저궤도 위성의 효율적인 탐지를 위한 대형 안테나 우주감시레이더 설계에 관한 연구

전상미(Sang Mi Chon),진형석(Hyung-Seok Jin) 한국항공우주학회 2022 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2022 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.

평면형 능동위상 배열안테나 빔 패턴 보상에 관한 연구

전상미(Sang-Mi Chon),나형기(Hyung-ki Na),안창수(Chang-Soo Ahn),김선주(Seon-Joo Kim) 한국전자파학회 2014 한국전자파학회논문지 Vol.25 No.2

본 논문에서는 평면형 능동 위상 배열 안테나에서 일부 모듈의 고장이 발생할 경우, 발생되는 빔 패턴 왜곡을 여러 가지 경우로 비교하여 검토하고, 기존에 연구된 빔 패턴 보상 방법을 실제 안테나에 적용하여 빔 패턴 왜곡 개선 가능성을 분석하였다. 빔 패턴의 왜곡은 주로 부엽 수준의 증가로 나타나게 되는데, 부엽 수준이 기준치를 넘어서게 되면 고장 모듈을 제외한 나머지 모듈의 크기/위상값을 재조정하여 부엽을 낮출 수가 있으며, 본 논문에서는 이 방법을 실제 제작된 안테나에 적용하기 위한 방안 및 근접 전계 챔버에서 측정한 결과를 시뮬레이션 결과와 비교하여 나타내었다. 고장 모듈이 발생하는 경우는 무작위로 여러 곳에서 발생하는 경우와 여러 개의 배열을 포함하는 단위 모듈이 고장 날 경우로 나누어서, 시뮬레이션 결과와 측정 결과를 비교 분석하였다. 측정 결과는 시뮬레이션 결과와 유사한 경향을 나타내며, 고장 모듈이 발생할 경우 남아있는 정상 모듈의 크기/위상 조정을 통해서 부엽을 낮추기 위한 빔 패턴 보상이 가능함을 확인할 수 있다. This paper discusses about the beam pattern distortion caused by the failures of some antenna modules in the active array antenna and analyses the possibility of improvement through applying the beam pattern compensation method previously studied. The beam pattern distortion which is mostly represented as an increase of the sidelobe level, can be suppressed through re-synthesizing each module"s magnitude and phase. This method was applied to the prototype of active array antenna system, and the results of antenna pattern distortion and compensation were analyzed and measured in the Near Field Chamber. Array failures are generally divided into random TR module failures and TRU(TR Unit: combination of TR modules, Beam Computation module, Power supply module) failures. The results of beam pattern compensation were analyzed in each failure and compared to the results of the simulation. The beam pattern compensation results applied to the real active antenna array system showed the similar to the simulation results. Consequently, it was verified the beam pattern could be compensated with the magnitude and phase adjustment of other normal antenna modules.

항공기 탑재 능동 위상배열 레이더의 자원관리 알고리즘 설계 및 구현

노지은(Ji-Eun Roh),전상미(Sang-Mi Chon),안창수(Chang-Soo Ahn),장성훈(Seong-Hoon Jang) 한국전자파학회 2013 한국전자파학회논문지 Vol.24 No.12

능동 위상배열 레이더(AESA radar: Active Electronically Scanned Array radar)는 전자적으로 빔을 조향함으로써 빔 조향 시간이 비약적으로 빨라져 기존의 기계식 빔 조향 레이더에 비해 다중 임무 처리 능력이 크게 향상되었다. 이러한 이유로 레이더에 주어진 시간, 에너지, 처리능력 등의 한정된 자원을 실시간으로 효율적으로 관리, 운용할 수 있는 레이더 자원관리 기술의 중요성이 크게 대두되었다. 본 논문은 항공기 탑재 능동 위상배열 레이더 연구 시제 개발에 적용된 자원관리 주요 알고리즘의 설계 내용과, 이를 반영하여 구축한 시뮬레이터에 대해 기술하였다. 또한, 설계된 자원관리 알고리즘을 항공기 탑재 능동 위상배열 레이더 시스템에 실제 구현하여 동시 표적 추적 및 탐지 능력에 대한 요구 성능이 충족됨을 확인하였다. AESA(Active Electronically Scanned Array radar) radar is able to instantaneously and adaptively position and control the beam, and such adaptive beam pointing of AESA radar enables to remarkably improve the multi-mission capability. For this reason, radar resource management(RRM) becomes new challenging issue. RRM is a technique efficiently allocating finite resources, such as energy and time to each task in an optimal and intelligent way. This paper deals with a design of radar resource management algorithms and simulator implemented main algorithms for development of airborne AESA radar. In addition, evaluation results show that developed radar system satisfies a main requirement about simultaneous multiple target tracking and detection by adopting proposed algorithms.

