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문제 정의
- 본 보고서에서는 근접 전계 시험을 통해 능동 위상 배열 레이다의 성능을 검증하는 방법 및 절차를 간략히 기술하였다. 최초 수동 복사 소자 근접 전계 시험을 통해 능동반사계수 및 송수신 빔 패턴을 예측하였고, 송수신기가 포함된 상태의 실방사 상태의 능동 위상 배열 측정 시험을 통해 최종 빔 특성을 검증하였다.
- 본 보고서에서는 능동 위상 배열 안테나의 성능 검증을 위한 근접 전계 시험의 개략적인 설명과 더불어 개발 중이거나, 개발을 완료한 레이다의 측정 사례를 통해 능동 위상 배열 안테나의 일반적인 송수신 빔 특성 시험 방법, 절차 및 결과에 대해서 소개하고자 한다.
제안 방법
- 이에 따라 근접 전계 스캔 면(프로브가 움직이면서 만드는 평면)과 안테나의 개구면이 평행이 되도록 기계적인 정렬을 한 후, [그림 7]과 같이 안테나부 시험 장비를 이용하여 처리부에서 발생하는 제어 신호를 모사하여 능동 위상 배열 안테나를 제어하고, 근접 전계 시험에 필요한 연동 신호를 발생하도록 하여 근접 전계 시험 시설과 연동 시험이 가능하도록 구성하였다. 근접 전계 시험 시설을 이용한 송신 빔 측정을 위해 능동 위상 배열 안테나의 파형 발생기 대신 PNA-X를 이용하여 펄스 형태의 파장을 발생시켜 반동체 송수신 조립체를 구동시키고, 안테나로부터 송신된 신호에 의해 프로브에 수신된 신호가 PNA-X에 손상을 주지 않는 범위 내에 들어오도록 프로브와 PNA-X 사이에 고출력 감쇄기를 추가하여 조절하였다. 한편, 근접 전계 제어 PC는 GPIB를 이용하여 PNA-X를 제어하고, PNA-X에서 측정된 데이터를 저장하며, 스캐너 컨트롤러와 LAN으로 연결하여 스캐너의 구동 제어를 담당하도록 한다.
- 최초 수동 복사 소자 근접 전계 시험을 통해 능동반사계수 및 송수신 빔 패턴을 예측하였고, 송수신기가 포함된 상태의 실방사 상태의 능동 위상 배열 측정 시험을 통해 최종 빔 특성을 검증하였다. 능동 위상 배열 레이다에 사용되는 안테나와 같이 원거리 또는 단축 거리 측정 시설로는 측정하기 어려운 여러 측정 항목들의 복사 특성을 근접 전계 시험 결과를 통해 확인함으로써, 측정의 정확도 면에서도 검증을 완료하였다. 검증된 방법은 향후에 개발될 다양한 능동 위상 배열 레이다 사업에서 비용과 시간 측면에서 효율적으로 적용할 수 있을 것으로 기대된다.
- 능동 위상 배열 안테나 성능 검증을 위한 근접 전계 시험은 수동 복사 소자 패턴 시험과 능동 위상 배열 측정 시험으로 구분하여 진행한다. 능동 위상 배열 측정 시험 선행 시험으로의 수동 복사 소자 패턴 시험은 위상배열 안테나의 배열 소자 단독 시험 후, 송수신 빔 합성으로 능동 위상 배열 측정시험 결과를 모사하여 안테나 단독의 특성을 검증하기 위한 시험이다.
- [그림 14]는 능동 위상 배열 안테나의 수신 경로 구성도를 보여주는 그림이다. 능동 위상 배열 안테나는 수신 안테나만의 안테나 이득인 Gr,ant을 직접 측정할 수 없기 때문에, 안테나와 수신기 이득이 포함된 신호인 Gr,antrec 과 잡음 지수 로깅을 한 후 두 값의 비율로 G/N 값을 검증한다.
