항공기 및 미사일용 레이돔 설계에 관한 연구

나형기(Hyung-Gi Na),박창현(Chang-Hyun Park) 대한전자공학회 1999 대한전자공학회 학술대회 Vol.1999 No.11

평면형 능동 위상 배열 레이더용 안테나 시스템 개발

전상미(Sang-Mi Chon),나형기(Hyung-Gi Na),김수범(Soo-Bum Kim),이정원(Jeong-Won Lee),김동윤(Dong-Yoon Kim),김선주(Seon-Joo Kim),안창수(Chang-Soo Ahn),이창희(Chang-Hee Lee) 한국전자파학회 2009 한국전자파학회논문지 Vol.20 No.12

본 논문에서는 레이더용 평면형 능동 위상 배열 안테나 시스템의 설계 및 제작 그리고 측정 결과를 소개한다. 설계된 안테나는 X-대역에서 대역폭 10 %를 만족하며, 이중 슬롯 급전 마이크로스트립 패치 안테나와 편파 스위치의 사용으로 이중 편파 사용이 가능하다. 배열 구조는 16×16의 삼각 배열 구조이고, 각 배열은 출력 40 ㏈m 이상의 TR(Transmit & Receive) 모듈로 구성된다. TR 모듈은 디지털 감쇄기와 위상 변위기를 포함하고 있어서 임의의 빔 형성/빔 조향을 할 수 있으며, 전자적 빔 조향 범위는 방위각/고각 방향으로 각각 ±60° 범위에서 가능하다. 또한 수신 구조는 부배열로 구성하여 수신 패턴은 각 채널로부터의 RF 빔 합성으로 얻어진다. 안테나의 성능 검증을 위해서 근접 전계 측정 시설에서 안테나 패턴을 측정하였으며, 패턴 측정 결과는 예측된 빔 패턴과 거의 일치하였고, 이로부터 제어에 의한 빔 조향/빔 형성이 가능함을 확인할 수 있었다. The design and implementation of planar Active Phased Array Antenna System are described in this paper. This Antenna system operates at X-band with its bandwidth 10 % and dual polarization is realized using dual slot feeding microstrip patch antenna and SPDT(Single Pole Double Through) switch. Array Structure is 16×16 triangular lattice structure and each array is composed of TR(Transmit & Receive) module with more than 40 ㏈m power. Each TR module includes digital attenuator and phase shifter so that antenna beam can be electronically steered over a scan angle(±60°). Measurement of antenna pattern is conducted using a near field chamber and the results coincide with the expected beam pattern. From these results, it can be convinced that this antenna can be used with control of beam steering and beam shaping.

레이더용 X-대역 63 Watt Pulsed SSPA 개발

정민길(Min-Kil Chong),나형기(Hyung-Gi Na) 한국전자파학회 2011 한국전자파학회논문지 Vol.22 No.3

본 논문에서는 소형 하이브리드 HMIC(Hybrid Microwave Integrated Circuits)를 사용하여 레이더용 X-대역 63 watt 펄스 구동형(pulsed) SSPA(Solid State Power Amplifier)를 개발하였다. Pulsed SSPA는 전원공급기와 초단증폭기, 구동증폭기, 고출력을 위한 최종단 증폭기의 3단의 증폭기로 구성되어 있다. 70도의 고온에서도 듀티 1.2 %이고, 짧은 펄스 폭에서 63 watts 이상의 출력을 얻었다. 제작된 모듈은 동작대역 내에서 포화 상태의 이득 37 ㏈ 성능을 보였다. 입출력 정재파비는 1.5:1 미만을 만족하였다. 이 모듈은 +28 Vdc로 동작되고 400 ㎃ 전력소모를 가진다. 본 논문에서 개발한 SSPA는 고속으로 동작하는 펄스 도플러 레이더에 적용할 수 있다. In this paper, we developed the X-band 63 watt pulsed SSPA(Solid State Power Amplifier) by using HMIC(Hybrid Microwave Integrated Circuits). The pulsed SSPA consists of power supply and 3-stage amplifier modules : pre- amplifier stage, driver-amplifier stage, final-amplifier stage. The developed pulsed SSPA provides more than 63 watts of output power with a short pulse width and the duty cycle of up to 1.2 % at 70 ℃. The fabricated module offers great than 37 ㏈ of saturated gain across the operating band. Input and output VSWR is <1.5:1. This module has an average current of 400 ㎃ typical and operates at a +28 Vdc supply. The developed SSPA in this paper can apply to pulsed Doppler radar with high speed operation.

