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문제 정의
- . 본 논문에서는 Xband TR 모듈을 사용하여 축소형 능동 위상 배열 안테나 시스템을 설계 및 제작한 내용을 소개하고, 레이더에서 요구되는 다양한 빔 형성 및 빔 조향이 제어에 의해 가능함을 확인하기 위해서 근접 전계 측정 시설을 사용하여 안테나 패턴을 측정한 결과를 나타내 었다.
제안 방법
- X-band TR 모듈을 사용하여 축소형 능동 위상 배열 안테나 시스템을 제작하고, 빔 조향 알고리즘을 적용하여 제어에 의한 안테나 패턴을 측정한 결과를 나타내었다. 송수신 단위 모듈 단위로 빔 조향 알고리즘을 적용하여 빔 조향기 내의 메모리나 계산 시간을 효율적으로 사용하였으며, 안테나 빔은 빔 조향기 내의 메모리에 저장되어 있는 빔 형성 번호를 선택하여 uniform 분포나 부엽 수준을 낮추기 위한 Taylor 분포 등을 선택할 수 있도록 하였다.
- 또한 능동 위상 배열 안테나에서의 송신 출력은 EIRP(Effective Isotropically Radiated Power)를 통해서 알 수 있으므로, 빔 조향 0°/0° Vpol에서의 EIRP를 측정하였으며, 측정값과 예측값과의 비교는 표 2에 나타내었다.
- 빔 조향기는 각 송수신 단위 모듈에 하나씩 분산형으로 제작하고 각각 계산하도록 하여 16개의 송수신 단위 모듈에서 계산이 동시에 이루어진다. 또한 제어나 데이터 전송에 필요한 시간을 줄이기 위해서 각 배열간 차이 보정값과 빔 형성 데이터는 미리 빔 조향기 내의 메모리에 저장하여 운용 시 선택되도록 하였다. 따라서 전체 배열의 개수가 증가하더라도 하나의 송수신 단위 모듈 내에 포함된 TR 모듈의 개수가 일정하다면 빔 데이터 계산 시간은 증가하지 않게 된다.
- 복사 소자는 이중 슬롯 급전 마이크로스트립 원형 패치 안테나와 편파 스위치로 구성하여 선택적인 이중 편파의 사용이 가능하며, 조립이 용이하도록 송수신 단위 모듈 단위로 제작하였다(그림 8).
- 복사 소자와 송수신 단위 모듈의 연결은 blindmate 커넥터를 사용하여 바로 체결하고, 이러한 송수신 단위 모듈을 가로 방향으로 16개를 연결하여 전체 안테나 시스템을 구성하도록 하였으며, 다음의 그림에 TR 모듈 및 송수신 단위 모듈과 전체 배열 안테나가 구성되는 과정을 나타내었다.
- 본 논문에서 설계된 안테나는 빔 조향 방위각/고각 각각 ±60° 범위 내에서 그레이팅 로브가 발생하지 않도록 배열 간격을 도출하였으며, 삼각 배열 구조에서 시뮬레이션을 통해서 계산된 배열 간격은 dx=19.5 mm, dy=14.7 mm이고, 이 구조에서의 그레이팅 로브 발생 영역은 그림 4에 나타내었다.
- 능동 위상 배열 안테나 시스템의 제일 큰 장점은 전자적으로 빠른 빔 조향이 가능하다는 점이다. 본 안테나 시스템에서는 빔 조향을 위한 제어 명령 전송 및 계산 시간을 줄이고자 분산형으로 각 단위 모듈 단위에서 빔 계산을 수행하도록 하였다.
- 설계된 평면형 능동 위상 배열 안테나 시스템은 축소형으로 제작하여 16×16 배열을 가지며, 배열 구조는 다음과 같은 사항을 고려하여 설계하였다.
- X-band TR 모듈을 사용하여 축소형 능동 위상 배열 안테나 시스템을 제작하고, 빔 조향 알고리즘을 적용하여 제어에 의한 안테나 패턴을 측정한 결과를 나타내었다. 송수신 단위 모듈 단위로 빔 조향 알고리즘을 적용하여 빔 조향기 내의 메모리나 계산 시간을 효율적으로 사용하였으며, 안테나 빔은 빔 조향기 내의 메모리에 저장되어 있는 빔 형성 번호를 선택하여 uniform 분포나 부엽 수준을 낮추기 위한 Taylor 분포 등을 선택할 수 있도록 하였다. 선택된 빔 형성 번호에 의해 크기/위상이 설정된 안테나 패턴 측정 결과는 예측값과 비슷하게 나타남을 볼 수 있으며, 출력 40 dBm 이상의 TR 모듈을 사용하여 송신 모드에서의 EIRP는 90 dBm 이상을 나타내었다.
- 송신 빔은 uniform 분포를 사용하였으며, 송신 모드에서는 고출력을 방사하므로 duty를 5 % 이하로 낮추어서 펄스 모드로 측정하여 평균 전력을 낮추었다. 빔 조향의 정확도와 빔 형성 제어를 확인하기 위해서 표 1에 측정 결과로부터 얻은 빔의 최대 위치와 빔 폭을 나타내었으며, 빔 조향 제어 대비 최대 위치 측정값은 방위각 고각 모두 약 0.
