KR102484417B1 - 안티 드론용 복합 탐지 장치 - Google Patents

안티 드론용 복합 탐지 장치 Download PDF

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이한석
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(주)파이온시스템즈
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Abstract

본 발명은 복합 탐지 장치에 관한 것으로서, 다중 주파수 대역 복합 안테나를 포함하며, 안테나 빔을 방사하기 위한 안테나부, 접지 기능을 수행하기 위한 그라운드부, 상기 안테나부를 통해 레이더 주파수 대역의 고주파 신호와 드론 통신 주파수 대역의 RF신호를 송수신하기 위한 고주파 송수신부 및 상기 고주파 송수신부에서 송수신한 고주파 신호를 처리하기 위한 고주파 송수신 처리부를 포함하는 고주파 송수신 모듈을 포함하여 이루어진다.
본 발명의 안티 드론용 복합 탐지 장치에 의하면, 레이더 방식과 RF 신호 탐지 방식을 단일 장치에 통합함으로써, 레이더 방식과 RF신호 탐지 방식의 단점을 상호 보완하여 탐지 성능과 신뢰도를 개선할 수 있는 효과가 있다.

Description

안티 드론용 복합 탐지 장치 {Hybrid Sensor device for anti-drone}
본 발명은 안티 드론용 복합 탐지 장치에 관한 것으로서, 특히 드론과 같은 소형 비행체를 탐지하는 레이더와, 드론이 발신하는 전파신호를 수신하여 탐지하는 RF 신호 탐지 장치를 단일의 하드웨어에 통합하여, 탐지 성능과 신뢰도를 달성할 수 있는 복합 탐지 장치에 관한 것이다.
드론으로 불리는 소형 무인 비행체(이하, '드론'으로 칭함)를 이용한 산업과 이에 관련된 기술이 전 세계적으로 급속히 발전하고 있다.
이렇게 드론이 새로운 성장산업으로 주목받으면서 그 가치와 효용성이 갈수록 커지고 있지만, 드론에 대한 위협과 부작용이 동시에 증가함에 따라 우려의 목소리도 높아지고 있다. 특히, 드론을 이용한 테러 등의 불법적인 활용과 드론의 공항 근처 비행에 따른 유인 항공기와의 충돌 등의 부작용도 매우 심각하게 대두되고 있는 상황이다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 드론을 사전에 탐지하거나 무력화하기 위한 기술을 개발하고자 하는 시도들이 있어 왔으나, 최근의 드론은 크기가 작을 뿐만 아니라 비금속 재질로 제작이 되어 기존의 2차원 레이더로는 탐지하기가 매우 어려운 문제점을 안고 있다.
더욱이 폭탄 등과 같은 위험물질을 장착한 드론의 경우에는 대응 시간을 확보하기 위해 드론의 접근을 원거리에서 사전에 탐지하는 것이 반드시 필요하며, 이에 따라 탐지 요구 성능에 부합하는 맞춤형 성능과 신뢰도를 제공할 수 있는 탐지 장치가 필요하다.
드론을 탐지하는 기존의 방식들은 레이더 탐지, RF 신호 탐지, 음향 탐지 등의 수단을 이용하여 왔으며, 개별 수단별로 독립적인 별도 장치들이 공급되고 있다. 이 중에 드론의 비행 음향을 이용한 탐지 방식은 상대적으로 운용거리가 짧아서 실제 환경에서 운용하는데 제한이 있어, 레이더와 RF 신호 수신 방식이 주요 탐지수단으로 활용되어 왔으나, 레이더는 드론에 반사되는 전파신호를 탐지하는 방식이므로 도심지 등의 복잡한 환경에서 운용될 경우에 주변에서 반사되는 신호들로 인해 신뢰도가 저하되는 단점이 있고, RF 신호 탐지 방식은 드론이 발신하는 전파신호를 수신하여 탐지하는 방식이므로 드론이 신호를 발신하지 않으면 탐지 자체가 되지 않는 단점을 가지고 있다.
대한민국 등록특허 10-2302759
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 다중 주파수 대역을 지원하는 복합 안테나를 이용하여 레이더와 RF 신호 탐지 방식을 단일 장치에 통합한 복합 탐지 장치를 제공하고, 원통형 배열 안테나를 이용한 AESA(Active Electronically Scanned Array) 빔포밍을 적용하여 특정 방향에 대한 안테나 빔 생성과 생성된 빔의 회전을 용이하게 할 수 있어서 기계적 회전이나 복수의 장치를 설치하지 않고도 전방향(全方向)을 탐지할 수 있는 원통형 어레이 형태의 복합 탐지 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 복합 탐지 장치에 관한 것으로서, 다중 주파수 대역 복합 안테나를 포함하며, 안테나 빔을 방사하기 위한 안테나부, 접지 기능을 수행하기 위한 그라운드부, 상기 안테나부를 통해 레이더 주파수 대역의 고주파 신호를 송수신하고 드론을 포함하는 소형 비행체가 발신하는 RF 신호를 수신하기 위한 고주파 송수신부 및 상기 고주파 송수신부에서 송수신한 고주파 신호를 처리하기 위한 고주파 송수신 처리부를 포함하는 고주파 송수신 모듈을 포함하여 이루어진다.
상기 다중 주파수 대역 복합 안테나는 레이더 신호를 송신하고 표적에 반사되어 돌아오는 레이더 반사신호를 수신하기 위한 레이더 안테나 빔과, 드론을 포함하는 소형 비행체가 발신하는 RF 신호를 수신하기 위한 RF 신호 탐지 안테나 빔을 동시에 생성한다.
