ISSN 1226-3133 (Print)․ISSN 2288-226X (Online)
항공기 날개 탑재 안테나의 빔 보상을 위한 X-대역 위상 배열 안테나 모듈
X-Band Phased Array Antenna Module for the Beam Compensation of an Aircraft Wing Mounted Antenna
최우열․서정훈․김현호․백건우․홍성용
Woo-Yeol Choi․Jung-Hoon Seo․Hyun-Ho Kim․Kun-Woo Baek․Sung-Yong Hong 요 약
비행 중 날개 변형에 의해 바뀐 빔 방향을 보상하기 위한 X대역 위상 배열 안테나 모듈을 설계 및 제작하였다. 위상 배열 안테나 모듈은 배열 안테나, 전력분배기, 위상변위기 및 제어회로로 구성된다. 최적의 부품 선택을 위해 날개 변형 및 위상변위기의 위상 오차에 의한 방사 패턴의 변화를 시뮬레이션하였다. 제작된 위상 배열 안테나 모듈은 9.375 GHz에 서 5.84 dBi의 이득, 13.6 dB의 반사손실, 10.6 %의 대역폭을 얻었다. 주빔 방향 보상 성능을 확인하기 위해 측정 장치를 구축하였다. 측정을 통해 굽힘 변형이 9 %일 때 빔 보상이 정확히 이루어짐을 확인하였다.
Abstract
X-band phased array antenna module for the compensation of deformed beam direction by wing deformation is designed and fabricated. The phased array antenna module consists of array antenna, phase shifter, power divider and control circuit. To select out the best component, the variation of radiation pattern by wing bending and phase error of components is simulated. The fabricated phased array antenna module shows an antenna gain of 5.84 dBi, a return loss of 13.6 dB and a bandwidth of 10.6 % at 9.375 GHz.
The test bed was set up to verify the performance of beam direction compensation. This test confirmed that the main beam direction of array antenna has been well restored under wing bending of 9 %.
Key words: Phase Array Antenna, Phase Shifter, Power Divider, Beam Direction Compensation
「이 연구는 국방과학연구소의 지원으로 연구되었음.」
충남대학교 전파공학과(Department of Radio Science & Engineering, Chungnam National University)
․Manuscript received June 9, 2016 ; Revised August 16, 2016 ; Accepted October 27, 2016. (ID No. 20160609-062)
․Corresponding Author: Sung-Young Hong (e-mail: [email protected])
Ⅰ. 서 론
항공기 탑재용 안테나는 주로 항공기 동체나 수직꼬리 날개와 같은 변형이 작은 부분에 적용된다. 그러나 정찰 용 무인기와 같은 작은 항공기는 동체 내부 공간이 좁아 안테나를 내장하기 어렵기 때문에, 공간 여유가 있는 날
개에 안테나를 내장하는 방법을 사용한다. 안테나를 항공 기 날개에 내장시킬 경우, 비행 중 날개 변형에 의해 주빔 의 방향이 바뀌어 안테나 이득이 감소한다. 특히, 원하는 방향에서 신호를 취득하기 위해 안테나 빔폭이 좁은 경 우, 날개 변형에 따른 SNR의 열화가 커, 이를 위한 빔 보 상이 필요하다. 따라서 기계적인 안정화 장치를 사용하거
나, 위상 변위기를 사용하여 주빔의 방향을 보상할 수 있 다[1]. 송신 안테나를 이용하여 날개 변형에 따른 변형 정 보를 취득하거나, 위상 배열을 이용해 주빔의 방향을 보 상하는 연구가 일부 국가에서 진행되었다[2],[3]. 하지만 송 신 안테나가 없을 경우, 실제로 적용하기 어렵고, 구조물 변형 정도에 대한 정보를 알 수 없는 단점이 있다. 본 논 문은 국내 최초의 안테나 특성 보상 연구로 스트레인 게 이지(strain gauge)를 이용해 날개의 굽힘 변형을 파악하여 보상하는 방법으로 실제 항공기에 적용할 수 있다. 이를 위해 항공기 날개에 탑재될 마이크로스트립 패치 배열 안테나의 구조 변형에 의한 안테나의 방사특성을 보상하 는 방법을 선행 연구하였다[4],[5]. 또한, via hole에 의한 영 향을 최적화하여 기존의 배열 안테나 성능을 개선하였고, 위상변위기를 이용한 빔 보상의 가능성을 실험을 통해 검증하였다[4],[5].
