위상배열[Phased Array Radar] 레이더란? AESA? PESA?

 

 

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안녕하세요.
최근 몇 년 동안 기술의 진보로 인해 다양한 분야에서 혁신적인 제품과 솔루션이 등장하고 있습니다. 그 중에서도 위상배열 레이더(Phased Array Radar)는 항공우주, 방위산업, 기상 관측 등에서 중요한 역할을 하고 있습니다. 이번 포스팅에서는 위상배열 레이더에 대해 자세히 알아보고 그 원리와 응용 분야에 대해 설명하겠습니다.

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※1. 위상배열 레이더란?

위상배열 레이더는 다수의 안테나 소자가 배열되어 있는 시스템으로, 각 소자의 위상을 독립적으로 조절하여 빔의 방향을 전자적으로 제어할 수 있는 레이더입니다. 기존의 기계적으로 회전하는 레이더와 달리, 위상배열 레이더는 전자적으로 신속하게 빔을 조작할 수 있어 매우 빠른 탐지와 추적이 가능합니다.

Detect multiple free flying objects with phased array radars

▶1. 위상 배열 레이더(Phased Array Radar)의 구조

 : 전자식 레이더 구조를 대략 세부분으로 분류하자면, 맨앞에 위치하면서 1,000개이상의 방사모듈이 박힌 안테나부, 그 뒤에 위상배열 구동부,그리고 맨뒤에 레이더관련 전자장비들이 위치해 있다.

1. 안테나부 (Antenna Unit) 구성 요소:

•  안테나 소자(Antenna Elements):
- 위상 배열 레이더는 여러 개의 개별 안테나 소자로 구성됩니다. 각 소자는 전파를 송신하고 수신하는 역할을 한다.
- 소자들은 배열 형태로 배치되며, 배열 형태에 따라 직사각형, 원형, 선형 배열 등이 있다.

• 위상 변이기(Phase Shifters):
각 안테나 소자에 연결된 장치로, 송신 및 수신 신호의 위상을 조절하여 빔의 방향을 제어한다.

 

 

2. 구동부 (Drive Unit) 구성 요소:

• 전력 분배기(Power Dividers):
- 송신 신호를 각 안테나 소자에 적절히 분배하는 장치이다. 이를 통해 여러 소자에 신호를 고르게 분배하여 강한 송신 빔을 형성할 수 있다.

• 전력 증폭기(Power Amplifiers):  
- 송신 신호의 전력을 증폭시켜 안테나 소자로 보냅니다. 각 소자는 자체 증폭기를 가지고 있을 수 있으며, 이를 통해 더 강력한 신호를 송출할 수 있다.

• 수신기(Receivers):
- 각 안테나 소자로부터 수신된 신호를 처리하는 장치입니다. 수신된 신호는 전자장비부로 전달되어 분석된다.

 

 

3. 전자장비부 (Electronic Equipment Unit) 구성 요소:

• 디지털 신호 처리기(Digital Signal Processor, DSP):
- 수신된 신호를 분석하고, 필요한 경우 데이터를 처리하여 목표물의 위치, 속도 등을 계산한다.
- 디지털 신호 처리는 레이더의 성능을 결정하는 중요한 요소로, 고속 처리와 정확한 분석을 수행한다.

• 제어 시스템(Control System):
- 레이더의 전체 시스템을 제어하는 장치로, 빔의 방향, 송수신 주기, 신호 처리 등을 관리한다.
- 소프트웨어를 통해 빔 조향, 주파수 변화, 모드 전환 등을 제어할 수 있다.

 

 

 - 위상 배열 레이더(Phased Array Radar)는 여러 개의 안테나 소자(Antenna Element)로 구성된 배열을 사용하여 전파 신호를 송수신하는 레이더 시스템이다.
 - 이 배열을 통해 전파의 위상과 진폭을 조절함으로써, 빔의 방향을 전자적으로 제어할 수 있다. 
 - 이를 통해 기계적으로 안테나를 회전시키지 않고도 다양한 방향으로 신속하게 빔을 조향 할 수 있다.

