Current Issue

FM-CW 레이더 방식의 전파고도계는 항공기가 착륙을 위해 지면으로 하강할 때 항공기의 밑면에 설치되어 지면과의 고도를 측정하는 장치이다. 전파고도계에서는 하나의 송수신 안테나를 사용하거나 bi-static 방식으로 2개의 송수신 안테나를 적용할 수 있다. 일반적으로 송수신 안테나를 하나로 사용할 경우 다음과 같은 문제로 인하여 수신기의 감도가 저하된다. 첫째, 송신신호가 이상적이지 않을 경우 반송파 주파수 외에도 근접 주파수 대역 신호(측대파 잡음)을 포함하게 된다. 안테나와 듀플렉서(쎠큘레이터, 방향성 결합기 등)로부터 반사되는 신호는 혼합기의 신호 포트로 입력되어 동일하게 취급된다. 이와 같은 송신신호의 측대파 잡음은 혼합기 출력 잡음으로 검출되어 수신기의 감도를 저하시키게 된다.

둘째로, 안테나의 반사계수는 보통 -10dB에서 -20dB의 값을 가지므로 수신신호보다 훨씬 큰 신호가 계속하여 혼합기에 유입될 수 있다. 혼합기의 감도가 감소할 경우 원거리 지면으로부터 반사되는 미약한 신호가 검출되지 않을 수 있다. 이와 같은 이유로 전파 고도계에서는 흔히 bi-static 기반의 송수신 분리형 안테나가 이용된다. 본 논문에서는 전파고도계가 운용되는 환경을 보다 현실적으로 구현하기 위하여 송수신 분리형 안테나를 사용하였다.

C-대역(4.2-4.4GHz) 주파수 변조 방식의 전파고도계에서는 10-500 mW(10-27dBm)의 송신출력이 주로 이용되며 최대 이득 10dBi 전후의 송수신 안테나가 사용된다. 안테나의 이득이 너무 높으면 항공기의 pitch 방향과 roll 방향 움직임에 따라 지면 방향으로의 안테나 이득이 급속히 감소하게 되므로 높은 고도의 측정이 불가능하다. 반면에 안테나의 빔폭이 너무 넓어서 무지향성에 가까운 경우 항공기 아래의 지면과의 거리뿐 만 아니라 주변 야산과의 수평 거리도 함께 측정되므로 고도 측정의 신뢰성이 저하된다. 이와 같은 안테나의 요구 사양을 반영하여 그림 1과 같은 전파 고도계 안테나용 2x4 마이크로스트립 배열 안테나를 설계 제작하였다.

Fig. 1. 
2x4 microstrip array antenna

그림 1에 제시된 안테나는 전계면 방향으로 4개, 자계면 방향으로 2개 방사 소자를 갖는다. 전계면 방향에서의 부엽을 충분히 억제하기 위하여 각 소자의 간격은 중심에서는 0.45 파장, 양쪽에서는 0.5 파장으로 정하였다. 설계된 안테나의 부엽은 안테나 주변 구조물의 영향이 최소가 되도록 전계면 및 자계면 방향에서 각각 -18dB와 -20dB 이하가 되도록 설계하였다.

안테나의 설계 과정은 다음과 같다. 방사소자는 충분한 임피던스 대역폭을 갖도록 전계면과 나란하게 2개의 긴 슬롯을 적용하였다. 자계면 방향의 2개 소자는 동위상으로 급전된다. 전체 안테나의 급전 회로망은 병렬 및 직렬 방식을 혼용하였다. 우선 동축선 프로브와 연결된 급전선로를 2로 분배하였다. 다음으로 분배된 선로는 개별적으로 2개의 2x1 배열 급전과 목표로 하는 부엽 준위를 만족시키기 위한 전력 분배 회로를 구성한다. 또한 각 방사소자에 급전되는 선로의 길이를 조정하여 모든 패치에 동일한 위상의 전파가 공급되게 하였다.

설계된 안테나가 항공기 배면에 배치되는 동일한 효과를 얻을 수 있도록 그림 2와 같이 회전 반경이 17.2cm인 원통 기둥에 표면 일체형으로 제작하였다. 2개 안테나의 전계면 방향이 평행하도록 배치한 후 2개 안테나 사이의 충분한 격리도를 얻기 위하여 자계면 방향으로 일정 거리만큼 떨어뜨렸다. 자계면 방향으로 배치할 경우 두 안테나 사이의 분리도를 더욱 증가시킬 수 있다. 2개 안테나 사이의 거리는 지면으로부터 반사되어 온 신호를 충분히 검출할 수 있도록 원거리 조건이 만족되는 84cm로 정하였다.

Fig. 2. 
Fabricated antenna

그림 3은 원통 기둥에 설치된 안테나의 전/자계면 이득 패턴 측정 결과이다. 그림의 가로 축은 제작된 안테나의 중심을 기점으로 전자계면에서의 각도를 표현한 것이다. 안테나의 최대 이득은 9.2dBi이고, 전계면 방향에서의 빔폭과 부엽 레벨은 각각 32.4°와 -26.1dB 이다. 자계면 패턴은 73.8°의 3dB 빔폭과 -23.6dB 이하의 부엽 특성을 갖는다.

Fig. 3. 
Gain patterns of the fabricated antenna

그림 2의 송수신 안테나를 이용하여 다양한 반사면에서 산란계수를 측정하기 위한 환경을 구성하였다. 각 평탄면에서의 지면 산란계수는 기본 레이더 동작 개념으로부터 도출할 수 있다. 송수신 안테나가 분리된 bi-static 레이더에서 송수신 안테나 이득이 각각 G_T, G_R이고 송신 안테나에서 방사된 전자파가 임의 반사면을 거쳐 수신 안테나에 도달하는 총 길이가 R이라 할 경우 송신 전력과 수신 전력의 관계는 식 (1)과 같다[11].

