능동 전자 주사 배열(영어:active electronically scanned array, AESA)은 능동 위상 배열 레이더(영어:active phased-array radar, APAR)라고도 불리며, 안테나를 물리적으로 움직이지 않고도 전파의 빔을 전자적으로 조향하여 다른 방향을 가리킬 수 있는 컴퓨터 제어 방식의 위상 배열 안테나의 일종이다. AESA에서는 각 안테나 소자가 컴퓨터의 제어를 받는 작은 반도체 송수신 모듈(TRM)에 연결되어 있으며, 이 모듈이 안테나의 송신기 및 수신기 기능을 수행한다. 이는 모든 안테나 소자가 컴퓨터 제어 하에 위상 변위기를 통해 단일 송신기 및 수신기에 연결되는 수동 전자 주사 배열(PESA)과 대조된다. AESA의 주된 용도는 레이더이다.
세스나 501 민간용 항공기에 탑재된 AESA 레이더 안테나
AESA는 초기 PESA 위상 배열 기술보다 더 진보되고 정교한 2세대 기술이다. PESA는 한 번에 하나의 주파수에서 단일 전파 빔만 방출할 수 있다. 여러 개의 빔이 필요한 경우 PESA는 버틀러 매트릭스를 사용해야 한다. 반면 AESA는 여러 주파수에서 여러 전파 빔을 동시에 방사할 수 있다. AESA 레이더는 신호 방출을 넓은 주파수 범위로 분산시킬 수 있어 배경 잡음 속에서 탐지하기 어렵게 만든다. 이를 통해 선박과 항공기는 강력한 레이더 신호를 방사하면서도 스텔스 상태를 유지할 수 있으며, 전파 방해(재밍)에 대한 저항력도 더 높다. 각 하위 배열이 자체적인 RF 프론트 엔드를 갖춘 PESA와 유사한 형태의 하위 배열들로 구성된 AESA와 PESA의 하이브리드 형태도 존재한다. 하이브리드 접근 방식을 사용하면 순수 AESA에 비해 저렴한 비용으로 AESA의 이점(예: 다중 독립 빔)을 실현할 수 있다.
최초의 지상 기반, 함정 기반 및 항공기용 AESA 레이더는 1990년대 중반에 작전 운용되기 시작했다.
역사
1962년 ZMAR 개념 스케치뉴멕시코주 화이트 샌드 미사일 시험장에 있는 다기능 배열 레이더(MAR) 프로토타입의 3개 돔 항공 사진. 클러터 펜스로 둘러싸여 있다.FLAT TWIN 대탄도 미사일 레이더 스케치
벨 연구소는 1960년 나이키 제우스 레이더를 위상 배열 시스템으로 교체할 것을 제안했고, 1961년 6월 개발 승인을 받았다. 그 결과물은 능동 전자 조향 배열 레이더 시스템의 초기 사례인 제우스 다기능 배열 레이더(ZMAR)였다. 제우스 프로그램이 1963년 나이키-X 시스템으로 대체되면서 ZMAR는 MAR가 되었다. MAR(Multi-function Array Radar, 다기능 배열 레이더)는 수많은 소형 안테나로 구성되었으며, 각 안테나는 별도의 컴퓨터 제어 송신기 또는 수신기에 연결되었다. 다양한 빔포밍 및 신호 처리 과정을 통해 단일 MAR는 장거리 탐지, 항적 생성, 기만체(decoy)로부터 탄두 식별, 요격 미사일 추적 등을 수행할 수 있었다.
MAR는 단일 기지에서 넓은 공간에 걸친 전체 전투를 통제할 수 있게 했다. 각 MAR와 관련 전투 센터는 수백 개의 표적에 대한 항적을 처리했다. 그런 다음 시스템은 각 표적에 가장 적합한 포대를 선택하고 특정 표적을 공격하도록 할당했다. 일반적으로 하나의 포대가 MAR와 연동되었으며, 다른 포대들은 그 주변에 배치되었다. 원격 포대들은 MAR의 다중 빔 대신 단일 빔만 형성하는 수동 주사 방식의 훨씬 단순한 미사일 기지 레이더(MSR)를 장착했으며, 그 주된 목적은 멀리 떨어진 MAR가 볼 수 있게 되기 전의 요격 미사일(Sprint missile)을 추적하는 것이었다.
