KR20150118815A - Vhf 어레이 레이더 안테나 시스템 - Google Patents

Vhf 어레이 레이더 안테나 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다수의 VHF 주파수대의 수신 안테나를 조합하여 고이득을 인출하여 저고도로 침투할 수 있고 반사면적(RCS)이 적은 스텔스 비행체를 탐지할 수 있는 VHF 어레이 레이더 안테나 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 안테나 시스템은, 100MHz~700MHz의 VHF 대역중 하나의 송신주파수신호(f0)를 고출력으로 송신하는 하나의 송신 안테나; 상기 송신안테나의 송신 출력이 스텔스 비행체에서 반사된 신호와 직접 수신한 송신주파수파의 신호(f0)를 수신하는 복수개의 수신 안테나; 상기 복수개의 수신안테나로부터 수신된 전체합 신호와 수평 차신호와 수직 차신호를 직접 수신한 송신신호와 믹싱하여 I, Q 도플러 신호를 생성하는 복수개의 안테나 신호 출력 수신장치; 및 상기 복수개의 안테나 신호 출력 수신장치의 I, Q 도플러 신호를 처리하여 스텔스 비행체를 탐지하는 신호처리장치로 구성된다. 본 발명에 따른 VHF 어레이 레이더 안테나는 TV, FM방송 중인 송신기 또는 고출력의 VHF 주파수 송신 안테나와 복수개의 NxM 어레이 수신 안테나를 이용하여 스텔스 비행체의 프로펠러나 전선 배선줄 등에서 반사된 신호를 수신한 후 도플러 신호를 추출하여 레이더 반사 면적(RCS)이 적은 저고도 스텔스 비행체(무인기)를 탐지함으로써 적으로부터 국가 중요 시설을 보호하고 국가안전을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

VHF 어레이 레이더 안테나 시스템{ VHF ARRAY RADAR ANTENNA SYSTEM }
본 발명은 탐색 레이더 안테나에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다수의 VHF 주파수대(100MHz~700MHz)의 수신 안테나를 조합하여 고이득을 인출하여 저고도로 침투할 수 있고 반사면적(RCS)이 적은 스텔스 비행체를 탐지할 수 있는 VHF 어레이 레이더 안테나 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 탐지 레이더는 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) 또는 3차원(방위, 거리, 고도) 레이더로 구분된다.
지상설치 장거리용 대공 탐지 레이더는 운용에 따른 제한조건이 가장 적은 레이더로서 주로 높은 고지에 설치하여 장거리 고공표적(항공기, 미사일 등)을 탐지, 표적 제원을 추출하여 우군지휘/통제 체계에 전파하는 조기경보/공중 전장감시 및 통제용으로서 무중단 운용되는 탐지 레이더이다.
한편, 최근 들어 무선 반사가 극히 작은 FRP로 제작한 스텔스 비행체, 특히무인기를 이용한 저공 침투가 빈번히 발생하고 있는데, 이와 같이 저공으로 침투하는 소형 스텔스 비행체는 종래의 대공 탐지 레이더로는 탐지가 어려운 문제점이 있다. 즉, 레이더 반사면적(RCS)이란 적의 전파에 대한 자신의 반사파의 면적량을 뜻하며, 스텔스기는 이 반사면적을 줄인 것인데, RCS를 줄이는 방법으로는 전파흡수소재(RAM)와 전파흡수구조(RAS)를 주로 사용한다. 장차 침투 예상되는 스텔스 비행체는 FRP로 제작하여 반사면적(RCS: Radar Cross Section)을 줄인 것으로, 종래의 레이더로는 탐지가 어렵다. 예컨대, 최근 경기 파주시와 백령도 등 최전방 지역에서 잇달아 발견된 무인기는 길이가 2~3m 길이에 2~3km 고도로 저공 비행할 수 있고, 레이더반사면적(RCS)이 극히 작아 종래의 레이더로는 탐지가 불가능하다.
종래의 탐지 레이더 기술로는 대한민국 특허청 등록특허공보에 등록번호 10-1213043호로 탐지.추적 레이더, 이를 구비하는 이동체 방어시스템 및 탐지추적 레이더의 고속이동체 추적방법이 공고되어 있고, 등록번호 10-1029598호로 레이더 수신기가 공고되어 있다.
