invention to solve the above problems, the method of forming a phased array antenna beam null according to the present invention
위상배열 안테나 시스템에서 유전 알고리즘 기반의 빔 널 형성하는 방법에 있어서, A method of forming beam nulls based on a genetic algorithm in a phased array antenna system,
위상배열 안테나로 수신전력이 급증하면 재맹 신호가 입사한 것으로 판단하고, 널 구현에 필요한 데이터 정보를 입력하는 단계와;Determining that a blind signal has entered when the received power increases rapidly with the phased array antenna, and inputting data information necessary for null implementation;
상기 입력 받는 안테나 소자 수와 널 합성에 사용된 하위 비트 수 곱의 1/2 만큼의 비트열을 생성하고, 상기 생성한 비트열을 위상 값으로 위상 변위기에 인가하고, 교배를 통한 진화를 할 수 있도록 다수의 비트열을 생성해 행렬 형태의 모집단을 구성함으로써, 초기 위상 개채군을 생성하는 단계와;Generate a bit string equal to 1/2 of the number of the received antenna elements and the number of lower bits used in null synthesis, apply the generated bit string to a phase shifter as a phase value, and perform evolution through crosses. Generating an initial phase group by generating a plurality of bit strings so as to form a population in a matrix form;
상기 생성한 위상 개체군의 위상 값의 크기를 상기 안테나 배열의 중심을 기점으로 대칭적으로 인가하는 단계와;Symmetrically applying a magnitude of a phase value of the generated phase population to the center of the antenna array;
상기 대칭적으로 인가하는 위상 값은 서로 다른 부호를 갖도록 인가함으로써, 부호교차 위상제어를 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
The symmetrically applied phase values may be applied to have different codes, thereby performing code crossover phase control.
본 발명은, 실제 적응 빔 형성 안테나에 적용 가능한 배열수가 많은 위상 배열 안테나의 위상을 조정함에 있어, 기존 모든 안테나에 인가되는 위상을 조절하였던 유전 알고리즘에 배열 안테나의 중심을 기점으로 좌우대칭으로 크기는 같고 인접 위상변위기에 인가되는 부호가 서로 다르게 인가되는 형태로 개선함으로써 위상 값 계산에 소요되는 시간을 획기적으로 줄일 수 있는 효과가 있다. In the present invention, in adjusting the phase of a phased array antenna having a large number of arrays that can be applied to an actual adaptive beamforming antenna, the size of the array antenna is symmetrically based on the center of the array antenna in a genetic algorithm that has adjusted the phase applied to all the existing antennas. By improving the same and different codes applied to adjacent phase shifters, the time required for calculating the phase value can be significantly reduced.
또한, 본 발명은 부호가 지속적으로 교차됨으로 인해 메인 빔이 좌우로 왜곡되지 않는 효과가 있다.
In addition, the present invention has the effect that the main beam is not distorted left and right because the sign is continuously crossed.
도 1은 선형 위상배열 안테나의 기하학적 구조로써 안테나와 가변 앰프 및 위상 변위기가 연결된 것을 나타내는 도면이다.
도 2는 선형 위상배열 안테나에서 일반적인 유전 알고리즘을 적용한 널 패턴 구현 흐름도이다.
도 3은 본 발명에 따른 최적의 널 패턴 구현을 위한 부호교차 위상 개념이 적용된 유전 알고리즘에 대한 일실시예 흐름도이다.
도 4는 일반적인 유전 알고리즘을 적용한 널 패턴 구현에서의 위상 형태이다.
도 5는 쇼어(Shore)가 제안한 알고리즘에서의 위상 형태이다.
도 6은 본 발명의 알고리즘에서의 위상 형태이다.
도 7은 쇼어(Shore)가 제안한 알고리즘의 빔 패턴의 메인 빔 왜곡도이다.
도 8은 도 7의 쇼어(Shore)가 제안한 알고리즘의 빔 패턴과 비교하기 위한, 본 발명의 빔 패턴의 메인 빔 왜곡도이다.
도 9은 본 발명의 알고리즘을 이용한 1x100 안테나에서의 단일 방해 신호에 대한 널패턴이다.
