위상배열

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1. 개요

위상 배열은 안테나 빔을 전자적으로 조향하는 기술로, 여러 개의 안테나 요소를 배열하고 각 요소의 신호 위상을 제어하여 원하는 방향으로 전파를 집중시킨다. 1905년 카를 페르디난트 브라운에 의해 처음 시연되었으며, 제2차 세계 대전 중 레이더 시스템에 적용된 후 전파 천문학, 군사, 민간 분야로 확산되었다. 현재는 능동 전자 주사 배열(AESA) 방식을 중심으로 군사용 레이더, 기상 레이더, 통신, 우주 탐사 등 다양한 분야에서 활용되고 있으며, 대한민국에서도 국방 및 민간 분야에서 위상 배열 레이더 기술 개발 및 도입이 활발하게 이루어지고 있다. 위상 배열 레이더는 빔 조향 속도가 빠르고 다기능성을 제공하며, 전자전 대응 능력과 높은 신뢰성을 갖는 장점을 가진다.

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위상배열
개요
교탄고시 고벤푸 기지에 있는 AN/TPY-2 레이더 시스템
유형	레이더
기술	능동 위상 배열
용도	기상 레이더 군사 레이더 공항 감시 레이더 해상 감시 레이더 자동차 레이더 의료용 전파 천문학
작동 원리
전파 방사	다수의 안테나에서 동시에 전파를 방사
빔 형성	각 안테나 소자의 신호에 시간 지연 또는 위상 변화를 주어 전파의 간섭 패턴을 제어, 특정 방향으로 빔을 형성
빔 조향	빔의 방향은 안테나 자체를 물리적으로 움직이지 않고 각 소자의 위상 변화를 전자적으로 제어하여 조정
기술적 특징
빔 조향 속도	매우 빠름 (기계식 레이더에 비해)
다중 빔 형성	여러 개의 빔을 동시에 형성 가능
빔 모양 제어	빔의 모양을 전자적으로 제어 가능
적응성	환경 변화에 따라 빔 특성을 실시간으로 조정 가능
장점
빠른 빔 조향	표적 탐지 및 추적 속도 향상
높은 정확도	정밀한 빔 제어를 통한 정확한 표적 위치 파악
다기능성	다양한 목적에 맞게 빔 특성 조정 가능
신뢰성	기계적 움직임 감소로 고장 위험 감소
단점
높은 비용	복잡한 구조와 제어 시스템으로 인해 초기 구축 비용이 높음
복잡한 시스템	설계 및 제어가 복잡함
전력 소비	많은 안테나 소자 구동으로 전력 소비가 높을 수 있음
냉각 문제	고출력 작동 시 열 발생으로 인한 냉각 시스템 필요
응용 분야
군사	미사일 방어 (PAVE PAWS) 함대 방공 조기 경보 시스템 능동 위상 배열 레이더 (AESA)
민간	기상 관측 항공 교통 관제 자동차 레이더 (자동 비상 제동, 어댑티브 크루즈 컨트롤) 의료 영상 전파 천문학
관련 기술
능동 위상 배열 레이더 (AESA)	각 안테나 소자에 송수신 모듈을 내장하여 성능 향상
수동 위상 배열 레이더 (PESA)	하나의 송신기로부터 신호를 분배하여 각 안테나 소자에 전달

2. 역사

위상 배열 레이더는 1905년 카를 페르디난트 브라운이 처음 선보였고, 제2차 세계 대전 중 루이스 월터 알바레스가 지상 유도 접근 시스템에 활용하면서 발전했다. 이후 전파 천문학과 레이더 기술 발전에 기여했다.

1960년대에는 주로 페라이트 위상 시프터나 진행파관을 사용하여 위상을 조정했다. 1960년 최초의 민간용 3D 위상 배열이 건설되었지만, 1961년에 폐기되었다.^[18]

2000년대 들어 칼텍 연구진이 최초의 집적 실리콘 기반 위상 배열 수신기를 시연한 이후,^[19] CMOS 위상 배열 송신기와 완전 통합형 77 GHz 위상 배열 송수신기를 개발했다.^[20]^[21]^[22] 2007년 DARPA 연구원들은 단일 실리콘 칩에 모든 회로가 통합된 위상 배열 레이더 안테나를 발표했다.^[23]

개별 안테나 신호의 진폭과 간섭 효과는 배열의 유효 복사 패턴을 결정하며, 위상 배열은 고정된 복사 패턴을 지정하거나 방위각 또는 고도로 신호를 스캔하는 데 사용될 수 있다.

2. 1. 초기 개발

카를 페르디난트 브라운은 1905년에 한 방향으로 라디오파 전송을 강화하는 것을 시연하면서 위상 배열 전송을 처음으로 선보였다.^[15]^[16] 제2차 세계 대전 동안 루이스 월터 알바레스는 항공기 착륙을 지원하는 "지상 유도 접근" 시스템을 위해 신속하게 조향 가능한 레이더 시스템에 위상 배열 전송을 사용했다. 같은 시기에 독일의 GEMA는 맘무트 1을 개발했다.^[17] 이 기술은 이후 전파 천문학에 적용되어 캠브리지 대학교 행성간 섬광 배열에서 여러 대형 위상 배열이 개발되었고, 안토니 휴이시와 마틴 라일은 노벨 물리학상을 수상했다. 이 설계는 레이더에도 사용되며, 간섭계 전파 안테나에서 일반화되었다.

