KR20150076756A - 위상배열 레이더의 배열면 정렬 장치 및 그 동작 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 위상배열 레이더의 배열면 정렬 장치 및 동작 방법으로서, 위상배열 레이더의 배열면이 동일한 위상 및 이득을 가지도록 보정하는 위상배열 레이더의 배열면 정렬 장치 및 정렬 방법에 관한 것이다.
본 발명의 실시 형태는 위상배열 레이더의 각 단위 안테나에 미리 설정한 보정신호를 인가하여 각 단위 안테나에서 수신되는 신호의 인가경로의 차이를 보정하여 제1보정값을 각 단위 안테나별로 산출하는 제1보정값 산출 과정; 근접전계 측정을 통하여 부배열 그룹에 속하는 단위 안테나의 위상 및 이득이 미리 설정한 기준 신호의 위상 및 이득과 동일하게 되도록 하는 제2보정값을 각 단위 안테나별로 산출하는 제2보정값 산출 과정; 각 단위 안테나별로 제1보정값과 제2보정값을 함께 적용하여, 상기 위상배열 레이더에서 송수신되는 신호에 대해 위상 및 이득을 보정하는 과정;을 포함한다.
본 발명의 실시 형태는 위상배열 레이더의 각 단위 안테나에 미리 설정한 보정신호를 인가하여 각 단위 안테나에서 수신되는 신호의 인가경로의 차이를 보정하여 제1보정값을 각 단위 안테나별로 산출하는 제1보정값 산출 과정; 근접전계 측정을 통하여 부배열 그룹에 속하는 단위 안테나의 위상 및 이득이 미리 설정한 기준 신호의 위상 및 이득과 동일하게 되도록 하는 제2보정값을 각 단위 안테나별로 산출하는 제2보정값 산출 과정; 각 단위 안테나별로 제1보정값과 제2보정값을 함께 적용하여, 상기 위상배열 레이더에서 송수신되는 신호에 대해 위상 및 이득을 보정하는 과정;을 포함한다.
Description
본 발명은 위상배열 레이더의 배열면 정렬 장치 및 동작 방법으로서, 위상배열 레이더의 배열면이 동일한 위상 및 이득을 가지도록 보정하는 위상배열 레이더의 배열면 정렬 장치 및 정렬 방법에 관한 것이다.
능동형 모델에서의 효율적인 신호처리 및 이에 따른 시스템의 성능은 안정적인 하드웨어 기반 위에서 가능하게 된다. 현재 이러한 모델은 배열 안테나와 기저대역의 신호처리기가 결합되어 최신의 시공간 처리기술로 발전이 이루어지고 있다. 능동형 위상배열 레이더(Active Phased Array Radar)의 하드웨어는 과거보다 더욱 안정적인 시스템의 방열 구조의 기반하에 이를 이루는 각 구성품들의 높은 신뢰도가 요구되고 있다.
내부적인 기능 및 처리 구조에서도 목적에 따라서 다양한 형태로 발전되고 있으며, 상대적으로 적은 수의 송/수신 채널 처리에서 다수의 다채널 처리가 요구됨에 따라 다양한 형태로 발전되고 있으며, 상대적으로 적은 수의 송/수신 채널 처리에서 점점 다수의 다채널 처리가 요구됨에 따라 근접전계 또는 원전계에서 각 채널간 이득 및 위상을 보정하여 부정합이 발생되지 않도록 하는 것이 기술적인 이슈로 대두되고 있다.
즉, 위상배열 레이더에서 다채널을 이루는 다수의 단위 안테나들의 각 이득이 동일한 값과 위상이 서로 동위상이 되도록 함으로써, 부정합없이 정확한 안테나 패턴을 가지도록 하기 위하여, 각 단위 안테나들의 보정값(이득 조정값, 위상 시프트값)을 산출하는 것이 중요 이슈로 대두되고 있다.
근접전계 측정을 통한 보정은 안테나 면상에서 프로브가 일정 간격으로 움직이면서 해당 지점에서의 위상 및 이득 분포를 측정하여 최종적으로 전체 영역에서의 근접 전계 데이터를 추출하게 된다. 예를 들어, 도 1에 도시한 바와 같이 근접전계 측정기의 프로브가 임의의 테스트 신호를 발생하면서 m(행)*N(열) 위상배열 레이더의 X축 방향을 따라 순차적으로 스캔할 때, 각 단위 안테나에서 수신되는 수신 신호를 모두 합산하여 위상 및 패턴을 산출하고 있다. 즉, 도 2(a)에 도시한 바와 같이 프로브가 A11 단위 안테나를 스캔할 때, A11 단위 안테나부터 마지막 Amn 단위 안테나에서 각각 수신되는 신호를 모두 더하여 A11 수신 신호의 위상과 이득으로 산출한다. 마찬가지로, 프로브가 A21 단위 안테나를 스캔할 때, A11 단위 안테나부터 마지막 Amn 단위 안테나에서 각각 수신되는 신호를 모두 더하여 A21 수신 신호의 위상과 이득으로 산출한다. 상기와 같이 각 단위 안테나별로 위상과 이득을 산출한 후, 이들의 위상과 이득이 동일한 값을 가지도록 하는 각 단위 안테나들의 보정값(이득 조정값, 위상 시프트값)을 산출한다.
참고로, 도 3(a)는 위상배열 레이더의 배열면에서 측정된 신호크기 분포와 위상 분포를 도시하였는데, 근접전계 측정의 보정값을 산출하여 이득과 위상의 반복적인 보정을 통하여 도 3(b)와 같이 균일 신호크기와 위상 분포를 가지도록 구현할 수 있다.
