ISSN 1226-3133 (Print)․ISSN 2288-226X (Online)
Ⅰ. 서 론
발사체, 로켓, 항공기 등의 비행체 동체 외곽면(skin)에 는 비행 중 지상국과의 무선통신을 위해서 안테나를 포 함한 각종 RF 송/수신 장치들이 탑재된다. 특히, 발사체 에서는 이들 장치들이 전체 시스템으로 조립되고, 발사장 으로 운송된 이후에는 각종 전기/기계적인 점검이 발사체 조립동에서 수행된다. 전기적인 최종 점검의 하나로 그림 1과 같이 지상국과 조립동 내에 있는 발사체 사이의 RF
호환성(compatibility) 시험이 요구된다. 그러나 이들 송수 신 시스템 사이에는 가시거리(line-of-sight)가 발생되지 않 으므로 RF 링크가 직접적으로 확보되지 않는다.
RF 링크 제공을 위한 가장 간단한 방법으로 그림 1에 서 점선으로 표기된 Method (a)가 있다. 이 방법은 발사체 탑재안테나 근처에 중계안테나(repeat ant)를 설치하여 옥 외안테나를 통해 신호를 전달하는 것으로, 이 방법에서는 탑재안테나로부터 방사된 직접파 신호(direct signal)와 건 물 내에서 반사된 여러 반사파 신호(reflected signal)에 의
발사체의 RF 호환성 시험을 위한 소형 S-밴드 안테나 햇
Compact S-Band Antenna Hat for RF Compatibility Testing of
Launch Vehicle
김 성 완․박 동 철*
Sung-Wan Kim․Dong-Chul Park*
요 약
본 논문에서는 발사체와 지상국과의 RF 호환성 시험을 효율적으로 수행하기 위한 소형 안테나 햇을 제안한다. 제안된 구조에서는 통상적으로 쓰는 흡수체가 아닌 도체로 쉴드된 구조를 사용하여 안테나 햇의 소형화와 저손실을 구현하였 다. 제작된 S-밴드 안테나 햇의 크기는 88 mm×35 mm×44 mm로 역-F 탑재안테나의 크기(74 mm×13 mm×16 mm)에 비해 많이 크지 않으면서 중심주파수 2.25 GHz에서 25.6 dB의 반사손실, 0.26 dB의 삽입 손실, 49.4 dB의 누설손실을 갖는다.
시뮬레이션 결과와 측정 결과가 상당한 유사성을 보여준다.
Abstract
In this paper, we propose a compact antenna hat to perform RF compatibility testing efficiently between the launch vehicle and ground stations. The proposed structure implements a small size and low loss using the conductive shield instead of the conventional RF absorber. The S-band antenna hat, which is fabricated for an inverted-F onboard antenna with the size of 74 mm×13 mm×16 mm, has the small enclosure of 88 mm×35 mm×44 mm, the return loss of 25.6 dB, the insertion loss of 0.26 dB, and the leakage loss of 49.4 dB at the center frequency of 2.25 GHz. The simulated and measured results show a good agreement.
Key words: Antenna Hat, Antenna Test Coupler, Launch Vehicle, RF Compatibility Testing, Telemetry
한국항공우주연구원(Korea Aerospace Research Institute)
*충남대학교 전파공학과(Department of Radio Science & Engineering, Chungnam National University)
․Manuscript received October 20, 2014 ; Revised December 12, 2014 ; Accepted December 23, 2014. (ID No. 20141020-085)
․Corresponding Author: Dong-Chul Park (e-mail: [email protected])
그림 1. 발사체 조립동에 있는 발사 대기 상태의 발사체 와 지상국 사이의 RF 호환성 시험 구성도 Fig. 1. Configuration for RF compatibility testing between
launcher and ground station in assembly building.
해 스펙트럼의 왜곡이 발생할 수 있다. 따라서 출력 레벨, 스펙트럼 및 변조도, 데이터 오류 여부 등 탑재 송신시스 템의 성능 변화를 정확히 점검하기 어렵다. 또한, 탑재된 송신기가 고출력인 경우에는 건물 내 시험원의 전자파 노출에 대한 위험도 높아진다.
