차기 구축함용 피아식별장치의 구성과 원형 위상배열 안테나에 대한 연구

2.1 피아식별장치의 구성

피아식별장치는 일반적으로 질문기, 응답기 합, 차 패턴을 형성하는 기계식 회전이 가능한 지향성 안테나와 옴니 패턴을 형성하는 옴니 안테나로 구성되어 있다.

피아식별장치의 질문기는 응답기로 질문을 송신하고 다양한 모드의 응답들을 수신한다[2]. 모드1은 항공기의 종류를 식별하기 위하여 사용되며, 모드2는 항공기의 고유번호인 TN(Tail Number)를 식별할 때 사용된다.

모드3로는 군용 또는 민간 항공기의 신원을 확인 할 수 있다. 모드4는 암호화된 응답을 제공하며, 모드 5는 암호화된 보안 데이터의 전송을 지원한다[3].

그림 1은 질문기에서 전송되는 펄스를 나타낸다. P1과 P3는 합 패턴으로 송신되는 메인펄스이며, P2는 옴니 패턴으로 송신되는 ISLS(Interrogation Side Lobe Suppression) 펄스로써 PRI(Pulse Repetition Interval) 사이에 송신된다. 이때 메인펄스인 P1과 ISLS 펄스인 P2 사이의 시간차이에 따라 피아식별 모드가 결정되며 P1펄스는 P2 펄스 대비 9dB 이상 강하게 송신되어야 한다[4]. 또한 부엽에 의한 허위표적을 방지하기 위하여 차 패턴으로 RSLS(Receiver Side Lobe Suppression) 펄스를 송신한다.

Fig. 1.

Interrogation pulses of IFF system

본 논문에서 제안된 피아식별장치는 그림 2에 나타난 바와 같이, 질문기 응답기, ACU APU로 형성한다. 질문기는 메인 펄스, ISLS 펄스, RSLS 펄스를 형성한다. APU는 피아식별장치에서 필요로 하는 메인펄스, ISLS 펄스, RSLS 펄스를 응답기와 질문기로부터 전달받아 합, 차, 옴니 패턴을 모두 형성할 수 있는 단일 피아식별 안테나 송수신한다. ACU는 피아식별 안테나에 인가되는 펄스에 적합하게 안테나가 모드를 변경할 수 있도록 피아식별 안테나를 제어하며 안테나의 제어를 위하여 APU와 제어신호를 공유한다.

Fig. 2.

Architecture of ship based IFF system

2.2 피아식별 안테나의 구성

피아식별을 위한 원형 위상배열의 단위소자는 그림 3과 같이 발룬 일체형 다이폴 안테나가 사용되었다. 발룬 일체형 다이폴은 가볍고 구현이 용이하며 RF 전단부와의 통합이 용이 하다[5][6].

Fig. 3.

Structure of unit element

단위소자에 적용된 유전체는 유전율이 3.5이며 두께가 1.58mm인 Taconic RF-35 인쇄회로기판이 사용되었다. 유전체의 전면에는 다이폴 안테나가 인쇄되어 있으며, 후면에는 일정 길이의 Stub를 갖는 Γ-형상의 일체형 발룬이 인쇄되어있다. 단위소자는 피아식별장치의 운용주파수인 L대역에 매칭되었으며 각 부분별 형상은 그림 3에 도시되어 있으며, 부분별 치수는 표 1과 같다.

Table 1.

Dimensions of parts of element

피아식별 안테나는 수직편파를 갖도록 배치된 2개의 단위소자로 구성된 종배열과 64개의 종배열로 구성된 2×64 원형 위상배열로 설계되었다. 원형배열에서의 종배열간 간격은 Grating Lobe를 최소화하기 위하여 0.6λ로 설계되었다. 안테나의 직경은 약 2.45m이며 높이는 약 0.46m이다. 그림 4는 원형 위상배열 피아식별 안테나의 형상을 나타낸다.

Fig. 4.

Structure of IFF antenna

제안된 피아식별 안테나는 피아식별장치에서 요구하는 합, 차, 옴니 패턴을 단일 안테나로 형성할 수 있다. 64개의 종배열을 모두 사용하면 옴니 패턴이 형성된다. 옴니 패턴의 배열 계수(Array Factor)는 아래와 같다[6].

여기서 I_n는 각 소자에 인가된 Amplitude이고 β_n는 각 소자에 인가된 Phase이다. k는 전파상수, a는 원형배열의 반지름이며, θ는 직각좌표계의 고각, ϕ_n는 n차 종배열의 방위각을 각각 나타낸다. 여기서 64개의 종배열이 고각 없이 0° ~ 360° 전방위각으로 배열되어있으므로 θ=90°, ϕ=360°이고, 소자간 간격은 Δϕ=5.625°이다.

