KR102141309B1

KR102141309B1 - Emp 방어용 3d/4d 하이브리드형 레이더 안테나

Info

Publication number: KR102141309B1
Application number: KR1020190067928A
Authority: KR
Inventors: 이돈신
Original assignee: 이돈신
Priority date: 2019-06-10
Filing date: 2019-06-10
Publication date: 2020-08-04

Abstract

본 발명은 마이크로웨이브 주파수대의 전자전 방어용 레이더 안테나에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 송신은 능동형, 수신은 수동형으로 하는 하이브리드형 레이더 안테나에 관한 것이다.
본 발명의 레이더 안테나는 NxM 매트릭스 형태의 복사소자를 갖는 주안테나와, 사이드로브 제거용 SLC 안테나, IFF 안테나를 구비하는 3D/4D 레이더 안테나에 있어서, 상기 주안테나의 각 복사소자마다 고출력 고주파 증폭기 모듈을 부착하여 수동 위상 변위기를 통해 상기 복사소자들로 송신하는 능동형 송신부와, 상기 복사소자로부터 상기 수동 위상 변위기를 거쳐 수신된 신호를 수동 합성기에서 최종 합성 후 EMP 제거용 필터에서 EMP 제거 후 절체기에서 예비 LNA를 부착한 운영 LNA에 연결하는 수동형 수신부와, 상기 능동형 송신부와 상기 수동형 송신부를 보호하기 위한 안테나 함체와, 회전장치를 통해 상기 함체에 연결되어 레이더 시스템을 운용하기 위한 운용실을 포함하여 EMP 공격으로부터 방어 가능한 구조를 갖는 것이다.

Description

EMP 방어용 3D/4D 하이브리드형 레이더 안테나{3D/4D Hybrid Radar Antenna for EMP Defense}

본 발명은 마이크로웨이브 주파수대의 전자전 방어용 레이더 안테나에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 송신은 능동형, 수신은 수동형으로 하는 하이브리드형 레이더 안테나에 관한 것이다.

일반적으로, 레이더 시스템은 전파를 발사한 후 물체에서 반사되는 반사파를 이용하여 목표물의 존재와 거리(방향) 등을 탐지하는 무선 감시 시스템이다. 레이더 시스템은 대상 표적에 따라 대공 탐지 레이더, 해면 탐색 레이더 그리고 전장 감시/통제 레이더 등으로 분류되고, 탐지거리에 따라 단거리, 중/장거리 및 초장거리 레이더로 구분되며, 탐지된 표적의 표적정보 추출능력에 따라 2차원(방위, 거리), 3차원(방위, 거리, 고도), 4차원(방위, 거리, 고도, 속도) 레이더로 구분된다.

한편, 최근 들어 북한의 핵개발과 EMP(Electromagnatic Pulse)탄 공격에 대한 위협이 증대됨에 따라 EMP 방어에 대한 관심이 증가하고 있다. EMP란 통상적으로 고출력 전자기파를 통칭하는 것으로, 핵폭발을 이용하는 핵EMP, 전자폭탄이나 고출력 전자파 발생기에 의해 직접 전자파를 발생시키는 비핵EMP 또는 IEMI(Intentional Electromagnetic Interference)로 구분할 수 있다.

그런데 종래의 레이더 시스템에서 사용중인 3차원 혹은 4차원 능동 배열 안테나는 RF 모듈 1식에 HPA, LNA, 능동 위상변위기가 한꺼번에 설치되어 복사소자 수만큼 LNA가 요구된다. 이와 같이 종래에 사용중인 능동 배열 안테나는 많은 LNA를 사용하므로 강력한 전자펄스(EMP) 신호 입력시 전체 LNA가 파손되고, 따라서 동시에 수 많은 LNA를 교체할 수 없어 시스템의 운영이 중단되는 문제점이 있다.

즉, 마이크로웨이브 주파수대의 3D 또는 4D 다기능 레이더 안테나 장치를 구성함에 있어서 현재 운영중인 능동형 안테나들은 전자파폭탄(EMP: electromagnetic pulse bomb) 공격 시 수신측 파손으로 운용이 불가한 상태가 되기 쉬운 문제점이 있다.

또한 종래의 능동 안테나는 수신 복사소자마다 각각 수천개의 LNA가 부착되어 열잡음이 합성되어 최종 SN비가 높아 수신 감도가 저하되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 송신은 각각의 복사소자마다 HPA 송신 증폭기를 부착하고 수동 위상변위기를 거쳐서 송신하는 능동형으로 하고, 수신은 각각의 복사소자 출력을 각각 동일한 수동 위상 변위기를 통과한 후 수동 써큘레이터(circulator)들에서 인출한 여러 개의 신호들을 전부 수동 합성기로 합성하는 수동형으로 구성한 후 EMP 방어용 필터(Filter)를 사용하여 EMP 공격에 대해서도 대응할 수 있는 EMP 방어용 3D/4D 하이브리드형 레이더 안테나를 제공하는 것이다.

