논문/REGULAR PAPERS

평면 부배열로 구성되는 컨포멀 송신 능동위상배열안테나의 설계 및 시험

박상혁1https://orcid.org/0000-0002-5650-9792, 김기태1https://orcid.org/0000-0003-2564-7313, 서종우*,#https://orcid.org/0000-0001-6784-2745, 주태환*https://orcid.org/0000-0002-8750-9779
Sang-Hyuk Park1https://orcid.org/0000-0002-5650-9792, Ki-Tae Kim1https://orcid.org/0000-0003-2564-7313, Jong-Woo Seo*,#https://orcid.org/0000-0001-6784-2745, Tae-hwan Joo*https://orcid.org/0000-0002-8750-9779
Author Information & Copyright
1MTG(Microwave Technologies Group)
*국방과학연구소 제2기술연구본부
*The 2nd Research and Development Institute, Agency for Defense Development
#Corresponding Author: Jong-Woo Seo (e-mail: jwseo@add.re.kr)

© Copyright 2019 The Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science. This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

Received: Nov 05, 2020; Revised: Nov 15, 2020; Accepted: Nov 30, 2020

Published Online: Dec 31, 2020

요약

본 논문에서는 평면형 부배열로 구성된 컨포멀 능동위상배열안테나의 설계와 구현 결과에 대하여 기술하였다. 설계된 Ku대역의 컨포멀 능동위상배열안테나는 64개의 평면형 부배열로 구성되며, 각각의 부배열은 8×8 평면형 마이크로스트 립 배열안테나로서 총 4,096개의 안테나 소자로 이루어진다. 각각의 안테나 소자에는 증폭기와 4 bit 분해능의 위상천이 기로 구성된 코어칩이 결합되고, 4x4 배열별로 100 psec 단위의 TTD (true time delay)를 배치하여 광대역 동작시 나타나는 빔 편이 (beam squint) 현상 없이 전자적인 광각 빔조향이 가능하도록 설계하였다. 설계된 컨포멀 능동위상배열안테나를 제작하여 시험한 결과, 500 MHz의 대역폭에서 약 1.5°의 빔폭을 가지고 ±60°의 광각 빔조향에 대하여 빔편이 현상없이 운용될 수 있음을 확인하였다. 그리고 구현된 컨포멀 송신 능동위상배열안테나의 운용을 위해 적용된 공랭식 방열 구조 에 대한 해석 및 시험 결과를 간략하게 소개하였다.

Abstract

In this paper, we describe the design and test results of a conformal Tx active phased-array antenna composed of planar subarrays. The designed Ku-band conformal Tx active phased-array antenna consists of 64 planar subarrays, which are arranged as an 8×8 microstrip patch array antenna, with a total of 4,096 antenna elements. A total of 4,096 core chips, including amplifiers and phase shifters with 4-bit resolution are used, and true time delay (TTD) devices of 100 ps resolution are located once every 4×4 subarrays to remove the beam squint phenomenon manifesting at the off-broadside beam pointing region. The designed conformal Tx active phased-array antenna was fabricated and tested. The results show that the designed system could be operated without any beam squint for wide-angle beam steering of ±60°, with a 1.5° beam width at 500 MHz operating bandwidth. In addition, the analysis and test results of the air-cooled structure designed for system operation are described briefly.

Keywords: Phased Array Antenna; Tile Type; Conformal Antenna; Antenna Cooling Structure; Antenna Measurement System

Ⅰ. 서 론

다수의 복사 소자로 이루어진 배열안테나의 각 소자 사이의 상대 위상을 변화시켜 안테나 지향 방향이나 복 사패턴을 변화시키는 위상배열안테나에서 각각의 모든 복사 소자 경로에 고전력 증폭기(HPA: high power amplifier) 혹은 저잡음 증폭기(LNA: low noise amplifier)와 위 상천이기(phase shifter)와 같은 능동소자를 가지는 위상배 열안테나 시스템을 능동 위상배열안테나라 한다. 능동위 상배열안테나는 안테나 소자와 능동 소자간의 경로손실 이 최소화되어 배열안테나 시스템의 효율이 증가할 뿐만 아니라, 적용된 능동 소자의 일부가 이상동작을 하더라도 전체 배열안테나의 성능에 미치는 영향이 작아 안정성이 뛰어나다는 장점이 있다.