3. 작동 원리

위상 배열은 안테나를 물리적으로 움직이지 않고도 전파 빔의 방향을 전자적으로 조향할 수 있는 안테나 배열이다.^[1]^[2]^[3]^[4]^[5]^[6]^[7]^[8]^[9]^[10] 이는 여러 개의 안테나 요소에 공급되는 전류의 위상을 조절하여 가능하다.

배열 안테나에서 송신기의 무선 주파수 전류는 여러 안테나 요소에 적절한 위상 관계로 공급된다. 각 요소에서 방출된 전파는 원하는 방향으로 결합(중첩)하여 빔을 형성하고, 방출 전력을 증가시키며 원치 않는 방향의 방사는 억제한다. 위상 배열에서는 ''위상 천이기''를 통해 전력이 각 방사 소자에 공급되며, 컴퓨터로 위상이나 신호 지연을 조절하여 빔을 조향한다. 위상 배열은 주로 UHF 및 마이크로파 대역에서 실용적이다.

전자기 위상 배열 이론은 위상 배열 초음파 및 광 위상 배열에도 적용된다.

3. 1. 위상 배열 개념

위상 배열은 컴퓨터로 제어되는 안테나 배열로, 안테나를 물리적으로 움직이지 않고도 전파 빔의 방향을 전자적으로 조향할 수 있는 기술이다.^[1]^[2]^[3]^[4]^[5]^[6]^[7]^[8]^[9]^[10]

일반적인 배열 안테나에서는 송신기에서 나오는 무선 주파수 전류가 여러 개의 안테나 요소에 적절한 위상 관계로 공급된다. 이때, 각 안테나 요소에서 방출되는 전파는 서로 결합(중첩)하여 빔을 형성하며, 원하는 방향으로의 전파 방출을 강화하고 원하지 않는 방향으로의 방출을 억제한다.

위상 배열에서는 송신기의 전력이 ''위상 천이기''라는 장치를 통해 각 안테나 요소에 공급된다. 이 위상 천이기는 컴퓨터 시스템에 의해 제어되며, 전파의 위상이나 신호 지연을 전자적으로 변경하여 전파 빔의 방향을 조향한다. 안테나 배열의 크기는 좁은 빔폭에 필요한 높은 이득을 얻기 위해 여러 파장으로 확장되어야 하므로, 위상 배열은 주로 UHF 및 마이크로파 대역과 같은 전파 스펙트럼의 고주파수 끝에서 실용적이다.

위상 배열은 원래 군사 레이더 시스템에서 비행기와 미사일을 탐지하기 위해 전파 빔을 하늘을 가로질러 빠르게 조향하기 위해 고안되었다. 이러한 시스템은 현재 널리 사용되고 있으며, 5G MIMO와 같은 민간 응용 분야로도 확산되었다. 위상 배열 원리는 음향학에도 사용되며, 의료 초음파 영상 스캐너(위상 배열 초음파), 석유 및 가스 탐사(반사 지진파 탐사), 군사 소나 시스템 등에서 활용된다.

"위상 배열"이라는 용어는 때때로 조향할 수 없는 배열 안테나에도 사용되는데, 이 경우 공급 전력의 위상과 안테나 배열의 방사 패턴은 고정되어 있다.^[8]^[11] 예를 들어, 특정 방사 패턴을 생성하도록 공급되는 여러 마스트 방사체로 구성된 AM 방송 라디오 안테나도 "위상 배열"이라고 불린다.

3. 2. 신호 처리

위상 배열 안테나의 신호 처리는 송신 신호를 생성하고, 위상을 제어하며, 수신 신호를 처리하는 과정을 포함한다.
송신 신호 처리

배열 인자: $M \times N$ 차원의 평면 위상 배열에서 각 요소 간 간격이 $d_x$ , $d_y$ 일 때, 배열 인자( $AF$ )는 다음과 같이 계산된다.^[4]^[41]

AF=\sum_{n=1}^{N}I_{n1}\left[\sum_{m=1}^{M}I_{m1}\mathrm{e}^{j\left(m-1\right)\left(kd_{x}\sin\theta\cos\phi+\beta_{x}\right)}\right]\mathrm{e}^{j\left(n-1\right)\left(kd_{y}\sin\theta\sin\phi+\beta_{y}\right)}

$\theta$ 와 $\phi$ : 배열 인자를 취하는 방향
$\beta_x$ 와 $\beta_y$ : 빔 조향에 사용되는 점진적 위상 편이
$I_{n1}$ 과 $I_{m1}$ : 개별 요소의 여기(excitation) 계수
$k$ : 전송 주파수의 파수

빔 조향: 빔 조향 방향은 $\theta_0$ 와 $\phi_0$ 로 표시되며, 점진적 위상 편이는 다음과 같이 계산된다.

\beta_{x}=-kd_{x}\sin\theta_{0}\cos\phi_{0}

\beta_{y}=-kd_{y}\sin\theta_{0}\sin\phi_{0}

주엽 및 그레이팅 엽: 배열 인자 방정식의 지수를 참조하면, 주엽과 그레이팅 엽은 다음 방정식의 정수 $m,n=0,1,2,\dots$ 해에서 발생한다.^[4]^[41]

kd_{x}\sin\theta\cos\phi+\beta_{x}=\pm2m\pi

kd_{y}\sin\theta\sin\phi+\beta_{y}=\pm2n\pi

배열 인자 (데시벨): 공학에서는 배열 인자 값을 데시벨(dB) 단위로 나타내는 경우가 많다.

