Study on 2×2 Subarray Antenna for Implementation of VHF Band Active Electronically Scanned Array

Kim, Sungpeel; Han, Junyong; Jang, Younhui; Choi, Jaehoon

doi:10.5515/KJKIEES.2018.29.6.473

J. Korean Inst. Electromagn. Eng. Sci. 2018; 29(6):473-476

pISSN: 1226-3133, eISSN: 2288-226X

DOI: https://doi.org/10.5515/KJKIEES.2018.29.6.473

단편논문/SHORT PAPER

VHF 대역 능동 위상 배열안테나 구현을 위한 2×2 부배열 안테나 설계에 관한 연구

김성필¹, 한준용^*, 장윤희^**, 최재훈¹^,^†

Study on 2×2 Subarray Antenna for Implementation of VHF Band Active Electronically Scanned Array

Sungpeel Kim¹, Junyong Han^*, Younhui Jang^**, Jaehoon Choi¹^,^†

Author Information & Copyright ▼

¹한양대학교 전자컴퓨터통신공학과

^*한화시스템

^**국방과학연구원

¹Department of Electronics & Computer Engineering, Hanyang University

^*Hanwha Systems

^**Agency for Defense Development

^†Corresponding Author: Jaehoon Choi (e-mail: choijh@hanyang.ac.kr)

© Copyright 2019 The Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science. This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

Received: Mar 07, 2018; Revised: Apr 30, 2018; Accepted: May 04, 2018

Published Online: Jun 30, 2018

요약

본 논문에서는 VHF 대역 능동 위상 배열안테나를 구현하기 위한 2×2 부배열 안테나 설계에 대해 연구하였다. 야기-우다 안테나가 복사소자로 적용되었으며, 복사소자의 투사기 굵기 및 도파기 길이 등을 최적화하여 대역폭 확장 및 소형화를 달성하였다. 또한, 그리드 반사기를 사용하여 전후방비를 개선하였고, 무게와 바람저항을 감소시켰다. 제작된 2×2 부배열 안테나는 목표대역(0.98～1.02 f_c)을 충분히 만족하며, 10.61 dBi의 최대 이득 및 26 dB 이상의 양호한 전후방비 특성을 가진다.

Abstract

Herein, a 2×2 subarray antenna is designed to implement a VHF band active electronically scanned array. The Yagi–Uda antenna is used as a radiating element. The bandwidth enhancement and miniaturization of the Yagi-Uda antenna are achieved by optimizing the diameter of a driven element and the length of a director. In addition, the grid reflector is utilized to improve the front-to-back ratio(FBR) and to reduce both the wind resistance and overall system weight. The fabricated 2×2 subarray antenna fully covers the VHF target band(0.98～1.02 f_c). The measured maximum gain is 10.61 dBi and the FBR is larger than 26 dB.

Keywords: VHF Band Radar; Array Antenna; Yagi-Uda Antenna; Grid Reflector

Ⅰ. 서 론

스텔스 항공기는 다양한 방법의 RCS(Radar Cross Section) 저감 기술을 적용하여 레이다에 저 피탐지 특성을 갖도록 설계되며, 이러한 특성은 기체 형상 설계나 전파 흡수 물질(RAM: Radar Absorbing Material) 적용 등의 방법을 통하여 구현된다^[1],^[2]. 초고주파 대역에서 낮은 RCS 특성을 갖도록 설계된 점에 대한 대응기술로서 VHF 대역 레이다 개발이 요구되고 있다. VHF 대역 레이다의 파장은 스텔스 항공기의 날개, 엔진, 연료탱크 등의 크기와 유사하거나 더 크기 때문에 외부 형상에 의한 낮은 RCS 특성을 무력화시킬 수 있다^[1],^[2]. 원거리 표적을 탐지하기 위해서는 높은 지향성을 갖는 안테나가 요구되며, VHF 대역 지향성 안테나로는 야기-우다 안테나, 대수주기 안테나 등이 활용된다^[3]～^[5]. 참고문헌 [4]에서 제안된 VHF 대역 안테나 구조는 길이가 2 m에 달하여 배열안테나 복사소자로 사용하기에 적절하지 않다. 또한, 일반적인 야기-우다 안테나는 대역폭이 좁은 단점이 있다^[3]. 국내에는 VHF 대역 능동 위상 배열안테나에 관한 연구가 부족한 실정이고, 러시아의 경우는 VHF 대역 탐지/추적 레이다로 1L 119 Nebo SVU를 운용 중이며, 단일 복사소자가 84개 배열된 형태이다^[1]. 본 논문에서는 VHF 대역 능동 위상 배열안테나를 구현하기 위한 2×2 부배열 안테나를 연구하였다. 대역폭 확장 및 소형화된 야기-우다 안테나를 복사소자로 적용하였으며, 전후방비 증가 및 무게와 바람저항 감소 등을 위해 그리드 반사기가 적용되었다. 본 연구결과는 실제 운용 환경을 위한 안테나 지지대와 하우징 구조 영향도 고려되어 향후 VHF 대역 능동 위상 배열안테나 연구에 활용이 가능할 것으로 사료된다.

