송신 시의 안테나 기능은 송신기로부터의 레이다 에너지를 원하는 방향으로 맞춰진 특정 모양의 빔으로 집중시키는 것이다.
수신 시의 안테나 기능은 표적 반사 신호가 포함되어 되돌아오는 레이다 에너지를 모으고 이를 수신기로 보내주는 것이다.
레이다 안테나의 특징은 지향성 빔을 특정 패턴으로 스캔을 한다는 것이다.
오늘날 주요 안테나 타입은 세 가지 카테고리로 나눌 수 있다.
파라볼릭(Parabolic), 카세그레인(Cassegrain), 위상배열어레이(Phased Array)가 그것이다.
게다가 레이다 안테나가 주변 환경을 수집하는 방식은 레이다 시스템의 중요 설계 특징이 된다.
통합대공방어시스템(IADS, Integrated Air Defense System)에서 레이다의 스캔 방식은 특정 레이다가 사용되고 있음을 결정하는 요소가 되기도 한다.
레이다 안테나가 공간의 표적을 찾기 위해 사용되는 탐색을 스캐닝 또는 스윕핑이라고 부른다.
이번 챕터에서는 circular, unidirectional, bidirectional, helical, raster, palmer, conical, 그리고 TWS 레이다 시스템에 대해 알아본다.
[파라볼릭 안테나(Parabolic Antenna)]
세계적으로 가장 많이 사용되고 있는 레이다 안테나는 아래의 그림과 같은 파라볼릭 안테나일 것이다.
송신기로부터의 레이다 에너지는 피드(feed)라 불리는 소스에서 포물선 모양의 안테나로 방사된다.
이 피드는 포물선의 초점에 위치하며 레이다 에너지는 반사체 표면으로 향한다.
초첨에 위치하는 레이다 에너지의 소스는 동일한 위상을 갖는 전파면으로 바뀌기때문에 포물선 모양의 파라볼릭 안테나는 레이다 안테나 분야에 적합하다.
파라볼릭 안테나 표면의 모양이나 크기를 바꿈으로써 다양한 레이 빔 형상을 만들어 사용할 수 있다.
파라볼릭 안테나의 수평면을 늘리면 다음의 그림과 같은 파라볼릭 실린더 안테나라고 불리는 레이다 안테나 모양이 된다.
이 안테나의 패턴은 수직 방향으로 넓은 vertical fan beam이 되며 이러한 모양의 빔으로 원형 스캔을 하면 장거리 탐지 및 표적 획득 레이다 시스템에 적합하다.
파라볼릭 안테나의 수직면을 늘리면 수직 방향으로는 작으면서 수평 방향으로 넓은 형태의 horizontal fan beam이 형성되며 이러한 타입의 안테나는 일반적으로 고도 탐지 레이다 시스템에 적용된다.
또 다른 파라볼릭 안테나의 형태는 하나의 피드가 아닌 여러 개의 피드 어레이를 사용한 안테나이다.
이러한 형태의 파라볼릭 안테나는 여러 레이다 빔을 만들 수 있으며 각 피드의 각도와 공간에 따라 대칭 또는 비대칭 형태의 빔도 만들 수 있다.
[카세그레인 안테나(Cassegrain Antenna)]
카세그레인 안테나는 레이다 빔을 만들고 집중하기 위해 두 개의 반사기를 적용한 시스템이다.
주 반사기는 포물선 형태이며 두 번째 반사기 또는 서브 반사기는 쌍곡선 형태이다.
안테나 피드는 쌍곡선의 두 초점 중 하나에 위치한다.
송신기로부터의 레이다 에너지는 서브 반사기로부터 주 반사기로 반사되면서 레이다 빔을 집중한다.
표적으로부터 반사된 레이다 에너지는 주 반사기에 의해 수신되고 서브 반사기로 다시 반사되면서 수렴된다.
서브 반사기에서 반사된 레이다 에너지는 안테나의 피드 위치에서 수렴된다.
서브 반사기가 클수록 주 반사기와의 거리가 짧아질 수 있다.
이것은 레이다의 축 방향 크기를 줄일 수 있지만 서브 반사기에 의한 가림 영역이 커진다.
반대로 작은 서브 반사기는 가림 영역을 줄 일 수 있지만 주 반사기로부터의 거리가 멀어져야만 한다.
(Flat Plate 카세그레인 안테나)
서브 반사기에 의한 가림 영역을 줄이고 빠르게 레이다 빔을 스캔하기 위해 개발된 것이 Flat Plate 카세그레인 안테나이다.
고정된 포물선 반사기는 반파장의 길이보다 짧게 띄어진 평행 와이어가 저손실 유전체에 의해 지지되어 구성된다.