본 발명은 종래의 대공 탐지 레이더로는 탐지가 어려운 무인 스텔스 비행체를 정확하게 탐지하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 다수의 VHF 주퍄수대(100MHz~700MHz)의 수신 안테나를 조합하여 고이득을 인출함으로써 저고도로 침투하는 반사면적(RCS)이 적은 스텔스 비행체를 탐지할 수 있는 VHF 어레이 레이더 안테나 시스템을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 안테나 시스템은, 100MHz~700MHz의 VHF 대역중 하나의 송신주파수신호(f0)를 고출력으로 송신하는 하나의 송신 안테나; 상기 송신안테나의 송신 출력이 스텔스 비행체에서 반사된 신호와 직접 수신한 송신주파수파의 신호(f0)를 수신하는 복수개의 수신 안테나; 상기 복수개의 수신안테나로부터 수신된 전체합 신호와 수평 차신호와 수직 차신호를 직접 수신한 송신신호와 믹싱하여 I, Q 도플러 신호를 생성하는 복수개의 안테나 신호 출력 수신장치; 및 상기 복수개의 안테나 신호 출력 수신장치의 I, Q 도플러 신호를 처리하여 스텔스 비행체를 탐지하는 신호처리장치로 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 수신 안테나는 N단 × M열 어레이 소자와, 송신 안테나의 송신신호를 직접 수신하는 하나의 직접 수신 안테나, 각 행으로 배열된 어레이 소자들의 수신신호를 대역통과시키는 대역통과필터와, 대역통과필터를 거친 신호를 위상변위시키는 수동형 위상변위기와, 직접 수신안테나의 f0 수신주파수를 통과시키는 f0 통과필터와, 좌반부측 수동형 위상변위기에서 위상변위된 좌반부측의 수신신호를 합성하는 좌측 합성기와, 우반부측 위상변위기에서 위상변위된 우측의 수신신호를 합성하는 우측 합성기와, 우측 합성기의 출력을 주파수 변경시 위상 보상하는 라인 위상 보상기와, 좌측 합성기의 출력과 위상 보상된 우측 합성기의 출력의 합과 차신호를 출력하는 하이브리드 카플러와, 열로 배열된 상반부측 하이브리드 카플러의 합신호를 모두 합해 상측 합신호를 출력하는 상측 합신호 합성기와, 열로 배열된 하반부측 하이브리드 카플러의 합신호를 모두 합해 하측 합신호를 출력하는 하측 합신호 합성기와, 상측 합신호 합성기의 출력과 하측 합신호 합성기의 출력의 합과 차를 구해 전체 합신호와 수직 차 신호를 출력하는 전체합 하이브리드 카플러와, 열로 배열된 상반부측 하이브리드 카플러의 차신호를 모두 합해 상측 차신호를 출력하는 상측 차신호 합성기와, 열로 배열된 하반부측 하이브리드 카플러의 차신호를 모두 합해 하측 차신호를 출력하는 하측 차신호 합성기와, 상측 차신호 합성기의 출력과 하측 차신호 합성기의 출력을 합하여 전체 수평 차신호를 출력하는 수평 차 하이브리드 카플러와, 수직 차 신호를 증폭하는 저잡음 증폭기와, 전체 합신호를 증폭하는 저잡음 증폭기와, 수평 차신호를 증폭하는 저잡음 증폭기와 예비 저잡음 증폭기를 부착한 후 고장시 자동으로 절체하는 자동절체기로 구성된다.
즉, 본 발명의 N×M단 수신기는 좌측 상단 N/2개 합신호를 합성기(230-3)에서 합성하고, 좌측 하단 N/2개 합신호를 합성기(230-4)에서 합성 후, 하이브리드 카플러(240-2)에서 결합해서 합신호와 수직차신호를 인출하여 수직차신호 저잡음증폭기(EΔ LNA;250-1)와 전체합신호 저잡음증폭기(Σ LNA;250-2)에서 증폭한다.
그리고 우측 상단 N/2 합성기 출력은 상단 하이브리드 카플러들에 입력하여 출력 차신호 합성기(230-5)에서 합성하고, 우측하단 N/2 합성기 출력은 하단 하이브리드 카플러들에 입력한 후 차신호 합성기(230-6)에서 합성 후 하이브리드 카플러(240-3)에서 재합성하여 수평차(AzΔ)신호 인출하여 AzΔ LNA(250-3)에서 증폭한다.
즉, 본 발명의 N단 M열 수신안테나(위상변위기 출력)는 좌측은 상단 N/2개 합성기(230-1)에서 좌측안테나 M/2개씩 합성 후 N/2개 상단 하이브리드 카푸라(240-1)에 입력하고, 또 우측은 상단 N/2개 합성기(230-2)에서 우측안테나 M/2개씩 합성 후 같은 N/2개 하이브리드 카푸라(240-1)에 위상보상기(220')통과 후 입력하여 N/2개 수평합신호(Σ)와 차신호(Δ) 인출한다.
이 신호들 중 합신호(Σ)들은 합성기(230-3)에 입력 합성한 후 출력을 최종 하이브리드 카푸라(240-2)에 입력한다.
또한 좌측하단 M/2개 안테나를 좌측 하단 N/2개의 합성기(230-1)에서 합성 후 출력을 하단 N/2개 하이브리드 카푸라(240-1) 입력한다. 또 우측 하단 M/2개 안테나들을 우측 하단 N/2에 합성기(230-2)에서 합성 후 출력을 하단 N/2개 하이브리드 카푸라(240-1)에 하단 N/2개 위상 보상기(220') 통과 후 입력한다. 이 하이브리드들 N/2개의 출력합신호(AZΣ)와 차신호(AZΔ)들을 인출한다. 이들 중 각단 수평합신호 N/2(AZΔ)는 하단좌합성기(230-4)에서 합성후 최종 같은 하이브리드 카푸라(240-2)에 입력하여 총합성신호(Σ)와 수직차신호 (EΔ)를 인출한다.
또 상단 하이브리드 카푸라 N/2개 차출력(Δ)은 합성기(230-5)에서 합성하여 출력을 하이브리드 카푸라(240-3)에 입력하고 하단 하이브리드 카푸라 N/2개 차출력(Δ)은 합성기(230-6)에서 합성하여 출력을 같은 하이브리드 카푸라(240-3)에 입력하여 총합 수평차신호 AZΣ를 인출한다.
이와 같이 하여 출력된 총합 수직차신호(EΔ)는 저잡음증폭시(250-1)에서 증폭, 총합신호(Σ)는 저잡음증폭기(250-2)에서 증폭, 총합 수평차신호(AZΣ)는 저잡음증폭기(250-3)에서 각각 증폭하여 수신장치(270)로 보낸다.
