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문제 정의
- 본 연구는 한국해양연구원 기본연구사업 '하구역의 관리 및 기능 회복 기술개발, 의일환으로 수행되었다.
제안 방법
- 위해 High Frequency Structure Simulator (HFSS) 상용 소프트웨어를 사용하여 QSTCR의 RCS 특성을 분석하였다. HFSS 를 사용하여 단일 DCR 과 단일 STCR의 특성을 분석하여 두 특성의 우세영역을 구분하였고, 이를 통해 이론식을 보완하였다. Fig.
- 또한 회로망 분석기에 노트북을 GPIB 케이블로 연결하여 프로그래밍을 통해 자동으로 데이터를 수집할 수 있다. QSTCR의 중심축선(bore-sight,0=54.74°)를 안테나가 정확히 바라보게 하고, 방위각(-90° 에서 90°까지)방향으로 전파 반사기의 RCS 패턴 측정한 결과를 분석한다. 방위 각 90° 간 격마다 같은 패턴이 반복되고, 이때 안테나와 반사기까지의 거리는 2.
- 전파 반사기에 대해서는 많은 연구를 통하여 측정 및 이론식들이 있다. 그러나 본 논문에서 제안한 QSTCR 에 대한 RCS를 정확하게 계산하는 이론식은 얻을 수 없으므로, 방위 각 0°와 방위각 ±90° 근방의 각도에서는 양면전파 반사기(DCR)의 특성을 적용하고, 이외의 각도에서는 사각형 삼면전파반사기(STCR)의 특성을 적용하여 이론식을 제안하였다. 만약-90° <^<90° 범위를 고려한다면, -90° <0<-80°, -10° <0<10°, 80/ 川90° 의 범위는 DCR의 RCS 계산식 인식(2)을 사용하고, 그 밖의 각도에 서는 STCR의 RCS 계산식 인식(3)를 사용하였다(Ruck et al.
- 3 GHz) scatterometer 시스템으로 측정하였다. 또한, 측정값을 모멘트법과 이론식 및 HFSS 시뮬레이션 값과 비교하여 적절성을 분석해 보았다. 주요 해석 부근인 방위 각 ±45° 에서 측정값과 비교값의 차이는 HH-편파와 W-편파 모두에서 2 dB이하 를 보였으며, 방위 각 0° 에서는 비교값과 HH-편파는 3 dB이하, W-편파는 IdB이하의 차이를 보였다.
- 또한, 능동 반사기에 비해서는 여러 주파수에서 사용 가능하고, 제작과 설치가 간편한 장점이 있다. 본 연구에서는, 사각형 삼면 전파반사기(Square-plate Trihedral Corner Reflector, STCR)네 개를 배열하여 연결한 형태의 4-배열사각형 삼면전파 반사기 (Quadruple Square-plate Trihedral Corner Reflector, QSTCR)를 설계하여 전방향에서 전파를 입사 방향으로 반사하도록 하였다(Levanon, 1988).이 전파 반사기의 RCS패턴을 측정하였고, 이 측정값을 수치해석 시뮬레이션과 이론적 계산으로 비교하였다.
- 앞에서 살펴본 측정값, 모멘트 법 수치 계산 값, 이 론값 그리고 HFSS 계산값을 비교하여 QSTCR의 RCS 패턴 특성을 정확히 분석하게 된다. Fig.
- 위성 SAR 영상분석을 이용하여 선박의 위치를 추적할 필요에 의해 제안된 견본(prototype)의 4-배열사각형삼면 전파 반사기 (Quadruple Square-plate Trihedral Comer Reflector, QSTCR)를 제작하였고, 이 반사기의 RCS 패턴을 C-밴드 (5.3 GHz) scatterometer 시스템으로 측정하였다. 또한, 측정값을 모멘트법과 이론식 및 HFSS 시뮬레이션 값과 비교하여 적절성을 분석해 보았다.
- 더욱 정확한 비교를 . 위해 High Frequency Structure Simulator (HFSS) 상용 소프트웨어를 사용하여 QSTCR의 RCS 특성을 분석하였다. HFSS 를 사용하여 단일 DCR 과 단일 STCR의 특성을 분석하여 두 특성의 우세영역을 구분하였고, 이를 통해 이론식을 보완하였다.
- 본 연구에서는, 사각형 삼면 전파반사기(Square-plate Trihedral Corner Reflector, STCR)네 개를 배열하여 연결한 형태의 4-배열사각형 삼면전파 반사기 (Quadruple Square-plate Trihedral Corner Reflector, QSTCR)를 설계하여 전방향에서 전파를 입사 방향으로 반사하도록 하였다(Levanon, 1988).이 전파 반사기의 RCS패턴을 측정하였고, 이 측정값을 수치해석 시뮬레이션과 이론적 계산으로 비교하였다. 이를 통해 선박의 위치추적에 사용되기에 적절한 전파 반사기를 제시하였다.
- 이 전파 반사기의 RCS패턴을 측정하였고, 이 측정값을 수치해석 시뮬레이션과 이론적 계산으로 비교하였다. 이를 통해 선박의 위치추적에 사용되기에 적절한 전파 반사기를 제시하였다.
