[논문]임피던스정합을 이용한 레이더반사면적 최소화 단층형 전파흡수구조 설계

장병욱; 박정선

doi:10.5139/jksas.2015.43.2.118

임피던스정합을 이용한 레이더반사면적 최소화 단층형 전파흡수구조 설계
Design of Single Layer Radar Absorbing Structures(RAS) for Minimizing Radar Cross Section(RCS) Using Impedance Matching 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.43 no.2, 2015년, pp.118 - 124

장병욱 (Graduate School of Aerospace and Mechanical Engineering, Korea Aerospace University) , 박정선 (Department of Aerospace and Mechanical Engineering, Korea Aerospace University)

초록
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전파흡수구조(RAS)의 설계는 이산최적화 문제로 확률론적 최적화기법이 적용되며, 효율성을 향상시키기 위해서는 오랜 시간이 소모되는 RCS의 계산량을 감소시켜야 한다. 본 논문에서는 임피던스정합을 이용해 RCS 최소화 단층형 RAS를 설계하기 위한 효과적인 방법을 연구하였다. 연구방법에서는 물리광학법(PO)과 최적화기법의 연동을 통해 전파입사조건에 대해 대상의 RCS가 이상적으로 최소화되는 입력임피던스를 계산하였다. 다음으로 RAS의 복소유전율 및 두께는 이산최적화를 통해 계산된 입력임피던스를 최대한 만족하도록 설계되었다. 연구결과 이러한 방법은 다수의 함수계산이 필요한 확률론적 최적화기법으로 RCS를 직접 최소화한 경우와 동일한 RAS 설계치를 도출하였으며, RCS 해석의 수를 효과적으로 줄임으로써 RAS 설계를 위한 최적화에 소모되는 시간을 크게 감소시켰다.

Abstract ▼ AI-Helper

The design of radar absorbing structures(RAS) is a discrete optimization problem and is usually processed by stochastic optimization methods. The calculation of radar cross section(RCS) should be decreased to improve the efficiency of designing RAS. In this paper, an efficient method using impedance matching is studied to design RAS for minimizing RCS. Input impedance of the minimal RCS for the specified wave incident conditions is obtained by interlocking physical optics(PO) and optimizations. Complex permittivity and thickness of RAS are designed to satisfy the calculated input impedance by a discrete optimization. The results reveal that the studied method attains the same results as stochastic optimization which have to conduct numerous RCS analysis. The efficiency of designing RAS can be enhanced by reducing the calculation of RCS.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 연구의 검증을 위한 수치예제로 연구방법 및 RCS 최소화를 통하여 단층형 항공기 날개 RAS를 설계하였다. 적용모델은 2종으로 Fig.
본 논문에서는 전파입사조건에 대해 RCS를 최소화하는 RAS를 효과적으로 설계하기 위한 방법을 연구하였으며, 이를 위해 도함수기반 및 확률론적 최적화기법과 임피던스정합을 이용하였다. 연구방법에서는 복소유전율을 특정재료의 것으로 한정하지 않음으로써 대상모델의 RCS가 이상적으로 최소화되는 복소유전율을 도출하였으며, 이에 따라 계산된 입력임피던스를 만족함으로써 RCS를 직접적으로 최소화한 경우와 동일한 RAS의 설계가 가능하였다.

가설 설정

RAS 설계를 위한 최적화에서 복소유전율은 대상재료로 구현이 가능한 범위인 4 ≤ εr′ ≤ 40로 제한하였으며, 두께는 이산변수로 ∆t = 0.1mm, 2 ≤ t(mm) ≤ 3로 가정하였다.
RCS를 계산하기 위한 PO 모델은 17,440개의 삼각형요소(triangular element)로 구성하였으며, 요소의 크기는 1~30mm로 곡면인 날개 앞전의 요소를 보다 조밀하게 생성하였다. RCS 계산시 전파입사조건으로 대상 레이더는 단방향 (mono-static)으로 가정하였고, 편파는 transverse electric(TE) 및 transverse magnetic(TM)을 각각 적용하였다. 연구에서는 고도각(elevation angle)에 따른 RCS 특성만을 평가하였으며, 고도각은 날개의 윗면에서 90°, 아랫면에서 –90°으로 정의하였다.

