KR20080086714A - 저고도 레이더 안테나 - Google Patents

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KR20080086714A KR1020070028735A KR20070028735A KR20080086714A KR 20080086714 A KR20080086714 A KR 20080086714A KR 1020070028735 A KR1020070028735 A KR 1020070028735A KR 20070028735 A KR20070028735 A KR 20070028735A KR 20080086714 A KR20080086714 A KR 20080086714A
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Abstract

본 발명은 고산지에 설치하여 주로 수평각보다 같거나 낮은 비행체를 탐색하여 추적하기 위한 중거리용 저고도 레이더 안테나를 개시한다. 본 발명의 안테나는 안테나 함체에 수평배열복사모듈들을 수직으로 다단 적층하고, 안테나 함체의 상단에는 IFF안테나를 부착하며 안테나 함체의 일부 측면에 부엽 억압 안테나를 부착하고 안테나 함체의 후면에 장비 함체가 부착되어 수평으로 회전할 수 있도록 된 레이더 안테나 시스템에서, 송신모듈과, 수신모듈, 송신 수직분배기, 수직으로 적층 배열된 수평배열복사모듈들에 각각 연결된 송신모듈로부터 수신주기에 각 모듈의 수평합(∑Az)신호를 수신받아 전체 수평합(∑Az)신호를 출력함과 아울러 수직차(△EL)신호를 생성하여 송수신기로 출력하는 수평합신호/수직차신호 수직합성기, 수직으로 적층 배열된 수평배열복사모듈들에 각각 연결된 수신모듈로부터 수신주기에 각 모듈의 수평차신호를 수신받아 전체 수평차신호를 송수신기로 출력하는 수평차신호 수직합성기를 구비하여 안테나 시스템이 수평 회전함과 아울러 위상변위기들에 데이터들 보내 위상 자동 가변하게 하여 수직으로 자동 빔 조향하게 하여 저고도 비행체를 탐색할 수 있다.
레이더 안테나, 풍압, 안테나, 빔 성형, 허니컴, 저고도

Description

저고도 레이더 안테나 { LOW ALTITUDE RADAR ANTENNA }
도 1은 본 발명에 따른 저고도 레이더 안테나의 전체 구성을 도시한 입체 사시도,
도 2는 본 발명에 따른 저고도 레이더 안테나를 도시한 3면도,
도 3은 본 발명에 따른 저고도 레이더 안테나의 구성 블럭도,
도 4는 본 발명에 따른 저고도 레이더 안테나의 수평배열복사모듈의 구성도,
도 5는 본 발명에 따른 저고도 레이더 안테나의 수평배열복사모듈의 회로도,
도 6은 본 발명에 따른 저고도 레이더 안테나의 수평합(ΣAz)신호/ 수직차(△EL)신호 수직 합성기의 구성도,
도 7은 본 발명에 따른 저고도 레이더 안테나의 수평차(△Az)신호 수직합성기를 도시한 도면,
도 8은 본 발명에 따른 저고도 레이더 안테나의 송신신호 수직분배기를 도시한 도면,
도 9는 본 발명에 따른 저고도 레이더 안테나의 모니터모듈을 도시한 도면,
도 10은 본 발명에 따른 저고도 레이더 안테나의 부엽 억압 안테나를 도시한 도면,
도 11은 본 발명에 따른 저고도 레이더 안테나의 피아식별 안테나를 도시한 도면,
도 12는 본 발명에 따라 안테나를 고산지대에 설치한 경우, 비행체 탐색 추적시 저고도 탐색하기 위하여 펜슬 빔을 형성한 예,
도 13은 본 발명에 따른 저고도 탐색 레이더 안테나의 수평합(∑Az)신호와 수평차(△Az)신호, 수직차(△EL)신호의 복사 패턴도,
도 14는 본 발명에 따른 저고도 탐색 레이더 안테나에서 피아식별 안테나의 수평합(∑Az)신호와 수평차(△Az)신호, 수직차(△EL)신호의 복사 패턴도.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1, 1U1~n,1D1~n: 수평배열복사모듈 2: 안테나 함체
3: 장비 함체 4: 피아식별 지향성 안테나
5: 피아식별 전방향 안테나 6: 부엽억압안테나
71: 송신 수직분배기 72: 수평합(∑Az)신호/수직차(△EL)신호수직합성기
73: 수평차(△Az)신호 수직합성기 74: 감시모듈
17: 회전장치 18: 지지구조물
19: 로터리 조인트 슬립링 20: 송수신기
21: 받침대 111,116: 밴드패스필터
112: 서큘레이터 113: 고출력증폭기
114: 가변증폭기 115,119: 위상변위기
117-1,117-2: 수신 온/오프 게이트 118-1,118-2: 저잡음 증폭기
본 발명은 저고도 레이더 안테나에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 본 출원인이 선출원하여 등록한 특허 제10-0684279호를 개량하여 고산지에 설치하여 주로 수평각보다 같거나 낮은 비행체를 탐색하여 추적하기 위한 중거리용 저고도 레이더 안테나에 관한 것이다.
일반적으로, 저고도 레이더 시스템은 지지대 위에 로터리 조인트(rotary joint)와 슬립 링(slip ring)을 포함하는 회전체를 통해 회전하는 저고도 레이더 안테나와, 안테나와 떨어져 실내에 위치하는 레이더 감시 제어기로 이루어진다. 레이더 감시 제어기는 탐지물체를 표시하는 디스플레이와, 운영자가 조작하는 조작패널 등을 포함한다. 저고도 레이더 안테나는 목표물을 탐지하기 위한 회전형 능동 안테나와, 회전형 능동 안테나의 상부에 설치되는 피아 식별(IFF: identification, friend or foe)용 안테나로 이루어져 S밴드나 L밴드 주파수대역의 무선신호를 목표물 방향으로 전파 복사한 후에 목표물로부터 반사되어 수신된 반사신호를 분석하여 적은 출력으로 원거리의 목표물을 정확하게 탐지함과 아울러 피아를 식별하는 기능을 제공한다. 이때 레이더 안테나는 내부의 안테나 소자들을 보호하기 위한 함체 케이스와, 유지보수를 위해 함체 케이스 후면에 설치된 도어를 포함하고 있다.
