[논문]방향탐지 정확도 개선을 위한 안테나 전면판 설계에 관한 연구

김인선; 신임섭

doi:10.9766/kimst.2011.14.4.669

방향탐지 정확도 개선을 위한 안테나 전면판 설계에 관한 연구
A Study on the Antenna Front Plate Design for the Improvement of DF Accuracy 원문보기

韓國軍事科學技術學會誌 = Journal of the KIMST, v.14 no.4, 2011년, pp.669 - 675

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we present the AFP(antenna front plate)s which were designed to reduce the reflection for the sake of the improvement of DF(direction finding) accuracy. The AFP consists of front plate, absorber and radome. The AFPs were optimized respectively by real test and we performed the DF test using our AFPs in laboratory. The DF test shows that the DF accuracy is about 2 times better than the requirement capability. Then, the DF field test was executed using the AFPs, which were installed in helicopter in consideration of the reflection by platform. The result of the DF field test is superior to the requirement capability also, which shows the validity of our design method.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

1과 같이 영국 전자전장비(AWARE-4)의 6개 안테나(수신기 포함) 장착공간을 외부만 막은 빈 공간인 상태로 헬기를 도입하였다. 그러나 점진적으로 전자전장비의 부재에 따른 문제점을 인식하면서 해군에서 헬기 조종사 생존성 증강 및 전투력 향상을 위해 작전헬기용 전자전장비 국내개발의 소요가 제기되었고, 본 연구는 이 일환으로 헬기용 전자전장비의 방탐정확도 증강을 위해 빔 패턴 왜곡이 적은 최적의 안테나 전면판 설계에 관한 것이다.
셋째는 안테나와 흡수체를 외부 환경으로부터 보호 및 고정하고 광대역 운용 주파수에서 양호한 전력전달 특성을 갖는 평면형 레이돔 설계 기술이다. 그리고 마지막으로 그 각각의 기술이 적용된 전면판 조립체를 구성하여 전자파 무반사 실험실 및 실제 환경에서 수행한 방탐정확도 시험결과로부터 연구의 타당성을 보이고자 한다.
본 논문에서는 전면판 구조를 최적 설계함으로서 반사저감 효과를 극대화할 수 있는 전면판 설계에 대해 기술한다. 연구 범주는 크게 네 가지로 분류하였으며 그 각각은 다음과 같다.
본 논문은 해군 작전헬기용 전자전장비에서 4개의 안테나 배열만으로 6개의 안테나 배열시와 동등 이상의 방탐정확도 성능을 얻기 위한 반사 저감 구조 안테나 전면판 조립체 설계를 목적으로 하였다. 단계별로 최적의 전면판 형상 설계, 흡수체 사용, 레이돔 설계과정을 수행하였다.

