Analysis of TTD Phase Delay Error and Its Effect on Phased Array Antenna due to Impedance Mismatch

It is well known that reflected waves and resonance affect phase distortion. In addition, phase delay can be distorted by antenna impedance. In this study, we analyze the phase delay variation caused by the antenna impedance, considering mutual coupling effects. In addition, we confirm the beam steering characteristics. When was -10 dB and -7 dB, the maximum phase delay error was $18.5^{\circ}$ and $26.5^{\circ}$, respectively. The Monte Carlo simulation with an eight-element linear array antenna demonstrated that the RMS error of the beam steering angle ranged from $0.19^{\circ}$ to $0.4^{\circ}$, and the standard deviation ranged from $0.14^{\circ}$ to $0.33^{\circ}$ when the beam steering angle was in the range of $0^{\circ}$ to $30^{\circ}$, with the uniformly distributed phase error of $18.5^{\circ}$ and $26.5^{\circ}$. The side lobe level increased from 0.74 dB to 1.21 dB by the phase error from the theoretical value of -12.8 dB, with a standard deviation of 0.31 dB to 0.51 dB. This is verified by designing an eight-element spiral array antenna.

위상 배열 안테나 임피던스 부정합에 따른 실시간 지연회로의 위상 지연 오차 및 영향 분석

일반적으로 반사파 및 공진이 위상 왜곡에 영향을 준다고 많이 알려져 있지만, 그 두 가지 이유 이외에 안테나 임피던스 변화에 따라서도 위상 지연을 왜곡시킬 수 있다는 것을 확인하였다. 본 논문에서는 상호 결합 영향을 모두 고려한 안테나 임피던스 $Z_A$에 따른 위상 지연 오차를 분석하고, 이에 따른 빔조향 특성을 확인하였다. 안테나 임피던스에 대한 반사손실의 최대값($RL_{max}$)이 -10 dB와 -7 dB일 때 모든 주파수에서 각각 $0.051{\lambda}$에 해당하는 $18.5^{\circ}$와 $0.074{\lambda}$에 해당하는 $26.5^{\circ}$의 최대 위상 지연 오차가 발생하는 것을 확인하였다. 8개의 선형 배열 안테나를 통해 몬테 카를로 시뮬레이션을 진행한 결과, $18.5^{\circ}$와 $26.5^{\circ}$의 균등 분포 위상 오차를 갖는 상황에서 각각 $0{\sim}30^{\circ}$의 빔조향을 했을 때 목표 빔조향각과 해당 위상 오차에 의해 틀어져서 관측되는 조향각 사이의 RMS 오차는 $0.19{\sim}0.4^{\circ}$이고, 표준편차는 $0.14{\sim}0.33^{\circ}$이다. 이때 사이드 로브 레벨은 -12.8 dB의 이론치로부터 위상 오차에 의해 0.74~1.21 dB 만큼 증가하고 사이드 로브 레벨 증가량의 표준 편차는 0.31~0.51 dB를 갖는다. 이를 스파이럴 안테나 8개 배열 구조를 설계하여 검증하였다.