레이더

우리의 손자 세대에는 아마, 내연 자동차, 그로 인한 매연을 걱정할 필요는 없을 것 같다. 현대 자동차도 내연 기관 엔진 연구는 중단한 상태이며, 현재 전 세계 거의 모든 자동차 업계가 전기 자동차로의 전환을 준비 중이다. 한동안 수소 자동차 개발에 올인하다시피 했던 현대가 다행히 전기 자동 시대에 대한 대비는 충실한 편인 듯하다. 오늘 중국 BYD가 테슬라를 넘어 세계 전기 자동차 1위가 되었지만, 그 외의 지역은 테슬라의 뒤를 이어 현대 아이오닉 시리즈가 2위를 충실히 지키고 있다.

구글과 테슬라가 자율 주행 기술 분야에서 앞서나가고 있다. 그 두 회사는 자율 주행에 접근하는 방향에 근본적인 차이가 있는데, 구글은 레이더, 라이다를 자율 운전을 위한 주 정보 획득 수단으로 삼는데 반해, 테슬라는 8개의 카메라로 전방을 주시하는 영상 신호 처리 기반의 기술에 주력하고 있다. 라이다의 가격이 많이 내려갔지만 사실, 카메라와 비교할 수준은 아니다. 두 차량 모두, 전방 탐지용 레이더는 채택 중이다. 눈은 장애물에 가려지지만, 레이더는 회절에 의해서 장애물의 뒤를 바라볼 수 있기 때문이다.

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아래는 RF(radio frequency) 대역의 밴드 명칭이다. 주파수 밴드 명을 저렇게 붙이는 이유는 2차 대전때 비밀 유지를 위해서이며 그 당시 P,L,S,X,K의 5개 밴드 중 P band는 현재 UHF라고 불리는 1GHz 이하의 대역을 의미한다. 기본적으로 주파수가 낮으면 대기 중 감쇄가 작기에 먼거리를 탐색할 수 있지만, 파장이 길어지기에 분해능이 저하한다. 반대로 주파수가 높으면 감쇄가 크지만 분해능은 올라간다.

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L 밴드는 저주파이면서 어느 정도의 해상도가 존재하기에 보통 ATC(air traffic control)혹은 ARSR(air route surveillance radar)로 사용되며 S밴드와 함께 군용 3차원 레이다가 사용하는 대역이기도 하다.

S 밴드는 2~4GHz로 비에 대한 반사율이 우수하여 장거리 기상레이다로 주로 사용되며, L밴드와 함께 군사용 ASR(airport surveillance radar), 3차원 레이다로 활용된다. 이지스함(AN-SPY-1D )이나 공중 경보 통제기(AWACS, APY-2) 등에 채택되었다. S 밴드는 실제로 무선 통신에 가장 적합한 주파수 대역이기도 하기에 이 대역에는 LTE, Wi-Fi 등 많은 통신 주파수 대역이 존재한다.

C 밴드는 4~8GHz로 상업용 위성 통신 대역, WiFi (5.8GHz) 통신, 무선전화기, 차량 무선키 등에 사용되며 군사적으로는 장거리 탐색용보다는 장거리 정밀 추적용(미사일 요격) 혹은 중거리 지상 레이다로 이용되었다. 패트리어트 미사일(PAC)가 근접 목표물 추적용에 사용한다.

X 밴드는 8~12 GHz로 레이더 탐색용, 고해상도 이미징 용도로 많이 사용되며 10~10.5GHz 대역은 아마추어 무선 통신으로도 사용된다. 또한 먼 거리의 우주선과의 deep space communication 주파수로도 활용된다. THAAD, 사드 레이더는 레이시온이 개발한 X 밴드 레이다이다. X 밴드 레이더는 파장 2.5cm의 전자기파를 CW, 혹은 pulse 형태로 발사하여 상대방 진영의 각종 정보를 획득한다.