위상배열안테나를 부배열 단위의 타일로 구성하는 경 우 각각의 타일은 사각 평면배열이나 삼각 평면배열과 같은 주기적인 배열구조로 구성되지만, 여러 개의 타일형 부배열을 조합하여 하나의 능동위상배열안테나 시스템 으로 구성하는 형태는 매우 다양할 수 있다. 사용 목적에 따라 여러 개의 타일이 동일 평면에 동일 간격으로 배치 될 수도 있고, 동일 평면에 비균일 간격으로 배치될 수도 있으며, 특히 입체적으로 배치되어 곡면형을 가지는 컨포 멀 배열안테나는 여러 시스템에서 응용성이 높아 많은 연구[1-6]가 이루어져 왔다.

특히 공기역학적인 측면에서 장점인 컨포멀 배열안테 나를 비행체에 탑재하여 위성통신에 적용하기 위한 유럽 의 SANDRA(seamless aeronautical networking through integration of data links radios and antennas) 프로젝트[6]의 경 우, RF 대역의 위상천이기와 광학 링 공진기(optical ring resonator)로 동작하는 TTD(true time delay)를 동시에 사용 하여 배열안테나의 광대역/광각 특성을 구현하였다. 그러 나 시간 지연을 조절하기 위한 광 도파관(optical wave-guide) 주변의 광학 링 공진기의 on/off가 온도로 제어되 는 구조로 매우 많은 열이 발생하여 방열에 취약한 단점 을 가지고 있다.

본 논문에서는 평면 타일형 부배열을 원통형 표면에 구성한 컨포멀 송신 능동 위상배열안테나를 위성통신에 적용 가능하도록 Ku 대역에서 설계 및 제작하고 검증하 였다. 설계된 Ku 대역의 컨포멀 능동위상배열안테나는 64개의 평면형 부배열로 구성되며, 각각의 부배열은 8×8 평면형 마이크로스트립 배열안테나로서 총 4,096개의 안 테나 소자로 이루어진다. 특히 각각의 안테나 소자에는 증폭기와 4 bit 분해능의 위상천이기로 구성된 코어칩이 결합되고, 4×4 배열별로 100 psec 단위의 상용 TTD(true time delay) 소자를 배치하여 광대역 동작시 나타나는 빔 편이(beam squint) 현상 없이 전자적인 광각 빔조향이 광 대역에서 가능하도록 설계하였다. 2장에서는 위상천이기 와 시간 지연 소자로 제어되는 컨포멀 위상배열안테나의 해석 및 수치해석 결과를 기술하고, 3장에서는 2장에서의 설계를 바탕으로 제작된 컨포멀 송신 능동 위상배열안테 나의 구성 및 방열 구조와 관련된 사항을 기술하였으며, 4장에서는 제작된 시스템의 시험 구성과 시험 결과를 제 시하고, 마지막 장에서는 결론으로 정리하였다.

Ⅱ. 위상천이기와 시간 지연 소자로 제어되는 컨포멀 배열안테나의 설계

컨포멀 위상배열안테나에 있어 디지털 위상천이기와 시간 지연 소자를 동시에 사용하는 경우에 전자적인 빔 지향을 위한 제어값 생성의 이해를 돕기 위하여 그림 1에 임의의 위치에 놓인 2개의 안테나 소자를 도시하였다. 그림 1에서 소자 #1은 원거리에서 입사하는 신호가 도달하 는 경로가 가장 긴 위치에 있는 안테나 소자를 나타내고, 소자 #m는 임의 위치의 안테나 소자를 의미한다.

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그림 1. | Fig. 1. 두 안테나 소자간의 경로차 | Propagation delay between two antenna elements of arbitrary location.
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안테나 소자 #1의 중심을 원점으로 하고, 입사 방향으 로의 단위벡터를 r^, 원점에 대한 안테나 소자 #m으로의 위치벡터를 rmρ^m라 하면 두 안테나 소자 간의 경로 차이 는 그림 1에서와 같이 rm(ρ^mr^)이 된다. 두 개의 안테나 에 도달하는 신호를 동위상으로 만들기 위해서는 안테나 소자 #m에 경로 차이를 보상할 시간 지연을 주어야 하며, 다음과 같이 구할 수 있다.

