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Ⅰ. 서 론
위성용 합성 개구 레이다(SAR, synthetic aperture radar) 탑재체는 기상 조건 및 주/야에 관계없이 표적 영상을 획득할 수 있으며, 실 개구 레이다(RAR, real aperture radar)에 비해 작은 개구면을 이용하여 동등 수준의 방위 해상도를 얻을 수 있는 장점이 있다. 기존 위성용 SAR 탑재체는 방위 해상도를 향상시키기 위해 높은 PRF(pulse repetition frequency)가 요구되지만, 이로 인해 거리 방향에서의 반향 신호를 모두 수신할 수 없어 거리 관측폭(range swath)이 저하되며, 관측폭 개선을 위한 ScanSAR 모드의 경우 각 단위 관측폭에 할당되는 관측 시간이 짧아 낮은 PRF로 인해 방위 해상도 성능이 저하된다. 이러한 한계점을 해결하기 위해 F-Scan(frequeny-scan) 및 ScoRe(scan-on-receive) 모드 등 다양한 고해상도 광역관측(HRWS, high-resolution wide-swath) 기법들이 연구되고 있다[1]. 그림 1(a)와 같이 ScoRe 모드는 고각 방향 채널을 분리하여 단일 채널에서 fan-beam 송신을 통한 넓은 거리 관측폭 확보 및 전체 채널에서의 디지털 빔포밍 수신을 통해 높은 PRF를 유지함으로써 거리 모호성 개선 및 거리 관측폭을 향상시킬 수 있다[1]. 하지만 해당 기술은 디지털 빔포밍이 필요하여 시스템 설계 복잡도가 증가해, 다수의 ADC로 인해 소모 전력이 증가한다. 이러한 단점을 보완할 방안으로 제안된 F-Scan 모드는 그림 1(b)와 같이 복잡한 디지털 시스템 대신 위상 천이기(PS, phase shifter)와 실시간 지연기(TTDL, true-time delay line)를 통해 전자적 조향 빔의 주파수에 따른 빔 편이 현상을 증가시켜 넓은 거리 관측폭을 확보하는 기법이다[1]. 또한, 거리 방향에서의 반향 신호를 동시에 수신할 수 있어 높은 PRF를 유지할 수 있다. 그러나 기존 F-Scan 선행 연구결과는 신호처리 기반 SAR 성능을 다루며, 구체적인 안테나 시스템 설계를 고려한 연구결과는 부족한 실정이다. 따라서 본 논문에서는 위상배열 안테나 시스템 설계와 PS 및 TTDL을 이용한 F-Scan 모드를 구현하고 목표 운용 궤도에서의 F-Scan 성능에 대한 분석 결과를 제시한다.
Ⅱ. F-Scan 안테나 시스템 설계
그림 2는 F-Scan 모드 구현을 위한 이중편파 도파관 슬롯 배열 안테나 형상을 나타낸다. 그림 2(a)와 같이 1×24 배열 안테나를 단위 부배열로 적용 및 고각 방향으로 8개 배열되어 1개의 단위방사 보드(RB, radiating board)를 구성한다. 단위 부배열 간 간격은 고각 방향 ±20° 전자적 빔 조향 성능을 고려하여 설계되었다. 또한, 각각의 단위 부배열에는 1개의 PS(6 bit, LSB : 5.625°/0.5 dB)가 배치되어 빔 조향뿐만 아니라 적용된 TTDL과 성능 편차를 보정한다. 그림 2(b)는 단위 RB 내 중심 및 외곽 단위 부배열 능동 반사 손실 모의실험 결과이며, 제안된 안테나는 X-대역에서 1.5 GHz 대역폭을 만족한다. 그림 2(c)는 안테나 전체 배열 구조도를 나타낸다. 전체 구조는 방위 방향으로 총 k개의 패널로 구성되어 있으며, 1개의 패널은 2×8 RB 배열이다. 따라서, 전체 배열 안테나는 고각 방향으로 수직/수평 편파 각각 64 채널로 구성된다. 또한, 단위 RB당 TTDL 1개가 배치된다. 설계된 배열 안테나의 빔 패턴을 고려한 TTDL 상세 설계는 다음 절에서 서술한다.