날개 변형에 따른 배열 안테나의 주빔 방향 변화를 보 상하는 과정은 다음과 같다. 먼저 날개에 부착된 스트레 인 게이지(strain gauge)를 통해 굽힘 변형을 실시간으로 감지한다. 이 값을 이용하여 주빔 방향의 변화를 보상하 기 위한 위상 값을 계산한다. 이 값을 MCU를 이용하여 배열 안테나에 부착된 위상변위기를 제어한다.
본 논문에서는 날개 변형에 의한 주빔 방향을 보상하 기 위한 X대역 1×8 위상 배열 안테나 모듈을 설계 및 제 작하였다.
Ⅱ. 위상 배열 안테나
본 논문에서 설계하고자 하는 항공기 날개 탑재용 위 상 배열 안테나 모듈의 설계 규격을 표 1에 나타내었다.
동작 주파수는 X대역 레이더 주파수인 9.375 GHz로 선정하였다. 배열 안테나는 시제품 제작이 용이한 1×8 선
항 목 규 격
동작 주파수 9.375 GHz
배열 안테나 구조 1×8 선형 배열
굽힘 변형 9 % 이하
빔 보상 정확도 1° 이하
표 1. 위상 배열 안테나 모듈 설계 규격
Table 1. Specification of the phased array antenna module.
형 배열 안테나를 선택하였고, 항공기 날개의 실제 상황 을 고려하여 굽힘 변형이 최대 9 %까지 주빔 방향 보상 이 가능하도록 설계 규격을 설정하였다.
굽힘 변형은 식 (1)과 같이 날개의 끝단 변위(
)와 날 개 길이(
)의 비로 정의한다.
굽힘 변형 [%]
×
(1)
식 (1)을 이용하여 배열 안테나 단위 소자의 변위와 기 울기를 계산할 수 있다[6]. 선형 배열 안테나의 어레이 팩 터(Array Factor)를 식 (2)에 나타내었다.
(2) 여기서
은
번째 소자의 위상차이다.실제 날개 변형에 의한 주빔의 변형은 비선형이므로 굽힘 변형으로부터 계산된 소자의 변위와 기울기를 컨포 멀 배열 안테나 이론에 적용하여 주빔의 변화를 예측할 수 있다. 컨포멀 배열 안테나의 단위 소자 패턴을 그림 1 에 나타내었다.
식 (2)에 그림 1의 각 소자의 변위와 기울기를 적용하 면 컨포멀 배열 안테나의 어레이 팩터를 식 (3)과 같이 나 타낼 수 있다.
(3)그림 1. 컨포멀 배열 안테나의 단위 소자 패턴
Fig. 1. Element pattern of a conformal array antenna.
굽힘 변형 주빔 방향
0 % 0°
3 % 3.8°
6 % 8°
9 % 11.6°
12 % 15.3°
표 2. 굽힘 변형에 따른 주빔 방향 변화
Table 2. Variation of the main beam direction by wing ben- ding.
여기서
는 급전 위상,
는 보상 위상,
는 파수,
는
번째 소자의 위치 벡터,
는 공간 단위 벡터로
로 표현되며,
는 단위 스캔 벡터,
는 안테나 소자면에 수 직인 벡터,
는
번째 소자의
와
가 이루는 각이다.배열 안테나의 방사패턴
은 단일 소자의 방사패 턴(EP: Element Pattern)에 식 (4)의 어레이 팩터의 곱으로 구할 수 있다.
는
번째 소자의 급전 크기이다.
･
(4)굽힘 변형에 따른 주빔 방향의 변화를 표 2에 나타내었 는데, 굽힘 변형이 9 %일 때 주빔의 방향이 —12°～+12°
까지 변함을 알 수 있다. 설계하고자 하는 위상 배열 안테 나 모듈의 구조를 그림 2에 나타내었다.
위상변위기를 이용해 배열 안테나를 구성하는 방사소 자에 위상차를 주면 배열 안테나의 동위상면을 변화시킬
그림 2. 위상 배열 안테나 모듈 구조
Fig. 2. Configuration of a 1×8 phased array antenna module.
수 있고, 생성된 동위상면의 법선 방향으로 주빔의 방향 이 결정된다.
