Ⅰ. 서 론
연직바람 관측장비 (RWP, Radar Wind Profiler)는 고출력 RF 신호를 송출하여 저층 (400m 이하)에서 고층 (10Km)까지의 기상현상 (바람 및 강우 등)에 의해 반사되는 신호를 수신한 후 기상관측 신호처리 알고리즘 을 사용하여 고도별로 방향 및 세기를 실시간으로 측정하는 펄스 도플러 레이더로 대기 경계층 고도, 운동량 속도, 강수 구조 등 동적 대기 현상 정보를 파악하기 위해 사용되는 장비이다.
256 능동위상배열 방식을 적용하여 개발된 본 연직바람 관측장비는 총 5개의 빔에서 (10~20도 기울어진 동, 서, 남, 북 및 연직방향) 관측된 시선속도를 이용하여 VZ(연직방향 시선속도), VE(동쪽방향 시선속도), VW(서쪽방향 시선속도), VS(남쪽방향 시선속도), VN(북쪽방향 시선속도)를 측정하고 이를 통해 고도별 동서 성분(u), 남북성분(v), 연직성분(w)의 바람자료를 산출하는 5-Beam DBS (Doppler Beam Steering/Swing) 방식이 적용되었다.
연직바람 관측장비에서 DBS (Doppler Beam Steering/Swing) 기술의 적용은 바람 자료를 산출하고자 하는 고도에서 안테나 방사 영역에 대해 수평방향으로 일정하다는 전제하에 3개의 방향 또는 5개의 방향으로 안 테나 빔을 형성하여 대기의 기상현상 등에 의해 반사되는 신호를 분석하여 시선속도를 측정하고 이를 벡터 연산으로 계산하여 수평 및 연직 풍속값을 얻는다. 천정각(θ)과 방위각(Ø)으로 운영되는 DBS 방법의 전파 빔에서 측정한 시선속도는 식 (1)과 같다(Cheong et al., 2008).
3개의 빔을 사용하는 방식은 대류나 강수현상으로 수평바람이 균질하지 않을 경우 연직 성분의 시선속도 의 오차에 의해 정확하지 않은 바람 정보가 산출된다. 반면에 5개의 빔을 사용하게 되면 수평바람이 균질하 지 않을 경우에도 식 (2)에서처럼 연직성분의 시선속도가 수평성분의 바람 자료에 영향을 주지 않으므로 높 은 품질의 바람자료를 산출할 수 있다. <Fig. 1>은 5-Beam DBS 방식의 기본 원리를 도시하였다(Ahoro et al., 2005).
연직바람 관측장비를 통한 바람 자료 산출의 정확성에 영향을 주는 또 다른 요인은 자동차, 산, 건물 등의 물체에 부딪혀 산란하여 들어오는 지형 에코이다. 이 클러터는 청천일 때, 즉 대기 굴절률 변동이 매우 약해 서 안테나의 주 빔에서의 신호가 매우 약하고 사이드 로브를 통해 수신되는 신호의 세기가 클 때 자주 발생 하게 된다. 연직바람 관측장비의 고도는 전파를 방사하고 수신되기까지 걸린 시간으로 결정된다. 따라서 이 러한 그라운드의 물체들이 관측고도의 거리와 상응하게 존재하면 지형 에코에 의한 신호가 관측되어 그 고 도에서 품질이 좋은 바람자료를 산출할 수 없다(Heo, 2004; Barton, 1985).
지형 에코는 경사빔의 방향을 조절하여 반대 방향에 지상의 물체등을 최소화하여 효과적으로 억제할 수 있다. 그러나 수평으로 넓은 범위에 존재하게 되면 이 방법으로 지형 에코를 억제하기는 어렵다. 이러한 경 우에는 안테나 지반을 절구 모양으로 깊게 파고 안테나를 설치하면 지형 에코 제거에 효과적이지만 막대한 공사 비용이 유발된다. 따라서 안테나 주위에 클러터 차폐막을 설치하여 지형 에코의 영향을 최소화하는 방 법이 널리 이용된다(Heo, 2004).
