KR102662283B1 - 능동 전자식 주사 레이다의 공냉식 안테나 - Google Patents

Abstract

본 발명은 냉각공기의 공급과 열교환 성능을 향상시킬 수 있고, 냉각통로를 따라 흐르는 냉각공기의 입구측과 출구측 사이의 온도 차이 및 압력손실을 최소화하여 냉각통로를 따라 다수개 배열되는 안테나소자의 냉각 효율을 향상시킬 수 있으며, 균일한 냉각이 이루어지도록 하여 안테나소자의 위치별 온도 차이로 인한 출력, 위상 등 성능적 차이 및 저하를 방지함으로써 성능을 개선할 수 있는 능동 전자식 주사 레이다의 공냉식 안테나를 제공한다.
본 발명의 공냉식 안테나는, 외부에서 냉각공기가 유입되는 유입포트와, 유입포트로부터 다단으로 분기되는 복수개의 1차분기통로 및 2차분기통로를 구비하는 매니폴드와, 매니폴드의 2차분기통로와 상류측 끝단이 연통되어 냉각공기가 상류측 끝단에서 하류측 끝단으로 흐르도록 된 냉각통로가 구비된 다수개의 냉각덕트와, 냉각덕트의 외측에 냉각통로를 따라 부착되어 냉각통로로 흐르는 냉각공기와 열교환하도록 된 안테나소자와, 냉각덕트의 하류측 끝단과 각각 연결되는 다수개의 배출포트를 구비하고 다수개의 안테나소자와 냉각덕트를 내부에 수용하기 위한 하우징을 포함한다.

Description

능동 전자식 주사 레이다의 공냉식 안테나{Air cooled antenna of active Electronically Scanned Array}

본 발명은 능동 전자식 주사 레이다의 공냉식 안테나에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고발열 소자가 다수개 배열된 구조에서 냉각공기의 공급과 소자와의 열교환 성능을 개선하여 냉각 효율을 높일 수 있는 공냉식 안테나에 관한 것이다.

최근, 항공기 탑재용 레이다 기술로서 능동 전자식 주사 레이다(Active Electronically Scanned Array, AESA)이 개발되었다. 이는 기계식 구조의 회전체를 없애고 전자식 빔조향을 사용하여 이득을 높일 수 있는 구조를 가진다. 그러나, 전력증폭기가 1개 장착되는 종전의 기계식 회전형과 달리, 능동 전자식 주사 레이다의 안테나는 수십 개에서 수천 개에 달하는 다수개의 소자가 배열되어 이루어지고, 다수개의 소자 별로 전력증폭기가 장착되어 발열이 심하다는 문제가 있다.

이와 같이 고열을 발생하는 고집적 소자가 배열된 안테나의 냉각구조로서, 열전도성이 높은 금속판에 소자를 접촉시켜 소자에서 발생하는 열을 금속판으로 전도시키고, 확장 표면(Heatsink) 또는 냉각핀을 통해 외부와의 대류작용에 의한 열전달 메커니즘을 이용하여 냉각 효율을 보다 높이도록 한 방식이 일반적이다.

열전달은 대류 방식에 따라 자연대류, 강제대류로 나눌 수 있고, 열전달 매체로는 냉각 유체에 따라 액냉식, 공냉식으로 구분할 수 있으며, AESA 안테나 냉각구조는 좁은 공간내에서 발생하는 열을 제거하고, 온도 안정성을 확보하기 위하여 멀티채널 금속 냉각판 내부에 냉각액을 공급하여 냉각하는 액냉식을 주로 사용한다.

그러나, 액냉식은 냉각액을 공급하고 온도조절하기 위한 별도의 구성품, 예를 들면, 펌프, 열교환기, 축압기 등과 같은 부품을 필요로 하고, 액냉식에 적용되는 냉각판은 내부에 냉각액 이동을 위한 복잡한 형상의 유로를 포함하며, 높은 내압 성능에 따른 구조, 복잡한 형상의 유로를 제작하기 위한 접합, 열처리와 같은 공정을 필요로 하는 단점이 있다.