또한 본 발명의 다른 목적은 합성이 수동으로 됨으로 열잡음이 적어 S/N비도 개선되고 수신감도가 높아서 원거리에서 소형의 레이더 반사면적(RCS:Radar Cross Section)을 갖는 비행체도 탐지할 수 있도록 된 EMP 방어용 3D/4D 하이브리드형 레이더 안테나를 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 안테나는 NxM 매트릭스 형태의 복사소자를 갖는 주안테나와, 사이드로브 제거용 SLC 안테나, IFF 안테나를 구비하는 3D/4D 레이더 안테나에 있어서, 상기 주안테나의 각 복사소자마다 고출력 고주파 증폭기 모듈을 부착하여 수동 위상 변위기를 통해 상기 복사소자들로 송신하는 능동형 송신부와, 상기 복사소자로부터 상기 수동 위상 변위기를 거쳐 수신된 신호를 수동 합성기에서 최종 합성 후 EMP 제거용 필터에서 EMP 제거 후 절체기에서 예비 LNA를 부착한 운영 LNA에 연결하는 수동형 수신부와, 상기 능동형 송신부와 상기 수동형 송신부를 보호하기 위한 안테나 함체와, 회전장치를 통해 상기 함체에 연결되어 레이더 시스템을 운용하기 위한 운용실을 포함하여 EMP 공격으로부터 방어 가능한 구조를 갖다.

상기 수동 위상 변위기는 도파관 내부를 유전체로 유전율이 높은 것을 사용하여 직경을 대폭 줄여서 안테나 함체 개구면의 복사소자 구멍을 작게 하여 EMP 침투를 방지하게 하고, 유전체 안테나 외부에 부착하여 복사하게 한 것이다.

또한 상기 수동 위상 변위기는 마이크로웨이브 밴드의 수동 위상 변위기로서 고유전율 페라이트봉과 정합용 유전체봉을 양쪽에 부착하고, 도체피막을 동이나 은도금하여 축소형 원형 도파관을 형성하고, EMP 접지하고 외부 자기회로 요크형 페라이트를 부착하고 동선 코일을 로드, 또는 요크에 감아 제어용 PCB 보드에서 가변 펄스 신호를 보내서 원형 도파관으로 진행하는 전파를 위상 가변하여 소형 구멍을 통해 함체 밖으로 인출하여 유전체 안테나 복사기에서 전파를 복사하게 하는 복사기 일체형 위상 가변기로 효율을 높이기 위해서 인입단에 영구 자석을 4방향으로 부착해서 직선편파에서 원형편파로 변환하여 전송하며 대출력인 경우 로드 양측면에 방열판을 부착하는 수동형 위상 가변기를 포함하는 것이다.(위상 변위기 입력 측에 도파관형 polariger 부착시는 영구자석 4개 제거 미부착)

그리고 상기 수동 위상 변위기는 8개를 4개씩 2열로 하고, 2열 중간에 PCB신호 제어 기판에서 양쪽 4개씩 위상 변위기에 위상 가변용 전원공급하는 8셋형 위상 가변기로 상호간섭을 줄이는 변위기모듈을 포함할 수 있다.

상기 안테나 함체는 철판으로 구성하고 접합부위를 용접으로 하고, 함체 밑부분에 EMP 방어용 Air Filter, EMP 방어 RF 필터 커넥터, EMP 방어 전원 필터, EMP 방어 통신 필터, EMP 방어 Data신호 광변환장치 부착, EMP 방어 출입문 부착하여 EMP신호를 -80dB 이하로 감쇄되게 하는 전면에 많은 소형 구멍홀형 전파 차폐망 안테나 개구면을 구성한 함체를 포함한다.

상기 수동형 수신부는 수신신호를 최종 합성신호로 출력한 합신호(Σ), 수평 차신호(AzΔ), 수직 차신호(EΔ), SLC 안테나와 IFF신호 AzΣ, AzΔ 전방향성 신호에 각각 EMP 제거용 필터 커넥터를 부착하고, 절체기를 부착하여 예비 LNA와 운영 LNA를 부착하고, 입출 절체기를 부착해서 1차 EMP 입력이 작을 경우에는 EMP 커넥터에서 제거하지만 너무 과대 EMP인 경우에 운영 LNA가 파손될 경우 입출 절체기가 자동으로 예비 LNA로 절체되어 운영하게 하고, 알람이 울려 파손 LNA가 퓨즈 개념으로 즉시 자동 교체 가능하게 하는 것이다.

상기 사이드로브 제거용 SLC 안테나는 합성기에서 합성 후 RF EMP 제거 필터 커넥터와 절체기(SW) - LNA(예비LNA) - 절체기(SW)를 통과하여 광변환 후 운영실에서 다시 Digital신호로 변환 후 탐지 합신호(Σ)와 함께 비교기에 입력하여 탐지합 신호가 사이드로브 레벨이 SLC 신호보다 높을 경우 출력을 Off하고, 낮을 경우 통과하게 하여 사이드 로브가 없는 경우만 전시기에 나타나게 하는 것이다.

상기 안테나 함체와 운용실은 아날로그신호 RF, IF, Data신호 등을 ADC에서 Digital화 한 후 Digital 합성기에서 합성 후 레이저 다이오드에서 광변환 후 광다이플렉서를 통과하여 광신호 출력을 광케이블(4D 경우) 또는 대기 중(3D 경우 회전, 로터리조인트) 단거리 20cm이내로 전송하여 운영실로 전송함에 전송선로를 금속으로 차폐 EMP와 기구적, 환경적으로 보호하는 광전송장치를 포함하는 것이다.

