배열안테나 패턴 측정 거리에 따른 방향탐지, 간섭제거, 빔형성 성능 분석 Analysis of Direction Finding, Interference Cancellation, and Beamforming Performance by Array Antenna Pattern Measurement Distance원문보기
본 논문에서는 배열안테나의 패턴을 측정하기 위한 배열안테나와 기준 신호원 사이의 거리에 따른 방향탐지, 간섭제거, 빔형성 성능을 분석한다. 배열안테나는 무선통신, 레이더, 소나 등 다양한 분야에서 사용되고 있다. 이러한 배열안테나를 사용하기 위해서는 배열안테나의 패턴을 알고 있어야 하며, 배열안테나의 패턴은 무반향 챔버에서 측정을 통해 얻을 수 있다. 하지만 무반향 챔버의 크기는 제한적이기 때문에 거리에 따른 측정 오차가 발생하게 된다. 이는 배열안테나를 사용하는 방향탐지, 간섭제거, 빔형성의 성능 저하를 유발시킨다. 본 논문에서는 컴퓨터 모의실험을 통해서 배열안테나 패턴 측정 거리에 따른 방향탐지, 간섭제거, 빔형성 성능을 분석하여 결과를 제시한다.
본 논문에서는 배열안테나의 패턴을 측정하기 위한 배열안테나와 기준 신호원 사이의 거리에 따른 방향탐지, 간섭제거, 빔형성 성능을 분석한다. 배열안테나는 무선통신, 레이더, 소나 등 다양한 분야에서 사용되고 있다. 이러한 배열안테나를 사용하기 위해서는 배열안테나의 패턴을 알고 있어야 하며, 배열안테나의 패턴은 무반향 챔버에서 측정을 통해 얻을 수 있다. 하지만 무반향 챔버의 크기는 제한적이기 때문에 거리에 따른 측정 오차가 발생하게 된다. 이는 배열안테나를 사용하는 방향탐지, 간섭제거, 빔형성의 성능 저하를 유발시킨다. 본 논문에서는 컴퓨터 모의실험을 통해서 배열안테나 패턴 측정 거리에 따른 방향탐지, 간섭제거, 빔형성 성능을 분석하여 결과를 제시한다.
This paper analyzes the performances of direction finding, interference cancellation, and beamforming performance by array antenna pattern measurement distance between the center of array antenna and reference emitter. Array antenna is widely adopted for example as wireless communications, radar, an...
This paper analyzes the performances of direction finding, interference cancellation, and beamforming performance by array antenna pattern measurement distance between the center of array antenna and reference emitter. Array antenna is widely adopted for example as wireless communications, radar, and sonar. In order to use array antenna, array antenna pattern must be known and it can be measured in anechoic chamber. However, the size of anechoic chamber is generally limited. So measurement error of array antenna can be occurred and this could effect performance decrease of direction finding, interference cancellation, and beamforming. It is verified by computer simulation that the performances of direction finding, interference cancellation, and beamforming by array antenna pattern measurement distance.
This paper analyzes the performances of direction finding, interference cancellation, and beamforming performance by array antenna pattern measurement distance between the center of array antenna and reference emitter. Array antenna is widely adopted for example as wireless communications, radar, and sonar. In order to use array antenna, array antenna pattern must be known and it can be measured in anechoic chamber. However, the size of anechoic chamber is generally limited. So measurement error of array antenna can be occurred and this could effect performance decrease of direction finding, interference cancellation, and beamforming. It is verified by computer simulation that the performances of direction finding, interference cancellation, and beamforming by array antenna pattern measurement distance.
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문제 정의
본 논문에서는 무반향 챔버에서 배열안테나의 패턴 측정 시 배열안테나와 기준 신호원 사이의 거리에 따른 방향탐지, 간섭제거, 빔형성 기법에 대한 성능을 비교하였다. 본 논문에서는 5소자로 구성된 등간격 원형 배열안테나를 고려하였다.
본 논문에서는 배열안테나의 패턴 측정거리에 따른 배열안테나의 패턴 오차와 방향탐지, 간섭제거, 빔형성 성능을 분석한다. 그리고 컴퓨터 모의실험을 통해서 각 기술의 성능을 분석하여 결과를 제시한다.
가설 설정
방향탐지, 간섭제거, 빔형성 기술에서 배열안테나를 적용하는 경우에 일반적으로 각 안테나 소자는 등방성(isotropic)이고, 배열안테나에 수신되는 신호는 평면파(plane wave)를 가정한다[4]. 이를 바탕으로 배열 안테나의 안테나 패턴(어레이 매니폴드(array manifold) 데이터 또는 조향벡터(steering vector) 집합)이 정의되고, 이를 사용하여 방향탐지, 간섭제거, 빔형성을 수행한다.
