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문제 정의
- 하지만 송신 안테나가 없을 경우, 실제로 적용하기 어렵고, 구조물 변형 정도에 대한 정보를 알 수 없는 단점이 있다. 본 논문은 국내 최초의 안테나 특성 보상 연구로 스트레인 게이지(strain gauge)를 이용해 날개의 굽힘 변형을 파악하여 보상하는 방법으로 실제 항공기에 적용할 수 있다. 이를 위해 항공기 날개에 탑재될 마이크로스트립 패치 배열 안테나의 구조 변형에 의한 안테나의 방사특성을 보상하는 방법을 선행 연구하였다[4],[5].
제안 방법
- 날개에 부착된 센서로부터 얻은 변형률로부터 주빔을 보상하기 위한 위상변위기의 위상 값을 계산한다. 계산된 위상 값을 안테나에 공급하기 위해 MCU를 이용하여 안테나 어레이에 부착된 위상변위기를 제어한다.
- 항공기 날개에 내장된 안테나의 주빔 방향의 변화를 보상하기 위한 X-대역 위상 배열 안테나 모듈을 설계하고 제작하였다. 날개가 비선형 굽힘일 경우, 빔 방향을 보상할 수 있는 conformal array의 위상 값을 계산하는 방법을 제시하였다. 위상변위기와 전력분배기를 한 기판에 제작한 뒤, via hole을 이용해 배열 안테나에 급전되도록 하여 항공기 날개 탑재가 용이하도록 크기를 최소화 하였다.
- 안테나의 주빔 변화를 보상하기 위한 위상변위기는 스위칭 속도가 빠르고, 항공기 날개에 탑재하기 위해 크기가 작고 가벼워야 한다. 따라서 손실이 크더라고 빠른 스위칭 특성, 작은 크기와 무게의 특징을 가지는 디지털 위상변위기를 선택하였다.
- 이를 위해 항공기 날개에 탑재될 마이크로스트립 패치 배열 안테나의 구조 변형에 의한 안테나의 방사특성을 보상하는 방법을 선행 연구하였다[4],[5]. 또한, via hole에 의한 영향을 최적화하여 기존의 배열 안테나 성능을 개선하였고, 위상변위기를 이용한 빔 보상의 가능성을 실험을 통해 검증하였다[4],[5].
- 모든 소자에서 곡면에 따른 위치차이를 고려하여 각 소자에서의 위상차 αn를 계산, 이를 적용하여 빔 보상을 수행하였다.
- 배열 간격이 0.8 λ일 때, 1×8 선형 배열 안테나의 조향각에 따른 방사패턴 변화를 시뮬레이션을 통해 확인하였다.
- 배열 안테나는 시제품 제작이 용이한 1×8 선형 배열 안테나를 선택하였고, 항공기 날개의 실제 상황을 고려하여 굽힘 변형이 최대 9 %까지 주빔 방향 보상이 가능하도록 설계 규격을 설정하였다.
- 배열 안테나의 각 소자에 신호를 공급하기 위해 임피던스 정합과 격리도 특성이 우수한 윌킨슨 전력분배기를 설계하였다. 이때 유전율이 2.
- 본 논문에서는 날개 변형에 의한 주빔 방향을 보상하기 위한 X대역 1×8 위상 배열 안테나 모듈을 설계 및 제작하였다.
- 표 3에서 위상 오차 5°는 방사패턴에 영향을 주지 못함을 알 수 있다. 선정된 위상변위기의 성능을 확인하기 위해 위상변위기 모듈을 제작하여 측정하였다. 그 결과, 삽입손실은 약 —8 dB, 위상 오차는 ±5° 이내로 측정되었다.
- 위상변위기를 제어하는 data pin의 수를 줄이기 위해 serial 모드를 이용하였다. 위상 제어를 위해 Silabs사의 C8051F020 CPU를 사용했고, Keil SW tool을 이용해 코딩하였다.
- 날개가 비선형 굽힘일 경우, 빔 방향을 보상할 수 있는 conformal array의 위상 값을 계산하는 방법을 제시하였다. 위상변위기와 전력분배기를 한 기판에 제작한 뒤, via hole을 이용해 배열 안테나에 급전되도록 하여 항공기 날개 탑재가 용이하도록 크기를 최소화 하였다. 제작된 위상 배열 안테나 모듈을 측정한 결과, 9.
- 위상변위기의 위상오차에 의한 배열 안테나의 빔 패턴의 변화를 시뮬레이션을 통해 확인하였다.
- 윗면에 배열 안테나가 위치하고, 그 아랫면에 전력분배기가 존재하며, via hole을 통해 배열 안테나와 전력분배기가 연결된다. 이때 주파수가 X-대역임을 감안하여 via hole에 의한 영향을 분석하였다. 최적화를 통해 via hole의 크기는 삽입손실이 작고, 임피던스 정합이 우수한 0.
- 이때 주파수가 X-대역임을 감안하여 via hole에 의한 영향을 분석하였다. 최적화를 통해 via hole의 크기는 삽입손실이 작고, 임피던스 정합이 우수한 0.4 mm로 선정하였고, 구조는 테이퍼 선로를 이용해 삽입손실을 감소시켰다[5]. 유전율이 2.
