1. 서 론
현대 군사체계에서 레이더(Radio Detecting And Ranging, Radar)는 매우 중요한 역할을 차지하고 있다. 레이더 시스템을 이용하여 상대 비행물체의 위치를 파악하여 상대의 공격에 대해 미리 대비를 할 수 있기 때문에 방어적인 측면에서 중요한 역할을 한다. 또한 레이더 시스템의 중요도만큼 반대로 상대의 레이더 신호에 노출되지 않는 스텔스 기술도 중요하기 때문에 그에 대한 연구가 지속적으로 진행되어 왔다. 본 논문에서는 스텔스기술의 기초 이론 중 레이더 신호에 의한 Backscatter field 감소 방법에 대해 연구하였다.
기본적으로 레이더 시스템은 송/수신기의 위치에 따라 Monostatic 레이더 시스템과 Bi/Multistatic 레이더 시스템으로 구분할 수 있다. Monostatic 레이더 시스템은 송신기와 수신기가 한 개의 안테나를 공용으로 사용하는 방법이고, Bi/Multistatic 레이더 시스템은 송신기와 수신기가 한 개 이상의 안테나를 사용하는 방법이다. 레이더 시스템의 탐지 방식은 scatter field를 이용하여 정보를 얻는 방식이다. 먼저 송신기가 목표물을 향해 전자파를 방사하고, 이 전자파가 목표물에 닿으면 모든 방향으로 산란이 일어난다[1]. Monostatic 레이더 시스템에서는 이 산란신호 중 Backscatter field를 수신기가 수신하고 그로부터 목표물에 대한 정보를 얻게 된다. 따라서 Backscatter field를 제거하게 되면 상대 레이더는 정보를 얻을 수 없게 된다.
이미 널리 사용되고 있는 스텔스 기술은 전자파를 흡수하는 특수한 매질(Radar absorb material, RAM)을 물체에 입히거나 산란 신호의 크기를 줄일 수 있는 특정한 구조(Radar absorb structure, RSM) 를 사용하는 방법이다[2] -[4]. 이러한 방법들은 특수한 물질을 사용하거나 특정한 구조를 사용하기 때문에 비용적인 측면이나 공기역학적인 측면에서 단점을 가지고 있다. 그런 단점을 극복하기 위해 본 논문에서는 프로브와 발진 시스템을 이용하여 물체의 재질이나 구조를 변형하지 않고 반사파의 크기를 감소시키는 방안에 대해 연구하였다. 외부 레이더 신호의 주파수를 X-band의 9 GHz 단일 주파수로 가정했을 때 곡면으로 이루어진 알루미늄 판에 대한 Backscatter field의 크기를 능동 상쇄 회로를 이용하여 감소시킬 수 있음을 확인하기 위해 기본적인 상쇄 간섭의 이론을 바탕으로 회로를 구성하고 Finite Difference Time Domain(FDTD) 시뮬레이터를 이용한 모의실험과 실험을 통하여 결과를 검증하였다.
2. 본 론
2.1 Backscatter field 감쇄 모의실험
Monostatic 레이더 시스템에서 Backscatter field의 크기를 잡음 신호의 수준으로 낮추면 물체에 대한 Backscatter field와 잡음을 구분하기 어렵기 때문에 상대방에 대한 정보를 얻을 수 없다. 본 논문에서는 Backscatter field의 크기를 낮추기 위하여 상쇄 간섭의 원리를 이용하였다. 상쇄 간섭이 일어나기 위해서는 같은 방향으로 진행하는 서로 다른 두 전자기파가 크기는 같고 180도의 위상차가 나면 중첩의 원리에 의해 상쇄된다. 이러한 이론을 바탕으로 가능성을 확인하기 위하여 먼저 모의실험을 진행하였다. 기존의 평면 알루미늄 판에 대한 모의실험[5]과는 다르게 시간에 따른 Backscatter field의 크기 변화를 알기 위하여 FDTD 시뮬레이터를 사용하였다.