비공진형 협벽 도파관 슬롯 배열 설계를 위한 효율적인 슬롯 어드미턴스 추출 방법에 관한 연구

박종국(Jongkuk Park),한기진(Ki Jin Han),나형기(Hyung-gi Na),김찬홍(Chan-hong Kim),이동국(Dong-kook Lee) 한국전자파학회 2008 한국전자파학회논문지 Vol.19 No.11

본 논문에서는 비공진형 협벽 도파관 슬롯 배열 설계를 위해 필요한 기준이 되는 단위 슬롯 어드미턴스를 해석적으로 추출하는 방법을 제시하였다. 충분한 개수의 동일 기울임 각을 가지는 교번 슬롯 구조에 대해, 도파관 협벽의 단위 슬롯과 단위 슬롯 양쪽에 이웃한 전송선 부분을 균일한 손실 전송선으로 근사하고, 이로부터 손쉽게 전체의 ABCD 행렬을 계산하여 전체의 시뮬레이션 또는 측정값과 비교함으로써, 손실 전송선의 복소특성 임피던스와 복소 전파 상수를 구하고 해석적으로 정규화된 슬롯 어드미턴스를 추출하였다. 제안한 방법의 타당성을 입증하기 위해, X-대역 협벽 도파관 슬롯 배열 설계용으로 제작된 기준 슬롯 도파관 샘플의 정규화된 슬롯 어드미턴스를 구하고 기존의 방법으로 얻은 값과 비교하여 잘 일치함을 보였다. In this paper, an analytic method is proposed to extract the reference slot admittance required for the design of a non-resonant waveguide edge slot array. A slot and two neighboring transmission line sections of the numerous alternately inclined slots with the identical inclination angle are modelled as a uniform lossy transmission line, and thus, the total ABCD matrix is easily calculated and compared with the simulated or measured one. From this procedure, the complex characteristic impedance and the complex propagation constant of the lossy transmission line are calculated and the normalized slot admittance is analytically obtained. In order to validate the proposed method, the admittance value of a reference slotted waveguide fabricated for designing the X-band edge slot array is extracted and it is compared with the one obtained by the other conventional method.

합/차/부엽 억제 채널을 갖는 모노펄스 보조 감시 레이더(용) 안테나

최종환(Jong-Hwan Choi),채희덕(Hee-Duck Chae),박종국(Jongkuk Park),나형기(Hyung-Gi Na) 한국전자파학회 2011 한국전자파학회논문지 Vol.22 No.7

본 논문에서는 레이더 표적의 피아 식별을 위해 일반적으로 사용되는 모노펄스 보조 감시 레이더용 안테나의 개발 방안 및 결과를 제시하였다. 개발된 안테나는 수동 선형 배열 안테나로서 횡급전기와 다수의 배열 소자로 구성된다. 횡급전기는 포트별로 전력 및 위상비가 최적화된 합, 차 및 부엽 억제 채널을 제공하며, 19개의 배열 소자와 1개의 후방 배열 소자와 연결되어 방위각 방향으로 빔 패턴을 형성한다. 합 채널 빔 패턴의 방위각 최대 부엽 수준은 -20 ㏈c 이하이며, 부엽 억제 채널 빔 패턴은 합 채널 빔 패턴의 주 빔 이외의 전 영역에서 부엽을 덮도록 한다. 그리고 차 채널 빔 패턴은 방위각 방향의 탐지 정확도를 높이기 위한 모노펄스 기능에 사용된다. 한편, 배열 소자는 고각 방향으로 성형 빔(shaped-beam)을 형성하여 지면으로부터의 강한 클러터 영향 및 당중경로 효과를 억제할 수 있도록 하였다. 개발된 안테나는 산란계수 측정 및 원전계 빔 패턴 시험을 통해 주어진 개발 규격을 모두 잘 만족하는 것을 확인하였다. In this paper, development of the monopulse secondary surveillance radar antenna which can be used for IFF system is presented. This antenna that is passive linear array is comprised of the row-feeder and several array-elements. The row-feeder provides sum, different and SLS(Sidelobe Supression) channels which are optimized the distribution of the power and phase ratio. The azimuthe sidelobe level of the sum channel beam pattern is -20 ㏈c or less. The SLS channel covers the sidelobe of the sum-chanel in the whole azimuth angle range. And the difference channel is used to perform the mono-pulse function, improves the detection accuracy in the azimuth direction. Meanwhile, the arrayelement makes shaped beam in the elevation angle, in order to eliminate the clutter and multipath effects from the ground. Performance of the antenna developed is verified by the measurement of S-parameters and far-field beam pattern, and satisfies all of the development specifications well.

