본 논문에서는 검증위성(KoDSat)의 시스템 레벨 전자기파(EMC) 환경시험 및 전자기파(EMC) 규격을 초과한 시험결과에 대해서 발사체에 대한 영향성 분석 및 하드웨어 개선 방법에 대하여 논하고, EMC2000 소프트웨어 해석을 통해 KSLV-1 발사체의 비행종단시스템(FTS : Flight Termination System)에 영향을 줄 수 있는 검증위성의 전자기파 노이즈원을 도출하였다. 또한 도출된 전자기파(EMC) 노이즈원은 EMI 필터, 접지, 쉴딩(Shielding) 처리 기법을 데이터획득장치(DAU) 전력보드(Power Board)에 적용하여 미약한 값으로 제거되었다. 그리고 이와 같은 일련의 분석과정에 의해 새로 설계된 전력보드는 검증차원에서 데이터획득장치(DAU)에 장착되어 박스자체 전자기파(EMC) 시험 및 최종 2차 검증위성 시스템 레벨 전자기파 시험을 통해 확인되었고, 측정 결과는 저주파대역과 UHF주파수대역(430Mhz)에서 만족할 만한 감쇄레벨 값을 나타내었다.
본 논문에서는 검증위성(KoDSat)의 시스템 레벨 전자기파(EMC) 환경시험 및 전자기파(EMC) 규격을 초과한 시험결과에 대해서 발사체에 대한 영향성 분석 및 하드웨어 개선 방법에 대하여 논하고, EMC2000 소프트웨어 해석을 통해 KSLV-1 발사체의 비행종단시스템(FTS : Flight Termination System)에 영향을 줄 수 있는 검증위성의 전자기파 노이즈원을 도출하였다. 또한 도출된 전자기파(EMC) 노이즈원은 EMI 필터, 접지, 쉴딩(Shielding) 처리 기법을 데이터획득장치(DAU) 전력보드(Power Board)에 적용하여 미약한 값으로 제거되었다. 그리고 이와 같은 일련의 분석과정에 의해 새로 설계된 전력보드는 검증차원에서 데이터획득장치(DAU)에 장착되어 박스자체 전자기파(EMC) 시험 및 최종 2차 검증위성 시스템 레벨 전자기파 시험을 통해 확인되었고, 측정 결과는 저주파대역과 UHF 주파수대역(430Mhz)에서 만족할 만한 감쇄레벨 값을 나타내었다.
In this paper, the system level EMC radiated emission test results of KoDSat(Korea Demonstration Satellite), its affects upon the Launch vehicle and H/W improving methods regarding its over exceed value of EMC specification are discussed. Regarding its over exceed value, we estimated that DAU of KoD...
In this paper, the system level EMC radiated emission test results of KoDSat(Korea Demonstration Satellite), its affects upon the Launch vehicle and H/W improving methods regarding its over exceed value of EMC specification are discussed. Regarding its over exceed value, we estimated that DAU of KoDSat generated the exceeded EMC noise source, and these test results were analyzed using the EMC2000 tool to find out how did it affect the FTS(Flight Termination Subsystem) of KSLV-1(Korea Small Launch Vehicle). To diminish the EMC noise source of UHF(430.1Mhz) band level, we redesigned the DAU power board to be applied the various schemes for EMI noise reduction such as grounding, shielding and EMI filtering, and also verified these reworks to analyze its diminishing affects in UHF band level by means of performing the DAU box level EMC test and performing the second KoDSat's system level EMC test.
In this paper, the system level EMC radiated emission test results of KoDSat(Korea Demonstration Satellite), its affects upon the Launch vehicle and H/W improving methods regarding its over exceed value of EMC specification are discussed. Regarding its over exceed value, we estimated that DAU of KoDSat generated the exceeded EMC noise source, and these test results were analyzed using the EMC2000 tool to find out how did it affect the FTS(Flight Termination Subsystem) of KSLV-1(Korea Small Launch Vehicle). To diminish the EMC noise source of UHF(430.1Mhz) band level, we redesigned the DAU power board to be applied the various schemes for EMI noise reduction such as grounding, shielding and EMI filtering, and also verified these reworks to analyze its diminishing affects in UHF band level by means of performing the DAU box level EMC test and performing the second KoDSat's system level EMC test.