그림 1에서 점선으로 표기된 Method (b)를 사용하면 안 테나 방사가 밀폐된 공간 내에서 이루어지므로 송신기에 서 변조된 출력 스펙트럼이 왜곡없이 전달될 수 있으며, 탑재안테나 주변으로 누설되는 RF 강도도 억제할 수 있 다. 이러한 목적으로 안테나로부터 방사되는 전자파 에너 지를 흡수하여 지상국(또는 지상 점검장비)으로 전달하 도록 개발된 장치가 안테나 햇(antenna hat)이다[1]. 안테나 햇은 안테나 테스트 커플러(antenna test coupler)로도 불리 우며, 지상국과의 RF 호환성 시험에서 일종의 RF 수동 중계기 역할을 한다[2],[3]. 이때 만약 안테나 햇의 손실이 작다면 능동 중계기나 증폭기의 추가가 필요 없게 된다.
안테나 햇은 탑재안테나의 크기와 모양, 사용주파수, 편파 등에 의존하여 다양한 형태[4]가 가능하나, 설계 과
정은 잘 소개되어 있지 않다. 기존의 안테나 햇은 주로 위 성체(spacecraft) 탑재안테나를 대상으로 제작되었다[3],[5]∼
[7]. 위성체에서는 대부분의 안테나가 동체면 바깥으로 돌 출되어 있거나, 주변에 간섭 구조물의 영향이 거의 없다.
따라서 비교적 크기의 제약 없이 탑재안테나 전체를 감 싸는 구조로 충분한 크기의 햇을 설계할 수 있다. 이러한 형태의 일반적인 안테나 햇은 금속 박스 내부 전체를 고 무 시트(rubber sheet) 형태의 전파흡수체로 씌우고, 수신 용 안테나를 내부에 배치하는 구조이다. 그러나 발사체에 서는 각종 전기/기계적 장치의 돌출물과 분리면(일종의 불연속적인 동체면)이 탑재안테나 주변에 존재하므로, 햇 설치를 위해서 햇의 소형화가 필수적으로 요구된다.
본 논문에서는 한국 최초로 발사된 소형 위성발사체 (나로호, KSLV-I)에 탑재된 S-밴드 송신용 역-F 안테나에 적용된 안테나 햇을 제안한다. 제안된 안테나 햇은 흡수 체를 사용하지 않고 도체로 쉴드된 구조를 사용하여 소 형화 및 저손실을 구현하였다. 특히, 파라미터 분석 과정 을 통해서 안테나 햇 치수와 프로브의 커플링 구조를 최 적화하였다. 이렇게 제작된 안테나 햇은 시스템 연계시험 및 발사체 조립동에서 발사 전 지상국과의 RF 호환성 시 험에 활용되었다.
Ⅱ. 설계 및 시뮬레이션 2-1 규격 설정 및 요구 조건
안테나 햇은 시스템 연계시험 및 지상국과의 RF 호환 성 시험을 위해서 일시적으로 탑재안테나 위에 설치되며, 비행 시에는 제거된다. 햇 설계에 있어서 우선적으로 고 려해야 할 항목은 반사손실이며, 고출력 송신장치와 연동 될 경우에는 전파누설량도 주요 관심 사항이다. 햇의 설 치 유/무에 의한 탑재안테나의 반사손실 변화가 최소화되 어야 하며, 시험원의 전자파 노출 위험을 절감하기 위해 서 누설량도 적어야 한다. 위에 제시된 항목들과 위성체 안테나 햇에 적용되고 있는 일반적인 규격[4]을 참고로 하 여 나로호에 적용할 요구 규격을 표 1과 같이 설정하였 다. 이때 누설손실(leakage loss)은 안테나 햇을 종단시키 고, 포트 1을 안테나 포트에 연결하고, 포트 2는 햇 외곽 에서 측정한 S21 값을 데시벨로 표현한 것이다.
표 1. 발사체 S-밴드 안테나 햇의 요구 규격
Table 1. Specification of S-band antenna hat for launch ve- hicle.
항 목 요구값
주파수 2.2∼2.3 GHz
VSWR 2:1 이하
입력/출력 임피던스 50 Ω
삽입 손실 10 dB 이하
결합 평탄도 ±1 dB
전파 누설손실 40 dB 이상
최대 전력 인가량 20 watt
커넥터 SMA female
크기/장착 조건 Compatible to onboard antenna and vehicle skin
그림 2. 발사체 탑재안테나 및 주변 구조물
Fig. 2. Onboard antenna and peripheral equipments of la- unch vehicle.
