A Study and Design of Beam Scanning Array Antenna using IR-UWB

논문 2014-51-3-21

IR-UWB를 이용한 빔 스캐닝 배열 안테나 설계 및 연구

( A Study and Design of Beam Scanning Array Antenna using IR-UWB )

김 근 용^*, 강 은 균^**, 김 진 우^***, 나 극 환^*

^*

( Keun-Yong Kim, Eun-Kyun Kang ^ⓒ , Jin-Woo Kim, and Keuk-Whan Ra )

요 약

본 논문에서는 TRM(Transmitter-Receiver Module)을 사용하여 각 안테나에 펄스의 위상을 조정함으로써 빔 패턴 각도를 조정하여 다중 경로 환경에서의 성능저하를 향상시킬 수 있다. 다중 경로 환경에서 성능저하를 향상시키는 임펄스 신호를 왜 곡 없이 송·수신하는 빔 스캐닝 시스템(Beam Scanning System)을 설계 및 제작 하였다. 빔 스캐닝 시스템은 안테나 종단 부 분에서 신호가 왜곡 없이 송·수신이 가능하여 하며 타 시스템에 영향을 미치지 않아야 한다. 또한 빔 조향을 통하여 표적에 대한 감지 능력도 있어야 한다. 설계한 빔 스캐닝 안테나의 분산특성은 충실도(Fidelity)를 사용하여 분석을 하고 조향과 레이 더 해상도(Radar Resolution) 성능은 1 cm × 1cm 표적의 크기를 사용하여 그 성능을 확인한다. 빔 스캐닝 배열 안테나를 제 작하기 위해 IR-UWB(Impulse Radio)용 비발디 안테나(Vivaldi Antenna), 삼중대역 윌킨슨 전력 분배기(Tri-Band Wilkinson power divider), TRM(Transmitter-Receiver Module), 송·수신 모듈(TRM)을 컨트롤 할 수 있는 컨트롤 보드 및 GUI 설계를 하였다. 본 연구를 통해 개발된 UWB　빔 스캐닝 시스템은 빔 패턴 각도를 조정하여 다중 경로 환경에서의 성능저하를 향상 시킬 수 있으며, 네트워크 분석기를 이용한 시간영역 분석기술은 안테나 설계 시 안테나의 특성을 정확히 분석을 할 수 있고 손쉽게 빔 폭을 확인 할 수가 있다. 설계한 빔 스캐닝 시스템은 레이더 응용 분야인 지표투과 레이더, 벽 투과 레이더, 의료영 상 레이더, 탐색 및 구조 레이더, 비파괴 탐상 레이더 및 무선통신 시스템에 사용 적용이 가능하다.

Abstract

This paper is able to be solved by improving degradation in multi-path environment by adjust beam pattern angle through modifying pulse phase of each antennas by using TRM (Transmitter Receiver Module). Beam Scanning Array Antenna, which is transmitter/receiver that improves degradation in multi-path environment without any signal distortion, is designed and manufactured. Beam Scanning Array Antenna should be able to send/receive signal at the antenna’s longitudinal part without distortion and should not influences other systems. Also, it should include target detecting ability by beam steering.Dispersion characteristic of Beam Scanning Antenna, which is designed, is analysed by using fidelity, and steering and radar resolution performance is verified by using 1 cm × 1 cm sized target. To manufacture Beam Scanning Array Antenna, control board and GUI, which is able to control Vivaldi Antenna for IR-UWB, Tri-Band Wilkinson power divider, and TRM (Transmitter Receiver Module), is designed. Throughout this research, developed Beam Scanning UWB Array Antenna system is adoptable for radar application field. and time domain analysis techniques by using network analyser made the antenna characteristics analysis for setting up antenna more accurate. In addition, it makes beam width checking without difficulties.

Keywords

UWB, Vivaldi Antenna, Wilkinson power divider, Array antenna, Transmitter Receiver Module

*

정회원, 광운대학교 전자공학과

(Deparment of Electronic Engineering, Kwangwoon University)

**

정회원, 주식회사 코렙 (KoR Lab. Co., Ltd.)