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문제 정의
본 논문에서는 검증위성 개발단계에서 수행한 1차, 2차 시스템차원의 EMC 시험과 전자파 적합성 규격 제한치를 초과하도록 원인을 제공한 데이터 획득 장치(DAU)에 대한 접지, 필터, 쉴딩처리등의 회로 수정 사항에 대해서 논하고, DAU 박스 레벨 EMC 시험과 2차 시스템 레벨 EMC 시험 결과에 대해 비교분석하고자 한다.
가설 설정
우선 EMC2000 소프트웨어를 이용한 실제 발사체 비행종단시스템 (FTS) 수신기에 가해지는 전기장(E-Field)의 세기를 측정하기 위해선 그림 10 과 같이 최종 실제 검증위성 모델에서 노이즈 제공 소스인 데이터획득장치(DAU)만 남기고 이외의 유닛을 제외한 후, 모사하고자 하는 파라미터를 lamda/10(=0.06976)로 하여 해석 모델을 얻고, 위성으로부터 lm 떨어진 지점에 위치한 안테나로부터 측정한 값 37dBuV/m@430MHz 이노이즈 소스라는 가정을 두어야 한다.
제안 방법
검증 위성의 시스템레벨 전자파환경시험은 외부의 전자기적인 영향을 배제할 수 있는 무반사실 (Anechoic Chamber) 및 접지저항 등 시험환경이요구조건을 만족하는 항우연 시설에서 크게 두가지 시험 즉 복사성 방출시험 (Radiated Emission) 과 복사성 감응시험 (Radiated Susceptibility) 을수행하였다. RE102 시험은 위성에 장착되어 각기운용되는 하드웨어들이 발생하는 전자파가 인접하드웨어에 영향을 주어 위성의 성능을 저하시키는 것을 규제하고자 하는 시험이며, RS103 시험은 복사성 방출시험과 반대로 하드웨어에 의도된전자파를 인가하였을 때 성능저하 또는 오동작여부를 시험하기 위한 것이다.
검증위성은 MIL-STD 461C의 요구조건에 따라 아래와 같은 제한 규격을 설정하여 시험을 수행하였으며, 그림 6은 전기장에 대한 복사성 방출시험을 위한 RE102 시험규격을 나타내고 그림 7은 전기장에 대한 복사성 감응시험을 위한 RS103 시험규격을 나타낸다.
검증위성은 전기장에 대한 복사성 방출시험과 복사 성 감응시험을 수행하기 전, 위성에 명령을 전달하고 위성에서 나온 텔레메트리를 입력받는지 상지 원장 비의 영향성을 배제하여 순수 위성체에 의해 방출되는 전기장세기를 측정하기 위해 위성체와 지상지원장비사이의 인터페이스를 위한 케이블을 알루미늄 호일로 감싸 외부환경에 의한 영향을 최소화하는 상온(Ambient) 시험을 수행하였다. 전자기파(EMC)시험에는 지상 지원 장비의전원이 아닌 위성체 내부의 배터리를 이용하였다.
받을 가능성이 내재되어 있다. 따라서 검증위성은 이러한 기생신호를 제거하기 위해서 측정된 결과를 토대로 EMC2000 소프트웨어를 이용한 해석 및 위성 하드웨어 설계의 수정 작업을수행하였다.
또한 신호접지와 전력접지가 완벽히 분리되지 않아 전력에서 발생된 노이즈가 신호에 영향을 줄 수 있는 취약한 구조를 가지고 있었다. 따라서 새로 설계한 Power Board는 전력전달 Path를 단순화하고 안테나루프가 형성되지 않도록 PCB 패턴 상에 입력과 출력의 전달이 겹쳐지지 않도록 하고 신호와 전력접지를 완전히 분리함과 동시에 +28V 입력단에 EMI 필터와 비드 사용하여 노이즈 성분이 제거되도록 하였다. 이렇게 새로 설계된 Power Board는 기존보드를 대치하여 데이터 획득 장치(DAU)에 장착된 후, 박스레벨 전자기파 (EMC)시험이 수행되었고, 만족할 만한 UHF 주파수 대역 (430.