제안 방법

6의 아래 좌측 점선), 전방 안테나 장착부에 비해 직접 반사파에 의한 영향을 훨씬 많이 받을 수 있는 구조이다. 그래서 그 면을 직접 반사파에 의한 유입이 없는 선까지 뒤쪽으로 밀고 유선형으로 구성하여 반사조건이 개선되도록 약간의 플렛폼 형상변경을 수행하였다. Fig.
다양한 재질, 두께 및 형상을 갖는 다수의 시편을 제작하여 시험을 통해 성능을 입증하였다. Fig.
본 논문은 해군 작전헬기용 전자전장비에서 4개의 안테나 배열만으로 6개의 안테나 배열시와 동등 이상의 방탐정확도 성능을 얻기 위한 반사 저감 구조 안테나 전면판 조립체 설계를 목적으로 하였다. 단계별로 최적의 전면판 형상 설계, 흡수체 사용, 레이돔 설계과정을 수행하였다. 또한 전면판 조립체를 실물 형상의 모형에 장착하고 실험실 조건에서 방탐시험을 수행하여 성능을 입증하였으며, 최종 실제 헬기에 장착하여 야외시험을 통해 요구규격 이상의 결과를 얻음으로써 반사 저감을 위한 안테나 전면판 조립체의 설계 과정에 대한 본 연구의 타당성을 최종 확인하였다.
두 방법 중 반사에 의한 영향이 적은 구조를 찾기 위해 다양한 형상의 전면판 모형을 만들고 안테나 빔 패턴을 측정하였다. Fig.
따라서 본 연구는 국내 개조장착이 가능한 범위내에서 무게 중심을 크게 변화시키지 않으며 최대한 주어진 장착 공간을 활용해 B2, B3, B5, B6의 안테나 지향각을 각각 15°로 조정하여 C1∼C4와 같이 전방향에 대해 4개의 안테나가 각각 90° 씩 등각을 이루도록 하였다.
광대역에서 흡수체를 구성하는 재료에 대한 정확한 세부 정보를 획득할 수 없었기 때문에, 전자파 시뮬레이션이 사실상 어려워 사전 성능 예측을 할 수 없었다. 따라서 크기와 모양을 달리한 다양한 종류의 흡수체를 안테나 주변에 붙여가며 전자파 무반사실에서 다수의 시험을 통해 양호한 특성을 제공하는 흡수체를 찾는 방법을 선택하였다. 따라서 이 과정은 많은 시간과 노력이 소요되며 경험적인 노하우가 매우 중요하다.
16과 같이 실장비를 플렛폼(헬기)에 장착하고 헬기를 해상에서 제자리 체공하면서 360°를 회전하게 한 다음 시험소에서 모의위협신호를 헬기로 방사하였다. 본 전면판이 적용된 헬기의 전자전장비로 측정된 위협의 방위값을 시험소로 전송하여 진방위를 연산하는 과정으로 방탐정확도를 산출하였다. 이렇게 하여 얻은 방탐정확도는 실험실 조건 결과보다는 약간 저조하지만, 요구규격보다는 훨씬 우수한 결과를 얻을 수 있었다.
이런 결과를 토대로 Fig. 16과 같이 실장비를 플렛폼(헬기)에 장착하고 헬기를 해상에서 제자리 체공하면서 360°를 회전하게 한 다음 시험소에서 모의위협신호를 헬기로 방사하였다.
전면판 조립체를 수신기에 부착하고 전체 주파수 대역에서 수신기 채널보정 및 빔 패턴보정 과정을 통해 보정 데이터를 추출하여 장입한 후 실험실에서 방탐정확도 시험을 실행하였다. Fig.
플렛폼(헬기)의 전자파 산란이 빔 패턴에 주는 영향을 예측하기 위해, 조립된 전면판 조립체를 장착할 플렛폼의 장착부를 모의한 실물 크기의 모형을 Fig. 13과 같이 제작하고 전자파 무반사실에서 빔 패턴 및 방탐정확도 시험을 수행하였다.
헬기의 긴 체공시간 확보를 위해 헬기 탑재 전자전장비는 고주파 수신기(안테나 포함)의 소형·경량화 설계와 더불어, 기존 6개의 장착공간 중 4개의 공간(Fig. 1의 ①～③, ⑥)만을 이용하여 해외 유사장비 이상의 방향탐지(이하, ‘방탐’) 정확도를 얻고자 하였다.

대상 데이터

시험결과 고무형태(Rubber Type)의 흡수체가 가장 양호한 결과를 주었다. 따라서 최종 Cuming MW사의 C-RAM GDSS흡수체^[1]를 적용하였다.
8은 전면판에 흡수체를 부착한 형상을 보여준다. 안테나 주변 면에는 두께 3mm 흡수체를 사용하였고, 플렛폼 장착면은 반사파에 의한 영향이 안테나 주변에 비해 훨씬 덜 민감하기 때문에 무게를 고려하여 1.5mm 흡수체를 적용하였다.
우리 해군은 작전 헬기 도입 당시, Fig. 1과 같이 영국 전자전장비(AWARE-4)의 6개 안테나(수신기 포함) 장착공간을 외부만 막은 빈 공간인 상태로 헬기를 도입하였다. 그러나 점진적으로 전자전장비의 부재에 따른 문제점을 인식하면서 해군에서 헬기 조종사 생존성 증강 및 전투력 향상을 위해 작전헬기용 전자전장비 국내개발의 소요가 제기되었고, 본 연구는 이 일환으로 헬기용 전자전장비의 방탐정확도 증강을 위해 빔 패턴 왜곡이 적은 최적의 안테나 전면판 설계에 관한 것이다.
레이돔은 광대역 조건에서 수신감도에 미치는 영향을 고려해 적은 투과손실과 방탐정확도를 고려한 적은 리플 특성이 요구된다. 이런 요구조건을 만족시키기 위해 본 연구에서는 평면형 단층 thin wall 구조로서 S-2 glass 섬유강화 복합재료(Fiber Reinforced Polymeric Composite)가 사용되었다. Fig.
10은 제작된 레이돔 내·외면을 보여준다. 전기적 특성을 고려한 0.5mm 두께의 레이돔 부분과 외부 환경으로부터 밀폐를 위한 3mm 두께의 고정 구조물로 구성된다.

