[논문]광대역 빔 조향을 위한 위상 배열 안테나의 실시간 지연 위상 천이기 구성에 관한 연구

정진우; 류지호; 박재돈; 서종우

doi:10.9766/kimst.2017.20.3.413

광대역 빔 조향을 위한 위상 배열 안테나의 실시간 지연 위상 천이기 구성에 관한 연구
A Study on Configuration of True Time Delay Phase Shifter for Wideband Beam Steering Phased Array Antenna 원문보기

韓國軍事科學技術學會誌 = Journal of the KIMST, v.20 no.3, 2017년, pp.413 - 420

정진우 (국방과학연구소 제2기술연구본부) , 류지호 (국방과학연구소 제2기술연구본부) , 박재돈 (국방과학연구소 제2기술연구본부) , 서종우 (국방과학연구소 제2기술연구본부)

Abstract ▼ AI-Helper

We investigate the performance of a true time delay(TTD) phase shifter to reduce the beam squint caused by frequency changes of a phased array antenna in wideband communication systems. To design a high gain phased array antenna, we need a long TTD, which causes high RF loss, low resolution and large dimension of TTD phase shifters. To overcome the problems, we propose a schematic of dual TTD phase shifters, which consists of short time delay(STD) in radio frequency(RF) part and long time delay(LTD) in intermediate frequency(IF) part. Our analysis results show that the proposed scheme reduces the required bits and delay time in RF band of the TTD compared to the conventional single TTD scheme.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 고 이득 방사특성을 갖는 위상 배열 안테나에 있어, 상기 문제를 해소하고자 실시간 지연위상 천이기를 STD와 LTD로 이원화하여 구성하는 방안을 제안하였다. 이는 위상 배열안테나를 다수의 Cell 단위로 구분하여 Cell 내부는 RF대역에서 STD로 시간 지연을 수행하고, Cell 단위는 IF 대역에서 LTD로 시간 지연을 수행하는 방법으로, 시간 지연에 따른 손실감소 및 제어회로를 간소화할 수 있다.
본 논문에서는 광대역 통신 기반 고 이득 방사특성을 갖는 위상 배열안테나에 있어, 빔 편이 현상을 없애기 위해 실시간 지연 위상 천이기가 필요함을 확인하였다. 빔 조향 오차각을 기준으로 일반적인 단일 실시간 지연 위상 천이기와 본 논문에서 제안한 이중 실시간 지연 위상 천이기를 구성 및 분석 하였으며, 그 결과 본 논문에서 제안한 이중 실시간 지연 위상 천이기는 RF 대역에서의 최대 지연시간과 제어 Bits 수를 크게 줄일 수 있기 때문에 RF 손실 감소와 제어회로 간소화에 기여할 수 있음을 확인하였다.
본 논문에서는 실시간 지연 위상 천이기의 구성을 지향 오차각을 기준으로 기술하였다. 그러나 실시간 지연 위상 천이기를 이용한 위상 배열안테나의 경우 지향각은 정확하나 부엽이 증가하는 현상이 발생한다^[7].
실시간 지연 위상 천이기 구성에 따른 특성분석을 위해서는 위상 배열안테나가 필요하다. 본 장에서는 분석용 위상 배열안테나 구성과 이를 바탕으로 한 일반적인 위상 천이기와 실시간 지연 위상 천이기의 특성 차이에 관해 기술하였다.

가설 설정

는 동작 주파수 대역 내에서 최고 주파수에 관한 파장이다. 본 논문에서 중심 주파수(f_c)는 15 GHz, 동작 대역폭은 1 GHz인 상황을 가정하였다. 본 가정과 수식 (3), (4)에 의한 ‘d_x’와 ‘d_y’는 각각 10.

제안 방법

Fig. 2는 분석용 위상 배열안테나를 기반으로 본 논문에서 가정한 동작 대역폭 내 주요 주파수(f_l = 14.5 GHz, f_c = 15.0 GHz, f_u = 15.5 GHz)에서의 일반적인 위상 천이기와 실시간 지연 위상 천이기에 의한 빔 조향 특성을 비교하기 위한 Array Factor(AF) 특성을 나타내었다. 여기서 요구 조향각인 ‘Θ_d’와 ‘Φ_d’는 각각 45°로 설정하였다.
STD의 실시간 지연 위상 천이값은 (16)과 같이 수식 (15)의 ‘ΔTL’를 참고하여, 수식 (10)의 의해 산출된 연속적인 실시간 지연값과의 차이가 최소가 되도록 설정하였다.
단일 실시간 지연 위상 천이기의 분해능에 따른 각 방사 소자의 이산 분포 실시간 지연 위상 천이값은 수식 (14)와 같이 수식 (10)에 의해 산출된 연속적인 실시간 지연값과의 차이가 최소가 되는 값으로 설정되도록 하였다.
배열된 방사소자 수 기준으로 최대 빔 조향 각도에서 가시 영역(Visible Region) 내 주 빔(Main lobe)를 제외한 그레이팅 로브 영역을 포함하지 않도록 설정하기 위하여 방사소자 간격, 최대 빔 조향 각 그리고 배열된 방사소자 수에 관한 다음 수식을 사용하였다.
본 논문에서 제안한 이중 실시간 지연 위상 천이기는 Fig. 1의 배열 안테나를 Cell 단위로 구분하여 Cell 내부는 RF대역에서 STD, Cell 단위는 IF 대역에서 LTD로 실시간 지연하는 방안을 제안하였다. Fig.
본 논문에서는 요구 지향각과 실 지향각 사이의 오차는 다음 수식과 같이 두 지향각 사이의 거리 차이기반 각도 차이로 설정하였다.
본 장에서는 2장의 분석용 위상 배열안테나와 수식(10)에 의한 실시간 지연 위상 천이값을 기반으로 실시간 지연 위상 천이기의 구성에 따른 제어 Bit 수 선정 및 AF 특성을 분석하였다.
이중 실시간 지연 위상 천이기 중, LTD의 분해능에 따른 각 Cell의 이산 분포 실시간 지연 위상 천이값은 수식 (15)과 같이, 각 Cell 내에서 수식 (10)에 의해 산출된 연속적인 실시간 지연값의 최솟값을 기준으로 내림 연산을 통해 산출되도록 하였다.

