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문제 정의
- 본 논문에서는 fly-away 터미널의 안테나와 RF 시스템에 대하여 기술하였다. Fly-away 터미널의 무게는 소형/경량화 설계를 통해 23kg로 제작되었으며, 저전력 설계를 통해 291.
- 2dB/°K의 시험 결과를 통해 목표사양을 초과 충족한다. 이상으로 Ka대역 위성통신용 fly-away 터미널 안테나 & RF 시스템에 대하여 기술하였다. 본 논문에서 제작한 fly-away 터미널은 운용자에 의해 도수운반 및 설치 등 전술기동성이 중요한 Ka대역 위성통신용 지상터미널로 널리 이용될 수 있을 것으로 사료된다.
제안 방법
- 이를 위해 안테나 시스템에서는 이중옵셋 그레고리안 타입의 반사판 안테나 구조를 적용하여 부피를 최소화하였고, 반사판 재질은 마그네슘을 사용하여 알루미늄을 적용하는 경우보다 무게를 40% 경량화하였다. RF 시스템 송신부에서는 traveling-wave tube amplifier(TWTA) 대신 병렬 구조의 monolithic microwave integrated circuit(MMIC)를 이용하여 소형 경량화 하였으며, EBG 구조의 LPF를 적용하여 불요파 및 고조파 제거 특성을 향상시켰다. 수신부에서는 삽입손실 최소화를 위하여 isolator를 LNB 전단에 설치하였으며 상용필터 소자 대신 microstrip filter를 적용하여 소형 경량화 하였다.
- 따라서, 본 논문에서 제안된 고출력증폭반은 소형/경량화의 장점을 갖는 병렬구조의 pHEMT MMIC를 이용한 SSPA를 설계하였다. 단일 MMIC의 출력이 36dBm이므로 이를 병렬로 하여 TWTA에 비해 소형 경량화 및 높은 선형성을 갖도록 설계하였으며 고조파 및 상호 변조 왜곡 억압을 위하여 EBG 구조의 하모닉 필터와 저손실의 microstrip to waveguide transition을 적용하여 설계하였다. EBG 구조의 하모닉 필터의 경우 기존의 PCB micro-strip line으로 구현이 되기 때문에 수동소자 LC필터에 비해 별도의 매칭 회로가 불필요하며 별도의 소모성 소자가 들어가지 않으므로 소형/경량화의 강점을 갖는다.
- SSPA는 크기가 작고, 가벼운 장점을 갖지만 고출력 송신의 단점을 갖는다. 따라서, 본 논문에서 제안된 고출력증폭반은 소형/경량화의 장점을 갖는 병렬구조의 pHEMT MMIC를 이용한 SSPA를 설계하였다. 단일 MMIC의 출력이 36dBm이므로 이를 병렬로 하여 TWTA에 비해 소형 경량화 및 높은 선형성을 갖도록 설계하였으며 고조파 및 상호 변조 왜곡 억압을 위하여 EBG 구조의 하모닉 필터와 저손실의 microstrip to waveguide transition을 적용하여 설계하였다.
- 반사판 안테나의 이득과 ITU-R의 방사패턴 요구 조건을 만족시키기 위하여 광대역에서 원형대칭의 낮은 부엽 특성을 갖는 Fig. 4 (a)와 같은 코러게이트 타입급전혼을 설계하였다. 설계된 급전혼 구조는 입력도파관에 여기되는 TE11모드를 급전혼 내부 taper각에 의하여 TM11모드를 생성하고 내부 코러게이트의 너비와 깊이, 간격에 의하여 TE10모드 등 다양한 모드를 추가 생성하여 개구면에서 HE11모드를 구현시키게 된다.
- 원형편파의 생성원리는 사각도파관 광벽에 주름진 홈을 만들어 입력포트에 인가된 선형신호를 수직편파와 수평편파로 나누고 편파 간 크기 차는 0dB, 위상차는 90°에 가깝게 하여 송신대역 좌현편파와 수신대역 우현편파를 생성 시키는 장치이다. 본 fly-away 터미널의 편파기는 MIL-STD-188-164A를 만족시키기 위하여 축비 1.5dB이하, 정재파비 2.0:1이하가 되도록 설계하였다[10].
