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스텔스 비행체 탐지용 VHF 역 상배열 이더 안테나

VHF Phased Array Radar Antenna for the Detection of Stealth Air Vehicles

*

홍기표, 박 규, 안병철*Ki-Pyo Hong, Young-Kyu Park, and Bierng-Chearl Ahn

충북 학교 자정보 학 통신공학

Department of Radio and Communications, Chungbuk National University, Cheongju, Chungbuk, Korea

Abstract This paper presents a VHF-band 8x12 phased array radar antenna for the detection of stealth air vehicles. A wideband dipole with a parasitic elements is employed as the array element. The array element is designed using a 3x1 array to account for the mutual coupling. To reduce the mutual coupling in a 3x3 array structure, the height of 8 vertical metal posts is optimized to minimize the mutual coupling between array elements. Next, a 8x12 array is constructed and reflection coeffients and gain patterns are calculated when the main beam is scanned by ±30° in the elevation direction and by ±45° in the azimuth direction. Within the scan angles, the designed 8x12 array antenna has active reflection cofficients of less than -10dB at 200-250MHz, at the center frequency of 223MHz, gain of 24-25dBi, elevation beamwidth of 13-15°,azimuth beamwidth of 9-11°, elevation-plane side lobe level of -19 to -21dB, and azimuth-plane side lobe of -19 to –20dB.

Keywords: phased array antenna, anti-stealth, VHF, dipole antenna, parasitic element

요 약

본 논문에서는 스텔스 비행체 탐지용 VHF 역 8x12 상배열 이더 안테나를 제안하 다. 기생소자를 가지는

역 다이폴을 배열 소자로 사용하 다. 상호결합을 고려하기 해 3×1 배열을 이용하여 배열 소자를 설계하 다.

3×3 배열 구조에서 배열 소자간 상호결합을 최소화하기 해 다이폴을 심으로 한 원주 상에 설치된 총 8개의 수직

속 의 높이를 최 화하 다. 다음으로 8x12 배열을 구성한 후 주빔이 고각방향으로 ±30°, 방 각 방향으로 ±45°

스캔할 경우의 반사계수와 이득패턴을 계산하 다. 스캔 각도 범 내에서 설계된 8x12 배열 안테나는 200-250MHz

에서 -10dB 이하의 능동 반사계수, 심주 수 223MHz에서 24-25dBi의 이득, 13-15°의 고각 방향 빔폭, 9-11°의

방 각 방향 빔폭, -19dB에서 -21dB의 고각 방향 부엽 벨, -19dB에서 -20dB의 방 각 방향 부엽 벨 특성을 가

진다.

Keywords: 위상배열 안테나, 안티스텔스, VHF, 다이폴 안테나, 기생소자

1. 서 론

군사무기의 진보에 발맞추어, 미래 쟁 양상을 고려하여

볼 때 세계 으로 스텔스 비행체 기술이 가속 으로 개발되

고 있다[1]. 스텔스 기술이 구축됨에 따라 이더로부터 탐지

가 쉽게 되지 않기 때문에 생존성을 보장받고 진 깊숙이

침투하여 주요 시설을 타격할 수 있다는 이 이 있다. 이러한

스텔스 기술은 미국에서부터 시작하여 유럽 아시아 등 세계

여러 국가들에 의해 개발되고 있다.

이러한 스텔스 비행체 기술의 발달은 창과 방패의 계

처럼 방공(Air defense)의 발달로 이어진다[2]. 방공분

* 교신 자 : bician@cbnu.ac.kr

야에서는 속도가 빠른 표 을 탐지하고 타격할 수 있는

탐지거리가 더 길고 포 유도 무기의 유효사거리가 더

긴 방공 시스템을 구축하여야 한다. 이에 따라 스텔스기

가 의존하는 낮은 이더 단면 (RCS)에 한 스텔스기

항 기술이 세계에 보 되는 양상을 보이고 있다[3].

본 논문에서는 스텔스 탐지 기술의 여러 방식 VHF

방식의 상 배열 안테나를 제안하 다[4]. VHF는 주사

속도가 느려지는 단 을 갖고는 있지만, RLM-M은 자

주사에 기계식 주사를 복시켜서 이 문제를 해결하고 있

다. 주사 범 는 120도로 연속 추 이 가능하다. 이 범

는 사실상 방사 에 지를 즉시 목표에 조사하는 것을 계

속 유지하도록 해 다. 이러한 VHF 방식의 장 을 살릴

경우, 탄도 미사일의 RCS가 X밴드에서는 0.002제곱미터

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에 불과하지만 VHF밴드에서는 0.6제곱미터, 즉 300배

가까이 RCS가 향상될 수 있다.