그런데 이와 같은 저고 레이더 안테나를 주파수가 낮은 S밴드나 L밴드에서 사용할 경우 상대적으로 안테나 부피가 커지게 되는데, 종래에는 전면을 밀폐형으로 구성함으로써 높은 풍압을 견딜 수 있도록 대용량의 모터가 사용되었고, 안테나 중량이 커서 고장이 자주 발생되어 제조 및 유지보수에 비용이 많이 드는 문제점이 있다. 즉, 종래의 저고도 레이더 안테나는 수평각보다 고앙각의 원거리탐색용으로 주로 L 밴드 이하 주파수대를 사용하여 400K~500Km 거리의 비행체를 탐색하는 원거리 탐색 안테나로 안테나 크기가 가로세로 회전반경 등이 8~10m 넘는 큰 안테나이며, 수평각 이하의 저고도에 있는 근거리 비행체는 탐색할 수 없고 구조가 커서 제조설치에 비용이 많이 드는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해소하기 위하여 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 높은 주파수대 S,C밴드 주파수대(2.5~3.3GHz)를 사용하여 같은 안테나 이득을 복사함에도 안테나의 크기가 작아 수평각 이하의 저고도 근거리(약 9~150Km)를 비행하는 물체를 탐색할 수 있는 저고도 추적 레이더 안테나를 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 안테나는, 안테나 함체에 수평배열복사모듈들을 수직으로 다단 적층하고, 상기 안테나 함체의 상단에는 IFF안 테나를 부착하며 상기 안테나 함체의 일부 측면에 부엽 억압 안테나를 부착하고 상기 안테나 함체의 후면에 송신,수신, 콘트롤 장비 함체가 부착되어 수평으로 회전할 수 있도록 된 레이더 안테나 시스템에 있어서, 상기 각 수평배열복사모듈에 연결되어 송신주기에서는 송수절체스위치(S/W)를 거쳐 송신신호를 위상변위기를 거쳐 가변증폭기에서 이득을 가변하여 증폭한 후 고출력증폭기에서 고이득으로 증폭하여 써큘레이터와 밴드패스필터를 거쳐 해당 수평배열복사모듈의 송신단자로 출력하고, 수신주기에는 송수절체스위치가 수신모듈로 연결되어 안테나소자로부터 밴드패스필터와 써큐레이터를 통해 수신된 신호를 수신모듈의 제2 수신 온/오프 게이트와 저잡음증폭기에서 증폭한 후 다시 송신모듈의 S/W절체하여 위상변위기를 거쳐 수직 고도차신호 및 수평 합성신호 모듈로 전송하도록 된 송신모듈; 상기 수평배열복사모듈로부터 수신된 수평차신호는 밴드패스필터 통과 후 제1 수신 온/오프 게이트를 거쳐 저잡음 증폭기에서 저잡음 증폭되어 위상변위기를 거쳐 수평차(△Az)신호모듈로 출력되어 수직기둥합성기(7-3)로 전송하고, 상기 송신모듈로부터 수신된 신호는 제2 수신 온/오프 게이트와 제2 저잡음증폭기를 거쳐 증폭된 후 다시 상기 송신모듈로 출력하는 수신모듈; 동축 커넥터를 통해 입력된 송신RF신호를 수직으로 분배하여 상기 수직으로 적층 배열된 수평배열복사모듈들에 각각 연결된 송신모듈로 공급하는 송신 수직분배기; 상기 수직으로 적층 배열된 수평배열복사모듈들에 각각 연결된 송신모듈로부터 수신주기에 각 모듈의 수평합(∑Az)신호를 수신받아 전체 수평합(∑Az)신호를 출력함과 아울러 수직차(△EL)신호를 생성하여 송수신기로 출력하는 수평합(∑Az)신호/수직차(△EL)신호 수직합성기; 수직으로 적층 배열된 수 평배열복사모듈들에 각각 연결된 수신모듈로부터 수신주기에 각 모듈의 수평차(△Az)신호를 수신받아 전체 수평차(△Az)신호를 송수신기로 출력하는 수평차(△Az)신호 수직합성기; 송신신호를 송신 수직분배모듈에 제공하고, 수평합(∑Az)신호/수직차(△EL)신호 수직합성기로부터 전체 수평합(∑Az)신호와 수직차(△EL)신호를 입력받으며, 수평차(△Az)신호 수직합성기로부터 수평차(△Az)신호를 입력받고, 상기 부엽억압안테나와 연결되어 송수신를 처리하는 송수신기를 구비하여 상기 안테나 시스템이 수평 회전함과 아울러 상기 위상변위기들에 데이터들 보내 위상 자동 가변하게 하여 수직으로 자동 빔 조향하게 하여 저고도 비행체를 탐색할 수 있도록 된 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 자세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 저고도 레이더 안테나의 전체 구성을 도시한 입체 사시도이다.
