위상 배열 안테나란 무엇입니까?

위상 배열 안테나는 단일 안테나처럼 함께 작동하는 배열로 정렬된 안테나 요소 그룹으로, 물리적인 이동 없이 하나 이상의 방향을 가리키는 전자적으로 조향된 전파를 생성합니다.

빔포밍이라고 하는 프로세스에서 위상 배열 시스템은 각 안테나 소자에서 동일한 주파수로 신호를 보내지만 각 소자의 위상과 크기는 서로 다릅니다. 이렇게 하면 전파가 결합되어 지향성 고이득 빔을 나타내는 방사 패턴을 생성하므로 보강 간섭과 상쇄 간섭이 발생합니다.

대부분의 위상 배열 안테나는 평면형으로, 수백 또는 수천 개의 개별 요소가 단일 평면이나 3차원에 선형으로 정렬된 배열로 구성됩니다. 엔지니어는 시뮬레이션을 통해 구동되는 고주파 전자기의 물리학을 사용하여 배열 요소, 전체 배열 구성, 안테나를 구동하는 무선 주파수(RF) 하드웨어 및 전자 회로를 설계합니다. 

위상 배열 안테나 시스템은 강력한 단일 시스템에서 전력 전자, RF 구성 요소 및 안테나 설계를 사용하는 복잡한 시스템입니다. 설계 팀이 위상 배열 안테나 시스템을 구성하는 방법과 이 기술에 가장 적합한 애플리케이션을 이해하려면 엔지니어가 다음 기본 원리를 숙지해야 합니다.

전파 진폭, 위상, 주파수 및 파장

전파는 약 3KHz~3,000GHz의 대역폭에서 진동하는 사인파 형태를 띠는 일종의 고주파 전자기 방사입니다. 다음 그림은 모든 파동의 기본 특성을 보여줍니다.

파장은 파동이 한 주기에서 이동하는 거리입니다. 진폭은 파동의 최댓값이며 위상은 각 파동의 최대 진폭 간의 차이 또는 시간 지연입니다. 위상 배열 안테나에서는 주파수가 일반적으로 일정하며 변동폭이 작지만, 위상과 진폭은 안테나마다 다를 수 있습니다.

안테나 소자

안테나 소자는 배열 내의 개별 안테나입니다. 배열을 형성하기 위해 결합할 수 있는 다양한 유형의 안테나 소자가 있지만, 가장 일반적으로 사용되는 안테나 소자는 패치 안테나, 마이크로스트립 패치 안테나, 도파관 혼 또는 모노폴 안테나입니다. 안테나의 작동 주파수에 따라 소자의 크기와 간격이 결정됩니다.

안테나 게인

안테나 게인은 모든 방향에서 신호를 균등하게 분산시키는 이론적인 단일 등방성 라디에이터와 비교하여 주어진 방향의 신호 강도(진폭)입니다.

위상 배열 안테나 빔포머 구성 요소

빔포머는 입력 신호를 조향 가능한 전송 신호로 변환하는 데 사용되는 전자 및 RF 회로로 구성됩니다. 가장 일반적인 유형의 위상 배열 안테나인 수동 위상 배열 시스템에서는 단일 입력 신호가 송신기 전력 증폭기, 빔포머 및 개별 안테나 소자와 같은 일련의 구성 요소를 사용하여 원하는 방향을 가리키는 신호로 변환됩니다. 빔포머는 일반적으로 감쇠기, 위상 변환기 또는 유사한 기능을 제공하는 구성 요소로 이루어집니다. 

