Korean Institute of Information Technology

Current Issue

The Journal of Korean Institute of Information Technology - Vol. 20 , No. 8

[ Article ]
The Journal of Korean Institute of Information Technology - Vol. 20, No. 8, pp. 69-77
Abbreviation: Journal of KIIT
ISSN: 1598-8619 (Print) 2093-7571 (Online)
Print publication date 31 Aug 2022
Received 14 Jun 2022 Revised 08 Jul 2022 Accepted 11 Jul 2022
DOI: https://doi.org/10.14801/jkiit.2022.20.8.69

능동 위상배열 안테나 장치용 송수신모듈 자동화 측정 및 보정
박병준* ; 최선열** ; 최운성** ; 이복형**
*한화시스템 통신·전자전팀 전문연구원(교신저자)
**한화시스템 연구원

Automatic Measurement and Calibration of Transmit/Receive Module for Active Phased-Array Antenna Device
Byung-Jun Park* ; Sun-Youl Choi** ; Woon-Sung Choi** ; Bok-Hyung Lee**
Correspondence to : Byung-Jun Park Dept. of Hanwha Systems 8F, 188, Pangyoyeok-Ro, Bundang-Gu, Seongnam-Si, Gyeonggi-Do, Korea Tel.: +82-31-8020-7816, Email: byungjun8282.park@hanwha.com


초록

최근 들어 중요성 및 소요성이 증가되고 있는 능동 위상배열 안테나장치의 송수신모듈 자동화 측정 방안 및 위상/크기 보정 알고리즘에 관해 연구하였다. 송수신모듈은 송신부와 수신부로 구성되어 있으며 자동화 시험장비(ATE, Automated Test Equipment)를 통해 별도의 시험 구성 변경 없이 모든 시험이 가능하도록 스위치 매트릭스 및 계측기 간 통신을 이용하여 설계 및 제작되었다. 자동화 시험 진행 시 균일한 환경을 제공하기 위해 수냉식 냉각장치를 이용하였으며 ATE 운용을 위한 절차를 수립하여 시험 항목의 추가 및 삭제를 쉽도록 사용자 중심의 GUI(Graiphic User Interface)를 제작하였다. 자동화 측정 시간은 수동 측정과 비교하여 약 3.8배의 시간 단축을 확보하였으며 위상/크기 보정 알고리즘을 이용하여 위상 오차 ±6° 이내, 크기 오차 ±1dBp-p 이내로 측정되는 것을 확인할 수 있다.

Abstract

This paper proposed an automatic measurement and phase/amplitude correction algorithm about TRM(Transmit Receive Module) of active phased array antenna system, which are in increasing demand recently. Transceiver module consists of a transmitter and a receiver, and is designed to enable all tests through automated test equipment without changing the test configuration using switch matrix and communication between instruments. In order to provide a uniform environment, a separate water-cooled cooling device was used during the automated test. Through the user-oriented GUI, the procedure for automated test equipment operation was established so that test items can be freely changed. Automated measurement time was reduced by about 3.4 times compared to manual measurement. Using the phase/magnitude correction algorithm, the phase error was measured within ±6° and the magnitude error within ±1dBp-p.


Keywords: automated test equipment, phase/amplitude correction, calibration, switch matrix, transmit receive module

Ⅰ. 서 론

레이더 기술은 안테나장치, 송수신 처리장치 및 신호 처리 분야 등에서 지속해서 발전을 이루었다. 초기 레이더는 기계 구동식의 반사판 및 수동 위상배열 구조의 안테나를 이용하였으나 기계 구동으로 인한 느린 빔 조향 속도와 중앙 집중 구조로 인한 하나의 RF 송/수신기 고장에 따른 전체 안테나장치 운용 불가의 비효율성 해결 방안이 요구되는 상황에서 능동 위상배열 안테나가 필연적으로 개발되었다.

