본 논문에서는 레이더 표적의 피아 식별을 위해 일반적으로 사용되는 모노펄스 보조 감시 레이더용 안테나의 개발 방안 및 결과를 제시하였다. 개발된 안테나는 수동 선형 배열 안테나로서 횡급전기와 다수의 배열 소자로 구성된다. 횡급전기는 포트별로 전력 및 위상비가 최적화된 합, 차 및 부엽 억제 채널을 제공하며, 19개의 배열 소자와 1개의 후방 배열 소자와 연결되어 방위각 방향으로 빔 패턴을 형성한다. 합 채널 빔 패턴의 방위각 최대 부엽 수준은 -20 dBc 이하이며, 부엽 억제 채널 빔 패턴은 합 채널 빔 패턴의 주 빔 이외의 전 영역에서 부엽을 덮도록 한다. 그리고 차 채널 빔 패턴은 방위각 방향의 탐지 정확도를 높이기 위한 모노펄스 기능에 사용된다. 한편, 배열 소자는 고각 방향으로 성형 빔(shaped-beam)을 형성하여 지면으로부터의 강한 클러터 영향 및 다중경로 효과를 억제할 수 있도록 하였다. 개발된 안테나는 산란계수 측정 및 원전계 빔 패턴 시험을 통해 주어진 개발 규격을 모두 잘 만족하는 것을 확인하였다.
본 논문에서는 레이더 표적의 피아 식별을 위해 일반적으로 사용되는 모노펄스 보조 감시 레이더용 안테나의 개발 방안 및 결과를 제시하였다. 개발된 안테나는 수동 선형 배열 안테나로서 횡급전기와 다수의 배열 소자로 구성된다. 횡급전기는 포트별로 전력 및 위상비가 최적화된 합, 차 및 부엽 억제 채널을 제공하며, 19개의 배열 소자와 1개의 후방 배열 소자와 연결되어 방위각 방향으로 빔 패턴을 형성한다. 합 채널 빔 패턴의 방위각 최대 부엽 수준은 -20 dBc 이하이며, 부엽 억제 채널 빔 패턴은 합 채널 빔 패턴의 주 빔 이외의 전 영역에서 부엽을 덮도록 한다. 그리고 차 채널 빔 패턴은 방위각 방향의 탐지 정확도를 높이기 위한 모노펄스 기능에 사용된다. 한편, 배열 소자는 고각 방향으로 성형 빔(shaped-beam)을 형성하여 지면으로부터의 강한 클러터 영향 및 다중경로 효과를 억제할 수 있도록 하였다. 개발된 안테나는 산란계수 측정 및 원전계 빔 패턴 시험을 통해 주어진 개발 규격을 모두 잘 만족하는 것을 확인하였다.
In this paper, development of the monopulse secondary surveillance radar antenna which can be used for IFF system is presented. This antenna that is passive linear array is comprised of the row-feeder and several array-elements. The row-feeder provides sum, different and SLS(Sidelobe Supression) cha...
In this paper, development of the monopulse secondary surveillance radar antenna which can be used for IFF system is presented. This antenna that is passive linear array is comprised of the row-feeder and several array-elements. The row-feeder provides sum, different and SLS(Sidelobe Supression) channels which are optimized the distribution of the power and phase ratio. The azimuthe sidelobe level of the sum channel beam pattern is -20 dBc or less. The SLS channel covers the sidelobe of the sum-chanel in the whole azimuth angle range. And the difference channel is used to perform the mono-pulse function, improves the detection accuracy in the azimuth direction. Meanwhile, the arrayelement makes shaped beam in the elevation angle, in order to eliminate the clutter and multipath effects from the ground. Performance of the antenna developed is verified by the measurement of S-parameters and far-field beam pattern, and satisfies all of the development specifications well.
In this paper, development of the monopulse secondary surveillance radar antenna which can be used for IFF system is presented. This antenna that is passive linear array is comprised of the row-feeder and several array-elements. The row-feeder provides sum, different and SLS(Sidelobe Supression) channels which are optimized the distribution of the power and phase ratio. The azimuthe sidelobe level of the sum channel beam pattern is -20 dBc or less. The SLS channel covers the sidelobe of the sum-chanel in the whole azimuth angle range. And the difference channel is used to perform the mono-pulse function, improves the detection accuracy in the azimuth direction. Meanwhile, the arrayelement makes shaped beam in the elevation angle, in order to eliminate the clutter and multipath effects from the ground. Performance of the antenna developed is verified by the measurement of S-parameters and far-field beam pattern, and satisfies all of the development specifications well.
