육군 항공기류의 UHF 대역 송수신기는 규격인 MIL-STD-461F Figure CE101-4를 만족해야 한다. 항공기에 장착되는 장비이므로, 소모전력 최소화 및 주파수 간섭 최소화에 중점을 두고 장비를 설계하였다. 장비 설계 후 CE101 시험을 진행하면서 문제가 발생되었던 부분은 30 Hz에서 1 kHz에서 100 dBuA 규격 이상의 신호가 발생하였고, 발생된 신호는 송수신기에서 방사되는 10 W, 20 ms 단위의 $T_{DD}$ 50 Hz 신호로 분석되었다. 규격 만족을 위해 전류변화량을 줄여야 한다는 시험 결과를 토대로 출력증폭기의 $I_{dq}$와 $I_d$ 값을 유사하게 수정하였고, 기존 설계의 소모 전력과 주파수 간섭과 크게 차이가 없게 설계 및 제작하였다.
육군 항공기류의 UHF 대역 송수신기는 규격인 MIL-STD-461F Figure CE101-4를 만족해야 한다. 항공기에 장착되는 장비이므로, 소모전력 최소화 및 주파수 간섭 최소화에 중점을 두고 장비를 설계하였다. 장비 설계 후 CE101 시험을 진행하면서 문제가 발생되었던 부분은 30 Hz에서 1 kHz에서 100 dBuA 규격 이상의 신호가 발생하였고, 발생된 신호는 송수신기에서 방사되는 10 W, 20 ms 단위의 $T_{DD}$ 50 Hz 신호로 분석되었다. 규격 만족을 위해 전류변화량을 줄여야 한다는 시험 결과를 토대로 출력증폭기의 $I_{dq}$와 $I_d$ 값을 유사하게 수정하였고, 기존 설계의 소모 전력과 주파수 간섭과 크게 차이가 없게 설계 및 제작하였다.
In case of UHF Band Transceiver for Army Aircraft, it shall follow MIL-STD-461F Figure CE101-4 most key design points for this equipment were to minize the current consumption and frequency interference since it will be integrated on aircraft. However, after design, abnomal signal(over 100 dBuA) was...
In case of UHF Band Transceiver for Army Aircraft, it shall follow MIL-STD-461F Figure CE101-4 most key design points for this equipment were to minize the current consumption and frequency interference since it will be integrated on aircraft. However, after design, abnomal signal(over 100 dBuA) was occured from 30 Hz to 1 kHz on CE101 test. Occured abnomal signal was measured as 50 Hz signal which was tansceiver $T_{DD}$ signal with the output power of 10 W and 20 ms periods. To meet the specification, current variation needed to be minized. Thus, $I_{dq}$ and $I_d$ of power amplifier were modified almost equally through test result and finally, the equipment was designed and developed with no difference of current consumption and frequency interference from the previous design goal.
In case of UHF Band Transceiver for Army Aircraft, it shall follow MIL-STD-461F Figure CE101-4 most key design points for this equipment were to minize the current consumption and frequency interference since it will be integrated on aircraft. However, after design, abnomal signal(over 100 dBuA) was occured from 30 Hz to 1 kHz on CE101 test. Occured abnomal signal was measured as 50 Hz signal which was tansceiver $T_{DD}$ signal with the output power of 10 W and 20 ms periods. To meet the specification, current variation needed to be minized. Thus, $I_{dq}$ and $I_d$ of power amplifier were modified almost equally through test result and finally, the equipment was designed and developed with no difference of current consumption and frequency interference from the previous design goal.
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문제 정의
본 논문에서는 시분할 방식을 적용한 TDD(Time Division Duplex) 시스템에서 전자파 시험규격인 CE101의 적합성을 시험적으로 분석하였다. 본 논문의 구성은 초기시험 결과, 출력변경 시험 결과, 소모전력 변경 시험 결과 및 최종 전류 변화량을 변경한 시험 결과로 구성되어있다.
제안 방법
일반적으로 육군에서 운용하는 장비는 전자파 시험규격 중 방사시험(emission test) 규격인 CE101의 규격을 수행하여야 하며, 이 경우 육군 비행기종 규격으로 제한되어 있어 매우 까다로운 전자파 규격을 만족하여야 한다. 또한, 항공기류에 장착이 되므로 최소한의 소모전력을 사용하고, 상호운용성을 위한 주파수 간섭을 최소화할 수 있게끔 장비를 설계하였다.
개발시 문제가 되었던 부분은 30 Hz에서 1 kHz 사이에서 100 dBuA 규격 이상의 신호가 발생하였다. 발생된 신호는 송수신기에서 방사되는 10 W, 20 ms 단위의 TDD 신호인 50 Hz 신호가 계측기를 통해 측정되었다. EMI 필터를 변경하였으나, 주파수가 낮은 특성상 수정이 되지 않았다.