이 안테나들에 부착한 저손실 위상 변위기는, 수신기제어장치에서 제어콘트롤하는 신호를 빔조향장치에 보내서 다시 빔조향장치에서 콘트롤 신호 발생 후 전체 위상변위기에 보내서 위상 변위하여 수평, 수직, 복사, 빔조향 수신비행체의 방향과 고도와 거리 데이터를 탐지하여 수신기장치 내장되어 있는 연산장치에 보내서 자동계산한다.
본 발명에 따른 VHF 어레이 레이더 안테나는 고출력의 VHF 주파수 송신 안테나와 복수개의 N 단 x M 열 어레이 수신 안테나를 이용하여 스텔스 비행체의 프로펠러나 전선 배선줄 등에서 반사된 신호를 수신한 후 도플러 신호를 추출하여 레이더 반사 면적(RCS)이 적은 저고도 스텔스 비행체(무인기)를 탐지함으로써 적으로부터 국가 중요 시설을 보호하고 국가안전을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 VHF 어레이 레이더 안테나 시스템의 배치 구성도로서, 도 1a는 지향성 고이득 수직,수평 및 조향 안테나, 도 1b는 저이득 전방향성 안테나,
도 2는 본 발명에 따른 VHF 어레이 레이더 안테나의 외형도,
도 3은 본 발명에 따른 VHF 어레이 레이더 안테나의 구성 블럭도,
도 4는 본 발명에 따른 VHF 어레이 레이더 안테나의 출력신호 수신장치,
도 5는 본 발명에 따른 VHF 어레이 레이더 안테나의 어레이 소자를 도시한 개략도,
도 6은 본 발명에 따른 VHF 어레이 레이더 안테나의 대역통과필터를 도시한 개략도,
도 7은 본 발명에 따른 VHF 어레이 레이더 안테나의 위상변위기를 도시한 개략도이다.
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, 장차 침투 예상되는 스텔스 비행체는 무인기 FRP로 제작하여 반사면적(RCS: Radar Cross Section)이 극히 작아 탐지를 위해서는 고주파 전력이 매우 커야 되므로 본 발명은, 기존 레이더 안테나에서처럼 별도 펄스형 전력을 발사하지 않고, 기존 TV 또는 FM 방송에 혼신을 주지 않으면서 기 방송중인 TV 또는 FM 방송 안테나의 고출력 또는 별도 고전력 송신기로 복사하는 AVE 전력을 비행체에서 반사하게 하여 이동중인 비행체에서 반사하는 도플러 주파수와 송신주파수를 별도 안테나로 직접 수신하여 MIX 하여 도플러 주파수만 탐지하여 비행체의 방향을 탐지하고, 이와 같은 안테나를 2-3개(A,B,C) 이상 설치하여 수신신호들을 동시 자동 연산장치에 수신하여 자동 연산 계산해 비행체의 고도, 방향, 거리 등을 자동으로 계산하는 안테나 장치이다.
또한 본 발명은 수동소자 위상변위기 사용하여 EMP 공격시 장애 제거하기 위해 LNA 1개 세트(예비기 포함) 시설해서 EMP로 인하여 파손시 자동 절체하여 운영 계속하게 하고, 1개 LNA 시설하므로 많은 LNA 시설한 RF 모듈보다 열잡음 대폭 축소시키고, 신호대 잡음 비를 개선시켜 수신감도를 향상시킨 안테나이다.
도 1은 본 발명에 따른 VHF 어레이 레이더 안테나 시스템의 배치 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 VHF 어레이 레이더 안테나 시스템의 수신 안테나 외형도이며, 도 3은 본 발명에 따른 VHF 어레이 레이더 안테나 시스템의 수신 안테나 구성 블럭도이다.
본 발명에 따른 VHF 어레이 레이더 안테나 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이 100MHz~700MHz의 VHF 고출력 무선신호(f0)를 송신하는 하나의 송신 안테나(Tx: 100)와, 상기 송신 안테나(100)의 송신출력이 비행체(Q: 300)에서 반사된 신호를 수신하는 복수개의 수신 안테나(A,B,C: 200-1~200-3)로 구성되어 복수개의 수신 안테나(A,B,C)로부터 수신된 안테나 신호를 각각 안테나 신호 출력 수신장치(도 4의 270)로 전달한다. 도 1을 참조하면, 고출력 무선 송신 안테나(100)는 TV 방송 송신 안테나나 FM 방송 송신 안테나를 사용할 수도 있고, 별도로 VHF 송신 전력을 10kW(Average) 이상의 고출력으로 송신하는 송신 안테나일 수도 있다.
본 발명에 따른 수신 안테나(200)는 도 2에 도시된 바와 같이, 높이 약 11m, 가로 약 10m, 폭 약 2mm인 박스형으로서, N x M 어레이 안테나(202)와, 피아식별을 위한 IFF 안테나(204), 송신 안테나(100)의 송신신호(f0)를 직접 수신하는 하나의 직접 수신 안테나(206)로 이루어지며 전면을 절연체로 포장한 후 선림녹화, 산불조심, 광고 등을 표시하여 위장한 것이다.
