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문제 정의
- 본 논문에서는 발사체의 조립 과정에서 다중경로에 의한 간섭 및 테스트 안테나의 위치에 따른 신호의 왜곡, 동일 대역 안테나 사이의 간섭을 방지하며, 지상에서의 안테나 경로별 통신시스템 성능 검증이 가능한 소형 발사체 무선 통신시스템 검증 테스트 베드를 제안한다. 제안한 테스트 베드는 발사체에 간접적으로 장착되는 안테나 테스트커플러와 RF 감쇄기 및 스위칭시스템으로 구성되어 있다.
- 본 논문에서는 소형 발사체의 무선 통신시스템을 검증하기 위한 테스트 베드 시스템을 제안하였다. 제안한 시스템은 안테나 테스트 커플러와 RF 감쇄기, RF 스위치로 구성되어 있다.
제안 방법
- S-/X-대역 안테나 고정체는 44.0 × 231.0 × 41.0 mm, UHF-대역 안테나 고정체는 60.0 × 227.0 × 31.0 mm의 크기로 설계하였다.
- 본 논문에서는 발사체의 조립 과정에서 다중경로에 의한 간섭 및 테스트 안테나의 위치에 따른 신호의 왜곡, 동일 대역 안테나 사이의 간섭을 방지하며, 지상에서의 안테나 경로별 통신시스템 성능 검증이 가능한 소형 발사체 무선 통신시스템 검증 테스트 베드를 제안한다. 제안한 테스트 베드는 발사체에 간접적으로 장착되는 안테나 테스트커플러와 RF 감쇄기 및 스위칭시스템으로 구성되어 있다.
- 제안하는 안테나 테스트 커플러의 경우, 발사체를 감싸는 형태이기 때문에 몸체의 내부 표면과 발사체의 외부 표면이 서로 맞닿게 되어 발사체 외부 표면에 상처가 생길 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여, 몸체의 내부를 테프론 코팅처리 하였다.
- 안테나 테스트 커플러에 흐르는 전류는 발사체 안테나에서 방사되는 전자기파에 의해 유기되는 전류이다. 제안하는 안테나 테스트 커플러는 상호 임피던스에 의한 영향을 줄이기 위하여, 안테나고정체 내부에 전파 흡수체를 부착하였다. 부착한 전파 흡수체가 안테나로부터 방사되는 전자기파를 흡수하여, 안테나 고정체에 유기되는 전류를 줄여, 상호 임피던스에 의한 영향을 최소화하였다.
- 그림 3은 안테나 테스트 커플러 장착 유무에 따른 발사체 안테나의 반사계수 측정 구성도를 나타낸 것이다. 안테나 테스트 커플러 장착 유무에 따른 발사체 안테나 반사계수 측정은 더미 발사체에 각 대역별 안테나를 장착한 후, 안테나 테스트 커플러를 장착/미장착 하여 측정하였다. 더미 발사체는 실제 발사체와 동일한 크기, 동일한 재질로 제작되었으며, 안테나는 실제 발사체에서 사용하는 안테나를 사용하였다.
- 더미 발사체는 실제 발사체와 동일한 크기, 동일한 재질로 제작되었으며, 안테나는 실제 발사체에서 사용하는 안테나를 사용하였다. 측정은 Keysight사의 N5230A 벡터 네트워크 회로망 분석기를 이용하였으며, 측정하지 않는 발사체 안테나 및 안테나 테스트 커플러의 안테나는 모두50 옴 종단저항을 연결하였다.
- 그림 5는 제안된 안테나 테스트 커플러의 차폐율 측정 구성을 나타낸 것이다. 차폐율 측정은 제안된 안테나 테스트 커플러를 더미 발사체에 장착하여 진행하였다. 더미 발사체에 실제 안테나와 동일한 형상의 금속으로 제작된 더미 안테나를 장착하였다.
- 안테나 테스트 커플러의 차폐율은 안테나 테스트 커플러를 더미 발사체에 장착하지 않고 마주보는 동일 대역 안테나 간 신호가 전달되는 크기(S21,w/o,dB)와 안테나테스트 커플러를 장착하고 마주보는 동일 대역 안테나 간 신호가 전달되는 크기(S21,w/,dB)의 비율로 정의하였으며, 2가지 측정 결과를 다음의 수식을 이용하여 계산하였다.
- 그림 8은 제안된 소형 발사체 통신시스템 테스트 베드를 이용한 통신시스템 점검 구성도를 나타낸 것이다. 실제 조립 및 점검 과정에 있는 소형 발사체에 안테나 테스트 커플러를 연결하고, RF 감쇄기 및 스위칭 시스템과 원격측정장치 점검장비, 추적 및 비행종단장치 점검 장비, 점검 장비 제어 및 데이터 확인용 컴퓨터를 연결하여 점검을 수행하였다. 원격측정장치에서 사용하는 S-대역의 경우, 발사체에서 지상국으로 데이터를 전송하며, 발사체에 장착된 S-대역 안테나 2개에서 모두 데이터를 송신한다.
