모노펄스 정확도를 위한 능동배열위상레이다의 근접전계 수신시험 표본 주파수 채널 선택에 대한 연구 A Study on Sample Frequency Channel Selection of Near-Field Receiving Measurement for the Active Phased Array Antenna for Mono-Pulse Accuracy원문보기
능동위상배열안테나는 정밀한 빔의 형성과 성능 확인을 위해 근접전계 수신시험이 요구된다. 그에 따른 근접전계 수신시험을 통해 모노펄스 기능을 활용하기 위한 보상값을 획득하게 된다. 하지만, 많은 주파수 채널을 사용하는 레이다의 경우 많은 시간과 노력이 요구된다. 효율적인 레이다 개발과 생산을 위해서는 선택적으로 주파수 채널을 선정하고, 그 측정값을 기준으로 측정하지 않은 주파수 채널의 보상값을 보간법을 통해 예측하여 획득할 수 있다. 이와 같은 방법으로 보상값의 위상각 정보를 획득할 경우, 합, 차 채널간의 위상변화량을 확인할 필요성이 있다. 위상의 측정은 랩핑으로 인하여 비선형 현상이 나타날 수 있기 때문이다. 일반적인 레이다의 경우, 합, 차 채널의 전기적 길이가 유사하게 설계되지만, 특정 목적으로 전기적 길이 차이가 발생할 경우, 랩핑 현상으로 인해 보간법의 오류를 발생할 수 있다. 본 논문에서는 전기적 길이 차이에 의해 발생되는 보간법의 오류를 확인하고, 하나의 주파수 선택 방안을 제시한다.
능동위상배열안테나는 정밀한 빔의 형성과 성능 확인을 위해 근접전계 수신시험이 요구된다. 그에 따른 근접전계 수신시험을 통해 모노펄스 기능을 활용하기 위한 보상값을 획득하게 된다. 하지만, 많은 주파수 채널을 사용하는 레이다의 경우 많은 시간과 노력이 요구된다. 효율적인 레이다 개발과 생산을 위해서는 선택적으로 주파수 채널을 선정하고, 그 측정값을 기준으로 측정하지 않은 주파수 채널의 보상값을 보간법을 통해 예측하여 획득할 수 있다. 이와 같은 방법으로 보상값의 위상각 정보를 획득할 경우, 합, 차 채널간의 위상변화량을 확인할 필요성이 있다. 위상의 측정은 랩핑으로 인하여 비선형 현상이 나타날 수 있기 때문이다. 일반적인 레이다의 경우, 합, 차 채널의 전기적 길이가 유사하게 설계되지만, 특정 목적으로 전기적 길이 차이가 발생할 경우, 랩핑 현상으로 인해 보간법의 오류를 발생할 수 있다. 본 논문에서는 전기적 길이 차이에 의해 발생되는 보간법의 오류를 확인하고, 하나의 주파수 선택 방안을 제시한다.
It is essential for the near-field receiving measurement to make beam pattern and check the performance of a active phased array antenna system. Also, we could obtain compensation value for mono-pulse function through the near-field receive test, however, if the radar has many frequency channel, the...
It is essential for the near-field receiving measurement to make beam pattern and check the performance of a active phased array antenna system. Also, we could obtain compensation value for mono-pulse function through the near-field receive test, however, if the radar has many frequency channel, the test would take long time and hard effort. So it is needed that frequency channels are selected for measurement and calculates the values for other frequency channels to improve efficiency in development and manufacture. In this case, the phase variations in sum and del channels would be checked. The phase measurement includes un-linear characteristic because of wrapping effect. Generally, radars have similar path length in sum and del channel, but if a radar has a electrical length gap between sum and del channel, errors could occur by phase's wrapping effect. In this paper, the interpolation method's error caused by electrical length gap is checked and the effective method for frequency channel selection to avoid wrapping effect is introduced.
