[논문]위성 레이다용 QM급 주파수합성기 설계 및 제작

김동식; 김현철; 허전; 김완식

doi:10.7236/jiibc.2020.20.3.9

위성 레이다용 QM급 주파수합성기 설계 및 제작
Design and Implementation on Frequency Synthesizer Qualification Model Level for SAR payload 원문보기

The journal of the institute of internet, broadcasting and communication : JIIBC, v.20 no.3, 2020년, pp.9 - 14

김동식 (LIGNEX1, 위성) , 김현철 ((주)LIG넥스원) , 허전 ((주)LIG넥스원) , 김완식 ((주)LIG넥스원)

초록
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본 논문에서는 SAR 탑재체에 적용할 수 있는 X-band 주파수합성기 인증모델(QM)을 설계 및 제작하고, 우주환경모의 시험을 통해 그 성능을 검증하였다. 제작된 주파수합성기는 상하향변환에 필요한 13.XXGHz 의 저잡음 국부신호를 생성하는 역할을 수행하며, 10Hz에서 1MHz 까지 측정된 적분 위상잡음은 -37.91 dBc 이다. 측정된 위상잡음을 통해 SAR 성능지표인 IRF성능 영향분석을 수행하였으며, 0.2 ps 의 지터로 PSLR과 ISLR에 영향 없이 SAR 시스템에 적용 가능함을 확인하였다. 또한, 열분석, 구조분석을 수행하여 안정성을 확인하였으며, 열진공, 열주기, 진동, 충격 시험을 통해 우주환경 내성을 확인하였다. 제작된 QM 급 주파수합성기는 L-band, C-band, Ku-band 주파수를 출력하며, 6U모듈 2개로 설계를 하였다. 본 연구를 통해 국내 위성용 RF 모듈의 국산화 기술 확보와 SAR 위성용 주파수합성기 기술 개발에 활용이 가능하다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, Qualification Model of frequency synthesizer is designed for X-band SAR system and performed electrical and environment test. Designed frequency synthesizer generate 13.65 GHz with very low phase noise performance. The integrated phase noise from 10Hz to 1MHz is -37.91 dBc. IRF performances are analyzed according to phase noise and jitter. Also, thermal and structure analysis are achieved for stable operation in space environment. Designed frequency synthesizer is consist of 2 modules of 6U size and generate L-band, C-band, Ku-band. The result of this study would enhance the design ability of RF module and help the frequency synthesizer design for SAR payload system.

주제어

표/그림 (16)

그림 그림 1. SAR 시스템 설계 과정 Fig. 1. SAR system design process
그림 그림 2. 주파수합성기 내부 구성 Fig. 2. Block Diagrm of Frequency synthesizer
그림 그림 3. 주파수별 위상잡음 가상시험 결과 Fig. 3. phase noise simulation results
그림 그림 4. RK408 (좌) 와 PE97640 (우) 형상 Fig. 4. RK 408 OCXO (L) & PE97640 (R) configuration
그림 그림 5. 주파수합성기모듈 제작 형상 Fig. 5. frequency synthesizer module design result
그림 그림 6 주파수합성기 열 구조분석 결과 Fig. 6. Thermal & Structure analysis of frequency synthesizer
그림 그림 7. 우주환경모의시험 과정 Fig. 7. Space environment test process
그림 그림 8. 진동시험 프로파일 Fig. 8. Vibration test profile
그림 그림 9. 열 진공 프로파일 (8주기) Fig. 9. Thermal vacuum test profile
그림 그림 10. 열주기 프로파일 (16주기) Fig. 10. Thermal cycle profile (16 cycles)
그림 그림 11. 13.xxGHz 위상잡음 측정 결과 Fig. 11. 13.xxGHz phase noise test result
그림 그림 12. 지터에 의한 IRF 성능 영향 Fig. 12. IRF according to Jitter
그림 그림 13. 지터에 의한 PSLR 영향 분석 Fig. 13. PSLR analysis by Jitter
그림 그림 14. 지터에 의한 ISLR 영향 분석 Fig. 14. ISLR according to Jitter
그림 그림 15. 초당 주파수 측정 결과 Fig. 15. frequency stability test result
표 표 1. 주파수합성기 설계 요구사항 및 측정결과 Table 1. frequency synthesizer design requirements

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 위성 SAR 시스템에 적용할 수 있는 QM급 주파수합성기를 설계 제작하였다. SAR 시스템에 서 중요한 RF부품이 바로 주파수합성기이며, 영상의 성 능을 저하시키지 않는 낮은 위상잡음을 구현하였다.
본 연구에서는 X 대역 SAR 시스템을 위한 RF 핵심 구성품인 QM (Qualification Model) 급 주파수합성기에 대한 설계 제작을 수행하고, 환경시험을 통해 우주환경에 적합성을 검증하였다. SAR 시스템은 전자파를 이용하여 지상으로부터 반사파에 대한 정보를 분석함으로써 영상을 획득하는 시스템으로 날씨와 주야에 상관없이 영상을 획득할 수 있다는 장점이 있어, 광학탑재체의 단점을 보완할 수 있다.