그림 2는 발사체 탑재안테나와 주변 구조물을 보여주 고 있으며, 탑재안테나 근처에는 많은 물리적인 간섭물들 이 존재함을 알 수 있다. 특히, 고속 비행에 따른 공력가 열로부터 돌출된 전기/기계적인 장치를 보호하기 위한 덮 개로 여러 개의 카울(cowl)이 전반적으로 분포되어 있다.
이에 따라 햇 설치를 가능하도록 하기 위해서는 인접 구 조물과의 간섭이 없도록 소형화가 요구된다.
2-2 구조 제안 및 설계
일반적인 위성체용 안테나 햇 구조로 단순히 크기를
작게 한 안테나 햇을 사용하면 햇에 의해서 구속된 작은 접지면에 의해서 안테나 자체의 임피던스 및 표면 전류 가 바뀌게 된다. 또한, 햇 내벽에서 완전한 흡수가 이루어 지지 않으며, 흡수체에서 반사된 소량의 반사파일지라도 근접 거리에서는 안테나의 필드 분포에 직접적인 영향을 주게 된다. 이에 따라 안테나의 임피던스 부정합, 공진 주 파수의 이동과 햇으로 인한 손실 증가 등이 발생할 수 있 다. 위와 같은 어려움을 극복하기 위해서 안테나 햇 내벽 을 통상적으로 써 왔던 흡수체 경계면 조건으로 설정하 지 않고, 도체 쉴드 구조를 적용한 완전 도체 경계면 조건 으로 구성하였다. 그리고 탑재안테나로부터 최대의 전자 파 에너지를 햇 내부의 안테나로 커플링하기 위한 햇 치 수와 커플링 안테나의 구조 설계를 목표로 하였다.
탑재안테나를 포함한 제안된 S-밴드 안테나 햇의 구조 를 그림 3에 단면으로 나타내었다. 탑재안테나는 텔레메 트리(telemetry) 항공우주분야에 가장 보편적으로 사용되 어지는 역-F 블레이드(blade) 안테나이다[8]. S-밴드 송신용 으로 크기는 레이돔을 포함하여 길이 74 mm, 폭 13 mm, 높이 16 mm이고, 2.2∼2.3 GHz의 대역폭을 갖는다.
안테나 햇은 바닥면이 개방(open)된 직육면체 형태의 햇 바디 금속 구조체(antenna hat body), 커플링 프로브(cou- pling probe), 커플링 블록(coupling block), 가이드 블록 (guide block)으로 구성된다. 커플링 프로브 및 커플링 블 록은 탑재안테나로부터 방사되어지는 전자기 에너지를 수신하며, 가이드 블록은 햇 바디가 안테나 위에 설치될
그림 3. 탑재안테나가 포함된 제안된 안테나 햇의 단면
Fig. 3. Sectional view of the proposed antenna hat with onboard antenna.
그림 4. 설계 파라미터를 결정하기 위한 흐름도
Fig. 4. Flow diagram for decision of all design parameters.
때 고정시켜 주는 역할을 한다. 제안된 구조에 대한 안테 나 햇을 설계하기 위해서는 햇 바디의 길이(Lb), 폭(Wb), 높이(Hb) 그리고 커플링 프로브의 높이(Hp), 위치(Dp), 커 플링 블록의 길이(Lp), 폭(Wp)의 7개 파라미터가 결정되어 야 한다. 최적의 설계 파라미터를 찾기 위한 시뮬레이션 툴로는 HFSS(High Frequency Structure Simulator)를 사용 하였다.
그림 4는 파라미터 값을 결정하기 위한 설계 흐름을 나 타낸다. 안테나 햇 크기를 최소화하기 위한 초기 설계값 으로 햇 면적(LbWb)은 탑재안테나 크기에 매우 근접하도 록 설정하였다. 다만 크기 구속 조건에서 비교적 제한이 없는 바디 높이(Hb)는 프로브가 커플링량의 조절을 용이 하게 하도록 충분한 크기로 설정하고, 커플링 프로브의 높이(Hp)는 동작주파수의 λ/4로 선택한다. 프로브의 위 치(Dp)는 탑재안테나 길이 방향을 따라 변화시키며, 커플 링량을 조절할 수 있도록 설정한다. 추가적으로 대역폭을 보다 넓히고 커플링량을 효과적으로 조절하기 위해 커플 링 블록의 길이(Lp), 폭(Wp)을 미세 튜닝하였다.