3절에서 분석한 결과는 검증위성의 실제적인하드웨어 변경을 통해 1차 시스템 레벨 전자기파시험의 노이즈 소스를 제거 또는 감쇄시켜야 함을 시사한다. 따라서 한국항공우주산업(주)는 검증위성 데이터획득장치(DAU)의 전력보드에 대한하드웨어 변경을 수행하고 대책방법으로서 배선수법, 접지수법, 쉴딩수법, 필터링수법과 같은 방법을 적용하여 부품의 배치, 패턴, 묶는 선, 쉴딩을 최적화하고 전력접지, 신호접지, 아날로그접지를 각각 분리하여 접지의 저 임피던스화를 구현하고, 또한 새시(Chassis) 및 쉴딩재료를 사용하여 외래 잡음을 쉴딩하고 패라이트 비드 (Ferrite Bead) 및 커패시터, 저항, 전원라인 EMI 필터를 사용하여 잡음소스를 새시(Chassis)로 빠지도록 조치를 취하였다.
논하였다. 또한 시스템 레벨 EMC 시험을 통해 얻은 결과물(37dBuV/m)에 대해 EMC2000 소프트웨어를 통해 검증위성이 발사체 비행 종단시스템 수신기에 어느 정도 영향을 줄 것인지의 분석을 수행하였다.
본 논문에서는 검증위성 개발단계에서 수행한 시스템 차원의 EMC 시험을 수행한 결과, 전자파 적합성 규격 제한치를 초과함으로 인해 이것에 대한 원인을 찾고, 원인 제공 유닛, 즉 데이터 획득 장치에 대한 접지, 필터, 쉴딩처리 등의 기법을 사용하여 전력보드를 재설계하여 DAU 박스 레벨 EMC 시험과 2차 시스템 레벨 전자파 환경시험을 통해 원하는 시스템 결과 값을 산출하는 과정을 논하였다. 또한 시스템 레벨 EMC 시험을 통해 얻은 결과물(37dBuV/m)에 대해 EMC2000 소프트웨어를 통해 검증위성이 발사체 비행 종단시스템 수신기에 어느 정도 영향을 줄 것인지의 분석을 수행하였다.
본 위성은 무게와 사이즈 제한 및 3주 임무기간과 비용적인 측면을 고려하여 일부 전장 Box 를 제외하곤 기본 프라이머리 측면 (Primary Side)만을 고려하여 위성체를 설계하였고 부품, 서브시스템 및 시스템에는 소형화, 경량화, 광대역화 된 고효율 고집적 전자 부품 등을 이용한전기 전자장치들을 사용하였다. 이러한 전자장치들의 신호주파수 성분 및 신호의 세기는 사용된회로에 따라 다양하게 나타나게 되며 특히 여러전자장치들이 밀집된 위성체 내부의 제한된 공간에서는 상호간 간섭으로 인해 위성의 오동작을유발시켜 위성체의 기능 수행에 지장을 초래할수 있다.
상기 검증위성의 시스템 레벨 EMC 시험은 크게 두 가지 모드 하에 각각 RE102, RS103 시험을 수행하였으며 그림 3은 검증위성 시스템레벨 EMC 시험에 적용된 해석모드 및 발사 그림을나타낸다.
나타낸다. 실제 사용된 케이블과 커넥터는 쉴딩(Shielding) 처리되어 제작되었지만 위성과 지상지원장비 사이의 접속에서 발생될 수 있는 외부환경에 의한영향을 최소화하기 위해 알루미늄 호일로 감싸순수 위성이 방출하고 감응하는 레벨을 측정하도록 하였다.
대상 데이터
약 2년간의 개발기간으로 완료하였다. 본 검증 위성은 100 Kg 급 저궤도 타원 궤도(300 Km X 1500 Km)를 도는 3주 임무기간을 가진 소형급위성으로서 2009년 말경에 고홍 외나르도에서 발사될 예정에 있고 상세한 요구조건은 표 1과 같다.
