2026. 1. 20. 21:00ㆍElectronic Warfare/EW News
안테나는 방위산업에 대한 이야기를 할 때에 그리 많이 등장하지는 않습니다. 그러나 그렇다고 해서 안테나 기술이 심도있는 개발이 이루어지고 있다는 의미는 아닙니다. 단지, AI나 양자, 드론과 같이 하이테크의 혁신적인 기술로 부각되지 않기 때문입니다. 그러나 조금만 살펴보면 실제 꽤 흥미로운 새로운 안테나 기술들이 있음을 알 수 있습니다.
Meta Antennas
가장 많이 알려진 최신 안테나 기술 중 하나는 메타물질을 기반으로 하는 것이며 이는 NIM(Negative Index Metamaterials)이라고도 알려져 있습니다. 여기서 “negative Index of refraction”이란 에너지 흐름과 전파의 방향이 서로 반대인 특성을 말합니다. 좀 더 실질적인 의미로, 이는 파장이 구조 안으로 들어갈때 일반적인 물질과는 반대의 방향으로 굴절이 일어난다는 것 입니다. 이것은 후방-전파 전파와 같은 특별한 효과를 만들며 회절의 한계를 넘어 에너지를 모을 수 있는 렌즈를 만들 수 있는 가능성을 말해줍니다.
구조는 반복되는 패턴으로 정렬된 셀들로 구성됩니다. 각 셀은 시스템의 특성에 기반하여 응답을 하며 특별한 형상과 크기등으로 설계된 안테나는 전자기 파장을 차단 또는 흡수, 강화 또는 굴절 시키도록 만들 수 있습니다.
하나의 NIM은 두 개의 기본적인 구조를 갖습니다. 첫 번째는 얇은 금속 와이어로된 배열이며 이는 들어오는 전파의 전기적 성분에 반응합니다. 그리고 음수의 유전율을 만듦니다. 두 번째는 split-ring 공진기라 불리는 금속성 루프의 격자이며 전파의 자기 성분과 커플되어 음수의 유전율을 만듦니다. 이 두 가지의 응답은 주파수 상에서 서로 겹쳐져 복합재는 마치 음수와 양수의 유전율을 모두 갖는 것 처럼 작동합니다. 그리고 결과적으로 음의 굴절율을 갖게됩니다. 결론적으로, 전자기 파장은 이 복합재 내에서 거꾸로된 방향으로 진행하는 것 처럼 보이게되고 그 결과는 전파가 사물을 덜 보이게 할 수 있습니다.
이러한 특징은 통신과 안테나, 스텔스 기술에 활용이 가능합니다. 앞에서 얘기했듯이, 기존의 안테나는 파장의 ¼ 길이만한 안테나가 필요합니다. 그러나 메타물질을 기반으로 한 안테나는 파장의 1/10 또는 1/15만큼 작아질 수 있습니다. 그래서 동일 주파수 대역에서 동작하는 기존의 안테나보다 3배에서 10배까지도 작게 만들 수 있습니다.
러시아의 물리학자인 Victor Veselago는 1968년 이 negative index 물질에 대해 예측을 했었습니다. 그러나 당시에 그는 동작하는 장치를 만들어내지는 못했습니다. 2000년대에 들어서 David R. Smith 연구그룹(메타 그룹)은 첫 번째로 마이크로 주파수 대역에서 동작하는 NIM 안테나를 선보였습니다.
Smith의 연구팀은 마이크로 방사 대역에서 배의 존재를 가릴 수 있는 메타물질을 만들어서 미 해군의 찬사를 받았습니다. 실제로 거의 모든 형태의 센서로부터 거의 안보이도록 만들었습니다. 사실, 미해군은 이 메타물질로 배 전체를 안보이게 하는 것을 꿈꾸고 있으며 그 이유는 이들은 다이내믹하게 전기적과 자기장 상에서 형상을 마음대로 만들 수 있기 때문입니다.
대부분의 탐지 시스템은 반사 신호나 들어오는 신호를 수신하여 이를 측정하는 것에 의존하고 있습니다. 만약 표면이 반사와 흡수를 모두 제거할 수 있다면 이는 보이지 않게 됩니다.
