본 논문에서는 디지털 빔형성을 구현하기 위한 부배열 채널 구조의 능동위상배열 안테나 시스템 설계 내용을 기술하였다. 부배열 구조의 능동위상배열 안테나 시스템 구성을 위해 부배열 형상 최적화 설계, 이중채널 송수신 모듈 설계 및 분산형 고속 빔조향 제어기 설계 기법을 제시하였다. 설계 결과를 적용하여 실제 부배열 구조 능동위상배열 안테나 시스템을 제작하였다. 원전계(far-field)에서 모의 표적을 이용한 표적 탐지 및 추적 실험을 수행하고 결과를 분석하였다. 능동위상배열 안테나 시스템은 고속으로 빔을 원하는 위치에 조향할 수 있는 실시간 빔조향 기능과 재밍신호 대응 ...
본 논문에서는 디지털 빔형성을 구현하기 위한 부배열 채널 구조의 능동위상배열 안테나 시스템 설계 내용을 기술하였다. 부배열 구조의 능동위상배열 안테나 시스템 구성을 위해 부배열 형상 최적화 설계, 이중채널 송수신 모듈 설계 및 분산형 고속 빔조향 제어기 설계 기법을 제시하였다. 설계 결과를 적용하여 실제 부배열 구조 능동위상배열 안테나 시스템을 제작하였다. 원전계(far-field)에서 모의 표적을 이용한 표적 탐지 및 추적 실험을 수행하고 결과를 분석하였다. 능동위상배열 안테나 시스템은 고속으로 빔을 원하는 위치에 조향할 수 있는 실시간 빔조향 기능과 재밍신호 대응 적응빔 형성과 같은 디지털 빔형성 기능을 가진다. 부배열 채널 구조의 능동위상배열 안테나 시스템을 설계하기 위하여 본 연구에서는 다음의 몇 가지 기법을 제시하였다. 첫 번째로, 삼각격자 구조를 갖는 원형 평면배열에서 부배열 구조를 설계하였다. 원형 평면배열을 부배열로 분할하기 위해 유전 알고리즘을 이용한 부배열 형상 최적화 기법을 제시하였다. 모노펄스 빔 가중치 설정 방법에 의해 초기 40개 부배열을 분할하고, 설계 목표인 12개 부배열로 만들기 위한 형상 최적화를 수행하였다. 적응빔 형성 기능을 위하여 SINR(Signal to Interference Noise Ratio) loss 최소화 목적함수를 적합도평가함수로 설정하였다. 시뮬레이션 결과 재밍신호 방향을 제외한 다른 위치에서의 SINR loss는 3dB 이하로 설계값을 충족함을 확인하였다. 두 번째로, 부배열 형상에 적용 가능한 이중채널 송수신 모듈 설계 기법을 제시하였다. 소형 경량화를 위해 2개 송수신 채널을 한 개의 brick형 송수신 모듈에 통합하였다. 항공기 레이더가 사용하는 다양한 펄스반복 주파수(PRF) 및 펄스폭의 신호를 송수신하기 위한 회로를 설계하였다. 긴 펄스폭을 갖는 신호의 1V이하 전압강하 유지와 빠른 펄스반복 신호의 상승/하강시간을 20ns 이내로 최소화하기 위해 저장 캐패시터(storage capacitor)를 모듈 내부에 장착하였다. 기존 일반적으로 사용되는 LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic) 기판 대신, 이종접합 다층기판을 송수신 모듈에 적용하는 방법을 제시하였다. 상용 세라믹 기판(RO4003)과 FR4 기판을 적층하는 방법으로 상대적으로 짧은 길이의 기판을 낮은 비용으로 제작하였다. 송수신 모듈의 제한된 부피 내에 캐패시터 및 펄스 구동부품 장착을 위해, sub-cover를 이용하여 추가 공간을 확보하였다. MMIC chip 장착을 위해 만든 cavity 공간에 sub-cover를 장착하고, sub-cover 위에 캐패시터와 펄스 게이팅 회로를 구성하는 방법으로 송수신 모듈의 내부 공간을 최대한 활용하였다. 