6mV의 값이 되며 해석 툴에 이 값을 입력한 후 E-field를 계산하고 lm 떨어진 지점의 E-field를 모사하면 그림 lib와 같다. 여기서 해석의 원둘레는 위성체 반경 0.38m과 위성체로부터 lm 떨어진 지점을 감안하여 반경 1.388m인원으로 하였다.
전자기파(EMC)시험에는 지상 지원 장비의전원이 아닌 위성체 내부의 배터리를 이용하였다.
성능/효과
3.3절에서 분석한 결과는 검증위성의 실제적인하드웨어 변경을 통해 1차 시스템 레벨 전자기파시험의 노이즈 소스를 제거 또는 감쇄시켜야 함을 시사한다. 따라서 한국항공우주산업(주)는 검증위성 데이터획득장치(DAU)의 전력보드에 대한하드웨어 변경을 수행하고 대책방법으로서 배선수법, 접지수법, 쉴딩수법, 필터링수법과 같은 방법을 적용하여 부품의 배치, 패턴, 묶는 선, 쉴딩을 최적화하고 전력접지, 신호접지, 아날로그접지를 각각 분리하여 접지의 저 임피던스화를 구현하고, 또한 새시(Chassis) 및 쉴딩재료를 사용하여 외래 잡음을 쉴딩하고 패라이트 비드 (Ferrite Bead) 및 커패시터, 저항, 전원라인 EMI 필터를 사용하여 잡음소스를 새시(Chassis)로 빠지도록 조치를 취하였다.
구조였다. 또한 신호접지와 전력접지가 완벽히 분리되지 않아 전력에서 발생된 노이즈가 신호에 영향을 줄 수 있는 취약한 구조를 가지고 있었다. 따라서 새로 설계한 Power Board는 전력전달 Path를 단순화하고 안테나루프가 형성되지 않도록 PCB 패턴 상에 입력과 출력의 전달이 겹쳐지지 않도록 하고 신호와 전력접지를 완전히 분리함과 동시에 +28V 입력단에 EMI 필터와 비드 사용하여 노이즈 성분이 제거되도록 하였다.
5[dBuV/m]로서 아주 미약한 값임을 알 수 있다. 이러한 노이즈 소스는 실제 3.1.4절에서 제시한시스템 레벨 복사성 2차 방출시험에서 최종 검증되었으며, 데이터획득장치(DAU)의 노이즈 소스는 검증위성 시스템 레벨에 극히 미미하게 영향을 줌을 알 수 있다.
따라서 새로 설계한 Power Board는 전력전달 Path를 단순화하고 안테나루프가 형성되지 않도록 PCB 패턴 상에 입력과 출력의 전달이 겹쳐지지 않도록 하고 신호와 전력접지를 완전히 분리함과 동시에 +28V 입력단에 EMI 필터와 비드 사용하여 노이즈 성분이 제거되도록 하였다. 이렇게 새로 설계된 Power Board는 기존보드를 대치하여 데이터 획득 장치(DAU)에 장착된 후, 박스레벨 전자기파 (EMC)시험이 수행되었고, 만족할 만한 UHF 주파수 대역 (430.1Mhz)에서의 노이즈 감쇠 효과를 얻을 수 있었다. 다음 절은 이렇게 반영된 데이터 획득 장치 (DAU)를 검증위성에 재장착하여 최종적으로 시스템 레벨 전자기파(EMC)시험을 수행하여 시스템레벨의 만족할 만한 감쇠 결과를 획득한 것을 보여준다.
후속연구
본 논문에서 제시된 분석 자료들은 여러 가지신호의 주파수 성분 및 신호 세기를 가진 전자장치들이 밀집된 공간 내에 탑재되는 인공위성 개발 시, 유익한 개발 자료로 활용될 수 있을 것으로 사료되며 전자파 환경시험에서 발생된 문제점에 대해서 이것을 해결해가는 과정은 향후 추진 개발될 인공위성 개발에 많은 도움을 주리라기대한다.
참고문헌 (4)
Electromagnetic Interface Characteristic, Requirement for Equipment Doc.-No. MIL-STD-461E
Kim, Se-yon, KoDSat Data Acquisition Unit EMC Test Procedure, E1-D0-410-006, 2004
Seo, Min-Seok, KoDSat FM EMI/EMC Test Procedure, AIT-DC-430-002, 2004
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