본 논문은 광대역 컨포멀 위상배열 안테나빔형성 시 발생하는 조향오차를 보상하고, 목적하는 빔형성을 위한 알고리즘을 제안한다. 광대역 빔 조향을 위하여 본 연구에서는 TTD(True Time Delay) 방식을 채택하였으며, 긴 시간의 지연을 위하여 기판 회로상에 구현을 하였다. 빔 조향 오차의 원인은 배열 안테나 소자간의 상호간섭, 지연회로 기판의 분산 특성 및 디지털 제어에 의한 quantization 오차 등이 있다. 본 논문에서 TTD 회로의 분산 및 quantization 오차는 절대적인 지연시간보다 배열소자간의 상대적인 지연시간 차이를 최적화 하는 방향으로 분산 및 quantization 오차의 영향을 최소화하였다. 제안된 조향오차 보상기법을 2~4 GHz 대역의 컨포멀 위상배열 구조에 적용하여 측정값과 비교하여 그 타당성을 검증하였다.
본 논문은 광대역 컨포멀 위상배열 안테나 빔형성 시 발생하는 조향오차를 보상하고, 목적하는 빔형성을 위한 알고리즘을 제안한다. 광대역 빔 조향을 위하여 본 연구에서는 TTD(True Time Delay) 방식을 채택하였으며, 긴 시간의 지연을 위하여 기판 회로상에 구현을 하였다. 빔 조향 오차의 원인은 배열 안테나 소자간의 상호간섭, 지연회로 기판의 분산 특성 및 디지털 제어에 의한 quantization 오차 등이 있다. 본 논문에서 TTD 회로의 분산 및 quantization 오차는 절대적인 지연시간보다 배열소자간의 상대적인 지연시간 차이를 최적화 하는 방향으로 분산 및 quantization 오차의 영향을 최소화하였다. 제안된 조향오차 보상기법을 2~4 GHz 대역의 컨포멀 위상배열 구조에 적용하여 측정값과 비교하여 그 타당성을 검증하였다.
In this paper, we propose an algorithm for the wideband beamforming in a conformal phased array antenna by compensating the errors. For the wideband beamforming, we used the True Time Delay(TTD), which was fabricated on the RF circuit board to obtain long delay lines. Beamforming errors in the confo...
In this paper, we propose an algorithm for the wideband beamforming in a conformal phased array antenna by compensating the errors. For the wideband beamforming, we used the True Time Delay(TTD), which was fabricated on the RF circuit board to obtain long delay lines. Beamforming errors in the conformal array antenna are the mutual coupling between the array elements, the dispersive error in the TTD circuit, and the quantization error by the digital control. We apply the compensation algorithm to the conformal phased array antenna of wideband 2~4 GHz, and verify the usefulness by comparing the results with the experiment results.
In this paper, we propose an algorithm for the wideband beamforming in a conformal phased array antenna by compensating the errors. For the wideband beamforming, we used the True Time Delay(TTD), which was fabricated on the RF circuit board to obtain long delay lines. Beamforming errors in the conformal array antenna are the mutual coupling between the array elements, the dispersive error in the TTD circuit, and the quantization error by the digital control. We apply the compensation algorithm to the conformal phased array antenna of wideband 2~4 GHz, and verify the usefulness by comparing the results with the experiment results.
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문제 정의
본 논문에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해서 TTD 소자의 각 bit별 특성을 측정한 뒤 조합을 하여, 원하는 가중치 값과 가장 작은 오차를 갖는 최적의 delay를 찾기 위하여 사용하는 Delay Level Shift(DLS) 알고리즘을 제안한다. DLS 알고리즘은 N개의 소자에 들어가는 각각의 delay값이 절대적인 수치보다는 소자간의 상대적인 delay 가 중요하다는 점을 이용한다.
본 논문은 실제 1차원 컨포멀 배열 안테나 시스템에서 발생되는 채널 에러로 인하여 발생하는 빔패턴 열화 현상에 대한 보상 알고리즘을 제시하였다. 안테나에서 발생 하는 상호간섭 문제로 인한 빔형성 문제는 실제 능동 소자 패턴을 각각 측정한 뒤에 LSM을 이용하여 원하는 가상 배열을 통하여 가중치를 구하였다.
본 논문은 실제의 컨포멀 위상배열 안테나 시스템을 구성할 때 빔형성 과정에서 생겨날 수 있는 문제 중 가장 주요한 영향을 끼치는 요인인 소자패턴의 열화 현상과 위상을 제어하기 위한 실시간 지연선로(true time delay)의 채널 에러 현상에 대한 보상 알고리즘을 제안한다.