성능/효과

단계별로 최적의 전면판 형상 설계, 흡수체 사용, 레이돔 설계과정을 수행하였다. 또한 전면판 조립체를 실물 형상의 모형에 장착하고 실험실 조건에서 방탐시험을 수행하여 성능을 입증하였으며, 최종 실제 헬기에 장착하여 야외시험을 통해 요구규격 이상의 결과를 얻음으로써 반사 저감을 위한 안테나 전면판 조립체의 설계 과정에 대한 본 연구의 타당성을 최종 확인하였다.
보는 바와 같이 각 빔은 정확히 90° 등각을 유지하며 플렛폼의 영향을 고려한 빔도 대체로 양호하여 진폭비교 방탐[6～8] 적용이 충분히 가능한 수준임을 확인할 수 있다.
11은 제작된 레이돔에 대해 중심 주파수에서 수직/수평 빔 패턴을 그린 것이다. 보는 바와 같이 낮은 손실(-1dB 이하)과 리플 특성도 매우 양호함을 확인하였다.
7은 시험에 사용된 다양한 형태(foam/honeycomb/rubber)의 흡수체를 보여준다. 시험결과 고무형태(Rubber Type)의 흡수체가 가장 양호한 결과를 주었다. 따라서 최종 Cuming MW사의 C-RAM GDSS흡수체^[1]를 적용하였다.
이런 결과는 복잡한 플렛폼에 의한 반사 등 모든 실제 환경에서 발생할 수 있는 오차 요인을 포함한 방탐정확도로서 안테나 전면판이 양호하게 설계되었음을 최종 입증하는 결과이다.
이렇게 하여 얻은 방탐정확도는 실험실 조건 결과보다는 약간 저조하지만, 요구규격보다는 훨씬 우수한 결과를 얻을 수 있었다.

후속연구

5의 전면판에 흡수체를 부착하기 전의 빔 패턴과 비교하여 흡수체 부착시 빔 특성이 상당히 양호해졌음을 확인할 수 있다. 이로 인해 진폭비교 방탐방식에서 방탐정확도가 상당부분 개선될 수 있을 것으로 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	우수한 방탐정확도를 위해 무엇의 설계가 요구되는가?	따라서 본 연구와 같이 안테나 수를 4개로 하면서 안테나 6개를 사용한 장비와 동등 수준의 방탐 성능을 얻기 위해서는, 우수한 성능을 갖는 수신기 개발과 함께 안테나 리플이 적은 안정적인 빔 패턴을 형성하는 것이 매우 중요하다. 따라서 우수한 방탐정확도를 위해 안정적인 빔 패턴을 형성할 수 있는 반사파 저감 구조의 안테나 전면판 설계가 절실히 요구된다.
	4개의 안테나를 이용한 진폭비교 방탐에서 이상적인 안테나 장착 형태는?	4개의 안테나를 이용한 진폭비교 방탐에서 이상적인 안테나 장착 형태는 Fig. 3의 A1～A4와 같이 4개의 안테나가 플렛폼에 법선 방향으로 장착되어 90° 등각을 형성하는 것이다. 그러나 B1～B6와 같이 이미 결정된 플렛폼의 안테나 장착 공간에서 4개의 안테나 공간만을 그대로 적용할 경우, 안테나는 90° 등각을 유지할 수 없으며 360° 전방향에 대해 진폭비교 방탐이 불가능하게 된다.
	전면판 구조를 최적 설계함으로서 반사저감 효과를 극대화할 수 있는 전면판 설계에 대해 기술한 본 연구의 연구 범주 네 가지는?	연구 범주는 크게 네 가지로 분류하였으며 그 각각은 다음과 같다. 첫째는 4개의 비 등각 스파이럴 안테나 장착 공간을 갖는 플렛폼 구조에서 빔 왜곡을 최소화하면서 4개 안테나가 90°의 등각을 유지하도록 안테나 전면판을 최적 형상화하는 설계 기술이다. 둘째는 플렛폼에 반사 또는 표면을 타고 인입되는 전자파에 의한 빔 왜곡을 최소화하기 위해 전면판 주변 구조물에 대한 흡수체 적용 기술이다. 셋째는 안테나와 흡수체를 외부 환경으로부터 보호 및 고정하고 광대역 운용 주파수에서 양호한 전력전달 특성을 갖는 평면형 레이돔 설계 기술이다. 그리고 마지막으로 그 각각의 기술이 적용된 전면판 조립체를 구성하여 전자파 무반사 실험실 및 실제 환경에서 수행한 방탐정확도 시험결과로부터 연구의 타당성을 보이고자 한다.

참고문헌 (8)

"Microwave Absorber Data Sheet", www.cum-ingmw. com
J. D. Walton, Jr., "Radome Engineering Handbook : Design and Principles", Marcel Dekker, Inc. New York 1970.
"Airborne Radome Data Sheet", www.cobham-des.com
"Polyimide & Quartz Data Sheet", www.nurad.-com
이철수, 소준호, "광대역 레이돔 설계에 관한 연구", 국방과학연구소, CESD-417-961059, 1996.
R. S. Andrews, "Antenna and Other Systematic Effects on Amplitude Comparison Monopulse System", Electronic Circuit and Systems, Vol. 3, No. 3, pp. 103-108, 1979.

상세보기
이규송 외 3인, "진폭비교 방향탐지 장치의 성능 (방탐정확도) 결정요소 해석", 국방과학연구소, CESD-517-960451, 1996.
Stephen E. Lipsky, "Understanding DF Accuracy of Radar Warning Receivers", Defense Electronics Technology, 1978.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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