여기서 σ는 반사면에서의 레이더 단면적으로 평탄면에 입사되는 전력밀도 S_i와 반사면으로부터 산란되어 수신 안테나에서 수신되는 전력밀도 S_r의 비로 주어진다.

식 (2)의 레이더 단면적은 식 (3)과 같이 안테나 조사 면적 A와 평탄면의 산란계수 σ₀의 곱으로 표현된다.

안테나 조사 면적 A는 일정 높이 H에 위치한 안테나에서 3dB 빔폭이 커버하는 면적을 의미한다. 여기서 H는 송신 안테나와 조사된 면적의 중심까지 수직 거리이고 θ는 지면과 입사파가 이루는 수평각(Grazing angle), θ_E와 θ_H는 전계면 및 자계면에서의 3dB 빔폭이다.

송수신 안테나의 이득이 같고 이를 3dB 빔폭으로 표현하면 식 (5)와 같다. 이에 따라 식 (1)은 식 (6)과 같이 지면 산란계수 σ₀의 표현 식으로 정리할 수 있다.

식 (6)의 지면 산란계수 σ₀를 실험적 방법으로 얻기 위하여 그림 4와 같은 측정 환경을 구성하였다. 그림 4에서 측정 거리 H는 송신 안테나와 지면 사이의 수직거리이고 2개 송수신 안테나의 거리(D)는 84cm이다. 그림 4의 지면에 표시된 빗금 영역은 안테나 조사 면적으로 안테나의 3dB 빔폭에 의해 결정된다.

Fig. 4. 
Setup for scattering coefficient measurements

2개의 송수신 안테나는 RF 케이블(C₁, C₂)를 통해 회로망 분석기의 각 포트(P₁, P₂)와 연결된다. 전파가 조사된 면으로부터 산란되는 신호의 크기를 측정하기 위하여 회로망 분석기와 연결된 2개의 케이블(C₁, C₂)의 전달계수는 사전에 측정하여 보상하였다. 식 (6)의 거리 R은 송신 안테나에서 지면까지의 거리 R₁과 지면에서 반사된 전파가 수신 안테나에 도달되는 거리 R₂의 합이다. 여기서 지면과 송신 안테나로부터 입사되는 경로가 이루는 각도 θ_i는 입사각이고 지면에서 반사되어 수신 안테나로 향하는 경로와 지면이 이루는 각도 θ_r은 반사각이다.

그림 4의 측정환경을 이용하여 수직입사하는 경우의 지면 산란계수를 측정하였다. 그림 5는 수직입사에 대한 측정 환경을 설명한 것이다. 송수신 안테나 거리를 간격 D만큼 이격시킨 후 반사면의 종류에 따라 송수신 안테나 간의 전달계수를 측정하였다. 다음으로 식 (6)의 P_R/P_T의 값을 측정된 전달계수로 대체한 후 지면 산란계수를 계산하였다.

Fig. 5. 
Setup for scattering coefficient measurements with normal incidence

그림 6의 콘크리트 면은 건물의 복도에서 수행되었다. 건물 내 복도에서 높이 H의 위치에 송수신 안테나를 수직으로 배치한 후 측정하였다. 그림 6(b)의 도체면은 크기 900 x 1,800 mm의 플라스틱 폼 위에 알루미늄 호일을 덮어서 구현하였다. 그 외 평탄면은 실제 측정 장소를 섭외한 후 주변의 전파 방해물을 충분히 제거하고 측정하였다. 또한 안테나 높이 H는 주변 환경뿐만 아니라 평탄면의 면적과 안테나의 3dB 빔폭을 고려하여 결정하였다.

Fig. 6. 
Scattering coefficient measurements

표 1은 수직입사의 경우 여러 평탄면에서 측정된 지면 산란계수의 값이다. 수직입사에 따른 지면 산란계수는 평탄면의 종류에 따라 0.38-7.33 범위에서 변화함을 알 수 있다. 도체 평면에서의 산란계수는 7.33으로 가장 높은 값을 갖는다. 실제 항공기가 이착륙하는 아스팔트에서의 산란계수는 6.05로 나타났다.

다음으로 그림 7과 같이 45°의 경사로 입사되는 전파에 의한 평탄면 산란계수를 측정하였다. 그림 7(a)는 안테나의 자계면 방향이 지면과 45° 경사를 이루면서 수평편파 성분의 전파가 지면에 입사되는 모습이다. 그림 7(b)는 안테나의 전계면 방향이 45° 경사 각도를 갖고 전파가 지면에 입사되는 모습이다. 이 경우 송신 안테나로부터 방사된 전기장과 지면이 서로 평행하므로 수직 편파가 입사된다. 그림 8은 실제 측정이 이루어지는 모습이다.

Fig. 7. 
Measurement setup for 45° oblique incidence

Fig. 8. 
Measurements of scattering coefficients with 45° oblique incidence

표 2와 3은 45° 경사 입사되는 전파의 편파에 따라 측정된 산란계수이다. 수평편파를 갖고 45° 경사 입사된 경우는 0.081-2.87의 범위에서 산란계수가 형성되는 반면에 수직편파에서는 0.0046-1.42의 범위 값을 갖는다. 즉, 수직 편파가 입사되는 경우 산란계수가 낮음을 알 수 있다. 아스팔트 지면은 실제 항공기의 이착륙이 이루어지는 지면이다. 보다 정확한 산란계수의 값을 얻기 위하여 건물 옥상 안테나를 설치하고 차량 이동이 적은 시간대에 측정을 수행하였다.