본 발명에 따른 저고도 레이더 안테나는 도 1에 도시된 바와 같이, 안테나 함체(2)에 수평배열복사모듈들(1)을 수직으로 여러 단 적층하고, 안테나 함체(2)의 상측에는 피아식별을 위한 IFF 안테나(4,5)를 부착함과 아울러 측면 일부에 불필요한 사이드 로브를 억압하기 위한 부엽억압안테나(6)를 부착한 구조로 되어 있다. 또한 안테나 함체(2)의 뒷면에는 수직분배/합성기와 송수신기, 안테나 콘트롤 유니트(ACU) 등을 실장하기 위한 장비 함체(3)가 부착되어 있고, 이러한 안테나 시스템 이 회전장치(17)와 지지구조물(18)에 장착되어 수평방향으로 회전하게 함과 아울러 수직 방향으로는 위상변위기들에 데이터들 보내 자동으로 위상을 가변하게 하여 자동으로 수직으로 빔 조향하게 함으로써 비행체의 방위각과 고도각을 자동으로 탐지하도록 되어 있다. 이때 안테나 시스템의 전기적인 신호는 로터리 조인트 슬립링(19)을 통해 미도시된 관제센터의 감시장치로 전송된다.
이러한 본 발명의 저고도 레이더 안테나는 수평방향(방위각) 탐색은 안테나의 수평회전(약 1-5 RPM)에 의하여 이루어지고, 수직방향(수평각 이하의 저고도각)의 탐색은 수평배열복사모듈들(1)을 수직으로 적층한 안테나 모듈들의 자동 위상변위기에 의해 자동으로 수직 빔 조향하여 1초에 수 십번 내지 수 백번 스캔함으로써 빠른 속도로 이루어진다.
도 1을 참조하면, 수평배열복사모듈들(1)은 얇은 판모양으로 구성하여 수직으로 여러 단 안테나 함체(2) 내부에 드문드문 설치하여 모듈들(1) 사이로 바람이 관통하게 함으로써 회전시 풍압에 의한 부하를 적게 하고, 중량 가볍게 하였으며, 안테나 함체(2)의 상단에 피아식별용 안테나(IFF4,5)를 설치하여 아군과 적군을 판별하고, 안테나 함체(2)의 옆면에 부엽억압 안테나(6)를 보조 안테나로서 설치하여 수신 전파의 불요 사이드 로브를 억압하도록 구성된다. 이때 피아 식별용 안테나는 IFF 지향성 안테나(4)와 IFF 전방향성 안테나(5)의 쌍으로 구성된다.
또한, 장비 함체(3)에는 후술하는 바와 같이, RF송신수신장치 및 각종 콘트롤장치, 수직 분배/합성장치, 전원 등을 삽입하여 안테나 함체(2) 안의 수평배열복사모듈들(1)과 연결하고, 안테나 함체(2)를 안테나 받침대에 설치한 후 안테나 받 침대를 회전장치에 부착하여 지지구조물(18)에 설치하여 수평으로 회전하도록 되어 있다.
이러한 본 발명의 저고도 레이더 안테나는 안테나의 수평각이나 수평각 이하의 저고를 전파 빔으로 조향하여 수평각 이하의 저고도 근거리를 비행하는 비행체를 탐색한다.
도 2는 도 1에 도시된 입체 사시도를 좀 더 구체적으로 도시한 3면도로서, (ㄱ)은 평면도이고, (ㄴ)은 정면도이며, (ㄷ)은 측면도이다.
도 2를 참조하면, 안테나 함체(2)의 상부면에 IFF 지향성 안테나(4)와 IFF 전방향성(또는 오메가 지향성) 안테나(5)가 설치되어 있고, 안테나 함체(2)의 내부에는 수평으로 전파복사소자모듈들(1U1~1Un,1D1~1Dn)이 수직방향으로 여러개 병렬로 배열되어 있으며, 안테나 함체(2)의 측면에 부엽 억압 안테나(6)가 부착된 것을 알 수 있다. 그리고 장비 함체(3)에는 수직 분배/합성기들과 송수신 콘트롤장치, 위상변위 빔 포밍장치, ACU 등이 삽입되어 있다.
도 3은 본 발명에 따른 저고도 레이더 안테나의 구성 블럭도로서, 수직으로 배열된 수평배열복사모듈(1U1~1Un,1D1~1Dn)과, 송신주기에서 수평배열복사모듈(1)에 송신신호를 급전하고 수신주기에서 수평배열복사모듈(1)로부터 수신된 신호를 수평합(∑Az)신호/고도차신호 수직합성기(72)로 전달하기 위한 절체기 내장한 송신모듈(Tx)과, 수신주기에서 수평배열복사모듈(1)로부터 수신신호를 수신하기 위한 수신모듈(Rx)과, 각 송신모듈(Tx)에 송신신호를 분배하기 위한 송신 수직분배기(71), 각 송신모듈(Tx)로부터 수신된 각 수평배열복사모듈의 수평합(∑Az)신호를 합성하여 전체 수평합(∑Az)신호/수직차(△EL)신호를 출력하는 수평합(∑Az)신호/수직차(△EL)신호 수직합성기(72)와, 각 수신모듈(Rx)로부터 수신된 신호를 합성하여 수평차(△Az)신호를 출력하는 수평차(△Az)신호 수직합성기(73), 각 수평배열복사모듈(1)의 송신, 수신 상태 감시하기 위한 감시모듈(74)과, 송수신기(20), 로터리조인트 슬립 링(19), 부엽억압안테나(6), 피아식별안테나(4) 등이 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 수직으로 배열된 수평배열복사모듈(1U1~1Un,1D1~1Dn)의 각 송신단자와, 수신단자, 및 감시단자에는 각각의 송신모듈들(Tx)과, 수신모듈(Rx), 및 감시모듈(74)이 연결되어 있다.