번째 방사 소자의 위상차
과 조향각
의 관계 를 식 (5)에 나타내었다[7]. 배열 간격
와 파장
가 정해 지면, 원하는 조향각
를 얻을 수 있는 방사소자 간 위 상차
를 계산할 수 있다.
sin
⋯
(5)굽힘 변형의 경우, 평면이 아닌 곡면이므로 위상차를 보상해 주어야 한다. 굽힘 변형에 의한 단일 방사소자의 패턴 변화가 거의 없을 때 1번 소자의 기울기를 이용해 평면 구조의 각 소자의 위치를 예측하고, 이를 곡면 구조 와 위치차를 통해 n번째 소자에서의 위상차
를 계산, 보상하여 최종 위상차
로 주빔의 방향을 결정할 수 있다.배열 간격
가 증가하면 이득이 증가하고, 빔폭은 좁 아진다. 또한, SLL(Side Lobe Level)이 증가하고, 크기가 커지는 단점이 있다. 이러한 특성을 고려하여 배열 간격 을
로 설정하였다. 배열 간격이
일 때, 1×8 선 형 배열 안테나의 조향각에 따른 방사패턴 변화를 시뮬 레이션을 통해 확인하였다. 조향각이 20°에서 주빔의 90°방향에서 그레이팅 로브가 발생하는 것을 그림 3(c)에서 알 수 있다.
그레이팅 로브가 발생하지 않는 조건을 식 (6)에 나타 내었다[8].
≤ sin
(6)
식 (6)으로부터 빔 조향각이 15° 이내이면 그레이팅 로 브가 발생하지 않아 설계규격 내에서는 그레이팅 로브의 영향이 없음을 알 수 있다.
Ⅲ. 위상 배열 안테나 모듈 설계 3-1 위상변위기
안테나의 주빔 변화를 보상하기 위한 위상변위기는 스
(a)
°
(b)
°
(c)
°
그림 3. 빔 조향각에 따른 방사패턴 시뮬레이션 결과
Fig. 3. Simulated radiation pattern of the array antenna with steering angle variation.
위칭 속도가 빠르고, 항공기 날개에 탑재하기 위해 크기 가 작고 가벼워야 한다. 따라서 손실이 크더라고 빠른 스 위칭 특성, 작은 크기와 무게의 특징을 가지는 디지털 위 상변위기를 선택하였다.
위상변위기의 위상오차에 의한 배열 안테나의 빔 패턴 의 변화를 시뮬레이션을 통해 확인하였다.
항 목 위상 오차
0° ±20° ±45°
Frequency 9.375 GHz
Gain 17.2 dBi 17.1 dBi 16.5 dBi SLL —12.2 dB —12.1 dBi —10.5 dBi
HPBW 9° 10° 10°
주빔 방향 0° 0° 1°
표 3. 위상오차에 따른 배열 안테나의 특성
Table 3. Characteristics of the array antenna with phase error variation.
항 목 규 격
Frequency range 8～12 GHz Insertion loss 6.5 dB Typ.
RMS phase error 5°
Bit 6 bit
Step 5.6°
표 4. 위상변위기 규격
Table 4. Specification of the phase shifter.
표 3에 위상오차에 따른 안테나의 특성 변화를 나타내 었다. 위상오차가 45°까지 주빔의 변화가 1° 이내이다. 이 러한 조건을 만족하는 MA-COM사의 MAPS-010166 위상 변위기를 선정하였다. 선정된 위상변위기의 규격을 표 4 에 나타내었다.
선정된 위상변위기는 6 bit로서 X대역에서 5.6° 간격으 로 위상을 조절할 수 있다. 표 3에서 위상 오차 5°는 방사 패턴에 영향을 주지 못함을 알 수 있다. 선정된 위상변위 기의 성능을 확인하기 위해 위상변위기 모듈을 제작하여 측정하였다. 그 결과, 삽입손실은 약 —8 dB, 위상 오차는
±5° 이내로 측정되었다.
3-2 전력분배기
배열 안테나의 각 소자에 신호를 공급하기 위해 임피 던스 정합과 격리도 특성이 우수한 윌킨슨 전력분배기를 설계하였다. 이때 유전율이 2.5, 두께가 0.13 mm인 TLX-9 기판을 이용하였다. 그림 4와 같이 제작된 전력분배기의 측정결과를 그림 5에 나타내었다. 윌킨슨 전력분배기는 대역폭이 넓어 제작 오차에 민감한 X-대역에서 적합하다.
그림 4. 전력분배기 사진
Fig. 4. Photograph of the power divide.
그림 5. 전력분배기 주파수 특성
Fig. 5. Measured and simulated frequency response of the power divider.
항 목 계산 값 측정 값
Frequency 9.375 GHz 9.375 GHz
Bandwidth 17 % 18 %
Return loss 37.2 dB 25 dB Insertion loss 9.5 dB 11±0.5 dB 표 5. 전력분배기 계산 및 측정 결과 비교
Table 5. Comparison of simulated and measured results of the power divider.