성능 측정결과 허용 펄스 전압강하 0.6V 이하, 펄스 상승/하강시간 9ns 이하임을 확인하였다. 또한 제작한 송수신 모듈은 출력전력 10W, 전력부가효율 23%로 실제 능동위상배열 안테나 시스템에 필요한 요구 성능을 충족하였다. 세 번째로, 원형 평면배열을 구성하는 송수신 단위모듈(TRU) 및 송수신 모듈을 제어하기 위한 분산형 구조의 고속 빔조향 제어기를 설계하였다. 원형 평면배열을 구성하는 26개의 송수신 단위모듈에 해당 송수신 단위모듈 제어기(TRUC)를 장착하였다. 송수신 단위모듈 제어기는 송수신 단위모듈에 장착된 개별 송수신 모듈의 크기와 위상을 계산하고 제어한다. 평면배열을 구성하는 복사소자 및 송수신 모듈에 발생하는 크기/위상 오차를 보정하기 위해, 송수신 모듈 보정과 안테나 정렬에 Look-Up Table을 이용한 채널 보정 방법을 적용하였다. 실시간 빔조향을 위해 이전 SOB(Start Of Burst) 기간 동안 다음 SOB에 해당하는 빔조향 파라미터를 미리 계산하고, 다음 SOB가 시작되면 기 계산된 값으로 빔을 조향하는 방법을 제시하였다. 제안한 방법을 이용하여 전자식 빔조향 시간을 기존 연구의 100us에서 약 3us로 단축하였다. 원형 평면배열과 전자식 빔조향 제어기를 제작하고, 근접전계(near-field) 측정실에서 송신 및 수신채널 빔조향 성능을 측정하였다. 실험결과 항공기 레이더 요구 조건인 고각 및 방위각 ±60도 범위에서 제어 명령에 따라 송신/수신 빔이 정확하게 조향되는 것을 확인하였다. 네 번째로, 디지털 빔형성을 위한 부배열 수신채널 구성 및 보정 방법을 제시하였다. 12개 부배열을 이용하여 아날로그 빔형성을 위한 모노펄스 채널과 디지털 빔형성을 위한 부배열 수신 채널을 병렬로 구성하였다. 아날로그 모노펄스 채널은 디지털 부배열 채널과의 성능 비교를 위한 기준 채널로 사용하였다. 12개 수신채널 보정을 위해 한 개 수신 채널을 기준으로 다른 채널의 보정값을 계산하여 적용하였다. 수신채널에 채널 등화기(equalizer)가 없는 구조에서, 부배열 수신채널을 off-line 보정하는 방법으로 제시한 방법을 사용할 수 있다. 제안한 X-대역 능동위상배열 안테나용 부배열 구조, 송수신 모듈, 빔 조향 제어기 및 수신채널 보정의 성능을 검증하기 위하여, 원형 평면상에 504개 배열소자를 갖는 능동위상배열 안테나 시스템을 설계하고 제작하였다. 레이더 빔조향 성능 확인을 위해 빔 스캔 범위를 ±10도, 3bar 로 설정하고, 야외 원전계(Far-field)에서 모의 표적에 대한 탐지 및 추적 실험을 수행하였다. 부배열 수신채널로 형성한 디지털 모노펄스 채널에서, 아날로그 모노펄스 채널과 유사한 수준으로 표적 탐지 추적거리가 형성됨을 확인하였다. 디지털 빔형성 기능 확인을 위해 부엽 재밍에 대응하는 적응빔 형성 시나리오를 설계하고 실험하였다. 1차 부엽(1st sidelobe)에 잡음 재밍(noise jamming) 신호가 입사하는 시나리오를 설정하고 적응빔 형성(adaptive beam forming) 기능을 실험하였다. 실험결과 잡음 재밍 신호 억압 능력은 20dB 이상임을 분석을 통해 확인하였다.
