[논문]헬기 장착 항행 레이더용 Ka-대역 렌즈 안테나 설계

문상만; 김현경; 김인규; 이상종; 김태식; 이해창

문제 정의

이렇듯 대부분의 경우 항공기용 안테나는 외부 부 착물로써 항공기의 항행시 공기 저항을 극한으로 받 게 된다. 따라서 공기저항을 최대한 줄이기 위해서 부착위치가 중요하듯이 안테나의 형태도 중요하다s 그러므로 본 논문에서 설겨하고자 하는 안테나는 항공기중에서 저속 항행을 하는 항공기로 헬기에 부 착하는 안테나로써 항행 레이더용 안테나에 대해 논 하고자 한다. 헬기에 부착 가능한 위치는 헬기 전방 아랫부분 및 헬기의 회전익 윗부분으로 들 수 있다.
본 논문은 저속 항공기인 헬기에서 사용될 수 있는 항행 레이더용 안테나를 설계하는 것에 그 목적이 있다. 설계시 항행용이므로 공기 저항을 줄일 수 있는 볼록 렌즈 형태를 개구면에 부가하였으며, 이를 이용하여 같은 크기의 개구면일 때와 비교 하였을 경우 이득 증가 및 빔폭 감소를 렌즈의 특성을 이용하면 가능하다 판단되었다.
헬기에 부착 가능한 위치는 헬기 전방 아랫부분 및 헬기의 회전익 윗부분으로 들 수 있다. 본 논문의 항행 레이더용 안테나는 충돌방지 및 회피 를 목적으로 사용하는 레이더용 안테나이기 때문에 전방에 대한 탐지가 주목적이며, 이러한 이유로 회전 익 윗부분 보다는 전방 아래 부분(nose)에 장착하는 안테나를 설계하고자 한다. 그 부착 위치를 그림 1에 나타내었다.
주름이 있음으로 인한 Ray의 변형은 전자기파의 밀집에 영향을 주는 것으로 알려져 있어 매칭에 의해 전자기파 적인 밀집을 이용하여 사이드로브 억제 효과도 다소 있는 것으로 알려져 있다. 하지만 본 논문에서는 매 칭을 위한 주름은 사이드로브 억제보다는 송수신기로 의 반사신호를 작게 하는 return loss 개선 효과를 목표로 한다