표 5에 전력분배기 설계결과와 측정결과를 비교하였 다. 삽입손실 측정결과, 설계결과에 비해 약 2 dB 증가하 였는데, 1.45 dB는 커넥터의 손실임을 실험을 통해 검증 하였다. 그림 5에서 중심주파수가 200 MHz 상향 이동되 었는데, 이는 제작오차에 기인한 것으로 판단된다. 선로의 폭이 0.07 mm 변화했을 때 중심주파수가 150 MHz 변할
만큼 매우 민감하나, 대역폭이 넓어 시스템 성능에 큰 영 향은 없다.
3-3 배열 안테나
항공기 날개에 탑재하기 위한 안테나의 배열이득을 알 아보기 위해 선행 연구에서 선정된 단일 방사소자를 이 용하여 배열 안테나를 설계하였다. 윗면에 배열 안테나가 위치하고, 그 아랫면에 전력분배기가 존재하며, via hole 을 통해 배열 안테나와 전력분배기가 연결된다. 이때 주 파수가 X-대역임을 감안하여 via hole에 의한 영향을 분 석하였다. 최적화를 통해 via hole의 크기는 삽입손실이 작고, 임피던스 정합이 우수한 0.4 mm로 선정하였고, 구 조는 테이퍼 선로를 이용해 삽입손실을 감소시켰다[5]. 유 전율이 2.5, 두께가 0.73 mm인 TLX-9 기판을 이용하여 설 계한 1×8 배열 안테나 설계 도면을 그림 6에 나타내었다.
설계한 배열 안테나의 시뮬레이션 결과를 그림 7에 나 타내었다.
그림 8에 제작된 1×8 배열 안테나를 나타내었다. 제작 된 안테나 모듈의 측정결과를 그림 9와 표 6에 나타내었다.
측정결과, 이득이 2.2 dB 감소하고, 140°와 220° 부근에 서 백 로브가 크게 발생하는 것을 알 수 있다. 이는 뒷면 에 부착된 입출력 커넥터의 영향으로 이상적인 경우에 비해 10 dB 이상의 백 로브가 발생함을 시뮬레이션으로
(a) 배열 안테나(앞면) (a) Array antenna(front)
(b) 전력분배기(뒷면)
(b) Power divider(back)
그림 6. 1×8 위상 배열 안테나 설계 도면
Fig. 6. Layout of the 1×8 phased array antenna.
(a) 반사 손실 (a) Return loss
(b) 방사패턴 (b) Radiation pattern 그림 7. 배열 안테나 시뮬레이션 결과 Fig. 7. Simulation results of the array antenna.
그림 8. 1×8 배열 안테나 사진
Fig. 8. Photograph of the 1×8 array antenna.
확인하였다.
3-4 MCU를 이용한 위상제어
그림 9. 배열 안테나 방사패턴 측정 결과
Fig. 9. Measured radiation pattern of the array antenna.
항 목 설계 결과 측정 결과
Frequency 9.375 GHz 9.375 GHz
BW 310 MHz 260 MHz
Return loss 14 dB 12 dB
Gain 16.8 dBi 14.6 dBi
Side lobe level —12.8 dB —12.4 dB
HPBW 8° 8°
표 6. 배열 안테나의 설계결과와 측정결과 비교
Table 6. Comparison of the simulated and the measured results of the array antenna.
날개에 부착된 센서로부터 얻은 변형률로부터 주빔을 보상하기 위한 위상변위기의 위상 값을 계산한다. 계산된 위상 값을 안테나에 공급하기 위해 MCU를 이용하여 안 테나 어레이에 부착된 위상변위기를 제어한다.
디지털 위상변위기는 내부 스위치를 제어하여 신호 경
그림 10. 위상변위기 제어를 위한 타이밍 도
Fig. 10. Timing diagram for control of a phase shifter.
로를 변경하여 위상을 조절한다. 위상변위기 제어를 위한 타이밍 도를 그림 10에 나타내었다.
위상변위기를 제어하는 data pin의 수를 줄이기 위해 serial 모드를 이용하였다. 위상 제어를 위해 Silabs사의 C8051F020 CPU를 사용했고, Keil SW tool을 이용해 코딩 하였다.
Ⅳ. 위상 배열 안테나 모듈 제작 및 측정 항공기 날개는 공간이 협소하므로 위상 배열 안테나 모듈을 탑재하기 위해서는 크기가 작고 높이가 낮아야 한다. 크기를 최소화하고 경로 오차를 줄이기 위해 전력 분배기의 끝단에 위상변위기를 직접 연결하였다. 그림 11 과 같이 다층으로 결합하여 크기를 최소화하였고, 백 로 브를 줄이기 위해 차폐를 하였다. 제작된 모듈의 방사패 턴 측정 결과를 그림 12에 나타내었는데, 차폐 효과로 인 해 백 로브가 크게 감소하였음을 알 수 있다. 측정된 위상 배열 안테나 모듈의 특성을 표 7에 정리하였다.