상기 다중 주파수 대역 복합 안테나는 다중 주파수 대역을 지원하기 위하여, 적층형의 PCB에 서로 다른 주파수 대역의 안테나가 패치 형태로 구성될 수 있다.
상기 다중 주파수 대역 복합 안테나에서 다중 주파수 대역 중에서 일부 주파수 대역은 레이더 주파수 대역을 수용하고, 나머지 주파수 대역은 드론을 포함하는 소형 비행체가 발신하는 RF 통신 주파수 대역을 수용할 수 있다.
다수의 고주파 송수신 모듈이 원형으로 배열되고, 상기 다수의 고주파 송수신 모듈과 주고받는 신호 데이터를 처리하는 링 어레이 신호처리부가 고주파 송수신 모듈의 배열 중심부에 배치된 링 어레이 및 상기 다수의 고주파 송수신 모듈의 안테나 빔포밍을 수행하며, 표적을 탐지하고 추적하는 신호처리를 하는 메인 신호처리부를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 메인 신호 처리부는, 고주파 송수신 모듈 간의 동기화를 위한 공통 클럭 신호를 생성하는 공통 클럭 신호 생성부 및 고주파 송수신 모듈 간의 동기화를 위한 공통 동기 신호를 생성하는 공통 동기 신호 생성부를 포함하여 이루어지질 수 있다.
상기 링 어레이 신호처리부는, 상기 공통 클럭 신호 생성부에서 생성된 공통 클럭 신호를 전체 고주파 송수신 모듈에 분배하기 위한 공통 클럭 신호 분배부 및 상기 공통 동기 신호 생성부에서 생성된 공통 동기 신호를 전체 고주파 송수신 모듈에 분배하기 위한 공통 동기 신호 분배부를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 고주파 송수신 모듈은, 상기 공통 클럭 신호 분배부에서 분배된 공통 클럭 신호와 상기 공통 동기 신호 분배부에서 분배된 공통 동기 신호를 이용하여, 시간영역에서 레이더 신호 송신 구간과 반사신호 수신 구간으로 구분하여 신호를 생성하되, 송신 구간에서는 레이더 송신 신호를 생성하고, 수신 구간에서는 국부 발진 신호 용도로 사용하기 위한 톤 신호를 생성할 수 있다.
상기 고주파 송수신 모듈은, RF 신호를 하향 변환하기 위해 필요한 톤 신호를 RF 신호 탐지부에 분배할 수 있다.
본 발명의 안티 드론용 복합 탐지 장치에 의하면, 레이더 방식과 RF 신호 탐지 방식을 단일 장치에 통합함으로써, 레이더 방식과 RF신호 탐지 방식의 단점을 상호 보완하여 탐지 성능과 신뢰도를 개선할 수 있는 효과가 있다.
또한, 단일 장치에 레이더, RF신호 탐지 장치가 통합되므로 설치공간을 줄일 수 있는 이점이 있다.
또한, 원형으로 배열된 송수신 모듈을 이용한 AESA 빔포밍을 적용하여 기계적 회전 없이도 전(全)방향을 탐지할 수 있을 뿐만 아니라, 전방향 탐지를 위해 복수의 장치를 설치하지 않아도 되는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 탐지 장치의 개념도를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 탐지 장치에서 고주파 송수신 모듈의 구조 및 형상을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 탐지 장치에서 다중 주파수 대역 복합 안테나 구조를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 탐지 장치에서 원통형 배열 안테나 복합 탐지 장치의 구성을 개념적으로 도시한 블록도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배열 안테나 복합 탐지 장치에서 송수신 모듈 간의 클럭 신호와 동기 신호의 동기화를 위한 구조를 도시한 블록도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더 방식과 RF 신호 탐지 방식 통합형 고주파 송수신 모듈 구조를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 고주파 송수신 모듈에서 레이더부의 구조를 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 고주파 송수신 모듈에서 생성하는 레이더 신호의 주파수를 운용하는 방법을 예시한 것이다.
도 9는 도 8의 레이더 신호를 주파수 영역에서 도시한 것이다.
도 10 내지 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 어레이 형태의 복합 탐지 장치의 구조를 도시한 것이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 어레이 형태의 복합 탐지 장치에서 방열 모습을 예시한 것이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 갖는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 발명은 복합 탐지 장치에 관한 것으로서, 다중 주파수 대역 복합 안테나를 포함하며, 안테나 빔을 방사하기 위한 안테나부, 접지 기능을 수행하기 위한 그라운드부, 상기 안테나부를 통해 레이더 주파수 대역의 고주파 신호를 송수신하고 드론을 포함하는 소형 비행체가 발신하는 RF 신호를 수신하기 위한 고주파 송수신부 및 상기 고주파 송수신부에서 송수신한 고주파 신호를 처리하기 위한 고주파 송수신 처리부를 포함하는 고주파 송수신 모듈을 포함하여 이루어진다.
상기 다중 주파수 대역 복합 안테나는 레이더 신호를 송신하고 표적에 반사되어 돌아오는 레이더 반사신호를 수신하기 위한 레이더 안테나 빔과, 드론을 포함하는 소형 비행체가 발신하는 RF 신호를 수신하기 위한 RF 신호 탐지 안테나 빔을 동시에 생성한다.
상기 다중 주파수 대역 복합 안테나는 다중 주파수 대역을 지원하기 위하여, 적층형의 PCB에 서로 다른 주파수 대역의 안테나가 패치 형태로 구성될 수 있다.
상기 다중 주파수 대역 복합 안테나에서 다중 주파수 대역 중에서 일부 주파수 대역은 레이더 주파수 대역을 수용하고, 나머지 주파수 대역은 드론을 포함하는 소형 비행체가 발신하는 RF 통신 주파수 대역을 수용할 수 있다.
