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근전계 빔 집속 시험 기법을 활용한 평면위상배열레이다 시스템 복사 및 빔 조향 특성 검증

Verification of Radiation and Beam-Steering Characteristics for Planar-Phased Array Radars Using Near-Field Beam Focusing

  • 김영완 (LIG넥스원 감시정찰연구소) ;
  • 이재민 (LIG넥스원 감시정찰연구소) ;
  • 정채현 (LIG넥스원 감시정찰연구소) ;
  • 박종국 (LIG넥스원 감시정찰연구소) ;
  • 이유리 (LIG넥스원 감시정찰연구소) ;
  • 김종필 (LIG넥스원 감시정찰연구소) ;
  • 김선주 (국방과학연구소 항공기레이다 체계단)
  • Kim, Young-Wan (Surveillance and Reconnaissance Research Group, LIG Nex1) ;
  • Lee, Jaemin (Surveillance and Reconnaissance Research Group, LIG Nex1) ;
  • Jung, Chae-Hyun (Surveillance and Reconnaissance Research Group, LIG Nex1) ;
  • Park, Jongkuk (Surveillance and Reconnaissance Research Group, LIG Nex1) ;
  • Lee, Yuri (Surveillance and Reconnaissance Research Group, LIG Nex1) ;
  • Kim, Jong-Phil (Surveillance and Reconnaissance Research Group, LIG Nex1) ;
  • Kim, Sunju (Aircraft Radar System Group, Agency for Defense Development)
  • 투고 : 2018.12.24
  • 심사 : 2019.02.09
  • 발행 : 2019.02.28

초록

본 논문에서는 근전계 빔 집속(near-field beam focusing: NFBF) 시험을 활용한 평면위상배열레이다 시스템의 성능 검증 방안을 제시하고 결과의 유효성을 확인하였다. 제시한 시험 기법은 안테나 개구면 크기 두 배 거리의 근전계 영역에서 레이다 시스템을 검증하는 방안으로 야외가 아닌 전자파 무반향실 내에서 원전계 성능 시험과 동일하게 레이다 시스템을 검증할 수 있었다. 이를 위해 근전계 에너지를 사용한 빔 집속 시험의 시험 구성도 및 검증 절차에 대하여 기술하였다. 또한 빔 조향된 근전계 빔 집속 시험에 대한 수학적인 검증을 통해 개별채널의 추가적인 위상 보상값을 수치화하였다. 이론적인 검증에 기반하여 실제 근전계 빔 집속 시험을 수행하였고 이상적인 결과와의 비교를 통해 시험 방법의 유효성을 확인하였다.

In this study, we propose a verification method for a planar-phased array radar system using a near-field beam focusing(NFBF) test method. We then confirmed the validity of the results. The proposed method can be used to verify a radar system in the near-field range of twice the antenna aperture size, and this is done in the same manner as the field system performance test conducted in a non-outdoor electromagnetic anechoic chamber. The test configuration and procedure for verifying the NFBF using near-field energies were reviewed. In addition, the phase compensation values of additional individual channels were quantified through mathematical verification of the beam-steered NFBF test. Based on a theoretical verification, the actual NFBF test was performed and the validity of the test method was confirmed through comparison with ideal analytical results.

키워드

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그림 1. 근전계 빔 집속 구성도 Fig. 1. Configuration of near-field beam focusing.

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그림 2. $\frac{z_i}{L}$에 따른 분산량 비교 Fig. 2. Dispersion comparison due to $\frac{z_i}{L}$.

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그림 3. 빔 조향에 따른 경로 보상 형상 Fig. 3. Configuration of path compensation due to beam steering.

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그림 4. 빔 조향에 따른 경로차 적용 개념Fig. 4. Concept of path difference compensation due tobeam steering.

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그림 5. 정렬 시험 구성도 Fig. 5. Configuration of alignment test.

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그림 6. 근전계 크기/위상 Fig. 6. Near-field magnitude/phase.

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그림 7. 빔 집속 시험 시험 구성도 Fig. 7. NFBF test configuration.

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그림 8. 합채널 빔 집속 Fig. 8. Beam focusing of sum channel(streering angle @ Az:0°/El:0°).

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그림 9. 방위각 차채널 빔 집속 Fig. 9. Beam focusing of Del.Az channel(streering angle @ Az:0°/El:0°).

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그림 10. 고각 차채널 빔 집속 Fig. 10. Beam focusing of Del.El channel(streering angle @ Az:0°/El:0°).

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그림 11. 합채널 빔 집속 Fig. 11. Beam focusing of sum channel(streering angle @ Az:20°/El:20°).

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그림 12 방위각 차채널 빔 집속 Fig. 12. Beam focusing of Del.Az channel(streering angle @ Az:20°/El:20°).

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그림 13. 고각 차채널 빔 집속 Fig. 13. Beam focusing of Del.El channel(streering angle @ Az:20°/El:20°).

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그림 14. 빔 응답 개념 Fig. 14. Beam response concept.

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그림 15. 빔 조향에 따른 방위각 빔 응답 비교 Fig. 15. Azimuth beam response comparison due to beam steering(@ Sum/Del ch.).

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그림 16. 빔 조향에 따른 고각 빔 응답 비교 Fig. 16 Elevation beam response comparison due to beam steering (@ Sum/Del ch.).

표 1. 평면위상배열안테나 제원 Table 1. Planar phased array antenna data.

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참고문헌

  1. 김영완, 이재민, 이유리, 김종필, 박종국, 박규철, 김선주, "근접전계 시험을 이용한 항공기용 평면형 능동위상배열안테나 송수신 빔 성능 검증에 관한 연구," 한국군사과학기술학회논문지, 22(1), pp. 61-68, 2018년 2월.
  2. 채희덕, 김한생, 이동국, 정명득, 박종국, "근접 전계 시험 시설을 이용한 능동 위상 배열 안테나 송신 빔 패턴측정," 한국전자파학회논문지, 22(12), pp. 1155-1164, 2011년 12월. https://doi.org/10.5515/KJKIEES.2011.22.12.1155
  3. 채희덕, 이재민, 김영완, 김한생, 진형석, 박종국, "완전 디지털 레이다에 적용 가능한 능동위상배열안테나 근전계 수신 시험," 한국전자파학회논문지, 27(7), pp. 625-634, 2016년 7월. https://doi.org/10.5515/KJKIEES.2016.27.7.625
  4. J. W. Sherman, "Properties of focused aperture in the fresnel region," RE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 10, no. 4, pp. 399-408, Jul. 1962. https://doi.org/10.1109/TAP.1962.1137900
  5. A. J. Fenn, D. H. Temme, W. P. Delaney, and W. E. Courtney, "The development of phased-array radar technology," Lincoln Laboratory Journal, vol. 3, no. 1, pp. 23-40, 1990.