곡선형 단극 안테나를 이용한 고이득·광대역 HF 레이더 설계

초록

본 논문은 15 MHz 대역의 스카이웨이브 OTH 레이더용 곡선형 단극 안테나를 설계·시뮬레이션하고, 곡률과 고정 직섹션 길이가 임피던스 매칭·대역폭·실현 이득에 미치는 영향을 체계적으로 분석한다. 최적화된 곡선형 단극은 기존 ¼λ 직단극에 비해 실현 이득이 18.5 % 상승하고 대역폭이 400 kHz 확대된다. 0.45λ 간격의 12‑element 선형 배열에 적용했을 때 θ=30°에서 14.04 dBi(참조 13.11 dBi) 를 달성해 24 %의 전력 밀도 향상을 보여준다.

상세 분석

이 연구는 HF 대역(3–30 MHz)에서 안테나 크기가 시스템 설계의 주요 제약이 되는 문제를 해결하고자, 전통적인 ¼λ 직단극을 변형한 곡선형 구조를 제안한다. 설계는 두 개의 독립 파라미터, 즉 하부 직섹션 길이 Lₛ와 상부 곡선 섹션의 곡률 κ(=1/R)로 정의된다. 전체 전기 길이는 고정하여 Lₛ와 곡선 아크 길이 Lₖ의 합이 기준 직단극 길이와 동일하도록 함으로써, 성능 변화를 순수히 기하학적 변형에 기인하도록 설계하였다. 파라미터 스윕 결과, κ≈0.5 (R≈200 cm)에서 반환 손실이 최소화되고 대역폭이 최대가 되며, κ를 더 크게(곡선을 과도하게 굽히면) 하면 전류 경로가 비정상적으로 왜곡되어 임피던스 불안정과 이득 감소가 나타난다. 또한 Lₛ를 200 cm로 고정했을 때, 직섹션을 짧게 하면 입력 임피던스가 과도하게 용량성으로 변해 매칭이 악화되고, 지나치게 길게 하면 불필요한 전기 길이 증가로 방사 효율이 떨어진다. 따라서 최적 조합은 Lₛ=200 cm, κ=0.5인 경우이며, 이때 실현 이득은 3.95 dBi(기준 3.21 dBi) 로 18.5 % 상승하고, 15 MHz 중심 주파수 주변 400 kHz의 추가 대역폭을 확보한다.

배열 설계에서는 동일한 최적 단일 요소를 12개로 배열하고, 요소 간 간격을 0.45λ(≈9 m) 로 설정하였다. 이 간격은 상호 결합을 억제하면서도 그레이팅 로브 발생을 최소화하는 실용적 선택이다. 시뮬레이션 결과, 저고도(θ=0°–45°)에서 특히 θ=30°일 때 전체 배열의 실현 이득이 14.04 dBi(참조 13.11 dBi) 로 0.93 dB, 즉 전력 밀도 기준 24 % 향상을 보였다. 또한 후방 로브가 감소해 전방‑후방 비율이 개선되었으며, 각 요소의 임베디드 임피던스 특성이 배열 전체에 걸쳐 안정적으로 유지되는 것을 확인했다.

이러한 결과는 곡선형 단극이 전통적인 직단극에 비해 물리적 높이를 크게 줄이면서도 방사 효율과 대역폭을 동시에 향상시킬 수 있음을 입증한다. 특히 HF OTH 레이더와 같이 높은 송신 전력을 필요로 하는 시스템에서 1 dB 수준의 이득 향상은 실효 방사 전력(EIRP) 증가로 직결되며, 탐지 거리와 신호‑대‑잡음비(SNR) 개선에 크게 기여한다. 또한 설계가 단순한 튜브형 곡선과 직섹션으로 구성돼 제조 공정이 비교적 용이하고, 배열 확장이 용이하다는 점에서 실용적 가치가 높다.