Lig넥스원에서 X밴드 드론전용 탐지 레이더를 개발함
배열소자는 가로 12개 세로 8개로 총 96개로 구성되어 있음
개인이 발전기와 함께 운반가능하도록 전체크기는 폭27cm,높이 36cm, 깊이 12cm로 최대한 소형으로 설계함
대략 무게는 20kg 처리장치까지 24kg로 개인이 들고 다닐수 있게 설계됨
Dji 팬텀4 드론 상대로 3.7km까지 탐지함
타사 레이더 보다 탐지거리도 길고 부피는 30퍼센트 이상 적어서 들고다니기 좋음
그럼 본론으로 드감
본론
위상배열안테나는 소형 표적인 드론을 탐지하기 위해 펄스 도플러, 능동위상배열 방식으로 설계하였다. 휴대가 가능하도록 소형이면서 적은 무게를 가지도록 하였다. 이를 위해 송수신모듈, 파형발생 모듈, 하향변환모듈 등 RF 송수신 기능을 하는 블 록을 한 몸체에 배치하였으며, 인터페이스의 수를 최소화하였다.
배열소자의 개수는 가로 12개, 세로 8개로 총 96개이며, 그레이팅로브를 최소화하기 위해 삼각배열로 배치함
안테나 크기를 소형화하고 소형 표적인 드론의 탐지에 최적화하기 위해 주파수 를 X대역으로 설계하였으며 거리 분해능 7.5m를 만족하기 위해 순시신호대역폭은 최대 20MHz로 한다
채널 당 최대송신출력은 3W 이상, 수신의 잡음지수는 4dB 이하를 설정하여
RCS 0.01m2의 표적에 대해 최대 탐지거리 3.5Km 이상이 되도록 설계함
목표성능
구조
파형발생모듈에서 발생한 펄스 송신신호는 X대역으로 상향변환하여 모노펄스분배기 등을 거쳐 송수신모듈로 인가됨
송수신모듈에서 송신 타이밍에 맞추어 각 소자별로 약 3W 이상으로 증폭된 신호가 발생 하며 빔조향 제어에 맞추어 각 채널 별로 위상을 조절하여 송신함
수신의 경우에는 배열소자를 통해 수신된 신호가 송수신모듈의 수신경로를 거쳐 저잡음 증폭된 후 모노펄스분배기를 거쳐 합채 널, 방위각 차채널, 고각 차채널로 분리되는데. 각 채널 수신신호는 하향변환모듈에서 국부신호와 합성 하여 3개의IF(Intermediate Frequency)신호로 변환됨
그림2 설계 구조
배열소자 96개외 외곽의 소자는 위상배열성능의 열화를 최소화하기 위해 배치하였고. 또한 그 중 1개 소자는 Sidelobe Blanking(SLB) 기능을 구현 하기 위해 배치함
안테나의 거치대는 고각 방향 의 빔조향 범위를 확장하기 위해 위해 20°까지 기울임각을 줄 수 있음
전체크기는 폭27cm,높이 36cm, 깊이 12cm로 최대한 소형으로 설계함
그림 3 송수신모듈(TR모듈)
송수신모듈은 위상배열안테나의 크기를 최소화 하기 위해 타일형으로 구성했음. 위의 그림 같이 최상단에는 안테나 배열소자가 배치되고 패널 뒤에 바로 능동소자들이 배치된 TR패널(Transmit-Receive Panel)을 구성함 TR패널은 배열소자 8개를 기준으로 기능블록을 구현함.
TR패널에는 4개 채널의 송수신 경로와 위상제어가 가능한 코어칩 2 개가 사용되었으며 각 채널 당 HPA(High Power Amplifier), LNA(Low Noise Amplifier), RF 스위치가 집적된 프론트엔드칩이 사용되어 단일소자로구현했을 시 대비하여 복잡도를 낮추어 타일형 구현이 가능하게 함
능동소자가 배치된 패널 내 의 PCB는 기구하우징과 연결되어 TR패널의 하단 면을 통해 방열이 가능하도록 함
연결카드가 배치되어 있는 부분의 공간을 통해 안테나 하우징 하단의 팬으로부터 공기가 공급되어 방열을 수행함
TR패널의 전원과 제어의 공급을 위해 연결 카드는 보드 간 연결을 통해 제어카드, 파워카드와 연결됨. 위와 같은 구조의 송수신모듈 12개를 그림2 의 전면 뒤에 바로 배치하여 총 96개의 배열로 구성됨
그림4 파형 발생 모듈
파형발생모듈도 부피를 최소화하기 위해 제어 및 전원은 보드 간 연결 방식으로 구현함 하단면의 커넥터면을 통해 연결하는데 파형발생모듈의 형상은 그림 4와 같음
RF출력은 Tx Out 포트를 통해 X대역의 신호를 출력함. 위상배열안테나의 수신 보정을 위한 경로를 제공하며 이때 수신보정을 위한 테스트 신호는 송신신호 경로에서 제어를 통해 RX Cal. Out 포트로 절체되어 출력된다.