본 절에서는 실제의 컨포멀 배열 안테나 시스템에서의 위상을 제어하기 위한 부분인 실시간 지연선로에서의 나타나는 quantization 및 회로의 주파수 특성에 의한 흔들림 현상 오차문제와 그것에 대한 보완 알고리즘을 제시한다.
제안 방법
구해진 대표 bit를 이용하여 각각 소자의 delay값을 구해도 하드웨어적 한계때문에 구해진 가중치를 정확히 적용할 수 없기 때문에, 이러한 부분을 개선하기 위하여 DLS (Delay Level Shift) 알고리즘을 제안한다. 각 소자신호의 위상 차이를 주게 될 때 각각 [Υ1 Υ2 ⋯ Υn]의 절대적인 delay의 시간의 중요성보다 각 소자신호의 delay 차이 가 매우 중요하다는 점을 이용하여 소자마다 동일한 ΔΥ만큼을 level shift시켜 Te와 Tc의 차이를 최소로 하는 ΔΥ를 찾는다.
266 파장보다 작게 설계되었다. 그리고 각 배열 소자의 간격이 4 GHz의 half-lambda를 갖도록 하였다. 또한, 본 논문에서는 실시간 지연선로(true time delay)를 이용하여 가중치의 위상을 입력하고, 감쇄기(attenuator)를 이용 하여 크기를 입력한다.
하지만 실시간 지연선로를 사용하면 위상배열 안테나를 제어하는데 있어서 광대역(wide band) 특성이 가능하게 된다[9]. 때문에 본 시스템에서는 광대역 특성을 이용하기 위해서는 2～4 GHz까지의 대역폭 안에서 주파수 간격을 분할하여 그 안에서 delay가 일정하게 유지되도록 한다.
그리고 각 배열 소자의 간격이 4 GHz의 half-lambda를 갖도록 하였다. 또한, 본 논문에서는 실시간 지연선로(true time delay)를 이용하여 가중치의 위상을 입력하고, 감쇄기(attenuator)를 이용 하여 크기를 입력한다. 입력을 위한 전체 시스템을 제어하기 위하여 delay line과 감쇄기 아래쪽에 디지털 컨트롤 보드를 설치하여 이용하였다.
성능 평가를 위해 각각 case별로 2～4 GHz에서 30°만큼 조향하여 결과를 확인하였다.
본 논문은 실제 1차원 컨포멀 배열 안테나 시스템에서 발생되는 채널 에러로 인하여 발생하는 빔패턴 열화 현상에 대한 보상 알고리즘을 제시하였다. 안테나에서 발생 하는 상호간섭 문제로 인한 빔형성 문제는 실제 능동 소자 패턴을 각각 측정한 뒤에 LSM을 이용하여 원하는 가상 배열을 통하여 가중치를 구하였다. 이렇게 구해진 가중치는 실시간 지연선로를 이용하여 제어가 정확히 되어야 하지만, 선로의 RF switch 때문에 일어나는 흔들림 현상 때문에 단순한 양자화 방법과 조합 방법으로는 열화 현상을 해결하는데 한계점이 있다.
안테나의 상호간섭 문제를 고려하여 LSM을 이용해 가 중치 W=[ω1 ω2 ⋯ ωn]를 얻은 후, TTD와 gain 소자에 적용하기 위해 가중치의 크기와 위상 부분으로 나 누어 계산한다.
이렇게 실험을 통하여 능동소자 패턴을 이용하여 컨포 멀 배열 빔 패턴을 구한 후, 가상 배열 모델을 설계하여 마치 컨포멀 배열을 원하는 가상배열처럼 등가시켜 해석 한다. 컨포멀 배열을 가상 배열 모델로 등가시키기 위한 가중치를 구하기 위해 LSM(Least Square Method)을 이용 한다.
또한, 본 논문에서는 실시간 지연선로(true time delay)를 이용하여 가중치의 위상을 입력하고, 감쇄기(attenuator)를 이용 하여 크기를 입력한다. 입력을 위한 전체 시스템을 제어하기 위하여 delay line과 감쇄기 아래쪽에 디지털 컨트롤 보드를 설치하여 이용하였다.
최종적으로 가중치를 이용해 구해진 delay와 ΔΥ를 이용하여 가장 delay error가 적은 값을 적용하였다.
대상 데이터
본 논문에서 시뮬레이션 및 실험한 컨포멀 배열 안테나 구조는 곡률 3의 원 상에 8개의 소자를 대칭으로 배치하였다. 성능 평가를 위해 각각 case별로 2～4 GHz에서 30°만큼 조향하여 결과를 확인하였다.
이처럼 실시간 지연선로에서의 문제는 각 소자마다 보내지는 신호의 위상 문제가 생길 수 있는 부분임으로 빔형성 및 조향에 있어서 중요한 문제이다. 본 시스템에서 사용한 실시간 지연선로는 PCB 공정을 이용한 8 ps의 분해능(resolution)을 갖고 최대 지연 가능시간이 760 ps인 7 bit 실시간 지연선로이다.