- 원격측정장치에서 사용하는 S-대역의 경우, 발사체에서 지상국으로 데이터를 전송하며, 발사체에 장착된 S-대역 안테나 2개에서 모두 데이터를 송신한다. 안테나 경로 선택에 따라서 원격측정장치 점검 장비에서 수신되는 신호의 세기 및 원격측정데이터를 확인하여, 원격측정장치 및 안테나에 대한 점검을 수행한다. UHF-대역은 발사체가 비정상적 비행 시 지상국에서 발사체로 비행종단 명령을 전송하는 대역으로, 원격측정데이터에서 UHF-대역 신호 수신 세기 및 수신 안테나 번호, UHF-대역 동기 여부를 확인한다.
- 그림 9는 제안한 소형 발사체 통신시스템 테스트 베드를 이용한 통신 점검 결과를 나타낸 것이다. 발사체 통신 시스템 테스트 베드는 이용한 통신 점검은 일정 시간에 따라 안테나 경로를 안테나 #1, 안테나 #2, 종단저항으로 스위칭하며, 원격측정장치 점검 장비 및 추적 및 비행종단장치에서 측정된 신호의 세기 및 수신된 안테나, 송/수신된 데이터 확인을 통하여 진행하였다. 0초에서 2.
- 발사체 통신 시스템 테스트 베드는 이용한 통신 점검은 일정 시간에 따라 안테나 경로를 안테나 #1, 안테나 #2, 종단저항으로 스위칭하며, 원격측정장치 점검 장비 및 추적 및 비행종단장치에서 측정된 신호의 세기 및 수신된 안테나, 송/수신된 데이터 확인을 통하여 진행하였다. 0초에서 2.5초는 점검시작 단계로 종단저항에, 2.5초부터 5초 간격으로 안테나 #1, 종단저항, 안테나 #2, 종단저항, 안테나 #1을 순서대로 연결하고, 27.5초에서 32.5초는 점검종료 단계로 종단저항에 연결하여 점검을 진행하였다. 그림 9에서 SS(signal strength)는 수신된 신호의 세기를 전압형태로 나타낸 것이다.
- 본 논문에서는 소형 발사체의 무선 통신시스템을 검증하기 위한 테스트 베드 시스템을 제안하였다. 제안한 시스템은 안테나 테스트 커플러와 RF 감쇄기, RF 스위치로 구성되어 있다. 안테나 테스트 커플러는 발사체 외부에 장착되어 있는 안테나들을 분리 측정하기 위한 장치로, 소형 발사체를 감싸는 형태로 설계되었으며, 각 대역별 39.
대상 데이터
- 그림 2는 제안하는 테스트 베드 중 안테나 테스트 커플러의 구조를 나타낸 것이다. 안테나 테스트 커플러는 무게를 고려하여 알루미늄으로 제작되었으며, 크게 몸체와 안테나 고정체로 구성되어 있다. 안테나 테스트 커플러 몸체는 안테나 테스트 커플러를 소형 발사체에 고정하기 위한 부분으로, 발사체를 감싸는 형태로 되어 있으며, 쉽게 탈/부착이 가능하도록 4개의 부분으로 나누어져 있다.
- 안테나 테스트 커플러 장착 유무에 따른 발사체 안테나 반사계수 측정은 더미 발사체에 각 대역별 안테나를 장착한 후, 안테나 테스트 커플러를 장착/미장착 하여 측정하였다. 더미 발사체는 실제 발사체와 동일한 크기, 동일한 재질로 제작되었으며, 안테나는 실제 발사체에서 사용하는 안테나를 사용하였다. 측정은 Keysight사의 N5230A 벡터 네트워크 회로망 분석기를 이용하였으며, 측정하지 않는 발사체 안테나 및 안테나 테스트 커플러의 안테나는 모두50 옴 종단저항을 연결하였다.
- 차폐율 측정은 제안된 안테나 테스트 커플러를 더미 발사체에 장착하여 진행하였다. 더미 발사체에 실제 안테나와 동일한 형상의 금속으로 제작된 더미 안테나를 장착하였다. 안테나 테스트 커플러의 차폐율 측정은 Keysight사의 N5230A 벡터 네트워크 회로망 분석기를 이용하였다.
