Currently, high resolution beamforming technology is required in various fields. High resolution beamforming technology is required in space astronomy to accurately track low-altitude space objects and to grasp three-dimensional information such as distance, altitude, azimuth, and speed from an observer through radio signals scattered from space objects. In addition, it is also required in 5G mobile communication, which requires accurate classification and identification of targets for data transmission and reception. Due to the necessity of such high resolution beamforming technology, this paper deals with high resolution beamforming technology in 28GHz.
First, This paper presents a fully digital beamforming receiver (FDBR) using a method that calibrates the signals of all chains in real time. In the real-time calibration method, the received signals of all chains are adjusted to correct the errors of phase and amplitude using the in-band signal other than operating frequency for calibration. The proposed FDBR with real-time calibration is designed and fabricated. The FDBR consists of eight chains of the tapered slot antenna (TSA) element, low noise block (LNB), and software defined radios (SDRs). The 1 × 8 array TSA with the directional coupler and the 1:8 divider is designed to send eight uniform calibration signals along with the received signal of all the chains. In SDR, the digital phase shifter and the real-time calibration blocks are implemented to realize digital beamforming. The digital phase shifter has an extremely high resolution of 0.72°. After using the real-time calibration method, the average of measured phase and amplitude error between each chain is less than 0.9° and 0.5 dB, respectively. To verify the beamforming performance of the FDBR, the simulation radiation pattern and the measurement radiation pattern are compared for 0°, ±15°, ±30°, and ±45° beam angles. The simulation results are in good agreement with the measured results. An excellent beamforming performance is achieved in the 1 × 8 array FDBR using the real-time calibration.
However, the Fully Digital Beamforming structure has a disadvantage in that it requires a very high specification of the signal processing unit to process the large amount of data coming through numerous chains. In order to improve these drawbacks, secondly, this paper presents a signal generator and a Digital Beamforming Receiver (DBR) with high phase control resolution and high beam control resolution, respectively. The signal generator is designed based on a Direct Digital Synthesizer (DDS) and a Phase Lock Loop (PLL). In the DDS-PLL signal generator, the conventional divider in PLL is replaced with a mixer, comb generator, and a doubler to utilize high phase control resolution of DDS (14bit, 0.022°) as it is and to synchronize the DDS-PLL signal generator with the entire system. In the DBR, the output signals of the DDS-PLL signal generators are used as the second Local Oscillator (LO) signal, and the beamforming technique is implemented through the change of the phase of the second LO signals. Also, for sophisticated beamforming, all signal generator components in the DBR are synchronized for generating same and fixed frequency and phase. Finally, the DBR has the same phase control resolution as the DDS, and the phase of each chain of the DBR can be adjusted up to 0.022° (14 bit). The DBR using the DDS-PLL signal generator is designed and fabricated. The DBR consists of a 1X8 array Tapered Slot Antenna (TSA) part, a 1st and 2nd frequency conversion part, a 1X8 data acquisition and combiner part, DDS-PLL signal generator part, and a reference signal generator part. The phase control performance of the DBR was verified by measuring the phase change of the chain in the DBR according to the DDS phase change. Also, to verify the beamforming performance of the DBR with high beam control resolution, the radiation pattern of the DBR when the angle of the main lobe was 0°, 0.2°, 0.4°, 15°, and 30° was measured in the 28GHz band. At the main lobe, the gain error is within 1dB and the beam angle error is within 0.2 degrees. The simulation results are in good agreement with the measured results. A high resolution beamforming performance is achieved in the DBR using the DDS-PLL signal generator.
현재 High Resolution beamforming 기술은 다양한 분야에서 필요로 하는 기술이다. High resolution beamforming 기술은 우주물체로부터 산란되는 전파 신호를 통하여 관측자와의 거리 및 고도 방위각, 속도 등의 3차원 정보 및 저고도 우주물체를 정밀 추적하는 우주 천문학에서 필요로 하며, 데이터 송수신을 위해서 타겟에 대한 정확한 구분 및 식별을 필요로 한 5G 이동통신에서도 필요로 하고 있다. 본 논문은 이러한 high resolution beamforming 기술의 필요성에 의해 28GHz 대역에서 high resolution beamforming 기술에 대해 다룬다.