일반적으로 위상배열 안테나의 전자식 빔 조향은 PS를 이용한 복사소자 간 위상차에 의해 구현된다. 하지만, 위상차는 주파수 의존 성분이므로 광대역에서 빔 조향 시, 빔 편이 현상이 발생한다. 일반적인 SAR 모드에서는 빔 포인팅 오차를 줄이기 위해 TTDL을 이용해 빔 편이 현상을 보상해야 하지만, F-Scan 모드에서는 TTDL을 통해 고각 방향 빔 편이 현상을 증가시켜야 한다. 따라서, 차세대 SAR 위성에서는 빔 편이 보상/증가 목적의 TTDL 공용화 설계가 요구된다. 먼저, 고각 방향 빔 편이 보상을 위한 최대 시간 지연값을 도출한다. 이는 파면이 형성되기 위한 최외곽 RB 간 필요한 시간 지연값을 의미하며, 그림 3과 같이 패널 내 최외곽 RB 중심 간 거리(d) 및 빔 조향 각도(θ)에 따라 도출된다. TTDL은 2의 거듭 제곱 채널 당 1개씩 배치할 수 있으며, 그 수가 클수록 적은 수의 TTDL이 필요하지만 부엽 크기가 커지게 된다. 따라서 본 연구에서는 8 채널 당 1개 TTDL의 경우를 선정한다. 그림 4는 빔 조향 각도에 따른 TTDL(LSB 10 ps) bit 수 별 빔 편이 특성을 나타낸다. bit 수가 증가할수록 목표 빔 조향 범위 내에서 빔 편이가 줄어들지만, 설계 복잡도 등을 고려한 최적의 bit 수 선정이 필요하다. 본 연구에서는 고각 방향 최대 빔 조향 ±20° 범위 내에서 고각 빔 조향 시 0.2° 이내로 발생하는 빔 편이는 허용하여 제안된 안테나 시스템에서는 5 bit TTDL 설계가 필요한 것을 도출하였다. 이와 같이 도출된 시간 지연 상태를 파면과 가까운 RB부터 먼 RB 순서로 점진적으로 시간 지연이 증가하도록 적용하여 빔 편이 현상을 보상한다. 그림 5는 5 bit TTDL 적용 유무에 따른 제안된 슬롯 배열 안테나의 20° 고각 빔 조향 성능 결과이다. PS만을 이용한 빔 조향 시에는 1.5 GHz 대역 내에서 ±3.2°의 빔 편이가 발생하지만, PS 및 5 bit TTDL 적용 시에는 빔 편이가 보상된다. F-Scan 모드를 위한 빔 편이 증가는 보상을 위한 시간 지연 인가 순서와 반대로 파면과 거리가 먼 RB부터 낮은 시간 지연값이 적용된다. 이를 통해 PS에 의해 발생하는 빔 편이 현상이 TTDL에 의해 증가한다. 그림 6(a)는 빔 편이 보상용으로 설계된 5 bit TTDL을 빔 편이 증가 목적으로 적용한 결과를 나타내며, ±6.3°의 빔 편이를 보인다. 그림 6(b)와 같이 bit 수를 추가해 최대 시간 지연값을 증가시키면 최대 빔 편이는 ±9.4°로 증가된다. 하지만, 빔 편이를 증가시키기 위해 최대 시간 지연을 증가시킬수록 주파수 대역 양단에서의 부엽이 증가하게 된다.
Ⅲ. F-Scan 성능 분석
F-Scan 모드는 주파수에 따른 pencil-beam의 빔 편이 현상을 이용하므로 일반적인 SAR 모드와 달리 거리 해상도를 식 (1)과 같이 나타낼 수 있다[2].
여기서 c는 전자기파 속도, BTX_eff는 유효 송신 대역폭, 그리고 θ는 입사 각도이다. BTX_eff는 특정 off-Nadir 각도를 중심으로 해당 각도에 입사한 빔의 최대 이득 대비 이득 차이가 3 dB 이하를 만족하는 여러 빔의 운용 주파수 범위를 의미하며, 이는 거리 해상도에 반비례한다. 본 연구의 목표 운용 궤도에서 45° 입사각 조건에서는 목표 거리 해상도 1 m 이하를 만족하기 위해 약 220 MHz 이상의 BTX_eff가 필요하다. 또한, F-Scan 모드는 일반적인 SAR 모드 대비 duty cycle이 짧아 NESZ가 전체 송신 대역폭(BTX) 대비 BTX_eff의 비율에 비례한다[3]. 따라서, NESZ를 개선하기 위해서는 목표 거리 관측폭 및 해상도를 만족하는 적정 수준의 BTX와 BTX_eff 도출이 필요하다. 그림 7은 제안된 슬롯 배열 안테나를 포함한 안테나 시스템이 목표 거리 관측폭 OO km 이상을 만족하기 위해 조향하는 off-Nadir 각도별 주파수에 따른 안테나 이득을 나타낸다. 그림 7(a)와 같이 PS를 통한 20° 빔 조향 및 5 bit TTDL을 통한 빔 편이 증가 시 목표 거리 관측폭에 조향되는 빔의 BTX는 약 820 MHz이며, BTX_eff는 약 280 MHz를 갖는다. 이 경우 거리 해상도는 약 0.75 m로 목표 대비 초과 충족하며, NESZ 성능은 저하된다. 이는 그림 7(b)와 같이 빔 편이를 증가시켜 해결할 수 있다. PS를 통한 20° 고각 빔 조향 및 6 bit TTDL 적용 시 BTX는 약 525 MHz, BTX_eff는 약 220 MHz가 되어 거리 해상도 약 1 m 및 NESZ 성능이 개선되어 목표 HRWS SAR 성능을 만족한다. 또한, 6 bit TTDL 적용 시 빔 편이가 증가하지만, 1.5 GHz 대비 적은 BTX를 사용하므로 부엽 크기도 개선된다. 이는 F-Scan 모드에서 빔 편이 증가는 더 좁은 주파수 대역을 사용함을 의미한다. 다만, SLL 및 NESZ 성능은 열화되더라도 광대역 주파수(bTX 1.5 GHz) 사용 시에는 거리 관측폭 OOO km 이상 및 해상도 약 0.8 m 이하의 F-Scan 성능을 확보할 수 있다.
Ⅳ. 결론
본 논문에서는 차세대 SAR 위성의 F-Scan 모드 구현을 위한 안테나 시스템 설계 및 성능 분석을 수행하였다. X-대역에서 1.5 GHz 이상 대역폭을 만족하는 위상배열 안테나를 설계하고, PS 및 TTDL을 통한 F-Scan 모드 구현 및 성능 분석을 통해 목표 성능을 만족하기 위한 TTDL 요구성능 및 시스템 대역폭을 도출하였다. 제안된 F-Scan 안테나 시스템은 목표 운용 궤도의 45° 입사각에서 관측폭 OO km 이상 및 해상도 1 m 이하의 성능을 만족하며, 이는 일반적인 SAR 모드에서 동일 관측폭을 확보할 때의 방위 해상도 대비 약 3배 개선된 성능이다.
