[논문]운반형 위성단말 고출력 상향 주파수변환기 설계 및 제작

김주연; 신관호

doi:10.7471/ikeee.2020.24.1.72

운반형 위성단말 고출력 상향 주파수변환기 설계 및 제작
BUC Design and Fabrication for Flyaway Satellite Terminal 원문보기

전기전자학회논문지 = Journal of IKEEE, v.24 no.1, 2020년, pp.72 - 80

김주연 (Satellite.Datalink Team, Hanwha Systems) , 신관호 (Agency for Defense Development)

초록
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본 논문은 군 위성의 지상 단말 중 하나인 운반형 위성단말의 구성품인 고출력상향주파수변환기의 설계 및 제작에 관해 기술하였다. 고출력상향주파수변환기는 물리적으로 상향변환모듈, 고출력증폭모듈, 수신대역억제필터, 기구, 케이블조립체로 구성된다. 고출력상향주파수변환기의 전기적 요구 규격인 최대 출력 전력, 이득, 불요파, 상호변조 등의 전기적 특성을 만족하기 시뮬레이터(AWR)를 이용하여 설계하였다. 최대 출력 전력, 이득 특성은 각각 43.4dBm 및 51.8dB로 측정되었고, 불요파, 상호변조 특성은 각각 -73.5dBc 및 -31.9dBc로 측정되었다. 표 1의 전기적 요구 사항 중 상기 4가지 뿐만 아니라 다른 항목에 대해서도 모두 만족함을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper describes the design and fabrication of a BUC(Block Up-converter) which is a component of a FST (Flyaway Satellite Terminal), one of the ET(Earth Terminal) of the military satellite. BUC is physically composed of an up-converter module, a high power amplifier module, a receive band suppression filter, a housing, and a cable assembly. It was designed using simulator AWR to satisfy the electrical characteristics of BUC's such as maximum output power, gain, unwanted signal, and intermodulation. The maximum output power and gain characteristics were measured at 43.4dBm and 51.8dB, respectively. The unwanted wave and intermodulation characteristics were -73.5dBc and -31.9dBc, respectively. Of the electrical requirements of Table 1, not only the above four but also all of the items were confirmed to be satisfied.

주제어

표/그림 (30)

그림 Fig. 1. Basic Satellite communication system. 그림 1. 기본 위성 통신 시스템
그림 Fig. 2. Military Satellite Communication System. 그림 2. 군 위성 통신 시스템
그림 Fig. 3. Flyaway Satellite Terminal and BUC Shape. 그림 3. 운반형 위성단말 및 BUC 형상
표 Table 1. BUC Requirement. 표 1. BUC 요구사항
그림 Fig. 4. Interface of BUC. 그림 4. BUC 인터페이스
그림 Fig. 5. Detail configuration of BUC. 그림 5. BUC 상세 구성
그림 Fig. 6. Gain simulation result of BUC. 그림 6. BUC 이득 결과
그림 Fig. 7. Analysis circuit of BUC. 그림 7. BUC 해석 회로도
그림 Fig. 8. Maximum Output Power & Spurious simulation result of BUC. 그림 8. BUC 최대출력 및 불요신호 해석 결과
그림 Fig. 9. IMD simulation result of BUC. 그림 9. BUC 상호변조왜곡 해석 결과
그림 Fig. 10. Housing of BUC. 그림 10. BUC 기구물
표 Table 2. L Band BPF Requirement. 표 2. L 대역용 대역통과필터 요구사항
표 Table 3. X Band BPF Requirement. 표 3. X 대역용 대역통과필터 요구사항
표 Table 4. LO Rejection Filter Requirement. 표 4. 국부발진기 제거용 필터 요구사항
표 Table 5. RRF Requirement. 표 5. 수신대역억제필터 요구사항
그림 Fig. 11. Phothgraph of BUC. 그림 11. BUC 사진
그림 Fig. 12. Phothgraph of UCM. 그림 12. UCM 사진
그림 Fig. 13. L Band BPF Test Result. 그림 13. L 대역 대역통과필터 측정 결과
그림 Fig. 14. X Band BPF Test Result. 그림 14. X 대역 대역통과필터 측정 결과
그림 Fig. 15. LO Rejection Filter Test Result. 그림 15. LO 제거용 필터 측정 결과
그림 Fig. 16. Phothgraph of HPAM. 그림 16. HPAM 사진
그림 Fig. 17. Phothgraph of RRF. 그림 17. 수신대역억제필터 사진
그림 Fig. 18. RRF Test Result. 그림 18. 수신대역억제필터 측정 결과
그림 Fig. 19. Gain Characteristic of BUC. 그림 19. BUC의 이득 특성
그림 Fig. 20. Maximum Output Power Characteristic of BUC. 그림 20. BUC의 최대출력파워 특성
그림 Fig. 21. Gain Flatness Characteristic of BUC. 그림 21. BUC의 이득 평탄도 특성
그림 Fig. 22. Spurious Characteristic of BUC. 그림 22. BUC의 불요파 특성
그림 Fig. 23. Harmonic Characteristic of BUC. 그림 23. BUC의 하모닉 특성
그림 Fig. 24. IMD Characteristic of BUC. 그림 24. BUC의 상호변조왜곡 특성
그림 Fig. 25. Phase Noise Characteristic of BUC. 그림 25. BUC의 위상잡음 특성