제안 방법

따라서 항행모드시 안테나의 이득은 최소 탐지 신 호에 따라 다소 달라지는데 일반적으로 최소 탐지 신 호의 선택은 수신기 성능에 따라 좌우되며 그 크기는 대략 -96dBm에서 -106dBm 사이의 값으로 잘 알려져 있다.'4 또한, 탐지 물체의 평균 유효 단면적은 각 도별 RCS의 평균치로 나타내었는데, 여기서는 항행 용이므로 물체의 반사각도가 ±5도 범위내에서 높게 나타나도록 사용주파수가 35GHz로 설정하여 높은 RCS를 갖는 탐지 물체로 인지하도록 하였다. 따라서 이러한 사항을 만족하기 위해 항행모드시 8Km 내의 물체를 탐지하기 위한 항행모드시에서의 안테나의 이 득은 수신 신호 및 RCS가 좋은 경우로써, RCS 30 dBsm, 최소탐지 신호가 -106dBm 이상일 때 31dBi 이상이 필요하고, 탐지거리가 2Km의 이착륙 모드인 [표 1] 레이더의 설계 사양(Radar design parameter)
9mm, 주름 간격은 4mm, 주름 폭은 24皿로 하였다.削引 일반적인 확장된 도파관(개 구면 직경 100mm, flare angle 45°, 개구면에 직경 100mm, 두께 5, 20, 501皿인 유전체 실린더 덮개) 구조 에서 홈 유무에 따른 반사손실 특성을 시뮬레이션을 통해 확인해 보았다. 시뮬레이션은 제작 측면에서 비 용 및 개발 시간 단축을 위해 사용하였으며, 사용된 개발 도구는 CST사의 Microwave studio 3.
본 논문에서 제안한 혼 안테나는 conical 혼 안테 56/한국군사과학기술학회지 제7권 제4호(2004년 12월) (b) 방사패턴 (Radiation Pattern)나로서 flare angle에 따라 빔폭 초점 길이(OL)가 달 라지며, 초점길이와 개구면 직경과는 quadrature phase 曰ror로 인하여 최적의 이득을 나타내는 각도 가 있다.的 하지만, 본 논문에서는 서론에서 언급하였 듯이 개구면에 유선형 렌즈를 부가할 것이고, 혼 전체 길이의 감소 및 무게 감량을 위하여 90° flare angle을 갖는 wide conical horn을 사용할 것이다. 또한, 급전 부분에 choked horn을 사용하여 혼 내부 의 power 분포를 변화함으로써 side lobe 억제를 도 모하였다.
的 하지만, 본 논문에서는 서론에서 언급하였 듯이 개구면에 유선형 렌즈를 부가할 것이고, 혼 전체 길이의 감소 및 무게 감량을 위하여 90° flare angle을 갖는 wide conical horn을 사용할 것이다. 또한, 급전 부분에 choked horn을 사용하여 혼 내부 의 power 분포를 변화함으로써 side lobe 억제를 도 모하였다. Choked horn의 제작 결과를 그림 3에 나타내었다.
렌즈의 설계는 광학적인 방법으로 경계면에서의 E field의 수직 입사시 두 매질간의 경계 및 전파 경로 차를 고려하여 동일 거리 이동이 일어나는 관계로 렌 즈의 곡면을 설계하였다. 여기서, 설계 방법은 기존의 방식과는 같으나 고려되어야 할 flare angle과 초점거 리와의 관계식으로 수식을 재정리하여 실제 설계 제 작시 필요한 혼 flare angle과 초점 길이만으로도 렌 즈의 곡면을 산출 가능한 수식으로 변형하여 실 제작 시 바로 데이터화하여 활용할 수 있도록 하였다.
셋째로는 렌즈와 공기와의 경계면에 구조를 조정하여 전파의 진행시 매질의 임피던스를 조정하는 것으로써 흔히 주름(corrugation)을 넣는 방법이 있는데 이러한 구조는 가공면에서 다소 시간이 걸리지 만, 렌즈의 주름으로 인해 경계면의 표면 임피던스 변화가 있고, 이러한 임피던스가 두 매질 사이의 임 피던스 매칭을 이루어 반사파의 감소를 만든다. 본 논문에서 제시된 안테나의 개구면은 주름의 구조 및 홈 깊이, 주름 폭 및 간격 등에 대한 자료는 기존 문 헌을 참조하여, 여 주름의 구조는 원형 반복이고, 홈 은 入g(관내파장)/4로써 1.9mm, 주름 간격은 4mm, 주름 폭은 24皿로 하였다.削引 일반적인 확장된 도파관(개 구면 직경 100mm, flare angle 45°, 개구면에 직경 100mm, 두께 5, 20, 501皿인 유전체 실린더 덮개) 구조 에서 홈 유무에 따른 반사손실 특성을 시뮬레이션을 통해 확인해 보았다.
그리고, 내부 에 주름을 사용함으로써 렌즈 양면에 주름을 사용하는 것보다는 다소 저감되는 반사손실 특성이 예상되 만, 렌즈의 두께가 두꺼워져도 설계 주파수 대역에서 는 평탄한 특성을 나타내어 양호한 설계가 되었음을 알 수 있었다. 설계 치수로는 주름 홈은 初（관내파장）/4로써 1.9飾, 주름 간격은 4剛, 주름 폭은 2.4剛로 설계 되었다.
세부 설계 사양을 세우기 위해 서론에서 언급하였 듯이 항행 레이더용 안테나는 레이더 설계 및 사용 목적에 맞는 그 사양이 정해지므로 표 1 및 일반적인 레이더 방정식인 수식 (1)을 통하여 간략하게 레이더 안테나의 이득을 예산하였으며, 이를 토대로 대략 적 인 빔폭을 구하였다同 표 2는 계산된 안테나의 설계 목표 사양을 나타내었다.
렌즈의 설계는 광학적인 방법으로 경계면에서의 E field의 수직 입사시 두 매질간의 경계 및 전파 경로 차를 고려하여 동일 거리 이동이 일어나는 관계로 렌 즈의 곡면을 설계하였다. 여기서, 설계 방법은 기존의 방식과는 같으나 고려되어야 할 flare angle과 초점거 리와의 관계식으로 수식을 재정리하여 실제 설계 제 작시 필요한 혼 flare angle과 초점 길이만으로도 렌 즈의 곡면을 산출 가능한 수식으로 변형하여 실 제작 시 바로 데이터화하여 활용할 수 있도록 하였다.
5Kw 로써 송신시 반사되는 양을 최대한 막아야 송신단 VSV玉이 나빠지는 것과 수신단의 포화를 막을 수 있다. 이를 위해 송신시 혼의 내부와 렌즈와의 접촉 면에는 매칭면을 두었으며, 렌즈와 외부공간은 공기 저항을 고려하는 것이 더 중요하기에 매끄럽게 구현 하였다. 따라서, 송신시 반사를 억제하기 위해서는 개 구면 정합을 해야 하는데, 개구면 정합에는 대략 3가 지가 있다.
이상으로 볼록 렌즈 설계 및 급전용 혼 안테나에 대해 제작 측정, 반사를 줄이기 위한 주름의 구조에 대한 설계 및 시뮬레이션 검증을 하였다. 시뮬레이션 을 통한 검증은 파장에 비하여 크기가 큰 안테나이기 에 mesh 수 증가에 따른 해석이 불가능하여 앞서 설 계한 주름에 대한 특성을 입력하지 않았다.