이것은 고정된 편광 파라볼릭 반사기가 되며 선형 편파를 완벽히 반사시키고 수직 편파에 대해서는 통과시킨다.
움직이는 미러(mirror)의 중심에 고정된 피드에서는 파라볼릭 반사기에 의해 반사될 편파의 레이다 신호를 송출한다.
이 움직이는 미러는 레이다 신호의 편파를 90° 바꿀수 있는 꼬여있는(twist) 반사기로 구성된다.
피드로부터의 레이다 신호는 파라볼릭 반사기에서 미러쪽으로 반사되면서 편파가 90° 돌아가게 된다.
다시 미러에서 반사된 신호는 파라볼릭 반사기를 최소한의 감쇄를 갖고 통과하게 된다.
레이다 빔은 이 움직이는 미러를 통해 넓은 지역을 스캔할 수 있다.
미러에서 θ만큼의 각도 변화는 빔 스캔 각도 2θ 만큼 변화하게 만든다.
이러한 형상의 카세그레인 안테나는 특히 모노펄스 추적 레이다 분야에 적합하다.
일반 파라볼릭 안테나와는 다르게 모노펄스 레이다에서 요구하는 복잡한 피드 조립체는 가림 영역을 피하기 위해서 반사기 뒤쪽에 위치할 수 있다.
[위상 배열 안테나(Phased Array Antenna)]
위상 배열 레이다는 컴퓨터와 디지털 기술의 발전이 레이다 설계에 접목되면서 파생된 산출물이라고 볼 수 있다.
위상 배열 안테나는 많은 송신과 수신 엘리먼트가 특정 패턴을 가지고 복잡하게 정렬된 것이다.
사실 위상 배열 안테나는 이러한 각각의 엘리먼트를 그룹핑하고 빠른 컴퓨터 제어로 각 그룹을 제어하면 하나 이상의 빔을 만들어 낼 수 있다.
이러한 멀티 빔과 레이다 반사 신호의 컴퓨터 처리를 통해 위상 배열 레이다는 탐색 중 추적(TWS, Track-While-Scan)과 다중 표적을 동시에 교전할 수 있게 된다.
위상 배열 레이다는 각각의 송신과 수신 엘리먼트를 제어하기 위해 레이다 위상 원리를 이용한다.
두 개의 송신 신호 주파수가 동일 위상이라면 신호의 크기가 더해지고 방사되는 에너지는 두배가 된다.
두 개의 송신 신호 주파수가 서로 반대 위상을 갖는다면 두 신호는 서로 상쇄된다.
위상 배열 레이다는 이러한 원리를 이용하여 방사되는 레이다 빔의 모양을 제어한다.
안테나 엘리먼트들의 위상간 관계와 간격은 방사되는 레이다 빔의 방향을 결정한다.
아래의 그림과 같이 안테나 엘리먼트 A, B가 서로 반파장의 길이만큼 떨어져 있고 동일 위상의 신호를 송출한다면 A에서 + 방향의 피크일 때 역시 B에서도 + 방향의 피크가 된다.
엘리먼트가 반파장의 길이만큼 떨어져 있기 때문에 A에서 + 방향의 피크가 송출되어 B에 닿을 때가 되면 B는 - 방향의 피크가 된다.
따라서 X 축을 따라서 신호는 서로 상쇄된다.
그러나 Y 축을 따라서는 + 방향의 피크가 서로 합쳐져서 최대 값을 갖게 된다.
이러한 타입의 배열을 “broadside array”라고 부르며 대부분 방사는 안테나 배열의 측면 방향으로 이루어진다.
만약 동일한 안테나 엘리먼트에서 위상이 반대로 송출된다면 엘리먼트 A에서 +방향의 피크 신호는 B에 닿았을 때에 엘리먼트 B 역시 + 방향의 피크가 되어 배열의 끝 방향으로 에너지는 강하게 형성된다.
반대로 Y 축을 따라서는 서로 반대의 위상 신호가 만나 상쇄된다.
이러한 타입의 배열을 “end-fire array”라고 부른다.
위상 배열 안테나의 각 송수신 엘리먼트에 도달하는 신호의 위상을 컴퓨터로 제어하면 방사되는 빔의 방향과 형상을 제어할 수 있다.
신호의 위상을 0°에서 180°사이를 변화시켜 빔을 스윕 시킬 수 있다.
이것이 기본적인 안테나 스캔의 방식이 된다.
게다가 각 엘리먼트에 적용되는 신호의 크기나 세기를 변화시켜 부엽(sidelobe)을 제어할 수 있다.
