[논문]위성 SAR 센서용 전개형 경량화 안테나 설계

이택경

doi:10.5515/kjkiees.2014.25.11.1104

위성 SAR 센서용 전개형 경량화 안테나 설계
Design of Deployable Lightweight Antenna for Satellite SAR 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.25 no.11, 2014년, pp.1104 - 1112

이택경 (한국항공대학교 항공전자 및 정보통신공학부)

초록
AI-Helper

위성에 활용하기 위한 전개형 경량화 안테나를 구현하기 위하여 사용되는 센서의 요구 성능을 충족하는 안테나의 설계방법을 제시하였다. 탑재되는 SAR(Synthetic Aperture Radar)의 성능을 충족하기 위한 안테나의 제반 특성과 전개방법 및 재료, 중앙판이 있는 전개형 안테나의 특성을 분석하였다. 경량화 안테나로 솔리드 전개형 안테나와 메쉬 전개형 안테나의 전개 성능을 분석하고, 사용 재료로서 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastics)의 특성을 실험하였다. 중앙판이 있는 전개형 안테나의 경우, 전개 패널과 메쉬를 사용하는 경우 요구 성능을 충족할 수 있음을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

We present a design of the deployable lightweight antenna to be used in the satellite satisfying the required performance of the onboard sensor. The analysis is performed on the SAR antenna requirements, deploying techniques including material selection, and the characterization of deployable antenna with central disk. The performance of the solid deployable antennas and the mesh antennas are simulated, and the CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastics) samples are manufactured and tested. It is confirmed that the deployable antennas with central disk can meet the required performance by using deploying panels or mesh.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

메쉬 안테나는 우주한 패키징 효율성을 가지고 있으며, 메쉬 안테나 중 가장 우수한 패키징 효율성을 가지는 Astromesh 안테나에 대해 분석하였다. Astromesh 안테나는 단순한 구조와 열안정성이 우수하며, 형상을 결정하는 변수는 반사판의 직경(D)과 초점거리(F), 원주를 분할하는 평행사변형의 개수인 원주 분할 수(n)이다.
본 논문에서는 위성체에 탑재되는 SAR 센서에 활용하기 위해 적합한 전개형 안테나를 설계하기 위한 방법을 제시하였다. 센서의 성능을 만족하기 위해 요구되는 안테나의 특성을 정하고, 전개 방식 및 사용되는 재료의 특성과 구조에 따른 안테나의 특성 변화를 분석하였다.

제안 방법

안테나의 특성은 위성 SAR의 해상도와 선명도와 밀접한 관련이 있고, PRF에 따라 주엽 내에서 거리 및 방위각 방향의 모호성이 나타나지 않도록 설계되어야 한다. 부엽 레벨은 레이다 모호성에 영향을 주므로 PRF 및 응시각의 변화에 대해 이들의 영향을 분석하였다. 위성 SAR에 사용하기 위해 적합한 전개형 안테나의 형태를 분석하였으며, 솔리드 전개형 안테나에 대해 모의실험을 통해 적정한 폴딩 및 비틀림 각도를 계산하였다.
본 논문에서는 위성체에 탑재되는 SAR 센서에 활용하기 위해 적합한 전개형 안테나를 설계하기 위한 방법을 제시하였다. 센서의 성능을 만족하기 위해 요구되는 안테나의 특성을 정하고, 전개 방식 및 사용되는 재료의 특성과 구조에 따른 안테나의 특성 변화를 분석하였다.
솔리드 전개형 안테나와 메쉬 전개형 안테나를 시뮬레이션 하였고, 두 안테나 모두 중앙판을 중심으로 안테나가 전개된다. 시뮬레이션 결과를 통해 솔리드 전개형 안테나와 메쉬 전개형 안테나의 전기적 특성을 비교 분석하였다.
실제 CFRP의 시편을 다양한 적층방법으로 제작한 후 전기적 특성을 측정하였다. 섬유(fiber)의 적층 각도를 다르게 하였고, CFRP 각도는 전계방향에 대한 각도이다.
부엽 레벨은 레이다 모호성에 영향을 주므로 PRF 및 응시각의 변화에 대해 이들의 영향을 분석하였다. 위성 SAR에 사용하기 위해 적합한 전개형 안테나의 형태를 분석하였으며, 솔리드 전개형 안테나에 대해 모의실험을 통해 적정한 폴딩 및 비틀림 각도를 계산하였다. 중앙판이 있는 반사형 안테나의 특성을 해석하였으며, 패널의 종류 및 형태에 따른 안테나 특성의 변화를 분석하였다.
위성에 탑재하기 위한 전개형 경량화 안테나를 설계하기 위하여 요구되는 위성 SAR의 성능으로부터 안테나의 특성을 정하였다. 안테나의 특성은 위성 SAR의 해상도와 선명도와 밀접한 관련이 있고, PRF에 따라 주엽 내에서 거리 및 방위각 방향의 모호성이 나타나지 않도록 설계되어야 한다.
8 m, 전개형 패널 수는 30개로 고정시켰다. 이 때 각 패널 사이의 간격에 변화를 주어, 안테나의 형상 오차에 따른 전기적 특성을 분석을 하였다. 패널 간격은 기계적 요소와 열변형 등 다양한 요인에 의해 발생된다.
전개형 반사판 안테나의 성능 분석을 위해 X 밴드의 중심 주파수에 대해 테이퍼 효율이 -12 dB인 원형 혼 안테나로 급전하여 해석하였다. 솔리드 전개형 안테나와 메쉬 전개형 안테나를 시뮬레이션 하였고, 두 안테나 모두 중앙판을 중심으로 안테나가 전개된다.
중앙판의 직경 d를 0.8 m, 메쉬 직경을 0.03 mm로 고정시켰고, 전개형 메쉬의 그리드 간격에 변화를 주어 시뮬레이션 하였다. 솔리드 전개형 안테나와 마찬가지로 PO방식으로 해석하였다.
위성 SAR에 사용하기 위해 적합한 전개형 안테나의 형태를 분석하였으며, 솔리드 전개형 안테나에 대해 모의실험을 통해 적정한 폴딩 및 비틀림 각도를 계산하였다. 중앙판이 있는 반사형 안테나의 특성을 해석하였으며, 패널의 종류 및 형태에 따른 안테나 특성의 변화를 분석하였다. 위성체 탑재용 전개형 경량화 안테나를 설계하기 위해서는 전자기적인 해석 및 설계기술과 더불어 전개장치 등 기계적인 기술과 패널 소재 등의 재료기술이 복합적으로 활용되어야 한다.

