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문제 정의
- 본 논문에서는 평면형 능동 위상 배열안테나의 근접전계 시험을 통한 성능 검증에 관하여 기술하였다. 송수신 빔의 정확한 성능 검증을 위해 근접전계 시험장 내에서 측정을 수행하였으며, 측정 시 시나리오를 적용하여, 주파수 및 빔 조향각에 대한 검증을 효율적으로 수행할 수 있었다.
- 국내에서는 다수의 선형 능동 위상 배열 안테나의 빔 특성을 확인하고 검증하기 위해 근접전계 시험을 이용해 왔으며, 전력화를 통해 성능의 유효성을 검증하였다[1]. 본 논문에서는 항공기에 적용될 평면형 능동 위상 배열 안테나의 근접전계 시험 절차 및 결과를 검증하였다. 평면상에서의 빔 조향에 대한 성능을 확인하였으며, 효율적인 측정을 위해 최대한 많은 시나리오를 적용하여 측정 시간을 단축시킬 수 있었다.
제안 방법
- 2와 같으며, 송신 시 유의할 점은 반도체 송수신 조립체를 안정적으로 구동시키기 위해 Fig. 2의 입력 레벨(A)을 8 dBm ± 2 dB로 맞추었으며 PNA-X의 수신 포트(B)에 손상을 주지 않는 범위(< 15 dBm)내의 수신 신호를 생성하기 위해 고출력 감쇄기를 추가하여 수신 신호의 크기를 조절하였다.
- 근접전계 시험 시설을 이용한 송신 빔 측정은 근접전계 시험장의 PNA-X를 이용하여 주파수 영역에서 시험장비을 이용하여 펄스 형태의 동기화된 파형을 발생시켜 반도체 송수신 조립체를 구동시켰다. 송신 시험을 위한 안테나의 근접전계시험 구성도는Fig.
- 논문 순서는 2절에서 측정을 수행할 능동 위상 배열 안테나의 제원 및 근접전계 시험 시설에 대한 간략한 설명을 하고, 3절에서는 실제 수행한 송신 빔 측정 및 EIRP(Effective Isotropic Radiated Power) 측정 결과를 제시하였다. 4절에서는 수신 빔 측정 결과 및 모노펄스 기울기 결과를 제시하고 실 운용 시 모노펄스 기울기를 보정하는 방법에 대하여 설명하였다.
- 송수신 빔의 정확한 성능 검증을 위해 근접전계 시험장 내에서 측정을 수행하였으며, 측정 시 시나리오를 적용하여, 주파수 및 빔 조향각에 대한 검증을 효율적으로 수행할 수 있었다. 또한 능동 위상 배열안테나의 송신 이득 지표로 활용되는 EIRP의 측정을 통해 수학적으로 계산한 값과 비교하여 측정의 유효성을 검증하였으며, 수신 모노펄스 기울기를 보정하기 위한 보정값을 추출하여, 실 운용 시 모노펄스 기울기 보정의 유효성을 수학적으로 검증하였다. 근접전계 시험은 주변 환경의 영향을 거의 받지 않는 상태에서 정확한 기준 데이터를 추출할 수 잇는 장정이 있고, 또한 효율성이나 활용성 측면에서 많은 장점을 가지고 있으므로, 향후에도 평면형 레이다 개발 시에 성능 검증에 효율적으로 이용될 수 있을 것으로 판단된다.
- 8은 능동 위상 배열 안테나의 수신 빔 검증을 위한 시험 구성도이며, 송신 시험과 달리 프로브에 배열 안테나 장치에서 발생시킨 동기화된 연속(CW) 신호를 근접전계 프로브를 통해 주장비에 인가하여 수신 채널의 특성을 검증한다. 본 논문에서 적용한 배열 안테나 장치는 크게 수신 합패턴과 방위각, 고각 방향 각도 정확도 향상을 위해 적용할 모노펄스용 차패턴을 포함해 총 3개의 채널을 측정하였다. 측정된 시나리오는 프로브의 속도와 시나리오의 개수에 적합한 타이밍을 적용하여 한번 측정 시 최대한 많은 빔패턴을 확인 할 수 있게 최적화한 타이밍을 적용하였다.
- 9에서 보는 것처럼 총 측정 시나리오는 프로브의 측정 위치 사이에서 20개를 측정하였다. 본 논문에서 측정한 수신 패턴은 1번부터 19번까지 수신 주경로의 합,차 패턴 측정을 수행하였으며, 마지막 20번째 시나리오에서는 수신 합, 차 패턴으로 추출된 모노펄스 기울기의 보정용 데이터를 추출하였다. 수신 시에는 표적의 각도 정확도 개선을 위해 방위각, 고각 모노펄스를 수행하며 이는 합, 차 패턴의 비교를 통해 구현된다.