그림 1과 같이 프로브가 부착된 곡면 형태의 알루미늄 판에 9 GHz의 외부 전자파를 정면에서 입사하는 경우를 가정하였다. 이때 외부 전자파의 E-field 방향은 프로브와 Polarization이 수직 방향으로 일치되어 있다. 외부 전자파가 입사하였을 때 프로브로 들어온 신호를 능동 상쇄 회로를 통해 크기와 위상을 변경한 뒤 다시 프로브를 통해 방사했을 때 Backscatter field의 크기와 같도록 증폭시키고 역위상이 되도록 위상을 조절해주면 그림 2와 같이 Backscatter field의 크기가 감소되는 것을 확인할 수 있다. 그림 2의 첫 번째 그래프는 외부 전자파가 입사하였을 때 곡면 알루미늄 판에 대한 Backscatter field의 크기이고 두 번째 그래프는 Backscatter field를 상쇄하는데 필요한 신호이다. 마지막 세 번째 그래프는 Backscatter field에 상쇄 신호를 중첩하여 크기를 감소시킨 결과이다. 이 모의실험 결과는 FDTD 시뮬레이터의 데이터를 MATLAB 프로그램을 이용하여 상쇄에 필요한 이득과 역 위상이 되는데 필요한 위상을 계산하여 입력하였다. 모의 실험을 통해서 Backscatter field와 같은 크기이며 위상이 반대인 신호를 프로브를 통해 방사하면 Backscatter field의 크기를 상쇄 할 수 있다는 결과를 얻었다.
그림 1곡면 알루미늄 판에 대한 Backscatter field 감쇄 모의실험 구성 Fig. 1 Composing of simulation Backscatter field reduction
그림 2곡면 알루미늄 판에 대한 Backscatter field 감쇄 모의실험 결과 Fig. 2 The simulation result of Backscatter field reduction
2.2 실험 구성
그림 3과 같이 가로 3-wavelength(100 mm), 곡률 1/3 wavelength인 알루미늄 판을 제작하고 그 위에 패치 형태의 프로브를 설계하였다. 프로브는 유전율이 4.4이고 두께가 0.8 mm인 FR-4 기판과 동축 케이블을 이용하여 급전을 하는 구조로 제작하였다. 실험 구성은 그림 4와 같이 무반향실 내에 알루미늄 판을 놓고 외부 송수신 안테나와 마주보게 위치하였다. 송신 안테나로 사용한 렌즈혼 안테나에 신호발생기로 전력을 공급하여 신호를 방사하고 수신 안테나인 다이폴 안테나에 스펙트럼 분석기를 연결하여 Backscatter field의 크기를 측정하였다. 실험에 사용한 외부 전자파는 주파수 9 GHz의 Continuous Wave(CW) 신호를 사용하였다.
그림 3제작한 곡면 알루미늄 판과 프로브 Fig. 3 Built the curved aluminum plate and probe
그림 4상쇄 회로를 이용하여 곡면 알루미늄 판의 Backscatter field를 감쇄하는 실험 구성도 Fig. 4 Diagram of the experiment for backscatter field reduction of the curved aluminum plate using cancellation circuit
Backscatter field를 제거하기 위한 시스템은 그림 4에 있는 것처럼 위상 변환기 2개와 X-band 필터 2개, 서큘레이터, Preamp, Variable Gain Amplifier(VGA)로 구성하였다. 서큘레이터 앞 단에 있는 위상 변환기는 프로브를 통해 내보내는 신호와 Backscatter field가 역 위상 관계가 되도록 위상을 변화시키는 역할을 하고, 서큘레이터 뒷단에 있는 위상 변환기는 서큘레이터 뒤 루프 내에서 동 위상을 만들어 발진을 통해 이득을 증폭시키는 역할을 한다. Backscatter field의 크기와 프로브를 통해 내보내는 신호의 크기가 같을 때 상쇄가 되기 때문에 루프 내의 Preamp로 사용한 Low Noise Amplifier(LNA)와 VGA에 전압을 인가하여 상쇄 신호의 크기를 증폭시켜준다. 또한 서큘레이터를 이용한 루프 회로를 구성함으로써 별도의 전력발생원 없이 프로브를 통해 들어온 외부 전자파 신호를 사용할 수 있다. 게다가 루프 내의 위상 변환기를 조절하여 루프 내의 전기적 길이가 360도의 정수배가 되도록 하면 보강 간섭에 의하여 증폭기의 이득보다 큰 이득을 얻을 수 있다. 이때 원하지 않는 발진이 일어나는 것을 막기 위하여 필터를 사용하였다.
2.3 실험 결과
먼저 외부 전자파 신호를 받아들이고 증폭시킨 신호를 다시 내보내는 역할을 하는 프로브의 성능은 그림 5와 같다. 이 프로브를 곡면 알루미늄 판에 부착하였고 포트는 알루미늄 판을 관통하여 상쇄 회로와 연결되어 있다. 실험 환경은 그림 6과 같이 무반향실 내에 상쇄 시스템과 연결된 프로브와 알루미늄 판을 놓고 그와 정면에서 마주보게 렌즈혼 안테나와 다이폴 안테나를 배치하였다. 실험하기에 앞서 렌즈혼 안테나로부터 방사된 평면파가 다이폴 안테나로 측정될 경우 실험 결과 값이 부정확해 지기 때문에 송/수신기인 렌즈혼 안테나와 다이폴 안테나 간의 커플링 신호 크기를 확인하였다. 반사 대상이 없는 경우에 다이폴 안테나에서 측정되는 신호의 크기가 –90 dBm 이하인 것을 확인하고 실험을 진행하였다.
