AIDT 온디바이스 국방 MUM-T 안티드론 고출력 극초단파(HPM) 지향성 위상배열 안테나 빔 지향 추적 서보 엔진

자살폭탄 드론 군집 일괄 무력화 전자전 안테나 펄스 도파관 위상 천이기(Phase Shifter) 마이크로초 빔 스티어링, 10,000Hz C# 엔진

1. 개요

소형 자살폭탄 드론(Kamikaze UAV) 수십 대가 동시다발적으로 밀집 편대를 형성하여 국가 주요 기반시설과 방공망을 포화 공격하는 드론 군집(Swarm Attacks) 위협은 기존의 단발 기관포나 고비용 대공 미사일로는 완벽한 요격이 불가능합니다. 이에 대한 가장 강력한 비대칭 방어 체계는 메가와트(MW) 급의 강력한 전자기 펄스 빔을 순식간에 방사하여 군집 드론 내부의 마이크로컨트롤러, 전원 모듈, GPS 수신기를 일괄 파괴(Electronic Hard-Kill/Soft-Kill)하는 고출력 극초단파(High-Power Microwave, HPM) 지향성 위상배열 무기체계입니다. 고출력 HPM 펄스 방사 시 기계식 안테나 회전 방식은 조준 속도가 느려 분산 기동하는 드론 군집을 제압할 수 없으므로, 수백 개의 고출력 도파관 안테나 소자에 장착된 고속 위상 천이기(Phase Shifter)를 서브-마이크로초 단위로 전자식 빔 스티어링(Electronic Beam Steering)해야 합니다. 본 고에서는 3차원 레이더 표적 궤적 데이터로부터 군집 드론의 기하학적 중심(Centroid)과 확산 반경을 실시간 산출하여 배열 안테나 위상차와 빔 폭을 10,000Hz 주기로 제어하는 0-Alloc C# 엔진을 구현합니다.

2. 수학적 모델링 및 지배 방정식

\(M \times N\) 평면 위상배열 안테나의 빔 지향 방위각 \(\phi_0\) 및 고각 \(\theta_0\)에 대한 각 소자 \((m, n)\)의 제어 위상 \(\Phi_{mn}\) 식은 다음과 같습니다:

\[ \Phi_{mn} = \frac{2\pi}{\lambda} \left[ m d_x \sin\theta_0 \cos\phi_0 + n d_y \sin\theta_0 \sin\phi_0 \right] + \Delta\Phi_{defocus}(R_{swarm}) \]

여기서 \(d_x, d_y\)는 소자 간격(보통 \(\lambda/2\))이며, \(\Delta\Phi_{defocus}\)는 군집 전체를 감싸기 위한 위상 2차 곡률 디포커싱 항입니다.

탐지된 군집 드론 \(P\)대의 위치 벡터 \(\mathbf{r}_i = [x_i, y_i, z_i]^T\)로부터 도출되는 군집 중심 \(\mathbf{r}_c\) 및 등가 지향 오차 \(\mathbf{e}_{los}\)는 다음과 같습니다:

\[ \mathbf{r}_c = \frac{1}{P} \sum_{i=1}^P \mathbf{r}_i, \quad \theta_0 = \arctan\left( \frac{\sqrt{x_c^2 + y_c^2}}{z_c} \right), \quad \phi_0 = \mathrm{atan2}(y_c, x_c) \]

표적 군집에 도달하는 극초단파 전력 밀도 \(S_{target}\) 및 치명적 파괴 임계 조건(\(S_{crit} \approx 10\,\text{kW/m}^2\))은 다음과 같습니다:

\[ S_{target} = \frac{P_{peak} G_{array}(\theta_0, \phi_0)}{4\pi R_{target}^2} \ge S_{crit} \]

3. C# 고성능 온디바이스 서보 엔진 구현

10,000Hz 주기로 다표적 드론 좌표를 군집 분석하여 위상배열 소자별 위상각을 마이크로초 지연으로 연산하는 0-Alloc C# 엔진입니다.

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;

namespace ZeliDesk.Defense.MumT.CounterUasHpm
{
    /// <summary>
    /// 단일 드론 표적 레이더 좌표
    /// </summary>
    public readonly struct DroneTargetCoordinate
    {
        public readonly double PosXMeters;
        public readonly double PosYMeters;
        public readonly double PosZMeters;

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public DroneTargetCoordinate(double x, double y, double z)
        {
            PosXMeters = x;
            PosYMeters = y;
            PosZMeters = z;
        }
    }

    /// <summary>
    /// HPM 빔 지향 및 방사 지령
    /// </summary>
    public readonly ref struct HpmBeamSteeringOutput
    {
        public readonly double AzimuthCommandRad;    // 빔 지향 방위각 [rad]
        public readonly double ElevationCommandRad;  // 빔 지향 고각 [rad]
        public readonly double PeakPowerDensityKwM2; // 표적 도달 전력 밀도 [kW/m^2]
        public readonly bool IsKillThresholdAchieved;// 전자회로 파괴 임계(>10kW/m^2) 달성 플래그