MAR는 기술적으로는 성공적이었으나 비용이 막대했다. 탄도탄 요격(ABM) 문제가 너무 복잡해져 MAR 같은 시스템조차 현실적인 공격 시나리오를 감당할 수 없게 되자, 나이키-X 개념은 MAR를 사용하지 않는 센티넬 프로그램과 같은 훨씬 단순한 개념으로 대체되어 폐기되었다. 두 번째 모델인 MAR-II는 콰잘레인 환초에 방치되었다.
소련 최초의 APAR인 5N65는 1963~1965년에 S-225 ABM 시스템의 일부로 개발되었다. 1967년 시스템 개념 수정 후 1970~1971년 사리 샤간(Sary Shagan) 시험장에 건설되었으며 서방에서는 '플랫 트윈(Flat Twin)'이라는 별명이 붙었다. 4년 후 쿠라(Kura) 시험장에 이 설계의 또 다른 레이더가 건설되었으나, S-225 시스템은 취역하지 못했다.
최초의 군용 지상 기반 AESA는 J/FPS-3로, 1995년 일본 자위대 제45항공경계관제대에서 완전히 운용되기 시작했다.
최초의 양산형 함정 기반 AESA는 OPS-24로, 1988년 진수된 일본 아사기리급 구축함 DD-155 하마기리에 도입된 사격 통제 레이더다.
미사일에 탑재된 최초의 AESA는 미쓰비시 F-2와 미쓰비시가 제작한 F-15J에 탑재되는 공대공 미사일인 AAM-4B의 탐색기 헤드이다.
F-22와 슈퍼 호넷에 사용되는 AESA 레이더의 미국 기반 제조업체로는 노스롭 그루먼과 레이시온이 있다. 이들 기업은 AESA 레이더의 '구성 요소'인 송수신 모듈을 설계, 개발 및 제조한다. 필요한 전자 기술은 MMIC 프로그램과 같은 국방부 연구 프로그램을 통해 자체 개발되었다. 2016년 미 의회는 24대의 주 방위군 전투기를 위한 새로운 레이더를 생산하기 위해 방위 산업 경쟁에 자금을 지원했다.
기본 개념
AESA 기본 도식
레이더 시스템은 일반적으로 안테나를 강력한 무선 송신기에 연결하여 짧은 신호 펄스를 방출하는 방식으로 작동한다. 그런 다음 송신기의 연결을 끊고 안테나를 민감한 수신기에 연결하여 대상 물체에서 반사된 에코를 증폭시킨다. 신호가 돌아오는 데 걸리는 시간을 측정하여 레이더 수신기는 물체까지의 거리를 결정할 수 있다. 수신기는 결과 출력을 레이더 디스플레이로 보낸다. 송신기 요소는 일반적으로 클라이스트론 튜브나 마그네트론이었으며, 이는 좁은 범위의 주파수를 높은 전력 수준으로 증폭하거나 생성하는 데 적합하다. 하늘의 일부를 스캔하려면 레이더 안테나를 물리적으로 움직여 다른 방향을 가리켜야 한다.
1960년대부터 송신기 신호를 제어된 방식으로 지연시킬 수 있는 새로운 반도체 소자가 도입되었다. 이는 최초의 실용적인 대규모 수동 전자 주사 배열(PESA) 또는 단순히 위상 배열 레이더로 이어졌다. PESA는 단일 소스에서 신호를 받아 수백 개의 경로로 나누고, 그중 일부를 선택적으로 지연시킨 다음 개별 안테나로 보냈다. 개별 안테나의 무선 신호는 공간에서 중첩되었고, 개별 신호 간의 간섭 패턴을 제어하여 특정 방향의 신호를 강화하고 다른 모든 방향의 신호를 소거했다. 지연은 전자적으로 쉽게 제어할 수 있어 안테나를 움직이지 않고도 빔을 매우 빠르게 조향할 수 있었다. PESA는 기존 기계식 시스템보다 훨씬 빠르게 공간의 체적을 스캔할 수 있다. 또한 전자 기술의 발전에 힘입어 PESA는 여러 개의 능동 빔을 생성할 수 있는 기능을 추가하여 하늘을 계속 스캔하면서 동시에 특정 표적에 작은 빔을 집중시켜 추적하거나 반능동 레이더 유도 미사일을 유도할 수 있게 되었다. PESA는 1960년대에 선박과 대형 고정 진지에서 빠르게 보급되었으며, 전자 장치가 소형화됨에 따라 항공기 탑재 센서로도 이어졌다.
