I.서 론

전장 내, 적의 대형 목표물에 대해서는 기존과 동일하게 포탄 혹은 미사일을 사용하여 격파 시키 지만, 최근 전자 기술이 발달함에 따라 전자기기가 부착된 대형목표물 뿐만 아니라 소형 목표물에 대 해서도 고출력 전자파를 이용한 격파 시스템이 활 발히 연구되고 있다. 이러한 전자파를 이용한 파괴 시스템은 전자적 교란 등의 방법을 이용하여 미사 일의 이미지 센서나 드론의 시각 기능을 무력화 시 키는 소프트 킬(soft-kill)과 강력한 전자기파를 발생 시켜 목표물의 전자부품을 파괴시키는 하드 킬 (hard-kill)로 나뉘게 된다.

고출력 전자기파 무기체계(High Power Microwave, 이하 HPM이라 칭함)는 강한 전자파를 목표물에 집중시 켜 격파시키는 시스템으로 하드 킬 무기 체계에 사용이 되며 미국과 러시아에서 활발히 연구가 진행이 되고 있다[1, 2].

여기서, HPM은 고출력을 사용하기 때문에 HPM 에 사용되는 안테나는 고출력에 견딜 수 있는 구조 여야 한다. 기존 HPM 시스템에 사용되는 안테나로 는 반사판 안테나가 있다. 하지만 반사판 안테나를 사용하게 될 경우 스필오버(spillover) 현상에 의해 아군에 피해가 입을 수 있다는 단점이 있다.

또한 HPM 시스템의 경우 차량에 안테나를 탑재 하여 운용하게 되는데 기존 시스템의 경우 고출력 소스가 크기 때문에 안테나 탑재 차량 크기가 커져 차량 기동성을 떨어뜨리게 되며, 소스 제작이 어렵 고 비용이 비싸다는 단점이 있다.

HPM의 출력 소스로는 BWO(Backward Wave Oscillator), VCO(Virtual Cathode Oscillator)등이 연구 되고 있다. 하지만 크기가 크고 구조가 복잡하며 설 계비용이 비싼 단점이 있다[3, 4].

따라서 본 논문에서는 HPM에 있어서, 기존 시스 템의 단점을 보완하기 위해 가정에서 쉽게 구할 수 있는 전자레인지 마그네트론을 출력 소스로 다수 배열하여 HPM 시스템 효과를 얻고자 하였다. 이를 위해, 먼저 고출력의 파워를 한 지점으로 집중시킬 수 있고 후방방사를 최소화 시켜 아군의 피해를 최 소화 할 수 있는 2.45 GHz대역의 고출력 마이크로 파 4×4 배열 합성 혼안테나를 설계하였다[5]. 또한 출력 소스인 마그네트론과 안테나를 연결시키기 위 해 도파관 어댑터를 설계하였다. 그리고 고출력 방 사전력을 측정하기에 적합하도록 고출력을 저출력 으로 변환시키는 감쇄기를 설계하였다. 최종적으로 부분 소스에 의한 방사전력을 실험적으로 측정하여 하드킬 가용 여부를 확인하였다. 이들 설계과정 및 측정 결과들에 대해 기술하고자 한다.

II.본 론

1.단일 혼 안테나

<Fig. 1>에는 4×4 배열 합성 혼안테나의 기본이 되는 중심주파수 2.45 GHz 단일 혼 안테나 구조를 나타내었다. 시뮬레이션을 통해 설계한 혼 안테나 의 개구면 크기는 122.5 mm × 122.5 mm(1λ × 1λ) 를 나타내었다.

<Fig. 2>에는 시뮬레이션을 통해 설계한 혼 안테 나와 실제 설계한 혼 안테나의 반사손실을 나타내 었다. 시뮬레이션 및 측정치 모두 중심주파수 2.45 GHz에서 S11이 –10 dB 이하를 나타내는 것을 확 인 할 수 있다.

