ISSN 1226-3133 (Print)․ISSN 2288-226X (Online)
이동형 전자식 TACAN 안테나 설계 및 구현
Design and Implementation of Mobile Electronically
Scanned TACAN Antenna
박 상 진․구 경 헌*
Sang Jin Park․Kyung Heon Koo*
요 약
본 논문은 기생소자와 핀 다이오드 스위치를 이용한 전자식 전술 항법 장비(Tactical Air Navigation) 안테나에 대하여 설계 및 구현을 설명한다. 모터를 이용하여 기계적으로 안테나가 회전하는 대신 전자적으로 안테나를 회전시키기 위하 여 기생소자를 원형 배열 형태로 배치하고, 핀 다이오드 스위치를 사용하였다. 방위정보를 포함하는 심장모양 패턴과 9개의 로브 패턴을 생성하기 위한 안테나의 구조적 특성과 설계 특징을 설명하고, 시뮬레이션을 수행하였다. 측정된 결 과는 시뮬레이션과 일치하고, MIL-STD-291C 규격을 만족한다.
Abstract
This paper describes the design and fabrication of an electronically rotated Tactical Air Navigation(TACAN) antenna using parasitic elements and PIN diode switches. We used parasitic elements arranged in a circular array and PIN diode switches to electronically rotate the antenna instead of employing a mechanically rotated antenna using motor. The antenna’s physical characteristics and design features to generate the cardioid pattern and nine-lobe pattern including bearing information are described and simulated. The measured result shows a very good agreement with simulation and meets the specification of MIL-STD-291C.
Key words: TACAN, Nine-Lobe, Parasitic Element, PIN Diode
한국공항공사(Korea Airports Corporation)
*인천대학교 전자공학과(Department of Electronic Engineering, Incheon National University)
․Manuscript received October 6, 2014 ; Revised December 12, 2014 ; Accepted December 17, 2014. (ID No. 20141006-09S)
․Corresponding Author: Kyung Heon Koo (e-mail: [email protected])
Ⅰ. 서 론
최근 긴급 상황에서 각종 위성체계의 교란 및 전자전 에 대비하여 군용 장비로 각광을 받고 있는 TACAN (Tac- tical Air Navigation)은 군용 항공기에 지상국으로부터의 거리와 방위정보를 제공하는 전술 항법 장비이다[1]. 주목 적은 군용항공기의 단거리(200～300 mile) 항법 지원용으 로 개발되었다. 항공기에 탑재된 TACAN 장치에서 지상 TACAN의 채널을 맞추기만 하면 자동적으로 지상국에
전파가 보내어지고, 지상국에서 보내고 있는 응답신호에 의해, 지상국과의 방위와 거리가 동시에 항공기의 지시기 에 나타나서 항공기의 비행위치를 알 수 있다. 원래 미국 해군이 함재기의 귀함용(歸艦用) 호밍비컨으로서 항공모 함에 설치하기 위해 개발한 것이다. 종래의 전방향식(옴 니레인지)으로서는 안테나의 크기․설치 장소의 제한으 로 함상에 설치할 수 없다는 것이 이 장치를 개발하게된 직접적인 동기이다. TACAN은 종래의 거리 측정장치인 DME(Distance Measuring Equipment)와 VHF 옴니레인지
최근 방위사업청의 이동형 TACAN 사업추진 기본전략 은 1970년대에 도입되어 노후한 이동형 TACAN 장비를 신형으로 교체하기 위한 국내 구매 사업으로, 성공적으로 추진할 경우 국외 구매에 비해 안정적으로 후속 군수 지 원이 가능하고, 해외 수출에도 기여할 수 있기 때문이다
[2],[3]
. 이러한 사회적인 요구에 맞추어 국내에서는 거의 연 구가 이루어지지 않고 있던 TACAN 안테나 관련 분야에 대한 연구가 필요한 상황이다.
현재 국내에 도입된 TACAN 안테나는 중앙에 모노폴 안테나가 위치하며, 15 Hz 기생소자와 135 Hz 기생소자 가 부착된 원통을 모터로 초당 15회 속도로 기계적으로 회전시킴으로써 공간상에 15 Hz와 135 Hz가 합성된 방사 패턴이 형성되도록 한다. 모터를 이용하여 기계적으로 안 테나를 회전시킴으로써 모터 및 부대장치의 주기적인 교 체에 따른 유지보수 비용 증가와 사용주파수의 파장에 따라 15 Hz와 135 Hz 기생소자의 위치를 조정할 수 없는 고정된 구조로 되어 있어 전체 대역에서 일정한 성능을 얻기가 어려운 구조로 되어 있다.