제안 방법

본 논문에서는 전파입사조건에 대하여 RCS 최소화를 위한 RAS를 효과적으로 설계하기 위해 도함수기반(gradient based) 최적화기법인 순차적이차계획법(sequential quadratic program, SQP)과 확률론적 최적화기법인 유전자알고리즘 (genetic algorithm, GA)을 함께 사용하였으며, 우선적으로 SQP와 RCS 해석 알고리즘인 물리광학법(physical optics, PO)의 연동으로 대상모델의 RCS를 이상적으로 최소화하는 RAS의 복소유전율 및 두께를 도출하고, 전송선로이론(transmission line theory)을 이용해 이에 따른 입력임피던스(input impedance)를 계산하였다. 다음으로 GA를 이용해 이산최적화를 수행하였으며, 계산된 입력 임피던스에 근접하도록 RAS의 복소유전율 및 적층복합재의 두께를 설계하였다. 연구의 대상재료로는 참고자료에서 발췌한 카본나노섬유(carbon nano-fiber, CNF)가 함유된 유리섬유 직조복합재의 복소유전율 데이터를 이용하였으며, NACA-0012 및 NACA-2412 에어포일(airfoil) 형상의 항공기 날개모델에 연구방법을 적용하여 단층형 RAS를 설계하였다[6].
연구의 대상재료로는 참고자료에서 발췌한 카본나노섬유(carbon nano-fiber, CNF)가 함유된 유리섬유 직조복합재의 복소유전율 데이터를 이용하였으며, NACA-0012 및 NACA-2412 에어포일(airfoil) 형상의 항공기 날개모델에 연구방법을 적용하여 단층형 RAS를 설계하였다[6]. 또한 연구방법을 검증하기 위해 동일한 설계조건에서 GA를 이용해 RCS를 직접 최소화한 RAS를 설계하였으며, 설계치의 유사성 및 소요시간을 비교하여 연구의 유용성을 고찰하였다.
본 논문에서는 RCS 최소화 단층형 RAS를 효과적으로 설계하기 위하여 임피던스정합을 이용하였으며, 전파입사조건에 따라 목표주파수(ft)에서 대상의 RCS가 최소화되는 입력임피던스(Zn,min(σ))를 계산한 후, 최적화를 통해 RAS가 계산된 입력임피던스를 가장 근접하게 나타내도록 흡수층의 복소유전율과 두께를 설계한다.
연구방법에서는 복소유전율을 특정재료의 것으로 한정하지 않음으로써 대상모델의 RCS가 이상적으로 최소화되는 복소유전율을 도출하였으며, 이에 따라 계산된 입력임피던스를 만족함으로써 RCS를 직접적으로 최소화한 경우와 동일한 RAS의 설계가 가능하였다. 설계과정에서는 반사 계수가 최소화되는 복소유전율을 설계변수의 초기점으로 사용하고 도함수기반 최적화기법을 이용함으로써 RCS 최소화를 효과적으로 수행할 수 있으며, 도함수기반 및 확률론적 최적화기법을 병용함으로써 RAS 설계를 위한 연속 및 이산변수 혼합 최적설계를 효과적으로 수행하였다. 결과적으로 연구방법은 RCS 해석을 수를 감소시킴으로 최적화의 시간을 단축하고 RAS 설계의 효율을 향상시킬 수 있었다.
연구방법에서 설계변수는 연속변수인 흡수층 복소유전율의 실수항(εr′)과 이산변수인 두께(t)이며, 복소유전율의 허수항(εr′′)은 콜콜도표의 회귀식을 이용해 실수항에 대한 함수로 계산한다.
연구방법에서는 초기점으로 식 (8)의 최적화로 계산되는 고정된 두께에 대해 목표주파수에서의 반사계수(Γ)의 크기를 이상적으로 최소화시키는 복소유전율 값을 사용한다.
연구에서는 고도각(elevation angle)에 따른 RCS 특성만을 평가하였으며, 고도각은 날개의 윗면에서 90°, 아랫면에서 –90°으로 정의하였다.