<Fig. 3>에는 단일 혼 안테나의 방사패턴을 나 타내었다. 중심주파수 2.45 GHz에서 이득 10 dBi, 반전력빔폭(Half Power Beam Width, 이하 HPBW) 은 E-plane 50.2°, H-plane 59.7°, 전후방비(Front to Back Ratio, 이하 FBR) 22 dB를 나타내었다.

2.4×4 배열 합성 혼 안테나

고출력 마이크로파 시스템에는 좁은 빔폭과 높은 이득을 필요로 한다. 약 10 km 떨어진 지점에서의 빔폭을 E-plane에서 1.5 km, H-plane 1 km가 되도록 설정하였다. 따라서 단일 혼안테나를 이용하여 4×4 배열 혼 안테나를 설계하였다. 이득을 더 증가시키 기 위해 배열 합성 혼을 4×4 배열 혼 안테나의 개 구면에 부착하였고 그 구조를 <Fig. 4>에 나타내었 다. 이 때 합성 혼의 길이를 3등분 하였다. 이는 실 제 전장에서의 기동성 확보를 위해 조립식으로 설 정하였기 때문이다.

<Fig. 5>에는 4×4 배열 합성 혼 안테나의 반사손 실을 나타내었다. 시뮬레이션 및 제작된 안테나가 중심주파수 2.45 GHz에서 S11이 –10 dB 이하로 매 칭이 된 것을 확인할 수 있다.

<Fig. 6>에는 시뮬레이션 및 측정한 방사 패턴을 나타 내었다. 시뮬레이션의 경우 이득은 중심주파수 2.45 GHz에서 26.91 dBi를 나타내었고 HPBW는 E-plane에서 8.9°, H-plane에서 6.1°를 나타내었다. FBR의 경우 28.4 dB를 나타내었다. 측정된 결과의 경우 이득은 24.8 dBi 로 약 2 dBi가 하락하였으나 FBR 36.8 dB로 약 8 dB 향상된 값을 나타내었다. HPBW는 E-plane에서 9.5°, H-plane에서 6.5°를 나타내었다.

고출력 마이크로파 시스템을 사용할 경우 후방 방사에 의한 피해가 발생할 수 있다. 따라서 <Fig. 7>와 같이 4×4 배열 합성 혼 안테나에 후방방사를 억제시키는 합성 혼 개구면 상, 하단에 2단 단락구 조물을 부착하여 실험을 진행하였다.

2단 단락구조물이 적용된 4×4 배열 합성 혼 안테 나의 시뮬레이션 및 제작을 통해 측정한 반사손실 중심주파수 2.45 GHz에서 S11이 –10 dB 이하로 매 칭이 된 것을 확인 할 수 있다. 방사패턴의 경우, 시 뮬레이션에서 이득은 중심주파수 2.45 GHz에서 25.8 dBi를 나타내었고 HPBW는 E-plane, H-plane에 서 각각 8.86°, 7.35°를 나타내었다. FBR의 경우 33 dB를 나타내었다. 측정된 결과는 이득은 24.9 dBi로 약 1 dBi가 하락하였으나 FBR 39.7 dB로 약 7 dB 향상된 값을 나타내었다.

2단 단락구조물이 없는 4×4 배열 합성 혼 안테나와 측정한 결과를 비교 했을 때, 이득의 경우 24.8 dBi에서 24.9 dBi로 0.1 dBi가 증가하였다. 또한 FBR의 경우 약 3 dB 향상된 39.7 dB를 갖는 것을 확인하였다.

3.도파관 어댑터

주변에서 쉽게 구할 수 있는 700W 전자레인지용 마그네트론을 HPM 소스로 사용하였다. 따라서 마 그네트론에서 나오는 출력을 손실이 최소가 되도록 안테나에 전달시켜주기 위하여 도파관 어댑터를 설 계 제작하였다. 중심주파수 2.45 GHz에서 시뮬레이 션하기 위해 포트 1의 프로브를 마그네트론의 출력 부와 동일한 크기가 되도록 높이 22 mm, 직경 14 mm로 설계하였다. 또한 2개의 포트가 같은 면에 위 치했을 경우 어댑터의 통과특성이 좋지 못하였다. 따라서 <Fig. 8>와 같이 포트가 반대 면에 위치한 구조로 최종 설계하였다.