파라미터 분석을 통해서 안테나의 공진주파수와 반사 손실이 안테나 햇이 없는 자유공간 조건과 비교하여 변 화가 거의 없으며, 햇으로 인한 삽입 손실이 최소가 되도 록 커플링 프로브의 최적 위치와 커플링 블록의 크기를 찾을 수 있다. 이때 강한 커플링은 공진주파수와 삽입손
(a) 길이(Lb)에 따른 변화 (a) Length(Lb) variation
(b) 폭(Wb)에 따른 변화 (b) Width(Wb) variation
(c) 높이(Hb)에 따른 변화 (c) Height(Hb) variation
그림 5. 안테나 햇 바디의 크기에 따른 S-파라미터 변화
(변수 이외의 고정값: Lb=88, Wb=35, Hb=44, Dp= 48.5, Hp=25 mm)
Fig. 5. S-parameters according to the body size of the an- tenna hat(Fixed values except variable: Lb=88, Wb= 35, Hb=44, Dp=48.5, Hp=25 mm).
실을 감소시키는 반면, 약한 커플링은 공진주파수와 삽입 손실을 증가시키는 것을 알 수 있었다.
그림 5는 안테나 햇 바디의 길이(Lb), 폭(Wb), 높이(Hb) 변화에 따른 S-파라미터 변화를 보여준다. 햇 바디의 길 이(Lb) 변화는 반사손실에 대한 영향을 거의 주지 않으며, 폭(Wb), 높이(Hb) 변화에 의해서는 공진주파수와 반사손 실이 변한다. 폭(Wb)이 증가할수록 공진주파수는 내려가 며, 높이(Hb)가 44 mm에서 46 mm로 증가시 공진주파수 는 100 MHz 정도 증가하고, 44 mm 이하와 46 mm 이상에 대
(a) 크기(Hp)에 따른 변화 (a) Height(Hp) variation
(b) 위치(Dp)에 따른 변화 (b) Position(Dp) variation
그림 6. 안테나 햇 프로브의 위치 및 크기에 따른 S-파라
미터 변화(변수 이외의 고정값은 그림 5와 동일) Fig. 6. S-parameters according to the position and height of
the probe(Other parameters are the same in Fig. 5).
(a) Lp=11 mm일 때 폭(Wp)에 따른 변화 (a) Width(Wp) variation at Lp=11 mm
(b) Wp=8 mm일 때 길이(Lp)에 따른 변화 (b) Length(Lp) variation at Wp=8 mm
그림 7. 안테나 햇 커플링 블록 추가시의 크기에 따른 S-
파라미터 변화(변수 이외의 고정값은 그림 5와 동일)
Fig. 7. S-parameters according to the size of the coupling block(Other parameters are the same in Fig. 5).
해서는 미세한 변화만 있다.
그림 6은 프로브의 위치(Dp), 크기(Hp) 변화에 따른 S- 파라미터 변화를 보여준다. 프로브가 안테나에 근접할수 록(Hp가 증가할수록) 반사손실이 증가하며 이에 따른 커 플링량도 증가함을 알 수 있다. 그러나 너무 근접하는 경 우(Hp=27 mm)에는 프로브의 1 mm 변화(Hp=26 mm에서 Hp=27 mm)에도 150 MHz 정도 공진주파수가 증가한다.
또한, 프로브가 안테나 개방 끝점에서 멀어질수록(Dp가
그림 8. 안테나 햇의 유/무에 따른 S-파라미터 시뮬레이션 Fig. 8. Simulated S-parameters with and without antenna
hat.
증가할수록) 공진주파수의 변화와 함께 반사손실이 감소 하며, 이에 따른 커플링량이 감소함을 알 수 있다.
그림 7은 커플링 블록을 추가할 때 커플링 블록의 폭 (Wp)과 길이(Lp)의 변화에 따른 S-파라미터 변화를 보여준 다. 폭(Wp)과 길이(Lp)를 변화시켜 대역폭의 조정과 공진 주파수의 미세 튜닝이 가능함을 알 수 있다.