본 논문에서는 디지털 빔형성을 구현하기 위한 부배열 채널 구조의 능동위상배열 안테나 시스템 설계 내용을 기술하였다. 부배열 구조의 능동위상배열 안테나 시스템 구성을 위해 부배열 형상 최적화 설계, 이중채널 송수신 모듈 설계 및 분산형 고속 빔조향 제어기 설계 기법을 제시하였다. 설계 결과를 적용하여 실제 부배열 구조 능동위상배열 안테나 시스템을 제작하였다. 원전계(far-field)에서 모의 표적을 이용한 표적 탐지 및 추적 실험을 수행하고 결과를 분석하였다. 능동위상배열 안테나 시스템은 고속으로 빔을 원하는 위치에 조향할 수 있는 실시간 빔조향 기능과 재밍신호 대응 적응빔 형성과 같은 디지털 빔형성 기능을 가진다. 부배열 채널 구조의 능동위상배열 안테나 시스템을 설계하기 위하여 본 연구에서는 다음의 몇 가지 기법을 제시하였다. 첫 번째로, 삼각격자 구조를 갖는 원형 평면배열에서 부배열 구조를 설계하였다. 원형 평면배열을 부배열로 분할하기 위해 유전 알고리즘을 이용한 부배열 형상 최적화 기법을 제시하였다. 모노펄스 빔 가중치 설정 방법에 의해 초기 40개 부배열을 분할하고, 설계 목표인 12개 부배열로 만들기 위한 형상 최적화를 수행하였다. 적응빔 형성 기능을 위하여 SINR(Signal to Interference Noise Ratio) loss 최소화 목적함수를 적합도 평가함수로 설정하였다. 시뮬레이션 결과 재밍신호 방향을 제외한 다른 위치에서의 SINR loss는 3dB 이하로 설계값을 충족함을 확인하였다. 두 번째로, 부배열 형상에 적용 가능한 이중채널 송수신 모듈 설계 기법을 제시하였다. 소형 경량화를 위해 2개 송수신 채널을 한 개의 brick형 송수신 모듈에 통합하였다. 항공기 레이더가 사용하는 다양한 펄스반복 주파수(PRF) 및 펄스폭의 신호를 송수신하기 위한 회로를 설계하였다. 긴 펄스폭을 갖는 신호의 1V이하 전압강하 유지와 빠른 펄스반복 신호의 상승/하강시간을 20ns 이내로 최소화하기 위해 저장 캐패시터(storage capacitor)를 모듈 내부에 장착하였다. 기존 일반적으로 사용되는 LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic) 기판 대신, 이종접합 다층기판을 송수신 모듈에 적용하는 방법을 제시하였다. 상용 세라믹 기판(RO4003)과 FR4 기판을 적층하는 방법으로 상대적으로 짧은 길이의 기판을 낮은 비용으로 제작하였다. 송수신 모듈의 제한된 부피 내에 캐패시터 및 펄스 구동부품 장착을 위해, sub-cover를 이용하여 추가 공간을 확보하였다. MMIC chip 장착을 위해 만든 cavity 공간에 sub-cover를 장착하고, sub-cover 위에 캐패시터와 펄스 게이팅 회로를 구성하는 방법으로 송수신 모듈의 내부 공간을 최대한 활용하였다. 성능 측정결과 허용 펄스 전압강하 0.6V 이하, 펄스 상승/하강시간 9ns 이하임을 확인하였다. 또한 제작한 송수신 모듈은 출력전력 10W, 전력부가효율 23%로 실제 능동위상배열 안테나 시스템에 필요한 요구 성능을 충족하였다. 세 번째로, 원형 평면배열을 구성하는 송수신 단위모듈(TRU) 및 송수신 모듈을 제어하기 위한 분산형 구조의 고속 빔조향 제어기를 설계하였다. 원형 평면배열을 구성하는 26개의 송수신 단위모듈에 해당 송수신 단위모듈 제어기(TRUC)를 장착하였다. 송수신 단위모듈 제어기는 송수신 단위모듈에 장착된 개별 송수신 모듈의 크기와 위상을 계산하고 제어한다. 평면배열을 구성하는 복사소자 및 송수신 모듈에 발생하는 크기/위상 오차를 보정하기 위해, 송수신 모듈 보정과 안테나 정렬에 Look-Up Table을 이용한 채널 보정 방법을 적용하였다. 실시간 빔조향을 위해 이전 SOB(Start Of Burst) 기간 동안 다음 SOB에 해당하는 빔조향 파라미터를 미리 계산하고, 다음 SOB가 시작되면 기 계산된 값으로 빔을 조향하는 방법을 제시하였다. 제안한 방법을 이용하여 전자식 빔조향 시간을 기존 연구의 100us에서 약 3us로 단축하였다. 원형 평면배열과 전자식 빔조향 제어기를 제작하고, 근접전계(near-field) 측정실에서 송신 및 수신채널 빔조향 성능을 측정하였다. 실험결과 항공기 레이더 요구 조건인 고각 및 방위각 ±60도 범위에서 제어 명령에 따라 송신/수신 빔이 정확하게 조향되는 것을 확인하였다. 네 번째로, 디지털 빔형성을 위한 부배열 수신채널 구성 및 보정 방법을 제시하였다. 12개 부배열을 이용하여 아날로그 빔형성을 위한 모노펄스 채널과 디지털 빔형성을 위한 부배열 수신 채널을 병렬로 구성하였다. 아날로그 모노펄스 채널은 디지털 부배열 채널과의 성능 비교를 위한 기준 채널로 사용하였다. 12개 수신채널 보정을 위해 한 개 수신 채널을 기준으로 다른 채널의 보정값을 계산하여 적용하였다. 수신채널에 채널 등화기(equalizer)가 없는 구조에서, 부배열 수신채널을 off-line 보정하는 방법으로 제시한 방법을 사용할 수 있다. 제안한 X-대역 능동위상배열 안테나용 부배열 구조, 송수신 모듈, 빔 조향 제어기 및 수신채널 보정의 성능을 검증하기 위하여, 원형 평면상에 504개 배열소자를 갖는 능동위상배열 안테나 시스템을 설계하고 제작하였다. 레이더 빔조향 성능 확인을 위해 빔 스캔 범위를 ±10도, 3bar 로 설정하고, 야외 원전계(Far-field)에서 모의 표적에 대한 탐지 및 추적 실험을 수행하였다. 부배열 수신채널로 형성한 디지털 모노펄스 채널에서, 아날로그 모노펄스 채널과 유사한 수준으로 표적 탐지 추적거리가 형성됨을 확인하였다. 디지털 빔형성 기능 확인을 위해 부엽 재밍에 대응하는 적응빔 형성 시나리오를 설계하고 실험하였다. 1차 부엽(1st sidelobe)에 잡음 재밍(noise jamming) 신호가 입사하는 시나리오를 설정하고 적응빔 형성(adaptive beam forming) 기능을 실험하였다. 실험결과 잡음 재밍 신호 억압 능력은 20dB 이상임을 분석을 통해 확인하였다.
This dissertation presents the design method of an active phased array antenna system with subarray channels to make a digital beamforming function. The X-band active phased array antenna system consists of radiation elements, transmit/receive(T/R) modules and beam steering controller. This disserta...