AF_{dB}=10\log_{10}\left\|\sum_{n=1}^{N}I_{1n}\left[\sum_{m=1}^{M}I_{m1}\mathrm{e}^{j\left(m-1\right)\left(kd_{x}\sin\theta\cos\phi+\beta_{x}\right)}\right]\mathrm{e}^{j\left(n-1\right)\left(kd_{y}\sin\theta\sin\phi+\beta_{y}\right)}\right\|

배열 좌표계: 시각화를 위해 방위각( $\theta_{az}$ ) 및 고각( $\theta_{el}$ )을 배열 좌표계 $\theta$ 및 $\phi$ 로 변환한다.

\theta=\arccos\left(\cos\left(\theta_{az}\right)\sin\left(\theta_{el}\right)\right)

\phi=\arctan2\left(\sin\left(\theta_{el}\right),\sin\left(\theta_{az}\cos\left(\theta_{el}\right)\right)\right)

수신 신호 처리

빔 형성 (Beamforming):

시간 영역 빔 형성기: 각 요소에서 들어오는 신호에 시간 지연을 적용한 후 합산한다. 버틀러 매트릭스를 사용하여 여러 빔을 동시에 형성하거나 빔을 스캔할 수 있다.
주파수 영역 빔 형성기:
수신 신호를 여러 주파수 성분으로 분리하여 (이산 푸리에 변환(DFT) 또는 필터 뱅크 사용) 각 주파수 빈에 다른 지연 및 합산 빔 형성기를 적용한다.
각 요소에서 이산 샘플을 가져와 DFT로 처리하여 여러 개의 균일한 간격의 빔을 동시에 형성한다.

위상 배열 종류

동적 위상 배열: 가변 위상 시프터 배열을 사용하여 빔을 전자적으로 이동한다.
능동 위상 배열: 각 위상 시프터 요소에 증폭기 또는 프로세서가 있다.
수동 위상 배열: 감쇠 위상 시프터가 있는 대형 중앙 증폭기가 있다.
고정 위상 배열: 빔 위치가 배열면에 고정되어 있으며, 안테나 전체를 물리적으로 이동하여 빔을 조향한다.
지연선을 사용한 다중 주파수
여러 개의 인접 빔

3. 3. 빔 형성

빔 형성에는 크게 시간 영역 빔 형성과 주파수 영역 빔 형성 두 가지 방식이 있다. 이 두 방식은 이론적으로 동일하며, 푸리에 변환을 통해 서로 변환할 수 있다. 빔 형성 과정에서 위상 이동뿐만 아니라 배열 표면에 걸쳐 점진적인 감쇠 창을 적용하여 사이드 로브 억제 성능을 향상시키기도 한다.

시간 영역 빔 형성은 시간 지연을 이용한다. 각 배열 요소에서 들어오는 신호에 특정 시간만큼 지연을 가한 후 합산하는 "지연 및 합산" 방식이 기본 원리다. 버틀러 매트릭스를 활용하면 여러 빔을 동시에 형성하거나 빔을 호를 따라 스캔할 수 있다. 사행파도파관은 가장 일반적인 시간 영역 빔 형성기다. 능동 위상 배열은 켜고 끌 수 있는 개별 지연선을 사용하며, 이트륨 철 가닛 위상 시프터는 자기장 세기를 이용해 위상 지연을 조절한다.

주파수 영역 빔 형성기는 두 가지로 나뉜다. 첫 번째는 수신 신호의 বিভিন্ন 주파수 성분을 이산 푸리에 변환(DFT)이나 필터 뱅크를 사용하여 여러 주파수 빈으로 분리한다. 각 주파수 빈에 서로 다른 지연 및 합산 빔 형성기를 적용하면 주엽이 서로 다른 주파수에서 여러 방향을 동시에 가리키게 된다. 이는 통신 링크에 유리하며, SPS-48 레이더에 사용된다.

두 번째 유형은 공간 주파수를 활용한다. 각 배열 요소에서 이산 샘플을 추출하고 DFT로 처리한다. DFT는 처리 과정에서 여러 개의 이산 위상 이동을 도입하며, 그 출력은 동시에 형성된 균일한 간격의 빔에 해당하는 개별 채널이다. 1차원 DFT는 여러 빔의 팬을, 2차원 DFT는 파인애플 형태의 빔을 생성한다.

이러한 기술은 동적 위상 배열과 고정 위상 배열 두 가지 유형의 위상 배열을 만드는 데 사용된다. 동적 위상 배열은 가변 위상 시프터 배열을 사용하여 빔을 이동시키고, 고정 위상 배열은 빔 위치가 배열 표면에 고정되어 안테나 전체가 이동한다.

각 배열은 능동 배열과 수동 배열로 더 세분화된다. 능동 배열은 각 위상 시프터 요소에 증폭기나 프로세서가 있는 반면, 수동 배열은 감쇠 위상 시프터가 있는 대형 중앙 증폭기를 사용한다.

일반적인 빔 형성 방식은 아날로그 빔 형성(ABF)이다. ABF는 송수신 모두 아날로그 신호로 빔을 형성하며, 한 번에 한 방향으로만 빔을 형성할 수 있다.

