[논문]통신방송위성 Flexible 탑재체용 안테나 및 RF 기술

곽창수; 윤소현; 문성모; 엄만석; 염인복; 안재영

통신방송위성 Flexible 탑재체용 안테나 및 RF 기술
Antenna and RF Technologies for Flexible Payload of Communications and Broadcasting Satellites 원문보기

전자통신동향분석 = Electronics and telecommunications trends, v.31 no.3, 2016년, pp.101 - 111

곽창수 (위성무선 RF 기술연구실) , 윤소현 (위성무선 RF 기술연구실) , 문성모 (위성무선 RF 기술연구실) , 엄만석 (위성무선 RF 기술연구실) , 염인복 (위성무선 RF 기술연구실) , 안재영 (위성항공 ICT 연구부)

초록
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최근 위성통신방송 시장의 요구에 따라 위성 시스템 비용 절감에 적합한 비용 대비 효율성이 매우 높은 flexibile 위성 탑재체에 대한 연구가 이루어지고 있다. 이에 본고에서는 차기 flexible 위성통신 방송 탑재체의 주요 핵심 기술인 재구성 빔 안테나용 flexible 안테나 및 빔 형성 모듈 기술, 유연한 주파수 스펙트럼 제공용 가변 국부 발진기 및 가변 필터 기술에 대해 살펴보기로 한다.

AI 본문요약
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문제 정의

본고에서는 차기 flexible 위성통신.방송 탑재체의 주요 핵심기술인재구성 빔 안테나용 flexible 안테나 및 빔 형성 모듈 기술 유연한 주파수 스펙트럼 제공을 위한 가변 국부 발진기 및 가변필터 기술에 대해 살펴보기로 한다.

제안 방법

하지만 두 구성 필터 사이에 아이솔레이터(Isolator)를 구비해야 하기 때문에 무게가 추가된다는 단점이 있다. COM DEV사는 TE011 모드를 발생시키는 원통형 공동 공진기들을 슬롯 형태의 아이리스로 결합하여 유사 고역통과필터 및 유사 저 역통과 필터를 구현하였다. (그림 15)에서 COM DEV사의 皿011 모드 공진기 구조와 공진기 사이의 결합 방법을 보이고 있다.
각 공진기의 공진주파수는 COM DEV사와 마찬가지로 공진기 윗면의 피스톤을 상하로 움직여 변경할 수 있다. 공진기 사이의 결합을 위해 공진주파수가 매우 높은 공진기를 사용하고 그 결합 공진기의 공진주파수를 변경함으로써 주공진기 사이의 결합량을 변화시키는 방법을 사용하였다. (그림 18)은 TESAT사의 2차 가변필터의 구조를 보이고 있다.
하지만 이는 회로 크기, 부피, 및 소비 전력면에서 탑재체에게 부담이 되는 방식이다. 낮은 회로 크기, 부피, 및 소비 전력을 탑제체에 제공하기 위한 방법으로 Phase Locked Loop(PLL)를 이용한 소형화된 디지털 집적화한 주파수 합성기 개발을 진행하였다. 이러한 주파수 합성기 방식의 가변 국부발진기는 Silicon, Bi-CMOS, Silicon-on-Sapphire (SOS), 그리고 SiGe 공정 등을 사용하여 수 GHz까지의 국부발진기 개발이 가능하게 되었다.
빔형성 모듈은 100도 위상천이기 2개, 0/180도 위상 천이기 1개, 8dB 감쇠기, 그리고 구동 증폭기로 구성되었고, 입력은 K-커넥터, 출력은 도파관 형태로 구현하여 편파기 및 안테나에 연결이 용이하게 하였다[(그림7) 참조]. 또한, 제어 신호 및 전원 공급을 위한 보드는 기구 밑면에 구성하였고, 연결부는 micro D-sub 커넥터를 사용하였다. 제작한 빔형성 모듈은 0.
이를 위해 최대출력 범위 내에 고효율을 유지하는 다중 포트 출력 증폭기 및 유연한 고출력 증폭기 등이 사용된다. 본고에서는 차기 flexible 위성통신.방송 탑재체의 주요 핵심기술인재구성 빔 안테나용 flexible 안테나 및 빔 형성 모듈 기술 유연한 주파수 스펙트럼 제공을 위한 가변 국부 발진기 및 가변필터 기술에 대해 살펴보기로 한다.
이러한 구조를 이용하여 (그림 16)과 같은 형태로 6 차의 유사 고역통과필터(Pseudo High Pass Filter: pHPF)와 유사 저역통과필터(Pseudo Low Pass Filter: pLPF)를 구현하였다.
특히 1년 차에 fractional-N PLL 방식의 가변 국부발진기 IP를 확보하였으며, 2년 차에는 (그림 14)와 같이 RHBS, 및 RHBP를 고려한 Silicon-on-Insulator (SOI) 공정적용 및 hermetic packa昭e를 적용한 칩 패키지 제작을 수해하였다. 3년 차에서는 radiation hardness 회로가 적용된 digital library 및 I/O 개발을 통한 RH电3까지 고려된 가변 국부발진기를 개발 중이다.

대상 데이터

지역별로 부스트(boost)빔이 요구된다. 이를 위한 재구성 빔용 IRA 안테나는 (그림 5)와 같이 2.85 m 반사판과 19개 배열소자로 구성된다. 각 배열 소자는 광대역 특성의 혼과 편파기 등으로 구성된다.
또한, 제어 신호 및 전원 공급을 위한 보드는 기구 밑면에 구성하였고, 연결부는 micro D-sub 커넥터를 사용하였다. 제작한 빔형성 모듈은 0.2도 및 0.05dB의 분해능으로 총 380도의 위상천이와 8dB의 감쇠 범위를 갖는다. 또한, 동작 영역에서 이득 3dB 및입/출력 반사손실은 15dB 이상이다.

성능/효과

3년 차에서는 radiation hardness 회로가 적용된 digital library 및 I/O 개발을 통한 RH电3까지 고려된 가변 국부발진기를 개발 중이다. 또한, 제작한 fractional-N 주파수 합성기 칩은 위상 잡음 특성을 개선하기 위하여 낮은 위상 잡음 특성을 갖는 off chip 전압제어 발진기를 적용 국부 발진기 모듈의 위상 잡음 성능 향상이 가능하다.
22dB로 매우 작은 값을 보_이고 있다. 통과대역의 양쪽에 각각 2개의 전달 영점을 구현하여 매우 우수한 차단특성을 구현하였고 TE011 모드 주변의 다른 모드들도 매우 잘 억제되어 있다.

후속연구

국내에서 최초로 개발되어 2010년에 발사된 위성통신 시스템인 천리안 위성통신 서비스의 연속성 및 관련 기술의 유지 발전시키고 flexible 위성 탑재체의 기술 선도국이 되기 위해서 flexible 탑재체 개발이 절대적으로 필요하다. 성공적인 차기위성 개발을 위해 핵심 원천 기술인 재구성 빔 안테나용 배열 급전 반사판 안테나 및 빔 형성 모듈, 주파수 가변용 국부 발진기 및 가변필터 그리고 가변 고줄력 증폭기에 사용되는 소형 고효율 고줄력 증폭기에 대한 원천기술 확보가 조속히 이루어져야 할 것이다.

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