This dissertation presents the design method of an active phased array antenna system with subarray channels to make a digital beamforming function. The X-band active phased array antenna system consists of radiation elements, transmit/receive(T/R) modules and beam steering controller. This dissertation suggests a modified genetic algorithm to make an optimized subarray configuration for digital beamforming. The dual channel T/R module has small size, low weight and low cost characteristics. Design method of the high speed distributed beam steering controller was also described. The active phased array antenna system with subarray structure was implemented to verify the design results. This dissertation presents several methods to design the subarray based active phased array antenna system as follows. Firstly, the design technique of a circular array structure with 12 subarrays is presented. Modified genetic algorithm is suggested to optimize the initial 40 subarray formation into 12 subarrays. SINR loss is selected as the fitness function for optimization. Design result shows that the SINR loss is under -3dB except for the jamming signal position. Subarray optimization method of circular array antenna was described for the first time compared to the previous works. Secondly, the X-band dual channel T/R module design method is presented. The brick-type T/R module has two T/R channels to reduce the module size and weight. The T/R module contained internal storage capacitors to operate various radar waveforms - LPRF, MPRF and HPRF. The measured pulse voltage droop was under 0.6V and the pulse rising/falling time was 9ns at HPRF. The T/R module has hetero-junction (RO4003+FR4) multi-layer substrate instead of LTCC to get the low production cost. The T/R module used sub-cover on the substrate cavity to make the additional space for storage capacitor and pulse gating circuit. The T/R module has 10W output power and 23% power added efficiency compared to the previous works. Thirdly, the design technique of the distributed beam steering controller for circular array antenna is presented. The circular array consists of plank type T/R units and T/R unit controllers. The T/R unit controller calculate and control the amplitude and phase of each T/R modules. To calibrate the amplitude and phase error of each array elements, we suggested the T/R module characterization and antenna alignment method by Look-Up Table(LUT) calibration. To get the high speed beam steering performance, beam steering calculation is performed at the previous SOB(Start Of Burst) period. The measured beam steering time was 3 compared to the previous work 100. The designed circular array and beam steering controller were integrated to experiment the beam steering performance. Near-field measurement result shows ±60deg control capability in elevation or azimuth. Fourthly, the design and calibrate method of subarray receive channel for digital beamforming are presented. The implemented active phased array antenna system has 4 analog monopulse channels and 12 subarray digital channels. The analog monopulse channel is used as a reference channel to compare with the subarray digital channel. All the receive channels are calibrated by the SUM channel. In case of the multiple receiver has no channel equalizer, this off-line calibration method can be used as an alternative. The active phased array antenna system which has 504 array elements in circular array was implemented. Outdoor far-field test is performed to verify the detection/tracking performance and adaptive beamforming function. The subarray based digital channel shows almost same detection/tracking range compared with the analog monopulse channel. Stand-off jamming scenario is used to validate the adaptive beamforming function. Experiment result shows that the jammer suppression capability of the active phased array antenna system is about 20dB.