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문제 정의
하지만 국내 배열 안테나 설계/제작 기술의 비약적인 발전과 최고 기술 수준에도 불구하고, 최근까지 국내에서 사용되고 있는 모노펄스 보조 감시 레이더용 안테나(MSSRA)는 대부분 도입에 의존하고 있는 실정이었다. 본 논문에서는 이와 같이 특정 목적의 주 레이더(primary surveillance radar)와 함께 운용되며, 피아 식별을 위해 사용되는 보조 감시 레이더용 안테나를 국내 개발하여 주어진 개발 규격을 잘 만족시켰음을 보이고자 한다.
본 논문에서는 최근 MSSR의 운용에 적합한 안테나의 개발 결과를 기술하였다. 이와 같은 방식의 안테나는 향후에 개발되는 레이더들의 보조 감시 레이더용 안테나로서 일부 수정을 거치면 쉽게 적용이 가능하다는 장점이 있다.
제안 방법
10번과 20번 포트는 부엽 억제 채널에서 주로 사용되기 때문에 동일한 전력 크기를 가지도록 설계되었는데, 합 채널 급전 시에 후방 배열 소자로 방사되는 후엽을 억제하면서—20 dB 이하의 부엽 수준을 가질 수 있도록 적당한 수준으로 설정하였다.
빔 패턴 조건은 그림 3과 같이 고각 —20° 이하에서는 —18 dB이하이고, 고각 0°～16° 영역에서 —3 dB 이상의 수준이며, 고각 8°～40° 영역에서는 코시컨트 곡선을 갖도록 설정하였다.
위와 같은 구성으로 횡급전기를 설계하여 3D EM SImulation Tool을 통해 검증한 후에, 이 결과를 반영하여 횡급전기를 제작하였다. 횡급전기의 시험은 회로망 분석기로 각 채널의 포트별로 투과 계수를 측정하였다.
위의 결과를 바탕으로 종급전기를 설계한 후, 복사 소자를 포함한 모델을 시뮬레이션(CST MWS)하여 빔 패턴을 예측하였다. 이 결과가 최적화된 빔 패턴과 유사함을 확인하고, 최종적으로 배열 소자 1조를 제작하였다.
위의 결과를 바탕으로 종급전기를 설계한 후, 복사 소자를 포함한 모델을 시뮬레이션(CST MWS)하여 빔 패턴을 예측하였다. 이 결과가 최적화된 빔 패턴과 유사함을 확인하고, 최종적으로 배열 소자 1조를 제작하였다. 제작된 배열 소자의 빔 패턴은 원전계 시험으로 검증하였다.
이 결과가 최적화된 빔 패턴과 유사함을 확인하고, 최종적으로 배열 소자 1조를 제작하였다. 제작된 배열 소자의 빔 패턴은 원전계 시험으로 검증하였다. 그림 4에는 최적화된 빔 패턴(ideal), 3D 시뮬레이션 빔 패턴(CST MWS), 원전계 측정 빔 패턴(measured)이 나타나 있다.
이러한 종급전기의 분포를 최적화 하는 데는 유전 알고리즘을 사용하였다[6]. 종급전기의 포트별 전력 크기와 위상을 최적화 변수로 두고, 이에 따라 배열 계수에 의해 계산된 빔 패턴과 빔 패턴 조건과의 차를 비용 함수(cost function)로 설정하여 최적화 과정을 수행하였다. 빔 패턴 조건은 그림 3과 같이 고각 —20° 이하에서는 —18 dB이하이고, 고각 0°～16° 영역에서 —3 dB 이상의 수준이며, 고각 8°～40° 영역에서는 코시컨트 곡선을 갖도록 설정하였다.
모노펄스 비교기를 거친 합신호는 전방향 안테나에서 분기된 신호(A)와 합성하여 최종 합 채널을 형성한다. 최종 합 채널과 전방향 안테나 패턴을 방향성 결합기(directional coupler)를 이용하여 최적화된 부엽 억제 빔 패턴을 형성하도록 한다. 이때 합 채널 출력과 전방향 안테나 패턴을 합성할 때, 전체 위상 지연이 180도 차이가 나게 맞추어 주어야 한다.