그런데 오차없는 정확한 안테나 패턴을 만들기 위해서 상기의 과정들이 반복적으로 이루어져야 하는데, 주변 채널과의 간섭 및 주변 환경에 따른 상호 작용에 의해 실제 해당 채널에서의 올바른 위상 및 이득값을 찾아내는 과정이 많은 시간과 노력이 필요하게 된다. 이러한 이유는 실제 채널에서 갖게 되는 위상 및 이득 분포가 주변 간섭 및 환경 요건에 따라 전혀 다른 값으로 나타나기 때문이다.
또한, 상기의 근접전계의 수많은 반복측정을 통하여 송수신이 이루어지는 능동형 위상배열 레이더의 각 단위 안테나에 대한 정확한 보정이 이루어진다 하더라도, 위상배열 레이더를 필드에 배치하여 사용하게 되면, 능동형 채널의 특성상 최초 전원 인가 후에 변화하는 온도로 인한 소자의 열화 및 환경변화에 따라 소자 특성이 변화하며 단위 안테나간에 커플링 특성으로 인하여 채널 상태를 근접전계 측정에 의해 보정된 상태 그대로 유지하기 어렵다. 이러한 변화량을 보정하기 위하여 온도 및 주파수에 따른 테이블 보정값을 메모리에 탑재하여 이를 주기적으로 반영해주는 방법이 사용되고 있다. 그러나 능동형 채널의 초기 상태 모호성으로 인해 오차를 발생하게 되어 실질적으로 정밀한 보정이 어려운 문제가 있다.
본 발명의 기술적 과제는 기존의 근접전계 측정을 통한 보정과 장비 운용시에 열화 및 환경 요인을 고려한 채널 보정을 개선하여 정확한 보정을 하는데 있다. 또한 본 발명의 기술적 과제는 기존의 채널별로 근접전계 측정 방식을 통한 보정이 아닌 새로운 보정 정확도가 높은 보정 방식을 제안하는데 있다.
본 발명의 실시 형태는 위상배열 레이더의 각 단위 안테나에 미리 설정한 보정신호를 인가하여 각 단위 안테나에서 수신되는 신호의 인가경로의 차이를 보정하여 제1보정값을 각 단위 안테나별로 산출하는 제1보정값 산출 과정; 근접전계 측정을 통하여 부배열 그룹에 속하는 단위 안테나의 위상 및 이득이 미리 설정한 기준 신호의 위상 및 이득과 동일하게 되도록 하는 제2보정값을 각 단위 안테나별로 산출하는 제2보정값 산출 과정; 각 단위 안테나별로 제1보정값과 제2보정값을 함께 적용하여, 상기 위상배열 레이더에서 송수신되는 신호에 대해 위상 및 이득을 보정하는 과정;을 포함한다.
제1보정값 산출 과정은, 위상배열 레이더의 각 단위 안테나에 미리 설정한 보정신호를 인가하는 보정신호 인가 과정; 상기 각 단위 안테나에서 수신되는 수신신호의 위상 및 이득을 각각 추출하는 과정; 상기 수신신호에서 추출한 위상 및 이득이 상기 보정신호의 위상 및 이득과 동일하게 되도록 하는 제1보정값을 각 단위 안테나별로 산출하는 과정;을 포함한다.
상기 보정신호 인가 과정은, 보정 위상 및 보정 이득을 가지는 보정신호를 보정신호 메모리에 저장하는 과정; 상기 보정신호 메모리에 저장되어 있는 보정신호를 추출하는 과정; 각 단위 안테나별로 상기 보정신호를 동일하게 인가하는 과정; 상기 제1보정값을 각 단위 안테나별로 산출하는 과정; 각 단위 안테나별로 수신한 수신 신호의 위상 및 이득을 수신 위상 및 수신 이득으로서 각각 추출하는 과정; 각 단위 안테나에서의 수신 위상과 상기 보정신호 메모리에 저장된 보정신호의 보정 위상과의 차이인 보정위상 차이값과, 각 단위 안테나에서의 수신 이득과 상기 보정신호 메모리에 저장된 보정신호의 보정 이득과의 차이인 보정이득 차이값을 각 단위 안테나별로 산출하는 과정; 각 단위 안테나별로 산출된 보정위상 차이값과 보정이득 차이값을 제1보정값으로 산출하는 과정을 포함한다
상기 제2보정값 산출 과정은, 상기 위상배열 레이더의 단위 안테나를 그룹핑하여 다수의 부배열 그룹으로 분할하는 과정; 근접전계 측정을 통하여 각 부배열 그룹별로 위상 분포 및 이득 분포를 산출하는 과정; 각 부배열 그룹에 속한 단위 안테나의 위상 및 이득을 추출하는 과정; 추출한 단위 안테나의 위상 및 이득이 미리 설정한 기준 신호의 위상 및 이득과 동일하게 되도록 하는 제2보정값을 각 단위 안테나별로 산출하는 과정;을 포함한다.
상기 각 부배열 그룹별로 위상 및 이득을 산출하는 과정은, 각 부배열 그룹별로 수신 신호를 합산하여 2차원에서의 위상 및 이득에 대한 패턴 해석을 수행하는 과정; 상기 패턴 해석된 결과를 안테나의 배열면에서의 위상 및 이득 분포로 변환하여 각 부배열 그룹별로 위상 및 이득을 산출하는 과정;을 포함한다.
