본 논문에는 무인항공기에 장착된 UHF 안테나의 최적 위치 및 형상이 다양한 위치에서 EM시뮬레이션을 통하여 분석되어져 있다. EM 시뮬레이션을 위하여 FEKO를 이용하였다. 시뮬레이션의 복잡도를 줄이고 분석시간과 메모리 이용도를 최소화하기 위하여 비행체의 복합체 구조를 레이돔 구조를 제외하고 PEC 모델로 간략화 하였다. 시뮬레이션은 무인항공기의 날개와 Ventral Fin 위치에서 수행되어 졌고, 안테나 형상은 모노폴, 다이폴, 굴곡형 모노폴 안테나들을 이용하였다. 모노폴 안테나가 비행체 날개에 장착될 경우, 오른쪽 날개와 왼쪽 날개에 각각 장착되어지기 위하여 두 개의 안테나가 필요하고, 이 두 개의 안테나들은 가시선 데이터링크 지상 안테나에 대한 무인항공기 날개 방향에 따라 전환되어져야 한다. 모노폴 안테나가 Ventral Fin에 장착될 경우, 가시선 데이터링크 지상 안테나에 대한 무인항공기 날개 방향에 상관없이 하나의 안테나로 운용 가능하다. 또한, 안테나 이득도 비행체에 의한 Blockage 감소로 개선되어진다. 안테나 이득은 굴곡형 모노폴 안테나를 이용하여 더욱 더 개선되어 진다. 결론적으로 무인항공기에 장착된 UHF 안테나의 최적 위치 및 형상은 굴곡형 모노폴 안테나를 Ventral Fin 아래에 장착하는 것이다.
본 논문에는 무인항공기에 장착된 UHF 안테나의 최적 위치 및 형상이 다양한 위치에서 EM 시뮬레이션을 통하여 분석되어져 있다. EM 시뮬레이션을 위하여 FEKO를 이용하였다. 시뮬레이션의 복잡도를 줄이고 분석시간과 메모리 이용도를 최소화하기 위하여 비행체의 복합체 구조를 레이돔 구조를 제외하고 PEC 모델로 간략화 하였다. 시뮬레이션은 무인항공기의 날개와 Ventral Fin 위치에서 수행되어 졌고, 안테나 형상은 모노폴, 다이폴, 굴곡형 모노폴 안테나들을 이용하였다. 모노폴 안테나가 비행체 날개에 장착될 경우, 오른쪽 날개와 왼쪽 날개에 각각 장착되어지기 위하여 두 개의 안테나가 필요하고, 이 두 개의 안테나들은 가시선 데이터링크 지상 안테나에 대한 무인항공기 날개 방향에 따라 전환되어져야 한다. 모노폴 안테나가 Ventral Fin에 장착될 경우, 가시선 데이터링크 지상 안테나에 대한 무인항공기 날개 방향에 상관없이 하나의 안테나로 운용 가능하다. 또한, 안테나 이득도 비행체에 의한 Blockage 감소로 개선되어진다. 안테나 이득은 굴곡형 모노폴 안테나를 이용하여 더욱 더 개선되어 진다. 결론적으로 무인항공기에 장착된 UHF 안테나의 최적 위치 및 형상은 굴곡형 모노폴 안테나를 Ventral Fin 아래에 장착하는 것이다.
In this paper, the optimum placement and shape of UHF antenna on the unmanned aerial vehicle (UAV) are analyzed by using the electromagnetic (EM) simulation on the various locations. The FEKO was used for the EM-simulation. In order to reduce the complexity of simulation and minimize the runtime and...
In this paper, the optimum placement and shape of UHF antenna on the unmanned aerial vehicle (UAV) are analyzed by using the electromagnetic (EM) simulation on the various locations. The FEKO was used for the EM-simulation. In order to reduce the complexity of simulation and minimize the runtime and memory usage, the composite aircraft structure is simplified as the PEC model excluding the radome structure. The simulation was performed on the wing and ventral fin of UAV, and the antenna shape used the monopole, dipole, and bent monopole antennas. When the monopole antenna is mounted under the wing, two antennas need to be mounted under the right and left wings, and those antennas have to be switched as the direction of UAV wing to the line of sight (LOS) data-link (DL) ground antenna. In the case of mounting under the ventral fin, one antenna can be used regardless of the direction of UAV wing to the LOS DL ground antenna. Also, the antenna gain is improved by the blockage reduction. The antenna gain is further improved by using the bent monopole antenna. The optimum solution of UHF antenna placement and shape on UAV is to mount the bent monopole antenna under the ventral fin.