상기와 같은 파라미터 분석을 통해서 얻게 된 최적화 된 안테나 햇의 치수는 Lb=88 mm, Wb=35 mm, Hb=44 mm, Dp=48.5 mm, Hp=25 mm, Wp=8 mm, Lp=11 mm이다. 이 크 기는 탑재안테나의 치수를 감안할 때 부피가 크게 증가 하지 않으며, 안테나 햇을 설치하기 위한 필요 면적도 충 분히 작음을 알 수 있다.
그림 8은 최적 설계값을 사용하여 안테나 햇이 있을 때 와 없을 때(자유공간 방사 조건)의 S-파라미터 시뮬레이 션 결과이다. 햇 유/무에 상관없이 공진주파수의 큰 변화 가 없으며, 반사손실 특성도 전반적으로 유사하다. 특히, 햇이 있는 경우, 없는 경우보다 향상된 반사손실을 얻는 이유는 안테나 햇에서 정합도를 더 높인 결과로 예상된 다. 또한, 사용 대역 내 삽입 손실도 표 1의 설정된 규격 보다 훨씬 향상된 0.5 dB 정도로 우수한 특성을 보여준다.
Ⅲ. 제작 및 측정
제안된 소형 S-밴드 안테나 햇의 제작된 형상을 그림 9에 나타내었다. 햇 내벽은 그림 9(b)와 같이 흡수체를 사
(a) 외부 (a) Outside view
(b) 내부 (b) Inside view 그림 9. 제작된 안테나 햇 사진
Fig. 9. Photograph of the fabricated antenna hat.
용하지 않는 구조로 도체 알루미늄 재질을 사용하였다.
발사체 외부 스킨과의 접촉면은 발사체의 직경 2 m 원형 동체를 고려하여 곡률 처리하였으며, 전파누설량을 감소 시키기 위해서 EMI 가스켓을 적용하였다.
그림 10은 안테나 햇 설치 전과 후의 발사체 외피 사진 으로 위성을 보호하기 위한 페어링(fairing)이 덮여지지
(a) 설치 전 (b) 설치 후
(a) Before installation (b) After installation 그림 10. 발사체 외피에 안테나 햇 설치 전/후 사진 Fig. 10. Photograph of the installation of antenna hat on
launch vehicle.
그림 11. 안테나 햇의 유/무에 따른 S-파라미터 측정값 Fig. 11. Measured S-parameters with and without antenna
hat.
않았을 때이다. 햇 고정을 위해서 그림 10(b)와 같이 고정 용 치구를 별도로 제작하여 외부에서 지지하도록 하였다.
햇 설치를 위한 구속 조건으로서 안테나 주변의 물리적 인 간섭 환경과 분리면 조건(페어링 결합 전 서브시스템 연계시험 시 발생)을 확인할 수 있다.
안테나 햇의 반사손실과 삽입 손실을 측정하기 위해서 그림 10(b)의 구성으로 Agilent E8362B 네트웍분석기를 이용하여 포트 1은 안테나 입력, 포트 2는 안테나 햇 출력 으로 연결하여 S-파라미터를 측정하였다. 이때 누설손실 은 햇 출력 포트를 50 Ω 종단처리하고, 슬리브 다이폴 안 테나를 이용하여 햇 주변을 스캔하면서 S21의 최대값을 측정하였다. 측정에 사용된 다이폴 안테나는 —15 dB 대 역폭이 1,990∼2,330 MHz이며, 이득은 2.2 dBi이다. S-파 라미터 측정값을 그림 11에 보였으며, 측정된 반사손실과 삽입 손실은 시뮬레이션 결과인 그림 8과 상당히 일치 한다.
표 2에 탑재안테나와 안테나 햇의 사용 주파수 대역에 서의 반사 손실, 삽입 손실, 누설 손실의 측정값을 나타내 었다. 누설손실에 대해서는 2.2 dBi의 측정 안테나 이득을 감안하여 이득만큼을 보상하였다. 제작된 안테나 햇은 표 1의 요구 규격을 모두 만족함을 알 수 있다. 큰 반사손실 은 탑재안테나로부터 송출되는 신호가 밀폐된 햇의 구조 물에 의해서 반사되어 송신기로 유입될지라도 시스템에
표 2. 사용주파수 대역폭 내에서 탑재안테나와 제작된
안테나 햇의 측정 결과
Table 2. Measured results of onboard antenna and fabri- cated antenna hat in operating band.
