시간 지연을 통한 능동위상배열 안테나 빔 조향 기능 검증

Ⅰ. 서 론

개별 복사소자의 위상을 조정함으로써 전기적으로 빔 조향이 가능한 능동위상배열 안테나는 넓은 영역을 빠르게 탐지할 수 있어 다양한 응용 분야에서 널리 사용되고 있다^[1]. 이와 같은 능동위상배열 안테나를 포함한 레이다 시스템에서 빔 조향 기술은 목표물의 정밀한 탐지를 위해 매우 중요하다. 일반적으로 사용되는 빔 조향 방식은 위상 변위 방식으로, 각 채널에 위상 변위기(phase shifter)를 적용하여 위상값을 조절함으로써 전파를 원하는 방향으로 방사하도록 한다. 최근에는 광대역 레이다 시스템의 연구가 활발해지면서 시간 지연(TTD, true time delay)을 기반으로 한 빔 조향 방식이 주목받고 있다^[2],[3]. 시간 지연 기반 빔 조향은 각 소자에 전달되는 신호의 시간을 조절하여 파면의 기울기를 제어함으로써 빔 조향을 하는 방식이다.

본 논문에서는 단일 주파수 환경에서 위상 변위 기능 없이 시간 지연만을 통해 빔 조향이 실제로 가능한지 실제 능동위상배열 안테나 시스템 제작 및 근접전계 시험을 통해 직접 검증하고자 한다. Ⅱ장에서는 위상 변위 및 시간 지연에 따라 적용되는 빔 조향 가중치를 기술하고 MATLAB 기반 수학적 계산을 통해 얻은 빔 패턴 결과를 비교한다. Ⅲ장에서는 실제 제작된 능동위상배열 안테나 시스템의 송신 근접전계 시험을 통해 위상 변위 및 시간 지연 방식 각각의 빔 패턴 결과를 비교하여 시간 지연 기반 빔 조향 방식을 검증하고 Ⅳ장에서는 결론으로 마무리한다.

Ⅱ. 위상 변위 및 시간 지연을 통한 빔 조향

2-1 위상 변위 및 시간 지연에 따른 빔 조향 방식

간격 d로 균일하게 배열된 능동위상배열 안테나 시스템에서 θ방향으로 빔 조향을 하고자 할 때, 그림 1과 같이 각 소자에 위상차 Δϕ를 인가하여 소자 간에 전파 경로 차이를 발생시킨다.

$$\Delta \varphi =\frac{2\pi d\sin \theta }{\lambda }=\frac{2\pi fd\sin \theta }{c}$$

(1)

그림 1. | Fig. 1. d 간격을 가진 1D 배열 안테나 형상 | Configuration of 1D antenna placing of each other.

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위상차 Δϕ는 식 (1)과 같이 주파수(f)에 대한 수식으로 표현할 수 있다.

$$\Delta \varphi =2\pi f\Delta t$$

(2)

$$\Delta t=\frac{dsin\theta }{c}$$

(3)

시간과 위상의 관계는 식 (2)와 같고, 따라서 시간차 Δt는 식 (3)과 같이 나타낼 수 있다^[2],[4],[5].

시간 지연을 통한 빔 조향 방식에서는 각 소자마다 식 (3)과 같이 시간차 Δt를 적용하여 신호 도달 시간을 조절함으로써 파면의 기울기를 제어하여 원하는 방향으로 조향할 수 있게끔 한다.

2-2 MATLAB 시뮬레이션 결과

앞서 제시한 수식을 기반으로 MATLAB을 활용하여 위상 변위 및 시간 지연에 따른 안테나 빔 패턴을 각각 계산하였다. 방위각 및 고각 방향으로 0°부터 30°까지 10° 간격으로 조향하기 위한 위상 변위값과 시간 지연값을 계산한 후, 각 소자에 적용하여 중심 주파수에서의 빔 패턴을 도출하였다. 그림 2는 위상 변위값을 적용하여 계산한 빔 패턴과 시간 지연값을 적용한 방위각/고각 빔 패턴 결과를 비교한 그래프이다.

그림 2. | Fig. 2. 위상 변위/시간 지연을 통한 빔 조향 방위각/고각 패턴 비교 | Simulation antenna azimuth beam pattern of 8×8 array antenna using phase shifting.

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MATLAB 기반 시뮬레이션 결과, 시간 지연 방식의 빔 패턴이 위상 변위 방식의 빔 패턴과 동일한 방향으로 조향이 되었으며, 원하는 방향으로 빔 조향이 잘되었음을 확인할 수 있다.

Ⅲ. 능동위상배열 안테나 송신 근접전계 시험 측정 결과

본 논문에서 사용된 8×8 능동위상배열 안테나는 표 1에 제시된 주파수 대역 및 배열 구조를 기반으로 설계 및 제작되었다. 빔 조향 범위는 off-axis 기준 ±45°이며, 송신 시에는 모든 채널에 동일한 세기의 신호가 인가되도록 uniform 가중치를 적용하였다. 안테나는 그림 3과 같이 삼각 배열 구조를 적용하여 빔 조향 범위를 넓히고 조향 범위 내 그레이팅 로브의 발생을 방지하도록 설계되었다^[6].

