포물면형에서 위상 배열형까지: 항공기용 레이더 안테나 개발의 간략한 역사

전쟁의 요구가 변화하고 과학 기술이 발전함에 따라 공중전의 '황금률'은 점점 더 높아지고 있습니다. 전투기 탑재 레이더의 개발은 그 대표적인 예입니다. 외형적인 측면에서 레이더 장비의 '진화' 중 가장 직관적으로 눈에 띄는 부분은 안테나의 변화입니다. 전투기 탑재 레이더 안테나의 발전에 대해 간략하게 살펴보겠습니다.

항공 레이더는 초기에는 단순한 공중 탐색 및 거리 측정 기능에서 발전하여 현재는 광범위한 지역에서의 탐색, 추적 및 사격 통제 유도뿐만 아니라 지상 측량 및 지도 제작, SAR 영상 촬영 등 다양한 기능을 수행하게 되었습니다. 일반적으로 항공 레이더는 높은 이득(탐지 거리 확대), 좁은 빔(각도 측정 정확도 향상), 낮은 측엽(간섭 저항)과 같은 특성을 가진 안테나를 필요로 합니다. 높은 이득과 좁은 빔을 구현하는 가장 간단한 방법은 야기 안테나나 포물선형(단일 반사판) 안테나와 같은 지향성 안테나를 사용하는 것입니다. 야기 안테나는 크기가 너무 크고, 포물선형 안테나는 야기 안테나보다 낮은 측엽을 구현하기가 더 쉽습니다. 따라서 냉전 이후 초기 항공 레이더는 일반적으로 포물선형 안테나를 채택했습니다.

포물선형 안테나(단일 반사판 안테나).이러한 종류의 안테나는 큰 포물면을 주 반사면으로 사용하고, 주 반사면 앞쪽 중앙에 혼을 급전원(전방 급전)으로 사용합니다(혼의 위치를 ​​중앙에서 벗어나게 배치하는 오프셋 급전 방식도 있습니다). 작동 원리는 광학계의 포물선 거울과 매우 유사합니다. 안테나가 방사 모드로 작동할 때, 혼에서 방출된 구면파가 포물면에 부딪히면, 포물면은 이 구면파를 평면파로 변환하여 자유 공간으로 방출합니다. 수신 모드로 작동할 때는, 주 반사면이 자유 공간으로 방출된 평면파를 구면파로 모아 급전원으로 되돌려 보냅니다. 이러한 형태의 안테나는 X밴드 이하 대역에서 제작이 용이하고 구조가 간단하며 비용이 저렴하다는 장점이 있습니다. 하지만 단점 또한 분명합니다. 일반적으로 포물선형 안테나는 초점 직경비(혼에서 반사면까지의 거리와 주 반사면 크기의 비율)가 높을수록 고성능을 쉽게 얻을 수 있지만, 안테나 전체의 높이와 부피가 커집니다. 특히 안테나 전체를 회전시키면서 스캔할 경우, 장비 헤드 내부 공간을 많이 차지하게 되어 스캔 각도 또한 상대적으로 제한적입니다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 "카세그레인" 형태라고 불리는 이중 반사면 구조가 개발되었습니다.

포물선형 안테나의 기본 구성 및 작동 원리도

포물선형 안테나의 기본 구성 및 작동 원리도

J-5A 전천후 버전을 장착한 SL1 레이더(소련 РП-1/5형 모방품)의 안테나

카세그레인 안테나.이 안테나는 단일 반사판 안테나 형태를 개선한 것입니다. 단일 반사판 안테나와 비교하여, 추가된 보조 반사판은 스피커에서 방출되는 전자기파를 초기 단계에서 최적화하여 보다 이상적인 분포를 만들어 주 반사판으로 되돌려 보냅니다. 주 반사판은 이 구형파를 평면파로 변환하여 자유 공간으로 방사합니다. 이러한 방식의 장점은 안테나 개구부 효율을 향상시키고, 이득을 증가시키며, 초점 직경 비율을 크게 줄이고, 안테나의 전체적인 두께와 크기를 축소할 수 있다는 것입니다. 수신기와 급전선 또한 주 표면에 배치할 수 있어 시스템 배선 배치가 용이하고 시스템 노이즈를 줄일 수 있습니다. 그러나 보조 반사판의 도입은 주 표면의 차폐를 증가시켜 안테나의 전체 이득을 감소시키고 측엽 레벨을 증가시키는 문제점도 야기합니다.