또한 액냉식 안테나는 공냉식 안테나에 비해 냉각성능이 우수하나, 전체 시스템 구성상, 냉각수 공급 및 온도 제어를 위한 별도의 장치 및 구성품이 요구되므로 제원(크기 및 중량)이 증가하여 고가의 비용이 수반되며, 냉각판의 냉각액이 누수될 경우 주변의 전자 구성품'에 치명적 영향을 줄 수 있고, 냉각판 제작시에는 높은 구조적 성능과 신뢰성이 요구되며, 다양하고 복잡한 제작공정이 수반되므로 제작 비용이 증가하는 단점이 있다.

최근 TRM(반도체 송수신 모듈)을 이용한 능동 배열 안테나의 임무 및 적용 플랫폼의 다양화에 따라 기존 고성능 고출력 안테나뿐만 아니라 저출력, 소형 안테나의 필요성이 증가하고 있으나, 기존의 액냉식 솔루션을 적용하기에는 비용, 제원 측면의 문제가 있어, 공냉식 솔루션으로의 전환이 필요한 실정에 있다.

또한 기존 안테나의 위치별 소자의 온도 차이는 TRM 소자의 출력, 위상 등 성능적 차이 및 저하를 유발할 수 있는 요인이 되므로, 안테나 위치별 온도 편차 최소화가 중요하나 기존의 균일한 치수의 냉각핀 형상으로는 냉각통로의 흐름방향으로 온도가 점진적으로 증가하므로 입구측과 출구측의 온도 편차가 커지게 되고, 이로 인해 냉각통로를 따라 배치되는 다수개의 소자에 대해 균일한 냉각이 이루어지지 않는 문제가 있다.

또한 대류 열전달 표면적을 증가시키기 위해 냉각핀의 간격을 조밀하게 구성하면 소자의 온도를 더욱 낮출 수 있으나, 외부에서 공급되는 냉각 공기의 공급 압력의 증가가 필요하므로, 관련 부품의 제원이 증가하는 단점이 있다.

(특허문헌 1) KR 10-1808592 B1

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 냉각공기의 공급과 열교환 성능을 향상시켜 기존의 고성능 고출력 안테나뿐만 아니라 저출력 소형 안테나에도 비용이나 제원의 문제없이 적용 가능한 능동 전자식 주사 레이다의 공냉식 안테나를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 냉각통로를 따라 흐르는 냉각공기의 입구측과 출구측 사이의 온도 차이 및 압력손실을 최소화하여 냉각통로를 따라 다수개 배열되는 안테나소자의 냉각 효율을 향상시킬 수 있고, 또한 균일한 냉각이 이루어지도록 하여 안테나소자의 위치별 온도 차이로 인한 출력, 위상 등 성능적 차이 및 저하를 방지함으로써 성능을 개선할 수 있는 능동 전자식 주사 레이다의 공냉식 안테나를 제공하는데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 외부에서 냉각공기가 유입되는 유입포트와, 상기 유입포트로부터 분기되는 복수개의 1차분기통로와, 상기 복수개의 1차분기통로로부터 각각 분기되는 복수개의 2차분기통로를 구비하는 매니폴드; 상기 매니폴드의 2차분기통로와 상류측 끝단이 연통되어 냉각공기가 상류측 끝단에서 하류측 끝단으로 흐르도록 된 냉각통로가 각각 구비되고, 병렬로 나란히 배치된 다수개의 냉각덕트; 상기 각 냉각덕트의 외측에 냉각통로를 따라 부착되어 상기 냉각통로로 흐르는 냉각공기와 열교환하도록 된 다수개의 안테나소자; 및 상기 다수개의 냉각덕트의 하류측 끝단과 각각 연결되는 다수개의 배출포트를 구비하고, 상기 다수개의 안테나소자와 냉각덕트를 내부에 수용하기 위한 하우징을 포함하는 능동 전자식 주사 레이다의 공냉식 안테나에 특징이 있다.

