Ⅰ. 서 론
전장에서 비행체의 생존성은 레이다에 비행체가 얼마나 정확하게 나타나는지에 달려 있다. 레이다에 비행체가 드러나는 순간 위치, 속도 및 방향 등 비행체에 대한 많은 정보가 드러나기 때문에 전쟁 상황에서 생존성 확보가 어려워지기 때문이다. 그리하여, 비행체의 생존성을 높이기 위하여 RCS(radar cross section)을 감소시키는 전자기적 스텔스 연구가 활발히 이루어지고 있다. 비행체의 RCS를 낮추게 되면, 레이다에서 발사한 전자기파가 비행체를 맞고 반사되는 정도가 낮아지기 때문에, 레이다에 되돌아오는 전자기파 양이 줄어들어 비행체를 탐지하기가 힘들어지게 되기 때문이다.
이러한 RCS 감소를 이용한 스텔스 기술은 지금껏 다양한 방법으로 많이 연구되었다. 주로, 비행체의 구조를 변형시켜 전파를 난반사시키거나, 레이다 흡수 물질(radar absorbing material: RAM)을 이용하는 방법들이 있다[1],[2]. 하지만, 이러한 방법들은 비행기의 동역학적 구조에 영향을 미쳐 동체 적용에 한계가 존재하며, 짧은 내구성과 높은 유지 비용으로 인해 장기적으로 사용하기 어렵다.
이러한 문제점을 개선하기 위해 최근에 플라즈마를 이용한 RCS 저감시키는 방법이 연구되고 있다[3],[4]. 플라즈마는 고전압을 이용하여 공기를 이온화시켜 만드는 준중성의 기체이다. 준중성을 띄는 기체이지만 일부 이온화된 전자와 이온에 의해 손실 탄젠트가 변하기 때문에 전자기파를 감쇄시키는 효과가 있다[5]. 이러한 플라즈마의 유전체적 득성을 드루드 모델에 의해 발생하는 플라즈마의 전자밀도에 따라 특정한 유전율 값으로 모델링이 가능하다[6]. 또한, 발생시키는 환경의 부피나 모양에 맞게 플라즈마를 발생 가능하며, 크기나 무게에 대한 제약이 적어서 플라즈마 발생기를 비행체에 탈·부착하여 사용할 수 있는 장점이 있다.
또한, 다양한 플라즈마 발생기의 구조와 플라즈마를 결합하여 RCS 저감 성능을 확보한 연구 결과도 존재한다. 핑거 형태의 전극을 사용하여 DBD 발생기를 제작, 평행판 축전 플라즈마를 발생시켜 Ku-band에서 구동주파수에 따라 최대 4.1 dB의 RCS 저감 효과를 검증하였다[7].
하지만, 200×200 mm2 넓은 영역을 평행판 축전 방전 방식을 통해 방전하기 때문에 안정적인 방전이 힘들며, 타겟과 일정 간격을 유지한 채로 방전하여 구조적 안정성이 떨어진다는 단점이 있다. 또한, 타겟이 전도성 물체이어서 발생기의 일부인 접지면으로 활용 가능해야 하거나, 또는 추가적인 접지면이 필요하다. 타겟이 전도성이더라도 플라즈마를 발생시키기 위한 고전압 바이어스를 직접 인가해야 하기 때문에 실용성이 떨어질 수 있다. 따라서, 안정적이며 비행체에 직접 인가하지 않고 플라즈마를 발생시킬 수 있는 발생기에 대한 연구가 필요하다.
본 논문에서는 비행체의 RCS 저감을 위한 공면 구조 DBD 플라즈마 발생기를 제안한다. 타겟의 성질과 관계없이 공면 구조의 전극 사이에 플라즈마를 발생시켜 RCS 저감을 이루어낼 수 있다. 간격이 3 mm인 핑거 형태 전극을 교차시키는 방식으로 X-band에 최적화하여 설계하였다. 이러한 발생기를 이용하여 플라즈마를 발생시킬 경우 200×200 mm2 크기의 구리 도체판의 RCS가 최대 2.8 dB 감소하는 것을 실험적으로 검증하였다. 본 연구에서는 제작된 DBD 플라즈마 발생기를 이용해 X-band에서의 RCS 저감 효과를 분석하고, 측정 데이터와 모의실험 결과를 비교하여 검증하며, 앞으로 RCS 저감 방법으로서의 가능성을 확인하였다.
