배열 안테나 TRM 오류보상 알고리즘과 디지털 빔 포밍 시스템 설계

Abstract

디지털 빔 포밍(Digital Beam Forming) 안테나 시스템은 직접 안테나를 회전 및 조향하여 안테나 빔의 방향을 조정하는 기존의 기계적인 구동 방식에서 벗어나, 전자적으로 원하는 빔의 형상을 합성하거나 빔을 조향하여 탐지나 추적 및 통신을 가능하게 하는 시스템이다. 해당 배열 안테나 시스템은 각기 목적을 수행하기 위해 오랜 기간 외부에 노출된 상태로 항시 운용 중에 있기 때문에 (집적회로 및 반도체나 RF 전송선로, 공진기, 방향성 결합기 등 고상소자(solid state device)의 성능 저하 및 변형이나, 외부 전원을 필요로 하는 능동 소자(active device)의 특성변화 등의 요인으로 인하여 시스템 전체의 성능 악화를 가져옴이 필연적이다. 이렇게 TRM 오류가 발생했을 시 비용 및 시간 절약 측면에서 즉각적인 수리 및 교체보다는, 빔 포밍 배열 안테나에서 오류 난 TRM을 제외한 나머지 배열 요소들을 이용해 크기와 위상의 분포를 재계산하여 방사 빔을 재합성하는 것이 유리할 것이다. 따라서 원래의 최적화된 빔 패턴에 최대한 가깝게 빔 패턴을 재합성하여 안테나 시스템이 최대한 제 성능을 발휘 할 수 있도록 하는 기술이 필수적이다. 본 논문은 기존의 논문에서 구현하지 않았던 조금 더 실제적인 상황에 적합한 사양들로 알고리즘을 구현하였다. 6비트로 각각 양자화된 크기와 위상의 분포를 갖는 일반적인 빔 패턴을 가정하고 임의의 TRM이 오류가 난 상황에서 제안하는 빔 패턴 마스크 기반의 유전자 알고리즘을 이용하여 부엽의 증가 등으로 왜곡된 빔 패턴을 본래의 빔의 형상으로 재합성하는 방법을 제안한다. 빔 패턴 재합성 기술을 사용하여 추출해낸 각 배열안테나의 입력 신호 크기와 위상 값들을 이용하여, 실제로 디지털 빔 포밍 시스템을 제작하여 최적 빔 패턴을 구현한다. 구현한 디지털 빔 포밍 시스템은 배열안테나단, 디지털 빔 포밍 모듈단, 배열 전력 분배기단으로 크게 세부분으로 분류하여 제작하였고 최종 빔 패턴을 실제로 측정하여 제안한 TRM 오류 보상 알고리즘을 이용한 빔 패턴 재합성기술의 타당성을 검증한다.