It is essential for the near-field receiving measurement to make beam pattern and check the performance of a active phased array antenna system. Also, we could obtain compensation value for mono-pulse function through the near-field receive test, however, if the radar has many frequency channel, the test would take long time and hard effort. So it is needed that frequency channels are selected for measurement and calculates the values for other frequency channels to improve efficiency in development and manufacture. In this case, the phase variations in sum and del channels would be checked. The phase measurement includes un-linear characteristic because of wrapping effect. Generally, radars have similar path length in sum and del channel, but if a radar has a electrical length gap between sum and del channel, errors could occur by phase's wrapping effect. In this paper, the interpolation method's error caused by electrical length gap is checked and the effective method for frequency channel selection to avoid wrapping effect is introduced.
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문제 정의
본 논문에서는 모노펄스 기능을 활용하는 레이다에 대한 근접전계 수신시험 시 주파수 채널의 선택에 대한 최적화 방안과 이에 따른 영향성을 연구하였다. Ⅱ장에서는 경로 보상의 개념과 잘못된 표본 주파수 선택에 따른 문제 발생에 대하여 설명하고, 효율적인 주파수 선택 방법을 제안하였으며, Ⅲ장에서는 제안된 시험 주파수 선택 방법을 적용하여 그 효과를 검증하였으며, 마지막 장에서는 결론으로 마무리하였다.
제안 방법
시험장치는 레이다 요구사항 이상의 위치에서 접근하는 표적을 모의하여 제공한다[9]～[11]. 레이다는 수신모드 #2로 동작하며, 근접전계 수신시험에서 측정되는 표본 주파수 채널과 선형보간법을 통해 계산된 주파수 채널을 운용하여 탐지된 방위각 정보를 분석하였다.
모노펄스 보상값의 오류를 확인하기 위하여, 수신모드 #2에 대하여 동일한 시험 구성도를 활용하여 방위각 방향의 모노펄스 기울기를 측정하였다. 레이다는 안테나를 회전하여 운용하고, 시험장비는 레이다의 송신신호에 동기화하여 특정 거리에 펄스 형태의 연속파를 발생한다.
본 논문에서는 근접전계 수신측정을 통해 수신경로의 위상 보상값을 측정하고 선형보간법에 의해 데이터를 산출할 경우, 표본 주파수의 잘못된 선정이 레이다의 성능에 직접적인 영향을 줄 수 있음을 확인하였다. 이를 해결하기 위한 방법으로 최소 측정 주파수 채널을 선정할 수 있는 조건을 도출하였으며, 그 조건에 따른 최소 측정 주파수 채널을 적용하여 효과를 검증하였다. 제안된 방안을 이용한 표본주파수 선택방법은 유사 레이다 시스템에 확대 적용이 가능하며, 능동배열안테나를 적용한 레이다의 근접전계 수신시험에 투입되는 자원을 최적화할 수 있고, 정확한 데이터를 취득할 수 있어서 레이다 개발 및 생산에 큰 효과를 줄 수 있을 것으로 기대한다.
대상 데이터
표본 주파수 선택에 따른 문제점 분석과 제안한 방법의 검증을 위하여 S 밴드 대역의 능동 위상배열 레이다를 활용하였으며, 레이다의 제원은 표 1과 같다.
20개의 표본 주파수 채널은 수신모드 #1에서 선형 보간법을 활용하여 유효성 있는 데이터를 획득한 단위이다. 합/차 채널의 전기적 길이 변화를 확인하기 위하여 연속된 10개의 주파수 채널을 임의 선정하였다. 시험장비는 특정 거리를 지연하여 레이다가 운용하는 동일한 펄스폭의 연속파(continuos wave)를 발생하였다.
데이터처리
10개의 표본 주파수 측정을 통한 모노펄스 보상값을 레이다에 적용하고, 그림 5의 시험 구성도를 적용하여 수신모드 #2의 표적 탐지 시험을 수행하였다. 레이다의 주파수 채널은 10개 단위의 표본 주파수 측정으로 인해 추가로 측정된 채널과 선형보간법을 통해 계산된 주파수 채널을 운용하였다.