상기 패턴 해석은, 각 부배열 그룹별로 합산한 수신 신호를 고속퓨리에변환(FFT;Fast Fourier Transform), 이산퓨리에변환(DFT;Discrete Fourier Transform) 중 어느 하나의 방식으로 이루어짐을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 실시 형태는 보정 위상 및 보정 이득을 가지는 보정신호를 저장한 보정신호 메모리; 기준 위상 및 기준 이득을 가지는 기준신호를 저장한 기준신호 메모리; 위상배열 레이더의 각 단위 안테나에 상기 보정신호를 인가하는 보정신호 인가부; 각 단위 안테나별로 수신되는 수신 신호의 위상 및 이득을 추출하거나, 다수의 단위 안테나를 부배열 그룹으로 그룹핑하여 부배열 그룹별로 수신한 수신 신호에서의 위상 및 이득 분포를 산출하는 수신 신호 위상 및 이득 산출부; 상기 수신신호에서 추출한 위상 및 이득이 상기 보정신호 메모리에 저장된 보정신호의 위상 및 이득과 동일하게 되도록 하는 제1보정값을 각 단위 안테나별로 산출하는 제1보정값 산출부; 부배열 그룹의 위상 분포 및 이득 분포에서, 부배열 그룹에 속하는 단위 안테나의 위상 및 이득을 추출하여 상기 기준신호 메모리에 저장된 기준신호의 위상 및 이득과 동일하게 되도록 하는 제2보정값을 각 단위 안테나별로 산출하는 제2보정값 산출부; 위상배열 레이더에 상기 부배열 그룹마다 상기 기준신호를 인가하는 근접전계 측정 프로브;를 포함한다.
상기 제2보정값 산출부는, 상기 위상배열 레이더의 단위 안테나를 그룹핑하여 다수의 부배열 그룹을 분할하고, 각 부배열 그룹별로 위상 및 이득의 분포를 산출한 후, 각 부배열 그룹에 속한 단위 안테나의 위상 및 이득을 추출하여, 추출한 단위 안테나의 위상 및 이득이 미리 설정한 기준 신호의 위상 및 이득과 동일하게 되도록 하는 제2보정값을 각 단위 안테나별로 산출한다.
본 발명의 실시 형태에 따르면 근접전계 측정을 통한 보정 방식과 장비 운용시에 열화 및 환경 요인을 고려한 채널 보정 방식을 하나의 절차로 수행할 수 있는 절차를 통해 보정함으로써, 근접전계 및 원전계 모두를 고려한 보정을 수행할 수 있다. 또한 기존의 채널별로 근접전계 측정 방식을 통한 보정이 아닌 부배열 단위로 보정함으로써, 정확한 보정을 수행할 수 있다.
도 1은 위상배열 레이더의 배열면에 대한 단위 안테나별로 근접전계 측정이 이루어지는 모습을 도시한 그림이다.
도 2는 각 단위 안테나별로 위상 이득을 산출하는 모습을 도시한 그림이다.
도 3(a)는 위상배열 레이더의 배열면에서 측정된 신호크기 분포와 위상 분포를 도시하였다.
도 3(b)는 근접전계 측정의 보정값을 산출하여 이득과 위상의 반복적인 보정을 통하여 균일 신호크기와 위상 분포를 도시하였다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 위상배열 레이더의 배열면 정렬 과정을 도시한 플로차트이다.
도 5는 하나 이상의 다수의 단위 안테나를 배열한 배열면을 도시한 그림이다.
도 6은 본 발명의 신호에 따라 보정신호를 인가하여 위상 및 이득을 산출하고, 제1보정값을 산출하는 모습을 도시한 그림이다.
도 7(a)는 각 단위 안테나의 수신 신호의 위상분포는 보정신호의 인가 경로의 차이로 인하여 위상이 서로 일치하지 않음을 나타낸 실험 그래프이다.
도 7(b)는 각 단위 안테나의 수신 신호의 위상분포를 보정신호와 동일한 신호로서 일치시킨 실험 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따라 두 개의 단위 안테나마다 그룹핑하여 하나의 부배열 그룹으로 그룹핑한 그림이다.
도 9는 위상배열 레이더에 대한 근접전계 측정을 통하여 각 채널간 이득 및 위상에 대한 측정을 수행하는 모습을 도시한 그림이다.
도 10은 일반적인 단위 안테나별로 패턴해석을 통하여 제2보정값을 추출하여 보정한 결과를 도시한 그림이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따라 부배열 그룹으로 분할하여 패턴해석을 통하여 각 단위 안테나의 제2보정값을 추출하여 보정한 결과를 도시한 그림이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따라 부배열 그룹으로 분할하여 패턴해석을 통하여 산출한 각 단위 안테나의 제2보정값을 도시한 테이블이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 위상배열 레이더의 배열면 정렬 장치를 도시한 블록도이다.
도 2는 각 단위 안테나별로 위상 이득을 산출하는 모습을 도시한 그림이다.
도 3(a)는 위상배열 레이더의 배열면에서 측정된 신호크기 분포와 위상 분포를 도시하였다.
도 3(b)는 근접전계 측정의 보정값을 산출하여 이득과 위상의 반복적인 보정을 통하여 균일 신호크기와 위상 분포를 도시하였다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 위상배열 레이더의 배열면 정렬 과정을 도시한 플로차트이다.
도 5는 하나 이상의 다수의 단위 안테나를 배열한 배열면을 도시한 그림이다.
도 6은 본 발명의 신호에 따라 보정신호를 인가하여 위상 및 이득을 산출하고, 제1보정값을 산출하는 모습을 도시한 그림이다.
도 7(a)는 각 단위 안테나의 수신 신호의 위상분포는 보정신호의 인가 경로의 차이로 인하여 위상이 서로 일치하지 않음을 나타낸 실험 그래프이다.
도 7(b)는 각 단위 안테나의 수신 신호의 위상분포를 보정신호와 동일한 신호로서 일치시킨 실험 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따라 두 개의 단위 안테나마다 그룹핑하여 하나의 부배열 그룹으로 그룹핑한 그림이다.
도 9는 위상배열 레이더에 대한 근접전계 측정을 통하여 각 채널간 이득 및 위상에 대한 측정을 수행하는 모습을 도시한 그림이다.