각 안테나 소자에 수신되는 신호는 각 안테나 소자가 배치된 위치에 따라서 서로 다른 위상지연을 갖고 수신된다. 여기에서 각 안테나 소자는 등방성이고, 수신되는 신호는 평면파임을 가정한다. 즉, 신호원이 배열안테나와 충분히 이격되어 있음을 가정한다.
여기에서 각 안테나 소자는 등방성이고, 수신되는 신호는 평면파임을 가정한다. 즉, 신호원이 배열안테나와 충분히 이격되어 있음을 가정한다. [θ, ∅]는 입사각으로 각각 앙각(elevation angle)θ∊ [0, π/2]과 방위각(azimuth angle)∅∊ [0, 2π)을 나타낸다.
제안 방법
본 논문에서는 5소자로 구성된 등간격 원형 배열안테나를 고려하였다. MUSIC 기반 방향탐지에 대한 성능을 분석하였으며, 방위각과 앙각에 대한 RMSE 성능과 PAPR 성능을 비교 분석하였다. 모의실험 결과를 통해서 방향탐지 정확도를 나타내는 RMSE 성능은 패턴 측정거리가 멀어질수록 성능이 향상되는 것을 확인하였고, far-field 거리의 40배 만큼 이격된 거리에서 측정된 조향벡터를 사용하더라도, 이상적인 경우의 성능보다 약 60%의 성능저하가 발생하는 것을 확인하였다.
본 논문에서는 배열안테나의 패턴 측정거리에 따른 배열안테나의 패턴 오차와 방향탐지, 간섭제거, 빔형성 성능을 분석한다. 그리고 컴퓨터 모의실험을 통해서 각 기술의 성능을 분석하여 결과를 제시한다.
본 장에서는 배열안테나 패턴 측정거리에 따른 방향탐지 성능 및 간섭제거 기법 성능, 빔형성의 성능을 컴퓨터 모의실험을 통해 분석한다. 표 1은 모의실험을 위한 파라미터를 나타내며, 모의실험에서는 5소자로 구성된 등간격 원형 배열 안테나를 사용하였다.
본 장에서는 배열안테나의 특징 및 배열안테나의 패턴 측정 거리에 따른 방향탐지, 간섭제거, 빔형성 성능을 분석한다.
방향탐지, 간섭제거, 빔형성 기술에서 배열안테나를 적용하는 경우에 일반적으로 각 안테나 소자는 등방성(isotropic)이고, 배열안테나에 수신되는 신호는 평면파(plane wave)를 가정한다[4]. 이를 바탕으로 배열 안테나의 안테나 패턴(어레이 매니폴드(array manifold) 데이터 또는 조향벡터(steering vector) 집합)이 정의되고, 이를 사용하여 방향탐지, 간섭제거, 빔형성을 수행한다. 하지만 일반적으로 배열안테나를 제작하여 안테나 패턴을 측정하면, 소자 간 상호간섭(mutual coupling), 접지효과(ground effect), 안테나 소자 배치 오차 등 다양한 원인으로 안테나 패턴은 이론적인 안테나 패턴과 상이한 특성을 갖는다[5], [6].
대상 데이터
본 논문에서는 무반향 챔버에서 배열안테나의 패턴 측정 시 배열안테나와 기준 신호원 사이의 거리에 따른 방향탐지, 간섭제거, 빔형성 기법에 대한 성능을 비교하였다. 본 논문에서는 5소자로 구성된 등간격 원형 배열안테나를 고려하였다. MUSIC 기반 방향탐지에 대한 성능을 분석하였으며, 방위각과 앙각에 대한 RMSE 성능과 PAPR 성능을 비교 분석하였다.
본 장에서는 배열안테나 패턴 측정거리에 따른 방향탐지 성능 및 간섭제거 기법 성능, 빔형성의 성능을 컴퓨터 모의실험을 통해 분석한다. 표 1은 모의실험을 위한 파라미터를 나타내며, 모의실험에서는 5소자로 구성된 등간격 원형 배열 안테나를 사용하였다. 그림 4는 조향벡터에 패턴 측정거리에 의한 오차가 없는 이상적인 경우(far-field)와 패턴 측정거리에 의한 오차가 존재하는 경우에 방향탐지 RMSE(root mean square error) 성능을 비교하여 나타낸다.
