Study on Electromagnetic Testing for Surface-to-Air Missile system and Method for Test Complementation

대공유도무기체계의 전자기 시험 고찰 및 시험 보완 방법

Abstract

The SAM(Surface-to-Air Missile) systems will be operated until disposing of it after production, the necessary test and evaluation should be performed during the development stage to ensure the operational performance after deployment. As development of technologies related to the electromagnetic wave field of missile system is required, so the verification of the electromagnetic environment has become more important. Therefore it is necessary to carefully review whether there are any weaknesses through the analysis of the SAM system when establishing the test and evaluation procedure. This paper describes the general electromagnetic test procedure for SAM system and discusses the matters that need to be supplemented. Also, methods for supplementation and review results were written.

대공유도무기체계는 생산배치 이후 폐기 전까지 운용하게 되고, 체계개발 단계에서 필요한 시험평가를 수행하여 배치 후 운용 성능을 보장하여야 한다. 유도무기의 전자파 분야 관련 기술 발전이 요구됨에 따라 전자기 환경에 대한 검증이 더욱 중요해지고 있다. 따라서 시험평가 절차 수립 시 대공유도무기체계에 대한 분석을 통하여 취약점이 없는지 면밀히 검토할 필요가 있다. 본 논문은 대공유도무기체계의 일반적인 전자기 시험 절차에 대하여 고찰하고 보완이 필요한 사항에 대하여 논의하고자 한다. 또한, 보완을 위한 방법 및 검토 결과에 대하여 기술하였다.

Ⅰ. 서론

대공유도무기체계는 탐지 및 타격을 효율적으로 통제하여 대공 방어를 수행하는 것으로, 개발을 거쳐 전력화를 통하여 군에 배치된다. 배치 후 폐기까지의 전체 수명주기 동안 운용성능을 보장하기 위하여 개발기간 중 운용평가 및 환경평가를 수행한다 [1].

최근 군사과학기술 발전 동향을 살펴보면 무기체계의 발전 추세에 따라 전자파 영역에 대한 우세권 확보 노력이 필수적이고, 무기체계의 복잡성이 높아진 만큼 구성 장비 자체의 전자기 영향성 검증이 중요하여 졌다 [2]. 대공유도무기체계의 경우 이러한 전자기 영향성 검증 요구에 대응하고자 미국 국방규격을 적용하여 전자기 시험에 대한 방법 및 절차를 수립하는데, 시험 대상을 시스템으로 하는 경우 전자기 환경 영향성 적합성 평가를 수행하고 장치를 대상으로 하는 경우 전자기 간섭시험 평가를 수행한다.

그림 1은 대공유도무기체계의 구성이다. 효율적인 대공 방어를 수행하기 위하여 표적 탐지 및 추적을 위한 레이더 시스템(Multi Function Radar), 표적의 위협을 물리적인 타격으로 무력화시키는 유도탄(Missile), 발사 절차를 제어하는 발사통제 시스템(Launch Control Unit) 그리고 사격을 명령하고 통제하는 교전통제 시스템(Engagement Control System)으로 구분되고, 각 시스템은 통신 및 전원 등의 전기 신호가 연결된다 [3]-[4]. 시스템을 통합하여 전자기 시험을 하는 경우 MIL-STD-464C를 적용하여 부체계나 장비 간 커플링에 의하여 발생 되는 전자파를 버틸 수 있는 정도를 시험하는 여유치(Margin) 시험을 포함하여 내부 전자기 적합성, 외부 전자기 적합성, 전기접속 및 외부접지, 낙뢰 내성 및 수명주기를 평가하게 된다. 전자기 시험을 유도탄 혹은 하부 장치 단위로 시험하는 경우 MIL-STD-461G를 적용하여, 전선을 따라 전도 되거나 전자파의 형태로 방사되는 정도를 측정하거나 각 경로에 의하여 유입되는 노이즈를 견딜 수 있는지 확인한다. 시험절차 수립 시 시스템을 운용하는 조건에 따라 항목을 조정할 수 있고, 시스템의 작동 요구 규격과 설계분석을 통하여 각 요구 규격과 검증 방식을 조정할 수 있다 [5]-[6]. 전자기 간섭 시험은 대상 장비를 유도탄 혹은 구성품 조립체로 정의하여 시험을 수행하는데, 전기적 인터페이스를 제공하는 배선장치 조립체의 경우 전자기 시험 대상에 따라 시험 구성에서 생략 된다.

