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문제 정의
- 다대역으로 구현하기위한 안테나의 형태는 마이크로스트립 안테나, 개구면 안테나, 배열 안테나 등 여러 가지가 있을 수 있으나, 본 논문에서는 고출력, 고지향성 특성을 갖는 반사판 안테나로 구현하고자 한다.
- 따라서, 복합통신위성의 운용에 따른 다대역 위성단말을 이용한 실질적인 작전능력향상을 확보하기 위해서는 이중 혹은 삼중대역의 동시운용이 가능해야 할 것으로 판단된다. 본 논문에서는 X/Ku/Ka 대역에 대하여 동시운용이 가능한 삼중대역 안테나의 개발내역 및 확보된 성능을 제시하여 우리군의 차기 군 위성통신체계의 다대역 위성단말 전략화에 기여하고자 한다.
- 본 논문에서는 X/Ku/Ka 대역에서 급전부의 교체 없이 동시운용 가능한 0.8m급의 다대역 위성안테나의 개발내역 및 시험결과를 제시하였다. 삼중대역 주파수 선택막과 이중대역 급전혼을 개발하여 급전부의 교체 없이 동시에 삼중대역에서 운용이 가능하도록 하였으며, 안테나의 무게와 내구성을 고려하여 부반사판을 허니컴 구조로 적용하였다.
제안 방법
- 따라서 최종 반사판의 크기는 개구면을 기준으로 높이는 650mm로 하였다. FSS 부반사판은 전자파의 입사/반사각이 최소가 되도록 평면형을 선택하여 두 급전혼의 대칭이 되는 중앙에 위치하였으며, 크기는 Ku 대역에서의 스필오버(spill over) 및 블러킹(blocking) 효과를 고려하여, 지름이 210mm인 원형의 형태로 구성하였다.
- Ku 송신 대역과 Ka 송수신 대역은 본 논문에서 다루는 해석 주파수의 파장 대비 안테나의 크기가 상대적으로 매우 크기 때문에 소요 시간을 단축시키기 위해 급전혼 부분은 MoM(Method of Moment) 방식으로 해석한 후 안테나의 등가 전원으로 사용되어, 반사판을 포함하여 MLFMM 방식으로 해석하였다[12].
- 3과 같이 물리적 광학법(Physical Optics)을 이용하여 해석 및 설계하여 다대역 안테나를 구성하였다. 급전혼과 FSS 부반사판의 개수를 줄여 전체 구조를 간소화 하기위해 X/Ka 대역을 동시에 지원하는 2중 대역 급전혼을 사용하였으며, 무게 중심의 이동을 최소화하기 위해 F/D (F : 주반사판의 초점거리, D : 주반사판의 직경)를 0.5로 하였다. 따라서 최종 반사판의 크기는 개구면을 기준으로 높이는 650mm로 하였다.
- 다대역 안테나의 구현 및 시험을 통해 안테나 설계와 제작기술 확보 및 향후 차기 군 위성통신체계의 운용개념에 따른 다양한 용량의 다대역 위성단말에 적합한 안테나 기반기술을 확보하였다. 추후 이를 활용한 다대역 위성단말이 전력화될 경우 우리군의 차기 군 위성통신체계를 이용한 지상단말 작전능력향상에 크게 기여하게 될 것이다.
- 원편파 특성을 갖는 2중 대역(X/Ka 대역) 급 전혼, 단일 대역(Ku 대역) 급전혼, 주반사판, 주파수 선택막(FSS)으로 이루어진 3중 대역 부반사판으로 구성되며 오프셋 파라볼라 형태로 설계하였다. 두개의 급전혼을 배치하기 위해 주반사판의 초점에는 2중 대역 급전혼을 위치시키고, FSS 부반사판으로 이미지 초점(image focus)을 만들어 단일대역 급전혼이 동작하도록 하였다. 적용된 FSS 부반사판은 Ku 대역을 반사하고, X/Ka 대역은 통과하는 대역 차단 기능을 갖도록 설계하였다[5]~[9].
- 따라서 2층 고리형 FSS 소자 구조를 선택하였으며, FSS로의 전파 입사 범위 (0°~55.7°)내에서 전기적 성능을 만족하도록 설계 및 해석을 수행하였다.
- 따라서, 본 논문에서는 Fig. 2-(c)의 구조를 기본으로 Fig. 3과 같이 물리적 광학법(Physical Optics)을 이용하여 해석 및 설계하여 다대역 안테나를 구성하였다. 급전혼과 FSS 부반사판의 개수를 줄여 전체 구조를 간소화 하기위해 X/Ka 대역을 동시에 지원하는 2중 대역 급전혼을 사용하였으며, 무게 중심의 이동을 최소화하기 위해 F/D (F : 주반사판의 초점거리, D : 주반사판의 직경)를 0.
