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문제 정의
- TTCE는 RF 링크와 위성체 트랜스폰더, 베이스 밴드 링크와 OBC(On Board Computer)간의 경로를 통해 Telecommand와 Telemetry 통신을 한다. 본 논문에서는 TTCE의 한 부분인 위성체의 RF 링크 및 트랜스폰더를 시험하기 위한 장비를 제작하였다. 시험 장비는 CMD(Telecommand)/TLM(Telemetry) Unit과 RF 링크를 제공하는 RFU(RF Interface Unit), 링크 경로를 분리해 주는 RIU(Remote Interface Unit) 등으로 구성되며, 위성체의 Telecommand와 Telemetry 통신은 S-Band를 사용하였다.
제안 방법
- 2) 본 논문에서 보이는 위성 시험 장비는 지상국과 위성간의 무선 통신 링크를 시험하는 장비로서 S-Band를 사용하는 모든 위성에 적용이 가능하도록 제작하였다. 그림 1에 위성체 시험 장비인 EGSE(Electrical Ground Support Equipment)의 구성도를 나타내었다.
- CMD/TLM Unit과 RFU, Up Converter, Down Converter, RIU를 이용하여 RF 경로를 구성하였다. RFU의 IF 및 RF 신호의 특성을 볼 수 있도록 커플러를 삽입하였고, 가변 감쇄기를 이용하여 전력을 조절할 수 있도록 하였다.
- 상향 링크의 경우 RFU IF단은 SPDT 스위치와 커플러 등의 삽입 손실을 고려하여 삽입 손실을 5 dB로 정하였고, RF단은 가변 감쇄기와 아이솔레이터, SPDT 스위치, 커플러 등의 삽입 손실을 고려하여 10 dB로 정하였다. CMD/TLM Unit으로 부터 0 dBm을 입력 받아 최대 -50 dBm을 출력하기 위해 주파수 상향 변환기에서 약 11.7 dB의 이득을 갖도록 조절하여 총 경로 손실을 설정하였다. CMD 신호의 선형성을 유지하기 위해서 -80 dBm 출력에서 60 dBc 이상의 IMD3를 유지해야 한다.
- 그림 10에 RIU의 제작 사진을 나타내었다. RF 경로는 아이솔레이터와 써큘레이터, SPDT 스위치, 감쇄기로 구성하였고, 인터페이스 저항을 통해 SPDT 스위치 상태 정보를 외부로 보내주도록 제작하였다.
- 위성의 Telecommand와 Telemetry 성능 시험을 위한 RF 신호 시험 장비를 설계 및 제작하였다. RF 신호 시험 장비는 CMD/TLM Unit과 Up/down converter, RFU, RIU으로 구성하였으며, GPIB 통신과 Ethernet 통신으로 원격 제어가 가능하도록 설계하였다.
- RFU는 주파수 상하향 변환기와 함께 위성과의 RF 경로에 위치하며, 상향 링크와 하향 링크의 IF단 및 RF단으로 구성되며, 위성 제작에 헤리티지가 확보된 부품을 사용하여 설계하였다. RFU의 상향 링크의 규격을 표 2에 나타내었다.
- CMD/TLM Unit과 RFU, Up Converter, Down Converter, RIU를 이용하여 RF 경로를 구성하였다. RFU의 IF 및 RF 신호의 특성을 볼 수 있도록 커플러를 삽입하였고, 가변 감쇄기를 이용하여 전력을 조절할 수 있도록 하였다. 또한, RIU의 상향 링크와 하향 링크 신호를 분리하기 위해 써큘레이터를 사용하였다.
- 시험 장비는 CMD(Telecommand)/TLM(Telemetry) Unit과 RF 링크를 제공하는 RFU(RF Interface Unit), 링크 경로를 분리해 주는 RIU(Remote Interface Unit) 등으로 구성되며, 위성체의 Telecommand와 Telemetry 통신은 S-Band를 사용하였다. 본 논문에서는 COTS(Commercial Off-The-Shelf) 부품을 적용하여 기존의 장비에 비해 크기와 제작 기간을 단축하였으며, 위성 발사 후 지상국에서도 사용할 수 있도록 제작하였다.
- 그림 9에 RIU의 구성도를 나타내었다. 상향 링크에서 하향 링크로의 loop back을 설정하고, 상향 링크 경로를 통해 CMD 주파수와 TLM 주파수 대역을 통과시키기 위해 광대역 써큘레이터를 사용하였고, loop back 신호가 상향 링크로 유입되는 것을 방지하기 위해 입력단에 아이솔레이터를 삽입하였다. Loop back 경로의 절체와 안테나 선택을 위해 SPDT 스위치를 사용하였다.
- 상향 링크의 IF단과 RF단, 하향 링크의 IF단과 RF단의 출력신호의 특성을 파악할 수 있도록 커플러를 삽입하였다. 측정부의 구성도는 그림 7과 같다.
- 상향 링크의 경우 RFU IF단은 SPDT 스위치와 커플러 등의 삽입 손실을 고려하여 삽입 손실을 5 dB로 정하였고, RF단은 가변 감쇄기와 아이솔레이터, SPDT 스위치, 커플러 등의 삽입 손실을 고려하여 10 dB로 정하였다. CMD/TLM Unit으로 부터 0 dBm을 입력 받아 최대 -50 dBm을 출력하기 위해 주파수 상향 변환기에서 약 11.
- 위성의 Telecommand와 Telemetry 성능 시험을 위한 RF 신호 시험 장비를 설계 및 제작하였다. RF 신호 시험 장비는 CMD/TLM Unit과 Up/down converter, RFU, RIU으로 구성하였으며, GPIB 통신과 Ethernet 통신으로 원격 제어가 가능하도록 설계하였다.