본 논문에서는 반 장 다이폴 안테나로 구 되며 각 소

자 간 기생소자가 배치된 VHF 역 8x12 상 배열 안

테나를 설계하 다. 안테나 설계에는 상용 소 트웨어인

CST사의 Microwave StudioTM를 이용하 다.

2. 안테나 설계

스텔스 비행체 탐지용 VHF 역 상 배열에 합한

안테나로서 표 1과 같은 규격을 만족하는 다이폴 안테나

를 설계하 다.

표 1. 제안된 안테나 설계 규격

항목 규격

동작 심주 수 223MHz

역폭 34MHz 이상

편 선형(수직)

소자 간 간격 730mm

스캔범수직 ±30°

수평 ±45°

능동반사계수 <-7dB(모든 스캔각)

방사소자 빔폭수직(70±3)°

수평(90±3)°

소자당 력 1kW(peak), 50W(5% duty)

그림 1은 본 논문에서 설계한 안테나의 단일소자 구조

이다. 그림 2는 8x12 배열 구조 설계에 앞서 안테나 소

자 배열 용 시 심소자와 인 소자 간의 향을 반

하기 3개 소자가 양 으로 배치된 구조이다. 안테나 설

계에 있어 해석 시간을 고려하여 실제 안테나 사용과는

다르게 평면 지 을 용하 다.

그림 1. 다이폴 안테나 단일 소자 구조

그림 2. 3x1 배열 구조

제안된 안테나는 반 장 다이폴 형식의 구조로서 평면

지 과 연결되어 있으며 정사각 이 인 다이폴

선로, 사각 이 종단에 기 으로 연결되어 있으며

원형 이 인 다이폴 팔, 그리고 역폭을 향상시키기

해 다이폴 팔과 평행하며 충분한 간격으로 인 배치된

원형 이 기생소자를 포함하여 구성된다.

배열설계 시 인 배치된 소자 간 향을 고려하여

심소자를 기 으로 설계하 으며, 각 소자 사이에 결합

계수 감소용 기생소자를 설치하여 계면/자계면 상호결

합이 동시에 최소가 되도록 하 다. 표 2는 이상의 과정

을 고려하여 최 설계된 심 단일소자의 설계 변수를

보인 것이다.

표 2. 최 설계된 단일소자 치수

설계변수 값(mm)

L1 585

L2 400

L3 263

L4 163

g1 10

g2 25

상호결합 감소용

기생소자220

그림 3은 다이폴 안테나의 3x1 배열구조의 특성을 나

타낸 것이다. 그림 2에서 보았을 때, 좌측 소자로부터 순

서 로 1,2,3번으로 포트를 설정하 다. 그림 3(a)은

심소자(2번 포트)의 반사계수, 그림 3(b)은 심소자의

(2번 포트) VSWR, 그림 3(c)은 심소자를 기 으로

양쪽 인 소자와의 상호 결합계수 특성을 나타낸 것이다.

심 단일소자는 주 수 190-280MHz 범 에서 –

10dB 이하의 반사계수를 만족하고 심소자와 인 소자

간 상호 결합계수는 해당 주 수 역에서 –15dB 이하

를 만족함을 알 수 있다.

(a)

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(b)

(c)

그림 3. 3x1 배열 특성. (a) 심 소자 반사계수, (b) 심

소자 VSWR, (c) 심소자와 인 소자 간 결합계수

3x1 배열구조의 설계 결과를 바탕으로 안테나 소자를

3x3으로 배열하여 평행하게 배열(x축 방향)된 소자 간

상호 결합계수를 최소화하기 하여 심소자 특성을 기

으로 상호결합 감소용 기생소자를 최 설계하 다. 안

테나 소자 치수 소자 간격은 3x1 배열방식과 동일하

다. 그림 4는 3x3 배열구조를 보인 것이다. 그림 4와 같

이 좌측 상단 다이폴 소자로부터 우측으로 포트번호를 1,

2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9로 설정하 다. 심소자인 5번

안테나 소자특성을 기 으로 설계하 다.

그림 4. 3x3 배열구조

그림 4와 같이 220mm 길이의 상호결합 감소용 기생

소자가 45° 간격으로 다이폴 각 소자 주변을 둘러싼 구조

를 했을 시 심 소자와 인 소자 간(x,y축 방향 배열

모두) 상호 결합계수가 최소화를 만족하 다. 그림 5는

3x3 배열 시 특성을 나타낸 것이다. 그림 5(a)는 심

소자 반사계수, 그림 5(b)는 심소자 VSWR, 그림

5(c)는 심소자와 인 소자 간 상호 결합계수를 나타낸

것이다. 심 단일소자는 주 수 195-255MHz 범 에서

–10dB 이하의 반사계수를 만족하고 심소자와 인 소

자간 상호 결합계수는 해당 주 수 역에서 –15dB 이

하를 만족함을 알 수 있다.