- 따라서 X 대역 및 Ka 대역 송수신 단이 서로 독립적으로 존재하기 때문에 서로 다른 대역에서의 동시 송수신이 가능하다. 또한 Ku 대역 안테나의 송수신단은 구형 도파관인 WR-75로 설계하였으며, X 대역은 WR-112, Ka 대역은 WR-42와 WR-28로 설계하였다.
- 반사판은 제작 오차를 최소화하기 위하여, 컴퓨터 프로그램에 의하여 제어(CNC: Computerized Numerical Control)되는 정밀 기계 장치(MCT: Machining Center)를 통하여 알루미늄으로 제작되었으며, FSS 부반사판은 내구성 및 전기적 특성 유지를 위해 허니컴(honeycomb) 양면에 고리형 FSS 소자가 인쇄되어 있는 유전체 기판을 접합하는 A-샌드위치(sandwich) 형태로 제작하였다. 또한 급전혼의 도파관 부분은 알루미늄을 브레이징(brazing) 용접하여 단차를 최소화하였고, Ka 대역의 편파기와 OMT는 은도금공정을 추가하여 전도성을 높였다.
- 삼중대역 주파수 선택막과 이중대역 급전혼을 개발하여 급전부의 교체 없이 동시에 삼중대역에서 운용이 가능하도록 하였으며, 안테나의 무게와 내구성을 고려하여 부반사판을 허니컴 구조로 적용하였다. 또한 차량 탑재형과 같은 이동형 구조에 적용 시 안정적이고 효율적인 적재방안을 확보하기 위해 오프셋 파라볼라 형태를 선택하여 접이식 구조 외에 해체, 수납 등이 용이하도록 기구적으로 최적의 방안을 도출하였다.
- 설계 상 요구되어지는 FSS의 통과대역인 X/Ka 대역은 원편파 특성을 가지므로 대칭적인 구조를 위해 L1과 L2는 동일한 값을 갖도록 하였다. 또한, 일반적인 다단 필터 특성을 갖는 것과 유사하게 고리형 FSS 소자를 2층으로 구성하여 선택도를 높이는 효과를 갖도록 하였다. Fig.
- 마지막으로 다대역 안테나의 급전을 위해 Ku 대역 급전혼과 X/Ka 대역을 동시에 지원하는 2중 대역 급전혼을 적용하였다.
- 위성선진국의 경우 다양한 형태의 다대역 위성단말을 전력화하여 운용하고 있으나, 모두 실시간 운용효율에 상당한 제한이 따른다. 먼저 하나의 위성안테나를 이용하여 이중 혹은 삼중대역을 동시에 운용하는 개념이 아닌 다수의 대역별 위성안테나를 이용하여 다대역 통신을 운용한다. 다음으로 운용하고자 하는 주파수에 따라 복수개의 안테나 급전부를 이용하여 운용계획에 따라 교체하는 방식을 이용한다[1]~[4].
- 8m급의 다대역 위성안테나의 개발내역 및 시험결과를 제시하였다. 삼중대역 주파수 선택막과 이중대역 급전혼을 개발하여 급전부의 교체 없이 동시에 삼중대역에서 운용이 가능하도록 하였으며, 안테나의 무게와 내구성을 고려하여 부반사판을 허니컴 구조로 적용하였다. 또한 차량 탑재형과 같은 이동형 구조에 적용 시 안정적이고 효율적인 적재방안을 확보하기 위해 오프셋 파라볼라 형태를 선택하여 접이식 구조 외에 해체, 수납 등이 용이하도록 기구적으로 최적의 방안을 도출하였다.
- 1에 도시하였다. 여기서 급전혼의 개수는 다대역 안테나가 지원하는 주파수 대역의 개수와 동일하며, 본 논문에서는 세 개의 대역 (X/Ku/Ka 대역)을 다루므로 세 개의 급전혼을 도시하였다.
- 원편파 특성을 갖는 2중 대역(X/Ka 대역) 급 전혼, 단일 대역(Ku 대역) 급전혼, 주반사판, 주파수 선택막(FSS)으로 이루어진 3중 대역 부반사판으로 구성되며 오프셋 파라볼라 형태로 설계하였다. 두개의 급전혼을 배치하기 위해 주반사판의 초점에는 2중 대역 급전혼을 위치시키고, FSS 부반사판으로 이미지 초점(image focus)을 만들어 단일대역 급전혼이 동작하도록 하였다.