능동 위상배열 안테나는 다양하고 복잡한 RF 신호 환경에 대응하여 고속 빔 변환 및 전환, 정밀한 빔 조향 기술 적용이 가능하며, 크기 및 무게 감소의 장점으로 인해 수동 전자 주사 배열보다 능동 위상배열 구조가 선호되고 있다. 또한, 상대적으로 적은 출력의 다수 MMIC 증폭기를 사용하여 낮은 고장률과 일부 소자가 고장 나더라도 전체 성능이 크게 떨어지지 않고 점진적으로 열화되는 특성을 통해 신뢰성을 높일 수 있다[1].

레이더 신호는 지향하고자 하는 방향으로 방사 빔을 형성하고, 해당 표적에 맞고 돌아오는 신호를 탐지하기 위해 수신 빔을 형성하게 되며 Main-lobe와 Side-lobe로 구성된다. Main-lobe와 Side-lobe의 크기 차이는 중요한 요소이며[2][3], 송수신모듈에서 크기와 위상 가변이 가능하도록 설계하여 원하는 빔이 형성되도록 한다.

본 논문에서는 다수의 능동 위상배열 안테나 장치용 송수신모듈 측정 시 시간 절감 방안 및 성능 보정에 관하여 기술한다. 송수신모듈은 크게 송신부와 수신부로 구성되며, 측정 항목은 15개로 규정된다. 다수의 많은 측정 항목을 수동으로 진행 시 생기는 소모 시간과 별도의 자동화 시험 장비 구성을 통한 자동화 측정 시간을 비교하여 시간 단축 결과에 관해 기술한다. 또한, 능동 위상배열 안테나의 중요한 성능인 크기 및 위상의 균일한 특성 확보를 위한 자동화 측정 보정 방안에 관해 기술한다.

본 논문의 구성은 다음과 같다. 2장은 본문으로 송수신모듈 측정을 위한 자동화 시험 장비(ATE) 구성 및 항목별 측정 방안에 관하여 기술한다. 또한, 측정된 크기/위상값에 대한 보정 알고리즘에 관해 기술한다. 3장에서는 각 측정 방안에 따른 수동 측정 및 자동 측정에 대한 시간 감축 정도에 대한 분석 및 결과 파일 생성에 관해서 기술하며 보정 후 결과에 관해서도 기술한다. 4장에서는 결론에 관해 기술하고 본 연구가 갖는 특성 및 향후 연구에 관하여 기술한다.


Ⅱ. 본 론
2.1 송수신모듈 자동화 측정 구성

송수신모듈 자동화 측정을 위해 송수신모듈 구성을 파악하고 송신부와 수신부에 대한 시험 구성을 한다. 그 이후에 각 송/수신부의 시험 구성에 맞게 케이블 조립체를 제작하여야 한다. 그림 1은 다채널 송수신모듈의 구성도이며 크게 송신부와 수신부로구성된다. 송신부는 전류 증폭기, 감쇠기, 고출력 증폭기가 있으며, 수신부는 하이브리드 커플러, 리미터, 저잡음 증폭기 및 감쇠기로 구성되어 있다. 공용부는 다기능 칩과 써큘레이터로 구성된다.


Fig. 1. 
Architecture of Tx/Rx module

송수신모듈을 측정하기 위한 자동화 시험장비는 송수신모듈을 장착할 수 있는 시험치구, 계측기(네트워크 분석기, 네트워크 확장유닛, 신호 발생기, 신호분석기), 스위치 매트릭스, 전원 공급 장치, 냉각장치, 스위칭 허브, 및 서버 등으로 그림 2와 같이 구성된다.


Fig. 2. 
Architecture of automated test equipment

자동화 시험장비는 다채널 송수신모듈을 자동으로 제어해서 측정할 수 있는 시험 환경을 제공하고 사용자 편의를 위해 별도의 시험 구성 변경 없이 모든 시험이 가능하도록 설계하였다. 송수신모듈과 계측기 사이의 다채널 송신 및 수신 시험 경로 설정 및 자동 측정을 위하여 스위치 매트릭스가 요구되며 그림 3과 같이 구성되어 있다. 시험 측정 정확도를 높이기 위해 일정한 온도에서 시험할 수 있도록 냉각장치를 활용했다. 사용자 중심 기반의 GUI를 자체 제작하였으며, 운용 시 모니터 크기와 관계없이 자동으로 해상도가 적용되며 직접 시험 항목 수정 및 편집을 할 수 있도록 설계하였다.