송신모듈(Tx)은 도 3에 도시된 바와 같이, 자동가변위상변위기(115)와, 송수신 절체 스위치(S/W), 가변증폭기(114), 고출력증폭기(HPA: 113), 써큐레이터(112), 밴드패스필터(BPF:111)로 구성되어 송신주기에서는 송수신절체 스위치(S/W)를 거쳐 송신 수직분배기(71)로부터 입력된 고주파 송신신호를 위상변위기(115)를 거쳐 가변증폭기(114)에서 이득을 가변하여 증폭한 후 고출력증폭기(113)에서 고이득으로 증폭하여 써큘레이터(112)와 밴드패스필터(111)를 거쳐 수평배열복사모듈(1U1~1Un,1D1~1Dn)의 송신단자(Tx)로 출력한다. 수신주기에는 송수신절체 스위치(S/W)가 수신모듈(Rx)로 연결되어 수직으로 배열된 수평배열복사모듈(1U1~1Un,1D1~1Dn)로부터 밴드패스필터(111)와 써큐레이터(112)를 통해 수신된 신호를 수신모듈(Rx)의 제2 수신 온/오프 게이트(117-2)와 제2 저잡음증폭기(LNA:118-2)에서 증폭한 후 다시 송신모듈의 절체기에 연결 위상변위기(115)를 거쳐 수평합(∑Az)신호/수직차(△EL)신호 수직합성기(72)로 전송한다.
수신모듈(Rx)은 도 3에 도시된 바와 같이, 밴드패스필터(116)와, 제1 수신 온/오프 게이트(117-1), 제1 저잡음증폭기(118-1), 위상변위기(119), 제2 수신 온/오프 게이트(117-2), 제2 저잡음증폭기(118-2)로 구성되어 수평배열복사모듈(1)로부터 수신된 수평차(△Az)신호는 밴드패스필터(116)를 통과한 후 제1 수신 온/오프 게이트(117-1)를 거쳐 제1 저잡음 증폭기(117-2)에서 저잡음 증폭하여 위상변위기(119)를 거쳐 수평차(△Az)신호 수직합성기(73)로 출력하고, 송신모듈(Tx)로부터 수신된 수평합(∑Az)신호는 제2 수신 온/오프 게이트(117-2)와 제2 저잡음증폭기(118-2)를 거쳐 증폭한 후 다시 송신모듈(Tx)로 출력한다.
송신 수직분배기(71)는 도 8에 도시된 바와 같이, 동축 커넥터를 통해 입력된 신호를 수직으로 분배하여 수직으로 적층 배열된 수평배열복사모듈들(1U1~1Un,1D1~1Dn)에 각각 연결된 송신모듈(Tx)로 공급한다.
수평합(∑Az)신호/수직차(△EL)신호 수직합성기(72)는 도 6에 도시된 바와 같이, 수직으로 적층 배열된 수평배열복사모듈들(1U1~1Un,1D1~1Dn)에 각각 연결된 송신모듈(Tx)로부터 수신주기에 각 모듈의 수평합(∑Az)신호를 수신받아 전체 수평합(∑Az)신호를 출력함과 아울러 수직차(△EL)신호를 생성하여 송수신기(20)로 출력한다.
수평차(△Az)신호 수직합성기(73)는 도 7에 도시된 바와 같이, 수직으로 적층 배열된 수평배열복사모듈들(1U1~1Un,1D1~1Dn)에 각각 연결된 수신모듈(Rx)로부터 수신주기에 각 모듈(1U1~1Un,1D1~1Dn)의 수평차(△Az)신호를 수신받아 전체 수 평차(△Az)신호를 송수신기(20)로 출력한다.
감시모듈(74)은 도 9에 도시된 바와 같이, 수직으로 적층 배열된 수평배열복사모듈들(1U1~1Un,1D1~1Dn)의 송신모니터 출력에 연결된 신호중 스위치에 의해 선택된 송신모니터 출력을 송신모니터 커넥터(Tx Mon)로 출력하고, 수직으로 적층 배열된 수평배열복사모듈들(1U1~1Un,1D1~1Dn)의 수신모니터 출력에 연결된 신호중 스위치에 의해 선택된 수신모니터 출력을 수신모니터 커넥터(Rx Mon)로 출력한다.
이러한 분배/합성기(71~74)는 유전율 1에 가까운 저유전율의 절연 허니컴이나 발포성 수지를 사용하여 분배전송 손실을 낮출 수 있도록 되어 있다.
송수신기(20)는 도 3에 도시된 바와 같이, 송신신호를 송신 수직분배모듈(71)에 제공하고, 수평합(∑Az)신호/수직차(△EL)신호 수직합성기(72)로부터 전체 수평합(∑Az)신호와 수직차(△EL)신호를 입력받으며, 수평차(△Az)신호 수직합성기(73)로부터 수평차(△Az)신호를 입력받고, 부엽억압안테나(6)와 연결되어 송수신를 처리한다.
로터리 조인트 슬립링(19)은 송수신기(20)의 신호와 피아식별안테나(4)의 신호를 관제실 운영장치측으로 연결하고, 장비 함체(3) 내부에 있는 안테나 콘트롤 유니트(21)에는 Row Control Logic, Array Control Logic, Array Data Controller 장치하여 자동으로 안테나를 콘트롤하고, 위상변위기들(115,119)에 자동으로 비임을 조향하기 위한 위상 변위 데이터신호를 반복적으로 1초에 수십번 또는 수백번 보내서 수직 펜슬빔이 되도록 자동으로 조향하여 저고도 비행체를 탐색한다. 또한 안테나 콘트롤 유니트(21)에는 저고도 탐색시 고정체 지형 반사신호와 이동체 반사 신호 식별 선택하는 장치 등 토플러 처리 등 데이터 처리시설도 내장되어 있다.
