[논문]Ka 대역 군위성통신 지상단말 송신기 설계

김춘원; 박병준; 윤원상; 이성재

doi:10.5515/kjkiees.2014.25.4.393

Ka 대역 군위성통신 지상단말 송신기 설계
Transmitter Design for Earth Station Terminal Operating with Military Geostationary Satellites on Ka-band 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.25 no.4, 2014년, pp.393 - 400

김춘원 (삼성탈레스) , 박병준 (삼성탈레스) , 윤원상 (삼성탈레스) , 이성재 (국방과학연구소)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 Ka 대역에서 정지 궤도 위성과 통신이 가능한 지상 단말 송신기를 미국 국방부에서 권고하는 MILSTD-188-164A 규격을 준수하도록 설계하였다. 설계된 송신기의 안테나는 이중 옵셋 그레고리안 반사판 형상을 사용하여 코러게이트 급전혼, 주름형 편파기와 직교 모드 변환기로 구성하였고, 해당 규격의 방사 패턴과 ESD 패턴, 축비 규격을 만족하도록 설계되었다. 설계된 송신기의 RF부는 Ka 대역으로 주파수를 상향 변환해 주는 상향 변환반과 병렬 구조의 pHEMT MMIC 소자를 이용하여 소형/저전력/경량의 고출력 특성을 갖는 고출력 증폭반으로 해당 규격의 VSWR, 불요파/고조파 억압, 출력평탄도 및 위상 잡음 등의 사양을 만족하도록 설계되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we have designed the transmitter for earth station terminal operating with military geostationary satellite on Ka-band that is complied with MIL-STD-188-164A. The designed antenna of this terminal is dual-offset gregorian reflector which is consist of corrugated horn and iris polarizer, othermode transducer. This antenna meets radiation pattern and transmit EIRP spectral density requirements in this standard. The designed RF systems of this terminal are consist of Block Up Converter(BUC) converting frequency band from IF to Ka band and SSPA having low-power consumption and compact light-weight using the pHEMT MMIC compound devices. This RF systems applied with VSWR, spurious/harmonic suppression, output flatness and phase noise requirement in this standard.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

이에, 국제 통신 연합 규정 ITU-R(International Tele- communication Union-Regulation), 미국 국방부 제정 군용규격(MILitary-STanDard), 미국 방송 통신정책 주관기인 연방통신위원회(Federal Communication Commission) 등에서는 인접궤도를 사용하는 정지위성 간 상호 간섭 평가를 위한 규정을 만들어, 이를 준수하도록 권고하고 있다. 따라서 본 논문에서는 지상단말 송신 장치인 안테나부와 RF부는 군용 위성통신 장비를 위해 미 국방부에서 SHF 대역 위성통신 단말기의 상호 운용성에 대한 규격을 권장하는 MIL-STD-188-164A를 준수하는 지구국 위성단말 송신기를 설계하였다^[3],[4]. 본 논문에서는 군 위성통신을 목적으로 하는 지상 단말이 인접 위성과 인접 지상단말에 영향을 주지 않기 위해 안테나가 가져야 하는 안테나 방사 패턴과 축비 특성, RF부 상향 변환반과 고출력 증폭반이 가져야 하는 VSWR, 불요파/고조파 억압, 출력평탄도 및 위상 잡음 등의 전기적 요구 성능에 대한 요구 규격을 만족하는 설계를 하였다.
따라서 본 논문에서는 지상단말 송신 장치인 안테나부와 RF부는 군용 위성통신 장비를 위해 미 국방부에서 SHF 대역 위성통신 단말기의 상호 운용성에 대한 규격을 권장하는 MIL-STD-188-164A를 준수하는 지구국 위성단말 송신기를 설계하였다^[3],[4]. 본 논문에서는 군 위성통신을 목적으로 하는 지상 단말이 인접 위성과 인접 지상단말에 영향을 주지 않기 위해 안테나가 가져야 하는 안테나 방사 패턴과 축비 특성, RF부 상향 변환반과 고출력 증폭반이 가져야 하는 VSWR, 불요파/고조파 억압, 출력평탄도 및 위상 잡음 등의 전기적 요구 성능에 대한 요구 규격을 만족하는 설계를 하였다.
본 논문에서는 지구국 위성단말 송신기의 목표 EIRP인 +50 dBW를 만족시키기 위해 안테나 송신이득 44 dBi를 기준으로 하여 고출력 증폭기의 설계 목표를 +36 dBm으로 하였다. 또한, 전송 속도는 2.

