Placement Optimization of Airborne Line-Of-Sight Datalink Directional Antenna in UAV

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논문 2014-51-4-3

무인항공기 탑재 가시선 데이터링크 방향성 안테나 위치 최적화

( Placement Optimization of Airborne Line-Of-Sight Datalink Directional Antenna in UAV )

김 지 훈^*, 최 재 원^*, 정 을 호^*^*

( Jihoon Kim, Jaewon Choi

^ⓒ

, and Eulho Chung )

요 약

본 논문에서는 무인항공기의 운용 범위 내에서 데이터링크 두절을 최소화할 수 있는 탑재 가시선 데이터링크 방향성 안테 나의 최적 위치를 EM(Electromagnetic) 시뮬레이션을 통하여 분석하였다. 무인항공기의 급격한 거동 시 동체 Blockage로 인한 전자파 왜곡 및 손실로 데이터링크 두절이 발생할 수 있다. 이와 같은 데이터링크 두절을 방지하기 위하여 무인항공기의 거동 범위를 제한하면 선회 반경이 커지게 되고, 이로 인하여 임무 수행에 많은 제약이 발생할 수 있다. 이를 해결하기 위하여 1축 방향성 안테나의 동체 상/하부 장착을 고려한 최적위치에 대하여 EM시뮬레이션을 수행하였다. 장착된 방향성 안테나는 수직 빔폭이 넓은 1축 안테나를 적용하여 수직 빔폭 만큼 무인항공기가 데이터링크 두절 없이 거동할 수 있도록 설계하였다. 또한, 2축이 아닌 1축 안테나 탑재로 인하여 탑재 중량도 크게 줄일 수 있는 장점을 갖고 있다.

Abstract

In this paper, the optimum placement of airborne line-of-sight (LOS) datalink directional antenna to minimize the datalink loss within the operation range of unmanned aerial vehicle (UAV) is analyzed by using the electromagnetic (EM) simulation. In quick banking of UAV, the datalink loss is occurred due to the electromagnetic distortion and transmission loss by the fuselage blockage. In general, the banking angle of UAV is limited to prevent the datalink loss. However, in this case, there is the problem that the mission performance ability is largely limited by the banking radius increase. To solve this problem, the optimum placement to mount the airborne LOS datalink 1-axis directional antenna on both the top and bottom surfaces of fuselage is analyzed by using EM simulation. The 1-axis antenna with large vertical beamwidth is used because the banking angle of UAV is dependent on the vertical beamwidth of antenna. Also, there is the benefit to reduce largely the weight because the 1-axis antenna can be mounted instead of the 2-axis one.

Keywords: Unmanned aerial vehicle (UAV), line-of-sight (LOS) datalink, airborne directional antenna, banking, blockage

* 정회원, 국방과학연구소 제7기술연구본부 UAV 체계 개발단

(Agency for Defense Development Unmanned Aerial Vehicle Systems PMO)

Ⅰ. 서 론

무인항공기는 작전반경, 운용고도, 체공시간 등에 따 라 근거리, 단거리, 중거리, 장거리 무인항공기 혹은 저 고도, 중고도, 고고도 무인항공기 등으로 분류한다. 군

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사적 용도로는 전술, 전략, 특수임무 무인항공기로 구분 한다. 본 논문에서 분석된 무인항공기는 Predator, Grey Eagle과 같은 전술급 이상의 대형 무인항공기이다. 최 근 무인항공기는 수많은 감시, 정찰, 통신 장비들을 장 착하고 있고, 그 외에도 항법, 통신링크, 데이터링크, 이 외의 다른 응용분야들을 위한 더 많은 안테나들을 요구 한다. 특히, 데이터링크는 비행체의 상태정보 및 영상정 보와 비행체 제어명령 등을 송수신하는 역할을 수행하 여 무인항공기의 생존성과 큰 연관성을 갖고 있기 때문 에 더욱 더 중요하다. 특히, 탑재 가시선 데이터링크 방 향성 안테나의 경우, 임무영상과 전방주시영상을 지상 으로 전송하는 중요한 역할을 하기 때문에 임무와 비행 조종 측면에서 중요한 요소이다. 하지만 무인항공기는 안테나의 최적 성능을 낼 수 있기에는 매우 제한된 면 적을 제공한다. 탑재 가시선 데이터링크 방향성 안테나 는 2축인 경우 비행체의 거동에 따라 지상 안테나를 지 향하기 위하여 방위각/고각 방향으로 계속해서 구동한 다. 하지만 비행체의 전/후방 동체와 날개 등에 의하여 Blockage가 발생한다. 즉, 무인항공기가 거동하는 동안 탑재 방향성 안테나가 지상 안테나를 지향하는 것을 비 행체 동체가 막는 경우가 발생할 수 있다. 특히, 비행체 거동이 커질수록 Blockage가 크게 발생하고, 이는 전파 왜곡 및 손실을 유발하여 데이터링크 두절을 유발하게 된다. 이와 같은 데이터링크 두절은 무인항공기가 선회 하는 시간 중 수 초의 긴 시간 동안 발생할 수 있다^[1～

6].

