[논문]자율무인잠수정용 UHF-GPS 안테나 설계 및 해석

박상진; 조영준; 서동현; 박인근

doi:10.12673/jant.2022.26.6.464

자율무인잠수정용 UHF-GPS 안테나 설계 및 해석
Design and Analysis of UHF-GPS Antenna for Autonomous Underwater Vehicles 원문보기

한국항행학회논문지 = Journal of advanced navigation technology, v.26 no.6, 2022년, pp.464 - 473

박상진 (단암시스템즈 통신기술연구소) , 조영준 (단암시스템즈 통신기술연구소) , 서동현 (단암시스템즈 통신기술연구소) , 박인근 (LIG넥스원 해양연구소)

초록
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본 논문에서는 자율무인잠수정에 사용되는 UHF-GPS 안테나의 성능을 만족하는 경량화 설계에 대해 제안하였다. 설계 프로세스에 사용된 구조해석, 수밀외압시험 그리고 비파괴 검사는 수중운용 환경에서 발생하는 외력에 대한 구조 안전성을 고려하여 결정하였다. 먼저 수상에서 모함과 통신을 위한 UHF-GPS 안테나 성능과 수중 운용 시 발생하는 20 bar 압력을 고려한 레이돔 재질을 선정하였으며, 전자기장해석 및 구조해석을 수행하여 무게 대비 강도 및 강성이 높고 유전율이 우수한 PA-GF 소재를 선정하였다. 그리고 UHF-GPS 안테나의 요구 중량을 만족하기 위한 레이돔 두께별 전자기장해석 및 구조해석을 추가 수행하였으며, 최종 모델 선정 후 수밀외압시험 및 비파괴 검사를 통해 구조 안전성을 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, about a lightweight design that satisfies the performance of UHF-GPS Antenna used in autonomous underwater vehicle is proposed. Structural analysis, watertight external pressure test and non-destructive testing used in the design process are decided in consideration of structural safety for operating external forces in the underwater environment. First, the material of radome is selected for the performance of the UHF-GPS Antenna for communication with the carrier on the underwater operation in consideration of the 20 bar pressure generated. And the material of radome as PA-GF is selected by conducting electromagnetic field analysis and structural analysis and by considering high strength, rigidity and high dielectric constant. Electromagnetic field analysis and structural analysis by the thickness of radome are additionally performed in order to satisfy the required weight of UHF-GPS antenna. After selecting the final model, its structural safety is verified through watertight external pressure test and non-destructive testing.

주제어

표/그림 (28)