- CMD/TLM Unit은 자체에서 하향 링크 신호를 출력한다. 이 신호를 TLM 입력단자로 보내줄 수 있도록 IF단에서 loop back 회로를 설계하였다. 설계 결과 하향 링크의 총 삽입 손실은 2.
- 3 MHz이며 출력 전력범위는 -50~-140 dBm이다. 이때 주파수 상향 변환기는 RFU와 RIU의 이득 및 IP3를 고려하여 0~30 dB 가변 할 수 있도록 설계하였다. 또한 하향 링크는 위성에서 지상국으로의 송신 주파수는 2232 MHz이고, 최대 5 W(약 37 dBm)의 출력이 필요하다.
- CMD/TLM Unit과 주파수 변환기는 상용 제품을 구입하였고, RFU와 RIU는 직접 제작을 하였다. 제작된 시험장비는 상향 링크와 하향 링크는 각 단마다 loop back 경로를 두어 자체 시험이 가능하고, 커플러를 이용하여 각 링크별 RF 신호 특성을 모니터링 할 수 있도록 설계하였다.
대상 데이터
- CMD/TLM Unit과 주파수 변환기는 상용 제품을 구입하였고, RFU와 RIU는 직접 제작을 하였다. 제작된 시험장비는 상향 링크와 하향 링크는 각 단마다 loop back 경로를 두어 자체 시험이 가능하고, 커플러를 이용하여 각 링크별 RF 신호 특성을 모니터링 할 수 있도록 설계하였다.
- RFU의 IF 및 RF 신호의 특성을 볼 수 있도록 커플러를 삽입하였고, 가변 감쇄기를 이용하여 전력을 조절할 수 있도록 하였다. 또한, RIU의 상향 링크와 하향 링크 신호를 분리하기 위해 써큘레이터를 사용하였다. RFU과 RIU 모두 상향 링크에서 하향 링크로 loop back 경로를 설정하였다.
- 본 논문에서 설계한 RIU는 상향 링크와 하향 링크의 입 · 출력 단자와 안테나를 선택할 수 있는 2개의 안테나 단자로 구성하였다.
- 본 논문에서는 TTCE의 한 부분인 위성체의 RF 링크 및 트랜스폰더를 시험하기 위한 장비를 제작하였다. 시험 장비는 CMD(Telecommand)/TLM(Telemetry) Unit과 RF 링크를 제공하는 RFU(RF Interface Unit), 링크 경로를 분리해 주는 RIU(Remote Interface Unit) 등으로 구성되며, 위성체의 Telecommand와 Telemetry 통신은 S-Band를 사용하였다. 본 논문에서는 COTS(Commercial Off-The-Shelf) 부품을 적용하여 기존의 장비에 비해 크기와 제작 기간을 단축하였으며, 위성 발사 후 지상국에서도 사용할 수 있도록 제작하였다.
성능/효과
- CMD/TLM Unit에서 출력된 Telecommand 신호를 다시 CMD/TLM Unit으로 보내어 시험 장비 자체의 경로를 시험하거나, 상향 링크를 이용해 Ranging 신호를 보낸 후 되돌아오는 신호를 시험장비 경로 내에서 시험하기 위해서는 경로 자체에 loop back 경로를 설정하여야 한다.3) 본 논문에 사용된 SPDT 스위치의 삽입 손실은 0.25 dB이고, IF와 RF 커플러는 각각 0.6 dB, 0.25 dB이다. 또한 RF단의 가변 감쇄기와 아이솔레이터의 삽입 손실은 각각 5.
- 4 dB로 측정되었다. RFU는 출력이 -10 dBm이고, 주파수 상향 변환기의 변환이득이 30 dB일 때 IMD3는 60.99 dBc가 측정이 되었다. 또한 하향 링크의 삽입손실은 3.
- 본 논문에서 제작된 RF신호 시험 장비를 측정한 결과 설계 규격을 모두 만족하였다. 제작된 시험 장비는 베이스밴드와 RF 부분이 통합되어 기존 장비에 비해 운용이 용이하며, 크기가 작아 설치가 편리하다.
- 표 7에 RIU의 측정 결과를 나타내었다. 상향 링크와 하향 링크에서의 삽입 손실은 각각 36 dB, 31.7 dB로 나타났으며, 상향 링크와 하향 크의 격리도는 36 dB, 24.6 dB로 측정되었다. 표7로부터 설계 규격을 만족함을 알 수 있다.
- 상향 링크의 삽입 손실은 총 9.8 dB, 감쇄기의 정확도는 ± 0.4 dB로 측정되었다.
- 이 신호를 TLM 입력단자로 보내줄 수 있도록 IF단에서 loop back 회로를 설계하였다. 설계 결과 하향 링크의 총 삽입 손실은 2.1 dB로 나타났는데, 동축선의 삽입 손실을 고려하면 약 5 dB 정도 예상된다. 따라서 입력신호의 크기를 -6.
- 본 논문에서 제작된 RF신호 시험 장비를 측정한 결과 설계 규격을 모두 만족하였다. 제작된 시험 장비는 베이스밴드와 RF 부분이 통합되어 기존 장비에 비해 운용이 용이하며, 크기가 작아 설치가 편리하다. 또한 지상국에서 사용하는 장비의 규격을 만족하도록 설계하였기 때문에 운용 프로그램을 바꾸면 지상국으로 활용이 가능한 장점이 있다.
- 측정 결과 삽입 손실은 상·하향 링크 각각 47.8 dB와 42.6 dB로 나타났고, 송신단의 선형특성은 -50 dBm 출력에서 60.68 dBc의 IMD3 결과를 얻었다.
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