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 군 위성의 지상 단말 중 하나인 운반형 위성단말에서 요구되는 송신부의 조건이 반영된 BUC를 설계하고, 이의 구현 결과에 대해 기술하였다.
본 논문에서는 망 구조에 관한 부분은 제외하고, 단지 위성의 상호 운용성에 관한 표준 문서에서 제시한 전기적 규격과 운반형 위성단말의 물리적인 인터페이스를 고려한 BUC의 설계 및 제작에 관해서만 논의하고자 한다[1][2].

제안 방법

Filter 4종을 제외한 모든 부품들은 동작 온도, 각 소자별 전기적 특성을 고려하여 상용 부품 중에서 적절히 선택하여 적용하였다. BPF는 IFM 모듈의 입력 신호의 Spurious 및 Harmonic 성분을 제거하기 위한 L 대역용과, 상향 주파수 변환이 된 후 발생하는 Spurious 및 Harmonic 성분을 제거하기 위한 X 대역용의 2종으로 적용하였다.
BUC의 전기적 내/외부 구성은 그림 4와 같다. BUC는 외부의 IFM(Inter Frequency Module)에서 IF신호와 10MHz Reference 신호를 입력받아서 UCM(Up-Converter Moudule)을 통해 X 대역으로 주파수 상향변환, 증폭, 대역 외 불필요한 신호를 제거한 후 HPAM(High Power Amplifer Module)을 통해 최대 출력을 얻을 수 있도록 RF(Radio Frequency)부를 구성하였다. 또한 송신 주파수 성분이 수신 주파수로 넘어가는 양을 최소화하기 위해 BUC의 종단에 RRF(Receive Reject Filter)를 적용하여 최종 송신 신호를 ANT(안테나)로 전달하게 된다.
BUC의 RF 송신 주파수는 운반형 위성단말에서 요구되는 X 대역, IF 수신 주파수는 L 대역으로 적용하였다. BUC의 Gain(이득) 및 Maximum Output Power(최대출력전력)는 IFM과 연결되는 케이블 손실과 안테나를 포함한 운반용 단말의 EIRP(Effective Isotropic Radiated Power) 규격을 만족하기 위해 각각 50dB 이상, +43dBm 이상의 규격으로 정하였다.
BUC의 IMD(Inter-Modulation Distortion) 특성은 그림 9와 같이 약 -32.792dBc (m1-m2)로 요구사항인 -25dBc 이하를 만족하도록 설계하였다.
BUC의 RF 송신 주파수는 운반형 위성단말에서 요구되는 X 대역, IF 수신 주파수는 L 대역으로 적용하였다. BUC의 Gain(이득) 및 Maximum Output Power(최대출력전력)는 IFM과 연결되는 케이블 손실과 안테나를 포함한 운반용 단말의 EIRP(Effective Isotropic Radiated Power) 규격을 만족하기 위해 각각 50dB 이상, +43dBm 이상의 규격으로 정하였다.
BUC의 Spurious와 Harmonic 규격을 만족하도록 표 2～5와 같이 BPF 2종, LO Rejection Filter, RRF는 세부 규격을 적용하여 설계하였다. Filter 4종을 제외한 모든 부품들은 동작 온도, 각 소자별 전기적 특성을 고려하여 상용 부품 중에서 적절히 선택하여 적용하였다.
BUC의 전기적 특성 분석을 위한 회로도는 그림 7과 같고, 이득, 최대출력전력, 불요파(하모닉 포함), 상호변조억압도 등의 특성을 확인하였다. BUC의 이득 특성은 그림 6과 같이 51.6dB로 요구사항인 50dB 이상을 만족하도록 설계하였다. 이때의 입력 신호 크기는 -13dBm로 IFM의 신호 레벨 범위 안에 있으며, BUC의 선형 영역에서 동작하는 특성이다.