T m ( r ^ ) = r m ( ρ ^ m r ^ ) c τ T T D τ T T D
(1)

식 (1)에서 c는 빛의 속도이고, τTTD는 시간 지연 소자 의 분해능을 의미하며, ⌊⌋는 소수점 내림을 나타낸다. 본 논문에서는 자유 공간에서 Ku 대역의 한 파장을 진행 하는데 걸리는 전파 시간(약 70 psec)과 상용 시간 지연 소자의 선택도를 고려하여 시간 지연 소자의 분해능을 100 psec로 결정하였다. 또한 최대 지연 경로는 설계하고 자 하는 위상배열안테나 개구면의 장축 길이와 최대 빔 지향 각도의 사인 함수의 곱으로 구할 수 있으며, 개구면 장축의 길이를 800 mm, 최대 빔 지향 각도를 60도로 가 정할 때 약 2.8 nsec 정도의 최대 지연 시간이 필요하다.

전체 지연 경로에서 시간 지연 소자에 의해 보상되는 경로를 제외한 나머지 경로는 위상천이기로 보상되어야 하며, 다음과 같이 구해진다.

ϕ m ( r ^ ) = 2 π λ 0 ( r m ( ρ ^ m r ^ ) c T m ( r ^ ) )
(2)

그림 2에 평면형 타일 부배열을 원통형 표면에 구성한 배열안 테나의 형상 위상배열안테나의 형상을 나타내었다. 안테나 소자간의 거리가 10.57 mm인 8×8 마이크로스트립 안테나 타일형 부배열[7]을 반경 3.5 m의 원통형 표면에 64개 배치한 형 상이며, 진동이나 변형에 의한 타일 간의 충돌을 방지하 기 위하여 y축 방향으로 1 mm, x축 방향으로 1.5 mm 정 도의 이격을 타일과 타일 사이에 두었다. 평면형 타일 부 배열과 레이돔이 정위치에 고정될 수 있도록 지지구조를 설계하였으며, 안테나 표면과 레이돔 간의 이격은 21.76 mm이다. 레이돔은 Quartz/Cyanate ester 재질의 표면과 Honeycomb 코어를 사용하여 A-sandwich 형상으로 제작 되었다.

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그림 2. | Fig. 2. 평면형 타일로 구성된 원통형 능동 위상배열안 테나의 형상 | Conformal active phased array antenna composed of planar sub-arrays.
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그림 1의 좌표계를 참고하여 4,096개 배열에 대한 단위 벡터 r^ 방향으로의 array factor(AF)를 다음과 같이 표현할 수 있다.

A F ( r ^ ) = m = 1 4096 a m e j { k o r m ( ρ ^ m r ^ ) + β m }
(3)

식 (3)에서 amβm은 각각 m번째 안테나 소자에 인가 되는 신호의 크기와 위상이고, ko는 자유 공간의 파수 (wave number)이다. 본 논문과 같이 시간 지연 소자와 위 상천이기를 모두 사용하여 단위벡터 r^o 방향으로 지향하 는 경우 식 (3)βm식 (1)식 (2)를 사용하여 다음과 같이 표현된다.

A F ( r ^ ) = m = 1 4096 a m e j k o { r m ( ρ ^ m r ^ ) c T m ( r ^ o ) ϕ m ( r ^ o ) / k o }
(4)

시간 지연 소자와 위상천이기를 사용하여 설계된 원통 형 컨포멀 위상배열안테나의 array factor를 식 (4)에서 am= 1인 uniform 배열인 경우를 모의분석하여 그림 3에 나타 내었다. Z축 방향의 정면 빔 조향의 경우, 3 dB 빔 폭이 Ku 대역의 중심주파수(fc)에서 y축을 따라 약 1.45°, x축 을 따라 약 1.5°로 분석되었고, x축 및 y축을 따라 60° 각 도로 빔 지향을 할 경우의 빔폭이 각각 약 3°와 약 2.9°로 나타났으며, 대역폭 500 MHz의 가장 낮은 동작 주파수 (fL)와 가장 높은 동작 주파수(fh)에서 빔 편이 없이 동일 한 지향 방향을 가짐을 확인할 수 있다.

