고출력 마이크로파 기반 무인기 무력화 시뮬레이션 프레임워크

초록

본 논문은 2.45 GHz 고출력 마이크로파(HPM) 시스템을 설계·평가하기 위한 다중물리 시뮬레이션 프레임워크를 제시한다. 전파 전파, 안테나 패턴, 무인기 배선에 대한 전자기 결합, CMOS 래치업 손상 확률을 시그모이드 함수로 모델링하고, 10 000회 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 거리·전력·지향 오차 등 불확실성을 전파한다. 결과는 CW 25 kW에서 20 m 거리에서 51 %±1 %의 살상 확률을 보이며, 500 kW 펄스(1 % 듀티)에서는 90 % 살상 거리가 18 m에서 88 m로 확대됨을 보여준다.

상세 분석

이 연구는 고출력 마이크로파(HPM) 기반 비탄도식 무인기(C‑UAS) 방어 시스템을 설계하기 위해 전자기학, 전력공학, 반도체 물리학을 하나의 시뮬레이션 환경에 통합한 점이 가장 큰 특징이다. 먼저 전파 전파 모델은 Friis 식을 기반으로 전송선 손실(웨이브가이드·피드·레돔 효율)과 안테나 이득을 포함해 전력 밀도와 전기장 강도를 정확히 계산한다. 안테나는 60 cm 파라볼릭 반사판(η_ap = 0.55)으로 설계되어 21.2 dBi 이득을 제공하고, 3 dB 빔폭은 약 14.3°로 설정돼 목표 정밀 조준이 가능하도록 한다.

배선 결합 모델은 무인기의 플라스틱 외피와 노출된 전선이 짧은 다이폴(길이 < λ/2)로 동작한다는 가정 하에, 유효 길이 L_eff = L/2와 편향 각 θ_wire, 편파 불일치 효율 η_pol을 곱해 유도 전압 V_ind를 구한다. 특히 L ≈ λ/2(≈6.12 cm) 근처에서는 Q≈10의 공명 효과를 가우시안 형태로 보정해 전압을 510배 증폭한다. 이는 실제 드론 ESC 신호선 길이가 58 cm인 경우와 일치해 실험적 관찰과 부합한다.

반도체 손상 확률은 전기장 강도 |E|에 대한 로지스틱 함수 P_kill(E)=1/(1+exp