직교 원형 편파 안테나를 이용한 단일안 레이더 상호결합 저감 기술

초록

본 논문은 벽을 투과하는 레이더 시스템에서 송·수신 안테나 간의 직접 결합으로 인한 수신기 포화 문제를 해결하기 위해, 서로 직교하는 원형 편파(Left‑Hand와 Right‑Hand) QHA(Quadrafilar Helical Antenna)를 사용한다. QHA는 소형·광대역·고이득·낮은 축비(AXR)를 제공하며, 실험 결과 Vivaldi 및 Horn 안테나 대비 8 dB 이상의 결합 감소와 목표물 탐지 향상을 확인하였다.

상세 분석

이 연구는 기존의 단일안(모노스태틱) 레이더가 직면한 핵심 한계인 송·수신 안테나 간 상호결합(mutual coupling)을 전자기학적 편파 차단을 통해 근본적으로 완화하고자 한다. 일반적으로 사용되는 마이크로스트립 패치, Vivaldi, Horn 등은 모두 선형 편파이며, 동일 편파를 공유할 경우 근거리에서 강한 전자기 결합이 발생한다. 이는 송신 전력을 높여도 수신기가 직접 신호에 포화돼 약한 목표 반사파를 검출할 수 없게 만든다.

논문은 두 안테나를 서로 직교하는 원형 편파(LCP와 RCP)로 설계함으로써, 전파가 한 안테나에서 다른 안테나로 전이될 때 편파 변환 효율이 약 −20 dB 수준으로 급격히 감소한다는 점을 이용한다. 원형 편파는 전파가 반사면(벽, 목표물)에서 한 번 반사될 경우 편파가 반전되므로, 목표물에서 돌아오는 신호는 송신편파와 동일한 편파가 된다. 따라서 수신 안테나는 목표물 반사파를 효율적으로 수신하면서도 직접 결합 신호는 크게 억제된다.

QHA는 4개의 나선형 와이어를 90° 위상 차이로 구동하는 구조로, 기존 단일 나선형 안테나 대비 무게와 부피가 절반 이하이며, 3.4 GHz 중심 주파수에서 1.5 dBi 이득, 4 dB 이하의 축비, 1 GHz 이상의 3 dB 대역폭을 제공한다. 또한, 축비가 넓은 시야각(>±45°)에서도 낮게 유지되므로, 실내 환경에서 다양한 입사각을 가진 반사파를 효과적으로 포착한다.

실험에서는 동일 편파(SP)와 직교 편파(OP) 두 경우를 비교하였다. 15 cm 간격으로 배치된 안테나 쌍에 대해 S21 측정값이 SP에서는 −23 dB 수준이었으나, OP에서는 −31 dB로 8 dB 향상되었다. Vivaldi와 Horn 안테나는 각각 −23 dB, −37 dB의 결합을 보였지만, Vivaldi는 평면 구조라 편파 차단 효과가 없고, Horn은 부피와 무게가 크다는 실용적 한계가 있다.

목표물(삼면체 반사체)을 2 m 거리, 18 in 두께의 콘크리트 벽 뒤에 배치한 실험에서는 SP 구성에서 수신기가 포화되어 목표 반사 신호가 전혀 관측되지 않았다. 반면 OP 구성에서는 명확한 피크가 나타났으며, 거리별 S21 변화를 통해 0.5 m~3 m 구간에서 목표물 검출이 가능함을 확인했다. 또한, 안테나 간 거리를 15 cm, 20 cm, 25 cm로 변동시도 결합 감소 효과가 일관되게 유지됨을 보여, 시스템 설계 시 안테나 배치 자유도가 확대된다.

결과적으로, 직교 원형 편파 QHA는 (1) 높은 이득·광대역·소형·낮은 축비, (2) 8 dB 이상의 결합 감소, (3) 목표물 반사 신호 유지라는 세 축을 동시에 만족한다. 이는 FCC 규제 하에서 전송 전력을 최대화하면서도 수신기 포화를 방지하고, 벽 투과 손실이 큰 실내·실외 복합 환경에서 탐지 거리와 신뢰성을 크게 향상시킬 수 있음을 의미한다. 향후 연구에서는 다중 안테나 배열을 통한 빔포밍, 동적 편파 전환, 그리고 실시간 배경 차감 알고리즘과 결합하여 더욱 복잡한 건축 구조와 움직이는 목표물에 대한 성능을 검증할 필요가 있다.