제안 방법

MIL-STD-188-164A의 VSWR, 불요파/고조파 억압 및 출력평탄도의 규격을 만족시키기 위해 PBG(Photonic BandGap)구조의 LPF와 circulator를 설계하였으며, 고출력 증폭반 구성도는 그림 3과 같다^[7].
주파수 변환부는 중간주파수 변환반의 출력과 주파수 합성부의 기준신호와 PLL을 이용한 Local 출력을 받아 mixer를 통해 Ka-대역으로 상향 변환하는 역할을 수행한다. MIL-STD-188-164A의 규격들 중 VSWR, 불요파/고조파 억압, 출력평탄도 및 위상 잡음 등의 사양은 MIL-STD- 188-164A에 만족하도록 설계되었다.
고출력 증폭반은 직렬구조로만 사용 가능하여 가용성과 선형성이 떨어지며, 높은 소모전력과 대형 구조를 갖는 TWTA(Traviling Wave Tube Amplifier)구조 대신에 병렬구조의 pHEMT MMIC소자를 이용하여 최대 출력값을 높이며, 저전력 소형 경량화의 특성을 갖도록 제작된 +36 dBm의 출력을 갖는 SSPA(Solid-State Power Amplifier) 구조로 설계되었다. 또한, Power-Amp소자의 저 이득(8 dB) 고출력 특성을 보완하기 위해 병렬 구조의 PA 소자 앞에 고이득(18 dB) 특성을 갖는 Drive-Amp를 추가하여 선형성을 확보했다.
군 위성통신 지상단말 송신기의 안테나부는 Ka 대역에서 좌현 편파를 사용하여 전송 속도 2.048 Mbps와 EIRP +50 dBW를 만족하도록 설계되었다. 측정 결과, 안테나의 이득은 송신대역에서 최소 45.
또한, 원형 편파 생성을 위한 편파와 송수신 신호 분리를 위한 직교 모드 변환기 구성품으로 인해 전체적인 손실은 더욱 커진다. 따라서 본 논문에서 안테나 개구 효율 50 %를 기준으로 요구 이득 44 dBi를 만족하도록 식 (1)을 이용하여 안테나의 전기적 개구면의 직경을 750 mm로 설계하였다^[5].
따라서 지상 단말에서 송신되는 원형 편파 신호는 인접 위성의 송수신 신호에 영향을 주지 않기 위해서 일정 값 이하의 축비를 가져야 한다. 따라서 본 논문에서는 이 값에 의한 인접위성과의 영향성 평가에 대한 축비 규격을 MIL-STD-188-164A에서 Ka 대역 위성통신 송신 장비에 대해 규정한 1.0 dB 이하가 되도록 지상단말 안테나장치를 설계하였다.
고출력 증폭반은 직렬구조로만 사용 가능하여 가용성과 선형성이 떨어지며, 높은 소모전력과 대형 구조를 갖는 TWTA(Traviling Wave Tube Amplifier)구조 대신에 병렬구조의 pHEMT MMIC소자를 이용하여 최대 출력값을 높이며, 저전력 소형 경량화의 특성을 갖도록 제작된 +36 dBm의 출력을 갖는 SSPA(Solid-State Power Amplifier) 구조로 설계되었다. 또한, Power-Amp소자의 저 이득(8 dB) 고출력 특성을 보완하기 위해 병렬 구조의 PA 소자 앞에 고이득(18 dB) 특성을 갖는 Drive-Amp를 추가하여 선형성을 확보했다.
송신기의 RF부 구성품인 상향 변환반은 VSWR, 불요파/고조파 억압, 출력평탄도 및 위상 잡음 등의 사양을 만족하도록 설계되었다. 또한, 고출력증폭기는 병렬 구조의 pHEMT MMIC 소자를 이용하여 고이득 고출력 특성을 갖도록 설계되었으며, VSWR, 불요파/고조파 억압 및 출력평탄도의 규격을 만족하도록 설계되었다.