그림 3. | Fig. 3. 설계/제작된 8×8 능동위상배열 안테나 배열 구조 | Array configuration of the 8×8 active phased array antenna.

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제작된 능동위상배열 안테나는 송수신 모듈과 통합한 후 무반향 챔버 내에 설치하여 송신 근접전계 시험을 수행하였다. 시험 시에는 그림 4와 같이 안테나조립체 하우징과 근접전계 시험치구에 의한 전파 반사나 산란으로 인한 측정 정확도 저하를 방지하고자 흡수체를 부착하였다.

그림 4. | Fig. 4. 안테나부 근접전계 시험 구성 | Set-up configuration of near-field test.

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제작된 송수신 모듈은 위상 변위와 시간 지연 방식 모두에 기반한 빔 조향이 가능하도록 구현되었으며, 선택된 방식에 따라 각 채널들의 위상값을 제어한다. 본 시험에서는 중심 주파수 기준의 위상 변위값 및 시간 지연값을 계산하여 이를 모든 채널에 적용한 뒤 방사시킨다. 이후 동일한 중심 주파수 기준으로 신호를 수신하고 근접전계 데이터를 획득한 뒤, 푸리에 변환식을 통해 원전계 패턴으로 변환하여 빔 지향 정확도를 확인하였다^[7]. 조향 범위 내 θ/ϕ=45°/0°, θ/ϕ=20°/45°, θ/ϕ=45°/45°, θ/ϕ=45°/90° 총 4개의 방향에 대한 빔 조향을 수행하였다.

그림 5는 보어사이트에서의 근접전계 결과이고, 그림 6은 보어사이트의 근접전계 데이터를 백프로젝션 기법을 적용하여 계산된 안테나 개구면에서의 크기/위상 분포를 플랏한 그림이다^[8],[9]. 해당 그림을 통해 안테나 개구면에서의 크기/위상 정렬 상태가 모두 양호함을 확인할 수 있다.

그림 5. | Fig. 5. 근접전계 측정 결과(크기/위상) (@ 보어사이트) | Near-field measurement results (@ Boresight).

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그림 6. | Fig. 6. 백프로젝션을 통한 안테나 개구면에서의 크기/위상 분포 (@ 보어사이트) | Magnitude/Phase distribution on the antenna aperture by back-projection (@ Boresight).

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그림 7은 위상 변위를 적용한 2D/방위각/고각 안테나 빔 조향 패턴, 그림 8은 시간 지연값을 적용한 방위각/고각 안테나 빔 조향 패턴 결과를 나타낸다. 표 2는 각 조향 방향에서의 빔 지향 각도 값을 나타내었으며, 모든 경우에서 1° 미만의 오차 범위 내에서 빔이 정확하게 조향되었음을 확인할 수 있었다.

그림 7. | Fig. 7. 위상 변위를 통해 조향한 안테나 빔 패턴 | Measured antenna beam pattern of array antenna by phase shifting.

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그림 8. | Fig. 8. 시간 지연을 통해 조향한 안테나 빔 패턴 | Measured antenna beam pattern of array antenna by time delay.

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Ⅳ. 결 론

본 논문에서는 제작된 8×8 능동위상배열 안테나 시스템의 송신 근접전계 측정을 통해 시간 지연 기반의 빔 조향 방식을 검증하였다. MATLAB을 통해 중심 주파수에서 각 채널에 적용할 시간 지연값을 계산하고 이를 적용한 결과, 빔이 목표 방향으로 정확히 조향됨을 확인하였다. 또한, 위상 변위 및 시간 지연 방식 모두 적용 가능한 8×8 능동위상배열 안테나 시스템을 제작하여 각각의 방식에 대해 송신 근접전계 시험을 수행한 결과, 두 방식 모두에서 정확한 빔 조향이 이루어졌음을 확인하였다. 이를 통해 시간 지연 기반 빔 조향 방식이 빔 조향 수단으로서 충분히 작동할 수 있음을 실제 시스템 수준에서 검증할 수 있었다.

기존 협대역 레이다 시스템에서 널리 사용되던 위상 변위 기반의 빔 조향 방식은 광대역 환경에서 빔 지향 오차가 발생하는 한계를 지닌다. 반면 시간 지연 기반의 빔 조향 방식은 주파수에 의존적이지 않기 때문에, 광대역 환경에서도 빔 지향 오차 발생을 방지할 수 있다는 장점을 가진다. 최근 고속 신호 처리 및 거리 해상도 향상을 위한 광대역 레이다 시스템의 개발이 활발히 진행되면서 주파수 독립적인 빔 조향 기술의 필요성이 증가하고 있다. 따라서 시간 지연 기반 빔 조향 기술은 주파수 관계없이 정밀한 위상 제어가 가능하다는 점에서 추가 연구를 통해 광대역 환경에서의 빔 조향 성능도 검증할 수 있을 것으로 판단되며, 향후 더 정밀하고 신뢰도 높은 목표 탐지를 위한 핵심 기술로 자리 잡을 것으로 기대된다.