또한 본 발명에 있어서, 상기 냉각덕트의 냉각통로 내벽에 서로 대향하여 돌출하고 상류측 끝단에서 하류측 끝단까지 이어져 형성된 제1 및 제2 냉각핀을 더 포함하는 능동 전자식 주사 레이다의 공냉식 안테나에 특징이 있다.

또한 본 발명에 있어서, 상기 냉각덕트의 제1 및 제2 냉각핀은 각각 복수개 구비되고, 복수개의 제1 및 제2 냉각핀은 상호 교차하도록 배치되어 지그재그 형태의 냉각통로를 형성한 능동 전자식 주사 레이다의 공냉식 안테나에 특징이 있다.

또한 본 발명에 있어서, 상기 냉각덕트의 제1 및 제2 냉각핀의 돌출길이는 냉각덕트의 상류측 끝단에서 하류측 끝단으로 갈수록 점차 길게 형성하여 냉각덕트의 상류측 끝단에서 하류측 끝단으로 갈수록 냉각통로의 단면적이 점점 작아지도록 한 능동 전자식 주사 레이다의 공냉식 안테나에 특징이 있다.

상기의 특징적 구성을 가지는 본 발명의 공냉식 안테나에 의하면, 외부에서 유입되어 다수개의 냉각덕트로 공급되는 냉각공기가 매니폴드의 복수개의 1차분기통로와 2차분기통로를 통해 냉각덕트의 위치, 길이 및 갯수에 대응하여 분배됨에 따라, 공급되는 냉각공기의 압력손실을 최소화하고 냉각덕트 전체적으로 균일한 유량이 공급되어 안테나소자와의 열교환 효율을 증대시킬 수 있으며, 이로 인해 기존의 고성능 고출력 안테나뿐만 아니라 저출력 소형 안테나에도 비용이나 제원의 문제없이 적용 가능한 효과가 있다.

또한 본 발명은 냉각덕트에 복수개의 제1 및 제2 냉각핀이 서로 교차하여 지그재그 형태로 형성됨에 따라 안테나소자와의 열교환 면적을 증대시켜 냉각 성능을 더욱 향상시키는 효과가 있다.

또한 본 발명은 제1 및 제2 냉각핀의 돌출길이가 냉각덕트의 상류측 끝단에서 하류측 끝단으로 갈수록 점차 길게 형성되어 냉각덕트의 상류측 끝단에서 하류측 끝단으로 갈수록 제1 및 제2 냉각핀의 열교환 면적이 커짐에 따라, 냉각공기가 냉각덕트의 상류측에서 하류측으로 흐르면서 점차 온도가 높아지는 것에 대응하여 상류측에서 적게 하류측에서 더 많은 열교환이 이루어지도록 할 수 있고, 이로 인해 냉각덕트의 상류측에 배치된 안테나소자와 하류측에 배치된 안테나소자를 균일하게 냉각시켜 온도 편차를 최소화함으로써 전체적인 안테나소자의 출력, 위상 등 성능적 차이 및 저하를 방지하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 공냉식 안테나의 사시도.
도 2는 도 1에서 하우징 내부를 나타낸 공냉식 안테나의 사시도.
도 3은 본 발명에 따른 공냉식 안테나의 측면도.
도 4는 도 3의 A-A선 확대 단면도.
도 5는 도 3의 B-B선 확대 단면도.
도 6은 본 발명의 공냉식 안테나에서 매니폴드의 분기형태를 나타낸 개략도.
도 7은 본 발명의 공냉식 안테나에서 냉각덕트의 내부를 나타낸 분리 사시도.
도 8은 본 발명의 공냉식 안테나에서 냉각덕트를 나타낸 종단면도.
도 9는 도 8의 C-C선 확대 단면도.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면에 의거하여 상세하게 설명한다. 도 1 내지 도 3에서와 같이 본 발명의 능동 전자식 주사 레이다의 공냉식 안테나는 매니폴드(10), 냉각덕트(20), 안테나소자(31) 및 하우징(32)을 포함한다.