- 항공기 날개는 공간이 협소하므로 위상 배열 안테나 모듈을 탑재하기 위해서는 크기가 작고 높이가 낮아야 한다. 크기를 최소화하고 경로 오차를 줄이기 위해 전력 분배기의 끝단에 위상변위기를 직접 연결하였다. 그림 11과 같이 다층으로 결합하여 크기를 최소화하였고, 백 로브를 줄이기 위해 차폐를 하였다.
- 항공기 날개에 내장된 안테나의 주빔 방향의 변화를 보상하기 위한 X-대역 위상 배열 안테나 모듈을 설계하고 제작하였다. 날개가 비선형 굽힘일 경우, 빔 방향을 보상할 수 있는 conformal array의 위상 값을 계산하는 방법을 제시하였다.
- 항공기 날개에 탑재하기 위한 안테나의 배열이득을 알아보기 위해 선행 연구에서 선정된 단일 방사소자를 이용하여 배열 안테나를 설계하였다. 윗면에 배열 안테나가 위치하고, 그 아랫면에 전력분배기가 존재하며, via hole을 통해 배열 안테나와 전력분배기가 연결된다.
대상 데이터
- 동작 주파수는 X대역 레이더 주파수인 9.375 GHz로 선정하였다. 배열 안테나는 시제품 제작이 용이한 1×8 선형 배열 안테나를 선택하였고, 항공기 날개의 실제 상황을 고려하여 굽힘 변형이 최대 9 %까지 주빔 방향 보상이 가능하도록 설계 규격을 설정하였다.
- 유전율이 2.5, 두께가 0.73 mm인 TLX-9 기판을 이용하여 설계한 1×8 배열 안테나 설계 도면을 그림 6에 나타내었다.
- 배열 안테나의 각 소자에 신호를 공급하기 위해 임피던스 정합과 격리도 특성이 우수한 윌킨슨 전력분배기를 설계하였다. 이때 유전율이 2.5, 두께가 0.13 mm인 TLX-9 기판을 이용하였다. 그림 4와 같이 제작된 전력분배기의 측정결과를 그림 5에 나타내었다.
- 위상오차가 45°까지 주빔의 변화가 1° 이내이다. 이러한 조건을 만족하는 MA-COM사의 MAPS-010166 위상변위기를 선정하였다. 선정된 위상변위기의 규격을 표 4에 나타내었다.
성능/효과
- 그 결과, 삽입손실은 약 —8 dB, 위상 오차는 ±5° 이내로 측정되었다.
- 6 %의 특성을 얻었다. 또한, 날개의 굽힘 변형이 최대 9 %까지 주빔의 방향이 정확히 보상됨을 확인하였다.
- 표 5에 전력분배기 설계결과와 측정결과를 비교하였다. 삽입손실 측정결과, 설계결과에 비해 약 2 dB 증가하였는데, 1.45 dB는 커넥터의 손실임을 실험을 통해 검증하였다. 그림 5에서 중심주파수가 200 MHz 상향 이동되었는데, 이는 제작오차에 기인한 것으로 판단된다.
- 2 dB 감소하고, 140°와 220° 부근에서 백 로브가 크게 발생하는 것을 알 수 있다. 이는 뒷면에 부착된 입출력 커넥터의 영향으로 이상적인 경우에 비해 10 dB 이상의 백 로브가 발생함을 시뮬레이션으로 확인하였다.
- 위상변위기와 전력분배기를 한 기판에 제작한 뒤, via hole을 이용해 배열 안테나에 급전되도록 하여 항공기 날개 탑재가 용이하도록 크기를 최소화 하였다. 제작된 위상 배열 안테나 모듈을 측정한 결과, 9.375 GHz에서 이득 5.84 dBi, 반사손실 13.6 dB, 대역폭 10.6 %의 특성을 얻었다. 또한, 날개의 굽힘 변형이 최대 9 %까지 주빔의 방향이 정확히 보상됨을 확인하였다.
- 표 8에 위상 배열 안테나 모듈의 보상 전후 측정결과를 비교하였다. 측정결과, SLL은 약간 증가하였지만, 주빔 방향은 정확히 보상됨을 알 수 있다.
- 측정결과, 이득이 2.2 dB 감소하고, 140°와 220° 부근에서 백 로브가 크게 발생하는 것을 알 수 있다.
- 측정결과, 이득이 5.84 dBi로 표 6의 배열안테나의 측정결과에 비해 8.76 dB 감소함을 알 수 있다. 이는 단품위상변위기 모듈을 제작, 측정한 평균 삽입손실이 8 dB로 위상변위기의 손실에 해당한다.
후속연구
- 그러나 제작된 위상 배열 안테나 모듈은 1×8 배열로 설계되어 날개의 휨 변형만을 보상할 수 있다. 향후 휨 변형 및 뒤틀림 변형을 동시에 보상할 수 있는 연구가 필요하다. 또한, 위상변위기의 손실을 보상하기 위해 모듈에 적합한 증폭기와 구조 변형에 대한 모듈의 내구성을 높이기 위한 방안이 필요하다.
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