[논문]소형 선박용 고정형 레이더에 적용 가능한 안테나 개발

조대영; 김정환; 이명원; 이주형

doi:10.6109/jkiice.2017.21.3.530

소형 선박용 고정형 레이더에 적용 가능한 안테나 개발
Development applicable to fixed type radar antenna for small vessels 원문보기

한국정보통신학회논문지 = Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, v.21 no.3, 2017년, pp.530 - 536

조대영 (SAN Engineering) , 김정환 (SAN Engineering) , 이명원 (SAN Engineering) , 이주형 (SAN Engineering)

초록
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해양 산업과 서비스업의 성장으로 인하여 소형 선박의 사고가 증가하고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 소형 선박에 레이더 의무 장착을 시행하고 있다. 하지만 기존의 펄스 레이더를 소형 선박에 설치하면 유지보수 비용 및 높은 송신 전력등의 문제들이 발생한다. 본 연구에서는 전자적으로 빔을 회전하는 위상배열안테나를 이용하여 상기문제를 해결가능한 선박용 고정형 레이더에 적용 가능한 안테나를 제작하여 시험하였다. 그 결과 정면에 대한 빔 폭은 $5^{\circ}$내외로 레이더에 적용에 대한 가능성을 볼 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The accident of the small vessel is increasing due to the growth of the sea and service industry. According to data from National Statistical Office, for 100 ton less than small ship accident, the most of the shipping incident generated in the small ship by 84% of the total shipping incident in 2015. The radar obligatory mounting is enforced to the small vessel in order to conclude this problem. However, the problems including the maintenance cost and transmission power etc. happens high if the existing pulse radar is mounted in the small vessel. In this development, the development is for small ship fixed type radar the object. And in this paper, by using the phase array antenna revolving electronically around the beam, the antenna which it is applicable to the marine fixed type radar which can solve above problem was made and it tested.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 저전력의 신호로도 물표를 탐지할 수 있는 FMCW 탐지 방식의 레이더에서 사용 가능한 X-band 위상 변위기를 이용한 위상 배열 안테나를 설계 제작하였다.
본 연구에서는 상기의 문제점들을 해결하기 위하여 저전력의 FMCW 신호를 이용한 탐지 방식을 전제로 한 X-band 대역의 위상배열안테나 구조로 설계 제작하여 안테나 성능 시험을 진행하였다.
현재 판매되는 소형 선박용 레이더는 회전모터를 이용한 회전방식으로 회전축의 마모와 부식이 발생하는 문제점과 고출력의 송신 전력으로 인해 소형 선박에 사용될 경우 인체에 전파피폭의 위험성을 가지고 있다. 본 연구에서는 이러한 문제점들을 해결하기 위하여 소형 선박용 고정형 레이더에 적합한 고정형 안테나를 제작하여 시험하였다. 이를 위하여 22개의 포트를 갖는 위상 배열 안테나 구조로 안테나를 설계하였으며, 각 포트마다 위상 변위기를 배치하여 원하는 방향으로 빔을 회전할 수 있도록 설계 제작하여 성능시험을 하였다.

