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문제 정의
- 다시 안테나를 통해 수신한 Ku대역 전파를 C대역으로 하향 변환하여 전파고도계 본체에서 인식 가능한 신호로 입력을 받는 과정을 통해 고도를 측정한다. C대역 전파고도계 본체는 개발 이후 상당량 양산을 수행하였고 실제 환경에서 운용을 해봤기 때문에 간단한 주파수 변환을 통해 성능을 높일 수 있는 방안을 제시한 것이다.
- 점검장비의 개발에 고려할 요소 중 하나는 성능 개량 전파고도계도 배치 후에는 기존의 전파고도계가 운용되는 정비창과 동일한 장소에서 운용된다는 것이다. 본 논문에서는 Ku대역 전파고도계 체계점검장비의 설계 및 구현에 대한 개발 과정 그리고 점검장비를 활용한 시험 결과에 대해 기술한다. 특히 기존 C대역 전파고도계 체계점검 개념에 주파수 변환 기법을 접목함으로써 진화 적으로 체계점검장비를 개발하는 기법을 제시하고자 한다.
- 본 논문에서는 Ku대역 전파고도계 체계점검장비의 설계 및 구현에 대한 개발 과정 그리고 점검장비를 활용한 시험 결과에 대해 기술한다. 특히 기존 C대역 전파고도계 체계점검 개념에 주파수 변환 기법을 접목함으로써 진화 적으로 체계점검장비를 개발하는 기법을 제시하고자 한다.
제안 방법
- 2와 같은 지연 특성을 가지도록 설계가 되어 특정 거리에 해당하는 전파 시간 지연을 구현할 수 있다. C대역 전파고도계 체계점검장비에서는 체계 운용 최고 고도 대비 100 %, 50 %, 10%, 1 % 수준에 해당하는 시간 지연 소자를 적용하였다. 송수신 전파의 감쇠 특성이 거리대비 비선형적으로 변하기 때문에 대표성을 가지는 4개의 거리를 선정한 것이다.
- C대역 체계점검장비를 바탕으로 Ku대역의 성능 개량된 전파고도계의 체계점검장비 구현 방안을 검토하였다. 점검장비의 구성품 중 전파차폐기는 송수신 안테나가 부착되어 있기 때문에 C대역 안테나가 아닌 Ku대역 안테나를 적용해야 하는 관계로 반드시 변경을 해야 하는 부분이다.
- Ku대역 전파고도계 점검장비 중 고도모의장치는 기 제작된 부분이기 때문에 신규로 적용하는 전파차폐기와 주파수변환기 제작 형상을 제시한다. Fig.
- 2장에서는 전파고도계 체계점검 관련 연구를 검토하고 기존의 C대역 전파고도계 체계점검 개념을 기술한다. 그리고 Ku대역 전파고도계 체계점검장비의 개발 방안을 검토하여, 기존 장비와의 호환성 및 운용자 편의성이 고려된 장비 개발 방향을 제시한다. 3장에서는 체계점검장비 개발을 위한 기반 기술에 대해 언급하고, 전파차폐기 및 주파수변환장치의 설계 및 구현 사례에 대한 상세 설명을 한다.
- 동체와 맞닿는 모서리는 전파흡수체를 적용하여 누설 전파가 없도록 하였고 차폐기 내부에도 마찬가지로 전파흡수체를 적용하여 밑바닥에 붙어있는 픽업 안테나로만 전파 경로가 형성되도록 설계하였다. 그리고 유도탄 송신 안테나 쪽 전파차폐기에 주파수변환기를 일체형 으로 부착하여 운용상의 편의를 고려하였다.
- 3에서 주파수변환기는 송수신 차폐기에 부착된 신호 픽업 안테나 사이를 연결하여 C대역의 거리지연소자를 사용할 수 있게 하고 있다. 기존 전파차폐기에는 존재하지 않던 장치이기 때문에 송신용 전파차폐기에 주파수변환기를 부착하여 일체형으로 제작하는 개념으로 검토하였다.
- 8과 같은 개념으로 수행한다. 네트워크분석기의 C대역 2포트 전파 손실을 측정함으로써 설계 대비 제작품의 제작성을 평가한다. 자체점검 시에는 전파차폐기를 눕혀서 픽업안테나 사이의 전파경로를 형성하여야 하기 때문에 안정적이고 누설이 없는 점검을 위해 Fig.