In this paper, the optimum placement and shape of UHF antenna on the unmanned aerial vehicle (UAV) are analyzed by using the electromagnetic (EM) simulation on the various locations. The FEKO was used for the EM-simulation. In order to reduce the complexity of simulation and minimize the runtime and memory usage, the composite aircraft structure is simplified as the PEC model excluding the radome structure. The simulation was performed on the wing and ventral fin of UAV, and the antenna shape used the monopole, dipole, and bent monopole antennas. When the monopole antenna is mounted under the wing, two antennas need to be mounted under the right and left wings, and those antennas have to be switched as the direction of UAV wing to the line of sight (LOS) data-link (DL) ground antenna. In the case of mounting under the ventral fin, one antenna can be used regardless of the direction of UAV wing to the LOS DL ground antenna. Also, the antenna gain is improved by the blockage reduction. The antenna gain is further improved by using the bent monopole antenna. The optimum solution of UHF antenna placement and shape on UAV is to mount the bent monopole antenna under the ventral fin.
본 논문에는 무인항공기에 장착된 UHF 안테나의 최적 위치 및 형상이 다양한 위치에서 EM 시뮬레이션을 통하여 분석되어져 있다. 안테나의 평균 이득, 편차, 방사패턴들이 무인항공기의 날개와 Ventral Fin에 장착된 모노폴, 다이폴, 굴곡형 모노폴 안테나들 사이에 비교되어져 있다.
제안 방법
EM 시뮬레이션을 위하여 FEKO를 이용하였다. 시뮬레이션의 복잡도를 줄이고 분석시간과 메모리 이용도를 최소화하기 위하여 비행체의 복합체 구조를 레이돔 구조를 제외하고 PEC 모델로 간략화 하였다[4]. 무인항공기가 전기적으로 매우 큰 모델이기 때문에 Multilevel Fast Multipole Method (MLFMM) 방식을 사용하여 분석하였다.
이전 장에서 분석한 Ventral Fin 아래에 장착된 모노폴 안테나는 안테나 이득이 120°와 240°의 고각에서 악화되는 문제점을 갖고 있다. 이번 장에서는 이와 같은 문제점을 해결하기 위해서 Ventral Fin 아래에 장착된 모노폴 안테나와 굴곡형 모노폴 안테나 사이에 특성들을 비교/분석하였다. 굴곡형 모노폴 안테나의 형상은 그림 5에 나와 있다.
대상 데이터
군사적 용도로는 전술, 전략, 특수임무 무인항공기로 구분한다. 본 논문에서 분석된 무인항공기는 Predator와 Pioneer와 같은 전술급 이상의 대형 무인항공기이다. 최근 무인항공기들은 수많은 감시, 정찰, 통신 장비들을 장착하고 있고, 그 외에도 항법, 통신링크, 데이터링크, 이외의 다른 응용분야들을 위한 더 많은 안테나들을 요구한다.
이론/모형
시뮬레이션의 복잡도를 줄이고 분석시간과 메모리 이용도를 최소화하기 위하여 비행체의 복합체 구조를 레이돔 구조를 제외하고 PEC 모델로 간략화 하였다[4]. 무인항공기가 전기적으로 매우 큰 모델이기 때문에 Multilevel Fast Multipole Method (MLFMM) 방식을 사용하여 분석하였다. 안테나의 평균 이득과 편차가 그림 3에 나와 있다.
성능/효과
안테나 이득은 굴곡형 모노폴 안테나를 사용하여 더욱 더 개선되어 진다. 결론적으로 무인항공기에 장착된 UHF 안테나의 최적 위치 및 형상은 굴곡형 모노폴 안테나를 Ventral Fin 아래에 장착하는 것이다.
