[논문]신호탐지 정확도를 높이기 위해 최적 배열형상을 고려한 16소자 배열안테나 설계

장도영; 류성준; 왕진천; 이준용; 추호성

doi:10.5515/kjkiees.2019.30.6.438

초록
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본 논문에서는 간섭 신호원의 방향을 정확히 탐지 및 식별하기 위해 상호결합특성을 고려한 16소자 배열안테나의 배열 형상 및 개별소자 구조에 대해 연구하였다. 제안된 배열 안테나는 상호결합특성, 능동소자패턴의 편차, 반전력빔폭을 고려하여 개별소자의 접지면간 이격거리를 도출하였다. 개별소자는 마이크로스트립 패치안테나로 구성되며, 광대역 특성 및 안테나의 소형화를 위해 접지면과 연결된 방사체 및 L 모양의 간접 급전 급전부로 구성된다. 제안된 안테나를 사용한 신호탐지 성능 평가 결과 제시된 시나리오 범위 내에서 낮은 RMS(root mean square) error의 성능을 갖는 것을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we proposed a 16-element array antenna design to improve signal detection performances. The array antenna characteristics, such as mutual coupling, pattern deviation, and half power beamwidth of the active element, were examined to obtain an optimal spacing between individual elements...

In this paper, we proposed a 16-element array antenna design to improve signal detection performances. The array antenna characteristics, such as mutual coupling, pattern deviation, and half power beamwidth of the active element, were examined to obtain an optimal spacing between individual elements. The single element of the array antenna consists of an indirect feed using L-shaped feed and shorted radiating patch to achieve a broadband operation. Root mean square(RMS) errors based on the incident angle of the signal were calculated to verify the signal detection performance of the proposed antenna. The results demonstrate that the proposed array antenna with optimal spacing is suitable for detecting interference signals with low RMS error.

주제어

표/그림 (7)

그림 그림 1. 제안된 4×4 사각 배열 패치안테나 형상 Fig. 1. Geometry of the proposed patch antenna with 4×4 planar array.
그림 그림 2. 제안된 개별소자의 반사계수 특성 Fig. 2. Reflection coefficient characteristic of the proposed element.
표 표 1. 제안된 안테나에 사용된 설계 변수 Table 1. Parameters for proposed antenna.
그림 그림 3. g에 따른 상호결합 및 패턴 왜곡 특성(2.4 GHz) Fig. 3. Mutual coupling and pattern distortion characteristic according to g.
그림 그림 4. 제작된 배열안테나 사진. Fig. 4. Photographs of the fabricated array antenna.
그림 그림 5. 배열 안테나의 빔조향 특성(2.4 GHz, φ=90°). Fig. 5. Beam steering characteristic of the proposed antenna.
그림 그림 6. 배열안테나의 DoA 추정 성능(2.4 GHz) Fig. 6. DoA estimation performance of the proposed antenna.

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 간섭 신호원의 방향을 정확히 탐지 및 식별하기 위해 상호결합 및 패턴 왜곡 특성을 고려한 16 소자 배열안테나 설계를 제안한다. 제안된 배열안테나는 개별소자 간 이격거리에 따른 상호결합특성 및 능동소자패턴의 편차(pattern deviation), 반전력빔폭(half power beam width) 등을 고려하여 최적 방향탐지 성능을 갖도록 배열안테나의 개별소자 접지면간의 이격거리를 도출하였다.
본 논문에서는 간섭 신호원의 방향을 정확히 탐지 및 식별하기 위해 상호결합특성을 고려한 16소자 배열안테나의 배열 형상 및 개별소자 구조를 제안하였다. 제안된 배열 안테나에 사용한 개별소자는 접지면간 이격거리에 따른 상호결합특성, 능동소자패턴의 편차, 반전력빔폭을 고려하여 9 mm의 이격거리를 갖도록 설계되었다.

가설 설정

그림 6은 제안된 안테나의 신호탐지 성능특성을 시뮬레이션을 통해 도출한 결과를 나타낸다. 신호의 입사 방향은 두 가지 상황으로 가정하였으며, RMS error 및 Side lobe level(SLL)을 통해 신호탐지 성능을 평가하였다. 신호탐지를 위해 signal-subspace MUSIC 알고리즘^[16]을 사용하였으며, 신호탐지 시나리오를 100회 반복하여 얻은 RMS error와 SLL은 식 (2) 및 식 (3)과 같이 정의된다.
마이크로스트립 선로로부터나온 출력들은 각각 서로 다른 4×1 전력분배기로 연결되고 안테나 단으로 연결돼, 최종적으로 4×4 배열안테나의 각 열이 하나의 부배열로 구성되는 형태로서 빔 조향이 가능하도록 한다. 신호탐지 안테나 측면에서 안테나가 낮은 SLL을 유지하며, 원하는 방향으로 빔조향이 가능하다면 안테나의 reciprocity 특성에 의해 신호탐지 성능도 높을 것으로 예상할 수 있다. 그림 5는 제안된 안테나를 사용한 빔조향 특성을 측정과 시뮬레이션으로 확인한 결과를 보여준다.