본 논문에서는 무인항공기의 거동 중 Blockage가 심 하게 발생하는 날개와 동체 전/후방 방향에 대해서 데 이터링크 두절이 발생하는 Roll/Pitch 각을 분석하였다.

이 결과를 기반으로 무인항공기가 Blockage 없이 더 큰 Roll/Pitch 각으로 거동할 수 있도록 탑재 방향성 안테 나를 동체 상/하부에 장착하였다. 무인항공기의 거동범 위에서도 데이터링크 두절 없이 정상적인 임무 수행이 가능하도록 탑재 방향성 안테나 위치를 EM 분석을 통 하여 최적화하였다.

Ⅱ. 본 론

1. 단일 탑재 방향성 안테나 적용 시 Roll/Pitch 제 한 각 분석

본 장에서는 단일 탑재 방향성 안테나를 적용하였을

그림 1. 분석을 위한 무인항공기 전체 모델

Fig. 1. Unmanned aerial vehicle (UAV) full model for analysis.

항목 제원

구조 패치 배열 안테나

주파수 Ku 대역

이득 21dBi 이상

빔폭 수평 7도, 수직 15도

구동 2축(방위각, 고각)

표 1. 2축 구동 방향성 안테나 제원

Table 1. 2-Axis Directional Antenna Specifications.

경우 비행체 거동에 따른 동체 Blockage로 발생하는 Roll/Pitch 제한 각 분석을 수행하였다. 분석을 위한 무 인항공기 전체 모델은 그림 1에 나와 있다. 탑재 방향 성 안테나는 비행체 동체 상부에 방위각/고각 2축 구동 을 하는 형태로 단일 장착하였다. 분석에 사용한 비행 체 장착 전 단일 안테나 특성은 표 1과 같다. 안테나 이 득과 3dB 수직 빔폭이 각각 21dBi 이상과 15°이다. 동 체 Blockage에 의한 Roll/Pitch 제한 각 기준은 안테나 이득 20dBi로 잡았다. 이는 Link Budget 분석을 통하여 산출한 기준 값이다. EM 시뮬레이션을 위하여 FEKO 를 이용하였다. 시뮬레이션의 복잡도를 줄이고 분석 시 간과 메모리 이용도를 최소화하기 위하여 비행체의 복 합체 구조를 레이돔구조를 제외하고 PEC 모델로 간략 화 하였다^[7]. 분석 기법은 Physical Optics (PO) 방식을 사용하여 분석하였다.

그림 2는 동체 Blockage에 의한 Roll/Pitch 제한 각 분석 결과이다. 그림 2. (a)는 탑재 방향성 안테나가 비 행체 흡입구 방향을 지향할 경우 안테나 구동부 고각 동작에 따른 Pitch 제한 각을 분석한 결과이다. 그림에 서 보듯이, Theta가 -11° 아래인 부분은 안테나 이득이 20dBi 이하로 감쇄되는 것을 확인할 수 있다. Theta가 -11°인 부분은 안테나의 3dB 수직 빔폭 아래 부분과

(3)

(a)

(b)

그림 2. 기체 Blockage에 의한 Pitch/Roll 제한 각 분석 (a) Pitch 제한(흡입구 방향),

(b) Roll 제한(날개 방향)

Fig. 2. Pitch and roll limitation angle analysis by fuselage blockage (a) Pitch limitation (In-Take direction), (b) Roll limitation (Wing direction).