본 논문에서는 첫 번째로 모든 체인의 신호를 실시간으로 보정하는 방식을 사용하는 Fully Digital Beamforming Reciever(FDBR)를 제안된다. 실시간 교정 방법은 교정을 위한 동작 주파수 이외의 대역 내 신호를 사용하여 모든 체인의 수신 신호를 조정하여 위상 및 진폭의 오차를 보정한다. 제안하는 실시간 보정 기능이 있는 FDBR을 설계 및 제작하였다. FDBR은 Tapered Slot Antenna(TSA), Low Noise Block(LNB) 및 Software Defined Radio(SDR)의 8개 체인으로 구성된다. 방향성 커플러와 1:8 분배기가 있는 1 × 8 TSA는 모든 체인의 수신 신호와 함께 8개의 동일한 교정 신호를 보내도록 설계되었다. SDR에서는 디지털 빔포밍을 구현하기 위해 디지털 위상 천이기 및 실시간 보정 블록이 구현되어진다. 디지털 위상 천이기는 0.72°의 매우 높은 분해능을 가지고 있으며, 실시간 보정 방법을 사용한 후 측정된 각 체인 간의 위상 및 진폭 오차의 평균은 각각 0.9° 및 0.5dB 미만이다. FDBR의 빔포밍 성능을 검증하기 위해 시뮬레이션 방사 패턴과 측정 방사 패턴을 0°, ±15°, ±30°, ±45° 빔 각도에 대해 비교하였고, 시뮬레이션 결과는 측정된 결과와 잘 일치하는걸 확인 할 수 있었다.
하지만, Fully Digital Beamforming 구조는 수많은 체인으로 들어오는 방대한 데이터를 신호처리하기에는 신호처리부의 굉장한 고스펙을 필요로 하는 단점이 존재한다. 이러한 단점을 개선하기 위해서 본 논문에서는 두 번째로 높은 위상 제어 분해능을 가진 신호 발생기를 적용한 고 분해능 디지털 빔포밍 수신기(DBR)를 제안한다. 신호 발생기는 DDS(Direct Digital Synthesizer) 및 PLL(Phase Lock Loop)을 기반으로 설계된다. DDS-PLL 신호 발생기는 기존의 PLL의 분주기를 믹서, 콤 발생기, 더블러로 대체하여 DDS(14bit, 0.022°)의 높은 위상 제어 분해능을 그대로 활용하고 전체 시스템과 동기화가 가능한 구조를 지닌다. DBR에서 DDS-PLL 신호 발생기의 출력 신호는 두 번째 LO(Local Oscillator) 신호로 사용되며 두 번째 LO 신호의 위상 변화를 통해 빔포밍 기법을 구현한다. 또한 정교한 빔포밍을 위해 DBR의 모든 신호 발생기 구성 요소가 동기화되어 동일하고 고정된 주파수와 위상을 생성한다. 최종적으로, DBR은 DDS와 동일한 위상 제어 분해능을 가지며 DBR의 각 체인의 위상은 최대 0.022°(14비트)까지 조정할 수 있다. DDS-PLL 신호 발생기를 사용하는 DBR을 설계 및 제작하였고, DBR은 1X8 어레이 TSA(Tapered Slot Antenna) 부분, 1차 및 2차 주파수 변환 부분, 1X8 데이터 수집 및 결합기 부분, DDS-PLL 신호 발생기 부분, 기준 신호 발생기 부분으로 구성된다. DDS 위상 변화에 따른 DBR 내 체인의 위상 변화를 측정하여 DBR의 위상제어 성능을 검증하였고, 높은 빔 제어 해상도를 갖는 DBR의 빔포밍 성능을 검증하기 위해 28GHz 대역에서 메인 로브의 각도가 0°, 0.2°, 0.4°, 15°, 30°일 때 DBR의 방사 패턴을 측정하였다. 메인 로브에서 이득 오차는 1dB 이내이고 빔 각도 오차는 0.2도 이내임을 확인하였고, 시뮬레이션 결과는 측정된 결과와 잘 일치하였다. DDS-PLL 신호 발생기를 사용하여 DBR에서 고해상도 빔포밍 성능을 달성하였다.
