디지털 송수신모듈(Digtal TRM) 기술 소개

서론

레이더 기술은 국방 분야에서 감시, 정찰, 표적 탐지 및 추적에 필수적인 요소로 자리잡고 있다. 특히 전자적 스캔 배열(ESA) 기술의 발전과 함께 레이더 시스템은 더욱 정밀하고 다기능적인 형태로 진화해 왔다. 이러한 발전의 중심에는 송수신 모듈(TRM: Transmit and Receive Module)이 있으며, 최근 디지털 기술의 접목으로 새로운 패러다임으로 전환되고 있다[1]. 레이더는 '전파를 이용한 탐지 및 거리 측정'이라는 뜻으로, 전자기파를 방사하여 대상 물체의 반사파 또는 산란파를 이용해 물체를 탐지하고 거리, 속도, 방위각 등을 측정한다[2]. 현대 레이더 시스템, 특히 다기능 레이더(MFR: Multi-Function Radar)는 표적탐지, 표적추적, 미사일 유도 등 동시에 여러 역할을 수행할 수 있는 복합 시스템으로 발전하고 있으며, 이는 디지털 TRM 기술의 적용으로 더욱 가속화되고 있다[1]. 본 기고문은 레이더 기술발전 흐름과 더불어 TRM의 개념, 디지털 TRM의 개념, 디지털 TRM과 기존 아날로그 TRM과의 특성 차이를 소개한다.

기술소개

레이더 기술발전 흐름

레이더 기술은 끊임없이 발전해 왔으며, 크게 세 개의 세대로 나누어 설명할 수 있다. 각 세대는 빔을 조향하고 신호를 처리하는 방식에서 중요한 변화를 가져왔다. 아래와 같이 세 개 세대의 레이더를 간략히 소개한다.

먼저, 1세대 기계식 레이더(Mechanical Radar)는 가장 기본적인 형태로, 안테나가 물리적으로 회전하거나 기울어지면서 전파 빔을 송신하고 수신한다. 하나의 강력한 송신기가 전파를 만들고, 하나의 수신기가 되돌아오는 신호를 탐지하는 단순한 구조를 가지고 있다. 빔의 방향을 바꾸려면 안테나 자체를 직접 움직여야 하므로, 빔 조향 속도가 느리다는 것이 가장 큰 특징이자 한계이다. 따라서 동시에 여러 목표물을 추적하거나 다양한 방향으로 빔을 보내는 것은 불가능하다. 하지만 구조가 간단하여 제조 비용이 저렴하고, 초기 레이더 시스템이나 비교적 간단한 감시 목적으로 널리 사용되었다.

2세대 PESA 레이더(Passive Electronically Scanned Array Radar)는 기계식 레이더의 느린 빔 조향 속도를 개선하기 위해 등장했다. PESA 레이더는 더 이상 안테나를 물리적으로 움직이지 않는다. 대신 다수의 작은 안테나 소자를 고정된 형태로 배열하고, 각 소자에 위상 변위기라는 장치를 추가한다. 하나의 중앙 집중식 송신기에서 생성된 전파가 이 위상 변위기를 거쳐 각 안테나 소자로 전달되는데, 이때 위상변위기가 전파의 위상을 전자적으로 조절하여 빔의 방향을 바꾼다. 덕분에 기계적인 움직임 없이도 훨씬 빠르게 빔을 전환할 수 있다. 하지만 여전히 하나의 송신기에서 모든 전력을 공급받고 하나의 수신기가 모든 신호를 처리하는 방식이라, 동시에 여러빔을 만들거나 다수의 목표물을 독립적으로 추적하는 능력에는 한계가 있다. 또한 송수신부에 문제가 생기면 전체 레이더체계가 작동하지 않는다는 단점이 있다.

3세대 AESA 레이더(Active Electronically Scanned Array Radar)는 PESA 레이더에서 발전된 형태이다. 외형적으로는 그림 1에서와 같이 PESA 레이더와 AESA 레이더는 구분하기가 어렵다. 두 레이더 모두 안테나 배열이 평면형이며, 외부에서 보기에는 유사한 구조를 가진다. 하지만 기능적으로는 큰 차이가 있다. AESA 레이더는 PESA 레이더와 마찬가지로 고정된 다수의 안테나 소자를 사용하지만, 결정적인 차이점은 각 안테나 소자마다 자체적인 송수신 모듈(TRM)을 가지고 있다는 점이다. 즉 각각의 TRM이 독립적으로 전파를 생성하고 증폭하며, 수신된 신호를 처리할 수 있다. 이는 마치 수백, 수천개의 작은 레이더가 모여 하나의 거대한 레이더를 이루는 것과 같은 개념이다. 각 TRM에서 방사되는 전파의 위상과 진폭을 개별적으로 정밀하게 제어함으로써, AESA 레이더는 동시에 여러 개의 레이더 빔을 독립적으로 생성하고 운용할 수 있다. 이를 통해 동시에 여러 목표물을 탐색하고 추적하며, 재밍에 대한 강력한 저항력을 갖는 등 혁신적인 성능을 제공한다. 일부 TRM이 고장이 나더라도 전체 시스템의 작동에는 큰 영향을 미치지 않아, 신뢰성도 매우 높다. 높은 개발 및 제조비용이라는 단점이 있지만, 고성능이 필수적인 국방분야에서 중요한 기술로 자리 잡았다.

