Development of Wide-Band Planar Active Array Antenna System for Electronic Warfare

전자전용 광대역 평면형 능동위상배열 안테나 시스템 개발

Abstract

This paper describes the development and measurement results of a wide-band planar active phase array antenna system for an electronic warfare jamming transmitter. The system is designed as an $8{\times}8$ triangular lattice array using a $45^{\circ}$ slant wide-band antenna. The 64-element transmission channel is composed of a wide-band gallium nitride(GaN) solid state power amplifier and a gallium arsenide(GaAs) multi-function core chip(MFC). Each GaAs MFC includes a true-time delay circuit to avoid a wide-band beam squint, a digital attenuator, and a GaAs drive amplifier to electronically steer the transmitted beam over a ${\pm}45^{\circ}$ azimuth angle and ${\pm}25^{\circ}$ elevation angle scan. Measurement of the transmitted beam pattern is conducted using a near-field measurement facility. The EIRP of the designed system, which is 9.8 dB more than the target EIRP performance(P), and the ${\pm}45^{\circ}$ azimuth and ${\pm}25^{\circ}$ elevation beam steering fulfill the desired specifications.

본 논문에서는 전자전용 재밍 송신기에 사용하기 위해서 개발된 광대역 평면형 능동위상배열 안테나 시스템의 설계 및 제작 그리고 측정 결과를 소개한다. 설계된 시스템은 $45^{\circ}$ slant 광대역 복사소자를 $8{\times}8$ 삼각 배열 구조로 배치하고, 광대역 GaN 반도체 고출력 증폭기와 GaAs 다기능집적회로(MFC)를 적용한 64개의 송신 채널을 구성하여 개발하였다. GaAs다기능집적회로는 광대역에서 빔 편이 현상을 피하기 위한 실시간 지연소자, 디지털 감쇠기 그리고 GaAs 구동증폭기를 포함하고 있어서 송신 빔 조향을 할 수 있으며, 시스템의 전자적 빔 조향 범위는 방위각/고각 방향으로 각각 ${\pm}45^{\circ}/{\pm}25^{\circ}$ 범위에서 가능하다. 개발된 시스템의 송신 빔 패턴 성능을 확인하기 위해 근접 전계 시험 시설을 이용하였다. 전자전용 송신 시스템 빔 패턴 측정 결과, 시스템의 유효방사출력은 목표성능(P) 대비 최대 9.8 dB 이상을 만족하였고, 방위각/고각 방향으로 각각 ${\pm}45^{\circ}/{\pm}25^{\circ}$ 빔 조향 결과 요구성능에 만족함을 확인하였다.

그림 1. 제작된 광대역 복사소자 Fig. 1. Manufactured wide-band antenna.

그림 2. 최대운용주파수(f_max)에서의 그레이팅 로브 발생영역 시뮬레이션 Fig. 2. Grating lobe region simulation at f_max.

그림 3. 제작된 45° slant 8×8 광대역 평면형 능동위상배열 안테나 Fig. 3. Manufactured 45° slant 8×8 wide-band planar active array antenna.

그림 4. 제작된 광대역 평면형 능동위상배열 안테나 시스템 형상 Fig. 4. Manufactured wide-band planar active phased array antenna system.

그림 5. 레이다 시스템과 전자전 재밍 시스템 RF module 비교 Fig. 5. Radar system versus EW jamming system RF module.

그림 6. 시스템의 삼각 배열 구조 Fig. 6. Triangular array structure of system.

그림 7. 최저 주파수, 중간 주파수, 최대 주파수에서의 (45°, 25°) 이상적인 빔 조향 2D/3D 패턴 Fig. 7. (45°, 25°) of idal beam steering 2D/3D pattern at min. freq., mid. freq., max. freq..

그림 8. 최저 주파수, 중간 주파수, 최대 주파수에서의 (45°, 25°) 이상적인 빔 조향 1D 단면 Fig. 8. (45°, 25°) of ideal beam steering 1D cut at min. freq., mid. freq., max. freq..

그림 9. 최저 주파수, 중간 주파수, 최대 주파수에서의 빔 조향 패턴 Fig. 9. Beam steering pattern at min. freq., mid. freq., max. freq..

그림 10. 채널 간 보정 과정 이전/이후의 위상 측정값 Fig. 10. Measured phase before/after calibration.

그림 11. 채널 간 보정 과정 이후 이득 측정값 Fig. 11. Measured gain after calibration.

그림 12. 송신 근접전계 시스템 시험 구성 Fig. 12. System test configuration for transmit near field measurement.

그림 13. 송신 근접전계 시험 구성도 Fig. 13. Block diagram for transmit near field measurement.

그림 14. 시스템의 채널 위상 정렬 후 측정된 송신 근접 전계 시험 데이터 Fig. 14. Measured transmit near-field test data after channel phase alignment of system.

그림 15. 최소 주파수, 중간 주파수, 최대 주파수의 Boresight EIRP 측정 결과 Fig. 15. Boresight EIRP measurement result of min. freq, mid. freq, max. freq..

그림 16. 빔 조향 시 방위각 및 고각 1D 단면 빔 패턴 측정 결과(min. freq., mid. freq., max. freq.) Fig. 16. Azimuth and elevation 1D cut beam pattern measured result of beam steering(min. freq., mid. freq., max. freq.).

그림 17. 최대 빔 조향 시 2D 빔 패턴 측정결과(min. freq., mid. freq., max. freq.) Fig. 17. Azimuth and elevation 2D beam pattern measured result of maximum beam steering(min. freq., mid. freq., max. freq.).

표 1. 레이다 시스템과 전자전 재밍 시스템 고출력 증폭기 발열량 비교 Table 1. Radar system versus EW jamming system high power amplifier heating value.