Kymeta는 위성 통신을 위한 메타물질 안테나의 상용업체로 가장 유명한 곳 중 하나입니다. 이 회사는 안테나 빔을 홀로그래피 방식으로 정의하기 위해 굴절 표면 대신 회절 표면을 사용하며, 각 셀의 공진 주파수를 이용하여 동적으로 재구성 가능한 회절 격자를 형성합니다. Kymeta의 설계는 요소 조정을 위해 크리스탈의 유전율을 사용하며, 장비 수정 없이 위성 편파 방식에 맞게 선형에서 원형으로 동적 조정 가능한 편파를 제공합니다.
능동 위상 변위기 또는 증폭기 없이 수동 소자로서 일반적인 위상 배열이나 전자 스캔 안테나에 비해 전력 손실을 최소화할 수있습니다. 메타표면은 홀로그래픽 패턴을 만들어 정밀한 구성 위상이나 세기 조절을 통해 Fresnel 렌즈나 다른 회절 광학 구성을 만들어 낼 수 있습니다. 다른 회사들은 이 기술을 이용하여 Evolv 기술을 포함한 다른 응용의 안테나를 사용하며 이는 공항 검색대에서 사용되는 밀리미터파 스캐너에도 기여합니다.
Plasma Antannas
플라즈마 안테나는 현대 가장 최신의 안테나 개념입니다. 그러나 그 개념의 시작은 거의 한 세기 전으로 거슬러 올라갑니다. SIr William Crookes는 1879년 플라즈마의 4번째 상태로 발견했으며 1919년 영국의 물리학자 John Hettinger는 플라즈마의 잠재적인 활용성을 알았으며 “Aerial Conductor for Wireless Signaling and Other Purposes” 라는 특허를 냈습니다.
최근 물리학 박사이자 안테나 설계자, 그리고 Haleakala 연구소의 CEO인 Theodore Anderson는 1990년부터 플라즈마 안테나 연구를 시작했습니다. 그의 특허는 플라즈마 기술을 이용하여 전자기의 송신과 수신, 필터링, 그리고 반사에 대한 내용을 담고 있습니다.
가스는 일반적으로 절연체입니다. 그리고 가스가 열이나 이온화되어 전자기 에너지장에 노출되면 도체가 됩니다. 여기서 원자가 이온과 전자로 변하여 플라즈마가 생성됩니다. 이는 밀리미터파 대역까지 전자기 방사를 생성합니다. 플라즈마 안테나는 기존의 안테나에 비해 엄청난 장점을 가집니다. 플라즈마 안테나는 설계에 따라 매우 적은 구성 요소로만으로 빔 조향과 빔포밍 기능을 제공할 수 있으며 매우 빠르게 이온화된 필라멘트 길이를 변화시킬수 있기 때문에 빠른 주파수 변경이 가능합니다.
플라즈마 안테나는 전원이 공급된 상태에서도 레이다 시스템에 탐지가 불가능합니다. 그 이유는 플라즈마 주파수에서 송신에 대해 투명하기 때문입니다. 또한 이는 마이크로파 대역에 포함되기 때문에 편리합니다. 이들은 간섭에도 매우 강한데 그 이유는 플라즈마 주파수가 충분히 낮을 때 신호가 송신이나 수신 특성에 영향 없이 안테나를 통과하기 때문입니다. 또한 태생적으로 사이드로브가 작기 때문에 간섭에 강한 특성을 갖습니다.
플라즈마 안테나는 반도체와 가스의 두 가지 카테고리로 분류할 수 있습니다. 반도체 형태는 처음 형광등이나 네온등을 제조하는 기술을 사용하여 개발되었습니다. 최신의 플라즈마 실리콘 안테나인 PSiANs는 표준 실리콘 제조 공정을 사용합니다. PSiAN은 실리콘 칩 위에 수천개의 다이오드를 포함하고 있으며 활성화되면, 전자 구름을 생성하여 플라즈마 형태가 됩니다. 충분한 전자 밀도와 함께 개별의 다이오드는 활성화와 비활성화되면서 마치 거울과 같이 RF 에너지를 반사합니다. 그 결과 빔이 집중되고 조향됩니다.