TRM의 기본 개념

송수신 모듈(TRM)은 능동 위상배열 시스템의 핵심부품으로, 각 소자가 개별적으로 신호를 송신하고 수신할 수 있도록 해주는 전자 모듈이다. 이 모듈은 적자적으로 빔을 조향하는 기능을 수행하며 수백개~수천개가 배열되어 위상배열 안테나 시스템을 구성한다. TRM은 AESA 레이더에만 사용되는 핵심 구성 요소이며, 기존 기계식 또는 PESA 레이더에는 사용되지 않는다. 다만 기존 레이더 방식에도 송수신 모듈이라는 개념 자체는 존재하였으나 그 역할과 구현방식, 중요성에 큰 차이가 있다. 표 1에 그 차이를 소개한다.

디지털 TRM 개념

디지털 TRM(DTRM : Digital Transmit/Receive Module)은 레이더 시스템에서 디지털 데이터를 받아 처리하고 수신측에서 다시 디지털로 변환하는 모듈이다. 직접 샘플링 기법을 활용하여 안테나 근처에서 RF 신호를 즉시 디지털로 변환하고 DTRM 내에서 레이더 신호처리를 수행한다. 기존 아날로그 TRM이 RF(Radio Frequency)신호 처리를 아날로그 회로로 수행했던 것과 달리, 디지털 TRM은 수신된 RF신호를 대부분 디지털화하여 중앙 디지털 프로세서 또는 각 TRM내에서 직접 처리하는 방식이다. 이러한 방식은 디지털 빔형성, 고성능 신호처리, 유연한 재구성 등의 기능을 가능하게 하며 AESA레이더의 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있다. 또한, 완전디지털배열레이더(Fully Digital Array Radar, FDAR)는 AESA레이더 이후 차세대레이더로 평가받고 있는데, 디지털 TRM은 완전디지털배열레이더를 구현하기 위한 핵심 구성요소이다. 이에 디지털 TRM은 미래 레이더 기술의 발전 방향을 제시하는 핵심 기술로 인식된다. 국내에서는 그림 2와 같이 차기 호위함(울산급 Batch-III)에서 국내 최초 완전디지털배열레이더가 개발되었다.

아날로그 TRM과 디지털 TRM 특성 차이

아날로그 TRM은 신호를 직접 아날로그 RF 방식으로 처리하며 구조가 비교적 간단하고 비용이 저렴하지만, 신호 처리 능력에 한계가 있으며, 다중빔이나 정밀한 빔 제어가 어렵다. 또한, 아날로그 신호 처리 과정에서 잡음과 간섭에 취약할 수 있으며, 하드웨어 기반이므로 설계이후의 기능 변경이나 재구성이 매우 제한적으로 유연성이 떨어진다.

디지털 TRM은 송수신 경로의 상단 부분을 ADC/DAC를 통해 디지털 영역에서 처리한다. 이로 인해 유연한 디지털 빔형성, 고성능 신호 처리가 가능하다. 또한 각 소자 신호를 개별적으로 제어하여 정교한 빔형성 및 다중 빔 생성이 용이하며, 잡음 및 간섭에 대한 강인성이 높다. 이에 더해 소프트웨어적으로 기능을 업그레이드하거나 임무 요구사항 변경에 재구성할수 있다. 이는 하드웨어 변경이 제한적인 아날로그 시스템에 비해 큰 장점이다. 다만, 초기 개발 및 구현 비용이 높고, 고속/고정밀 ADC/DAC 기술이 요구된다. 아래 표2는 아날로그 TRM과 디지털 TRM의 특성차이를 나타낸다.

결 론

디지털 TRM 기술은 현대 레이더 시스템, 특히 다기능 레이더의 성능과 기능을 혁신적으로 향상시키고 있다. 기존의 아날로그 TRM에 비해 자유로운 빔 형성, 향상된 신호 처리 능력, 강화된 전자전 대응 능력, 그리고 소형화와 경량화의 이점을 제공한다. 국내외에서 디지털 TRM 기술은 지속적으로 발전하고 있다. 특히 국내에서는 디지털 TRM을 이용한 함정용 완전디지털배열레이더 개발이 완료되었으며, 디지털 TRM을 적용한 레이더 개발 또는 완전디지털배열레이더의 추가 개발도 활발히 논의되고 있다. 디지털 TRM의 기술발전은 복잡해지는 전장환경에 보다 효과적으로 대응할 수 있도록 하며, 국방 감시ㆍ정찰 체계의 성능을 획기적으로 발전시키고 있다.