도 4a는 본 발명에 따른 저고도 레이더 안테나의 한 예로 수평배열복사모듈의 구성도로서 (ㄱ)은 42개의 복사소자가 3개로 구분되어 배열된 평면도이고, (ㄴ)은 정면도이며, (ㄷ)은 후면도이고, (ㄹ)과 (ㅁ)은 측면도이다. 도 4b는 복사소자의 구체예로서 (ㄱ)은 수평편파 복사기의 예이고, (ㄴ)은 수직편파 복사기의 예이며, (ㄷ)은 원편파 복사기의 예이다.
도 4a를 참조하면, 하나의 수평배열복사모듈(1)은 중앙 복사소자군(Rc)과, 좌측 복사소자군(RL), 우측 복사소자군(RR)으로 구분되어 연결구에 의해 기구적으로 조립됨과 좌우 복사소자군(RL,RR)과 중앙복사소자군(Rc)은 케이블(PhL1,PhL2,PhR1,PhR2)과 커넥터(CL1,CL2,CR1,CR2)를 통하여 연결되어 위상급전되고, 중앙 복사소자군(Rc)은 송신모듈(Tx)과 송신 및 수평합(∑Az)신호 커넥터(Tx&∑Az)를 통해 연결되며, 수신모듈(Rx)과는 수평차(△Az)신호 커넥터(△Az)를 통해 연결되고, 송수신 모니터 신호(MONITER)가 모니터 모듈(74)과 연결되어 있다. 그리고 수평배열복사모듈(1)의 전체 복사소자들(DR1~DRn,DL1~DLn)은 방설 커버(R)에 의해 보호되어 있다.
도 4b를 참조하면, 복사소자(D)는 허니컴 구조의 절연체의 양면에 도체판이 형성된 판의 전면에 돌출된 구조로 되어 있는데, 스트립라인 지지용 절연체로는 절연성, 내열성의 허니컴 또는 내열성 발포성 수지로 유전율 1에 가까운 것을 사용하여 전송손실을 작게 하고 중량을 가볍게 구성한다. 또한 복사소자 출력 즉, 스트 립 라인에서 인출된 신호는 도체 반사기를 부착하여 전파가 전방향으로만 전송되도록 되어 있다.
도 4b (가)는 수평편파복사기 다이폴형(B), 폴디드 다이폴형(A)을 도시하고, (나)는 수직편파복사기, (다)는 원편파복사기의 평면도와 단면도이다. 복사소자 스트립라인 인출구는 금속반사판 또는 망으로 차폐하여 전파 반사하게 한다.
도 5a는 도 4에 도시된 바와 같은 수평배열복사모듈의 회로의 일예를 도시한 것으로, 복사소자 좌우 각각 21개로 소자 대칭군(DR1~DR21,DL1~DL21)으로 구성하고, 수평편파 또는 수직편파 또는 원편파로 복사되게 하며, 각각의 복사소자들을 레드 링(Ratring), 하이브리드(Hybrid) 또는 윌킨슨(Wilkinson)을 이용하여 동일분배 또는 차등분배(t,t1폭으로 결정)한다. 본 발명의 실시예에서는 H, H1, H2, H3, H4 하이브리드 분배/합성기와, RR1, RR2, RR3 레드 링의 분배/합성기로 분배하여 좌측 복사소자들(DL1~DL21)과 우측 복사소자들(DR1~DR21) 각각에 전력과 위상을 차등되게 분포하되, 좌우가 대칭되게 전력을 공급하여 복사하게 구성되어 있다. 이와 같이 각 수평배열복사모듈(1U1~1Un,1D1~1Dn)은 수평합(ΣAz)신호와 수평차(△Az)신호와 모니터신호단자들을 동축 커넥터 단자로 인출하는데, 수평합(ΣAz)신호단자는 송신(Tx)단자와 이중으로 함께 사용한다.
도 5b는 도 5a에 사용된 하이브리드와 레드링의 구체 예로서, (ㄱ)은 분배기 H의 예로 하이브리드, 윌킨슨 분배기 레드링의 평면도와 단면도를 표시한 것이고, (ㄴ)은 분배기 RR의 레드 링 하이브리드의 예로 평면도와 단면도를 표시한 것이다.
도 5b를 참조하면, 하이브리드(H)나 레드링(RR) 혹은 스트립라인 복사소자 등 회로구성품에서 소자를 지지하는 절연체는 허니컴이나 발포성 내열성 수지를 사용하여 구성한다.
도 5a도의 수평분배소자모듈은 중앙부(C)모듈, 좌측부(L)모듈, 우측부(R)모듈와 같이 3개 모듈로 분할하여 중앙부(C)로부터 좌(L), 우(R) 연결을 위상조정 동축급전선들로 연결하여 복사소자들의 동위상 또는 차등위상조정 가능하게 하였다.
도 6은 본 발명에 따른 저고도 레이더 안테나의 수평합(ΣAz)신호/고도차(△EL)신호 수직합성기의 구성도로서, (ㄱ)은 평면도이고, (ㄴ)은 측면도이며, (ㄷ)은 정면도이다.
도 6을 참조하면, 수직으로 적층된 각 수평배열복사모듈들(1U1~1Un,1D1~1Dn)은 수직 상반부(1U1~1Un)와 수직 하반부(1D1~1Dn)로 구분되어 수직 상반부의 각 수평배열복사모듈(1U1~1Un)로부터 입력된 신호는 제1 합성기로 합성하고, 수직 하반부의 각 수평배열복사모듈(1D1~1Dn)로부터 입력된 신호는 제2 합성기로 합성한 후 하이브리드(Hy)에서 제1 합성기의 신호와 제2 합성기의 신호를 다시 합하여 전체 수평합(∑Az)신호와 수직차(△EL)신호를 출력한다.