이론/모형

패널 간격은 기계적 요소와 열변형 등 다양한 요인에 의해 발생된다. PO 방식으로 해석하였다.

성능/효과

그림 4는 안테나 패턴 상에서 방위각 모호성이 발생하는 각도 및 프로세싱 대역폭을 계산한 결과이다. PRF가 증가할수록 모호성이 발생하는 각도는 주엽에서 멀어지고, 부엽 레벨에 의한 모호성의 영향이 줄어 들게 됨을 알 수 있다.
그리드 간격이 커질수록 이득, 부엽 레벨이 점차 감소하지만 그 차이는 미미한 수준이고, 3 dB 빔폭은 변화가 거의 없었다. 실제 그리드 크기를 고려하면 안테나의 전기적 성능은 거의 없는 것과 같다.
그림 10은 실제 제작한 시편이고, 전기적 특성을 표 3에 정리하였다. 측정 결과, 전계방향에 탄소섬유가 평행하게 구성될 경우, 높은 전기 전도도를 얻을 수 있음을 알 수 있다.

후속연구

위성체 탑재용 전개형 경량화 안테나를 설계하기 위해서는 전자기적인 해석 및 설계기술과 더불어 전개장치 등 기계적인 기술과 패널 소재 등의 재료기술이 복합적으로 활용되어야 한다. 이 논문에서 제시된 방법과 더불어 복합재료의 개발, 시료의 전기적, 열적, 기계적 특성 측정, 구동기술 개발 등을 통해 위성에서 사용할 수 있는 전개형 안테나의 개발이 가능할 것으로 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	우주 공간의 위성체에서 사용하는 안테나에는 무엇이 있는가?	우주 공간의 위성체에서 사용하는 안테나로는 TT & C(Telemetry, Tracking and Command) 등에 사용하는 저이득 안테나, 심우주 통신이나 전자파 센서 등에 사용하는 반사형 또는 렌즈 안테나와 배열 안테나 등이 있다. 위성체에 탑재되는 전자파 센서용 안테나는 대부분 탑재체에서 가장 큰 무게를 차지하며, 구조적으로 넓은 부피를 차지한다.
	위성 SAR용 안테나로서 배열안테나의 장점은 무엇이 있는가?	위성체에 탑재되는 전자파 센서용 안테나는 대부분 탑재체에서 가장 큰 무게를 차지하며, 구조적으로 넓은 부피를 차지한다. 현재까지 위성 SAR용 안테나로서 배열안테나가 많이 사용되고 있으며, 전기적인 빔 조향이 가능하고, 단위소자의 결함에 대해서도 서서히 성능이 감소되는 장점이 있는 반면에, 사용 전력이 크고, 무게와 부피가 큰 단점이 있다[1],[2]. 이러한 안테나는 위성체 무게가 커지고, 발사체의 수납 효율을 떨어뜨림으로써 발사 비용이 크게 늘어나는 요인이 된다.
	인플레터블 안테나의 단점은 무엇인가?	인플레터블 안테나는 매우 작은 패키징과 낮은 무게를 가지는 구조로서, 우주에서 팽창을 통해 전개되고, 태양의 자외선과 고온에서 서서히 경화되면서 강화된다. 높은 형상 정확도가 어렵다는 단점이 있지만, 구조가 간단하고 안테나의 고장 형태가 적기 때문에 높은 전개 신뢰도를 가지고 있다. 이들 안테나의 특성은 표 1에 요약되어 있다.

참고문헌 (16)

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원문보기 상세보기
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Y. J. Liu, H. Y. Du, L. W. Liu, and J. S. Leng, "Shape memory polymers and their composite in aerospace applications: a review", Smart Materials and Structures, vol. 23, no. 2, 2014.
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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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