- 전파고도계 본체에서 송신하는 C대역 전파를 Ku대역으로 상향 변환하고 Ku대역 안테나를 통해 실 환경에서 시간 지연을 시킨다. 다시 안테나를 통해 수신한 Ku대역 전파를 C대역으로 하향 변환하여 전파고도계 본체에서 인식 가능한 신호로 입력을 받는 과정을 통해 고도를 측정한다. C대역 전파고도계 본체는 개발 이후 상당량 양산을 수행하였고 실제 환경에서 운용을 해봤기 때문에 간단한 주파수 변환을 통해 성능을 높일 수 있는 방안을 제시한 것이다.
- 다음으로 검토한 고도 모의 방안은 주파수변환을 통해 C대역 거리지연소자를 활용하는 것이다. 즉 Ku대역의 송신 전파를 C대역으로 변환하여 C대역 거리 지 연소자를 통과한 다음, 다시 Ku대역으로 변환하여 전 파고도계의 수신부로 전달한다.
- 다음은 주파수변환기에 사용된 소자들이 온도에 따라 이득이 변하는 특성이 있음을 감안해서 설계하였다. 상온에서는 전체 경로의 감쇄값이 AdB이지만 온도 변화에 따라 .
- 우선적으로 해결해야 할 RF신호처리부와 고도모의 부의 상이함의 해결 방안으로서, 기 연구된 C대역 및 Ku 대역의 주파수 변환을 통한 고도 측정 방법을 참고하여 고도모의를 위한 주파수 변환기를 개발, 적용하였다. 더불어 주파수변환기를 체계점검에 손쉽게 활용할 수 있도록 일체화된 형태의 전파차폐기를 설계, 제작하였다. 신규 제작 부분과 기존의 고도모의기를 연동한 자체점검을 통하여 전파경로의 손실이 설계한 대로 구현되었음을 일차적으로 확인한 후 전파고도계 체계점검에 적용하여 개발한 점검장비의 기능 및 성능이 적합하게 개발되었음을 최종 확인하였다.
- 그 중 C대역 주파수를 사용하는 전파고도계는 빔 폭을 줄여 고도오차를 감소하고자하는 개념이 도출되었다. 동일 주파수 사용 시 안테나의 크기가 수 배 커지는데 유도무기의 형상 제원은 변경이 어렵기 때문에 주파수를 Ku대역으로 변경하여 신규 개발하는 방법을 추진하였다.
- 4와 같은 개념으로 장착할 수 있도록 형상 설계를 하였다. 동체와 맞닿는 모서리는 전파흡수체를 적용하여 누설 전파가 없도록 하였고 차폐기 내부에도 마찬가지로 전파흡수체를 적용하여 밑바닥에 붙어있는 픽업 안테나로만 전파 경로가 형성되도록 설계하였다. 그리고 유도탄 송신 안테나 쪽 전파차폐기에 주파수변환기를 일체형 으로 부착하여 운용상의 편의를 고려하였다.
- 이 때 위의 예시와 같이 기존보다 작은 빔 폭을 요구한다거나 작은 오차율이 요구된다고 해서 안테나의 크기만 크게 키우는 것은 유도무기 형상 설계 관점에서 바람직하지 않다. 안테나의 빔 폭을 약 1/n 수준으로 줄이기 위해서는 안테나의 개구면적이 n2배 가량 커져야 하는데[2], 이를 보완하는 방법으로 사용 주파수 대역을 .배 이상 높이면 된다.
- 주파수변환기의 외부 연결을 위해 Ku대역 픽업안테나들과 연결할 수 있는 Ku대역 입력/출력 연결기가 필요하고, 거리지연소자와 연결하기 위해 C대역 입력/출력 연결기가 필요하다. 여기에 주파수변환기 내부 모듈을 작동시킬 수 있는 외부전원공급용 연결기를 장착 하였다.
- 우선적으로 해결해야 할 RF신호처리부와 고도모의 부의 상이함의 해결 방안으로서, 기 연구된 C대역 및 Ku 대역의 주파수 변환을 통한 고도 측정 방법을 참고하여 고도모의를 위한 주파수 변환기를 개발, 적용하였다. 더불어 주파수변환기를 체계점검에 손쉽게 활용할 수 있도록 일체화된 형태의 전파차폐기를 설계, 제작하였다.
- 다만 단품 점검과 핵심 기능 확인은 유사하게 수행하되 조립된 상태에서 전파 경로를 형성할 수 있도록 장비를 구성해야 하는 점은 체계점검장비들의 공통점일 것이다. 이 공통점을 기반으로 개발된 기존 C대역 전파고도계 체계점검장비의 구개발 현황을 먼저 살펴보고, 이를 발전시키는 Ku대역 전 파고도계 체계점검장비 개발 방안을 제안한다.