대상 데이터

RAS 설계를 위한 대상재료로는 참고문헌에서 발췌한 탄소나노섬유(CNF)가 손실첨가제로 함유된 유리섬유 직조복합재의 복소유전율 데이터를 이용하였다[6]. 손실첨가제의 함량에 따른 복합재의 콜콜도표는 Fig.
최적화의 목적 함수 계산 및 설계된 RAS의 성능평가를 위해 PO 프로그램을 이용하여 대상모델의 RCS를 계산하였다[12]. RCS를 계산하기 위한 PO 모델은 17,440개의 삼각형요소(triangular element)로 구성하였으며, 요소의 크기는 1~30mm로 곡면인 날개 앞전의 요소를 보다 조밀하게 생성하였다. RCS 계산시 전파입사조건으로 대상 레이더는 단방향 (mono-static)으로 가정하였고, 편파는 transverse electric(TE) 및 transverse magnetic(TM)을 각각 적용하였다.
단층형 RAS 설계를 위한 목표주파수는 X-band 중심주파수인 10GHz이다. RAS 설계를 위한 최적화에서 복소유전율은 대상재료로 구현이 가능한 범위인 4 ≤ ε_r′ ≤ 40로 제한하였으며, 두께는 이산변수로 ∆t = 0.
다음으로 GA를 이용해 이산최적화를 수행하였으며, 계산된 입력 임피던스에 근접하도록 RAS의 복소유전율 및 적층복합재의 두께를 설계하였다. 연구의 대상재료로는 참고자료에서 발췌한 카본나노섬유(carbon nano-fiber, CNF)가 함유된 유리섬유 직조복합재의 복소유전율 데이터를 이용하였으며, NACA-0012 및 NACA-2412 에어포일(airfoil) 형상의 항공기 날개모델에 연구방법을 적용하여 단층형 RAS를 설계하였다[6]. 또한 연구방법을 검증하기 위해 동일한 설계조건에서 GA를 이용해 RCS를 직접 최소화한 RAS를 설계하였으며, 설계치의 유사성 및 소요시간을 비교하여 연구의 유용성을 고찰하였다.
본 논문에서는 연구의 검증을 위한 수치예제로 연구방법 및 RCS 최소화를 통하여 단층형 항공기 날개 RAS를 설계하였다. 적용모델은 2종으로 Fig. 3과 같이 NACA-0012, NACA-2412 에어포일 형상의 직선형 날개이며, 모델의 시위(cord)는 1,000 mm, 길이(span)는 3,000mm이다. 최적화의 목적 함수 계산 및 설계된 RAS의 성능평가를 위해 PO 프로그램을 이용하여 대상모델의 RCS를 계산하였다[12].

데이터처리

3과 같이 NACA-0012, NACA-2412 에어포일 형상의 직선형 날개이며, 모델의 시위(cord)는 1,000 mm, 길이(span)는 3,000mm이다. 최적화의 목적 함수 계산 및 설계된 RAS의 성능평가를 위해 PO 프로그램을 이용하여 대상모델의 RCS를 계산하였다[12]. RCS를 계산하기 위한 PO 모델은 17,440개의 삼각형요소(triangular element)로 구성하였으며, 요소의 크기는 1~30mm로 곡면인 날개 앞전의 요소를 보다 조밀하게 생성하였다.

이론/모형

이 중 주파수, 입사각도, 편파조건 등의 입사조건 및 구조형상은 설계를 위한 조건으로 정해지며, 유전체(dielectric) RAS의 경우 설계변수(design variable)는 재료의 복소유전율(complex permittivity) 및 두께로 축소된다. 본 논문에서는 전파입사조건에 대하여 RCS 최소화를 위한 RAS를 효과적으로 설계하기 위해 도함수기반(gradient based) 최적화기법인 순차적이차계획법(sequential quadratic program, SQP)과 확률론적 최적화기법인 유전자알고리즘 (genetic algorithm, GA)을 함께 사용하였으며, 우선적으로 SQP와 RCS 해석 알고리즘인 물리광학법(physical optics, PO)의 연동으로 대상모델의 RCS를 이상적으로 최소화하는 RAS의 복소유전율 및 두께를 도출하고, 전송선로이론(transmission line theory)을 이용해 이에 따른 입력임피던스(input impedance)를 계산하였다. 다음으로 GA를 이용해 이산최적화를 수행하였으며, 계산된 입력 임피던스에 근접하도록 RAS의 복소유전율 및 적층복합재의 두께를 설계하였다.