다수의 고주파 송수신 모듈이 원형으로 배열되고, 상기 다수의 고주파 송수신 모듈과 주고받는 신호 데이터를 처리하는 링 어레이 신호처리부가 고주파 송수신 모듈의 배열 중심부에 배치된 링 어레이 및 상기 다수의 고주파 송수신 모듈의 안테나 빔포밍을 수행하며, 표적을 탐지하고 추적하는 신호처리를 하는 메인 신호처리부를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 메인 신호 처리부는, 고주파 송수신 모듈 간의 동기화를 위한 공통 클럭 신호를 생성하는 공통 클럭 신호 생성부 및 고주파 송수신 모듈 간의 동기화를 위한 공통 동기 신호를 생성하는 공통 동기 신호 생성부를 포함하여 이루어지질 수 있다.
상기 링 어레이 신호처리부는, 상기 공통 클럭 신호 생성부에서 생성된 공통 클럭 신호를 전체 고주파 송수신 모듈에 분배하기 위한 공통 클럭 신호 분배부 및 상기 공통 동기 신호 생성부에서 생성된 공통 동기 신호를 전체 고주파 송수신 모듈에 분배하기 위한 공통 동기 신호 분배부를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 고주파 송수신 모듈은, 상기 공통 클럭 신호 분배부에서 분배된 공통 클럭 신호와 상기 공통 동기 신호 분배부에서 분배된 공통 동기 신호를 이용하여, 시간영역에서 레이더 신호 송신 구간과 반사신호 수신 구간으로 구분하여 신호를 생성하되, 송신 구간에서는 레이더 송신 신호를 생성하고, 수신 구간에서는 국부 발진 신호 용도로 사용하기 위한 톤 신호를 생성할 수 있다.
상기 고주파 송수신 모듈은, 상기 공통 클럭 신호 분배부에서 분배된 공통 클럭 신호와 상기 공통 동기 신호 분배부에서 분배된 공통 동기 신호를 이용하여, 시간영역에서 레이더 신호 송신 구간과 반사신호 수신 구간으로 구분하여 신호를 생성하되, 송신 구간에서는 레이더 송신 신호를 생성하고, 수신 구간에서는 국부 발진 신호 용도로 사용하기 위한 톤 신호를 생성하는 신호처리부, 상기 신호처리부에서 생성된 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하기 위한 디지털-아날로그 변환기 및 수신 구간에서 하향 변환된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하기 위한 아날로그-디지털 변환기를 더 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 고주파 송수신 모듈은, RF 신호를 하향 변환하기 위해 필요한 톤 신호를 RF 신호 탐지부에 분배할 수 있다.
상기 고주파 송수신 모듈은, RF 신호 탐지를 위해 수신한 RF 신호를 하향 변환하기 위한 주파수 하향 변환기를 더 포함하고, 상기 신호처리부는 RF 신호를 하향 변환하기 위해 필요한 톤 신호를 상기 주파수 하향 변환기에 분배할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 탐지 장치의 개념도를 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 탐지 장치(10)는 원통형으로 배열된 안테나에 레이더 신호를 송신하고 표적에 반사되어 돌아오는 반사 신호를 수신하기 위한 레이더 안테나빔과, 드론과 같은 소형 무인비행체가 발신하는 RF 신호를 수신하기 위한 RF 신호 탐지 안테나빔을 동시에 생성하고, 이를 통해서 레이더와 RF 신호 탐지를 단일 장치에 일체화하여 통합하는 구조이다.
도 1의 실시예에서 복합 탐지 장치(10)는 세 층의 링 어레이가 적층된 구조이고, 각 링 어레이는 다수의 고주파 송수신 모듈(110)을 구비하고 있는 형태이다. 본 발명의 복합 탐지 장치(10)는 링 어레이를 추가하지 않고 여러 주파수 대역을 지원하는 안테나와 고주파 송수신부를 구비하는 방식으로 레이더 방식과 RF 신호 탐지 방식을 하나의 하드웨어에 통합한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 탐지 장치에서 고주파 송수신 모듈의 구조 및 형상을 도시한 것이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 탐지 장치에서 다중 주파수 대역 복합 안테나 구조를 도시한 것이다.
도 2와 도 3은 레이더와 RF 신호 탐지를 단일 장치에 일체화하여 통합하는 구조를 구현하기 위한 고주파 송수신 모듈(110)과 안테나의 구조를 도시한 것으로서, 고주파 송수신 모듈(110)은 안테나부(112), 그라운드부(113), 고주파 송수신부(114), 고주파 송수신 처리부(115)와 함체(111)로 구성되며, 안테나와 송수신부가 일체화 결합되어 복합 탐지 장치의 고주파 신호를 독립적으로 송신하고 수신하는 역할을 수행하게 된다.
또한, 레이더와 RF 신호 탐지를 동시에 지원하기 위해서 원통형 배열 안테나에 장착되는 고주파 송수신 모듈(110)의 안테나는 다중의 주파수 대역을 지원하도록 적층형의 PCB에 여러 주파수 대역의 안테나를 패치 형태로 복합하여 구성되며, 각 층의 안테나들의 구현 패턴은 대역폭, 이득 등의 요구되는 성능을 달성하기 위해서 다양한 형태로 구성이 가능하다. 이때, 다중의 주파수 대역 중에서 일부 주파수 대역은 레이더 주파수 대역을 수용하고, 나머지 주파수 대역은 드론이 사용하는 RF 통신 주파수 대역을 수용함으로써 레이더와 RF 신호 탐지 방식을 일체화하여 통합할 수 있도록 한다. 이러한 주파수 대역의 구성은 일 실시예이며, 주파수 대역의 구성에 따라서 본 발명의 복합 탐지 장치는 무인 비행체 탐지 외의 다른 활용분야에도 사용이 가능한 다목적의 하드웨어로 구성할 수도 있다.