- 이 기술을 근간으로 Ku대역 전파고도계 체계점검장비의 주파수변환기를 설계하였다. 상향/하향 변환의 순서 및 주변 환경이 조금 다를 뿐 핵심 개념은 같다.
- 이에 먼저 C대역 전파고도계의 체계점검방안을 검토하여 공통적으로 사용할 수 있는 요소를 찾았고 그 과정에서 고도모의를 위한 다양한 주파수 대역의 거리지연소자 공급에 제한이 있음을 확인할 수 있었다. 이 때문에 장비 공용화의 관점에서 C대역 고도모의기를 이용하기로 결정하였다.
- 전통적으로 사용되던 C대역보다 높은 주파수에는 Ku대역, Ka대역 등이 있지만 Ka대역 이상의 높은 주파수 대역 사용 시에는 신호처리에 넓은 대역폭이 필요하고 구름, 강우 등에 취약한 단점이 있다[3]. 이에 개량형 전파고도계는 Ku대역을 사용 주파수로 선택하였고 Ku대역 중 항공용으로 이용이 가능한 주파수를 활용하여 개발을 수행하였다[4].
- 40 ℃일 때는 최대 BdB, 85 ℃일 때에는 최소 CdB까지의 이득 변화가 있음을 반영해야 전파고도계가 정상 동작할 수 있는 범위로 신호의 세기를 유지할 수 있다. 이에 주파수변환기 내에 온도센서를 통해 계측한 온도를 바탕으로 Fig. 6과 같이 온도 보상을 할 수 있도록 가변감쇄량을 조절하였다. 이는 Ku대역 전파고도계 내부 회로 설계 시에도 감안된 부분이다.
- 자체점검 이후 Ku대역 전파고도계의 체계점검에 적용하여 기능 및 성능이 정상적으로 발휘되는지 확인하였다. 이 때에는 Fig.
- 제작품의 기능 및 성능이 요구한대로 구현되었는지를 확인하기 위한 자체점검을 수행하였다. 전파차폐기에 부착된 픽업 안테나와 주파수변환기, 그리고 연결용 Ku대역/C대역 케이블까지의 경로가 원하는 수준의 감쇄수준으로 제작되었는지를 확인하는 과정이다.
- 주전산기로 시간지연소자 연결 RF스위치를 제어하여 원하는 고도를 선택하게 하고 각각의 고도 모의에 대해 설정한 오차 수준 이내의 값을 전파고도계가 출력하는지를 확인하였다. 전파고도계 제작품마다의 측정 품질 차이가 존재할 것이기 때문에 고도측정에 적합한 수준의 전파경로 모의를 수행하는지를 평가하기 위해서는 다수의 제작품에 대해 점검을 수행해야 한다.
- 주파수변환기도 전파차폐기 한 개소에 붙여서 조작의 편의성을 제고하였다. 주파수변환기의 세부 설계를 진행하면서 운용자의 편의성을 높이기 위해 C대역 연결기는 SMA 타입 대신 손으로 다룰 수 있는 N타입을 적용하였다.
대상 데이터
- 배 이상 높이면 된다. 본 논문에서 제시하는 점검장비의 피시험체는 C대역 전파고도계보다 온도 변화 등의 환경에 강건하고, 측정 오차율도 2배 이상 향상된 Ku대역 전 파고도계이다. 전통적으로 사용되던 C대역보다 높은 주파수에는 Ku대역, Ka대역 등이 있지만 Ka대역 이상의 높은 주파수 대역 사용 시에는 신호처리에 넓은 대역폭이 필요하고 구름, 강우 등에 취약한 단점이 있다[3].
- C대역 전파고도계 체계점검장비에서는 체계 운용 최고 고도 대비 100 %, 50 %, 10%, 1 % 수준에 해당하는 시간 지연 소자를 적용하였다. 송수신 전파의 감쇠 특성이 거리대비 비선형적으로 변하기 때문에 대표성을 가지는 4개의 거리를 선정한 것이다.
이론/모형
- 반면 주파수변환기를 포함한 전파차폐기 부분만 신규로 개발하여 적용하면 규격화 시 별도의 치구로 추가만 하고 정비창에도 추가 생산 배치만 하면 되기 때문에 성능개량 특성과도 부합하는 방식의 접근법이라 볼 수 있다. 이에 Ku대역 전파고도계 체계점검장비는 주파수 변환 기법을 활용 하여 구현하기로 결정하였다.