카세그레인 안테나의 기본 구성 및 작동 원리

Su-15 요격기(РП-11)의 "이글" 레이더

Su-15 요격기(РП-11)의 "이글" 레이더

반사판 가림 문제를 해결하기 위해 역 카세그레인 안테나라는 안테나가 제안되었고 항공 레이더에 널리 사용되었습니다. 역 카세그레인 안테나는 변형 카세그레인 안테나라고도 하며, 기존 카세그레인 안테나를 기반으로 반사판의 위치를 ​​편광 격자 포물면으로, 주 반사면의 위치를 ​​편광 나선형 판으로 변경한 것입니다. (실제로, 역판형 안테나에서 주면과 부면의 위치는 일반 카세그레인 안테나와 확연히 다릅니다.) 작동 원리는 카세그레인 안테나와 상당히 다릅니다. 편파 트위스트 버전에서 혼 피드는 수평 선형 편파 전자기파를 방출합니다. 이 전자기파는 전방의 편파 그리드에 거의 완전히 반사되어 평면파로 변환되고, 후방의 편파 트위스트 플레이트에 부딪히면서 수평 편파를 수직 선형 편파로 "트위스트"합니다. 이 수직 선형 편파는 전방의 편파 그리드를 통과하여 자유 공간으로 방사됩니다. 요컨대, 역판형 피드에서 방출된 빔은 두 번 반사되지만, 중간에 편파 트위스트 과정이 있다는 점에서 일반 카세그레인 안테나와 다릅니다. 안테나 전방에 위치한 편파 그리드는 수평 편파 전자기파만 차단하고 수직 선형 편파에는 거의 영향을 미치지 않습니다. 덧붙여 말하자면, 지상 잡음을 줄이기 위해 항공기 레이더 안테나는 대부분 수직 선형 편파 안테나를 사용합니다. 이는 편파판을 적절히 회전시켜 빔 스캐닝을 구현합니다. 따라서 플립형 안테나는 반사판 하부 가림 현상을 해결할 뿐만 아니라, 급전부와 편파 격자를 약간 오프셋시켜 안테나 전체의 크기를 더욱 줄일 수 있습니다. 이러한 독특한 장점 덕분에 플립형 안테나는 2세대 휴대폰에서 매우 널리 사용되고 있습니다.

플립카드 안테나의 작동 원리는 전면의 수평 막대가 편파 격자이고, 후면에는 편파 트위스트 플레이트가 45도 각도로 배치되어 있다는 것입니다.

MiG-21BIS에 장착된 Sapphire-21 레이더에 사용되는 역방향 카드 안테나입니다. 편파 격자가 설치되어 있지 않음을 유의하십시오.

토네이도 전투기 AI-24 레이더 시스템에 사용된 역 카세그레인 안테나

Mig25 Tornado A 레이더에 사용되는 역방향 카드 안테나에는 편파 격자가 설치되어 있지 않습니다.

Su-27의 n001 레이더에 사용되는 역방향 카드 안테나의 또 다른 특징은 편파 격자 표면이 설치되어 있지 않다는 점입니다.

Su-27 n001 레이더에 사용된 역방향 카드 안테나입니다. 편파 격자가 설치된 완전한 상태임을 주목하십시오.

앞서 언급한 안테나들의 기본 작동 원리는 모두 반사면의 형태에 기반을 두고 있으며, 단일 반사면인지 이중 반사면인지, 편파 반전이 있는지 여부 등 세부적인 차이가 있습니다. 스피커와 주 반사면 사이의 거리, 조명 테이퍼 등을 조절함으로써 높은 이득과 낮은 측엽을 쉽게 얻을 수 있으며, 초기 단계에서도 만족스러운 성능을 구현할 수 있습니다. 반사면 형태로 작동하는 안테나는 가공 요구 사항이 높지 않아(X 대역에서는 비교적 용이하지만, 고주파 대역으로 갈수록 난이도가 급격히 증가함) 비용도 감당 가능한 수준입니다. 그러나 항공 레이더 성능이 향상됨에 따라 더 넓은 스캔 각도, 더 낮은 측엽, 그리고 형상화된 빔 구현과 같은 안테나 부분에 대한 새로운 요구 사항이 대두되고 있습니다. 플립 카드 안테나의 본질적인 결함으로는 에너지 누출(이는 개구 효율 감소 및 이득 손실을 초래함), 스캐닝 중 심각한 빔 왜곡(주엽 이득 감소, 주 빔 폭 증가, 측엽 상승), 그리고 안테나 무게의 고질적인 문제 등이 있습니다. 따라서 제공권 장악을 목표로 개발된 3세대 전투기인 MiG-29와 Su-27이 초기에는 다소 구식으로 여겨지는 역 카세그레인 안테나를 사용했다는 점이 지적됩니다.