이득 및 최대 출력 전력 요구 조건을 만족하면서 표 1의 다른 요구 조건을 만족하기 위해 NI(National Instruments)사의 AWR을 이용하여 설계하였다[3][4]. BUC의 전기적 특성 분석을 위한 회로도는 그림 7과 같고, 이득, 최대출력전력, 불요파(하모닉 포함), 상호변조억압도 등의 특성을 확인하였다. BUC의 이득 특성은 그림 6과 같이 51.
주하징 내부에 UCM과 HPAM이 2단의 적층형태로 구성되고, 상부에 외부 IFM, PM, CM 모듈과 연동할 수 있는 커넥터가 위치한다. BUC의 최종출력 단자인 RRF의 출력은 CPR112G 형태로 안테나와 연결될 수 있는 구조로 설계하였다.
그림 5의 BUC 상세 구성에서 보듯이 UCM 내부에 BPF(Band Pass Filter), LO(Local Oscillator) Rejection Filter를 두어 주파수 상향 변환 시 발생하는 대역 내/외의 불요신호를 제거하고, 종단에 RRF를 두어 최종적으로 BUC 출력에서 Spurious와 Harmonic 규격을 만족할 수 있도록 설계하였다.
BUC는 외부의 IFM(Inter Frequency Module)에서 IF신호와 10MHz Reference 신호를 입력받아서 UCM(Up-Converter Moudule)을 통해 X 대역으로 주파수 상향변환, 증폭, 대역 외 불필요한 신호를 제거한 후 HPAM(High Power Amplifer Module)을 통해 최대 출력을 얻을 수 있도록 RF(Radio Frequency)부를 구성하였다. 또한 송신 주파수 성분이 수신 주파수로 넘어가는 양을 최소화하기 위해 BUC의 종단에 RRF(Receive Reject Filter)를 적용하여 최종 송신 신호를 ANT(안테나)로 전달하게 된다.
본 논문에서는 위성의 상호 운용성에 관한 표준문서인 ‘MIL-STD-188-164’에서 제안하는 전기적인 규격을 기준으로 운반형 위성단말에서 요구되는 전기적 규격과 물리적인 외부 인터페이스를 충족하는 규격을 표 1과 같이 정의하였다.
이득 및 이득평탄도는 Power Meter를 이용하여 측정하였고, 나머지 항목은 Spectrum Analyzer를 이용하여 측정하였다. 또한 최대출력파워를 제외한 항목들의 시험 시 입력은 -13dBm이고, 최대출력 시험 시 입력은 -10dBm에서 1dB 씩 증가시키면서 출력파워가 +43dBm을 만족하는지 확인하였다.
BUC의 최대 출력 특성은 입력 신호가 -7dB일때 의 특성으로 그림 8과 같이 44dBm으로 요구 사항인 +43dBm 이상을 만족하였고, 이때 불요파Spurious 특성은 -60dBc 이하임을 확인 할 수 있다. 이득 평 탄도를 만족하기 위해 PCB Layout에 정합할 수 있는 튜닝 포인트를 반영하였다.
표 1의 BUC 요구조건 중 주파수(RF, IF)와 Ref Signal은 시험 항목의 입, 출력 조건이어서 별도로 시험을 하지는 않고, 이 조건에서 다른 항목들에 대한 특성을 확인하였다. 이득 평탄도를 제외한 항목들은 7,9GHz(시작주파수), 8.

이론/모형

이득 및 최대 출력 전력 요구 조건을 만족하면서 표 1의 다른 요구 조건을 만족하기 위해 NI(National Instruments)사의 AWR을 이용하여 설계하였다[3][4]. BUC의 전기적 특성 분석을 위한 회로도는 그림 7과 같고, 이득, 최대출력전력, 불요파(하모닉 포함), 상호변조억압도 등의 특성을 확인하였다.

