[논문]항공기 탑재된 광대역 방향 탐지용 안테나 분석 연구

백종균; 지성환; 문병귀; 이경원; 김동규; 이왕용

doi:10.7236/jiibc.2018.18.5.89

초록
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본 논문에서는 항공기에서 사용되는 방향 탐지용 안테나가 항공기에 장착 될 경우, 항공기 구조, 회절과 반사에 의한 안테나 성능 변화를 분석하였다. 방향 탐지용 안테나는 항공기 전자전 체계(Electronic Warfare System)의 방향 탐지(DF : Direction Finding) 장치에서 레이더 위협 신호를 수신하는 안테나이다. 최근 항공기에 다양한 안테나가 장착되므로 탑재된 안테나 성능 해석 및 안테나 간섭 분석 등의 다양한 해석이 요구되고 있다. 본문에서는 모사된 항공기에 50% 대역폭을 가지는 광대역 방향 탐지용 안테나를 장착하여 전자파 해석을 진행하였고, 안테나의 단일 성능과 항공기에 탑재된 성능을 비교하여 방향 탐지 성능을 분석하였다. 분석된 방향 탐지 정확도는 $6.47^{\circ}$ RMS를 가지며 항공기 방향 탐지용 안테나로 적합함을 예측하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we analyze the antenna performance changes caused by the aircraft structure, diffraction and reflection, when the direction finding antenna used in the aircraft is mounted on the aircraft. Direction finding antenna is an antenna that receives radar threat signal in the direction findi...

In this paper, we analyze the antenna performance changes caused by the aircraft structure, diffraction and reflection, when the direction finding antenna used in the aircraft is mounted on the aircraft. Direction finding antenna is an antenna that receives radar threat signal in the direction finding device of aircraft electronic warfare system. Recently, because various antenna are mounted on an aircraft, various analyzes such as antenna performance and interference analysis are required. Therefore, the electromagnetic analysis was carried out by installing a broadband direction finding antenna with 50% bandwidth on simulated aircraft, and the direction finding performance was analyzed by comparing the single antenna performance with the performance mounted on the aircraft. The analyzed direction finding accuracy was $6.47^{\circ}$ RMS and predicted to be suitable as an antenna for aircraft direction finding antenna.

주제어

표/그림 (12)

그림 그림 1. 진폭 비교 방향 탐지 방식 구성도 Fig. 1. Block diagram of an amplitude comparison Direction Finding system
그림 그림 2. 진폭 비교 방향 탐지 방식 원리 Fig. 2. The Principle of an amplitude comparison Direction Finding system
그림 그림 3. 캐비티 백 스파이럴 안테나 구조 Fig. 3. The structure of Cavity-backed spiral antenna
그림 그림 4. 캐비티 백 스파이럴 안테나의 반사손실과 축비 Fig. 4. The return loss and axial ratio of Cavity-backed spiral antenna
그림 그림 5. 캐비티 백 스파이럴 안테나 x-z평면 패턴 Fig. 5. The x-z plane pattern of Cavity-backed spiral antenna
그림 그림 6. 항공기 탑재된 안테나 위치 및 기준 좌표 Fig. 6. Aircraft mounted antenna position and reference coordinates axis
그림 그림 7. MoM과 MLFMM의 연산 횟수 비교 Fig. 7. Comparison operation counts of MoM and MLFMM
표 표 1. 단일 탑재된 안테나의 반사손실, 축비, 반 전력 빔폭 Table 1. The return loss, axial ratio and HPBW of mounted antenna
그림 그림 8. F_min 안테나 복사패턴 비교 Fig. 8. Radiation pattern of the antenna at F_min
그림 그림 9. F_c 안테나 복사패턴 비교 Fig. 9. Radiation pattern of the antenna at F_c
그림 그림 10. F_max 안테나 복사패턴 비교 Fig. 10. Radiation pattern of the antenna at F_max
그림 그림 11. 산출된 방향 탐지 각도 오차 값 Fig. 11. The calculated direction finding angle error