도 7은 본 발명에 따른 저고도 레이더 안테나의 수평차(△Az)신호 수직합성기로서, (ㄱ)은 평면도이고, (ㄴ)은 측면도이며, (ㄷ)은 정면도이다.
도 7을 참조하면, 수직으로 적층된 각 수평배열복사모듈들(1U1~1Un,1D1~1Dn)은 수직 상반부와 수직 하반부로 구분되어 수직 상반부의 각 수평배열복사모듈(1U1~1Un)로부터 입력된 신호는 제1 합성기로 합성하고, 수직 하반부의 각 수평배열복사모듈(1D1~1Dn)로부터 입력된 신호는 제2 합성기로 합성한 후 하이브리 드(Hy)에서 제1 합성기의 신호와 제2 합성기의 신호를 다시 합하여 전체 수평차(△Az)신호를 출력한다.
도 8은 본 발명에 따른 저고도 레이더 안테나의 송신신호 수직분배기로서, (ㄱ)은 평면도이고, (ㄴ)은 측면도이며, (ㄷ)은 정면도이다.
도 8을 참조하면, 송수신기(20)로부터 동축 커넥터를 통해 입력된 송신신호는 수평배열복사모듈(1U1~1Un,1D1~1Dn)의 수만큼 각각 분배된 후 출력 커넥터 통하여 각 수평배열복사모듈(1U1~1Un,1D1~1Dn)에 연결된 송신모듈들(Tx)에 전송한다.
도 9는 본 발명에 따른 저고도 레이더 안테나의 모니터 모듈로서, (ㄱ)은 평면도이고, (ㄴ)은 측면도이며, (ㄷ)은 정면도이다.
도 9를 참조하면, 수평복사소자들의 송신, 수신 동작상태를 모니터하기 위하여 각 수평배열복사모듈(1U1~1Un,1D1~1Dn)의 송신 방향성 결합기 모니터신호와 수신모니터 신호를 해당 스위치(S/W)를 통해 선택하여 송신 모니터 커넥터(Tx Mon)(TxC1C)와 수신모니터 커넥터(Rx Mon)(RxC1C)로 출력한다.
도 10은 본 발명에 따른 저고도 레이더 안테나의 부엽 억압 안테나로서, (ㄱ)은 평면도이고, (ㄴ)은 측면도이며, (ㄷ)은 정면도이다.
도 10을 참조하면, 본 발명에 사용되는 부엽 억압 안테나(6)는 복사소자들이 수직으로 배열된 후 합성기로 합성되어 커넥터를 통해 송수신기로 연결된다. 즉, 부엽 억압 안테나(6)는 금속 반사판의 전면에 복사기를 배열한 보조 안테나로서, 후면에 박스 함체 측면에 부착하고, 복사소자들은 절연 방습 카바로 보호되어 있다.
도 11은 본 발명에 따른 저고도 레이더 안테나의 피아식별 IFF 안테나 구성도로서, (ㄱ)은 측면도이고, (ㄴ)은 정면도이며, (ㄷ)은 평면도이다.
통상, 수하방식에 따른 피아식별방식은 여러 가지 질문모드별로 상호 약속된 응답을 하므로써 식별하는 것이며, 운용자가 코드를 장입시키거나 비화컴퓨터에 기계식 또는 전자식 코드 장입기를 사용하여 코드를 장입시키는 것이다. 이러한 피아식별방식은 질문주파수와 응답주파수를 달리하므로 동일 주파수로 송수신하는 탐지레이다의 지형, 비, 새 등과 같은 클리터와 표적의 구분, 다수표적의 각각 구분 등의 문제를 해결하여 표적자료(표적여부, 고도 등)를 주 레이다에 제공할 수 있어 주 레이다를 보조하는 역할을 강조하여 Secondary Surveillance Radar(SSR)라고도 한다. 통상 탐지 레이다와 연동하여 운용되며, 질문시스템은 2종의 안테나(지향성과 전방향성 또는 오메가 지향성), 질문기(송수신기), 응답신호 처리기로 구성되며, 응답시스템은 표적에 장착되며 전방향성(Omni-Direction) 안테나, 응답기로 구성된다.
피아식별 레이다의 운용개념은 질문기가 지향성 안테나를 통하여 코드화된 전자파 펄스를 원하는 표적에 송신하고, 이 송신신호를 표적의 응답기가 수신하여 질문기의 주파수와 다른 주파수로 전방향성 안테나를 통하여 약속된 응답신호를 송신하게 되면, 이 응답신호는 질문기의 지향성 안테나를 통하여 수신된 후 질문기의 응답신호처리기를 거쳐서 식별정보를 주 레이다로 전달하는 것이다. 표적의 거리와 방향은 질문에 대한 응답신호의 지연시간과 안테나의 방향에 의하여 결정되고, 기 타 정보는 응답신호로부터 얻어진다. 송수신 신호의 경로손실은 편도경로손실(One-Way Path Loss)로서 주 레이다의 송신전력보다 낮은 송신전력으로도 장거리 영역을 커버할 수 있는 이점이 있다.