X 밴드 이후 부터는 대기 중 감쇄가 크게 증가한다. K 대역은 18~26.5GHz 의 1~2cm의 전자기파를 이용하는데, 그 대역은 수증기 공진 파장인 22.24GHz(1.35cm)와 가까워서 대기흡수율, 혹은 감쇄율이 크다. 따라서, 장거리 전송은 어렵지만, 단거리에서 짧은 파장을 이용한 고 정밀 레이더로 군사적으로 활용도가 높다.

K 밴드의 아래 위로는 Ka (Kurz-above)와 Ku(Kurz-under) 밴드가 존재한다. Ku 밴드는 위성 통신에 주로 활용되는데 강우 감쇄가 급격하므로 고출력 증폭기를 사용해야 하며 결과적으로 비용이 높고 수명이 짧다. Ka 밴드는 주로 정지 궤도 위성 통신에 활용된다. 우리나라 무궁화 위성인 Ku, Ka 밴드를 사용한다. 고주파 대역으로 올라갈수록, 대기 감쇄가 심해지는 반면 풍부한 가용 주파수가 있으므로, 최근 포화된 저주파 대역을 피해서 Ka/Ku밴드를 활용하려는 여러 시도들이 있다.

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레이더는 펄스 형 혹은 연속 파형의 신호를 목표 방향으로 송출하고, 목표에서 반사된 신호를 분석하여 목표물의 종류, 방향, 거리를 탐지하는 전자 기기이다. 흔히 자동차에서 많이 사용되는 FMCW(frequency modulated continuous wave) 레이다의 구성도는 다음과 같다. 주파수가 선형적으로 증가하는 신호(chirp signal)을 발생시켜서 전력 증폭기(PA) 로 증폭시킨 후, 안테나로 송출하고, 반사된 신호와 송신한 신호를 비교하여 목표물과의 거리와 방향을 측정한다.

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레이더의 성능은 가장 첫번째 단의 LNA, low noise amplifier가 좌우한다. 고주파 고전력 LNA로는 MESFET(metal semiconductor field effect transistor)혹은 HEMT(high electron mobility transistor)등을 사용한다. HEMT는 InP 혹은 GaAs 등의 고가의 반도체를 사용하여 가격이 비싸지만 잡음 특성은 우수하다. 최근에는 더 고가이지만 성능이 우수한 GaN (질화갈륨) 소자를 사용한다. 주식에 관심이 많다면 RFHIC 라는 회사에서 군용 GaN 소자를 개발하고 있음을 알 것이다.

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미국 이지스 전투체계의 핵심은 장거리 탐색 레이더이다. 그 중심에는 S 밴드 수동형 전자주사식 위상배열 레이더(PESA, Passive electronically scanned array)가 있다. 여러 개의 안테나의 위상을 조절하면 합쳐진 신호의 위상은 특정한 방향으로 보낼 수 있다. 실제로 IEEE 802.11ad WLAN 는 60GHz의 극초단파 대역 안테나를 여러 개 사용하여 송수신 방향을 조절하는 안테나를 적용한다. 반면 중국의 보복을 불러온 THADD AN/SPY-2 레이더는 능동형 전자주사식 위상배열 레이더, AESA 방식이다.

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현대 전에서의 전투는 가장 먼저 조기 경보 통제기, AWACS 혹은 AWACS (airborne early warning & control system) 기가 하늘에 전개됨으로써 시작된다. 항공모함이나 지휘소 기타 전략 자산들이 레이다 탐색을 시작하면, 상대방의 위치를 알 수 있지만, 동시에 그 전파원을 역추적하여 본인의 위치도 발각당할 위험이 있다. 조기 경보 통제기는 날아다니는 레이다, 즉 전파를 방출한 후, 위치를 바꿀 수 있고, 고고도에 존재하기에 요격도 쉽지 않다는 장점이 있다. E-3 센트리는 보잉 707을 개조하여 만든 AWACS를 대표하는 미국의 조기 경보 통제기이며 현재 미국, 사우디, 나토에서 사용중이며, 한국은 생산중단으로 인해 보잉 737을 개조한 E-737 4대를, 2011~2014년까지 1조 6천억원에 도입하여 운용하고 있다. 그 이전 버전인 E-2를 호크아이(Hawkeye), E-3는 피스아이(pieceeye)라고 부른다.