이러한 수신 안테나(200)는 도 3에 도시된 바와 같이, 10 x 10 어레이 소자(202)와, 송신 안테나(100)의 송신신호(f0)를 직접 수신하는 하나의 직접 수신 안테나(206), 각 행으로 배열된 어레이 소자들(202)의 수신신호를 대역통과시키는 대역통과필터(210)와, 대역통과필터(210)를 거친 수신신호를 위상 변위시키는 위상변위기(220)와, 직접 수신 안테나(206)의 f0 수신주파수를 통과시키는 f0통과필터(210')와, 위상변위기(220)에서 위상변위된 좌측의 수신신호를 합성하는 좌측 합성기(230-1)와, 위상변위기(220)에서 위상 변위된 우측의 수신신호를 합성하는 우측 합성기(230-2)와, 우측 합성기의 출력을 위상 보상하는 라인 위상 보상기(220')와, 좌측 합성기(230-1)의 출력과 위상 보상된 우측 합성기(230-2)의 출력을 처리하여 수평 합(AzΣ)신호나 수평 차(AzΔ)신호를 출력하는 하이브리드 카플러(240-1)와, 열로 배열된 상측 하이브리드 카플러의 수평 합신호를 모두 합해 상측 합신호를 출력하는 상측 합신호 합성기(230-3)와, 열로 배열된 하측 하이브리드 카플러의 수평 합신호를 모두 합해 하측 합신호를 출력하는 하측 합신호 합성기(230-4)와, 상측 합신호 합성기(230-3)의 출력과 하측 합신호 합성기(230-4)의 출력의 합과 차를 구해 전체 합(Σ)신호와 수직 차(EΔ) 신호를 출력하는 전체 합 하이브리드 카플러(240-2)와, 열로 배열된 상측 하이브리드 카플러의 차신호를 모두 합해 상측 차신호를 출력하는 상측 차신호 합성기(230-5)와, 열로 배열된 하측 하이브리드 카플러의 차신호를 모두 합해 하측 차신호를 출력하는 하측 차신호 합성기(230-6)와, 상측 차신호 합성기(230-5)의 출력과 하측 차신호 합성기(230-6)의 출력을 합하여 총 수평 차(AzΔ)신호를 출력하는 수평 차 하이브리드 카플러(240-3)와, 수직 차(EΔ) 신호를 증폭하는 저잡음 증폭기(250-1)와, 전체 합(Σ)신호를 증폭하는 저잡음증폭(250-2)와, 수평 차(AzΔ)신호를 증폭하는 저잡음증폭기(250-3)와, 각각의 LNA에 추가된 예비 LNA 부착 고장시 자동 절체하는 자동절체기(260)로 구성된다.
도 4는 본 발명에 따른 VHF 어레이 레이더 안테나 시스템의 출력신호 수신장치이다.
본 발명에 따른 VHF 어레이 레이더 안테나의 출력신호 수신장치(270)는 도 4에 도시된 바와 같이, 송신 직접파(f0) 수신신호를 분배하는 분배기(276)와, 전체 합신호를 증폭하는 저잡음 증폭기(271-1)와, 저잡음 증폭된 전체 합신호와 송신 직접파 수신신호를 믹싱하는 믹서(272-1)와, 믹서의 출력에서 도플러 신호만 패스시키는 저대역필터(274-1)와, 저대역 필터링된 전체 합신호의 I 도플러신호를 증폭하는 도플러신호 증폭기(275-1)와, 송신 직접파 수신신호를 90°위상 가변시키는 위상조정기(273-1)와, 저잡음 증폭된 전체합 신호와 90° 위상 조정된 송신 직접파 수신신호를 믹싱하는 믹서(272-2)와, 믹서의 출력에서 도플러 신호만 패스시키는 저대역필터(274-2)와, 저대역필터링된 전체합신호의 Q 도플러신호를 증폭하는 도플러 증폭기(275-2)와, 수직 차신호를 증폭하는 저잡음 증폭기(271-2)와, 저잡음 증폭된 수직 차신호와 송신 직접파 수신신호를 믹싱하는 믹서(272-3)와, 믹서의 출력에서 도플러 신호만 패스시키는 저대역필터(274-3)와, 저대역필터링된 수직 차신호의 I 도플러신호를 증폭하는 도플러신호 증폭기(275-3)와, 송신 직접파 수신신호를 90°위상 가변시키는 위상조정기(273-2)와, 저잡음 증폭된 수직 차신호와 90° 위상조정된 송신 직접파 수신신호를 믹싱하는 믹서(272-4)와, 믹서의 출력에서 도플러 신호만 패스시키는 저대역필터(274-4)와, 저대역필터링된 수직 차신호의 Q 도플러신호를 증폭하는 도플러신호 증폭기(275-4)와, 수평 차신호를 증폭하는 저잡음 증폭기(271-3)와, 저잡음 증폭된 수평 차신호와 송신 직접파 수신신호를 믹싱하는 믹서(272-5)와, 믹서의 출력에서 도플러 신호만 패스시키는 저대역필터(274-5)와, 저대역필터링된 수평 차신호의 I 도플러신호를 증폭하는 도플러신호 증폭기(275-5)와, 송신 직접파 수신신호를 90°위상 가변시키는 위상조정기(273-3)와, 저잡음 증폭된 수평 차신호와 90° 위상조정된 송신 직접파 수신신호를 믹싱하는 믹서(272-6)와, 믹서의 출력에서 도플러 신호만 패스시키는 저대역필터(274-6)와, 저대역필터링된 수평 차신호의 Q 도플러신호를 증폭하는 도플러신호 증폭기(275-6)와, 3개의 안테나에서 수신된 I,Q 신호를 처리하여 스텔스 비행체를 탐지하는 신호처리장치(280)로 구성된다. 신호처리장치(280)에는 수신장치, 디지털변환기, 제어기, 빔조향장치, 피아식별장치, 신호처리기, 전시기, 자동연산장치, 자동 ABC 신호 수신장치들을 포함할 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 VHF 어레이 레이더 안테나의 어레이 소자를 도시한 개략도이고, 도 6은 본 발명에 따른 VHF 어레이 레이더 안테나의 대역통과필터를 도시한 개략도이며, 도 7은 본 발명에 따른 VHF 어레이 레이더 안테나의 위상변위기를 도시한 개략도이다.
