Ⅰ. 서 론
최근 우주활동의 증가에 따른 인공위성 및 인공위성 파편으로부터 발생되는 우주쓰레기를 포함한 우주물체의 수가 급증하고 있다[1]. 이러한 우주물체는 다른 우주물체와 충돌할 위험이 있으며, 이는 우주활동뿐 아니라 지구 상의 인류를 위협하는 존재이기 때문에 국내 상공을 지나는 인공위성 및 우주쓰레기 등의 우주물체를 탐지/추적하는 우주감시체계의 필요성이 커지고 있다[2],[3].
우주 감시를 위해 크게 광학장치와 레이다가 사용된다. 우주 감시를 위한 광학장치는 해상도가 뛰어나며, 대상의 시각적 특징을 파악할 수 있지만, 관측 시간과 기상 조건으로 인한 관측이 제한될 수 있다. 반면, 우주 감시 레이다는 광학장치보다 낮은 해상도를 가지고 시스템 구성이 복잡하며 비용이 높지만, 날씨 조건이나 시간에 관계없이 넓은 범위에서 탐지가 가능하다는 장점이 있다. 국내에서는 우주 감시를 위한 광학 시스템은 구축되어 있지만 레이다 시스템의 개발이 아직 미흡하여 상시 감시가 가능한 우주 감시 레이다 개발이 필요하다[2].
우주 감시 레이다 시스템에는 주로 반사판 안테나와 능동위상배열 안테나가 사용된다. 반사판 안테나는 대형 반사판을 사용하여 높은 이득을 가질 수 있어 탐지거리가 긴 우주에서 정밀도가 높지만, 빔 방향을 바꾸기 위해서는 구동장치를 통해 기계적으로 움직여야 한다는 단점이 있다[2]. 반면, 능동위상배열 안테나는 개별 복사소자의 위상을 조정하여 빔 방향과 형태를 제어할 수 있어 넓은 영역을 빠르게 탐지할 수 있다는 장점이 있다[4].
지상에서 우주물체를 탐지하기 위한 우주 감시 레이다에는 일반적으로 매우 높은 이득의 안테나가 요구되므로, 본 논문에서는 모듈 단위 확장을 통해 초대형 안테나 구성이 가능하도록 8×8 모듈형 배열 안테나를 설계/제작하였다. 이와 같은 방법으로 안테나를 구성하면 모듈 단위 성능 최적화를 통해 다양한 크기 및 형상으로 변경이 용이하다. 또한, 안테나 제작 중 불량 및 운용 중 파손/고장 등의 문제가 발생한 경우 안테나 전체를 재제작하지 않아도 모듈 단위의 교체를 통해 해결할 수 있다. 배열 안테나는 전자기장 해석 툴인 CST MWS를 이용하여 설계했고, 점검경로/능동반사계수 측정 및 근접전계 시험을 통해 각각의 성능을 검증하였다.
Ⅱ. 배열 안테나 설계 결과
우주 감시 임무 수행을 위해 레이다의 탐지거리에 유리한 L-Band 주파수 대역에서 설계하였다[1],[5]. 또한, 넓게 분포되어 있는 우주물체를 탐지하기 위해 빔 조향 범위는 off-axis±45°로 넓은 범위를 설정하였다[1].
그림 1과 같이 광폭의 빔 형성을 위해 다이폴(dipole) 안테나를 설계하였다[6]. 다이폴 앞에 디렉터(director)를 두어 지향성을 향상시켰으며, 격리기(isolator)를 통해 인접 복사소자 간 상호 결합량을 최소화하였다. 또한, 안테나의 방사방향과 반대로 방사되는 신호를 전면으로 방사하기 위해 반사판(reflector)을 추가하였다. 마지막으로 레이다 운용 중 송수신 경로 내 능동소자가 시간 및 온도 등에 따라 변화하는 특성을 보정하여 최적의 빔 패턴 상태를 유지하기 위해 점검경로를 설계하였다. 점검경로는 주경로의 신호를 결합시켜 매우 낮은 레벨의 신호를 사용하기 때문에 신호가 왜곡될 가능성이 크므로 안정적인 보정 신호 제공을 위한 방향성 결합기를 적용하였다. 그림 1의 설계된 복사소자 파라미터는 표 1에 나타내었다. 유전율 3, 두께 1.52 mm인 Taconic 사의 RF-30 기판을 사용하였으며, 2장을 적층하여 설계하였다.