도 2 및 도 3의 실시예에서, 다중 주파수 대역 복합 안테나(112)는 RF 커넥터(21)를 통해 다수의 안테나 PCB가 적층되는 구조이다. 더 상세히 설명하면, 제1 유전체부(1, 2, 3)와 제2 유전체부(4)가 형성되어 있고, 각 유전체 상에 서로 다른 주파수 대역의 안테나 패턴(11, 12, 13)이 적층되어 형성되는 구조이다. 예를 들어, 비아홀을 통해 RF 커넥터(21)에서 각 안테나 패턴(11, 12, 13)으로 급전될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 탐지 장치에서 원통형 배열 안테나 복합 탐지 장치의 구성을 개념적으로 도시한 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배열 안테나 복합 탐지 장치 구성을 도시한 것으로서, 복합 탐지 장치는 링 어레이(100)와 메인 신호처리부(200)를 포함한다. 그리고 링 어레이(100)는 고주파 송수신 모듈(110)과 링 어레이 신호처리부(120)를 포함하여 이루어진다.
본 발명의 일 실시예에서 고주파 송수신 모듈(110), 링 어레이 신호처리부(120), 메인 신호처리부(200)는 케이블로 연결되어 상호간에 신호 데이터를 송수신할 수 있다.
고주파 송수신 모듈(110)은 레이더 주파수 대역의 고주파 신호를 처리하고 송수신하는 역할을 수행하고, 링 어레이 신호처리부(120)는 고주파 송수신 모듈(110)과 주고 받은 신호 데이터를 전처리하며, 메인 신호처리부(200)는 원통형 배열 안테나 레이더의 안테나 빔포밍을 수행하고 표적 탐지 및 추적 등의 최종 신호처리를 수행한다. 또한, 고주파 송수신 모듈(110)은 드론이 발신하는 RF 통신 신호를 수신하여 처리하는 역할을 동시에 수행하며, 처리된 신호 데이터를 링 어레이 신호처리부(120)에 전달하고, 링 어레이 신호처리부(120)에서는 이 신호를 전처리하여 메인 신호처리부(200)에 전달한다. 메인 신호처리부(200)는 수신된 드론 통신 신호를 탐지 및 식별하는 신호처리를 수행한다. 여기서 구현 형상에 따라 메인 신호처리부(200)의 기능은 메인 신호처리부(200)와 링 어레이 신호처리부(120) 간에 분할하여 처리될 수도 있다. 또한, 필요에 따라 링 어레이 신호처리부(130)는 메인 신호처리부(200)에 통합하여 구현될 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 복합 탐지 장치는 AESA 방식의 빔포밍을 통해서 레이더와 RF 신호 탐지를 수행하며, 이를 구현하기 위해서 고주파 송수신 모듈 간에 신호 타이밍, 주파수 및 위상이 동기화될 필요가 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 탐지 장치는 고주파 송수신 모듈에 국부 발진 신호를 사용하지 않는 디지털 방식을 이용하며, 이러한 송수신 모듈 간의 동기화를 위한 구조를 도 5에 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 배열 안테나 복합 탐지 장치에서 송수신 모듈 간의 클럭 신호와 동기 신호의 동기화를 위한 구조를 도시한 블록도이다.
도 5를 참조하면, 메인 신호처리부(200)에서 공통의 클럭 신호와 동기 신호를 생성하고, 이를 전체 고주파 송수신 모듈에 분배함으로써, 고주파 송수신 모듈 간의 타이밍, 주파수와 위상의 동기화가 가능하다. 또한, 링 어레이 신호처리부(120)와 고주파 송수신 모듈(110) 간에 디지털 신호 케이블만 필요하므로, 케이블 수의 적어지고 배선이 단순해지는 장점이 있다.
도 5에서 공통 동기 신호 생성부(220)에서 공통 동기 신호를 생성하고, 공통 동기 신호 분배부(122)에서 다수의 고주파 송수신 모듈(110)에 분배한다. 즉, 본 발명에서는 로컬 오실레이터 신호를 사용하지 않고, 오직 클럭(clock) 신호와 동기 신호만 사용하여 클럭 타이밍만 정확하게 관리한다. 다시 말하면 로컬 오실레이터 신호 없이 공통 동기 신호인 디지털 신호만 사용하여 다수의 고주파 송수신 모듈(110)에 분배하는 풀 디지털 방식으로 구현된다. 이렇게 함으로써, 복합 탐지 장치(10) 내부의 회로 구조를 단순하게 구현할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더 방식과 RF 신호 탐지 방식 통합형 고주파 송수신 모듈 구조를 도시한 것이다.
도 6에서 고주파 송수신 모듈은 신호처리부(710), 디지털-아날로그 변환기(720), 아날로그-디지털 변환기(730), 레이더부(800), RF 신호 탐지부(900), 다중 주파수 대역 복합 안테나(740)를 포함한다.
도 6에서 고주파 송수신 모듈은 레이더부(800)와 RF 신호 탐지부(900)를 포함하여 이루어지며, 레이더부(800)는 송신부와 수신부로 구성되고, RF 신호 탐지부(900)는 수신부로 구성된다. 도 6에 예시된 고주파 송수신 모듈의 상세 구조는 본 발명의 실시 예를 나타내는 것으로서, 요구 성능에 따라서 다양한 기능의 블록 구성이 가능하다.