본 논문에서는 1,165 mm(직경)×330 mm(높이)로서 이 동이 용이한 전자식 TACAN 안테나를 설계 및 제작하였 다. 모터로 안테나를 회전하는 기계식 안테나 대신 기생 소자와 PIN 다이오드 스위치를 이용하여 반영구적으로 사용할 수 있으며, 전체 대역에서 TACAN 신호 규격인 MIL-STD-291C을 만족하도록 주파수에 따라 최적으로 동 작할 수 있는 기생소자에 대하여 복수열의 원형 배열 형 상을 제안하였다. 급전용 모노폴 안테나를 중앙에 위치하 고, 원형으로 16개×2열의 15 Hz 기생소자와 63개×3열의 135 Hz 기생소자를 배치하였다. 안테나 설계를 위해 상용 전자장 해석 소프트웨어인 EM Software & Systems 사의
2-1 방위 정보 추출
방위 정보는 지상국에서 발생하며, 거리측정 신호와 함께 송신된다. 항공기는 지상국에서 송신된 자북 기준 버스트(North Reference Burst, 이하, NRB)와 15 Hz 변조 신호와의 위상 차이, 그리고, 보조 기준 버스트(Auxiliary Reference Burst, 이하 ARB)와 135 Hz 변조 신호와의 위상 차이를 계산하여 방위 정보를 구한다. 방위를 결정하기 위해 항공기 탑재장비는 15 Hz의 변조신호를 복조하고, 15 Hz의 기준신호(NRB)를 수신하여 위상을 구하고, 이를 방위 정보로 활용한다. 135 Hz 변조 신호는 방위 정보를 보다 정밀하게 측정하기 위해 사용되며, 15 Hz 변조신호 만 사용하는 것보다 이론적으로 9배 더 정밀함을 갖도록 한다. 이는 15 Hz의 40도 동안에 135 Hz가 360도 회전하 기 때문에 보다 정밀한 방위 정보를 얻을 수 있다[4]～[6].
그림 1은 지상국으로부터 항공기의 위치에 따른 방위 를 보여주며, 그림 2는 NRB와 ARB 그리고, 15 Hz와 135 Hz 포락선을 이용한 방위 계산을 보여준다.
항공기에 탑재된 TACAN 수신기는 지상국으로부터 수 신한 15 Hz와 135 Hz가 합성된 방사신호에 실린 NRB와 ARB를 추출하고, 15 Hz와 135 Hz 신호를 검파한다. NRB 로부터 15 Hz 포락선 신호가 상승하는 부호변화점(Ze- ro-Crossing) 사이의 ARB 수를 계수한다. 이때 ARB 간의 간격은 40도이다. 그리고, ARB와 135 Hz 포락선 신호가 상승하는 부호변화점 사이의 위상 값을 계산한다.
그림 2의 경우, NRB와 15 Hz 부호변화점 사이에 6개의 ARB가 있어 240도이고, ARB와 135 Hz 부호변화점과의 위상 차이는 30도이므로, 240도에 30도를 더함으로써 270 도가 된다. 지상국에 대하여 항공기가 진입(in-bound)하
그림 1. 지상국에 대한 항공기의 방위
Fig. 1. Aircraft bearing to TACAN ground station.
그림 2. 방위 계산 Fig. 2. Bearing calculation.
는 방향으로 표시하기 때문에 270도로 표시된다.
2-2 기생소자의 반사기와 도파기 동작
반사기는 λ/2의 길이보다 긴 도체로서 유도성 임피던
그림 3. 도파기 동작 Fig. 3. Operation of director.
스를 갖게 하여 급전 안테나에서 방사된 전파를 반사하 며, 반사기 뒤로는 전파가 전달되지 않는다. 반면에 도파 기는 λ/2의 길이보다 짧은 도체로서 용량성 임피던스를 갖게 하여 급전 안테나에서 방사된 전파를 강화시켜준다.
즉, 도파기 방향으로 전파를 진행하게 되며, 지향성도 이 방향으로 생성된다. 급전 안테나와의 반사기와 도파기 간 격은 λ/4 정도이다. 반사기는 유도성 리액턴스를 갖기 때문에 전류의 위상은 90도 늦어진다. 이 전류에 의해 반 사기에서 다시 전파가 방사되는 것이지만, 이때의 위상은 전류보다 90도 늦어진다.
