공부하면서 기록을 남기기 위해 작성하는 글입니다.
틀린 내용이 있다면 댓글로 남겨주시면 감사하겠습니다!
빔포밍이란?
빔포밍은 전파에 방향을 만들어 원하는 방향으로 강하게 보내게 도와주는 기술입니다. 여러개 안테나의 방향과 출력 강도를 각각 통제함으로써 빔포밍 할 수 있습니다. 원하는 영역에 더 많이, 그 외 영역에는 작게 빛을 전달하는 스포트라이트를 생각하면 이해가 수월합니다.
무선 통신 분야과 레이더 분야에서 많이 연구되는 주제이며 이 포스팅에선 레이더 분야에서 빔포밍을 어떻게 사용하는지에 대해 알아보겠습니다.
+ 레이더 분야에서 송신 신호에 방향성을 갖게하는 기술도 빔포밍이라 부르고 그 외에도 여러개의 안테나에서 받은 수신신호를 합치는 작업도 빔포밍이라 부르는 문서나 영상을 몇 개 봤습니다. 이번엔 송신 신호에 방향성을 부여하는 빔포밍에 대해서만 알아보고 다음에 수정 또는 새로 공부해보겠습니다.
레이더 빔포밍 예시
빔포밍은 안테나들 각각의 방향, 신호의 세기를 조절함으로써 출력 신호가 방향성을 가지게 합니다.
일반적으로 더 많은 안테나를 사용할수록 신호의 폭은 좁아지고 더 강하게 나가게 됩니다.
2개의 안테나와 8개의 안테나를 각각 일렬로 배치했을 때 전파의 진행을 살펴보겠습니다.
2개의 안테나를 사용했을 원형에 가까운 모양으로 진행하는 반면 8개의 안테나를 사용하면 방향성을 갖고 더 강하게 나아갑니다.
단순히 개수만 늘려도 전파를 정면으로 향하게 하는 빔포밍 효과가 나타나지만 같은 개수의 안테나를 사용하더라도 각각의 안테나의 신호 강도와 방향을 조합하여 다양한 방향과 형태로 빔포밍 할 수 있습니다. 이를 쉽게 설명해주는 영상이 matlab 공식 유튜브에 있으니 관심있으시면 시청을 추천드립니다.
https://www.youtube.com/watch?v=VOGjHxlisyo&t=745s
빔포밍을 왜 하는가?
1. 레이더의 해상도 (방위/고도)
전파의 폭이 좁을수록 방위 해상도와 고도 해상도가 높아집니다.
해상도가 높아진다는 뜻은 타겟의 위치(범위)를 더 정밀하게 나타낼 수 있고 근접한 타겟들을 더 잘 분리 식별할 수 있음을 의미합니다
아래 예시에서 안테나 8개로 이뤄진 레이더에서는 두 항공기가 하나의 신호에 잡혀 구분이 어렵지만 16개로 이뤄진 레이더에서는 잘 구분해낼 수 있습니다.
2. 사이드 로브 영향 감소
여러 대의 안테나를 사용해 전파를 보낼 때 우리가 의도한 방향으로 가는 가장 강한 전파를 메인로브라고 합니다.
반면 의도와는 다르게 원치 않는 방향으로 새는 전파를 사이드로브라고 하는데 일반적인 경우 사이드로브는 수신 신호에 노이즈로 작동하는 등 결과에 부정적인 영향을 주기 때문에 최소화 하는것이 바람직합니다.
빔포밍을 통해 메인로브를 키우고 사이드로브를 약화시킬 수 있습니다.
3. 다목적 레이더
일반적인 레이더는 탐색, 추적 등 다양한 목적에 맞춰 설계됩니다.
항상 모든 영역을 다 봐야하는 탐색의 경우 전파의 폭이 좁으면 같은 영역을 보더라도 스캔을 더 많이 해야합니다.
따라서 왼쪽과 같이 정밀도는 조금 떨어지더라도 한번에 넓은 영역을 스캔하여 전체 스캔 횟수를 줄이는 것이 유리합니다.
반면 특정 대상을 쫓아가는 추적의 경우 모든 영역을 다 볼 필요 없이 타겟의 예상 경로만 스캔하면 됩니다.
좁은 영역을 정밀하게 스캔해 타겟의 위치를 최대한 정확하게 특정해야하므로 전파의 폭을 좁혀 스캔하는 것이 더 유리할 것입니다.
빔포밍, 그 중에서도 디지털/하이브리드 빔포밍 방식을 사용하면 전파의 방향과 형태를 빠르게 조절할 수 있어 하나의 레이더로 탐색, 추적, 모니터링 등 다양한 임무를 수행할 수 있게 됩니다.
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