본 논문에서는 256배열 기반의 연직바람 관측장비를 통해 산출되는 바람 자료의 정확성 확보를 위해서 수 신되는 바람장 및 기상 신호 이외에 자동차, 산, 건물 등의 물체에 의해 레이더의 측면에서 형성되는 비기상 에코 (지형 에코)에 의한 영향을 최소화 할 수 있는 지형 클러터 방지 펜스의 설계, 제작, 측정결과를 제시하 고자 한다.
Ⅱ. 256 능동위상배열 안테나
256배열 능동위상배열 기반의 연직바람 관측장비는 256개의 L-Band 다이폴로 구성되어 있고 안테나의 이 득은 29dBi 이상, 1개의 고정빔 (연직방향)과 4개의 성형빔 (동, 서, 남, 북 방향)이 요구된다. 또한 중심주파 수(1.29GHz)에서 방위각 및 고각 방향으로 최대 +/-20°의 빔 조향각이 요구되므로 안테나 배열 간격은 식 (3) 에 의해서 그레이팅 로브가 발생되지 않는 163mm로 설정하였다. 설정된 배열 간격에서 얻을 수 있는 3-dB 빔폭은 식 (4)에 의해 약 4.53°로 계산된다. 식 (5)를 통해 안테나의 빔 조향을 위한 안테나 방사 소자의 위상 차를 계산할 수 있다.
<Table 1>은 256 배열안테나의 규격을 나타내었고 <Fig. 2>는 제작된 256 능동위상 배열안테나의 형상을 도시하였고, <Fig. 3>은 제작된 256 능동위상 배열안테나의 수직 및 수평 방향 방사 패턴이다. 이 배열안테나 의 방사 패턴은 지형 클러터 방지 펜스를 설계/제작을 위한 기초자료로 활용하였다.
Ⅲ. 지형 클러터 방지 펜스 설계
클러터 방지 펜스에 있어서 가장 중요한 파라미터인 격리도 확보를 위해 전체 형상 및 용도, 크기 등을 고 려하여 2종 (ST #800, ST #1000)의 메탈라시 메쉬에 대한 성능을 비교하였다. ST #800은 스탠리스 재질로 SWD (Short Way of Diamond)와 LWD (Long Range of Diamond)는 각각 12mm, 24mm 이고 연직바람 관측장 비의 동작주파수 1.29GHz 기준으로 약 0.27λ, 0.55λ 이다. ST #1000은 철 재질로 SWD와 LWD는 각각 10mm, 20mm 으로 약 0.23λ, 0.46λ 이다. <Fig. 4>는 두 종류의 메탈라시 메쉬 구조의 격리도를 측정하기 위한 구성 도를 도시하였다. <Table 2>는 두 종류의 송신 및 수신 안테나 사이의 거리에 따른 메탈라스 메쉬 구조의 격 리도 측정결과를 설명하였다. 격리도 개선 값은 메탈라시 메쉬 구조를 설치하지 않았을 때를 기준으로 계산 하였다. <Table 2>의 측정결과에 따라 제안한 지형 클러터 방지 펜스는 상대적으로 더 우수한 성능을 나타내 는 ST #800 메탈라스 메쉬 구조를 적용하였다.
선정된 메탈라스 메쉬 구조를 적용하여 클러터 방지 펜스 설치시 연직바람 관측장비의 전기적 성능을 저 해하지 않는 범위 내에서 설계하기 위한 파라미터는 <Fig. 5>에 정의하였다. 설계 파라미터는 연직바람 관측 장비에 적용된 256 능동위상 배열안테나를 기준으로 위상 중심 (A_Point), 하단펜스의 길이(F_Length), 하단펜 스의 높이(F_Low_L) 및 상단펜스의 높이(F_High_L), 상단펜스의 기울기(F_High_θ)이다.
각각의 파라미터에 따른 해석은 CST사의 MWStudio의 Integral Eqation Solver Method를 이용하여 결과를 도출하였다. <Fig. 6>은 안테나 위상 중심의 높이에 따른 방사 패턴의 사이드로브 해석 결과를 도시하였다. 파라미터 해석 범위는 1380mm ~ 1,470mm 이고 1410mm에서 전체적으로 우수한 사이드로브 개선 효과를 가 진다. <Fig. 7>은 안테나 위상 중심의 높이 1,410mm를 고려하여 하단 펜스의 높이를 2,000mm로 고정하고 상 단 펜스의 높이에 따른 방사 패턴의 사이드로브 해석 결과를 도시하였다. 파라미터 해석 범위는 1,800mm ~ 2,100mm 이고 하단 펜스의 높이와 같은 2,000mm에서 우수한 사이드로브 개선 효과를 얻을 수 있다.