(a)

(b)

(c)

그림 5. 3x1 배열 특성. (a) 심소자 반사계수, (b)

심소자 VSWR, (c) 심소자와 인 소자 간 결합계수

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그림 6은 이상과 같은 단일소자 설계를 바탕으로 다이

폴 안테나의 8x12 배열을 했을 시 형상이다. 안테나 소

자를 8x12로 배열하여 스캔 각도에 따른 특성 변화를 확

인하 다. 안테나 기 고각 방향으로 ±30°, 방 각 방향

으로 ±45°까지 스캔하여 그 결과를 확인하 다.

그림 6. 8x12 배열 안테나 형상

8x12 상 배열 안테나의 특성 결과에 앞서 안테나 배

열 설계 시 이더 스캔각도(고각, 방 각)와 안테나 해

석각도(theta, phi) 사이의 변환공식을 통하여 스캔각도

에 따른 능동반사계수를 계산할 수 있다. 평면상에서 수

평방향을 x축, 수직방향을 y축이라고 가정하 을 때, 다

음과 같은 변환 식을 통하여 계산할 수 있다.

⇔ (1)

coscoscos (2)

cossin

cossin

(3)

그림 7. 스캔각도에 따른 안테나 해석각도 변환

본 논문에서 제안한 8x12 상 배열안테나의 설계 시

뮬 이션 결과는 1x3 배열, 3x3 배열 결과와는 달리, 안

테나 이더 스캔각도에 따른 특성 변화를 제시한다. 안

테나 기 고각 방향, 방 각 방향에서의 스캔 각도에 따

른 모든 소자의 능동 반사계수와 주 수 역 223MHz에

서 계산되며 Taylor 분포 20dB를 용한 복사패턴 특성

을 제시한다.

그림 8은 8x12 상 배열안테나의 고각방향 0°, 방 각

방향 0°로 스캔 시 특성을 나타낸 것이다. 그림 8(a)은

모든 소자의 반사계수, 그림 8(b)는 3D 복사패턴, 그림

8(c)는 고각방향 복사패턴, 8(d)는 방 각 방향 복사패턴

을 나타낸 것이다. 모든 소자는 주 수 200-255MHz 범

에서 –10dB 이하의 능동 반사계수를 만족하고 고각

방향으로 0°, 방 각 방향으로 0°인 복사패턴을 확인할

수 있다.

(a)

(b)

(c)

(d)

그림 8. 8x12 배열 특성 (고각방향 0°, 방 각방향 0°).

(a) 모든 소자 능동반사계수, (b) 3D 복사패턴,

(c) 고각방향 복사패턴, (d) 방 각방향 복사패턴

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(a)

(b)

(c)

(d)

그림 9. 8x12 배열 특성 (고각방향 0°, 방 각방향 45°).

(a) 모든 소자 능동반사계수, (b) 3D 복사패턴,

(c) 고각방향 복사패턴, (d) 방 각방향 복사패턴

그림 9는 8x12 상 배열안테나의 고각방향 0°, 방 각 방

향 45°로 스캔 시 특성을 나타낸 것이다. 그림 9(a)는 모든

소자의 반사계수, 그림 9(b)는 3D 복사패턴, 그림 9(c)는

고각방향 복사패턴, 9(d)는 방 각 방향 복사패턴을 나타낸

것이다. 모든 소자는 주 수 210-240MHz 범 에서 –

10dB 이하의 능동 반사계수를 만족하고 고각 방향으로 0°,

방 각 방향으로 45° 기울어진 복사패턴을 확인할 수 있다.

그림 10은 8x12 상 배열안테나의 고각방향 30°, 방 각

방향 0°로 스캔 시 특성을 나타낸 것이다. 그림 10(a)은 모든

소자의 반사계수, 그림 10(b)은 3D 복사패턴, 그림 10(c)은

고각방향 복사패턴, 10(d)은 방 각 방향 복사패턴을 나타낸

것이다. 모든 소자는 주 수 200-260MHz 범 에서 –

10dB 이하의 능동 반사계수를 만족하고 고각 방향으로 30°,

방 각 방향으로 0° 기울어진 복사패턴을 확인할 수 있다.

(a)

(b)

(c)

(d)

그림 10. 8x12 배열 특성 (고각방향 30°, 방 각방향 0°).

