KR20080033152A - 감소된 탐색 시간을 갖는 페이즈드 어레이 레이더 안테나및 이의 사용방법 - Google Patents

감소된 탐색 시간을 갖는 페이즈드 어레이 레이더 안테나및 이의 사용방법 Download PDF

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Abstract

페이즈드 어레이 레이더 안테나는 서로 다른 상호 간섭하지 않는 주파수들로 동시에 동작하도록 한 적어도 2개의 안테나들(11, 12, 13, 14)을 포함한다. 페이즈드 어레이 레이더 안테나는, 항공기 동체의 서로 대향한 측면들 상에 제1 및 제2 레이더 측면 안테나(11, 12)를 지지하는 동체, 제1 레이더 단부 안테나(13)를 지지하는 기수 부분, 및 제2 레이더 단부 안테나(14)를 지지하는 기미 부분을 구비하는 항공기에 장치될 수 있다. 각각의 레이돔들은 매끄러운 공기역학적 콘투어를 제공하기 위해 제1 및 제2 레이더 단부 안테나들을 덮으며, 레이더 제어 유닛(15)은 동체 내에 배치되고 각각의 제1 및 제2의 서로 다른 주파수들로 제1 혹은 제2 레이더 단부 안테나와 동시에 제1 혹은 제2 레이더 측면 안테나를 동작시키기 위해 제1 및 제2 레이더 측면 안테나들에 그리고 제1 및 제2 레이더 단부 안테나들에 결합된다.

Description

감소된 탐색 시간을 갖는 페이즈드 어레이 레이더 안테나 및 이의 사용방법{Phased array radar antenna having reduced search time and method for use thereof}
이 발명은 특히 공중(airborne) 레이더용의 페이즈드 어레이 레이더 안테나들에 관한 것이다.
넓은 대역폭, 저 전력 손실들을 제공하며 주어진 빔 방향으로 복수의 주파수들로 방사할 수 있는 능력을 갖춘 페이즈드 어레이 안테나들이 이 기술에 공지되어 있다. 이에 따라 발명의 사용은 임의의 특정한 유형의 항공기로 제약되게 한 것은 아니다. 따라서, 항공기의 크기 혹은 유형에 상관없이, 어떤 종류의 레이더 시스템이 요구된다. 360°-탐지(coverage)를 갖는 장거리 레이더는 기체(airframe)의 간섭을 최소화하기 위해서, 항공기 동체 위에 장착되는 대형 안테나를 필요로 하며, 요구되는 장거리 검출을 제공하기 위해서 높은 파워를 필요로 한다. 이들 2가지 요건들은 지금까지는 항공기 동체 위에 장착되는 대형 안테나가 상당한 항력(drag)을 야기하기 때문에 다소 서로 양립할 수 없었으며, 또한 대형 항공기만이 사용될 수 있었던 장거리 레이더의 높은 파워 요건과 결부되었다.
"Airborne early warning radar system" 명칭의 본 출원인에 양도된 1992년 3월 17일에 공고된 미국특허 5,097,267(Raviv)은 자동으로 제어되는 조정사가 없는 항공기와, 조종사가 없는 항공기에 배치된 페이즈드 어레이 레이더 안테나, 및 항공기에 관하여 페이즈드 어레이 레이더 안테나의 방위를 선택적으로 가변시키기 위한 장치를 포함하는 공중 조기 경보 레이더 시스템을 개시한다.
AWACS, ERIEYE, CONDOR 및 WEDGETAIL를 포함하여, 전부 공지된 AEW(공중 조기 경보) 시스템은 통상적인 구조의 단일 대역 레이더에 기반을 두었다. AWACS는 기계식으로 회전하는 안테나를 채용하나, 그외 시스템들은 위에 언급된 미국특허 5,097,267에 기술된 종류의 전자식으로 스캐닝되는 고정된 어레이 안테나를 채용한다.
기계식으로 회전하는 시스템에서, 전체 360°스캔을 달성하는데 요구되는 시간은 완전한 360°회전을 통해 기계식 안테나를 조향하는데 걸리는 시간에 좌우된다. 페이즈드 어레이 레이더 안테나의 조향이 전자식일지라도, 그럼에도 불구하고 전체 360°탐지를 달성하기 위해 완전한 전자식 스캔이 요구된다. 일단 레이더가 공간 내 한 점을 추적하였으면, 이 점은 현 사이클 동안에는 레이더에 "보이지" 않게 될 것이다. 이것은 완전한 스캔에 걸리는 시간이 길수록, 요격하여 마치는데 더 많은 시간이 걸리기 때문에 적(foe)이 레이더를 통과하기가 더 쉬워지고, 후속 스캔동안 레이더에 보이게 되기까지 시간이 더 경과할 것임을 의미한다. 결국, 완전한 360°스캔에 걸리는 시간을 줄이는 것이 바람직하다.