레이더부(800)는 체배기(802), 제1 대역 통과 필터(804), 분배기(806), 감쇠기(808), 제1 증폭기(810), 제2 대역 통과 필터(812), 제2 증폭기(814), 스위치(816), 저잡음 증폭기(818), 제3 대역 통과 필터(820), 제3 증폭기(822), 주파수 하향 변환기(824), 제4 증폭기(826), 제4 대역 통과 필터(828)를 포함한다.
체배기(802)는 입력된 신호의 주파수를 정수배로 출력하는 역할을 한다.
제1 대역 통과 필터(804)는 체배기(802)에서 나온 신호에 대해 특정 대역 통과 필터링을 수행한다.
분배기(806)는 제1 대역 통과 필터(804)에서 나온 신호를 감쇠기(808)와 주파수 하향 변환기(824)로 분배하는 역할을 한다.
감쇠기(808)는 분배기(806)에서 전달받은 전기 신호의 진폭을 작게 하는 역할을 한다.
제1 증폭기(810)는 감쇠기(808)에서 나온 신호를 증폭하는 역할을 한다.
제2 대역 통과 필터(812)는 제1 증폭기(810)에서 나온 신호에 대해 특정 대역 통과 필터링을 수행한다.
제2 증폭기(814)는 제2 대역 통과 필터(812)에서 나온 신호를 증폭하는 역할을 한다.
스위치(816)는 제2 증폭기(814)에서 나온 신호를 다중 주파수 대역 복합 안테나(740)로 전달하거나, 또는 다중 주파수 대역 복합 안테나(740)에서 수신된 레이다 반사 신호를 저잡음 증폭기(818)로 전달하는 역할을 한다.
다중 주파수 대역 복합 안테나(740)는 스위치(816)로부터 전달받은 레이더 신호를 송신하거나, 표적에 맞고 반사된 레이더 반사 신호를 수신하는 역할을 한다. 또는 드론을 포함하는 소형 비행체가 발신하는 RF 신호를 수신하는 역할을 한다.
저잡음 증폭기(818)는 스위치(816)로부터 전달받은 신호를 저잡음 증폭하는 역할을 한다.
제3 대역 통과 필터(820)는 저잡음 증폭기(818)에서 나온 신호에 대해 특정 대역 통과 필터링을 수행한다.
제3 증폭기(822)는 제3 대역 통과 필터(820)에서 나온 신호를 증폭하는 역할을 한다.
주파수 하향 변환기(824)는 반사신호 수신 구간에서 분배기(806)에서 분배되는 톤 신호에 따라 제3 증폭기(822)에서 나온 반사신호를 하향 변환하는 역할을 한다.
제4 증폭기(826)는 주파수 하향 변환기(824)에서 나온 신호를 증폭하는 역할을 한다.
제4 대역 통과 필터(828)는 제4 증폭기(826)에서 나온 신호에 대해 특정 대역 통과 필터링을 수행한다.
RF 신호 탐지부(900)는 저잡음 증폭기(902), 제1 저역 통과 필터(904), 제1 증폭기(906), 주파수 하향 변환기(908), 제2 증폭기(910), 제2 저역 통과 필터(912)를 포함한다.
저잡음 증폭기(902)는 다중 주파수 대역 복합 안테나(740)로부터 전달받은 RF 신호를 저잡음 증폭하는 역할을 한다.
제1 대역 통과 필터(904)는 저잡음 증폭기(902)에서 나온 신호에 대해 특정 대역 통과 필터링을 수행한다.
제1 증폭기(906)는 제1 대역 통과 필터(904)에서 나온 신호를 증폭하는 역할을 한다.
주파수 하향 변환기(908)는 디지털-아날로그 변환기(720), 저역 통과 필터(830), 증폭기(832)를 거쳐 나온 톤 신호에 따라 제1 증폭기(906)에서 나온 신호를 하향 변환하는 역할을 한다.
제2 증폭기(910)는 주파수 하향 변환기(908)에서 나온 신호를 증폭하는 역할을 한다.
제2 대역 통과 필터(912)는 제2 증폭기(910)에서 나온 신호에 대해 특정 대역 통과 필터링을 수행한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 고주파 송수신 모듈에서 레이더부의 구조를 도시한 것이다.
도 7은 도 6에서 레이더부(800)의 구조와 동작을 상세화한 것으로서, 송신부는 국부 발진 신호를 사용하지 않고, 고주파 송수신 모듈의 신호처리부(710)에 구현되는 직접 디지털 파형 합성기(712)와 디지털-아날로그 변환기(720)를 이용하여 고주파 신호를 직접 생성하고, 체배기(802)를 이용하여 레이더 주파수 대역으로 직접 상향 변환한다.
수신부에서는 송신부에서 생성한 고주파 신호를 국부 발진 신호로 이용하여 수신되는 고주파 반사신호를 하향 변환한다. 이때, 신호처리부(710)의 송수신 제어부(714)는 송신구간과 수신구간을 구분하기 위해서 송신, 수신, 스위치 제어신호를 각각 생성하여 증폭기(814, 822)와 스위치(816)를 제어한다.
체배기(802)는 입력된 신호의 주파수를 정수배로 출력하는 역할을 한다. 예를 들어, 2배로 출력하는 체배기(802)의 경우, 디지털-아날로그 변환기(720)로부터 4.5 GHz의 중심주파수를 갖는 신호가 입력되면, 9 GHz의 중심주파수를 갖는 신호를 출력한다. 체배기(802)에서 출력된 신호는 대역 통과 필터(804), 분배기(806), 감쇠기(808), 증폭기(810), 대역통과 필터(812), 증폭기(814)를 거치면서 다중 주파수 대역 복합 안테나(812)를 통해 레이더 신호로 전송된다. 본 발명에서 체배기(802)가 일종의 주파수 상향 변환기 역할을 한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 고주파 송수신 모듈에서 생성하는 레이더 신호의 주파수를 운용하는 방법을 예시한 것이다.