- 5, 6을 통해 방위각, 고각 방향으로 확인할 수 있으며, 주빔 및 주빔 이외 부엽레벨의 수준 및 널 위치가 거의 유사함을 확인할 수 있었다. 본 논문에서는, 한 번의 근접전계 시험 동안 총 20개의 빔조향 시나리오를 적용하였으며, 측정된 결과의 비교를 통해 시나리오 설정 및 유효성을 검증하였다.
- 평면상에서의 빔 조향에 대한 성능을 확인하였으며, 효율적인 측정을 위해 최대한 많은 시나리오를 적용하여 측정 시간을 단축시킬 수 있었다. 송신 시험의 경우 PNA-X를 이용하여 펄스 형태의 파형을 발생시켜 반도체 송수신 조립체를 구동시켜 측정을 수행하였으며, 수신 시에는 동기화를 위해 파형 발생기의 신호를 프로브에 인가하여 안테나로 수신된 신호를 측정하여 수신 빔 성능을 예측하였다.
- 이렇게 송신 시험을 위한 근접전계 시험 구성이 완료되면, 송신 채널의 배열 소자와 송신기에 해당하는 반도체 송수신 조립체의 채널별 경로차를 보상하기 위해 채널 정렬을 수행한다. 송신 채널의 위상차를 보상하기 위한 방법은 위상 정렬 전 채널 송신한 패턴의 Back-Projection 기법을 통해 안테나 개구면에서의 전계의 크기 및 위상을 구하여 역으로 위상차를 보정하는 방법이 사용되기도 하지만[2], 본 논문에서는 프로브를 계측기와 동기화시켜 모든 배열소자의 물리적인 중심점에서 S-파라미터 값을 저장하여 원하는 대역내에서의 채널간 위상 정렬값을 한 번에 측정하여 저장하였다.
- 식 (1)은 근접전계 수신 시험을 통해 측정된 합, 차 채널의 복소상수의 위상을 정렬하기 위한 기준값을 나타낸다. 일반적인 모노펄스 기울기는 합, 차 패턴의 복소상수 실수부 및 허수부를 이용하며, 본 논문에서는 실수부를 적용하기 위해 차패턴의 우측 위상에 정렬값을 맞추었다. 다음으로 합, 차 채널 복소 상수의 비율로 표현하면 식 (2)와 같이 근접전계 시험을 통해 추출한 이상적인 모노펄스 기울기를 추출하게 된다.
- 일반적인 안테나의 근접전계 시험은 네트웍 분석기로 신호의 크기가 크지 않은 연속파를 발생시켜 측정을 수행하지만, 본 논문에 적용할 능동 위상 배열 안테나는 최대 3.84 kW 출력의 펄스 형태 RF 신호를 생성하기 때문에 일반적인 근접전계 시설에서는 측정하기 어려우며, 이를 위해 본 논문에서는 고출력 능동 위상 배열 안테나 시험에 적합하도록 고출력 흡수체인 HFX-36HC를 적용하여 고출력을 견딜 수 있도록 설계된 근접전계 시험장을 이용하였다. 또한 펄스 형태의 파형을 근접전계 시험시에 사용하도록 측정 S/W를 수정하여 최대한 많은 시나리오를 적용하여 효율성을 높였다.
- 본 논문에서 적용한 배열 안테나 장치는 크게 수신 합패턴과 방위각, 고각 방향 각도 정확도 향상을 위해 적용할 모노펄스용 차패턴을 포함해 총 3개의 채널을 측정하였다. 측정된 시나리오는 프로브의 속도와 시나리오의 개수에 적합한 타이밍을 적용하여 한번 측정 시 최대한 많은 빔패턴을 확인 할 수 있게 최적화한 타이밍을 적용하였다. Fig.
대상 데이터
- 측정된 시나리오는 프로브의 속도와 시나리오의 개수에 적합한 타이밍을 적용하여 한번 측정 시 최대한 많은 빔패턴을 확인 할 수 있게 최적화한 타이밍을 적용하였다. Fig. 9에서 보는 것처럼 총 측정 시나리오는 프로브의 측정 위치 사이에서 20개를 측정하였다. 본 논문에서 측정한 수신 패턴은 1번부터 19번까지 수신 주경로의 합,차 패턴 측정을 수행하였으며, 마지막 20번째 시나리오에서는 수신 합, 차 패턴으로 추출된 모노펄스 기울기의 보정용 데이터를 추출하였다.