도 10는 본 발명의 알고리즘을 통해 구현할 수 있는 널링 분해능(해상도)이다.
도 11은 본 발명 알고리즘과 상용 툴과의 결과 분석을 위한 배열 안테나 구조도이다.
도 12은 본 발명의 알고리즘을 통해 계산된 위상 값의 예시도이다.
도 13는 본 발명 알고리즘과 상용 툴과의 방사패턴 예시도이다.FIG. 1 is a diagram illustrating a structure of a linear phased array antenna, in which an antenna, a variable amplifier, and a phase shifter are connected.
2 is a flowchart illustrating a null pattern implementation using a general genetic algorithm in a linear phased array antenna.
3 is a flowchart illustrating an embodiment of a genetic algorithm to which a code crossover phase concept is applied for implementing an optimal null pattern according to the present invention.
4 is a phase form in a null pattern implementation to which a general genetic algorithm is applied.
5 is a phase form of the algorithm proposed by Shore.
6 is a phase form in the algorithm of the present invention.
7 is a main beam distortion diagram of the beam pattern of the algorithm proposed by Shore.
FIG. 8 is a main beam distortion diagram of the beam pattern of the present invention for comparison with the beam pattern of the algorithm proposed by Shore of FIG.
9 is a null pattern for a single interference signal in the 1x100 antenna using the algorithm of the present invention.
10 is a nulling resolution (resolution) that can be implemented through the algorithm of the present invention.
11 is an array antenna structure diagram for analyzing the results of the present invention algorithm and commercial tools.
12 is an exemplary diagram of a phase value calculated through the algorithm of the present invention.
Figure 13 is an illustration of the radiation pattern between the algorithm of the present invention and a commercial tool.
본 발명은 부호교차 위상제어 방식의 위상배열 안테나 빔 널링 방법에 적용된다. 그러나, 본 발명은 이에 한정하지 않고 본 발명의 기술적 사상은 다른 기술분야의 시스템 및 분야에 적용될 수도 있다. The present invention is applied to a phased array antenna beam nulling method of a code crossover phase control method. However, the present invention is not limited thereto, and the technical idea of the present invention may be applied to systems and fields of other technical fields.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. As the inventive concept allows for various changes and numerous embodiments, particular embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the written description. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, it should be understood to include all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항복들 중의 어느 항목을 포함한다.Terms including ordinal numbers such as first and second may be used to describe various components, but the components are not limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, the first component may be referred to as the second component, and similarly, the second component may also be referred to as the first component. The term “and / or” includes any item of a plurality of related listed items or a plurality of related listed yields.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.When an element is referred to as being "connected" or "connected" to another element, it may be directly connected or connected to the other element, but other elements may be present in between. On the other hand, when a component is said to be "directly connected" or "directly connected" to another component, it should be understood that there is no other component in between.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 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.The terminology used herein is for the purpose of describing particular example embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In this application, the terms "comprise" or "have" are intended to indicate that there is a feature, number, step, action, component, part, or combination thereof described on the specification, and one or more other features. It is to be understood that the present disclosure does not exclude the possibility of the presence or the addition of numbers, steps, operations, components, components, or a combination thereof.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art. Terms such as those defined in the commonly used dictionaries should be construed as having meanings consistent with the meanings in the context of the related art and shall not be construed in ideal or excessively formal meanings unless expressly defined in this application. Do not.
본 발명의 개념을 간략히 설명하면 다음과 같다. Briefly describing the concept of the present invention.