그림 3은 제안한 TACAN 안테나에서 기생소자의 도파 기 동작을 보여준다.
그림 4는 제안한 TACAN 안테나에서 기생소자의 반사 기 동작을 보여주며, 그림 5는 중심에 위치한 급전 안테 나로부터 15 Hz 기생소자와 135 Hz의 기생소자의 극좌표
그림 4. 반사기 동작
Fig. 4. Operation of reflector.
(c) 9개 로브 패턴 (d) 합성 패턴 (c) Nine lobe pattern (d) Composite pattern 그림 5. 반사기 위치에 따른 방사 패턴
Fig. 5. Radiation pattern of reflector position.
위치와 주파수, 그리고 배열 계수(array factor)를 적용하여 Matlab으로 계산한 시뮬레이션 결과이다[7].
그림 5(a)는 중앙에 위치한 급전 안테나를 중심으로 1 개의 15 Hz 기생소자와 9개의 로브 생성을 위한 9개의 135 Hz의 기생소자의 위치를 보여준다.
그림 5(b)는 15 Hz 기생소자가 반사기로 동작할 때의 심장모양의 방사패턴이다. 15 Hz의 기생소자가 반사기로 동작하고, 15 Hz 주기로 회전을 하면 공간상에서 15 Hz 진폭변조 신호가 생성이 된다.
그림 5(c)는 9개의 135 Hz 기생소자가 반사기로 동작했 을 때 생성되는 9개의 로브 패턴이며, 15 Hz 주기로 회전 하면 공간상에서 135 Hz 진폭변조 신호가 생성된다.
그림 5(d)는 15 Hz와 135 Hz 반사기가 동작한 경우, 생 성된 합성신호로서 15 Hz 주기로 회전할 경우, 공간상에 서 방위정보 수신에 필요한 15 Hz와 135 Hz의 합성된 진 폭변조 신호가 생성이 된다.
안테나 회전을 통하여 공간상에서 합성된 15 Hz와 135
의 방위각이다.
Ⅲ. 시뮬레이션
3-1 심장모양 15 Hz 패턴 생성
15 Hz 기생소자는 λ/2보다 긴 반사기 1개를 메인 안테 나에 λ/4만큼 이격시키면 심장 모양의 빔 패턴이 형성된 다. 급전용 메인 안테나 중심으로 기생소자 복수 개를 배 열하고, 1개의 기생소자를 반사기로 동작시켜 전기적 회 전주파수 15 Hz로 회전하면 15 Hz 진폭 변조 패턴이 형 성된다.
그림 6은 심장모양의 패턴 생성을 위해 급전 안테나 주 위에 원형으로 16개의 기생소자를 균등하게 배열하고, 1 개는 반사기로 동작시키며, 나머지 15개는 도파기로 동작 하도록 설계한 형상을 보여준다. 기생소자 1개만 반사기 로 동작시키기 위하여 접지 판(ground plate)에 연결한
그림 6. 심장모양 패턴 생성을 위한 형상
Fig. 6. Configuration for generating the cardioid pattern.
그림 7. 심장모양 패턴 시뮬레이션 결과 Fig. 7. The simulation result of cardioid pattern.
다. 급전안테나로부터 15 Hz 기생소자의 거리는 30 mm 로 하였다.
그림 7은 1개의 기생소자가 반사기로 동작하였을 때 심장모양의 방사 패턴을 보여준다.
3-2 9개 로브 패턴 생성
135 Hz 기생소자는 λ/2보다 긴 반사기 9개를 메인 안 테나 중심에서 원형으로 40도 간격으로 배치하면 9개의 로브 패턴이 형성된다. 기생소자 63개를 원형으로 배열
그림 8. 9 개 로브 패턴 생성을 위한 형상
Fig. 8. Configuration for generating the nine-lobe pattern.
그림 9. 9 개 로브 패턴 시뮬레이션 결과 Fig. 9. The simulation result of nine-lobe pattern.
하고, 그 중 40 도 간격으로 위치한 기생소자 9개를 반사 기로 동작시키고, 전기적으로 15 Hz로 회전하면 135 Hz 진폭 변조 패턴이 형성된다. 그림 8은 9개 로브 패턴을 생 성하기 위한 형상을 보여준다.
그림 9는 9개의 기생소자가 반사기로 동작하여 형성된 9개 로브 패턴을 보여준다.
