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스마트 무인항공기용 안테나 기술 동향 원문보기

電磁波技術 : 韓國電磁波學會誌 = The Proceedings of the Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.29 no.2, 2018년, pp.56 - 65  

이왕상 (경상대학교)

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문제 정의

  • 따라서, 본 논문에서는 최근 다양한 분야에서 활용되고 있는 스마트 무인항공기의 원격제어 및 임무수행을 위한 무인항공기용 최신 안테나 기술들을 살펴보고자 한다. 이를 위해 2장에서는 스마트 무인항공기에 대한 정의, 원격제어를 위한 활당된 주파수대역 및 활용 현황을 기술하고, 3장에서는 무인항공기용 안테나 설계 시 고려사항과 최신 무인항공기용 안테나 기술 동향을 살펴보며, 4장에서 결론을 맺고자 한다.
  • 본 논문에서는 최근 무인항공기를 활용한 응용사례가 점차 확대됨에 따라, 무인항공기 원격제어 및 신호전송을 위한 할당된 주파수 대역을 살펴보고, 최신 개발되어 소개된 무인항공기용 평면형 안테나 및 배열안테나에 관한 기술 동향을 살펴보았다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
무인항공기용 안테나를 설계하면서 고려해야 할 사항은 무엇인가? 배터리 수명, 전송거리, 비행 등의 특성에 따라, 무인항공기 성능이 좌우됨에 따라, 무인항공기용 안테나 설계 시 다음 몇 가지 고려사항이 요구된다. 첫 번째, 공기저항을 경감시키고, 경량화를 위해서는 안테나 소형화 설계가 필수적으로 요구된다. 특히, 높이가 낮은 구조(low-profile) 설계는 무인항공기를 일정한 비행고도에서 운용 시 공기역학적인 구조에서 매우 유리한 장점을 갖게 된다. 둘째로, 안테나 장착의 용이함과 균형 특성을 가져야 한다. 실제 안테나를 무인항공기에 장착하기 위해서는 부수적인 기구 구조물이 추가되거나, 항공기에 내장 시 좌우 균형을 갖도록 설계함에 따라, 무인항공기 하중을 증가시켜 운용시간을 경감시키는 단점을 갖게 된다. 셋째로, 지상기지국과의 통신 혹은 센서의 정보수집 및 모니터링을 위해서는 넓은 빔 커버리지를 갖는 안테나 설계가 고려되어야 한다. 마지막으로, 무인항공기의 안테나 배치 및 방향에 따라, 편파 부정합에 의한 편파손실은 신호 감쇄를 발생되며, 이를 개선하기 위해 원형편파가 선호된다. 일반적으로 원형편파 안테나는 급전회로 및 안테나 소자의 추가로 인하여 크기가 커짐에 따라서, 공기역학구조, 무게, 크기 등의 제약을 갖는 무인항공기에 적용하기 어려운 단점을 갖는다.
기존의 무인항공기가 안고 있는 문제는 무엇인가? 무인항공기의 특성상 임무 수행을 위하여 원격 조종 또는 자동 조종 시 무선통신 기술이 사용되고 있으며, 무선통신 방식은 블루투스, Wi-Fi, 셀룰러 시스템, 위성통신 등이 있다[4],[5]. 현재 출시되고 있는 대부분의 무인항공기는 주로 공업, 과학, 의료용으로 사용되는 비면허 ISM 대역인 2.45GHz 또는 5.8 GHz 대역을 사용함에 따라, 전파혼신으로 인한 무인항공기의 추락, 충돌, 오동작 등 상호 전파 간섭이 발생할 수 있다. 전파 간섭으로 무인항공기의 오동작을 방지하기 위해 국제전기통신연합(ITU) 산하의 세계전파통신 회의(WRC)에서 무인항공기에 대한 제어용 신규주파수가 분배되었다.
무인항공기시스템(Unmanned Aerial Systems: UAS)은 무엇을 말하는가? 표준에 따르면, 무인항공기(Unmanned Aerial Vehicle: UAV)는 항공기에 사람이 탑승하지 아니하고, 원격조정 또는 자율로 비행할 수 있는 항공기로 정의하고 있으며, 항공법에 의한 항공기의 중량에 따라 다음 <표 1>과 같이 구분된다. 무인항공기시스템(Unmanned Aerial Systems: UAS)은 무인항공기(UAV)에 통제 체계(원격조정장치, 데이터링크 등)와 지원 장비 등을 포함시킨 것을 말한다. 무인항공기의 최대 이륙중량, 운용고도, 조정방식, 이착륙 방식, 에너지원 및 운동 에너지 등에 따라 분류할 수 있으며, 분류에 따라 각각 다른 장비가 탑재되어 다양한 산업 분야에 활용 가능하다[2].
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참고문헌 (23)

  1. 과학기술정보통신부, "무인이동체 기술혁신과 성장 10개년 로드맵", 2017년. 

  2. KS W 9000, "무인 항공기 시스템-제1부: 분류 및 용어", 2016년. 

  3. O. Ahn, J. M. Kim, and C. H. Lim, "Smart UAV research program status update: Achievement of tilt-rotor technology development and vision ahear", 27th Int'l Conf. of the Aeronautical Sciences, Sep. 2010. 

