2.1 능동위상배열 안테나 내부 구조

제안된 방법을 설명하기 전, 우선 능동위상배열 안테나 내부의 RF 회로 구조를 살펴볼 필요가 있으며, 대부분의 능동위상배열 안테나는 기본적으로 그림 1과 같이 구성된다^[15]~[17]. 복사소자(radiating assembly)는 단위 안테나의 배열로, 신호를 대기중으로 방사하고 표적으로부터 반사된 신호를 수신하여 TRM으로 전달한다. 송수신 단위 조립체(transmit receive unit, 이하 TRU)는 다수의 TRM 및 공통모듈로 구성되며 레이다 신호를 위상 천이 및 증폭하여 복사소자로 전달하고, 표적으로부터 반사된 신호를 저잡음 증폭 및 위상천이 하여 전력결합기로 전달한다. RF 매니폴드(RF manifold)는 4개의 전력결합기로 구성되며 모노펄스 채널을 형성하기 위해 가로/세로 대칭으로 TRM들의 출력을 결합하여 송수신스위칭조립체(transmit receive switching assembly)에 전달한다. 송수신스위칭조립체는 내부 구동증폭기(drive amplifier)를 이용하여 레이다 처리장치(radar processor)로부터 전달된 신호를 적정 레벨로 증폭하여 송수신 단위 조립체에 전달하는 역할, 내부의 모노펄스 비교기를 이용하여 표적의 정밀 추적에 사용되는 모노펄스 채널(합, 고각 차, 방위각 차)을 형성하는 역할, 내부의 경로 선택 모듈(path selection module)을 이용하여 레이다 처리장치가 pilot포트를 통해 신호를 인가하면 내부를 점검할 수 있는 경로를 선택하도록 하거나 SLB TRx 모듈과 SLB 안테나를 이용해 TRM을 점검하는 경로를 선택할 수 있도록 하는 역할을 한다. SLB TRx 모듈은 Pilot 포트로 인가된 신호를 증폭하거나 SLB 안테나로부터 전달된 신호를 증폭하는 역할을 하며, SLB 안테나는 넓은 빔 안테나로 재머 또는 클러터 신호를 주빔 안테나와 비교할 수 있는 물리적 채널을 제공한다. 구성도에서 볼 수 있듯, 경로 선택 모듈을 통해 모노펄스 비교기는 점검 가능하며 적색 점선 화살표로 표시된 경로를 통해 송수신모듈은 점검할 수 있으나, 그림 1의 적색 원으로 표시된 전력결합기와 모노펄스 비교기 간 연결을 점검할 수 있는 경로는 물리적으로 존재하지 않는다.

2.2 점검 방법 제안

상기 문제점을 해결하기 위해 별도의 점검기능 구현이 필요하였으며, 이를 구현하기 전에 고려한 추가적인 제약 조건은 아래와 같다.

- 점검기능은 현장에 배치된 모든 레이다에 바로 적용할 수 있어야 하므로 소프트웨어 변경만 허용됨

- TRM 점검경로를 통해 점검한 신호의 절대적인 값은 안테나에 따라 변할 수 있음

이를 고려하여 표 2과 같이 고장 판정 절차를 수립하였다. 1단계는 측정으로, 그림 1의 SLB 안테나를 이용한 TRM 점검 경로를 이용하여 각 TRM에 신호를 인가한 뒤 측정된 신호 레벨과 위상의 결과를 취합하는 단계이다. 2단계는 취합된 결과를 비교하는 단계로 얻어진 신호 레벨과 위상의 분면별 차이를 구한 뒤 기준값과 비교한다. 3단계는 1차 판정 단계로 기준치를 불만족한 분면을 Fail 처리한다. 4단계는 최종 판정 단계로, 신호 레벨 점검 및 위상 점검 모두를 불만족한 분면을 고장 판정한다.

모든 TRM에 입력된 신호를 분면별로 합친 뒤 평균치를 비교함으로써 연결부 손상으로 인한 각 분면별 진폭 불균형을 추정할 수 있으며, 각 분면별 대표적인 TRM을 선정하여 위상을 비교함으로써 연결부 손상에 따른 위상 불균형을 추정할 수 있다. 능동위상배열 안테나의 출고 전 참조 테이블(Lookup table)을 입력하고, 입력된 값 대비 측정된 값을 비교하는 것이 가장 효과적일 수 있으나, 상기 전제조건에 따라 안테나 호기별로 측정된 신호의 절대값이 다르며, 참조 테이블 제작에 필요한 별도 측정을 수행할 수 없으므로 상대값 비교가 가장 적절한 수단일 것으로 판단하였다.

