[논문]통합마스트용 다기능위상배열 레이다의 인접 안테나 개구면 전자파 간섭 영향성 연구

정채현; 유성현; 이행수; 한재섭; 김영완; 강연덕

doi:10.7236/jiibc.2020.20.2.117

통합마스트용 다기능위상배열 레이다의 인접 안테나 개구면 전자파 간섭 영향성 연구
A Study on the effect of electromagnetic interference in adjacent antenna apertures of multi-function radar for Integrated MAST 원문보기

The journal of the institute of internet, broadcasting and communication : JIIBC, v.20 no.2, 2020년, pp.117 - 122

정채현 (LIG 넥스원(주), 레이다 연구실) , 유성현 (LIG 넥스원(주), 레이다 연구실) , 이행수 (LIG 넥스원(주), 레이다 연구실) , 한재섭 (LIG 넥스원(주), 레이다 연구실) , 김영완 (LIG 넥스원(주), 레이다 연구실) , 강연덕 (LIG 넥스원(주), 레이다 연구실)

초록
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본 논문에서는 두 대의 X-대역 안테나를 활용한 시험을 통해 복수의 레이다가 적용되는 함정 통합마스트용 다기능위상배열 레이다의 인접 안테나 개구면 간 전자파 간섭 영향성을 확인하였다. 두 안테나는 시험을 위해 설계 된 통합마스트를 모사한 치구에 배치하였으며, 본 형상을 모델링하여 안테나 빔 조향 시 전자파 영향성을 전자파 해석 도구를 활용하여 분석하였다. 또한, 시험적 분석을 위해 6 가지 시험 시나리오를 설정하였으며, 각 시험 시나리오는 무반향 챔버에서 진행하였다. 시험 시 안테나 #1은 펄스 파형 송신 하였으며, 안테나 #2 부터 수신된 신호는 수신장치를 통해 광 데이터로 저장하여 신호를 분석하였다. 분석 결과를 바탕으로 통합마스트에서 복수의 다기능 레이다를 인접하여 운용 시 전자파 간섭 영향성을 제시한다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we study the electromagnetic interference in adjacent antenna aperture of multi-function radar for Integrated MAST of naval ship, which is operating plural radars, with test result of two different X-band antennas. Two antennas is placed in the test fixture copying the part of Integrated MAST for the experiment. The test figure is modeled to see the electromagnetic interference when antenna beam is steered by using electromagnetic analysis tool. Also, 6 test scenarios is determined to verify experimentally and each test scenario is run in an anechoic chamber. At the test antenna #1 radiates a pulse signal and the signal from the antenna #2 is stored and analyzed in the optic data format through a receiving device. Based on the result, the effect of electromagnetic interference is suggested when multi-function radars in the Integrated MAST are operating in adjacent distance.

주제어

표/그림 (11)

그림 그림 1. M&S 3D 모델 Fig. 1. 3D Model for M&S
그림 그림 2. 안테나 빔 조향 M&S Fig. 2. M&S for Antenna beam steering
그림 그림 3. 스펙트럼 마스크 개념 Fig. 3. Concept of spectrum mask
그림 그림 4. 시험 구성도 Fig. 4. Test setup
표 표 1. 커플링 파워 M&S 결과 Table 1. M&S result of coupling power
그림 그림 5. 송수신 동기 타이밍 Fig. 5. Synchronized timing between Tx. and Rx.
그림 그림 6. 송수신 비 동기 타이밍 Fig. 6. Non-synchronized timing between Tx. and Rx.
그림 그림 7. 동기 타이밍 시 합/차 채널 수신신호 Fig. 7. Rx. signal of Sum/Del channel at synchronized timing
표 표 1. 시험 시나리오 Table 1. Test Scenarios
그림 그림 8. 빔 조향 시 합 채널 수신 신호 Fig. 8. Rx. signal of Sum channel at beam steering
그림 그림 9. 주파수 10MHz 이격 시 합/차 채널 수신신호 Fig. 9. Rx. signal of Sum/Del channel at 10MHz frequency difference

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 X-대역 두 안테나를 활용하여 무반향 챔버에서 송신 및 수신 시험을 통해 두 안테나간의 전자파 간섭 영향성을 분석하였다. X-대역 두 안테나는 서로의 지향각이 90 도 차이가 나도록, 통합 마스트를 모사한 치구에 설치하여 시험하였다.
본 논문에서는 X-대역 두 펄스 레이다용 안테나를 활용하여 함정용 통합마스트에 복수의 레이다가 인접 거리에 설치되었을 때 동시 운용 가능 여부를 확인하기 위해 전자파 간섭 정도를 분석하였다. 6개의 시험 시나리오 결과를 기반으로 복수의 레이다가 동기 타이밍으로 송수신 시에는 서로 간의 신호 간섭이 없음을 확인하였다.