흡입구가 겹치는 부분으로 비행체 흡입구에 의한 Blockage 영향으로 안테나 이득이 감쇄된 것을 확인할 수 있다. 즉, 안테나 구동부의 고각 구동이 -11° 아래로 동작할 경우, 데이터링크 두절이 발생할 수 있다. 그림 2. (b)는 탑재 방향성 안테나가 비행체 날개 방향을 지 향할 경우 안테나 구동부 고각 동작에 따른 Roll 제한 각을 분석한 결과이다. 그림에서 보듯이, Theta가 -14〬

아래인 부분은 안테나 이득이 20dBi 이하로 감쇄되는 것을 확인할 수 있다. Theta가 -14°인 부분은 안테나의 3dB 수직 빔폭 아래 부분과 날개가 겹치는 부분으로 비행체 날개에 의한 Blockage 영향으로 안테나 이득이 감쇄된 것을 확인할 수 있다. 즉, 안테나 구동부의 고각

구동이 -14° 아래로 동작할 경우, 데이터링크 두절이 발생한다. 위와 같은 분석 결과를 통하여, 2축 구동을 하는 탑재 방향성 안테나를 비행체 상부에 단일로 적용 할 경우, Pitch와 Roll은 각각 -11°와 -14°로 제한되어 야 한다.

2. 탑재 방향성 안테나 비행체 상/하부 동시 적용 시 Roll/Pitch 분석

본 장에서는 탑재 방향성 안테나를 비행체 상/하부에 동시 적용할 경우의 비행체 거동 범위에 대하여 분석하 였다. EM 분석은 탑재 방향성 안테나를 단일로 적용한 경우와 동일한 조건으로 수행하였다. 분석에 사용한 비 행체 장착 전 단일 안테나 특성은 표 2와 같다. 안테나 이득과 3dB 수직 빔폭이 각각 21dBi 이상과 30〬이다. 단 일 탑재 방향성 안테나를 적용한 경우와 비교하였을 때, 안테나 이득은 동일하고 3dB 수직 빔폭은 30〬로 두 배 증가시켰다. 3dB 수직 빔폭을 두 배 증가시키면서 안테나 이득을 동일하게 하기 위해서 수평 빔폭은 감소 시켰다. 구동부는 2축 구동이 아닌 1축 구동으로 적용 하였다. 1축 구동 적용으로 고각 구동이 없으므로 상부 안테나는 위로 15〬, 하부 안테나는 아래로 15〬 틸트시켰 다. 2축 구동 단일 안테나를 적용한 경우 보다 1축 구동 안테나 두 개를 적용한 경우 탑재 중량을 절반으로 줄 일 수 있었다. 동체 Blockage에 의한 Roll/Pitch 제한 각 기준은 안테나 이득 20dBi로 동일하게 설정 하였다.

그림 3은 탑재 방향성 안테나를 비행체 상/하부에 동 시 적용하였을 경우의 방사 패턴을 보여준다. 그림 3.

(a)에서 보듯이, 상/하부 탑재 방향성 안테나가 전방을 지향하였을 경우, 상/하부 안테나를 위/아래로 15〬 틸트 시켰기 때문에 안테나 Main Lobe의 전방 동체에 의한 Blockage가 작은 것을 확인할 수 있다. 하지만 3dB 수 직 빔폭의 가장자리가 각각 동체 상부와 하부에 닿는

항목 제원

구조 패치 배열 안테나

주파수 Ku 대역

이득 21dBi 이상

빔폭 수평 4.4도, 수직 30도

구동 1축(방위각)

표 2. 1축 구동 방향성 안테나 제원

Table 2. 1-Axis Directional Antenna Specifications.

(4)

(a)

(b)

(c)

그림 3. 탑재 방향성 안테나 비행체 상/하부 동시 적용 시 방사 패턴 (a) 전방, (b) 후방, (c) 날개 방향 Fig. 3. Radiation patterns when directional antennas are

mounted on both top and bottom surfaces of UAV (a) Front direction, (b) Rear direction, (c) Wing direction.

(a)

(b)

그림 4. 비행체 상부에 장착된 탑재 방향성 안테나의 높이에 따른 방사 패턴 (a) 전방, (b) 후방 Fig. 4. Radiation patterns as height of directional

antenna mounted on top surface of UAV.

(a) Front direction, (b) Rear direction.

부분에서는 약간의 안테나 이득 감소가 있는 것을 확인 할 수 있다. 그림 3. (b)에서 보듯이, 상/하부 탑재 방향 성 안테나를 후방을 지향하였을 경우에도 동일한 결과 를 확인할 수 있다. 그림 3. (c)는 상부 탑재 방향성 안 테나가 날개 방향을 지향하였을 경우이다. 이 경우에는 날개가 동체 중간에 위치하므로 3dB 수직 빔폭의 가장 자리가 날개에 영향을 받지 않는 것을 확인할 수 있다.