도 8 (a)는 도 7의 고주파 송수신 모듈에서 생성하는 레이더 신호의 주파수를 운용하는 방법을 도시한 것이다. 도 8 (a)에서 직접 디지털 파형 합성기(712)는 시간영역에서 레이더 신호를 송신구간과 수신구간으로 구분하여 생성한다. 즉, 송신구간에서는 레이더 송신신호를 생성하여 송신하며, 수신구간에서는 반사신호를 하향변환하기 위한 주파수 톤을 생성하여 국부 발진 신호 용도로 사용한다.
도 8 (b)는 레이더 신호의 시간 영역 파형을 도시한 것이다.
도 9는 도 8의 레이더 신호의 주파수 영역 파형을 도시한 것이다.
전술한 레이더부(800)의 구조와 동작과 동일한 개념으로, RF 신호 탐지부(900)는 고주파 신호 수신을 위해 수신부에 필요한 국부 발진 신호로, 신호처리부(710)의 직접 디지털 파형 합성기(712)에서 생성된 광대역 주파수 톤 신호를 사용한다.
신호 처리부(710)의 송수신 제어부(714)는 송수신 신호의 온/오프(On/Off) 제어를 한다. 예를 들어, 도 8에 도시된 바와 같이, 레이더 신호 송신 구간에서 레이더 송신 대역폭(Δf=f2-f1)에 맞는 송신신호가 출력되도록 증폭기(814)를 제어한다. 그리고 레이더 신호 수신 구간에서 송신부의 증폭기(814)를 오프시키고, 수신부의 증폭기(822)를 통해 출력된 레이더 반사신호를 분배기(806)를 통해서 출력된 로컬 오실레이터(local oscillator) 신호 역할을 하는 톤(tone) 신호를 이용하여 주파수 하향 변환기(824)에서 주파수 하향 변환신호가 출력되도록 제어한다.
예를 들어, 드론에 반사된 레이더 반사 신호인 중심 주파수가 8.5 GHz의 신호가 입력된다고 할 때, 레이더 송신신호 대역폭 Δf 에서 톤 신호의 주파수인 f3를 뺀 차주파수를 갖는 신호가 저역 통과 필터(828)를 거치면서 중간 주파수 대역으로 내려온다. 예를 들어, 아날로그 디지털 변환기(730)에서 100 MHz의 중심주파수에 존재하는 신호에 대해 밴드 패스 샘플링을 하여 디지털 신호로 변환하고, 디지털 신호로 변환된 100 MHz의 레이더 반사 신호가 신호 처리부(710)에 수신된다.
도 10 내지 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 어레이 형태의 복합 탐지 장치의 구조를 도시한 것이고, 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 어레이 형태의 복합 탐지 장치에서 방열 모습을 예시한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 어레이 형태의 복합 탐지 장치는 둥글게 배열되는 다수의 고주파 송수신 모듈(110)과, 상기 다수의 송수신 모듈(110)의 배열 중심부에 배치되고 다수의 고주파 송수신 모듈(110)과 케이블을 통해 전기적으로 연결되는 링 어레이(Ring array) 신호 처리부(120)와, 상기 다수의 송수신 모듈(110)과 링 어레이 신호처리부(120)가 설치되는 바닥판(130)을 포함하여 구성된다.
상기 고주파 송수신 모듈(110)은 레이더 주파수 대역의 고주파 신호를 송수신하는 것으로서, 바닥판(130)의 상면 가장자리를 따라 다수 개가 원형으로 배열된다.
여기에서 고주파 송수신 모듈(110)의 구성에 대해 좀 더 자세히 살펴보면, 본 발명의 고주파 송수신 모듈(110)은 함체(111)와, 상기 함체(111)에 설치되는 안테나부(112)와, 상기 함체(111) 내부에 설치되는 그라운드부(113)와 고주파 송수신부(114) 및 고주파 송수신 처리부(115)로 구성된다.
상기 함체(111)는 링 어레이 신호처리부(120)를 향하는 내측면에서 외측으로 갈수록 그 폭이 점점 커지는 형태를 취한다. 따라서 함체(111)를 위에서 봤을 때 안쪽이 좁고 바깥쪽이 넓은 사다리꼴과 같은 형태를 취한다.
이러한 함체(111)는 바닥판(130)의 상면 가장자리에 다수 개가 원형으로 배치될 때 그 양쪽 측면이 서로 접하고, 안쪽면과 양쪽 측면에는 다수의 방열핀(111a)이 구비되어 방열을 용이하게 할 수 있도록 한다.
상기 안테나부(112)는 함체(111)의 개방된 외측면에 설치되며 안테나 빔을 방사한다.
상기 그라운드부(113)는 안테나부(112)와 이격되게 설치되며 접지기능을 수행한다.
상기 고주파 송수신부(114)는 함체(111) 내부에 설치되되 그라운드부(113)와 이격되게 설치되며 레이더 주파수 대역의 고주파 신호를 송수신하고, 드론을 포함한 소형비행체가 발신하는 RF신호를 수신한다.
상기 고주파 송수신 처리부(115)는 함체(111) 내부에 설치되되 고주파 송수신부(114)에 연결되며, 고주파 송수신부(114)에서 송수신한 레이더의 고주파 신호와 소형비행체의 RF신호를 처리한다.
