[논문]드론 제어용 데이터링크 안테나 설계

여수철; 홍수운; 최효기; 윤창배

doi:10.13067/jkiecs.2018.13.6.1169

드론 제어용 데이터링크 안테나 설계
Data-link Antenna Design for Drone Control 원문보기

한국전자통신학회 논문지 = The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, v.13 no.6, 2018년, pp.1169 - 1176

여수철 (한화시스템) , 홍수운 (한화시스템 위성.데이터링크팀) , 최효기 (한화시스템 위성.데이터링크팀) , 윤창배 (한화시스템 위성.데이터링크팀)

초록
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드론 제어를 위한 C대역 무지향성 안테나는 드론의 상부 또는 하부에 장착되어 통신링크를 구성하기 위해 사용된다. 통신링크는 무지향성 안테나 장착위치에 따라 LOS(: Line Of Sight)의 영향을 받게 된다. 본 논문에서는 드론 탑재를 위한 내장형 안테나 2종을 상용 시뮬레이션 툴인 CST MWS로 설계하고, 장착 환경을 고려한 EM(: Electro Magnetic) 해석을 수행하였다. 또한, 다수의 드론을 제어하기 위한 PTMP(: Point To Multi Point) 지상안테나를 제안하였다. 지상안테나는 30km의 통신반경을 갖기 위해 수평방향으로 4개의 섹터안테나와 상부에 1개의 지향성안테나로 구성하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The C-band omni-directional antenna for drone control is mounted on the top or bottom and used to configure the communication link. The communication link is affected by the LOS depending on the mounting position of the omni-directional antenna. In this paper, two kinds of embedded antennas were designed with a commercial simulation tool CST MWS, and EM analysis was performed to consider the mounting environment. Also, we propose the PTMP ground antenna to control a large number of drones. The ground antenna has a communication link of 30km, and it consists of four sector antennas in the horizontal direction and one directional antenna at the top.

주제어

표/그림 (28)

그림 그림 1. 드론 시스템 분류 Fig. 1 Drone system classification
그림 그림 2. 데이터링크 시스템 구성 Fig. 2 Data-link system composition
그림 그림 3. 드론 안테나 장착 위치 Fig. 3 Drone antenna mount position
그림 그림 4. 다이폴 안테나 형상 Fig. 4 Dipole antenna shape
그림 그림 5. 다이폴 안테나 VSWR M&S 결과 Fig. 5 Dipole antenna VSWR M&S results
표 표 1. 지상안테나 빔 패턴 요구사항 Table 1. Ground antenna beam pattern requirement
표 표 2. 탑재안테나 제원 Table 2. Air Antenna specifications
그림 그림 6. 수직패턴 M&S 결과 Fig. 6 Vertical pattern M&S results
그림 그림 7. 수평패턴 M&S 결과 Fig. 7 Horizontal pattern M&S results
그림 그림 8. 모노폴 안테나 형상 Fig. 8 Monopole antenna shape
그림 그림 9. 모노폴 안테나 VSWR M&S 결과 Fig. 9 Monopole antenna VSWR M&S results
그림 그림 10. 수직패턴 M&S 결과 Fig. 10 Vertical pattern M&S results
그림 그림 11. 수평패턴 M&S 결과 Fig. 11 Horizontal pattern M&S results
그림 그림 12. 드론 형상 및 안테나 위치 Fig. 12 Drone shape & antenna position
그림 그림 13. 드론 배면(수직) Fig. 13 Drone bottom(vertical)
그림 그림 14. 드론 배면(수평) Fig. 14 Drone bottom(horizontal)
그림 그림 15. 드론 다리(수직) Fig. 15 Drone leg(vertical)
그림 그림 16. 드론 다리(수평) Fig. 16 Drone leg(horizontal)
표 표 3. 안테나 장착 위치 Table 3. Antenna mount position
그림 그림 17. 모터 하부(수직) Fig. 17 Motor lower(vertical)
그림 그림 18. 모터 하부(수평) Fig. 18 Motor lower(horizontal)
그림 그림 19. 지상안테나 형상 Fig. 19 Ground antenna shape
그림 그림 20. 섹터안테나 수직패턴 특성 Fig. 20 Sector antenna vertical pattern characteristic
그림 그림 21. 섹터안테나 수평패턴 특성 Fig. 21 Sector antenna horizontal pattern characteristic
그림 그림 22. 멀티 빔 수직패턴 특성 Fig. 22 Multi beam vertical pattern characteristic
그림 그림 23. 멀티 빔 수평패턴 특성 Fig. 23 Multi beam horizontal pattern characteristic
그림 그림 24. 지상안테나 3차원 빔 패턴 Fig. 24 Ground antenna 3 dimension beam pattern
그림 그림 25. 지상안테나 수직패턴 분석결과 Fig. 25 Ground antenna vertical pattern analysis results