고조파 제어 회로를 이용한 X-대역 전력 증폭기의 효율 개선에 관한 연구

김형종(Hyoung-Jong Kim),최진주(Jin-Joo Choi),김동윤(Dong-Yoon Kim),나형기(Hyung-Gi Na) 한국전자파학회 2010 한국전자파학회논문지 Vol.21 No.9

본 논문에서는 간단하면서도 효과적인 능동적인 로드 풀(active load-pull) 방법을 제시하고, 고조파의 임피던스 성분을 제어하는 회로를 사용하여, X-대역 전력 증폭기의 효율을 개선시킬 수 있는 방법에 관하여 연구하였다. 제안된 능동적인 로드 풀 시스템은 크게 방향성 결합기와 위상 변위기, 단락 회로, 그리고 전력 증폭기로 구성되어 있으며, 전통적인 능동적인 로드 풀 방법에 비해 반사 계수가 1인 지점까지 임피던스를 쉽게 가져다 놓을 수 있다. 본 논문에서 사용된 소자는 Mitsubishi사의 GaAs FET인 MGF1801이며, 9 ㎓의 동작 주파수에서 class-A일 때, 21.65 ㏈m의 출력 전력과 24.9 %의 드레인 효율을 얻었고, class-AB일 때, 21.46 ㏈m의 출력 전력과 53.3%의 드레인 효율을 얻었다. 고조파 제어 회로는 실험에 사용된 초고주파 부품의 주파수 대역폭의 한계로 인해, 2차와 3차 항 성분까지만 고려하여 설계하였으며, class-AB에서, 6.4 %의 효율이 증가된 것을 확인하였다. In this paper, a simple and effective active load-pull method is proposed, and the method to improve the efficiency of X-band power amplifier using harmonic control circuit is presented. The proposed active load-pull system mainly consists of directional coupler, phase shifter, short circuit, and power amplifier, and allows a user to access reflection coefficients near the edge of the Smith chart(Γ=1) easily. The device used in this paper is Mitsubishi's GaAs FET MGF1801, and the operating frequency of the power amplifier is 9 ㎓, The amplifier had output power of 21.65 ㏈m and drain efficiency of 24.9 % at class-A, and had output power of 21.46 ㏈m and drain efficiency of 53.3 % at class-AB. Harmonic control circuit is designed only second and third harmonic components because of the bandwidth limitation of the microwave components. The drain efficiency is improved as much as 6.4 % compared with class-AB power amplifier.

쿼드팩을 이용한 소형 Ka 대역 송수신(T/R) 모듈의 설계 및 제작

오현석(Hyun-Seok Oh),염경환(Kyung-Whan Yeom),정민길(Min-Kil Chong),나형기(Hyung-Gi Na),이상주(Sang-Joo Lee),이기원(Ki-Won Lee),남병창(Byung Chang Nam) 한국전자파학회 2011 한국전자파학회논문지 Vol.22 No.3