***

정회원, 동양미래대학

(DONGYANG MIRAE University)

ⓒ Corresponding Author(E-mail: [email protected])

접수일자: 2013년11월11일, 수정완료일: 2014년2월28일

Ⅰ. 서 론

UWB(Ultra-Wide Band)레이더는 대역폭이 500MHz 이상이거나 비 대역폭(fractional band-width)이 0.2 이 상의 대역폭을 가진 짧은 펄스 신호를 사용하기 때문에 높은 공간 해상도의 성능을 가지고 있어, 자동차 충돌 방지 시스템 및 테러에 대한 벽 투과 레이더 등으로 많은 연구를 하고 있다. UWB 레이더는 방향 탐색을 위한 모노 펄스 수신 방법은 레이더 시스템에서 주로 사용되어 왔다. 그러나 이 방법은 다중경로 환경에서 거짓 표적을 탐지 가능성이 있다는 점에서 문제점이 있

다.

^[1～2]

테나에 펄스의 위상을 조정함으로 빔 패턴 각도를 조정 하여 다중경로 환경에서의 성능저하를 향상시킬 수 있 다. 기존의 논문은 광대역 빔 스캐닝 안테나의 구현 및 방사패턴 분석만 하였다.

본 논문에서는 빔 스캐닝 배열 안테나를 설계를 하여 여러 가지 표적의 크기로 그 성능을 확인하고자 한다.

빔 스캐닝 배열 안테나를 제작하기 위해 IR-UWB용 비발디 안테나(Vivaldi Antenna), UWB용 윌킨슨 전력 분배기(Wilkinson power divider), TRM (Transmitter Receiver Module), TRM을 컨트롤 할 수 있는 컨트롤 보드를 설계를 하였다. 비발디 안테나 설계 및 윌킨슨 전력 분배기는 Ansoft사의 HFSS를 이용하여 설계를 하 였고, 안테나 제작을 위해 

_



_

제안한 빔 스캐닝 안테나는 1X4 구조로써 안테나의 배열 의 개수가 늘어나면 좁은 빔 폭을 가지게 되는데 빔 스캐 닝의 성능을 확인하기 위하여 1X4 배열 구조로 선정하여 실험을 하였다. 비발디 안테나는 3.1 GHz～10.6 GHz까지 VSWR≤2을 만족한 안테나를 사용하였고 1X4 배열 구조 를 실현하기 위하여　UWB Wilkinson Power Divider를 제작하였다. 또한 위상 배열을 하기위해 TRM에 위상 천 위기(Phase Shifter)와 감쇄기(Attenuator)를 적용하였다.

제작된 빔 스캐닝 배열 안테나는 국립전파연구원 전자 파측정 센터에서 방사패턴 특성을 측정 하여 성능을 확인 을 하였고, 빔 스캐닝 실험은 Network Analyzer를 사용 하였고 송신부는 비발디 안테나를 수신부는 빔 스캐닝 안 테나를 설치하여 표적을 1 m 위치에서 금속판을 1 cm,

2.5 cm, 5 cm, 10 cm의 크기를 선정하여 빔 스캐닝 배열 안테나의 성능을 검증하였다.

Ⅱ. 빔 스캐닝 배열 안테나 설계

빔 스캐닝 배열 안테나는 다중경로 환경에서 잘못된 정보 탐지 가능성의 문제점을 개선을 할 수가 있다. 이 러한 설계하고자 하는 빔 스캐닝 배열 안테나의 구조는 안테나와 전력 분배기, 그리고 TRM으로 구성이 되어 있다. 각각의 TRM에 다른 위상을 부여함으로 빔 패턴 의 각도를 조향하여 보다 정확한 정보를 취할 수 있다.

1. Tri-band 윌킨슨 파워 디바이더

배열 안테나를 설계하기 위해서는 마이크로 스트립 라인 구조인 파워 디바이더가 필요로 하다. 기존의 윌 킨슨 파워 디바이더(Wilkinson Power Divider)는 협대 역에서 사용가능 하지만 본 논문에서는 적합하지가 않 다. UWB는 3.1 GHz～10.6 GHz 대역을 이용하기 때문 에 그림 1와 같은 Tri-Band 윌킨슨 파워 디바이더 (Tri-Band Wilkinson Power Divider)를 선정하였다.

Tri-Band 윌킨슨 파워 디바이더는 Three-section Transmission-line Transformer를 사용하여 설계를 하 기 때문에 광대역 대역폭을 얻을 수 가 있다. 윌킨슨 파 워 디바이더 구조는 첫 번째 부분인 L1=7.5 mm

그림 1. Tri-band 윌킨슨 파워디바이더 설계

Fig. 1. Disign of the Tri-band Wilkinson power divider.