- 본 논문에서 제안된 안테나는 Fig. 3과 같이 소형화를 위하여 타원형 이중옵셋 그레고리안 타입의 반사판 안테나 구조를 적용하였다. 일반적인 파라볼라 안테나의 경우 초점 거리에 의해 부피가 커지는 단점이 있으나, 제안된 안테나 시스템의 경우 이중 반사판 구조를 적용하기 때문에 일반 파라볼라 안테나에 비해 전체적인 안테나 높이를 낮게 하는 장점이 있다.
- 본 논문에서 제안한 Ka대역 fly-away 터미널 안테나장치는 위성으로부터 Ka대역 신호를 수신하여 LNB로 보내고, 고출력증폭반으로부터 Ka대역 송신 신호를 받아 위성을 향하여 방사 시키는 장치로서 직교모드변환기, 편파기, 급전혼, 주/부반사판으로 구성된다.
- 본 논문에서는 2.1.1장의 형상설계 결과 급전혼 조사각 37°를 만족하고 spill-over 전파는 ITU-R 요구조건을 만족하도록 설계하였다.
- EBG 구조의 하모닉 필터의 경우 기존의 PCB micro-strip line으로 구현이 되기 때문에 수동소자 LC필터에 비해 별도의 매칭 회로가 불필요하며 별도의 소모성 소자가 들어가지 않으므로 소형/경량화의 강점을 갖는다. 설계된 고출력증폭기는 Ka대역의 주파수 신호 감쇠를 최소화하고 고조파 성분 감쇄는 최대화하기 위하여 EBG 구조의 LPF를 설계하였다. EBG 구조는 Bragg 격자 원리로부터 2Λ에 해당하는 주파수를 중심으로 저지대역을 형성되는 역할을 한다.
- 고출력증폭기는 높은 출력만을 갖는 PA소자를 이용하게 되면 상대적으로 낮은 이득으로 인하여 입력 파워레벨을 만족하지 못하게 되어 원하고자 하는 전력을 전달할 수 없다. 설계된 고출력증폭기는 이러한 문제점을 해결하기 위해 PA 소자 앞 단에 원하고자 하는 입력 신호 전력 충족을 위하여 DA소자를 이용하였다. DA소자는 저전력/고이득의 특성을 갖는다.
- 4 (a)와 같은 코러게이트 타입급전혼을 설계하였다. 설계된 급전혼 구조는 입력도파관에 여기되는 TE11모드를 급전혼 내부 taper각에 의하여 TM11모드를 생성하고 내부 코러게이트의 너비와 깊이, 간격에 의하여 TE10모드 등 다양한 모드를 추가 생성하여 개구면에서 HE11모드를 구현시키게 된다. HE11모드는 개구면에서 전방향으로 신호를 고르게 분포하는 특성을 갖는다.
- 이때 원형도파관타입의 공용포트는 Ka대역의 송, 수신대역 모두를 통과할 수 있는 크기로 설계하고 송수신 포트는 각각 송신, 수신 신호만 전파가 전달되도록 하였다. 송신, 수신, 공용 포트는 계단형 임피던스 정합구조와 결합슬롯을 이용하여 정재파비가 1.5:1이하, 송수신 신호 분리도 -25dB이하가 되도록 설계하였다[11].
- RF 시스템 송신부에서는 traveling-wave tube amplifier(TWTA) 대신 병렬 구조의 monolithic microwave integrated circuit(MMIC)를 이용하여 소형 경량화 하였으며, EBG 구조의 LPF를 적용하여 불요파 및 고조파 제거 특성을 향상시켰다. 수신부에서는 삽입손실 최소화를 위하여 isolator를 LNB 전단에 설치하였으며 상용필터 소자 대신 microstrip filter를 적용하여 소형 경량화 하였다.
- 안테나 송신 포트와 RF 시스템 간 연결은 송신의 경우 WR-28 waveguide를 통하여 EIRP 손실을 최소화 하였고 송신 출력단의 매칭 및 back-power 인입을 막기 위해 고출력증폭기 출력단에 circulator를 설계하였다. 수신의 경우 WG-42의 waveguide를 통하여 인입 손실을 최소화하여 G/T손실을 최소화 하였고 수신단의 LNB입력에 TRF와 isolator를 통해 다른 신호와의 간섭을 최소화하도록 설계하였다.