본 논문에서는 Ka 대역 위상 배열 레이더용 송수신(T/R: Transmit/Receive) 모듈의 설계 및 제작을 보였다. Ka 대역 송수신 모듈 구성 시 Ka 대역의 특수성을 고려하여 5비트(bit) 위상천이기와 5 비트 30 ㏈ 디지털 가변감쇠기를 송수신 공통으로 사용하였으며, 서큘레이터는 T/R 모듈 외부에 부착되는 형태로 구성하였다. 단위 안테나당 송신 출력은 1 W 이상 잡음 지수는 8 ㏈ 미만으로 설정하였으며, 설계된 T/R 모듈의 RF부의 크기는 5 ㎜×4 ㎜×57 ㎜로 소형화를 달성하였다. 설계된 T/R 모듈을 구현하기 위하여 T/R 모듈에 소요되는 개별 ㎜IC 검증후 단위 T/R 모듈을 검증하는 방법을 사용하였다. 제작된 T/R 모듈은 설계 시 예측한 바와 같이 단위 T/R 모듈의 입력 5 ㏈m에서 출력 30 ㏈m 이상을 보였으며, 수신부는 잡음 지수 8 ㏈ 미만, 이득 20 ㏈ 이상을 얻었다. In this paper, the design and fabrication of a transmit/receive(T/R) module for Ka-band phased array radar is presented. A 5bit digital phase shifter and digital attenuator were used in co㎜on for both transmitter and receiver considering unique Ka-band characteristic. The circulator was excluded in the T/R module and was placed outside T/R module. The transmitting power per element antenna is designed to be about 1 W and the noise figure is designed to be below 8 ㏈. The designed T/R module RF part has a compact size of 5 ㎜×4 ㎜×57 ㎜. In order to implement the T/R module, ㎜ICs used in T/R module was separately assessed before assembly of the designed T/R module. The transmitter of the fabricated T/R module shows about 1 W at 5 ㏈m unit module input power and the receiver shows a gain of about 20 ㏈ and a noise figure of below 8 ㏈ as expected in the design stage.

광대역 위상 배열 안테나의 빔 편이(Beam-Squint) 현상 제거를 위한 4-Bit 시간 지연기 설계

김상근(Sang-Keun Kim),정민길(Min-Kil Chong),김수범(Su-Bum Kim),나형기(Hyung-Gi Na),김세영(Se-Young Kim),성진봉(Jin-Bong Sung),백승훈(Seung-Hun Baik) 한국전자파학회 2009 한국전자파학회논문지 Vol.20 No.10

본 논문에서는 전기적으로 크기가 큰 능동 위상 배열 안테나에서 발생하는 빔-편이(beam-squint) 현상을 해결할 수 있는 시간 지연기를 설계 및 제작하고, 측정 결과를 고찰한다. 시간 지연기는 4-bit 스위치로 제어되는 마이크로스트립 라인으로 설계되었으며, 시간 지연 구조의 손실을 보상해 주기 위해 송수신 경로에 MMIC 증폭기 모듈을 추가하였다. 시간 지연기의 측정을 통해 지연 상태별 이득 및 위상, P1㏈, 수신 잡음 지수 등의 전기적 성능 규격을 만족함을 확인하였다. 또한, 제작된 시간 지연기의 성능 검증을 위해 측정 결과를 광대역 능동위상 배열 안테나에 적용하여 빔 패턴 보정 효과를 확인하였다. X 밴드 대역에서 800 ㎒ 대역차를 갖는 675.8 ㎜ 크기의 안테나에 대해 빔 편이 현상을 보정해 본 결과 ±1°이던 주파수에 따른 조향각 오차가 ±0.1° 이내로 줄어드는 효과를 확인하였으며, 향후 광대역 능동 위상 배열 안테나 시스템에 적용 가능성을 확인하였다. In this paper, we have designed TDL(True-time Delay Line) for eliminating beam-squint occurring in active phased array antenna with large electrical size operated in wide bandwidth, and have tested its electrical performance. The proposed TDL device is composed of 4-bit microstrip delay line structure and MMIC amplifier for compensation of the delay-line loss. The measured results of gain and phase versus delay state satisfy the electrical requirements, also P1dB output power and noise figure meet the requirement. To verify the performance of fabricated TDL, we have simulated the beam patterns of wide-band active phased array antenna using the measured results and have certified the beam pattern compensation performance. As a result of simulated beam pattern compensation with respect to the 675.8 ㎜ size antenna which is operated in X-band, 800 ㎒ bandwidth, we have reduced the beam squint error of ±1° with ±0.1°. So this TDL module is able to be applied to active phase array antenna system.