<Fig. 8>과 <Fig. 9>는 각각 하단 펜스의 길이 및 상단펜스의 기울기에 따른 안테나 광각 (70° ~ 90°)에서 의 방사 패턴의 사이드로브 해석 결과를 도시하였다. 안테나 광각에서 사이드로브 개선 효과는 하단 펜스의 길이가 5,100mm, 상단펜스의 기울기가 20도일 때 가장 우수한 해석 결과를 얻었다.
<Table 3>는 해석 결과를 바탕으로 클러터 방지 펜스의 최종 설계 파라미터 값을 제시하였다. <Fig. 9>는 ST #800 메탈라스 메쉬 구조와 <Table 3>에 제시된 파라미터를 적용하여 클러터 방지 펜스의 유/무에 따른 방사패턴 시뮬레이션 해석 결과이다. 미적용 클러터 방지 펜스의 배열안테나를 기준으로 안테나의 이득은 약 1dBi 증가, 빔폭과 1st 사이드로브의 변화는 거의 발생하지 않으며, ±90방향의 사이드로브는 약 –30dBc 이상 개선되는 것을 확인하였다.
Ⅳ. 지형 클러터 방지 펜스 제작 및 시험
<Fig. 11>은 설계된 지형 클러터 방지 펜스를 제작하기 위한 3차원 모델링을 도시하였다. 5.1⨯5.1⨯ 2.0 m 하단 펜스 위에 20° 기울어진 2m 길이의 상단펜스를 설계하여 제작하였고 <Fig. 12>는 3차원 모델링을 바탕 으로 제작된 클러터 방지 펜스를 도시하였다.
<Fig. 13>은 제작된 지형 클러터 방지 펜스의 유/무에 따른 연직바람 관측장비 측면 (90° 방향)에서 격리도 를 측정하기 위한 시험 구성도를 나타내었다. 클러터 방지 펜스 내부는 수직편파를 가지는 혼 안테나를 설치 하고 클러터 방지 펜스 외부에는 클러터 방지 펜스와 약 10m 거리에 혼 안테나를 설치하였다. 클러터 방지 펜스 외부에 설치된 혼 안테나는 신호 발생기에서 생성된 클러터 모의 신호를 편파 (0°, 45°, 90°)에 따라 안 테나의 방향을 변경하면서 클러터 방지 펜스 내부 혼 안테나를 통한 수신 레벨을 측정하였다. 측정결과 클러 터 방지 펜스의 차폐율은 클러터 방지 펜스가 없을 때 기준으로 약 20dBc 이상 개선되었다. <Fig. 14>에 클 러터 모의 신호의 편파에 따른 측정결과를 도시하였다.
안테나의 측면에서 20dBc 이상의 클러터 차폐 특성을 가지는 지형 클러터 방지 펜스는 현재 속초에설치 되어 있는 연직바람 관측장비에 적용되어 운용중에 있다.
Ⅴ. 결 론
본 논문에서는 RWP의 측면 방향 비기상 클러터를 제거하고 우수한 품질의 신호를 수신하기 위한 클러터 방지 펜스의 개발에 대해 구체적으로 기술하였다. 개발 완료한 클러터 방지 펜스는 RWP 안테나의 전기적 성능의 저해 없이 안테나의 측면에서 약 20dBc 이상의 클러터 차폐 개선 효과를 가지는 것을 확인하였고, 이는 연직바람 관측장비의 효율적인 운용을 위한 클러터 방지 펜스 설계를 위한 원천기술을 보유하였음을 의미한다. 본 논문에서 제시한 클러터 펜스는 향후 유사한 목적의 기상 레이다 혹은 우주 통신용 시스템 및 우주 감시 레이더 등에 응용이 가능할 것이고 특히, 현재 개발을 진행하고 있는 이동형 연직바람 관측장비를 위한 소형/경량 지형 클러터 방지 펜스에 적용될 수 있다.