그림 그림 1. 자율무인잠수정 운용 개념도 Fig. 1. Conceptual diagram of Autonomous Underwater Vehicle operation.
그림 그림 2. 자율무인잠수정의 UHF-GPS Antenna Fig. 2. Autonomous Underwater Vehicle's UHF-GPS Antenna.
그림 그림 3. UHF-GPS 안테나 구성도 Fig. 3. UHF-GPS Antenna configuration diagram.
그림 그림 4 UHF-Band 안테나 PCB 제원 Fig. 4. UHF-Band Antenna PCB specifications.
그림 그림 5. UHF-GPS 안테나(PC) 반사 손실 Fig. 5. UHF-GPS Antenna(PC) return loss.
표 표 1. UHF-GPS 안테나 설계 규격 Table 1. UHF-GPS Antenna design specifications.
표 표 2. Polycarbonate 물성치 Table 2. Material properties of Polycarbonate.
그림 그림 6. UHF-GPS 안테나(PC) 성능 결과 Fig. 6. UHF-GPS Antenna(PC) performances results.
그림 그림 7. UHF-GPS 안테나(PC) 유한요소 모델 형상 Fig. 7. UHF-GPS Antenna(PC) finite element model geometry.
그림 그림 8. UHF-GPS 안테나(PC) 구조해석 결과 Fig. 8. UHF-GPS Antenna(PC) structural analysis results.
그림 그림 9. UHF-GPS 안테나 PESU, PA-GF 반사 손실 비교 Fig. 9. Comparison with UHF-GPS Antenna PESU and PA-GF return loss.
그림 그림 10. UHF-GPS 안테나 PESU, PA-GF 성능 비교 Fig. 10. Comparison with UHF-GPS Antenna PESU and PA-GF performances.
그림 그림 11. UHF-GPS 안테나 구조해석 결과, (a) PESU, (b) PA-GF Fig. 11. UHF-GPS Antenna(PESU) structural analysis results.
표 표 3. PESU, PA-GF 물성치 Table 3. Material properties of PESU and PA-GF.
표 표 4. UHF-GPS 안테나 두께별 안전여유 비교 결과 Table 4. Comparison with safety margins by UHF-GPS antenna thickness.
그림 그림 12. UHF-GPS 안테나 재질별 구조해석 결과 Fig. 12. Structure analysis results by UHF-GPS Antenna material.
그림 그림 13. UHF-GPS 안테나 재질별 구조해석 결과 Fig. 13. Structure analysis results by UHF-GPS Antenna material.
그림 그림 14. UHF-GPS 안테나 경량화 설계안 Fig. 14. UHF-GPS Antenna lightweight design.
그림 그림 15. UHF-GPS 안테나(PA-GF) 두께별 반사 손실 비교 Fig. 15. Comparison with return loss and UHF-GPS Antenna(PA-GF) thickness.
그림 그림 16. UHF-GPS 안테나(PA-GF) 두께별 성능 비교 Fig. 16. Comparison with performances and UHF-GPS Antenna(PA-GF) thickness.
그림 그림 17. UHF-GPS 안테나 두께별 구조해석 결과, (a) PA-GF(1t), (b) PA-GF(2t), (c) PA-GF(3t) Fig. 17. UHF-GPS Antenna structural analysis results.
그림 그림 18. UHF-GPS 안테나 두께별 최대응력 비교 결과 Fig. 18. Results of comparing maximum stress b yUHF-GPS Antenna thickness.
그림 그림 19. UHF-GPS 안테나 두께별 최대응력 비교 결과 Fig. 19. Comparison with results of maximum stress by UHF-GPS Antenna thickness.
그림 그림 20. 수밀외압시험 프로파일 Fig. 20. Watertight external pressure test profile.
표 표 5. UHF-GPS 안테나 두께별 안전 여유 비교 결과 Table 5. Comparison with safety margins by UHF-GPS Antenna thickness.
그림 그림 21. 수밀외압시험 구성 Fig. 21. Watertight external pressure test.
그림 그림 22. UHF-GPS 안테나 비파괴 검사 시험 Fig. 22. UHF-GPS Antenna non-destructive Test.
그림 그림 23. 비파괴 검사 시험 전-후 결과 Fig. 23. Result before and after non-destructive testing.

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 자율무인잠수정에 적합한 UHF-GPS안테나를 개발하기 위해 전자기장해석 및 구조해석을 수행하여 최적의 모델을 선정하였다. 또한 수밀외압시험을 진행하고 비파괴 검사를 통해 구조 안전성을 검증하였다.
본 논문에서는 자율무인잠수정의 운용환경을 고려하여 구조 안전성을 검토하였다. UHF-GPS 안테나는 정적인 환경에서 수심 200 m에서 20 bar의 압력에 노출된다.