능동 위상 배열 SAR 안테나를 위한 X-대역 송수신 모듈의 설계 및 제작

정민길(Min-Kil Chong),김상근(Sang-Keun Kim),나형기(Hyung-Gi Na),이종환(Jong-Hwan Lee),이동우(Dong-Woo Yi),백승훈(Seung-Hun Baik) 한국전자파학회 2009 한국전자파학회논문지 Vol.20 No.10

본 논문에서는 능동 위상 배열 안테나를 가지는 SAR(Synthetic Aperture Radar)용 X-대역 T/R(Transmit/Receive) 모듈을 설계, 제작하였다. T/R 모듈은 X-대역에서 800 ㎒ 이상 대역폭을 가지며 이중 편파 운용이 가능하다. 송신 출력 7 W 이상에 잡음지수 3.9 ㏈ 이하를 가진다. 위상과 이득은 6비트 위상변위기와 6비트 디지털 감쇠기에 의해 각각 제어된다. 게다가 제작된 T/R 모듈은 방향성 결합기와 전력분배기로 연결되는 성능 점검/보정 포트를 가진다. LTCC 다층 기판을 사용하여 고직접화 T/R 모듈이 가능하게 하였다. 모든 동작 주파수 대역에서 수신시 RMS 이득 오차는 최대 0.8 ㏈ 이하이고, 송/수신시 RMS 위상 오차는 최대 4° 이하로 측정되었고, 또한 시험 결과 T/R 모듈은 요구되는 전기적인 성능을 만족하였다. 이 구조는 능동 위상 배열 SAR용 안테나에 적용될 수 있음을 확인하였다. In this paper, a X-Band T/R-module for SAR(Synthetic Aperture Radar) systems based on active phased array antennas is designed and fabricated. The T/R modules have a bandwidth of more than 800 ㎒ centered at X-Band and support dual, switched polarizations. The output power of the module is 7 watts over a wide bandwidth. The noise figure is as low as 3.9 ㏈. Phase and amplitude are controlled by a 6-bit phase shifter and a 6-bit digital attenuator, respectively. Further the fabricated T/R module has test and calibration port with directional coupler and power divider. Highly integrated T/R module is achieved by using LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic) multiple layer substrate. RMS gain error is less than 0.8 ㏈ max. in Rx mode, and RMS phase error is less than 4° max. in Rx/Tx phase under all operating frequency band, or the T/R module meet the required electrical performance in test. This structure can be applied to active phase array SAR Antennas.

RCS와 퍼지 구분기를 이용한 포탄 형태의 표적 식별기법에 대한 연구

이승재(Seung-Jae Lee),정성재(Sung-Jae Jung),강병수(Byung-Soo Kang),나형기(Hyung-gi Na),김현(Hyun Kim),김경태(Kyung-Tae Kim) 한국전자파학회 2014 한국전자파학회논문지 Vol.25 No.5

본 논문에서는 포탄 형태의 표적을 식별하기 위해 레이더 단면적(radar cross section: RCS)을 이용하여 퍼지 구분기를 최적화하는 연구를 제시한다. 일반적인 포탄 형태의 표적들에 대한 RCS 데이터베이스를 일정 각도 간격으로 획득하기 위해 모멘트법(method of moments: MOM)을 이용한다. 상대적인 자세각들을 포탄들의 다양한 비행 시나리오로부터 추정하고, 그 각도들에 연관된 RCS 값들을 일정한 각도 간격으로 만들어진 RCS 데이터베이스로부터 보간한다. 그 보간된 RCS 값들로부터 최초 멤버쉽 함수들을 결정하고, particle swarm optimization(PSO)을 이용하여 퍼지 구분기의 멤버쉽 함수들을 식별 확률의 관점에서 최적화 한다. In this paper, a study on the optimization of fuzzy classifier using radar cross section(RCS) values is presented to classify shell-shaped targets. Method of moments(MOM) is exploited to construct RCS database of generic shell-shaped targets in uniform angular intervals. Relative orientations are estimated from various flight scenarios of shell-shaped targets, and associated RCS values are interpolated from the generated RCS database with uniform angular intervals. Initial membership functions are determined using the interpolated RCS values, and particle swarm optimization(PSO) is utilized to optimize the membership functions of the fuzzy classifier in terms of probability of correct classification.