3-3 합성 패턴 생성
운영 주파수 대역인 962～1,213 MHz에 대하여 동작하 도록 135 Hz 기생소자를 63개 3열로 구성하여 안쪽 배열 은 High 대역, 중간 배열은 Middle 대역, 그리고, 바깥쪽 배열은 Low 대역에서 동작하도록 그림 10과 같이 구성하 였다.
그림 11은 심장 모양과 9개 로브가 합성된 패턴을 보여 주며, 그림 12는 1,024 MHz에서 15 Hz와 135 Hz가 합성 된 패턴을 보여준다.
세 대역으로 나눈 후 안테나가 동작할 대역에 대하여 기생소자 하단에 위치한 PIN 다이오드 스위치 63개를 이 용하여 40도 간격으로 위치한 9개의 PIN 다이오드 스위 치가 ON 되면 나머지 스위치 54개는 OFF가 되도록 하여 9개 로브 패턴을 만든다. PIN 다이오드가 ON된 기생소자
그림 10. 합성 패턴 생성을 위한 형상
Fig. 10. Configuration for generating the composite pattern.
그림 11. 합성 패턴 시뮬레이션 결과
Fig. 11. The simulation result of composite pattern.
는 λ/2보다 긴 반사기로 동작하고, OFF된 기생소자는 λ /2보다 짧은 도파기로 동작한다[9].
Ⅳ. 제작 및 측정
본 논문에서 전체 대역 특성을 만족시키기 위해 15 Hz 기생소자는 Low 대역과 High 대역으로 나누어 16개×2열 로 구성하고, 135 Hz 기생소자는 Low 대역, Middle 대역, High 대역으로 나누어 63개×3열로 구성하였다. PIN 다이
그림 12. XY 평면상의 합성 패턴 시뮬레이션 결과 Fig. 12. The simulation result of composite pattern on car-
tesian XY-plane.
오드는 OFF 시 아이솔레이션을 30 dB 이상 확보하기 위 해 COBHAM사의 DH85100-91LT1 2개를 직렬로 연결하 였다. 2개를 직렬로 한 PIN 다이오드는 OFF 시 962 MHz 에서 아이솔레이션은 27 dB이며, 1,213 MHz에서 37 dB이 측정되었다. 기생소자 제작에 사용된 기판은 1.0 mm 두 께의 FR-4로서 해당 동작 주파수에서 유전상수는 4.5이 고, 손실 탄젠트는 0.02이다.
그림 13은 1,165 mm(직경)× 330 mm(높이) 크기로 제작 된 안테나의 3D 도면이다.
그림 14는 99 mm(높이)×26 mm(폭)×1 mm(두께)로 제 작된 135 Hz 기생 소자와 한 개의 PCB에 2열로 배치된 15 Hz 기생소자를 보여준다.
전면에는 2개의 PIN 다이오드와 DC 차단용 100 pF 캐 패시터가 조립되어 있고, 뒷면에는 RF 초크코일로 330 nH 인덕터와 바이어스 저항 220옴이 조립되어 있다. PIN 다이오드는 애노드에 상시 +5 V가 인가되고, 캐소드에 0 V 또는 +50 V가 걸린다. +50 V일 때 PIN 다이오드는 OFF 상태이고, 0 V가 걸리면 ON 상태로 동작을 한다.
그림 15는 제작된 TACAN 안테나의 형상을 보여준다.
그림 16은 본 논문에서 세 개로 구분한 대역 중 Low 대역 에 대한 합성 패턴 측정 결과이다. Low 대역 특성을 확보 하기 위하여 15 Hz 기생소자의 바깥쪽 열과 135 Hz 기생 소자의 바깥쪽 열을 반사기로 동작이 되도록 하였다. 시 뮬레이션과 유사하게 15 Hz와 135 Hz가 합성된 패턴
그림 13. 제안한 TACAN 안테나의 3D 도면
Fig. 13. Three dimensional drawing of the proposed TA- CAN antenna.
그림 14. 제작된 기생소자
Fig. 14. Fabricated parasitic element.
특성을 얻게 되었다.
TACAN의 주요 규격인 MIL-STD-291C 미 국방 규격에 서 요구하는 방위 오차와 변조도 특성을 측정하기 위하 여 그림 17과 같이 측정 셋업을 구성하였다.
신호원으로는 자북 기준 버스트(NRB)와 보조 기준 버
그림 15. 제작된 TACAN 안테나 형상
Fig. 15. Configuration of fabricated TACAN antenna.
그림 16. 측정된 합성 패턴 Fig. 16. Measured composite pattern.
그림 17. 방위 및 변조도 측정 셋업
Fig 17. Setup for measuring bearing and modulation.