본 발명에 따른 VHF 어레이 레이더 안테나의 어레이 소자(202)는 도 5에 도시된 바와 같이, 주파수 100MHz~700MHz 대역의 LP형 소자이고, 수직 수평의 복편파를 사용한다.
본 발명에 따른 VHF 어레이 레이더 안테나의 대역통과필터(210)는 도 6에 도시된 바와 같이, 다대역 절체형으로서 회전 교체방식을 사용하여 f0는 제거하고, f0+fd와 f0-fd는 통과시킨다. 각 지역의 방송주파수대역에 따라 1 밴드 내지 4 밴드를 사용한다.
본 발명에 따른 VHF 어레이 레이더 안테나의 위상변위기(220)는 도 7에 도시된 바와 같이, 광대역형 위상변위기로서, 자동 가변형 회전교체방식을 사용한다. 각 지역의 방송주파수대역에 따라 1 밴드 내지 4 밴드를 사용한다.
이어서, 상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 VHF 어레이 레이더 시스템의 동작을 설명하면 다음과 같다.
스텔스 비행체(300)의 구성은 주로 무인기로 원격조정 또는 프로그램 GPS 등으로 자동 조정되며, 비행체의 전체를 전파 반사되지 아니하는 FRP 등을 사용하여 비행체 구성하므로 기존 마이크로웨이브 레이더로는 탐지가 어렵다.
그래서 비행체(300)의 구성품 중 내부 엔진과 전선도체 또는 회전용 프로펠러 등에서 반사되는 미약한 전파 반사면적(RCS)에 의한 약한 반사 전력을 탐지하기 위하여 본 발명은 수신 안테나(200)에서 미약한 도플러 신호를 수신한다. 비행체(40) 쪽으로 발사하는 송신신호는 기존 탐지 레이더처럼 1개 안테나만 사용하여 펄스 첨부 전력 전송 후 비행체에서 반사된 신호를 다시 수신하는 경우, 펄스 전력에 평균전력이 너무 적어서 안테나 수신이 거의 불가능하다. 또한 탐지 안테나에서 펄스전파 발사 경우 국가 중요 시설 근거리 접근 비행체 탐지시 펄스폭 극히 작게( 1us 이하)해야 하므로 평균 복사전력이 작아 비행체 반사신호 극히 적어 탐지 안테나 수신 불가능하다.
이러한 미약한 전파를 수신하기 위해서 본 발명의 수신 안테나(200)는 수신만하고, 기존 운영중인 TV 방송파 또는 FM 방송파를 이용하거나 별도 대출력 VHF 송신안테나를 이용하여 평균전력 10KW 이상의 송신신호를 방사해, 비행체 전선 배선줄 또는 프로펠러 등에서 이동하면서 반사되어 도플러 효과에 의한 주파수 변환된 fo±fD(fo:송신주파수, +fD: 비행체 근접에 의한 도플러 주파수 -fD:이격에 의한 도플러 주파수) 주파수를 탐지 레이더의 수신 안테나(200)로 수신하고, 또 같은 수신안테나(200)에서 TV 송신신호 직접 수신 출력fo와 주파수 변환하여 +fD(근접이동) 또는 -fD(이격이동) 낮은 주파수만 수신하고, fo주파수는 필터에 의해 제거한다.
스텔스 무인기의 레이더반사면적(RCS)은 극히 작아서 반사전력이 미약하여 도래하는 전파가 강해야 한다. 그래서 VHF 안테나 1개로 송수신하면, 펄스전력을 발사해야 하는데, 펄스전력은 근거리 탐지해야 하므로 펄스폭이 좁아서 평균전력이 극히 작은 첨두전력으로 발사하므로 수신 안테나에 도래하는 전계강도가 극히 낮아 반사파 수신이 불가능한 상태가 된다.
이러한 폐단을 방지하기 위하여 기존 방송중인 대출력 TV 방송용 송신기 또는 별도 VHF 송신기로 대전력의 연속파(AVE power CW)를 발사하여 비행체에서 도래하는 전파의 파워가 크게 하여 미약한 RCS 반사 내부 전선에 의한 반사전력이 안테나 pp 첨두 power 때보다 매우 큰 전력을 반사하게 하여 수신 안테나(200)에서 비행체의 반사신호를 수신 가능하게 한 것이다.
또한 본 발명의 수신 안테나(200)는 이득을 높이기 위하여 단일 복사 수신안테나를 수직, 수평, 복편파 다소자 고이득형, 7db 이상 형을 수직 10단 x 수평 10단 = 100개 이상 부착하고, 수직 차(ΔE), 수평 차(ΔAz), 전체합(Σ) 신호를 수신안테나에서 출력하게 한 고이득 25dB 이상 30dB 가까운 이득을 얻을 수 있게 한 것이다. 수신 안테나(200)를 1세트만 사용할 경우, 방향 탐지는 가능하지만 거리와 고도를 식별할 수 없어 2개 이상 3개(200-1~200-3) 시설해 동시에 수신해서 수신정보를 1개 안테나 수신연산장치(280)에 입력하여 자동으로 비행체 방향각, 거리, 고도, 피아 식별 가능하게 한 것이다.