그림 1. 대공유도무기체계 구성

Fig. 1. Configuration of SAM system.

구성품 조립체를 대상으로 하면 전자기 시험 전용 케이블을 사용하여 시험을 수행하기에 유도탄 내 구성품 중 배선장치 조립체가 시험 대상에 포함되지 않는다 [7]. 그러나 실제 배선장치 조립체는 유도탄내 구성품 간 전원과 통신 등 전기적 신호를 전달하는 역할을 수행하기 때문에 배선장치에서 방사되는 전계가 유도탄내 구성품에 영향을 줄 수 있고 운용 중 구성품의 방사 노이즈가 배선장치에 영향을 미칠 수 있어 실제 배선장치의 전자기 영향성에 대한 검토가 필요하다 [8].

이에 본 논문은 대공유도무기체계 전자기 시험평가에 대한 보완 방안을 제시하고자 한다. 2장에서는 유도탄 분석 및 취약점 도출을 위하여 유도탄 구성품 분석과 전자기 시험 평가 방안에 대하여 고찰하고, 3장에서는 보완할 사항에 대한 시험을 위해 시험 방법 및 테스트베드 구성과 시험 환경 검증 결과에 대하여 기술하였다.

Ⅱ. 유도탄 분석 및 취약점 도출

2-1 유도탄 구성 및 노이즈 저감 설계

유도탄은 발사 후 제어 및 구동 등의 기능을 수행하기 위하여 구성품 조립체(Sub system) 단위로 나누어 설계 및 제작한다. 그림 2는 유도탄 내부 구성과 발사통제장치와 연결되는 구성이다. 각 구성품 조립체는 배선장치 조립체(Cable assembly)를 통하여 연결되고 배꼽연결기(Umbilical)를 통하여 전원 및 통신 등의 전기 신호가 발사통제장치(LCU)와 연결된다. 구성품 조립체의 경우 전자기 간섭 시험 대상 장비이기에 설계 단계부터 노이즈를 저감시키기 위하여 노력하여야 한다. 대표적인 노이즈 원으로는 시스템 사용 주파수를 생성하기 위한 오실레이터와 전력 효율이 좋은 스위칭 전력 변환 장치가 있다. 추가적으로 인접한 신호선 간 누화가 발생할 수 있고 시스템 간 임피던스 차이에 의하여 반사파가 형성되어 노이즈가 될 수 있기에 설계 반영 요소로 관리해야 한다.

그림 2. 유도탄 구성 및 발사통제장치 연결

Fig. 2. Configuration of missile with Launch Control Unit.

노이즈 저감을 위하여 유효한 신호 주파수 성분, 노이즈 주파수 분포, 노이즈 발생원 및 전달 경로를 파악한다. 파악된 원인에 따라 차폐, 그라운드 강화 및 노이즈 필터 적용을 통하여 노이즈 강건 설계를 수행한다. 그림 3은 해당 노이즈 절감 방안에 대한 절차이다 [9].

그림 3. 노이즈 저감 절차

Fig. 3. Procedure for reduction noise.

제작된 구성품 조립체는 전자기 간섭 시험을 수행하여 요구 환경 조건을 만족하는지 확인한다. 배선장치 조립체의 경우 노이즈 저감을 위하여 형상을 최적화 하거나 전용 선재를 사용한다. 전도 방사는 공통모드 혹은 차동모드 노이즈가 있고, 공통 모드 노이즈 E_CM는 케이블 길이와 비례하여 증가하고 차동 모드 노이즈E_DM는 루프 면적에 비례하여 증가한다. 식 1은 원거리장(far field)에서 거리(r)에 따른 공통모드 노이즈의 세기(E, 단위 : volts/meter)를 나타낸다. 식에서 f는 주파수, l은 길이, I_CM은 공통 모드를 통한 노이즈 전류 그리고 θ는 방사면과 관측점 사이의 각도이다. 식 2는 차동모드 노이즈를 수식으로 나타낸 것이고 A는 단면적, I_dm은 차동모드를 통한 노이즈 전류이다 [10].

