[국내논문]광대역 위상 배열 안테나의 빔 편이(Beam-Squint) 현상 제거를 위한 4-Bit 시간 지연기 설계 Design of 4-Bit TDL(True-Time Delay Line) for Elimination of Beam-Squint in Wide Band Phased-Array Antenna원문보기
본 논문에서는 전기적으로 크기가 큰 능동 위상 배열 안테나에서 발생하는 빔-편이(beam-squint)현상을 해결할 수 있는 시간 지연기를 설계 및 제작하고, 측정 결과를 고찰한다. 시간 지연기는 4-bit 스위치로 제어되는 마이크로스트립 라인으로 설계되었으며, 시간 지연 구조의 손실을 보상해 주기 위해 송수신 경로에 MMIC 증폭기 모듈을 추가하였다. 시간 지연기의 측정을 통해 지연 상태별 이득 및 위상, P1dB, 수신 잡음 지수 등의 전기적 성능 규격을 만족함을 확인하였다. 또한, 제작된 시간 지연기의 성능 검증을 위해 측정 결과를 광대역 능동위상 배열 안테나에 적용하여 빔 패턴 보정 효과를 확인하였다. X 밴드 대역에서 800 MHz 대역차를 갖는 675.8 mm 크기의 안테나에 대해 빔 편이 현상을 보정해 본 결과 ${\pm}0.1^{\circ}$이던 주파수에 따른 조향각 오차가 ${\pm}0.1^{\circ}$ 이내로 줄어드는 효과를 확인하였으며, 향후 광대역 능동 위상 배열 안테나 시스템에 적용 가능성을 확인하였다.
본 논문에서는 전기적으로 크기가 큰 능동 위상 배열 안테나에서 발생하는 빔-편이(beam-squint)현상을 해결할 수 있는 시간 지연기를 설계 및 제작하고, 측정 결과를 고찰한다. 시간 지연기는 4-bit 스위치로 제어되는 마이크로스트립 라인으로 설계되었으며, 시간 지연 구조의 손실을 보상해 주기 위해 송수신 경로에 MMIC 증폭기 모듈을 추가하였다. 시간 지연기의 측정을 통해 지연 상태별 이득 및 위상, P1dB, 수신 잡음 지수 등의 전기적 성능 규격을 만족함을 확인하였다. 또한, 제작된 시간 지연기의 성능 검증을 위해 측정 결과를 광대역 능동위상 배열 안테나에 적용하여 빔 패턴 보정 효과를 확인하였다. X 밴드 대역에서 800 MHz 대역차를 갖는 675.8 mm 크기의 안테나에 대해 빔 편이 현상을 보정해 본 결과 ${\pm}0.1^{\circ}$이던 주파수에 따른 조향각 오차가 ${\pm}0.1^{\circ}$ 이내로 줄어드는 효과를 확인하였으며, 향후 광대역 능동 위상 배열 안테나 시스템에 적용 가능성을 확인하였다.
In this paper, we have designed TDL(True-time Delay Line) for eliminating beam-squint occurring in active phased array antenna with large electrical size operated in wide bandwidth, and have tested its electrical performance. The proposed TDL device is composed of 4-bit microstrip delay line structu...
In this paper, we have designed TDL(True-time Delay Line) for eliminating beam-squint occurring in active phased array antenna with large electrical size operated in wide bandwidth, and have tested its electrical performance. The proposed TDL device is composed of 4-bit microstrip delay line structure and MMIC amplifier for compensation of the delay-line loss. The measured results of gain and phase versus delay state satisfy the electrical requirements, also P1dB output power and noise figure meet the requirement. To verify the performance of fabricated TDL, we have simulated the beam patterns of wide-band active phased array antenna using the measured results and have certified the beam pattern compensation performance. As a result of simulated beam pattern compensation with respect to the 675.8 mm size antenna which is operated in X-band, 800 MHz bandwidth, we have reduced the beam squint error of ${\pm}1^{\circ}$ with ${\pm}0.1^{\circ}$. So this TDL module is able to be applied to active phase array antenna system.