주파수 (GHz)
안테나 안테나 + 안테나 햇
반사손실 (dB)
반사손실 (dB)
삽입 손실 (dB)
누설손실 (dB)
2.20 16.6 18.7 0.26 48.2
2.25 22.0 25.6 0.26 49.4
2.30 13.9 14.3 0.57 51.0
문제를 초래할 가능성을 없게 한다. 삽입 손실은 흡수체 가 사용된 위성체 안테나 햇이 보통 10∼20 dB인 것에 비 하면 상당히 우수한 특성을 보인다. 작은 삽입 손실은 그 림 1과 같은 RF 호환성 시험 시에 충분한 RF 링크 마진 을 확보할 수 있게 하여 별도의 외부 증폭기를 사용할 필 요가 없게 한다. 그리고 높은 누설손실은 시험원의 전자 파 노출의 위험을 절감시켜 준다.
Ⅳ. 시스템 시험
제안된 S-밴드 안테나 햇을 이용하여 나로호 발사체의 S-밴드 송신시스템에 대한 통합 연계시험을 수행하였다.
그림 12에서 안테나 햇의 좌측 부분은 발사체 탑재 구성 도이고, 우측은 이를 검증하기 위한 지상 점검 수신 구성 도이다. 발사체 S-밴드 송신시스템은 서로 다른 2개의 주 파수를 사용하며, 텔레메트리 시스템과 비디오 시스템으 로 구성된다. 텔레메트리 시스템은 텔레메트리 데이터 엔 코더(telemetry data encoder)를 통해서 발사체의 각종 상태 정보 및 센서 데이터를 취합한다. 그리고 비디오 시스템 은 비디오 압축 장치(video compression unit)를 통해서 단 분리, 페어링분리, 위성분리 등 주요 이벤트 영상을 취합 한다. 이렇게 취득된 텔레메트리 데이터와 비디오 데이터 를 각각 RF로 변조하여 지상으로 전송하기 위해서 텔레 메트리 송신기(transmitter #1)와 비디오 송신기(transmitter
#2)가 사용된다. 이때 변조된 2개의 주파수를 동일한 안 테나로 동시에 전송하기 위해서 송신기 각각의 출력을 다이플렉서로 합치고 다시 분기하여, 서로 반대 방향에 탑재된 2개의 S-밴드 탑재안테나로 송출한다.
그림 12. 안테나 햇을 이용한 탑재시스템 시험 구성도
Fig. 12. Configuration of onboard system testing using antenna hat.
위와 같은 시험에서 인터페이스(I/F) 장치의 역할로 안 테나 햇을 이용하면 탑재안테나에 접속된 케이블을 분리 할 필요 없이 최종 조립된 상태 그대로 재연성 있는 시험 을 할 수 있다. 시험을 위한 수신기로는 프랑스 Insnec사 의 2채널 RTR(Radio Telemetry Receiver)를 사용하여 출력 레벨, 변조도, 중심주파수 등 탑재송신시스템의 RF 상태 를 점검하였다. 그리고 송신 데이터의 오류 여부를 판단 하기 위해서는 자체 제작된 텔레메트리 점검장비(TLM GSE: Telemetry Ground Support Equipment)와 비디오 점검 장비(VCS GSE: Video Compression System Ground Support Equipment)를 사용하였다.
표 3은 그림 12 시험 구성도에서 예상되는 RF 버짓을 계산하기 위해 송신기의 공칭 출력과 각 연결 장치의 손 실 규격을 보여준다. 시험 결과, RTR에서 측정된 텔레메 트리 대역(f1)과 비디오 대역(f2)에서의 수신 신호레벨은 각각—38.5 dBm, —39 dBm이었다. 모두 예상값보다 약 간 높은 값으로 텔레메트리 대역은 1.08 dB, 비디오 대역 은 0.58 dB 크게 측정되었다. 이러한 결과는 송신기 각각 의 출력 전력이 실제로는 공칭 출력보다 다소 크며, 동축 케이블, 감쇠기 및 각 장치의 손실 계산으로 규격값을 사 용했으므로 이 정도의 오차로 측정되는 것은 예상값에서 많이 벗어난다고 볼 수 없다. 또한, 그림 13에서 보여주고 있는 안테나 햇을 통과한 후의 비디오 송신 스펙트럼에 서도 송신기에서 변조된 전형적인 PCM/FM 출력 스펙트 럼이 왜곡 없이 전달됨을 알 수 있다. 이때 데이터는 랜덤 화된 2 Mbps NRZ 신호이며, FM 변조도는 데이터율의 0.35배이고, 대역제한을 위한 프리모듈레이션(premodu-
표 3. 안테나 햇을 이용한 탑재시스템 시험시 RF 버짓 Table 3. RF budget of onboard system testing using ante-
nna hat.