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 모사된 항공기에 광대역 방향 탐지용 안테나를 탑재하여 MLFMM 기법과 하이브리드 해석기법이 구현된 FEKO를 통하여 전자파 해석을 진행하였다.^[9] 항공기는 모사된 F-35 항공기를 적용하였으며, 방향 탐지용 안테나로는 광대역 캐비티 백 스파이럴 (Cavity-backed spiral) 안테나를 적용하였다.
본 연구는 항공기에 탑재된 방향 탐지용 안테나 성능 분석하였다. 50% 대역폭의 광대역 캐비티 백 스파이럴 안테나를 설계하여 항공기에 장착 후, 전자파 해석을 진행하였으며 대형 구조체 해석이 가능한 MLFMM과 하이브리드 기법을 적용하여 광대역 해석을 진행하였다.
본문에서는 항공기 탑재된 안테나 패턴으로 방향 탐지 정확도를 산출하여 방향 탐지 성능을 예측하였다. 항공기 기준으로 고각 0도일 때, 방위각의 방향 탐지 오차를 산출하여 그림 11에 제시하였다.

제안 방법

본 연구는 항공기에 탑재된 방향 탐지용 안테나 성능 분석하였다. 50% 대역폭의 광대역 캐비티 백 스파이럴 안테나를 설계하여 항공기에 장착 후, 전자파 해석을 진행하였으며 대형 구조체 해석이 가능한 MLFMM과 하이브리드 기법을 적용하여 광대역 해석을 진행하였다. 항공기 탑재된 안테나 해석을 통해 반사손실, 축비, 이득, 빔폭의 변화를 확인하였다.
항공기 주익 끝에 장착되는 방향 탐지용 안테나는 360° 전 방위 방향 탐지 성능 확보를 위하여 4개의 안테나가 적용되었다. 단일 안테나와 항공기 탑재된 안테나 간의 반사손실, 이득, 빔폭, 축비를 비교하여 탑재 영향성을 고찰하였다. 또한 탑재된 안테나 성능의 방향 탐지 정확도를 분석하여 항공기에 장착되는 방향 탐지용 안테나로서의 적합성을 판단하였다.
전자전 체계에서는 광대역 주파수 범위의 위협 신호를 탐지, 식별 및 방해하는 전술이 매우 중요하기 때문에 방향 탐지 장치의 방향 탐지용 안테나는 넓은 주파수 대역에서 안테나 성능이 크게 변하지 않은 스파이럴 안테나가 주로 사용된다. 따라서 본 연구에서 50% 대역폭을 가지는 광대역 캐비티 백 스파이럴 안테나를 설계하였다. 설계된 안테나의 형상은 그림 3에 나타내었으며 방사체(Radiator), 캐비티 백(Cavity-backed), 캐비티 내부 흡수체(Absorber #1, 2)로 구성되어 있다.
단일 안테나와 항공기 탑재된 안테나 간의 반사손실, 이득, 빔폭, 축비를 비교하여 탑재 영향성을 고찰하였다. 또한 탑재된 안테나 성능의 방향 탐지 정확도를 분석하여 항공기에 장착되는 방향 탐지용 안테나로서의 적합성을 판단하였다.
본 논문에서 해석 구조체의 전기적 크기는 최저 주파수 대역인 Fmin에서 100λ × 100λ, 최고 주파수 대역인 Fmax에서는 900λ × 900λ를 가지며 고주파수 영역에서 기하급수적으로 증가된 리소스를 필요로 한다.
설계된 안테나는 그림 6과 같이 모사된 항공기에 장착하여 해석을 진행하였으며, 주익 끝에서 측 방향(항공기 기준)으로 ±45° 기울어져 장착되어 있다.
50% 대역폭의 광대역 캐비티 백 스파이럴 안테나를 설계하여 항공기에 장착 후, 전자파 해석을 진행하였으며 대형 구조체 해석이 가능한 MLFMM과 하이브리드 기법을 적용하여 광대역 해석을 진행하였다. 항공기 탑재된 안테나 해석을 통해 반사손실, 축비, 이득, 빔폭의 변화를 확인하였다. 그 결과를 통해 항공기 장착 시, 방향 탐지 성능이 6.