성능/효과

본 논문에서 제안한 이중 실시간 지연 위상천이기는 기존 연구된 단일 실시간 지연 위상천이기와 비교하여 RF 대역의 최대 지연 시간과 제어 Bit 수를 줄일 수 있어, RF 손실과 구현 면적을 줄일 수 있는 구조임을 확인할 수 있다.
분석 결과, 오차각 1.0° 이하의 기준을 만족하는 단일 실시간 지연 위상 천이기의 제어 Bit 수는 6 Bit 임을 알 수 있다.
분석 결과, 오차각 1.0° 이하의 기준을 만족하는 이 중 실시간 지연 위상 천이기의 STD 및 LTD 최소 제어 Bit 수는 각각 4 Bit와 3 Bit 임을 알 수 있다.
분석 결과, 최대 오차각 산출이 산출된 요구 지향각에서, 이산 분포 실시간 지연 위상 천이값에 의한 실 지향각(Θs, Φs)은 각각 43.7°와 45° 임을 확인하였다.
분석 결과, 최대 오차각 산출이 산출된 요구 지향각에서, 이산분포 실시간 지연 위상 천이값에 의한 실 지향각(Θs, Φs)은 각각 36.4°와 42.9°임을 확인하였다.
본 논문에서는 광대역 통신 기반 고 이득 방사특성을 갖는 위상 배열안테나에 있어, 빔 편이 현상을 없애기 위해 실시간 지연 위상 천이기가 필요함을 확인하였다. 빔 조향 오차각을 기준으로 일반적인 단일 실시간 지연 위상 천이기와 본 논문에서 제안한 이중 실시간 지연 위상 천이기를 구성 및 분석 하였으며, 그 결과 본 논문에서 제안한 이중 실시간 지연 위상 천이기는 RF 대역에서의 최대 지연시간과 제어 Bits 수를 크게 줄일 수 있기 때문에 RF 손실 감소와 제어회로 간소화에 기여할 수 있음을 확인하였다.

후속연구

본 논문에서 제안한 이중 실시간 지연 위상 천이기 구조는 고 이득 방사 특성이 요구되어 다수의 방사소자가 배열된 위상 배열안테나를 사용하는 다양한 응용분야에 적용 가능할 것으로 판단되며, 특히 본 논문의 분석용 위상 배열안테나 보다 많은 방사소자가 배열된 안테나의 경우, 본 논문에서 제안한 이중 실시간 지연 위상 천이기가 더욱 효율적일 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	일반적인 위상 천이기를 갖는 위상 배열안테나가 갖는 문제점은 무엇인가?	주파수 대비 일정한 위상정보를 생성하는 일반적인 위상 천이기를 갖는 위상 배열안테나의 경우, 광대역 내, 각 주파수에 따라 빔 편이(Beam squint)현상이 발생한다. 이는 통신품질 저하를 야기하는 문제가 된다[2].
	위상 배열안테나의 구성 상 문제로 실시간 지연 위상 천이기가 RF 대역에서 동작할 때 갖는 문제점은 무엇인가?	위상 배열안테나의 구성 상, 실시간 지연 위상 천이기는 각 방사소자 바로 뒷단에 장착되기 때문에 RF 대역에서 동작한다. 따라서 RF 대역에서 실시간 지연 시간이 길수록 RF 손실은 증가하게 된다. 더불어 실시간 지연 시간이 길수록 시간 지연 경로가 길어지고 원활한 빔조향을 위해 제어 Bit 수를 증가시켜야 한다.
	위상 배열 안테나의 장점은 무엇인가?	유·무인기 탑재형 안테나에 있어, 전기적 빔 조향이 가능한 위상 배열 안테나는 기존 기계적 구동부를 갖는 반사경 안테나 대비 Low-profile 형상으로 구현이 가능하여 유·무인 항공기의 공기항력을 감소할 수 있고, 기계적 구동부 대비 빔 조향을 빠르게 할 수 있는 장점이 있다. 더불어 군사적 목적으로 적 레이더 피탐율(RCS : Radar Cross Section)을 낮출 수 있다.

참고문헌 (7)

M. I. Skolnik, "Introduction to Radar System," 3rd ed. New York, NY : McGraw-Hill, 2001.
R. J. Mailoux, "Phased Array Antenna Handbook," Artech House, 2007.
John S. Kot, Ian M. Davis, Christophe Granet and Greg Pope, "Antenna Concepts for Ka-Band SATCOM on the Move," MILCIS 2009.
Matt Longbrake, "True Time-Delay Beamsteering for Radar," Aerospace and Electronics Conference, pp. 246-249, 2012.
John G. Willms, Aziz Ouacha, Lex de Boer, Frank E. Vliet, "A Wideband GaAs 6-Bit True-Time Delay MMIC Employing On-Chip Digital Drivers," Microwave Conference, pp. 1-4, 2000.
M. Yajima, T. Hasegawa, "Beam Pointing Error of Wideband Planar Phased Array," IEEE International Conference on Communications, pp. 4161-4166, 2006.
R. J. Mailoux, "Phased Array Theory and Technology," in Proc. IEEE, Vol. 70, No. 3, pp. 246-291, 1982.

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