[논문]완전 디지털 레이다에 적용 가능한 능동위상배열안테나 근접전계 수신 시험

채희덕; 이재민; 김영완; 김한생; 진형석; 박종국

doi:10.5515/kjkiees.2016.27.7.625

완전 디지털 레이다에 적용 가능한 능동위상배열안테나 근접전계 수신 시험
Near-Field Receiving Measurement of Active Phased Array Antenna for Full Digital Radar Application 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.27 no.7, 2016년, pp.625 - 634

채희덕 (LIG넥스원) , 이재민 (LIG넥스원) , 김영완 (LIG넥스원) , 김한생 (LIG넥스원) , 진형석 (LIG넥스원) , 박종국 (LIG넥스원)

초록
AI-Helper

소자 단위에서 디지털로 신호를 수신하는 완전 디지털 수신 능동위상배열안테나는 최종적인 수신 빔을 디지털 빔형성 방법으로 합성하므로 일반적인 근접전계 시험 방법을 적용하기 어렵다. 따라서 본 논문에서는 완전 디지털 수신 능동위상배열안테나를 시험하기 위한 근접전계 수신 시험 구성과 방법을 제시하였다. 또한, 디지털 빔 합성 과정과 잡음 합성 과정을 토대로 근접전계 수신 시험을 통해 수신 빔 패턴 뿐 아니라, 수신 성능을 대표하는 안테나의 이득 대비시스템 잡음 온도의 비(G/T)를 측정하는 방법을 제시하고, 실제 개발된 L-밴드 장거리레이다용 완전 디지털 수신 능동위상배열안테나를 이용하여 검증한 결과를 제시하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

A full digital receiving active phased array antenna generates final receiving beams by digital beam forming of received digital signals in element-level that makes difficult to use typical near-field measurement method. Thus in this paper, a modified near-field measurement method which is suitable for full digital receiving active phased array antenna is proposed. Also the measured results of receiving beam pattern and G/T using developed L-band full digital receiving active phased array antenna are shown for the verification of proposed method.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

또한, 디지털 빔 형성 과정을 살펴보고, 그 과정에 맞게 근접전계 수신 시험을 통해 순차적으로 데이터를 추출하고, 최종 빔패턴을 검증하는 과정을 살펴보도록 한다. 그리고 디지털 빔 형성과 잡음 합성 과정을 살펴보고, 시험을 통해 G/T를 측정하는 방법에 대하여 제안하고, 실제 개발된 완전 디지털 수신을 사용하는 능동위상배열안테나의 측정 결과를 제시하고자 한다. Ⅱ장에서는 완전 디지털 수신을 사용하는 능동위상배열안테나의 개요와 디지털 빔 형성 과정에 대하여 논의를 하고, Ⅲ장에서는 완전 디지털 수신을 사용하는 능동위상배열안테나의 근접전계 수신 시험 구성과 순서, 그리고 시험 결과를 제시하고, 마지막 장에서 결론으로 마무리하도록 한다.
능동위상배열안테나의 수신 시험 목적은 능동위상배열안테나 디지털 수신을 통해 빔을 형성하는데 반드시 필요한 정렬 행렬 B와 실시간 보정을 위한 보정 행렬 C를 구하기 위해 필요한 기준값 C^ref를 추출하고, 능동위상배열안테나의 수신 성능으로 가중치에 따른 최종 수신 빔 패턴과 G/T를 측정하고 검증하기 위함이다. 따라서 근접전계 시험 순서는 그림 3과 같이 순차적으로 정렬행렬과 보정기준값을 추출하고, 가중치를 적용하여 최종 수신 빔 패턴을 검증한 후, 시스템 잡음을 측정하여 G/T를 검증하는 과정으로 수행된다.
따라서 본 논문에서는 완전 디지털 수신 방식을 사용하는 능동위상배열안테나에서 근접전계 시험 시설을 이용하여 수신 시험을 수행하기 위한 근접전계 시험 구성과 순서를 제시하도록 한다. 또한, 디지털 빔 형성 과정을 살펴보고, 그 과정에 맞게 근접전계 수신 시험을 통해 순차적으로 데이터를 추출하고, 최종 빔패턴을 검증하는 과정을 살펴보도록 한다.
본 논문에서는 근접전계 시험 시설을 이용하여 완전디지털 수신을 사용하는 능동위상배열안테나의 수신 시험 방법에 대하여 제안하였고, 실제 개발된 완전 디지털 수신을 사용하는 L 밴드 장거리용 능동위상배열안테나를 이용한 수신 시험 수행 결과를 제시하였다. 또한, 시스템 파라미터와 관련된 수신 특성 G/T를 연관된 파라미터인 G/N 측정으로 검증하는 방안을 제시하였고, 실제 측정값과 예측값이 거의 일치함을 확인하였다.

