2.1 레이더 반사 면적(Radar Cross Section)

레이더의 입사파(Incident Wave)가 목표물을 맞고 반사 및 산란(Scattering)되어 돌아올 때의 그 크기를 나타내기 위해 RCS가 적용된 레이더 방적식이 사용된다. 목표물에 반사된 신호가 수신기로 수신된 전력은 식 (1)과 같이 나타낼 수 있다^[1].

여기서 P_r은 수신된 전력이고, P_t는 레이더에서 송신한 전력, G는 안테나 이득, σ는 RCS, R은 레이더로부터 목표물까지의 거리를 나타낸다. 이를 이용해 전자기파 산란의 함수로 RCS를 식 (2)와 같이 구할 수 있다^[1].

여기서 E_r는 수신 신호의 전기장의 세기, E_t는 송신 신호의 전기장의 세기에 해당하며 각각의 전기장 세기는 전계강도(Electric Strength)를 의미한다. 식 (2)는 해당 목표물로부터 반사된 산란파가 전 방향으로 균등하게 산란되는 것으로 가정한다. RCS는 전자기파가 목표물에 반사된 순간 레이더로부터 입사된 신호와 반사된 신호의 세기를 수치화환 형태이며, 단위는 면적으로 나타낸다. 레이더 반사 면적의 단위는 m²이며 식 (3)과 같이 데시벨(dBsm)로 사용하는 것이 일반적이다^[9].

2.2 안테나 송신 신호 On/Off에 대한 RCS 분석

안테나 송신 신호 on/off에 대한 RCS 영향 M&S (Modeling And Simulation) 분석을 위해 주파수 대역 별로 안테나를 선정하여 사전 분석을 진행하였다. 분석을 위한 안테나들은 다이폴 형태의 구조이며, VHF/ UHF/IFF/X 대역에 해당한다. Fig. 1은 안테나 송신 신호 on/off에 대한 RCS 분석 개념도를 나타낸다. 레이더 입사파(Incident wave)는 안테나의 전방향 부분인 중앙 급전부를 중심으로 −90°∼90°에 인가하도록 설정 하였으며 상세한 RCS 분석 조건은 Monostatic 방식이며 X 대역(10 GHz)의 레이더 입사파를 수직편파로 설정하였다. 안테나를 동작시키는 조건은 EM 해석 툴에서 Icident wave port와 안테나 급전 port를 동시에 인가하도록 적용하였으며, 안테나 급전 port의 생성 여부에 따라 송신 신호 on/off를 동작하도록 설정하였다. 이러한 설정 근거를 토대로 Fig. 2∼5에 안테나 송신 신호 on/off에 대한 RCS 영향 비교분석 결과로써, Dassault systemes의 CST STUDIO SUITE 2016 분석 툴을 이용하였다.

Fig. 1.

Concept of RCS analysis for antenna transmit signal on/off

Fig. 2.

Comparison of simulated RCS result with VHF-band antenna transmit signal on/off

Fig. 5.

Comparison of simulated RCS result with X-band antenna transmit signal on/off

VHF/UHF/IFF-band의 안테나 RCS 분석 비교 결과를 Fig. 2∼3에서 확인할 수 있다. 분석 결과를 바탕으로 안테나 송신 on과 off 했을 경우 RCS 성능에 차이가 없는 결과를 확인할 수 있다. 즉, 레이더 주파수인 X 대역에 RCS 영향이 없음을 의미한다.

Fig. 3.

Comparison of simulated RCS result with UHF-band antenna transmit signal on/off

X-band 안테나를 송신 on과 off 했을 경우 Fig. 5와 같이 RCS 비교결과 약 4 dBsm 차이가 발생하였다. RCS 성능 차이는 레이더 입사파의 주파수와 안테나 동작 주파수가 동일하기 때문에 서로간의 간섭 영향을 주는 것으로 판단된다. 레이더 주파수인 X 대역에서 안테나 송신 신호 on/off 경우 RCS 성능에 영향이 있음을 확인할 수 있다.

3.1 Low profile 안테나 형상

안테나 형상에 대해서는 M&S 분석을 통해 설계를 진행한 후 제작을 통해 검증을 반영한 설계 형상이다. Fig. 6은 UHF 대역의 low profile 안테나 형상을 보여주며 안테나 크기는 가로 1027 mm, 세로 900 mm, 높이 50 mm에 해당한다. 안테나 형상은 그라운드 외곽 벽면 구조를 가지는 인입형 구조이며, 그라운드 재질은 카본(CFRP)에 메쉬 그물망을 부착한 구조로 이루어져 있다. 레이돔 형상 및 구조에 대해서는 가장 자리 부분에서 RCS Scattering(산란) 영향을 줄일 수 있도록 Saw-tooth 형상의 평면형 구조로 설계되었다.

Fig. 6.

Geometry of low profile antenna

3.2 안테나 전기적 성능 시험 측정

안테나의 전기적 특성을 만족한 상태에서 RCS 시험 측정을 진행해야 되기 때문에 안테나 정재파비와 이득 그리고 방사패턴 성능 측정을 진행하였다.