Ⅱ. 제안된 공면구조 DBD 플라즈마 발생기 및 실험 환경
본 논문에서 제안한 DBD 플라즈마 발생기의 구조는 그림 1(a)와 같다. 크기가 200×200 mm2이고, 두께가 2.4 mm인 FR-4 유전체 위에 공면 구조의 핑거 형태로 폭이 3 mm인 전극 30개를 3 mm 간격으로 교차로 배치하였다. 이러한 발생기를 200×200 mm2 크기의 구리 평판 타겟 앞에 배치하여 저감 효과를 확인할 수 있도록 제작하였다. 제작한 구조 좌, 우측에 위치한 두 전극에 바이어스로 전압을 인가하면, 전극과 전극 사이의 3 mm 영역에 플라즈마가 발생한다. 즉, 공면 구조의 전극을 활용함으로써 전도성이 아닌 타겟에도 적용시킬 수 있으며, 전도성 타겟인 경우에도 플라즈마를 발생시키기 위해서 타겟에 고전압 바이어스를 직접 인가하지 않아도 된다도 큰 장점이 있다.
그림 1(b)의 설계한 전극은 폭이 3 mm인 간격으로 전극을 배치하였는데, X-band에서 RCS 저감을 시킬 수 있으면서 플라즈마 발생을 최적화시킨 간격이다. 그림 1(c)는 평면형 타겟 앞에 위치시킨 예이다. 앞에서 언급한 대로 평행판 커패시터 구조의 DBD 발생기와 달리 타겟을 접지면으로 활용하지 않으므로 타겟이 전도성을 띄거나 전도성을 띄는 별도의 접지면을 필요로 하지 않는다.
그림 2는 설계한 폭이 3 mm 전극을 각 1, 3, 5 mm 간격으로 전극을 배치하여 설계하였을 때 각 플라즈마 발생기의 RCS 모의실험 결과이다. 전극 간격에 따라 RCS가감소하는 대역이 달라지는 것을 확인할 수 있다. 1 mm 간격의 경우, X-band 내에서 큰 RCS 감소 효과를 보이지만, 플라즈마가 전극과 전극 사이에 발생하기 때문에 플라즈마 발생량이 가장 적다. 또한, 고전압을 인가하기 때문에 1 mm 간격에서는 아크 발생으로 인해 플라즈마 발생이 어려워 플라즈마에 의한 RCS 저감 효과를 극대화 시킬 수 없었다. 5 mm 전극 간격은 가장 높은 대역에서 RCS 감소 효과를 보인다. 또한, 플라즈마 발생 영역은 가장 넓지만, 넓은 전극 간격에 의해 인가되는 전기장의 크기가 적어져서 발생하는 플라즈마의 전자밀도가 낮다. 그로 인해, 플라즈마에 의한 저감 효과를 극대화 시키기 어려웠다. 그래서 전극 간격을 3 mm로 최적하하여 플라즈마 발생시키지 않더라도 전극을 부착하는 것만으로 X-band에서 구리 평판에 대한 RCS 저감 효과를 얻을 수 있었으며, 플라즈마 발생시 추가적인 효과로 인해서 저감 효과를 극대화 시킬 수 있었다.