Fig. 3. 
Block diagram of switch matrix

스위치 매트릭스 송신 경로는 SPDT(Single Pole Double Throw)에 의해 송수신모듈로 입력되는 신호를 각각 생성하며, SP4T(Single Pole 4 Throw)를 통해 측정하고자 하는 송신 신호를 출력하도록 설계되었다.

고출력 송신 신호를 직접 신호분석기 및 네트워크 분석기로 체결 시 계측기가 손상될 수 있어 power attenuator를 인입하고 손실 값을 보상하여 계측기를 보호하는 기능을 갖도록 설계하였다. 수신 경로는 SP4T에 의해 입력된 신호를 각각 생성하여 SPDT를 통해 수신 신호를 출력하도록 설계되었다. 계측기의 경우 시험 항목별 SPDT를 통해 신호분석기와 신호 발생기, 네트워크 분석기와 네트워크 확장유닛, 잡음지수 측정의 경로를 선택할 수 있도록 제작하였다.

2.2 송수신모듈 자동화 측정 시험 항목

송수신모듈 자동화 측정을 진행하기 위한 준비 과정으로 그림 4와 같은 운용 절차가 필요하다. 자동화 측정 GUI 프로그램을 실행한 후 계측기(네트워크 분석기, 네트워크 확장유닛, 신호 발생기, 신호분석기) 와 전원 공급 장치 연결을 이더넷을 통해 점검하여야 한다. 점검 후 이상이 없을 시 냉각장치를 USB를 통해 연결을 확인한 후 온도를 설정하여야 한다. 일련의 과정 진행 후 각 시험 항목에 맞게 계측기 보정 작업을 마친 후 송수신모듈을 시험치구와 냉각장치에 장착하여 송수신모듈 연결 상태를 확인 후 자동화 시험을 진행한다. 계측기 보정은 4가지 과정(Power, S-parameter, Spectrum and noise calibration)을 통해 진행된다. Power calibration은 송수신모듈에 정확한 power를 인가하기 위해 power sensor를 이용하여 진행되는 보정 과정이며, S-parameter calibration은 송/수신 경로 내의 케이블, 스위치, 감쇄가 등과 같은 손실 factor 보상 및 네트워크 분석기 보정을 위한 과정이며, spectrum calibration은 불요파, 고조파, 펄스 parameter 측정 시 경로 내의 손실 factor 보상 및 신호분석기 보정을 위한 과정이며, noise calibration은 송수신모듈의 수신 잡음지수 측정을 위해 noise source를 이용한 보정 과정이다.


Fig. 4. 
Operating procedure of ATE

자동화 시험 중 송수신모듈 규격을 미충족하는 fail 항목이 발생 시 진행 여부를 확인하여 시험을 멈추거나 다른 시험 항목을 진행하도록 한다. 자동화 시험이 종료된 후에는 측정된 결과를 취합하여 최종 시험 결과 성적서를 생성하고 종료된다[4].

송수신모듈 자동화 측정 시험 항목은 표 1과 같으며 송신부와 수신부를 기준으로 분류한다. 송신부 시험 항목은 Tx power, pulse-width, duty, harmonic, gain, phase, amplitude, VSWR(Voltage Standing Wave Ratio) 등이 있으며 수신부 시험 항목은 Rx P1dB, NF(Noise Figure), harmonic, gain, phase, amplitude, VSWR 등으로 구성된다[5][6].

Table 1. 
Automated measurement test lists
No. Test Items Note
1 Tx power
2 Tx pulse-width
3 Tx duty
4 Tx harmonic
5 Tx gain
6 Tx phase
7 Tx amplitude
8 Tx VSWR
9 Rx P1dB
10 Rx NF
11 Rx harmonic
12 Rx gain
13 Rx phase
14 Rx amplitude
15 Rx VSWR


Ⅲ. 자동화 측정 효율성 및 위상/크기 보정
3.1 송수신모듈 자동화 측정 효율성

송수신모듈 수동 측정 시 시험 항목별 시험 구성도 변경 및 채널 변경 등 많은 절차가 요구되며 측정 시간도 작업자의 능숙도 및 환경에 따라 차이가 생기는 등 비효율적인 측면이 많다. 본 논문에서 기술된 자동화 측정 방식의 경우 별도의 시험 구성 및 채널에 따른 구성 변경 없이 측정할 수 있으며 측정 시간도 수동 대비하여 단축할 수 있으며 일정한 측정 시간을 제공하는 장점이 있다.