상기 안테나는 외부 공격 미사일 접근시 안테나 복사 송신신호를 기만 안테나 2개로 교대하며, 복사 미사일 진입로 변경하여 주레이더 안테나를 보호하는 것이고, 상기 안테나는 복사소자가 많은 경우 4개를 1묶음으로 해서 능동 안테나 구성할 수 있도록 하는 것이다.

본 발명의 실시예에 따른 하이브리드형 레이더 안테나는 신호의 합성이 수동으로 되므로 열잡음이 적어 S/N비도 개선되고, 수신감도가 높아서 원거리에서 소형의 레이더 반사면적(RCS:Radar Cross Section)을 갖는 비행체도 탐지할 수 있는 효과가 있다.

또한 EMP 공격에서 종래의 능동 안테나는 수천개의 LNA가 전부 파손되어 사용 불가능하지만 본 발명의 실시예에 따른 안테나는 LNA 퓨즈 개념을 적용하여 1개만 파손되고 자동으로 예비 LNA로 절체되어 EMP 공격 후에도 계속 운용이 가능한 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드형 레이더 안테나의 정면도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드형 레이더 안테나의 측면도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드형 레이더 안테나의 구성 블럭도,
도 4는 도 3에 도시된 수동 위상 변위기의 상세도,
도 5는 도 3에 도시된 수신 수동 합성기의 상세도,
도 6은 도 3에 도시된 합성 분배기의 상세도,
도 7은 도 3에 도시된 고주파 EMP 필터 커넥터의 예,
도 8은 도 3에 도시된 EMP 전원 필터의 예,
도 9는 도 3에 도시된 EMP 통신 필터의 예,
도 10은 도 3에 도시된 데이터 EMP 필터의 예,
도 11은 본 발명의 실시예 안테나에 따른 복사 패턴도의 예이다.

본 발명과 본 발명의 실시에 의해 달성되는 기술적 과제는 다음에서 설명하는 본 발명의 바람직한 실시예들에 의하여 보다 명확해질 것이다. 다음의 실시예들은 단지 본 발명을 설명하기 위하여 예시된 것에 불과하며, 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것은 아니다.

먼저, 본 발명의 실시예에 따른 EMP 방어용 3D/4D 하이브리드형 레이더 안테나는 지상에 고정 설치되는 형태의 고정형과, 차량에 탑재되어 이동이 가능한 차량 이동형, 비행체에 탑재되어 운용되는 비행체 탑재형, 전투 함정에 탑재되는 선박탑재형으로 구현될 수 있으나 이하의 실시예에서는 주로 지상에 설치되는 고정형을 예로 들어 설명한다. 또한 본 발명의 레이더 시스템은 마이크로웨이브 대역(L-Band, S-Band, C-Band, X-Band, Ku-Band, Ka-Band 등)에서 각 주파수 밴드마다 다양하게 구성할 수 있으나 본 발명의 실시 예에서는 주로 S-Band에 관해서 설명한다.

고정형 S-Band 레이더 안테나는 EMP 공격시 적을 속이기 위한 복수의 기만 안테나가 정상적으로 운용되는 레이더 안테나 인근에 설치되어 있고, 레이더 안테나는 레이돔에 의해 보호되는 IFF 안테나, 주안테나, 운영실을 포함하고 있다.

그리고 본 발명의 실시예에서 송신은 각각의 복사소자마다 HPA 송신 증폭기를 부착하고, 수동 위상 변위기를 거쳐서 송신하되 각 소자는 능동형으로 하고, 수신은 각각의 복사소자 출력을 각각 동일 수동 위상 변위기를 통과한 후 수동 써큐레이터(circulator)들에서 인출한 여러 개의 신호들을 전부 수동 합성기로 합성하는 수동형 안테나로 구성한 후, 최종 EMP 방어용 필터(Filter)를 통과 후 저잡음 증폭기에서 증폭해서 수신부로 보내는 방식이다. 즉, 송신은 능동형으로 구현하고, 수신은 수동형으로 구현하므로 본 발명의 실시예에 따른 레이더 안테나를 '하이브리드형'이라 칭한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리형 레이더 안테나의 정면도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드형 레이더 안테나의 측면도이다.

본 발명의 실시예에 따른 하이브리드형 레이더 안테나는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 지지 구조물(11)에 의해 형성된 운영실(10) 위의 회전장치(30)에 의해 지지되어 회전되는 함체(20)와, 함체(20) 안에 n×m개의 안테나 엘리먼트들이 매트릭스 형태로 배열되어 탐지(추적) 기능을 갖는 주안테나(40)와, IFF 안테나(50), SLC 안테나(60)로 구성된다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 안테나는 4방향으로 설치하여 360°로 탐지 가능하고, 적의 미사일 접근시 실제 안테나는 송신 중지한 후 기만 안테나(70)로 자동 절체해서 기만 안테나(70)로 복사한다. 기만 안테나(70)는 2~3개 설치하여 위치별로 미사일을 혼돈시키는 것이 바람직하다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 EMP 방지용 안테나 함체(20)는 철판으로 구성하고, 안테나 복사용 개구는 안테나 급전을 유전율이 예컨대, 15 이상인 고유전율 도파관형으로 구성하여 작은 구멍 그물형으로 구성해서 EMP 전자파 차폐가 가능하게 한 것이다. 측면 도2의 이러한 함체(20)는 EMP 기능을 갖는 함체로서, EMP 차폐문(21)과, 환기 EMP 필터(22), 통신 EMP 필터(23), 전원 EMP 필터(24), 데이터 옵틱 EMP 필터(25)를 포함하고 있고, 함체(20)는 접지(27)되어 있다.