Ⅱ. 안테나 설계 및 특성

2-1 단일 복사소자 설계

이론에 따라 설계된 복사소자 구조는 그림 1(a)와 같으며, 알루미늄으로 제작되었다. 그림 1(b)는 도파기 길이(l) 변화에 따른 반사계수 특성이며, l의 변화는 임피던스 매칭에 영향을 주는 것을 볼 수 있다. 처음에 l을 0.39λ_c(VHF 대역 중심주파수 f_c에서의 파장)로 설계했지만 임피던스 매칭이 좋지 않아서 l을 조정하였다. l을 0.35λ_c로 변화시킴으로써 최적의 임피던스 매칭 특성을 구현할 수 있었으며, −10 dB 반사계수 대역이 목표 대역(0.98～1.02 f_c)을 포함하였다. 그림 1(c)는 투사기의 굵기(D) 변화에 따른 반사계수 특성이다. 투사기는 다이폴 안테나로 볼 수 있으며, 다이폴 안테나의 대역폭은 굵기를 두껍게 변화시킴으로써 확장시킬 수 있다^[3]. 제작된 안테나 구조가 견딜 수 있는 무게를 고려하여 D=40 mm까지 증가시켰고, 이 경우의 대역폭은 21.57 %로 최초 설계된 D=23 mm일 때의 대역폭인 16.27 %에 비해 5.3 % 증가하였다. 표 1은 반사기와 투사기 사이의 간격(d) 변화에 따른 배열안테나 성능 모의실험 결과이다. 이론적으로는 d=0.25 λ_c일 때 후방방사가 최소화되지만^[3], 제안된 구조에서는 d가 감소될수록 이득 및 전후방비가 증가하는 경향을 확인할 수 있다. 대역폭은 약간 감소되지만 목표 대역을 만족하며, 지향성 증가 및 안테나 크기 감소 등의 장점을 고려하여 최종적으로 d=0.16 λ_c인 복사소자를 설계하였다.

그림 1. | Fig. 1. 도파기 길이(l) 변화 및 투사기 굵기(D) 변화에 따른 모의실험된 반사계수 특성 | Simulated reflection coefficient characteristics for various director length(l) and diameter of driven element(D) values.

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표 1. | Table 1. d의 변화에 따른 복사소자 모의실험 결과 비교 | Simulated result comparisons for various d values of a radiating element.

Length of d(λ_c)	0.11	0.16	0.21	0.25
−10 dB S₁₁ bandwidth(%)	13.5	17.9	20.9	21.6
Peak gain(dBi)	6.77	6.69	6.46	6.26
FBR(dB)	14.06	13.89	13.71	13.41

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2-2 2×2 부배열 안테나 설계

앞서 설계된 복사소자를 이용하여 2×2 부배열 안테나를 제안하였다. 적절한 간격으로 배열해야 상호 커플링 영향을 최소화하여 목표 성능을 구현할 수 있으며, 일반적으로 0.5 λ_c 이상의 간격으로 배열한다^[6]. 따라서 설계된 복사소자의 급전부를 기준으로 x축 방향으로 0.52 λ_c, y축 방향으로 0.54 λ_c 간격으로 배열한 안테나를 설계하였다. x축 방향과 y축 방향으로의 배열간격을 다르게 설정한 이유는 최종 목표인 7×12 배열안테나 구조에서 주빔 조향 시 grating lobe나 부엽의 크기가 커지는 현상이 발생하여, CST^[7]를 사용하여 최적화한 결과이다. 그림 2는 반사기 형태에 따른 2×2 배열안테나 구조를 나타내며, 각 경우의 성능을 표 2에 정리하였다. 전후방비를 개선하기 위해 복사소자 후방에 반사기를 추가하였으며, 도체판 반사기를 추가한 경우는 반사기가 없는 경우보다 전후방비가 크게 증가하였다. 하지만 도체판 반사기를 사용하면 무게 및 바람 저항이 증가하여 안테나 특성이 영향을 받게 되므로, 이를 최소화하기 위해 그리드 형태로 변형하였다. 일반적으로 그리드 간격을 0.1 λ_c 정도로 설계할 때 도체판 반사기 수준의 성능을 나타내며, 그리드 간격이 너무 좁으면 그리드 간의 커플링이 증가하여 성능 열화가 발생하고, 너무 넓으면 불필요한 사이드 로브가 발생하게 된다^[3],^[5]. 본 논문에서는 그림 2(c)와 같이 그리드 간격이 0.14 λ_c일 때 최적 성능을 나타냈다. 그림 2(d)는 알루미늄 하우징이 추가된 구조이다. 송수신 모듈(TRM) 탑재 공간 확보 및 배열안테나 지탱을 위해 속이 비어있는 하우징을 설계하였다. 하우징을 추가함으로써 최대 이득은 약간 감소하였으나, 후방방사가 줄어들어 전후방비가 개선되었다. 이는 그리드 반사기의 금속 부분 증가에 의한 효과로 볼 수 있다. 그림 3은 최종 설계된 2×2 부배열 안테나를 나타낸다. 복사소자 간격 유지 및 무게지탱을 위해 지지대(MC nylon; ε_r=3.7, tanδ=0.02)를 추가하였다.