- 두개의 급전혼을 배치하기 위해 주반사판의 초점에는 2중 대역 급전혼을 위치시키고, FSS 부반사판으로 이미지 초점(image focus)을 만들어 단일대역 급전혼이 동작하도록 하였다. 적용된 FSS 부반사판은 Ku 대역을 반사하고, X/Ka 대역은 통과하는 대역 차단 기능을 갖도록 설계하였다[5]~[9].
- 제안하는 다대역 안테나는 대용량 데이터 전송을 위한 2m급 또는 그 이상의 크기를 갖는 대형 안테나로 구성되어 차량 탑재형과 같은 이동형 단말에 응용되어지기 위한 목적을 갖고 있으나, 본 논문에서는 안테나의 구현방안에 초점을 두어 0.8m 크기로 구성하였다. 안테나의 동작 주파수와 편파 특성은 국내 위성 환경과 동일하게 하였으며, 이득은 안테나의 크기를 고려하여 결정하였다.
- 제작된 FSS의 측정을 위해 전자파 무반사실 내에서 송수신 표준혼의 중간에 FSS를 고정하고, VNA(Vector Network Analyzer HP-8720D)을 사용한다. 표준혼은 주파수 동작 범위에 해당되는 7/10GHz, 12.
- 표준혼은 주파수 동작 범위에 해당되는 7/10GHz, 12.4/18GHz, 18/26.5GHz, 26.5/40GHz 대역 특성을 갖는 네 종류의 표준혼을 사용하며, FSS의 유·무에 따라 투과계수를 측정하여 비교한다.
대상 데이터
- 5로 하였다. 따라서 최종 반사판의 크기는 개구면을 기준으로 높이는 650mm로 하였다. FSS 부반사판은 전자파의 입사/반사각이 최소가 되도록 평면형을 선택하여 두 급전혼의 대칭이 되는 중앙에 위치하였으며, 크기는 Ku 대역에서의 스필오버(spill over) 및 블러킹(blocking) 효과를 고려하여, 지름이 210mm인 원형의 형태로 구성하였다.
- 10-(b)는 위성 신호 자동 추적을 위해 2축 제어 구동부를 포함한 모습이다. 반사판은 제작 오차를 최소화하기 위하여, 컴퓨터 프로그램에 의하여 제어(CNC: Computerized Numerical Control)되는 정밀 기계 장치(MCT: Machining Center)를 통하여 알루미늄으로 제작되었으며, FSS 부반사판은 내구성 및 전기적 특성 유지를 위해 허니컴(honeycomb) 양면에 고리형 FSS 소자가 인쇄되어 있는 유전체 기판을 접합하는 A-샌드위치(sandwich) 형태로 제작하였다. 또한 급전혼의 도파관 부분은 알루미늄을 브레이징(brazing) 용접하여 단차를 최소화하였고, Ka 대역의 편파기와 OMT는 은도금공정을 추가하여 전도성을 높였다.
- 제작된 안테나는 CR 챔버(Compact Range chamber)에서 측정하였고, 안테나 패턴에 대한 대역별 시뮬레이션 결과 및 측정 결과 중 안테나 이득부분은 Table 3으로 나타내고, 전체적인 방사패턴은 Fig. 11와 Fig. 12에 도시하였다.
- 제작된 안테나의 Ku 대역 급전혼, X/Ka 대역 급전혼 및 FSS 부반사판의 무게의 각각 0.42kg, 1.45kg, 0.33kg 이며, 알루미늄으로 구성된 주반사판은 지지대 포함하여 9.8kg이다. 주반사판을 허니컴과 글라스 에폭시(glass epoxy) 등을 포함하는 복합재를 사용하여 제작할 경우, 전체 안테나의 무게는 5kg 이내로 구현 가능할 것이다.
데이터처리
- Fig. 10-(a)의 전체 구조에 대해 상용 EM S/W 인 FEKO 시뮬레이터를 이용하여 전기적 특성을 모의 성능 검증을 하였다. X 송수신 대역과 Ku 수신 대역은 급전혼과 반사판을 포함하여 MLFMM (Multilevel Fast Multipole Method) 방식으로 해석을 수행하였다.
이론/모형
- 10-(a)의 전체 구조에 대해 상용 EM S/W 인 FEKO 시뮬레이터를 이용하여 전기적 특성을 모의 성능 검증을 하였다. X 송수신 대역과 Ku 수신 대역은 급전혼과 반사판을 포함하여 MLFMM (Multilevel Fast Multipole Method) 방식으로 해석을 수행하였다.