위 그림에서 파동이 S0부터 먼저 발생하고 일정 시간 간격을 두고 S1, S2..., S7 순서대로 순차적으로 일어난다고 하면 지연된 시간만큼 파면의 방향이 틀어지게 된다.

이런 구조로 머리가 빙빙 돌아가는 고전적인 형태의 레이더와는 달리 AESA 레이더는 기계적으로 머리를 돌리지 않고도 배열된 소자의 시간지연만으로 파면의 방향을 이리저리 바꿀 수 있다.

 

▶2. 위상 배열 레이더(Phased Array Radar)의 원리 

위상 배열 레이더는 각 안테나 소자에서 송신된 신호가 특정 방향에서 합쳐지도록 위상을 조절한다.
이렇게 하면 특정 방향으로 강한 신호(파면)를 보낼 수 있으며, 수신할 때도 동일한 원리로 특정 방향에서 오는 신호를 강하게 받을 수 있다.
이를 통해 전자적으로 빔의 방향을 조절하는 것이 가능하다.

 

 

▶3. 위상 배열 레이더(Phased Array Radar)의 특징

1. 빔 조향
:전자적 빔 조향: 위상 배열 레이더는 전파의 위상을 조절하여 빔의 방향을 변경할 수 있다. 이는 기계적으로 안테나를 움직이는 것보다 훨씬 빠르고 정밀하다.

2.  빠른 스캔
: 전자적으로 빔을 조향할 수 있기 때문에, 여러 방향을 빠르게 스캔할 수 있다.

3. 다중 목표 추적
:동시에 여러 목표물을 추적하고 탐지할 수 있는 능력을 갖추고 있다. 이는 전파의 위상과 진폭을 조절하여 여러 개의 빔을 형성할 수 있기 때문이다.

4. 유연한 설계
: 다양한 형태와 크기로 설계가 가능하며, 고정형, 회전형, 차량 탑재형 등 여러 형태로 구현할 수 있다.

5. 높은 신뢰성
:여러 안테나 소자로 구성되어 있어, 일부 소자가 고장 나더라도 시스템이 계속 작동할 수 있다.

 

▶4. 위상 배열 레이더(Phased Array Radar)의 장,단점 

1. 장점
- 빠른 반응 속도: 기계적인 회전 없이 빠르게 빔 방향을 변경할 수 있다.
- 다중 목표물 탐지: 동시에 여러 목표물을 탐지하고 추적할 수 있다.
- 높은 정확도: 정밀한 빔 조향을 통해 높은 정확도의 탐지가 가능하다.

2. 단점
- 복잡성: 설계와 구현이 복잡하며, 고도의 기술이 필요하다.
- 비용: 일반적으로 전통적인 레이더보다 비용이 높다.

 

 

※2. 위상 배열 레이더(Phased Array Radar)의 종류(AESA, PESA)

 : PESA는 수동식 위상 배열 레이더이다. AESA와 비교하면, PESA는 송신기와 수신기가 분리되어 있다. 모든 것이 컴퓨터(Processor)에 의해 통제된다. AESA는 PESA 기술 보다 발전된 2세대 버전이다.전세계 위상배열레이더의 대부분은 PESA이다.( AESA, PESA 레이더는 원리는 다르지만 구조는 기본적으로 거의 같다.)

▶1. AESA (Active Electronically Scanned Array; 능동식 위상배열 전자주사) 레이더 

: 능동식은 안테나 면위에 얹혀 배열된 각각의 방사소재들 자체가 송,수신기능을 갖는 모듈로서 레이더 기능에 필요한 고주파도 방사소재들이 스스로 각각 만든다.  수동식이 방사소자 수에 관계없이 하나의 레이더라면,  능동식은 송수신모듈(TRM)을 갖는 방사소자수 만큼의  레이더들이 합해 하나의 레이더를 구성하는 것이다.