그림 2. 제작된 Tri-band 윌킨슨 파워디바이더 사진 Fig. 2. Photo of a fabricated Tri-band 4-Way Wilkinson

power divider.

W1=0.6 mm R1=100  , 두 번째 부부인 L2=7.4 mm, W2=0.9 mm, R2=200  , 세 번째 부분인 L3=7.4 mm, W3=0.9 mm, R3=200  으로 설계 및 제작하였다. 제 작한 Tri-Band 윌킨슨 파워 디바이더의 특성은 그림 2 에 나타내었고, VSWR≤2 미만을 삽입 손실은 대략 6 dB를 만족함을 확인 할 수가 있다.

2. 비발디 배열 안테나

Tri-band 윌킨슨 파워 디바이더를 사용하여 4X4 배 열인 비발디 배열 안테나를 설계하였다.

고성능 UWB 4 X 4 배열안테나의 세로간격은 표 1 에서 좁은 빔 폭을 가지면서 그래팅 로브 레벨이 낮은





=25 mm인 정사각형 격자구조로 설계하였다.

^{[4～5, 11]}

그림 3, 그림 4와 같이 고밀도 1 X 4 배열안테나를 출력단자간격



그림 3. UWB 4 X 4 배열안테나 설계

Fig. 3. Designed of a UWB 4 X 4 array antenna.

그림 4. UWB 4 X 4 배열안테나 제작 Fig. 4. Fabricated of a UWB array antenna.

Freq. @ E-Plane @ H-Plane

3 GHz

6 GHz

9 GHz

11 GHz

표 1. UWB 4×4 배열안테나 방사패턴 (실선: 측정, 점선: 시뮬레이션)

Table 1. Radiation patterns of UWB 4×4 array antenna.

(solid: measured, dotted: simulation).

Freq.

3 GHz

6 GHz

표 2. UWB 4×4 배열안테나의 E-평면 주 편파와 교 차편파 (실선: 주 편파, 점선: 교차편파)

Table 2. Co-polarization v.s cross-polarization of UWB 4 X 4 array antenna in E-plane.

(solid : co-polarization, dotted : cross-polarization)

Freq.

9 GHz

11 GHz

이용하여 고밀도 UWB 4 X 4 배열안테나를 제작 및 설계하였다.

표 1은 주파수영역에서 측정한 고밀도 UWB 4 X 4 배열안테나 방사패턴이다. 표 1은 E-평면과 H-평면 방 사패턴을 HFSS 시뮬레이션과 비교한 것으로, 전 주파 수대역에서 주 빔은 시뮬레이션과 비슷하며, 후방 로브 는 2～3 dB 높고 다소 퍼져있으나 전반적으로 그래팅 로브 발생이 없는 안정적인 결과를 얻었다. 표 2는 주 편파와 교차편파 측정결과로 6 GHz 이하에서는 20 dB 이하의 양호한 결과를 얻을 수 있었으나 주파수가 증가 함에 따라 10 dB 이내로 다소 열화 되었지만 전반적으 로 편파 영향은 미미하였다.

^[6]

3. 송수신 모듈

UWB 빔 스캐닝 안테나 시스템은 다수의 안테나 소 자를 일정간격으로 배열하여 사용하며, 이들 안테나 소 자는 광대역 송·수신 모듈에 의해 여기 된다. 광대역 송·수신 모듈은 UWB 빔 스캐닝 안테나 시스템의 빔 스캐닝 성능을 결정하는 주요 회로로, 주요기능은 방사 되는 송신신호 전력증폭과 표적에서 반사되어 수신된 신호의 저 잡음 증폭 및 전자적인 빔 스캐닝을 위해 송·수신신호의 진폭과 위상을 제어한다.[8～9]

그림 5는 광대역 송·수신 모듈 구성도로, 송·수신신 호를 동시에 제어하기 위한 공통경로(common path)와 송신경로(Tx Path) 신호증폭을 위한 구동증폭기

Parameters Specifications Tx Path Rx Path Operating Frequency 3.0 GHz～6 GHz

Gain

≥

bit

Phase

Shifter 6 bits Attenuator 6 bits Switch 2 bits Phase Adjustment

Range

0～360



=5.625



Adjustment Range

0～31.5 dB/step

=0.5 dB Driving Voltage 12 V Dissipation current 0.5 A [max.]

표 3. 광대역 송·수신 모듈 규격

Table 2. Specifications of wideband Transmitter-Receiver Module.