대상 데이터

따라서 본 연구에서 50% 대역폭을 가지는 광대역 캐비티 백 스파이럴 안테나를 설계하였다. 설계된 안테나의 형상은 그림 3에 나타내었으며 방사체(Radiator), 캐비티 백(Cavity-backed), 캐비티 내부 흡수체(Absorber #1, 2)로 구성되어 있다.
본 연구는 안테나 영향성 분석을 위한 해석이므로 안테나의 급전부 설계는 제외하였다. 안테나의 크기는 지름 55.1 mm, 높이 25.0 mm이며 캐비티 내부 흡수체는 2단 구조로서 유전율 1.1, loss tangent 0.25를 가지는 상층 (Absorber #1)과 유전율 2, loss tangent 0.5를 가지는 하층(Absorber #2)으로 된 구조를 사용하여 흡수율을 높였다. 설계된 안테나의 반사손실과 축비는 그림 4를 통해 확인할 수 있다.
항공기 주익 끝에 장착되는 방향 탐지용 안테나는 360° 전 방위 방향 탐지 성능 확보를 위하여 4개의 안테나가 적용되었다.

이론/모형

따라서 150λ × 150λ이상의 전기적 크기를 가지는 주파수 영역부터는 하이브리드 해석기법으로 정확한 전류 분포를 해석해야 하는 안테나는 MLFMM 기법으로 해석하고 안테나를 제외한 주변 구조는 PO를 사용해 해석을 진행하였다.
본 논문에서 해석 구조체의 전기적 크기는 최저 주파수 대역인 F_min에서 100λ × 100λ, 최고 주파수 대역인 F_max에서는 900λ × 900λ를 가지며 고주파수 영역에서 기하급수적으로 증가된 리소스를 필요로 한다. 따라서 상대적으로 낮은 주파수 F_min은 MLFMM 기법으로 해석하고 F_c, F_max는 하이브리드 해석기법으로 해석하였다. MoM 기법을 개량한 MLFMM 기법의 연산 횟수의 개념을 그림 7에 MoM 기법과 비교하여 나타내었다.
본 논문에서는 다양한 방향 탐지 방식 중 진폭 비교 방향 탐지 방식을 사용하였다. 진폭 비교 방향 탐지 방식의 원리는 전 방향으로 배치된 각각의 안테나로 수신되는 신호의 진폭을 비교하여 진폭 차에 해당되는 방위값을 찾아내는 것이다.
대형 구조체를 포함한 전자파 해석은 기존의 MoM(Method of Moments)이나 FDTD(Finite Difference Time Domain Method)와 같은 해석 기법으로는 리소스 및 해석 시간의 문제로 광대역 해석이 불가능하다. 전기적으로 큰 구조체 해석을 위해서는 MoM 해석 기법을 개량한 MLFMM(Multilevel Fast Multipole Method) 기법과 하이브리드 해석기법(MoM + physical optics) 등을 사용하여야 한다. MLFMM 해석 방식은 MoM 행렬 방정식의 해를 비선형 반복법(nonlinear iterative method)으로 구하고, 필요한 벡터-행렬 곱의 연산을 그룹 간 상호작용을 계층적으로 적용하여 연산량을 줄여서 계산하는 방식이다.
이러한 연산 횟수의 감소는 고전 MoM 기법의 가장 큰 문제였던 리소스의 비효율적인 활용을 매우 효과적으로 개선할 수 있다. 하이브리드 해석기법은 다양한 방법이 존재하지만 본 연구에서는 MoM + PO(Physical Optics)를 사용해 해석을 진행하였다. 이 기법은 MLFMM 기법을 사용해 해석이 불가능한 전기적 크기를 가지는 대상을 해석하기 위해 사용하는 방법으로서, 본 연구의 해석대상은 넓은 주파수 범위의 동작 특성을 가지기 때문에 전기적 크기도 주파수에 따라 변화한다.

성능/효과

[6] 대형 구조체에 장착된 방향 탐지용 안테나의 전파 특성 왜곡과 성능 열화는 광대역과 360° 전 방위에서 수행되는 전자전 체계의 방향 탐지 성능에 영향을 미칠 수 있다.
그 결과를 통해 항공기 장착 시, 방향 탐지 성능이 6.47° RMS 방향 탐지 정확도를 가지는 것을 확인하였으며, 성능에 취약한 부분도 확인 할 수 있었다.
설계된 안테나의 반사손실과 축비는 그림 4를 통해 확인할 수 있다. 반사손실은 50% 대역폭에서 -20 dB 이하를 만족하고 축비는 3dB 이하를 만족하는 것을 확인할 수 있다. 복사 패턴은 그림 5에 나타내었으며 주파수 대역의 F_min, F_c, F_max [GHz]에서 각각 –1.
산출 결과, 30° ∼ 45°, 315° ∼ 330°를 제외한 구간에서는 평균 10° 이하의 각도 오차가 발생하였고, 30° ∼ 45°, 315° ∼ 330° 구간은 Fmin에서 30.81°, Fc에서 39.98°, Fmax에서 36.59° 의 최대 오차가 발생하였다.
해석 결과, 항공기 후면 방향 패턴은 탑재 안테나의 ±90°(Boresight 기준) 빔폭 내에서 유사 성능 결과를 확인 할 수 있다.
해석 결과를 기반으로, 360° 전 방위에서 방향 탐지 정확도는 6.47° RMS를 가진다.