AESA는 반도체 전자 기술의 추가적인 발전의 결과물이다. 초기 시스템에서 송신 신호는 원래 클라이스트론이나 진행파관 등 비교적 큰 장치에서 생성되었다. 수신기 전자 장치도 높은 주파수를 다루었기 때문에 부피가 컸다. 1980년대 갈륨 비소 마이크로일렉트로닉스의 도입으로 수신기 요소의 크기가 크게 줄어들어, 휴대용 라디오와 비슷한 크기, 즉 불과 몇 입방센티미터 부피의 효과적인 요소를 만들 수 있게 되었다. JFET와 MESFET의 도입은 시스템의 송신기 측면에도 동일한 영향을 미쳤다. 이를 통해 저전력 반도체 파형 발생기가 증폭기에 공급되는 증폭기-송신기가 탄생하여, 장착된 레이더가 훨씬 더 넓은 주파수 범위에서 송신할 수 있게 되었고, 펄스를 보낼 때마다 작동 주파수를 변경할 수 있는 수준에 이르렀다. 전체 조립품(송신기, 수신기 및 안테나)을 우유 팩 정도 크기의 단일 "송수신 모듈"(TRM)로 축소하고 이러한 요소를 배열하면 AESA가 생성된다.
PESA에 대한 AESA의 주요 이점은 서로 다른 모듈이 서로 다른 주파수에서 작동할 수 있는 기능이다. 소수의 송신기에 의해 단일 주파수에서 신호가 생성되는 PESA와 달리, AESA에서는 각 모듈이 자체적으로 독립적인 신호를 생성하고 방사한다. 이를 통해 AESA는 서로 다른 주파수로 인해 인식할 수 있는 수많은 동시 "서브 빔"을 생성하고 훨씬 더 많은 수의 표적을 능동적으로 추적할 수 있다. AESA는 또한 여러 TRM의 결합 신호를 후처리하여 마치 하나의 강력한 빔이 전송되는 것처럼 디스플레이를 재생성함으로써 한 번에 여러 다른 주파수로 구성된 빔을 생성할 수도 있다. 그러나 이는 각 주파수에 존재하는 잡음도 수신되어 추가된다는 것을 의미한다.
장점
AESA는 PESA의 기능 외에도 많은 자체적인 기능을 추가한다. 여기에는 동시에 여러 빔을 형성하는 기능, TRM 그룹을 레이더 탐지와 같은 서로 다른 역할에 동시에 사용하는 기능, 그리고 무엇보다도 다중 동시 빔과 스캔 주파수가 기존의 상관관계 유형 레이더 탐지기에 어려움을 준다는 점 등이 있다.
레이더 시스템은 신호를 내보낸 다음 멀리 있는 물체에서 반사되는 에코를 듣는 방식으로 작동한다. 표적을 오가는 각 경로는 송신 신호와 반사 신호 모두에서 전파의 역제곱 법칙을 따른다. 즉, 레이더의 수신 에너지는 거리의 4승에 비례하여 감소하므로, 레이더 시스템이 장거리에서 효과적이려면 종종 메가와트 범위의 높은 전력이 필요하다.
송출되는 레이더 신호는 단순한 무선 신호이며 간단한 라디오 수신기로 수신할 수 있다. 군용 항공기와 선박에는 적의 레이더 빔이 자신을 향할 때 이를 탐지하여 적의 위치를 파악하는 "레이더 경보 수신기"(RWR)라는 방어용 수신기가 있다. 펄스를 내보낸 다음 반사를 수신해야 하는 레이더 장치와 달리, 표적의 수신기는 반사가 필요하지 않으므로 신호는 거리의 제곱에 비례하여 감소한다. 이는 거리 측면에서 수신기가 레이더보다 항상 유리하다는 것을 의미한다(안테나 크기의 차이는 무시할 때). 수신기는 레이더가 표적의 에코를 보기 훨씬 전에 신호를 감지할 수 있다. 레이더의 위치는 해당 플랫폼을 공격할 때 매우 유용한 정보이므로, 공격을 받을 수 있는 경우 레이더를 장기간 꺼두어야 하는 경우가 많다. 이는 예를 들어 선박에서 흔한 일이다.