일반 유전 알고리즘을 적용한 위상 배열안테나의 빔 형성 알고리즘의 경우, 이진부호로 표현된 위상 값들의 교배 및 변이를 통해 위상 값을 조절하여 널을 형성하게 되므로, 배열 소자의 개수가 늘어날수록 조절해야할 위상 가중치 역시 증가하게 된다. 이로 인해 수렴 속도의 저하 및 실시간으로 빔이 형성되지 않는 문제점이 발생한다. 본 발명은 이러한 문제점을 개선할 수 있는 방법 내지 알고리즘을 제안하고, 이러한 알고리즘을 이용하여 다수의 소자가 배열된 위상 배열 안테나의 위상을 조정함에 있어, 모든 소자의 위상을 직접 구하였던 기존 유전 알고리즘에 비해 배열안테나의 중심 소자를 기점으로 좌우의 위상 값은 같고 부호가 소자 단위로 바뀌는 형태의 위상 값이 인가되도록 개선하였다.In the case of the beamforming algorithm of a phased array antenna using a general genetic algorithm, a null is formed by controlling a phase value by crossing and shifting phase values represented by binary codes, and thus, the phase weight to be adjusted as the number of array elements increases. It will also increase. This causes a problem of lowering convergence speed and not forming a beam in real time. The present invention proposes a method or algorithm that can improve such a problem, and in adjusting the phase of a phased array antenna in which a plurality of devices are arranged using the algorithm, the present invention is based on the existing genetic algorithms that directly obtain the phases of all devices. Compared to the center element of the array antenna, the phase values on the left and right sides are the same, and the sign is changed so that the sign is changed in units of elements.
따라서, 본 발명을 이용할 경우, 알고리즘 측면에서 수렴 속도를 크게 감소시켜 실시간 빔 형성을 하는 장점이 있으며, 하드웨어 측면에서는 유전 알고리즘을 이용하여 최종단에 하나의 수신기만을 이용하므로 여타 레이더/스마트 안테나/위성탑재용 널링 안테나 등에 이용되는 공분산행렬을 이용한 알고리즘에 비해 수신기 구현 비용을 크게 줄일 수 있다. 또한, 본 발명은 부호교차 위상 개념을 적용하여 널 패턴의 합성에 따른 메인 빔의 좌우 이동을 크게 줄여 정확한 빔 조향을 가능하게 하는 장점을 가진다. Therefore, when using the present invention, there is an advantage of real-time beam formation by greatly reducing the convergence speed in terms of algorithms, and in the hardware side, only one receiver is used at the end using a genetic algorithm, so that other radar / smart antennas / satellites are used. The implementation cost of a receiver can be significantly reduced compared to an algorithm using a covariance matrix used in a mounting nulling antenna. In addition, the present invention has the advantage of enabling accurate beam steering by greatly reducing the left and right movement of the main beam according to the synthesis of the null pattern by applying the code cross-phase concept.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명에 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어 도면 부호에 상관없이 동일하거나 대응하는 구성요소는 동일한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Reference will now be made in detail to the preferred embodiments of the present invention, examples of which are illustrated in the accompanying drawings, wherein like reference numerals refer to the like elements throughout. The description will be omitted.
도 2는 유전 알고리즘 기반의 빔 형성 알고리즘 구현에 대한 일 실시예 흐름도이다.2 is a flow diagram of an embodiment of a beamforming algorithm implementation based on a genetic algorithm.
도 2를 참조하면, 특정 방향에서 적응 빔 형성 안테나 방향으로 재밍 신호를 송출하게 되면, 선형 위상 배열 안테나 각 개별소자를 통해 통신신호와 재밍 신호가 동시에 수신되기 때문에, 기존에 수신되던 전력에 비해 갑작스럽게 수신 전력이 급증하게 된다(S200). 이때, 알고리즘의 수행이 시작되게 된다. Referring to FIG. 2, when a jamming signal is transmitted toward an adaptive beamforming antenna in a specific direction, since a communication signal and a jamming signal are simultaneously received through each individual element of the linear phased array antenna, suddenly compared with the conventionally received power. The reception power is suddenly increased (S200). At this time, the execution of the algorithm is started.
수신 전력이 급증하게 되면 알고리즘 상에서는 재밍 신호가 입사하는 것으로 판단하여, 재밍 신호에 대한 억압을 위한 널 패턴 형성을 위해 필요한 데이터 정보를 입력하게 된다(S210). 이때, 입력되는 상기 필요한 데이터들은 배열 안테나의 소자 수/배열 간격와, 위상변위기 정보(비트 수)와, 위상 값의 변이 확률 값들 등이다. When the received power increases rapidly, the algorithm determines that a jamming signal is incident, and inputs data information necessary for forming a null pattern for suppressing the jamming signal (S210). In this case, the necessary data to be input includes element number / array spacing of the array antenna, phase shift information (number of bits), shift probability values of the phase value, and the like.