본 논문에서는 Ka 대역에서 정지궤도 위성과 통신이 가능한 지상 단말 송신기를 미국 국방부에서 SHF 대역 지상국 단말 위성 업무에 대해 권고하는 MIL-STD-188-164A 규격을 준수하도록 설계하였다. 설계된 송신기의 안테나는 이중 옵셋 그레고리안 반사판 형상을 사용하여 해당 규격의 방사 패턴과 ESD 패턴, 축비 규격을 만족하도록 설계되었다.
본 논문에서는 Ka 대역에서 정지궤도 위성과 통신이 가능한 지상 단말 송신기를 미국 국방부에서 SHF 대역 지상국 단말 위성 업무에 대해 권고하는 MIL-STD-188-164A 규격을 준수하도록 설계하였다. 설계된 송신기의 안테나는 이중 옵셋 그레고리안 반사판 형상을 사용하여 해당 규격의 방사 패턴과 ESD 패턴, 축비 규격을 만족하도록 설계되었다. 송신기의 RF부 구성품인 상향 변환반은 VSWR, 불요파/고조파 억압, 출력평탄도 및 위상 잡음 등의 사양을 만족하도록 설계되었다.
송신 장치의 설계 목표는 Ka 대역에서 좌현 편파를 사용하여 전송 속도 2.048 Mbps를 가지며, EIRP는 +50 dBW로 미 국방부에서 SHF 대역 지상국 단말 위성 업무에 대해 권고하는 MIL-STD-188-164A를 만족하도록 표 1과 같은 사양을 갖도록 설계하였다.
설계된 송신기의 안테나는 이중 옵셋 그레고리안 반사판 형상을 사용하여 해당 규격의 방사 패턴과 ESD 패턴, 축비 규격을 만족하도록 설계되었다. 송신기의 RF부 구성품인 상향 변환반은 VSWR, 불요파/고조파 억압, 출력평탄도 및 위상 잡음 등의 사양을 만족하도록 설계되었다. 또한, 고출력증폭기는 병렬 구조의 pHEMT MMIC 소자를 이용하여 고이득 고출력 특성을 갖도록 설계되었으며, VSWR, 불요파/고조파 억압 및 출력평탄도의 규격을 만족하도록 설계되었다.
제작된 지구국 지상단말의 송신기 RF부는 Ka-대역으로 주파수를 상향 변환해 주는 상향 변환반과 TWTA 대신 병렬 구조의 pHEMT MMIC를 이용한 고출력 증폭반 설계를 통해 소형 저전력 경량화 하였다. 안테나 송신 포트와 RF 시스템 간 연결은 송신의경우, WR-28 waveguide를 통하여 EIRP 손실을 최소화하였고, 송신 출력단의 매칭 및 back-power 인입을 막기 위해 고출력 증폭반 출력단에 circulator를 설계하였고, 모뎀은 단말 본체 내부에 실장하였다.
제작된 지구국 지상단말의 안테나는 이중 옵셋 그레고리안 반사판 형상을 이용하여 이득을 최대로 증대시키고, 주름형 편파기를 사용하여 원형 편파를 생성시키고, 직교 모드 변환기를 사용하여 송수신 신호를 분리해 하나의 안테나로 송/수신이 동시에 가능하도록 한 구조를 갖는다. 제작된 지구국 지상단말의 송신기 RF부는 Ka-대역으로 주파수를 상향 변환해 주는 상향 변환반과 TWTA 대신 병렬 구조의 pHEMT MMIC를 이용한 고출력 증폭반 설계를 통해 소형 저전력 경량화 하였다. 안테나 송신 포트와 RF 시스템 간 연결은 송신의경우, WR-28 waveguide를 통하여 EIRP 손실을 최소화하였고, 송신 출력단의 매칭 및 back-power 인입을 막기 위해 고출력 증폭반 출력단에 circulator를 설계하였고, 모뎀은 단말 본체 내부에 실장하였다.