그림 5. 광대역 송·수신 모듈 구성도

Fig. 5. Block diagram of wideband Transmitter- Receiver Module.

(D-Amp : Driver Amplifier)와 전력증폭기(PA : Power Amplifier) 그리고 수신경로(Rx Path) 신호증폭 을 위한 저잡음 증폭기(LNA : Low Noise Amplifier), 이들을 하나의 배열소자에 연결할 경우 송·수신신호 간 섭을 최소화하기 위한 써큘레이터 등으로 구성된다. 송·

수신경로를 공유하는 디지털 위상 천위기(Phase Shifter)와 디지털 감쇠기는 각각 빔 성형(shaping)과 빔 스캐닝을 수행하며, 송·수신경로 절체는 SPDT (Single Pole Double Through) 스위치를 이용하여 수행 된다. 이들 송·수신경로를 구성하는 디지털 위상 천위 기(Phase Shifter)와 디지털 감쇠기 및 SPDT 스위치는

컴퓨터와 연결된 마스터 보드와 광대역 트랜시버 모듈 을 구성하는 슬레이브 보드에 의해 제어된다.

4. 컨트롤 보드

배열안테나 시스템의 빔 스캔을 위해 광대역 트랜시 버 모듈은 특정 위상값과 감쇠값으로 설정되어야 하며, 송

∙

그림 6. 선형 UWB 빔 스캐닝 안테나 시스템 구성도 Fig. 6. Configuration of linear UWB Beam Scanning

Antenna System.

그림 7. 컨트롤 보드 회로도 Fig. 7. Schematics of master board.

한다. 송신경로로 절체된 경우, 수신경로는 차단되어야 하며, 수신경로로 절체된 경우 송신경로는 차단되어야 한다. 배열안테나 시스템의 위상과 감쇠 및 송

∙

마스터 보드는 1 × 4 배열로 구성된 서브 어레이 4 개를 독립적으로 제어하도록 구성하였다. 1 × 4 배열의 서브 어레이는 4 개의 동일한 광대역 트랜시버 모듈로 구성되며, 광대역 트랜시버 모듈은 RF 보드와 슬레이브 보드로 구성된다. 광대역 트랜시버 모듈의 슬레이브 보 드에서 RF 보드에 제어신호를 직접 인가하도록 하나의 기구에 안착시켜 구성하였다. 마스터 보드는 각각의 1

× 4 배열의 서브 어레이를 원격제어하기 위해 컴퓨터와 연동하여 사용하도록 구성하였으며, 운용자 접근을 용 이하게 하기 위해 GUI(Graphic User Interface) 프로그 램을 통해서 운용자가 직접 위상과 감쇠 및 경로 절체 를 제어할 수 있도록 하였다.

Ⅲ. 실험 및 분석

빔 스캐닝 배열 안테나의 성능 검증은 주파수 영역에 서만 측정을 하였다. 그러나 그림 8은 네트워크 분석기 와 CZT 알고리즘을 사용하여 시간 영역의 분석

^[3][10]

그림 8. UWB 빔 스캐닝 안테나 시스템 실험 구성도 Fig. 8. Configuration of UWB Beam Scanning Antenna

System Experiments.

고, 수신부는 빔 스캐닝 안테나를 사용하여 레이더 실 험을 하였다. 표적의 크기는 1 cm X 1 cm 크기의 함석 판 조각을 1m X 1m 크기의 나무판에 붙여서 표적의 탐지능력을 확인하고자 하였다. 표 4는 4GHz, 5GHz 및 6GHz의 세 주파수에서 빔 스캔 성능 시험결과를 도시

그림 9. UWB 빔 스캐닝 안테나 시스템 제작사진 Fig. 9. Photo of fabricated UWB beam scanning

antenna system.

그림 10. UWB 빔 스캐닝 안테나 시스템 실험 #1 Fig. 10. UWB Beam Scanning Antenna Experiments #1.

그림 11. UWB 빔 스캐닝 안테나 시스템 실험 #2 Fig. 11. UWB Beam Scanning Antenna Experiments #2.

한 것으로, 다소 차이는 있으나 중심주파수 4 GHz에서 빔 스캔 정확도가 가장 양호하였으며 주파수 증가에 따

Freq. Radiation pattern with beam scanning

4 GHz

5 GHz

6 GHz

R e m a k r s

표 4. UWB 빔 스캐닝 안테나 시스템 주파수 별 빔 스캔 성능 시험결과

Table 4. Test results of beam scanning UWB array antenna system beam scan capabilities at each frequency.