후속연구

일반적으로 진폭 방향 탐지 정확도는 15° RMS 이하 값을 적합하다고 판단하므로 분석된 안테나는 방향 탐지용 안테나로 적합하다고 예측 할 수 있다.^[10] 하지만 항공기 전면 방향에 위치한 안테나의 많은 성능 변화가 예측되기 때문에 최적의 방향 탐지 성능 확보를 위해, 안테나 최적화 위치 재설정, 소프트웨어를 이용한 패턴보상 알고리즘 구현 등으로 방향 탐지 성능을 개선할 수 있을 것으로 판단된다.
47° RMS 방향 탐지 정확도를 가지는 것을 확인하였으며, 성능에 취약한 부분도 확인 할 수 있었다. 이러한 분석은 항공기 안테나 성능 개선에 활용될 것으로 판단되며, 향후 고각 범위 확장을 포함한 방향 탐지 성능 분석과 방향 탐지 성능 최적화를 위한 항공기 탑재 위치를 분석 할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	다양한 안테나 성능 해석, 탑재된 안테나 영향성 분석, 안테나 간 상호 영향성 분석이 요구되는 이유는?	최근 차량, 항공기, 선박 등과 같은 대형 구조체에 다양한 안테나가 장착되고 있으며, 그로 인해 다양한 안테나 성능 해석, 탑재된 안테나 영향성 분석, 안테나 간 상호 영향성 분석이 요구되고 있다. [1]~[5] 대형 구조체에 탑재된 안테나는 구조체의 외부 돌출 구조 및 장착 위치 등으로 인해 회절 또는 반사로 야기되는 전파 특성의 왜곡과 성능 열화를 보일 수 있다.
	항공기와 같은 대형 구조체에 탑재되는 광대역 방향 탐지용 안테나는 설계 단계에서 장착 시의 안테나 성능에 대한 체계적인 사전 분석이 필요한 이유는?	최근 차량, 항공기, 선박 등과 같은 대형 구조체에 다양한 안테나가 장착되고 있으며, 그로 인해 다양한 안테나 성능 해석, 탑재된 안테나 영향성 분석, 안테나 간 상호 영향성 분석이 요구되고 있다. [1]~[5] 대형 구조체에 탑재된 안테나는 구조체의 외부 돌출 구조 및 장착 위치 등으로 인해 회절 또는 반사로 야기되는 전파 특성의 왜곡과 성능 열화를 보일 수 있다. [6] 대형 구조체에 장착된 방향 탐지용 안테나의 전파 특성 왜곡과 성능 열화는 광대역과 360° 전 방위에서 수행되는 전자전 체계의 방향 탐지 성능에 영향을 미칠 수 있다. [7]~[8] 따라서, 항공기와 같은 대형 구조체에 탑재되는 광대역 방향 탐지용 안테나는 설계 단계에서 장착 시의 안테나 성능에 대한 체계적인 사전 분석이 필요하다.
	방향 탐지용 안테나란?	본 논문에서는 항공기에서 사용되는 방향 탐지용 안테나가 항공기에 장착 될 경우, 항공기 구조, 회절과 반사에 의한 안테나 성능 변화를 분석하였다. 방향 탐지용 안테나는 항공기 전자전 체계(Electronic Warfare System)의 방향 탐지(DF : Direction Finding) 장치에서 레이더 위협 신호를 수신하는 안테나이다. 최근 항공기에 다양한 안테나가 장착되므로 탑재된 안테나 성능 해석 및 안테나 간섭 분석 등의 다양한 해석이 요구되고 있다.

참고문헌 (10)

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S. E. Lipsky, Microwave Passive Direction Finding, Wiley & sons, 1987.

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