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그림 3. | Fig. 3. 평면형 부배열로 구성된 컨포멀 능동위상배열안테나의 array factor | Array factor of conformal active phased array antenna composed of planar sub-arrays.
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그림 2에 주어진 컨포멀 배열안테나를 구성하는 안테 나 소자의 설계 파라미터를 그림 4에 나타내었다. 설계된 안테나 소자는 슬롯 커플링을 이용한 마이크로스트립 패 치 안테나 형태이며, 급전부는 스트립라인으로 구성하였 다. 그리고 이중 급전 구조를 구성하여 수직/수평 편파와 같은 선형 편파뿐만 아니라, 두 개의 급전 라인에 인가되는 신호의 상대적인 위상에 따라 원형 편파로도 동작할 수 있 도록 하였다. 안테나의 급전은 그림 4(a)에 나타난 feeding ground에 위치하는 RF via를 통하여 이루어지며, 두 개의 급전 라인 간의 격리도를 향상하기 위하여 그림 4(d)와 스 트립 라인층에 via를 이용한 격리벽을 추가하였다.

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그림 4. | Fig. 4. 마이크로스트립 패치 안테나 소자의 설계 파라미터 | The design parameter of microstrip patch antenna element.
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그림 4에 나타낸 패치안테나 설계 파라미터로 8×8 배열을 구성하여 모의분석하고, 배열안테나의 중심부에 위 치하는 안테나 소자에 대한 형상을 유전체를 제거하여 그림 5(a)에 도시하였고, 모의분석 결과를 그림 5(b)~그림 5(d)에 나타내었다. 그림 5(b)와 같이 반사손실은 동작 주파수대역에서 −10 dB 이하로 유지되는 것을 확인할 수 있고, 그림 5(c)는 중심주파수에서 구해진 패치 안테나 소자의 안테나 패턴으로서 배열안테나의 최대 빔 조향각 인 60°까지 비교적 평탄한 이득 특성을 나타내고 있으며, 최대 이득은 5.1 dBi이다. 그림 5(d)에는 수직/수평 편파 급 전 간 격리도 향상을 위하여 삽입된 via 격벽의 유무에 따 른 격리 성능을 비교하였다. via 격벽을 추가함으로써 두 개의 급전 포트 간 격리도가 약 10 dB 정도 개선되었으 며, 동작 주파수대역에서 −20 dB 이하의 격리 성능을 보 여주고 있다.

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그림 5. | Fig. 5. 8×8 배열 내 마이크로스트립 패치 안테나 소자의 설계 결과 | The simulation results of microstrip patch antenna element in 8×8 array.
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Ⅲ. 컨포멀 송신 능동 위상배열안테나의 구성 및 방열 구조

64개의 타일형 평면 부배열로 구성된 컨포멀 송신 능 동위상배열안테나의 구성과 구성품별 세부 기능을 그림 6에 나타내었다. 송신 타일형 평면 부배열에 대한 상세한 구성 및 성능은 참고 문헌[7]에 주어져 있으며, 16개의 타 일형 평면형 부배열을 L대역 신호 및 Ku 대역 LO로 급전 하는 4개의 섹터와 전자적인 빔 조향 제어를 담당하는 BSU(beam steering unit)로 구성하였다. 64개 타일의 8,192 개의 위상천이기와 512개의 시간 지연 소자를 제어하는 신호는 BSU에서 생성되어 LVDS(low voltage differential signaling)를 통하여 4개의 섹터로 전달되고, 재분배된 후 RS-422를 통하여 64개의 타일형 평면 부배열로 전송되도 록 하였다.

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그림 6. | Fig. 6. 원통형 송신 능동위상배열안테나 구성 | Configuration of the conformal Tx active phased array antenna.
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하나의 타일형 평면 부배열 동작을 위한 전력 소모량 은 약 31 W[7]이며, 64개의 타일을 동작시키기 위한 전력 소모량이 거의 2 kW에 달하기 때문에 타일 내에서 발생 하는 열 문제를 해결하기 위하여 그림 7과 같은 공랭식 방열 구조를 적용하였다. 그림 7과 같이 송신 능동위상배 열안테나의 지지구조 외부에서 공급된 저온의 건조한 바 람이 에어 덕트를 거쳐 4개의 공기 인입구로 분할된 후, 타일 내의 4종의 MLB(multi layer board)와 안테나/RF 보 드 사이의 공간을 통하여 지나면서 방열이 될 수 있도록 설계하였다.