신호를 보내는 방향을 알고 있는 레이더와 달리, 수신기는 단순히 에너지 펄스를 받아 이를 해석해야 한다. 무선 스펙트럼은 잡음으로 가득 차 있으므로 수신기의 신호는 짧은 기간 동안 통합되어 레이더와 같은 주기적 소스가 무작위 배경보다 더해져 두드러지게 만든다. 대략적인 방향은 회전 안테나를 사용하거나 위상 또는 진폭 비교를 사용하는 유사한 수동 배열을 사용하여 계산할 수 있다. 일반적으로 RWR은 감지된 펄스를 짧은 기간 동안 저장하고 방송 주파수와 펄스 반복 주파수를 알려진 레이더 데이터베이스와 비교한다. 소스의 방향은 일반적으로 조기경보통제기, 지대공 미사일 등 레이더의 용도를 나타내는 기호와 결합된다.
이 기술은 주파수 가변(반도체) 송신기를 사용하는 레이더에 대해서는 훨씬 덜 유용하다. AESA(또는 PESA)는 펄스마다 주파수를 변경할 수 있고(도플러 필터링을 사용하는 경우 제외) 일반적으로 무작위 시퀀스를 사용하여 그렇게 하기 때문에 시간에 따른 통합은 배경 잡음에서 신호를 추출하는 데 도움이 되지 않는다. 또한 레이더는 펄스 지속 시간을 늘리고 피크 전력을 낮추도록 설계될 수 있다. AESA 또는 최신 PESA는 종종 작동 중에 이러한 매개변수를 변경할 수 있는 기능이 있다. 이는 표적에 의해 반사되는 총 에너지에는 차이가 없지만 RWR 시스템에 의한 펄스 감지 가능성을 낮춘다. 또한 AESA는 고정된 펄스 반복 주파수를 가지고 있지 않으며, 이를 변경하여 전체 스펙트럼에서 주기적인 밝아짐을 숨길 수 있다. 구형 RWR은 본질적으로 AESA 레이더에 대해 무용지물이며, 이 때문에 AESA는 '저피탐지(LPI) 레이더'라고도 알려져 있다. 최신 RWR은 고감도(개별 안테나의 작은 각도 및 대역폭, 낮은 전송 손실 및 잡음)로 만들어야 하며 유용한 탐지율을 달성하기 위해 시간-주파수 처리를 통해 연속 펄스를 추가해야 한다.
재밍(전파 방해) 역시 AESA에 대해서는 훨씬 더 어렵다. 전통적으로 재머는 레이더의 작동 주파수를 파악한 다음 해당 주파수에서 신호를 방송하여 수신기가 어떤 것이 "진짜" 펄스이고 어떤 것이 재머의 펄스인지 혼란스럽게 만드는 방식으로 작동했다. 이 기술은 레이더 시스템이 작동 주파수를 쉽게 변경할 수 없는 경우에 효과적이었다. 송신기가 클라이스트론 튜브를 기반으로 했을 때는 일반적으로 그러했으며, 레이더, 특히 항공기용 레이더는 선택할 수 있는 주파수가 몇 개뿐이었다. 재머는 가능한 주파수를 듣고 재밍에 사용할 주파수를 선택할 수 있었다.
최신 전자 장치를 사용하는 대부분의 레이더는 펄스마다 작동 주파수를 변경할 수 있다. 이렇게 되면 재밍의 효과가 떨어질 수 있다. 가능한 모든 주파수에 대해 광대역 백색 잡음을 보내 광대역 재밍(barrage jamming)을 수행할 수는 있지만, 이는 단일 주파수에서의 재머 에너지를 감소시킨다. AESA는 처프(chirp)라고 하는 단일 광대역 펄스를 방출할 수 있는 추가적인 기능이 있어 재밍하기가 더 어렵다.
AESA는 수신 전용 모드로 전환하여 이러한 강력한 재밍 신호를 사용하여 소스를 추적할 수도 있는데, 이는 구형 플랫폼에서는 별도의 수신기가 필요했던 기능이다. 표적 자체 레이더에서 수신된 신호와 자체 방송에서 얻은 낮은 비율의 데이터를 통합함으로써, AESA와 같은 정밀한 RWR을 갖춘 탐지 시스템은 더 적은 에너지로 더 많은 데이터를 생성할 수 있다. 일부 수신 빔포밍이 가능한 시스템(주로 지상 기반)은 송신기를 완전히 폐기할 수도 있다.