도 10은 일반적인 단위 안테나별로 패턴해석을 통하여 제2보정값을 추출하여 보정한 결과를 도시한 그림이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따라 부배열 그룹으로 분할하여 패턴해석을 통하여 각 단위 안테나의 제2보정값을 추출하여 보정한 결과를 도시한 그림이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따라 부배열 그룹으로 분할하여 패턴해석을 통하여 산출한 각 단위 안테나의 제2보정값을 도시한 테이블이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 위상배열 레이더의 배열면 정렬 장치를 도시한 블록도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
이하 설명에서는 위상배열 레이더의 수신 신호를 보정하는 예를 설명할 것이나, 위상배열 레이더에서 정확하게 송신되도록 보정하는 경우에도 마찬가지로 적용될 수 있을 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 위상배열 레이더의 배열면 정렬 과정을 도시한 플로차트이다.
본 발명의 실시예는 위상배열 레이더의 각 단위 안테나에 미리 설정한 보정신호를 인가하여 각 단위 안테나에서 수신되는 신호의 인가경로의 차이를 보정하는 제1보정값을 산출하는 제1보정값 산출 과정(S410)과, 다수의 단위 안테나를 부배열 그룹으로 그룹핑하여 위상 및 이득 분포를 산출한 후, 부배열 그룹에 속하는 단위 안테나의 위상 및 이득이 미리 설정한 기준 신호의 위상 및 이득과 동일하게 되도록 하는 제2보정값을 각 단위 안테나별로 산출하는 제2보정값 산출 과정(S420)과, 상기 위상배열 레이더에서 송수신되는 각 단위 안테나의 신호에 대응하는 단위 안테나의 제1보정값과 제2보정값을 적용하여, 상기 위상배열 레이더에서 송수신되는 신호의 위상 및 이득을 보정하는 과정(S430)을 포함한다.
제1보정값 산출 과정(S410)을 상술하면, 우선, 위상배열 레이더의 각 단위 안테나에 미리 설정한 보정신호를 인가하는 보정신호 인가하는 과정(S411)을 가진다.
위상배열 레이더는 도 5에 도시한 바와 같이 하나 이상의 다수의 단위 안테나(Amn)를 배열한 안테나로서, 각 단위 안테나는 각각의 무선채널을 이룬다. 도 5에 도시한 바와 같이 mn 배열의 안테나의 경우 m×n개의 단위 안테나가 배열된다.
위상배열 레이더의 배열면, 즉, 다수의 단위 안테나가 배열된 면은 동위상을 이루어야 하는데, 단위 안테나의 배열 방향을 따라 동위상을 이루면서 단위 안테나가 배열된 배열면에 대해서 90°방향으로 방사 지향성을 가진다. 다만, 각 단위 안테나의 위상을 조절함으로써 배열면의 90°방향이 아닌 원하는 방향으로의 방사 패턴을 조정할 수 있다.
따라서 위상배열 레이더의 배열면은 동위상을 가지고 있어야 하는데, 위상배열 레이더의 배열면을 동위상으로 하기 위하여, 우선, 위상배열 레이더의 각 단위 안테나에 미리 설정한 보정신호를 인가하는 보정신호 인가하는 과정(S411)을 가진다.
도 6과 같이 위상배열 레이더의 각 단위 안테나에 보정신호를 인가한다. 이러한 보정신호는 메모리(310;이하, '보정신호 메모리'라 함)에 저장된 보정신호를 활용한다. 따라서 보정신호를 위상배열 레이더의 각 단위 안테나에 인가시키는 보정신호 인가 과정은, 어느 특정의 위상(이하 '보정 위상') 및 이득(이하 '보정 이득)을 가지는 보정신호를 보정신호 메모리(310)에 저장하는 과정과, 보정신호 메모리(310)에 저장되어 있는 보정신호를 추출하는 과정과, 각 단위 안테나별로 추출한 보정신호를 동일하게 인가하는 과정을 가진다.
이때, 각 단위 안테나에 보정신호를 인가하는 경우, 도 6에 도시한 바와 같이 보정 신호의 인가 경로에 따라 각 단위 안테나에서 수신되는 신호의 위상 및 이득이 달라질 수 있다. 따라서 이를 보정신호와 일치시키는 제1보정값을 산출할 필요가 있다.
이를 위하여 위상 및 이득 산출부(600)는, 각 단위 안테나에서 수신되는 수신 신호의 위상 및 이득을 각각 추출한다(S412). 그 후, 제1보정값 산출부(400)는 수신신호에서 추출한 위상 및 이득이 상기 보정신호의 위상 및 이득과 동일하게 되도록 하는 제1보정값을 각 단위 안테나별로 생성하는 제1보정값 산출 과정을 가진다(S413). 여기서 제1보정값은 각 채널(단위 안테나)별로 보정신호의 인가경로가 다르기 때문에 발생되는 차이를 보정하기 위함이다.
예를 들어, 도 7(a)를 참조하면, 각 단위 안테나의 수신 신호의 위상분포는 보정신호의 인가 경로의 차이로 인하여 위상이 서로 일치하지 않음을 알 수 있다. 이와 같이 일치하지 않는 각 단위 안테나의 수신 신호의 위상분포를 도 7(b)처럼 보정신호와 동일한 신호로서 일치시키기 위한 제1보정값을 산출하는 것이다.
한편, 각 단위 안테나별로 수신한 수신 신호의 위상 및 이득을 수신 위상 및 수신 이득으로서 각각 추출(S412)하는데, 참고로, 채널상의 이득 및 위상을 추출하는 방법은 여러 가지 방법이 있을 수 있다. 본 발명의 실시예는 채널상의 복소수 데이터에 대한 위상 및 이득 관계식은 다음과 같은 일반적 [수식 1]을 적용한다.
[수식 1]
여기서, I는 채널 복소값의 실수(real)이며, Q는 허수(image)이다. 또한 α는 송수신 경로상의 이득값으로서, 설계되어지는 적용 시스템에 따라서 달라지는 변수값이다.