제안 방법

따라서 본 논문에서는 완전 디지털 수신 방식을 사용하는 능동위상배열안테나에서 근접전계 시험 시설을 이용하여 수신 시험을 수행하기 위한 근접전계 시험 구성과 순서를 제시하도록 한다. 또한, 디지털 빔 형성 과정을 살펴보고, 그 과정에 맞게 근접전계 수신 시험을 통해 순차적으로 데이터를 추출하고, 최종 빔패턴을 검증하는 과정을 살펴보도록 한다. 그리고 디지털 빔 형성과 잡음 합성 과정을 살펴보고, 시험을 통해 G/T를 측정하는 방법에 대하여 제안하고, 실제 개발된 완전 디지털 수신을 사용하는 능동위상배열안테나의 측정 결과를 제시하고자 한다.
따라서 최종적으로 수집되는 근접전계 데이터는 프로브 입력 신호 대비 안테나 출력 신호의 비가 되어 근접전계 데이터를 원전계 패턴으로 변환하면 안테나의 이득 패턴과 일치하는 단위가 된다. 본 논문에서는 사전에 측정된 I/Q 신호와 전력 크기 사이의 변환 계수를 이용하여 저장된 근접전계 I/Q 데이터를 전력 크기에 해당하는 단위로 변환하고, 프로브로 입력되는 신호의 전력 크기를 계측기를 이용하여 측정한 후, 측정된 값을 근접전계 I/Q 데이터에 보상함으로써 최종적으로 근접전계 데이터가 프로브 입력 신호 대비 디지털 출력 신호의 비가 되도록 하였다.
본 논문에서는 앞의 장에서 소개한 L밴드 장거리 레이다용 완전 디지털 수신 능동위상배열안테나를 가로 12 m 세로 12 m 스캔이 가능한 근접전계 시험장에 설치하여 수신 시험을 수행하였다. 수신 시험을 수행하기 위한 근접전계 시험 구성은 그림 2와 같다.

대상 데이터

완전 디지털 수신을 사용하는 능동위상배열안테나는 안테나 자체가 계측기와 동일한 역할을 수행하기 때문에, 별도의 network analyzer와 같은 계측기를 사용할 필요가 없다. 프로브를 통해 방사하는 송신 신호는 신호발생장치에서 생성되는 주장비의 신호를 사용하였다. 디지털로 수신되는 근접전계 데이터는 광저장장치를 이용하여 저장하였다.

성능/효과

수신 경로 근접전계 데이터 측정 전/후에 측정된 보정 데이터를 비교한 결과는 그림 5와 같다. 근접전계 시험이 수행되는 동안 전 수신 경로에서 발생한 크기와 위상 변화가 각각 0.026 dB와 0.35도 이내로 거의 차이가 없음을 확인하였다. 보정 데이터의 차이를 확인하여 근접전계 시험이 수행되는 동안 능동위상배열안테나의 상태 변화가 없는 상태에서 유효한 근접전계 데이터가 측정되었음을 검증하였다.
본 논문에서는 근접전계 시험 시설을 이용하여 완전디지털 수신을 사용하는 능동위상배열안테나의 수신 시험 방법에 대하여 제안하였고, 실제 개발된 완전 디지털 수신을 사용하는 L 밴드 장거리용 능동위상배열안테나를 이용한 수신 시험 수행 결과를 제시하였다. 또한, 시스템 파라미터와 관련된 수신 특성 G/T를 연관된 파라미터인 G/N 측정으로 검증하는 방안을 제시하였고, 실제 측정값과 예측값이 거의 일치함을 확인하였다. 향후 레이다의 발전 추세로 볼 때 완전 디지털 수신을 사용하는 능동위상배열안테나가 많아질 것으로 전망되며, 본 논문에서 제시한 능동위상배열안테나의 수신 시험 방법이 많은 도움이 될 것으로 기대된다.
35도 이내로 거의 차이가 없음을 확인하였다. 보정 데이터의 차이를 확인하여 근접전계 시험이 수행되는 동안 능동위상배열안테나의 상태 변화가 없는 상태에서 유효한 근접전계 데이터가 측정되었음을 검증하였다.
아날로그 급전기에 의해 형성된 방위각 빔패턴과 디지털 빔 합성으로 생성된 고각 빔패턴을 비교해 보면 디지털로 합성된 합/차 빔패턴이 이상적인 형태로 모두 —35 dB의 부엽을 가지면서 주 패턴과 부엽 패턴에서 훨씬 우수한 특성을 가지는 것을 확인할 수 있다.
방사 소자 측정을 통해 예측한 안테나의 이득, 측정된 방사소자와 반도체송수신장치 사이의 케이블 손실, 반도체송수신장치의 잡음 지수, 그리고 시스템 잡음 대역폭을 고려하여 예측한 G/N 값과 측정된 G/N 값의 비교는 표 1과 같다. 예측한 G/N 값과 실제 측정값 사이에는 약 0.24 dB의 차이밖에 나지 않는 상당히 유사한 결과를 얻을 수 있었다.
그리고 각 수신 경로의 잡음 신호를 수신 빔 형성과정과 동일하게 합성한 잡음 출력은 그림 8(b)와 같다. 최종 합성된 잡음의 평균 전력량은 -61.27 dBm이다. 최종 잡을 출력과 수신 빔 이득을 식 (9)에 대입하면 G/N 측정값은 142.
아날로그 급전기에 의해 형성된 방위각 빔패턴과 디지털 빔 합성으로 생성된 고각 빔패턴을 비교해 보면 디지털로 합성된 합/차 빔패턴이 이상적인 형태로 모두 —35 dB의 부엽을 가지면서 주 패턴과 부엽 패턴에서 훨씬 우수한 특성을 가지는 것을 확인할 수 있다. 측정된 수신 빔의 이득은 안테나 이득과 수신 경로 이득을 포함하여 81.62 dB이다.

