Verification of Radiation and Beam-Steering Characteristics for Planar-Phased Array Radars Using Near-Field Beam Focusing

근전계 빔 집속 시험 기법을 활용한 평면위상배열레이다 시스템 복사 및 빔 조향 특성 검증

Abstract

In this study, we propose a verification method for a planar-phased array radar system using a near-field beam focusing(NFBF) test method. We then confirmed the validity of the results. The proposed method can be used to verify a radar system in the near-field range of twice the antenna aperture size, and this is done in the same manner as the field system performance test conducted in a non-outdoor electromagnetic anechoic chamber. The test configuration and procedure for verifying the NFBF using near-field energies were reviewed. In addition, the phase compensation values of additional individual channels were quantified through mathematical verification of the beam-steered NFBF test. Based on a theoretical verification, the actual NFBF test was performed and the validity of the test method was confirmed through comparison with ideal analytical results.

본 논문에서는 근전계 빔 집속(near-field beam focusing: NFBF) 시험을 활용한 평면위상배열레이다 시스템의 성능 검증 방안을 제시하고 결과의 유효성을 확인하였다. 제시한 시험 기법은 안테나 개구면 크기 두 배 거리의 근전계 영역에서 레이다 시스템을 검증하는 방안으로 야외가 아닌 전자파 무반향실 내에서 원전계 성능 시험과 동일하게 레이다 시스템을 검증할 수 있었다. 이를 위해 근전계 에너지를 사용한 빔 집속 시험의 시험 구성도 및 검증 절차에 대하여 기술하였다. 또한 빔 조향된 근전계 빔 집속 시험에 대한 수학적인 검증을 통해 개별채널의 추가적인 위상 보상값을 수치화하였다. 이론적인 검증에 기반하여 실제 근전계 빔 집속 시험을 수행하였고 이상적인 결과와의 비교를 통해 시험 방법의 유효성을 확인하였다.

그림 1. 근전계 빔 집속 구성도 Fig. 1. Configuration of near-field beam focusing.

그림 2. $\frac{z_i}{L}$에 따른 분산량 비교 Fig. 2. Dispersion comparison due to $\frac{z_i}{L}$.

그림 3. 빔 조향에 따른 경로 보상 형상 Fig. 3. Configuration of path compensation due to beam steering.

그림 4. 빔 조향에 따른 경로차 적용 개념Fig. 4. Concept of path difference compensation due tobeam steering.

그림 5. 정렬 시험 구성도 Fig. 5. Configuration of alignment test.

그림 6. 근전계 크기/위상 Fig. 6. Near-field magnitude/phase.

그림 7. 빔 집속 시험 시험 구성도 Fig. 7. NFBF test configuration.

그림 8. 합채널 빔 집속 Fig. 8. Beam focusing of sum channel(streering angle @ Az:0°/El:0°).

그림 9. 방위각 차채널 빔 집속 Fig. 9. Beam focusing of Del.Az channel(streering angle @ Az:0°/El:0°).

그림 10. 고각 차채널 빔 집속 Fig. 10. Beam focusing of Del.El channel(streering angle @ Az:0°/El:0°).

그림 11. 합채널 빔 집속 Fig. 11. Beam focusing of sum channel(streering angle @ Az:20°/El:20°).

그림 12 방위각 차채널 빔 집속 Fig. 12. Beam focusing of Del.Az channel(streering angle @ Az:20°/El:20°).

그림 13. 고각 차채널 빔 집속 Fig. 13. Beam focusing of Del.El channel(streering angle @ Az:20°/El:20°).

그림 14. 빔 응답 개념 Fig. 14. Beam response concept.

그림 15. 빔 조향에 따른 방위각 빔 응답 비교 Fig. 15. Azimuth beam response comparison due to beam steering(@ Sum/Del ch.).

그림 16. 빔 조향에 따른 고각 빔 응답 비교 Fig. 16 Elevation beam response comparison due to beam steering (@ Sum/Del ch.).

표 1. 평면위상배열안테나 제원 Table 1. Planar phased array antenna data.