In this paper, we have designed TDL(True-time Delay Line) for eliminating beam-squint occurring in active phased array antenna with large electrical size operated in wide bandwidth, and have tested its electrical performance. The proposed TDL device is composed of 4-bit microstrip delay line structure and MMIC amplifier for compensation of the delay-line loss. The measured results of gain and phase versus delay state satisfy the electrical requirements, also P1dB output power and noise figure meet the requirement. To verify the performance of fabricated TDL, we have simulated the beam patterns of wide-band active phased array antenna using the measured results and have certified the beam pattern compensation performance. As a result of simulated beam pattern compensation with respect to the 675.8 mm size antenna which is operated in X-band, 800 MHz bandwidth, we have reduced the beam squint error of ${\pm}1^{\circ}$ with ${\pm}0.1^{\circ}$. So this TDL module is able to be applied to active phase array antenna system.
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문제 정의
본 논문에서는 광대역 위상 배열 안테나의 빔 조향 시 발생하는 빔-편이 현상을 해결하기 위해 필요한 시간 지연기를 설계 및 제작하고, 실제 위상 배열안테나 시스템에서의 적용 가능성을 검토하였다. 시간 지연기의 성능을 만족하였다.
본 논문에서는 실제 광대역의 위상 배열 레이다를 구현하는데 사용이 용이한 마이크로스트립 라인과 스위치를 사용한 구조의 시간 지연기를 설계하고 제작 시험한다. 제안하는 시간 지연기는 신뢰성 높고, 다른 능동 RF 소자들과 연동성이 좋은 시간 지연 모듈을 제작하기 위해 마이크로스트립 타입을 선정하였고, 전송선과 스위치로 인한 손실을 보상해주기 위해 송수신 경로상에 MMIC 증폭기를 장착하였다.
가설 설정
빔 패턴은 각 복사 소자의 크기와 위상에 배열인 자를 곱해서 구현하였다. 복사 소자의 간격은 21.8 mm이며, 총 32개를 배열하여 안테나의 전체 크기는 675.8 rmn로 가정한다. 복사 소자는 8개 단위로 나뉘어서 그림 4와 같이 시간 지연기의 RF1-RF4 포트에 연결되며, 시간 지연 선로는 RF1/RF2와 RF3/RF4 두개의 경로로 구분되어 시간 지연의 보상이 가능하도록 설계되었다.
조건은 다음과 같다. 우선 위상과 이득 제어가 가능한 TR 모듈의 성 능은 이상적 이 라고 가정 한다. 위상과 이득은 각 6-bit로 제어되며, 단위는 5.
제안 방법
그리고 송수신 경로 분리를 위해 써큘레이터를 사용하였으며, 각 송수신 경로의 증폭 단에 온도 보상을 위해 온도에 따른 감쇄 변화 기능이 있는 온도 보상 패드를 장착하였다. 4가지 시간 지연선에 대해 4-Bit 제어로 가변하기 위해 SPDT 스위치를 8개 사용하였다. RF 회로들은 바닥 면에 있는 전원/제어 보드에 의해 제어된다.
각 MMIC 소자 및 RF 기판 소자들은 단위 블록 단위로 KOVAR 재질의 캐리어 위에 장착되고, 단품 성능 시험을 마친 후에 최종 하우징에 장착하였다. RF 모듈 아래쪽에 위치한 전원 제어부로부터 제어 신호와 전원을 공급받기 위해 수직으로 관통하는 형태의 커넥터를 사용하였으며, 와이어 본딩을 사용하여 연결하였다. 제어용 커넥터는 Micro-D type의 커넥터를 채용하였다.
전기적 목표 규격은 표 1과 같다. 가변 지연 선은 1 爲2 爲 4爲8 人의 총 4비트로 제어되도록 설계되었으며, 시간 지연 라인과 RF 스위치로 인한 손실을 보상해 주기 위해 RF 구동 증폭기를 추가한 구조로 설계하였다. 표 1의 7번의 시간 지연선의 위상 오차는 운용 대역의 중심 주파수에서 시간 지연 선을 거치지 않은 위상값 대비 각 시간 지연 상태의 위상값으로 정의하였다.