안테나 시스템에서 주안테나(40)의 개구면은 A,B,C,D 그룹으로 구성하고, 옆에는 사이드 로브(Side lobe) 제거 안테나(SLC;60)를 부착하며, 상부에는 IFF 안테나(50)를 부착한다. 안테나 함체(20)의 하단에 방향 회전장치(30)를 부착하여 3D 안테나는 회전하면서 운영하고, 4D 안테나는 반고정 회전 후 정지해 놓고 운영한다.

도 2를 참조하면, 함체(20)의 저부에는 EMP 방어를 위해 감쇄량이 -80dB 이하가 되게 하기 위해서 환기 EMP 필터(22), 통신 EMP 필터(23), 전원 EMP 필터(24), DATA 옵틱 EMP 필터(25)와 뒷부분에는 EMP 차폐문(21)을 부착하고 있다. 함체(20)는 철판으로 하고 접속부위를 용접하여 차폐 감쇄량을 높이며, 접지저항(27)은 5Ω 이하로 되게 한다. 도면에서는 단일면으로 구성하여 ±45°~±90°방향만 탐지 가능하게 하였지만 4방향으로 4개 설치하여 ±45°(90°)x4 방향 = 360°탐지 가능하게 할 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드형 레이더 안테나의 구성 블럭도이다.

도 1, 도 2, 도 3을 참조하면, 지지 구조물(11)에서 ±45°정도 운영방향 조정용 반고정형 회전장치(30)를 장착한 후 회전장치(30) 위에 EMP 안테나 함체(20)를 구축하고, 안테나 함체(20) 위에 IFF 안테나(50)를 부착한다. 그리고 함체(20) 옆에 사이드 로브(Side lobe) 제거용 SLC 안테나(60)를 부착한 후 EMP 출입문(21)과 EMP 환기 필터(22), 통신 EMP 필터(23), 전원 필터(24), 데이터 옵틱 EMP 필터(25) 등을 부착하고, 개구면에서는 안테나 복사 소자(270)들을 A, B, C, D로 그룹화하여 배치한 것이다.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드형 레이더 안테나는 도 3에 도시된 바와 같이, 함체(20)의 내부에 배치되는 구성(200)과, 운영실(10)에 설치되는 구성(100)으로 크게 구분할 수 있고, 함체(20)와 운영실(10) 사이에는 광케이블(32)이나 광복사기(34)를 통해 연결되어 있다.

또한 레이더 안테나 전체 구성은 송신계통(UP LINK)과 수신계통(DOWN LINK)으로 구분할 수 있는데, 이해의 편의를 위해 송신계통(UP LINK)은 송신신호의 흐름에 따라 운영실(10)로부터 함체(20)로 순차적인 구성을 설명하고, 수신계통(DOWN LINK)은 수신신호의 흐름에 따라 함체(20)로부터 운영실(10)로 순차적으로 설명한다.

< UP Link >

운영실(10)의 송수신장치(110)에서 각 그룹별로 송신된 신호는 디지털 합성기(120)에서 합성된 후 레이저 다이오드(130)에서 광신호로 변조되어 광다이플렉서(140)을 통과 광케이블(32)이나 광복사기(34)를 통해 함체(20)의 광다이플렉서 (PD; 202)로 수신된 후 포토다이오드(204)에서 디지털 변환 후 디지털 분배기(206)에서 다시 각 그룹별 신호로 분배되어 DA converter(208)에서 IF 변환 후 각 송신 Exiter(210)로 전송된다.

즉, Up Link를 살펴보면, 운영실(10)의 각종 송신제어, 신호처리 등의 명령(command) 신호들은 디지털(Digital) 신호화한 후 디지털 합성기(120)에서 합성 후 레이저 다이오드(RD;130)에서 광으로 변환 후 광다이플렉서(140)를 통과하여 4D의 경우에는 광케이블(32)로 3D의 경우에는 광복사기(34) 공간으로 안테나 함체(20)로 전송한다. 함체(20)에서는 광다이플렉서(202)에서 광수신단자로 인출하고, 포토 다이오드(PD; 204)로 인입한 후 광- 디지털(Digital) 신호로 변환 후 분배기(206)에서 디지털(Digital) 분배 후, 디지털-아날로그 컨버터(DAC;208)에서 아날로그IF로 변환되어 송신 Exiter(210) 또는 위상변위기 복사 빔조향 및 각종 신호 제어장치에 전송하여 운영실(10)에서 원격으로 조정할 수 있게 한다.