"Dual band antenna element" 명칭으로 1989년 9월 26일 공고된 미국특허 4,870,426 (Lamberty 등)은 하측 대역 도파관 및 한 어레이의 평행한 2중 편파 상 측 대역 도파관들 및 하측 대역 도파관의 개구 내 혹은 이에 바로 인접하게 장착된 다이폴들을 포함하는 레이더 안테나 요소를 개시한다. 하측 대역 도파관 및 각각의 상측 대역 도파관은 0.5 파장 미만의 하나의 단면 치수를 갖는다.
"Radar system operating in two frequency hands" 명칭의 1988년 5월 10일에 공고된 미국특허 4,743,907(Gellekink)은 자신들의 주파수로 동작하나 하나의 동일 추적 안테나를 채용하는 제1 및 제2 레이더 장치를 포함하는 저 레벨 타켓 추적용 레이더 시스템을 개시한다.
"Electronically scanned antenna" 명칭의 1981년 6월 30일 공고된 미국특허 4,276,551(Williams 등)은 복수의 주파수 스캐닝되는 안테나 구획들을 포함하며 그 각각은 복수의 방사 요소들 및 개별적으로 안테나 구획들에 결합되는 복수의 위상 시프터들을 구비하는, 전자식으로 스캐닝되는 안테나를 개시한다. 이러한 배열은 레이더 빔을 조향하기 위해 2중의 주파수를 사용하나 서로 다른 스캔 주파수들을 채용하진 않는다.
위에 참조문헌들에서는 각각이 서로 다른 주파수들로 동시적으로 동작하게 구성된 한 쌍의 인접한 안테나들을 포함하는 적어도 2개의 순환적으로 선택가능한 안테나 쌍(couplet)들을 포함하는 페이즈드 어레이 안테나를 채용하는 암시는 전혀 없다.
본 발명의 목적은 완전한 360°탐지를 달성할 수 있게 하는 보다 콤팩트한 페이즈드 어레이 레이더 안테나를 제공하는 것이다.
<발명의 요약>
이 목적은 서로 다른 상호 간섭하지 않는 주파수들로 동시에 동작하도록 한 적어도 2개의 안테나들을 포함하는 페이즈드 어레이 레이더 안테나에 의해 발명의 넓은 면에 따라 실현된다.
발명의 바람직한 실시예에 따라서,
운송체의 각 측면에 고착하도록 된 제1 및 제2 레이더 측면 안테나들;
상기 운송체의 각 단부들에 고착하도록 된 제1 및 제2 레이더 단부 안테나들; 및
각각의 제1 및 제2 서로 다른 상호 간섭하지 않는 주파수들로 상기 제1 혹은 제2 레이더 단부 안테나와 동시에 상기 제1 혹은 제2 레이더 측면 안테나를 동작시키기 위해 상기 제1 및 제2 레이더 측면 안테나들에 그리고 상기 제1 및 제2 레이더 단부 안테나들에 결합하도록 된 레이더 제어 유닛을 포함하는, 운송체용 페이즈드 어레이 레이더 안테나가 제공된다.
제1 및 제2 레이더 측면 안테나들 및 제1 및 제2 레이더 단부 안테나는 360°를 커버하도록 된 것일 수 있다. 전형적인 애플리케이션에서, 이러한 페이즈드 어레이 레이더 안테나는 단일 탐색 주파수만을 채용하는 페이즈드 어레이 레이더 안테나보다 짧은 시간 안에 완전한 360°탐지가 달성되게 한다. 그러나, 발명에 따른 페이즈드 어레이 레이더 안테나는 보다 콤팩트한 유닛으로, 지금까지 제안된 페이즈드 어레이 레이더 안테나와 동일 시간 안에 완전한 360°혹은 그 미만의 탐지를 달성하기 위해 채용될 수 있다.
또한, 발명은 서로 다른 방향들에서 탐지를 제공하기 위해서 운송체의 각각 의 표면들에 고정되는 적어도 2개의 페이즈드 어레이 안테나들을 사용한 레이더 스캐닝 방법에 있어서, 서로 다른 상호 간섭하지 않는 주파수들로 상기 안테나들 중 적어도 2개를 동시에 동작시키는 단계를 포함하는, 레이더 스캐닝 방법을 포함한다.