2.3 고장 판단 기준값 설정

표 2에 제시된 1차 판정의 기준값을 설정하기 위해 4분면 별 진폭/위상 불균형에 따른 모노펄스 기울기 열화정도를 계산한 뒤 시스템의 각도 추적 정확도 요구조건과 비교하여 임계값을 결정하고, 정상 상태의 안테나에 대한 측정을 수행하여 임계값 및 고장 판단 기준값의 적절성을 판단하였다. 모노펄스 기울기 열화정도를 계산하기 위한 능동위상배열안테나의 복사소자 배열 및 진폭 가중치 분포는 그림 1과 같으며, X,Y 좌표는 보안상 운용 주파수 추정을 방지하기 위해 파장길이로 표시하였다. 능동위상배열 안테나는 모노펄스를 위한 차채널 형성을 위해 적색 선(X=0, Y=0)을 기준으로 4개 분면으로 나누며, 각 사분면을 Q1~Q4로 정의한다.

모노펄스 기울기를 구하기 위해 우선 합채널, 방위각 차 채널, 고각 차 채널의 방사패턴을 계산할 수 있어야 하며, 수식 (1)~(3)을 이용한다.

그림 2. 능동위상배열 안테나의 복사소자 배열 및 진폭 가중치 분포

Fig. 2. Radiating element arrangement and weighting factor distribution of AESA antenna

식 (1)~(3)에서 사용된 각 파라미터에 대한 설명은 표 3과 같다.

그림 3. 분면 Q1 진폭/위상 불균형 상황에 대한 방사패턴 시뮬레이션 결과((a)~(c)는 위상 불균형, (d)~(f)는 진폭 불균형 시뮬레이션 결과이며 왼쪽부터 차례대로 방위각 합채널, 방위각 차채널, 방위각 모노펄스 곡선을 나타냄)

Fig. 3. Simulation result of Q1 phase/amplitude imbalance((a)~(c) are phase imbalance simulation result and (d)~(f) are ones with amplitude change. From left to right, each figure represents azimuth sum, delta and monopluse curve, respectively).

식 (1)~(3)에서 구한 방사패턴을 바탕으로, 고각, 방위각 모노펄스 기울기 곡선은 식 (4)~(5)와 같이 차채널을 합채널로 나눈 뒤 허수부를 취하여 얻을 수 있으며^[18]~[19], 빔폭 내에서 θ 또는 φ에 대해 선형적인 특성을 보인다. 모노펄스 곡선의 기울기를 레이다에 장입한 뒤 차 채널과 합 채널의 신호 비를 수신된 신호로부터 구할 수 있으면 빔폭 내에서 표적의 각도 추적을 정확하게 할 수 있다. 그러나 분면별 진폭/각도 불균형이 매우 증가하면 모노펄스 곡선의 X 절편과 기울기도 이에 따라 변화하므로 정확한 표적 각도 추정이 불가하다.

분면별 진폭 불균형과 위상 불균형에 따른 영향성을 검토하기 위해, 식(1)~(3)에서 Q1의 진폭 및 위상 불균형 F₁과 ε₁을 변경해가며 정면 빔에 대한 방사패턴 및 모노펄스 곡선 시뮬레이션을 수행하였으며 결과는 그림 3과 같다. 그림 3에서 (a)~(c)는 위상 불균형, (d)~(f)는 진폭 불균형에 따른 시뮬레이션 결과를 나타내며, 왼쪽 그림부터 차례대로 방위각 합채널, 방위각 차채널, 방위각 모노펄스 곡선을 나타낸다. 고각 시뮬레이션도 수행하였으나 경향이 동일하여 지면 절약상 생략하였다.

그림 3의 (a)~(c)에서 알 수 있듯, 위상 불균형이 발생하면 주빔의 방향이 이동하는 동시에 차채널의 널 깊이가 감소하며, 모노펄스 곡선의 X 절편이 이동하면서 모노펄스 곡선의 기울기가 소폭 변화하는 것을 알 수 있다. 이는 빔조향 오차가 증가함을 의미하며 추적 정확도에 직접적인 오차로 반영된다. 진폭 불균형에 따라서는 그림 3의 (d)~(f)와 같이 주빔의 위치는 이동하지 않고 차채널의 널 깊이 변화만 발생시키며 이에 따라 모노펄스 곡선의 기울기가 변화함을 알 수 있다. 이는 기존의 안테나 모노펄스 기울기 대비 차이를 발생시키며 빔 내에서 목표물 추적 시 간접적인 오차를 발생시키게 된다.