측정결과, 이득이 5.84 dBi로 표 6의 배열안테나의 측 정결과에 비해 8.76 dB 감소함을 알 수 있다. 이는 단품 위상변위기 모듈을 제작, 측정한 평균 삽입손실이 8 dB로 위상변위기의 손실에 해당한다.
설계한 모듈이 변형된 주빔 방향을 보상할 수 있는지 확인하기 위해 그림 11의 모듈에 9 % 굽힘 변형을 적용 하였고, 예상되는 주빔의 방향은 11.6°이다. 이때 실제 위 치와 평판일 때의 위치차이가 최대인 8번째 소자에서 3.5 mm 차이가 발생하고, 이를 중심주파수에서 계산하면 위 상차
은 39°이다. 모든 소자에서 곡면에 따른 위치차이 를 고려하여 각 소자에서의 위상차
를 계산, 이를 적항 목 측정 값
Frequency 9.375 GHz
Gain 5.84 dBi
Side lobe level —11.07 dB
HPBW 9°
주빔 방향 0°
표 7. 위상 배열 안테나 모듈 측정 결과
Table 7. Measured results of the phased array antenna mo- dule.
(a) 배열 안테나(앞면) (a) Array antenna(front)
(b) 전력분배기와 위상변위기(뒷면) (b) Power divider and phase shifter(back)
(c) 결합된 모듈 (c) Assembled module 그림 11. 제작된 위상 배열 안테나 모듈 사진
Fig. 11. Photograph of the fabricated phased array antenna module.
용하여 빔 보상을 수행하였다.
굽힘 변형에 의해 주빔 방향이 변경된 방사패턴을 그 림 13에 나타내었고, 위상변위기를 조절하여 주빔 방향을 보상한 방사패턴을 그림 14에 나타내었다.
표 8에 위상 배열 안테나 모듈의 보상 전후 측정결과를 비교하였다. 측정결과, SLL은 약간 증가하였지만, 주빔 방향은 정확히 보상됨을 알 수 있다.
그림 12. 위상 배열 안테나 모듈 방사패턴 측정 결과 Fig. 12. Measured radiation pattern of the phased array an-
tenna module.
그림 13. 9 % 굽힘 변형에 의해 변형된 빔 패턴
Fig. 13. Transformed beam pattern by wing bending of 9 %.
항 목 보상 전 보상 후
Frequency 9.375 GHz
Gain 5.66 dBi 5.51 dBi
Side lobe level —10.8 dB —8.6 dB
HPBW 9° 9°
주빔 방향 11° 0°
표 8. 위상 배열 안테나 모듈 측정 결과
Table 8. Experimental results of phased array antenna module.
그림 14. 보상 후 빔 패턴
Fig. 14. Compensated beam pattern.
Ⅴ. 결 론
항공기 날개에 내장된 안테나의 주빔 방향의 변화를 보상하기 위한 X-대역 위상 배열 안테나 모듈을 설계하 고 제작하였다. 날개가 비선형 굽힘일 경우, 빔 방향을 보 상할 수 있는 conformal array의 위상 값을 계산하는 방법 을 제시하였다. 위상변위기와 전력분배기를 한 기판에 제 작한 뒤, via hole을 이용해 배열 안테나에 급전되도록 하 여 항공기 날개 탑재가 용이하도록 크기를 최소화 하였 다. 제작된 위상 배열 안테나 모듈을 측정한 결과, 9.375 GHz에서 이득 5.84 dBi, 반사손실 13.6 dB, 대역폭 10.6 % 의 특성을 얻었다. 또한, 날개의 굽힘 변형이 최대 9 %까 지 주빔의 방향이 정확히 보상됨을 확인하였다.
그러나 제작된 위상 배열 안테나 모듈은 1×8 배열로 설계되어 날개의 휨 변형만을 보상할 수 있다. 향후 휨 변 형 및 뒤틀림 변형을 동시에 보상할 수 있는 연구가 필요 하다. 또한, 위상변위기의 손실을 보상하기 위해 모듈에 적합한 증폭기와 구조 변형에 대한 모듈의 내구성을 높 이기 위한 방안이 필요하다.
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[주 관심분야] 주파수합성기, 레이더
홍 성 용