고이득, 좁은 빔, 낮은 측엽 등의 항공 레이더 요구 사항을 충족하기 위해 초기에는 구조가 단순한 포물선형 안테나가 사용되었습니다. 형태는 다소 복잡하지만 성능이 더 우수한 안테나가 있는데, 바로 평면 배열 안테나입니다. 평면 배열 안테나는 대표적인 배열 안테나로, 수십 개에서 수백 개, 심지어 수천 개의 소형 유닛 안테나가 특정 규칙과 간격에 따라 배열 표면에 고르게 배치됩니다. 단일 유닛 안테나는 빔이 매우 넓고 이득이 낮을 수 있지만, 안테나 배열에 있는 수많은 유닛 안테나가 함께 작동함으로써 매우 높은 이득, 좁은 빔, 심지어 초저 측엽까지 구현할 수 있습니다 (나중에는 평면 위상 배열로 업그레이드할 수도 있습니다). 따라서 평면 배열 안테나는 뛰어난 성능 덕분에 반사면 안테나를 빠르게 대체하고 3세대, 3세대 개량형, 4세대 항공 레이더 시스템의 주류로 자리 잡았습니다. 오늘날의 첨단 항공 레이더, 특히 위상 배열 레이더는 거의 모두 평면 배열 안테나를 사용하고 있습니다.

일반적인 평면 배열 안테나에는 도파관(평판) 슬롯 배열, 개방형 도파관 배열, 다이폴 배열, 비발디 안테나 배열, 마이크로스트립 패치 안테나 배열 등이 있습니다.

도파관 슬롯 배열은 흔히 사용되는 마이크로파 전송 구조입니다. 도파관 표면에 슬릿(슬롯)이 뚫려 있어, 이 작은 슬롯이 안테나 역할을 하여 전자기파를 방출합니다. 이러한 구조는 급전 구조와의 정합이 용이하고 높은 출력 용량을 갖는 장점이 있습니다. 공중 도파관의 슬롯은 마치 평판에 홈을 파놓은 것처럼 보이기 때문에 평면 슬롯 배열이라고도 불립니다.

E3에서 사용하는 APY1 레이더는 도파관 슬롯 안테나 어레이를 사용합니다.

F-15의 APG63 레이더에 사용되는 평판형 슬롯 배열은 주변부에서 돌출된 IFF 소자 안테나(어레이)를 가지고 있습니다.

 F-15의 APG63 레이더에 사용되는 평판형 슬롯 배열은 주변부에서 돌출된 IFF 소자 안테나(어레이)를 가지고 있습니다.

F16A/B 전투기의 APG66 레이더에 사용되는 평판형 슬롯 배열

이와 유사한 방식으로는 개방형 도파관 배열 안테나가 있습니다. 개방형 도파관 역시 도파관 구조를 사용하지만, 슬롯이나 슬릿 대신 도파관 입구 표면을 직접 사용하여 전자기파를 방사합니다. 이러한 개방형 도파관은 단면적이 다소 크고 무게가 무겁기 때문에 지상 또는 함선용 레이더에 주로 사용되며, 항공기용 레이더에는 거의 사용되지 않습니다.

도파관을 급전 및 방사에 사용하는 위와 같은 구조는 안테나 정합에 유리하며, 높은 출력 용량이 주요 장점입니다. 그러나 안테나 대역폭이 제한적이고 무게 제어가 어렵다는 단점이 있습니다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 항공 레이더 시스템에는 다양한 새로운 설계 방식이 점차 도입되었습니다.