상기 링 어레이 신호처리부(120)는 바닥판(130)의 상면 중앙에 설치되는 것으로서, 다수의 고주파 송수신 모듈(110)과 신호 데이터를 주고받고 이 신호 데이터를 처리한다. 좀 더 부연하면, 링 어레이 신호처리부(120)에서 레이더 신호가 전송되면 이 전송 신호를 송수신 모듈(110)에서 레이더 주파수 대역으로 상향 변환하여 표적(target)인 드론에 송신하고, 드론에 부딪힌 후 되돌아온 고주파 신호를 고주파 송수신 모듈(110)에서 수신하면, 이 수신 신호를 하향 변환하여 링 어레이 신호처리부(120)로 전송한다. 또한, 송수신 모듈(110)에서 수신한 드론이 발신한 RF신호를 수신하면, 이 수신신호를 하향 변환하여 링 어레이 신호처리부(120)로 전송한다. 이때, 링 어레이 신호처리부(120)와 고주파 송수신 모듈(110) 간에 교환되는 신호는 디지털 또는 아날로그 형태를 가질 수 있다.
상기 바닥판(130)은 그 전체적인 형태가 원형과 유사한 형태를 취하는 것으로서, 상면에 송수신 모듈(110)과 링 어레이 신호처리부(120)가 설치되고, 다수의 관통홀(130a)이 형성되어 방열을 촉진할 수 있도록 한다.
상기 메인 신호처리부(200)는 AESA 기술을 적용하여 다수의 고주파 송수신 모듈(110)의 안테나 빔포밍을 수행하며, 표적을 탐지하고 추적하는 신호처리를 하는 것으로서, 후술할 레이돔(300)의 내부, 즉 링 어레이(100)의 상측이나 하측 중 어느 한 곳에 설치한다. 메인 신호처리부(200) 상에 복합 탐지 장치의 위치와 설치방향을 파악하기 위한 GPS,INS 통합모듈(600)이 구비된다.
이러한 메인 신호처리부(200)는 다수의 고주파 송수신 모듈(110)을 동적으로 그룹핑하여 선택함으로써 특정 방향에 대한 안테나 빔을 생성할 수 있으며, 다수의 고주파 송수신 모듈(110)의 그룹 선택에 의해 손쉽게 안테나 빔을 회전시킬 수 있다. 바로 이러한 기능에 의해 본 발명은 기계적 회전이나 복수의 레이더 장치를 설치하지 않고도 전(全) 방향을 탐지할 수 있다.구체적으로 설명하면, AESA 방식의 레이더와 빔포밍을 구현하기 위해서는 고주파 송수신 모듈(110) 간에 신호타이밍, 주파수와 위상이 동기화될 필요가 있으며, 이를 달성하기 위하여 메인 신호처리부(200)의 공통 클럭 신호 생성부(210)와 공통 동기 신호 생성부(220)에서 각각 공통의 클럭 신호와 동기 신호를 생성하고, 링 어레이 신호처리부(120)의 공통 클럭 신호 분배부(121)와 공통 동기 신호 분배부(122)를 통해 전체 고주파 송수신 모듈(110)에 공통 클럭 신호와 공통 동기 신호를 분배한다. 이로써 다수의 고주파 송수신 모듈(110) 간의 타이밍, 주파수와 위상의 동기화가 가능해진다.
그리고, 본 발명에서 송수신 모듈(110)의 안테나부(112)에서 방사되는 빔은 각 고주파 송수신 모듈(110)들의 신호에 각각 크기와 위상을 달리하는 가중치를 적용하여 합하는 연산처리 방식으로 포밍된다.
상기 레이돔(300)은 링 어레이(100)와 메인 신호처리부(200)를 둘러싸는 본체(310)와, 상기 본체(310)의 개방된 상면에 설치되는 덮개(320)로 구성된다.
상기 본체(310)는 상면과 하면이 개방된 파이프와 유사한 형상으로서, 그 내부에 링 어레이(100)와 메인 신호처리부(200)가 수용된다.
상기 덮개(320)는 본체(310)의 상면에 설치되지만, 덮개(320)를 본체(310)에 설치하였을 때 덮개(320)와 본체(310) 사이에는 빈틈이 발생된다.
상기 베이스(400)는 링 어레이(100)의 하부에 설치되는 것으로서, 베이스(400)의 상면에는 레이돔(300)의 본체(310)가 안착된다. 이러한 베이스(400)에는 다수의 방열팬(410)이 설치된다.
따라서, 방열팬(410)이 회전을 하면 레이돔(300)의 본체(310)와 덮개(320) 사이의 빈틈을 통해 외부공기가 레이돔(300)의 본체(310) 내부로 유입된 후 하향기류로 변환하여 방열팬(410)을 통해 레이돔(300) 밖으로 하향 배출된다.
이로써 고주파 송수신 모듈(110), 링 어레이(100)와 메인 신호처리부(200) 등에서 발생되는 열을 신속하게 외부로 배출할 수 있다.
그리고, 레이돔(300)의 덮개(320) 내부에는 필터(510)가 장착된 필터 프레임(500)이 설치되므로, 방열팬(410) 회전시 레이돔(300) 내부로 유입되는 외부공기는 먼저 필터(510)를 통과한 후 레이돔(300) 내부로 유입되어 하향 배출된다.
이상 본 발명을 몇 가지 바람직한 실시 예를 사용하여 설명하였으나, 이들 실시 예는 예시적인 것이며 한정적인 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 사상과 첨부된 특허청구범위에 제시된 권리범위에서 벗어나지 않으면서 다양한 변화와 수정을 가할 수 있음을 이해할 것이다.