발명을 이해하고 발명이 실제로 어떻게 실행될 수 있는가를 알기 위해서, 단지 비제한적 예에 의해서, 첨부한 도면들을 참조하여, 바람직한 실시예가 기술될 것이다.
도 1은 발명의 실시예에 따른 페이즈드 어레이 레이더 안테나가 갖추어진 항공기를 도식적으로 나타낸 것이다.
도 2는 발명의 실시예에 따른 페이즈드 어레이 레이더 안테나를 기능적으로 나타낸 블록도이다.
도 3은 도 2에 기능적으로 나타낸 페이즈드 어레이 레이더 안테나의 동작을 나타낸 흐름도이다.
도 4 내지 도 5는 발명의 서로 다른 실시예들에 따라 페이즈드 어레이 레이더 안테나의 이중 주파수 스캐닝이 어떻게 구현되는가를 도식적으로 나타낸 것이다.
도 1은 페이즈드 어레이 레이더 안테나들을 갖춘 항공기(10)를 도식적으로 나타낸 것이다. 제1 레이더 측면 안테나(11)는 항공기 동체의 일 측면에 고착하도 록 된 것이고 제2 레이더 측면 안테나(12)(도 2에 도시되었음)는 항공기 동체의 대향 측면에 고착하도록 된 것이다. 제1 레이더 단부 안테나(13)는 항공기의 기수(nose)(항공기의 전방 단부를 구성하는)에 고착하도록 되어 있고 제2 레이더 단부 안테나(14)는 항공기의 기미(tail)(항공기의 후방을 구성하는)에 고착하도록 되어 있다.
도 2는 발명의 실시예에 따른 페이즈드 어레이 레이더 안테나 시스템(20)을 기능적으로 나타낸 블록도이다. 시스템(20)은, 각각의 제1 및 제2 서로 다른 상호 간섭하지 않는 주파수들로 제1 혹은 제2 레이더 단부 안테나와 동시에 제1 혹은 제2 레이더 측면 안테나를 동작시키기 위해 제1 및 제2 레이더 측면 안테나들(11, 12)에 그리고 제1 및 제2 레이더 단부 안테나들(13, 14)에 결합하게 구성된 레이더 제어 유닛(15)을 포함한다. 레이더 제어 유닛(15)은 처리된 데이터를 표시하기 위한 디스플레이(16)에 결합된다.
도 3은 도 2에 도시된 페이즈드 어레이 레이더 안테나 시스템(20)의 동작을 도시한 흐름도이다. 이에 따라, 서로 다른 주파수들로 연속한 이웃한 쌍들의 안테나들을 동작시킴으로써 완전한 360°탐지가 달성된다. 예로서, 제1 영역의 탐지 동안에 레이더 제어 유닛(15)은 제2 주파수로 제1 단부 안테나(13)와 동시에 제1 주파수로 제1 측면 안테나(11)를 동작시킨다. 이것은 도 4에 도식적으로 나타낸 바와 같이 180°의 탐지를 제공한다. 이어서 역시 180°에 이르는 제2 영역의 탐지는 제2 주파수로 제2 단부 안테나(14)와 동시에 제1 주파수로 제2 측면 안테나(12)를 동작시킴으로써 달성된다. 2개의 안테나들이 동시에 동작되기 때문에, 완전한 360° 스캔을 달성하기 위한 시간은, 각각의 안테나가 따로따로 동작되어야 하는 단일 주파수 레이더 시스템 사용에서 요구되는 시간의 대략 반이다. 동일 스캔 시간을 유지함으로써, 안테나 치수들을 감소시키면서 단일 주파수 레이더 레인지 성능이 달성될 수 있다. 측면 안테나들(11, 12)은 단부 안테나들(13, 14)보다 훨씬 큰 영역을 갖기 때문에, 단부 안테나들의 훨씬 더 감소된 풋프린트를 보상하기 위해서, 단부 안테나가 동작하는 제1 주파수는 제2 안테나가 동작하는 제2 주파수보다 대응하여 더 높아야 한다. 바람직한 실시예에서, 제1 주파수는 S-대역이고 제2 주파수는 L-대역이다.
도 4는 측면 안테나들(11, 12)이 L-대역에서 동작되고 기수 및 기미 안테나들(13, 14)이 S-대역에서 동작될 때 안테나들의 실제적인 각도의 탐지를 도식적으로 나타낸 것이다. 측면 안테나들(11, 12)의 각도의 탐지는 기수 및 기미 안테나들(13, 14)의 대략 2배임을 알 수 있다. 이러한 수단에 의해서, S-대역 레이더는, 감소된 치수들에도 불구하고, L-대역 레이더에 관하여 충분한 성능에 이를 수 있다.