후속연구

능동위상배열안테나의 상태는 보정 경로를 통해 수집되는 보정 신호를 점검함으로써 확인할 수 있으므로, 수신 경로 근접전계 데이터 측정 전/후에 보정 데이터를 측정하는 과정이 추가되었다. 또한, 이때 측정된 보정 데이터는 정렬 행렬을 추출하는 시점의 능동위상배열안테나의 상태를 대표하는 값이므로 차후 운용 중 보정 행렬을 계산하기 위한 기준 데이터로 사용된다.
G/T를 구하기 위해서는 시스템 잡음 대역폭을 별도로 측정한 후 측정된 G/N에서 환산하는 과정이 필요하다. 이러한 계산 과정을 없애고 근접전계 시험을 통한 측정 값으로 능동위상배열안테나의 시스템 규격을 설정하고자 한다면 시스템 잡음 온도를 사용한 G/T 대신 시스템노이즈 전력 크기를 사용한 G/N으로 사용하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.
또한, 시스템 파라미터와 관련된 수신 특성 G/T를 연관된 파라미터인 G/N 측정으로 검증하는 방안을 제시하였고, 실제 측정값과 예측값이 거의 일치함을 확인하였다. 향후 레이다의 발전 추세로 볼 때 완전 디지털 수신을 사용하는 능동위상배열안테나가 많아질 것으로 전망되며, 본 논문에서 제시한 능동위상배열안테나의 수신 시험 방법이 많은 도움이 될 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	완전 디지털 수신을 사용하는 능동위상배열 안테나를 이용하여 신호를 송수신할 때, 송신 빔의 형태가 각 배열의 변위기와 SSPA에 의해 형성되는 가중치와 방사소자의 특성에 의해 결정되는 이유를 무엇인가?	송신 시에는 신호발생장치에서 고주파 송신 신호가 발생되고, 반도체 송수신장치에서 송신신호가 고출력으로 증폭된다. 그리고 방사소자를 통해 증폭된 송신 신호가 외부로 방사된다. 따라서 송신 빔의 형태는 각 배열의 변위기와 SSPA에 의해 형성되는 가중치와 방사소자의 특성에 의해 결정된다.
	완전 디지털 수신 능동위상배열안테나는 어떻게 신호를 수신하는가?	소자 단위에서 디지털로 신호를 수신하는 완전 디지털 수신 능동위상배열안테나는 최종적인 수신 빔을 디지털 빔형성 방법으로 합성하므로 일반적인 근접전계 시험 방법을 적용하기 어렵다. 따라서 본 논문에서는 완전 디지털 수신 능동위상배열안테나를 시험하기 위한 근접전계 수신 시험 구성과 방법을 제시하였다.
	완전 디지털 수신 능동위상배열안테나의 한계는?	소자 단위에서 디지털로 신호를 수신하는 완전 디지털 수신 능동위상배열안테나는 최종적인 수신 빔을 디지털 빔형성 방법으로 합성하므로 일반적인 근접전계 시험 방법을 적용하기 어렵다. 따라서 본 논문에서는 완전 디지털 수신 능동위상배열안테나를 시험하기 위한 근접전계 수신 시험 구성과 방법을 제시하였다.

참고문헌 (9)

김현, 나형기, 전민현, "능동 위상 배열 레이다의 개발 동향", 전자파기술, 25(2), pp. 39-49, 2014년 3월.

원문보기 상세보기
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상세보기
W. Haselwander, M. Uhlmann, S. Wustefeld, and M. Bock, "Measurement on an active phased array antenna on a near-field range and an anechoic far-field chamber", 31st European Microwave Conference, London, Sep. 2001.
채희덕, 김한생, 이동국, 정명득, 박종국, "근접 전계 시험 시설을 이용한 능동 위상 배열 안테나 송신 빔 패턴 측정", 한국전자파학회논문지, 22(12), pp. 1155-1163, 2011년 12월.

원문보기 상세보기
김영완, 채희덕, 박종국, 나형기, 전민현, "능동 위상 배열 안테나 측정 기술", 전자파기술, 25(2), pp. 50-59, 2014년 3월.

원문보기 상세보기
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J. J. H. Wang, "An examination of the theory and practices of planar near-field measurement", IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. 36 , pp. 746-753, Jun. 1988.

상세보기
A. C. Newell, R. D. Ward, and E. J. McFarlane, "Gain and power parameter measurements using planar near-field techniques", IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. 36 , pp. 792-803, Jun. 1988.

상세보기
D. Garneski, "A new implementation of the planar near-field back projection technique for phased array testing and aperture imaging", in the 1990 Symposium Digest of The Antenna Measurement Techniques Association, Philadelphia, 1990.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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