1.서 론

함정, 항공기, 미사일 등의 현대 무기체계는 레이더를 이 용하여 상대방에 대한 정보를 획득한다. 따라서 레이더에 의해서 탐지되는 레이더 반사면적(RCS: Radar cross section)을 감소시키기 위한 방안을 설계에 적극 반영되고 있다. RCS 특성은 구조물의 기하하적인 형상에 의해 결정되고 Urick에 의해 이론식이 정립되었다(Urick, 1983). 복합 구조물에 적용 하기 위한 수치해석 기법으로 키르히호프 근사법을 이용한 RCS 해석이 수행되고 있다(Schneider et al., 2003; Choi et al., 2005; Kwon et al., 2014a)

RCS를 줄이는 방안으로 크게 RAS(Radar Absorbing Structures) 기법과 RAM(Radar Absorbing Materials) 기법이 있다. RAS 기 법은 구조 변경 및 형상 변경을 통하여 평면반사를 감소시 키거나 코너반사를 감소시켜 RCS를 줄이는 기법이고(Kwon et al., 2014b), RAM 기법은 형상 변경이 용이하지 않을 경우 전파 흡수체 적용을 통해 RCS를 줄이는 기법이다(Knott et al., 1993; Hwang et al., 2015). 그러나 일반적으로 전파 흡수체 의 적용은 중량 및 비용 증가 등으로 제한적 요소를 내재하 고 있다. 그러므로 RCS 감소 방안을 복합 구조물 설계에 효 율적으로 적용하기 위해서는 구조와 형상 변경에 따른 RCS 특성 분석이 필요하다.

함정의 RCS에 영향을 미치는 요소로써, 상부구조물, 함 포, 레이더 등이 있다. 상부구조물, 함포 등의 경우 RAS 기 법을 통하여 기울어진 형상을 적용하여 RCS를 감소시키고 있으나, 레이더의 경우 형상 변경이 어려운 실정이다. 레이 더와 같이 복잡한 구조물의 경우 다양한 코너반사 효과로 인하여 비교적 큰 RCS 값을 보이고 있다. 이를 줄이기 위해 전파 흡수체를 적용하고 있으나 그 효과는 적은 편이다.

최근에는 함정의 레이더에 의한 RCS 감소를 위하여 폐위 형 마스트와 통합마스트를 적용하고 있다. 이들 마스트는 기존의 레이더를 단순한 형태의 구조물로 은폐하여 RCS를 감소시킨다. 이 경우 폐위형 마스트 레이더가 사용하는 주 파수는 굴절이나 흡수, 반사가 되지 않고 잘 투과시켜야 하 고, 사용하지 않는 주파수는 모두 반사되도록 설계해야하므 로 주파수 선택 표면(FSS: Frequency Selective Surface)으로 처 리해야 하는 어려움이 있으나 기존의 레이더를 그대로 사용 할 수 있는 장점이 있다. 통합마스트는 마스트 외벽에 평면 레이더를 설치하여 복잡한 레이더를 단순 형상의 마스트로 변환하여 RCS를 감소시키는 장점이 있으나 기존의 레이더 를 사용할 수 없고, 평면 레이더에 대한 신호 연구도 필요하 다.

본 논문에서는 복합 구조물의 RCS를 해석할 수 있는 프 로그램, RACSAN(Kwon et al., 2014a)을 이용하여 기존 레이더 의 RCS 감소를 위한 폐위형 마스트에 적용되는 FSS의 특징 에 대해 살펴보고 이를 적용한 폐위형 마스트의 RCS 감소 효과 및 특성을 분석하였다.

2.이 론

2.1.레이더반사면적(RCS)

RCS는 레이더에서 방사된 전자파가 물체에 반사되어 되 돌아온 크기를 면적의 단위로 나타낸 값이다. RCS 식은 다 음과 같이 표현할 수 있다(Knott et al., 1993).(1)

여기서, E_i 는 레이더에서 송신한 전자파가 표적에 입사되는 입사파, E_s는 표적에서 산란되어 레이더 방향으로 되돌아오 는 산란파, R 은 레이더와 표적 사이의 거리를 의미한다.