성능/효과
- 3개 대역을 동시 통신 할 경우, 대역별로 3개의 안테나를 이용하는 방식에서 본 논문에서 제시하는 하나의 안테나를 사용함으로 인해 기존보다 규모를 획기적으로 줄이고 제작 단가 절감 외에 경량화 등의 효과를 도모할 수 있다.
- 이러한 블러킹 현상으로 인한 전자파의 산란으로 주파수가 높아질수록 방사 패턴의 변화가 매우 심해지고 부엽 레벨이 높아지는 현상이 나타난다. 따라서, 이러한 복합적인 영향으로 인해 X 대역의 경우 부엽 특성은 측정 결과 최대 -16dB로 시뮬레이션 결과에 비해 1dB 열화되며, Ku 대역의 부엽 레벨은 -17dB로 8dB 열화, Ka 대역은 송수신대에서 각각 -15dB와 -20dB로 2~8dB가 열화 되었다. 이러한 현상은 추후 대용량 데이터 전송을 위한 대형 안테나로 구현 시, F/D를 크게 하고, 이미지 초점과 주초점간의 거리를 넓게함으로써 블러킹 현상을 최소화하는 연구를 추가적으로 진행할 예정이다.
- 시뮬레이션 결과와 측정 결과가 차이를 보이는 이유는 도파관의 브레이징 연결 부분에서의 손실과 제작 과정에서의 오차로 보인다. 또한, 결과의 차이가 X 송수신 대역과 Ku 수신 대역에 비해 Ku 송신 대역과 Ka 송수신 대역이 큰 이유는 X 송수신 대역과 Ku수신대역은 급전혼과 반사판을 포함하여 MLFMM으로 해석하였고, Ku 송신 대역과 Ka 송수신 대역은 급전혼 부분을 MoM으로 먼저 해석한 뒤 안테나의 등가전원으로 사용하여 MLFMM으로 해석함으로써 급전혼과 지지대가 미포함 됨에 따른 해석 오차이다.
- 이러한 시뮬레이션 결과로 인해 알루미늄으로 제작되어 금속 성분을 갖는 급전혼의 지지대에 의한 영향도 방사 패턴에 큰 영향을 주는 것을 알 수 있으며, 고각 방향 패턴(elevation pattern)에서 주빔의 비대칭성과 부엽 레벨의 열화 현상에 영향을 주는 것을 볼 수 있다. 이는 지지대의 구조 또는 재질을 변경하여 개선할 수 있으며, 추후 진행될 연구에 보완할 예정이다.
후속연구
- 이러한 시뮬레이션 결과로 인해 알루미늄으로 제작되어 금속 성분을 갖는 급전혼의 지지대에 의한 영향도 방사 패턴에 큰 영향을 주는 것을 알 수 있으며, 고각 방향 패턴(elevation pattern)에서 주빔의 비대칭성과 부엽 레벨의 열화 현상에 영향을 주는 것을 볼 수 있다. 이는 지지대의 구조 또는 재질을 변경하여 개선할 수 있으며, 추후 진행될 연구에 보완할 예정이다. 안테나의 구조적 관점에서는 Ku 대역 전자파가 FSS 부반사판에서 반사되어 주반사판으로 향하는 경우, Ku 급전혼으로 인한 블러킹 현상이 발생하게 되며, 이는 X와 Ka대역에서도 동일하게 발생한다.
- 따라서, 이러한 복합적인 영향으로 인해 X 대역의 경우 부엽 특성은 측정 결과 최대 -16dB로 시뮬레이션 결과에 비해 1dB 열화되며, Ku 대역의 부엽 레벨은 -17dB로 8dB 열화, Ka 대역은 송수신대에서 각각 -15dB와 -20dB로 2~8dB가 열화 되었다. 이러한 현상은 추후 대용량 데이터 전송을 위한 대형 안테나로 구현 시, F/D를 크게 하고, 이미지 초점과 주초점간의 거리를 넓게함으로써 블러킹 현상을 최소화하는 연구를 추가적으로 진행할 예정이다. 교차편파는 X 대역, Ku 대역 그리고 Ka 대역에서 각각 21.
- 다대역 안테나의 구현 및 시험을 통해 안테나 설계와 제작기술 확보 및 향후 차기 군 위성통신체계의 운용개념에 따른 다양한 용량의 다대역 위성단말에 적합한 안테나 기반기술을 확보하였다. 추후 이를 활용한 다대역 위성단말이 전력화될 경우 우리군의 차기 군 위성통신체계를 이용한 지상단말 작전능력향상에 크게 기여하게 될 것이다.
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