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그림 7. | Fig. 7. 송신 능동위상배열안테나에 적용된 공랭식 방열 구조 | Air-cooling structure designed for the Tx active phased array operation.
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총 8개의 공기 인입구가 존재하며, 각각의 공기 인입구 로 유입된 공기는 원통형 배열구조에서 선형으로 배열되 는 타일 축을 따라 일직선으로 흘러 반대편 동일 구조의 흡입구로 배출되도록 설계하였다. 각각의 공기 인입구에 약 8°C의 공기가 10 m/sec의 속도로 유입되는 경우를 가 정하여 열 해석을 진행한 결과, 공기 통로를 벗어난 일부 MLB PCB의 모서리 온도를 제외한 대부분의 내부 동작 온도가 62°C 이하로 유지됨을 확인하였다. 그림 8은 128 개의 송신 코어칩이 장착된 안테나/RF 보드 중에서 동작 온도가 가장 높게 나타난 공기 흡입구 부근의 6개의 안테 나/RF 보드의 열 해석 결과이며, 최고 온도는 약 43.3도로 나타났다.

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그림 8. | Fig. 8. 적용된 공랭식 방열 구조의 안테나/RF 보드 열 해석 결과 | Thermal analysis results of the conformal Tx active phased array antenna with the proposed air-cooling structure.
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Ⅳ. 컨포멀 송신 능동 위상배열안테나의 제작 및 측정

2장과 3장의 설계를 바탕으로 제작한 원통형 컨포멀 송신 능동위상배열안테나를 그림 9에 나타내었다. 제작 된 능동위상배열안테나의 개구면의 크기는 약 70×70 cm2 이며, 가장자리에 위치하는 타일형 평면 부배열의 빔조향 각도를 확보하고, 레이돔을 고정하기 위한 면적을 고려하 여 지지구조는 약 1 m×1 m의 크기로 제작되었다.

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그림 9. | Fig. 9. 제작된 원통형 컨포멀 송신 능동위상배열안테나 | Fabricated conformal Tx active phased array antenna.
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3장에 기술된 바와 같이 사용된 타일형 평면 부배열 내 에서 L 대역에서 Ku 대역으로의 주파수 변환이 이루어지 기 때문에 평면형 근접전계 측정장치와 연동되는 네트워 크 분석기를 이용하기 위하여 그림 10과 같이 믹서와 LPF(low pass filter)로 구성되는 주파수 변환 모듈을 추가 하여 위상배열안테나와 LO(local oscillator)를 공유하도록 시험 구성을 하였다. 섹터 #1에서 생성된 Ku 대역 LO 신 호는 나머지 섹터와 주파수 변환 모듈의 믹서로 순차적 으로 전달되어 주파수 동기가 이루어진다.

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그림 10. | Fig. 10. 제작된 능동위상배열안테나의 근접전계 시험구성 | Near filed measurement test setup for the fabricated conformal Tx active phased array antenna.
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64개 타일형 평면 부배열에 포함된 512개의 TTD 소자 의 시간 지연 특성은 구성품 단위에서 네트워크 분석기 로 측정하여 목록화하였고, 8,192개의 위상천이기의 특성 은 평면형 근접전계 측정장치에서 백 프로젝션[8](back projection) 방법과 근접전계에서의 프로젝션 방법[9](projection method)을 병행하여 사용함으로써 위상을 보정하였 다. 보정된 원통형 송신 능동위상배열안테나의 수직 편파 와 수평 편파에 대한 broadside 3D 빔 패턴을 그림 11에 나타내었다.

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그림 11. | Fig. 11. 정면 조향 측정 3D 빔패턴 | Measured broadside 3D pattern of the fabricated conformal Tx active phased array antenna.
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그림 11에 주어진 바와 같이 정면 방향으로 빔의 정렬 이 잘 이루어졌음을 관찰할 수 있으며, 측정된 3 dB 빔 폭은 동작 중심주파수(fc)에서 x축을 따라 1.51°, y축을 따 라 1.47° 정도로 array factor로 분석한 그림 3의 결과와 거 의 일치하였다. 그리고 그림 10의 시험 구성에서 주파수 변환 모듈과 컨포멀 안테나 배열의 이득은 중심주파수 에서 수직 편파의 경우 39.27 dBi, 수평편파의 경우 40.85 dBi로 측정되었다. 편파 간의 이득 차이에 대한 원인으로 는 사용된 8,192개의 코어칩 이득의 편차, 22.5° 단위의 위상천이기 분해능에서 기인하는 위상제어의 오차 및 배 열안테나의 보정 과정에서 발생한 오차 등이 복합적으로 작용한 것으로 보인다.