2.2.주파수 선택 표면(FSS)

기존 레이더 구조물의 경우 다양한 탐지 센서, 안테나, 케 이블 등이 외부에 설치가 되어 있어 높은 RCS 값을 보이고 있다. 이를 줄이기 위해서 단순한 사다리꼴 형태의 6면체로 이루어진 마스트를 이용하여 기존의 레이더를 폐위한 폐위 형 마스트와 단순 마스트 구조물에 평면레이더를 설치한 통 합마스트가 있다.

폐위형 마스트의 경우 아군 함정의 레이더 주파수는 굴절 이나 흡수, 반사가 되지 않고 잘 투과시켜야 하고, 사용하지 않는 주파수는 모두 반사되도록 설계해야하므로 주파수 선 택 표면(FSS: Frequency Selective Surface)으로 처리해야 한다. FSS의 특성을 보이는 것은 Fig. 1과 같이 도체의 패턴이 주 기적으로 반복되어 특정 주파수 전파의 공진으로 인해 유전 율의 변화가 생기게 되고 그에 따라 해당 주파수의 전파가 반사 또는 투과되는 원리이다.

2.2.1.주파수 선택 표면 등가회로

FSS는 전파의 공진효과로 인해 특정 주파수 대역의 전파 가 투과 또는 반사되는 성질을 가지고 있다. 이러한 성질을 전기회로 이론에서의 인덕턴스와 캐패시턴스로 치환함으로 써 구현할 수 있는데 이를 표현한 것이 등가회로이다.

Fig. 2와 같이 인덕턴스(Inductance, L)는 전류의 변화에 의 한 전자기유도로 생기는 역기전력의 비율을 의미하고 그 크 기는 아래의 식과 같다.(2)

여기서, μ는 투자율, n은 단위길이 당 감은 횟수, A 는 단면 적, l 은 길이 그리고 H 는 자기장을 나타낸다.

FSS 형상에서 이와 같은 성질을 보이는 부분은 Fig. 3에서 빨간색 화살표로 표현된 도체 부분의 길이이다.

여기서 l은 FSS의 pole의 길이를 나타내고, d는 pole과 천공 간의 간격을 나타낸다.

Fig. 4와 같이 캐패시턴스(Capacitance, C)는 극판에 전압을 가해주었을 때 극판에 축적되는 전하량의 비율을 의미하고 그 크기는 아래의 식과 같다.(3)

여기서 є은 유전율, S 는 극판의 면적, d는 극판의 간격, F 는 전압을 나타낸다.

2.2.2.대역 통과 필터(Band Pass Filter)

인덕턴스와 캐패시턴스의 조합으로 이루어진 등가회로의 전체 임피던스()는 아래와 같이 표현할 수 있다.

여기서 j는 복소수, ω는 주파수를 나타낸다.

임피던스 값이 0이 되는 주파수, 즉 FSS에서 공진이 일어 나는 주파수의 값은 아래와 같다.(5)

식(4)를 이용하여 해당 주파수의 transmission coefficient를 구하는 식은 다음과 같다.(6)

2.2.3.주파수 선택 표면 Scattering

전파가 z축에 수직하고 무한히 얇은 FSS를 통과한 후 진 행하는 투과파에 대한 자기장의 포텐셜은 다음과 같다.(7)

여기서 A 는 J 에 의해 발생하는 자기장의 포텐셜, J 는 전파 로 인해 FSS 상에 유도된 전류밀도, k₀는free space wave number, I는 identity tensor이다.

유도된 자기장으로 인해 FSS로부터 산란되는 전기장 E_s 는 다음과 같다.(8)

3.폐위형 마스트 RCS 해석

3.1.FSS 특성 분석

폐위형 마스트의 표면에 처리된 FSS 특성에 대해 분석하 였다. FSS는 Fig. 5와 같은 tri-pole 모델을 사용하였고, 크기 9 mm × 9 mm × 24.38 mm로 Foam-도체판-유전체판-Foam으로 구성되어 있다. Foam의 두께는 12 mm이고, 도체판의 형태는 천공을 가진 tri-pole의 형태로 두께는 0.35 mm이고 각 pole의 길이 4.15 mm, 폭 1 mm이고 천공 간격은 0.8 mm이다. 유전체 판의 두께는 0.35 mm이다.