제안 방법

그림 10에 보이는 인터페이스 보드는 위상 변위기와 VGA를 제어하기 위한 제어 보드로써 EEPROM에 저장된 빔 방향에 따른 위상변위기와 VGA의 제어 정보를 담은 Look-Up-Table(LUT)를 이용하여 빔 방향 및측엽 억제를 하여 최적의 빔을 형성할 수 있도록 설계하였다.
전력분배기는 기본적으로 각 포트에서 같은 위상으로 출력되도록 설계되어 정면 방향에 빔을 형성되도록 설계하였다. 또한 각 포트마다 전력 가중치를 다르게 적용하여 정면 방향에서 측엽의 전력을 최소화하였다. 하지만 빔 방향을 제어할 경우 측엽 억제를 위해 필요한 포트별 전력 가중치가 변하므로 VGA를 이용하여 전력 가중치 제어가 가증하도록 별도의 인터페이스보드를 설계/제작하였다.
본 개발에서는 1차 빔 패턴에서의 문제점 중 측엽 문제를 전력분배기에서의 포트 간 간섭과 LUT값 문제로 판단하여 포트 간에 기구적인 격벽을 설치하고 LUT값을 보완/수정하여 2차 측정을 수행하였다.
본 연구에서 제작된 안테나는 송신과 수신을 동시에 수행하기 위하여 송수신 안테나를 각각 제작하여 위아래로 배치하였으며, 송수신 안테나 사이에 10mm의 간격을 두어 Isolation을 확보하여, 그림 8과 같은 형태의 테스트용 안테나를 제작하였다.
본 연구에서는 레이더에 사용 가능한 빔 패턴을 형성하기 위하여 그림 4에 보이는 것과 같이 44개의 패치 안테나와 22개의 슬롯 안테나를 이용하여 설계하였다. 위아래로 위치한 패치 안테나 2개는 한 쌍을 이루어 1개의 슬롯 안테나와 급전라인으로 신호를 송수신하게 되는 커플드 안테나 형태로 급전라인 1개 포트에 해당되는 안테나의 빔 폭은 수평 90도, 수직 25도를 이루도록 설계하였다.
이렇게 구성된 안테나 22개를 18.3mm(0.57λ) 간격으로 배열하여 레이더에 사용할 수 있는 수직 25도, 수평 5도 이내의 빔 폭을 갖는 배열 안테나를 구성 하였다.
본 연구에서는 이러한 문제점들을 해결하기 위하여 소형 선박용 고정형 레이더에 적합한 고정형 안테나를 제작하여 시험하였다. 이를 위하여 22개의 포트를 갖는 위상 배열 안테나 구조로 안테나를 설계하였으며, 각 포트마다 위상 변위기를 배치하여 원하는 방향으로 빔을 회전할 수 있도록 설계 제작하여 성능시험을 하였다.
제작된 배열 안테나를 이용하여 빔 패턴 측정 시 Far-Field 챔버에서 측정하였으며, 주파수는 X-band 주파수 대역인 9.2GHz, 9.35GHz, 9.5GHz에서 빔 패턴을 측정하였다.
또한 각 포트마다 전력 가중치를 다르게 적용하여 정면 방향에서 측엽의 전력을 최소화하였다. 하지만 빔 방향을 제어할 경우 측엽 억제를 위해 필요한 포트별 전력 가중치가 변하므로 VGA를 이용하여 전력 가중치 제어가 가증하도록 별도의 인터페이스보드를 설계/제작하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 그림 9에서 보이는 것과 같이 급전라인의 포트 개수에 따라 1x22로 설계되었으며, 각 신호라인에는 위상을 제어할 수 있는 6bit의 X-band용 위상 변위기와 신호 전력을 증폭할 수 있는 VGA(Variable Gain Amplifier)가 위치하였다.
본 연구에서는 레이더에 사용 가능한 빔 패턴을 형성하기 위하여 그림 4에 보이는 것과 같이 44개의 패치 안테나와 22개의 슬롯 안테나를 이용하여 설계하였다. 위아래로 위치한 패치 안테나 2개는 한 쌍을 이루어 1개의 슬롯 안테나와 급전라인으로 신호를 송수신하게 되는 커플드 안테나 형태로 급전라인 1개 포트에 해당되는 안테나의 빔 폭은 수평 90도, 수직 25도를 이루도록 설계하였다.