그림 12에는 수직 편파에 대해 θ=60°로, ϕ=0°로 원통 형 축을 따라 빔을 지향한 경우, 측정된 안테나 패턴을 나 타내었다. 2장에서 분석된 결과와 같이 전체 500 MHz의 동작 대역폭에 대하여 빔 편이 현상 없이 동일한 지향 방향을 가지고 있음을 관찰할 수 있으며, 측정된 주 빔의 지 향 방향은 58.7°로 나타났다. 지향한 주 빔 방향과 측정된 주 빔 방향 간의 오차는 마이크로스트립 패치 안테나 소 자의 단일패턴의 영향으로 판단되며, 3 dB 빔 폭은 약 2.98°로 측정되어 array factor로 분석한 결과인 3°에 거의 일치하였다. 그러나 제작된 송신 코어칩이 이득 조절 기 능을 보유하지 않아 배열 소자 간의 이득 편차에 의해 해 석 결과보다 부엽 레벨이 전체적으로 높게 측정되었다.

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그림 12. | Fig. 12. θ=60°, ϕ=0°로 지향한 경우 측정된 안테나 패턴 | Measured off-broadside antenna pattern of the fabicated conformal Tx active phased array antenna (θ=60°, ϕ=0°).
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제작된 원통형 컨포멀 송신 능동위상배열안테나에서빔 편이 현상을 없애기 위하여 포함된 TTD의 영향성을 살펴보기 위하여 TTD에 대한 제어를 수행하지 않고 위상 천이기로만 전자적인 빔 조향을 실행한 경우와 TTD와 위 상천이기를 모두 제어한 경우의 수평 편파에 대한 안테 나 패턴을 측정하여 그림 13에 나타내었다. 빔 조향 방향 은 θ=30°, ϕ=90°이다. TTD를 제어하지 않고 위상천이기 만으로 빔 조향을 수행한 그림 13(a)의 경우, fc의 지향 방향(29.7°)을 기준으로 fL의 지향 방향은 +0.7°, fh 의 지향 방향은 −0.6° 정도의 빔 편이가 발생하는 것으로 측정되 었다. 이에 반해 TTD의 제어를 포함하여 동일한 방향으 로 지향한 경우, 그림 13(b)와 같이 fc의 지향 방향(29.8°) 을 기준으로 fL의 지향 방향은 +0.03°, fh 의 지향 방향은 −0.03° 정도의 오차로 사실상 500 MHz의 주파수 동작 대역 내에서 빔 편이가 발생하지 않았다.

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그림 13. | Fig. 13. θ=30°, ϕ=90°로 지향한 경우 측정된 안테나 패턴 | Measured off-broadside antenna pattern of the fabricated conformal Tx active phased array antenna (θ=30°, ϕ=90°).
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그림 14에는 선형 배열축과 원통형 배열축을 따라 여 러 방향으로 조향한 경우에 fc에서 측정된 수직 편파에 대한 3D 안테나 패턴을 나타내었다. 측정된 데이터로 3D 안테나 패턴을 그리는데 사용된 소프트웨어는 ㈜엠티지 의 VWNF로서 가로축과 세로축은 각각 kxky에 해당한 다. 예를 들어 그림 14(d)와 같이 입사 각도가 θ=45°, ϕ =270°인 경우, ky=90 sin(45°)sin(270°)로 계산되어 −63.6 도에 주 빔이 나타나게 된다. 설계에서 목표한 0~60도의 앙각과 0~360도 방위각 범위에서 정상적으로 빔 지향이 이루어지고 있는 것을 확인할 수 있다.

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그림 14. | Fig. 14. 정면 조향 측정 3D 빔패턴 | measured broadside 3D pattern of the fabricated conformal Tx active phased array antenna.
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제작된 원통형 컨포멀 송신 능동위상배열안테나의 동 작을 위하여 제안된 공랭식 방열 구조의 열 해석 결과를 검증하기 위하여 배열안테나 중심부의 y축을 따른 8개 타일의 안테나 표면에 열전대(thermocouple)를 부착하고 측정한 후, 해석 결과와 비교하여 그림 15에 나타내었다. 8°의 공기가 유입될 경우, 공기 흡입구에 인접한 타일의 안테나 표면에서의 온도는 측정결과, 45°로 열 해석 결과 인 42.1°와 큰 차이가 없었지만, 공기 인입구에 인접한 타 일의 안테나 표면에서의 온도는 각각 18.5°와 34.4°로 약 16°의 차이가 났다. 이는 그림 7에서 첫 번째 타일과 붙어 있는 에어 덕트(air duct)가 열 해석에 포함되어 있지 않아 에어 덕트로의 전도를 통한 방열이 생략된 결과로 판단 된다.