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기체 상부의 회전식 레이다돔(레이돔 혹은 로터돔)은 직경 9.14m, 두께 1.8m 인데 사용하는 레이더는 AN/APY-1(E-3A)의 경우 660km(폭격기), 440km(전투기), AN/APY-2(E-3)의 경우 900km(폭격기), 650km(전투기), AN/APY-9(E-2D)의 경우 770km, 550km, 400km(소형전투기) 의 넓은 탐지거리를 가진다 (러시아 조기 경보통제기인 러시아 A-50U의 경우 450km, 320km, 180km의 탐지거리임). 10초에 1회전하면서 400~600km 내의 목표물을 600개 탐지하고, 200개를 식별/추적할 수 있다. 아래 그림에서 보듯이 저 돔 안에, T/R 유닛이 깨알처럼 박혀있다.

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전투기에 사용하는 레이다는 AN/APG-xx 로 넘버링되는데, AN/APG-63은 F-15의 레이더로 1970년대에 개발/배치된 1500개의 T/R 모듈로 구성된 AESA 레이더로 14개 목표물을 추적하고 6개 목표물 타격이 가능하다. SAR기능으로 대지 탐색 능력도 갖춘다. AN/APG-70 은 APG-63의 신뢰성을 높이게 재설계하였고 F-15E(F22전 최강 전투기)에 탑재된다. Mig23을 120~150km 거리에서 탐지, Su-27은 같은 전투기를 70~90km에서 탐지하고 SAR 기능을 갖춰 지상 스캔으로 전자지도 작성 능력 갖추고 있다. AN/APG-77 은 F-22 채택했는데, 200~240km에서 RCS 1m^인 목표를 탐지할 수 있을 정도로 성능이 좋다. 이후 버전인 AN/APG-81은 F-35채택, 160km에서 RCS 1m^2인 목표 탐지 가능하다.

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이지스함에 탑재되는 이지스 전투 시스템 레이더는 AN/SPY-XX로 시작한다. AN/SPY1 이지스 전투체계의 PESA 레이더로, 항공기의 경우는 대략 320km, 대함 미사일과 같이 파도를 저공 비행하는 시스키밍 물체의 탐지는 83km, 탄도미사일 같은 큰 물체의 경우 925km의 탐지거리가 가능하여 유일한 탄도 미사일 외기권 방어를 담당한다. 대한민국 세종대왕급 이지스함에서 사용하고 있는 레이더이다.

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AN/SPY-3는 320km 탐지능력을 가진 AESA 레이더 시스템이다. AN/SPY-1이 S밴드의 장거리 탐색을 주로 하는데 반해 SPY-3는 X 밴드의 단거리 정밀 탐색용 레이더로 전투기 혹은 순항 미사일 같은 작은 물체의 탐색에 유리하다. 현재 줌월트급 구축함, 제럴드 포드급 항공모함에 적용중이다.

AN/SPY-6는 2000km의 초장거리 탐지 기능을 가진 AESA레이더이며 별칭은 air and missile defense radar(AMDR)이다. 다른 레이더들이 GaAS 방식의 TR 모듈을 채택한데 비해 GaN 소재를 채택하여 민감한 탐지능력을 가진다. 9/37/69개의 신호모듈에, 37모듈의 경우, 5328개의 TR 모듈로 구성되며 RCS 0.001급, 즉 스텔스 항공기를 330 km 밖에서 탐지하고 69 모듈의 경우 660km 밖에서 탐지 가능하다. 한국은 불행히도 가지고 있지 않다.

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