이론/모형
- 더미 발사체에 실제 안테나와 동일한 형상의 금속으로 제작된 더미 안테나를 장착하였다. 안테나 테스트 커플러의 차폐율 측정은 Keysight사의 N5230A 벡터 네트워크 회로망 분석기를 이용하였다. 측정 시 사용하지 않는 안테나는 모두 50 옴 종단 저항을 연결하였다.
성능/효과
- 제안하는 안테나 테스트 커플러는 상호 임피던스에 의한 영향을 줄이기 위하여, 안테나고정체 내부에 전파 흡수체를 부착하였다. 부착한 전파 흡수체가 안테나로부터 방사되는 전자기파를 흡수하여, 안테나 고정체에 유기되는 전류를 줄여, 상호 임피던스에 의한 영향을 최소화하였다.
- UHF-대역은 안테나 테스트 커플러를 장착하지 않은 경우 대역 내에서 –15 dB 이하의 반사계수 특성을 나타냈으며, 안테나 테스트 커플러를 장착할 경우 –8.7dB 이하의 반사계수 특성을 보였다.
- S-대역은 안테나 테스트 커플러 미장착 시 –15.5 dB, 안테나 테스트 커플러 장착 시 –13.5 dB 이하의 반사계수 특성을, X-대역은 안테나 테스트 커플러 미장착 시 –10 dB, 안테나 테스트 커플러 장착 시 –10 dB이하의 반사계수 특성을 보였다.
- 통신점검결과 UHF-대역은 안테나 #1로 안테나 경로 선택 시 0.55 V의 SS 값을, FSD와 ACS는 1을 확인할 수 있었다. 안테나 #2로 안테나 경로 선택 시 0.
- 53 V의 SS값, FSD는 1, ACS는 0을 확인할 수 있었다. 종단저항 연결 시에는 0.43 V의 SS값과 0의 FSD값을 얻을 수 있었으며, ACS값은 0과 1을 반복하는 것을 확인할 수 있었다. UHF-대역에서 ACS값이 0과 1을 반복하는 것은, 추적 및 비행종단장치에서 수신되는 신호가 동작범위 이하인 경우, 2개의 안테나 중에서 어느 안테나로 신호가 수신될지 모르기 때문에, 안테나를 하나씩 스위칭하여 신호를 찾기 때문이다.
- S-대역은 안테나 #1로 안테나 경로 선택 시 4.82 V의 SS 값을, 안테나 #2 선택 시 4.82 V, 종단저항 선택 시 1.79 V의 값을 확인할 수 있었고, 안테나 #1 및 안테나#2 선택 시 원격측정장치 점검장비에서 데이터를 정상적으로 수신할 수 있었다.
- 43 V의 SS값과 1의 FSD값, 0의 ACS값을 확인할 수 있었다. 종단저항 선택 시에는 0.02 V의 SS값, 0의 FSD값과 함께 0과 1을 반복하는 ACS값을 확인할 수 있었다. 안테나 #1과 안테나#2 선택 시 SS, FSD, ACS 값이 간헐적으로 변하는 것은, 추적 및 비행종단시스템에서 X-대역의 경우 2개의 안테나 중 높은 신호가 수신되는 안테나를 사용하기 위하여, 주기적으로 안테나를 스위칭에서 수신되는 신호의 세기를 비교, 큰 전력이 들어오는 안테나를 선택하기 때문이다.
- 제안하는 소형 발사체 무선 통신시스템 검증을 위한 테스트 베드를 이용하여 발사체 통신시스템을 점검한 결과, 통신시스템 모두 정상 동작함을 확인함과 동시에 테스트 베드 또한 정상적으로 동작함을 확인할 수 있었다. 표 1은 제안한 테스트 베드를 이용하여 발사체 무선 통신시스템 점검을 수행한 결과를 나타낸 것이다.
- RF 감쇄기는 각 장치별 점검 장비 및 각 장치의 감도에 따라 신호의 세기를 조절하는 역할을 하며, RF 스위치는 발사체에 장착된 각 대역별 안테나를 선택적으로 점검할 수 있도록 하는 역할을 한다. 실제 소형 발사체를 이용한 통신 점검 결과, 정상적으로 데이터 송/수신이 가능하였으며, 각 대역별 안테나를 선택적으로 점검할 수 있었다. 본 논문에서 제안한 발사체 통신시스템 테스트 베드를 이용하면 다양한 형태의 발사체 통신시스템 점검에 활용 가능할 것으로 기대된다.
후속연구
- 실제 소형 발사체를 이용한 통신 점검 결과, 정상적으로 데이터 송/수신이 가능하였으며, 각 대역별 안테나를 선택적으로 점검할 수 있었다. 본 논문에서 제안한 발사체 통신시스템 테스트 베드를 이용하면 다양한 형태의 발사체 통신시스템 점검에 활용 가능할 것으로 기대된다.
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