우주발사체용 UHF-대역 안테나의 표면결빙에 의한 영향분석
황수설*, 오창열*, 마근수* 정회원
Effect Analysis of Surface-Icing on the UHF-band Antenna for Space Launch Vehicle
Soosul Hwang*, Changyul Oh* and Keunsu Ma* Regular Members
요 약
한국형발사체의 표면에 장착되는 UHF-대역 안테나의 표면에 발생하는 결빙을 모델링하고, 이러한 결빙이 안테나의 공진주파수, 반사손실 및 방사패턴 등의 주요 특성에 미치는 영향을 분석하였다. 안테나 표면결빙을 모델링하기 위해 -180℃의 얼음층에 대한 비유전율을 추출하였고 추출된 비유전율을 이용하여 안테나 표면결빙 모델을 제안하였다. 중심주파수가 UHF-대역인 안테나 표면 에 1mm의 결빙이 되었을 경우의 표면결빙 모델을 적용하여 시뮬레이션 한 결과, 표면결빙에 의해 안테나의 공진주파수가 21MHz 하향 되었고, 방사패턴도 전 방향에 대해 전체적으로 10dB 이상의 성능저하가 발생되었다. 따라서 실제 안테나 표면에 결빙이 발생 할 경우 안테나 성능에 심각한 영향을 미칠 것으로 판단된다.
Key Words : Surface-Icing, Relative Permittivity, Reflection Loss, Resonance Frequency, Radiation Pattern
ABSTRACT
This paper represents the effect analysis results of surface-Icing on the UHF-band antenna for Space Launch Vehicle. In order to obtain structural model of the surface-icing, Relative Permittivity of ice at -180℃ was extracted. Using this surface-Icing model, UHF-band antenna simulation and comparative analysis about the antenna parameters such as resonance frequency, reflection loss and radiation pattern were performed for each case of with or without surface-icing. Simulation results show that resonance frequency is shifted out of operation frequency due to the additional ice permittivity. This resonance frequency changes cause severe affect to the antenna performance and its radiation pattern.
*한국항공우주연구원 한국형발사체사업단 발사체기술실 발사체전자팀 ([email protected], [email protected], [email protected]), 교신저자 : 황수설 접수일자 : 2014년 9월 1일, 수정완료일자 : 2014년 9월 22일, 최종게재확정일자 : 2014년 9월 22일
I. 서 론
한국항공우주연구원에서는 1.5톤급 인공위성을 LEO(Low Earth Orbit) 또는 SSO(Sun Synchronous Orbit)에 투입하 기 위한 우주발사체인 한국형발사체(KSLV-II : Korea Space Launch Vehicle-II)를 개발하고 있다. 한국형발사체 에는 발사운용 중의 발사체 상태정보를 지상으로 전송하기 위한 원격측정시스템, 발사체의 추적을 위한 추적시스템, 비 정상상태 발생시 더 이상의 비행을 중단시키기 위한 비행종 단시스템 등의 전자시스템이 탑재되며, 지상과의 통신을 위 한 다양한 주파수 대역의 안테나가 발사체 외부면에 장착된다.
일반적으로 우주발사체는 경사거리(Slant Range)가 1500 km 이상인 장거리 비행을 수행하여야 하므로 최대 비행거리 까지 지상국과의 안정된 RF 통신링크가 유지되어야 한다.
이를 위해서는 비행운용 중 발사체가 겪게 되는 발사체의 자
세변화, 고속으로 진행하는 발사체의 공기역학적 특성, 단분 리(Stage Separation)에 의한 접지면의 변화, 고온/고압의 환 경, 화염(Flume)의 영향 등 외부 환경에 의한 영향을 고려하 여 탑재되는 안테나의 구조 및 장착위치, 개수 등이 결정되 어야 한다. 그러나 우주발사체에서는 추력비를 높이기 위해 탑재체의 무게가 최소화 되도록 설계가 진행되고 있으며, 이 러한 이유에 의해 앞서 제시한 안테나 장착을 위한 고려사항 을 충분히 만족하는 안테나 탑재 공간 확보는 현실적으로 어 렵다.
