[논문]광대역 컨포멀 배열 안테나를 위한 빔 형성 연구 및 최적 소자 위치 선정

정상훈; 이강인; 남상욱; 정용식; 윤영중; 유홍균; 정현교

doi:10.5515/kjkiees.2016.27.2.138

광대역 컨포멀 배열 안테나를 위한 빔 형성 연구 및 최적 소자 위치 선정
Beam Forming Study and Optimum Antenna Location Selection for Wideband Conformal Array Antenna 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.27 no.2, 2016년, pp.138 - 146

정상훈 (서울대학교 전기정보공학과) , 이강인 (광운대학교 전자융합공학과) , 남상욱 (서울대학교 전기정보공학과) , 정용식 (광운대학교 전자융합공학과) , 윤영중 (연세대학교 전기전자공학부) , 유홍균 (국방과학연구소) , 정현교 (서울대학교 전기정보공학과)

초록
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본 논문에서는 LSM(Least Squares Method)와 GA(Genetic Algorithm)를 이용한 광대역 컨포멀 배열 안테나의 최적 빔 형성을 제안하였다. LSM을 적용하여 컨포멀 배열 안테나의 빔 패턴을 선형 배열 안테나의 빔 패턴으로 근사시키는 가중치들을 구하였다. 그리고 GA를 이용하여 광대역에서 최적의 빔 패턴을 형성하는 컨포멀 배열 안테나의 최적 위치들을 구하였다. 제안된 방법을 검증하기 위해 Bezier 플랫폼 배열 안테나에 적용시켜 보았다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposes an optimum beam forming of conformal array antenna by using LSM(Least Squares Method) and GA(Genetic Algorithm). The weights which approximate conformal array antenna beam pattern to linear array antenna beam pattern have been evaluated by applying LSM. Also, the optimum locations of conformal array antenna which form wideband optimum beam pattern have been obtained by using GA. The proposed method is applied to a problem of Bezier platform array antenna for a verification purpose.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 광대역 컨포멀 배열 안테나의 최적 빔형성을 위해 LSM 근사와 GA를 이용한 안테나 위치 최적화 방법을 제안하였다.

제안 방법

먼저, 컨포멀 문제를 해결하기 위하여 LSM을 적용하여 컨포멀 배열 안테나의 빔 패턴을 선형 배열 안테나의 빔 패턴으로 근사시키는 가중치를 구하는 방식을 택하였다. 빔 형성 기법이 이미 많이 연구되어 있는 선형 배열 안테나의 빔 패턴으로 근사시켜 쉽게 컨포멀 배열 안테나의 빔 형성이 가능하였다.
컨포멀 배열 안테나의 빔 패턴을 목표 빔 패턴으로 근사하는 가중치를 LSM을 이용하여 구하는 방법으로 컨포멀에서의 빔 형성 문제를 해결하였다. 그리고 주파수, 빔 조향각에 따라 가중치를 다르게 적용함으로 광대역에서의 빔 형성이 가능하도록 하였다.

대상 데이터

본 논문에서는 컨포멀 배열 안테나 중 Bezier 배열 안테나를 이용하였는데, Bezier 배열 안테나는 Bezier 곡선 형태의 플랫폼을 사용한다.

데이터처리

추정된 최적 위치를 Bezier 플랫폼 위에 배열해 보면 그림 7과 같이 나타나게 된다. 추정된 안테나 최적 위치를 이용하여 주파수 2～6 GHz, 조향각 —30°～+30°일 때의 Bezier 배열 안테나의 빔 패턴을 구한 후 목표 빔 패턴과 비교하였다.

이론/모형

안테나의 최적 위치를 구하기 위해 본 논문에서는 최적화 알고리즘인 GA를 사용하였다. GA는 생물의 진화과정에서 영감을 받아 나온 알고리즘으로 최적화 문제에 사용되는 대표적인 수치해석 알고리즘이다^[8].

성능/효과

제안한 방법을 검증하기 위하여 Bezier 배열 안테나에 적용하여 최적 빔 형성이 가능함을 보였다. 기존의 연구되었던 협대역에서의 컨포멀 배열 안테나 빔 형성 방법과 달리 본 논문에서 제시한 방법을 통해 광대역에서도 빔 형성이 가능함을 볼 수 있다. 다만 협대역 컨포멀 배열 안테나 빔 형성에 비해 HPBW, PSLL이 커지고 실행 시간이 늘어나게 되는데 이러한 부분을 해결할 수 있는 방법에 대한 추가 연구가 필요할 것으로 보인다.
제안한 방법을 검증하기 위하여 Bezier 배열 안테나에 적용하여 최적 빔 형성이 가능함을 보였다. 기존의 연구되었던 협대역에서의 컨포멀 배열 안테나 빔 형성 방법과 달리 본 논문에서 제시한 방법을 통해 광대역에서도 빔 형성이 가능함을 볼 수 있다.