<Fig. 9>에는 설계한 도파관 어댑터의 S파라미터 특성을 나타내었다. 중심주파수 2.45 GHz에서 S11의 경우 –16.99 dB, S21의 경우 –0.12 dB를 확인하였다.

4×4 배열 합성 혼 안테나와 마그네트론을 연결 하기 위해서는 16개의 도파관 어댑터가 필요하다. 따라서 시뮬레이션 결과를 통해 16개의 도파관 어 댑터를 제작하였고 중심주파수 2.45 GHz에서 어댑 터 각각의 특성을 <Table 1>에 나타내었다. 제작한 16개의 도파관 어댑터의 평균 S11은 –11.28 dB, S21은 –0.31 dB을 나타내었다. 따라서 설계한 어댑 터가 고출력 마이크로파 시스템 적용에 유효함을 확인할 수 있다.

4.마이크로스트립 라인 커플러

출력 소스로 사용된 마그네트론에서 RF전력을 만 드는 효율이 65~75%이다. 700W의 마그네트론을 이 용할 경우 약 455~525W의 출력이 나올 것으로 예상 할 수 있다. 이를 스펙트럼 분석기를 통해 측정하게 될 경우 매우 큰 신호이므로 측정이 불가능하다.

따라서 <Fig. 10>와 같이 –40 dB이하의 감쇄를 갖는 마이크로스트립 라인 커플러를 설계하였다. 고출력을 견디기 위해 커플러와 그라운드 사이에 에어갭을 1 mm로 최종 설계하였다.

<Fig. 11>에는 시뮬레이션을 통해 설계한 마이크 로스트립 라인 커플러의 S파라미터 특성을 나타내 었다. 중심주파수 2.45 GHz에서 S11은 –41.69 dB, S41은 –44.13 dB를 나타내었다. <Fig. 12>에는 실 제 제작하여 측정한 커플드라인 커플러의 특성을 나타내었다. 그 결과 중심주파수 2,45 GHz에서 S11 은 –15.21 dB, S41은 –47.13 dB를 나타내었다.

5.마그네트론 출력 측정

마그네트론의 출력을 측정하기 위해 <Fig. 13>와 같이 마그네트론에 도파관 어댑터를 부착하고 마이 크로스트립 라인 커플러를 연결하였다. 포트 1으로 들어오는 대부분의 신호가 포트 2로 흘러가기 때문 에 포트 2에 더미로서 혼 안테나를 연결하여 에너 지를 방사시켜 주었다.

<Fig. 14>에는 측정된 16개 마그네트론 각각의 출력을 나타내었다. 중심주파수 2.45 GHz에서 측정 된 결과로 스펙트럽 분석기에 피크치로 측정된 값 을 표시한 데이터이다. 그 결과 16개의 마그네트론 에서 나오는 평균 전력은 336.28 W로 측정되었다.

6.방사출력 측정

<Fig. 15>에는 혼 안테나 방사전력 측정 시스템 을 나타내었다. 도파관 어댑터를 연결한 마그네트 론을 혼 안테나 입력단에 연결시켜 5 m 거리에서 다이폴을 이용하여 측정하였다. 혼 안테나에서 고 출력이 발생하므로 마이크로스트립 라인 커플러를 스펙트럼 분석기에 연결하여 신호를 감쇄시켜 측정 하였다.

16개의 마그네트론을 동시 안테나에 연결할 경우 높은 방사전력으로 인해 이동통신 서비스 등에 전 파방해를 입힐 수 있으므로 먼저, 5 m지점에서 마 그네트론 1개를 배열 합성 혼 안테나의 중앙에 연 결하여 측정한 결과 마그네트론 16개의 평균 방사 출력은 0.01 W를 나타내었다.

다음으로 16개의 마그네트론을 4개씩 묶어 4개의 마그네트론을 배열 안테나 중앙에 연결하여 총 4번 을 측정한 결과 평균 방사 출력 0.063 W를 나타내 었다.