실제 실험되는 시스템은 그림 6과 같이 원주상에 4 GHz의 간격인 d=37.5 mm의 간격으로 안테나들이 배열이 되어 있다.
이론/모형
문제 때문에 소자패턴에 열화가 발생하게 된다. 이러한 열화 문제는 실제 시스템에서 능동소자패턴(active element pattern)을 측정한 후 최소자승법(least square method)를 통하여 보상하였다. 최소 자승법은 정확 해와 유사한 근사 해를 구하는 방법 중 하나로, 이 방법을 이용하여 목표 빔패턴(desired beampattern)[8]과 컨포멀 배열의 빔패턴의 차이를 최소화하는 가중치를 구한다.
이렇게 실험을 통하여 능동소자 패턴을 이용하여 컨포 멀 배열 빔 패턴을 구한 후, 가상 배열 모델을 설계하여 마치 컨포멀 배열을 원하는 가상배열처럼 등가시켜 해석 한다. 컨포멀 배열을 가상 배열 모델로 등가시키기 위한 가중치를 구하기 위해 LSM(Least Square Method)을 이용 한다. LSM은 정확 해와 유사한 근사 해를 구하는 방법 중 하나로, 이 방법을 이용하여 원하는 가상 배열(desired virtual array)과 컨포멀 배열의 빔패턴의 차이를 최소화하는 가중치를 구한다.
성능/효과
이렇게 구해진 가중치는 실시간 지연선로를 이용하여 제어가 정확히 되어야 하지만, 선로의 RF switch 때문에 일어나는 흔들림 현상 때문에 단순한 양자화 방법과 조합 방법으로는 열화 현상을 해결하는데 한계점이 있다. 본 논문에서 제시한 DSL(Delay Level Shift) 방법을 이용하여 2～4 GHz에서의 빔패턴 열화 현상을 개선하여 목표 빔 패턴과 가까운 상태로 빔형성이 되었고, PSLL또한 2～4 GHz에서 감소한 모습을 볼 수 있었다.
그림 9는 대표 bit의 delay라인만을 측정한 뒤에 최적의 delay값을 위하여 bit 를 조합한 후 생성한 빔패턴이다. 이 방법으로는 최적의 delay값을 찾는 것에 한계가 있으므로 본 논문에서 제시하는 delay level shift 알고리즘을 통하여 그림 10과 같이 열화 현상이 개선된 모습을 볼 수 있다. 표 1은 각각의 결과에 대한 성능을 비교 분석하기 위하여 주파수 별로 PSLL (Peak Side Lobe Level), HPBW(Half Power Beam Width), 최대치의 각도(peak angle)를 나타낸 것이다.
제안된 오차보상 기법은 2～4 GHz 대역의 컨포멀 위상배열 구조에 적용이 되어 측정값과 비교하여 타당성을 검증하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
본 논문에서 빔형성을 위한 알고리즘은 어떤 목적의 알고리즘인가?
본 논문은 광대역 컨포멀 위상배열 안테나 빔형성 시 발생하는 조향오차를 보상하고, 목적하는 빔형성을 위한 알고리즘을 제안한다. 광대역 빔 조향을 위하여 본 연구에서는 TTD(True Time Delay) 방식을 채택하였으며, 긴 시간의 지연을 위하여 기판 회로상에 구현을 하였다.
광대역 빔 조향을 위하여 어떤 방식을 채택하였는가?
본 논문은 광대역 컨포멀 위상배열 안테나 빔형성 시 발생하는 조향오차를 보상하고, 목적하는 빔형성을 위한 알고리즘을 제안한다. 광대역 빔 조향을 위하여 본 연구에서는 TTD(True Time Delay) 방식을 채택하였으며, 긴 시간의 지연을 위하여 기판 회로상에 구현을 하였다. 빔 조향 오차의 원인은 배열 안테나 소자간의 상호간섭, 지연회로 기판의 분산 특성 및 디지털 제어에 의한 quantization 오차 등이 있다.
True time delay fluctuation에서 원하는 값을 구하기 위해서는 실제 측정된 delay의 bit를 조합하여 가장 가까운 값을 생성하는 이유는?
그림 2에서 볼 수 있듯이, 주파수 별로 일정하게 delay가 실제 측정되지 않고 떨림 현상이 생겨 원하는 delay 시간만큼 정확히 적용할 수 없는 문제가 발생한다. 따라서 원하는 값을 구하기 위해서는 실제 측정된 delay의 bit를 조합하여 가장 가까운 값을 생성한다.
참고문헌 (13)
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