장치명 제조사 모델명 출력/손실
TX
Transmitter #1 자체제작 TLM-TX 43 dBm(20 W) Transmitter #2 자체제작 Video-TX 43 dBm(20 W)
Diplexer 자체제작 DIP 0.9 dB
Power divider 자체제작 PD 3.3 dB Coaxial Cable T1 Micro-coax UFB197C 0.3 dB(65 cm) Coaxial Cable T2 Micro-coax UFB197C 0.6 dB(1.65 m) EIRP 37.9 dBm
RX
Attenuator 1
(100W) Weinschel 48-30-34 30 dB
Attenuator 2 30 dB
Power splitter
(resistive type) Weinschel 1515-1 5.8 dB Coaxial Cable R1 Telcon SS402 8.6 dB(10 m) Coaxial Cable R2 Telcon SS402 2.58 dB(3 m) RX loss 76.98 dB I/F Antenna hat 자체제작 0.5 dB@f1, f2
RX level —39.58 dBm
lation) 필터는 6차 베셀 필터를 사용하였다. 시험 결과에 의하면 고출력 신호가 인가되는 탑재시스템에서도 단품 성능의 열화없이 햇이 정상적으로 동작한다고 할 수 있다.
발사장으로 이송 전까지는 상기와 같은 방법으로 무선 링크에 대한 간접적인 점검이 수행되며, 발사장에 이송 후에는 지상국과 실질적인 링크 시험을 기대할 수 있다.
그러나 발사체는 각각 분리된 시스템이 최종 조립되면
그림 13. 안테나 햇을 이용한 시스템 시험에서 비디오 송 신 출력 스펙트럼
Fig. 13. Spectrum of video transmitting output in system test using antenna hat.
그림 14. 발사 전 조립동에서 RF 호환성 시험을 위한 안 테나 햇 설치 사진
Fig. 14. Antenna hat installation for RF compatibility test- ing in assembly building before launch operation.
발사 전까지는 상당 기간을 발사체 조립동에 보관되고, 각종 전기/기계적인 시험 및 발사 전 기능 점검이 실시된 다. 이때 전기적인 최종 점검을 위해서 그림 14와 같이, 제 안된 소형 안테나 햇을 이용하여 그림 1의 점선으 로 표 기된 Method(b)의 구성으로 지상국과의 종합연계(end-to- end) RF 호환성 시험을 정상적으로 수행할 수 있었다.
Ⅴ. 결 론
본 논문에서는 발사체 시스템의 무선 통신시험을 위한 소형 안테나 햇 구조를 제안하였다. 제안된 안테나 햇은
위성체 안테나 햇에서 통상적으로 사용하고 있는 흡수체 구조를 쓰지 않고, 도체 쉴드 구조를 사용하였다. 햇의 금 속 경계면이 탑재안테나에 매우 인접하더라도 탑재안테 나는 자유 공간에서의 공진 조건과 아주 유사한 특성을 보였다.
또한 파라미터 분석을 통해서 최적의 설계값을 도출하 였으며, 시뮬레이션값과 측정값은 잘 일치하였다. 74 mm
×13 mm×16 mm 크기의 역-F 탑재안테나를 위해 제작된 S-밴드 안테나 햇은 88 mm×35 mm×44 mm 크기로 탑재 안테나에 비해 많이 크지 않으며, 중심주파수 2.25 GHz에 서 반사손실 25.6 dB, 삽입 손실 0.26 dB, 누설손실 49.4 dB를 갖는다.
이러한 구조는 손실이 매우 작으므로 RF 호환성 시험 시에 추가적인 리피터를 요구하지 않으며, 향후 다양한 형태의 탑재안테나에 대해서도 제안된 설계 방법이 적용 가능하리라 기대된다.
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2000년 3월～2001년 3월: 한국전자통신연 구원 연구원
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박 동 철
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2005년～2007년: 대덕 Wireless 포럼 회장 1976년～현재: 충남대학교 전파공학과 교수
[주 관심분야] Microwave and Millimeterwave Passive Compo- nents, Antennas, EMI/EMC