1990년대 이후에는 디지털 빔 형성(DBF)을 이용한 다중 빔 스캐닝이 활용되고 있다. DBF는 특정 방위 및 고각 범위에 대해 동시에 여러 수신 빔을 형성하여 데이터 전송률을 높이고, 초저 사이드로브로 클러터 억제 성능을 향상시키며, 다기능성을 높일 수 있다. 다만, 여러 수신 빔이 덮는 영역에 송신파가 도달하도록 송신 빔을 넓게 만들어야 하므로 송신 전력 밀도가 낮아진다.

4. 유형

위상배열은 다양한 형태로 나타나며, 대표적으로 네 가지 주요 유형이 있다.

수동 전자 스캔 배열(PESA): 안테나 요소들이 단일 송신기 및/또는 수신기에 연결되는 방식이다. 가장 일반적인 유형으로, 전체 배열에 대해 하나의 수신기/여기기를 사용한다.^[12]
능동 전자 스캔 배열(AESA): 각 안테나 요소에 아날로그 송수신(T/R) 모듈이 있어, 전자적으로 빔을 조향하는 데 필요한 위상 이동을 생성한다. 여러 주파수의 여러 빔을 동시에 방사할 수 있지만, 실제로는 약 3개의 동시 빔으로 제한된다. 각 빔 형성기에는 수신기/여기기가 연결되어 있다.^[12]
디지털 빔 형성(DBF) 위상배열: 배열의 각 요소에 디지털 수신기/여기기가 있으며, 각 요소의 신호는 디지털화된다. 안테나 빔은 FPGA 또는 배열 컴퓨터에서 디지털 방식으로 형성되어 여러 개의 동시 안테나 빔을 형성할 수 있다.^[12]
하이브리드 빔 형성 위상배열: AESA와 DBF의 조합으로, 능동 위상배열인 서브어레이를 사용한다. 서브어레이는 결합되어 전체 배열을 형성하며, 각 서브어레이에는 자체 디지털 수신기/여기기가 있어 동시 빔 클러스터를 생성할 수 있다.^[12]

적합 안테나는 개별 안테나가 평면이 아닌 곡면에 장착된 위상배열이다.^[14] 위상 변위기는 안테나 요소의 표면상 다양한 위치로 인한 파의 다른 경로 길이를 보상하여 배열이 평면파를 방사할 수 있도록 한다. 적합 안테나는 항공기 및 미사일에 사용되어 항공기의 곡면에 안테나를 통합하여 공기역학적 항력을 줄인다.

4. 1. 수동 위상 배열 (PESA)

수동 위상배열(PESA)은 안테나 요소들이 단일 송신기 및/또는 수신기에 연결된 위상배열이다. PESA는 가장 일반적인 위상배열 유형으로, 일반적으로 전체 배열에 대해 하나의 수신기/여기기를 사용한다.^[12]

수동 방식(수동 위상배열 방식, 또는 수동 전자 스캔 어레이(passive electronically scanned array, PESA))은 안테나 소자 부분에 위상 변조기만을 내장하는 방식이다. 발진기나 증폭기와 같은 능동 회로를 포함하지 않기 때문에 이러한 이름이 붙었다.

송신기와 수신기는 안테나 전체에 한 쌍만 장착되며, 이 송신기에 의한 레이더 출력이 도파관을 통해 각 안테나 소자 및 위상 변조기에 분배된다. 이 때문에 고출력 송신 마이크로파가 위상 변조기를 직접 통과하게 되므로, 내전력성 측면에서 페라이트 위상 변조기가 많이 사용된다. 이 위상 변조기와 급전 분배 회로의 손실의 영향을 받아 송신 출력 감소 및 수신 신호 감소가 발생한다는 제약이 있다. 또한, 안테나 전체를 담당하기 위해 송신기는 상당한 고출력이 되어야 하며, 이 송신기에 고장이 발생하면 레이더 기능 상실로 직결된다.

4. 2. 능동 위상 배열 (AESA)

AESA(Active Electronically Scanned Array, 능동 전자 주사 배열)는 각 안테나 소자에 송신 및 수신 기능을 통합한 위상배열 레이더의 한 종류이다. 각 소자는 자체적으로 전파를 송수신하고 위상을 조절할 수 있는 T/R 모듈(송수신 모듈)을 포함하고 있다.^[13] 이러한 구조 덕분에 AESA는 기존의 PESA(수동 위상배열)에 비해 여러 주파수의 다중 빔을 동시에 생성하여 여러 목표물을 탐지하고 추적할 수 있다.^[12]

AESA의 핵심 구성 요소는 T/R 모듈이다. 이 모듈은 송신 증폭, 수신 증폭, 위상 천이기(위상 이동기)를 포함하여, 각 안테나 소자에서 전송되는 신호의 위상을 정밀하게 제어한다.^[42] 이를 통해 빔의 방향을 전자적으로 빠르게 조향할 수 있으며, 송신 펄스 종료 후 위상 재설정이 필요하지 않아 도플러 레이더 및 펄스 도플러 레이더와 호환성이 우수하다.