적응빔 형성을 이용한 다중경로 환경 내 저고도 해상표적의 고각 추적 정확도 향상

이창현(Chang-Hyun Lee),전상미(Sang-Mi Chon),박종국(Jongkuk Park),나형기(Hyung-Ki Na),김상현(Sang-Hyun Kim) 한국전자파학회 2021 한국전자파학회논문지 Vol.32 No.2

본 논문에서는 다중경로 환경에서 적응빔 형성 기법을 이용한 저고도 해상표적의 추적 정확도 향상 방법에 대해 제안하고, 이를 아날로그 빔 형성 능동위상배열(AESA: active electronically scanned array) 레이다 환경에 적용하여, 제안 방법이 반복 없는 적은 연산으로 비교적 높은 정확도의 표적 고각을 산출할 수 있음을 확인하였다. 제안 방법은 모노펄스(monopulse) 기울기 제어를 위한 기존의 적응빔 형성 제한조건에 부엽 제어 조건을 추가하고, 고각 변화 정도가 작은 저고도 해상표적의 특징을 활용하여 추적 정확도를 개선하였다. 또한 추적 정확도 향상을 위해 다양한 적응빔 형성 기법을 적용해 보고, 그 결과를 비교분석하였다. A method to improve the tracking accuracy of low-altitude sea targets is proposed using an adaptive beamforming algorithm in a multipath environment. It is confirmed that the target elevation can be estimated with relatively high accuracy without repetitive calculation using the proposed method in analog beamforming active electronically scanned array radar. The proposed method improves the tracking accuracy by adding a side-lobe suppression condition to the existing adaptive beamforming constraint for monopulse inclination control while accounting for the characteristics of the low-altitude sea target with less elevation change. In addition, various adaptive beamforming algorithms were applied to the proposed method, and the results were compared and analyzed to optimize tracking accuracy.

저고도 해상표적 추적에서 다중경로 영향 억제를 위한 다중 주파수 모노펄스 방향 탐지 방법

이창현(Chang-Hyun Lee),전상미(Sang-Mi Chon),박종국(Jongkuk Park),나형기(Hyung-Ki Na),김상현(Sang-Hyun Kim) 한국전자파학회 2021 한국전자파학회논문지 Vol.32 No.3

본 논문에서는 저고도 해상표적의 추적에서 해수면 반사 및 회절로 인한 주 빔 안에서의 다중경로 간섭 문제를 해결하기 위해 다중 주파수를 이용한 새로운 모노펄스 방향 탐지 방법을 제안한다. 제안 방법은 3개의 인접한 주파수에서 측정한 복소수 형태의 모노펄스 신호비에 절대값을 취한 결과와 주 빔 내의 가상 표적으로 다중경로 간섭 신호를 포함하여 계산한 결과를 비교하여 표적의 고각 후보군을 결정한다. 최종 표적 고각은 다중경로 간섭이 포함된 신호비의 특징을 이용하여 설정한 비용함수를 이용하여 후보군 중에서 최종 결정된다. 제안 방법은 표적 거리와 측정한 모노펄스 신호비만을 필요로 하므로 기존 모노펄스 레이다 시스템에도 별도의 구성 없이 간단히 적용할 수 있다는 장점이 있으며, 제안 방법의 다중경로 영향 억제 효과는 저고도 해상표적을 추적하는 상황을 가정한 모의실험으로 검증하였다. This paper proposed a monopulse method using multiple frequencies to overcome multipath interference in the tracking of low-altitude sea targets. The method determines target elevation candidates by comparing the difference between the measured complex monopulse ratios and those calculated considering multipath interference at three adjacent frequencies. The final target elevation is determined among the candidates by using a cost function set based on the characteristics of the results considering multipath interference. Because the proposed method requires solely the measured target distance and monopulse ratios, it can be applied to the existing monopulse radar system without additional configuration. The suppression effect of multipath interference was verified by a simulation conducted for tracking low-altitude targets in a multipath environment.