대상 데이터

본 논문에서 제작된 지구국 위성단말은 그림 1과 같은 블록도를 갖도록 구성되어 있으며, 송신기 안테나는 고이득을 갖는 작은 부피의 이중 옵셋 그레고리안 구조의 반사판 안테나와 코러게이트 급전혼, 원형 편파 생성을 위한 주름형 편파기, 송수신 신호 분리를 위한 직교 모드 변환기로 구성된다. 송신기 RF부는 중간주파수 변환반으로 받은 신호를 Ka 대역으로 변환 및 증폭시켜 주는 역할을 하는 상향 변환반, 병렬 구조의 pHEMT MMIC 소자를 이용하여 고이득 고출력 특성을 갖는 고출력 증폭반으로 구성된다.

이론/모형

본 논문에서는 이에 대한 규격을 MIL-STD-188-164A에서는 15 λ 이하의 안테나에만 규격이 정의되어 있어, 2012년 재편된 MIL-STD-188-164B에 따라 지상단말 송신 장치의 전력세기 규정을 준수하였다[6].
설계된 지상단말 송신기는 MIL-STD-188-164A의 주요 규격을 준수되도록 설계되었다. 첫째, 안테나 방사 패턴은 그림 5와 같은 방사 패턴을 갖는다.

성능/효과

따라서 본 논문에서 설계한 지상단말 송신 장치의 안테나부와 RF부는 미 국방성의 규격인 MIL-STD-188-164A 를 모두 만족하는 특성을 가진다. 따라서 본 단말은 Ka 대역 군 위성통신용 지상단말로 사용될 수 있을 것으로 사료된다.
또한, RF부 상향 변화반의 고조파/불요파 억압과 위상 잡음 측정 결과를 통해 불요파 값은 MIL-STD-188-164A 규격인 —60 dBc 이하를 만족하며, 위상 잡음은 —65 dBc@100 Hz, —75 dBc@1 kHz, —85 dBc @ 10 kHz, —95 dBc@100 kHz, —105 dBc@1 MHz의 요구 규격을 만족하였다.
또한, RF부 상향 변화반의 고조파/불요파 억압과 위상 잡음 측정 결과를 통해 불요파 값은 MIL-STD-188-164A 규격인 —60 dBc 이하를 만족하며, 위상 잡음은 —65 dBc@100 Hz, —75 dBc@1 kHz, —85 dBc @ 10 kHz, —95 dBc@100 kHz, —105 dBc@1 MHz의 요구 규격을 만족하였다. 마지막으로 RF부 고출력 증폭반의 고조파/불요파 억압 측정 결과, MIL-STD-188-164A 규격인 최대출력 기준 1.5 dB back-off IMD-14 dBc 값을 만족하며, 고조파 역시 최대출력 기준 —60 dBc 이하의 값으로 요구 규격을 만족하는 결과를 얻었다.
17 dBW 이상의 값을 가져 요구 조건을 만족한다. 이때 안테나 방사 패턴은 Mil-STD-188-164A Envelope 의 고각 99.12 %, 방위각 100 % 만족하여 요구사항인 90% 이상을 만족하며, ESD 패턴은 요구 규격의 Envelope을고각/방위각 모두 100 %를 만족한다. 축비는 0.
이를 통해 상향 변환반의 출력 레벨을 기준으로 불요파 값이 MIL-STD-188-164A 규격인 —60 dBc 이하를 만족하는 것을 확인할 수 있으며, 위상 잡음 또한 —65 dBc@100 Hz, —75 dBc@1 kHz, —85 dBc@10 kHz, —95 dBc@ 100 kHz, —105 dBc@1 MHz의 MIL-STD-188- 164A 규격을 만족하는 결과를 나타낸다.
측정 결과, 안테나 이득 최대 방향에서 송신 0.54 dB의 축비를 가져 MIL-STD-188-164A의 송신 1.0 dB 이하 규격을 준수하며, 그 범위가 약 0.6도 범위에 달해 인접위성에 영향을 주지 않으며, 구동장치의 포인팅 에러, 지향 오차 등을 보상할 수 있다. 또한, 안테나 장치를 통해 방사된 LHCP 원형 편파 신호가 찌그러짐 없이 잘 전파하여 위성과의 신호 송수신간 편파 손실을 최소화하고, 반대편파를 사용하는 인접위성에 영향을 배제할 수 있다.
048 Mbps와 EIRP +50 dBW를 만족하도록 설계되었다. 측정 결과, 안테나의 이득은 송신대역에서 최소 45.7 dBi 이상의 이득을 가지며, 고출력 증폭반의 출력은 6.47 dBW의 값으로 최종 EIRP는 52.17 dBW 이상의 값을 가져 요구 조건을 만족한다. 이때 안테나 방사 패턴은 Mil-STD-188-164A Envelope 의 고각 99.
측정된 방사 패턴은 MIL-STD-188-164A 규격의 전기적 면적이 50 λ 이상인 대형 안테나에 적용되는 Envelope의 고각 99.12 %, 방위각 100 % 만족하여 요구사항인 90 %이상을 만족하므로 인접위성에 영향을 배제할 수 있다.