AESA는 여러 개의 T/R 모듈을 배열하여 구성되는데, 각 모듈은 독립적으로 작동하면서도 전체적으로는 하나의 큰 안테나처럼 기능한다. 이를 통해 공간적으로 전력을 합성하여 큰 송신 출력을 얻을 수 있다.^[12] 또한, 일부 T/R 모듈이 고장나더라도 전체 레이더 성능에 미치는 영향이 적고, 반도체 기술의 발전으로 개별 모듈의 신뢰성이 향상되었다는 장점이 있다.^[12]

AESA는 PESA보다 복잡하고 가격이 비싸다는 단점이 있지만, 높은 성능과 유연성 덕분에 군사적 목적으로 널리 사용되고 있다.

4. 3. 하이브리드 및 기타 유형

하이브리드 빔 형성은 능동 전자 스캔 배열(AESA)과 디지털 빔 형성(DBF) 위상 배열의 조합이다. 능동 위상 배열인 서브어레이를 사용하며, 서브어레이는 결합되어 전체 배열을 형성한다. 각 서브어레이에는 자체 디지털 수신기/여기기가 있어 동시 빔 클러스터 생성이 가능하다.^[12]

디지털 빔 형성(DBF) 위상 배열은 배열의 각 요소에 디지털 수신기/여기기를 가지며, 각 요소의 신호는 수신기/여기기에 의해 디지털화된다. 안테나 빔은 FPGA 또는 배열 컴퓨터에서 디지털 방식으로 형성될 수 있으며, 이를 통해 여러 개의 동시 안테나 빔을 형성할 수 있다.^[12]

적합 안테나는 개별 안테나가 평면이 아닌 곡면에 장착된 위상 배열이다.^[14] 위상 변위기는 안테나 요소의 표면상 다양한 위치로 인한 파의 다른 경로 길이를 보상하여 배열이 평면파를 방사할 수 있도록 한다. 적합 안테나는 항공기 및 미사일에 사용되어 항공기 곡면에 안테나를 통합, 공기역학적 항력을 줄인다.

5. 응용 분야

위상 배열 기술은 군사, 민간, 연구 등 다양한 분야에 폭넓게 응용된다.

방송 공학에서 '위상 배열'은 여러 개의 마스트 방사기 배열로, 지향성 방사 패턴을 가지도록 설계된다. 이는 단일 마스트가 무지향성 패턴을 방사하는 것과 다르다. 방송용 위상 배열은 고정된 방사 패턴을 가지며, 다른 위상 배열처럼 작동 중에 '조향'되지는 않는다.

광학 분야에서는 가시광선 또는 적외선 영역의 전자기파에서 광 위상 배열을 구성할 수 있다. 이는 통신용 파장 다중화기 및 필터,^[31] 레이저 빔 조향, 홀로그래피에 사용된다. 합성 배열 헤테로다인 검출은 전체 위상 배열을 단일 요소 광검출기에 다중화하는 효율적인 방법이다. 광 위상 배열 송신기의 동적 빔 형성은 렌즈나 기계적으로 움직이는 부품 없이 전자적으로 래스터 또는 벡터 스캔 이미지를 생성하는 데 사용될 수 있다.^[32] 광 위상 배열 수신기는 선택적으로 다른 방향을 볼 수 있도록 렌즈 없는 카메라 역할을 하는 것으로 입증되었다.^[33]^[34]

2014년에는 위상 배열 안테나가 RFID 시스템에 통합되어 기존 수동 UHF 태그를 사용하면서도 단일 시스템의 적용 면적을 100% 증가시켜 76200㎡(76200m²)에 달하게 되었다.^[36]

위상배열 급전기(Phased Array Feeds, PAF)^[39]는 최근 여러 개의 빔을 제공하여 전파망원경에 매우 넓은 시야를 제공하기 위해 전파망원경의 초점에 사용되고 있다. 세 가지 예로는 오스트레일리아의 ASKAP 전파망원경, 네덜란드의 웨스터보크 합성 전파망원경에 대한 Apertif 업그레이드, 그리고 미국의 플로리다 우주 연구소가 있다.

5. 1. 군사적 응용

위상 배열은 탄도 미사일 추적 레이더를 위해 발명되었으며, 빠른 추적 능력 때문에 군사용으로 널리 사용된다. 예를 들어, 빔 조향 속도가 빠르기 때문에 위상 배열 레이더는 군함이 하나의 레이더 시스템으로 표면 탐지 및 추적(함선 탐지), 공중 탐지 및 추적(항공기 및 미사일 탐지), 미사일 업링크 기능을 수행할 수 있게 한다. 이러한 시스템을 사용하기 전에는 비행 중인 각 지대공 미사일에 전용 사격통제 레이더가 필요했기 때문에 레이더 유도 무기는 동시에 소수의 표적만 공격할 수 있었다. 위상 배열 시스템은 미사일 비행 중 중간 단계에서 미사일을 제어하는 데 사용될 수 있다. 비행의 종단 부분에서는 연속파 사격통제 장치가 표적에 대한 최종 유도를 제공한다.^[25] 안테나 패턴이 전자적으로 조향되기 때문에 위상 배열 시스템은 여러 표적을 동시에 사격통제 품질 추적을 유지하면서 여러 비행 중인 미사일을 제어할 만큼 빠르게 레이더 빔을 조향할 수 있다.

능동 위상배열 레이더는 작센급 호위함 F220 함부르크의 상부 구조물에 장착되어 있으며 독일 해군 소속이다.