성능/효과

설계과정에서는 반사 계수가 최소화되는 복소유전율을 설계변수의 초기점으로 사용하고 도함수기반 최적화기법을 이용함으로써 RCS 최소화를 효과적으로 수행할 수 있으며, 도함수기반 및 확률론적 최적화기법을 병용함으로써 RAS 설계를 위한 연속 및 이산변수 혼합 최적설계를 효과적으로 수행하였다. 결과적으로 연구방법은 RCS 해석을 수를 감소시킴으로 최적화의 시간을 단축하고 RAS 설계의 효율을 향상시킬 수 있었다.
계산결과 중 PEC는 날개모델의 표면을 전파를 흡수하지 않는 완전전기전도체로 가정한 것을 의미하며, RAS를 날개에 적용함으로써 설계 시 주된 고려 대상이었던 –20° ∼ 20° 고도각에의 RCS는 평균적으로 20dBsm 이상 감소되었다.
RCS 도표는 겹쳐져 나타난다. 따라서 각 방법으로 설계된 RAS는 동일한 전파흡수성능을 나타내며, 연구방법은 RCS의 계산량을 줄임으로써 RAS 설계의 효율성을 증가시킴을 확인할 수 있다. 계산결과 중 PEC는 날개모델의 표면을 전파를 흡수하지 않는 완전전기전도체로 가정한 것을 의미하며, RAS를 날개에 적용함으로써 설계 시 주된 고려 대상이었던 –20° ∼ 20° 고도각에의 RCS는 평균적으로 20dBsm 이상 감소되었다.
반면 연구방법에서는 설계과정에서 반사계수와 임피던스의 계산량은 다소 증가하나, RCS 최소화시 도함수기반 최적설계기법을 사용함으로 GA를 이용한 경우와 비교해 RCS의 계산량이 크게 감소된다. 따라서 반사계수와 임피던스는 계산이 간단함으로 연구방법은 계산해야하는 변수의 수는 증가되지만 최적화에 소모되는 시간은 크게 감소된다. 결과에 나타낸 것과 같이 RCS가 최소화된 RAS는 날개 모델의 형상 및 편파에 따라 상이한 복소유전율 및 두께로 설계되며, 이때 입력임피던스는 공기중의 특성임피던스(377Ω)에 정합되지 않는다.
74j(TM)으로 계산되었다. 설계결과 연구방법에 의해 도출된 결과는 RCS를 GA를 이용한 이산최적화의 목적함수로 사용한 경우의 설계치와 0.1%이하의 차이를 보임을 알 수 있다. GA를 이용해 RCS를 직접적으로 최소화한 경우에는 목적함수 계산을 위한 RCS 해석의 연동으로 인해 최적화에는 오랜 시간이 소모된다.
본 논문에서는 전파입사조건에 대해 RCS를 최소화하는 RAS를 효과적으로 설계하기 위한 방법을 연구하였으며, 이를 위해 도함수기반 및 확률론적 최적화기법과 임피던스정합을 이용하였다. 연구방법에서는 복소유전율을 특정재료의 것으로 한정하지 않음으로써 대상모델의 RCS가 이상적으로 최소화되는 복소유전율을 도출하였으며, 이에 따라 계산된 입력임피던스를 만족함으로써 RCS를 직접적으로 최소화한 경우와 동일한 RAS의 설계가 가능하였다. 설계과정에서는 반사 계수가 최소화되는 복소유전율을 설계변수의 초기점으로 사용하고 도함수기반 최적화기법을 이용함으로써 RCS 최소화를 효과적으로 수행할 수 있으며, 도함수기반 및 확률론적 최적화기법을 병용함으로써 RAS 설계를 위한 연속 및 이산변수 혼합 최적설계를 효과적으로 수행하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	RAS의 전파흡수성능에 영향을 미치는 주요한 인자는 무엇이 있는가	RAS의 전파흡수성능에 영향을 미치는 주요한 인자로는 전파(레이더파)의 주파수(frequency), 입사각도(incident angle), 편파(polarization)와 구조재의 전자기물성(electromagnetic property), 두께 (thickness) 및 구조형상이 있다. 이 중 주파수, 입사각도, 편파조건 등의 입사조건 및 구조형상은 설계를 위한 조건으로 정해지며, 유전체(dielectric) RAS의 경우 설계변수(design variable)는 재료의 복소유전율(complex permittivity) 및 두께로 축소된다.
	RAS는 무엇을 기반으로 제작되는가	현대의 항공기에서는 생존성 향상에 대한 요구 증가로 스텔스(stealth) 성능이 중요시되며, 구조적 역할과 레이더반사면적(radar absorbing section, RCS)의 감소를 동시에 만족할 수 있는 전파흡수 구조(radar absorbing structure, RAS)의 적용이 증가되고 있다[1]. 일반적으로 RAS는 적층복합재 (laminate composite)를 기반으로 제작되며, 반사 계수(reflection coefficient) 또는 RCS를 최소화하도록 설계된다[2,3]. 반사계수는 무한평판에 대해 도출되는 특성으로 구조물의 형상을 고려할 수없어 평판 이외의 형상을 가지는 RAS의 성능을 향상시키기 위해서는 RCS를 직접적으로 최소화 하도록 최적설계(optimization)를 수행할 필요가 있다[4].
	RAS의 전파흡수성능에 영향을 미치는 인자 중 설계를 위한 조건으로 정해지는 것은 무엇인가	RAS의 전파흡수성능에 영향을 미치는 주요한 인자로는 전파(레이더파)의 주파수(frequency), 입사각도(incident angle), 편파(polarization)와 구조재의 전자기물성(electromagnetic property), 두께 (thickness) 및 구조형상이 있다. 이 중 주파수, 입사각도, 편파조건 등의 입사조건 및 구조형상은 설계를 위한 조건으로 정해지며, 유전체(dielectric) RAS의 경우 설계변수(design variable)는 재료의 복소유전율(complex permittivity) 및 두께로 축소된다. 본 논문에서는 전파입사조건에 대하여 RCS 최소화를 위한 RAS를 효과적으로 설계하기 위해 도함수기반(gradient based) 최적화기법인 순차적이차계획법(sequential quadratic program, SQP)과 확률론적 최적화기법인 유전자알고리즘 (genetic algorithm, GA)을 함께 사용하였으며, 우선적으로 SQP와 RCS 해석 알고리즘인 물리광학법(physical optics, PO)의 연동으로 대상모델의 RCS를 이상적으로 최소화하는 RAS의 복소유전율및 두께를 도출하고, 전송선로이론(transmission line theory)을 이용해 이에 따른 입력임피던스 (input impedance)를 계산하였다.