결국, 각 단위 안테나별로 수신한 수신 신호의 위상 및 이득을 수신 위상 및 수신 이득으로서 각각 추출(S412)한 후에는, 각 단위 안테나에서의 수신 위상과 보장신호 메모리(310)에 저장된 보정신호의 보정 위상과의 차이인 보정위상 차이값과, 각 단위 안테나에서의 수신 이득과 보정신호 메모리(310)에 저장된 보정신호의 보정 이득과의 차이인 보정이득 차이값을 각 단위 안테나별로 산출한다(S413). 그리고 각 단위 안테나별로 산출된 보정위상 차이값과 보정이득 차이값을 제1보정값으로 산출한다. 참고로 이러한 각 단위 안테나의 제1보정값을 도 7(a)에 도시된 각 단위 안테나의 위상에 더하게 되면, 도 7(b)처럼 각 단위 안테나별로 일치하는 하나의 위상 및 이득을 가지는 신호를 생성할 수 있다.
한편, 상기와 같이 제1보정값을 산출하는 것(S410)은, 수신 신호의 인가 경로에 대한 보정을 하기 위함이지 배열면의 위상 및 이득을 동일하게 하기 위한 보정에는 적용될 수 없다. 따라서 위상배열 레이더의 배열면의 위상 및 이득을 동일하게 하는 보정을 필요로 한다. 이를 위하여 단위 안테나 소자간의 커플링 영향을 최소화하기 위하여 다수의 단위 안테나를 부배열 그룹으로 그룹핑하여 제2보정값을 산출한다(S420).
즉, 다수의 단위 안테나를 부배열 그룹으로 그룹핑하여, 각 단위 안테나의 보정신호에 대한 위상 및 이득이 상기 부배열 그룹에서의 위상 및 이득과 동일하게 되도록 하는 제2보정값을 각 단위 안테나별로 산출하는 제2보정값 산출 과정을 가진다(S420). 이러한 제2보정값 산출 과정은 부배열(subarray) 단위로서 보정이 이루어지도록 함을 특징으로 한다.
참고로, 고성능 위상배열 레이더의 경우 배열 소자인 단위 안테나의 수가 수 천개에 이르기 때문에, 위상배열 레이더내의 각 단위 안테나는 서로간에 영향을 미친다. 따라서 배열된 다수의 단위 안테나들을 단위 안테나보다 적은 개수의 부배열(subarray)로 재구성하여 2차 보정을 수행한다. 따라서 부배열(subarray)이라 함은 단위 안테나를 그룹핑한 것을 말한다.
제2보정값 산출 과정을 상술하면, 위상배열 레이더의 단위 안테나를 그룹핑하여 다수의 부배열 그룹을 분할한다(S421). 예를 들어, 도 8에 도시한 바와 같이 두 개의 단위 안테나마다 그룹핑하여 하나의 부배열 그룹으로 그룹핑할 수 있다. 만약, 각 단위 안테나별로 제2보정값을 산출하는 경우 이웃한 단위 안테나에 의해 커플링(coupling) 등의 영향을 받아 정확한 제2보정값을 산출하기 어렵기 때문에, 다수개의 단위 안테나들을 그룹핑하여 부배열 그룹으로 분할한 후 제2보정값을 산출하는 것이다.
부배열 그룹으로 분할(S421)한 후, 근접전계 측정을 통하여 각 부배열 그룹별로 위상 및 이득의 분포를 산출하는 과정(S422)을 가지는데, 각 부배열 그룹별로 위상 및 이득의 분포를 산출함에 있어서 근접전계 측정 방식이 활용된다.
근접전계 측정은, 도 9에 도시한 바와 같이 위상배열 레이더(10)에 대한 근접전계 측정을 통하여 각 채널간 이득 및 위상에 대한 측정을 수행한다. 근접전계 측정은 위상배열 레이더의 배열면상에서 프로브가 일정 간격으로 움직이면서 해당 지점에서의 위상 및 이득 분포를 측정하여 최종적으로 전체 영역에서의 근접 전계 데이터를 추출하게 된다
도 9에 도시한 바와 같이 위상배열 레이더를 향해 근접전계 측정기의 프로브(20)에서 RF 신호를 송신하는데, 이때 각 부배열 그룹을 향해서 신호를 송신한다. 예를 들어, 도 8과 같이 위상배열 레이더의 단위 안테나가 다수개의 부배열 그룹으로 구획된다고 할 경우, 근접전계 측정기의 프로브는 위치를 이동하며 제1부배열 그룹, 제2부배열 그룹의 순서로 마지막 부배열 그룹까지 각각의 부배열 그룹의 중심을 향해 RF 신호를 송신한다.
따라서 각 부배열 그룹은 수신되는 신호에서의 위상 분포 및 이득 분포를 산출할 수 있다(S422). 부배열 그룹별로 위상 분포 및 이득 분포를 산출하는 과정(S422)은, 우선, 각 부배열 그룹별로 수신 신호를 합산하여 2차원에서의 위상 및 이득에 대한 패턴 해석을 수행한다. 그리고, 패턴 해석된 결과를 안테나의 배열면에서의 위상 및 이득 분포로 변환함으로써, 각 부배열 그룹별로 위상 및 이득의 분포를 산출하는 과정을 가진다.
이하에서는 설명의 편의를 위하여 위상배열 레이더가 8개의 부배열 그룹으로 구획된다고 할 경우, 제1부배열 그룹에서의 위상 및 이득을 산출하는 과정을 설명하겠으나, 근접전계 측정기의 프로브의 위치 이동에 따라서 나머지 부배열 그룹도 마찬가지로 산출될 수 있을 것이다.
