핀 배열 안테나를 단위 안테나로 사용한 선형 위상 배열 안테나의 방사 특성

김태영(Tae-Young Kim),김군수(Gun-Su Kim),김부균(Boo-Gyoun Kim) 大韓電子工學會 2009 電子工學會論文誌-TC (Telecommunications) Vol.46 No.12

The radiation characteristics of a pin array patch antenna phased array are compared to those of a conventional patch antenna phased array. The performance of a pin array patch antenna phased array is much improved than that of a conventional patch antenna phased array because the mutual coupling between the adjacent pin array patch antennas is very small compared to that between the adjacent conventional patch antennas. The radiation characteristics of a pin array patch antenna phased array show the superior performance such as low variation of the gain of the main beam and the side lobe level for the variation of the direction of the main beam. 핀 배열 안테나를 이용한 선형 위상 배열 안테나의 방사 특성을 일반적인 패치안테나를 이용한 선형 위상 배열 안테나와 방사 특성을 비교하였다. 핀 배열 안테나를 이용한 위상 배열 안테나는 단위 안테나간의 상호결합이 작게 발생하기 때문에 일반적인 패치안테나를 이용한 위상 배열 안테나의 성능보다 향상되었다. 핀 배열 안테나를 이용한 선형 위상 배열 안테나는 주빔의 방향에 따른 이득과 side lobe level 의 변화가 적은 우수한 방사 특성을 가진다.

위상천이기 분해능에 따른 위상 배열 안테나의 최대 빔 조향 오차에 관한 연구

정진우,김영담,서종우 대한전자공학회 2020 전자공학회논문지 Vol.57 No.1

In a phased array antenna, the beam steering angle error is occurred by a quantization of a phase shifter. For analysis of the beam steering angle error, the simplified equations were induced and presented in the case of linear and plane phased array antenna. The presented equations were verified by comparing it with simulation based on array factor with quantized phase shifting values. Using the verified equations, we presented the indices related to beam steering angle error, resolution of phase shifter and configuration of array for design of phased array antenna. 디지털 위상천이기를 사용하는 위상배열안테나 시스템에 있어, 위상천이기의 분해능에 따른 양자화 위상천이 오차에 의해 빔 조향 오차가 발생한다. 양자화 위상천이 오차에 대응한 빔 조향 오차를 분석할 수 있는 간소화된 수식을 제시하였다. 제시된 수식은 선형 배열과 평면 배열안테나에 대하여 유도하였으며, 다양한 양자화 위상천이 오차를 갖는 위상배열안테나들의 모의실험을 통해 검증하였다. 그리고 검증된 수식을 이용하여, 위상천이기 분해능과 배열구성에 따른 빔 조향 오차를 참조할 수 있는 지표를 제시하였다.

위상 배열 안테나 교정을 위한 위상 오차 추정에 관한 연구

정현종,정진우,임영석 대한전자공학회 2020 전자공학회논문지 Vol.57 No.2

The phased array antenna system steers and forms beams using phase shift values ​​weighted to each of the arrayed radiating elements. In order to steer and form the accurate beam, each radiating element must be weighted with an accurate phase shift value. However, the phase error is generated by the transmission line and the active / passive elements configured for each radiating element. This phase error directly affects the performance of the phased array antenna. In this paper, a phase error estimation method of each radiating element is proposed. The proposed method can simplify the measurement procedure for radiation characteristics and it is verified through the problem of estimating arbitrary phase error combinations according to the number of antenna arrays. 위상 배열 안테나 시스템은 배열된 각 방사소자에 가중되는 위상천이 값을 이용하여 빔을 조향 및 형성한다. 정확한 빔을 조향 및 형성하기 위해서는 각 방사소자에 정확한 위상천이 값이 가중되어야 한다. 그러나 각 방사소자 별로 구성되는 전송선로 및 능동/수동 소자에 의해 위상 오차가 발생하게 된다. 이와 같은 위상 오차는 위상 배열안테나의 성능에 직접적인 영향을 준다. 본 논문에서는 이와 같은 위상 오차 값을 산출하기 위한 방법을 제안하였다. 제안된 방법은 방사특성 측정 절차를 간소화할 수 있으며, 방사소자 배열 수에 따라 임의의 위상 오차 조합을 추정하는 문제를 통해 검증하였다.

