This dissertation presents the switched multi-port receiver and an estimation method of the angle-of-arrival (AoA) for high-speed, precise, and cost-effective AoA finding. The AoA finding system using an array antenna has high accuracy and has been used in various applications such as a phased array, sensor localization, and interference source identification. However, since it requires a lot of receiving channels, it has a high system complexity, high cost, and a slow processing speed. On the other hand, the multi-port technique can measure the amplitude and phase of input signals very accurately using few passive circuits and has been researched in many application fields such as network analyzer, wireless communication transceivers, beam direction finder, and radar systems in various frequency bands. However, the conventional multi-port circuit has a problem of ambiguity in finding AoA with a long baseline longer than half wavelength, and when used for an array antenna, the system complexity can be rather increased.
First, a one-dimensional (1D) AoA finding system using a switched multi-port network is proposed. It includes 4-element array antennas with long baselines with different antenna spacings and a circuit measuring four different phase differences for an accurate AoA finding. The proposed switched multi-port network consists of two hybrid couplers, four power detectors, and two dual-pole-dual-throw (DPDT) switches. It selects two different antennas periodically, and can measure four different antenna spacings. As a result, a more simplified and more accurate AoA finding system can be achieved. In addition, an estimation algorithm to resolve the ambiguity and improve the accuracy is also presented. Through the simulation, the accuracy of 14% was improved over the existing system, and the root-mean-square error of ±2° occurred when the signal-noise ratio (SNR) of 15 dB was in the measurement.
Next, it is extended to a two-dimensional (2D) AoA finding system for the ambient signal sources. A base-triangle consists of three antennas, and can measure a 2D AoA. The three-antenna 2-D AoA finding system includes a planar array antenna and another type of switched multi-port network for providing a base-triangle. The circuit can detect the phase difference between two different antenna spacings, and simplify the systems by integrating a switch. The accuracy is identical with the conventional 2D AoA finding system. For antenna spacing longer than half a wavelength, the accuracy is increased, but the 2-D AoA could be ambiguous at the low elevation angle especially. In order to improve this, the algorithm to remove ambiguity based on two base-triangles has been proposed. It can be achieved that a non-ambiguous base-triangle chooses the closest angle among possible angles to a non-ambiguous but less accurate angle detected by itself. This method can have a high accuracy without the ambiguity for the 2D AoA finding system. For verification, the proposed method is simulated, implemented, and measured. Through the simulation, the accuracy is improved by 28% than the conventional system.
In conclusion, the proposed system is expected to be a candidate for a cost-effective and accurate AoA finding system for beamforming systems and Internet of Things (IoT) applications.
본 논문은 고속, 정밀 및 비용 효율적인 도래각 탐지를 위한 스위치형 다중 포트 네트워크 수신기와 도래각 판별 방법을 제안한다. 배열 안테나를 이용하는 도래각 탐지 시스템은 위상 배열 안테나, 센서의 위치 탐지, 간섭원 판별과 같은 다양한 응용 분야에서 사용되어 왔으며, 도래각의 정밀한 탐지가 가능하다. 하지만, 많은 수신 채널을 요구하므로 높은 시스템 복잡도, 높은 비용를 가지고 느린 도래각 판별 속도를 가진다. 한편, 다중 포트 회로는 간단한 소자를 활용하여 입력 신호들의 진폭과 위상을 매우 정확히 측정할 수 있어 신호 분석기, 무선 통신 송수신기, 도래각 탐지, 레이더 시스템 등 많은 응용 분야에서 사용되어 왔다. 하지만 기존의 다중 포트 회로는 도래각 탐지의 모호성 문제가 존재하며 배열 안테나에 사용할 시 시스템의 복잡도를 오히려 증가시킬 수 있다.
먼저, 스위치형 다중 포트 네트워크를 이용하는 1차원 도래각 탐지 시스템을 제안한다. 도래각 탐지의 정확도를 높이기 위해 서로 간격이 다른 긴 베이스라인을 가지는 4 배열 안테나와 위상차를 측정하는 네트워크로 구성된다. 제안하는 스위치형 다중 포트 네트워크는 하이브리드 커플러, 전력 검출기, 2개의 Dual-Pole Dual-Throw (DPDT) 스위치로 구성된다. 주기적으로 2 개의 서로 다른 안테나를 선택함으로써 4 개의 서로 다른 안테나 간격을 측정할 수 있으며 기존의 다중 포트 수신기보다 작고 정확한 도래각 찾기 시스템의 실현이 가능하다. 또한, 반파장 이상의 긴 베이스라인과 서로 다른 안테나 간격을 이용한 다중 도래각 기법으로 도래각 탐지 정확도를 향상시키는 알고리즘을 제안하였다. 시뮬레이션을 통해 기존의 시스템보다 14% 정확도의 개선되고, 측정에서 15 dB의 신호 잡음비 (SNR)이 일 때 ±2°의 평균 제곱 평균 제곱근 오류가 발생하였다.
다음으로, 이를 2차원 도래각 탐지 시스템으로 확장하였다. 2차원 도래각을 측정할 수 있는 베이스 삼각형을 기반으로 3개 또는 4개의 안테나로 2차원 도래각을 탐지한다. 3개 안테나 2차원 도래각 탐지 시스템은 스위치형 다중 포트 네트워크을 통해 3 요소의 평판 배열 안테나 중 2개의 안테나 간격을 측정하고 2차원 도래각을 탐지할 수 있으며, 기존 6-포트 수신기보다 소형화된 수신기를 가지고 동일한 탐지 정확도를 가진다. 그러나, 안테나의 간격이 반파장 이상일 경우 정확도는 높지만, 2차원 도래각에 모호성이 생기게 된다. 따라서, 2개의 베이스 삼각형을 기반으로 높은 정확도를 가지고 모호성을 제거하는 알고리즘을 제안하고, 시뮬레이션, 구현 및 측정으로 이를 증명하였다. 1.5파장의 길이를 갖는 베이스 삼각형을 이용하여 기존의 모호성이 없는 2차원 도래각 탐지 시스템보다 28% 정확도의 개선되었다. 앞으로, 제안 된 시스템은 사물 인터넷 (IoT) 애플리케이션에서 비용 효율적이고 정확한 도래각 탐지 시스템의 후보가 될 것으로 예상된다.
