Digital beam forming antenna system can detect or track the target and enable communications by electrically synthesizing of the desired beam shape and steering the beam direction, it is away from the traditional methods of mechanical driving or rotating directly. Such an array antenna system is exposed to outside at all times during its peration in order to carry out its respective purposes for a long period. Therefore it is nevitable that a number of factors such as performance degradation of solid state device or characteristic changes of the active device make the entire system performance deteriorated.
When the TRM error occurs, re-synthesizing the optimal beam pattern to get a better system performance will be more beneficial for saving cost and time rather than immediate repair and replacement by recalculating the amplitude and phase distributions of the radiation pattern with normal array elements except for a TRM with an error. Therefore, it is essential for re-synthesizing the pattern as similarly as possible to the original beam pattern so that antenna system can achieve maximum performance. This thesis implements the algorithm with the appropriate specifications for more realistic situations that were not implemented in the previous studies. Assuming the general beam pattern with the quantized amplitude and phase distributions by 6 bits digitally controllable chips, in the situation of arbitrary TRM error has been occurred.
This thesis suggests an algorithm for re-synthesizing the optimal beam pattern from the distorted beam pattern, increase of the side lobe level for example, using a beam pattern mask based on genetic algorithms. Using extracted array amplitude and phase distributions by the suggested algorithm for beam pattern reconstruction, the optimally re-synthesized beam pattern has been practically implemented by designing and fabricating the digital beam forming array antenna system. Fabricated digital beam forming array antenna system has been designed and divided into three parts, array antenna, digital beam forming module, and power divider parts. The final beam pattern was produced by the actual measurement and showed good agreements compared to the simulated one. The proposed TRM failure compensation algorithm using the re-synthesis technique provides practical and cost and time effective solution in digital beam forming antenna system.
디지털 빔 포밍(Digital Beam Forming) 안테나 시스템은 직접 안테나를 회전 및 조향하여 안테나 빔의 방향을 조정하는 기존의 기계적인 구동 방식에서 벗어나, 전자적으로 원하는 빔의 형상을 합성하거나 빔을 조향하여 탐지나 추적 및 통신을 가능하게 하는 시스템이다. 해당 배열 안테나 시스템은 각기 목적을 수행하기 위해 오랜 기간 외부에 노출된 상태로 항시 운용 중에 있기 때문에 (집적회로 및 반도체나 RF 전송선로, 공진기, 방향성 결합기 등 고상소자(solid state device)의 성능 저하 및 변형이나, 외부 전원을 필요로 하는 능동 소자(active device)의 특성변화 등의 요인으로 인하여 시스템 전체의 성능 악화를 가져옴이 필연적이다.
이렇게 TRM 오류가 발생했을 시 비용 및 시간 절약 측면에서 즉각적인 수리 및 교체보다는, 빔 포밍 배열 안테나에서 오류 난 TRM을 제외한 나머지 배열 요소들을 이용해 크기와 위상의 분포를 재계산하여 방사 빔을 재합성하는 것이 유리할 것이다. 따라서 원래의 최적화된 빔 패턴에 최대한 가깝게 빔 패턴을 재합성하여 안테나 시스템이 최대한 제 성능을 발휘 할 수 있도록 하는 기술이 필수적이다.
본 논문은 기존의 논문에서 구현하지 않았던 조금 더 실제적인 상황에 적합한 사양들로 알고리즘을 구현하였다. 6비트로 각각 양자화된 크기와 위상의 분포를 갖는 일반적인 빔 패턴을 가정하고 임의의 TRM이 오류가 난 상황에서 제안하는 빔 패턴 마스크 기반의 유전자 알고리즘을 이용하여 부엽의 증가 등으로 왜곡된 빔 패턴을 본래의 빔의 형상으로 재합성하는 방법을 제안한다. 빔 패턴 재합성 기술을 사용하여 추출해낸 각 배열안테나의 입력 신호 크기와 위상 값들을 이용하여, 실제로 디지털 빔 포밍 시스템을 제작하여 최적 빔 패턴을 구현한다. 구현한 디지털 빔 포밍 시스템은 배열안테나단, 디지털 빔 포밍 모듈단, 배열 전력 분배기단으로 크게 세부분으로 분류하여 제작하였고 최종 빔 패턴을 실제로 측정하여 제안한 TRM 오류 보상 알고리즘을 이용한 빔 패턴 재합성기술의 타당성을 검증한다.