제1부배열 그룹을 측정 위치로 하여 RF 신호를 송신할 때 제1부배열 그룹에서의 위상 및 이득의 분포를 산출하는 과정을 설명하면, 근접전계 측정기의 프로브가 제1부배열 그룹의 중심점을 향해 RF 신호를 송신할 때, 제1부배열 그룹은 RF 신호를 수신하며, 그 이외에 이웃하는 제2,3,4,5,6,7,8부배열 그룹 역시 미약하나마 RF 신호를 수신하게 된다. 따라서 제1부배열 그룹의 수신 신호는, 제1,2,3,4,5,6,7,8부배열 그룹의 수신 신호를 모두 더한 값이 된다. 이렇게 모두 더한 부배열 그룹의 수신 신호를 2차원에서의 위상 및 이득에 대한 패턴 해석을 실시한다. 이러한 2차원에서의 패턴 해석은 2차원 배열에서 측정 위치별 안테나 측정된 복소값의 합산한 값에 대한 크기 및 위상 정보를 이차원 고속퓨리에변환(FFT;Fast Fourier Transform), 이산퓨리에변환(DFT;Discrete Fourier Transform) 중 어느 하나의 방식으로 수행하여 이루어질 수 있다. 이를 하기의 <관계식 1>로서 표시하였다. 물론, 빔 폭 및 각도의 맵핑을 위해서는 사용 주파수 및 샘플 간격이 반영되어야 하지만 본 발명에서는 이러한 내부 수식에 대한 내용이 아니므로 생략한다.
<관계식 1>
패턴해석 = 2차원FFT(Σamplitude∠phase)
패턴 해석된 결과를 안테나의 배열면에서의 위상 및 이득으로 변환하여 각 부배열 그룹별로 위상 및 이득의 분포를 산출한다. 상기 고속퓨리에변환(FFT), 이산퓨리에변환(DFT) 중 어느 하나의 방식으로 변환된 값을 역고속 퓨리에 변환(IFFT;Inverse Fast Fourier Transform)하여 위상 및 이득을 산출할 수 있다.
패턴 해석에 따라 나온 결과를 다시 위상배열 레이더의 배열면에서의 위상 및 이득 분포로 환원하여 결과를 보기 위해서는 패턴해석을 통하여 변환된 값을 역고속 퓨리에 변환(IFFT;Inverse Fast Fourier Transform)하는 back-projection 과정을 거쳐서 위상 및 이득을 산출할 수 있다. 이를 <관계식 2>에 기재하였다.
<관계식2>
Back-Projection = 2차원IFFT[(2차원FFT)×exp(-dz)]
측정 프로브의 거리가 반영된(관계식 2에서는 dz로 표현) 이차원 FFT 결과를 다시 2차원으로 역변환하였을 때 배열면에서의 정보를 얻을 수 있다.
참고로, 도 10은 부배열 그룹이 아니라 일반적인 단위 안테나별로 패턴해석을 통하여 제2보정값을 추출하여 보정한 결과를 도시한 그림으로서, 빔폭 및 방향, 부엽레벨 특성이 완전하지 않게 됨을 알 수 있다. 따라서 온전한 빔폭 및 방향, 부엽레벨 특성을 얻기 위하여 지속적으로 반복측정 및 보정이 이루어져야 해서 많은 시간을 필요로 한다.
그러나 부배열 그룹으로 분할하여 패턴해석을 통하여 각 단위 안테나의 제2보정값을 추출하여 보정하게 되면 도 11에 도시한 바와 같이 1회의 보정만으로도 이상적인 빔폭 및 방향, 부엽레벨 특성을 얻을 수 있다.
한편, 상기와 같이 각 부배열 그룹별로 위상 및 이득의 분포를 산출(S422)한 후에는, 각 부배열 그룹에 속한 단위 안테나의 위상 및 이득을 추출한다(S423). 부배열 그룹의 위상 및 이득의 분포를 산출하였기 때문에, 분포 중에서 부배열 그룹내에 속하는 각각의 단위 안테나의 해당 지점의 위상 및 이득을 추출할 수 있다.
그 후, 추출한 단위 안테나의 위상 및 이득이 미리 설정한 기준 신호의 위상 및 이득과 동일하게 되도록 하는 제2보정값을 각 단위 안테나별로 산출하는 과정을 가진다(S424).
예를 들어, 도 12에 도시한 바와 같이 미리 설정한 기준신호가 A∠Φ라 하고, 제1부배열 그룹에 제1단위 안테나 및 제2단위 안테나가 속한다고 가정할 경우, 근접전계 측정을 통하여 제1부배열 그룹속하는 제1단위 안테나 및 제2단위 안테나의 이득 및 위상을 산출할 수 있다. 따라서 기준신호에서 제1단위 안테나의 이득 및 위상을 차감한 값이 제1단위 안테나의 제2보정값이 된다. 마찬가지로, 기준신호에서 제2단위 안테나의 이득 및 위상을 차감한 값이 제2단위 안테나의 제2보정값이 된다.
한편, 상기와 같이 제1보정값과 제2보정값을 산출한 후에는, 위상배열 레이더에서 송수신되는 각 단위 안테나의 신호에 대응하는 단위 안테나의 제1보정값과 제2보정값을 함께 적용하여, 상기 위상배열 레이더에서 송수신되는 신호의 위상 및 이득을 보정하는 과정을 가진다(S430). 예를 들어, 제1단위 안테나에서 제1위상을 얻을 수 있는데, 이러한 제1위상에 제1단위 안테나의 제1보정값과 제2보정값을 함께 적용하여 보정한다. 마찬가지로, 제2단위 안테나에서 제2위상을 얻을 수 있는데, 이러한 제2위상에 제2단위 안테나의 제1보정값과 제2보정값을 함께 적용하여 보정한다.
위상배열 레이더에서 송수신되는 신호에 대하여, 신호 인가경로를 보정하는 제1보정값과 소자간의 커플링 영향을 최소화하며 배열면의 동위상 및 동이득을 가지도록 보정하는 제2보정값을 동시에 적용시켜 보정하여 출력함으로써, 정확한 송수신 출력이 이루어질 수 있다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 위상배열 레이더의 배열면 정렬 장치를 도시한 블록도이다.