표 3의 과정으로 각 구성품에 대한 검증을 마친 후에 최종적으로 MSSRA를 제작/조립하였다. 제작된 MSSRA의 성능은 그림 10(a)와 같이 원전계 측정 시설에서 빔 패턴 시험을 통해 검증하였다.
위와 같은 구성으로 횡급전기를 설계하여 3D EM SImulation Tool을 통해 검증한 후에, 이 결과를 반영하여 횡급전기를 제작하였다. 횡급전기의 시험은 회로망 분석기로 각 채널의 포트별로 투과 계수를 측정하였다. 각각의 채널별 결과를 그림 6～8에 나타내었다.
이론/모형
. 이러한 종급전기의 분포를 최적화 하는 데는 유전 알고리즘을 사용하였다[6]. 종급전기의 포트별 전력 크기와 위상을 최적화 변수로 두고, 이에 따라 배열 계수에 의해 계산된 빔 패턴과 빔 패턴 조건과의 차를 비용 함수(cost function)로 설정하여 최적화 과정을 수행하였다.
성능/효과
위 식에 따라 얻어진 채널별 빔 패턴을 그림 9에 보였다. 그래프의 결과에서 알 수 있듯이 횡급전기의 측정값을 통해 예측되는 채널별 빔 패턴은 설계 분포로 사용된 이상적인 분포로 계산한 결과와 매우 유사한 경향성을 보인다는 것을 확인할 수 있다.
방위각 방향으로는 합 채널 빔 패턴의 부엽 수준은 방위각 방향 전 영역에서 —20 dBc 이하를 유지하며, 차 채널 빔 패턴의 영점 깊이는 —30 dBc 이하로 깊게 형성되어 있다. 또한, 부엽 억제 패턴은 모든 영역에서 합 패턴의 부엽보다 높은 수준을 유지하면서도 주 빔 영역 안에서는 아주 낮은 수준으로 최적화된 것을 확인할 수 있다. 고각 방향의 빔 패턴 시험 결과는 그림 10(c)에 그려진 그래프에 나타나 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
합 채널 빔 패턴의 개발 규격은?
합 채널 빔 패턴은 MSSR의 표적 탐지를 위한 주 채널로서, 최대 탐지 거리를 확보하기 위한 20 dBi 이상의 안테나 이득을 가져야 한다. 그리고 클러터 등에 의한 오탐지를 최소화하기 위해서 방위각 부엽은 —20 dBc 이하로 형성되도록 한다. 차 채널 빔 패턴은 방위각 방향의 모노펄스 기능에 사용된다.
보조 감시 모노펄스 레이더의 특성은?
일반적으로 표적의 피아 식별을 위한 보조 감시 모노펄스 레이더(MSSR: Monopulse Secondary Sur-veillance Radar)는 방위각 방향으로 모노펄스 기능을 위한 합/차 채널과 합 채널의 부엽을 차단하기 위한 부엽 억제(SLS: Side-Lobe Suppression) 채널을 형성하며, 고각 방향으로는 지면 클러터 영향 및 다중경로 효과를 방지하며 요구되는 탐지 영역에 최적화된 shaped beam을 형성할 수 있는 LVA(Large Vertical Array) 방식의 안테나를 많이 사용한다.[1]
모노펄스 보조 감시 레이더용 안테나의 구성은?
표 1에서 주어진 개발 규격을 만족시키기 위한 MSSRA는 그림 1과 같이 배열 소자(array element), 후방 배열 소자(back-fill antenna), 횡급전기(row fee- der)로 구성되어 있다.
참고문헌 (8)
M. C. Stevens, Secondary Surveillance Radar, Artech House, 1988.
Robert J. Mailloux, Phased Array Antenna Handbook, Artech House, 1993.
Constantine A. Balanis, Modern Antenna Handbook, John Wiley & Sons Inc., 2008.
F. Ares, "Array pattern synthesis", IEEE Antennas and Propagation Society Newsletter, pp. 5-9, Oct. 1985.
R. S. Elliott, "Synthesis of shaped line-source antenna beams using pure real distributions", Eletronics Letters, pp. 280-281, Feb. 1994.
Randy L. Haupt, Genetic Algorithms in Electromagnetics, John Wiley & Sons Inc., 2007.
C. G. Pewsey, "An encapsulated dipole shaped beam array for air traffic contros", IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium, vol. 3, pp. 1418-1419, 1992.
A. Villeneuve, "Taylor patterns for discrete arrays", IEEE Transactions on, vol. AP-10, pp. 1089-1093, 1984.
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