합 패턴은 64개 종배열의 1/4인 16개 종배열을 이용하여 빔을 형성한다. 1번 종배열부터 64번 종배열이 각각 0°~360°로 5.625° 간격으로 배치되어 있을 때 빔지향방향이 0°일 경우 55번 종배열부터 8번 종배열이 사용된다. 빔 지향방향이 5.625°가 추가될 때마다 사용되는 종배열은 시프트 된다. 5.625° 내에서는 각소자에 인가되는 위상을 변경하여 미세 빔조향을 할 수 있다. 따라서 안테나의 지향방향을 적용하여 β_n을 식 (2)와 같이 변경하여 표현할 수 있다.

여기서 ϕ₀는 16개 종배열 안테나의 지향방향이다. 또한, 각 빔 지향방향을 위하여 사용되는 16개의 종배열 중 첫 번째 종배열을 m으로 가정하여 식 (3)과 같이 배열 계수를 표현할 수 있다.

차 패턴은 합 패턴의 배열 계수인 식 (3)에서 16개의 종배열 중 1~8번 종배열에는 ―j, 9번~16번 종배열에는 j의 역위상 가중치를 적용하여 형성할 수 있다.

2.3 유효 빔폭

피아식별장치는 부엽에 의한 허위표적 감지를 방지하기 위하여 합, 차, 옴니 패턴의 교차점에 대한 유효빔폭이 요구된다[8].

ISLS 유효빔폭(EBW: Effective Band Width)은 합 패턴과 옴니 패턴과의 두 개의 교차점이며, 이때 합 패턴과 옴니 패턴의 이득은 9dB 이상 차이가 나야된다. 그림 5는 ISLS 유효빔폭의 예를 나타낸다.

Fig. 5.

EBW of ISLS

RSLS 유효빔폭은 허위표적의 진위여부를 결정하기 위한 K계수(K-factor)에 따라 달라지는데, 합 패턴의 크기를 K계수만큼 감소시켜 차 패턴과 교차되는 두 개의 지점이 유효빔폭이 된다. K계수가 커질수록 유효빔폭은 작아지고 표적의 감지정확도는 향상된다. K계수가 0dB일 경우와 9dB일 경우의 유효빔의 예는 그림 6과 같다.

Fig. 6.

RSLS EBW 0dB, 9dB

3.1 단위소자 시뮬레이션 결과

그림 7은 단일 소자인 발룬일체형 다이폴의 S-파라미터의 시뮬레이션 결과이다.

Fig. 7.

Return loss of unit element

피아식별장치의 운용주파수는 중심주파수 1060MHz에서 대역폭 60MHz(5.7%)이다. 제안된 안테나는 반사손실 –10dB 기준 약 28.8%의 대역폭을 보이며 –15dB 기준 약 10.5%의 대역폭을 나타내어 피아식별장치의 운용주파수 전대역에서 –15dB 이상의 반사손실 성능을 만족하였다.

그림 8은 단위소자의 시뮬레이션 결과인 방사 패턴을 나타낸다. 단위소자의 이득은 7.47dBi이며 수평 HPBW는 85.8°, 수직 HPBW는 58.2°이다.

Fig. 8.

Radiation pattern of unit element

3.2 2×64 원형배열 피아식별 안테나의 시뮬레이션 결과

모델링된 2×64 원형 위상배열 피아식별 안테나를 통하여 합, 차, 옴니 패턴의 형성을 시뮬레이션 하였다. 64개의 종배열에 동일 Amplitude와 in-Phase를 인가하여 합 패턴을 도출하였다. 16개의 종배열에 Amplitude와 Phase 가중치를 인가하여 합 패턴을 도출하고, 역위상 가중치를 인가하여 차 패턴을 도출하여 단일 안테나로 3개의 패턴을 모두 형성할 수 있었다. 그림 9는 합, 차, 옴니 패턴의 시뮬레이션 결과이다.

Fig. 9.

Radiation pattern of unit element

부엽에 의한 허위표적의 가능성을 최소화하기 위하여 합 패턴에 –25dB의 Taylor Amplitude Taper를 적용하여 부엽을 억압하였고 빔 지향방향에서 필요하지 않은 합, 차 패턴의 교차점을 제거하였다.

그림 10은 시뮬레이션 통하여 얻어진 합, 차 옴니 방사 패턴 결과이다. 합 패턴의 Directivity는 20.79dBi, 빔폭은 수평 7.32°, 수직 40.73°으로 요구성능을 만족하였다. 옴니 패턴의 Directivity는 5.03dBi, ISLS EBW는 12.58°였으며 차 패턴과의 합 패턴의 교차점인 RSLR EBW는 3.75° (K계수 9dB)로 차기 구축함용 피아식별 안테나로써 요구되는 성능이 모두 충족되는 것을 확인할 수 있었다.

Fig. 10.

Radiation pattern of unit element