대한민국 공군 한국형 전투기(KF-21) 내장형 전자전 수트(EW Suite) 2채널 위상/진폭 제어 교차 편파(Cross-Eye) 전파방해 및 1,000Hz 0-Alloc C# 모노펄스 레이더 기만 엔진

1. 모노펄스 레이더 시커 각도 측정 및 오차 판별 역학

위상 비교 또는 진폭 비교 모노펄스 레이더 안테나는 2개 이상의 빔 수신 패턴의 합(Sum, $\Sigma$) 채널과 차(Difference, $\Delta$) 채널을 형성하여 표적의 시선 오차각 $\theta_{err}$을 실시간으로 도출합니다:

여기서 $k_m$은 모노펄스 안테나 오차 기울기(Monopulse Error Slope)입니다. 일반적인 표적 에코 신호의 경우 $\Delta/\Sigma$ 비는 실수 축 상에 선형적으로 분포하여, 안테나 짐벌 서보 또는 비례항법 유도 컴퓨터가 $\theta_{err} \to 0$이 되도록 기동합니다.

2. 교차 편파(Cross-Eye) 2점 전파원 간섭 및 파면 왜곡 지배방정식

전투기 좌우 익단 안테나 사이의 간격을 $d$, 적 레이더 시커와의 거리를 $R$, 접근각을 $\theta_0$라 할 때, 2개의 재머 안테나에서 방사된 전자기파 복소 진폭 $E_{J1}, E_{J2}$의 비율을 $a = |E_{J2}| / |E_{J1}|$, 상대 위상차를 $\Delta\phi = \phi_2 - \phi_1$이라 하면, 수신 안테나에 유도되는 차/합 전계비는 다음과 같이 유도됩니다:

여기서 $k = 2\pi/\lambda$는 파수입니다. 모노펄스 검파기가 실수부를 취할 때 나타나는 유효 각도 오차 지시값은 다음의 Cross-Eye 각도 오차 배율(Gain, $G_{CE}$)로 표현됩니다:

위상차 $\Delta\phi$가 정확히 $\pi(180^\circ)$이고 진폭비 $a$가 1에 근접할 때, 분모 $1 + a^2 - 2a = (1-a)^2$가 0에 가까워지면서 $G_{CE}$는 수십에서 수백 배로 폭증합니다. 이로 인해 미사일 시커의 지시각 $\theta_{\text{indicated}}$는 실제 전투기 기체 크기를 훨씬 초과하여 기만 각도로 튕겨 나가게 됩니다.

3. 교차 편파 재밍 매개변수 민감도 및 위상/진폭 허용 공차

이상적인 $G_{CE} \gg 10$을 달성하기 위한 위상 오차 $\delta\phi = \Delta\phi - \pi$와 진폭 오차 $\delta a = 1 - a$의 허용 범위는 극도로 협소합니다:

$\delta\phi \le 5^\circ$ 및 $\delta a \le 0.5\text{ dB}$ 이내로 제어되지 않으면 $G_{CE}$가 1 이하로 급락하여 기만 효과가 상실됩니다. 따라서 1,000Hz 주기의 초고속 위상 천이기(Phase Shifter)와 디지털 감쇠기(Digital Attenuator) 폐루프 보정 루프가 필수적입니다.

4. 1,000Hz 0-Alloc C# 교차 편파 재밍 전자공격 엔진

아래의 C# 구현체는 수신된 적 모노펄스 신호의 도래각, 주파수, 전력 레벨을 분석하여 좌우 익단 송신기의 10비트 디지털 위상천이기($\Delta\phi$) 및 8비트 감쇠기($a$) 제어 명령을 GC 무할당 스택 기반으로 1,000Hz 주기로 산출하는 KF-21 내장형 전자전 코어 엔진입니다.

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;
using System.Runtime.InteropServices;
using System.Numerics;

namespace ZeliDesk.Defense.AvionicsEW
{
    /// <summary>
    /// 적 레이더 위협 신호 입력 데이터
    /// </summary>
    [StructLayout(LayoutKind.Sequential)]
    public readonly struct RadarThreatSignal
    {
        public readonly float FrequencyGhz;    // 위협 레이더 주파수 (예: 10.5 GHz)
        public readonly float AngleOfArrivalDeg; // 도래각 (전투기 기수 기준) [deg]
        public readonly float EstimatedDistanceMeters; // 추정 거리 [m]
        public readonly float ReceivedPowerDbm; // 수신 전력 [dBm]
        public readonly bool IsMonopulseLock;   // 모노펄스 각도 추적 락온 여부

        public RadarThreatSignal(float freq, float aoa, float dist, float power, bool isLock)
        {
            FrequencyGhz = freq;
            AngleOfArrivalDeg = aoa;
            EstimatedDistanceMeters = dist;
            ReceivedPowerDbm = power;
            IsMonopulseLock = isLock;
        }
    }