능동 위상 배열 레이더용 X-대역 T/R 모듈 개발

김동윤(Dong-Yoon Kim),정민길(Min-Kil Chong),김상근(Sang-Keun Kim),전상미(Sang-Mi Chon),나형기(Hyung-Gi Na),백승훈(Seung-Hun Baik),안창수(Chang-Soo Ahn),김선주(Seon-Joo Kim) 한국전자파학회 2009 한국전자파학회논문지 Vol.20 No.12

본 논문에서는 능동 위상 배열 레이더에 사용되는 X-밴드 송수신 모듈의 설계와 측정 결과에 대해 기술한다. 일반적으로 능동 위상 배열 레이더는 고출력, 낮은 잡음 지수, 높은 TOI(Third Order Intercept), 송수신에서의 충분한 이득을 갖는 반도체 송수신 모듈을 요구한다. 송수신 모듈은 광대역에서 9 W의 출력 특성을 나타낸다. 잡음 지수는 2.8 ㏈로 낮다. 위상과 이득은 각각 6비트 위상 변위기와 5비트 감쇄기로 조정된다. LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic)을 사용하여 높은 집적도를 갖는 송수신 모듈을 구현하였다. 모듈은 디지털 인터페이스를 통합하고 3개의 전원을 사용한다. This paper presents design and test results of X-Band Transmit/Receive(T/R) module for active phased-array radar. Active phased array radars typically require solid state T/R modules with high output power, low noise figure, high Third Order Intercept(TOI), and sufficient gain in both transmit and receive. The output power of the module is 9 watts over a wide bandwidth. The noise figure is as low as 2.8 ㏈. Phase and amplitude are controlled by the 6-bit phase shifter and 5-bit attenuator, respectively. Highly integrated T/R module is achieved by using LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic) multiple layer substrate. The module incorporates a compact digital interface, requires only three supply voltages.

항공기용 평면형 능동 전자주사식 위상 배열(AESA) 레이더 프로토 타입 개발

정민길(Min-Kil Chong),김동윤(Dong-Yoon Kim),김상근(Sang-Keun Kim),전상미(Sang-Mi Chon),나형기(Hyung-Gi Na) 한국전자파학회 2010 한국전자파학회논문지 Vol.21 No.12

본 논문에서는 T/R(Transmit/Receive) 모듈을 이용한 항공기용 평면형 능동 전자주사식 위상 배열(AESA) 레이더 프로토 타입을 설계, 제작 및 시험하였다. LIG넥스원은 항공기용 레이더 개발에 필요한 핵심 기술 확보를 목적으로 AESA 레이더 프로토 타입을 개발하였다. 본 프로토 타입은 복사 소자 배열, 다수의 T/R 모듈, RF 급전기, 전원 분배, 빔 조향기, 아날로그/디지털 변환기(ADC)를 가지는 소형화된 수신기 및 액냉식 냉각과 지지 구조체로 구성되어 있다. 안테나 장치는 590 ㎜ 직경에, 536개의 능동 소자를 배열할 수 있는 크기를 가진다. 각 T/R 모듈들은 삼각 배열을 적용하여 14.7 ㎜×19.5 ㎜ 간격으로 배치하였다. 송신 최대 듀티 운용시 2,310 W의 전력이 입력되며, 발열은 1,554 W를 발산하게 된다. AESA 레이더 프로토 타입은 근접 전계 챔버에서 시험하였고, 그 결과 정확하고 유연한 제어에 의한 빔 조향과 빔 형성을 제공하는 빔 패턴을 확인할 수 있었다. This paper presents a design, fabrication and the test results of planar active electronically scanned array(AESA) radar prototype for airborne fighter applications using transmit/receive(T/R) module hybrid technology. LIG Nex1 developed a AESA radar prototype to obtain key technologies for airborne fighter’s radar. The AESA radar prototype consists of a radiating array, T/R modules, a RF manifold, distributed power supplies, beam controllers, compact receivers with ADC(Analog-to-Digital Converter), a liquid-cooling unit, and an appropriate structure. The AESA antenna has a 590 mm-diameter, active-element area capable of containing 536 T/R modules. Each module is located to provide a triangle grid with 14.7 ㎜×19.5 ㎜ spacing among T/R modules. The array dissipates 1,554 watts, with a DC input of 2,310 watts when operated at the maximum transmit duty factor. The AESA radar prototype was tested on near-field chamber and the results become equal in expected beam pattern, providing the accurate and flexible control of antenna beam steering and beam shaping.