송신파형은 DDS(Direct Digital Synthesizer) 소자를 통해 생성한다. 864MHz의 IF 송신신호를 생성하여 믹서를 통해 상향변환된 신호가 출력된다. 파형발생모듈에는 24MHz TCXO가 배치되어 시스템의 기준 클럭을 제공한다.
또한 이 신호를 이용하여 PLL (Phase Locked Loop) 회로를 통해 송신 LO(Local Oscillator)를 생성하고 상향변환에 사용한다.
파형발생모듈은 외부로부터 UART 및 타이밍 제어신호를 입력받는다. 자체 배치된 MCU, FPGA를 통해 제어신호를 해석하고, 각 모듈에 필요한 신호 를 전달하는 역할을 수행한다. 위상배열안테나를 제어하는 중심역할을 하게 된다.
그림5 하향변환 모듈
하향변환모듈에서는 안테나배열에서 수신된 신호가 모노펄스 분배기를 거쳐 합채널, 방위각 차채널, 고각 차채널로 분리되어 수신 3개의 채널로 입력받는다
또한 위상배열 면에 따로 배치되어 있는 Sidelobe Blanking(SLB) 채널의 수신 경로와 연결 된 수신 1개 채널을 포함하여 총 4개의 수신채널을 보유하고 있다.
그림 5와 같이 하향변환모듈에서는 각 채널로 수신된 X대역의 신호를 헤테로다인 방식으로 하향변환하여 4개의 IF신호를 생성함
생성된 IF신호는 위상배열안테나 외부에 부착되는 처리장치의 ADC(Analog Digital Converter) 보드로 입력되어 디지털신호로 변환된다. 하향변환모듈은 파형발생모듈로부터 기준 신호인 24MHz를 입력받 아 PLL회로를 통해 수신하향변환을 위한 LO(Local Oscillator) 신호를 생성함
각 수신채널에는 VGA (Variable Gain Amplifier)가 IF단에 배치되어 있어 최종 이득을 조정할 수 있다. 배열안테나의 배열소 자별 송신신호의 정렬을 위해 SLB 채널은 RF 스위치를 통해 정렬용 채널로 사용할 수 있도록 설계 함
제작
배열소자와 TR패널이 일체형으로 되어 있는 송수신모듈은 전면부를 통해 접근하여 조립하였다.
파형발생모듈, 하향변환모듈 등은 후면의 기판에 직접 부착하는 형태로 구성하여 전원과 제어신호가 연결되도록 하였다.
이렇게 각 구성품은 케이블의 사용을 최소화하도록 보드 간 연결 구조를 적용하여 위상배열안테나의 부피를 최소화하였다.
모노펄스 분배기는 배열안테나를 4분면으로 나누어 결합된 신호를 입력받아 합신호, 방위각 차신호, 고각 차신호를 생성한다. SLB 수신 신호와 함께 4개의 신호는 RF케이블을 통해 하향 변환모듈에 연결되도록 하였다.
전체 통합된 위상 배열안테나의 무게는 20.1Kg이고 처리장치와 결합 시 약 24kg 이하로 사람에 의한 이동이 가능하다.
시험결과
채널 별 송신출력의 크기는 목표한 최 대 듀티비인 10%에서 전 채널 3.27W 이상이다. 또 한 잡음 지수도 전 채널 3.01dB 이하로 목표한 성 능을 만족하였다. 안테나를 제외한 전체 경로의 수 신이득은 총 48.8dB로 설계범위 내에서 측정되었 다. 최대 듀티비에서의 소모전력은 260W로 휴대용 발전기 등을 사용할 경우 무리없이 운용할 수 있음 을 확인할 수 있었다.
야외실험결과
시험을 위한 타겟은 DJI사의 Phantom4 드론을 대상으로 하였다. 위 그림8에서 해당드론을 확인할 수 있다.
시험장소는 영월드론전용시험장에서 수행하였으며, 주변 지형은 위상 배열안테나를 중심으로 약 2km 지점부터 약 100m 높이의작은산이많이있는환경이다.
해당시험은 드론의운용시안테나의가시거리를확보할수있는 경로로 수행하였다. 시험장소에 그림 8과 같이 위 상배열안테나를 설치하고 드론은 안테나가 설치된 위치로부터 멀어지는 방향으로 운용하였다. 드론의 고도는 약 150m를 유지하고 안테나 위치로부터 약 2.5Kkm 지점부터 4Km 지점까지 이동하였다.
그림8
그림 8의 아래 그림은 레이다 전시화면을 표시하였다.
사각형 박스로 표식은 레이다에 탐지된 드론을 나타내며 TWS(Track While Scan)로 3.7Km 위치까지 탐지됨을 확인할 수가 있었다. 위상배열안테나의 빔스캔 기능을 이용하여 탐지영역을 약 2초 에 걸쳐 갱신하게 되는데, 그 동안 사각형 박스 뒤 꼬리표지가 유지되며 탐지 시작 후 추적이 계속 이루어지고 있음을 확인함
타 드론 전용 레이더와의 차이
타 레이더 대비 약 30% 이상 소형이며 탐 지거리는 3.7km로 동등 이상임을 확인
작성일 : 22-08-07 18:10
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