현대 미국 순양함과 구축함에 배치된 AN/SPY-1 위상 배열 레이더(이지스 전투 시스템의 일부)는 "탐색, 추적 및 미사일 유도 기능을 100개 이상의 표적에 대해 동시에 수행할 수 있다."^[25] 마찬가지로, 프랑스와 싱가포르에서 사용되는 탈레스 헤라클레스 위상 배열 다기능 레이더는 200개의 표적 추적 능력을 가지고 있으며, 단일 스캔에서 자동 표적 탐지, 확인 및 추적 개시를 달성하는 동시에 함선에서 발사된 MBDA 아스터 미사일에게 중간 단계 유도 업데이트를 제공한다.^[26] 독일 해군과 네덜란드 해군은 능동 위상배열 레이더(APAR) 시스템을 개발했다. MIM-104 패트리엇 및 기타 지상 기반 대공 시스템은 유사한 이점을 위해 위상 배열 레이더를 사용한다.

위상 배열은 해군 소나, 능동형(송수신) 및 수동형(수신 전용), 선체 장착 및 예인 배열 소나에서 사용된다.

5. 2. 민간 분야

위상배열 기술은 군사 분야뿐만 아니라 민간 분야에서도 다양하게 활용되고 있다. 주요 활용 분야는 다음과 같다.

기상 관측: 뇌우, 토네이도 등 기상 현상 관측 및 예측
항공 교통 관제
통신: AM 방송 라디오 방송국에서 신호 세기를 향상, 스타링크와 같은 저궤도 위성 통신 시스템에서 광대역 인터넷 연결 제공
의료 영상

오클라호마주 노먼에 있는 국립 심한 폭풍 연구소(National Severe Storms Laboratory)에 설치된 AN/SPY-1A 레이더.

5. 2. 1. 기상 관측

미국 해군이 제공한 SPY-1A 위상배열 안테나를 국립 심한 폭풍 연구소(National Severe Storms Laboratory)가 오클라호마주 노먼 시설에서 2003년 4월 23일부터 기상 연구에 사용하고 있다. 이 연구는 뇌우와 토네이도에 대한 이해를 높여 결국 경보 시간을 늘리고 토네이도 예측을 향상시키는 것을 목표로 한다. 현재 프로젝트 참여자는 국립 심한 폭풍 연구소와 국립 기상청 레이더 운영 센터, 록히드 마틴(Lockheed Martin), 미국 해군(United States Navy), 오클라호마 대학교(University of Oklahoma) 기상학과, 전기 및 컴퓨터 공학과, 대기 레이더 연구 센터(Atmospheric Radar Research Center), 오클라호마 고등 교육 이사회, 미 연방 항공청(Federal Aviation Administration), 기본 상업 및 산업체 등이다. 이 프로젝트에는 연구 개발(research and development), 향후 기술 이전(technology transfer), 미국 전역에 걸친 시스템 배치 가능성이 포함된다. 완료까지 10년에서 15년이 걸릴 것으로 예상되며, 초기 건설 비용은 약 2500만달러였다.^[29] 일본 이화학연구소 첨단 컴퓨팅 과학 연구소(RIKEN Advanced Institute for Computational Science, AICS)의 연구팀은 새로운 알고리즘을 사용한 위상배열 레이더를 이용하여 실시간 기상 예보(3D NowCasting)에 대한 실험 연구를 시작했다.^[30]

위상배열기상레이더(PAWR)^[49]^[50]^[51]
다중매개변수 위상배열 기상레이더(MP-PAWR)^[52]

5. 2. 2. 통신

위상 배열은 많은 AM 방송 라디오 방송국에서 신호 세기를 향상시켜 허가 도시의 수신 범위를 넓히는 동시에 다른 지역에 대한 간섭을 최소화하는 데 사용된다. 중파 주파수에서 주간과 야간의 전리층 전파의 차이로 인해, AM 방송국은 매일 해돋이와 해넘이에 개별 안테나 요소(마스트 방사기)에 공급되는 위상과 전력 수준을 전환하여 주간(지표파) 및 야간(천파) 방사 패턴 간을 전환하는 것이 일반적이다.^[35] 단파 방송의 경우 많은 방송국이 수평 다이폴의 배열을 사용한다. 일반적인 배열은 4×4 배열로 16개의 다이폴을 사용한다. 일반적으로 이것은 와이어 그리드 반사기 앞에 있다. 위상은 종종 방위각 및 때로는 고도에서 빔 조향을 허용하도록 전환할 수 있다.

스타링크는 2021년 기준으로 건설 중인 저궤도 위성 위성 집합체이다. 이는 소비자에게 광대역 인터넷 연결을 제공하도록 설계되었으며, 시스템의 사용자 단말기는 위상 배열 안테나를 사용할 것이다.^[35]

5. 3. 우주 탐사

수성 탐사 임무(2011~2015)였던 메신저(MESSENGER) 우주선은 통신에 위상배열 안테나를 사용한 최초의 심우주 탐사 임무였다.^[27] 방사 요소는 원편파(circularly-polarized) 슬롯 도파관(slotted waveguide)이었다. X 대역을 사용하는 이 안테나는 26개의 방사 요소를 사용하며, 고장 허용(gracefully degrade) 기능을 갖는다.^[28]

6. 대한민국 현황 및 전망

대한민국은 LIG넥스원, 한화시스템 등 국내 방산업체들을 중심으로 위상배열 레이더 기술 자립화를 추진하고 있다.