송신 Exiter(210)에서 인출한 송신신호는 u/c주파수 변환 RF인출 후 HPA(220)로 증폭한 후 제1 분배기(230-1)로 분배하고, 각각 Line HPA(240-1)에서 증폭한다. 그리고 증폭된 신호는 재분배기(230-2)로 분배된 후 각 안테나 단자 HPA(240-2)에서 다시 증폭한 후 써큐레이터(250)를 통과하고, 수동 위상 변위기(260)에서 위상 가변 조정 후 복사기들(270)로 송신된다. 이때 복사소자(270)가 너무 많을 경우 복사소자 4개를 1개의 HPA에 부착할 수도 있다.

<Down-Link>

복사기들(270)에서 수신된 고주파 신호는 같은 수동 위상 변위기들(260)을 통과한 후 써큘레이터들(250)에 입력된 후 수신단자(Rx)로 인출하고, 수평 합성기(280H)에서 각 A,B,C,D의 수평분을 합성하고, 수직 합성기(280V)에서 다시 수직열로 합성한 후 제1 하이브리드(290-1)에서 A,B의 수평합(AzΣ)신호와 수평차 신호(AzΔ)를 인출한다.

제2 하이브리드(290-2)에서 C,D의 수평합(AzΣ)신호와 수평차(AzΔ) 신호인출하고, 제3 하이브리드(290-3)에서 총합(Σ)신호와 수직차신호(EΔ)를 인출하고, 제4 하이브리드(290-4)에서 수평차(AzΔ)신호를 인출하여 이 Σ, EΔ, AzΔ신호에 각각 EMP 제거 Filter Connector(291)를 부착한 후 절체기(SW)들에서 각각 운영 LNA(292)와 예비 LNA(293)를 부착한다. 이 절체기(S.W)는 운영 LNA(292)가 파손될 경우에 자동으로 예비 LNA(293)로 절체하는 역할을 하는데, EMP 제거 콘넥터(291)가 EMP신호를 다 제거하지 못하여 운영 LNA(292)가 파손될 경우 절체기(SW)가 자동으로 예비 LNA(93)로 절체하여 계속 운영할 수 있게 한다.

LNA(292,293)에서 인출된 신호는 각각 다운컨버터(DC;294)를 통과하여, IF변환 후 IF증폭기(295)를 거쳐, 아날로그-디지털 변환기(ADC; 296)에서 디지털(Digital) 신호로 변환 후 디지털 합성기(297)에서 타 통신 테이터용 Digital 신호와 함께 디지털 합성한 후, 레이저 다이오드(298)에서 디지털-광변환 후 광다이플렉서(202)를 통과하고, 광케이블(32)을 통해서 EMP신호를 제거하고, 운영실(10)로 전송한다. 이때 3D 레이더일 경우 회전하므로 공간 광복사를 통해 함체로부터 운영실로 전달한다.

운영실(10)에 전송된 광신호는 광다이플렉서(140)에 입력 후 수신단자에서 신호를 인출한 후 포토 다이오드(PD;150)에서 광- 디지털신호로 변환하고, Digital 분배기(160)에 입력 후 분배해서 운영실(10)의 각종 제어반, 전시반, 수신기, 컨트롤반 등과 같은 전시 감시장치(180)로 인입하여 운영하게 한다.

한편, 부엽 소거 안테나 소자들(SLC;60)은 합성기(299)에서 합성한 후 EMP 제거 필터 콘넥터(291)를 통과하고, 절체기(SW)를 거쳐 운영 LNA(292)와 예비 LNA(293)를 통과한 후, 절체기(SW)를 통과, 믹서(DC;294), IF 앰프(295), ADC 컨버터(296)에서 Digital 신호로 변환 후 Digital 합성기(297)에서 합성되고, 레이저 다이오드(RD;298)에서 광으로 변환된 후 광다이플렉서를 통과 광복사기(34)를 통과하여 운영실(10)로 전송된다.

운영실(10)로 전송된 수신신호는 광다이플렉서(140), 포토 다이오드(150)를 거쳐 Digital 분배기(160)에서 분배된 후 비교기(170)로 입력된다. 또한 탐지 안테나의 총합신호(Σ)도 비교기(170)로 입력되어 SLC신호와 비교하여 총합(Σ)신호의 부엽이 SLC신호보다 높으면 비교기(170)에서 총합(Σ)신호를 차단하고, SLC 신호보다 낮으면 총합(Σ)신호를 통과시켜서 전시 및 감시장치(180) 등에 전송한다.

다른 한편, IFF 안테나(50)는 별도 다른 함체의 종래와 동일한 것을 사용하며, 함체와 EMP 필터 등은 위 주안테나와 동일하므로 더이상의 설명은 생략하기로 한다.

또한 EMP 방어문(21)은 벽과 출입문 주변에 차폐용 스프링힌지(베릴륨 동) 벽은 F-male형, 문은 Male형으로 부착해서 완전 차폐되어 EMP가 침투하지 못하게 한다. 함체 접지(27)는 신규 설치 시 지형에 따라 접지저항이 5Ω 이하가 되게 한다. 그리고 함체 하부에 환기 EMP 필터(22), 통신 EMP 필터(23), 전원 EMP 필터(24), 함체 1종 접지(27)로 저항 5Ω 이하되게 하고, 함체 조립부를 용접하여 차폐손실이 -80dB 이하 되게 한다.