레이아웃을 나타낸다. 가변 지연선은 10 mil 두께를 갖는 유전율 9.6의 Alumina 기판을 사용하여 설계하였으며, 운용 대역의 중심 주파수에 해당하는 전기적 길이를 기준으로 1 爲 2 人, 4 爲 8 人 에 해당하는 RF 전송선을 설계하였다. 전송선의 길이는 식 (7)을 통해 마이크로스트립 기판의 유효 유전율( £ £) 과 중심 주파수伍)를 통해 구할 수 있고, 상호간 간섭 현상에 대한 영향을 고려하기 위해 ADS의 Momentum 시뮬레이션을 통해 최적화를 수행하였다眺 최적화된 시뮬레이션 결과는 그림 4에 지연 상태에 따라 이득과 위상을 비교하여 나타내었다.
구성도이다. 개별 TR 모듈 각각을 선형적으로 완전히 보상하기는 힘들기 때문에, M개 TR 모듈 단위로 묶어서 단계별로 보상해 주는 방식을 사용하였다.。。만큼 빔 조향을 했을 때, 안테나의 물리적 크기가 커짐에 따라 각 배열소자에서 복사면까지의 거리가 길어지고, 이 거리에 대해 운용 주파수에 따른 전파의 시간 지연 차이가 발생하게 되므로 빔 조향 각도에 조향 오차가 발생하게 된다.
수신 시에는 송신의 역방향 경로로 작동하며, 모노펄스 구현을 위해 RF_CH1/ RF_CH2 두 개의 수신 출력 포트를 추가하였다. 그리고 송수신 경로 분리를 위해 써큘레이터를 사용하였으며, 각 송수신 경로의 증폭 단에 온도 보상을 위해 온도에 따른 감쇄 변화 기능이 있는 온도 보상 패드를 장착하였다. 4가지 시간 지연선에 대해 4-Bit 제어로 가변하기 위해 SPDT 스위치를 8개 사용하였다.
또한, 가변 지 연 상태 간의 위상 오차를 최소화하기 위해 그림 3과 같은 전송선 주변으로 Island 패턴(와이어 본딩 튜닝을 위한 패드)을 형성하고, 와이어 본딩으로 길이를 조절하여 미세한 위상 튜닝이 가능하도록 설계하였다.
RF 회로들은 바닥 면에 있는 전원/제어 보드에 의해 제어된다. 또한, 송수신시 10 dB 이득의 요구 규격을 맞추기 위해 표 2어서와 같이 12 dB와 25 dB의 이득을 갖는 두 개의 증폭기를 사용하였다.
8 rmn로 가정한다. 복사 소자는 8개 단위로 나뉘어서 그림 4와 같이 시간 지연기의 RF1-RF4 포트에 연결되며, 시간 지연 선로는 RF1/RF2와 RF3/RF4 두개의 경로로 구분되어 시간 지연의 보상이 가능하도록 설계되었다.
본 논문에서는 빔 조향각에 따라 요구되는 복사 소자간의 1 人의 배수 이상으로 위상차가 생기는 부분에 시간 지연기로 인한 보상을 해주는 방법을 사용하였으며, 빔 조향각이 클수록 복사 소자간 위상차도 커지게 되므로 요구되는 시간 지연의 길이도 증가하게 된다. 또한, 전체 안테나의 크기가 클수록 조향각 오차가 크게 발생하고, 시간 지연기에 요구되는 지연 시간이 많이 요구된다.
