레이더의 원리

2012 포스팅 자료실 2012.08.03 19:41

전파 특성과 레이더의 원리 ?

 

 

전투기의 눈이 되어주는 레이더의 원리는 무엇일까 ?

 

임상민교수님의 '전투기의 이해'를 빌어 레이더 체계에 대해 알아보려고 한다.

 

『 레이더(RADAR)는 'RAdio Detecting And Ranging'의 약어로, 전파를 이용해 물체가 어디 있는지 위치를 탐지하고 거리를 측정하는 장치이다. 전파는 전자기파의 일종으로 빛과 같이 일정한 속도로 직진하려는 특성을 지니며, 이 직진성은 파장이 짧을수록 강해진다. 또한 전파는 물체에 부딪치면 물체로부터 재방사되어 반사되는 특성을 지니고 있다. 레이더는 이러한 전파의 직진성과 반사 특성을 이용해 물체의 위치를 탐지하고 거리를 측정한다.

 

레이더는 안테나로부터 전파에너지를 공중에 빔 형태로 방사시켜 적기로 부터 반사된 전파를 분석하여 적기를 탐지한다. 반사파의 방향을 정밀하게 분석한다면 적기의 방향까지 알아낼 수 있고, 또 반사파의 높낮이로 적기의 고도까지 알아낼 수 있다. 뿐만 아니라 전파 속도가 일정하다는 특성을 이용하면 반사파의 도달 시간을 측정하여 적기와의 거리까지 산출해낼 수 있다.  』

 

 

레이더는 언제 부터 사용되었을까 ?

 

위키페디아에 따르면,

 

『  어두운 곳을 나는 박쥐가 초음파를 발사해 그 반사음으로 부딪치지 않고 비행하는 것부터 힌트를 얻었다.
 
1930년 독일이나 영국등에서 실용화되어 1940년 영국은 독일 공군의 공습에 대한 요격 전투에 사용하였다. 초기의 레이더는 비가 내리면 반사되어 거의 도움이 되지 않았고, 지향성도 불충분했다.
 
일본인이 발명한 야기 우다 안테나(이하 야기 안테나)는 지향성을 갖추는 획기적인 기술이었다. 이것은 구미에서 크게 호평을 받아서 각국에서 군사면에서의 기술개발이 급속히 진행되었다. 그 성과는 마침내 영국 본토 항공전에서 꽃 피었다. 독일 공군의 공습에 대해서 영국 공군은 레이더를 사용한 방공 시스템으로 효율적으로 대처할 수 있어 이 싸움은 전쟁의 분수령이 되었다. 또 나막신 시마오키 해전이나 빌라·스탄모아 야전에서 미국 해군은 레이더를 활용해 일본 해군을 상대로 승리를 거두었다. 이렇게 해서 레이더는 전쟁을 좌우하는 중요한 정보기기가 되었다.
 
당시 일본군은 야기 안테나를 완전히 불필요한 것으로 배제해 레이더 개발은 하지 않았다. 그 후 미군이 야기 안테나를 이용하고 있는 것을 알고 서둘러 개발했지만 때는 이미 늦었다.  』

 

 

송신기와 안테나

 

송신기(transmitter)는 레이더의 전파에너지를 발생시키는 장치이다.

송신기의 마그네트론을 자극하면 고주파의 전파가 발진하는데, 이때 나오는 전파는 동기기(synchronizer)와 변조기(modulator)의 변조를 거쳐 도파관(Wave Guides)으로 전달된다. 그 다음 전파는 진행파관(Travelling Wave Tube)을 거쳐 넓은 파장대로 증폭되고, 최종적으로 안테나를 통해 빔 형태로 방사된다.

 

전파가 적기에 부딪쳐오면 송신기는 다시 그것을 수신하는 역할까지 한다.

초기에는 전파 빔을 집속할 수 있도록 포물선형인 파라볼라 안테나로 설계했으나, 1970년대 전투기부터는 평판배열 안테나가 전투기 레이더 안테나의 주류를 이루었다. 평판배열 안테나는 평판에 줄지어 홈을 판 형상을 하고 있고, 각 홈들의 뒷면에는 도파관이 연결되어 있다. 홈마다 연결된 도파관을 통해 에너지를 통제함으로써 평판배열 안테나 전면의 방사에너지 분포를 조절할 수 있기 때문에 안테나 이득, 빔 폭, 사이드 로브(side lobe) 등을 통제하기 쉽다는 것이 특징이다.

(사이드 로브는 안테나의 메인 빔 주위로 빔이 새는 것을 말하는데, 사이드 로브를 통제함으로써 높은 효율로 안테나 이득을 얻을 수 있다는 것이 평판배열 안테나의 장점이다)

 

평판배열 안테나의 뒤를 이어 전투기 레이더의 주류로 등장하고 있는 안테나가 바로 능동전자주사배열 안테나(AESA, active electronically scanned array antenna)이다.


 

 

 

레이더 탐지 공간과 탐색 패턴

 

전투기 레이더는 표적을 탐지하기 위해 안테나에서 방사되는 빔을 일정 영역에 발사하여 좌우로 왕복하며 순차적으로 탐색한다. 이때 좌우로 왕복하는 레이더 빔을 바(bar)라고 부른다. 이 바의 수는 레이더에 따라 다르며 전술적인 상황에 따라 선택이 가능하다.

 

바가 좌우로 가로지르는 각을 방위각이라고 하고, 바가 상하로 가로지느는 각을 고각이라고 한다. 이 방위각과 고각으로 결합되는 공간이 전투기 레이더의 탐지공간이 된다.

 

 

 

 

각각의 바는 좌우로 왕복하는 데 일정한 시간이 걸린다.

 따라서 바를 최대한 많이 선택하면 상하로 넓은 공간을 탐색할 수 있는 반면, 탐색 시간이 오래 걸린다.

또 바가 많아지면 탐색 공간의 상하를 조절할 수 있는 반면, 에너지가 분산된다는 단점이 있다. 바의 개수를 줄이면 그만큼 에너지를 집중시킬 수 있기 때문에 적기를 멀리서도 포착할 수 있다는 장점이 있다. 따라서 바의 선택은 적기의 예상 위치와 전술적인 상황을 고려하여 결정한다.

 

 

출처 : 전투기의 이해, 위키페디아

사진 출처 : Raytheon illustration

 

 

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