스트(ARB)를 포함하는 방위 펄스 그룹을 송신할 수 있는 1 kW 출력 TACAN 트랜스폰더와 방위 오차 및 변조도를
그림 18. 15 Hz+135 Hz 합성신호의 검파된 포락선 신호 Fig. 18. Detected envelop signal of 15 Hz+135 Hz com-
posite signal.
측정할 수 있는 ROHDE&SCHWARZ 사의 TACAN 분석 기 EDS-300을 사용하였다.
그림 18은 TACAN 분석기에서 추출된 15 Hz와 135 Hz 가 합성된 신호에 대한 검파 신호를 오실로스코프로 측 정한 파형을 보여준다.
자북 기준 버스트(NRB)를 트리거 신호로 변환하여 보 여주며, 기생소자의 PIN 다이오드 스위치가 시계방향으 로 순차적으로 ON이 되면서 반사기로 동작하기 때문에 검파된 포락선 신호가 계단형 파형으로 측정되는 것을 확인하였다.
표 1은 TACAN의 동작 주파수 범위 962～1,213 MHz 중에 1,024 MHz에서의 방위 오차와 변조도 측정한 결과 를 보여준다.
전체 대역에 대한 측정 결과, 국토교통부 비행점검센 터 비행검사 기준과 TACAN에 대한 미 국방 규격인 MIL- STD-291C에서 요구하는 주요 규격을 만족하였다.
순서 항목 규격 측정
1 방위오차 ±1° 이내 ±0.78°
2 15 Hz 변조도 21±9 % 22 ～25 % 3 135 Hz 변조도 21±9 % 17～22 %
4 ②+③ 합 55 % 이내 47 %
표 1. TACAN 규격
[8]및 1,024 MHz 채널 측정 결과 Table 1. TACAN specification and the measured result at
1,024 MHz.
열의 15 Hz와 135 Hz 기생소자를 원형 배치하고, 주파수 에 따라 최적의 기생소자 열을 선택하여 동작시킴으로써 우리나라 공군에서 준용하고 있는 미 국방 규격 MIL- STD-291C의 TACAN 규격을 만족하였다.
향후 제작된 TACAN 안테나의 수직 방사 패턴 분석을 통한 널점(Null Point) 예측 및 단일 모노폴 안테나 구조로 인한 지상 방향의 후방 방사량에 대한 개선 방안에 대하 여 연구가 이루어져야겠다.
References
[1] W. L. Garfield, "TACAN : a navigation system for air- craft", IEE Proceedings-Part B: Radio and Electronic
Engineering, vol. 105, issue 9, part S, pp. 298-306, 1958.
[2] DCN News, 제55회 정책․기획분과위원회 개최 결과 이동형 TACAN 사업추진기본전략 수정(안) 등, http://
dcn.or.kr/66344
[3] 서영호, 김동욱, "TACAN을 위한 디지털 회로의 FP- GA 구현", 한국통신학회논문지, 35(12), pp. 1775-1782, 2010년 12월.
[4] E. J. Christopher, "Electronically scanned TACAN ante- nna", IEEE Trans. Antennas Propag., vol. AP-22, pp.
12-16, Jan. 1974.
[5] L. N. Shestag, "Cylindrical array for the TACAN sys- tem", IEEE Trans. Antennas Propag., vol. AP-22, pp.
17-25, Jan. 1974.
[6] G. Greving, R. Zeitz, "Concept and experimental veri- fication of a new electronic TACAN antenna", European
Microwave Conference, pp. 17-25, 1984.
[7] C. A. Balanis, Antenna Theory : Analysis and Design, 3rd
ed., New York: Wiley, 2005.
[8] MIL-STD-291C, Military Standard Tactical Air Naviga-
tion (TACAN) Signal, Feb. 1988.
[9] B. Chang, Y. Qian, "A reconfigurable leaky mode/patch antenna controlled by PIN diodes switches", IEEE AP-S
Int. Symp. Digest., pp. 2694-2697, 1999.
박 상 진
2001년 2월: 인천대학교 전자공학과 (공학 사)
2003 년 2월: 인천대학교 전자공학과 (공학 석사)
2006 년 8월～2011년 8월: 에이스테크놀로 지 책임연구원
2011년 8월～현재: 한국공항공사 항공연 구소 선임연구원
2010년 3월～현재: 인천대학교 전자공학과 박사과정
[주 관심분야] 전력증폭기 선형화, 레이다 전파 신호처리, 항행 안전 무선시설 등
구 경 헌