이어서, 임의의 초기 위상 개체군을 생성하여 위상 변위기에 인가되게 될 위상 값들을 만들어 낸다(S220). 즉, 상기 과정(S210)에서 입력 받은 안테나 소자 수와 널 합성에 상용된 하위 비트 수의 곱 만큼 비트열을 생성한다. 여기서, 상기 비트열은 곧 위상 변위기에 인가되는 위상 값이고, 교배를 통한 진화를 할 수 있도록 다수의 비트열을 생성해 형렬 행태의 모집단을 구성한다.Subsequently, an arbitrary initial phase population is generated to generate phase values to be applied to the phase shifter (S220). That is, a bit string is generated by the product of the number of antenna elements input in the process S210 and the number of lower bits commonly used for null synthesis. Here, the bit string is a phase value applied to the phase shifter, and a plurality of bit strings are generated to form a population of the format behavior so that evolution through crosses is possible.
개체군의 각 비트열의 위상을 각각의 배열 소자에 인가함에 따른 수신 전력을 측정한다(S230). 이때, 상기 과정(S230)에서 측정한 수신 전력이, 기 정의한 임계값 이상으로 검출되면 유전 알고리즘의 선택 단계를 통해 수신 전력 값에 따라 재배열 과정을 거치게 된다(S240). 상기 S240 과정에서, 각각 비트열의 수신 전력 값에 따라 낮은 순서대로 차례로 배열되고, 수신전력이 큰 순서대로 절반의 비트열을 취하여 버린다. 상기 S240을 통하여 재배열된 데이터들은 교배과정을 거쳐, 더 낮은 전력을 얻을 수 있도록 교배 과정을 통한 버려진 수만큼의 비트열을 생성한다(S250). 이어서, 국소해에 빠지지 않도록 입력받은 비율에 의거해 돌연변이 실행 과정(S260)을 거쳐 적합도를 재평가한다. 즉, 상기 S260 과정을 수행 후에, 각 비트령의 위상을 인가함에 따른 수신전력을 측정한다(S230). 이후, 측정한 수신전력이 임계값 이하이면, 임계값 이하의 수신 전력을 발생시키는 비트열의 위상정보를 위상 변위기에 인가함으로써(S270), 수신 전력이 임계값 이하가 되도록 유지한다(S280).Received power is measured by applying the phase of each bit string of the population to each array element (S230). At this time, if the received power measured in the step (S230) is detected to be above a predetermined threshold value, the rearrangement process according to the received power value through the selection step of the genetic algorithm (S240). In the step S240, the bit strings are arranged in descending order according to the received power values of the bit strings, and the half bit strings are discarded in the order in which the received powers are larger. Data rearranged through the S240 undergoes a mating process, and generates as many bit strings as discarded numbers through the mating process so as to obtain a lower power (S250). Subsequently, the fitness is re-evaluated through the mutation execution process (S260) based on the input ratio so as not to fall into the local solution. That is, after performing the step S260, the reception power is measured by applying the phase of each bit command (S230). Thereafter, if the measured received power is less than or equal to the threshold value, the phase information of the bit string generating the received power less than or equal to the threshold value is applied to the phase shifter (S270), so that the received power is maintained to be less than or equal to the threshold value (S280).
도 3은 본 발명에 따른 부호 교차 위상 개념을 적용한 유전 알고리즘 기반의 적응 빔 형성 안테나 구현에 필요한 최적의 알고리즘 흐름도이다. 도 2의 경우와 비교하여 볼 때, 도 3은 도 2의 경우에서 본 발명에 따른 부호 교차 위상 개념을 적용하여 위상을 인가하는 과정(S300)이 더 수행된다. 본 발명 설명의 간결성을 위해, 도 2와 동일한 절차의 설명은 도 2의 해당 설명부분을 원용한다.FIG. 3 is a flowchart illustrating an optimal algorithm for implementing an adaptive beamforming antenna based on a genetic algorithm based on a code cross-phase concept according to the present invention. As compared with the case of FIG. 2, FIG. 3 is a step (S300) of applying a phase by applying the concept of a sign crossing phase according to the present invention in the case of FIG. 2. For the sake of brevity of the present description, the description of the same procedure as in FIG. 2 uses the corresponding description in FIG.