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 C대역의 무인기 제어 전용 주파수 대역에서 표준화된 데이터링크 시스템에 사용할 수 있는 탑재안테나와 지상안테나 설계방법을 제안하였다. 탑재안테나는 지상과 원활한 통신을 위해 무지향성 방사패턴을 가지며, 드론의 운용성능 향상을 위해 패치 형태의 내장형 구조를 적용하였고, 드론의 다리 부분에 장착 가능한 다이폴 구조와 배면 부분에 장착 가능한 모노폴 구조로 설계하였다.
본 논문에서는 C대역의 무인기 제어 전용 주파수 대역에서 표준화된 데이터링크 시스템에 적용 가능한 탑재안테나와 지상안테나 설계방법을 제안하였으며, 상용 EM 시뮬레이션 툴인 CST MWS를 사용하여 해석하였다. 탑재안테나는 지상안테나와 원활한 통신을 위해 무지향성 방사패턴을 가지며, 드론의 운용성능 향상이 가능하도록 내장형 구조로 설계하였다.
설계결과, 일부 각도를 제외하고 3차원 통신반경을 지원하기 위한 지상안테나 빔 패턴 요구사항이 충족됨을 확인하였다. 본 연구를 통해 도출된 안테나 설계 기법을 실제 안테나 제작 시 적용하고, 운용성능에 대한 분석 후 개선점에 대해서는 향후 고찰하고자 한다.
드론의 체공시간은 중량과 항력에 의한 영향을 많이 받기 때문에 드론에 장착되는 장비는 소형, 경량및 항력을 감소할 수 있는 구조로 설계하여야 한다. 이를 고려한 탑재안테나 형상은 패치 형태의 내장형 구조가 적합하며, 패치 구조를 적용하여 경량화 및 내장형 구조를 통해 항력을 감소하고자 하였다. 내장형 구조로써 드론에 장착 가능한 위치는 그림 3과 같다.

제안 방법

또한, 해석시간을 단축하기 위해 드론 모델링 형상에 안테나 해석결과를 소스원으로 인가하는 방법을 사용하였다. 2.2절에서 설계된 다이폴 안테나와 모노폴 안테나를 그림 12와 같이 드론 3곳에 소스원으로 인가하여 장착 환경을 고려한 EM 해석을 수행하였다. 표 3은 안테나 장착 위치를 표시하였다.
EM 분석을 위해 모노폴 안테나와 다이폴 안테나의 중간주파수(5,060MHz) 방사패턴 데이터를 추출하였으며, 추출된 방사패턴을 드론의 3곳에 소스원으로 인가하여 드론을 고려한 EM 해석을 수행하고, 결과를 분석하였다. 방사패턴 분석 시 수직패턴은 주 운용 고각(80° ∼ 150°, 210° ∼ 280°)에서 이득 특성이 양호하고, Null 포인트가 발생하지 않아야 한다.
그림 23은 4개의 섹터안테나의 멀티 빔에 대한 수평패턴 특성으로 5,030MHz 및 5,091MHz 대역에서 중첩영역의 이득은 7dBi 이상, 최대 이득은 10dBi 이상임을 확인할 수 있다. 그림 24는 지상 안테나의 3차원 빔 패턴이 어떻게 형성되는지 도시하였으며, 그림 25는 통신반경 30km, 높이 5.5km, 거리 29.5km 조건에서 표 1의 지상안테나 빔 패턴 요구사항 충족여부를 분석하였다. 지상안테나 수직패턴 분석결과, 0° ∼ 3°, 31.
내장형 구조로써 드론에 장착 가능한 위치는 그림 3과 같다. 드론의 다리 부분(다이폴 구조)과 배면 부분(모노폴 구조)에 장착가능하며, 표 2의 제원을 충족하도록 설계하였다.
4인 Ceramic으로 간략화 하였다. 또한, 해석시간을 단축하기 위해 드론 모델링 형상에 안테나 해석결과를 소스원으로 인가하는 방법을 사용하였다. 2.
근거리 통신에서는 무지향성 안테나를 사용하여 원활한 통신이 가능하지만 통신거리가 증가되면 고이득의 지향성 안테나를 사용해야 한다. 본 논문에서는 PTMP 시스템에 적합한 탑재/지상 안테나 제원을 검토하기 위해 시스템 링크버짓 분석을 수행하고, 최대통신반경(D_max) 30km 을 충족하기 위한 주요 규격으로 송신 EIRP(:Effective Isotropic Radiated Power) 54dBm, 탑재안테나 이득 0dBi, 지상안테나 이득 10dBi, 경로 손실 등을 반영하여 분석하였다. 이때, 드론의 높이는 미국방성의 무인항공기 분류 기준을 참고하여 18,000ft (≒5.
드론을 고려한 EM 해석을 수행하기 위해 쿼드콥터 드론 모델링을 사용하였다. 시뮬레이션 복잡도, 분석시간, 메모리 활용 최소화를 고려하여 드론의 표면은 유전율이 4.4인 Ceramic으로 간략화 하였다. 또한, 해석시간을 단축하기 위해 드론 모델링 형상에 안테나 해석결과를 소스원으로 인가하는 방법을 사용하였다.
이러한 구성을 통해 통신반경 30km 이내에서 드론과 원활한 통신이 가능하다. 지향성안테나는 단일 패치, 섹터안테나는 단일 패치의 수직배열로 구성하여 이득을 충족하도록 설계하였다.
본 논문에서는 C대역의 무인기 제어 전용 주파수 대역에서 표준화된 데이터링크 시스템에 사용할 수 있는 탑재안테나와 지상안테나 설계방법을 제안하였다. 탑재안테나는 지상과 원활한 통신을 위해 무지향성 방사패턴을 가지며, 드론의 운용성능 향상을 위해 패치 형태의 내장형 구조를 적용하였고, 드론의 다리 부분에 장착 가능한 다이폴 구조와 배면 부분에 장착 가능한 모노폴 구조로 설계하였다. 설계결과, C대역에서 VSWR 2:1 이하, 이득 0dBi 이상, 수직빔폭 45° 이상, 무지향성 방사패턴으로 설계규격이 충족됨을 확인하였다.
본 논문에서는 C대역의 무인기 제어 전용 주파수 대역에서 표준화된 데이터링크 시스템에 적용 가능한 탑재안테나와 지상안테나 설계방법을 제안하였으며, 상용 EM 시뮬레이션 툴인 CST MWS를 사용하여 해석하였다. 탑재안테나는 지상안테나와 원활한 통신을 위해 무지향성 방사패턴을 가지며, 드론의 운용성능 향상이 가능하도록 내장형 구조로 설계하였다. 지상안테나는 PTMP 시스템 구축을 위해 30km의 통신 반경을 갖도록 수평방향으로 4개의 섹터안테나, 상부에는 1개의 지향성안테나로 구성하여 3차원 빔 패턴을 형성하였다¹⁾ [9-10].