This dissertation presents the design method of an active phased array antenna system with subarray channels to make a digital beamforming function. The X-band active phased array antenna system consists of radiation elements, transmit/receive(T/R) modules and beam steering controller. This dissertation suggests a modified genetic algorithm to make an optimized subarray configuration for digital beamforming. The dual channel T/R module has small size, low weight and low cost characteristics. Design method of the high speed distributed beam steering controller was also described. The active phased array antenna system with subarray structure was implemented to verify the design results. This dissertation presents several methods to design the subarray based active phased array antenna system as follows. Firstly, the design technique of a circular array structure with 12 subarrays is presented. Modified genetic algorithm is suggested to optimize the initial 40 subarray formation into 12 subarrays. SINR loss is selected as the fitness function for optimization. Design result shows that the SINR loss is under -3dB except for the jamming signal position. Subarray optimization method of circular array antenna was described for the first time compared to the previous works. Secondly, the X-band dual channel T/R module design method is presented. The brick-type T/R module has two T/R channels to reduce the module size and weight. The T/R module contained internal storage capacitors to operate various radar waveforms - LPRF, MPRF and HPRF. The measured pulse voltage droop was under 0.6V and the pulse rising/falling time was 9ns at HPRF. The T/R module has hetero-junction (RO4003+FR4) multi-layer substrate instead of LTCC to get the low production cost. The T/R module used sub-cover on the substrate cavity to make the additional space for storage capacitor and pulse gating circuit. The T/R module has 10W output power and 23% power added efficiency compared to the previous works. Thirdly, the design technique of the distributed beam steering controller for circular array antenna is presented. The circular array consists of plank type T/R units and T/R unit controllers. The T/R unit controller calculate and control the amplitude and phase of each T/R modules. To calibrate the amplitude and phase error of each array elements, we suggested the T/R module characterization and antenna alignment method by Look-Up Table(LUT) calibration. To get the high speed beam steering performance, beam steering calculation is performed at the previous SOB(Start Of Burst) period. The measured beam steering time was 3 compared to the previous work 100. The designed circular array and beam steering controller were integrated to experiment the beam steering performance. Near-field measurement result shows ±60deg control capability in elevation or azimuth. Fourthly, the design and calibrate method of subarray receive channel for digital beamforming are presented. The implemented active phased array antenna system has 4 analog monopulse channels and 12 subarray digital channels. The analog monopulse channel is used as a reference channel to compare with the subarray digital channel. All the receive channels are calibrated by the SUM channel. In case of the multiple receiver has no channel equalizer, this off-line calibration method can be used as an alternative. The active phased array antenna system which has 504 array elements in circular array was implemented. Outdoor far-field test is performed to verify the detection/tracking performance and adaptive beamforming function. The subarray based digital channel shows almost same detection/tracking range compared with the analog monopulse channel. Stand-off jamming scenario is used to validate the adaptive beamforming function. Experiment result shows that the jammer suppression capability of the active phased array antenna system is about 20dB.
주제어
#능동위상배열 안테나 부배열 채널 디지털 빔형성 송수신 모듈 빔조향 제어기 채널 보정 적응빔 형성
학위논문 정보
저자
장성훈
학위수여기관
서울시립대학교 일반대학원
학위구분
국내박사
학과
전자전기컴퓨터공학과
지도교수
천창율
발행연도
2015
총페이지
xi,148 p.
키워드
능동위상배열 안테나 부배열 채널 디지털 빔형성 송수신 모듈 빔조향 제어기 채널 보정 적응빔 형성
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