그림 4는 고장 판단 임계값을 결정하기 위해 그림 3의 결과를 좀 더 세분화하여 분석한 결과로, (a),(c)는 위상 불균형에 따른 빔조향 오차 및 모노펄스 기울기를 나타내며 (b),(d)는 진폭 불균형에 따른 결과를 나타낸 그래프이다. 120km 거리에서 최소 200m 내외의 정확도를 보유할 것을 요구사항으로 가정하면 식 (6)의 원호의 길이 계산식을 이용하여 0.1도를 안테나의 허용오차로 가정할 수 있다. 그림 4의 (a) 그래프로부터 빔조향 오차가 0.1도가 되는 지점은 대략 위상 불균형이 10도가 되는 지점으로 판단할 수 있으며 이로부터 위상 불균형의 임계값은 10도로 설정하였다.

상기 식에서 R은 표적과의 거리(120km), θ_error는 위상 불균형으로 발생된 안테나 빔조향 오차를(0.1°), l은 거리 정확도(200m)를 의미한다. 한편, 모노펄스 곡선을 1차 선형 근사화하여 얻은 기울기 K를 이용하면 식 (7)과 같이 빔 내 표적 위치를 알 수 있다.

상기 식에서 BSE는 빔 중심과 표적 간 각도(boresight error)를 의미한다. △/Σ가 ±0.75인 범위까지 모노펄스 기울기를 사용한다고 가정하면, △/Σ가 0.75일 때 BSE 오차가 0.1도 이상 되는 지점은 그림 4의 (d)와 같이 모노펄스 기울기가 0.32가 될 때이므로 진폭 불균형의 임계값은 5dB로 결정할 수 있다.

본 논문에서는 추적 정확도를 가장 중요한 성능지표로 지정하여 임계치를 설정하였으나, 그림 3(a),(d)에서 알 수 있는 내용과 같이 부엽 준위도 큰 폭으로 증가한다. 이를 통해 레이다의 오경보율이 증가하거나 SAR(synthetic aperture radar) 모드의 영상 품질이 저하될 가능성이 있으므로 시스템에 따라서는 이를 추가로 고려할 필요가 있다.

그림 4. 분면 Q1 위상/진폭 불균형에 따른 빔조향 오차 및 모노펄스 기울기 변화((a),(c)는 위상 불균형, (b),(d)는 진폭 불균형 시뮬레이션 결과를 나타냄)

Fig. 4. Beam steering error and monopulse curve change by Q1 phase/amplitude imbalance((a) and (c) denotes phase imbalance simulation result. (b) and (d) are ones with amplitude imbalance)

2.4 점검 주파수 및 TRM 선정

임계값 결정 후에는 정상 안테나에 대한 실험을 통해 신호 레벨 점검용 주파수 및 위상 점검용 TRM을 선정하였으며, 그림 5와 같이 외부 간섭을 배제하기 위해 무반향실에서 실험을 진행하였다. 레이다 시험장비 랙(radar test equipment rack)은 항전장비 대신 레이다 처리장치(radar processor)에 각종 명령 및 이산신호를 생성하여 레이다를 제어하는 역할을 하며 무반향실 외부 통제실에 설치된 PC를 통해 사용자가 레이다를 제어할 수 있다. 능동위상배열안테나와 레이다 처리장치는 전원공급장치로부터 직류 전원을 공급받으며 외부 냉각기로부터 냉각수와 냉각공기를 각각 공급받아 구성품을 냉각한다. 하드웨어 성능 열화로 인한 영향성을 배제하기 위해 실험은 새로 제작된 안테나 및 레이다 처리장치를 이용해 진행하였다.

그림 5. 능동위상배열안테나 시험 설정

Fig. 5. AESA antenna test configuration

그림 6은 분면별 평균 수신 전력 시험결과를 나타낸 그림이다. (a)는 안테나 전체에 대한 TRM별 수신전력 분포를 나타낸 그림이며, (b)는 주파수에 따른 평균 수신전력을 나타낸 그림이다. 참고로 SLB 안테나는 TRU 29번과 37번 사이의 아래쪽 중앙에 위치한다. 그림 (a)에서 알 수 있는 내용과 같이 모든 TRM에 대해 –30~0 dBm의 신호가 수신되며 일부 TRM은 복사소자 간 상호 간섭(mutual coupling)으로 인해 –40dBm의 낮은 신호 레벨을 보임을 알 수 있다.