• 트랜시버 전력 증폭기(PA): 입력 신호가 증폭되어 필요한 증폭에서 원하는 신호를 생성합니다. 이는 수신기가 측정할 신호입니다.
• 전력 분배기: 전력 분배기는 입력 신호를 각 안테나 소자 회로에 대한 여러 개의 신호로 분할합니다.
• 감쇠기: 각 안테나 소자의 진폭은 필요에 따라 감쇠기에 의해 증가하거나 감소합니다. 이러한 장치는 디지털 또는 아날로그 장치일 수 있으며 수동 또는 능동일 수 있습니다. 
• 위상 변환기: 이러한 디지털 또는 아날로그 장치는 빔을 조향하는 핵심 단계인 파형에 약간의 지연을 초래합니다.
• 안테나 소자: 마지막으로 신호는 안테나 소자에 도착하여 원하는 위상과 진폭으로 전송됩니다.
• 저잡음 증폭기(LNA): 안테나가 수신 안테나로도 사용되는 경우 저잡음 증폭기가 포함됩니다.
• 송수신 스위치: 안테나가 신호 수신에도 사용되는 경우 스위치는 전력 증폭기 대신 LNA를 통해 수신 신호를 보냅니다.

위상 배열을 제어하는 컴퓨터는 각 안테나 소자의 진폭과 위상을 전자적으로 수정하여 빔 방향이 빠르게 변할 수 있도록 신속하게 변경합니다.

빔 방향

빔 방향은 각 안테나 소자의 신호가 결합된 후 안테나 원점에서 최대 신호 크기 지점까지 가리키는 방향입니다. 안테나 설계는 두 각도를 사용하여 벡터를 지정합니다. 방위각은 수평선과 평행한 각도이고 고도각은 수평선 위의 각도입니다.

빔 폭

신호 진폭 대 조향 각도의 플롯은 위상 배열에서 생성된 기본 빔과 기타 빔을 그래프에 로브(Lobes)라고 하는 혹으로 표시합니다. 빔 폭은 가장 강한 로브의 폭(도 단위)입니다.

빔 폭을 측정하기 위한 두 가지 표준이 있습니다. null 위치에서 null 위치까지의 첫 번째 측정을 FNBW(First Null Beam Width)이라고 합니다. 두 번째 방법은 피크에서 절반 전력으로 낮아진 상태를 측정하며 HPBW(Half-Power Beam Width)이라고 합니다.

빔 스티어링 및 스캐닝

전자적으로 빔 방향을 설정하는 것을 빔 스티어링이라고 합니다. 빔 방향이 일정한 패턴으로 이동하는 경우 이를 빔 스캐닝이라고 합니다. 보다 복잡한 위상 배열 안테나는 여러 빔을 약간 다른 주파수에서 서로 다른 방향으로 조향할 수 있습니다.

사이드로브(Sidelobe)

사이드로브는 메인 빔이 아닌 방사 패턴의 국소적 최댓값입니다. 에너지를 낭비하고 간섭을 일으킬 수 있습니다. 배열 설계는 사이드로브의 크기를 최소화하는 것을 목표로 합니다. 

위상 배열 안테나는 다양한 형태를 띨 수 있습니다. 전문가들은 토폴로지 및 빔포머 기술을 사용하여 다양한 유형의 위상 배열 안테나를 분류합니다.

위상 배열 토폴로지

위상 배열 시스템의 유형을 구분하는 한 가지 방법은 안테나 소자의 상대적 위치에 따라 시스템을 분류하는 것입니다. 대부분의 시스템은 다음 토폴로지 유형 중 하나에 속합니다.

1. 선형(1D) 배열: 안테나 소자는 빔의 방위각을 변경하기 위해 수평선으로 배열되거나 고도를 제어하기 위해 수직선으로 배열됩니다.
2. 평면(2D) 배열: 안테나 소자는 평평한 표면(평면 구조)에 배열되며, 안테나 위의 전체 공간을 포괄하도록 고도각과 방위각에서 모두 조향할 수 있습니다.
3. 3D 배열: 안테나 소자는 볼륨 전체에 배열되어 하나 이상의 빔을 어느 방향으로든 조향할 수 있습니다.

빔포머 유형

수동 전자 주사 배열(PESA): 수동 위상 배열은 전체 배열에 대한 단일 트랜시버가 있는 안테나입니다. 가장 일반적인 위상 배열 구성 유형입니다.

