[논문]탐색기용 AESA 안테나 성능 고도화 연구

김영완; 백종균; 채희덕; 주지한

doi:10.7236/jiibc.2023.23.5.103

탐색기용 AESA 안테나 성능 고도화 연구
A Study on AESA Antenna Performance Advancement for Seeker 원문보기

The journal of the institute of internet, broadcasting and communication : JIIBC, v.23 no.5, 2023년, pp.103 - 108

김영완 (LIG넥스원(주)) , 백종균 (LIG넥스원(주)) , 채희덕 (LIG넥스원(주)) , 주지한 (LIG넥스원(주))

초록
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본 논문에서는 미사일의 눈 역할을 하는 탐색기에 적용할 수 있는 AESA 안테나의 성능 고도화 연구를 진행하고 실제 측정을 통해 안테나 성능을 검증하였다. AESA 안테나 설계 시에는 필연적으로 발생하는 복사소자 간의 상호간섭 영향으로 송신 시 능동반사계수의 최적화를 고려해야하며, 탐색기의 공간 제한을 극복할 수 있는 소형/경량화가 적용된 복사소자의 선정이 중요한 설계 고려 사항이다. 이에 탐색기용 AESA 구조에 적용하기 위한 배열안테나 연구를 통해 전기적 성능 및 Low-profile 구조 측면에서 최적화가 필요하다. 본 논문에서 설계하고 측정한 복사소자는 일반적인 비발디 안테나의 성능을 고도화시키면서 Low-profile 구조를 만족할 수 있는 Step Flared Notch(SFN)를 설계하였다. 본 논문을 통해 SFN은 일반적인 비발디 안테나와 동일하게 광대역 특성을 가지며 AESA 안테나에 필요한 특성들이 최적화 된 특성을 보유함을 확인 할 수 있었다. 시뮬레이션을 통해 최적화 된 구조는 실제 프로토타입 안테나 제작을 통해 패턴 특성과 능동반사계수 특성을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, a performance enhancement study of an AESA antenna that can be applied to a seeker that serves as the eye of a missile was conducted, and the performance of the antenna was verified through actual measurement. When designing an AESA antenna, the optimization of the active reflection coefficient must be considered during transmission due to the mutual coupling between radiators that inevitably occurs, and the selection of a radiator that can overcome the space limitation of the seeker with a small size/light weight is an important design consideration. Accordingly, optimization in terms of electrical performance and low-profile structure is required through research on array antennas for application to the AESA structure. The radiator designed and measured in this paper was designed as an SFN that can satisfy the low-profile structure while enhancing the performance of a general vivaldi antenna. Through this paper, it was confirmed that SFN has the same broadband characteristics as general vivaldi antennas and has optimized characteristics required for AESA antennas. The structure optimized through simulation confirmed the pattern characteristics and active reflection coefficient characteristics through the fabrication of actual proto-type antennas.

주제어

표/그림 (10)

그림 그림 1. 능동 반사 계수 개념도 Fig. 1. Conceptual diagram of active reflection coefficient
그림 그림 2. SFN 복사소자 Fig. 2. SFN radiator
그림 그림 3. 8 by 8 안테나조립체 Fig. 3. 8 by 8 radiators
표 표 1. 8by8 배열 안테나 구조 Table 1. Configuration of 8 by 8 array antenna
그림 그림 4. 8 by 1 프로토타입 설계 형상 Fig. 4. 8 by 1 proto-type design configuration
그림 그림 5. 8 by 1 프로토타입 제작 형상 Fig. 5. 8 by 1 proto-type fabrication configuration
그림 그림 6. S파라미터 측정 결과 Fig. 6. S-parameter measurement result
그림 그림 7. 능동반사계수 합성 결과 Fig. 7. Active-reflection synthesized result
그림 그림 8. 빔패턴 측정 형상 Fig. 8. Beam pattern measurement configuration
그림 그림 9. 단일 복사소자 빔패턴 Fig. 9. Radiator Beam-Pattern

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 탐색기용 AESA에 적용할 수 있는 최적 구조인 SFN 배열안테나의 시뮬레이션 및 측정결과를 바탕으로 성능 검증을 수행하였다.

