When an active phased array antenna array operates on a complex platform, the ideal voltages of the antenna array are significantly distorted by both mutual coupling and platform scattering. This distortion causes performance degradation of the direction of arrival (DOA) algorithms and modification of the beam pattern of the antenna array. Therefore, an analysis of the active phased antenna array on the platform is required.
In this dissertation, a hybrid UTD-ACGF technique is proposed for modeling port voltages of the active phased antenna array on a complex platform, and the hybrid UTD-ACGF technique is applied to DOA searching and beam synthesis issue. The dissertation consists of following five main ideas.
First, the complex platform is modeled based on uniform theory of diffraction (UTD) technique. If the complex platform is electrically larger than the wavelength of an antenna center frequency, the complex platform can be intuitively analyzed based on optical approximation. The complex platform can be precisely designed with only coarse non-uniform rational b-spline (NURBS) surfaces. Using a NURBS-based ray-tracing technique, the scattered electric fields by complex platform are effectively calculated by using the UTD technique.
Second, the antenna array is modeled based on antenna current Green’s function (ACGF). If the antenna array is finely segmented on the basis of the wavelength, the entire ACGF of the segmented antenna array represents an exact mutual coupling effect of the antenna array itself.
Third, electromagnetic modeling, called the hybrid UTD-ACGF technique, is proposed combining scattering effect by the complex platform and mutual coupling by the antenna array. Based on the rigorous mutual coupling perturbation series, the proposed model uses the first-order perturbation series approximation to explain an interaction between the complex platform and the antenna array. The adequacy of the approximation can be validated with comparison between hybrid UTD-ACGF results and method of moment (MoM) results. For a complex structure containing an arbitrary wavelength scale, the proposed model provides both effective and accurate results of port voltages of the active phased antenna array on the complex platform.
Fourth, the proposed electromagnetic model is used as a backbone, and two methods to enhance performance of DOA algorithms are proposed. The first method is a statistical distortion matrix compensation. This method estimate the statistical solution of a distortion matrix related to both mutual coupling and the platform-scattering effect. This statistical distortion matrix is applied to measured signal covariance matrix for distortion compensation. The second method is replacing hybrid UTD-ACGF steering vector to original steering vector of MUSIC algorithm. Through scanning process of MUSIC algorithm, obtained signal DOAs are automatically compensated, because the hybrid UTD-ACGF steering vector reflects both mutual coupling and platform scattering effect. A DOA simulation using the MUSIC algorithm is performed to confirm the compensatory effect of the two proposed compensation methods.
Fifth, a beam synthesis method for the antenna array on the complex platform is proposed, combining active element pattern (AEP) method of receiving mode and hybrid UTD-ACGF technique. This proposed method clearly and mathematically divides the beam pattern with the platform into mutual coupling and platform scattering component. The beamforming and boresight error simulation results using proposed method were verified with the MoM results. The proposed method can efficiently and accurately provide beam pattern reflecting both the mutual coupling effect and the platform scattering effect.
능동 위상 배열안테나와 같이 정밀한 빔포밍 기술을 사용하는 배열안테나의 경우 배열 안테나 단독으로 운용되는 것이 아니라 비행기, 함선 등의 복잡한 탑재체에 탑재되어 운용된다. 이때 탑재된 배열안테나는 크게 두 가지의 전자기적 현상을 겪는다. 첫째로, 상호결합현상이 있다. 이는 배열 소자간의 전자기 산란에 의해 발생하는 현상이다. 두 번째로, 탑재체에 의한 전자파 산란현상이다. 탑재체 산란현상으로 인하여 배열 안테나에는 추가적인 전류가 유도되어 배열안테나 특성을 변화시킨다. 따라서 탑재체에 탑재된 배열안테나의 경우 정밀하게 안테나 시스템을 조종 하기 위하여 상호결합현상과 탑재체영향을 모두 고려한 안테나 해석이 필수적이다.
상호결합현상과 탑재체 영향을 모두 반영한 능동 위상 배열안테나의 전자기해석을 위하여, 본 박사학위 논문에서는 Hybrid UTD-ACGF 기법을 통하여 복잡한 탑재체에 탑재된 배열안테나의 전자기 해석을 효율적이고 정확하게 할 수 있도록 제안하였다.
Chapter 2 에서는 Hybrid UTD-ACGF 기법을 소개하였다. 복잡한 플랫폼 영역은 NURBS 기반의 캐드 모델링 및 광선추적을 통한 UTD 전계계산을 통하여 해석하여 해석의 효율성을 높인다. 배열안테나 영역은 ACGF를 이용하여 모델링하여 정확하게 고유의 배열안테나 특성을 반영하면서도 빠른 연산이 가능하도록 하였다. 최종적으로 UTD와 ACGF 기법을 결합하여 복잡한 탑재체에 탑재된 수신 배열안테나의 급전부 전압을 임의의 입사 전자기파에 대하여 효율적이고 정확하게 계산할 수 있었다.
Chapter 3 에서는 제안한 Hybrid UTD-ACGF 기법을 기반으로하여 방향탐지 알고리즘의 성능을 개선하는 연구를 제안하였다. 복잡한 플랫폼에 탑재된 수신 배열안테나의 경우 상호결합 현상과 플랫폼 산란 현상에 의해서 수신되는 급전부 전압에 왜곡이 발생하게 된다. 이러한 왜곡은 방향탐지 성능을 저하시키며 따라서 이러한 왜곡을 보상하는 알고리즘이 필요하다. 따라서, 두 가지 보상방법을 제안하였다. 첫째로, 통계적 왜곡 행렬을 Hybrid UTD-ACGF 기법을 이용하여 추정하고 이를 보상하는 방법이다. 두 번째로, Hybrid UTD-ACGF 안테나 조정 벡터를 기존의 MUSIC 알고리즘의 안테나 조정 벡터로 치환하여 방향탐색 과정에서 자동적으로 왜곡된 전압을 보상하는 방법이다. 두 가지 방법을 통해서 방향탐지 알고리즘의 성능 향상을 가능하게 하였다.
Chapter 4 에서는 수신능동소자패턴 방법과 Hybrid UTD-ACGF 기법을 결합하여 능동 위상 배열안테나가 복잡한 탑재체에 탑재된 경우에 빔패턴의 합성방법을 제안하였다. 이때 제안한 기법을 이용하면 수학적이고 직관적으로 빔패턴을 상호결합현상 부분과 플랫폼산란 부분으로 나누어 기술 할 수 있었다. 이를 이용하여 복잡한 환경에 탑재된 배열안테나의 능동소자패턴을 구할 수 있고 탑재체 영향과 상호결합현상을 모두 포함한 정확한 빔패턴을 빠르고 직관적으로 합성할 수 있었다.
결론적으로 복잡한 탑재체에 탑재된 수신 배열안테나의 효율적이고 정확한 해석 및 응용 방법들에 대해서 본 박사학위 논문에서 제안되었다.
