포신에 부착가능한 안테나로 대전차 유도 미사일을 탐지할 수 없을까 ?
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현대 지상 전전에서는 고속 저고도로 전차 정면을 노리는 대전차 미사일의 위협이 급증함에 따라 이를 방어하기 위한 능동방호체계 레이더 센서 및 정밀 전방 조기 탐지용 고성능 표적 센서 안테나 탑재의 필요성이 요구되고있다.
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모노폴 안테나 소자를 원통형 전차 포신에 탑재할 경우, 포신의 한정된 금속 경계면에서 끝단 회절이 유발되어 주 빔이 수평이 아닌 공중 대각선 방향(약 30도 이상 편향)으로 치솟는 '빔 틸팅(Beam Tilting)' 현상이 동반되며 이로 인해 전방 정면 각도에 심각한 탐색 사각지대가 생긴다.
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미사일은 축을 기준으로 고속 회전을 하면서 날아옵니다. 이때 일반적인 단일 편파 수신 안테나를 사용할 경우 극심한 편파 불일치로 인해 전송 손실이 나타나므로 FBR(Front-to-Back Ratio)와 축비가 우수한 원편파 확보가 요구된다.
기존 방식의 문제점
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유한 접지면 위에 모노폴 안테나 구현 시, 끝단 회절 성분에 의해 메인 로브가 30도 이상 공중으로 꺾여 들리는 빔 틸팅 현상이 발생하여, 전방 탐지에 치명적인 공백 발생.
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기존의 단일 편파 안테나 방식은 미사일이 자세를 변경하여 접근할 시 송수신 극성이 어긋나는 편파 불일치로 인해 전력 수신 손실이 발생함.
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원통형 전차 포신에 부착할 시 동작 공진 주파수가 크게 틀어지고 임피던스 매칭 특성이 완전히 깨지는 현상이 발생함.
핵심 아이디어
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역위상 급전 배열 빔 제어: 마주 보는 두 모노폴 소자에 역위상을 급전하는 배열 안테나 간섭 이론을 응용, 상방 전계 성분을 공간상에서 상쇄 상쇄보강 시키고 포신이 지향하는 방향으로 틸팅 다운시킴
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야기-우다 배열을 통한 후방 방사 억제: 반사기와 도파기를 급전 소자 전후방에 배치하여, 후방으로의 불필요한 방사를 차단하고 목표 탐지 방향인 전방 지향성 이득을 극대화함.
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4포트 순차적 위상 급전 : 위상차 지연 선로 회로망을 직접 구현하여 네 개의 입력 포트에 0도, 90도, 180도, 270도의 급전 차를 구현해 3dB이하의 축비를 얻어 원편파를 생성함.
활용된 핵심 기술 또는 이론
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주 빔이 상방으로 30도 이상 솟구치는 '빔 틸팅' 왜곡을 배열 안테나 위상 제어 이론으로 해결하였습니다. 단일 포지션의 모노폴 안테나 맞은편에 대칭형 소자를 배치하고, 두 소자 간에 크기는 같고 위상차는 정확히 180도인 역위상 급전 방식을 적용하였습니다. 이를 통해 공중으로 방사되던 전계 성분을 공간상에서 상쇄 간섭시키고, 수평축 방향은 보강 간섭을 일으켜 주 빔의 방사 패턴 방향을 포신 축 정면 방향로 정밀 조향시켰다..
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안테나 공학의 원편파 발생 이론을 적용하였습니다. 90도 물리적 간격으로 배치된 4개의 개별 포트에 각각 0ㄷ, 90도,180도, 270도의 순차적 위상 변이를 갖는 선로를 직접 설계하여 축비 3dB이하의 원편파 특성을 실현했다.
기존 방식과의 차별성
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곡면 가장자리 한계로 떴던 빔을 수치적 한계로 설명한 연구와는 다르게, 본 설계는 공간상에 역위상 배열 안테나 이론을 추가하여 포신의 지향하는 수평방향으로 정렬되도록 조향시켜 수평 정면에 대한 실시간 수평 면 탐색 방사 패턴을 설계했다.
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표적 접근 상황에 따라 실시간으로 송수신 극성이 흔들려 결합 손실이 커지던 종래의 단일 편파 소자 탑재 방식에 비해 나은 안테나 수신 RF 전력 효율을 유지한다.
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수천만 원 상당의 액티브 위상 변조 제어 칩 및 추가 스위칭 수동 기기들이 없어도 오직 위상 순차적 급전 기법으로만 모든 다방향 원편파 전후방 성능을 이끌어 냈고, 경량화와 뛰어난 방산 부품 양산 단가 경제성을 증명했다.
문제 해결 과정
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사각 평면 접지면에서 750 MHz의 모노폴 기본 공진 제원을 구하고, 전방 이득 강화 및 후방 방사 손실 격리를 목적으로 한 반사기 와 도파기들의 전방 비례 유효 최적 길이와 최적 간격을 도출함.
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안테나 설치 대상을 평면에서 전차 포신의 1/5 크기의 원통 그라운드 모델로 확장하고 도파기와 반사기의 길이와 간격을 최적화함. 이 과정에서 유한한 전차 금속 포신 가장자리 회절 효과로 빔이 공중 대각선 방향(약 30도 이상 편향)으로 치솟는 왜곡 현상 발생.
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180도 반대 위치에, 180도의 위상차를 급전한 안테나를 배치하 하늘로 뜨려던 왜곡 전계를 상쇄시켜 수평 90도 축으로 주 빔을 바짝 낮추는 정렬 제어 성공.
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편파 불일치를 최소화 하기위해 90도, 270도 방향에도 포트를 배치해 순차 위상 급전(0°, 90°, 180°, 270°)을 적용, 축비 < 3dB 원편파를 완성함.
최종 사용자
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군사무기체계 개발
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방위산업 제조업
기대효과
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직선으로 돌입하는 전방 적 미사일 표적 탐지 거리를 향상하고 즉각 반응을 위한 최대 유효 요격 시간을 제공한다.
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무거운 급전 스위칭 장치나 위상 천이기 등 고가의 보조 장치들을 과감히 제거하고, 수동 소자 중심의 구성을 실현해 포신 구동 하중 부담률을 덜고 전력 소모를 억제했다.
참여 정보
팀명
전파의 실수
수강 교과목
전파융합캡스톤디자인 1
지도 교수
김병관
참여 개발자
조병하(전파정보통신공학과)
