디지털형 능동 위상 배열 안테나란 개별 소자 단위에서 DAC(Digital to Analog Converter)와 ADC(Analog to Digital Converter)가 각각 송/수신 경로에 포함되어 각각이 송신파형을 발생시켜 송신 빔을 생성하고, 수신 신호를 디지털 신호로 변환 후 디지털 빔 형성기에서 수신 빔을 형성하는 안테나 형태를 일컫는다.

반면에, 기존의 아날로그형 능동 위상 배열 안테나는 송신은 물론 수신에서도 RF 안테나의 아날로그 빔 형성기를 통해 신호가 결합되어 수신빔을 형성하는 형태였다. 지금까지는 아날로그 신호를 각 배열 소자에서 디지털 신호로 변환하여 데이터를 처리하는 완전 디지털 능동 위상 배열 안테나의 많은 장점이 있음에도 불구하고, 대량의 디지털 데이터 처리 능력을 포함한 하드웨어, 비용, 물리적인 크기 제한 등의 한계로 실제 구현에 어려움이 있었다.

하지만 최근 하드웨어의 비약적인 발전으로 인해 집적화된 송수신 단일칩이 출시되어, 소자 단위에서 송수신부를 모두 디지털화한 디지털 능동 위상 배열 레이다가 개발되었다. 국내에서도 저피탐 항체 탐지를 목적으로 하는 지상용 고출력 레이다에 탑재되는 개별 소자 단위의 완전 디지털 능동 위상 배열 안테나가 최초로 개발되었다.

안테나 조립체는 512개 복사소자와 이 복사소자를 보호하기 위한 레이돔 및 안테나 보정을 위한 신호 분배기를 포함한다. 또한 각각의 개별 복사소자 급전선로에는 방향성 결합기를 적용한 보정 경로가 포함되어 있다.

디지털 반도체 송수신 조립체는 128개의 디지털 송수신 모듈로 구성되어 있으며, 하나의 디지털 송수신 모듈은 개별적으로 완전한 기능을 담당하는 송수신기 4개가 집적된 쿼드팩(quad-pack) 구조를 적용하였다. 이러한 디지털 송수신 모듈 내 각각의 송수신기에는 고출력 신호 발생 및 고효율 구현을 위한 GaN(Gallium Nitride) 소재의 고출력 증폭소자(high power amplifier: HPA) 적용, 효율적인 방열을 위한 설계 및 대량의 디지털 신호를 전송하기 위한 광신호 변환/전송 등 다양한 기술이 집약되어 있다.

안테나 제어 조립체는 대부분 FPGA(Field Programmable Gate Array) 기반의 보드(board)들로 구현되어 디지털 반도체 송수신 조립체 및 보정에 관련된 제어 명령을 담당하고, 송신 시 메모리에 장입해 놓은 채널별 위상 정렬값과 기준보정값을 적용한다.

마지막으로 디지털 빔 형성 조립체는 수신 시에 디지털 반도체 송수신 조립체의 각 개별 채널로부터 받은 디지털 데이터에 미리 장입해 놓은 채널별 정렬값과 가중치 분포를 적용하고, 계산을 통한 빔조향 계수에 따라 수신 빔을 형성한다. 또한, 디지털 빔 형성 조립체의 채널 수 만큼 그에 해당하는 다양한 수신 빔을 동시에 형성할 수 있는 멀티빔 기능이 구현되어 있다.

출처 : 레이더용 L대역 디지털 송수신모듈 설계 및 제작(한국 전자파 학회지, 2018.11), 다기능 레이다용 완전 디지털 능동 위상 배열 안테나의 송신 근접전계 시험(한국전자파학회지, 2019.12)

쿼드팩 구조, 380W 출력의 GaN 디지털 T/R 모듈. 송수신기 수는 총 512개, 송신출력은 약 194.5kW

대한민국은 세계 최초로 FPGA 기반의 FULL-디지털 능동위상 배열 레이더 기술을 개발, 차기 장거리 레이더와 L-SAM, FFX-B3, KFX의 다기능 레이더에 적용하고 있다.