매니폴드(10)는 외부에서 유입되는 냉각공기를 다수개의 통로로 분기하여 다수개의 냉각덕트(20)로 공급하기 위한 것으로, 도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이 외부에서 공급되는 냉각공기가 유입되는 유입포트(11)를 구비하며, 유입포트(11)에서 1차적으로 복수개의 1차분기통로(12-1~12-6)로 분기되고, 또한 복수개의 1차분기통로(12-1~12-6)에서 2차적으로 복수개의 2차분기통로(13-1~13-16)로 각각 분기된다.

이때, 유입포트(11)에서 분기되는 1차분기통로(12-1~12-6)의 형성 갯수는, 배치되는 냉각덕트(20)의 전체 갯수에 따라 설정될 수 있으며, 냉각덕트(20) 전체를 좌,우 50:50으로 나누고, 좌,우 냉각덕트(20)에 50:50으로 냉각공기를 공급할 수 있도록 설정한다.

본 실시예에서는 냉각덕트(20)의 전체 갯수를 16개 배치하여, 좌우로 8개씩 나누고, 1차분기통로(12-1~12-6)는 6개 형성하여 좌,우로 3개씩 분기하도록 설정한 것을 예시하고 있다.

1차분기통로(12-1~12-6)로부터 분기되는 2차분기통로(13-1~13-16)는 배치된 냉각덕트(20)의 위치와 다수개의 안테나소자(31)가 배치되는 방향의 길이에 따라 설정할 수 있다.

예를 들어 본 실시예에서와 같이 비교적 길이가 길고 유입포트(11)에서 가까운 위치에 배치된 냉각덕트(20)의 냉각통로(21)는 1차분기통로(12-2)에서 3개의 2차분기통로(13-3~13-5)를, 1차분기통로(12-3)에서 3개의 2차분기통로(13-6~13-8)를, 1차분기통로(12-4)에서 3개의 2차분기통로(13-9~13-11)를, 1차분기통로(12-5)에서 3개의 2차분기통로(13-12~13-14)를 각각 분기하여 연결하고, 비교적 길이가 짧고 유입포트(11)에 먼 위치에 배치된 냉각덕트(20)의 냉각통로는 1차분기통로(12-1)에서 2개의 2차분기통로(13-1,13-2)를, 1차분기통로(12-6)에서 2개의 2차분기통로(13-15,13-16)를 각각 분기하여 연결함으로써 냉각덕트(20)의 위치 및 길이에 따른 통로의 압력저하를 최소화하여 냉각공기의 공급이 전체적으로 원활하게 이루어지도록 하는 것이 바람직하다.

또한, 매니폴드(10)의 1차분기통로(12-1~12-6)와 2차분기통로(13-1~13-16)는 유선형으로 형성할 경우, 냉각공기의 흐름을 더욱 원활하게 하여 압력손실을 더욱 줄일 수 있고, 매니폴드(10)의 복잡한 형상을 여러개 부품으로 제작하여 결합하거나, 3D 프린터를 이용하여 하나의 부품으로 형성할 수도 있다.

또한 도 3에 도시된 바와 같이 유입포트(11)의 냉각공기 유입방향과 냉각덕트(20)의 냉각공기 유입방향이 직각이므로, 매니폴드(10)의 상면에 경사부(14)를 형성함으로써 유입포트(11)의 냉각공기 유입 방향을 효율적으로 변경함과 동시에, 공냉식 안테나의 전체 체적을 조금이라도 줄이는 것이 바람직하다.

다시 도 2를 참조하면, 다수개의 냉각덕트(20)는 매니폴드(10)의 2차분기통로(13-1~13-16)와 상류측 끝단이 각각 연통된 냉각통로(21)가 각각 구비되어 냉각공기가 냉각통로(21)를 따라 상류측 끝단에서 하류측 끝단으로 흐르도록 되어 있다.

또한 다수개의 냉각덕트(20)는 병렬로 나란히 배치되고, 안테나소자(31)가 각 냉각덕트(20)의 외측에 냉각통로(21)를 따라 부착되어 냉각통로(21)로 흐르는 냉각공기와 열교환하도록 되어 있다.

냉각덕트(20)는 열전도성이 매우 높은 재질로 제조되며, 그 길이는 공냉식 안테나의 형상에 따른 냉각덕트(20)의 위치와 부착되는 안테나소자(31)의 갯수에 따라 각각 다르게 형성된다.