Fig. 6과 7은 pole의 길이 및 두께 변화에 따른 전자기파의 투과손실을 나타낸다. Table 1과 2는 길이 및 두께 변화에 따 라 Resonance frequency의 변화를 나타내고 있다. 이에 따라 FSS를 투과할 수 있는 주파수 대역이 달라지고 있다. 길이변 화에 따라 Resonance frequency의 변화가 크게 발생하나, 두께 변화에 따라서는 변화가 거의 없는 것을 확인할 수 있다. Fig. 8과 9는 도체판과 유전체판의 두께 변화에 따른 결과를 나타내고 있다. Table 3과 4에서 알 수 있듯이 두 판의 경우 두께 변화에 따른 Resonance frequency의 변화가 거의 없다. 또한, Fig. 10은 Foam의 두께 변화에 따른 전자기파의 투과손 실에 대해 살펴보았다. Table 5에서 보여지는 바와 같이 Foam의 두께 변화에 따라 Resonance frequency가 변화되는 것 을 확인 할 수 있다. 따라서 FSS의 길이 및 Foam의 두께 등 을 바꾸면 Resonance frequency가 크게 변화하고 그 외에는 거의 변화하지 않는 다는 것을 알 수 있고, 이에 따라 투과 시키고자 하는 주파수를 선택할 수 있고, 그 외의 주파수는 FSS를 투과하지 못하고 반사하게 된다.

Fig. 6-10을 통해서 Fig. 5의 tri-pole 모델은 투과가능한 주 파수가 10.23GHz 임을 알 수 있다. 따라서 10.23 GHz의 주파 수에 대하여 폐위형 마스트의 RCS 특성을 분석하였다. 일반 적인 레이더와 폐위형 마스트에 대해 RCS를 해석하여 폐위형 마스트의 RCS 감소 효과에 대해 살펴보았고, 고각 및 형상 변 화에 따른 RCS 특성에 대해 분석하였다. 일반 레이더 모델은 Fig. 11에 알 수 있듯이 8.2m× 4 m× 13.6 m 모델로 10,305개의 요소로 구성되어 있고, 폐위형 마스트 모델은 8.2 m× 8.2 m× 13.6 m 모델을 8,343개의 요소로 모델링하였다.

3.2.RCS 비교

함정의 위협 고각은 유도탄의 공격패턴에 따라 결정되는 데, 최근 개발된 유도탄들은 대부분 종말 호밍단계에서 Sea- skimming 공격패턴을 취하고 있기 때문에 고각 0도가 주요 위협 각도가 된다. 따라서 주파수가 10.23 GHz일 때, 고각 0 도에서 일반 레이더와 폐위형 마스트의 RCS를 비교하였다. Fig. 12에서 알 수 있듯이 일반적인 레이더의 경우 다양한 형 상의 장비들로 구성이 되어 있기 때문에 전 방위각에서 고 르게 높은 RCS 값을 가짐을 알 수 있다. 이에 반해 폐위형 마스트의 경우 단순한 형태로 구성이 되어 있기 때문에 Table 6에서 확인 할 수 있듯이 일반적인 레이더에 비해 낮 은 RCS 값을 가짐을 확인할 수 있다.

3.3.고각별 RCS 해석

일반적으로 함정의 위협 고각은 0도이나 항공기나 유도탄 이 대상표적을 공격할 때 탐색 및 표적 탐지 단계에서 상대 적으로 원거리에서 탐색이 이루어지기 때문에 0~10도 부근 이 함정의 피탐지 주 위협고각이 된다. 따라서 Fig. 11의 폐 위형 마스트의 고각별 RCS 해석을 위하여 10.23 GHz의 전자 파가 방위각 0도부터 360도까지 0.2도 간격으로 입사할 경우 에 고각을 0도에서 10도까지 2도 간격으로 변화시키면서 RCS 해석을 수행하였다.