제안 방법

수신 안테나 #2의 송수신장치에 광 저장 장치연결을 통해 수신 신호를 광 데이터로 저장 할 수 있도록구성하였다. RF부 시험장비를 송수신 안테나에 각각 연결하여 신호 동기, 안테나 빔 조향 및 송수신 제어를 하였다.
본 논문에서는 X-대역 두 안테나를 활용하여 무반향 챔버에서 송신 및 수신 시험을 통해 두 안테나간의 전자파 간섭 영향성을 분석하였다. X-대역 두 안테나는 서로의 지향각이 90 도 차이가 나도록, 통합 마스트를 모사한 치구에 설치하여 시험하였다. 시험 시 두 안테나를 안테 나 #1(송신), 안테나 #2(수신) 로 각각 구분하였으며 안테나 #2는 수신장치 및 광 저장 장치를 연결하여 신호처리된 신호를 분석할 수 있도록 시험 셋업을 구성하였다.
각 시나리오 별로 노이즈 레벨 아래에 있을 수 있는 신호를 상세 분석 위해 256개 수신 펄스 신호를 누적하여 코히런트 프로세싱을 통해 분석하였고, 합/차 채널의 신호를 확인하였다.
그리고 송신, 수신 안테나의 동 주파수 차이는 시험장비 설정이 10MHz 단위로 가능하여 중심 주파수 기준으로 0MHz, 10MHz, 20MHz 차이를 두어 측정하였으며, 송신 파형 펄스폭은 10 us,PRI(Pulse Repetition Interval)는 500 us로 설정하였다.
전자파 해석을 위한 형상은 그림 1과 같다. 두 X-대역 안테나는 레이다 반사 면적(RCS)를 고려하여 설계된 통합 마스트 형상 일부를 모사한 치구에 적용하여 시뮬레이션을 진행하였다. 안테나가 반영된 치구의 형상은 그림 1에 나타내었으며, 안테나 #1의 직경은 Φ 18.
두 번째로 비동기 타이밍, 동일 주파수에서 빔 조향한 경우에 대해서 검토하였다. 해당 조건에서는 전자파 신호 간섭이 존재하였으며, 빔 조향 M&S 결과와 동일하게 그림 2의 (c) > (a) > (b) 순으로 신호 간섭 크기가 측정되었으며, 이중 가장 신호 간섭이 큰 경우인 (c) 경우에 대해 상세 분석하였다.
시험 시 두 안테나를 안테 나 #1(송신), 안테나 #2(수신) 로 각각 구분하였으며 안테나 #2는 수신장치 및 광 저장 장치를 연결하여 신호처리된 신호를 분석할 수 있도록 시험 셋업을 구성하였다. 두 안테나의 빔 조향, 송수신의 타이밍 동기화 여부 및송신/수신 안테나의 운용 주파수 편차 설정을 통해 다양한 경우의 수 시험 시나리오를 설정하여 시험을 진행하였다. 또한, 본 시험에 사용한 안테나 및 치구 형상을 모델링하여 상용 전자파 해석 도구 적용을 통해 두 안테나 간의 전자파 커플링양 분석 및 스펙트럼 마스크 규격 조건 준수하여 설계한 시험 레이다인 점을 최종 시험 결과 분석에 활용하였다.
두 안테나의 전자적 빔 조향 시 전자파 커플링 크기를 검토하기 위해 안테나#1, 2 각각을 그림 2와 같이 3가지 경우에 대해서 시뮬레이션 하였다. 안테나 #1, 2가 정면 빔 조향, 반대 방향을 조향 경우 및 동일 방향을 조향하는 경우에 대해서 확인하였다.
두 안테나의 빔 조향, 송수신의 타이밍 동기화 여부 및송신/수신 안테나의 운용 주파수 편차 설정을 통해 다양한 경우의 수 시험 시나리오를 설정하여 시험을 진행하였다. 또한, 본 시험에 사용한 안테나 및 치구 형상을 모델링하여 상용 전자파 해석 도구 적용을 통해 두 안테나 간의 전자파 커플링양 분석 및 스펙트럼 마스크 규격 조건 준수하여 설계한 시험 레이다인 점을 최종 시험 결과 분석에 활용하였다.