그림 5프로브의 S11 parameter Fig. 5 S11 parameter of probe
그림 6실험 환경 Fig. 6 Experiment environment in an anechoic chamber
능동 상쇄 회로에서 증폭해야 할 이득을 알기 위해 프로브로 들어오는 신호와 Backscatter field의 크기를 측정하였다. 신호발생기의 출력 전력이 0 dBm 부터 –50 dBm 까지 변할 때 그에 따른 Backscatter field와 프로브로 들어오는 신호의 크기는 그림 7과 같다. 또한 프로브를 통해 들어온 신호를 증폭하는 정도를 알기 위해 프로브의 효율을 알아야 한다. 따라서 프로브를 통해 방사되는 신호의 입력대비 출력 값은 그림 8과 같다. 측정기와 프로브, 안테나 간의 케이블로 인한 손실은 약 3 dB 이다.
그림 7.Backscatter field와 Probe로 들어가는 신호 Fig. 7 Backscatter field and probe detecting power
그림 8프로브의 효율 측정 Fig. 8 Measurement of probe efficiency
신호 발생기로 –30 dBm 의 신호를 발생시켰을 때 Backscatter field의 크기는 –77 dBm 이고 이 때 프로브를 통해 들어오는 신호의 크기는 –77 dBm 이다. 프로브의 효율을 고려하였을 때 Backscatter field와 같은 크기의 상쇄 신호를 발생하기 위해서는 프로브에 약 –30 dBm 의 신호를 인가하여야 한다. 따라서 능동 상쇄 회로를 통하여 프로브로 들어온 신호를 약 47 dB 증폭시켜야 한다. 제안한 능동 상쇄 회로의 LNA와 VGA에 인가하는 전압을 변경하였을 때 증폭할 수 있는 최대의 이득은 42~45 dB 로 Backscatter field를 제거할 수 있는 이득에 거의 근접함을 알 수 있다.
이를 확인하기 위해 신호 발생기의 출력 전력을 –30 dBm 으로 고정하고 능동 상쇄 회로의 LNA와 VGA, 그리고 위상 변환기를 조절하여 Backscatter field의 크기를 감소시키는 실험을 진행하였다. 그 결과 –77 dBm이었던 Backscatter field의 크기가 –96 dBm 으로 측정되어 약 20 dB 가 감쇄된 것을 확인할 수 있다. 이는 그림 9와 같다.
그림 9상쇄 전(左)과 후(右)의 Backscatter field 크기 측정 결과 Fig. 9 Measurement result of backscatter field cancellation before(left) and after(right)
3. 결 론
본 논문에서는 상쇄 시스템과 프로브를 이용하여 곡면 알루미늄 판에 대한 Backscatter field를 제거하는 방법에 대해 논의하였다. 다양한 물체에 적용이 가능한 곡면 구조에 대한 Backscatter field를 별도의 외부 전원 장치 없이 입사파의 크기와 위상을 변화시킴으로서 상쇄가 가능함을 모의실험과 실험을 통해 검증하였다. 상쇄 시스템의 이득과 위상만 조절해주어 결과적으로 곡면 알루미늄 판에 대한 Backscatter field의 크기가 잡음신호의 수준까지 감소하는 것을 확인하였다
참고문헌
- Merrill I. Skolnik, Introduction to RADAR systems, 3rded, McGraw-Hill, 2001
- Cihangir Kemal Yuzcelik, “Radar Absorbing Material Design,” Naval Postgraduate School Master’s thesis, September 2003.
-
Dimitris V. Dranidis, “Airborne Stealth in a Nutshell-Part I,” the Magazine of the Computer Harpoon Community
http://www.harpoonhq.com/waypoint/, (Accessed February 2009). -
Federation of American Scientists Systems Asssessment Group, Missile Technology Control Regime Annex Handbook “Item 17 Stealth,”
http://www.fas.org/nuke/control/mtcr/text/mtcr_handbook_item17.pdf, (Accessed February 2009). - 황주성, “Oscillation System을 이용한 알루미늄판의 Phi방향 Monostatic RCS 감쇄 연구,” 대한전기학회논문지, Vol.62, No.2, pp.228-231, Feb.2013