개발중인 한국형발사체는 3단형으로, 각 단은 액화산소 (LOX)와 케로신(Kerosene)을 산화제와 연료로 사용하는 액 체엔진으로 구성되어 있다. 액체엔진의 정상적인 연소를 위 해서는 충분한 양의 산화제가 필요하며, 한국형발사체에서 는 -183℃에 해당하는 극저온의 액화산소가 채워진 산화제 탱크가 연료 탱크와 함께 탑재된다. 이와 같은 산화제는 충
전 과정에서 대기 온도와의 극심한 온도 차이에 의해 그림 1과 같이 산화제 탱크면에 표면결빙(Surface-Icing)이 발생 되게 되고, 따라서 발사체 표면에 장착되는 안테나 표면에도 결빙이 형성될 가능성이 높다.
그림 1. 발사체(나로호)의 산화제 탱크면에 발생된 결빙 예
이와같은 극저온 환경을 개선하기 위해 일반적으로 산화 제 탱크면에는 열차단 특성이 우수한 단열재가 적용되지만, 탱크면과 연결되는 인접 부위는 여전히 결빙이 발생될 수 있 는 극저온 상태가 유지될 것으로 예상된다. 발사체에 안테나 장착을 위한 적절한 탑재공간 확보가 불가능할 경우, 발사체 에 탑재되는 안테나는 결빙발생 가능위치에 탑재되어야만 할 수도 있다. 따라서 발사체 표면의 극저온 상태에 의한 대 기 중의 수분이 안테나 표면에도 결빙될 것으로 예상되고 이 러한 결빙이 탑재 안테나의 성능에 미치는 영향에 대한 분석 이 필요하다.
이에 본 논문에서는 한국형발사체의 표면에 장착되는 안 테나 중 UHF-대역 안테나의 표면에 발생된 결빙을 모델링 하고, 결빙에 의한 안테나의 주요 특성에 미치는 영향을 분 석하여 발사체와 지상과의 안정적인 RF 통신을 유지하기 위 한 안테나 탑재 요구조건을 제시하였다.
Ⅱ. 안테나의 표면결빙 모델링
2.1 결빙에 의한 유전상수(εr) 추출
안테나 표면결빙을 정확히 모사하기 위해서는 대기의 온 도, 습도, 바람의 속도 등의 환경변화에 따른 얼음의 유전율 (Permittivity : ε)을 추출하여야 하지만, 본 논문에서는 이러 한 세부적인 영향은 고려하지 않고 안테나 표면에 순수한 얼 음층의 결빙이 발생하였을 때를 가정하였다.
유전율은 유전체의 전기적인 특성을 나타내는 값으로 다 음과 같은 복소유전율로 정의된다.
′ ″ ′ ″ (1)
여기서 는 자유공간의 유전율이며, 은 비유전율이다. 비 유전율은 주파수와 온도에 따라 달라지므로 결빙의 정확한 유전율을 구하기 위해서는 안테나의 주파수와 부착면의 표 면 온도를 알아야 한다.
주파수와 온도 변화에 따른 얼음의 비유전율의 변화는 실 험적인 방법이나 계산에 의해 구할 수 있으며, 0℃의 순수한 얼음과 물의 주파수 변화에 따른 비유전율의 변화는 그림 2 와 같다[1].
그림 2. 0℃에서의 물과 얼음의 주파수에 따른 유전율[1]
일반적인 대기압 상태에서 고체인 얼음의 밀도는 액체상 태의 물에 비해 약 8.3% 낮다. 즉, 0℃일 때 액체 상태인 물 의 밀도는 0.9998 [g/cm3]이고, 0℃일 때 얼음의 밀도는 0.9167 [g/cm3]이다. 또한 0℃보다 낮은 온도에서는 수소분 자의 결합력에 의해 규칙적인 육각구조의 배열이 형성되면 서 결빙된 얼음층에 빈 공간이 생겨 얼음의 밀도는 온도가 낮아질수록 약간씩 증가한다. 온도에 따른 얼음의 밀도변화 는 온도가 낮아짐에 따라 선형적으로 증가하며, -180℃에서 얼음의 밀도는 약 0.9347 [g/cm3]이다[2].
그림 3. 온도에 따른 얼음의 밀도변화
얼음의 온도변화에 따른 밀도와 비유전율의 상관관계는 실험에 의해 도출된 Robin's 방정식[3]을 통해 구할 수 있으 며 다음 식과 같이 간략히 나타낼 수 있다[4].
∙ (2)
여기서, 는 온도변화에 따른 얼음의 밀도를 나타낸다. 식 (2)를 통해 계산된 저온 상태의 얼음이 가지는 비유전율은 표 1과 같다.