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그림 15. | Fig. 15. 배열안테나 중심부에서 y축을 따라 측정된 안테 나 표면 온도와 예측된 안테나 표면 온도 비교 | Analyzed and measured antenna surface temperature along y-axis at center column.
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송신 능동 위상배열안테나를 동작시키면서 배열안테 나의 정면에서 열화상 카메라로 안테나 표면 온도의 시 간적인 변화를 관찰한 결과, 약 15분이 지나면 거의 정상 상태(steady state)에 도달하였으며, 그때의 열화상 화면을 그림 16에 나타내었다. 화면의 오른쪽이 공기 인입구에 해당하며, 중심부의 y축을 따라 각 타일의 중심 표면을 십자로 마크하여 화면 오른편에 측정된 온도를 나타내었 다. 배열안테나의 중심부는 열전대로 측정한 그림 15와 유 사한 결과가 나타났지만, 화면 왼편 상단부의 타일 표면에 서 50.4°C의 최고 온도가 관찰되었다. 이는 지지구조에 장착되는 타일의 위치 오차로 인한 공기 통로의 비균일 성과 8개 공기 인입구로 유입되는 공기의 양이 균등하게 배분되지 않아 발생하는 문제로 판단된다.

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그림 16. | Fig. 16. 열화상 카메라로 측정한 안테나 표면 온도 | The antenna surface temperature measured by thermal imaging camera in steady state.
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Ⅴ. 결 론

본 논문에서는 평면형 8×8 마이크로스트립 배열안테 나 64개로 이루어진 Ku 대역의 원통형 컨포멀 능동위상 배열안테나를 설계 및 제작하고, TTD와 위상천이기를 이 용하여 빔 편이 현상 없이 광대역에서 광각의 전자적인 빔 조향이 가능하다는 것을 실험을 통하여 검증하였다. 본 논문의 결과로부터 비콘 채널과 데이터 통신 채널의 주파수 이격이 큰 위성통신 분야에서 ESA(electronically scanned array) 시스템으로 광대역 다중채널의 통신이 가 능하며, 반사판 형태의 안테나와 마찬가지로 비콘 (beacon) 채널의 추적만으로 위성통신이 가능함을 확인하 였다.

Acknowledgements

이 연구는 국방과학연구소가 지원하는 사업의 일환으로 수행되었음.

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Author Information

박 상 혁 [엠티지/주임연구원]

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  • https://orcid.org/0000-0002-5650-9792

  • 2014년 3월: 단국대학교 전자공학과 (공학 사)

  • 2016년 8월: 성균관대학교 전자전기컴퓨 터공학과 (공학석사)

  • 2016년 8월~현재: 엠티지 주임연구원

  • [주 관심분야] RF System, Embedded System

김 기 태 [엠티지/연구원]

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  • https://orcid.org/0000-0003-2564-7313

  • 2018년 2월: 전북대학교 전자공학부 (공학 사)

  • 2020년 2월: 전북대학교 전자공학과 (공학 석사)

  • 2019년 11월~현재: 엠티지 연구원

  • [주 관심분야] 임베디드 시스템, 전자통신 시스템

서 종 우 [국방과학연구소/책임연구원]

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  • https://orcid.org/0000-0001-6784-2745

  • 2000년 2월: 충남대학교 전파공학과 (공 학사)

  • 2002년 2월: 충남대학교 전파공학과 (공 학석사)

  • 2017년 2월: 충남대학교 전파공학과 (공 학박사)

  • 2002년 1월~현재: 국방과학연구소 책임 연구원 (2본부 1부)

  • [주 관심분야] 널링 안테나, 패턴합성 알고리즘, 컨포멀 안테나

주 태 환 [국방과학연구소/선임연구원]

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  • https://orcid.org/0000-0002-8750-9779

  • 2008년 2월: 부산대학교 전기 및 전자공학 부 (공학사)

  • 2010년 2월: 한국과학기술원 전기전자공 학과 (공학석사)

  • 2014년 2월: 한국과학기술원 전기전자공 학과 (공학박사)

  • 2016년 10월~현재: 국방과학연구소 선임연구원

  • [주 관심분야] RF Transceiver, 데이터링크 시스템