제안 방법

MWS 시뮬레이터를 통해 Ka 대역에서 빔 조향각 45°(구좌표계 Theta Ang.)기준으로 Grating-Lobe(GL) 특성을 고려한 배열 간격을 적용하였다
실제 제작된 프로토타입 안테나는 S-Parameter 측정 및 빔패턴 측정을 수행하였다. Network Analyzer를 이용해 64개 복사소자 중 28번 복사소자의 능동반사계수를 예측하기 위해 28번 포트를 기준으로 총 7포트의 상호간섭 계수(S21)와 28번 포트의 자기 반사계수(S11)를 측정하였다. 측정된 자기반사 및 상호간섭 계수는 그림 6과 같으며 포트간의 거리에 비례하게 대칭적으로 크기가 증가함을 알 수 있다.
다음으로는 밀리미터파 대역의 복사소자 정밀 제작을 검증하기 하고 빔 조향 성능을 예측하기 위해 프로토타입 복사소자의 방사패턴을 측정하였다. 단일 복사소자의 빔패턴은 빔폭이 상대적으로 넓기 때문에 원전계 측정을 수행하여 정확하게 패턴을 예측할 수 있으며, 본 논문에서는 CR(Compact-Range)측정을 통해 방사 성능을 검증하였다.
다음으로는 밀리미터파 대역의 복사소자 정밀 제작을 검증하기 하고 빔 조향 성능을 예측하기 위해 프로토타입 복사소자의 방사패턴을 측정하였다. 단일 복사소자의 빔패턴은 빔폭이 상대적으로 넓기 때문에 원전계 측정을 수행하여 정확하게 패턴을 예측할 수 있으며, 본 논문에서는 CR(Compact-Range)측정을 통해 방사 성능을 검증하였다.
이러한 제작 및 조립에 의한 안테나 성능을 검증하기 위해 일부 복사소자를 구현한 프로토타입 제작을 통해 성능 검증을 수행하였다. 복사소자로는 제작 측면에서도 상대적으로 용이하며 광대역 특성을 가지고, 상호 결합 영향성이 우수한 SFN 복사소자를 선정하여 설계하고 제작하여 성능을 검증하였다. 총 8개 복사소자로 구성된 8 by 1 프로토타입의 성능을 검증하였고, 원형좌표계 θ 각도 기준으로 ±45° 범위 내에서 원하는 대역에서 최대 –10dB 이하의 능동반사계수 성능을 확인하였다.
본 논문에서는 Ka 대역의 소형화된 복사소자의 제작성을 고려하여 그림 3과 같이 8 by 8 구조로 안테나조립체를 설계하고 최적화하였다.
본 논문에서는 그림 3과 같이 8 by 8 시제를 구성하기 전에 그림 4와 같이 8 by 1의 프로토타입 8개 복사소자를 제작하여 성능 검증을 수행하였다. 향후에는 프로토타입 시제 8개를 조립하여 8 by 8 시제를 구성할 수 있게 모듈화된 8개 소자를 구성하여 성능을 검증하였다.
실제 제작된 프로토타입 안테나는 S-Parameter 측정 및 빔패턴 측정을 수행하였다. Network Analyzer를 이용해 64개 복사소자 중 28번 복사소자의 능동반사계수를 예측하기 위해 28번 포트를 기준으로 총 7포트의 상호간섭 계수(S21)와 28번 포트의 자기 반사계수(S11)를 측정하였다.
밀리미터파 대역의 복사소자는 짧은 파장으로 초소형의 배열안테나를 구성하게 되고 실제 시뮬레이션 대비 제작 및 조립 오차에 의한 측정 결과에서 열화가 발생할 수 있다. 이러한 제작 및 조립에 의한 안테나 성능을 검증하기 위해 일부 복사소자를 구현한 프로토타입 제작을 통해 성능 검증을 수행하였다. 복사소자로는 제작 측면에서도 상대적으로 용이하며 광대역 특성을 가지고, 상호 결합 영향성이 우수한 SFN 복사소자를 선정하여 설계하고 제작하여 성능을 검증하였다.
본 논문에서는 그림 3과 같이 8 by 8 시제를 구성하기 전에 그림 4와 같이 8 by 1의 프로토타입 8개 복사소자를 제작하여 성능 검증을 수행하였다. 향후에는 프로토타입 시제 8개를 조립하여 8 by 8 시제를 구성할 수 있게 모듈화된 8개 소자를 구성하여 성능을 검증하였다.

대상 데이터

실제 제작된 프로토타입은 그림 5와 같은 형태로 제작하였다. 방사 손실을 최소화하고 제작성을 높이기 위해 방사체는 금속으로 제작하였고 급전 라인은 레이저 컷팅을 이용한 정밀 가공 방식으로 제작 후 최종 방사체와 조립하는 형태로 제작하였다. 또한 급전 구조의 손실을 최소화하기 위해 기판이 아닌 Ai-Strip, 즉 선로 위 아래가 공기로 구성될 수 있는 스트립 구조를 적용하였다.

이론/모형

본 논문에서는 그림 3과 같이 SFN 8by8 구조를 기본으로 시뮬레이션을 수행하였다. MWS 시뮬레이터를 통해 Ka 대역에서 빔 조향각 45°(구좌표계 Theta Ang.

성능/효과

추가로 CR 측정을 통해 축소형 프로토타입 복사소자의 빔패턴 성능을 확인할 수 있었다. 본 시제를성능 검증을 통해 향후 8 by 8 이상의 배열소자조립체로의 확장성을 확인 할 수 있었다.
복사소자로는 제작 측면에서도 상대적으로 용이하며 광대역 특성을 가지고, 상호 결합 영향성이 우수한 SFN 복사소자를 선정하여 설계하고 제작하여 성능을 검증하였다. 총 8개 복사소자로 구성된 8 by 1 프로토타입의 성능을 검증하였고, 원형좌표계 θ 각도 기준으로 ±45° 범위 내에서 원하는 대역에서 최대 –10dB 이하의 능동반사계수 성능을 확인하였다. 추가로 CR 측정을 통해 축소형 프로토타입 복사소자의 빔패턴 성능을 확인할 수 있었다.

참고문헌 (7)

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Youngwan Kim, Hee-Duck Chae, Se-Hwan An, Ji-Han？Joo, "Radiator Design Method considering Wide-Angle？Beam Steering Characteristics of AESA Radar", The？Journal of The Institute of Internet, Broadcasting and？Communication, Vol. 22, No. 5, pp. 87-92, Oct. 2022.？DOI: https://doi.org/10.7236/JIIBC.2022.22.5.87

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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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