- 본 논문에서 측정을 수행할 능동 위상 배열 레이다의 배열 안테나는 총 384개의 배열소자로 구성되어 있으며, 배열소자 후면에 TR 블록으로 구성된 반도체 송수신기가 384개 연결되어 Fig. 1과 같은 형상으로 구성된다. 배열소자는 송신 시 최대 탐지 거리를 고려하여 동일한 출력을 형성하는 집중빔을 운용하며 수신 시에는 부엽 수신에 의한 탐지를 방지하기 위해 방위각, 고각 방향으로 저부엽의 펜슬빔을 형성한다.
성능/효과
- 식 (5)를 이용하여 다시 모노펄스 기울기를 표현하면 최종적으로 식 (6)과 같아진다. 결론적으로 실 운용 시의 패턴에 계산된 보정값 차이를 보상하면 근접전계 상태 시 추출한 모노펄스 기울기로 복원할 수 있게 된다.
- 84 kW 출력의 펄스 형태 RF 신호를 생성하기 때문에 일반적인 근접전계 시설에서는 측정하기 어려우며, 이를 위해 본 논문에서는 고출력 능동 위상 배열 안테나 시험에 적합하도록 고출력 흡수체인 HFX-36HC를 적용하여 고출력을 견딜 수 있도록 설계된 근접전계 시험장을 이용하였다. 또한 펄스 형태의 파형을 근접전계 시험시에 사용하도록 측정 S/W를 수정하여 최대한 많은 시나리오를 적용하여 효율성을 높였다.
- 모노펄스를 위한 방위각, 고각 방향 합,차 패턴은 Fig. 12, 13을 통해 확인 할 수 있으며, 방위각, 고각 모두 30 dB 이하의 부엽레벨을 만족함을 확인할 수 있었다.
- 배열 구조의 빔 합성 기법을 통해 수학적으로 계산된 이상적인 값과의 비교는 Fig. 5, 6을 통해 방위각, 고각 방향으로 확인할 수 있으며, 주빔 및 주빔 이외 부엽레벨의 수준 및 널 위치가 거의 유사함을 확인할 수 있었다. 본 논문에서는, 한 번의 근접전계 시험 동안 총 20개의 빔조향 시나리오를 적용하였으며, 측정된 결과의 비교를 통해 시나리오 설정 및 유효성을 검증하였다.
- 본 논문에서는 평면형 능동 위상 배열안테나의 근접전계 시험을 통한 성능 검증에 관하여 기술하였다. 송수신 빔의 정확한 성능 검증을 위해 근접전계 시험장 내에서 측정을 수행하였으며, 측정 시 시나리오를 적용하여, 주파수 및 빔 조향각에 대한 검증을 효율적으로 수행할 수 있었다. 또한 능동 위상 배열안테나의 송신 이득 지표로 활용되는 EIRP의 측정을 통해 수학적으로 계산한 값과 비교하여 측정의 유효성을 검증하였으며, 수신 모노펄스 기울기를 보정하기 위한 보정값을 추출하여, 실 운용 시 모노펄스 기울기 보정의 유효성을 수학적으로 검증하였다.
- 수학적으로 합성하여 계산된 배열안테나 이득에 반도체 송수신 조립체 송신 출력을 곱한 값과의 측정값의 비교는 Table 2를 보면 확인할 수 있다. 예측한 값과 측정값이 오차 범위 0.1 dBm 이내에서 일치함을 확인할 수 있다.
- 본 논문에서는 항공기에 적용될 평면형 능동 위상 배열 안테나의 근접전계 시험 절차 및 결과를 검증하였다. 평면상에서의 빔 조향에 대한 성능을 확인하였으며, 효율적인 측정을 위해 최대한 많은 시나리오를 적용하여 측정 시간을 단축시킬 수 있었다. 송신 시험의 경우 PNA-X를 이용하여 펄스 형태의 파형을 발생시켜 반도체 송수신 조립체를 구동시켜 측정을 수행하였으며, 수신 시에는 동기화를 위해 파형 발생기의 신호를 프로브에 인가하여 안테나로 수신된 신호를 측정하여 수신 빔 성능을 예측하였다.
후속연구
- 또한 능동 위상 배열안테나의 송신 이득 지표로 활용되는 EIRP의 측정을 통해 수학적으로 계산한 값과 비교하여 측정의 유효성을 검증하였으며, 수신 모노펄스 기울기를 보정하기 위한 보정값을 추출하여, 실 운용 시 모노펄스 기울기 보정의 유효성을 수학적으로 검증하였다. 근접전계 시험은 주변 환경의 영향을 거의 받지 않는 상태에서 정확한 기준 데이터를 추출할 수 잇는 장정이 있고, 또한 효율성이나 활용성 측면에서 많은 장점을 가지고 있으므로, 향후에도 평면형 레이다 개발 시에 성능 검증에 효율적으로 이용될 수 있을 것으로 판단된다.
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