라 정확도가 다소 떨어졌다. 이러한 이유는 빔 스캔을 위한 위상 천위기의 위상 설정 값을 단 하나의 주파수(5 GHz)에서 계산하였고, 빔 스캔이 진행되면서 인접 배 열 소자간에 전자기 결합이 열화 되면서 나타나는 현상 으로 판단된다. 따라서 주파수를 보다 세분화하여 반복 적인 빔 스캔 시험을 통해 다양한 경우의 빔 스캔 각을 데이터베이스 한 후 자동제어 시스템을 구현하여 빔 스 캔을 한다면 본 논문에서 얻은 실험보다 양호한 결과를 얻을 수 있을 것으로 판단된다. 그림 10과 그림 11은 빔 스캐닝 안테나를 사용한 영상이다. 그림 10의 표적은 나무판자 가운데 표적을 붙여서 탐지한 영상이고 그림 11은 나무판자 양쪽 모서리에 붙여서 탐지한 영상이다.

Ⅳ. 결 론

본 논문에서는 UWB 대역을 위한 UWB 빔 스캐닝 안테나 시스템 설계 및 제작과 시간 영역에서의 분석을 연구하였다. 설계한 UWB 빔 스캐닝 안테나 시스템은 국립전파 연구원 전자파측정 센터 있는 무반사실에서 광대역 트랜시버 모듈 제어를 통해 빔 스캐닝 성능을 확인하기 위해 주파수 영역 분석인 방사패턴 및 반사손 실을 측정하였다. 측정된 방사패턴 분석결과 빔 스캐닝 UWB 배열안테나 시스템은 4 GHz～6GHz 대역에서 원 하는 방향으로 빔을 -40





본 논문을 통해 개발된 UWB 빔 스캐닝 안테나 시스 템은 다중대역 통합을 추진하고 있는 레이더와 무선통 신 시스템뿐만 아니라, 지표투과 레이더, 벽 투과 레이 더, 의료영상 레이더 등과 같은 UWB 이미징 레이더와 시간영역 통신시스템에 적용이 가능하며, 네트워크 분 석기를 이용한 시간영역 분석기술은 Chirp



석기술은 UWB 안테나 분산을 특성화하기 위해 사용할 수 있으며, 동일한 안테나 쌍으로 구성된 무선링크를 특성화함으로서, 비대칭 안테나 링크 특성을 예측하기 위해 이용할 수 있다.

REFERENCES

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저 자 소 개 김 근 용(정회원)

2008년 2월 경동대학교 멀티미디 어통신과 (공학사)

2010년 2월 광운대학교 전자공학과(공학석사) 2012년 2월～현재 광운대학교

전자공학과 박사과정

<주관심분야 : UWB Antenna, UWB Radar, DSP EMI/EMC>

나 극 환(정회원)

1981년 7월 프랑스 ENSEEIHT 국립종합과학대학 (공학박사) 1981년 9월～1986년 12월 광운대학교 전자공학과 부교수

1987년 1월～1988년 1월 미국 COMSAT 연구소 객원연구원

1988년 2월～현재 광운대학교 전자공학과 교수

<주관심분야 : RF 및 마이크로파 통신시스템, 밀 리미터파 통신 시스템, 수치 해석

강 은 균(정회원)

1998년 광운대학교 전자공학과 (공학석사).

2013년 광운대학교 전자공학과 (공학박사)

2011년 9월～2013년 8월 유한대학교 전자정보과

강의전담 교수 2013년 9월～현재 주식회사 코랩 이사

<주관심분야 : 임베디드 시스템, 초고주파 통신, 신호처리>

김 진 우(정회원)

1993년 광운대학교 전자공학과 (공학석사).

2001년 광운대학교 전자공학과 (박사수료)

2011년 9월～현재 우성시스템 (주) 책임연구원 2013년 9월～현재 동양미래대학 전기전자통신공학부 겸임교수

<주관심분야 : 통신, 반도체, 마이크로파 통신시 스템>

Electronics Engineers of Korea Vol. 49, NO. 10, pp.454-465, October 2012.

[11] Jong-Min, Kim, Eun-Kyun, Kang, “A study on the UWB Antenna Design Techniques for Improving Pulse Fidelity”, Journal of The Institute of Electronics Engineers of Korea Vol.

50, NO. 8, pp.299-307, August 2013.