성능/효과

BUC 제작 및 시험한 결과 최대 출력 전력, 이득 특성은 각각 43.4dBm 및 51.8dB로 측정되었고, 불요파, 상호변조 특성은 각각 -73.5dBc 및 -31.9dBc 로 측정되었다. 표 1의 전기적 요구 사항 중 상기 4가지 뿐만 아니라 다른 항목에 대해서도 모두 만족함을 확인하였다.
BUC의 상호변조왜곡 특성은 그림 24와 같이 -31.94 dBc로 표 1의 요구사항인 -25dBc 이하임을 확인하였다.
BUC의 위상잡음특성은 그림 25와 같이 -79.41～-118.77dBc로 표 1의 요구사항인 각 주파수 offset별 조건을 만족함을 확인하였다.
9dBc 로 측정되었다. 표 1의 전기적 요구 사항 중 상기 4가지 뿐만 아니라 다른 항목에 대해서도 모두 만족함을 확인하였다. 따라서 설계 및 구현된 BUC의 효용성이 확인되어 운반형 위성단말의 구성품으로 적용될 수 있을 것이라 판단된다.

후속연구

표 1의 전기적 요구 사항 중 상기 4가지 뿐만 아니라 다른 항목에 대해서도 모두 만족함을 확인하였다. 따라서 설계 및 구현된 BUC의 효용성이 확인되어 운반형 위성단말의 구성품으로 적용될 수 있을 것이라 판단된다.
향후 운반형 위성단말에 장착하여 온도, 충격, 진동, 강우 등의 환경시험과 EMC(전자기적합성시험)을 수행할 예정이다. 또한 소형화 작업을 하고, 이를 바탕으로 이중화 구조로 확장을 한다면 다양한 단말에 적용이 가능할 것으로 기대한다.
향후 운반형 위성단말에 장착하여 온도, 충격, 진동, 강우 등의 환경시험과 EMC(전자기적합성시험)을 수행할 예정이다. 또한 소형화 작업을 하고, 이를 바탕으로 이중화 구조로 확장을 한다면 다양한 단말에 적용이 가능할 것으로 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고출력상향주파수변환기의 전기적 요구 규격은 무엇이 있는가?	고출력상향주파수변환기는 물리적으로 상향변환모듈, 고출력증폭모듈, 수신대역억제필터, 기구, 케이블조립체로 구성된다. 고출력상향주파수변환기의 전기적 요구 규격인 최대 출력 전력, 이득, 불요파, 상호변조 등의 전기적 특성을 만족하기 시뮬레이터(AWR)를 이용하여 설계하였다. 최대 출력 전력, 이득 특성은 각각 43.
	고출력상향주파수변환기는 물리적으로 어떻게 구성되는가?	본 논문은 군 위성의 지상 단말 중 하나인 운반형 위성단말의 구성품인 고출력상향주파수변환기의 설계 및 제작에 관해 기술하였다. 고출력상향주파수변환기는 물리적으로 상향변환모듈, 고출력증폭모듈, 수신대역억제필터, 기구, 케이블조립체로 구성된다. 고출력상향주파수변환기의 전기적 요구 규격인 최대 출력 전력, 이득, 불요파, 상호변조 등의 전기적 특성을 만족하기 시뮬레이터(AWR)를 이용하여 설계하였다.
	BUC가 장착되는 운반형 위성단말의 역학은 무엇인가?	본 연구에서 설계된 BUC와 BUC가 장착되는 운반형 위성단말의 형상은 그림 3과 같다. 운반형 위성단말은 군 지휘 통제용 단말로서 차량 등에 적재하여 이동 후 통신병 2인이 운반하여 고정 설치 후 IP기반 음성, 데이터 및 영상서비스를 군 위성중계기를 이용하여 제공하는 역할을 한다[2].

참고문헌 (4)

Interoperability of SHF Satellite communications Terminals, Department of Defense Interface Standard, MIL-STD-188 164B, 2012.
Deok-Woo Lee, Sung-Jae Lee and Sung-Nam Choi, "Design and Implementation of Emergency Battery for Flyaway Satellite Terminal System," KIIT, Vol.15, No.9, pp.29-35, 2017. DOI: 10.14801/jkiit.2017.15.9.29
Jong-Sung Kim, Moon-Kwan Bae and Joo-Yeon Kim, "High Power Amplifier Designand Fabrication for Tactical Data Link," Journal of IKEEE, Vol.21, No.4., pp.338-347, 2017. DOI: 10.7471/ikeee.2017.21.4.338

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Joo-Yeon Kim, "RF Transceiver Design and Implementation for Common Data Link," Journal of IKEEE, Vol.19, No.3, pp.371-377, 2015. DOI: 10.7471/ikeee.2015.19.3.371

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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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