- 하지만 한정된 배열 구조와 안테나 구조물의 형상 및 가장자리 효과(edge effect), 그리고 배열 소자 상호간의 간섭 효과로 인하여 각 송신 채널이 동일한 패턴을 가지지 않는다. 또한 송신 채널을 형성하기 위해 사용된 능동 소자 및 수동 소자들이 모두 동일한 특성을 가지고 있지 않기 때문에 채널마다 송신 특성의 차이가 발생하고, 이를 최소화하기 위해 송신 위상 정렬 시험을 수행한다. 위상 보정 방법으로는 근접 전계를 통해 측정된 배열 소자 패턴의 위상 비교 방법을 사용하였다.
- 펄스 모드로 PNA-X가 동작할 경우에는 PNA-X가 IF bandwidth(IFBW)를 만족하는 샘플 데이터가 취득할 수 있도록 충분한 펄스 개수의 TxPW가 만들어져야 한다. 반도체 송수신 조립체의 안정성을 고려하여 duty 5 %의 PRI(Pulse Repetition Interval)와 펄스폭으로 측정하였다. 반도체 송수신 조립체의 duty를 고려하지 않고 PRI를 줄이거나 펄스폭을 늘리게 되면, 반도체 송수신 조립체의 동작 온도의 상승을 야기하여 근접 전계 시험이 수행되는 동안 반도체 송수신 조립체의 RF 특성이 변하는 문제가 발생할 수 있기 때문이다.
- 당사에서 현재 개발 중인 대부분의 능동 위상 선배열 안테나는 수신시에 디지털 빔 형성 기법을 사용하여 다중 빔을 형성한다. 수신 시험은 각 채널의 능동 소자와 AD 변환기 특성을 포함한 배열 소자 패턴을 측정한 후 위상 보정 및 배열 이론으로 빔을 합성하여 수신 빔을 검증한다.
- 예로 든 능동 위상 배열은 펜슬 빔을 사용하므로 평면형 근접 전계 시험을 수행하였다. 이에 따라 근접 전계 스캔 면(프로브가 움직이면서 만드는 평면)과 안테나의 개구면이 평행이 되도록 기계적인 정렬을 한 후, [그림 7]과 같이 안테나부 시험 장비를 이용하여 처리부에서 발생하는 제어 신호를 모사하여 능동 위상 배열 안테나를 제어하고, 근접 전계 시험에 필요한 연동 신호를 발생하도록 하여 근접 전계 시험 시설과 연동 시험이 가능하도록 구성하였다.
- 이 구간에 맞추어 펄스 형태의 RF 신호가 전달되어 고출력으로 증폭될 수 있도록 Strobe 신호의 펄스폭은 [그림 8]에서와 같이 TxPW의 펄스에 비해 앞뒤에 각각 Δ1과 Δ2만큼의 여유를 가지도록 하였다.
- 예로 든 능동 위상 배열은 펜슬 빔을 사용하므로 평면형 근접 전계 시험을 수행하였다. 이에 따라 근접 전계 스캔 면(프로브가 움직이면서 만드는 평면)과 안테나의 개구면이 평행이 되도록 기계적인 정렬을 한 후, [그림 7]과 같이 안테나부 시험 장비를 이용하여 처리부에서 발생하는 제어 신호를 모사하여 능동 위상 배열 안테나를 제어하고, 근접 전계 시험에 필요한 연동 신호를 발생하도록 하여 근접 전계 시험 시설과 연동 시험이 가능하도록 구성하였다. 근접 전계 시험 시설을 이용한 송신 빔 측정을 위해 능동 위상 배열 안테나의 파형 발생기 대신 PNA-X를 이용하여 펄스 형태의 파장을 발생시켜 반동체 송수신 조립체를 구동시키고, 안테나로부터 송신된 신호에 의해 프로브에 수신된 신호가 PNA-X에 손상을 주지 않는 범위 내에 들어오도록 프로브와 PNA-X 사이에 고출력 감쇄기를 추가하여 조절하였다.
- 본 보고서에서는 근접 전계 시험을 통해 능동 위상 배열 레이다의 성능을 검증하는 방법 및 절차를 간략히 기술하였다. 최초 수동 복사 소자 근접 전계 시험을 통해 능동반사계수 및 송수신 빔 패턴을 예측하였고, 송수신기가 포함된 상태의 실방사 상태의 능동 위상 배열 측정 시험을 통해 최종 빔 특성을 검증하였다. 능동 위상 배열 레이다에 사용되는 안테나와 같이 원거리 또는 단축 거리 측정 시설로는 측정하기 어려운 여러 측정 항목들의 복사 특성을 근접 전계 시험 결과를 통해 확인함으로써, 측정의 정확도 면에서도 검증을 완료하였다.
