Since fixed beams on satellite could face some business risks when service environment change, onboard satellite systems have been forced to be equipped with intelligent antennas. On the other hand, a new generation of wireless network on the ground has been evolving from independent fixed networks into a ubiquitous network to provide global seamless wireless services to subscribers which connects the satellite and ground networks. Regarding these, recently, phased array antennas (PAA) with rapidly reconfigurable multiple spot beams have been studied and developed by a few leading companies and institutes. Furthermore, the multibeam has advantages in localization when multiple area source positioning is required on the earth simultaneously.
In this dissertation, we first investigate the PAA theory, and derive optimum parameters for linear and planar arrays. We will conduct a performance simulation of different types of array apertures and valuable insight into the effects on the sidelobe level and beamwidth distortion. Since selection of a radiator element is a little bit more complicate in physical size, an extensive analysis will be presented. We also look into the multibeam antenna techniques, and present a beamforming network(BFN) with a 20 $\chi$ 24 array structure based on 4$\times$1 beamforming block (BFB), which is a fundamental element for the array. During the design of the BFN, analysis on digital phase shifter is extensively discussed and analyzed about quantization error and its effect on the SLL and beam accuracies. The designed PAA utilizes a proposed dual mode horn, which has internal choke ring. We implemented a 4$\times$4 phased array subsystem for study purposed and compared it with the theory or the design numbers. The results showed quite a good match with the design.
An application of the multibeam antenna to a localization of an object on the earth using GEO satellites will be presented with TDOA accuracy analysis. In this analysis, we find out how the accuracy changes due to the satellite spacing and locations on the ground, and also point out that there exist hidden zones and blind band on the earth which limit the accuracy using GEO satellites.
최근, 지상의 통신 네트웍 시스템은 통신 가입자들에게 유비쿼터스 개념의 더 나은 품질의 서비스를 제공하기 위해 위성 시스템과 연계를 모색 중이다. 이와 관련, 위성 시스템은 지능적인 다중빔 안테나(MBA)를 더욱 필요로 하게 되었다. 위상배열 안테나 (PAA)를 이용하여 신속히 여러 빔들을 지상의 영역에서 재구성할 수 있다면 이런 유비쿼터스 서비스를 쉽게 제공할 수 있다.
이 논문에서는 먼저 위상배열 안테나의 이론을 연구하여, 선형 또는 평면 배열의 안테나에 대한 최적의 설계 파라메타를 찾는다. 또한 여러 형태의 배열 구경에 따른 시험을 수행하여, 부엽 (Sidelobe, SLL), 빔폭 왜곡 등에 대한 것을 검토한다. 방사소자 선택에 있어서는 좀더 복잡하고 심도 깊은 분석을 필요로 하며, 적용에 따라 달리 설계될 수 있다. 빔형성 네트웍은 $1.3\deg\times1.3\deg$ 빔폭을 갖는 4 개의 동시빔을 구할 수 있도록 20$\times$24 로 구성되었으며, 설계의 확장이 용이하도록 4$\times$1 의 기본 빔형성 블록 (BFB)으로 구형된다. 빔형성 네트웍에서 가장 중요한 것은 위상변위기로, 위상제어 비트 수를 결정하기 위해 양자화 오차 및 이의 SLL 과 정확도 및 이득감소 등의 영향을 심도 있게 분석하였으며, 결과적으로 5 비트의 디지털 위상변위기가 적합한 것으로 결정되었다. 설계된 위상배열 안테나는 본 논문에서 제안된 내부의 쵸크 링을 이용한 이중 모드 혼으로 구현되었으며, 기존의 안테나 크기를 4/3 정도로 줄였다. 한편, 위상배열 다중 빔을 이용할GEO 위성 시스템에 의한 지상의 물체에 대한 위치인식 시스템에의 적용도 가능하며, 이에 대한 정확도 CRLB (Cramer-Rao Lower Bound)를 유도하여 TDOA 를 이용한 위치인식 방식의 성능을 분석하였으며, 그 결과 지상에는 보이지 않는 영역 (Hidden Zone)과 볼 수 없는 지대(Blind Band)가 존재함을 확인하였다.
마지막으로, 본 논문에서 다중빔 위상배열 안테나는 4$\times$4 의 부배열 안테나 시스템으로 구현되었으며, 제작된 결과를 이론 및 설계한 것과 비교 검토하였으며, 그 결과 아주 잘 일치하고 있다는 것을 확인하였다.