도 4는 도 3에 도시된 수동 위상 변위기(260)의 상세도이다.

도 4를 참조하면, 수동 위상 변위기(260)는 S-Band용으로 원봉형 페라이트(261)는 고유전율 15 이상으로 하고, 접합용 유전율이 동일한 유전체(262)를 양쪽에 부착하므로 유전율 15 이상으로 하여 함체 외벽 통과 구역을 최소가 되게 한 후 외부에 금속피막을 입혀 유전체 내장된 축소형 원형 도파관을 구성한다. 그리고 외부 형 자기 회로용 요크형 페라이트(261)를 양쪽에 부착하고, 페라이트(261)의 입력부에는 영구자석(264)을 직교로 두쌍으로 부착하거나 또는 도파관형 원형 편파 변환기를 부착하여 원형 편파를 구성하게 한다. 이때, 혼형 분배기 합성기를 사용시는 생략한다.(변위기 입력부분 원형도판 직선편파 → 원편파 변환기 부착 경우 영구자석 생략한다.)

봉형 페라이트(261) 금속피막의 외부 또는 요크형 페라이트에는 에나멜 동선으로 코일을 감아서 위상변위기 제어 PCB(260c)에 연결한다. 통과 출력이 약한 경우에는 ⓐ봉에 코일을 감고, 통과 출력이 큰 경우에는 ⓑ요크에 코일을 감으며, 요크 페라이트 90°방향에 방열 소자판을 붙일 수 있다.

복사기(270)는 안테나 함체 구멍으로 인출한 유전체봉의 유전율이 15 이상으로 직접 대기중 복사가 어려우므로 저유전율 유전체 복사기로 급전한 후 정합하여 대기중으로 복사한다.

위와 같은 위상 변위기 8개를 4개씩 2열 또는 4개를 2개씩 2열 모듈로 구성하고, 그열 중간에 위상제어용 PCB판(260c)에서 각각의 위상변위용 전기펄스 레벨 가변 공급해서 각각 위상변위하여 복사빔을 조향한다.

도 5는 도 3에 도시된 수신 수동 합성기의 상세도이다

도 5를 참조하면, EMP방어 LNA모듈(290a)은 인출된 Σ, EΔ, AzΔ신호에 각각에 RF EMP Filter 콘넥터(291)를 부착한 후 출력을 절체기(SW)에 연결하고, 각각의 예비 LNA(293)와 운영 LNA(292)를 부착한 후 각각 2개의 IN, OUT에 절체기(SW)를 부착하고, 이 절체기(SW)들은 자동 절체기 콘트롤 전원Box(301)에 연결하여 운영 LNA(292)가 파손시 자동으로 예비 LNA(293)로 연결하고 알람을 표시하게 한다.

도 6은 도 3에 도시된 합성 분배기의 상세도이다.

도 6을 참조하면, 개구면이 사각형의 경우는 분배기 및 합성기를 Box형을 채택하여 분배기, 합성기 내부 절연체를 허니컴으로 하여 저손실 대출력이 가능하게 하였다. 개구면 곡면의 경우는 비행체 전면 공간 급전형 혼으로 공간에서 분배, 합성하게 하고, 내벽에 흡수체를 부착하여 간섭에 의한 손실을 적게 하였다.

도 7은 도 3에 도시된 고주파 EMP 필터 커넥터의 상세도로서, (a)는 광대역형이고, (b)는 협대역형이다.

도 7을 참조하면, RF EMP 필터 콘넥터(291)는 (a) 광대역형은 프라스마 Gass충전 튜브 양면에 콘넥터를 부착하고 내부에 동축심선과 동축 외피도체 사이의 간격을 0.1~0.2mm로 좁게 해서 충격 EMP 펄스 유입시 프라스마 발생과 동시에 바이패스 되게 하여 LNA를 보호한다. 이 방식은 통과 손실이 0.4dB 이상 큰 것이 단점이다. (b) 협대역형은 1/4 파장 short bar를 부착해서 운영 주파수에만 통과하고 다른 주파수는 단락되어 LNA를 보호한다. 운영 주파수의 통과손실은 적지만 동일한 주파수 대전력 입력시는 방지 방법이 없고, LNA가 파손되므로 퓨즈 개념으로 LNA를 즉시 교체하여 운영한다.

도 8은 도 3에 도시된 전원 EMP 필터의 예이다.

도 8을 참조하면, 전원 EMP 필터(24)는 도면과 같이 3상 전원인 경우 직렬로 굵은선 쵸크형 코일 L1,L2,L3,L4를 부착하고, 접지 대용량 고절연 콘덴서 C1,C2,C3을 연결하고, 인입초에 어레스터를 부착해서 3중으로 EMP신호를 제거한다. -80~-100dB 이상 손실되게 설계한다. 전원 용량이 커서 레이더 함체에 부착한다.

도 9는 도 3에 도시된 통신 EMP 필터의 예이다.

도 9를 참조하면, 통신 EMP 필터(23)는 전원 EMP Filter(24)와 유사하지만 L(저전력 용량)은 페라이트에 감아 L을 높이고 C를 크게 함과 동시에 어레스터를 부착하되 대용량 EMP가 가능하지만 응답속도가 느려져서 추가적으로 바리스터를 추가함으로 응답속도를 빠르게 하며 전력 용량이 작으며 14KHz~40GHz까지 사용이 가능하다. 예시된 도면에는 2단자용이지만 다수의 단자용으로도 구현할 수 있다.