20개의 표본 주파수 채널을 적용한 근접전계 수신시험과 선형 보간법을 통해 계산된 보상값의 오류를 확인하기 위해 그림 5의 시험 구성도를 활용하여 합/차 채널의 위상의 변화를 확인하였다. 20개의 표본 주파수 채널은 수신모드 #1에서 선형 보간법을 활용하여 유효성 있는 데이터를 획득한 단위이다.
이론/모형
능동위상배열안테나(active phase array antenna)의 다양한 빔의 성능과 안정성을 측정하고 검증하기 위하여, 무방향성 챔버로 구성된 시험시설을 통한 근접전계 시험(near-field test)을 수행한다. 근접전계 시험은 크게 송신과 수신시험으로 분류되며, 수신 시험의 경우 안테나 수신 패턴의 성능 유지를 위한 보정 초기값과 모노펄스 정확도 향상을 위한 경로 보상값을 추출한다[3]～[8].
10개의 표본 주파수 측정을 통한 모노펄스 보상값을 레이다에 적용하고, 그림 5의 시험 구성도를 적용하여 수신모드 #2의 표적 탐지 시험을 수행하였다. 레이다의 주파수 채널은 10개 단위의 표본 주파수 측정으로 인해 추가로 측정된 채널과 선형보간법을 통해 계산된 주파수 채널을 운용하였다. 표적 탐지 결과는 그림 12와 같이 모든 주파수 채널에서 0.
위상배열안테나를 사용하는 레이다는 측정 정확도를 향상하기 위한 목적으로 모노펄스 기능을 활용한다. 모노펄스 기능은 배열안테나를 좌/우측 또는 상/하로 2개 또는 그 이상의 그룹으로 수신신호를 합성한다.
그림 4는 수신모드 #1과 #2에 대하여 20개의 표본 주파수 채널 단위로 근접전계 수신시험을 수행한 모노펄스 보상값의 위상각을 보여준다. 표본 주파수 사이의 채널은 선형보간법을 통해 보상값을 산출하였다. 수신모드#1은 1번 주파수 채널과 321번 주파수 채널의 모노펄스 보상값이 약 490° 차이가 발생하나, 수신모드 #2는 1번 주파수 채널과 321번 주파수 채널의 위상 보상값이 약 1,800° 차이가 발생한다.
성능/효과
그림 6은 표적 신호를 모의하는 시험장치를 이용하여 수신모드 #2의 표적 탐지 시험 결과이다. 근접전계 수신 시험에서 측정되는 표본 주파수 채널은 표적 신호의 산포가 0.5° 범위 내에 집중되어 탐지되었으나, 선형보간법을 통해 계산된 주파수 채널에서는 모노펄스 기능이 정상적으로 수행되지 않고, 표적 신호의 방위각이 5° 범위 수준에서 불규칙하게 탐지되었다. 이와 같은 결과를 통해 선형보간법에 의한 모노펄스 보정값의 오류를 확인할 수 있다.
본 논문에서는 근접전계 수신측정을 통해 수신경로의 위상 보상값을 측정하고 선형보간법에 의해 데이터를 산출할 경우, 표본 주파수의 잘못된 선정이 레이다의 성능에 직접적인 영향을 줄 수 있음을 확인하였다. 이를 해결하기 위한 방법으로 최소 측정 주파수 채널을 선정할 수 있는 조건을 도출하였으며, 그 조건에 따른 최소 측정 주파수 채널을 적용하여 효과를 검증하였다.
두 결과는 동일한 주파수 채널에 대하여 나타낸 것으로 최소 주파수 선택에 따라 보간법에 의해 계산되는 위상 보상값의 영향성을 확인할 수 있다. 제안한 방법에 따라 표본 측정 주파수를 10개 단위의 주파수에 대하여 근접전계 수신시험을 통한 레이다의 모노펄스 보상값을 추출하고, 보간법을 적용하여 그림 11과 같이 정상적인 모노펄스 기울기가 계측됨을 확인하였다.