| Parameters | Value |
|---|---|
| dir | 0.089 λ0 |
| dir_arm | 0.086 λ0 |
| dir_w | 0.041 λ0 |
| dir_angle | 20° |
| arm_angle | 35° |
| arm | 0.195 λ0 |
| h | 0.258 λ0 |
| sfh | 0.191 λ0 |
| hw | 0.064 λ0 |
| w | 0.023 λ0 |
그림 2는 제안된 능동위상배열 안테나의 배열 구조이다. 중앙의 8×8 배열소자가 유효 복사소자이며, 유효 복사소자의 상하좌우에 더미소자를 2배열씩 추가하였다. 더미소자를 추가하여 외곽소자의 빔 패턴 왜곡 및 능동반사계수 열화를 방지함으로써 배열 내에서의 복사소자 성능을 확인할 수 있도록 하였다. 이를 통해 실제 모듈 단위 확장 시, 전체 안테나에 대한 성능을 예측할 수 있다. 또한, 삼각 배열 구조를 적용하여 빔 조향 범위 내 그레이팅 로브의 발생을 방지하였다[7]. 배열 간 x축 간격은 0.49 λ0, y축 간격은 0.58 λ0로 설계하였다.
그림 3은 설계된 점검경로 한 열의 결합량 시뮬레이션 결괏값이다. 결합량은 모두 −39±1 dB 이내인 것을 확인할 수 있다.
그림 4는 주요 소자의 자기반사계수 시뮬레이션 결과이다. 설계 주파수 대역 내에서 복사소자의 자기반사계수는 −10 dB 이하를 만족하도록 설계하였다.
그림 5는 빔 조향 범위를 고려하여 능동반사계수의 최댓값을 계산한 시뮬레이션 결과이다. 안테나 뒷단에 연결하는 송수신모듈의 고장과 빔 조향 시의 시스템 성능 저하를 최소화하기 위해 개별 복사소자의 능동반사계수는 −7 dB 이하를 만족하도록 설계하였다. 개별 복사소자의 위치에 따른 경향성 파악을 위해 중심소자(P029), 외곽소자(P025, P033)와 최외곽소자(P057)의 시뮬레이션 결과를 확인하였고, 외곽소자인 P033에서 −8.68 dB로 최대 능동반사계수를 가지는 것을 확인하였다.
그림 6은 설계된 8×8 배열 안테나에서 중심소자에 대한 빔 패턴 시뮬레이션 결과이다. 빔 조향으로 인한 이득 저하 현상을 최소화하기 위해 광폭을 갖는 빔 패턴을 설계하였다. 따라서, 6 dB 빔 폭 120° 이상을 목표로 설정하였고, 설계 후 시뮬레이션 결과는 중심주파수에서 141.59° (방위각)/143.85°(고각)로 확인하였다.
Ⅲ. 배열 안테나 제작 및 시험 결과
앞의 설계 결과를 바탕으로, 더미소자를 포함한 12×12 배열 안테나를 제작하여 무반향 챔버 내에서 점검경로 결합량/능동반사계수 측정 및 근접전계 시험을 진행하였다.
그림 7은 점검경로 결합량 및 능동반사계수 측정 시험 구성이며, 그림 8은 제작된 안테나의 근접전계 시험 구성이다. 각 시험 구성 시, 시험 치구의 영향으로 인한 측정 정확도 저하를 방지하기 위해 시험 치구에 흡수체를 부착하였다.