대상 데이터

그림 4는 렌즈의 곡면을 산출하기 위한 개념도이다. 렌즈는 볼록 렌즈 형상으로 비유전율(@)을 2.6으로 설정하였으며, 안테나의 개구면의 직경이 280mm, 초점과 안테나의 렌즈와의 거리가 145皿1로 설정하였다. 위 그림에서 각 RF 경로의 길이는 모두 같으므 로 식 (2)와 같다.
본 논문에서 제안한 혼 안테나는 conical 혼 안테 56/한국군사과학기술학회지 제7권 제4호(2004년 12월) (b) 방사패턴 (Radiation Pattern)나로서 flare angle에 따라 빔폭 초점 길이(OL)가 달 라지며, 초점길이와 개구면 직경과는 quadrature phase 曰ror로 인하여 최적의 이득을 나타내는 각도 가 있다.的 하지만, 본 논문에서는 서론에서 언급하였 듯이 개구면에 유선형 렌즈를 부가할 것이고, 혼 전체 길이의 감소 및 무게 감량을 위하여 90° flare angle을 갖는 wide conical horn을 사용할 것이다.

이론/모형

削引 일반적인 확장된 도파관(개 구면 직경 100mm, flare angle 45°, 개구면에 직경 100mm, 두께 5, 20, 501皿인 유전체 실린더 덮개) 구조 에서 홈 유무에 따른 반사손실 특성을 시뮬레이션을 통해 확인해 보았다. 시뮬레이션은 제작 측면에서 비 용 및 개발 시간 단축을 위해 사용하였으며, 사용된 개발 도구는 CST사의 Microwave studio 3.4를 사용하였다.