본 발명은, 유전 알고리즘 기반의 적응 빔 형성 알고리즘에 의해 모든 배열 소자의 위상을 제어하는 기존의 방식을 벗어나, 임의의 초기 위상 개체 군 생성 단계이후, 부호 교차 개념이 적용된 위상 값을 인가하기 위한 과정을 생성하여(S300), 배열 안테나의 중심을 기점으로 좌우대칭으로 크기는 같고 인접 위상변위기에 인가되는 부호가 서로 다르게 인가하였다. The present invention is a process for applying a phase value to which a sign intersection concept is applied after an initial phase group generation step, out of the conventional method of controlling the phases of all array elements by an adaptive beamforming algorithm based on a genetic algorithm. By generating (S300), the symbols applied to the adjacent phase shifters are the same in magnitude and symmetrically from the center of the array antenna.
도 4는 일반적인 유전 알고리즘을 적용한 널 합성 시의 위상 형태로써 모든 위상 변위기의 위상 값을 알고리즘을 통해 구하도록 되어있다. 4 is a phase form in null synthesis to which a general genetic algorithm is applied, so that phase values of all phase shifters are obtained through an algorithm.
도 5는 쇼어(Shore)가 제안한 알고리즘의 위상 형태로써 중심을 기점으로 크기는 같고 부호가 반대인 위상이 인가되어있다. 이런 형태의 위상을 인가할 경우 수행 속도는 개선가능하나 배열 소자의 수가 많아질수록 메인 빔이 한쪽 방향으로 이동되는 문제가 발생하게 된다.FIG. 5 is a phase form of the algorithm proposed by Shore, and has the same magnitude and opposite sign from the center. When applying this type of phase, the performance speed can be improved, but as the number of array elements increases, the main beam moves in one direction.
도 6은 본 발명의 알고리즘에서의 위상 형태로써 일반적인 알고리즘이 모든 위상 값을 알고리즘을 통해 일일이 계산하여 적용하는데 비해 절반의 위상 값만을 구해 배열 중심을 기점으로 대칭되도록 인가되게 되어있다. 한편 인접한 위상 값의 부호는 서로 다르도록 인가되어있다. 이를 통해 절반의 위상 값만을 구하게 되므로 계산량을 획기적으로 줄일 수 있고, 인접 위상과 서로 다른 부호를 갖게 함으로써 메인 빔이 좌우로 이동하게 되는 왜곡을 최소화 시킬 수 있게 된다.FIG. 6 is a phase form in the algorithm of the present invention, whereas a general algorithm calculates and applies only all phase values through an algorithm so that only half of the phase values are obtained and applied to be symmetrical from the center of the array. On the other hand, the signs of adjacent phase values are applied to be different from each other. As a result, only half of the phase value is obtained, thereby significantly reducing the amount of calculation, and minimizing distortion in which the main beam moves to the left and right by having a different sign from the adjacent phase.
도 7은 쇼어(Shore)가 제안한 알고리즘의 빔 패턴의 메인 빔 왜곡도이다.7 is a main beam distortion diagram of the beam pattern of the algorithm proposed by Shore.
도 8은 도 7의 쇼어(Shore)가 제안한 알고리즘의 빔 패턴과 비교하기 위한, 본 발명의 빔 패턴의 메인 빔 왜곡도이다.FIG. 8 is a main beam distortion diagram of the beam pattern of the present invention for comparison with the beam pattern of the algorithm proposed by Shore of FIG.