간결한 위상 변위 회로를 갖는 소형 광대역 위상 배열 안테나

한상민,권구형,김영식 한국전자파학회 2003 한국전자파학회논문지 Vol.14 No.10

본 논문에서는 IMT-2000 소형 기지국 시스템 응용을 위한 광대역 특성을 갖는 위상 배열 안테나 시스템의 평판형, 소형 구조를 설계 및 구현하였다. 저비용, 단순 설계의 빔 형성망을 구성하기 위해 두 가지 방법이 제안되었다. 첫번째로 연속적으로 위상을 조정할 수 있는 새로운 소형 광대역 위상 천이기를 병렬 결합선로를 이용하여 설계하였으며, 둘째로는 위상 배열 안테나에서 기준 위상을 갖는 위상 천이기를 대체할 수 있는 등가적인 위상 지연기를 제안하였다. 또한 광대역 시스템 구현을 위해 광대역 위상 천이기와 함께 광대역 특성을 갖는 와이드 슬랏 안테나를 단위 안테나로 설계하였다. 따라서 설계된 위상 배열 안테나 시스템은 낮은 복잡도와 적은 공정 비용에도 불구하고 소형, 광대역, 그리고 넓은 빔 틸팅 각도를 갖도록 설계되었다. 제작된 3${\times}$l 선형 위상 배열 안테나 시스템은 와이드 슬랏 안테나의 접지면으로 충분한 1.6 λ${\times}$ l.6 λ의 소형 구조로 구현되었으며, 실험 결과 IMT-2000 대역 내에서 15 dB 이하의 S$_{11}$을 보였고, E평면 방사 패턴에서 -29$^{\circ}$에서 +30$^{\circ}$의 빔 스캔 각도를 나타내었다.다. In this paper, the planar, compact, and broadband phased array antenna system for IMT-2000 applications has been investigated. Two methods far designing a low-cost and low-complex beam-farming network are proposed. First, a new compact and broadband phase shifter with continuously controlled phase bits is designed by using parallel coupled lines. Second, its equivalent phase delay line is suggested to be capable of replacing the complex phase shifter with a reference phase bit on a phased array antenna. For the purpose of achieving the broadband system, in addition to the broadband phase shifter, a wide-slot antenna with a ground reflector is utilized as an element antenna. Therefore, the phased array antenna system has achieved compact size, broad bandwidth, and wide steering angle, although it has low complexity and low fabrication cost. The 3${\times}$1 phased array antenna system has a compact size of 1.6 λ${\times}$ l.6 λ, which is the sufficient ground plane of the wide-slot antenna. Experimental results present that the S$\_$11/ has less than 15 dB within the band and its radiation patterns on an E-plane have the capability of steering an antenna beam from -29$^{\circ}$to +30$^{\circ}$.

고속 철도 환경에서의 디지털 역지향성 안테나 기술 성능 분석

복준영(Junyeong Bok),이승환(Seung Hwan Lee),신동진(Dong Jin Shin),유흥균(Heung-Gyoon Ryu) 한국전자파학회 2012 한국전자파학회논문지 Vol.23 No.11

