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우주환경을 고려한 디지털채널증폭기의 전자파적합성 분석 및 시험 결과에 대한 고찰
Study on the EMC analysis and test results of the digital channel amplifier considering space Environment 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.41 no.9, 2013년, pp.755 - 760  

홍상표 (Samsung Thales) ,  진병일 (Samsung Thales) ,  진봉철 (Agency for Defense Development) ,  서학금 (Agency for Defense Development)

초록
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본 논문에서는 우주환경을 고려한 전자파적합성 및 이에 대한 시스템 영향과 시스템 설계 규격을 Multipactor를 사용하여 분석하였다. 또한, 디지털채널증폭기의 시스템 레벨 전자기파 요구사항 분석과 전자기파(EMC) 규격을 초과한 시험결과 분석과 하드웨어 개선방법을 도출하였다. 이 분석과 시험 결과들은 군통신위성의 전자기파 요구사항 및 위성체의 설계 기준으로 제시한다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The electromagnetic compatibility and its effects, and the system design considerations in space environment are studied in this paper using Multipator. The system level EMC test results of digital channel amplifier(DCAMP), its affects upon the H/W improving methods regarding its over exceed value o...

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

  • 디지털채널증폭기의 경우 0.95 ~ 1 GHz의 입력 주파수 범위를 사용하고 있으므로 본 분석에서는 가장 민감한 대역인 입출력 주파수에 대해서만 분석을 실시하였다. 이를 위해 요구되는 복사성 내성 레벨에 따른 유닛에 미치는 전기장 레벨을 계산하고, 차폐구조물/컨넥터 쉴드 처리 등에 의한 차폐율을 고려하여 유닛 내부의 가장 민감한 부품 또는 보드에서의 내성 요구조건과 비교하여 RS 내성 레벨에 의한 EMC 마진을 계산하였다.
  • 복사성 감응 시험은 외부에서 형성되는 전자 기장에 대한 디지털채널증폭기의 내성을 확인하는 시험으로 1 MHz ~ 40 GHz 주파수 대역에서 방출되는 전기장을 인가시 디지털채널증폭기가 정상적으로 동작하는지 여부를 Fig. 5와 같은 방법으로 대역내 스퓨어리스 레벨, TC/TM 오류 여부 및 BER 측정하여 이상 유무를 판단하였다.
  • 3과 같이 NASA에서 제공하는 Multipactor 툴을 이용하여 해석 및 하드웨어에서 발생되는 RE/RS E-field를 산출하였다. 본 논문에서 분석에 필요한 RF 특성 즉 최악의 조건을 고려하여 표1의 신호세기를 근거로 분석을 실시하였다. 또한, Multipactor 소프트웨어의 해석 결과의 정확도를 확인하기 위해 디지털채널증폭기의 각 해당 주파수에서 발생하는 복사 전기장 세기를 식 1을 근거로 산출하였으며 shielding effectiveness 계산 결과를 Table 3에 나타내었다.
  • 본 논문에서 정의된 시스템 개발 구성품은 Fig. 1과 같이 X-Band 위성중계기로 구성이 되어있으며, 위성중계기 시스템에서 정의하는 디지털 채널증폭기(Digital Channel Amplifier)가 우주환경에서 성공적으로 임무수행 여부를 위한 전자파 적합성 분석과 그 결과를 분석하였다.
  • 본 시스템에서는 실제 사용하는 수신 주파수 대역에서 수신기의 수신 성능을 기준으로 규격 레벨을 정의하였으며, 시스템에서 발생되는 간섭 신호 성분을 제거하기 위해 추정된 결과를 토대로 Fig. 3과 같이 NASA에서 제공하는 Multipactor 툴을 이용하여 해석 및 하드웨어에서 발생되는 RE/RS E-field를 산출하였다. 본 논문에서 분석에 필요한 RF 특성 즉 최악의 조건을 고려하여 표1의 신호세기를 근거로 분석을 실시하였다.
  • 6 (a)와 같이 요구사항 불만족이 발생되었다. 이를 위해 식 1과 식 2를 근거로 분석하였으며, 디지털채널 증폭기의 방사된 간섭신호 성분들을 최소화하기 위해 다음과 같은 기구적인 보강을 실시하여 차폐효과를 개선하였다.
  • 95 ~ 1 GHz의 입력 주파수 범위를 사용하고 있으므로 본 분석에서는 가장 민감한 대역인 입출력 주파수에 대해서만 분석을 실시하였다. 이를 위해 요구되는 복사성 내성 레벨에 따른 유닛에 미치는 전기장 레벨을 계산하고, 차폐구조물/컨넥터 쉴드 처리 등에 의한 차폐율을 고려하여 유닛 내부의 가장 민감한 부품 또는 보드에서의 내성 요구조건과 비교하여 RS 내성 레벨에 의한 EMC 마진을 계산하였다. 복사성 감응을 위한 가정은 Table 5와 같으며, 최소 입력레벨 인가시 요구되는 차폐 효과를 산출하기 위해 식 2를 적용하였으며, 그 결과를 Table 6에 나타내었다.
  • 디지털채널증폭기의 전원반에서 발생되는 스퓨어리스 성분은 스위칭 주파수의 하모닉 성분과 함께 반드시 제거되어야 한다. 이를 위해서 전원 반 내부 스위칭 회로로부터 발생되는 스퓨어리스 신호 감쇄를 위해 전원 입력단 회로에 차동모드 및 공통모드 필터를 삽입하였으며, 100 Hz에서 50 MHz까지의 결과를 Fig. 2에 나타내었다. 필터를 삽입 후 DC/DC 컨버터 스위칭 주파수(80 kHz)와 2차 하모닉 성분들이 약 10 dB 이상 확보되었다.
  • 정지궤도급 차기 군통신위성 중계기에 탑재될 디지털채널증폭기의 전자파적합성 분석으로 서로 간의 전자기파 적합성이 성립되는지 예비적으로 해석하였고, 또한 1, 2차 전자기파 시험을 실시하여 본 시스템을 검증하였다. 본 논문에서 실시한 전자파 적합성 분석 및 측정 결과물들은 향후 군 통신위성의 요구사항 및 위성체의 설계기준으로 주요한 자료로 이용될 수 있으며, 모든 시험 항목에서 요구 규격 대비 충분한 마진 확보로 EUROSTAR 3000 BUS 규격 및 TAS SB4000 BUS의 규격 적용이 가능함을 검증하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
중간주파수처리반은 디지털신호처리기의 어디에 위치하는가? 중간주파수처리반은 입력 신호 전력 레벨이 Limiter 임계 전력 이상의 신호가 있을 경우에는 Hard Limiter와 같이 동작을 수행하고, 입력 신호가 Limiter 임계 전력 이하일 경우 선형적으로 동작하는 기능을 수행하게 된다. 또한, 디지털 신호처리기 앞, 뒷단에 위치하고 있으며, L-대역 신호를 입력하여 L-대역으로 증폭하는 기능을 수행하는 모듈로서 운용 주파수에 따른 RF 특성은 Table 1과 같다.
복사성 방출 규격의 목적은 무엇인가? 복사성 방출 규격은 위성 시스템을 구성하는 하드웨어가 방출하는 전기장 노이즈를 규제하고자 하는 것이며, 통신 유닛을 포함하는 시스템의 경우 외부 전기장 노이즈가 수신기의 성능에 영향을 미치지 않도록 수신주파수 대역에서 특히 노이즈가 발생하지 않도록 시스템을 통제한다. 이에 해당하는 부분이 본 시스템에서 규정한 notch frequency band이다.
디지털채널증폭기의 주요한 복사성 방출 요소는 무엇인가? 디지털채널증폭기의 주요한 복사성 방출 요소는 내부 모듈의 RF 기능을 담당하는 중간주파수 처리반이다. 중간주파수처리반은 입력 신호 전력 레벨이 Limiter 임계 전력 이상의 신호가 있을 경우에는 Hard Limiter와 같이 동작을 수행하고, 입력 신호가 Limiter 임계 전력 이하일 경우 선형적으로 동작하는 기능을 수행하게 된다.
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참고문헌 (9)