온도[℃] 밀도[g/cm3] 비유전율[ ]
0 0.9167 3.149
-10 0.9177 3.152
-100 0.9267 3.179
-180 0.9347 3.209
표 1. 온도에 따른 얼음의 비유전율
얼음의 경우, 결빙이 발생된 이후(0℃)부터 극저온 상태 (-180℃)로 변화될 때 약간의 밀도 증가가 발생되어 비유전 율도 약간 증가되는 결과를 보인다. 하지만 온도에 따른 비 유전율 변화량은 크지 않으므로, 해석시 결빙에 의한 얼음의 비유전율은 3.2 정도인 것으로 근사할 수 있다.
2.2 UHF-대역 안테나의 표면결빙 모델
우주발사체에 탑재되는 안테나는 발사체의 운동방향이 지상국에서 멀어지는 방향이므로 안테나의 방사패턴은 발사 체 후미 방향으로 전방향 방사가 요구되며, 발사 초기의 지 상국 방향인 발사체의 수직방향(측면)으로도 적절한 방사패 턴을 가져야 한다. 또한 고속으로 운동하는 발사체에 탑재되 기 위해서는 공기역학적으로 유리한 형태를 가져야 하며, 온 도 및 압력의 변화가 큰 환경에 대해서도 큰 영향을 받지 않 고 안정된 RF 통신이 가능하여야 한다.
그림 4. 표면결빙 모델이 적용된 UHF-band 안테나 구조
한국형발사체에 사용할 안테나로 이러한 조건을 만족하 는 형태이면서 등방향성의 안테나 방사패턴 특성을 갖고, 공 기역학적으로 유리한 구조인 역-F 안테나(PIFA : Planar Inverted- F Antenna)를 설계하였다.
그림 4에 안테나 표면결빙 모델이 적용된 UHF-대역 안테
나의 형상을 보였다. 발사체 표면에 형성되는 결빙의 두께에 대한 실험적인 측정결과는 존재하지 않으며, 산화제의 충전 량, 단열재의 종류, 대기의 온도/습도 등에 따라 결빙의 두께 는 변화될 수 있다. 이에 본 논문에서는 안테나의 표면결빙 발생에 따른 영향성을 확인하기 위해 비교적 얇은 두께의 결 빙을 가정하여 모델링하였다. 표면결빙 모델은 앞에서 유도 한 -180℃의 온도에서 3.2의 비유전율을 갖는 얼음층이 안테 나 표면에 1mm의 두께로 균일하게 분포되어 있는 것으로 가정하였다.
Ⅲ. 표면결빙에 의한 영향 분석
3.1 공진주파수 변화
안테나 표면결빙에 의한 영향 분석은 Ansoft 사의 HFSS 를 이용하여 시뮬레이션 하였다.
그림 5. 표면결빙에 의한 공진주파수 변화
그림 5는 10dB 대역폭이 5.5MHz인 UHF-대역 안테나에 1mm 두께로 결빙이 되었을 때, 표면결빙 모델을 적용하여 시뮬레이션한 결과이다. 그림 5로 부터 공진주파수가 21MHz 낮아지는 결과를 알 수 있다. 안테나의 공진주파수 ()와 비유전율()과의 관계를 식 (3)과 같이 나타낼 수 있다.
∝
(3)
안테나의 표면에 결빙이 발생하면 안테나 표면의 비유전 율이 증가한다. 따라서 공진주파수가 낮아지는데, 1mm의 비 교적 얇은 두께의 결빙이 발생되더라도 공진주파수가 민감 하게 변하게되는 것을 알 수 있다. 이와같은 공진주파수의 이동은 좁은 대역폭을 가지는 안테나 성능에 심각한 영향을 미칠 것으로 판단된다.
3.2 방사패턴 특성
설계된 UHF-대역 안테나에 표면결빙이 발생되었을 때 방사패턴에 미치는 영향을 시뮬레이션을 통해 확인해 보았
다. 방사패턴 해석은 XZ, YZ, XY 평면으로 나누어 진행하였 고, 해석된 방사패턴 특성은 그림 6, 7, 8과 같다.
그림 6. XZ면 방사패턴
그림 7. YZ면 방사패턴
그림 8. XY면 방사패턴
시뮬레이션 결과 안테나에 표면결빙이 발생되었을 때 안 테나의 공진주파수의 변동으로 인해 전체적으로 10dB 이상 의 성능저하가 발생되는 것으로 확인되었다. 그림 9는 결빙
의 없는 경우와 1mm 결빙이 발생한 경우의 3차원 방사패턴 시뮬레이션 결과이다. 안테나 표면결빙에 의해 설계된 안테 나의 공진주파수에서 전체적으로 정상적인 방사가 이루어지 지 못하고 있음을 확인할 수 있다.