도 11을 참조하면, 피아식별 안테나로 L밴드 주파수대로 구성하였으며, 수직편파 다이폴(D)을 수평 배열함에 좌반부 다이폴(DL1~DLn)과 우반부 다이폴(DR1~Dn)로 구성하고, 좌반부 다이폴(DL1~DLn)은 제1 합성기로 합성하고, 우반부 다이폴(DR1~DRn)은 제2 합성기로 합성한 후, 하이브리드로 전송하여 하이브리드 출력에서 합성신호와 차신호를 인출하여 IFF 수신기(미도시)로 동축케이블을 통해 전송한다. 또한 IFF안테나 상단에는 전방향성 복사기(Do)와 반사소자(Re)로 하트형 복사패턴 구성하여 오메가(OMEGA) 패턴 커넥터를 통하여 동축 케이블로 IFF수신기(미도시)에 전송하여 IFF안테나의 불필요한 부엽특성을 억제한다.
위 설명은 IFF안테나가 수평으로 1열로 배열된 경우를 설명하였으나 경우에 따라 2열, 3열,.. n열로 배열하여 복사이득을 높일 수도 있다. 예컨대, 도 11의 점선으로 표시된 바와 같이, 수직으로 3열 배열한 경우에는 수직편파 다이폴(D)을 수평 배열함에 있어 좌반부 다이폴(DL1~DLn)과 우반부 다이폴(DR1~Dn)로 구성하고, 이를 다시 수직으로 3열 배열한 후 각 수직배열된 다이폴의 신호를 3합성기로 합성한 후, 좌반부 다이폴(DL1~DLn)은 제1 합성기로 합성하고, 우반부 다이폴(DR1~DRn)은 제2 합성기로 합성한 후, 하이브리드로 전송하여 하이브리드 출력에서 합성신호와 차신호를 인출하여 IFF 수신기로 동축케이블을 통해 전송한다. 이때 경우에 따라 위상변위기를 동시에 삽입하여 자동 추적시 자동으로 빔조향 가능하게 할 수 있 다. IFF 안테나(4)와 옴니 안테나(5)는 절연 방습 커버로 도포하여 보호하고, 안테나 함체(2)의 상단에 부착되어 있다.
도 12는 본 발명에 따라 안테나를 고산지대에 설치한 경우, 비행체 탐색 추적시 저고도 탐색하기 위하여 펜슬 빔을 형성한 예이다.
도 12를 참조하면, 본 발명에 따른 안테나의 각 수직 적층 수평배열복사모듈들에 부착된 송신모듈(Tx)과 수신모듈(Rx)에 내재한 위상변위기(115,119)에 위상변위용 데이터 신호들을 1초에 수십번 자동 반복해서 빔 조향 콘트롤장치에서 조정하여 수직고도 탐지함과 동시에 수평으로 회전하면서 수직 방향으로 빔을 반복 스캔하여 비행체 고도를 자동으로 탐색 추적하게 한다.
도 13은 본 발명에 따른 저고도 탐색 레이더 안테나의 수평합(∑Az)신호와 수평차(△Az)신호, 수직차(△EL)신호의 복사 패턴도로서, (ㄱ)은 수평복사 패턴도이고, (ㄴ)은 수직복사 패턴도이다.
도 13을 참조하면, 횡축은 각도를 나타내고 종축은 레벨을 나타낸다. 도시된 패턴에 따르면 0도에서 합(∑)신호는 최대가 되고, 이를 중심으로 좌우에 쌍봉의 차(△)신호가 나타나는 것을 알 수 있다.
도 14는 본 발명에 따른 저고도 탐색 레이더 안테나에서 IFF안테나의 수평합(∑Az)신호와 수평차(△Az)신호의 복사 패턴도로서, (ㄱ)은 수평복사 패턴도이고, (ㄴ)은 수직복사 패턴도이다.
도 14를 참조하면, 횡축은 각도를 나타내고 종축은 레벨을 나타낸다. 도시된 패턴에 따르면 수평복사패턴은 0도에서 합(Σ)신호는 최대가 되고, 이를 중심으로 좌우에 쌍봉의 차(△)신호가 나타나는 것을 알 수 있다. 수직복사패턴은 0도 부분에서 최대가 되는 것을 알 수 있다.
이상에서의 설명은 일 예로 하여 약 이득 40dB 이상 되게 구성한 것으로 본 발명은 수평수직 배열 숫자, 안테나 이득 등을 다양하게 구성할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 안테나는 높은 주파수대 S,C밴드 주파수대(2.5~3.3GHz)를 사용하여 같은 안테나 이득을 복사함에도 안테나 크기가 작아 수평각 이하의 저고도 중/근거리(약 9~150Km)를 비행하는 물체를 탐색할 수 있다. 예컨대, 본 발명에 따르면 주파수가 기존 운영중인 안테나인 L밴드보다 약 2배 이상 높아지므로 자유공간 복사전파손실은 자승배 1/22=1/4 작아지므로 탐지거리는 약 1/4 적아져 수평각보다 낮은 저고도를 근거리 탐색할 수 있고, 종래의 안테나에 비해 가로세로 약 1/2 작아지므로 면적은 1/4, 체적은 1/8 작아지고, 수평구동장치는 1/8로 작아져 제조비용을 절감할 수 있다.