\(\begin{aligned}E_{C M}=\frac{4 \pi \times 10^{-7}\left(f l I_{C M}\right) \sin \theta}{r}\end{aligned}\)       (1)

\(\begin{aligned}E_{D M}=131.6 \times 10^{-16} \times \frac{\left(f^{2} A I_{d m}\right)}{r} \times \sin \theta\end{aligned}\)       (2)

배선장치 조립체는 케이블 제작 시 해당 노이즈를 줄이기 위해 형상을 최적화 설계 하여 길이에 비례하는 공통모드 노이즈를 최소화 시키고 선재의 경우 전용 꼬임 선을 사용하여 단면적에 비례하는 차동모드 노이즈를 최소화 시킨다. 통신 신호를 전달하는 케이블은 표 1과 같이 임피던스 특성을 갖고 있는 선재를 사용하여 반사파로 인한 노이즈 방사를 최소화 한다[11]-[12].

표 1. 선재의 전기적 특성

Table 1. Electrical characteristics for cable.

2-2 유도탄 전자기 시험 분석

유도탄 혹은 하부 구성품 조립체는 비행 중 겪게 되는 운용 환경에 견딜 수 있게 설계를 수행하고 개발 기간 중 요구되는 시험 규격을 만족하는지 평가를 수행한다. 전자기 시험을 수행하는 경우 MIL-STD-461G에 정의된 플랫폼을 참조하여 전도 방사(Conducted Emissions), 전도 내성(Conducted Susceptibility), 복사 방사(Radiated Emissions) 및 복사 내성(Radiated Susceptibility)의 세부 시험 항목을 정하게 된다.

유도탄의 경우 유도탄 운용케이블을 상호연결케이블(Interconnecting Cable) 형태로 수정하여 사용한다. 구성품 조립체의 경우 배선장치 조립체의 형상 한계로 라인 임피던스 안정화 네트워크와 점검장비를 연결할 수 있도록 전자기 시험 전용 케이블을 제작하여 시험을 구성한다. 상호연결케이블 제작시 전원 리드는 차폐용 브레이드를 제거하여 라인 임피던스 안정화 네트워크와 연결되어야 하고 다른 부분은 시뮬레이션 장비나 모니터링 장비에 연결하여 상태를 확인하여야 한다.

그림 4는 MIL-STD-461G 규격을 따르는 전자기 간섭 시험 구성도이다. 전자기 간섭 시험 수행을 위하여 시험대상장비(Equipment Under Test)의 방향은 최대 복사 방출을 생성하고 복사 신호에 가장 쉽게 반응하는 표면이 측정 안테나를 향하도록 방향을 잡는다. 전자기 시험 전용 케이블은 피시험기기에 연결 후 피시험체의 잠재된 복사 결합의 효과를 극대화시키기 위하여 케이블의 처음 2 m를 노출시켜 경계면과 평행하게 설치한다. 또한, 라인 임피던스 안정화 네트워크(Line Impedance Stabilization Network)를 사용하여 구성품에 안정적이고 정규화된 임피던스를 제공하여 전원부에서 생성된 모든 RF 노이즈를 분리시킨다 [13]. 이후 점검장비를 운용하여 방사시험을 수행하는 경우 시험대상장비가 최대 방출을 생성하는 작동 모드에 두고, 내성 시험의 경우 시험대상장비의 운용을 가장 가혹한 상태로 둔다.

그림 4. 시험 대상 장비 전자기 시험 구성

Fig. 4. Configuration of electromagnetic test for EUT.

배선장치 조립체의 경우, 구조적으로 유도탄 내에서 안테나의 백-로브나 구성품의 방사 노이즈의 영향을 받거나 전기적 신호 흐름에 의하여 자체적으로 전계를 형성하여 유도탄 내 장착된 구성품 조립체에 영향을 미칠 수 있다. 이에 배선장치 조립체가 형상에 따라 유도탄 내 전자기 환경에 어떠한 영향을 미치는지 검토가 필요하다.