(a) 모든 소자 능동반사계수, (b) 3D 복사패턴,

(c) 고각방향 복사패턴, (d) 방 각방향 복사패턴

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이더 스캔 각도에 따른 모드 소자의 능동 반사계수는

기에 설정한 설계규격 –7dB이하를 기 으로 심주

수 223MHz를 포함하여 역폭 34MHz이상을 만족함을

확인하 다. 안테나 패턴 결과는 스캔각도 변화에 따라

패턴의 기울어지는 각도의 변화를 보고 확인할 수 있다.

표3은 최 설계된 상 배열 안테나의 각도별 안테나 이

득, Side lo level, 빔폭의 결과 값을 정리한 것이다.

표 3. 최 설계된 상 배열 안테나 설계결과

스캔각도 이득

(dBi)

SLL(dB) 빔폭(도)

고각 방 각 고각 방 각 고각 방 각

0° 0° 25.0 -20.5 -19.9 13.2 8.9

0° 10° 24.9 -20.5 -19.7 13.2 9.1

0° 20° 24.7 -20.7 -19.6 13.2 9.5

0° 30° 24.3 -21.0 -19.4 13.2 10.3

0° 40° 23.9 -21.5 -19.2 13.2 11.6

0° 45° 23.8 -21.7 -18.6 13.2 12.3

10° 0° 24.9 -19.9 -19.9 13.5 8.9

20° 0° 24.7 -19.4 -20.0 14.1 8.9

30° 0° 24.3 -18.7 -20.0 15.4 8.9

3. 결 론

본 논문에서는 스텔스 탐지용 상 배열 안테나를 설계

하 다. 설계된 다이폴 안테나는 사각 이 의 다이폴

선로, 선로 종단에 기 으로 연결되며 원형 이

의 다이폴 팔, 안테나 복사소자와 일정한 간격으로 평행

하게 배치되며 역폭 향상을 한 원형 이 기생소자,

안테나 배열 시 소자 간 상호 결합계수 감소를 한 기생

소자를 포함하여 구성된다. 배열 안테나 설계 시 단일소

자 배열을 통하여 인 소자 간 향을 확인 후 이에

한 결과를 반 하여 튜닝 설계하 다. 상용 소 트웨어인

CST의 Microwave StudioTM를 이용하 으며 각 소자

의 크기는 변수 조 법에 의하여 안테나 최 성능 치수

를 도출하 다.

설계된 안테나는 모든 소자를 기 으로 심주 수

223MHz에서 동작하고 능동반사계수 –10dB이하의

역폭 50MHz이상을 만족한다. 상 배열안테나의 스캔

각도 변화에 따른 복사패턴의 기울기의 변화를 확인할 수

있으며, 심 주 수 223MHz에서 24-25dBi의 이득,

13-15°의 고각 방향 빔폭, 9-11°의 방 각 방향 빔폭,

-19dB에서 -21dB의 고각 방향 부엽 벨, -19dB에서

-20dB의 방 각 방향 부엽 벨 특성을 갖는다. 본 논문

에서 설계된 안테나는 VHF 역 스텔스 탐지 이더 안테

나로 유용하기 사용될 수 있으리라 단된다.

참 고 문 헌

[1] S. Arora and R. Kaur, “Stealth technology and stealth

radar: A review”, Research Inventy: Int. Journal Of Eng.

And Sci, Vol. 3, No. 12, pp. 15-19, 2013.

[2] K. Zikidis, A. Skondras, and C. Tokas, “Low observable

principal, stealth aircraft and anti-stealth technologies”,

Journal of Computation & Modeling, Vol. 4, No. 1, pp.

129-165, 2014.

[3] M. A. Alves, R. J. Port, and M. C. Rezende, “Simulations

of the radar cross section of a stealth aircraft”, Journal

of Computation & Modeling SBMO/IEEE MTT-S IMOC,

Vol. 1, No. 1, pp. 409-412, 2007.

[4] S. Banerjee, S. Bhattacharjee, and C. S. Nandi, “Study

of VHF active phased array wind profiler radar control

switches”, IJIREEICE, Vol. 3, No. 7, pp. 20-26, 2015.

자 약 력

홍기표

2015년 충북 학교 정보통신공학과 학사

2016년 충북 학교 공학과 석사과정

< 심분야 : 안테나 RF 회로>

박 규

2016년 충북 학교 정보통신공학과 학사

2016년 충북 학교 공학과 석사과정

< 심분야 : 안테나 RF 회로>

안병철

1981년 서울 학교 학사

1983년 한국과학기술원 석사

1992년 University of Mississippi 박사

1986년 (주) 성정 주임연구원

1994년 국방과학연구소 선임연구원

2016년 충북 학교 통신공학과 교수

< 심분야 : 자 응용, 안테나>