그림 3은 제안한 공면 구조 DBD 플라즈마 발생기의 제작된 모습이다. 그림 1(a)의 구조에 유전율 3.5의 폴리이미드 필름을 부착하여 유전체 장벽으로 동작하도록 제작하였다. 유전체 장벽 방전은 인가 전압에 의해 움직이는 전자가 유전체 장벽에 축적되어 보다 안정적이고 균일한 방전을 가능하게 한다. 또한, 절연체로써 전극 간의 아크 방전의 발생을 막아주는 역할도 한다. 총 필름 두께는 0.0508 mm로 파장 대비 굉장히 얇은 유전체 장벽이기 때문에, 기존 플라즈마 발생기의 RCS에 영향은 주지 않는다.
그림 4은 제작된 플라즈마 발생기의 플라즈마 발생 실험 및 RCS 측정을 위한 모노스태틱 측정 환경을 나타낸다. 실제 비행 환경에서의 플라즈마 발생 환경을 조성하기 위해 400×300×400 mm3 크기의 아크릴 진공 챔버를 사용하였으며, 챔버 내 기압을 0.3 atm으로 낮춘 상태에서 실험을 진행하였다.
RCS 측정은 Anritsu 사의 MS4640B 벡터 네트워크 분석기와 X-band에서 이득이 15∼18 dBi인 DRH 안테나(이득) 쌍을 사용하여 원거리장(far-field) 조건을 만족시키는 거리에서 RCS를 측정하였다[8]. 또한 RCS 측정 중 아크릴 챔버 등 주변 클러스터의 영향을 최소화하기 위해 타임 게이팅 방법을 사용하여 플라즈마 발생기에서 반사된 신호만 선별하여 이를 후처리함으로써 타겟의 RCS를 추출하였다[9].
Ⅲ. 실험 결과 및 분석
그림 5는 제안된 발생기에서 플라즈마를 발생시킨 상태를 보여준다. 이때 인가한 신호의 구동주파수는 1 kHz 이며, 전압은 12 kVpp로 인가한 신호의 주파수 및 전압을 변화시켜가며 육안상 최적점이 되는 조건을 선정하였다.
그림 6은 제작된 플라즈마 발생기를 타겟에 부착한 뒤 플라즈마 발생 전후의 RCS를 측정한 결과이다. 파선은 모의실험 결과이며, 실선은 그림 4의 측정환경을 사용하여 RCS룰 측정한 결과이다. 타겟으로 사용된 200×200 mm2 구리 평판의 모의실험과 측정 값이 잘 일치하는 것을 확인할 수 있으며, 이를 통해 실험을 위한 캘리브레이션이 잘 진행되었다는 것을 알 수 있다. 플라즈마를 발생시키기 전 Plasma Off 상태의 RCS는 발생기의 전극과 FR-4 유전체 기판에 의해 입사 신호가 산란되어 타겟인 200×200 mm2 구리 평판보다 RCS가 소폭 감소한다. Plasma Off 상태에서의 측정 결과, 역시 모의실험 결과와 거의 유사한 것을 확인할 수 있다. 플라즈마를 발생시키게 되면 전 대역에서 고루 RCS가 감소하는 것을 확인할 수 있으며, 플라즈마 주파수 ωp= Grad/s인 모의 실험 결과와 일치하는 것을 확인하였다.
플라즈마는 발생시키는 환경의 방전 기압에 따라 충돌주파수가 정해진다. 실험에서 발생시킨 방전 기압은 0.3기압으로 이 때의 충돌주파수는 684 GHz이다[10].
그림 7은 방전 기압에 따른 플라즈마 발생기의 예상 RCS를 나타낸 그래프이다. 이 때, 플라즈마 주파수는 175 Grad/s로 고정하였다. 방전 기압이 낮아짐에 따라 RCS 저감 효과가 상승하는 것을 확인할 수 있다. 이는 충돌주파수가 감소함에 따라 식 (1)의 드루드 모델에서 추출 가능한 손실 탄젠트가 증가하기 때문이다. 하지만, 기압을 변화시키게 되면, 파셴 법칙에 의해 방전이 시작되는 전압이 낮아지고, 아크 방전이 발생하기 쉬워지기 떄문에 인가할 수 있는 최대 전압이 낮아지게 된다. 플라즈마의 전자밀도는 발생기에 인가되는 전압이 높을수록 증가하는데, 최대 인가 전압이 감소하다보니 생성되는 전자밀도 역시 감소하게 된다.