그림 9는 모든 개별소자의 자기반사계수 측정 결과이다. 제작된 모든 개별소자는 설계 주파수 대역 내에서 자기반사계수가 모두 −10 dB 이하임을 확인하였다.
그림 10은 점검경로의 결합량을 측정한 결과이다. 점검경로 결합량은 모두 −40±2 dB 이내로 각 개별소자의 경향성과 크기 수준이 유사함을 확인하였다. 동일한 점검경로가 한 열씩 설계되었으나, 실제 제작된 안테나는 제작 오차와 같은 제작 특성을 띄기 때문에 모든 소자의 점검경로 결합량을 측정하여 결과를 확인하였다. 설계 결과(−39±1 dB)와의 결합량 차이는 M&S 및 제작 시 사용된 실제 기판의 손실 탄젠트 차이 및 제작 오차가 원인일 것으로 예측된다.
그림 11은 배열 안테나의 개별소자들 간 상호결합량을 측정하여 빔 조향 범위 내 최대 능동반사계수를 계산한 결괏값이다. 설계 주파수 대역 내에서 능동반사계수의 최댓값은 외곽소자(P025)에서 −9.14 dB이다. 이는 설계한 시뮬레이션 결괏값과 유사하며 최외곽소자의 능동반사계수는 중심소자의 수준과 크게 다르지 않음을 확인하였다.
그림 12는 근접전계 시험을 통해 8×8 배열 안테나에서 중심소자(P029)의 빔 패턴을 측정한 결과이다. 그림 13은 측정한 빔 패턴을 바탕으로 중심소자의 6 dB 빔 폭을 계산한 결과이다. 중심주파수에서 6 dB 빔 폭은 방위각 129.05°, 고각 128.90°로 측정되었다.
점검경로 결합량은 시뮬레이션과 측정 결과 모두 −40 ±3 dB 이내임을 확인하였다. 개별 복사소자의 자기반사계수는 −10 dB 이하, 능동반사계수는 −7 dB 이하로 측정 소자 모두 목표 성능을 만족하였으며, 6 dB 빔 폭 또한 목표한 성능을 만족하였다.
그림 14는 보어사이트(boresight)에서 시뮬레이션 및 측정된 8×8 모듈형 배열 안테나의 최종 빔 패턴(방위각/고각) 결과이다. 시뮬레이션을 통한 안테나 이득은 23.15 dB(@ fc), 측정된 안테나 이득은 약 22.92 dB(@ fc)임을 확인하였다. 표 2에는 8×8 모듈형 배열 안테나에 대한 시뮬레이션 및 측정 결과를 비교하여 나타내었고, 개별소자 및 배열 안테나 성능이 유사한 수준임을 확인하였다.
Ⅳ. 결 론
본 논문에서는 우주 감시 레이다용 초대형 능동위상배열 안테나 구현을 위해 모듈 단위 확장 방식을 제안하고, 그에 대한 초기 연구로써 더미소자를 포함한 12×12 배열 안테나를 설계 및 제작하였다. 다음으로 배열 안테나의 개별 복사소자의 전기적 성능을 측정하여 시뮬레이션 결과와 유사함을 보이고 목표 성능을 모두 만족함을 확인하였다.
다만, 본 논문에서 설계/제작한 배열 안테나는 모듈형 배열 안테나를 위한 전기적 성능만 검토하였기 때문에 모듈 단위 확장을 위한 세부적인 기구적 요구사항은 추가 연구를 통해 검토 및 개선해야 될 필요가 있다. 본 연구를 바탕으로 추후 기구적 형상까지 반영하여 모듈형 배열 안테나를 개발할 수 있을 것으로 기대하며, 최종적으로 개발된 모듈형 배열 안테나를 확장하여 우주 감시 레이다에 적용함으로써 우주 감시 체계 발전에 기여할 수 있을 것으로 판단된다.