후속연구

기존의 연구되었던 협대역에서의 컨포멀 배열 안테나 빔 형성 방법과 달리 본 논문에서 제시한 방법을 통해 광대역에서도 빔 형성이 가능함을 볼 수 있다. 다만 협대역 컨포멀 배열 안테나 빔 형성에 비해 HPBW, PSLL이 커지고 실행 시간이 늘어나게 되는데 이러한 부분을 해결할 수 있는 방법에 대한 추가 연구가 필요할 것으로 보인다.
본 논문에서 제안한 방법은 Bezier 플랫폼이 아닌 다른 컨포멀 플랫폼에도 적용이 가능하며, 목표 빔 패턴도 원하는 빔 패턴으로 바꾸어 적용이 가능하므로 다양한 광대역 컨포멀 배열 안테나의 최적 빔 형성에 쓰일 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	컨포멀 배열 안테나의 기능은?	컨포멀 배열 안테나는 항공기 및 고속 기동 차량 등의 플랫폼 형상에 맞게 설계하여 고속 이동에 의한 공기 저항을 줄이거나, 돌출 구조물 감소로 스텔스 기능을 증대 시키는 기능을 가지고 있다. 플랫폼의 형상은 공기 저항을 고려하여 유선형으로 형성되어 있기에 배열 안테나는 비평면 구조에 일체형으로 구성되게 된다.
	플랫폼의 형상이 기존 평면 구조와 특성이 달라지게 된 이유는?	컨포멀 배열 안테나는 항공기 및 고속 기동 차량 등의 플랫폼 형상에 맞게 설계하여 고속 이동에 의한 공기 저항을 줄이거나, 돌출 구조물 감소로 스텔스 기능을 증대 시키는 기능을 가지고 있다. 플랫폼의 형상은 공기 저항을 고려하여 유선형으로 형성되어 있기에 배열 안테나는 비평면 구조에 일체형으로 구성되게 된다. 그러므로 기존의 평면구조와는 전기적/기계적 특성 및 빔 조향 특성도 달라지게 된다[1].
	광대역, 컨포멀을 모두 고려한 빔 형성을 위해 어떤 방법이 제안되었나?	먼저, 컨포멀 문제를 해결하기 위하여 LSM을 적용하여 컨포멀 배열 안테나의 빔 패턴을 선형 배열 안테나의빔 패턴으로 근사시키는 가중치를 구하는 방식을 택하였다. 빔 형성 기법이 이미 많이 연구되어 있는 선형 배열 안테나의 빔 패턴으로 근사시켜 쉽게 컨포멀 배열 안테나의 빔 형성이 가능하였다. 다음으로 광대역에서 빔 조향이 가능하도록 하기 위하여 주파수, 빔 조향별로 다른 가중치를 구하였다. 또한, GA를 이용하여 광대역에서의 최적의 빔 형성이 가능한 컨포멀 배열 안테나의 위치를 구하였다.

참고문헌 (9)

권오성, "컨포멀 배열 안테나 기반의 광대역 빔형성 알고리즘 연구", 광운대학교 석사학위논문, pp. 1-2, 17-20, 2014년 8월.
Constantine A. Balanis, Antenna Theory: Analysis and Design, John Wiley & Sons, pp. 290-313, 2005.
Luigi Cinque, Stefano Levialdi, and Alessio Malizia, "Shape description using cubic polynomial Bezier curves", Pattern Recognition Letters, vol. 19, no. 9, pp. 821-828, Jul. 1998.

상세보기
Leo I. Vaskelainen, "Constrained least-squares optimization in conformal array antenna synthesis", Antennas and Propagation, IEEE Transactions on, vol. 55, no. 3, pp. 859-867, Mar. 2007.

상세보기
Andrew Nealen, "An as-short-as-possible introduction to the least squares, weighted least squares and moving least squares methods for scattered data approximation and interpolation", URL: http://www.nealen.com/projects, 2004.
Lars Josefsson, Patrik Persson, Conformal Array Antenna Theory and Design, John Wiley & Sons, pp. 395-420, 2006.
F. Vincent, O. Besson, "Steering vector errors and diagonal loading", Radar, Sonar and Navigation, IEEE Proceedings, vol. 151, no. 6, pp. 337-343, Dec. 2004.

상세보기
Darrell Whitley, "A genetic algorithm tutorial", Statistics and Computing, vol. 4, no. 2, pp. 65-85, Jun. 1994.

상세보기
Harry L. Van Trees, Detection, Estimation, and Modulation Theory, Optimum Array Processing, John Wiley & Sons, pp. 143-149, 2004.

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