A Study on Coaxial-Structure Waveguide High-Order Mode Coupler of Ku-Band satellite tracking system for UAV

*정회원, 국방과학연구소 2기술연구본부 1부

**정회원, 아주대학교 컴퓨터공학과 (교신저자)

***준회원, LIG 넥스원 통신연구센터

접수일자 : 2016년 3월 8일, 수정완료 : 2016년 4월 7일 게재확정일자 : 2016년 4월 8일

Received: 8 March, 2016 / Revised: 7 April, 2016 / Accepted: 8 April, 2016

**Corresponding Author: [email protected]

Dept. of Computer Engineering, Ajou University, Korea http://dx.doi.org/10.7236/JIIBC.2016.16.2.93

JIIBC 2016-2-11

무인기용 Ku 대역 위성추적 시스템의 동축구조 도파관 고차모드 커플러에 대한 연구

A Study on Coaxial-Structure Waveguide High-Order Mode Coupler of Ku-Band satellite tracking system for UAV

이재문

, 임재성

, 가득현

Jaemoon Lee

, Jaesung Lim

, Deukhyun Ga

요 약 본 논문은 무인기용 Ku 대역 위성추적 안테나 시스템의 다중모드 모노펄스 추적 시스템을 위한 소형구조 도 파관 고차모드 커플러를 설계, 제작 및 성능시험을 수행하였다. 제안된 고차모드 커플러는 이동형 탑재용 위성추적 안 테나 시스템에 적용이 가능하도록 장착성을 감안, 동축 구조의 도파관 구조를 이용하였다. 또한 제안된 커플러를 이용 하여 출력된 추적 오차 신호의 패턴을 측정하고 설계된 주파수 대역내에서 적정한 추적 오차가 도출됨을 확인하였다.

제안된 커플러 구조는 향후 정밀추적이 요구되는 다중모드 모노펄스 위성추적시스템에 이용될 것으로 기대된다.

Abstract

Key Words :

Ⅰ. 서 론

위성 단말은 위성 신호의 추적을 위한 추적시스템을 포함하고 있으며, 단말의 특성에 따라 요구되는 추적 정 확도를 갖게된다. 특히 근래에는 무인기 등을 이용한 위 성 단말의 등장으로 무인기 내에 장착 가능하면서도 높 은 추적 정확도를 갖는 추적 시스템에 대한 요구가 증가 하고 있다. 무인기는 제한된 동체 구조로 인해 장비의 소 형/경량화가 최우선적으로 고려되어야 하며

, 이에 따라

위성추적 시스템 역시 높은 추적도를 가지면서도 소형

구조를 가져야 한다. 일반적으로 높은 추적 정확도를 위

해서는 모노펄스 방식의 추적시스템이 많이 이용되나

,

다중혼 모노펄스 방식의 경우 높은 부엽 준위로 간섭 발

생 및 다수의 혼안테나 및 비교기 등으로 인한 무게 증가

로 소형화에 용이하지 않다

. 따라서 최근에는 높은 추

적 정확도를 가지면서도 소형화가 가능한 다중모드 모노

펄스 방식의 추적시스템에 대한 연구가 활발히 진행중이

다

. 다중모드 모노펄스 추적시스템은 수신된 위성신호

그림 1. 다중모드 모노펄스 수신 급전부 신호 흐름도 Fig. 1. Signal flow at multi-mode receiving feeder

형 구조를 갖는 고차모드 커플러를 제안한다. 제안된 커

플러는 소형 구조를 위해 동축구조 도파관구조를 가지고, 기본모드와 고차모드 신호간 격리도 향상을 위해 기본모 드 신호 추출은 내측 원형도파관을, 고차모드 신호 추출 은 외측 원형도파관에 슬롯과 스텝구조의 4포트 직사각 형 도파관을 이용한다. 4포트 직사각형 도파관은 단일편 파를 기준으로 2개의 포트로 고차모드 신호를 추출해 하 나의 포트에서 고차모드 신호가 추출 될 수 있게 한다.