성능/효과

2dBi. E- plane 빔폭은 1.8°, H-plane 빔폭은 1.4°를 나타내었 으며, side-lobe levele E-plane T8.4dB, H-plane -19.5dB로 나타내어, 본 논문에서 제안된 레이더용 안테나로써, 사용 가능하기 위해서는 사이드로브를 낮추기 위해 개구면 매칭을 이루어 E-plane 및 H-plane 사이드로브 억제가 더욱 필요함을 알 수 있었다.
그러므로 본 논문에서는 항행 레이더용 헬기 장착 안테나로 렌즈가 부가된 혼 안테나를 제안하였으며, 렌즈의 형태는 유선형임을 감안하여 볼록 렌즈의 형태를 취하였다. 또한, 전체적인 무게 및 부피 감소를 위해 혼 안테나는 wide flare angle(90°)로 선정하였으며, 그 구조를 그림 2에 나타내었다.
사이드로브 억제 면에서는 급전부분에 choked horn 을 사용함으로써 내부 field에서 power 분포를 Taylor의 n차 cosine 형태（±45°까지）로 나타남을 제 작을 통해 확인할 수 있었으며, 이는 사이드로브 억 제가 가능함을 충분히 예측할 수 있다. 그리고, 내부 에 주름을 사용함으로써 렌즈 양면에 주름을 사용하는 것보다는 다소 저감되는 반사손실 특성이 예상되 만, 렌즈의 두께가 두꺼워져도 설계 주파수 대역에서 는 평탄한 특성을 나타내어 양호한 설계가 되었음을 알 수 있었다. 설계 치수로는 주름 홈은 初（관내파장）/4로써 1.
그림 5에서 나타내었듯이 두께가 두꺼워 질수록, 전체적으로 반사손실에서 리플의 개수가 많아지는데, 35GHz 대역으로 설계된 주름이 있는 경우엔 리플의 개수가 많아져도 해당대역 근처에서는 -20dB 이하의 균일한 반사손실 특성을 나타냄을 알 수 있다. 또한, 주름의 존재로 인해 반사손실이 다소 향상되는 것으로 판단되어, 개구면 매칭을 위한 주름 구조를 적용 함으로써 제작상 주파수 변경 및 기타 요소에 의해 다소 나빠질 수 있는 반사손실 값에 마진을 둘 수 있을 것으로 판단되었다.
8°, H-plane 1.4。를 나타내었으며, 사이드 로브는 E-plane -18.4 dB, H-plane -19.5dB를 나타내어 일반적인 다소 높은 사이드 로브 레벨을 나타내었지만, 지향도가 31 dBi 이상을 중분히 만족하여 수신 power 즉면에서는 Ka-대역 헬기용 외부 장착용 렌즈 안테나로 사용 가 능함을 확인하였다.
따라서 이러한 반사를 최대한 억제해야 한다. 본 논 문에서 사용되는 레이더의 송신 첨두 출력은 2.5Kw 로써 송신시 반사되는 양을 최대한 막아야 송신단 VSV玉이 나빠지는 것과 수신단의 포화를 막을 수 있다. 이를 위해 송신시 혼의 내부와 렌즈와의 접촉 면에는 매칭면을 두었으며, 렌즈와 외부공간은 공기 저항을 고려하는 것이 더 중요하기에 매끄럽게 구현 하였다.
사이드로브 억제 면에서는 급전부분에 choked horn 을 사용함으로써 내부 field에서 power 분포를 Taylor의 n차 cosine 형태（±45°까지）로 나타남을 제 작을 통해 확인할 수 있었으며, 이는 사이드로브 억 제가 가능함을 충분히 예측할 수 있다. 그리고, 내부 에 주름을 사용함으로써 렌즈 양면에 주름을 사용하는 것보다는 다소 저감되는 반사손실 특성이 예상되 만, 렌즈의 두께가 두꺼워져도 설계 주파수 대역에서 는 평탄한 특성을 나타내어 양호한 설계가 되었음을 알 수 있었다.
본 논문은 저속 항공기인 헬기에서 사용될 수 있는 항행 레이더용 안테나를 설계하는 것에 그 목적이 있다. 설계시 항행용이므로 공기 저항을 줄일 수 있는 볼록 렌즈 형태를 개구면에 부가하였으며, 이를 이용하여 같은 크기의 개구면일 때와 비교 하였을 경우 이득 증가 및 빔폭 감소를 렌즈의 특성을 이용하면 가능하다 판단되었다.
제작 측정된 값의 정규 화 값을 그림 3(b) 에 나타내었는데, ±40도 근처에까 지 E, H power 크기가 거의 같음을 알 수 있다. 이는 power 분포가 혼 flare의 edge 부부까지 n 차의 cosine 분포를 나타냄을 알 수 있고, 이로써 Tayler Power Distribution처럼 사이드로브 억제가 가능할 것으로 판단되었다.
Choked horn의 제작 결과를 그림 3에 나타내었다. 제작 측정 결과, 수직 펀파시 main lobe에서 E plane의 elevation 방향의 power 감소가 있지만, 이는 E, H의 power 분포를 같도록 만들기 위한 과정에서의 결과로 나타났다. 제작 측정된 값의 정규 화 값을 그림 3(b) 에 나타내었는데, ±40도 근처에까 지 E, H power 크기가 거의 같음을 알 수 있다.

후속연구

추후, 실 제작을 통한 측정으로 설계 결과를 검 토해야 할，것이며, 성능 변화에 요인이 되는 각 parameter에 대한 성능을 분석해야 할 것이다• 또한, 무게 감량 및 표면 주름 이용시 사이드로브 개선이 어느 정도 있는지에 대한 확인 작업이 필요할 것으로 사료된다.

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