본 논문에서는 시분할 방식을 적용한 TDD(Time Division Duplex) 시스템에서 전자파 시험규격인 CE101의 적합성을 시험적으로 분석하였다. 본 논문의 구성은 초기시험 결과, 출력변경 시험 결과, 소모전력 변경 시험 결과 및 최종 전류 변화량을 변경한 시험 결과로 구성되어있다.
를 유지하게 된다. 이때 Idq와 Id의 전류 차이가 크게 발생하면 CE101 규격을 벗어나게 되므로 Idq 포인트를 이동하여 Id와 거의 동일하게끔 출력증폭기 내부 저항 값을 수정, 전류 값을 변경하였다. 변경 전 출력증폭기의 효율은 18 %이며, 상호변조의 경우 3차에서 —28.
첫 번째 전류변화량을 줄이기 위해 소모전류가 가장 높은 출력증폭반을 TDD에서 항시 켜져 있는 상태로 제어를 바꾸었다.
대상 데이터
변경된 출력증폭기를 이용하여 CE101 시험을 한 결과이다. CE101에 대한 공식시험은 한화탈레스 용인연구소 내 EMC 챔버 내에서 진행을 하였으며, 시험을 하기 전 장비 구성은 그림 11과 같이 구성하였다. 그림 12는 EUT에 전원을 인가하기 전 EMC 챔버 내 CE101 에 대한 Am- bient 상태이다.
제작된 장비는 UHF(Ultra High Frequency) 대역의 주파수를 사용하는 송수신장치이다. 군용 장비 중 육군 소속 비행기는 CE(Conducted Emissions)101의 규격을 만족해야 한다.
성능/효과
그림 5의 4번은 Idq와 Id가 다시 차이가 발생하면서 실제 소모전류는 줄었으나, 신호 레벨이 규격치와 마진이 없어졌다는 것을 알 수 있다. 결론적으로 CE101 시험을 만족하기 위해서는 전류변화량을 거의 일정하게 해야 한다는 결론을 얻었다. 그림 7의 증폭기 전류,전압 상관관계 그래프에서 요구하는 소모전력과 신호의 선형성을 고려하여 Idq(Quiescent drain Currnet) 지점을 설정하게 되고, 이때 Idq란 증폭기의 동작점을 의미한다.
최종 수정된 장비는 출력증폭기의 20 ms마다 TDD 하는 방식에서 출력증폭기가 항상 켜져 있는 방식으로 변경하였으며 Idq와 Id의 차이를 최대한 줄이는 방식을 선택하여 출력증폭기 내부의 저항 값을 변경, 전하의 변화량을 최소화 하였다. 그 결과 그림에서 나타나듯이 HOT과 RTN에서 50 Hz와 체배 주파수에서 7 dB 이상의 마진을 확보할 수 있었다.
첫 번째 시험을 통해 기본적으로 출력증폭기가 TDD 방식을 쓸 경우 규격치 이하의 레벨이 나올 수 없다는 것을 알았고, 두 번째 시험을 통해 전체 소모전력을 줄여도 영향이 없다는 것과 출력이 줄어들면 측정 신호의 크기가 줄어들다가 어느 시점에서 측정신호가 다시 커진다는 것을 알 수 있었다. 두 시험을 결과를 분석하여 CE101 규격에 가장 영향을 미치는 고출력 증폭기의 바이어스를 변경하여, 기존의 AB급 동작에서 A급 증폭기 동작으로 설계 변경하였으며, 전류 변화량을 줄여 출력증폭기의 20 ms 주기 TDD 방식을 항상 켜져 있게끔, 출력증폭기의 Idq와 Id의 값을 거의 동일하게 하여 50 Hz와 체배된 신호의 레벨을 CE101 규격 이내에서 만족할 수 있게 하였다. 또한, 이외의 전자파 시험 항목에서도 변경된 회로를 적용하여 모두 만족하였다.
시험 결과, 기존 출력증폭기는 43 dBm 출력에서 Id는 3.2A이고, Idq가 1.7 A였다. TDD 통신을 함으로써 송신을 할 때와 수신을 할 때 전류 변화량이 발생하게 된다.
1 W 출력으로 변경할 경우 50 Hz에서 132 dBuA가 측정되었다. 시험결과를 통하여 송수신기의 출력 레벨은 CE101 시험과 크게 관계하지 않다는 것을 알 수 있다.
그림 3은 DC 28V 입력 포트에 EMI 필터를 수정한 후 기존 그림 2와 비교한 데이터이다. 워낙 낮은 주파수에서 규격치 이상의 신호가 발생하다 보니 EMI 필터 내부의 L과 C 값을 변경하였음에도 1 kHz 이상 신호에서는 측정값들이 줄어드는 것을 확인할 수 있으나, 100 Hz 이내, 특히 50 Hz 신호에서 측정레벨의 변화가 없는 것을 알 수 있다.