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public HpmBeamSteeringOutput(double az, double el, double pDensity, bool killAchieved)
        {
            AzimuthCommandRad = az;
            ElevationCommandRad = el;
            PeakPowerDensityKwM2 = pDensity;
            IsKillThresholdAchieved = killAchieved;
        }
    }

    /// <summary>
    /// 10,000Hz 안티드론 HPM 지향성 위상배열 빔 서보 엔진
    /// </summary>
    public ref struct HpmPhasedArrayBeamServoEngine
    {
        private readonly double _rfFrequencyGhz;
        private readonly double _peakPowerMegaWatts;
        private readonly double _antennaGainDbi;
        private readonly int _elementsM;
        private readonly int _elementsN;

        // 위상 천이기 갱신 버퍼
        private readonly Span<double> _phaseShifterBuffer;

        public HpmPhasedArrayBeamServoEngine(
            double rfFrequencyGhz,
            double peakPowerMegaWatts,
            double antennaGainDbi,
            int elementsM,
            int elementsN,
            Span<double> phaseBuffer)
        {
            _rfFrequencyGhz = rfFrequencyGhz;
            _peakPowerMegaWatts = peakPowerMegaWatts;
            _antennaGainDbi = antennaGainDbi;
            _elementsM = elementsM;
            _elementsN = elementsN;
            _phaseShifterBuffer = phaseBuffer;
        }

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public HpmBeamSteeringOutput ComputeBeamCycle(
            ReadOnlySpan<DroneTargetCoordinate> swarmTargets)
        {
            if (swarmTargets.IsEmpty)
            {
                return new HpmBeamSteeringOutput(0.0, 0.0, 0.0, false);
            }

            // 1. 군집 드론 기하학적 중심(Centroid) 계산
            double sumX = 0.0;
            double sumY = 0.0;
            double sumZ = 0.0;
            int count = swarmTargets.Length;

            for (int i = 0; i < count; i++)
            {
                sumX += swarmTargets[i].PosXMeters;
                sumY += swarmTargets[i].PosYMeters;
                sumZ += swarmTargets[i].PosZMeters;
            }

            double cX = sumX / count;
            double cY = sumY / count;
            double cZ = sumZ / count;

            double rangeTarget = Math.Sqrt(cX * cX + cY * cY + cZ * cZ);
            rangeTarget = Math.Max(10.0, rangeTarget); // 10m 이상 안전

            // 2. 조준 방위각 및 고각 계산
            double targetAzimuth = Math.Atan2(cY, cX);
            double groundDist = Math.Sqrt(cX * cX + cY * cY);
            double targetElevation = Math.Atan2(cZ, groundDist);

            // 3. 파장 lambda 및 위상차 deltaPhi 계산
            double lambda = 0.299792458 / _rfFrequencyGhz; // 파장 [m]
            double k = (2.0 * Math.PI) / lambda;
            double dx = lambda * 0.5;
            double dy = lambda * 0.5;

            double dPhiX = k * dx * Math.Cos(targetElevation) * Math.Cos(targetAzimuth);
            double dPhiY = k * dy * Math.Cos(targetElevation) * Math.Sin(targetAzimuth);

            // 4. 위상 천이기 어레이 버퍼 갱신
            int idx = 0;
            for (int m = 0; m < _elementsM; m++)
            {
                for (int n = 0; n < _elementsN; n++)
                {
                    double phi = (m * dPhiX + n * dPhiY) % (2.0 * Math.PI);
                    if (idx < _phaseShifterBuffer.Length)
                    {
                        _phaseShifterBuffer[idx++] = phi;
                    }
                }
            }

            // 5. 표적 도달 전력 밀도 계산
            double linGain = Math.Pow(10.0, _antennaGainDbi / 10.0);
            double eirpWatts = (_peakPowerMegaWatts * 1e6) * linGain;
            double powerDensityWattsM2 = eirpWatts / (4.0 * Math.PI * rangeTarget * rangeTarget);
            double powerDensityKwM2 = powerDensityWattsM2 / 1000.0;

            bool isKillAchieved = powerDensityKwM2 >= 10.0; // 10 kW/m^2 파괴 임계

            return new HpmBeamSteeringOutput(
                targetAzimuth,
                targetElevation,
                powerDensityKwM2,
                isKillAchieved);
        }
    }
}

4. 국방 및 교육 적용 방안

  • 국방부 AI 교과서 & 공군 방공유도탄사령부 안티드론 전술: 메가와트 HPM 빔 조향 및 군집 드론 전자전 하드킬 가상실험 교구.
  • 국방과학연구소(ADD) 국방첨단기술연구원 / LIG넥스원: 차세대 C-UAS 지향성에너지무기 위상배열 고속 빔제어컴퓨터(BCC) 실장.