위상배열 레이더(10)는 목표물의 탐지, 추적 등에 사용되는 능동형 위상배열(Active Phased Array)에 의해 배열 소자인 단위 안테나의 수가 수 천개에 이를 수 있다. 단위 안테나에 도시하지는 않았지만, 각 단위 안테나에는 ADC(Analog to Digital converter)이 각각 마련되어, 성능의 저하 없이 다양한 빔을 형성한다.
보정신호 메모리(310)는 보정 위상 및 보정 이득을 가지는 보정신호를 저장한다. 보정신호는 각 단위 안테나의 수신 신호를 일치하기 위하여 사용되는 레퍼런스 신호로서 신호 유입경로를 보정하는 제2보정값을 산출하는데 사용된다.
기준신호 메모리(320)는 기준 위상 및 기준 이득을 가지는 기준신호를 저장한다. 기준신호는 부배열 그룹내의 각 단위 안테나의 수신신호를 보정하기 위하여 사용되는 레퍼런스 신호로서, 소자간의 커플링 영향을 최소화하며 배열면의 동위상 및 동이득을 가지도록 보정하는 제2보정값을 산출하는데 사용된다.
보정신호 인가부(100)는 위상배열 레이더(10)의 각 단위 안테나에 보정신호 메모리(310)에 저장된 보정신호를 인가한다.
근접전계 측정 프로브(200)는 위상배열 레이더에 부배열 그룹마다 기준신호 메모리(320)에 저장된 기준신호를 인가한다. 도 9에 도시한 바와 같이, 근접전계 측정기는 프로브(근접전계 측정 프로브)를 위상배열 레이더의 부배열 그룹의 대향 위치로 이동해가면서, 신호를 송신한다. 여기서 부배열 그룹의 대향 위치라 함은 각 부배열 그룹의 중심점에 대향되는 위치를 말한다. 근접전계 측정 프로브는 기준신호를 각 부배열 그룹에 방사하게 된다.
위상 및 이득 산출부(600)는 각 단위 안테나별로 수신되는 수신 신호의 위상 및 이득을 추출하거나, 다수의 단위 안테나를 부배열 그룹으로 그룹핑하여 부배열 그룹별로 수신한 수신 신호에서의 위상 및 이득 분포를 산출한다. 각 단위 안테나의 수신 신호의 위상 및 이득은 제1보정값 산출부(400)로 제공되어 제1보정값을 산출하는데 사용된다. 또한 각 부배열 그룹에서의 위상 분포 및 이득 분포는 제2보정값 산출부(500)으로 제공되어 제2보정값을 산출하는데 사용된다.
참고로, 이득 및 위상을 추출하는 방법은 여러 가지 방법이 있으나, 채널상의 복소수 데이터에 대한 위상 및 이득 관계식은 상기에서 제시된 [수식 1]을 적용할 수 있다.
제1보정값 산출부(400)는 수신신호에서 추출한 위상 및 이득이 보정신호 메모리(310)에 저장된 보정신호의 위상 및 이득과 동일하게 되도록 하는 제1보정값을 각 단위 안테나별로 산출한다. 이러한 제1보정값 산출은, 각 단위 안테나에서의 수신 위상과 보정신호 메모리(310)에 저장된 보정신호의 보정 위상과의 차이인 보정위상 차이값과, 각 단위 안테나에서의 수신 이득과 보정신호 메모리(310)에 저장된 보정신호의 보정 이득과의 차이인 보정이득 차이값을 각 단위 안테나별로 산출할 수 있다.
또한 제2보정값 산출부(500)는 부배열 그룹의 위상 분포 및 이득 분포에서, 부배열 그룹에 속하는 단위 안테나의 위상 및 이득을 추출하여 상기 기준신호 메모리(320)에 저장된 기준신호의 위상 및 이득과 동일하게 되도록 하는 제2보정값을 각 단위 안테나별로 산출한다. 부배열 단위로 제2보정값을 산출하는 예시는 이미 설명하였으므로 생략한다.
이와 같이 산출한 제1보정값과 제2보정값은 위상배열 레이더에 마련된 보정값 메모리(330)에 각 안테나 단위별로 저장된다. 따라서 위상배열 레이더 내의 위상 및 이득 조절부(700)는 신호를 송수신할 때, 보정값 메모리(330)에 저장된 제1,2보정값을 추출하여, 위상배열 레이더에서 송수신되는 각 단위 안테나의 신호에 대응하여 단위 안테나의 제1보정값과 제2보정값을 누적함으로써, 보정할 수 있다.
따라서 위상배열 레이더에서 송수신되는 신호에 대하여, 신호 인가경로를 보정하는 제1보정값과 소자간의 커플링 영향을 최소화하며 배열면의 동위상 및 동이득을 가지도록 보정하는 제2보정값을 적용시켜 보정하여 출력함으로써, 정확한 송수신이 이루어질 수 있다.
본 발명을 첨부 도면과 전술된 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 및 수정할 수 있다.
10:위상배열 레이더 100:보정신호 인가부
200:근접전계 측정 프로브 400:제1보정값 산출부
500:제2보정값 산출부 600:위상 및 이득 산출부
200:근접전계 측정 프로브 400:제1보정값 산출부
500:제2보정값 산출부 600:위상 및 이득 산출부
Claims (9)
- 위상배열 레이더의 각 단위 안테나에 미리 설정한 보정신호를 인가하여 각 단위 안테나에서 수신되는 신호의 인가경로의 차이를 보정하여 제1보정값을 각 단위 안테나별로 산출하는 제1보정값 산출 과정;
근접전계 측정을 통하여 부배열 그룹에 속하는 단위 안테나의 위상 및 이득이 미리 설정한 기준 신호의 위상 및 이득과 동일하게 되도록 하는 제2보정값을 각 단위 안테나별로 산출하는 제2보정값 산출 과정;
각 단위 안테나별로 제1보정값과 제2보정값을 함께 적용하여, 상기 위상배열 레이더에서 송수신되는 신호에 대해 위상 및 이득을 보정하는 과정;
을 포함하는 위상배열 레이더의 배열면 정렬 방법.