송신시 입력은 한 개의 포트이고, 출력은 RF1 -RF 4의 4포트로 분배되어 각 단위 안테나로 연결되는 구조이며, 하나의 시간 지연기로 두 가지 경로로 시간 지 연차를 주는 것이 가능하다. 수신 시에는 송신의 역방향 경로로 작동하며, 모노펄스 구현을 위해 RF_CH1/ RF_CH2 두 개의 수신 출력 포트를 추가하였다. 그리고 송수신 경로 분리를 위해 써큘레이터를 사용하였으며, 각 송수신 경로의 증폭 단에 온도 보상을 위해 온도에 따른 감쇄 변화 기능이 있는 온도 보상 패드를 장착하였다.
표 2에는 시간 지연기의 송수신 경로별로 상세 버짓 설계 결과를 나타내었다. 시간 지연선의 15개 상태에 따라서 삽입 손실의 차이가 발생하므로, 최대값과 최소값을 괄호로 구분하여 표기하였다. 송수신 이득과 수신 잡음 지수, 송신 PldB 값이 모두 규격을 만족하는 것을 확인할 수 있다.
시험한다. 제안하는 시간 지연기는 신뢰성 높고, 다른 능동 RF 소자들과 연동성이 좋은 시간 지연 모듈을 제작하기 위해 마이크로스트립 타입을 선정하였고, 전송선과 스위치로 인한 손실을 보상해주기 위해 송수신 경로상에 MMIC 증폭기를 장착하였다. 또한, 제작된 시간 지연기의 측정 데이타를 토대로 광대역에서의 빔 패턴 보정을 수행함으로써, 능동 위상 배열 안테나에 적용 가능성을 확인한다.
5 dB 단위로 제어가 가능하다. 테일러 분포를 사용하여 TR 모듈의 이득 제어값을 선택하였고, 위상은 원하는 조향각에 따라 5.625° 단위로 선택되도록 하였다. 빔 패턴은 각 복사 소자의 크기와 위상에 배열인 자를 곱해서 구현하였다.
대상 데이터
RF 모듈 아래쪽에 위치한 전원 제어부로부터 제어 신호와 전원을 공급받기 위해 수직으로 관통하는 형태의 커넥터를 사용하였으며, 와이어 본딩을 사용하여 연결하였다. 제어용 커넥터는 Micro-D type의 커넥터를 채용하였다.
이론/모형
이러한 빔-편이 현상을 제거하기 위한 방법으로 시간 지연기(True-time Delay Line: TDL)< 사용하여 주파수에 따른 위상차를 시간 지 연을 통해 보상해 주는 방법이 사용된다. 시간 지연기를 만드는 방법으로는 다음과 같은 것들이 있다.
성능/효과
그림 9에서는 펄스 폭이 56 us이고, 듀티 사이클(duty cycle)이 18 %인 펄스 동작 환경에서 송신 PldB 출력 결과를 나타내고 있다. PldB 출력은 양쪽 경로 모두 규격 인 23 dBm 이상인 23.5-24.1 dBm이고, 펄스 평탄도 역시 0.2 dB 이하로 훌륭한 펄스 동작 특성을 나타냄을 확인할 수 있다. 수신 잡음 지수의 측정 결과는 표 3에 나타내었고, 모든 주파수 범위에서 규격 12.
RF 신호를 광신호로 변환하여 시간 지 연을 주고, 다시 RF 신호로 변환하여 안테나를 통해 방사하는 방식이다. 둘째, RF 전송선 상에 다른 매질의 MEMS(Micro-Elec-tromechanical System) 스위치를 추가하여, RF 신호의 군속도를 제어하여 시간 지 연을 주는 방식이 있다旳 이 방법은 손실이 작다는 장점을 가진다.
시간 지연선의 15개 상태에 따라서 삽입 손실의 차이가 발생하므로, 최대값과 최소값을 괄호로 구분하여 표기하였다. 송수신 이득과 수신 잡음 지수, 송신 PldB 값이 모두 규격을 만족하는 것을 확인할 수 있다.