그림 9. 3차원 방사패턴
Ⅳ. 결 론
본 논문에서는 한국형발사체의 표면에 장착되는 다양한 종류의 안테나 중 UHF-대역 안테나의 표면에 발생된 결빙 을 모델링하고, 이러한 결빙이 안테나의 공진주파수, 반사손 실 및 방사패턴 등의 주요 특성에 미치는 영향을 분석하였 다. 안테나 표면결빙을 모델링하기 위해 -180℃의 온도에서 의 얼음층의 비유전율을 추출하였고 추출된 비유전율을 이 용하여 안테나 표면결빙 모델을 제안하였다. UHF-대역 안 테나 표면에 1mm 두께로 결빙되었을 때, 얼음층의 비유전율 에 의해 안테나의 공진주파수가 21MHz 낮아지고, 전방향에 대해 전체적으로 10dB 이상의 방사성능이 저하되었다.
시뮬레이션에 적용한 표면결빙 모델은 1mm의 비교적 얇 은 두께의 얼음층이 균일하게 분포된 것을 가정하였으나, 결 빙의 두께가 더 두꺼워지거나 균일하지 않은 분포를 가질 경 우에는 더욱 큰 영향을 받게 될 것으로 예상된다.
따라서 발사체에 탑재될 안테나 장착 위치 선정시 결빙에 대한 영향을 고려하여야 한다. 또한 안테나 반사면에 단열재 를 부착하는 방법 및 레이돔의 적용이나 표면결빙의 영향에 둔감한 구조의 안테나에 대한 연구가 필요하다고 생각된다.
참 고 문 헌
[1] Niang, M., Bernier, M., Stacheder, M., Brandelik, A., and van Bochove, E. "Influence of snow temperature interpolation algorithm and dielectric mixing-model coefficient on density and liquid water content determination in a cold seasonal snow pack," Sensing and Imaging, 7(1), 2006, pp.1～22.
[2] Lide, D. R. "CRC Handbook of Chemistry and Physics," 86th edition Boca Raton(FL), CRC Press, 2005.
[3] Robin, G. and Q. de, "Velocity of radio waves in ice by means of borehole interferometric techniques," J. Glaciol.,
1975, pp.151~160.
[4] A. Godio, "Georadar Measurements for the Snow Cover Density," American Journal of Applied Sciences, 6(3), 2009, pp.414～423.
저자
황 수 설(Soosul Hwang) 정회원
․1998년 2월：충남대학교 전파공학과 학사
․2000년 2월：충남대학교 대학원 전파 공학과 공학석사
․2013년 2월：충남대학교 대학원 전파 공학과 공학박사
․2000년 1월 ～ 2002년 2월：삼성전자 무선사업부 연구원
․2002년 3월 ～ 현재：한국항공우주연구원 한국형발사체사 업단 발사체전자팀 선임연구원
<관심분야> : 비행종단시스템(FTS), 무선통신 및 시스템, RF 능동회로 설계, 능동 제어회로 설계
오 창 열(Changyul Oh) 정회원
․1990년 2월：충남대학교 전자공학과 학사
․1992년 2월：충남대학교 대학원 전자 공학과 공학석사
․2011년 2월：충남대학교 대학원 전자 공학과 공학박사
․1992년 3월 ～ 2000년 6월 : 국방과학연구소 선임연구원
․2000년 6월 ～ 2001년 6월 : 한국전자통신연구원 선임연구원
․2001년 7월 ～ 현재 : 한국항공우주연구원 한국형발사체사 업단 발사체전자팀 책임연구원
<관심분야> : 무선통신 및 시스템, 추적안테나, 전파전파
마 근 수(Keunsu Ma) 정회원
․1990년 2월：충남대학교 전기공학과 학사
․1994년 2월：충남대학교 대학원 전기 공학과 공학석사
․2003년 2월：충남대학교 대학원 전기 공학과 공학박사
․1994년 3월 ～ 현재：한국항공우주연구원 한국형발사체사 업단 발사체전자팀 책임연구원/팀장
<관심분야> : 위성체 및 발사체 전자시스템, 공진형 dc/dc 컨 버터