제안 방법

0t 모델을 기준으로 UHF-GPS 안테나를 제작하였다. 그리고 실제 운용환경에서 운용 시 이상 없는지를 확인하기 위해 수밀외압시험을 진행하여 시험 전-후 안테나 성능 및 구조 안전성을 평가하였다. 수밀외압시험은 그림 21과 같이 수심 200 m 환경을 모사하기 위해 안테나를 가압챔버에 설치하여 20 bar 압력을 30분간 인가하는 시험으로 시험 규격은 그림 20과 같다.
이를 보완하기 위해 2차 설계에서는 압력 및 경량화 요구도를 만족하는 소재 선정을 위해 안테나 성능해석 및 구조해석을 수행하여 최종 모델을 선정하였다. 그리고 최종 모델을 제작하여 수밀 외합시험을 통해 구조 안전성을 검증하였다.
그러나 PA-GF를 적용하는 경우 기존 PC보다 밀도가 30% 더 높아 안테나의 중량이 1,007 g으로 목표중량인 1 kg을 초과하는 문제가 발생하였다. 따라서 그림 14와 같이 레이돔 두께 t를 1 mm 단위로 변경한 경량화 모델을 설계하여 다시 안테나 성능 및 구조 안전성 평가를 진행하였다.
본 논문에서는 자율무인잠수정에 적합한 UHF-GPS안테나를 개발하기 위해 전자기장해석 및 구조해석을 수행하여 최적의 모델을 선정하였다. 또한 수밀외압시험을 진행하고 비파괴 검사를 통해 구조 안전성을 검증하였다. 그 결과에 대해 아래와 같이 정리하였다.
본 논문에서는 1차 설계에서 Polycarbonate 경량화 소재를 선정하여 안테나 성능해석 및 구조해석을 수행하였으나, 안테나의 성능은 만족하지만 구조 안전성 문제를 확인하였다. 이를 보완하기 위해 2차 설계에서는 압력 및 경량화 요구도를 만족하는 소재 선정을 위해 안테나 성능해석 및 구조해석을 수행하여 최종 모델을 선정하였다.
수밀외압시험 후 구조적 안전성을 평가하기 위해 비파괴 검사를 진행하여 내부와 외부의 결함을 확인하였다. 비파괴 검사(NDT; non-destructive testing)는 그림 22와 같이 모재에 방사선을 투과하여 시험 전 후 미세한 균열이나 기공, 내부 파손등이 발생하는지 확인하는 검사 방법이다.
UHF-GPS 안테나는 레이돔, UHF (ultra high frequency) 대역 안테나, GPS 안테나, 에폭시 등으로 구성된다. 이때 UHF대역 안테나 기판을 Ground Bracket에 수직으로 설치 후 레이돔으로 덮고, 내부를 에폭시로 채워 UHF대역 안테나를 고정하였으며, GPS 안테나는 UHF대역 안테나 상단에 조립 되도록 개발하였다.
본 논문에서는 1차 설계에서 Polycarbonate 경량화 소재를 선정하여 안테나 성능해석 및 구조해석을 수행하였으나, 안테나의 성능은 만족하지만 구조 안전성 문제를 확인하였다. 이를 보완하기 위해 2차 설계에서는 압력 및 경량화 요구도를 만족하는 소재 선정을 위해 안테나 성능해석 및 구조해석을 수행하여 최종 모델을 선정하였다. 그리고 최종 모델을 제작하여 수밀 외합시험을 통해 구조 안전성을 검증하였다.
2차 설계는 1차 설계에서 부족한 구조 안전성을 보완하기 위해 재질을 변경하여 설계를 진행하였다. 이를 통해 해당 모델의 구조 안전성을 확인하였으나 중량 부분에 대한 검토가 필요하여 경량화 설계를 진행하였고 최종적으로 구조 안전성을 보유하며 경량화 된 모델을 설계하였다.
4. 최종모델의 수중운용환경에서 구조 안전성 검증을 위하여 수밀외압시험을 진행하였다. 시험 후 외형적으로 손상부위가 없었으나, 내부의 손상을 고려하여 비파괴 검사를 통해 확인한 결과 내부 역시 물리적 손상이 없음을 확인할 수 있었다.
1차 설계에서 UHF-GPS 안테나의 레이돔 재질은 범용적으로 사용되고 가공성, 내충격성 등의 기계적 성질이 우수하며 경량화 소재인 PC (Polycarbonate)로 선정하였고, 재질의 특성은 표 2와 같다. 해당 재질을 적용하여 전자기장 해석과 구조해석을 통해 안테나 성능과 구조 안전성에 미치는 영향을 연구하였다.
해석 결과를 바탕으로 선정한 2.0t 모델을 기준으로 UHF-GPS 안테나를 제작하였다. 그리고 실제 운용환경에서 운용 시 이상 없는지를 확인하기 위해 수밀외압시험을 진행하여 시험 전-후 안테나 성능 및 구조 안전성을 평가하였다.

대상 데이터

1.6 mm 두께의 FR4 (εr=4.3, tanδ=0.02) 기판을 사용하였으며 50 Ω SMA 동축 케이블로 급전하였다.
1차 설계에서 UHF-GPS 안테나의 레이돔 재질은 범용적으로 사용되고 가공성, 내충격성 등의 기계적 성질이 우수하며 경량화 소재인 PC (Polycarbonate)로 선정하였고, 재질의 특성은 표 2와 같다. 해당 재질을 적용하여 전자기장 해석과 구조해석을 통해 안테나 성능과 구조 안전성에 미치는 영향을 연구하였다.
2. 2차 설계에서는 레이돔 재질를 보완하기 위해 PESU와 PA-GF를 분석하였고, 전자기장 해석 및 구조해석을 진행한 결과 MoS는 PESU에서 0.24, PA-GF에서 2.94로 구조안정성을 만족하는 PA-GF로 선정하였다. 그러나 PA-GF는 목표중량을 초과하여 경량화 설계를 진행하였다.
94로 확인하였다. 3t에서 구조 안전성이 가장 뛰어났으나, 목표중량을 만족할 수 있는 2t를 최종 모델로 선정하여 제작하였다.
UHF-GPS 안테나는 레이돔, UHF (ultra high frequency) 대역 안테나, GPS 안테나, 에폭시 등으로 구성된다. 이때 UHF대역 안테나 기판을 Ground Bracket에 수직으로 설치 후 레이돔으로 덮고, 내부를 에폭시로 채워 UHF대역 안테나를 고정하였으며, GPS 안테나는 UHF대역 안테나 상단에 조립 되도록 개발하였다.
UHF대역 안테나는 PMA (printed monopole antenna) 형태로 설계하였으며 Omni-directional한 방사패턴을 가지고 유전체를 이용하여 안테나의 크기를 감소시켜 다른 구조에 내장하기 유리하며 임피던스 대역폭이 넓다는 장점이 있다.
94로 만족하나 중량이 1 kg을 초과할 것으로 예상되었다. 그 결과 MoS는 1.71로 적합한 강성을 가지고 중량이 937 g으로 목표중량을 만족하는 PA-GF(2t)로 최종 선정하였다.