6. 1. 국방 분야

대한민국 국군은 LIG넥스원과 한화시스템 등 국내 방산업체들의 주도로 위상배열 레이더 기술 자립화를 위해 노력하고 있다. LIG넥스원은 KDDX 사업의 일환으로 개발 중인 전투체계의 핵심 센서인 다기능 능동위상배열(AESA) 레이더 개발에 참여하고 있다.^[1] 한화시스템은 KF-X에 탑재되는 AESA 레이더를 개발하여 성공적으로 시험 비행을 마쳤다.^[2]

7. 특징

위상배열 레이더는 설계가 복잡하고 가격이 비싸다는 단점이 있지만, 다음과 같은 다양한 장점을 가진다.^[1]

전파 빔 형상 변경 용이: 빔 형성 능력이 우수하여 탐색, 탐지, 추적 등 각 기능에 적합한 형태의 빔을 만들 수 있다.^[1] 예를 들어 탐색 모드에서는 수직 방향은 넓고 수평 방향은 좁은 팬 빔을 사용하고, 추적 모드에서는 빔폭을 좁힌 펜슬 빔으로 빠르게 전환할 수 있다.^[1] 또한 위상 변환기를 제어하여 송신 시와 수신 시의 사이드 로브(side lobe) 패턴을 다르게 만들어 방해 전파를 억제할 수 있다.^[1]

데이터 획득률 향상: 고속 빔 스캐닝 제어를 통해, 먼저 고PRF(펄스 반복률) 송신으로 속도를 탐지하여 원거리 목표물을 찾은 후, FM 렌징으로 거리를 탐지하여 신호 대 잡음비(S/N비)를 확보하고 탐지 거리를 늘릴 수 있다.^[1]

반응 시간 단축: 함선에 탑재된 레이더의 경우, 선체 흔들림으로 인해 빔 방향이 바뀌면 정밀도가 떨어질 수 있다. 기존에는 기계적으로 안테나를 안정화해야 했지만, 위상배열 레이더는 전자적으로 빔을 안정화하여 매우 짧은 시간에 원하는 방향으로 빔을 보낼 수 있다.^[1]

7. 1. 다기능성

위상배열 레이더는 빔 스캐닝을 전자적으로 수행하여 기존 레이더보다 훨씬 빠르고 다양한 동작을 실현할 수 있다. 예를 들어, 탐색 범위 내 여러 목표물을 탐지한 경우에도 대공 탐색과 추적을 시분할로 전환하여 다목표 동시 탐색·추적(Multiple target track, MTT)을 할 수 있다.^[1] 또한, 기존 레이더는 추적 목표물 유무에 관계없이 일정 속도로 빔 스캐닝을 하는 반면, 위상배열 레이더는 고속 빔 제어를 통해 추적 목표물에 집중적으로 송신 전력을 방사하여 최적 배분을 실현할 수 있다.^[1]

위상배열 레이더는 송신 빔을 고속으로, 그리고 임의로 스캐닝할 수 있는 특성을 활용하여 대공 목표물 탐색과 대지·수상 목표물 탐색을 동시에 수행할 수도 있다.^[1]

7. 2. 신뢰성

위상배열 레이더는 위상 변환기를 제어하여 전파 빔을 2차원으로 스캐닝하므로, 탐색, 탐지, 추적 기능을 위한 기계적 회전 기구가 필요 없다. 이는 신뢰성을 높이고 소형화 및 경량화에 기여한다.^[5] 안테나에 회전부가 없어지면서 레이더 반사 면적도 감소한다.^[5]

특히 AESA(능동전자주사배열) 방식 안테나는 송신부에 반도체 증폭기를 사용하므로, 진공관 없이 반도체 집적 회로만으로 시스템 구성이 가능하다. 이는 신뢰성을 더욱 높이고 소형화 및 경량화를 돕는다.^[5]

일반적인 위상배열 레이더는 수백 개에서 수천 개 이상의 안테나 모듈로 구성된다. 따라서 모듈 일부가 손상되어도 손상률이 10% 정도 이하라면 성능 저하는 경미하며, 거의 정상적인 운용이 가능하다.^[8]

7. 3. 빔 조향

각 배열 요소는 조절 가능한 위상 시프터를 가지고 있다. 이 위상 시프터들은 빔을 배열면에서 이동시키는 데 사용된다.

동적 위상 배열은 빔을 조준하기 위해 물리적 이동이 필요 없다. 빔은 전자적으로 이동한다. 이는 레이더 장치 하나로 여러 표적을 동시에 추적하면서 새로운 표적을 탐색할 수 있을 만큼 빠른 안테나 동작을 가능하게 한다. 이러한 기능을 '탐색 중 추적(track while search)'이라고 한다.

예를 들어, 펄스율이 1kHz인 2도 빔을 가진 안테나는 약 8초 만에 8,000개의 조준 위치로 구성된 전체 반구를 덮을 수 있다. 이 구성은 1000m/s 속도의 차량을 100km 범위 내에서 12번 탐지할 기회를 제공하며, 이는 군사적 용도에 적합하다.

기계적으로 조향되는 안테나는 위치를 예측할 수 있어 레이더 작동을 방해하는 전자 대응책을 만드는 데 사용될 수 있다. 위상 배열 작동은 빔을 임의의 위치로 조준할 수 있게 하여 이러한 취약점을 제거한다. 이는 군사적 용도에 바람직하다.