  4. 전황수, "드론 무선통신 기술개발 동향", 정보통신기술진흥센터, 2017년. 

  5. 손성화, 강진혁, 박경준, "드론 무선통신의 개요 및 이슈", 한국통신학회지, 33(2), pp. 93-99, 2016년. 

  6. 국립전파연구원 고시 제2015-28호, "항공업무용 무선설비의 기술기준", 2015년. 

  7. S. Fu, Y. Wan, "Communicating in remote areas or disaster situations using unmanned aerial vehicles", HDIAC Journal, vol. 2, no. 4, pp. 4-8, 2016. 

  8. B.-H. Sun, Y.-F. Wei, S.-G. Zhou, and Q.-Z. Liu, "Lowprofile and horizontally-polarised antenna for UAV applications", IET Electron. Lett., vol. 45, no. 22, pp. 1106-1107, Oct. 2009. 

  9. W. Lee, Y.-K. Hong, J. Lee, D. Gillespie, K. G. Ricks, F. Hu, and J. Abu-Qahouq, "Dual-polarized hexaferrite antenna for unmanned aerial vehicle(UAV) applications", IEEE Ant. and Wirel. Prop. Lett., vol. 12, pp. 765-68, Jul. 2013. 

  10. D. Kang, J. Tak, and J. Choi, "Wideband low-profile planar square segmented loop antenna for UAV applications", IET Electron. Lett., vol. 52, no. 22, pp. 1828-830, Oct. 2016. 

  11. S. Yan, X. Wang, Y. Hu, and G. A. E. Vandenbosch, "Low-profile omnidirectional antenna for automatic dependent surveillance-broadcast applications", IET Electron. Lett., vol. 51, no. 22, pp. 1732-1734, Oct. 2015. 

  12. D. Wu, X. Chen, L. Yang, G. Fu, and X. Shi, "Compact and low-profile omnidirectional circularly polarized antenna with four coupling arcs for UAV applications", IEEE Ant. and Wirel. Prop. Lett., vol. 16, pp. 2919-2922, Sep. 2017. 

  13. S. Y. J. Tak, J. Choi, and Y.-M. Park, "Conformal monopolar antenna for UAV applications", 2017 IEEE Int'l Symp. Ant & Prop. & USNC/URSI, San Diego, USA, pp. 517-518, Jul. 2017. 

  14. L. Sun, B. Sun, J. Yuan, W. Tang, and H. Wu, "Low-profile quasi-omnidirectional substrate integrated waveguide (SIW) multihorn antenna", IEEE Ant. and Wirel. Prop. Lett., vol. 15, pp. 818-821, Mar. 2016. 

  15. Z. Hu, W. Wang, Z. Shen, and W. Wu, "Low-profile helical quasi-Yagi antenna array with multibeams at the endfire direction", IEEE Ant. and Wirel. Prop. Lett., vol. 16, pp. 1241-1244, May 2017. 

  16. Y. Chen, C.-F. Wang, "Electrically small UAV antenna design using characteristics modes", IEEE Trans. Ant. and Prop., vol. 62, no. 2, pp. 535-545, Feb. 2014. 

  17. S. R. Boroujeni, Z. Li, and S. Safavi-Naeini, "A smart beam-switching multi-antenna system for UAV", 2017 IEEE Int'l Symp. Ant & Prop. & USNC/URSI, San Diego, USA, pp. 1389-1390, Jul. 2017. 

  18. S. Dweik, S. Deif, W. Sadeh, O. A. Rawashdeh, D. N. Aloi, and M. S. Sharawi, "A planar antenna array with integrated feed network for UAV applications", The 8th European Conf. on Ant. and Prop. (EuCap 2014), The Hague, Netherlands, pp. 1855-1858, Apr. 2014. 

  19. M. S. Sharawi, D. N. Aloi, and O. A. Rawashdeh, "Design and implementation of embeded printed antenna arrays in small UAV wing structures", IEEE Trans. Ant. and Prop., vol. 58, no. 8, pp. 2531-2538, Aug. 2010. 

  20. J. Manuel, I. Alonso, and M. S. Perez, "Phased array for UAV communications at 5.5 GHz", IEEE Ant. and Wirel. Prop. Lett., vol. 14, pp. 771-774, Mar. 2015. 

  21. Yohandri, Asrizal, and J. T. S. Sumantyo, "Design of tilted beam circularly polarized antenna for CP-SAR sensor onboard UAV", 2016 Int'l Symp. on Ant. and Prop., Okinawa, Japan, pp. 658-659, Oct. 2016. 

  22. M. G. Jeong, J.-H. Kim, S.-H. Bae, and W.-S. Lee, "Miniaturized multi-beam-controlled circular eight-port beamforming network for long-range UHF RFID hemispheric coverage", IET Microw., Ant. & Prop., vol. 12, no. 2, pp. 154-159, Jan. 2018. 

  23. Y. K. Kwag, J. W. Kang, "Obstacle awareness and collision avoidance radar sensor system for low-altitude flying smart UAV", 2004 Digit. Avion. Sys. Conf., Salt Lake City, USA, pp. 12.D.2-1-12.D.2-10, Feb. 2005. 

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