대상 데이터

PTP 데이터링크 시스템에서 탑재안테나는 무지향성 안테나를 사용하며, 지상안테나는 무지향성 안테나 또는 지향성 안테나를 사용한다. 근거리 통신에서는 무지향성 안테나를 사용하여 원활한 통신이 가능하지만 통신거리가 증가되면 고이득의 지향성 안테나를 사용해야 한다.
드론의 다리 부분에 장착 가능한 다이폴 안테나 형상은 그림 4와 같다. 다이폴 안테나는 유전율이 2.33 인 Taconic TLY-3 기판을 사용하였으며, W=15mm, L=40mm, T=0.8mm, A=20mm, B=13mm, C=13mm로 설계하였다. 시뮬레이션 결과, 그림 5와 같이 C대역 (4,506 ∼ 5,930 MHz)에서 VSWR 규격인 2:1 이하를 만족함을 확인하였다.
드론의 배면 부분에 장착 가능한 모노폴 안테나 형상은 그림 8과 같다. 모노폴 안테나는 유전율이 3.75 인 FR4 기판을 사용하였으며, A=17mm, B=30mm, T=5mm로 설계하였다. 시뮬레이션 결과, 그림 9와 같이 C대역(4,787 ∼ 5,562 MHz)에서 VSWR 규격인 2:1 이하를 만족함을 확인하였다.
설계결과, C대역에서 VSWR 2:1 이하, 이득 0dBi 이상, 수직빔폭 45° 이상, 무지향성 방사패턴으로 설계규격이 충족됨을 확인하였다. 지상안테나는 PTMP 시스템에 적용 가능하고, 통신반경 30km, 높이 5.5km, 거리 29.5km 조건을 충족하기 위해 수평방향으로 4개의 섹터안테나와 상부에 지향성안테나 1개로 구성하였다. 설계결과, 일부 각도를 제외하고 3차원 통신반경을 지원하기 위한 지상안테나 빔 패턴 요구사항이 충족됨을 확인하였다.

이론/모형

드론을 고려한 EM 해석을 수행하기 위해 쿼드콥터 드론 모델링을 사용하였다. 시뮬레이션 복잡도, 분석시간, 메모리 활용 최소화를 고려하여 드론의 표면은 유전율이 4.