최소 표본 주파수 선택에 따라 보간법을 통해 계산되는 모노펄스 위상 보상값의 기울기와 방향이 반전되는 것을 확인할 수 있다. 이는 보간법을 통해 표본 측정 주파수 사이에 존재하는 주파수 채널의 위상 보상값 계산 시 극좌표계상에서 가까운 방향으로 계산되기 때문이다.
이와 같은 시험 구성도를 통해 측정한 수신모드 #2의 모노펄스 기울기는 그림 8과 같다. 측정 결과에 따르면 근접전계 수신시험에서 측정한 표본 주파수 채널은 모노펄스 기울기가 (+) 방향을 나타내고, 선형보간법을 통해 계산된 주파수 채널에서는 (—) 방향으로 나타난다. 이는 표본 주파수 선택이 잘못되면 위상 반전된 보상값을 추출하게 되고, 이를 보간법에 의해 계산된 주파수 채널의 모노펄스 적용하면 오류를 야기할 수 있음을 확인하였다.
후속연구
이를 해결하기 위한 방법으로 최소 측정 주파수 채널을 선정할 수 있는 조건을 도출하였으며, 그 조건에 따른 최소 측정 주파수 채널을 적용하여 효과를 검증하였다. 제안된 방안을 이용한 표본주파수 선택방법은 유사 레이다 시스템에 확대 적용이 가능하며, 능동배열안테나를 적용한 레이다의 근접전계 수신시험에 투입되는 자원을 최적화할 수 있고, 정확한 데이터를 취득할 수 있어서 레이다 개발 및 생산에 큰 효과를 줄 수 있을 것으로 기대한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
위상배열안테나를 사용하는 레이다는 측정 정확도를 향상하기 위해 어떤 기능을 활용하는가?
위상배열안테나를 사용하는 레이다는 측정 정확도를 향상하기 위한 목적으로 모노펄스 기능을 활용한다. 모노펄스 기능은 배열안테나를 좌/우측 또는 상/하로 2개 또는 그 이상의 그룹으로 수신신호를 합성한다.
모노펄스 기능은 수신되는 신호를 어떻게 합성하는가?
위상배열안테나를 사용하는 레이다는 측정 정확도를 향상하기 위한 목적으로 모노펄스 기능을 활용한다. 모노펄스 기능은 배열안테나를 좌/우측 또는 상/하로 2개 또는 그 이상의 그룹으로 수신신호를 합성한다. 그룹으로 합성된 신호는 동위상으로 다시 합성하여 합 채널로 활용하고, 역위상으로 합성하여 차 채널로 활용한다.
모노펄스 정확도 향상을 위한 경로 보상값을 합 채널과 차 채널의 물리적 경로 차이로 구분하여 정하는 이유는?
모노펄스 정확도 향상을 위한 경로 보상값은 합 채널과 차 채널의 물리적 경로 차이에 의한 위상 차이를 의미한다. 일반적으로 안테나에서 합/차 채널이 구분되면, 각각의 수신경로를 통해 주파수 하향 변환하고, 이를 디지털 변환하여 신호처리가 수행된다. 이와 같이 합/차 채널이 다른 수신경로를 가지게 되면, 경로의 물리적인 길이 차이에 의해 위상의 차이가 발생된다. 따라서 안테나에서 생성된 이상적인 합/차 채널의 패턴을 활용하기 위해서는 물리적 길이 차이에 의한 위상 차를 신호처리 시 보상하여야 한다. 이 위상 차이값을 구하기 위해서는 근접전계 수신시험을 통한 개구면 전체에 대한 측정과 원전계(far-field) 수신 패턴 변환을 통해 수집하여야 한다.
Stephen E. Lipsky, Microwave Passive Direction Finding, John Wiley and Sons, New York, 1987.
E. Grorud, C. Mehl, C. Renard, E. Semmler, and K. Weidmann, "Design and measurement of an active array antenna for an airborne X-Band SAR/MTI radar", Proceedings of The European Conference on Antennas and Propagation(EuCAP 2006), Nice, France, Nov. 2006.
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.
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.
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