고속 철도나 자동차와 같은 고속의 이동 환경에서 고속 데이터 전송을 위해서는 빠른 빔 추적 능력이 중요하다. 디지털 역지향성 안테나는 수신 신호의 방향에 대한 사전 정보 없이, 안테나 위상을 변화시킴으로써 신호를 수신된 방향으로 재전송을 할 수 있기 때문에 자동적으로 빔 추적이 가능하다. 또한, 디지털 역지향성 안테나는 아날로그 역지향성 안테나와 비교하여 수정과 업그레이드가 쉽다는 장점을 가진다. 본 논문에서는 AWGN과 다중 신호 환경에서 디지털 역지향성 안테나의 BER 성능을 분석하였다. 시뮬레이션 결과, 위상 검출기를 사용하여 역지향성 안테나의 정확한 위상 추적 및 위상 공액을 하는 것을 확인하였다. 두 번째 안테나의 위상 지연이 15° 발생할 경우에 위상 공액 기법을 사용하게 되면 사용하지 않았을 경우에 비해서 전력 효율이 1 dB 향상된다. 본 논문에서는 다중 신호가 존재할 경우에 역지향성 안테나에서의 성능을 논의하였다. 다중 신호나 간섭신호가 존재할 경우, 역지향성 안테나에서 직접파의 방향에 대해서 진폭 또는 위상 오차가 발생함을 확인할 수 있다. Fast tracking is important for high-speed data transmission in high-speed mobile environment such as high speed rail and vehicular. Digital retrodirective array antenna is possible to do automatically beam tracking because it can control the phase information of the output signal toward opposite direction to input signal without no a priori knowledge of the arrival direction. Also, Digital retrodirective array antennas has merit that it is easy to upgrade and modify compare with analogue retrodirective array antennas. In this paper, we analyze the BER performance of digital retrodirective array antenna under AWGN environment and multipath signal. Simulation results show correct phase estimation and conjugation of retrodirective array antenna by using phase detector block. Also, phase conjugation technique has better BER performance about 1 dB at source than that of without phase conjugation when phase lag is 15° in AWGN environment. This paper also discusses effect of the presence of multipath signal. Phase and amplitude error about direction of direct signal occurs when retrodirective array system is affected by interference and multipath signal in the presence of multipath signal.

연직바람관측장비를 위한 능동위상배열안테나 개발

강병주(Byung-Joo Kang),정우재(Woo-Jae Jung),이호선(Ho-Seon Lee),공동욱(Tong-Ook Kong),김재영(Jae-Young Kim),전정익(Jung-ik Chun),전종훈(Jong-Hoon Chun) 한국전자파학회 2020 한국전자파학회논문지 Vol.31 No.3

본 논문에서는 연직바람관측장비에 적용 가능한 64배열 능동위상배열안테나에 대한 연구 결과를 기술하였다. 주요 구성부인 위상배열안테나는 인접 안테나와 격리도를 개선한 Bended 다이폴 안테나의 형태이며, 시스템 파라미터 분석에 근거하여 64개의 단일 송수신 모듈을 설계하였다. 특히 단일 송수신 모듈은 위상 및 감쇄 제어 기능이 있어, 능동위상배열안테나의 핵심 역할을 한다. 이를 통해 개발된 64배열 능동위상배열안테나는 적합한 안테나 이득 및 빔폭 특성과 함께 전자적 제어에 의한 20° 빔 조향 각도에서 왜곡 없는 우수한 방사 특성을 확인하였다. 그러므로 본 논문에서 개발한 64배열 능동위상배열안테나는 연직바람관측장비 개발에 적용 가능함을 검증하였다. In this study, we demonstrate the results of a 64-array active phased antenna for radar wind profiler. The main part, the active phased array antenna, had the form of a bent dipole antenna with improved isolation from the adjacent antenna. Based on the system parameter analysis, 64 transmit/receive modules(TRMs) were designed. In particular, the TRMs have the function of phase/attenuation control, which plays a key role in the active phased array antenna. Measurement results of the 64-array active phased antenna, with a 20° beam steering angle with electronic control, showed the proper antenna gain, good beamwidth characteristics, and excellent radiation characteristics without distortion. These results indicate that the active phased array antenna can be applied to radar wind profilers.