표 1의 시험 항목을 기준으로 평균 16회 수동 측정 소요 시간의 경우 회차당 12시간 정도가 소모되는 것을 확인하였다. 이 부분을 자동화 측정으로 수행 시 16회 기준으로 측정 시 회차당 3시간 10분의 소모 시간을 확인할 수 있으며 이는 수도 대비 약 3.8배의 시간 절약의 효율성을 확인할 수 있다. 그림 5는 자동화 측정 GUI를 통한 전체 시험 시간 및 시험 항목별 소요 시간을 나타내고 있다.


Fig. 5. 
Automated measurement time

그림 6은 송신 출력, 송신 펄스폭, 송신 듀티의 수동 및 자동 측정 비교 결과를 나타내며 약 0.2dB 차이로 계측기 오차 결과 내 값으로 확인할 수 있다.


Fig. 6. 
Tx manual/automatic measurement result

그림 7은 수신 잡음지수 및 이득의 수동 및 자동 측정 비교 결과이며 잡음지수는 0.1dB 차이, 수신 이득은 0.3dB 이하로 거의 차이가 없음을 확인할 수 있다.


Fig. 7. 
Rx manual/automatic measurement result

3.2 송수신모듈 위상/크기 보정 알고리즘

송수신모듈 위상 및 크기 보정 알고리즘은 그림 8과 같다. 보정 전 측정된 위상 및 크기 값을 기본으로 하여 64x4 행렬로 만들어 FPGA 메모리에 LUT(Look-Up Table) 형태로 저장한다. 서버에서 GUI를 통해 위상값 1(5.625°), 크기 값 1(0.5dB)을 설정하게 되면 그 값을 받은 FPGA는 플래쉬 메모리에서 LUT로 위상값 1에 해당하는 행을 찾게 되고 위상값 1행에서 크기 값을 0~31.5dB까지 0.5dB 단위로 가변하여 측정된 데이터를 비교하게 된다. 비교된 값과 저장된 값의 차이를 비교하여 위상 오차값이 ±6°, 크기 오차값이 1dBp-p 이내이면 그 값을 입력값으로 지정하게 된다.


Fig. 8. 
Correction algorithm of phase/amplitude

그림 9는 보정 전 위상/크기 측정 데이터와 보정 후 위상/크기 측정 데이터 결과이다. 보정 전 크기 별 위상 변화의 경우 최대 55°까지 오차율이 생기며 위상별 크기의 경우 최대 9dB까지 오차율을 확인할 수 있다. 이 부분을 위상/크기 보정 알고리즘을 통해 위상 오차 ±6° 이내, 크기 오차값이 1dBp-p 이내로 만족하는 것을 확인할 수 있다[7][8].


Fig. 9. 
Phase/amplitude variation of before/after calibration, (a) Phase error by amplitude before correction, (b) Amplitude error by phase before correction, (c) Phase error by amplitude after correction, (d) Amplitude error by phase after correction


Ⅳ. 결 론

최근 능동 위상배열 안테나장치의 수요가 폭발적으로 늘어나는 상황에서 핵심 구성품인 송수신모듈의 효율적인 생산 및 시험 시간 단축이 요구된다. 이러한 요구사항을 만족하기 위해 자동화 측정 시험장비 제작이 필수적이며 자동화 측정에서 끝나는 것이 아닌 모든 시험 항목의 실시간 합/불 판별 및 시험 종료 후 모든 시험 항목에 대한 시험 결과 보고서 생성까지 원 버튼 실행 GUI를 설계 및 제작하였다.