성능/효과

그림 17, 18은 모터 하부에 장착한 안테나로 동체의 가림에 의해 수평패턴의 일그러짐이 심한 것을 확인할 수 있다. 가시선 확보가 용이한 위치 3곳에 설계된 안테나를 장착하여 EM 분석한 결과 드론의 다리 부분에 장착한 안테나의 방사패턴 특성이 가장 우수함을 확인할 수 있다.
설계결과, C대역에서 VSWR 2:1 이하, 이득 0dBi 이상, 수직빔폭 45° 이상, 무지향성 방사패턴으로 설계규격이 충족됨을 확인하였다.
5km 조건을 충족하기 위해 수평방향으로 4개의 섹터안테나와 상부에 지향성안테나 1개로 구성하였다. 설계결과, 일부 각도를 제외하고 3차원 통신반경을 지원하기 위한 지상안테나 빔 패턴 요구사항이 충족됨을 확인하였다. 본 연구를 통해 도출된 안테나 설계 기법을 실제 안테나 제작 시 적용하고, 운용성능에 대한 분석 후 개선점에 대해서는 향후 고찰하고자 한다.
시뮬레이션 결과, 그림 5와 같이 C대역 (4,506 ∼ 5,930 MHz)에서 VSWR 규격인 2:1 이하를 만족함을 확인하였다.
시뮬레이션 결과, 그림 9와 같이 C대역(4,787 ∼ 5,562 MHz)에서 VSWR 규격인 2:1 이하를 만족함을 확인하였다.
지상안테나 수직패턴 분석결과, 0° ∼ 3°, 31.5° ∼ 33.5°를 제외한 각도에서 요구사항이 충족됨을 확인할 수 있었으며, 미충족 각도에 대해서는 셀의 중첩과 보완설계로 해결 가능하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	PTP방식의 일반적인 데이터링크 시스템 산악지형이 많은 나라에서 사용하기 어려운데 이를 해결하는 방안은?	일반적인 데이터링크 시스템은 PTP(: Point To Point) 방식으로 산악지형이 많은 나라에서는 운용상의 제약이 발생하며, 드론의 숫자만큼 지상통제장비가 필요하다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 공중으로 빔을 형성하고 다수의 드론을 제어하여 네트워크를 구성할 수 있는 PTMP 시스템 구축이 필요하다[7-8].
	PTP 데이터링크 시스템의 탑재안테나는 무엇인가?	PTP 데이터링크 시스템에서 탑재안테나는 무지향성 안테나를 사용하며, 지상안테나는 무지향성 안테나 또는 지향성 안테나를 사용한다. 근거리 통신에서는 무지향성 안테나를 사용하여 원활한 통신이 가능하지만 통신거리가 증가되면 고이득의 지향성 안테나를 사용해야 한다.
	지상안테나로 사용되는 안테나는?	PTP 데이터링크 시스템에서 탑재안테나는 무지향성 안테나를 사용하며, 지상안테나는 무지향성 안테나 또는 지향성 안테나를 사용한다. 근거리 통신에서는 무지향성 안테나를 사용하여 원활한 통신이 가능하지만 통신거리가 증가되면 고이득의 지향성 안테나를 사용해야 한다.

참고문헌 (11)

C. Park, "A Study on Drone Charging System Using Wireless Power Transmission," Master's Thesis, Busan University of Foreign Studies Graduate School, 2017.
S. Kim, "Unmanned Aircraft(Drone) Technology and Industry Outlook, Korea Evaluation Institute of Industrial Technology Project Development Issue Report, vol. 15-7, no. 3, July 2015.
H. Kim, "R&D and Standardization Trends on Control and Non-payload Communication for Unmanned Aircraft Systems," Electronic Communication Trend Analysis, vol. 33, Issue 2, June 2018, pp.70-77.
RTCA Inc., Command and Control (C2) Data link Minimum Operational Performance Standards (MOPS) (Terrestrials), RTCA, 2016.
FINAL ACTS WRC-12, World Radio Communication Conference(GENOVA, 2012), ITU, 2012.
FINAL ACTS WRC-15, World Radio Communication Conference(GENOVA, 2015), ITU, 2015.
D. Kim, "Design of C-Band 3-Dimensional GRS Antenna for UAS CNPC Data link System," 2017 Korea Institute of Communications abd Information Sciences Summer, vol. 1, no. 1, June 2017, pp. 1160-1161.
Ministry of Science and ICT, "Unmanned Vehicle Technology Roadmap," Technical Report, Jan. 2018.
Y. Park, "Characteristics of Microstrip Array Antenna," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 7, no. 6, 2012, pp. 1281-1286.
J. Yoon, "Design and Fabrication of A Dual-band Open-Ended Circular Ring Monopole Antenna for WLAN Applications," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 8, no. 7, 2013, pp. 987-994.
Korea Standard Association, "Industry Guide for Global Technical Regulations on Drone," Technical Barriers to Trade Policy Report 005, Jan. 2018.

저자의 다른 논문 :

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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