- 송신 패턴은 uniform 분포, 수신 패턴은 taylor 분포(sidelobe －35 dB)인 빔 형성 번호를 선택하였고, 임의 방향으로의 빔 조향을 확인하기 위해서 방위각/고각이 각각 0°/0°와 20°/30°인 경우에 대해서 측정하였다.
- 안테나 제작 후 안테나의 성능과 제어에 의한 빔 조향/빔 형성을 확인하기 위해서 근접 전계 측정 시설을 사용하여 안테나 패턴을 측정하였으며, 사용된 안테나 좌표계 및 챔버 내의 장치 구성도는 그림 16에 나타내었다. 안테나 패턴 측정은 각 주파수별로 측정하였으나, 여기에서는 사용 주파수 대역 중심 주파수에서의 송신 패턴과 수신 패턴을 측정 결과를 나타내었다.
- 원하는 빔을 형성하기 위해서는 각 배열의 크기, 위상을 기준값에 맞추는 과정이 필요하며, 본 안테나 시스템은 계측기를 사용하여 각 배열의 송신/수신 모드에서의 크기, 위상값을 측정한 후 기준값과의 차이(정렬값)를 빔 조향기 내의 메모리에 저장하도록 하였다. 그림 12에 배열 간 차이 보정을 위한 측정 구성도를 나타내었으며, 각 배열에서의 크기/위상 측정값은 PC에서 기준값과의 차이를 계산하여 빔 조향기 내의 메모리 데이터를 RS-232를 통해서 수정하였다.
- 제작된 안테나에서 각 배열은 출력 40 dBm 이상의 TR 모듈로 구성되며, TR 모듈의 전원/제어/방열을 효율적으로 관리하기 위해서 여러 개의 TR 모듈을 하나의 송수신 단위 모듈로 구성하였다. 하나의 송수신 단위 모듈은 16개의 TR 모듈로 구성되며, 각 TR 모듈의 크기/위상을 제어하기 위한 빔 조향기와 전원 공급기 그리고 RF 분배기를 포함하고 있다(그림 7).
성능/효과
- 빔 조향의 정확도와 빔 형성 제어를 확인하기 위해서 표 1에 측정 결과로부터 얻은 빔의 최대 위치와 빔 폭을 나타내었으며, 빔 조향 제어 대비 최대 위치 측정값은 방위각 고각 모두 약 0.3° 이내에 들어오고 빔 폭은 예측값 대비 약 2.5 %의 오차 범위 내로 들어옴을 확인할 수 있었다.
- 송수신 단위 모듈 단위로 빔 조향 알고리즘을 적용하여 빔 조향기 내의 메모리나 계산 시간을 효율적으로 사용하였으며, 안테나 빔은 빔 조향기 내의 메모리에 저장되어 있는 빔 형성 번호를 선택하여 uniform 분포나 부엽 수준을 낮추기 위한 Taylor 분포 등을 선택할 수 있도록 하였다. 선택된 빔 형성 번호에 의해 크기/위상이 설정된 안테나 패턴 측정 결과는 예측값과 비슷하게 나타남을 볼 수 있으며, 출력 40 dBm 이상의 TR 모듈을 사용하여 송신 모드에서의 EIRP는 90 dBm 이상을 나타내었다. 또한 편파 스위치를 사용하여 이중 편파의 사용이 가능하도록 하였고, 안테나 패턴 측정 결과는 Vpol, Hpol 모두 예측값과 비슷하였다.
- 수신 패턴 역시 빔 조향의 정확도와 빔 형성 제어를 확인하기 위해서 표 3에 측정 결과로부터 얻은 빔의 최대 위치와 빔 폭을 나타내었으며, 빔 조향 제어 대비 최대 위치 측정값은 방위각 고각 모두 약 0.2° 이내에 들어오고 빔 폭은 예측값 대비 약 2.5 %의 오차 범위 내로 들어옴을 확인할 수 있었다.
- 또한 능동 위상 배열 안테나에서의 송신 출력은 EIRP(Effective Isotropically Radiated Power)를 통해서 알 수 있으므로, 빔 조향 0°/0° Vpol에서의 EIRP를 측정하였으며, 측정값과 예측값과의 비교는 표 2에 나타내었다. 측정된 EIRP와 예측값과의 차이는 0.3 dB 발생하며, 이는 개별 TR 모듈의 출력과 복사 소자의 손실이 모든 배열에서 전부 동일한 값이 아니므로 안테나 게인과 총출력의 예측값에서의 오차에 의한 것으로 판단된다.
후속연구
- 또한 편파 스위치를 사용하여 이중 편파의 사용이 가능하도록 하였고, 안테나 패턴 측정 결과는 Vpol, Hpol 모두 예측값과 비슷하였다. 따라서 향후 이러한 방법으로 평면형 능동 위상 배열 안테나를 제작하여, 다양한 목적의 레이더 시스템에 활용 가능할 것으로 기대된다.
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