데이터처리

PC와 동일하게 재질별 MoS를 분석하여 안전성을 평가하였고 그 결과는 표 4와 같다. 확인 결과 PESU도 MoS가 0.
UHF-GPS 안테나는 정적인 환경에서 수심 200 m에서 20 bar의 압력에 노출된다. 이러한 환경에서 안테나의 응력을 분석하여 안전성을 검토하기 위해 상용소프트웨어인 midas NFX 로 구조해석을 수행하였다. 해석에 사용된 지배 방정식은 식 (1)과 같다.
추가로 검토한 재질은 PESU와 PA-GF로 해당 재질의 물성치는 표 3과 같다. 해당 재질을 기준으로 안테나 성능 및 구조 안전성을 분석하였다.
해석 결과를 바탕으로 UHF-GPS 안테나의 구조 안전성 검토를 위해 레이돔에 발생하는 최대 응력으로부터 안전여유 (Mos; margin of safety)를 식 (3)을 이용하여 계산하였다.

이론/모형

본 연구에서 개발한 UHF대역 안테나는 Microwave studio를 이용하여 안테나 최적 설계를 하였다.

성능/효과

1. 1차 설계에서 안테나 레이돔 재질을 Polycarbonate로 전자기장 해석 및 구조해석을 진행한 결과, 성능은 만족하였으나 구조 안전성은 확보할 수 없었다.
UHF-GPS 안테나의 두께별 모델에 따라 성능에 문제가 없음을 확인하여 구조 안전성을 검토하였다. 구조해석 결과는 그림 17과 같으며 결과는 표 5에 정리하였다.
비파괴 검사(NDT; non-destructive testing)는 그림 22와 같이 모재에 방사선을 투과하여 시험 전 후 미세한 균열이나 기공, 내부 파손등이 발생하는지 확인하는 검사 방법이다. UHF-GPS 안테나의 수밀 외압시험 전 후 비파괴 검사를 수행한 결과 그림 23과 같이 안테나에 균열, 기공, 내부 파손은 발생하지 않았다.
UHF-GPS 안테나 레이돔의 재질에 따른 안테나 성능변화를 확인하기 위해 PESU와 PA-GF의 전자기장 해석 결과를 대역폭과 방사패턴에 따라 그림 9와 10에 나타내었다. 그 결과 모든 재질이 안테나 성능에 문제가 없음을 확인할 수 있었다. 그림 9의 X 축 주파수는 보안상 생략하였다.
그림 4와 같이 안테나를 설계하여 해석한 결과 –10 dB 이하 기준 XXX MHz(XXX – XXX MHz)의 대역폭을 가지며 중심주파수 XXX MHz에서 최대 이득 X.XX dBi로 Omni-directional한 방사패턴임을 확인하였고 안테나 설계 규격을 만족하였다
그림 15의 X 축 주파수는 보안상 생략하였다. 레이돔의 두께가 두꺼워질수록 안테나의 중심주파수가 전체적으로 하향되는 것을 확인하였고 최대 이득 또한 감소하는 것을 확인하였다.
시험 전, 후 안테나 성능을 확인한 결과 설계목표 성능에 부합하는 것을 확인하였다. 따라서 수밀외압시험으로 인한 성능의 영향은 없는 것을 확인 할 수 있었다.
해석 결과 UHF-GPS 안테나에서 발생하는 최대 응력은 45.66 N/mm², 최대 변위는 0.98 mm로 예측되었다.
해석결과 최대 응력은 PESU에서 45.64 N/mm² PA-GF에서 44.84 N/mm²의 결과를 확인할 수 있었고, 최대 변위는 PESU에선 0.92 mm, PA-GF는 0.14 mm로 큰 차이가 나타남을 확인할 수 있었다.

후속연구

5. 향후 유사한 환경에서 운용되는 안테나 개발 시 본 논문의 연구결과를 이용하면 큰 도움이 될 것으로 기대된다.

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상세보기
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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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