논문 구성은 다음과 같다. 2장에서는 다중모드 모노펄스 위성추적을 위한 커플러의 동작 방식 및 오차신호 추출 원리를 설명한다. 3장에서는 제안된 커플러의 구조를 이 용, 모의 실험을 통한 성능을 제시하고 실제 제작된 커플 러를 이용한 시험 결과와 비교하여 설계 결과를 검증한 다. 4장에서는 향후 연구방향을 기술하고 결론을 맺는다.

Ⅱ. 본 론

다중모드 모노펄스 시스템은 안테나 급전부를 통해 수신되는 위성의 비콘 신호를 이용, 안테나 빔축이 위성 의 방향으로부터 벗어났을 때 발생되는 고차모드 신호 (TE21 mode)를 분리해내고 이를 통해 위성 비콘 신호의 추적 오차를 산출한다[2]. 아래 그림 1은 일반적인 다중 모드 모노펄스 방식의 신호 수신부 동작 개념도이다.

안테나를 통해 수신된 신호는 급전부의 도파관을 통 해 전송되는데 통신용 신호는 내측의 유전체 혼을 통해 송수신되는 기본모드 신호(TE11)이며, 추적용 신호는 고 차모드 신호(TE21)로 유전체혼 외측에 위치한 동축도파 관 및 고차모드 커플러를 이용하여 추출된다

. 제안된 커플러는 4 slot 을 이용하여 고차모드(TE21 mode) 합성 하고 H-Field 가 강자계 일때 4 slot으로 커플링되는데, 이때 2개의 출력 포트로 고차모드 신호가 추출되며 위상

차를 갖는 고차모드 신호를 동위상으로 합성 후 다시 90°

하이브리드커플러로 합성하여 오차 신호를 추출하게 된 다

. 그림 2는 위성비콘 신호의 지향 오차에 따라 커플러 에서 고차모드 신호가 생성되는 원리를 나타낸다

. 비콘 신호가 이동시 발생하는 방위각 및 고각 오차 정보를 포 함하는 각 고차모드 신호는 Magic Tee에서 커플링되어 오차 신호를 출력하게 된다. 이후 출력된 신호는 그림 3 과 같이 90도 하이브리드 커플러를 통과하여 모노펄스추 적용 오차 신호 결과를 생성하게 된다. Port 2에서는 port 1신호의 위상이 90도 지연되고, port 4 신호의 위상이 180 도 지연되어 동위상으로 합성된다. 합성된 신호는 RF 신 호처리 경로를 거친 후 위성추적장치 신호분석부로 입력 된다.

Ⅲ. 실험결과 분석

1. 커플러 성능 모의 실험결과

본 장에서는 제안된 형상을 기반으로 모의 실험을 수 행하고 실제 제작된 커플러 성능 시험 결과와 비교한다.

그림 4는 설계된 커플러의 형상을 나타낸다.

그림 2. 고차모드 신호 수신 개념도

Fig. 2. Conceptual figure of higher-order mode signal reception

그림 3. 90도 하이브리드 커플러 신호 흐름도

Fig. 3. Signal flow at 90 degree hybrid coupler

운용 가능한 주파수 대역을 확인하기 위해 각 포트에 대해 반사손실(S11, parameter)을 시뮬레이션 하였다. 반 사손실 및 삽입손실 시뮬레이션은 그림 5와 같이 방위각 및 고각방향의 오차를 갖는 고차모드 신호를 입력 포트 에 인가하였을 때 나타나는 반사손실 특성을 및 입/출력

그림 4. 제안된 고차모드 커플러의 3차원 모델

Fig. 4. 3-Dimensional model of High-order coupler

포트간 삽입 손실을 측정하였다, 측정결과는 그림 6과 같

이 약 70MHz의 대역에서 운용 가능할 것으로 예측되었

다.

그림 6. 반사손실 시뮬레이션 결과

Fig. 6. Simulation result of S11 parameter

그림 7 및 그림 8은 고차모드 신호 입력시 각 커플러 에서 유도되는 E-field 및 H-field에 대한 결과를 나타낸 다.