100 링 어레이 110 고주파 송수신 모듈
111 함체 111a 방열핀
112 안테나부 113 그라운드부
114 고주파 송수신부 115 고주파 송수신 처리부
120 링 어레이 신호처리부 121 공통 클럭 신호 분배부
122 공통 동기 신호 분배부 130 바닥판
130a 관통홀 200 메인 신호처리부
210 공통 클럭 신호 생성부 220 공통 동기 신호 생성부
300 레이돔 310 본체
320 덮개 400 베이스
410 방열팬 500 필터 프레임
510 필터 600 GPS, INS 통합모듈
10 복합 탐지 장치

Claims (8)

  1. 다수의 고주파 송수신 모듈이 원형으로 배열되고, 상기 다수의 고주파 송수신 모듈과 주고받는 신호 데이터를 처리하는 링 어레이 신호처리부가 고주파 송수신 모듈의 배열 중심부에 배치된 링 어레이; 및
    상기 다수의 고주파 송수신 모듈의 안테나 빔포밍을 수행하며, 표적을 탐지하고 추적하는 신호처리를 하는 메인 신호처리부를 포함하여 이루어지며,
    상기 고주파 송수신 모듈은 다중 주파수 대역 복합 안테나를 포함하며, 안테나 빔을 방사하기 위한 안테나부, 접지 기능을 수행하기 위한 그라운드부, 상기 안테나부를 통해 레이더 주파수 대역의 고주파 신호와 드론 통신 주파수 대역의 RF신호를 송수신하기 위한 고주파 송수신부 및 상기 고주파 송수신부에서 송수신한 고주파 신호를 처리하기 위한 고주파 송수신 처리부를 포함하여 이루어지고,
    상기 다중 주파수 대역 복합 안테나는 레이더 신호를 송신하고 표적에 반사되어 돌아오는 레이더 반사신호를 수신하기 위한 레이더 안테나 빔과, 드론을 포함하는 소형 비행체가 발신하는 RF 신호를 수신하기 위한 RF 신호 탐지 안테나 빔을 동시에 생성하고,
    상기 다중 주파수 대역 복합 안테나는 다중 주파수 대역을 지원하기 위하여, 적층형의 PCB에 서로 다른 주파수 대역의 안테나가 패치 형태로 구성되고,
    상기 다중 주파수 대역 복합 안테나에서 다중 주파수 대역 중에서 일부 주파수 대역은 레이더 주파수 대역을 수용하고, 나머지 주파수 대역은 드론을 포함하는 소형 비행체가 발신하는 RF 통신 주파수 대역을 수용하며,
    상기 링 어레이는 상면 가장자리에 다수의 고주파 송수신 모듈이 원형으로 배열되고, 상면 중앙에 상기 링 어레이 신호처리부가 설치되며, 다수의 관통홀이 형성된 바닥판을 더 포함하여 구성되고,
    상기 링 어레이는 상하방향으로 다수개가 적층되고,
    상하방향으로 적층된 다수의 상기 링 어레이 중 어느 하나의 링 어레이 상면에는 전파차단장치와 RF 탐지장치 중 적어도 하나가 설치되고,
    상기 고주파 송수신 모듈은,
    상기 링 어레이 신호처리부를 향하는 내측면에서 외측으로 갈수록 그 폭이 점점 커지는 함체;
    상기 함체의 개방된 외측면에 설치되는 안테나부;
    상기 함체의 내부에 설치되는 그라운드부;
    상기 함체의 내부에 설치되는 고주파 송수신부; 및
    상기 함체 내부에 설치되되 상기 고주파 송수신부에 연결되는 고주파 송수신 처리부로 구성되고,
    상기 링 어레이와 메인 신호처리부를 둘러싸는 본체와, 상기 본체의 개방된 상면에 설치되는 덮개로 이루어진 레이돔을 더 포함하고,
    상기 링 어레이의 하부에는 상기 레이돔의 본체가 안착되는 베이스가 더 설치되고, 상기 베이스에는 다수의 방열팬이 설치되며, 상기 레이돔의 덮개 내부에는 필터가 장착된 필터 프레임이 설치되어,
    상기 방열팬의 회전시 본체와 덮개 사이의 틈으로 유입된 외부공기는 상기 필터를 통과한 후 레이돔 밖으로 하향 배출되는 것을 특징으로 하는 복합 탐지 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 메인 신호 처리부는,
    고주파 송수신 모듈 간의 동기화를 위한 공통 클럭 신호를 생성하는 공통 클럭 신호 생성부; 및
    고주파 송수신 모듈 간의 동기화를 위한 공통 동기 신호를 생성하는 공통 동기 신호 생성부
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합 탐지 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 링 어레이 신호처리부는,
    상기 공통 클럭 신호 생성부에서 생성된 공통 클럭 신호를 전체 고주파 송수신 모듈에 분배하기 위한 공통 클럭 신호 분배부; 및
    상기 공통 동기 신호 생성부에서 생성된 공통 동기 신호를 전체 고주파 송수신 모듈에 분배하기 위한 공통 동기 신호 분배부
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합 탐지 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 고주파 송수신 모듈은, 상기 공통 클럭 신호 분배부에서 분배된 공통 클럭 신호와 상기 공통 동기 신호 분배부에서 분배된 공통 동기 신호를 이용하여, 시간영역에서 레이더 신호 송신 구간과 반사신호 수신 구간으로 구분하여 신호를 생성하되, 송신 구간에서는 레이더 송신 신호를 생성하고, 수신 구간에서는 국부 발진 신호 용도로 사용하기 위한 톤 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 복합 탐지 장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 고주파 송수신 모듈은, RF 신호를 하향 변환하기 위해 필요한 톤 신호를 RF 신호 탐지부에 분배하는 것을 특징으로 하는 복합 탐지 장치.
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