Ⅲ. 보완시험 방법 및 환경검증 결과

3-1 보완시험 테스트베드 구성 및 방법

배선장치 조립체를 대상으로 전자기 환경 영향성 검증을 수행하기 위하여 그림 5의 전자기 간섭 시험 구성 내 피시험장비를 배선장치 조립체로 변경하여 구성품 조립체에 요구되는 전자기 시험을 수행하여야 한다. 대공무기체계의 경우 MIL-STD-461G의 “Ground, Air Force”를 적용하여 해당 플랫폼에 맞는 시험 목록을 수행하고, 해당 목록은 표 2와 같다 [14].

그림 5. 배선장치 조립체 전자기 시험 테스트베드 구성

Fig. 5. Figure of electromagnetic test-bed for cable assembly.

표 2. 대공무기체계 전자기 간섭 시험 적용 항목

Table 2. List of electromagnetic test for surface to air missile system.

배선장치 조립체를 대상으로 전자기 간섭 시험을 구성하는 경우 내부 배선에 구성품 간 전기신호가 모사되어야 한다. 구성품 간 전기 신호의 종류로는 전원과 통신 그리고 이산신호가 있는데, 각 신호를 모사할 수 있게 시험 장비를 구성한다. 전원 신호를 모사하기 위해 실제 유도탄이 소모하는 전류 파일을 참조하여 전자 부하기(Electronic Load)를 설정 후 라인 임피던스 안정화 네트워크에서 출력된 신호를 연결하고, 통신 신호는 트랜시버를 사용하여 송신과 수신 라인을 루프-백 시킨다. 이산신호의 DIO 모듈을 사용하여 실제 유도탄에서 주고받는 신호를 모사한다.

시험 구성 완료 후 유도탄 혹은 구성품 조립체의 전자기 간섭 시험과 동일하게, 모든 시험 장비를 운용하여 배선장치 조립체가 최대 방출을 생성할 수 있게 구성품 조립체 동작을 모사한다. 이후 전자기 간섭 시험 절차로 배선장치 조립체를 시험한다. 그림 6과 같이 배선장치 조립체를 위한 시험 치구는 챔버①, 점검장 연결용 덕트를 포함한 챔버②, 덮개①,덮개②, 터미널 블록(Terminal Block)과 알루미늄 후렉시블 덕트(Aluminum Flexible Duct)로 이루어져 있다. 테이블 위에 놓여진 챔버① 및 챔버②는 시험대상 케이블 조립체 별 전면 연결기가 달린 덮개를 제작하여 덮개 교체만으로 다른 케이블의 시험이 가능하도록 범용적으로 설계하고 케이블에 맞는 덮개를 활용하여 챔버① 및 챔버② 커넥터 사이에 시험대상 배선장치 조립체를 연결한다. 챔버②는 라인 임피던스 장비와 배선장치 조립체를 통하여 전원을 공급할 수 있도록 연결하고, 챔버②는 시험치구의 점검장 연결용 덕트에서 나오는 케이블은 점검장 내 각 신호를 모사할 수 있는 시험 장비와 연결하도록 구성한다.

그림 6. 시험 치구의 구성

Fig. 6. Components of text fixture.

시험치구 및 제작된 케이블의 영향 없이 시험대상인 케이블 조립체의 전자기 영향성을 확인하기 위해 챔버① 및 챔버② 외부는 호일과 동 테이프로 보강하고, 챔버②의 점검장 연결용 덕트는 테이블 높이에 따라 조절이 가능한 자바라 구조의 알루미늄 후렉시블 덕트를 사용하여 시험장비 연결 케이블이 노출되지 않도록 차폐한다.

3-2 시험 치구 검증 방법

배선장치 조립체의 전자기 환경 영향성을 검토하기 위하여, 그림 5의 시험 구성 내 배선장치 조립체를 제외한 상태에서 모든 시험 장비를 운용하였을 때 시험장에서 검출되는 방사 노이즈를 확인하여 시험장 환경의 무결성을 검증하여야 한다. 이를 위하여 표 2의 항목 중 복사 방사 항목을 적용하여 시험치구 자체에 대한 복사 방사량(전계)를 계측하고 결과에 따라 계측 환경을 보완하여 주어야 한다.