냉각덕트(20)는 일체로 형성할 수도 있고, 도 7에 도시된 바와 같이 좌우로 분리형성한 후, 공기가 누설되지 않도록 하여 일체적으로 결합하는 구성으로도 형성할 수 있다.

냉각덕트(20)의 냉각통로(21) 내벽에는 서로 대향하여 돌출하는 제1 및 제2 냉각핀(22a,22b)을 구비하며, 제1 및 제2 냉각핀(22a,22b)은 각각 복수개 형성되어 상류측 끝단에서 하류측 끝단까지 이어져 형성된다.

제1 및 제2 냉각핀(22a,22b)은 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이 상호 교차하도록 배치되어 지그재그 형태의 단면을 가지는 냉각통로(21)를 형성하며, 제1 및 제2 냉각핀(22a,22b)의 돌출길이는 냉각덕트(20)의 상류측 끝단에서 하류측 끝단으로 갈수록 점차 길게 형성하여 냉각덕트(20)의 상류측 끝단에서 하류측 끝단으로 갈수록 냉각통로(21)의 단면적은 점점 작아지고, 반대로 제1 및 제2 냉각핀(22a,22b)의 단면적은 점점 커지도록 형성한다.

다시 도 1 내지 3을 참조하면, 하우징(32)은 상기한 다수개의 냉각덕트(20)와 안테나소자(31)를 내부에 수용하여 안전하게 보호하는 것으로, 상부에 매니폴드(10)가 조립되고, 하부에는 도 2에서와 같이 각 냉각덕트(20)의 하류측 끝단과 연결되는 다수개의 배출포트(32a)를 구비한다.

이러한 구성으로 이루어진 본 발명의 공냉식 안테나에 대한 작용을 설명하면 다음과 같다.

도 1 및 도 2에서와 같이 외부에서 매니폴드(10)의 유입포트(11)로 유입되는 냉각공기는 도 4 내지 도 6에서와 같이 유입포트(11)로부터 다단으로 분기되는 1차분기통로(12-1~12-6)와 2차분기통로(13-1~13-16)를 통해 분배되어 각 냉각덕트(20)의 상류측 끝단으로 공급된다.

이때 매니폴드(10)에 구비한 복수개의 1차분기통로(12-1~12-6)와 2차분기통로(13-1~13-16)는, 다수개 배치되고 또한 위치에 따라 길이가 다른 냉각덕트(20)의 갯수에 대응하여 그 갯수를 적절히 형성하여 분배할 수 있고, 이로써 유입포트(11)로 유입되어 각 냉각덕트(20)로 공급되는 냉각공기의 압력손실을 최소화함과 동시에, 냉각덕트(20) 전체적으로 균일한 유량의 냉각공기를 공급할 수 있어 안테나소자(31)와의 열교환 효율을 증대시킬 수 있게 된다.

이어서, 냉각덕트(20)의 상류측 끝단으로 유입된 냉각공기는 하류측 끝단으로 이어지는 냉각통로(21)를 따라 이동하여 각각의 배출포트(32a)로 빠져나가게 되고, 냉각통로(21)를 흐르면서 제1 및 제2 냉각핀(22a,22b)에 의해 열교환하여 냉각덕트(20) 외측에 부착된 안테나소자(31)를 냉각시킬 수 있게 된다.

이때, 복수개의 제1 및 제2 냉각핀(22a,22b)은 서로 교차하여 지그재그 형태로 형성된 것이므로 냉각공기와의 접촉면적이 커지고 이로 인해 안테나소자(31)와의 열교환 면적을 증대시켜 냉각 성능을 향상시킬 수 있다.

또한 제1 및 제2 냉각핀(22a,22b)의 돌출길이는 냉각덕트(20)의 상류측 끝단에서 하류측 끝단으로 갈수록 점차 길게 형성된 것이므로, 냉각덕트(20)의 상류측 끝단에서 하류측 끝단으로 갈수록 제1 및 제2 냉각핀(22a,22b)의 단면적은 커지고, 반대로 냉각통로(21)의 단면적은 작아지게 된다.