마지막으로 비동기 타이밍 이면서 주파수 변화만을 통하여 신호 간섭 영향성을 확인하였다. 두 번째 결과 분석에서 송수신 안테나가 동일 주파수 일 때 경우는 신호의 간섭이 있는 것을 확인 하였다.
설계 시 스펙트럼 마스크 규격 검토를 통해 주파수 특성이 정해진 스펙트럼 마스크 크기 밖으로 나가지 않도록 하며, 스펙트럼 마스크 형상 레벨은 레이다 송신 신호의 크기 및 특성에 따라 ITU-R(InternationalTelecommunication Union-Radiocommunication)에 제시된 규격을 준수하여 정해진다^.[5]
송신 안테나 #1에는 송수신장치를 연결하여 펄스 파형이 송신 되도록 제어하였다. 수신 안테나 #2의 송수신장치에 광 저장 장치연결을 통해 수신 신호를 광 데이터로 저장 할 수 있도록구성하였다. RF부 시험장비를 송수신 안테나에 각각 연결하여 신호 동기, 안테나 빔 조향 및 송수신 제어를 하였다.
안테나 간 전자파 간섭 영향성을 확인위해 시험 시나리오는 표 1과 같이 총 6 개 경우에 대해서 검토하였다. 시나리오는 운용조건을 고려하여 송수신 타이밍 동기 혹은 비동기 여부에 따라 크게 구분하였다. 동기 타이밍은그림 5와 같이 SOP(Start of Pulse)를 기준으로 송신과수신을 2 us 뒤에 동시에 하며 수신장치의 ADC(Analogto Digital Converter) 윈도우는 20 us 뒤에 열어서 데이터를 수신한다.
X-대역 두 안테나는 서로의 지향각이 90 도 차이가 나도록, 통합 마스트를 모사한 치구에 설치하여 시험하였다. 시험 시 두 안테나를 안테 나 #1(송신), 안테나 #2(수신) 로 각각 구분하였으며 안테나 #2는 수신장치 및 광 저장 장치를 연결하여 신호처리된 신호를 분석할 수 있도록 시험 셋업을 구성하였다. 두 안테나의 빔 조향, 송수신의 타이밍 동기화 여부 및송신/수신 안테나의 운용 주파수 편차 설정을 통해 다양한 경우의 수 시험 시나리오를 설정하여 시험을 진행하였다.
본 논문의 시험은 그림 4와 같이 구성하였다. 직경이 다른 X-대역 능동위상배열 두 안테나를 인접거리에서 배치하여 무반향 챔버에 설치하였다. 송신 안테나 #1에는 송수신장치를 연결하여 펄스 파형이 송신 되도록 제어하였다.
첫 번째로 동기/비동기 타이밍의 경우에 대해서 결과를 분석하였다. 동기 타이밍일 경우는 두 안테나가 동일 시점에 송신, 수신을 하므로 주파수 이격, 빔 조향 조건에 상관없이 전자파 신호 간섭이 없음을 그림 7의 결과를 통해 확인하였다.
그리고 송신, 수신 안테나의 동 주파수 차이는 시험장비 설정이 10MHz 단위로 가능하여 중심 주파수 기준으로 0MHz, 10MHz, 20MHz 차이를 두어 측정하였으며, 송신 파형 펄스폭은 10 us,PRI(Pulse Repetition Interval)는 500 us로 설정하였다. 표 1의 각 항목에 대해 빔 조향 조건을 그림 2와 같이 3가지 경우를 적용하여 전자파 간섭 영향성을 확인하였다