선로결합에 의한 쌍방향 능동 위상차 배열 안테나의 동작특성 향상

최영규,김기래,Choi, Young-Kyu,Kim, Ki-Rae 한국정보통신학회 2008 한국정보통신학회논문지 Vol.12 No.3

쌍방향 선로결합형 위상차 배열 발진기 결합계를 구성하고, (1) 쌍방향 주파수제어 방식, (2) 단방향 주파수 제어방식, (3) 쌍방향 주입위상 제어방식 등 3가지 방식에 대하여 구동실험을 하였다. 시험 제작한 발진기에 구형 패치 안테나를 부착하여 2요소 능동안테나를 제작, 안테나 사이를 전송선로로 결합하여 어레이를 구성하고 결합 위상과 전송선로 길이와의 관계를 측정하였다. 전송선로로 결합된 능동 위상차 배열안테나의 주사각도에 따른 방사전력을 측정한 결과, (1)의 방식에서 빔의 방사방향은 약$-9.8^{\circ}$에서 $+9.8^{\circ}$까지 $19.6^{\circ}R, 위상차는 $-0.31{\pi}$에서 $-0.36{\pi}$까지 (2)의 방식에서 빔의 방사방향은 약 $-3.8^{\circ}$에서 $+17^{\circ}$까지 $20.8^{\circ}$, 위상차는 $-0.085{\pi}$에서 $-0.65{\pi}$까지, (3)의 방식에서 빔의 방사방향은 약 $-17^{\circ}$에서 $+16^{\circ}$까지 $33^{\circ}$, 위상차는 $-0.63{\pi}$에서 $-0.59{\pi}$까지 변하여 모두 위상차 배열동작이 가능함을 확인하였다. In order to increase the coupling efficiency of the power and phase of the active phase array antenna, we have fabricated the active phased-array antenna which is coupled by the transmission line, and investigated the relationship between the length of the coupling transmission line and coupling power and phase. The following three types of driving method - (1) giving the frequency difference between the two active antenna, (2) applying the input signal to the one side of the two antennas, and changing the eigen frequency of the other side antenna, (3) appling the different phase inputs to the active antennas was investigated. The experimental results showed that the interval of the antenna elements has not affected the power and the phase of the antenna.

능동위상배열안테나에서 부배열 구조에 의한 Grating Lobes 영향 최소화를 위한 송수신안테나 구조 설계

이석곤(Seok-Gon Lee),박대성(Dae-Sung Park),주영호(Yong-Ho Chu),조병래(Byung-Lae Cho),이정수(Jung-Soo Lee),이종민(Jong-Min Lee) 한국정보기술학회 2013 Proceedings of KIIT Conference Vol.2013 No.5

본 논문에서는 능동위상배열레이더에 있어서, DBF(Digital Beam Forming) 형성시 부배열 구조에 의해 발생되는 grating lobes 영향을 최소화하기 위한 송수신 배열안테나 구조 및 부배열구조에 대하여 설계하였다. 배열안테나는 각각 위상변위기와 감쇄기에 의해 제어되도록 설계하였고, 수신배열안테나는 비용절감을 위해 부배열 단위로 묶어 A/D컨버터를 통해 신호처리단으로 전달되도록 설계하였다. Grating lobes의 영향을 최소화하기 위한 송수신안테나 최적 구조를 제안하고, 수학적 모델링 및 Matlab 시뮬레이션을 통해 검증하였다. In this paper, we designed the structure of the Tx and Rx array antennas for reducing the grating lobes caused by the sub-array mechanism in active phase array antennas. Array antennas were individually controlled by the phase shifter and attenuator. The sub-array mechanism were applied to the receiving antennas for decreasing the system complexity, power consumption, weight, and cost. The optimal structure of the Tx and Rx array antennas for minimizing the grating lobes was suggested, and its effectiveness was verified by using the mathematical modeling and Matlab simulation.