- 청구항 1에 있어서, 제1보정값 산출 과정은,
위상배열 레이더의 각 단위 안테나에 미리 설정한 보정신호를 인가하는 보정신호 인가 과정;
상기 각 단위 안테나에서 수신되는 수신신호의 위상 및 이득을 각각 추출하는 과정;
상기 수신신호에서 추출한 위상 및 이득이 상기 보정신호의 위상 및 이득과 동일하게 되도록 하는 제1보정값을 각 단위 안테나별로 산출하는 과정;
을 포함하는 위상배열 레이더의 배열면 정렬 방법.
- 청구항 2에 있어서, 상기 보정신호 인가 과정은,
보정 위상 및 보정 이득을 가지는 보정신호를 보정신호 메모리에 저장하는 과정;
상기 보정신호 메모리에 저장되어 있는 보정신호를 추출하는 과정;
각 단위 안테나별로 상기 보정신호를 동일하게 인가하는 과정;
을 포함하는 위상배열 레이더의 배열면 정렬 방법.
- 청구항 2에 있어서, 상기 제1보정값을 각 단위 안테나별로 산출하는 과정;
각 단위 안테나별로 수신한 수신 신호의 위상 및 이득을 수신 위상 및 수신 이득으로서 각각 추출하는 과정;
각 단위 안테나에서의 수신 위상과 상기 보정신호 메모리에 저장된 보정신호의 보정 위상과의 차이인 보정위상 차이값과, 각 단위 안테나에서의 수신 이득과 상기 보정신호 메모리에 저장된 보정신호의 보정 이득과의 차이인 보정이득 차이값을 각 단위 안테나별로 산출하는 과정;
각 단위 안테나별로 산출된 보정위상 차이값과 보정이득 차이값을 제1보정값으로 산출하는 과정;
을 포함하는 위상배열 레이더의 배열면 정렬 방법.
- 청구항 1에 있어서, 상기 제2보정값 산출 과정은,
상기 위상배열 레이더의 단위 안테나를 그룹핑하여 다수의 부배열 그룹으로 분할하는 과정;
근접전계 측정을 통하여 각 부배열 그룹별로 위상 분포 및 이득 분포를 산출하는 과정;
각 부배열 그룹에 속한 단위 안테나의 위상 및 이득을 추출하는 과정;
추출한 단위 안테나의 위상 및 이득이 미리 설정한 기준 신호의 위상 및 이득과 동일하게 되도록 하는 제2보정값을 각 단위 안테나별로 산출하는 과정;
을 포함하는 위상배열 레이더의 배열면 정렬 방법.
- 청구항 5에 있어서, 상기 각 부배열 그룹별로 위상 및 이득을 산출하는 과정은,
각 부배열 그룹별로 수신 신호를 합산하여 2차원에서의 위상 및 이득에 대한 패턴 해석을 수행하는 과정;
상기 패턴 해석된 결과를 안테나의 배열면에서의 위상 및 이득 분포로 변환하여 각 부배열 그룹별로 위상 및 이득을 산출하는 과정;
을 포함하는 위상배열 레이더의 배열면 정렬 방법.
- 청구항 6에 있어서, 상기 패턴 해석은,
각 부배열 그룹별로 합산한 수신 신호를 고속퓨리에변환(FFT;Fast Fourier Transform), 이산퓨리에변환(DFT;Discrete Fourier Transform) 중 어느 하나의 방식으로 이루어짐을 특징으로 하는 위상배열 레이더의 배열면 정렬 방법.
- 보정 위상 및 보정 이득을 가지는 보정신호를 저장한 보정신호 메모리;
기준 위상 및 기준 이득을 가지는 기준신호를 저장한 기준신호 메모리;
위상배열 레이더의 각 단위 안테나에 상기 보정신호를 인가하는 보정신호 인가부;
각 단위 안테나별로 수신되는 수신 신호의 위상 및 이득을 추출하거나, 다수의 단위 안테나를 부배열 그룹으로 그룹핑하여 부배열 그룹별로 수신한 수신 신호에서의 위상 및 이득 분포를 산출하는 수신 신호 위상 및 이득 산출부;
상기 수신신호에서 추출한 위상 및 이득이 상기 보정신호 메모리에 저장된 보정신호의 위상 및 이득과 동일하게 되도록 하는 제1보정값을 각 단위 안테나별로 산출하는 제1보정값 산출부;
부배열 그룹의 위상 분포 및 이득 분포에서, 부배열 그룹에 속하는 단위 안테나의 위상 및 이득을 추출하여 상기 기준신호 메모리에 저장된 기준신호의 위상 및 이득과 동일하게 되도록 하는 제2보정값을 각 단위 안테나별로 산출하는 제2보정값 산출부;
위상배열 레이더에 상기 부배열 그룹마다 상기 기준신호를 인가하는 근접전계 측정 프로브;
를 포함하는 위상배열 레이더의 배열면 정렬 장치.
- 청구항 8에 있어서, 상기 제2보정값 산출부는,
상기 위상배열 레이더의 단위 안테나를 그룹핑하여 다수의 부배열 그룹을 분할하고, 각 부배열 그룹별로 위상 및 이득의 분포를 산출한 후, 각 부배열 그룹에 속한 단위 안테나의 위상 및 이득을 추출하여, 추출한 단위 안테나의 위상 및 이득이 미리 설정한 기준 신호의 위상 및 이득과 동일하게 되도록 하는 제2보정값을 각 단위 안테나별로 산출하는 위상배열 레이더의 배열면 정렬 장치.
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2013
- 2013-12-27 KR KR1020130165312A patent/KR101564730B1/ko active IP Right Grant
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