도 7 상단의 그래프는 종래 쇼어(Shore)가 제안한 위상을 인가하였을 경우의 빔패턴으로써, GA(odd-sign phase)로 표시된 그래프에서 메인 빔이 좌측으로 이동한 왜곡이 발생하였다. 그러나, 도 8과 같이, 본 발명에서 제시한 위상 형태가 인가되었을 경우인 하단 그래프의 GA(opposite-sign phase)에서는 빔의 왜곡이 발생하지 않고 있기 때문에, 본 발명이 장점을 확인하였다.The upper graph of FIG. 7 is a beam pattern when the conventional Shore proposed phase is applied, and distortion of the main beam is shifted to the left in the graph represented by the odd-sign phase (GA). However, as shown in FIG. 8, since the beam distortion does not occur in the GA (positive-sign phase) of the lower graph when the phase shape presented in the present invention is applied, the present invention has confirmed the advantage.
도 9은 본 발명의 알고리즘을 이용하여, 단일 방해 신호에 대한 널 패턴이 어떻게 형성 되는지를 확인한 결과이다. 도 9에서 레퍼런스(Reference)는 유전 알고리즘에 재밍 신호가 인가되지 않은 경우의 방사패턴을 나타내고, GA는 유전 알고리즘에 부호 교차 위상 개념을 적용하여 재밍 신호 인가 시, 안테나 방사 패턴을 나타낸다. 이때, 재밍 신호의 입사각은 θ = 1.7˚로 입사될 때를 가정하였다. 도 8을 살펴보면 θ = 1.7˚방향에서 약 -70 dB의 널이 형성됨을 확인할 수 있다.9 is a result of checking how a null pattern for a single interference signal is formed using the algorithm of the present invention. In FIG. 9, Reference represents a radiation pattern when a jamming signal is not applied to the genetic algorithm, and GA represents an antenna radiation pattern when the jamming signal is applied by applying a sign cross-phase concept to the genetic algorithm. In this case, it is assumed that the incident angle of the jamming signal is incident at θ = 1.7 °. Looking at Figure 8 it can be seen that about -70 dB of null is formed in the direction θ = 1.7 °.
도 10는 본 발명의 알고리즘을 통해 구현할 수 있는 널 합성 분해능(해상도)를 알아보기 위한 검증 그래프로써, 방해 신호가 θ = 2.8˚ 및 θ = 3˚로 입사될 때의 널이 형성된 그래프이다. 이때, 재밍 신호 억압정도는 약 -75 dB정도임을 확인하였다. 또한, 널링 안테나의 가장 중요한 성능중 하나인 널링 분해능에 대한 확인 결과, 0.2°의 해상도를 구현함을 알 수 있다. 또한 두 개의 재밍 신호가 입사될 경우에도 널 형성이 원활하게 수행됨을 확인하였다.FIG. 10 is a graph for verifying null synthesis resolution (resolution) that can be implemented through an algorithm of the present invention, in which nulls are formed when an interference signal is incident at θ = 2.8 ° and θ = 3 °. At this time, it was confirmed that the jamming signal suppression degree is about -75 dB. In addition, as a result of checking the nulling resolution, which is one of the most important performances of the nulling antenna, it can be seen that it implements a resolution of 0.2 °. In addition, it is confirmed that null formation is performed smoothly even when two jamming signals are incident.
도 11은 본 발명의 알고리즘 적용 시, 널 패턴 정확도를 분석하기 위해 기존의 상용 툴과의 비교 분석을 위한 배열 안테나 구조도 이다. 결과 비교를 위해 사용된 선형 위상배열 안테나 구조는 컴퓨터 사양의 한계로 인해 1X20 형태의 선형 위상배열 안테나 구조에 대해 수행하였다. 이때, 사용된 안테나 설계 사양은 7.825GHz의 중심주파수, 14.7%의 대역폭으로 설계하였으며, 단일 방사소자의 배열 간격은 반파장으로 배열하였다. 11 is an array antenna structure diagram for comparison analysis with existing commercial tools to analyze null pattern accuracy when the algorithm of the present invention is applied. The linear phased array antenna structure used for the comparison of results was performed for the 1x20 type linear phased array antenna structure due to the limitation of computer specification. At this time, the antenna design specification used was designed with a center frequency of 7.825 GHz and a bandwidth of 14.7%, and the array spacing of the single radiating elements was arranged at half wavelength.