마그네트론의 송신출력을 300 W, 4×4배열 합성 혼 안테나의 중앙에 하나의 급전만 했을 경우의 이 득 11 dBi, 마그네트론과 안테나 사이의 케이블 손 실 0.3 dB, 5 m 거리의 경로 손실 54.203 dB, 다이폴 안테나의 이득 2.15 dBi, 다이폴 안테나와 송신기 사이 케이블 손실 2 dB를 수식적으로 계산하게 되 면 방사출력은 13.45 dBm으로 0.022 W가 된다. 실 제 측정된 값과 비교 하였을 때 0.012 W(10.79 dBm)의 오차가 발생하였다. 다음으로 4×4배열 합성 혼 안테나의 중앙에 4개 급전을 했을 경우의 이득 18 dBi로 마그네트론 4개를 연결하였을 경우 방사 전력을 수식적으로 계산하게 되면 약 0.116 W가 된 다. 측정치와 비교 하게 되면 약 0.053 W(17.24 dBm)의 오차가 발생하였다. 이를 정량적으로 평가 하기 어려운 것은 4×4 배열 안테나에 모두 급전시 키지 못하였기 때문에 일부 급전에 의한 방사패턴 을 예측하기 어렵기 때문이다. 또한 마그네트론의 출력이 일정치 않으며 출력 주파수도 미묘하게 변 화하고 있어 배열 합성의 효과는 미비 할 수밖에 없다.

따라서 단지 4개의 마그네트론을 배열 혼 안테나 중앙에 연결하였을 경우 혼 안테나 중앙으로부터 10 m 떨어진 거리에 비행하고 있는 드론의 동작 여 부를 실험적 확인하였다. 그 결과 4개의 배열 안테 나만으로도 드론이 동작하지 못하고 떨어지는 것을 확인 할 수 있었다.

III.결 론

본 논문에서는 마그네트론을 이용한 2.45 GHz 배 열 합성 혼 안테나를 설계하였다.

단일 혼 안테나 특성을 바탕으로 안테나 이득을 증가시키고 빔폭을 좁히기 위해 4×4 배열 합성 혼 안테나를 설계하였다. 차량에 탑재되어 운용될 경 우 실제 전장에서의 기동성 확보를 위해 합성 혼의 길이를 3등분 하였다. 다음으로 후방방사를 억제시 키기 위해 합성 혼 개구면 상, 하단에 2단 단락구조 물을 부착하여 빔폭 E-plane 8.86°, H-plane 7.35°를 얻었으며, FBR 39.7 dB를 얻었다.

또한 배열된 마그네트론을 이용한 배열 혼 안테 나의 방사전력을 측정하기 위하여 도파관 어댑터를 설계하여 마그네트론과 혼 안테나를 연결시켰다. 또한 고출력의 파워를 측정하기 위해 중간단에 에 어갭을 넣은 마이크로스트립 라인 커플러를 설계하 여 스펙트럼분석기를 이용해 측정한 결과 –47.13 dB의 S41특성을 얻었다.

4×4 배열 합성 혼 안테나 중앙에 16개의 마그네 트론을 1개씩 배열 혼 안테나에 중앙에 연결하여 총 16번을 측정한 결과 평균 방사 출력은 0.01 W 를 나타내었다. 다음으로 마그네트론을 4개씩 묶어 안테나에 연결했을 경우 평균 방사 출력 0.063 W를 나타내었다.

최종적으로 4개의 마그네트론을 배열 혼 안테나 중앙에 연결하였을 경우 혼 안테나 중앙으로부터 10 m 떨어진 거리에 비행하고 있는 드론을 떨어뜨 리는 것을 확인 하였다.

따라서 설계한 마그네트론을 이용한 배열 합성 혼 안테나가 작은 출력의 소스를 다수 배열하여 고 출력을 얻을 수 있다는 HPM 기능 가능성을 확인 하였다. 또한, ITS 환경에 적용될 경우 교통을 혼란 스럽게 하는 GPS 교란신호를 방어하는데 사용될 수 있다.