한편으로 측면 안테나들(11, 12), 및 다른 한편으로 기수 및 기미 안테나들(13, 154)이 동작되는 주파수들이 상호 간섭을 방지하기 위해 충분히 서로 달라야 하는 것에 유의한다. 실제적으로, 이것은 이들 주파수들이, 주파수 대역의 서로 대향한 극단들에서의 주파수들이 상호 간섭하지 않는 것으로 충분히 서로 다를 수 있을지라도 중첩하지 않는 주파수 대역들을 점유할 것을 요구할 수 있다.
발명이 특히 항공기 조기 경보 레이더 시스템에 관하여 기술되었을지라도, 발명은 그외의 운송체 조기 경보 레이더 시스템들에도 적용될 수 있고 동일 원리가 예를 들면 선박들 및 그외 다른 운송체들에 적용될 수 있음을 알 것이다. 이를 말함에 있어, 그럼에도 불구하고 지금까지 제안된 조기 경보 레이더 시스템들에 대한 발명의 특별한 잇점들은 낮은 공기역학적 풋프린트를 제공하는 레이더 시스템을 제공할 필요성 때문에 항공기 조기 경보 레이더 시스템들에서 가장 분명히 나타나는 것에 유의한다. 발명에서, 이것은 항공기의 공기역학에 영향을 미침이 없이 항공기의 동체 상에 장착되기에 알맞는 2개의 측면 안테나들(11, 12)의 평면 구조 때문에 달성된다. 마찬가지로, 더 높은 주파수로 동작하게 구성되는 2개의 단부 안테나들(13, 14)은, 특히 매끄러운 공기역학적 콘투어를 제공하기 위해 설계되는 항공기의 전방 단부 및 후방 단부에 적합한 형상의 레이돔들 내에 이들 안테나들이 장착될 수 있게 하는 낮은 풋프린트를 갖는다. 레이돔들의 기계적 구조는 관련 기술에서 숙련된 자들의 숙련 내에 있으며 발명의 특징은 아니다. 명백히, 이러한 고찰들은 해상 애플리케이션들에 있어선 덜 중요하다.
4개의 안테나들을 채용하는 발명의 특정한 실시예가 기술되었을지라도, 발명의 원리는 서로 다른 상호 간섭하지 않는 주파수들로 동시에 동작되는 2이상의 안테나들의 사용에 보다 일반적으로 적용될 수 있음을 알 것이다. 예를 들면, 2개의 안테나들은 각각이 중첩하지 않는 180°구획들의 탐지를 제공하고 이에 따라 두 안테나들이 동시에 동작되게 함으로써 완전한 360°를 달성하기 위한 시간의 반이 되게 하도록 구성될 수 있다. 마찬가지로, 도 5에 도시된 바와 같이, 3개의 안테나들(F1, F2, F3) 각각은 중첩하지 않는 120°의 탐지를 제공하게 구성되고, 이에 따 라 안테나들이 각각의 상호 간섭하지 않는 주파수들로 동시에 동작되게 함으로써 완전한 360°탐지를 달성하는 시간을 3배만큼 감소시킬 수 있다.
또한, 발명은 특히 완전한 360°탐지에 관하여 기술되었으나 항시 완전한 360°탐지가 요구되는 것은 아님에 유의한다. 예를 들면, 도 6은 조합하여 180°의 부분적 탐지를 제공하기 위해서 각각의 상호 간섭하지 않는 주파수들로 동시에 동작되게 한 두 개의 안테나들(L1, S1)을 도시한 것이다. 이러한 감소된 탐지가 서로 다른 상호 간섭하지 않는 주파수들로 동시에 2이상의 안테나들을 동작시킴으로써 달성되는 점에서, 이 또한 본 발명에 의해 포함된다.
또한, 발명은 유인 및 무인 항공기 둘 다에 똑같이 적용될 수 있음이 당업자들에 의해 이해될 것이다.
또한, 발명은 운송체, 특히 발명에 따른 레이더 시스템을 구비하여 구성되는 항공기를 고찰한다.
또한, 발명에 따른 레이더 시스템(20)은 적합하게 프로그램된 컴퓨터를 포함할 수 있음을 알 것이다. 마찬가지로, 발명은 발명의 방법을 실행하기 위한 컴퓨터에 의해 독출가능한 컴퓨터 프로그램을 고찰한다. 또한, 발명은 발명의 방법을 실행하기 위한 기계에 의해 실행될 수 있는 명령들의 프로그램을 실체적으로 실현하는 기계 독출가능 메모리를 고찰한다.