능동 전자 주사 배열(AESA): 능동 위상 배열은 각 안테나 소자 또는 소자의 부분 집합에 아날로그 트랜시버 모듈이 있는 안테나로, 각 소자의 위상 변환을 생성합니다. 군사 응용 분야에서는 이러한 고급 접근 방식을 사용하는 경향이 있습니다.

디지털 빔포밍(DBF) 위상 배열: DBF 배열 안테나는 디지털 트랜시버 모듈을 사용하여 각 안테나 소자의 위상과 진폭을 변경합니다. 또한 여러 빔을 생성할 수 있으며, FPGA(Field-Programmable Gate Array) 칩 또는 배열 컴퓨터를 사용하여 안테나 패턴을 디지털 방식으로 형성합니다. 디지털 빔포밍 배열은 방사 패턴 널을 생성하여 전력 민감도를 낮출 수도 있으며, 수신 감도를 의도적으로 최소화하여 알려진 방향으로의 간섭을 완화합니다.

하이브리드 빔포밍 위상 배열: AESA 및 DBF 접근 방식을 결합하여 하이브리드 빔포밍 위상 배열을 형성할 수 있습니다. 이 접근 방식에는 하위 배열이 포함됩니다. 각 하위 배열은 아날로그 트랜시버를 사용하고 하위 배열의 배열 요소마다 자체 디지털 트랜시버가 있습니다. 이 접근 방식은 동시에 여러 개의 빔 클러스터를 생성할 수 있습니다.

통신 시스템과 센서를 설계하는 엔지니어는 위상 배열 안테나를 사용하여 공간적으로 선택적인 무선 RF 신호 소스를 생성합니다. 안테나 배열을 통해 시스템은 다음 기능 중 하나 이상을 활용할 수 있습니다.

1. 여러 안테나 소자를 결합하여 큰 조리개와 더 강한 신호를 생성합니다.
2. 빔포밍을 사용하여 전자적으로 조향 가능한 안테나를 생성합니다.
3. 적응형, 하이브리드 또는 디지털 빔포밍을 사용하여 동시에 여러 방향을 가리키는 빔을 생성하고 다른 RF 시스템과의 간섭을 최소화합니다.

이러한 기능은 과도적인 기계식 조향 반사기 및 마스트 안테나에 비해 몇 가지 중요한 이점을 제공합니다.

• 전자적으로 조향된 빔은 훨씬 빠르게 스캔하거나 빔 방향을 매우 빠르게 전환할 수 있습니다.
• 기계식 조향 및 대형 접시가 있는 반사기 안테나와 비교할 때 위상 배열 안테나는 일반적으로 공간을 적게 차지하고 무게가 가볍습니다. 차량 표면이나 건물에 설치할 수 있습니다.
• 대부분의 경우 위상 배열 시스템은 동일한 성능 수준에서 비용이 저렴합니다. 특히 빔포밍 또는 안테나 소자에 집적 회로(IC)를 사용할 때 더욱 그렇습니다.
• 신뢰성. 채널 내의 개별 구성 요소가 고장나더라도 안테나 시스템 전체의 기본 성능에는 영향을 미치지 않습니다. 실제로, 기계적 안테나 시스템의 단일 고장 지점 문제와 달리 구성 요소 고장 시 성능이 점진적으로 저하됩니다.
• 단일 장치로 신호를 여러 방향으로 전송할 수 있습니다.
• 각 안테나 소자의 전력이 합산되므로 전력 효율이 더 높습니다.

이러한 장점으로 인해 초기 RF 개척자들은 멀리 떨어진 별에서 매우 약한 신호를 증폭할 수 있는 위상 배열 레이더 및 전파 천문학 배열을 개발했습니다. 시간이 지남에 따라 위상 배열 응용 분야의 수가 증가하여 의료, 자동차, 산업 및 통신 시스템뿐만 아니라 다른 항공우주 시스템용 안테나를 아우릅니다.

다방향 배열 안테나 시스템은 다음을 지원합니다.

