항공용 안테나 하이브리드 모노펄스 레이다 시스템의 실용적 표적 방위각 추정 방법

그림 1은 안테나 하이브리드 모노펄스 레이다 시스템의 RF 경로에 대한 블록 다이어그램이다. 채널 1과 2의 수신신호가 180도 하이브리드에서 합과 차 채널 신호로 합성되는 구조이다. 안테나와 180도 하이브리드에서 물리적 경로 차이에 의한 채널 간 수신신호의 위상 불균형이 존재하지 않는다면 180도 하이브리드 출력단(빨간색 점선박스) 합과 차 채널 수신신호 사이의 위상차는 0도이다.

그림 1. | Fig. 1. 안테나 하이브리드 모노펄스 레이다 시스템의 RF경로 다이어그램 | RF path block diagram of antenna hybrid mono-pulse Radar system.

Download Original Figure

이론적으로 표적으로부터 수신된 신호가 안테나 기준방향(bore-sight) 대비 방위방향으로 δ도 떨어져 있으면 합과 차 채널 수신신호 사이의 위상차(ϕ)가 발생한다(그림 2(a)). 이 위상차는 다음과 같이 계산된다^[5].

그림 2. | Fig. 2. (a) 모노펄스 시스템의 표적 방위각 모식도, (b) 표적 방위각 추출절차 | (a) Diagram of target azimuth angle for mono-pulse system, (b) Extraction procedure of target azimuth angle.

Download Original Figure

여기서, λ는 파장이고, d는 채널 1과 채널 2 중심 사이의 거리를 나타낸다. 다음으로 식 (1)에서 계산된 위상차에 따른 합 (Σ)과 차 (Δ) 채널 수신신호 사이의 모노펄스 기울기는 아래와 같이 계산된다^[5].

표적의 절대적 방위각 정보는 그림 2(b)에서 설명된 기존 방법의 절차대로 추출한다. 우선, 물리적인 채널 간 경로 차이가 발생하지 않도록 보정한 다음, 합과 차 채널 수신신호로부터 모노펄스 기울기를 계산하고, 식 (2)로부터 위상차를 계산한다. 다음으로 식 (1)로부터 안테나 기준방향 대비 상대적 표적의 방위각 정보 (δ)를 추출한다. 최종적으로 안테나 지향각 정보와 합성하여 표적의 절대적 방위각 정보를 추출한다.

서론에서 언급한 바와 같이, 표적의 방위각 정확도는 모노펄스 기울기의 정확도에 의하여 결정된다. 그리고 시스템 내 합과 차 채널 수신신호의 채널 간 위상 불균형을 해소해야지만 이상적인 모노펄스 기울기 정보를 추출할 수 있다. 본 논문에서는 그림 1의 RF 송·수신기 내 채널 간 수신신호의 위상교정은 loop-back 신호를 통하여 실시간으로 정확히 수행할 수 있도록 설계하였다. 따라서, 안테나와 180도 하이브리드 내 합과 차 채널 수신신호 사이의 위상 불균형을 해소하기 위한 방법에 초점을 두었다.

일반적으로 모노펄스용 안테나와 180도 하이브리드가 제작되면 빔 성능검증을 위하여 무 방향성 챔버 시험시설에서 근접전계(near-field test) 시험을 수행한다. 측정결과는 원전계(far-field) 패턴으로 변환하여 합과 차 채널 수신신호의 빔 패턴을 획득한다. 그림 3은 본 논문에서 사용한 안테나 하이브리드 모노펄스 시스템의 근접전계 시험 결과이다. 그림 3(a)에서 볼 수 있듯이, 합과 차 채널 수신신호의 빔패턴(수신이득)이 안정적으로 형성되어 있는 것을 확인할 수 있다. 하지만, 합과 차 채널 수신신호로부터 모노펄스 기울기를 추출한 결과, 시스템 설계상의 이상적인 모노펄스 기울기(안테나 3 dB 빔폭 내)와 차이가 존재하였다(그림 3(b)). 이는 안테나에서 180도 하이브리드까지 채널 간 물리적 길이 차이에 의하여 합과 차 채널 수신신호 사이에 위상 불균형이 존재하기 때문이다. 이를 해소하기 위해서는 채널 간 수신경로의 물리적 길이가 같도록 기계적인 조정이 필요하다. 기계적인 조정은 합과 차 채널 사이의 물리적 길이 차이만큼 도파관 튜닝블록을 정밀하게 제작하여 180도 하이브리드 합 또는 차 채널 출력단에 결합한 후, 위에서 설명한 근접전계 시험 및 모노펄스 기울기 추출 작업을 반복하면서 이상적인 모노펄스 기울기가 획득될 때까지 교정하는 방법이 있다. 하지만 이는 시간과 비용이 많이 소요되기 때문에, 경로 보상값을 추출하여 신호처리 시 보상하는 방법이 일반적이다. 이는 근접전계 측정결과로부터 합 또는 차 채널 수신신호의 위상값을 조절하면서 이상적인 모노펄스 기울기와 최적화된 위상 조정값을 추출하여 신호처리 시 보상하는 방법이다.

그림 3. | Fig. 3. 근접전계 시험 결과 | Results of near-field test.

Download Original Figure

하지만, 채널 간 물리적 경로 차이에 의한 위상 불균형은 다른 위상 불균형을 유발하는 인자(예: 온도, 습도, 전력 차)와는 달리 항상 고정적으로 동일한 위상 불균형을 유발하는 인자이다. 따라서, 그림 3(b)의 근접전계에서 측정된 모노펄스 기울기가 비록 이상적인 값과 차이가 나더라도 이로부터 안테나 기준방향 대비 표적의 상대적 방위각 정보(δ)를 추출하는 것이 가능하다. 본 논문에서는 측정된 모노펄스 기울기의 1차 fitting 계수(식 (3))를 추출하여 신호처리 시, 모노펄스 기울기로부터 직접 δ를 추출하였다. 이 방법은 그림 2(b)의 제안방법의 절차에서 보는 바와 같이, 안테나 및 180도 하이브리드의 물리적 채널 간 길이를 보정할 필요없이 기존 계획되어 있는 근접전계 시험만으로도 δ를 정확하게 추출할 수 있기 때문에 이동표적의 처리 절차를 간소화 할 수 있는 장점이 있다.