Fig. 7은 안테나의 전기적 성능을 확인할 수 있는 시험 구성을 나타낸다. 시험구성은 필드조건에 만족하도록 source 안테나와 low-profile 안테나가 서로 이격되어 있으며 안테나의 E-plane을 측정하기 위해 수직으로 설치하여 시험을 진행하였다. low-profile 안테나의 전기적 성능에 대한 상세한 결과는 Fig. 8∼9에서 확인할 수 있다.

Fig. 7.

Antenna electrical performance test configuration

Fig. 8.

Measured VSWR result of low profile antenna

Fig. 9.

Measured Radiation patterns result of low profile antenna

Fig. 8은 low profile 안테나의 전기적 특성인 정재파비 측정 결과를 보여준다. UHF 대역인 F1∼F3(MHz)에서 3.5:1 이하의 성능을 나타내었다. 그리고 안테나 이 득 및 방사패턴 측정 결과는 Fig. 9과 같다. Fig. 9에서와 같이 방사패턴의 0°, 180°에 null이 형성되며, 단일 평면(수평면 90°, −90° 방향) 상에서 전방향으로 방사되는 특성을 확인하였다. 측정 결과를 바탕으로 안테나 이득은 해당 주파수 대역 모두 규격 성능을 만족하였으며 방사패턴 성능은 F1∼F3 대역 모두 전방향성 방사패턴 성능을 나타내었다. 이와 같이 전기적 성능을 만족한 상태로 안테나 RCS 시험 측정을 진행하였다.

3.3 RCS 시험 측정

안테나 RCS 시험은 측정 결과의 신뢰성을 위해 국방과학연구소 항공시험장 중형 무반향 챔버에서 시험을 진행하였다. 안테나 RCS 시험을 위한 측정 조건은 입사파를 saw-tooth 레이돔 방향으로 신호가 진행하도록 안테나를 설치하였고 Fig. 10과 같이 안테나 RCS 시험을 위한 측정 환경을 구성하였다. RCS 측정값의 신뢰성을 위하여 표준 측정안테나의 설치 상태 및 주변 구조물(Radar fence, 케이블 등)에 의해 발생하는 반사신호 혹은 구조물 간의 간섭이 발생할 수 있어 주변 환경을 고려하여 Calibration을 수행하였다. Calibration 적용 후 UHF 안테나 설치 및 예비시험을 진행하여 이상이 없음을 확인 후 RCS 시험 측정을 진행하였다. 표준 측정안테나와 UHF 안테나 거리는 18 m이며, 측정 높이는 레이돔 기준으로 2.95 m이다. 시험 파형 및 주파수는 CW의 10 GHz로 편파에 대한 측정은 VV (vertical-vertical, HH(horizontal-horizontal) 편파를 설정하여 진행하였다. RCS를 위한 상세한 시험 및 설치조건은 스트리폼 지그를 이용하여 안테나를 지지한 상태로 안테나 커넥터 주변은 흡수재를 설치하였다. 항공기와 연결되는 인터페이스에서 반사 신호를 최소화를 위해 안테나 측면부에 흡수재를 설치하였고 스트리폼 지그에 대한 반사 신호 최소화를 위해 전방 Radar fence를 설치하였다. 또한 안테나 송신 출력을 위한 장비(signal generator, power amp)도 Radar fence에 숨겨 반사 신호 최소화를 유지한 상태로 시험 측정을 진행하였다.

Fig. 10.

Measurement setup for antenna RCS test

RCS 시험 측정에 대한 항목 및 범위는 Table 1과 같다. 시험 항목은 RCS 1∼5까지 송신 off에서 최대출력 46 dBm까지 범위를 지정하였다. 측정에 대한 고각은 안테나의 정면인 0°에서 방위각은 −10°∼10°이며 편파는 VV, HH 시험 조건으로 설정하였다. RCS 시험 결과에 대한 데이터 처리 방식은 근전계 레이더 이미지 측정 후 주변 Clutter를 제거하여 처리된 레이더 이미지를 이용하여, 원전계 RCS를 추출하였다.

Table 1.

RCS Test subject and range

Fig. 11, 12는 안테나 송신 신호 on/off에 대한 측정된 RCS 비교결과를 나타낸다. Fig. 11, 12의 RCS 측정 결과를 바탕으로 안테나 송신 출력 변화를 줌에도 불구하고 Fig. 2∼4의 결과와 같이 송신 신호 시에도 RCS 영향이 거의 없음을 확인할 수 있다.

Fig. 11.

Compare with measured RCS result of antenna transmit signal on/off(VV-polarization)

Fig. 12.

Compare with measured RCS result of antenna transmit signal on/off(HH-polarization)

Fig. 4.

Comparison of simulated RCS result with IFF-band antenna transmit signal on/off

Fig. 11, 12의 RCS 성능은 Fig. 2∼4의 결과와는 다르게 각도에 따라 RCS 성능이 변화하는 이유는 안테나 형상의 단위면적에 따라 RCS 성능이 결정되기 때문이다. Fig. 2∼4의 안테나 형상은 방위각 방향의 원형형상으로 각도에 따라서 반사된 신호가 동일하게 생성되며, Fig 11, 12의 결과는 안테나 형상이 직육면체로 각도에 따라 반사된 신호가 불규칙으로 생성되기 때문이다.