KF-21 AESA 레이다 / 한화시스템

원리

AESA는 능동 전자식 스캔 배열 레이더로, 각 안테나 소자마다 개별 송신기와 수신기를 갖추고 있습니다. 각각의 소자가 독립적으로 동작하며, 송신기에서 송출된 신호는 각 소자의 위상과 진폭을 조절하여 빔의 방향을 제어합니다. 수신된 신호도 각 소자에서 독립적으로 처리됩니다.

특징

1. 개별 송신기와 수신기: 각 안테나 소자가 독립적으로 동작하여 성능이 우수합니다.
2. 높은 출력과 정확도: 송신 출력과 수신 감도를 개별적으로 조절할 수 있어 높은 출력과 정확도를 제공합니다.
3. 다중 빔 형성: 동시에 여러 방향으로 빔을 형성할 수 있어 다중 목표물 추적이 용이합니다.
4. 신뢰성: 소자가 독립적으로 동작하기 때문에 일부 소자가 고장 나더라도 시스템 전체의 성능에 미치는 영향이 적습니다.

 

▶2. PESA (Passive Electronically Scanned Array; 수동식 위상배열 전자주사) 레이더

: 수동식은 능동식과는 달리 안테나에 배열된 1,000개 이상의 방사소재들 스스로는 레이더 기능을 위해 송수신에 필요한 고주파를 만들 능력이 없다. 레이더 작동에 필요한 고주파 소스를 안테나 뒤에 위치한 전자장비부분에 의존한다.  안테나 뒤에 위치한  전자장비 부분에서 진행파관등을 통해 레이더작동에 필요한 송,수신관련 고주파를 만든다.  그리고 이 에너지를 안테나 위상배열 구동부 즉, 위상쉬프트 모듈을 거쳐 맨앞에 안테나 위에 배열된 방사소자들에 일괄적으로 전달한다.  즉, 방사소자들 자체는 스스로 송수신 기능에 필수적인 고주파를 만들지 못하는 철저히 수동적인 존재이다.  PESA는 당연 만들기 쉽고 비용도 싸다.

독일군 패트리어트 PAC-2의 AN/MPQ-53 레이다

 

원리

PESA는 수동 전자식 스캔 배열 레이더로, 하나의 송신기를 사용하여 다수의 안테나 소자를 구동합니다. 각 안테나 소자의 위상 변환기를 통해 빔의 방향을 제어합니다. 송신된 신호가 여러 안테나 소자를 통해 나가며, 반사된 신호는 다시 각 소자에서 수신됩니다. 이때 수신된 신호는 위상 변환기를 통해 합성되어 분석됩니다.

특징

1. 단일 송신기: 하나의 송신기를 사용하여 시스템이 비교적 단순하며, 비용이 저렴합니다.
2. 위상 변환기: 각 안테나 소자의 위상 변환기를 통해 빔의 방향을 전자적으로 제어합니다.
3. 제한된 성능: 송신기의

 

▶3. 비교

특성	PESA	AESA
송신기 수	단일 송신기	개별 송신기
성능	비교적 낮음	매우 높음
다중 빔 형성	불가능	가능
비용	저렴	고가
신뢰성	낮음	높음

PESA와 AESA는 각각의 장단점을 가지고 있으며, 응용 분야에 따라 적합한 시스템이 선택됩니다. PESA는 비용 효율적인 솔루션으로 적합하며, AESA는 높은 성능과 신뢰성을 요구하는 분야에서 사용됩니다. 위상배열 레이더 기술의 발전으로 앞으로 더 많은 분야에서 다양한 응용이 기대됩니다.

 

 

 

 

 

 

이상으로 위상배열안테나에 대한 설명을 마치겠습니다. 감사합니다.