도 12은 본 발명의 수행 결과로 계산된 θ = 8˚ 에 생성된 널을 일반 상용툴을 통해 제현하기 위해 위상변위기에 인가되는 위상 값들이다.12 are phase values applied to a phase shifter to represent a null generated at θ = 8 ° calculated as a result of the present invention through a general commercial tool.
도 13에서 알 수 있듯이, 본 발명(MATLAB)과 일반 상용툴(MWS)을 적용해 합성된 널 패턴을 비교하였을 경우 θ = 8˚방향에서 정확한 널을 형성함을 확인하였다. 이를 통해, 본 발명의 널 합성 정확도가 매우 높음을 확인하였다.As can be seen in Figure 13, when comparing the synthesized null pattern by applying the present invention (MATLAB) and the general commercial tool (MWS) it was confirmed that forms a precise null in the θ = 8 ° direction. Through this, it was confirmed that the null synthesis accuracy of the present invention is very high.
이상에서 설명한 본 발명을 통해, 실제 널링 안테나 운용 시, 부호교차 위상 개념이 적용된 알고리즘은 조절해야 할 위상값의 숫자가 크게 감소되므로 위상 값 계산에 소요되는 시간을 획기적으로 줄일 수 있는 장점을 가지며, 또한, 부호가 지속적으로 교차됨으로 인해 메인 빔이 좌우로 왜곡되지 않는 장점을 가진다.Through the present invention described above, when the actual nulling antenna operation, the algorithm applied to the concept of the code crossover phase has a merit that can significantly reduce the time required to calculate the phase value because the number of phase values to be adjusted is greatly reduced, In addition, the main beam is not distorted from side to side because the signs are continuously crossed.
따라서, 본 발명을 이용할 경우, 알고리즘 측면에서 수렴 속도를 크게 감소시켜 실시간 빔 형성에 이점을 가지고, 하드웨어 측면에서는 최종단에 하나의 수신기만을 구현하여 동일한 기능을 수행할 수 있으므로, 여타 레이더/스마트 안테나/위성탑재용 널링 안테나 등에 이용되는 공분산행렬을 이용한 알고리즘에 비해 수신기 구현 비용을 획기적으로 줄일 수 있다. 또한 부호교차 위상 개념을 적용하여 널 패턴의 합성에 따른 메인 빔의 좌우 이동을 크게 줄여 정확한 빔 조향을 가능하게 하는 장점을 가진다.Therefore, in the case of using the present invention, the convergence speed is greatly reduced in terms of algorithm, and thus, the real-time beam is formed. In the hardware aspect, only one receiver can be implemented at the last stage to perform the same function. The implementation cost of the receiver can be drastically reduced compared to the algorithm using the covariance matrix used for the nulling antenna for satellite mounting. In addition, by applying the concept of code cross-phase, the main beam has a merit to precisely reduce the left and right movement of the main beam by synthesizing a null pattern.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백하다 할 것이다.
The present invention described above is not limited to the above-described embodiments and the accompanying drawings, and it is common in the art that various substitutions, modifications, and changes can be made without departing from the technical spirit of the present invention. It will be evident to those who have the knowledge of God.
Claims (8)
위상배열 안테나로 수신전력이 급증하면 재맹 신호가 입사한 것으로 판단하는 단계와;
상기 재밍 신호에 대한 억압을 위해, 널 패턴 형성을 위해 상기 안테나의 배열 중심을 기점으로 부호를 교차하여 위상 값을 인가하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 위상배열 안테나 빔 널 형성 방법.
A method of forming beam nulls based on a genetic algorithm in a phased array antenna system,
Determining that a blind signal is input when the received power increases rapidly with the phased array antenna;
And suppressing the jamming signal and applying a phase value by crossing a sign at the center of the array of the antenna to form a null pattern. 2.
상기 위상배열 안테나의 중심을 기짐으로 좌우대칭이 되도록 크기는 같고, 위상의 부호가 서로 교차하는 것을 특징으로 하는 위상배열 안테나 빔 널 형성 방법.
