Development of Planar Active Phased Array Antenna for Detecting and Tracking Radar

화포탐지 레이다용 C-대역 평면형 능동위상배열 안테나 개발

Abstract

This paper describes the development and measurement results of C-band planar active phase array antenna for detecting and tracking radar(weapon-locating radar). The antenna is designed with 14 sub-arrays(12 main channels and 2 sidelobe blanking channels and approximately 3,000 elements of transmit-receive channel) to generate transmit and digital receive patterns. Using a near-field measurements facility, G/N, transmit patterns, and received patterns are measured. Receive patterns are implemented with digital beamforming by signal processing. The measurement results demonstrate that antenna design specifications were fulfilled.

본 논문에서는 화포탐지 레이다에 사용되기 위해서 개발된 C-대역 평면형 능동위상배열 안테나의 설계 및 제작 그리고 측정 결과를 소개한다. 안테나는 3,000여 개의 반도체 송수신 채널과 복사소자를 삼각배열로 배치하고, DBF(digital beam forming)를 사용하여 수신빔을 형성하기 위한 14개 부배열(12개 주 채널, 2개 SLB 채널)을 구성하여 개발하였다. 개발된 평면형 능동위상 배열 안테나의 성능을 확인하기 위해 근접 전계 시험 시설을 이용하였으며, 송신 패턴 측정을 통해 송신 안테나이득, 부엽 레벨, 수신 패턴 측정을 통해 수신 안테나이득, 부엽레벨, 디지털빔 형성, 빔조향 범위, G/N을 확인하였다. 송신 수신 패턴 측정 결과, 개발 목표성능을 만족함을 확인하였다.

그림 1. 삼각 배열 구조 Fig. 1. Triangular array.

그림 2. 그레이팅 로브 발생영역(삼각배열, dx=0.47λ, dy=0.3λ) Fig. 2. Grating lobe region(triangular array, dx=0.47λ, dy=0.3λ).

그림 3. 제안된 안테나 형상 Fig. 3. Proposed array-antenna configuration.

그림 4. 안테나 형상에 따른 송신 패턴 예측 결과 Fig. 4. Simulation result of transmit pattern according to antenna configuration.

그림 5. 안테나 형상 1을 적용한 송신 패턴 시뮬레이션 결과 Fig. 5. Simulation result of transmit pattern applied with antenna configuration 1(tapered).

그림 6. 설계된 안테나 부배열 구조 Fig. 6. Designed antenna sub-array.

그림 7. 안테나 수신 패턴 시뮬레이션 결과 Fig. 7. Simulation result of receive pattern.

그림 8. 제작된 평면형 능동위상배열 안테나 형상 Fig. 8. Manufactured planar active phased array antenna.

그림 9. 근접전계 시험장 구성(송신) Fig. 9. Test-configuration for near field measurement(transmit).

그림 10. 근접전계 시험장 구성(수신) Fig. 10. Test configuration for near field measurement(receive).

그림 11. 근접전계 시험 타이밍도 Fig. 11. Timing diagram for near field measurement.

그림 12. 송신 위상 정렬 결과 Fig. 12. Result of transmit channel phase alignment.

그림 13. 수신 위상 정렬 결과 Fig. 13. Result of receive channel phase alignment.

그림 14. 수신 크기 정렬 전/후 비교 Fig. 14. Result of receive channel magnitude alignment.

그림 15. 안테나 개구면 전계 분포(송신) Fig. 15. E-fileld distribution on the antenna aperture(transmit).

그림 16. 송신 패턴 측정 결과 Fig. 16. Measurement results of transmit 1-D pattern.

그림 17. 송신 패턴 조향 측정 결과 Fig. 17. Measurement results of transmit 1-D agile pattern.

그림 18. 안테나 개구면 전계 분포(수신) Fig. 18. E-fileld distribution on the antenna aperture(receive).

그림 19. 수신 패턴 측정 결과 Fig. 19. Measurement results of receive 1-D pattern.

그림 20. 수신 패턴 조향 측정 결과 Fig. 20. Measurement results of receive 1-D agile pattern.

표 1. 안테나 설계 및 시뮬레이션 결과 Table 1. Design and simulation results of antenna.

표 2. 안테나 송신 패턴 측정 결과 Table 2. Measurement results of transmit pattern.

표 3. 안테나 수신 패턴 측정 결과 Table 3. Measurement results of receive pattern.