AN/SPS-39과 같은 기존의 3차원 레이더는 주파수 스캐닝(frequency scanning, FRESCAN) 방식을 사용했다. 이 방식은 주파수를 변화시켜 각 안테나 소자의 위상을 가상적으로 변화시켜 빔을 스캐닝하는 방식이다. 빔의 지향성에 대한 자유도가 낮았기 때문에, 수직 방향 스캐닝에만 FRESCAN을 사용하고 수평 방향 스캐닝은 안테나를 직접 지향하는 기계식으로 하는 경우가 많았다.

위상배열 안테나는 위상 자체를 제어하는 위상 스캐닝(phase scanning) 방식을 사용한다. 각 안테나 소자(방사 소자)에 위상 천이기(移相器)를 연결하고 위상 천이량을 제어하여 빔 스캐닝을 수행한다. 위상 천이기로 위상 천이량을 임의로 설정할 수 있어 FRESCAN 방식보다 자유도가 매우 크다.

원리적으로는 초기부터 제창되었지만, 위상 천이기를 비롯한 미세 가공 기술, 반도체 기술, 신호 처리, 고속 전자 계산기 기술의 발전에 따라 1970년대부터 3차원 레이더의 주류로 부상했다.

위상배열 기술은 설계가 복잡하고 가격이 비싸다는 단점이 있지만, 다음과 같은 많은 장점을 가진다.

다기능 동시 처리: 빔 스캐닝은 전자 계산기를 사용하여 고속으로 다양한 동작을 실현할 수 있다. 예를 들어, 대공 탐색과 추적을 시분할로 전환하여 다수의 목표물을 동시에 탐색·추적(Multiple target track, MTT)할 수 있다. 또한, 추적 목표물에 집중적으로 송신 전력을 방사하여 최적 배분을 실현할 수 있다.
가동 부분 및 진공관 배제: 위상배열 레이더는 위상 변환기를 제어하여 전파 빔을 2차원으로 스캐닝하므로 기계적 회전 기구가 불필요하다. 이는 신뢰성 향상 및 소형·경량화를 가능하게 한다. 또한, 안테나 부분의 레이더 반사 단면적 감소에도 기여한다. 하지만, 운용 요구 및 비용 대비 효과 등을 고려하여 기계적 회전 기구를 갖도록 설계할 수도 있다. 특히, AESA 방식 안테나는 송신부에 반도체 증폭기를 사용하여 시스템에서 진공관을 배제하고 반도체 집적 회로만으로 구성할 수 있어 신뢰성 향상 및 소형·경량화에 유리하다.
전파 빔 형상 변경 용이: 탐색·탐지·추적 기능에 적합한 형상의 빔을 형성할 수 있다. 예를 들어, 탐색 모드에서는 수직 방향은 넓고 수평 방향은 좁은 팬 빔을 사용하고, 추적 모드에서는 빔폭을 좁힌 펜슬 빔으로 전환할 수 있다. 또한, 위상 변환기 제어를 통해 송신 시와 수신 시의 사이드 로브 패턴을 변경하여 대폭 억압할 수 있다.
데이터 획득률 향상: 고속 빔 스캐닝 제어를 통해 원거리 목표물 탐색 후 거리 탐지를 수행하여 S/N비 확보와 탐지 거리 연장을 양립할 수 있다. 또한, 대공 목표물 탐색과 대지·수상 목표물 탐색을 동시에 수행할 수 있다.
반응 시간 단축: 함재 레이더의 경우, 선체 요동에 의한 빔 지향 방향 변화를 전자적으로 보정하여 빔을 빠르게 안정화할 수 있다.
전자 방호 능력 향상: 사이드 로브 패턴을 자유롭게 변경하여 전자 공격(방해)의 영향을 줄일 수 있다. 메인 로브 방향의 방해파에 대해서는 빔을 집중시켜 탐지 능력을 개선할 수도 있다. 특히 AESA는 안테나 소자별로 전파 주파수를 바꾸어 다양한 주파수 대역의 전파를 발사하는 주파수 호핑 방식 스펙트럼 확산 기능을 통해 피탐지 가능성을 줄일 수 있다.
항탐성 향상: 수백, 수천 개 이상의 안테나 모듈로 구성되어 일부가 손상되어도 10% 정도 이하라면 성능 저하가 경미하여 정상적인 운용이 가능하다.

7. 4. 전자전 대응

위상배열 레이더는 사이드 로브 패턴을 자유롭게 변경할 수 있어, 전자 공격(방해)의 영향을 줄이도록 제어할 수 있다. 메인 로브 방향에서 오는 방해파에 대해서는 빔을 집중시켜 탐지 능력을 향상시킬 수 있다.^[5] 특히 AESA(능동전자주사배열)는 안테나 소자별로 발사되는 전파의 주파수를 바꾸어, 출력이 약한 다양한 주파수 대역의 전파를 다양한 스캐닝 방향과 패턴으로 발사할 수 있다. 목표물에서 반사되어 돌아오는 전파들을 모두 수신하여 컴퓨터로 처리함으로써 목표물을 탐지한다. 또한 다양한 주파수 대역의 전파를 발사하는 주파수 호핑 방식 스펙트럼 확산 기능은 주파수가 광범위하게 퍼지고 전파 출력이 작기 때문에, 레이더에 탐지될 가능성을 줄일 수 있다.^[6]

참조

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_[5] 서적 Antenna Theory and Design https://books.google[...] John Wiley & Sons 2012
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