이 설계에서 금속성의 실리콘은 RF 에너지에 도파관과 얇은 원형 렌즈 역할을 하며 안테나 빔을 만들어냅니다. 전기적으로 생성된 플라즈마는 RF 에너지 경로를 바꾸어 빔을 회전시킵니다. 28 GHz의 PSiAN은 10mm 직경을 갖으며 60 GHz 버전은 약 4 mm로 작아집니다. 만약 낮은 이득을 갖는 것이 가능하다면, RF는 프린팅된 표면을 통해 칩에서 직접 방사가 가능합니다.
또 다른 혁신적인 방법은 Haleakala에서 연구 중인 것으로 극초음속 무기 주변에서 발생하는 플라즈마를 안테나로 이용하는 것 입니다.
Millimeter-Wave Antannas
수동형 밀리미터파(PMMW, Passive Millimeter-Wave) 카메라는 LiDAR와 전자-광학 센서를 보완하며 지형과 건물, 고속도로, 물체등을 센싱하여 상황 인식 기능과 비전 시스템을 강화할 수 있습니다. 예를 들어 항공기의 경우, 이러한 센서들은 합성 센서 시스템에 데이터를 제공하여 조종사에게 밤이나 연기, 먼지 속에서도 지상을 볼수 있게 합니다. PMMW 카메라는 자체적으로 발산하는 복사열을 수집하고 다양한 사물로부터 반사되거나 방사되는 복사열을 이용하여 2차원 지도를 생성합니다.
4가지의 PMMW 이미징 시스템이 있습니다. 그것은 기계식 스캐닝과 위상 배열, 합성 개구면, 그리고 초점면 배열 (FPA, Focal-Plane Array)이 있습니다. 단일 채널 기계식 스캐닝 시스템은 단순하고 비용대비 효과가 높아 현재 많은 장점을 갖고 있습니다.
PMMW 시스템은 또한 스탠드오프 ISR 임무에 배치되었으며 넓은 영역에서 사람과 자동차등을 구분하는데 도움을 주고 있습니다.
Liquid Metal Antennas
이 안테나 기술은 gallium-indium-tin(Galinstan) 이나 eutectic gallium-indium(EGaln)와 같은 도체 성질의 갈륨 기반 액체 금속을 사용하며 주파수 응답 특성과 방사 패턴을 변화시키기 위해서 물리적인 변형이 가능합니다. 이 안테나는 실시간으로 물리적 구조를 바꿀 수 있어서 적응형 안테나가 가능합니다. 이러한 액체 금속은 일반 온도에서 액체 상태를 갖으며 일반 고체의 메탈과 같은 아주 우수한 전기적 도체 성질을 갖습니다. 일반적으로 딱딱한 구리나 알루미늄 안테나와는 다르게 액체 금속 안테나는 늘어나고 굽어지며 부서지지 않고 형상을 재구성할 수 있습니다. 이러한 유연한 성질은 동작 중 형상과 운영 특성 변경이 가능합니다.
이러한 액체 금속 안테나의 가장 큰 장점은 재구성이 가능하다는 것 입니다. 형상을 바꿈으로서 공명 주파수나 방사 패턴, 편파, 그리고 임피던스를 동적으로 변화시킬 수 있습니다. 이러한 특징으로 인해 신체의 동작에 적합해야 하는 입는 장치와 같은 적응형 통신 시스템이나 주파수 agile 통신 시스템에서 활용할 수 있습니다.
연구자들은 일반적으로 이러한 액체 금속을 폴리디메틸실록산(PDMS)과 같은 재료로 만들어진 탄성체 채널이나 미세유체 구조 안에 담습니다. 액체는 전자기 작동, 공압, 또는 기계적 변형을 포함한 다양한 방법을 통해 조작될 수 있습니다.이러한 안테나는 유망하지만, 표면 산화로 인해 전도성에 영향을 줄 수 있으며 누출을 방지하기 위한 효과적인 밀폐 시스템이 필요합니다. 연구자들은 현재 신뢰성을 높이고 더 나은 갭슐화 방법, 그리고 더욱 복잡한 제어 메커니즘 개발을 위해 노력하고 있습니다.
Fractal Antennas
1990년대 초 Nathan Cohen 박사는 광범위한 범위에서 fractal 안테나를 연구했으며 Fractal Antenna Systems을 공동 설립하기도 했습니다. 그는 작고 다중 밴드 특성의 그리고 광대역 안테나를 설계하기 위해서 fractal 형상을 연구하기 시작했습니다. Fractal 형상은 1970년대 수학자 Benoit Mandelbrot가 개발하였지만 Cohen은 이를 처음으로 안테나 설계에 적용하여 Fractal 안테나는 크기를 줄이고 다중 주파수 대역에 걸쳐 성능을 개선시킬 수 있음을 보여주었습니다.