위의 방사 패턴에서 보면, h가 λ/12인 굴곡형 모노폴 안테나의 이득은 110°∼250°의 고각 범위에서 개선되어졌다. 특히 120°와 240°의 고각에서의 안테나 이득은 h가 λ/12인 굴곡형 모노폴 안테나를 이용하여 획기적으로 개선되어졌다. 비록 h가 λ/8인 굴곡형 모노폴 안테나가 다른 안테나들보다 더 좋은 동작 특성을 갖고 있지만, 안테나 이득이 120°와 240°의 고각에서 악화되는 문제점은 h가 λ/12인 굴곡형 모노폴 안테나를 이용하여 해결될 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
무인항공기는 어떻게 분류되는가?
무인항공기는 작전반경, 운용고도, 체공시간 등에 따라 근거리, 단거리, 중거리, 장거리 무인항공기 혹은 저고도, 중고도, 고고도 무인항공기 등으로 분류한다. 군사적 용도로는 전술, 전략, 특수임무 무인항공기로 구분한다. 본 논문에서 분석된 무인항공기는 Predator와 Pioneer와 같은 전술급 이상의 대형 무인항공기이다.
데이터링크가 중요한 이유는?
최근 무인항공기들은 수많은 감시, 정찰, 통신 장비들을 장착하고 있고, 그 외에도 항법, 통신링크, 데이터링크, 이외의 다른 응용분야들을 위한 더 많은 안테나들을 요구한다. 특히, 데이터링크는 비행체의 상태정보 및 영상 정보와 비행체 제어명령 등을 송수신하는 역할을 수행하여 무인항공기의 생존성과 큰 연관성을 갖고 있기 때문에 더욱 더 중요하다. 하지만 무인항공기들은 종종 안테나가 최적 성능을 낼 수 있는 매우 제한된 면적을 제공한다.
기체에 의한 Blockage를 줄이고 하나의 UHF 안테나를 이용하여 동작할 수 있는 곳에 위치되어져야 하는 이유는?
그러므로 Blockage 최소화를 통한 안정된 안테나 방사 패턴과 커버리지, 그리고 안테나들 사이의 충분한 감결합을 보장하기 위하여 최적의 안테나 배치가 요구되어 진다. 기존의 무인항공기들에는 두 개의 UHF 안테나들이 오른쪽 날개와 왼쪽 날개에 장착되어져 있고, 각각의 안테나는 가시선 데이터링크 지상 안테나에 대한 무인항공기 날개 방향에 따라 수동 혹은 자동으로 전환되어져야만 한다. 예를 들면, 무인항공기의 좌측이 가시선 데이터링크 지상 안테나를 지향할 경우, 만약 오른쪽 날개에 장착된 UHF 안테나가 작동하고 있다면, 안테나 이득과 방사 패턴은 Blockage에 의해 악화되어 진다. 그러므로 이 경우에는 왼쪽 날개에 장착된 UHF 안테나가 작동되어져야 한다. 이러한 문제점들을 해결하기 위하여, UHF 안테나는 기체에 의한 Blockage를 줄이고 오직 하나의 UHF 안테나를 이용하여 동작할 수 있는 곳에 위치되어져야 한다[1～3].
참고문헌 (5)
A. Patrovsky and R. Sekora, "Structural integration of a thin conformal annular slot antenna for UAV applications," Loughborough Antennas & Propagation Conference, pp. 229- 232, November 2010.
B. T. Strojny and R. G. Rojas, "Integration of conformal GPS and VHF/UHF communication antennas for small UAV applications," European Conference on Antennas and Propagation, pp. 2488-2492, 2009.
R. C. Hansen, "Fundamental limitations in antennas," Proceedings of the IEEE, vol. 69, no. 2, pp. 170-182, February 1981.
S. D. Keller, W. O. Coburn, S. J. Weiss, "Efficient electromagnetic modeling of bent monopole antenna on aircraft wing using FEKO," European Conference on Antenna and Propagation, pp. 2226-2228, 2009.
M. S. Sharawi, O. A. Rawashdeh, and D. N. Aloi, "Performance of an embedded monopole antenna array in a UAV wing structure," IEEE Mediterranean Electrotechnical Conference, pp. 835-838, 2010.
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