The method of claim 1, wherein the phase value
The method of claim 9, wherein the phase array antenna beam null forming method has the same size and crosses the symbols of the phases so as to be symmetrical with respect to the center of the phased array antenna.
전류의 크기를 변경하여 구성할 수 있는 것을 특징으로 하는 위상배열 안테나 빔 널 형성 방법. The method of claim 1, wherein the null pattern is formed
A method of forming a phased array antenna beam null, characterized in that it can be configured by changing the magnitude of the current.
빔 널 형성에서 발생되는 부엽 상승현상을 최소화하기 위한 안테나에 인가되는 전류의 크기를 일정한 형태로 제한하는 것을 특징으로 하는 위상배열 안테나 빔 널 형성 방법. The method of claim 3,
A method of forming a phased array antenna beam null, characterized in that to limit the magnitude of the current applied to the antenna to minimize the side lobe rise phenomenon generated in the beam null formation.
배열 안테나의 소자 수 및 배열 간격과, 위상변위기 정보(비트 수)와, 위상 값의 변이 확률 값을 포함하는 것을 특징으로 하는 위상배열 안테나 빔 널 형성 방법. The method of claim 5, wherein the necessary data
A method of forming a phased array antenna beam null comprising the number of elements and array intervals of array antennas, phase shift information (number of bits), and the probability of shift of phase values.
위상배열 안테나로 수신전력이 급증하면 재맹 신호가 입사한 것으로 판단하고;
상기 재밍 신호에 대한 억압을 위해, 널 패턴 형성을 위해 상기 안테나의 배열 중심을 기점으로 부호를 교차하여 위상 값을 인가함으로써 위상제어하는 유전 알고리즘 기반의 빔 널 형성을 수행하는 모듈이 포함된 것을 특징으로 하는 위상배열 안테나 시스템. A method of forming beam nulls based on a genetic algorithm in a phased array antenna system,
Determining that a blind signal is input when the reception power increases rapidly with the phased array antenna;
In order to suppress the jamming signal, a module for performing beam null formation based on a genetic algorithm performing phase control by applying a phase value by crossing a sign from the center of the antenna array to form a null pattern is included. A phased array antenna system.
위상배열 안테나로 수신전력이 급증하면 재맹 신호가 입사한 것으로 판단하고, 널 구현에 필요한 데이터 정보를 입력하는 단계와;
상기 입력 받는 안테나 소자 수와 널 합성에 사용된 하위 비트 수 곱의 1/2 만큼의 비트열을 생성하고, 상기 생성한 비트열을 위상 값으로 위상 변위기에 인가하고, 교배를 통한 진화를 할 수 있도록 다수의 비트열을 생성해 행렬 형태의 모집단을 구성함으로써, 초기 위상 개채군을 생성하는 단계와;
상기 생성한 위상 개체군의 위상 값의 크기를 상기 안테나 배열의 중심을 기점으로 대칭적으로 인가하는 단계와;
상기 대칭적으로 인가하는 위상 값은 서로 다른 부호를 갖도록 인가함으로써, 부호교차 위상제어를 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 위상배열 안테나 빔 널 형성 방법.A method of forming beam nulls based on a genetic algorithm in a phased array antenna system,
Determining that a blind signal has entered when the received power increases rapidly with the phased array antenna, and inputting data information necessary for null implementation;
Generate a bit string equal to 1/2 of the number of the received antenna elements and the number of lower bits used in null synthesis, apply the generated bit string to a phase shifter as a phase value, and perform evolution through crosses. Generating an initial phase group by generating a plurality of bit strings so as to form a population in a matrix form;
Symmetrically applying a magnitude of a phase value of the generated phase population to the center of the antenna array;
And applying the symmetrically applied phase values so as to have different codes, thereby performing sign-crossing phase control.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR20100034974A KR101095996B1 (en) | 2010-04-15 | 2010-04-15 | Phased Array Antenna Beam Nulling Method Using Coded Cross-Phase Control |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR20100034974A KR101095996B1 (en) | 2010-04-15 | 2010-04-15 | Phased Array Antenna Beam Nulling Method Using Coded Cross-Phase Control |
Publications (2)
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