Claims (13)

  1. 서로 다른 상호 간섭하지 않는 주파수들로 동시에 동작하도록 한 적어도 2개의 안테나들(11, 12, 13, 14)을 포함하는, 페이즈드 어레이 레이더 안테나.
  2. 제 1 항에 있어서, 각각이 서로 다른 주파수들로 동시에 동작하게 한 한 쌍의 이웃한 안테나(11, 14; 12, 13)를 포함하는 것인 적어도 2개의 순환적으로 선택가능한 안테나 쌍(couplet)들을 포함하는, 페이즈드 어레이 레이더 안테나.
  3. 제 2 항에 있어서, 운송체(10) 상에 장착하게 구성된 것으로, 상기 페이즈드 어레이 안테나는,
    운송체의 각 측면에 고착하도록 된 제1 및 제2 레이더 측면 안테나들(11, 12);
    상기 운송체의 각 단부들에 고착하도록 된 제1 및 제2 레이더 단부 안테나들(13, 14); 및
    각각의 제1 및 제2 서로 다른 상호 간섭하지 않는 주파수들로 상기 제1 혹은 제2 레이더 단부 안테나와 동시에 상기 제1 혹은 제2 레이더 측면 안테나를 동작시키기 위해 상기 제1 및 제2 레이더 측면 안테나들에 그리고 상기 제1 및 제2 레이더 단부 안테나들에 결합하도록 된 레이더 제어 유닛(15)을 포함하는, 페이즈드 어레이 레이더 안테나.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 제1 주파수는 L-대역이며 상기 제2 주파수는 S-대역인, 페이즈드 어레이 레이더 안테나.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 운송체는 항공기이며, 상기 제1 및 제2 레이더 측면 안테나들은 상기 항공기의 동체에 고정하도록 된 것인, 페이즈드 어레이 레이더 안테나.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 항공기는 무인인, 페이즈드 어레이 레이더 안테나.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 따른 상기 페이즈드 어레이 레이더 안테나를 포함하는 이중 대역 조기 경보 레이더 시스템.
  8. 서로 다른 방향들에서 탐지를 제공하기 위해서 운송체(10)의 각각의 표면들에 고정되는 적어도 2개의 페이즈드 어레이 안테나들(11, 12, 13, 14)을 사용한 레이더 스캐닝 방법에 있어서, 서로 다른 상호 간섭하지 않는 주파수들로 상기 안테나들 중 적어도 2개를 동시에 동작시키는 단계를 포함하는, 레이더 스캐닝 방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 운송체의 각각의 표면들에 고정되는 적어도 4개의 페이즈드 어레이 안테나들에 사용하기 위한 것으로서, 상기 방법은
    각각이 한 쌍의 인접한 안테나들을 포함하는 연속된 안테나 쌍들을 순환적으로 선택하는 단계; 및
    서로 다른 주파수들로 상기 선택된 쌍에서 상기 인접한 안테나들을 동시에 동작시키는 단계를 포함하는, 레이더 스캐닝 방법.
  10. 프로그램이 컴퓨터상에서 실행될 때 제 8 항 또는 제 9 항의 방법을 수행하기 위한 컴퓨터 프로그램 코드 수단을 포함하는 컴퓨터 프로그램.
  11. 컴퓨터 독출가능 매체 상에 구현된 제 10 항에 청구된 컴퓨터 프로그램.
  12. 제 1 항 내지 제 6 항 중 한 항에 따른 상기 페이즈드 어레이 레이더 안테나(11, 12, 13, 14)를 포함하는 이중 대역 조기 경보 레이더 시스템을 장착한 운송체(10).
  13. 제 12 항에 따른 항공기(10)에 있어서,
    동체의 서로 대향한 측면들 상에 상기 제1 및 제2 레이더 측면 안테나들(11, 12)을 지지하는 것인, 상기 동체,
    상기 제1 레이더 단부 안테나(13)를 지지하는 기수 부분,
    상기 제2 레이더 단부 안테나(14)를 지지하는 기미 부분,
    매끄러운 공기역학적 콘투어를 제공하기 위해 상기 제1 및 제2 레이더 단부 안테나들을 덮는 각각의 레이돔들, 및
    상기 동체 내에 배치된 것으로서, 각각의 제1 및 제2 서로 다른 상호 간섭하지 않는 주파수들로 상기 제1 혹은 제2 레이더 단부 안테나와 동시에 상기 제1 혹은 제2 레이더 측면 안테나를 동작시키기 위해 상기 제1 및 제2 레이더 측면 안테나들에 그리고 상기 제1 및 제2 레이더 단부 안테나들에 결합된 것인 레이더 제어 유닛(15)을 포함하는, 항공기.
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