  1. Tae-Youn Kim, Seong-Bin Lim, Seok-Weon Choi, "Evaluation of KOMPSAT-2 System in the Conducted EMC Envirment", KSAS journal, No.32, Vol.8, pp. 138-144, 2004. 

  2. Young-Ho Cho, "COMS System Bus Design and Analysis using MIL-STD-1553B", KIEE journal, No.57, Vol.7, pp. 1285-1289, 2008. 

  3. Tae-Youn Kim, Seong-Bin Lim, Seok-Weon Choi, "EMC Design and Evaluation in Conduction Environment", KSAS journal, No.5, Vol.2, pp.67-76, 2006. 

  4. Eui-Chan Kim, Heung-Ho Lee, "Preliminary EMC Analysis between the COMS and the GEO Launch Vehicles", KIEE journal, No.57, Vol.3, pp. 439-445, 2008 

  5. Tae-Byeong Chae, Seung-Hyeub Oh, "EMC Compatability Analysis on Geostationary Satellite", KSAS journal, No.36, Vol.12, pp. 1207-1215, 2008. 

  6. Mine, G.W., Jansen, E., Roux, J.J, Koekemoer J.A., Kotze, P.P.A., "EMC and RFI problems and solutions on the SUNSAT micro- satellite", Communication and Signal Processing Symposimum, pp.293-298, 1998. 

  7. Koreasat 5 performance specification 

  8. DIET (ASTRIUM, ES 3000 BUS Design and Interface Guide) 

  9. Ariane 5 User's Manual Issue 5, Revision 1 

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