• 최신 4G 및 5G 통신 네트워크
• 미래 6G 통신 네트워크
• 최신 Wi-Fi 액세스 포인트
• 자율 주행 자동차를 위한 레이더 시스템
• 치료용 의료 기기

위상 배열 안테나를 위한 소규모 배열이라도 시뮬레이션 없이는 설계하기 어려울 수 있으며, 수천 개의 안테나 소자가 있는 시스템에는 시뮬레이션이 필수적입니다. 배열 간격부터 사이드로브 손실까지 모든 것을 수작업으로 계산하기는 어렵습니다. 무반향 챔버에서 방사 패턴을 측정하는 것도 비용과 시간이 많이 소요됩니다. 

위상 배열 안테나의 최대 게인이 영역을 공전할 때 지상국을 동적으로 가리키는 방식을 보여주는 시뮬레이션 애니메이션 

시뮬레이션을 사용하여 엔지니어가 배열과 빔포밍 구성 요소를 설계할 수 있을 뿐만 아니라 효율성, 비용 및 속도를 위해 시스템을 최적화할 수도 있습니다. 또한 팀은 시뮬레이션을 통해 제조 공차 및 재료 변동이 설계에 미치는 영향을 파악합니다.

엔지니어는 시뮬레이션 툴을 사용하여 안테나 배열, 안테나 소자 및 빔포밍 구성 요소를 설계, 검증 및 최적화합니다. 또한 안테나가 전체 시스템과 상호 작용하는 방식을 시뮬레이션할 수 있습니다.

Ansys HFSS 고주파 전자기 시뮬레이션 소프트웨어와 같은 포괄적이고 사용하기 쉬우며 정확한 고주파 전자기 유한 요소 툴은 위상 배열 안테나 시뮬레이션의 거의 모든 전자기 측면에 이상적입니다. 강력한 메싱, 병렬 솔버 및 배열용으로 특별히 생성된 워크플로를 갖추어 구성 요소 및 시스템 수준 모델링을 위한 최고의 표준입니다. HFSS 소프트웨어는 개별 도파관부터 전체 어셈블리를 통한 신호 전파에 이르기까지 모든 것을 시뮬레이션하여 하드웨어를 사용할 수 있기 훨씬 전에 안테나를 모델링합니다.

Ansys Perceive EM 무선 주파수 채널 및 레이더 시그니처 시뮬레이션 소프트웨어와 같은 응용 분야에서 사용되는 광선 발사 및 반사 기술은 사용자가 장거리 및 창고 선반이나 도시 건물과 같은 장애물 주변에서 안테나의 성능을 모델링할 수 있도록 함으로써 시뮬레이션 수준을 한 차원 높입니다. 안테나 시스템의 로컬 설치 영향을 고려하여 설계하는 팀은 HFSS 소프트웨어 내부의 광선 발사 및 반사(SBR) 기능을 사용해 안테나가 장착된 타워, 건물 또는 차량에 대한 안테나 자체 커플링을 캡처합니다. 또한 엔지니어는 Ansys RF Channel Modeler 고충실도 무선 채널 모델링 소프트웨어와 같은 시스템 수준 툴로 시뮬레이션을 사용하여 네트워크에서 안테나 설계가 작동하는 방식을 모델링할 수 있습니다.

전자기 특성을 이해하고 최적화한 후 설계 팀은 위상 배열 시스템의 열 및 구조 응답을 살펴봐야 합니다. 고주파 전자기 솔버와 상호 작용할 수 있는 Ansys Mechanical 구조 유한 요소 해석(FEA) 소프트웨어 또는 Ansys Icepak 전자 냉각 시뮬레이션 소프트웨어와 같은 툴을 사용할 수 있습니다. 안테나가 차량이나 항공기에 장착된 경우, 빠른 속도로 공기역학적 하중을 이해하고 설계하려면 Ansys Fluent 유체 시뮬레이션 소프트웨어와 같은 CFD 툴을 사용할 수도 있습니다. 

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