그러나 단일 수신 안테나를 사용하면 방향만 알 수 있다. 거리와 표적 벡터를 얻으려면 위상 간섭계를 사용하지 않는 한, 순간적인 결정을 위해 물리적으로 분리된 최소 두 개의 수동 장치를 사용하여 삼각 측량을 해야 한다. 표적 운동 분석(Target motion analysis)은 수신기의 위치에 대한 지식과 표적의 가능한 움직임에 대한 제약 조건과 함께 시간에 따른 많은 방향 측정을 통합하여 이러한 양을 추정할 수 있다.
기타 장점
AESA의 각 요소는 강력한 무선 수신기이므로 능동 배열은 기존 레이더 외에도 많은 역할을 수행한다. 한 가지 용도는 여러 요소를 일반적인 레이더 신호 수신에 할당하여 별도의 레이더 경보 수신기가 필요 없도록 하는 것이다. 동일한 기본 개념을 사용하여 기존의 무선 지원을 제공할 수 있으며, 일부 요소는 방송도 하여 매우 높은 대역폭의 데이터 링크를 형성할 수 있다. F-35는 이 메커니즘을 사용하여 항공기 간에 센서 데이터를 전송함으로써 단일 레이더가 생성할 수 있는 것보다 더 높은 해상도와 사거리의 합성 사진을 제공한다. 2007년 노스롭 그루먼, 록히드 마틴, L-3 커뮤니케이션즈의 테스트를 통해 랩터의 AESA 시스템이 Wi-Fi 액세스 포인트처럼 작동하여 초당 548메가비트의 데이터를 전송하고 기가비트 속도로 수신할 수 있게 되었다. 이는 미국 및 동맹국 항공기가 사용하는 Link 16 시스템(1 Mbit/s 조금 넘는 속도로 데이터 전송)보다 훨씬 빠르다. 이러한 높은 데이터 속도를 달성하려면 AESA가 제공하는 고지향성 안테나가 필요하지만, 이는 안테나 빔 폭 내에 있지 않은 다른 유닛의 수신을 배제한다. 반면 대부분의 Wi-Fi 설계와 마찬가지로 Link-16은 범위 내의 모든 유닛이 데이터를 수신할 수 있도록 전방향으로 신호를 전송한다.
AESA는 PESA나 구형 설계보다 훨씬 신뢰성이 높다. 각 모듈이 다른 모듈과 독립적으로 작동하므로 단일 고장이 전체 시스템 작동에 미치는 영향이 거의 없다. 또한 모듈이 개별적으로 40~60와트 정도의 저전력으로 작동하므로 대형 고전압 전원 공급 장치가 필요 없다.
기계식 주사 배열을 고정식 AESA 마운트(보잉 F/A-18E/F 슈퍼 호넷 등)로 교체하면 항공기의 전반적인 레이더 반사 면적(RCS)을 줄이는 데 도움이 될 수 있다. 그러나 일부 설계(유로파이터 타이푼 및 그리펜 NG 등)는 기계식 주사와 전자식 주사를 결합하여 더 넓은 전체 커버리지 각도를 제공하기 위해 이 이점을 포기한다. 이러한 높은 기축선 밖(high off-nose) 지향 능력은 AESA 장착 전투기가 공대공 전투 맥락에서 종종 "비밍(beaming)"이라고 불리는 T자 기동(crossing the T)을 수행할 수 있게 해준다. 기계식 주사 레이더는 수직 비행의 낮은 접근 속도를 지형 클러터로 필터링해 버릴 수 있는 반면, AESA는 표적을 AESA의 60도 각도 제한 내에 유지하기 위해 표적을 향해 40도 회전할 수 있다.
한계
소자 간 거리가 반파장일 때 최대 빔 각도는 약 °이다. 소자 거리가 더 짧을 때 평면 위상 배열 안테나의 최대 시야각(FOV)은 현재 120°(°)이지만, 앞서 언급했듯이 기계식 조향과 결합될 수 있다.
↑Albon, Courtney. “Concerned about Industrial Base: Senate Appropriators Call For Broader F-16 AESA Radar Upgrade.” Inside the Air Force, vol. 26, no. 23, Inside Washington Publishers, 2015, pp. 3–3, JSTOR website Retrieved 13 March 2022.
↑“Air Defence Fire Control Radar”. 《Defence Research and Development Organisation, Ministry of Defence, Government of India》. 2020년 8월 15일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2021년 10월 7일에 확인함.
_of_the_Indian_Navy.png)