Fig. 13은 해석 고각에 따른 RCS 해석 결과를 나타내며, 고 각이 증가함에 따라 RCS 평균값이 증가 하는 것을 확인 할 수 있다. 폐위형 마스트의 경우 경사각이 11도이므로 Table 7 에서 확인 할 수 있듯이 고각이 올라갈수록 하부면에 수직입 사하게 되어 RCS 평균값이 증가하는 것을 알 수 있다.

3.4.경사각별 RCS 해석

Fig. 11의 폐위형 마스트의 경사각은 11도로, 이를 기준으 로 -3도와 +3도 변경하여 RCS 해석을 수행하였다.

Fig. 14는 Fig. 11에 나타낸 폐위형 마스트의 경사각을 8도 와 14도로 변경한 RCS 해석 결과를 나타낸다. Table 8은 경 사각별 RCS 값을 나타낸다. 폐위형 마스트의 경사각이 3도 낮아짐에 따라서 RCS 평균값이 0.1 dBsm 증가 하는 것을 확 인 할 수 있다. 또한, 경사각이 3도 증가함에 따라서 RCS 평 균값이 0.2 dBsm 감소하는 것을 확인 할 수 있다. 경사각이 감소할수록 신호가 수직입사에 가깝게 되므로 RCS 값이 증 가하는 것을 확인할 수 있다.

3.5.크기별 RCS 해석

Fig. 11의 폐위형 마스트의 크기는 8.2 m× 8.2 m× 13.6 m로 이를 기준으로 95%와 105 %로 크기를 변경하여 RCS 해석을 수행하였다.

Table 9는 크기별 RCS 값을 나타낸다. 폐위형 마스트의 크 기가 5% 작아짐에 따라 RCS 평균값이 0.4 dBsm 감소하는 것을 확인 할 수 있다. 또한, 크기가 5% 증가함에 따라서 RCS 평균값이 0.3 dBsm 증가하는 것을 확인 할 수 있다.

4.결 론

본 논문에서는 복합 구조물의 RCS를 해석할 수 있는 프 로그램, RACSAN을 이용하여 RCS 감소기법 중의 하나인 폐 위형 마스트에 대해 RCS 해석을 수행하고, 특성을 분석하였 다.

페위형 마스트 구성을 위한 FSS에 대해 살펴보고 길이, 두께 변화 및 도체판, 유체판과 Foam의 두께 변화 등에 따른 FSS의 투과손실 특성에 대해 살펴보았다. 이를 통해 길이, 두께 및 도체판, 유체판과 Foam의 두께 변화를 통해 가용하 자고 하는 주파수는 투과 시키고 그 외의 주파수에 대해서 는 반사를 일이키는 FSS 구조 특징에 대해 살펴보았다.

일반적인 레이더와 폐위형 마스트에 대하여 RCS 해석을 수행하였다. 일반적인 레이더의 경우 복잡한 형상으로 인하 여 높은 RCS 값을 갖는 반면 폐위형 마스트의 경우 단순한 형상으로 인해 낮은 RCS 값을 갖는 것을 확인하였다.

폐위형 마스트의 고각별 해석 결과 고각이 0도에서 10도 까지 높아짐에 따라 RCS 평균값이 19.4 dBsm 증가하는 것을 확인하였다. 그리고, 폐위형 마스트의 경사각이 8도에서 14 도까지 증가함에 따라 RCS 평균값이 0.3 dBsm 감소하는 것 을 확인하였다. 또한, 폐위형 마스트의 크기 변화에 따른 RCS 증감 변화를 확인하였다. 따라서, 본 연구 결과들을 활 용하여 향후 함정 레이더의 RCS를 감소시키기 위해서는 실 내공간을 고려하여 가능한 한 폐위형 마스트의 경사각을 높 이고, 크기를 줄이는 것이 필요할 것으로 판단된다.

향후에는 특정 주파수가 아닌 광대역 주파수에서 적용 가 능한 FSS 구조에 대한 연구와 통합마스트 적용을 위한 평면 레이더 신호 처리에 대한 연구가 필요하다.