레이다에서 표적의 거리와 방위, 고도, 속도 정보를 획득하기 위해서는 전자기파를 방사하고 수신해야 한다. 이러한 전자기파 방사를 RF(Radio Frequency) 방사라고 부르기도 한다.
RF 송출에는 고유한 특징들을 가지고 있으며 이러한 특징들은 레이다 시스템의 기능을 결정하거나 제한을 주기도 한다.
여기서 이러한 RF 방사에 대한 여러 가지 특징들을 정리해 본다.
[주파수, Frequency]
송출된 신호의 주파수는 RF 에너지가 한 사이클을 완료할 때에 1초당 횟수를 의미한다.
기본적인 단위는 Hz이며 1Hz는 1초당 한 번을 의미한다.
[파장, Wavelength]
RF 신호의 특징 중 하나인 파장은 사인파의 피크값 간의 물리적인 거리를 의미한다.
보통 파장은 미터의 단위로 측정되지만 대부분의 레이다 시스템에서 파장은 센티미터나 밀리미터로 측정된다.
레이다 신호의 파장은 다음의 식으로 표현된다.
식에서 보다시피 주파수와 파장은 서로 반비례 관계에 있다.
즉, 주파수가 높을수록 파장은 짧아진다.
오늘날의 시스템은 밀리미터 파장이나 적외선 시스템과 같이 매우 짧은 파장 또는 매우 높은 주파수를 사용한다.
[편파, Polarization]
RF 신호의 또 하나의 특징은 편파이다.
편파는 레이다 안테나에 의해 결정되며 RF가 공간을 나아갈 때에 방향을 얘기한다.
편파에는 선형(Linear)과 원형(Circular)의 두 가지 타입이 있다.
1. 선형 편파
공간에서 전자기 에너지는 두 개의 요소로 구성되는데 하나는 전기장이고 다른 하나는 자기장이다.
이 두개는 항상 서로 직교하며 RF의 진행 방향에도 직교한다.
편파는 전기장의 방향으로 정의하며 많은 레이다 안테나는 수직 편파 또는 수평 편파와 같은 선형 편파를 사용하고 있다.
다음의 그림은 수직 편파에 대해 나타낸 것이다.
2. 원형 편파
특정 레이다는 원형 편파를 사용하기도 한다.
원형 편파는 우선회(right-hand)와 좌선회(left-hand) 두 가지 종류가 있으며 전기장의 방향이 시간에 따라 바뀌며 원형의 모양을 갖는다.
우선회 원형 편파 신호는 전기장 백터가 시계 반향으로 도는 것처럼 보이며 반대로 좌선회 원형 편파 신호는 반시계 방향으로 도는 것처럼 보인다.
편파가 시스템의 수신기나 송신기에 주는 영향성은 매우 크다.
만약 수신 안테나가 특정 편파만을 수신할 수 있게 되어 있다면 반대가 되는 편파의 신호를 수신하기 어렵다.
이를 cross polarization 이라고 부른다.
레이다 경보 수신기(RWR)의 안테나가 수직 편파 신호를 수신할 수 있다면 수평 편파 신호를 사용하는 적 위협 시스템은 탐지가 불가하거나 또는 위협에 탐지되고 한 참 후에나 RWR의 화면에 나타날 수 있다.
전자전 공격(EA)에 있어서도 만약 재밍 안테나가 수직 편파이면 수평 편파 신호를 수신하는 위협에 대한 재밍이 불가할 수 있다.
그래서 최신의 전자전 시스템에는 dual-polarized 안테나를 사용하기도 한다.
아래의 표는 안테나 편파간 손실(loss)을 나타낸다.
위 표에서 알 수 있듯이 원형 편파나 Slant 편파는 수평이나 수직 편파에 무난한 성능을 갖는다는 것을 알 수 있다.
그래서 항공기에 탑재되는 전자전 안테나는 항공기 기동에도 위협에 대한 무난한 성능을 유지하고자 원형 편파나 Slant 편파의 안테나를 적용하기도 한다.
하지만 수직 편파나 수평 편파에 비해 원형 편파나 Slant 편파는 편파 특성을 유지하기 위한 레이돔 설계에 까다로움이 있어 레이돔의 형상적인 설계에 제약을 줄 수 있다.
Cross polarization은 항공기 내에서 RF 간섭을 줄이는 설계에 활용되기도 한다.
