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
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 0.39λc(VHF 대역 중심주파수 fc에서의 파장)로 설계했지만 임피던스 매칭이 좋지 않아서 l을 조정하였다. l을 0.35λc로 변화시킴으로써 최적의 임피던스 매칭 특성을 구현할 수 있었으며, −10 dB 반사계수 대역이 목표 대역(0.98～1.02 fc)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 λc일 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 λc인 복사소자를 설계하였다.
| Length of d(λc) | 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 |
앞서 설계된 복사소자를 이용하여 2×2 부배열 안테나를 제안하였다. 적절한 간격으로 배열해야 상호 커플링 영향을 최소화하여 목표 성능을 구현할 수 있으며, 일반적으로 0.5 λc 이상의 간격으로 배열한다[6]. 따라서 설계된 복사소자의 급전부를 기준으로 x축 방향으로 0.52 λc, y축 방향으로 0.54 λc 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 λc 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 λc일 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; εr=3.7, tanδ=0.02)를 추가하였다.
| 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 |
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; εr=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.
| 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 |
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.