이와 같이 본 발명의 탐지 레이더 안테나는 고이득, 고전후방비, 넓은 빔폭을 형성해야 하고, 비행체의 반사소자가 전원선으로 주로 수평편파를 반사하며, 수직편파는 프로펠러에서 반사 예상되어 수직.수평 복편파를 채택하고, 또한 광대역 주파수 범위여서 LP 광대역형을 어레이 소자(202)로 선택하였다.
대역통과필터(210)는 TV 송신주파수 제거하고 이동체에서 반사된 도플러 주파수만 통과하는 필터로 4개의 주파수 밴드 회전형으로 선택 가능하게 하였다. 위상변위기(220)는 수동 6비트형으로 구성함에 주파수 밴드 4개로 운영 가능하게 구성한다. 합성기(230)는 주파수 밴드별로 구성해서 선택 스위치로 절체해서 구성하고, 하이브리드 카플러(240)는 모노펄스 신호 인출용으로 3dB형으로 구성하고, 4밴드로 하고, 사용 주파수에 의해서 절체 스위치로 필요 밴드 절체용으로 사용 가능케 한 것이다.
LNA(250)는 저잡음 광대역형 부스터 증폭기를 사용하고, EMP 공격 파손시 예비기로 자동 절체하여 계속 운영 가능케 한 것이다.
도플러 필터(274)는 국가 중요 시설에 무인 비행체 침투시 비교적 저속으로 접근하고 프로펠러 고속으로 회전함에 예상 도플러 주파수에 맞게 설계해서 TV 방송주파수를 필터로 제거하고 도플러 주파수만 I, Q신호 형성해서 수신장치, 연산장치, 전시기능에 신호를 제공해서 운영하게 한다.
도 1a는 비행체 RCS 반사전력이 미약하거나 원거리 경우 수신 안테나에 많은 어레이를 탑재하여 이득을 높혀 구성하지만 비행체 RCS 좀 크거나 수 Km 근거리의 경우 도 1b와 같이 저이득 전방향성 안테나를 사용하여 구성할 수도 있다. 도 1a 및 도 1b에서 공히 거리와 방향각을 A 안테나(200-1)에서 D1, θ1, B 안테나(200-2)에서 D2, θ2를 지시하고, 고도 H도 자동 계산해서 비행체 위치, 거리, 방향, 고도를 다음 표 1과 같은 과정을 통해 자동으로 연산하여 탐지할 수 있게 한다.
Figure pat00001
비행체에서 반사하는 도플러 신호 주파수 편이 fD는 송신소가 동일 위치 또는 근접 위치의 경우, 비행체에서 접근하는 경우 주파수 변위 fD=+fo 2υ/c되어 반사주파수가 다음 수학식1과 같고, 멀어질 경우 fD=-fo 2υ1/c가 되어 반사주파수는 다음 수학식2와 같이 된다.
Figure pat00002
Figure pat00003
여기서, fo는 송신기 주파수, υ는 근접속도, υ1 이격속도, fD 주파수 편이를 나타낸다.
앞서 살펴 본 바와 같이, 본 발명의 안테나 구성은 LP형 수직, 수평, 복편파 안테나를 수직10단, 수평 10열 도합 100개로 사용하며, 각 소자마다 fo 억압, 도플러 주파수 fo+fD, fo-fD 통과 필터 거친 후 수동위상 변위기를 지나 합성 후 하이브리드 통과하여 도플러 주파수대의 합(Σ) 신호, 수직차(ΔE) 신호, 수평차(ΔAz) 신호 3채널 신호 출력 후, 각각 LNA(271)에서 증폭한 신호와 송신소로부터 직접 수신한 안테나 출력신호 fo와 2개의 믹서에서 다운 컨버팅함에 있어서 한쪽은 90°위상 지연하여 다운 컨버팅한 후 도플러 필터에서 fo 주파수는 억압하고 저주파 도플러 주파수만 인출하여 저주파 증폭한다. 이때 한쪽은 송신 직접파 fo를 동위상으로 혼합하여 I신호를 인출하고, 타측은 fo를 90°위상지연기를 거치게 한 후 혼합하여 Q신호를 인출하여 최종적으로 도플러 I신호와 도플러 Q신호를 출력한다.
수직 차(ΔE) 신호, 수평 차(ΔAz) 신호도 같은 방법으로 수직차 도플러(ΔE Doppler) I, Q신호, 수평 차 도플러(ΔAz Doppler) I,Q 신호 인출한 후 수신장치, 제어장치, 신호처리 후 전시기에 입력하여 비행체를 감시케 한다. A, B, C 수신 안테나(200-1~200-3) 장치 중 A 안테나 1개 중앙연산처리 수신장치에 B안테나와 C안테나에서 유선 또는 무선으로 감지 데이터 보내서 연산 모니터하게 한다.