본 논문에서는 능동 위상배열 안테나 장치용 송수신모듈 자동화 측정 시험 방안 및 위상/크기 알고리즘에 관해 기술하였다. 안테나장치를 조립하여 체결 후 근접전계 시험을 진행하기 전 위상/크기 보정을 통해 주파수 별 저장된 LUT를 통해 균일한 특성을 확보하여 시험 시간을 단축할 수 있으며 송수신모듈 고장 발생 시 다른 송수신모듈로 교체하여도 별도의 보정 작업 없이 시험을 진행할 수 있는 장점이 있다.

본 논문에서 제안된 송수신모듈은 16채널의 자동화 측정 및 보정 기능을 통해 효율성과 시간 단축을 입증하였다는 점에서 연구에 의의를 찾을 수 있었다. 본 연구를 통해 추후 64채널까지 자동화 측정 기능 확장 및 시험 항목을 추가 보완하는 것을 본 논문의 향후 과제로 한다.


References
1. H. M. Choi, "Radar development trend and technology development trend", Defense and Technology, Vol. 378, pp. 64-77, Aug. 2010. https://www.dbpia.co.kr/journal/articleDetail?nodeId=NODE02294247. [accessed: Jul. 08, 2022]
2. R. Hendrix, "Aerospace system improvements enabled by modern phased array radar-2008", Int. Radar Conf. IEEE, Italy, pp. 1-6, May 2008.
3. A. K. Agrawal, B. A. Kopp, M. H. Luesse, and K. W. O’Haver, "Active phased array antenna development for modern shipboard radar system", Johns Hopkins APL Technical Digest. Dig, Vol. 22, No. 4, pp. 600-613, 2001. https://www.jhuapl.edu/content/techdigest/pdf/V22-N04/22-04-Agrawal.pdf. [accessed: Jul. 08, 2022]
4. E. Grorud, C. Mehl, C. Renard, E. Semmler and K. Widmann, "Design and measurement of an active array antenna for an airborne X-band SAR/MTI radar", Proceeding of the European Conference on Antennas and Propagation, Nov. 2006.
5. S. W. Jo and S. J. Lee, "Design of radio frequency test set for TC&R RF subsystem verification of LEO and GEO satellites", J. of the Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol 8, No. 42, pp. 674-682, Jul. 2014.
6. L. K. Chang, S. W. Jo, H. G. Lee, and S. Y. Hong, "Design and fabrication of test equipment of RF Telecommunication and Telemetry for satellite control", JKSAS, Vol. 37, No. 2, pp. 187-192, 2009.
7. S. Y. Choi, B. H. Lee, and B. J. Park, "Design of multi function chip correction algorithm for radar", Journal of KIIT, Vol. 18, No. 6, pp. 81-88, Jun. 2020.
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저자소개
박 병 준 (Byung-Jun Park)

2009년 2월 : 광운대학교 전자공학과(공학사)

2011년 2월 : 광운대학교 전자공학과(공학석사)

2011년 1월 ~ 현재 : 한화시스템 통신·전자전팀 전문연구원

관심분야 : 위성통신 설계, RF 시스템, 능동·수동 소자 회로 설계

최 선 열 (Sun-Youl Choi)

2013년 2월 : 전북대학교 전자공학과(공학사)

2016년 8월 : 경북대학교 전자공학부(공학석사)

2016년 9월 ~ 현재 : 한화시스템 HW팀 선임 연구원

관심분야 : RF 증폭기, RF 다기능칩, MMIC, Radar Hardware

최 운 성 (Woon-Sung Choi)

2012년 2월 : 광운대학교 전자공학과(공학사)

2014년 2월 : 광운대학교 전자공학부(공학석사)

2017년 8월 : 광운대학교 전자공학부(공학박사)

2021년 11월 ~ 현재 : 한화시스템 통신·전자전팀 전문연구원

관심분야 : 위성통신 설계, RF 시스템, 능/수동 소자 회로 설계

이 복 형 (Bok-Hyung Lee)

1999년 2월 : 동국대학교 전자공학과(공학사)

2001년 2월 : 동국대학교 전자공학부(공학석사)

2006년 2월 : 동국대학교 전자공학부(공학박사)

2006년 2월 ~ 현재 : 한화시스템 HW팀 팀장

관심분야 : 능동 위상 배열 시스템, RFIC, RF 고출력 증폭기 설계, 송수신 Front-End 설계