데이터처리
- 식(1)에서 표면 전류 S)를 구한 후 RCS를 계산하게 된다. 모멘트 법 계산시 전파QSTCR의 두께 는 고려하지 않았으며, 2700개의 미소면적으로 나눈 후 각각에서 계산하였다. 모멘트 법 수치 해석 계산시 가장 중요한 대각 행렬 요소인 selfcell을 적분할 때에는 각 selfcell의 중심부근에서 작은 원을 제거하였다.
이론/모형
- 수치 해석 기법 중 하나인 모멘트 법(Method of moment, MoM)은 전기적 분 방정식 (electric field integral equation: EFIE) 또는 자기적분 방정식 (magnetic field integral equation: MFIE) 을 통해 계산된다. 일반적인 EFIE식은 다음과 같다 (Balanis,1989).
- 모멘트 법 수치 해석 계산시 가장 중요한 대각 행렬 요소인 selfcell을 적분할 때에는 각 selfcell의 중심부근에서 작은 원을 제거하였다. 이때에 작은 원의 반지름이 2/400 이하에서 적분값이 수렴되는 것을 확인한 후원을 제거하였으며, 가우시 안 수치적분법 (Gaussian Quadrature)을 사용하였다 (Burden and Faires, 2005). Fig.
성능/효과
- 방위 각 ±12°부근의 부돌출부들은 QSTCR의 세로 방향의 모서리에 의해 DCR특성이 우세하게 나타나는 영역에서 STCR의 영향이 함께 나타난 것이다. 모서리의 두께가 작아진다면 부돌출 부의 크기가 작아지며, 폭도 좁아지는 것을 HFSS 계산에서 확인하였다. 특히, HH편파에 비해 W편파에서 부돌출부가 크게 나타나는데 두께가 작아지면 HH편파와 VV편파의 부돌출 부 차이는 작아진다.
- 주요 해석 영역 부근인 방위 각 ±45°주변에서는 비교값들 사이에 2 dB이하의 오차를 보였으며, 방위 각 0에서는 IdB이하의 차이를 보였다. 방위 각 ±12°부근의 부돌출부에서 HH편파와 W편파 의 차이가 나타났으며, 이 부근에서는 두께가 고려된 HFSS의 결과 값이 다른 비교값들과 비교해서 측정값과 잘 맞는 것을 확인하였다. 전방향 반사 특성의 관점에서 볼 때, -20° <0<20° 구간에서 W편파가 HH편파보다 더 좋은 것을 볼 수 있다.
- 주요 해석 부근인 방위 각 ±45° 에서 측정값과 비교값의 차이는 HH-편파와 W-편파 모두에서 2 dB이하 를 보였으며, 방위 각 0° 에서는 비교값과 HH-편파는 3 dB이하, W-편파는 IdB이하의 차이를 보였다. 본 연구에서 측정하고 계산한 0.15 m의 견본 반사기의 RCS 는 중심축선에서 7.8 dBsm이지만 이 크기가 1 m가 되면 40.7 dBsm으로 크게 증가하는 것을 볼 수 있었다. 수직방향 각도별로 방위 각 방향 RCS패턴을 연구하여 2차원 RCS 특성을 분석한다면 보다 정확한 RCS 해석 및 응용을 할 수 있으므로 이에 대한 연구가 더 필요하다.
- 또한, 측정값을 모멘트법과 이론식 및 HFSS 시뮬레이션 값과 비교하여 적절성을 분석해 보았다. 주요 해석 부근인 방위 각 ±45° 에서 측정값과 비교값의 차이는 HH-편파와 W-편파 모두에서 2 dB이하 를 보였으며, 방위 각 0° 에서는 비교값과 HH-편파는 3 dB이하, W-편파는 IdB이하의 차이를 보였다. 본 연구에서 측정하고 계산한 0.
- 4는 HH편파에서 모멘트법으로 계산한 QSTCR의 HH편파 RCS값과 측정된 HH편파의 RCS값을 비교한 그림이다. 주요 해석 영역부근인 방위 각 ±45° 주변에서는 비교값들 사이에 2 dB이하의 오차를 보였으며, 방위각 0° 에서는 3dB 이하의 차이를 보였다. Fig.
- 송수신기로 회로망 분석기를 사용하고, OMTforthogonal mode transducer) 가 부착된 안테나 시스템을 갖고 있어서 W-, VH-, HV-, W-편 파 특성을 측정할 수 있는 완전 편파용 scatterometer이 다(홍진영, 오이석, 2006).회로망 분석기의 시간 영역 변환 기능을 사용하여 마치 무반향실에서의 측정처럼 전파 잡음을 제거할 수 있으며, 턴테이블을 이용하여 수평방위각 0°도부터 360°도까지 정확하게 RCS 패턴을 측정할 수 있다. 또한 회로망 분석기에 노트북을 GPIB 케이블로 연결하여 프로그래밍을 통해 자동으로 데이터를 수집할 수 있다.
후속연구
- 7 dBsm으로 크게 증가하는 것을 볼 수 있었다. 수직방향 각도별로 방위 각 방향 RCS패턴을 연구하여 2차원 RCS 특성을 분석한다면 보다 정확한 RCS 해석 및 응용을 할 수 있으므로 이에 대한 연구가 더 필요하다.
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