- 제작된 안테나는 소형 경량화를 위하여 알루미늄 재질이 아닌 경량 재질의 마그네슘을 반사판 및 급전부 지지대에 적용하여 무게를 최소화 하였으며 TWTA대신 MMIC를 이용한 고출력증폭반 설계를 통해 소형 저 전력 경량화 하였다. 안테나 송신 포트와 RF 시스템 간 연결은 송신의 경우 WR-28 waveguide를 통하여 EIRP 손실을 최소화 하였고 송신 출력단의 매칭 및 back-power 인입을 막기 위해 고출력증폭기 출력단에 circulator를 설계하였다. 수신의 경우 WG-42의 waveguide를 통하여 인입 손실을 최소화하여 G/T손실을 최소화 하였고 수신단의 LNB입력에 TRF와 isolator를 통해 다른 신호와의 간섭을 최소화하도록 설계하였다.
- 직교모드변환기는 편파기와 연결되어 수직, 수평편파가 공존하는 원형도파관의 수직방향에 WR-28 사각도파관과 수평방향에 WR-42 사각도파관을 삽입하여 송수신신호를 분리하는 구조이다. 이때 원형도파관타입의 공용포트는 Ka대역의 송, 수신대역 모두를 통과할 수 있는 크기로 설계하고 송수신 포트는 각각 송신, 수신 신호만 전파가 전달되도록 하였다. 송신, 수신, 공용 포트는 계단형 임피던스 정합구조와 결합슬롯을 이용하여 정재파비가 1.
- 본 논문에서 설계한 Ka대역 fly-away 터미널은 2인이 고정 설치하여 운용하는 위성단말로 장비의 이동, 설치, 운용 간 사용자의 편의성을 향상시키기 위하여 소형 경량화 및 저전력화가 중요하다. 이를 위해 안테나 시스템에서는 이중옵셋 그레고리안 타입의 반사판 안테나 구조를 적용하여 부피를 최소화하였고, 반사판 재질은 마그네슘을 사용하여 알루미늄을 적용하는 경우보다 무게를 40% 경량화하였다. RF 시스템 송신부에서는 traveling-wave tube amplifier(TWTA) 대신 병렬 구조의 monolithic microwave integrated circuit(MMIC)를 이용하여 소형 경량화 하였으며, EBG 구조의 LPF를 적용하여 불요파 및 고조파 제거 특성을 향상시켰다.
- LNB는 저잡음증폭부, 주파수변환부와 주파수 합성부로 구성된다. 저잡음증폭부는 최소한의 insertion-loss를 위하여 WG-42를 이용하여 설계하였고 WG-42를 통해 들어온 Ka대역 신호를 LNA에서 신호를 저잡음 증폭시키도록 설계하였다. 잡음지수는 전체 시스템의 잡음지수를 결정하는 중요한 부분으로 설계된 LNB의 잡음지수는 1.
- 7과 같은 형상을 갖는다. 제작된 안테나는 소형 경량화를 위하여 알루미늄 재질이 아닌 경량 재질의 마그네슘을 반사판 및 급전부 지지대에 적용하여 무게를 최소화 하였으며 TWTA대신 MMIC를 이용한 고출력증폭반 설계를 통해 소형 저 전력 경량화 하였다. 안테나 송신 포트와 RF 시스템 간 연결은 송신의 경우 WR-28 waveguide를 통하여 EIRP 손실을 최소화 하였고 송신 출력단의 매칭 및 back-power 인입을 막기 위해 고출력증폭기 출력단에 circulator를 설계하였다.
대상 데이터
- 본 논문에서는 fly-away 터미널 본체에 안테나가 장착가능 하도록 길이 619.13mm, 부반사판의 크기 185mm, 급전혼 조사각은 37°, 축회전각 β는 53.207°, 급전혼 회전각을 α는 77.206°로 하였다[8].
성능/효과
- 731-1 envelope의 100%를 만족하여 인접위성에 영향을 주지 않는다. 고출력증폭반 측정결과와 안테나 이득 측정결과를 이용하여 얻어진 최대 EIRP는 52.17 dBW임을 알 수 있다. Fig.
- 본 논문을 통해 제안하는 fly-away 터미널 송신부의 EIRP 목표성능은 50dBW이며, 수신부의 G/T 목표성능은 17dB/°K이다.
후속연구
- 이상으로 Ka대역 위성통신용 fly-away 터미널 안테나 & RF 시스템에 대하여 기술하였다. 본 논문에서 제작한 fly-away 터미널은 운용자에 의해 도수운반 및 설치 등 전술기동성이 중요한 Ka대역 위성통신용 지상터미널로 널리 이용될 수 있을 것으로 사료된다.
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