예컨대, 송신기와 비행체의 거리를 20Km, 비행체와 수신 안테나 거리도 20Km, 수신 안테나 이득 26dB = 종합손실 3dB의 경우, 수신 안테나 입력전 전계강도 2㎶, 안테나 합성 출력신호 E = 2㎶ × 200배 = 400㎶, 비행체 내부 전선에서 TV 송신신호를 수신시 재반사율을 1배로 가정할 경우(RCS 미정으로 추정함) 수신탐지 안테나 BR에서의 전계강도 E는 다음 표 2와 같이 구할 수 있다.
Figure pat00004
상기 표2에서 E: 수신전계강도, E0: 자유공간 전계강도, r'(coskΔd-jsinΔd): 저고도시 대지반사 위상 등에 의한 신호, P:송신전력, d:거리, HT: 송신 안테나고도, HR: 수신 안테나 고도이다.
한편, 비행체 반사이득(RCS)이 좀 크거나 근거리 경우 도 1b와 같이 저이득 전방향성 수신전용 안테나 A, B, C를 거리 L1, L2, L3, 방위각 α1, α2, α3 앙각 β1, β2, β3 위치로 배치하여 놓고 A에서 TV방송 송신기 주파수 f0 로 대출력 전파 복사의 경우 비행체 방향 진행 경우 각각 수신안테나 방향 백터속도 는 비행체 방향속도 경우 ν1= cosθ1, ν2= cosθ2, ν3= cosθ3이다. 따라서 각 수신안테나에서 도플러 주파수는, A 수신안테나에서는 Doppler 주파수 = f0 ±
Figure pat00006
; B 수신안테나에서는 Doppler 주파수 = f0 ±
Figure pat00007
; C 수신안테나에서는 Doppler 주파수 = f0 ±
Figure pat00008
와 같이 수신되어 A, B, C 사이 간격거리 수평각과 수직앙각과 각각의 수신된 Doppler 주파수 속도 GPS데이터를 주연산장치 있는 A수신국에 보내서 도 1a의 [표1]의 공식 이용하여 A수신 데이타와 함께 연산 자동계산 program 작성하여 비행체 고도방향 거리를 감지할 수 있다. 그러나 이 방식은 비행체 반사이득(RCS) 극히 작을 경우 A, B, C 안테나 이득이 작아 감지하기 힘들어 TV방송출력을 높이거나 수신안테나 이득을 도 1a와 같이 대폭 올려야 한다.
다른 한편, 비행체의 피아 식별하기 위해서 IFF 안테나 별도 부착하여 수평빔 조향하며 송수신하게 하고, 비행체에서 자동응답신호 보내게 하는데, 이러한 기술은 알려져 있으므로 더이상의 설명은 생략하기로 한다.
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.
100: 송신 안테나 200-1~200-3: 수신 안테나
300: 비행체 202: 안테나 어레이 소자
204: IFF 안테나 206: 송신신호 직접 수신안테나
210: 대역통과필터 210': f0신호통과필터
220: 위상변위기 220': 라인 위상 보상기
230-1~230-5: 합성기 240-1~240-3: 하이브리드 카플러
250-1~250-3: 저잡음증폭기 260: 자동절체기
270: 안테나신호 출력 수신장치 280: 신호처리장치
271-1~271-3: 저잡음증폭기 272-1~272-6: 믹서
273-1~273-3: 90°위상조정기 274-1~274-6: 저대역필터
275-1~275-6: 저주파수 도플러신호 증폭기 276: 분배기

Claims (9)

100MHz~700MHz의 VHF 대역중 하나의 송신주파수신호(f0)를 고출력으로 송신하는 하나의 송신 안테나;
상기 송신안테나의 송신 출력이 스텔스 비행체에서 반사된 신호와 직접 수신한 송신주파수파의 신호(f0)를 수신하는 복수개의 수신 안테나;
상기 복수개의 수신안테나로부터 수신된 전체합 신호와 수평 차신호와 수직 차신호를 직접 수신한 송신신호와 믹싱하여 I, Q 도플러 신호를 생성하는 복수개의 안테나 신호 출력 수신장치; 및
상기 복수개의 안테나 신호 출력 수신장치의 I, Q 도플러 신호를 처리하여 스텔스 비행체를 탐지하는 신호처리장치로 구성된 것을 특징으로 하는 VHF 어레이 레이더 안테나 시스템.
제1항에 있어서, 상기 송신 안테나는
기 운영되고 있는 TV, FM 방송국의 TV 방송 송신안테나나 FM 방송 송신안테나 혹은 ERP 10kW 이상의 고출력 송신안테나로 구현된 것을 특징으로 하는 VHF 어레이 레이더 안테나 시스템.