8 dB로 다시 줄어들었고, 출력이 낮다고 CE101에 대한 마진을 확보하는 것은 아니다 라는 결과를 얻었다. 이 결과를 통해 송신출력이 낮아질 경우, CE101 측정신호가 줄어들지만, 어느 시점에서는 CE101 측정신호가 다시 증가하는 것을 확인하였다.
EMI 필터를 변경하였으나, 주파수가 낮은 특성상 수정이 되지 않았다. 첫 번째 시험을 통해 기본적으로 출력증폭기가 TDD 방식을 쓸 경우 규격치 이하의 레벨이 나올 수 없다는 것을 알았고, 두 번째 시험을 통해 전체 소모전력을 줄여도 영향이 없다는 것과 출력이 줄어들면 측정 신호의 크기가 줄어들다가 어느 시점에서 측정신호가 다시 커진다는 것을 알 수 있었다. 두 시험을 결과를 분석하여 CE101 규격에 가장 영향을 미치는 고출력 증폭기의 바이어스를 변경하여, 기존의 AB급 동작에서 A급 증폭기 동작으로 설계 변경하였으며, 전류 변화량을 줄여 출력증폭기의 20 ms 주기 TDD 방식을 항상 켜져 있게끔, 출력증폭기의 Idq와 Id의 값을 거의 동일하게 하여 50 Hz와 체배된 신호의 레벨을 CE101 규격 이내에서 만족할 수 있게 하였다.
그림 13은 CE101 최종 시험 결과이다. 최종 수정된 장비는 출력증폭기의 20 ms마다 TDD 하는 방식에서 출력증폭기가 항상 켜져 있는 방식으로 변경하였으며 Idq와 Id의 차이를 최대한 줄이는 방식을 선택하여 출력증폭기 내부의 저항 값을 변경, 전하의 변화량을 최소화 하였다. 그 결과 그림에서 나타나듯이 HOT과 RTN에서 50 Hz와 체배 주파수에서 7 dB 이상의 마진을 확보할 수 있었다.
출력증폭기의 항시 운용 및 동작점 변경으로 인해 소모전력은 높아졌으나, 상호변조는 향상된 결과를 얻었다.
후속연구
제작된 UHF 대역 RF 송수신장치는 국내에서 개발 예정인 육군 항공기류에 장착 예정이다. 이러한 육군 항공기류 장비는 항공기 탑재시 미국 최신 군사규격인 MILSTD-461F 규격을 만족하여야 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
육군 항공기류의 UHF 대역 송수신기는 규격은?
육군 항공기류의 UHF 대역 송수신기는 규격인 MIL-STD-461F Figure CE101-4를 만족해야 한다. 항공기에 장착되는 장비이므로, 소모전력 최소화 및 주파수 간섭 최소화에 중점을 두고 장비를 설계하였다.
일반적으로 육군에서 운용하는 장비는 어떤 규격을 수행하여야 하는가?
이러한 육군 항공기류 장비는 항공기 탑재시 미국 최신 군사규격인 MILSTD-461F 규격을 만족하여야 한다. 일반적으로 육군에서 운용하는 장비는 전자파 시험규격 중 방사시험(emission test) 규격인 CE101의 규격을 수행하여야 하며, 이 경우 육군 비행기종 규격으로 제한되어 있어 매우 까다로운 전자파 규격을 만족하여야 한다. 또한, 항공기류에 장착이 되므로 최소한의 소모전력을 사용하고, 상호운용성을 위한 주파수 간섭을 최소화할 수 있게끔 장비를 설계하였다.
제작된 UHF 대역 RF 송수신장치는 어느 주파수 대역을 사용하는가?
제작된 장비는 UHF(Ultra High Frequency) 대역의 주파수를 사용하는 송수신장치이다. 군용 장비 중 육군 소속 비행기는 CE(Conducted Emissions)101의 규격을 만족해야 한다.
참고문헌 (6)
MIL-STD-461E. DOD Interface Standard, Requirements for the Control of Electromagnetic Interference, Jul. 2004.
G. Gonzalez, Microwave Transistor Amplifier Analysis and Design, Upper Saddle River, NJ: Prentice-Hall, 1997.
S. C. Cripps, RF Power Amplifiers for Wireless Communication. Norwood, MA: Artech House, 1999.
D. M. Pozar, Microwave and RF Design of Wireless System, John Wiley & Sons, Inc., 2001.
B. Razavi, RF Microelectronics, Prentice Hall, 1997.
B. A. Fette, RF & Wireless Technologies, Boston, MA: Newnes, 2008.
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