이론/모형
그림 8은 조향벡터에 패턴 측정거리에 의한 오차가 없는 이상적인 경우(far-field)와 패턴 측정거리 오차가 존재하는 경우(near-field)에 간섭제거 기법의 성능을 나타내며, 간섭제거 성능은 SINR 비교를 통해 확인한다. 간섭제거를 위해서 MVDR 기반 간섭제거 기법을 사용하였다. 배열안테나로부터 Rff 만큼 이격된 거리에서 측정된 조향벡터를 사용하여 간섭제거를 하는 경우, 이상적인 조향벡터를 사용한 경우에 비해서 약 23 dB의 SINR 감소가 있는 것을 알 수 있으며, 패턴 측정거리에 의한 오차가 큰 경우 간섭제거 성능이 매우 저하되는 것을 알 수 있다.
그림 6은 배열안테나와 기준 신호원 사이의 거리가 far-field 거리의 40배 만큼 이격되어 배열안테나 패턴이 측정된 조향벡터를 사용한 경우의 방향탐지 공간 스펙트럼을 나타내며, 분석의 편의를 위해서 앙각이 20도인 경우에 대한 방위각 스펙트럼을 도시하였다. 여기에서 방향탐지는 MUSIC 기법을 사용하였다. 그림 6과 같이 Rff의 40배 만큼 이격된 거리에서 측정된 조향벡터를 사용하면, 이상적인 조향벡터를 사용한 경우에 비해서 스펙트럼의 예각이 더 크게 형성되는 것을 나타낸다.
성능/효과
하지만, 배열안테나 패턴 측정거리 r이 점차 커질수록 방위각과 앙각에 대한 방향탐지 RMSE 성능이 점차 향상되는 것을 알 수 있다. Rff의 40배 만큼 이격된 거리에서 측정된 조향벡터를 사용하더라도 이상적인 조향벡터를 사용한 경우에 비해 방위각은 약 60 %, 앙각은 약 63 %의 성능저하가 발생하는 것을 알 수 있다. 따라서, 배열안테나의 패턴 측정은 Rff보다 충분히 이격된 거리에서 측정해야 하는 것을 알 수 있다.
특히 far-field 거리만큼 이격된 거리에서 측정된 조향벡터를 사용하는 경우에는 간섭제거 성능이 크게 저하되고, 원하는 신호원을 간섭신호로 간주하여 이를 제거하는 것을 확인하였다. 그러나 far-field 거리의 20배 만큼 이격된 거리에서 측정된 조향벡터를 사용하여 간섭제거를 하는 경우에는 간섭제거 성능이 약 2 dB 이내의 저하만 발생하는 것을 알 수 있었다.
그림 5와 같이 배열안테나로부터 Rff의 25배 이상 이격된 거리에서 측정된 조향벡터를 사용하는 경우의 PAPR이 이상적인 조향벡터를 사용한 경우에 비해 5dB 이하의 열화만 발생하는 것을 알 수 있다. 그리고 배열안테나 패턴측정 거리 r이 커질수록 입사 신호에 대한 분해능이 향상되는 것을 알 수 있다.
또한 방향탐지 분해능을 나타내는 PAPR 성능은 far-field 거리의 25배 만큼 이격된 거리에서 측정된 조향벡터를 사용하는 경우에 이상적인 경우에 비해 5dB 이하의 성능저하만 발생하는 것을 확인하였다. 그리고 빔형성 성능은 배열안테나의 패턴 측정 거리에 크게 영향을 받지 않는 것을 확인할 수 있었다. 빔형성의 경우 far-field 거리만큼 이격된 거리에서 측정된 조향벡터를 사용하더라도 약 0.
모의실험 결과를 통해서 방향탐지 정확도를 나타내는 RMSE 성능은 패턴 측정거리가 멀어질수록 성능이 향상되는 것을 확인하였고, far-field 거리의 40배 만큼 이격된 거리에서 측정된 조향벡터를 사용하더라도, 이상적인 경우의 성능보다 약 60%의 성능저하가 발생하는 것을 확인하였다. 또한 방향탐지 분해능을 나타내는 PAPR 성능은 far-field 거리의 25배 만큼 이격된 거리에서 측정된 조향벡터를 사용하는 경우에 이상적인 경우에 비해 5dB 이하의 성능저하만 발생하는 것을 확인하였다. 그리고 빔형성 성능은 배열안테나의 패턴 측정 거리에 크게 영향을 받지 않는 것을 확인할 수 있었다.