    /// <summary>
    /// 좌우 익단 재머 안테나 RF 제어 명령 구조체
    /// </summary>
    [StructLayout(LayoutKind.Sequential)]
    public struct CrossEyeControlCommand
    {
        public float PhaseShiftLeftDeg;   // 좌측 안테나 위상 [deg]
        public float PhaseShiftRightDeg;  // 우측 안테나 위상 [deg]
        public float AmplitudeRatio;       // 진폭비 a (|E_R| / |E_L|)
        public float AttenuationLeftDb;    // 좌측 감쇠량 [dB]
        public float AttenuationRightDb;   // 우측 감쇠량 [dB]
        public float CrossEyeGainGce;      // 각도 기만 배율 G_CE
        public float InducedErrorAngleDeg; // 유도된 미사일 시커 각도 오차 [deg]
        public bool IsActiveJamming;       // 방사 작동 여부
    }

    /// <summary>
    /// 1,000Hz 무할당(Zero-Alloc) KF-21 모노펄스 교차 편파(Cross-Eye) 재밍 엔진
    /// </summary>
    public ref struct Kf21CrossEyeJammingEngine
    {
        private const float SpeedOfLight = 299792458.0f; // m/s
        private const float WingtipBaselineMeters = 11.2f; // KF-21 날개폭 베이스라인 d

        private float _targetAmpRatio; // 목표 진폭비 (예: 0.96f)
        private float _phaseOffsetDeg; // 목표 위상차 (예: 180.0f)

        public Kf21CrossEyeJammingEngine(float targetAmpRatio = 0.96f, float phaseOffsetDeg = 180.0f)
        {
            _targetAmpRatio = Math.Clamp(targetAmpRatio, 0.85f, 0.99f);
            _phaseOffsetDeg = phaseOffsetDeg;
        }

        /// <summary>
        /// 1,000Hz (dt = 0.001s) 주기 교차 편파 재밍 명령 산출 루프
        /// </summary>
        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public void Update(in RadarThreatSignal threat, ref CrossEyeControlCommand cmd)
        {
            if (!threat.IsMonopulseLock || threat.EstimatedDistanceMeters < 50.0f)
            {
                cmd.IsActiveJamming = false;
                cmd.CrossEyeGainGce = 0.0f;
                cmd.InducedErrorAngleDeg = 0.0f;
                return;
            }

            cmd.IsActiveJamming = true;

            // 1. 위협 신호 파장 및 공간 전파 위상 지연 계산
            float freqHz = threat.FrequencyGhz * 1e9f;
            float lambda = SpeedOfLight / freqHz;
            float wavenumberK = (2.0f * MathF.PI) / lambda;

            // 도래각 theta_0 [rad]
            float thetaRad = threat.AngleOfArrivalDeg * (MathF.PI / 180.0f);

            // 좌우 익단 기하학적 경로차 Delta R_geom = d * sin(theta_0)
            float geomPathDiffMeters = WingtipBaselineMeters * MathF.Sin(thetaRad);
            float geomPhaseShiftDeg = (geomPathDiffMeters / lambda) * 360.0f;

            // 2. 180도 역위상 조건 합성: Delta phi = 180 deg + geomPhaseShift
            float targetPhaseDiff = _phaseOffsetDeg + geomPhaseShiftDeg;
            while (targetPhaseDiff > 360.0f) targetPhaseDiff -= 360.0f;
            while (targetPhaseDiff < 0.0f) targetPhaseDiff += 360.0f;

            cmd.PhaseShiftLeftDeg = 0.0f;
            cmd.PhaseShiftRightDeg = targetPhaseDiff;

            // 3. 진폭비 설정 및 RF 감쇠기 명령 (a = |E_R| / |E_L|)
            float a = _targetAmpRatio;
            cmd.AmplitudeRatio = a;
            cmd.AttenuationLeftDb = 0.0f; // 좌측 최대 출력
            cmd.AttenuationRightDb = -20.0f * MathF.Log10(a); // 감쇠 제어

            // 4. Cross-Eye 이득 G_CE 계산
            // G_CE = (1 - a^2) / (1 + a^2 + 2a * cos(Delta phi_net))
            // 순수 위상차 Delta phi_net = 180도 부근
            float deltaPhiNetRad = MathF.PI; // 공칭 180도
            float denom = 1.0f + (a * a) + (2.0f * a * MathF.Cos(deltaPhiNetRad));
            float gce = (denom > 1e-4f) ? (1.0f - (a * a)) / denom : 25.0f;
            cmd.CrossEyeGainGce = Math.Clamp(gce, 5.0f, 40.0f);

            // 5. 미사일 모노펄스 시커에 유도되는 각도 오차 theta_err [deg]
            // theta_err = G_CE * (d * cos(theta_0) / (2 * R))
            float inducedErrorRad = cmd.CrossEyeGainGce * (WingtipBaselineMeters * MathF.Cos(thetaRad) / (2.0f * threat.EstimatedDistanceMeters));
            cmd.InducedErrorAngleDeg = inducedErrorRad * (180.0f / MathF.PI);
        }
    }
}

5. 2022 개정 물리·정보·전자공학 교육과정 연계표