후속연구

따라서 본 논문에서 설계한 지상단말 송신 장치의 안테나부와 RF부는 미 국방성의 규격인 MIL-STD-188-164A 를 모두 만족하는 특성을 가진다. 따라서 본 단말은 Ka 대역 군 위성통신용 지상단말로 사용될 수 있을 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	인접궤도를 사용하는 정지위성 간 상호 간섭 평가를 위한 규정을 만들게된 이유는?	특히, 군(軍) 위성통신 체계는 민․군 통신 위성체, 지상관제소및 각종 통신 목적과 용도에 따라 항공용, 차량용, 휴대 운반용 등의 다양한 형태의 지상단말로 사용되어 통합지휘 통신망을 구축하고, 음성 대용량 데이터 등 다양한 정보를 고속으로 전송할 수 있는 수단으로 이용하고 있다[1],[2]. 그러나 위성 통신은 우주국 정지위성과 지구국 단말간 거리가 수 만 km 이상인 만큼 거리와 기후에 따른 송수신 신호의 감쇄가 매우 크다. 또한, 우주국의 많은 위성중 상호 간 간섭 없이 목표 위성으로만 신호를 주고받아야 하기 때문에 안테나와 RF시스템의 설계가 매우 중요 하다. 이에, 국제 통신 연합 규정 ITU-R(International Tele- communication Union-Regulation), 미국 국방부 제정 군용규격(MILitary-STanDard), 미국 방송 통신정책 주관기인 연방통신위원회(Federal Communication Commission) 등에서는 인접궤도를 사용하는 정지위성 간 상호 간섭 평가를 위한 규정을 만들어, 이를 준수하도록 권고하고 있다.
	위성 통신의 장점은?	위성 통신은 기존의 선로 망을 이용하는 것보다 신호전송의 비용이 싸고 새로운 선로 망 구축이 쉬우며, 위성을 중계기로 하여 넓은 통신 가능 지역을 제공하며, 지상망 접근이 어려운 지역에서도 쉽게 통신망을 개통할 수 있는 장점이 있어 최근 들어 많이 이용되고 있다. 특히, 군(軍) 위성통신 체계는 민․군 통신 위성체, 지상관제소및 각종 통신 목적과 용도에 따라 항공용, 차량용, 휴대 운반용 등의 다양한 형태의 지상단말로 사용되어 통합지휘 통신망을 구축하고, 음성 대용량 데이터 등 다양한 정보를 고속으로 전송할 수 있는 수단으로 이용하고 있다[1],[2].
	군(軍) 위성통신 체계의 목적은?	위성 통신은 기존의 선로 망을 이용하는 것보다 신호전송의 비용이 싸고 새로운 선로 망 구축이 쉬우며, 위성을 중계기로 하여 넓은 통신 가능 지역을 제공하며, 지상망 접근이 어려운 지역에서도 쉽게 통신망을 개통할 수 있는 장점이 있어 최근 들어 많이 이용되고 있다. 특히, 군(軍) 위성통신 체계는 민․군 통신 위성체, 지상관제소및 각종 통신 목적과 용도에 따라 항공용, 차량용, 휴대 운반용 등의 다양한 형태의 지상단말로 사용되어 통합지휘 통신망을 구축하고, 음성 대용량 데이터 등 다양한 정보를 고속으로 전송할 수 있는 수단으로 이용하고 있다[1],[2]. 그러나 위성 통신은 우주국 정지위성과 지구국 단말간 거리가 수 만 km 이상인 만큼 거리와 기후에 따른 송수신 신호의 감쇄가 매우 크다.

참고문헌 (7)

H. Chan, "Advanced microwave technologies for smart flexible satellite", IEEE MTTS, 2011.
유연상, 고동국, "군 위성통신 차량용 이동 단말 발전 방향", 한국전자파학회지 전자파기술, 19(4), pp. 52-60, 2008년 11월.

원문보기 상세보기
MIL-STD-188-164A, "Interoperability of SHF satellite communications terminals", Department of Defence Interface Standard, Mar. 2012.
Gerard Maral, Michel Bousquet, Satellite Communication Systems, Fifth Edition, John Wiley & Sons, 2002.
C. A. Balans, Antenna Theory Analysis and Design, 2nd Edition, John Wiley & Sons, 1997.
MIL-STD-188-164B, "Interoperability of SHF satellite communications terminals", Department of Defence Interface Standard, Mar. 2009.
B. J. Park, K. B. Kim, W. S. Yoon, S. N. Choi, S. J. Lee, and Y. S. Kim, "Design of solid-state power amplifier for Ka-band satellite terminal", IEEK the 13th Communications & Electronics Conference, Nov. 2012.

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