실제로 냉전 말기에 항공 레이더의 스캔 속도를 높이고 성능을 강화하기 위해(예: 동시 탐색, 추적, 사격 통제, 유도, 지상 탐지 등) 엔지니어들은 항공 레이더용 위상 배열 안테나를 사용했으며, 이는 오늘날에도 첨단 기술로 여겨집니다. 위상 배열 안테나의 외형은 일반적인 평면 배열 안테나와 크게 다르지 않습니다. 일반적인 기계 스캔 방식의 평면 배열 안테나를 기반으로 급전 구조를 변형한 것으로 간단히 이해할 수도 있습니다(물론 후단 송수신기와 신호 처리 알고리즘은 크게 달라집니다). 안테나 유닛 후단에 위상 변환기를 추가하면 수동 위상 배열 안테나(PESA)를 얻을 수 있습니다. 위상 변환기가 필요 없고 TR(Transmission Resonator) 소자를 추가하면 능동 위상 배열 안테나(AESA)를 얻을 수 있습니다. 안테나 엔지니어에게는 동일한 안테나 배열을 AESA와 PESA에 모두 사용할 수 있습니다. 따라서 평면 배열 안테나는 위상 배열 안테나로 업그레이드될 가능성이 매우 높습니다.

AESA 안테나로 업그레이드된 레이더는 송신 출력이 향상되고 탐지 거리가 길어지며 빔 스캐닝 감도가 높아지고 빔 형상 제어 기능이 강화됩니다. 또한 평균 측엽을 -50dB 또는 -60dB로 낮추는 것이 더 쉬워집니다.

F22를 예로 들어보겠습니다. 이 차세대 스텔스 전투기에 탑재된 AESA 레이더는 다이폴 배열을 선호합니다(사진은 F22의 APG-77 레이더에 사용되는 우산 모양의 다이폴 배열을 보여줍니다). 이 장치는 광대역 특성을 가진 다이폴 안테나를 사용하며, 탐지 패턴이 넓어 넓은 각도 스캔이 용이합니다.

F22의 APG77 레이더 안테나

앞쪽으로 튀어나온 부분은 TR 부품으로 오인하기 쉽습니다. 엄밀히 말하면, 그것은 안테나의 표면입니다. TR 부품은 안테나 뒤쪽에 연결되어 있습니다 (현재 TR 부품은 안테나와 일체형으로 가공되는 경우가 많지만, 여기서는 별도로 설명합니다).

새로운 라팔 전투기에 사용되는 RBE2 AESA 레이더(아래 그림 참조)는 비발디 안테나 어레이를 사용합니다. 이 안테나 유닛은 특히 넓은 대역폭을 특징으로 하며, 따라서 전체 안테나 어레이의 대역폭을 확장할 수 있습니다.

RBE2 AESA

RBE2 AESA

물론, 좀 더 특별한 경우도 있습니다. 예를 들어, 아래 E2D 조기경보기에 사용되는 APY9 레이더는 야기 안테나를 유닛으로 사용합니다. 사용하는 UHF 대역의 전자기파 파장이 길기 때문에 안테나 크기에 제약이 많습니다. 이상적인 좁은 빔과 높은 이득을 얻기 위해서는 안테나 유닛의 빔 폭을 좁혀야 하므로 야기 안테나가 이상적인 선택이 되었습니다. 고이득 야기 안테나는 유닛 자체로 어레이의 이득을 크게 향상시킬 수 있습니다. 하지만 모든 것은 상대적입니다. 야기 안테나의 좁은 유닛 빔은 어레이의 광각 스캔 능력을 크게 제한합니다. 안테나 스캔 각도가 정상 각도에서 크게 벗어나면 이득이 감소하고 파형 왜곡이 매우 두드러지게 나타납니다. 따라서 APY9는 이러한 단점을 보완하기 위해 전기기계식 스캔 방식을 사용합니다.

E2D APY9 레이더에 사용되는 2*9 유닛 야기 안테나 라인 어레이

위상 배열 기술의 발전이 항공기 안테나를 새로운 단계로 끌어올렸습니다.

안테나 개발은 레이더 기술 발전 전반을 보여주는 축소판입니다. 안테나의 외형만으로 레이더 성능을 판단하거나 전체적인 성능을 측정할 수는 없지만, 엔지니어링에서는 시스템 간의 조화와 균형을 중점적으로 고려합니다. 레이더 시스템의 전반적인 성능이 향상되려면 안테나 성능이 반드시 뒤처져서는 안 됩니다. 앞으로도 엔지니어들은 위상 배열 안테나의 대각도 스캔(현재 60도 스캔 범위를 +60도로 확장), 초광대역, 공통 개구부, 컨포멀 등과 같은 과제들을 해결해 나가며 항공 레이더 시스템 개발을 촉진할 것입니다.

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