제안 방법

광대역 특성을 도출하기 위해 급전부는 접지면과 h_f만큼 이격된 간접 급전구조 형상을 가지며, 급전부의 너비는 w_f, 길이는 l_f로 설계되었다. 급전부와 방사체 사이는 유전손실이 없는 공기층 (air gap)으로 이루어져 있으며, 제안된 안테나의 최적 변수값을 도출하기 위해 FEKO EM 시뮬레이터^[14]와 유전자 알고리즘^[15]을 연동하여 최적화했다. 제안된 배열안테나의 설계 변수는 표 1에 정리하였다.
개별소자는 마이크로스트립 패치안테나로 구성되며, 광대역 특성 및 안테나의 소형화를 위해 접지면과 연결된 방사체, L 모양의 간접 급전 급전부로 이루어져 있다. 반사계수, 상호결합특성, 능동소자패턴, 2-D 방사패턴과 같은 안테나 성능을 정확하게 측정하기 위해 전파무반사실에서 측정하였으며, 추가적으로 제안된 배열안테나의 신호탐지 성능을 평가하기 위해 배열안테나의 빔조향 특성을 확인하였다. 제안된 방향탐지 시나리오에서 배열안테나가 낮은 RMS (root mean square) error를 갖는 것을 확인하였다.
본 논문에서는 간섭 신호원의 방향을 정확히 탐지 및 식별하기 위해 상호결합특성을 고려한 16소자 배열안테나의 배열 형상 및 개별소자 구조를 제안하였다. 제안된 배열 안테나에 사용한 개별소자는 접지면간 이격거리에 따른 상호결합특성, 능동소자패턴의 편차, 반전력빔폭을 고려하여 9 mm의 이격거리를 갖도록 설계되었다. 배열안테나의 평균 격리도 특성은 19.
본 논문에서는 간섭 신호원의 방향을 정확히 탐지 및 식별하기 위해 상호결합 및 패턴 왜곡 특성을 고려한 16 소자 배열안테나 설계를 제안한다. 제안된 배열안테나는 개별소자 간 이격거리에 따른 상호결합특성 및 능동소자패턴의 편차(pattern deviation), 반전력빔폭(half power beam width) 등을 고려하여 최적 방향탐지 성능을 갖도록 배열안테나의 개별소자 접지면간의 이격거리를 도출하였다. 개별소자는 마이크로스트립 패치안테나로 구성되며, 광대역 특성 및 안테나의 소형화를 위해 접지면과 연결된 방사체, L 모양의 간접 급전 급전부로 이루어져 있다.
그림 1은 제안된 배열안테나의 배열형상 및 개별소자의 구조를 보여준다. 제안된 배열안테나는 한 변의 길이가 p_r인 아크릴판 위에 16개의 소자가 사각 평면 배열구조로 이루어져 있으며, 주파수를 특정할 수 없는 불특정신호원을 탐지하기 위해서 2.4 GHz를 포함하여 넓은 대역의 신호를 탐지할 수 있도록 개별소자 간 간격을 d로 설계하였다. 개별소자의 접지면은 한 변의 길이가 g_r인 사각 형태이며, 접지면 사이는 패턴왜곡 및 상호결합특성의 개선을 위해 g의 이격거리를 갖는다.

이론/모형

신호의 입사 방향은 두 가지 상황으로 가정하였으며, RMS error 및 Side lobe level(SLL)을 통해 신호탐지 성능을 평가하였다. 신호탐지를 위해 signal-subspace MUSIC 알고리즘^[16]을 사용하였으며, 신호탐지 시나리오를 100회 반복하여 얻은 RMS error와 SLL은 식 (2) 및 식 (3)과 같이 정의된다.