따라서 냉각덕트(20)의 상류측보다 하류측으로 갈수록 더 많은 열교환이 이루어지게 되고, 냉각공기는 냉각통로(21)를 통과하면서 열교환에 의해 온도가 점점 높아지므로, 냉각공기의 온도가 비교적 낮은 냉각통로(21)의 상류측에서는 제1 및 제2 냉각핀(22a,22b)과의 열교환 효율을 낮추고, 냉각공기의 온도가 비교적 높은 하류측에서는 제1 및 제2 냉각핀(22a,22b)과의 열교환 효율을 높일 수 있다.

또한, 냉각덕트(20)의 하류측에서는 냉각통로(21)의 단면적이 좁아져서 압력강하가 증가하나, 상류측에는 냉각통로(21)의 단면적이 넓으므로, 전체 압력강하 총량 증가를 최소화 할 수 있어, 안테나에 공급되는 냉각공기의 공급압력을 최소화 할 수 있다. 상류측 넓은 냉각통로(21)의 단면적은 매니폴드(20)의 2차분기통로(13-1~13-16)에서 각 냉각덕트(20)로 유입될 때 유동이 상하로 균등하게 분포되는데 도움을 주어 도 9에서의 제1 및 제2 냉각핀(22a,22b) 위치별 균등한 열교환 성능을 확보하는데 이점을 준다.

이로 인해 냉각덕트(20)의 상류측에 배치된 안테나소자(31)와 하류측에 배치된 안테나소자(31)의 냉각 온도 편차를 줄일 수 있어 안테나소자(31)의 위치에 따른 냉각 온도 편차에 의한 출력, 위상 등 성능적 차이 및 저하를 방지할 수 있다.

이상과 같이 도면과 명세서에서 최적 실시 예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

10 : 매니폴드 11 : 유입포트
12-1~12-6 : 1차분기통로 13-1~13-16 : 2차분기통로
20 : 냉각덕트 21 : 냉각통로
22a,22b : 제1 및 제2 냉각핀 31 : 안테나소자
32 : 하우징 32a : 배출포트

Claims (4)

1. 외부에서 냉각공기가 유입되는 유입포트와, 상기 유입포트로부터 분기되는 복수개의 1차분기통로와, 상기 복수개의 1차분기통로로부터 각각 분기되는 복수개의 2차분기통로를 구비하는 매니폴드;
   상기 매니폴드의 2차분기통로와 상류측 끝단이 연통되어 냉각공기가 상류측 끝단에서 하류측 끝단으로 흐르도록 된 냉각통로가 각각 구비되고, 병렬로 나란히 배치된 다수개의 냉각덕트;
   상기 각 냉각덕트의 외측에 냉각통로를 따라 부착되어 상기 냉각통로로 흐르는 냉각공기와 열교환하도록 된 다수개의 안테나소자;
   상기 다수개의 냉각덕트의 하류측 끝단과 각각 연결되는 다수개의 배출포트를 구비하고, 상기 다수개의 안테나소자와 냉각덕트를 내부에 수용하기 위한 하우징; 및
   상기 냉각덕트의 냉각통로 내벽에 서로 대향하여 돌출하고 상류측 끝단에서 하류측 끝단까지 이어져 형성된 제1 및 제2 냉각핀을 포함하며,
   상기 냉각덕트의 제1 및 제2 냉각핀은 각각 복수개 구비되고, 상기 복수개의 제1 및 제2 냉각핀은 상호 교차하도록 배치되어 지그재그 형태의 냉각통로를 형성하며,
   상기 냉각덕트의 제1 및 제2 냉각핀의 돌출길이는 냉각덕트의 상류측 끝단에서 하류측 끝단으로 갈수록 점차 길게 형성하여 냉각덕트의 상류측 끝단에서 하류측 끝단으로 갈수록 냉각통로의 단면적이 점점 작아지도록 한 것을 특징으로 하는 능동 전자식 주사 레이다의 공냉식 안테나.
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