그림 8은 그림 6에서 플라즈마 발생 전후 RCS의 차이를 나타낸 것으로 플라즈마가 발생으로 인해서 DBD가 부착된 구리 평판의 RCS가 X-band 전 대역에서 고르게 감소하며, 최대 2.6 dB 감소함을 알 수 있다. 실험 결과와 모의 실험의 결과가 차이가 발생하는데, 그 이유는 실내 환경에서 측정하기 때문에 타임 게이팅 방법을 사용하여 발생기의 반사 신호만 측정해도 실내 환경에서의 반사, 아크릴과 플라즈마 발생기 사이의 다중 반사 등 에러가 포함된 것으로 추정된다.
표 1은 측정한 발생기의 RCS와 모의실험 결과를 통해 발생한 플라즈마의 플라즈마 파라미터 및 전자기적 파라미터를 추출한 값이다.
| Wave frequency | ω | 8 GHz | 10 GHz | 12 GHz |
|---|---|---|---|---|
| Plasma parameters | ωp | 175 Grad/s | ||
| υp | 684 GHz | |||
| Epsilon and loss tangent | ϵ′ | 0.94 | 0.94 | 0.94 |
| tan δ | 0.95 | 0.76 | 0.63 | |
모의 실험 결과와 비교를 통해 플라즈마 파라미터를 추출한 뒤, 식 (1)의 드루드 모델을 사용하여 발생한 플라즈마의 전자기적 파라미터를 추출할 수 있다. 그 결과, 제안한 발생기를 통해 발생한 플라즈마는 X-band 내에서 손실 탄젠트가 0.63에서 최대 0.95에 해당하는 유전체로서 상당히 높은 손실 탄젠트 값을 가진다. 그로 인해 입사하는 신호의 반사를 줄여 RCS를 감소시키게 된다[11].
Ⅳ. 결 론
본 논문에서는 공면 구조 DBD 플라즈마 발생기를 제안하여 플라즈마의 발생 여부에 따른 모노스태틱 RCS 감소 특성을 실험적으로 검증하였다. 제안한 플라즈마 발생기는 200×200 mm2의 FR-4 기판에 핑거 형태의 전극을 통해 이루어져 있다. X-band 레이다 신호 감쇠에 최적화된 3 mm의 전극 간격과 2.4 mm 두께의 기판을 사용하여 타켓인 200×200 mm2 구리 평판의 RCS를 감소시킨다. 공면 구조의 전극을 사용하기 때문에 타겟에 전압을 인가하여 플라즈마를 발생시킬 필요 없이 두 전극에 바이어스를 인가하여 기판 위에 플라즈마를 발생시킬 수 있다. 또한, 넓은 영역의 플라즈마를 발생하여 방전이 불안정한 평행판 플라즈마에 비해 두께가 얇지만, 그만큼 안정적으로 플라즈마를 발생시킬 수 있다. 제시한 실험 환경에서 최적의 플라즈마 발생 조건을 찾아 RCS 측정 실험을 진행하였으며, 안정적으로 플라즈마가 발생하는 것을 확인하였다. 플라즈마 발생 여부에 따라 발생 시 X-band 내에서 최대 2.6 dB의 RCS 감소 효과를 확인하였다. 플라즈마 발생 전, 모의실험 결과와 측정 결과가 거의 유사함을 확인하였으며, 플라즈마 발생 후 역시 RCS 저감 효과가 있음을 실험적으로 증명하였다. 향후 더 나은 플라즈마에 의한 저감 효과를 확보하기 위해 발생 가능한 플라즈마 두께를 늘려나가는 방향으로 하며, 비행 상태에서 안정적으로 플라즈마를 발생시키기 위한 유동 환경에서의 안정된 방전 방법을 고려하여 연구가 진행되어야 할 것이다.