이렇게 빔의 형상을 변화시키는 것은 레이다의 탐지 거리나 각도 해상도에 영향을 준다.
아래의 그림과 같은 위상 배열 안테나의 파생형은 평판 배열 안테나라고 부른다.
평판 배열 안테나는 선형으로 배열된 송/수신 엘리먼트를 사용하며 위상 배열 레이다와는 다르게 엘리먼트들은 더 작고 움직이는 평판 위에 배치된다.
이러한 타입의 레이다는 동시에 여러 표적을 추적할 수 있는 장점이 있다.
[안테나 이득(Antenna Gain)]
어떤 안테나든지 안테나의 가장 중요한 특성은 안테나 이득이다.
안테나 이득은 안테나가 원하는 방향에서의 에너지를 집중 시킬 수 있는 능력을 측정한 것이다.
안테나 이득을 수신 이득과 헷갈려서는 안된다.
수신 이득은 레이다 시스템의 수신기 부분의 민감도를 의미한다.
안테나 이득에는 다음의 두 가지 유형의 이득이 있다.
(1) 지향 이득(Directive Gain)
송신 안테나의 지향 이득은 특정 방향으로 방사되는 신호의 강도를 측정한 것이며 레이다 안테나의 송신 패턴 형태에 따라 달라진다.
지향 이득은 안테나의 소실 감소를 고려하지 않으며 아래의 식으로 구할 수 있다.
(2) 파워 이득
파워 이득은 역시 안테나의 소실 감소를 고려하지 않으며 아래의 식과 같다.
등방성 안테나(Isotropic Antenna)는 모든 방향으로 동일한 세기의 신호를 송출하는 이론적으로 구 형태인 안테나를 말한다.
등방성 안테나의 특정 지점에서의 전력 밀도(Power Density)는 방사 세기가 되고 전체 송신 전력을 구의 전체 면적으로 나누어 계산할 수 있다.
등방성 안테나나 구 안테나의 방사 패턴에서는 방위나 고각 해상도를 제공하지 않으며 레이다 분야에서도 사용될 수 없다.
실제 안테나의 방위나 고각 해상도를 제공하기 위해서는 레이다의 에너지를 집중시켜야 한다.
실제 안테나의 전력 밀도가 등방성 안테나의 전력 밀도와 다른 점은 안테나 이득(G)이 포함된다는 것이다.
아래의 식은 실제 안테나의 전력 밀도를 나타낸다.
또한, 실제 안테나의 실제 전력 이득(G)은 다음의 식으로 구할 수 있다.
Ae = 안테나 유효 면적
ƛ= 레이다 파장
[전력 밀도]
안테나의 전력 밀도와 이득은 레이다 시스템의 안테나 패턴과 관련이 있다.
다음의 그림은 일반적인 파라볼릭 안테나의 패턴을 나타낸 것이다.
레이다의 대부분 전력 밀도는 주 빔(Main Beam)에 집중되어 있다.
그러나 레이다는 완벽한 반사기가 아니기 때문에 어느 정도의 레이다 에너지가 부엽으로 송출된다.
게다가 반사기에 의해 반사되지 못한 피드로부터의 레이다 에너지가 있기 때문에 외부로 누설되는 방사가 발생한다.
또한 반사기의 굴절 효과와 직접적으로 누설되는 신호등에 의해 안테나 뒤쪽으로의 백로브(Backlobe)도 존재한다.
이러한 부엽과 백로브는 원치 않는 신호이며 레이다의 최대 탐지 거리에 안 좋은 영향을 주고 재밍에 의한 취약성도 증가시키게 된다.
모든 레이다는 표적 탐지를 하려는 방향에 대부분의 전력을 집중시킨 주 빔을 갖고 있으며 이러한 주 빔의 크기는 안테나의 설계에 따라 달라진다.
주 빔 외에 모든 레이다는 백로브로 불리는 측면의 로브를 갖게 된다.
이 로브는 주 빔의 정반대 방향에 존재한다.
이 백로브와 연관된 민감도나 세기는 주 빔에 비해 매우 작다.
부엽은 또 다른 레이다 빔의 패턴이다.
백로브와 마찬가지로 주 빔에 비해 민감도와 크기는 작으며 보통 주 빔에서 40~50dB 정도 작다.
레이다 신호가 주 빔에 비해 부엽과 백로브에서 약하다는 것은 이 영역에서 레이다 신호가 재밍에 취약하다는 것을 의미한다.
재밍 신호는 레이다의 주 빔에서 효과적이지 못한데 그 이유는 주 빔 영역에서 레이다의 신호가 매우 강하기 때문이다.
다음에는 2부로서 다양한 레이다의 스캔에 대해서 알아보겠다.
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