빔 패턴 보정을 한 결과이다. 시간 지연기의 주파수에 대한 이득 및 위상 결과를 사용하여 빔 패턴 시뮬레이션을 하였고, 제작된 시간 지연기의 위상 변위 특성이 그림 8에서 보인 바와 같이 5° 범위 이내로 좋기 때문에 제작된 빔 조향각 보정 결과도 ±0.1° 오차 범위 이내에서 좋게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과를 토대로 본 논문에서 제작된 시간 지연기를 광대역 위상 배열 안테나 시스템에 적용할 경우 빔 편이 현상을 효과적으로 제거할 수 있을 것으로 예상된다.
위와 같이 제작된 시간 지연기의 전기적 성능을 시험한 결과, 표 1에서 언급한 전기적 성능 요구 규격 이상의 결과를 얻을 수 있었다. 그림 6~7은 벡터 회로망 분석 기를 사용하여 CW 모드에서 위상과 이득을 측정하였으며, 송수신시 공통으로 공유하는 경로에 대한 측정 항목이므로, 수신 모드 측정 결과만 나타내 었다.
1° 오차 범위 이내에서 좋게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과를 토대로 본 논문에서 제작된 시간 지연기를 광대역 위상 배열 안테나 시스템에 적용할 경우 빔 편이 현상을 효과적으로 제거할 수 있을 것으로 예상된다.
시간 지연기의 성능을 만족하였다. 제작된 시간 지연기의 성능 검증을 위해 측정 데이터를 활용하여 800 MHz의 광대역 순시 대역폭을 가지는 675.8 mm의 큰 크기를 가지는 안테나를 가정하여 빔 패턴 보정 결과를 확인하였다. 그 결과 30° 빔 조향시에 발생하는 ±1。정도의 빔 조향각 오차를 ±0.
시간 지연기를 만드는 방법으로는 다음과 같은 것들이 있다. 첫째, 모듈의 크기가 작고 여러 주파수 대역에서 응용이 가능하다는 장점을 가지고 있는 광변환 방식이 있다W미. RF 신호를 광신호로 변환하여 시간 지 연을 주고, 다시 RF 신호로 변환하여 안테나를 통해 방사하는 방식이다.
후속연구
1。의 오차 범위 안에서 차이가 나는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 향후 이러한 방법으로 시간 지연기를 제작하여 크기가 큰 광대역 위상 배열 안테나 시스템에 적용할 경우, 효과적으로 빔 편이 현상을 제거할 수 있을 것으로 기대된다.동작 상태별로 이득 및 위상 특성, 송신 시 PldB 출력 수신시 잡음 지수도 요구 규격 이상의
제안하는 시간 지연기는 신뢰성 높고, 다른 능동 RF 소자들과 연동성이 좋은 시간 지연 모듈을 제작하기 위해 마이크로스트립 타입을 선정하였고, 전송선과 스위치로 인한 손실을 보상해주기 위해 송수신 경로상에 MMIC 증폭기를 장착하였다. 또한, 제작된 시간 지연기의 측정 데이타를 토대로 광대역에서의 빔 패턴 보정을 수행함으로써, 능동 위상 배열 안테나에 적용 가능성을 확인한다.
참고문헌 (6)
R. C. Hansen, Phased Array Antennas, Wiley, p. 16, 171, 1998
Wille Ng, Andrew A. Walston, and Gregory L. Tangonan, "The first demonstration of optically steered mocrowave phased array antenna using true-time delay", IEEE Journal of Lightwave Technology, vol. 9, no. 9, Sep. 1991
Brie Howley, Xiaolong Wang, Maggie Chen, and Ray T. Chen, "Reconfigurable delay time polymer planar lightwave circuit for an X-band phased-array antenna demonstration", IEEE Journal of Lightwave Technology, vol. 25, no. 3, Mar. 2007
D. Shiu, G. J. Foschini, M. J. Gans, and J. M. Kahn, "Distributed MEMS true-time delay phase shifter and wide band switches", IEEE Trans. Microwave Theory and Techniques, vol. 46, no. 11, Nov. 1998
Jihong Yan, Zishu He, and Chunlin Han, "Design and implementation of optical true time delay in optically controlled phased array antennas", IEEE Radar, 2006. CIE '06. International Conference
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