성능/효과
- 유도무기 성능개량은 하드웨어 및 소프트웨어 전반에 걸쳐 진화의 개념으로 추진된다. 그 중 C대역 주파수를 사용하는 전파고도계는 빔 폭을 줄여 고도오차를 감소하고자하는 개념이 도출되었다. 동일 주파수 사용 시 안테나의 크기가 수 배 커지는데 유도무기의 형상 제원은 변경이 어렵기 때문에 주파수를 Ku대역으로 변경하여 신규 개발하는 방법을 추진하였다.
- 11과 같은 형태가 된다. 비정상적인 안테나 간 정렬로 인해 수신단 입력 신호의 크기가 (F-17)dBm 정도까지 떨어질 수 있음을 확인할 수 있다. 즉 점검 중 전파고도계의 고도 측정에 실패할 경우에 점검 시스템 구성 및 전파고도계의 고장을 우선적으로 의심해야하겠지만, 그것들이 정상일 경우에는 전파차폐기의 장착 및 안테나 간 정렬 상태가 양호한지 확인하는 고장배제 절차를 2차로 고려해야 하는것이다.
- 더불어 주파수변환기를 체계점검에 손쉽게 활용할 수 있도록 일체화된 형태의 전파차폐기를 설계, 제작하였다. 신규 제작 부분과 기존의 고도모의기를 연동한 자체점검을 통하여 전파경로의 손실이 설계한 대로 구현되었음을 일차적으로 확인한 후 전파고도계 체계점검에 적용하여 개발한 점검장비의 기능 및 성능이 적합하게 개발되었음을 최종 확인하였다.
- 전파고도계 제작품마다의 측정 품질 차이가 존재할 것이기 때문에 고도측정에 적합한 수준의 전파경로 모의를 수행하는지를 평가하기 위해서는 다수의 제작품에 대해 점검을 수행해야 한다. 실제 전파고도계 제작품 10여대에 대해 점검을 수행하여 점검장비를 체계점검에 사용함에 문제가 없음을 확인할 수 있었다.
- 성능 개량이라는 특수성을 감안하여 기 규격화 및 배치된 장비를 최대한 활용하면서 신규 장비를 추가로 개발을 하는 것이 기본형 체계까지 아울러 정비/운용하는 측면에서 편의성이 도모된다고 판단하였다. 이에 먼저 C대역 전파고도계의 체계점검방안을 검토하여 공통적으로 사용할 수 있는 요소를 찾았고 그 과정에서 고도모의를 위한 다양한 주파수 대역의 거리지연소자 공급에 제한이 있음을 확인할 수 있었다. 이 때문에 장비 공용화의 관점에서 C대역 고도모의기를 이용하기로 결정하였다.
- 자체점검 결과 전파차폐기에 부착된 안테나 사이의 커플링은 자유공간 감쇄를 반영하여 DdB 수준이지만 전체 경로의 감쇄값은 EdB 정도로 측정되었다. 이는 안테나, 주파수변환기, 네트워크 분석기 등과 연결되는 케이블의 길이를 고려하였을 때 상대적인 감쇄 편차는 타당한 수준이기 때문에 설계 의도대로 제작이 되었다고 판단할 수 있었다.
- 100 %, 50 %, 10 %, 1 % 고도모의 시 수신신호의 크기는 각각 FdBm, GdBm, HdBm, IdBm 수준이다. 전파고도계 내부 수신 모듈에서의 최저 수신 감도가 (F-10)dBm이고 IdBm도 신호 포화범위 내의 값이므로 고도모의 시 안정적인 마진을 가지고 동작함을 확인할 수 있다.
후속연구
- 본 연구의 산출물은 유도무기 양산 공장 및 정비창에 배치되어 체계점검에 효과적으로 활용되리라 판단 된다. 그리고 향후 전파고도계 분야에 추가적인 성능 개량 소요가 발생하여 다른 주파수 대역을 사용하더라도 본 논문에서 제시한 개념을 적용하여 설계하고, 기능 및 성능 확인 절차를 수행한다면 짧은 기간 내에 체계점검장비의 개발이 가능하리라 기대된다.
- 본 연구의 산출물은 유도무기 양산 공장 및 정비창에 배치되어 체계점검에 효과적으로 활용되리라 판단 된다. 그리고 향후 전파고도계 분야에 추가적인 성능 개량 소요가 발생하여 다른 주파수 대역을 사용하더라도 본 논문에서 제시한 개념을 적용하여 설계하고, 기능 및 성능 확인 절차를 수행한다면 짧은 기간 내에 체계점검장비의 개발이 가능하리라 기대된다.
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