참고문헌 (13)

Grant, R., The Radar Game - Understanding Stealth and Aircraft Survivability, Mitchell Institute Press, 1998.
Hong, C. S., "Stealth Aircraft and Composites," J. of The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol. 24, Jun. 2005, pp.156-160.
Jang, B. W., Lee, W. J., Joo, Y. S., and Park, J. S., "Optimization of Radar Absorbing Structures for Aircraft Wing Leading Edge," J. of The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol. 41, Apr. 2013, pp.268-274.

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Kim, J. B., Lee, S. K., and Kim, C. G., "Comparison Study on the Effect of Carbon Nano Materials for Single-layer Microwave Absorbers in X-band," Composites Science and Technology, Vol. 68, Nov. 2008, pp.2909-2916.

상세보기
Park, H. S., Choi, I. S., Bang, J. K., Suk, S. H., LEE, S. S., and Kim, H. T., "Optimized Design of Radar Absorbing Materials for Complex Target," J. of Electromagnetic Waves and Applications, Vol. 18, Aug. 2004, pp.1105-1117.

상세보기
Kim, J. B., "Design of Microwave Absorbing Composite Laminates by Using Semi-empirical Permittivity Models," Ph.D. Thesis, KAIST, 2007.
Cole, K. S., Cole, R. H., "Dispersion and Absorption in Dielectrics I, Alternating Current Characteristics," J. of Chemical physics, Vol. 9, 1941, pp.341-352.

상세보기
Jenn, D. C., Radar and Laser Cross Section Engineering, AIAA Education Series, 2005.
Myong, R. S., Cho, T. H., "Development of a Computational Electromagnetics Code for Radar Cross Section Calculations of Flying Vehicles," J. of The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol. 33, Apr. 2005, pp.1-6.
Cheng, D. K., Fundamentals of Engineering Electromagnetics, Prentice Hall, 1992.
Knott, E. F., Shaeffer, J. F., and Tuley, M. T., Radar Cross Section, Artech House, 1993.
http://faculty.nps.edu/jenn/
Goldberg, D. E., Genetic Algorithm in Search, Optimization, and Machine Learning, Addison-Wesley, 1987.

저자의 다른 논문 :

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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