성능/효과

제안된 배열 안테나에 사용한 개별소자는 접지면간 이격거리에 따른 상호결합특성, 능동소자패턴의 편차, 반전력빔폭을 고려하여 9 mm의 이격거리를 갖도록 설계되었다. 배열안테나의 평균 격리도 특성은 19.4 dB로 나타나며, 능동소자패턴의 반전력 빔폭은 85°, 패턴 편차는 15.7 dB로 확인되었다. 개별소자는 마이크로스트립 패치안테나로 구성되며, 광대역 특성 및 안테나의 소형화를 위해 접지면과 연결된 방사체, L 모양의 간접 급전 급전부로 구성된다.
반사계수, 상호결합특성, 능동소자패턴, 2-D 방사패턴과 같은 안테나 성능을 정확하게 측정하기 위해 전파무반사실에서 측정하였으며, 추가적으로 제안된 배열안테나의 신호탐지 성능을 평가하기 위해 배열안테나의 빔조향 특성을 확인하였다. 제안된 방향탐지 시나리오에서 배열안테나가 낮은 RMS (root mean square) error를 갖는 것을 확인하였다.
급전네트워크의 위상값을 조절하여 빔을 조향하고 φ=90°, θ=−90～90°까지 5° 간격의 측정 범위로 빔조향 성능을 측정했다. 제안된 배열 안테나는 급전 네트워크에 의한 손실을 모두 포함하여 0° 조향 시 전면 방향 이득이 8.67 dB로 나타나며, 빔조향 패턴은 시뮬레이션 결과와 유사한 경향성을 보인다. 제안된 배열안테나를 이용하여 15°, 30° 빔조향이 가능함을 확인하였으며, 시뮬레이션으로 예측한 값과 유사하게 나타난다.
67 dB로 나타나며, 빔조향 패턴은 시뮬레이션 결과와 유사한 경향성을 보인다. 제안된 배열안테나를 이용하여 15°, 30° 빔조향이 가능함을 확인하였으며, 시뮬레이션으로 예측한 값과 유사하게 나타난다.
개별소자는 마이크로스트립 패치안테나로 구성되며, 광대역 특성 및 안테나의 소형화를 위해 접지면과 연결된 방사체, L 모양의 간접 급전 급전부로 구성된다. 제안된 안테나를 사용하여 신호탐지 성능을 평가한 결과 제시된 시나리오에서 1.2° 미만의 RMS error 및 3.1 dB 이상의 SLL으로 신호를 탐지가 가능한 것으로 확인되었다.
5°로 최소값이 나타나고, g가 증가함에 따라 값이 상승하는 경향을 보여 g=9 mm일 때 85°의 값을 갖는다. 제안된 안테나의 합성패턴은 소자 간 격리도 특성, 능동소자 패턴편차, 반전력 빔폭 등에 의해 결정되며, 능동소자 패턴 편차가 작고 반전력빔폭이 클수록 방사패턴이 넓은 범위에서 균일하게 유지됨을 알 수 있다. 소자 간 이격거리가 0 mm일 때, 반전력빔폭은 97°로 최대값을 갖지만 패턴편차 역시 높게 나타난다.
소자 간 이격거리가 0 mm일 때, 반전력빔폭은 97°로 최대값을 갖지만 패턴편차 역시 높게 나타난다. 하지만 소자 간 이격거리가 9 mm일 때, 능동소자의 패턴편차가 작으면서도 높은 반전력 빔폭을가져, 능동 소자 패턴의 왜곡이 최소화 된 방사패턴이므로 방향탐지 성능이 우수하게 도출될 수 있음을 확인할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	제안된 16 소자 배열안테나 설계로 무엇을 도출하였나?	본 논문에서는 간섭 신호원의 방향을 정확히 탐지 및 식별하기 위해 상호결합 및 패턴 왜곡 특성을 고려한 16 소자 배열안테나 설계를 제안한다. 제안된 배열안테나는 개별소자 간 이격거리에 따른 상호결합특성 및 능동소자패턴의 편차(pattern deviation), 반전력빔폭(half power beam width) 등을 고려하여 최적 방향탐지 성능을 갖도록 배열안테나의 개별소자 접지면간의 이격거리를 도출하였다. 개별소자는 마이크로스트립 패치안테나로 구성되며, 광대역 특성 및 안테나의 소형화를 위해 접지면과 연결된 방사체, L 모양의 간접 급전 급전부로 이루어져 있다.
	2.4 GHz 대역의 활용분야는?	2.4 GHz 대역은 블루투스, Wi-Fi, 이동통신 등 다양한 무선 응용분야에서 활용되고 있다[1]～[3]. 동일 주파수 대역을 갖는 다수의 응용분야가 제한된 공간의 시스템 및 실내 공간에서 사용될 경우 신호간섭으로 인한 성능 저하
	개별소자는 어떻게 구성되는가?	제안된 배열안테나는 개별소자 간 이격거리에 따른 상호결합특성 및 능동소자패턴의 편차(pattern deviation), 반전력빔폭(half power beam width) 등을 고려하여 최적 방향탐지 성능을 갖도록 배열안테나의 개별소자 접지면간의 이격거리를 도출하였다. 개별소자는 마이크로스트립 패치안테나로 구성되며, 광대역 특성 및 안테나의 소형화를 위해 접지면과 연결된 방사체, L 모양의 간접 급전 급전부로 이루어져 있다. 반사계수, 상호결합특성, 능동소자패턴, 2-D 방사패턴과 같은 안테나 성능을 정확하게 측정하기 위해 전파무반사실에서 측정하였으며, 추가적으로 제안된 배열안테나의 신호탐지 성능을 평가하기 위해 배열안테나의 빔조향 특성을 확인하였다.

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