그림 6. 분면별 평균 수신 전력 시험결과; (a) 안테나 전체(F81); (b) 주파수에 따른 시험결과.

Fig. 6. Average received power for each quadrants; (a) result for overall antenna aperture at F81; (b) test results for all frequencies.

따라서, 분면별 진폭 비교 입장에서는 특정 TRM을 지정하면 신호 레벨의 변화가 안테나에 따라 크게 나타날 수 있으므로 각 분면별 수신신호 레벨 평균을 구하는 것이 적절함을 알 수 있다. 중앙의 TRM으로부터 수신된 신호 레벨이 낮은 이유는 TRM의 포화를 방지하기 위해 SLB 안테나와 가까운 TRM에는 20~40dB의 감쇠를 적용하여 신호를 입력하기 때문이다. 그림 6(a)의 결과를 각 주파수에 대하여 측정하고 분면별로 합한 뒤 평균을 취하면 그림 6(b)의 그래프를 얻을 수 있으며, 정상 상태의 안테나에서도 주파수에 따라 분면별 평균 신호레벨의 편차가 변화하는 것을 알 수 있다. 이는 SLB 안테나의 방사패턴이 주파수에 따라 변화하며 대체적으로 주파수가 증가할수록 빔폭이 줄어들기 때문이며 SLB와 비교적 먼 거리에 있는 Q1과 Q3는 비교적 가까운 거리에 있는 Q2와 Q4와 비교했을 때보다 신호 레벨이 가파르게 감소함을 알 수 있다. 시험 결과를 종합하여, 주파수 100번을 기준으로 F81과 F121에서 분면별 편차가 3dB 이내로 작게 나타나므로 신호 레벨 점검 주파수는 F81과 F121로 결정하였다.

위상 점검을 위해서는 그림 7과 같이 SLB 안테나로부터 비슷한 거리에 위치하면서 각 분면을 대표할 수 있는 TRM을 지정하였다. TRM을 지정한 후에는 식 (8)을 이용하여 SLB로부터 각 TRM 까지의 거리 및 이에 따른 위상을 계산하여 분면별 차이를 구한 뒤 이를 실제 측정결과와 비교하였다. 위상 측정은 TRM 내부에 내재된 오차 등 여러 가지 요소에 의해 주파수별 변화가 있을 수 있으므로 0~40번, 80~120번 2개 그룹으로 나누어 TRM 정렬 주파수 간격인 3 간격으로 측정하였다.

그림 7. 위상 비교를 위한 TRM 지정

Fig. 7. TRM selection for phase comparison

이론값과 측정된 값의 평균값을 비교할 것이므로 아래 식에서 파장길이는 F20과 F100을 적용하여 계산하였으며, SLB 안테나와 분면별 TRM간 거리 및 이를 이용해 계산된 위상차는 표 4와 같다.

상기 식에서 λ는 파장 길이를 나타내며, X,Y는 TRM과 SLB의 (X,Y) 좌표계상 위치를 나타낸다.

위상차 측정 및 실험결과는 그림 8과 같이 요약할 수 있다. 분면멸 위상차의 평균값이 오차범위 10도 이내에서 이론값과 상당히 비슷함을 알 수 있으며, 실험에 사용된 레이다 운용 대역의 파장길이가 수 cm단위로 매우 짧은 것을 고려하면 상당히 정확한 수준으로 일치함을 알 수 있다.

실험 결과를 반영한 고장 점검의 최종 기준값은 표 5와 같이 요약할 수 있다. 분면별 수신 전력의 평균값은 F81과 F121에서 3dB 이내로 차이가 발생하였으므로 기준값을 2.4장과 동일한 5dB로 설정하였다. 위상차의 경우 실험결과 10도 내외의 오차가 발생할 것으로 예상되므로 이를 반영하여 ±20°가 넘어가면 고장으로 판단하도록 수정하였으며, 분할된 주파수 2개 그룹 모두에서 고장으로 판별된 분면을 최종 고장으로 판단하도록 설계하였다.

그림 8. 분면별 위상차 측정결과(청색 점선 : 평균값, 적색 점선 : 이론값)

Fig. 8. Phase difference measurement result(blue dashed line : average value, red dashed line : theoretical value)