대상 데이터

안테나 간 전자파 간섭 영향성을 확인위해 시험 시나리오는 표 1과 같이 총 6 개 경우에 대해서 검토하였다. 시나리오는 운용조건을 고려하여 송수신 타이밍 동기 혹은 비동기 여부에 따라 크게 구분하였다.

성능/효과

이와는 반대로 그림 9와 같이 송수신 주파수가 10MHz 차이가 날 때 합/차 채널 확인 결과 노이즈 레벨 위로 신호가 없으므로 신호 간섭이 없음을 알 수 있다. 20 MHz 주파수 이격 시에도 신호 간섭이 없음을 추가 확인하였으며, 각 주파수 설정 경우 에 대해 빔 조향을 적용하여도 결과는 동일하였다
본 논문에서는 X-대역 두 펄스 레이다용 안테나를 활용하여 함정용 통합마스트에 복수의 레이다가 인접 거리에 설치되었을 때 동시 운용 가능 여부를 확인하기 위해 전자파 간섭 정도를 분석하였다. 6개의 시험 시나리오 결과를 기반으로 복수의 레이다가 동기 타이밍으로 송수신 시에는 서로 간의 신호 간섭이 없음을 확인하였다. 비동기 타이밍, 동일 주파수 운용 시에는 간섭이 발생하긴 하나 주파수 이격을 통해 신호 간섭 문제를 해결할 수 있다.
마지막으로 비동기 타이밍 이면서 주파수 변화만을 통하여 신호 간섭 영향성을 확인하였다. 두 번째 결과 분석에서 송수신 안테나가 동일 주파수 일 때 경우는 신호의 간섭이 있는 것을 확인 하였다. 이와는 반대로 그림 9와 같이 송수신 주파수가 10MHz 차이가 날 때 합/차 채널 확인 결과 노이즈 레벨 위로 신호가 없으므로 신호 간섭이 없음을 알 수 있다.
운용 주파수 이격 간격은 스펙트럼 마스크 관리 대역폭 크기 최소화 설계, 송수신 장치의 주파수 필터링 기능강화 설계 등을 통해 줄일 수 있다. 본 고려사항 검토를 통해 통합 마스트에 적용되는 복수의 레이다가 서로간의 전자파 간섭 없이 운용 가능함을 확인하였다

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	통합마스트에 설치된 복수의 레이다 운용 시 전자파 간섭 영향성에 대한 분석이 요구되는 이유는?	[4] 레이다는 전 방위 표적 탐지를 위해 통합 마스트 4 면에 각각설치가 된다. 동일 주파수 대역에서 운용되는 복수의 레이다가 인접에 위치하게 되어 자유공간으로 방사하게 되면 레이다 서로 간에 전자파 간섭이 발생될 수 있으며,이러한 전자파 간섭은 허위 표적 발생 등의 레이다 성능 열화를 유발한다. 따라서, 통합마스트에 설치된 복수의 레이다 운용 시 전자파 간섭 영향성에 대한 분석이 요구된다.
	전투체계란?	함정에 적용되는 전투체계는 각종 센서, 무장 체계 등을 유기적으로 연결하여 해상 전투를 수행하는 고도화 된 복합 체계이다. 이러한 전투체계를 지원하는 함정의 탐지 체계는 크게 수중을 감시하는 소나 체계 및 수면 위를 탐지하는 레이더 체계로 구분될 수 있다.
	전투체계를 지원하는 함정의 탐지 체계는 어떻게 구분되는가?	함정에 적용되는 전투체계는 각종 센서, 무장 체계 등을 유기적으로 연결하여 해상 전투를 수행하는 고도화 된 복합 체계이다. 이러한 전투체계를 지원하는 함정의 탐지 체계는 크게 수중을 감시하는 소나 체계 및 수면 위를 탐지하는 레이더 체계로 구분될 수 있다. 함정에 적용되는 레이다는 다양한 해상 클러터 환경과 외부 전자전 위협의 상황에서 대공/대함 표적을 탐지, 식별 및 추적하며 방위각, 고각, 거리 등의 3 차원 정보를 전투체계에 전달하여 임무를 수행하는 핵심 센서이다.

참고문헌 (5)

Dong-Hwan Kim, Bang Chul Jung, Choul-Young Kim, Sang-Woon Jeon, Jin-Woong Kim, "Recent Research Trends of Machine Learning-Based Radar Techniques", The Journal of Korean Institute of Communications and Information Sciences, Vol. 43, No. 8, pp. 1382-1385, Aug 2018. DOI: https://doi.org/10.7840/kics.2018.43.8.1382.

상세보기
Tae-yong Park, "Parameters for Selecting the Shipboard 2D/3D Surveillance Radar", Journal of the Korea Institude of Information and Communication Engineering, Vol. 18, No. 1, pp. 233-237, Jan 2014. DOI: https://doi.org/10.6109/JKIICE.2014.18.1.233.

원문보기 상세보기
Kwan-Hyeong Lee, "A Study on Target Direction and Range Estimation using Radar Single Pulse", The Journal of The Institute of Internet, Broadcasting and Communication, Vol. 14, No. 6, pp. 107-112, Dec 2014. DOI: https://doi.org/10.7236/JIIBC.2014.14.6.107.
K. H. Kang, H. Y. Jung, S. H. Yim, "New Directions and Technical Approaches of Integrated Mast for Integrated-operating the Multi-sensor on Shipboard", Korean Society for Precision Engineering, pp. 44-45, Oct 2016. http://www.dbpia.co.kr/journal/articleDetail?nodeIdNODE07065511
International Telecommunication Union - Radio communication, "Techniques for measurement of unwanted emissions of radar systems", 2011. http://www.itu.int/rec/R-REC-M.1177-4-201104-I/en

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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