Claims (8)

  1. 안테나 함체에 S.C 밴드(2.5~3.3GHz)중 사용주파수밴드 수평배열복사모듈들을 수직으로 다단 적층하고, 상기 안테나 함체의 상단에는 IFF안테나를 부착하며 상기 안테나 함체의 일부 측면에 부엽 억압 안테나를 부착하고 상기 안테나 함체의 후면에 장비 함체가 부착되어 수평으로 회전할 수 있도록 된 레이더 안테나 시스템에 있어서,
    상기 각 수평배열복사모듈에 연결되어 송신주기에서는 송수절체스위치(S/W)를 거쳐 송신신호를 위상변위기를 거쳐 가변증폭기에서 이득을 가변하여 증폭한 후 고출력증폭기에서 고이득으로 증폭하여 써큘레이터와 밴드패스필터를 거쳐 해당 수평배열복사모듈의 송신단자로 출력하고, 수신주기에는 송수절체스위치가 수신모듈로 연결되어 안테나소자로부터 밴드패스필터와 써큐레이터를 통해 수신된 신호를 수신모듈의 제2 수신 온/오프 게이트와 저잡음증폭기에서 증폭한 후 다시 송신모듈의 위상변위기를 거쳐 수직 고도차신호 및 합성신호 구성하는 수직합성기 모듈로 전송하도록 된 송신모듈;
    상기 수평배열복사모듈들로부터 수신된 수평차 신호는 밴드패스필터 통과 후 제1 수신 온/오프 게이트를 거쳐 저잡음 증폭기에서 저잡음 증폭되어 위상변위기를 거쳐 수평차(△Az)신호 수직합성기모듈로 출력되고, 상기 송신모듈로부터 수신된 신호는 제2 수신 온/오프 게이트와 제2 저잡음증폭기를 거쳐 증폭된 후 다시 상기 송신모듈로 출력하는 수신모듈;
    동축 커넥터를 통해 입력된 신호를 수직으로 분배하여 상기 수직으로 적층 배열된 수평배열복사모듈들에 각각 연결된 송신모듈로 공급하는 송신 수직분배기;
    상기 수직으로 적층 배열된 수평배열복사모듈들에 각각 연결된 송신모듈로부터 수신주기에 각 모듈의 수평합(∑Az)신호를 수신받아 전체 수평합(∑Az)신호를 출력함과 아울러 수직차(△EL)신호를 생성하여 송수신기로 출력하는 수평합(∑Az)신호/수직차(△EL)신호 수직합성기;
    수직으로 적층 배열된 수평배열복사모듈들에 각각 연결된 수신모듈로부터 수신주기에 각 모듈의 수평차(△Az)신호를 수신받아 전체 수평차(△Az)신호를 송수신기로 출력하는 수평차(△Az)신호 수직합성기;
    송신신호를 송신 수직분배모듈에 제공하고, 수평합(∑Az)신호/수직차(△EL)신호 수직합성기로부터 전체 수평합(∑Az)신호와 수직차(△EL)신호를 입력받으며, 수평차(△Az)신호 수직합성기로부터 수평차(△Az)신호를 입력받고, 상기 부엽억압안테나와 연결되어 송수신를 처리하는 송수신기를 구비하여
    상기 안테나 시스템이 수평 회전함과 아울러 상기 위상변위기들에 데이터들 보내 위상 자동 가변하게 하여 수직으로 고속 자동 spot 빔 조향하게 하여 저고도 비행체 고도와 방향를 탐색 추적할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 저고도 레이더 안테나.
  2. 제1항에 있어서, 상기 저고도 레이더 안테나는
    수직으로 적층 배열된 수평배열복사모듈들의 송신모니터 출력에 연결된 신호 중 스위치에 의해 선택된 송신모니터 출력을 송신모니터 커넥터로 출력하고, 수직으로 적층 배열된 수평배열복사모듈들의 수신모니터 출력에 연결된 신호중 스위치에 의해 선택된 수신모니터 출력을 수신모니터 커넥터로 출력하는 감시모듈을 더 구비한 것을 특징으로 하는 저고도 레이더 안테나.
  3. 제1항에 있어서, 상기 수평배열복사모듈의 수평복사소자는
    수평편파 복사소자 또는 수직편파 복사소자 또는 원편파 복사소자로 구성된 것을 특징으로 하는 저고도 레이더 안테나.
  4. 제1항에 있어서, 상기 수평배열복사소자모듈을 중간부, 좌측부, 우측부로 3분하여 각각 중앙부에서 위상조정 보상용 급전선으로 연결하여 복사패턴 줄이도록 된 것을 특징으로 하는 저고도 레이더 안테나.
  5. 제1항에 있어서, 상기 송신 수직분배기와 수직합성기들과 수평배열복사소자모듈은,
    저유전율의 절연 허니컴이나 발포성 수지를 사용하여 분배 전송 손실을 낮춘 것을 특징으로 하는 저고도 레이더 안테나.
  6. 제1항에 있어서, 상기 송신모듈은
    위상변위기에 입출력 절체기가 부착되어 송신시에는 송신출력감쇠 증가 조종 가능한 전치증폭기에서 RF 레벨을 조정한 후 고출력증폭기에서 증폭하여 써큘레이터와 밴트패스필터를 거쳐서 수평배열소자모듈에 전송하고, 수신시는 절체기가 수신 저잡음증폭기로 절체하여 송신 차단하는 것을 특징으로 하는 저고도 레이더 안테나.
  7. 제1항에 있어서, 상기 저고도 레이더 안테나는
    상기 안테나 콘트롤 유니트를 상기 안테나 함체 내에 장착하여 어레이 콘트롤 로직, 로우 콘트롤 로직, 어레이 데이터 콘트롤러, 페이즈 시프터, 콘트롤 빔 포밍, 불요 사이드 로브 억압, 및 도플러 효과 이용하여 이동비행체의 반사신호만 탐지하도록 하고, GPS수신기를 장착한 것을 특징으로 하는 저고도 레이더 안테나.
  8. 제1항에 있어서, 상기 IFF안테나를 수평으로 여러 소자, 수직으로 2단, 3단 여러단으로 구성한 후, 좌반부와 우반부로 구분하여 각각 합성기로 합성 후, 하이브리드로 합패턴, 차패턴 신호 구성하여 IFF수신기로 전송하는 것을 특징으로 하는 저고도 레이더 안테나.
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