도 10은 도 3에 도시된 데이터 옵틱(Data Optic) EMP 필터(Filter)의 예이다.

도 10을 참조하면, 데이터 옵틱 EMP 필터(Data Optic EMP Filter;25)는 함체에서 RF, IF, 음성, 각종 신호들을 Digital 합성기(297)로 합성하여 레이저 다이오드(298), 광변환 다이플렉서(202)를 통과하여 광출력하여 광케이블(4D 경우) 또는 광복사기(3D 경우) 전송하여 운영실(10)로 보내고, 운영실(10)에서는 광다이플렉서(140)와 포토 다이오드(PD;150)에서 Digital 신호로 변환 후 Digital 분배해서 각 제어기, 전시기 등에 보내고, Digital 합성기 출력(120)을 레이저 다이오드(RD;130)로 광변환 후 광다이플랙서( Diplexer; 140)를 거쳐 광신호로 출력하여 광전송한다. 이때 4D 안테나의 경우에는 광케이블(32)로 전송하고, 3D 안테나의 경우에는 광복사기(34)로 함체(20)로 전송한다.

함체의 광다이플렉서(202)는 운영실로부터 수신한 광신호를 PD(204)에 입력한 후 Digital신호로 변환하고, 분배기(206)에서 분배하여 각각 장비에 보낸다. 이 경우 전송장치를 금속으로 밀폐하여 EMP를 제거하고, RF, IF, AF, IFF 등 많은 신호들을 외부로 전송함에 데이터 옵틱 EMP 필터(25)만으로 EMP를 제거할 수 있어 경제적이다.

도 11은 본 발명의 실시예에 따른 복사 패턴도의 예로서, (a)는 수직 복사 패턴도이고, (b)는 수평 복사 패턴도이다. 도 11을 참조하면, 개구면 복사소자들의 위상 변위하여 복사비를 조향하여 수직앙각과, 수평방위각을 조향하여 비행체 방향, 고도, 거리를 탐지할 수 있다.

이상에서 본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

10: 운영실 20: 함체
22: 환기 EMP 필터 23: 통신 EMP 필터
24: 전원 EMP 필터 25: 데이터 옵틱 EMP 필터
30: 회전장치 40: 주안테나
50: IFF안테나 60: SLC 안테나
70: 기만 안테나 100: 운영실 구성
110: 송수신장치 120,297: 디지털 합성기
130,298: 레이저 다이오드 140,202: 광 다이플랙서
150,204: 포토 다이오드 160,206: 디지털 분배기
170: 비교기 180: 전시 및 감시장치
200: 함체 구성 208: DAC
210: 송신 Exiter 220: HPA
230-1,230-2: 송신 분배기 240-1,240-2: LINE HPA
250: 서큐레이터 260: 수동 위상 변위기
270: 복사기 280H,280V: 수신 합성기
290-1~290-4: 하이드리드 291: RF EMP 필터
292: 운영 LNA 293: 예비 LNA
SW: 절체기 294: 다운컨버터
295: IF 증폭기 296: ADC