- 근접 전계 시험 시설을 이용한 송신 빔 측정을 위해 능동 위상 배열 안테나의 파형 발생기 대신 PNA-X를 이용하여 펄스 형태의 파장을 발생시켜 반동체 송수신 조립체를 구동시키고, 안테나로부터 송신된 신호에 의해 프로브에 수신된 신호가 PNA-X에 손상을 주지 않는 범위 내에 들어오도록 프로브와 PNA-X 사이에 고출력 감쇄기를 추가하여 조절하였다. 한편, 근접 전계 제어 PC는 GPIB를 이용하여 PNA-X를 제어하고, PNA-X에서 측정된 데이터를 저장하며, 스캐너 컨트롤러와 LAN으로 연결하여 스캐너의 구동 제어를 담당하도록 한다.
데이터처리
- 실제 시험에서는 프로브출력과 PNA-X 수신단에 전송 선로를 추가하여 측정한 후 디임 베딩(de-embedding)하는 방법을 사용하였다. 측정된 값은 수동 복사소자 패턴 시험을 통해 측정된 이득 값과 송수신 조립체 송신 출력을 곱한 값과 비교하여 유사한 결과를 확인하였다. 배열소자와 반도체 송수신 조립체를 연결할 경우에 각각의 송신 채널의 특성이 약간씩 달라질 수도 있으나, 반도체 송수신 조립체의 경우에는 일정한 출력을 유지하도록 하는 ALC(Auto Level Control) 기능이 추가되어 있기 때문에 안정적인 송신 출력을 유지할 수 있었다.
이론/모형
- . 실제 시험에서는 프로브출력과 PNA-X 수신단에 전송 선로를 추가하여 측정한 후 디임 베딩(de-embedding)하는 방법을 사용하였다. 측정된 값은 수동 복사소자 패턴 시험을 통해 측정된 이득 값과 송수신 조립체 송신 출력을 곱한 값과 비교하여 유사한 결과를 확인하였다.
- 또한 송신 채널을 형성하기 위해 사용된 능동 소자 및 수동 소자들이 모두 동일한 특성을 가지고 있지 않기 때문에 채널마다 송신 특성의 차이가 발생하고, 이를 최소화하기 위해 송신 위상 정렬 시험을 수행한다. 위상 보정 방법으로는 근접 전계를 통해 측정된 배열 소자 패턴의 위상 비교 방법을 사용하였다. 송신 위상 정렬 전후의 각 채널의 위상 값은 [그림9]와 같다.
성능/효과
- 보정 매트릭스 적용 전후의 패턴은 [그림 12]와 같다. 각 채널은 보정 매트릭스에 의해 최대한 원 신호로 복원이 되었음을 확인하였고, 실제 빔 패턴 합성 결과에서 이러한 영향을 확인하였다.
- 40개의 복사 소자가 급전기를 통해 저부엽의 방위각 빔 패턴을 형성하며, 고각 방향으로는 이러한 방위각 배열 소자를 42개 적층하여 송수신 펜슬 빔을 형성한다. 수동 복사소자 패턴 시험을 통해서는 단독 배열 소자의 방위각 빔 특성을 확인할 수 있으며, 고각 송수신 빔은 측정된 배열소자의 근접 전계 결과를 선형 중첨 합성함으로써 확인할 수 있다.
후속연구
- 능동 위상 배열 레이다에 사용되는 안테나와 같이 원거리 또는 단축 거리 측정 시설로는 측정하기 어려운 여러 측정 항목들의 복사 특성을 근접 전계 시험 결과를 통해 확인함으로써, 측정의 정확도 면에서도 검증을 완료하였다. 검증된 방법은 향후에 개발될 다양한 능동 위상 배열 레이다 사업에서 비용과 시간 측면에서 효율적으로 적용할 수 있을 것으로 기대된다.
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