제안 방법

불요파레벨은 송신 첩신호 대 역내의 스펙트럴 재성장 성분을 증가시키는 영향을 주게 되며, 위상잡음은 위상에러에 의해 PSLR 과 ISLR에 영향을 미치게 된다^[4][5]. 본 설계에서는 스펙트럴 재성장 레벨을 최소화 하기 위하여 필터링을 통해 불요파 레벨을 70 dBc 이상으로 억제하였으며, 위상잡음 결과는 지터 성분으로 환산하여 영상성능에 미치는 영향을 분석하였다. 제작된 주파수합성기에서 실질적인 SAR 송신파형에 가장 큰 영향을 주는 주파수는 13.
또한, SAR 탑재체는 수십초 이상동안 연속 동작으로 인해 신호의 안정도가 중요하며, 이는 마스터오실레이터에 의해 좌우되며, 전원인가 후 주파수 안정화 이후 매 초당 주파수를 확인하여 표준편차를 통해 주파수 안정도를 확인 할 수 있다. 본 연구에서는 PLL 의 기준신호로 사용되는 50MHz 신호를 측정하여 주파수 안정도를 확 인하였다.
설계된 주파수합성기는 6U 사이즈의 2개의 모듈로 구성이 되며, 주파수합성기모듈1은 마스터오실레이터를 포함하고 있으며, PLL을 위한 기준 주파수를 생성하는 역할을 수행한다. 주파수합성기모듈2 는 PLL과 혼합기를 이용하여 출력주파수를 생성하는 역할을 수행한다.
열 주기 시험은 그림 10과 같이 –25 ~+55 에서 16주기 시험을 수행하였으며, 마지막으로 전자파적합성 시험을 수행하였으며, 모든 규격을 만족하였다.
위성용 부품은 발사진동과 충격에 대한 요구사항으로 x,y,z 축 방향으로 각각 sine 파 진동시험과 20 ~ 2000Hz 의 랜덤 진동시험이 수행하였다. 진동 시험의 프로파일은 그림 8과 같다.
제작된 주파수합성기는 기구물의 구조 해석 및 열 해석을 수행하였다. 위성용 부품의 경우 발사진동을 견디기 위하여 구조물이 갖는 고유공진주파수는 100Hz 이상이 되어야 한다.
제작된 주파수합성기는 전기적 성능 이외에 우주환경 모의시험을 수행하였으며, 진동, 충격, 열진공, 열주기, EMI시험을 수행하였으며, 시험의 신뢰도를 확보하기 위하여 우주 부품 시험 전문 기관인 우주부품시험센터(진 주)에서 수행하였다. 환경시험 순서는 그림 7과 같은 순서로 진행하였으며, 열진공 시험을 위하여 주장비와 케이블에 대한 Bake-out 과정을 사전에 수행하였다.
xxGHz를 생성하게 된다. 주파수생성을 위하여 PLL기법을 적용하며, 가장 높은 주파수인 13.xxGHz를 직접 생성 가능한 우주급 PLL과 VCO의 부재로 인해 내부에서 생성한 6.xGHz 와 4.xxGHz 그리고, 2.xMHz 주파수를 혼합하 여 생성하였다. 주파수합성기의 내부 구성은 그림 2와 같다.
제작된 주파수합성기는 전기적 성능 이외에 우주환경 모의시험을 수행하였으며, 진동, 충격, 열진공, 열주기, EMI시험을 수행하였으며, 시험의 신뢰도를 확보하기 위하여 우주 부품 시험 전문 기관인 우주부품시험센터(진 주)에서 수행하였다. 환경시험 순서는 그림 7과 같은 순서로 진행하였으며, 열진공 시험을 위하여 주장비와 케이블에 대한 Bake-out 과정을 사전에 수행하였다.

대상 데이터

개발된 주파수합성기는 3개의 주파수 13.xxGHz, 4.xxGHz, 1.xxGHz 신호를 생성한다. 상하향 변환을 위 한 국부신호로 13.
xxGHz 신호를 생성한다. 상하향 변환을 위 한 국부신호로 13.xxGHz 의 신호를 사용한다. 수신단에 있어서는 국부신호에 의해 하향 변환된 후, 주파수합성기 에서 생성된 4.
인증모델 개발을 위해서는 우주환경에 대한 방사선 내 성을 보유한 부품을 사용해야 하며, 본 연구에서는 100krad 이상의 TID (Total Inonized Dose) 성능을 보유한 RAKON사의 RK408 100MHz OCXO(Oven Controlled Crystal Oscillator)를 기준 주파수로 사용 하였으며, PLL칩은 peregrine 사의 PE97640을 적용하 였다. 적용된 OCXO와 PLL 의 형상은 그림 4 와 같다.

