항공기 탑재 데이터링크 안테나의
최적 레이돔 형상 분석
Analysis of the optimal radome shape for the aircraft datalink antenna
• 해당 논문은 2025 한국군사과학기술학회 추계학술대회에서 발표되었습니다.
황민수 · 정희철 · 지정근 · 박준서 · 이규환(국방과학연구소) · 이정환(LIG넥스원)
1. 서론
데이터링크 안테나는 위성, 항공기, 함정, 지상 기지국과 같은 플랫폼에 탑재되어 제어 신호, 영상 데이터와 같은 다양한 무선 신호를 송수신하는 장치이다. 항공기에 탑재되는 데이터링크 안테나는 비, 눈, 바람 등 가혹한 환경에 상시 노출되기 때문에 전파 투과성을 해치지 않으면서 안테나를 보호하고 항력 증가를 억제하는 레이돔의 적용이 필수적이다. 레이돔은 보통 유리섬유 복합재(FRP)와 코어로 구성된 샌드위치 적층 구조로 제작되며, 코어의 재질로는 낮은 유전 손실을 가지는 허니콤(honeycomb) 구조가 널리 사용된다[1]. 그러나 안테나에서 방사되는 전자기파가 레이돔을 투과하는 과정에서 회절 등의 왜곡이 발생하여 안테나 방사패턴 품질 변화에 직접적인 영향을 미친다. 특히 항공기에 적용되는 레이돔은 공기역학적 성능을 고려해야 하기 때문에 전방위적으로 비대칭적인 유선형의 형상으로 제작된다. 이로 인해 레이돔 내부의 안테나 조향 시, 안테나로부터 레이돔 경계면으로 입사하는 전자기파는 조향 각도에 따라 균일하지 않은 입사각을 가지게 되고 이러한 입사각 변화와 전파 경로 차이는 결국 보어사이트 오차(BSE), 빔폭(HPBW), 사이드로브 레벨(SLL) 등의 방사패턴 품질을 변화시킬 수 있다. 이러한 방사패턴의 왜곡은 곧 데이터링크 통신의 품질 저하로 직결되기 때문에 안정적인 데이터링크 통신을 위해 레이돔에 의해 변화된 안테나의 방사패턴을 분석하고 운용 시 왜곡된 방사패턴을 보정하는 절차가 필수적이다. 따라서 레이돔 설계 시에는 구조적 형상에 의한 항력 분석 뿐만 아니라 형상과 내부 안테나 조향으로 인한 방사패턴 품질 변화를 고려해야 한다.
본 논문에서는 항공기 탑재 데이터링크 안테나의 최적 레이돔 형상을 제안한다. 레이돔의 형상에 따라 다른 방사패턴 왜곡을 확인하기 위해 구형 원통 형상(sphere), 물방울형 원통(drop) 형상 그리고 바닥이 평평한 원통(flat) 형상의 레이돔에 대해 분석을 진행하였다. 비대칭 형상의 물방울형 원통 레이돔의 경우, 안테나 조향각도(R)에 따른 방사패턴 변화를 확인하였다. 실제 레이돔에 적용되는 허니컴 구조는 복잡한 구조로 인해 모델링 및 전자기적 시뮬레이션에 어려움이 있고 체적 대비 대부분의 영역이 공기로 구성되므로 유효 매질(Air)로 대체하였으며, 상용 전자기 해석 프로그램인 Ansys HFSS를 사용하여 분석을 진행하였다. 또한, 레이돔에 의한 방사패턴의 왜곡을 정량적으로 분석하기 위해 BSE, HPBW, SLL을 확인하였다.
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2. 결론
본 논문에서는 항공기 탑재 데이터링크 안테나의 최적 레이돔 형상을 제안하였다. 구형(shpere), 물방울형(drop) 그리고 바닥이 평평한(flat) 원통 형상의 레이돔에 대한 방사패턴의 변화를 확인하였으며, flat 형상의 레이돔의 경우에서 방사패턴 왜곡이 가장 명확하게 나타나는 것을 확인하였다. 따라서, 항공 역학적인 형상을 만족하면서 방사패턴의 왜곡이 작은 drop 형상의 레이돔이 항공기용 데이터링크 안테나 레이돔에 가장 적합한 형상임을 검증하였다.
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