예를 들면, 항공기의 송신 안테나는 좌선회 원형 편파를 적용하고 이에 간섭을 받을 수 있는 수신 쪽 안테나는 우선회 편파를 적용하는 것이다.
이렇게 함으로써 항공기 플랫폼과 같은 비교적 작은 영역내에서 안테나가 인접해 있어도 상호 RF 간섭을 줄일 수 있다.
[도플러 효과, Doppler Effect]
도플러 효과는 RF파의 주파수가 움직이는 물체에 부딪혔을 때에 변하는 것을 말한다.
되돌아온 주파수의 변형은 레이다 측면에서 표적이 어디로 움직이는 가에 따라 달라진다.
다음의 그림들처럼 고정되어 있는 표적에 부딪혀 되돌아오는 전파의 주파수는 변화가 없으며 레이다 방향으로 접근해오는 표적에 부딪힌 전파의 주파수는 레이다에서 송신한 주파수보다 높아지며 반대로 레이다로부터 멀어지는 표적에 부딪힌 전파의 주파수는 레이다 송신 주파수 보다 낮아진다.
이러한 도플러 주파수는 아래의 수식을 통해 구할 수 있다.
여기서 v는 표적의 속도이고 λ는 파장이며 Ө는 레이다 시선과 표적의 진행 방향간의 이루는 각도이다.
Ө가 90º는 0이므로 레이다의 시선에 수직으로 표적이 진행하면 도플러 주파수가 0이 되며 레이다는 표적에 대한 속도 성분을 탐지할 수 없게 된다.
이를 이용하여 레이다로부터 추적을 회피하기 위해 항공기가 이러한 기동을 하는 것을 notch 기동이라고도 부른다.
한편으로 레이다는 표적의 속도 성분을 탐지하지 못하는 구간에 그동안의 추적 데이터를 활용하여 메모리 추적을 수행하기도 한다.
[전자기 스펙트럼, Electromagnetic Spectrum]
최근의 전자전 시스템에서 사용되는 전자기 스펙트럼의 범위는 Radio Wave에서 Microwave를 넘어 적외선(Infrared)과 자외선(Ultraviolet)의 범위까지 확장되었다.
주파수 밴드는 다음의 표와 같이 전자전 분야에서 사용하는 것과 레이다 분야에서 사용하는 것이 명칭과 대역에 있어서 차이가 있다.
레이다에서도 C 대역을 사용하며 전자전 대역에서도 역시 C 대역이 있으나 명칭만 같고 서로 다른 주파수 대역을 일컫는다.
그러므로 헷갈리지 않도록 주의를 해야 한다.
게다가 레이다나 전자전 분야 모드 주파수 정보는 민감하므로 정확한 주파수를 표현하지 않고 표에서와 같은 명칭을 주로 사용하므로 더욱 주의를 할 필요가 있다.
[RF 전파 특성 , RF Propagation]
RF 에너지의 전파 특성은 지구의 표면 및 대기의 조건에 의해 영향을 받는다.
그렇기 때문에 레이다의 성능을 분석하려면 실제 세계의 환경 조건에서의 전파 현상을 반드시 고려하여야 한다.
가장 중요한 전파 현상에는 굴절(refraction)과 변칙적인 전파, 그리고 감쇄(attenuation)가 있다.
- 굴절(refraction)
진공 상태에서 RF파는 일직선으로 진행한다.
하지만 지구의 대기 조건에서는 일직선으로 진행하지 않는다.
지구의 대기는 RF파를 휘게 하거나 반사를 일이 크며 레이다의 가시선(LOS, Line of Sight)을 증가시킨다.
이는 레이다 시스템의 탐지 거리를 확장시키는 영향을 준다.
또한, 대기에 의한 RF파 굴절은 표적을 탐지하는 데에 있어 elevation 측정에 대한 오류를 일으킨다.
대기에서의 RF파 굴절은 고도에 따른 전파 속도가 달라지기 때문이다.
굴절률(N)은 RF 전파의 굴절 영향성을 예측할 때에 사용되며 실제 레이다 시스템 설계에 적용된다.
일반적인 레이다 주파수 대역일 때에 수증기를 포함하고 있는 공기에 대한 굴절률의 수식은 아래와 같다.
여기서 T는 절대온도, P는 전체 기압을 나타내며 Pw는 수증기의 부분압을 의미한다.