검증을 위하여 케이블 조립체와 챔버① 제외하고 그림 7과 같이 챔버② 전체와 챔버②의 연결기 덮개 부분을 호일과 동 테이프로 차폐 보강 후 챔버② 안의 전원 및 신호 라인에 전원 신호와 통신 및 이산 신호를 동시에 인가한다. 그림 7의 전원 신호는 챔버② 내부의 터미널 블록을 루프-백용 케이블로 연결하여 귀환시켜 나오는 전원 신호를 전자 부하기로 연결하고 부하는 유도탄이 소모하는 전류 파일을 참조하여 인가되도록 설정한다. 통신 신호는 트랜시버를 사용하여 데이터를 끊임없이 송수신하도록 설정하고 송신 신호가 인가되면 챔버② 내부의 터미널 블록과 루프-백용 케이블을 통해 귀환하도록 구성한다. 이산신호는 DIO 모듈을 사용하여 신호를 인가하면 챔버② 내부의 터미널 블록과 루프-백용 케이블을 통해 귀환되도록 구성하였으며, 귀환된 신호는 오실로스코프 파형으로 모니터링 할 수 있도록 구성한다.

그림 7. 시험치구의 RE102 계측을 위한 구성도

Fig. 7. Configuration for measurement of RF noise through RE102 of test fixture.

3-3 시험 치구 검증 결과

그림 8부터 그림 11까지는 시험치구 자체에 대한 RE102 시험항목 중 2 MHz ~ 18 GHz 대역의 수직 편파에 대하여 계측한 결과(초록선)이다.

그림 8. 2 MHz ~ 30 MHz 대역 계측 결과 (수직편파)

Fig. 8. Result of 2 MHz ~ 30 MHz bandwidth (Vertical).

그림 9. 30 MHz ~ 200 MHz 대역 계측 결과 (수직편파)

Fig. 9. Result of 30 MHz ~ 200 MHz bandwidth (Vertical).

그림 10. 200 MHz ~ 1 GHz 대역 계측 결과 (수직편파)

Fig. 10. Result of 200 MHz ~ 1 GHz bandwidth (Vertical).

그림 11. 1 GHz ~ 18 GHz 대역 계측 결과 (수직편파)

Fig. 11. Result of 1 GHz ~ 18 GHz bandwidth (Vertical).

그림 12부터 그림 14는 30 MHz ~ 18 GHz의 주파수 범위에서 수평 편파에 대해 계측한 결과(초록선)이며, 시험 치구가 RE102 전 항목에서 규제치(빨간선 이내)를 만족하는 것을 확인하였다.

그림 12. 30 MHz ~ 200 MHz 대역 계측 결과 (수평편파)

Fig. 12. Result of 30 MHz ~ 200 MHz bandwidth (Horizontal).

그림 13. 200 MHz ~ 1 GHz 대역 계측 결과 (수평편파)

Fig. 13. Result of 200 MHz ~ 1 GHz bandwidth (Horizontal).

그림 14. 1 GHz ~ 18 GHz 주파수 대역 계측 결과 (수평편파)

Fig. 14. Result of 1 GHz ~ 18 GHz bandwidth (Horizontal).

Ⅳ. 결론

본 논문에서는 대공유도무기체계 및 유도탄 구성과 노이즈 저감 설계 방법에 대하여 기술하고, 전자기 시험에 대하여 고찰하였다.

전자기 시험은 유도탄 혹은 구성품 조립체를 대상으로 수행할 수 있는데, 구성품 조립체로 수행할 경우 형상의 제한으로 배선장치 조립체를 사용하지 않는다. 배선장치 조립체는 구성품 조립체 사이에서 전원 및 통신 등의 전기 신호를 연결하는 매개체로 유도탄 내에 설치할 경우 취약점이 될 수 있다. 이에 배선장치 조립체가 유도탄 내 전자기 환경에 영향을 미칠 수 있는지 검토하기 위한 시험 방법을 제시하였고, 시험 환경에 대한 무결성 확인을 하였다.

향후 케이블 조립체에 대한 전자기 시험을 진행하고 결과를 분석하여 케이블 조립체의 전자기 간섭 영향성 여부에 대한 검토가 필요하다.