MUSIC 기반 방향탐지에 대한 성능을 분석하였으며, 방위각과 앙각에 대한 RMSE 성능과 PAPR 성능을 비교 분석하였다. 모의실험 결과를 통해서 방향탐지 정확도를 나타내는 RMSE 성능은 패턴 측정거리가 멀어질수록 성능이 향상되는 것을 확인하였고, far-field 거리의 40배 만큼 이격된 거리에서 측정된 조향벡터를 사용하더라도, 이상적인 경우의 성능보다 약 60%의 성능저하가 발생하는 것을 확인하였다. 또한 방향탐지 분해능을 나타내는 PAPR 성능은 far-field 거리의 25배 만큼 이격된 거리에서 측정된 조향벡터를 사용하는 경우에 이상적인 경우에 비해 5dB 이하의 성능저하만 발생하는 것을 확인하였다.
간섭제거를 위해서 MVDR 기반 간섭제거 기법을 사용하였다. 배열안테나로부터 Rff 만큼 이격된 거리에서 측정된 조향벡터를 사용하여 간섭제거를 하는 경우, 이상적인 조향벡터를 사용한 경우에 비해서 약 23 dB의 SINR 감소가 있는 것을 알 수 있으며, 패턴 측정거리에 의한 오차가 큰 경우 간섭제거 성능이 매우 저하되는 것을 알 수 있다. 하지만, 조향벡터 측정거리 r이 커질수록 간섭제거 성능이 향상되어, SINR이 증가하는 것을 알 수 있다.
하지만 빔형성과 달리 MVDR 기반의 간섭제거 기법은 배열안테나 패턴 측정 거리에 따른 조향벡터 오차로 인해 간섭제거 성능이 저하되는 것을 확인하였다. 특히 far-field 거리만큼 이격된 거리에서 측정된 조향벡터를 사용하는 경우에는 간섭제거 성능이 크게 저하되고, 원하는 신호원을 간섭신호로 간주하여 이를 제거하는 것을 확인하였다. 그러나 far-field 거리의 20배 만큼 이격된 거리에서 측정된 조향벡터를 사용하여 간섭제거를 하는 경우에는 간섭제거 성능이 약 2 dB 이내의 저하만 발생하는 것을 알 수 있었다.
016 dB의 성능저하만 발생하였다. 하지만 빔형성과 달리 MVDR 기반의 간섭제거 기법은 배열안테나 패턴 측정 거리에 따른 조향벡터 오차로 인해 간섭제거 성능이 저하되는 것을 확인하였다. 특히 far-field 거리만큼 이격된 거리에서 측정된 조향벡터를 사용하는 경우에는 간섭제거 성능이 크게 저하되고, 원하는 신호원을 간섭신호로 간주하여 이를 제거하는 것을 확인하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
배열안테나는 통신 분야에서 어떤 용도로 사용하는가?
다수의 안테나 소자를 사용하는 배열안테나는 무선 통신, 레이더, 소나 등 다양한 산업 분야에서 사용되고 있다. 통신 분야에서는 서비스 커버리지(coverage) 확장, 공간 다이버시티(diversity), 간섭 신호 제거, 수신 신호 대 간섭비(SNR; signal to noise power ratio) 증가 등을 위해 사용된다. 또한 레이더나 소나 분야에서는 미상 물체에 대한 추적, 미상 신호에 대한 방향 및 위치 추정 등을 위해 사용된다.
안테나 이득 측정 시 오차가 매우 작은 이유는?
이로 인해 입사신호는 평면파가 아니고, 구 모양의 파로 배열안테나에 입사되어 거리에 따른 위상 오차가 추가로 발생한다. 안테나 이득을 측정하는 경우에는 일반적으로 알려진 far-field 만큼 이격시켜서 안테나 이득을 측정하면, 1 dB 이하의 오차만을 가지기 때문에 이득에 대한 오차는 매우 작다[6], [7]. 하지만 간섭제거나 방향탐지와 같이 각 소자의 위상 정보를 이용하는 경우에는 큰 성능 오차를 갖게 된다.
배열안테나를 사용하는 기법은 무엇을 이용하는가?
배열안테나를 사용하는 기법은 각 안테나 소자에 수신되는 신호의 공간영역 특성을 이용하여 수행된다. 배열안테나의 공간영역 특성은 각 소자의 배치에 의해 결정되며, 배치에 따라서 다양한 특성을 갖는다.
참고문헌 (10)
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