비행체 전후방 상하부 동체에 의해 안테나 이득이 감소 되는 문제를 해결하기 위하여 안테나 높이에 따른 방사 패턴의 변화를 분석하였다. 그림 4는 비행체 상부에 장 착된 탑재 방향성 안테나의 높이에 따른 방사 패턴을

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(a)

(b)

그림 5. 비행체 하부에 장착된 탑재 방향성 안테나의 높이에 따른 방사 패턴 (a) 전방, (b) 후방 Fig. 5. Radiation patterns as height of directional

antenna mounted on bottom surface of UAV (a) Front direction, (b) Rear direction.

(b)

그림 6. 탑재 방향성 안테나 비행체 상/하부 동시 적 용 시 방사 패턴 (a) 전방, (b) 후방

Fig. 6. Radiation patterns when directional antennas are mounted on both top and bottom surfaces of UAV (a) Front direction, (b) Rear direction.

보여준다. 녹색은 기존 위치의 경우, 빨간색은 기존 위 치에서 40mm 위로 올린 경우, 파란색은 기존 위치에서 60mm 위로 올린 경우를 나타낸다. 그림 4. (a)와 (b)는 비행체 전방을 지향하는 경우와 후방을 지향하는 경우 이다. 그림에서 보듯이, 탑재 방향성 안테나의 높이를 위로 올릴수록 방사 패턴이 아래 방향으로 내려가는 것 을 확인할 수 있다. 이는 전후방 동체에 의한 간섭이 줄 면서 안테나가 지향할 수 있는 하부 영역이 넓어졌기 때문이다. 이로 인하여 Blockage로 발생했던 상부 null 영역이 감소되었다. 그림 5는 비행체 하부에 장착된 탑 재 방향성 안테나의 높이에 따른 방사 패턴을 보여준

다. 녹색은 기존 위치의 경우, 빨간색은 기존 위치에서 40mm 아래로 내린 경우, 파란색은 기존위치에서 60mm 아래로 내린 경우를 나타낸다. 그림 5. (a)와 (b) 는 비행체 전방을 지향하는 경우와 후방을 지향하는 경 우이다. 그림에서 보듯이, 탑재 방향성 안테나의 높이를 아래로 내릴수록 방사 패턴이 위 방향으로 올라가는 것 을 확인할 수 있다. 이는 그림 4의 경우와 동일하게 전 후방 동체에 의한 간섭이 줄면서 안테나가 지향할 수 있는 상부 영역이 넓어졌기 때문이다. 이로 인하여 Blockage로 발생했던 하부 null 영역이 감소되었다. 그 림 6은 비행체 상/하부에 장착된 탑재 방향성 안테나의

(6)

높이를 각각 위/아래로 60mm 이동시켰을 때의 방사 패 턴을 보여준다. 그림 6. (a)와 (b)는 비행체 전방을 지향 하는 경우와 후방을 지향하는 경우이다. 그림 3. (a)와 (b)를 그림 6. (a)와 (b)와 각각 비교하였을 때, 탑재 방 향성 안테나의 높이를 위/아래로 각각 60mm씩 올리고 내린 경우, 비행체 전후방 동체에 의한 간섭으로 생긴 null 영역이 상당 부분 사라진 것을 확인할 수 있다. 위 의 분석 결과들을 종합하여, 탑재 방향성 안테나를 비 행체 상/하부에 동시 적용하였을 경우, 안테나의 3dB 수직 빔폭 만큼 데이터링크 두절 없이 거동할 수 있고, 탑재 중량도 절반으로 줄일 수 있는 것으로 분석 되었 다. 또한, 비행체 전후방 동체에 의한 간섭으로 생긴 null 영역 발생 문제는 탑재 방향성 안테나의 높이를 최 적화함으로써 해결하였다.

Ⅲ. 결 론

무인항공기의 급격한 거동 시 동체 Blockage로 인한 전자파 왜곡 및 손실로 데이터링크 두절이 발생할 수 있다. 무인항공기의 거동 상황 하에서도 데이터링크 두 절을 막을 수 있는 탑재 가시선데이터링크 방향성 안테 나의 최적위치를 EM 시뮬레이션을 통하여 분석하였다.

분석결과, 무인항공기 기동 범위 내에서의 정상적인 임 무수행이 가능하도록 탑재 가시선데이터링크 방향성 안 테나를 비행체 상/하부에 적용하는 방안을 분석 및 제 시하였다. 또한, 비행체 전후방 동체에 의한 간섭으로 발생하는 안테나 이득 감쇄 문제를 해결하기 위하여 탑 재 가시선데이터링크 방향성 안테나의 높이를 최적화하 는 방안을 분석 및 제시하였다.

REFERENCES

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