Fractal 안테나는 Fractal 형상을 사용한 형상의 방사 구성을 갖습니다. 현존하는 다이폴이나 모노폴, 패치, 컨포멀, 바이코니컬, 스파이럴, 그리고 헤리컬 설계의 안테나들을 Fractal 버전으로 만들어낼 수 있습니다.
Fractal 안테나의 독특하면서 반복적인 형상은 몇 가지 중요한 장점을 갖습니다. Fractal 안테나는 부가적인 구성이나 회로 없이도 다중 주파수 밴드를 동시에 사용할 수 있습니다. 이러한 다중 밴드 기능은 Fractal 패턴 내부에 서로 다른 크기의 구성이 포함되어 있어서 이를 통해 서로 다른 주파수 공진이 가능합니다.
이러한 안테나는 모바일 통신부터 무선 네트워크, loT 장치, RFID 시스템, 그리고 국방 시스템에 사용되고 있습니다.
Software-Defined Antannas
소프트웨어 정의 라디오와 같이 국방 시스템에서 소프트웨어-정의 안테나는 많이 연구되고 있습니다. 이 안테나는 소프트웨어와 결합되어 하나의 안테나로 서로 다른 주파수와 편파, 그리고 방사 패턴을 적응적으로 만들어낼 수 있습니다. 즉, 물리적 하드웨어 보단 소프트웨어를 통해 제어될 수 있습니다.
소프트웨어-정의 안테나 시스템의 핵심은 배열 안테나와 이와 연결된 위상 변위기, 감쇄기, 스위치등과 같은 프로그래밍이 가능한 구성품들입니다. 이러한 구성품들은 복잡한 신호 처리 알고리즘으로 제어되며 빠르게 송신과 수신 신호를 변형시킬 수 있습니다. 이러한 구조는 안테나가 환경 조건이나 간섭 패턴, 또는 비행 중 통신의 요구에 따라 적응하여 변결될 수 있습니다.
소프트웨어-정의 안테나는 최적의 성능 특성을 위해 디지털 신호 처리 기술과 연동됩니다, 안테나는 빔을 전자전으로 조향하여 에너지를 특정 위치에 집중시킬 수 있고 간섭에 대해 널을 형성할 수 있으며 서로 다른 주파수 대역에서 동시에 연결이 가능토록 지원할 수 있습니다. 이러한 유연성은 복잡한 신호 환경에서 그 특별함이 더해진다고 할 수 있습니다.
유연성이 있지만 소프트웨어-정의 안테나는 일반적으로 기존의 안테나보다 더욱 복잡한 제어 시스템과 전력을 요구합니다. 현재 많은 연구원들은 다양한 운영 시나리오 속에서 최적의 성능을 위해 효율성을 높이고, 복잡성을 줄이며, 더욱 발전된 제어 알고리즘을 개발하도록 노력하고 있습니다.
보이지 않는 안테나
투명 안테나는 indium tin oxide(ITO)와 같은 금속을 사용한 도체 필름으로 만들어지거나 안테나로서 기능을 할 때에 높은 레벨의 빛을 통과시키는 매쉬 구조로 만들어집니다. 이러한 방식은 자동차의 창문이나 디스플레이, 또는 태양광 패널과 통합이 가능합니다. 전도성 고분자와 생체 재료에 대한 현재 연구는 유연하고 생분해되거나 자가 치유되는 안테나 시스템을 만들 수 있습니다.
몇몇 기업들은 ITO 이상의 발전된 투명 안테나 기술을 연구하고 있습니다. 캐나다 기업인 Meta Materials는 NANOWEB라 불리는 물질을 만들었으며 이것은 기존의 ITO나 ITO와 관련된 다른 기술보다 더 우수한 성능을 제공할 수 있다고 말합니다. 이 안테나는 400 MHz 에서 92 GHz 사이에서 동작하며 99%의 광학적 투명도를 갖으며 크기는 300 mm에 불과하다고 합니다. 활용 범위는 레이다 흡수와 산란, 빔 조향, 다양한 상업용으로 활용이 가능합니다. 이 안테나는 어느 유리나 플라스틱 위에 만들어어질수 있고 인간의 눈으로는 보이지 않습니다.