Claims

NxM 매트릭스 형태의 복사소자를 갖는 레이더 안테나, 또는 사이드로브 제거용 SLC 안테나 또는 IFF 안테나를 구비하는 3D/4D 레이더 안테나에 있어서,
상기 안테나들의 각 복사소자마다 저손실 고출력 고유전율 수동형 위상변위기를 부착하여 작은 구멍의 그물망형을 형성함에 지그재그로 배열하여 상호유도 상쇄를 방지하는 개구면 안테나를 형성하여 EMP에는 그물 차폐형으로 동작하게 하고 후단에 아이솔레이터(Isolator)를 통과 후 고출력 고주파 증폭기 모듈을 부착하여 수동 위상 변위기를 통해 상기 복사소자들로 송신하는 능동형 송신부;
상기 복사소자로부터 상기 수동 위상 변위기를 거쳐 수신된 신호들을 아이솔레이터(Isolator)에서 분리 후 수동 합성기에서 최종 합성 후 EMP 제거용 필터에서 EMP 제거 후 절체기에서 예비 LNA를 부착한 운영 LNA에 연결하는 수동형 수신부;
상기 능동형 송신부와 상기 수동형 수신부 함체 개구면 복사소자를 전개구면 출구 고유전율 통과 구멍을 작게 하여 EMP에는 그물차폐 개구면을 형성한 EMP방어를 보호하기 위한 안테나 함체; 및
회전장치를 통해 상기 함체에 연결되어 레이더 시스템을 운용하기 위한 운용실을 포함하여
송신은 능동형, 수신은 수동형으로 안테나를 구성하되 동일한 수동형 위상 변위기를 통과하여 EMP 공격으로부터 방어 가능한 구조를 갖는 EMP 방어용 3D/4D 하이브리드형 레이더 안테나.
제1항에 있어서, 상기 수동 위상 변위기는
도파관 내부를 유전체로 유전율이 높은 것을 사용하여 직경을 대폭 줄여서 안테나 함체 개구면의 복사소자 구멍을 작게 하여 EMP 침투를 방지하게 하고, 유전체 안테나 외부에 부착하여 복사하게 한 EMP 방어용 3D/4D 하이브리드형 레이더 안테나.
제1항에 있어서, 상기 수동 위상 변위기는
마이크로웨이브 밴드의 수동 위상 변위기로서 고유전율 페라이트봉과 정합용 유전체봉을 양쪽에 부착하고, 도체피막을 동이나 은도금하여 축소형 원형 도파관을 형성하고, EMP 접지하고 외부 자기회로 요크형 페라이트를 부착하고 동선 코일을 로드, 또는 요크에 감아 제어용 PCB 보드에서 가변 펄스 신호를 보내서 원형 도파관으로 진행하는 전파를 위상 가변하여 소형 구멍을 통해 함체 밖으로 인출하여 유전체 안테나 복사기에서 전파를 복사하게 하는 복사기 일체형 위상 가변기로 효율을 높이기 위해서 인입단에 영구 자석을 4방향으로 부착하거나 도파관형 원편파 변환기를 부착해서 직선편파에서 원형편파로 변환하여 전송하며 대출력인 경우 로드 양측면에 방열판을 부착하는 수동형 위상 가변기를 포함하는 EMP 방어용 3D/4D 하이브리드형 레이더 안테나.
제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 수동 위상 변위기는
8개를 4개씩 2열로 하고, 또는 4개를 2개씩 2열로 하고 2열 중간에 PCB신호 제어 기판에서 양쪽 4개씩 또는 2개씩 위상 변위기에 위상 가변용 전원공급하는 8셋형 위상 가변기로 상호간섭을 줄이는 변위기모듈을 포함하는 EMP 방어용 3D/4D 하이브리드형 레이더 안테나.
제1항에 있어서, 상기 안테나 함체는
철판으로 구성하고 접합부위를 용접으로 하고, 함체 밑부분에 EMP 방어용 Air Filter, EMP 방어 RF 필터 커넥터, EMP 방어 전원 필터, EMP 방어 통신 필터, EMP 방어 Data신호 광변환장치 부착, EMP 방어 출입문 부착하여 EMP신호를 -80dB 이하로 감쇄 되게 하는 함체를 포함하는 EMP 방어용 3D/4D 하이브리드형 레이더 안테나.
제1항에 있어서, 상기 수동형 수신부는
수신신호를 최종 합성신호로 출력한 합신호(Σ), 수평 차신호(AzΔ), 수직 차신호(EΔ), SLC 안테나와 IFF신호 AzΣ, AzΔ 전방향성 신호에 각각 EMP 제거용 필터 커넥터를 부착하고, 절체기를 부착하여 예비 LNA와 운영 LNA를 부착하고, 입출 절체기를 부착해서 1차 EMP 입력이 작을 경우에는 EMP 커넥터에서 제거하지만 너무 과대 EMP인 경우에 운영 LNA가 파손될 경우 입출 절체기가 자동으로 예비 LNA로 절체되어 운영하게 하고, 알람이 울려 파손 LNA가 퓨즈 개념으로 즉시 자동 교체 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 EMP 방어용 3D/4D 하이브리드형 레이더 안테나.
제1항에 있어서, 상기 사이드로브 제거용 SLC 안테나는
합성기에서 합성 후 RF EMP 제거 필터 커넥터와 절체기(SW) - LNA(예비LNA) - 절체기(SW)를 통과하여 광변환 후 운영실에서 다시 Digital신호로 변환 후 탐지 합신호(Σ)와 함께 비교기에 입력하여 탐지합 신호가 사이드로브 레벨이 SLC 신호보다 높을 경우 출력을 Off하고, 낮을 경우 통과하게 하여 사이드 로브가 없는 경우만 전시기에 나타나게 하는 것을 특징으로 하는 EMP 방어용 3D/4D 하이브리드형 레이더 안테나.
제1항에 있어서, 상기 안테나 함체와 운용실은
아날로그신호 RF, IF, Data신호 등을 ADC에서 Digital화 한 후 Digital 합성기에서 합성 후 레이저 다이오드에서 광변환 후 광다이플렉서를 통과하여 광신호 출력을 광케이블(4D 경우) 또는 대기 중(3D 경우 회전, 로터리조인트) 단거리 20cm이내로 전송하여 운영실로 전송함에 전송선로를 금속으로 차폐 EMP와 기구적, 환경적으로 보호하는 광전송장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 EMP 방어용 3D/4D 하이브리드형 레이더 안테나.
제1항에 있어서, 상기 안테나는
외부 공격 미사일 접근시 안테나 복사 송신신호를 다수의 기만 안테나로 교대하며, 복사 미사일 진입로 변경하여 주레이더 안테나를 보호하는 EMP 방어용 3D/4D 하이브리드형 레이더 안테나.
제1항에 있어서, 상기 안테나는
복사소자가 많은 경우 4개 또는 3개를 1묶음으로 해서 1개의 고출력 송신 증폭기로 복사하는 능동 안테나 구성할 수 있도록 하는 EMP 방어용 3D/4D 하이브리드형 레이더 안테나.