고도가 증가할수록 기압과 수증기량은 급격하게 줄어들며 동시에 절대온도도 천천히 떨어진다.
위의 수식에 대입해 보면 고도가 높아질수록 굴절률이 낮아지며 이는 RF파의 속도가 높아짐을 의미한다.
그 결과 고도가 높아지면 앞에서의 그림처럼 RF파는 아래쪽으로 굴절 또는 휘어지게 된다.
RF파의 굴절은 주로 수평선 근처에 위치하면서 낮은 안테나 elevation 각도를 갖고 있는 지상 레이다 시스템에 영향을 준다.
대부분의 레이다 분야에서 굴절률에 의한 elevation 각도 측정 오류는 5 º 를 넘지 않는다.
- 변칙적인 전파 duct
RF의 전파를 확장시키고 레이다 시스템의 탐지 거리가 증가하는 대기의 조건을 설명할 때에 불규칙 전파라는 용어를 쓰며 대부분의 불규칙 전파 현상을 슈퍼 굴절(superrefraction) 또는 ducting 이라고 부른다.
(1) 수퍼 굴절의 duct는 고도가 높아짐에 따라 대기의 굴절률이 급격하게 감소할 때에 형성된다.
앞에서의 굴절률 수식을 기반으로 고도가 높아짐에 따라서 절대 온도가 증가하거나 수증기량이 줄어들 때에 발생한다.
고도가 높아지면서 절대 온도가 증가하는 현상을 온도 역전이라고 부르며 duct 현상이 발생하기 위해서는 이러한 온도 역전이 명확하게 일어나야 한다.
아래의 그림과 같이 마치 도파관(wave guide)과 같이 RF파를 붙잡고 있는 것처럼 움직이는 것이 슈퍼 굴절 duct이다.
이러한 통로에서 레이다 신호는 감쇄량이 줄어든다.
Duct에 의해 잡혀있는 RF파는 굴절률이 떨어지고 상당히 먼 거리까지 나아갈 수 있는 장점이 있으며 이는 레이다 시스템에 있어서 탐지 거리를 극적으로 증가시킬 수 있게 된다.
그러나 duct 내에서 레이다 거리는 증가되었지만 duct 외부에 대한 레이다 탐지 범위는 제한을 가져온다.
Duct에 의한 레이다 탐지 범위의 감소를 레이다 구멍(radar hole)이라고 부른다.
이러한 레이다 구멍은 조기 경보 레이다 시스템에게는 심각한 효율성의 저하를 가져온다.
예를 들면, duct에 의해 저고도에서의 레이다 탐지거리는 증가되었지만 duct의 위쪽으로 날아오는 공중 위협은 duct에 의해 탐지가 불가하기 때문이다.
대기 중의 수중기량은 duct를 생성하는 데에 있어 매우 중요한 요소이다.
그렇기 때문에 대부분의 duct 현상은 수면 위나 따뜻한 기후에서 발생한다.
슈퍼 굴절 duct에는 세 종류가 있다.
하나는 지구의 표면에서 발생하는 surface duct와 바다 표면에서 발생하는 evaporation duct, 그리고 지구 표면 위 쪽에서 발생하는 elevated duct이다.
특히 육지 위에서의 Surface duct와 elevated duct는 발생 예측이 극히 어려우며 매우 짧은 기간만 유지되기도 한다.
- 감쇄
맑은 대기에서 RF 에너지의 감쇄는 산소와 수증기에 의해 발생한다.
RF 에너지가 산소 분자와 물 분자를 때리고 열로서 흡수될 때에 감쇄가 일어난다.
아래의 그림은 주파수에 따른 RF 감쇄를 나타낸다.
1 GHz 이하의 주파수 대역에서는 대기 감쇄를 무시할 수 있는 수준이다.
10 GHz 이상에서부터 대기 감쇄는 극적으로 커진다.
이러한 큰 신호의 손실은 밀리미터 파장의 대역에서 운용되는 레이다 시스템의 최대 탐지 거리에 큰 영향을 준다.
RF 에너지 감쇄는 고도가 증가할수록 줄어든다.
그러므로 공대공 레이다의 경우에 RF 감쇄는 표적의 거리뿐만 아니라 고도에도 의존하며 지상 레이다 시스템의 경우에는 안테나 elevation 각도를 높일수록 RF 감쇄를 줄일 수 있다.
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