딱딱하고 패턴이 없는 필림과 달리 금속성 매쉬는 미세하게 조정된 도체 선입니다. 이 전략적인 패턴은 표면을 열린 상태로 만들고 최소한의 방해로 빛을 통과시킬 수 있습니다. 금속의 도체성은 매우 높은 수준으로 유지되는데 연속적인 와이어가 전기 흐름을 위한 효율적인 길을 만들어주기 때문입니다. 이러한 독특한 설계는 매쉬가 더 많은 에너지를 송신할수 있게 해주며 높은 에너지 효율과 매우 낮은 소모전력을 갖습니다.
이러한 층의 투명성은 매쉬의 기하학적 설계 때문이며 1 미크론보다 폭이 좁은 선들은 사람눈으로 매쉬가 보이지 않습니다. 이 기술은 은이나 알루미늄, 플랜티늄, 구리, 그리고 니켈과 같은 다양한 금속 위에 만들어질 수 있습니다.
Gradient Index (GRIN) Metamaterial Lens Antennas
Grin 렌즈 안테나는 정밀하게 설계된 공간적인 굴절률 경사 분포를 통해 전자기파의 위상 진행을 조절합니다. 전자기파가 렌즈를 통과할 때, 다양한 지점에서의 굴절률의 연속적인 변화는 전파면의 여러 위치에서 서로다른 위상 지연을 만들어냅니다. 이것은 피드로부터의 원형 전파면을 평면 전파면으로 변형시킴으로써 빔의 집중도와 형상된 지향성을 갖게합니다. 변화하는 이온의 집중과 유리로부터 만들어진 광학적 GRIN 렌즈와는 다르게전자기 GRIN 렌즈 안테나는 일반적으로 메타재질을 사용하여 만듭니다.
이것은 경사 굴절률의 매타물질이 배열된 구조를 기반으로 사각형의 쪼개진 링 공진기로 구성됩니다. GRIN 렌즈는 깊은 파장 홀이 분포된 비유전 판으로 만들어집니다. 이러한 GRIN 비유전 렌즈와 안테나는 안테나 이득과 지향성, 안테나 패턴, 조향 각도, 밴드폭, 그리고 다른 중요 안테나 파라미터를 극적으로 변화시킬 수 있습니다. Cheshir Industries나 Fortify, MDPI와 같은 기업들은 GRIN 안테나 기술을 개발하고 있으며 다양한 군사용, 드론 통신, 위성 통신, 그리고 고출력 마이트로파 무기용 기술을 개발합니다.
14.25 GHz 대역에서 이 안테나는 90% 이상의 안테나 효율을 갖는 26.6 dBi 이득을 구현할 수 있습니다. 94 GHz에서의 최대 이득은 23.2 dBi 입니다. 초광대역 운용 역시 가능한데, 1에서 5 GHz 사이에서 임피던스 대역폭은 133%이며 최대 이득은 18.6 dBi 입니다.
Quantum Antennas
양자 안테나는 최근 떠오르는 기술이며, 양자 기계 특성을 이용하여 기존의 안테나와는 완전히 다른 방식으로 전자기 신호를 송신하고 수신합니다. 기존 전자기학 원리에 기반하여 작동하는 일반적인 안테나와는 달리, 양자 안테나는 양자 얽힘, 중첩, 양자 결맞음과 같은 양자 현상을 활용합니다.
이 안테나는 일반적으로 인공적인 원자나 양자 dots, 또는 다이아몬드의 질소 공극 중심과 같은 양자 에미터들을 포함하고 있습니다. 양자 특성을 기반으로 한 이 안테나는 감도의 강화, 양자 암호화 원리를 통한 보안, 그리고 기존의 안테나가 갖지못하는 고유의 스펙트럴 특성을 만듭니다.
안테나와 전자기필드 간의 양자 커플링으로인해 양자 안테나는 더 작은 크기에서 더 높은 효율성을 가질 수 있습니다. 또한 더 좋은 지향성, 더 넓은 밴드폭도 가능합니다.
출처 : The Journal of Electormagnetic Dominance
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