그림 2. | Fig. 2. 반사기 형태에 따른 2×2 부배열 안테나 구조 | Structure of 2×2 subarray antenna with various reflector types.

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그림 3. | Fig. 3. 제안된 2×2 부배열 안테나 구조 | Structure of the proposed 2×2 subarray antenna.

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표 2. | Table 2. 반사기 형태에 따른 2×2 배열안테나 모의실험 결과 비교 | Simulated result comparisons for various reflector types of 2×2 subarray antenna.

Structure of 2×2 subarray ant.	(a)	(b)	(c)	(d)
−10 dB S₁₁ bandwidth(%)	17.9	17.6	18.4	17.8
Peak gain(dBi)	11.92	12.08	11.94	11.9
FBR(dB)	17.03	25.55	25.15	25.28

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Ⅲ. 제작 및 측정 결과

그림 4는 제작된 안테나 모습이다. 부배열 안테나의 3, 4번 포트를 50 Ω 터미널에 연결하고 1, 2번 포트를 급전시켜 S-파라미터를 측정하였으며, 그 결과는 그림 5(a)와 같다. 모의실험 및 측정된 −10 dB S₁₁, S₂₂ 대역은 목표대역을 만족하며, S₂₁은 목표대역에서 모의실험 결과 −20.2 dB 이하이고, 측정 결과 −14.75 dB 이하이다. 방사패턴은 한국표준과학연구원 전자파 야외시험장에서 측정하였으며, 제작된 안테나 지그(Bakelite; ε_r=1.5)에 거치하였다. 동축 선로 및 N-type 커넥터를 이용하여 급전하였으며, 동시 급전을 위해 4-포트 전력분배기에 연결하였다. 그림 5(b)와 표 3은 지그 및 동축 선로와 연결된 부배열 안테나의 모든 포트를 동시 급전시켰을 때의 모의실험 및 측정된 방사패턴 결과이다. 전체적인 방사패턴 특성은 유사하였으나, 측정된 최대 이득이 모의실험에 비해 약 1.14 dB 정도 감소하였는데, 이는 야외 측정 환경 등의 요인 때문에 발생한 것으로 볼 수 있다.

그림 4. | Fig. 4. 방사패턴 측정을 위해 설치된 2×2 부배열 안테나 | Measurement setups of 2×2 subarray antenna.

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그림 5. | Fig. 5. 2×2 부배열 안테나의 모의실험 및 측정 결과 | Simulated and measurement results of the 2×2 subarray antenna.

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표 3. | Table 3. 2×2 부배열 안테나 모의실험 및 측정 결과 비교 | Simulated and measured result comparisons for 2×2 subarray antenna.

	Simulated result		Measured result
	xz plane	yz plane	xz plane	yz plane
Peak gain(dBi)	11.74	11.76	10.61	10.61
FBR(dB)	24.04	23.98	26.67	26.23

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Ⅳ. 결 론

본 논문에서는 야기-우다 안테나를 복사소자로 적용한 VHF 대역 2×2 부배열 안테나를 연구하였다. 도파기 길이 및 투사기 굵기 등을 조정하여 복사소자의 대역폭 확장 및 소형화를 달성하였으며, 그리드 반사기를 적용하여 전후방비 개선 및 무게와 바람저항을 감소시켰다. 제작된 배열안테나의 동작대역은 목표대역을 만족하며, 10.61 dBi의 최대 이득 및 26 dB 이상의 양호한 전후방비 특성을 가진다. 본 연구에서는 실제 배열안테나 운용 환경에서 안테나 성능에 영향을 미칠 수 있는 안테나 지지대와 하우징 구조의 영향도 고려하였으며, 향후 VHF 대역 능동 위상 배열안테나 연구에 활용될 것으로 사료된다.

Acknowledgements

이 논문은 2017년도 한화시스템(주)의 재원을 지원 받아 수행된 연구임.

References

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박대성, 고영관, 최재훈, “미엔더 라인을 이용한 사다리꼴 다이폴 구조의 VHF 대역 능동 위상 배열안테나 복사소자 연구,” 한국전자파학회논문지, 27(12), pp. 1027-1035, 2016년 12월.

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I. Gupta, A. Ksienski, “Effect of mutual coupling on the performance of adaptive arrays,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 31, no. 5, pp. 785-791, Sep. 1983.

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CST, CST STUDIO SUITE. ver. 2017, 2017.