제1항에 있어서, 상기 수신 안테나는
N x M 어레이 소자와, 송신 안테나의 송신신호를 직접 수신하는 하나의 직접 수신 안테나, 각 행으로 배열된 어레이 소자들의 수신신호를 대역통과시키는 대역통과필터와, 대역통과필터를 거친 신호를 위상변위시키는 수동형 위상변위기와, 직접 수신안테나의 f0 수신주파수를 통과시키는 f0 통과필터와, 좌반부측 수동형 위상변위기에서 위상변위된 좌반부측의 수신신호를 합성하는 좌측 합성기와, 우반부측 위상변위기에서 위상변위된 우측의 수신신호를 합성하는 우측 합성기와, 우측 합성기의 출력을 주파수 변경시 위상 보상하는 라인 위상 보상기와, 좌측 합성기의 출력과 위상 보상된 우측 합성기의 출력의 합과 차신호를 출력하는 하이브리드 카플러와, 열로 배열된 상반부측 하이브리드 카플러의 합신호를 모두 합해 상반부측 합신호를 출력하는 상반부측 합신호 합성기와, 열로 배열된 하반부측 하이브리드 카플러의 합신호를 모두 합해 하반부측 합신호를 출력하는 하반부측 합신호 합성기와, 상측 합신호 합성기의 출력과 하측 합신호 합성기의 출력의 합과 차를 구해 전체 합신호와 수직 차 신호를 출력하는 전체합 하이브리드 카플러와, 열로 배열된 상반부측 하이브리드 카플러의 차신호를 모두 합해 상반부측 차신호를 출력하는 상반부측 차신호 합성기와, 열로 배열된 하반부측 하이브리드 카플러의 차신호를 모두 합해 하반부측 차신호를 출력하는 하반부측 차신호 합성기와, 상반부측 차신호 합성기의 출력과 하반부측 차신호 합성기의 출력을 합하여 전체 수평 차신호를 출력하는 수평 차 하이브리드 카플러와, 수직 차 신호를 증폭하는 저잡음 증폭기와, 전체 합신호를 증폭하는 저잡음 증폭기와, 수평 차신호를 증폭하는 저잡음 증폭기와 예비 저잡음 증폭기를 부착한 후 고장시 자동으로 절체하는 자동절체기로 구성된 것을 특징으로 하는 VHF 어레이 레이더 안테나 시스템.
제3항에 있어서, 상기 어레이 소자는
LP 형 또는 높은 전후방비 소자인 것을 특징으로 하는 VHF 어레이 레이더 안테나 시스템.
제3항에 있어서, 상기 대역통과필터는
TV 송신주파수 제거하고 이동체에서 반사된 도플러 주파수만 통과하는 필터로 여러 개의 주파수 밴드 회전형으로 선택 가능하게 한 것을 특징으로 하는 VHF 어레이 레이더 안테나 시스템.
제3항에 있어서, 상기 위상변위기는
수동 6비트 이상으로 구성하되 여러개의 주파수 밴드 회전형으로 선택 가능하게 구성한 것을 특징으로 하는 VHF 어레이 레이더 안테나 시스템.
제1항에 있어서, 상기 안테나 신호 출력 수신장치는
송신 직접파 수신신호를 분배하는 분배기와, 비행체 반사신호 수신하는 전체 합신호를 증폭하는 저잡음 증폭기와, 저잡음 증폭된 전체합신호와 송신 직접파 수신신호를 믹싱하는 믹서와, 믹서의 출력에서 도플러 신호만 패스시키는 저대역필터와, 저대역필터링된 전체합신호의 I 도플러신호를 증폭출력하는 I 도플러신호 증폭기와, 송신 직접파 수신신호를 90°위상 가변시키는 위상조정기와, 저잡음 증폭된 전체합신호와 90° 위상조정된 송신 직접파 수신신호를 믹싱하는 믹서와, 믹서의 출력에서 도플러 신호만 패스시키는 저대역필터와, 저대역필터 통과된 전체합 신호의 Q 도플러신호를 증폭 출력하는 Q 도플러신호 증폭기와, 수직 차신호를 증폭하는 저잡음 증폭기와, 저잡음 증폭된 수직 차신호와 송신 직접파 수신신호를 믹싱하는 믹서와, 믹서의 출력에서 도플러 신호만 패스시키는 저대역필터와, 저대역필터 통과된 수직 차신호의 I 도플러신호를 증폭출력하는 I 도플러신호 증폭기와, 송신 직접파 수신신호를 90°위상 가변시키는 위상조정기와, 저잡음 증폭된 수직 차신호와 90° 위상조정된 송신 직접파 수신신호를 믹싱하는 믹서와, 믹서의 출력에서 Q 도플러 신호만 패스시키는 저대역필터와, 저대역필터 통과된 수직 차신호의 Q 도플러신호를 증폭하는 Q 도플러신호 증폭기와, 수평 차신호를 증폭하는 저잡음 증폭기와, 저잡음 증폭된 수평 차신호와 송신 직접파 수신신호를 믹싱하는 믹서와, 믹서의 출력에서 도플러 신호만 패스시키는 저대역필터와, 저대역필터 통과된 수평 차신호의 I 도플러신호를 증폭하는 I 도플러신호 증폭기와, 송신 직접파 수신신호를 90°위상 가변시키는 위상조정기와, 저잡음 증폭된 수평 차신호와 90° 위상조정된 송신 직접파 수신신호를 믹싱하는 믹서와, 믹서의 출력에서 Q 도플러 신호만 패스시키는 저대역필터와, 저대역필터 통과된 수평 차신호의 Q 도플러신호를 증폭출력하는 Q 도플러신호 증폭기로 구성된 것을 특징으로 하는 VHF 어레이 레이더 안테나 시스템.
비행체 RCS 반사이득이 크거나 근거리 저고도의 경우 수신안테나 A,B,C..D들의 이득을 적게 전방향성으로 수직으로만 어레이 안테나 구성하고, 합신호로만 수신하여 방향, 거리, 고도 탐지하는 레이더 안테나 시스템.
제1항에 있어서, 상기 신호처리장치는
수신 안테나 각각의 안테나 수신 데이터를 상기 신호처리장치에 유선 또는 무선으로 보내서
Figure pat00009
공식을 프로그램 작성해서 안테나 방향, 고도, 거리 자동 계산하게 하는 VHF 어레이 레이더 안테나 시스템.
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