성능/효과

5GHz 주파수에서의 빔 패턴을 측정한 결과 그림 11과 같은 빔 패턴을 확인할 수 있었다. 그림 11에서 보이는 것과 같이 정면방향(0도)에서는 3개의 주파수 모두에서 5도 이내의 빔 폭을 보였으나, 빔을 30도 방향으로 회전 할 경우 5~6도의 빔 폭을, 45도로 회전할 경우 빔 폭이 6~8도로 넓어지는 문제가 발생하였으며, 측엽 또한 모든 방향에서 비정상적으로 크게 형성되는 것을 확인하였다.
성능 시험 결과 정면 방향에서 3dB 수평 빔 폭은 5도 내외로 형성되어 레이더 안테나로 사용 가능성을 확인하였다. 또한 45도 방향으로 빔을 회전시켜 패턴을 형성하였을 경우 9.2GHz에서 약 6도의 빔 폭을 보였으며 고정형 레이더에 적용이 가능함을 확인하였으나, 9.35,9.5GHz에서는 각각 7도, 8도의 빔 폭으로 레이더에 사용하기에는 넓은 빔 폭을 보였다.
본 개발에서는 제작된 위상 배열 안테나 이용하여 9.2GHz, 9.35GHz, 9.5GHz 주파수에서의 빔 패턴을 측정한 결과 그림 11과 같은 빔 패턴을 확인할 수 있었다. 그림 11에서 보이는 것과 같이 정면방향(0도)에서는 3개의 주파수 모두에서 5도 이내의 빔 폭을 보였으나, 빔을 30도 방향으로 회전 할 경우 5~6도의 빔 폭을, 45도로 회전할 경우 빔 폭이 6~8도로 넓어지는 문제가 발생하였으며, 측엽 또한 모든 방향에서 비정상적으로 크게 형성되는 것을 확인하였다.
성능 시험 결과 정면 방향에서 3dB 수평 빔 폭은 5도 내외로 형성되어 레이더 안테나로 사용 가능성을 확인하였다. 또한 45도 방향으로 빔을 회전시켜 패턴을 형성하였을 경우 9.
첫째로 마그네트론에서 발생하는 물표 탐지를 위한 높은 전력 신호로 인하여 선박의 규모가 큰 중대형 선박에서는 사용이 가능하나, 소형 선박에서 사용할 경우 선박 내의 사람들에게 전파 피폭에 대한 문제가 발생하므로 소형 선박에 적용하기에는 적합한 방식이 아니다. 또한 펄스 레이더의 핵심 부품인 높은 전력의 펄스 신호를 발생을 위한 마그네트론은 최소 6개월마다 점검 및 교환이 필요하므로 이에 따라 유지보수비용 또한 발생하게 된다.

후속연구

그 결과 그림 12에 보이는 것과 같이 측엽이 정상적으로 형성되도록 구현할 수 있었다. 그러나 각도 제어에 따른 빔 폭 문제는 위상 배열 안테나의 크기 및 기구 전체를 다시 제작해야 하는 문제가 있어 추후 수정 보완하여 개발할 예정이다.
향후 연구계획으로서는 본 개발에서 아직 해결하지 못한 문제점에 대해서 향후 연구를 통하여 수정 보완할 예정이며, 송수신부와 신호처리부를 제작하여 제작된 안테나와 연동하여 시험할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	레이더의 기본 물표 탐지 원리는 무엇인가?	레이더의 기본 물표 탐지 원리는 높은 전력의 펄스를 안테나를 이용하여 송신하여 물표를 맞고 반사되어 수신되는 시간을 이용하여 물표의 거리를 측정하는 펄스 레이더 방식이 있다. 그림 2에서 보이는 것과 같이 물표와의 거리(d)는 전파속도와 펄스신호가 반사되어 수신되는 시간(td)과 회전모터를 이용하여 전 방향에 위치한 물표를 탐지하게 된다[1, 2].
	위상 변위기의 특징은?	위상 변위기(Phase shifter)는 위상 배열 안테나 구조에서 가장 중요한 소자이며, 위상 변위기의 성능에 따라 빔 회전 간격 등의 성능이 결정된다.
	해양 산업 및 서비스업의 성장의 부작용은?	이러한 해양 산업 및 서비스업의 성장에 따라 소형선박의 수도 함께 증가하고 있으며, 이에 따른 부작용으로 해양 사고도 매년 증가하고 있다. 특히 표 1에 나타난 통계청 자료에 따르면 2015년 100톤 미만 소형 선박 사고의 경우 전체 선박 사고의 84%로 선박 사고의 대부분이 소형 선박에서 발생하였다.

참고문헌 (6)

A. G. Bole, A. Wall, A. Norris, RADAR and ARPA Manual, 3rd ed, Oxford, Butterworth-Heinemann, 2014.
M. I. Skolnik, RADAR HANDBOOK, 3rd ed, New York, McGrill- Hill, 2008.
A. K. Bhattacharyya, Phased array antennas, Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, 2006.
W. D. Wirth, Radar Techniques Using Array Antennas, 2nd ed, London, The Institution of Engineering and Technology, 2013.
F. D. Eaton, S. A. McLaughlin, J. R. Hines, "A new frequency-modulated continuous wave radar for studying planetary boundary layer morphology," Radio Science, vol. 30, no. 1, pp. 75-88, Jan. 1995.

상세보기
D. K. Barton, RADARs : CW and Doppler RADAR(Radars, Vol 7), Hudson, Artech House on Demand, 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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