2번 포트에 고차모드 인가

그림 8. B 커플러 E/H 필드 시뮬레이션 결과

Fig. 8. Simulation result of‘B’coupler E/H field

2. 프로토타입 커플러 성능 측정결과

그림 9는 실제 제작된 커플러의 프로토타입 형상을 나

타내고 있다. 그림 10과 그림 11은 제작된 각 커플러의

반사손실 측정값을 나타내고 있다. 두 커플러 모두

12.75GHz 주파수 대역 인근에서 유효한 성능을 나타내

고 있음을 알 수 있다.

그림 9. Ku 대역 커플러 시제품

Fig. 9. Ku band coupler Proto-type

그림 10. A 커플러 S11 측정결과

Fig. 10. S11 measurement result of‘A’coupler

그림 11. B 커플러 S11 측정결과

Fig. 11. S11 measurement result of‘B’coupler

그림 12는 제작된 커플러를 이용 급전 혼에 대한 패턴 을 측정하기 위한 구성도이다. 이를 통해 그림 13과 그림 14와 같이 커플러별 고차모드 신호의 측정결과, 모두 약 –30dB 이상의 패턴을 나타내어 정밀 추적에 활용할 수 있음을 확인하였다[0].

그림 12. Ku 대역 급전 혼 패턴 측정 구성도

Fig. 12. Measurement set-up of Ku band feeding horn pattern

그림 13. A 커플러 고차모드 신호 측정결과

Fig. 13. TE21 signal measurement result of‘A’

coupler

그림 14. B 커플러 고차모드 신호 측정결과

Fig. 14. TE21 signal measurement result of‘B’

coupler

아래 그림 15는 12.25GHz 및 12.75GHz에 대한 고차모 드 신호의 시뮬레이션 결과이다. 12.25GHz 에서는 Null Pattern 의 폭이 증가하게 되어 추적 정확도가 감소할 것 으로 예측된다. 따라서 향후 좀 더 넓은 대역에서 추적 정확도를 유지할 수 있는 커플러의 구조를 연구할 필요 가 있다.

그림 15. 고차모드 신호 패턴 시뮬레이션 Fig. 15. TE21 signal pattern simulation

References

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Jun, and J. M. Lee “Design of a Higher-order Mode Coupler Using Coaxial-Structure Waveguide for Ku-Band Monopulse Satellite Tracking” KICS,

’14-04 vol. 39C, no. 4, pp. 393-407, 2014 [7] D. M. Pozar, Microwave Engineering 4th Edition,

John Wiley & Sons, 2011

[8] D. H. Ga, D. H. Park, C. H. Song, S. J. Ahn, C. W.

Jun, and J. M. Lee “Design of a Higher-order Mode Coupler Using Coaxial-Structure Waveguide for Ku-Band Monopulse Satellite Tracking,”

KICS, ’14-04 vol. 39C, no. 4, pp. 393-407, 2014.

[9] Dr. Lofty Sakr, “The higher order modes in the feeds of the satellite monopulse tracking antennas”, IEEE Melecon, Egypt Cairo, 2002

저자 소개

이 재 문(정회원)

∙2000년 : 한양대학교 전기전자공학부 (학사)

∙2002년 : 한양대학교 대학원 전파공학 과(공학석사)

∙2002년∼현재 : 국방과학연구소 <주관심분야 : 데이터링크, 위성통신,

군 전술통신망>

임 재 성(정회원)

∙1994년 : KAIST 전자공학과(공학박 사)

∙1995년∼1998년 : SK텔레콤 중앙연 구원

∙1998년∼현재 : 아주대학교 컴퓨터공 학과 교수

<주관심분야 : 위성통신 및 측위, 전술 데이터링크>

가 득 현(준회원)

∙2011년 : 한남대학교 정보통신공학과 (학사)

∙2013년 : 한양대학교 전자컴퓨터통신 공학과(공학석사)

∙2013년∼현재 : LIG넥스원

<주관심분야 : 안테나, 위성통신,추적 시스템>