성능/효과

본 논문에서는 위성 SAR 시스템에 적용할 수 있는 QM급 주파수합성기를 설계 제작하였다. SAR 시스템에 서 중요한 RF부품이 바로 주파수합성기이며, 영상의 성 능을 저하시키지 않는 낮은 위상잡음을 구현하였다.
또한, 우주환경에서의 적합성을 확인하기 위하여 환경시험 및 전자파적합성 시험을 수행하였으며, 시험결과 모든 규격을 만족함을 확인하였다. 본 연구를 통해 국내 SAR 탑재체 개발을 위한 RF모듈 국산화에 도움이 될 것으로 판단되며, L 대역 및 C 대역 그리고, Ku 대역 SAR 시스템 개발에도 응용할 수 있다.
위성용 부품의 경우 발사진동을 견디기 위하여 구조물이 갖는 고유공진주파수는 100Hz 이상이 되어야 한다. 본 설계에서의 1차 고유주파수는 그림 6과 같이 992.25Hz 로 충분한 마진을 가지고 있음을 알 수 있다.
분석결과 각 PLL 의 위상잡음 분석결과와 시험결과가 일치함을 확인하였으며, 3개의 위상잡음을 더한 값 또한 실제 측정치와 일치함을 확인하였다.
측정결과 약 180초 이후에 웜업 이 완료되어 주파수가 안정화 됨을 알 수 있다. 안정화 이후 주파수 편차 분석을 통해 주파수 안정도를 확인 할 수 있으며, 200초에서 400초 사이 주파수 최고치와 최소치의 차이는 0.4 Hz 로, 50MHz 에 대한 규준화 값은 8 ppb 로 매우 안정적인 주파수를 출력하고 있음을 확 인하였다.
열진공 시험은 그림 9와 같이 10-5 torr에서 –25 ~ +55 도에서 8주기 시험을 수행하였으며, 매 주기마다 측정을 통해 출력성능에 이상이 없음을 확인하였다.
측정된 위상잡음은 10Hz에서 1MHz 까지 적분하여 누적 위상잡음을 확인할 수 있다. 위상잡음값은 식 (1)~(4)를 이용하여 위상변조 에러와 주파수변조 에러를 변환할 수 있으며, 시간축에서의 지터값으로 환산이 가능 하다.

후속연구

또한, 우주환경에서의 적합성을 확인하기 위하여 환경시험 및 전자파적합성 시험을 수행하였으며, 시험결과 모든 규격을 만족함을 확인하였다. 본 연구를 통해 국내 SAR 탑재체 개발을 위한 RF모듈 국산화에 도움이 될 것으로 판단되며, L 대역 및 C 대역 그리고, Ku 대역 SAR 시스템 개발에도 응용할 수 있다.

참고문헌 (5)

J.M. Park, D.S. Kim, W.S. Kim, J.P. Kim, "Operation Mode Design and Performance Analysis for Small Satellite SAR Payload", The Journal of The Institute of Internet, Broadcasting and Communication, Vol 19, No.5, pp.169-173, Oct. 2019. DOI: http://doi.org/10.7236/jiibc.2019.19.5.169
S.H. Oh, G.J. Seo, D.S. Oh, J.S. Lee, C.W. Oh, "Design and Implementation of Engineering Qualification Model of S-Band Transmitter for STSAT-3" , Journal of The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol 38, No.1, pp. 80-86, Jan. 2010. DOI: http://doi.org/10.5139/JKSAS.2010.38.1.080

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D.S. Kim, H.S. Lee, J.P. Kim, S.J. Kim, " Design and Modeling of a DDS Driven Offset PLL with DAC", The Journal of The Institute of Internet, Broadcasting and Communication, Vol 12, No.5, pp.1-9, Oct. 2012. DOI: http://doi.org/10.7236/JIWIT.2012.12.5.1
S.B. Ryu, J.P. Kim, J.H. Yang, Y.J Won, S.K. Lee, "Study of RF Impairments in Wideband Chirp Signal Generator", The Journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, Vol 24, No.12, pp.1205-1214 Dec. 2013. DOI: http://doi.org/10.5515/KJKIEES.2013.24.12.1205

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D.S. Kim, J.P. Kim, J.H. Lee, "IRF performance prediction by analyzing of amplitude and phase errors for the wideband Chirp signal", Journal of The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol 44, No.2, pp.131-138. Feb.2016. DOI: http://doi.org/10.5139/JKSAS.2016.44.2.131

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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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