Parameter Estimation for Multipath Error in GPS Dual Frequency Carrier Phase Measurements Using Unscented Kalman Filters

Eunsung Lee,Sebum Chun,Young Jae Lee,Teasam Kang,Gyu-In Jee,Jeongrae Kim 대한전기학회 2007 International Journal of Control, Automation, and Vol.5 No.4

This paper describes a multipath estimation method for Global Positioning System (GPS) dual frequency carrier phase measurements. Multipath is a major error source in high precision GPS applications, i.e., carrier phase measurements for precise positioning and attitude determinations. In order to estimate and remove multi path at carrier phase measurements, an array GPS antenna system has been used. The known geometry between the antennas is used to estimate multi path parameters. Dual frequency carrier phase measurements increase the redundancy of measurements, so it can reduce the number of antennas. The unscented Kalman filter (UKF) is recently applied to many areas to overcome some of the limitations of the extended Kalman filter (EKF) such as weakness to severe nonlinearity. This paper uses the UKF for estimating multi path parameters. A series of simulations were performed with GPS antenna arrays located on a straight line with one reflector. The geometry information of the antenna array reduces the number of estimated multipath parameters from four to three. Both the EKF and the UKF are used as estimation algorithms and the results of the EKF and the UKF are compared. When the initial parameters are far from true parameters, the UKF shows better performance than the EKF.

Ku 대역 선형 능동 위상 배열 안테나 시스템 설계 및 실험

류성욱,엄순영,윤재훈,전순익,김남,Ryu Sung-Wook,Eom Soon-Young,Yun Jae-Hoon,Jeon Soon-Ick,Kim Nam 한국전자파학회 2006 한국전자파학회논문지 Vol.17 No.7

In this paper, the linear active phased array antenna system operated in Ku DBS band was designed and experimented. The antenna system was composed of sixteen radiating active channels and Wilkinson power combiners with 16-channel inputs, a stabilizing DC bias and phase control board. Electrical beams of the antenna system can be formed by controling the phase-states of 3-bit digital phase shifter inside each active channel by virtue of the phase control board. The amplitude and phase deviations measured between active channels were less than ${\pm}0.8dB$ and ${\pm}15^{\circ}$, respectively, and the noise figure of each active channel was measured less than 1.2 dB in the operating band. The measured performances of the overall antenna system showed the antenna gain of more than 23.07 dBi and the sidelobe level of less than -11.17 dBc, and the bore-sight cross-polarization level of less than -12.75 dBc in the operating band. Also, by phase-controlling active channels, the beam scan patterns at $10^{\circ},\;20^{\circ},\;30^{\circ}$ were measured, and the losses caused by the corresponding beam scanning were 1.1 dB, 2.5 dB and 3.6 dB from the measurements, respectively. 본 논문은 Ku 위성 방송 대역에서 동작하는 선형 능동 위상 배열 안테나 시스템의 설계 및 실험에 관한 것으로, 안테나 시스템은 16개의 방사 능동 채널 및 16 채널 입력의 윌킨슨 전력 결합기 그리고 안정화 직류 전원 및 위상 제어 보드로 구성된다. 각 능동 채널 내에는 3-비트 디지털 위상 천이기가 존재하여 제어부로부터 위상을 제어 받아 전자적인 안테나 빔을 형성할 수 있다. 측정된 각 능동 채널간의 진폭 및 위상 편차는 각각 ${\pm}0.8dB$ 이하 및 ${\pm}15^{\circ}$ 이하였으며, 각 능동 채널의 잡음 지수는 동작 대역 내에서 1.2 dB 이하의 성능을 갖는다. 전체 안테나 시스템의 측정 성능은 동작 대역 내에서 23.07 dBi 이상의 안테나 이득과 - 11.17 dBc 이하의 사이드로브 레벨 그리고 정방향에서 -12.75 dBc 이하의 교차 편파 레벨을 보여 주었다. 또한, 능동 채널내 위상 제어를 통해 $10^{\circ},\;20^{\circ},\;30^{\circ}$의 빔 스캔 방사 패턴이 측정되었으며, 이때, 각각 1.1 dB, 2.5 dB, 3.6 dB의 빔 스캔 손실 성능을 보여 주었다.